铁水的精炼方法与流程

本发明涉及铁水的精炼方法。更详细而言，涉及在即使大幅增加包含冷铁源的冷铁材料的用量而在转炉内残留有炉渣的状态下装入下一炉次的熔融生铁的情况下，也能够避免熔融生铁的暴沸现象的铁水的精炼方法。即，本发明涉及使转炉中的冷铁源用量增加而实现温室效应气体的削减、且在进行熔融生铁的精炼时能够将精炼后已生成的炉渣再次作为造渣材料而有效利用的铁水的精炼方法。在本说明书中，“x~y”这样的表述表示“x以上且y以下”，包含边界值。另外，“sio2”等化学式表示该组成的化合物，“铁”、“磷”等表述表示包含该元素，不论其形态如何。t.fe是指全铁，不论形态如何，表示铁成分的合计量。m.fe是指金属铁。[m]这样的表述表示元素m包含在铁水中。(r)表示化学式r的化合物包含在炉渣中。“铁水”是指包含铁作为主体的金属的熔融物，包含含有3~4mass%左右的c的“熔融生铁”及含有约2mass%以下的c的“钢水”。质量的单位“t”表示1000kg。

背景技术：

1、近年来，随着减少co2排放量的需求的日益高涨，要求增加炼钢工序中的冷铁源的用量。通过将从高炉出铁的熔融生铁及冷铁源装入反应容器中，能够降低熔融生铁相对于填充至反应容器内并被精炼的铁水的比例(以下，也称为熔融生铁配合率)。而且，最终能够减少每单位粗钢生产量的熔融生铁用量。

2、即，近年来，从防止全球变暖的观点考虑，要求开发减少co2气体的排放量的技术。所谓的联合钢铁厂从铁矿石中提取铁，并以提取出的铁为原料而制造钢板、钢管、型钢、棒钢、锌铁板等最终产品。在以往的联合钢铁厂中，用碳源将铁矿石还原而制造熔融生铁。在制造该熔融生铁时，为了铁矿石的还原等，每1t熔融生铁需要500kg的碳源。

3、另一方面，在以废铁、固体还原铁等冷铁源为原料制造钢水的情况下，不需要铁矿石的还原等所需的碳源。因此，在以冷铁源为原料制造钢水的情况下，仅需要足以将该冷铁源熔解的热量的能量。从这样的技术观点考虑，通过以冷铁源为原料制造钢水，能够大幅减少co2气体的排放量。

4、冷铁源有各种种类。例如，废铁被放置于堆场，另外，从炉顶投入的还原铁被蓄积在地下料仓中，一般在常温下进行管理。这些冷铁源从废料溜槽或炉顶料斗被装入反应容器内。要使装入的冷铁源完全熔解在铁水中，需要另行供给冷铁源被加热直至熔融所需的热量。

5、因此，如果想要更多地使用冷铁源，则对于熔融生铁本身具有的热量、杂质成分的燃烧热所无法弥补的部分，需要通过升温材料、或者通过来自外部的强制性热赋予手段来补偿热量。升温材料可以示例出土状石墨、硅铁、碳化硅。另外，热赋予手段可以示例出燃烧器、电弧放电。

6、然而，在反应容器内，通过在填充的铁水上添加而形成的炉渣进行杂质去除。该炉渣在脱磷处理中达到1300~1400℃，在脱碳处理中达到1600~1700℃的高温，包含很高的热量。通常，这些处理后的炉渣通过投入白云石等冷却材料而使其固化并残留在反应容器内，未能完全固化的炉渣被排出至反应容器外。这是由于，如果炉渣未固化，则炉渣中的氧化铁会与装入的熔融生铁中的碳剧烈地反应，发生炉渣的暴沸。

7、即，如果在转炉等反应容器内残留有熔融的脱碳炉渣的状态下装入下一炉次的熔融生铁，则存在该脱碳炉渣中的氧化铁与熔融生铁中的碳剧烈地反应而发生炉渣的暴沸现象的问题。为了解决这样的问题，采用了等待脱碳炉渣固化后再装入下一炉次的熔融生铁的方法、通过向脱碳炉渣中添加生白云石、caco3、铁矿石、氧化铁皮等冷却材料而使脱碳炉渣强制固化的方法等。

8、然而，如果向转炉内过量地投入造渣材料等，则存在转炉内产生的炉渣的产生量增加的问题。另一方面，在向转炉内投入下一炉次的熔融生铁的精炼所需要的量的冷却材料的情况下，能够固化的脱碳炉渣的量有限，需要将未能固化的脱碳炉渣排出至转炉外。

9、然而，如果能够利用通常因被排出至反应容器外而未能得到有效利用的炉渣本身的热量来预热废料，就能够减少冷铁源的加热、熔融所需的热量。进而，与冷铁源为常温时相比，能够进一步降低熔融生铁配合率。

