JP4385855B2 - 転炉吹錬方法及び転炉吹錬用上吹きランス - Google Patents

Description

本発明は、酸素を用いて溶銑を酸化脱炭精錬する転炉の吹錬方法及びそれに用いる転炉吹錬用上吹きランスに関し、詳しくは、溶銑段階で予備脱燐処理された溶銑を、鉄飛散及びダストの発生量を抑制しつつ、高い酸素供給速度で安定して脱炭精錬することのできる転炉吹錬方法及び転炉吹錬用上吹きランスに関するものである。

溶銑の転炉吹錬においては、上吹き酸素または底吹き酸素により、主として脱炭を目的とした酸化精錬が行われている。これらのうち、上吹き酸素は、上吹きランスの先端に設置されたラバールノズルと呼ばれる末広がりのノズルから、超音速または亜音速のジェットとして転炉内に吹き付けられる。このラバールノズルの末広がりの部分は、理想的には曲線であるが、加工が容易であることから、広がり角度が２〜８°の円錐形状になっているものが大部分であり、また、スロート部、出口部に多少のストレート部を有するものもある。

このような転炉脱炭精錬において、近年、溶銑の脱燐を目的とした溶銑予備処理（「予備脱燐処理」という）の発展により、転炉での脱燐の必要性が少なくなり、転炉で必要とする副原料が低減した結果、従来には生成する溶鋼トン当たり５０ｋｇ（以下、「ｋｇ／ｔ」と記す）を越えていた脱炭吹錬時の生成スラグ量は、急激に減少している。例えば、溶銑の予備脱燐処理により、溶銑の燐濃度を実質的に製品の燐濃度と同等の０．０２質量％以下まで予備脱燐処理した場合には、転炉での脱炭吹錬における脱燐に必要な媒溶剤は１０ｋｇ／ｔ以下となり、生成するスラグ量はおよそ２５ｋｇ／ｔ以下に低減可能である。尚、溶銑の予備脱燐処理を転炉で行う場合もあるが、本発明で述べる転炉吹錬とは、脱炭を主たる目的とした酸化精錬のことを指し、予備脱燐処理は含まない。

従来の大量のスラグが存在した転炉吹錬では、スラグを貫通させるために、高圧の酸素ジェットが必要であったが、スラグ量の低減に伴って、近年では必ずしもこのような高圧の酸素ジェットは必要ではなくなってきた。また、このようにスラグ量の少ない酸素吹錬では、スピッティング或いはスプラッシュなどの激しい溶湯飛散をもたらし、転炉炉口、フード、上吹きランス、更には排ガス設備といった部位への地金付きを増加させ、操業に悪影響を与えると同時に、鉄歩留まりの低下による生産性の悪化を招いていた。また、溶湯飛散に伴う鉄ダストの発生も著しく増加し、ダスト発生の観点からも鉄歩留まりの低下をもたらしていた。

即ち、吹錬初期から中期にかけての脱炭最盛期には、脱炭反応が酸素供給律速であるため、高速吹錬を指向した通常の脱炭吹錬では酸素供給速度（以下、「送酸速度」という）を高める必要があるが、スラグの少ない場合には、上吹き酸素ジェットによる鉄の飛散、ダストの発生が顕著になり、歩留まりの低下、操業の不安定化をもたらす。従来は炉内に存在する大量のスラグがカバーの役割を担っており、鉄の飛散及びダストの発生を抑制していたが、予備脱燐処理された溶銑を用いた場合、即ちスラグ量を低減した場合には、溶銑が酸素ジェットの影響を直接的に受け、上記の不都合が発生する。

従来、こうした操業条件の悪化を抑制するために、上吹きランスのノズル孔数を４孔或いは５孔にするなどして１孔当たりの送酸速度を下げ、且つ、それぞれの酸素ジェットが互いに干渉し合わないようにした非干渉・多孔型ランスが指向されてきた。また、酸素ジェットが干渉しないようにするためにラバールノズルの孔径、傾角などの上吹きランス形状のハード面を適正化すると同時に、上吹きランスの先端と浴面との距離（「ランス高さ」という）或いは送酸速度などの操業条件を調整した対策も数多く提案されている。

