JP4938464B2 - 低炭素鋼の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、広い意味で言えば、溶鋼にその表面の上方から酸素を供給する製鋼法に関するものであり、とりわけ、そのような製法を低炭素鋼の製造に使用することに係るものである。

塩基性酸素炉（ＢＯＦ）は、世界の高品質低炭素鋼の大半を製造するために使用される周知の製鋼法である。ＢＯＦ工程は、高炉からの溶銑を主要な鉄資源として使用する。高炉工程の性質のために、この高炉溶銑は、溶解した炭素で飽和されている。ＢＯＦ工程においては、この溶銑が鋼のスクラップとともに上開きの転炉に装入される。水冷されたランスが上部開口を介して挿入され、酸素がランスから複数のジェットとして溶融金属に向かって吹き込まれる。この酸素により溶銑に含まれた炭素が燃え、スクラップを溶融し、液状の鋼の浴を生成する。

炭素が酸素によって燃やされる速度によって、ＢＯＦ工程の生産性が決まる。一部精錬された液状の鋼に含まれる溶解炭素が約０．３０重量パーセントを超える場合には、炭素の酸化は、ランスを介して液状の鋼浴への酸素吹込みが可能になると、急速に起こる。しかし、炭素が約０．３０重量パーセントを下回る場合には、炭素の酸化する速度は、鋼浴全体から、酸素ジェットが浴に当たる領域への溶解炭素の移動に依存する。

従来のＢＯＦ工程の１つの問題は、鋼浴全体の攪拌及び混合が比較的乏しいことである。その結果、炭素が約０．３０重量パーセントを下回る場合には、浴全体から反応領域への炭素の移動が緩慢で、脱炭が不十分になる。炭素含有量が減少するため、炭素よりも金属と反応する酸素の量が増加する。金属が酸化される結果、鉄及びマンガン等の貴重な元素がスラグへと失われる。このような金属の酸化により、酸素が製鋼に必要とされる以上に消費され、浴の精錬が完了する時間が長くなるため、費用が高くなる。さらにまた、他の金属合金材料が酸化されることによって、鋼の品質が低下し、費用の掛かる再合金化の必要が増えることもある。金属酸化が過剰になれば、溶融体の温度が上がり、スラグの酸化物含有量も増加する。その両方ともに、精錬容器の耐火物ライニングにとって有害である。これらの問題はすべて、効率を低下させ、ＢＯＦ工程のコストを増大させる。

したがって、本発明の目的は、低炭素鋼を製造するための、改良されたＢＯＦ工程等の改良された上吹き工程を提供することにある。

当業者であれば、上記及び他の目的は、本開示を読むことによって明らかとなる。これらの目的は、本発明によって達成される。
本発明は、１つの観点によれば、低炭素鋼の製造方法であって、以下の逐次の精錬段階、即ち、
（Ａ）酸素を、ガス・シュラウド(ガス囲い)により包囲された少なくとも１つの流れとして、ランスから０．３０重量パーセントを超える炭素濃度を有する溶鋼に供給する段階と、その後に、
（Ｂ）酸素を、フレーム・シュラウド(火炎囲い)により包囲された少なくとも１つの流れとして、前記ランスから前記溶鋼に供給する段階と、その後に、
（Ｃ）酸素及び不活性ガスを、フレーム・シュラウドにより包囲された少なくとも１つの流れとして、前記ランスから前記溶鋼に供給する段階とを含み、
前記精錬段階により低炭素鋼が製造される、低炭素鋼の製造方法である。

本発明は、別の観点によれば、低炭素鋼の製造方法であって、以下の逐次の精錬段階、即ち、
（Ａ）酸素を、ガス・シュラウドにより包囲された少なくとも１つの流れとして、ランスから０．３０重量パーセントを超える炭素濃度を有する溶鋼に供給する段階と、その後に、
（Ｂ）酸素を、フレーム・シュラウドにより包囲された少なくとも１つの流れとして、前記ランスから前記溶鋼に供給する段階と、その後に、
（Ｃ）不活性ガスを、フレーム・シュラウドにより包囲された少なくとも１つの流れとして、前記ランスから前記溶鋼に供給する段階とを含み、
前記精錬段階により低炭素鋼が製造される、低炭素鋼の製造方法である。

