JP4698482B2

JP4698482B2 - 転炉の操業方法

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Publication number: JP4698482B2
Application number: JP2006147304A
Authority: JP
Inventors: 貴光中須賀; 世意木村; 毅三村
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2006-05-26
Filing date: 2006-05-26
Publication date: 2011-06-08
Anticipated expiration: 2026-05-26
Also published as: JP2007314848A

Description

本発明は、溶銑に対して脱炭処理を行う転炉の操業方法に関するものである。

従来より、転炉を用いた製鋼プロセスにおいては、転炉（転炉型精錬容器）に、まずスクラップ(例えば、製鉄所内で発生するブルームやスラブ等の半製品）を装入し、その後、溶銑を装入して、上吹きランスから酸素を高速で溶銑湯面に吹きつけ吹錬を行っている。
装入されたスクラップに関しては、スクラップ表面において、溶銑中の炭素がスクラップ界面に拡散し界面自体の融点が低下すると共に、溶銑内での脱珪反応や脱炭反応の酸化反応熱に起因する熱が伝わりスクラップ自体が溶解する。

したがって、スクラップ溶解を促進させ溶け残りを無くすためには、スクラップへの熱の伝達や炭素の拡散を促進させる必要があり、そのために転炉内の溶銑への攪拌力を強化することが重要である。
溶銑への攪拌力に着目し、転炉内に装入されたスクラップの溶解を促進させ確実に溶かすための技術としては、例えば、特許文献１，２がある。
特許文献１の技術は、上吹きランスと底吹き羽口を有する転炉を用いて脱Ｐ吹錬を行う際に、底吹き羽口から吹き込む底吹きガスによる攪拌動力を求め、かかる攪拌動力がスクラップの最小厚さに応じて所定の関係を満たすようにしている。

特許文献２の技術は、転炉内に装入されたスクラップが多量である場合に、装入スクラップ量Ｓと残留溶銑量Ｍの比(Ｓ／Ｍ)の値に応じて、底吹きガスの攪拌動力が所定の式を満たすようにしている。
また、他の文献（特許文献３）には、上底吹き転炉を用いた製鋼工程において、溶銑の脱Ｓｉ、脱Ｐ、脱Ｓ処理実施における底吹き攪拌動力を１．０ｋＷ／ｔ・ｓ以上とし、溶銑の脱Ｓｉ、脱Ｐ、脱Ｓ処理工程末期に、２．０ｋＷ／ｔ・ｓ以上とした上吹き攪拌動力を１０〜７５％低下させる技術が開示されている。
特開平８−１２０３１５号公報特公平４−３８８１１号公報特開２００３−６４４１１号公報

最近では、粗鋼需要変動への柔軟な対応、生産能力向上のために、製鋼工程において、ＨＭＲ(溶銑配合率)を下げたり、短時間で多量のスクラップを溶解することが求められている。すなわち、スクラップ、特に重量屑が溶け残るという操業上好ましくない現象を生じさせずに、転炉での吹錬を効率的に行う「スクラップの高速溶解技術」が必要とされている。
しかしながら、前述した特許文献１，２においては、溶銑を攪拌するエネルギの大きさを示す攪拌動力に関し、底吹きガスの影響のみを考慮していて、上吹き酸素による溶銑攪拌の強度や底吹きとのバランスなどは考慮されていない。加えて、他の条件であるスクラップ装入量の影響や吹錬時間の影響を考慮するものとはなっていない。したがって、特許文献１，２の技術を実際の転炉に適用することが困難であるばかりか、適用したとしてもスクラップ溶け残りが発生する可能性が否めない。

その点、特許文献３の技術は、上吹きランスによる上吹き攪拌動力と、底吹き攪拌動力とを考慮するものとなっているが、転炉内溶銑の脱Ｐ、脱Ｓ処理に対して、生産性を阻害することなく、スラグのフォーミング性を確保しつつ排滓性を向上させるものであって、スクラップ溶け残りを無くすための技術とはなっていない。
そこで、本発明は、上記問題を鑑み、上底吹き転炉において、装入されたスクラップの完全溶解を可能とする転炉の操業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、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
すなわち、本発明にかかる転炉の操業方法は、上底吹き型の転炉で装入されたスクラップを溶解しながら脱炭処理を行うものであって、１３．５〜１６分に設定された吹錬時間内に前記スクラップを完全に溶解すべく、式(２）で求められるスクラップ半径ｒ_cと式(３)，(４)で求められる１００％溶解半径ｒ_c,100%とが、式(１)を満たし、且つ上吹きの攪拌動力ε_Tと底下吹きの攪拌動力ε_Bとが、式(５)〜(７）を満たすように、脱炭処理を行うことを特徴とする。

