JP5439208B2 - 高炉鋳床における溶銑の脱珪方法 - Google Patents

Description

本発明は、溶銑中の珪素を連続的に除去する高炉鋳床における溶銑の脱珪方法に関する。

高炉から出銑された溶銑は高濃度のＳｉが含まれていることから、高炉鋳床にて脱珪処理を行う技術が開発されている（例えば、特許文献１、特許文献２）。
特許文献１では、高炉鋳床の溶銑流路内を流れる溶銑に精錬剤を添加し、インペラを溶銑に浸漬して回転させることにより溶銑と精錬剤とを混合することで溶銑を連続的に精錬する高炉鋳床の連続精錬方法において、溶銑流路内に段差部を配置してこの段差部から溶銑を落下させ、段差部の下流側にインペラを配置して溶銑を攪拌することで脱珪処理を行っている。

また、特許文献２では、高炉鋳床において、酸化鉄源とＣａＯ源とを配合してなる脱珪剤を吹き込んで溶銑を脱珪処理する方法であって、前記脱珪剤の塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ₂、以下、同じ。）を２．０〜３．５の範囲で調整することにより、脱珪スラグの塩基度を０．５〜０．８、ＦｅＯ含有量を１０〜２０質量％、Ａｌ₂Ｏ₃含有量を２０質量％以下の範囲に維持している。

特開２００８−１１５４３４号公報 特開２００６−３２８４５３号公報

上述したように特許文献１及び特許文献２の技術では、高炉鋳床において溶銑の脱珪処理を行うものであるが、これらの技術は、溶銑流路における耐火物や浸漬ランスの耐火物の溶損を抑制することに着目して、脱珪処理における条件を規定したものである。
ゆえに、特許文献１や特許文献２の技術では、脱珪処理後の［Ｓｉ］を所望とする値にすることは困難であることから、脱珪処理後の［Ｓｉ］のバラツキを抑える技術を新たに開発してほしいという要望が上がってきている。

そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、脱珪効率が向上すると共に、バラツキ無く安定的に脱珪を行うことができる高炉鋳床における溶銑の脱珪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、 高炉鋳床の溶銑流路内を流れる溶銑に脱珪剤を上方から添加し、インペラを溶銑に浸漬して回転させることにより溶銑と脱珪剤とを混合して溶銑中の珪素を連続的に除去するに際し、前記脱珪剤の粒度を１ｍｍ以下とし、脱珪剤の塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ₂）を１．２〜３．７とすると共にＴ．Ｆｅを３０〜６５質量％とし、スラグの最大厚みを１５０ｍｍ〜６００ｍｍとし、攪拌動力密度を式（１）を満たし且つ２５〜２５０Ｗ／ｔを満たすようにし、溶銑流速を０．８〜２．０ｍ／ｍｉｎとする点にある。

本発明によれば、脱珪効率が向上すると共に、バラツキ無く安定的に脱珪を行うことができる。

高炉設備における高炉鋳床の概略平面図である。 高炉鋳床の概略側面図である。 攪拌動力密度ε_mと脱珪酸素効率η_O2との関係を検証するための実験の模試図である。 攪拌動力密度ε_mと脱珪酸素効率η_O2との関係をまとめた図である。 攪拌動力密度ε_mとスラグの厚みとの関係を検証するために用いた水モデル実験の模試図である。 攪拌動力密度ε_mとスラグの厚みとの関係をまとめた図である。 溶銑流速Ｖ_mxと攪拌動力密度ε_mとの関係をまとめた図である。 インペラの付近の拡大図である。 脱珪処理後の［Ｓｉ］のバラツキを示した図である。 スラグ（反応模擬剤）の巻き込みを示す図である。

