JP6627642B2

JP6627642B2 - 鉄鉱石の還元方法

Info

Publication number: JP6627642B2
Application number: JP2016099631A
Authority: JP
Inventors: 寛弥谷川; 玲洋松澤
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2016-05-18
Filing date: 2016-05-18
Publication date: 2020-01-08
Anticipated expiration: 2036-05-18
Also published as: JP2017206740A

Description

本発明は、鉄鋼製品の製造における転炉精錬方法に係り、更に詳細には、脱Ｓｉと脱Ｐを行う転炉型溶銑予備処理における鉄鉱石の還元方法に関する。

転炉型溶銑予備処理を行う場合、脱Ｐ（脱りん）に適した溶銑温度に調整するため、冷却材である固体酸化鉄として、鉄鉱石やダスト、ミルスケール等を、溶銑に投入することが一般的である。
例えば、特許文献１には、溶銑が装入された第１の転炉内に焼石灰等の副原料を投入し、スラグの塩基度を１〜４に調整した後、吹錬を開始し、鉄鉱石を投入して溶銑温度を１２５０〜１４００℃に調整しながら脱Ｐ吹錬を行い、この吹錬の終了後、第１の転炉から脱Ｐ溶銑を出銑し、これを第２の転炉に装入して本吹錬を行う方法が開示されている。
また、特許文献２、３には、脱Ｐに必要な、スラグと溶湯の反応界面積、及び、溶銑温度を確保するため、全酸素に対する固体酸素源（鉄鉱石、焼結鉱、ミルスケール等）の比率を制約しながら、固体酸素源の投入のタイミングを適正化することで、溶銑中のＰ濃度を低減させ、汎用鋼を確実に溶製する方法が開示されている。

特開２００２−６０８２６号公報特開２０１１−２１９８１７号公報特開２０１１−２１９８１８号公報

しかしながら、鉄鉱石は、ダスト等と比較して粒径が大きく、またＦｅ_２Ｏ_３を主体とした組成であることから、溶解と還元に時間を要する。そのため、鉄鉱石の溶解と還元が不十分となり、溶銑温度の冷却不足や、脱Ｐ効率の低下、還元不足による鉄分ロスが発生する。
なお、この現象は、特に、鉄鉱石を大量に投入し、短時間で処理しようとする場合に顕著になる。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、鉄鉱石を高効率で還元させて、溶銑温度の適正化、脱Ｐ効率の向上、及び、鉄分ロスの低減を可能にする鉄鉱石の還元方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するためになされた本発明の要旨は、以下の通りである。
（１）転炉型溶銑予備処理における鉄鉱石の還元方法において、
転炉内のスラグの塩基度を０．５以上１未満、かつ、スラグの粘度を０．１５Ｐａ・ｓ以下にして、前記転炉内に鉄鉱石を投入する第１工程と、
前記転炉内に石灰系原料を投入してスラグの塩基度を上昇させ、１以上１．５以下に調整する第２工程とを有することを特徴とする鉄鉱石の還元方法。

（２）前記石灰系原料の一部又は全部が、前記転炉又は他の転炉で発生したスラグであることを特徴とする（１）に記載の鉄鉱石の還元方法。

本発明に係る鉄鉱石の還元方法は、転炉内のスラグの塩基度と粘度を所定の範囲内にして、転炉内に鉄鉱石を投入する第１工程を有するので、鉄鉱石の溶解速度を向上できる。そして、石灰系原料を用いてスラグの塩基度を上昇させ、所定の範囲内に調整する第２工程を行うので、鉄鉱石の還元反応を促進でき、スラグ中のＦｅＯ濃度を低減できる。
従って、鉄鉱石を高効率で還元して、溶銑温度の適正化と脱Ｐ効率の向上を達成しながら、鉄分ロスの低減を図ることができる。このため、特に鉄鉱石を大量に投入し短時間で処理する場合に、本発明の効果がより顕著になる。

ここで、石灰系原料に転炉で発生したスラグを用いる場合、石灰系原料として使用可能な、例えば、生石灰や石灰石の使用量を低減、更には、ゼロにできるため、ランニングコストの低減が図れて経済的である。

本発明の一実施の形態に係る鉄鉱石の還元方法の説明図である。スラグの塩基度が鉄鉱石とダストの溶解速度へ及ぼす影響を示したグラフである。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
図１に示すように、本発明の一実施の形態に係る鉄鉱石の還元方法は、転炉１０を用いた溶銑予備処理（転炉型溶銑予備処理）方法であり、転炉１０内のスラグ１１の塩基度と粘度を所定の範囲内にして、鉄鉱石投入シュート１５で転炉１０内に鉄鉱石を投入する第１工程と、転炉１０内に石灰系原料を投入してスラグ１１の塩基度を上昇させ、所定の範囲内に調整する第２工程とを有し、従来よりも鉄鉱石を高効率で還元可能な方法である。
以下、詳しく説明する。

