JP7211557B2

JP7211557B2 - 溶鉄の精錬方法

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Publication number: JP7211557B2
Application number: JP2022518956A
Authority: JP
Inventors: 太小笠原; 雄大服部; 玲横森; 涼川畑
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2021-01-26
Filing date: 2021-12-17
Publication date: 2023-01-24
Anticipated expiration: 2041-12-17
Also published as: TW202237864A; WO2022163200A1; CN116745438A; EP4273273A1; KR20230133977A; JPWO2022163200A1; TWI802184B; US20240060149A1

Description

本発明は、溶鉄の精錬方法に関し、具体的には、転炉型容器内に収容された溶鉄の精錬処理において、冷鉄源の使用量を増加させる技術に関する。

従来、溶銑段階で脱燐処理（以下、予備脱燐処理という）を行い、溶銑中の燐濃度をある程度除去してから転炉で脱炭吹錬を実施する製鋼方法が発展してきた。この予備脱燐処理では、溶銑中に石灰系媒溶剤とともに気体酸素等の酸素源を添加するため、酸素源が溶銑中の燐と反応する以外にも炭素や珪素とも反応して溶銑温度が上昇する。脱燐反応は熱力学的に低温が有利であるため、処理後の溶銑温度は冷却材を添加することによって１３００℃～１４００℃前後に制御されている。

近年、地球温暖化防止の観点から、鉄鋼業界においても化石燃料の消費量を削減してＣＯ_２ガスの発生量を減少させることが進められている。一貫製鉄所においては、鉄鉱石を炭素で還元して溶銑を製造している。この溶銑を製造するには鉄鉱石の還元などのために溶銑１ｔあたり、５００ｋｇ程度の炭素源を必要とする。一方、鉄スクラップなどの冷鉄源を転炉精錬での原料として溶鋼を製造する場合には、鉄鉱石の還元に必要とされる炭素源が不要となる。その際、冷鉄源を溶解するために必要なエネルギーを考慮しても、１ｔの溶銑を１ｔの冷鉄源に置き換えることで、約１．５ｔのＣＯ_２ガス発生量低減につながる。つまり、溶鉄を用いた転炉製鋼方法において、冷鉄源の配合比率を増加させることがＣＯ_２発生量低減につながる。ここで、溶鉄とは、溶銑および溶融した冷鉄源をいう。

また、前述の予備脱燐処理においては処理終了温度が１３００～１４００℃程度であり、冷鉄源として使用されている鉄スクラップの融点よりも低い温度である。そのため、予備脱燐吹錬においては、溶銑に含有されている炭素が、鉄スクラップ表層部分に浸炭することで、浸炭部分の融点が低下し、鉄スクラップの溶解が進行する。そのため、溶銑中に含有されている炭素の物質移動を促進することが鉄スクラップの溶解促進のために重要である。予備脱燐処理を行なう処理容器が、鍋、トーピード・カーの場合は、攪拌が弱く、炭素の物質移動速度を増大させることに限界があるのに加え、ランスを溶銑中へ浸漬するため、使用するスクラップの形状や量に制限がある。一方、転炉形式の炉では、底吹き攪拌力が大きく、ランスも浸漬しないためスクラップ溶解には有利である。

たとえば、特許文献１には、底吹きガスの供給によって転炉内溶銑の攪拌を促進することで、冷鉄源の溶解を促進する技術が提案されている。

また、特許文献２には、上底吹き機能を有する転炉形式の炉を用いて溶銑の脱燐処理を行うにあたり、スクラップの全量もしくはその一部を、吹錬工程中に炉上から溶銑に添加し、吹錬工程に添加するスクラップの添加時期を、吹錬工程期間の前半までとする方法が提案されている。

