JP2009132969A - 上底吹き転炉 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒュームダストの発生量を低減すると共に冶金特性を向上できる転炉を得る。
【解決手段】上吹きランス及び底吹き羽口を備えた上底吹き転炉において、底吹き羽口５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆを平面視で火点外であって、かつ転炉中心軸１よりも出鋼口側又は装入側に偏在させて配置した。
また、底吹き羽口５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆを配置する領域は、転炉最大径の１／４の長さだけ転炉中心軸１から出鋼口側又は装入側にずれた領域とした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、上底吹き転炉に関する。

精錬炉としての上底吹き転炉（以下、単に転炉という場合がある）は、炉内へ溶銑やスクラップ等を装入して溶湯とした後に、炉底面に設けた羽口より該溶湯中に酸素ガスを吹き込むと同時に、上吹きランスより酸素ガスを浴面に噴射し、該溶湯に含まれる不純物成分を酸化除去する。
このような吹錬を行うと、炉内から多量のダストが発生して排ガスと共に炉外に逸出するため、逸出するダスト分だけ金属歩留りが低下するという問題が存在する。

そこで、このような問題を解決するものとして、ヒュームダストの発生量を低減することがダストの発生を抑えるポイントとであるとの知見に基づき、ヒュームダストの発生を抑制する転炉が開発されている。
このような転炉の一例として、溶融金属を保持し、ガスの上吹きランス及び底吹き羽口を備えた上底吹き転炉であって、上吹きランスから噴出するガス・ジェットが溶融金属浴面に衝突する領域と、底吹き羽口から吹込まれるガスが形成する溶融金属浴面の盛り上がり領域とを、平面視で互いに別の位置に生じさせる配置で、底吹き羽口を設けたことを特徴とする上底吹き転炉がある（特許文献１参照）。
特開２００２−１０５５２５号公報

特許文献１に記載のものは、上吹きランスからのガス・ジェットが溶融金属浴面に衝突する領域と、底吹き羽口から吹込まれるガスによって形成される溶融金属浴面の盛り上がり領域とを平面視で互いに別の位置に生じさせることにより、スラグのない盛り上がり領域にガス・ジェットが衝突しないようにすることで、ヒュームダストの発生を抑制しようとしている。
確かに、このような配置にすることで、ヒュームダスト発生量が低減し、金属歩留が向上すると考えられる。

しかしながら、特許文献１を含む従来の底吹き羽口の配置では、スラグの溶鋼内への巻き込みが十分に行なわれず、脱燐効率が悪く冶金特性が悪くなるという問題を有していた。
この点を詳細に説明する。
従来の底吹き羽口の配置は、平面視で転炉の中心軸上に配置されている（特許文献１の図４参照）。転炉炉底形状はほぼ真円に近いため、その中心軸を通るように羽口を直線状に配列するとその直線を基準として羽口が炉内対称に配置されることになる。炉内対称に配置された羽口からガスを吹き込むと、溶鋼流動が均一化され溶鋼表面のスラグが炉壁へと移動し、その後のスラグの流動が得られずにスラグが炉壁に張り付き、溶鋼内に巻き込まれなくなってしまっていた。
他方、脱燐はスラグを溶鋼内へ巻き込むことによって行なわれることから、スラグの溶鋼内への巻き込みが十分に行なわれない従来の羽口配置では脱燐効率が悪くなっていた。

つまり、特許文献１に開示された発明では、ヒュームダスト低減の効果は期待できるものの、特に脱燐性能が不十分であり冶金特性が悪くなるという問題点を有していた。

本発明は、かかる問題点を解決するためになされたものであり、ヒュームダストの発生量を低減すると共に冶金特性を向上できる転炉を得ることを目的としている。

（１）本発明に係る上底吹き転炉は、上吹きランス及び底吹き羽口を備えた上底吹き転炉において、底吹き羽口を平面視で火点外であって、かつ転炉中心を通り転炉傾動軸と平行な軸よりも出鋼口側又は装入側に偏在させて配置したことを特徴とするものである。
なお、羽口を偏在させる領域として、転炉中心軸上を含む。

（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、底吹き羽口を配置する位置は、転炉径の１／４の長さだけ転炉中心軸から出鋼口側又は装入側にずれた領域内であることを特徴とするものである。

（３）また、上吹きランス及び底吹き羽口を備えた上底吹き転炉において、底吹き羽口を、転炉中心を通り転炉傾動軸と平行な軸上と、該軸上に配置した羽口数よりも多数の羽口を該軸よりも出鋼口側又は装入側に配置したことを特徴とするものである。

本発明においては、底吹き羽口を平面視で火点外であって、かつ転炉中心軸よりも出鋼口側又は装入側に偏在させて配置したことにより、金属歩留まりを向上できると共に冶金特性を向上できる。

