JP5494685B2

JP5494685B2 - 溶銑の脱硫方法

Info

Publication number: JP5494685B2
Application number: JP2012010174A
Authority: JP
Inventors: 鉄平田村; 政樹宮田
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2012-01-20
Filing date: 2012-01-20
Publication date: 2014-05-21
Anticipated expiration: 2032-01-20
Also published as: JP2013147716A

Description

本発明は、機械式攪拌装置により攪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おり、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。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。脱硫剤を溶銑浴中へ深く分散させる一つの方法として、撹拌力を増加する方法が挙げられる。しかし、この方法は、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ため、採用できなかった。

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

特許文献１により開示された方法では、設備条件によってはインペラーの回転数の過度の増加によりインペラー回転設備に大きな振動トラブルが発生することや、インペラーの直径の拡大によってインペラーの重量が増加し過ぎてインペラーの吊り下げ設備の能力を超過することがある。このため、この方法は、設備上の問題によってその適用が妨げられることもある。

このため、多額の設備費を投資して設備改造を行うことができない状況下で高い脱硫率を確保するためには、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る。

本発明の目的は、多額の設備費を投資して設備改造を行うことができない状況下においても、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。

本発明は、機械式攪拌装置を用いて溶銑を脱硫処理する方法において、（１）式：０．０８＜（ｒ_２−ｒ_１）／ｈ＜０．８、および（２）式：θ≦９０°をいずれも満たす形状のインペラーを用いることを特徴とする、溶銑の脱硫方法である。

ただし、（１）式および（２）式では、インペラーをインペラー軸方向に上方から透視した状態において、ｒ_１：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との間の距離（ｍｍ）、ｒ_２：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との間の距離（ｍｍ）、ｈ：前記インペラーの高さ（ｍｍ）、θ：脱硫処理において回転させた場合に回転前方の面と水平面とのなす角（ｄｅｇ）である。

本発明に係る溶銑の脱硫方法により、多額の設備費を投資して設備改造を行うことができない状況下においても、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。

図１（ａ）および図１（ｂ）は、本発明で用いるインペラーの構造の一例を示す二面図である。図２は、本発明で用いるインペラーの構造の一例を示す斜視図である。図３は、（ｒ_２−ｒ_１）／ｈと基準インペラーに対する脱硫率の増減率との関係を示すグラフである。

添付図面を参照しながら本発明を説明する。
図１（ａ）および図１（ｂ）は、本発明で用いるインペラー１の構造の一例を示す二面図である。また、図２は、本発明で用いるインペラー１の構造の一例を示す斜視図である。以下、図１、２に示すインペラー１を例にとって本発明を説明する。

インペラー１は、インペラー１をインペラー軸方向に上方から透視した状態において、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２の外側位置３とインペラー中心軸４との間の距離をｒ_１（ｍｍ）とし、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５の外側位置６とインペラー中心軸７との間の距離をｒ_２（ｍｍ）とし、インペラー１の高さ（羽根上端２および羽根下端５間のインペラー軸方向距離）をｈ（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面８と水平面とのなす角をθ（ｄｅｇ）とする場合に、（１）式：０．０８＜（ｒ_２−ｒ_１）／ｈ＜０．８、および（２）式：θ≦１００°をいずれも満たす形状を有する。この理由を説明する。

従来のインペラーは、羽根の形状が矩形のもの、もしくは、上部の方が下部よりも径の大きい羽根を有するものが使用されていた。これは、インペラーの上部の方が溶損し易いために、下部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、近年は、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、必ずしも上部のほうが大きい必要はない。

本発明者らは、羽根上部の半径が大きいインペラーについて、水モデル実験にて模擬脱硫剤粒子の水中への分散挙動を観察し、以下に列記の知見Ａ、Ｂを得た。
（Ａ）羽根上部のほうが大きいと、羽根上部の方が羽根下部よりも周速度が大きくなり、脱硫剤模擬粒子はその周速度の大きい羽根上部に引き寄せられ、羽根の中段部より上部で溶銑中へ吐出される。

（Ｂ）羽根下部を小さくして羽根上部を大きくするほど、その傾向は強くなり、模擬粒子はインペラー上端から吐出されるようになる。
次に、羽根上部の半径よりも羽根下部の半径が大きいインペラーを用いて、同様の水モデル実験を行った結果、以下に列記の知見Ｃ〜Ｅを得た。

