JP2015218341A - 含鉄原料の転炉溶解方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶融鉄浴の存在する溶解転炉に固体含鉄原料と炭素含有燃料を供給し酸素の吹き込みを行って固体含鉄原料を溶解する含鉄原料の転炉溶解方法において、転炉炉壁を損耗させることなく二次燃焼率を増加させることのできる含鉄原料の転炉溶解方法を提供する。【解決手段】溶解転炉６において溶解に用いる上吹きランス１の中心軸がＺ軸、ノズル２の出口位置４がＸ軸上となるように定めたＸＹＺ直交座標系において、ＹＺ平面およびＸＺ平面へのノズル軸５の投影がＺ軸となす角度をそれぞれαおよびβとしたとき、少なくとも４孔の酸素ノズル２については下記（１）式で定義するねじれ角度δを１０〜８０?とし、ランス高さＨ／炉内径Ｄを０．６〜１．３の範囲とすることを特徴とする含鉄原料の転炉溶解方法。δ＝ｔａｎ-1（ｔａｎα／ｔａｎβ） （１）【選択図】図１

Description

本発明は、溶融鉄浴の存在する溶解転炉に固体含鉄原料と炭素含有燃料を供給し酸素の吹き込みを行って固体含鉄原料を溶解する含鉄原料の転炉溶解方法に関するものである。

粒銑、型銑、製鉄所発生スクラップ等の固体含鉄原料を原料とする転炉製鋼法として、従来、溶融鉄浴（種湯ともいう。）の存在する溶解転炉に固体含鉄原料、炭素含有燃料（炭材ともいう。）、酸素を供給して、溶解転炉での所要種湯量と別の精錬転炉での所要精錬量の合計量の高炭素溶鉄を得、この高炭素溶鉄を原料として精錬転炉で酸素精錬することにより所要成分の溶鋼を得る転炉製鋼法が知られている（特許文献１）。供給した炭材を酸素で燃焼して固体含鉄原料を加熱するとともに、供給した炭材によって溶鉄の炭素含有量が増大して溶鉄の溶融温度が低下し、この２つの効果があいまって固体含鉄原料を熔解することができる。できるだけ短時間で所要量の固体含鉄原料を溶解することが要求されているので、供給した炭材供給量あたりの供給熱量を増大することが重要である。

転炉で発生するダストは酸化鉄を主成分とする。このようなダストをはじめとする酸化鉄源を上記溶解転炉での固体含鉄原料の一部とすれば、鉄歩留まりを向上することができるので好ましい。一方、転炉内で酸化鉄を還元しようとすると大きな熱量を必要とする。特許文献２には、溶解転炉及び精錬転炉で発生するダストに炭材を内装させて塊成化し、予備還元炉で高温加熱して内装炭材を還元材として予備還元後、高温状態で含鉄冷材の一部として種湯の存在する溶解転炉に供給し再使用するダスト利用方法が開示されている。この方法によって溶解に要する熱量を低減することができるが、予備還元後であっても未還元酸化鉄を含んでおり、これを溶解するには多くの熱量を供給する必要がある。

前記溶解転炉において、できるだけ少ない炭素含有原料（炭素源）と酸素供給量で必要な熱量を供給するには、吹き込んだ酸素による二次燃焼率を上げることで単位炭素たりの燃焼発熱総量を上げることで入熱量を上げることが有効である。

転炉での二次燃焼率を増加する方法として、以下の方法が知られている。順次説明する。第１に、上吹きランス先端と湯面との距離（ランス高さＨと称する）を上昇させる方法が知られている。特許文献３では、溶解転炉での上吹きランスとスラグ面との間の距離を２．０〜３．０ｍとすることにより、二次燃焼率と着熱効率とのバランスを最適化し、溶銑入熱速度を最も高い値とすることができるとしている。第２に、上吹きランスの酸素ノズルを多孔にして酸素ガスジェットを分散させることが知られている。第３に、特許文献４に記載のように、二次燃焼用の副孔ノズルを設ける方法が知られている。第４に、酸素ノズルの形状を非円形にする（特許文献５）、ラバールノズルの断面積拡大部の径や長さを変化させて高二次燃焼率を得る（特許文献６）、旋回用ガス供給孔を設けて旋回流を付与する（特許文献７）、もしくは主流ガスに副孔ガスを供給して噴流を乱すことで酸素ガスジェット流速の減衰を促進する方法が知られている。