本明細書で使用する用語「低炭素鋼」とは、炭素濃度が０．１０重量パーセント未満の鋼を指す。
本明細書で使用する用語「不活性ガス」とは、アルゴン、窒素、一酸化炭素、二酸化炭素及びヘリウムのうちの１つ又は複数を指す。
本明細書で使用する用語「ガス・シュラウド（ガス囲み）」とは、１つ又は複数のガスの流れを囲み、且つこれに沿う非燃焼性の気体包囲体を指す。
本明細書で使用する用語「フレーム・シュラウド（火炎囲い）」とは、１つ又は複数のガスの流れを囲み、且つこれに沿う燃焼性の気体包囲体を指す。
本明細書で使用する用語「コヒーレントなジェット」とは、ジェットの径が、流れの方向に、ほとんど又は全く大きくならない超音速のガスの流れを指す。
本明細書で使用する用語「従来形ジェット」とは、ジェットの径が、流れの方向に大きくなる超音速のガスの流れを指す。

本発明は、異なる３つの段階を特定の順序で用いて、溶鋼にその表面の上方から酸素を供給することによって、低炭素鋼を製造する方法である。酸素が、転炉内の溶鋼の炭素と反応して、溶鋼から泡立つ二酸化炭素及び一酸化炭素が生成され、それによって炭素濃度が低減され、低炭素鋼が製造される。

本発明を、図面を参照してさらに詳細に説明する。図中の符号は、共通の要素に対しては同じ符号である。

一般的に、図３に示す転炉１１などのＢＯＦ転炉に装入される鉄の約７５パーセントは、高炉からの溶銑であり、転炉に装入される鉄の残りの２５パーセントはスクラップ鋼である。本発明の３段階の精錬工程が開始される前の装入物１５は、０．３０重量パーセントを超える炭素濃度を有し、一般的に炭素濃度は４．０〜４．５重量パーセントの範囲である。

本発明の精錬方法の第１段階は、精錬期間の約３０〜約７０パーセントを占める。即ち、本発明の精錬方法の最中に溶鋼に供給される全酸素の約３０〜約７０パーセントが、第１段階中に供給される。精錬期間の当初に、石灰及びドロマイト等のフラックスが添加されて、スラグ１２の所望の化学的性質が得られ、且つ第１段階中に形成される二酸化珪素が中和される。

本発明の精錬方法の第１段階においては、酸素は、少なくとも１つの流れとしてランス先端またはランス面から溶鋼に供給される。ガス・シュラウドが酸素の流れを包囲する。ガス・シュラウドは、ランス先端から溶鋼表面まで延在することが好ましい。ガス・シュラウドは、酸素及び不活性ガスを含む。ガス・シュラウドのための不活性ガスは、窒素が好ましい。

図１及び図２に、本発明の精錬方法の３段階をそれぞれ実施するために好適な装置を示す。図１及び図２に示す装置を使用する際には、酸素は、ランス３のランス面６の４つのノズル開口４を通って４本のノズルから供給される。凹部２１にあるポートからなる環２０は、ランス先端のノズルを囲み、ガス・シュラウドを形成するための酸素及び不活性ガスが、それらのポートから供給される。酸素は、第１組のポート、例えば２２から供給され、不活性ガスは第１組のポートと交互になっている第２組のポート、例えば２３から供給されることが好ましい。

酸素流の周囲のガス・シュラウドにより、ガスの流れは従来形のジェットを形成する。従来形の超音速ジェットは急速に亜音速度に減速して、その時点でジェットが約１０度の半角度で拡張し、その結果、ジェットの浸透性が弱まるとともに、周囲の雰囲気及び浴との表面接触面積が大きくなる。そのような酸素の流れは、ランス或いは転炉のライニングを損傷する原因となる精錬期間の初期に存在する溶融していないスクラップによる反射が少なくなる可能性が大きい。

