JP2018506649A - 金属の製造及び精錬用吹込みランスアセンブリ - Google Patents

Abstract

本発明は、スラグ形成及び酸化と、反応炉の熱容量と、を制御し、装入及び吹込み時の操作条件を維持するように開発された金属の製造および精錬用の吹込みアセンブリに関する。アセンブリは、その下方部に、二通りの吹込み条件を決定するガス出口の二つの群を有する。第一の群は、収束−発散型の酸素通過ノズルからなり、主として、酸化反応と、酸化カルシウムを主とする初期スラグ形成のための塩基性固体材料の搬送と、バッチ精錬の最終工程における脱リン処理を行う役割を果たす。第二の群は、各吹込み工程において各種機能を備えた複数の第二噴出口からなる。複数の第二噴出口は、第一に、工程初期において、酸素が主噴射により生成された一酸化炭素と反応するように、酸素を後燃焼剤として噴射するように機能する。第二に、酸素の噴射速度を上昇させることで、炭素との反応を加速させ、初期段階においてスクラップの溶融を加速し、最終的に、バッチ精錬の最終段階でリンの含有量を減少させるために、金属浴の成分である鉄の酸化を増加させるよう機能する。

Description

発明の詳細な説明

本発明は金属の製造及び精錬用の吹込みランスアセンブリ、より具体的には、スラグの形成及び酸化と、反応炉の熱容量と、装入及び吹込み操作条件の維持と、を制御するように開発された、鋼製造及び精錬に用いられる吹込みランスアセンブリに関する。

[従来技術]
ＢＯＦ炉（塩基性酸素転炉）は、有底の筒型槽であって、上端部が円錐台形状に形成されており、その頂部に、液体銑鉄とスクラップとを装入するための「マウス」と呼ばれる大開口部を有し、更には、一次精錬の最後に生産される溶鋼を取り除く「排出チャネル」と呼ばれる小さな側方開口部を有する。

炉の金属ハウジングを保護するには、摂氏約１７００度に昇温される溶湯を収容するために、耐火レンガ層によるコーティングが用いられる。

吹込み処理は、装入工程から開始される一連の工程を実行することを伴う。槽は垂直位置から４５度に傾けられ、スクラップは、槽内へ投入されるスクラップを備えておくための容器であるチャネル部を介して装入される。スクラップが炉内に投入された後、液体銑鉄が装入される。その後、垂直に移動する酸素ランスを介して酸素の吹込みを可能にするため、槽は垂直位置まで傾動して戻る。

酸素ランスは水冷式であり、酸素出口用の複数のノズルを、ランスの末端部に含む。ランスノズルの構造は、ノズルアセンブリ及びその幾何形状により定められる。酸素ランスは、「ランス−バス距離」と呼ばれる、吹込み中の金属浴に対する高さのパターンに従う。その目的とするところは、反応速度を加速させるために、常にランスを浴面に最も近い位置に近づけることであるが、浴面に近いほど高温にさらされることになる。一方で、浴面に近づけるほど、より深い位置まで酸素が噴射され、反応速度が上昇する。

この工程により、炉の上部に投入される液体金属及びスラグは、撹拌され、ランスの表面と炉壁沿いとの双方において凝固し得て、また、炉外へ排出され得る。液体金属の製造工程において、ランスには、酸素だけではなく、他の気体又は酸素との混合物を用いることができる。

より耐用年数の長い吹込みランスを得るために、この場合、吹込みランスは水循環によって冷却されなければならない。ランスの外面温度は高く、水の沸点よりさらに高温である。処理される金属が鋼である場合、温度は１７００度を超え、全ての処理済みバッチにおいて、ランスは「エマルジョン」と呼ばれる、溶湯、スラグ及び気体の混合物に浸漬される。

