JP6051561B2

JP6051561B2 - 溶鋼の製造方法

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Publication number: JP6051561B2
Application number: JP2012078667A
Authority: JP
Inventors: 高橋　幸雄; 幸雄高橋; 憲治中瀬; 菊池　直樹; 直樹菊池; 奥山　悟郎; 悟郎奥山; 新吾佐藤; 三木　祐司; 祐司三木
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2012-03-30
Publication date: 2016-12-27
Anticipated expiration: 2032-03-30
Also published as: JP2013209678A

Description

本発明は、高炉から出銑された溶銑を転炉に装入してこの溶銑に予備処理として脱燐処理を施し、次いで、この溶銑を転炉から出湯した後に別の転炉に装入し、この転炉で溶銑に脱炭精錬を施すことによって、溶銑から溶鋼を製造する方法に関し、詳しくは、転炉を用いて溶銑から溶鋼を製造する際に、脱燐処理及び脱炭精錬でそれぞれ精錬剤として使用する媒溶剤を加熱または溶融した状態で炉内に添加することで、鉄スクラップなどの冷鉄源の配合比率を高めることのできる溶鋼の製造方法に関する。

溶銑から溶鋼を製造する際に、転炉での溶銑の脱炭精錬の前に、溶銑に対して溶銑中の不純物（燐や硫黄）を除去する予備処理（脱燐処理、脱硫処理）を施し、転炉での脱炭精錬におけるスラグ発生量を削減する溶銑予備処理技術が開発され、不純物の少ない高品質の鉄鋼製品の製造、或いは、鉄鋼製品成分の安価なマンガン源としてマンガン鉱石の利用などが実現化されている。

一方、近年、環境保護の観点から、製鉄プロセスにおいてはＣＯ₂排出量の削減が重要課題となっており、製鋼工程においては、使用する鉄源として鉄スクラップなどの冷鉄源の配合比率を高め、溶銑の配合比率を低減することが試みられている。これは、鉄鋼製品の製造にあたり、高炉での溶銑の製造では、鉄鉱石を還元し且つ溶融するための多大なエネルギーを要するのに対し、冷鉄源は溶解熱のみを必要としており、製鋼工程で冷鉄源を利用した場合には、鉄鉱石の還元熱分のエネルギー使用量を少なくすることができ、ＣＯ₂発生量を大幅に削減することができるからである。

しかしながら、高炉−転炉の組み合わせによる溶鋼製造プロセスにおいては、冷鉄源の溶解熱源は、溶銑の有する顕熱、及び、溶銑中の炭素及び珪素の酸化による燃焼熱であり、冷鉄源の溶解量には自ずと限界がある。しかも、予備処理として行われる脱燐処理によって溶銑中の珪素濃度及び炭素濃度が低下し、更に、処理工程が増えることによって溶銑温度の低下も起こり、溶銑予備処理技術のなかで特に脱燐処理は、冷鉄源の配合比率の向上に大きな障害となっている。

このため、冷鉄源の配合比率を高めるべく、予備処理としての脱燐処理を放棄して転炉で脱燐精錬と脱炭精錬とを同時に行うという、従来の転炉吹錬に戻したり、脱燐処理の施された溶銑を転炉で脱炭精錬する場合には、転炉内に加炭材やフェロシリコンなどの発熱材を添加して熱エネルギーを補ったりする方法が行われている。しかし、脱燐処理を施すことで、コスト低減及び鋼材の品質向上を達成できることのみならず、スラグ発生量を低減できることから、このような操業形態の変更を行わず、前述のように、溶銑の脱燐処理を行い、その上で、転炉では脱炭精錬のみを行うと同時に鉄スクラップなどの冷鉄源の配合比率を増加させることが望ましい。加炭材の使用は、加炭材に含まれる硫黄によって溶鋼の硫黄濃度が上昇するという問題があり、フェロシリコンなどの発熱材は高価であり、発熱材の使用は却って製造コストの上昇を招く。

また、脱炭精錬時に脱炭反応によって転炉内に発生したＣＯガスを転炉内で二次燃焼（２ＣＯ＋Ｏ₂→２ＣＯ₂）させてＣＯ₂ガスとし、この二次燃焼による発熱を溶鋼に着熱させて溶銑を熱補償する方法もよく知られている。しかし、過度の二次燃焼率の向上は排ガス温度の上昇を招き、結果として転炉耐火物の寿命を低下させるという問題がある。

そこで、溶銑の脱燐処理や脱炭精錬において、溶銑の熱的余裕を高めて冷鉄源の配合比率を拡大するべく、多数の手段が提案されている。例えば、特許文献１には、溶銑の予備処理として脱燐処理を行うにあたり、脱燐処理中の生成スラグ中に炭素源を添加するとともに、スラグ中に酸素源を吹き込んで前記炭素源を燃焼させ、この燃焼熱を溶銑に着熱させる方法が提案されている。

特許文献２には、精錬容器内の溶銑に上吹きランスから酸素ガスとともに鉄スクラップ粉、合金鉄粉、生石灰粉などの伝熱媒体を供給して、溶銑の脱炭精錬や鉄またはクロムの溶融還元などを実施する際に、精錬容器内の二次燃焼率を１０〜５５％の範囲に制御し、二次燃焼熱を前記伝熱媒体に着熱させ、二次燃焼熱を着熱した伝熱媒体によって溶銑を加熱する方法が提案されている。

また、特許文献３には、溶銑を転炉で酸化精錬するにあたり、酸素ガス噴出用主孔と、該主孔から噴出する酸素ガスの供給流路と独立し、且つ、燃料ガス、酸素ガス及び精錬用フラックスを同時に噴出できるフラックス供給用副孔と、を有する５重管構造の上吹きランスを用い、前記主孔から噴出した酸素ガスの噴流を互いに分離した状態に保つとともに、該酸素ガス噴流と独立して副孔先端で火炎を形成させ、該火炎中に精錬用フラックスを通過させて該精錬用フラックスの滓化を促進させる転炉精錬方法が提案されている。

