JP7372546B2 - 溶解炉の精錬方法 - Google Patents

Description

本発明は、特に、脱珪や、脱燐、脱炭吹錬などでのフォーミングを抑制する溶解炉の精錬方法に関するものである。

転炉などの溶解炉での操業においては、炉内に酸素を吹き込むことによって溶鉄中の不純物を除去しながら昇温し、吹錬後の溶鉄の成分濃度および温度が指定された範囲内に収まるように制御される。このとき、上吹きランスから吹き付けられた酸素と溶鉄中の炭素とが反応して一酸化炭素のガスが発生するが、このガスによってスラグが泡立つ現象（以下、フォーミング）が発生する。スラグの膨張量が大きいとフォーミングが増大し、転炉からスラグが溢出する現象（以下、スロッピング）が発生してしまう。スロッピングが発生すると鉄歩留りの低下を引き起こすだけではなく、操業者に危険性を及ぼしたり操業中断を招いたりするため、スラグのフォーミングを鎮静または抑制する方法が検討されている。スラグのフォーミングを鎮静させる方法としては、一般的には、フォーミングしたスラグに鎮静材を投入することが行われている。

特許文献１には、スラグのフォーミングを抑制する方法として、上吹きランスから送酸開始後３分以内に炭材を投入する方法が開示されている。また、特許文献２には、スラグのフォーミングを鎮静させる方法として、スラグの上部から棒体の挿入及び引抜きを行うことで、スラグにガス抜き用の開口を形成する方法が開示されている。

さらに、特許文献３には、フォーミングの鎮静方法として、ジェット流をスラグ表面に衝突させ、その時に生じる衝突力によってスラグ表層部分にガス気泡抜気孔を形成し、スラグ中に滞留したガス気泡を抜気する方法が開示されている。さらに、特許文献４には、吹錬処理が行われていない待機状態でフォーミングを鎮静させる方法として、フォーミングした場合に、上吹きランスからガスを吹き込む方法が開示されている。

特許第３８８８３１３号公報 特開平１０－１８３２１７号公報 特許第６２２１７０５号公報 特開２０１９－９４５２２号公報

瀬川清：鉄冶金反応工学ｐ．９４（１９７７）

吹錬が行われていない間もフォーミングは発生するが、吹錬中は精錬反応が活発に進行しており、フォーミングも激しい状態となっている。そのため、鎮静材を投入して吹錬中のフォーミングを鎮静させるためには、大量の鎮静材が必要となり、多くのコストがかかってしまう。

また、特許文献１に記載の方法では、スラグのフォーミングを未然に抑える方法であるが、実際にフォーミングが発生した場合には対応することができない。また、特許文献３に記載の方法では、フォーミングを鎮静させるために、高圧でガスを吹き付けることが可能な通常とは異なる上吹きランスを設置しなければならない。そのため、多くのコストがかかってしまう。さらに、特許文献４に記載の方法は、吹錬処理が行われていない状態でフォーミングを鎮静させる方法であるため、吹錬時に発生するフォーミングには対応することができない。

本発明は前述の問題点を鑑み、吹錬中のフォーミングを安価に低く抑えることができる溶解炉の精錬方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、まず、スラグのフォーミングが抑制されるメカニズムについて検討した。転炉型の精錬処理において上吹きランスからガスを吹き付けると、ジェットはスラグを貫通して溶鉄に衝突する。このとき、ジェット流の側面からスラグが巻き込まれ、巻き込まれたスラグ中の気泡がジェットによって物理的に破壊される。このため、上吹きランスからガスを吹き付けることによって、ある程度のフォーミング抑制効果があると考えられる。そこで、本発明者らは、ジェット流にスラグが巻き込まれる現象に着目し、上吹きランス先端のノズルの孔数を増やし、より多くのスラグを巻き込むことで、フォーミング抑制効果を増大させることができる点に着目した。

本発明者らは、さらにフォーミングを抑制できる詳細な条件について検討した。その結果、ノズルの孔数を増やす際に、溶鉄面に向けてガスを吹き付けることによってできるくぼみの深さと溶鉄の静止浴深さとの比、さらに上吹きランス内での前圧との関係で好適な条件を見出し、本発明に至った。

