JP2009191289A - 溶鋼の脱硫方法及び脱硫装置 - Google Patents

Abstract

【課題】溶鋼加熱装置付きの取鍋精錬において、溶鋼撹拌に上吹きガスに加え、底吹きガスの吹き込みを併用しても、０．０００５〜０．００１４質量％という低硫黄濃度領域への脱硫が安定した操業状態で可能な溶鋼の脱硫方法を提供する。
【解決手段】取鍋１に、耐火物製蓋２、溶鋼加熱手段４、脱硫剤の吹き込み用上吹きランス８及び溶鋼撹拌用ガスの上吹きランス６を備えた取鍋精錬装置を用い溶鋼を脱硫する技術を改良した。その内容は、前記取鍋の底部から薄板状の流れで不活性ガスを吹き込み溶鋼を撹拌するものである。その場合、スリット状貫通孔を有する羽口９の数を２個以下としたり、該スリット状貫通孔のスリットの短幅が０．２０〜０．３５ｍｍとするのが好ましい。
【選択図】図３

Description

本発明は、溶鋼の脱硫方法及び脱硫装置に係わり、詳しくは、転炉から出鋼した溶鋼をさらに取鍋に保持して撹拌しつつ脱硫剤を添加し、０．０００５ 〜０．００１４質量％という低硫黄濃度領域まで脱硫するに際して、撹拌動力密度を従来より高め、脱硫効率を向上させる技術に関する。

近年の鋼材に対する高品質、高純度化の要求は厳しく、様々な精錬技術を酷使して対応していく必要が生じている。それらの技術として、例えば、転炉から出鋼した溶鋼を真空脱ガス装置や取鍋に保持し、さらなる脱硫を行うものがある（二次精錬という）。ところが、これらの技術を採用すると、処理中に溶鋼温度が著しく低下する恐れがあるので、転炉から溶鋼を１６９０ 〜１７１０℃という高温で出鋼させる必要が生じ、転炉の内張り耐火物の溶損が大きくなるばかりでなく、脱燐能も低下して品質面でも生産面でも満足できないことになる。

そこで、本出願人は、ＮＫ−ＡＰ法と称し、取鍋に溶鋼をアークで加熱する装置を付帯させて、溶鋼を加熱すると共に、スラグ精錬、フラックスの粉体吹き込み（パウダー・インジェクション）を行う技術を開発し、特殊鋼、極低燐、低硫化が要求される高純度鋼の溶製にとどまらず、高級鋼の量産を図るようにしている。

なお、その装置は、図２に示すように、取鍋１に耐火物製の蓋２を被せて内部を非酸化雰囲気にできるようにすると同時に、該蓋２に、溶鋼３の加熱用電極４、溶鋼３中に脱硫剤等のフラックス５を不活性ガス１３で吹き込むランス（インジェクション・ランスという）６並びに溶鋼３及びスラグ７の撹拌を行う不活性ガス１３を吹き込む別の上吹きランス８をそれぞれ配設したものである。

ところが、最近は、鋼材に対する高品質、高純度化の要求が従来より一層厳しくなり、特に脱硫に関してさらなる対策が望まれている。その対策として、本出願人は、図３に示すように、前記装置の取鍋１の底部に不活性ガス１３吹き込みを可能とする底吹き羽口９を設け、その吹き込みガス１３で溶鋼３の撹拌をさらに強化することを考えた。要するに、溶鋼の撹拌を上吹きの不活性ガス１３に加え、底吹きの不活性ガス１３をも併用し、撹拌動力密度を向上させるのである。そして、従来は採用していなかった底吹き羽口９として、多孔質の耐火物体からなる所謂「ポーラス・プラグ」を採用し（例えば、特許文献１参照）、撹拌の強化を試みた。

