JP5574468B2

JP5574468B2 - 鋳鉄の精錬方法及び精錬装置

Info

Publication number: JP5574468B2
Application number: JP2009100375A
Authority: JP
Inventors: 潔木下; 毅木下; 聡木下
Original assignee: Kinoshita Manufactory Co Ltd
Current assignee: Kinoshita Manufactory Co Ltd
Priority date: 2009-04-16
Filing date: 2009-04-16
Publication date: 2014-08-20
Anticipated expiration: 2029-04-16
Also published as: JP2010248585A

Description

本発明は、アーク炉により鋳鉄溶解炉から供給される所要量の溶湯の精錬を行い、薄肉球状黒鉛鋳鉄の製造に好適に使用される低酸素及び低硫黄の鋳鉄溶湯を得る鋳鉄の精錬方法及び精錬装置に関する。

資源保護、省エネルギーに対する要請は最近特に高くなり、自動車部品を始め多くの産業機械において軽量化計画が強力に進められている。このような軽量化の要求に対し、薄肉球状黒鉛鋳鉄は、注目されている素材の一つである。

薄肉球状黒鉛鋳鉄の製造方法として、特許文献１に、大気中で鋳鉄溶湯に脱酸剤と溶剤を共添加して、鋳鉄溶湯中の溶存酸素を3massppm以下に、硫黄を0．01％以下に低下させる脱酸及び脱硫処理を行った後、該脱酸及び脱硫処理した溶湯に球状化剤を添加して球状化処理をする製造方法が提案されている。そして、その明細書に、CaSiを脱酸剤、CaF₂を溶剤として高周波誘導電気炉により溶解した鋳鉄溶湯について、そのような添加を行わないものの溶存酸素4.8ppmから1.5ppmに、また、硫黄含有量0.012%から0.0018%に減少できたとの記載がある。

特許文献２に、酸素（O）及び硫黄（S）の組成がそれぞれ質量%で、O：25ppm以下、S：0.004〜0.015%含まれる薄肉球状黒鉛鋳鉄が提案されている。そして、その明細書に、ダライ粉を用いたアーク炉によれば、溶湯中の酸素量を10〜20ppm、硫黄量を20〜35×10^-4%にすることができ、薄肉球状黒鉛鋳鉄を好適に製造することができるとの記載がある。

また、対象材料が鋳鋼であるが、特許文献３に、炉外精錬設備等を使用せず、アーク炉単独で比較的短時間に低濃度まで溶鋼中の硫黄を除去（脱硫）することができるアーク炉での脱硫精錬用フラックスが提案されている。そして、その明細書に、アーク炉にて鋳鋼用の溶鋼（材質：SC480、溶解量：18トン）を溶解・精錬するに際して、酸化期のスラグを除去した後にCa-Si、Al等で溶鋼を脱酸し、その後に酸化カルシウム：酸化アルミニウム：弗化カルシウム=70:30:10からなるフラックスを750kg投入し、鋼管を介してアルゴンガスを溶鋼中に5分間吹き込んで還元精錬を行った場合に、還元期初期に0.011wt.%であった硫黄濃度が出鋼後の取鍋中では0.004wt.%まで減少したとの記載がある。

特許文献４に、10wt％以上のCr含み、かつCが0.1wt％以下である、含クロム溶鋼の溶製方法において、スラグ存在下のアーク炉で、二次精錬炉に受鋼したときの溶鋼の硫黄含有量が30ppm以下となるように底吹き精錬法により脱硫した後、前記二次精錬炉に前記溶鋼を前記スラグとともに受鋼し、さらに精錬することを特徴とする含クロム低硫黄鋼の溶製方法が提案されている。そして、その明細書に、本提案の発明においては、アーク炉の底吹撹拌を行うので、還元期において、溶鋼−スラグ間の精錬反応が促進され、還元期において約35ppmにまで脱硫できるとともに、アーク炉出鋼時の混合・撹拌により、約20ppm程度以下にまで低硫化できるとの記載がある。

