JPWO2019203278A1 - 溶鋼の製造方法 - Google Patents

Abstract

前ｃｈの出鋼時に種湯として電気炉に残した溶鋼に炭素源を添加して炭素含有溶融鉄を得る第１工程と、前記第１工程で生成された炭素含有溶融鉄にＤＲＩを添加して溶解還元を行う第２工程と、次いで、脱酸材を添加して脱硫処理を行う第３工程と、前記第３工程の脱硫処理によって生成された脱硫スラグを排出する第４工程と、次いで、酸素を吹き込んで脱炭処理を行う第５工程と、前記第５工程の脱炭処理によって生成された脱炭スラグを排出する第６工程と、前記第６工程で脱炭スラグを排出した後に、次ｃｈの種湯分を残して出鋼を行う第７工程と、を有する。

Description

本発明は、酸化鉄（鉄鉱石等）を予備還元して製造された還元鉄（ＤＲＩ）を溶解炉で還元及び溶解して溶鋼を製造する溶鋼の製造方法に関する。

従来、高炉を新設するには多くのコストがかかるため、天然ガスが産出する国では、例えばミドレックス法などにより、ペレット等の塊状化した鉄鉱石等の酸化鉄をシャフト炉で還元して金属化率９０％以上の還元鉄（ＤＲＩ）を製造し、そのＤＲＩを電気炉で溶解して直接、溶鋼を製造するプロセスが主流になっている。

また、天然ガスに代わる還元剤として石炭等の炭材を使用する還元鉄製造プロセスも開発され、実用化されている。この還元鉄製造プロセスには、鉄鉱石等の焼成ペレットを石炭粉と共にロータリーキルンで加熱還元する方法（ＳＬ／ＲＮ法）や、炭材と粉状の酸化鉄とを混合して塊状化し、ロータリーハース上で加熱還元して還元鉄を製造する方法（ＲＨＦ法）などがある。これらの方法では、シャフト炉法に比べて高金属化率のＤＲＩを製造することは困難であり、一般的に金属化率は高くて８５％程度である。そのため、このＤＲＩを使用する際には、電気炉等の溶解炉にて金属鉄の溶解を行うとともに、残存する酸化鉄分の還元も行う必要がある。

特許文献１には、金属化鉄が６０％以上のＤＲＩをＲＨＦ法で製造し、その後、アーク加熱式溶解炉にて炭素含有量１．５〜４．５質量％の溶融鉄を製造し、その溶融鉄を炉外に排出した後、別の溶解炉で脱硫処理、脱りん処理及び脱炭処理を行う方法が記載されている。この方法では、残存する酸化鉄分を還元するために溶解炉には炭材が添加されている。しかしながらこの方法では、溶融鉄を別の炉へ移し替えることによって熱ロスが大きくなってしまう。また、熱源を確保するために炭材をさらに添加して炭素含有量の高い溶融鉄を脱炭して溶鋼を製造することにより、ＣＯ₂発生量が多くなってしまう。さらに特許文献２には、炭化水素ガスを供給しながら鉄系原料を溶解する技術が開示されている。しかしながら、この方法では、炭化水素ガスを用いることを前提としていることからコストが多くかかってしまう。

特表２００１−５１５１３８号公報 特開２０１６−１０８５７５号公報

本発明は前述の問題点を鑑み、電気炉等の溶解炉で特に金属化率が低いＤＲＩを溶解・還元する際に、生産性が高くて熱ロスが少なく、かつＣＯ₂発生量の少ない溶鋼の製造方法を提供することを目的とする。

本発明では、金属化率の低いＤＲＩを溶解還元し溶鋼を製造するために、溶鋼の一部を炉内に残し、次ｃｈの種湯として使用する。但し、種湯が溶鋼のままであると、ＤＲＩの溶解還元が遅滞するので、ＤＲＩを供給する前にまず炭素源のみを種湯に供給して種湯のＣ濃度を高める。このＣ濃度は、後述するように、０．５質量％以上１．５質量％以下であることが好ましい。

