JP2020132888A

JP2020132888A - 溶銑の予備処理方法

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Publication number: JP2020132888A
Application number: JP2019022780A
Authority: JP
Inventors: 一平位; Ippei Kurai; 福山　博之; Hiroyuki Fukuyama; 博之福山
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2019-02-12
Filing date: 2019-02-12
Publication date: 2020-08-31
Anticipated expiration: 2039-02-12
Also published as: JP7180430B2

Abstract

【課題】トピードカーによる溶銑予備処理において、処理効率の向上と耐火物溶損の抑制を両立することが可能な方法を提供する。【解決手段】トピードカー内の溶銑にインジェクションランスを浸漬し、粉体及び気体をインジェクションランスを介して前記溶銑に吹き込む溶銑予備処理方法において、溶銑の脱Ｓｉ処理後の目標Ｓｉ濃度が設定Ｓｉ濃度より高い場合、前記インジェクションランスの吐出孔の角度（トピードカーを上方から見て、インジェクションランスの中心を通りトピードカーの長手方向に延びる仮想線と粉体の吐出方向とが成す鋭角）を２０°〜４０°とし、溶銑の目標Ｓｉ濃度が設定Ｓｉ濃度より低い場合、少なくとも溶銑Ｓｉ濃度が設定Ｓｉ濃度未満の領域ではインジェクションランスの吐出孔の角度を４５°〜７０°とする。【選択図】図４

Description

本発明は、トピードカー内の溶銑にインジェクションランスを浸漬し、粉体及び気体をインジェクションランスを介して溶銑に吹き込む溶銑の予備処理方法に関する。

溶銑に酸化鉄や石灰等の精錬剤を添加し、不純物であるＳｉ（珪素）やＰ（燐）、Ｓ（硫黄）を除去する溶銑予備処理では、コスト低減や、発生するスラグを削減するため、処理効率を高めて、投入する精錬剤量を削減することが課題となる。特に、高炉の原料や操業の変動による溶銑中のＳｉ濃度の上昇は、精錬剤使用量の増加や発生スラグ量の増加への影響が大きい。因って、トピードカーでの溶銑予備処理では、効果的にＳｉを除去することが求められている。

溶銑予備処理の効率を高めるには、溶銑をよく撹拌し、溶銑中の不純物元素を精錬剤とよく接触させることが重要となる。本来トピードカーは溶銑搬送容器であり、保温性を高めるため紡錘形をしている。そのため、トピードカー内の溶銑は両端部へ流動しにくく撹拌性が悪い。その結果、トピードカー内溶銑を精錬処理するために炉体中央部から吹き込まれた精錬剤が溶銑中に拡散していかず、反応効率が低位である。溶銑のＳｉ濃度をより効率的に低減させるには、トピードカーの紡錘形両端部に未反応のＳｉを留めないように溶銑を撹拌させることが必要となる。

そこで、トピードカーで溶銑予備処理を行う際に、溶銑の撹拌性を向上させて反応効率を高める技術が種々提案されている。例えば特許文献１では、溶銑の予備処理を行う際に、トピードカーに加振装置を連結し、この加振装置によってトピードカーに水平方向の振動を与えて、トピードカー本体を溶銑の共振周波数で長手方向に振動させる技術が開示されている。
また、特許文献２では、浸漬ランス（インジェクションランス）を２本とし、それらの先端を溶銑中に混銑車（トピードカー）長手方向に沿った同一軸上で互いに中心から離隔して配置し、互いに相反する方向へ酸化剤を吹き込むと共に、浸漬ランスから溶銑中への酸化剤の酸素ガス換算供給速度を各ランスについて０．１３Ｎｍ^３／ｍｉｎ／ｔ以下とする技術が開示されている。
特許文献３では、インジェクションランスを、水平面への投影図でみたとき、混銑車炉体の長手方向の中心軸とは離れた位置で、中心軸の方向と平行な方向に配置する技術が開示されている。

特開２０１０−２４５４２号公報特開２００６−２１９７６５号公報特開２０１１−１９５８６６号公報

しかしながら、特許文献１記載の技術の場合、重厚なトピードカーを加振する装置が必要になるため、設備費やメンテナンス費などが増加するという問題がある。
また、特許文献２記載の技術の場合、インジェクションランス２本を同時使用しているため、ランスコストやランス交換負荷が増加するという問題がある。
特許文献３記載の技術の場合、インジェクションランスの吐出孔がトピードカー耐火物に近づくことで、トピードカー耐火物が偏摩耗し耐火物寿命が短くなるという問題がある。