特許文献５に、アーク溶解炉または転炉にて製造された溶鋼を取鍋に移注してガス撹拌により精錬し、次いで環流式真空脱ガスを行った後、鋳造して鋳塊を製造する鋼の製造工程において、取鍋に電磁誘導撹拌装置を設けてガス撹拌に付加して電磁撹拌して50分〜80分間の取鍋精錬を行うことを特徴とする高清浄度鋼の製造方法が提案されている。そして、その明細書に、SCM435の溶解について、発明例の場合は、製品酸素量が5.4〜6.6ppm、鋼材100g中の20μm以上の介在物の個数が5〜14個であり、最大予測介在物径が最大で30.6μmであったのに対し、電磁撹拌を行わなかった場合は、製品酸素量は比較的少ないがそれでも発明例よりやや多く（6.9〜9.4ppm）、鋼材100g中の20μm以上の介在物の個数は42〜59個と発明例に比し極めて多く、最大予測介在物径も55.2〜91.0μmと発明例に比し大きいとの記載がある。

特開2007-204815号公報特許第4059290号公報特許平8-120323号公報特開平7-90348号公報特開2001-342515号公報

薄肉球状黒鉛鋳鉄の製造においては、球状化処理を行う鋳鉄溶湯が低酸素及び低硫黄であることが重要である。溶湯の流動性を確保するには低酸素で鋳鉄溶湯中の非金属介在物が少ないのがよく、チル化を阻止するには適度の硫黄含有量であるのがよい。また、薄肉球状黒鉛鋳鉄の自動車部品等への適用を考慮すると、低酸素及び低硫黄の大量の鋳鉄溶湯が要求される。

このような要求に対して、特許文献１に記載の方法は、溶湯中の溶存酸素量を少なくできるとしても非金属介在物を含めて少なくできるか不明である。また、高周波誘導電気炉の場合は、精錬作用を有していないので溶湯の特性が原料、溶解条件又は溶解過程等によって大きく変化するという問題がある。また、特許文献３〜５によると、脱硫又は脱酸を促進させるには、溶湯の撹拌が重要であることが示されており、種々の原料を用いて安定して低酸素及び低硫黄の鋳鉄溶湯を得るには、物理的な撹拌作用を有する溶解炉の方が好ましい。特に、特許文献３によると、特許文献１の場合と同様の脱酸剤及び脱硫剤を使用して同様な脱硫性能が得られているが、アルゴンの吹き込み撹拌による脱硫作用の促進が大きいことが示されている。

一方、特許文献２に記載のダライ粉を用いたアーク炉による方法は、小型アーク炉により銑ダライ又は鋼ダライ等の鉄鋼屑を原料とし、低酸素及び低硫黄の鋳鉄溶湯を得ることができるので好ましい方法である。しかし、この方法は、高温の塩基性鉱滓層上においてアークの衝撃により鉄鋼屑を噴霧状又は雨状の溶滴とし、これを塩基性鉱滓層を通過又は濾過させて脱酸及び脱硫を行う方法であり、大量生産を行うには適さないという問題がある。また、銑ダライ又は鋼ダライ等は、CaC₂及びCaOの粉末に被覆された特殊なものを使用しなければならないという問題もある。

一般的には、アーク炉は、雰囲気を酸化性、還元性に自由に調整できる特徴をもっていることから大量の金属の精錬炉として広く使用されているが、溶鋼（溶鉄）及びスラグの撹拌作用が小さい。このためアーク炉には、特許文献３又は４に示すように脱酸及び脱硫反応を促進するためにガス撹拌手段が設けられている。しかしながら、アーク炉は、浴深が浅いため、効率的なガス撹拌を行うには不利であり、特許文献５に記載するように、ガス撹拌手段に加えてさらに電磁誘導撹拌装置が設けられる場合もある。

本発明は、このような従来の問題点に鑑み、精錬炉として広く使用されるアーク炉を用いて鋳鉄溶湯の精錬を行う方法であって、ガス撹拌手段や電磁誘導撹拌装置を要せずに低酸素及び低硫黄であって所要量の鋳鉄溶湯を供給することができる鋳鉄の精錬方法及び精錬装置を提供することを目的とする。