（Ｃ）羽根下部のほうが羽根上部よりも周速度が大きくなることにより、脱硫剤模擬粒子は周速度の大きい羽根下部より溶銑中へ吐出される。
（Ｄ）羽根上部をより小さくして、羽根下部を大きくするほど、模擬粒子は羽根のより下部から吐出されるようになる。

（Ｅ）羽根下部から吐出した脱硫剤模擬粒子は、溶銑中へより深くまで分散され易くなり、このことにより脱硫効率を向上できる可能性が高い。
そこで、本発明者らは、脱硫剤を溶銑の深いところまで分散できるインペラーについて詳細に検討し、以下の知見Ｆを得た。

（Ｆ）羽根の半径は、下部を大きくした方が、脱硫剤を溶銑中へ深く分散できる。
そこで、本発明者らは、脱硫処理において回転させた場合に回転前方となる羽根の前表面と水平面とのなす角θ（すなわち、前表面の法線と水平面の法線とのなす角）を変えて、上記と同様の水モデル実験を行った結果、以下に列記の知見Ｇ、Ｈを得た。なお、この実験では羽根の半径は上端と下端で同じとした。

（Ｇ）角θが９０°よりも大きい場合には、角θを大きくするほど、脱硫剤模擬粒子がインペラーのより上部から吐出される。一方、角θが９０°以下の場合には、角θを小さくするほど、脱硫剤模擬粒子がインペラーのより下部から吐出される。

（Ｈ）耐火物により構成されるＫＲインペラーでは、この角θの大きさを小さくすることは、施工や耐久性の観点から、７０°程度までが限界である。
そこで、本発明者らは、脱硫剤を溶銑へ深く分散させるインペラーの形状を最適化するために、θの角度と羽根上端と羽根下端の半径について最適条件を調査することが必要と考え、様々なインペラーを用いた機械撹拌式装置（ＫＲ）での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を溶銑鍋に入れ、機械式攪拌装置を用いて脱硫処理をした。

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、インペラー毎に羽根形状は異なるものの、各々のインペラーに設置された４枚の羽根形状は同一である。
以降の説明は、本発明の理解を容易にするため、図１、２を参照しながら行う。

インペラー１の上端２および下端５それぞれにおける半径は、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２における外側位置３とインペラー中心軸４との間の距離ｒ_１（ｍｍ）と、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５における外側位置６とインペラー中心軸７との間の距離ｒ_２（ｍｍ）をパラメータとして用いた。

まず、基準となるインペラーを用意した。基準としたインペラーは、距離ｒ_１と距離ｒ_２が同じ７７．５ｍｍ、インペラーの高さｈは８０．０ｍｍ、角θの角度は９０°であり、羽根形状が立方体の形状とした。この基準とするインペラーに対し、高さｈを一定とした上で、距離ｒ_１、ｒ_２、および角θを変えた複数のインペラーを用意した。なお、距離ｒ_１、ｒ_２は、それらの和が基準のインペラーと同じ１５５ｍｍとなるようにした。また、角θの角度については７０°から１１０°の範囲で複数のインペラーを用意した。

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１をインペラー１の上端部２が浴面下１００ｍｍの深さとなる位置まで浸漬し、回転数２５０ｒｐｍ一定で脱硫処理を行い、１０分間経過後にインペラー１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。評価は、基準形状のインペラー使用時に対する脱硫率の増減率を用いた。

得られた結果を図３にグラフで示す。このグラフでは、横軸には、インペラー羽根の高さｈに対する、インペラー羽根の下端外側部６およびインペラー中心軸７間の距離ｒ_２とインペラー羽根の上端外側部３とインペラー中心軸４間の距離ｒ_１との差の比｛（ｒ_２−ｒ_１）／ｈ｝をとった。この比を、インペラー上部と下部の大きさのバランス指標として用いている。

基準のインペラーに対する脱硫率の増減率は、比｛（ｒ_２−ｒ_１）／ｈ｝や角θによって大きく影響を受ける。すなわち、角θが７０°〜１００°の範囲では、比｛（ｒ_２−ｒ_１）／ｈ｝が０．０８よりも大きく、０．８よりも小さい場合に、２％以上の高い増加率を示した。

