JP7255326B2 - 電気炉による鉄鋼スクラップ溶解方法 - Google Patents

Description

本発明は、電気炉による鉄鋼スクラップの溶解方法に関し、特に、電気炉の内部にガス吹精を行って攪拌しつつ元素成分を調整し合金溶鋼を得る鉄鋼スクラップ溶解の方法に関する。

鉱山から採掘される鉄鉱石から高炉によって溶鋼を得る一方で、鉄鋼スクラップを溶解して不純物成分を取り除き溶鋼を得る方法が広く行われている。かかる鉄鋼スクラップ溶解は、鉄鋼材料のリサイクルを考慮する上で非常に重要な技術である。例えば、アーク炉のような電気炉に鉄鋼スクラップとともに生石灰などの造滓材を装入しこれを溶解する。このとき、炉内下部にあるガスパイプ、若しくは、炉内に挿入されるランスから酸素などの所定のガスを吹き込んでガス吹精を行って溶鋼を攪拌する。その一方で、メタル－スラグ反応により、溶鋼中のリン（Ｐ）、その他の不純物成分を酸化除去し、併せて、炭素（Ｃ）濃度の調整が行われる。最後に、炉体を傾斜させて、溶鋼上部のスラグを分離し、その下部の溶鋼だけを取り出す。

例えば、特許文献１では、電気炉に鉄鋼スクラップと炭材とを収容し、炉内底部に炉外からランスを挿入して酸素吹精を行いながら炭材の燃焼熱で鉄鋼スクラップ材を溶解し溶鋼を得る鉄鋼スクラップ溶解方法が開示されている。ここで、酸素吹精の過程ではＦｅ成分が不可避的に酸化されながら溶解するため、大量のＦｅＯスラグが発生し溶鋼の歩留まりを低下させる。そのため、スクラップ材の溶落後には炭粉などの還元材を投入するべきことを述べている。なお、ＦｅＯスラグとの還元反応が吸熱反応となる還元材は溶鋼温度を低下させてしまうため、還元材としては発熱反応となるＦｅＳｉやＡｌ灰などが好適であるとしている。

ところで、溶鋼中のリン（Ｐ）などを酸化除去するための酸素源として、固体酸化物、例えば、金属酸化物などを投入して歩留まりを向上させる方法も提案されている。

例えば、特許文献２では、スクラップ材を溶解した後の脱Ｐ処理において、酸素源として金属酸化物を使用することを開示している。金属酸化物を昇温後の溶鋼に投入して脱Ｐ反応を生じさせるのである。金属酸化物としては、酸化鉄、ミルスケール、酸化合金鉄の他に集塵機に捕捉される製鉄所ダスト等の廃棄物を例示している。一方、金属酸化物は分解吸熱反応を伴うため、溶鋼を十分に昇温してから投入するか、若しくは、酸素ガスを併せて使用して脱Ｐ反応による昇温を合わせて行う必要があるとしている。

特開２００２－９７５１２号公報 特開２００３－２１３３２１号公報

電気炉による鉄鋼スクラップの溶解において、酸素ガス吹精は、溶鋼の攪拌、昇温、及びリン（Ｐ）などの成分調整といった操業性やメタル－スラグ反応の制御についての重要な役割を担っている。ここで、特許文献１でも述べられているように、酸素ガス吹精の過程では、大量のＦｅＯスラグを発生させて溶鋼の歩留まりが低下するため、酸素ガス量をより少なくすることが好ましい。一方、操業安定性を確保するには、溶鋼を攪拌しつつ温度制御を行って、特に、大型の鉄鋼スクラップを用いる場合にあっては、酸素ガス量をより多くすることが好ましい。そこで、特許文献２で述べられているように、金属酸化物を用いることも考慮されるが、その投入タイミングと酸素量の調整が煩雑である。

本発明は、以上のような状況に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、電気炉の内部の鉄鋼スクラップに挿入されたランスでガス吹精を行って攪拌しつつ成分調整を行って合金溶鋼を得る鉄鋼スクラップ溶解方法において、ガス吹精を制御し操業安定性を確保しつつ歩留まりの向上を図る溶解方法の提供にある。