本発明は以下のとおりである。
（１）前ｃｈの出鋼時に種湯として電気炉に残した溶鋼に炭素源を添加して炭素含有溶融鉄を得る第１工程と、
前記第１工程で生成された炭素含有溶融鉄にＤＲＩを添加して溶解還元を行う第２工程と、
次いで、脱酸材を添加して脱硫処理を行う第３工程と、
前記第３工程の脱硫処理によって生成された脱硫スラグを排出する第４工程と、
次いで、酸素を吹き込んで脱炭処理を行う第５工程と、
前記第５工程の脱炭処理で生成された脱炭スラグを排出する第６工程と、
前記第６工程で前記脱炭スラグを排出した後に、次ｃｈの種湯分を残して出鋼を行う第７工程と、
を有することを特徴とする溶鋼の製造方法。
（２）前記電気炉の炉径をＤ（ｍ）とした場合に、前記第７工程で残す種湯量Ｗ（ｔ）は０．３×Ｄ²＜Ｗ＜１．６×Ｄ²とすることを特徴とする上記（１）に記載の溶鋼の製造方法。
（３）前記第１工程において、Ｃ濃度が０．５質量％以上１．５質量％以下の炭素含有溶融鉄を得ることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の溶鋼の製造方法。

本発明によれば、電気炉等の溶解炉で特に金属化率が低いＤＲＩを溶解・還元する際に、生産性が高くて熱ロスが少なく、かつＣＯ₂発生量の少ない溶鋼の製造方法を提供することができる。

図１は、本発明の実施形態において、溶鋼を製造する各工程を説明するための図である。 図２は、Ｃ濃度と溶融鉄の融点との関係を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態に係る、電気炉等の溶解炉で特に金属化率が低いＤＲＩを溶解・還元して溶鋼を製造する方法を説明するための図である。
図１に示すように、本実施形態に係る製造方法は少なくとも第１工程〜第７工程の７つの工程から成り立っている。

まず、説明上の都合により第７工程から説明する。第７工程は、第５工程の脱炭処理によってＣ濃度が例えば０．１質量％未満まで低下させられた溶鋼を排出する工程である。この際に溶鋼を全量排出するのではなく、次ｃｈの種湯として使用する量の溶鋼を炉内に残すようにする。

直流電気炉を溶解炉として用いる場合、後述する第２工程では、上部電極と炉底に設置した下部電極との間に電圧を印加してアークを発生させ、その熱をＤＲＩの溶解還元に使用する。電圧を印加する際に種湯がない場合は、ＤＲＩを経由して電気が流れるため、ＤＲＩと炉底の下部電極との接触抵抗が大きく、溶解初期にアークが不安定となり、溶解時間が長くなる。また、還元率が低く酸化鉄分が多いＤＲＩを用いた場合には電気が流れにくくなり、さらに溶解時間が増加してしまう。

一方、電圧を印加する際に種湯があると炉底の下部電極の接触が密であるため、アークが安定して溶解時間を短縮することができる。このため、全量を出鋼するのではなく、一部を種湯として残すことが重要である。また、溶解炉における炉内径をＤ（ｍ）とした場合に、種湯量Ｗ（ｔ）は、以下の式（１）を満足することが好ましい。
０．３×Ｄ²＜Ｗ＜１．６×Ｄ² ・・・（１）

ここで、種湯量Ｗが０．３×Ｄ²以下であると、前述したようにＤＲＩと炉底の下部電極との接触抵抗が大きくなりやすく、アークが安定しない可能性がある。また、種湯量Ｗが１．６×Ｄ²以上であると、後述する第５工程での脱炭処理の負荷が増大してしまう。なお、「０．３」及び「１．６」という数値は、電気炉内における浴深（ｍ）及び溶鉄の密度（ｔ／ｍ^３）の積より算出された値である。

