JP2013133520A - 溶銑の脱燐精錬方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶銑の脱燐精錬の際に生じるスピッティングを防止し、炉口地金の堆積を防止できる、溶銑の脱燐精錬方法を提供する。
【解決手段】上吹きランスからの、粉体と酸素とからなる噴流が溶銑浴面に作用する浴面動圧Pdを、スピッティングが生じない基準浴面動圧Pd₀と同等となるように、上吹きランス高さLhを調整することで、スピッティングを防止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、溶銑の脱燐精錬方法に関し、とくに吹錬中に上吹きランスを用いてＣａＯを含有する造滓剤（粉体）を酸素とともに噴流として溶銑浴面に投射して脱燐精錬を行う際に生じるスピッティングを防止し、炉口への地金堆積を防止する方法に関する。

近年の鋼材品質に対する要求の高度化を受けて、低燐鋼の需要が大幅に増加している。これに対応するため、溶銑予備処理の一つとして溶銑の脱燐精錬が行われるのが一般的になっている。従来、この脱燐精錬では、塊状の脱燐剤の滓化を促進するために、螢石などのハロゲン化物が多く用いられてきた。しかし、耐火物保護や地球環境保護及び廃棄物の有効利用という観点から、鉄鋼の生産過程で廃棄されてきた酸化カルシウム（ＣａＯ）を、上吹きランスを用いて酸素とともに投射する溶銑の脱燐方法が提案されている。

しかし、このような上吹きランスを用いてＣａＯの粉体を酸素とともに噴流として溶銑浴面に投射する溶銑の脱燐精錬方法では、粉体を投射したときに、スピッティングが生じる。そのため、上吹きランスや炉口に地金が付着するという問題がある。とくに精錬初期や、溶銑浴面上に浮遊しているスラグが少ない場合は、スピッティングが生じやすい。
このような問題に対し、例えば、特許文献１には、脱珪処理した溶銑を、溶銑鍋から転炉型脱燐炉に装入する前に、脱珪処理により生成したスラグを溶銑鍋から除去することなく、転炉型脱燐炉に装入し、ＣａＯを含有する粉状の脱燐剤を上吹きランスから酸素をキャリアガスとして溶銑に投射することにより脱燐処理を行う溶銑の処理方法が記載されている。特許文献１では、脱珪処理の際に生じる脱珪スラグを除去せずに溶銑を装入することにより、脱燐剤を上吹きする前に転炉型脱燐炉内にカバースラグが形成され、脱燐反応効率を向上させるとともに、スピッティングを防止できるとしている。

特開２００７−２２４３８８号公報

しかしながら、特許文献１の方法では、脱珪処理を行う分、処理に時間を要し、生産性が低下する問題がある。また、最近では、溶銑に鉄スクラップの投入が行われることもあるが、この場合、脱珪処理を放棄せざるを得ないことがあり、そのため特許文献１の方法は実施できないという難点がある。
本発明は、従来技術の以上のような問題を解決するためになされたものである。すなわち、本発明は、溶銑の脱燐精錬の際に生じるスピッティングを防止し、炉口地金の堆積を防止できる、溶銑の脱燐精錬方法を提供することを目的とする。

上記した目的を達成するため、発明者らは、上吹きランスを用いてＣａＯを含有する粉体を酸素とともに噴流として溶銑浴面に投射して脱燐精錬を行う際に生じるスピッティングに影響する要因について鋭意検討した。その結果、スピッティングは上吹きした噴流が溶銑浴面に衝突した結果生ずる浴面動圧が不適切な場合に生じ、粉体を上吹きする場合はしない場合に比べ、浴面動圧が上昇していることを見出した。

浴面動圧を低下させるためには、溶銑浴面から上吹きランスの下端までの高さ（溶銑の静止浴面と上吹きランス下端間の距離で定義される上吹きランス高さLh）を大きくすることが考えられるが、単にLhを経験的に大きくしたのでは、スピッティングを防止するのには有効であるものの、スラグが過酸化になって溶銑と時折急激なＣＯ発生反応を起こし、スラグと地金の混じったものが突沸するスロッピング現象を引き起こすという別の問題が発生するおそれがある。後者のスロッピングが発生する場合も、地金混じりのスラグが炉口に付着するので、スピッティングと同様に炉口地金の堆積を引き起こす。

