JP4761937B2

JP4761937B2 - 転炉の吹錬方法

Info

Publication number: JP4761937B2
Application number: JP2005325423A
Authority: JP
Inventors: 正信中村; 康一郎瀬村
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2005-08-17
Filing date: 2005-11-09
Publication date: 2011-08-31
Anticipated expiration: 2025-11-09
Also published as: JP2007077491A

Description

本発明は、例えば、上吹きランスから転炉内に酸素を吹き込んで吹錬を行う転炉の吹錬方法に関する。

従来より、特許文献１に示すように転炉の操業においては、転炉（炉体）内に溶銑を装入し、転炉の炉口へ上吹きランスを挿入した後に、この上吹きランスから溶銑に向けて酸素ガスを吹き付けることによって吹錬を行っている。このとき、転炉の底部からガスを吹き込んで溶銑を攪拌している。
上吹きランスから酸素ガスを吹き込む際、酸素ガスが溶銑の表面に衝突するため、溶銑の一部がスピッティング粒鉄となって炉口へと飛んでいき、このスピッティング粒鉄が炉口へ付着して地金（以降、炉口に付着した地金のことを付着地金という）となる。

炉口周りに付着地金が付着して堆積すると炉口が小さくなってしまうことから、例えば、転炉内にスクラップを装入する際、スクラップを転炉内へ入れるスクラップシュートが炉口に詰まってしまってスクラップを転炉内へ入れられない問題が発生する。
また、溶銑（溶鋼）の温度［℃］の測定を行うサブランスを炉体内へ挿入する際、前記サブランスが付着地金に衝突してしまう危険性がある。また、チャージ数が多くなるにつれて炉体の底部（炉底部）の耐火物が溶損して減少する結果、次第に相対的に炉口近傍が重くなり、転炉が起きあがりにくくなる傾動トリップが発生する恐れがある。

このように、炉口周りに付着地金が堆積すると様々な問題を引き起こすことから転炉の操業においては付着地金が所定以上堆積すると、例えば、酸素パイプを用いて炉口に付着した付着地金を溶断した後、スクラップシュートを用いて付着地金を除去したり、専用の地金溶解ランスを用いて溶解したりしている。
特開２００５−８９８３９号公報

しかしながら、付着地金の除去作業を行う間は、転炉の操業を停止しなければならず、生産性が低下してしまう問題がある。また、付着地金の除去作業の際に、炉口の絞り部の耐火物が地金と共に脱落することがあり、転炉寿命が短くなる問題がある。
このような問題を解決するために、転炉の操業においては、炉口周りでの付着地金の堆積速度を低下させる、即ち、付着地金となるスピッティング粒鉄が炉口へ付着し難くすることで前記除去作業をできるだけ少なくすることが望まれている。そこで、ランスチップの改善などを行うことで、スピッティング粒鉄が炉口へ付着しないようにする技術が考えられているが、十分な効果が得られていないのが実情である。

そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、付着地金となるスピッティング粒鉄が炉口へ付着し難い転炉の吹錬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、上底吹きの転炉で上吹きランスから溶銑へ酸素を吹きつけて吹錬を行う転炉の吹錬方法において、前記上吹きランスから酸素を吹き込む送酸速度を、式（１），式（２）を満たすように調整する点にある。

発明者は、上吹きランスで酸素を吹き込んだ際、スピッティング粒鉄が炉口へ到達しない高さについて様々な角度から検証した。即ち、発明者は、様々な実験や物理的な考察を行い、吹錬を行う際には、式（１）及び式（２）を満たすように送酸速度を調整することにより、付着地金となるスピッティング粒鉄が炉口へ付着し難くすることができると共に、転炉における生産性を向上させることができることを見出した。
さて、吹錬を開始した直後では、溶銑の湯面を覆うスラグ（カバースラグ）があまり形成されておらず、このカバースラグが少ない状態で、送酸速度を大きくすると、酸素が直接湯面に当たりスピッティング粒鉄が跳ね上がり易くなるので、カバースラグが少ない時期では、送酸速度を小さくし、カバースラグが多い時期では、送酸速度を大きくして吹錬時間を短くするのがよい。即ち、カバースラグの形成具合に応じた送酸速度を決定するのが好ましい。

そこで、発明者は、様々な実験を行った結果、上吹きランスから吹きつける酸素の吹錬開始からの積算量が総酸素量の４０％を超えた際には、式（２）に代えて式（３）を満たすように送酸速度を調整することがよいことを見出した。

