(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶銑の予備処理として脱燐処理を行うにあたり、処理条件から事前に推定された酸素使用効率に基づいて、溶銑のＳｉ，Ｐ，Ｍｎの１元素以上の酸化に消費されると予想される酸素量と、供給される酸素量の差から脱炭量を推定し、算出された脱炭量及び処理前の溶銑中炭素濃度から当該溶銑における溶銑炭素濃度と飽和炭素濃度の差を算出し、求められた差以上の炭素量を含む炭素源を脱燐処理中溶銑に吹き込み、溶銑中の炭素量を飽和炭素濃度以上とすることにより、生成スラグ中に炭素源を析出させて添加するとともに、スラグ中に酸素源を吹き込んで前記スラグ中に析出した炭素源を燃焼させることを特徴とする溶銑の予備処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、溶銑予備処理時の温度降下を低減し、転炉吹錬時の熱的余裕度を向上させるための溶銑を製造する溶銑予備処理方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
転炉等で行われる精錬処理に際して、これに先立って高炉溶銑成分や溶製鋼種の成分組成に対応した溶銑予備処理が一般に実施されている。こうした溶銑予備処理の主たる目的は、脱珪・脱燐・脱硫の予備処理精錬処理にあるが、その他予備処理工程でＭｎ鉱石を添加して銑成分を調整することも行われており、これらの結果として転炉での精錬負荷並びに成分調整負荷を軽減することができ、転炉では専ら脱炭反応を進行せしめることができる。
【０００３】
すなわち転炉精錬を実施するまでに脱燐等の処理がほぼ完了しているので転炉では、脱燐フラックス等の精錬剤の添加が殆ど不必要となり、また予備処理工程でＭｎ鉱石を添加して溶銑中のＭｎ量を高めることができるので転炉では、高価なＭｎ系合金鉄の添加を極力少なくすることができ、これらの結果、転炉精錬コストが大幅に低減するという経済効果を得ることができる。
こうした要求を解決する技術として、たとえば特開平２−２２８４１２等に溶銑予備処理時に、脱燐剤と炭材を混合して溶銑中に吹き込み、処理中に溶銑炭素濃度低下を低減する方法が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このように溶銑予備処理は多くの利益をもたらすものであるが、その一方溶銑予備処理処理過程では、溶銑中珪素（以下Ｓｉと記す）や溶銑中炭素（以下Ｃと記す）が消費されて、これらの含有量が低下し過ぎるきらいがあり、転炉における熱源不足の原因の一つとなっている。
そこで熱源不足を補う為に、転炉精錬における溶銑配合率を高めたり（溶銑の顕熱は重量な熱源の一つである）、昇熱用炭素源を添加する等の対応がとられている。
【０００５】
しかるに転炉操業において溶銑配合率を高めるとその分だけ、フラックス等の投入量が制限されることになり、いわゆるリターンスクラップバランスが崩れて生産能力が低下するという問題が発生する。また転炉における昇熱用炭素源の添加は、炭素源中に不純物としてふくまれる硫黄（以下Ｓと記す）の混入をまねき、吹止め鋼中のＳ濃度が高くなる等の問題をひきおこす。
さらに予備処理工程におけるＭｎ鉱石の添加は、溶銑温度の低下を招いて溶銑配合率を一層高めなければならない要因となっており、また添加されたＭｎ鉱石を予備処理工程で還元する際にＳｉやＣが酸化消費されて熱源成分残存量を一層低下させていることも事実である。
【０００６】
また、溶銑予備処理中に脱燐剤と炭材を混合して吹き込む方法は、吹き込まれた炭材のうち飽和Ｃを越えた分、あるいは未反応のまま浮上してスラグ中に懸濁した炭材は、スラグ中にキッシュグラファイト、あるいは炭材粉としてスラグ中に浮遊・懸濁することとなり、脱燐反応生成物（燐酸化物）としてスラグ中に捕捉されていた燐酸化物を還元してしまう結果、復燐が助長され、脱燐効率を悪化させていた。さらに、スラグ中の懸濁したグラファイトは、スラグ処理に際して環境問題を引き起こすという課題があった。
