JP2013057104A - 転炉吹錬時における酸素上吹きランスへの地金の付着防止方法 - Google Patents

Abstract

【課題】酸素上吹きランスから予備脱燐処理された溶銑に酸素を吹き付けて溶鋼を製造する際の、酸素上吹きランスへの地金・スラグの付着を効果的に防止する。
【解決手段】酸素上吹きランス１を有する転炉型精錬炉に予備脱燐処理を施された溶銑を装入し、酸素上吹きランス１から溶銑に酸素を吹き付けて溶鋼を製造する際の、酸素上吹きランスへの地金の付着を防止する方法である。先端側の地金付着が集中する部分に、０．５°以上のテーパ部１ａを形成すると共に、吹錬時に転炉内に挿入する部分の外表面には、Al拡散浸透表面処理を施し、かつ、このAl拡散浸透表面処理の表面にさらにセラミックス層を形成した酸素上吹きランス１を使用する。
【効果】ダストやスピッティングの発生が激しく、地金が付着するトラブルの発生も多い予備脱燐溶銑に、酸素を吹き付けて溶鋼を製造する際の、酸素上吹きランスへの地金・スラグの付着を効果的に防止できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、酸素上吹きランスを有する転炉型精錬炉において、吹錬中にスラグ層内に浮遊または飛散している溶鋼が、地金として酸素上吹きランスに付着するのを防止する方法に関するものである。

転炉の吹錬は、転炉炉口の直上から炉内に挿入した酸素上吹きランスの先端から転炉内の溶銑に向けて高圧酸素を吹付けることによって、溶銑中の不純物である炭素、ケイ素、リン等を酸化させて、COガスやスラグとして除去するものである。

この吹錬に際し、転炉内の溶銑に吹き付ける酸素は超音速レベルであるため、転炉内に高温のスラグが生成されてフォーミングし、その中に多量の溶鋼滴が浮遊するのと共に、多量の溶鋼粒およびスラグ粒が飛び交っている状態になる。

前記の溶鋼滴や溶鋼粒がスラグと共に内部が水冷されている酸素上吹きランスに接触すると、酸素上吹きランスの表面で固化することになる。固化した溶鋼やスラグの量が少ない場合は、それらは酸素上吹きランスの表面で直ちに冷却されて収縮し、付着力が小さくなって自重により自然に落下する場合が多い。

しかしながら、自然に落下しなかった場合には、それらの溶鋼やスラグは酸素上吹きランスの表面に固着して、いわゆる付着地金となる。一旦、付着地金が生成されると、吹錬を繰り返す間に新たな地金がさらにその上に堆積して次第に大きくなり、酸素上吹きランスを大きく覆うようになる場合がある。

そうすると、溶鋼およびスラグ粒の付着により酸素上吹きランスの重量が大きくなり、酸素上吹きランスの上昇移動が困難になったり、酸素上吹きランスに付着した地金を除去する作業が生じたりする。従って、できる限り付着地金を少なくすることが望まれている。

その上、近年では、製鋼工程での高能率、高品質、さらに地球環境への対応が強く要請されていることから、溶銑予備脱燐処理の比率が上昇し、転炉吹錬での脱燐工程が省略され、脱炭工程のみに特化する傾向が見られる。

この製鋼工程で予備脱燐された溶銑（以下、予備脱燐溶銑という。）を転炉吹錬により脱炭処理する際には、脱燐負荷が軽減されるので、単位時間当たりの酸素供給流量を増やすことによって吹錬時間を短縮できると考えられる。

しかしながら、予備脱燐溶銑中にはSiが殆ど含有されていないために、転炉吹錬での脱炭では酸素供給に伴うSiO₂の生成が無く、なんらかの工夫をしないとダスト発生量が夥しく、またスピッティングも激しいことが知られている。

従って、転炉吹錬による予備脱燐溶銑の脱炭処理では、ダストやスピッティングの発生が激しく、また、上吹き酸素ランスに地金が付着するトラブルの発生も多いために、思うように吹錬時間を短縮するには課題が残っている。

スピッティングの抑制と共に酸素上吹きランスに地金が付着するトラブルを減少させるためには、早期にスラグを生成させることが有効と考えられ、そのために例えばSiO₂とMgOを主成分とするかんらん岩を添加する方法が提案されている（特許文献１）。