本発明による鉄鋼スクラップ溶解方法は、電気炉の内部へ鉄鋼スクラップを装入し溶解させ該電気炉に挿入されたランスで酸素吹精を行って攪拌しつつ元素成分を調整し合金溶鋼を得る鉄鋼スクラップ溶解方法であって、前記鉄鋼スクラップを前記電気炉に装入し合わせて金属酸化物を装入し、昇温の後に、不活性ガスにてガス吹精することを特徴とする。

かかる発明によれば、金属酸化物をあらかじめ投入しておき、昇温後の脱Ｐ工程において酸素の供給を調整しスラグフォーミングを抑制できて、操業安定性を確保しつつ歩留まりの向上を図ることができるのである。

上記した発明において、前記鉄鋼スクラップを初装及び追装に分けて前記電気炉に装入し、前記初装に合わせて前記金属酸化物を装入し酸素吹精して溶解し脱Ｐを行うとともに、前記追装の後に前記昇温を行うことを特徴としてもよい。かかる発明によれば、鉄鋼スクラップを追装した場合においても脱Ｐでき、合金溶鋼の攪拌による操業安定性を確保しつつ歩留まりの向上を図ることができる。

上記した発明において、前記合金溶鋼はＭｏを含む鋼種であり、前記金属酸化物はＭｏの酸化物であることを特徴としてもよい。かかる発明によればＭｏに併せて供給される酸素を用いて脱Ｐでき、歩留まりの向上を図ることができる。

上記した発明において、前記不活性ガスはアルゴンガスであることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、アルゴンガスによるガス吹精をすることで歩留まりの向上を図ることができる。

本発明による溶解方法に用いる電気炉の一例としてのアーク炉の断面図である。 従来例及び１つの実施例による溶解方法を比較する工程図である。 脱リンに必要となる酸素量とその供給源を示すグラフである。 従来例及び他の実施例による溶解方法を比較する工程図である。

本発明による１つの実施例としての鉄鋼スクラップ溶解方法について、図１乃至図３を用いて説明する。

図１に示すように、アーク炉１は、加熱用の電極２の垂下された炉内の底部（炉床）３において、鉄鋼スクラップ等の原料をアーク加熱して溶解させる電気炉である。かかるアーク炉１は、合金溶鋼４に挿入されたランス５からガスを吹き込んで合金溶鋼４を攪拌して合金の組成成分を調整する精錬を行うことが可能である。ここで、炉床からガスを噴き出し撹拌する炉床撹拌式の場合、ガスを噴き出す炉床のポーラスの詰まりを抑制するために、溶鋼のある場合に常に一定量のガスを噴出させ続ける必要がある。これに対し、ランス５によるガス吹精を行うアーク炉１では、ランス５を合金溶鋼４から引き抜いてガスの噴出を停止させることができる。本例では、このようなアーク炉１を用いるが、ランスによるガス吹精を行うことができれば他の電気炉としてもよい。なお、ランス５は例えば吹精台車６によって支持される。

図２（ａ）に示すように、鉄鋼スクラップの溶解において、一般的には脱リン（脱Ｐ）を行う際に酸素吹精が行われる。例えば、初装において得ようとする鋼種についての成分を含有する鉄鋼スクラップやその元素成分を調整するための添加金属（合金）などの合金溶鋼の原料と、スラグ原料をアーク炉１の内部に装入し（Ｓ１）、昇温して溶解させ合金溶鋼４及びその液面を覆うスラグ７（図１参照）を得る（Ｓ２）。そして、ランス５から酸素ガスを吹き込んで酸素吹精を行い合金溶鋼の脱炭に併せて脱リンを行う（Ｓ３）。

ここで、合金溶鋼４中のリンは、酸素吹精においてスラグ７から供給される酸素及びランス５から吹き込まれる酸素ガスと以下の反応を起こしてスラグ７に取り込まれる。つまり、合金溶鋼４が脱リンされる。
［Ｐ］＋３／２（Ｏ^２－）＋Ｏ_２（ｇ）→（ＰＯ_４ ^３－）

