JP7843905B2 - 電気製錬炉内で銑鉄を製造するための方法及び関連する製錬炉 - Google Patents

Description

本発明は、溶銑とも呼ばれる銑鉄を製造する方法、及びかかる銑鉄から鋼を製造する方法に関する。

現在、鋼は、２つの主要な製造ルートを通じて製造することができる。今日、「ＢＦ－ＢＯＦルート」と呼ばれる最も一般的に使用される製造ルートは、還元剤、主にコークスを使用して酸化鉄を還元することによって高炉で溶銑を製造し、次いで溶銑を転炉工程又は塩基性酸素炉（ＢＯＦ）内で鋼に変換することからなる。このルートは、コークス工場における石炭からのコークスの製造及び溶銑の製造の両方において、かなりの量のＣＯ_２を放出する。

第２の主要ルートは、いわゆる「直接還元法」を含む。それらの中には、ブランドＭＩＤＲＥＸ１（登録商標）、ＦＩＮＭＥＴ（登録商標）、ＥＮＥＲＧＩＲＯＮ（登録商標）／ＨＹＬ、ＣＯＲＥＸ（登録商標）、ＦＩＮＥＸ（登録商標）などによる方法があり、海綿鉄が、酸化鉄担体の直接還元からＨＤＲＩ（熱間直接還元鉄）、ＣＤＲＩ（常温直接還元鉄）又はＨＢＩ（ホットブリケットアイアン）の形態で製造される。ＨＤＲＩ、ＣＤＲＩ及びＨＢＩの形態の海綿鉄は、鋼を製造するために電気炉でさらに加工される。

したがって、ＣＯ_２排出量を削減するために製鋼メーカーが選択する主な選択肢の１つは、ＢＦ－ＢＯＦルートからＤＲＩルートに切り替えることである。しかしながら、鉄スクラップと一緒に古典的な電気炉でＤＲＩ製品を使用することにはいくつかの制限がある。実際、スクラップは多くの不純物を含有し、得られた溶鋼は、高品質の鋼グレードを製造するためにさらに加工する必要がある。したがって、新しい溶鋼処理ツールへの投資が必要になる。

したがって、本発明の目的は、このような製造の環境への影響を効率的に最小限に抑える新しいルートを提供することによって、製銑鉄及び製鋼の製造ルートの欠点を改善することである。

この問題は、請求項１に詳述されているような銑鉄の製造方法によって解決される。

かかる方法はまた、別個に又は任意の可能な技術的組み合わせで考慮される請求項２～７の任意選択の特徴を含むことができる。

本発明はまた、請求項８に記載の鋼の製造方法を扱う。

かかる方法はまた、別個に又は任意の可能な技術的組み合わせで考慮される請求項９又は１０の任意選択の特徴を含むことができる。

本発明はまた、請求項１１に記載の製錬炉を扱う。

本発明の他の特徴及び利点は、添付の図面を参照して、指示として以下に与えられ、決して限定的ではない本発明の説明から明らかになると思われる。

図１は、製錬／ＢＯＦルートによる製銑鉄及び製鋼工程を示す。 図２は製錬炉を示す。

図中の要素は例示であり、縮尺通りに描かれていない場合がある。

図１は、鉄の還元から、スラブ、ビレット、ブルーム又はストリップなどの半製品への鋼の鋳造までの、ＤＲＩルートによる鋼製造ルートを示す。鉄鉱石１０は、直接還元プラント１１で最初に還元される。この直接還元プラント１１は、ＭＩＤＲＥＸ（登録商標）技術又はＥｎｅｒｇｉｒｏｎ（登録商標）などの任意の種類の直接還元技術を実装するように設計することができる。直接還元工程は、例えば、伝統的な天然ガス又はバイオガスに基づく工程であってもよい。

好ましい実施形態では、本発明による方法で使用されるＤＲＩ製品は、バイオマスの燃焼から生じるバイオガスに基づく還元ガスを使用して製造される。

バイオマスは、植物及び動物に由来する再生可能な有機材料である。バイオマス源には、特に、木材及び木材加工廃棄物、例えば、まき、木材ペレット及び木材チップ、製材所及び家具工場のおがくず及び廃棄物、並びに紙パルプ工場からの黒液、農作物及び農業廃棄物、例えば、トウモロコシ、ダイズ、サトウキビ、スイッチグラス、木本植物及び藻類、並びに作物及び食品加工残渣が含まれるが、都市固形廃棄物、例えば、紙、綿及び羊毛製品、並びに食品、庭及び木材の廃棄物、動物の排泄物及び生活排水中の生物由来材料も含まれる。本発明の意味において、バイオマスは、固形廃棄物燃料又はＳＲＦのようなリサイクル廃プラスチックなどのプラスチック残渣も包含し得る。