特開昭６３－１６９３１８号公報特開２００５－１３３１１７号公報

しかしながら、上記従来技術には以下の問題がある。
前述のとおり、冷鉄源としての鉄スクラップの溶解は、浸炭によってその表層部分の炭素濃度が上がり、融点が下がることで進行する。このとき、溶銑の温度が低ければ低いほど、鉄スクラップ表面の浸炭部の炭素濃度が高位である必要がある。すなわち浸炭に時間を要するため、鉄スクラップの溶解に時間がかかる。特に鉄スクラップ近傍の溶銑の温度が溶銑の凝固温度程度まで低下した場合は、鉄スクラップ表層の炭素濃度が、溶銑中の炭素濃度と同程度になるまでの浸炭が必要となるため、溶解は大幅に停滞する。このため、特許文献１に記載された、攪拌力の増加を行っても、冷鉄源の溶解促進効果は小さい。

転炉内に冷鉄源と溶銑を装入した際には冷鉄源の顕熱によって溶銑温度が低下し、脱燐処理前半の、炉内の冷鉄源が溶解しきるまでの期間は、炉内溶鉄の温度は溶鉄の凝固温度程度で推移をする。冷鉄源の配合比率が増加した場合、炉内溶鉄の温度が溶鉄の凝固温度程度で推移する時間が長くなる。

特許文献２に記載された方法では、脱燐処理前半の溶鉄温度低下による冷鉄源の溶解の停滞は回避可能である。しかし、吹錬工程の前半に投入しないと吹錬時間中に溶解しきれず、溶け残りが発生する懸念がある。そのため、現実的な吹錬時間においては投入可能な冷鉄源の量に限界があり、冷鉄源の配合比率を１０％程度までとすることが限界である。現に特許文献２には、３００ｔの転炉型容器を用い１０～１２分間の吹錬時間で脱珪処理を行ない、最も少ない溶銑配合率は９０．９％（すなわち冷鉄源配合率は９．１％）であったことが記載されている。さらに冷鉄源の配合比率を上げた条件では、脱燐処理前半に炉上から投入する冷鉄源量が多くなりすぎ、脱燐処理前半の溶鉄温度が低位となる。その結果として冷鉄源の未溶解が生じるという課題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、高い冷鉄源の配合比率の条件でも冷鉄源の溶け残りの発生を抑止し、特に低温の処理となる溶鉄の脱燐精錬処理においても有効な、溶鉄の精錬方法の提案を目的としている。

上記課題を有利に解決する本発明にかかる第一の溶鉄の精錬方法は、転炉型容器内に収容または投入された冷鉄源および溶銑に対して、副原料を添加するとともに酸化性ガスを供給して溶鉄の精錬処理を行う方法であって、前記精錬処理に先立ち、前記転炉型容器内に溶銑を装入する前に該転炉型容器内に一括装入される前装入冷鉄源を、溶銑装入量との和の０．１５倍以下の量だけ装入し、または装入せずに、前記転炉型容器の炉上から添加される炉上添加冷鉄源を、該精錬処理中に該転炉型容器内に投入するものである。なお、本発明にかかる第一の溶鉄の精錬方法は、前記炉上添加冷鉄源の最長寸法が１００ｍｍ以下であることが好ましい解決手段になり得るものと考えられる。

また、上記課題を有利に解決する本発明にかかる第二の溶鉄の精錬方法は、前記精錬処理が、溶鉄の脱炭処理であるところの第一の溶鉄の精錬方法である。なお、本発明にかかる第二の溶鉄の精錬方法は、前記精錬処理が、あらかじめ脱燐された溶銑を転炉型容器に装入して行なう脱炭処理であることが好ましい解決手段になり得るものと考えられる。

また、上記課題を有利に解決する本発明にかかる第三の溶鉄の精錬方法は、前記精錬処理が、溶鉄の脱燐処理であるところの第一の溶鉄の精錬方法である。なお、本発明にかかる第三の溶鉄の精錬方法は、前記炉上添加冷鉄源に含有されている炭素濃度が０．３質量％以上であること、および前記脱燐処理終了後の溶鉄温度が１３８０℃以上であること、のいずれか一方、または両方を満たすことがより好ましい解決手段になり得るものと考えられる。

