(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上底吹き機能を有する転炉型溶融還元炉にクロム鉱石を炭素含有物質とともに添加し、酸素を供給することによりクロム含有溶湯を溶製するクロム鉱石の溶融還元方法において、前記炭素含有物質として水素と炭素の原子数の比、Ｈ／Ｃが0.14以上0.5 以下でかつ固定炭素量が85％以上の物質を使用し、さらに底吹き酸素流量を0.3 〜0.8 Nm3/min ・t とすることを特徴とするクロム鉱石の溶融還元方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、クロム鉱石に炭素含有物質を添加してクロム鉱石を溶融還元するクロム鉱石の溶融還元方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ステンレス鋼の溶製はクロム鉱石等を電気炉にて炭素還元して製造したフェロクロムを用いて行われているが、高価な電力を使用するためフェロクロムのコストが高く、その結果、ステンレス鋼の製造コストを高いものにしていた。この問題を解決するために、クロム鉱石を予備還元した半還元クロムペレットを上底吹き転炉を用いて、電力を使わずに炭素還元してクロム含有溶湯を溶製する方法が従来から知られている。またそれをさらに進めてクロム鉱石を直接還元してクロム含有溶湯を得る方法も提案されている。（特開昭58-9959 号公報、特開昭55-91913号公報参照）
また、特開平7-41872 号公報には、熱崩壊性のある炭材を用いて、炭材にメタル粒が付着することを防止することによりメタルロスを低減するとともに、還元反応速度を増大させる方法が開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
半還元クロムペレットの溶融還元法は、クロムペレット製造のための設備が必要となり、直接クロム鉱石を溶融還元する方法に比べてコストが高くなるという問題があった。一方、クロム鉱石の溶融還元法は、半還元クロムペレットを用いた従来法に比べて、同一クロム量当たりの酸化物（Cr2O3, FeO）の投入速度が大きくなるため、単位時間当たりのクロム還元量を従来法と同一にするためには還元反応速度を大きくしなければならないという問題がある。これに対しては、主たる還元反応界面である炭素含有物質表面積を増やすことが効果的であるが、従来と同一の炭素含有物質を用いた場合には炭素含有物質添加量の増加が必要となる。この炭素含有物質添加量の増加は、添加量の増加自体がコストアップの要因となるばかりでなく、処理後のスラグ中に炭素含有物質が残留することとなり、スラグの再利用に悪影響を及ぼす点からも有害で、クロム鉱石の溶融還元法のメリットを大きく減殺するものである。
【０００４】
本発明は、この炭素含有物質の添加量の増大を伴わずに炭素含有物質表面積を増大させ、高い還元反応速度を得るクロム鉱石の溶融還元方法を提供することを目的とする。
上記の目的は粒径の微細な炭材の使用により解決可能ではあるが、この種の微細な炭材の使用に当たってはその添加歩留りが低く、ダスト発生量が増大するという問題があった。これに対して特開平7-41872 号公報では、炭材表面温度が800 ℃以下の状態で、スラグあるいはメタルに到達するように投入方法を調整することにより、炭材の熱崩壊前にスラグ中あるいはメタル中に巻き込ませる方法が示されている。
【０００５】
しかし、本発明者らが炭材投入高さを変化させて実験を行ったところ、表面温度800 ℃以下を保てる条件の下でも炭材の歩留りには変化がなく、単に排ガス流量の増加に合わせて炭材歩留りが低下する傾向が見られた。
さらに、実験中の炉口付近には炉内圧力の脈動に伴って炭材粉の吹き出しが認められ、また、実験後の炉内の観察およびスラグのサンプリング結果からはスラグ上部に多量の炭材の存在が認められた。これらの結果から、炉内に投入された炭材の一部はスラグおよびメタル中に巻き込まれるものの、その大部分はスラグ上に浮いているかあるいは炉内の空間に懸濁しているものと推定された。このため、投入途中に熱崩壊をさせないような処置を行った場合にも炭材の飛散が減少しないものと考えられる。
【０００６】
