ステンレス鋼の製造方法
【課題】廃棄すべきスラグ量の低減を可能にするステンレス鋼の製造方法を提供することを課題とする。
【解決手段】本発明に係るステンレス鋼の製造方法は、ステンレス製鋼用の原料を電気炉１で溶解して溶銑２を生成するステップと、溶銑２を転炉４で脱炭処理してステンレス粗溶鋼２ａを生成するステップと、脱炭処理でステンレス粗溶鋼２ａに発生したスラグ１０に還元剤を添加することなく炭酸カルシウム１１を添加し、スラグ１０を固化させるステップと、固化したスラグ１０を分離するステップと、分離したスラグ１０を電気炉１に戻すステップとを含む。
【解決手段】本発明に係るステンレス鋼の製造方法は、ステンレス製鋼用の原料を電気炉１で溶解して溶銑２を生成するステップと、溶銑２を転炉４で脱炭処理してステンレス粗溶鋼２ａを生成するステップと、脱炭処理でステンレス粗溶鋼２ａに発生したスラグ１０に還元剤を添加することなく炭酸カルシウム１１を添加し、スラグ１０を固化させるステップと、固化したスラグ１０を分離するステップと、分離したスラグ１０を電気炉１に戻すステップとを含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ステンレス鋼の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ステンレス鋼の製造工程では、原料を溶解して溶銑を生成し、生成した溶銑からステンレス鋼の強度を低下させる炭素を除去する脱炭処理等の精錬を行って溶鋼とし、溶鋼を鋳造して板状のスラブを製造する。この脱炭処理の際に溶銑からスラグが発生し、発生したスラグは、ステンレス鋼の品質に悪影響を与えるため鋳造する前に固化処理されて溶鋼から除去される。除去されたスラグには、ステンレス鋼の構成成分となりうる有価金属のクロム（Ｃｒ）の酸化物等が含まれているため、スラグ中の有価金属の再利用が図られている。
【０００３】
例えば、スラグの固化は、特許文献１に記載されるように、脱炭処理工程の末期に溶鋼のスラグに酸化カルシウム（ＣａＯ）を添加することによって行われる。そして、一般的に、スラグに含有されるクロム酸化物を還元してクロムを回収するために、酸化カルシウムの添加前にケイ素（Ｓｉ）やアルミニウム合金等の還元剤がスラグに添加される。また、特許文献２には、溶鋼から除去した固化後のスラグを、ステンレス製鋼用の原料から溶銑を生成するための炉（溶解炉）内に戻し、ステンレス製鋼用の原料と共に溶解することによって、スラグに含有される有価金属をステンレス鋼の原料として再利用する技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】昭６４−３６７１７号公報
【特許文献２】特開２０１０−２６１０６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載されるスラグの固化技術では、酸化カルシウムの添加量が多くなるため、固化後のスラグ量が多くなる。また、特許文献２の技術では、多量のスラグを溶解炉に戻すことは、スラグに含有される製鋼に利用できない不純物も多く戻すことになり、それにより、溶解炉で生成された溶銑からステンレス鋼への生成効率が低下するため、溶解炉に戻すスラグ量が限定される。このため、特許文献１に記載される固化技術で固化したスラグを特許文献２に記載される技術を利用して溶解炉に戻す場合には、溶解炉に戻すことができない余剰のスラグ量が多くなる。余剰のスラグは、含有する有価金属を別の手段で回収した後に廃棄処分する必要があるため、余剰のスラグ量が多くなる程コストが増加するという問題がある。
【０００６】
この発明はこのような問題点を解決するためになされたものであり、廃棄すべきスラグ量の低減を図るステンレス鋼の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するために、この発明に係るステンレス鋼の製造方法は、ステンレス製鋼用の原料を溶解炉で溶解して溶銑を生成するステップと、溶銑を精錬炉で脱炭処理して含クロム溶鋼を生成するステップと、脱炭処理で含クロム溶鋼に発生したスラグに還元剤を添加することなく炭酸カルシウムを添加し、スラグを固化させるステップと、固化したスラグを分離するステップと、分離したスラグを溶解炉に戻すステップとを含む。
【０００８】
また、上記ステンレス鋼の製造方法において添加される炭酸カルシウムは、１０ｍｍから５０ｍｍまでの粒度範囲を有する塊状であってもよい。
【発明の効果】
【０００９】
この発明に係るステンレス鋼の製造方法によれば、廃棄すべきスラグ量を低減することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】ステンレス鋼の製造工程の流れを示す模式図である。
【図２】転炉での処理工程の流れを示す模式図である。
【図３】スラグの固化に要する量を炭酸カルシウムと酸化カルシウムとで比較した図である。
【図４】スラグの固化後に次の二次製錬工程（真空脱ガス処理工程）に流入するスラグ量を炭酸カルシウムで固化した場合と酸化カルシウムで固化した場合とで比較した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態