これによれば、溶銑に吹きつけた酸素量の積算量が酸素を吹きつける全体の酸素量（総酸素量）の４０％を超えた時期に対しては、送酸速度を上昇させることにより吹錬時間を短くすることができる。
また、上吹きランスから吹きつける酸素の吹錬開始からの積算量が総酸素量の４０％に達するまでは、式（１）に代えて式（４）を満たすように送酸速度を調整することが好ましい。

これによれば、積算量が総酸素量の４０％に達するまでの時期に対しては、送酸速度を下げることで、スピッティング粒鉄が跳ね上がり難くして、スピッティング粒鉄が炉口になるべく付かないようにすることができる。

本発明によれば、付着地金となるスピッティング粒鉄が炉口へ付着しにくくなる。

以下、本発明の実施の形態を、図面に基づき説明する。
図１は本発明の転炉の吹錬方法を行う転炉の全体側面図を示している。なお、転炉はこの実施形態に限定されない。転炉は、炉体の上側から酸素を吹きつけ且つ、炉体の底部からガスを吹き込むことができる上底吹き転炉であり、炉体１内に溶銑（溶鋼）やスクラップ等が収容可能となっている。
前記炉体１は有底で筒状に形成された鉄皮２と、この鉄皮２の内部に設けられた複数の耐火物３（耐火レンガ）から構成されている。炉体１の底部４にはガスを吹き込むためのガス吹き込み部５が設けられ、このガス吹き込み部５に対向する側、即ち、図１では炉体１の上部側に炉口６が形成されている。炉口６に酸素などを吹くための上吹きランス７が挿入可能になっている。

鉄皮２は、底部１０と、この底部１０から炉口６側にいくにしたがって徐々に内径及び外径が大きくなる拡大部１１と、この拡大部１１から連続していて内径及び外径が略一定の直胴部１２と、この直胴部１２から炉口６側にいくにしたがって徐々に内径及び外径が小さくなる絞り部１３とを備えたものとなっている。
前記耐火物３は、鉄皮２の底部１０，拡大部１１，直胴部１２及び絞り部１３に沿うように順番に鉄皮２内に貼り付けられ、貼り付けられた耐火物３の内面が鉄皮２の内面に略沿ったものとなっている。鉄皮２の直胴部１２に溶銑８（溶鋼）を出湯（出鋼）するための出湯口９（出鋼口）が形成されている。

炉体１には、鉄皮２及び耐火物３によって、外径又は内径が徐々に大きくなる炉拡大部１５が形成され、この炉拡大部１５に連続して形成され外径又は内径が略一定となる炉直胴部１６と、この炉直胴部１６から炉口６にいくにしたがって外径又は内径が小さくなる炉絞り部１７とがそれぞれ形成されている。
以上の転炉によれば、炉体１内に溶銑を装入し、炉体１（転炉）の炉口６へ上吹きランス７を挿入した後に、この上吹きランス７から溶銑に向けて酸素ガスを吹き付けることによって吹錬を行うことができる。吹錬を行う際には、炉体１の底部からガスを吹き込んで溶銑を攪拌する。

本発明の吹錬方法では、上吹きランス７から酸素を吹き込む際の送酸速度Ｆｏ₂を、式（１），式（２）を満たすように調整している。即ち、脱りん処理や脱炭処理における吹錬において、式（１）と式（２）とを満たすように、上吹きランス７で酸素を吹き込んでいる。

式（１）や式（２）において、Ｈは炉内高さであって、炉内高さＨは、炉体１（転炉）に装入した主原料の湯面から炉口６までの距離である。詳しくは、図１に示すように、炉体高さＨは炉体１での左右方向中心位置での高さとし、炉内高さＨは酸素を吹き込んでない状態の高さとする。炉口内径Ｒは炉絞り部１７（鉄皮２の絞り部１３）の最端部（上部側）に設けた耐火物３の内径、詳しくは、左側の最端部耐火物３ａの内面から右側の最端部耐火物３ｂの内面までの距離である。

式（１），式（２）は、様々な実験や物理的な考察を行って導出したものである。
以下、式の導出過程について説明する。
発明者は、上吹きランス７で酸素を吹き込んだ際、スピッティング粒鉄が炉口６へ到達しない高さを、次に示す物理的な計算により算出した。
図２は酸素を吹き込んだ際のスピッティング粒鉄のモデル図である。図２に示すように、スピッティング粒鉄を球状とすると共に、スピッティング粒鉄の速度をｖとし、酸素を吹き込んだ際に発生する上昇気流の速度、即ち、空塔速度をＶとすると、酸素を吹き込んだ際には、スピッティング粒鉄には式（５）で示す運動方程式が成立する。

