JP5691232B2 - 転炉精錬方法 - Google Patents

Description

本発明は、上底吹き機能を備えた転炉を用い、溶銑を脱炭精錬して溶鋼を溶製する転炉精錬方法に関し、詳しくは、炉内に供給するＣａＯ系媒溶剤の一部または全部を鉄浴中に底吹きし、脱燐効率を高めることのできる転炉精錬方法に関する。

極低燐鋼に代表されるような高純度鋼の要求に対応するべく溶銑予備処理法が発展してきた。溶銑予備処理法は、製鋼スラグの発生量を低減できるメリットがあるが、複数の製造プロセスを経るために溶銑の熱余裕度が低下するというデメリットを有している。一方、近年の二酸化炭素排出量の削減達成のために、製鋼工程で多量の鉄スクラップを使用する必要が生じている。多量の鉄スクラップを使用するためには溶銑の熱余裕度を確保する必要があることから、一部の製鋼工場においては、溶銑予備処理法を放棄し、かつての普通吹錬を実施せざるを得ない局面も出てきている。

溶銑予備処理を放棄することで、転炉での溶銑の脱炭精錬時の脱燐負荷が増大することから、転炉脱炭精錬におけるＣａＯ系媒溶剤の使用量が増加し、製鋼スラグの発生量が増加するという問題が生じる。製鋼スラグの発生量が増加することは、環境面及びコスト面からも好ましいことではない。

そこで、この問題を解決するために、転炉型反応容器内の溶銑に対して脱炭精錬を行う際に、脱炭反応と同時に効率の良い脱燐反応を行うことのできる精錬方法が提案されている。例えば、特許文献１には、「底吹きノズルからの酸素ガスの吹き込みを主たる脱炭手段とする転炉精錬において、溶鋼中の炭素濃度が０．３質量％以下の低炭素濃度期については、溶鋼中の脱炭を底吹きノズルからの純酸素ガスによる吹き込みのみで行うものとし、この時の酸素ガス供給速度を２Nm³／(min・t-溶鋼)以上、底吹きノズルでの圧力を１．０×１０⁶Pa以上とすること、および酸素ガスと同時にＣａＯ系媒溶剤を底吹きノズルから吹き込むことを特徴とする底吹き転炉製鋼法」が提案されている。

また、特許文献２には、「酸素上吹き転炉において、酸化カルシウム含有粉体を精錬用酸素ガスとともに溶湯面上に吹き付けるとともに、溶湯面下に設けたノズルからガスを吹き込んで撹拌を行う精錬方法において、酸化アルミニウムを含む取鍋スラグまたは酸化アルミニウムを含む組成物を炉内に添加することを特徴とする鋼の精錬方法」が提案されている。

特開平８−７３９１７号公報 特開２００６−２７４３４９号公報

しかしながら、上記従来技術には以下の問題点がある。

即ち、特許文献１においては、底吹きノズルからの酸素ガス供給により強い攪拌力を得ることができ、更に同時にＣａＯ系媒溶剤を吹き込むことから効率の良い脱燐反応を行うことが可能となる。しかし、底吹きノズルから酸素ガスを供給するので、操業の制御・メンテナンスが困難であり、操業条件を誤った場合には、酸素ガスが着火して底吹きノズルや配管を焼損してしまうというような課題が有る。

一方、特許文献２においては、上吹きランスからの酸化カルシウム粉体の吹き付けとともに、酸化アルミニウムを含む物質を添加するのでスラグの滓化性を向上させることができる。しかし、酸化アルミニウムを含む物質を炉内に添加することにより炉体耐火物の損傷が促進されるという課題がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、上底吹き機能を備えた転炉を用い、溶銑を脱炭精錬して溶鋼を溶製するにあたり、底吹きノズルや配管などの焼損を起こすことなく、また、転炉炉体耐火物の損傷を促進することなく、脱燐効率を向上させ、少ないＣａＯ系媒溶剤で所望する脱燐処理が実施でき、製鋼スラグの発生原単位を削減することの可能な転炉精錬方法を提供することである。

上記課題を解決するための本発明に係る転炉精錬方法は、上底吹き機能を備えた転炉を用い、上吹きランスから気体酸素源を供給しつつ、底吹きノズルから不活性ガスを搬送用ガスとしてＣａＯ系媒溶剤の一部または全部を固体酸素源とともに鉄浴中に吹き込んで、溶銑を脱炭精錬して溶鋼を溶製する転炉精錬方法であって、前記底吹きノズルから吹き込むＣａＯ系媒溶剤中のＣａＯ質量純分をＡ（kg）、前記底吹きノズルから吹き込む固体酸素源中の酸素ガス体積換算純分をＢ（Nm³）としたとき、Ａ／Ｂ（kg／Nm³）が２〜７０の範囲内となるようにＣａＯ系媒溶剤または固体酸素源の吹き込み量を調整することを特徴とする。