まず、本発明の高炉鋳床における溶銑の脱珪方法を適用する高炉設備の一例について説明する。ただし、本発明の連続脱珪方法はこの設備のみに適用されるものではない。
図１、２に示すように、高炉の周りには高炉鋳床１が設けられており、この高炉鋳床１は高炉２の出銑口３から出銑された溶銑が流れる出銑樋４（溶銑流路）を有している。この出銑樋４の中途部には排滓樋５が分岐形成されており、出銑樋４の分岐部分の下流近傍には、排滓樋５に所定量のスラグ６が流れるように案内する潜り堰７が設けられている。また、出銑樋４の分岐部分よりも下流側には、出銑樋４には溶銑を機械攪拌する機械攪拌装置１０が配置されている。この機械攪拌装置１０は回転自在なインペラで構成されている。このインペラ１０は、回転軸１２の下部に矩形状の複数（例えば、４枚）の羽根部１３を設けることにより構成されている。インペラ１０の近傍であって当該インペラ１０の下流側には脱珪剤等を溶銑の上方から添加するための添加装置１１が設けられている。

したがって、高炉２から溶銑を出銑すると、当該溶銑は出銑樋４を上流から下流に向かって流れ、出銑したときの所定量のスラグ６は潜り堰７で堰止められて排滓樋５に流れると共に溶銑自体はインペラ１０に向かって流れる。そして、溶銑はインペラ１０の回転によって攪拌され、添加装置１１から添加された脱珪剤により連続的に脱珪処理が行われることになる。

以下、本発明の高炉鋳床における溶銑の脱珪方法について詳しく説明する。
溶銑の脱珪を行うにあたって、脱珪剤は、特開２００６−３２８４５３号公報、特開昭６０−２０８４０８号公報、特許第３７５０５８８号公報に開示されているように、通常、１ｍｍよりも大きく５ｍｍ以下の粒度のものが用いられている。本発明では、連続的に溶銑の脱珪を行うため脱珪剤の反応も考慮して、脱珪剤の粒度は１ｍｍ以下（０ｍｍを除く）としている。

脱珪剤に関し、特開２００８−１１５４３４号公報、特開２００６−３２８４５３号公報、特開昭６０−２０８４０８号公報、特許第３７５０５８８号公報等に開示されているように、一般的に、酸化鉄源として鉄鉱石粉、ミルスケール、焼結鉱粉、ペレット粉、塩基度調整用ＣａＯ源として焼石灰（生石灰）、石灰石、転炉滓が用いられている。即ち、脱珪剤は、ＣａＯ-ＳｉＯ₂- ＦｅＯ_X系のものとなる。本発明では、酸化鉄源及び塩基度調整用ＣａＯ源は、上述したようなものを用い、脱珪剤の塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ₂）を１．２以上３．７以下としている。また、脱珪剤のＴ．Ｆｅを３０以上６５質量％以下としている。

脱珪反応の進行に伴って、スラグ-溶銑界面においては、（ＦｅＯ）＋Ｃ（溶銑中）＝Ｆｅ（liquid，solid）＋ＣＯ（ｇas）に示す反応が起こり、微細なＣＯ気泡が発生してスラグ中に滞留するためスラグフォーミングが発生することになる。例えば、特許第３７５０５８８号公報に開示されているようにスラグフォーミングによってスラグの厚みが１５０ｍｍ以上となるが、スラグの厚みが６００ｍｍ以上となると、スラグを溶銑中に巻き込ませることが困難となり脱珪効率が低下する。

スラグの厚み（スラグの最大厚み）は、最大の部分でも１５０ｍｍ〜６００ｍｍとすることが必要である。なお、実操業においては、インペラ１０の中心から１ｍ下流側に位置するスラグの厚みの実測値を、スラグの最大厚みとしてもよい。
脱珪処理を行うにあたって、上述したようにスラグの厚みを設定して、スラグを溶銑中に効率良く巻き込ませることが必要と考えられる。ここで、スラグの巻き込みについては、溶銑の攪拌動力密度の大きさが影響されると考えられるため、発明者らは、まず、攪拌動力密度と脱珪酸素効率との関係を検証した。

図３は、攪拌動力密度ε_mと脱珪酸素効率η_O2との関係を検証するための実験の模試図である。図３に示すように、このバッチ式実験では、まず、直径が４００ｍｍの高周波誘導炉１５に回転自在なインペラ１０を設置して、０．３ｔの溶銑１６を装入すると共に、脱珪剤に供給して溶銑の脱珪処理を行った。なお、この実験における条件は表１の通りである。

