JP5078318B2 - 高炉鋳床の連続精錬方法 - Google Patents

Description

本発明は、高炉から出銑した溶銑を高炉鋳床において連続的に精錬する高炉鋳床の連続精錬方法に関する。

製鋼工程における溶銑の予備処理や転炉等による処理の負荷を軽減するため、従来、高炉鋳床において溶銑内の珪素の除去（以下「脱珪」ということがある）および硫黄の除去（以下「脱硫」ということがある）が行われている。
特に、脱珪処理は、次工程の脱りんを効率よく行うために溶銑内の珪素濃度を０．２５ｍａｓｓ％以下まで低下させる必要がある。すなわち、珪素濃度が０．２５ｍａｓｓ％以下を得られない場合、製鋼での脱珪コストアップ、脱りん処理時間の延長による操業トラブルを引き起こす要因となる。

また、脱硫処理は還元反応により行われ、吸熱反応であるために高炉から出銑直後の最も温度の高い出銑樋を流れる途中において脱硫処理することが望ましい。
出銑樋における脱珪、脱硫処理には、
（１） 精錬剤を、窒素、空気などのキャリアガスに同伴させてランスより出銑樋内へインジェクションする方式、
（２） 精錬剤を溶銑の上面に添加した後出銑樋に設けられた落差部を通過させて行う、溶銑の落下エネルギーを利用する方式、
（３） 出銑樋に設けられた傾斜部分（傾注樋）の直前で精錬剤を添加し、出銑樋→傾注樋→溶銑鍋と順次流れる溶銑の落下エネルギーを利用する方式
が多く採用されている。

しかしながら、（１）の方式は反応効率が低く、溶銑の顕熱がインジェクションガスにより奪われるため溶銑の温度低下が大きい。また、精錬剤粉体の圧送に関わる設備を必要とするため設備費が高くなる。
（２）の方式は、処理後のスラグ除去を高炉鋳床上で完了できるという実操業上極めて大きなメリットを有しているが、他の方法に比べて反応効率が低いという問題がある。
（３）の方式は反応効率が比較的高いが、スラグのフォーミングが激しいためにフリーボードの設置が必要となる。フォーミングは、溶銑鍋あるいはトピードカーへの溶銑装入量を大幅に減少させ、生産性を低下させる。また、スラグがフォーミングすると、溶銑とともにスラグが溶銑鍋またはトピードカーへ流入するため、別途、スラグ除去装置が必要となる。

出銑樋内で反応を進行させる（１）、（２）の処理方式は、次工程での除滓省略が可能であり熱的にも時間的にも有利となるが、出銑樋を連続的に流れるときの混合のみに依存する処理であるため反応効率が低い。
そこで、出銑樋の途中に脱珪槽(湯たまり部)を設け、脱珪槽に脱珪剤を添加しながら機械撹拌処理する技術が開発され、珪素濃度の低い溶銑が得られている（特許文献１）。また、円筒状撹拌棒を精錬剤吹き込みノズルよりも上流側かつ精錬剤吹き込みノズルよりも側壁側に設け、円筒状撹拌棒によって溶銑の流れを精錬剤吹き込みノズル方向に導くことにより溶銑と精錬剤との接触を促進させて反応効率を上げる技術が開示されている（特許文献２）。
特開昭５４−１３７４２０号公報 特開昭６２−２０２０１１号公報

一般に、出銑樋内で単に機械的に撹拌するだけでは高い反応効率を定常的に得ることが容易ではない。そこで、特許文献１に開示された技術は、比較的大容量の脱珪槽を設け、完全混合と想定される脱珪槽に溶銑を若干時間滞留させて精錬剤と接触させることにより反応効率を高めているが、余分に脱珪槽を必要とし設置場所の確保が容易ではなく、また設備費が増大するという問題がある。
また、特許文献２に開示された技術では、溶銑の流れと撹拌による流れとが重なる場所で一部の精錬剤が溶銑中に巻き込まれないで下流に流され、反応に関与しない精錬剤の量が多くなるおそれがある。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたもので、添加された精錬剤を溶銑中に確実に巻き込ませることにより高い反応効率を得ることができる、高炉鋳床の連続精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、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
すなわち、本発明に係る高炉鋳床の連続精錬方法は、高炉鋳床の出銑樋内に精錬剤を添加して１基のインペラにより溶銑と前記精錬剤とを混合し前記溶銑を連続的に精錬するに際し、前記インペラの回転方向と前記溶銑流れ方向とが直交または逆向きになる側であって、
（ｉ） 前記インペラの上流側においては式（１）を満足する位置
（ｉｉ） 前記インペラの下流側においては式（２）を満足する位置
の少なくともいずれかに精錬剤を添加する。