なお、全吹錬期間において、上吹きの攪拌動力ε_Tと底下吹きの攪拌動力ε_Bとが、式(５)〜式(７）を満たすように操業することは非常に好ましい。
上吹きの攪拌動力ε_T、底吹きの攪拌動力ε_Bは、式(８)，式(９)を用いて算出する。

本願発明者らは、様々な転炉操業データを分析することで、上述の式（１）〜式（７）の条件を見いだし、この条件を満たす転炉の操業を行うことで、上底吹き転炉において、装入されたスクラップの完全溶解を可能とすることができることを明らかとした。

本発明にかかる転炉の操業方法を用いることで、上底吹き転炉において、装入されたスクラップの完全溶解を可能とすることができる。

以下、本発明にかかる転炉の操業方法を、図を例示して説明する。
図１は、本操業方法を適用する上底吹き転炉１の概略を示したものである。
上底吹き転炉１（単に転炉と呼ぶこともある）には予めスクラップ２（冷鉄源）が装入されていて、その上で脱りん工程を経た溶銑３が流し入れられる。転炉１内の溶銑３に対しては、脱炭剤等の副原料を投入すると共に、転炉１の炉口から上吹きランス４（単にランス又はノズルと呼ぶこともある）を挿入し、溶銑３上面に近づけ、酸素ガスを吹き付ける。それと同時に、炉底に設けられた羽口５から窒素やアルゴンなどのガスを吹き込み溶銑３を攪拌しつつ脱炭精錬（吹錬）を行う。

脱炭が終わった溶鋼は、転炉１を傾けることで、転炉１の出鋼口から出鋼され、２次精錬処理設備や連続鋳造設備へと搬送される。
かかる転炉１の操業においては、転炉１の設備条件や総酸素量の条件より、吹錬時間は１３．５分以上１６分未満とされている。
また、全吹錬時間において、ランス４から供給される上吹き酸素の流量Ｑ_Tは、上吹き攪拌動力ε_Tが式（６）を満たすように調整され、転炉底面の羽口５から供給される底吹きガスの流量Ｑ_Bは、式(７）を満たすように調整され、溶銑３に対し弱攪拌状態となっている。同時に、式（５）を満たすように、上吹き酸素の流量Ｑ_Tと底吹きガスの流量Ｑ_Bとの割合をコントロールするとよい。

加えて、転炉１内に装入されたスクラップ２と溶銑３に関しては、式（１）〜式（４）を満たすような、スクラップ厚さＬ、スクラップ装入量Ｗ、溶銑装入量Ｗ_mとなっている。なお、スクラップ厚さＬとしては、スクラップ２の長さ、幅、厚さの内、最小の値を採用する。

なお、上吹きの攪拌動力ε_T、底吹きの攪拌動力ε_Bは、公知である、式(８)，式(９)を用いて算出する（鉄と鋼，７６（１９９０），ｐ１７９１、鉄と鋼，６７（１９８１），ｐ６７２）。

このような転炉１の操業条件を採用することで、装入されたスクラップ２を吹錬時間内に完全に溶解することができるようになる。
次に、式(１)〜式(７)の導出方法について述べる。
本願発明人は、転炉１において、装入されたスクラップ２の完全溶解を可能とする転炉の操業方法を検証すべく、様々な実験や過去の吹錬データの採取・分析を行った。データの採取にあたっては、後述するＮｉトレーサー法を用いた。
まず、スクラップ２の厚さＬをもとに算出されるスクラップ半径ｒ_cという量に着目した。スクラップ半径ｒ_cとは、様々な形状を有するスクラップ２が等価的に球形状をしていると考えた場合の半径を意味するものである。

本実施形態の場合、スクラップ半径ｒ_cは、式(２）を用いて算出する。式(２)は、以下のような考えのもと算出されたものである。
まず、転炉１に多数個のスクラップ２を装入した場合、スクラップ２同士の付着（重なりも含む）などにより溶解が遅れる状況が発生する。すなわち、スクラップ溶解時は、他のスクラップ２との相互作用の影響でその溶解挙動が変化すると考えられる。そこで、多数個のスクラップ２を装入した場合、単一スクラップ２のよりも見かけ上スクラップ半径が大きくなると考え、スクラップ半径ｒ_cは、スクラップ厚さＬだけでなく、スクラップ装入量Ｗの影響を大きく受けると考えるに至った。