以下、この発明の実施の形態におけるステンレス鋼の製造方法について添付図面に基づいて説明する。
図１を参照すると、ステンレス鋼の製造は、製鋼工程（Ａ）、一次精錬工程（Ｂ）、二次製錬工程（Ｃ）、及び鋳造・圧延工程（Ｄ）がこの順で実施されて行われる。
製鋼工程（Ａ）では、ステンレス製鋼用の原料を電気炉１で溶解して溶銑２を生成し、生成した溶銑２が、受銑鍋３を介して転炉４に注銑される。
ここで、電気炉１は、溶解炉を構成している。
【００１２】
一次精錬工程（Ｂ）では、転炉４内にノズル４ａを介して酸素を吹精して溶銑２に含有される炭素を除去する粗脱炭処理が行われ、粗脱炭処理されることによってステンレス粗溶鋼２ａ（図２参照）が生成する。さらに、生成したステンレス粗溶鋼２ａは、取鍋５に出鋼される。
ここで、転炉４は、精錬炉を構成している。
二次製錬工程（Ｃ）では、ステンレス粗溶鋼２ａが取鍋５と共に真空脱ガス装置６（ＶＯＤ）に入れられ、仕上げ脱炭処理が行われる。そして、ステンレス粗溶鋼２ａが仕上げ脱炭処理されることによって、純粋なステンレス溶鋼が生成する。
鋳造・圧延工程（Ｄ）では、真空脱ガス装置６から取鍋５を取り出して連続鋳造装置７（ＣＣ）にセットされ、ステンレス溶鋼が連続鋳造装置７の鋳型に注入されて、板状のステンレス鋼スラブ８が形成される。さらに、形成されたスラブ８は、熱間圧延又は冷間圧延され熱間圧延鋼帯又は冷間圧延鋼帯とされる。
【００１３】
また、図２を参照すると一次精錬工程（Ｂ）の詳細が示されている。
まず、注銑工程（Ｂ１）にて、電気炉１（図１参照）で生成された溶銑２が転炉４に注入される。次いで、酸素吹精工程（Ｂ２）にて、転炉４内の溶銑２の表面にノズル４ａから酸素が吹き付けられ、それによって、溶銑２に含まれる炭素が酸化され除去される、すなわち、溶銑２が脱炭処理されてステンレス粗溶鋼２ａが生成する。また、溶銑２の表面に酸素が吹き付けられることによって、生成されたステンレス粗溶鋼２ａの表面にはスラグ１０が生成する。なお、ステンレス鋼の溶銑２には、易酸化元素であるクロム（Ｃｒ）が含まれており、ステンレス粗溶鋼２ａにも含まれている。そして、酸素吹精の際、溶銑２に含まれるクロムの一部が酸化されクロム酸化物となりスラグ１０中に移行するため、スラグ１０は、有価金属であるクロムの酸化物を含んでいる。
ここで、ステンレス粗溶鋼２ａは、含クロム溶鋼を構成している。
【００１４】
さらに、溶銑２の脱炭処理完了後、固化材投入工程（Ｂ３）にて、ステンレス粗溶鋼２ａの表面上のスラグ１０に対して、固化材である常温の炭酸カルシウム１１（ＣａＣＯ３）が添加される。なお、炭酸カルシウム１１は、１０ｍｍから５０ｍｍまでの粒度範囲を有する塊状のものが添加される。
このとき、炭酸カルシウムは、スラグ１０より熱を吸収し、分解温度まで昇温された後、以下の式１に示すように、固体状の酸化カルシウム（ＣａＯ）と気体の二酸化炭素（ＣＯ２）とに熱分解する。
ＣａＣＯ３（固体）→ＣａＯ（固体）＋ＣＯ２（気体）・・・・・・・・・・（式１）
【００１５】
なお、炭酸カルシウムは、上記式１の熱分解反応において、１モル（モル質量１００．０８７ｇ）当たり１７８．３９キロジュール（１７８．３９ｋＪ／ｍｏｌ）の熱量を吸収する。また、上記式１の熱分解反応では、１００ｋｇの炭酸カルシウムが、約５６ｋｇの酸化カルシウムと約４４ｋｇの二酸化炭素に分解する。
以上のように、炭酸カルシウム１１が吸熱反応を起こすことによって、スラグ１０は、冷却され、炭酸カルシウム１１から生成した酸化カルシウムを含んだ状態で固化する。このときのスラグ１０からの吸熱量は、炭酸カルシウム１ｋｇ当たり２７０８キロジュールである。
一方、スラグ１０の固化材として常温の酸化カルシウムを使用する場合には、スラグ１０からの吸熱量は、酸化カルシウム１ｋｇ当たり１１２５キロジュールである。つまり、スラグの固化に使用する場合の、炭酸カルシウム１ｋｇあたりの吸熱能力は、酸化カルシウム１ｋｇあたりの吸熱能力の約２．４倍となる。
【００１６】
固化材投入工程（Ｂ３）の後、出鋼工程（Ｂ４）にて、転炉４が傾動されて転炉４の出鋼口４ｃからステンレス粗溶鋼２ａのみが取鍋５に出鋼される。出鋼されたステンレス粗溶鋼２ａを含む取鍋５は、図１の二次製錬工程（Ｃ）に移される。
一方、出鋼工程（Ｂ４）にてステンレス粗溶鋼２ａが出鋼された転炉４は、続く傾動復帰工程（Ｂ５）にて、傾動されていた状態から元の状態に戻され、次いで、排滓工程（Ｂ６）にて再び傾けられ、上部の開口４ｂを介して内部の固化したスラグ１０が容器１２に排出される、つまり排滓される。
【００１７】
そして、排滓されたスラグ１０は、次の電気炉装入工程（Ｂ７）にて、電気炉１（図１参照）に戻され、図１に示す製鋼工程（Ａ）において、電気炉１に装入されたステンレス製鋼用の原料と共に、電気炉１で溶解される。電気炉１で溶解される際、スラグ１０に含まれるクロム酸化物は、ステンレス製鋼用の原料中のフェロクロム（ＦｅＣｒ）やフェロニッケル（ＦｅＮｉ）に含有される炭素元素（Ｃ）又はケイ素元素（Ｓｉ）を還元剤として利用してクロムに還元され、クロムはステンレス鋼の原料として利用される。同時に、スラグ１０のクロム酸化物は、還元される際に、ステンレス製鋼用の原料中の炭素元素（Ｃ）及びケイ素元素（Ｓｉ）を酸化して、ステンレス鋼から炭素及びケイ素を除去する。
【００１８】