本発明者等は、アーク炉が、大量の金属の精錬炉として広く使用されていること、1600℃以上の高温が得られ温度制御が容易で浴深が浅いという構造的な特徴及びアーク炉による優れた脱酸及び脱硫性能に着目するとともに、アーク放電の衝撃作用を利用した溶湯の撹拌に関する知見を得て本発明を完成させた。

本発明に係る鋳鉄の精錬方法は、鋳鉄溶解炉と、炭素を含む還元性雰囲気下にあるアーク炉とによる脱酸された鋳鉄溶湯の連続出湯が可能な鋳鉄の精錬方法であって、前記鋳鉄溶解炉からの鋳鉄溶湯を前記アーク炉に供給し、そのアーク炉において供給された鋳鉄溶湯に向けてアーク放電を行い、高温度と生じさせた撹拌作用により脱酸反応を促進させることにより実施される。

また、本発明に係る鋳鉄の精錬方法は、鋳鉄溶解炉と、アーク炉とによる脱硫された鋳鉄溶湯の連続出湯が可能な鋳鉄の精錬方法であって、前記鋳鉄溶解炉からの鋳鉄溶湯を前記アーク炉に供給するとともに、そのアーク炉において供給された鋳鉄溶湯上に造滓剤を投入し、投入された造滓剤を介して前記鋳鉄溶湯に向けてアーク放電を行い、高温度と生じさせた撹拌作用により脱硫反応を促進させることにより実施される。

さらに、本発明に係る鋳鉄の精錬方法は、鋳鉄溶解炉と、炭素を含む還元性雰囲気下にあるアーク炉とによる脱酸及び脱硫された鋳鉄溶湯の連続出湯が可能な鋳鉄の精錬方法であって、前記鋳鉄溶解炉からの鋳鉄溶湯を前記アーク炉に供給するとともに、そのアーク炉において供給された鋳鉄溶湯上にチップ状原料及び造滓剤を投入し、投入されたチップ状原料と造滓剤に先端が埋没した状態の黒鉛電極により前記鋳鉄溶湯に向けてアーク放電を行い、高温度と前記チップ状原料が溶解されて前記鋳鉄溶湯に加えられた鋳鉄溶湯内に生じさせた撹拌作用により脱酸及び脱硫反応を促進させることにより実施される。

上記精錬方法は、アーク炉から出湯される鋳鉄溶湯の酸素含有量をO：20ppm以下にすることができる脱酸性能を有し、また、アーク炉から出湯される鋳鉄溶湯の硫黄含有量をS：0.008%以下にすることができる脱硫性能を有する。

上記精錬方法においては、アーク炉から出湯される鋳鉄溶湯の温度は、1600〜2000℃に保持されているのがよい。

本発明に係る精錬装置は、鋳鉄の溶解を行う鋳鉄溶解炉と、溶解された鋳鉄溶湯の精錬を行うアーク炉と、精錬された鋳鉄溶湯を貯留する前炉と、を有する低酸素及び低硫黄の鋳鉄溶湯を供給する精錬装置であって、前記アーク炉は、前記鋳鉄溶解炉からの鋳鉄溶湯の受入又は前記前炉への出湯を調整するための制御手段を有している。

本発明に係る鋳鉄の精錬方法によれば、低酸素及び低硫黄の鋳鉄溶湯を得るためにガス撹拌手段や電磁誘導撹拌装置を必要とせず低酸素及び低硫黄であって所要量の鋳鉄溶湯を供給することができる。そして、本精錬方法によって得られた低酸素及び低硫黄の鋳鉄溶湯は、溶湯中の酸化物、硫化物等の懸濁化合物が少ないため溶湯の流動性が高く、また、ドロス等の表面欠陥、引け巣等の内部欠陥が少ない耐熱及び耐疲労特性に優れた高品質の鋳鉄や薄肉球状黒鉛鋳鉄を製造することができる。

