JP5493997B2 - 転炉精錬方法 - Google Patents

Description

この発明は、転炉内の溶銑に対し、石灰系の脱リン剤を含む副原料を入れ、底側から撹拌ガスを吹き込みながら、ランスを介して上側から酸素を吹き付ける吹錬を行うことにより、溶銑を精錬する転炉精錬方法に関する。

リン含有率の低い鋼を得る方法としては、転炉精錬時に十分な脱リンが行われるようにする方法と、転炉精錬前に溶銑予備処理として脱リン処理を行う方法がある。石灰系の脱リン剤を用いた吹錬（酸化）による溶銑の脱リン反応は、溶銑の酸化で生じたＦｅＯと溶銑中のリン（Ｐ）と脱リン剤のＣａＯとにより、下記の（１）式に従って進行する。
２［Ｐ］＋５ＦｅＯ＋３ＣａＯ→３ＣａＯ・Ｐ₂ Ｏ₅ ＋５［Ｆｅ］‥‥（１）
この式から分かるように、吹錬中のＦｅＯ生成量が多い程、脱リン反応が進行し易くなり、ＣａＯの滓化が進む。そして、吹錬中のＦｅＯ生成量は、吹錬中の炉内における酸素供給量Ｏ_INと酸素排出量Ｏ_OUT との差ΔＷ_O2（＝Ｏ_IN−Ｏ_OUT ）に比例した量になると考えることができる。

下記の特許文献１には、転炉精錬（吹錬）時の脱リン反応を促進するために、転炉内に導入される総酸素量と排ガス中に出て行く総酸素量との差（ΔＷ_O2）から、スラグ中に蓄積された酸素量（スラグ中蓄積酸素量）を逐次算出し、この値が目標値となるように、吹錬時の送酸素流量、ランスの高さ、および副原料投入量の１以上を調整する方法が記載されている。

下記の特許文献２には、溶銑脱リン炉で適正なリン濃度になるまで吹錬による脱リン処理を行い、スラグを除いた後に、精錬炉で所望の炭素濃度となるまで脱炭処理を行う方法により、リン含有率の低い鋼を得ることが記載されている。具体的には、溶銑脱リン炉での吹錬による脱リンに際して、吹錬中の炉内における酸素供給量Ｏ_INと酸素排出量Ｏ_OUT との差ΔＷ_O2（＝Ｏ_IN−Ｏ_OUT ）を逐次算出し、その算出値から炉内のＦｅＯ生成量を推定し、この推定値に基づいて、上吹きランス高さ、酸素ガス流量、および底吹きガス流量のうちの少なくともいずれか一つを調整することにより、処理後のリン濃度を０．０１５ｍａｓｓ％以下まで低減すると記載されている。

下記の特許文献３には、脱リン剤の反応効率を向上させるために、上吹きランスおよび底吹き羽口を備える転炉を溶銑予備処理容器として用い、吹錬中の炉内における酸素供給量Ｏ_INと酸素排出量Ｏ_OUT との差ΔＷ_O2（＝Ｏ_IN−Ｏ_OUT ）を逐次算出し、その算出値から炉内のＦｅＯ生成量を推定し、この推定値に基づいて、吹錬中のＦｅＯ／ＣａＯを０．５〜３．５に維持できるように、脱リン剤の投入を行う方法が記載されている。

特公昭５９−５６８号公報 特開２００６−２０６９３０号公報 特開２００６−１５２４２６号公報

特許文献１の方法は、転炉精錬時に十分な脱リンが行われるようにすることを目的とする方法であるが、効率的に十分な脱リンを行うという点で改善の余地がある。特許文献２および３の方法は、転炉精錬前の溶銑予備処理として行う脱リン方法である。
この発明の課題は、転炉精錬前の溶銑予備処理として脱リン処理を行わずに、転炉精錬時に効率的に十分な脱リンが行われる方法を提供することである。

上記課題を解決するために、この発明の転炉精錬方法は、転炉内の溶銑に対し、石灰系の脱リン剤を含む副原料を入れ、底側から撹拌ガスを吹き込みながら、ランスを介して上側から酸素を吹き付ける吹錬を行うことにより、溶銑を精錬する方法であって、下記の構成(a) 〜(c) を有することを特徴とする。
(a):吹錬進行度８０％以降に行う溶鋼の成分および温度測定時点で溶鋼のリン濃度が所定値以下（吹錬終了時点での目標値に応じて設定される値）となるための、吹錬進行度４０％の時点でのＦｅＯ生成量を、ＦｅＯ生成量目標値として設定すること。このＦｅＯ生成量目標値は、吹錬進行度４０％の時点でのＦｅＯ生成量そのものでもよいし、この時点までに吹錬した溶銑の質量で除算した値（例えば、溶銑１トン当たりの値）でもよい。

