JP4715384B2

JP4715384B2 - 溶銑の脱燐処理方法及び脱燐処理用上吹きランス

Info

Publication number: JP4715384B2
Application number: JP2005238115A
Authority: JP
Inventors: 良平竹濱; 勲下田; 章敏松井; 涼川畑; 重忠洲濱
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2005-08-19
Filing date: 2005-08-19
Publication date: 2011-07-06
Anticipated expiration: 2025-08-19
Also published as: JP2007051349A

Description

本発明は、上吹きランスから酸素ガスを吹き付けて行う溶銑の脱燐処理方法及びそれに用いる上吹きランスに関するものである。

高炉から出銑された溶銑は、転炉にて精錬される前に溶銑予備処理と呼ばれる脱硫処理、脱珪処理及び脱燐処理が施されている。当初、これらの予備処理は、鋼材の品質面上から低燐化や低硫化が要求されるものについて実施されていたが、近年では、転炉でのＭｎ鉱石の還元によるコスト削減効果及び転炉の生産性向上によるコスト削減効果などにより、高炉及び転炉を備えた銑鋼一貫製鉄所の製鋼工程のトータルコストを削減する手段として、出銑されるほぼ全ての溶銑に対して脱硫処理及び脱燐処理が施されるようになった。

脱硫処理及び脱燐処理ともに、当初は溶銑鍋やトーピードカーなどの溶銑搬送用容器内で行われていたが、脱燐処理は上吹きランスから酸素ガスを溶銑に吹き付けて行うこと、トーピードカーなどの溶銑搬送用容器ではフリーボードが少なく効率的な脱燐処理ができないことなどにより、脱燐処理対象量の増大に伴って転炉型容器で溶銑の脱燐処理を行うことが一般的となった（例えば、特許文献１参照）。

フリーボードが大きい転炉型容器で溶銑の脱燐処理を実施することにより、溶銑と脱燐用フラックスとの強撹拌が可能になるとともに、酸素ガスの単位時間当たりの供給量（「送酸速度」という）を上げて脱燐速度を増大させることが可能となり、脱燐処理時間の短縮による生産性の向上が達成された。しかしながら、上吹きランスからの送酸速度の上昇や溶銑の強撹拌に伴ってスプラッシュの発生が増大し、転炉型容器の内壁面に地金が付着して操業に支障を来すという問題点が生じた。脱燐反応は温度が低いほど進行することから処理時の溶銑温度を上げられないことも、地金の付着を増大させる一因となっている。

この問題を解決するべく、特許文献２が提案されている。特許文献２に開示された脱燐処理方法は、上吹きランスの先端部と側面部とにノズル孔を有する上吹きランスを用い、側面部に配置されるノズル孔から処理容器の内壁面に向かって酸素ガスを吹き付けて内壁面に付着した地金またはスラグを溶解しながら、先端部に配置されたノズル孔から溶銑に酸素ガスを吹き付けて脱燐処理するという方法である。この方法によれば、処理容器内壁面への地金の付着が防止されるのみならず、内壁面に付着した地金またはスラグを溶解することにより、溶銑上に存在するスラグのＴ．Ｆｅが迅速に増加し且つ高位に維持されるとともに、溶融された地金またはスラグが溶銑や溶銑上のスラグに混合して温度上昇を抑制するので、溶銑の脱燐反応を従来と比較して格段に高効率で実施することが可能になるという作用・効果が発揮される。尚、Ｔ．Ｆｅとは、スラグ中の全ての鉄酸化物（ＦｅＯ、Ｆｅ₂ Ｏ₃ など）の鉄分の合計値である。
特開昭６３−１９５２１０号公報特開２００２−２８５２１５号公報

ところで近年、地球環境の保全などの観点から、従来にも増して熱の有効利用が求められている。転炉における溶銑の脱炭精錬では、発生するＣＯガスを回収して燃料ガスとして有効活用している。溶銑は高濃度のＣを含有しているため、供給される酸素ガスと反応して溶銑の脱燐処理においてもＣＯガスが発生する。しかし、脱燐処理では、排ガス中のＣＯガス濃度が低いために、換言すれば酸素濃度が高いために排ガスを回収することができず、発生するＣＯガスは煙突出口で燃焼させて大気に放出している。

