(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
転炉型冶金反応容器内に保持した金属溶湯に、炭素含有物質及び鉱石を添加すると共に、該金属溶湯面に酸素ガスを吹き付け、前記鉱石の主成分金属を含む金属溶湯を得る溶融還元製錬方法において、
前記製錬中に発生したダストを、前記転炉型冶金反応容器からの排ガスを水処理にてスラリー化させ、該スラリーより整流分離して１００μｍ以下を２０重量％以下として回収した後、前記鉱石に混合し、該混合物を水分が２重量％以下まで乾燥してから、ランスを介して前記金属溶湯に再度添加することを特徴とする溶融還元製錬方法。
【請求項２】
前記溶融還元製錬で得た金属溶湯を、引き続き、別の転炉型冶金反応容器内で脱炭精錬するに際して発生、回収したダストも、前記溶融還元製錬で発生、回収したダストと共に鉱石と混合することを特徴とする請求項１記載の溶融還元製錬方法。
【請求項３】
前記ダストと鉱石との下記（１）式で定まる混合率を、０．５以下とすることを特徴とする請求項１又は２記載の溶融還元製錬方法。
α＝ダスト重量／（鉱石重量＋ダスト重量）              …（１）
【請求項４】
前記鉱石をＣｒ鉱石としたことを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の溶融還元製錬方法。
【請求項５】
前記炭素含有物質を、主として無煙炭とする
ことを特徴とする請求項１〜４いずれか記載の溶融還元精錬方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、転炉型反応容器を用いた溶融還元製錬法による溶融金属の製造方法に関し、特に、ステンレス鋼母湯の製錬中に発生したダストを、再度その製錬に炭材及びメタル源として利用し、Ｃｒ鉱石、Ｍｎ鉱石等を安価に溶融還元する技術である。
【０００２】
【従来の技術】
ステンレス鋼を製造するには、従来より、電気炉−ＡＯＤ（アルゴン−酸素脱炭）の組合わせプロセス、あるいは、転炉によるプロセスが採用されてきた。ところが、最近、転炉によるプロセスでステンレス鋼を溶製するに際し、Ｆｅ−Ｃｒ合金、予備還元Ｃｒペレットのような高価なＣｒ源を使用せずに、安価なＣｒ鉱石を直接使用する技術が開発された。それは、溶融還元製錬法と呼ばれ、冶金反応容器（以下、反応容器という）内の金属溶湯に、Ｃｒ鉱石と還元剤である炭素含有物質とを添加、送酸することで、該Ｃｒ鉱石を溶融還元して金属溶湯に溶解し、ステンレス鋼の母湯を製造するものである。そして、このプロセスは、現在、具体的実施に関する多くの研究を経て実用されている。
【０００３】
その研究の１つを紹介すると、例えば、特開平７−３００６０９号公報は、粉状のＣｒ鉱石を溶湯に添加する方法として、転炉の上方開口部（炉口）より、長尺の筒体（以下、ランスという）を介して投入することを提案した。この方法の利点は、長いランスを介して投入することで、粉状のＣｒ鉱石は落下速度が大きくなり、製錬時に発生する排ガスの上昇気流で、金属溶湯へ該Ｃｒ鉱石粒子が到達する前に、飛散して、該排ガスに連れ去られることを防止し、Ｃｒの高い添加歩留りを確保できる点にある。
【０００４】
しかしながら、この方法にも、次のような問題点があった。
（１）Ｃｒ鉱石を還元するには、炭素含有物質として、一般にコークスや無煙炭が用いられているが、その還元を効果的にするには、金属溶湯上に存在するスラグ中に、常時これら炭素含有物質を滞留させておくことが必要である。つまり、多量の炭材が必要で、そのコストが膨大となる。
（２）このスラグ中に滞留している炭材粉は、スラグ中に滞留している間に飛散して排ガスと共に転炉から逃げ、集塵装置で回収されるものの、Ｃ含有量の高い（通常、３０〜５０  重量％）ダストを大量に発生する。