しかしながら、特許文献１で提案された方法は、かんらん岩を余分に使用することになるので、スラグ生成量が多くなってしまうという問題がある。従って、特許文献１で提案された方法と併せて、或いは特許文献１で提案された方法とは別に、上吹き酸素の吹付けにより発生する溶鋼粒が酸素上吹きランスの表面に接触して固着し、それが付着地金として成長することを防止する方法の開発が強く望まれている。

そこで、転炉吹錬用の酸素上吹きランスに地金が付着するのを防止するための種々の方法が、従来から提案されている。

例えば特許文献２では、転炉の非吹錬時に酸素上吹きランスを上昇させる段階で、槌打装置により酸素上吹きランスを反復して叩いて付着物を落とした後、酸素上吹きランスを下降する段階で、地金の剥離剤を酸素上吹きランスの表面に吹付ける方法を提案している。

この特許文献２で提案された方法によれば、剥離剤の吹付け作業を転炉の非吹錬時に行うことができ、また短時間で行えるので、非吹錬時の度に実施することができる。しかしながら、剥離剤（アルミナ系耐火物粉等）のコストが高く、剥離剤が剥がれてしまうと地金付着を防止する効果が無くなるので、恒久的な対策とは言えない。

また、特許文献３では、転炉吹錬中の酸素上吹きランスへの地金付着を防止し、さらに付着した地金が自重で落下し易いように、地金付着が集中する部分に先端側が細くなるテーパ部を設け、かつ、酸素上吹きランスの外表面にCrめっき等を施す方法が提案されている。

特許文献３で提案された方法は、地金付着の減少に有効ではあるが、その効果は地金付着による転炉操業への悪影響を解消するまでには至っていない。

酸素上吹きランスの外表面へのアルミナ系耐火物粉吹付け（特許文献２）やCrめっき処理（特許文献３）に代えて、特許文献４に記載されているような、鋼管外面のAl浸透処理を施したり、さらにAl浸透処理層の表面に耐火物被覆を施すことも考えられる。

しかしながら、特許文献４に記載の発明は、電気炉でのスクラップ溶断時等における酸素吹精管の消耗速度減少を課題とするものであり、内部水冷により繰返し使用を前提としている転炉吹錬用酸素上吹きランスの地金付着防止とは、プロセスも課題も異なる。

特開平１１−６１２２２号公報 特開平４−７２００８号公報 特開２００２−３０３２３号公報 特開昭６１−２１３３６７号公報

本発明が解決しようとする問題点は、従来の転炉吹錬用酸素上吹きランスへの地金付着防止方法は、恒久的な対策とは言えなかったり、地金付着による転炉操業への悪影響を解消するまでには至っていないという点である。

本発明は、酸素上吹きランスを有する転炉型精錬炉において、予備脱燐溶銑の脱炭吹錬中にスラグ層内に浮遊し、または飛散している溶鋼が酸素上吹きランスへ地金として付着するのを効果的に防止することを目的とするものである。

そこで、特許文献３に記載された、地金付着が集中する部分に先端側が細くなるテーパ部を設けた圧力配管用炭素鋼鋼管製の酸素上吹きランス（以下、テーパランスという。）をベースとして、その外表面に施されたCrめっきに代わる適切な表面処理について検討を行った。

外表面処理としては、一般的にCrめっきのほか、アルミナ系耐火物の吹付けやアルミナ溶射処理、Al拡散浸透処理、さらにAl拡散浸透処理層の表面にセラミックス層を形成させる処理などが知られている。

しかしながら、転炉吹錬用酸素上吹きランスのように、鋼管の内面は水冷される一方、外面は１２００〜１７００℃の雰囲気に晒されつつスラグや溶鋼の飛沫を浴び、しかも８〜１６分間の使用を長期間断続的に繰り返すという苛酷な条件下では、従来のCrめっきやアルミナ系耐火物の吹付けではスラグや溶鋼飛沫のランス外表面への付着を十分に防止することができなかった。

また、吹錬に伴うランス外表面の温度変化幅が極めて大きいほか、テーパランスは単なる鋼管と比べて形状がやや複雑であるため、外表面処理の適性に関しテーパランスに特有の課題も有り得る。

