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技術 ステンレス鋼の製造方法

出願人 日本冶金工業株式会社
発明者 小林祐介阿比留裕輔轟秀和
出願日 2014年6月23日 (6年0ヶ月経過) 出願番号 2014-128645
公開日 2016年1月18日 (4年5ヶ月経過) 公開番号 2016-008317
状態 特許登録済
技術分野 銑鉄の精製;鋳鉄の製造;転炉法以外の製鋼
主要キーワード 本発明ステンレス鋼 大気層 ステンレス鋼スクラップ 大気酸化 オーバーフロー発生 周辺設備 成分領域 CO反応
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2016年1月18日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (5)

課題

ステンレス鋼の製造方法において、溶製した合金溶湯およびスラグ取鍋注ぐ際に発生するスラグボイルを防止する。

解決手段

ステンレス鋼の製造にあたり、電気炉にて合金溶湯およびスラグを溶製し、電気炉から取鍋へ前記合金溶湯およびスラグを出鋼する際に、前記合金溶湯はC:1〜4%、Si:0.1〜1%に調節され、スラグ成分は(CaO+SiO2):60〜80%、塩基度(CaO/SiO2):0.5〜1.2、MgO:10〜30%に調節されていることを特徴とするステンレス鋼の製造方法。

概要

背景

ステンレス鋼の製造は、電気炉にてスクラップ、Fe−Cr、Fe−Niなどの原料を溶解し、その後、AODあるいはVODにて脱炭、Cr還元脱硫することで製造することが一般的である。Fe−Crは炭素濃度が高いために、溶解後の溶鋼中C濃度は1〜4%となる。電気炉で溶解する際に、スラグ中Cr酸化物が存在すると、溶鋼中のCとスラグ中のCr酸化物が反応してCOガスを発生させ沸騰スラグボイル現象を起こす。特に、溶鋼とスラグが混合された場合には、反応が起こる両者の界面が増大し、スラグボイルが激しくなり、取鍋からスラグがオーバーフローする問題があった。

現在までに、ステンレス鋼の電気炉操業では、スラグ中のCr酸化物濃度を低下させて、Crロスを極力抑えるといった改善はなされてきた(例えば、特許文献1参照)。

また、電気炉スラグ塩基度(mass%CaO/mass%SiO2比率)を適正にして脱硫能力を確保する技術開発はなされてきた(例えば、特許文献2参照)。

概要

ステンレス鋼の製造方法において、溶製した合金溶湯およびスラグを取鍋に注ぐ際に発生するスラグボイルを防止する。ステンレス鋼の製造にあたり、電気炉にて合金溶湯およびスラグを溶製し、電気炉から取鍋へ前記合金溶湯およびスラグを出鋼する際に、前記合金溶湯はC:1〜4%、Si:0.1〜1%に調節され、スラグ成分は(CaO+SiO2):60〜80%、塩基度(CaO/SiO2):0.5〜1.2、MgO:10〜30%に調節されていることを特徴とするステンレス鋼の製造方法。

目的

本発明では、電気炉でのスラグの塩基度および合金溶湯のSi濃度を適正値に制御することで、溶製した合金溶湯を取鍋に注ぐ際に発生するスラグボイルを防止するステンレス鋼の製造方法を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

ステンレス鋼の製造にあたり、電気炉にて合金溶湯およびスラグを溶製し、電気炉から取鍋へ前記合金溶湯およびスラグを出鋼する際に、前記合金溶湯はC:1〜4%、Si:0.1〜1%に調節され、前記スラグ成分は(CaO+SiO2):60〜80%、塩基度(CaO/SiO2):0.5〜1.2、MgO:10〜30%に調節されていることを特徴とするステンレス鋼の製造方法。

請求項2

1500℃において前記スラグの粘度が5P(0.5Pa・s)以下であることを特徴とする請求項1に記載のステンレス鋼の製造方法。

請求項3

前記スラグ成分としてFeOとCr2O3濃度の合計を10%以下とすることを特徴とする請求項1または2に記載のステンレス鋼の製造方法。

請求項4

スラグ塩基度CaO/SiO2≦−0.1×ln(合金溶湯Si%−0.1)+0.6を満たすように前記スラグの塩基度および前記合金溶湯Si濃度を制御することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のステンレス鋼の製造方法。