そこで、スクラップ半径ｒ_cを式（２）’のように仮定した上で、式（２）’の両辺にｌｏｇを作用させた式（２）”を考える。

かかる式（２）”に対し、数々の吹錬データをあてはめ、変数ａ，ｂ，ｃを決定した。
図３にその結果が示してある。まず、図３(ａ）には、スクラップ厚さＬがＬ＝０．２０、０．２５、０．２８（ｍ）の際のデータが複数プロットしてあり、横軸がｌｏｇ（Ｗ／Ｗｍ）、縦軸がｌｏｇ（ｒｃ）となっている。この図の各データに最もフィットする線形回帰式を求め、その傾きを求めることで、式（２）”中の係数ｃを求めることができ、ｃ＝０．１６７となった。
同様に、図３(ｂ）には、スクラップ装入量Ｗと溶銑装入量Ｗ_mとの比が、０．０４０，０．０６０、０．０９６、０．１２８の際のデータが複数プロットしてあり、横軸がｌｏｇ（Ｌ）、縦軸がｌｏｇ（ｒｃ）となっている。この図の各データに最もフィットする線形回帰式を求め、その傾きを求めることで、式（２）”中の係数ｂを求めることができ、ｂ＝０．５３１となった。

そこで、図３(ｃ）のように、横軸を０．５３１ｌｏｇ（Ｌ）＋０．１６７ｌｏｇ（Ｗ／Ｗｍ）、縦軸をｌｏｇ（ｒｃ）とし、全てのデータをプロットした上で、この図のデータに最もフィットする線形回帰式を求め、そのｙ切片を明らかにした。その結果（ｌｏｇ（ａ）＝−０．１３３８）から、係数ａ＝０．７３５ということを見いだした。これらの結果から、式（２）を規定するに至った。
一方、本発明の場合、転炉１においてスクラップ溶解能力を評価する場合によく用いられる１００％溶解半径r_c,100%は、吹錬時間θと総攪拌動力εとに関連すると考え、式（３）’と仮定した。１００％溶解半径r_c,100%は、この半径（大きさ）を等価的に有するスクラップ２であれば、溶け残り無く完全溶解するということを示している。

式（３）’おける係数ａ，ｂ，ｃを求めるべく、式（３）’の両辺にｌｏｇを作用させた式（３）”を考え、かかる式（３）”に対し、数々の吹錬データをあてはめ、変数ａ，ｂ，ｃを決定した。
図４にその結果が示してある。まず、図４(ａ）には、吹錬時間θが１３．５、１５．５、１６．０（ｍｉｎ）の際のデータが複数プロットしてあり、横軸がｌｏｇ（ε）、縦軸がｌｏｇ（ｒｃ）となっている。この図のデータに最もフィットする線形回帰式を求め、その傾きを求めることで、式（３）”中の係数ｃを求めることができ、ｃ＝０．３７８となった。

次に、ε＝一定のデータを用いて、係数ｂの値を求めればよいが、実際の操業データを用いた場合、ε＝一定のデータを多数準備することは困難であることが多い。ゆえに、図４（ａ）のｙ切片がθの関数である（ｙ切片＝ｌｏｇ（ａ）＋ｂｌｏｇ（θ））ことを利用して、横軸にｌｏｇ（θ）、縦軸にｙ切片の図にデータをプロットし、各データに最もフィットする線形回帰式を求めることで、係数ａ，ｂを求めるようにする。
図４（ｂ）にその結果が示してある。この図より明らかなように、係数ａ，ｂはそれぞれ０．０００４９９、１．２６となり、式（３）を得ることができる。

式(３)，式(４)で求められる１００％溶解半径ｒ_c,100%より、式(２）で求められるスクラップ半径ｒ_cが小さい場合（式（１）を満たす場合）、転炉１内に装入されたスクラップ２は確実に溶けることになり、非常に好ましい転炉１の操業となる。
図２には、式（２）及び式（３）で計算された値がプロットしてあり、式（１）を満足する条件下のスクラップ２が、吹錬時間中に完全に溶解することが示されるものとなっている。逆に、転炉１に装入したスクラップ２を１００％完全溶解するためには、この図の左上の領域に計算結果がプロットされるように、スクラップ条件と吹錬条件を決定すればよい。すなわち、使用するスクラップ厚さＬやスクラップ装入量Ｗが予め判っておれば、それに応じて吹錬時間θや総攪拌動力εを決定すればよいし、逆に、転炉１における吹錬時間θと総攪拌動力εが決まっていれば、それに見合うスクラップ厚さＬや装入量Ｗのスクラップ２を装入するとよい。