そこで、０．５°以上のテーパをつけたテーパランスを対象として、ランスの先端から吹錬時に転炉内に挿入している部分の外表面に、表面処理を行わない場合のほか、Crめっき、アルミナ溶射処理、Al拡散浸透処理、Al拡散浸透処理層の表面にさらにセラミックス層（セラミックスコーティング）形成処理の４種類の表面処理を施し、実際に酸素上吹きランスを有する転炉型精錬炉に予備脱燐溶銑を装入し、脱炭吹錬に用いて表面処理の効果を比較検討した。

その結果、本発明を次のように完成することができた。
本発明の転炉吹錬時における酸素上吹きランスへの地金の付着防止方法は、
酸素上吹きランスを有する転炉型精錬炉に予備脱燐溶銑を装入し、酸素上吹きランスから予備脱燐溶銑に酸素を吹き付けて溶鋼を製造する際の、酸素上吹きランスへの地金の付着を防止する方法であって、
先端側の地金付着が集中する部分に、下記式で表されるθ₁が０．５°以上のテーパ部を形成すると共に、
吹錬時に転炉内に挿入する部分の外表面には、Al拡散浸透表面処理を施し、かつ、このAl拡散浸透表面処理の表面にさらにセラミックス層を形成した酸素上吹きランスを使用することを最も主要な特徴としている。
θ₁＝tan⁻¹｛（Ｘ₁−Ｙ₁）／（２×Ｚ₁）｝
但し、θ₁：テーパ部のテーパ角度（°）
Ｘ₁：テーパ部の大径側端部の直径（mm）
Ｙ₁：テーパ部の小径側端部の直径（mm）
Ｚ₁：テーパ部の軸方向長さ（mm）

本発明によれば、テーパ部の形成と、Al拡散浸透表面処理の表面にさらにセラミックス層を形成したことの相乗効果により、ダストやスピッティングの発生が激しく、地金が付着するトラブルの発生も多い予備脱燐溶銑に、酸素を吹き付けて溶鋼を製造する際の、酸素上吹きランスへの地金・スラグの付着を効果的に防止することができる。

先端側を断面して示した酸素上吹きランスの構成を説明する図である。 本発明方法に使用する、地金が集中する部分にテーパ部を形成した酸素上吹きランスを説明する図である。

本発明は、酸素上吹きランスから予備脱燐溶銑に酸素を吹き付けて溶鋼を製造する際の、酸素上吹きランスへの地金・スラグの付着を効果的に防止することを目的とするものである。

そして、前記目的を、先端側の地金付着が集中する部分にテーパ角度θ₁が０．５°以上のテーパ部を形成するのと共に、吹錬時に転炉内に挿入する部分の外表面に、Al拡散浸透表面処理にさらにセラミックス層を形成した酸素上吹きランスを使用することで実現する。

（転炉吹錬）
内部が水冷された酸素上吹きランスを有する転炉に予備脱燐処理された溶銑を装入後、溶銑に酸素上吹きランスから酸素ガスを吹き付けて、Ｃ含有濃度１．１質量％以下の溶鋼を製造する。

上吹き酸素流量は溶鋼１トン当たり２．０〜３．５Nm³／minで、１回の吹錬で１２〜１６分間吹付ける。酸素吹付け開始前の溶銑温度は１２００〜１４００℃であり、酸素吹付け終了時（吹錬終了時）の溶鋼温度は１６２０〜１７２０℃である。

吹錬に際して生石灰などのCaO含有物質を溶鋼１トン当たり１４〜２５kg添加するほか、珪砂などのSiO₂含有物質を溶鋼１トン当たり３〜６kg添加して、吹錬終了時にはスラグを溶鋼１トン当たり３１〜５６kg生成させる。

このような吹錬を、同一の酸素上吹きランスを用いて１日当たり通常２５〜５０回行い、その同一ランスを少なくとも２０００回以上、できれば５０００回程度まで続けて使用する。

この間、酸素上吹きランスの外表面への地金付着は全く無いことが望ましいが、付着厚さが３０mm以下であれば容認して使い続けることができる。付着厚さが３０mmを超える等、酸素上吹きランスの昇降操作に支障が生ずるようになったら、そのランスの使用を中止して、別のランスに交換する。

（酸素上吹きランス）
基本的に、特許文献３に記載されているテーパランスを使用するが、具体的に今回の調査において本発明の対象とした形状は、次に示す通りである。

図１に示す吹錬用の酸素上吹きランス１の表面における地金付着が集中する部分に、図２に示すようなテーパ部１ａを１箇所設けた。そのテーパ部１ａは、大径側端部１ａａの直径（mm）をＸ₁、小径側端部１ａｂの直径（mm）をＹ₁、軸方向長さ（mm）をＺ₁とした場合、テーパ角度θ₁（＝tan⁻¹｛（Ｘ₁−Ｙ₁）／（２×Ｚ₁）｝）を０．５°以上にする。

