JP7839780B2 - 素材鋼の製造プロセスおよびその製造のための集合体 - Google Patents

Description

現代の鋼製造では、本質的に２つの異なる経路、すなわち、第１に高炉－転炉経路、第２に電磁鋼経路が使用される。高炉－転炉経路では、鉄鉱石は、コークスを加えることによって高炉内で還元溶融される。続いて、得られた金属溶融体は、酸素転炉内で酸素によって酸化（「精製」）される。これにより、ガスまたはスラグの形態で排出される、金属溶融体中の酸素親和性を有する微量元素（例えば、炭素、ケイ素、マンガン、リン）が酸化される。電磁鋼経路では、使用される出発材料は、場合によってはブリケット形態の直接還元鉄（「鉄スポンジ」）、および／またはスクラップである。この出発材料は、電気アーク炉内で溶融され、同様に、酸素を吹き込むことによって酸素親和性を有する成分が除去され得る。例えば、国際公開第２００４／１０８９７１号を参照されたい。

高炉－転炉経路は、高炉内のコークスによる還元が非常に大量のＣＯ_２を放出するという欠点を有する。対照的に、電磁鋼経路は、一般に、酸素親和性を有する元素、およびスクラップによって導入された不純物の除去効率が低いという欠点を有する。電磁鋼経路では、微量元素および不純物のレベルは、複雑な下流の二次冶金法によってさらに低減されなければならない。そのため、電磁鋼経路は、比較的高い含有量の微量元素が許容される建設用鋼および長尺製品に本質的に使用される。

例えば、ＩＦ鋼および無方向性電磁ストリップなどのＵＬＣ鋼グレードの出発材料として機能する、低含有量の微量元素を有する粗鋼は、ほぼ専ら高炉－転炉経路を介して製造される。したがって、製鋼所には、必要な体積で好適な粗鋼を製造し、それをさらに加工するために、適切なアセンブリも全体的に存在する。

ＵＬＣ（超低炭素）鋼グレードとは、１５０ｐｐｍ以下（０．０１５重量％）、特に１００ｐｐｍ以下、好ましくは５０ｐｐｍ以下、特に３０ｐｐｍ以下の炭素含有量Ｃを有する鋼グレードを意味すると理解される。

ＩＦ鋼とは、５０ｐｐｍ以下（０．００５重量％）、好ましくは３０ｐｐｍ以下の窒素含有量Ｎをさらに有するＵＬＣ鋼グレードを意味すると理解される。

無方向性電磁ストリップグレードとは、１．０～５．０％、好ましくは２．０～４．０％のケイ素含有量Ｓｉをさらに有するＩＦ鋼を意味すると理解される。

鋼グレードについて言及される元素含有量は、例えば、連続鋳造プラントにおける鋳造後の凝固鋼に基づく。

本明細書では、製造された粗鋼の窒素含有量に特に重点が置かれているが、これは、後に詳細に説明されるように、特に同時に酸素含有量が特定の含有量を超える場合、二次冶金法によってのみ困難を伴って窒素含有量を低減することができるためである。

国際公開第２００４／１０８９７１号

したがって、本発明の目的は、ＣＯ_２排出が低減され、技術的切替えにおける資本コストを最小限に抑えるために最大数の既存のアセンブリを使用し続けることができる、低窒素粗鋼を製造するためのプロセスを提供することである。

低窒素粗鋼を製造するためのこのプロセスは、少なくとも以下のプロセス工程を含む：
・耐アーク加熱を有する、特に還元雰囲気を有する溶融炉内で直接還元鉄および／またはスクラップを溶融して、金属溶融体およびスラグを得る工程、
・溶融炉から金属溶融体を取り除き、それを使用して転炉を充填する工程、
・転炉内で金属溶融体を精製して液体粗鋼を得、７０ｐｐｍ以下、特に５０ｐｐｍ以下の窒素含有量Ｎを有する液体粗鋼を出湯する工程。

金属溶融体が溶融炉から取り除かれた後、かつ転炉が充填される前に、中間処理、特に金属溶融体の脱硫が行われていてもよい。

代替的または追加的に、中間処理は、スラグ除去および／または脱珪を含んでもよい。

この方法は、多くの技術的および経済的利益を有し、これらは以下で詳細に説明される。

本発明は、そのようなプロセスを行うためのアセンブリにさらに関する。このアセンブリは、金属溶融体を製造するための、耐アーク加熱を有する溶融炉と、金属溶融体を精製して液体粗鋼を得るために溶融炉の下流に配置された転炉とを備える。特定の実施変形例では、脱硫プラントが溶融炉のすぐ下流に配置され、転炉が脱硫プラントのすぐ下流に配置される。

本出願の文脈では、「すぐ下流」および「すぐ上流」とは、それぞれのプラントが互いに直接続くことを意味する。このような直接連続するプラント間で行われるのは、材料の輸送、および／または材料の中間貯蔵である。さらに具体的には、２つのそのようなプラント間で、材料は精製されず、他の物質と混合されず、または他の方法で改良されない。

元素含有量の説明では、以下の規則が使用される：角括弧の間の元素記号（例えば「［Ｎ］」）は、金属溶融体中のその元素（ここでは窒素）の含有量を重量パーセント単位で示す。丸括弧の間の元素記号（例えば「（Ｐ）」）は、スラグ中のその元素（ここではリン）の含有量を重量パーセント単位で示す。括弧を伴わない元素記号（例えば「Ｃ」）は、鋳鋼中の重量パーセント単位でのその元素（ここでは炭素）の含有量を意味する。

本出願では、特に明記しない限り、百分率（またはｐｐｍ数値）は、基本的に重量％（ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅｓ ｂｙ ｗｅｉｇｈｔ）、重量％（％ ｂｙ ｗｅｉｇｈｔ）と見なされるべきである。

