特開 2024-83781 溶鋼の製造方法

(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】P2024083781

(43)【公開日】2024-06-24

(54)【発明の名称】溶鋼の製造方法

(51)【国際特許分類】

   C21C 5/52 20060101AFI20240617BHJP

   C21C 7/00 20060101ALI20240617BHJP

   C21C 7/072 20060101ALI20240617BHJP

【ＦＩ】

C21C5/52

C21C7/00 E

C21C7/072 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022197790

(22)【出願日】2022-12-12

(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】佐藤 言生

(72)【発明者】

【氏名】正木 陽介

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 直人

【テーマコード（参考）】

4K013

4K014

【Ｆターム（参考）】

4K013BA11

4K013CA04

4K013CA12

4K013CA15

4K013CD02

4K013FA00

4K014AC17

4K014AD27

4K014CC01

4K014CC05

4K014CD18

(57)【要約】

【課題】コストの上昇を伴わない簡便な手法により、電気炉において効率よく脱窒を行うことが可能な溶鋼の製造方法を提供する。
【解決手段】
電気炉において、ランスから溶鉄に向けて酸素を吹き付けて溶鋼を製造する方法であって、送酸を行う際に、前記ランスの内径の最小値（ｍｍ）をｄ_min、静止状態の溶鉄面に垂直な方向と前記ランスの中心軸とのなす角度（°）をθとした場合に、前記ランスとしてコヒーレント方式以外のランスを使用する場合は、前記ランスの先端のノズル中心位置から静止状態の溶鉄面に垂直に測った高さｈ（ｍｍ）がｈ≦２９・ｄ_min・ｃｏｓθの条件を満たすように送酸を行い、前記ランスとしてコヒーレント方式のランスを使用する場合は、前記高さｈがｈ≦９３・ｄ_min・ｃоｓθの条件を満たすように送酸を行う。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電気炉において、ランスから溶鉄に向けて酸素を吹き付けて溶鋼を製造する方法であって、
送酸を行う際に、
前記ランスとしてコヒーレント方式以外のランスを使用する場合は、前記ランスの先端のノズル中心位置から静止状態の溶鉄面に垂直に測った高さｈ（ｍｍ）が以下の式（１）の条件を満たすように送酸を行い、
前記ランスとしてコヒーレント方式のランスを使用する場合は、前記高さｈが以下の式（２）の条件を満たすように送酸を行うことを特徴とする溶鋼の製造方法。
ｈ≦２９・ｄ_min・ｃｏｓθ ・・・（１）
ｈ≦９３・ｄ_min・ｃоｓθ ・・・（２）
式（１）および式（２）中のｄ_minは、前記ランスの内径の最小値（ｍｍ）を表し、θは静止状態の溶鉄面に垂直な方向と前記ランスの中心軸とのなす角度（°）を表す。

【請求項2】

前記角度θが７２°以下であ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】

前記ランスとしてコヒーレント方式以外のランスを使用する場合は、溶鉄中の炭素濃度が０．１質量％以下の段階で、前記高さｈが以下の式（３）を満たすように調整し、
前記ランスとしてコヒーレント方式のランスを使用する場合は、溶鉄中の炭素濃度が０．１質量％以下の段階で、前記高さｈが以下の式（４）を満たすように調整することを特徴とする請求項１または２に記載の溶鋼の製造方法。
ｈ≦１３・ｄ_min・ｃоｓθ ・・・（３）
ｈ≦４１・ｄ_min・ｃоｓθ ・・・（４）

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電気炉を用いて低窒素鋼を製造するための溶鋼の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

近年は環境を考慮して電気炉を用いた操業が注目されているが、溶鋼を製造する際に、電気炉を用いた操業は高炉および転炉を用いた操業に比べて溶鉄が大気にさらされやすいことから混入した窒素を吸収しやすく、電気炉から製造される溶鋼中の窒素濃度は高くなる傾向がある。電気炉を用いて製造される鋼における主要な窒素源は大気中の窒素ガスであり、電気炉を用いた操業において低窒素鋼を製造するためには、窒素ガスの溶鉄面への拡散を防止する必要がある。