これは、距離ｒ_２を距離ｒ_１よりも大きくしたほうが、脱硫剤がインペラー１の下部より溶銑中に吐出されることで脱硫効率が向上するが、その効果を得るための適正範囲があることを示している。

比｛（ｒ_２−ｒ_１）／ｈ｝が０．０８以下の場合、距離ｒ_１に対して距離ｒ_２の大きい程度が小さいために、その脱硫効率の向上効果が小さい。また、比｛（ｒ_２−ｒ_１）／ｈ｝が０．８以上の場合、距離ｒ_１に対して距離ｒ_２を極端に大きくしたために、そのアンバランスが原因となってインペラー１からの脱硫剤の溶銑からの吐出に何らかの支障を来たしたと考えられる。

角θは、小さいほど脱硫効率が向上し、角θが１１０°の場合については、比｛（ｒ_２−ｒ_１）／ｈ｝を０．０８よりも大きく、０．８よりも小さい範囲としても２％以上の脱硫率の増加率を得ることができなかった。

角θが１００°を超える範囲では、脱硫剤を溶銑浴中へ吐出することが難しく、比｛（ｒ_２−ｒ_１）／ｈ｝の調整によっても大幅な改善が困難であると考えられる。
以上の理由により、本発明では、角θを１００°以下とし、比｛（ｒ_２−ｒ_１）／ｈ｝を０．０８よりも大きく、０．８よりも小さい範囲とすることによって、脱硫剤を浴中深く分散して、高い脱硫率を得られる。

なお、本発明は、４枚羽根のインペラー以外にも適用可能であるが、インペラー施工上の観点等から、４枚羽根インペラーあるいは３枚羽根インペラーの使用が適している。

本発明を、実施例を参照しながら、より具体的に説明する。
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、回転数２５０ｒｐｍ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に示す。

比較例１−１〜実施例１−６のインペラーの形状は、図１、２に示す距離ｒ_１と距離ｒ_２との和が１４０ｍｍであり、比較例２−１〜実施例２−６のインペラーの形状は、距離ｒ_１と距離ｒ_２との和が１５０ｍｍであり、さらに、比較例３−１〜実施例３−６のインペラーの形状は、距離ｒ_１とｒ_２の和が１６０ｍｍであり、それぞれにおいて、距離ｒ_１と距離ｒ_２との和が同じで角θが９０°のインペラーを用いた比較例１−１、２−１、３−１を基準とし、この基準に対する脱硫率の増減率を評価した。なお、距離ｒ_１と距離ｒ_２との和が同じ場合には、インペラーの重量がほぼ同じになる。

結果を表１に示す。
表１に示すように、本発明で規定する条件を満足する実施例１−５、１−６、２−５、２−６、３−５、３−６の脱硫率は、本発明で規定する条件を満足しない比較例１−２、１−３、１−４、２−２、２−３、２−４、３−２、３−３、３−４の脱硫率よりも、それぞれの基準となる比較例１−１、２−１、３−１の脱硫率に対して大幅に向上した。

したがって、同じ重量のインペラーであっても、本発明で規定する条件を満足する形状を有することにより、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ことがわかる。

１インペラー
２羽根上端
３回転前方の羽根上端の外側位置
４、７インペラー中心軸
５羽根下端
６回転前方の羽根下端の外側位置
８回転前方の面

Claims

機械式攪拌装置を用いて溶銑を脱硫処理する方法において、下記（１）式および（２）式をいずれも満たす形状のインペラーを用いることを特徴とする、溶銑の脱硫方法。
０．０８＜（ｒ_２−ｒ_１）／ｈ＜０．８・・・・・・・（１）
θ≦９０° ・・・・・・・（２）
ただし、前記インペラーをインペラー軸方向に上方から透視した状態において、
ｒ_１：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との間の距離（ｍｍ）
ｒ_２：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との間の距離（ｍｍ）
ｈ：前記インペラーの高さ（ｍｍ）
θ：脱硫処理において回転させた場合に回転前方の面と水平面とのなす角（ｄｅｇ）
である。