金属の溶融、または液体金属の加熱のための異なる種類の電気加熱プラントは、以下のように区別される：
１．電極と金属との間にアークを形成する電気アーク炉（ＥＡＦ）。これには、ＡＣ電気アーク炉（ＥＡＦａｃ）、ＤＣ電気アーク炉（ＥＡＦｄｃ）およびとりべ炉（ＬＦ）が含まれる。

２．電極と装入物もしくはスラグとの間にアークを形成する、またはジュール効果によって装入物もしくはスラグを加熱する、耐アーク加熱を有する溶融炉。これには、第１に、電極が装入物またはスラグに埋没する埋没電気アーク炉（ＳＡＦ）、例えば、ＡＣ埋没アーク炉（ＳＡＦａｃ）およびＤＣ埋没アーク炉（ＳＡＦｄｃ）が含まれる。第２に、これにはまた、電極がスラグの真上で終端することができる炉が含まれる。この種類の炉では、スラグは、少なくとも電極の領域内で装入物によって遮蔽されない。したがって、スラグは、上端で開いており、スラグに形成されるブラシアーク（ｂｒｕｓｈ ａｒｃ）を上方から見ることができる。この種類の炉は、オープンスラグバス炉（ｏｐｅｎ ｓｌａｇ ｂａｔｈ ｆｕｒｎａｃｅ）（ＯＢＳＦ）とも呼ばれる。

電気アーク炉は、望ましくない微量元素を燃焼させるために、酸化雰囲気を用いて運転される。対照的に、耐アーク加熱を有する溶融炉は、還元雰囲気を用いて運転される。

プロセスの第１の工程では、耐アーク加熱を有する溶融炉内で直接還元鉄および／またはスクラップを溶融して金属溶融体を得、同時にスラグが形成される。

本発明によれば、耐アーク加熱を有する溶融炉内での処理に続いて、転炉に充填するための金属溶融体が使用され、転炉内で金属溶融体が精製されて液体粗鋼が得られる。特に、精製は、格納式プローブを使用して、金属溶融体の上から金属溶融体に工業グレード純度の酸素を吹き付けること、特に金属溶融体１トン当たり３０～８０ｍ^３（ＳＴＰ）（標準立方メートル）の工業グレード純度の酸素、好ましくは金属溶融体１トン当たり４０～６０ｍ^３（ＳＴＰ）の工業グレード純度の酸素を使用することを伴う。酸素は、１０～４０分間の期間にわたって、金属溶融体に吹き付けられる。期間は、好ましくは少なくとも１２分、さらに好ましくは少なくとも１５分である。これとは別に、期間は、好ましくは３５分以下、さらに好ましくは３０分以下である。

周知のように、微量元素の酸化的除去のために転炉が使用される。これは特に炭素に関し、転炉内では、金属溶融体は、６００ｐｐｍ以下、好ましくは５００ｐｐｍ以下の炭素含有量［Ｃ］を有する粗鋼に転換される。特に、素材鋼の炭素含有量［Ｃ］は、少なくとも２００ｐｐｍ、好ましくは少なくとも３００ｐｐｍである。本明細書では、転炉は、特に酸素転炉の形態をとる。

後にさらに詳細に説明される、製造された粗鋼のその後の二次冶金処理では、粗鋼の炭素含有量［Ｃ］は、１５０ｐｐｍ以下、特に１００ｐｐｍ以下、好ましくは５０ｐｐｍ以下、特に３０ｐｐｍ以下のＵＬＣ鋼グレードの炭素含有量Ｃまでさらに低下する。

専門用語でＬｉｎｚ－Ｄｏｎａｕｗｉｔｚ転炉（ＬＤ転炉）とも呼ばれる酸素転炉は、耐火ライニングによって裏打ちされた傾斜可能な転炉容器を含む。

溶融炉から引き出された金属溶融体は、転炉に充填するために使用される。転炉は、冷却剤として機能するスクラップによってさらに充填されていてもよい。高炉プロセスから銑鉄を加えることが可能であってもよい。これは、例えば、既存のアセンブリの改造中に当てはまる。

金属溶融体は、転炉内で精製される。これは、格納式水冷プローブによって金属溶融体に酸素を吹き付けることを伴う。その後の鉄および微量元素の酸化の激しい開始は、１０～４０分の吹付け時間の後、微量元素が所望の程度まで低減され、使用されたスクラップが溶融したという効果を有する。燃焼した鉄付随物質は、ガスとして逃げるか、またはここで加えられた石灰によって液体スラグ中で結合する。

望ましくない微量元素の低減と同様に、吹き込まれた酸素とのその発熱反応は、溶融体の旋回を確実にし、それにより、精製プロセスの結果が改善され、処理時間が短縮される。この混合をさらに強化するために、転炉基部に挿入されたノズルを通して、不活性ガス、典型的にはアルゴンおよび窒素を吹き込むことが可能である。以下に説明されるように、本発明によれば、精製は、窒素含有量も低減させる。そのため、混合に使用される不活性ガスは、アルゴンが好ましい。あるいは、窒素含有量は、不活性ガスで精製中に低減し、その結果、精製の終わりに向かって、不活性ガス中には存在するとしてもわずかに窒素含有量が存在するにとどまる。

後に説明される他のプロセスと同様に、微量元素としての炭素の酸化によって金属溶融体内にＣＯ気泡が形成される。ＣＯ気泡内の窒素分圧が低いため、金属溶融体に溶解した窒素［Ｎ］は、ＣＯ気泡内に拡散し、ＣＯとともに溶融体を残す。この脱窒プロセスは、ＣＯ気泡が形成される限り、すなわち、金属溶融体中にＣＯに酸化され得る十分な炭素が存在する限り進行する。したがって、脱窒プロセスについては、金属溶融体が、精製の直前に、少なくとも２０、好ましくは少なくとも１００、特に少なくとも２００、さらに好ましくは少なくとも５００、特に少なくとも１０００の、炭素含有量と窒素含有量との比［Ｃ］／［Ｎ］を有する場合に有利である。