図４に示すように、攪拌動力密度が大きくなるほど、脱珪反応（脱珪酸素効率η_O2）が向上しており、脱珪酸素効率η_O2の向上のためには、攪拌動力密度ε_mの増加が必要であることが確認された。
このように、脱珪効率を向上させるためには攪拌動力密度ε_mを増加させることが良いと思われる。発明者らは、次に、攪拌動力密度ε_mとスラグの厚みとの関係についても検証を行った。

図５は、攪拌動力密度ε_mとスラグの厚みとの関係を検証するために用いた水モデル実験の模試図である。図５に示すように、水モデル実験では、まず、直径が４００ｍｍのアクリル製容器２０に回転自在なインペラ１０を設置して、当該容器２０に溶銑の代わりに水２１を注入すると共に、スラグの代わりに反応模擬剤２２を投入した。そして、反応模擬剤（スラグ）２２が水（溶銑）２１中に巻き込んだときの攪拌動力密度ε_mとスラグの厚みについてまとめた。なお、水モデルにおける条件は表１の通りである。

図１０に示すように、水モデルの実験において、攪拌動力密度を変化させて反応模擬剤が水に対して完全に巻き込まれいる状態を良好とし、範囲Ａに示すように反応模擬剤が滞留（巻き込み不良により反応模擬剤が水表面に留まって水中の分散が悪化している）している状態を不良とし、攪拌動力密度とスラグ（反応模擬剤）の厚みとの関係を求めた。
図６に示すように、水モデルの実験の結果、スラグを完全に巻き込む条件（図１０に示すような完全巻き込みの条件）として、スラグの厚み（スラグ厚み）Ｚ_Sと攪拌動力密度ε_mとの関係はε_m∝Ｚ_S ^1.2とする必要があることが分かった。

発明者らは、上述した実験により、スラグ厚みＺ_Sと攪拌動力密度ε_mとの関係をε_m∝Ｚ_S ^1.2として、攪拌動力密度ε_mを増加させれば脱珪効率が向上することを見出した。発明者らは、本発明の溶銑の脱珪方法は、溶銑が連続的に流れる高炉鋳床での脱珪処理であるため、さらに、溶銑の流速（溶銑流速）と攪拌動力密度との関係についても検証を行った。

図７は、図１〜２に示す高炉鋳床を用いて脱珪処理を行った際での溶銑流速Ｖ_mxと攪拌動力密度ε_mとの関係をまとめたものである。図７に示す［●］は脱珪酸素効率η_O2が６０％以上のものを示し、［○］は脱珪酸素効率η_O2が６０％未満のものを示している。図７に示すように、脱珪酸素効率η_O2を６０％以上とするためには、溶銑流速Ｖ_mxと攪拌動力密度ε_mとの関係をε_m∝Ｖ_mx ^3.6として、溶銑流速Ｖ_mxを増加させれば脱珪効率が向上することを見出した。なお、脱珪酸素効率が６０％未満であると、出銑時の最大珪素［Ｓｉ］が約０．７mass%と高濃度のときには、過半量の処理後の珪素［Ｓｉ］が０．２５mass%を超えてしまい、Ｓｉが多すぎるために、次工程における脱りん処理の際に脱りん処理がスムーズ（効率良く）行えないため、脱珪効率の判定基準として、脱珪酸素効率が６０％以上であることが必要とした。

したがって、スラグ厚みＺ_Sと攪拌動力密度ε_mとの関係はε_m∝Ｚ_S ^1.2とするのが良く、溶銑流速Ｖ_mxと攪拌動力密度ε_mとの関係はε_m∝Ｖ_mx ^3.6とするのが良い。即ち、上述したように様々な実験を行った結果、実操業においても脱珪処理を効率良く行うためには、実験結果のようにスラグ厚みＺ_S及び溶銑流速Ｖ_mxと、攪拌動力密度ε_mとの関係を比例関係とする必要があり、実操業においても、攪拌動力密度を式（１）を満たすように設定することが必要である。なお、式（１）の係数「０．０２」は、実験により導出された関係を実操業に合わせて最小二乗法等の手法によりフィッティングしたときの数値である。なお、式（１）のただし書きにおける溶銑流速Ｖ_mxは、出銑速度や出銑樋４の形状から求めたものである。また、攪拌領域とは、インペラ１０の中心から１ｍ下流側に進んだ範囲のことであり、この範囲の溶銑流速を式により求めることとしている。