技術分野

0001

本発明は、ステンレス鋼の製造方法に係るものであり、電気炉にてスラグ塩基度および合金溶湯Si濃度を適正値に制御することで、溶製した合金溶湯を取鍋注ぐ際に発生するスラグボイルを防止する技術に関する。

背景技術

0002

ステンレス鋼の製造は、電気炉にてスクラップ、Fe−Cr、Fe−Niなどの原料を溶解し、その後、AODあるいはVODにて脱炭、Cr還元脱硫することで製造することが一般的である。Fe−Crは炭素濃度が高いために、溶解後の溶鋼中C濃度は1〜4%となる。電気炉で溶解する際に、スラグ中Cr酸化物が存在すると、溶鋼中のCとスラグ中のCr酸化物が反応してCOガスを発生させ沸騰(スラグボイル)現象を起こす。特に、溶鋼とスラグが混合された場合には、反応が起こる両者の界面が増大し、スラグボイルが激しくなり、取鍋からスラグがオーバーフローする問題があった。

0003

現在までに、ステンレス鋼の電気炉操業では、スラグ中のCr酸化物濃度を低下させて、Crロスを極力抑えるといった改善はなされてきた(例えば、特許文献1参照)。

0004

また、電気炉スラグの塩基度(mass%CaO/mass%SiO2比率)を適正にして脱硫能力を確保する技術開発はなされてきた(例えば、特許文献2参照)。

0005

特開平7−62413号公報
特開平9−137213号公報

先行技術

0006

しかしながら、溶鋼中のCとスラグ中のCr酸化物が反応してCOガスを発生させるスラグボイル現象は解決したとは言い難かった。

発明が解決しようとする課題

0007

上述のステンレス鋼の製造方法を詳述すると、原料をまず電気炉で溶解する。ここに石灰投入して、昇温時に生成した酸化物を滓化し、合金溶湯の保温性を高めると共に、大気酸化を防止する役目を持つスラグを形成させた後、合金溶湯を取鍋に注ぎ、後の精錬工程に運ぶ。このスラグを伴う合金溶湯を取鍋に注いでいる最中に鍋内でスラグが発泡して沸き上がるスラグボイルという現象が起きる。スラグがの外に溢れ出すと周辺設備故障火災に繋がるため、大変危険である。従って、注湯中にスラグボイルが発生したら沈静化するまで注湯作業を停止するしかないため、大幅な操業遅延による製造コストの増加を招く。また、スラグを除去して注湯すると、取鍋で多量の造滓剤を投入することになり、多大なコストがかかるのと同時に、造滓剤の溶解に熱を大きく奪われるため、合金溶湯の温度が大幅に低下し表層部が凝固してしまう。

0008

そこで、本発明では、電気炉でのスラグの塩基度および合金溶湯のSi濃度を適正値に制御することで、溶製した合金溶湯を取鍋に注ぐ際に発生するスラグボイルを防止するステンレス鋼の製造方法を提供することを目的としている。

課題を解決するための手段

0009

本発明は、上記状況に鑑みてなされたものであり、本発明のステンレス鋼の製造方法は、電気炉にて合金溶湯およびスラグを溶製し、電気炉から取鍋へ合金溶湯およびスラグを出鋼する際に、合金溶湯はC:1〜4%、Si:0.1〜1%に調節され、スラグ成分は(CaO+SiO2):60〜80%、塩基度(CaO/SiO2):0.5〜1.2、MgO:10〜30%に調節されていることを特徴としている。

