TWI487799B - 含鉻熔化生鐵及爐渣之處理方法 - Google Patents

含鉻熔化生鐵及爐渣之處理方法 Download PDF

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Description

含鉻熔化生鐵及爐渣之處理方法
本發明係有關一種含鉻熔化生鐵以及爐渣(slag)之處理方法，其係在將電爐所熔製的含鉻熔化生鐵與該熔製所生成之電爐爐渣於精煉容器內藉由攪拌葉進行機械攪拌的精煉步驟中，將爐渣中的鉻還原回收至熔化生鐵中，並同時進行熔化生鐵之脫硫。
以不銹鋼為代表之含鉻鋼，一般係依下述製程所製造：在電爐中熔解廢料(scrap)與其他原料而製成熔化生鐵，並將其精煉而製成預定之成分組成之鋼。在電爐中熔製含鉻熔化生鐵時，會生成含有三氧化二鉻之爐渣。實際操作時，在降低含鉻鋼之成本方面上，重要的是盡可能地將該電爐爐渣中的鉻回收至熔化生鐵中以提升鋼中的鉻收率。
過去，在電爐中熔製含鉻熔化生鐵時係採用藉由使用氟化鈣作為助熔劑(flux)成分以提升爐渣之流動性之方法。但是近年，製鋼爐渣在用於作為地基、路基材料時，其氟成分之含量係受到限制，因此在電爐作業中使用不調配氟化鈣的所謂且不含氟化鈣的爐渣之情形日漸變多。在此情形下，爐渣的熔點上升而流動性下降。此外，爐渣鹼度(slag basicity)CaO/SiO2 下降，使爐渣中之二氧化矽活性容易增大。從以上情形來看，相較於調配有氟化鈣之爐渣，不含氟化鈣之爐渣係難以進行如下述(1)式之鉻還原反應(往右之反應)，而有造成熔化生鐵中的鉻收率容易降低的問題。
3[Si]+2(Cr2 O3 )=3(SiO2 )+4[Cr]　…(1)
為了促進爐渣中的鉻還原，亦可考慮添加含有金屬鋁的物質以進行如下述(2)式之還原反應的手法。
2Al+(Cr2 O3 )=(Al2 O3 )+2[Cr]　…(2)
但是，不含氟化鈣的爐渣係因爐渣的熔點上升且流動性下降，而難以在電爐步驟中充分進行(2)式的反應，目前尚無法作為有效的解決方法。
另一方面，也已知有將電爐所熔製的含鉻熔化生鐵與爐渣一同移到別的精煉容器，藉由通入惰性氣體而進行攪拌、或是藉由葉輪(impeller)而進行攪拌，以從爐渣中還原回收鉻的方法(專利文獻1、2)。使用含有鋁或矽的物質作為還原劑，攪拌處理後的爐渣中之三氧化二鉻的含量降低到2.8至4.4%(專利文獻1，表1之No.1、2、4、5)或2.6至4.7%(專利文獻2，表3的實施例)的程度。
[先前技術文獻]
[專利文獻]
[專利文獻1]　日本特開2000-144272號公報
[專利文獻2]　日本特開2001-49325號公報
除了少部分特殊用途以外，以不鏽鋼為首之含鉻鋼一般係期望能盡量減少鋼中的硫含量。JIS G4305：2005所規定的不鏽鋼種中，雖然多為硫的含量在規格上容許到0.030質量%為止者，但日本國內製造商所熔製並販賣的不鏽鋼多為其硫含量已降低到0.010質量%的高品質鋼，調整成硫含量為0.005質量%以下，或是更低的0.001質量%以下之不鏽鋼也並不少見。
使用調配有氟化鈣之爐渣之電爐作業係因會獲得優異的脫硫效果，故較容易達成不鏽鋼之低硫化。但是，使用不含氟化鈣之爐渣的電爐作業係因為脫硫效果差，故為了圖謀不鏽鋼之低硫化，在之後的精煉步驟就必需要增加對脫硫的要求。電爐熔化生鐵的硫含量亦會大幅受到使用原料所影響，在使用不含氟化鈣的爐渣時容易變高。如果含鉻熔化生鐵的硫含量大致為0.015質量%以下的等級，則例如在以VOD製程或是AOD製程進行的製鋼步驟中其脫硫的負擔會減輕，而較容易地製造硫含量在0.010質量%以下的不鏽鋼。另外，為了得到硫含量在0.005質量%以下的低硫不鏽鋼，以預先在熔化生鐵的階段將硫含量減少至0.010質量%以下為較有利。
