JP2011202236A

JP2011202236A - 転炉の上吹きランス及び転炉の操業方法

Info

Publication number: JP2011202236A
Application number: JP2010071052A
Authority: JP
Inventors: Yuki Tokura; 祐紀十倉; Goro Okuyama; 悟郎奥山; Hisashi Ogawa; 尚志小川; Masaki Koizumi; 正樹小泉; Masanori Nishigori; 正規錦織
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2010-03-25
Filing date: 2010-03-25
Publication date: 2011-10-13

Abstract

【課題】本発明は、転炉の内壁に付着した地金の一部を過溶解させず、付着地金の厚みを円周方向で均一に減らし、常に炉内の平断面形状を均一に維持可能な上吹きランス及び転炉の操業方法を提供することを目的としている。
【解決手段】溶銑又は溶鋼を保持した転炉の上方及び炉底より酸化性ガスを吹き込む上底吹き転炉に利用され、酸化性ガスの流路を形成する水冷ジャケットと、該酸化性ガス流路の先端に複数本の該ガスを噴射させるノズルとを備えた円筒状の上吹きランスを改良した。その改良は、前記複数本のノズルとして、平面視で、該ランスの中心に対して同一距離の点対称の位置に一対の急拡大ノズルを配置し、別の少なくとも複数対の位置にストレートノズルを配置するようにしたのである。この場合、前記ノズルのそれぞれ隣接する位置が、前記ランス先端の平面視での同心円上にほぼ等しい距離で離隔しているのが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、転炉の上吹きランス及び転炉の操業方法に係わり、特に、炉内に保持した溶銑又は溶鋼（以下、「溶湯」と称する）の上下より酸化性ガスを吹き付け及び吹き込む方式の転炉（「複合転炉」と称する）で該溶湯の脱炭精錬を行うに際し、上方からの酸素吹き付けに使用する上吹きランスの構造並びに該転炉の操業技術に関する。

図２（ａ）に示すように、転炉の上下より酸化性ガスを吹き込み、溶湯が含有する炭素を酸化除去する所謂「脱炭精錬」を行う前記複合転炉１（以下、単に「転炉」ともいう）では、炉底に設けた底吹き羽口２より炉内に吹込む酸素ガスのジェットの噴射力、あるいは脱炭精錬によって発生するＣＯガスの気泡の破裂等に起因して、溶湯がフリーボード部３（溶湯浴面より上方の炉内空間）内で飛散する。その結果、飛散した溶湯４の一部が該フリーボード部３の内壁耐火物５に地金６として付着する。また、転炉１では、出鋼、排滓、スラグコーティング等の便宜を図るため炉体を傾動させたり、揺動させる必要があるので、図２（ａ）及び（ｂ）に示したようなトラニオン軸７を設けてあるが、その傾動・揺動する方向（図中の矢印）は、平面視でトラニオン軸７と垂直な方向８である。従って、トラニオン軸７と垂直な方向８の壁に付着している地金に溶湯の一部が重なって付着し、地金はさらに厚みを増すことになる。

かかる付着地金のうち、該転炉１の比較的底部に近い位置（例えば、直胴部９や絞り部１０の下部）に付着したものは、溶湯浴面からの輻射熱等によって再溶解し、容易に浴中に戻る。ところが、炉口の直下から絞り部１０の上部にかけての領域に付着したものは、浴面から離隔しているため再溶解せずに残存し、操業ヒート（チャージともいう）を多数回繰り返すうちに肥大し、著しい時には、地金６の厚みは炉内の直径（約６ｍ程度）に対して１ｍにもなる。このように炉口部の直下及びその近傍の付着地金が肥大してくると、炉内への原材料の装入作業に支障が生じるばかりでなく、精錬中に再溶解しないと溶鋼になる鉄歩留まりの低下や溶鋼の成分バラツキという問題を起こす。

そこで、従来より、付着地金を精錬中に除去する技術が研究・開発され、いくつかの提案がなされている。

その一つとして、詳細は後述するが、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、酸化性ガスを供給する１本の筒体（以下、「上吹きランス１１」という）の先端に、酸素通路の断面形状が異なる二種のガス吹きノズル１２，１３をそれぞれ２個ずつ備えて、フリーボード部３内での酸素ガスの広がりを制御してＣＯガスの二次燃焼領域を広げ、生産能率を低下させることなく、付着地金を除去する技術がある（特許文献１参照）。

つまり、転炉の脱炭精錬では生じる下記の（１）式及び（２）式の反応のうち、
Ｃ＋１／２・Ｏ_２→ＣＯ・・・（１）
ＣＯ十１／２・Ｏ_２→ＣＯ_２・・・（２）
（２）式による二次燃焼の反応熱の方が（１）式の一次燃焼の反応熱に比べて２．５倍の熱量を持つため、（２）式の反応熱を有効に利用して地金溶解を行うことに着眼したものである。

