JPH04214812A - ステンレス鋼の溶製方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、上底吹き機能を有する
精錬炉において溶融還元法によって得られた含クロム溶
鉄を用いてステンレス鋼を溶製する際に発生する余剰熱
を、クロムの酸化損失を抑制しつつ効果的に冷却するこ
とにより、還元剤の原単位の増加を防止すると共に精錬
炉の耐火物寿命を向上する経済的なステンレス鋼の溶製
方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、ステンレス鋼の精錬はスクラップ
とフェロクロムを電気炉にて溶解して得た含クロム粗溶
鉄をＡＯＤ、上底吹き転炉などの炉を用いて、精錬ガス
例えば酸素および不活性ガスとの混合気を炉内に供給し
て粗溶鉄中の炭素を漸次に除去する方法によってなされ
ていた。この場合、電気炉で得られる含クロム粗溶鉄の
炭素濃度は　１．５〜２％と比較的低く、精錬炉におい
て脱炭反応に伴う発熱も少い。このため過度の溶鉄温度
の上昇を招くことがないので、冷材を必要としない操業
が行われる。

【０００３】また、電気炉法によって含クロム粗溶鉄を
得る場合の問題点は電力コストが大きいことに加えて原
料として使用するフェロクロム自体も大量の電力を消費
して製造されるので高価なものとなることである。一方
、精錬ガスとして酸素と水蒸気の混合ガスを精錬炉炉底
に設けられた底吹羽口より溶鉄中に吹き込みステンレス
鋼を溶製する方法がＣＬＵ法として知られている（　Ｓ
ｔａｈｌｕｎｄ　Ｅｉｓｅｎ、９４　（１９７４）、ｐ
　４３５）。

【０００４】本法では、底吹き羽口の内管あるいは外管
より水蒸気を酸化性ガスもしくは酸化性ガスと不活性ガ
スの混合気と共に浴中に吹き込み、吹き込まれた水蒸気
の分解により生成するＨ２（ｇ）を希釈ガスとして作用
させ、すなわち、炉内ＣＯ分圧を低下させて熱力学的に
有利な条件下で脱炭反応を行わせている。また、本方法
での水蒸気の使用の目的の一つとして水蒸気の分解吸熱
による羽口の冷却、保護があげられているが、この方法
は水蒸気による浴の冷却もしくは温度制御を積極的に行
うものではない。

【０００５】むしろ、ＣＬＵ法では、精錬炉炉底に設け
られた底吹き羽口より酸素と水蒸気の混合ガスを吹き込
むので、羽口内への溶鉄の漏洩を防止するために酸素ガ
ス流量をある一定流量以下に低下させることができず、
溶鉄の温度コントロールにも限界がある。加えて、炉底
への水蒸気の導入に際し、配管の保温等が難しく酸素ガ
スとの混合により水蒸気が冷却され配管の低位の部分に
水として残存する可能性があり、水蒸気の供給を安定し
て行うことができない恐れがある。このため、このよう
な現象を防止するために酸素ガスの加熱が必要となり、
設備費が高額となる。

【０００６】一方、含クロム粗溶鉄の製造に関して、近
年クロム鉱石またはクロム鉱石を予備還元した半還元ペ
レット等を上底吹き転炉等の精錬炉を用いてコークス、
石炭等の炭素含有物質で炭素還元して含クロム粗溶鉄を
製造する溶融還元法が試みられている。この方法によっ
て得られる含クロム粗溶鉄は温度が１５００〜１６００
℃、炭素濃度が４〜６％であり、精錬炉で該含クロム粗
溶鉄を脱炭する酸化工程での発熱が過剰となり、１８０
０℃以上といった過度の鋼浴温度の上昇を招く。このた
め、精錬炉耐火物の著しい損耗を生じ経済的な操業が困
難となる。