テーパ角度θ₁を０．５°以上にしたのは、０．５°未満ではテーパをつけた効果が明確に現われないためである。このテーパ角度の上限は、内部水冷を要するランス構造の複雑化や強度低下を考慮すると、１０°程度以下が適当といえる。

ランス先端からテーパ部１ａの大径側端部１ａａまでの長さＬ₁は、転炉サイズやランスの先端と鋼浴面間距離等の操業条件に応じて変わり得るものであるが、一般的な地金付着位置の変動状況から考えると、４〜１０ｍ（９０ton／chクラスの転炉では４〜８m、３００ton／chクラスでは６〜１０m）が適当といえる。

なお、酸素上吹きランス１は外管１b、仕切管１c、内管１dから構成され、基端側で外管１bと仕切管１cの間に供給され、先端側でＵターンして仕切管１cと内管１dの間を通る冷却水によってランス本体を冷却する一方、内管１dの内部に供給された酸素ガスは先端側から噴出するようになっている。

（表面処理条件）
上記したテーパランスを対象として、その外表面の吹錬時に転炉内に挿入している部分のランス先端からの長さＬ₂の範囲にAl拡散浸透処理を施し、さらにその表面にセラミックス層形成処理（セラミックコーティング）を施したランスを用いる。その表面処理条件は、例えば特許文献４に記載されているものを用いればよい。

この表面処理を施すランス先端からの長さＬ₂も、転炉サイズやランス先端と鋼浴面間距離等の操業条件に応じて変わり得るものであるが、従来の地金付着位置の変動状況から考えると、４〜１０ｍ（９０ton／chクラスの転炉では４〜８m、３００ton／chクラスでは６〜１０m）が適当である。

但し、テーパ部１ａの大径側端部１ａａ（テーパランスの先端よりＬ₁の位置）よりも１m以上高い位置まで表面処理しておけば、実用上十分な地金付着抑制効果があると考えられる。

この表面処理条件は、次のように実験的に調査して把握した。

酸素上吹きランスには、テーパを０．５°以上つけたテーパランスを対象として、ランスの先端から吹錬時に転炉内に挿入している部分の外表面に、表面処理を行わない場合のほか、Crめっき、アルミナ溶射処理、Al拡散浸透処理、Al拡散浸透処理層の表面にさらにセラミックス層形成処理の４種類の表面処理を施して、実際に転炉に予備脱燐溶銑を装入し、脱炭吹錬に用いてそれらの表面処理の効果を比較検討した。

脱炭吹錬では、上記の酸素上吹きランスを有する転炉型精錬炉に、質量％で、C：３．５〜３．９％、Si：≦０．０１％、Mn：≦０．４０％、P：≦０．０３０％を含有する予備脱燐溶銑を８５〜９０トン装入した後、その酸素上吹きランスから酸素ガスを吹き付けて、C：０．０３〜１．１０％、Si≦０．０１％、Mn：≦０．４０％、P≦０．０３０％を含有する溶鋼を製造した。

上吹き酸素流量は溶鋼１トン当たり２．０〜３．５Nm³／minで、１回の吹錬で１２〜１６分間吹付けた。酸素吹付け開始前の溶銑温度は１２００〜１４００℃であり、酸素吹付け終了時（吹錬終了時）の溶鋼温度は１６２０〜１７２０℃とした。

吹錬に際して生石灰などのCaO含有物質を溶鋼１トン当たり１４〜２５kg添加するほか、珪砂などのSiO₂含有物質を溶鋼１トン当たり３〜６kg添加して、吹錬終了時にはスラグを溶鋼１トン当たり３１〜５６kg生成させた。

このような脱炭吹錬を、同一の酸素上吹きランスを用いて１日当たり２５〜５０回行い、その同一ランスを１０〜５０００回続けて使用して、ランス外表面への地金付着状況を調査した。

下記表１に、表面処理を行わない場合と前記４パターンの表面処理を施した転炉吹錬用の酸素上吹きランスを用いて、転炉で予備脱燐溶銑の脱炭精錬を行った場合の酸素上吹きランスへの地金・スラグの付着状況を使用回数毎にトレースした結果を示す。表１では、酸素上吹きランスの外表面への地金付着厚さが３０mm以下の場合を○、付着厚さが３０mmを超える場合を×で示している。