0010

本発明においては、1500℃においてスラグの粘度が5P(0.5Pa・s)以下であることを好ましい態様としている。

0011

本発明においては、スラグ成分としてFeOとCr2O3濃度の合計を10%以下とすることを好ましい態様としている。

0012

本発明においては、スラグ塩基度CaO/SiO2≦−0.1×ln(合金溶湯Si%−0.1)+0.6
を満たすようにスラグの塩基度および合金溶湯Si濃度を制御することを好ましい態様としている。

発明の効果

0013

本発明によれば、成分が適正に調整されたスラグによって、COガスの発生が抑制され、また、僅かに発生するCOガスは速やかにスラグを通過して系外に排出されるので、スラグボイルの発生を防ぐことができるという効果を奏する。

図面の簡単な説明

0014

本発明のステンレス鋼の製造方法における工程を示す模式図である。
本発明における合金溶湯とスラグを電気炉から取鍋に出鋼する工程を示す模式図である。
合金溶湯とスラグの界面で生じるCOガス発生反応を示す模式図である。
実施例および比較例におけるスラグ塩基度と合金溶湯Si濃度の関係を示すグラフである。

0015

本発明者らは、上記課題の解決に向けて、ボイルしたスラグを詳細に観察すると共に、スラグボイル発生に与える種々の影響因子について、実操業データの詳細解析を行い、発生機構および発生条件について鋭意検討を行った。その結果、下記(1)および(2)式にあるように、昇温時に原料中Cr、Feが酸化して不可避的に生成したCr2O3、FeOが酸化源となり、合金溶湯中Cと反応してCOガスが発生することがスラグボイルの主原因であることが判明した。

0016

そして、電気炉を傾動し取鍋に注湯する際の攪拌によってメタル/スラグ界面の反応が促進され、反応過程で発生したCOガスがスラグから気相へ抜けずにスラグを泡立たせ、スラグ界面を上昇させることで、スラグボイルに至ることが明らかとなった。
Cr2O3(s) + 3C → 2Cr + 3CO(g) …(1)
FeO(s) + C → Fe(l) + CO(g) …(2)

0017

ここでの化学反応式にある下線は合金溶湯中に含まれることを示す。また、( )内は化学種の状態を示しており、s:固相、l:液相、g:気相である。

0018

また、このCO反応は溶鋼中にSiが充分含まれていれば、発生が抑制されることもわかった。つまり、Siが0.1%以上含まれれば、下記の反応が起こり、Cが酸化する前にSiが酸化する。
Si + 2O → SiO2(l) …(3)

0019

また、スラグの塩基度も影響することも明らかとなった。本発明はこのようにして、操業データの解析およびスラグの測定結果を通して完成したものであり、具体的には以下の通りである。

0020

ステンレス鋼の製造にあたり、電気炉にて溶製した合金溶湯をC:1〜4%、Si:0.1〜1%に調節して、スラグ成分を(CaO+SiO2):60〜80%、塩基度(CaO/SiO2):0.5〜1.2、MgO:10〜30%に調節し、電気炉から取鍋へ合金溶湯を注ぐ際に発生するスラグボイルを防止することを特徴とするステンレス鋼の製造方法である。

0021

また、1500℃においてスラグの粘度が5P(0.5Pa・s)以下であることが好ましく、スラグ成分としてFeOとCr2O3濃度の合計を10%以下とすることが好ましく、さらに、下記の式を満足するようにスラグ塩基度とSi濃度を制御することが最も好ましい。
スラグ塩基度CaO/SiO2≦−0.1×ln(合金溶湯Si%−0.1)+0.6

0022

図1に示すように、本発明のステンレス鋼の製造方法では、まず電気炉1にて、カーボン電極からのアーク放電および酸素吹精によるC、Si、Alなどの酸化反応による熱を用いてスクラップやフェロニッケルフェロクロムなどの原料を溶解して合金溶湯2を形成させる。ここに石灰を投入して、昇温時に生成した酸化物を滓化し、スラグ3を形成させた後、これら合金溶湯2およびスラグ3を図2に示す取鍋4に注ぎ、後の精錬工程5に運ぶ。ここで精錬された合金溶湯2は、再び取鍋4に注がれ、連続鋳造工程6に供されて製品である合金スラブが得られる。