次に、第１工程について説明する。後述の第２工程でＤＲＩを添加する前に、第１工程では、石炭（一般炭）や無煙炭等の炭材を炉内に添加し、種湯である溶鋼を所定のＣ濃度の溶融鉄とする。炭材の供給方法については特に限定はないが、炉上部に設置されたホッパーから自由落下で添加する方法、上部電極を中空電極とし中空部から供給する方法、専用のランスを用いて溶鋼に吹き付ける方法、浸漬ランスを用い溶鋼に直接吹き込む方法、溶湯の撹拌のために設置された底吹き羽口から溶鋼に吹き込む方法等がある。

ここで、種湯のＣ濃度が０．１質量％未満等の溶鋼の場合、第２工程で添加されるＤＲＩは鉄の融点以上にならないと溶解できない。したがって、種湯のＣ濃度が０．１質量％未満等の溶鋼のままである場合は、溶解のために多量のエネルギーを要する。また、操業温度は鉄の融点以上となり、操業を安定化するためスーパーヒートを１００℃とすると、１６５０℃という高温状態を保持する必要がある。そのため、耐火物への負荷が大きい。また、種湯のＣ濃度が０．１質量％未満等の溶鋼のままである場合はＤＲＩ中に残留する酸化鉄分は還元されず、高酸化鉄濃度のスラグが生成し、耐火物に悪影響を与える。特に低金属化率のＤＲＩを使用した場合は顕著である。

そこで本実施形態では、第１工程で加炭を行い、種湯をＣ含有溶湯とする。これにより、添加されたＤＲＩの金属鉄は溶湯中のＣにより浸炭され、融点が低下して溶解速度が促進され、生産性が向上する。また、操業温度も種湯のＣ濃度に応じて低下させることができ、耐火物への負荷が軽減される。また、ＤＲＩ中の酸化鉄も種湯中のＣと反応して還元が促進されるため、生成されるスラグ中の酸化鉄濃度も低位となる。さらに第５工程での脱炭反応にともなって脱窒が促進されるため、低窒素化も可能となる。以上のように、種湯をＣ含有溶湯とすることにより生産性を向上させることができ、さらに耐火物への負荷も軽減することができる。

ここで、第２工程に入る前に、種湯である溶融鉄のＣ濃度は０．５質量％以上とすることが好ましい。Ｃ濃度が０．５質量％未満である場合は、ＤＲＩ中の金属鉄の浸炭溶解速度、酸化鉄の還元速度が低下し、生産性が悪化するためである。また、逆に溶融鉄のＣ濃度が高くなり過ぎた場合、後述する第５工程で脱炭処理の負荷が増大するとともにＣＯ₂発生量が増加してしまう。したがって、種湯である溶融鉄のＣ濃度は１．５質量％以下にすることが好ましい。

次に、第２工程について説明する。第２工程では、シャフト炉やＲＨＦで製造されたＤＲＩを溶解炉に供給し、上部電極と炉底に設置した下部電極との間に電圧を印加してアークを発生させ、ＤＲＩ中の金属鉄を溶解させるとともにＤＲＩに残存する酸化鉄分の還元を行う。ＤＲＩの供給方法は、例えば塊状のものは上部に設置されたホッパーから自由落下で炉内に添加し、粉状のものは上部電極を中空電極とし、中空部から吹き込む方法などが採用できる。第２工程で供給されるＤＲＩは、例えば以下の表１に示す組成のものである。なお、スラグ成分は、ＳｉＯ₂，Ａｌ₂Ｏ₃が主成分であり、その他にＣａＯ，ＭｇＯ，Ｓ，Ｐ₂Ｏ₅，ＭｎＯを含む。また、金属化率は、ＤＲＩ中の純鉄成分の質量％をmass%M.Feとし、ＤＲＩ中のFeO成分の質量％をmass%FeOとした場合に、金属化率＝mass%M.Fe／(mass%M.Fe＋mass%FeO×55.75/71.85)で計算することができる。