なお、上吹き攪拌同力密度ε_T 、底吹き攪拌動力ε_Bは、式（８）,式（９）により算出されるものを用いる。
次に、式（４）の導出について述べる。
本願発明者らは、上吹き攪拌と底吹き攪拌とで計算される総攪拌動力εに関し、それぞれの寄与の割合について研究を重ねた結果、上吹き攪拌の影響は底吹き攪拌に比べて、０．７程度の攪拌寄与があることを見出した。
詳しくは、本願発明者らは、底吹きガスによる攪拌強度に加え、上吹き酸素による攪拌強度や底吹きガスとのバランスなどを考慮し、総攪拌動力εを式（４）’の如く仮定した（β＝０．１〜１．０）。

その上で、溶銑３とスクラップ２との熱伝達率ｈを、総攪拌動力εのみの関数であると仮定すると共に、熱伝達率ｈは総攪拌動力εの０．２或いは０．３乗に依存するといわれている関係を基にして、ｌｏｇ（ｈ）とｌｏｇ（ε）とが最も線形関係を示すようなβの値を求めるようにした。
溶銑３〜スクラップ２間の熱伝達率ｈを計算するにあたっては、スクラップ溶解モデル（例えば、「スクラップ−溶鉄相互間の熱と炭素の同時移動を考慮したスクラップ溶解モデル」、磯部ら、鉄と鋼、７６（１９９０）、ｐ２０３３）等を用いるとよい。

図５には、βを０．１〜１．０と変化させた場合の総攪拌動力（ｌｏｇ（ε））と、スクラップ溶解モデルの計算により決定した熱伝達率（ｌｏｇ（ｈ））との値をプロットしたものを示している。
この図からわかるように、β＝０．７の場合に最も線形関係（分散Ｒ²≒１）があることが明らかとなった。ゆえに、本発明では、ε＝0.7×ε_T＋ε_Bと規定した。
次に、式（５）に関し、上底吹き攪拌動力ε_Tと底吹き攪拌動力ε_Bとの比の範囲を、０．６〜１．５と規定した理由について以下に述べる。

底吹き攪拌と上底吹き攪拌を併用してスクラップ２の溶解を行うに際し、ε_T／ε_B ＜０．６の場合、底吹きガス量Ｑ_Bは多いことになるが、逆に底吹きガス量Ｑ_Bが多すぎて、転炉１の底に配置されたスクラップ２周辺の乱れが生じにくい状況下となる。加えて、上吹き酸素の流量Ｑ_Tが小さいことから、底吹きガスによる溶銑攪拌効果よりも溶銑３に対する冷却効果の影響の方が大きくなり、溶銑３の熱が奪われてしまうことになる。その結果、スクラップ２ヘの熱と[Ｃ］の供給が遅くなり、見かけ上１００％溶解半径ｒ_c,100%が小さくなってしまう。

一方、ε_T／ε_B ＞１．５の場合は、底吹きガス量Ｑ_Bが少なく、スクラップ２近傍での溶銑３の攪拌が弱くなる。その場合、スクラップ２同士が融着しやすくなって、見かけ上スクラップ半径ｒ_cが大きくなってしまい、結果的にスクラップ２が溶け残る原因となる。
これらのことより、本願発明人らは、効果的なスクラップ溶解には両者のバランス４が重要であるとの見解にいたって、スクラップ２ー溶銑３間の熱と炭素の速やかな移動の観点から、上底吹き攪拌動力ε_Tと底吹き攪拌動力ε_Bとの比の範囲を、式（５）のようにした。

なお、上吹き酸素の流量Ｑ_Tが大きく送酸速度が大の場合、脱炭処理の時間が短いため、スクラップ２の溶解が追いつかなかったり、スピッティングによる炉口への地金付着やダスト発生量が増大したり等、操業上好ましくない現象が起こる。逆に、上吹き酸素の流量Ｑ_Tが小さい場合、スクラップ溶解の面では問題ないが、転炉１本来の機能である脱炭処理が遅くなり、生産性が著しく悪化する。これらのことより、上吹き攪拌動力ε_Tを式（６）のように８００≦ε_T≦１２００と規定した。
一方、底吹きガスに関しては、流量Ｑ_Bが小さい場合にはスクラップ２が溶け残る可能性があるため、一定流量以上は大きくすることが好ましい。ところが、底吹き流量Ｑ_Bを大きくするためには、底吹き羽口５や底吹きガス供給設備を大容量のものに対応させる必要があり、設備面で問題が生じる可能性大である。これらのことを鑑み、底吹き攪拌動力を式（７）のように６００≦ε_B≦１４００と規定した。

