JFE 技報 No. 38（2016 年 8 月）p. 75-80

JFE スチール東日本製鉄所（千葉地区）におけるステンレス鋼製造技術の改善
Improvement of Refining Process of Stainless Steelin East Japan Works (Chiba), JFE Steel
藤堂渉

仮屋和広

小笠原太

TODO Wataru

JFE スチール

東日本製鉄所（千葉地区）製鋼部製鋼技術室

KARIYA Kazuhiro

JFE スチール

東日本製鉄所（千葉地区）スラグ部長

OGASAWARA Futoshi

JFE スチール

スチール研究所

製鋼研究部

主任部員（係長）

主任研究員（副課長）

要旨
JFE スチール東日本製鉄所（千葉地区）では，ステンレス鋼を生産している。特徴的なプロセスとして溶融還元炉（SR 炉）を用いて，クロム源としてクロム鉱石とステンレス精錬で発生したダストを混合して使用している。しかし，ダスト単独での還元反応の調査は十分に行われていなかった。そこで，本研究では X 線回折測定にてクロム鉱石とダストの鉱物組成を調査し，ダストの主要鉱物はクロム鉱石と比較して低融点のスピネルであることを発見した。また，熱重量測定を行うことで炭素による還元挙動を調査し，ダストは 1 350℃で還元可能であり，クロム鉱石（1 550℃）よりも最低還元反応温度が低温になることを確認した。さらに実機試験を実施し，ダストの溶融還元反応における溶融還元温度を 1 550℃から 1 450℃に低下させた。その結果，スラグ液相率を従来と同等に確保する事で良好な還元状態を維持する事ができ，昇熱炭材と酸素の低減効果を得た。

Abstract:
In JFE Steel East Japan Works (Chiba), the stainless steel is produced. In stainless steelmaking process, one of themost specific equipment is the Smelting Reduction Furnace (SRF). In SRF, raw materials which are mixture ofchromium ore and dust generated from SRF are reduced. However, smelting reduction characteristic of the dust has
not been investigated. In this work, mineralogical structures of the chromium ore and the dust were investigated by
X-ray dif fraction measurement. In addition, reduction temperatures of the chromium ore and the dust wereinvestigated by thermo gravimetric measurement. Cr ystal structure of the dust is FeCr2O4 spinel which can bereduced by carbon at lower temperature than that of Cr ore (MgCr2O4 spinel). From thermogravimetric analysis,
reduction temperature of the dust was 1 350˚C whereas that of the chromium ore was 1 550˚C. Therefore, actual SRF
test was conducted. As a result, reduction temperature of the dust used was reduced to, 1 450˚C. The amount ofcarbon materials used for heating of the molten iron was decreased.

1． 緒言

混合し，溶融還元でメタル分を還元・回収している。
クロム鉱石の溶融還元は，主要鉱物である MgCr2O4 スピ

JFE スチール東日本製鉄所（千葉地区）第 4 製鋼工場（千ネルのスラグへの溶融度を高めるために高温を保持し，また

葉 4 製鋼）では，主にステンレス鋼を製造している。製造

還元反応の吸熱を補償する必要があり，大量の昇熱材を使方法の特徴は，溶融還元炉を有し，クロム鉱石に代表され用する。今回，クロム鉱石と粗粒ダストの鉱物組成の差異

る含クロム酸化物の溶融還元を行っていることである。これに着目して溶融還元温度を低温化する事で，溶融還元炉のによりクロム原料に自由度を持たせ，安価原料の利用を可熱効率改善を行った。本報告では，クロム鉱石と粗粒ダス能としながら，省エネルギー化，環境負荷軽減に寄与してトの X 線解析による鉱物組成の調査結果，熱重量分析を用いる1-3）。この溶融還元と脱炭精錬で発生するダストは，比較的粒度の粗い粗粒ダストとスラリー状の細粒ダストに分いた炭素還元による還元温度の調査結果および還元温度低温化の実機実験結果について報告する。

けられるが，細粒ダストはダスト精錬炉（STAR 炉）でリサイクルし，粗粒ダストは発生量に見合った量をクロム鉱石に

2． 千葉 4 製鋼のステンレス鋼製造プロセス概要
千葉 4 製鋼のステンレス製造プロセスの基本的なフロー

2016 年 3 月 28 日受付－ 75 －Copyright © 2016 JFE Steel Corporation. All Rights Reserved.