また、固化材投入工程（Ｂ３）において、ステンレス粗溶鋼２ａのスラグ１０に対して添加する炭酸カルシウム１１の粒度範囲を１０ｍｍから５０ｍｍまでとしている理由は、以下のとおりである。
まず、炭酸カルシウム１１の粒度が５０ｍｍより大きくなると、スラグ１０の表面積に対する炭酸カルシウム１１の表面積の比である比表面積（炭酸カルシウムの表面積／スラグの表面積）が小さくなるため、互いの接触面積が小さくなり、炭酸カルシウム１１がスラグ１０から熱を吸収しにくくなる。これにより、炭酸カルシウム１１とスラグ１０との反応時間、つまりスラグ１０の固化に要する時間が長くなり、ステンレス鋼の生産性が低下するからである。
【００１９】
一方、炭酸カルシウム１１の粒度が１０ｍｍ未満となると、比表面積（炭酸カルシウムの表面積／スラグの表面積）が大きくなるため、炭酸カルシウム１１とスラグ１０との反応時間を短縮することができる。しかしながら、炭酸カルシウム１１の粒度が小さすぎるため、炭酸カルシウム１１がスラグ１０の表面のみに留まってしまってスラグ１０と十分に反応できなくなることや、熱分解により炭酸カルシウム１１から生成した二酸化炭素が発生する上昇流によって、転炉４の外に炭酸カルシウム１１が運ばれることで、スラグ１０が十分に冷却・固化されないからである。
【００２０】
また、図３を参照すると、電気炉１（図１参照）で製鋼１チャージ当たりに生成される質量８０ｔの溶銑２（図２参照）に対して、固化材である炭酸カルシウム及び酸化カルシウムにおけるスラグ１０の固化に要した量（質量）のデータが示されている。図３において、横軸に、固化材である炭酸カルシウムおよび酸化カルシウムの種類および粒度の条件をとり、縦軸に、質量８０ｔの溶銑２のスラグ１０の固化に使用した炭酸カルシウム及び酸化カルシウムの質量を示している。また、図３の各測定結果を構成する条件は、以下の表１のとおりとなる。表１において、スラグ塩基度とは、スラグにおける二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）の含有量（質量）に対する酸化カルシウムの含有量（質量）の比（酸化カルシウム含有量／二酸化ケイ素含有量）のことである。スラグ塩基度が大きくなると、スラグの流動性が低下する。また、終点温度とは、出鋼工程（Ｂ４）にて転炉４から取鍋５に出鋼したステンレス粗溶鋼２ａの温度のことである（図２参照）。
【００２１】
【表１】
【００２２】
図３から、粒度１０ｍｍ未満の炭酸カルシウムを使用した場合、スラグ１０の固化に要した炭酸カルシウムの質量は、約９００〜３０００ｋｇの範囲となり、平均値は約１７００ｋｇである。また、粒度が５０ｍｍより大きい炭酸カルシウムを使用した場合、スラグ１０の固化に要した炭酸カルシウムの質量は、約８００〜２８００ｋｇの範囲となり、平均値は約１６００ｋｇである。一方、粒度が１０ｍｍ以上５０ｍｍ以下の炭酸カルシウムを使用した場合、スラグ１０の固化に要した炭酸カルシウムの質量は、約７００〜１５００ｋｇの範囲に抑えられ、平均値は約１１００ｋｇである。よって、質量１ｔのステンレス粗溶鋼２ａ（図２参照）のスラグの固化に要する固化材の質量は、粒度１０ｍｍ未満の炭酸カルシウムの場合、約１１．３〜３７．５ｋｇで平均値は約２１．３ｋｇとなり、粒度が５０ｍｍより大きい炭酸カルシウムの場合、約１０〜３５ｋｇで平均値は約２０ｋｇとなり、粒度が１０ｍｍ以上５０ｍｍ以下の炭酸カルシウムの場合、約８．８〜１８．８ｋｇで平均値は約１３．８ｋｇとなる。つまり、固化材として炭酸カルシウムを使用する場合は、粒度が１０ｍｍ以上５０ｍｍ以下のものを使用すると固化後のスラグ１０の質量が大幅に少なくなる。
【００２３】
そして、図３から、スラグ１０の固化に要した酸化カルシウムの質量は、約８００〜４０００ｋｇの範囲となり、平均値は約２０００ｋｇである。よって、質量１ｔのステンレス粗溶鋼２ａ（図２参照）のスラグの固化に要する酸化カルシウムの質量は、約１０〜５０ｋｇで平均値は約２５ｋｇとなり、酸化カルシウムと比較して炭酸カルシウムの所要量が大幅に少なくなっている。従って、固化材として酸化カルシウムより炭酸カルシウムを使用する方が、固化後のスラグ１０の量が大幅に少なくなる。
【００２４】
また、図４には、転炉４（図１参照）において、スラグ１０の固化材に粒度が１０ｍｍ以上５０ｍｍ以下の炭酸カルシウム１１および酸化カルシウムを使用した場合の、製鋼１チャージ当たりに真空脱ガス装置６（図１参照）に流入するスラグ量を示している。図４から、図３におけるスラグ１０の固化処理では、酸化カルシウムを使用して固化した場合、製鋼１チャージ当たり約２９０〜５１０ｋｇ、平均で約４００ｋｇのスラグ１０が転炉４で未固化のまま真空脱ガス装置６に流入する。一方、炭酸カルシウム１１を使用して固化した場合、１チャージ当たり約２４０〜４８０ｋｇ、平均で約３６０ｋｇのスラグ１０が転炉４で未固化のまま真空脱ガス装置６に流入する。このことから、炭酸カルシウム１１を使用したスラグ１０の固化は、酸化カルシウムを使用する場合より高いスラグの固化率を有している。
【００２５】
