JP2018119195A

JP2018119195A - 溶融金属精錬容器からの排滓量の推定方法および溶融金属の精錬方法

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Publication number: JP2018119195A
Application number: JP2017012631A
Authority: JP
Inventors: 渉平三嶋; Shohei Mishima; 憲治中瀬; Kenji Nakase; 拓之池田; Hiroyuki Ikeda
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2017-01-27
Filing date: 2017-01-27
Publication date: 2018-08-02
Anticipated expiration: 2037-01-27
Also published as: JP6601631B2

Abstract

【課題】本発明は、精錬容器からの排出スラグ量の正確な推定技術を提案すると共に、望ましい溶融金属の精錬方法を提案する。【解決手段】溶融精錬容器の炉口から流出させる溶融スラグを他の容器へ排出するに際し、その精錬容器から溶融スラグが流出し始めたときの該精錬容器の傾動角度、スラグの全排出過程における精錬容器の最大傾動角度および該精錬容器内形状に基づき排出スラグの体積を求めることにより、排出スラグの質量の推定を行なうことを特徴とする溶融金属精錬容器からの排滓量の推定方法と、推定された前記排滓量に基づき、溶融金属に添加すべき精錬材を決定する溶融金属の精錬方法。【選択図】図３

Description

本発明は、溶融金属精錬容器を傾動させて排滓するときの排滓量を推定する方法、およびその方法を利用する溶融金属の精錬方法に関する。

溶融金属の精錬、例えば転炉による鋼の精錬において、溶融金属精錬容器である転炉内におけるスラグの状態は、溶融金属（溶鋼）の精錬（冶金反応）に強く影響することが知られている。特に、該転炉内での溶融スラグ（以下、単に「スラグ」という）の量およびこのスラグを炉外へ排出するときの量を知ることは、溶融金属を精錬する場合において極めて重要である。

例えば、転炉による溶鉄の精錬を例にとると、一般的な技術としては、排出されたスラグを運搬する転滓台車に対してロ−ドセル方式の秤量器を設置し、台車上の転滓鍋の風袋引き等の前処理を行った後、スラグ排出完了時の質量から排出スラグの量を求める方法が知られている。また、転炉内のスラグを排出した後、なおもその転炉内に残留するスラグ量を排出終了時の転炉の傾動角度等から推定する既知の方法もある。（特許文献１参照）

特開平３―１５８４０８号公報

ところで、転炉からスラグのみを排出する場合であっても、排出の末期にスラグ中に溶鉄が混入して流出することがある。そのため、転滓台車に設置した秤量器の秤量値というのは、流出した溶鉄の質量をも含んだものとなり、しかも、混入する溶鉄の質量は一定ではない。そのため、従来方法では、転滓台車上の秤量器で測定されるスラグ質量と溶鉄質量とを正確に分けて求めることが困難である。その理由は、溶鉄の密度はスラグよりもよりも大きい（スラグのフォーミングが大きい場合約７倍）ため、少ない量の溶鉄が混入した場合であっても、秤量値への影響は大きいものになるからである。さらに、このような測定方法の場合、秤量器に飛散したスラグ片が秤量器に噛み込むことがあり、測定誤差を生じることがある。

また、排滓終了時の転炉の傾動角度のみを用いて炉内残留スラグ量を推定する前記の方法は、スラグの量に大きなばらつきがある吹錬の場合に、排滓開始時の傾動角度や溶融金属の含有量を考慮しないばかりか、耐火物の経時的な損耗による炉内形状の変化を考慮していないために、排出スラグ量、即ち排滓量の正確な把握ができないという問題があった。

このように、吹錬終了時の排滓量の把握だけ、あるいは溶融金属の含有量を考慮しない排滓量の推定方法や、出湯時の傾動角度のみを用いて排滓量を求める従来の上述した方法では、例えば、溶鉄含有量による誤差や使用回数が多くなることに伴う耐火物の損耗による転炉炉内形状変化などに対して、これらのことを反映した排滓量の推定ができないという問題があった。

