JP3996622B2 - 連続脱珪方法 - Google Patents

Description

本発明は、溶銑中の珪素を連続的に除去する連続脱珪方法に関する。

高炉で還元されて出銑された溶銑は、通常０．３〜０．７％程度の珪素［Ｓｉ］の他に、４．３〜４．６％程度の炭素［Ｃ］，０．０９〜０．１３％程度のりん［Ｐ］を含んでいる。この溶銑を精錬して鋼とするには、炭素［Ｃ］やりん［Ｐ］を所定濃度まで低減する必要があるが精錬効率の観点から脱炭，脱りんに先立って珪素［Ｓｉ］や硫黄［Ｓ］を極力低濃度（例えば、珪素[Ｓｉ]０．２５％）まで除去しておくことが望ましい。そこで、従来から、高炉から出銑した溶銑に対して脱珪，脱硫等の予備処理が行われている（例えば、特許文献１，特許文献２）。

特許文献１には脱硫処理の方法が開示されており、取鍋内に収容された溶銑に脱硫剤を添加し、当該溶銑にインペラ（攪拌羽根）を浸漬してインペラを回転させることにより、脱硫を行う方法である。
一方で、特許文献２には脱珪処理の方法が開示されており、高炉鋳床の溶銑流路に脱珪反応槽を設けて、脱珪搬送槽内の溶銑中に脱珪剤を添加して当該溶銑をインペラで攪拌することにより脱珪を行う方法である。
特公昭４５−３１０５３号 特開昭５４−１３７４２０号

上述したように脱硫処理及び脱珪処理では、両処理ともに溶銑をインペラで攪拌して処理を行う方法であるが、脱硫処理では取鍋に溶銑を収容した状態で溶銑を攪拌するのに対し、脱珪処理においては、脱硫処理とは異なり、高炉鋳床の溶銑流路を連続的に流れる溶銑を攪拌している。
したがって、特許文献１の脱硫処理のように、滞留している溶銑を満遍なく攪拌して脱硫処理を行うことは比較的容易であるが、特許文献２のように、連続的に流れる溶銑を満遍なくインペラで攪拌して脱珪処理を行うことは未だ難しく、脱珪効率が低下すると共に、バラツキ無く安定的に脱珪を行うことができないという問題が現場から挙がってきている。

そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、脱珪効率が向上すると共に、バラツキ無く安定的に脱珪を行うことができる連続脱珪方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明は、次の手段を講じた。
即ち、本発明における課題解決のための技術的手段は、高炉鋳床の溶銑流路内を流れる溶銑に脱珪剤を添加し、インペラを溶銑に浸漬して回転させることにより溶銑と脱珪剤とを混合して溶銑中の珪素を連続的に除去する連続脱珪方法おいて、
前記溶銑に浸漬して回転させる前記インペラの羽根を側面視で長方形状又は台形状とすると共に、式（１），式（１）’を満たすような形状とし、且つ前記羽根の枚数を３〜６枚にして、
前記溶銑流路の直径又は幅に対する羽根の幅を式（２）を満たすようにしておくと共に、当該インペラを、式（３），式（４）を満たすように溶銑に浸漬することを特徴とする。

ｂ０≧ｂ１ ・・・（１）
０．５≦ｂ１／Ｚ≦０．７５ ・・・（１）’
０．２≦ｄ／Ｄ≦０．８ ・・・（２）
０＜ｈ１／Ｚ≦０．４ ・・・（３）
０＜ｈ２／Ｚ≦０．４ ・・・（４）
ただし、
ｂ０:羽根の基部の高さ（ｍ）
ｂ１:羽根の先端部の高さ（ｍ）
ｄ：羽根の幅（ｍ）
Ｄ：溶銑流路の直径又は幅（ｍ）
Ｚ：溶銑流路内に流れる溶銑の深さ（ｍ）
ｈ１：羽根先端の上端から溶銑上面までの距離（ｍ）
ｈ２：羽根先端の下端から溶銑流路の底部までの距離（ｍ）
発明者は、高炉鋳床の溶銑流路を流れる溶銑を満遍なく攪拌することで、脱珪処理時に脱珪効率が向上すると共に、バラツキ無く安定的に脱珪を行う方法について様々な角度から検証した。

具体的には、インペラの枚数及び羽根の幅を変更した複数のインペラを製作し、当該インペラを用いて、溶銑に対するインペラの浸漬度合い（羽根先端の上端から溶銑上面までの距離ｈ１，羽根先端の下端から溶銑流路の底部までの距離ｈ２）を変更しながら、脱珪処理を行う実験を行った。
実験の結果、前記溶銑に浸漬して回転させる前記インペラの羽根の枚数を３〜６枚し、且つ当該羽根を式（１），式（２）を満たすようにしておくと共に、当該インペラを、式（３），式（４）を満たすようにすることで、溶銑流路を連続的に流れる場合であっても脱珪効率が向上し且つバラツキ無く安定的に脱珪を行うことができることを見出した。

