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技術 含鉄材の溶解方法

出願人 日本製鉄株式会社
発明者 開澤昭英務川進内山拓也伊青裕平笠本啓太
出願日 2016年7月28日 (4年5ヶ月経過) 出願番号 2016-148489
公開日 2018年2月1日 (2年10ヶ月経過) 公開番号 2018-016853
状態 特許登録済
技術分野 炭素鋼又は鋳鋼の製造
主要キーワード 歩留まり悪化 三元系状態図 メルウィナイト 原料使用量 ブリケットマシーン 液相組成 集塵水 融点低下
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (20)

課題

操業性を維持しつつ炭素ダストをより低減すること。

解決手段

本発明に係る含鉄材の溶解方法は、上吹きランスと底吹き羽口とを有し、酸化マグネシウムを主成分とする塩基性耐火物内張りされた溶解炉を用い、溶融鉄の存在する前記溶解炉内に含鉄材を供給し、前記底吹き羽口から前記溶融鉄中に炭材を吹き込むと共に、前記上吹きランス、又は、前記上吹きランスと前記底吹き羽口とから酸素を供給して、前記含鉄材の溶解を行うものであり、溶解過程の前記溶融鉄の温度を1250℃以上1400℃以下に維持し、溶解終了時点での前記溶解炉内のスラグの成分が塩基度:1.4以上2.0以下、MgO:5質量%以上30質量%以下の範囲となるように副原料使用量を制御し、かつ、前記溶融鉄に対してMn含有原料を添加して、溶解中の前記スラグの液相率を50%以上80%未満とする。

概要

背景

近年、高炉電気炉を用いずに溶融鉄を製造する技術の開発が多数試みられており、このような技術の一つに、炭材燃焼による含鉄冷材の溶解技術がある。この技術では、転炉型溶解炉を用い、石炭コークス等の炭材の燃焼エネルギーにより、スクラップ海綿鉄ペレット固形銑鉄鉄鉱石等といった含鉄冷材を溶解して、高炭素の溶融鉄が製造される。

このような含鉄冷材の溶解方法の例として、以下の特許文献1に開示されているように、上吹きランスと底吹き羽口とを有する転炉を用い、一定量以上の高炭素の溶融鉄(以下、「種湯」ともいう。)の存在する転炉内に含鉄冷材を供給し、底吹き羽口から粉状炭材微粉炭)、酸素冷却用ガス等を吹き込みつつ、上吹きランスから酸素を吹き付けて、含鉄冷材の溶解を行う方法がある。

概要

操業性を維持しつつ炭素ダストをより低減すること。本発明に係る含鉄材の溶解方法は、上吹きランスと底吹き羽口とを有し、酸化マグネシウムを主成分とする塩基性耐火物内張りされた溶解炉を用い、溶融鉄の存在する前記溶解炉内に含鉄材を供給し、前記底吹き羽口から前記溶融鉄中に炭材を吹き込むと共に、前記上吹きランス、又は、前記上吹きランスと前記底吹き羽口とから酸素を供給して、前記含鉄材の溶解を行うものであり、溶解過程の前記溶融鉄の温度を1250℃以上1400℃以下に維持し、溶解終了時点での前記溶解炉内のスラグの成分が塩基度:1.4以上2.0以下、MgO:5質量%以上30質量%以下の範囲となるように副原料使用量を制御し、かつ、前記溶融鉄に対してMn含有原料を添加して、溶解中の前記スラグの液相率を50%以上80%未満とする。

目的

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とする

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

上吹きランスと底吹き羽口とを有し、酸化マグネシウムを主成分とする塩基性耐火物内張りされた溶解炉を用い、溶融鉄の存在する前記溶解炉内含鉄材を供給し、前記底吹き羽口から前記溶融鉄中に炭材を吹き込むと共に、前記上吹きランス、又は、前記上吹きランスと前記底吹き羽口とから酸素を供給して、前記含鉄材の溶解を行う含鉄材の溶解方法において、溶解過程の前記溶融鉄の温度を1250℃以上1400℃以下に維持し、溶解終了時点での前記溶解炉内のスラグの成分が塩基度:1.4以上2.0以下、MgO:5質量%以上30質量%以下の範囲となるように副原料使用量を制御し、かつ、前記溶融鉄に対してMn含有原料を添加して、溶解中の前記スラグの液相率を50%以上80%未満とする、含鉄材の溶解方法。