本発明は以下の通りである。
（１）
溶解炉に溶鉄が装入された状態で、上吹きランスから酸化性のガスを前記溶鉄に向けて吹き付ける際に、以下の（１）式及び（２）式で算出される、前記ガスの吹き付けによる前記溶鉄の静止浴面からのくぼみの深さＬ（ｍｍ）と前記溶鉄の静止浴深さＬ₀（ｍｍ）との比Ｌ／Ｌ₀が０．３～１．０で、前記上吹きランスは、中心軸の周囲に配置されているノズルの孔数を７～１３個とし、かつランス前圧が１．０～２．０ＭＰａＧとなる条件で吹錬を行うことを特徴とする溶解炉の精錬方法。
Ｌ＝Ｌ_h×ｅｘｐ（－０．７８×Ｈ／Ｌ_h） ・・・（１）
Ｌ_h＝５４．１×（Ｑ／（ｎ×ｄ））^2/3 ・・・（２）
ここで、Ｈは前記溶鉄の静止浴面から前記上吹きランスのノズル先端までの距離（ｍｍ）を表し、Ｑは上吹き噴射流量（Ｎｍ³／ｈｒ）を表し、ｎは前記ノズルの孔数（個）を表し、ｄはノズル出口径（ｍｍ）を表す。

本発明によれば、吹錬中のフォーミングを安価に低く抑えることができる。

上吹きランスから溶鉄に向けてガスを吹き付けている様子を説明するための図である。 上吹きランスの先端部分の詳細な構造例を示す模式図である。 比Ｌ／Ｌ₀とスロッピングの発生率との関係を示す図である。 ノズルの孔数とスロッピングの発生率との関係を示す図である。 ノズルの孔数とランス前圧との関係を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、上吹きランスから溶鉄に向けてガスを吹き付けている様子を説明するための図である。図１において、炉体１の内側は耐火物で覆われており、炉体１の底部には、複数の底吹き羽口（不図示）が設けられている。この底吹き羽口から攪拌用の不活性ガスが炉体１内に吹き込まれる。

上吹きランス２は、炉体１の開口部において鉛直方向（図１の上下方向）に昇降可能であり、上端側に接続されるガス供給経路（不図示）から供給される酸化性のガス３が、スラグ４及び溶鉄５に向けて上吹きランス２から吹き付けられる。

図２は、上吹きランス２の先端部分の詳細な構造例を示す模式図である。図２（ａ）は、上吹きランス２の先端部分の断面構造例を示し、図２（ｂ）は、上吹きランス２を鉛直方向の下側から見た構造例を示している。図２（ａ）において、上吹きランス２は外筒、中管および内管の三重管で構成され、範囲２１はノズル出口径を表している。なお、図２（ａ）では、ラバールノズルの例を示しているが、ストレートノズルであってもよい。本実施形態において、ノズル傾斜角２２は特に規定はしないが、大きすぎるとジェットが炉壁に衝突し、耐火物の損耗が激しくなるため、２０°程度以下とすることが好ましい。

また、図２（ｂ）に示すように、中心孔を有しておらず、中心軸の周囲には、複数のノズルの出口である複数の周縁孔２３があり、同心円状に配置されている。なお、周縁孔２３は必ずしも同一円周上に配置する必要はなく、また、必ずしも等間隔に配置する必要もない。

図１において、ガスの吹き付けによる溶鉄の静止浴面からのくぼみの深さＬ（ｍｍ）は、非特許文献１に記載された計算方法に基づいて、以下の（１）式及び（２）式によって定義する。本実施形態においては、非特許文献１に記載されている補正項ｋを０．８（一定値）とした場合のＬ値を用いている。
Ｌ＝Ｌ_h×ｅｘｐ（－０．７８×Ｈ／Ｌ_h） ・・・（１）
Ｌ_h＝５４．１×（Ｑ／（ｎ×ｄ））^2/3 ・・・（２）

ここで、Ｈは溶鉄の静止浴面から上吹きランスのノズル先端までの距離（ランス高さ）（ｍｍ）を表し、Ｑは上吹き噴射流量（Ｎｍ³／ｈｒ）を表す。ｎは上吹きランスのノズル孔数（個）を表し、ｄはノズル出口径（ｍｍ）を表す。

次に、本発明の実施形態におけるフォーミングを抑制するための条件について説明する。本実施形態では、くぼみの深さＬ（ｍｍ）と溶鉄の静止浴深さＬ₀（ｍｍ）との比Ｌ／Ｌ₀を適切な範囲に制御する。ここで、比Ｌ／Ｌ₀は、ガス（ジェット）の溶鉄への侵入比であり、炉内反応を適切に制御する上で重要なパラメータである。本発明者らは、まず比Ｌ／Ｌ₀とスロッピングの発生率との関係を調べるために実験を行った。実験では、ノズル孔数ｎを５個、ノズル出口径ｄを５．３ｍｍ、静止浴深さＬ₀を２００ｍｍで固定し、ランス高さＨと上吹き噴射流量とを変化させて、様々な比Ｌ／Ｌ₀でスロッピング発生率を算出した。

