JPH10176214A - 電気アーク炉溶銑の取鍋攪拌方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電気ア−ク炉ステンレス鋼用溶銑を取鍋攪拌
により脱硫する。 【構成】 電気ア−ク炉で［Ｃｒ］＝１０〜３５％、
［Ｓｉ］＝０．１〜１．２％、［Ｃ］＝２．０〜５．０
％を含むステンレス溶銑を溶解し、造滓剤を添加してス
ラグを生成させた後、溶銑およびスラグを取鍋に移し、
取鍋内の雰囲気酸素濃度（体積％Ｏ₂ ）≦１０％で、下
式の攪拌動力（Ｅ）で非酸化性ガスによる攪拌を行い、
脱硫およびスラグ中の易還元性酸化物を還元する。 １４０＋９．２３× (体積％Ｏ₂)≦Ｅ≦５８５−１５．
３８× (体積％Ｏ₂) ここで、Ｅ：単位重量溶銑当たりの攪拌エネルギ−（ワ
ット／トン）である。 【効果】 原料コスト、製造コストの低減、製品品質の
向上が達成できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電気ア−ク炉で溶製し
たステンレス鋼用溶銑の取鍋攪拌技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】電気ア−ク炉によるステンレス鋼の製造
においては、原料となる各種合金鉄やスクラップあるい
は酸化物などを溶解し、粗鋼（溶銑）を製造した後、真
空脱ガス炉やＡＯＤ炉による仕上げ精錬工程、鋳造工程
を経て中間製品が製造される。電気ア−ク炉の操業で
は、チャ−ジ毎に目標となる成分・組成に応じた配合計
画を立て、それにしたがって、炉内に順次スクラップ、
合金鉄等の主原料と、場合により製鋼工場内で発生する
ダスト、スケ−ル、スラグや造滓剤等の副原料を装入
し、通電して溶解する。その際、主原料として溶融金属
をホットチャ−ジしたり、クロム鉱石やニッケル鉱石等
の酸化物原料をコ−クスなどの還元剤とともに供給する
ことも行われている。原料が溶解し、スラグが形成され
るが、その組成を調整することがその精錬作用ひいては
操業上重要な要件となる。脱硫能を適正に保つ上からは
スラグの塩基度等の調整が必要であるが、通常、必要と
するＣａＯやＣａＦ₂ の量を経験的に求めて溶解前や溶
解中に供給することによって適切な範囲に調整してい
る。溶解後は、ある程度の精錬期を設けて、必要に応じ
て成分チェックの後、取鍋に出銑する。このような精錬
過程においては、スラグは速やかに溶解して溶銑と共に
攪拌され、その精錬能を最大に発揮することが望まれ
る。このため、電気炉に底吹き羽口を設置し、窒素など
のガスを吹き込み、バブリングによる攪拌を行って、造
滓剤などの溶解や精錬反応を促進させる方法などがとら
れているが、底吹き方式による攪拌力には限界があり、
電気炉のようなシャロ−バスの炉など構造上の制約のあ
る場合や溶落後の精錬期を十分にとれない場合には有効
ではない。また、特開昭６４−２５９３８号公報には、
ア−ク加熱時に中空電極から造滓剤を吹き込んで溶解、
精錬する方法が示されているが、吹き込みが可能な中空
電極はコストが高く、操業上の制約も多い。