また、上記課題を有利に解決する本発明にかかる第四の溶鉄の精錬方法は、第一の溶鉄の精錬方法について、前記精錬処理が、溶鉄の脱燐工程、中間排滓工程、および溶鉄の脱炭工程を、同一の転炉型容器において一連の処理として行なう脱燐脱炭処理であって、前記溶鉄の脱燐工程に先立ち、前記前装入冷鉄源を、前記溶銑装入量との和の０．１５倍以下の量だけ装入し、または装入せずに、前記炉上添加冷鉄源を、前記溶鉄の脱燐工程、および前記溶鉄の脱炭工程のいずれか一方、または両方の工程中に該転炉型容器内に投入するものである。なお、本発明にかかる第四の溶鉄の精錬方法は、前記溶鉄の脱燐工程中に添加する前記炉上添加冷鉄源に含有されている炭素濃度が０．３質量％以上であること、および前記溶鉄の脱燐工程終了後の溶鉄温度が１３８０℃以上であること、のいずれか一方、または両方を満たすことがより好ましい解決手段になり得るものと考えられる。

本発明によれば、転炉型容器で溶鉄の精錬処理を行う際に使用する冷鉄源の総量（全冷鉄源量）のうち、当該精錬処理開始前に装入する冷鉄源量に上限を設け、溶鉄温度が十分に上昇した段階で炉上から冷鉄源を添加することで、精錬処理初期の溶鉄温度が低位で推移する時間を短くすることができ、溶銑装入量に対する全冷鉄源量の比率を上げた条件でも、冷鉄源の溶解の停滞を抑止することが可能である。また、溶鉄温度が十分に上昇した段階、すなわち吹錬後半に炉上から冷鉄源を投入した場合でも、炭素を０．３質量％以上含有している還元鉄のような冷鉄源であれば、スクラップと比較して融点が低く、速やかに溶解し、溶け残りを防止することが可能である。または、脱燐処理後の温度を１３８０℃以上に制御することで、冷鉄源の溶け残りを防止することが可能である。

本発明の実施形態に用いる転炉型容器の概要を示す縦断面模式図である。本発明の実施形態にかかる溶鉄の精錬処理の流れを示す模式図である。

以下、本発明の実施の形態について具体的に説明する。なお、各図面は模式的なものであって、現実のものとは異なる場合がある。また、以下の実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであり、構成を下記のものに特定するものでない。すなわち、本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。

図１は、本発明の一実施形態の溶鉄の精錬方法に用いる上底吹き機能を有する転炉型容器１の概略縦断面図である。図２は、上記実施形態の方法の流れを示す模式図である。

たとえば、図２（ａ）では、転炉型容器１に、まず、スクラップシュート５より、炉内前置き用の冷鉄源としての鉄スクラップ１０を転炉型容器１内に装入する。その後、図２（ｂ）では、装入鍋６を用いて転炉型容器１内に溶銑１１を装入する。スクラップシュート５から装入する冷鉄源量は、溶銑装入量との和の０．１５倍以下の量とするか、または、前装入しない。炉上投入の冷鉄源１２は炉上ホッパー７に準備しておく。炉上投入の冷鉄源１２としては、小径の鉄スクラップ（バラくず）、裁断された鉄スクラップ（チョッパーくず、シュレッダーくず）、小塊状の還元鉄などが使用できる。また、サイズの大きい鉄スクラップや塊状の還元鉄等は炉上ホッパー７およびコンベア等の搬送設備等でのハンドリングが可能となるように、裁断や破砕等して最長寸法が１００ｍｍ以下のサイズ（内寸が１００ｍｍ×１００ｍｍ×１００ｍｍの箱に入るサイズ）とすることが望ましい。

図２（ｃ）では、溶銑装入後、酸化性ガスを上吹きするランス２から酸素ガスを溶鉄３に向けて上吹きする。炉底に設置された羽口４から、撹拌ガスとしてＮ_２等の不活性ガスを供給し、溶鉄３を攪拌する。そして、昇熱剤や造滓材等の副原料を添加し、転炉型容器１内の溶鉄３を脱燐処理する。酸化性ガスとしては、純酸素のほか、酸素とＣＯ_２や不活性ガスとの混合ガスが適用できる。