そこで、発明者らは、さらなる検討を加えた結果、ＣａＯを含有する粉体を上吹きする場合には、上吹きランスから投射される噴流の密度が増加すると考え、浴面動圧を計算し、粉体を上吹きしない場合と同等の浴面動圧となるように上吹きランス高さLhを決定すれば安定してスピッティングを防止でき、炉口地金堆積を減少させられることを見出した。
本発明は、かかる知見に基づき、さらに検討を加えて完成されたものである。すなわち、本発明の要旨は以下の通りである。
１．上吹きランスを用いてＣａＯを含有する粉体を酸素とともに噴流として溶銑浴面に投射して溶銑の脱燐精錬を行う溶銑の脱燐精錬方法であって、前記上吹きランスからの前記粉体と酸素とからなる前記噴流が前記溶銑浴面に作用する下記（１）式で定義される浴面動圧Pdを、スピッティングが生じない基準浴面動圧Pd₀と同等となるように、上吹きランス高さLhを調整することを特徴とする溶銑の脱燐精錬方法。

記
Pd＝ρU²max/2 ・・・（１）
ここで、
Umax＝U0de/2/{0.016+0.19/0.098/(P0-Pe)}/Lh×cosθ、
U0＝Kv{1-(Pe／P0)^2/7}^1/2、
P0＝0.098F/Kp/n/dt²、
Pd：浴面動圧(Pa)、ρ：噴流の密度(kg/Nm³)、Umax：噴流の流速(m/s)、U0：上吹きランスから噴出される際の噴流の流速(m/s)、de：上吹きランスの出口径(mm)、P0：上吹きランスの出口における酸素圧力(MPa)、Pe：雰囲気圧力(MPa)、Lh：上吹きランス高さ(mm)、θ：上吹きランスから噴出される際の噴流の方向が鉛直方向となす傾角(deg)、Kv：噴出係数、F：送酸速度(Nm³/hr)、Kp：背圧係数、N：上吹きランスのノズル数、dt：スロート径(mm)
２．前記噴流の密度ρは下記（２）式で定義される密度ρ’を用いて計算することを特徴とする１．に記載の溶銑の脱燐精錬方法。

記
ρ’＝ρ1＋ρ2 ・・・（２）
ここで、
ρ’：噴流の密度(kg/Nm³)、
ρ1：酸素の密度(kg/Nm³)、
ρ2：固気比(kg/Nm³) （粉体の吹込速度(kg/hr)÷酸素の吹込速度(Nm³/hr)）
３．前記基準浴面動圧Pd₀は、酸素のみを上吹きランスから投射して、スピッティングが生じない場合の浴面動圧であることを特徴とする１．又は２．に記載の溶銑の脱燐精錬方法。

本発明によれば、溶銑の脱燐精錬の際に生じるスピッティングを防止し、炉口地金の堆積を防止でき、産業上格段の効果を奏する。

上吹きランス高さ基準位置Lh0からの増加分（Lh増加分）と転炉の炉口地金付着係数との関係を示したグラフである。 炉口地金付着記録用紙

本発明では、上吹きランスからの粉体と酸素とからなる噴流が溶銑浴面に作用する浴面動圧Pdを、スピッティングが生じない基準浴面動圧Pd₀と同等となるように、上吹きランス高さLhを調整する。
浴面動圧Pdの算出：
浴面動圧Pdは、気体が堰き止められたときに気体の持つ運動エネルギー（動圧）が静圧に変わることを表し、下記（１）式で定義される。

Pd＝ρU²max/2 ・・・（１）
ここで、
Umax＝U0de/2/{0.016+0.19/0.098/(P0-Pe)}/Lh×cosθ、
U0＝Kv{1-(Pe／P0)^2/7}^1/2、
P0＝0.098F/Kp/n/dt²、
Pd：浴面動圧(Pa)、ρ：噴流の密度(kg/Nm³)、Umax：噴流の流速(m/s)、U0：上吹きランスから噴出される際の噴流の流速(m/s)、de：上吹きランスの出口径(mm)、P0：上吹きランスの出口における酸素圧力(MPa)、Pe：雰囲気圧力(MPa)、Lh：上吹きランス高さ(mm)、θ：上吹きランスから噴出される際の噴流の方向が鉛直方向となす傾角(deg)、Kv：噴出係数、F：送酸速度(Nm³/hr)、Kp：背圧係数、N：上吹きランスのノズル数、dt：スロート径(mm)である。

上記Umax、U0、P0の定義式に用いられる各種指数や係数は、実験結果に基づいて得られる値を用いる。
また、上記（１）式中の噴流の密度ρは、酸素の密度に対し、粉体を混合することによる密度の増加分として固気比を加算する、下記（２）式で定義される密度ρ’を用いて計算するのが好ましい。

ρ’＝ρ1＋ρ2 ・・・（２）
ここで、
ρ’：噴流の密度(kg/Nm³)、
ρ1：酸素の密度(kg/Nm³)、
ρ2：固気比(kg/Nm³) （粉体の吹込速度(kg/hr)÷酸素の吹込速度(Nm³/hr)）
である。