さて、本発明の溶銑の脱珪方法においては、攪拌動力密度ε_m、スラグの厚みＺ_S、溶銑流速Ｖ_mxが式（１）を満たすように設定することが必要であるが、攪拌動力密度ε_mが余りにも小さいと、脱珪反応が進まず、攪拌動力密度ε_mが大きすぎると、溶銑やスラグ飛散等により操業が成立しないことから、攪拌動力密度ε_mを２５〜２５０Ｗ／ｔとして実操業に合った範囲内としている。本発明の溶銑の脱珪方法においては、溶銑流速Ｖ_mxについても、特許第３９９６６２２号公報、特開２００８−１１５４３４号公報、特開昭６０−２０８４０８号公報、特開昭５４−１３７４２０号公報に示されているように、一般的な高炉鋳床における操業を基準として、その溶銑流速を０．８〜２．０ｍ／ｍｉｎの範囲内としている。

表３は、高炉鋳床における溶銑の脱珪を行うにあたっての実施条件をまとめたものである。即ち、表３は、図１〜２に示す高炉鋳床において脱珪を行ったときの各種条件を示したものである。

図８は、機械攪拌装置（インペラ１０）の周辺の拡大図である。インペラ１０は、出銑樋４の直線部分に１箇所配置（攪拌箇所数＝１）した。添加装置１１（剤投入ランス）は、インペラ１０の中心から下流側へ１ｍの位置に配置して、脱珪剤を溶銑の表面に自然落下により添加するものとした。４枚の羽根部１３の角度θ（ねじれ角）は９０度とした。浸漬深さは、攪拌前の溶銑表面と羽根の上端との距離であり、０．０５ｍとした。

溶銑の出銑における［Ｓｉ］は０．４質量％としているが、この値は通常操業時における代表的な濃度である。脱珪剤は、特開２００６−３２８４５３等に記載されているようなペレット篩下粉（−６ｍｍ）の酸化鉄源と転炉滓との混合物とした。また、脱珪剤は、ペレット篩下粉（−６ｍｍ）及び転炉滓（５〜４０ｍｍ）を粉砕機で１ｍｍ以下に粉砕したものを用いた。なお、転炉滓はＣａＯ源として塩基度を調整する役割がある。

表４は、表３に示した実施条件に基づいて、本発明の脱珪方法にて脱珪処理を行った実施例と、本発明の脱珪方法とは異なる方法にて脱珪処理を行った比較例とをしめしたものである。

実施例及び比較例において、実操業における攪拌動力密度は、「化学工学便覧、丸善発行、1998年、p893-897」に記載されている式（２）により求めた。

表５は、攪拌動力密度を求めるにあたっての式（２）のパラメータをまとめたものである。溶銑密度や溶銑の粘性係数は、『Handbook of Physico-chemical Properties at High Temperatures, ed. by The 140th、Committee of Japan Society for Promotion of Science, ISIJ, Tokyo, (1988), p.11, 96』に開示されている値を用いた。

実施例及び比較例において、溶銑中のＳｉは、脱珪剤中の酸素と反応して溶銑から除去することができることから、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示す指標として式（３）に示される脱珪酸素効率（脱珪剤中の酸素分に対して溶銑中の［Ｓｉ］の酸化に使用された酸素分の割合）を用いて評価するものとした。具体的には、実施例及び比較例において、脱珪酸素効率η_O2が６０％以上であるものを良好「○」とし、６０％未満であるものを不良「×」とした。

脱珪処理において、脱珪剤原単位をＷｆ＝２０ｋｇ／ｔとして、従来技術（溶銑樋内で単に機械攪拌を行う）にて脱珪処理を行った場合は、脱珪酸素効率η_O2は４０〜６０％である。本発明では、脱珪剤原単位が従来と同じであっても、従来よりも脱珪効率を向上させるという観点から、上述した理由の他に脱珪酸素効率η_O2が６０％以上である高効率の場合を良好として評価した。

