CN105793444B - 转炉操作监视方法及转炉操作方法 - Google Patents

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Abstract

每当经由顶吹喷枪顶吹氧化性气体而实施铁液的脱碳精炼时，抑制熔融铁的摆动，抑制熔融铁的飞散及由其引起的铁成品率的下降。本发明的转炉操作监视方法在从顶吹喷枪(3)向转炉内的铁液(5)吹附氧化性气体、或者从顶吹喷枪吹附氧化性气体并从底吹风口(4)将氧化性气体或惰性气体向铁液吹入而进行铁液的脱碳精炼时，测定转炉(2)的振动，并且对于通过对该测定值进行频率解析而求出的所述转炉的振动的频率在脱碳精炼中进行监视。

Description

转炉操作监视方法及转炉操作方法
技术领域
本发明涉及从顶吹喷枪(top blowing lance)将氧化性气体(oxidizing gas)向转炉内的铁液(molten pig iron)吹附并由铁液来制造钢液(molten steel)的转炉操作中的操作监视方法及操作方法，详细而言，涉及将附着于炉口或炉壁等的铁分及灰尘等向炉外喷出的能够减少铁分的转炉操作监视方法及转炉操作方法。
背景技术
在转炉的铁液的脱碳精炼(decarburization refining)中，从提高转炉的生产性的观点出发，采用提高每单位时间的氧气供给速度的操作，伴随于此，作为灰尘等而向炉外飞散的铁分、以及附着及/或堆积于炉口附近或炉壁上的铁分增加。这些铁分最终被回收而再次被利用作为铁源，但是当这些铁分的量增多时，会导致附着的铁分的除去及飞散的铁分的回收所需的处理成本的增加及转炉的运转率的下降。因此，减少这些铁分成为应解决的重要的课题之一。
因此，关于在转炉的脱碳精炼中的灰尘的产生及抑制，以往进行了较多的研讨/研究。其结果是，可知，关于灰尘的产生机构，大体分为[1]基于泡沫破裂(bubble burst)(喷溅(spitting)及/或伴随着CO气体气泡的从液面的脱离而铁粒(iron particle)飞散的现象等)的产生机构、[2]基于烟雾(高温下的铁原子的蒸发)的产生机构这两种，伴随着脱碳精炼的进展而各自的产生量及产生比例发生变化。
然而，在转炉等精炼反应容器中，炉内的铁液及由该铁液制造的钢液因从顶吹喷枪供给的精炼用气体或从底吹风口(bottom blowing tuyere)供给的搅拌用气体而摆动(fluctuation)。精炼反应容器由于炉口部分开口，因此精炼反应容器不会因与摆动的共振而破损。然而，伴随着铁液或由该铁液制造的钢液的摆动而熔融铁(molten metal)的飞散增大，存在前述的基于泡沫破裂的灰尘的产生起源的增加及使炉口附近或炉壁上的铁分的附着及/或堆积增加的可能性。需要说明的是，在铁液的脱碳精炼中，铁液被脱碳精炼而向钢液变化，但是在脱碳精炼的中途不仅难以区分地表示铁液与钢液，而且也烦杂。因此，在本说明书中，将铁液和钢液一并显示为“熔融铁(molten metal)”。在铁液与钢液的区别明确的情况下，显示为“铁液”或“钢液”。
本发明者们为了确认伴随着摆动的熔融铁的飞散的有无，研究了转炉等圆筒容器中的固有振动频率成为何种程度。非专利文献1解析性地求出转炉等圆筒容器中的固有振动频率，根据非专利文献1，圆筒容器的固有振动频率根据圆筒容器的内径和圆筒容器内的熔池深度(bath depth)，由下述的(1)式赋予。
[数学式1]
