JP5414992B2 - ＡＯＤ転換炉でのＡＩＳＩ規格４ｘｘフェライト鋼クラスのステンレス鋼の製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、溶銑とＦｅＣｒ固形物にもとづき、ＡＩＳＩ規格４ｘｘフェライト鋼クラス、特に、ＡＩＳＩ規格４３０フェライト鋼クラスのステンレス鋼を製造するための方法に関する。

特殊鋼を製造するためにＡＯＤ転換炉を使用することは既に知られている。即ち、特許文献１には、計算機と、酸素及び不活性ガスの所要の吹込み速度及び素材の添加を制御するための動的モデルとを組み合わせた連続的な廃ガス測定にもとづく制御方法が記載されている。特許文献２により、金属溶融物の製造方法、特に、例えば、ＡＯＤ転換炉での合金ステンレス鋼又は特殊鋼を製造するための金属溶融物の精錬方法が周知であり、その方法は、プロセスモデルにもとづき進行し、精錬設備を制御する計算技術をベースとしており、そのプロセスモデルは、実際のプロセス量、制御量及びプロセス目標量間の少なくとも一つの可変プロセスパラメータに関する挙動を規定している。例えば、ＡＩＳＩ規格３０４品質クラスの鋼を製造するためのプロセスフローが記載されている。

ＡＩＳＩ規格４ｘｘフェライト綱クラスのステンレス鋼は、従来主としてＥＡＦにより同種のスクラップから製造され、次に、その後更にＡＯＤ転換炉で合金化と脱炭が行われている。ここで、銑鉄を利用するためには、製鉄所で下準備した銑鉄を溶融したスクラップ及び合金と炉外の取鍋内で混ぜて、その後転換炉に装入している。
国際特許公開第０２／０７５００３号明細書 欧州特許公開第１３１０５７３号明細書

この従来技術を出発点として、この発明の課題は、ＡＩＳＩ規格４ｘｘ、特に、ＡＩＳＩ規格４３０フェライト綱クラスのステンレス鋼を製造する際に、銑鉄及び追加合金を転換炉に直接装入する周知のＡＯＤ技術を使用することである。

前記の鋼品質のステンレス鋼を製造するとの設定課題は、請求項１に挙げた特徴によって解決され、それらの特徴は、
高炉で溶銑を製造し、その溶銑をＤＤＤ処理して、スラグの無い溶銑をＡＯＤ転換炉に装入する工程と、
ＡＯＤ転換炉で、溶銑を加熱、精錬／合金化及び還元する工程と、
この処理した溶鋼を融解炉で最終的に適合／調整する工程と、
から成る、この方法の順番に実行する工程と、
外部からのＦｅＳｉ添加物を用いたＳｉによる酸化、或いはＡｌによる酸化によって、単に約１１５０°Ｃの極端に低い温度によるＤＤＤ処理後にＡＯＤ転換炉に供給される銑鉄を加熱することと、
ＡＯＤ転換炉からの金属の溢れ出しを防止するのに対応した酸素吹込み速度に調整することと、
加熱終了時で合金成分の添加前にスラグ含有率を調整して、ＡＯＤ転換炉からスラグを円滑に排出させるのに適したスラグ粘度を実現することと、
脱炭プロセスの前に溶融物からスラグを取り去って、高い効率でＯ₂ 噴流を溶融物上に吹き付けることを可能とすることと、
から成る、ＡＯＤ転換炉での銑鉄処理方法の特徴とである。

この発明では、クロム含有量が多い、耐熱性及び耐酸性の鋼及び特殊鋼クラスを製造するために炭素溶鋼を精錬する際に、周知のＡＯＤ技術を用いるものである。この方法は、ノズルを介して酸素と不活性ガス（反応が鈍いガス）を一緒に浴内に吹き込むとともに、更に、酸素と不活性ガスを吹込みランスにより上方から浴の表面上に吹き込むことによって実現される。この処理の目的は、最適な時間間隔内に溶融装入物の処理を終了し、目標とする湯出し温度と組成を達成するとともに、クロムの損失を最小化することに有る。この発明による冶金的な方法は、その方法モデルを用いて、ＡＯＤ設備での装入物の処理を可能とするものである。その場合、この冶金的な方法モデルは、求める要件を備えた形で溶融物／装入物の処理を終了するために、その処理を監視、予測及び制御する。適用する技術及び方法モデルは、吹き込む酸素の制御と鋼の組成及び鋼の温度の目標値に対応した材料の添加に関する閾値を計算し、その場合、計算は、実際の製造データにより事前に規定した制限及び制御を考慮して、進行するプロセス状態にもとづくものである。

