JP4795084B2 - 冷鉄源の溶解方法 - Google Patents

Description

本発明は，冷鉄源の溶解方法に関し，特に，受銑容器内に予め冷鉄源を装入し，高炉から受銑する溶銑の熱を利用して受銑容器内の冷鉄源を溶解する方法に関する。

製鋼工程においては，転炉溶銑装入の前後に冷鉄源を投入し，転炉吹錬時に発生する炭素の燃焼熱などを利用して冷鉄源を溶解させ，転炉の溶銑配合率（ＨＭＲ）を低下させて増出鋼を可能とする方法が一般的に用いられる。この方法は，転炉で発生する熱と強い撹拌力を有効に活用して効率よく冷鉄源を溶解することが可能であるが，転炉では酸化雰囲気であるため，脱硫は期待できないことから，冷鉄源中の不純物，特に，硫黄の上昇を招いてしまう。そこで，受銑時の撹拌エネルギーを活用し，受銑容器内に予め冷鉄源を装入しておき，受銑した後に脱硫などの溶銑予備処理を行うことにより，転炉での溶銑配合率（ＨＭＲ）を低下させる方法が提案されている。この際，受銑容器内に装入された冷鉄源を溶解させることが必要となるが，かかる冷鉄源の溶解方法としては，例えば，下記特許文献１および２に記載された技術がある。

特許文献１には，溶銑払出し後の熱間トーピードカー内に小径の湿潤固体鉄源を投入し，トーピードカーを複数回傾転して加熱乾燥した後に，溶銑を受銑する溶銑の受銑方法が記載されている。また，特許文献２には，転炉に溶銑を装入した後の空の容器（溶銑鍋）に冷鉄源を装入しておき，それに溶銑を装入してその冷鉄源を溶解させ，脱燐処理を行う方法が記載されている。

特開平５−２３９５２３号公報 特開平５−５９４２１号公報

しかしながら，スクラップや回収地金などの冷鉄源は，含有されているＣ濃度や大きさ・形状等が異なっているものが混在しており，高炉からの溶銑を受銑したときに，完全に溶解する冷鉄源が存在する一方で未溶解の冷鉄源が存在するなど，溶解の度合いにバラツキが生じてしまうという問題があった。このようなバラツキの発生を防止するために，投入する冷鉄源の量を極端に減らしたり，受銑容器内に溶銑を滞留する時間を延ばしたり，あるいは，受銑後に脱燐や脱硫などによる受銑容器内へのガスの吹き込みや撹拌を行うという増工程を行うことで，未溶解の冷鉄源の発生を防止するなどの制約が生じてしまう。

また，冷鉄源は，水分が混入していると受銑時に突沸したり，酸素分が混入しているとフレームが発生したりするなどの危険性があるという問題があるが，このような問題を防止するための水分量や酸素分量についての検討はなされていない。

そこで，本発明は，このような問題に鑑みてなされたもので，高炉から受銑する溶銑の熱を利用する冷鉄源の溶解方法において，冷鉄源の溶解のバラツキを防止し，高炉からの溶銑の受銑の際に冷鉄源を完全に溶解するとともに，冷鉄源中の水分量や酸素分量を制御することにより受銑を安全に行うことを目的とする。

本発明者らは，上記課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果，スクラップや回収地金などの冷鉄源は，鋼・銑鉄，発生物などの種類別に分別管理されており，そのＣ濃度が概ね把握できることに着目し，許容される冷鉄源の溶解時間（高炉からの溶銑の受銑に要する時間）と冷鉄源に含まれるＣ濃度に応じて，冷鉄源の大きさを調整することにより，冷鉄源の溶解のバラツキを防止し，高炉からの溶銑の受銑の際に冷鉄源を完全に溶解できることを見出し，この知見に基づいて本発明を完成するに至った。