請求項2

前記スラグ中のMnO含有量が0質量%超過20質量%以下となるように、前記Mn含有原料を添加する、請求項1に記載の含鉄材の溶解方法。

請求項3

前記スラグ中のMnO含有量が0質量%超過10質量%以下となるように、前記Mn含有原料を添加する、請求項1又は2に記載の含鉄材の溶解方法。

請求項4

前記スラグ中のMnO含有量が4質量%以上10質量%以下となるように、前記Mn含有原料を添加する、請求項1〜3の何れか1項に記載の含鉄材の溶解方法。

請求項5

前記溶解終了時点での前記スラグ中のT.Feは、0.5質量%以上6質量%以下であり、前記溶解終了時点での前記スラグ中のAl2O3は、5質量%以上30質量%以下である、請求項1〜4の何れか1項に記載の含鉄材の溶解方法。

技術分野

0001

本発明は、含鉄材の溶解方法に関する。

背景技術

0002

近年、高炉電気炉を用いずに溶融鉄を製造する技術の開発が多数試みられており、このような技術の一つに、炭材燃焼による含鉄冷材の溶解技術がある。この技術では、転炉型溶解炉を用い、石炭コークス等の炭材の燃焼エネルギーにより、スクラップ海綿鉄ペレット固形銑鉄鉄鉱石等といった含鉄冷材を溶解して、高炭素の溶融鉄が製造される。

0003

このような含鉄冷材の溶解方法の例として、以下の特許文献1に開示されているように、上吹きランスと底吹き羽口とを有する転炉を用い、一定量以上の高炭素の溶融鉄(以下、「種湯」ともいう。)の存在する転炉内に含鉄冷材を供給し、底吹き羽口から粉状炭材微粉炭)、酸素冷却用ガス等を吹き込みつつ、上吹きランスから酸素を吹き付けて、含鉄冷材の溶解を行う方法がある。

先行技術

0004

特許第3764543号

発明が解決しようとする課題

0005

ここで、上記特許文献1に開示されているような含鉄冷材の溶解方法では、底吹き羽口から種湯に対して炭材を吹き込んでいるが、吹き込まれた炭材の一部が炉外へと吹き抜けてしまい、炭素ダストとなる。このような炭素ダストが多く発生すると、炭材原単位の増加を招いてしまうため、操業性を維持しつつ炭素ダストを低減することが可能な技術が希求される。

0006

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、操業性を維持しつつ炭素ダストをより低減することが可能な、含鉄材の溶解方法を提供することにある。

課題を解決するための手段

0007

上記課題を解決するために、本発明の要旨とするところは、以下の通りである。
[1]上吹きランスと底吹き羽口とを有し、酸化マグネシウムを主成分とする塩基性耐火物内張りされた溶解炉を用い、溶融鉄の存在する前記溶解炉内に含鉄材を供給し、前記底吹き羽口から前記溶融鉄中に炭材を吹き込むと共に、前記上吹きランス、又は、前記上吹きランスと前記底吹き羽口とから酸素を供給して、前記含鉄材の溶解を行う含鉄材の溶解方法において、溶解過程の前記溶融鉄の温度を1250℃以上1400℃以下に維持し、溶解終了時点での前記溶解炉内のスラグの成分が塩基度:1.4以上2.0以下、MgO:5質量%以上30質量%以下の範囲となるように副原料使用量を制御し、かつ、前記溶融鉄に対してMn含有原料を添加して、溶解中の前記スラグの液相率を50%以上80%未満とする、含鉄材の溶解方法。
[2]前記スラグ中のMnO含有量が0質量%超過20質量%以下となるように、前記Mn含有原料を添加する、[1]に記載の含鉄材の溶解方法。
[3]前記スラグ中のMnO含有量が0質量%超過10質量%以下となるように、前記Mn含有原料を添加する、[1]又は[2]に記載の含鉄材の溶解方法。
[4]前記スラグ中のMnO含有量が4質量%以上10質量%以下となるように、前記Mn含有原料を添加する、[1]〜[3]の何れか1つに記載の含鉄材の溶解方法。
[5]前記溶解終了時点での前記スラグ中のT.Feは、0.5質量%以上6質量%以下であり、前記溶解終了時点での前記スラグ中のAl2O3は、5質量%以上30質量%以下である、[1]〜[4]の何れか1つに記載の含鉄材の溶解方法。