本発明によれば、上底吹き機能を有する転炉において行われる溶銑の脱炭精錬において、上吹きランスから気体酸素源を供給しつつ、底吹きノズルから、不活性ガスを搬送用ガスとしてＣａＯ系媒溶剤の一部または全部を固体酸素源とともに、固体酸素源との吹き込み量の比率を適正な比率として鉄浴中に吹き込むので、脱燐効率が向上してＣａＯ系媒溶剤の使用量が削減され、これに伴う発生スラグ量の削減などが達成され、製造コストの低減などの工業上有益な効果がもたらされる。

本発明を実施した転炉設備の概略図である。 ＣａＯの総添加量と、鉄浴の脱炭精錬前後での燐濃度の差との関係を、本発明例と比較例とで比較して示す図である。 Ａ／Ｂと、鉄浴の脱炭精錬前後での燐濃度の差との関係を、本発明例と比較例とで比較して示す図である。

以下、本発明を具体的に説明する。

本発明者らは、転炉脱炭精錬での脱燐効率向上のための手法を求めるべく、小型の試験転炉において、ＣａＯ系媒溶剤として生石灰（ＣａＯ含有量：約９５質量％）を用い、底吹きノズルから酸素ガスとともに粉状の生石灰を供給した溶銑の脱炭精錬実験と、上吹きランスから酸素ガスとともに粉状の生石灰を供給した溶銑の脱炭精錬実験とを行い、両者の脱燐効率を比較した。その結果、底吹きノズルから酸素ガスとともに生石灰を供給した方が、脱燐効率が高いことが分かった。しかしながら、底吹きノズルから酸素ガスを吹き込む場合には、底吹きノズルのメンテナンスや、酸素ガスにより着火した場合の配管焼損などのリスクが伴う。

そこで、本発明者らは、転炉の底吹きノズルから不活性ガスを搬送用ガスとして生石灰粉を供給する脱炭精錬実験を実施した。しかし、この方法では期待したほど高い脱燐効率を得ることができなかった。この原因は以下の通りであると考えられる。即ち、ＣａＯ系媒溶剤の主成分であるＣａＯは、単体であればその融点は２０００℃を超える。底吹きノズルから酸素ガスとともに生石灰を吹き込んだ場合には、酸素ガスにより生成するＦｅＯと生石灰中のＣａＯとが反応して低融点化し、生石灰を溶融させることができるのに対して、不活性ガスを用いて生石灰を吹き込んだ場合には、ＦｅＯが生成せず、生石灰を低融点化できず、結果として脱燐効率の向上に至らなかったものと考えられる。

そこで、本発明者らは更なる検討を重ねた結果、不活性ガスを搬送用ガスとして、底吹きノズルから生石灰粉とともに鉄鉱石などの固体酸素源粉を吹き込むことを考えた。固体酸素源を吹き込むことでＦｅＯ源が供給され、このＦｅＯ源により生石灰の溶融が進むのではないかと考え、脱炭精錬実験を行った。その結果、予測どおり、粉状の生石灰とともに粉状の固体酸素源を吹き込むことで、脱燐効率が向上することが明らかとなった。

また、更に実験を行った結果、底吹きノズルから吹き込む生石灰粉と固体酸素源粉との比率に適正な範囲があることを見出した。即ち、底吹きノズルから吹き込むＣａＯ系媒溶剤中のＣａＯ質量純分をＡ（kg）、吹きノズルから吹き込む固体酸素源中の酸素ガス体積換算純分をＢ（Nm³）とすると、Ａ／Ｂ（kg／Nm³）を２〜７０の範囲内にすることで、脱燐効率が向上することが分かった。Ａ／Ｂが２より小さい場合には、脱燐反応に必要なＣａＯ量が不足し、Ａ／Ｂが７０より大きい場合には、ＣａＯ系媒溶剤に対して固体酸素源の量が少ないためにＣａＯの溶融不足となり、結果として脱燐効率の向上が認められなかった。