例えば、特許文献１には、上吹きランスの形状を適正化すると共に、送酸速度及びランス高さをラバールノズルの形状に合わせて適正範囲内に制御した吹錬方法が提案されている。しかし、上吹きランスから噴出される酸素ジェットの軌跡及び幾何学的形状は大きく変化するため、このような対策では、酸素ジェット中の酸素濃度の変化及び酸素ジェットの浴面への衝突位置（以下「火点」と記す）の配置の変化などにより、不必要な二次燃焼の増加或いは脱炭反応効率の低下などをもたらす。また、鉄飛散及びダスト生成には、火点間の干渉を避けることが重要であるとの観点から、特許文献２には、干渉を避けつつ浴面上に効率的に火点を配置する方法が提案されているが、非干渉・多孔型という基本思想は従来と変わっておらず、送酸速度を大幅に増大する場合には自ずと限界が生ずる。
特開平６−２２８６２４号公報 特許第２８４８０１０号公報

以上説明したように、予備脱燐処理した溶銑の転炉脱炭吹錬では、炉内のスラグ量が少ないことに起因して種々の問題が発生し、これらの状況に対処可能な新たな吹錬方法及び新たな形状のノズルが切望されていた。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、溶銑段階で予備脱燐処理された溶銑を転炉で脱炭吹錬する際に、ダスト及び鉄飛散の発生量を抑制しつつ、高い送酸速度で安定して脱炭精錬することのできる転炉吹錬方法、並びに、それに用いる転炉吹錬用上吹きランスを提供することである。

上記課題を解決するための第１の発明に係る転炉吹錬方法は、ラバールノズル形状の複数個の周孔を備えた上吹きランスを用い、予備脱燐処理された溶銑を脱炭吹錬する転炉吹錬方法であって、前記周孔の傾角は１３°以上であり、該周孔が６個以上配置され、且つ、酸素ジェットの片側の広がり角度を１０°として下記の（１）式によって干渉率を定義したときに、隣り合った周孔の平均干渉率が３０〜６０％の範囲内である上吹きランスを用いて吹錬することを特徴とするものである。但し、（１）式において、γ：干渉率（％）、Ｄ：火点の直径（ｍ）、ｄ：隣り合う火点の中心間距離（ｍ）である。

第２の発明に係る転炉吹錬方法は、第１の発明において、転炉内のスラグ量は、溶鋼トン当たり５０ｋｇ以下であることを特徴とするものである。

第３の発明に係る転炉吹錬用上吹きランスは、その先端にラバールノズル形状の複数個の周孔を備え、予備脱燐処理された溶銑を脱炭吹錬するための転炉吹錬用上吹きランスであって、前記周孔は６個以上配置されていると共にこれら周孔の傾角は１３°以上であり、且つ、酸素ジェットの片側の広がり角度を１０°として上記の（１）式によって干渉率を定義したときに、隣り合った周孔の平均干渉率は３０〜６０％の範囲内であることを特徴とするものである。

本発明によれば、スラグ発生量の少ない、予備脱燐処理が施された溶銑の脱炭吹錬において、多孔ランスから供給される酸素ジェットの干渉を従来のように避けるのではなく、所定の範囲内で積極的に干渉させるので、広範囲に広がる一体化された火点が形成され、その結果、火点における酸素ジェットの動圧を下げることが可能になると同時に、多数の火点が存在することによって生ずる火点同士の干渉に起因する火点の不安定現象が防止されるので、鉄飛散及びダスト生成を抑制しつつ送酸速度を増大させることが可能となり、脱炭吹錬における鉄歩留まりの向上並びに高速吹錬における安定化が達成され、工業上極めて有益な効果がもたらされる。

以下、本発明について具体的に説明する。先ず、本発明に至った検討結果について説明する。

酸素吹錬中の転炉内挙動は、その反応挙動の違いから高炭素域（Ｃ＞０．６質量％）と低炭素域（Ｃ≦０．６質量％）とに大別される。このうち、吹錬の大部分を占める高炭素域では、供給される酸素はほぼ全量脱炭に費やされ、反応は酸素の供給律速となる。そのため、高速送酸を指向する場合には、送酸速度を増大させれば達成されるものの、ノズルから噴出する酸素ジェットのエネルギーが大きくなり、ジェットの浴面衝突圧が増加し、鉄飛散及びダストの生成が増大する。故に、通常では複数個のノズルを有する多孔型ランスを用いてジェットを分散させ、衝突圧を低減している。上吹きランス先端に複数個のノズルを設置する場合、中心位置に設置されたノズルを中心孔、中心孔の周囲に設置されたノズルを周孔と称している。