その試みに際し、撹拌動力を一層向上させるために、底吹き羽口９からの吹き込む不活性ガスの流量を増加させたところ、図４に示すように、確かに溶鋼３の撹拌動力密度は増加し、それに伴い、溶鋼３の脱硫効率（この場合、脱硫速度係数で評価）も上昇した。なお、図４には、ポーラス・プラグを１個配設した場合（シングル・ポーラスと表記）だけでなく、２個配設した場合（ダブル・ポーラスと表記）の結果も示している。また、図４の「大流量」とは、シングル・ポーラスで流量を増大させた場合をいう。なお、溶鋼重量は３００ｔ、取鍋内の浴深さ３．５ｍ、溶鋼温度は平均で１６５０℃、吹込み不活性ガスは室温であった。シングル・ポーラス・プラグの場合は、底吹き不活性ガス量を５００リットル（標準状態）／分で、上吹きランスからの不活性ガス量を３００〜７００リットル（標準状態）／分とした。大流量ポーラス・プラグの場合は、底吹き不活性ガス量を１０００リットル（標準状態）／分で、上吹きランスからの不活性ガス量を５００リットル（標準状態）／分とした。シングル・ポーラス・プラグの場合と大流量ポーラス・プラグのいずれの場合も、上吹きランスの浸漬深さ２．５ｍとした。また、ダブル・ポーラス・プラグの場合は、ポーラス・プラグ１個当たりの不活性ガス吹込み量を７５０リットル（標準状態）／分（すなわちプラグ２個の合計で１５００リットル（標準状態）／分）とし、上吹きランスからのガス吹き込みは行なわなかった。ここで、溶鋼３の撹拌動力密度（記号：ε）は、下記（１）式で、脱硫速度係数（ｋｓ）は、（２）式で表わす。

ε＝（３７１×Ｑ×Ｔｍ／Ｗｍ）×［ｌｎ（１＋（９．８×ρｍ×ｈ／Ｐ））＋（１−Ｔｇ／Ｔｍ）］ （１）
ε：動力密度（Ｗ／ｔ）、Ｑ：不活性ガスの合計流量（ｍ^３／ｓｅｃ（標準状態））、Ｔｍ：溶鋼の温度（Ｋ）、Ｗｍ：溶鋼の重量（ｔ），ρｍ：溶鋼密度（ｔ／ｍ３）、ｈ：上吹きガスについてはランス先端の溶鋼面からの距離（ｍ）で、底吹きガスについては溶鋼面から取鍋底までの距離（ｍ）、Ｐ：大気圧（ｋＰａ），Ｔｇ：不活性ガスの温度（Ｋ）
ｋｓ＝ｌｎ（［Ｓ］ｉ／［Ｓ］ｆ）／ｔｍ （２）
［Ｓ］ｉ：処理前溶鋼の硫黄濃度（質量％），［Ｓ］ｆ：処理終了後溶鋼の硫黄濃度（質量％），ｔｍ：処理時間（ｍｉｎ）
しかしながら、上記したような良好な結果ばかりでなく、一方で前記二本の上吹きランス６，８の破損が多くなるとか、蓋２への地金付着が多くなったり、加熱用電極４の折損が増えるという別の問題も生じた。これでは、マイナスの面が大きいので、操業が安定して行えず、さらに何らかの対策が切望される。
特開２００７−２６２４７１号公報

本発明は、かかる事情に鑑み、溶鋼加熱装置付きの取鍋精錬において、溶鋼撹拌に上吹きガスに加え、底吹きガスの吹き込みを併用しても、０．０００５ 〜０．００１４質量％という低硫黄濃度領域への脱硫が安定した操業状態で可能な溶鋼の脱硫方法及び脱硫装置を提供することを目的としている。

発明者は、上記目的を達成するため鋭意研究を重ね、その成果を本発明に具現化した。すなわち、本発明は、取鍋に、耐火物製蓋、溶鋼加熱手段、脱硫剤の吹き込み用上吹きランス及び溶鋼撹拌用ガスの上吹きランスを備えた取鍋精錬装置を用い溶鋼を脱硫するに際し、前記取鍋の底部から、多数の薄板状の流れで不活性ガスを吹き込み溶鋼を撹拌することを特徴とする溶鋼の脱硫方法である。

