JP5505580B1 - 溶銑予備処理方法及び溶銑予備処理用攪拌体 - Google Patents

Abstract

回転軸とインペラとからなる攪拌体を用い、溶銑中に浸漬させたインペラを回転させることによって溶銑を攪拌しながら行う溶銑予備処理において、反応効率を向上させるべくインペラの回転数を高速化しても、攪拌装置の振動を少なくする。本発明に係る溶銑予備処理方法は、回転軸（２）の先端部に取り付けられたインペラ（３）を精錬容器（４）内の溶銑（５）に浸漬させ、浸漬させたインペラを回転させることによって溶銑と添加剤（６）とを攪拌して行う溶銑予備処理方法であって、回転軸の１次曲げの共振周波数を、溶銑を攪拌するインペラの回転周波数よりも大きくして攪拌する。

Description

本発明は、溶銑予備処理方法及び溶銑予備処理用攪拌体に関する。

従来、溶銑中の不純物を除去する精錬（「溶銑予備処理(molten iron preliminary treatment)」という）では、不純物と反応して不純物を除去するための添加剤（精錬剤(a refining agent)）を溶銑に添加し、この溶銑を攪拌(agitate)・混合して添加剤と不純物との反応を促進させている。これは、精錬反応は溶銑と添加剤との界面で起こるので、溶銑を攪拌することによって添加剤を溶銑中に巻き込ませ、溶銑と添加剤との反応界面積を増大させるためである。添加剤は、一般的に溶銑に比べて比重が小さく添加しただけでは溶銑の表面に浮いてしまう。したがって、溶銑と添加剤とを反応させる上でも溶銑の攪拌が必要となっている。

溶銑を攪拌する方法としては、溶銑に気体を吹き込んで行う気体吹き込み攪拌方式(gas bubbling method)と、溶銑にインペラなどの回転する攪拌子を浸漬させて溶銑を機械的に攪拌する機械攪拌方式(stirrer method)とが行われている。気体吹き込み攪拌方式と機械攪拌方式とを比較すると、機械攪拌方式の方が、溶銑に巻き込まれた後に溶銑表面に浮上した添加剤を繰返して溶銑中に巻き込ませやすいので、より効率的に精錬反応を進行させることができる。そのため、現在、機械攪拌方式が主流となっている。

例えば、溶銑予備処理の１つである溶銑の脱硫処理(desulfurization)では、精錬容器に収容された溶銑中にインペラ（「回転翼」とも呼ぶ）を浸漬させ、このインペラを回転させて溶銑を攪拌しながら精錬容器内の溶銑に脱硫剤を添加し、溶銑を脱硫する機械攪拌式脱硫法が広く行なわれている。

インペラを用いた溶銑の機械攪拌式脱硫法では、処理時間の短縮や脱硫剤原単位の削減などを目的として、効率的な脱硫処理を実現するべく種々の提案がなされている。基本的には、非特許文献１に記載されるとおり、インペラの回転数を大きくして溶銑と添加剤との反応界面の面積を大きくすることにより、反応効率を向上させる。したがって、インペラをより高速に回転させることが効果的である。

しかしながら、インペラの回転を高速化させると攪拌装置（インペラ及びインペラの駆動装置）の振動が大きくなり、攪拌装置の損傷につながる。したがって、例えば特許文献１に開示されるように、インペラを高速回転する際には、攪拌動力の上限値を制限し、振動による過剰な力が攪拌装置に作用しないようにすることが行われてきた。但し、この方法では、攪拌動力の上限値を制限しているので、攪拌能力が十分とはいえず、反応効率を十分に向上させることはできない。

一方、インペラの回転による振動を抑制するべく、特許文献２には、インペラの昇降機構をバネを用いて支持した攪拌装置が開示されている。この攪拌装置では、或る程度の振動をバネで抑制することは可能である。しかしながら、回転数が高くなってくると質量のアンバランスによる遠心力や、溶銑からの攪拌反力が大きくなることから振動が急激に大きくなる。バネで支えることができる力は限られており、従って、この攪拌装置でも高速回転時の振動を抑えることは困難である。