発明の効果

0008

以上説明したように本発明によれば、操業性を維持しつつ炭素ダストをより低減することが可能となる。

図面の簡単な説明

0009

スラグの塩基度及びMnO添加量を変化させた場合の液相率の変化の様子を示したグラフ図である。
スラグの塩基度、MgO含有量及びMnO添加量を変化させた場合の液相率の変化の様子を示したグラフ図である。
スラグの塩基度、MgO含有量及びMnO添加量を変化させた場合の液相率の変化の様子を示したグラフ図である。
スラグの塩基度、MgO含有量及びMnO添加量を変化させた場合の液相率の変化の様子を示したグラフ図である。
スラグの塩基度、MgO含有量及びMnO添加量を変化させた場合の液相率の変化の様子を示したグラフ図である。
スラグの塩基度、MgO含有量及びMnO添加量を変化させた場合の液相率の変化の様子を示したグラフ図である。
スラグの塩基度、MgO含有量及びMnO添加量を変化させた場合の液相率の変化の様子を示したグラフ図である。
スラグの塩基度、Al2O3含有量及びMnO添加量を変化させた場合の液相率の変化の様子を示したグラフ図である。
スラグの塩基度、Al2O3含有量及びMnO添加量を変化させた場合の液相率の変化の様子を示したグラフ図である。
スラグの塩基度、Al2O3含有量及びMnO添加量を変化させた場合の液相率の変化の様子を示したグラフ図である。
スラグの塩基度、Al2O3含有量及びMnO添加量を変化させた場合の液相率の変化の様子を示したグラフ図である。
スラグの塩基度、Al2O3含有量及びMnO添加量を変化させた場合の液相率の変化の様子を示したグラフ図である。
スラグの塩基度、Al2O3含有量及びMnO添加量を変化させた場合の液相率の変化の様子を示したグラフ図である。
スラグの塩基度、Al2O3含有量及びMnO添加量を変化させた場合の液相率の変化の様子を示したグラフ図である。
スラグの塩基度、FeO含有量及びMnO添加量を変化させた場合の液相率の変化の様子を示したグラフ図である。
スラグの塩基度、FeO含有量及びMnO添加量を変化させた場合の液相率の変化の様子を示したグラフ図である。
スラグの塩基度、FeO含有量及びMnO添加量を変化させた場合の液相率の変化の様子を示したグラフ図である。
スラグの塩基度、FeO含有量及びMnO添加量を変化させた場合の液相率の変化の様子を示したグラフ図である。
スラグの塩基度、FeO含有量及びMnO添加量を変化させた場合の液相率の変化の様子を示したグラフ図である。
スラグの塩基度、FeO含有量及びMnO添加量を変化させた場合の液相率の変化の様子を示したグラフ図である。

0010

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。

0011

(溶解炉における反応メカニズムについて)
本発明の実施形態に係る含鉄材の溶解方法について説明するに先立ち、まず、溶解炉における反応メカニズムについて、簡単に説明する。
含鉄材の溶解方法で用いられる転炉型の溶解炉では、溶解炉内に高炭素(例えば、4.3%程度)の溶融鉄(種湯)を一定量以上存在させておいた上で、炉上から含鉄材が装入され、炉底から炭材が吹き込まれる。また、炉上から挿入される上吹きランスから吹き込まれた酸素ジェット溶鉄面に衝突することで、衝突位置の近傍の溶鉄面では火点が形成されるとともに、火点の周囲の溶鉄面上にはスラグ層が生成されていく。この際に、以下の表1に示したように、(1)スラグ層中では炭材の燃焼(COガス生成)、酸化鉄還元(COガス生成)及びCOガスの燃焼(CO2生成)が生じ、(2)上吹きランスの周囲の炉内空間では、火点中やスラグ層中で生成したCOガスが酸素ジェットに巻き込まれることによるCOガスの燃焼(CO2の生成)や、炉内に飛散した炭材によるCO2ガスの還元(ソリューションロス)が生じる。

0012

0013

ここで、先だって言及したように、吹き込まれた炭材の一部が炉外へと吹き抜けてしまい、炭素ダストとなる。このような炭素ダストが多く発生すると、炭材原単位の増加を招いてしまうため、操業性を維持しつつ炭素ダストを低減することが重要となる。

0014

炭素ダストを低減するためには、上記のような炭素ダストの発生過程からわかるように、溶融鉄中を吹き抜けてしまう炭材を減らせばよい。炭材が溶融鉄の表面から炉内空間へと吹き抜けないようにするためには、溶融鉄の上層に形成されるスラグ層を溶融させて、溶融したスラグが溶融鉄(溶銑)を覆うようにすればよい。かかる観点から、本発明者は、炉内で形成されるスラグの融点下げることで、炭素ダストの低減が可能であることを知見した。