【０００３】また、最近では、原料コストの低減や工場
で発生する廃材などの有効利用のため、ダスト、スケ−
ルやスラグなどのほか各種の様々な形態の原料が用いら
れるようになっている。特に酸化物原料を還元してメタ
ル原料として利用できれば、原料コストの面で非常に有
利である。このため、これらの多種、多様な原料を加え
て溶解することとなるが、このような電気炉の操業にお
いては、これらの原料に起因する粉化ロス、未滓化など
があり、炉内におけるスラグの溶解や調整を一律に行う
ことが困難である。このような事情に対処するため、実
際の操業においては、安全度を見込んで過剰な量の造滓
剤を装入するなどしているが、その結果、最終的に生成
するスラグ量は増加する傾向にあり、１００ｋｇ／トン
−メタル以上にもなることもある。このことは、本来の
金属の溶解以外のスラグ溶解のために消費される電力が
大きくなることとなり、電力コストの上昇が問題とな
る。このような問題を解決すべく、本発明者は先にステ
ンレス鋼用電気ア−ク炉溶銑の脱硫方法を発明した（特
願平８−０７９４４５号）。その特徴は、スラグの塩基
度を１．３〜２．２とし、取鍋内雰囲気の酸素濃度を１
０％以下に保持することによって、スラグの脱硫などの
精錬作用を最大限に発揮させることにある。しかしなが
ら、攪拌の条件によっては温度低下の問題や、攪拌の長
時間化による前後工程とのタイミングのずれが生じるな
どの問題が起こることもあった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
問題を解消すべく案出されたものであり、操業への支障
を最小限に止めるために、最適な攪拌条件を提供し、先
行出願の技術をさらに効果的なものとし、ア−ク炉操業
における造滓剤、消費電力、原料コストを低減しようと
することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、その目的を達
成するために、電気ア−ク炉で［Ｃｒ］＝１０〜３５
％、［Ｓｉ］＝０．１〜１．２％、［Ｃ］＝２．０〜
５．０％を含むステンレス鋼用溶銑を溶解し、造滓剤を
添加してスラグを生成させた後、溶銑およびスラグを取
鍋に移し、取鍋内の雰囲気酸素濃度（体積％Ｏ₂ ）≦１
０％で、非酸化性ガスによる攪拌を行い、スラグ中の易
還元性酸化物の還元および脱硫を行う方法において、攪
拌動力（Ｅ）を下式の範囲内で行う。 １４０＋９．２３× (体積％Ｏ₂)≦Ｅ≦５８５−１５．
３８× (体積％Ｏ₂) ここで、Ｅ：単位重量溶銑当たりの攪拌エネルギ−（ワ
ット／トン）である。

【０００６】

【作用】本発明においては、溶銑とスラグを攪拌するこ
とによって、脱硫反応が進行するが、この反応はスラグ
中の酸化クロムを主とする易還元性酸化物成分の還元反
応と関連して脱硫が進行する。特に、スラグ中の酸化ク
ロムを還元し、その濃度を低下させることは脱硫反応上
重要である。ここで、脱硫反応は、 ＣａＯ（スラグ中）＋Ｓ（メタル中）＝ＣａＯ（スラグ
中）＋Ｏ（メタル中） で示されるように、反応系の酸素ポテンシャルを低下さ
せることが重要であるが、本発明者らの研究では、酸素
ポテンシャルを支配するのは、スラグ中の酸化クロム濃
度であることが明らかになっている。すなわち、酸素ポ
テンシャルを低下するにはスラグ中の酸化クロム濃度を
低下する必要がある。このように、非酸化性雰囲気下の
酸化クロムの還元反応は、脱硫の面から必要であると同
時に、ステンレス鋼の主成分であるＣｒのコスト低減に
おいても重要である。この場合、還元反応の還元剤とし
ては、スラグおよびメタル中の炭素なども寄与すると考
えられるが、主としてメタル中のＳｉが利用される。し
たがって、効率的な脱硫を行うためにはメタル中のＳｉ
を有効に作用させる必要がある。メタル中のＳｉを酸化
クロムの還元に効率よく作用させるためには、非酸化性
雰囲気とすることが重要である。これは、大気中ではＳ
ｉは酸化消費され、酸化クロムの還元に利用されないこ
とによる。本発明においては、図１に示すように、攪拌
中の雰囲気酸素濃度は１０％以下にすることが必要であ
る。