吹込み処理は、それぞれ、点火、スラグ形成、脱炭、及び、温度調整を目的とした酸化の、四つの異なる工程からなる。処理を開始するために、ランスは、バッチの点火が可能になる高さ、すなわち、吹き込まれる酸素によって、溶湯の任意要素に酸化が起こる高さまで下降する。バッチ点火を終えるとすぐに、スラグ形成工程が開始される。この第二工程は約３分から５分間続き、また、最初の脱炭処理であるとされている。これは、珪素がほぼ完全に酸化し、マンガンも急速に酸化すると同時に、この二つの元素の含有量が減少するにつれて脱炭速度が上昇することを特徴としている。このスラグ形成の初期工程に際して、方解石、ドロマイト石灰、生ドロマイト等の全てのスラグ形成剤が添加される。

スラグ形成材料の添加は、通常、転炉の上部に設けられた複数の貯留サイロを用いて行われる。これらのサイロへの供給物流は複雑化しており、道路あるいは鉄道を利用してバルク、あるいは「大型バッグ」（大型包材）で運搬された材料の受取りを含む、いくつかの工程を備える。バルクで運搬する場合、材料は、通常は輸送手段下方の開口部に設けられた移動サイロへ放出される。材料は、待機サイロからホッパーを介して混合され、複数の貯留サイロが設けられた高さ２５メートルから５０メートルの転炉の支持構造の頂部へ材料を導く機能を持ったベルトコンベアに向けて移動する。上昇時に、各会社のレイアウトに応じた材料の向きの変更を可能とするようにベルトの転位が行われ得る。材料は、頂部で、トリッパーと呼ばれるラリー鉱車に到達する。その後、材料は、通常４基から１５基の貯留サイロへ輸送される。貯留サイロの下には、バイブレータ又はドーザーが設置してあり、計量コマンドを受けて、重量調整用の測定器が備えられた待機サイロに材料を移送する。これらの重量物は転炉内に加えられるまで、適宜待機することになる。大型バッグが用いられる場合には、移動サイロ内で開封するか、又は天井クレーンで持ち上げて、直接的に貯留サイロに投入することができる。いずれの場合においても、各材料の移送に際し、汚染の影響が顕著であり、閉じ込めには除塵システムに多大な投資額を要する。

これらの材料はまた、ランスによって、あるいは、転炉の耐火底部又は基部に存在する多孔性又は加圧性の通路を介して、加えることができる。添加時期は製造対象の鋼の種類に応じて異なるものの、通常は、上記同じシーケンスに従う。酸化の促進が起こると、珪素がシリカに変換されるが、この場合、塩基性剤を迅速に添加することが不可欠であり、バッチ点火が実行されたことが確認された直後に、とりわけ石灰が加えられる。材料が粒状化すると、材料の加熱、反応及び溶解、続いて効果的なシリカの中和作用に時間を必要とする。その後、ドロマイトのような酸化マグネシウムに富む材料が、転炉の耐火レンガの損傷を回避するような飽和レベルのスラグを得ることを主目的に、添加される。酸化マグネシウムに富む材料の挙動は、石灰と同様であり、エマルジョンが転炉の外に噴出すること及びその放射により、バッチの性能やオペレーション時間に悪影響を与えるのを避けるために、ランス及び除塵システムに付着する固体金属材料が形成されることにより、メンテナンスのために長期にわたって操業を停止せざるをえなくなるのを避けるために、銑鉄内の珪素含有量に応じた石灰溶解制御は必要不可欠である。

脱炭処理の第二段階は、主として、珪素が酸化された後の炭素の酸化を伴う。転炉内の状態は、高温と、脱炭を促進するガス−スラグ−金属のエマルジョンの存在によって特徴づけられ、反応速度は、酸素利用性によってのみ決定される。炉は、処理に必要なエネルギーを、液入れや銑鉄、また、酸素との反応により起こる精錬反応から得る自己熱交換式反応器として動作する。