【０００７】
その結果、従来の特許等で開示されている技術では、溶銑中のＣ濃度が飽和以下になるための技術について開発されたものであり、必然的に予備処理時の熱裕度改善という意味においてその効果に限界があり、さらに操業上の条件が適正範囲から外れた場合には、上記環境上の問題という非常に大きな操業トラブルを引き起こす可能性があった。
本発明はこうした事情に着目してなされたものであって、熱源成分を十分に含有する予備処理溶銑の生産方法を開発することによって転炉精錬における上記問題点を解決するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、溶銑の予備処理として脱燐処理を行うにあたり、処理条件から事前に推定された酸素使用効率に基づいて、溶銑のＳｉ，Ｐ，Ｍｎの１元素以上の酸化に消費されると予想される酸素量と、供給される酸素量の差から脱炭量を推定し、算出された脱炭量及び処理前の溶銑中炭素濃度から当該溶銑における溶銑炭素濃度と飽和炭素濃度の差を算出し、求められた差以上の炭素量を含む炭素源を脱燐処理中溶銑に吹き込み、溶銑中の炭素量を飽和炭素濃度以上とすることにより、生成スラグ中に炭素源を析出させて添加するとともに、スラグ中に酸素源を吹き込んで前記スラグ中に析出した炭素源を燃焼させることを特徴とする溶銑の予備処理方法によって達成される。
【０００９】
【作用】
溶銑中のＣ濃度は飽和点に近く、そのため従来は溶銑中への炭素源の添加は困難であると考えられていた。また精錬に対する従来の常識では、炭素源は還元性材料であり、これを溶銑予備処理時、特に脱燐処理時あるいは脱燐処理後に添加すれば酸化反応である脱燐反応が阻害され、あるいは復燐反応がおこって脱燐性能が低下すると考えられていた。
このような現状で、たとえば特開平２−２２８４１２号等において、溶銑中に炭材を脱燐剤と混合して吹き込む溶銑予備処理方法が開示されているが、上記課題で記述した理由により実操業への適用には大きな技術的課題があった。
【００１０】
こうした状況の中で、本発明者らは、前記課題について、種々の改善検討を実施した結果、予備処理時に溶銑中に炭材を吹き込むだけの前記方法では、課題解決方法がなく、操業への適用は困難であるとの結論を得るに至った。
そこで、本発明者らは、予備処理処理時の熱源確保という観点から、溶銑中に飽和を越えない範囲でＣを供給することにより処理後Ｃを上昇させ、飽和を越えない様に制御する従来の考え方に対して、発想の転換をはかり、従来復燐が課題であると常識的に考えられて実施されていなかったスラグへの炭素源の添加を実施し、スラグ中でその炭素源を燃焼させることによって溶銑にその燃焼熱を着熱させて溶銑の温度降下を防止することに着目した。
【００１１】
その際スラグ中の酸素ポテンシャル低下を引き起こさなければ、スラグ中に炭素源が存在しても復燐反応を起こさずに操業が可能であるという知見を得た。
スラグ中への炭素源の供給方法として、溶銑に飽和Ｃ以上の炭素源を吹き込むことにより、飽和を越えたＣ分をスラグ中に析出させる方法を発明した。
その際溶銑中に炭素源を吹き込むだけの従来法のみでは、溶銑で飽和に達したためにスラグ中に析出してきた炭素分によって、復燐が引き起こされて実操業への適用は不可能であるという課題があり、適用は不可能であった。
【００１２】
本発明法の特徴は、復燐を防止しつつスラグ中に炭素源を析出・燃焼させることを可能とした点である。すなわちスラグ中に炭材が存在した場合の復燐メカニズムは、以下の二段階のステップで進行することが熱力学的に証明されている。
▲１▼スラグ中のＦｅＯが炭素（炭材）により還元される
ＦｅＯ＋Ｃ＝Ｆｅ＋ＣＯ
▲２▼スラグ中のＦｅＯが還元され、低減したことによりスラグ中の酸素ポテンシャルが低減し、燐分配が悪化した結果、復燐が発生する。