このように、鉄飛散及びダストの生成現象を軽減するために、動圧低減対策としてランスの多孔化が行われ、火点の干渉を避ける方向、即ち傾角を大きくする方向で、火点配置の最適化が進められている。ここで、傾角とは、上吹きランスの中心軸線と各周孔の吐出方向中心線とのなす角度である。

本発明者等は、このような多孔ノズルからの酸素ジェットの挙動を詳細に検討した結果、各々の酸素ジェットは幾何学的には干渉しなくても、浴面に衝突する以前の雰囲気の巻き込み或いは酸素ジェットの減衰により、多孔ノズルからの各々の酸素ジェットが影響を及ぼし合い、酸素ジェットの軌跡が中心軸方向に偏向すること、即ち、酸素ジェットが部分的に合体する現象を確認した。従って、酸素ジェットは直進するという単なる幾何学的作図で求められていた従来の火点の位置関係は多孔ノズルからの酸素ジェットでは不適当であることが分かった。この合体挙動は多孔になるほど顕著になることも分かった。

即ち、各々の酸素ジェットが幾何学的には干渉しないように設計した多孔型ランスを用いた場合でも、浴面において火点同士の近接が生じて独立した火点が得られなくなり、そして、火点の干渉度合いが或る程度増加すると、火点形成が不安定になり、鉄飛散及びダストの生成が増大してくることが分かった。また、浴面において火点同士を確実に独立させれば、多孔ランスの効果を得られるが、ノズル数が５個以上になるとランス高さや酸素ジェットの広がり角度などから火点を独立させることは困難であることも分かった。ノズル数が少なければ各火点を独立させることは容易であるが、ノズル数が多いほど、多孔型ランスの動圧低減効果を得ることができる。

そこで、小型転炉において、多孔型上吹きランスを用いて火点の干渉度合いを変化させて脱炭吹錬を実施し、火点の干渉度合いと火点の形状及び鉄飛散との関係を脱炭反応の存在下にて調査した。その際、酸素ジェットの干渉度合いを定量的に把握するために、前述した（１）式によって干渉率（γ）を定義した。干渉率（γ）とは、具体的には、酸素ジェットの片側の広がり角度を１０°と決め、酸素ジェットは直線的に進む（偏向しない）とした場合に、酸素ジェットが浴面に衝突して形成される火点の直径（Ｄ）と隣り合う火点の中心間距離（ｄ）との差を、火点の直径（Ｄ）に対して百分率で表示した数値である。換言すれば、火点の直径に対する、隣り合った火点同士の重なり長さの比である。従って、干渉率（γ）は、干渉しない場合には０％、完全に一致する場合には１００％となる。

小型転炉での試験の結果、火点が相互に干渉しない状態（γ＝０％）から傾角を小さくすると、次第に干渉による火点の不安定現象が生じて鉄飛散が激しくなるが、更に傾角を小さくして干渉率（γ）を３０％以上にすると、酸素ジェットの相互干渉によって酸素ジェットは偏向し、酸素ジェットは一体化するために火点は１つとなり、広範囲に広がる一体化された火点が形成され、火点同士の干渉による火点の不安定現象は大幅に低減されることが分かった。更に傾角を減じて干渉率（γ）が６０％を超えると、酸素ジェットは完全に合体して単孔ジェットと同様に高い衝突圧を持つ酸素ジェットになり、鉄飛散が再び増加することも分かった。即ち、傾角を調整して干渉率（γ）を３０％〜６０％の範囲に調整することで、多数の火点同士の干渉に起因する火点の不安定現象を抑制可能であると同時に、酸素ジェットの完全な合体が阻止され、単孔ノズルのような挙動になることが避けられるため、多孔ノズルの有する低動圧効果を得られることが分かった。

