JP3765092B2

JP3765092B2 - 電気アーク炉溶銑の取鍋攪拌方法

Info

Publication number: JP3765092B2
Application number: JP33588796A
Authority: JP
Inventors: 賢一片山; 隆山内
Original assignee: Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 1996-12-16
Filing date: 1996-12-16
Publication date: 2006-04-12
Anticipated expiration: 2016-12-16
Also published as: JPH10176214A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、電気ア−ク炉で溶製したステンレス鋼用溶銑の取鍋攪拌技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気ア−ク炉によるステンレス鋼の製造においては、原料となる各種合金鉄やスクラップあるいは酸化物などを溶解し、粗鋼（溶銑）を製造した後、真空脱ガス炉やＡＯＤ炉による仕上げ精錬工程、鋳造工程を経て中間製品が製造される。電気ア−ク炉の操業では、チャ−ジ毎に目標となる成分・組成に応じた配合計画を立て、それにしたがって、炉内に順次スクラップ、合金鉄等の主原料と、場合により製鋼工場内で発生するダスト、スケ−ル、スラグや造滓剤等の副原料を装入し、通電して溶解する。その際、主原料として溶融金属をホットチャ−ジしたり、クロム鉱石やニッケル鉱石等の酸化物原料をコ−クスなどの還元剤とともに供給することも行われている。
原料が溶解し、スラグが形成されるが、その組成を調整することがその精錬作用ひいては操業上重要な要件となる。脱硫能を適正に保つ上からはスラグの塩基度等の調整が必要であるが、通常、必要とするＣａＯやＣａＦ₂ の量を経験的に求めて溶解前や溶解中に供給することによって適切な範囲に調整している。溶解後は、ある程度の精錬期を設けて、必要に応じて成分チェックの後、取鍋に出銑する。
このような精錬過程においては、スラグは速やかに溶解して溶銑と共に攪拌され、その精錬能を最大に発揮することが望まれる。このため、電気炉に底吹き羽口を設置し、窒素などのガスを吹き込み、バブリングによる攪拌を行って、造滓剤などの溶解や精錬反応を促進させる方法などがとられているが、底吹き方式による攪拌力には限界があり、電気炉のようなシャロ−バスの炉など構造上の制約のある場合や溶落後の精錬期を十分にとれない場合には有効ではない。また、特開昭６４−２５９３８号公報には、ア−ク加熱時に中空電極から造滓剤を吹き込んで溶解、精錬する方法が示されているが、吹き込みが可能な中空電極はコストが高く、操業上の制約も多い。
【０００３】
また、最近では、原料コストの低減や工場で発生する廃材などの有効利用のため、ダスト、スケ−ルやスラグなどのほか各種の様々な形態の原料が用いられるようになっている。特に酸化物原料を還元してメタル原料として利用できれば、原料コストの面で非常に有利である。このため、これらの多種、多様な原料を加えて溶解することとなるが、このような電気炉の操業においては、これらの原料に起因する粉化ロス、未滓化などがあり、炉内におけるスラグの溶解や調整を一律に行うことが困難である。このような事情に対処するため、実際の操業においては、安全度を見込んで過剰な量の造滓剤を装入するなどしているが、その結果、最終的に生成するスラグ量は増加する傾向にあり、１００ｋｇ／トン−メタル以上にもなることもある。このことは、本来の金属の溶解以外のスラグ溶解のために消費される電力が大きくなることとなり、電力コストの上昇が問題となる。このような問題を解決すべく、本発明者は先にステンレス鋼用電気ア−ク炉溶銑の脱硫方法を発明した（特願平８−０７９４４５号）。その特徴は、スラグの塩基度を１．３〜２．