【０００７】ここで、図１は取鍋内雰囲気の酸素濃度
が、攪拌後の［Ｓ］及びＳｉ効率に及ぼす影響を示した
一例である。特に、雰囲気酸素濃度が１０％を越える
と、脱硫は急激に悪化し、太い点線で傾向を示すように
攪拌後の［Ｓ］は急激に上昇している。ここで、Ｓｉ効
率とは、消費したＳｉ量の内、酸化クロムを主とする易
還元性酸化物の還元に使用された割合を意味している
が、雰囲気酸素濃度が上昇するほどＳｉが雰囲気中の酸
素に消費され、Ｓｉ効率は低下してくる。したがって、
Ｓｉ効率が低下すれば、スラグ中の酸化クロムを十分に
還元できなくなり、脱硫は促進されない（Ｓｉ添加量を
増加することで対応は可能であるが、コストアップにな
る）。図１は目標［Ｓ］が１００ｐｐｍ以下の場合であ
るが、目標を達成するには、Ｓｉ効率は２５％以上が必
要であることが分かっている。そのためには、雰囲気酸
素濃度を１０％以下にして、Ｓｉの無効消費を抑制する
必要がある。なお、例えば目標［Ｓｉ］を７０ｐｐｍ以
下にする場合は、Ｓｉ添加量を多くするか、あるいは攪
拌処理時間を長くすることで［Ｓ］の傾向は、全体的に
下がってくることも分かっている。

【０００８】攪拌は、非酸化性ガスを吹き込んで行う。
非酸化性ガスは、不活性ガス、例えば窒素、アルゴン等
が使用できる。経済性の面では窒素を使用するが、鋼種
によって窒素ピックアップが有害である場合はアルゴン
を使用することが望ましい。また、不活性ガスにＨ₂ 、
ＣＯ等の還元性ガスを混合してもよい。不活性ガスの吹
き込みにはポーラスプラグや浸漬ランスが用いられる
が、浸漬ランスによる方法が望ましい。吹き込み流量、
浸漬深さによって攪拌動力を自由に設定できるためであ
る。例えば、溶銑量５０〜１００Ｔ規模の取鍋に対する
好適な条件として、ランスから吹き込むガス流量として
は２００〜１５００ＮＬ／分、ランスの浸漬深さとして
は５０〜２００ｃｍで調整できる。また、スラグ量（厚
み）、溶銑量、目標［Ｓ］等、そして特に雰囲気酸素濃
度によって最適な条件を設定する。

【０００９】一方、取鍋に出銑した溶銑は、静止状態で
放置しておくだけでも温度は低下するが、常温のガスを
吹き込んで攪拌することによってさらに温度は低下す
る。したがって、攪拌動力はスラグ／メタルの混合を促
進するためにはある程度高くする必要があるが、極度に
攪拌動力を高くすると、吹き込みガスにより、温度低下
が大きくなる。その結果、その間の温度低下が起こり、
次工程へ支障をきたす場合も生じる。このように、攪拌
動力は、最適な強さとする必要があるが、本発明者の調
査の結果、攪拌動力は雰囲気の酸素濃度によって決定す
ることが最も重要であることを明らかにした。図２はそ
の結果を最適条件で示したものである。攪拌動力は、攪
拌ガスの吹き込み位置（浸漬深さＺ）と、ガス流量
（Ｑ）から、文献等に示されるように、次式で求められ
る。 Ｅ＝０．０２８５ＱＴ／Ｗ・ｌｏｇ（１＋Ｚ／１４８） ここで、Ｔ：絶対温度、Ｗ：メタル重量、である。

【００１０】図２は、雰囲気酸素濃度と攪拌動力を変え
た操業で得られた脱硫速度を層別してプロットした図で
ある。雰囲気酸素濃度の上昇によって、最適な攪拌動力
の範囲が小さくなることが注目される。すなわち、雰囲
気酸素濃度が低い場合には広範囲の攪拌動力の値をとる
ことができるが、雰囲気酸素濃度が高い場合には、攪拌
動力の値は制限されることになる。攪拌を短時間で、す
なわち温度低下を最小限に止めて、目標の脱硫を達成す
るためには、高い脱硫速度が必要とされる。目標［Ｓ］
を７０ｐｐｍ以下として、種々の実験条件を変化させて
検討した結果、本発明が対象とする電気ア−ク炉溶銑の
取鍋攪拌において、操業に支障の無い時間（約１０分〜
２０分間）内で必要とされる脱硫速度（ｋｓ）は、１５
×１０^-4（ｇ／ｃｍ² ・ｓ・％）以上である。図２か
ら、適合する攪拌動力（Ｅ）のための条件は以下の式で
示されることとなる。 １４０＋９．２３× (体積％Ｏ₂)≦Ｅ≦５８５−１５．
３８× (体積％Ｏ₂) ここで、Ｅ：単位重量溶銑当たりの攪拌エネルギ−（ワ
ット／トン）である。

