JP5994754B2

JP5994754B2 - 浸珪処理装置

Info

Publication number: JP5994754B2
Application number: JP2013172782A
Authority: JP
Inventors: 真二藤戸; 泰成古賀; 富永　健一; 健一富永; 崇土居; 多津彦平谷; 今村　猛; 今村　　猛
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2013-08-23
Filing date: 2013-08-23
Publication date: 2016-09-21
Anticipated expiration: 2033-08-23
Also published as: JP2015040338A

Description

本発明は、鋼板に浸珪処理を施して高珪素鋼板を得る浸珪処理装置に関し、特に浸珪処理炉からの排ガスを冷却して、浸珪処理における副生成物を分離除去する冷却装置を有する浸珪処理装置に関する。

高珪素鋼板の製造方法として、浸珪処理炉で四塩化珪素（ＳｉＣｌ_４）を含むガス用いて浸珪処理を施す気相浸珪処理方法が知られている。この方法は、圧延が比較的容易なＳｉ含有量の低い鋼板に、四塩化珪素を含むガス用いて浸珪処理を施すことでＳｉを富化し、磁気特性に優れた高珪素鋼板を得る方法である。例えば、特許文献１、特許文献２では、ＳｉＣｌ_４をｍｏｌ分率で５〜３５％含んだ無酸化性ガス雰囲気中において、１０２３〜１２００℃の温度で化学気相蒸着法により連続的に浸珪処理し、高珪素鋼板を得ることが記載される。

通常、このような浸珪処理では、特許文献１、特許文献２にも記載されるように、Ｓｉの供給用原料ガスとして、四塩化珪素を含むガス（以下、四塩化珪素ガスともいう）が使用され、浸珪処理炉にて浸珪処理が施される。このような浸珪処理では、下記の反応式に示すように、鋼板（Ｆｅ）とＳｉＣｌ_４が反応してＳｉが鋼板中に浸透するとともに、副生成物である多量の塩化鉄（塩化第一鉄：ＦｅＣｌ_２）が生成する。
ＳｉＣｌ_４＋５Ｆｅ→Ｆｅ_３Ｓｉ＋２ＦｅＣｌ_２

この副生成物である塩化鉄（ＦｅＣｌ_２）は、排ガスとして、未反応の四塩化珪素とともに浸珪処理炉から排気される。ここで、塩化鉄は、１０２３℃以上では気相状態にあるが、炉から排気されて温度が低下すると、液相を経て結晶状の固相となり、排気部の配管等の壁面に堆積して、配管等を閉塞してしまうという問題があった。そこで、従来、四塩化珪素（ＳｉＣｌ_４）と塩化鉄（ＦｅＣｌ_２）の沸点（凝固点）がそれぞれ５７℃、１０２３℃と大きく異なることを利用して、排ガス中から塩化鉄を分離除去することが行われている。

例えば、特許文献３、特許文献４では、排ガスを１次クーラでＦｅＣｌ_２の融点（６７０℃）以下でかつＳｉＣｌ_４の沸点（５７℃）以上の温度まで冷却してＦｅＣｌ_２を微粉状に析出させ、これをフィルター装置で回収する装置が提案されている。

特開昭６２−２２７０７８号公報特開昭６３−２６３２４号公報特開昭６３−２４０２１号公報特開平７−１７３６０４号公報

しかしながら、特許文献３、特許文献４にて提案されるような１次クーラを有する冷却装置で、排ガスからＦｅＣｌ_２を分離除去しても、冷却装置の配管が閉塞してしまい、配管中に詰まったものを除去する作業が必要となるため、浸珪処理の続行が事実上不可能となるという問題が生じていた。

本発明は、上記した問題を解決して、浸珪処理炉からの排ガスのガス流路の閉塞を抑制して、安定した浸珪処理が可能な浸珪処理装置を提供することを目的とする。

発明者らは上記問題について種々検討し、この問題が浸珪処理炉のライニングに起因することを見出した。すなわち、近年、浸珪処理炉の炉内ライニングに用いる断熱材として、軽量でかつ耐火性に優れ、断熱材として優れた特性を有するセラミックファイバーが用いられるようになってきた。このセラミックファイバーはアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）とシリカ（ＳｉＯ_２）を主成分としている。発明者らは、このセラミックファイバー中のアルミナが上記問題の原因であることを知見した。

セラミックファイバー中に含まれるアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）は、１０２３〜１２００℃の温度で浸珪処理する際、浸珪処理炉内のガス中の四塩化珪素と反応して、下記の反応式に示すように、塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ_３）を生成する。
３ＳｉＣｌ_４＋２Ａｌ_２Ｏ_３→３ＳｉＯ_２＋４ＡｌＣｌ_３

ここで生成ずる塩化アルミニウムは、約１５０℃から昇華し、この昇華温度は四塩化珪素の凝固温度（５７℃）との差が小さい。このため、１次クーラを用いた分離除去では、塩化鉄は分離除去できても、塩化アルミニウムを排ガス中から分離除去することができない。その結果、排ガス中の塩化アルミニウムが、浸珪処理炉からの排ガスを処理する冷却装置の壁面等で結晶化して成長し、壁面に固く堆積して冷却装置の排気部の配管等を閉塞してしまう。

