JFE 技報 No. 20（2008 年 6 月）p. 79–84

環境対応型ステンレス鋼製造プロセス
Development of Sustainable and Efficient Stainless Steelmaking Process
金子 陽平

KANEKO Yohei

JFE スチール

東日本製鉄所千葉地区

製鋼部製鋼技術室

納OSAME Masao

JFE スチール

東日本製鉄所千葉地区

製鋼部長

雅夫

主任部員（係長）

要旨
JFE スチールでは東日本製鉄所千葉地区にステンレス鋼専用製鋼工場を 1994 年 7 月に建設し，至近での生産能力は月産 7 万トンに及ぶ。本製鋼工場はエネルギー原単位の削減と環境負荷を考慮して，Cr 鉱石の溶融還元炉 - 脱炭炉 - VOD プロセスを持つことを特徴としている。これによって FeCr 合金を溶解してステンレス鋼を製造する電気炉 - AOD に比較して，30％以上のエネルギー原単位の削減を実現している。最近ではさらなるスクラップ使用量の増加と，その溶解エネルギーのクリーン化を目指して，高効率なスクラップ溶解が可能であるス
テンレス溶鋼保持炉を導入した。また精錬工程で発生するダストやスラグなどの副産物のリサイクルについては，ダストリサイクル専用炉を建設することで，ダストに含有する Cr や Ni などの有価金属を回収する技術を開発した。また製鋼スラグについては，ダスト精錬炉や焼結工場へのリサイクルを経て，土工用材料として商品化している。

Abstract:
JFE Steel has constructed a stainless steelmaking shop in East Japan Works(Chiba), and started its operation inJuly, 1994. At present the annual production of this steelmaking shop reaches 700 000 tons. To consider thereduction in the unit energy consumption and the decrease of the negative environmental impact, the uniquefeature of this steelmaking shop is characterized as following process sequence; Smelting reduction furnace (SRF)
with Cr ore-Decarburization furnace (DCF)-VOD process. The above process contributes to more than 30%
reduction ofenergy consumption compared to the conventional EF-AOD process with FeCr alloy smelting. Stainlessscrap melting reservoir with high efficiency has been introduced aiming at increasing in a further amount of scrap
use and making of the dissolution energy clean recently. From the viewpoint of recycling and reuse of by-products,
a recycling system for dust and slag generated in this process has been established. Steelmaking dust containing
valuable metals like Cr and Ni, is melted and reduced in a smelting furnace, which is designed especially for dustsmelting. Hot metal produced from this furnace can be recycled to SRF as metal resource. Steelmaking slag is also
recycled as flux to the dust smelting furnace and sintering plant, or is processed into a commercial product as civilengineering works.

合金の利用を削減するため，酸素，コークスが利用でき，1. はじめに転炉排ガスを有効活用できる製鉄所立地の有利さを活かし，石炭エネルギーによる Cr 鉱石の溶融還元プロセスを東日本製鉄所千葉地区第 4 製鋼工場（千葉 4 製鋼）は，採用している。

単工場での生産量が日本最大規模のステンレス鋼専用製鋼

また千葉 4 製鋼は，世界規模のエネルギー原単位の低減工場であり，1994 年 7 月より現在まで順調に操業を継続しに寄与するため現在も意欲的な改善を進めており，2004 年ている。本製鋼工場を抱える千葉地区は，大規模商業地，10 月には高効率なスクラップ溶解機能を持った世界初のス

公共スポーツ施設を隣接した都市型製鉄所であることから，テンレス溶鋼保持炉（J-First；JFE Flexible Iron Reservoir

特に環境問題を意識したリサイクル重視のプロセスを採用

for Stainless Steel）を稼働させた。図 1 には千葉 4 製鋼のしている。また，電力多消費型の製品である高炭素 FeCr

生産量の推移と，生産鋼種の比率を示す。JFE スチールでのステンレス鋼生産が Cr 系ステンレスに特化することで，2008 年 1 月 22 日受付

これらの製造プロセスはさらに適したものとなっている。
− 79 −

環境対応型ステンレス鋼製造プロセス

Annual production ofstainless steel(kt)Chiba District No. 4 Steelmaking Plant
800756