【０００７】この問題を解決しかつ余剰熱を有効利用す
る方法として、酸化工程において各種の冷材を利用する
方法が特開昭６１−２９１９１１号公報に開示されてい
る。しかしながら、この方法は単に余剰熱に見合う顕熱
と分解熱を有する冷材量の限定を示しているだけであり
、実際の酸化脱炭工程で、どのように冷材を使用すべき
かの詳細を十分には開示してはいない。すなわち、クロ
ム鉱石の投入に関してのみは、（１）式のＣｒ−Ｃの平
衝に基き、　　　　　　　ｌｏｇ｛［％Ｃｒ］　Ｐｃｏ
／［％Ｃ］｝　　　　＝｛−１３，８００／（Ｔ＋４．
２１［％Ｎｉ］）｝＋８．７６　　　　　　　　　　　
　　　　　…（１）溶鉄中の炭素濃度が３％以上で、し
かも（１）式で与えられる温度Ｔ以上の条件で投入の終
了を規制しているのみである。溶鉄中［％Ｃ］、［％Ｃ
ｒ］の値と（１）式から定まる温度Ｔ以上で脱炭を行う
ことは、クロムの酸化損失を抑制し優先的に脱炭反応を
進行させるステンレス鋼の脱炭精錬技術業界では既に常
識となっている。

【０００８】本発明者らは、クロムの酸化損失を抑制し
つつ余剰熱の有効利用を図る意味で酸化工程での冷材の
使用について種々研究した。これによると、溶鉄中［％
Ｃ］、［％Ｃｒ］の値と（１）式から定まる温度Ｔ以上
となるようにクロム鉱石、スクラップ、マンガン鉱石等
の冷材投入量を制御した場合でも、その投入量の増加に
伴いクロムの酸化損失が増大する。このため、酸化工程
に引き続き行われるスラグ中の酸化クロムのメタル中へ
の還元回収作業で使用されるＦｅＳｉ等の還元剤の使用
量も増大する。

【０００９】これは、この酸化工程での冷材使用により
、巨視的には溶鉄の温度が一定の高温に保たれているよ
うに見えるが、局所すなわち冷材と溶鉄との接触してい
る箇所では著しい低温となり、（１）式で定まる熱力学
的に要求される溶鉄中炭素の優先脱炭に要求される温度
以下になっているためと考えられる。また、一方特開昭
５２−９５５０２号公報には底吹き羽口より霧状の水を
不活性ガスもしくは酸化性ガスで搬送して溶融金属浴に
吹き込み、該浴の温度を制御する技術が開示されている
。この方法によればスクラップ等の固形冷却材の使用と
比較して、吹き込み水流量の制御が容易に行えるため浴
湯の制御がより精度よく行えるとしている。また、搬送
ガスを用いて水をミスト状にして炉底羽口より吹き込む
方法が水の分解による冷却の効率向上、金属浴の攪拌力
向上の面から水を浴面上から吹き付ける方法と比較して
好適であるとしている。さらに、羽口に水をミスト状に
して導入する方法として底吹きガス配管内に水を圧入す
る技術も開示している。因みにこれは水の流量と搬送ガ
スの流量比を４０００以上にするものである。

【００１０】しかしながらこの方法では以下の問題があ
った。すなわち、底吹き羽口にミスト状の水が到達する
以前に配管内で水が凝集し、配管内に残留する可能性が
あり所望の水吹き込み流量を得られない恐れがある。さ
らに、配管内へ水を導入する位置から羽口までの距離が
長い場合には、配管へ水を供給するタイミングと比較し
て羽口からミスト状の水が流出するタイミングが大幅に
遅れる可能性もある。この結果として精度よく浴温度を
制御することは困難となる。加えて、溶融金属浴に浸漬
された羽口、すなわち底吹き羽口より水を供給するこの
方法では羽口内に溶融金属の侵入を防止するために所定
流量以下に底吹きガス流量を絞ることができない。従っ
て、上吹きランス等のように浴に浸漬しない状態で水を
浴内に供給する方法と比較して高圧で水をガス配管内に
圧入することが要求されるため設備を高圧化する必要が
生じ、結果として設備費が高額となる。