【０００５】
このＣ含有量の高いダストの再利用方法としては、電気炉やロータリー・キルン等の還元炉を用いた溶融還元製錬法（特開昭６１−３７７２７号）、あるいはブリケッティングによる塊成化処理（例えば、特開昭５９−２１５４１４号公報参照）等が考えられるが、いずれの方法も処理コストが高価になるので、実用化していない。
【０００６】
なお、上記溶融還元製錬法で製造された母湯は、その後、通常の転炉で脱炭精錬され、ステンレス鋼にされる。また、回収した未使用ダストは、１チャージ当たり２００ｋｇ／ｔ以上にもなる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、かかる事情に鑑み、所謂溶融還元製錬法でステンレス鋼の母湯を製造するに際し、従来より製錬コストが大幅に安くなる溶融還元製錬方法を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
発明者は、上記目的を達成するため、回収したダストのリサイクル使用に着眼した。しかし、実際に実行する段階で、ダストがホッパ、ランス等に詰り、円滑操業ができないことになった。その原因を鋭意研究したところ、ダストが搬送中に水分によって酸化し、種々の装置に付着、固化することを知り、その対策も含めて、具現化に鋭意努力し、下記の本発明を完成させた。
【０００９】
すなわち、本発明は、転炉型冶金反応容器内に保持した金属溶湯に、炭素含有物質及び鉱石を添加すると共に、該金属溶湯面に酸素ガスを吹き付け、前記鉱石の主成分金属を含む金属溶湯を得る溶融還元製錬方法において、前記製錬中に発生したダストを、前記転炉型冶金反応容器からの排ガスを水処理にてスラリー化させ、該スラリーより整流分離して１００μｍ以下を２０重量％以下として回収した後、前記鉱石に混合し、該混合物を水分が２重量％以下まで乾燥してから、ランスを介して前記金属溶湯に再度添加することを特徴とする溶融還元製錬方法である。
【００１０】
また、本発明は、前記溶融還元製錬で得た金属溶湯を、引き続き、別の転炉型冶金反応容器内で脱炭精錬するに際して発生、回収したダストも、前記溶融還元製錬で発生、回収したダストと共に鉱石と混合することを特徴とする溶融還元製錬方法である。
さらに、本発明は、前記ダストと鉱石の下記（１）式で定まる混合率を０．５以下とすることを特徴とする溶融還元精錬方法である。
【００１１】
α＝ダスト重量／（鉱石重量＋ダスト重量）              …（１）
【００１２】
さらに加えて、本発明は、前記鉱石をＣｒ鉱石としたり、あるいは前記炭素含有物質を、主として無煙炭とすることを特徴とする溶融還元製錬方法でもある。本発明によれば、主として溶融還元製錬中に発生したＣ含有量の高いダストをリサイクル使用するようにしたので、炭材コストを増加させずに、ダストのリサイクルが可能となり、製錬コストが安価になる。すなわち、ダストのリサイクルにより金属酸化物を含有する鉱石を還元することができるので、該溶融還元装置の系全体での金属歩留が向上する。従来は、ダストをリサイクルする際に、炭材と共に塊成化する等の処置が施されていたが、本発明では、粉状でリサイクルが可能となる。また、そのための装置は、簡易でしかも大がかりなものでないので、設備費用も安くてすむ。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明に係る溶融還元製錬法を実施する設備の１例を示す。それは、反応容器に転炉１を用い、その中に、例えばステンレス製錬の場合には、予備処理で脱燐された溶銑とスクラップとが予め装入され、転炉の上方より溶湯面に投入した炭材と酸素１３の吹き付けで所定温度に高められた状態で、金属溶湯１４として保持されている。送酸は、該転炉１の上方に配置された所謂上吹ランス１５から酸素ガス１３を、該金属溶湯１４の表面に高速で吹き付けることで行われる。本発明は、かかる装置で溶融還元製錬中に発生したダストを、図１の右下に示すダストの回収システムで回収し、同一あるいは次回チャージ以降の溶融還元製錬にリサイクル使用するものである。以下、実施の形態を、さらに詳細に説明する。