トピードカーによる溶銑予備処理では、溶銑の撹拌性を高めることで酸化鉄や石灰などの精錬剤の原単位の削減が求められる一方、溶銑の撹拌性を上げ過ぎると、トピードカー耐火物壁面近傍の溶銑流速が速くなり、トピードカー耐火物の溶損速度が増大する。トピードカー耐火物の溶損の抑制は、耐火物コストや、搬送容器としての信頼性の観点からも重要である。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、トピードカーによる溶銑予備処理において、処理効率の向上と耐火物溶損の抑制を両立することが可能な方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、トピードカー内の溶銑にインジェクションランスを浸漬し、粉体及び気体を前記インジェクションランスを介して前記溶銑に吹き込む溶銑予備処理方法において、
前記溶銑の脱Ｓｉ処理後の目標Ｓｉ濃度（以下、単に「目標Ｓｉ濃度」ともいう。）が設定Ｓｉ濃度より高い場合、前記インジェクションランスの吐出孔の角度（トピードカーを上方から見て、インジェクションランスの中心を通りトピードカーの長手方向に延びる仮想線と粉体の吐出方向とが成す鋭角）を２０°〜４０°とし、
前記溶銑の目標Ｓｉ濃度が前記設定Ｓｉ濃度より低い場合、少なくとも溶銑Ｓｉ濃度が前記設定Ｓｉ濃度未満の領域では前記インジェクションランスの吐出孔の角度を４５°〜７０°とすることを特徴としている。

また、本発明に係る溶銑の予備処理方法では、吐出孔の角度が２０°〜４０°のインジェクションランスＡと、吐出孔の角度が４５°〜７０°のインジェクションランスＢとを準備し、
前記溶銑の目標Ｓｉ濃度が前記設定Ｓｉ濃度より高い場合、前記インジェクションランスＡを使用し、
前記溶銑の目標Ｓｉ濃度が前記設定Ｓｉ濃度より低い場合、少なくとも溶銑Ｓｉ濃度が前記設定Ｓｉ濃度未満の領域では前記インジェクションランスＢを使用してもよい。

また、本発明に係る溶銑の予備処理方法では、前記設定Ｓｉ濃度が０．１０〜０．２０質量％であることを好適とする。

ここで、インジェクションランスの吐出孔の角度は、図１に示すように、トピードカー１０を上方から見て、インジェクションランス１１の中心を通りトピードカー１０の長手方向に延びる仮想線１４と粉体の吐出方向１５とが成す鋭角１６である。なお、以下の説明では、「インジェクションランスの吐出孔の角度」を単に「ノズル角度」と呼ぶことがある。

後述するように、溶銑の目標Ｓｉ濃度が設定Ｓｉ濃度より高い場合には、脱Ｓｉ反応の律速過程が酸素供給であるため、溶銑の撹拌性を高める必要がない。そのため、ノズル角度を２０°〜４０°として溶銑の撹拌性を抑え側壁溶損速度を低下させる。一方、溶銑の目標Ｓｉ濃度が設定Ｓｉ濃度より低い場合には、溶銑Ｓｉ濃度が設定Ｓｉ濃度より低い領域では脱Ｓｉ反応の律速過程が溶銑撹拌であるため、溶銑の撹拌性を高める必要がある。そのため、少なくとも溶銑Ｓｉ濃度が設定Ｓｉ濃度未満の領域ではノズル角度を４５°〜７０°として溶銑の撹拌性を高め溶銑処理時間を短縮する。

本発明に係る溶銑の予備処理方法では、目標Ｓｉ濃度に応じてノズル角度を調節することにより溶銑の撹拌性を制御する。これにより、処理効率の向上と耐火物溶損量の抑制を両立することができる。

ノズル角度を説明するための模式図である。ノズル角度と側壁部溶銑流速との関係を示したグラフである。ノズル角度と均一混合時間との関係を示したグラフである。ノズル角度が２０°〜４０°の場合と４５°〜７５°の場合それぞれについて、溶銑のＳｉと反応させる酸素源としてインジェクションランスから吹き込まれた酸化鉄粉体原単位と溶銑予備処理後のＳｉ濃度との関係を示したグラフである。（Ａ）は高Ｓｉ領域での溶銑予備処理方法を示した模式図、（Ｂ）は低Ｓｉ領域での溶銑予備処理方法を示した模式図である。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。

