JP4702097B2 - 含クロム溶銑用保持炉の操業方法 - Google Patents

Description

本発明は、溶融還元炉などで溶製された含クロム溶銑を、該含クロム溶銑から含クロム溶鋼を溶製するための脱炭精錬設備へ装入するまでの期間、貯留するための保持炉の操業方法に関し、詳しくは、保持炉におけるクロムの酸化ロスの低減並びに保持炉耐火物の寿命を向上させることのできる操業方法に関するものである。

一般に、ステンレス鋼で代表される高クロム溶鋼は、フェロクロム（Ｆｅ−Ｃｒ合金）及びステンレス鋼スクラップを主原料として電気炉で溶解して高クロム粗溶湯（含クロム溶銑や含クロム溶鉄など）を得た後、この高クロム粗溶湯に、ＡＯＤ炉（アルゴン−酸素−脱炭精錬炉）で脱炭精錬を施して溶製している。この場合に、脱炭精錬の後に、ＶＯＤ炉（真空−酸素−脱炭精錬炉）などの真空脱ガス設備を用いて更に仕上げ精錬する場合もある。また、最近では、普通溶銑（クロムを含有しない通常の溶銑）の存在下でクロム鉱石を炭材により溶融還元して高クロム粗溶湯を溶製することも行われている。

このようにして溶製される高クロム粗溶湯の製造コストは、大部分がクロム原料のコストで占められており、そのため、フェロクロムなどの合金原料よりも安価なステンレス鋼スクラップがクロム源として多量に使用されている。但し、ステンレス鋼スクラップの使用量を増大すると、高クロム粗溶湯の溶製時間が長くなるという問題が発生する。これは、ステンレス鋼スクラップはフェロクロムに比べてクロム含有量が少なく、ステンレス鋼スクラップの溶解に必要な熱量を供給しなければならず、フェロクロムを使用した場合には普通溶銑を使用することができ、その分だけ精錬時間が延長するからである。

この高クロム粗溶湯から脱炭精錬を経て溶製された高クロム溶鋼は、通常、連続鋳造設備で鋳造される。連続鋳造設備は、多ヒートの連続連続鋳造（「連々鋳」という）が可能であり、連々鋳の場合には、（１）鋳造開始部位及び終了部位の屑化鋳片の比率が小さくなり製品歩留りが向上する、（２）タンディッシュ耐火物の原単位が低減する、などのコスト削減の効果があり、溶製コストの高い高クロム溶鋼は、特に連々鋳が必須となっている。

しかしながら、高クロム粗溶湯の溶製から高クロム溶鋼の鋳造までの製鋼工程において、高クロム粗溶湯を溶製するための生産設備の生産性は、脱炭精錬設備及び連続鋳造設備の生産性に比べて低く、連々鋳の場合には、連続鋳造設備の鋳造速度に合わせて高クロム溶鋼を連続鋳造設備へ供給する必要があり、そのためには高クロム粗溶湯の溶製時間の短縮が必要であり、その結果、高クロム粗溶湯の溶製工程におけるステンレス鋼スクラップの使用量は自ずと制限されていた。

この高クロム粗溶湯の溶製工程と連続鋳造工程とを緩衝させることを目的に、本出願人は先に特許文献１を提案した。即ち、還元雰囲気下における含クロム溶銑の溶製工程と、該含クロム溶銑の脱炭精錬工程との間に保持炉を設け、この保持炉に数ヒート分の含クロム溶銑を保持しておき、脱炭精錬工程で必要とする時期に応じて、脱炭精錬工程へ含クロム溶銑を供給するという方法である。これにより、高クロム粗溶湯の溶製工程と連続鋳造工程とは互いに影響を与えることなく操業することが可能となり、高クロム鋼の製造コスト削減が達成されている。尚、特許文献１では、高クロム粗溶湯として含クロム溶銑を用いている。
特開２００３−１５５５１５号公報

保持炉は、含クロム溶銑の単位質量当たりの表面積が小さくて放散熱量が少なく、熱的に有利である。しかしながら、クロムを含有する含クロム溶銑を保持する場合、含クロム溶銑中の炭素と同時にクロムが雰囲気ガス（大気中酸素）によって酸化され、含クロム溶銑中のクロムが酸化により損失するという問題のあることが分かった。また、保持炉は、含クロム溶銑の単位質量当たりの放熱量を少なくするために出湯口が小さく、そのために、出湯時にスラグが排出しにくく、炉内に残留するスラグによって保持炉の耐火物が溶損するという問題のあることが分かった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、脱炭精錬の施される前の含クロム溶銑を保持する保持炉において、含クロム溶銑中のクロムの酸化を抑制することができるとともに、保持炉内のスラグを容易に排出させることのできる含クロム溶銑用保持炉の操業方法を提供することである。