其中，在(1)式中，fcalc是固有振动频率(Hz)，g是重力加速度(9.8m/s2)，D是圆筒容器的内径(m)，H是圆筒容器内的熔池深度(m)，k是1.84的值的常数，π是圆周率。
另一方面，根据非专利文献2，测定到商业规模的转炉中的熔融铁的摆动产生的振动频率为0.3～0.4Hz左右。该测定值与根据(1)式算出的转炉的固有振动频率(fcalc)大体一致。
即，可知，在商业规模的转炉中能够产生由所收容的熔融铁的共振引起的液面摆动。因此，以该摆动为起因，在转炉的铁液的脱碳精炼中，基于泡沫破裂的灰尘的产生起源的增加及使炉壁或炉口附近的铁分的附着及/或堆积增加的可能性极高。
在先技术文献
非专利文献
非专利文献1：生产研究，vol.26(1974)No.3.p.119-122
非专利文献2：川崎制铁技报，vol.19(1987)No.1.p.1-6
发明内容
发明要解决的课题
本发明鉴于上述情况而作出，其目的在于提供一种每当经由顶吹喷枪来顶吹氧化性气体而实施铁液的脱碳精炼时，能够抑制熔融铁的摆动，并抑制熔融铁的飞散和由其引起的铁成品率的下降的转炉操作监视方法及转炉操作方法。
用于解决课题的方案
用于解决上述课题的本发明的主旨如以下所述。
[1]一种转炉操作监视方法，其中，在从顶吹喷枪向转炉内的铁液吹附氧化性气体、或者从顶吹喷枪吹附氧化性气体并从底吹风口将氧化性气体或惰性气体向铁液吹入而进行铁液的脱碳精炼时，测定所述转炉的振动，并且对于通过对该测定值进行频率解析而求出的所述转炉的振动的频率在脱碳精炼中进行监视。
[2]根据上述[1]所述的转炉操作监视方法，其特征在于，通过对所述测定值进行快速傅里叶变换来求出所述转炉的振动的频率。
[3]一种转炉操作方法，其中，在从顶吹喷枪向转炉内的铁液吹附氧化性气体、或者从顶吹喷枪吹附氧化性气体并从底吹风口将氧化性气体或惰性气体向铁液吹入而进行铁液的脱碳精炼时，测定所述转炉的振动，并且通过对该测定值进行频率解析而在脱碳精炼中求出所述转炉的振动的频率，以使求出的转炉振动的频率中的振幅成为最大的频率(fobs)大于利用下述的(1)式算出的转炉的固有振动频率(fcalc)的方式，调整从顶吹喷枪吹附的氧化性气体的流量、顶吹喷枪的喷枪高度中的任一方或双方，
[数学式2]
其中，在(1)式中，fcalc是固有振动频率(Hz)，g是重力加速度(9.8m/s2)，D是转炉的铁液收容部的内径(m)，H是转炉内的熔池深度(m)，k是1.84的值的常数，π是圆周率。
[4]根据上述[3]所述的转炉操作方法，其特征在于，通过对所述测定值进行快速傅里叶变换来求出所述转炉的振动的频率。
发明效果
根据本发明，由于在脱碳精炼中实时地监视由转炉内熔融铁的摆动产生的振动的频率，因此能够预测以熔融铁的摆动为起因的熔融铁的飞散的有无。而且，此时，以使转炉的振动的频率中的振幅成为最大的频率(fobs)大于转炉的固有振动频率(fcalc)的方式调整了从顶吹喷枪供给的氧化性气体的流量、顶吹喷枪的喷枪高度中的任一方或双方的情况下，能够抑制转炉内熔融铁的摆动，减轻熔融铁的向炉外的飞散而抑制铁成品率的下降。
附图说明
图1是能够测定脱碳精炼中的转炉的振动且在实施本发明上优选的转炉设备的概略图。
图2是表示无量纲化喷枪高度(L/de)与转炉振动频率中的振幅最大的频率(fobs)之间的关系的图。
图3是表示顶吹氧气流量与转炉振动频率中的振幅最大的频率(fobs)之间的关系的图。
