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技術 鉄スクラップを利用した製鋼方法

出願人 JFEスチール株式会社
発明者 松野英寿小澤純仁藤林晃夫
出願日 2009年11月24日 (11年1ヶ月経過) 出願番号 2009-265833
公開日 2011年6月9日 (9年6ヶ月経過) 公開番号 2011-111625
状態 特許登録済
技術分野 鉄の製造 銑鉄の精製;鋳鉄の製造;転炉法以外の製鋼 炭素鋼又は鋳鋼の製造
主要キーワード トランス容量 溶解期間 直流式 希釈分 蒸気エネルギー 機械製品 通常炭素 固形原料
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (3)

課題

鉄スクラップ鉄源として溶鋼を製造するにあたり、鉄スクラップを省エネルギーで効率良く溶解するとともに、含有成分の種類及び含有量が様々である鉄スクラップを使用しても不純物の少ない鋼を製造する。

解決手段

鉄スクラップ及び高炉にて製造された溶銑を鉄源としてアーク炉装入し、該アーク炉にて前記鉄スクラップを溶解して炭素を含有する溶銑を製造し、製造した溶銑をアーク炉から出湯し、出湯した後の溶銑に更に高炉にて製造された溶銑を混合し、混合した後の溶銑を転炉に装入し、該転炉にて酸素吹錬して溶鋼を製造する。

概要

背景

製鋼過程で使用する鉄源は、鉄鉱石高炉還元して得られる高炉溶銑主体であるが、鉄鋼材料の加工工程で発生する鉄スクラップや、建築物及び機械製品などの老朽化に伴って発生する鉄スクラップも、かなりの量が使用されている。鉄鋼製品の製造にあたり、高炉溶銑の製造には、鉄鉱石を還元し且つ溶融するために多大なエネルギーを要するのに対し、鉄スクラップは溶解熱のみを必要としており、製鋼過程で鉄スクラップ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るという利点がある。従って、省エネルギー及びCO2削減による地球温暖化防止の観点からも、鉄スクラップ利用の促進が望まれている。

現在、鉄スクラップは、大部分がアーク炉消費され、棒鋼形鋼といったいわゆる汎用鋼の製造に使用されている。一方、銑鋼一貫製鉄所では、鉄スクラップを転炉などの製鋼炉直接投入して使用するが、転炉では、鉄スクラップの溶解熱として高炉溶銑に含有される炭素燃焼熱を利用しているため、鉄スクラップの配合比率極端に高めることができない。また、アーク炉及び転炉ともに、鉄源として低級な鉄スクラップを使用すると、製造される溶鋼成分調整が難しいという問題もある。

鉄源として鉄スクラップが主体のアーク炉においても、更なる生産性の向上及び省エネルギーを図るべく多数の提案がなされており、その中の1つの技術として、鉄源として高炉溶銑を利用し、溶解時間を短縮する或いは電力原単位下げる方法が提案されている。

例えば、特許文献1には、鉄スクラップなどの固体原料をアーク炉に装入するに先立って、アーク炉の排滓口上に仮設溶湯ガイドを設けて湯道を確保し、その後、アーク炉に固体原料を装入して通電を行い、この通電中に前記湯道を介して高炉溶銑をアーク炉内に装入する技術が開示されている。特許文献1によれば、高炉溶銑の配合比率を30質量%程度とすることで、アーク炉の生産性が向上し、消費電力を低減できるとしている。

また、特許文献2には、アーク炉に、鉄スクラップなどの原料とともに、高炉溶銑を全装入物の30〜85質量%の割合で、その装入時期を鉄スクラップ溶解率30〜40%の段階として、炉頂から炉の中心部の鉄スクラップなどの固形原料に囲まれた部分に装入する技術が開示されている。特許文献2によれば、アーク炉の生産性が向上するのみならず、高炉溶銑による希釈効果により鋼中不純物の低下が図られ、低級鉄スクラップでも有効に再利用することが可能になるとしている。

しかしながら、特許文献1及び特許文献2は、溶解した溶銑をアーク炉にて溶鋼(通常炭素濃度は1質量%未満)の段階まで精錬(「脱炭精錬」という)し、精錬後にアーク炉から溶鋼を出湯する技術であり、アーク炉において、炉内の溶銑に多量の酸素ガスを供給して、脱炭精錬を行わねばならず、鉄スクラップの溶解時間以外に、脱炭時間が更に必要になり、一回の溶解・精錬処理に費やす時間は長くなる。また、鉄源として高炉溶銑を併用することから、1回の溶解・精錬処理あたりに溶解される鉄スクラップの量は炉容量に比較して少なく、脱炭精錬により精錬時間が長くなることを考えると、必ずしも単位時間あたりの鉄スクラップの溶解量が増加するわけではない。これらから判断すれば、鉄スクラップを鉄源として大量に消費することは困難であるといわざるを得ない。

また更に、アーク炉は、本来、炭素を高濃度に含有する溶銑を精錬対象としていないことから、一般的に、転炉のような大規模排ガス回収設備を備えておらず、従って、アーク炉での脱炭精錬の場合には、転炉での脱炭精錬に比較して、脱炭反応により生成される、溶銑中炭素と酸素ガスとの反応生成物であるCOガス及びCO2ガスなどからなる排ガス潜熱顕熱が有効に回収されているとはいいがたい。