発明者らは、このような排ガスのガス流路の閉塞を改善すべく、さらに検討を重ねた結果、浸珪処理炉の断熱材として用いるセラミックファイバーに含まれるアルミナ量を調整することで、上記課題を解決できることを見出した。
本発明は、上記知見に基づきなされたものであり、以下を要旨とする。

［１］四塩化珪素を含むガスを用いて鋼板に浸珪処理を施す浸珪処理炉と、浸珪処理炉から排気される排ガスを冷却し、浸珪処理における副生成物である塩化鉄を前記排ガスから分離除去する冷却装置を有する浸珪処理装置であって、前記浸珪処理炉に用いられる断熱材として、アルミナを２０ｍａｓｓ％以下含み、残部がシリカであるセラミックファイバーを用いることを特徴とする浸珪処理装置。

［２］前記セラミックファイバーが、さらに前記アルミナおよびシリカ以外の１種以上の酸化物を合計で３０ｍａｓｓ％以下含有することを特徴とする前記［１］に記載の浸珪処理装置；ただし、前記酸化物は該酸化物を構成する酸化物形成元素（ただし酸素以外）の塩化物の融点が２００℃以上である。

断熱材として優れた特性を有するセラミックファイバーを用い、かつ、浸珪処理炉からの排ガスのガス流路の閉塞を防止した本発明の浸珪処理装置によれば、安定した浸珪処理を行うことができ、高珪素鋼板の生産性を向上できる。

本発明の浸珪処理装置を有する高珪素鋼板製造設備の概略図である。浸珪処理炉に用いたセラミックファイバー中のアルミナ含有量と冷却装置における塩化アルミニウム析出量との関係を示す図である。高珪素鋼板製造設備の浸珪処理炉から冷却装置への排気配管前後での差圧の経時変化を示す図である。高珪素鋼板製造設備の浸珪処理炉から冷却装置への排気配管の排ガス流量の経時変化を示す図である。

図１に、浸珪処理装置１００を有する高珪素鋼板の製造設備の概略図を示す。図１に示す高珪素鋼板の製造設備では、鋼板Ｓを加熱炉１で加熱した後、浸珪処理炉２で鋼板表面に四塩化珪素ガスを作用させて浸珪処理を施す。浸珪処理炉２では、鋼板Ｓに浸珪処理を施すことで、鋼板表面のＳｉを富化し、鋼板表面のＳｉ濃度を増加させる。続く均熱炉３で、鋼板表面に富化したＳｉを鋼板全体に拡散させる拡散処理を行い、冷却帯４で冷却して、高珪素鋼板を製造する。ここで、拡散処理は、鋼板全体のＳｉ濃度が均一となるように行ってもよく、また、拡散処理条件を調整して、鋼板の板厚方向にＳｉの濃度勾配が残留するようにしてもよい。

浸珪処理炉２には、排気配管２１が設けられ、冷却装置２２に接続されている。この冷却装置２２により排ガス中に含まれる塩化鉄（ＦｅＣｌ_２）を微粉状に析出させ、フィルター５１で回収する。フィルター５１で回収された塩化鉄は、ホッパー５２を経て、窒素ガスＮ_２で塩化鉄溶解タンク５３に搬送される。また、塩化鉄が分離除去された排ガスは、排気ブロア５４により、図示しない四塩化珪素回収装置へ排気される。

浸珪処理装置１００は、浸珪処理炉および浸珪処理炉から排出される排ガスを冷却して浸珪処理における副生成物である塩化鉄を前記排ガスから分離する冷却装置を有するものであり、図１においては、浸珪処理炉２、排気配管２１、冷却装置２２により構成される。

なお、図１において、浸珪処理装置１００は、排気配管２１により浸珪処理炉２からの排ガスを冷却装置２２に排出しているが、浸珪処理炉２からの排ガスを冷却装置２２に排出する方法は、この形態に限定する必要は無く、任意の手段で排出することができる。

本発明の浸珪処理装置は、図１に示したような浸珪処理装置１００であって、断熱材としてアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を２０ｍａｓｓ％以下含み、残部がシリカ（ＳｉＯ_２）であるセラミックファイバー用いた浸珪処理炉２を有する浸珪処理装置１００である。あるいは、図１に示したような浸珪処理装置１００であって、断熱材としてアルミナを２０ｍａｓｓ％以下含み、さらに、アルミナおよびシリカ以外の酸化物であって、酸化物を構成する酸化物形成元素（ただし酸素以外）の塩化物の融点が２００℃以上である酸化物を３０ｍａｓｓ％以下含み、残部がシリカであるセラミックファイバー用いた浸珪処理炉２を有する浸珪処理装置１００である。
以下、本発明の浸珪処理装置について、詳細に説明する。