また、［Ｓｉ］＝０．４０質量％の溶銑を脱珪処理を行った際に、脱珪酸素効率η_O2を６０％以上にすると、処理後の［Ｓｉ］を０．２０質量％以下にすることができる。処理後の［Ｓｉ］が０．２０質量％以下であると、次工程で行われる脱りん処理においてスロッピングが発生し難く、この点からも、脱珪酸素効率を６０％以上にする必要がある。加えて、実操業では、次工程での処理時間短縮、処理コスト低減、作業性等を含めた生産性を高める必要があり、この点からも脱珪酸素効率が６０％以上であることが好ましい。

実施例１〜実施例１７では、（ａ）脱珪剤の粒度ｄ_pが１ｍｍ以下、（ｂ）脱珪剤の塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ₂）が１．２〜３．７の範囲、（ｃ）Ｔ．Ｆｅが３０〜６５質量％の範囲、（ｄ）スラグの最大厚みＺ_Sが１５０ｍｍ〜６００ｍｍの範囲、（ｅ）攪拌動力密度ε_mが式（１）を満たし、且つ、（ｆ）２５〜２５０Ｗ／ｔの範囲、（ｇ）溶銑流速Ｖ_mxが０．８〜２．０ｍ／ｍｉｎであるため、脱珪酸素効率η_O2を確実に６０％以上とすることができ、さらに、処理後の溶銑［Ｓｉ］を０．２０質量％以下にすることができた。

一方、比較例１８〜比較例３０では、本発明に示した（ａ）〜（ｆ）までの条件を少なくとも１つ以上満たしさなかったため、脱珪酸素効率η_O2を６０％以上とすることができず、処理後の溶銑［Ｓｉ］も０．２０質量％以下にすることができなかった。例えば、比較例２１は、スラグの最大厚みが６００ｍｍを超えて７００ｍｍであり、スラグが厚く、インペラ１０を回転させた際に溶銑やスラグの飛散等が発生して操業継続が困難であったために、攪拌処理を中止せざる得なかった。

また、比較例１８〜比較例２０、比較例２２〜比較例２９では、攪拌動力密度ε_mが式（１）を満たしていないために、脱珪酸素効率η_O2は６０％未満となり、処理後の溶銑［Ｓｉ］は０．２０質量％よりも大きいものとなった。比較例３０では、溶銑速度が２．０ｍ／ｍｉｎを超えているために、脱珪酸素効率η_O2は６０％未満となり、処理後の溶銑［Ｓｉ］は０．２０質量％よりも大きいものとなった。

図９は、脱珪処理後の［Ｓｉ］のバラツキを整理したものである。図９に示すように、本発明に示した（ａ）〜（ｆ）までの条件を全て満たして脱珪処理を行った場合、脱珪酸素効率η_O2を６０％以上であって［Ｓｉ］を０．２０質量％以下にすることが確実に行え、加えて、処理後の［Ｓｉ］のバラツキを低減することができた。
なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 高炉鋳床
２ 高炉
４ 出銑樋
５ 排滓樋
８ 反応槽
１０ インペラ
１１ 添加装置

Claims (1)

1. 高炉鋳床の溶銑流路内を流れる溶銑に脱珪剤を上方から添加し、インペラを溶銑に浸漬して回転させることにより溶銑と脱珪剤とを混合して溶銑中の珪素を連続的に除去するに際し、
   前記脱珪剤の粒度を１ｍｍ以下とし、脱珪剤の塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ₂）を１．２〜３．７とすると共にＴ．Ｆｅを３０〜６５質量％とし、スラグの最大厚みを１５０ｍｍ〜６００ｍｍとし、攪拌動力密度を式（１）を満たすようにすると共に２５〜２５０Ｗ／ｔの範囲内とし、溶銑流速を０．８〜２．０ｍ／ｍｉｎとすることを特徴とする高炉鋳床における溶銑の脱珪方法。