表面処理を行わなかった場合、わずか３チャージほどでスラグ・地金付着が目視観察できた。また、アルミナ溶射処理やCrめっき処理を施した場合は、１００チャージまではスラグ・地金の付着を目視で認められなかったが、１００チャージを超えると付着が確認され、同等の傾向を示した。これは溶射やめっきはランスを構成する圧力配管用炭素鋼鋼管の表面に上乗せするため、使用回数が増えるにつれて溶射やめっきが剥がれ、スラグ・地金が付着していったためと考えられる。

それに対し、Al拡散浸透処理は圧力配管用炭素鋼鋼管に拡散浸透させているため、剥がれることもなく、１０００チャージまでスラグ・地金の付着がなく使用することができた。Al拡散浸透表面処理（Al拡散浸透表面処理のマトリックスがセラミックス層を含む）の表面にさらにセラミックス層を形成させた場合、１０００チャージ使用してもスラグ・地金の付着がなく、５０００チャージまで使用することができた。

以上の調査によって、Al拡散浸透表面処理（アルミ拡散浸透表面処理のマトリックスがセラミックス層を含む）を施し、その表面にさらにセラミックス層を形成させた転炉吹錬用酸素上吹きランスがスラグ・地金付着の抑制に最も有効であることが分かった。

内部が水冷された酸素上吹きランスを有する転炉に、質量％で、C：３．７〜３．９％、Si：≦０．０１％，Mn：≦０．４０％、P：≦０．０３０％を含有する予備脱燐溶銑を８８トン装入した後、酸素上吹きランスから酸素ガスを吹き付けて、C：０．１０〜０．３０％、Si≦０．０１％、Mn：≦０．４０％、P≦０．０３０％の溶鋼を製造した。

使用した酸素上吹きランスは、テーパ角度θ₁が０．６°であるテーパ部を、ランス先端から１mの位置から６mの間に形成し（Ｌ₁＝６m，Ｚ₁＝５m）、その表面にAl拡散浸透処理にさらにセラミックス層形成処理をランス先端から７m施したもの（Ｌ₂＝７m）である。

上吹き酸素流量は溶鋼１トン当たり２．５〜３．０Nm³／minで、１回の吹錬で１３〜１６分間吹付けた。酸素吹付け開始前の溶銑温度は１２５０〜１３５０℃であり、酸素吹付け終了時（吹錬終了時）の溶鋼温度は１６６０〜１７１０℃であった。

吹錬に際して生石灰を溶鋼１トン当たり１４〜２０kg添加して、吹錬終了時にはスラグを溶鋼１トン当たり３１〜４５kg生成させた。

以上の吹錬を、同一の酸素上吹きランスを用いて１日当たり２５〜３５回行い、その同一ランスを５０００回使用して、ランス外表面への地金付着が殆ど発生しないことを確認した。地金が付着した場合もあったが、付着厚さは３０mm以下で、特に付着地金の除去作業を要するほどには至らず、５０００回の使用に支障は生じなかった。

１ 酸素上吹きランス
１ａ テーパ部

Claims (1)

1. 酸素上吹きランスを有する転炉型精錬炉に予備脱燐処理を施された溶銑を装入し、酸素上吹きランスから溶銑に酸素を吹き付けて溶鋼を製造する際の、酸素上吹きランスへの地金の付着を防止する方法であって、
   先端側の地金付着が集中する部分に、下記式で表されるθ₁が０．５°以上のテーパ部を形成すると共に、
   吹錬時に転炉内に挿入する部分の外表面には、Al拡散浸透表面処理を施し、かつ、このAl拡散浸透表面処理の表面にさらにセラミックス層を形成した酸素上吹きランスを使用することを特徴とする転炉吹錬時における酸素上吹きランスへの地金の付着防止方法。
   θ₁＝tan⁻¹｛（Ｘ₁−Ｙ₁）／（２×Ｚ₁）｝
   但し、θ₁：テーパ部のテーパ角度（°）
   Ｘ₁：テーパ部の大径側端部の直径（mm）
   Ｙ₁：テーパ部の小径側端部の直径（mm）
   Ｚ₁：テーパ部の軸方向長さ（mm）

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