JP4986383B2

JP4986383B2 - 溶銑の脱硫方法

Info

Publication number: JP4986383B2
Application number: JP2004104411A
Authority: JP
Inventors: 幸代森田; 一斗士川嶋; 治山瀬
Original assignee: JFE Steel Corp; JFE Mineral Co Ltd
Current assignee: JFE Steel Corp; JFE Mineral Co Ltd
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2024-03-31
Also published as: JP2005290434A

Description

本発明は、インペラーを回転させて機械的に溶銑を攪拌する装置を用いて溶銑の脱硫処理を行う溶銑の脱硫方法に関する。

高炉から出銑された溶銑は多くの不純物を含んでおり、中でも硫黄（Ｓ）は鋼の性質に悪影響を及ぼすことから、これを除去する脱硫処理が重要である。脱硫処理は、その除去コストの少ない溶銑段階で行うのが一般的であり、従来、この脱硫処理としては、機械攪拌式脱硫装置（以下、ＫＲという）が知られている（例えば、非特許文献１〜３等）。

出銑された溶銑をトーピードカーあるいは溶銑などの搬送容器で運搬され、この溶銑は装入鍋という転炉への溶銑装入専用鍋で転炉に入れられるが、ＫＲ装置による脱硫処理は、溶銑を貯留した鍋形状をなす装入鍋または溶銑鍋に耐火物で形成された十字の羽（インペラー）を装入し、鍋中央部で高速回転させ、その状態で脱硫剤を上部より添加することにより実施される。脱硫剤としては、通常、ＣａＯ―ＣａＦ_２（ホタル石）系やカルシウムカーバイドの粉状体を用いる。

このＫＲを用いた脱硫処理においては、溶銑に浸漬されたインペラーを回転させることにより脱硫剤が溶銑中に分散し、溶銑中のＳを除去する脱硫反応が進行する。脱硫剤を投入完了後、所定時間攪拌を継続し、反応を安定化させる。その後、インペラーの回転を停止し、インペラーを上昇させた後、溶銑上に浮上したＳ濃度の高い脱硫スラグをスラグドラッガーなどで除去する。脱硫された溶銑は、転炉に送られ低Ｓ鋼等の製造に供される。

ＫＲ脱硫処理自体は一般的なプロセスであり、インペラーの回転速度および浸漬深さや、攪拌動力およびインペラー径等を適切に調整すれば、脱硫剤が効果的に溶銑中に分散し、溶銑中の脱硫反応が高効率で進行すると考えられる。非特許文献４，５では、機械攪拌による溶銑脱硫反応の挙動を把握し、脱硫剤の分散条件を見出す試みがなされているが、これらはるつぼ実験であり、実機に適用できる保証はなく、操業条件との関係も示されていない。

このように、ＫＲ脱硫処理における操業条件の適正値は必ずしも明確であるとはいえない。このため、従来の操業においては、脱硫効率を上げようとすると、攪拌動力を上げすぎ、設備費の増大や、ＫＲ設備の損傷につながる振動の増大、溶銑飛散の増加などを引き起こしていた。こうした場合、操業面から、攪拌動力の調整を行うことが多く、その場合には、脱硫率が低下したり、あるいは処理後のＳ濃度のバラツキとなって、後工程に悪影響を及ぼすことがある。また、耐火物製のインペラーは、使用により、特に角が損傷して溶銑の抵抗が減少するため、これが攪拌動力の低下につながるが、従来は、この攪拌動力の低下を定量的に把握できておらず、使用回数が少ないインペラー（新インペラー）から使用回数が多いインペラー（旧インペラー）まで適正な攪拌条件で操業することは困難であった。
鉄と鋼 VOL58, 1972, p34 住友金属技報 VOL45, No.3, 1993, p52-58 鉄と鋼 VOL64(No.2), 1978 pA21-A24 材料とプロセス VOL11(No.1), 1998, p141 材料とプロセス VOL11(No.4), 1998, p765

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、機械攪拌式脱硫装置を用いて、インペラーの使用回数にかかわらず、適切な攪拌条件で高い脱硫率を得ることができる溶銑の脱硫方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、インペラーを回転させて機械的に溶銑を攪拌する装置を用いて溶銑の脱硫処理を行う溶銑の脱硫方法であって、前記インペラーの使用回数による攪拌動力の低下をインペラーの損耗によるものとして、所定回数使用したインペラーの径をインペラー相当径とした場合に、攪拌動力に比例するモーターの電流値の減少分から逆算することにより、インペラー使用回数と前記インペラー相当径の新品のインペラー径に対する割合であるインペラー径比との関係を求め、この関係から求めたインペラー相当径から使用回数に応じたインペラーの攪拌動力を把握し、前記インペラーの使用回数にかかわらず、その回転速度を１４０ｒｐｍ以上、攪拌動力を３００〜６００Ｗ／ｔとすることができる設備条件で、回転速度を１４０ｒｐｍ以上、攪拌動力を３００〜６００Ｗ／ｔとして脱硫処理を行うことを特徴とする溶銑の脱硫方法を提供する。