特開平９−２０９１３号公報特開２００１−３２３３１２号公報特開平１１−８０８２５号公報

しかしながら、上記従来技術には、以下の問題点がある。

即ち、特許文献１では、生成スラグ中に炭素源を添加することで、溶銑温度は上昇するが、炭素源に含有される硫黄の溶銑中への混入を招き、溶銑中の硫黄濃度が高くなる。また、炭素源の燃焼時間を確保する必要があることから精錬時間が長くなり、生産性が低下して製造コストが上昇するという問題がある。また更に、炭素源を燃焼させることから、ＣＯ₂発生量が自ずと増加するという問題もある。

特許文献２では、伝熱媒体の供給速度に応じて二次燃焼率を制御する必要があり、これを実現する手段として、排ガス組成の分析結果に基づいて二次燃焼率を求めつつ上吹きランスのランス高さを調整する方法が示されている。一般に、ランス高さを大きくすると、上吹きランスからの酸素ガスジェットに随伴される炉内雰囲気ガス（主にＣＯガス）の量が増加し、二次燃焼率は高くなり、逆に、ランス高さを小さくすると、二次燃焼率は低くなる。即ち、特許文献２のように二次燃焼率を高くすると、上吹きランスからの酸素ガスジェットが減衰して脱炭速度が低下し、脱炭精錬時間が長くなり、生産性が低下して製造コストが上昇するという問題がある。尚、ランス高さとは、上吹きランスの先端と静止状態の炉内溶銑浴面との距離である。

特許文献３では、副孔酸素ガス及び精錬剤の流路、燃料ガスの流路、主孔酸素ガスの流路、冷却水の給水流路、冷却水の排水流路で構成される５重管構造の上吹きランスを用いており、前記副孔酸素ガス及び精錬剤の流路と、前記燃料ガスの流路とを、ランス先端部で合流させ、燃焼火炎を形成させている。また、副孔酸素ガスと精錬剤とをランスの上部で合流させるが、合流するまでは精錬剤の搬送用ガスとしてＡｒガスなどの不活性ガスを使用している。

つまり、特許文献３では、副孔酸素ガス及び精錬剤の供給流路を通過する物質は、酸素ガス、不活性ガス及び精錬剤となる。ここでの問題は、１つの流路を、金属や炭素分を含有する精錬剤（酸化鉄、鉄鉱石、製鉄所発生ダストなど）と酸素ガスとが同時に通過することである。即ち、特許文献３は、溶銑温度を高める上で有効な手法であるが、ランス内の供給流路を通過する際に、精錬剤と流路壁（通常は鋼製）との摩擦によって火花が発生したり、酸素ガスと精錬剤の一部とが反応したりして、流路内で発熱・燃焼する虞があり、設備の安全管理上に問題がある。

また、特許文献３は、転炉における溶銑の脱炭精錬について記載するだけで、予備処理として行う溶銑の脱燐処理をどのようにして行うかは、何ら記載していない。つまり、脱炭精錬で溶銑の熱容量を高めれば、冷鉄源の配合比率はそれなりに高くなるが、脱燐処理においても溶銑の熱容量を高める操業を行うことで、冷鉄源の配合比率は更に高くなる。引用文献３はこの点について記載していない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、高炉から出銑された溶銑を転炉に装入してこの溶銑に予備処理として脱燐処理を施し、次いで、この溶銑を転炉から出湯した後に別の転炉に装入し、この転炉で溶銑に脱炭精錬を施すことによって、溶銑から溶鋼を製造するにあたり、上吹きランスの流路内での発熱・燃焼を危惧することなく、脱燐処理及び脱炭精錬で精錬剤として使用する粉状の媒溶剤を加熱または溶融した状態で炉内に添加することで、着熱効率及び生産性に優れ、鉄スクラップなどの冷鉄源の配合比率を高めることのできる溶鋼の製造方法を提供することである。

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］脱燐精錬用の酸化性ガスを供給し且つ該酸化性ガスを搬送用ガスとして粉状の石灰系媒溶剤を供給する精錬用酸化性ガス供給流路と、燃料を供給する燃料供給流路とを、それぞれ別々に有する第１の上吹きランスを用い、前記燃料供給流路から燃料を供給すると同時に、前記精錬用酸化性ガス供給流路から酸化性ガスを転炉内の溶銑浴面に向けて供給し、該酸化性ガスの一部で前記燃料を燃焼させて第１の上吹きランスの先端下方に火炎を形成させながら、前記酸化性ガスを搬送用ガスとして前記精錬用酸化性ガス供給流路から粉状の石灰系媒溶剤を転炉内の溶銑浴面に供給して、転炉内の溶銑を脱燐処理し、次いで、得られた脱燐処理後の溶銑を前記転炉から溶銑保持容器に出湯し、この溶銑を別の転炉に装入し、脱炭精錬用の酸化性ガスを供給し且つ該酸化性ガスを搬送用ガスとして粉状の媒溶剤を供給する精錬用酸化性ガス供給流路と、燃料を供給する燃料供給流路とを、それぞれ別々に有する第２の上吹きランスを用い、前記燃料供給流路から燃料を供給すると同時に、前記精錬用酸化性ガス供給流路から酸化性ガスを転炉内の溶銑浴面に向けて供給し、該酸化性ガスの一部で前記燃料を燃焼させて第２の上吹きランスの先端下方に火炎を形成させながら、前記酸化性ガスを搬送用ガスとして前記精錬用酸化性ガス供給流路から粉状の媒溶剤を転炉内の溶銑浴面に供給して、転炉内の溶銑を脱炭精錬し、かくして溶銑から溶鋼を製造することを特徴とする、溶鋼の製造方法。
［２］前記第１の上吹きランス及び前記第２の上吹きランスは、横断面構造において中心側から、精錬用酸化性ガス供給流路、冷却水排水流路、燃料供給流路、冷却水給水流路を有する４重管構造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。

