JPS6212283B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はアーク炉製鋼法の改良に関し、生産能
率の向上と省エネルギーに加えて、高い精錬歩留
りと低減された廃棄物量とを実現した製鋼法に関
する。 製鋼の主体が平炉から転炉へ移つて行つた過程
で、アーク炉製鋼は依然としてその地位を保つて
きた。これを支える最大のものは、アーク炉製鋼
の生産能率の著しい向上である。 溶銑などを原料に操業する転炉製鋼とくらべた
とき、アーク炉製鋼はスクラツプなどの冷材から
操業を開始するという不利を負つているので、ア
ーク炉製鋼の生産能率の向上は、装入物の溶解に
要する時間とエネルギーをいかに節減するかにか
かつている。 このためにとられた主要な対策は、一つは単位
時間あたりの投入電力量を増大する、いわゆる
UHP電気炉操業であり、いま一つは電力以外に
エネルギー源を求めた、助燃バーナーの利用であ
る。これらは一応の成果をおさめたといえるが、
トランス容量やバーナー能力などの使用設備から
の限界は、当然にある。 そこで、この限界を打破するために試みられた
のが、酸素ガスの活用である。すなわち、装入物
の溶解中および溶解末期に設備の許容する範囲内
で最大量の酸素ガスを炉内に吹き込み、平滑鋼浴
面形成後は脱炭のために要する以上の量の酸素
を、送電を続けながら、溶鋼中に吹き込む操業で
ある。また、助燃バーナーを有する設備では、オ
イルの燃焼に必要な量を超える酸素を、バーナー
を通して送気する。こうした操業を、本発明者
は、アーク炉製鋼における酸素富化操業とよんで
いる。 酸素富化操業は、炭素、ケイ素、鉄分などのア
ーク炉装入物中の諸成分が投入酸素により酸化さ
れる際の反応熱により、固型物の溶解促進と溶鋼
の昇温促進が行なわれ、また炉壁に付着した未溶
解固形物が酸素により強制的に溶断され炉内不均
一溶解が解消するといつた効果があるので、生産
能率が大いに向上する。 酸素富化操業の利益は時間の短縮だけでなく、
アーク炉で溶解および精錬に必要とする電力量の
大幅な低減をも可能にする。アークによる入熱
は、炉の構造上、装入物または鋼浴の上方から行
なわれるので、アークの上方への反射などでエネ
ルギーが失なわれることは、ある程度までは避け
られない。一方、酸素との反応による熱は装入物
の表面または鋼浴中で発生するので、そのエネル
ギーは大部分が利用される。従つて、酸素ガスの
使用量をエネルギーに換算して電力のエネルギー
と合計し、全投入エネルギーの原単位を考えると
き、その値は酸素ガス投入量の増大に伴つて向上
する。（酸素投入量10Nm³／装入トンで10％以
上、20Nm³で20％に達する。） このように、酸素富化操業は有利なアーク炉製
鋼法ではあるが、その利益を追及して行く過程で
新たな困難に遭遇した。その一つは、スクラツプ
等の装入原材料重量に対して得られる溶鋼重量の
割合すなわち溶解歩留りの低下であり、いま一つ
は、これと表裏の関係にあるが、溶解残渣である
スラグ量の増加である。 本発明は、こうした困難をとり除き、能率向上
と省エネルギーの要請をみたす酸素富化操業の有
利さを維持したまま、溶解歩留りを高く得るとと
もに、廃棄物となるスラグ量の増加を抑制したア
ーク炉製鋼法を提供することを目的とする。 この目的は、本発明に従つて下記の工程をふむ
ことによつて達成される。すなわち、アーク炉製
鋼において、 (イ) 溶解期または酸化期、あるいはその両方にわ
たつて、炉内に酸素を吹き込み、鉄を主体とし
た金属を酸化し、その酸化熱により鋼の溶解ま
たは昇熱を促進すること、およびそれに続い
て、 (ロ) 炭素質材料を、アルゴン、窒素または空気の
ようなキヤリアガスにのせて炉内の溶融物中に
吹き込むこと。 上記の操作の第一の段階(イ)は既知の手法に従え
ばよく、酸素ガスは通常のランスパイプを用いて
吹き込んでもよいし、また助燃バーナーを用いる
場合にはオイルの燃焼に必要な量を超える酸素を
送り込んでもよい。 第二の段階(ロ)の状況を模式的に示せば第１図の
とおりであつて、アーク炉１内では電極２と溶鋼
