JP5464241B2

JP5464241B2 - 溶銑の脱硫方法

Info

Publication number: JP5464241B2
Application number: JP2012181620A
Authority: JP
Inventors: 鉄平田村; 政樹宮田; 道和古賀
Original assignee: Nippon Steel and Sumitomo Metal Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2012-08-20
Filing date: 2012-08-20
Publication date: 2014-04-09
Anticipated expiration: 2032-08-20
Also published as: JP2014037593A

Description

本発明は、機械式攪拌装置のインペラーを用いて溶銑を撹拌して行う溶銑の脱硫方法に関する。

近年、低硫鋼の需要が増加している。また、溶銑予備脱硫処理においても、溶銑中のＳをより一層効率的に低濃度まで除去することが求められている。このため、現在、溶銑予備脱硫処理においては、機械式攪拌装置（ＫＲ）を用いる方法が主流となってきている。

この方法では、取鍋内の溶銑に浸漬した複数枚の羽根から成るインペラーを高速回転して渦流陥没部を形成しながら脱硫剤を溶銑中に分散させることにより脱硫する。この際、極低硫溶銑を効率良く溶製するためには、インペラーによる撹拌力を増加させて、脱硫剤の溶銑中への分散を強化することが有効である。

例えば、特許文献１には、インペラーの回転数と羽根の直径との積、つまり羽根の周速度を所定の値よりも大きくすることにより得られる強力な撹拌力によって、効率的に短時間で脱硫処理を行う方法が開示されている。

特開２００７−３２７１２０号公報

しかし、この方法のように、脱硫剤を溶銑浴中へ深く分散させるために撹拌力を増加させると、フリーボードが小さい場合には溶銑が零れる可能性が高まる。

また、この方法では、設備条件によってはインペラー回転数の過度の増加によりインペラーの回転設備に大きな振動トラブルを起こすことや、インペラーの直径の拡大によってインペラーの重量が大きくなり過ぎてインペラーの吊り下げ設備能力を超過することがあり、設備上のネックによってこの方法の適用が妨げられることもある。

そのため、大きな費用をかけて設備改造ができない状況下において、高い脱硫率を確保しなければならない場合には、処理時間や脱硫剤の添加量を増加することにより対処せざるを得ない状況にあった。

本発明の目的は、大きな費用をかけて設備改造ができない状況においても、高い脱硫効率で処理を行い、短時間で高い脱硫率を実現できる溶銑の脱硫方法を提供することである。

図１は本発明で用いるインペラーの二面図であり、図１（ａ）は、本発明で用いるインペラーを側方から見た状態を示し、図１（ｂ）は、本発明で用いるインペラーを上方から見た状態を示す。

本発明は、図１（ａ）および図１（ｂ）に例示するように、機械式攪拌装置に設けられるインペラー１により溶銑を撹拌して行う溶銑の脱硫方法において、インペラー１が、インペラー１をインペラー軸方向の上方から見た状態において、脱硫処理において回転させた場合に回転前方の羽根上端外側位置とインペラー中心軸間の距離ｒ_１と回転前方の羽根下端外側位置とインペラー中心軸間の距離ｒ_２との和Ｄ（ｍｍ）が下記（１）式および（２）式を満たし、距離ｒ_１をＡ（ｍｍ）とするとともに距離ｒ_２をＢ（ｍｍ）とする第１の羽根２と、距離ｒ_１をＢ（ｍｍ）とするとともに距離ｒ_２をＡ（ｍｍ）とする第２の羽根３とが交互に合計４枚配置され、かつＡとＢが下記（３）式を満たすインペラーであることを特徴とする溶銑の脱硫方法である。

１．４≦Ｄ／ｈ≦２．０（１）
０．３≦Ｄ／Ｌ≦０．５（２）
０．０２≦（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）≦０．３２（３）
ただし、ｈは前記インペラー１の羽根２，３の高さ（ｍｍ）であり、Ｌは鍋内溶銑面の直径（ｍｍ）であり、Ａ＞Ｂである。

本発明により、大きな費用をかけて設備改造ができない状況においても、高い脱硫効率で処理を行い、短時間で高い脱硫率を実現できるようになる。

図１は本発明で用いるインペラーの二面図である。図２は、比較例２、本発明例それぞれのインペラーを用いた場合に得られた脱硫率を、比較例１のインペラーの脱硫率に対する増減率に変換して示すグラフである。