上記課題を解決するための第１の発明に係る含クロム溶銑用保持炉の操業方法は、クロム源の溶解処理または溶融還元処理によって得られた含クロム溶銑を保持炉で保持するに当たり、保持炉内に含クロム溶銑１トン当たり０．５ｋｇ以上の固体炭素源を添加することを特徴とするものである。

第２の発明に係る含クロム溶銑用保持炉の操業方法は、第１の発明において、前記保持炉に含クロム固体金属原料を添加して、該含クロム固体金属原料を前記含クロム溶銑中に融解させることを特徴とするものである。

第３の発明に係る含クロム溶銑用保持炉の操業方法は、第２の発明において、前記含クロム固体金属原料は、ステンレス鋼スクラップまたはダストメタルであることを特徴とするものである。

本発明によれば、含クロム溶銑１トン当たり０．５ｋｇ以上の固体炭素源を保持炉内に添加するので、添加した固体炭素源が雰囲気ガス中の酸素ガスと反応し、含クロム溶銑浴面の酸素ポテンシャルが低下して含クロム溶銑中のクロムの酸化が抑制されると同時に、固体炭素源の酸化反応による発熱により保持炉内のスラグが加熱され、スラグの粘度が低下して出湯時のスラグの排出が促進され、その結果、スラグによる保持炉耐火物の溶損が低減し、耐火物の寿命が向上する。このように、本発明により工業上有益な効果がもたらされる。

以下、添付図面を参照して本発明を具体的に説明する。図１は、本発明を実施する際に用いた保持炉の概略斜視図で、保持炉の一部分をカットした断面で示している。

図１に示すように、円筒状の保持炉１は、外殻を鉄皮７とし、この鉄皮７の内側に耐火物８が施工されていて、支持機構（図示せず）によって円筒形状の軸方向を中心として回転可能に支持されている。保持炉１には、溶銑搬送容器（図示せず）から含クロム溶銑６を受銑したり、ステンレス鋼スクラップを装入したりするための装入口３、及び、貯蔵した含クロム溶銑６を装入鍋などの溶銑保持容器（図示せず）に排出するための出湯口２が、その側壁に設置されている。また、保持炉１の側壁下部には、貯留した含クロム溶銑６を誘導加熱するための溝型誘導加熱装置５が配置され、一方、保持炉１の側壁上部には、保持炉１に貯留された含クロム溶銑６及び含クロム溶銑６の上に存在するスラグ（図示せず）から試料を採取するための試料採取口４が設置されている。尚、図１において、溝型誘導加熱装置５は１基のみ設置されているが、２基以上配置することができる。この溝型誘導加熱装置５は特別の装置は必要でなく、例えば特公昭５０−２５６６６号公報に開示される慣用の溝型誘導加熱装置を用いることができる。また、加熱手段は溝型誘導加熱装置５に限るものではなく、バーナー加熱などの他の手段を用いることもできる。保持炉１からの出湯時は保持炉１を傾動し、出湯口２から含クロム溶銑６を出湯する。

この保持炉１にて、電気炉、誘導加熱炉などの溶解炉において、フェロクロム、ステンレス鋼スクラップなどのクロム源と、鉄スクラップ、冷銑などの鉄源とを主原料として溶解処理されて溶製された含クロム溶銑６、或いは、転炉型の溶融還元炉において、クロム鉱石、フェロクロム、ステンレス鋼スクラップなどのクロム源と、普通溶銑、鉄スクラップ、冷銑などの鉄源とを主原料として溶融還元処理されて溶製された含クロム溶銑６を、次工程の脱炭精錬設備に供給するまでの期間、溝型誘導加熱装置５により所定の温度に加熱・維持しながら貯留する。

保持炉１において含クロム溶銑６を貯留する間に、含クロム固体金属原料を添加して、含クロム溶銑６に融解させて含クロム溶銑６のクロム濃度を高めることが好ましい。含クロム溶銑６のクロム濃度を高めることにより、次工程の脱炭精錬設備における固体クロム源の溶解時間が短縮されて全体の精錬時間が短縮される。この場合、特に、安価な含クロム固体金属原料を保持炉１に添加することが好ましい。これにより、次工程の脱炭精錬設備における精錬時間の短縮のみならず、脱炭精錬設備における成分調整用の高価なフェロクロムの使用量を削減することが達成される。