また、製鋼１チャージ当たりに質量８０ｔの溶銑２を生成する電気炉１（図１参照）では、ステンレス製鋼用の原料と戻されたスラグ１０との混合物の質量１ｔ当たりに５５ｋｇより多いスラグ１０が混入されていると、装入原料の容積が大きくなり、電気炉の鋼浴容積を超えるため、溶銑の質量８０ｔを確保することが難しくなる。よって、質量１ｔの溶銑２のスラグ１０の固化に必要な量が約１０〜５０ｋｇである酸化カルシウムを使用した場合、固化後のスラグ１０を全て電気炉１に戻すことができない場合がある。一方、炭酸カルシウムでは、質量１ｔの溶銑２のスラグ１０の固化に必要な量が約８．８〜１８．８ｋｇ（粒度が１０ｍｍ以上５０ｍｍ以下の場合）であるうえに、上記式１の熱分解反応により、質量１ｔの溶銑２のスラグ１０の固化に要した炭酸カルシウムが約４．９〜１０．５ｋｇの酸化カルシウムに減少するため、固化後のスラグ１０の全てを電気炉１に戻すことができる。
【００２６】
上述において説明したように、この発明に係るステンレス鋼の製造方法は、ステンレス製鋼用の原料を電気炉１で溶解して溶銑２を生成するステップと、溶銑２を転炉４で脱炭処理してステンレス粗溶鋼２ａを生成するステップと、脱炭処理でステンレス粗溶鋼２ａに発生したスラグ１０に還元剤を添加することなく炭酸カルシウム１１を添加し、スラグ１０を固化させるステップと、固化したスラグ１０を分離するステップと、分離したスラグ１０を電気炉１に戻すステップとを含む。
【００２７】
炭酸カルシウム１１は酸化カルシウム等と比較すると冷却能力が高く少量でスラグ１０を冷却・固化させることができるため、固化後のスラグ１０の発生量を低減することができる。
また、還元剤を添加して還元することなく固化後のスラグ１０を電気炉１に戻すことによって、スラグ１０に含有されるクロム酸化物は、電気炉１の溶解熱を利用し、ステンレス製鋼用の原料に含まれる炭素元素又はケイ素元素と反応してクロムに還元され、ステンレス鋼の原料として再利用される。これにより、還元剤に起因するスラグ１０の発生量の増加を抑えることができる。
さらに、固化後のスラグ１０を電気炉１に戻しステンレス鋼の原料として再利用することによって、有価金属であるクロムの回収処理を別個に必要とし且つ回収後に廃棄されるスラグ１０の量を低減することができる。
よって、固化後のスラグ１０の発生量を低減すると共に固化後のスラグ１０をステンレス鋼の製造に再利用することで、有価金属を別個の処理で回収し廃棄処分されるべきスラグ１０の量を低減することが可能になる。
【００２８】
そして、上述から、スラグ１０から有価金属の回収コスト及び回収後のスラグ１０の廃棄処分コストを低減することができる。さらに、固化後のスラグ１０の量の低減によって、電気炉１へ戻すスラグ１０の量を低減でき、それにより、電気炉１へのステンレス製鋼用の原料の装入量が増加して製鋼１チャージ当たりのステンレス鋼の製造量が増加し、製造コストを低減することができる。また、固化後のスラグ１０を電気炉１に戻すことによって、スラグ１０を溶解させるための処理が不要となり、コストを低減することができる。
【００２９】
また、転炉４で発生するスラグ１０は、クロム酸化物として高融点の酸化クロム（Ｃｒ２Ｏ３）を含んでおり、クロムを回収するために酸化クロムを転炉４内で還元する場合、フェロシリコン等のケイ素元素を含む還元剤を使用する必要があり、コストが上昇する。一方、電気炉１では、ステンレス製鋼用の原料中のフェロクロムやフェロニッケルに含まれる炭素元素又はケイ素元素を還元剤として利用することができるため、スラグ１０から有価金属を回収するためのコストを低減することも可能になる。
【００３０】
また、転炉４内で酸化クロムを還元する場合、脱炭処理後のステンレス粗溶鋼２ａが高温の状態（約１７００〜１８００℃）でフェロシリコン等の還元剤が投入されるため、スラグ１０中の塩基度（酸化カルシウム含有量／二酸化ケイ素含有量）が低下する。低塩基度になると、転炉４の炉体の構成成分である酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の溶解度が上昇して、酸化マグネシウムが溶出し、転炉４の耐久性が低下する。一方、電気炉１で生成される溶銑２の温度は約１６００℃以下と比較的低温のため、電気炉１に戻されたスラグ１０中の塩基度の低下は抑えられ、電気炉１の炉体の耐久性の低下が抑制される。
【００３１】
また、炭酸カルシウムは、１０ｍｍから５０ｍｍまでの粒度範囲を有する塊状である。これによって、添加された炭酸カルシウム１１は、スラグ１０との接触面積を確保すると共に、スラグ１０の内部に至り、スラグ１０全体を十分に冷却・固化させることが可能になる。
【符号の説明】
【００３２】
１ 電気炉（溶解炉）、２ 溶銑、２ａ ステンレス粗溶鋼（含クロム溶鋼）、４ 転炉（精錬炉）、１０ スラグ、１１ 炭酸カルシウム。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ステンレス鋼の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ステンレス鋼の製造工程では、原料を溶解して溶銑を生成し、生成した溶銑からステンレス鋼の強度を低下させる炭素を除去する脱炭処理等の精錬を行って溶鋼とし、溶鋼を鋳造して板状のスラブを製造する。この脱炭処理の際に溶銑からスラグが発生し、発生したスラグは、ステンレス鋼の品質に悪影響を与えるため鋳造する前に固化処理されて溶鋼から除去される。除去されたスラグには、ステンレス鋼の構成成分となりうる有価金属のクロム（Ｃｒ）の酸化物等が含まれているため、スラグ中の有価金属の再利用が図られている。