Ｐ2 Ｏ5 ＝２Ｐ＋５Ｏ
【００１３】
実操業時において、スラグ中に炭素が存在した場合に復燐するように観察されるが、熱力学上は、スラグ中のＰ2 Ｏ5 がＣで直接還元される
Ｐ2 Ｏ5 ＋５Ｃ＝２Ｐ＋５ＣＯ
という反応は起こりえない。したがって、本発明者らは、スラグ中におけるＣの存在によるのＦｅＯの低下を抑制すれば、スラグ中にＣが存在しても復燐反応はおこらないという考えの基に、積極的にスラグ中に炭素源を供給し、その炭素源をスラグ中で燃焼させて溶銑に着熱させることにより、処理中の溶銑温度低下抑制方法を発明した。
【００１４】
以下本発明方法をさらに詳細に説明する。
すなわち本発明の第１の方法では転炉装入前の溶銑に媒溶剤と酸化剤を添加して脱燐を行った後、この溶銑を転炉に装入する溶銑の予備処理方法において、処理条件から事前に推定された酸素使用効率に基づき、溶銑のＳｉ，Ｐ，Ｍｎの１元素以上の酸化に消費されると予想される酸素量と、供給される酸素量の差から脱炭量を推定し、算出された脱炭量及び処理前の溶銑中炭素濃度から当該溶銑における溶銑炭素濃度と飽和炭素濃度の差を算出し、求められた差以上の炭素源を脱燐処理中に溶銑中に吹き込むことにより、溶銑中のＣ濃度を飽和濃度以上とし、スラグ中に飽和を越えたＣ分をグラファイトとして析出させる。
同時にスラグ中に酸素源を吹き込んで前記析出した炭素源を燃焼させて、その燃焼熱を溶銑に着熱させるものである。
【００１５】
一般に脱燐処理を行うに際しては固体または気体の酸素源を、溶銑中にインジェクションまたは上方から溶銑に吹きつける方法を実施するが、その際に溶銑中に含有されている成分のうち、まず珪素が優先的に酸化し、その後炭素および燐の酸化が進行する。予備処理によって目的の処理後燐濃度まで脱燐を実施した場合、処理後の珪素および燐の濃度までの酸化反応に必要な化学量論的に等価な酸素量が算出される。
一方実際の操業では熱力学での平衡関係では特に脱燐（燐酸化反応）は炭素に対して優先的に酸化が起こらず、むしろ脱炭反応のほうが脱燐反応の方が優先であるところを、溶銑およびスラグの酸素ポテンシャルを高めるあるいは、スラグ塩基度を高める等の方策により非平衡状態を実現し、脱燐反応速度を上昇させている。
【００１６】
しかし完全に脱燐反応のほうが脱炭反応より優先的に進行するわけではないため、脱燐と脱炭が同時に進行する。
この脱燐反応と脱炭反応の競合関係としては、一般に溶銑燐濃度が高い時点では比較的脱燐が、例えば４０％程度と高く、燐濃度が低下するにつれて脱燐反応より脱炭反応のほうが優先的に進行する。
その結果として処理後に観察される脱燐に使用された酸素の比率（一般に脱燐酸素効率とよばれる）は、処理後の燐濃度および処理温度、スラグ塩基度等の操業条件で推定が可能である。
Ｍｎについても脱燐と脱炭の競合と全く同様に挙動が確認されており、処理後の燐濃度により処理中の脱Ｍｎ量が予め推定可能なる。
【００１７】
そこで通常操業では、この脱燐酸素効率（脱燐酸素効率の定義によるが、脱燐酸素効率として脱珪に必要な酸素含めた場合）から、必要酸素量（脱燐酸素効率として、脱珪に必要な酸素を予め除外して定義している場合は、脱燐酸素効率から算出される酸素量に脱珪に必要な酸素量を加えた量、さらに脱Ｍｎに必要な酸素を予め除外して定義している場合は、脱燐酸素効率から算出される酸素量に脱珪・脱Ｍｎに必要な酸素量を加えた量）を算出して脱燐処理を実施しているものである。
したがって、処理開始前に脱燐処理後の燐濃度を決定した時点で処理前の珪素、燐濃度および処理後の目標燐濃度から必要酸素量（以下酸素量▲１▼）が算出されるのに対し、実際に脱珪・脱燐・脱Ｍｎに使用される化学量論的に等価な脱珪・脱燐反応酸素量（以下酸素量▲２▼）が算出される。
【００１８】
ここで算出された酸素量▲１▼と酸素量▲２▼の差は脱珪および脱燐以外に消費される酸素量であり、鉄酸化に使用されるものも一部あるものの大部分は脱炭反応に消費されている。