JFE スチール東日本製鉄所（千葉地区）におけるステンレス鋼製造技術の改善は， 溶 融 還 元 炉 と 脱 炭 炉 の 転 炉 2 基 と Vacuum OxygenDecarburization（VOD）から成る（図 1）。高炉，溶銑予備処理を経た脱りん銑を溶融還元炉へ装入し，主にクロム鉱石を原料として Cr を還元する溶融還元を行い，含クロム溶銑とする。また，これと同時に含クロム溶銑の脱硫も行う。
次に脱炭炉に装入し，粗脱炭を行う。その後，VOD で減圧下にて脱炭することで Cr の酸化を抑制しながら低 C 域まで脱炭し，最終成分調整を行う。本報告では，この中の溶融還元炉における改善について報告する。

図 3 千葉 4 製鋼のダストフロー

溶融還元炉では含クロム酸化物（主にクロム鉱石）と炭Fig. 3材（還元・昇熱剤）を炉内へ投入し，Cr2O3 の炭素還元を行っ

Recycle process of dust generated from SRF and DCFて溶銑のクロム濃度を上昇させる溶融還元を行っている。
図 2 に溶融還元炉での溶融還元の模式図を示す。まず，溶表 1 Cr 鉱石と粗粒ダストの含有成分

銑を炉内へ装入した後，クロム鉱石の溶融還元に必要な温Table 1度まで炭材と酸素の燃焼反応により昇熱を行う（昇熱期）。

Chemical component of Cr ore and coarsedustContaining component

その後，クロム鉱石を添加用ランスから，炭材を炉上から連Material

T.C
(%)

T.Cr
(%)

T.Fe
(%)

MgO
(%)

Al2O3(%)

CaO(%)

上昇させる（溶融還元期）。また，Cr2O3 の炭素還元反応はCr ore0371410120

大きな吸熱を伴うため大量の熱供給を行う必要があり，こCoarse dust

201040112続供給し，Cr2O3 の炭素還元反応により溶銑のクロム濃度をれは酸素と炭材中 C の燃焼反応により補償している。
図 3 に，千葉 4 製鋼のダストフローの概略図を示す。現在，
千葉 4 製鋼では転炉から発生するダストの内，比較的粒度

表 1 に示す。粗粒ダストはクロム鉱石に比べ C および Fe 含の粗い「粗粒ダスト」をクロム鉱石と混合して溶融還元を有 量 が 多く，クロム 含 有 量 は 低 位 である。また，MgO，行っている。クロム鉱石と粗粒ダストの代表的な成分値を

Al2O3 に代表される脈石成分がクロム鉱石には多いという特徴がある。

3． 溶融還元炉の熱効率向上の考え方
溶融還元反応で良好な還元性を得るための重要な指標の一つは「温度」である。クロム鉱石の主要な鉱物は難溶性の MgCr2O4 スピネルであり，これをスラグ中に溶解させることでスラグ中の Cr2O3 の還元反応を進行させる。そのため，クロム鉱石の溶融還元にはスピネルを溶融するだけの高温
図 1 千葉 4 製鋼ステンレス製造プロセスフロー
Fig. 1

Stainless steelmaking process in East Japan Works(Chiba)が必要であり，従来の知見から 1 550℃以上の温度とする事
2）で良好な還元性が得られることが分かっている 。従来，千葉第 4 製鋼工場では発生量に見合った量の粗粒ダストをクロム鉱石に混合して溶融還元を行っているが，その条件はクロム鉱石とダストの還元温度を同等として決定していた。
しかし，ダストは天然鉱物のクロム鉱石とは鉱物組成が異なり，還元にクロム鉱石と同等の温度を必要としない可能性があった。粗粒ダストがより低温で溶融・還元可能であれば，クロム鉱石との混合使用から粗粒ダスト単体で使用する方法に変更する事で昇熱時間及び還元時間を短縮できるが，その還元温度や決定因子の調査は未だ行われていなかった。
そこで今回，鉱物組成や還元反応温度などの基礎調査を行い，それを基に実機操業での溶融還元温度を低下させる事

図 2 溶融還元プロセスの模式図
Fig. 2で溶融還元炉の熱効率向上に取り組んだ。

Smelting reduction process

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4． 還元温度の基礎検討
4.1

測定では Cr2O3 の炭素還元反応時の CO 発生による重量変化を捉える事を目的としている。

XRD 測定による鉱物組成調査

今回は，表 2 の条件で測定し，重量変化速度（mg/min）

溶融還元温度の適正化を行う上で，まず鉱物組成を調査と温度の関係について調査した。なお，測定試料は表 2 にし た。 図 4， 図 5 に ク ロ ム 鉱 石 と 粗 粒 ダ ス ト の X-ray