【0003】

そこで、電気炉内において溶鉄面へ窒素ガスが拡散するのを防止するための技術として、特許文献１には、アルゴンなどの不活性ガスを炉内に供給する方法が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特表２０２２－５００５５６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献１に記載されているような不活性ガスを使用する方法では、中空電極や不活性ガスを使用することからコストが多くかかってしまい、実用的ではないという問題点がある。

【0006】

本発明は前述の問題点を鑑み、コストの上昇を伴わない簡便な手法により、電気炉において効率よく脱窒を行うことが可能な溶鋼の製造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】

【0007】

本発明者らは、溶鉄面へ窒素ガスの拡散を防止する方法について鋭意検討し、まず、溶鉄面へ窒素ガスが供給される経路に着目した。電気炉で酸素ガスを吹き付けて脱炭処理を行う際に溶鉄面付近では、脱炭反応で生じた一酸化炭素の濃度が高くなっていると考えられ、その上方に窒素濃度の高い領域が存在すると想定される。したがって、溶鉄面への窒素ガスの拡散は、電気炉の上方から溶鉄面に向かう流れが生じる箇所で促進されると考えられる。このように上方から溶鉄面に向かう流れが生じる箇所としてはアークジェットの生じる電極近傍と、電気炉内に送酸するランス近傍とが想定される。

【0008】

本発明者らは、この中で送酸を行うランス近傍での窒素ガスの流れに着目した。溶鉄の精錬工程において、酸素ジェットを溶鉄面に吹き付けて脱炭処理を行うと、溶鉄中の炭素が酸素と反応して一酸化炭素が発生するが、その際に窒素ガスが一酸化炭素に吸着して排出される。この際、ランスからの酸素ジェットに伴って窒素ガスが酸素ジェットに巻き込まれて溶鉄面近傍の窒素分圧が上昇すると、脱窒が阻害される。そこで、ランスからの酸素ジェットに巻き込まれる窒素ガスを低減する方法に着目し、検討を行った。

【0009】

酸素ジェットの流動特性として、速度が超音速あるいは音速となるジェットコア領域が存在するランス先端近傍の初期領域と、それより下流の領域である発達領域との二つ領域に分けられる。本発明者らはさらに、上記ジェットコア領域では周囲のガスはこの領域に侵入しにくいことに着目し、ジェットコアが溶鉄面まで到達する条件で送酸を行えば、噴流による窒素ガスの巻き込みを抑制することができることを見出した。

【0010】

本発明は、以下のとおりである。
［１］
電気炉において、ランスから溶鉄に向けて酸素を吹き付けて溶鋼を製造する方法であって、
送酸を行う際に、
前記ランスとしてコヒーレント方式以外のランスを使用する場合は、前記ランスの先端のノズル中心位置から静止状態の溶鉄面に垂直に測った高さｈ（ｍｍ）が以下の式（１）の条件を満たすように送酸を行い、
前記ランスとしてコヒーレント方式のランスを使用する場合は、前記高さｈが以下の式（２）の条件を満たすように送酸を行うことを特徴とする溶鋼の製造方法。
ｈ≦２９・ｄ_min・ｃｏｓθ ・・・（１）
ｈ≦９３・ｄ_min・ｃоｓθ ・・・（２）
式（１）および式（２）中のｄ_minは、前記ランスの内径の最小値（ｍｍ）を表し、θは静止状態の溶鉄面に垂直な方向と前記ランスの中心軸とのなす角度（°）を表す。
［２］
前記角度θが７２°以下であることを特徴とする上記［１］に記載の溶鋼の製造方法。
［３］
前記ランスとしてコヒーレント方式以外のランスを使用する場合は、溶鉄中の炭素濃度が０．１質量％以下の段階で、前記高さｈが以下の式（３）を満たすように調整し、
前記ランスとしてコヒーレント方式のランスを使用する場合は、溶鉄中の炭素濃度が０．１質量％以下の段階で、前記高さｈが以下の式（４）を満たすように調整することを特徴とする上記［１］または［２］に記載の溶鋼の製造方法。
ｈ≦１３・ｄ_min・ｃоｓθ ・・・（３）
ｈ≦４１・ｄ_min・ｃоｓθ ・・・（４）