この場合、実際の製造データにより事前に規定した吹込みパターンと脱炭及び成分の酸化に必要な酸素所要量にもとづき、表面下に配置されたノズルと上方からの吹込みランスを介して浴に吹き込むべきプロセスガス（酸素とアルゴン／窒素）の流速及び混合を制御するとともに、鋼における許容範囲内の窒素を達成するために、窒素からアルゴンに切り換えるタイミングを決定する。

更に、この冶金的な方法モデルは、スラグ構成物、冷却用スクラップ及び合金の量、並びに合金追加の開始タイミングと合金添加物の装入速度を決定する。

以下において、この発明にもとづくＡＩＳＩ規格４ｘｘ綱クラス、特に、ＡＩＳＩ規格４３０綱クラスのステンレス鋼の製造について詳しく説明する。溶銑とＦｅＣｒ固形物にもとづくＤＤＤ方式ラインとＡＯＤ転換炉を用いたＡＩＳＩ規格４ｘｘ技術は、三つの主要工程、即ち、
高炉での溶銑の下準備と、
ＡＯＤ転換炉での溶銑の加熱、精錬及び合金化と、
融解炉での最終的な適合／調整と、
に分けられる。

図１には、ＡＩＳＩ規格４３０特殊鋼を製造するための方式ラインの例を図示している。先ず、溶銑は、高炉１から取り出された後、相応に構成された冶金装置２でＤＤＤ（脱燐、脱硅、脱硫）処理を受ける。次に、取鍋炉３で溶銑の予加熱を行うことができる。その後、処理され、加熱された溶融物は、ＡＯＤ転換炉４に取り込まれる。そこで、サーキュレーティングスクラップ、冷却用スクラップ及びＦｅＣｒ６０を添加して、溶銑の精錬と合金化が行われる。ＡＯＤ転換炉での処理後、溶鋼は、次の取鍋５での適合／調整と、それに続く鋳造機６（ここでは、鋳造機自体は図示されていない）へと進む。

溶銑の装入前に、ＡＯＤ転換炉４には、スラグの正しい塩基度を遵守するために、石灰やドロマイトなどのスラグ構成材料が供給される。ＤＤＤ装置２又は取鍋炉３からのスラグの無い溶銑の装入後に、ＡＯＤ転換炉４は、温度測定を行うサンプリング位置に傾斜される。その後、ＡＯＤ転換炉４は、直立した位置に戻され、温度に応じて、更に発熱性の処理を施される。温度の上昇は、ＦｅＳｉ及び／又はアルミニウムの添加により実現される。

以下において、この発明によるＡＯＤ転換炉４での溶鋼処理方法について述べる。ＡＯＤ転換炉４でのプロセスは、三つの主要工程、即ち、ａ）溶解した金属の加熱、ｂ）精錬及びｃ）還元に分けられる。

図２には、この方法の工程の順番を要約して列挙している。それらには、特に、測定及び技術イベント、実行される処理工程、所定の閾値、並びに個々の部分工程の制御が含まれている。

ＡＯＤ転換炉４での溶解した金属の加熱は、一般的に硅素により行われる。この元素の酸素と反応した際の高い発熱特性により、高い精度で高速に目標とする温度を達成することが可能となる。この反応は、次の通り進行する。

（Ｓｉ）＋２（Ｏ）＝（ＳｉＯ₂ ）、１ｋｇのＳｉ当りのエンタルピー＝６．４４ｋＷｈ

これに代わって、次の通り、アルミニウムを使用することもできる。

２（Ａｌ）＋３（Ｏ）＝（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）、１ｋｇのＡｌ当りのエンタルピー＝７．３６ｋＷｈ

合金構成材料の更なる添加に応じて、目標とする加熱温度は、処理中に生じる全てのエネルギー損失も考慮した、脱炭及び金属酸化プロセスから得られる追加供給エネルギーに依存することとなる。

この処理工程中の挙動は、ＢＯＦプロセスの第一の吹込み工程中の挙動に似ている。この工程中における発泡品質及びスラグ排出によって決まるパラメータは、炭素含有量の多さ、スラグ構成材料、酸素吹込み速度の高さ及び吹込みランスの間隔である。

吹込みランスの正しく選定された間隔及び上方の吹込みランスから酸素を吹き込む強さ（吹込み速度）は、スラグが溢れ出すのを防止するとともに、加熱の最適な過程を保証するものである。

