JP5094879B2 - 電気アーク炉中でのクロム含有量の多いスラグの還元方法 - Google Patents

Description

本発明は、電気アーク炉中でのステンレス鋼の製造において鋼溶融物上に存在するクロム含有量の多いスラグの還元方法に関し、当該方法によれば、ペレット状物又はブリケット状物のような成形品をスラグに導入し、その際、前記の成形品の含有物質がスラグの金属酸化物と還元的に反応する。

電気アーク炉の稼働の際には、装填される固体材料、特にスクラップと合金は、上から炉容器に突き出る電極のアーク放電により溶融される。この場合、スラグは、それの主機能、すなわち、溶融物から不要の成分を除去する機能のほかに、保護機能を有する。なぜなら、スラグが電極端部と金属表面の間の空間を部分的に占め、電気アークの照射エネルギーから炉の耐火性内壁貼りを守るからである。スラグのこの保護機能は、適切な方法により、スラグを発泡させることによって改善できる。

このために、欧州特許第８２９５４５号Ｂ１明細書（特許文献１）には、電気炉において溶融液状のステンレス鋼上に発泡スラグを生成させる方法が提案されており、ここで、粉末が射出媒体、例えば窒素によってスラグ内に導入され、粉末は、亜鉛酸化物或いは鉛酸化物のいずれかの金属酸化物と炭素から構成される。炭素との反応により、粉末中に含まれる酸化物が還元される。この際、スラグ中には、実質的に一酸化炭素から成る気泡が形成され、これらの気泡がスラグを発泡させる。粉末状態に伴う比較的大きい表面積に基づいて、スラグとの短く激しい反応が生じ、加えて、この反応は、局所的に限定されて、溶融浴内において注入装置若しくは吹込み装置の近くで起こる。

粉末形態の物質の導入の不利益を回避するために、国際公開第２００４／１０４２３２号Ａ１（特許文献２）には、スラグの発泡に使用する材料、すなわち、金属酸化物と炭素の混合物を、プレス成形品として電気炉に装入することが提案されている。この際、これらの成形品の密度は、これらが、スラグ中で、特に溶融物／スラグの境界付近で浮遊するように調整される。

欧州特許第８２９５４５号Ｂ１明細書 国際公開第２００４／１０４２３２号Ａ１

ステンレス鋼の製造においては、電気アーク炉中での固体金属の溶融中にスラグが形成されるが、当該スラグは高い割合の金属酸化物、中でも酸化クロムを含有する。この際、酸化クロムの濃度は、しばしば３０％を超える値となる。これまでは、このような組成のために、このスラグを望ましい程度にまで還元させることができなかった。

スラグ中の酸化クロムの高い含有量に起因する有価値の物質の望ましくない損失を最小限にするために、本発明の目的は、電気アーク炉へプレス成形品を加えることによるスラグ発泡の有利な経験も生かした、ステンレス鋼溶融物のスラグ還元の方法を提供することにある。

上記の所期の課題は、電気アーク炉中に装入されるペレット状物又はブリケット状物が、バラスト材料 （Balastmaterial）としての鉄キャリアー、還元剤としての炭素又は炭素と珪素、及びバインダー材料からなる規定された混合物からなり、かつ前記ペレット状物もしくはブリケット状物が、スラグ層の下で、スラグの金属酸化物、特にスラグ中に含まれる酸化クロムと還元反応により化学的に反応し、この際、生ずる反応ガス、主に一酸化炭素がスラグの発泡を促進することによって、請求項１の特徴により解決される。

本発明の有利な実施形態は、従属する請求項に示されている。

スラグの酸化クロムの還元は、以下の反応に従って進行する。
（Ｃｒ_２Ｏ_３）＋３［Ｃ］＝２［Ｃｒ］＋３｛ＣＯ｝
これは、高い割合で、以下の標準的な珪素による還元にとって代わり、
（Ｃｒ_２Ｏ_３）＋３［Ｓｉ］＝４［Ｃｒ］＋３｛ＳｉＯ_２｝
そして還元のコストを下げる。さらに、塩基性の調整に必要とされる石炭の量が減少するので、エネルギーバランスが改善される。