本発明によれば、脱珪効率が向上すると共に、バラツキ無く安定的に脱珪を行うことができる。

まず、本発明の連続脱珪方法を適用する高炉設備の一例について説明する。ただし、本発明の連続脱珪方法はこの設備のみに適用されるものではない。
図１〜３に示すように、高炉の周りには高炉鋳床１が設けられており、この高炉鋳床１は高炉２から出銑された溶銑が流れる出銑樋４（溶銑流路）を有している。
前記出銑樋４の中途部には排滓樋５が分岐形成されており、出銑樋４の分岐部分の下流近傍には、排滓樋５に溶銑のスラグ６が流れるように案内する潜り堰７が設けられている。

また、出銑樋４の分岐部分よりも下流側には、平面視略円形状の反応槽８が設けられている。出銑樋４には複数のインペラ１０が配置されている。詳しくは、反応槽８に出銑樋４を流れる溶銑を攪拌するインペラ１０ａ（攪拌羽根）が配置されるか、又は、前記分岐部分と反応槽８との間にインペラ１０ｂが配置されている。インペラ１０ａ又はインペラ１０ｂの近傍に脱珪剤１１を添加する添加装置１２が設けられている。
したがって、高炉２から出銑した溶銑は出銑樋４を上流から下流に向かって流れ、溶銑上のスラグ６は潜り堰７で堰止められて排滓樋５に流れると共に、溶銑自体は反応槽８に向かって流れることとなる。そして、添加装置１２で脱珪剤１１を溶銑に添加しつつ溶銑に浸漬させたインペラ１０ａ又はインペラ１０ｂを回転させることによって連続的に流れる溶銑の脱珪処理を行うことができる。

次に、連続脱珪方法で使用するインペラの構造について詳しく説明する。
図３，４に示すように、インペラ１０ａ又はインペラ１０ｂは耐火物などで構成されており、筒状又は棒状の回転軸１５と、回転軸１５の先端に設けられた複数の羽根１６とを有している。各羽根１６は回転軸１５の先端から径外方向に突出した略矩形状のものである。各羽根１６の基部（回転軸１５との接合部）の高さｂ０は、羽根１６の先端部（突出先端部）の高さｂ１よりも大きくなるように設定されている。
即ち、インペラ１０ａ又はインペラ１０ｂの各羽根１６の高さｂ０，ｂ１は式（１）を満たすように設定されている。

ｂ０≧ｂ１ ・・・（１）
言い換えれば、図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、羽根１６の先端部の縦壁１７と羽根１６の横壁１８との角度θが９０°以上となるように、インペラ１０ａ又はインペラ１０ｂの羽根１６は構成されている。インペラ１０ａ又はインペラ１０ｂの羽根部１６の形状は、図５（ａ），（ｂ）に示すように、側面視で長方形状であっても、台形状であってもよい。
インペラ１０ａ又はインペラ１０ｂの枚数は３〜６枚に設定されている。具体的には、この実施例では、図１〜５及び図６（ａ）に示すように、羽根１６の枚数は４枚とされている。各羽根１６はその枚数に対応して回転軸１５に対し均等な角度で回転軸１５に取り付けられている。羽根１６の枚数が４枚であるときは、各羽根１６間の配置角度が略９０°となるように各羽根１６は回転軸１５に取り付けられている。

なお、図６（ｂ）に示すように、羽根１６の枚数が３枚であるときは、各羽根１６間の配置角度が略１２０°となるように各羽根１６は回転軸１５に取り付けられている。
図６（ｃ）に示すように、羽根１６の枚数が６枚であるときは、各羽根１６間の配置角度が略６０°となるように各羽根１６は回転軸１５に取り付けられている。
さて、図４に示すように、羽根１６の幅ｄを、最も離れている２枚の羽根１６に着目し、それぞれの突出長さ（羽根１６の基部から羽根１６の先端部までの長さ）を合計したもの、言い換えれば、基準となる１つの羽根１６の突出長さｄ１と、この羽根１６より最も離れている他の羽根１６の突出長さｄ２との合計としたとき、当該羽根１６の幅ｄは式（２）を満たすように設定される。

