特開 2022-189014 溶鋼の製造方法及びスラグの排滓方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022189014

(43)【公開日】2022-12-22

(54)【発明の名称】溶鋼の製造方法及びスラグの排滓方法

(51)【国際特許分類】

   C21C 5/52 20060101AFI20221215BHJP

   C21C 7/068 20060101ALI20221215BHJP

   C21C 7/064 20060101ALI20221215BHJP

【ＦＩ】

C21C5/52

C21C7/068

C21C7/064 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021097338

(22)【出願日】2021-06-10

(71)【出願人】

【識別番号】000006655

【氏名又は名称】日本製鉄株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100090273

【弁理士】

【氏名又は名称】國分 孝悦

(72)【発明者】

【氏名】平田 浩

【テーマコード（参考）】

4K013

4K014

【Ｆターム（参考）】

4K013BA02

4K013BA03

4K013CA02

4K013CA04

4K013CA12

4K013CD02

4K013CF03

4K014CB02

4K014CE01

(57)【要約】

【課題】残留したスラグからの不純物を少なくした溶鋼の製造方法及びスラグの排滓方法を提供する。
【解決手段】溶解および還元に必要なエネルギーをアークにより供給するとともに、炭材を用いて前記還元鉄の還元を行い、前記還元された溶銑を前記溶解炉に残したまま、前記溶解炉の側面に配置された排滓孔から前記溶銑の製造によって生成されたスラグを排出する際に、前記溶解炉の上部に設置された、旋回可能なランスから、前記ランスのスラグ面への吹付け角度および位置を変えながら前記スラグが前記排滓孔に向かうように不活性ガスを前記スラグ面に吹き付けて前記スラグを排滓し、その後、前記不活性ガスを酸素ガスに切り替えて、前記溶銑に前記酸素ガスを吹き付けて、脱りんおよび脱炭を行う。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

鉄鉱石を予備還元して製造された還元鉄を、溶解炉で溶解および還元して溶鋼を製造する方法であって、
前記溶解および還元に必要なエネルギーをアークにより供給するとともに、炭材を用いて前記還元鉄の還元を行い、
前記還元された溶銑を前記溶解炉に残したまま、前記溶解炉の側面に配置された排滓孔から前記溶銑の製造によって生成されたスラグを排滓する際に、前記溶解炉の上部に設置された、旋回可能なランスから、前記ランスのスラグ面への吹付け角度および位置を変えながら前記スラグが前記排滓孔に向かうように不活性ガスを前記スラグ面に吹き付けて前記スラグを排滓し、
前記排滓完了後、前記不活性ガスを酸素ガスに切り替えて、前記溶銑に前記酸素ガスを吹き付けて、脱りんおよび脱炭を行うことを特徴とする溶鋼の製造方法。

【請求項2】

前記溶解炉の排ガスダクトに設置されたダンパーを閉じることによって前記溶解炉内の圧力を高めて前記スラグを排滓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。

【請求項3】

排滓時の前記溶解炉内の圧力を１．１ａｔｍ以上とすることを特徴とする請求項２に記載の溶鋼の製造方法。

【請求項4】

溶銑を残したまま溶解炉からスラグを排滓する方法であって、前記溶解炉の側面に配置された排滓孔から前記溶銑の製造によって生成されたスラグを排滓する際に、前記溶解炉の上部に設置された、旋回可能なランスから、前記ランスのスラグ面への吹付け角度および位置を変えながら前記スラグが前記排滓孔に向かうように不活性ガスを前記スラグ面に吹き付けて前記スラグを排滓することを特徴とするスラグの排滓方法。

【請求項5】

前記溶解炉の排ガスダクトに設置されたダンパーを閉じることによって前記溶解炉内の圧力を高めて前記スラグを排滓することを特徴とする請求項４に記載のスラグの排滓方法。

【請求項6】

排滓時における前記溶解炉内の圧力を１．１ａｔｍ以上とすることを特徴とする請求項５に記載のスラグの排滓方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、特に、溶銑を溶解炉に残したままスラグを排滓孔から効率良く排滓する溶鋼の製造方法及びスラグの排滓方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、高炉を新設するには多くのコストがかかるため、天然ガスが産出される国では、ペレット化した鉄鉱石をシャフト炉で還元して還元率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。一方、天然ガスが産出されない国では、ＤＲＩを製造するために、天然ガスの代わりに石炭をガス化してそのガスを用いる方法や、高炉がある場合には、コークス炉から排出されるＣＯＧガスを用いる方法、転炉から排出されるＬＤＧガスを用いる方法などが開発されつつある。