酸化反応により、一酸化炭素（ＣＯ）及び二酸化炭素（ＣＯ２）の二つの生成物が生成され、そのレベルは、ＣＯが４０％から７０％、ＣＯ２が１０％から４０％である。金属浴内で一酸化炭素が急激に生成されることにより、スラグの「泡立ち」が起こり、ガス−スラグ−金属のエマルジョンが生成される。炉内でのガスの後燃焼（アフターバーニング）技術は、一酸化炭素を二酸化炭素に酸化させ、大量のエネルギーを発生させることを目的としている。装入物へのこのような追加エネルギーの伝熱効率は、使用されるスクラップ量にも影響を及ぼし得る。装入物に含まれるスクラップの比率が増加することで、液体銑鉄一トンあたりの鋼の製造には、必要に応じて追加エネルギー源を利用し、熱平衡を調整する必要がある。従来では、スクラップは予備加熱され、また、鉄−珪素及び冶金用コークスのような補助燃料が追加されている。

脱炭反応は発熱反応であり、金属浴の温度を上昇させる。この工程の終了は、脱炭速度がもはや酸素利用性によってではなく、反応界面への炭素の拡散によって制御されるときに定められる。後燃焼は、炉の雰囲気内へのガスの搬送、及びそのガスが第一又は第二酸素ジェットに乗り込むことに伴い、バッチの脱炭中に最大となる。混入した一酸化炭素は二酸化炭素に酸化される。二酸化炭素の一部は、炉の雰囲気中に拡散され、その残部は金属浴およびエマルジョンに到達し、金属によって再度減少する。後燃焼のために特別に設計されたランスのノズルは、収束−発散ノズルによる主の吹込みと、第二ジェットと呼ばれる直進ノズルを介した補助的な酸素の吹込みの、二通りの酸素吹込み条件によって特徴づけられる。

最終吹込み工程は、とりわけ、転炉に投入される大量のスクラップにより熱入力が損なわれてしまう工程において、金属浴の温度を上昇させることを目的としている。この工程は、浴内の炭素含有量の減少に伴い、脱炭速度の低下と、マンガン及び鉄の酸化が徐々に進むことによって特徴づけられる。ガスの発生が減少することにより、金属粒子が合体して浴内へ戻ることに伴って、エマルジョンの崩壊が徐々に起こる。鉱石中、ひいては液体金属中のリンの含有量が上昇するにつれ、最終吹込み工程は、鋼中のリンの要求量を確実に低くする機会でありながらも、転炉において満たすべき吹込み制御及び品質要件を向上させる。最終吹込み工程は、浴及びスラグの高水準の酸化という脱リン処理に必要不可欠な条件を揃えているものの、排出温度が高いという脱リン処理を制約する要素もある。

スラグ中のリンの定着に必要な第三の要素は、アルカリ性の増加又は酸化カルシウム及び酸化マグネシウムの含有量の増加である。このような資源を利用できない場合、脱リン処理を向上するため、また逆に温度を上昇させるための現実務は、サブ−ランス方法又は最終吹込み工程を行った後、石灰或いは未焼成の石灰岩を添加することである。この目的とするところは、温度の低下に伴って酸化スラグのアルカリ性を急上昇させることで、スラグ中のリンを捉えて定着させる状態を生成することである。このようなリンの反応は容易に還元されるため、結果としてこの技術によってスラグが急速に流出する。

最終吹込み温度は、一次精錬工程後の、熱損失処理やバッチ制御を考慮して決定される。化学成分の分析のためのサンプリングや、溶湯の温度測定が完了した後、上記転炉は鋼製鍋に溶鋼を注入するために傾動する。その後、炉は、鋼の出鋼とは反対側で行われるスラグの排出を可能とするよう傾動する。すべての操作の組み合わせの実行時間が炉の生産サイクルの時間を決定する。