Chiba District No.1706

700 Steelmaking Plant
600532500 471529

502 522400571 592706747

まで高めることが可能となった。
脱炭精錬工程では，強攪拌の上底吹き転炉を採用し，高624

送酸速度での脱炭精錬においても Cr 酸化ロスの低減が可

373

300200を持たせることで，溶融還元炉での Cr 鉱石溶解量を極限

Austenitic(300 series)
4%4)

Ferritic(400 series)
96%能である 。また高 Cr 濃度を含む極低炭，極低窒素の高Year 2005

は VOD（vacuum oxygen decarburization) タイプの真空脱’94 ’95 ’96 ’97 ’98’99 ’00 ’01 ’02’03 ’04 ’05 ’06

純度フェライト鋼のニーズに応えるため，二次精錬設備に炭プロセスを採用

Year
図1Fig. 1

入ステンレス鋼の年間生産量の推移

6)5)

し，垂直曲げ方式の連続鋳造機を導している。

これらの設備により，JFE443CT に代表される 20％以上

Trend of annual stainless steel productionの Cr 濃度を持つ極低炭，極低窒素鋼の安定生産が可能と
本論文では，次世代の製鉄所モデルの礎となる千葉 4 製なった。

鋼の環境対応型プロセスについて，その開発内容を以下に紹介する

1〜3)

。

さらに，都市型製鉄所の環境重視の観点から，製鋼工場にて発生するダスト，スラグについてはリサイクル体制を確立している。ダスト中に含有される有価金属である Cr
7)

2. 基本構想と製造プロセスを還元回収するダスト精錬炉（STAR 炉） を合わせて建設し，溶融還元炉にメタルとしてリサイクルが可能なプロセ

千葉 4 製鋼は環境影響のみならず，生産安定性，品質なスとなっている。スラグに関しては STAR 炉や焼結工場などさまざまな要求を満たすことを目標としている。製造プ

ど製銑部門へのリサイクルと，土工用材料として商品化す

ロセスの概要を図 2 に示すが，製造プロセスの決定においる処理プロセスを構築している。エネルギーの省力化につては，ステンレス鋼の Cr，Ni など主原料の選択に自由度

いては，製鋼工場から発生するガスはすべて回収され，製を持たせることで，原料の安定入手を可能とし，高機能の鉄所の燃料ガスとして有効に活用している。

二次精錬および連鋳機を組み合わせることを主眼としてい3. 製造プロセスにおける環境対応技術

る。
原料の溶解工程では，低エネルギー消費原料である Cr

3.1

鉱石を，石炭によって還元が可能な溶融還元炉を採用してCr 鉱石溶融還元の概要

いる。さらに 2004 年には，この溶融還元炉で精錬された高Cr 鉱石の溶融還元は，鉱石の主成分である Cr 酸化物をい Cr 濃 度 の 粗 溶 鋼 を 貯 銑 す る ス テ ン レ ス 溶 鋼 保 持 炉

炭素により還元することで，有価金属である Cr を溶鋼内（J-First）を建設し，この溶鋼保持炉にスクラップ溶解機能に回収する技術であり，簡易的に反応式は下記の式で示さ

To civil engineering works
Slag reuse

Hot metal
dephosphorization
Recycled
hot metal

Cr-OreSmeltingreduction
SRF

Scrap

To ironmaking plant

FeCr

Slag recycle

Scrap melting
Decarburization
Hot metal reservoir
DCF
J-FirstFinal decarburizationand deoxidation
VOD

CC

Slag recycle
Dust recycleSTAR

図2Fig. 2
JFE 技報 No. 20（2008 年 6 月）

SRF: Smelting reduction furnace
DCF: Decarburization furnace
VOD: Vacuum oxygen decarburization
CC: Continuous caster
STAR: Stainless advanced reactor