【００１１】そこで、以上に示した水の供給上の問題点
を解決できる方法として、上吹きランスから水を炉内へ
導入する方法が特開昭６２−１４６２０９号公報や特開
昭６３−１０３０１８号公報において開示されている。 これらの技術は上吹きされる酸化性ガスと溶融金属浴と
の衝突面に形成される高温の火点に水等の冷却剤を供給
し火点温度を低下させることによりＦｅやＭｎ等の有効
成分の蒸発によるダスト発生を抑制しようとするもので
ある。

【００１２】しかしながら、以上で示した発明はクロム
等の易酸化元素を多量に含まない普通鋼の精錬分野での
技術であり、本発明者らが提供する含クロム粗溶湯の脱
炭精錬には適用することができない。すなわち、本発明
者らの知見によれば水等の冷却剤を炉内に添加する場合
鋼浴あるいは火点の冷却により易酸化元素であるクロム
が酸化されてしまう。この結果、水の分解吸熱量に比較
してクロムの酸化発熱量が十分大きいために逆に鋼浴温
度の上昇を招く。このため浴温度を制御しつつ脱炭精錬
反応を行うことが不可能となる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】上述した種々の従来の
技術に鑑みて、本発明の目的は前述の問題を有利に解決
し、含クロム溶鉄からステンレス鋼を溶製する際に、発
生する余剰熱をクロムの酸化損失を抑制しつつ効果的に
冷却し、ＦｅＳｉ原単位、耐火物溶損量を低減できる経
済的なステンレス鋼の溶製方法を提供することである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、ク
ロム鉱石、予備還元クロム鉱石もしくはこれらのペレッ
ト等の含クロム原料をコークス、石炭等の炭素含有物質
を用いて溶融還元して得た含クロム溶鉄とスラグを分離
した後、該含クロム溶鉄を上底吹き機能を有する同一精
錬炉または別の精錬容器で酸化性ガスを用いて脱炭して
ステンレス鋼を溶製するに際して、上吹きされる酸化性
ガスによって溶鉄表面に形成される火点中に、水あるい
は水蒸気を酸化性ガスと不活性ガスの混合ガスと共に供
給することを特徴とするステンレス鋼の溶製方法であり
、望ましくは精錬炉内あるいは精錬容器内への水あるい
は水蒸気の供給は溶鉄温度が１５００℃以上かつ溶鉄中
の炭素濃度が０．１５％以上で行うものであり、また望
ましくは水あるいは水蒸気の分解により生成する酸素供
給速度を上吹き、底吹き合計の送酸速度および水あるい
は水蒸気の分解により生成する酸素供給速度の６０％以
下とするものである。

【００１５】

【作　　用】ステンレス鋼を溶製する際、含クロム粗溶
鉄を得る方法としてクロム鉱石、予備還元クロム鉱石も
しくはこれらのペレットをコークス、石炭等の炭素含有
物質を用いて炭素還元する溶融還元法を採用することは
、電気炉法と比較して原料、エネルギーコストを低減で
きるためトータルの含クロム粗溶鉄の溶製コストを低減
することが可能となり経済性に優れる。

【００１６】また、含クロム粗溶鉄を脱炭精錬するにあ
たって上底吹き機能を有する精錬容器の使用は、酸化工
程の間、大量の酸素を供給して高速脱炭を可能とするの
みならず、その強力な底吹攪拌による還元工程でのスラ
グ中の酸化クロムのメタル中への還元回収作業を迅速、
かつ高効率で実施できるという意味で有効である。本発
明の骨子となる技術は、上吹きされる酸化性ガスによっ
て溶鉄表面に形成される火点中への水もしくは水蒸気の
供給であり、水もしくは水蒸気の顕熱、蒸発潜熱、分解
熱により火点温度を低下せしめ、効果的に溶鉄全体の過
度の温度上昇を抑制することにあり、これによって精錬
炉耐火物損耗を軽減し耐火物寿命の延長を実現する。