【０００３】
例えば、スラグの固化は、特許文献１に記載されるように、脱炭処理工程の末期に溶鋼のスラグに酸化カルシウム（ＣａＯ）を添加することによって行われる。そして、一般的に、スラグに含有されるクロム酸化物を還元してクロムを回収するために、酸化カルシウムの添加前にケイ素（Ｓｉ）やアルミニウム合金等の還元剤がスラグに添加される。また、特許文献２には、溶鋼から除去した固化後のスラグを、ステンレス製鋼用の原料から溶銑を生成するための炉（溶解炉）内に戻し、ステンレス製鋼用の原料と共に溶解することによって、スラグに含有される有価金属をステンレス鋼の原料として再利用する技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】昭６４−３６７１７号公報
【特許文献２】特開２０１０−２６１０６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載されるスラグの固化技術では、酸化カルシウムの添加量が多くなるため、固化後のスラグ量が多くなる。また、特許文献２の技術では、多量のスラグを溶解炉に戻すことは、スラグに含有される製鋼に利用できない不純物も多く戻すことになり、それにより、溶解炉で生成された溶銑からステンレス鋼への生成効率が低下するため、溶解炉に戻すスラグ量が限定される。このため、特許文献１に記載される固化技術で固化したスラグを特許文献２に記載される技術を利用して溶解炉に戻す場合には、溶解炉に戻すことができない余剰のスラグ量が多くなる。余剰のスラグは、含有する有価金属を別の手段で回収した後に廃棄処分する必要があるため、余剰のスラグ量が多くなる程コストが増加するという問題がある。
【０００６】
この発明はこのような問題点を解決するためになされたものであり、廃棄すべきスラグ量の低減を図るステンレス鋼の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するために、この発明に係るステンレス鋼の製造方法は、ステンレス製鋼用の原料を溶解炉で溶解して溶銑を生成するステップと、溶銑を精錬炉で脱炭処理して含クロム溶鋼を生成するステップと、脱炭処理で含クロム溶鋼に発生したスラグに還元剤を添加することなく炭酸カルシウムを添加し、スラグを固化させるステップと、固化したスラグを分離するステップと、分離したスラグを溶解炉に戻すステップとを含む。
【０００８】
また、上記ステンレス鋼の製造方法において添加される炭酸カルシウムは、１０ｍｍから５０ｍｍまでの粒度範囲を有する塊状であってもよい。
【発明の効果】
【０００９】
この発明に係るステンレス鋼の製造方法によれば、廃棄すべきスラグ量を低減することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】ステンレス鋼の製造工程の流れを示す模式図である。
【図２】転炉での処理工程の流れを示す模式図である。
【図３】スラグの固化に要する量を炭酸カルシウムと酸化カルシウムとで比較した図である。
【図４】スラグの固化後に次の二次製錬工程（真空脱ガス処理工程）に流入するスラグ量を炭酸カルシウムで固化した場合と酸化カルシウムで固化した場合とで比較した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態
以下、この発明の実施の形態におけるステンレス鋼の製造方法について添付図面に基づいて説明する。
図１を参照すると、ステンレス鋼の製造は、製鋼工程（Ａ）、一次精錬工程（Ｂ）、二次製錬工程（Ｃ）、及び鋳造・圧延工程（Ｄ）がこの順で実施されて行われる。
製鋼工程（Ａ）では、ステンレス製鋼用の原料を電気炉１で溶解して溶銑２を生成し、生成した溶銑２が、受銑鍋３を介して転炉４に注銑される。
ここで、電気炉１は、溶解炉を構成している。
【００１２】
一次精錬工程（Ｂ）では、転炉４内にノズル４ａを介して酸素を吹精して溶銑２に含有される炭素を除去する粗脱炭処理が行われ、粗脱炭処理されることによってステンレス粗溶鋼２ａ（図２参照）が生成する。さらに、生成したステンレス粗溶鋼２ａは、取鍋５に出鋼される。
ここで、転炉４は、精錬炉を構成している。
二次製錬工程（Ｃ）では、ステンレス粗溶鋼２ａが取鍋５と共に真空脱ガス装置６（ＶＯＤ）に入れられ、仕上げ脱炭処理が行われる。そして、ステンレス粗溶鋼２ａが仕上げ脱炭処理されることによって、純粋なステンレス溶鋼が生成する。
鋳造・圧延工程（Ｄ）では、真空脱ガス装置６から取鍋５を取り出して連続鋳造装置７（ＣＣ）にセットされ、ステンレス溶鋼が連続鋳造装置７の鋳型に注入されて、板状のステンレス鋼スラブ８が形成される。さらに、形成されたスラブ８は、熱間圧延又は冷間圧延され熱間圧延鋼帯又は冷間圧延鋼帯とされる。
【００１３】
また、図２を参照すると一次精錬工程（Ｂ）の詳細が示されている。