還元ガスとして天然ガス又はバイオガスを使用するときはいつでも、ＤＲＩ製品の炭素含有量は、最大３重量％に、通常は２～３重量％の範囲に設定することができる。

別の好ましい実施形態では、本発明による方法で使用されるＤＲＩ製品は、還元ガスが５０体積％超、好ましくは６０、７０、８０又は９０体積％超の水素を含むか、又は全体が水素で構成された、いわゆるＨ_２－ＤＲＩ工程によって製造される。Ｈ_２－ＤＲＩ製品は、天然ガス又はバイオガスＤＲＩよりもはるかに低いレベル、典型的には１重量％未満又はさらに低い炭素を含有する。好ましい実施形態では、ＤＲＩ還元ガスに使用される水素は水の電気分解に由来し、水の電気分解は、好ましくはＣＯ_２ニュートラル電力によって部分的又は全体的に電力供給される。ＣＯ_２ニュートラル電力は、特に、太陽光、風、雨、潮汐、波及び地熱などの供給源を含む人間の時間スケールで自然に補充される再生可能資源から収集されるエネルギーとして定義される再生可能な供給源からの電力を含む。いくつかの実施形態では、原子力源由来の電力の使用が、製造されるＣＯ_２を排出しないため使用可能である。

使用されるＤＲＩ工程が何であれ、得られた直接還元鉄（ＤＲＩ）製品１２は次いで、酸化鉄の還元が完了する製錬炉１３内に装入され、製品は溶融されて銑鉄が製造される。

ＤＲＩ製品は、様々な形態で製錬炉に移送することができる。好ましくは、直接還元された鉄製品（ＤＲＩ製品）は、ＨＤＲＩ製品（いわゆるＨｏｔ ＤＲＩ）としての熱間形態で、又はＣＤＲＩ製品（いわゆるＣｏｌｄ ＤＲＩ）としての常温形態で、又はＨＢＩ製品（いわゆるホットブリケッットアイアン）としての熱間成型形態で、及び／又は好ましくは最大１０．０ｍｍの平均粒径、より好ましくは最大５．０ｍｍの平均粒径を有する粒子形態で、製錬炉に供給される。

これは、好ましくは、直接還元プラント１１の出口で５００℃～７００℃の温度を有する熱間製品として直接装入される。これにより、溶融に必要なエネルギー量を削減することができる。熱間装入が可能でない場合、例えば、直接還元プラント１１と製錬炉１３とが同じ場所にない場合、又はメンテナンスのために製錬炉１３が停止され、したがってＤＲＩ製品を保管しなければならない場合、ＤＲＩ製品を常温で装入してもよく、又は予熱ステップを実行してもよい。

製錬炉１３は、いくつかの電極によって提供される電気エネルギーを使用してＤＲＩ製品１２を溶融し、銑鉄１４を製造する。好ましい実施形態では、必要な電力の一部又は全部は、ＣＯ_２ニュートラル電力に由来する。製錬炉のさらなる詳細な説明は、図２に基づいて後述する。

次いで、銑鉄１４は、少なくとも１つのランナー２６が設けられた少なくとも１つの出銑口（ｔａｐ ｈｏｌｅ）２５を介して銑鉄取鍋に移送される。このような出銑口２５は、容器２０の下部に配置されている。それらは、容器の側壁又はその底壁に配置されてもよい。通常、出銑口と同じ数の補助ランナーがあり、前記ランナーは交差してメインランナーを形成し、抽出された銑鉄を銑鉄取鍋に導く。

この銑鉄取鍋は、単純な取鍋であってもよいが、魚雷型取鍋（ｔｏｒｐｅｄｏ ｌａｄｌｅ）であってもよい。

銑鉄１４は、任意選択的に、脱硫ステップを実行するために脱硫ステーション１５に送ることができる。この脱硫ステップは、溶湯（ｍｏｌｔｅｎ ｍｅｔａｌ）の移送及び関連する熱損失を回避するために、専用の容器内で、又は優先的には銑鉄取鍋内で直接実行することができる。この脱硫ステップは、例えば最大０．０３重量パーセントの硫黄に設定される低い硫黄含有量を要求される鋼グレードの製造に必要である。酸化条件での脱硫は効果的ではなく、したがって、酸素精錬前の銑鉄に対して、又は鋼脱酸後の鋼取鍋内のいずれかで優先的に行われる。非常に低い硫黄含有量、例えば０．００４重量パーセント未満の硫黄含有量のためには、全体的により高い性能のために脱酸及び脱硫が組み合わされる。したがって、低硫黄グレードは、転換ステップの前に銑鉄脱硫を行うことから利益を得る。