图4是表示平均灰尘产生速度与转炉振动频率中的振幅最大的频率(fobs)之间的关系的图。
具体实施方式
以下，具体地说明本发明。首先，说明本发明的原委。
本发明者们关于来自顶吹喷枪的氧化性气体的流量及喷枪高度对于向转炉内的铁液顶吹氧气等氧化性气体而进行铁液的脱碳精炼时的灰尘产生量及基体金属(ironskull)向炉口或顶吹喷枪的附着量造成的影响，进行了试验/研讨。具体而言，使用能够在从顶吹喷枪吹附氧化性气体的同时从炉底部的底吹风口吹入搅拌用气体的5吨容量规模的转炉，一边测定此时的转炉的振动，一边使试验/研讨进展。使用氧气(工业用纯氧)作为来自顶吹喷枪的氧化性气体，并使用氩气作为来自底吹风口的搅拌用气体。需要说明的是，喷枪高度是从顶吹喷枪的前端至转炉内的静止状态的铁液液面的距离。
图1示出在上述试验中使用的能够测定脱碳精炼中的转炉的振动且在实施本发明上优选的转炉设备的概略图。在图1中，标号1是转炉设备，2是转炉，3是顶吹喷枪，4是底吹风口，5是铁液，6是加速度计传感器，7是加速度计主体，8是控制用计算机，9是喷枪高度控制装置，10是用于控制从顶吹喷枪喷射的氧气的流量的氧气流量控制装置，11是从顶吹喷枪喷射的氧气喷流，12是转炉的耳轴(trunnion shaft)(也称为“倾动轴”(tilt shaft))，13是用于向顶吹喷枪供给氧气的氧气供给管，14是用于供给对顶吹喷枪进行冷却的冷却水的冷却水供给管，15是用于排出对顶吹喷枪进行了冷却后的冷却水的冷却水排出管。
作为转炉2的振动的测定方法，如图1所示，在转炉2的耳轴12的凸缘12a上安装加速度计传感器6，测定耳轴12的轴心方向(水平方向)和与该轴心方向正交的水平方向这两轴的加速度，并将该加速度计传感器6的测定数据向加速度计主体7发送。加速度计主体7在记录从加速度计传感器6输入的测定数据的同时，使用快速傅里叶变换处理、短时间傅里叶变换处理、维格纳分布等方法对输入的测定数据进行频率解析来求出转炉振动的频率。
由加速度计主体7产生的频率解析数据向控制用计算机8发送，控制用计算机8构成为基于从加速度计主体7输入的频率解析数据，向喷枪高度控制装置9及氧气流量控制装置10发送控制信号。
在实验中，使用了设置于顶吹喷枪前端的拉瓦尔喷嘴(laval nozzle)型的喷射喷嘴的喷嘴倾角全部为15°且喷嘴个数为4孔、5孔、6孔这3种类的顶吹喷枪。并且，使顶吹氧气流量(来自各拉瓦尔喷嘴的流量的总计。以下同样)设为一定的18Nm3/min，将喷枪高度(L)在200～900mm的范围内进行各种变更，研究了喷枪高度(L)对于从转炉炉口排出的废气中的灰尘浓度(分别测定了铁分灰尘的值。以下同样)造成的影响。表1示出配置于顶吹喷枪的4孔、5孔、6孔这3个种类的拉瓦尔喷嘴型的喷射喷嘴的形状。需要说明的是，喷射喷嘴的喷嘴倾角是喷射喷嘴的氧气喷射方向与顶吹喷枪的轴心方向的角度。
[表1]
而且，在另一实验中，使用表1所示的配置有4孔、5孔、6孔这3个种类的喷射喷嘴的顶吹喷枪，将喷枪高度(L)设为一定的400mm，将顶吹氧气流量在10～24Nm3/min的范围内进行各种变更，研究了顶吹氧气流量对于废气中的灰尘浓度造成的影响。
在上述的试验中，氧气的供给从铁液中的碳浓度为4.0质量％的时点开始，持续至熔融铁中的碳浓度成为0.05质量％的时点。而且，在该试验中，不向喷枪高度控制装置9及氧气流量控制装置10发送控制信号，喷枪高度(L)及氧气流量保持为初期的设定值。