好ましい実施変形例では、精製直前の金属溶融体の炭素含有量［Ｃ］は、少なくとも１．０％、好ましくは少なくとも１．５％、さらに好ましくは少なくとも２．０％である。さらに好ましい実施変形例では、精製直前の金属溶融体の炭素含有量［Ｃ］は、５．０％以下、好ましくは４．５％以下、さらに好ましくは４．０％以下である。

これらの記載される炭素含有量［Ｃ］、および炭素含有量と窒素含有量との高い比［Ｃ］／［Ｎ］により、精製直前の金属溶融体の窒素含有量［Ｎ］が最大４５０ｐｐｍであっても、精製後の出湯された液体粗鋼が５０ｐｐｍ以下、好ましくは４０ｐｐｍ以下、特に３０ｐｐｍ以下、さらに好ましくは２５ｐｐｍ以下、特に２０ｐｐｍ以下の窒素含有量［Ｎ］を有するように、効果的な脱窒を達成することが可能である。

転炉は、周囲雰囲気からの窒素の再導入を低減するために、特にそれを完全に防止するために、特に大部分が閉鎖された形態である。これは、ＣＯの形成によってさらに補助される。ＣＯの量は非常に多いため、周囲空気は溶融体の表面で変位し、周囲空気からの窒素の取込みが抑制される。

二次冶金処理、および／または粗鋼の鋳造では、窒素がある程度取り込まれる可能性があるため、転炉の精製運転では、窒素含有量を、達成される鋼グレードに実際に必要とされるよりも大きく低下させる場合に有利である。例えば、３０ｐｐｍ以下の窒素含有量Ｎを有するＩＦ鋼グレードの製造では、精製後の液体粗鋼の窒素含有量［Ｎ］は、最大２５ｐｐｍ、好ましくは最大２０ｐｐｍまで低下する。

記載される本発明のプロセスは、第１に、金属溶融体の窒素含有量が５０ｐｐｍを超える場合には、窒素含有量を首尾よく低下させることを可能にし、第２に、窒素含有量が５０ｐｐｍ未満である場合には、窒素含有量を低く保つか、またはさらに低下させることが可能である。その結果、精製後の液体粗鋼の窒素含有量［Ｎ］は、いずれの場合も５０ｐｐｍ以下である。

好ましい実施変形例では、金属溶融体の炭素含有量［Ｃ］は、溶融炉内および／または転炉内で増加する。したがって、炭素含有量は、転炉内の精製の前に増加する。これは、効率的な脱窒プロセスを可能にするために、精製中に十分なＣＯ気泡が形成されることを確実にするのに役立つ。特に、金属溶融体の炭素含有量［Ｃ］は、精製の直前に、少なくとも２０、好ましくは少なくとも１００、特に少なくとも２００、さらに好ましくは少なくとも５００、特に少なくとも１０００の、炭素含有量と窒素含有量との比［Ｃ］／［Ｎ］が存在するような程度まで増加する。

金属溶融体の炭素含有量［Ｃ］は、特に、溶融炉または転炉内のコークスまたはプロセスガス／炭塵に吹き込むことによって達成される。

好ましい実施形態では、溶融炉内のスラグの鉄含有量（Ｆｅ）は、３０重量％未満、好ましくは２０重量％未満である。これにより、スラグを介した鉄の損失が特に低いため、プロセスが特に効率的になる。このような低い鉄含有量は、特に、耐アーク加熱を有する溶融炉の使用によって達成され得る。酸化条件下で運転される電気アーク炉では、酸化雰囲気はスラグ中のＦｅＯの形態で収率損失をさらに増大させ、これは、この種類の溶融炉の使用があまり効率的でないことを意味する。したがって、耐アーク加熱を有する溶融炉と下流転炉とを組み合わせることは、溶融と酸化とを１つの工程で組み合わせる電気アーク炉よりも物理的目的のために効率的である。なお、アークが発泡スラグによって十分に遮蔽されない場合、電気アーク炉内ではエネルギー損失が高いため、耐アーク加熱を有する溶融炉の方がエネルギー効率が高い。

さらに好ましい実施変形例では、耐アーク加熱を有する溶融炉は閉鎖構成にある。これは、第１に熱の損失を防止し、さらに酸素の導入を減少させ、その結果、還元炉雰囲気が維持され、したがって酸化損失が低い。

二次冶金では、窒素含有量を低減させる別の手段には、真空処理（例えば、Ｒｕｈｒｓｔａｈｌ－Ｈｅｒａｅｕｓプロセス、ＲＨプロセス）がある。ただし、これは、ＵＬＣ鋼グレードの製造では、限られた程度でしか可能ではない。ＵＬＣ鋼グレードの場合、１５０ｐｐｍ、特に５０ｐｐｍ、好ましくは３０ｐｐｍという極めて低い炭素含有量は、転炉内の精製と、下流の二次冶金処理（ここでは真空処理）とによって達成される。ただし、これは、精製運転では、粗鋼中の溶存酸素の富化を同時にもたらす。転炉の下流の粗鋼中の酸素含有量［Ｏ］は、３００～２３００ｐｐｍである。特に、酸素含有量は、少なくとも４００ｐｐｍ、好ましくは少なくとも６００ｐｐｍ、さらに好ましくは少なくとも８００ｐｐｍである。特に、酸素含有量は、２１００ｐｐｍ以下、好ましくは２０００ｐｐｍ以下、さらに好ましくは１８００ｐｐｍ以下である。ただし、この酸素含有量の効果は、真空処理による規定窒素含有量［Ｎ］５０ｐｐｍ以下への脱窒が効率的に進行しないことである。このような真空脱窒は、最低酸素含有量［Ｏ］が１００ｐｐｍ以下の場合にのみ、経済的に実現可能な期間内に実行可能であることが研究により示されている。