転炉型容器における脱燐処理において熱効率を高めるためには、少ないとはいえ排ガス中に含まれるＣＯガスの燃焼熱のうちで大気に放散する熱量を極力少なくして、溶銑或いはスラグに着熱させる熱量を多くすることである。この観点から、前記特許文献２を検証すると、特許文献２の技術は、内壁面に付着した地金またはスラグを溶解することを目的としており、排ガスの燃焼熱を溶銑或いはスラグに着熱することについては十分に考慮されていないといわざるを得ない。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、転炉型容器を用い、上吹きランスから酸素ガスを供給して溶銑の脱燐処理を実施するに当たり、転炉型容器の内壁面への地金の付着を防止するのみならず、発生する排ガス中のＣＯガスの燃焼熱を溶銑に着熱させることのできる、溶銑の脱燐処理方法、並びにその際に使用する脱燐処理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の発明に係る溶銑の脱燐処理方法は、先端部と側面部とにノズル孔を有する上吹きランスを用い、側面部のノズル孔から酸素ガスを供給して処理容器の内壁面に付着した地金を溶解するとともに発生するガスを二次燃焼させながら、先端部のノズル孔から溶銑湯面に向けて酸素ガスを供給して溶銑を脱燐処理するに際し、側面部のノズル孔を複数の高さ位置に放射状に配置するとともに、溶銑浴面に最も近い位置に配置される側面部のノズル孔の角度を下向きに３０°〜７０°の範囲とし、該ノズル孔よりも上方位置に配置される側面部のノズル孔の角度を下向きに０°〜５０°の範囲で且つ溶銑浴面に最も近い側面部のノズル孔の下向き角度よりも小さくすることを特徴とするものである。

第２の発明に係る溶銑の脱燐処理方法は、第１の発明において、前記側面部のノズル孔が上吹きランスの高さ方向に３箇所以上配置され、高さ方向が上方のノズル孔ほどノズル孔の下向き角度が小さいことを特徴とするものである。

第３の発明に係る溶銑の脱燐処理用上吹きランスは、その先端部に鉛直下向きまたは斜め下向き方向のノズル孔を備え、その側面部に上吹きランスの円周方向に向かって開口するノズル孔を備えた上吹きランスであって、上吹きランスの側面部にはノズル孔が複数の高さ位置に放射状に配置されているとともに、鉛直方向の最も下方側に配置される側面部のノズル孔の角度が下向きに３０°〜７０°の範囲であり、該ノズル孔よりも上方位置に配置されるノズル孔の角度が下向きに０°〜５０°の範囲で且つ鉛直方向の最も下方側に配置される側面部のノズル孔の下向き角度よりも小さいことを特徴とするものである。

第４の発明に係る溶銑の脱燐処理用上吹きランスは、第３の発明において、前記側面部のノズル孔は上吹きランスの高さ方向に３箇所以上配置され、高さ方向が上方のノズル孔ほどノズル孔の下向き角度が小さいことを特徴とするものである。

本発明では、上吹きランス側面部の複数の高さ位置に放射状のノズル孔を配置し、しかも、ノズル孔の角度を、鉛直方向の最も下方側に配置されるノズル孔の角度を下向きに３０°〜７０°の範囲とし、このノズル孔よりも上方に配置されるノズル孔の角度をこの下向き角度よりも小さくする。そのため、脱燐処理によって発生するＣＯガスは、鉛直方向の最も下方側に配置されるノズル孔から噴射される酸素ガスによってスラグ或いは溶銑の直上で燃焼し、燃焼熱はスラグを介する或いは溶銑に直接伝達されるなどして溶銑に効率的に伝達される。また、側面部の上方に配置されるノズル孔からは酸素ガスが転炉型用器の内壁面に向かって噴射され、内壁面の付着地金を溶解すると同時に内壁面への地金付着を抑制する。このように、本発明によれば、脱燐処理によって発生する排ガス中のＣＯガスの燃焼熱を効率良く溶銑に着熱させることができると同時に、転炉型容器の内壁面への地金の付着を防止することができ、溶銑の脱燐処理を従来と比較して格段と高効率で実施することが可能となり、工業上有益な効果がもたらされる。