在此，本發明係以使用不含氟化鈣之爐渣的電爐作業所得之含鉻熔化生鐵以及爐渣作為對象，目的是提供一種將爐渣中之鉻還原回收並同時促進熔化生鐵之脫硫的方法。
上述目的係以下述含鉻之熔化生鐵以及爐渣的處理方法而達成：將電爐所熔製之鉻含量為8.0至35.0質量%的含鉻熔化生鐵、與該熔製時所生成之以三氧化二鉻、二氧化矽、氧化鈣作為構成成分且鹼度CaO/SiO2 為0.7至1.7且不含氟化鈣之電爐爐渣在精煉容器內以攪拌葉進行機械攪拌時，在攪拌結束前於其中投入含有金屬鋁之物質以及氧化鈣，以將攪拌結束後之爐渣鹼度調整成1.9以上。含有金屬鋁之物質可使用含有20至80質量%之金屬鋁的鋁浮渣(aluminum dross)。
熔化生鐵的具代表性之對象可舉例如後續步驟之用以藉由精煉及鑄造而製成不鏽鋼的熔化生鐵。在此之「不鏽鋼」係由JIS G0203：2009的編號3801所規定，關於具體的鋼種，可列舉如JIS G4305：2005的表2所規定的奧氏體(austenite)系鋼種、其表3所規定的奧氏體‧肥粒鐵(ferrite)系鋼種、其表4所規定的肥粒鐵系鋼種、其表5所規定的馬氏體(martensite)系鋼種、其表6所規定的析出硬化系鋼種等，此外，也可列舉如非符合JIS的各式各樣的開發鋼種。在此等鋼種中，以硫含量在0.010質量%以下者為特別適合的對象。
依據本發明，可對於使用不含氟化鈣之爐渣所得之含鉻電爐熔化生鐵以及爐渣，同時實施將爐渣中之鉻還原回收至熔化生鐵的還原回收處理以及熔化生鐵的脫硫處理。因此，而改善因爐渣之不含氟化鈣化所引起的鉻收率降低以及後續步驟中之脫硫負擔之增大的問題。此外，生成之不含氟化鈣之爐渣也可再利用於路基、地基的材料。
本發明中作為處理對象的含鉻熔化生鐵，是用以製造以不鏽鋼為首的含鉻鋼之電爐熔化生鐵。在經以肥粒鐵系、奧氏體系、奧氏體‧肥粒鐵複相系的各種鋼種為假設所做的許多實驗室試驗之結果，關於鉻含量為8.0至35.0質量%的含鉻熔化生鐵，確認到對其藉由使用後述的攪拌處理即獲得還原回收鉻以及脫硫之效果。關於矽含量，係容許到0.01至1.5質量%左右之較廣範圍。雖然硫含量係以廣泛含量範圍而得到脫硫效果，但若欲使攪拌處理後之硫含量成為0.015質量%以下時，則宜在攪拌處理前使硫含量為0.05質量%以下。如果目標為更低硫化時，則以0.04質量%以下為更佳。此外，關於爐渣，當將以三氧化二鉻、二氧化矽、氧化鈣為構成成分且鹼度CaO/SiO2 為0.7至1.7且不含氟化鈣之電爐爐渣作為處理對象時，已確認到藉由使用後述之攪拌處理即獲得良好的結果。此等含鉻熔化生鐵以及爐渣，係藉由使用不含氟化鈣之爐渣的一般電爐作業而獲得者。
本發明的含鉻熔化生鐵以及爐渣的處理，係藉由將上述的電爐熔化生鐵以及電爐爐渣在精煉容器內以攪拌葉進行機械攪拌而進行。
第1圖係示意性地例示在進行機械攪拌的精煉容器中之各部分之構成。其顯示包括旋轉軸41的截面，但關於旋轉體20則顯示側視圖。
精煉容器30中收容以電爐所熔製的含鉻熔化生鐵31與爐渣32，並以攪拌葉2進行機械攪拌。含鉻熔化生鐵31與爐渣32是在同一電爐進料(charge)中所得到者。第1圖的例子中，攪拌葉2與軸棒10係成為一體而構成旋轉體20，旋轉體20係在垂直方向之旋轉軸41的周圍旋轉。旋轉速度可設為例如50至150rpm左右。精煉容器30較佳係使用內壁面33之水平截面為圓形者。精煉容器30的內徑在高度方向可為一致，亦可為不一致。例如亦可使用內徑從底部往上方漸漸擴大的形狀之精煉容器。