図１は本発明の一実施の形態に係る転炉の羽口配置を説明する説明図であり、転炉内部を平面視した状態を模式的に示したものである。
本実施の形態に係る転炉を概説すると、本実施の形態に係る転炉は、上吹きランス及び底吹き羽口（以下、単に「羽口」という）を備えた上底吹き転炉であって、羽口を平面視で火点外であって、かつ転炉中心軸よりも出鋼側又は装入側に偏在させて配置したものである。
本実施の形態の構成を、特に羽口配置を中心に図１に基づいて詳細に説明する。

図１において、転炉中心に径Ｄ／２の円を描いているが、この円で示される領域は上吹きランスから酸素が吹き付けられる領域すなわち火点を示しており、この例では転炉の最大径をＤとしたときに径Ｄ／２の領域が火点となることを示している。
また、図１における中心線１は、転炉中心を通り、かつ転炉傾動軸（図示なし）と平行な直線であり、この中心線１から出鋼口側にＤ／４の長さだけずれた位置に中心線１に平行な直線があるが、この直線が羽口を配置する領域の境界線３である。つまり、本実施の形態においては、転炉中心部に形成された火点を除き、中心線１と境界線３とで囲まれる領域が羽口配置領域となっており、羽口はこの羽口配置領域内に配置される。なお、図１においては、この羽口配置領域を格子状の模様で示している。

羽口配置をより具体的に説明すると、中心線１上で、かつ火点の左右外側に各１本の羽口５ａ、５ｂを配置し、これら各１本の羽口５ａ、５ｂよりも出鋼口側に、火点を挟んで各２本の羽口５ｃ、５ｄ及び５ｅ、５ｆを配置している。つまり、本実施の形態では合計６本の羽口を、中心軸よりも出鋼口側に偏在させて配置している。

次に、本実施の形態に係る羽口配置を採用したことによる溶鋼流動について説明する。図２、図３は転炉内における溶鋼流動を説明する説明図である。図２は転炉を平面視した状態を模式的に示したものであり、羽口位置を黒丸で示すと共に溶鋼流動を矢印で示している。また、図３は図２における矢視Ａ―Ａを示しており、図２と同様に溶鋼流動を矢印で示している。

本実施の形態においては、羽口を転炉中心よりも出鋼口側に偏在させて配置したことにより、図２に示すように、溶鋼表面において羽口から吹き込まれるガスによって溶鋼が偏在した側（出鋼口側）の炉壁に向かって速い速度で流動し、出鋼口側へ流動した溶鋼は炉壁に衝突すると、炉壁に沿って互いに反対方向に回流する（矢印（ア）（イ）参照）。そして、炉壁に沿った２つの流れは装入側に向かい（矢印（ウ）（エ）参照）、装入側の炉壁近傍において互いに衝突し、炉中央に向かう流れを作る（矢印（オ）参照）。
このような溶鋼表面の流れに沿って、溶鋼表面に浮遊するスラグが移動する。つまり、スラグは、炉中央付近から出鋼口側の炉壁近傍まで移動するが、このとき羽口が出鋼口側に偏在していることから出鋼口側炉壁近傍でも流れが速いため、スラグは出鋼口側炉壁近傍で滞留することなく、流れに乗って装入側に移動し、装入側の炉壁から炉中央に移動する。

また、溶鋼内部においては、図３に示すように、羽口が偏在している出鋼口側では側壁に向かう溶鋼流（矢印（カ）参照）が炉壁に衝突しても流れの速度が速いため、そこで澱むことなく内部へ向かう流れをつくり、炉壁に沿って炉中央に向かって流動する（矢印（キ）参照）。このとき、溶鋼流が速い速度を有しているので、溶鋼表面に浮遊するスラグを溶鋼内部へ巻き込む。

他方、羽口が偏在しない装入側においては、炉壁に向かう流れ（矢印（ク）参照）が途中で、炉壁に向かう流れ（矢印（ケ）参照）と、炉中心に向かう流れ（矢印（コ）参照）の２方向の流れに分かれる。炉壁に向かう流れは、炉壁近傍で上昇流となり、表面近くまで移動して再び中央に向かう流れ（矢印（サ）参照）になる。この中央に向かう流れが、炉壁に向かう流れと衝突して、溶鋼内部への流れ（矢印（サ）の先端参照）となる。このとき、溶鋼表面に存在するスラグを溶鋼内部へ巻き込むことになる。
炉中心に向かう流れ（矢印（コ）参照）は、炉中心近傍で羽口からの吹き込みガスによる流れによって、上昇流となり、溶鋼表面近傍で再び装入側炉壁に向かう流れとなる。