また、吹錬進行度とは、吹錬開始時点を０とし終了時点を１００％とした時の吹錬進行度合いの比率（％）であり、吹錬終了時点までに吹き込む酸素量に対する、各時点までの吹き込み酸素量の比率として算出される。
(b):吹錬中の炉内における酸素供給量Ｏ_INと酸素排出量Ｏ_OUT との差ΔＷ_O2（＝Ｏ_IN−Ｏ_OUT ）を逐次算出し、その算出値に基づいてＦｅＯ生成量を推定すること。
(c): (b)で推定されたＦｅＯ生成量推定値が(a) で設定されたＦｅＯ生成量目標値となるように、吹き付ける酸素の流量、ランスの湯面からの高さ、脱リン剤の投入量、および吹き込む撹拌ガスの流量のいずれか１以上の条件を調整し、調整された条件で吹錬を行うこと。

転炉精錬前の溶銑予備処理として行う脱リン処理と、転炉精錬時に脱炭と同時に行う脱リン処理とでは、吹錬の進行に伴う溶銑（および溶鋼）のリン濃度の変化に違いがある。溶銑予備処理としての脱リンの場合は、図２に示すように、吹錬が進むにつれて溶銑のリン濃度が単調に減少する。
転炉精錬時の脱リンの場合は、図３に示すように、吹錬進行度が４０％までは、溶銑に供給された酸素によりＦｅＯが生成されて、前記（１）式に示す脱リン反応が進行するため、溶銑のリン濃度は急速に低下する。吹錬進行度が４０％に達した後は、供給された酸素のほとんどが脱炭反応に消費されるため、脱リン反応が進まず溶銑のリン濃度はあまり低下しない。吹錬進行度が９０％に達すると、炭素濃度はかなり低下していて、脱炭反応が酸素供給律速から撹拌律速に変化するため、供給された酸素が脱リンや鉄の燃焼に使用されるようになって、再びリン濃度の低下速度が速くなる。

また、吹錬前の溶銑の組成により異なるが、吹錬進行度８０％以降に行う溶鋼の成分および温度測定時点（以下「途中測定時」と称する）での溶鋼のリン濃度と、吹錬進行度が１００％の時点（終点）での溶鋼のリン濃度は、例えば図４に示す関係にある。また、途中測定時の溶鋼のリン濃度と、吹錬進行度４０％の時点でのＦｅＯ生成量（この時点までに吹錬した溶銑１トン当たりの値）は、例えば図５に示す関係にある。なお、図４および図５のグラフは、吹錬前の溶銑の組成が、炭素（Ｃ）含有率４．０１質量％、シリコン（Ｓｉ）含有率０．２３質量％、マンガン（Ｍｎ）含有率０．２８質量％、リン（Ｐ）含有率０．１０５質量％の場合を示す。

したがって、転炉精錬時に脱炭と同時に行う脱リン処理の場合には、「途中測定時での溶鋼のリン濃度が所定値（終点での目標値に応じて設定される値：例えば０．０３０ｍａｓｓ％）以下となるための、吹錬進行度４０％の時点でのＦｅＯ生成量」を、ＦｅＯ生成量目標値として設定すること（前記構成(a) ）により、終点での溶鋼のリン濃度が目標値（例えば０．０１５ｍａｓｓ％以下）を満たすようにすることができる。

また、吹錬進行度４０％の時点では下記の（Ａ）式で示す脱炭酸素効率が９０％以上となるため、「脱炭酸素効率が９０％以上となる時点でのＦｅＯ生成量」を「吹錬進行度４０％の時点でのＦｅＯ生成量」に代えてＦｅＯ生成量目標値として設定することによっても、終点での溶鋼のリン濃度が目標値を満たすようにすることができる。
脱炭酸素効率（％）＝（脱炭反応に消費された酸素量／供給された酸素量）×１００
‥‥（Ａ）

この発明の方法によれば、前記構成(b) で推定されたＦｅＯ生成量推定値が前記構成(a) で設定されたＦｅＯ生成量目標値となるように、吹き付ける酸素の流量、ランスの湯面からの高さ、脱リン剤の投入量、および吹き込む撹拌ガスの流量のいずれか１以上の条件を調整し、調整された条件で吹錬を行うため、転炉精錬時に効率的に十分な脱リンを行うことができる。