東日本製鉄所千葉地区第 4 製鋼工場の概要

Outline of East Japan Works (Chiba) Stainless Steelmaking Process− 80 −

環境対応型ステンレス鋼製造プロセス

れる。

的である。
一方で，ソフトブローを得るためには，上吹きランスか(Cr2O3) ⫹ 3C → 2Cr ⫹ 3CO ………………… (1)らの送酸速度を下げることが有効であるが，単位時間あたりに発生する熱量を下げることになるため，Cr 鉱石の投入Cr 鉱石の溶融還元は，多電力消費型の製品である FeCr量が制限されてしまう。そこで，上吹きランスのガス噴出合金を中間原料としたステンレス鋼の製造に比較して，エ孔の形状開発に取り組み，高送酸速度の状況でもソフトブネルギー収支に優れる。しかし，Cr 鉱石はスピネル型鉱物ローを得ることが可能なノズル形状を開発した。これによの安定物質であるために，その還元反応速度は図 3 に示す

り，従来マッハ 2〜2.5（約 680〜850 m/s 相当）程度であっとおり，鉄鋼石に比較して 1/5 程度と低い。このため，Crた上吹きガスのノズル出口流速は，同じ送酸速度において鉱石の還元を促進するためには以下の手段が有効である。

マッハ 1.5 以下（500 m/s 以下）のソフトブローとなること（1） Cr 鉱石の還元が吸熱反応であるため，高温精錬によっが実現し，この時の二次燃焼率は，従来の 7％に対して25％まで増加した。この結果炉内での発生熱量を，コークて反応を促進する。
（2） 還元材である炭素と Cr 鉱石をスラグ中に微細分散させることによって，Cr 鉱石との反応界面積を増加させスなどの資源材料の消費を増加することなく，36％向上させることが可能となった。この概要を図 4 に示す。

る。

3.3以上の手法に着目し，種々の技術改善を実施している。

還元材との反応界面積の増加

Cr 鉱石の還元は，還元材である炭素との接触部においてまた，溶融還元炉は純酸素底吹き二重管羽口を備えた強攪拌型上底吹転炉であり，溶融還元時に生成する多量のス進行するため，還元材をより微細にスラグ中へ分散させるラグに対応した容積を持つ。また，砂状の Cr 鉱石を炉内ことが還元反応を促進させるためには有効である。従来，に添加するにあたっては，水冷式の鉱石投入ランスを介し転炉でのハンドリングが比較的容易であることからコークて炉内に投入することで，炉内から発生するガスによってスを還元材として用いた溶融還元精錬を実施していたが，飛散することを抑止しており，ダストの発生量の抑制に寄コークスから熱崩壊性を有する石炭に変更することにより，与している。

（1）コークス化の事前処理を必要としない生石炭を直接使3.2用することによる所内エネルギー原単位の削減

熱付与技術の開発（2） 炉内還元性の著しい向上（Cr 鉱石投入速度の増加，スCr 鉱石の還元反応が起こる溶鋼の温度まで昇温するにあラグライン耐火物溶損抑制による炉寿命延命，低硫溶

たっては，通常ではコークスなどの昇熱材を利用する。しかし，千葉 4 製鋼の溶融還元炉では資源エネルギーの削減

湯の安定溶製）（3） 燃料となる排ガス回収エネルギーが向上

8,9)と，高効率な熱付与を両立する目的から，転炉排ガスの二還元材は転炉上に位置するバンカーから炉内への投入を次燃焼を積極的に利用した昇熱手段を採用している。二次実施するため，投入系設備への固着や，ダスト飛散を抑止燃焼とは，炉内から発生する CO ガスと，上吹きランスかするため，投入前にはある程度の粒径と強度を持つ塊状原らの O2 ガスで燃焼を起こす反応である。

料であることが必要である。一方で，スラグ中においては，従来，転炉型精錬の上吹きガスは，攪拌力の強化を目的微細に分散しなければ還元性へ悪影響を与える。石炭は内として高送酸速度でのハードブローを志向する開発が進められている。しかし，ハードブローでの操業は，ダストの飛散を助長するのみならず，二次燃焼を促進するには不利