本発明に係る鋳鉄の精錬方法を説明する模式図である。本発明に係る精錬装置の構成を示す模式図である。

以下、発明を実施するための形態について説明する。本発明に係る精錬方法は、所要の組成及び量の溶湯を鋳鉄溶解炉により製造し、製造された溶湯の所要の精錬をアーク炉によって行うことにより、低酸素および/または低硫黄の鋳鉄溶湯を製造する方法であり、特に、アーク炉のアーク放電に伴う高温度と溶湯の撹拌作用により脱酸、脱硫反応を促進させて溶湯の精錬を行う精錬方法である。すなわち、本精錬方法は、図１に示すように、鋳鉄溶解炉（図示せず）から供給される溶湯15をアーク炉3により脱酸、脱硫し、低酸素および/または低硫黄の鋳鉄溶湯16を得る精錬方法である。なお、アーク放電により生ずる2000℃を超える局部的な高温度は、反応速度をより一層増大させる効果がある。

鋳鉄溶解炉は、所要の組成及び量の溶湯15を製造することができる溶解炉であれば足り、その形式を問わない。例えば、キューポラ、低周波又は高周波電気炉、あるいはアーク炉であってもよい。

アーク炉3は、本発明においては鋳鉄溶湯の精錬炉として使用される。すなわち、アーク炉3のアーク放電によって生ずる高温度と衝撃力により溶湯15やスラグ7を撹拌し、脱酸及び脱硫反応を促進させて溶湯15の精錬を行う。アーク放電による衝撃力の大きさ、また、その衝撃力を溶湯15やスラグ7に有効に作用させるように、アーク放電の条件やアーク炉の構造が撰ばれる。例えば、アーク炉3の炉床は、アーク放電による激しい損傷が防止できる程度に浅くするのがよい。

電極5は、特に限定されないが、黒鉛電極であるのがよい。これにより、以下に説明するアーク炉3内を炭素を含む還元性雰囲気にすることが容易になる。また、電極5は、図１に示すように、大径であるのがよい。

脱酸を行う場合は、アーク炉3は炭素を含む還元性雰囲気になっていればよい。一方、脱硫を行う場合は、図１に示すように溶湯15の表面にスラグ7を形成するような造滓剤をアーク炉3に投入する。造滓剤は、炭化カルシウム（CaC₂）、酸化カルシウム（CaO）、炭酸カルシウム（CaCO₃）を使用することができる。また、フッ化カルシウム（CaF₂）を添加することができる。

また、図１に示すように、電極5の先端部が切屑、鉄屑等のチップ状原料と造滓剤との混合材8に埋没した状態で脱酸及び脱硫を行うことができる。この場合は、チップ状原料がアーク放電により雨滴状に溶解されスラグ7を経て低酸素及び低硫黄になった清浄な溶湯として溶湯15に供給されるとともに、溶湯15の脱酸及び脱硫作用が促進される。また、電極5の先端がチップに埋没しているので、アーク放電が安定し、アーク放電時の騒音を防止することができる。なお、造滓剤は、チップ状原料中にばらまくような状態で添加すれば足りる。

本発明によれば、アーク炉3から出湯される脱酸された鋳鉄溶湯16の酸素含有量をO：20ppm以下にすることができる。また、アーク炉3から出湯される脱硫された鋳鉄溶湯16の硫黄含有量をS：0.008%以下にすることができる。これにより、鋳鉄溶湯の硫黄含有量を容易に調整することができ、所要の硫黄含有量の薄肉球状黒鉛鋳鉄を製造することができる。なお、酸素含有量は、溶存酸素及び酸化物中の酸素等を含む全酸素含有量を示す。また、図１の例においては、脱酸、脱硫された低酸素および/または低硫黄の鋳鉄溶湯16は、出湯口9から連続的に出湯されるようになっている。

出湯される低酸素および/または低硫黄に精錬された鋳鉄溶湯は、1600〜2000℃に保持されているのがよい。出湯される鋳鉄溶湯がこのような出湯温度に保持されていれば、アーク炉内の鋳鉄溶湯は高温度に保たれて脱酸、脱硫反応が促進される。そして、出湯される低酸素および/または低硫黄の鋳鉄溶湯の再汚染を防止することができる。

上記本発明に係る鋳鉄の精錬方法は、以下の精錬装置により好適に実施することができる。すなわち、本精錬装置は、図２に示すように、鋳鉄の溶解を行う鋳鉄溶解炉30と、溶解された鋳鉄溶湯の精錬を行うアーク炉20と、精錬された鋳鉄溶湯を貯留する前炉40と、を有している。そして、アーク炉20は、精錬された鋳鉄溶湯を前炉40への出湯を調整するための制御手段25を有している。