図２（ｃ）では、脱燐処理の進行に伴って、スクラップシュート５から装入したスクラップ１０が溶解し、溶鉄温度が上昇してきたタイミングで、炉上から冷鉄源１２を投入する。このとき、炭素を０．３質量％以上含有している還元鉄のような冷鉄源１２を使用することで、脱燐処理後半に投入した場合でも溶け残りを防止することが可能である。また、炭素を含有しない、または、炭素含有量が低位であるスクラップを炉上から投入する場合でも、脱燐処理後の溶鉄温度を１３８０℃以上に制御することで溶け残りを防止することが可能である。脱燐処理終了後、溶鉄３を出湯し、もしくはスラグ１３を中間排滓（図２（ｄ））し、脱炭処理（図２（ｅ））を行う。脱炭処理中に炉上から冷鉄源１２を投入することもできる。

上記例では、脱燐処理時に冷鉄源を装入および投入し、続けて脱炭処理する溶鉄の精錬方法を示したが、脱炭処理のみ独立に行う溶鉄の精錬処理やあらかじめ脱燐された溶銑を脱炭処理する溶鉄の精錬方法にも適用可能である。また、脱燐処理のみ独立に行う溶鉄の精錬方法に適用できるのはもちろんである。さらに、脱燐処理において、脱珪終了時にスラグを中間排滓してもよい。なお、本実施形態における精錬処理が、溶鉄の脱燐工程、中間排滓工程および溶鉄の脱炭工程を、同一の転炉型容器において一連の処理として行なう脱燐脱炭処理の場合、転炉型容器の炉上から炉上添加冷鉄源を添加する時期は、脱燐工程や脱炭工程において炉内に酸化性ガスを供給している、いわゆる吹錬中の期間である。すなわち、脱燐工程終了後、一旦酸化性ガスの供給を停止して脱炭工程を開始するまでの期間や、中間排滓中は含まない。

上記のとおり、本実施形態の方法によれば、現実的な脱燐工程や脱炭工程の処理時間である１０～２０分程度の精錬処理時間で冷鉄源の溶け残りを防止することが可能となる。また、炉上から冷鉄源を投入することでスクラップシュートによる投入が１チャージにつき１回となり、物流が煩雑となることがなく、さらに精錬処理中に投入を行うことで処理時間が過剰に延びることもない。
また、上記例では、上底吹き転炉を例に説明したが、上吹きランスを有さない酸素底吹き転炉での精錬に用いることも可能である。

なお、溶銑は高炉から出銑された溶銑に限らない。本発明は、キューポラ、誘導溶解炉、アーク炉等で得られた溶銑、またはこれら溶銑と高炉から出銑された溶銑を混合して得た溶銑等であっても同様に適用可能である。

（実施例１）
高炉から出銑された溶銑および、冷鉄源（スクラップ）を用いて、３３０ｔ規模の上底吹き転炉（酸素ガス上吹き、アルゴンガス底吹き）にて、脱燐処理を行った。溶銑量およびスクラップシュートから投入する冷鉄源量、炉上から投入する冷鉄源量を種々変化させた。スクラップシュートから投入する冷鉄源としてはスクラップ、炉上から添加した冷鉄源としては、裁断加工したスクラップもしくは還元鉄を用い、その炭素濃度は０．１０～０．８０質量％であった。脱燐処理後の温度は１３５０～１３８５℃まで変化させた。精錬時間である脱燐処理の吹錬時間は、１１～１２分であった。その結果を表１に示す。

試験Ｎｏ．１～４では、冷鉄源としてスクラップを全量スクラップシュートから溶銑装入前に転炉内に装入し、脱燐処理を行った。その結果、全装入量（溶銑＋スクラップ）に対するスクラップ量（表１の「前装入」欄の「冷鉄源率」。以下明細書では「冷鉄源率」と記載する。）が１５％を超える条件、すなわち、溶銑装入前に転炉内に装入されるスクラップ量が溶銑装入量とスクラップ装入量との和の０．１５倍を超える条件では、スクラップの溶け残りが生じた。