以下、添付図面を参照して本発明を具体的に説明する。図１及び図２は、本発明の実施の形態を示す図であって、図１は、本発明による上吹きランスを備えた転炉設備の概略断面図、図２は、本発明による上吹きランスの概略拡大断面図である。

転炉設備は、図１に示すように、その外殻を鉄皮７で構成され、鉄皮７の内側に耐火物８が施行された転炉本体１と、この転炉本体１の内部に挿入され、上下方向に移動可能な上吹きランス２と、を備えている。転炉本体１の上部には、精錬した溶銑３を出湯するための出湯口９が設けられ、また、転炉本体１の炉底には撹拌用ガスを吹き込むためのポーラス煉瓦１０が設けられている。このポーラス煉瓦１０はガス導入管１１と接続されている。尚、ポーラス煉瓦１０の代わりに単管或いは二重管などからなるガス吹き込み用羽口を使用してもよい。

上吹きランス２は、図２に示すように、円筒状のランス本体１２と、このランス本体１２の下端に溶接などにより接続されたランスノズル１３と、で構成されている。ランス本体１２は、外管１４、中管１５、内管１６、最内管１７の同心円状の４種の鋼管、即ち四重管で構成されている。但し、最内管１７は、ランス本体１２の下端までは設置されておらず、途中で溶接などにより内管１６と接続され、封鎖されており、従って、ランス本体１２の下端部分は外管１４、中管１５、内管１６からなる三重管で構成されている。

銅製のランスノズル１３には、つまり上吹きランス２の先端部には、鉛直下向き方向または鉛直斜め下向き方向のノズル孔として主孔（「下吹きノズル」ともいう）１８が設置されている。この主孔１８は、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、所謂ラバールノズルの形状を採っている。この主孔１８の設置孔数や口径などの制約は特にないが、上吹きランス２の送酸圧力などの制約により、送酸条件に応じて必然的に孔数や口径は決定されるため、これらを満足する範囲内で設定することとする。

また、ランス本体１２の側面部の四重管の範囲には、上吹きランス２の円周方向に向かって開口するノズル孔として副孔１９（「横吹きノズル」ともいう）が外管１４、中管１５及び内管１６を貫通して設置されている。副孔１９は、ランス本体１２の円周方向に複数箇所放射状に配置されているとともに、高さ方向にも複数箇所配置されている。副孔１９は転炉本体１の内壁面に付着した地金などの付着物５を溶解するとともに排ガス中のＣＯガスを二次燃焼するためのものであり、付着物５を効率良く溶解すると同時に二次燃焼を均一化させる観点から、ランス本体１２の円周方向に少なくとも４箇所以上配置することが好ましい。また、高さ方向には、少なくとも２箇所設置する必要があり、好ましくは３箇所以上とする。

副孔１９のうちで、鉛直方向の最も下方側に配置される副孔１９の角度θを下向きに３０°〜７０°の範囲内とする。この鉛直方向の最も下方側に配置される副孔１９は、脱燐処理によって発生するＣＯガスを二次燃焼させ、発生する燃焼熱をスラグ４及び溶銑３に着熱させる役割を担っており、噴出する酸素ガスがスラグ４或いは溶銑３に向かうように、角度θを３０°〜７０°の範囲内で、転炉本体１の大きさや上吹きランス２のランス高さ（上吹きランスの先端と溶銑浴面との距離）に応じて適宜設定する。角度θを３０°〜７０°の範囲内とする理由は、噴出する酸素ガスが転炉本体１の内壁面に直接向かわないようにするためである。鉛直方向の最も下方側に配置される副孔１９は円周方向に複数基設置されており、これらの角度は基本的に同一とすればよい。