図１に、同一円周上に周孔が等間隔で設置された場合に、（１）式で求めた傾角と干渉率との関係を示す。図１に示すように、傾角が同一であっても周孔が多くなるほど干渉率は高くなるため、干渉率を３０％〜６０％の範囲に調整するためには、周孔の設置数に応じて傾角を定める必要のあることが分かる。干渉率を３０％から６０％とした上吹きランスを使用することで、スラグの少ない転炉脱炭吹錬においても、鉄飛散及びダストの低減を図ることができる。この場合、送酸速度が減少した場合でも酸素ジェットの完全な合体を阻止して上記の効果を得るために、周孔の平均傾角は１３°以上とすることが好ましい。また、本発明のランスでは、酸素ジェットが合体することにより、鋼浴面近傍での流速減衰変化が抑制されることによる、火点安定化効果も得られる。

本発明における干渉率の範囲は３０％〜６０％であるが、より好ましい範囲としては３５％〜５０％となる。尚、干渉率は隣り合ったノズルの平均干渉率が３０％〜６０％の範囲であれば本発明の効果を得られるが、隣り合ったノズル毎の干渉率が全て３０％〜６０％の範囲、より好ましくは３５％〜５０％であることが更に好ましい。ノズルの孔数は６孔以上であれば効果が発現するが、好ましくは７孔以上となる。ノズルの孔数が５孔以下では、１つのノズル当たりの送酸速度が未だ十分に高く、多孔ノズルによる動圧低減効果を得られにくいからである。また、酸素ジェットの偏向挙動は規模が大きくなるほど顕著になるため、ノズル孔径は１０ｍｍ以上であることが理想的である。ノズル孔径が１０ｍｍ未満では、偏向現象よりもジェットの減衰が大きくなるため、十分な火点平滑化挙動が得られにくくなる。

炉内のスラグ量が多い場合には、酸素ジェットがスラグ中を通過しなければならないことから、上記ノズルを有する上吹きランスでは、浴面への酸素供給圧が弱まると同時に酸素ジェットの偏向効果を十分に得られず、脱炭反応においては酸素効率の低下、鉄酸化の増大、及び、ダスト生成の増大などの悪影響が生ずる。従って、転炉における精錬であっても、予備脱燐処理を行わない溶銑の転炉脱炭吹錬では効果は少なく、ステンレス鋼の溶融還元吹錬など大量のスラグを生成する精錬は本発明の範囲外とする。予備脱燐処理を施した溶銑の脱炭吹錬のように、スラグ量が５０ｋｇ／ｔ以下であるスラグ量の比較的少ない吹錬において、本発明方法は効果が発現し、特に、スラグ量が２０ｋｇ／ｔ以下の極少スラグ下で効果が大きい。

次ぎに、本発明に係る上吹きランスについて図面に基づき説明する。図２は、本発明の一実施形態に係る上吹きランスの概略断面図、図３は、図２に示すラバールノズル形状の周孔の概略拡大断面図である。

図２に示すように、上吹きランス１は、円筒状のランス本体２と、このランス本体２の下端に溶接などにより接続されたランスノズル３とで構成されており、そして、ランス本体２は、外管８、中管９、内管１０の同心円状の３種の鋼管、即ち三重管で構成され、銅製のランスノズル３には、傾角をαとして鉛直斜め下向き方向を向いた複数個の周孔４が設置されている。周孔４は、出口側が広がったラバールノズル形状となっている。

外管８と中管９との間隙、及び、中管９と内管１０との間隙は、上吹きランス１を冷却するための冷却水の流路となっており、上吹きランス１の上部に設けられた給水継手（図示せず）から供給された冷却水は中管９と内管１０との間隙を通ってランスノズル３の部位まで至り、ランスノズル３の部位で反転して外管８と中管９との間隙を通って上吹きランス１の上部に設けられた排水継手（図示せず）から排出される。この場合に給排水の経路を逆としてもよい。また、内管１０の内部は周孔４への酸素の供給流路となっており、上吹きランス１の上端部から内管１０内に供給された酸素は、内管１０を通り、周孔４から転炉（図示せず）内に噴出される。