しかし、ランス高さを上昇する第１の方法、多孔化・広角化する第２の方法、副孔ノズルを設ける第３の方法では、酸素噴流位置（二次燃焼サイト）が炉壁に近づき炉壁損耗速度が増大することが課題である。また、第４の方法のうち、複雑形状のランスでは適切な冷却構造をとることが困難であり、噴流の減衰を促進する方法では噴流の減衰がすぐに促進することで噴流同士の合体が発生して二次燃焼を促進することができない。

転炉での高速吹錬条件下において、スピッティングを抑制するための上吹きランスが、特許文献８、９に提案されている。即ち、３孔以上のノズルを有する金属精錬用上吹きランスにおいて、ランス中心軸がＺ軸、ノズルの出口位置がＸ軸上となるように定めたＸＹＺ直交座標系において、ＹＺ平面およびＸＺ平面への該ノズル軸の投影がＺ軸となす角度をそれぞれαおよびβとしたとき、αとβが式「０＜ｔａｎα／ｔａｎβ＜２．７５」を満足する溶融金属精錬用上吹きランスである。

ランス中心軸とノズル吐出方向との間の角度を、広がり角度θとおく。特許文献１０には、広がり角度の大きいノズルと広がり角度の小さいノズルが混在した上吹きランスが記載されている。

特公平４−１１６０３号公報 特開２０００−４５０１２号公報 特開２００７−７７４５２号公報 特開平１−２１９１１６号公報 特開平７−３３１８号公報 特開２０００−５４０１６号公報 特開２００１−２２０６１７号公報 特許第３４９６５２２号公報 特開２０１０−１６３６５８号公報 特開２００９−５２０９０号公報

本発明は、溶融鉄浴の存在する溶解転炉に固体含鉄原料と炭素含有燃料を供給し酸素の吹き込みを行って固体含鉄原料を溶解する含鉄原料の転炉溶解方法において、転炉炉壁を損耗させることなく二次燃焼率を増加させることのできる含鉄原料の転炉溶解方法を提供することを目的とする。

即ち、本発明の要旨とするところは以下のとおりである。
（１）溶融鉄浴の存在する溶解転炉に固体含鉄原料と炭素含有燃料を供給し酸素の吹き込みを行って固体含鉄原料を溶解する含鉄原料の転炉溶解方法において、
転炉の酸素上吹きランスには酸素ノズルを４孔以上有し、ランス中心軸がＺ軸、ノズルの出口位置がＸ軸上となるように定めたＸＹＺ直交座標系において、ＹＺ平面およびＸＺ平面への該ノズル軸の投影がＺ軸となす角度をそれぞれαおよびβとしたとき、少なくとも４孔の前記酸素ノズルについては下記（１）式で定義するねじれ角度δを１０〜８０°とし、ランス高さＨ（ランス先端と湯面との距離）と炉内径Ｄ（鉄浴の直径）との関係が下記（２）式を満たすことを特徴とする含鉄原料の転炉溶解方法。
δ＝ｔａｎ^-1（ｔａｎα／ｔａｎβ） （１）
０．６≦Ｈ／Ｄ≦１．３ （２）
（２）固体含鉄原料の一部又は全部は、酸化鉄と炭素含有物質を含有した酸化鉄含有鉄原料を加熱還元処理してなることを特徴とする上記（１）に記載の含鉄原料の転炉溶解方法。

溶融鉄浴の存在する溶解転炉に固体含鉄原料と炭素含有燃料を供給し酸素の吹き込みを行って固体含鉄原料を溶解するに際し、転炉の酸素上吹きランスには酸素ノズルを４孔以上有し、少なくとも４孔の酸素ノズルについては前記（１）式で定義するねじれ角度δを１０〜８０°とし、ランス高さＨ（ランス先端と湯面との距離）と炉内径Ｄ（鉄浴の直径）との関係が前記（２）式を満たすことにより、ねじれ角度を有しない従来のノズルを用いる場合に比較し、転炉炉壁を損耗させることなく二次燃焼率を増加させることが可能となる。

本発明のランス先端を示す概念図であり、（ａ）は下から見た図、（ｂ）はＢ−Ｂ矢視断面図、（ｃ）はＣ−Ｃ矢視断面図である。 ランスのＸＹＺ軸、ノズル軸と角度α、β、δ、θの関係を示す図である。 溶解炉内のランス位置を示す図である。