すなわち，本発明の要旨とするところは以下のとおりである。
（１）高炉で生成された溶銑を受銑する受銑容器内に受銑前に予め冷鉄源を投入しておき，前記冷鉄源が投入された前記受銑容器に溶銑を装入する冷鉄源の溶解方法であって，代表長さＬが，受銑開始から受銑終了までの時間である受銑時間Ｔ（分）および前記冷鉄源中に含まれる炭素濃度Ｃ（質量％）に応じて下記式（ｉ）で求められる長さ以下になる前記冷鉄源を，投入量が，前記受銑容器内に投入された前記冷鉄源量と前記受銑容器内に装入された溶銑量の合計に対して，１０質量％以下となるように投入することを特徴とする，冷鉄源の溶解方法。（ただし，冷鉄源の代表長さＬとは，炭素の拡散や熱伝導が冷鉄源全体に到達する時間を決める長さであり，表・裏が判別できる形状の冷鉄源であれば厚み，表・裏が判別できない形状の冷鉄源であれば代表径のことをいう。）
Ｌ＝ｅｘｐ（Ａ×√Ｔ） ・・・（ｉ）
ただし，Ａ＝０．１０Ｃ＋０．３０ である。
（２）前記冷鉄源は，０．５質量％以下の水分含有率を有することを特徴とする，（１）に記載の冷鉄源の溶解方法。
（３）前記冷鉄源は，５質量％以下の酸素濃度を有することを特徴とする，（１）または（２）に記載の冷鉄源の溶解方法。

本発明によれば，高炉から受銑する溶銑の熱を利用する冷鉄源の溶解方法において，冷鉄源の溶解のバラツキを防止し，高炉からの溶銑の受銑の際に冷鉄源を完全に溶解するとともに，冷鉄源中の水分量や酸素分量を制御することにより受銑を安全に行うことが可能である。

したがって，本発明によれば，未溶解の冷鉄源の発生を抑制するために，投入する冷鉄源の量を極端に減らしたり，受銑容器内に溶銑を滞留する時間を延ばしたり，あるいは，受銑後に脱燐や脱硫などによる受銑容器内へのガスの吹き込みや撹拌を行うという増工程を行うことなく，高炉からの溶銑の受銑の際に冷鉄源を完全に溶解することができる。

以下に添付図面を参照しながら，本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお，本明細書及び図面において，実質的に同一の機能構成を有する構成要素については，同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

（冷鉄源の溶解方法）
本発明の一実施形態に係る冷鉄源の溶解方法においては，高炉で生成された溶銑を受銑する受銑容器内に受銑前に予め冷鉄源を投入しておき，冷鉄源が投入された受銑容器に溶銑を装入する。このとき受銑前の受銑容器内に投入する冷鉄源としては，代表長さＬが，受銑開始から受銑終了までの時間である受銑時間Ｔ（分）および冷鉄源中に含まれる炭素濃度Ｃ（質量％）に応じて下記式（ｉ）で求められる長さ以下になる冷鉄源を用いる。
Ｌ＝ｅｘｐ（Ａ×√Ｔ） ・・・（ｉ）
ただし，Ａ＝０．１０Ｃ＋０．３０ である。

ここで，受銑容器としては，例えば，トーピードカーや転炉に溶銑を装入する溶銑鍋などを使用することができるが，特に限定はされない。

冷鉄源としては，例えば，スクラップや回収屑・回収地金などが使用される。なお，回遊屑とは，圧延や鋳造工程における切断後の鋼の切れ端であり，Ｃ濃度は比較的低くなっている。また，回収地金は，製鋼工程で得られるスラグから磁力選鉱等で得られる鉄分であり，溶銑屑や溶鋼屑などがあるため，Ｃ濃度は発生するスラグにより異なる。