【００１１】この条件が必要となる理由は、前述したよ
うに、脱硫反応は、スラグ中の酸化クロムの還元反応と
密接な関係にあるので、攪拌による酸化クロムの還元を
考慮することにもとづく。そこで、上記条件が意味する
ことは以下のように解釈される。つまり、攪拌動力の下
限の線は、酸化クロムの還元を促進するために、還元剤
となるメタル中Ｓｉとスラグ中酸化クロムとの接触機会
を増すために必要な攪拌力を示しており、一方、攪拌動
力の上限の線は、雰囲気酸素濃度が上昇するにしたがっ
て、逆に攪拌によってＳｉが雰囲気中の酸素によって消
費されることを防止するための、または場合によっては
雰囲気中の酸素により露出したメタル中のＣｒが酸化す
るのを防止するための、限界の攪拌力を示している。雰
囲気の酸素濃度が高ければ、過剰の攪拌動力は、かえっ
てＣｒ還元にとって逆効果となることを意味している。
このようにして、本発明では、雰囲気条件によって攪拌
動力を最適化することによって、Ｃｒを酸化することな
く、脱硫も十分であるという、効果的な攪拌を行うこと
ができる。

【００１２】本発明では、ランス形状、ノズル径、ノズ
ル数を変更することによって、最適なスラグ／メタル混
合状態を得ることができる。

【００１３】本発明の溶銑のＣｒ、Ｃ等の成分には、特
に制限はなく、電気炉溶解による、通常のステンレス鋼
用溶銑の組成である［Ｃｒ］＝１０〜３０％、［Ｃ］＝
２．０〜５．０％の範囲でよい。

【００１４】［Ｓｉ］については、０．１％未満では、
前記の脱硫作用を規定する酸化クロムの還元に不十分で
あり、精錬工程における熱源としても不足である。ま
た、１．２％を越えると転炉吹錬の際、熱量過大となっ
て過昇温となる。同時に、塩基度低下により耐火物の溶
損を招いたりして好ましくない。

【００１５】本発明では、攪拌中の雰囲気酸素濃度を低
くすることが重要であるが、不活性ガスの吹き込み開始
時には、あらかじめシールガスとして不活性ガスを取鍋
内に供給して、取鍋内雰囲気の酸素濃度を目標値に低下
させた上で攪拌用のガスの吹き込みを開始するのがよ
い。吹き込み開始後は、攪拌用ガスとシ−ルガスの供給
により目標雰囲気を維持することができる。このとき、
低めの雰囲気酸素濃度を得るためには、取鍋専用の蓋を
設置することが望ましい。こうすることによって、シ−
ルガス供給量も低減することができる。また、雰囲気酸
素濃度は、操業条件や鍋の蓋の使用回数、スプラッシュ
の付着状況、さらには装置の整備状況によって、その度
に変動するのが現状である。したがって、操業の経験的
に求められる雰囲気酸素濃度に対して攪拌動力を決定し
てもよいし、実際に、雰囲気の酸素濃度を測定して、そ
の測定値により攪拌動力を調整しても良い。