示す 2 水準で，還元・浸炭を考慮して C 飽和雰囲気となるdiffraction（XRD）測定の結果を示す。XRD 測定の結果かように，炭材量を調整した。図 6，図 7 に測定結果を示す。

ら次の事が分かった。

クロム鉱石は MgCr2O4 スピネルの分解・還元に 1 550℃以・クロム鉱石，粗粒ダストともに主成分の Cr2O3 は Cr2O3上必要であるのに対し，粗粒ダストは FeCr2O4 スピネルの単体では存在しておらず，難溶性のスピネルとして存在分解・還元に必要な 1 350℃以上の温度で還元反応が進行すしている。

る事が分かった。

・クロム鉱石と粗粒ダストでは主なスピネルの構成元素が表 2 TG の測定方法と測定資料

異 な る。 ク ロ ム 鉱 石 は MgCr2O4 ス ピ ネ ル と Fe（Cr，Table 2Al）
2O4 スピネルで構成される。粗粒ダストは主に FeCr2O4スピネルで構成される。
また，日 野らの 報 告4）

Method and sample of TG

Sampleによると，FeCr2O4 スピ ネ ルとSample weight

MgCr2O4 スピネルの炭素還元反応では，MgCr2O4 スピネル

4.250 mg
↓ ＋10˚C/minあるため，MgCr2O4 スピネル構造を有さない粗粒ダストはあると考えられる。

② Coarse dust and Carbon
25˚Cの方が FeCr2O4 スピネルよりも還元に必要な温度が高温でクロム鉱石よりも低温で融解および Cr2O3 の還元が可能で① Cr ore and Carbon

1 650˚CTemperature conditions↓ 30 min constant temperature
1 650˚C

熱重量分析（TG）による炭素還元温度調査↓ −10˚C/min
25˚C

X 線回折測定の結果を受け，クロム鉱石と粗粒ダストの炭素還元温度について詳しく調べるために，熱重量分析（TG）による調査を行った。熱重量分析とは温度を変化させながら試料重量を測定する事で，重量変化を伴う反応が起こった際の反応温度と反応速度を調査する測定手法である。本図 6 Cr 鉱石と炭素の TG 測定結果
Fig. 6

Thermo gravimetric analysis of Cr ore and carbon

図 4 Cr 鉱石の XRD 測定結果
Fig. 4

X-ray diffraction pattern of Crore

図 5 粗粒ダストの XRD 測定結果
Fig. 5

図 7 粗粒ダストと炭素の TG 測定結果

X-ray diffraction pattern of coarse dust

Fig. 7－ 77 －Thermo gravimetric analysis of coarse dust and carbon
JFE 技報 No. 38（2016 年 8 月）

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図 8 スラグの計算液相率とスラグ中クロム含有量の関係
Fig. 8Relationship between ratio of liquid phase and T. Cr inslag

4.3

還元温度の基礎検討まとめ

図 9 スラグ液相率 70％での温度と CaO/Al2O3 の関係
Fig. 9Relationship between temperature and CaO/Al2O3 inslag at liquid phase ratio of 70%

クロム鉱石については MgCr2O4 スピネルの分解・還元に高温を要し，還元に必要な温度は 1 550℃であった。これは
従 来 知 見 と 良 い 一 致 を 見 る。 対 し て， 粗 粒 ダ ス ト は
MgCr2O4 スピネル構造を持たないために 1 350℃以上の温度で還元可能である可能性が示唆された。よって，実機にて粗粒ダストの溶融還元の温度を低温化する実験を行った。

4.4

溶融還元低温化のスラグ設計

溶融還元反応の反応サイトはスラグと炭材，あるいは溶銑との界面であるため，良好な還元性を得るためにスラグ性状のコントロールは非常に重要である。今回，溶融還元温度を低温化するに当たり，従来と同等の還元反応速度を
図 10 溶融還元温度低温化による熱効率改善の考え方得るためにスラグ成分目標を見直した。図 8 に従来のスラFig. 10

グ計算液相率とスラグ中の酸化クロム含有割合から算出しConcept of improving thermal efficiency in smelting
reduction at lower temperature

た還元性指数（1.0 以上で還元不良と判断）を示す。これよりスラグの計算液相率が 70％以上で還元性指数が安定して1.0 以下となることがわかる。よってスラグの計算液相率が行う事で，同量のクロム鉱石および粗粒ダストを使用する際70％以上となるようにスラグの目標組成を決定した。に必要な昇熱炭材の低減と，送酸量低減によるダスト発生