従来形ジェットは、乱流であり、高い割合の一酸化炭素を含むかなりの量の周囲雰囲気を取り込んでいる。一酸化炭素は、酸素ジェットにより後燃焼され、その結果放出された熱によって溶融可能なスクラップの量が増し、それによってコストが低減され且つ生産性が上がる。さらに、従来形ジェットとともに使用される環状ガス・シュラウドに含まれる酸素もまた一酸化酸素と反応して、発生する後燃焼の量を増すであろう。浴の混合は、吹込みの初期の間はさして重要でない。それは、炭素レベル及び脱炭効率が高く、鉄損失の割合及び量が酸化に比して低いためである。したがって、この初期期間に従来形超音速ジェットによる浴を混合するレベルが低下しても、生産高が著しく下がることはない。

溶鋼の脱炭のための酸素の３０〜約７０パーセントが溶鋼に供給され、且つ溶鋼の炭素含有量が約０．３重量パーセント、一般には１．０〜０．２重量パーセントの範囲に低減された後に、本発明の精錬方法の第１段階が終結し、第２段階が開始される。本発明の精錬方法の第２段階の間、酸素は、少なくとも１つの流れとして、ランス先端またはランス面から溶鋼に供給される。フレーム・シュラウドが、酸素の流れを包囲する。フレーム・シュラウドは、ランス先端から溶鋼の表面まで延在することが好ましい。

本発明の実施において、フレーム・シュラウドを生成するために適切な燃料はどのような燃料も使用可能である。燃料は、水素含有燃料が好ましい。そのような燃料としては、メタン、天然ガス、プロパン、ブタン、石油ガス、コークス炉ガス、ガス化若しくは気化燃料油、および水素、並びにその混合物を挙げることができる。水素含有燃料と一酸化炭素或いは不活性ガスとの混合物も使用可能である。

図１及び図２に示す装置を使用する際には、フレーム・シュラウド用の燃料を、第１段階中に不活性ガスが供給されたポートを通して供給することが好ましく、フレーム・シュラウド用の酸素を、第１段階中にガス・シュラウドのために酸素を供給したのと同じポートから供給することが好ましい。第２段階中の精錬用酸素は、第１段階中と同じノズルを介して供給される。

本発明の精錬方法の第２段階中の酸素流の周囲のフレーム・シュラウドにより、酸素の流れによってコヒーレントな酸素ジェットが形成される。コヒーレントなジェットは、ランス先端から溶鋼の表面まで延在することが好ましい。

塩基性酸素炉は、炉からの金属およびスラグの噴出が起こることが多い。それは、スラグ中の酸素及びＦｅＯと炭素が急速に反応する結果、一酸化炭素の発生速度が上昇し、それに金属とスラグが取り込まれて容器外に運ばれるためである。その結果、生産高の損失、定期的な除去を要する炉口及び円錐体への凝固金属及びスラグの蓄積、関連する生産の損失、排気ガス・システムで捕捉不可能でＢＯＦフューム捕捉フードを損傷することもあり得るフューム放出を来たす。ＢＯＦにおいては、低コストであることから、スカル、ホブ、ピット・スクラップ、その他の重いスクラップをなるべく多く溶融できることが望ましいことが多い。しかし、浴の攪拌が欠如し、それに関連して熱伝達不良になると、溶融が遅延し、或いはスクラップが溶けない事態さえ招く可能性があり、それによって化学的性質の制御及び炉の操業全体に好ましくない影響を及ぼすであろう。従来形ジェットからコヒーレント・ジェットに切り換えれば、浴攪拌及び熱伝達が増大し、溶融遅延或いは不完全溶融に関連する問題に遭遇すること無く、重いスクラップをより多く使用することが可能となる。