本発明によれば、溶銑に予備処理として行う転炉での脱燐処理、及び、この脱燐処理の施された溶銑の転炉での脱炭精錬において、精錬剤として使用する粉状の媒溶剤を上吹きランスの先端下方に形成される火炎によって加熱し、火炎の熱を粉状媒溶剤を介して溶銑に着熱させるので、溶銑の温度が上昇し、溶銑の脱燐処理及び脱炭精錬における鉄スクラップなどの冷鉄源の配合比率を高めることが実現され、それにより、ＣＯ₂排出量を従来に比較して大幅に低減することが可能となる。

粉状媒溶剤の上吹きランスからの供給にあたり、搬送用ガスとして、脱燐精錬用の酸化性ガス或いは脱炭精錬用の酸化性ガスを使用するが、媒溶剤は、酸化物、炭酸化物、水酸化物、フッ化物などを主成分とし、金属分や炭素などの可燃性物質を含有しておらず、上吹きランスの流路における発熱や燃焼を未然に防止することができる。

また、本発明では、粉状媒溶剤の搬送用ガスとして、脱燐処理及び脱炭精錬で必要不可欠な脱燐精錬用の酸化性ガス或いは脱炭精錬用の酸化性ガスを使用するので、従来は搬送用ガスとして使用していた窒素ガスやＡｒガスなどの不活性ガスの使用は不用であり、その分、経済的に有利となる。

本発明に係る溶銑の脱燐処理及び脱炭精錬を実施する際に用いる４重管構造の上吹きランスを備えた転炉設備の１例を示す概略断面図である。図１に示す上吹きランスの概略拡大縦断面図である。比較例で使用した上吹きランスの概略拡大縦断面図である。

以下、本発明を具体的に説明する。

本発明は、高炉で製造された溶銑に予備処理として脱燐処理を施し、脱燐処理された溶銑を転炉で脱炭精錬して溶鋼を製造する際に、ＣＯ₂排出量を削減するべく、鉄スクラップなどの冷鉄源の配合比率を高めることを目的としている。転炉はフリーボードが大きく、溶銑を強攪拌することが可能であり、これにより、冷鉄源の溶解能力が高いのみならず、少ない石灰系媒溶剤の使用量で迅速に脱燐処理を行うことができることから、本発明においては、予備処理として行う脱燐処理も、脱炭精錬と同様に転炉を用いて実施する。

本発明において使用する溶銑は、高炉で製造された溶銑であり、この溶銑を、溶銑鍋、トピードカーなどの溶銑搬送容器で受銑して、脱燐処理及び脱炭精錬を実施する転炉に搬送する。脱燐処理を行う場合に、少ない石灰系媒溶剤の使用量で効率的に脱燐処理するために、脱燐処理前に溶銑中の珪素を予め除去（「溶銑の脱珪処理」という）し、溶銑の珪素含有量を０．２０質量％以下、望ましくは０．１０質量％以下まで低減させることが好ましい。脱珪処理を実施した場合には、脱珪処理時に生成したスラグを脱燐処理の前までに排出する。

以下、図面を用いて本発明を説明する。図１は、本発明に係る溶銑の脱燐処理及び脱炭精錬を実施する際に用いる、４重管構造の上吹きランスを備えた転炉設備の１例を示す概略断面図、図２は、図１に示す上吹きランス３の概略拡大縦断面図である。尚、本発明においては、脱燐処理が施された溶銑の脱炭精錬も図１に示す構成と同一の転炉設備（但し同じ転炉設備ではない）を用いて実施する。従って、ここでは、脱燐処理を行う転炉設備を転炉設備１と表示し、脱燐処理が施された溶銑の脱炭精錬を行う転炉設備を転炉設備１Ａと表示する。また、本発明では、構成が同一である４重管構造の上吹きランス３を用いて脱燐処理並びに脱炭精錬を実施するが、脱燐処理で使用する上吹きランス３を第１の上吹きランスと称し、一方、脱炭処理で使用する上吹きランス３を第２の上吹きランスと称する。

本発明において溶銑の脱燐処理に用いる転炉設備１及び脱炭精錬に用いる転炉設備１Ａは、その外殻を鉄皮４で構成され、鉄皮４の内側に耐火物５が施行された炉本体２と、この炉本体２の内部に挿入され、上下方向に移動可能な上吹きランス３（第１の上吹きランス）とを備えている。炉本体２の上部には、脱燐処理終了後の溶銑１４或いは脱炭精錬終了後の溶鋼（図示せず）を出湯するための出湯口６が設けられ、また、炉本体２の炉底部には、攪拌用ガス１６を吹き込むための複数の底吹き羽口７が設けられている。この底吹き羽口７はガス導入管８と接続されている。

上吹きランス３には、脱燐精錬用の酸化性ガスまたは脱炭精錬用の酸化性ガスを供給するための精錬用酸化性ガス供給管９と、プロパンガス、液化天然ガス、コークス炉ガス、石油、重油などの燃料を供給するための燃料供給管１１と、上吹きランス３を冷却するための冷却水を供給・排出するための冷却水の給水管及び排水管（図示せず）とが、接続されている。脱燐精錬用の酸化性ガスとしては、酸素ガス、空気、酸素富化空気、酸素ガスと希ガス（Ａｒガスなど）との混合ガスが使用され、一般的には酸素ガスが使用される。脱炭精錬用の酸化性ガスとしては、酸素ガス、酸素ガスと希ガスとの混合ガスが使用され、一般的には酸素ガスが使用される。尚、酸素ガスとは、工業用純酸素ガスである。図１では、脱燐精錬用及び脱炭精錬用の酸化性ガスとして、一般的に使用される酸素ガスの例を示している。