スピッティング粒鉄の運動方程式の初期条件として、ｔ＝０，ｖ＝ｖ₀（初速度）とし、式（５）を解くと、式（６）のようになる。

ここで、酸素ガスを吹き込んだ際に、スピッティング粒鉄が上昇する距離ｘを、ｖ＝ｄｘ/ｄｔとして式（６）を解くと、当該距離ｘは式（７）で示すことができる。

さて、スピッティング粒鉄の速度ｖ＝０のときに、スピッティング粒鉄が湯面から炉口６に到達したと考えられる。そこで、式（３）でｖ＝０とし、スピッティング粒鉄が炉口６に到達した時間ｔを求めると、式（８）のようになる。

したがって、式（７）に式（８）で求めた時間ｔを代入すことにより、スピッティング粒鉄が炉口６に達するまでの到達高ｈさを求めることができる。即ち、到達高さｈは式（９）で示すことができる。

式（９）を用いることで、酸素を吹き込んだ際のスピッティング粒鉄が炉口６に達する到達高さｈが分かった。以降、この高さを湯面から炉口６までの高さ、即ち、炉内高さＨと考える。
さて、発明者はどのようなスピッティング粒鉄が炉口６へ付着しているか過去の操業や実験により調査した。操業が終了した後に、炉口６へ付着した付着地金を採取し、その断面積や組成分析などを行ったところ、スピッティング粒鉄の粒径が１ｍｍ程度のものが付着地金となることが分かった。

そこで、発明者は、粒径が１ｍｍのスピッティング粒鉄の初速度ｖ₀（臨界初速度）、言い換えれば、送酸速度Ｆｏ₂を変化させ、各臨界初速度における吹錬状態（操業状態）をシミュレーションや実験操業により調べた。
図３，４はその結果である。図３，４では、１チャージ当たりで酸素を吹き込む総酸素量を１００％とし、酸素を吹き込んだ積算量が総酸素量の４０％までの期間を初期とすると共に、酸素を吹き込んだ積算量が総酸素量の４０％を超えた期間を中期以降として結果をまとめたものである。前記実験において、吹錬条件を表１のように設定した。

また、実験における転炉装入溶銑成分及び転炉吹止時の溶鋼成分、溶銑に投入する副原料は表２，３に示す範囲内に設定した。

図３，４に示すように、炉内高さＨ，炉体（転炉）に入れる主原料（例えば、溶銑、故銑、冷銑）の合計量は一定とした。前記臨界初速度は、スピッティング粒鉄が炉内高さＨに到達するための臨界値であり、送酸速度Ｆｏ₂、即ち、酸素を吹き込んだ際の空塔速度Ｖ等に基づいて求めた。
操業状態としては、各操業における吹錬時間（分/ch）、溶鋼１トン当たりのダスト発生量（kg/t）、地金取り間隔（ch/回）、即ち、付着地金の除去を終了してから再度除去作業を開始するまでに操業できる総チャージ数、放熱ロス（Ｍcal/t），鉄鉱石投入量（kg/t）、出鋼歩留、出鋼量（t/ch）をそれぞれ調べた。

上述した各操業状態に基づいて、製鋼時間（分/ch）、地金取り時間（分/ch）、生産ピッチ（ch／日）、生産能力（ｋｔ／日）を求めた。
製鋼時間は吹錬時間に主原料装入，調質，出鋼，排滓にかかる時間として１５分を加算したものである。地金取り時間は、１回の地金取り時間は３０分としたうえで、この時間を地金取り間隔で割ることで１チャージ当たりの地金取り作業時間としている。生産ピッチは、一日当たりに製鋼できる総チャージ数，即ち、稼働時間／１チャージにかかる時間である。

なお、１チャージにかかる時間は、製鋼時間と地金取り時間とを合わせたものである。生産能力（ｋｔ／日）は、生産ピッチと出鋼量との積で算出した。
図５は、上記で示したシミュレーションや実験操業での臨界初速度を横軸にとり、生産能力を縦軸にとってグラフ化したものである。図５から分かるように、臨界初速度が９．０ｍ/secを境としてその値が小さくなるほど、初期や中期のどちらとも生産能力は減少している。
臨界初速度が小さくなる条件下（空塔速度が大きい、炉内高さＨが低い、炉口内径Ｒが小さい）においては同じ送酸速度Ｆｏ₂であってもスピッティング粒鉄が炉口６に付着し易くなることが分かった。即ち、臨界初速度が小さい場合、数チャージに１回程度の頻繁な地金除去作業を行わなければならず、その影響で生産ピッチが減少し、生産能力が低下する。

