JP5948863B2

JP5948863B2 - 転炉精錬方法

Info

Publication number: JP5948863B2
Application number: JP2011283313A
Authority: JP
Inventors: 田中　健一; 健一田中; 恭一亀山; 大島　健二; 健二大島; 健治安藤; 大輔 ▲高▼橋
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2011-12-26
Filing date: 2011-12-26
Publication date: 2016-07-06
Anticipated expiration: 2031-12-26
Also published as: JP2013133484A

Description

本発明は、スクラップを用いる転炉精錬方法に関する。

最近では、製鉄業において、ＣＯ₂の排出量削減や副産物のリサイクル促進など、環境負荷低減のために種々の取り組みが行われており、転炉による溶銑の精錬工程にて、スクラップの使用量を増加させた操業が要求されている。しかし、転炉精錬においては、一度にスクラップを大量に装入すると、吹錬時に吹込む酸素と溶銑の接触が不十分で着火せず、吹錬が困難になる。

転炉精錬にてスクラップの装入量を増加させる方法としては、炉内で酸素と溶銑の接触を確保できる上限量のスクラップを装入し、吹錬した後に、得られた溶鋼を全量出湯する操業を繰り返す方法があるが、この方法はスクラップの装入量に限界がある。しかも、冷材であるスクラップの装入量が増えることによって、転炉から溶鋼を出湯した後にスクラップと溶銑をあらたに装入するまでの間に炉内の温度低下が発生し、その結果、吹錬に要する時間が長くなり、ＣＯ₂の排出量削減に必ずしも寄与できない。

つまり、転炉精錬にて一度に装入できるスクラップ量に限界があるため、溶銑の装入から溶鋼の出湯までの１サイクルの吹錬にて大量のスクラップを装入するためには、複数回に分けてスクラップを装入することが必要である。
そこで、炉内の温度低下を防止しながら、スクラップを２回に分けて装入して吹錬を行なう方法として、転炉にスクラップを装入（１回目）し、さらに溶銑と生石灰，炭材を装入して吹錬した後に、炉内の溶融鉄を出湯せずにスクラップを装入（２回目）し、さらに生石灰を装入して吹錬を行ない、得られた溶鋼を出湯する方法が知られている（特許文献１）。

しかし、特許文献１に開示された方法では、２回目のスクラップの装入の際に突沸が発生して、溶融鉄が炉外へ噴出しやすくなるので、吹錬を安定して行なうことが困難になるばかりでなく、作業の安全性の問題も生じる。
なお、突沸は、一般に液体が突然沸騰する現象を意味するが、本発明においては、転炉内の溶融鉄が何らかの原因で転炉外へ噴出する現象を言う。

また、溶融鉄は、転炉に装入された溶銑が、吹錬を経て、所定の成分を有する溶鋼となるまでの、中間段階の溶融状態を指す。

特開平7-62414号公報

本発明は、転炉精錬の１サイクルの吹錬におけるスクラップの装入量を増加させ、かつ炉内の溶融鉄の突沸を防止して、安定した吹錬を安全に行なうことができる転炉精錬方法を提供することを目的とする。

発明者らは、転炉精錬の１サイクルの吹錬におけるスクラップの装入量を増加させるためには、スクラップを２回に分けて装入して吹錬を行なう必要があることから、２回目のスクラップの装入時に炉内の溶融鉄の突沸を防止する方法を検討し、その結果、１回目のスクラップと溶銑を装入した後の吹錬では炭材を使用せず脱炭精錬を行ない、次いで２回目に装入するスクラップの性状を規定することによって、突沸を防止できることを見出した。

本発明は、このような知見に基づいて完成されたものである。
すなわち本発明は、転炉を用いて溶鋼を溶製する転炉精錬方法において、転炉内にスクラップと溶銑を装入する第１工程と、次いで前記転炉内に、ＣａＯおよび炭材の非装入下で、上吹きランスから酸素ガスを吹込んで脱珪及び脱炭精錬を行なう第２工程と、次いで前記転炉内に比表面積０．５〜１１．０ｍ²／ｔｏｎのスクラップを装入する第３工程と、次いで前記転炉内にＣａＯを装入した後に前記上吹きランスから酸素ガスを吹込んで脱炭精錬と同時に脱燐精錬を行ないさらに出鋼する第４工程と、を有することを特徴とする突沸を防止した転炉精錬方法である。