従来、羽根の形状が矩形のもの、もしくは、インペラーをインペラー軸方向の上方から見た状態において、脱硫処理において回転させた場合に、回転前方の羽根上端外側位置とインペラー中心軸間の距離（以下、「半径」ともいう）ｒ_１が、回転前方の羽根下端外側位置とインペラー中心軸間の距離（以下、「半径」ともいう）ｒ_２よりも大きい羽根を４枚有するインペラーが、機械式攪拌装置のインペラーとして、使用されてきた。

これは、インペラーの上部のほうが下部よりも溶損し易いために、下部の半径よりも上部の半径を大きくして製作されることが多いためであるが、近年、インペラーに使用される耐火物の耐溶損性が向上しているため、必ずしも上部の半径を下部の半径よりも大きくする必要はない。

そこで、本発明者らは、上部の半径が下部の半径よりも大きい第１の羽根と、下部の半径が上部の半径よりも大きい第２の羽根とを交互に備えるインペラーについて、水モデル実験により模擬脱硫剤粒子の水中への分散挙動を検討した。

検討したインペラーのサイズは、インペラーをインペラー軸方向の上方から見た状態において、脱硫処理において回転させた場合に回転前方の羽根上端外側位置とインペラー中心軸間の距離ｒ_１、および回転前方の羽根下端外側位置とインペラー中心軸間の距離ｒ_２の和Ｄ（ｍｍ）と、インペラーの高さｈ（ｍｍ）との比（Ｄ／ｈ）が１．４以上かつ２．０以下とした。この理由は、比（Ｄ／ｈ）が１．４未満であるインペラーは、インペラーの重量が設備上制限される場合には、羽根の径が小さくなるため、脱硫処理時において求められるインペラーの回転数が非常に大きくなり、高回転によるインペラー回転設備の振動トラブルを引き起こすおそれがあるためであり、一方、比（Ｄ／ｈ）が２．０超であるインペラーは、構造上、羽根の耐久性が低下することが懸念されるためである。

さらに、溶銑鍋に対するインペラーの大きさの程度を限定するため、浴表面の直径Ｌ（ｍｍ）に対するＤの比（Ｄ／Ｌ）を０．３以上０．５以下の範囲とした。

従来使用されてきた、上部の半径が下部の半径よりも大きい羽根を４枚有するインペラーでは、羽根の上部の周速度が羽根の下部の周速度よりも大きくなり、脱硫剤模擬粒子はその周速度が大きい羽根の上部側に引き寄せられ、羽根の中段部よりも上部の位置から溶銑中へ吐出された。

これに対し、図１（ａ）および図１（ｂ）に例示するように、上部の半径が下部の半径よりも大きい第１の羽根２，２と、下部の半径が上部の半径よりも大きい第２の羽根３，３とを交互に合計４枚配置したインペラー１では、脱硫剤模擬粒子は、第１の羽根２，２からは羽根２，２の中段よりも上部の位置から溶銑中へ吐出され、第２の羽根３，３からは羽根の中段３，３よりも下部の位置から浴の外側へ向けて吐出された。

このため、第１の羽根２，２と、第２の羽根３，３とを交互に合計４枚配置したインペラー１では、脱硫剤の吐出高さ位置が上下方向に２段に形成され、上部の半径が下部の半径よりも大きい羽根のみを有する従来のインペラーよりも、脱硫剤模擬粒子が水浴で広く分散することが判明し、このことにより脱硫効率を向上できると推定した。

そこで、脱硫剤を溶銑中へ広く分散できる可能性がある、第１の羽根２，２と、第２の羽根３，３とを交互に合計４枚配置したインペラー１について、より詳細に検討することとした。

このインペラーの脱硫効率に及ぼす効果を確認するため、ＫＲ溶銑脱硫実験を行った。この実験では、溶銑（［Ｃ］：４．６質量％、［Ｓｉ］：０．３質量％、［Ｐ］：０．１０質量％、［Ｓ］：０．０３０質量％、温度１３８０℃）１８０ｋｇを直径３２０ｍｍの円筒形の溶銑鍋に入れ、機械式攪拌装置を用いて脱硫処理をした。

この実験に用いたインペラーは、全て、４枚の羽根を有する形状であり、インペラーの羽根高さｈは８０ｍｍ、羽根の厚さは５０ｍｍとした。

基準となるインペラー（比較例１）として、上部の半径と下部の半径とが同じである羽根のみを有するインペラーを用い、また、上部の半径が下部の半径よりも大きい羽根のみを有するインペラーも比較例２として用いた。