まず、注銑工程（Ｂ１）にて、電気炉１（図１参照）で生成された溶銑２が転炉４に注入される。次いで、酸素吹精工程（Ｂ２）にて、転炉４内の溶銑２の表面にノズル４ａから酸素が吹き付けられ、それによって、溶銑２に含まれる炭素が酸化され除去される、すなわち、溶銑２が脱炭処理されてステンレス粗溶鋼２ａが生成する。また、溶銑２の表面に酸素が吹き付けられることによって、生成されたステンレス粗溶鋼２ａの表面にはスラグ１０が生成する。なお、ステンレス鋼の溶銑２には、易酸化元素であるクロム（Ｃｒ）が含まれており、ステンレス粗溶鋼２ａにも含まれている。そして、酸素吹精の際、溶銑２に含まれるクロムの一部が酸化されクロム酸化物となりスラグ１０中に移行するため、スラグ１０は、有価金属であるクロムの酸化物を含んでいる。
ここで、ステンレス粗溶鋼２ａは、含クロム溶鋼を構成している。
【００１４】
さらに、溶銑２の脱炭処理完了後、固化材投入工程（Ｂ３）にて、ステンレス粗溶鋼２ａの表面上のスラグ１０に対して、固化材である常温の炭酸カルシウム１１（ＣａＣＯ３）が添加される。なお、炭酸カルシウム１１は、１０ｍｍから５０ｍｍまでの粒度範囲を有する塊状のものが添加される。
このとき、炭酸カルシウムは、スラグ１０より熱を吸収し、分解温度まで昇温された後、以下の式１に示すように、固体状の酸化カルシウム（ＣａＯ）と気体の二酸化炭素（ＣＯ２）とに熱分解する。
ＣａＣＯ３（固体）→ＣａＯ（固体）＋ＣＯ２（気体）・・・・・・・・・・（式１）
【００１５】
なお、炭酸カルシウムは、上記式１の熱分解反応において、１モル（モル質量１００．０８７ｇ）当たり１７８．３９キロジュール（１７８．３９ｋＪ／ｍｏｌ）の熱量を吸収する。また、上記式１の熱分解反応では、１００ｋｇの炭酸カルシウムが、約５６ｋｇの酸化カルシウムと約４４ｋｇの二酸化炭素に分解する。
以上のように、炭酸カルシウム１１が吸熱反応を起こすことによって、スラグ１０は、冷却され、炭酸カルシウム１１から生成した酸化カルシウムを含んだ状態で固化する。このときのスラグ１０からの吸熱量は、炭酸カルシウム１ｋｇ当たり２７０８キロジュールである。
一方、スラグ１０の固化材として常温の酸化カルシウムを使用する場合には、スラグ１０からの吸熱量は、酸化カルシウム１ｋｇ当たり１１２５キロジュールである。つまり、スラグの固化に使用する場合の、炭酸カルシウム１ｋｇあたりの吸熱能力は、酸化カルシウム１ｋｇあたりの吸熱能力の約２．４倍となる。
【００１６】
固化材投入工程（Ｂ３）の後、出鋼工程（Ｂ４）にて、転炉４が傾動されて転炉４の出鋼口４ｃからステンレス粗溶鋼２ａのみが取鍋５に出鋼される。出鋼されたステンレス粗溶鋼２ａを含む取鍋５は、図１の二次製錬工程（Ｃ）に移される。
一方、出鋼工程（Ｂ４）にてステンレス粗溶鋼２ａが出鋼された転炉４は、続く傾動復帰工程（Ｂ５）にて、傾動されていた状態から元の状態に戻され、次いで、排滓工程（Ｂ６）にて再び傾けられ、上部の開口４ｂを介して内部の固化したスラグ１０が容器１２に排出される、つまり排滓される。
【００１７】
そして、排滓されたスラグ１０は、次の電気炉装入工程（Ｂ７）にて、電気炉１（図１参照）に戻され、図１に示す製鋼工程（Ａ）において、電気炉１に装入されたステンレス製鋼用の原料と共に、電気炉１で溶解される。電気炉１で溶解される際、スラグ１０に含まれるクロム酸化物は、ステンレス製鋼用の原料中のフェロクロム（ＦｅＣｒ）やフェロニッケル（ＦｅＮｉ）に含有される炭素元素（Ｃ）又はケイ素元素（Ｓｉ）を還元剤として利用してクロムに還元され、クロムはステンレス鋼の原料として利用される。同時に、スラグ１０のクロム酸化物は、還元される際に、ステンレス製鋼用の原料中の炭素元素（Ｃ）及びケイ素元素（Ｓｉ）を酸化して、ステンレス鋼から炭素及びケイ素を除去する。
【００１８】
また、固化材投入工程（Ｂ３）において、ステンレス粗溶鋼２ａのスラグ１０に対して添加する炭酸カルシウム１１の粒度範囲を１０ｍｍから５０ｍｍまでとしている理由は、以下のとおりである。
まず、炭酸カルシウム１１の粒度が５０ｍｍより大きくなると、スラグ１０の表面積に対する炭酸カルシウム１１の表面積の比である比表面積（炭酸カルシウムの表面積／スラグの表面積）が小さくなるため、互いの接触面積が小さくなり、炭酸カルシウム１１がスラグ１０から熱を吸収しにくくなる。これにより、炭酸カルシウム１１とスラグ１０との反応時間、つまりスラグ１０の固化に要する時間が長くなり、ステンレス鋼の生産性が低下するからである。
【００１９】
一方、炭酸カルシウム１１の粒度が１０ｍｍ未満となると、比表面積（炭酸カルシウムの表面積／スラグの表面積）が大きくなるため、炭酸カルシウム１１とスラグ１０との反応時間を短縮することができる。しかしながら、炭酸カルシウム１１の粒度が小さすぎるため、炭酸カルシウム１１がスラグ１０の表面のみに留まってしまってスラグ１０と十分に反応できなくなることや、熱分解により炭酸カルシウム１１から生成した二酸化炭素が発生する上昇流によって、転炉４の外に炭酸カルシウム１１が運ばれることで、スラグ１０が十分に冷却・固化されないからである。
【００２０】