0015

ここで、本発明者は、スラグの融点を下げる方法について鋭意検討を行って、以下のような知見を得ることができた。

0016

スラグの融点を下げるための方法としては、まず、スラグの塩基度(SiO2の含有量に対するCaOの含有量の比)を低下させる方法と、副原料として添加されるMgOの添加量を低減する方法と、が考えられる。

0017

しかしながら、スラグの塩基度を低下させると、溶融鉄の脱硫効率が大きく低下してしまう。ここで、ダストや炭材等の原燃料硫黄(S)が含有されている場合に脱硫効率が低下してしまうと、Sが溶銑に濃縮されてしまう。表面吸着元素であるSが濃縮すると、炭材に含まれる炭素(C)の溶銑への溶解(着炭)を阻害し、溶銑のC濃度が低下してしまう。溶銑のC濃度が低下すると、上吹きランス等への地金の付着量が増加したり、溶銑が凝固したりする可能性があり、操業性の低下が懸念される。また、転炉等の溶解炉の内壁は、酸化マグネシウム(MgO)を主成分とする塩基性耐火物が内張りされていることが多いが、塩基度の低下はMgOの飽和溶解度を大きくするために、耐火物中のMgOが溶銑に溶け出してしまい、耐火物損耗が促進されてしまう。このような観点から、スラグの塩基度を低下させることは、好ましくないとの結論に達した。

0018

また、炉の内壁に内張りされている耐火物の損耗を抑制するために、一般的に、MgOを副原料として添加し、スラグ中のMgO濃度を適正な値とすることが行われている。そのため、副原料として添加されるMgOの添加量を低減してしまうと、耐火物の損耗を促進することとなってしまい、好ましくない。

0019

以上のような知見から、スラグの融点を操業性の低下を招くことなく実現可能な方法について、更なる検討を行った結果、以下で詳述するように、スラグに対して酸化マンガン(MnO)を添加することに想到したのである。

0020

(MnO添加に関する検討)
上記のような検討により、本発明者は、スラグに対してMnOを添加することで、スラグの融点を低下させることに着想した。スラグに対してMnOを添加することで、主に、高融点鉱物相であるメルウィナイト(Ca3MgSi2O8)の生成を抑制することが可能となり、その結果、融点を大きく低下させることが可能となって、スラグの液相率を増加させることができる。

0021

溶融したスラグが溶銑を覆うことで、底吹き羽口から供給される微粉炭等の炭材の炉外への吹き抜けを抑制することが可能となる結果、Cダストを低減させて、炭材原単位を削減することが可能となる。また、炭材の吹き抜けが抑制されることで、炉内気相中の余分な炭材(微粉炭)の浮遊が減少する。先だって説明したように、炉内空間では、浮遊した炭材がソリューションロス反応を引き起こしていたが、浮遊する炭材が減少することでソリューションロス反応が起こりにくくなり、着熱効率を増加させることも可能となる。その結果、酸素原単位を削減することも可能となる。

0022

また、MnOは、スラグの光学的塩基度を上げるように作用する物質であるため、MnOを添加することで、スラグの脱硫効率の指標であるサルファイドキャパシティを増加することができ、スラグの低融点化と脱硫効率の両立を図ることが可能となる。

0023

次に、本発明者は、スラグをどの程度溶融させればよいのか、実際に検証を行って、溶解中のスラグの液相率(スラグの全体積に占める液相状態のスラグの体積の割合)に関する知見を得た。その結果、溶解中のスラグの液相率を、50%以上80%未満とすればよいことに想到した。溶解中のスラグの液相率を50%以上80%未満とすることで、炭材の炉外への吹き抜けを抑制しつつ、スロッピングの発生による歩留まり悪化や操業性の低下を抑制することが可能となる。スラグの液相率が50%未満である場合には、炭材の炉外への吹き抜けを抑制することが困難となり、Cダストの低減を図ることが困難となるため、好ましくない。一方、スラグの液相率が80%を超える場合には、スロッピングの発生による歩留まり悪化や操業性の低下が懸念されるため、好ましくない。

0024

ここで、本実施形態で着目する含鉄材の溶解処理において、転炉型の溶解炉に内張りされた、MgOを主成分とする塩基性耐火物の損耗を抑制する観点から、溶融鉄の温度は、操業が可能な程度でなるべく低い値に制御することが一般的である。炭素を4質量%含有する溶銑の融点(液相線温度)は、約1200℃であるため、含鉄材の溶解過程では、溶融鉄の温度を1250℃以上1400℃以下に維持することが好ましい。溶融鉄の温度を1250℃以上1400℃以下とすることで、耐火物の損耗を抑制しつつ、含鉄材を溶融させることが可能となる。