二次冶金では、真空脱窒は、さらなる問題をさらに引き起こすであろう。第１に、対応するアセンブリのための追加の投資が必要とされる。第２に、鋼グレードの製造では、二次冶金法を変更すると、最終顧客のために製造プロセスを再規定することが必要になる。粗鋼の製造のための本発明のプロセスは、二次冶金におけるさらなる改良が変わらないままであり、その結果、再認証が必要とされないというこれを超える利点を有する。

したがって、本発明のプロセスは、同時に特に炭素が少なく、したがってＵＬＣ鋼グレードの製造のための出発生成物として使用することができる低窒素粗鋼を製造することができる。特に、粗鋼の炭素含有量は６００ｐｐｍ未満、好ましくは５００ｐｐｍ未満であり、窒素含有量は５０ｐｐｍ未満、好ましくは３０ｐｐｍ未満である。

電気アーク炉を用いる従来の電磁鋼経路では、特に炭素を除去するために同様に酸素が吹き込まれているが、炉の設計上、酸素の投入量が限られているため、炭素含有量をそれほど低下させることはできない。精製時の酸素の投入量が比較的少ないことはまた、従来の電磁鋼経路では、記載されたＣＯ気泡を介した効率的な脱窒がないことを意味する。第２に、この種の溶融炉は酸化雰囲気を用いて（すなわち、周囲空気下で）運転されるため、周囲雰囲気から窒素が導入される。さらに、そのような炉は、転炉とは対照的に、窒素の導入をさらに促進する平坦な設計を有する。

本発明のプロセスのさらなる利点は、転炉内の出湯後の液体粗鋼のケイ素含有量が低いことである。転炉内での精製時に、ケイ素は非常に効果的に酸化され、続いてスラグによって排出されるため、転炉の上流のＳｉ含有量［Ｓｉ］は無関係である。出湯された液体粗鋼のＳｉ含有量は、３００ｐｐｍ以下、好ましくは２００ｐｐｍ以下である。

典型的な出発材料の場合、転炉への充填時の金属溶融体のＳｉ含有量［Ｓｉ］は、最大１．５％であり得る。

電気アーク炉を用いる従来の電磁鋼経路を超える、転炉を用いる本発明のプロセスのさらなる利点は、スラグ含有量にある。転炉では１００～１２０ｋｇ／ｔのスラグ含有量を実現することが可能であるが、電気アーク炉の場合、スラグ含有量はわずか約５０ｋｇ／ｔである。さらに、転炉内の精製時の標準体積流量が増大することの効果は、スラグと溶融体とが顕著に混合されることである。その結果、スラグ中の溶融液滴のエマルジョンが得られる。これにより、溶融体とスラグとの間の反応性表面積が増大し、これは、脱リンにプラスの効果を有する。さらに、スラグ中のＰ_２Ｏ_５としてのリンの堆積は平衡反応である。したがって、溶融体からのリンの最大量がスラグ中に堆積される場合、最大スラグ含有量を実現することが有利である。転炉を使用すると、リン分布（Ｐ）／［Ｐ］＝６０～８０重量％／重量％が得られるが、電気アーク炉の場合、同じ比はわずか３０～４０重量％／重量％である。さらに、電気アーク炉の場合のスラグの組成は、脱リンのためではなく、発泡スラグ法のための発泡のために最適化される。精製直前の金属溶融体のリン含有量［Ｐ］は、１００ｐｐｍ～１５００ｐｐｍである。対照的に、出湯された液体粗鋼のリン含有量［Ｐ］は、４００ｐｐｍ以下である。

既に説明されたように、溶融炉から金属溶融体を取り除いた後、かつ転炉に充填する前に脱硫を行うことができていてもよい。この目的のために、特に、酸化カルシウムおよび／または炭化カルシウムおよび／またはマグネシウムが金属溶融体に加えられる。この場合、存在する硫化鉄ＦｅＳが本質的に反応して、亜硫酸カルシウムＣａＳまたは亜硫酸マグネシウムＭｇＳが得られる。次いで、形成されたＣａＳまたはＭｇＳは塩基性スラグ中で結合する。

精製直前（したがって、任意の脱硫後）の金属溶融体の硫黄含有量［Ｓ］は、最大１５００ｐｐｍである。出湯された液体粗鋼の硫黄含有量［Ｓ］も、同様に最大１５００ｐｐｍである。

金属溶融体および出湯された液体粗鋼は、マンガンを含有していてもよい。このような場合、精製直前の金属溶融体のマンガン含有量［Ｍｎ］は、最大０．５％である。対照的に、出湯された液体粗鋼のマンガン含有量［Ｍｎ］は、０．４％以下である。

金属溶融体および／または出湯された液体粗鋼は、合計２．０％になり得るさらなる不可避の不純物を含有していてもよい。

精製直前の金属溶融体の鉄含有量［Ｆｅ］は、少なくとも９０．０％である。出湯された液体粗鋼の鉄含有量［Ｆｅ］は、少なくとも９７．０％である。

好ましい変形例では、精製直前の金属溶融体は、以下の照合からの微量元素の少なくとも１つ、好ましくは複数、特に全部の元素含有量を有する：
炭素［Ｃ］：少なくとも１．０％、特に少なくとも１．５％、５．０％以下、特に４．５％以下、
窒素［Ｎ］：４５０ｐｐｍ以下、特に５０ｐｐｍ超、
場合により酸素［Ｏ］：０～５０ｐｐｍ、
場合によりリン［Ｐ］：１００～１５００ｐｐｍ、
場合により硫黄［Ｓ］：０～１５００ｐｐｍ、
場合によりケイ素［Ｓｉ］：０～１．５％、
場合によりマンガン［Ｍｎ］：０～０．５％。