【００１６】

【実施例】

（実施例１）４０トン電気ア−ク炉において、各種スク
ラップおよび酸化物原料を溶解して、目標成分がＣｒ：
１８％ 、Ｃ：３．５％、Ｓｉ：０．４％のステンレス
鋼用溶銑を３チャ−ジ（チャ−ジＮｏ．１〜３）溶製し
た。この際、溶解中および原料溶落後に脱硫剤としてＣ
ａＯを炉内に断続供給して塩基度を適正値に調整した。
メタル成分調整後、出銑直前にメタルを採取して分析し
た。次に、取鍋に出銑／出滓し、浸漬ランスからＡｒガ
スを流量４５５〜１４５０リットル／分、浸漬深さ１５
０ｃｍの吹き込みで、ガス攪拌を１０分間継続した。こ
のとき、専用の蓋を設置し、攪拌ガスとは別途、Ｎ₂ ガ
スを取鍋内に導入して、攪拌中の取鍋内の酸素濃度雰囲
気を２〜３％にした。そして、この時の攪拌動力は１７
０〜５４０ワット／トンの範囲内であった。攪拌終了
後、溶銑サンプルを採取、分析、確認後、次工程の脱炭
工程へと取鍋を移送した。表１に、操業結果を示す。ガ
ス攪拌後のメタル中の［Ｓ］は２０〜６０ｐｐｍとな
り、目標値（≦７０ｐｐｍ）を達成できた。

【００１７】（比較例１）実施例１と同様に、４０トン
電気ア−ク炉において、各種スクラップおよび酸化物原
料を溶解して、目標成分がＣｒ：１８％、Ｃ：３．５
％、Ｓｉ：０．４％のステンレス鋼用溶銑を３チャ−ジ
（チャ−ジＮｏ．４〜５）溶製し、スラグ調整後取鍋に
出銑／出滓し、蓋を設けて取鍋内の酸素濃度２．５％の
雰囲気下で、浸漬ランスからアルゴンガスを流量３７５
リットル／分および１５８０リットル／分、浸漬深さ１
５０ｃｍの吹き込みで、ガス攪拌を１５分間継続した。
ただし、このときの攪拌動力は５９０ワット／トンおよ
び１４０ワット／トンであった。溶銑サンプルを採取、
分析したところ、表１に示すように、ガス攪拌後のメタ
ル中の［Ｓ］は７８ｐｐｍおよび９６ｐｐｍとなり、い
ずれも目標値（≦７０ｐｐｍ）を達成できなかった。

【００１８】（実施例２）実施例１と同様に、４０トン
電気ア−ク炉において、各種スクラップおよび酸化物原
料を溶解して、目標成分がＣｒ：１８％、Ｃ：３．５
％、Ｓｉ：０．４％のステンレス鋼用溶銑を２チャ−ジ
（チャ−ジＮｏ．６〜８）溶製した。この際、溶解中お
よび原料溶落後に脱硫剤としてＣａＯを炉内に断続供給
して塩基度を適正値に調整した。メタル成分調整後、出
銑直前にメタルを採取して分析した。次に、取鍋に出銑
／出滓し、浸漬ランスからアルゴンガスを流量６２０〜
１１００リットル／分、浸漬深さ１５０ｃｍの吹き込み
で、ガス攪拌を１５分間継続した。このとき、専用の蓋
を設置し、攪拌ガスとは別途、Ｎ₂ ガスを取鍋内に導入
して、取鍋内の酸素濃度雰囲気を８〜９％にした。攪拌
動力は２３０〜４１０ワット／トンの範囲内であった。
攪拌終了後、溶銑サンプルを採取、分析、確認後、次工
程の脱炭工程へと取鍋を移送した。表１に、操業結果を
示すように、ガス攪拌後のメタル中の［Ｓ］は３５〜５
５ｐｐｍとなり、目標値（≦７０ｐｐｍ）を達成でき
た。

【００１９】（比較例２）実施例２と同様に、４０トン
電気ア−ク炉において、各種スクラップおよび酸化物原
料を溶解して、目標成分がＣｒ：１８％、Ｃ：３．５
％、Ｓｉ：０．４％のステンレス鋼用溶銑を２チャ−ジ
（チャ−ジＮｏ．９〜１０）溶製し、スラグ調整後、取
鍋に出銑／出滓し、蓋を設けて取鍋内の酸素濃度８．５
％の雰囲気下で、浸漬ランスからアルゴンガスを流量７
３０リットル／分および１７５０リットル／分、浸漬深
さ１００ｃｍの吹き込みで、ガス攪拌を１５分間継続し
た。ただし、このときの攪拌動力は４８０ワット／トン
および２００ワット／トンであった。溶銑サンプルを採
取、分析したところ、表１に示すように、ガス攪拌後の
メタル中の［Ｓ］は８３ｐｐｍおよび９８ｐｐｍとな
り、いずれも目標値（≦７０ｐｐｍ）を達成できなかっ
た。