以上のように、溶鋼表面においてはスラグを中央へ移動させる流れができ、また溶鋼内部では溶鋼表面にあるスラグを溶鋼内部へ巻き込む流れができるので、スラグが炉壁近傍で滞留することなく、溶鋼内に巻き込まれ、スラグと溶鋼が接触する機会が多くなり脱燐効率を高めることができる。
また、羽口を、火点を外して配置しているので、溶鋼が盛りあがっている箇所には上吹きランスから吹き込まれる空気が直接吹きかけられることがなく、ヒュームダストやスプラッシュを抑制できるという効果も奏する。

銑鉄の装入は、転炉を装入側に傾動させて、かつ羽口からガスを吹き込みながら行なうところ、本実施の形態においては、羽口を出鋼口側に偏在させたことにより、銑鉄の装入初期において装入される銑鉄が羽口から噴出するガスによって飛び散ることがなく、歩留まりを向上できる。

上記の本発明の効果を確認するために、実機の１／１０水モデル実験を行なったので、その実験方法およびその結果を説明する。
１．実験方法概要
１−１ 実験装置
実験に用いた転炉型容器及び測定装置の概要を説明する説明図を図４、図５に示す。図４が実験装置を側面から見た状態を示す図であり、図５が実験装置を平面視したときの測定機器等の配置を示す図である。

実験装置は、上吹きランス７及び底吹き羽口９（以下、単に「羽口」という。）を備えた上底吹き転炉に相当するものであって、多数の羽口９を設置して、空気を吹き込む羽口を選択できるようになっている。なお、容器、上吹きランス共に実機の１／１０のサイズで製作した。

以下に、それぞれの測定項目と測定機器について簡単に説明する。
（１）スプラッシュ量測定
湯面から400mm高さの位置に吸着シート１１（紙ウェス）を設置し、ガス吹き開始から３分後の吸着水分重量を測定した。
（２）均一混合時間測定
ガス吹き開始後ただちに、20wt%KCl水溶液350mlを電極１３と反対側の位置より添加し、電導度計１５を用いて電導度を測定し、そのデータを第１データ記録計１７に記録して、均一混合時間を測定した。なお、均一混合時間の判定は到達値の±5%とした。
（３）液面揺動測定
Ｕ字管１９を炉体に設置し、レーザ距離計２１を用いて液面の高さを所定時間毎に測定し、測定データを第２データ記録計２３に記録して、液面の変動量を測定した。
（４）スラグとメタル混合状況の観察
目視による観察を行なった。

なお、本実験で測定の対象とした底吹き羽口配列を図６、図７に示す。図６が本発明の実施例であり、図７は比較例である。各図において、空気を吹き込む羽口を黒丸で示している。
図６に示したものは、実施の形態で説明したものと同じ羽口配列に相当し、図７に示した比較例は、炉体の中心軸を挟んで対称に羽口配列したものに相当する。
また、上吹きランスの仕様寸法、実験装置の仕様をそれぞれ表１、表２に示す。

実験は、表２に示すように、それぞれの底吹き配列に対して、Ａ「初期〜中期イメージ」とＢ「末期イメージ」について行った。
なお、Ａ「初期〜中期イメージ」、Ｂ「末期イメージ」は以下の基準により区分している。転炉での吹錬前の炭素濃度は約４質量％であり、その後脱炭精錬で溶鋼中の炭素濃度が低下し、炭素濃度の低下に伴い炭素の酸化反応は炭素の移動律速となる。移動律速時となる炭素濃度は約０．６〜０．７質量％であり、移動律速時は溶鋼攪拌により混合促進して炭素濃度を目標値まで低下させる。Ａ「初期〜中期イメージ」とＢ「末期イメージ」の区分は、０．６〜０．７質量％の移動律速時の底吹き羽口からのガス流量を増加させる段階を堺として区分したものである。
上吹き流量は凹み深さが実機における場合と相似になるように設定し、底吹き流量は実機に模擬するため修正Fr数近似とした。

２．実験結果
（１）スプラッシュ量測定結果
ガス吹き開始３分後のスプラッシュ重量の測定結果を図８、図９に示す。
図８においては、比較例と実施例のそれぞれについて、初期〜中期をイメージした条件をＡ、末期イメージ条件をＢとして、ガス吹き開始３分後のスプラッシュ重量（ｇ）を棒グラフで示している。
図９においては、縦軸が３分後のスプラッシュ重量（ｇ）、横軸が上吹きガス量（NL/min）を示している。

図８、図９から分かるように、比較例に比べて実施例の方がスプラッシュ量が低下した。また、スプラッシュ量は実施例、比較例のいずれにおいても初期〜中期イメージ条件の方が、末期イメージ条件よりも圧倒的にスプラッシュ量が増加した。このことから、スプラッシュ量は上吹き条件が支配的と考えられる。