概要

鉄スクラップを鉄源として溶鋼を製造するにあたり、鉄スクラップを省エネルギーで効率良く溶解するとともに、含有成分の種類及び含有量が様々である鉄スクラップを使用しても不純物の少ない鋼を製造する。鉄スクラップ及び高炉にて製造された溶銑を鉄源としてアーク炉に装入し、該アーク炉にて前記鉄スクラップを溶解して炭素を含有する溶銑を製造し、製造した溶銑をアーク炉から出湯し、出湯した後の溶銑に更に高炉にて製造された溶銑を混合し、混合した後の溶銑を転炉に装入し、該転炉にて酸素吹錬して溶鋼を製造する。

目的

従って、省エネルギー及びCO2削減による地球温暖化防止の観点からも、鉄スクラップ利用の促進が望まれている

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
1件

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請求項1

鉄スクラップ及び高炉にて製造された溶銑鉄源としてアーク炉装入し、該アーク炉にて前記鉄スクラップを溶解して炭素を含有する溶銑を製造し、製造した溶銑をアーク炉から出湯し、出湯した後の溶銑に更に高炉にて製造された溶銑を混合し、混合した後の溶銑を転炉に装入し、該転炉にて酸素吹錬して溶鋼を製造することを特徴とする、鉄スクラップを利用した製鋼方法

請求項2

アーク炉に装入する高炉溶銑配合比率H(H(%)=高炉溶銑配合量×100/(高炉溶銑配合量+鉄スクラップ配合量))を75%以下とすることを特徴とする、請求項1に記載の鉄スクラップを利用した製鋼方法。

請求項3

前記高炉溶銑の配合比率Hを30%以上65%以下とすることを特徴とする、請求項2に記載の鉄スクラップを利用した製鋼方法。

請求項4

アーク炉内に炭材を供給することによって製造される溶銑の炭素濃度を4.0質量%以上に加炭し、その後の転炉での酸素吹錬では、製造される溶鋼トンあたり100kg以上の鉄スクラップを鉄源として併用することを特徴とする、請求項1ないし請求項3の何れか1つに記載の鉄スクラップを利用した製鋼方法。

請求項5

アーク炉から出湯した後の溶銑、または、アーク炉から出湯した後に高炉にて製造された溶銑が混合された溶銑を脱硫処理することを特徴とする、請求項1ないし請求項4の何れか1つに記載の鉄スクラップを利用した製鋼方法。

技術分野

0001

本発明は、含有成分の種類及び含有量が様々である鉄スクラップを有効に活用して不純物の少ない鋼を製造する方法に関し、詳しくは、鉄スクラップと高炉にて製造された溶銑(以下、「高炉溶銑」と記す)とを鉄源としてアーク炉にて溶銑を製造し、製造された前記溶銑に更に高炉溶銑を混合して希釈し、この希釈された溶銑を用いて転炉にて溶鋼を製造する方法に関する。

背景技術

0002

製鋼過程で使用する鉄源は、鉄鉱石を高炉で還元して得られる高炉溶銑が主体であるが、鉄鋼材料の加工工程で発生する鉄スクラップや、建築物及び機械製品などの老朽化に伴って発生する鉄スクラップも、かなりの量が使用されている。鉄鋼製品の製造にあたり、高炉溶銑の製造には、鉄鉱石を還元し且つ溶融するために多大なエネルギーを要するのに対し、鉄スクラップは溶解熱のみを必要としており、製鋼過程で鉄スクラップ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るという利点がある。従って、省エネルギー及びCO2削減による地球温暖化防止の観点からも、鉄スクラップ利用の促進が望まれている。

0003

現在、鉄スクラップは、大部分がアーク炉で消費され、棒鋼形鋼といったいわゆる汎用鋼の製造に使用されている。一方、銑鋼一貫製鉄所では、鉄スクラップを転炉などの製鋼炉直接投入して使用するが、転炉では、鉄スクラップの溶解熱として高炉溶銑に含有される炭素燃焼熱を利用しているため、鉄スクラップの配合比率極端に高めることができない。また、アーク炉及び転炉ともに、鉄源として低級な鉄スクラップを使用すると、製造される溶鋼の成分調整が難しいという問題もある。

0004

鉄源として鉄スクラップが主体のアーク炉においても、更なる生産性の向上及び省エネルギーを図るべく多数の提案がなされており、その中の1つの技術として、鉄源として高炉溶銑を利用し、溶解時間を短縮する或いは電力原単位下げる方法が提案されている。

0005

例えば、特許文献1には、鉄スクラップなどの固体原料をアーク炉に装入するに先立って、アーク炉の排滓口上に仮設溶湯ガイドを設けて湯道を確保し、その後、アーク炉に固体原料を装入して通電を行い、この通電中に前記湯道を介して高炉溶銑をアーク炉内に装入する技術が開示されている。特許文献1によれば、高炉溶銑の配合比率を30質量%程度とすることで、アーク炉の生産性が向上し、消費電力を低減できるとしている。