この例では、さらに鉄鋼スクラップ等の原料の追装を行っている（Ｓ４）。そして、原料の追装された合金溶鋼を昇温し主として追装された原料を溶解させて（Ｓ５）、再び酸素吹精によって脱炭及び脱リンを行う（Ｓ６）。そして、十分に脱リンできていることを成分分析によって確認して（Ｓ７）、さらに昇温を経て（Ｓ８）、流滓、出湯を行い（Ｓ９）、所望の成分に調整された合金溶鋼４を得ることができる。

ここで、本発明者らは、酸素吹精を行うことで、合金溶鋼４中の鉄が酸化されてスラグ７に取り込まれて歩留まり向上を妨げていることに着目し、供給される酸素量を少なくして酸化鉄の生成量を減じることを検討した。

すなわち図２（ｂ）に示すように、２回目の酸素吹精（Ｓ６）の代わりに、ランス５からアルゴンガスなどの不活性ガスを吹き込んで合金溶鋼４を攪拌するのである（Ａｒ攪拌；Ｓ６’）。ただし、単にＡｒ攪拌としただけでは、酸素が不足して十分な脱リンができないことがある。そこで、初装（Ｓ１）において、鉄鋼スクラップに合わせて金属酸化物を装入するのである。

図３（ａ）を併せて参照すると、１回目の酸素吹精（Ｓ３）によって供給される酸素の量をＡ、金属酸化物から供給される酸素の量をＢ、２回目の酸素吹精（Ｓ６）によって供給される酸素の量をＣとしたとき、全体を通して十分な脱リンをさせるために必要とされる酸素の量Ｍよりも多い酸素を供給できればよいことになる。つまり、Ｍ≦Ａ＋Ｂ＋Ｃである。

ここで、図３（ｂ）に示すように、Ｍ≦Ａ＋Ｂであれば、２回目の酸素吹精（Ｓ６）による酸素の供給は不要となる。そこで、Ｂの量が充分となるように金属酸化物を装入しておけば、２回目の酸素吹精（Ｓ６）の代わりにＡｒガスによる攪拌（Ｓ６’）とすることができ、過剰な酸素による鉄の酸化を抑制できる。なお、１回目の酸素吹精（Ｓ３）においては十分な酸素がランス５から供給される。そのため、金属酸化物中の酸素は金属に結合したまま残存する。他方、Ａｒによる攪拌（Ｓ６’）においては金属酸化物中の酸素は金属から分離して脱リンに使用される。つまり、酸素吹精の停止に応じて金属酸化物中の酸素が消費され、酸素の供給を調整できる。

また、過剰な酸素の供給を抑制できることから、炭素の急激な酸化などに伴うスラグのフォーミングをも抑制できて、例えばアーク炉１から合金溶鋼があふれてしまうような現象を防止できて操業安定性を向上させ、歩留まりの向上にも寄与する。他方、初装（Ｓ１）において、金属酸化物は鉄鋼スクラップに合わせてあらかじめ装入されている。つまり、金属酸化物を脱リン処理中に投入する場合と比べ、溶鋼の温度や成分を大きく変動させることなく、操業安定性を高め得る。

以上のように、鉄鋼スクラップの装入に合わせて金属酸化物を装入し、昇温（Ｓ５）の後にアルゴンなどの不活性ガスでガス吹精（Ａｒ攪拌；Ｓ６’）することで、十分に脱リンしつつ過剰な酸素による鉄の酸化を抑制して歩留まりを向上させ得る。特に、上記したように、追装を行う場合であっても、初装（Ｓ１）において鉄鋼スクラップに合わせて金属酸化物を装入しておけば、追装（Ｓ４）の後に昇温（Ｓ５）を行って不活性ガスによるガス吹精（Ａｒ攪拌；Ｓ６’）をすれば脱リン可能であり、過剰な酸素の供給を抑制して歩留まりの向上を図ることができる。なお、このような製造方法は、例えば熱間ダイス鋼の製造に有効である。