この場合、前記撹拌の動力密度を上吹き用の不活性ガス及び底吹き用の不活性ガスのそれぞれについて下記（１）式にて計算したものの合計で評価し、その値を６０〜１４０（Ｗ／ｔ）の範囲とするのが好ましい。
ε＝（３７１×Ｑ×Ｔｍ／Ｗｍ）×［ｌｎ（１＋（９．８×ρｍ×ｈ／Ｐ））＋（１−Ｔｇ／Ｔｍ）］ （１）
ここで、ε：動力密度（Ｗ／ｔ）、Ｑ：不活性ガスの合計流量（ｍ^３／ｓｅｃ（標準状態））、Ｔｍ：溶鋼の温度（Ｋ）、Ｗｍ：溶鋼の重量（ｔ），ρｍ：溶鋼密度（ｔ／ｍ３）、ｈ：上吹きガスについてはランス先端の溶鋼面からの距離（ｍ）で、底吹きガスについては溶鋼面から取鍋底までの距離（ｍ）、Ｐ：大気圧（ｋＰａ），Ｔｇ：不活性ガスの温度（Ｋ）
また、本発明は、取鍋に、耐火物製蓋、溶鋼加熱手段、脱硫剤の吹き込み用上吹きランス及び溶鋼撹拌用ガスの上吹きランスを備えた取鍋精錬装置において、前記取鍋の底部に、内部に保持した溶鋼の撹拌用ガスを吹き込むスリット状貫通孔を複数有する羽口を設けてなる溶鋼の脱硫装置である。

この場合、前記スリット状貫通孔を有する羽口の数を２個以下としたり、あるいは、前記スリット状貫通孔のスリットの短幅を０．２〜０．３ｍｍとしてなるのが好ましい。

本発明によれば、取鍋精錬において、二本のガス吹き込み用上吹きランスの破損、蓋への地金付着、及び加熱用電極４の折損が少ない状態で、硫黄濃度０．０００５〜０．００１４質量％という低硫黄濃度領域への脱硫操業が安定してできるようになる。

以下、発明をなすに至った経緯をまじえ、本発明の最良の実施形態を説明する。

まず、発明者は、底吹き羽口９（図３参照）としてポーラス・プラグを選択し、それを介して吹き込む撹拌用の不活性ガス１３の流量を増大させた場合の問題点、つまり二本の上吹きランス６，８の破損が多くなるとか、蓋２への地金付着が多くなったり、加熱用電極４の折損が増えるという現象について、原因を究明した。その結果、撹拌用の不活性ガス１３の溶鋼３中の流れである気泡の大きさが流量の少ないうちは小さいが、流量が増大すると、ポーラス・プラグから放出された直後に個々の気泡同士が合体して巨大なものになり、それが頻繁に溶鋼３中を高速で浮上するので、溶鋼３中に浸漬されている耐火物製の上吹きランス６，８へ大きな衝撃を与え、これら上吹きランスを破損すると結論した。また、溶鋼３の揺動（湯暴れと称する）が激しくなり、上吹きランス６，８と同様に溶鋼３に浸漬されている加熱用電極４に衝撃を与えて折損を招くばかりでなく、飛散する滴が蓋２の内面に付着して地金になる。

そこで、発明者は、溶鋼３中の撹拌用ガスの気泡の形状に着眼し、分散性が良くて合体が起きない気泡を生じるような底吹き羽口９を採用することが重要と考え、図１に示すように、耐火物体１１の中に、鉛直なスリット状貫通孔１０を多数有するものの利用を試みた。そのタイプの底吹き羽口９からは、ポーラス・プラグと異なり、薄板状で長さの比較的長い気泡が溶鋼３中に個別に放出されるからである。そして、撹拌用の不活性ガス１３の流量を５００リットル（標準状態）／分から１０００リットル（標準状態）／分に増大したところ、溶鋼３の流動がポーラス・プラグの場合に比べて小さく、上吹きランス６，８への衝撃が低減し、それらのランス寿命が改善されることが確認された。また、底吹き羽口９からの撹拌用ガスと上吹きランス６，８からのガスとの干渉により、溶鋼３の揺動（前記の湯暴）が抑制でき、蓋２ヘの地金付きや加熱用電極４の折損頻度も低減した。

本発明は、これらの知見に基づき完成されたもので、具体的には、取鍋１に、耐火物製蓋２、溶鋼加熱手段４、脱硫剤の吹き込み用上吹きランス６及び溶鋼撹拌用ガス１３の上吹きランス８を備えた取鍋精錬装置を用いて溶鋼３を脱硫するに際し、前記取鍋１の底部から、多数の薄板状の流れで不活性ガス１３を吹き込み溶鋼３を撹拌することを特徴とする。このようにすると、前記したポーラス・プラグを採用した場合に生じたような巨大な気泡の形成が防止され、前記した上吹きランス６，８の破損等の現象が起きず、安定した操業が達成できるのである。