精錬用酸化性ガス供給管９は、途中で粉状媒溶剤供給管１０に枝分かれしており、枝分かれした粉状媒溶剤供給管１０は、粉状媒溶剤供給管１０の途中に設けられたディスペンサー１２を経由して精錬用酸化性ガス供給管９に再度合流し、精錬用酸化性ガス供給管９は、合流後の下流側で上吹きランス３に接続されている。ディスペンサー１２には、精錬剤として使用する粉状の媒溶剤１３が収容されており、粉状媒溶剤供給管１０に導入された脱燐精錬用酸化性ガス或いは脱炭精錬用酸化性ガスが、ディスペンサー１２に収容された媒溶剤１３の搬送用ガスとして機能し、ディスペンサー１２に収容された粉状の媒溶剤１３は、粉状媒溶剤供給管１０及び精錬用酸化性ガス供給管９を順に通って上吹きランス３に供給され、上吹きランス３の先端から溶銑１４に向けて吹き付けられるようになっている。媒溶剤１３としては、脱燐処理の場合は石灰系媒溶剤を使用し、脱炭精錬の場合は石灰系媒溶剤またはマンガン鉱石若しくはこれらの混合物を使用する。

精錬用酸化性ガス供給管９には流量調節弁２５が設けられ、また、粉状媒溶剤供給管１０には流量調節弁２６が設けられており、精錬用酸化性ガス供給管９及び粉状媒溶剤供給管１０を通過する脱燐精錬用酸化性ガス或いは脱炭精錬用酸化性ガスの流量は、流量調節弁２５及び流量調節弁２６によって任意に調整可能となっている。つまり、所定量の媒溶剤１３を溶銑１４に添加した後は、精錬用酸化性ガスのみを溶銑１４に向けて供給できるように構成されている。

上吹きランス３は、図２に示すように、円筒状のランス本体１７と、このランス本体１７の下端に溶接などにより接続された銅鋳物製のランスチップ１８とで構成されており、ランス本体１７は、最内管２１、内管２２、中管２３、外管２４の同心円形状の４種の鋼管、即ち４重管で構成されている。精錬用酸化性ガス供給管９は最内管２１に連通し、冷却水の排水管は内管２２に連通し、燃料供給管１１は中管２３に連通し、冷却水の給水管は外管２４に連通している。つまり、脱燐精錬用酸化性ガス、脱炭精錬用酸化性ガス、或いは、これらの酸化性ガスを搬送用ガスとする媒溶剤１３が最内管２１の内部を通り、プロパンガスなどの燃料が内管２２と中管２３との間隙を通り、最内管２１と内管２２との間隙は、冷却水の排水流路、中管２３と外管２４との間隙は、冷却水の給水流路となっている。冷却水は、ランスチップ１８の位置で反転するように構成されている。

最内管２１の内部は、ランスチップ１８の先端に配置された主孔ノズル１９と連通し、内管２２と中管２３との間隙は、燃料噴射孔２０と連通している。この燃料噴射孔２０は主孔ノズル１９に開口している。主孔ノズル１９は、脱燐精錬用酸化性ガス、脱炭精錬用酸化性ガス、或いは、これらの酸化性ガスを搬送用ガスとする媒溶剤１３を吹き付けるためのノズル、燃料噴射孔２０は、燃料を噴射するためのノズルである。つまり、最内管２１の内部が、脱燐精錬用酸化性ガスまたは脱炭精錬用酸化性ガスを供給するための精錬用酸化性ガス供給流路となり、内管２２と中管２３との間隙が燃料供給流路となっている。最内管２１と内管２２との間隙は冷却水の排水流路、中管２３と外管２４との間隙は冷却水の給水流路となっている。主孔ノズル１９は、上吹きランス３の軸心を中心とする同一円周線上にほぼ等間隔で複数個配置されている。尚、図２では冷却水の排水流路が燃料供給流路の内側に設置されているが、冷却水の排水流路を燃料供給流路の外側に配置してもよく、また、冷却水の排水流路と冷却水の給水流路とを入れ替えても構わない。

図２に示すように、主孔ノズル１９は、その断面が縮小する部分（「絞り部」という）と拡大する部分（「スカート部」という）の２つの円錐体で構成されるラバールノズルの形状を採っており、精錬用酸化性ガスが超音速または亜音速で主孔ノズル１９から噴射されるように構成されている。燃料噴射孔２０は、主孔ノズル１９のスカート部に開口するように配置されている。燃料噴射孔２０は、図２では１つの主孔ノズル１９に対して１個のみ開口しているが、１つの主孔ノズル１９に対して複数個開口するようにしてもよい。尚、ラバールノズルにおいて、絞り部とスカート部の２つの円錐体の境界である最も断面積の小さい部位をスロートと称している。

この上吹きランス３においては、燃料噴射孔２０から燃料を噴射させ、且つ、主孔ノズル１９から、脱燐精錬用酸化性ガスまたは脱炭精錬用酸化性ガスを噴射させる、或いは、これらの酸化性ガスとともに媒溶剤１３を噴射させることで、上吹きランス３の先端下方に火炎を形成させることができる。

この構成の転炉設備１及び転炉設備１Ａを用い、冷鉄源の配合比率を高めるべく、先ず、転炉設備１で溶銑１４に対して脱燐処理を施し、次いで、この脱燐処理された溶銑１４に転炉設備１Ａで脱炭精錬を施し、溶銑１４から溶鋼を製造する。以下、脱燐処理から順に説明する。

転炉設備１を用いて溶銑１４に脱燐処理を施すにあたり、先ず、炉本体２の内部へ冷鉄源を装入する。使用する冷鉄源としては、製鉄所で発生する鋳片及び鋼板のクロップ屑や市中屑などの鉄スクラップ、磁力選別によってスラグから回収した地金、更には、冷銑、還元鉄などを使用することができる。冷鉄源の装入完了に前後して、底吹き羽口７から攪拌用ガス１６の吹き込みを開始する。