（冷鉄源の代表長さＬの具体例）
また，冷鉄源の代表長さＬとは，炭素の拡散や熱伝導が冷鉄源全体に到達する時間を決める長さであり，例えば，板，管，棒，方形のような表・裏を判別できるような冷鉄源であれば厚み，球形または石のような表・裏が判別できない形状の冷鉄源であれば代表径のことをいう。以下，図１に基づいて，代表長さＬの具体例について説明する。なお，図１は，本発明において使用される冷鉄源の形状の具体例を示す説明図である。

図１（ａ）に示すように，冷鉄源が板状のものである場合には，代表長さＬとしては，板の厚みを使用する。なお，このような板状の冷鉄源の具体例としては，自動車や家電製品の外板や建物の外板などがある。

また，図１（ｂ）に示すように，冷鉄源が管状のものである場合には，代表長さＬとしては，管の厚みを使用する。なお，このような管状の冷鉄源の具体例としては，パイプや柱などがある。

また，図１（ｃ）に示すように，冷鉄源が棒状のものである場合には，代表長さＬとしては，棒が四角柱状である場合には断面の四角形の短辺の長さを使用し，棒が円柱状である場合には断面の円の径を使用する。なお，このような棒状の冷鉄源の具体例としては，棒鋼や丸鋼などがある。

また，図１（ｄ）に示すように，冷鉄源が方形のものである場合には，代表長さＬとしては，方形の厚み（短辺の長さ）を使用する。なお，このような方形の冷鉄源の具体例としては，棒鋼，スラブ塊（残材），プレス材（例えば，缶などをプレスして固めたもの）などがある。

また，図１（ｅ）に示すように，冷鉄源が塊状のものである場合には，代表長さＬとしては，塊の最大長さを使用する。なお，このような塊状の冷鉄源の具体例としては，１〜２ｍ大の地金塊などがある。

また，図１（ｆ）に示すように，冷鉄源が粒状のものである場合には，代表長さＬとしては，粒の最大長さ（あるいは代表径，平均粒径）を使用する。なお，このような粒状の冷鉄源の具体例としては，スラグ回収鉄分（例えば，荒銑，粒鉄など）などがある。

（冷鉄源の代表長さＬの定め方）
次に，冷鉄源の代表長さＬを上記式（ｉ）のように定めた理由について説明する。上述したように，スクラップや回収地金などの冷鉄源は，そのＣ濃度を概ね把握することができることから，許容される溶解時間，すなわち，高炉における溶銑の受銑時間（＝トーピードカーなどの受銑容器で溶銑の受銑を開始してから終了するまでの時間）と，冷鉄源に含有されるＣ濃度に応じて，代表長さＬが調整される。まず，受銑時間に応じて代表長さＬを調整するのは，未溶解が発生すると実際に得られる溶銑量を予定量得ることができず，転炉吹錬計算と実績との間で誤差を生じ，吹錬の安定性を損なうため，受銑時間内に受銑容器内の冷鉄源を完全に溶解させることが好ましいからである。また，冷鉄源に含有されるＣ濃度に応じて代表長さＬを調整するのは，含有されるＣ濃度により冷鉄源の溶解温度が異なる（Ｃ濃度が高いほど融点が低くなるので，溶解温度は低下し，溶解しやすくなる）ためである。

より詳細に説明すると，溶銑中の冷鉄源の溶解は，（１）冷鉄源中への浸炭による融点低下，（２）熱伝導による温度上昇，という２つのメカニズムが関係している。このような浸炭や熱伝導により，溶解させる冷鉄源中へ炭素が拡散したり，熱が伝導したりするが，冷鉄源の代表長さにより，冷鉄源全体に炭素が拡散したり熱が伝導したりする時間が異なる。そこで，本発明者らはこの点に着目し，冷鉄源を予め装入した受銑容器内に溶銑を受銑し，受銑後の未溶解の冷鉄源の発生量を測定する実験を行うことにより，冷鉄源を完全に溶解させるために許容される代表長さＬと受銑時間および含有Ｃ濃度との関係を見い出し，上記式（ｉ）を得た。