ここで、溶鋼３の加熱手段としては、アーク加熱を行う加熱用電極４に限らず、燃料ガスによる加熱を可能にするバーナーや間接加熱になるが電熱ヒータ等を利用しても良い。

そして、本発明では、撹拌動力密度が従来より増加したが、前記撹拌の動力密度を上吹き用及び底吹き用の不活性ガス１３の合計で評価し、その値を６０〜１４０（Ｗ／ｔ）の範囲とするのが好ましい。ただし、前記動力密度（ε）は前記（１）式による。

撹拌動力密度が６０Ｗ／ｔ未満では、脱硫効率が従来に比してさほど向上しないし、１４０Ｗ／ｔ超えでは、気泡が薄板状であっても、溶鋼３の揺動が激しくなり、前記した種々の問題が再発し、安定操業が難しくなるからである。

また、発明者は、脱硫装置としての発明もなし、具体的には、取鍋１に、耐火物製蓋２、溶鋼加熱手段４、脱硫剤の吹き込み用上吹きランス６及び溶鋼撹拌用ガスの上吹きランス８を備えた取鍋精錬装置において、前記取鍋１の底部に、内部に保持した溶鋼３の撹拌用ガスを吹き込むスリット状貫通孔１０を複数有する底吹き羽口９を設けてなる溶鋼３の脱硫装置を提案する（図３及び図１参照）。

ここで、スリット状貫通孔１０を有する底吹き羽口９としては、本発明では特に限定しない。いかなる形状であっても、耐火物体１１に鉛直方向に向かうスリット状貫通孔１０が一定の間隔で設けられてあれば良いからである。例えば、前記図１（ａ）及び（ｂ）に示したように、断面視で円形であり、スリット状貫通孔１０が耐火物体１１の中心に放射状で配設されたものが利用できる。なお、羽口を構成する耐火物体１１としては、使用実績のあるハイアルミナ質系耐火物、アルミナ・マグネシア系耐火物あるいはマグネシア・クロミア系耐火物が良い。

また、本発明では、前記スリット状貫通孔１０を有する底吹き羽口９の数を２個以下とするのが好ましい。取鍋１の底部を構成する耐火物を保護する観点から、本発明では２個を超えないようにする。

転炉から出鋼した溶鋼を図１及び図３に示した本発明に係る脱硫装置、つまり取鍋１にスリット状貫通孔１０を多数有する底吹き羽口９を１個配設し、脱硫を多数チャージ行った。その際の対象とした溶鋼の目標成分組成は、炭素：０．０５〜０．１０質量％、珪素：０．０１〜１．２０質量％、マンガン：１．００〜１．６０質量％、燐：０．０１〜０．０２５質量％、硫黄：０．０００５〜０．００１４質量％であった。一方、比較のため、底吹き羽口をポーラス・プラグとした操業も同様な平均組成の溶鋼に対して実施した。なお、操業中の溶鋼３の温度は、加熱用電極４を利用したアーク加熱を行い、平均で１６５０℃に維持した。なお、溶鋼重量は３００ｔ、取鍋内の浴深さ３．５ｍ、吹込み不活性ガスは室温であった。シングル・ポーラス・プラグの場合は、底吹き不活性ガス量を５００リットル（標準状態）／分で、上吹きランスからの不活性ガス量を７００リットル（標準状態）／分とした。スリット・プラグの場合は、底吹き不活性ガス量を１０００リットル（標準状態）／分で、上吹きランスからの不活性ガス量を５００又は７００リットル（標準状態）／分とした。シングル・ポーラス・プラグの場合とスリット・プラグのいずれの場合も上吹きランスの浸漬深さを２．５ｍとした。また、ダブル・ポーラス・プラグの場合は、ポーラス・プラグ１個当たりの不活性ガス吹込み量を７５０リットル（標準状態）／分（すなわち、２個の合計で１５００リットル（標準状態）／分）とし、上吹きランスからのガス吹込みは行なわなかった。主な操業条件と操業成績を表１に一括して示す。

