JP4206050B2 - 転炉排滓方法 - Google Patents

Description

本発明は転炉の排滓方法に関する。

鉄鋼精錬において、脱りん・脱硫処理と脱炭処理を分割し、脱炭前の溶鉄に脱りん・脱硫処理を施す溶銑予備処理が広く行われている。溶銑予備処理の方式は、トーピードカー、鍋などの輸送容器を使用する方式と、転炉を使用する方式に大別されるが、転炉を使用する方式は処理速度、熱裕度、その他諸々の面で優位性が高く、近年採用が増加している。

溶銑予備処理後のスラグの分離除去、即ち排滓は脱炭工程での不純物成分による汚染防止や副原料削減の面から重要な作業であるが、転炉型溶銑予備処理後の排滓方法としては、１）溶鉄を転炉内に残したまま、転炉を横転させて上層のスラグのみを排滓する方法（例えば、特許文献１参照）、２）転炉の出鋼口から溶鉄を一旦別の容器に出湯した後に、排滓する方法（例えば、特許文献２参照）がある。前者の方法（＝上層のスラグのみを排滓する方法）と後者の方法（＝溶鉄を一旦出湯する方法）を比べると、前者の方法は出湯の必要がなく排滓作業の煩雑さが少ない、出湯、移し替えによる放熱ロスがない等の利点がある一方、溶鉄の流出を抑制しつつスラグのみを効率良く排滓することが難しく、排滓されずに炉内に残留するスラグの量が多い、溶鉄が流出しやすく鉄分歩留まりが悪い等の問題がある。

そこで、上層のスラグのみを排滓する方法における効率的な排滓法として種々の提案がなされており、例えば、炉腹および炉底に設けた複数個の羽口からガスを吹き込んでスラグを炉口側に移動させて排滓する方法（例えば、特許文献１参照）、酸化性ガスを吹き込んでスラグフォーミングを促進して排滓する方法（例えば、特許文献３参照）等が提案されている。しかし、これらの方法では、炉腹に羽口を設置するため転炉の改造が必要であること、耐火物溶損が進行した転炉では内容積の変化によりスラグ位置が変化し、羽口の位置が最適な位置から外れてくること、吹錬中の羽口閉塞を防止するために常時ガスを吹き込む必要があり、不要なガスコストが増大する等の問題がある。

また、電磁力を利用してスラグのみを選択的に排滓する方法（例えば、特許文献４参照）が提案されているが、設備投資コストがかかること、また、高温かつ振動の激しい劣悪な環境下で整備コストが増大する等の問題がある。

その他、トーピードカーや鍋からの排滓方法として利用されている、ドラッガーと呼ばれる掻き出し板をつけた排滓装置により溶鉄上層のスラグを掻き出す方法（例えば、特許文献５参照）等を転炉に適用することも考えられるが、転炉の容量を考えると、設備が大きくなりすぎ現実的とは言えない。

また、分離した２つの相のうち、比重の軽い相を分離除去する方法として、堰を用いる方法（例えば、特許文献６参照）が提案されているが、当該技術は転炉脱炭吹錬後の２相に分離したスラグの分別排出を対象としており、目的も異なる上、さらに溶鉄とスラグの粘度等の物性が大きく異なることから、溶鉄とスラグの分離への適用性については不明である。また、堰の設置位置についてもなんら規定されていない。

以上のように、溶鉄を転炉内に残したまま上層のスラグのみを排滓する方式は、一旦出湯した後に排滓する方式に比べて、作業の容易さや熱裕度の面で有利である一方、溶鉄とスラグの分離性や鉄分歩留まりの面で難があり、また、生産性の面からも迅速な排滓が可能な効率の良い方法が求められている。

特許第２５８２６９２号明細書 特許第１７６１６４６号明細書 特開平０５−２７９７２１号公報 特開平０５−２４７５１４公報 特開昭５９−１３００９公報 特開昭６２−１６１９１２公報

本発明は溶鉄を転炉に残したまま、転炉を横転させて溶鉄の上層のスラグを排滓する方法において、溶鉄とスラグの分離性や鉄分歩留まりに優れ、また、迅速な排滓が可能な効率的な排滓方法を提供することを目的とする。

本発明は溶鉄を転炉に残したまま、転炉を横転させて溶鉄の上層のスラグを排滓する方法において、転炉の傾動速度を適正に調整することを特徴とするものである。さらに、スラグの出口となる炉口の形状を排滓に適した形状とするものであり、その具体的手段として、炉口に堰を設置すること、さらにその堰の設置位置を適正なものとすること、を特徴とするものである。

すなわち、本発明の要旨は以下の通りである。

（１） 溶鉄を転炉内に残したまま、転炉を横転させて溶鉄の上層のスラグを炉口から排滓する方法において、堰の高さと炉口径の関係が（３）式を満たすような堰を炉口に設置し、（１）式を満たすように転炉の傾動速度を調整しながら排滓することを特徴とする排滓方法。