0006

また、特許文献2には、アーク炉に、鉄スクラップなどの原料とともに、高炉溶銑を全装入物の30〜85質量%の割合で、その装入時期を鉄スクラップ溶解率30〜40%の段階として、炉頂から炉の中心部の鉄スクラップなどの固形原料に囲まれた部分に装入する技術が開示されている。特許文献2によれば、アーク炉の生産性が向上するのみならず、高炉溶銑による希釈効果により鋼中不純物の低下が図られ、低級鉄スクラップでも有効に再利用することが可能になるとしている。

0007

しかしながら、特許文献1及び特許文献2は、溶解した溶銑をアーク炉にて溶鋼(通常炭素濃度は1質量%未満)の段階まで精錬(「脱炭精錬」という)し、精錬後にアーク炉から溶鋼を出湯する技術であり、アーク炉において、炉内の溶銑に多量の酸素ガスを供給して、脱炭精錬を行わねばならず、鉄スクラップの溶解時間以外に、脱炭時間が更に必要になり、一回の溶解・精錬処理に費やす時間は長くなる。また、鉄源として高炉溶銑を併用することから、1回の溶解・精錬処理あたりに溶解される鉄スクラップの量は炉容量に比較して少なく、脱炭精錬により精錬時間が長くなることを考えると、必ずしも単位時間あたりの鉄スクラップの溶解量が増加するわけではない。これらから判断すれば、鉄スクラップを鉄源として大量に消費することは困難であるといわざるを得ない。

0008

また更に、アーク炉は、本来、炭素を高濃度に含有する溶銑を精錬対象としていないことから、一般的に、転炉のような大規模排ガス回収設備を備えておらず、従って、アーク炉での脱炭精錬の場合には、転炉での脱炭精錬に比較して、脱炭反応により生成される、溶銑中炭素と酸素ガスとの反応生成物であるCOガス及びCO2ガスなどからなる排ガス潜熱顕熱が有効に回収されているとはいいがたい。

先行技術

0009

特開平6−41627号公報
特開平8−109408号公報

発明が解決しようとする課題

0010

鉄スクラップを省エネルギーで効率的に溶解する手段として、上記のように、アーク炉に高炉溶銑を配合して鉄スクラップを溶解する技術があるが、上記従来技術では、アーク炉で脱炭精錬を行っており、この脱炭精錬のための処理時間に起因して、鉄スクラップの溶解能が低下することによる生産性の悪化や、脱炭精錬時の排ガス中の潜熱・顕熱を有効に回収することができないという問題点がある。

0011

更に、近年、鋼の品質特性に対する要求が厳しくなり、銅、錫などのトランプエレメントの濃度低減の要求も高くなっているが、逆に、鉄スクラップ市場では、国内での鉄スクラップ備蓄量の増加に伴い、老廃屑中のトランプエレメントの濃度が高く推移してきており、鉄スクラップを鉄源とする場合には、鉄鋼製品の品質を確保するのが非常に厳しい状況下にある。

0012

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、鉄スクラップを鉄源として溶鋼を製造するにあたり、鉄スクラップを省エネルギーで効率良く溶解するとともに、含有成分の種類及び含有量が様々である鉄スクラップを使用しても不純物の少ない鋼を製造することのできる、鉄スクラップを利用した製鋼方法を提供することである。

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第1の発明に係る鉄スクラップを利用した製鋼方法は、鉄スクラップ及び高炉にて製造された溶銑を鉄源としてアーク炉に装入し、該アーク炉にて前記鉄スクラップを溶解して炭素を含有する溶銑を製造し、製造した溶銑をアーク炉から出湯し、出湯した後の溶銑に更に高炉にて製造された溶銑を混合し、混合した後の溶銑を転炉に装入し、該転炉にて酸素吹錬して溶鋼を製造することを特徴とする。

0014

第2の発明に係る鉄スクラップを利用した製鋼方法は、第1の発明において、アーク炉に装入する高炉溶銑の配合比率H(H(%)=高炉溶銑配合量×100/(高炉溶銑配合量+鉄スクラップ配合量))を75%以下とすることを特徴とする。

0015

第3の発明に係る鉄スクラップを利用した製鋼方法は、第2の発明において、前記高炉溶銑の配合比率Hを30%以上65%以下とすることを特徴とする。

0016

第4の発明に係る鉄スクラップを利用した製鋼方法は、第1ないし第3の発明の何れかにおいて、アーク炉内に炭材を供給することによって製造される溶銑の炭素濃度を4.0質量%以上に加炭し、その後の転炉での酸素吹錬では、製造される溶鋼トンあたり100kg以上の鉄スクラップを鉄源として併用することを特徴とする。

0017

第5の発明に係る鉄スクラップを利用した製鋼方法は、第1ないし第4の発明の何れかにおいて、アーク炉から出湯した後の溶銑、または、アーク炉から出湯した後に高炉にて製造された溶銑が混合された溶銑を脱硫処理することを特徴とする。

発明の効果

0018

本発明によれば、アーク炉では、鉄源として高炉溶銑を併用して鉄スクラップを溶解し、そして、この溶解によって生成した溶銑を脱炭精錬することなく出湯するので、単位時間当たりの鉄スクラップ溶解量が増大し、省エネルギー且つ効率的に鉄スクラップを溶解することが実現され、また、出湯した溶銑を高炉溶銑と混合し、混合した後に転炉での酸素吹錬つまり脱炭精錬を実施するので、含有成分の種類及び含有量が様々である鉄スクラップを使用しても、高炉溶銑で希釈され、不純物の少ない鋼を製造することが実現されると同時に、高炉溶銑を精錬対象とする転炉には排ガス回収設備が備えられていることから、脱炭精錬時の排ガス中の潜熱・顕熱を有効に回収することが可能となる。