周孔４は、円周方向に少なくとも６個以上設置すると同時に、各周孔４から噴射される酸素ジェットの干渉率が３０％〜６０％の範囲内となるように傾角αを決める。その際に、傾角αは１３°以上とすることが好ましい。上吹きランス１の周方向に等間隔で周孔４が配置される場合には、前述した図１に示す傾角と干渉率との関係に基づいて周孔４及び傾角αを設定すれば、所定の干渉率の上吹きランス１を得ることができる。周孔４がランダムに配置される場合は、干渉率が３０％〜６０％になるように、周孔４の位置及び傾角αを設定する。その際には、平均の傾角αを１３°以上とすることが好ましい。干渉率は、前述したように、酸素ジェットの片側の広がり角度を１０°と決め、酸素ジェットが直線的に進むとした場合に、酸素ジェットが浴面に衝突して形成される火点の直径（Ｄ）と隣り合う火点の中心間距離（ｄ）とから（１）式によって求めることができる。尚、図２では、ランスノズル３の中心部に中心孔が設置されていないが、干渉率が３０％〜６０％の範囲内に設定できるなら、中心孔を配置してもよい。

周孔４は、図３に示すように、その断面が縮小する部分と拡大する部分の２つの円錐体で構成されたラバールノズル形状であり、このようなラバールノズルにおいては、縮小部分を絞り部５、拡大部分をスカート部７、絞り部５からスカート部７に遷移する部位であって最も狭くなった部位をスロート６と呼ばれている。ランス本体２の内部を通ってきた酸素は、絞り部５、スロート６、スカート部７を順に通って、超音速または亜音速のジェットとして転炉内に供給される。図３中のＤｔはスロート径、Ｄｅは出口径であり、スカート部７の広がり角度θは通常１０°以下である。スロート径Ｄｔ及び出口径Ｄｅは、操業条件から理論式によって最適な形状が定められるが、不足膨張領域即ち理論最適出口径より小さい出口径Ｄｅとすることでジェットが過度に膨張するため、より一層合体促進効果が増加する。

尚、図３に示すラバールノズルでは、絞り部５及びスカート部７が円錐体であるが、ラバールノズルとしては絞り部５及びスカート部７は円錐体である必要はなく、内径が曲線的に変化する曲面で構成してもよく、また、絞り部５はスロート６と同一の内径であるストレート状の円筒形としてもよい。絞り部５及びスカート部７を、内径が曲線的に変化する曲面で構成する場合には、ラバールノズルとして理想的な流速分布が得られるが、ノズルの加工が極めて困難であり、一方、絞り部５をストレート状の円筒形とした場合には、理想的な流速分布とは若干解離するが、転炉吹錬での使用には全く問題とならず、且つ、ノズルの加工が極めて容易となる。本発明ではこれら全ての末広がりのノズルをラバールノズルと称する。

このような上吹きランス１を用い、溶銑段階で予備脱燐処理が施された溶銑を転炉内で脱炭吹錬する。転炉吹錬方法は、炉内のスラグ量が５０ｋｇ／ｔ以下になるように生石灰などの造滓剤の添加量を調整することが好ましいことを除けば、送酸速度、供給酸素の圧力、ランス高さ、吹錬終了時の目標温度などは任意に設定することができる。

予備脱燐処理された溶銑をこのようにして吹錬することにより、周孔４から供給される酸素ジェットの干渉によって、転炉炉内には広範囲に広がる一体化された火点が形成され、その結果、火点における酸素ジェットの動圧を下げることが可能になると同時に、多数の火点同士の干渉に起因する火点の不安定現象が防止されて、鉄飛散及びダスト生成を抑制しつつ送酸速度を増大させることが可能となり、脱炭吹錬における鉄歩留まりの向上並びに高速吹錬における安定化が達成される。

以下、本発明例を比較例と共に示す。容量が２６０トンで、酸素を上吹きし、攪拌用ガスを底吹きする上底吹き複合吹錬用転炉内に約２６０トンの溶銑を装入し、主として脱炭吹錬を行った。用いた溶銑は、転炉脱炭精錬の前工程である溶銑予備処理設備にて脱硫処理及び脱燐処理が施された同一鋼種向けの溶銑であり、溶銑の珪素濃度は０．０９質量％以下、燐濃度は０．００７〜０．０１６質量％であった。転炉内には石灰系フラックスを添加し、スラグを生成させている。スラグの分析値から求められたスラグの塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ₂ ）は約２．５〜３．５であり、スラグ量はＣａＯバランスによって求めた。転炉々底に設置した羽口からは、溶湯攪拌を目的としてアルゴンまたは窒素を毎分１０〜２０Ｎｍ³ 程度吹き込んだ。送酸は上吹きランスにより行い、吹錬初期から中期にかけての送酸速度を６００００Ｎｍ³ ／ｈｒ、吹錬末期では３００００Ｎｍ³ ／ｈｒとし、ランス高さなどの吹錬パターンは極力同一とした。脱炭吹錬の終了目標は溶鋼中炭素濃度が０．０５質量％となった時点とし、終了時の溶鋼温度は１６５０℃を目標とした。用いた上吹きランスは、周孔のみがそれぞれ６〜８個設置された６孔ノズルないし８孔ノズルで、傾角は１２〜１６°、干渉率は３０〜５４％であった。