0023

上記工程のうち、電気炉1からスラグ3を伴う合金溶湯2を図2に示す取鍋4に注いでいる最中に、鍋内でスラグが発泡して沸き上がるスラグボイルという現象が起き、大幅な操業遅延による製造コストの増加を招く。この様子を示したのが図2および3である。図2に示すように、電気炉1からは、比重の小さいスラグ3がまず取鍋4内に注がれ、その後に合金溶湯2が取鍋4内に注がれる。この時、スラグ3と合金溶湯2は激しく攪拌された状態となる。

0024

図3(a)に示すように、出鋼前のスラグ3および合金溶湯2が静置され2層に分離している状態では、両者の界面は面積が最小の平面であるため、合金溶湯中Cとスラグ中FeO/Cr2O3との反応は僅かである。この状態から、電気炉から出鋼され取鍋に注ぎ込まれると、図3(b)〜(c)に示すように、合金溶湯とスラグが攪拌されて、合金溶湯中Cとスラグ中FeO/Cr2O3とが激しく反応してCOを発生させ、スラグボイルを生じさせることとなる。

0025

これに対して、本発明においては、電気炉にてスラグの塩基度(CaO/SiO2)および合金溶湯中Si濃度からなる成分領域におけるスラグボイルの発生有無境界線が、これら成分因子関数で表され、適正な成分領域に制御すればスラグボイル発生を防止することが可能である。

0026

以下に本発明に係るスラグボイル発生の防止方法について、原理および限定理由を詳細に説明する。上述したステンレス鋼の製造方法において、まず電気炉にて原料を溶解し、石灰を投入して、昇温時に生成した酸化物を滓化した後、スラグを伴う合金溶湯を取鍋に注ぐ。ここで、上述のように電気炉の傾動に伴う出湯流でメタル/スラグ間反応が促進され、上式(1)(2)の反応式にあるように、COガスが多量に発生することで起こる。

0027

まず、溶鋼中の炭素濃度はC:1〜4%に調整するべきである。その理由として、Cは主として安価な高炭素Fe−Crに含有されている。1%未満であると高価な低炭素Fe−Crを配合せざるをなくなるので、コスト的に合わなくなる。一方、4%を超えて高いと、引き続き行う脱炭精錬負荷が大きくなり、炉寿命の短縮などからコスト高となる。

0028

本発明で最も重要なのが、Si濃度でありSi:0.1〜1%に調節することである。0.1%未満だと、上記の(3)式に示すSiの酸化が優先されずに、(1)、(2)式のCO反応が優先されてボイルを起こす。また、1%を超えて高くなると酸化するSi量が多くなり、それに伴って石灰石の投入量も増えることとなり、スラグ量が多くなってしまう。そうなると、電気炉から出鋼できなくなる他にも、処理するスラグ量が増えてしまい処理費が高くなってしまう。

0029

Si濃度が0.1%以上と高い場合においても、僅かなCO反応は進行する。つまり、電気炉の溶鋼表面は少なからず空気に触れるので酸化する。そのため、ごく表面はSiが消費してしまい、CO反応を起こす。そのとき発生した僅かなCOガスが、スラグの通過抵抗が大きいとやはりボイル現象が発生する。したがって、スラグ成分を(CaO+SiO2):60〜80%、塩基度(CaO/SiO2):0.5〜1.2、MgO:10〜30%に調節することは好ましい態様である。ここで、MgOは電気炉のライニングに使用するので、スラグに溶解して混入させる。MgO:10〜30%に調節するには、スラグ塩基度を0.5〜1.2に調整すればよい。このようにスラグ成分を調整すると、スラグの粘度を適正な領域に制御できて、僅かなCOガスは抵抗なく大気層へと抜けるためボイルに至らない。

0030

また、スラグ成分としてFeOとCr2O3濃度の合計を10%以下とすることが好ましい。その理由は、FeOとCr2O3濃度の合計が10%を超えると、CO反応が活発になるからである。