なお、本発明では、溶銑の脱燐精錬を行う際の脱燐剤として、ＣａＯを含有する粉体を用いるが、ＣａＯ以外の成分としては、酸化鉄や蛍石やそれらの混合物などが使用される。
基準浴面動圧Pd₀の算出：
基準浴面動圧Pd₀は、酸素のみを上吹きランスから投射して、スピッティングが生じない場合の浴面動圧であるのが好ましい。すなわち、酸素のみを上吹きランスから投射した場合に、経験的にスピッティングが生じない最も低い上吹きランス高さを上吹きランス高さ基準位置Lh0(mm)とし、上記（１）式のLhにLh0を代入して得られる、下記（１）’式にて定義される値を、基準浴面動圧Pd₀とするのが好ましい。

Pd₀＝ρ1U²max/2 ・・・（１）’
Umax＝U0de/2/{0.016+0.19/0.098/(P0-Pe)}/Lh0×cosθ
以下、前記（１）式の場合と同じ。ただし、
ρ1：酸素の密度(kg/Nm³)
Lh0：上吹きランス高さ基準位置(mm)
である。

上吹きランス高さがLh0を超えて高すぎると、溶銑の撹拌が弱くなるために脱燐反応が遅滞したり、スラグが過酸化になって溶銑と時折急激なＣＯ発生反応を起こし、スラグと地金の混じったものが突沸するスロッピング現象を引き起こすので、上吹きランス高さは低い方が好ましい。このため、経験的にスピッティングが生じない最も低い上吹きランス高さLh0を用いて基準浴面動圧Pd₀を決めるのが好ましい。

上吹きランス高さLh調整方法：
以上検討した結果に基づき、上吹きランスからの粉体と酸素とからなる噴流が溶銑浴面に作用する浴面動圧Pdを、スピッティングが生じない基準浴面動圧Pd₀と同等となるように、上吹きランス高さLhを調整するにあたり、Lhは次のようにして計算する。
すなわち、（１）式のPdと（１）’式のPd₀を等しいとおくことで、酸素だけの場合に酸素の密度ρ1と上吹きランス高さ基準位置Lh0から計算される浴面動圧Pd₀に等しくなるような、粉体（ＣａＯ）を酸素とともに噴流として溶銑浴面に投射する場合の上吹きランス高さLhを、計算により求める。

そして、該上吹きランス高さLhに実際に上吹きランスを設定して、粉体（ＣａＯ）を酸素とともに噴流として溶銑浴面に投射する。
Lh0は前述したように、酸素のみを上吹きランスから投射した場合に、経験的にスピッティングが生じない最も低い上吹きランス高さ（上吹きランス高さ基準位置）である。この値は、従来蓄積された転炉の脱炭精錬や脱燐精錬における操業経験から把握されている値を使用すればよい。一般的傾向として、例えば溶銑中のＳｉ濃度が低い場合や事前投入石灰量が少ない場合にはカバースラグの形成が遅れるので、スピッティングを避けるため、Lh0は高めに設定される。また、転炉の炉容が大きい場合には、溶銑浴面から炉口までの距離が大きいために、スピッティングした地金が炉口まで届きにくいことから、Lh0は低めに設定される。また吹錬酸素の流量が大きい場合には、溶銑浴面到達時のガスの動圧が大きく、スピッティングが発生し易いので、Lh0は高めに設定される。

また、吹錬の初期（吹錬開始から十分なカバースラグが形成されるまでの間）は、スピッティングが発生しやすいので、Lh0は高めに設定される。一方、吹錬の中期以降（カバースラグの形成後）は溶銑浴面に衝突したガスの動圧によって吹き飛ばされた溶銑滴はスラグ中にトラップされてしまうので、炉口まで到達するようなスピッティングは生じ難くなる。そのため吹錬の中期以降でのLh0は吹錬初期よりも低く設定される。

したがって、Lh0は吹錬の進行につれて高→低に設定して操業されているが、通常、操業のし易さの観点から、２〜３パターンの高さをステップ状に変化させて操業している。例えば、初期Lh0を2600mmとして吹錬を開始し、吹錬予定時間の20%経過した時点でLh0を2250mmにする等の操業がなされる。
一方、粉体（ＣａＯ）を酸素と共に上吹きランスから吹込み時のランス高さLhは必ずしも吹錬の全期間にわたって上記の数式によって算出して決定する必要はなく、粉体吹込みを行っている時期（通常、吹き込んだ粉体が滓化して脱燐反応に寄与する時間を考慮して、粉体吹き込みは、吹錬の初期のみ、あるいは吹錬の初期から中期の初めの時期にのみ行われることが多い）についてのみ算出してLhを設定し、それ以降の時期は通常操業のLh0と同等に設定して吹錬を行えば良い。