このように、インペラを用いた溶銑の予備処理において、反応効率の向上の観点からはインペラの回転数を増大させることは効果的であるが、設備の損傷防止の観点から、インペラの回転数は或る一定以上に高めることができない。

特開２００５−２９０４３４号公報 特開２００５−４８２２６号公報

鉄と鋼、vol.９０（２００４）Ｎo.６．ｐ．３２２−３２８

本発明は上記事情に鑑みてなされたものである。本発明の目的は、回転軸とインペラとからなる攪拌体を用い、溶銑中に浸漬させたインペラを回転させることによって溶銑を攪拌しながら行う溶銑予備処理において、反応効率を向上させるべくインペラの回転を高速化しても、攪拌装置の振動を少なくすることのできる溶銑予備処理方法を提供することである。また、本発明の目的は、回転軸とその先端部に取り付けられたインペラとからなる攪拌体であって、高速回転させても攪拌装置の振動を少なくすることのできる溶銑予備処理用攪拌体を提供することである。

本発明者らは上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた。その結果、回転軸とインペラとからなる攪拌体において、回転軸の１次曲げの共振周波数が溶銑を攪拌するインペラの回転周波数（インペラの回転数を６０で割った値））よりも大きくなるように、回転軸の形状を制御することで、インペラの回転数を高めても攪拌装置の振動が大きくならず、より強力に溶銑を攪拌できることを見出した。

本発明は上記知見に基づきなされたものであり、その要旨は以下のとおりである。
［１］回転軸の先端部に取り付けられたインペラを精錬容器内の溶銑に浸漬させ、浸漬させたインペラを回転させることによって溶銑と添加剤とを攪拌し、
前記回転軸の１次曲げの共振周波数は、溶銑を攪拌するインペラの回転周波数よりも大きい溶銑予備処理方法。
［２］前記１次曲げの共振周波数はインペラの回転周波数の１．２倍以上である［１］に記載の溶銑予備処理方法。
［３］前記回転軸は中空構造である上記［１］または上記［２］に記載の溶銑予備処理方法。
［４］前記インペラの回転数は１００ｒｐｍ以上２００ｒｐｍ以下である上記［１］ないし上記［３］のいずれか１項に記載の溶銑予備処理方法。
［５］前記精錬容器は、底部の内面形状が該精錬容器の中心軸に対して非軸対称となるように、底部の耐火物が施工されている上記［１］ないし上記［４］のいずれか１項に記載の溶銑予備処理方法。
［６］回転軸と、この回転軸の先端部に取り付けられたインペラとを有し、前記回転軸及び前記インペラが回転することで溶銑を攪拌する溶銑予備処理用攪拌体であって、前記回転軸の１次曲げの共振周波数が２．０〜４．０Ｈｚである溶銑予備処理用攪拌体。
［７］前記回転軸は中空構造である［６］に記載の溶銑予備処理用攪拌体。

本発明によれば、回転軸とインペラとからなる溶銑予備処理用攪拌体を用いて溶銑を攪拌する際に、回転軸の１次曲げの共振周波数が、溶銑を攪拌するインペラの回転周波数よりも大きい攪拌体を用いるので、攪拌体の共振による振動の増大を回避できることから攪拌体の高速回転が可能となる。これにより、溶銑に供給された添加剤を溶銑中に効率良く分散させることが実現され、従来に比べて高い反応効率で溶銑を攪拌処理することが達成される。その結果、例えば溶銑の脱硫処理の場合には、脱硫剤原単位の削減、これに伴う発生スラグ量の削減などが達成され、工業上有益な効果がもたらされる。

図１は、本発明に係る攪拌体を用いて溶銑を攪拌しながら溶銑を予備処理する場合の概略図である。 図２は、図１に示す攪拌体を回転軸の中心線を通る面で切断したときの概略断面図である。 図３は、図１に示す攪拌体を回転軸の中心線を通る面で切断したときの他の例の概略断面図である。 図４は、図２に示すＸ−Ｘ’矢視による概略断面図である。 図５は、底部の耐火物が傾斜した、底部の内面形状が精錬容器の中心軸に対して非軸対称となった精錬容器の例を示す概略図である。 図６は、回転周波数と回転周波数に対する振動加速度との関係を通常鍋と傾斜鍋とで比較して示す図である。