10、转炉中的熔融生铁的精炼所产生的炉渣的显热此前并未得到有效地充分利用。因此，通过将由熔融生铁的精炼所产生的炉渣的显热充分用于冷铁源的预热，能够在无需新的热源的情况下增加转炉中的冷铁源的用量。一般来说，在高炉中制造的熔融生铁在转炉中进行脱碳精炼后成为钢。通过该转炉中的熔融生铁的精炼而产生的脱碳炉渣在钢水出钢时不从该转炉中排出，而以其一部分或全部残留于转炉内的状态在下一炉次的熔融生铁的精炼中进行再利用。

11、理论上，相对于转炉中的熔融生铁的精炼的结束温度低的预处理吹炼后的炉渣中含有的磷的磷浓度，熔融生铁的精炼结束温度高的脱碳吹炼后的脱碳炉渣中含有的磷的磷浓度较低。因此，通过将脱碳吹炼后的脱碳炉渣用于熔融生铁的脱磷吹炼，使脱碳吹炼后的脱碳炉渣有助于熔融生铁中包含的磷的脱磷反应，能够减少应新添加至转炉中的造渣材料的用量。

12、即，通过将上一炉次中使用的熔融生铁的脱碳吹炼后产生的脱碳炉渣以高温状态直接残留于转炉内而对下一炉次所使用的熔融生铁进行预处理吹炼，可以期待应添加的造渣材料的用量的大幅减少和冷铁源的用量的大幅增加。

13、从这样的技术观点考虑，在残留有前一炉次的炉渣和钢水的状态下实施下一炉次的熔融生铁的装入时，作为能够避免发生co沸腾现象的转炉操作方法，提出了向脱碳炉渣中添加一定量的脱氧剂(c、si、al)的方法(例如，专利文献1)。即，专利文献1中公开了一种转炉操作方法，其中，在以预处理吹炼后的熔融生铁为对象、不排出炉渣而连续实施2炉次以上的吹炼的转炉操作中，在完成前一炉次的出钢之后，向转炉内的炉渣中投入给定量以上的脱氧剂并混合，接着添加下一炉次的主原料及造渣剂进行操作。

14、此外，还公开了若干可在防止炉渣暴沸的同时利用残留于反应容器内的残留炉渣来预热冷铁源的方法。例如，专利文献2中公开了一种在将通过脱碳处理生成的脱碳炉渣残留于反应容器的状态下进行出钢、并向残留的炉渣中装入固体铁源的技术。示出了在装入固体铁源后装入熔融生铁时，在满足式wsl/wsc·(2-n-2)<1的条件下装入熔融生铁的方法。式中，wsc为固体铁源装入量(t/ch)，wsl为脱碳炉渣残留量(t/ch)，n为精炼容器的往复倾动次数。

15、另外，专利文献3中公开了一种向转炉出钢后的炉内残留物(炉渣、铁水)中投入固体铁源并使残留铁水固化的方法。

16、专利文献2中公开的技术旨在脱碳炉渣的再利用，专利文献3中公开的技术旨在防止排渣时的转炉内残留铁水的流出，其目的虽有不同，但均可应用于利用反应容器内的炉渣对冷铁源进行预热。

17、现有技术文献

18、专利文献

19、专利文献1：日本特开平4-52207号公报

20、专利文献2：日本特开2004-256839号公报

21、专利文献3：日本特开2009-228102号公报

技术实现思路

1、发明所要解决的课题

2、然而，上述各现有技术存在如下必须解决的问题。

3、在专利文献1所记载的转炉操作方法中，脱氧剂的成本问题大，现状是实际上几乎没有得到应用。在专利文献2所记载的熔融生铁的精炼方法中，随意倾动精炼容器会促进精炼容器所具备的倾动机构的老化，存在导致设备维护成本增大的问题。此外，即使将熔融生铁的精炼方法中产生的脱碳炉渣在熔融生铁的脱碳吹炼中进行再利用，也无法期待对于脱磷反应的贡献，无法期待新的造渣剂的削减效果。

4、另外，在专利文献2所记载的熔融生铁的精炼方法中，在使用了含有水分的废料作为冷铁源的情况下，存在高温的熔融炉渣与该废料接触时发生水蒸气爆炸的风险。因此，采取了预先用燃烧器对含有水分的废料进行加热等而将废料中含有的水分去除等对策。

5、然而，存在下述问题：为了预先用燃烧器对含有水分的废料进行加热而去除水分，所需的用于加热的设备投资、燃料成本会增加。

6、即，专利文献2、3中记载的技术的问题在于：完全无法应对包含水分的冷铁源因比重差异而进入反应容器内的高温炉渣时可能发生的炉渣的暴沸。作为包含水分的冷铁源，例如可设想雨天时不可避免地产生的进入板状废料的凹处的水、潮湿的粉状废料等。