（準備工程）
まず、転炉（上底吹き転炉）１０内へ溶銑１２を装入する。
このとき、必要に応じて鉄スクラップを、転炉１０内に、溶銑１２装入前に予め配置することも、また、溶銑１２装入後に投入することもできる。
転炉１０内へ溶銑１２を装入した後は、転炉１０の下部に設けられた底吹きノズル１３から、不活性ガス（例えば、Ａｒガス（アルゴンガス）やＮ_２ガス（窒素ガス）等）を吹込み、撹拌しながら、以下の各工程を行う。

（第１工程）
ここでは、転炉１０内のスラグ１１の塩基度を、０．５以上１未満、かつ、スラグ１１の粘度を０．１５Ｐａ・ｓ以下に調整して、転炉１０内に鉄鉱石を投入する。このスラグ１１の塩基度は、「｛スラグ中のＣａＯ濃度（質量％）｝／｛スラグ中のＳｉＯ_２濃度（質量％）｝」で表される（以下、単に塩基度、又は、Ｃ／Ｓとも記載する）。また、鉄鉱石は、Ｆｅ_２Ｏ_３を主成分（例えば、７０質量％以上、更には８０質量％以上）とするものである。
上記したスラグ１１の塩基度は、以下の試験に基づいて規定した。

試験は、Ａｒガス雰囲気下で、鉄製るつぼ内で溶融させたスラグ１００ｇをＡｒガスで撹拌しながら、このスラグに予熱した試料５０ｇを投入して行った。この試料には、鉄鉱石（ＦｅＯ：０．１４質量％、Ｆｅ_２Ｏ_３：９７．９４質量％）と、比較としてダスト（ＦｅＯ：３０．７８質量％、Ｆｅ_２Ｏ_３：５５．７５質量％）を用いた。
また、試料（鉄鉱石とダスト）を投入するスラグは、ＦｅＯを２５質量％含有し、残りがＣａＯとＳｉＯ_２とからなり、ＣａＯとＳｉＯ_２の比率を変えて、塩基度を０．６と１．０にそれぞれ調整した。なお、スラグの温度は１３５０℃とした。

試料投入から３分後にスラグを採取し、試料中の全Ｆｅ濃度Ｔ．Ｆｅ（質量％）と試料中の金属Ｆｅ濃度Ｍ．Ｆｅ（質量％）をそれぞれ分析して、以下の式で換算ＦｅＯ濃度（質量％）を求めた。
（換算ＦｅＯ濃度）＝｛（Ｔ．Ｆｅ）−（Ｍ．Ｆｅ）｝／５６×７２
この換算ＦｅＯ濃度（質量％）から初期のＦｅＯ濃度（３０質量％）を引いたものを３分で除した、スラグ中の換算ＦｅＯ濃度の上昇速度（％／分）を、試料の溶解速度として評価した。

図２に、試験結果を示す。
鉄鉱石を、塩基度が１以上２以下のスラグ（転炉１０内）に上方から添加した場合、鉄鉱石の溶解が大きく阻害されるため、スラグの塩基度を１未満にした。
例えば、図２に示すように、スラグの塩基度（Ｃ／Ｓ）が１．０の場合、溶解速度は、ダストが鉄鉱石よりも良好な傾向が得られた。しかし、スラグの塩基度を０．６まで低下させることで、鉄鉱石の溶解速度を塩基度が１．０の場合よりも上昇させることができると共に、ダストと同程度にまで上昇できることがわかった。

なお、スラグの塩基度を０．５未満まで低下させた場合、スラグ中のＳｉＯ_２量が過剰となってスラグの粘性が高くなる。このため、鉄鉱石をスラグの上方から添加した場合、鉄鉱石がスラグ層に捕捉され易くなり、鉄鉱石の溶解と還元が阻害されて好ましくない。
以上の知見に基づいて、スラグ１１の塩基度を０．５以上１未満（好ましくは、下限を０．６、上限を０．９、更には０．８）とした。

また、スラグの粘度は、以下の知見に基づいて規定した。
上記したように、スラグの粘性が高いと、鉄鉱石をスラグの上方から添加した場合に、鉄鉱石がスラグ層に捕捉され易くなり、鉄鉱石の還元が阻害されて好ましくない。
上記したスラグの塩基度の範囲内において、鉄鉱石をスラグ層に捕捉されにくくするには、スラグ１１の粘度を０．１５Ｐａ・ｓ以下にする必要がある。