本発明の転炉精錬方法においては、前記第４工程で装入するＣａＯの装入量を、前記第２工程終了後から前記第３工程開始前の間に採取した溶融鉄の成分分析値と温度および溶鋼の目標成分に応じて決定する。また、前記第３工程において装入するスクラップをスラブ形状のものとすることが好ましい。
なお、スラブ形状は、矩形の表面を有する立体の形状（たとえば直方体，立方体）を指す。

本発明によれば、転炉精錬の１サイクルの吹錬におけるスクラップの装入量を増加させることができ、かつ炉内の溶融鉄の突沸を防止することができるので、転炉精錬に有利であり、産業上格段の効果を奏する。

本発明の転炉精錬方法の手順を示す説明図である。

図１は、本発明の転炉精錬方法の手順を示す説明図である。以下に、本発明の第１工程〜第４工程を順に詳しく説明する。
まず、第１工程について説明する。
第１工程では、クレーン２を操作して、スクラップシュート１に収容したスクラップを転炉４内に装入（１回目）する。その後、転炉４内に下置きしたスクラップ上に溶銑鍋５から溶銑を装入する。この時のスクラップの嵩密度や形状には特に制限はないが、スクラップを多量に入れすぎると、次工程の吹錬において吹込む酸素と溶銑の接触が不十分となり溶銑中のＣの酸化が起こらなくなる。そのため、転炉４内で酸素と溶銑の接触を確保できるスクラップ量を予め測定しておき、その結果に基づいてスクラップの装入量を設定することが好ましい。また、水分が付着したスクラップを使用すると、その水分が蒸発することによって炉内の熱が奪われるので、乾燥したスクラップ（水分含有量０．１質量％以下）を使用することが好ましい。

次に、第２工程について説明する。
第２工程では、ランス６から酸素ガスを吹込んで吹錬を行なう。この工程では、ＣａＯを使用せず、ランス６から吹込まれる酸素によって脱珪及び脱炭精錬を行なう。
また第２工程では、熱源として炭材を使用せず、溶銑に含有されるＳｉ単体やＦｅＳｉ等として存在するＳｉの酸化熱を活用して吹錬を行なうことによって、吹錬時間を短縮することが可能となる。そのため、炭材を装入せず、溶銑中のＳｉの酸化熱を活用して吹錬を行なうことが好ましく、その場合には、第２工程で脱炭精錬と脱珪精錬を行なうことになる。

次に、第３工程について説明する。
第３工程では、第２工程の吹錬を停止して、溶融鉄を転炉４内に残置したまま、クレーン２を操作して、スクラップシュート１からスクラップを転炉４内に装入（２回目）する。ここで装入するスクラップは冷材であるから、スクラップの装入によって転炉４内の温度は低下するが、溶融鉄が転炉４内に残置されているので、温度低下は次工程の吹錬に支障のない範囲に抑えられ、吹錬時間の延長を防止することができる。

また第３工程では、装入するスクラップに水分が付着していると、水分が溶融鉄の熱で一斉に蒸発する際に体積が膨張することによって、突沸が発生し易くなる。従って、スクラップは実質的に水分を含有しないもの（水分含有量０．１質量％以下）を使用することが好ましい。
ただし、乾燥したスクラップであっても、スクラップ中の酸化鉄が多い場合や表面積の大きいスクラップ（たとえば粉状の鉄源、切り屑、薄いスクラップ等）を用いた場合に突沸が起こり易い。酸化鉄による突沸発生のメカニズムについては明確ではないが、酸化鉄中の酸素が溶融鉄中の不純物（例えばＣ）と反応して急激に気体（ＣＯ，ＣＯ₂等）を生成することが原因と推定される。スクラップの酸化鉄含有量を正確に定量することは困難であるが、表面積が大きいほど、表面には酸化鉄が多く存在すると推定され、酸化鉄と溶融鉄の接触面積も大きくなることや、表面において気体生成の核になる場所が多いために突沸が起き易くなると推定される。したがって、表面積の小さいスクラップを使用することによって、酸化鉄に起因する突沸を防止できる。