0025

以上のような知見を踏まえ、本発明者は、市販の熱力学計算アプリケーションであるFactSageを利用して、以下で述べるような組成のスラグが平衡に達した場合の液相組成及び固相組成を計算し、スラグの液相率についてのシミュレーションを行った。

0026

かかるシミュレーションでは、上記の知見から、溶解処理中の溶融鉄の平均温度として1300℃を設定し、MgO:12質量%、Al2O3:12質量%、FeO:2質量%、塩基度(CaO質量%/SiO2質量%、以下「C/S」と略記する。):0.8〜2.4の組成を有するスラグを基準として、MnOの添加量を0質量%〜30質量%の範囲で変化させて、スラグの液相率を計算した。

0027

得られた結果を、図1に示した。図1において、横軸は、塩基度(C/S)であり、縦軸は、得られた液相率である。図1から明らかなように、MnOの添加量が0質量%から20質量%へと増加していくに従って、スラグの液相率は増加していき、MnOの添加量が20質量%を超えると、液相率が低下することがわかる。MnOの添加量が20質量%を超えると液相率が低下する理由については、以下のように考えている。すなわち、CaO−SiO2−MnOの三元系状態図を参照すると、塩基度が一定であれば、MnOを増加させていくことで融点は低下していき、融点の極小値が存在することがわかる。融点の極小値に到達するまでは、MnOを添加するほど融点が下がっていくため、液相率は高くなっていく。その後、極小値を超えてMnOを添加すると、CaOやMgOとの固相が析出しやすくなって融点が上がるため、再び液相率が低くなってしまう。

0028

ここで、図1から、塩基度(C/S)が1.4未満である場合には、MnOを添加しなくとも液相率は十分に高く、MnOを添加する重要性が低くなる。また、実際の操業において、塩基度(C/S)が2.0以上である場合には、滓化が悪いために平衡に近づくことができず、液相率は非常に低い。このような状態では、MnO添加による融点低下は、効率が悪いと考えられる。そのため、MnOを添加することに意味がある塩基度(C/S)の範囲は、1.4以上2.0以下であると判断した。

0029

図1から、塩基度(C/S)を1.4以上2.0以下に維持しつつ、溶解終了時点におけるスラグ中のMnOの含有量が0質量%超過20質量%以下となるようにMnOを添加すれば、50%以上の液相率を実現可能であることがわかる。ここで、MnOを添加し過ぎると、スラグの液相化が促進され過ぎて、スラグの流動による炉内耐火物の損耗が顕著となる可能性がある。また、MnO添加のコストを考えると、MnOの添加量は、少ない方が好ましい。そこで、以下では、MnOの添加量が10質量%以下である場合に着目して、更なるシミュレーションを行った。

0030

まず、本発明者は、耐火物の損耗を抑制するために添加されるMgOの含有量を変化させた場合に、スラグの液相率がMnOの添加によってどのように変化するかについて、上記と同様のアプリケーションを利用して検証を行った。かかる検証では、溶解処理中の溶融鉄の平均温度として1300℃を設定し、MgO:5質量%〜30質量%、Al2O3:12質量%、FeO:2質量%、塩基度(C/S):0.8〜2.4の組成を有するスラグを想定し、MnOの添加量を0質量%〜10質量%の範囲で変化させて、スラグの液相率を計算した。

0031

得られた結果を、図2A図2Fに示した。図2A図2Fから明らかなように、MgOの含有量が5質量〜30質量%の範囲では、塩基度(C/S)が1.4以上2.0以下の範囲において、液相率50%以上を実現可能なMnOの添加量が存在することがわかる。このような液相率の増加は、MnOが高融点鉱物相であるメルウィナイトの生成を抑制してスラグの融点を大きく低下させたためだと考えられる。一方、MgOの含有量を多くすると、液相率は低下する傾向がある。かかる液相率の傾向は、飽和溶解度以上にMgOの含有量が増加するために生じる。前述の通り、耐火物保護の観点からは、MgOの含有量は増加させたいものの、液相率増加の観点からは、MgOの含有量は低い方が望ましい。また実際の操業においてMgOの含有量が30質量%を超えると、滓化が悪いために平衡に近づくことができず、MnOを10質量%添加した場合であっても、必要以上にMgOを添加することで未溶解のMgOが多く存在してしまい、液相率50%を実現できないことがわかった。このような結果から、溶解終了時点でのスラグ中にMgOが5質量%以上30質量%以下含有されるように、副原料を添加することが好ましいとの知見を得た。