图2按照各喷嘴个数而示出将喷枪高度(L)除以表1所示的喷嘴出口直径(de)而进行无量纲化的无量纲化喷枪高度(L/de)与转炉振动频率中的振幅成为最大的频率(fobs)之间的关系。在此，振幅成为最大的频率(fobs)是利用耳轴12的轴心方向(水平方向)和与轴心方向正交的水平方向这两轴测定的加速度中的振幅成为最大的频率。具体而言，求出了两轴的合成的振幅成为最大的频率。图中的直线是通过下述的(1)式计算的转炉的固有振动频率(fcalc)，5吨规模的转炉2的固有振动频率(fcalc)为0.58Hz。
[数学式3]
其中，在(1)式中，fcalc是固有振动频率(Hz)，g是重力加速度(9.8m/s2)，D是转炉的铁液收容部的内径(m)，H是转炉内的熔池深度(m)，k是1.84的值的常数，π是圆周率。在此，转炉的铁液收容部的内径是收纳铁液的各部位的内径的平均值，熔池深度是从转炉内底至转炉内的静止状态的铁液液面为止的距离。
从图2明确可知，转炉振动频率中的振幅成为最大的频率(fobs)伴随着无量纲化喷枪高度(L/de)即喷枪高度(L)的增加而减少。而且可知，振幅成为最大的频率(fobs)与转炉的固有振动频率(fcalc)一致的无量纲化喷枪高度(L/de)因喷嘴个数的差异而不同，对于振幅成为最大的频率(fobs)与固有振动频率(fcalc)一致的无量纲化喷枪高度(L/de)，在4～6孔喷嘴的比较中，4孔喷嘴最小。
而且，图3按照各喷嘴个数而示出顶吹氧气流量与转炉振动频率中的振幅成为最大的频率(fobs)之间的关系。图中的直线是利用(1)式计算的转炉的固有振动频率(fcalc)，如前所述，5吨规模的转炉2的固有振动频率(fcalc)为0.58Hz。
从图3明确可知，转炉振动频率中的振幅成为最大的频率(fobs)伴随着顶吹氧气流量的增加而减少。而且，振幅成为最大的频率(fobs)与转炉的固有振动频率(fcalc)一致的顶吹氧气流量不受喷嘴个数的差异的影响，在4～6孔喷嘴中，未看到喷嘴个数引起的差异。
而且，进而，图4及表2按照各喷嘴个数而示出根据废气中的平均灰尘浓度求出的平均灰尘产生速度与脱碳精炼中的转炉振动频率中的振幅成为最大的频率(fobs)之间的关系。在此，平均灰尘产生速度由下述的(2)式定义。
平均灰尘产生速度(kg/(min·铁液ton))＝废气中的灰尘浓度(kg/Nm3)×废气流量(Nm3/(min·铁液ton))…(2)
[表2]
从图4及表2明确可知，平均灰尘产生速度伴随着转炉振动频率中的振幅成为最大的频率(fobs)的增加而下降，但是在振幅成为最大的频率(fobs)相同的情况下，在4～6孔喷嘴的比较中，4孔喷嘴的平均灰尘产生速度最小。在此，应关注的事项是，无论在4～6孔喷嘴的哪个顶吹喷枪中，振幅成为最大的频率(fobs)都以固有振动频率(fcalc)的0.58Hz为界而平均灰尘产生速度急剧变化，在振幅成为最大的频率(fobs)大于固有振动频率(fcalc)的情况下，平均灰尘产生速度减少。
即，得出了如下的见解：在防止灰尘产生速度的增加引起的铁成品率的下降方面，以使转炉振动频率中的振幅成为最大的频率(fobs)大于固有振动频率(fcalc)的方式调整喷枪高度(L)及顶吹氧气流量的情况至关重要。
本发明基于上述见解而作出，本发明的转炉操作监视方法在从顶吹喷枪向转炉内的铁液吹附氧化性气体、或者从顶吹喷枪吹附氧化性气体并从底吹风口将氧化性气体或惰性气体向铁液吹入而进行铁液的脱碳精炼时，测定所述转炉的振动，并将通过对该测定值进行频率解析而求出的所述转炉的振动的频率在脱碳精炼中进行监视的情况为必须的条件。