比較例１，２のインペラーの上端，下端の半径は、脱硫処理において回転させた場合に回転前方の羽根上端外側位置とインペラー中心軸間の距離ｒ_１をＡ（ｍｍ）とするとともに、脱硫処理において回転させた場合に回転前方の羽根下端外側位置とインペラー中心軸間の距離ｒ_２をＢ（ｍｍ）とし、ＡとＢをパラメータとして用いた。ＡとＢは、それらの和Ｄが１３０ｍｍとなるようにして、ＡとＢを変えたものをいくつか用意した。比較例１のインペラーのＡ，Ｂは６５ｍｍとした。

さらに、上部の半径が下部の半径よりも大きい第１の羽根と、下部の半径が上部の半径よりも大きい第２の羽根とを交互に合計４枚備える本発明例のインペラーについては、距離ｒ_１をＡとし、距離ｒ_２をＢとした第１の羽根と、距離ｒ_１をＢとし、距離ｒ_２をＡとした第２の羽根が交互に配置されたインペラーを用いた。ＡとＢは、それらの和Ｄが１３０ｍｍとなるようにして、ＡとＢのバランスを変えて実験を行った。ここで、Ａ＞Ｂである。

溶銑撹拌前に脱硫剤として、生石灰を９．５ｋｇ、蛍石を０．５ｋｇ添加した。
脱硫剤添加後に、インペラーをインペラーの上端部が浴面下１００ｍｍの深さとなる位置まで浸漬し、回転数３００ｒｐｍ一定で脱硫処理を行い、１０分間経過後にインペラーを停止して、溶銑のサンプリングを行い、脱硫率を調査した。

比較例２、本発明例それぞれのインペラーを用いた場合に得られた脱硫率を、比較例１のインペラーの脱硫率に対する増減率に変換して図２にグラフで示す。図２のグラフの横軸には、ＡとＢのバランス指標である（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）をとった。

図２のグラフに示すように、比較例１のインペラーの脱硫率に対して、上部の半径ｒ_１が下部ｒ_２よりも大きい羽根のみを有する比較例２のインペラーは、（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）を大きくするにしたがって脱硫率が低下する傾向がみられた。

これは、羽根の上部の半径が大きくなることで、脱硫剤がインペラーのより上部から吐出されるため、脱硫剤の浴中深く分散され難くなるためと考えられる。

これに対して、上部の半径径ｒ_１が下部の半径ｒ_２よりも大きい第１の羽根と、下部の半径ｒ_２が上部の半径ｒ_１よりも大きい第２の羽根とを交互に合計４枚備える本発明例のインペラーでは、（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）が０．０２以上０．３２以下の範囲において、比較例１のインペラーに対して脱硫率の増減率が＋３％となり、脱硫率が大幅に改善されることが明らかとなった。

これは、（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）が０．０２以上０．３２以下となることで、脱硫剤の吐出高さ位置が上下方向に２段に形成され、脱硫剤が溶銑中へ広く分散したためと考えられる。

（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）が０．０２未満では、その効果が十分でなく、０．３２を超えると、上部から吐出される脱硫剤の浴中への分散効果が低下するためと考えられる
さらに、距離ｒ_１、ｒ_２の和Ｄ（ｍｍ）と高さｈ（ｍｍ）を変更し、上記と同様の実験を実施した。具体的には、和Ｄを９６ｍｍ、高さｈを４８ｍｍとした上記よりも小型のインペラー、および、和Ｄを１６０ｍｍ、高さｈを１１４ｍｍとした上記よりも大型のインペラーを用いた場合においても、距離ｒ_１＝Ａ，距離ｒ_２＝Ｂの第１の羽根と、距離ｒ_１＝Ｂ，距離ｒ_２＝Ａの第２の羽根とを交互に配したインペラーであり、かつ（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）が０．０２以上０．３２以下の場合に、Ａ＝Ｂである比較例１のインペラーと比較して、脱硫率の増減率が＋３％以上得られることを確認した。

以上より、ｒ_１＝Ａ，ｒ_２＝Ｂの第１の羽根と、ｒ_１＝Ｂ，ｒ_２＝Ａの第２の羽根を交互に合計４枚有し、かつ下記式（１）〜（３）を満足するインペラーを用いれば溶銑の脱硫処理を効率良く実施できることが確認された。