冷鉄源の配合比率は、脱燐処理での配合比率と脱炭精錬での配合比率との合計値で、５質量％以上とすることが好ましい。冷鉄源の配合比率は下記の（１）式で定義される。
冷鉄源の配合比率(質量％)＝冷鉄源配合量×100/(溶銑配合量＋冷鉄源配合量)…（１）
脱燐処理から脱炭精錬まででの冷鉄源の合計配合比率が５質量％未満では、生産性向上の効果が少ないのみならず、ＣＯ₂発生量の削減効果が少ないからである。冷鉄源の配合比率の上限は特に決める必要はなく、脱燐処理後の溶銑温度が目標範囲を維持できる上限まで添加することができる。

冷鉄源の炉本体２への装入後、溶銑１４を炉本体２へ装入する。用いる溶銑１４としてはどのような組成であっても処理することができ、脱燐処理の前に脱硫処理や脱珪処理が施されていてもよい。因みに、脱燐処理前の溶銑１４の主な化学成分は、炭素：３．８〜５．０質量％、珪素：０．３質量％以下、燐：０．０８〜０．２質量％、硫黄：０．０５質量％以下程度である。但し、脱燐処理時に炉本体内で生成されるスラグ１５の量が多くなると脱燐効率が低下するので、前述したように、炉本体内でのスラグ発生量を少なくして脱燐効率を高めるために、脱珪処理により、溶銑中の珪素濃度を０．２０質量％以下、望ましくは０．１０質量％以下まで予め低減しておくことが好ましい。また、溶銑温度は１２００〜１４５０℃の範囲であれば問題なく脱燐処理することができる。

次いで、ディスペンサー１２に脱燐精錬用酸化性ガスを供給し、媒溶剤１３である粉状の石灰系媒溶剤を、上吹きランス３の主孔ノズル１９から脱燐精錬用酸化性ガスとともに溶銑１４の浴面に向けて吹き付ける。この媒溶剤１３（以下、脱燐処理の場合は「石灰系媒溶剤１３」と記す）の吹き付けに前後して、上吹きランス３の燃料噴射孔２０から燃料を噴射させる。燃料噴射孔２０から供給される燃料と、主孔ノズル１９から噴射される、石灰系媒溶剤１３の搬送用ガスであり且つ脱燐精錬用酸化性ガスでもある酸化性ガスとは、主孔ノズル１９のスカート部以降で各々混合し合い、雰囲気温度が高いこともあって、点火装置がなくても燃焼限界範囲内に燃料の濃度が達した時点で、主孔ノズル１９から噴射される酸化性ガスの一部によって燃焼し、上吹きランス３の下方に火炎が形成される。石灰媒溶剤１３は、形成される火炎の中を通り火炎の熱を受けて加熱または加熱・溶融し、加熱または溶融した状態で溶銑１４の浴面に吹き付けられる。これにより、溶銑１４に火炎の熱が石灰系媒溶剤１３を介して着熱し、溶銑１４の温度が上昇して、添加した冷鉄源の溶解が促進される。

また、同時に、主孔ノズル１９から溶銑１４の浴面に向けて、その一部は搬送用ガスとして機能した脱燐精錬用の酸化性ガスが吹き付けられる。

溶銑１４の脱燐反応は、溶銑中の燐が、酸化性ガス中の酸素または酸素によって生成した酸化鉄と反応して燐酸化物（Ｐ₂Ｏ₅）を形成し、この燐酸化物が石灰系媒溶剤１３の滓化によって形成されるスラグ１５に吸収されることで進行する。しかも、石灰系媒溶剤１３の滓化が促進されるほど脱燐速度が速くなる。

つまり、本発明においては、加熱または溶融した状態で、溶銑浴面に吹き付けられた石灰系媒溶剤１３は直ちに滓化してスラグ１５を形成し、また、供給された脱燐精錬用酸化性ガスと溶銑中の燐とが反応して燐酸化物が形成される。攪拌用ガス１６によって溶銑１４とスラグ１５とが強攪拌されることも相まって、形成した燐酸化物が滓化したスラグ１５に迅速に吸収されて、溶銑１４の脱燐反応が速やかに進行する。

石灰系媒溶剤１３としては、生石灰（ＣａＯ）、石灰石（ＣａＣＯ₃）、消石灰（Ｃａ(ＯＨ)₂）、ドロマイト（ＣａＯ−ＭｇＯ）などの石灰系媒溶剤を使用する。生石灰に蛍石（ＣａＦ₂）またはアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）を滓化促進剤として混合したものを石灰系媒溶剤１３として使用することもできる。また、溶銑１４の脱炭精錬工程で生成する転炉スラグ（ＣａＯ−ＳｉＯ₂系スラグ）を石灰系媒溶剤１３の全部または一部として使用することもできる。尚、添加すべき石灰系媒溶剤１３の全量を上吹きランス３から供給する必要はなく、冷鉄源或いは溶銑１４の炉本体２への装入後、上吹きランス３から酸化性ガスを供給する前に、石灰系媒溶剤１３の一部を予め炉上ホッパーから炉本体２へ別途上置き投入してもよい。

石灰系媒溶剤１３によって溶銑１４に火炎の熱が伝わるのみならず、溶銑１４の上方に存在する火炎の燃焼熱が溶銑１４に伝達することから、溶銑１４が激しく攪拌されることも相まって、溶銑中の冷鉄源の溶解が促進される。即ち、装入した冷鉄源の溶解が脱燐処理の期間中に終了する。