0032

次に、本発明者は、Al2O3の含有量を変化させた場合に、スラグの液相率がMnOの添加によってどのように変化するかについて、上記と同様のアプリケーションを利用して検証を行った。かかる検証では、溶解処理中の溶融鉄の平均温度として1300℃を設定し、MgO:12質量%、Al2O3:0質量%〜30質量%、FeO:2質量%、塩基度(C/S):0.8〜2.4の組成を有するスラグを想定し、MnOの添加量を0質量%〜10質量%の範囲で変化させて、スラグの液相率を計算した。

0033

得られた結果を、図3A図3Gに示した。まず、図3Aから明らかなように、Al2O3の含有量が0質量%である場合には、スラグの液相率は極めて小さく、MnOを添加した場合であっても、液相率を十分に増加させることは困難であることがわかる。また、図3B図3Gから明らかなように、Al2O3の含有量が5質量〜30質量%の範囲では、塩基度(C/S)が1.4以上2.0以下の範囲において、液相率50%以上を実現可能なMnOの添加量が存在することがわかる。塩基度にもよるが、液相率を最大化するAl2O3の含有量には、最適値が存在する。例えば塩基度が1.6の場合には、Al2O3の含有量が15質量%で、液相率を最大化する最適値が存在する。また実際の操業においてAl2O3の含有量が30質量%を超えると、滓化が悪いために平衡に近づくことができず、MnOを10質量%添加した場合であっても、液相率50%を実現できない。このような結果から、溶解終了時点でのスラグ中にAl2O3が5質量%以上30質量%以下含有されるように、副原料を添加することが好ましいとの知見を得た。

0034

続いて、本発明者は、FeOの含有量を変化させた場合に、スラグの液相率がMnOの添加によってどのように変化するかについて、上記と同様のアプリケーションを利用して検証を行った。かかる検証では、溶解処理中の溶融鉄の平均温度として1300℃を設定し、MgO:12質量%、Al2O3:12質量%、FeO:0質量%〜10質量%、塩基度(C/S):0.8〜2.4の組成を有するスラグを想定し、MnOの添加量を0質量%〜10質量%の範囲で変化させて、スラグの液相率を計算した。

0035

得られた結果を、図4A図4Fに示した。図4A図4Fから明らかなように、一般的な含鉄材の溶解処理で実際に設定される、FeOの含有量が0質量〜10質量%の範囲では、塩基度(C/S)が1.4以上2.0以下の範囲において、液相率50%以上を実現可能なMnOの添加量が存在することがわかる。従って、FeOの含有量については、一般的な含鉄材の溶解処理の操業で設定される範囲であれば、特に限定されるものではなく、MnOを添加することで、液相率50%以上を実現可能であることがわかった。

0036

図2A図4Fに示したシミュレーション結果は、スラグ組成のうちのある成分(MgO、Al2O3、FeO)の含有量のみを変化させ、残りの成分の含有量を固定した上で、MnOの添加による液相率の増加について検証したものである。かかる知見をもとに、塩基度(C/S)と、MgOの含有量と、を総合的に制御する(より好ましくは、塩基度(C/S)と、MgO及びAl2O3の含有量と、を総合的に制御する)ことで、より確実に、スラグの液相率が50%以上となる状態を実現することが可能となる。

0037

(含鉄材の溶解方法について)
次に、以上説明したような知見をもとに想到した本実施形態に係る含鉄材の溶解方法について、詳細に説明する。
本実施形態に係る含鉄材の溶解方法は、上吹きランスと底吹き羽口とを有し、酸化マグネシウムを主成分とする塩基性耐火物が内張りされた転炉型の溶解炉を用い、溶融鉄(種湯)の存在する溶解炉内に含鉄材を供給し、底吹き羽口から溶融鉄中に炭材を吹き込むと共に、上吹きランス、又は、上吹きランスと底吹き羽口とから酸素を供給して、含鉄材の溶解を行うものである。

0038

ここで、本実施形態に係る含鉄材の溶解方法が適用される転炉型の溶解炉については、特に限定されるものではなく、MgOを主成分とする塩基性耐火物(例えば、MgO−Cレンガ等)が内張りされたものであれば、公知の溶解炉を利用することが可能である。

0039

種湯中に供給される含鉄材については、特に限定されるものではなく、スクラップ、海綿鉄、ペレット、還元鉄、固形銑鉄、鉄鉱石等といった公知の含鉄冷材を、適宜利用することが可能である。

0040

また、種湯中に吹き込む炭材についても、特に限定されるものではなく、石炭、コークス、黒鉛等といった炭素を含有する素材を粉状にしたものや微粉炭等を適宜利用することが可能である。