銑鉄の脱硫は、特に炭酸ナトリウム、石灰、炭化カルシウム及び／又はマグネシウムなどのカルシウム又はマグネシウム化合物に基づく試薬を銑鉄内に添加することによって行うことができる。これは、例えば、それらの試薬を銑鉄取鍋に注入することによって行うことができる。脱硫された銑鉄１６は、優先的には０．０３重量％未満の、好ましくは０．００４重量％未満の硫黄含有量を有する。

次いで、脱硫された銑鉄１６は、転炉１７内に移送することができる。転炉は、基本的に、溶湯に酸素を吹き込んで脱炭することによって溶湯を溶鋼に変える。これは一般に塩基性酸素炉（ＢＯＦ）と呼ばれる。鋼のリサイクルから生じる鉄スクラップ１８はまた、銑鉄への酸素注入から生じる発熱反応によって放出される熱の利益を得るために転炉１７内に装入されてもよい。

次いで、このように形成された溶鋼１９は、１つ以上の二次冶金ツール２０Ａ、２０Ｂ、例えば、取鍋炉、ＲＨ（Ｒｕｈｒｓｔａｈｌ－Ｈｅａｒｅｕｓ）真空容器、真空タンク脱気装置、合金化及び撹拌ステーションなどに必要に応じていつでも移送され、製造される鋼グレードに従って要求される鋼組成に達するように処理され得る。次いで、要求される組成物２１を有する溶鋼を鋳造プラント２２に移送することができ、そこでスラブ、ビレット、ブルーム又はストリップなどの固体製品に変えることができる。

図２に示すように、製錬炉１３は、溶銑を収容することができる容器２０から構成される。容器２０は、例えば、円形又は矩形であってもよい。この容器２０は、容器２０内に挿入される電極２２を受け入れるためのいくつかの開口部、及び容器２０内への原料の装入を可能にするための他の開口部が設けられた屋根によって閉じられている。

電極２２は、装入された原料を溶融して銑鉄を形成するために必要な電気エネルギーを提供する。これらは、好ましくは、ゼーダーベルグ（Ｓｏｅｄｅｒｂｅｒｇ）型電極である。

原料の溶融中に、最も密度が高く、したがって容器２０の底部に位置する銑鉄１４層と、銑鉄１４の上に位置するスラグ層２３との２つの層が形成される。スラグ層２３は、溶融されるのを待っている原料２４のパイルによって部分的に覆われ得る。

製錬炉１３は、電極がスラグ層２３内に浸漬されるＳＡＦ（サブマージドアーク炉（Ｓｕｂｍｅｒｇｅｄ－Ａｒｃ Ｆｕｒｎａｃｅ））又は電極２２がスラグ層２３の上に位置するＯＳＢＦ（オープンスラグ浴炉）であってもよい。これは、好ましくは、図に示されているようなＯＳＢＦである。

本発明の機構では、ケイ素含有材料が、製錬炉出銑口２５のランナー２６の少なくとも１つにおいて銑鉄に添加される。ケイ素は、高温、特に転炉内の溶鋼の温度である約１６００℃において強力な脱酸能力を有する。ケイ素は酸素と反応し、次いで転炉におけるスラグの形成に寄与する。この反応は発熱性であり、したがってスクラップ溶融のための追加のエネルギーを提供する。スクラップが多く使用されるほど、工程の環境フットプリントは小さくなる。

この添加は、低コストの作業であるトップフィード添加によって、又は最大９０％以上の高い収率を提供する浸漬ランスのような注入装置を介して行うことができる。

本発明者らは、その段階で銑鉄にケイ素を添加することにより、出銑中の段階的な添加が銑鉄との良好な混合を可能にし、その後銑鉄が取鍋に出銑されたときに強力な自然混合から利益を得ることを観察した。

かかるケイ素は、異なる形態で添加することができる。ケイ素は、金属ケイ素Ｓｉ、炭化ケイ素ＳｉＣ、シリコマンガンＳｉＭｎ、ケイ酸カルシウムＳｉＣａ、又はＦｅＳｉ７５若しくはＦｅＳｉ６５などのフェロシリコン合金ＦｅＳｉであってもよい。