【００２０】（比較例３）実施例１と同様に、４０トン
電気ア−ク炉において、各種スクラップおよび酸化物原
料を溶解して、目標成分がＣｒ：１８％、Ｃ：３．５
％、Ｓｉ：０．４％のステンレス鋼用溶銑を２チャ−ジ
（チャ−ジＮｏ．１１〜１２）溶製し、スラグ調整後、
取鍋に出銑／出滓し、蓋を設けて、浸漬ランスからアル
ゴンガスを流量７３０リットル／分および１５１０リッ
トル／分、浸漬深さ１００ｃｍの吹き込みで、ガス攪拌
を１５分間継続した。ただし、このときの取鍋内の酸素
濃度雰囲気は１１％および１１．５％にし、攪拌動力は
２００ワット／トンおよび４１５ワット／トンであっ
た。溶銑サンプルを採取、分析したところ、表１に示す
ように、ガス攪拌後のメタル中の［Ｓ］は８５ｐｐｍお
よび９６ｐｐｍとなり、いずれも目標値（≦７０ｐｐ
ｍ）を達成できなかった。表１に実施例、比較例の操業
結果を示すが、攪拌後のスラグ中Ｃｒ₂ Ｏ₃ 濃度（％）
を示した。比較例ではいずれも３％以上の高い値を示し
ており、雰囲気に応じた攪拌強度が適切でなかったた
め、還元効率が悪く、その結果、脱硫速度を高めること
ができず、決められた時間内で、攪拌後の［Ｓ］からも
分かるように、目標値以下に脱硫することができなかっ
たものと考えられる。

【００２１】

【００２２】

【発明の効果】本発明方法によると、以上に説明したよ
うに、攪拌時の攪拌動力を、取鍋内雰囲気に応じて適正
化することにより、溶銑中Ｓｉによる還元効率を高め
て、脱硫速度を速くすることができ、その結果、過剰の
温度低下を引き起こすことなく短時間で、脱硫およびク
ロム還元を達成することができる。このため長時間の攪
拌時間を必要とせず、その間の温度低下も最小限に抑え
ることができる。したがって、出銑後の攪拌の導入によ
り、操業に支障無く、本来スラグが持つ精錬能を十分に
発揮させることができる。このため、石灰原単位を低減
できると同時に、スラグ量を低減でき、電力原単位も低
減できる。さらに、スラグ中のＣｒの回収メリットも得
られる。このように、本発明は、電気炉によるステンレ
ス鋼の製造方法におけるコスト低減方法を提供すること
によって、利用価値の高い酸化物原料を有効に使用する
ことが可能となり、資源の有効利用、環境保護の立場か
らも産業発展に貢献することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 取鍋内雰囲気の酸素濃度が攪拌後の［Ｓ］、
Ｓｉ効率に及ぼす影響

【図２】 脱硫速度に及ぼす雰囲気酸素濃度および攪拌
動力の影響

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電気ア−ク炉で［Ｃｒ］＝１０〜３５
   ％、［Ｓｉ］＝０．１〜１．２％、［Ｃ］＝２．０〜
   ５．０％を含むステンレス鋼用溶銑を溶解し、造滓剤を
   添加してスラグを生成させた後、溶銑およびスラグを取
   鍋に移し、取鍋内の雰囲気酸素濃度（体積％Ｏ₂ ）≦１
   ０％で、非酸化性ガスによる攪拌を行い、スラグ中の易
   還元性酸化物の還元および脱硫を行う方法において、 攪拌動力（Ｅ）を下式の条件で行うことを特徴とする電
   気アーク炉溶銑の取鍋攪拌方法。 １４０＋９．２３× (体積％Ｏ₂)≦Ｅ≦５８５−１５．
   ３８× (体積％Ｏ₂) ここで、Ｅ：単位重量溶銑当たりの攪拌エネルギ−（ワ
   ット／トン）