具体的には、転炉１に保持した溶銑に、炉底羽口２を介して酸化性ガスを吹き込み脱炭精錬するに際して、前記転炉１の上方からそのフリーボード部３の上部に、平面視で、該転炉１のトラニオン軸７に沿う方向には、ストレートノズル１２の先端が、地金６の付着量が多い該軸に垂直な方向８には急拡大ノズル１３の先端が位置するように、合計で４本のノズルを備えた上吹きランス１１を挿入すると共に、各ノズルから酸素ガス１６を噴射させ、炉口部に近くに付着する地金６を溶解して脱炭精錬中の上記溶銑に流下させる地金６の除去方法である（図５参照）。

ここで、ストレートノズル１２（記号：○）とは、すでに図３（ａ）に示したように、噴射する酸素ガス１６の通路の断面が円形で、直径が一定のものである。また、ラバールノズル１７とは、図４に示すように、前記通路の上流側から下流側にむけて直径が長さ方向に増加する形状のものであり、この形状により、ノズル出口での酸素ガス流速は超音速に高められる。さらに、急拡大ノズル１３（記号：◎）とは、図３（ａ）に示したようなランス内の酸素通路に連通する円筒状の絞り部１８と、該絞り部の直径に対して急拡大した直径を有する拡大孔１９を有するものである。この急拡大ノズル１３によれば、絞り部１８で圧縮された酸素ガス１６は、急拡大孔で体積が膨張し、ガス流の内部に乱流を発生させると共に、流速を急低下させる。その結果、酸素噴流は、溶湯の浴面にまで達するのが難しく、そこへ巻き込むＣＯガスの量が増えて、前記二次燃焼の比率を向上させるのである。そして、この特許文献１の技術によれば、図５に示すように、確かに、生産能率を低下させることなく、付着地金を除去することができるようになった。なお、上吹きランス１１の急拡大ノズル１３を転炉のトラニオン軸と垂直な方向８に位置させるのは、その方向に地金６の付着量が多いからである。

ところが、最近、転炉操業に、この特許文献１記載の地金除去技術を適用しても、フリーボード部３の部位によっては過度に地金６が溶解し、その部位の内壁耐火物５までも損傷する傾向が見られる。つまり、その技術で操業を続けると、転炉１の寿命が短くなるという問題が生じるので、特許文献１記載の付着地金の除去方法を改良することが熱望されている。

特開２００３−２７７８２０号公報

本発明は、かかる事情に鑑み、転炉の内壁に付着した地金の一部を過溶解させず、付着地金の厚みを円周方向で均一に減らし、常に炉内の平断面形状を均一に維持可能な上吹きランス及び転炉の操業方法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、特許文献１記載の技術を採用した転炉操業を詳細に検討した。その結果、炉へ供給される全酸素量に対する上吹き酸素量の占める比率が３０体積％を超えて増加するに伴い、付着した地金は不均一に過溶解し、過溶解が起きた部分の内壁耐火物５を溶損する傾向があることを確認した。そこで、上吹きランス１１の構造及び配置に再度着眼して、地金６の不均一な過溶解を起こさせないような対策を鋭意検討し、その成果を本発明に具現化したのである。

すなわち、本発明は、溶銑又は溶鋼を保持した転炉の上方及び炉底より酸化性ガスを吹き込む上底吹き転炉に利用され、酸化性ガスの流路を形成する水冷ジャケットと、該酸化性ガス流路の先端に複数本の該ガスを噴射させるノズルとを備えた円筒状の上吹きランスであって、前記複数本のノズルとして、平面視で、該ランスの中心に対して同一距離の点対称の位置に一対の急拡大ノズルを配置し、別の少なくとも複数対の位置にストレートノズルを配置してなることを特徴とする転炉の上吹きランスである。この場合、前記各ノズルのそれぞれの隣接する位置が、前記ランス先端の平面視での同心円上にほぼ等しい距離で離隔してなるのが好ましい。また、前記ストレートノズルに代え、ラバールノズルとしても良い。さらに、本発明は、溶銑又は溶鋼を保持した転炉の上方及び炉底より、全酸素量に対する上吹き酸素量が３０体積％以上として酸化性ガスを吹き込み操業するに際して、前記のいずれかに記載の上吹きランスを使用すると共に、該ランス先端の急拡大ノズルの位置を、上記転炉のトラニオン軸に垂直な方向にして、酸化性ガスを吹き込むことを特徴とする転炉の操業方法である。