以下，上記実験について，図２および図３に基づいて，具体的に説明する。なお，図２は，冷鉄源の代表長さＬと受銑時間Ｔとの関係を示すグラフであり，図３は，係数Ａと冷鉄源中のＣ濃度（質量％）との関係を示すグラフである。

本実験においては，予め冷鉄源を投入しておいたトーピードカーに５００トンの溶銑を受銑し，受銑時間Ｔごとに（出銑速度を７〜１１ｔ／ｍｉｎに変更した），受銑後の未溶解の冷鉄源が発生し始めるときの冷鉄源の代表長さＬを測定した。また，高炉からの溶銑の出銑温度（代表温度）は１５１０℃で行い，投入した冷鉄源としては，鋼系のスクラップである方形のスラブ片を使用した。このスラブ片の大きさは，長さ８００ｍｍで代表長さ（厚み）が２５０ｍｍであった。また，このスラブ片のＣ濃度を０．１０質量％で固定して実験を行った。

その結果，図２に示すような冷鉄源の代表長さＬと受銑時間Ｔとの関係が下記式（ｉｉｉ）のように得られた。
Ｌ＝ｅｘｐ（０．３１√Ｔ） ・・・（ｉｉｉ）

なお，図２においては，上記式（ｉｉｉ）を示す曲線よりも上側の領域が未溶解の冷鉄源が発生する領域を示し，上記曲線の下側の領域が冷鉄源が完全に溶解する領域を示している。

また，上記実験とは別に，次の実験も行った。すなわち，予め冷鉄源を投入しておいたトーピードカーに５００トンの溶銑を受銑し，冷鉄源中のＣ濃度（質量％）ごとに未溶解のない最大代表径（ｍｍ）を測定した。なお，高炉からの溶銑の出銑温度（代表温度）は１５１０℃，出銑速度は７トン／ｍｉｎで行い，投入した冷鉄源としては，最大長（すなわち代表長さＬ）が１０〜３００ｍｍの地金塊を使用した。その結果，図３（ａ）に示すような関係が得られた。

また，Ｃ濃度が０．１０質量％の場合と同様にして，冷鉄源のＣ濃度ごと（０．５％，１．０％，２．０％，２．４％，２．８％，３．０％，３．５％）に図２と同様にして，代表長さＬと受銑時間Ｔとの関係から未溶解発生と溶解の境界線を求めると，いずれのＣ濃度の場合でも，Ｌ＝ｅｘｐ（Ａ√Ｔ）の関係となる境界線となり，図３（ａ）も参考にして，図３（ｂ）に示すような係数Ａと冷鉄源中の炭素濃度Ｃ（質量％）との関係が下記式（ｉｉ）のように得られた。
Ａ＝０．１０Ｃ＋０．３０ ・・・（ｉｉ）

以上，式（ｉｉｉ）および式（ｉｉ）から，冷鉄源の代表長さＬと係数Ａおよび受銑時間Ｔとの関係が，下記式（ｉ）のように得られた。
Ｌ＝ｅｘｐ（Ａ×√Ｔ） ・・・（ｉ）

また，上記式（ｉ）に基づいて受銑容器に投入する冷鉄源の代表長さＬを揃えた場合でも，冷鉄源の投入量を過剰にすると，未溶解の冷鉄源が発生する。したがって，冷鉄源の投入量を未溶解の冷鉄源が発生しない範囲に制御する必要がある。具体的には，本発明者らは，下記に示す実験により，冷鉄源の投入量は，受銑容器内に投入された冷鉄源量と受銑容器内に装入された溶銑量の合計に対して，１０質量％以下とすること，すなわち，下記式（ｉｖ）の関係を満たすことが必要であるということを見出した。
冷鉄源の投入量＝（冷鉄源量）／（冷鉄源量＋溶銑量）≦１０質量％
・・・（ｉｖ）

以下，図４に基づいて，上記式（ｉｖ）を導くための実験について説明する。なお，図４は，（冷鉄源量）／（冷鉄源量＋溶銑量）の値と未溶解率（％）との関係を示すグラフである。