【0003】

特許文献１には、ＤＲＩを含む冷鉄源を、アーク溶解設備を用いて溶解するに際し、コークス等の補助熱源を併用して酸素を供給する溶鋼の製造方法が記載されている。但し、その酸素供給量は２５Ｎｍ³／ｔ以上としているので、コークスを酸素で燃焼させ、その反応熱をスクラップの溶解に用い、電力原単位を下げることを目的としたものと解される。

【0004】

特許文献２には、鉄鉱石を予備還元炉で還元して半還元鉄を生成し、生成した半還元鉄を複数の溶融還元炉に順次装入し、各溶融還元炉内で高温還元雰囲気下にて上記半還元鉄を溶融還元した後に脱炭処理を行うことにより、溶鋼を製造する溶鋼製造法が開示されている。還元には、ＦｅＯ＋Ｃ＝Ｆｅ＋ＣＯなる反応式で示されるようにＣが必要であるため、炭材が供給されるが、この方法ではその還元用の炭材に加えて、炭材を酸素で燃焼させることによって還元に必要な熱量を供給している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開平１０－２９２９９０号公報

【特許文献2】特開昭５９－１０７０１３号公報

【特許文献3】特開２０２０－１３９１８０号公報

【特許文献4】特開２０２０－１３９６６１号公報

【特許文献5】特開２０２０－１３９６６２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

近年、ＰやＳなどの不純物の濃度をなるべく低くするニーズが高まっており、これらの成分の濃度を溶銑の段階で低くするような様々な工夫が提案されている。

【0007】

特許文献１に記載の方法も特許文献２に記載の方法も、いずれも熱源として炭材の酸化熱を利用している。ところが、炭材中には硫黄分が含まれているために、炭材の使用量が多くなるほど溶鋼中のＳ濃度は高くなる。なお、炭材を酸素で燃焼させてその発熱により鉱石の還元を行った場合、溶銑中のＳ濃度が０．０５～０．１ｍａｓｓ％となることが知られている。脱炭精錬時に脱硫を行うことはほとんど期待できないため、これらの方法で製造した鋼のＳ濃度は高いものとなる。近年は、低硫鋼のニーズが高まっており、そのままでは製品とすることができない。

【0008】

そこで、対応策として溶解炉を電気炉とし、還元に必要なエネルギーを電気エネルギーで供給することによって炭材使用量を減少させることはできるが、還元剤として炭材を使用する限り、溶鋼のＳ濃度は高く、ＤＲＩの予備還元率に依存するが、Ｓ濃度は０．０４～０．０５ｍａｓｓ％と見積もられる。近年の低硫鋼のニーズの高まりから、やはりそのままでは製品とすることができない。

【0009】

また、通常の直流電気炉の場合、上部電極の損耗を防止するため上部電極を負極とし、炉底電極を正極としている。一方、上部電極を正極とし、炉底電極を負極とすると、負極から飛び出る電子により電気化学的に見掛け上のＳ分配比を高め、溶鉄中のＳをイオン化してスラグ中に移行させることによって脱硫を促進することができることが知られている。

【0010】

しかしながら、溶銑を残したままスラグを排滓する際に、Ｓ含有量の高いスラグの排出が不十分であると、次工程の脱炭工程で残留したスラグからＳが溶鉄側に移行するため、低硫鋼を製造することができない。なお、スラグの排滓時間を長くすれば、その分スラグを多く排滓することはできるが、排滓時間を長くすると生産性が低下することから、排滓時間にも限度がある。

【0011】

そこで、特許文献３～５には、ランスからスラグ面に向けて不活性ガスを吹き付けることによってスラグを排滓口へ誘導する方法が開示されている。しかしながらこれらの方法では、不活性ガスを吹き付けた領域および排滓口付近のスラグは効率よく排滓できるが、主に排滓口の反対側にもスラグの一部が誘導され、排滓口から遠い位置にスラグが残留しやすくなるという問題点がある。

【0012】

本発明は、前述の問題点を鑑み、残留したスラグからの不純物を少なくした溶鋼の製造方法及びスラグの排滓方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0013】