１．４≦Ｄ／ｈ≦２．０（１）
０．３≦Ｄ／Ｌ≦０．５（２）
０．０２≦（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）≦０．３２（３）

溶銑（［Ｃ］：４．６質量％、［Ｓｉ］：０．３質量％、［Ｐ］：０．１０質量％、［Ｓ］：０．０３０質量％、温度１３８０℃）１８０ｋｇを直径３２０ｍｍの円筒形の溶銑鍋に入れ、機械式攪拌装置を用いて脱硫処理をした。

溶銑撹拌前に脱硫剤として、生石灰を９．５ｋｇ、蛍石を０．５ｋｇ添加した。
脱硫剤添加後、インペラーをインペラーの上端部が浴面下１００ｍｍの深さとなる位置まで浸漬し、所定の回転数で脱硫処理を行い、１０分間経過後にインペラーを停止した。

実施例では、インペラーをインペラー軸方向に上方から見た状態において、脱硫処理において回転させた場合に回転前方の羽根上端外側位置とインペラー中心軸間の距離ｒ_１と回転前方の羽根下端外側位置とインペラー中心軸間の距離ｒ_２との和Ｄ（ｍｍ）が（１）式および（２）式を満たし、距離ｒ_１＝Ａ（ｍｍ），距離ｒ_２＝Ｂ（ｍｍ）の第１の羽根と、距離ｒ_１＝Ｂ（ｍｍ），距離ｒ_２＝Ａ（ｍｍ）の第２の羽根とが交互に合計４枚配置され、かつＡとＢが（３）式を満たす４枚羽根インペラーを用いた。

１．４≦Ｄ／ｈ≦２．０（１）
０．３≦Ｄ／Ｌ≦０．５（２）
０．０２≦（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）≦０．３２（３）
比較例では、距離ｒ_１＝距離ｒ_２となる矩形の羽根を４枚有するインペラーを使用した。

用いたインペラーの形状、および、脱硫処理結果を表１にまとめて示す。

比較例１−１〜実施例１−３までは、インペラーの形状について、距離ｒ_１，ｒ_２の和Ｄが１４０ｍｍ、羽根の高さｈは８０ｍｍであり、インペラー回転数を３１０ｒｐｍとした。

比較例２−１〜実施例２−３までは、インペラーの形状について、距離ｒ_１，ｒ_２の和Ｄが１５０ｍｍ、羽根の高さｈは９０ｍｍであり、インペラー回転数を２６０ｒｐｍとした。

距離ｒ_１，ｒ_２の和Ｄが同じ場合には、インペラー重量がほぼ同じになり、距離ｒ_１，ｒ_２の和Ｄが同じ条件で脱硫率を比較した。

いずれの結果も、本発明で規定する範囲を満足する実施例の脱硫率は、比較例に対して脱硫率が大幅に向上した。したがって、同じ重量のインペラーであっても、本発明で規定する範囲を満足する形状を有するインペラーを用いて脱硫することにより、大きな設備改造を必要とせずに、より効率良く脱硫処理をすることが可能である。

１インペラー
２第１の羽根
３第２の羽根

Claims

機械式攪拌装置に設けられるインペラーにより溶銑を撹拌して行う溶銑の脱硫方法において、
前記インペラーは、インペラーをインペラー軸方向の上方から見た状態において、脱硫処理において回転させた場合に回転前方の羽根上端外側位置とインペラー中心軸間の距離ｒ_１と回転前方の羽根下端外側位置とインペラー中心軸間の距離ｒ_２との和Ｄ（ｍｍ）が下記（１）式および（２）式を満たし、距離ｒ_１をＡ（ｍｍ）とするとともに距離ｒ_２をＢ（ｍｍ）とする第１の羽根と、距離ｒ_１をＢ（ｍｍ）とするとともに距離ｒ_２をＡ（ｍｍ）とする第２の羽根とが交互に配置され、かつＡとＢが下記（３）式を満たす４枚羽根インペラーであることを特徴とする溶銑の脱硫方法。
１．４≦Ｄ／ｈ≦２．０（１）
０．３≦Ｄ／Ｌ≦０．５（２）
０．０２≦（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）≦０．３２（３）
ただし、ｈは前記インペラーの羽根の高さ（ｍｍ）であり、Ｌは鍋内溶銑面の直径（ｍｍ）であり、Ａ＞Ｂである。