その後、溶銑１４の燐濃度が目的とする値かそれ以下になったなら、上吹きランス３から溶銑１４への全ての供給を停止して脱燐処理を終了する。この場合、脱燐処理が終了するまで上吹きランス３から石灰系媒溶剤１３を供給し続ける必要はなく、所定量の石灰系媒溶剤１３を添加完了したならば、上吹きランス３から脱燐精錬用酸化性ガスのみを供給してもよい。また、この脱燐処理中に、鉄鉱石などの酸化鉄を固体酸素源として炉上ホッパーから炉本体２へ上置き投入してもよい。脱燐処理後、炉本体２を傾動させて、脱燐処理の施された溶銑１４を、出湯口６を介して、取鍋、転炉装入鍋などの溶銑保持容器に出湯する。溶銑１４の出湯後、炉本体２を傾動させて、炉本体内のスラグ１５をスラグ収容容器に排出する。

その後、溶銑保持容器に出湯された溶銑１４を、図２に示す４重管構造の上吹きランス３（第２の上吹きランス）を備えた別の転炉設備１Ａの炉本体２に装入し、溶銑１４に対して脱炭精錬を実施する。脱炭精錬の場合も、上吹きランス３の先端に火炎を形成させ、この火炎で精錬剤として使用する媒溶剤１３を加熱・溶融し、火炎の熱を媒溶剤１３を介して炉本体内の溶銑１４に着熱させる。前述したように、脱炭精錬の場合には、媒溶剤１３として、石灰系媒溶剤、マンガン鉱石のうちの１種または２種以上を使用する。

脱炭精錬の場合も、炉本体２には、上記の脱燐処理で使用した冷鉄源と同類の冷鉄源を溶銑１４の装入の前に予め装入する。この脱炭精錬工程における冷鉄源の溶解用熱源は、溶銑１４の顕熱、溶銑中の炭素濃度及び火炎からの着熱量に依存しており、従って、前工程の脱燐処理工程における冷鉄源の配合比率を高く設定すると、この溶銑１４を使用した脱炭精錬工程では冷鉄源の配合比率を低く設定せざるを得ない。従って、脱炭精錬工程における冷鉄源の配合比率は、脱燐処理工程での配合比率と脱炭精錬工程での配合比率との合計値が５質量％以上となるように、脱燐処理工程での配合比率に応じて設定することが好ましい。

炉本体２に溶銑１４を装入したなら、上吹きランス３を炉本体２に挿入し、底吹き羽口７からＡｒガスなどを攪拌用ガス１６として溶銑１４に吹き込みながら、上吹きランス３の主孔ノズル１９から、脱炭精錬用酸化性ガスを溶銑浴面に吹き付けると同時に、脱炭精錬用酸化性ガスを搬送用ガスとして粉状の媒溶剤１３を噴射し、且つ、燃料噴射孔２０から、プロパンガス、天然ガス、コークス炉ガスなどのガス燃料、或いは、重油、灯油などの炭化水素系の液体燃料を供給する。

上吹きランス３の先端部には火炎が形成され、媒溶剤１３は、形成される火炎の中を通り火炎の熱を受けて加熱または加熱・溶融し、加熱または溶融した状態で溶銑１４の浴面に吹き付けられる。これにより、溶銑１４に火炎の熱が媒溶剤１３を介して着熱し、溶銑１４の温度が上昇して、添加した冷鉄源の溶解が促進される。また、主孔ノズル１９から供給される脱炭精錬用酸化性ガスによって脱炭反応（２Ｃ＋Ｏ₂→２ＣＯ）が進行する。

上吹きランス３の主孔ノズル１９から供給する媒溶剤１３としては、前述したように石灰系媒溶剤（生石灰やドロマイトなど）やマンガン鉱石を使用する。また、これらの副原料の全てを上吹きランス３から供給することは必要ではなく、これらのうちの一部は、炉上ホッパーから上置き添加しても構わない。また更に、上吹きランス３からの供給と上置き添加とを併用しても構わない。

媒溶剤１３として石灰系媒溶剤を使用した場合には、火炎の熱を溶銑１４に着熱させるだけでなく、溶銑浴面に吹き付けられた石灰系媒溶剤は直ちに滓化して浴面を覆うスラグ１５を形成し、スピッティング（地金の飛散）を防止したり、脱燐反応を促進させたりする。媒溶剤１３としてマンガン鉱石を使用した場合には、火炎の熱を溶銑１４に着熱させるだけでなく、マンガン鉱石が溶銑中の炭素によって還元され、溶鋼成分調整用のマンガン源として機能する。

上吹きランス３の主孔ノズル１９から供給される酸化性ガスと溶銑中の炭素とが反応して脱炭反応が進行し、溶銑１４の炭素濃度が低下する。炭素濃度が目的とする値まで低下したなら、上吹きランス３からの鉄浴への全ての供給を停止して脱炭精錬を終了する。この場合、脱炭精錬が終了するまで上吹きランス３から媒溶剤１３を供給し続ける必要はなく、所定量の媒溶剤１３を添加完了したならば、上吹きランス３から脱炭精錬用酸化性ガスのみを供給してもよい。添加した冷鉄源は脱炭精錬の期間中に溶解する。

このようにして高炉から出銑された溶銑１４に脱燐処理及び脱炭精錬が施され、溶銑１４から溶鋼が製造される。製造した溶鋼は、取鍋に出湯し、必要に応じてＲＨ真空脱ガス装置などで二次精錬を施した後、連続鋳造機で鋳片に鋳造する。

以上説明したように、本発明によれば、溶銑１４に予備処理として行う転炉設備１での脱燐処理、及び、この脱燐処理の施された溶銑の転炉設備１Ａでの脱炭精錬において、精錬剤として使用する粉状の媒溶剤１３を上吹きランス３の先端下方に形成される火炎によって加熱し、火炎の熱を媒溶剤１３を介して溶銑１４に着熱させるので、溶銑１４の温度が上昇し、脱燐処理及び脱炭精錬における鉄スクラップなどの冷鉄源の配合比率を高めることが実現され、それにより、ＣＯ₂排出量を従来に比較して大幅に低減することが可能となる。