図面の簡単な説明

0019

アーク炉において、高炉溶銑を利用して鉄スクラップを溶解する例を示す概略図である。
高炉溶銑の配合比率Hと鉄スクラップ溶解能力との関係を示す図である。

0020

以下、本発明を詳細に説明する。

0021

本発明者らは、大量の鉄スクラップを省エネルギーで効率良く溶解するとともに、含有成分の種類及び含有量が様々である鉄スクラップを使用しても不純物の少ない鋼を製造する方法について検討を重ねた。以下に検討結果を説明する。

0022

鉄スクラップを溶解する手段としては、アーク炉を用いる方法が一般的であるが、アーク炉においては、鉄スクラップが溶け始めて液体になるまでの投入エネルギー着熱効率は低い。そこで、これを改善するために、鉄スクラップを溶解して製造した、前チャージの溶鋼の一部をアーク炉内に残し、次回装入の鉄スクラップの熱効率を高める方法も行われている。従って、近接して高炉を有するアーク炉においては、高炉溶銑をアーク炉に装入して、鉄スクラップ溶解用電力を削減する方法も実用化されている。但し、従来、アーク炉にて炭素濃度の低い溶鋼の段階まで精錬しており、つまり、アーク炉内の溶湯に酸素ガスを供給して脱炭精錬を実施しており、この脱炭精錬に時間を費やし、鉄スクラップ溶解の生産性は、高炉溶銑と鉄スクラップとの配合比最適値が決まることになる。

0023

一方、鉄スクラップ中に混入する銅、錫などのトランプエレメントは、アーク炉や転炉などの現在の製鋼工程ではほとんど除去されず、鉄スクラップに混入している濃度で溶鋼中の成分が決定される。高炉溶銑はこれらのトランプエレメントの含有量が少なく、従って、高炉溶銑を併用することにより、これらトランプエレメントの濃度を希釈することができるので、高炉溶銑を併用するメリットは大きい。但し、アーク炉での高炉溶銑の配合比率Hが大きい場合には、トランプエレメントの希釈効果は大きいが、生成する溶湯の炭素濃度が高くなり、これに伴って、その後の脱炭精錬時間が延長されることから、高炉溶銑の配合比率Hは自ずと制限されることになる。

0024

これらの検討結果から、上記課題を解決するためには、高炉溶銑をアーク炉に装入し、高炉溶銑の熱を利用して鉄スクラップを溶解し、この溶解によって生成される溶銑(以下、「アーク炉溶銑」と記す)に脱炭精錬を施すことなく、炭素濃度の高い溶銑状態のままアーク炉から出湯し、出湯後のアーク炉溶銑に更に高炉溶銑を混合し、混合したものを転炉で酸素吹錬して溶鋼とすることが有効であることが分かった。

0025

即ち、アーク炉で高炉溶銑を使用することにより鉄スクラップを溶解する際の高い熱効率を享受でき、また、アーク炉内では脱炭精錬を行わないので1回の処理時間が短縮でき、更に、出湯した後にアーク炉で溶製したアーク炉溶銑に新たな高炉溶銑を混合することで、トランプエレメントの濃度を更に希釈することが可能となる。尚、アーク炉から出湯されるアーク炉溶銑は炭素濃度の高い溶銑であり、溶鋼とは異なり、新たな高炉溶銑と混合する際に発生する発塵の量は少なく、COボイリングによる溶湯の突沸が防止できる。

0026

本発明は、このような知見に基づきなされたものであり、鉄スクラップ及び高炉溶銑を鉄源としてアーク炉に装入し、アーク炉にて前記鉄スクラップを溶解して炭素を含有するアーク炉溶銑を製造し、製造したアーク炉溶銑をアーク炉から出湯し、出湯した後のアーク炉溶銑に更に高炉溶銑を混合し、混合した後の溶銑(アーク炉溶銑+高炉溶銑)を転炉に装入し、該転炉にて酸素吹錬して溶鋼を製造することを特徴とする。

0027

以下に、工程に沿って本発明を説明する。

0028

図1は、アーク炉において、高炉溶銑を利用して鉄スクラップを溶解する1例を示す概略図であり、図1において、符号1は直流式アーク炉、2は溶解室、3は炉蓋、4は上部電極、5は炉底電極、6は溶銑装入、7は高炉溶銑を収容する装入、8はクレーン、9は高炉溶銑、10は出湯口、11は酸素ガス供給ランス、12は炭材供給ランス、13は鉄スクラップである。