ここで、Ｔ_１は炉口からスラグが流出を開始してから傾動角度がθ_１に到達するまでの時間、Ｔ_２は炉口からスラグが流出を開始してから排滓を完了するために炉の直立を開始するまでの時間、を表す。
尚、炉口からスラグが流出を開始する傾動角度をθ_０、排滓時の最大傾動角度をθ_２とすると、θ_１は（２）式で定義される。

ここで、Ｈ、Ｄはそれぞれ堰の高さ、炉口径、を表す。

溶鉄とスラグの分離性に優れた排滓が可能となることにより、副原料使用量、副産物であるスラグ発生量が削減されるとともに、鉄分歩留まりが向上する。また、迅速な排滓が可能となることにより、転炉の生産性が向上する。

本発明を実施するための最良の形態を下記に説明する。

溶鉄を転炉に残したまま、転炉を横転させて溶鉄の上層のスラグを排滓する方法においては、上層スラグを重力やガスによる押し出し力等により流出させる方式が一般的であるが、排滓末期に溶鉄がスラグとともに流出してしまうという現象があり、溶鉄とスラグの分離性と排滓の迅速化の両立は困難であった。

そこで、本発明者らは溶鉄の流出を抑制して溶鉄とスラグの分離性を向上させ、また、排滓を迅速化することを目的に鋭意研究を重ねた結果、下記のような現象の機構を見出した。即ち、スラグの粘度は溶鉄の粘度の数十倍と高いため、スラグ流出時の剪断力が大きく、その剪断力に溶鉄が引きずられてスラグとともに流出する現象が発生する。従って、溶鉄の流出を抑制するためには、スラグ流出時の流速を低減して剪断力を小さくせざるを得ないが、スラグ流出の流速を低減させることは、排滓速度を低下させることに他ならず、排滓の迅速化とは相反する。

一方で、転炉の傾動速度を適正に調整することにより、溶鉄とスラグの分離性と排滓の迅速化を両立させることが可能であることも見出した。即ち、上述したように、溶鉄の流出はスラグ流出時の剪断力で生じるが、溶鉄にかかる剪断力はニュートンの法則より、図１および（４）式に示すように、スラグ流出時の流速に比例し、溶鉄−炉口間距離に反比例する。

ここで、τは剪断力、μはスラグの粘度、ｕはスラグ流出時の流速、ｌは溶鉄−炉口間距離である。

従って、溶鉄−炉口間距離が大きい排滓の初期段階では、スラグ流出時の流速が大きくても、溶鉄にかかる剪断力は抑えられ、溶鉄の流出は生じ難い。反対に、排滓の末期段階では、溶鉄−炉口間距離が小さくなるため、スラグ流出時の流速を低減する必要がある。スラグ流出時の流速は転炉の傾動速度の増加に応じて増加するため、排滓段階に応じて転炉の傾動速度を調整することにより、溶鉄の流出を抑制しつつ迅速な排滓が可能となる。

傾動速度の調整については、（１）式を満たすように調整することが望ましい。

ここで、Ｔ₁は炉口からスラグが流出を開始してから傾動角度がθ₁に到達するまでの時間、Ｔ₂は炉口からスラグが流出を開始してから排滓を完了するために炉の直立を開始するまでの時間、を表す。

尚、炉口からスラグが流出を開始する傾動角度をθ₀、排滓時の最大傾動角度をθ₂とすると、θ₁は（２）式で定義される。ここで、傾動角度の基準は炉が直立している状態を傾動角度０°とする。

この理由として、（１）式のＴ₂／Ｔ₁が２．１未満の場合は、排滓の末期段階で溶鉄が流出しやすくなるためである。一方、Ｔ₂／Ｔ₁が大きくなるほど溶鉄は流出し難くなるが、排滓時間が延長して生産性に悪影響は及ぼすため、一般的には３０以下が望ましいと言える。

ここで、上記の傾動パターンを実現するためには、炉口からスラグが流出を開始する傾動角度θ₀と排滓時の最大傾動角度θ₂の値が必要となるが、θ₀については炉内の耐火物プロフィールから計算した傾動時の炉内容積と炉内の溶鉄量およびスラグ量から概略値は予測が可能であり、また正確な値は単純に炉口からスラグが流出する傾動角度を記録すればよい。一方、θ₂についても炉内の耐火物プロフィールから計算した傾動時の炉内容積と炉内の溶鉄量から、準静的に傾動した場合に溶鉄が流出する傾動角度を予測することは可能であるが、実際に溶鉄が流出する傾動角度は直前の傾動速度の影響を受けることから、予め傾動速度を変更して試験を行い、θ₂を決定しておく必要がある。さらに、θ₀やθ₂は炉内耐火物の溶損状況等の炉形状や溶鉄やスラグの装入量に応じて随時変化するため、それらの条件からθ₀やθ₂を予測できるようにするとさらに望ましい。

実際の傾動においては、（１）式を満たすように予め傾動パターンを設定しておき、そのパターンに則って傾動を行うのが現実的である。また、傾動パターンの制御については、段階的に傾動速度を切り替えるような制御でも、連続的に傾動速度を切り替えるような制御でも構わない。