したがって本発明者らは、酸素量▲１▼と酸素量▲２▼の差から、予備処理中の脱炭量が上記簡易なモデルで推定可能となると考え、本法によって算出される脱炭量を基準として、基準量以上の炭素源を溶銑中に吹き込み、上記モデルの妥当性を確認したとともに、上記モデルで推定される炭素量以上を供給した場合に予想通りスラグ中にキッシュグラファイトが析出するとの知見を得た。
【００１９】
その際、脱燐処理の方式により、例えば脱燐処理前の珪素濃度が低く、上記酸素量▲１▼と酸素量▲２▼の差に及ぼす影響が無視できると判断される場合は、珪素の影響を無視しても良い。同様のことが燐、Ｍｎについても言える。
したがって、脱炭量推定において実施時の操業形態により反応に関与するべき元素の条件に違いがあるとしても、無視不可能と考えられる成分としてＳｉ，Ｍｎ，Ｐの少なくとも１元素以上の酸化を考慮すればよいこととなる。
【００２０】
ここでＳｉ，Ｍｎ，Ｐのいずれも無視できる場合はもはや予備処理の必要はなく、本発明範囲から除外される。
すなわち、スラグ中に炭素源を供給する方法として、溶銑中に炭素源を吹き込み、溶銑の炭素濃度を飽和とすることによる溶銑潜熱向上による転炉熱裕度向上を実現すると同時に、スラグ中に炭素源を供給することを可能ならしめた。しかも、スラグ中に供給された炭素量は、前期モデルにより予め推定可能とせしめ、後述するスラグ中での炭素燃焼に必要な酸素量を精度良く予想可能とならしめたのである。
【００２１】
一方前述したように、スラグ中に炭素が存在する場合は、見かけ上スラグ中に存在する炭素により燐酸化物が還元されて復燐が発生する。しかし、そのメカニズムは炭素によるＦｅＯ還元が直接原因であり、その結果としてスラグ中酸素ポテンシャルが低下することにより復燐が発生しているものである。
本発明者等は、元来スラグ中に粒鉄分（以下メタリックＦｅ：Ｍ−Ｆｅ）が約１０％程度存在していることに着目し、そのＭ−Ｆｅに酸素源を供給して炭素によるＦｅＯ還元量以上のＦｅＯ量を生成させることにより、結果としてＦｅＯ還元を防止できることを発見した。
【００２２】
図１にスラグ中に炭素源（コークス）と酸素源（酸素ガス）を供給した場合のスラグ酸素ポテンシャルの調査結果を示す。化学量論的等価のコークスと酸素を供給しているにもかかわらず、スラグ中のＦｅＯが増加し、一方スラグ中のＭ−Ｆｅが低減しており、Ｍ−Ｆｅ酸化により、もともとスラグ中に存在したＦｅＯが還元される以上の量のＭ−Ｆｅ酸化によるＦｅＯ供給（酸素ポテンシャル向上）が可能であることが判明した。
したがって、溶銑Ｃを飽和させる以上に溶銑中に炭素源を供給し、飽和濃度ここえたＣ分をスラグ中に析出させると同時に、スラグ中に酸素源を吹き込むことにより、脱燐の悪化なしに炭素源の燃焼が可能となり、溶銑への着熱が得られる。
【００２３】
この際、スラグ中への供給酸素量および吹き込み条件を適当な条件とすることにより、スラグ中への酸素供給をＭ−ＦｅおよびスラグへのＣ供給量より十分大きな値とすることにより、溶銑中の脱炭を促進し、脱炭分を溶銑中に吹き込んで供給することにより溶銑Ｃの低下なしにＣ燃焼による温度上昇を得ることが可能となり、第１の方法をさらに効果的なものとする。
すなわち、従来の溶銑中への炭材添加ではその実施時の大きな制約であったＣ飽和以上の炭材添加が不可能であったという課題を解決し、さらに本発明法によると、実施に際しては、必然的に溶銑中のＣ濃度は飽和まで着炭させると同時にスラグ中炭素源の燃焼による着熱を得るという、加炭と着熱を同時に達成することを実現することが可能となる。
上記方法は、Ｃ燃焼により多量のＣＯガスが発生することから、スラグ中をＣＯガスが通過する際にスラグのフォーミングを引き起こす。その防止策として、フォーミングしたスラグを収容可能な反応槽を使用することが必要であり、本発明にかかる予備処理方法実施の際は、溶銑鍋に払いだされた溶銑中にフリーボードを浸漬した反応容器あるいは、転炉を使用することが必要である。