并且，在本发明的转炉操作方法中，以使监视的转炉振动中的振幅成为最大的频率(fobs)大于利用上述的(1)式算出的转炉的固有振动频率(fcalc)的方式调整从顶吹喷枪供给的氧化性气体的流量、顶吹喷枪的喷枪高度中的任一方或双方。具体而言，在振幅成为最大的频率(fobs)与转炉的固有振动频率(fcalc)同等或小于转炉的固有振动频率(fcalc)的情况下，实施减少从顶吹喷枪供给的氧化性气体流量或者减小顶吹喷枪的喷枪高度中的任一方或双方。
在图1所示的转炉设备1中，由加速度计主体7产生的频率解析数据向控制用计算机8逐次发送，在利用加速度计主体7解析的振幅成为最大的频率(fobs)与固有振动频率(fcalc)同等或比固有振动频率(fcalc)小的情况下，每次，控制用计算机8向喷枪高度控制装置9发送减小喷枪高度(L)的信号，或者向氧气流量控制装置10发送减少氧气流量的信号，或者发送这双方。
作为从顶吹喷枪3吹入的氧化性气体，通常为氧气，但是可以使用氧气与稀有气体的混合气体、空气、富氧空气等。在本发明中使用的氧化气体是氧浓度与空气同等或其以上的氧气含有气体的全部。
需要说明的是，在上述试验中，从底吹风口4吹入惰性气体，但也可以从底吹风口吹入氧化性气体。从底吹风口吹入的氧化性气体不仅作为脱碳精炼用的氧气发挥作用，而且也作为搅拌用气体发挥作用。当然，底吹风口的设置在本发明中不是必须条件，也可以不进行从底吹风口的气体吹入。在此，惰性气体是氩气或氦气等稀有气体或氮气。
如以上说明那样，根据本发明，在脱碳精炼中实时监视由转炉内熔融铁的摆动产生的振动的频率，因此能够预测以熔融铁的摆动为起因的熔融铁的飞散的有无。而且，此时，在以使转炉的振动的频率中的振幅成为最大的频率(fobs)大于转炉的固有振动频率(fcalc)的方式调整从顶吹喷枪供给的氧化性气体的流量、顶吹喷枪的喷枪高度中的任一方或双方的情况下，不仅能抑制转炉内熔融铁的摆动、减轻熔融铁的向炉外的飞散而抑制铁成品率的下降，而且能够削减灰尘的回收所需的费用及时间而提高转炉的生产性。
实施例
使用与图1所示的转炉为同样的形状的容量为300吨的上底吹转炉(氧气顶吹、搅拌用气体底吹)进行了脱碳精炼。使用的顶吹喷枪在前端部将同一形状的5个拉瓦尔喷嘴型的喷射喷嘴的喷嘴倾角设为14°，且相对于顶吹喷枪的轴心等间隔地配置在同一圆周上。喷射喷嘴的喉部直径(dt)为73.6mm，喷射喷嘴的出口直径(de)为78.0mm。
在将铁屑装入到上底吹转炉之后，预先实施脱磷处理，将温度为1255～1280℃的铁液装入到上底吹转炉。接下来，一边将氩气作为搅拌用气体从底吹风口吹入到铁液中，一边从顶吹喷枪将氧气朝向铁液液面吹附，开始了脱碳精炼。铁屑的装入量以使脱碳精炼结束时的钢液温度成为1650℃的方式进行了调节。使用的铁液的化学成分如表3所示。
[表3]
在脱碳精炼中，从炉上料斗(未图示)投入生石灰作为造渣剂，进行了脱碳精炼直至熔融铁中的碳浓度成为0.05质量％为止。生石灰以使在炉内生成的炉渣的碱度(质量％CaO/质量％SiO2)成为2.5的方式调整了其添加量。
而且，如图1所示，在转炉的耳轴12安设加速度计传感器6，测定了耳轴的轴心方向及与轴心方向正交的水平方向这两轴的加速度。利用加速度计主体7记录得到的加速度信号时，同时进行快速傅里叶变换处理，实时地实施转炉振动的频率解析，并将该频率解析数据向控制用计算机8发送。控制用计算机基于接收到的频率解析数据，使喷枪高度控制装置9及氧气流量控制装置10如以下那样工作(本发明例)。