Primary combustion: 2C⫹O2 / 2CO ∆H⫽⫺1 310 kcal/Nm3-CO
Post combustion: 2CO⫹O2 / 2CO2 ∆H⫽⫺3 020 kcal/Nm3-CO2である。このため効率的に二次燃焼を促進させるには，上吹きランスからの O2 ガスがソフトブローであることが効果

3

Reduction rate (g/cm2·s)

Total heat of melting andreduction (Mcal/kg-metal)

JFE Steel-Laboratory-experiment

210Scrap

FeCr Fe-Ore Cr-Ore(1) Comparison of melting heat
図3Developed

Conventional (BOF)

JFE Steel-Laboratory-experiment
0.15

2CO⫹O2/2CO2

Hard-blow nozzle 2C⫹O2/2CO
Mach: 2–2.5

2CO⫹O2/2CO22C⫹O2/2CO

0.10

0.05
0CO2/(CO⫹CO2)
Fe-OreCr-Ore(2) Comparison of reduction rate

図4Fig. 4− 81 −Developed

7%25%

Calorific value 2 840 kcal/kg-C 3 860 kcal/kg-C ⫹36%

Cr 鉱石の熱的性質

Fig. 3 Heat property of Cr-ore

Conventional

Soft-blow nozzle
Mach: ⬉1.5

二次燃焼促進するためのランス形状

New lance design for enhanced post combustion
JFE 技報 No. 20（2008 年 6 月）

環境対応型ステンレス鋼製造プロセス

Reduction rate of Cr2O3(min⫺1)

1.0

Charging door

0.8

Tapping doorcoal

Hot metal
0.6
0.4

Induction
heatercoke

0.20100
200
300
Total surface area of carbonaceous
materials in slag
(m2/t-slag)

Capacity: 1 400 t
Generating power: 8 MW (2MW⫻4)
図6

図 5 石炭使用による反応界面積の増加と還元速度の向上
Fig. 5Fig. 6Using coal for the increase of reaction interface andreduction rate

ステンレス溶鋼保持炉外観

Outline of stainless metal reservoir

これによって溶融還元炉の吹錬回数を低減でき，稼働率の在する揮発ガス成分によって炉内において熱崩壊し，粒が向上が可能となる。

微細化される特徴を持つために，以上のような還元材に求3.5められる要求を満たすことが可能となった。図 5 に示すように，Cr 鉱石の還元速度は，スラグ中の残留炭材の表面積

ステンレス溶鋼保持炉による Cr 源の変動

ステンレス溶鋼保持炉は，溝型誘導加熱装置により高効で整理でき，炉内に微細に崩壊する石炭によって，還元速率なスクラップ溶解機能を持つ。図 7 にはそのエネルギー度は著しく向上した。この結果，スロッピングや還元不良の消費状況を示す。鉄皮からの熱放散やヒーター冷却水なといった操業不安定化を誘発するスラグ中の金属酸化物濃どによって損失される熱量を除けば，印加エネルギーの度の上昇を招くことなく，Cr 鉱石投入使用量を増加するこ

78％をスクラップ溶解の熱量として使用することが可能なとが可能となった。

設備である。

また，熱崩壊により微細化した石炭の一部は炉外に飛散

このステンレス溶鋼保持炉によって，千葉 4 製鋼での主するが，煙 道内にて転 炉 排ガスの改 質に寄 与すること原料使用はさらに自由度が増し，スクラップおよび Cr 鉱石（solution loss 反応），および含有する揮発分が分解するこの使用量を増加させることが可能となった。この結果，高とにより，炭材当たりの排ガス回収エネルギーが向上し，エネルギー消費原料である FeCr 合金鉄使用量の削減に大エネルギーの有効利用にも寄与している。

きく寄与している。

3.4

図 8 には SUS430 に代表されるフェライト系ステンレスステンレス溶鋼保持炉の建設

鋼の Cr 源の内訳を示す。溶融還元炉の種々の改善と安定JFE スチール発足後，大型建設となったステンレス溶鋼操業によって，Cr 源の 70％以上を Cr 鉱石とステンレスス保持炉は，スクラップ溶解機能を持つ Cr 銑の貯銑炉としクラップに代替することが可能となり，FeCr 使用量を低減て世界初の設備である。ドラム型貯銑炉の炉底に，最大出した。