【００２４】
また前記炭素源としては、炭素含有量が高いほど効率および炭素供給速度を早くできるという点で、コークスまたは石炭であることが望ましい。粒径は、細粒であるほど反応速度が早くなり、反応効率が向上すると言う点で、例えば最大粒径５ｍｍといった粒径の細かいものほど望ましい。
さらに前記酸素源としては、反応的には純酸素がもっとも望ましい。あるいはスラグ中への酸素源供給ノズル近傍または耐火物の溶損等の状況により、冷却用希釈ガスとして、窒素ガスを混合した酸素ガスと窒素ガスを主成分とする混合ガスが望ましい（空気も含む）。窒素ガスの配合割合は、ノズル材質・構造（水冷または冷却なし等）の必要冷却能力により、適正な配合を選択することが必要である。
【００２５】
【実施例】
表１で示す成分組成ならびに温度の溶銑に対し、表記の条件で溶銑予備処理をおこない、処理後の溶銑成分・温度を調べたところ、表１に示す結果が得られた。
従来に比較し、処理中の溶銑に炭材を飽和以上まで添加し、酸素源によりスラグ中で燃焼させることにより、発生した熱を溶銑に着熱させて処理中の温度降下を低減し、結果的に処理後温度の向上・転炉での熱裕度向上を実現できた。その際の燃焼熱量の溶銑への着熱比率は、図２に示すように約２０から７０％であった。
ただし、スラグへの純炭素換算供給量は、下記のように定義する。
スラグへの純炭素換算供給量＝溶銑中への純炭素供給量−（溶銑の飽和〔Ｃ〕−溶銑〔Ｃ〕）×溶銑量
【００２６】
【表１】
0003645621.tif 000002
【００２７】
また、上吹による酸素供給量を、スラグ中に供給した炭材量の化学量論的に等価な量以上を供給することにより、未燃焼の炭素分がスラグ中に残存することを防止可能である。
従来の溶銑中に炭素源を添加した際に課題となっていた、スラグへのキッシュグラファイト析出の発生も全くなく、予備処理後スラグの処置も従来方法を変更する必要はなかった。
また、フリーボードを使用することにより、スラグ中での炭素源燃焼の際発生するＣＯガスによるスラグフォーミングによる操業への影響なしに実施することが可能となった。
転炉を使用した際には、その特性である大きな炉内フリーボードの機能を十分活用できるため、さらに安定した操業が実現できる。
【００２８】
表１の実施例では炭素源として粉コークスのみを表記したが、石炭を使用しても同等の効果が得られる。また、使用する炭素源の粒度は、集塵系に飛散することによるロスのない範囲で細粒であるほど反応効率が向上、あるい反応速度向上の効果が得られる。
また、スラグ中炭素源燃焼に使用するガスとしては、酸素ガスあるいは酸素ガスと窒素ガスの混合ガスが望ましいが、その中の窒素ガスは酸素ガスの希釈ガスとしての役割をはたしており、炭素と反応せずに火点近傍の冷却を実現するためであるならば、窒素ガスに代替して例えばＡｒやＣＯ2 ガスでを使用することも同等の効果が得られる。ただし、ガスコスト上昇を引き起こすため、工業生産的には窒素ガスが最も望ましい。
【００２９】
【発明の効果】
本発明は、以上のような手段をとるものであり、製鋼工程における熱源（溶銑予備処理後の温度）向上を実現した結果、転炉におけるＭｎ鉱石投入量増大による吹止Ｍｎ向上と、高価なＦｅ−Ｍｎ合金鉄使用量削減という点で、多大な経済的効果を得ることが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】スラグ中に炭素源と酸素源を供給した際のスラグ酸素ポテンシャルを示す図
【図２】スラグへの炭素供給量と処理中温度降下低減代を示す図
【図１】
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【図２】
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