本発明により、複合転炉において炉へ供給する全酸素量の上吹き酸素比率を３０体積％以上に増加させて操業を行っても、付着地金の除去が炉の円周方向で均一に行われ、且つ内壁耐火物の溶損をさせることなく操業することが可能となる。

本発明に係る転炉の上吹きランスの先端に備えたノズルの平面配置を模式的に示す図である。従来の複合転炉による操業状況を説明する模式図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は平面図である。従来の上吹きランスの先端を説明する模式図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は平面図である。ラバールノズルを備えた上吹きランスの先端を説明する縦断面図である。従来の上吹きランスを用いて操業した後の転炉での地金付着状況を示す模式図である。比較例の結果を説明する図であり、（ａ）は使用した上吹きランスでのノズル配置を示し、（ｂ）は操業後の地金の付着状況を示す。本発明例の結果を説明する図であり、（ａ）は使用した上吹きランスでのノズル配置を示し、（ｂ）は操業後の地金の付着状況を示す。

以下、本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、複合転炉の操業において、炉へ供給する全酸素量のうち上吹き酸素の比率が３０体積％以上になるのは、転炉へ装入する鉄源として溶銑に加える冷鉄源のスクラップの使用量が、平均して従来の５質量％程度より１０質量％程度に増加したためと考察した。つまり、最近は、鉄鉱石の購入に関する事情、資源の再利用等の観点からスクラップの使用量が増加する傾向にある。そして、増加したスクラップの迅速な溶解を達成するには、上吹き酸素量を増加しなければならないが、上吹きランスからの酸素噴流が増えると、二次燃焼帯が円周方向で不均一に広がり過ぎて、炉壁近傍の雰囲気温度（１８００〜１９００℃）がさらに高まる所ができ、その部位で内壁耐火物まで溶損する現象が起きてしまうと考えた。

そこで、発明者は、対策として、ノズル配置に着眼し、酸素噴流が広がらず、且つ炉円周方向において、できるだけ均一な温度分布を呈する二次燃焼帯を形成させることを検討したのである。つまり、特許文献１記載の技術では、１本の上吹きランスに備えたノズル数は、合計で４本であり、平面視で転炉のトラニオン軸と垂直な方向に２個の急拡大ノズルを配置しているが、当該２個の急拡大ノズルの間にそれぞれ１個のラバールノズル及び／又はストレートノズルしか配置されていない。これでは、ノズル数が少なく、酸素量を増やすと酸素の広がりが円周方向で均一にならないと考えた。本出願人が先に開示した特許文献１では、ノズル数の増加は示唆してはいるが、具体的に例示されておらず、また試行されてもいない。

そこで、発明者は、２個の急拡大ノズルの間に、同一円周上に配置するラバールノズル及び／又はストレートノズルの数を複数対で増加することにしたのである。つまり、本発明は、前記複数本のノズルとして、平面視で、該ランスの中心に対して同一距離の点対称の位置に一対の急拡大ノズルを配置し、別の少なくとも複数対の位置にラバールノズル及び／又はストレートノズルを配置するようにしたのである。このことを、図１にノズル数の合計が６個の場合で例示した。それによると、転炉のトラニオン軸７と垂直な方向８には従来通り、急拡大ノズル１３を２個を配置するが、その他４個のノズルについては、ラバールノズル１７及び／又はストレートノズル１２を配置する。

このような配置にすると、この急拡大ノズルにおいて、縮小部での見かけのガス吐出流速を拡大部で低減することが可能となり，ストレートノズル及び／又はラバールノズルはノズル出口で超音速のガス流速に到達することが可能となるので、ランス周囲からの空気の巻き込みを防ぎ、上吹き酸素量の比率が増えても、ランスから下方に伸びる真空帯を形成し、全体で円周方向で均一な二次燃焼帯が形成されるのである。

また、発明者は、さらなる改良を加え、前記６孔の種類の異なるノズルを同一円周上で等間隔に配置するようにした。具体的には、各ノズル間の回転角（ランスの平面視で、急拡大ノズル位置から時計回りに測定する角度）をほぼ一定値にして互いの間隔を調整するのである。従って、この場合の一定値は、２個の急拡大ノズルの間に設けるストレートノズル及び／又はラバールノズルの対数に応じて変化することになる。なお、本発明では、その対数は、２対に限らず、３〜５対程度まで増加しても良い。５対を上限としたのは、ランスの直径の制約があるからである。その場合、実用上の必要性に応じて、上吹きランスの直径を増加するのが好ましい。

このようなノズル配置にすると、ノズル孔からの酸素噴流は互いに引き寄せられ合って溶銑浴面にまで到達する。そのため、二次燃焼帯は炉内で広がらず、炉内部の円周方向で地金を均一に溶解し、内壁耐火物の溶損を引き起こさないようになる。

