JP4790474B2 - 溶融金属の精錬方法 - Google Patents

Description

本発明は、溶融金属の精錬方法に関する。

フラックスを用いて溶融金属を精錬する場合、反応はフラックスと溶融金属の接触界面で生じる。

例えばＣａＯ系のフラックスを用いて溶鉄を精錬する場合、溶鉄中の硫黄やりんは、スラグ中のＣａＯと反応し、次のような反応によって、溶融金属からスラグ中へ分離、除去される。
脱硫反応 Ｓ＋（ＣａＯ）→（ＣａＳ）＋Ｏ （１）
脱りん反応 ２Ｐ＋５Ｏ＋３（ＣａＯ）→（３ＣａＯ・Ｐ₂Ｏ₅） （２）
ここでＳ，Ｐ，Ｏはそれぞれ溶融金属中の硫黄、りん、酸素を示し、（ＣａＯ），（ＣａＳ），（３ＣａＯ・Ｐ₂Ｏ₅）はそれぞれスラグ中のＣａＯ，ＣａＳ，３ＣａＯ・Ｐ₂Ｏ₅を示す。

（１）式及び（２）式に示すような精錬反応は、精錬フラックスと溶融金属との界面で生じる。従って反応を速やかに進行させるためには、溶融金属とフラックスを効率良く接触させることが重要となる。

溶鉄を例に取ると、従来の精錬方法の代表的なものに、（ａ）溶鉄表面にフラックスを添加して、ガスを底から吹き込んで攪拌する方法、（ｂ）溶鉄表面にフラックスを添加して、インペラーにより機械的に攪拌する方法（ＫＲ法等）、（ｃ）溶鉄中にガスをキャリアとして粉体フラックスを内部に吹き込む方法（インジェクション法）、（ｄ）フラックスを充填したワイヤーを溶鉄上部から供給しつつ、ガスを吹き込んで攪拌する方法（ワイヤーフィード法）などがある（例えば、非特許文献１、非特許文献２）。

上記（ａ）の方法では、フラックスと溶鉄が効率良く接触するためには、相当の流量でのガス攪拌が必要であり、精錬鍋のような上部空間が小さい容器では溶鉄が飛散するため、転炉のような大容量の精錬容器が必要となる。（ｂ）の方法では、攪拌効率が（ａ）の方法より高いため、近年では溶銑段階での脱硫精錬に広く用いられているが、フラックスを溶鉄の上部から内部に巻き込ませるために、フラックスを溶鉄中に均一に分散させるのは困難であり、数十分の精錬時間を要する。（ｃ）の方法は、混銑車や精錬鍋を用いた溶銑予備処理等で利用されているが、ガスとともにフラックスを吹き込むため、フラックスがガス流から分離して溶鉄と接触する効率が低下するという問題がある。（ｄ）の方法は、フラックスをワイヤーで被覆しているため、表面のワイヤーが溶解するとフラックスが直ちに溶鉄と接触するが、ワイヤーを上部から供給するため、フラックスが直ちに溶鉄表面に浮上して反応時間が確保できず、精錬効率が低下する。また、ワイヤーの送り速度に限界があるため、短時間に多量のフラックスを添加できないという問題もある。

日本金属学会：金属化学入門シリーズ第２巻「鉄鋼精錬」、日本金属学会、（２０００）、ｐ．１６１−１６２ 梶岡博幸：鉄鋼技術の流れ第１シリーズ「取鍋精錬法」、地人書館、（１９９７）、ｐ．１６−２０

本発明は、前記した従来技術の問題点を解決し、添加したフラックスを短時間に溶融金属中に分散させることで、極めて高い効率での溶融金属の精錬方法を提供することを課題とする。

かかる課題を解決するため、本発明の要旨とするところは、以下の通りである。
（１）精錬用フラックスを用いて溶融金属を精錬するに際し、予めフラックスを容器内に充填し、該容器を溶融金属上部から溶融金属内に投射するに際し、精錬用フラックスを充填した容器外壁が溶融金属の浴深さの１／２より深い位置かつ精錬容器の底より上部で溶解するように、浴深さＬ（ｍ）の溶融金属の上部表面よりＨ（ｍ）高い位置から、精錬用フラックスを充填した容器を下記（Ａ）式で表される範囲の初速ｕ ₀ （ｍ／ｓ）で溶融金属に向かって投射し、かつ該容器の外壁が溶融金属内で下記（Ｂ）式で表される範囲の時間ｔ（秒）後に溶解するようにすることを特徴とする溶融金属の精錬方法。