7、出于搬运上的原因，冷铁源通常多保管于虽带有屋顶但并非密闭的厂房内。在这样的保管场所无法避免冷铁源被风雨所淋湿，在去除水分时则需要在冷铁源的放置场地对冷铁源进行预热。不仅需要引入用于该预热的设备，而且与利用闲置热量的目的相违背。

8、另外，关于上述的现有技术，作为抑制与熔融生铁的反应的对策也存在问题。对于专利文献2所示的式中的固体铁源装入量wsc而言，从确保钢水的生产量的前提出发，是基于钢水的生产计划而确定的值，在技术上是非控制参数。如此一来，只能减少脱碳炉渣残留量wsl，或者增加往复倾动次数n。前者会导致炉渣所具有的总热量变小，因此无法满足预热冷铁源的目的，后者会因非炼钢时间的增加而导致铁水的生产性下降。

9、在专利文献3中，固体铁源是为了使反应容器内的残留铁水固化而投入的，炉渣以熔融状态被排出至炉外。因此，通过专利文献3中记载的方法，无法实现利用残留炉渣来预热冷铁源的目的。

10、此外，专利文献3中记载了通过将固体铁源的尺寸设为小于1mm而使固体铁源留在熔融炉渣中，但难以确保足够量的这样的固体铁源。

11、鉴于这些问题，发明人反复进行了潜心研究，结果发现，由于作为炉渣暴沸的原因的水蒸气爆炸起因于冷铁源中包含的水分与炉渣等炉内残留高温物接触时发生的水分的急剧的体积膨胀，因此着眼于避免这样的水分急剧体积膨胀的条件。

12、这里，冷铁源中包含的水分与炉内残留高温物接触而蒸发时，每单位水分量的水分的蒸发量主要取决于炉内残留高温物的温度。

13、炉内残留高温物的表面温度在90℃至140℃附近时，该表面温度越高，水分蒸发得越快。此外，炉内残留高温物的表面温度在140℃附近至300℃附近时，该表面温度越高，水分的蒸发变得越需要时间。

14、而且，已知炉内残留高温物的表面温度在约300℃前后迎来水分蒸发时间的峰值，然后，炉内残留高温物的表面温度越高，则水分再次蒸发得越快(莱顿弗罗斯特效应)。

15、因此，本发明着眼于冷铁源中包含的水分与炉渣等炉内残留高温物接触时发生的莱顿弗罗斯特效应，探讨了在高温炉渣的温度下水分蒸发时间变短的炉内残留高温物的表面温度为约140℃附近至300℃附近的情况下，不将因冷铁源所引起的水分带入反应容器内的方法。

16、具体而言，向具有高温炉渣的反应容器投入冷铁源时，冷铁源与高温炉渣接触而使高温炉渣的温度降低。由于高温炉渣的温度降低量取决于冷铁源投入量与残留炉渣量之比，因此，根据由为了预热而投入反应容器内的冷铁源量wsc(kg)与反应容器内的残留炉渣量wsl(kg)之比wsc/wsl(-)、和使炉渣残留的处理的铁水最终温度tf(℃)而计算出的值，能够限定不发生残留炉渣与冷铁源中的水分的反应所导致的炉渣暴沸的条件，并发现了该条件。

17、此外，发现了：根据由表示反应容器内的残留炉渣量wsl(kg)、利用废料溜槽投入反应容器内的冷铁源量wsc(kg)、以及使炉渣残留的处理的铁水最终温度tf(℃)的关系的给定的关系式计算出的值，在使用废料溜槽将给定量的冷铁源量装入反应容器后投入不含有水分的炉顶冷铁源的条件。

18、本发明为了解决上述课题而完成的，其目的在于提出在将反应容器内残留的高温炉渣所具有的热量用于冷铁源的预热时能够在不发生炉渣暴沸的安全的状态下无机会损失且稳定地实施的条件。

19、此外，本发明的课题在于提供即使在转炉等反应容器内残留炉渣的状态下装入下一炉次的熔融生铁的情况下，也能够避免该炉渣中的氧与熔融生铁中的碳剧烈地反应而发生熔融生铁的暴沸现象的铁水的精炼方法。

20、另外，本发明的课题在于提供通过将熔融生铁的精炼工序中产生的炉渣的显热充分用于冷铁材料的预热，从而实现升温材料、造渣材料的用量的大幅减少，并且大幅增加包含冷铁源的冷铁材料的用量的铁水的精炼方法。

21、另外，本发明的课题在于提供即使在转炉内残留炉渣的状态下大幅增加包含冷铁源的冷铁材料的用量并装入下一炉次的熔融生铁的情况下，也能够避免水蒸气爆炸的铁水的精炼方法。