第１工程で調整された溶融鉄中のＣ濃度に対し、第２工程では、さらに石炭や無煙炭等の炭材がＤＲＩの供給速度に合わせて投入される。ここで投入される炭材量は、ＤＲＩ中の鉄分が溶融鉄のＣ濃度まで浸炭するのに必要な量とＤＲＩ中の酸化鉄（ＦｅＯ等）を還元するのに必要な量との和がベースとなる。第２工程で投入される炭材は、第１工程で投入される炭材と同様に、一般炭や無煙炭などが挙げられる。以下の表２には、一般炭の組成の例を示し、表３には、無煙炭の組成の例を示す。表２及び表３中のＦＣは固定炭素（Fixed Carbon）を表し、ＶＭは揮発成分（Volaile Matter）を表す。第１工程および第２工程では、一般炭、無煙炭をそれぞれ単独で使用しても良いし、混合して使用しても良い。また、それ以外の炭材として、廃プラやバイオマスのような炭素源を使用することも可能である。

操業温度は、第１工程で調整された溶融鉄中のＣ濃度に対し、第２工程で投入される炭材量と前記したＤＲＩ中の鉄分が溶融鉄のＣ濃度まで浸炭するのに必要な量とＤＲＩ中の酸化鉄（ＦｅＯ等）を還元するのに必要な量との和との差に依存する、溶融鉄中のＣ濃度により決定される。図２は、Ｃ濃度による鉄の融点の変化を示すＦｅ−Ｃ系状態図である。操業が安定化するためにはスーパーヒートが１００℃以上必要と言われており、例えばスーパーヒート１００℃で操業を行うには、Ｃ濃度が１．５質量％の溶融鉄の場合は融点が１４３０℃であるため、操業温度は１５３０℃となる。第２工程では、溶融鉄中のＣ濃度により決定されるこの操業温度を保つように、炭材とＤＲＩの供給速度に応じて電圧を印加する。
第２工程開始前の炭素含有溶融鉄のＣ濃度は、前記したように０．５質量％以上１．５質量％以下であることが好ましいが、併せて、第２工程の終了時まで０．５質量％以上１．５質量％以下の範囲内に制御することが一層好ましい。

次に、第３工程について説明する。産地によって含有量は異なるが、鉄鉱石や石炭には硫黄が含有されている。ＤＲＩ中の酸化鉄は瞬時に還元されないため、ＤＲＩ投入終了直後は、スラグ中の酸化鉄濃度は高い。スラグ中の酸化鉄濃度が高い状態では、溶融鉄（以下、メタルと記載する場合がある。）とスラグとの間での硫黄分配は低く、硫黄はスラグよりメタル中に多く存在する。後述の第５工程の脱炭処理では、メタル中の硫黄は除去しにくいため、第３工程及び後述の第４工程を省略すると、脱炭処理終了後の溶鋼の硫黄濃度は高く、低硫鋼製造のニーズを満足しない。また、硫黄は表面活性成分であるため吸着サイトを独占する。したがって、メタル中の硫黄濃度が高いとメタル中から窒素を除去することが困難となり、低窒鋼製造のニーズを満足しない。そのため、第２工程終了後に脱硫処理を行うことが重要である。

第２工程終了（ＤＲＩ供給終了）後、第３工程において、金属Ａｌや金属Ａｌ含有物等の脱酸剤を炉内に添加し、スラグ中の酸化鉄分を還元するとともに、溶融鉄中の酸素を除去する。この状態ではスラグとメタルとの間の硫黄分配は高くなり、硫黄はメタルからスラグに移行し、メタル中の硫黄濃度は低下する。また、溶解炉を直流電気炉とする場合、通常は、上部電極は負極、炉底の下部電極は正極とするが、上部電極を正極、炉底の下部電極を負極として印加すると電気化学的に見掛け上の硫黄分配が高くすることができ、さらに脱硫を促進させることができる。