上述の操作においては、通常、次に挙げる問題が発生し得る。ａ）吹込みランス付近において凝固物質（スケール）が形成されることで、ランス及びスケールの径が大きくなり、集煙装置の破損に至ること。ｂ）金属を含有する凝固物質により、上記工程の金属生産量が減少すること。ｃ）ランス内で凝固した物質に含まれる金属成分を再利用するには、物流費用や処理費用が多大であること。ｄ）ランスに形成されたスケールを洗浄するための長い時間。ｅ）スケールの洗浄によってランスの外パイプが損傷し、それによってランスの維持費用が発生すること。ｆ）大量のスクラップに対して乏しい熱平衡。ｇ）スラグ形成時間及び塩基性固体材料の高分離時間の制御の不足。ｈ）吹込み終了時におけるスクラップの溶融及び脱リン反応の制御の不足。

したがって、本発明の目的は、熱制御と、脱炭率制御と、最終吹込み時における脱リン制御を改善するために、吹込み処理におけるフレキシビリティを可能にするランスの開発であり、従来技術において処理のオペレーション中に認識される問題の発生を排除するか、もしくは実質的に抑制する。

［発明の局面］
本発明の一つの局面は、各吹込み工程において異なる用途を有する収束−発散型の酸素通過ノズルの主酸素出口近傍への、導管のランス内への導入が、粉状固体材料、特に酸化カルシウム（石灰）からなることである。金属浴の精錬を目的として、酸素とともに石灰を注入することで連続添加が可能となり、スラグ形成を容易にし、鋼−スラグ−ガスの混合物であるエマルジョンの制御を維持する。本願の別の局面においては、最終吹込み工程における注入率を上昇させることができ、これは、浴中に含まれるリンの割合の抑制、つまりは脱リン処理に役立つ。

本発明の別の局面は、メインの吹込み工程：（a）スクラップの溶解及びスラグ形成を行う初期段階において、溶解速度を加速させるために炉の発熱量を増加させる工程、b）脱炭の際に、精錬時間を減少させるために超音速で酸素の供給量を増加させる工程、c）最後に、脱リンの低い水準を実現する温度とバッチの酸化レベルの増大を確保するために後燃焼を促進する最終吹込み工程、において異なる用途を有し、主酸素の独立制御機能を備えた第二出口のランスに、酸素及び可燃性ガスを導入することである。

［発明の説明］
ランスは、その下方部に、二種類の吹込み条件を決定するガス出口の二つの群を有する。第一の群は、収束−発散型の酸素通過ノズルからなり、主として、酸化反応や、スラグの初期形成のために、及び、バッチ精錬中の最終段階における脱リンのために、酸化カルシウムを主とした塩基性剤の搬送を行う。第二の群は、吹込み処理の各段階において多様な機能を有する第二超音速ジェットからなる。最初の機能は、工程初期において、主噴射よって生成される一酸化炭素が酸素と反応することで、後燃焼剤の役割を果たす。第二の機能は、酸素ジェット速度を上昇させることにより、炭素との反応を加速させることに役立ち、初期段階においてスクラップの溶解を加速させ、最終的にバッチ精錬中の最終段階においてリンを減少させるために、金属浴の成分である鉄の酸化を増大させる。