即，在转炉振动频率中的振幅成为最大的频率(fobs)等于或小于根据(1)式计算的固有振动频率(fcalc)的情况下，首先，使喷枪高度控制装置工作，在从基准位置至最大减小500mm的范围内控制喷枪高度。在该操作中，在振幅成为最大的频率(fobs)不大于固有振动频率(fcalc)的情况下，使氧气流量控制装置工作，降低顶吹氧气流量直至振幅成为最大的频率(fobs)大于固有振动频率(fcalc)为止。需要说明的是，根据(1)式计算的转炉的固有振动频率(fcalc)为0.29Hz。
而且，为了比较，转炉设备和操作方法遵照上述的本发明例，但是不使喷枪高度控制装置及氧气流量控制装置工作而进行了脱碳精炼(比较例)。
本发明例及比较例都是根据铁液中的碳浓度如表4所示设定了顶吹氧气流量、底吹气体流量、及无量纲化喷枪高度(L/de)。即，熔融铁中的碳浓度以0.4质量％为界，变更顶吹氧气流量及底吹气体流量，并且变更了无量纲化喷枪高度(L/de)。
[表4]
本发明例及比较例的操作条件和脱碳精炼结果如表5所示。
[表5]
在本发明例中，在精炼中，振幅成为最大的频率(fobs)与固有振动频率(fcalc)一致，因此顶吹喷枪高度控制装置立即工作，将无量纲化喷枪高度(L/de)从34.6变更为29.5。由此，振幅成为最大的频率(fobs)上升为0.32Hz。由于是相同的操作方法，因此在比较例中，振幅成为最大的频率(fobs)也与固有振动频率(fcalc)一致，但是在比较例中，不变更操作条件而继续脱碳精炼。
其结果是，在本发明例和比较例中，精炼时间、冶金特性为大致同等的成绩，但是在比较例中，与本发明例相比，灰尘产生速度升高。需要说明的是，表5的灰尘产生速度指数是比较例的灰尘产生速度为1.0的情况的相对值。
这样，确认到通过应用本发明能够进行提高了铁成品率的转炉操作的情况。
标号说明
1 转炉设备
2 转炉
3 顶吹喷枪
4 底吹风口
5 铁液
6 加速度计传感器
7 加速度计主体
8 控制用计算机
9 喷枪高度控制装置
10 氧气流量控制装置
11 氧气喷流
12 耳轴
13 氧气供给管
14 冷却水供给管
15 冷却水排出管

Claims (2)

1.一种转炉操作方法，其中，
在从顶吹喷枪向转炉内的铁液吹附氧化性气体、或者从顶吹喷枪吹附氧化性气体并从底吹风口将氧化性气体或惰性气体向铁液吹入而进行铁液的脱碳精炼时，
测定所述转炉的振动，并且通过对该测定值进行频率解析而在脱碳精炼中求出所述转炉的振动的频率，
以使求出的转炉振动的频率中的振幅成为最大的频率(fobs)大于利用下述的(1)式算出的转炉的固有振动频率(fcalc)的方式，调整从顶吹喷枪吹附的氧化性气体的流量、顶吹喷枪的喷枪高度中的任一方或双方，
[数学式1]
其中，在(1)式中，fcalc是固有振动频率(Hz)，g是重力加速度(9.8m/s2)，D是转炉的铁液收容部的内径(m)，H是转炉内的熔池深度(m)，k是1.84的值的常数，π是圆周率。
2.根据权利要求1所述的转炉操作方法，其特征在于，
通过对所述测定值进行快速傅里叶变换来求出所述转炉的振动的频率。
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