０＜Ｍ／Ｄ≦０．５ （１）
０＜Ｍ／Ｄ≦０．８ （２）
Ｄ：溶銑流路の最大幅（ｍ）
Ｍ：インペラ回転中心から添加場所までの距離（ｍ）

本発明によると、添加された精錬剤を溶銑中に確実に巻き込ませることにより高い反応効率を得ることができる、高炉鋳床の精錬方法を提供することができる。

図１は精錬装置７１の正面断面図、図２は精錬装置７１の側面断面図である。
図１，２において、精錬装置７１は移動部５０、撹拌装置１１および添加装置１２等からなる。
移動部５０は、撹拌装置１１および添加装置１２等をその上に固定して移動可能にするためのものである。移動部５０は、ベース部５２、フレーム４１および転動輪５１，…，５１からなる。
ベース部５２は略板状矩形であって、その上面には撹拌装置１１を支持するためのフレーム４１が垂直に固定されている。ベース部５２の下方には１対の転動輪５１，５１が複数対設けられている。

移動部５０は、転動輪５１，…，５１が溶銑樋カバー４３上に設けられた軌道上を走行可能に載置されることにより出銑樋の長手方向（図１における左右方向）に移動可能となっている。
撹拌装置１１は、インペラ１０、駆動部３０および昇降部３１等からなる。
インペラ１０は回転自在に支持されており、当該インペラ１０は耐火物などで構成されている。このインペラ１０は、筒状又は棒状の回転軸１５と、回転軸１５の先端に設けられた複数の羽根１６とを有している。各羽根１６は回転軸１５の先端から径外方向に突出した略矩形状のものである。

インペラ１０の羽根１６の枚数は４枚とされている。各羽根１６はその枚数に対応して回転軸１５に対し均等な角度（例えば、９０deg）の間隔で回転軸１５に取り付けられている。インペラ１０は、羽根１６を移動部５０のベース部５２の下方に位置させてベース部５２を上下に移動可能に貫通して垂直に上方に伸び、その他端は駆動部３０に連結されている。
駆動部３０は、駆動モータ３２、連結歯車８２および伝達軸（第２回転軸）３６等からなる。

駆動モータ３２には、正逆の回転が可能であって回転数可変のものが使用される。駆動モータ３２はその駆動軸がインペラ１０の回転軸１５に対してオフセット位置に配置され、駆動軸が複数の歯車からなる連結歯車８２の入力側に連結されている。連結歯車８２は、駆動モータ３２の回転を減速させてその出力側の歯車に一端が連結された伝達軸３６を低速回転させる。
伝達軸３６は、その他端が回転軸１５に軸芯同士が一致するように連結され、連結歯車８２から伝達される回転力によりインペラ１０を回転させる。

昇降部３１は、支持体３７および２基のシリンダ装置（ロック付きエアシリンダ）４０，４０からなる。
支持体３７は、駆動モータ３２、連結歯車８２のケーシングおよび伝達軸３６の軸受け７４，７４を固定的に支持する。
２基のシリンダ装置４０，４０は、伝達軸３６を挟んで各ロッドの軸芯が伝達軸３６の軸芯を含む平面上に位置するように配置されている。シリンダ装置４０，４０のロッドの先端は支持体３７に固定され、シリンダ４１ａは移動部５０のフレーム４１に固定されている。シリンダ装置４０，４０は、伸縮動作によりロッドが支持体３７に支持された駆動部３０を上昇または下降させることにより、インペラ１０を、羽根１６が出銑樋４内の溶銑に浸漬する位置とインペラ１０を補修するための取り外し可能位置との間で昇降させる。

添加装置１２は、ホッパー４５、切り出し部４６、スクリューコンベア４７、剤投入ランス１７およびランス昇降装置から構成されている。
ホッパー４５は、溶銑の精錬に使用される脱珪剤または脱硫剤（以下これらを「精錬剤」ということがある）を一時貯蔵するためのものである。ホッパー４５の下方には切り出し部４６が設けられている。
ロータリーフィーダは、ホッパー４５から単位時間あたり一定容積の精錬剤をスクリューコンベア４７に送り出す働きを行う。