【００１４】
まず、図１のダスト回収システムは、転炉１からの排ガスに集塵装置１２内で水を散布して、該排ガスの含有するダストを捕集する。その際、ダストを捕集した水は（以下、集塵水という）、スラリーとして配管１６を流れる。特に、溶融還元製錬で発生するダストのうち、前記スラグ中の滞留炭材が飛散したものは、比較的粗粒であるため、粗粒分離機３を介して粗粒ダスト６として回収される。ここで、粗粒分離機３とは、集塵水を滞留させ、重力でダストを沈降させる装置である。一方、微粒のダストは、粗粒分離機３の排水１７と共にシックナ８に入れられ、濃縮されて該シックナ８の下部より抜き出され、濃縮槽１１でさらに濃化された後、その下部より抜き出され、微粒ダスト７とされる。この粗粒ダスト６及び微粒ダスト７の粒度及び化学成分の１例を、表１及び表２に示しておく。なお、これら回収された粗粒ダスト６及び微粒ダスト７のうち、特に粗粒ダスト６が本発明での処理対象に適している。そのダスト６の粒度分布は、前記シックナ８の整流分離で、１００μｍ以下を２０重量％以下とする。その理由は、図２に示すように、１００μｍ以下のダストは、鉄含有率が高く、水分含有時に凝集が生じてホッパー等で詰まるからである。したがって、１００μｍ以下のダストの含有率は、極力低くすることが望ましい。しかし、前記粗粒分離機３は、ダストの比重と粒径に基づき重力で該ダストの一部を沈降させ、該ダストの選別を行うものであるので、１００μｍ以下の鉄含有ダストを全く生じさせまいとすると、比重の軽い粗大なダストも同時にシックナーへ流入してしまい、本発明によるランスを介した炉内へのリサイクルに適合するダスト６の量が大幅に減ってしまう。
【００１５】
そこで、さらにダストのホッパー等で詰りが生じる条件を詳細に調べたところ、後述するように、水分２重量％以下とする乾燥条件の下では、１００μｍ以下のダストの含有率を２０重量％以下にすれば、詰りの問題を回避できることがわかった。
【００１６】
【表１】
0003787960.tif 000002
【００１７】
【表２】
0003787960.tif 000003
【００１８】
次に、上記の回収ダスト６は、粉状の鉱石１１と混合する。この混合には、公知のミキサ４を使用すれば良いので、説明を省略する。なお、本発明は、ダストと鉱石との混合率（重量比）を特に限定するものではないが、具体的にＣｒ鉱石を使用するに当たっては、ダスト：Ｃｒ鉱石＝２：５程度が好ましい。その理由は、ダストの嵩比重は、Ｃｒ鉱石の嵩比重が２．５程度であるのに対して、０．８〜１．０と低く、ダストの配合比率を高くすると、混合物２０の比重が小さくなる。それと同時に、該混合物２０を、添加ランス５を介して転炉１内に吹込んでも、その飛散率が高くなる。発明者の調査によれば、以下の（１）式で定まるダストと鉱石の混合率αが０．５以上となると、飛散率が５％以上と大きくなった。
【００１９】
α＝ダスト重量／（鉱石重量＋ダスト重量）              …（１）
この時のダストの比重は、約１．５であり、飛散率低下の観点からは、該ダストの比重を１．５以上となる配合割合で操業することが望まれる。