0031

さらに、下記の式を満足するようにスラグ塩基度とSi濃度を制御することが最も好ましい。
(スラグ塩基度CaO/SiO2)≦−0.1×ln(合金用湯Si%−0.1)+0.6
この領域であれば、僅かに起こるCO反応も抑制できるからである。つまり、ボイルは全く発生しなくなる領域である。なお、上記式は、Si濃度%が0.1%の場合、ln(0)が無限大となってしまうが、これは、上記式が数学的な近似式であるためで、現実にはSi濃度%が0.1%の場合にスラグボイルは発生せず問題は生じないので、本発明のSi濃度範囲は0.1%以上1%以下とした。

0032

本発明ステンレス鋼の製造方法は、合金溶湯中のCおよびSi成分と、スラグ中のCaO、SiO2、MgO、FeO、Cr2O3成分との相互作用によるスラグボイルを抑制するものであるから、合金溶湯およびスラグ中にこれら成分を含んでいればよい。即ち、ステンレス鋼としてFeおよびCrを含んでさえいれば、対象となるステンレス鋼は限定されず、あらゆる鋼種に適用可能である。

0033

以下、実施例および比較例により本発明を具体的に説明する。
60トン電気炉にて、カーボン電極からのアーク放電によって、ステンレス鋼スクラップ鉄屑、フェロニッケル、フェロクロム、フェロシリコンマンガンなどの原料を溶解した。ここに石灰を投入して、昇温時にSiが酸化して生成したシリカ主体とする酸化物を滓化し、スラグを形成させた。なお、電気炉のライニングはマグネシアとした。その後、電気炉を傾動して取鍋に出鋼した。この際に、ボイルの程度を目視で以下の通り評価した。
◎:ボイルは全く発生せず。
○:ボイルは見られたが、スラグ表面盛り上がらず。
△:ボイルし、スラグが盛り上がったが、取鍋からオーバーフローせず。
×:ボイルにより、取鍋からオーバーフロー発生

0034

また、スラグ成分および合金溶湯成分のうち、Si、Cr、Niは、蛍光X線分析装置分析した。合金溶湯中のC濃度は燃焼重量法により分析した。スラグの粘度測定は、実機サンプリングしたスラグ200gを鉄坩堝中に入れて、炉を1500℃にセットし回転円筒法により測定した。

0035

0036

表1および図4に実施例を示して本発明をより明確に説明する。発明例のうち、No.1,2,3,5,7,8は、全ての請求項に示す条件を満たしたため、◎評価であった。つまり、全くボイルしなかった。No.4,6,9は、Si濃度は0.1%以上含有していたが、FeO+Cr2O3濃度が10%を超えていたため、○評価であった。つまり、ボイルは見られたが、スラグ表面は盛り上がらなかった。No.10〜12は比較的スラグ塩基度が低く、スラグ塩基度と合金溶湯Si%の関係式を満たさなかったために、COガスの抜けが悪く、△評価であった。つまり、ボイルが発生しスラグが盛り上がったが、取鍋からオーバーフローしなかった。

実施例

0037

次に、比較例を説明する。No.13〜17は、いずれも、Si濃度が0.1%未満であったため、×評価となった。つまり、ボイルによって、取鍋からスラグオーバーフローが発生してしまった。また、No.18、19は、スラグ塩基度が適正範囲より大きいか小さいためCOガスの抜けが悪く、ボイルによってスラグオーバーフローが発生してしまった。さらに、No.20は、スラグボイルやオーバーフローは生じなかったものの、Si濃度が1%を超えていたため酸化するSi量が多くなり、それに伴って石灰石の投入量も増え、スラグ量が多くなり、スラグの処理費が高くなってしまった。

0038

設備の故障や火災に繋がる危険なスラグボイルを抑制することができる。スラグボイルによるオーバーフローが発生した場合の大幅な操業遅延による製造コストの増加を防止する。

0039

1:電気炉、
2:合金溶湯、
3:スラグ、
4:取鍋、
5:精錬工程(AOD)、
6:連続鋳造工程。

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