転炉の上吹きランスには多孔ランスが用いられる。通常の多孔ランスにおいて、各ノズルの吐出方向は外方に向かって広がり角度を有しており、吐出方向（ノズル軸）はランスの中心軸と交差するように傾斜して配置される。ランス中心軸とノズル吐出方向（ノズル軸）との間の角度を、ここでは広がり角度θとおく。

特許文献８、９に記載された上吹きランスは、３孔以上のノズルを有し、ランス中心軸がＺ軸、ノズル２の出口位置４がＸ軸上となるように定めたＸＹＺ直交座標系（図１、２参照）において、ＹＺ平面およびＸＺ平面へのノズル軸５の投影がＺ軸となす角度をそれぞれαおよびβとしたとき、αとβが式「０＜ｔａｎα／ｔａｎβ＜２．７５」を満足する溶融金属精錬用上吹きランスである。「ねじれランス」と呼ばれている。０＜ｔａｎα／ｔａｎβであってｔａｎαが０でない有限値、従ってαが０でない有限値であることが特徴であり、αが有限であることからねじれが生じる。

ねじれランスにおいて、ねじれ角度δ（図２参照）を以下のように定義することができる。
δ＝ｔａｎ^-1（ｔａｎα／ｔａｎβ） （１）

また、ねじれランスにおけるノズルの広がり角度θ（図２参照）は、
θ＝ｔａｎ^-1（√（ｔａｎ²α＋ｔａｎ²β）） （３）
とあらわすことができる。α＝０°であればｔａｎα／ｔａｎβ＝０、ねじれ角度δ＝０となって通常の多孔ランスであり、β＝θとなる。

上吹きランスの酸素ノズルとしてラバールノズルが用いられる。ラバールノズルから吐出したガス流れは超音速コアを形成する。超音速コアはノズル出口から所定のコア長さを有し、それ以降は亜音速となり、噴流は減速するとともに、噴流領域が下流に行くほど広がっていく。

上吹きノズルから転炉鋼浴面に吹き付けるガスジェットの挙動を、数値流体解析によって求めることを試みた。数値流体解析は、汎用熱流体解析ソフトウェアであるアンシス・ジャパン（株）製のＦＬＵＥＮＴ（登録商標）を使用して行った。ラバールノズルを通過するガス流れは、圧縮性流れの特質によってノズルの末広部では膨張が起こり、またノズル内又はノズルから排出された以降において衝撃波が発生するので、数値流体解析に適用する運動方程式は圧縮性流れについての方程式となる。
ねじれ角度を有しない通常のランスと、ねじれ角度δを有するねじれランスについて、数値流体解析によって噴流の挙動解析を行った。３〜１０孔のノズルをランス先端の同円周上に等角度間隔で配置し、ノズルの広がり角度θはいずれも２０°で同一とした。図１は、６孔のノズル２をランス１先端の同円周上に等角度間隔で配置した場合の概念図である。

数値流体解析の結果、４孔以上のノズルを有するねじれランスについては、噴流が湾曲し、ランス先端の浴表面までの噴流距離が長くなることが確認できた。ねじれを付与した結果、各ノズルからの噴流が隣接するノズルの噴流と相互作用を及ぼしあい、噴流が湾曲したものと推定される。噴流距離が長いということは、その間における雰囲気ガスとの接触機会が増加し、二次燃焼率が増加することが期待できる。なお、ねじれを有しない通常のランス及びノズルが３孔のねじれランスについては噴流の湾曲は観察されないか僅かであった。また孔数が８孔を超えると噴流がランス中心軸方向に合体する傾向が見られた。さらに、ねじれ角度δと噴流の湾曲状況についてみると、ねじれ角度δ＝１０°以上で湾曲が明確に観察された。一方、ねじれ角度δが８０°を超えると、噴流がランス中心軸方向に合体する傾向が見られた。

そこで次に、溶融鉄浴の存在する溶解転炉に固体含鉄原料と炭素含有燃料を供給し酸素の吹き込みを行って固体含鉄原料を溶解するに際し、当該溶解転炉において種々の形状のねじれランスを適用し、二次燃焼率に与える影響を評価した。その結果、以下の事実が判明した。