図１に示す高珪素鋼板の製造設備において、浸珪処理炉２の内壁面の断熱材（ライニング）としてセラミックファイバーを用い、このセラミックファイバーに含まれるアルミナの含有量を変化させて、１１００℃で鋼板に浸珪処理を行った。なお、ここで、セラミックファイバーは、アルミナ以外の残部はシリカとした。このときの浸珪処理炉２に接続される冷却装置２２の内壁面に析出する塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ_３）の析出量を調査した。結果を図２に示す。なお、図２において、塩化アルミニウムの析出量（ｋｇ）は、１時間あたりの析出量である。

図２より、浸珪処理装置１００の浸珪処理炉２に用いる断熱材として、アルミナとシリカからなるセラミックファイバーを用い、アルミナの含有量を２０ｍａｓｓ％以下とすることで、冷却装置の内面に析出する塩化アルミニウムの析出量を著しく減らすことができることがわかる。

すなわち、図２に示したように、浸珪処理炉に用いる断熱材として、アルミナを２０ｍａｓｓ％以下含有し、残部がシリカであるセラミックファイバーを用いることにより、冷却装置等への塩化アルミニウムの析出を抑制することができ、浸珪処理炉からの排ガスのガス流路の閉塞を抑制できる。このため、本発明の浸珪処理装置の浸珪処理炉に用いる断熱材として、アルミナを２０ｍａｓｓ％以下含有し、残部がシリカであるセラミックファイバーを用いることとした。

また、本発明の浸珪処理装置の浸珪処理炉に用いる断熱材として、さらに、アルミナおよびシリカ以外の酸化物を１種以上含有させることができる。この場合、アルミナおよびシリカ以外の酸化物の含有量は合計で３０ｍａｓｓ％以下とする必要がある。アルミナおよびシリカ以外の酸化物の含有量が、合計で３０ｍａｓｓ％を超えると、断熱材の耐熱性が低下する。また、このような酸化物を構成する酸素以外の酸化物形成元素の塩化物の融点が２００℃以上であることが必要である。このような酸化物を構成する元素のうち、酸素以外の元素が四塩化珪素と反応し、塩化物を生成した場合であっても、形成した塩化物の融点が２００℃以上であれば、四塩化珪素との凝固点の差が十分に大きく、本発明の浸珪処理装置の有する冷却装置により、塩化鉄とともに微粉状に析出させて、浸珪処理炉から排気される排ガスから分離することができる。このような酸化物としては、例えば酸化カルシウム（ＣａＯ）や酸化マグネシウム（ＭｇＯ）が挙げられる。

図１に示した高珪素鋼板の製造設備において、浸珪処理炉２の内壁面の断熱材として表１に化学組成および耐熱温度を示すセラミックファイバーを用い、２ヶ月間稼動させて、浸珪処理装置１００内の排気配管２１の前後での差圧、および排気配管２１における排ガス流量の変化を調査した。排気配管前後での差圧の経時変化を図３に、排気配管における排ガス流量の経時変化を図４に示す。

本発明に適合するセラミックファイバーを浸珪処理炉の断熱材として用いた本発明の浸珪処理装置（本発明例）では、２ヶ月間稼動しても、排気配管前後での差圧や排気配管のガス流量に変化が無く、排気配管の詰まりを除去する作業の必要がなく、安定して高珪素鋼板の製造を行うことができた。一方、図３に示したように、浸珪処理炉に用いる断熱材として、比較例１（アルミナ含有量：３５ｍａｓｓ％）、比較例２（アルミナ含有量：７２ｍａｓｓ％）のセラミックファイバーを用いた浸珪処理装置では、設備稼働期間が長くなるとともに、配管前後の差圧が大きくなり、図４に示したように比較例１では稼動期間約２ヶ月、比較例２では稼動期間約１ヶ月でガス流量が著しく低下して、排気配管の詰まりを除去する作業が必要となった。

１加熱炉
２浸珪処理炉
３均熱炉
４冷却帯
２１排気配管
２２冷却装置
５１フィルター
５２ホッパー
５３塩化鉄溶解タンク
５４排気ブロア
１００浸珪処理装置
Ｓ鋼板

Claims

四塩化珪素を含むガスを用いて鋼板に浸珪処理を施す浸珪処理炉と、浸珪処理炉から排出される排ガスを冷却し、浸珪処理における副生成物である塩化鉄を前記排ガスから分離除去する冷却装置を有する浸珪処理装置であって、前記浸珪処理炉に用いられる断熱材として、アルミナを２０ｍａｓｓ％以下含み、残部がシリカであるセラミックファイバーを用いることを特徴とする浸珪処理装置。
前記セラミックファイバーが、さらに前記アルミナおよびシリカ以外の１種以上の酸化物を合計で３０ｍａｓｓ％以下含有することを特徴とする請求項１に記載の浸珪処理装置；ただし、前記酸化物は該酸化物を構成する酸化物形成元素（ただし酸素以外）の塩化物の融点が２００℃以上である。