また、比較例として干渉率が０％の４孔ノズル（試験Ｎo.１）、干渉率が１７％の５孔ノズル（試験Ｎo.２）、干渉率が３８％の８孔ノズル（試験Ｎo.３）の試験も実施した。試験Ｎo.３では、予備脱燐処理の施されていない溶銑を使用したため、スラグ量が８０ｋｇ／ｔになったが、それ以外の操業条件は、試験Ｎo.１〜３共に本発明例の操業条件に準じた。

吹錬による地金付着は、転炉炉口の鉄付着及び上吹きランスへの地金付着度合いで評価し、ダストについては、吹錬中、転炉排ガスの集塵水の透過率を連続的に測定し、ダスト発生速度を求めて評価した。表１に、本発明例（試験Ｎo.４〜８）及び比較例（試験Ｎo.１〜３）における操業条件及び操業結果を示す。尚、表１の地金付着の欄は、×印を基準とし、これよりも地金付着が少ない状態を○印及び◎印で表示し、◎印が最も少ないことを表示し、△印は、×印と同等か若干少ない状態を表示している。また、ダスト発生の欄は、index の数値が小さいほど、ダスト発生量が少ないことを表示している。

表１に示すように、本発明例においては、比較例に比べて地金付着及びダスト発生が共に少なく、鉄歩留まりを向上させることが確認できた。

同一円周上に周孔が等間隔で設置された場合に、傾角と干渉率との関係を示す図である。 本発明の一実施形態に係る上吹きランスの概略断面図である。 図２に示すラバールノズル形状の周孔の概略拡大断面図である。

符号の説明

１ 上吹きランス
２ ランス本体
３ ランスノズル
４ 周孔
５ 絞り部
６ スロート
７ スカート部
８ 外管
９ 中管
１０ 内管

Claims (3)

1. ラバールノズル形状の複数個の周孔を備えた上吹きランスを用い、予備脱燐処理された溶銑を脱炭吹錬する転炉吹錬方法であって、前記周孔の傾角は１３°以上であり、該周孔が６個以上配置され、且つ、酸素ジェットの片側の広がり角度を１０°として下記の（１）式によって干渉率を定義したときに、隣り合った周孔の平均干渉率が３０〜６０％の範囲内である上吹きランスを用いて吹錬することを特徴とする転炉吹錬方法。
   γ＝（Ｄ−ｄ）×１００／Ｄ…（１）
   但し、（１）式において各記号は以下を表すものである。
   γ：干渉率（％）
   Ｄ：火点の直径（ｍ）
   ｄ：隣り合う火点の中心間距離（ｍ）
2. 転炉内のスラグ量は、溶鋼トン当たり５０ｋｇ以下であることを特徴とする、請求項１に記載の転炉吹錬方法。
3. その先端にラバールノズル形状の複数個の周孔を備え、予備脱燐処理された溶銑を脱炭吹錬するための転炉吹錬用上吹きランスであって、前記周孔は６個以上配置されていると共にこれら周孔の傾角は１３°以上であり、且つ、酸素ジェットの片側の広がり角度を１０°として下記の（１）式によって干渉率を定義したときに、隣り合った周孔の平均干渉率は３０〜６０％の範囲内であることを特徴とする転炉吹錬用上吹きランス。
   γ＝（Ｄ−ｄ）×１００／Ｄ…（１）
   但し、（１）式において各記号は以下を表すものである。
   γ：干渉率（％）
   Ｄ：火点の直径（ｍ）
   ｄ：隣り合う火点の中心間距離（ｍ）

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