２とし、取鍋内雰囲気の酸素濃度を１０％以下に保持することによって、スラグの脱硫などの精錬作用を最大限に発揮させることにある。しかしながら、攪拌の条件によっては温度低下の問題や、攪拌の長時間化による前後工程とのタイミングのずれが生じるなどの問題が起こることもあった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、操業への支障を最小限に止めるために、最適な攪拌条件を提供し、先行出願の技術をさらに効果的なものとし、ア−ク炉操業における造滓剤、消費電力、原料コストを低減しようとすることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、その目的を達成するため、電気ア−ク炉で[Ｃｒ]＝１０〜３５％、[Ｓｉ]＝０.１〜１.２％、[Ｃ]＝２.０〜５.０％を含むステンレス鋼用溶銑を溶解し、造滓剤を添加してスラグを生成させた後、溶銑およびスラグを取鍋に移し、取鍋内の雰囲気酸素濃度（体積％Ｏ₂）≦１０％で、非酸化性ガスを用い下式を満足する条件下で溶銑を攪拌することを特徴とする。
１４０＋９.２３× (体積％Ｏ₂)≦Ｅ≦５８５−１５.３８× (体積％Ｏ₂)
ここで、Ｅ：単位重量溶銑当たりの攪拌エネルギ−(ワット／トン)である。
【０００６】
本発明においては、溶銑とスラグを攪拌することによって、脱硫反応が進行するが、この反応はスラグ中の酸化クロムを主とする易還元性酸化物成分の還元反応と関連して脱硫が進行する。特に、スラグ中の酸化クロムを還元し、その濃度を低下させることは脱硫反応上重要である。ここで、脱硫反応は、
ＣａＯ（スラグ中）＋Ｓ（メタル中）＝ＣａＳ（スラグ中）＋Ｏ（メタル中）
で示されるように、反応系の酸素ポテンシャルを低下させることが重要であるが、本発明者らの研究では、酸素ポテンシャルを支配するのは、スラグ中の酸化クロム濃度であることが明らかになっている。すなわち、酸素ポテンシャルを低下するにはスラグ中の酸化クロム濃度を低下する必要がある。
このように、非酸化性雰囲気下の酸化クロムの還元反応は、脱硫の面から必要であると同時に、ステンレス鋼の主成分であるＣｒのコスト低減においても重要である。この場合、還元反応の還元剤としては、スラグおよびメタル中の炭素なども寄与すると考えられるが、主としてメタル中のＳｉが利用される。したがって、効率的な脱硫を行うためにはメタル中のＳｉを有効に作用させる必要がある。
メタル中のＳｉを酸化クロムの還元に効率よく作用させるためには、非酸化性雰囲気とすることが重要である。これは、大気中ではＳｉは酸化消費され、酸化クロムの還元に利用されないことによる。本発明においては、図１に示すように、攪拌中の雰囲気酸素濃度は１０％以下にすることが必要である。
【０００７】
ここで、図１は取鍋内雰囲気の酸素濃度が、攪拌後の［Ｓ］及びＳｉ効率に及ぼす影響を示した一例である。特に、雰囲気酸素濃度が１０％を越えると、脱硫は急激に悪化し、太い点線で傾向を示すように攪拌後の［Ｓ］は急激に上昇している。ここで、Ｓｉ効率とは、消費したＳｉ量の内、酸化クロムを主とする易還元性酸化物の還元に使用された割合を意味しているが、雰囲気酸素濃度が上昇するほどＳｉが雰囲気中の酸素に消費され、Ｓｉ効率は低下してくる。したがって、Ｓｉ効率が低下すれば、スラグ中の酸化クロムを十分に還元できなくなり、脱硫は促進されない（Ｓｉ添加量を増加することで対応は可能であるが、コストアップになる）。図１は目標［Ｓ］が１００ｐｐｍ以下の場合であるが、目標を達成するには、Ｓｉ効率は２５％以上が必要であることが分かっている。そのためには、雰囲気酸素濃度を１０％以下にして、Ｓｉの無効消費を抑制する必要がある。
なお、例えば目標［Ｓｉ］を７０ｐｐｍ以下にする場合は、Ｓｉ添加量を多くするか、あるいは攪拌処理時間を長くすることで［Ｓ］の傾向は、全体的に下がってくることも分かっている。
【０００８】