本実験においては，予め冷鉄源を投入しておいたトーピードカーに５００トンの溶銑を受銑し，投入した冷鉄源の量ごとに冷鉄源の未溶解率（すなわち，投入した冷鉄源の量に対する受銑時間内に未溶解であった冷鉄源の量の質量比）を測定した。なお，高炉からの溶銑の出銑温度（代表温度）は１５１０℃，出銑速度は７トン／ｍｉｎで行い，投入した冷鉄源としては，最大長（すなわち代表長さＬ）が２８０ｍｍの地金塊を使用した。

ここで，未溶解発生量は，以下のようにして把握した。すなわち，予め受銑容器（本実験ではトーピードカー）に投入前の冷鉄源質量を秤量した。そして，冷鉄源を受銑容器に投入し，さらに受銑後の受銑容器内の溶銑と冷鉄源の合計質量を秤量した。さらに，受銑容器から転炉装入用の溶銑鍋に払い出された溶銑質量を秤量し，以下の差分から受銑容器に残った未溶解冷鉄源量を測定した。
未溶解量＝（受銑した溶銑量＋冷鉄源量）−（溶銑鍋に払い出された溶銑量）
未溶解率＝｛（未溶解量）／（受銑した溶銑量＋冷鉄源量）｝×１００

その結果，図４に示すように，受銑容器内に投入された冷鉄源量と受銑容器内に装入された溶銑量の合計に対する投入された冷鉄源量の質量比，すなわち，（冷鉄源量）／（冷鉄源量＋溶銑量）の値が１０質量％以下の場合には，未溶解率が０％，すなわち，未溶解の冷鉄源が発生しないということがわかった。この結果より，上記式（ｉｖ）を満たすことが好ましいということが示された。

また，上述したように，冷鉄源は，水分が混入していると受銑時に突沸したり，酸素分が混入しているとフレームが発生したりするなどの危険性があるという問題がある。そこで，本発明者らは，これらの危険を避けて安全に受銑を行うことができるための，冷鉄源中に含まれる水分含量および酸素含量についての実験を行った。

以下，図５および図６に基づいて，上記冷鉄源中に含まれる水分含量および酸素含量についての実験の詳細を説明する。なお，図５は，冷鉄源中の水分量（質量％）と受銑時の突沸発生率（％）との関係を示すグラフであり，図６は，冷鉄源中の酸素量（質量％）と受銑時のフレーム発生率（％）との関係を示すグラフである。

本実験においては，予め冷鉄源を投入しておいたトーピードカーに５００トンの溶銑を受銑し，冷鉄源中の水分量（質量％）ごとに受銑時の突沸発生率（％）を測定し，また，冷鉄源中の酸素量（質量％）ごとに受銑時のフレーム発生率（％）を測定した。なお，高炉からの溶銑の出銑温度（代表温度）は１５１０℃，出銑速度は７トン／ｍｉｎで行い，投入した冷鉄源としては，平均炭素濃度が２．８％で，代表径（すなわち代表長さＬ）が４ｍｍの荒銑を使用し，冷鉄源の投入量は２０トンであった。

ここで，水分量の測定は，乾燥重量法，すなわち，恒温（１０７℃）の層にて１時間乾燥後，その重量変化より水分量を測定する方法により行った。また，酸素量の測定は，採取したサンプルを，赤外線吸収法，すなわち，除燃材とともに試料を完全燃焼させ，発生するＣＯ濃度を赤外線吸収により把握し，これより酸素を導出する装置を用いて行った。さらに，突沸発生率は，目視にて受銑中に受銑容器（本実験ではトーピードカー）から溶銑や冷鉄源が飛び出した割合（各条件１００回実施）を示している。また，フレーム発生率は，目視にて受銑中に，２ｍ以上のフレームが発生した割合（各条件で回数をもとに１００回実施）を示している。