なお、混合時の比重は、（２）式で表わされるので、混合する鉱石（Ａ）とダスト（Ｂ）の比重により操業に適する混合比率が決まることになる。
【００２０】
【数１】
0003787960.tif 000004
【００２１】
ここで、ρA ，ρB ；  粉体Ａ，Ｂの比重
α，β；  粉体Ａ，Ｂの重量混合比
従って、本発明では、この飛散率に基づき、上記ダストの混合率（重量比）αを０．５以下とするのが望ましい。
【００２２】
また、本発明では、転炉１の上方に送酸用とは別に設けた添加ランス５を介して転炉１内の溶湯に添加するが、発明者は、その際に混合後の粉体の水分をある範囲に維持する必要があることを見い出した。
すなわち、水分含有率を０．５％以下とすれば、ダスト粒径に関わらず、詰まりの問題が少ない状態で吹込み可能となる。しかし、雨天では原料の水分は高くなるので、水分０．５重量％未満となるまで乾燥するのは困難となる。また、乾燥に要するエネルギー・コストも大きくなる。従って、１００μｍ以下の粒度を２０重量％以下とすると同時に、水分を２重量％以下となるまで乾燥を行うようにするのである。
【００２３】
ここで、水分２重量％以下で詰まりがなくなる理由について、詰りに関係すると考えられる混合物の特性を各種試験方法（説明省略）で調べてみたところ、図５に示すように、混合物の安息角、圧縮度、凝集性、流動性が水分による影響を受けており、その特性がいずれも大略２水分重量％を境に変化することが明らかになった。本発明では、この調査結果に基づき、水分を２重量％以下に定めたのである。水分がその値を超えて多くなると、添加ランス５からの吹き込み特性が悪化するのは、ダスト中に金属鉄分が含有されており、水分と該金属鉄分との間で酸化反応が生じ、酸化物が該ランス壁に固着するためと考えられる。なお、乾燥する手段は、特に限定しないが、例えばロータリーキルンが適する手段の一つである。該キルンに、鉱石とダストを投入することにより、乾燥と同時に混合が促進されるからである。
【００２４】
さらに、本発明では、溶融還元精錬以外の脱炭精錬で発生したダストも使用するようにした。上記本発明の実施で得たステンレス鋼母溶湯は、上底吹転炉に装入され、通常の方法で脱炭精錬されてステンレス鋼とされるが、その際、該転炉の排ガスから、量的には少ないが、表１及び２に示したものと同様のダストが回収されるからである。そこで、このダストも前記と同様の方法で回収、鉱石との混合、乾燥を行い、リサイクル使用するようにしたのである。
【００２５】
加えて、本発明でダストと鉱石の混合物２０をその添加ランス５から溶湯１４に添加する方法は、該混合物２０の自重で落下させても、あるいはキャリア・ガスを用いて溶湯面に吹き付けても良い。実際に添加するに当っては、あらかじめ実験やモデル計算によって炉内発生ガスの上昇流速の比較的に小さい場所を見出しておき、そこに添加ランス５の先端の位置をさせて混合物２０を供給する。図３は、このことを説明する図である。転炉１内に溶湯１４が保持され、酸素上吹用ランス１５から酸素ガス１３を吹込むと共に、前記混合物２０の添加ランス５から該混合物２０を添加する。この時、炉内発生ガスの上昇気流１９は、図３に模式的に示すような分布となっており、上昇気流１９の流速の小さい位置に該混合物２０を供給すると良い。このことにより、塊状に成形して炉上シュートから投入する場合と比べて遜色のない添加歩留を達成することができる。また、添加ランス５の使用により、精錬中の投入量を制御することができるため、ダスト投入による炉内反応への外乱も少くなく、安定した操業が可能である。また、本発明では特定成分の制約を受けないため、発生ダストの全量をリサイクルすることができるのである。
【００２６】