0041

更に、上吹きランスや底吹き羽口から吹き込まれる酸素量についても、特に限定されるものではなく、製造する溶銑の容量に応じて、適宜設定すればよい。

0042

本実施形態に係る含鉄材の溶解方法では、溶解過程の溶融鉄の温度を1250℃以上1400℃以下に維持する。溶解過程の溶融鉄の温度を1250℃以上1400℃以下とすることで、前述のように、耐火物の損耗を抑制しつつ、含鉄材を溶融させることが可能となる。溶融鉄の温度が1250℃未満である場合には、供給された含鉄材を溶融させることが困難となるため、好ましくない。一方、溶融鉄の温度が1400℃を超えると、溶解炉に内張りされた耐火物の損耗が促進されるため、好ましくない。溶融鉄の温度は、好ましくは、1250℃以上1350℃以下であり、より好ましくは、1280℃以上1320℃以下である。

0043

また、本実施形態に係る含鉄材の溶解方法では、溶解終了時点での転炉内のスラグの成分が塩基度(C/S):1.4以上2.0以下、MgO:5質量%以上30質量%以下の範囲となるように副原料使用量を制御し、かつ、溶融鉄に対してMn含有原料を添加して、溶解中のスラグの液相率が50%以上80%未満となるようにする。

0044

塩基度(C/S):1.4以上2.0以下、MgO:5質量%以上30質量%以下の範囲となるように副原料使用量を制御し、かつ、溶融鉄に対してMn含有原料を添加して、溶解中のスラグの液相率が50%以上80%未満となるようにすることで、先だって説明したように、操業性及び脱硫効率を維持しつつ、炭素ダストの低減を図ることが可能となる。

0045

ここで、溶融中のスラグの液相率は、好ましくは、55%以上75%以下であり、より好ましくは、60%以上70%以下である。

0046

また、塩基度(C/S)、及び、MgOの含有量が、上記の範囲外となる場合には、先だって説明したように、MnOを添加したとしても溶解中のスラグの液相率を50%以上80%未満とすることが困難となるため、好ましくない。塩基度(C/S)は、好ましくは、1.4以上1.8以下であり、より好ましくは、1.4以上1.6以下である。MgOの含有量は、好ましくは、5質量%以上20質量%以下であり、より好ましくは、10質量%以上15質量%以下である。

0047

更に、本実施形態に係る含鉄材の溶解方法では、溶解終了時点での転炉内のスラグの成分として、Al2O3が5質量%以上30質量%以下であることが好ましい。溶解終了時点でのAl2O3の含有量が上記範囲となるように副原料使用量を制御することで、操業性及び脱硫効率を維持しつつ、より確実に炭素ダストの低減を図ることが可能となる。Al2O3の含有量は、好ましくは、5質量%以上20質量%以下であり、より好ましくは、10質量%以上15質量%以下である。

0048

また、本実施形態に係る含鉄材の溶解方法では、溶解終了時点での転炉内のスラグの成分として、T.Feが0.5質量%以上6質量%以下含有されていてもよい。

0049

なお、上記のようなスラグ組成を実現するために添加される副原料は、特に限定されるものではなく、生石灰石灰石ドロマイト蛍石等といった、公知の副原料を利用することが可能である。公知の副原料を利用して、上記のようなスラグ組成が実現されるように、各副原料の使用量を決定すればよい。

0050

また、溶融鉄に対して添加されるMn含有原料は、Mnを含有するものであれば、任意の原料を使用することが可能であり、Mn鉱石のようにMnが酸化物(MnO2)の形態で含有されているもの(酸化マンガン含有物)を使用してもよく、Mnが酸化物以外の形態で含有されているものを使用してもよい。Mnが酸化物以外の形態で含有されているMn含有原料を使用した場合であっても、Mn含有原料中のMnが処理中に酸化されて、MnOとして機能するようになる。

0051

ここで、上記のようなMn含有原料は、溶解終了時点での転炉内のスラグ中のMnO含有量が0質量%超過20質量%以下となるように添加することが好ましく、溶解終了時点でのMnO含有量が0質量%超過10質量%以下となるように添加することがより好ましく、溶解終了時点でのMnO含有量が4質量%以上10質量%以下となるように添加することが更に好ましい。Mn含有原料の添加量を上記のような値とすることで、スラグの融点を低下させることが可能となり、操業性及び脱硫効率を維持しつつ、炭素ダストの低減を図ることが可能となる。