そこで、本発明の目的は、精錬容器から排出するスラグの質量を正確に推定（算出）できる技術を提案すること、および望ましい溶融金属の精錬方法を提案することにある。

従来技術が抱えている上記課題を解決するために鋭意研究を行なった結果、発明者らは、以下のような要旨構成からなる本発明の開発に成功した。即ち本発明は、金属の精錬工程において、溶融金属および溶融スラグが収容されている精錬容器を傾動させることにより、この精錬容器の炉口から流出させる溶融スラグを他の容器へ排出するに際し、その精錬容器から溶融スラグが流出し始めたときの該精錬容器の傾動角度、スラグの全排出過程における精錬容器の最大傾動角度および該精錬容器内形状に基づき排出スラグの体積を求めることにより、排出スラグの質量の推定を行なうことを特徴とする溶融金属精錬容器からの排滓量の推定方法である。

なお、上記のように構成される本発明においては、前記精錬容器内の形状については、装入溶融金属量と溶融金属の湯面レベルに基づき、該精錬容器内耐火物の損耗度合いを求めることによって特定することが、より好適な解決手段になるものと考えられる。

また、本発明は、前記のようにして得られる、溶融金属精錬容器を傾動させて排滓するときのその排滓量の推定方法を適用して溶融金属を精錬する方法であって、推定されたその排滓量に応じて、溶融金属に添加すべき精錬材の種類と好ましくはその添加量を選択、決定することを特徴とする溶融金属の精錬方法を提案する。

本発明は、排滓開始時の精錬容器（以下、「転炉」の例で説明する）の傾動角度およびスラグの全排出過程における該転炉の最大傾動角度および、変化する転炉内の形状を考慮して排出スラグの体積を求めると共に、この体積にスラグの密度を掛けることで排出スラグの全質量を推定するようにしたものであるから、吹錬によってスラグの発生量にばらつきがあっても、排出したスラグ量を正確に推定できるようになる。その結果として、転炉内に残留したスラグ量の正確な把握ができ、ひいては石灰や鉄鉱石などの精錬材の種類、添加量を望ましい範囲内に決定できるようになる。

また、本発明によれば、装入溶融金属の質量と該溶融金属の湯面レベルから転炉内耐火物の損耗度合いを求め、これにより正確な炉内形状を求めること、即ち、毎回の吹錬時における転炉内耐火物の損耗度合いを、操業ピッチを変えることなく求めることができるので、転炉の使用回数による影響を考慮した適正な排出スラグ量を求めることができる。

さらに、本発明は、転炉からの最初に排出する溶融物（スラグ）の実質的な体積を知ることができる方法であるから、少量の溶融金属が該排出スラグ中に混入している場合であっても、体積算出への影響は小さく、しかもスラグの密度はその後に掛ける方法であることから、排出されたスラグ質量算出への影響を、秤量器によって質量を直接求める従来の方法よりも小さくすることができる。

本発明の実施態様を説明する全体図である。転炉からスラグを排出する場合に、傾動した転炉内に残留している溶融物の状態を示す略線図である。傾動している転炉内に収容することのできる溶融物の体積と転炉傾動角度との関係を示す図である。傾動角度を用いた排滓スラグの体積算出方法を説明するための図である。湯面レベルを用いた転炉の損耗度合いを算出する方法の説明図である。本発明法を用いて算出した推定排出スラグ量とスラグ量の実績値（秤量値）との関係を示す図である。実施例での炉内残留スラグ中Ｐと石灰添加量との関係を示す図である。

一般に、転炉内で生成した溶融スラグの中間排滓を含め、その排出後に転炉内に残留したスラグの量は、吹錬モデルの計算等によって求めたスラグ生成量から排出したスラグの量を引くことなどによって求めることができる。この場合において、もし炉内に残留したスラグの量についての算出値に誤差があると、次チャージの吹錬モデル計算の精度や化学成分値の的中率を悪化させる要因となるため、操業への影響は多大である。従って、転炉内に残留したスラグの量を正確に把握することは斯界においては極めて重要である。