ＢＯＦにおいて精錬吹込みが進行するに従って、炭素除去の律速段階が、酸素注入速度（ランスを通る合計Ｏ_２流量）から、浴内の炭素の物質移動へと変化する。従来形ジェットからコヒーレントなジェットへの切換えにより、ジェットの浸透がより深くなることによって浴の混合が増すため、浴内の炭素の物質量移動速度が増大する。その結果、炭素除去の効率が良くなり、ＦｅＯの形成が減少して、Ｆｅの生産性が改善される。第１段階から第２段階への切り換えを行う吹込みの特定ポイントは、溶銑の珪素含有量と、従来形及びコヒーレント・ジェットの両操業モードのための上記因子のそれぞれの相対的重要度と、炉の操業及びコストの総合的最適化に基づく。

本発明の精錬方法の第２段階の後、溶鋼の炭素濃度は概ね０．３重量パーセントを下回り、一般的に０．３〜０．０２重量パーセントの範囲になる。その時点で、本発明の精錬方法の第３段階が開始される。

本発明の精錬方法の第３段階の間、不活性ガス、又は、酸素及び不活性ガス（ここで、該不活性ガスは、少なくとも１０モル・パーセントの酸素と不活性ガスを含む）が、少なくとも１つの流れとしてランス先端又はランス面から溶鋼に供給される。フレーム・シュラウドが流れを包囲する。フレーム・シュラウドは、ランス先端から溶鋼の表面まで延在することが好ましい。図１及び図２に示す装置の使用の際には、フレーム・シュラウドは、本発明の精錬方法の第２段階でフレーム・シュラウドが形成されたのと同様に形成される。本発明の精錬方法の第３段階の間に供給される不活性ガス、又は、酸素及び不活性ガスは、ノズル２を通って供給される。本発明の精錬方法の第３段階中に使用される好適な不活性ガスは、アルゴンである。

本発明の精錬方法の第３段階においては、不活性ガス、又は、酸素及び不活性ガスの周囲をフレーム・シュラウドが流れ、それによって、不活性ガスの、又は、酸素及び不活性ガスの流れがコヒーレントなジェットを形成する。コヒーレントなジェットは、ランス先端から溶鋼の表面まで延在することが好ましい。第３段階の終了時には、溶鋼の炭素濃度は０．１０重量パーセントを下回る。

図３において、要素１６は、本発明の精錬方法の実施に用いられる中心の流れ、即ち第１段階及び第２段階の酸素、第３段階の不活性ガス、又は、酸素及び不活性ガス、並びにシュラウド、即ち第１段階中のガス・シュラウド、第２段階及び第３段階中のフレーム・シュラウドを総括表示したものである。

本発明の方法の第３段階を第１段階及び第２段階とともに使用することにより、金属浴の適切な混合を欠いたことによる溶融金属の化学組成及び温度の不均一帯域が、金属浴及びスラグを過剰に酸化することなく低減される。低炭素熱体（ヒート）への上吹き不活性ガス又は酸素−不活性ガスのコヒーレントなジェットによる改善された混合の有益な効果には、鋼の脱炭増加、スラグのＦｅＯ含有量の減少による鉄の生産性の向上及びスラグに誘発される耐火材浸食の減少、金属への酸素溶解の減少による取鍋内のアルミニウム消費の低減、金属中のマンガン含有量の上昇によるフェロマンガン消費の低減、脱硫及び脱リンの増加、並びに水素取り込みの低減等がある。

図４に、精錬された鋼中の溶解酸素のレベルを、溶解炭素の最終レベルの関数として３つの方法について比較したグラフを示す。曲線Ａは、従来形酸素ジェット（４０，０００Ｎｍ^３／時）及び転炉底部の羽口を介して吹込まれたアルゴン（８００Ｎｍ^３／時）を用いた従来形の底部攪拌式ＢＯＦ工程による曲線を示す。曲線Ｂは、コヒーレント酸素ジェット及び転炉底部の羽口を介して吹込まれたアルゴンを用いた底部攪拌式ＢＯＦ工程による曲線を示す。曲線Ｃは、この例においては転炉底部の羽口を介したアルゴン吹込みに代えて上吹きのコヒーレントなアルゴン・ジェットを用いた、本発明による曲線を示す。溶解酸素のレベルは、酸化されて、スラグとして失われた金属の量を反映している。そのレベルはまた、溶解炭素を除去し、鋼を鋳造に適切なものとするために使用しなければならないアルミニウム等の脱酸剤の量を反映している。図４に表された結果から分かる通り、本発明方法は、周知の方法で達成できる結果よりも優れた結果を、特にきわめて低い炭素レベルにおいて示している。