３との間でアークを発生させて加熱精錬を行なつ
ており、溶鋼表面はスラグ４をおおつている。別
に設けた容器１１には炭素質材料の粉末１２が充
填してあり、これは、たとえば５Kg／cmの圧力で
入口１３から入つて来る圧縮空気にのせられて吐
出口１４を出、ゴムホース１５を通つてランスパ
イプ１６に至る。炭素質粉末の送り出し量は、容
器１１の下部に設けた調節手段（図示してない）
により、適宜に調節される。ランスパイプ１６は
出滓扉に設けた小孔５を通して炉内の溶融物中に
挿入される。その先端１６Ａの位置は、通常は溶
鋼３と溶融スラグ４との境界付近が適当である
が、鋼中に存在させるべき炭素の量や精錬の段階
に応じて、適宜上下させ、溶鋼中に、あるいはス
ラグ中に移す。キヤリアガスによる炭素の吹き込
みを行なうと、後述するように、溶融スラグが盛
り上がる。 上記構成を採択した意義のよりよい理解のため
には、本発明の成立に至る経緯を説明することが
適切と思われるので、以下に述べる。 周知のとおり、溶鋼上に存在する溶融スラグ中
の酸化鉄含有率は、溶鋼中の酸素含有率（正確に
いえば活動度であるが）に支配され、溶鋼中の酸
素含有率が高いほどスラグ中の酸化鉄含有率も高
くなる。一方、溶鋼中の酸素含有率は、酸素富化
操業のように酸素の供給が十分な条件下では、主
として溶鋼中の炭素含有率によつて決定される。 溶鋼中の炭素含有率と酸素含有率との関係は古
くから研究され、いわゆる「バツチヤー・ハミル
トンの関係」としてよく知られるグラフが各種ハ
ンドブツクに掲載されている。それによれば、一
般に溶鋼中の炭素含有率が高くなるほど、酸素含
有率は低くなる。従つて、その溶鋼と共存するス
ラグ中の酸化鉄含有率もまた低くなるはずであ
る。逆に、溶鋼中の炭素含有率が低いことは酸素
含有率が高いことを意味し、スラグ中の酸化鉄含
有率が高くなる結果を招く。 本発明者が酸素富化操業の探究の過程で溶解歩
留りの改善を企てたとき、最初に試みた対策は、
上記の理解にもとづいて溶鋼組成を調節すること
であつた。すなわち、スクラツプなどの原材料と
ともにアーク炉に装入しておく炭素付加材（先入
れ加炭材）の量を増したり、種類をえらぶことに
より、酸素富化操業終了の時点における溶鋼中の
炭素含有率を適切な水準に維持し、それによつて
溶鋼中の酸素含有率を相対的に低位に保つことで
ある。 この先入れ加炭材による溶鋼中炭素含有率の調
節は、炉内に送り込む酸素の量が５〜6Nm³／装
入トン程度までは、おおむね効果的であつて、酸
素富化操業の利益をある程度享受しつつ、溶解歩
留りの低下やスラグ量の増大を若干はおさえるこ
とができた。 しかし、酸素富化操業の利益を十分に得るため
には、酸素投入量をより大きくしなければならな
い。ところが、10Nm³／装入トンまたはこれを上
回る大量の酸素を使用する場合には、もはや先入
れ加炭材により溶鋼中の炭素含有率を維持するの
は不可能なことが経験された。それは、通常の装
入手段で与えられる炭素は、ほとんど酸素により
燃焼してしまい、溶鋼中に溶解する分がなくなつ
てしまうからである。先入れ加炭材を極度に増し
てみても、精錬過程で一部排出するスラグに混つ
て炉外に出てしまつたり、炉壁に固着する未溶解
物中に保持され、その後の精錬過程で溶鋼中に落
下して精錬作業を妨げたりするおそれがある。 このような経験にかんがみ案出されたのが本発
明によるキヤリアガスとともに炭素質材料の紛末
を吹き込む手法である。 もつとも、アーク炉による溶鋼の精錬に際し
て、炭素粉末をキヤリアガスにのせて吹き込むこ
と自体は、本出願人の最近の提案の対象である。
（特願昭52−159187号）その発明における炭素粉
末吹き込みの狙いは、キヤリアガスおよび発生す
るCOガスの気泡がスラグの上部に泡沫層を形成
し、このスラグ泡沫がアークを包み込むとともに
溶鋼の保温にも役立ち、電力原単位の向上と所要
時間の短縮をはかることにある。 本発明の実施に当つても、この効果はもちろん
得られるが、今回の提案の新規な点は、溶鋼中の
炭素含有率を一旦は低い水準まで下げてから再び