そこで、本発明では、傾動される転炉から溶融スラグが流出し始める排滓開始時の、該転炉の傾動角度と、該溶融スラグの全排出の過程における転炉の最大傾動角度と、そして、転炉の炉内形状を考慮した排出スラグの体積を算出し、さらに算出したそのスラグ体積にスラグの密度を掛けて質量を算出（推定）することにした。このような転炉排出スラグの算出（推定）方法によれば、吹錬時に生じたスラグ体積に大きなばらつきがあったような場合、あるいは操業の継続によって転炉内の耐火物が大きく損耗して炉内形状が大きく変化したような場合においてさえも、排出スラグ量を正確に推定できるようになる。

なお、転炉の傾動角度による排出スラグ量の推定に当たっては、転炉から排出されるスラグの体積を転炉の炉内形状と転炉傾動条件に基づき推定する際に、排出スラグの質量は「排滓スラグの体積×スラグ密度」により求める。

以下、まず、排出スラグの体積を求める方法について、図１〜４に基づき説明する。これらの図に示しているように、転炉１の炉体がθだけ傾動し、溶鉄３上のスラグ２の流出が開始した状態（湯面レベル（溶融スラグ）が炉口１ａの淵まで達している状態）において、炉内に残留する溶融金属（溶鉄３）およびスラグ２の体積Ｖは、図４の斜線で示される部分である。この場合において、転炉の中心軸をｚ軸とし、ｚ軸に垂直な平面での溶鉄およびスラグの断面積をＳとすると、このＳは下記の（１）式で表される。下記（２）式は、上記の断面積Ｓをｚ軸に沿って高さＨ分だけ積分することで、傾動角θにおける炉内の残留体積Ｖ（θ）を計算できることを示している。そして、下記（３）式は、排出開始の角度θ_１と全排滓中の最大角度(排出終了角度)θ_２から求めた残留体積との差を求めることで、排出された溶鉄およびスラグの体積Ｖ_hが求められることを示している。この体積Ｖ_hがスラグ排出過程での排出スラグの体積となる。

であり、炉内形状因子である。

なお、転炉の炉体は、吹錬を繰り返すことで耐火物の損耗が生じ、形状が次第に変化していく。ここで、図５（ａ）、（ｂ）は、炉内の耐火物の損耗度合いの求め方を説明する図である。一般に、転炉の炉内耐火物の損耗が進行すると、溶鉄装入時の湯面レベルは新炉のときと比べて低くなる。従って、溶鉄の体積を溶鉄の質量から求め、溶鉄装入直後の湯面レベル（初期湯面）と転炉稼動後の損耗時湯面レベルとを測定することで、転炉の損耗度合いが判明する。この点に関し、本発明では、転炉の損耗による形状の変化は、損耗が炉壁に対して垂直に一様に損耗するものとして幾何的に求めるか、プロフィール計による計測データから損耗がどのように進行するかを求めておく。そして、装入溶鉄質量と新炉時からの湯面レベル低下量、損耗量の関係を予め作成しておくことにより、演算の負荷を低減することが可能になる。

近年の転炉による鋼の精錬では、中間排滓を含めて炉内残留スラグの量を知ることが極めて重要になってきた。特に、近年のように、溶銑予備処理技術が一般的となり、転炉に装入される溶銑のほとんどが予備処理溶銑が使われるようになると、脱硫処理や脱燐処理の必要がなくなり、脱珪処理と脱炭精錬とを主とする転炉精錬が行なわれるようになると、炉内残留スラグ量を推定することは極めて重要な技術となってきたからである。