特に、金属溶融体は、精製直前に、以下を含有する：
炭素［Ｃ］：少なくとも１．０％、特に少なくとも１．５％、５．０％以下、特に４．５％以下、
窒素［Ｎ］：４５０ｐｐｍ以下、特に５０ｐｐｍ超、
場合により酸素［Ｏ］：０～５０ｐｐｍ、
場合によりリン［Ｐ］：１００～１５００ｐｐｍ、
場合により硫黄［Ｓ］：０～１５００ｐｐｍ、
場合によりケイ素［Ｓｉ］：０～１．５％、
場合によりマンガン［Ｍｎ］：０～０．５％、
残部：鉄および不可避の不純物、ここで、不純物は合計２．０％以下になる。

好ましい変形例では、出湯された液体粗鋼は、精製直前の金属溶融体は、以下の照合からの微量元素の少なくとも１つ、好ましくは複数、特に全部の元素含有量を有する：
炭素［Ｃ］：６００ｐｐｍ以下、特に５００ｐｐｍ以下、
窒素［Ｎ］：５０ｐｐｍ以下、特に３０ｐｐｍ以下、
酸素［Ｏ］：少なくとも３００ｐｐｍ、２３００ｐｐｍ以下、
場合によりリン［Ｐ］：０～４００ｐｐｍ、
場合により硫黄［Ｓ］：０～１５００ｐｐｍ、
場合によりケイ素［Ｓｉ］：０～３００ｐｐｍ、
場合によりマンガン［Ｍｎ］：０～０．４％。

特に、出湯された液体粗鋼は、以下を含有する：
炭素［Ｃ］：６００ｐｐｍ以下、特に５００ｐｐｍ以下、
窒素［Ｎ］：５０ｐｐｍ以下、特に３０ｐｐｍ以下、
酸素［Ｏ］：少なくとも３００ｐｐｍ、２３００ｐｐｍ以下、
場合によりリン［Ｐ］：０～４００ｐｐｍ、
場合により硫黄［Ｓ］：０～１５００ｐｐｍ、
場合によりケイ素［Ｓｉ］：０～３００ｐｐｍ、
場合によりマンガン［Ｍｎ］：０～０．４％、
残部：鉄および不可避の不純物、ここで、不純物は合計２．０％以下になる。

転炉を用いる本発明のプロセスは、溶融炉スラグの組成を自由に調整することができるというさらなる利点を有するが、電気アーク炉の場合、スラグは一般に最適化されているため、所望に応じて変更することはできない。

ひいては、組成は、例えば、鋳物砂の組成と同様に調整することができる。したがって、溶融炉スラグは、例えば、セメント産業では、鋳物砂と同様に、さらなる用途を有することが可能である。

好ましい実施変形例では、耐アーク加熱を有する溶融炉は、Ｓｏｄｅｒｂｅｒｇ電極として構成された少なくとも１つの電極を備える。

Ｓｏｄｅｒｂｅｒｇ電極は、外側シェルを備え、外側シェルの内側には、フィン（ガイドプレートと呼ばれる）が配置される。外側シェルは、例えば、ブリケットの形態またはブロックもしくはシリンダの形態の電極塊によって連続的に充填される。電極は溶融体に面する端部の領域で摩耗するため、電極は運転中に連続的に下降し、上部から電極材料によって補充される。さらに、外側シェルは、さらなる材料の接合によって連続的に延長される。

好ましい実施変形例では、耐アーク加熱を有する溶融炉は、正確に３つの電極を備え、三相ＡＣによって動作する。

好ましい実施変形例では、プロセスは、直接還元鉄を製造するための上流の直接還元プロセスを含む。その場合のアセンブリは、耐アーク加熱を有する溶融炉の上流、好ましくはすぐ上流に直接還元プラントを備える。この直接還元プロセスでは、酸素が鉄鉱石から除去される固相反応が起こる。この目的のために、還元剤として木炭または天然ガスが従来使用されている。近年では、還元剤として水素も盛んに提案されている。この反応は鉄鉱石の融点未満で起こるため、鉱石の外形は変化しないままである。酸素の除去は約２７～３０％の重量減少をもたらすため、反応生成物のハニカム微細構造（多くの空気充填隙間を有する固体多孔質鉄）が得られる。そのため、直接還元鉄は、多くの場合、鉄スポンジとも呼ばれる。

好ましい実施変形例では、直接還元プラントは、鉄鉱石が還元ガスと対向して通過する還元ゾーンを有するシャフト炉を備える。

プロセスの特定の変形例では、還元ゾーンは、シャフト炉内の冷却ゾーンの上方に配置される。次いで、鉄鉱石は、上から下に向かって垂直方向にシャフト炉を通過する。そのようなシャフト炉は、根底にある煙突効果のために、鉄鉱石および還元ガスを通る冷却ガスの良好な流れを可能にする。特に、還元ガスは、鉄鉱石の移動方向と対向して還元ゾーンを通って流れる。これに対応して、冷却ガスは、同様に、製造された鉄スポンジの移動方向と対向して冷却ゾーンを通って流れる。したがって、冷却ゾーンおよび還元ゾーンではともに、ガスと固体との間の効率的な反応を達成するために、向流法が使用される。

使用される還元ガスは、特に、ＣＯもしくはＨ_２、またはＣＯとＨ_２とを含む混合ガスである。ここでの還元反応は以下の通りである（「（ｓ）」は固体を意味する；波括弧はガス状物質を示す）：
３Ｆｅ_２Ｏ_３（ｓ）＋｛ＣＯ｝＝２Ｆｅ_３Ｏ_４（ｓ）＋｛ＣＯ_２｝
Ｆｅ_３Ｏ_４（ｓ）＋｛ＣＯ｝＝３ＦｅＯ（ｓ）＋｛ＣＯ_２｝
ＦｅＯ（ｓ）＋｛ＣＯ｝＝Ｆｅ（ｓ）＋｛ＣＯ_２｝
３Ｆｅ_２Ｏ_３（ｓ）＋｛Ｈ_２｝＝２Ｆｅ_３Ｏ_４（ｓ）＋｛Ｈ_２Ｏ｝
Ｆｅ_３Ｏ_４（ｓ）＋｛Ｈ_２｝＝３ＦｅＯ（ｓ）＋｛Ｈ_２Ｏ｝
ＦｅＯ（ｓ）＋｛Ｈ_２｝＝Ｆｅ（ｓ）＋｛Ｈ_２Ｏ｝
還元ガスは、典型的には、化石炭化水素（例えば、天然ガスまたはコークス化炉ガス（ｃｏｋｉｎｇ ｆｕｒｎａｃｅ ｇａｓ））から生成される。一例として、反応は、出発材料としてのメタンについて以下に説明される。他の炭化水素も同様に出発材料として可能である。