攪拌は、非酸化性ガスを吹き込んで行う。非酸化性ガスは、不活性ガス、例えば窒素、アルゴン等が使用できる。経済性の面では窒素を使用するが、鋼種によって窒素ピックアップが有害である場合はアルゴンを使用することが望ましい。また、不活性ガスにＨ₂ 、ＣＯ等の還元性ガスを混合してもよい。不活性ガスの吹き込みにはポーラスプラグや浸漬ランスが用いられるが、浸漬ランスによる方法が望ましい。吹き込み流量、浸漬深さによって攪拌動力を自由に設定できるためである。例えば、溶銑量５０〜１００Ｔ規模の取鍋に対する好適な条件として、ランスから吹き込むガス流量としては２００〜１５００ＮＬ／分、ランスの浸漬深さとしては５０〜２００ｃｍで調整できる。また、スラグ量（厚み）、溶銑量、目標［Ｓ］等、そして特に雰囲気酸素濃度によって最適な条件を設定する。
【０００９】
一方、取鍋に出銑した溶銑は、静止状態で放置しておくだけでも温度は低下するが、常温のガスを吹き込んで攪拌することによってさらに温度は低下する。したがって、攪拌動力はスラグ／メタルの混合を促進するためにはある程度高くする必要があるが、極度に攪拌動力を高くすると、吹き込みガスにより、温度低下が大きくなる。その結果、その間の温度低下が起こり、次工程へ支障をきたす場合も生じる。
このように、攪拌動力は、最適な強さとする必要があるが、本発明者の調査の結果、攪拌動力は雰囲気の酸素濃度によって決定することが最も重要であることを明らかにした。図２はその結果を最適条件で示したものである。
攪拌動力は、攪拌ガスの吹き込み位置（浸漬深さＺ）と、ガス流量（Ｑ）から、文献等に示されるように、次式で求められる。
Ｅ＝０．０２８５ＱＴ／Ｗ・ｌｏｇ（１＋Ｚ／１４８）
ここで、Ｔ：絶対温度、Ｗ：メタル重量、である。
【００１０】
図２は、雰囲気酸素濃度と攪拌動力を変えた操業で得られた脱硫速度を層別してプロットした図である。
雰囲気酸素濃度の上昇によって、最適な攪拌動力の範囲が小さくなることが注目される。すなわち、雰囲気酸素濃度が低い場合には広範囲の攪拌動力の値をとることができるが、雰囲気酸素濃度が高い場合には、攪拌動力の値は制限されることになる。
攪拌を短時間で、すなわち温度低下を最小限に止めて、目標の脱硫を達成するためには、高い脱硫速度が必要とされる。目標［Ｓ］を７０ｐｐｍ以下として、種々の実験条件を変化させて検討した結果、本発明が対象とする電気ア−ク炉溶銑の取鍋攪拌において、操業に支障の無い時間（約１０分〜２０分間）内で必要とされる脱硫速度（ｋｓ）は、１５×１０^-4（ｇ／ｃｍ² ・ｓ・％）以上である。
図２から、適合する攪拌動力（Ｅ）のための条件は以下の式で示されることとなる。
１４０＋９．２３× (体積％Ｏ₂)≦Ｅ≦５８５−１５．３８× (体積％Ｏ₂)
ここで、Ｅ：単位重量溶銑当たりの攪拌エネルギ−（ワット／トン）である。
【００１１】
この条件が必要となる理由は、前述したように、脱硫反応は、スラグ中の酸化クロムの還元反応と密接な関係にあるので、攪拌による酸化クロムの還元を考慮することにもとづく。そこで、上記条件が意味することは以下のように解釈される。つまり、攪拌動力の下限の線は、酸化クロムの還元を促進するために、還元剤となるメタル中Ｓｉとスラグ中酸化クロムとの接触機会を増すために必要な攪拌力を示しており、一方、攪拌動力の上限の線は、雰囲気酸素濃度が上昇するにしたがって、逆に攪拌によってＳｉが雰囲気中の酸素によって消費されることを防止するための、または場合によっては雰囲気中の酸素により露出したメタル中のＣｒが酸化するのを防止するための、限界の攪拌力を示している。雰囲気の酸素濃度が高ければ、過剰の攪拌動力は、かえってＣｒ還元にとって逆効果となることを意味している。
このようにして、本発明では、雰囲気条件によって攪拌動力を最適化することによって、Ｃｒを酸化することなく、脱硫も十分であるという、効果的な攪拌を行うことができる。
【００１２】
本発明では、ランス形状、ノズル径、ノズル数を変更することによって、最適なスラグ／メタル混合状態を得ることができる。
【００１３】
本発明の溶銑のＣｒ、Ｃ等の成分には、特に制限はなく、電気炉溶解による、通常のステンレス鋼用溶銑の組成である［Ｃｒ］＝１０〜３０％、［Ｃ］＝２．０〜５．０％の範囲でよい。