本発明のペレット状物又はブリケット状物が、溶融物／スラグの境界近くで溶融物中に浮遊して、これらがスラグ層の下でスラグ中の金属酸化物と化学的に反応できるように、本発明のペレット状物又はブリケット状物の密度は３〜４トン／ｍ^３の値に調整される。これは、バラスト材料と還元剤の混合比を適切に調整することで達成される。ここで、バラスト材料は、主に、ステンレス鋼を形成する元素である鉄とクロムからなり、この際、本発明の好ましい実施形態の一つにおいては、鉄キャリアーとしての密度が約７トン／ｍ^３の細かく砕かれた微細な低合金スクラップをバラスト材料として使用することができる。これに代えて、又は、これに追加して、バラスト材料として、約８％のＣと３％のＳｉを含有するＦｅＣｒＨＣの組成（高炭素）を有する合金を使用することができる。本発明によれば、これらのバラスト材料に混合される還元剤である炭素又は炭素と珪素は、炭素キャリアーとしてのコークス、並びに珪素キャリアーとしてのＦｅＳｉ又はそれに代わってＳｉＣである。ペレット状物又はブリケット状物の生じる組成は、達するべき密度の他、炭素のＦｅＳｉに対する比率により定められ、ここで、その組成は、以下のような範囲で変化することができる。
コークス＞６０％
ＦｅＳｉ（７０−７５）＞２０％
他のバラスト材料＞２０％
バインダー材料＜２％

このような混合物を固体のペレット状物又はブリケット状物にプレス成形できるように、適切なバインダー材料が必要となる。ここで糖蜜及びセメントが有効であることが実証されているが、しかし、それに代わって、瀝青、コールタールピッチ、及びカルシウムハイドレートもプレス成形のために使用することができる。

ペレット状物又はブリケット状物の製造の際に重要なことは、得られる形と大きさ、並びに、行われる圧縮の度合いを後のその使用に適合させることである。スラグの内容物、特に酸化クロムとそれらとの反応の際の崩壊時間を、適切な還元反応に適合させることが要求される。従って、これらは、熱的に安定したものがよく、高温の電気アーク炉に装入された後直ぐに崩れるべきではない。これらは、電気アーク炉への容易な装入を可能にするために、形状、大きさ及び強度に関して空気圧による搬送を可能とする性質を有しているのがよい。

スラグの酸化クロムの還元のために電気アーク炉に装入されるペレット状物又はブリケット状物の量は、主に、製造する鋼の種類に依存する。この際、電気アーク炉へのペレット状物又はブリケット状物の特定の配給量の範囲は、金属浴１ｍ^２を基準として以下の通りである：
オーステナイト溶融物：１〜４ｋｇ／トン／ｍ^２溶鋼
フェライト溶融物：１．５〜３ｋｇ／トン／ｍ^２溶鋼

ペレット状物又はブリケット状物の添加の装入速度は、持続的に５ｋｇ／トン／分より大きい値となるように調整され、ここで、ペレット状物又はブリケット状物は、炉の側壁と炉の中央に電極から形成された電極のサークルとの間の円環状のスペースに装入される。

本発明のさらなる詳細と利点は実施形態の概略図を基礎にしてより詳しく以下に説明される：
−図１は、ペレット状物又はブリケット状物の添加装置を備えた電気アーク炉の断面図である。
−図２は、鋼溶融物とその上の浮遊スラグによって形成された境界の拡大図を示したものである。

図１に示されている電気アーク炉１は、炉容器２から構成され、炉容器２は、耐火性壁３、炉蓋４、及び炉蓋４を通じて上から炉容器２に挿入される三つの電極５を備える。炉容器２の下方の部分において、耐火性壁３の中で、鋼溶融物６と、その上に溶融したスラグ７が存在する。スラグの還元のために、ペレット状物又はブリケット状物８は、炉の側壁１０と、電極５により形成された電極のサークルとの間の円環状のスペースに以下の方法で装入されることができる：
・ペレット状物又はブリケット状物８は、炉蓋の蓋孔９を介して重力搬送システムによって炉内部に装入される。
・ペレット状物又はブリケット状物８は、炉蓋４に対し半径方向に延びかつ装入開口１５を備える環状導管１４を用いて空圧搬送システムによって炉内部に装入される。
・ペレット状物又はブリケット状物８は、炉の側壁１０に配置された供給装置１１を介して空気圧又は重力によって炉内部に装入される。

図２には、スラグ７と鋼溶融物６から形成される溶融物／スラグの境界１３が拡大して示されている。矢印の方向１７により、電気アーク炉１に装入されたブリケット状物８の可能なルートが示される。スラグ層７を通り抜けた後、溶融物６に達するが、しかし、まだ、溶融物／スラグの境界１３のかなり下方にある。更に、このブリケット状物は、溶融物６とは密度の差があるため、浮力１８により、可能な浮動１９で溶融物６中を浮遊して溶融物／スラグの境界１３の直下の目的の最終位置２０に達する。このスラグ層７の下方のある位置２０においては、スラグ中に含有する金属酸化物との、特にここに存在する酸化クロムとの所望の還元反応が起こる。その時に、反応ガス１６、主に一酸化炭素が放出される。これは、スラグ層７中の白点として示されている。ブリケット状物８のスラグ７との還元反応の後に残留したブリケット状物の残留物１２は黒点で示されている。ここで、今や変化した組成の故に、これらのブリケット状物の残留物１２も、一部はスラグ７中に浮遊することができる。