鉛直方向の最も下方側に配置される副孔１９以外の副孔１９の下向き角度は、下向きに０°〜５０°の範囲で且つ鉛直方向の最も下方側に配置される副孔１９の下向き角度θよりも小さい角度とする。この場合、副孔１９が高さ方向に３箇所以上設置される場合には、二次燃焼と地金溶解とを効率的に行うために、上方の副孔１９ほど、その下向き角度を順次小さくすることが好ましい。高さ方向が同一の副孔１９の角度は基本的に同一とすればよい。尚、図２に示す副孔１９は直管状であるが、ラバールノズル形状としてもよい。

外管１４と中管１５との間隙及び中管１５と内管１６との間隙は、上吹きランス２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２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１５と内管１６との間隙を通ってランスノズル１３の部位まで至り、ランスノズル１３の部位で反転して外管１４と中管１５との間隙を通って上吹きランス２の上部に設けられた排水継手（図示せず）から排出される。給排水の経路を逆としてもよい。

内管１６と最内管１７との間隙は副孔１９への酸素ガスの供給流路となっており、上吹きランス２の上端部から内管１６と最内管１７との間隙に供給された酸素ガスは副孔１９から噴出される。また、最内管１７の内部は主孔１８への酸素ガスの供給流路となっており、上吹きランス２の上端部から最内管１７の内部に供給された酸素ガスは、最内管１７から内管１６を通り、主孔１８から転炉本体１に収容されている溶銑３の湯面に向かって噴出される。主孔１８及び副孔１９から噴出される酸素ガス量は、各々独立した流量計（図示せず）により独立して流量制御されている。

尚、本発明においては、上吹きランス２は必ずしも四重管とする必要はなく、最内管１７が設置されない三重管としてもよい。この場合には、内管１６の内部が酸素ガスの供給流路となり、主孔１８及び副孔１９から噴出される酸素ガス量は、主孔１８及び副孔１９の断面積に依存し、従って、主孔１８から噴出する酸素ガス流量と、副孔１９から噴出する酸素ガス流量との比率を脱燐処理中に任意に変更できないので、予め所定の比率になるように主孔１８及び副孔１９の断面積を決める必要がある。また、スプラッシュなどの付着によりノズル断面積が変化した場合には、酸素ガス流量の比率が変動することもある。このような問題を避けるためには四重管構造とすることが好ましい。

このような構成の転炉設備を用いて溶銑３を脱燐処理するに際しては、先ず、転炉本体１に溶銑３を装入する。用いる溶銑３としてはどのようなものであっても処理することができ、脱燐処理の前に脱硫処理や脱珪処理が施されていてもよい。脱珪処理とは、溶銑３に酸素ガス或いは鉄鉱石、ミルスケールなどの酸化鉄を添加し、主として溶銑３に含有されるＳｉを除去する処理である。因みに、脱燐処理前の溶銑３の主な化学成分は、Ｃ：３．８〜５．０質量％、Ｓｉ：０．４質量％以下、Ｓ：０．０５質量％以下、Ｐ：０．１〜０．２質量％程度である。また、溶銑温度は１２００〜１４００℃の範囲であれば問題なく脱燐処理できる。

そして、脱燐用フラックスとして生石灰などを溶銑３の上に一括投入若しくは分割投入或いは溶銑３にインジェクションし、ポーラス煉瓦１０から窒素ガスやＡｒガスなどを撹拌用ガスとして溶銑３に吹き込みながら、上吹きランス２の主孔１８及び副孔１９から酸素ガスを供給して溶銑３の脱燐処理を実施する。脱燐用フラックスは、吹き込まれたガス気泡６により溶銑３と撹拌され溶融してスラグ４を形成する。溶銑３に含有されるＰは主孔１８から供給される酸素ガスによって酸化してＰ₂ Ｏ₅ となり、脱燐用フラックスが溶融して生成されるスラグ４に移行して脱燐反応が進行する。