以上述べた、転炉１の操業方法を用いて、溶銑３の吹錬を行った結果を表１に示す。なお、全ての場合において、吹錬時間は１３．５分以上〜１６分未満である。本実施例で使用した上底吹き転炉１は２５０ｔｏｎ規模のものであり、製鉄所内において発生した種々な厚さＬを持つスクラップ２を８〜２４ｔｏｎ装入し吹錬を行った。
スクラップ２の溶解状況はＮｉトレーサー法（後述）により明らかにした。

Ｎｏ１〜Ｎｏ２４は、式（１）〜式（７）の全てを満たすように、転炉１における吹錬を行った場合であって、いずれの場合も１００％の溶解率を達成した。Ｎｏ２５〜Ｎｏ４５は、式（１）〜式（４）を満たさない条件下で吹錬を行った場合であって、スクラップ２の溶け残りが発生している。
詳しくは、Ｎｏ２５〜Ｎｏ４５の内、式（５）〜式（７）を満たすもの（例えば、Ｎｏ２７，３９，４５）は、スクラップ溶解率が９０％以上で、解け残りはあるもののほとんど溶解している状況となっている。なお、Ｎｏ３１のデータに関しては、式（５）〜（７）を満たしているが、スクラップ厚さと装入量が大きく、スクラップ溶解率が７７％となっている。

しかしながら、底吹きガスによる攪拌が関係する条件式→式（５），式（７）を満たさないもの（例えば、Ｎｏ３０，４２）は、溶解率が５０％台となっており、好ましくない状況である。
Ｎｏ４６〜４８は、吹錬の途中（吹錬開始後１０分）で上吹き攪拌動力ε_Tあるいは底吹き攪拌動力ε_Bを変化させた場合である。Ｎｏ４６は、吹錬途中までは式（５），（６）を満たし、吹錬途中からはかかる条件を外れるようにしたものである。Ｎｏ４７は、吹錬途中から式（５），（７）を満たすようにしたものである。Ｎｏ４８は、吹錬途中までは式（５），（７）を満たし、吹錬途中からはかかる条件を外れるようにしたものである。どの場合も吹錬条件を変化させたために、スクラップ２の溶け残りが発生している。

これらの実施例からわかるように、スクラップ溶解率を１００％とするためには、式（１）〜式（４）を満たす、すなわちスクラップ半径ｒ_cを１００％溶解半径ｒ_c,100%より小さくすると共に、全吹錬期間（θ＝１３．５〜１６分）に対して、式（５）〜式（７）の条件を満たすことが必要であることがわかる。
なお、上述した「Ｎｉトレーサー法」とは、種々の厚さを持ち且つＮｉ含有量が既知のスクラップ２を転炉１に一括装入し、吹錬中及び吹き止め時に数回、溶銑サンプリングを行い、誘導結合プラズマ発光分光分析法により溶銑３または溶鋼中のＮｉ量（Ｎｉ化学分析値）を求めるものである。溶銑３中のＮｉ量が、予め装入したスクラップ２に含有されるＮｉ量と同じになれば、スクラップ２が完全溶解したと判定できる。また、溶銑３または溶鋼中のＮｉ量と予め装入したスクラップ２に含有されるＮｉ量との比により、溶解したスクラップ２の量が明らかとなる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではない。

上底吹き転炉の概略図である。スクラップ半径と１００％溶解半径との関係を示した図である。スクラップ半径の計算式を導出するための図である。１００％溶解半径の計算式を導出するための図である。上吹き攪拌動力の寄与度を求めるための図である。

符号の説明

１上底吹き転炉
２スクラップ
３溶銑
４上吹きランス
５羽口

Claims

上底吹き型の転炉で装入されたスクラップを溶解しながら脱炭処理を行う転炉の操業方法において、
１３．５〜１６分に設定された吹錬時間内に前記スクラップを完全に溶解すべく、式(２）で求められるスクラップ半径ｒ_cと式(３)，(４)で求められる１００％溶解半径ｒ_c,100%とが、式(１)を満たし、且つ上吹きの攪拌動力ε_Tと底下吹きの攪拌動力ε_Bとが、式(５)〜(７）を満たすように、脱炭処理を行うことを特徴とする転炉の操業方法。