図３は、比Ｌ／Ｌ₀とスロッピングの発生率との関係を示す図である。比Ｌ／Ｌ₀が０．３よりも小さくなるとスロッピングの発生率が急激に増加することが確認できた。一般的に、ソフトブローのような比Ｌ／Ｌ₀が小さい条件でガスの吹き付けを行うと、スラグ中のＦｅＯ量が高くなる。そのため、比Ｌ／Ｌ₀が小さい条件ではスラグ量が増加してフォーミングが激しくなり、スロッピング発生率が高くなったと推測される。この実験から、フォーミングを抑制するために比Ｌ／Ｌ₀は０．３～１．０とする。

次に、上吹きランスの先端部におけるノズルの孔数について説明する。ノズルの孔数が異なる上吹きランスに変更する場合には、前述の比Ｌ／Ｌ₀が一定値となるようにノズルの孔数を増加させることが好ましい。比Ｌ／Ｌ₀は、炉内の脱りん・脱炭反応といった精錬挙動の指標として考えられており、ノズルの孔数が異なる上吹きランスに変更した時に比Ｌ／Ｌ₀の値が異なると、それに応じてオペレーターが上吹きランスを上げたり、下げたりして調整しなければならず、安定操業を行う上で好ましくない。

以上の点を踏まえ、本発明者らは比Ｌ／Ｌ₀の値を０．４５に固定した条件で、ノズルの孔数を変更した実験を行った。実験では、溶鉄の静止浴深さＬ₀は２０００ｍｍで固定し、前述の（１）式及び（２）式からわかるとおり、くぼみの深さＬが各サンプルで同じになるようにすることによって、比Ｌ／Ｌ₀の値を０．４５に固定した。つまり、ランス高さＨを２０００ｍｍで固定し、（２）式において、上吹き噴射流量Ｑを６００００Ｎｍ³／ｈｒで固定し、ノズル孔数ｎの増加に伴ってノズル出口径ｄを小さくし、スロッピング発生率を算出した。ノズル孔数ｎとノズル出口径ｄとの関係を、以下の表１に示す。

図４は、ノズルの孔数とスロッピングの発生率との関係を示す図である。図４に示すように、ランス孔数が７個以上の条件ではスロッピングの発生率が低くなることを確認した。以上の結果から、上吹きランスの中心軸の周囲に配置されるノズル孔の数は７以上とする。また、ノズル孔の数が１４個以上では、詳細は後述するがランス前圧が大きくなり過ぎ、さらにノズル出口径ｄも小さくなるため、ノズル閉塞を起こす可能性がある。したがって、上吹きランスの中心軸の周囲に配置されるノズル孔の数は７～１３とする。

次に、ランス前圧の条件について説明する。ランス前圧は、ガスが上吹きランスの中央部からノズルへ分岐する際のノズル入口圧である。図５は、ノズルの孔数とランス前圧との関係を示す図である。以下、ランス前圧についてはゲージ圧（ＭＰａＧ）で示すが、絶対圧（ＭＰａ）に換算する場合には０．１０１ＭＰａを加算した値となる。前述したように比Ｌ／Ｌ₀を固定してノズル孔数を増加させると、ランス出口径（ラバールノズルの場合はさらにスロート径）も小さくなることから、ノズル孔数の増加に伴い、ランス前圧も増加傾向にある。

ここで、ランス前圧は１．０ＭＰａＧ～２．０ＭＰａＧとする。ランス前圧が１．０ＭＰａＧ未満では、ソフトブローになりやすく十分な物理的破泡効果が得られない。一方、ランス前圧が２．０ＭＰａＧより大きい場合には、ガスの吹き付けが強すぎるため、炉壁の耐火物を破損する可能性が高くなる。

なお、前述したように、上吹きランスの中心軸の周囲に配置されるノズルの孔数は７～１３とするが、図５に示す例では、比Ｌ／Ｌ₀が１．０の場合は、ランス前圧がいずれも２．０ＭＰａＧを超えてしまう。そこで、比Ｌ／Ｌ₀が１．０となるようにガスを吹き付ける場合には、上吹き噴射流量Ｑとランス高さＨを調整することによって、比Ｌ／Ｌ₀を１．０に固定したままランス前圧を小さくすることができる。