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、コストの上昇を伴わない簡便な手法により、電気炉において効率よく脱窒を行うことが可能な溶鋼の製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】電気炉の内部構造を説明するための図である。

【図2】ランス先端部の溶鉄面からの高さを説明するための図である。

【図3】ラバールランスとコヒーレント方式のランスの内部構造を説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

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（ａ）は、電気炉の内部構造を説明するための図である。また、図１（ｂ）は、電気炉の内部構造を上方から見た概略図である。図１（ａ）に示すように、不図示の電源から電極３に交流電流が供給され、電極３から形成されるアークによって、炉体１の中の溶鉄２がアークスポットにおいて加熱される。炉体１の側壁部には排滓口８が設けられており、スラグの排出等に用いられる。脱炭処理を行う際には、電極３から形成されるアークジェットによって溶鉄２が加熱された状態で、酸素ランス４、トップランス６または炉壁ランス７から酸素ジェットが溶鉄面に吹き付けられる。これらの３本のランスは、電極３から形成されるアークジェットと干渉しないように酸素ジェットを溶鉄面に吹き付けることができるよう配置されている。

【0014】

なお、図１に示した例では、３本のランスが搭載されているが、この中で少なくとも１本有していればよい。トップランス６は静止状態の浴面と垂直方向の高さ、炉壁ランス７は静止状態の溶鉄面に垂直な方向とランスの中心軸とがなす角度およびランス軸方向の位置を調節することが可能であり、これらの操作により溶鉄面に対する高さを調節できる。また、可動式の酸素ランス４を１本備えたマニピュレータ５を用いて排滓口８から酸素ランス４を挿入することにより、溶鉄面に酸素ランス４から酸素ジェットを吹き付けることも可能である。この場合、マニピュレータ５はその可動範囲内で酸素ランス４の先端部の溶鉄面からの高さや溶鉄面に対する角度を変更できる。

【0015】

前述したように、ランスからの酸素ジェットにおいてはジェットコア領域と呼ばれる速度が超音速あるいは音速となる領域が存在し、周囲のガスはこの領域に侵入しにくい。通常の操業における酸素流量（概ね３０００Ｎｍ³／ｈ～６０００Ｎｍ³／ｈ）およびランス内径の範囲においてジェットコア領域の長さｌ_j（ｍｍ）が下記の式（５）で近似できる。
ｌ_j＝２９・ｄ_min ・・・（５）

【0016】

ここでｄ_minはランスの内径の最小値（ｍｍ）である。本実施形態では、ジェットコア領域が溶鉄面まで到達する条件で送酸を行うことによって、噴流による窒素ガスの巻き込みを抑制する。図２に示すように、本条件は溶鉄面に対するランス１０の傾き角度を考慮すると、ランス１０の先端部のノズル中心位置から溶鉄面に垂直に測った高さｈ（ｍｍ）が、以下の式（１）の条件を満たすようにする。
ｈ≦２９・ｄ_min・ｃｏｓθ ・・・（１）
ここでθは、静止状態の溶鉄面と垂直な方向とランス１０の中心軸とがなす角度である。したがって、式（１）の条件を満たすように送酸を行うことにより、不活性ガスを供給するための設備等を使用せずに、低コストで溶鉄面に供給される窒素ガスを低減することができる。

【0017】

なお、酸素ジェットを溶鉄面に吹き付けている間は溶鉄面が凹むため、実際にはランス先端から溶鉄面までの距離はジェットコア領域の長さよりも長くなるが、溶鉄面の凹み部分は脱炭反応により一酸化炭素の濃度が高く、窒素ガスが巻き込まれにくいと考えられる。