本発明は、これらの試験結果に基づくものであり、上吹きランスから気体酸素源を供給しつつ、底吹きノズルから不活性ガスを搬送用ガスとしてＣａＯ系媒溶剤の一部または全部を固体酸素源とともに鉄浴中に吹き込んで、溶銑を脱炭精錬して溶鋼を溶製する転炉精錬方法であって、前記底吹きノズルから吹き込むＣａＯ系媒溶剤中のＣａＯ質量純分をＡ（kg）、前記底吹きノズルから吹き込む固体酸素源中の酸素ガス体積換算純分をＢ（Nm³）としたとき、Ａ／Ｂ（kg／Nm³）が２〜７０の範囲内となるようにＣａＯ系媒溶剤または固体酸素源の吹き込み量を調整することを特徴とする。尚、溶銑の脱炭精錬においては、炉内に装入された溶銑は脱炭されて最終的には溶鋼になるが、脱炭精錬の過程で炉内滞留物を溶銑と溶鋼とに正確に区別することは困難であり且つ煩雑でもあるので、本発明においては、脱炭精錬時の炉内の溶銑及び溶鋼をまとめて「鉄浴」と称する。

本発明において、上吹きランスから供給する気体酸素源としては、酸素ガス（工業用純酸素を含む）、空気、酸素富化空気、酸素ガスと不活性ガスとの混合ガスなどを使用することができる。通常は、他のガスを使用した場合と比べて反応速度が速いことから、酸素ガスを使用することが好ましい。混合ガスを使用する場合は、反応速度を確保するために、酸素濃度を空気よりも高くすることが好ましい。

また、本発明において、粉状のＣａＯ系媒溶剤及び粉状の固体酸素源を底吹きノズルから吹き込むための搬送用ガスとしては、窒素ガス、Ａｒガス、Ｈｅガスなどの不活性ガスを用いることができる。また、弱酸化性ガスである炭酸ガスや、空気のように酸素濃度の低いガスを用いることもできるが、固体酸素源には微量の金属鉄を含むものがあるため、燃焼による事故回避という工業的観点から酸素濃度の低いガスを用いることが好ましい。

本発明で使用するＣａＯ系媒溶剤としては、ＣａＯを含有し、本件の意図する精錬処理ができるものであれば、特にＣａＯの含有量に制約はない。通常は、ＣａＯ単独からなるものや、またはＣａＯを５０質量％以上含有し、必要に応じてその他の成分を含有するものである。ＣａＯ系媒溶剤の具体例としては、安価な生石灰及び石灰石を使用することができる。また、軽焼ドロマイト或いは転炉で脱炭精錬した際に発生する転炉スラグ（「脱炭滓」ともいう）もＣａＯ系媒溶剤として使用することができる。

本発明において、ＣａＯ系媒溶剤の全てを底吹きノズルから鉄浴中に吹き込む必要はなく、脱炭精錬で必要とするＣａＯ系媒溶剤のうちの一部を底吹きノズルから鉄浴中に吹き込み、残りのＣａＯ系媒溶剤は、炉上に設けたホッパーから炉内に投入するようにしてもよい。但し、底吹きノズルから吹き込まれるＣａＯ系媒溶剤の滓化により脱燐が促進されるので、底吹きノズルから吹き込まれるＣａＯ系媒溶剤をできるだけ多くすることが好ましい。底吹きノズルの吹き込み量が十分に多く、ホッパーから炉内に投入する必要がない場合には、全量を底吹きノズルから吹き込むことが望ましい。

ＣａＯ系媒溶剤のサイズは、炉上ホッパーから炉内に添加する場合は、排ガスによって飛散しない程度の大きさであればよく、そのサイズに特段の制約はない。また、底吹きノズルから吹き込む場合は、粉状のものに限られるが、ハンドリングなどの観点からも粒径１mm以下のものが好ましい。粒径が１mmを超えるものは搬送配管内での目詰まりを引き起こす恐れもある。ここで粒径が１mm以下とは、目開き寸法が１mmの篩分器を通過するという意味であり、目開き寸法が１mmの篩分器を通過する限り、長径が１mmを超える紡錘型であっても構わない。また、ホタル石などのフッ素含有物質をＣａＯの滓化促進剤として混合することも可能ではあるが、環境保護の観点から、フッ素含有物質は滓化促進剤として使用しないことが好ましい。フッ素が不純物として不可避的に混入した物質については使用しても構わない。