スクリューコンベア４７は、シリンダ内を定速度で回転するスクリューによって精錬剤を剤投入ランス１７に送り出す。
剤投入ランス１７は、移動部５０のベース部５２を垂直方向に上下動可能に貫通し、上端がスクリューコンベア４７の吐出側に連結され、下端からスクリューコンベア４７で搬送された精錬剤を吐出する。
ランス昇降装置は、ホッパー４５、切り出し部４６、スクリューコンベア４７および剤投入ランス１７を固定する図示しない添加装置支持部と、添加装置支持部を昇降させるための図示しない複数のシリンダ装置と、からなる。ランス昇降装置は、剤投入ランス１７を、その下端の添加口７５が出銑樋４を流れる溶銑の上面近傍と溶銑樋カバー４３よりも上方の位置との間で上下動するように昇降させる。ランス昇降装置は、先に説明した昇降部３１とほぼ同一の、添加装置支持部を昇降させるための構成を有する。

なお、剤投入ランス１７は、精錬において高い反応効率を得るために適正な位置に配置されるが、剤投入ランス１７の適正な配置位置については後に説明する。
次に、精錬装置７１が設置される高炉鋳床１について説明する。
図３は精錬装置７１が設置された高炉鋳床１の一部平面概略図、図４は精錬装置７１が設置された高炉鋳床１の一部の概略を示す図である。以下の説明において、図３，４における左側を上流側、右側を下流側という。
高炉鋳床１は高炉の周りに複数設けられ、各高炉鋳床１には順に高炉から溶銑が出銑される。

図３，４において、高炉鋳床１は、溶銑の流路となる出銑樋４と、上流側から下流側に向けて順に出銑樋４内に設けられた段差部８および潜り堰（第２潜り堰）１８とを有する。段差部８は、垂直部８ａ、水平部８ｂおよび傾斜部８ｃからなる。
出銑樋４は、図２に示されるように、流路断面が略台形の溝であって断熱材７６、耐火物である背面煉瓦７７および溶銑に直接に接する内面の不定形耐火物７８で形成される。出銑樋４の上方開口部は、溶銑樋カバー４３により覆われている。なお、溶銑樋カバー４３には、インペラ１０および剤投入ランス１７をそれぞれ貫通させるための孔が設けられている。

水平部８ｂは、その上流側垂直部８ａで堰を形成させ、堰をあふれ出た溶銑に落差を与えて傾斜部８ｃに導くために設けられている。
潜り堰３０は、出銑樋４を流れる溶銑および溶銑上面に浮かぶスラグから溶銑とスラグとを分離するためのものである。潜り堰３０は、その下端が溶銑とスラグとの界面の下方に底部４ｂとに間隙を有して位置し、上端がスラグの上方に位置して、スラグの流れを制限するように形成されている。出銑樋４において下層の溶銑は潜り堰３０と底部４ｂとの間隙からさらに下流の出銑樋４に流出し、潜り堰３０でせき止められた上層のスラグは排滓口７９に流れ出る。

高炉鋳床１には、図３，４に示された出銑樋４のさらに上流側に、高炉から出銑された溶銑のスラグを分離するための潜り堰、およびこの潜り堰で分離されたスラグを流し出す排滓樋が設けられている。
出銑樋４の上方には、高温の溶銑樋カバー４３からの輻射熱を遮るための踏み板（熱遮断板）４２が設けられている。
続いて、高炉鋳床１で行われる溶銑の連続精錬における剤投入ランス１７の適正な配置位置、つまり溶銑への精錬剤の適正な添加位置について説明する。

図５は検討に用いた精錬装置７１Ｂの正面断面図である。精錬装置７１Ｂは添加装置１２Ｂおよびベース部５２Ｂを除く他の構成は精錬装置７１と同一であり、図５において精錬装置７１と同一の構成を有する精錬装置７１Ｂの部位については、図１，２における符号と同一の符号を付す。
添加装置１２Ｂは、ホッパー４５、切り出し部４６、移送管８０Ｂおよび剤投入ランス１７からなる。ホッパー４５、切り出し部４６および剤投入ランス１７は添加装置１２におけるものと同一である。ホッパー４５はベース部５２Ｂの上面に固定された架台８１Ｂに固定されている。移送管８０Ｂは、切り出し部４６と剤投入ランス１７とを接続して切り出し部４６から精錬剤を定量的に剤投入ランス１７に移送する。移送管８０Ｂには、摩擦係数が低く変形しやすい樹脂チューブが使用される。切り出し部４６から剤投入ランス１７への移送管８０Ｂを経由する精錬剤の移送は、切り出し部４６と剤投入ランス１７との落差を利用して行われ、ホッパー４５は架台８１Ｂの十分に高い位置に取り付けられている。