0029

炉蓋3を外して溶解室2の内部に鉄スクラップ13を装入し、鉄スクラップ13の装入後、直流式アーク炉1の側壁を貫通して設置される溶銑装入樋6を介して、クレーン8で吊り上げられた装入鍋7から高炉溶銑9を溶解室2に装入する。所定量の高炉溶銑9が装入されたら、装入鍋7からの高炉溶銑9の供給を終え、上部電極4と炉底電極5との間に直流電流給電し、上部電極4と炉底電極5との間、または、装入された鉄スクラップ13と上部電極4との間でアークを発生させる。そして、発生するアーク熱により鉄スクラップ13を溶解してアーク炉溶銑(図示せず)を生成させる。1回の装入では所定量の鉄スクラップ13を装入できない場合には、鉄スクラップ13の溶解が或る程度進行した後に、溶解室内に鉄スクラップ13を追装することもできる。

0030

アーク炉溶銑を製造する際に、鉄スクラップ13を効率的に溶解するために、高炉溶銑9の配合比率Hを75%以下、望ましくは30%以上65%以下とすることが好ましい。尚、高炉溶銑9の配合比率Hは、「H(%)=高炉溶銑配合量×100/(高炉溶銑配合量+鉄スクラップ配合量)」で定義される値である。

0031

この場合、アーク炉溶銑の生成に伴って、生石灰などのフラックスを溶解室2に装入して溶融スラグをアーク炉溶銑の上に形成させ、アーク炉溶銑の酸化を防止するとともに保温を図ることが好ましい。また、通電後、酸素ガス供給ランス11及び炭材供給ランス12の溶解室内への挿入が可能となったなら、酸素ガス供給ランス11から酸素ガスを、また、炭材供給ランス12から、コークス石炭黒鉛などの炭材を、溶解室内の溶融鉄または溶融スラグに向けて吹き付けることが好ましい。吹き付けられた炭材は、吹き付けられた酸素ガスと反応して燃焼熱を発生し、補助熱源として作用して電力使用量を節約する。尚、炭材は、アーク炉溶銑の炭素濃度を高める役割を担うので、供給される酸素ガスの化学当量よりも多い量の炭材を供給することが好ましい。

0032

溶解室内に所定量のアーク炉溶銑が溜まったなら、傾動装置(図示せず)により溶解室2を出湯口10の側へ傾動させ、出湯口10からアーク炉溶銑を取鍋などの保持容器(図示せず)へ出湯する。出湯後、新たに鉄スクラップ13及び高炉溶銑9を溶解室2に装入し、次回ヒートの溶解を開始する。

0033

アーク炉から出湯されるアーク炉溶銑の炭素濃度が高いほど、後工程の転炉精錬工程での熱余裕が高くなる、つまり、後工程の転炉での酸素吹錬工程において、鉄スクラップの配合比率を高くすることが可能となる。上記のように、高炉溶銑の存在する条件下で鉄スクラップを溶解すると、溶解により生成した溶融鉄は高炉溶銑と混合して高炉溶銑の炭素濃度を希釈する。従って、この希釈分を補うように、生成されるアーク炉溶銑に、炭材供給ランス12からコークス、石炭、黒鉛などの炭材を吹き付け添加しながら、鉄スクラップの溶解を行うことが好ましい。この場合、炭材添加によるアーク炉溶銑の加炭は、鉄スクラップの溶解期間のみで十分であり、加炭のために処理時間を延長する必要はない。前述したように、酸素ガスを供給する場合には、加炭のためには、供給される酸素ガスの化学当量よりも多い量の炭材を供給することが必要となる。

0034

本発明においては、アーク炉からの出湯後、鉄スクラップにより持ち来たされる、アーク炉溶銑のトランプエレメントの濃度を希釈するために、出湯されたアーク炉溶銑に高炉溶銑を混合する。

0035

ところで、コークスや石炭は、硫黄を0.1質量%以上(コークスの例でいえば0.5〜0.7質量%)含有しており、アーク炉でこれらの炭材を使用することによってアーク炉溶銑の硫黄濃度が上昇する。従って、アーク炉から出湯した後のアーク炉溶銑、或いは、アーク炉溶銑に高炉溶銑を混合した後の溶銑(アーク炉溶銑+高炉溶銑:以下「混合溶銑」と記す)に脱硫処理を施すことが好ましい。

0036

この脱硫処理は、CaO−Mg系フラックスを主体とした脱硫剤を、ランスを介してインジェクションする方法など、各種の脱硫処理が適用可能であるが、特に、脱硫剤として生石灰を使用し、回転するインペラで、脱硫剤と、アーク炉溶銑或いは混合溶銑とを機械撹拌する、いわゆる機械撹拌式脱硫装置で脱硫処理することが好適である。脱硫処理後のこれら溶銑中の硫黄濃度は、0.002〜0.010質量%程度を目標とすれば十分である。

0037

尚、高炉溶銑と混合する前のアーク炉溶銑に対して脱硫処理を行う場合には、脱硫処理後に混合する高炉溶銑は脱硫処理が施されたものを使用する。また、脱硫処理後のアーク炉溶銑に高炉溶銑が混合された混合溶銑、或いはアーク炉溶銑と高炉溶銑との混合後に脱硫処理が施された混合溶銑に対して、更に、必要に応じて脱燐処理を行うことも可能である。

0038

脱硫処理、好ましくは更に脱燐処理の施された混合溶銑を転炉に装入し、該転炉にて上吹きランス或いは底吹きノズルからの酸素吹錬を実施し、混合溶銑中の炭素及び燐を酸化除去して混合溶銑から溶鋼を製造する。