ここで、ρ_L：溶融金属の密度（ｋｇ／ｍ³）
ρ_F：フラックスを充填した容器の嵩密度（ｋｇ／ｍ³）
ｇ ：重力加速度（ｍ／ｓ²）

本発明により、添加した溶融金属精錬用フラックスが直ちに溶融金属中に分散し、短時間でかつ極めて高い効率で溶融金属を精錬することが可能となった。

発明の実施の形態は以下の通りである。

まず、粉状の精錬用フラックスを金属箔等でできた外壁を持つ容器内に充填する。容器の材質は、精錬する金属と同成分のものが望ましいが、製品に悪影響を及ぼさないものであれば何でもよく、紙や炭化水素系物質などでも良い。また、精錬用のフラックスは、粒状や塊状のものでも構わないが、溶融金属との接触界面積を増加し、反応速度を効率化するためには粉状のものが望ましい。

予め、容器を所定の温度、成分の溶融金属に浸漬するなどして、外壁が溶解するまでの時間を測定し、所要の溶解時間ｔ（ｓ）となるように外壁厚みを変更した容器を使用する。

溶融金属の浴表面の上部から、フラックスが充填された容器が投射され、溶鉄内部に入った後、容器の外壁がｔ秒後に溶解し、内部のフラックスが溶鉄中に分散して、効率良く精錬反応に寄与する。

フラックスを充填した容器外壁が溶解して、内部のフラックスが溶鉄中に分散する位置は溶鉄内部であれば良いが、小型実験炉を用いたフラックス充填容器の投射実験から、フラックスが溶融金属の浴深さの１／２より深い場所で分散した場合に、特に精錬効率が著しく増加することを知見した。一方、フラックスを充填した容器が炉底に到達しても外壁が溶解しない場合は、炉底の耐火物の溶損量が増大することも判明した。

図１に示すように、浴深さＬ（ｍ）の溶融金属の浴表面から上方Ｈ（ｍ）の高さの地点から、初速ｕ₀で溶融金属に向かってフラックスを充填した容器を投射する。容器は、溶融金属表面に到達するまでの間は、加速度ｇで等加速度運動を行う。溶融金属表面に到達して溶融金属中に浸漬した後は、浮力に起因する負の加速度を受け、減速する。溶融金属表面に到達したときの速度が速いほど、溶融金属内の到達浸漬深さが深くなる。ここで、Ｈが下記（３）式の条件を満たす場合は、初速０すなわち自然落下させた場合でも、フラックスを充填した容器は溶融金属内に侵入した後の浮力に打ち勝って浴深さＬの１／２より深い場所まで到達するため、自然落下でも、発射機等で任意の初速を持たせても良い。

ここで、ρ_L：溶融金属の密度（ｋｇ／ｍ³）
ρ_F：フラックスを充填した容器の嵩密度（ｋｇ／ｍ³）

一方、Ｈが（３）式の右辺で示す値以下の場合には、自然落下では浴深さＬの１／２に到達する以前に容器の速度がゼロとなり、浴深さＬの１／２より深い場所に到達し得ないため、（４）式で示す初速ｕ₀が必要となる。

ここで、ｇ：重力加速度（ｍ／ｓ²）

即ち、上記（３）（４）式から、前述の（Ａ）式が導かれる。

投射位置の高さにより規定された上記初速を持って投射されたフラックス充填容器は、浴深さの１／２の位置より深い位置まで到達するが、浴深さの１／２の位置に到達する以前に容器外壁が溶解しないように、また炉底に到達するより前に容器外壁が溶解してフラックスが溶融金属内部に分散させる必要がある。その両方を満たすための、容器外壁が溶鉄と接触してから溶けるまでの時間ｔ（ｓ）は下記（５）式で表される。（５）式は、容器が高さＨから初速ｕ₀で発射されてから溶融金属表面に到達するまでの間は加速度ｇで等加速度運動を行い、溶融金属中に浸漬した後は浮力に起因する負の加速度（−ｇ（ρ_L−ρ_F）／ρ_F）を受けるとして運動方程式を解くことにより導かれる。（５）式の左辺は、溶融金属中に浸漬した容器が浴深さの１／２に到達するまでの時間である。（５）式の右辺は、容器が炉底に到達するまでの時間である。