このように、微細な炭材を添加する方法には添加歩留りが低いという問題点がある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、転炉を用いた溶融還元工程におけるクロム還元歩留と炭材歩留の向上を目的に、鋭意検討した結果、クロム還元歩留は添加する炭素含有物質( 炭材) の種類に大きく影響され、ある種の炭素含有物質を用いるとクロム還元歩留が飛躍的に向上すること、および、炭材歩留は底吹き酸素流量に大きく影響され、最適な底吹き酸素流量の範囲が存在することを知見した。
【０００８】
まず、本発明の基礎となった実験について説明する。
５ton 試験転炉で、転炉にクロム鉱石と各種炭素含有物質を添加し、酸素を供給してクロム鉱石の溶融還元を行い、クロム鉱石の還元率を調査した。その結果、図２に示すように、添加した炭素含有物質が炉内添加時に細粒化するものの場合に限り、高いクロム鉱石還元率が得られることを見いだした。なお、予め、添加する炭素含有物質を、30kg級小型溶解炉内の炭素飽和溶銑上に投入して、これら物質の崩壊性を調査し、添加した炭素含有物質は投入時に瞬時に細粒化し、図４のように粒度分布が変化するものとほとんど細粒化しないものとに２分されることを確認している。
【０００９】
ついで、本発明者らは、実験した各種炭素含有物質の特性を調査し、炉内投入時の炭素含有物質の崩壊性が同物質に含有される水素と炭素の原子数の比、Ｈ／Ｃ値と、固定炭素量とに密接に関係していることを知見した。すなわち、図１に示すように、Ｈ／Ｃ値が0.5 以下でかつ固定炭素量が85％以上の範囲を有する炭素含有物質は炉内投入時に細粒化するが、上記範囲外の炭素含有物質では、ほとんど細粒化しない。
【００１０】
さらに、本発明者らは、５ton 試験転炉で、クロム鉱石と炭素含有物質（炭材）を転炉内に投入して、全酸素供給流量を一定とし、底吹き酸素流量を種々変化して溶融還元を行い、炭材歩留とクロム還元歩留を調査した。その結果、図３に示すように、底吹き酸素流量をある範囲内に調整することによりクロム還元歩留と炭材歩留がともに高くできることを見いだした。すなわち、図３から、底吹き酸素流量を0.3 〜0.8 Nm3/min ・t の範囲内とすることにより炭材歩留とクロム還元歩留がともに85％以上と高くなる。
【００１１】
本発明は、上記した知見をもとに構成されたものである。
すなわち、本発明は、上底吹き機能を有する転炉型溶融還元炉にクロム鉱石を炭素含有物質とともに添加し、酸素を供給することによりクロム含有溶湯を溶製するクロム鉱石の溶融還元方法において、前記炭素含有物質として水素と炭素の原子数の比、Ｈ／Ｃ値が0.14以上0.5 以下でかつ固定炭素量が85％以上の物質を使用し、さらに底吹き酸素流量を0.3 〜0.8 Nm3/min ・t とすることを特徴とするクロム鉱石の溶融還元方法である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明では、上底吹き機能を有する転炉型溶融還元炉を用いる。転炉にクロム鉱石を炭素含有物質とともに添加し、上底吹きで酸素を供給することにより炭素含有物質を燃焼し、その燃焼熱でクロム鉱石の溶融と還元を行い、クロム含有溶湯を溶製する。
【００１３】
上底吹き転炉の使用は、上底の両方から大量の酸素ガスを供給し高生産性の溶融還元を可能にし、また、底吹きガスによる強力な攪拌によりスラグ中の金属酸化物の還元反応速度を高める意味からも有効である。
本発明では、転炉に添加する炭素含有物質として、含有する水素と炭素の原子数の比、Ｈ／Ｃ値が0.14以上0.5 以下でかつ固定炭素量が85％以上の物質を使用する。
【００１４】
炭素含有物質のＨ／Ｃ値が0.5 を超えると、炭素含有物質が炉内に投入された場合に瞬時に細粒化しないため、炭素含有物質の反応界面積が増加せず、還元反応速度が低く、したがってクロム鉱石還元率が低下する。このため、添加する炭素含有物質の含有する水素と炭素の原子数の比、Ｈ／Ｃ値を0.14以上0.5 以下に限定した。さらに、添加する炭素含有物質のＨ／Ｃ値が0.14以上0.5 以下でも固定炭素量が85％未満では、炭素含有物質の崩壊性が低く炉内に投入されたときに細粒化しにくい。このため、添加する炭素含有物質の含有する水素と炭素の原子数の比、Ｈ／Ｃ値を0.14以上0.5 以下としかつ固定炭素量を85％以上に限定した。また、炭素含有物質中の水素と炭素の原子数の比および固定炭素量と炭素含有物質の細粒化傾向との関係は炭素含有物質内部の構造と密接に関係することが推察できるが詳細については不明である。