次に、第４工程について説明する。第３工程の脱硫で形成された脱硫スラグをそのまま残して脱炭処理を行うと、硫黄が再びスラグからメタルに移行（復硫）するため、第４工程では、排滓孔から脱硫スラグを排出する。

次に、第５工程について説明する。第５工程では、炉上部から酸素ランスを炉内に挿入し、溶融鉄に酸素を吹付けることによって脱りん処理および脱炭処理を行い、所定のりん濃度および炭素濃度まで低下させる。脱炭処理では、酸素と溶融鉄中の炭素とが反応してＣＯガスが発生するが、この時、溶融鉄中に溶解している窒素がＣＯガスに取り込まれ、溶鉄中から窒素が除去される。

次に、第６工程について説明する。第６工程は、第５工程で生成した脱炭スラグを排出する工程である。第５工程の脱りん処理及び脱炭処理では溶鉄中のりんがスラグに移行する。脱炭スラグを排出してりんを系外に排出しないとりんが濃化し、低Ｐ鋼が製造できなくなる。このため、脱炭スラグはできる限り排出する必要がある。

以上のように本実施形態における第１工程〜第７工程により、熱ロスを抑え、かつＣＯ₂発生量を抑えて溶鋼を製造することができる。特に、第１工程において、種湯に炭素源を添加して炭素含有溶鉄とすることによりＤＲＩの溶解速度および還元速度を高めて熱ロスを少なくすることができる。これにより、熱源を確保するための炭材の添加を抑えることができ、その結果、ＣＯ₂発生量も抑えることができる。以下の表４及び表５には、それぞれ各工程でのメタル組成、スラグ組成を示す。

表４に示すように本実施形態では、第２工程では、さらに石炭や無煙炭等の炭材がＤＲＩの供給速度に合わせて投入され、溶鉄中のＣ濃度は０．１〜１．５質量％の範囲となる。Ｃ濃度が抑えられることにより、脱炭処理によるＣＯ₂発生量も抑えることができる。

次に、本発明の実施例について説明するが、実施例での条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。

まず、前ｃｈにおいて、中空電極を有した炉径６ｍの直流電気炉から溶鋼を出鋼し、２０ｔの溶鋼を直流電気炉に種湯として残した。前ｃｈで製造された溶鋼のＣ濃度は０．０５質量％であった。そして、第１工程において、中空電極から炭材を添加し、熱分析でＣ濃度を測定するＣセンサーを内蔵したサブランスプローブでＣ濃度を測定しながら種湯のＣ濃度が１．０質量％になるまで加炭した。

続いて、第２工程において、金属化率７５％のＤＲＩを炭材とともに添加し、溶解還元を行った。この時、メタル中のＣ濃度は１．０質量％のままとなるように制御し、操業温度が１５７０℃になるように制御した。溶解還元時間は３０分であり、ＤＲＩの添加が終了した時の溶湯量は３００ｔ、スラグ量は４０ｔであった。

次いで、第３工程において、脱酸剤としてＡｌ灰を添加して脱硫を行い、脱硫後、第４工程において、直流電気炉の排滓孔から３０ｔのスラグを排出した。その後、第５工程において、炉上部に設置した酸素ランスから送酸して脱炭処理を行い、Ｃ濃度が０．０５質量％の溶鋼を製造した。第５工程では脱炭とともに脱窒が促進され、製造した溶鋼のＮ濃度は３０ｐｐｍであった。そして、第６工程において、脱炭処理によって生成されたスラグを排滓孔から排出した。その後、第７工程において、溶鋼２０ｔを次ｃｈの種湯として炉内に残し、残りの２８０ｔの溶鋼を出鋼した。