その結果，図５に示すように，冷鉄源中の水分量が０．５（質量％）以下の場合には，突沸発生率（％）がゼロ，すなわち，受銑時に突沸が全く発生せず，安全に受銑ができるということがわかった。また，図６に示すように，冷鉄源中の酸素量が５（質量％）以下の場合には，フレーム発生率（％）がゼロ，すなわち，受銑時にフレームが全く発生せず，安全に受銑ができるということがわかった。これらの結果から，冷鉄源は，０．５質量％以下の水分含有率を有することが好ましく，また，冷鉄源は，５質量％以下の酸素濃度を有することが好ましいことが示された。

以下に，本発明の実施例を，比較例とともに表１に示す。試験条件としては，受銑容器はトーピードカー，受銑速度は７トン／ｍｉｎ，溶銑量は５００トンとした。したがって，受銑時間は７１．４分となる。

実施例１〜４は，いずれも式（ｉ）より計算して得られる代表長さ以下の代表長さＬを確保したため，溶銑払出し量と（冷鉄源＋溶銑量）の合計は一致，すなわち，未溶解は発生しなかった。また，水分量・酸素量ともに規定の数値以下に抑えたため，突沸やフレームの発生もなく安全に作業できた。比較例１，２は，式（ｉ）より得られる代表長さよりも大きな値（Ｌ）となったため，未溶解が発生した。また，比較例３は，実施例４と同じＬとしたが，投入量が（冷鉄源＋溶銑量）の１０質量％超となり，未溶解が発生した。また，比較例４，５は代表長さＬに関しては問題はなかったが，比較例４は水分量，比較例５は酸素濃度が規定値よりも高かったため，突沸やフレームが発生し，作業安全環境上の支障をきたした。

以上，添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが，本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された範疇内において，各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明において使用される冷鉄源の形状の具体例を示す説明図である。 冷鉄源の代表長さＬと受銑時間Ｔとの関係を示すグラフである。 係数Ａと冷鉄源中のＣ濃度（質量％）との関係を示すグラフである。 （冷鉄源量）／（冷鉄源量＋溶銑量）と未溶解率（％）との関係を示すグラフである。 冷鉄源中の水分量（質量％）と受銑時の突沸発生率（％）との関係を示すグラフである。 冷鉄源中の酸素量（質量％）と受銑時のフレーム発生率（％）との関係を示すグラフである。

Claims (3)

1. 高炉で生成された溶銑を受銑する受銑容器内に受銑前に予め冷鉄源を投入しておき，前記冷鉄源が投入された前記受銑容器に溶銑を装入する冷鉄源の溶解方法であって，
   代表長さＬが，受銑開始から受銑終了までの時間である受銑時間Ｔ（分）および前記冷鉄源中に含まれる炭素濃度Ｃ（質量％）に応じて下記式（ｉ）で求められる長さ以下になる前記冷鉄源を，
   投入量が，前記受銑容器内に投入された前記冷鉄源量と前記受銑容器内に装入された溶銑量の合計に対して，１０質量％以下となるように投入することを特徴とする，冷鉄源の溶解方法。
   （ただし，冷鉄源の代表長さＬとは，炭素の拡散や熱伝導が冷鉄源全体に到達する時間を決める長さであり，表・裏が判別できる形状の冷鉄源であれば厚み，表・裏が判別できない形状の冷鉄源であれば代表径のことをいう。）
   Ｌ＝ｅｘｐ（Ａ×√Ｔ） ・・・（ｉ）
   ただし，Ａ＝０．１０Ｃ＋０．３０ である。
2. 前記冷鉄源は，０．５質量％以下の水分含有率を有することを特徴とする，請求項１に記載の冷鉄源の溶解方法。
3. 前記冷鉄源は，５質量％以下の酸素濃度を有することを特徴とする，請求項１または２に記載の冷鉄源の溶解方法。
   

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