以下、添付図面を参照して本発明を具体的に説明する。図１は、本発明を適用して溶銑を攪拌しながら溶銑を予備処理する例を示す概略図である。

本発明に係る溶銑予備処理用の攪拌体１は、金属製の回転軸２と、この回転軸２の先端部に一体化して取り付けられた、回転軸２の径方向に突出するインペラ３とを有している。回転軸２の上端部にはフランジ２ａが設置されている。フランジ２ａが、電動機、減速機、旋回軸などからなる回転装置（図示せず）と連結されている。この回転装置を駆動させることで、回転軸２及びインペラ３が任意の回転数で回転する。

溶銑予備処理として溶銑５を脱硫処理する際には、回転装置とともに回転軸２及びインペラ３を下降させて、精錬容器４に収容された溶銑５にインペラ３を上方から浸漬させる。その状態で、回転軸２を介してインペラ３を回転させる。インペラ３が回転することで溶銑５が攪拌される。この攪拌によって溶銑５の浴面上に供給された添加剤６（この場合は脱硫剤）と溶銑５とが攪拌・混合され、溶銑中の硫黄と添加剤６との反応が進行し、溶銑５に脱硫処理が施される。溶銑５の脱硫処理では、添加剤６として、つまり、脱硫剤として、生石灰（ＣａＯ）単独、ＣａＯ−ＣａＦ₂脱硫剤、ＣａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃脱硫剤などが使用される。

このようにして使用される溶銑予備処理用の攪拌体１の詳細な構造を説明する。図２及び図３は、図１に示す攪拌体１を回転軸２の中心線を通る面で切断したときの概略断面図である。図４は、図２に示すＸ−Ｘ’矢視による概略断面図である。図２は、回転軸２が中実円柱の場合を示し、図３は、回転軸２が中空円管の場合を示している。

図２〜図４に示すように、金属製の回転軸２の下端部に、インペラ３の攪拌羽根の芯金となる複数個の金属板３ａが溶接などによって接続されている。金属板３ａの周囲を耐火物７で被覆してインペラ３が形成されている。回転軸２も、耐火物７で被覆されている。溶銑５は高温であり、溶銑５に浸漬した際のインペラ３が耐火物７によって保護される。回転軸２を耐火物７で被覆する理由は、回転軸２を溶銑５の熱から保護するためである。耐火物７としては、例えばＡｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯ、ＳｉＯ₂及びこれらの化合物または混合物を使用する。回転軸２及び金属板３ａは鋼製とすればよい。図４では、インペラ３は４枚の攪拌羽根を有しているが、攪拌羽根は２枚以上である限り幾つであっても構わない。

溶銑５に浸漬させたインペラ３を回転させると、遠心力及び攪拌反力により、インペラ３の攪拌羽根部において径方向の力、即ち、回転軸２を曲げる方向に力が働く。攪拌時にはインペラ３の回転数に応じて周期的に力が発生するので、インペラ３の回転周波数と回転軸２の１次曲げの共振周波数とが一致すると、共振現象が発生して大きな振動が発生する。従って、回転軸２の１次曲げの共振周波数をインペラ３の回転周波数（回転数を６０で割った値）よりも大きくなるように回転軸２を設計する。これにより、大きな振動を発生させることなく、所定の回転数での高速回転が可能となり、効果的な攪拌効果を得ることができる。ここで、一次曲げの共振周波数とは、回転軸２の周波数応答において、１次の共振周波数を示すものとする。

具体的には以下の手法を用いて、回転軸２の１次曲げの共振周波数がインペラ３の回転周波数よりも大きくなるように制御する。

回転軸２の曲げは、集中質量が在る梁の曲げ振動としてモデル化することができることから、回転軸２の１次曲げの共振周波数ｆは下記の（１）式で表すことができる。

（１）式において、Ｅは回転軸２のヤング率（Ｐａ）、ρは回転軸２の密度（ｋｇ／ｍ³）、Ｌは回転軸２の長さ（ｍ）、Ｉは回転軸２の断面２次モーメント（ｍ⁴）、Ａは回転軸２の横断面積（ｍ²）である。Ｍは回転軸２の先端に作用する集中質量（ｋｇ）で、耐火物及び攪拌時に付着する地金やスラグの総質量である。