含クロム固体金属原料としては、ステンレス鋼スクラップ、フェロクロム、ダストメタルなどを使用できるが、安価な含クロム固体金属原料としては、ステンレス鋼スクラップ及びダストメタルが挙げられる。ここで、ダストメタルとは、含クロム溶銑６の溶製工程或いは含クロム溶銑６を用いた脱炭精錬工程において、排ガスに混入して回収されるクロムを含有するダストメタルである。尚、この含クロム固体金属原料の添加量は、前工程からの含クロム溶銑６の供給能力と保持炉１の加熱能力とを勘案して、特に次工程の脱炭精錬工程のスケジュールを阻害しないように定めることが必要である。保持炉１の目的は、連続鋳造設備の操業に合わせて定められた脱炭精錬設備の精錬スケジュールが、含クロム溶銑６の溶製設備の能力によって阻害されないようにすることを目的としているからである。ここで、本発明における含クロム溶銑６とは、クロムを５質量％以上、炭素を２．５質量％以上含有する溶銑のことである。

保持炉１には、上記のように出湯口２及び装入口３が必要であり、出湯口２及び装入口３に蓋を設置しても、保持炉１の内部雰囲気を大気と完全に遮断することは困難で、内部の雰囲気ガスには酸素ガスが含まれる。

クロムを含有しない普通溶銑の場合には溶銑中の炭素が優先的に酸化するが、含クロム溶銑６の場合には、炭素の他に下記の（１）式に示すクロムの酸化反応、及び、下記の（２）式に示す珪素の酸化反応が進行する。

含クロム溶銑６では、合金成分としてのクロムのコスト比率が高く、（１）式の反応によるクロムの酸化ロスは極力抑制する必要がある。また、含クロム溶銑６の溶製の際にクロム源としてフェロクロムを利用した場合には、フェロクロムに含まれる珪素が持ち来たされ、（２）式の反応によって保持炉１の内部でスラグが発生する。含クロム溶銑６を保持炉１に装入する際にも、含クロム溶銑６の溶製工程で発生したスラグが含クロム溶銑６とともに保持炉１に混入する。

保持炉１の内部に存在するスラグ量が多くなると、上記の（１）式及び（２）式の反応生成物であるＣｒ₂ Ｏ₃ 及びＳｉＯ₂ の活量が低下するため、（１）式及び（２）式の反応がより一層促進される。保持炉１では放熱量を小さくするために出湯口２が小さく、保持炉１からの含クロム溶銑６の出湯の際に、含クロム溶銑６とともに排出されるスラグは少ない。

保持炉１のように、高温の溶湯を保持する容器の耐火物としては、スラグに対する耐蝕性に優れたクロム・マグネシア質耐火物が用いられるが、上記のようにスラグ量が増加すると、スラグライン部の耐火物の溶損が進行し、耐火物寿命が低下する。特に、含クロム溶銑６の酸化により生成するＣｒ₂ Ｏ₃ 及びＦｅＯの濃度が高い場合には耐火物寿命の低下が著しくなる。

これらの問題を解決するために、本発明者等は保持炉１に収容された含クロム溶銑６に固体炭素源を添加する試験を実施した。固体炭素源としては粒径が５〜２０ｍｍのコークスを使用した。保持炉１の仕様及び操業方法、並びに、含クロム溶銑６の温度及び成分を表１に示す。

試験はコークスの添加量を含クロム溶銑１トン当たり０．１〜５．０ｋｇの範囲で変更し、そのときの含クロム溶銑６のクロムの酸化量、スラグの温度、スラグの排出量を調査した。当然ながら、コークスを添加しない場合も調査した。クロムの酸化量は、試料採取口４から含クロム溶銑６の試料を採取し、クロム濃度の経時変化から求めた。スラグの温度は、放射温度計を用いて保持炉１の内部のスラグの表面温度を測定して求めた。スラグの排出量は、保持炉１からの出湯の毎に装入鍋に排出されたスラグを別の滓容器に掻き出し、掻き出したスラグを秤量して求めた。そして、各試験期間の平均値を代表値として求めた。

試験結果を、図２〜図４に示す。図２は、コークス添加量とクロム酸化量との関係を示す図であり、コークスの添加量が含クロム溶銑１トン当たり０．５ｋｇ（以下、「ｋｇ／ｔ」とも記す）以上になると、クロム酸化量は０．１〜０．３ｋｇ／ｔ・ｈｒの低位に安定することが分かった。図３は、コークス添加量とスラグ表面温度との関係を示す図であり、コークスの添加量が０．５ｋｇ／ｔ以上になると、スラグの表面温度は安定して１１００℃以上に確保されることが分かった。図４は、コークス添加量とスラグ排出量との関係を示す図であり、コークスの添加量が０．５ｋｇ／ｔ以上になると、スラグ排出量は０．４トン／回以上になることが分かった。