炭素を与えることにある。すなわち、酸素富化操
業の実施に際して、前記バツチヤー・ハミルトン
の関係に立脚して溶鋼中の炭素含有率を維持しな
がら操業するという、当業技術において従来は常
識とされていた考えを捨て、溶鋼中の炭素含有率
の低下、ひいては鉄分の酸化を気にかけずに十分
な量の酸素ガスを炉内に投入し、のちにこの酸素
により燃焼して生成した酸化鉄を炭素により還元
して金属鉄として回収するという改善案を提示し
たことが本発明の意義である。 なお、アーク炉内で起る諸化学反応にも、当然
にHessの法則が適用されるので、酸素富化操業
に伴つて得られた鉄の酸化による発熱が、酸化鉄
の還元過程で相殺されてしまうのではないか、と
いう懸念があろう。同一量の酸素が鉄と反応した
場合と炭素と反応した場合とでは、 Fe＋Ｏ＝FeO＋109.6Kcal／mol・O₂ Ｃ＋Ｏ＝CO＋52.8Kcal／mol・O₂ 前者の方が発熱は大きいが、 FeO＋Ｃ→Fe＋CO−56.8Kcal／mol・O₂ の吸熱により、結局は炭素の燃焼熱しか利用でき
ないように思われた。 ところが、後に示す実例から明らかなように、
炭素質材料の吹き込みにより、酸素富化操業のも
たらす省エネルギー効果が減じることはない。こ
の最大の理由は、前記したスラグの発泡によるも
のと解される。すなわち、炭素の吹き込みにより
酸化鉄が還元され一酸化炭素が生成し、これがキ
ヤリアガスとともにスラグを泡立てる結果、その
泡沫層の上部は吹き込み前からみると50cm〜1m
も盛り上がつて送電中の電極の先端を包み込み、
アークが完全にスラグ中に埋没してその発熱が高
度に利用されるという現象である。 この効果は前述のように、さきの出願の発明に
よつてすでに得られていたところであるが、本発
明においては、その前段の酸素富化操業により溶
鋼およびスラグ中の酸素含有率が高まつていると
ころへ炭素を吹き込むので、一酸化炭素ガスの発
生量が多く、一層顕著になる。本発明者の経験に
よれば、酸素富化操業後に炭素の吹き込みをしな
い場合の電力による昇温時の熱効率は約30％であ
るのに対し、炭素の吹き込みをした場合にはこれ
が約60％に向上する。この効率の向上は、たとえ
ば公称能力70トン炉において300Kgの炭素質材料
を５分間で吹き込んだ操業例において酸化鉄の還
元による吸熱を補うのに十分なものである。 次に本発明の構成について説明を補足する。 酸素の吹き込みにより溶鋼中の炭素含有率を
0.20％以下、好ましくは0.15％以下、通常の操業
においては0.10％以下にすることは、アーク炉に
よる精錬プロセス自体にとつて不可欠というより
は、酸素富化操業の結果として到達する条件であ
る。換言すれば、酸素富化操業の利益を確保する
に十分な量の酸素の吹き込みが行なわれたこと
が、上記の溶鋼中炭素含有率によつて確認される
わけである。操業のめやすを与えるという点で、
この条件は重要な意義をもつている。実操業の面
からいえば、上記の溶鋼中炭素含有率を与える酸
素吹込量は、通常10Nm³／装入トンまたはそれ以
上である。 こうした条件は、本発明者が酸素富化操業の探
究過程で経験的に見出したものであるが、70トン
アーク炉における脱炭試験の結果からも支持され
る。第２図は、酸素吹き込みによる脱炭を行なう
際の、溶鋼中の炭素含有率と脱炭速度との関係を
示すグラフである。このグラフから明らかなよう
に、溶鋼中の炭素含有率が0.20％以下、より明確
には0.15％以下になると、脱炭反応は酸素供給律
速から炭素拡散律速に変り、この限界値以下の炭
素含有率においては、炉内に供給された酸素は主
として鉄分を酸化してゆくことになる。しかしな
がら、本発明に従うときは酸化により鉄分が失な
われても、後の炭素吹き込みによつて回復するか
ら、溶鋼の炭素含有率を、たとえば0.10％以下の
ような低い値にしても、何ら不利益ない。従つ
て、炭素含有率の低下を気にすることなく、酸素
富化操業の利益が十分に得られる程度まで、酸素
の吹き込みを行なうことができる。 吹き込む炭素質材料は、第一に炭素含量が少な