炉容300tの上吹き転炉において、溶銑の脱燐精錬を行う場合について、粉体吹込みを行わない場合（比較例１）、粉体吹込みを行うも、Lhを本発明に従わずに設定した場合（比較例２、３および４）およびLhを本発明に従って設定した場合（本発明例）について比較した。なお、比較例２、３および本発明例のランスからの粉体吹込みは吹錬開始から吹錬時間の20%の間について行った。各例での吹錬条件を表１に示す。

なお、比較例１は従来経験的に知られている、スピッテイングの生じない最低のランス高さでの操業例である。

比較例１である上吹きランス高さLh0を2250mmとして酸素のみを60000Nm³/hrの流量で噴射した場合の動圧は14.8kPaと計算された。そこで、ＣａＯの粉体を500kg/min投射する場合に、これと同等になるように、Lhを算出したところ2583mmが得られた。しかし、実設備におけるランス高さのコントロールはcm単位でしかできないので、これに最も近い値として2600mmに設定した。（このときの動圧は15.0kPaであり、Pd0に対して1.3%の不一致があるが、ランス高さの測定誤差等を考慮すると許容範囲である。）これが本発明例である。

本発明例の場合、ランス高さLhはLh0に対して350mm増加したことに相当する。この本発明のLh増分に対して、100mm低くしたものが比較例２、100mm増やしたものが比較例３である。比較例２の動圧は16.9kPa、比較例３の動圧は13.9kPaであった。また、比較例４はランス高さを粉体吹込みしない場合と変化させずに2250mmで操業した例であり、この場合の動圧は20.0kPaであった。

各吹錬の前後において、転炉を直立させた状態で、転炉設備の装入側および出鋼側から炉口を観察し、炉口に新たに付着した地金の面積を定量した。（具体的には図２に示す炉口地金付着記録用紙に記入し、地金の付着が増加した部分の方眼紙マス目を数え、10倍した値を地金付着指数とした。）得られた結果を図１に示す。
Lh増加分が350mmだと、粉体の投射なし、すなわち、酸素のみの場合と同等の範囲に収まる。

Lh増加分が250mmである比較例２、0mmである比較例４はスピッティングにより炉口地金付着量が増大した。またLh増加分が450mmである比較例３は、理論上スピッティングは抑制できる条件であるが、炉口地金付着が増加しており、スロッピングによるものと推定される。

Claims (3)

1. 上吹きランスを用いてＣａＯを含有する粉体を酸素とともに噴流として溶銑浴面に投射して溶銑の脱燐精錬を行う溶銑の脱燐精錬方法であって、前記上吹きランスからの前記粉体と酸素とからなる前記噴流が前記溶銑浴面に作用する下記（１）式で定義される浴面動圧Pdを、スピッティングが生じない基準浴面動圧Pd₀と同等となるように、上吹きランス高さLhを調整することを特徴とする溶銑の脱燐精錬方法。
   記
   Pd＝ρU²max/2 ・・・（１）
   ここで、
   Umax＝U0de/2/{0.016+0.19/0.098/(P0-Pe)}/Lh×cosθ、
   U0＝Kv{1-(Pe／P0)^2/7}^1/2、
   P0＝0.098F/Kp/n/dt²、
   Pd：浴面動圧(Pa)、ρ：噴流の密度(kg/Nm³)、Umax：噴流の流速(m/s)、U0：上吹きランスから噴出される際の噴流の流速(m/s)、de：上吹きランスの出口径(mm)、P0：上吹きランスの出口における酸素圧力(MPa)、Pe：雰囲気圧力(MPa)、Lh：上吹きランス高さ(mm)、θ：上吹きランスから噴出される際の噴流の方向が鉛直方向となす傾角(deg)、Kv：噴出係数、F：送酸速度(Nm³/hr)、Kp：背圧係数、N：上吹きランスのノズル数、dt：スロート径(mm)
2. 前記噴流の密度ρは下記（２）式で定義される密度ρ’を用いて計算することを特徴とする請求項１に記載の溶銑の脱燐精錬方法。
   記
   ρ’＝ρ1＋ρ2 ・・・（２）
   ここで、
   ρ’：噴流の密度(kg/Nm³)、
   ρ1：酸素の密度(kg/Nm³)、
   ρ2：固気比(kg/Nm³) （粉体の吹込速度(kg/hr)÷酸素の吹込速度(Nm³/hr)）
3. 前記基準浴面動圧Pd₀は、酸素のみを上吹きランスから投射して、スピッティングが生じない場合の浴面動圧であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の溶銑の脱燐精錬方法。

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