22、解决课题的方法

23、鉴于这些课题，发明人等进行了潜心研究，结果发现，通过设定反应容器内的残留炉渣质量与装入反应容器内的冷铁源总量之比、使炉渣残留的处理的炉内残留高温物温度、从废料溜槽装入的冷铁源的质量、以及从炉顶投入的冷铁源的质量的条件，在铁水的精炼中不会发生炉渣暴沸。

24、有利地解决上述课题的本发明的铁水的精炼方法是将前一炉次的铁水的精炼结束后生成的炉渣所具有的热用于冷铁源的预热的铁水的精炼方法，该方法包括：第1工序，在使上述炉渣的一部分或全部作为残留炉渣而残留于反应容器的状态下，将经过精炼后的铁水从上述反应容器中出铁；第2工序，将用于通过使上述残留炉渣冷却而形成固化炉渣的冷却材料设为从废料溜槽装入的冷铁源和从炉顶投入的冷铁源；以及第3工序，将下一炉次的铁水装入上述反应容器进行精炼，在上述第2工序中，残留炉渣的质量wsl、从废料溜槽装入的冷铁源的质量wsc及从炉顶投入的冷铁源的质量who满足下述条件(a)~(c)中的任一项，

25、条件(a)：在下述关系式(1)及关系式(2)的范围内装入冷铁源总量w，所述冷铁源总量w为从废料溜槽装入的冷铁源的质量wsc与从炉顶投入的冷铁源的质量who之和；

26、条件(b)：将从废料溜槽装入的冷铁源的质量wsc设为下述关系式(2)的范围内，将作为冷却材料所需的剩余部分设为在后续或同时从炉顶投入的冷铁源，冷铁源总量w满足下述关系式(1)，所述冷铁源总量w为从废料溜槽装入的冷铁源的质量wsc与从炉顶投入的冷铁源的质量who之和；

27、条件(c)：将从炉顶投入的冷铁源的质量who设为下述关系式(3)的范围，在从上述炉顶投入上述冷铁源之后，将作为冷却材料所需的剩余部分设为从废料溜槽装入的冷铁源。

28、关系式(1)：

29、w/wsl>5.224×10-7×tf2-1.779×10-4×tf-0.4321

30、关系式(2)：

31、w/wsl≤8.64×10-7×tf1.947

32、关系式(3)：

33、w/wsl≥6.591×10-6×tf1.695

34、在上述关系式(1)~(3)中，

35、wsl表示残留炉渣的质量(t)，

36、w表示在装入熔融生铁前装入的冷铁源的质量(t)，

37、tf表示第1工序的炉内残留高温物温度(℃)。

38、需要说明的是，本发明的铁水的精炼方法包括以下方式作为更优选的课题解决方式：

39、(a) 从废料溜槽装入容易含有水分的冷铁源，所述冷铁源包含粉状冷铁源和具有空隙的冷铁源；

40、(b) 上述第2工序中装入的冷铁源包含还原铁；

41、(c) 在上述炉内残留高温物温度tf高于投入的还原铁的熔点的情况下，上述还原铁分多次从炉顶投入上述反应容器，从上述炉顶首次投入上述反应容器的上述还原铁的投入量who1(t)相对于上述反应容器的残留炉渣的质量wsl(t)为6.6质量%以下；

42、(d) 上述铁水的精炼包括：预处理吹炼工序，进行上述下一炉次的铁水的脱硅及脱磷；中间排渣工序，通过使上述反应容器倾动而对残留于上述反应容器内的上述炉渣进行排渣；以及脱碳处理工序，通过向上述反应容器添加副原料而进行脱碳及最终脱磷；

43、(e) 上述铁水的精炼包括：脱硅吹炼工序，进行上述下一炉次的铁水的脱硅；中间排渣工序，通过使上述反应容器倾动而对残留于上述反应容器内的上述炉渣进行排渣；以及脱磷吹炼工序，通过向上述反应容器添加副原料而进行脱磷；等等。

44、发明的效果

45、根据本发明，能够将反应容器内残留的高温炉渣所具有的热量充分用于冷铁源的预热，并且能够在无炉渣暴沸、安全的状态下、无机会损失且稳定地实施充分利用了冷铁源的预热的铁水的精炼。根据本发明，即使在转炉内残留有脱碳炉渣的状态下装入了下一炉次的熔融生铁时，也能够避免该脱碳炉渣中的氧化铁与熔融生铁中的碳剧烈地反应而发生熔融生铁的暴沸现象。

46、此外，本发明能够消除现有技术的问题点及缺点，在将精炼结束的前一炉次中产生的脱碳炉渣作为下一炉次的造渣剂而再利用时，能够在不增加操作方面、设备方面的负担的情况下将脱碳炉渣高效地冷却固化，增加在下一炉次中的循环利用量，并且能够实现冷铁源的用量增加和新的造渣剂用量的减少。