発明者らは、スクラップの比表面積すなわち、（表面積／質量）比と、突沸の発生との関係について検討した結果、比表面積が１１．０ｍ²／ｔｏｎ以下であれば突沸を起こさすに使用できることを見出した。なお、スクラップ形状が相似形であれば、スクラップが大きいほど、比表面積は小さくなるが、大きなスクラップはハンドリングが困難になるため、比表面積は０．５ｍ²／ｔｏｎ以上、すなわち０．５〜１１．０ｍ²／ｔｏｎの範囲内が好ましい。このようなスクラップとしては、ある程度の厚みを持ったスラブ形状（直方体，立方体）のものが好ましい。スクラップの表面積はスクラップの形状から計算でき、その質量との比をとることで比表面積を算出できる。板状のスクラップの場合、表面積は板厚の影響を大きく受ける。スクラップによっては、板が圧縮プレスによって固められているものもあるが、圧縮される前の形状が観察できるため、その板厚からおよその比表面積を推定することができる。

一般にスラブ状のスクラップの板厚は、１０ｍｍ以下のものは比表面積が大きくなり、上記の１１．０ｍ²／ｔｏｎを超え易くなる。また、板厚が３００ｍｍを超えるスラブは製造が困難なため、スラブ状のスクラップの板厚は１０ｍｍ超え〜３００ｍｍ未満の範囲内が好ましい。
圧縮プレスされたスクラップの適否の簡易的な鑑別方法としては、圧縮プレスされたスクラップを所定の体積の容器に投入したときの重量を測定し、その嵩密度が２．０以下のものは好ましくない。つまり、嵩密度は２．０超えの範囲内が好ましい。また、塊状のスクラップや還元鉄などの場合には、代表的な直径から球近似によりおよその比表面積を推定することができる。

このようにして、第３工程で装入するスクラップの性状を規定することによって、溶融鉄の突沸を防止することが可能となる。
次に、第４工程について説明する。
第４工程では、転炉４内の溶融鉄にＣａＯを装入した後、ランス６から酸素ガスを吹込んで吹錬を行なう。この工程では、脱炭精錬と脱燐精錬を同時に行ない、得られた溶鋼を出鋼口３から出鋼する。

ここで装入するＣａＯは、副原料の装入量をミニマム化するために、第２工程終了後から第３工程開始前の間に採取した溶融鉄の成分分析値，温度および溶鋼の目標成分に応じて計算して、好適な装入量を設定することが好ましい。溶融鉄（１トン）に対するＣａＯ装入量（ｋｇ／ｔｏｎ）は、たとえば下記の式で算出することができる。
ＣａＯ装入量＝α×（推定スラグ中CaO濃度）/（推定スラグ中P濃度）
ここで、α＝（（溶融鉄中Ｐ濃度）−（目標Ｐ濃度））×ａ、
（推定スラグ中CaO濃度）＝Exp(ｂ×（目標Ｃ濃度）＋ｃ×（目標温度）＋ｄ×（目標Ｐ濃度）＋ｅ×（溶銑配合率）)＋ｆ
（推定スラグ中P濃度）＝Exp(ｇ×（目標Ｐ濃度）＋ｈ×（目標温度）＋ｉ×（溶銑配合率）＋ｊ×（目標Ｃ濃度）＋ｋ×（溶融鉄中Ｐ濃度）)＋ｍ
であり、ａ〜ｍは定数であって、ａは操業実績に基づいて定められる定数であり、（推定スラグ中CaO濃度）および（推定スラグ中P濃度）を求める式中の定数は、それぞれの右辺の変数を変更して操業した際に吹錬後実測されるスラグ中ＣａＯ濃度とスラグ中Ｐ濃度の値をもとに重回帰分析により求められるものである。

また、上記の第２工程にて熱源として炭材を使用せず、溶銑中のＳｉの酸化熱を活用して吹錬を行った場合には、この第４工程で炭材を熱源として装入して吹錬することによって、従来の方法で１サイクルの転炉精錬にてスクラップを２回装入する吹錬に比べて、吹錬時間を短縮することが可能となるので好ましい。
以上に説明した通り、本発明によれば、１サイクルの転炉精錬にてスクラップを２回に分けて装入することによって、従来の１サイクルあたり１回のスクラップ装入に比べて、スクラップの装入量を増加させることができる。また、第２工程が終了した後に、第３工程で溶融鉄を転炉４内に残置したまま、２回目のスクラップ装入を行なうので、炉内の温度低下を抑制することができる。さらに、第２工程で脱炭精錬のみ、あるいは必要に応じて脱炭精錬と脱珪精錬を行ない、かつ第３工程における２回目のスクラップ装入で使用するスクラップの性状を規定することによって、溶融鉄の突沸を防止できる。さらに、従来の方法で１サイクルの転炉操業にてスクラップを２回装入する吹錬に比べて、吹錬時間を短縮することが可能である。