図３に示すような１００トン規模の溶解転炉６を用い、溶解転炉中には溶融鉄浴（種湯）５０トンが存在し、その中に固体含鉄原料と炭素含有燃料を供給し酸素の吹き込みを行って固体含鉄原料を溶解し、７５トンの溶銑を製造した。このうちの２５トンの溶銑を出鋼口から払い出して次工程での精錬を行うことになる。溶銑払い出し後は炉内に５０トンの溶融鉄浴が残るので、次チャージの含鉄原料を装入して溶解を行う。溶解転炉に装入する固体含鉄原料として、酸化鉄と炭素含有物質を含有した酸化鉄含有鉄原料を加熱還元処理して製造したものを用いた。含鉄原料は金属化率８０〜８５質量％であり、装入時の含鉄原料の温度は８５０℃で、溶解転炉中の溶融鉄浴温度は１４００℃であった。

上吹きランス１からの送酸速度を１００００Ｎｍ³／ｈｒとし、約５０分の溶解処理を行う。溶解時の炉内径Ｄ（鉄浴８の直径）は３．２ｍである。溶解処理中に投入する炭素含有燃料としては、炭素含有量が８０質量％である無煙炭を用い、底吹き羽口から窒素ガスをキャリアガスとして平均２００ｋｇ／ｍｉｎの速度で吹き込んだ。

上吹きランスの酸素ノズルとして、図１に示すような、ランス１先端の同円周上に等角度間隔で配置されている３〜８孔のノズル２（主孔）を配置したラバールノズルを用いた。いずれのランスも、ノズル２（主孔）と別に、ランス中央部への粒鉄付着を防止する目的で、ランス中央に下向き２０ｍｍφのノズル３（副孔という。）を配置した。ノズルスロート部断面積の合計はすべてのランスで同一とした。

ノズル２の広がり角度θはすべて同一でθ＝２０°とし、ねじれ角度δを付与するランスについては、すべてのノズル２で同方向に同一ねじれ角度δ（０〜８５°）を付与した。θ＝２０°で所定のねじれ角度δとなるように、前述の定義による角度αとβを定めた。

ランス高さＨについては、Ｈ／Ｄが０．５〜１．４となる範囲で変化させ、吹錬中は一定ランス高さとして吹錬を行った。

二次燃焼率については、下記式に基づいて二次燃焼率を計算し、吹錬全時間での平均値で評価し、同一ノズル孔数・同一ランス高さの試験を１グループとし、グループ内でねじれ角度δを有しないランスを用いた場合の二次燃焼率を基準として二次燃焼率増加率を算出した。
二次燃焼率（％）＝ＣＯ₂／（ＣＯ₂＋ＣＯ）×１００
ここで、ＣＯ₂、ＣＯはいずれも排ガス中成分（ｍｏｌ％）を意味する。

溶解処理による溶解炉の耐火物損耗状況を観察した。１ｃｈの吹錬後の炉内観察によって通常吹錬と変化がないのであれば「通常」と評価し、明らかな耐火物損耗が観察されたのであれば「悪化」と評価した。

実施例の処理条件及び評価結果を表１に示す。表１において、主孔数とランス高さが同一条件の水準を同一グループとし、グループ内でねじれ角度δ＝０の水準を基準の比較例とした。二次燃焼率はグループごとに相対評価することとし、基準の比較例と対比した二次燃焼率（％）の増加しろを「二次燃焼増加率（％）」とした。本発明範囲から外れる数値にアンダーラインを付している。

表１のＡグループは、主孔数：６、Ｈ／Ｄ＝０．９に固定し、ねじれ角度δを０°（基準）から８５°まで変化させたグループである。ねじれ角度δ：１０（実施例１）〜８０°（実施例５）の範囲において、二次燃焼増加率が正の値となっており、ねじれ角度０°の基準に対して二次燃焼率が増加していることが明らかである。そこで本発明では、ねじれ角度δの範囲を１０〜８０°と規定することとした。

表１のＢ〜Ｄグループは、Ｈ／Ｄ＝０．９、ねじれ角度δ＝６０°（実施例）、０°（基準比較例）に固定し、主孔数を３〜８まで変化させたグループ群である。主孔数３では二次燃焼は基準に対して増加していないが、主孔数４（実施例６）〜８（実施例７）ではいずれも、同じグループ内の基準に対して二次燃焼率が増加しており、本発明の効果を発揮している。そこで本発明では、ねじれを有する主孔数の範囲を４以上とすることとした。

表１のＥ〜Ｈグループは、主孔数：６、ねじれ角度δ＝６０°（実施例）、０°（基準比較例）に固定し、Ｈ／Ｄを０．５〜１．４の範囲で変化させたグループ群である。グループＨの比較例２２（ねじれなし）、比較例２３（ねじれあり）はいずれも耐火物損耗状況が悪化した。どちらもＨ／Ｄが１．４と本発明の上限を外れており、ノズルからの吐出流が広がりすぎて溶解炉の耐火物を損傷したためであると考えられる。