加熱サイクルは、次の通り計算される。

必要な入力エネルギー＝Ｓｉ／Ａｌによる酸化の入力エネルギー−（スラグ構成材料による冷却エネルギー＋損失エネルギー）

図３には、例として、転換炉の熱的な条件にもとづく７００００ｋｇの装入量と１．８の塩基度の銑鉄に対して必要な熱パラメータを列挙している。

この方法の加熱工程後に、ＡＯＤ転換炉４を傾斜させて、金属からスラグを取り除く。この手順は、金属の効率的な精錬に必要である。即ち、大量のスラグは、吹き込む酸素の激しい作用と鋼からの反応ガスのガス抜きを妨げることとなる。スラグを除去する際には、鋼の温度を測定して、金属のサンプルを取り出す。

その次の金属の精錬は、上方の吹込みランスを介して金属上に酸素を吹き込むとともに、側方ノズルを介して酸素と不活性ガス（アルゴン又は窒素）の混合物を装入物内に吹き込むことによって行われる。酸素と不活性ガスの比率は、酸素を多く含む混合物から開始して、吹込みプロセスの間に変化して行く。

この技法は、その後に適用される最小限のクロム酸化によるＡＯＤ処理に関する開始条件として有利な低い炭素含有量を達成することを保証するものである。それに代わって、所謂ＴＲＩＰＬＥＸ技術におけるＶＯＤ法（真空酸素脱炭法）を用いることもできる。

吹込みプロセス中は、常に全酸素量を上方に有る吹込みランスと側方ノズル間で配分している。精錬作業工程後には、スラグ還元処理が続き、その場合、例えば、スラグからのクロムの回収も行われる。溶解した金属へのＦｅＳｉなどの硅素を含む材料やアルミニウムの添加と良好な攪拌によって、金属の最終的又は準化学的に良好な組成が達成されるが、この場合、硫黄も含まれている。

合金材料とスラグ構成材料の両方における高い硫黄濃度のために、別個の脱硫工程により特殊鋼の処理を終了しなければならない。この処理の効率は、アルミニウムの添加によって達成される、溶解した金属の高い脱酸品質に大きく依存する。この処理後には、取鍋５内に残った量のスラグと共に装入物の湯出しが行われる。

この発明では、冶金的なＡＯＤモデルによって、鋼の精錬プロセスの計画、監視、予測及び制御を行って、計画した組成と温度で溶融物又は装入物を製造している。この場合、ＡＯＤモデルによって得られる基本的な利点は、次の通りである。

＊装入物の計算により、コストを最適化する形の合金とスクラップの選定が可能となること
＊目標とする温度の制御
＊プロセス制御による高い生産能力の実現
＊還元剤の最小化
処理中は、ベースとなる自動システムから送られて来る利用可能な周期的及びイベント入力データにより、その時々の溶融物又は装入物の状態を監視している。

材料の添加時には、材料及び元素特有の作用効率を勘案しつつ、それによる鋼及びスラグの重量及び組成、並びに鋼の温度への影響を考慮している。各元素及び各スラグ成分に関する添加量及び損失量を考慮して、サンプリング時点における実験室での分析及び測定に応じて、その時々の鋼及びスラグの組成を調整している。

冶金的なＡＯＤモデルの基本的な構成要素は、目標とする材料の計算、予測計算及び動的なモデル計算である。

＊目標とする材料の計算では、一般的に、鋼の温度と組成を制御するために、全ての可能な処理工程に関する材料の添加量を算出する。

＊予測計算では、ＡＯＤ法の処理方針を算出する。それは、処理の開始から湯出し後の終了までの装入物のその時々の状態に関するＡＯＤプロセス全体を含むものである。一般的な処理時間長に対応して、与えられた実際のデータを考慮しつつ、全ての必要なプロセス工程及びサンプリングに関する個々の装入物の処理全体を計画する。

＊動的なモデルは、炭素、酸素及びエネルギーの差引量、並びにプロセスガスの吹込み速度に関する目標値を算出する。

溶解開始時の条件にもとづき、処理時間中における溶鋼の炭素、酸素及びその他の関連する浴内濃度と温度を算出する。

図４と５には、冶金的なＡＯＤモデルの前記の基本的な構成要素を要約して列挙しており、主グループの材料計算（図４）とエネルギー及び重量の差引計算（図５）に分けられている。これらの図面では、そのモデルに対してデータベースのどのデータとどのプロセスを入力するのかと、それにもとづき、どのようなモデル計算結果が得られるのかが、それぞれ分けられている。