この発明の方法によれば、転炉精錬前の溶銑予備処理として脱リン処理を行わずに、転炉精錬時に効率的に十分な脱リンを行うことができる。

この発明の方法が実施可能な転炉精錬装置を示す概略構成図である。 転炉精錬前の溶銑予備処理として行う脱リン処理における、吹錬進行度と溶銑のリン濃度との関係を示すグラフである。 転炉精錬時に脱炭と同時に行う脱リン処理における、吹錬進行度と溶銑および溶鋼のリン濃度との関係を示すグラフである。 途中測定時（吹錬進行度８０％以降に行う溶鋼の成分および温度測定時点）での溶鋼のリン濃度と、終点（吹錬進行度が１００％の時点）での溶鋼のリン濃度との関係を示すグラフである。 途中測定時（吹錬進行度８０％以降）の溶鋼のリン濃度と、吹錬進行度４０％の時点でのＦｅＯ生成量（この時点までに吹錬した溶銑１トン当たりの値）との関係を示すグラフである。

以下、この発明の実施形態について説明する。
図１は、この実施形態の方法が実施可能な転炉精錬装置を示す概略構成図である。
図１の装置において、転炉１は、内側に耐火材の被覆１１を有し、上側からランス２が挿入され、底に底吹きノズル３が形成されている。転炉１の上側がフード４で覆われ、このフード４の上方に、排気ダクト４１とホッパー４２が形成されている。排気ダクト４１は、転炉１の炉口１２から上昇した気体を排気口に導くものである。ホッパー４２は、副原料のうち生石灰（ＣａＯ）と鉄鉱石を転炉１内に投入するものである。

ランス２には、酸素導入配管２１と粉体導入配管２２が接続されている。酸素導入配管２１のランス２に近い位置に、流量計２１ａが取り付けられている。粉体導入配管２２の上方に生石灰（ＣａＯ）供給用のホッパー５と焼結粉（焼結鉱の粉末）供給用のホッパー６が配置されている。各ホッパー５，６の供給管５１，６１が、粉体導入配管２２に流量調節弁５１ａ，６１ａを介して接続されている。各ホッパー５，６内の粉体は、粉体導入配管２２に供給されるキャリアガスとともにランス２を通って転炉１内に導入される。

底吹きノズル３にはＡｒガス（撹拌ガス）導入配管３１が接続されている。撹拌ガス導入配管３１には流量計３１ａが取り付けられている。
排気ダクト４１のフード４に近い側に、分析装置７に向かう配管４１ａが接続されている。分析装置７は制御装置８に接続されている。排気ダクト４１の排気口に近い側に流量計４１ｂが取り付けられている。

制御装置８には、流量計２１ａからの酸素供給量を示す信号Ｓ₂ と、流量調節弁５１ａからのＣａＯ投入量を示す信号Ｓ₅ と、流量調節弁６１ａからの焼結粉投入量を示す信号Ｓ₆ と、流量計３１ａからの撹拌ガス導入量を示す信号Ｓ₃ と、分析装置７からの排ガスの組成を示す信号Ｓ₇ と、流量計４１ｂからの排ガス流量を示す信号Ｓ₄₁と、ホッパー４２からの石灰石投入量と鉄鉱石投入量を示す信号Ｓ₄₂が入力される。

制御装置８は、設定された吹錬条件に基づいて、各条件が達成されるための信号（酸素導入配管２１への酸素供給装置に向かう信号Ｓ₂₁、ランス２の高さ駆動装置に向かう信号Ｓ_h 、底吹きノズル３への撹拌ガス吹き込み装置に向かう信号Ｓ₃₁、ＣａＯの流量調節弁５１ａに向かう信号Ｓ₅₁、焼結粉の流量調節弁６１ａに向かう信号Ｓ₆₁）を出力するように構成されている。
制御装置８は、また、前述の入力信号に基づいて、下記の（２）式のＡ〜Ｆを逐次算出するとともに、算出された各値を用いて（２）式により逐次ΔＷ_O2を算出し、さらに（３）式を用いてＦｅＯ生成量推定値を逐次算出するように構成されている。