【0018】

また、前述した説明では、ランスの種類として、主に図３（ａ）に示す単孔のラバールランスを前提としたが、窒素ガスを巻き込みにくいジェットコア領域が長い場合は式（１）で示すより大きなｈでも溶鉄面にジェットコアを到達させることができる。このようなジェットコアを延長する手段として、図３（ｂ）に示すようなコヒーレント方式のランスを用いてもよい。コヒーレント方式のランスでは、中心部には酸素ジェットが供給され、その周囲には可燃性ガスと支燃性ガスとが同心円状に供給される。可燃性ガスには主に液化天然ガス（ＬＮＧ）、支燃性ガスには主に燃焼用酸素ガスが用いられ、これらのガスが酸素ジェットとともに供給されることにより、これらのガスによって発生した火炎シュラウドにより中心部分の酸素ジェットの流速の低下を抑え、ジェットコア領域を長くすることができる。コヒーレント方式のランスでは同一のランス最小内径、酸素流量のラバールランスに対し、ジェットコア領域が３．２倍長くなる。したがって、コヒーレント方式のランスを用いる場合では、前述の高さｈ（ｍｍ）が下記式（２）の条件を満たすようにすればよい。
ｈ≦９３・ｄ_min・ｃоｓθ ・・・（２）

【0019】

また、コヒーレント方式のランスを用いる場合には、複数種類のガスが必要であることから、炉壁ランス７にコヒーレント方式のランスを用いることが好ましい。以上のように、コヒーレント方式のランスを用いる場合は、上記式（２）の条件を満たすように送酸を行い、ラバールランスなどコヒーレント方式以外のランスを用いる場合は、上記式（１）の条件を満たすように送酸を行う。

【0020】

また、本実施形態においては、酸素ジェットへ窒素ガスが巻き込まれないようにすることが重要であることから、電気炉内において雰囲気の窒素濃度が高い領域を避け、窒素濃度が低い領域に酸素ジェットを供給することが好ましい。具体的には、電気炉内における窒素濃度の高い領域として、電極の近傍が挙げられる。これは電極から形成されるアークジェットによって窒素ガスが巻き込まれるからである。

【0021】

前述した式（１）または式（２）における静止状態の溶鉄面と垂直な方向とランスの中心軸とがなす角度θが大きくなると、酸素ジェットがアークジェットと干渉しやすくなる。そこで、酸素ジェットがアークジェットと干渉することを回避するために、静止状態の溶鉄面と垂直な方向とランスの中心軸とがなす角度θは７２°以下とすることが好ましい。この場合、図１において、トップランス６から酸素ジェットを吹き付けるのであれば、アークジェットとの干渉を回避することができる。なお、静止状態の溶鉄面と垂直な方向とランスの中心軸とがなす角度θが７２°以下で固定されている場合には、炉壁ランス７を用いてもアークジェットとの干渉を回避することができる。また、酸素ランス４を用いる場合には、マニピュレータ５により酸素ランス４の角度を調整した後に、酸素ランス４から酸素ジェットを吹き付けても、アークジェットとの干渉を回避することができる。

【0022】

さらに、電極の近傍では窒素濃度が高いことから、酸素ジェットがアークジェットに交差せず、かつランスの中心軸の延長線が静止状態の溶鉄面と交わる点と、その点から最も近い電極の中心軸が静止状態の溶鉄面と交わる点との距離を８８０ｍｍ以上確保することが好ましい。

【0023】

また、前述したように、溶鉄面付近では脱炭反応により一酸化炭素濃度が高く、窒素濃度が低い。この一酸化炭素濃度の分布に着目すると、脱炭反応が進行して溶鉄中の炭素濃度が小さくなると、発生する一酸化炭素の量が減るため、一酸化炭素濃度の高い領域の静止湯面からの高さが低くなる。一酸化炭素濃度の高い領域の高さが低くなると、窒素濃度の高い領域がジェットコア領域と接触する面積が大きくなる。前述したように、ジェットコア領域では窒素ガスの巻き込みが巻き込まれにくいが、わずかながらも窒素ガスが酸素ジェットに巻き込まれやすくなる。したがって、溶鉄中の炭素濃度の低くなった脱炭末期ではランスの高さをより低くすることが好ましい。ランスからの酸素ジェットにおいては、ジェットコア領域の内部に酸素噴流の線流速が減衰しないポテンシャルコア領域が存在する。ラバールランスを用いて前記ジェットコア領域について検討した場合と同様の酸素噴流を想定すると、ポテンシャルコア領域の長さｌ_pが下記の式（６）で近似できる。
ｌ_p＝０．４５ｌ_j ・・・（６）