ベース部５２Ｂは剤投入ランス１７を任意の位置に固定可能に形成され、剤投入ランス１７の添加口７５は、回転軸１５の近傍から出銑樋４の側壁近傍まで、ならびにベース部５２Ｂにおける上流側端縁および下流側端縁まで位置が変更可能である。

ベース部５２Ｂにおける剤投入ランス１７の位置を種々変更して溶銑の精錬処理を行い、高炉鋳床１で行う溶銑の連続精錬における精錬剤添加の適正な位置を検討した。
表１は検討に用いた精錬装置Ｂおよび高炉鋳床１の概要、表２は精錬剤として脱珪剤である５Ｆｅ−５８Ｆｅ₂Ｏ₃−２１ＣａＯ−８ＳｉＯ₂（ｉｎ ｍａｓｓ％）を使用して行った脱珪処理の条件とその結果との関係である。図６は表２における精錬剤の添加位置をインペラ１０との関係で示す図、図７は表２における精錬剤の添加位置と脱珪酸素効率η_O2との関係を示す図である。

表１における撹拌装置１１の各条件は、精錬剤添加の適正な位置を検討する前に求めておいた、インペラ１０により生ずる溶銑の渦が出銑樋４の幅方向全体に広がる撹拌条件である。
表１において、撹拌装置１１は、インペラ１０の径ｄと出銑樋４の幅Ｄとの比ｄ／Ｄが０．５６であり回転数が１００ｒｐｍであるが、発明者らは、０．３≦ｄ／Ｄ＜１を満たす径のインペラを用い、回転数８０〜２００ｒｐｍの範囲内で数々の実験を行い、すべてにおいて溶銑の渦が出銑樋４の幅方向全体に広がることを確認している。

なお、表１における出銑樋幅Ｄは、図８に示されるように、出銑樋４を流れる溶銑の最大幅をいうものである。
溶銑流路の最大幅Ｄは、出銑樋４に溶銑を流した際に、溶銑と出銑樋４（出銑樋４の側壁）とが接触している接触部分における当該出銑樋４の最大幅である。言い換えれば、溶銑流路の最大幅Ｄは、出銑樋４に溶銑を通過させた際、出銑樋４内を流れる溶銑の最大幅である。
また、インペラの回転軸中心から添加場所までの距離Ｍは、インペラ１０の回転軸１５の中心（軸芯）から剤投入ランス１７の中心（軸芯）までの水平距離のことである。

表２における高炉から出銑した溶銑の珪素含有率は図３における位置Ｐ１で採取した試料から、脱珪処理後の溶銑の珪素含有率は図３における位置Ｐ２で採取した試料から、それぞれ決定した。
脱珪処理においては、溶銑中の珪素は脱珪剤中の酸素と反応して溶銑から除去される。そこで、脱珪処理において溶銑へ添加された脱珪剤が効率的に脱珪反応に寄与したかを表す指標として、下記式（３）に示される脱珪酸素効率η_O2を用いた。脱珪酸素効率η_O2は脱珪剤中の酸素分に対して溶銑中の珪素の酸化に使用された酸素分の割合を示したものである。

また、表２において脱珪処理の総合評価を、脱珪酸素効率η_O2が５０％を境にそれ以上を良（「○」）、それ以下を不良（「×」）とした。
従来のような機械的な撹拌のみの精錬では、同じ脱珪剤原単位で比較した場合、脱珪酸素効率η_O2は３０〜４０％であった。それを鑑み、まず、脱珪酸素効率η_O2は高効率である５０％以上になることを基準とした。この場合、出銑時の珪素が０．３８〜０．４２mass%であったが、処理後の珪素は、０．２５mass%以下となる。
脱珪酸素効率η_O2の基準を５０％以上とすることで、本処理の後工程に行われる脱りん処理における効率（脱りん時間の短縮、脱りん量の向上）を向上させることができる。

脱珪処理結果を整理した表２および図６に示されるように、脱珪酸素効率η_O2は、インペラ１０により生ずる旋回流の出銑樋の長手方向（図６における左右方向（Ｘ方向））成分が溶銑流れ方向と直交しまたは溶銑流れ方向と逆向きになる領域（図６において回転軸１５より上の領域）の溶銑の上方であって、インペラ回転中心から添加場所（剤投入ランス１７の添加口２９中心）までの水平距離Ｍがインペラ回転中心より上流側で０＜Ｍ／Ｄ≦０．５、下流側で０＜Ｍ／Ｄ≦０．５の場合に、５０％以上となる。
良好な脱珪処理を行うことができるインペラ回転中心から添加場所までの距離Ｍの範囲が、上流側と下流側とで異なるのは、図９（ａ）に示されるように、インペラ１０の回転より生ずる撹拌渦が溶銑の流れにより下流側に偏っており、下流側の方が巻き込みに有利な条件になっているためである。