逆に、臨界初速度が１１．３ｍ/secを境としてその値が大きくなるほど、初期や中期のどちらとも生産能力は減少している。臨界初速度が大きくなる、即ち、送酸速度Ｆｏ₂を減少させたり、炉口内径Ｒを大きくすることにより、空塔速度を小さくすると、例えば、脱炭処理に時間が掛かったり、放熱ロスが大きく、この影響で吹錬時間が長くなる。
以上、シミュレーションや実験操業によれば、粒径が１ｍｍのスピッティング粒鉄の臨界初速度は、９．０m/sec以上１１．３m/sec以下の範囲が良いことが分かった。
そこで、スピッティング粒鉄の前記臨界初速度を式（９）での初速度ｖ₀とし、送酸速度Ｆｏ₂（空塔速度Ｖ）の範囲を規定すると、式（１）及び式（２）のようになった。

したがって、式（１）と式（２）とを満たすように、空塔速度Ｖ，即ち、送酸速度Ｆｏ₂をコントロールすることによって、炉口６に地金が付きにくくなると共に、生産性を向上させることができる。
なお、上述した式（１）及び式（２）の導出の際に用いられる抗力係数Ｃｄの値は、排ガスのレイノルズ数によって変化するので、式（１）及び式（２）を導出するにあたっては、ＣｄとＲｅの関係を求めたトーマンらの計算値をグラフ化したもの（Thoman，D.C.and Szewczyk,A.A.,Phys.Fluids,Suppl.II,12-12(1969),II-76)等)においてＲｅ＝１〜６
００００の間を読み取り、式（１０）で近似した。

また、上吹きランス７から吹き込んだ酸素量と、炉口６から排出された排ガス量とが等しいと考えると、排ガスの空塔速度Ｖと送酸速度Ｆｏ₂との関係式は、Ｖ＝２×Ｆｏ₂／（Ｒ² π／４）×（１５３７／２９８）と表すことができる。空塔速度Ｖと送酸速度Ｆｏ₂との関係式とを導出するにあたって、前記排ガスは、上吹きランス７で吹き込んだ酸素の全てが溶銑中の炭素Ｃと反応して生成されたＣＯガス等とした。このときの排ガスの温度は１５７３Ｋとした。また、吹き込んだ酸素の温度を２９８Ｋとして、膨張率を考慮した。

さて、吹錬において、式（１）と式（２）とを満たすように上吹きランス７で酸素を吹き込むのが好ましいが、吹錬を開始した直後では、溶銑の湯面上にカバースラグＳがあまり形成されておらず、このカバースラグＳが少ない状態で、送酸速度Ｆｏ₂を大きくすると、スピッティング粒鉄が跳ね上がり易くなり、スピッティング粒鉄が炉口６に付着し易くなる。そこで、出来るだけスピッティング粒鉄が炉口６に付着しないためにもカバースラグＳが少ない時期では送酸速度Ｆｏ₂を小さくし、カバースラグＳが多い時期では、送酸速度Ｆｏ₂を大きくして吹錬時間を短くするのがよい。

そこで、発明者は、様々な実験を行った結果、図５に示すように、上吹きランスから吹きつける酸素の吹錬開始からの積算量が総酸素量に対して４０％を超えた際には、言い換えれば、吹錬の中期では、スピッティング粒鉄の臨界初速度の上限値を低下させる。即ち、送酸速度Ｆｏ₂の下限値を上昇させるのがよい。
したがって、総酸素量が４０％を超えた際には、式（２）の臨界初速度ｖ₀の値を１１．３m/secから１０．８m/secに変更した式（３）と、式（１）とを満たすように送酸速度Ｆｏ₂を調整するのがよい。このとき、炭素量（％）から見れば、炭素量［Ｃ］が０．２％以下になるまでの間は、式（３）と、式（１）とを使用するのが好ましい。

即ち、積算量が総酸素量に対して４０％を超え且つ炭素量［Ｃ］が０．２％以下に低下するまでの間は、式（３）と、式（１）とを満たすように送酸速度Ｆｏ₂を調整するのが好ましい。