副孔１９から吹き込まれた酸素ガスは、脱燐処理の際に発生するＣＯガスと反応し、ＣＯガスの二次燃焼（２ＣＯ＋Ｏ₂ ＝２ＣＯ₂ ）が進行する。特に、鉛直方向の最も下方側に配置される副孔１９から、スラグ４或いは溶銑３に向けて酸素ガスが噴射されるので、発生するＣＯガスはスラグ４或いは溶銑３の直上で二次燃焼するので、燃焼熱はスラグ４或いは溶銑３に直ちに伝達し、スラグ４及び溶銑３に効率的に着熱する。この場合、スラグ４の熱は溶銑３に伝達される。そのため、溶銑３の温度が従来の脱燐処理に比べて上昇し、次工程の転炉脱炭精錬における熱余裕が増加して、鉄スクラップ配合量の拡大、発熱材の削減など、転炉脱炭精錬の安定化がもたらされる。

但し、脱燐反応は発熱反応であり、脱燐反応を促進させるためには、反応界面温度を上昇させず、低温に維持させることが有効である。二次燃焼熱によって溶銑３の温度が上昇し過ぎる場合には、脱燐処理においても鉄スクラップなどを添加して、溶銑温度を調整する。

また、副孔１９から吹き込まれた酸素ガスは転炉本体１の側壁内壁面に付着した付着物５に含まれる地金を酸化させて酸化鉄に変質するとともに、この酸化反応による発熱により付着物５の地金や地金が酸化した酸化鉄及びスラグを溶融させる。この場合、前述したＣＯガスの二次燃焼熱も付着物５の溶融に寄与する。溶融した付着地金や酸化鉄及びスラグはスラグ４または溶銑３に落下する。そのため、スラグ４のＴ．Ｆｅ濃度は迅速に上昇し且つ高位に維持される。また、付着物５が溶融してスラグ４または溶銑３と混合することにより、スラグ４及び溶銑３の温度上昇が抑えられ、これにより火点（主孔からの酸素ガスの溶銑浴面での衝突位置）の温度上昇も抑えられる。これらにより、脱燐反応が促進される。

即ち、脱燐処理時に転炉本体１の内壁面に付着した地金を溶解することにより、溶融状態のＦｅＯなどの酸化鉄が新たに生成し、この溶融状態の酸化鉄が流下してスラグ４に供給されるので、スラグ４のＴ．Ｆｅが迅速に増加し且つ高位に維持される。また、脱燐処理時に付着したスラグを溶解することにより、付着スラグ中に含まれる粒鉄などが酸化され、同様にスラグ４のＴ．Ｆｅが増加し且つ高位に維持される。付着地金及び付着スラグは溶融状態でスラグ４に供給されるので、スラグ４の滓化を損なうことはなく、むしろ、スラグ４の滓化を促進させる。そして、溶融された地金及びスラグは、ほとんど過熱度（スーパーヒート）を持たずに壁面を流下若しくは壁面から落下してスラグ４や溶銑３と合流するので、スラグ４及び溶銑３の温度上昇が抑えられ、これにより火点の温度上昇も抑えられる。尚、溶銑の脱燐処理では、溶銑温度つまり火点の温度を上昇させず、低温に維持させること、並びに、スラグ４のＴ．Ｆｅ濃度を迅速に増加させ且つ高位に維持させることによって、脱燐反応が促進する。

脱燐処理時の酸素源が酸素ガスのみでは溶銑温度が上昇し過ぎて脱燐反応が阻害される場合もあるので、必要に応じて固体酸素源としてミルスケールや鉄鉱石などを添加してもよい。固体酸素源を添加することにより溶銑温度を低下させることができる。

脱燐用フラックスの投入量は、溶銑３のＳｉ濃度、Ｓ濃度及びＰ濃度に応じて変更することとするが、最大でも溶銑トン当たり４０ｋｇ程度であれば十分である。また、脱燐用フラックスの種類として、特にソーダ系や弗化物系の組成を含まなくてもよく、生石灰のみでも安定して脱燐することができる。また、ランス高さは特に限定する必要はなく、スラグ４の生成量などを勘案して設定すればよい。

このように、本発明では、脱燐処理で発生するＣＯガスを二次燃焼させて燃焼熱を溶銑３に着熱させるとともに、転炉本体１の内壁面に付着した地金またはスラグを溶解しながら溶銑３を脱燐処理するので、転炉１の内壁面への地金の付着を防止すると同時に、高い熱効率で溶銑３を脱燐処理することができ、溶銑３の脱燐処理コストを大幅に低減することが可能となる。