力 2 MW の溝型誘導加熱装置を合計 4 基備え，その貯銑能3.6

力は最大 1 400 トンである。近年の鉄鋼業界の大きな課題である CO2 排出規制下において生産量を向上させるために転炉ガスと蒸気回収システム

溶融還元炉および脱炭炉の排ガス処理系には，フード上は，溶銑比率の低下，つまり冷鉄源の最大利用が不可欠で部をメンブレン形状の水管ボイラーとした OG 設備を採用ある。この観点からも，スクラップを溶解するためのエネするとともに，上部ボイラーの煙道には接触ボイラーを配ルギー効率の高い加熱装置を貯銑炉等へ応用する技術は，置することによって，排ガスの顕熱エネルギーの回収効率他工場へも展開が期待されている。
図 6 にはこの設備の外観図を示した。設備の機能としては，溶融還元炉と脱炭炉の間に位置し，従来は溶融還元炉Diffusion
12%で行っていたスクラップ溶解の一部を溶鋼保持炉が担う。

Scrap
melting78%

これによって，溶融還元炉でスクラップ溶解に消費していた熱量を Cr 鉱石の還元反応に利用できるために，Cr 鉱石

Cooling-waterconsumption
9%の使用量が増加する。また，溶融還元炉と脱炭炉の精錬サ
Power loss
1%

イクルタイムの同期化や，溶融還元炉の Cr 濃度が製品スペックに制限される必要がないために，溶融還元炉では 1

図7

ステンレス溶鋼保持炉での消費エネルギー内訳

ヒート当たりの Cr 鉱石溶融時間を延長することができる。

Fig. 7

Energy consumption in stainless metal reservoir

JFE 技報 No. 20（2008 年 6 月）

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環境対応型ステンレス鋼製造プロセス

Chromium proportion (%)

Ferritic stainless steel(16mass%-Cr)

CokePower plant

10080FeCr

Cr oreCr ore

FeCr

FeCr

Scrap

Scrap

Exhaust gas
recovery

6040Scrap

200EF-AOD
図8Fig. 8

EF: Electric furnace
AOD: Argon oxygen
decarburization

Stainlesssteelmaking
dust and slag

SRF-DCF-VOD SRF-JFirstDCF-VOD

Comparison with conventional process of Cr source

Energy consumption index· Oxigen gas/DCF· Oxigen gas/SRF· Heat/Hot metal· Scrap melting/J-First
153⫺89FeCr/EF

図 10Fig. 10

Fe⫽80%
Metal
Cr⫽12%(Fe, Cr) C⫽5%

ダスト溶融還元炉（STAR）

Dust smelting reduction furnace(STAR)

Oxigen gas/AOD⫺35%

Recovery/SRF
Recovery/DCF

65100
Steelmaking/EAF
FeCr making/EF

Consumption Exhaust gas and SRF-J-Firststeam recovery DCF-VOD
Fig. 9Hot blastCoke-packed shaft-type
with two-stage tuyeres

Coal/SR

図9

Powder injection

Fe⫽55%
Cr⫽10%
C⫽20%

従来プロセスとの Cr 源の比較扱うことができる。乾ダストについては前処理を必要とせずに吹き込みが可能であり，水分を含んだダストについてはスラリー状原料をスプレードライヤーにて乾燥後に吹き込む。

EF-AODSTAR 炉より出銑された Cr を含む溶銑は，転炉装入用の鍋型容器に受銑し，溶融したままの状態で溶融還元炉にて製鋼プロセスでのエネルギー消費再利用することで，熱エネルギーのロスを最低限に抑える

Energy consumption in steelmaking process

ことが可能である。
を高めた。転炉排ガスはエネルギープラントにて主に発電4.2用の燃料ガスとして利用され，蒸気については製鋼工場内の真空排気設備などプロセス用に利用されている。