當開始以旋轉體20攪拌後，由含鉻熔化生鐵31與爐渣32所構成之流體的液面高度在中央部分會變較低，周圍部分會變較高。於第1圖中係將此液面高度的變化量以誇張化之方式描繪。此外，含鉻熔化生鐵31與爐渣32的界面會隨著旋轉而變複雜，但於第1圖則將界面以簡略化之方式描繪。旋轉體20的高度位置係設定成使攪拌葉2的上端在旋轉時會浸於液面下。關於精煉容器30的上端開口部分，在攪拌中，除了軸棒10附近以外，其他大部分都由蓋子34所封住。
第2圖係示意性地例示前述旋轉體20的初始狀態(沒有耗損的狀態)的形態。在由鋼材等所構成的軸蕊1的最下端裝設有攪拌葉2。攪拌葉2的內部通常有與軸蕊1接合之由鋼材所構成之蕊材(未圖示)，藉由以此蕊材為基礎並使耐火物圍繞而構成攪拌葉2。在軸蕊1的周圍形成有耐火物層3，防止由鋼材等所構成之軸蕊1直接暴露於熔液。由軸蕊1與其周圍的耐火物層3構成軸棒10。關於攪拌葉2的形狀，雖然圖示中在高度h方向上的寬度W相同，但亦可採用此外的形狀。可舉例如寬度W在攪拌葉2的上端為最長，且在下端為最短者。
進行機械攪拌時，係在攪拌結束為止之期間中投入含有金屬鋁之物質。以在攪拌開始前或是攪拌開始後之較早的階段投入為較佳。在攪拌開始前投入含有金屬鋁的物質時，亦可在將電爐熔化生鐵以及爐渣移至精煉容器後再投入。可一次全部投入，亦可分幾次投入。金屬鋁的作用為還原劑，在攪拌中會有助於前述(2)式的鉻還原。含有金屬鋁的物質亦可使用純鋁塊或是鋁合金塊，但以利用鋁鑄塊或是鋁廢料之熔解工廠等所生成的「鋁浮渣」為較具經濟性。特別是以含有20至80質量%之金屬鋁的鋁浮渣為較適宜。雖然少量添加金屬鋁也會有助於鉻還原，但添加量若過少就無法充分發揮其效果。另一方面，若添加過多，則會有導致熔化生鐵中之鋁含量過多的情形，而為較不佳。含有金屬鋁的物質之添加量係依據電爐爐渣中之(Cr2 O3 )含量與含鉻熔化生鐵中之[矽]含量等而決定，經過許多研究的結果，較佳係相對於熔化生鐵1噸而投入以金屬鋁量換算為0.05至2.0公斤的含有金屬鋁之物質的。
本發明中，在進行鉻的還原回收之同時也促進熔化生鐵的脫硫。脫硫劑係以使用亦為爐渣成分之氧化鈣為最有效。由氧化鈣進行之脫硫反應係如下述(3)式進行。
(CaO)+[S]=(CaS)+[O]…(3)
所生成之氧會與熔化生鐵中的矽或鋁形成氧化物而成為爐渣成分。
電爐爐渣中也包含氧化鈣，在本發明中作為對象之爐渣的鹼度為0.7至1.7。根據發明人等的研究可了解，當控制攪拌處理的條件而使爐渣鹼度最後會成為1.9以上時，即可使熔化生鐵中的硫含量降低到0.015質量%左右或其以下之程度。當目標為更低硫化時，以將攪拌結束後之爐渣鹼度調整成2.0以上為較佳，以調整成2.1以上為更佳。但是，若鹼度過高，則會降低對於脫硫效果的成本優勢。通常只要將攪拌後的爐渣鹼度調整成3.0以下的範圍即可。為了進行此等鹼度調整，有必要再添加氧化鈣。氧化鈣之添加時期必須在機械攪拌結束之前，但與含有金屬鋁之物質同樣地，以在攪拌開始前或是攪拌開始後之較早的階段投入為較佳。當在攪拌開始前投入氧化鈣時，可投入在電爐中，亦可在將電爐熔化生鐵以及爐渣移至精煉容器後再投入。可一次投入全部需求量，亦可分次投入。
為了將攪拌結束後之爐渣鹼度調整成1.9以上(更佳為2.0以上)而加入之氧化鈣的添加量，只要依據處理前熔化生鐵的硫含量、矽含量與處理前爐渣的鹼度等會影響脫硫的參數(parameter)而設定即可。例如可採用先依據預備試驗而掌握「會影響脫硫的各種參數與適當的氧化鈣添加量之關係」，並在製造現場對照其數據而決定氧化鈣之最適添加量的手法。
進行機械攪拌時之熔化生鐵的溫度只要設為1350至1550℃左右即可。攪拌時間可大致設定在360至900秒的範圍，例如亦可控管成480至720秒的範圍。
如此，在精煉容器中機械攪拌而圖謀還原回收鉻以及脫硫的熔化生鐵，可供於VOD法、AOD法等一般不鏽鋼的製程中。
[實施例]
在不鏽鋼之製鋼現場，進行確認本發明的效果之實驗。在此，例示利用用以製造SUS430系之肥粒鐵系不鏽鋼的熔製進料的實驗。