なお、ここで溶融還元炉にて用いる炭材は、特に限定するものではないが、無煙炭が還元促進を進める上で溶融還元に適すること、および無煙炭はスラグ中で微細化し、スラグ中より排ガスにダストとなって飛散するので、特にダスト中のＣが多いことから、本発明に適する炭材である。
【００２７】
【実施例】
転炉１からの排ガスに含まれるダストを、図１の集塵装置１２で回収し、該ダストにＣｒ鉱石１８を混合して、前記（１）式で定まるダストと鉱石の混合率αが０．５以下の溶融還元精錬を行った。
まず、原料ヤードにて、予め粉状のＣｒ鉱石および集塵装置１２より回収したダストをショベルにて交互にパレットにα＝０．３〜０．４の比率となるように積み込んだ。使用したダストは、表１に示した粗粒物である。この混合物を載せたパレットを原料ヤードより地下の打ち込みバンカーへ運搬し、該混合物をロータリー・キルンへ投入、乾燥した。該キルン内に約２０分滞留させた後、取り出した混合物（粉体）の水分を測定したところ、乾燥後の水分は、晴天時には０．３〜０．７重量％、雨天時には１〜１．９重量％程度であった。
【００２８】
次に、上記乾燥で水分が２重量％以下になった混合物を、下記条件で溶融還元精錬に利用した。
溶融還元炉は、ガスを上底吹き可能な転炉型反応容器であり、かつ前記混合物のための添加ランス５を有している。その際、上吹き酸素ガスの流量は、５５０Ｎｍ3 ／分とし、底吹きガスは、炉底羽口より酸素：５０Ｎｍ3 ／ｍｉｎ、窒素：２０Ｎｍ3 ／ｍｉｎの混合ガスとした。鉄源は、ＳＵＳ３０４の溶製時には、２００ｋｇ／ｔ、ＳＵＳ４３０の溶製時には、４０ｋｇ／ｔのスクラップを予め炉内へ装入した後、溶銑を１２０〜１５０ｔ装入している。また、吹錬中に、サブ・ランスで溶鉄温度が１５５０〜１５７０℃になったことを確認した後、前記添加ランス５を介して混合物を１０００〜１５００ｋｇ／ｍｉｎの割合で供給した。同時に、炭材として無煙炭（ベトナム産、ＶＭ５．８％、ＨＧＩ３５）を７００〜１０００ｋｇ／分の割合で炉内へ投入した。ランスの高さとしては、Ｏ2 供給ランスが溶鉄面より３．５〜４ｍ、混合物の添加ランス５が溶鉄面より３．５〜５ｍである。
【００２９】
このような精錬を多数チャージ行い、操業成績をＣｒ成分の添加歩留で代表させて、図４に一括示した。図４に黒丸で示したデータは、上記本発明の実施例であり、一方、白丸で示したデータは、Ｃｒ鉱石１８のみを１００％添加する従来例での歩留りである。図４より、本発明の実施例（黒丸）と、従来より工程的に実施されているＣｒ鉱石単体（１００％）で投入した場合の歩留（白丸）とでは、ほとんど差がなく良好な歩留が得られた。また、ダスト中の炭材（Ｃ成分３０％）の歩留についても、同様に調査したところ、工程的に投入している炭材と同等の歩留であることが分かった。
【００３０】
引き続き、上記した本発明に係る溶融還元精錬方法で得た母溶湯を、別の転炉を用いて、ＳＵＳ  ３０４を始めとして、多くのステンレス鋼の製造に利用した。その結果、従来は、未使用であったダストをリサイクルでき、該ダスト中の金属分の回収で、溶融還元炉でのＣｒ及びＦｅの歩留がそれぞれ４％及び５％向上した。さらに、Ｃｒ鉱石の還元歩留りについても３〜４％向上した。この理由は、明確ではないが、Ｃｒ鉱石と共にダストを吹込むことで、ダスト中のＣがＣｒ鉱石の還元促進に好影響を与えたものと考えられる。なお、既に述べたように、従来は、ダストをリサイクルする際には、ダスト還元用の炭材を必要としたが、本発明によってこの炭材が不要になった。
【００３１】
前記と同じ操業方法を用いてα＝０．６〜０．７の溶融還元操業も行い、その操業成績を、同じくＣｒ成分の添加歩留で図４に整理した。その結果、従来のＣｒ鉱石と比べて良好な結果ではあるものの、α＝０．３〜０．４の場合と比べると、歩留が若干低下している。また、ダスト中への飛散量が同時に増加しており、αの増加で飛散率が高くなったものと思われる。