【００１７】加えて、火点中への水もしくは水蒸気の供
給に際して、水あるいは水蒸気の分解による浴の冷却効
率向上の観点から浴温が１５００℃以上で、かつ浴中炭
素濃度を０．１５％以上が望ましい。図２に含クロム溶
鉄に図５に示す上吹きランスを用いて上吹きガスと水を
ランス内で混合させて噴霧状態で吹き付けた場合の水中
の酸素も考慮した脱炭に費やされる酸素の割合と溶鉄温
度の関係を示す。図中○印のプロットは上吹きガスにＡ
ｒガスを用い溶鉄表面にＡｒガスと水の混合気を吹き付
けた場合であり、△印のプロットは上吹きガスに酸素ガ
スを使用し溶鉄表面、すなわち火点内に酸素ガスと水お
よびＡｒの混合気を吹き付けた場合のデータである。

【００１８】図より、火点中への水の供給は溶鉄の過度
の冷却を伴うことがなく、クロムの酸化損失を抑制しつ
つ優先的に脱炭反応を行うことが可能となり、水中の酸
素も考慮した脱炭に費やされる酸素の割合が向上する。 また、優先脱炭を促進するという意味ですなわち脱炭に
費やされる酸素の割合が向上するには、水の火点中への
供給は溶鉄温度が１５００℃以上で行うことが効果的で
あることも明らかである。この効果は、水に限らず水蒸
気を使用した場合でも同様に得ることができる。

【００１９】また図３は含クロム溶鉄に図５に示す上吹
きランスを用いて上吹きされる酸化性ガスと不活性ガス
の混合気と水をランス内で混合、噴霧状にして吹き付け
た場合の浴中炭素濃度と見掛け上の水の冷却能力との関
係を示したものである。図より、水の顕熱、蒸発潜熱、
分解熱の合計の吸熱量の内浴温の低下に使用される熱量
は浴中炭素濃度が０．１５％付近を境にして急激に低下
し見掛け上冷却効果が得られなくなる。これは、浴中の
炭素濃度の低下に従いクロムの酸化量が増大し、水の冷
却能力よりもクロムの酸化発熱量が大きくなるためであ
る。

【００２０】以上のことから溶鉄への水の供給は浴温が
１５００℃以上かつ浴中炭素濃度が０．１５％以上の時
期に行うことが浴の冷却の観点から望ましい。さらに、
図４は水の分解により生成する酸素を考慮した上底吹き
合計の送酸速度の内水中の酸素の供給割合を変化させて
含クロム溶鉄に図５に示す上吹きランスを用いて上吹き
される酸化性ガスと不活性ガスの混合気と水をランス内
で混合、噴霧状にして吹き付けた場合の脱炭量に対する
クロム酸化量の割合を調査した結果を示したものである
。

【００２１】図より、脱炭量に対するクロムの酸化量は
水の吹き込み割合の増加により増加するが、クロム酸化
量は水の吹き込み割合が６０％を超えると急激に増大す
る。このことは、水の吹き込み割合の増加により浴の冷
却が過大となり、この結果としてクロム酸化量が増加す
るためと考えられる。よって、含クロム溶鉄への水の吹
き付けに際し全送酸速度の内水中の酸素の供給割合を６
０％以下とすることがクロム酸化抑制の観点から望まし
い。

【００２２】さらに付け加えると、上記の条件を満足す
ることは水あるいは水蒸気の分解による冷却効果を向上
できるのみならず、分解生成物であるＨ２（ｇ）の発生
を促進するために炉内ＣＯ分圧の低下をもたらし熱力学
的に優先脱炭を助長する意味で有効に作用する。また、
炉内への水の導入に際しては、先に述べた設備上あるい
は操業上の理由から、上吹きランスから水あるいは水蒸
気を炉内に導入する方法が底吹き羽口を介して行う方法
と比較して有効に作用する。

【００２３】

【実施例】図１に示した炉容５トンの上底吹転炉を用い
て行った本発明の実施例を以下に示す。操業に際し、予
め５トン上底吹き転炉で脱リン溶銑にクロム鉱石、コー
クス等を投入し、溶融還元して含クロム粗溶鉄を得た。 次にこの溶鉄をスラグと分離出銑後、同じ上底吹転炉に
再装入した。含クロム粗溶鉄の温度、成分を表１に示す
。