0039

転炉での酸素吹錬では、混合溶銑中の炭素は酸素と結びつきCOガスとして除去されるが、転炉の排ガス回収設備により、COガスの潜熱をエネルギーとして回収することができる。従来のアーク炉で脱炭精錬して溶鋼を製造する場合には、アーク炉には、転炉のような排ガス回収設備は、設備費が莫大なために一般的には設置されておらず、可能な場合でもCOガスの潜熱・顕熱を蒸気エネルギーとして回収する程度であり、回収するエネルギー効率は低い。

0040

更に、転炉で脱炭精錬する際には、主に脱炭反応による発熱で溶湯の温度を上昇させるが、発熱量は混合溶銑中の炭素濃度に比例するため、混合溶銑の炭素濃度が高い場合には、鉄スクラップなどの冷鉄源を溶解することが可能となる。例えば、排ガスからのCOガス回収を前提とする通常の転炉精錬法においては、装入時の混合溶銑の炭素濃度が4.5質量%の場合には、1300℃の混合溶銑を1600℃以上の溶鋼になるまでの温度上昇分の熱量と、更に混合溶銑の質量に対して10質量%程度の質量の常温の鉄スクラップを溶解できる熱余裕があるが、装入時の混合溶銑の炭素濃度が3.0質量%程度では、混合溶銑を昇熱する熱量分しかなく、鉄スクラップをほとんど溶解することはできない。

0041

因みに、加炭してアーク炉溶銑の炭素濃度を4.0質量%以上に確保することで、その後に該アーク炉溶銑に混合する高炉溶銑の炭素濃度を4.5質量%程度とすれば、転炉での酸素吹錬では、製造される溶鋼トンあたり100kg以上の鉄スクラップを併用可能なことを本発明者らは確認している。

0042

本発明では、鉄スクラップをアーク炉で溶解する際に、高炉溶銑を鉄源として併用するので、高炉溶銑中の炭素によって生成されるアーク炉溶銑の炭素濃度が高くなり、また、溶解中に炭材を添加することでアーク炉溶銑の炭素濃度を高めることが可能であるため、混合溶銑の炭素濃度が高く、転炉において更に鉄スクラップを溶解できる能力がある。

0043

以上説明したように、本発明によれば、アーク炉では、鉄源として高炉溶銑を併用して鉄スクラップを溶解し、そして、この溶解によって生成した溶銑を脱炭精錬することなく出湯するので、単位時間当たりの鉄スクラップ溶解量が増大し、省エネルギー且つ効率的に鉄スクラップを溶解することが実現され、また、出湯した溶銑を高炉溶銑と混合し、混合した後に転炉での酸素吹錬つまり脱炭精錬を実施するので、含有成分の種類及び含有量が様々である鉄スクラップを使用しても、高炉溶銑で希釈され、不純物の少ない鋼を製造することが実現されると同時に、高炉溶銑を精錬対象とする転炉には排ガス回収設備が備えられていることから、脱炭精錬時の排ガス中の潜熱・顕熱を有効に回収することが可能となる。

0044

尚、図1に示すアーク炉は、直流式アーク炉であるが、交流式アーク炉を用いても全く支障なく本発明を適用することができる。また、加炭材バイオマス原料を用いる方法は、バイオマスカーボンニュートラルであることから地球温暖化の原因の一つである二酸化炭素の排出量を低減でき、地球温暖化の観点からは炭材としてバイオマス原料を用いることが好ましい。また更に、加炭の方法は、ランスからの上吹き投射で実施しているが、上方からの浴中へのインジェクションでも構わず、また、炉底に専用のノズルを埋設して、底吹きインジェクションでも構わない。設備投資及び効率のバランスにより、最適な設備で実施すればよい。更にまた、アーク炉自体も図1に示す型式に限ることはなく、鉄スクラップを予熱するための予熱室を有する型式のアーク炉であっても何ら支障がない。

0045

以下、本発明を実施例により詳細に説明する。

0046

[本発明例1]
図1に示す、炉径6m、高さ4m、炉容量140トン、トランス容量100MVAのアーク炉に、装入鍋を介して約70トンの高炉溶銑を装入し、その後、鉄スクラップを同じく約70トン装入した。黒鉛製の上部電極に通電して溶解を開始するとともに、酸素ガス供給ランスから酸素ガスを5000Nm3/h、炭材供給ランスからコークスを90kg/minの供給速度でアーク炉内に上吹き添加した。鉄スクラップが全量溶解するまでに、約30分間を費やし、生成されたアーク炉溶銑(高炉溶銑と鉄スクラップとの合計の質量)における炭材原単位、酸素ガス原単位、電力原単位は、それぞれ、20kg/t、19Nm3/t、170kWh/tであった。

0047

生成した約140トンのアーク炉溶銑を、事前に約70トンの高炉溶銑を受銑していた高炉鍋に、アーク炉の出湯口から出湯して高炉溶銑と混合した。尚、アーク炉からの出湯時のアーク炉溶銑の炭素濃度は、2.3質量%、温度は1398℃であり、混合用の高炉溶銑の炭素濃度は4.5質量%、温度は1400℃であった。その後、この混合した溶銑を溶銑鍋に装入し、この溶銑鍋に更に新しい約140トンの高炉溶銑(炭素濃度:4.5質量%、温度:1400℃)を装入して約350トンの混合溶銑を得た。