また、第２工程終了後から第３工程開始前の間に溶融鉄を採取し、その分析値から精錬目標成分や温度に応じて、第４工程で装入する副原料（ＣａＯ等）の量を設定することによって、過剰な副原料の装入を抑制し、精錬コストの低減を図ることができる。

＜実施例１＞
図１に示すように、容量２４０ｔｏｎの転炉にスクラップを装入（１回目）して、その転炉内に下置きしたスクラップ上に溶銑を装入した後、ランスから酸素ガスを吹込んで吹錬（脱珪及び脱炭精錬）を行なった。次いで、吹錬を停止して、スクラップを転炉内に装入（２回目）し、さらにＣａＯを装入した後、ランスから酸素ガスを吹込んで吹錬（脱炭精錬および脱燐精錬）を行ない、得られた溶鋼を出鋼した。２回目のスクラップ装入で使用したスクラップは表１に示す通りであり、１回目のスクラップ装入では、スクラップ種の規制はしておらず、スクラップの厚みが0.01ｍ以下のものも使用した。

表１中の発明例１〜９は、使用したスクラップの比表面積が本発明の範囲を満足する例であり、比較例１〜５は、スクラップの比表面積が本発明の範囲を外れる例である。
表１から明らかなように、発明例１〜９は、いずれも２回目のスクラップ装入の際に、溶融鉄の突沸は発生しなかった。一方で、比較例１〜５は、２回目のスクラップ装入の際に、溶融鉄の突沸が発生した。

＜実施例２＞
上記した実施例１と同様に、表１に示す発明例１のスクラップを用いて、実施例１と同様に１サイクルの転炉操業にてスクラップを２回に分けて装入する吹錬を行なった。これを、上記と同様に発明例１とする。
一方で、比較例として、発明例１と同じスクラップを用いて、１サイクルの転炉操業にてスクラップを１回装入する吹錬を行なった。これを比較例６とする。

発明例１で１サイクルの転炉操業にて装入可能なスクラップ量（２回分の合計）を測定して、その４サイクルの最大値をＳ_INVとした。また、比較例６の１サイクルの転炉操業にて装入可能なスクラップ量（１回分）を測定して、その４サイクルの最大値をＳ_REFとすると、Ｓ_INVはＳ_REFの1.3倍であった。
さらに、発明例１の２回目のスクラップ装入を行なう間の炉内の温度低下を測定し、その４サイクルの最大値をＴ_INVとした。また、比較例６の１サイクルの転炉操業を４回繰り返して、第１サイクルの出鋼から第２サイクルのスクラップ装入までの炉内の温度低下，第２サイクルの出鋼から第３サイクルのスクラップ装入までの炉内の温度低下，第３サイクルの出鋼から第４サイクルのスクラップ装入までの炉内の温度低下を測定し、その最大値をＴ_REFとすると、Ｔ_INVはＴ_REFの１／５であった。

１スクラップシュート
２クレーン
３出鋼口
４転炉
５溶銑鍋
６ランス

Claims

転炉を用いて溶鋼を溶製する転炉精錬方法において、前記転炉内にスクラップと溶銑を装入する第１工程と、次いで前記転炉内に、ＣａＯおよび炭材の非装入下で、上吹きランスから酸素ガスを吹込んで脱珪及び脱炭精錬を行なう第２工程と、次いで前記酸素ガスの吹込みを停止して前記転炉内に比表面積０．５〜１１．０ｍ²／ｔｏｎのスクラップを装入する第３工程と、次いで前記転炉内にＣａＯを装入した後に前記上吹きランスから酸素ガスを吹込んで脱炭精錬と同時に脱燐精錬を行ないさらに出鋼する第４工程と、を有し、
前記第４工程で装入するＣａＯの装入量を、前記第２工程終了後から前記第３工程開始前の間に採取した溶融鉄の成分分析値と温度および前記溶鋼の目標成分に応じて決定することを特徴とする突沸を防止した転炉精錬方法。
前記第３工程において装入する前記スクラップをスラブ形状のものとすることを特徴とする請求項１に記載の転炉精錬方法。