また、図３を参照すると、電気炉１（図１参照）で製鋼１チャージ当たりに生成される質量８０ｔの溶銑２（図２参照）に対して、固化材である炭酸カルシウム及び酸化カルシウムにおけるスラグ１０の固化に要した量（質量）のデータが示されている。図３において、横軸に、固化材である炭酸カルシウムおよび酸化カルシウムの種類および粒度の条件をとり、縦軸に、質量８０ｔの溶銑２のスラグ１０の固化に使用した炭酸カルシウム及び酸化カルシウムの質量を示している。また、図３の各測定結果を構成する条件は、以下の表１のとおりとなる。表１において、スラグ塩基度とは、スラグにおける二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）の含有量（質量）に対する酸化カルシウムの含有量（質量）の比（酸化カルシウム含有量／二酸化ケイ素含有量）のことである。スラグ塩基度が大きくなると、スラグの流動性が低下する。また、終点温度とは、出鋼工程（Ｂ４）にて転炉４から取鍋５に出鋼したステンレス粗溶鋼２ａの温度のことである（図２参照）。
【００２１】
【表１】
【００２２】
図３から、粒度１０ｍｍ未満の炭酸カルシウムを使用した場合、スラグ１０の固化に要した炭酸カルシウムの質量は、約９００〜３０００ｋｇの範囲となり、平均値は約１７００ｋｇである。また、粒度が５０ｍｍより大きい炭酸カルシウムを使用した場合、スラグ１０の固化に要した炭酸カルシウムの質量は、約８００〜２８００ｋｇの範囲となり、平均値は約１６００ｋｇである。一方、粒度が１０ｍｍ以上５０ｍｍ以下の炭酸カルシウムを使用した場合、スラグ１０の固化に要した炭酸カルシウムの質量は、約７００〜１５００ｋｇの範囲に抑えられ、平均値は約１１００ｋｇである。よって、質量１ｔのステンレス粗溶鋼２ａ（図２参照）のスラグの固化に要する固化材の質量は、粒度１０ｍｍ未満の炭酸カルシウムの場合、約１１．３〜３７．５ｋｇで平均値は約２１．３ｋｇとなり、粒度が５０ｍｍより大きい炭酸カルシウムの場合、約１０〜３５ｋｇで平均値は約２０ｋｇとなり、粒度が１０ｍｍ以上５０ｍｍ以下の炭酸カルシウムの場合、約８．８〜１８．８ｋｇで平均値は約１３．８ｋｇとなる。つまり、固化材として炭酸カルシウムを使用する場合は、粒度が１０ｍｍ以上５０ｍｍ以下のものを使用すると固化後のスラグ１０の質量が大幅に少なくなる。
【００２３】
そして、図３から、スラグ１０の固化に要した酸化カルシウムの質量は、約８００〜４０００ｋｇの範囲となり、平均値は約２０００ｋｇである。よって、質量１ｔのステンレス粗溶鋼２ａ（図２参照）のスラグの固化に要する酸化カルシウムの質量は、約１０〜５０ｋｇで平均値は約２５ｋｇとなり、酸化カルシウムと比較して炭酸カルシウムの所要量が大幅に少なくなっている。従って、固化材として酸化カルシウムより炭酸カルシウムを使用する方が、固化後のスラグ１０の量が大幅に少なくなる。
【００２４】
また、図４には、転炉４（図１参照）において、スラグ１０の固化材に粒度が１０ｍｍ以上５０ｍｍ以下の炭酸カルシウム１１および酸化カルシウムを使用した場合の、製鋼１チャージ当たりに真空脱ガス装置６（図１参照）に流入するスラグ量を示している。図４から、図３におけるスラグ１０の固化処理では、酸化カルシウムを使用して固化した場合、製鋼１チャージ当たり約２９０〜５１０ｋｇ、平均で約４００ｋｇのスラグ１０が転炉４で未固化のまま真空脱ガス装置６に流入する。一方、炭酸カルシウム１１を使用して固化した場合、１チャージ当たり約２４０〜４８０ｋｇ、平均で約３６０ｋｇのスラグ１０が転炉４で未固化のまま真空脱ガス装置６に流入する。このことから、炭酸カルシウム１１を使用したスラグ１０の固化は、酸化カルシウムを使用する場合より高いスラグの固化率を有している。
【００２５】
また、製鋼１チャージ当たりに質量８０ｔの溶銑２を生成する電気炉１（図１参照）では、ステンレス製鋼用の原料と戻されたスラグ１０との混合物の質量１ｔ当たりに５５ｋｇより多いスラグ１０が混入されていると、装入原料の容積が大きくなり、電気炉の鋼浴容積を超えるため、溶銑の質量８０ｔを確保することが難しくなる。よって、質量１ｔの溶銑２のスラグ１０の固化に必要な量が約１０〜５０ｋｇである酸化カルシウムを使用した場合、固化後のスラグ１０を全て電気炉１に戻すことができない場合がある。一方、炭酸カルシウムでは、質量１ｔの溶銑２のスラグ１０の固化に必要な量が約８．８〜１８．８ｋｇ（粒度が１０ｍｍ以上５０ｍｍ以下の場合）であるうえに、上記式１の熱分解反応により、質量１ｔの溶銑２のスラグ１０の固化に要した炭酸カルシウムが約４．９〜１０．５ｋｇの酸化カルシウムに減少するため、固化後のスラグ１０の全てを電気炉１に戻すことができる。
【００２６】
上述において説明したように、この発明に係るステンレス鋼の製造方法は、ステンレス製鋼用の原料を電気炉１で溶解して溶銑２を生成するステップと、溶銑２を転炉４で脱炭処理してステンレス粗溶鋼２ａを生成するステップと、脱炭処理でステンレス粗溶鋼２ａに発生したスラグ１０に還元剤を添加することなく炭酸カルシウム１１を添加し、スラグ１０を固化させるステップと、固化したスラグ１０を分離するステップと、分離したスラグ１０を電気炉１に戻すステップとを含む。
【００２７】
炭酸カルシウム１１は酸化カルシウム等と比較すると冷却能力が高く少量でスラグ１０を冷却・固化させることができるため、固化後のスラグ１０の発生量を低減することができる。
また、還元剤を添加して還元することなく固化後のスラグ１０を電気炉１に戻すことによって、スラグ１０に含有されるクロム酸化物は、電気炉１の溶解熱を利用し、ステンレス製鋼用の原料に含まれる炭素元素又はケイ素元素と反応してクロムに還元され、ステンレス鋼の原料として再利用される。これにより、還元剤に起因するスラグ１０の発生量の増加を抑えることができる。