第１の実施変形例では、還元ガスは、メタン、ＣＯ_２および蒸気からガス改質器内で生成される（ＭＩＤＲＥＸ（登録商標）プロセス）。

ＣＨ_４＋ＣＯ_２＝２ＣＯ＋２Ｈ_２
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ＝ＣＯ＋３Ｈ_２
その結果、新鮮なメタンがガス改質器の上流のシャフト炉からの浄化されたオフガスと混合されるガス回路が得られる。シャフト炉からのオフガスは、還元反応の生成物としてＣＯ_２および蒸気を含有する。ガス改質器内の触媒反応を活用して、Ｈ_２およびＣＯを含む還元ガスが、メタン、ＣＯ_２および蒸気から生成される。この還元ガスはシャフト炉に供給され、そこで上記の反応式に従って鉄鉱石を還元する。形成される反応生成物は、ＣＯ_２、蒸気および鉄スポンジである。ＣＯ_２および蒸気ならびに未消費の還元ガスは、メタンと混合され、ガス改質器に戻される。

代替的な実施変形例（ＨＹＬ（登録商標）プロセス）では、還元ガスは、
メタンを蒸気と混合し、混合物を加熱し、これを触媒上に通過させることによって、触媒反応によって生成される。

ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ＝ＣＯ＋３Ｈ_２触媒は、例えば、ガスをシャフト炉に導く鉄－ニッケルパイプ内に存在するニッケルであってよい。このプロセスの特定の構成では、高温の鉄スポンジ自体が、還元ゾーンの下部で触媒として機能する。同時に、鉄スポンジ上に炭素が堆積し、これにより、鉄スポンジの炭素含有量が増加する。

あるいは、使用される還元ガスは水素であってよく、水素は、特に電解によって気候に関係なく生成される。その場合のプロセスは、以下の工程をさらに含む：
・電解生成水素を消費して、シャフト炉内で鉄鉱石から直接還元鉄を製造する工程。

電解生成水素の使用は、ＣＯ_２排出量と化石エネルギー担体の消費とを減少させるため、プロセスのカーボンフットプリントを改善する。

この水素は、出発材料としての天然ガスを完全に置き換えることができるか、または天然ガス消費を減少させるために上記のプロセスに部分的に加えることができる。水素含有量が増加すると、還元はＨ_２による規定された反応式にさらに移行するため、ＣＯによる３つの反応式から離れる。

プロセスの好ましい発展形態では、直接還元プロセスは、製造された直接還元鉄を炭素含有ガスと接触させ、製造された鉄に炭素を堆積させる炭化工程を含む。使用される炭素含有ガスは、特に、天然ガスまたはＣＯ_２であり得る。この炭化反応では、使用するガスによって様々な化学反応機構が生じる。炭素含有ガスは、好ましくは、製造された直接還元鉄を同時に冷却および炭化するために、シャフト炉の冷却ゾーンに導入される。さらに、冷却ゾーン内の高温の直接還元鉄は、炭化反応の触媒としてさらに作用することができる。炭化工程は、直接還元鉄の炭素含有量を増加させ、ひいては下流の溶融炉内の金属溶融体の炭素含有量も増加させる。これは２つの利点をもたらす：第１に、直接還元鉄の融点が低下し、これにより、溶融炉内のエネルギー消費が減少する。第２に、既に説明されたように、炭素含有量が増大すれば、下流転炉内の記載された脱窒機構に有利である。

本発明は、以下の工程を含む、ＵＬＣ鋼、特にＩＦ鋼、好ましくは無方向性電磁ストリップを製造するためのプロセスにさらに関する：
・上記のプロセスによって低窒素粗鋼を製造する工程、
・製造された粗鋼の二次冶金処理、
・連続鋳造プラント内で粗鋼を鋳造する工程。

このプロセスは、低窒素粗鋼を製造するための上記のプロセスと同じ利点を有する。

製造された粗鋼の二次冶金処理は、特に真空処理を含む。

真空処理では、６００ｐｐｍ以下の製造された粗鋼の炭素含有量［Ｃ］は、１５０ｐｐｍ以下、好ましくは１００ｐｐｍ以下、好ましくは５０ｐｐｍ以下、特に３０ｐｐｍ以下のＵＬＣ鋼グレードの所望の最大含有量まで低減される。真空処理は、Ｒｕｈｒｓｔａｈｌ－Ｈｅｒａｅｕｓプロセスを活用すると特に効果的である。あるいは、真空処理は、レードルタンク（ｌａｄｌｅ ｔａｎｋ）脱ガスを活用して行うことができる。

本発明は、上記のプロセスを行うためのアセンブリにさらに関する。このアセンブリは、金属溶融体を精製して液体粗鋼を得るための下流、好ましくはすぐ下流の転炉を有する、金属溶融体を製造するための、耐アーク加熱を有する溶融炉を備える。