0048

この混合溶銑を脱硫するために、溶銑鍋の上方から溶湯攪拌用のインペラを混合溶銑に浸漬させ、石灰を主体とした脱硫剤を装入(装入量=8kg/溶銑−t)し、10分間、インペラで混合溶銑及び脱硫剤を攪拌して脱硫処理した。脱硫処理後の混合溶銑の硫黄濃度は0.002質量%であった。

0049

脱硫処理後の混合溶銑を転炉に装入し、底吹きノズルを介して0.1Nm3/(min・溶銑−t)の流量の窒素ガス、Arガスを流しながら、上吹きランスより流量60000Nm3/hで酸素ガスを13分間供給して脱炭精錬を行った。脱炭精錬終了時の溶鋼の炭素濃度は0.04質量%、温度は1630℃であり、銅濃度は0.05質量%であった。その後、溶鋼を取鍋に出湯し、連続鋳造機スラブ鋳片に鋳造した。

0050

[本発明例2]
本発明例1で使用したアーク炉と同一のアーク炉を使用して、本発明を実施した。本発明例2は、上記の本発明例1に比較してアーク炉溶銑の炭素濃度を高めるために、アーク炉での溶解時の炭材の供給量を増加させた試験である。

0051

アーク炉に、装入鍋を介して約70トンの高炉溶銑を装入し、その後、約70トンの鉄スクラップを装入した。上部電極に通電して溶解を開始するとともに、酸素ガス供給ランスから酸素ガスを5000Nm3/h、炭材供給ランスからコークスを110kg/minの供給速度でアーク炉内に上吹き添加した。鉄スクラップが全量溶解するまでに、約30分間を費やし、生成されたアーク炉溶銑(高炉溶銑と鉄スクラップとの合計の質量)における炭材原単位、酸素ガス原単位、電力原単位は、それぞれ、25kg/t、19Nm3/t、171kWh/tであった。

0052

生成した約140トンのアーク炉溶銑を、事前に約70トンの高炉溶銑を受銑していた高炉鍋に、アーク炉の出湯口から出湯して高炉溶銑と混合した。尚、アーク炉からの出湯時のアーク炉溶銑の炭素濃度は、3.1質量%、温度は1402℃であり、混合用の高炉溶銑の炭素濃度は4.5質量%、温度は1400℃であった。その後、この混合した溶銑を溶銑鍋に装入し、この溶銑鍋に更に新しい約140トンの高炉溶銑(炭素濃度:4.5質量%、温度:1400℃)を装入して約350トンの混合溶銑を得た。この混合溶銑に対して、本発明例1と同一の方法で脱硫処理を実施した。

0053

転炉では、この脱硫処理後の混合溶銑を用いて脱炭精錬を行うにあたり、転炉内に、製造される溶鋼トンあたり40kgの鉄スクラップを予め装入した後、脱硫後の混合溶銑を装入し、本発明例1に準じて脱炭精錬を実施した。脱炭精錬終了時の溶鋼の炭素濃度は0.04質量%、温度は1630℃であり、銅濃度は0.05質量%であった。その後、溶鋼を取鍋に出湯し、連続鋳造機でスラブ鋳片に鋳造した。

0054

[本発明例3]
本発明例1で使用したアーク炉と同一のアーク炉を使用して、本発明を実施した。本発明例3は、上記の本発明例2に比較してアーク炉溶銑の炭素濃度を更に高めるために、アーク炉での溶解時の炭材の供給量を増加させた試験である。

0055

アーク炉に、装入鍋を介して約70トンの高炉溶銑を装入し、その後、約70トンの鉄スクラップを装入した。上部電極に通電して溶解を開始するとともに、酸素ガス供給ランスから酸素ガスを5000Nm3/h、炭材供給ランスからコークスを140kg/minの供給速度でアーク炉内に上吹き添加した。鉄スクラップが全量溶解するまでに、約30分間を費やし、生成されたアーク炉溶銑(高炉溶銑と鉄スクラップとの合計の質量)における炭材原単位、酸素ガス原単位、電力原単位は、それぞれ、30kg/t、19Nm3/t、172kWh/tであった。

0056

生成した約140トンのアーク炉溶銑を、事前に約70トンの高炉溶銑を受銑していた高炉鍋に、アーク炉の出湯口から出湯して高炉溶銑と混合した。尚、アーク炉からの出湯時のアーク炉溶銑の炭素濃度は、4.5質量%、温度は1401℃であり、混合用の高炉溶銑の炭素濃度は4.5質量%、温度は1400℃であった。その後、この混合した溶銑を溶銑鍋に装入し、この溶銑鍋に更に新しい約140トンの高炉溶銑(炭素濃度:4.5質量%、温度:1400℃)を装入して約350トンの混合溶銑を得た。この混合溶銑に対して、本発明例1と同一の方法で脱硫処理を実施した。