（２）式中、
Ａ：ランスからのＯ₂ ガス供給量（Ｎｍ³ ／ｔ）
なお、「／ｔ」は溶銑１トン当たりを意味する。
Ｂ：投入副原料に含まれて供給されるＯ₂ ガス量（Ｎｍ³ ／ｔ）であり、下記の式で表される。
Ｂ（Ｎｍ³ ／ｔ）＝Ｗ１（ｋｇ／ｔ）×０．１５＋Ｗ２（ｋｇ／ｔ）×０．２０
（上記式中、Ｗ１は投入される焼結粉の溶銑１トン当たりの質量、Ｗ２は投入される鉄鉱石の溶銑１トン当たりの質量。）
Ｃ：巻き込み空気として導入されるＯ₂ ガス量（Ｎｍ³ ／ｔ）
Ｄ：炉口から排出されるＣＯガス量（Ｎｍ³ ／ｔ）
Ｅ：炉口から排出されるＣＯ₂ ガス量（Ｎｍ³ ／ｔ）
Ｆ：溶銑成分（Ｓｉ，Ｍｎ，Ｐ）の酸化で消費されるＯ₂ ガス量（Ｎｍ³ ／ｔ）
ｔ_i ：吹錬開始時点からｉ回目の計算を行った時刻までの時間（ｓ）
ＦｅＯ（ｋｇ／ｔ）＝（ΔＷ_O2／２２．４）×７１．８５×２‥‥（３）

（２）式のＡは、ランス２の流量計２１ａから入力された信号Ｓ₂ に基づいて算出される。Ｂは、ホッパー４２の秤量器から入力された信号Ｓ₄₂に基づく鉄鉱石の値と、流量調節弁６１ａから入力された信号Ｓ₆ に基づく焼結粉の投入量の値から算出される。Ｃは、分析装置７から入力された信号Ｓ₇ に基づく排ガスの分析値から、Ｎ₂ ガス排出量に基づいて算出される。ＤおよびＥは、分析装置７から入力された信号Ｓ₇ に基づく排ガスの分析値と、流量計４１ｂから入力された信号Ｓ₄₁に基づく排ガスの流量とに基づいて算出される。Ｆは、吹錬中の実績値から予め作成したモデル式に基づいて算出される。

なお、（３）式は、吹錬中の炉内に留まった酸素（ΔＷ_O2）が全てＦｅＯ生成に使用されると見做して導出された式である。この式により算出したＦｅＯ生成量推定値と、吹錬中および吹錬後に採取したスラグサンプルの分析値から求めたＦｅＯ生成量実績値とを比較したところ、±５％以内の誤差で一致した。
この実施形態の方法では、先ず、図１の装置を用い、２５０トンの溶銑を転炉１内に入れて、下記の吹錬条件１の範囲で条件を変えて多数回の吹錬を行い、吹錬進行度０（吹錬開始時点）〜４０％におけるＦｅＯ生成量を測定した。また、吹錬進行度８０％および１００％の時点で、炉内にサブランスを投入してサンプルを採取し、溶鋼の成分測定を行った。

＜吹錬条件１＞
ランス２から吹き付ける酸素の流量：２００００〜５００００（Ｎｍ³ ／ｈｒ）
ランス２の湯面からの高さｈ：１．５〜３．０（ｍ）
底吹きノズル３から吹き込む撹拌ガスの流量：４００〜２０００（Ｎｍ³ ／ｈｒ）
ホッパー４２からのＣａＯの投入量：５〜４０（ｋｇ／ｔ）
ホッパー５からのＣａＯの投入量：０〜２０（ｋｇ／ｔ）
焼結粉の投入量：０〜２０（ｋｇ／ｔ）
鉄鉱石の投入量：０〜３０（ｋｇ／ｔ）
この吹錬の結果、下記の表１に示す組成（平均値）の溶鋼が得られた。表１には吹錬前の溶銑の組成（平均値）も示す。

また、この吹錬の結果から図４および図５のグラフを得た。図４のグラフから、途中測定時の溶鋼のリン濃度が０．０３ｍａｓｓ％以下であれば、終点（吹錬進行度１００％の時点）での溶鋼のリン濃度を０．０１５ｍａｓｓ％程度まで低減できると考え、０．０３ｍａｓｓ％以下を途中測定時の溶鋼のリン濃度の目標値とした。そして、図５のグラフから、このリン濃度目標値を満たすため（途中測定時の溶鋼のリン濃度が０．０３ｍａｓｓ％以下となるため）には、「吹錬進行度４０％の時点でのＦｅＯ生成量（この時点までに吹錬した溶銑１トン当たりの値）」を、１０ｋｇ／ｔ以上にすべきであることが分かる。よって、「吹錬進行度４０％の時点でのＦｅＯ生成量１０ｋｇ／ｔ以上」をＦｅＯ生成量目標値に設定した。