［本発明の技術思想］
本発明者らは、トピードカーによる溶銑予備処理プロセスについて詳細に検討した結果、以下の知見を得た。
(a)溶銑のＳｉ濃度が高い場合、溶銑に供給した酸素は溶銑中のＳｉと接触して反応する頻度が高い。そのため、酸素供給速度を上げるほど、脱Ｓｉ速度も向上する。即ち、脱Ｓｉ反応の律速過程は酸素供給であり、溶銑の撹拌性を高めても脱Ｓｉ効率には関係せず脱Ｓｉ速度は向上しない。一方、溶銑の撹拌性を上げると溶銑流速も速くなる。一般に、耐火物近傍の溶鉄流速が速くなるほど耐火物の溶損がより進むことが知られている。従って、耐火物保護の観点からは溶銑の撹拌性はむしろ下げたほうがよい。

(b)溶銑のＳｉ濃度が低い場合、溶銑に供給した酸素が溶銑中のＳｉと接触する頻度が少なく、局所的に酸素供給量を増加させても脱Ｓｉ速度は向上しない。脱Ｓｉ反応の律速過程は溶銑の撹拌による物質移動であり、溶銑の撹拌性を高めることで酸素と溶銑中のＳｉとの接触頻度が増加して処理効率が高まる。その結果、脱Ｓｉ速度が増大し、処理時間が短縮される。

(c)インジェクションランスから吐出される粉体及び気体により溶銑流が生まれる。２孔ある吐出孔のノズル角度を調整して粉体及び気体の吐出方向を変更することにより、トピードカー内の溶銑流れを変えることができる。従って、ノズル角度と溶銑流れの関係性を明らかにしたうえでノズル角度を調整することにより、トピードカー内の溶銑流れを変え、撹拌性を制御することができる。

本発明者らは、流動解析計算や水モデルを用いた測定などを行い、ノズル角度と溶銑流との関係を明らかにした。特に、耐火物近傍の溶銑流の流速が速いほど耐火物の溶損が進むため、ノズル角度とトピードカー側壁部近傍の溶銑流速（側壁部溶銑流速）の関係を調査した。側壁部溶銑流速は、流動計算や、水モデルにおいて水に比重が近く目視可能なマーカーを投入することで測定できる。また、撹拌性がよいほど均一混合時間が短くなると想定されるので、ノズル角度と均一混合時間との関係を調査した。均一混合時間は、例えば、ある元素を溶銑中に添加した時に濃度が均一となるまでに要する撹拌時間のことであり、流動解析計算や、水モデルにおいて食塩を添加し電気伝導率の時間推移を測定することで求められる。

ノズル角度と側壁部溶銑流速との関係を図２に、ノズル角度と均一混合時間との関係を図３にそれぞれ示す。
なお、側壁部溶銑流速は側壁部全体の平均値である。

図２より以下のことがわかる。
ノズル角度を３０°とした場合が側壁部溶銑流速が最も低く０．７７ｍ／ｓである。ノズル角度が２０°〜４０°の範囲であれば、側壁部溶銑流速を０．８０ｍ／ｓ以下に抑えることができる。

また、図３より以下のことがわかる。
ノズル角度を６０°とした場合が均一混合時間が最も短く２０秒である。ノズル角度が４５°〜７５°の範囲であれば、溶銑の撹拌性を高めることができ均一混合時間を３０秒以下に抑えることができる。

図４は、ノズル角度が２０°〜４０°の場合と４５°〜７５°の場合それぞれについて、酸化鉄原単位と溶銑予備処理後のＳｉ濃度との関係を示したものである。酸化鉄原単位が大きいほど反応効率が悪いことを示す。なお、処理前溶銑のＳｉ濃度は０．５５質量％である。
ノズル角度が２０°〜４０°の場合、溶銑のＳｉ濃度が０．２０質量％付近を下回ると、反応効率がノズル角度４５°〜７５°の場合よりも低下し始め、０．１０質量％未満では明確に差が生じることが同図よりわかる。従って、溶銑のＳｉ濃度が０．１０〜０．２０質量％よりも低い場合は、ノズル角度を４５°〜７５°として効率低下を抑制して処理時間を短縮させることが望ましいが、ノズル角度が７０°を超えると、側壁部溶銑流速が速くなりすぎるため、ノズル角度の上限は７０°とする。