例えば、前チャージは溶銑として予備処理されていない普通銑を用いたのに対し、今回は予備処理溶銑を使用するような場合には、炉内に残留するスラグはＰ汚染の原因となり、予備処理溶銑使用による効果が低減することとなるからである。

そのため、本発明の前述した排滓量の推定技術に従って、炉内残留スラグ量、言い換えると排滓量を正確に把握することで、Ｐ、Ｓ、Ｍｎ等の物質収支の計算が正確にできるようになり、ひいては今回チャージの吹錬終点における化学成分値の的中率を向上させることができるようになる。

そこで、本発明ではまた、終点制御のための前述した転炉傾動時の排滓量の正確な推定値に基づき、石灰、鉄鉱石、あるいは合金鉄のような精錬材の種類、その添加量を決定して、的中率の高い終点制御をする溶融金属の精錬方法を提案する。

例えば、精錬材の添加量を、前述した転炉での傾動排滓量の推定値に基づいて計算することで、添加量の適正化および処理後の成分的中率を向上させることができる。精錬材の添加量を決定する計算は、溶銑、スクラップ、残留スラグに含まれるＰ、Ｓ、Ｍｎ等の成分量と、目標の成分値を比較して行う。ここで、残留スラグ量は、吹錬モデルの計算等によって求めたスラグ生産量から排出したスラグの量をひく方法や、排出スラグ量が得られない場合には一定量あるいは一定比率が残留すると仮定する方法などによって求められる。このようにして、排出スラグ量を正確に算出することで、吹錬開始前の各成分量の算出が正確かつ精度よく求められるようになる。従って、上記計算による精錬材の添加量算出が適正化され、ひいては処理後の成分値的中率を向上することができる。

以下に説明する実施例は、精錬容器として転炉を用い、その転炉ではまず溶銑の脱珪精錬を行い、その後、炉内残留スラグ量に応じて該転炉を傾動して炉口から溶融スラグ（脱珪スラグ）の一部を排出する中間排滓の処理を行ない、次いで、必要な精錬材を追加して必要なさらなる脱燐―脱炭吹錬を行うための溶銑の精錬処理において、本発明を適用した例について述べる。

装入溶銑の質量は秤量器によって得られたものである。なお、その溶銑の装入前に、まずスクラップを装入する場合においては、スクラップと溶銑の密度の比から、同じ体積となる溶銑の質量を求め、秤量器から得た溶銑質量に加える。溶銑装入後の溶銑湯面レベルはマイクロ波レベル計によって求めた。また、装入溶銑質量と新炉時からの湯面レベル低下量、損耗量との関係は、溶銑質量、湯面レベル低下量の代表的な値について、耐火物損耗量を予め幾何学的に計算しておきこれを表１として示した。この表をもとに、線形補間（線形多項式を用いた回帰分析方法）を用いて耐火物損耗を求めることで演算の負荷を低減することにした。

また、スラグ排出開始時の傾動角度（θ_１）は、オペレータが排出開始を判断しプッシュボタンを押したときの角度、スラグ全排出過程における転炉の最大傾動角度（θ_２）は排出終了時の角度とした。各傾動角度と耐火物損耗量における、炉内の溶銑およびスラグの体積を、前記式（１）〜（３）によって算出し、これを表２としてまとめた。この表を基に、線形補間を用いて、排滓開始時と排滓終了時の炉内の溶銑およびスラグの体積を求め、求めた体積の差をとることで排滓されたスラグの体積を算出した。

例えば、上記表１、上記表２を用いて排出スラグの質量（排滓量）を求めるには、装入溶銑３６０ｔのときの湯面レベルが、新炉時よりも０．２ｍ低くなっていた時は、前記表１より損耗量は０．１０ｍとなる。このときの排出開始角度が５５°、排出終了角度が８０°であれば、表２から、排出開始時の炉内溶銑およびスラグの体積は１２１．６ｍ^３であり、排出終了時の体積は３７．０ｍ^３となる。その体積の減少量、即ち、１２１．６ｍ^３と３７．０ｍ^３との差がスラグの排出体積となる。