くとも60％、好ましくは80％以上のものを使用す
べきである。60％未満のものは一般に炭素の活性
が低く、炉内に吹込んだとき、酸化鉄の還元に効
果的に寄与しない。第二に、粒径５mm以下の細粒
が好ましい。粗粒であるとキヤリアガスにのせる
のに困難があるだけでなく、反応にあずかる表面
積が相対的に小さいことから、スラグ中を浮上す
る過程で完全に酸化鉄の還元に利用されず、スラ
グ表面に未反応のまま浮遊して排出されてしまう
おそれがある。吹き込むべき量は、正味の炭素分
として、装入トンあたり１Kg以上、通常は４〜55
Kgまでで足りるであろう。 キヤリアガスは、アルゴンのような不活性ガス
はもちろん適当であるが、窒素や空気などでもよ
い。 製造しようとする鋼の炭素含有率として低い値
を望む場合には、酸素を吹き込んで、炭素含有率
を所定の値まで低下させればよい。 この二次的な酸素の吹き込み操作は、炭素の吹
き込みと同時に行ない、炭素含有率の増加をゆる
やかに起させることによつても実現できる。ただ
しこの場合は、爆発の危険を避けるため、酸素と
炭素とは各別の吹込装置を通して溶鋼中に吹き込
む必要がある。炭素質材料のキヤリアガスとして
空気（爆発限界外であれば多少の酸素を添加した
空気も使える）を使用することによつても、上記
の効果はある程度得られる。 そのほか種々の変更態様が、本発明の実施にて
当業者には採用可能であろう。 以下に、公称能力70トンのUHPアーク炉を用
いた製鋼に例をとり、本発明を従来技術と比較し
て説明する。 比較例 １ （在来方法） 市中購入スクラツプ32トン、社内発生返り屑21
トンを、コークス粉１トン、生石灰２トンととも
にアーク炉内に装入し送電を開始した。 33分後に送電を中断し、さらに34トンの市中購
入スクラツプを炉内に装入し、送電を再開した。
最初の送電開始後64分の時点で、成分分析用試料
として溶鋼の一部をくみ取つた。この時点におけ
る溶鋼中の炭素含有率は0.25％であつた。 その後、溶鋼中炭素含有率の低減（脱炭）を目
的に120Nm³の気体酸素をランスにより溶鋼中に
吹き込んだ。吹き込み完了後、再度分析試料を採
取した。この時点における溶鋼中の炭素含有率は
0.08％であつた。 酸素吹き込み完了後、送電により鋼浴温度が
1650℃に達した事を確認後、再度分析試料を採取
し、しかる後炉内にあるスラグを炉外に排出し
た。この時点の溶鋼中炭素含有率は0.06％であつ
た。同時に採取した炉内のスラグの分析値によれ
ば、この時炉内にあつた溶滓中の酸化鉄含有率は
25％であつた。スラグ排出後、生石灰、ホタル石
と共に2.6トンの合金添加元素を炉内に添加し
た。送電によりこれらの添加物が溶解された後、
鋼浴温度が1630℃になつた事を確認し、炉内の溶
鋼を炉外の取鍋に出鋼した。 出鋼後の溶鋼中炭素含有率は0.21％であつた。
出鋼後の溶鋼重量は86200Kgであり、従つて溶解
歩留は96.2％であつた。 脱炭、昇熱完了後に炉外に排出したスラグの重
量は5.1トンであつた。 全過程を通して使用された電力量を出鋼重量で
除した出鋼トン当りの電力原単位は510KWHであ
つた。 出鋼完了後のアーク炉内を耐火物にて補修し、
次の溶解のための材料を装入後、送電を開始した
のは、前溶解のための送電開始始から121分後で
あつた。 比較例 ２ （酸素富化操業） 比較例１と同じ原料をアーク炉に装入して、送
電を開始した。送電開始10分後から、炉内にラン
スにより気体酸素を送気した。送電開止始28分後
に送電と送気を中止し、34トンの市中購入スクラ
ツプを炉中に装入し、送電を再開した。送電再開
５分後に炉内への気体酸素送気を再開した。その
まゝ操業を継続し、固型装入物のほとんどが鋼浴
中に入り平滑な湯面が形成された時、分析試料を
採取した。この時点での溶鋼中炭素含有率は0.10
％であつた。その後さらに鋼浴への送気を続け、
併せて送電しつつ鋼浴温度の上昇をはかつた。 鋼浴温度が1650℃に達したことを確認後、再度
分析試料を採取し、しかる後炉内にある溶融スラ
グを炉外に排出した。この時点での溶鋼中炭素含