［本発明の一実施の形態に係る溶銑の予備処理方法］
上記検討結果より、本発明では、溶銑の脱Ｓｉ処理後の目標Ｓｉ濃度が設定Ｓｉ濃度より高い場合、ノズル角度を２０°〜４０°とし、溶銑の目標Ｓｉ濃度が設定Ｓｉ濃度より低い場合、ノズル角度を４５°〜７０°とする。溶銑の目標Ｓｉ濃度が設定Ｓｉ濃度より低い場合、溶銑Ｓｉ濃度が設定Ｓｉ濃度になった時点でノズル角度を２０°〜４０°から４５°〜７０°切り替えるのがベストであるが、始めから終わりまで４５°〜７０°のままで処理を行っても十分な効果が得られる。

設定Ｓｉ濃度は０．１０〜０．２０質量％とするのが好適である。
設定Ｓｉ濃度が０．１０質量％未満であると、目標Ｓｉ濃度が設定Ｓｉ濃度より高い場合、０．１０質量％未満のＳｉ濃度までノズル角度２０〜４０°で処理することになり、反応効率が悪く処理時間が長くなる。一方、設定Ｓｉ濃度が０．２０質量％を超えると、目標Ｓｉ濃度が設定Ｓｉ濃度より低い場合、０．２０質量％超のＳｉ濃度からノズル角度４５°〜７０°で処理することになり、側壁部溶銑流速が速くなって耐火物の溶損が進む恐れがある。

なお、ノズル角度を４５°〜７０°とすると、側壁部溶損速度が上昇して耐火物の溶損が進行する懸念があるが、撹拌性の向上により処理時間を短縮できるので耐火物への影響は限定的となる。

溶銑の目標Ｓｉ濃度に応じてノズル角度を変更するには、ランスの中心軸周りに回動可能なインジェクションランスを使用すればよい。

あるいは、図５に示すように、ノズル角度が２０°〜４０°のインジェクションランスＡ１２と、ノズル角度が４５°〜７０°のインジェクションランスＢ１３とを準備し、トピードカー１０の長手方向に並べて配置する。そして、インジェクションランスＡ１２とインジェクションランスＢ１３を使い分ける。具体的には、目標Ｓｉ濃度が設定Ｓｉ濃度より高い場合の溶銑予備処理ではインジェクションランスＡ１２を使用し（図５（Ａ）参照）、目標Ｓｉ濃度が設定Ｓｉ濃度より低い場合の溶銑予備処理はインジェクションランスＢ１３を使用する（図５（Ｂ）参照）。

目標Ｓｉ濃度が設定Ｓｉ濃度より低い場合、溶銑Ｓｉ濃度が設定Ｓｉ濃度になった時点でインジェクションランスＡ１２からインジェクションランスＢ１３に切り替えてもよいが、始めから終わりまでインジェクションランスＢ１３を使い続けても十分な効果が得られる。

以上、本発明の一実施の形態について説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。

本発明の効果について検証するために実施した検証試験について説明する。
ノズル角度が３０°のインジェクションランスと６０°のインジェクションランスを使用し、目標Ｓｉ濃度が設定Ｓｉ濃度より高い場合（０．３０〜０．４０質量％）と低い場合（０．０２〜０．０４質量％）それぞれについて５０チャージずつ脱Ｓｉ処理を実施した。精錬用粉体として酸化鉄粉を使用し、粉体キャリアガスとして窒素を使用して溶銑中へ吹込んだ。

試験結果の一覧を表１に示す。
実施例１では、目標Ｓｉ濃度が設定Ｓｉ濃度より高い場合、処理開始から終了までノズル角度が３０°のインジェクションランスを用いて処理を行い、目標Ｓｉ濃度が設定Ｓｉ濃度より低い場合、処理開始から終了までノズル角度が６０°のインジェクションランスを用いて処理を行った。
実施例２では、目標Ｓｉ濃度が設定Ｓｉ濃度より高い場合、処理開始から終了までノズル角度が３０°のインジェクションランスを用いて処理を行い、目標Ｓｉ濃度が設定Ｓｉ濃度より低い場合、処理開始からノズル角度が３０°のインジェクションランスを用いて処理を行い、溶銑中のＳｉ濃度を定期的に測定して、Ｓｉ濃度が０．１０質量％になると推定される時点で、ノズル角度が６０°のインジェクションランスに切り替えて処理を行った。