ただし、初速ｕ₀が下記（６）式を満たす場合は、容器外壁が溶解しなくてもフラックス充填容器が炉底まで到達することはなく、途中で浮上する。その場合、再び浴深さの１／２の位置に到達する前に容器外壁が溶解すれば良く、容器外壁が溶鉄と接触してから溶けるまでに必要な時間ｔ（ｓ）の範囲は下記（７）式で表される。（７）式の左辺は（５）式の左辺同様、溶融金属中に浸漬した容器が浴深さの１／２に到達するまでの時間である。（７）式の右辺は、容器が浴深さの１／２より深い位置で浮上を開始し、浴深さの１／２に到達するまでの時間（浸漬開始からの時間）である。

即ち上記（５）〜（７）式から、前述の（Ｂ）式が導かれる。

以上のように、適切な時間で溶解するように容器外壁の材質と厚みを予め調節した容器にフラックスを充填し、該容器を適切な高さの投射位置と初速を持たせて溶融金属に向かって投射することで、容器内のフラックスが溶融金属の浴深さの１／２より深い位置で分散し、極めて効率の高い精錬反応を実現することができる。

なお、容器内部に密度の大きいものをオモリとして装填し、容器全体の嵩密度を調節することで、容器内のフラックスが溶融金属の浴深さの１／２より深い位置で分散させるようにしても良い。

以下、本発明を具体例に基づき具体的に説明する。

（実施例１、２）
製鉄用の精錬鍋に１８０ｔの溶銑を入れ、脱硫処理実験を行った。溶銑中の初期Ｓ濃度は０．０２質量％であり、溶銑の浴深さは２．１ｍである。処理前の溶銑温度は約１４００℃とした。脱硫用のフラックスとしては粒径が２００μｍ以下の粉状の生石灰（ＣａＯ）を用い、それを鉄箔容器に包んだ直径約３０ｃｍのものを溶銑上部から落下させた。鉄箔の厚みは、予め浸漬テストを行い、溶銑と接触して０．２秒後に溶解するように１００μｍとした。フラックスは１５ｋｇずつ、１２個の容器に充填し、合計１８０ｋｇを使用した。フラックスを充填した後の容器の嵩密度を測定した結果１２００ｋｇ／ｍ³であった。また、フラックスを充填した容器外壁が溶融金属の浴深さの１／２より深い位置で溶解するよう、初速が７ｍ／ｓとなるよう空気圧を調整した空気銃方式の発射機を用いて、溶銑の浴表面より３ｍ高い位置から投射した（実施例１）。投射間隔は２秒とし、約３０秒で１５個のフラックス充填容器を投射した。もう一つの実施例（実施例２）として、同じ位置から初速を４ｍ／ｓとなるよう投射し、他は全く同じ条件とした脱硫処理実験も実施した。この場合は、フラックスを充填した容器外壁が溶融金属の浴深さの１／２より浅い位置で溶解する。

また、比較例として、同じ精錬鍋と同量、同成分の溶銑を用いて、インジェクション方式および機械攪拌方式（ＫＲ法）の脱硫処理実験を実施した。いずれも、フラックスは実施例と同じ組成、粒度の生石灰を同量の１８０ｋｇ使用した。処理前の溶銑温度は実施例と同じ約１４００℃とした。インジェクション方式では、浸漬ランスを用いて、浴深さの３／４（炉底より１／４）の位置から、２０００Ｎリットル／ｍｉｎの窒素ガスをキャリアガスとして１８０ｋｇ／ｍｉｎの速度でフラックスを吹き込んだ。また、機械攪拌方式では、上方よりフラックスを一括添加した後、インペラーを２００ｒｐｍの速度で回転させた。