本発明で使用する固体酸素源としては、鉄鉱石、焼結鉱、ミルスケール、集塵ダスト、砂鉄などである。集塵ダストとは、高炉、転炉、焼結などの工程において排気ガスから回収される鉄分を含むダストである。本発明において、固体酸素源の全てを底吹きノズルから鉄浴中に吹き込む必要はなく、脱炭精錬で必要とする固体酸素源のうちの一部を底吹きノズルから鉄浴中に吹き込み、残りの固体酸素源は、炉上に設けたホッパーから炉内に投入するようにしてもよい。固体酸素源のサイズは、炉上ホッパーから投入するものは排ガスにより飛散しない程度の大きさであればよく、底吹きノズルから吹き込むものとしては粒径１mm以下の粉状のものが好ましい。

底吹きノズルからのＣａＯ系媒溶剤及び固体酸素源の吹き込みは、粉状のＣａＯ系媒溶剤と粉状の固体酸素源とをそれぞれ別のディスペンサーに収容し、それぞれのディスペンサーから切り出し、配管内で混合しながら底吹きノズルから吹き込む形態が、それぞれの切り出し量を調整できることから好ましい。或いは、粉状のＣａＯ系媒溶剤と粉状の固体酸素源とを予め適正な比率で混合した混合体を１つのディスペンサーに収容し、このディスペンサーから切り出し量を調整して供給するという形態でも構わない。

底吹きノズルからの搬送用ガスの流量は、粉状のＣａＯ系媒溶剤及び粉状の固体酸素源が配管内で詰まらない程度の流量以上であれば特段の問題はなく、転炉炉形状に合わせた流量を設定すればよい。尚、この搬送用ガスは鉄浴の攪拌用ガスとしても機能する。また、底吹きノズルの形状も、粉状のＣａＯ系媒溶剤及び粉状の固体酸素源が詰まることなく鉄浴に吹き込めるような形状であればどのようなものでも構わない。一般的には、単管型ノズルが使用される。

底吹きノズルからの粉状のＣａＯ系媒溶剤及び粉状の固体酸素源の供給は、脱炭精錬の全ての期間に亘って行う必要はなく、例えば、脱炭精錬の初期のみに適用してもよいし、脱炭精錬の末期のみに適用しても構わない。ＣａＯ系媒溶剤及び粉状の固体酸素源を吹き込まない時には、ガスのみを底吹きノズルから流しておけばよい。

このようにして溶銑の脱炭精錬を行うことにより、脱燐効率を向上させることができ、その結果、溶製コストの低減、製鋼スラグの削減などのメリットを得ることができる。

図１に示す転炉設備における本発明法の適用例を説明する。図１において、転炉設備１には、その内部に溶銑２を収容し溶銑２の脱炭精錬を実施する転炉本体４と、転炉本体４の内部に挿入され、上下方向の移動が可能である、転炉本体４の内部へ酸素ガスを供給する上吹きランス７と、転炉本体４の炉口を覆い、転炉本体４から発生するガスを集塵機（図示せず）へ導入するフード８と、粉状のＣａＯ系媒溶剤１９を収容するディスペンサー９と、粉状の固体酸素源２０を収容するディスペンサー１０と、ディスペンサー９及びディスペンサー１０に連結し、搬送用ガスとともに粉状のＣａＯ系媒溶剤１９及び粉状の固体酸素源２０を炉内に吹き込むための、炉底に設けられた複数の底吹きノズル６と、ＣａＯ系媒溶剤１９を収容するホッパー１３と、固体酸素源２０を収容するホッパー１４と、ホッパー１３及びホッパー１４に接続し、ホッパー１３から切り出されるＣａＯ系媒溶剤１９及びホッパー１４から切り出される固体酸素源２０を搬送して転炉本体４の内部へ添加する添加装置１７と、添加装置１７に接続し、フード８を貫通した、添加装置１７によって添加されたＣａＯ系媒溶剤１９及び固体酸素源２０を転炉本体４の内部に導入するためのシュート１８と、を備えている。

ディスペンサー９には、ＣａＯ系媒溶剤１９の吹き込み量を調整する切出装置１１が設けられ、ディスペンサー１０には、固体酸素源２０の吹き込み量を調整する切出装置１２が設けられ、ホッパー１３にはＣａＯ系媒溶剤１９の投入量を調整する切出装置１５が設けられ、ホッパー１４には固体酸素源２０の投入量を調整する切出装置１６が設けられており、また、転炉本体４には、その側壁上部に、脱炭精錬して溶製した溶鋼を出湯するための出湯口５が設けられている。図中の符号３はスラグである。