さらにまた、本発明者らは容器の開口部に堰を設置することにより、溶鉄の流出が抑制され、分離性と生産性の向上が可能であることも見出した。
ここで、堰の設置には、２つの効果がある。１つは、図２の転炉側面断面図に示すように、スラグに引きずられて流出しようとする溶鉄を堰が文字通り堰止める効果、もう１つは、図３の転炉炉口部の断面図に示すように、堰の設置により、スラグ流出部の断面積が増加して流出ヘッド高さが減少するため、スラグ流出時の流速が低減されて溶鉄にかかる剪断力が小さくなる効果、である。

堰の設置位置については、（３）式を満たすように調整することが望ましい。

ここで、Ｈ、Ｄは図４に示すようにそれぞれ堰の高さ、炉口径、を表す。

この理由として、図５にモデル実験におけるＨ／Ｄと単位時間当たり排滓量の改善代（＝堰が無い条件での単位時間当たりの排滓量に対する改善代を％表示）の関係を示すが、Ｈ／Ｄが大きくなるに従い、単位時間当たりの排滓量は増加するが、Ｈ／Ｄが０．２超になると、堰の設置効果が飽和している。一方で、溶鉄、スクラップ、副原料の装入への支障の程度や、また、炉口付近への地金付着量やダスト発生量はＨ／Ｄに対して単調に増加する傾向があるため、Ｈ／Ｄが大きすぎるのは転炉の操業面から望ましくなく、Ｈ／Ｄを０．２超とする必要性はないためである。

本発明の排滓方法による排滓試験について説明する。

試験は３７０ｔ転炉において実施した。スクラップおよび溶銑を装入した後、溶銑中のＳｉ量に応じて、所定の塩基度およびスラグ量となるように生石灰や珪石等の造滓剤を投入して溶銑の予備脱りん処理を行った。脱りん処理後に転炉を横転させて、炉口からスラグを排滓した。その際、傾動速度のパターン、炉口への堰の設置有無、堰の高さを変更して排滓時間、排滓率を評価した。ここで、排滓率とは、予備脱りん処理時に生成したスラグのうち排滓されたスラグの割合であり、スラグの組成に基づいた物質収支計算とスラグ秤量により求めた。また、排滓を完了するために炉の直立を開始するタイミングの判断は、溶鉄の流出により排滓鍋から煙の発生が確認された時点とした。

表１に試験水準および試験結果、図６に実施例における傾動速度のパターン（時間と傾動角度の関係）を示す。傾動パターンは所定のパターンとなるように、手動で制御した。

水準１〜２は傾動速度のパターンが本発明の範囲外である比較例、水準６は傾動速度のパターンが本発明の範囲内である本発明例、また、水準１〜５は堰がない条件（Ｈ／Ｄ＝０）での例である。尚、水準６では堰を設置しているため、炉口からスラグが流出を開始する傾動角度θ₀、排滓時の最大傾動角度θ₂ともに、堰がない水準に比べて増加する。

なお、表１中において、Ｔ₁は炉口からスラグが流出を開始してから傾動角度がθ₁に到達するまでの時間、Ｔ₂は炉口からスラグが流出を開始してから排滓を完了するために炉の直立を開始するまでの時間、また、θ₁は（２）式で定義される。

そして、Ｈ、Ｄはそれぞれ堰の高さ、炉口径をあらわす。

表１に示すように、傾動速度のパターンが本発明の範囲外である比較例（水準１〜２）に比べて、傾動速度のパターンが本発明の範囲内である本発明例（水準６）では、排滓時の最大傾動角度θ₂を大きくすることができ、排滓率が高位となるとともに、また単位時間当たりの排滓率が向上している。

排滓の状況を示す図で、（ａ）は堰が無い状態、（ｂ）は堰を設置した状態を示す図である。 堰による堰止め効果を示す図である。 堰による流出ヘッド高さの低減を示す図である。 転炉炉口への堰の設置態様を示す図である。 モデル実験におけるＨ／Ｄと単位時間当たり排滓量の改善代の関係を示す図である。 実施例における傾動速度のパターン（時間と傾動角度の関係）を示す図である。

符号の説明

１ 転炉炉体
２ 転炉炉口
３ 堰
４ 溶鉄
５ スラグ
６ 流出ヘッド高さ

Claims (1)

1. 溶鉄を転炉内に残したまま、転炉を横転させて溶鉄の上層のスラグを炉口から排滓する方法において、堰の高さと炉口径の関係が（３）式を満たすような堰を炉口に設置し、（１）式を満たすように転炉の傾動速度を調整しながら排滓することを特徴とする排滓方法。
   

   

   ここで、Ｔ_１は炉口からスラグが流出を開始してから傾動角度がθ_１に到達するまでの時間、Ｔ_２は炉口からスラグが流出を開始してから排滓を完了するために炉の直立を開始するまでの時間、を表す。
   尚、炉口からスラグが流出を開始する傾動角度をθ_０、排滓時の最大傾動角度をθ_２とすると、θ_１は（２）式で定義される。
   

   

   
   

   

   ここで、Ｈ、Ｄはそれぞれ堰の高さ、炉口径、を表す。

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