媒溶剤１３の上吹きランス３からの供給にあたり、搬送用ガスとして、脱燐精錬用の酸化性ガス或いは脱炭精錬用の酸化性ガスを使用するが、媒溶剤１３は、酸化物、炭酸化物、水酸化物、フッ化物などを主成分とし、金属分や炭素などの可燃性物質を含有しておらず、上吹きランス３の流路における発熱や燃焼を未然に防止することができる。また、媒溶剤１３の搬送用ガスとして、脱燐処理及び脱炭精錬で必要不可欠な脱燐精錬用の酸化性ガス或いは脱炭精錬用の酸化性ガスを使用するので、従来は搬送用ガスとして使用していた窒素ガスやＡｒガスなどの不活性ガスの使用は不用であり、その分、経済的に有利となる。

図１に示す転炉設備と同一構造である、炉容量が２．５トンの小型転炉設備の炉本体に溶銑及び鉄スクラップを装入し、この小型転炉設備を用いて溶銑の脱燐処理を行った。脱燐処理後、溶銑を溶銑保持容器に出湯し、この脱燐処理後の溶銑及び鉄スクラップを、図１に示す転炉設備と同一構造である、炉容量が２．５トンの別の小型転炉設備の炉本体に装入して脱炭精錬を行った（本発明例）。

この脱燐処理及び脱炭精錬で使用した上吹きランスは、図２に示す上吹きランスと同様に４重管構造のものであり、その横断面において中心側から、脱燐精錬用または脱炭精錬用の酸化性ガスの流路である精錬用酸化性ガス供給流路、冷却水排水流路、燃料供給流路、冷却水給水流路で構成されている。

主孔ノズルは、スロート径が７ｍｍの３孔ラバールノズルであり、ランス中心軸に対して１５°の角度を有しているものである。燃料噴射孔は、主孔ノズルの出口から２０ｍｍの位置に開口し、ノズル径は２ｍｍである。脱燐精錬用酸化性ガス及び脱炭精錬用酸化性ガスとして酸素ガスを使用した。

脱燐処理工程では、炉本体に鉄スクラップを装入した後、温度が１３５０℃の溶銑を装入し、次いで、底吹き羽口からＡｒガスを攪拌用ガスとして溶銑中に吹き込みながら、上吹きランスの主孔ノズルから、脱燐精錬用の酸素ガスを溶銑浴面に吹き付けると同時に、この酸素ガスを搬送用ガスとして生石灰（＝石灰系媒溶剤）を溶銑浴面に向けて吹き付け、且つ、上吹きランスの燃料噴射孔からプロパンガスを噴出させて、脱燐処理を行った。また、この脱燐処理において、鉄鉱石を炉上のホッパーから上置き添加した。鉄スクラップの装入量は、脱燐処理終了時の溶銑温度が１４００℃となるように調整し、また、生石灰は、脱燐処理終了時の炉内スラグの塩基度（質量％ＣａＯ／質量％ＳｉＯ₂）が２．５となるようにその添加量を調整した。

脱炭精錬工程では、炉本体に鉄スクラップを装入した後、脱燐処理を施した、温度が１３５０℃の溶銑を装入し、次いで、底吹き羽口からＡｒガスを攪拌用ガスとして溶銑中に吹き込みながら、上吹きランスの主孔ノズルから、脱炭精錬用の酸素ガスを溶銑浴面に吹き付けると同時に、この酸素ガスを搬送用ガスとして生石灰（＝媒溶剤）を溶銑浴面に向けて吹き付け、且つ、上吹きランスの燃料噴射孔からプロパンガスを噴出させて、脱炭精錬を行った。この場合、鉄スクラップの装入量は、脱炭精錬終了時の溶鋼温度が１６８０℃且つ溶鋼中炭素濃度が０．０５質量％となるように調整した。生石灰は、脱炭精錬終了時の炉内スラグの塩基度が３．５となるようにその添加量を調整した。

比較例として、炉容量が２．５トンの小型転炉設備において、特許文献３に開示される５重管構造の上吹きランスに類似した５重管構造の上吹きランスを使用し、特許文献３に開示される精錬方法を用いて脱燐処理及び脱炭精錬を上記本発明例に沿って行った。比較例で使用した上吹きランスの概略拡大縦断面図を図３に示す。図３において、符号３Ａは、上吹きランス、１７Ａはランス本体、１８Ａはランスチップ、２７は燃料燃焼用酸化性ガス及び精錬用粉体の噴射ノズル、２８は燃料噴射孔、２９は主孔ノズル、３０は最内管、３１は内管、３２は中管、３３は外管、３４は最外管であり、この上吹きランス３Ａは、その横断面において中心側から、燃料燃焼用酸化性ガス及び精錬用粉体の供給流路（最内管３０の内部）、燃料供給流路（最内管３０と内管３１との間隙）、精錬用酸化性ガス供給流路（内管３１と中管３２との間隙）、冷却水排水流路（中管３２と外管３３との間隙）、冷却水給水流路（外管３３と最外管３４との間隙）で構成されている。

つまり、この上吹きランス３Ａにおいては、精錬用粉体はＡｒガスなどの不活性ガスを搬送用ガスとして最内管３０の内部に供給されるが、最内管３０には燃料燃焼用の酸化性ガスも供給されており、最内管３０が連通する噴射ノズル２７からは、精錬用粉体、Ａｒガスなどの不活性ガス（搬送用ガス）、及び、燃料燃焼用の酸化性ガスが噴射されるように構成されている。噴射ノズル２７は、内径が１１．５ｍｍのストレート型ノズル、燃料噴射孔２８は、その間隙が１．０ｍｍの円環状に開口するスリット状のノズル、精錬用酸素ガスを噴射する主孔ノズル２９は、スロート径が７ｍｍの３孔ラバールノズルであり、ランス中心軸に対して１５°の角度を有しているものである。