０．２≦ｄ／Ｄ≦０．８ ・・・（２）
ただし、
Ｄ：溶銑流路の直径又は幅（ｍ）
具体的には、図６（ａ）に示すように、羽根１６の枚数が４枚であるときは、第１の羽根１６ａの突出長さｄ１と第２の羽根１６ｂの突出長さｄ２との合計が羽根１６の幅ｄとされる。
図６（ｂ）に示すように、羽根１６の枚数が３枚であるときは、第１の羽根１６ａの突出長さｄ１と第２の羽根１６ｃの突出長さｄ２との合計が羽根１６の幅ｄとされる。

図６（ｃ）に示すように、羽根１６の枚数が６枚であるときは、例えば、第１の羽根１６ａの突出長さｄ１と、第４の羽根１６ｄの突出長さｄ２との合計が羽根１６の幅ｄとされる。
式（２）のＤは、反応槽８に配置するインペラ１０ａに対しては、溶銑流路（出銑樋４）の直径、即ち、反応槽８の直径が適用される。また、式（２）のＤは、反応槽８と分岐部分との間に配置するインペラ１０ｂに対しては、溶銑流路（出銑樋４）の幅（溶銑流路の直線部分における幅）が適用される。

ゆえに、インペラ１０ａ又はインペラ１０ｂの羽根１６の幅ｄはそれぞれのインペラ１０ａ，１０ｂの配置場所に応じて変更されるようになっている。
インペラの構成は以上であるが、このように構成したインペラを下記のように用いることによって効率的な連続脱珪処理を行うことができる。以下、連続脱珪方法ついて説明する。
まず、高炉２の出銑口から出銑樋４に溶銑を出銑した際、出銑樋４を流れる溶銑に添加装置１２を用いて脱珪剤１１を添加する。このとき、上記のように構成したインペラ１０ａ，１０ｂを式（３），式（４）を満たすように溶銑内に浸漬して回転させ、溶銑と脱珪
剤とを混合する。

０＜ｈ１／Ｚ≦０．４ ・・・（３）
０＜ｈ２／Ｚ≦０．４ ・・・（４）
ただし、
Ｚ：溶銑流路内に流れる溶銑の深さ（ｍ）
ｈ１：羽根１６先端の上端から溶銑上面までの距離（ｍ）
ｈ２：羽根１６先端の下端から溶銑流路の底部までの距離（ｍ）
なお、インペラ１０を溶銑に浸漬した際、ｈ１／Ｚ＋ｈ２／Ｚ＋ｂ１／Ｚ＝１．０の関係式を満たしており、この式と式（３）及び式（４）とを満たすように、羽根１６の高さｂ１を設定するようにしている。

さらに、インペラの羽根の形状を、式（１）’を満たすようなものとしている。
０．５≦ｂ１／Ｚ≦０．７５ ・・・（１）’
ただし、
ｂ１:羽根の先端部の高さ（ｍ）
Ｚ：溶銑流路内に流れる溶銑の深さ（ｍ）
脱珪処理が終了した溶銑は、下流に流れて溶銑を運搬する混銑車（トピートカー）に装入される。

このようにすることで、脱珪効率が向上すると共に、バラツキ無く安定的に脱珪を行うことができる。

以下、羽根１６の枚数が３〜６枚で且つ式（１），式（２）を満たすようにインペラ１０製作し、当該インペラ１０を用いて脱珪処理を行った実施例と、式（１），式（２）を満たさないインペラ１０製作し、当該インペラ１０を用いて脱珪処理を行った比較例とを例示して説明する。なお、実施条件は表１の通りである。

溶銑中の珪素［Ｓｉ］は、脱珪剤１１中の酸素［Ｏ］と反応して、Ｓｉ＋２Ｏ＝ＳｉＯ₂の反応式にしたがって（ＳｉＯ₂）として溶銑から除去される。溶銑へ添加された脱珪剤１１が効率的に脱珪反応に寄与したかを表す指標として、式（５）に示される脱珪酸素効率を用いた。
脱珪酸素効率は、脱珪剤１１中の酸素分に対して溶銑中のＳｉの酸化に使用された酸素分の割合を示したものである。

表２，図７〜１０は複数のインペラ１０を用いて脱珪処理を行った際の脱珪酸素効率についてまとめたものである。以下、表２，図７〜１０に示した結果について説明をする。
なお、表２の攪拌位置の欄での「樋」とは出銑樋４の直線部分であることを示し、「円形反応樋」とは反応槽８であることを示している。
実際の操業においては、溶銑通過速度と脱珪剤の投入速度との制約から投入できる脱珪剤の最大原単位は６０ｋｇ／ｔｏｎであり、脱珪酸素効率が６０％未満の場合、出銑時の最大珪素［Ｓｉ］が約０．７mass%と高濃度のときには、過半量の処理後の珪素［Ｓｉ］
が０．２５mass%を超えることになってしまう。ゆえに、脱珪酸素効率を６０％以上確保
する必要がある。