図１に示す転炉設備を用いて溶銑の脱燐処理試験を実施した。以下、その結果を説明する。転炉本体の容量は３００トンであり、約３００トンの溶銑を転炉本体内に装入して脱燐処理を実施した。用いた上吹きランスは、主孔の孔数を４孔とし、副孔を、上吹きランスの円周方向に４箇所、鉛直方向に上吹きランス下端位置から５００ｍｍ位置、１５００ｍｍ位置、２５００ｍｍ位置の３段とした。また、下段の副孔の下向き角度を７０°、中段の副孔の下向き角度を３０°、上段の副孔の下向き角度を０°つまり水平とした。

脱燐用フラックスとして生石灰を転炉本体内に添加してスラグを生成させるとともに、窒素ガスをポーラス煉瓦から毎分１０〜３６Ｎｍ³ 程度吹き込みながら、上吹きランスから１０〜２０Ｎｍ³／溶銑トンの酸素ガスを供給して、脱燐処理を実施した。脱燐処理に供した溶銑の温度は１２００〜１４００℃、溶銑のＳｉ含有量は０．０３〜０．４０質量％であった。

その結果、脱燐処理における鉄ロスは３ｋｇ／ｔであり、従来の５ｋｇ／ｔに比べて大幅に低減した。また、次工程の転炉における溶銑の脱炭精錬では、用いる溶銑の温度上昇によって、溶銑配合率を従来に対して１％低減すること、つまり鉄スクラップを従来に比べて１％増加することができた。

本発明による上吹きランスを備えた転炉設備の概略断面図である。本発明による上吹きランスの概略拡大断面図である。

符号の説明

１転炉本体
２上吹きランス
３溶銑
４スラグ
５付着物
６ガス気泡
７鉄皮
８耐火物
９出湯口
１０ポーラス煉瓦
１１ガス導入管
１２ランス本体
１３ランスノズル
１４外管
１５中管
１６内管
１７最内管
１８主孔
１９副孔

Claims

先端部と側面部とにノズル孔を有する上吹きランスを用い、側面部のノズル孔から酸素ガスを供給して処理容器の内壁面に付着した地金を溶解するとともに発生するガスを二次燃焼させながら、先端部のノズル孔から溶銑湯面に向けて酸素ガスを供給して溶銑を脱燐処理するに際し、側面部のノズル孔を複数の高さ位置に放射状に配置するとともに、溶銑浴面に最も近い位置に配置される側面部のノズル孔の角度を下向きに３０°〜７０°の範囲とし、該ノズル孔よりも上方位置に配置される側面部のノズル孔の角度を下向きに０°〜５０°の範囲で且つ溶銑浴面に最も近い側面部のノズル孔の下向き角度よりも小さくすることを特徴とする、溶銑の脱燐処理方法。
前記側面部のノズル孔が上吹きランスの高さ方向に３箇所以上配置され、高さ方向が上方のノズル孔ほどノズル孔の下向き角度が小さいことを特徴とする、請求項１に記載の溶銑の脱燐処理方法。
その先端部に鉛直下向きまたは斜め下向き方向のノズル孔を備え、その側面部に上吹きランスの円周方向に向かって開口するノズル孔を備えた上吹きランスであって、上吹きランスの側面部にはノズル孔が複数の高さ位置に放射状に配置されているとともに、鉛直方向の最も下方側に配置される側面部のノズル孔の角度が下向きに３０°〜７０°の範囲であり、該ノズル孔よりも上方位置に配置されるノズル孔の角度が下向きに０°〜５０°の範囲で且つ鉛直方向の最も下方側に配置される側面部のノズル孔の下向き角度よりも小さいことを特徴とする、溶銑の脱燐処理用上吹きランス。
前記側面部のノズル孔は上吹きランスの高さ方向に３箇所以上配置され、高さ方向が上方のノズル孔ほどノズル孔の下向き角度が小さいことを特徴とする、請求項３に記載の溶銑の脱燐処理用上吹きランス。