本発明によれば、機械攪拌式脱硫装置により脱硫処理を行う際に、インペラーの使用回数にかかわらず、インペラーの回転速度と攪拌動力とを適切に制御することにより、常に適正な攪拌条件で高い脱硫率を得ることができる。また、設備条件、例えばインペラー径を適切に設定することにより、インペラーの回転速度と攪拌動力を適正範囲とすることができる。

以下、本発明について詳細に説明する。
本発明者らは、高い脱硫率を得るためには、従来適正であるとされてきた回転速度よりも高速でインペラーを回転させることが有効ではないかと考え、インペラーの回転速度を大きく変更してＫＲ脱硫処理を実施した。しかし、一般的に、攪拌動力は、インペラー径の５乗、回転速度の３乗に比例すると言われているため、同一径のインペラーを用いた試験では、攪拌動力過大による設備的な問題や、ＫＲ設備の損傷につながる振動の増大、溶銑飛散増加が見られた。このため、インペラー径を縮小し、攪拌動力および回転数の水準を変化させて実験を行った。その結果を表１に示す。なお、表１の処理後Ｓ濃度は、５０〜８０チャージの平均値である。

表１に示すように、一般的に言われている、攪拌動力が増加すると処理後のＳ濃度が低位に安定する関係が明らかである。しかし、同一攪拌動力でも、インペラー回転数が低い場合、処理後Ｓ濃度は高い傾向があることがわかる。このことをまとめたのが図１である。図１は、インペラーの回転速度と処理後Ｓ濃度との関係を攪拌動力ごとに示す図である。この図から明らかなように、高速回転での処理のほうがその攪拌動力によらず脱硫処理は安定する。すなわち、回転速度が１４０ｒｐｍ以上で高い脱硫率が得られ、１５０ｒｐｍ以上がより好ましいことがわかる。ただし、攪拌動力が３００Ｗ／ｔを切ると、脱硫効率が低下してしまう。また、逆に、攪拌動力を上げすぎるとインペラーを支える台が振動し、設備的に問題が生じる。このため、振動発生時は回転速度を低下させ、攪拌動力を制限している。図２に攪拌動力と振動発生の状況を示す。図２において、振動発生率（％）は、（振動発生チャージ数／処理チャージ数）×１００である。この図からわかるように攪拌動力が６００Ｗ／ｔ程度以上になると、振動により攪拌動力の制限を受ける比率が増加する。以上から、攪拌動力を３００〜６００Ｗ／ｔの範囲で処理を行うのが脱硫効率の面からも操業の面からも最適である。

ここで、インペラーの構造を図３に示すようなものとし、ｄ；羽根径（ｍ）、ｎｐ；羽根数（−）（ここでは４枚）、θ；羽根角、ｂ１；実羽根高さ（ｍ）とし、さらに、Ｄ；処理容器径（ｍ）、Ｚ；溶銑深さ（ｍ）、Ｍ；溶銑量（ｔ）、ρ；密度（ｋｇ／ｍ³）、η；粘度（Ｐａ・Ｓ）、Ｎ；回転数（ｒｐｍ）、ｇ；重力加速度（ｋｇ／ｍ・ｓ²）、ｎ；回転速度（１／ｓｅｃ）＝Ｎ／６０、ｂ；計算羽根高さ（ｍ）＝（ｎｐ／２）×ｂ１、Ｒｅ；レイノズル数＝ρ・ｎ・ｄ²／ηとした場合に、動力数Ｎｐは、以下の（１）式で表すことができる。

このとき、トータルの攪拌動力Ｐ_Ｗ（Ｗ）＝Ｎｐ×ρ×ｎ³×ｄ⁵と表すことができ、溶銑ｔ当り攪拌動力（Ｗ／ｔ）はＰ_Ｗ／Ｍである。このように、攪拌動力は以上のような計算によって求めることができる。