本制御手段25は、鋳鉄溶解炉30から供給される鋳鉄溶湯の量及び供給タイミングと、アーク炉20による精錬状況を判定し、精錬された鋳鉄溶湯の前炉40への出湯量及びタイミングを調整することができる。精錬状況は、精錬された鋳鉄溶湯の湯温、酸素及び硫黄含流量により判定できるようにすることができる。

本精錬装置は、所定時間間隔で鋳鉄の溶解を行うのに適した高周波溶解炉式の鋳鉄溶解炉30に特に有効である。なお、制御手段25は、アーク炉20が鋳鉄溶解炉30から受け入れる鋳鉄溶湯の量及び供給タイミングを調整するものであってもよい。また、鋳鉄溶解炉30がキューポラのように所要量の鋳鉄溶湯を連続的に供給するのに適した炉である場合は、制御手段25を設けないで、連続的に精錬された鋳鉄溶湯を前炉40に出湯するようにすることができる。

3 アーク炉
5 電極
7 スラグ
8 混合材
9 出湯口
15 溶湯
16 鋳鉄溶湯
20 アーク炉
25 制御手段
30 鋳鉄溶解炉
40 前炉

Claims

鋳鉄溶解炉と、炭素を含む還元性雰囲気下にあるアーク炉とによる脱酸された鋳鉄溶湯の連続出湯が可能な鋳鉄の精錬方法であって、
前記鋳鉄溶解炉からの鋳鉄溶湯を前記アーク炉に供給し、そのアーク炉において供給された鋳鉄溶湯に向けてアーク放電を行い、そのアーク放電に起因して生じた高温度と撹拌作用により脱酸反応を促進させる鋳鉄の精錬方法。
前記アーク炉から出湯される脱酸された鋳鉄溶湯は、O：20ppm以下であることを特徴とする請求項１に記載の鋳鉄の精錬方法。
鋳鉄溶解炉と、アーク炉とによる脱硫された鋳鉄溶湯の連続出湯が可能な鋳鉄の精錬方法であって、
前記鋳鉄溶解炉からの鋳鉄溶湯を前記アーク炉に供給するとともに、そのアーク炉において供給された鋳鉄溶湯上に造滓剤を投入し、投入された造滓剤を介して前記鋳鉄溶湯に向けてアーク放電を行い、そのアーク放電に起因して生じた高温度と撹拌作用により脱硫反応を促進させる鋳鉄の精錬方法。
前記アーク炉から出湯される脱硫された鋳鉄溶湯は、S：0.008%以下であることを特徴とする請求項３に記載の鋳鉄の精錬方法。
鋳鉄溶解炉と、炭素を含む還元性雰囲気下にあるアーク炉とによる脱酸及び脱硫された鋳鉄溶湯の連続出湯が可能な鋳鉄の精錬方法であって、
前記鋳鉄溶解炉からの鋳鉄溶湯を前記アーク炉に供給するとともに、そのアーク炉において供給された鋳鉄溶湯上にチップ状原料及び造滓剤を投入し、投入されたチップ状原料と造滓剤に先端が埋没した状態の黒鉛電極により前記鋳鉄溶湯に向けてアーク放電を行い、そのアーク放電に起因して生じた高温度と前記チップ状原料が溶解されて前記鋳鉄溶湯に加えられた鋳鉄溶湯内の撹拌作用により脱酸及び脱硫反応を促進させる鋳鉄の精錬方法。
前記アーク炉から出湯される鋳鉄溶湯の温度は、1600〜2000℃に保持されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の鋳鉄の精錬方法。
鋳鉄の溶解を行う鋳鉄溶解炉と、溶解された鋳鉄溶湯をO：20ppm以下、S：0.008%以下になるまで精錬を行うアーク炉と、精錬された鋳鉄溶湯を貯留する前炉と、を有する低酸素及び低硫黄の鋳鉄溶湯を供給する精錬装置であって、
前記アーク炉は、前記鋳鉄溶解炉からの鋳鉄溶湯の受入又は前記前炉への出湯を調整するための制御手段を有するものである精錬装置。