このアセンブリは、プロセスに関して上で説明された利点を有する。

好ましい実施変形例では、アセンブリは、耐アーク加熱を有する溶融炉の上流、好ましくはすぐ上流の直接還元プラント、および／または転炉の下流、好ましくはすぐ下流の二次冶金プラントを備える。直接還元プラントを溶融炉に直接接続することは、製造された直接還元鉄を使用して、まだ熱いうちに溶融炉を充填することができるという利点を有する。これにより、溶融操作ではエネルギー投入量が低減される。同様に有利なのは、二次冶金プラントを転炉に直接接続することであり、これは、液体粗鋼をこのようにさらなる加工に直接供給することができるためである。

本発明は、同様に、ＵＬＣ鋼を製造するための上述のプロセスを行うためのアセンブリに関する。このアセンブリは、金属溶融体を精製して液体粗鋼を得るための下流転炉を有する、金属溶融体を製造するための、耐アーク加熱を有する溶融炉と、転炉の下流の二次冶金プラントと、二次冶金プラントの下流の連続鋳造プラントとを備える。二次冶金プラントは、真空脱ガスプラント、好ましくはＲＨプラントとして特に設計される。

本発明は、既存の転炉の上流、好ましくはすぐ上流に耐アーク加熱を有する溶融炉を追加し、既存の高炉を解体することによる、高炉と高炉の下流の既存の転炉とを有する、低窒素粗鋼を製造するための既存のアセンブリの改造にさらに関する。驚くべきことに、既存の高炉ではなく、既存の転炉の上流に耐アーク加熱を有する溶融炉を使用することにより、ＣＯ_２排出を明確に低減しながら低窒素粗鋼を製造することができることが分かった。このような溶融炉が、これまでに特定の鋼グレードを製造するために別個の転炉に連結されたことはない。高炉と組み合わせた別個の転炉のみがこれまでに知られている。本発明によれば、高炉は、記載されているように耐アーク加熱を有する単純な溶融炉に置き換えることができることが認識されている。この組合せは、プロセスに関して説明された相乗効果をもたらす。これらのうちの１つは、特に、製造される粗鋼の窒素含有量が特に低いことである。さらに、この改造は、既存の転炉を依然として使用することができるため、比較的安価に実施することができる。窒素含有量が低いために、同じ方法でさらに下流の二次冶金プラントを使用し続けることも同様に可能である。これは、最終顧客ための鋼グレードの製造プロセスの再認証が必要とされないという利点を有する。製造プロセスの認証は、転炉の下流のプロセス工程のみに関連するため、これらの工程が変更されないままであれば、再認証を回避することが可能である。本発明の改造は、高炉プロセスから変更されない完全にこれらの工程の採用を可能にする。

本発明は、高炉と、高炉の下流の既存の転炉と、転炉の下流の二次冶金プラントとを備える、ＵＬＣ鋼グレードを製造するための既存のアセンブリの改造にさらに関する。プロセスは、既存の転炉の上流、好ましくはすぐ上流の耐アーク加熱を有する溶融炉の追加と、既存の高炉の解体とを含む。低窒素粗鋼がＵＬＣ鋼グレードの製造のための出発材料として使用されるため、ＵＬＣ鋼グレードの製造のための既存のアセンブリを改造するこのプロセスは、低窒素粗鋼の製造のための既存のアセンブリを改造する上記のプロセスと同じ利点を有する。

好ましい変形例では、２つの前述の改造プロセスは、耐アーク加熱を有する溶融炉の上流、好ましくはすぐ上流の直接還元プラントの追加を含む。直接還元プラントを溶融炉に直接接続することは、製造された直接還元鉄を使用して、まだ熱いうちに溶融炉を充填することができるという利点を有する。これにより、溶融操作ではエネルギー使用が低減される。

本発明は、図面によってさらに詳細に説明される。図面は以下を示す：

粗鋼の製造のための本発明のプロセスのフロー図 耐アーク加熱を有する溶融炉の概略図 転炉の概略図 直接還元プラントの概略図

図１は、低窒素粗鋼の製造のための本発明のプロセスのフロー図を示す。第１の任意の工程では、シャフト炉内で鉄鉱石から直接還元鉄が製造される。あるいは、直接還元鉄は購入されてもよい。次の工程では、直接還元鉄は、耐アーク加熱を有する溶融炉に導入される。さらに、スクラップも溶融炉に導入することが可能であってもよい。溶融炉では、鉄および／またはスクラップが溶融されて、金属溶融体およびスラグが得られる。続いて、金属溶融体が溶融炉から取り除かれ、転炉を充填するために使用される。転炉では、金属溶融体が精製されて、液体粗鋼が得られる。続いて、液体粗鋼が転炉内で出湯される。

図２は、埋没電気アーク炉（ＳＡＦ）の形態の、耐アーク加熱を有する溶融炉１３を示す。溶融炉１３は、耐火材料１７によって内側が裏打ちされた炉容器１５を備える。ＡＣによって動作する３つの電極２１は、内部１９に突出している。金属溶融体２３は、既に内部１９内にある。スラグ２５の層が金属溶融体２３上に沈降している。３つの電極２１は、スラグ２５内に突出している。したがって、電極２１間に電流が形成され、これがスラグ層２５を通過し、抵抗加熱によってスラグ層２５を加熱する。この加熱は、スラグ層２５から金属溶融体２３に伝達される。内部１９は、蓋２９によって上部で終端されており、蓋２９を通って３つの電極２１が突出している。電極２１は、Ｓｏｄｅｒｂｅｒｇ電極として設計されている。

図３は、転炉３１を示す。転炉３１は、耐火ライニング３５を有する転炉容器３３を備える。転炉容器３３内には金属溶融体３７がある。上部から転炉容器３３内に突出するプローブ３９を使用して、金属溶融体３７の表面に酸素を吹き付けることができる。転炉４１は、蓋３８によって上部で閉じられており、蓋３８を通ってプローブ３９が導かれる。転炉基部４１は、転炉３１内に不活性ガスを吹き込むことができるノズル４３を有する。転炉３１は、精製後に転炉容器３３を傾斜させることによって液体粗鋼を取り除くことができる横方向出湯オリフィス４５を有する。