【００１４】
［Ｓｉ］については、０．１％未満では、前記の脱硫作用を規定する酸化クロムの還元に不十分であり、精錬工程における熱源としても不足である。また、１．２％を越えると転炉吹錬の際、熱量過大となって過昇温となる。同時に、塩基度低下により耐火物の溶損を招いたりして好ましくない。
【００１５】
本発明では、攪拌中の雰囲気酸素濃度を低くすることが重要であるが、不活性ガスの吹き込み開始時には、あらかじめシールガスとして不活性ガスを取鍋内に供給して、取鍋内雰囲気の酸素濃度を目標値に低下させた上で攪拌用のガスの吹き込みを開始するのがよい。吹き込み開始後は、攪拌用ガスとシ−ルガスの供給により目標雰囲気を維持することができる。このとき、低めの雰囲気酸素濃度を得るためには、取鍋専用の蓋を設置することが望ましい。こうすることによって、シ−ルガス供給量も低減することができる。また、雰囲気酸素濃度は、操業条件や鍋の蓋の使用回数、スプラッシュの付着状況、さらには装置の整備状況によって、その度に変動するのが現状である。したがって、操業の経験的に求められる雰囲気酸素濃度に対して攪拌動力を決定してもよいし、実際に、雰囲気の酸素濃度を測定して、その測定値により攪拌動力を調整しても良い。
【００１６】
【実施例】
（実施例１）
４０トン電気ア−ク炉において、各種スクラップおよび酸化物原料を溶解して、目標成分がＣｒ：１８％、Ｃ：３．５％、Ｓｉ：０．４％のステンレス鋼用溶銑を３チャ−ジ（チャ−ジＮｏ．１〜３）溶製した。この際、溶解中および原料溶落後に脱硫剤としてＣａＯを炉内に断続供給して塩基度を適正値に調整した。メタル成分調整後、出銑直前にメタルを採取して分析した。次に、取鍋に出銑／出滓し、浸漬ランスからＡｒガスを流量４５５〜１４５０リットル／分、浸漬深さ１５０ｃｍの吹き込みで、ガス攪拌を１０分間継続した。このとき、専用の蓋を設置し、攪拌ガスとは別途、Ｎ₂ ガスを取鍋内に導入して、攪拌中の取鍋内の酸素濃度雰囲気を２〜３％にした。そして、この時の攪拌動力は１７０〜５４０ワット／トンの範囲内であった。攪拌終了後、溶銑サンプルを採取、分析、確認後、次工程の脱炭工程へと取鍋を移送した。表１に、操業結果を示す。ガス攪拌後のメタル中の［Ｓ］は２０〜６０ｐｐｍとなり、目標値（≦７０ｐｐｍ）を達成できた。
【００１７】
（比較例１）
実施例１と同様に、４０トン電気ア−ク炉において、各種スクラップおよび酸化物原料を溶解して、目標成分がＣｒ：１８％、Ｃ：３．５％、Ｓｉ：０．４％のステンレス鋼用溶銑を３チャ−ジ（チャ−ジＮｏ．４〜５）溶製し、スラグ調整後取鍋に出銑／出滓し、蓋を設けて取鍋内の酸素濃度２．５％の雰囲気下で、浸漬ランスからアルゴンガスを流量３７５リットル／分および１５８０リットル／分、浸漬深さ１５０ｃｍの吹き込みで、ガス攪拌を１５分間継続した。ただし、このときの攪拌動力は５９０ワット／トンおよび１４０ワット／トンであった。溶銑サンプルを採取、分析したところ、表１に示すように、ガス攪拌後のメタル中の［Ｓ］は７８ｐｐｍおよび９６ｐｐｍとなり、いずれも目標値（≦７０ｐｐｍ）を達成できなかった。
【００１８】
（実施例２）
実施例１と同様に、４０トン電気ア−ク炉において、各種スクラップおよび酸化物原料を溶解して、目標成分がＣｒ：１８％、Ｃ：３．５％、Ｓｉ：０．４％のステンレス鋼用溶銑を２チャ−ジ（チャ−ジＮｏ．６〜８）溶製した。この際、溶解中および原料溶落後に脱硫剤としてＣａＯを炉内に断続供給して塩基度を適正値に調整した。メタル成分調整後、出銑直前にメタルを採取して分析した。次に、取鍋に出銑／出滓し、浸漬ランスからアルゴンガスを流量６２０〜１１００リットル／分、浸漬深さ１５０ｃｍの吹き込みで、ガス攪拌を１５分間継続した。このとき、専用の蓋を設置し、攪拌ガスとは別途、Ｎ₂ ガスを取鍋内に導入して、取鍋内の酸素濃度雰囲気を８〜９％にした。攪拌動力は２３０〜４１０ワット／トンの範囲内であった。攪拌終了後、溶銑サンプルを採取、分析、確認後、次工程の脱炭工程へと取鍋を移送した。表１に、操業結果を示すように、ガス攪拌後のメタル中の［Ｓ］は３５〜５５ｐｐｍとなり、目標値（≦７０ｐｐｍ）を達成できた。