酸素転炉の側断面図を示す。 従来技術のランスの断面図を示す。 銅ノズルに埋設された下方後燃焼モジュールの断面図である。

金属の精錬工程を示すべく、図１は酸素転炉の側断面を示している。炉は、外容器である金属ハウジング(２０１)からなり、炉口（２０７）の上部で開口している。酸素炉は、酸素吹込み処理中の過酷な精錬環境から金属製ハウジング（２０１）を保護する機能の耐火レンガ（２０２）で内部を被覆される。金属の製造工程において、炉は、液体金属（３０１）、スクラップ（３０２）、液体金属成分の酸化及びスラグ形成剤の添加で生じるスラグ(３０３)、精錬反応により生じる各種ガス（３０５）の、四つの異なる物質を収容する。吹込み処理中においては、エマルジョンと呼ばれる金属（３０１）と、スラグ(３０３)と、ガス（３０５）との混合物が生成され、炉の大部分を占めることになる。炉の上側には、精錬工程において発生したガス（３０５）や煙を捕えるための除塵ダクト(２０８)があり、液体金属の精錬工程を開始するにあたり、ランス(１００)が炉内へ進入するための開口部あるいは「ドーム」（２０９）を有している。精錬工程を開始するため、ランス(１００)は金属浴から一定距離だけ上方の位置に配置され、この距離は、静止浴(４００)の高さに関連して、「ＬＢＤ − ランス−バス間距離（Ｌａｎｃｅ−Ｂａｔｈ Ｄｉｓｔａｎｃｅ）」（４０１）と呼ばれている。精錬工程中において、スクラップ （３０２）は金属浴（３０１）に混入しながら徐々に溶解される。酸素（３００）は金属浴（３０１）と反応し、スラグ（３０３）の形成を開始し、ガス（３０５）を発生させ、エマルジョン領域（４０２）を形成する。ランス（１００）は、エマルジョン(４０２)内で浸漬され、それにより、エマルジョンがランスに付着するか、あるいはランススケール（４０３）を形成する。同様のことが炉の錐状部（２０６）の領域内や炉口（２０７）においても生じ、エマルジョン（４０２）、スラグの突出部、および金属（２０３）が飛散あるいは放散することで炉口にスケール（４０４）が形成される原因となる。ランススケール（４０３）層がランス（１００）に付着し、ランスドーム（２０９）への進入が阻まれるため、洗浄を行うために製造を中止しなければならず、また、きれいなランス（１００）と取り替えなければならない場合が多い。炉の錐状部（２０６）の領域および炉口（２０７）においても同様の事象が起こり、その領域を洗浄し、スクラップ（３０２）および金属浴（３０１）の充填を容易にするために製造活動を中止しなければならない。

図２は、従来技術のランス（１００）の断面図を示しており、ランスは、縦軸に対して角度をなし、その末端部に様々な数の孔部を通じた酸素出口を有する銅ノズル（１０１）と、主酸素パイプ（１０５）と、中間パイプ(１０６)と、外パイプ(１０７)とを備え、一般的には全て鋼製であり、ランス(１００)は、冷却液注入口も備えている。液体は、一般的には水(３０４)であり、銅ノズル（１０１）へ移動し、外パイプ(１０７)を介してランス出口(１０９)へと戻る。ランス(１００)の良好な作動は、水によってノズル（１０１）及び外パイプ(１０７)から熱を抽出する機能に依拠している。

図３は、銅ノズル（１０１）に埋設された下方後燃焼モジュール（１１４）の断面図であり、モジュールは、下方酸素第二出口（１１６）を備え、収束−発散型の主酸素出口(１１５)を囲んでいる。粉状固体材料用噴射パイプ（１１９）は、主酸素パイプ（１０５）内に挿入される。従来の慣行とは異なり、粉状固体材料の噴射は、このパイプ（１１９）を介して連続して行われるものであり、この場合、酸素はキャリアガス（３００）である。従来技術と同様に、無噴射間隔中において断続的に添加する場合は、通常、アルゴンまたは窒素等の不活性ガス（３０７）が用いられる。粉状固体材料用噴射パイプ（１１９）は、主酸素パイプ（１０５）内に懸濁物質が形成されるのを抑制するため、銅ノズル（１０１）に接近させる。粉状固体材料用パイプ（１１９）の出口においては、主酸素（１１５）出口へ粉状固体を移送するように構成されたフロードライバがあってもよく、好ましくはガスや固体を搬送するようにサイズ決定される。粉状固体材料用噴射パイプ（１１９）は、一分あたり５０ｋｇから１５００ｋｇの範囲の吹込み率で動作することができ、また、転炉環境に適した材料をアンロードするために、銅ノズル（１０１）の表面まで延在させてもよい。