上記課題を解決するための本発明の要旨は以下のとおりである。
（１）鉄鉱石を予備還元して製造された還元鉄を、溶解炉で溶解および還元して溶鋼を製造する方法であって、
前記溶解および還元に必要なエネルギーをアークにより供給するとともに、炭材を用いて前記還元鉄の還元を行い、
前記還元された溶銑を前記溶解炉に残したまま、前記溶解炉の側面に配置された排滓孔から前記溶銑の製造によって生成されたスラグを排滓する際に、前記溶解炉の上部に設置された、旋回可能なランスから、前記ランスのスラグ面への吹付け角度および位置を変えながら前記スラグが前記排滓孔に向かうように不活性ガスを前記スラグ面に吹き付けて前記スラグを排滓し、
その後、前記不活性ガスを酸素ガスに切り替えて、前記溶銑に前記酸素ガスを吹き付けて、脱りんおよび脱炭を行うことを特徴とする溶鋼の製造方法。
（２）前記溶解炉の排ガスダクトに設置されたダンパーを閉じることによって前記溶解炉内の圧力を高めて前記スラグを排滓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）排滓時の前記溶解炉内の圧力を１．１ａｔｍ以上とすることを特徴とする上記（２）に記載の溶鋼の製造方法。
（４）溶銑を残したまま溶解炉からスラグを排滓する方法であって、前記溶解炉の側面に配置された排滓孔から前記溶銑の製造によって生成されたスラグを排滓する際に、前記溶解炉の上部に設置された、旋回可能なランスから、前記ランスのスラグ面への吹付け角度および位置を変えながら前記スラグが前記排滓孔に向かうように不活性ガスを前記スラグ面に吹き付けて前記スラグを排滓することを特徴とするスラグの排滓方法。
（５）前記溶解炉の排ガスダクトに設置されたダンパーを閉じることによって前記溶解炉内の圧力を高めて前記スラグを排滓することを特徴とする上記（４）に記載のスラグの排滓方法。
（６）排滓時における前記溶解炉内の圧力を１．１ａｔｍ以上とすることを特徴とする上記（５）に記載のスラグの排滓方法。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、残留したスラグから溶銑に移行する不純物を少なくして溶鋼を製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の実施形態に係る、直流電気炉における溶銑および溶鋼の製造方法を説明するための図である。

【図2】直流電気炉の断面を上部から見た図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

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、直流電気炉による溶銑および溶鋼の製造方法を説明するための図である。
まず、直流電気炉１の内部に、還元鉄（ＤＲＩ）と石炭などの炭材と塩基度調整用の生石灰とが装入され、図１に示すように、上部電極２から下部電極３に向かってアークが形成されることによって、このアークの発熱にてＤＲＩが還元及び溶解して溶銑が製造される。通常の直流電気炉の場合、上部電極の損耗を防止するために上部電極を負極とし、下部電極を正極とするが、本実施形態では、上部電極２を正極とし、下部電極３を負極とすることにより、電気化学的に見掛け上のＳ分配比を高め、溶鉄４中のＳをスラグ５中に移行させて脱硫を促進する。すなわち、溶銑４中のＳをイオン化することによってＳがスラグ５へ移行しやすくする。

【0017】

この後、上部電極２を上昇させ、直流電気炉１内に溶銑４を残したまま、還元及び溶解に伴って生成したスラグ５を直流電気炉１の側面に設置された排滓孔６から排出する。この時、図１に示すように、直流電気炉１の上部に設置したランス７からスラグ５が排滓孔６に向かうように不活性ガスをスラグ面に吹き付ける。このランス７は自由に角度および向きが変えられる構造となっており、角度および向きを変えて吹きつけることによりスラグ５を順次、排滓孔６におしやる。図２は炉断面を上部から見た図であり、ランス７の角度および向きを変える場合には、例えば、炉中心線上の炉壁部Ａ位置から炉壁面に沿って排滓孔６とは反対側を通って所定の速度で反対位置Ｂまで吹付け位置を変え、その後、反時計回りにＡ位置まで吹付け位置を変える。この操作を、スラグを排滓している間、繰り返す。Ａ位置から炉壁面に沿ってＢ位置まで吹付け位置を変えることによって、スラグが炉壁面に沿って排滓孔６へスラグが移動するが、スラグの一部が排滓孔６を通り越してＡ位置付近まで移動してしまう。そこで、Ｂ位置まで到達した後に反時計回りに炉壁面に沿ってＡ位置まで吹付け位置を変えることによって、Ａ位置まで到達したスラグを再び排滓孔６へおしやる。この操作を繰り返すことにより、排滓孔６と反対側は、排滓孔６側に比べてスラグ厚みが小さくなり、効率よくスラグを排滓することができる。なお、この操作手順以外でランス７の角度および向きを変えてもよい。