以上の結果に基づいて、溶融鉄浴の存在する溶解転炉に固体含鉄原料と炭素含有燃料を供給し酸素の吹き込みを行って固体含鉄原料を溶解するに際し、本発明の含鉄原料の転炉溶解方法においては、転炉の酸素上吹きランスには酸素ノズルを４孔以上有し、ランス中心軸がＺ軸、ノズルの出口位置がＸ軸上となるように定めたＸＹＺ直交座標系において、ＹＺ平面およびＸＺ平面への該ノズル軸の投影がＺ軸となす角度をそれぞれαおよびβとしたとき、少なくとも４孔の酸素ノズル（主孔）については前記（１）式で定義するねじれ角度δを１０〜８０°とし、ランス高さＨ（ランス先端と湯面との距離）と炉内径Ｄ（鉄浴の直径）との関係が前記（２）式を満たすこととした。これにより、ねじれ角度を有しない従来のノズルを用いる場合に比較し、転炉炉壁を損耗させることなく二次燃焼率を増加させることが可能となる。

本発明のランスが有する酸素ノズルは、主に溶解の酸素吹き込みに寄与する主孔の他に、ランス中央部への粒鉄付着を防止する目的でランス中央に配置する副孔を有していても良い。本発明でねじれ角度δを付与するノズルは主孔であり、主孔のうち少なくとも４孔がねじれ角度１０〜８０°の範囲内でねじれを有している。すべての主孔がねじれを有していると好ましい。また、すべての主孔が同じねじれ角度δのねじれを有しているとより好ましい。

ねじれを有する主孔ノズルは、ランス先端の同円周上に等角度間隔で配置されていると好ましい。もちろん、例えば特許文献１０に記載されたような、広がり角度の大きいノズルと小さいノズルが混在するランスにおいても、本発明を適用することができる。

本発明を適用する、固体含鉄原料を溶解する含鉄原料の転炉溶解方法において、固体含鉄原料の一部又は全部は、酸化鉄と炭素含有物質を含有した酸化鉄含有鉄原料を加熱還元処理してなることとすると好ましい。酸化鉄含有鉄原料は、未還元酸化鉄を溶解するために、固体含鉄原料と比較して多量の熱を必要とし、また溶解時間も比較的長く耐火物への影響が大きい。そのため、転炉炉壁を損耗させることなく二次燃焼率を増加させることのできる本方法の効果が大きい。

１ ランス
２ ノズル（主孔）
３ ノズル（副孔）
４ ノズル出口位置
５ ノズル軸
６ 溶解転炉
７ 浴面
８ 溶鉄
α ＹＺ平面へのノズル軸の投影がＺ軸となす角度
β ＸＺ平面へのノズル軸の投影がＺ軸となす角度
δ ねじれ角度
θ 広がり角度
Ｈ ランス高さ
Ｄ 炉内径（鉄浴の直径）

Claims (2)

1. 溶融鉄浴の存在する溶解転炉に固体含鉄原料と炭素含有燃料を供給し酸素の吹き込みを行って固体含鉄原料を溶解する含鉄原料の転炉溶解方法において、
   転炉の酸素上吹きランスには酸素ノズルを４孔以上有し、ランス中心軸がＺ軸、ノズルの出口位置がＸ軸上となるように定めたＸＹＺ直交座標系において、ＹＺ平面およびＸＺ平面への該ノズル軸の投影がＺ軸となす角度をそれぞれαおよびβとしたとき、少なくとも４孔の前記酸素ノズルについては下記（１）式で定義するねじれ角度δを１０〜８０°とし、ランス高さＨ（ランス先端と湯面との距離）と炉内径Ｄ（鉄浴の直径）との関係が下記（２）式を満たすことを特徴とする含鉄原料の転炉溶解方法。
   δ＝ｔａｎ^-1（ｔａｎα／ｔａｎβ） （１）
   ０．６≦Ｈ／Ｄ≦１．３ （２）
2. 前記固体含鉄原料の一部又は全部は、酸化鉄と炭素含有物質を含有した酸化鉄含有鉄原料を加熱還元処理してなることを特徴とする請求項１に記載の含鉄原料の転炉溶解方法。

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