在每1熔製進料使約80噸的熔化生鐵在電爐中熔製。此時，爐渣係設為不含氟化鈣者。將電爐所熔製的含鉻熔化生鐵(處理前之熔化生鐵)的碳、矽、鉻、硫的平均含量以及其偏差範圍、與該電爐熔製所生成的爐渣(處理前之爐渣)的鹼度表示於表1。
將電爐所熔製的含鉻熔化生鐵與爐渣移至具有圓筒形內面的精煉容器(內徑約2760mm)中。在該精煉容器中裝入如第2圖所示類型的旋轉體。旋轉體的尺寸在第2圖中，a=約600mm、h=約700mm、W=約1200mm、d=約550mm。在旋轉前的液面狀態，將旋轉體之裝入高度調整成使攪拌葉2之上端浸在爐渣/熔化生鐵的界面之下。
準備含有約35質量%之金屬鋁的鋁浮渣作為還原劑。實施投入鋁浮渣的攪拌進料、與未投入的攪拌進料。前者的攪拌進料係將每1噸熔化生鐵的鋁浮渣投入量設為0.4kg，並在攪拌開始前全部投入。將每1噸熔化生鐵之投入量以金屬鋁量換算，為0.4kg×0.35=0.14kg。另外，在全攪拌進料中加入作為脫硫劑的氧化鈣。每1噸熔化生鐵的氧化鈣添加量設為2.7kg、6.5kg或13.0kg，並在攪拌開始前全部投入。機械攪拌的條件係設為旋轉速度80至120rpm，攪拌時間600秒。各攪拌進料的攪拌後之熔化生鐵溫度係在1296至1397℃之範圍，該等之平均為1344℃。
第3圖係標繪出在各攪拌進料的攪拌前以及攪拌後的爐渣中之三氧化二鉻含量(質量%)。各標繪符號的意義係如下述：
○：氧化鈣添加量2.7kg/噸，未添加金屬鋁
●：氧化鈣添加量6.5kg/噸，金屬鋁添加量0.14kg/噸
■：氧化鈣添加量13.0kg/噸，金屬鋁添加量0.14kg/噸
在添加金屬鋁的情形(●以及■符號)中，確認到在任一進料中皆可藉由機械攪拌而將爐渣中的鉻還原回收。
第4圖係表示各攪拌進料之攪拌結束後的爐渣鹼度(%CaO)/(%SiO2 )與攪拌結束後的熔化生鐵中的硫含量[%S]的關係。各標繪符號的意義係如上述。從第4圖可了解，若使攪拌結束後的爐渣鹼度提高，則會促進攪拌中的脫硫。若欲使熔化生鐵中的硫含量安定而成為0.015質量%以下之等級，則以使攪拌結束後的爐渣鹼度成為1.9以上為有效，以使成為2.0以上為更佳。
1．．．軸蕊
2．．．攪拌葉
3．．．耐火物層
10．．．軸棒
20．．．旋轉體
30．．．精煉容器
31．．．含鉻熔化生鐵
32．．．爐渣
33．．．內壁面
34．．．蓋子
41．．．旋轉軸
第1圖係示意性地表示在將含鉻熔化生鐵以及爐渣予以機械攪拌之精煉容器中的各部分的構成之部分剖面圖。
第2圖係示意性地例示機械攪拌所使用的旋轉體的初始狀態之形狀的圖。
第3圖係實施例所例示的各攪拌進料之攪拌前與攪拌後的爐渣中之三氧化二鉻含量之標線圖。
第4圖係實施例所例示的各攪拌進料之攪拌結束後的爐渣鹼度(%CaO)/(%SiO2 )與攪拌結束後的熔化生鐵中之硫含量「%S」的關係之標線圖。

Claims (2)

  1. 一種含鉻熔化生鐵以及爐渣之處理方法，係將電爐所熔製的含鉻量為8.0至35.0質量%的含鉻熔化生鐵、以及該熔製時所生成之以三氧化二鉻、二氧化矽、氧化鈣作為構成成分且鹼度CaO/SiO2 為0.7至1.7且不含氟化鈣之電爐爐渣於精煉容器內以攪拌葉進行機械攪拌時，在攪拌結束前於其中投入含有金屬鋁的物質以及氧化鈣，以將攪拌結束後的爐渣鹼度調整成1.9以上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之含鉻熔化生鐵以及爐渣之處理方法，其中，含有金屬鋁的物質為含有20至80質量%之金屬鋁的鋁浮渣(aluminum dross)。
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