上記構成の転炉設備の転炉本体に、溶銑と、溶銑量に対して０〜１５％の鉄スクラップとを装入（合計装入量：約３００トン）し、脱炭精錬を実施して溶鋼を溶製する試験を行った。底吹きノズルからの搬送用ガスとしてはＡｒガスを用い、粉状のＣａＯ系媒溶剤としては粒径１mm以下の生石灰粉（ＣａＯ濃度：９５質量％）を、粉状の固体酸素源としては粒径１mm以下の焼結鉱粉を用いた。底吹きノズルからのＡｒガス流量は０．１〜０．５Nm³／(min・t-溶銑)の範囲として生石灰粉及び焼結鉱粉を鉄浴へ吹き込んだ。上吹きランスからの酸素ガス供給速度は１．０〜４．０Nm³／(min・t-溶銑)の範囲とした。ＣａＯ系媒溶剤の総添加量は、脱炭精錬前の溶銑の燐濃度に応じて決定した。

また、比較のために、底吹きノズルからはＣａＯ系媒溶剤及び固体酸素源を吹き込まずに、Ａｒガスのみを吹き込み、ＣａＯ系媒溶剤及び固体酸素源は全て炉上のホッパーから投入する脱炭精錬試験も行った。

試験結果を表１に示す。本発明例における底吹きからのＣａＯ系媒溶剤中のＣａＯ質量純分（Ａ）と、底吹きからの固体酸素源中の酸素ガス体積換算純分（Ｂ）との比、Ａ／Ｂ（kg／Nm³）は１３．３の一定とした。尚、脱炭精錬終点（終了時）での溶鋼の炭素濃度は、０．０２〜０．０５質量％の範囲であった。

図２に、ＣａＯの総添加量と、鉄浴の脱炭精錬前後での燐濃度の差（＝脱炭精錬前の溶銑の燐濃度（質量％）−脱炭精錬終点での溶鋼の燐濃度（質量％））との関係を示す。図２からも明らかなように、本発明例においては比較例よりも少ないＣａＯ原単位で同等の脱燐量が得られていることが確認できた。

実施例１と同じ転炉設備を用いて、底吹きからのＣａＯ系媒溶剤中のＣａＯ質量純分（Ａ）と、底吹きからの固体酸素源中の酸素ガス体積換算純分（Ｂ）との比、Ａ／Ｂ（kg／Nm³）の影響を調査する実験を行った。

試験では、脱炭精錬前の溶銑中燐濃度が０．０９０〜０．１００質量％の溶銑に対して、ＣａＯの総添加量を２５〜３０kg／t-溶銑とし、そのうち、底吹きからの生石灰吹込み原単位と焼結鉱吹込み原単位とを変化させてＡ／Ｂを変化させた。

図３に、Ａ／Ｂと、鉄浴の脱炭精錬前後での燐濃度の差（＝脱炭精錬前の溶銑の燐濃度（質量％）−脱炭精錬終点での溶鋼の燐濃度（質量％））との関係を示す。図３に示すように、Ａ／Ｂを２〜７０の範囲内にすることで高い脱燐量が得られることが分かる。尚、図３の比較例のうちでＡ／Ｂ＝０のプロットは、底吹きノズルから生石灰及び焼結鉱の吹込みを行っていない試験での結果である。

このように本発明を用いることで脱燐効率が向上し、ＣａＯ原単位の低減、製鋼スラグの削減などの有益な効果を得ることが可能であることが確認できた。

１ 転炉設備
２ 溶銑
３ スラグ
４ 転炉本体
５ 出湯口
６ 底吹きノズル
７ 上吹きランス
８ フード
９ ディスペンサー
１０ ディスペンサー
１１ 切出装置
１２ 切出装置
１３ ホッパー
１４ ホッパー
１５ 切出装置
１６ 切出装置
１７ 添加装置
１８ シュート
１９ ＣａＯ系媒溶剤
２０ 固体酸素源

Claims (1)

1. 上底吹き機能を備えた転炉を用い、上吹きランスから気体酸素源を供給しつつ、底吹きノズルから不活性ガスを搬送用ガスとしてＣａＯ系媒溶剤の一部または全部を固体酸素源とともに鉄浴中に吹き込んで、溶銑を脱炭精錬して溶鋼を溶製する転炉精錬方法であって、
   前記上吹きランスから前記気体酸素源を供給する脱炭精錬中に、前記底吹きノズルから吹き込むＣａＯ系媒溶剤中のＣａＯ質量純分をＡ（ｋｇ）、前記底吹きノズルから吹き込む固体酸素源中の酸素ガス体積換算純分をＢ（Ｎｍ³）としたとき、Ａ／Ｂ（ｋｇ／Ｎｍ³）が２〜７０の範囲内となるようにＣａＯ系媒溶剤または固体酸素源の吹き込み量を調整することを特徴とする転炉精錬方法。

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