ＡＩＳＩ規格４３０特殊鋼の製造方式ラインの例 この発明による方法の工程のシーケンス 転換炉の熱的な条件にもとづく必要な熱パラメータの例 主グループの材料計算 エネルギー及び質量の差引計算

符号の説明

１ 高炉
２ ＤＤＤ装置
３ 取鍋炉
４ ＡＯＤ転換炉
５ 取鍋
６ 鋳造機

Claims (6)

1. 溶銑及びＦｅＣｒ固形物にもとづく、ＡＩＳＩ規格４ｘｘフェライト綱クラスのステンレス鋼の製造方法において、
   この方法の工程が、
   高炉（１）で溶銑を製造し、その溶銑をＤＤＤ（脱燐、脱硅、及び脱硫）処理（２）して、スラグの無い溶銑をＡＯＤ転換炉（４）に装入する工程と、
   ＡＯＤ転換炉（４）で、溶銑を加熱、精錬、合金化及び還元処理して溶鋼とする工程と、
   この処理された溶鋼にもとづき取鍋炉（５）で最終的にＡＩＳＩ規格４ｘｘフェライト綱クラスのステンレス鋼を製造する工程と、
   から成り、ＡＯＤ転換炉（４）での溶銑処理方法の特徴が、
   外部からのＦｅＳｉ添加物を用いたＳｉによる酸化、或いはＡｌによる酸化によって、１１５０°Ｃの温度によるＤＤＤ処理（２）後にＡＯＤ転換炉（４）に供給される銑鉄を加熱することと、
   ＡＯＤ転換炉（４）からの金属の溢れ出しを防止するのに対応した、上方の吹込みランスから酸素を吹き込む強さ（吹込み速度）に調整することと、
   加熱終了時で合金成分の添加前にスラグ含有率を調整して、ＡＯＤ転換炉（４）からスラグを円滑に排出させるのに適したスラグ粘度を実現することと、
   脱炭プロセスの前に溶融物からスラグを取り去って、高い効率でＯ₂ 噴流を溶融物上に吹き付けることを可能とすることと、
   金属溶融物の精錬後に、スラグからのクロム回収と同時に、スラグの還元を行うとともに、硅素を含む材料又はアルミニウムを添加することによって、所望の最終的又は準化学的な組成を実現することと、
   所望の鋼クラスの品質に応じて、金属溶融物の湯出し前に、別の脱硫工程を実行し、その処理の効率が、溶融した金属の脱酸品質の高さに大きく依存するとともに、アルミニウムの添加によって達成されることと、
   であることを特徴とする方法。
2. 溶銑の溶融物を加熱するために必要なエネルギー所要量が、
   必要なエネルギー所要量＝Ｓｉ／Ａｌによる酸化の入力エネルギー−（スラグ構成材料による冷却エネルギー＋損失エネルギー）
   の式にもとづき計算されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 金属溶融物の精錬が、その加熱とそれに続くスラグ除去後において、上方の吹込みランスを介した金属溶融物上への酸素の吹込みと、側方ノズルを介した金属溶融物内への酸素と不活性ガスの混合物の吹込みとによって行われ、その場合に、酸素と不活性ガスの比率が吹込みプロセスの間に変化して行くことを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. ＡＯＤ転換炉（４）での計画した組成と鋼精錬プロセスの温度を達成するために、冶金的なＡＯＤ方法モデルによる計画、監視、予測及び制御を行うことを特徴とする請求項１から３までのいずれか一つに記載の方法。
5. 当該のＡＯＤ方法モデルは、
   鋼の温度と鋼の組成を制御するための、目標とする材料の計算及び全ての可能な処理工程に関する材料の添加量の算出と、
   処理開始時から装入物の湯出し後までの装入物のその時々の状態に関するＡＯＤプロセス全体を含むＡＯＤ方法の処理方針を算出し、その場合に、一般的な処理時間長に対応して、与えられた実際のデータを考慮しつつ、全ての必要なプロセス工程及びサンプリングに関する個々の装入物の処理全体を計画する予測計算と、
   炭素、酸素及びエネルギーの差引計算、並びにプロセスガスの吹込み速度に関する目標値を算出する動的なモデルの作成と、
   を可能とするものであることを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 当該のＡＯＤ方法モデルを用いて、
   合金とスクラップを選定するための装入物の計算と、
   目標温度の制御と、
   プロセス制御と、
   還元剤の計算と、
   を行うことを特徴とする請求項５に記載の方法。

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