【0024】

従って溶鉄中の炭素濃度が小さく、具体的には溶鉄中の炭素濃度が０．１質量％以下の場合に、コヒーレント式以外のランスについては下記の式（３）、コヒーレント式のランスについては式（４）を満たすように前述の高さｈを調整することが好ましい。
ｈ≦１３・ｄ_min・ｃоｓθ ・・・（３）
ｈ≦４１・ｄ_min・ｃоｓθ ・・・（４）

【0025】

なお、図１には３本電極の交流電気炉を例に説明しているが、例えば直流電気炉の場合も同様に３種類のランスを配置することができ、同様に本発明を適用することができる。また、酸素ジェットとアークジェットとが干渉しないのであれば、電極の数も任意に設定することができる。

【実施例0026】

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。

【0027】

実験では、図１に示すような、炉内径が６．５ｍで側壁部に幅１０００ｍｍ、高さ９９５ｍｍの排滓口８を有し、出鋼量の規模が１１０ｔの電気炉を用いた。酸素を供給するランスとしては、マニピュレータ５に備えられた酸素ランス４、トップランス６および炉壁ランス７の３種類を用いた。マニピュレータ５に備えられた酸素ランス４から酸素ジェットを吹き付ける際には、排滓口８から酸素ランス４を挿入して酸素ジェットの吹き付けを行った。実験で使用したランスの種別およびノズルの種別（ラバール、もしくはコヒーレント）については表１に示す。

【0028】

実験ではまず、本発明例、比較例ともに、種湯を６５ｔ残した状態でスクラップを電気炉に投入し、電極３からのアーク通電によりスクラップを溶解した。そして、フラックスとして生石灰を装入し、表１に示す条件でランスの位置及び静止状態の溶鉄面と垂直な方向とランスの中心軸とがなす角度を調整し、酸素ジェットを吹き付けて１５分間送酸を行って脱炭処理（脱りん処理も含む）を行った。なお、ラバールランスを用いた場合は酸素ガスの流量は３２００Ｎｍ³／ｈであった。一方、コヒーレント方式のランスを用いた場合は主酸素ガスの流量は３２００Ｎｍ³／ｈ、ＬＮＧガスの流量は７５０Ｎｍ³／ｈ、燃焼用酸素ガスの流量は１３００Ｎｍ³／ｈであった。このようにして送酸を行うことで炭素濃度０．３～０．５質量％の溶鉄から炭素濃度０．０３～０．０８質量％の溶鋼を溶製した。

【0029】

なお、本発明例８および９では、溶鉄中の炭素濃度と送酸量とから予想される溶鉄の炭素濃度が０．１質量％となった段階で、ランスの高さｈを変更した。また、表１中の酸素－電極距離とは、ランスの中心軸の延長線が静止状態の溶鉄面と交わる点と、その点から最も近い電極の中心軸が静止状態の溶鉄面と交わる点との距離を表している。

【0030】

また、実験では、脱炭処理の前後で排滓口８からサンプリングを行い、溶鉄中の炭素濃度および窒素濃度を測定した。なお、静止状態の溶鉄面に対するランスの高さを制御するため、装入した原料の重量から静止状態の溶鉄面の当該電気炉の炉底からの高さ、試験前にあらかじめ測定したランスの長さと取付け位置の高さおよび炉内への装入角度からランス先端のノズル中心位置を計算した。

【0031】

また、実験では、送酸後の溶鉄中窒素濃度が４０ｐｐｍ以下であった場合を○と評価し、４０ｐｐｍを超えていた場合を×と評価した。

【0032】

【表1】

【0033】

表１に示すように、比較例１および３では式（１）、比較例２では式（２）の条件をそれぞれ満たさなかったため、脱窒効果が不十分であった。一方で、本発明例１および３～７は、いずれも式（１）の条件を満たし、本発明例２では式（２）の条件を満たしていたため、窒素濃度を低くすることができた。さらに、本発明例８および９では、溶鉄中の炭素濃度が０．１質量％となった段階でそれぞれ式（３）、式（４）を満たすように高さｈを変更した結果、窒素濃度をより低くすることができた。

【符号の説明】

【0034】

１ 炉体
２ 溶鉄
３ 電極
４ 酸素ランス
５ マニピュレータ
６ トップランス
７ 炉壁ランス
８ 排滓口
１０ ランス

【図1】

【図2】

【図3】