一方、１炉で脱炭まで行わず、溶解還元後の溶銑を出銑し、別炉で脱炭処理を行う２炉方式の場合は、溶解炉からの出銑と脱炭炉への溶銑の装入により少なくとも１００℃の温度低下が生じる。これに対し、本実施例ではこの熱ロスがなく、エネルギー原単位の低減を図ることができた。また、Ｃ濃度が１．０質量％の状態からの脱炭であったため、２炉方式に比べて脱炭量が少なく、ＣＯ₂発生量を低減することができた。具体的には以下のとおりである。

本実施例では、Ｃ濃度が１．０質量％の溶融鉄３００ｔを０．０５質量％まで脱炭したため、
３００×（１−０．０５）／１００／１２×２２．４＝５．３Ｎｍ³
のＣＯ₂が発生したことになる。
一方、２炉方式の場合、ＤＲＩの還元時はＣ濃度を３．０質量％で実施し、その溶銑を出銑して別炉で脱炭処理を行うものとする。Ｃ濃度を３．０質量％としたのは、３．０質量％より低いと、移し替え時の熱ロスがあるため、脱炭処理のＣ燃焼による発熱だけでは脱炭処理終了時の所定温度に達しないためである。本実施例では２８０ｔの溶鋼を出鋼したため、２炉方式では２８０ｔの溶銑を脱炭すれば良い。したがって、ＣＯ₂発生量は、
２８０×（３−０．０５）／１００／１２×２２．４＝１６．５Ｎｍ³
となる。
以上のように本実施例の場合は、２炉方式に比べてＣＯ₂発生量を削減できたことが確認できた。

（比較例）
まず、前ｃｈにおいて、中空電極を有した炉径６ｍの直流電気炉から溶鋼を出鋼し、２０ｔの溶鋼を直流電気炉に種湯として残した。前ｃｈで製造された溶鋼のＣ濃度は０．０５質量％であった。続いて、第１工程を省略し、第２工程において、金属化率７５％のＤＲＩを添加し、溶解還元を行った。この時、操業温度が１６４０℃と高温にする必要があった上に、溶解還元時間は６０分かかってしまった。その後は、実施例と同様の条件により、脱硫処理、脱炭処理などを行った。

以上のように比較例では、溶解還元時間が実施例と比べて倍の時間がかかってしまったため、生産性が低下した結果となった。

本発明によれば、電気炉等の溶解炉で特に金属化率が低いＤＲＩを溶解・還元する際に、生産性が高くて熱ロスが少なく、かつＣＯ₂発生量の少ない溶鋼の製造方法を提供することができ、工業的価値が大きい。

Claims (3)

1. 前ｃｈの出鋼時に種湯として電気炉に残した溶鋼に炭素源を添加して炭素含有溶融鉄を得る第１工程と、
   前記第１工程で生成された炭素含有溶融鉄にＤＲＩを添加して溶解還元を行う第２工程と、
   次いで、脱酸材を添加して脱硫処理を行う第３工程と、
   前記第３工程の脱硫処理によって生成された脱硫スラグを排出する第４工程と、
   次いで、酸素を吹き込んで脱炭処理を行う第５工程と、
   前記第５工程の脱炭処理によって生成された脱炭スラグを排出する第６工程と、
   前記第６工程で前記脱炭スラグを排出した後に、次ｃｈの種湯分を残して出鋼を行う第７工程と、
   を有することを特徴とする溶鋼の製造方法。
2. 前記電気炉の炉径をＤ（ｍ）とした場合に、前記第７工程で残す種湯量Ｗ（ｔ）は０．３×Ｄ²＜Ｗ＜１．６×Ｄ²とすることを特徴とする請求項１に記載の溶鋼の製造方法。
3. 前記第１工程において、Ｃ濃度が０．５質量％以上１．５質量％以下の炭素含有溶融鉄を得ることを特徴とする請求項１又は２に記載の溶鋼の製造方法。

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