図４は、直接還元プラント５１の概略図を示す。直接還元プラント５１は、シャフト炉５３を備える。シャフト炉５３には、還元ゾーン５５および冷却ゾーン５７がある。還元ゾーン５５は、冷却ゾーン５７の上方に配置されている。シャフト炉５３には、上部から鉄鉱石が充填される。シャフト炉５３の下端では、製造された直接還元鉄を取り除くことができる。同時に、還元ガスが入口５９を通ってシャフト炉５３に入る。次いで、還元ガスは、還元ゾーン５５内で鉄鉱石を通って流れる。次いで、未消費の還元ガスは、出口６１で何らかのガス状反応生成物とともに再び出る。したがって、還元ガスは、鉄鉱石の移動方向と対向して還元ゾーン５５を通って流れる。還元ゾーン５５を出た後、直接還元鉄は冷却ゾーン５７に入る。冷却ゾーン５７では、冷却ガスは、鉄の移動方向と対向して鉄スポンジを通って流れる。この目的のために、冷却ガスは、入口６３を通ってシャフト炉５３に入る。未消費の冷却ガスは、何らかのガス状反応生成物とともに出口６５で再び出る。言うまでもなく、特定の割合の冷却ガスが還元ゾーン５５に入ることも可能である。同様に、特定の割合の還元ガスが冷却ゾーン５７に入ることも可能である。冷却ガスは、製造された直接還元鉄を炭化させるために、炭素を含有することが好ましい。

Claims (9)

1. 以下のプロセス工程：
   ・アーク抵抗加熱用溶融炉（１３）内で還元雰囲気を用いて直接還元鉄および／またはスクラップを溶融して、金属溶融体（２３）およびスラグ（２５）を得る工程、但し、前記溶融炉（１３）内の前記スラグ（２５）の鉄含有量（Ｆｅ）が、２０重量％未満であり、前記アーク抵抗加熱用溶融炉（１３）が、埋没電気アーク炉（Ｓｕｂｍｅｒｇｅｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ａｒｃ Ｆｕｒｎａｃｅ）タイプ又はオープンスラグバス炉（Ｏｐｅｎ Ｓｌａｇ Ｂａｔｈ Ｆｕｒｎａｃｅ）タイプである、
   ・前記溶融炉（１３）から前記金属溶融体（２３）を取り出し、それを使用して転炉（３１）を充填する工程、
   ・前記転炉（３１）内で前記金属溶融体（３７）を精製して液体粗鋼を得、５０ｐｐｍ以下の窒素含有量［Ｎ］を有する前記液体粗鋼を出湯する工程であって、前記金属溶融体（３７）の窒素含有量［Ｎ］が５０ｐｐｍを超える場合、窒素含有量［Ｎ］を低下させるか、または前記金属溶融体（３７）の窒素含有量［Ｎ］が５０ｐｐｍ未満である場合、窒素含有量［Ｎ］を低く保つか、もしくはさらに低下させる工程を含む、低窒素粗鋼を製造するためのプロセスであって、
   前記金属溶融体（３７）が、前記精製の直前に、少なくとも２０の、炭素含有量と窒素含有量との比［Ｃ］／［Ｎ］を有することを特徴とする、前記プロセス。
2. 前記金属溶融体の炭素含有量［Ｃ］が、前記溶融炉（１３）内で増加することを特徴とする、請求項１に記載のプロセス。
3. 前記金属溶融体の炭素含有量［Ｃ］が、前記転炉（３１）内で増加することを特徴とする、請求項１または２に記載のプロセス。
4. 前記金属溶融体（３７）が、前記精製の直前に、以下の微量元素含有量を有することを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載のプロセス：
   炭素［Ｃ］：少なくとも１．０％、５．０％以下、
   窒素［Ｎ］：４５０ｐｐｍ以下、
   場合により酸素［Ｏ］：０～５０ｐｐｍ、
   場合によりリン［Ｐ］：１００～１５００ｐｐｍ、
   場合により硫黄［Ｓ］：０～１５００ｐｐｍ、
   場合によりケイ素［Ｓｉ］：０～１．５％、
   場合によりマンガン［Ｍｎ］：０～０．５％。
5. 出湯された液体粗鋼が、以下の微量元素含有量を有することを特徴とする、請求項１～４のいずれか一項に記載のプロセス：
   炭素［Ｃ］：６００ｐｐｍ以下、
   窒素［Ｎ］：５０ｐｐｍ以下、
   酸素［Ｏ］：少なくとも３００ｐｐｍ、２３００ｐｐｍ以下、
   場合によりリン［Ｐ］：０～４００ｐｐｍ、
   場合により硫黄［Ｓ］：０～１５００ｐｐｍ、
   場合によりケイ素［Ｓｉ］：０～３００ｐｐｍ、
   場合によりマンガン［Ｍｎ］：０～０．４％。
6. 前記精製が、格納式水冷プローブを使用して前記金属溶融体（３７）に酸素を吹き付けることを伴い、吹付け時間が少なくとも１０分である、請求項１～５のいずれか一項に記載のプロセス。
7. アルゴンが、前記転炉基部（４１）内のノズル（４３）を介して吹き込まれていることを特徴とする、請求項６に記載のプロセス。
8. 以下の前工程を含む、請求項１～７のいずれか一項に記載のプロセス：
   ・電解生成水素の消費を伴って、または天然ガスの消費を伴って、またはコークス化炉ガスの消費を伴って、シャフト炉（５３）内で鉄鉱石から直接還元鉄を製造する工程。
9. 以下の工程を含む、ＵＬＣ鋼を製造するためのプロセス：
   ・請求項１～８のいずれか一項に記載のプロセスによって低窒素粗鋼を製造する工程、
   ・製造された前記粗鋼の二次冶金処理、
   ・連続鋳造プラント内で前記粗鋼を鋳造する工程。