この上吹きランス３Ａから、精錬用粉体として粉状の生石灰及び粉状の鉄鉱石を供給し、これら精錬用粉体の搬送用ガスとしてはＡｒガスを使用し、燃料燃焼用酸化性ガス及び精錬用酸化性ガスとしては酸素ガスを使用した。つまり、本発明例と比較例とで異なる点は、比較例では精錬用粉体の搬送用ガスとしてＡｒガスを使用している点、及び、本発明例の脱燐処理では上置き添加した鉄鉱石を比較例では上吹きランス３Ａから供給している点である。

本発明例及び比較例において、脱燐処理及び脱炭精錬に供した溶銑の温度及び組成を表１に示す。

また、本発明例及び比較例での脱燐処理及び脱炭精錬における粉状媒溶剤などの粉体の吹き込み速度、プロパンガス吹き込み流量、精錬用酸素ガス吹き込み流量、粉体搬送用Ａｒガス流量、底吹き攪拌ガス吹き込み流量、ランス高さなどの操業条件を表２に示す。

本発明例及び比較例における操業結果（精錬時間、鉄スクラップ配合量、不活性ガス原単位、排ガス中のＣＯガス濃度）を表３に示す。尚、不活性ガス原単位は、底吹き羽口から吹き込む攪拌用Ａｒガスと精錬用粉体の搬送用ガスとして使用するＡｒガスとの合計値である。

表３からも明らかなように、本発明例と比較例とで不活性ガス原単位を比較すると、搬送用ガスとして不活性ガスを使用しない本発明例の方が低位であり、高価なＡｒガスの使用量を１／４程度に低減できることから、本発明を適用することで精錬コストの大幅な削減が実現されることが確認できた。

また、搬送用ガスとして不活性ガスを使用しないことから、本発明においては排ガスのＣＯガス濃度を比較例に比べて高くすることができ、つまり、排ガスの発熱量を高めることができ、排ガスを燃料ガスとしてより有効に活用できることがわかった。

１転炉設備
２炉本体
３上吹きランス
４鉄皮
５耐火物
６出湯口
７底吹き羽口
８ガス導入管
９精錬用酸化性ガス供給管
１０粉状媒溶剤供給管
１１燃料供給管
１２ディスペンサー
１３媒溶剤
１４溶銑
１５スラグ
１６攪拌用ガス
１７ランス本体
１８ランスチップ
１９主孔ノズル
２０燃料噴射孔
２１最内管
２２内管
２３中管
２４外管
２５流量調節弁
２６流量調節弁

Claims

脱燐精錬用の酸化性ガスを供給し且つ該酸化性ガスを搬送用ガスとして粉状の石灰系媒溶剤を供給する精錬用酸化性ガス供給流路と、燃料を供給する燃料供給流路とを、それぞれ別々に有し、且つ、前記燃料供給流路と連通し、前記燃料を転炉内に噴射するための燃料噴射孔の全てが、前記精錬用酸化性ガス供給流路と連通し、前記酸化性ガスを転炉内に噴射するためのラバールノズル形状の主孔ノズルのスカート部に開口している第１の上吹きランスを用い、
前記燃料供給流路から燃料を供給すると同時に、前記精錬用酸化性ガス供給流路から酸化性ガスを搬送用ガスとして粉状の石灰系媒溶剤を、冷鉄源の装入された転炉内の溶銑浴面に向けて噴射し、前記主孔ノズルの内部で、前記酸化性ガスと前記石灰系媒溶剤と前記燃料とを混合し、前記酸化性ガスの一部で前記燃料を燃焼させて第１の上吹きランスの先端下方に火炎を形成させ、該火炎の熱で前記燃料と混合された前記石灰系媒溶剤を加熱し、加熱した石灰系媒溶剤を溶銑に供給して、前記冷鉄源の全てを溶解して転炉内の溶銑を脱燐処理し、
次いで、得られた脱燐処理後の溶銑を前記転炉から溶銑保持容器に出湯し、この溶銑を別の転炉に装入し、
脱炭精錬用の酸化性ガスを供給し且つ該酸化性ガスを搬送用ガスとして粉状の媒溶剤を供給する精錬用酸化性ガス供給流路と、燃料を供給する燃料供給流路とを、それぞれ別々に有し、且つ、前記燃料供給流路と連通し、前記燃料を転炉内に噴射するための燃料噴射孔の全てが、前記精錬用酸化性ガス供給流路と連通し、前記酸化性ガスを転炉内に噴射するためのラバールノズル形状の主孔ノズルのスカート部に開口している第２の上吹きランスを用い、
前記燃料供給流路から燃料を供給すると同時に、前記精錬用酸化性ガス供給流路から酸化性ガスを搬送用ガスとして粉状の媒溶剤を、冷鉄源の装入された転炉内の溶銑浴面に向けて噴射し、前記主孔ノズルの内部で、前記酸化性ガスと前記媒溶剤と前記燃料とを混合し、前記酸化性ガスの一部で前記燃料を燃焼させて第２の上吹きランスの先端下方に火炎を形成させ、該火炎の熱で前記燃料と混合された前記媒溶剤を加熱し、加熱した媒溶剤を溶銑に供給して、前記冷鉄源の全てを溶解して転炉内の溶銑を脱炭精錬し、
前記脱燐処理での冷鉄源の配合比率と前記脱炭精錬での冷鉄源の配合比率との合計値を５質量％以上とし、かくしてＣＯ ₂ 排出量を削減して溶銑から溶鋼を製造することを特徴とする、溶鋼の製造方法。
前記第１の上吹きランス及び前記第２の上吹きランスは、横断面構造において中心側から、粉状の石灰系媒溶剤または粉状の媒溶剤を供給するための精錬用酸化性ガス供給流路、冷却水排水流路、燃料供給流路、冷却水給水流路を有する４重管構造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。