次に、図１の装置を用い、設定されたＦｅＯ生成量目標値「吹錬進行度４０％の時点でのＦｅＯ生成量１０ｋｇ／ｔ以上」を制御装置８に入力して、２５０トンの溶銑を転炉１内に入れて、前記吹錬条件１の範囲内の条件で吹錬を開始した。
これにより、制御装置８は吹錬中に、ＦｅＯ生成量推定値を逐次算出し、その算出値が吹錬進行度４０％の時点で１０ｋｇ／ｔ以上となるように、ランス２から吹き付ける酸素の流量、ランス２の湯面からの高さｈ、底吹きノズル３から吹き込むＡｒガス（撹拌ガス）の流量、およびホッパー５からのＣａＯ投入量とホッパー６からの焼結粉投入量のいずれか１以上の条件を調整する計算を行う。

また、この計算の結果に基づいて、制御装置８は、酸素導入配管２１への酸素供給装置に向かう信号Ｓ₂₁、ランス２の高さ駆動装置に向かう信号Ｓ_h 、底吹きノズル３への撹拌ガス吹き込み装置に向かう信号Ｓ₃₁、およびＣａＯの流量調節弁５１ａに向かう信号Ｓ₅₁と焼結粉の流量調節弁６１ａに向かう信号Ｓ₆₁を出力する。
これに伴って、吹錬中に、制御装置８で逐次算出されたＦｅＯ生成量推定値が吹錬進行度４０％の時点で１０ｋｇ／ｔ以上となるように、ランス２から吹き付ける酸素の流量、ランス２の湯面からの高さｈ、底吹きノズル３から吹き込むＡｒガス（撹拌ガス）の流量、およびホッパー５からのＣａＯ投入量とホッパー６からの焼結粉投入量のいずれか１以上の条件が調整された。よって、この吹錬はこの発明の実施例に相当する。

この吹錬を１００回行ったところ、全ての吹錬で溶鋼のリン濃度を０．０１５ｍａｓｓ％以下にすることができた。そして、得られた溶鋼の組成および温度は、平均値で下記の表２に示すものとなった。表２には吹錬前の溶銑の組成および温度も示す。
また、比較例として、図１の装置を用い、設定されたＦｅＯ生成量目標値「吹錬進行度４０％の時点でのＦｅＯ生成量６ｋｇ／ｔ」を制御装置８に入力して、２５０トンの溶銑を転炉１内に入れて、前述の吹錬条件１の範囲内の条件で吹錬を行った。この吹錬を１００回行ったところ、５回の吹錬で溶鋼のリン濃度を０．０１５ｍａｓｓ％以下にすることができなかった。そして、得られた溶鋼の組成および温度は、平均値で下記の表２に示すものとなった。表２には吹錬前の溶銑の組成および温度も示す。

この結果から分かるように、この実施形態の方法によれば、転炉精錬時に効率的に十分な脱リンを行うことができ、リン濃度の低い溶鋼を安定的に得ることができる。

１ 転炉
１１ 耐火材の被覆
１２ 炉口
２ ランス
２１ 酸素導入配管
２１ａ 流量計
２２ 粉体導入配管
３ 底吹きノズル
３１ 撹拌ガス導入配管
３１ａ 流量計
４ フード
４１ 排気ダクト
４１ａ 配管
４１ｂ 流量計
４２ ホッパー
５ ＣａＯ供給用のホッパー
５１ 供給管
５１ａ 流量調節弁
６ 焼結粉供給用のホッパー
６１ 供給管
６１ａ 流量調節弁
７ 分析装置
８ 制御装置

Claims (1)

1. 転炉内の溶銑に対し、石灰系の脱リン剤を含む副原料を入れ、底側から撹拌ガスを吹き込みながら、ランスを介して上側から酸素を吹き付ける吹錬を行うことにより、溶銑を精錬する方法であって、
   吹錬進行度８０％以降に行う溶鋼の成分および温度測定時点で溶鋼のリン濃度が所定値以下となるための、吹錬進行度４０％の時点でのＦｅＯ生成量をＦｅＯ生成量目標値として設定し、
   吹錬中の炉内における酸素供給量Ｏ_INと酸素排出量Ｏ_OUT との差ΔＷ_O2（＝Ｏ_IN−Ｏ_OUT ）を逐次算出し、その算出値に基づいてＦｅＯ生成量を推定し、このＦｅＯ推定値が前記ＦｅＯ生成量目標値となるように、吹き付ける酸素の流量、ランスの湯面からの高さ、脱リン剤の投入量、および吹き込む撹拌ガスの流量のいずれか１以上の条件を調整し、調整された条件で吹錬を行うことを特徴とする転炉精錬方法。

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