【００３２】
続いて、α＝０．３〜０．４の条件で、大雨時に混合物をロータリ・キルンで乾燥させつつ操業した。乾燥後の水分は、１．５〜２．５ｗｔ％と投入前の原料水分の変動により大きく変動する。この操業成績については、これまでに述べた成績と変わらなかったが、ランスでの詰り及びコンベア前ホッパ内での詰りが、２日に１回程度発生した。そこで、４〜５チャージ分の操業で、混合物の吹込みを行った後、Ｃｒ鉱石のみを吹込み、ランス等での詰りを解消する操業を１〜２チャージ行った。このようなことを繰り返して操業を続けることができたが、通算でのダストの混合比率は必然的に低くなった。
【００３３】
また、ダスト・リサイクル量をさらに拡大すべく、リサイクルするダストの粒度を変更する操業も行った。具体的には、図１中粗粒分離機３での水量を低下させることにより滞留時間を延長し、全ダストに対する細粒ダストの比率を増加させた。この時の粗粒ダストの粒度例を表３に示す。
【００３４】
【表３】
0003787960.tif 000005
【００３５】
表３に示すように、１００μｍ以下のダストの比率は約３０ｗｔ％である。この際、従来の知見より詰りが大きくなることが予想されたので、ロータリ・キルンでの熱風量を増加させ乾燥を強化した。その結果、乾燥出側の水分は、０．６〜１．０ｗｔ％であった。また、天候が雨天となり、乾燥機出側水分が高くなりそうな場合は、ダストの混合を中止した。Ｃｒ歩留については、図４の中に示すが、上記実施例と同等で良好であった。但し、飛散量が若干増加し、ダストの発生が増加する傾向が見られた。
【００３６】
なお、上記実施例は、ステンレス鋼を製造する前の母溶鋼を製造する溶融還元精錬の場合であるが、本発明は、それに限らず、例えば高Ｍｎ鋼の精錬においても使用できる。
【００３７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明により、溶融還元製錬において発生したＣ及びＣｒ等の含有量が高いダストをリサイクル使用できるようになった。その結果、従来に比べて安価に、溶融還元精錬が実施可能となり、この方法を利用して製造したステンレス鋼の価格が低下できるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る溶融還元製錬法を実施した設備の一例を示す図である
【図２】ダスト、鉱石混合物の水分と、その添加ランスの詰りとの関係を示す図である。
【図３】転炉内での添加ランスの適切位置を説明する図である。
【図４】溶融還元精錬でのＣｒの添加歩留を示す図である。
【図５】粉体混合物の各種特性に及ぼす水分の影響を示す図であり、（ａ）は粉体混合物の安息角、（ｂ）は圧縮度、（ｃ）は凝集性、（ｄ）は流動性への影響を示すものである。
【符号の説明】
１    転炉（冶金反応容器）
２    ダストの回収システム
３    粗粒分離機
４    混合機（ミキサ）
５    添加ランス
６    粗粒ダスト
７    微粒ダスト
８    シックナ
９    排ガスの回収システム
１０  水槽
１１  濃縮槽
１２  集塵装置
１３  酸素ガス（酸素）
１４  溶融金属（金属溶湯）
１５  上吹ランス
１６  配管
１７  排水
１８  鉱石（Ｃｒ鉱石）
１９  上昇気流
２０  混合粉（混合物）
【図１】
0003787960.tif 000006
【図２】
0003787960.tif 000007
【図３】
0003787960.tif 000008
【図４】
0003787960.tif 000009
【図５】
0003787960.tif 000010