さらに、固化後のスラグ１０を電気炉１に戻しステンレス鋼の原料として再利用することによって、有価金属であるクロムの回収処理を別個に必要とし且つ回収後に廃棄されるスラグ１０の量を低減することができる。
よって、固化後のスラグ１０の発生量を低減すると共に固化後のスラグ１０をステンレス鋼の製造に再利用することで、有価金属を別個の処理で回収し廃棄処分されるべきスラグ１０の量を低減することが可能になる。
【００２８】
そして、上述から、スラグ１０から有価金属の回収コスト及び回収後のスラグ１０の廃棄処分コストを低減することができる。さらに、固化後のスラグ１０の量の低減によって、電気炉１へ戻すスラグ１０の量を低減でき、それにより、電気炉１へのステンレス製鋼用の原料の装入量が増加して製鋼１チャージ当たりのステンレス鋼の製造量が増加し、製造コストを低減することができる。また、固化後のスラグ１０を電気炉１に戻すことによって、スラグ１０を溶解させるための処理が不要となり、コストを低減することができる。
【００２９】
また、転炉４で発生するスラグ１０は、クロム酸化物として高融点の酸化クロム（Ｃｒ２Ｏ３）を含んでおり、クロムを回収するために酸化クロムを転炉４内で還元する場合、フェロシリコン等のケイ素元素を含む還元剤を使用する必要があり、コストが上昇する。一方、電気炉１では、ステンレス製鋼用の原料中のフェロクロムやフェロニッケルに含まれる炭素元素又はケイ素元素を還元剤として利用することができるため、スラグ１０から有価金属を回収するためのコストを低減することも可能になる。
【００３０】
また、転炉４内で酸化クロムを還元する場合、脱炭処理後のステンレス粗溶鋼２ａが高温の状態（約１７００〜１８００℃）でフェロシリコン等の還元剤が投入されるため、スラグ１０中の塩基度（酸化カルシウム含有量／二酸化ケイ素含有量）が低下する。低塩基度になると、転炉４の炉体の構成成分である酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の溶解度が上昇して、酸化マグネシウムが溶出し、転炉４の耐久性が低下する。一方、電気炉１で生成される溶銑２の温度は約１６００℃以下と比較的低温のため、電気炉１に戻されたスラグ１０中の塩基度の低下は抑えられ、電気炉１の炉体の耐久性の低下が抑制される。
【００３１】
また、炭酸カルシウムは、１０ｍｍから５０ｍｍまでの粒度範囲を有する塊状である。これによって、添加された炭酸カルシウム１１は、スラグ１０との接触面積を確保すると共に、スラグ１０の内部に至り、スラグ１０全体を十分に冷却・固化させることが可能になる。
【符号の説明】
【００３２】
１ 電気炉（溶解炉）、２ 溶銑、２ａ ステンレス粗溶鋼（含クロム溶鋼）、４ 転炉（精錬炉）、１０ スラグ、１１ 炭酸カルシウム。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステンレス製鋼用の原料を溶解炉で溶解して溶銑を生成するステップと、
前記溶銑を精錬炉で脱炭処理して含クロム溶鋼を生成するステップと、
前記脱炭処理で前記含クロム溶鋼に発生したスラグに還元剤を添加することなく炭酸カルシウムを添加し、前記スラグを固化させるステップと、
固化した前記スラグを分離するステップと、
分離した前記スラグを前記溶解炉に戻すステップと
を含むステンレス鋼の製造方法。
【請求項２】
前記炭酸カルシウムは、１０ｍｍから５０ｍｍまでの粒度範囲を有する塊状である請求項１に記載のステンレス鋼の製造方法。
【請求項１】
ステンレス製鋼用の原料を溶解炉で溶解して溶銑を生成するステップと、
前記溶銑を精錬炉で脱炭処理して含クロム溶鋼を生成するステップと、
前記脱炭処理で前記含クロム溶鋼に発生したスラグに還元剤を添加することなく炭酸カルシウムを添加し、前記スラグを固化させるステップと、
固化した前記スラグを分離するステップと、
分離した前記スラグを前記溶解炉に戻すステップと
を含むステンレス鋼の製造方法。
【請求項２】
前記炭酸カルシウムは、１０ｍｍから５０ｍｍまでの粒度範囲を有する塊状である請求項１に記載のステンレス鋼の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−２１１３７２（Ｐ２０１２−２１１３７２Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１日（２０１２．１１．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７７９０９（Ｐ２０１１−７７９０９）
【出願日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【出願人】（０００００４５８１）日新製鋼株式会社 (1,178)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月１日（２０１２．１１．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【出願人】（０００００４５８１）日新製鋼株式会社 (1,178)
【Ｆターム（参考）】
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