製錬炉１３内でＤＲＩ製品を使用すると、通常は０．２重量％未満、さらには０．１重量％未満の天然量のケイ素がもたらされる。銑鉄の最終ケイ素含有量は、優先的には０．１～０．４重量％、好ましくは０．２～０．４重量％の値に設定される。必要に応じて、転炉１７においてケイ素のさらなる添加を行うことができる。

好ましい実施形態では、炭素含有材料は、ケイ素含有材料と一緒に銑鉄中に注入されてもよい。

上記で説明したように、ＤＲＩ経路を介して製造された銑鉄１４の炭素含有量は、一般に３重量％未満である。しかしながら、転炉でのその後の製鋼工程の要件を満たすために、銑鉄は、優先的には飽和レベルである４．５重量％に可能な限り近い炭素含有量を有するべきである。好ましい実施形態では、銑鉄の炭素含有量は、４．０～４．５重量％の範囲である。

実際、炭素は、酸素吹き込みによって転炉１７で行われる製鋼工程に必要である。これは、炭素と酸素との反応が一酸化炭素ガスを生成し、それが溶湯の強力で効率的な撹拌をもたらし、したがって鋼からの不純物の除去を改善するためである。この反応は発熱性であり、したがって鉄スクラップ溶融のための追加のエネルギーを提供し、鋼リサイクルから生じるこのような鉄スクラップをより大量に組み込むことを可能にする。鉄スクラップが多く使用されるほど、製鋼工程の環境フットプリントは小さくなる。

炭素含有材料は、異なる供給源に由来し得る。これは、例えば、コークス、無煙炭、炭化ケイ素、炭化カルシウム又はそれらの供給源のいずれかの混合物の中から選択することができるが、炭素負荷の一部又は全部についてバイオマスのような再生可能な供給源から有利に得ることもできる。特に、バイオ炭を使用することができる。炭化カルシウムを添加することは、カルシウム原子が脱硫効果を提供することができるので、特に有利である。

炭化ケイ素を添加することは、ケイ素を添加した上で銑鉄の炭素含有量の増加を可能にするので、特に有利である。炭化カルシウムと炭化ケイ素との混合物を添加することは、脱硫を確実にしながら炭素とケイ素との添加を提供するので、さらに有利である。

Claims (9)

1. 鋼を製造するための方法であって、以下のステップ：
   －出銑口（２５）が設けられた容器（２０）を備える電気製錬炉（１３）の前記容器（２０）にＤＲＩ製品を装填するステップ、
   －前記ＤＲＩ製品を溶融して、スラグ層（２３）で覆われた銑鉄層（１４）を形成するステップ、
   －前記銑鉄（１４）を取鍋内に出銑するステップ、及び
   －前記製錬炉出銑口（２５）の少なくとも１つのランナーにおいて前記銑鉄（１４）にケイ素含有材料を直接添加するステップ、
   －前記銑鉄（１４）が転炉（１７）に移送され、次いで前記銑鉄の炭素含有量が酸素吹き込みによって２．１重量％未満の値に低下された溶鋼を得るステップ、
   を含む、
   方法。
2. 前記ケイ素含有材料が、銑鉄層（１４）中０．１～０．４重量％の最終ケイ素含有量に達するのに十分な量で注入される、請求項１に記載の鋼を製造するための方法。
3. 前記ケイ素含有材料が浸漬ランスを通して注入される、請求項１に記載の鋼を製造するための方法。
4. 前記ケイ素含有材料が、金属ケイ素Ｓｉ、炭化ケイ素ＳｉＣ、シリコマンガンＳｉＭｎ、ケイ酸カルシウムＳｉＣａ、フェロシリコン合金ＦｅＳｉ又はそれらの材料のいずれかの混合物の中から選択される、請求項１に記載の鋼を製造するための方法。
5. 添加される前記ケイ素含有材料が３ｍｍ未満の粒径を有する粒子を有する、請求項１に記載の鋼を製造するための方法。
6. 前記製錬炉（１３）に装填される前に、前記ＤＲＩ製品が、少なくとも５０体積％の水素を含有する還元ガスを使用して製造される、請求項１に記載の鋼を製造するための方法。
7. 炭素含有材料をケイ素含有材料に添加して、銑鉄（１４）に注入する、請求項１に記載の鋼を製造するための方法。
8. 鉄スクラップが前記転炉（１７）において前記銑鉄に添加され、溶融される、請求項１に記載の鋼を製造するための方法。
9. 前記銑鉄が、前記製錬炉（１３）から脱硫ステーション（１５）に移送されて、その後前記転炉（１７）に移送される、請求項１に記載の鋼を製造するための方法。