［インペラの羽根の枚数について］
表２や図７に示すように、羽根１６の枚数が３枚未満であり羽根１６の枚数が少ないと、脱珪酸素効率が６０％未満となった（比較例１２，１３）。これは羽根１６の枚数が少ないのでインペラ１０を回転させたときに脱珪剤１１を溶銑に巻き込ませる能力（攪拌能力）が低くなったことが原因と考えられる。

一方で、羽根１６の枚数を６枚よりも多くすると脱珪酸素効率が６０％未満となった（比較例１４）。これは、羽根１６の枚数が多すぎるため、インペラ１０を回転させたときに脱珪反応で生じるスラグ６が羽根１６に付着し易くなってスラグ６が当該羽根１６にまとわり着いて団子状に固まってしまうことが原因と考えられる。団子状のスラグ６が付着したままインペラ１０を回転しても攪拌力は弱く、そのため反応効率が悪くなる。
したがって、羽根１６の枚数は、攪拌能力を高くできると共に、スラグ６がまとわりつき難い３枚〜６枚にするのがよく、このようにすることで、脱珪酸素効率を６０％以上にすることができた。

［羽根の幅と溶銑流路の直径又は幅の関係について］
表２や図８に示すように、羽根１６の幅と溶銑流路の直径又は幅との関係がｄ／Ｄ＜０．２であるとき、脱珪酸素効率が６０％未満となった（比較例１９，２０）。
これはインペラ１０を浸漬したときに溶銑流路の直径や幅に対してインペラ１０の浸漬幅（幅ｄ）が小さいことを意味しており、インペラ１０を回転させても、インペラ１０の近傍を流れる一部の溶銑にしか攪拌力を与えることができず、インペラ１０から離れて流れる溶銑に対して十分な攪拌力を与えることができないことが原因と考えられる。

即ち、出銑樋４を形成する側壁４ａ側を流れる溶銑はインペラ１０の羽根１６から離れた所を通過するため、あまり攪拌されることがない。攪拌力を十分に与えられていない溶銑は、そのまま上流から下流に向けて流れてしまい脱珪剤１１との混合が十分に行われない。
一方で、羽根１６の幅と溶銑流路の直径又は幅との関係がｄ／Ｄ＞０．８であるとき、脱珪酸素効率が６０％未満となった（比較例１５，１６）。
これは、インペラ１０を浸漬したときに溶銑流路の直径や幅に対してインペラ１０の浸漬幅（幅ｄ）が大きすぎることを意味しており、インペラ１０を回転させても脱珪剤１１を当該溶銑内に引き込ませるための渦を溶銑の表面に発生させることができず、反対に反応効率が悪くなった。

したがって、羽根１６の幅ｄと溶銑流路の直径又は幅の関係は、溶銑流路の直径又は幅に対して羽根１６の幅ｄが大き過ぎず小さ過ぎない式（２）のようにするのがよく、このようにすることで、脱珪酸素効率を６０％以上にすることができた。
［溶銑の深さと、羽根の先端の上端から溶銑上面までの距離について］
表２や図９に示すように、羽根１６の先端の上端が溶銑上面と面一になっている、即ち、溶銑の深さと羽根１６の先端の上端から溶銑上面までの距離との関係がｈ１／Ｚ＝０であるとき、脱珪酸素効率が６０％未満となった（比較例１４，１５，２１）。

これはインペラ１０を回転させても、羽根１６の先端の上端が溶銑の上面（浴面）、即ち、脱珪剤１１と溶銑の浴面との界面を回転しているだけになり、脱珪剤１１を十分に溶銑内に巻き込ませることができないことが原因と考えられる。
一方で、溶銑の深さと羽根１６の先端の上端から溶銑上面までの距離との関係がｈ１／Ｚ＞０．４であるとき、脱珪酸素効率が６０％未満となった（比較例２０）。
これは溶銑に対してインペラ１０の羽根１６を深く沈めてインペラ１０を回転させても、インペラ１０の近傍を流れる一部の溶銑にしか攪拌力を与えることができず、羽根１６の上方を流れる溶銑に対しては十分な攪拌力を与えることができないことが原因と考えら
れる。羽根１６の上方を流れる溶銑は、そのまま上流から下流に向けて流れてしまい脱珪剤１１との混合が十分に行われることがない。