脱珪剤を上流側において上記範囲外で添加した場合には、脱珪剤は撹拌渦に一度も巻き込まれずに溶銑に浮いたまま下流側へ流れていく割合が多く、また、脱珪剤が撹拌渦に巻き込まれても浮上した時に溶銑流と撹拌流とが重なる場所で撹拌渦から離脱し易く、溶銑と十分に接触しないで下流側へ流されていく。
脱珪剤を下流側において上記範囲外で添加した場合にも、同じように脱珪剤は溶銑に浮いたまま脱珪反応に寄与せずに下流側に流れていく割合が多い。
回転するインペラ１０周りの溶銑の流れは、図９（ａ），（ｂ）に示されるようにインペラ１０の下流側から溶銑の流れとは逆向きに上流側に向かう流れが生じ、この流れに脱珪剤を同伴させれば、脱珪剤添加からインペラ１０が１／４〜１／２回転する時間だけ脱珪剤が反応に寄与する時間が長くなり、反応効率的にも有利である。したがって、インペラ回転中心から添加場所までの距離Ｍの値が同じであれば、下流側で脱珪剤を添加する方が好ましい。

本発明では、脱珪剤添加の最適範囲を上流側では０＜Ｍ／Ｄ≦０．５、下流側では０＜Ｍ／Ｄ≦０．８と規定した。
図１０は上記知見を撹拌渦と精錬剤の添加位置との関係として示した図である。
上述の実施形態においては、インペラ１０として十字形（４枚羽根）を使用し、インペラ１０は溶銑中に完全に浸漬される。昇降位置１１にて任意の浸漬深さで停止が可能である。出銑樋幅Ｄ全体に撹拌渦を生じさせる条件であれば、インペラ１０の形状、回転数などは特に限定されない。

精錬装置７１を、剤投入ランス１７が撹拌位置の近傍で、図３に示されるＸ，Ｙ方向に自由に移動可能な構成とすることができる。
また、精錬装置７１，７１Ｂ、高炉鋳床１、および精錬装置７１，７１Ｂ、高炉鋳床１の各構成または全体の構造、形状、寸法、個数、材質などは、本発明の趣旨に沿って適宜変更することができる。
上記の実施の形態では、溶銑を精錬する精錬剤の１つとして脱珪剤を用いた脱珪処理について説明したが、脱硫剤を用いた場合でも同様である。即ち、本発明は溶銑中に精錬剤を効率的に巻き込ませ、精錬剤と溶銑との反応界面積を大きくすることで反応速度を向上させるための最適な手段を示したものであり、脱珪処理と同様に脱硫処理であっても、精錬剤の種類や組成に依存せず精錬特性が高いことは同じである。

本発明は、高炉から出銑した溶銑を連続的に精錬する方法に利用することができる。

図１は、精錬装置の正面断面図である。 図２は、精錬装置の側面断面図である。 図３は、精錬装置が設置された高炉鋳床の平面概略図である。 図４は、精錬装置が設置された高炉鋳床の概略を示す図である。 図５は、検討に用いた精錬装置の正面断面図である。 図６は、精錬剤の添加位置を示す図である。 図７は、精錬剤の添加位置と脱珪酸素効率との関係を示す図である。 図８は、出銑樋幅の概念を示す図である。 図９は、出銑樋内の溶銑の流れを示す図である。 図１０は、撹拌渦と適正な精錬剤の添加位置との関係を示した図である。

符号の説明

１ 高炉鋳床
４ 出銑樋
１０ インペラ

Claims (1)

1. 高炉鋳床の出銑樋内に精錬剤を添加して１基のインペラにより溶銑と前記精錬剤とを混合し前記溶銑を連続的に精錬するに際し、
   前記インペラの回転方向と前記溶銑流れ方向とが直交または逆向きになる側であって、
   （ｉ） 前記インペラの上流側においては式（１）を満足する位置
   （ｉｉ） 前記インペラの下流側においては式（２）を満足する位置
   の少なくともいずれかに精錬剤を添加することを特徴とする高炉鋳床の連続精錬方法。
   ０＜Ｍ／Ｄ≦０．５ （１）
   ０＜Ｍ／Ｄ≦０．８ （２）
   Ｄ：溶銑流路の最大幅（ｍ）
   Ｍ：インペラ回転中心から添加場所までの距離（ｍ）

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