温度低下時のスラグ組成と液相率の関係を調査するため，量減少（歩留増）が期待できる。

熱力学計算ソフト FactSage で計算を行った。図 9 に計算に5.2

よって得られたスラグ液相率 70％での温度と CaO/Al2O3 の実験方法関係を示す。温度が低下する事により同組成での液相率は表 3 に実験水準を示す。1 450℃以下とすると出湯鍋への低下するが，各実験温度に合わせて CaO/Al2O3 を低下させ地金付きが懸念されるため，実機低温化実験の試験水準はる事で液相率を確保できる。

1 450℃までとした。

5.3

5． 実機実験（溶融還元温度低温化）
5.1

5.3.1

溶融還元温度低温化による熱効率改善の考え方

図 10 に溶融還元炉の熱効率改善の考え方を示す。現状はクロム鉱石と粗粒ダストを混合使用している。本実験では，還元状態

図 11 に各実験水準における還元性指数の平均値を示す。
いずれも還元状態は従来条件と同等であり，還元不良は見られなかった。

各々を分別して使用し各原料に適した温度での溶融還元を
JFE 技報 No. 38（2016 年 8 月）

実験結果

－ 78 －

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表 3 実験水準
Table 3 Experimentcondition
Temperature for
Chromium
smelting and reduction source
Convention

1 550 ˚CTest ①1 500 ˚C

Test ②

1 450 ˚C

Coarse dust
only

Slag control
Calculated
liquid phaseratio≧70%

図 13 溶融還元温度低温化による酸素供給量の変化
Fig. 13

還元期に分けて図 14 に示す。昇熱期短縮により昇熱期の酸図 11 還元温度とスラグ中クロム含有量の関係
Fig. 11Amount of oxygen per added dust in examinedsmelting reduction temperature

素量が減少し発生ダストは 1 500℃で 17％，1 450℃で 31％

Relationship between temperature and T. Cr in slag低減する。溶融還元期は目標温度低下により副原料顕熱が低下することで昇熱に必要な酸素量が減少し，発生ダストは 1 500℃で 10％，1 450℃で 19％低減すると推定される。

5.3.2

図 15 に各水準における溶融還元期のダスト添加量当りの熱効率改善

図 12 に各実験水準における，ダスト投入量当たりの炭材昇熱量を示す。溶融還元温度を低温化する事で溶融還元期使用量を示す。溶融還元温度低温化による必要熱供給量ののダスト，炭材，酸素の顕熱ロスが低減し，昇熱量が減少減少により，同ダスト投入量当たりの炭材量が 1 500℃でした。
（1 500℃で▽8％，1 450℃で▽14％）

16％，1 450℃で 29％低減した。
図 13 に各実験水準における，ダスト投入量当たりの酸素量を示す。溶融還元温度を低温化する事で，同ダスト投入量当たりの酸素量が 1 500℃で 11％，1 450℃で 22％減少した。
転炉からの発生ダスト量は酸素量と相関があるため，酸素量減少により発生ダスト量も低減する。送酸量低減によるダスト発生量低減効果を推定した結果を，昇熱期と溶融

図 14 溶 融還元温度低温化による昇熱期および溶融還元期のダストロスの変化
Fig. 14

図 12 溶融還元温度低温化による炭材使用量の変化
Fig. 12Amount of carbon per added dust in examinedsmelting reduction temperature

Assessment of dust loss

図 15 ダスト添加量当りの昇熱量指数
Fig. 15－ 79 －Amount of output sensible heat per added dust (index)
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5． 結言

参考文献
1）鍋 島 祐 樹，小 倉 滋，山 田 純 夫．川 崎 製 鉄 技 報．1996, vol. 28, no. 4,p. 206.

クロム鉱石と粗粒ダストの鉱物組成の差異に着目し，溶融還元温度低温化による熱効率改善を図った。得られた知見を以下にまとめる。

2）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.
3）金子陽平，納雅夫．JFE 技報．2008, no. 20, p. 79.
4）日野光兀，長坂徹也，樋口謙一，萬谷志郎．日本学術振興会．製鋼第（1）X 線回折測定にて，クロム鉱石と粗粒ダストではスピネ

19 委員会，19 委 -11565.

ルの構成元素が異なり，粗粒ダストはクロム鉱石と比較して易還元性である低融点のスピネル構造であることを確認した。
（2）熱重量測定にて，粗粒ダストは 1 350℃以上で還元可能であり，クロム鉱石（1 550℃）よりも低温であることを確認した。
（3）粗粒ダストの溶融還元精錬における溶融還元温度を1 550℃から 1 500℃，1 450℃に低下させた実験を行った。
その結果，スラグ液相率を従来と同等に確保することで良好な還元状態を維持することができ，昇熱炭材・酸素の低減効果を得た。

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