また、金属酸化物は得ようとする合金溶鋼の成分組成に含まれる元素からなる金属の酸化物とすることが好ましい。例えば、合金溶鋼には必須の鉄の酸化物である酸化鉄を金属酸化物として用いることも好ましい。酸化鉄としては、鍛造の際に生じるスケールや表面疵取りで生じるくずを用いると廃棄物の再利用ができて好ましい。また、例えば合金溶鋼をＭｏを含む合金とする場合、Ｍｏの酸化物であるＭｏＯ_３を金属酸化物として好適に用い得る。

鉄鋼スクラップとしては、例えば、「リターン材」と呼ばれるアーク炉１の備えられる工場内で生産された製品から切り捨てられたスクラップ材のように、その成分組成の明確なスクラップを用いることが好ましい。つまり、用いられる鉄鋼スクラップの成分組成から、得ようとする合金溶鋼に精錬するための脱リンに必要な酸素量を予め算出でき、鉄鋼スクラップと金属酸化物との配合を定めやすく、得られる合金溶鋼の成分組成も安定する。

また、他の例として、図４に示すように、鉄鋼スクラップを初装のみで装入する場合にも同様の方法を用い得る。

例えば、図４（ａ）に示すように、通常の酸素吹精を行う場合には、初装において得ようとする材料の成分を含有する鉄鋼スクラップや成分調整用の金属などの合金の原料と、スラグ原料をアーク炉１に装入し（Ｓ１１）、昇温して溶解させ合金溶鋼４及びその液面を覆うスラグ７（図１参照）を得る（Ｓ１２）。そして、ランス５から酸素ガスを吹き込んで酸素吹精を行い合金溶鋼の脱炭と併せて脱リンを行う（Ｓ１３）。そして、十分に脱リンできていることを成分分析によって確認して（Ｓ１４）、さらに昇温を経て（Ｓ１５）、流滓、出湯を行い（Ｓ１６）、所望の成分に調整された合金溶鋼４を得ることができる。

これに対して、図４（ｂ）に示すように、酸素吹精（Ｓ１３）の代わりに上記と同様のＡｒ攪拌（Ｓ１３’）を行っても、初装（Ｓ１１）において十分な金属酸化物が装入されていれば、Ａｒ攪拌によるガス吹精によって十分に脱リンしつつ過剰な酸素による鉄の酸化を抑制して歩留まりを向上させ得る。

以上、本発明の代表的な実施例及びこれに基づく改変例を説明したが、本発明は必ずしもこれらに限定されるものではなく、当業者であれば、本発明の主旨又は添付した特許請求の範囲を逸脱することなく、種々の代替実施例及び改変例を見出すことができるであろう。

１ アーク炉
４ 合金溶鋼
５ ランス
７ スラグ
Ｓ１ 初装
Ｓ４ 追装
Ｓ５ 昇温
Ｓ６ Ａｒ攪拌（ガス吹精）

Claims (3)

1. 電気炉の内部へ鉄鋼スクラップを装入し溶解させ該電気炉に挿入されたランスで酸素吹精を行って攪拌しつつ元素成分を調整し合金溶鋼を得る鉄鋼スクラップ溶解方法であって、
   前記鉄鋼スクラップを初装及び追装に分けて前記電気炉に装入し、前記初装に合わせて金属酸化物を装入し酸素吹精して溶解し脱Ｐを行うとともに、前記追装の後に昇温を行って、更に、不活性ガスにてガス吹精することを特徴とする電気炉による鉄鋼スクラップ溶解方法。
2. 前記合金溶鋼はＭｏを含む鋼種であり、前記金属酸化物はＭｏの酸化物であることを特徴とする請求項１記載の鉄鋼スクラップ溶解方法。
3. 前記不活性ガスはアルゴンガスであることを特徴とする請求項１又は２に記載の鉄鋼スクラップ溶解方法。

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