この粘度の下限値については、粘度の低下と共に、鉄鉱石がスラグ層に捕捉されにくくなることから、特に規定していないが、スラグの組成等を考慮すれば、例えば、０．１０Ｐａ・ｓ程度である。
上記したスラグ１１の粘度は、スラグ１１の組成等に基づき、飯田らによる推算粘度式（飯田孝道、外４名、「溶融スラグ・ガラスの粘性−物性工学的アプローチによる多成分系複雑液体の高精度な粘度推算法−」、アグネ技術センター、２００３年６月２５日、ｐ．１２４）を用いて算出（推定）できる。

なお、鉄鉱石の添加は、スラグ１１の塩基度と粘度を、上記した範囲内にして行えばよく、具体的には、溶銑予備処理で生成するＳｉＯ_２量と、転炉１０内に投入されるＣａＯ源（例えば、生石灰、石灰石、リサイクルスラグ）とのバランスから、塩基度が０．５以上１未満、かつ、粘度が０．１５Ｐａ・ｓ以下となるタイミングで行う。ここで、スラグ１１の粘性を低下させる方法としては、例えば、鉄鉱石と比較してＦｅＯ濃度が高い（例えば、２０質量％以上、更に２５質量％以上の）ダスト等を、転炉１０内に投入する方法を用いることが望ましい。

（第２工程）
上記した第１工程で、転炉１０への鉄鉱石の投入が全量完了した後、転炉１０内に石灰系原料を投入して、スラグ１１の塩基度を第１工程での塩基度よりも上昇させ、１以上１．５以下（好ましくは、１．１以上１．５未満、更には１．２以上１．５未満）に調整する。
鉄鉱石の投入が終了した後のスラグ１１はＦｅＯ濃度が高くなる（例えば、２０質量％以上）。このため、石灰系原料を投入して上記した範囲内に塩基度を調整し、ＦｅＯの還元を促進して、ＦｅＯ濃度を低下させたスラグにすることにより、鉄分ロスを低減できる。なお、スラグの塩基度が１．５超の場合、副原料の溶解不良を招いて、脱Ｐが阻害される。

ここで、石灰系原料には、例えば、生石灰、石灰石、リサイクルスラグ等のいずれか１又は２以上を組合わせて使用できるが、経済性の観点から、石灰系原料の一部又は全部にリサイクルスラグを用いることが好ましい。
このリサイクルスラグは、上記した転炉１０の過去の操業又は他の転炉で発生したスラグであり、塩基度が例えば、３〜４程度のものである（前記した第１工程で記載のリサイクルスラグも同様）。

このように、スラグ１１の塩基度を上昇させて、１以上１．５以下にした後（にした時点で）、ランス１４を用いて上吹き送酸する吹錬を行う。
これにより、転炉１０内へ鉄鉱石を上方から添加する場合において、鉄鉱石を高効率で還元させることができるため、溶銑温度の適正化、脱Ｐ効率の向上、鉄分ロスの低減が可能になる。

なお、上記したように、本発明の鉄鉱石の還元方法は、転炉１０内への鉄鉱石の上方添加に有効であるため、鉄鉱石の投入量については特に規定していない。
しかし、鉄鉱石を高効率で還元させることができることから、本発明の鉄鉱石の還元方法による効果は、特に、鉄鉱石を大量に投入し、短時間で処理しようとする場合に顕著になる。

従って、鉄鉱石の投入量は、例えば、溶銑１トンあたり数ｋｇ程度でもよいが、溶銑１トンあたり１５ｋｇ以上、更には、３０ｋｇ以上にすることが、本発明の効果の観点から好ましい。一方、投入量の上限値については、実際の操業を考慮すれば、例えば、５０ｋｇ程度である。
また、溶銑予備処理の処理時間（吹錬時間）は、例えば、１０分以下（更には５分以下）である。一方、処理時間の下限値は、例えば、処理する溶銑の量にもよるが、２分程度である。

（第３工程）
上記した吹錬が終了した後は、転炉１０を傾動させ、生成した炉内のスラグ１１を転炉１０の炉口から排滓する。そして、転炉１０内に新たに生石灰を添加した後、ランス１４を用いて上吹き送酸する吹錬を行う。
この吹錬が終了した後、転炉１０を傾動させ、溶製した溶鋼を出鋼口１６から出鋼する。
なお、図１中の符号１７は、転炉１０の内面に付着し固化したスラグである。

次に、本発明の作用効果を確認するために行った実施例について説明する。
ここでは、転炉を用いた溶銑予備処理において、転炉内の４００トンの溶銑に対して鉄鉱石を投入した。
この溶銑中のＳｉ濃度は０．５質量％、溶銑と鉄スクラップの合計質量に対する溶銑の質量（即ち、ＨＭＲ）は９０質量％、溶銑の温度は約１３５０℃、にした。
以下に、鉄鉱石を転炉内に投入する際の手順を示す。