１ 電気アーク炉
２ 炉容器
３ 耐火性炉壁
４ 炉蓋
５ 電極
６ 鋼溶融物
７ スラグ
８ ペレット状物又はブリケット状物
９ 蓋孔
１０ 炉の側壁
１１ 吹込み導管
１２ ペレット状物又はブリケット状物の残留物
１３ 溶融物／スラグの境界
１４ 環状導管
１５ 装入開口
１６ 反応ガス
１７ 鋼溶融物中へのペレット状物又はブリケット状物の進入方向
１８ 鋼溶融物中でのペレット状物又はブリケット状物の浮力
１９ 鋼溶融物中でのペレット状物又はブリケット状物の可能な浮動
２０ 鋼溶融物中でのペレット状物又はブリケット状物の目的の最終位置

Claims (11)

1. 電気アーク炉中でのクロム含有量の多いスラグの還元方法であって、
   電気アーク炉（１）中でのステンレス鋼の製造における鋼溶融物（６）上のクロム含有量の多いスラグ（７）を還元するにあたり、ペレット状物又はブリケット状物（８）の成形物をスラグ（７）に装入し、それらの構成物質がスラグ（７）の金属酸化物と還元的に反応し、この際、
   電気アーク炉（１）中に装入されるペレット状物又はブリケット状物（８）は、バラスト材料としての鉄キャリアー、還元剤としての炭素又は炭素と珪素、及びバインダー材料からなる混合物から構成され、及び当該ペレット状物又はブリケット状物（８）は、スラグ層の下方でスラグ（７）中に含まれる酸化クロムと還元反応により化学的に反応し、
   ここで、発生する反応ガス（１６）がスラグの発泡を促進する前記方法において、
   前記鉄キャリアーとして、ステンレス鋼を形成する元素である鉄とクロムを主成分とする細かく砕かれた微細な低合金スクラップが使用されることを特徴とする、上記方法。
2. ペレット状物又はブリケット状物（８）が溶融物／スラグの境界（１３）近くで溶融物（６）中を浮遊するように、ペレット状物又はブリケット状物（８）の密度が、３〜４トン／ｍ^３の値に調整されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記鉄キャリアーとして、８％（質量％、以下同じ）のＣと３％のＳｉを含有するＦｅＣｒＨＣの組成（高炭素）の合金が使用されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. ペレット状物又はブリケット状物（８）中に、炭素はコークスの形で、珪素はＦｅＳｉ又はそれに代わってＳｉＣの形で存在することを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の方法。
5. ペレット状物又はブリケット状物（８）の組成が炭素（コークス）−ＦｅＳｉの比率により定められ、その組成は、
   コークス＞６０％
   ＦｅＳｉ（７０−７５）＞２０％
   他のバラスト材料＞２０％
   バインダー材料＜２％
   の範囲で変化することができることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の方法。
6. バインダー材料として、糖蜜、及びセメント並びに／又は瀝青、コールタールピッチ、若しくはカルシウムハイドレートが使用されることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. スラグ（７）中の酸化クロムの還元反応の際の前記ペレット状物又はブリケット状物（８）の崩壊時間が所定時間になるように、前記ペレット状物又はブリケット状物（８）の圧縮を行うことを特徴とする請求項４、５、又は６の何れか一項に記載の方法。
8. ペレット状物又はブリケット状物（８）が、それらの形と大きさに関して、空気圧による搬送が可能となるように、形成されていることを特徴とする請求項４、５、６又は７の何れか一項に記載の方法。
9. 製造する鋼の種類に依存し、金属浴１ｍ^２を基準として以下の異なる特定の配給量、すなわち、
   オーステナイト溶融物：１〜４ｋｇ／トン／ｍ^２溶鋼
   フェライト溶融物：１．５〜３ｋｇ／トン／ｍ^２溶鋼
   が電気アーク炉（１）に装入されることを特徴とする請求項１〜８の何れか一項に記載の方法。
10. ペレット状物又はブリケット状物の添加の装入速度が、持続的に５ｋｇ／トン／分より大きい値となるように調整されることを特徴とする請求項９記載の方法。
11. ペレット状物又はブリケット状物の添加が、炉の側壁（１０）と、電極（５）から形成された電極のサークルとの間の円環状のスペースに行われることを特徴とする請求項９又は１０に記載の方法。

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