これらは、添加したコークスが雰囲気ガス中の酸素ガスと反応し、含クロム溶銑６の浴面の酸素ポテンシャルが低下して含クロム溶銑６に含有されるクロムの酸化が抑制されると同時に、コークスの酸化反応による発熱によりスラグが加熱され、スラグの粘度が低下して出湯時のスラグの排出が促進されたことによる。

これらの結果から、保持炉１に収容された含クロム溶銑６のクロムの酸化を抑制すると同時に、保持炉１からのスラグ排出を促進させるためには、保持炉１にコークスなどの固体炭素源を含クロム溶銑１トン当たり０．５ｋｇ以上添加することが極めて有効であることが分かった。即ち、本発明では、クロム源の溶解処理または溶融還元処理によって得られた含クロム溶銑６を保持炉１で保持するに当たり、保持炉１の内部に含クロム溶銑１トン当たり０．５ｋｇ以上の固体炭素源を添加することを必須とする。

固体炭素源としては、上記のコークスの他に、石炭、木炭、黒鉛、プラスチックなどの炭素含有物質を用いることができる。固体炭素源の粒度は一般的に精錬工程で使用される範囲であれば如何なるものでもよく、また、添加方法も、上置き添加法、インジェクションランスを用いた吹き込み法、投射ランスを用いた投射法など、如何なる方法であっても構わない。投入する時期も、保持炉１を通過する含クロム溶銑６の量に応じて設定すればよい。

以上説明したように、本発明により、含クロム溶銑中のクロムの酸化が抑制されると同時に、出湯時のスラグの排出が促進されて、スラグによる保持炉１の耐火物８の溶損が低減し、耐火物８の寿命が向上する。このように、本発明により、含クロム溶銑６から溶製される高クロム鋼の製造コストを大幅に低減することが可能となる。

前述した図１に示す保持炉を用い、前述した表１に示す操業条件において、３水準の試験操業を実施した。試験水準１は、固体炭素源を添加せず、従来と同様の方法とした（従来例）。試験水準２は、１日１回、含クロム溶銑１トン当たり０．３ｋｇのコークスを保持炉内の含クロム溶銑に上置き添加した（比較例）。試験水準３は、１日１回、含クロム溶銑１トン当たり０．８ｋｇのコークスを保持炉内の含クロム溶銑に上置き添加した（本発明例）。各々の試験水準で３ヶ月ずつの長期的な試験操業を実施した。

そして、各試験操業において、含クロム溶銑中のクロムの酸化量、保持炉内のスラグ量、保持炉耐火物の損耗量を調査した。含クロム溶銑中のクロムの酸化量は、保持炉から含クロム溶銑の試料を採取し、クロム濃度の経時変化から求めた。保持炉内のスラグ量は、鉄製冶具のスラグへの浸漬法による、毎日の保持炉内スラグの厚み測定により求めた。耐火物損耗量は、３ヶ月後の耐火物残厚測定結果から求めた。クロム酸化量及びスラグ量は期間中の測定値の平均値である。表２に各試験操業別の調査結果を示す。

表２に示すように、本発明例では、従来例及び比較例に比べて、クロムの酸化が抑制されるとともに、スラグの排出量が多くなることによって炉内スラグ量の低減化がなされ、その結果、耐火物損耗量も大幅に軽減した。

本発明を実施する際に用いた保持炉の概略斜視図である。 コークス添加量とクロム酸化量との関係を示す図である。 コークス添加量とスラグ表面温度との関係を示す図である。 コークス添加量とスラグ排出量との関係を示す図である。

符号の説明

１ 保持炉
２ 出湯口
３ 装入口
４ 試料採取口
５ 溝型誘導加熱装置
６ 含クロム溶銑
７ 鉄皮
８ 耐火物

Claims (3)

1. クロム源の溶解処理または溶融還元処理によって得られた含クロム溶銑を保持炉で保持するに当たり、保持炉内に含クロム溶銑１トン当たり０．５ｋｇ以上の固体炭素源を添加することを特徴とする、含クロム溶銑用保持炉の操業方法。
2. 前記保持炉に含クロム固体金属原料を添加して、該含クロム固体金属原料を前記含クロム溶銑中に融解させることを特徴とする、請求項１に記載の含クロム溶銑用保持炉の操業方法。
3. 前記含クロム固体金属原料は、ステンレス鋼スクラップまたはダストメタルであることを特徴とする、請求項２に記載の含クロム溶銑用保持炉の操業方法。

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