まず、転炉型溶銑予備処理を行うことで生成するＳｉＯ_２と、投入されるＣａＯ源（生石灰、石灰石、リサイクルスラグ）とのバランスから、スラグの塩基度（Ｃ／Ｓ）が０．５〜１．２の範囲、スラグの粘度が０．１２〜０．２１Ｐａ・ｓとなるタイミングで、鉄鉱石を３０〜３６ｋｇ／トン（ｋｇ／ｔ）投入した。この鉄鉱石の投入量は、必要脱Ｐ量等に応じて、溶銑予備処理後の温度で１２７０〜１３２０℃を目標温度として決定した（以上、第１工程）。
次に、鉄鉱石の投入が全量完了したタイミングで、リサイクルスラグ（石灰系原料）を投入し、スラグの塩基度（Ｃ／Ｓ）を上昇させて、０．９〜１．６に調整した。
そして、ランスによる吹錬を開始した後、１０分以下で終了した（以上、第２工程）。
試験条件と結果を表１に示す。

実施例１〜５は、第１工程でスラグの塩基度と粘度を適正範囲内（塩基度：０．５以上１未満、粘度：０．１５Ｐａ・ｓ以下）にして、転炉内に鉄鉱石を投入した後、第２工程でスラグの塩基度を上昇させて適正範囲内（１以上１．５以下）にした場合の試験条件と結果である。
この場合、鉄鉱石の溶解速度を向上させることができ、吹錬を１０分行った溶銑予備処理後の溶銑温度を、目標温度±１０℃の範囲に下げることができた。これにより、溶銑中のＰ濃度を３７×１０^−３質量％以下に低減でき、しかも、スラグ中のＦｅＯ濃度を１９質量％以下に低減できた。

一方、比較例１、３は、第１工程でのスラグの塩基度を適正範囲外（比較例１：１．２、比較例３：１．１）にし、比較例１、２は、第１工程でのスラグの粘度を適正範囲外（比較例１：０．２１Ｐａ・ｓ、比較例２：０．２０Ｐａ・ｓ）にした場合の試験条件と結果である。なお、比較例１〜３の第２工程でのスラグの塩基度は適正範囲内にしている。
この場合、鉄鉱石の溶解速度が低下し、溶銑予備処理後の溶銑温度を、目標温度に対し２５℃以上までしか低減できなかった。このため、溶銑中のＰ濃度が４０×１０^−３質量％以上に上昇し、スラグ中のＦｅＯ濃度も２０質量％以上に上昇した。

また、比較例４、５は、第２工程でのスラグの塩基度を適正範囲外（比較例４：０．９、比較例５：１．６）にした場合の試験条件と結果である。なお、第１工程でのスラグの塩基度と粘度は適正範囲内にしている。
この場合、比較例４は、スラグの塩基度が適正範囲の下限値未満であったため、ＦｅＯの還元を促進できず、スラグ中のＦｅＯ濃度が高くなり、また、比較例５では、スラグの塩基度が適正範囲の上限値超であったため、溶銑中のＰ濃度が上昇した。

以上のことから、本発明の鉄鉱石の還元方法を用いることで、鉄鉱石を高効率で還元させて、溶銑温度の適正化、脱Ｐ効率の向上、及び、鉄分ロスの低減が図れることを確認できた。
なお、上記した実施例１〜５では、転炉内に鉄鉱石を３０〜３５ｋｇ／トン投入した場合について説明したが、鉄鉱石の投入量が、数ｋｇ／トン〜５０ｋｇ／トン程度の範囲内でも、実施例１〜５の結果と略同様の傾向が得られた。

以上、本発明を、実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。例えば、前記したそれぞれの実施の形態や変形例の一部又は全部を組合せて本発明の鉄鉱石の還元方法を構成する場合も本発明の権利範囲に含まれる。

１０：転炉、１１：スラグ、１２：溶銑、１３：底吹きノズル、１４：ランス、１５：鉄鉱石投入シュート、１６：出鋼口、１７：スラグ

Claims

転炉型溶銑予備処理における鉄鉱石の還元方法において、
転炉内のスラグの塩基度を０．５以上１未満、かつ、スラグの粘度を０．１５Ｐａ・ｓ以下にして、前記転炉内に鉄鉱石を投入する第１工程と、
前記転炉内に石灰系原料を投入してスラグの塩基度を上昇させ、１以上１．５以下に調整する第２工程とを有することを特徴とする鉄鉱石の還元方法。
請求項１記載の鉄鉱石の還元方法において、前記石灰系原料の一部又は全部が、前記転炉又は他の転炉で発生したスラグであることを特徴とする鉄鉱石の還元方法。