有率は0.04％であつた。同時に採取した炉内スラ
グの分析値によれば、この時炉内にあつたスラグ
中の酸化鉄含有率は45％であつた。 スラグ排出後は比較例１と同様に操作して、取
鍋に出鋼した。 この操業により得られた鋼の溶解歩留は94.5％
であつた。炉外に排出されたスラグ量は7.2トン
であつた。 電力源単位は455KWH／溶鋼トン、気体酸素使
用量は1490Nm³であつた。送電開始から、次回送
電開始迄の１サイクル時間は87分であつた。 実施例 装入物の溶解から平滑鋼浴面の形成および分析
試料の採取までは、比較例２と同様の酸素富化操
業を行なつた。その後、送電しながら、ランスパ
イプにより鋼浴中へ気体酸素を送気し、鋼浴の昇
熱につとめた。 鋼浴の温度が1570℃に達した事を確認後、送電
は継続したまま、送気を中断した。 その後速かに鉄製のランスパイプを炉内に挿入
し、空気をキヤリアガスとして炭素粉を吹き込ん
だ。炭素粉の吹き込み速度は60Kg／minであつ
た。吹き込み開始後しばらくして送電によるアー
ク音が著しく小さくなり、炉中の溶融スラグは泡
立ち、約1m程盛り上がつた。炭素粉吹き込み時
間は５分間で、吹き込まれた重量は約300Kgであ
つた。 吹き込み終了後、鋼浴温度が1650℃に達したこ
とを確認後、分析試料を採取、排滓した。 この時点での溶鋼中の炭素含有率は0.06％であ
つた。同時に採取した炉内スラグの分析値によれ
ば、この時炉内にあつたスラグ中の酸化鉄含有率
は21％であつた。 本方法により得られた溶解歩留は96.3％であつ
た。炉外に排出されたスラグ量は5.0トンであつ
た。 電力原単位は452KWH／溶鋼トン、気体酸素使
用量は1510Nm³であつた。送電開始から次回送電
開始迄の１サイクル時間は88分であつた。 以上の結果をまとめると、次のとおりである。
この比較から、本発明によるアーク炉製鋼法が、
能率およびエネルギー消費の点で酸素富化操業の
レベルを維持向上させた上で、溶解歩留りが高く
スラグ排出量が少ないという利益をもたらしてい
ることが明らかである。 【表】

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法の第二段階を説明するた
めの、アーク炉の断面図を中心とする模式的な図
である。第２図は、本発明の方法の第一段階にお
いて、酸素の吹き込みを行なう際の、溶鋼中の炭
素含有率と脱炭速度との関係を示すグラフであ
る。 １…アーク炉、２…電極、３…溶鋼、４…溶融
スラグ、１２…炭素質材料、１６…ランスパイ
プ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 下記の工程を包含することを特徴とするアー
   ク炉製鋼法。 (イ) 溶解期および（または）酸化期に炉内に酸素
   を吹き込んで、鉄を主体とした金属を酸化し、
   その酸化熱により鋼の溶解または昇熱を促進す
   ること、およびそれに続いて、 (ロ) 炭素質材料をキヤリアガスの流れにのせて炉
   内に吹き込み、前記金属酸化物を還元して金属
   鉄などとして溶鋼中に回収すること。 ２ 酸素の吹き込みを、Ｃ含量0.20％以下の溶鋼
   を得るよう行なう特許請求の範囲第１項のアーク
   炉製鋼法。 ３ 炭素質材料の吹き込みの後、さらに酸素の吹
   き込みを行なう特許請求の範囲第１項のアーク炉
   製鋼法。 ４ 炭素質材料の吹き込みと同時に、酸素の吹き
   込みをも行なう特許請求の範囲第１項のアーク炉
   製鋼法。 ５ 酸素の吹き込みに純酸素ガスまたは酸素富化
   空気を用い、吹き込み量を純酸素ガス換算で少な
   くとも10Nm³／装入トンとする特許請求の範囲第
   １項のアーク炉製鋼法。 ６ 炭素質材料として、Ｃ含量60％以上の材料を
   平均粒径５mm以下に砕いて用い、その吹き込み量
   をＣ量換算で少なくとも1.0Kg／装入トンとする
   特許請求の範囲第１項のアーク炉製鋼法。 ７ キヤリアガスがアルゴン、窒素および空気か
   らえらんだものである特許請求の範囲第１項のア
   ーク炉製鋼法。