また、酸素の吹錬開始からの積算量が４０％に達するまでの吹錬の初期では、カバースラグＳがあまり形成されていないので、送酸速度Ｆｏ₂を低下させるのがよい。図５に示すように、総酸素量が４０％に達するまでは、スピッティング粒鉄の臨界初速度ｖ₀の下限値を上昇させる。即ち、送酸速度Ｆｏ₂の上限値を低下させるのがよい。
したがって、総酸素量が４０％に達するまでは、式（１）の臨界初速度ｖ₀の値を９．０m/secから９．６m/secに変更した式（４）と、式（２）とを満たすように送酸速度Ｆｏ₂を調整するのがよい。

図６，７は送酸速度Ｆｏ₂を変化させて、転炉の操業（脱りん処理を伴いつつ脱炭処理）を行ったものである。図６，７では、吹錬で１チャージ当たりの総酸素量を１００％として、吹き込んだ酸素量が総酸素量に対して４０％未満では吹錬初期とし、吹き込んだ酸素量が総酸素量に対して４０％以上９０％未満では吹錬中期とし、吹き込んだ酸素量が総酸素量に対して９０％以上達したときは吹錬末期として、各時期に送酸速度Ｆｏ₂を変化させた。この転炉の操業では、吹錬条件を表１のように設定すると共に、転炉装入溶銑成分及び転炉吹止時の溶鋼成分、溶銑に投入する副原料は表２，３に示す範囲内に設定した。

図６から分かるように、少なくとも吹錬中期に式（１）と式（２）とを満たすか、又は、式（１）と式（３）とを満たすように、送酸速度Ｆｏ₂を調整することによって生産能力を１０（kt／日）以上確保することができると共に、地金取り間隔を９（ch/回）以上（少なくとも９チャージに１回の割合で地金除去作業を行う）確保することができた。
また、少なくとも吹錬初期に式（２）と式（４）とを満たすように、送酸速度Ｆｏ₂を調整することによって、上記式を満たさないものに比べ、平均的な地金取り間隔を向上させることができた。

図７に示すように、本発明の実施例１〜６に比べ、式（１）と式（２）、又は、式（２）と式（４）とを満たさない比較例１〜３では、生産能力が１０（kt／日）未満（特に９．０前後）となり、本発明の実施例に比べ劣っている。また、地金取り間隔においても、比較例１を除いては５．０（ch/回）以下となり、少なくとも５チャージに１回は地金除去作業を行わなければならず、地金除去作業を頻繁にする必要があるので本発明の実施例に比べ劣っている。
本発明の吹錬方法は、上底吹きの転炉で上吹きランス７から酸素を吹き込んで吹錬を行うものであれば、脱りん処理を行う場合でも、脱炭処理を行う場合でも適用することが可能である。

上記の実施の形態では、酸素の積算量が総酸素量に対して４０％までのときを吹錬初期としていたが、積算量が総酸素量に対して３０〜５０％になる時期を吹錬初期としてもよい。この場合は、吹錬初期の時期に対応して、吹錬中期は、積算量が総酸素量に対して３０〜５０％以降の時期となる。

転炉の全体側面図である。酸素を吹き込んだ際のスピッティング粒鉄の飛翔状態でのモデル図である。吹錬初期において炉口内径と送酸速度の条件を変化させて実施した操業結果及び生産性シミュレーションの結果である。吹錬中期から末期において炉口内径と送酸速度の条件を変化させて実施した操業結果及び生産性シミュレーションの結果である。スピッティング粒鉄の臨界初速度と生産能力との関係図である。本発明の吹錬方法を実施した実施例をまとめたものである。比較例をまとめたものである。

符号の説明

１炉体
２鉄皮
３耐火物（耐火レンガ）
６炉口
Ｈ炉内高さ

Claims

上底吹きの転炉で上吹きランスから溶銑へ酸素を吹きつけて吹錬を行う転炉の吹錬方法において、
前記上吹きランスの送酸速度を、式（１），式（２）を満たすように調整することを特徴とする転炉の吹錬方法。
前記上吹きランスから吹きつける酸素の吹錬開始からの積算量が総酸素量の４０％を超えた際には、式（２）に代えて式（３）を満たすように、前記送酸速度を調整することを特徴とする請求項１に記載の転炉の吹錬方法。
前記上吹きランスから吹きつける酸素の吹錬開始からの積算量が総酸素量の４０％に達するまでは、式（１）に代えて式（４）を満たすように、前記送酸速度を調整することを特徴とする請求項１又は２に記載の転炉の吹錬方法。