試験Ｎｏ．５～１０は、溶銑装入前にスクラップシュートから装入する冷鉄源を、溶銑装入量との和に対する比率（冷鉄源率）で１５％以下となる量を装入した上で、溶銑装入後、脱燐処理を開始した。脱燐処理中に当該脱燐処理の予定処理時間の３０％を経過したタイミングから、投入速度５～２０ｔ／ｍｉｎの範囲で、炉上から裁断スクラップもしくは還元鉄を連続投入した。その結果、脱燐処理後に冷鉄源の溶け残りが生じなかった。試験Ｎｏ．５～８において、炉上から投入した冷鉄源のＣ濃度を０．１質量％～０．８質量％まで変化させた。その結果、０．３質量％以上（Ｎｏ．７、８）ではさらに高い全冷鉄源率で溶け残りを防止できた。ここで、全冷鉄源率は装入または投入した溶銑を含む鉄源全体の質量に対する冷鉄源の質量の百分率とする。

試験Ｎｏ．９および１０は、溶銑装入前にスクラップシュートから装入する冷鉄源を、溶銑装入量との和に対する比率（冷鉄源率）で１５％以下となる量を装入して、溶銑装入後、脱燐処理を開始した。脱燐処理中に、全冷鉄源装入予定量との差分に相当する量の裁断スクラップを、当該脱燐処理の予定処理時間の３０％を経過したタイミングから、投入速度５～２０ｔ／ｍｉｎで、炉上から連続投入した。裁断スクラップの炭素濃度は０．１質量％であった。脱燐処理後の溶銑温度が１３８０℃以上の場合（試験Ｎｏ．１０）、さらに全冷鉄源率を増加させることが可能であった。

（実施例２）
実施例１と同様の条件にて、脱燐処理を行った。試験Ｎｏ．１１～１３では、溶銑装入前にスクラップシュートから装入する冷鉄源を、溶銑装入量との和に対する比率（冷鉄源率）で１５％以下となる量を装入して、すなわち、溶銑装入前に転炉内に装入されるスクラップ量を溶銑装入量とスクラップ装入量との和の０．１５倍以下として、溶銑装入後に脱燐処理を開始した。脱燐処理中に、当該脱燐処理の予定処理時間の３０％を経過したタイミングから、投入速度５～２０ｔ／ｍｉｎで、炉上から還元鉄を連続投入した。還元鉄中の炭素濃度は０．５質量％であった。脱燐処理後の温度を１３５０℃に制御した。精錬時間である脱燐処理の吹錬時間は、１１～１２分であった。還元鉄の寸法を種々変更した結果、表２に示す結果が得られた。最長寸法を１００ｍｍ以下とすることで、コンベア等の搬送系トラブルを起こさず、安定して炉上投入することが可能であった。

（実施例３）
高炉から出銑された溶銑および、冷鉄源（スクラップ）を用いて、３３０ｔ規模の上底吹き転炉（酸素ガス上吹き、アルゴンガス底吹き）にて、脱炭処理を行った。溶銑量およびスクラップシュートから投入する冷鉄源量、炉上から投入する冷鉄源量を種々変化させた。スクラップシュートから投入する冷鉄源としてはスクラップ、炉上から添加した冷鉄源としては、裁断加工したスクラップもしくは還元鉄を用い、脱炭処理中の予定処理時間の３０％を経過したタイミングから、投入速度５～２０ｔ／ｍｉｎで、炉上から連続投入した。その炭素濃度は０．１０質量％であった。脱炭処理後の温度は１６５０℃であった。精錬時間である脱炭処理の吹錬時間は、１７～１８分であった。その結果を表３に示す。本発明の適用により、冷鉄源の溶け残りは生じなかった。