以上、本発明を特定の好適な実施例に関して詳細に説明したが、当業者は、本発明の他の実施例が、特許項の原理及び範囲内にあることを認識するであろう。

本発明方法に使用するための特に好適な１つのランスの平面図。 本発明方法に使用するための特に好適な１つのランスの断面図。 操業中の本発明方法の概念図。 本発明方法により得られた結果を、２つの周知方法により得られた結果と比較したグラフ。

Claims (10)

1. 低炭素鋼の製造方法において、該方法が、以下の逐次の精錬段階、即ち、
   （Ａ）酸素を、不活性ガスを含む気体により形成された非燃焼性の気体包囲体により包囲された少なくとも１つの流れとして、ランスから、０．３０重量パーセントを超える炭素濃度を有する溶鋼に供給する段階と、その後に、
   （Ｂ）酸素を、燃料を含む気体により形成された燃焼性の気体包囲体により包囲された少なくとも１つの流れとして、前記ランスから、前記溶鋼に供給する段階と、その後に、
   （Ｃ）酸素及び不活性ガスを、燃料を含む気体により形成された燃焼性の気体包囲体により包囲された少なくとも１つの流れとして、前記ランスから前記溶鋼に供給する段階とを含み、
   前記精錬段階により低炭素鋼を製造する、低炭素鋼の製造方法。
2. 前記不活性ガスを含む気体により形成された非燃焼性の気体包囲体が酸素及び窒素を含む請求項１に記載された低炭素鋼の製造方法。
3. 前記不活性ガスを含む気体により形成された非燃焼性の気体包囲体を、前記ランスから、複数のノズルの周りに一つの環状をなしているポートを通って供給する請求項１に記載された低炭素鋼の製造方法。
4. 前記酸素を、段階（Ａ）及び段階（Ｂ）において、複数の流れとして供給する請求項１に記載された低炭素鋼の製造方法。
5. 前記酸素及び不活性ガスを、段階（Ｃ）において、複数の流れとして供給する請求項１に記載された低炭素鋼の製造方法。
6. 低炭素鋼の製造方法において、該方法が、以下の逐次の精錬段階、即ち、
   （Ａ）酸素を、不活性ガスを含む気体により形成された非燃焼性の気体包囲体により包囲された少なくとも１つの流れとして、ランスから、０．３０重量パーセントを超える炭素濃度を有する溶鋼に供給する段階と、その後に、
   （Ｂ）酸素を、燃料を含む気体により形成された燃焼性の気体包囲体により包囲された少なくとも１つの流れとして、前記ランスから、前記溶鋼に供給する段階と、その後に、
   （Ｃ）不活性ガスを、燃料を含む気体により形成された燃焼性の気体包囲体により包囲された少なくとも１つの流れとして、前記ランスから前記溶鋼に供給する段階とを含み、
   前記精錬段階により低炭素鋼を製造する、低炭素鋼の製造方法。
7. 前記不活性ガスを含む気体により形成された非燃焼性の気体包囲体が酸素及び窒素を含む請求項６に記載された低炭素鋼の製造方法。
8. 前記不活性ガスを含む気体により形成された非燃焼性の気体包囲体を、前記ランスから、複数のノズルの周りに一つの環状をなしているポートを通って供給する請求項６に記載された低炭素鋼の製造方法。
9. 前記酸素を、段階（Ａ）及び段階（Ｂ）において、複数の流れとして供給する請求項６に記載された低炭素鋼の製造方法。
10. 段階（Ｃ）で使用する前記不活性ガスがアルゴンである請求項６に記載された低炭素鋼の製造方法。

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