ところが、インペラーは耐火物で構成されているため、使用回数を経るに従って損耗するから、同一攪拌条件でもインペラーの使用回数が増加するに従って攪拌動力は低下していく。このとき、インペラーが損耗したときの形状は一定ではなく、しかも異形である。したがって、矩形状をなす新インペラーの場合には上記式に基づいて攪拌動力の計算は容易であるものの、使用回数の多い旧インペラーの場合には攪拌動力の計算が困難である。

このため、以下の手法でインペラーの損耗度を定量化して、その結果から旧インペラーの攪拌動力を求めるようにした。すなわち、上述したように、攪拌動力はインペラー使用回数とともに低下していくものであり、攪拌動力の低下の原因を耐火物損耗によりその分インペラー径が小さくなったことによるものとみなしてその径をインペラー相当径とすることができ、しかも攪拌動力の減少分はモーターの電流値の減少分と比例するため、このモーター電流値の減少分から逆算すれば、インペラー相当径の新品のインペラー径に対する割合（インペラー径比）がわかる。このようにして求めたインペラー使用回数とインペラー径比との関係を図４に示す。

図４に示すように、インペラー径／鍋径の値が変化しても、インペラー使用回数に対し、インペラー径比（インペラー相当径／新品のインペラー径）の値は同じような低下推移を示す。この図４の関係から、旧インペラー径は新品時のインペラー径のおよそ７５〜８０％程度の相当径と考えられることがわかる。これに基づけば、旧インペラーの攪拌動力を上記計算式から求めることが可能となる。したがって、旧インペラーであっても攪拌動力３００〜６００Ｗ／ｔを満たすようにすることが可能となる。

以上から、インペラーの使用回数によらず、攪拌動力を３００〜６００Ｗ／ｔとすることができる条件を明確にすることができる。

この手法を用いて、インペラーの使用回数によらず、その回転数を１４０ｒｐｍ以上、望ましくは１５０ｒｐｍ以上とし、攪拌動力を３００〜６００Ｗ／ｔとすることにより、常に適正な攪拌条件で高い脱硫率を得ることができる。

逆に、ＫＲ設備を設計する場合に、インペラー損耗度合いを考慮に入れ、上記の計算式に基づいて、回転速度：１４０ｒｐｍ以上（望ましくは１５０ｒｐｍ以上）、攪拌動力：３００〜６００Ｗ／ｔを、インペラーの使用回数にかかわらず（新インペラーから旧インペラーまでを通じて）満足するように、脱硫装置の処理容器、インペラー形状、回転装置を設計することにより、振動など設備負荷の面、設備費の面からも優れ、かつ脱硫効率の優れた設備設計が可能となる。例えば、同じ攪拌動力で比較した場合には、インペラー径が小径であるほど、回転速度を高くすることができ、良好な特性が得られる設計マージンが大きくなる。なお、新インペラーとは上記インペラー径比が０．９以上のインペラーをいい、旧インペラーとはインペラー径比が０．７５〜０．８のインペラーをいう。

ただし、新インペラーの場合、初期５０回程度までは、インペラー築造時の角の鋭い状態が残っているため、攪拌動力は必要以上に大きくなりやすく、また、この場合、攪拌動力は、各設備でのインペラー耐火物形状または築造条件に大きく左右させられることにもなって、回転速度：１４０ｒｐｍ（望ましくは１５０ｒｐｍ）、攪拌動力：３００〜６００Ｗ／ｔを満たしにくい。このため、設備設計において、実際の新インペラーでの攪拌条件検討を行う際に、インペラー使用回数が５０回程度経過した相当インペラー径（インペラー径比０．９程度）を新インペラーと見なすのが設計上合理的であると考えられる。

以下、本発明の実施例について説明する。
ここでは、脱硫処理容器として１５０ｔの溶銑鍋を使用し、径が１３００ｍｍ、１１５０ｍｍ、１０００ｍｍの３種類のインペラーを使用した。インペラーの回転速度は、８５〜１６０ｒｐｍの間で変化させた。なお、鍋径は３２００ｍｍであった。

攪拌動力はモーター負荷から計算した。１３００ｍｍインペラーの場合、回転のためのモーター容量、および架台の振動のため、回転速度は最大でも１３８ｒｐｍにとどまっていた。これに対し、インペラー径を１１５０ｍｍにすると、最大１５８ｒｐｍ、１０００ｍｍでは最大１６０ｒｐｍまで上昇させることができた。上述の表１は、このようにしてインペラー径、回転速度を変更し、処理後のＳ濃度および振動発生を攪拌動力別にまとめた結果である。