そして、発明者は、かかるノズルの配置を施した上吹きランスを用いて、実際に転炉操業を行い、その有効性を確認し、そのような操業方法も本発明に加えることにしたのである。つまり、本発明は、溶銑又は溶鋼を保持した転炉の上方及び炉底より、全酸素量に対する上吹き酸素量が３０体積％以上として酸化性ガスを吹き込み操業するに際して、前記本発明に係る上吹きランスを使用すると共に、該ランスの急拡大ノズルの位置を、上記転炉のトラニオン軸に垂直な方向にして、酸化性ガスを吹き込むものである。

容量３５０トンの複合転炉１（炉底内径：６ｍ）に、１対の急拡大ノズル、２対のストレートノズル及び／又はラバールノズルを備えた上吹きランス１１を上架し、付着した地金６の溶解及びスクラップに対する熱補償するような操業を行った。利用した当該上吹きランスのサイズは、外径が５００ｍｍφで、長さ２１ｍである。主鉄源は、予め予備処理脱燐処理を施した１２００〜１２６０℃の溶銑であり、補助鉄源としてスクラップを全鉄源量に対して１０質量％になるよう添加した。操業は、本発明に係る上吹きランスを用いた本発明例１、本発明例２及びノズルの配置が本発明に係る上吹きランスの条件に一致しない比較例で行い、いずれにおいてもそれぞれ１００チャージ実施した。この時の操業条件は、底吹き酸素が７００ｍ^３／ｍｉｎ（標準状態）、上吹き酸素が３５０ｍ^３／ｍｉｎ（標準状態）である。また、ランスの先端位置は、炉口からの距離が０〜２ｍの範囲内となるように設定した。操業結果を表１に一括して示す。ここで、上吹き総送酸素量のうち二次燃焼に寄与する酸素量の割合を二次燃焼寄与率とした。

表１より明らかなように、比較例では、トラニオン軸７と垂直方向８を基準に、回転角を３５°ごとにラバールノズル１７を４個配置したものである。そして、ラバールノズル１７対の配置が等間隔から大幅にずれているため、二次燃焼帯の均一化に失敗したためか、付着地金６を一部過溶解し、その部位での内壁耐火物を溶損させてしまった（図６（ａ）及び（ｂ）参照）。これに対し、本発明例１及び２では、回転角を５５°ごとにして、ラバールノズル１７を４個配置した上吹きランス１１で操業した。円周方向のいずれの部位でも、図７（ａ）及び（ｂ）に示すように、内壁耐火物の保護に適切な厚み３００ｍｍ程度の地金付着量を確保することができた。これは、ノズルを等間隔に配置することで空気の巻き込みを防ぎ、酸素噴流の広がりを抑制し、ハードブロー化したことによる。また、これにより、比較例に比べ二次燃焼寄与率が３５％と低く、また吹錬時間が１７．４分と短くなる結果となった。

１複合転炉
２底吹き羽口
３フリーボード部
４溶湯
５内壁耐火物
６地金
７トラニオン軸
８平面視でトラニオン軸に垂直な方向
９直胴部
１０絞り部
１１上吹きランス
１２ストレートノズル
１３急拡大ノズル
１４酸素ガスの供給路
１５冷却水路
１６酸素ガス
１７ラバールノズル
１８絞り部
１９急拡大部

Claims

溶銑又は溶鋼を保持した転炉の上方及び炉底より酸化性ガスを吹き込む上底吹き転炉に利用され、酸化性ガスの流路を形成する水冷ジャケットと、該酸化性ガス流路の先端に複数本の該ガスを噴射させるノズルとを備えた円筒状の上吹きランスであって、
前記複数本のノズルとして、平面視で、該ランスの中心に対して同一距離の点対称の位置に一対の急拡大ノズルを配置し、別の少なくとも複数対の位置にストレートノズルを配置してなることを特徴とする転炉の上吹きランス。
前記ノズルのそれぞれ隣接する位置が、前記ランス先端の平面視での同心円上にほぼ等しい距離で離隔してなることを特徴とする請求項１記載の転炉の上吹きランス。
前記ストレートノズルに代え、ラバールノズルとすることを特徴とする請求項２記載の転炉の上吹きランス。
溶銑又は溶鋼を保持した転炉の上方及び炉底より、全酸素量に対する上吹き酸素量が３０体積％以上として酸化性ガスを吹き込み操業するに際して、
前記の請求項１〜３のいずれかに記載の上吹きランスを使用すると共に、該ランス先端の急拡大ノズルの位置を、上記転炉のトラニオン軸に垂直な方向にして、酸化性ガスを吹き込むことを特徴とする転炉の操業方法。