（２）均一混合時間測定結果
測定結果を図１０に示す。
均一混合時間（＝浴内攪拌）は、実施例と比較例において底吹き配列による優位差はほとんど見られなかった。したがって、羽口を偏在させても均一混合上の問題はないことが確認された。
なお、実施例、比較例ともに、末期イメージ条件の方が、初期〜中期イメージ条件よりも均一混合時間は短縮されている。このことから、均一混合時間については底吹きガス流量が支配的と考えられる。

（３）液面揺動の測定結果
液面揺動の変位量の標準偏差を図１１に示す。図１１においては、比較例と実施例のそれぞれについて、初期〜中期イメージ条件をＡ、末期イメージ条件をＢとして、液面揺動の変位量の標準偏差を棒グラフで示している。
実施例の方が比較例よりも液面揺動の変位量が小さく、羽口を偏在させても液面揺動に関して悪影響はなく、むしろ好ましい傾向が見られた。そして、液面変動が小さいこともスプラッシュ量低減にいくらか影響した可能性も考えられる。
なお、初期イメージ条件と末期イメージ条件との比較においては、末期イメージ条件の方が液面揺動の変位量が大きく、液面揺動については底吹きガス流量の影響が強いと考えられる。

（４）スラグとメタル混合状況の観察
比較例においては、羽口を中心軸に対して対称に配置しているため、装入側および出鋼口側の炉壁近傍にスラグが滞留する現象が見られた。
これに対して実施例では、上記の実施の形態でも述べたように、スラグが滞留することなく回流し、かつ溶鋼内へ巻き込まれるという現象が見られた。脱燐及び脱炭精錬の行なわれる転炉において、実施例ではスラグが滞留することなく回流し、かつ溶鋼内に巻き込まれるために脱燐効率の向上が期待できる。

以上のように、実施例によれば比較例にくらべ、スプラッシュ量が低減され、かつスラグが表面に滞留することなく溶鋼内に巻き込むことができることが確認できた。

なお、上記の実施の形態、実施例においては、羽口が６本の場合を示したが、本発明はこれに限られるものではなく、羽口の本数は溶鋼の混合やスラグ巻き込みを考慮して適宜変更することができる。
また、羽口の配置についても、上記実施の形態、実施例で示したものに限定されることはなく、羽口を出鋼口側または装入側に偏在させるという本発明の思想の範囲内において適宜変更できる。

なお、羽口を出鋼口側または装入側に偏在させるとは、羽口を中心線よりも出鋼口側または装入側のどちらか一方の領域のみに配置する場合、羽口の何本かを中心線上に配置して他の羽口を中心線よりも出鋼口側または装入側のどちらか一方の領域のみに配置する場合、羽口の何本かを中心線よりも出鋼口側または装入側のどちらか一方の領域
に配置してこれらの羽口よりも多数の羽口を前記領域と中心線に対して反対の領域に配置する場合を含む。

本発明の一実施形態の羽口配置の説明図である。 本発明の一実施の形態の溶鋼流動の説明図である。 本発明の一実施の形態の溶鋼流動の説明図である。 実施例の効果確認で用いた実験装置の説明図である。 実施例の効果確認で用いた実験装置の説明図である。 本発明の実施例における羽口配置の説明図である。 比較例における羽口配置の説明図である。 実験におけるスプラッシュ量測定結果を示すグラフである。 実験におけるスプラッシュ量測定結果を示すグラフである。 実験における均一混合時間の測定結果を示すグラフである。 実験における液面揺動測定結果を示すグラフである。

符号の説明

１ 中心線
３ 境界線
５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆ 羽口
７ 上吹きランス
９ 底吹き羽口
１１ 吸着シート
１３ 電極
１５ 電導度計
１７ 第１データ記録計
１９ Ｕ字管
２１ レーザ距離計
２３ 第２データ記録計

Claims (3)

1. 上吹きランス及び底吹き羽口を備えた上底吹き転炉において、底吹き羽口を平面視で火点外であって、かつ転炉中心を通り転炉傾動軸と平行な軸よりも出鋼口側又は装入側に偏在させて配置したことを特徴とする上底吹き転炉。
2. 底吹き羽口を配置する位置は、転炉最大径の１／４の長さだけ転炉中心軸から出鋼口側又は装入側にずれた領域内であることを特徴とする請求項１に記載の上底吹き転炉。
3. 上吹きランス及び底吹き羽口を備えた上底吹き転炉において、底吹き羽口を、転炉中心を通り転炉傾動軸と平行な軸上と、該軸上に配置した羽口数よりも多数の羽口を該軸よりも出鋼口側又は装入側に配置したことを特徴とする上底吹き転炉。

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