【００１９】
（比較例２）
実施例２と同様に、４０トン電気ア−ク炉において、各種スクラップおよび酸化物原料を溶解して、目標成分がＣｒ：１８％、Ｃ：３．５％、Ｓｉ：０．４％のステンレス鋼用溶銑を２チャ−ジ（チャ−ジＮｏ．９〜１０）溶製し、スラグ調整後、取鍋に出銑／出滓し、蓋を設けて取鍋内の酸素濃度８．５％の雰囲気下で、浸漬ランスからアルゴンガスを流量７３０リットル／分および１７５０リットル／分、浸漬深さ１００ｃｍの吹き込みで、ガス攪拌を１５分間継続した。ただし、このときの攪拌動力は４８０ワット／トンおよび２００ワット／トンであった。溶銑サンプルを採取、分析したところ、表１に示すように、ガス攪拌後のメタル中の［Ｓ］は８３ｐｐｍおよび９８ｐｐｍとなり、いずれも目標値（≦７０ｐｐｍ）を達成できなかった。
【００２０】
（比較例３）
実施例１と同様に、４０トン電気ア−ク炉において、各種スクラップおよび酸化物原料を溶解して、目標成分がＣｒ：１８％、Ｃ：３．５％、Ｓｉ：０．４％のステンレス鋼用溶銑を２チャ−ジ（チャ−ジＮｏ．１１〜１２）溶製し、スラグ調整後、取鍋に出銑／出滓し、蓋を設けて、浸漬ランスからアルゴンガスを流量７３０リットル／分および１５１０リットル／分、浸漬深さ１００ｃｍの吹き込みで、ガス攪拌を１５分間継続した。ただし、このときの取鍋内の酸素濃度雰囲気は１１％および１１．５％にし、攪拌動力は２００ワット／トンおよび４１５ワット／トンであった。溶銑サンプルを採取、分析したところ、表１に示すように、ガス攪拌後のメタル中の［Ｓ］は８５ｐｐｍおよび９６ｐｐｍとなり、いずれも目標値（≦７０ｐｐｍ）を達成できなかった。
表１に実施例、比較例の操業結果を示すが、攪拌後のスラグ中Ｃｒ₂ Ｏ₃ 濃度（％）を示した。比較例ではいずれも３％以上の高い値を示しており、雰囲気に応じた攪拌強度が適切でなかったため、還元効率が悪く、その結果、脱硫速度を高めることができず、決められた時間内で、攪拌後の［Ｓ］からも分かるように、目標値以下に脱硫することができなかったものと考えられる。
【００２１】

【００２２】
【発明の効果】
本発明方法によると、以上に説明したように、攪拌時の攪拌動力を、取鍋内雰囲気に応じて適正化することにより、溶銑中Ｓｉによる還元効率を高めて、脱硫速度を速くすることができ、その結果、過剰の温度低下を引き起こすことなく短時間で、脱硫およびクロム還元を達成することができる。このため長時間の攪拌時間を必要とせず、その間の温度低下も最小限に抑えることができる。したがって、出銑後の攪拌の導入により、操業に支障無く、本来スラグが持つ精錬能を十分に発揮させることができる。このため、石灰原単位を低減できると同時に、スラグ量を低減でき、電力原単位も低減できる。さらに、スラグ中のＣｒの回収メリットも得られる。
このように、本発明は、電気炉によるステンレス鋼の製造方法におけるコスト低減方法を提供することによって、利用価値の高い酸化物原料を有効に使用することが可能となり、資源の有効利用、環境保護の立場からも産業発展に貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】取鍋内雰囲気の酸素濃度が攪拌後の［Ｓ］、Ｓｉ効率に及ぼす影響
【図２】脱硫速度に及ぼす雰囲気酸素濃度および攪拌動力の影響

Claims

電気ア−ク炉で[Ｃｒ]＝１０〜３５％、[Ｓｉ]＝０.１〜１.２％、[Ｃ]＝２.０〜５.０％を含むステンレス鋼用溶銑を溶解し、造滓剤を添加してスラグを生成させた後、溶銑およびスラグを取鍋に移し、取鍋内の雰囲気酸素濃度（体積％Ｏ₂）≦１０％で、非酸化性ガスを用い下式を満足する条件下で溶銑を攪拌することを特徴とするスラグ中の易還元性酸化物を還元し溶銑を脱硫する方法。
１４０＋９.２３× (体積％Ｏ₂)≦Ｅ≦５８５−１５.３８× (体積％Ｏ₂)
ここで、Ｅ：単位重量溶銑当たりの攪拌エネルギ−(ワット／トン)