【0018】

また、図２に示した例では、排滓孔６とは反対側の位置を中心にＡ位置からＢ位置まで１８０度（排滓孔６とは真反対側の位置から左右に９０度ずつ）の範囲で吹付け位置を変えた例である。吹付け位置を変える範囲としては、排滓孔６とは真反対側の位置から左右に片側３０度～９０度とすることが好ましい。吹付け範囲が左右に片側３０度未満ではスラグを排滓孔６へおしやる効果が不十分となり、吹付け範囲が片側９０度超では排滓孔６を通り越して排滓孔６の反対側付近までスラグが到達してしまい、スラグの排滓効率が逆に低下してしまうからである。

【0019】

また、ランス７から不活性ガスを吹き付けたまま排ガスダクト８に設置したダンパー９を閉じることにより直流電気炉１内の圧力を高めると、さらに効率よく排滓することが可能となる。一般的に、炉内はスラグの静圧によって大気圧の炉外より圧力が高いため、この圧力差によって排滓孔からスラグが排出される。排滓が進むと、スラグの厚みが減少して静圧が減少するため、炉内外の圧力差が小さくなって排出速度が低下する。そこで、炉内圧力を高めることにより炉内外の圧力差を確保し、排出速度の低下を抑えることができる。

【0020】

この時、炉内圧力は１．１ａｔｍ（約１．１×１０⁵Ｐａ）以上にすることが望ましい。１．１ａｔｍより小さいと、大気圧を１．０×１０⁵Ｐａ（１ａｔｍ）と仮定した場合、炉内外の圧力差が小さいため、排滓量の増大効果が小さくなってしまう。好ましくは１．３ａｔｍ以上である。このように本実施形態では、排滓後に炉内に残留するＳ濃度の高いスラグを従来に比べ低減することができる。

【0021】

さらにその後、ランス７から供給するガスを不活性ガスから酸素ガスに切り替えて、酸素ジェットが溶銑浴面に到達するように送酸し、例えばＣ濃度が０．０５ｍａｓｓ％の溶鋼を製造する。この脱りんおよび脱炭処理は酸化性雰囲気下で行われるために、溶鋼はほとんど脱硫されない。この脱りんおよび脱炭処理が終了すると、出鋼孔１０から溶鋼を取鍋等の容器に排出し、必要に応じて二次精錬などを施して連鋳機などへ供給する。

【0022】

以上のように本実施形態では、効率良くスラグを排滓することができるため、溶鋼中のＳ濃度を低くして出鋼することができる。なお、本実施形態では、ＤＲＩの還元後に生成されたスラグを排滓する例について説明したが、溶銑を残したまま炉を傾けずにスラグのみを排滓するすべての工程に上述のスラグ排滓方法が適用できる。例えば、脱りんと脱炭とを同時又は連続で行わないで溶鋼を製造する方法で脱りん処理によって生成されたスラグを排滓する場合にも適用できる。これにより、残ったスラグから溶鋼中にＰが復りんする量を減らすこともできる。

【実施例0023】

次に、本発明を実施例に基づいて更に説明するが、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。

【0024】

（実施例１）
まず、シャフト炉でペレットを還元して、還元率９０％のＤＲＩを製造した。次に、このＤＲＩを１００ｔ規模の直流電気炉に１００ｔ装入し、還元材として表１に示した組成の石炭を１０ｔ使用して溶解および還元を行い、［Ｃ］＝３．５ｍａｓｓ％で温度１４００℃の溶銑を製造した。この時、上部電極を正極、下部電極を負極としてアークを生成し、スラグ塩基度が１．３となるように生石灰を添加した。生成した溶銑中のＳ濃度は０．００３３ｍａｓｓ％で、スラグ中のＳ濃度は０．３３ｍａｓｓ％であった。また、スラグ量は２０ｔであった。

【0025】

【表1】

【0026】

ＤＲＩの溶解および還元が終了した後、直流電気炉の上部に設置したランスを下降させ、スラグが排出孔に向かうようにＮ₂ガスを２６Ｎｍ³／ｈ／ｍ²（炉断面積当たりの流量）でスラグ面に吹き付け、５分間排滓を行った。この際、ランスの角度及び向きを図２のように変えて吹き付けを行った。このとき、図２に示すように、炉中心線上の炉壁部Ａ位置から炉壁面に沿って時計回りに１０ｒｐｍの速度で反対位置Ｂまで吹付け位置を１８０度（排滓孔６とは真反対側の位置から左右に片側９０度）変えた。その後反時計回りにＡ位置まで吹付け位置を変えた。この操作を繰り返した結果、排滓されたスラグ量は１５ｔであった。