図２に示すように、回転軸２が外径ｄ₀の中実円柱で構成される場合には、回転軸２の断面２次モーメントＩは、下記の（２）式で表される。

一方、図３に示すように、回転軸２が外径ｄ₁、内径ｄ₂の中空円管で構成される場合には、回転軸２の断面２次モーメントＩは、下記の（３）式で表される。

使用する回転軸２が中実円柱の場合には、（２）式を用いて回転軸２の断面２次モーメントＩを求める。使用する回転軸２が中空円管の場合には、（３）式を用いて回転軸２の断面２次モーメントＩを求め、求めた断面２次モーメントＩを（１）式に代入して回転軸２の１次曲げの共振周波数ｆを求める。（１）式で求められる１次曲げの共振周波数ｆがインペラ３の回転周波数よりも大きくなるように、回転軸２を設計する。攪拌体１を新たに設計することができない場合には、（１）式で求められる回転軸２の１次曲げの共振周波数ｆよりもインペラ３の回転数が小さくなるように、インペラ３の回転数を調整することで振動を抑制することができる。

この場合、回転軸２の１次曲げの共振周波数ｆがインペラ３の回転周波数の１．２倍以上となるように調整することで、溶銑予備処理中の攪拌体１の振動を確実に抑制することが可能となる。図６の例に示すように、回転軸２の振動加速度は、回転周波数の増加とともに大きくなり共振点で最大となる。ここで撹拌時の振動加速度が十分に小さい、すなわち操業時の振動を十分に小さくするためには、回転軸２の１次曲げの共振周波数ｆをインペラ３の回転周波数の１．２倍以上とすればよい。共振周波数の１．２倍以下での回転周波数における振動加速度は、共振周波数における振動加速度の１／８以下となり、操業上問題がないレベルとなる。インペラ３の回転数は、攪拌を強化させて反応効率を向上させる観点から、１００ｒｐｍ（回転周波数＝１．７Ｈｚ）以上２００ｒｐｍ（回転周波数＝３．３Ｈｚ）以下の範囲とすることが好ましい。インペラ３の回転数が１００ｒｐｍ未満では、攪拌強度が弱く、所望する反応効率を得ることができない。インペラ３の回転数が２００ｒｐｍを超えると反応効率は飽和して反応効率の上昇効果が少ないのみならず、負荷動力の増加よるデメリットが増大するからである。

インペラ３の最大回転数に対応して、回転軸２の１次曲げの共振周波数ｆは２．０Ｈｚ（=100rpm×1.2/60sec）以上４．０Ｈｚ（=200rpm×1.2/60sec）以下の範囲に設定することが好ましい。また、回転軸２の１次曲げの共振周波数ｆが４．０Ｈｚを超えると、攪拌体１が設備的に大きくなることから、回転軸２の１次曲げの共振周波数ｆは、４．０Ｈｚ以下であることが好ましい。しかしながら、回転軸の１次曲げの共振周波数ｆが４．０Ｈｚを超えても構わない。