【００２４】 　　図１において、１は転炉本体、２は２重管構造の底
吹羽口、３は含クロム溶鉄、４は上吹ランスである。底
吹羽口としては、内管内径１０ｍｍφの２重管羽口を４
本使用し、内管からは酸素あるいはアルゴンガスとの混
合気を供給し、内管と外管の隙間からはプロパンあるい
はアルゴンガスとの混合気を羽口冷却用に吹き込んだ。 また、上吹ランスは４孔で各ノズルのスロート径が　９
．５ｍｍφのものを使用し、ノズルからは酸素とアルゴ
ンガスとの混合気、さらには水を吹き付けた。使用した
上吹きランスの模式図を図６に示す。図６のランスはラ
ンスノズル部において酸素とアルゴンとの混合気に水を
添加し噴霧化するものである。

【００２５】また、水の分解、反応生成物であるＨ２（
ｇ）の発生と、水中の酸素を考慮して酸素と希釈ガスの
比が酸化精錬工程の第１期では１／０、第２期では４／
１、第３期では２／１、第４期では１／２になるように
上吹ランスから供給される酸素、アルゴンガスの流量を
調節した。なお、水蒸気の供給時の溶鉄温度は１５５０
〜１６８０℃、炭素濃度は　０．０２８〜５．８　％、
水蒸気分解による酸素の全供給酸素との割合は４〜２０
％である。

【００２６】酸化精錬および還元精錬時の操業条件を表
２に示す。操業中、副原料の添加は酸化精錬初期に生石
灰粉を底吹羽口から還元精錬終了時のスラグ塩基度が　
１．９になるようにインジュクションした。また、還元
精錬初期には炉上から１５ｋｇ／ｔのＦｅＳｉ合金を投
入した。この時酸化精錬には３６分、還元精錬に５分、
合計４１分を要した。酸化精錬中、適時サブランスを用
いて鋼浴温度、メタルを測定サンプリングしたところ、
鋼浴温度は１６８０±５℃の範囲で精度よくコントロー
ルできた。スラグ中に移行した酸化クロムのメタル中へ
の回収も十分に行うことができた。操業結果を表３に示
す。

【００２７】 　　吹錬終了後、耐火物の溶損量を測定したところ、炉
底および炉腹の平均値で３ｍｍであった。

【００２８】比較例は、実施例と同様の設備と操業方法
に従うが、含クロム溶鉄の脱炭の進行に伴う溶鉄の温度
上昇分をスクラップとフェロクロム合金の炉上からの投
入によって冷却解消する方法で行った。従って、上吹ラ
ンスからの水の吹きつけは行わなかった。この場合の操
業条件を表４に示す。酸化精錬期においては、表２と表
４を比較すればわかるように、上底吹きの送酸速度およ
び酸素と不活性ガスの流量比、すなわち希釈比は表２の
水の酸素、さらには水の分解反応生成物であるＨ２（ｇ
）を考慮するとほぼ同じとなるようにした。操業結果を
表５に示す。

【００２９】 　　表３と表５を比較すれば明らかなように、比較例は
本発明と同等の成分組成を有するステンレス鋼を溶製す
ることができた。しかしながら、還元精錬時のＦｅＳｉ
原単位は本発明の１５ｋｇ／ｔに対し２０ｋｇ／ｔと５
ｋｇ／ｔ余分に投入した。

【００３０】また、酸化精錬工程における溶鉄温度の過
度の上昇分をスクラップとフェロクロムの投入により防
止したため、各々　２００ｋｇ、７５ｋｇの冷材の投入
を必要とした。このようにＦｅＳｉ原単位の増加は冷材
の投入によるところが大きく、また精錬時間は酸化精錬
工程において４０分、還元精錬工程において５分合計４
５分を要した。すなわち本発明に対し４分の吹錬時間の
延長となった。