【0027】

その後、ランスから吹き付けるガスをＮ₂からＯ₂に切り替えて、脱りんおよび脱炭処理を行った。このとき、ＣａＯを添加してスラグ塩基度が４．５のスラグを生成させた。そして、［Ｃ］＝０．０５ｍａｓｓ％になった時点で送酸を停止し、炉底部に設置した出鋼孔から溶鋼を出鋼した。この時の溶鋼中のＳ濃度は０．００４０ｍａｓｓ％であった。

【0028】

（実施例２）
まず、シャフト炉でペレットを還元して、還元率９０％のＤＲＩを製造した。次に、このＤＲＩを１００ｔ規模の直流電気炉に１００ｔ装入し、還元材として表１に示した組成の石炭を１０ｔ使用して溶解および還元を行い、［Ｃ］＝３．５％で温度１４００℃の溶銑を製造した。この時、上部電極を正極、下部電極を負極としてアークを生成し、スラグ塩基度が１．３となるように生石灰を添加した。生成した溶銑中のＳ濃度は０．００３４ｍａｓｓ％で、スラグ中のＳ濃度は０．３２ｍａｓｓ％であった。また、スラグ量は２０ｔであった。

【0029】

ＤＲＩの溶解および還元が終了した後、直流電気炉の上部に設置したランスを下降させ、スラグが排出孔に向かうようにＮ₂ガスを２６Ｎｍ³／ｈ／ｍ²（炉断面積当たりの流量）でスラグ面に吹き付け、５分間排滓を行った。この際、ランスの角度および向きを図２のように変えて吹き付けを行った。このとき、図２に示すように、炉中心線上の炉壁部Ａ位置から炉壁面に沿って時計回りに１０ｒｐｍの速度で反対位置Ｂまで吹付け位置を１６０度（排滓孔６とは真反対側の位置から左右に片側８０度）変えた。その後反時計回りにＡ位置まで吹付け位置を変えた。この操作を繰り返した。さらに、排滓開始２分後に排ガスダクトのダンパーを閉じ、炉内圧力を１．３ａｔｍ（１．３×１０⁵Ｐａ）に保持した。その結果、５分後に排出されたスラグ量は１７ｔであった。

【0030】

その後、ランスから吹き付けるガスをＮ₂からＯ₂に切り替えて、脱りんおよび脱炭処理を行った。このとき、ＣａＯを添加してスラグ塩基度が４．５のスラグを生成させた。そして、［Ｃ］＝０．０５ｍａｓｓ％になった時点で送酸を停止し、炉底部に設置した出鋼孔から溶鋼を出鋼した。この時の溶鋼中のＳ濃度は０．００３５ｍａｓｓ％であった。

【0031】

（比較例１）
まず、シャフト炉でペレットを還元して、還元率９０％のＤＲＩを製造した。次に、このＤＲＩを１００ｔ規模の直流電気炉に１００ｔ装入し、還元材として表１に示した組成の石炭を１０ｔ使用して溶解および還元を行い、［Ｃ］＝３．５％で温度１４００℃の溶銑を製造した。この時、上部電極を正極、下部電極を負極としてアークを生成し、スラグ塩基度が１．３となるように生石灰を添加した。生成した溶銑中のＳ濃度は０．００３３ｍａｓｓ％で、スラグ中のＳ濃度は０．３２ｍａｓｓ％であった。また、スラグ量は２０ｔであった。

【0032】

ＤＲＩの溶解および還元が終了した後、ランスからガスを流さずに排滓孔から５分間排滓を行った。その結果、排出されたスラグ量は１０ｔであった。

【0033】

その後、直流電気炉の上部に設置したランスを下降させてＯ₂を溶銑に吹き付け、脱りんおよび脱炭処理を行った。このとき、ＣａＯを添加してスラグ塩基度が４．５のスラグを生成させた。そして、［Ｃ］＝０．０５ｍａｓｓ％になった時点で送酸を停止し、炉底部に設置した出鋼孔から溶鋼を出鋼した。この時の溶鋼中のＳ濃度は０．０２１ｍａｓｓ％であった。

【符号の説明】

【0034】

１ 直流電気炉
２ 上部電極
３ 下部電極
４ 溶銑
５ スラグ
６ 排滓孔
７ ランス
８ 排ガスダクト
９ ダンパー
１０ 出鋼孔

【図1】

【図2】