実施例と比較例の溶銑中Ｓ濃度の変化を表１に示す。実施例では、フラックス充填容器の投射開始から３分後には低濃度域まで脱硫が進行し、特に初速を７ｍ／ｓで投射することで浴深さの１／２より深い位置でフラックスが分散するようにした実施例１では、極めて低濃度域まで脱硫が進行した。それに対し、比較例では脱硫速度も遅く、到達Ｓ濃度も増加した。

（実施例３、４）
転炉に脱Ｓｉ処理を施した３００ｔの溶銑を入れ、脱りん処理実験を行った。溶銑中の初期Ｐ濃度は０．１質量％、初期Ｓｉ濃度は０．０５％であり、溶銑の浴深さは２．０ｍである。処理前の溶銑温度は約１４００℃とした。脱りん用のフラックスとしては粒径が２００μｍ以下の粉状の生石灰（ＣａＯ）と鉄鉱石粉を用い、それを球状の鉄板容器に充填した直径約５０ｃｍのものを溶銑上部から落下させた。容器外壁の鉄板の厚みは、予め浸漬テストを行い、溶銑と接触して０．４秒後に溶解するように２００μｍとした。フラックスは生石灰２５ｋｇと鉄鉱石５０ｋｇの合計７５ｋｇづつ、４８個の容器に充填し、合計３６００ｋｇを使用した。フラックスを充填した後の容器の嵩密度を測定した結果１８００ｋｇ／ｍ³であった。また、フラックスを充填した容器外壁が溶融金属の浴深さの１／２より深い位置で溶解するよう、溶銑の浴表面より５ｍ高い位置から自然落下させた（実施例３）。約３０秒で４８個のフラックス充填容器を全て投下した。もう一つの実施例（実施例４）として、フラックス充填容器の落下位置を溶銑の浴表面より２ｍ高い位置とし、他は全く同じ条件とした脱りん処理実験も実施した。この場合は、フラックスを充填した容器外壁が溶融金属の浴深さの１／２より浅い位置で溶解する。

また、比較例として、同じ転炉と同量、同成分の溶銑を用いて、底吹きガス攪拌方式およびインジェクション方式の脱りん処理実験を実施した。いずれも、フラックスは実施例と同じ組成、粒度の生石灰と鉄鉱石を、実施例と同量のそれぞれ１２００ｋｇと２４００ｋｇ使用した。処理前の溶銑温度は実施例と同じ約１４００℃とした。底吹きガス攪拌方式では、上方よりフラックスを一括添加した後、底吹き羽口から２０００Ｎｍ³／ｈの窒素ガスを吹き込んで１０分間攪拌した。インジェクション方式では、底吹き羽口から２０００Ｎｍ³／ｈの窒素ガスをキャリアガスとして、１４００ｋｇ／ｍｉｎの速度でフラックスを吹き込んだ。

実施例と比較例の溶銑中Ｐ濃度の変化を表２に示す。実施例では、フラックス充填容器の投射開始から３分後には低濃度域まで脱りんが進行し、特に落下高さを５ｍ／ｓで投射することで浴深さの１／２より深い位置でフラックスが分散するようにした実施例３では、極めて低濃度域まで脱りんが進行した。それに対し、比較例では脱りん速度も遅く、到達Ｐ濃度も増加した。

精錬用フラックスを充填した容器を溶融金属に投射して精錬する方法のイメージを示す図である。

Claims (1)

1. 精錬用フラックスを用いて溶融金属を精錬するに際し、予めフラックスを容器内に充填し、該容器を溶融金属上部から溶融金属内に投射するに際し、精錬用フラックスを充填した容器外壁が溶融金属の浴深さの１／２より深い位置かつ精錬容器の底より上部で溶解するように、浴深さＬ（ｍ）の溶融金属の上部表面よりＨ（ｍ）高い位置から、精錬用フラックスを充填した容器を下記（Ａ）式で表される範囲の初速ｕ ₀ （ｍ／ｓ）で溶融金属に向かって投射し、かつ該容器の外壁が溶融金属内で下記（Ｂ）式で表される範囲の時間ｔ（秒）後に溶解するようにすることを特徴とする溶融金属の精錬方法。
   

   

   

   ここで、ρ_L：溶融金属の密度（ｋｇ／ｍ³）
   ρ_F：フラックスを充填した容器の嵩密度（ｋｇ／ｍ³）
   ｇ ：重力加速度（ｍ／ｓ²）

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