したがって、溶銑の深さと羽根１６の先端の上端から溶銑上面までの距離との関係は、インペラ１０が溶銑に対して浮き過ぎず沈み過ぎない式（３）のようにするのがよく、このようにすることで、脱珪酸素効率を６０％以上にすることができた。
［溶銑の深さと、羽根の先端の下端から溶銑流路の底部までの距離について］
表２や図１０に示すように、羽根１６の先端の下端が溶銑流路の底部に接触している状態になっている。即ち、ｈ２／Ｚ＝０のときは、溶銑流路の底部と羽根１６とが接触して操業自体が成り立たない。

一方で、インペラ１０の羽根１６を溶銑流路の底部から離し、溶銑の深さと羽根１６の先端の下端から溶銑流路の底部までの距離との関係を、ｈ２／Ｚ＞０．４にしたとき脱珪酸素効率が６０％未満となった（比較例１３，２１，２２）。
これは溶銑に対してインペラ１０の羽根１６をあまり沈めていないために、インペラ１０の近傍を流れる一部の溶銑にしか攪拌力を与えることができず、羽根１６の下方を流れる溶銑に対しては十分な攪拌力を与えることができないことが原因と考えられる。羽根１６の下方を流れる溶銑は、そのまま上流から下流に向けて流れてしまい脱珪剤１１との混合が十分に行われることがない。

したがって、溶銑の深さと羽根１６の先端の下端から溶銑流路の底部までの距離との関係は、インペラ１０が溶銑に対して浮き過ぎず沈み過ぎない式（４）のようにするのがよく、このようにすることで、脱珪酸素効率を６０％以上にすることができた。
以上、インペラ１０の羽根１６の枚数を３〜６枚にすると共に、羽根を式（１），式（２）を満たすようにし、このインペラ１０を、脱珪処理を行う際に、式（３），式（４）を満たすように溶銑に浸漬して回転させることによって、脱珪効率が向上すると共に、バラツキ無く安定的に脱珪を行うことができる。

本発明は、上記の実施形態に限定されない。上記の実施形態では１つのインペラ１０で溶銑を攪拌して脱珪処理を行っているが、インペラ１０は樋４（出銑樋４の直線部分）或いは反応槽８内に複数設けても良い。

本発明は、高炉から出銑した溶銑を連続的に精錬する方法に利用することができる。

図１は、高炉設備における高炉鋳床の概略平面図である。 図２は、高炉鋳床の概略側面図である。 図３は、溶銑供給路及びインペラの斜視図である。 図４は、インペラの浸漬状態を示す浸漬図である。 図５は、インペラの羽根の概略形状図である。 図６は、羽根の配置を説明する配置図である。 図７は、羽根の枚数と脱珪酸素効率との関係をまとめた図である。 図８は、ｄ／Ｄと脱珪酸素効率との関係をまとめた図である。 図９は、ｈ１／Ｚと脱珪酸素効率との関係をまとめた図である。 図１０は、ｈ２／Ｚと脱珪酸素効率との関係をまとめた図である。

符号の説明

１ 高炉鋳床
２ 高炉
４ 出銑樋
５ 排滓樋
８ 反応槽
１０ インペラ
１２ 添加装置

Claims (1)

1. 高炉鋳床の溶銑流路内を流れる溶銑に脱珪剤を添加し、インペラを溶銑に浸漬して回転させることにより溶銑と脱珪剤とを混合して溶銑中の珪素を連続的に除去する連続脱珪方法おいて、
   前記溶銑に浸漬して回転させる前記インペラの羽根を側面視で長方形状又は台形状とすると共に、式（１），式（１）’を満たすような形状とし、且つ前記羽根の枚数を３〜６枚にして、
   前記溶銑流路の直径又は幅に対する羽根の幅を式（２）を満たすようにしておくと共に、当該インペラを、式（３），式（４）を満たすように溶銑に浸漬することを特徴とする連続脱珪方法。
   ｂ０≧ｂ１ ・・・（１）
   ０．５≦ｂ１／Ｚ≦０．７５ ・・・（１）’
   ０．２≦ｄ／Ｄ≦０．８ ・・・（２）
   ０＜ｈ１／Ｚ≦０．４ ・・・（３）
   ０＜ｈ２／Ｚ≦０．４ ・・・（４）
   ただし、
   ｂ０:羽根の基部の高さ（ｍ）
   ｂ１:羽根の先端部の高さ（ｍ）
   ｄ：羽根の幅（ｍ）
   Ｄ：溶銑流路の直径又は幅（ｍ）
   Ｚ：溶銑流路内に流れる溶銑の深さ（ｍ）
   ｈ１：羽根先端の上端から溶銑上面までの距離（ｍ）
   ｈ２：羽根先端の下端から溶銑流路の底部までの距離（ｍ）

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