表１の脱硫効率は、操業前後の溶鋼中硫黄濃度の差を、操業前の溶鋼中硫黄濃度に対する百分率で表した値である。

表１より、本発明によれば、操業の目標とする硫黄濃度が０．０００５〜０．００１４質量％と低い領域であっても、トラブルなく安定した操業の下で、脱硫効率が７５〜８５％と高く維持できることが確認された。これに対して、底吹き羽口９にポーラス・プラグを採用した場合には、脱硫効率は、本発明の場合に遜色しないが、上吹き羽口ランスの破損による交換、蓋の地金取り等のため、操業の中断が多く、安定操業ができなかった。また、本発明によれば、処理時間の短縮によるユーティリティ削減や、その後の連続鋳造工程での連々鋳アップによる溶鋼歩留の向上も達成できるという副次効果も期待される。

本発明に係る溶鋼の脱硫装置に利用できるスリット状貫通孔を多数有する底吹き羽口の一例を示す図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は平断面図である。 所謂「ＮＫ−ＡＰ法」を実施する取鍋精錬装置を示す側面図である。 本発明に係る溶鋼の脱硫方法の実施に用いる取鍋精錬装置示す側面図である。 図２の取鍋精錬装置に底吹き羽口としてポーラス・プラグを配設し、脱硫操業を試みた結果を示す図である。

符号の説明

１ 取鍋
２ 蓋
３ 溶鋼
４ 加熱用電極
５ フラックス（脱硫剤等）
６ 不活性ガスを吹き込む上吹きランス
７ スラグ
８ 溶鋼及びスラグの撹拌用ガスを吹き込む上吹きランス
９ 底吹き羽口
１０ スリット状貫通孔
１１ 耐火物体
１２ 金属製の外皮
１３ 不活性ガス
１４ 副原料（造滓剤等

Claims (5)

1. 取鍋に、耐火物製蓋、溶鋼加熱手段、脱硫剤の吹き込み用上吹きランス及び溶鋼撹拌用ガスの上吹きランスを備えた取鍋精錬装置を用い溶鋼を脱硫するに際し、
   前記取鍋の底部から、多数の薄板状の流れで不活性ガスを吹き込み溶鋼を撹拌することを特徴とする溶鋼の脱硫方法。
2. 前記撹拌の動力密度を上吹き用の不活性ガス及び底吹き用の不活性ガスのそれぞれについて下記（１）式にて計算したものの合計で評価し、その値を６０〜１４０（Ｗ／ｔ）の範囲とすることを特徴とする請求項１記載の溶鋼の脱硫方法。
   ε＝（３７１×Ｑ×Ｔｍ／Ｗｍ）×［ｌｎ（１＋（９．８×ρｍ×ｈ／Ｐ））＋（１−Ｔｇ／Ｔｍ）］ （１）
   ここで、ε：動力密度（Ｗ／ｔ）、Ｑ：不活性ガスの合計流量（ｍ^３／ｓｅｃ（標準状態））、Ｔｍ：溶鋼の温度（Ｋ）、Ｗｍ：溶鋼の重量（ｔ），ρｍ：溶鋼密度（ｔ／ｍ３）、ｈ：上吹きガスについてはランス先端の溶鋼面からの距離（ｍ）で、底吹きガスについては溶鋼面から取鍋底までの距離（ｍ）、Ｐ：大気圧（ｋＰａ），Ｔｇ：不活性ガスの温度（Ｋ）
3. 取鍋に、耐火物製蓋、溶鋼加熱手段、脱硫剤の吹き込み用上吹きランス及び溶鋼撹拌用ガスの上吹きランスを備えた取鍋精錬装置において、
   前記取鍋の底部に、内部に保持した溶鋼の撹拌用ガスを吹き込むスリット状貫通孔を複数有する羽口を設けてなる溶鋼の脱硫装置。
4. 前記スリット状貫通孔を有する羽口の数を２個以下としてなることを特徴とする請求項３記載の溶鋼の脱硫装置。
5. 前記スリット状貫通孔のスリットの短幅を０．２ 〜０．３ｍｍとしてなることを特徴とする請求項３又は４のいずれか記載の溶鋼の脱硫装置。

Images