0052

次に、実施例及び比較例を示しながら、本発明に係る含鉄材の溶解方法について、具体的に説明する。なお、以下に示す実施例は、あくまでも本発明に係る含鉄材の溶解方法の一例であって、本発明に係る含鉄材の溶解方法が下記の例に限定されるものではない。

0053

以下の実験例では、160トン規模の転炉型溶解炉を用いて、溶解試験を実施した。炭素含有量が4.0質量%〜4.3質量%程度である種湯に対して、炉の上方から鉄含有原料投入して溶解を行った。この際、主たる鉄含有原料として、還元鉄を使用した。還元鉄は、主原料として、溶解炉、転炉、高炉等から発生するダストを利用し、かかる主原料に対して、還元剤としてCを含有する炭材を配合した上で、混錬及び造粒したものを還元炉にて溶解・還元処理することにより得た。また、造粒は、双ロール型のブリケットマシーンを使用して行ったが、転動法によるペレット造粒を利用してもよい。還元炉は、炉直径20mの回転床炉型の炉を使用し、LNGバーナー還元温度を1300〜1400℃に制御して還元を行った。還元鉄中の鉄分の金属化率は、88〜93%であった。

0054

転炉型溶解炉での溶解試験では、上吹きランスから25000Nm3/hで酸素を供給した。また、溶解後の温度を1390℃〜1410℃、溶銑のC濃度を4.0質量%〜4.3質量%に維持できるように、底吹き羽口からN2ガスキャリアガスとして炭材供給を行った。炭材としては、微粉炭を利用した。かかる溶解試験において、溶解中期溶銑温度は、約1300℃であった。

0055

スラグは、溶解終了後のスラグ排出量を調整するとともに炭材や還元鉄から発生するスラグの成分調整を行うために、石灰を添加し、スラグの塩基度(CaO/SiO2)を調整した。以下に示す各水準では、ほぼ同量の還元鉄、炭材、及び、ドロマイトを添加して、MgO含有量及びAl2O3含有量を調整した。その結果、MgO含有量は、5質量%〜30質量%の範囲となり、Al2O3含有量は、10質量%〜14質量%の範囲となった。また、Mn含有原料としてMn鉱石を使用し、所定の濃度になるように添加した。

0056

以下の実験例では、処理中に5分間隔で集塵水トラフの水を採取し、水分を蒸発させて残渣を取りだすことにより、各水準について含有ダスト量を求めた。その上で、燃焼法による分析によりダスト中のC濃度を測定し、Cダスト発生量を評価した。より詳細には、以下に示す比較例1におけるCダスト発生量を1として、各水準のCダスト発生量を指数化した。脱硫効率は、溶解終了時点での溶銑のS濃度を比較例1の溶銑S濃度で除することで指標化して、評価した。また、スロッピングにより送酸速度を停止させたものを「スロッピング発生」として定義し、発生頻度として評価した。スラグの液相率は、熱力学計算ソフトFactSageによって評価した。

0057

得られた結果を、以下の表2にまとめて示した。

0058

0059

塩基度(C/S)が1.4である場合に、実施例1及び実施例2では、MnO濃度を高めて液相率を50%以上80%未満に制御した結果、Cダスト発生量は低下し、また、脱硫の促進によってS濃度も低下した。一方、比較例1〜比較例3では、液相率が低く、Cダスト発生量が十分に低減していないことがわかる。また、比較例4では、Cダスト発生量、S濃度ともに良好な結果を得られているものの、液相率が80%と高いため、スロッピングが発生し、操業を継続することができなかった。

0060

実施例1〜実施例5では、塩基度(C/S)を1.4〜2.0に制御するとともに、液相率を50%以上80%未満に制御した結果、Cダスト発生量は低下し、また、脱硫の促進によってS濃度が低下した。一方、比較例5及び比較例6では、塩基度(C/S)を1.0と低くしたために、MnO濃度に関わらず脱硫指数が増加することがわかる。また、比較例7のように塩基度(C/S)を2.1とした場合には、計算液相率が高いにも関わらず、Cダスト発生量の低下が認められなかった。これは、滓化が悪いために平衡に近づくことができず、液相率が低いスラグが生成したためと推定される。

0061

実施例6〜実施例10では、MgO濃度を5〜20%に制御した結果、Cダスト発生量は低下し、また、脱硫の促進によってS濃度が低下した。これは、MnO濃度を高めることで、メルウィナイト(Ca3MgSi2O8)の生成が抑制されたためである。一方、比較例8では、MgO濃度が30%を超えるように制御した結果、Cダスト発生量が十分に低減していないことがわかる。

実施例

0062

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

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