（実施例４）
高炉から出銑された溶銑および、冷鉄源（スクラップ）を用いて、３３０ｔ規模の上底吹き転炉（酸素ガス上吹き、アルゴンガス底吹き）にて、脱燐処理を行い、中間排滓を実施したのちに脱炭吹錬を行った。溶銑量およびスクラップシュートから投入する冷鉄源量、炉上から投入する冷鉄源量を種々変化させた。スクラップシュートから投入する冷鉄源としてはスクラップ、炉上から添加した冷鉄源としては、裁断加工したスクラップもしくは還元鉄を用い、脱燐処理および脱炭処理各々の予定処理時間の３０％を経過したタイミングから、投入速度５～２０ｔ／ｍｉｎで、炉上から連続投入した。その炭素濃度は０．１０～０．３２質量％であった。脱燐処理後の温度は１３５０～１３８０℃まで変化させた。脱燐工程の処理時間は、７～８分であり、脱炭工程の処理時間は、１０～１１分であった。その結果を表４－１および４－２に示す。

本発明の適用により、冷鉄源の溶け残りは生じなかった。また、脱燐吹錬時に炉上から投入する冷鉄源に含有される炭素濃度が０．３質量％以上であるか、脱燐処理後の温度を１３８０℃以上とした条件では、さらに高い全冷鉄源率を達成することができた。

上記の実施例では、高炉から出銑された溶銑および、冷鉄源（スクラップ等）を用いて、転炉型容器で精錬処理を行なう例を示したが、キューポラ、誘導溶解炉、アーク炉等で得られた溶銑、または、これら溶銑と高炉から出銑された溶銑を混合して得た溶銑等であっても同様に適用可能であることを確認している。

本発明の溶鉄の精錬方法は、高い冷鉄源率の条件でも冷鉄源の溶け残りの発生を抑止できるので、温室効果ガスの削減に寄与し、産業上有用である。

１転炉型容器
２酸化性ガス用上吹きランス
３溶鉄
４底吹き羽口
５スクラップシュート
６装入鍋
７炉上ホッパー
１０前装入スクラップ
１１溶銑
１２炉上添加冷鉄源
１３スラグ

Claims

転炉型容器内に収容または投入された冷鉄源および溶銑に対して、副原料を添加するとともに酸化性ガスを供給して溶鉄の精錬処理を行う方法であって、
前記精錬処理に先立ち、前記転炉型容器内に溶銑を装入する前に該転炉型容器内に一括装入される前装入冷鉄源を、溶銑装入量との和の０．１５倍以下（０を除く）の量だけ装入し、
前記転炉型容器の炉上から添加される炉上添加冷鉄源を、該精錬処理中に該転炉型容器内に投入する、
溶鉄の精錬方法。
前記炉上添加冷鉄源の最長寸法が１００ｍｍ以下である請求項１に記載の溶鉄の精錬方法。
前記精錬処理が、溶鉄の脱炭処理である請求項１または請求項２に記載の溶鉄の精錬方法。
前記精錬処理が、あらかじめ脱燐された溶銑を転炉型容器に装入して行なう脱炭処理である請求項３に記載の溶鉄の精錬方法。
前記精錬処理が、溶鉄の脱燐処理である請求項１または請求項２に記載の溶鉄の精錬方法。
前記炉上添加冷鉄源に含有されている炭素濃度が０．３質量％以上であること、および前記脱燐処理終了後の溶鉄温度が１３８０℃以上であること、のいずれか一方、または両方を満たす、請求項５に記載の溶鉄の精錬方法。
前記精錬処理が、溶鉄の脱燐工程、中間排滓工程、および溶鉄の脱炭工程を、同一の転炉型容器において一連の処理として行なう脱燐脱炭処理であって、
前記溶鉄の脱燐工程に先立ち、前記前装入冷鉄源を、前記溶銑装入量との和の０．１５倍以下の量だけ装入し、または装入せずに、
前記炉上添加冷鉄源を、前記溶鉄の脱燐工程、および前記溶鉄の脱炭工程のいずれか一方、または両方の工程中に該転炉型容器内に投入する、請求項１または請求項２に記載の溶鉄の精錬方法。
前記溶鉄の脱燐工程中に添加する前記炉上添加冷鉄源に含有されている炭素濃度が０．３質量％以上であること、および前記前記溶鉄の脱燐工程終了後の溶鉄温度が１３８０℃以上であること、のいずれか一方、または両方を満たす、請求項７に記載の溶鉄の精錬方法。