【００３１】さらに耐火物の溶損量は５ｍｍと本発明に
対し２ｍｍの増加を招いた。以上の結果から、比較例に
おいて酸化期における溶鉄温度の過度の上昇を防止する
目的による冷材の投入は含クロム溶鉄の局所的な過冷却
をもたらし結果としてクロムの酸化損失の増大、還元期
におけるＦｅＳｉ合金鉄の原単位増、さらには耐火物溶
損量の増加を招き経済的な操業を行うことが難しい。

【００３２】これに対し本発明では、酸化性ガスと溶鉄
との衝突によって形成される火点中に水を供給すること
で溶鉄の過冷却を防止し、クロムの酸化損失の増加を招
くことなく効果的に溶鉄を冷却することが可能となり所
望の操業温度での吹錬が実現できる。この結果、ＦｅＳ
ｉ原単位、耐火物溶損量の低減が可能となった。また、
副次的な効果として、水の分解、反応生成物であるＨ２
（ｇ）の希釈効果が期待できるので高価なＡｒ、Ｎ２と
いった不活性ガスの使用量が低減可能となった。

【００３３】加えて、水の供給量等の制御により鋼浴温
度を精度よくコントロールすることが可能になったため
操業温度のバラツキによる脱炭不良やクロム酸化量の増
加を防止でき安定した操業を行うことができるようにな
った。

【００３４】

【発明の効果】本発明によれば、前述のようにクロム鉱
石の溶融還元法によって得られた含クロム粗溶鉄の脱炭
によるステンレス鋼の経済的な溶製が実現可能となった
。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施に用いた５トン規模の転炉設備の
模式図である。

【図２】含クロム溶鉄へ水を供給した場合の脱炭に費や
される酸素の割合と溶鉄温度の関係を示す特性図である
。

【図３】含クロム溶鉄へ水を供給した場合の見掛け上の
水の冷却能力と溶鉄中炭素濃度の関係を示す特性図であ
る。

【図４】含クロム溶鉄へ水を供給した場合の脱炭量に対
するクロム酸化量と上、底吹き合計の送酸速度の内水中
酸素量の割合の関係を示す特性図である。

【図５】本発明の実施にあたって水の供給に用いた上吹
きランスの断面図である。

【図６】本発明の実施にあたって水の供給に用いた上吹
きランスの断面図である。

【符号の説明】

１　　　　　　　　転炉本体 ２　　　　　　　　底吹羽口 ３　　　　　　　　含クロム溶鉄 ４　　　　　　　　上吹ランス ５　　　　　　　　フラックス ６　　　　　　　　タンク ７　　　　　　　　内管 ８　　　　　　　　外管 ８（１）　　冷却剤 ９（１）　　冷却水（往） ９（２）　　冷却水（復） １０　　　　　　　　水、水蒸気 １１　　　　　　　　酸素ガス １２　　　　　　　　Ａｒガス １３　　　　　　　　Ｎ２ガス １４　　　　　　　　プロパンガス

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　クロム鉱石、予備還元クロム鉱石もし
   くはこれらのペレット等の含クロム原料をコークス、石
   炭等の炭素含有物質を用いて溶融還元して得た含クロム
   溶鉄とスラグを分離した後、該含クロム溶鉄を上底吹き
   機能を有する同一精錬炉または別の精錬容器で酸化性ガ
   スを用いて脱炭してステンレス鋼を溶製するに際して、
   上吹きされる酸化性ガスによって溶鉄表面に形成される
   火点中に、水あるいは水蒸気を酸化性ガスと不活性ガス
   の混合ガスと共に供給することを特徴とするステンレス
   鋼の溶製方法。
2. 【請求項２】　　精錬炉内あるいは精錬容器内への水あ
   るいは水蒸気の供給は溶鉄温度が１５００℃以上かつ溶
   鉄中の炭素濃度が０．１５％以上で行うことを特徴とす
   る請求項１記載のステンレス鋼の溶製方法。
3. 【請求項３】　　水あるいは水蒸気の分解により生成す
   る酸素供給速度が上吹き、底吹き合計の送酸速度および
   水あるいは水蒸気の分解により生成する酸素供給速度の
   ６０％以下であることを特徴とする請求項１または２記
   載のステンレス鋼の溶製方法。