比較例１では、目標Ｓｉ濃度が設定Ｓｉ濃度より高い場合も低い場合も、処理開始から終了までノズル角度が３０°のインジェクションランスを用いて処理を行った。
比較例２では、目標Ｓｉ濃度が設定Ｓｉ濃度より高い場合も低い場合も、処理開始から終了までノズル角度が６０°のインジェクションランスを用いて処理を行った。

各チャージで処理に用いた酸化鉄原単位（ｋｇ／ｔ）を基に各実施例、比較例での平均酸化鉄原単位を求め、処理効率を評価した。
また、各実施例、比較例での処理前と処理後のトピードカー内の耐火物表面のプロフィールをレーザー距離計を用いて測定し、その差から耐火物溶損量を求め、処理したチャージ数で除して耐火物平均溶損量（ｍｍ／ｃｈ）を評価した。

同表より以下のことがわかる。
処理効率に関して、目標Ｓｉ濃度が設定Ｓｉ濃度より高い場合には、ノズル角度による違いは見られなかったが、目標Ｓｉ濃度が設定Ｓｉ濃度より低い場合、ノズル角度が３０°になると、溶銑撹拌性が低いため、目標Ｓｉ濃度に到達するまでに投入する酸化鉄量が増加し、処理時間が長くなる結果となった。

実施例１は、目標Ｓｉ濃度に応じてノズル角度を変更したので、処理時間が短く、酸化鉄量も少なく、耐火物溶損も抑制された結果が得られた。
実施例２は、目標Ｓｉ濃度が設定Ｓｉ濃度より低い場合、Ｓｉ濃度が高い領域ではノズル角度３０°のインジェクションランスを使用し、Ｓｉ濃度が低い領域ではノズル角度６０°のインジェクションランスに切り替えて処理を行ったので、耐火物溶損が最も抑制された結果が得られた。

比較例１は、目標Ｓｉ濃度にかかわらずノズル角度３０°のインジェクションランスを使用したため、実施例１、２や比較例２に比べて処理時間が長くなる結果となっている。また、目標Ｓｉ濃度が設定Ｓｉ濃度より低い場合、処理時間が長くなるため、溶銑流速が遅いにもかかわらず、耐火物溶損量が実施例に比べて増大している。
比較例２は、目標Ｓｉ濃度にかかわらずノズル角度６０°のインジェクションランスを使用したので、処理効率が向上しているが、溶銑流速が速くなるため、実施例に比べて耐火物溶損量が増大している。

１０：トピードカー、１１：インジェクションランス、１２：インジェクションランスＡ、１３：インジェクションランスＢ、１４：仮想線、１５：吐出方向、１６：鋭角

Claims

トピードカー内の溶銑にインジェクションランスを浸漬し、粉体及び気体を前記インジェクションランスを介して前記溶銑に吹き込む溶銑予備処理方法において、
前記溶銑の脱Ｓｉ処理後の目標Ｓｉ濃度が設定Ｓｉ濃度より高い場合、前記インジェクションランスの吐出孔の角度（トピードカーを上方から見て、インジェクションランスの中心を通りトピードカーの長手方向に延びる仮想線と粉体の吐出方向とが成す鋭角）を２０°〜４０°とし、
前記溶銑の目標Ｓｉ濃度が前記設定Ｓｉ濃度より低い場合、少なくとも溶銑Ｓｉ濃度が前記設定Ｓｉ濃度未満の領域では前記インジェクションランスの吐出孔の角度を４５°〜７０°とすることを特徴とする溶銑の予備処理方法。
請求項１記載の溶銑の予備処理方法において、吐出孔の角度が２０°〜４０°のインジェクションランスＡと、吐出孔の角度が４５°〜７０°のインジェクションランスＢとを準備し、
前記溶銑の目標Ｓｉ濃度が前記設定Ｓｉ濃度より高い場合、前記インジェクションランスＡを使用し、
前記溶銑の目標Ｓｉ濃度が前記設定Ｓｉ濃度より低い場合、少なくとも溶銑Ｓｉ濃度が前記設定Ｓｉ濃度未満の領域では前記インジェクションランスＢを使用することを特徴とする溶銑の予備処理方法。
請求項１又は２記載の溶銑の予備処理方法において、前記設定Ｓｉ濃度が０．１０〜０．２０質量％であることを特徴とする溶銑の予備処理方法。