なお、スラグの密度は、吹錬モデルによる計算塩基度、推定温度、推定ＦｅＯ濃度、リンス時間を用いて、下記式（４）で表わされるものを用いた。
ここで、Ａ〜Ｄは計算排滓量と実績排滓量の誤差が最小になるように重回帰分析により求めた。

スラグ密度（ｔ／ｍ^３）＝Ａ×計算塩基度＋Ｂ×リンス時間（分）
＋Ｃ×脱Ｓｉ終了時推定温度（℃）＋Ｄ（４）

係数決定の際に使用する実績排滓量は下記条件において求めた場合の値を用いることが望ましい。
（ａ）溶鉄の混入がないよう排出時の傾動角を通常操業時よりも小さくした場合であること。
（ｂ）秤量器へのスラグ片等の噛み込みがないよう、清掃点検を行った直後であること。
あるいは
（ｃ）スラグを運搬した先の工場・設備に設置されていること。
（ｄ）測定精度の良い秤量器の計測値であること。

本発明法に従い、前記式（１）〜（４）に基づく傾動角度を用いた排出スラグ（質量）の算出例では、図６に示すように、炉内損耗を考慮した計算値のほうが、損耗を考慮しない計算値と比べて大きい値が得られており、なおかつ、秤量器等による実績測定値に近い値となっていた。

そして、本発明に従う上述した方法によれば、炉内に残留したスラグ量を正確に把握することができるので、炉内に新たに添加する精錬材の量の適正化を図ることが可能となる。その結果として、精錬後の溶銑成分のバラツキの縮小、および精錬材コストの低減が可能となる。

このことについて、以下に具体例を示す。転炉型脱燐処理時における残留スラグ量を前述した方法によって求め、これを添加すべき石灰添加量の算出に反映させた。即ち、図７は、脱燐吹錬時の残留スラグ中に含まれる（Ｐ）mass％と目標の成分量とを比較して、それぞれに合う石灰添加量について、従来法と発明法についてプロットした図である。この図に示すところから明らかなように、従来法の下では、残留スラグ量の推定精度が低いため、添加する石灰量は目標成分値に対して過剰に添加されていた。しかし、本発明法を適用することで、残留スラグ量のばらつきに応じて、添加する石灰量を適正に求めることができるようになり、過剰に添加していた石灰量を削減することができた。これにより、従来と同じ成分目標値と的中率において０．６４ｋｇ／全装ｔの石灰添加量の削減効果を確認できた。

前述した本発明に係る技術は、溶銑の予備処理に適用した例を記載したが、その他、転炉製鋼、電気炉製鋼、及び銅精錬等の非鉄金属精錬にも適用可能である。

１転炉
２スラグ
３溶鉄
４転滓鍋
５転滓台車
６マイクロ波レベル計

Claims

金属の精錬工程において、溶融金属および溶融スラグが収容されている精錬容器を傾動させることにより、この精錬容器の炉口から流出させる溶融スラグを他の容器へ排出するに際し、その精錬容器から溶融スラグが流出し始めたときの該精錬容器の傾動角度、スラグの全排出過程における精錬容器の最大傾動角度および該精錬容器内形状に基づき排出スラグの体積を求めることにより、排出スラグの質量の推定を行なうことを特徴とする溶融金属精錬容器からの排滓量の推定方法。
前記精錬容器内の形状は、装入溶融金属量と溶融金属の湯面レベルに基づき、該精錬容器内耐火物の損耗度合いを求めることによって特定することを特徴とする請求項１に記載の溶融金属精錬容器からの排滓量の推定方法。
請求項１または２に記載の溶融金属精錬容器からの排滓量を推定する方法を適用して溶融金属を精錬する方法であって、推定された排滓量に基づき、溶融金属に添加すべき精錬材を選択することを特徴とする溶融金属の精錬方法。