3.7

スラグリサイクル

ステンレス鋼の製鋼工程で発生するスラグについては，主に製鉄所内の高炉へリサイクルするものと，土工用材料エネルギーバランスとして再利用されるものへ大別される。転炉や VOD など

図 9 には千葉 4 製鋼のエネルギー消費バランスについての脱炭工程で発生したスラグについては，高炉，または溶示す。燃料ガスとして回収する転炉排ガスと回収蒸気に融還元炉，STAR 炉などの強還元炉にて石灰代替としてリ

よって，一 般 的なステンレス製 造プロセスである電 気サイクルされ，これにより強還元されたスラグは土工用材炉 - AOD（argon oxygen decarburization）法での消費エネ料として外部販売されている。

ルギーに対して，エネルギー収支は 35％の低減された。

5. おわりに
4. スラグ・ダストリサイクル技術
4.1

ステンレス鋼専用の東日本製鉄所千葉地区第 4 製鋼工場

ダストリサイクルについて，そのプロセス仕様と技術開発例の概要を示した。

図 10 にはダスト精錬炉（STAR 炉）の概要を示す。千葉

千葉 4 製鋼はステンレスの主となる Cr 原料として，Cr 鉱

4 製鋼より排出されるダストは，集塵水よりシックナーに石の石炭による溶融還元技術と，スクラップの高効率溶解て濃縮されスラリーとなる。スラリーは脱水・乾燥設備にが可能なステンレス溶鋼保持炉を開発し，これらの技術は送られ STAR 炉の原料となる。STAR 炉はコークス充填型世界規模のエネルギー削減へ大きく貢献している。これにの二段羽口型溶融還元炉であり，コークスは炉上から供給

よって，多電力消費型原料である FeCr 合金を溶解してスされる。一方，原料となるステンレス鋼ダストは，炉下部テンレス鋼を製造する電気炉 - AOD 法に比較して，30％以に取り付けた二段羽口の上段から粉体上で吹き込まれて溶上のエネルギー原単位の削減を実現している。また都市型融還元される。原料としては，製鋼工場からの発生ダスト製鉄所として環境を意識したリサイクル重視のプロセスをだけでなく，製鉄所から発生する酸洗スラジなども同様に達成しており，次世代のモデルとなる製鋼工場を構築して− 83 −

JFE 技報 No. 20（2008 年 6 月）

環境対応型ステンレス鋼製造プロセス

8） 菊池直樹，岸本康夫，竹内秀次，反町健一，寺畠知道，会田公治．

いる。

CAMP-ISIJ．1999，vol. 12，no. 104，p. 198．
9） 森 岡 宏 泰，寺 畠 知 道，鍋 島 祐 樹，西 川 廣，会 田 公 治，岸 本 康 夫．
参考文献

CAMP-ISIJ．1999，vol. 12，no. 105，p. 199．

1） 鍋島祐樹 , 田岡啓造，山田純夫，浜田俊二，桜井美弦，増田康男．
CAMP-ISIJ．1995，vol. 8，no. 4，p. 1139．
2） 鍋島祐樹，小倉滋，山田純夫．川崎製鉄技報．1996，vol. 28，no. 4，p. 206．
3） 岸本康夫，田岡啓造，竹内秀次．川崎製鉄技報．1996，vol. 28，no. 4，p. 213．
4） 菊池直樹，山口公治，岸本康夫，竹内秀次，西川廣．鉄と鋼．2002，vol. 88，no. 8，p. 450．
5） 廣田哲仁，野村寛，奥山悟郎．川崎製鉄技報．1998，vol. 30，no. 2，p. 78．
6） 杉 澤 元 達，小 倉 滋，荒 谷 誠．川崎 製 鉄 技 報．1996，vol. 28，vol. 1，p. 14．
7） 長 谷 川 伸 二，児 子 精 裕，桃 川 秀 行，野 村 真，小 林 敬 二，板 谷 宏．
CAMP-ISIJ．1995，vol. 8，no. 4，p. 897．

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金子 陽平

納雅夫