この表に示すように、攪拌動力が３００Ｗ／ｔであって、インペラー回転速度が１４０ｒｐｍ以上であれば、処理後のＳ濃度は低く安定する。例えば、１０００ｍｍ径インペラーで、２００〜２５０Ｗ／ｔ、２５０〜３００Ｗ／ｔの場合、インペラー回転速度が１６０ｒｐｍと１４０ｒｐｍ以上であっても脱硫効率はよくない。一方、攪拌動力が大きい場合、インペラー軸およびそれを支える架台が振動する。具体的には、表１に示すように、６００Ｗ／ｔ以下であればほとんど振動は発生しないが、６００Ｗ／ｔを超えると急激に振動発生震度が増加することが確認された。このため、攪拌動力の上限を概ね６００〜６５０Ｗ／ｔとし、回転速度を制限（攪拌動力制限）した。

以上の試験結果について以下に説明する。
図５の（ａ）、（ｂ）に、インペラー径が１０００ｍｍの場合のインペラー使用回数と攪拌動力との関係、およびインペラー使用回数と処理後のＳ濃度との関係を示す。この図に示すように、インペラー径が１０００ｍｍの場合、インペラーが新しい間は耐火物の摩耗も少なく、攪拌動力が３００Ｗ／ｔ以上に確保されるため、高い脱硫効率が得られる。しかし、インペラーの使用回数が１００回以上となると、インペラー回転速度を設備制約である１６０ｒｐｍとしても攪拌動力３００Ｗ／ｔ以上を確保することができず、処理後のＳ濃度は上昇する。

また、図６の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に、インペラー径が１３００ｍｍの場合のインペラー使用回数と回転速度との関係、インペラー使用回数と攪拌動力との関係、およびインペラー使用回数と処理後のＳ濃度との関係を示す。この場合、攪拌動力が制約となり（ＫＲ設備での振動発生）、回転速度を１４０ｒｐｍ以上とすることができなかった。そのため、処理後のＳ濃度のレベルは高い。

これに対して、インペラー径が１１５０ｍｍの場合のインペラー使用回数と回転速度との関係、インペラー使用回数と攪拌動力との関係、およびインペラー使用回数と処理後のＳ濃度との関係を図７の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すが、この図に示すように、インペラー径が１１５０ｍｍの場合には、新インペラーから旧インペラーまで、インペラー回転数１４０ｒｐｍ以上、攪拌動力３００〜６００Ｗ／ｔという本発明の範囲内の条件で操業することができ、処理後のＳ濃度のレベルも低いことが確認された。

このように、本発明の範囲内で操業することで、設備改造を伴わず、また、インペラー軸およびそれを支える架台の振動もない条件で、インペラー使用回数によらず、安定して、処理後のＳ濃度を低いレベルに保つことができることが確認された。

インペラーの回転速度と処理後のＳ濃度との関係を攪拌動力ごとに示す図。攪拌動力と振動発生の状況との関係を示す図。インペラーの形状を示す図。インペラー使用回数とインペラー径比との関係を示す図。インペラー径が１０００ｍｍの場合のインペラー使用回数と攪拌動力との関係、およびインペラー使用回数と処理後のＳ濃度との関係を示す図。インペラー径が１３００ｍｍの場合のインペラー使用回数と回転速度との関係、インペラー使用回数と攪拌動力との関係、およびインペラー使用回数と処理後のＳ濃度との関係を示す図。インペラー径が１１５０ｍｍの場合のインペラー使用回数と回転速度との関係、インペラー使用回数と攪拌動力との関係、およびインペラー使用回数と処理後のＳ濃度との関係を示す図。

Claims

インペラーを回転させて機械的に溶銑を攪拌する装置を用いて溶銑の脱硫処理を行う溶銑の脱硫方法であって、前記インペラーの使用回数による攪拌動力の低下をインペラーの損耗によるものとして、所定回数使用したインペラーの径をインペラー相当径とした場合に、攪拌動力に比例するモーターの電流値の減少分から逆算することにより、インペラー使用回数と前記インペラー相当径の新品のインペラー径に対する割合であるインペラー径比との関係を求め、この関係から求めたインペラー相当径から使用回数に応じたインペラーの攪拌動力を把握し、前記インペラーの使用回数にかかわらず、その回転速度を１４０ｒｐｍ以上、攪拌動力を３００〜６００Ｗ／ｔとすることができる設備条件で、回転速度を１４０ｒｐｍ以上、攪拌動力を３００〜６００Ｗ／ｔとして脱硫処理を行うことを特徴とする溶銑の脱硫方法。