なお、図３及び図４に示した例では、スロッピングの発生率を指標としたが、スロッピングの発生率を低下させるには、フォーミングによるスラグ高さを低くすることを考慮すればよい。精錬処理では、例えば、炉内のスラグ高さをスラグレベル計で測定し、測定結果に応じてスラグの塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ₂）や上吹きランスからの上吹き噴射流量（送酸速度）Ｑ、上吹きランスのランス高さＨ等を調整したり、鎮静材を添加したりすることによって吹錬の操業が行われる。スラグレベル計は、スラグの鉛直方向の高さが測定できるものであればよく、例えばマイクロ波式のレベル計が用いられてもよい。

なお、上述した精錬処理とは、脱珪、脱燐及び脱炭処理を一度に行う処理に限らない。脱珪及び脱燐処理といった予備処理と脱炭処理とを分離させた精錬処理も含む。

次に、本発明の実施例について説明するが、実施例での条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。

ヒートサイズが２８０トンの転炉に最大容量の溶鉄を装入し、脱燐処理を行うために生石灰などを装入した。この時の溶鉄の静止浴深さＬ₀は２０００ｍｍとした。そして、表１に示す上吹きランスを用いて脱燐吹錬を行った。これらの上吹きランスは、複数のノズル孔が上吹きランスの中心軸の周囲に等間隔で配置されたものである。脱燐吹錬では、上吹きランスから酸素９９．９ｖｏｌ％以上含まれるガスを溶鉄面に向けて吹き付け、噴射流量（送酸速度）Ｑを４００００Ｎｍ³／ｈｒとした。また、上吹きランスのランス高さＨ及び比Ｌ／Ｌ₀は表２に示す条件とした。

そして吹錬中において、マイクロ波レベル計を用いてスラグの鉛直方向の高さを測定した。表２中の「スラグ高さ」は、（「マイクロ波レベル計で測定された平均（１点を所定の時間間隔で測定した平均）スラグ高さ（ｍ）」－「溶鉄の静止浴深さ（ｍ）」）÷「溶鉄の静止浴面から炉口までの高さ（ｍ）」×１００（％）であり、６０％以下である場合は、フォーミングの抑制効果があるものとして評価した。なお、平均スラグ高さ（ｍ）は、マイクロ波レベル計とスラグ表面との間の測定距離から、予め測定したマイクロ波レベル計と炉口との間の距離を差し引いて求めたスラグ高さの平均である。

表１に示すように、実施例であるＮｏ．１～３ではフォーミングを抑えることができた。一方、比較例であるＮｏ．４はノズル孔数が４個のみで、かつランス前圧が低すぎたため、スラグのフォーミングを抑制できなかった。比較例であるＮｏ．５は比Ｌ／Ｌ₀が小さすぎたため、ソフトブローによってスラグ中のＦｅＯ量が高くなり、その結果、フォーミングが激しくなった。比較例であるＮｏ．６はノズル孔数が４個しかなかったため、スラグのフォーミングを抑制できなかった。

１ 炉体
２ 上吹きランス
３ ガス
４ スラグ
５ 溶鉄

Claims (1)

1. 溶解炉に溶鉄が装入された状態で、上吹きランスから酸化性のガスを前記溶鉄に向けて吹き付ける際に、以下の（１）式及び（２）式で算出される、前記ガスの吹き付けによる前記溶鉄の静止浴面からのくぼみの深さＬ（ｍｍ）と前記溶鉄の静止浴深さＬ₀（ｍｍ）との比Ｌ／Ｌ₀が０．３～１．０で、前記上吹きランスは、中心軸の周囲に配置されているノズルの孔数を７～１３個とし、かつランス前圧が１．０～２．０ＭＰａＧとなる条件で吹錬を行うことを特徴とする溶解炉の精錬方法。
   Ｌ＝Ｌ_h×ｅｘｐ（－０．７８×Ｈ／Ｌ_h） ・・・（１）
   Ｌ_h＝５４．１×（Ｑ／（ｎ×ｄ））^2/3 ・・・（２）
   ここで、Ｈは前記溶鉄の静止浴面から前記上吹きランスのノズル先端までの距離（ｍｍ）を表し、Ｑは上吹き噴射流量（Ｎｍ³／ｈｒ）を表し、ｎは前記ノズルの孔数（個）を表し、ｄはノズル出口径（ｍｍ）を表す。

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