0057

転炉では、この脱硫処理後の混合溶銑を用いて脱炭精錬を行うにあたり、転炉内に製造される溶鋼トンあたり120kgの鉄スクラップを予め装入した後、脱硫後の混合溶銑を装入し、本発明例1に準じて脱炭精錬を実施した。脱炭精錬終了時の溶鋼の炭素濃度は0.04質量%、温度は1630℃であり、銅濃度は0.04質量%であった。その後、溶鋼を取鍋に出湯し、連続鋳造機でスラブ鋳片に鋳造した。

0058

このようにアーク炉でアーク炉溶銑の炭素含有量を高めることにより、転炉での熱余裕が拡大し、転炉内で更に鉄スクラップを溶解することができるようになり、アーク炉での出湯時の炭素濃度を4.0質量%以上とすることで、転炉脱炭精錬では鉄スクラップを製造される溶鋼トンあたり100kg以上溶解できることが確認された。

0059

[比較例]
本発明例1で使用したアーク炉に約140トンの鉄スクラップを装入し、上部電極に通電して溶解を開始するとともに、酸素ガス供給ランスから酸素ガスを3500Nm3/h、炭材供給ランスからコークスを60kg/minの供給速度でアーク炉内に上吹き添加した。鉄スクラップが全量溶解するまでに、約45分間を費やし、生成された溶融鉄における炭材原単位、酸素ガス原単位、電力原単位は、それぞれ、20kg/t、19Nm3/t、370kWh/tであった。

0060

生成した約140トンの溶融鉄を取鍋に出湯した。アーク炉からの出湯時の溶融鉄の炭素濃度は、0.1質量%、温度は1610℃、銅濃度は0.22質量%であった。その後、この溶融鉄(溶鋼)をLF設備(取鍋精錬設備)で脱硫処理を実施し、脱硫処理後の溶鋼を連続鋳造機でブルーム鋳片に鋳造した。

0061

表1に、本発明例1〜3及び比較例の操業結果を示す。

0062

0063

表1に示すように、本発明により、短時間で且つ少ない電力原単位で鉄スクラップを溶解することが可能となり、しかも、製造される溶鋼は銅濃度が低く、鉄スクラップを高級鋼の鉄源として利用することが実現された。また、アーク炉にて加炭することで、転炉においても鉄スクラップを配合することが可能となり、省エネルギーのみならずCO2削減による地球温暖化防止も達成されることが確認できた。

0064

尚、本発明は上記発明例の範囲に限定されることはなく、種々の変更が可能である。例えば、上記発明例では、アーク炉に装入する高炉溶銑と鉄スクラップとの配合比が1:1であったが、この比は使用する鉄スクラップの純度や目標とする生産性に基づいて最適な値を選択すればよい。また、鉄スクラップの溶解時にアーク炉内に酸素ガスを供給しているが、酸素ガスを添加しない場合には、炭材の燃焼による電力量の低減化を得ることはできず、出湯から出湯までの時間が長くなるものの、生産性と処理コストとの兼ね合いに基づいて酸素ガスの使用を決定すればよい。

0065

実施例1で使用したアーク炉と同一のアーク炉を使用して、本発明を実施した。本実施例は、上記の実施例1に比較してアーク炉溶銑製造時の高炉溶銑の配合比率Hを変更させた試験である。

0066

装入鍋を介してアーク炉に装入する高炉溶銑の装入量を変更し、その後に装入する鉄スクラップを併せて、合計140トンとなるように行った。溶銑を使用しない場合は、実施例1の比較例の場合であり、この場合には、鉄スクラップが全量溶解するまでに45分間を費やした。溶銑配合比率Hを変更させて、アーク炉の鉄スクラップ溶解能力を比較した。溶解能力は、溶銑の装入時間、鉄スクラップの溶解時間並びに出湯・排滓時間の合計で決まり、合計時間が短いほど溶解能力が大きい。溶銑を装入する時間は、溶銑装入樋の断面積が大きいために溶銑量に余り依存しないが、鉄スクラップの装入量が多くなるほど電力原単位が多くなるので、鉄スクラップを溶解する時間は長くなる。また、出湯・排滓時間は、出湯量が一定であるために、溶銑配合比率Hには依存しない。

0067

高炉溶銑の配合比率Hと鉄スクラップ溶解能力との関係を図2に示す。図2では、高炉溶銑を配合しない、鉄スクラップ100%の場合の溶解能力を1.0として指数化している。図2に示すように、高炉溶銑を75%まで配合することで、鉄スクラップの溶解能力が向上し、特に配合比率Hが、30%から65%までの範囲で溶解能力指数が1.1倍を超えており、その効果が大きいことが分かった。

実施例

0068

高炉溶銑を使用することで、電力原単位の低下による通電時間の短縮と高炉溶銑からの着熱効率が向上することによるためである。しかし、配合比率Hが50%を超えたあたりから効果が減少し、75%を超えると溶解能力が1.0未満となった。これは、配合比率Hが多くなり過ぎると、1回の溶解時に溶解する鉄スクラップ量が減少し、溶解時間は短縮するものの、装入時間や出湯・排滓時間は変わらないため、鉄スクラップトンあたりの時間は増加するためである。

0069

1直流式アーク炉
2溶解室
3炉蓋
4 上部電極
5炉底電極
6溶銑装入樋
7装入鍋
8クレーン
9高炉溶銑
10出湯口
11酸素ガス供給ランス
12炭材供給ランス
13 鉄スクラップ

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