図示されている構成において、リング状または点状に形成された下方酸素用第二出口（１１６）は、主酸素パイプ（１０５）に接続されており、吹込みの最初の時点でスクラップ（３０２）の溶融を容易にする後燃焼を発生させること目的としており、補助ガス供給チャンバ（１１７）に接続されてもよい。炉内に投入される大量のスクラップが投入される場合には、酸素（３００）そのもののような酸化ガス、及び、第二ガス出口（１１８）を介して炉環境（２００）に接触する可燃性ガス（３０５）を通過させることのできる補助ガス供給チャンバ（１１７）の挿入部が設けられる。ガス供給補助チャンバ（１１７）は、圧力およびフロー条件を別々に制御できるようにすることを目的としている。したがって、精錬工程の初期段階においてこのチャンバが酸素（３００）の通過のために用いられる場合、中間圧力及びフロー状態が、スクラップ（３０２）の溶融を助け、後燃焼によって酸化鉄に富んだ初期スラグ（３０３）が形成されて、その他のスラグ形成剤が溶解するのを助ける。その後、脱炭工程の際に高い圧力及びフローへと状態変化し、この状態は金属浴（３０１）の精錬工程における脱炭率の上昇に役立つ。最後に、処理の最後には、低いフロー及び圧力状態となり、さらにはスラグ（３０３）の酸化が増大し、これはリンの定着に役立つ。非常に高い温度の場合には、第二ガス出口（１１８）の閉塞を防ぐため、冷却特性を有する不活性ガス、又はパージ剤が用いられてもよい。

Claims (12)

1. 収束−発散型の主酸素出口（１１５）を取り囲む、下方酸素用第二出口（１１６）及び可燃性ガス用第二出口（１１７）からなる、銅ノズル（１０１）に内蔵された下方後燃焼モジュール（１１４）を備える金属の製造及び精錬用の吹込みランスアセンブリであって、主酸素パイプ（１０５）がその内部に粉状固体材料用噴射パイプ（１１９）を有していることを特徴とする吹込みランスアセンブリ。
2. 主酸素の独立制御機能を有する、酸素用第二出口（１１６）及び可燃性ガス用第二出口（１１７）を備えることを特徴とする請求項１に記載の吹込みランスアセンブリ。
3. 前記粉状固体材料の噴射が、前記パイプ（１１９）を介して連続的に行われることを特徴とする請求項１に記載の吹込みランスアセンブリ。
4. 酸素がキャリアガスであることを特徴とする請求項１又は請求項３に記載の吹込みランスアセンブリ。
5. 前記酸素の噴射間隔中において、前記粉状固体材料が断続的に添加される場合、不活性ガスが前記粉状固体材料の伝導体として用いられることを特徴とする請求項１に記載の吹込みランスアセンブリ。
6. 前記不活性ガスがアルゴンであることを特徴とする請求項５に記載の吹込みランスアセンブリ。
7. 前記不活性ガスが窒素であることを特徴とする請求項５に記載の吹込みランスアセンブリ。
8. 前記粉状固体材料用噴射パイプ（１１９）が前記銅ノズル（１０１）側まで延在し得ることを特徴とする請求項１に記載の吹込みランスアセンブリ。
9. 粉状固体材料用出口（１１９）にフロードライバが構成され得ることを特徴とする、請求項１に記載の吹込みランスアセンブリ。
10. 前記粉状固体材料用噴射パイプ（１１９）が、分速５０ｋｇから分速１５００ｋｇの範囲の噴射率で動作することを特徴とする請求項１に記載の吹込みランスアセンブリ。
11. リング状または点状の前記下方酸素用第二出口（１１６）が、前記主酸素パイプ（１０５）に接続されることを特徴とする請求項１に記載の吹込みランスアセンブリ。
12. 前記リング状または点状の前記下方酸素用第二出口（１１６）が、補助ガス供給チャンバ（１１７）に接続されることを特徴とする請求項１に記載の吹込みランスアセンブリ。

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