【００１５】
本発明で好適な炭素含有物質としては、無煙炭、半無煙炭等が例示でき、なかでも無煙炭が好適である。これらの物質は含有する水素と炭素の原子数の比、Ｈ／Ｃ値が0.5 以下でかつ固定炭素量が85％以上を満足することは言うまでもない。
本発明では、投入する炭素含有物質を上記のように限定するとともに、底吹き酸素流量を0.3 〜0.8 Nm3/min ・t とする。
【００１６】
底吹き酸素流量が0.3 Nm3/min ・t 未満では、炭材のスラグ、メタルへの巻き込みが十分でなく、還元が十分に進行せずクロム還元歩留が低下するともに、炭材の飛散が増して炭材歩留も低下する。一方、底吹き酸素流量が0.8 Nm3/min ・t を超えるとスピッティング量が増大しクロム還元歩留が低下する。このため、底吹き酸素流量は0.3 〜0.8 Nm3/min ・t とした。
【００１７】
なお、本発明の溶融還元法の操業では、酸素を底吹きするとともに、上吹きする。本発明では、酸素の上吹き条件についてはとくに規定する必要はないが、上吹き酸素は、炭材の一次燃焼と、生成したCOガスをCO2 までにする二次燃焼を考慮して制御するのが望ましい。二次燃焼を利用すれば、炭材の使用量を増加させることなく、多大のエネルギーを得ることができ、転炉の生産性を高めることができる。二次燃焼効率を向上させるためには、上吹きランス高さの上昇、上吹き酸素、流速の低下等が知られている。これらの方法は本発明においても好適に利用できることは言うまでもない。
【００１８】
【実施例】
５ton 規模の上底吹き機能を有する転炉型溶融還元炉を用いて、表１に示す水素と炭素の原子量の比（Ｈ／Ｃ比）と固定炭素量を有する炭素含有物質を添加し、表１に示す流量で酸素を上底吹きして、クロム鉱石を溶融還元しクロム含有溶湯を得た。なお、操業中は、上吹きランス高さを調節し、二次燃焼率（CO2 /CO2+CO ) を20％と一定にした。
【００１９】
操業後、得られたクロム含有溶湯の成分、重量と、添加したクロム鉱石量とから、クロム還元歩留を求め、また、ダスト成分発生量と添加した炭素含有物質とから炭材歩留を求め表１に示す。
【００２０】
【表１】
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【００２１】
表１から、本発明の範囲の炭素含有物質を使用し、本発明範囲の底吹き酸素流量で操業した実施例（試験No.1、No.2）は、いずれもクロム鉱石の還元歩留が90％以上、炭材歩留りも98％以上と高い。一方、本発明範囲外の炭素含有物質を使用した比較例（試験No.3、No.4）、および本発明範囲外の底吹き酸素流量で操業した比較例（試験No.5、No.6）は、いずれもクロム鉱石の還元歩留が60〜70％と著しく低く、また、試験No.5、No.6では炭材歩留りも85〜88％と低い。
【００２２】
なお、試験No.1で添加した炭素含有物質の崩壊前後での粒度分布の１例を図４に示す。崩壊により細粒となっているのがわかる。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば、炉内添加後に炭素含有物質が微細化し、炭材の添加量を増加せず炭材の表面積が増加し還元反応速度を高めることができ、さらに、スピッティングも抑制でき、これらにより高いクロム還元歩留が得られるとともに、高い炭材歩留が得られるクロム鉱石の溶融還元操業を可能にするという産業上多大の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】炭素含有物質の固定炭素量、水素と炭素の原子数の比、Ｈ／Ｃ値と細粒化の関係を示す図である。
【図２】クロム鉱石還元率と炭素含有物質の細粒化との関係を示すグラフである。
【図３】炭材歩留、クロム還元歩留と底吹き酸素流量との関係を示すグラフである。
【図４】炭素含有物質の崩壊前後の粒度分布の１例を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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