また、本発明者らは、回転軸２が中実円柱で構成される場合と中空円管で構成される場合とで、攪拌体１の振動にどのような差異が生じるかを検討した。

回転軸２が外径ｄ₁、内径ｄ₂の中空円管の場合、（１）式における回転軸２の横断面積Ａは下記の（４）式で表される。

外径ｄ₁に対する内径ｄ₂の比率ｄ₂／ｄ₁をαとおくと、（３）式で示す断面２次モーメントＩは下記の（５）式で表される。

（５）式からも明らかなように、回転軸２の質量が一定、つまり、回転軸２の横断面積Ａが一定の条件では、回転軸２が中実円柱の場合（α＝０）に比較して、回転軸２が中空円管の場合（０＜α＜１）の方が、断面２次モーメントＩは大きくなることがわかる。αが大きいほど、具体的には回転軸２が大径薄肉になるほど断面２次モーメントＩは大きくなる。断面２次モーメントＩが大きくなるほど、（１）式で求められる１次曲げの共振周波数ｆは大きくなり、共振現象が発生するインペラ３の回転数が高くなるので、高速回転が可能となる。即ち、回転軸２を中空円管で構成した方が、回転軸２の共振現象を防止しやすくなることがわかる。特に、αが０．４以上の場合には、回転軸２の１次曲げの共振周波数ｆを中実構造に比較して約２０％以上大きくすることができ、効率的な攪拌効果を得ることができる。Ｌは通常２ｍ〜７ｍであり、より好ましくは４ｍ〜７ｍの範囲である。

本発明で対象とする溶銑予備処理は、上述の脱硫処理の他に、脱珪処理(desiliconization)、脱燐処理(dephosphorization)である。ここで、脱珪処理とは、精錬容器内の溶銑５に、酸化鉄を添加する、または、酸素ガスを吹き付ける、或いは、両者を併用し、酸化鉄中の酸素または酸素ガス中の酸素で溶銑中の珪素を酸化除去する精錬である。溶銑中に珪素が存在すると、溶銑の脱燐反応が損なわれるので、脱燐処理を効率的に行うために、脱燐処理の前段階で脱珪処理が行われる。脱珪処理では、生成する酸化珪素（ＳｉＯ₂）を希釈するために、溶銑容器内にＣａＯ系媒溶剤を添加して行う場合もある。

また、脱燐処理とは、精錬容器内の溶銑５に、酸化鉄を添加する、または、酸素ガスを吹き付ける、或いは、両者を併用し、酸化鉄中の酸素または酸素ガス中の酸素で溶銑中の燐を酸化し、生成した燐酸化物（Ｐ₂Ｏ₅）を、精錬容器内に添加したＣａＯ系媒溶剤で固定して溶銑中の燐を除去する精錬である。

脱珪処理及び脱燐処理のいずれの予備処理も、溶銑５に浸漬させたインペラ３を回転させて溶銑５を攪拌し、添加される酸化鉄や酸素ガスと溶銑との反応を促進させる。

溶銑５を収容する精錬容器は、図１に示すように、精錬容器の底部が水平方向に平坦である精錬容器４を用いても何ら問題はない。溶銑５の攪拌効率をより一層高めるために、図５に示すような、精錬容器４Ａの底部の内面形状が傾斜している、または曲面で形成されるように、底部の耐火物が施工されている精錬容器４Ａを用いることができる。図５は、底部の耐火物表面が、精錬容器４Ａの底面に対して角度θだけ傾斜した精錬容器の例を示す概略図である。すなわち、図５は、底部の内面形状が傾斜している精錬容器の例を示す。角度θは、０°〜１０°の範囲であり、より好ましくは、２°〜７°である。また傾斜は一様でなくてもよい。

図５のような底部の内面形状が傾斜している精錬容器４Ａを用いることで、インペラ３の回転によって生成する渦流が偏心して乱れる。これにより、溶銑５の攪拌が強化され、溶銑上に添加した脱硫剤などの添加剤６と溶銑５との攪拌・混合が向上して添加剤６の溶銑中への分散が促進され、高い反応効率（脱硫率や脱燐率）での予備処理が実現される。

以上説明したように、本発明によれば、回転軸２とインペラ３を有する溶銑予備処理用攪拌体１を用いて溶銑５を攪拌する際に、回転軸２の１次曲げの共振周波数ｆが、溶銑５を攪拌するインペラ３の回転周波数よりも大きい攪拌体１を用いる。これにより、攪拌体１の共振による振動の増大を回避できることから攪拌体１の高速回転が可能となる。これにより、溶銑５に投入した添加剤６を溶銑中に効率良く分散させることが達成され、従来に比べて高い反応効率で溶銑を攪拌処理することが実現される。

図１に示した設備を用いて、溶銑の脱硫処理を実施した。

インペラの回転数が１１０ｒｐｍ（回転周波数１．８Ｈｚ）のときに、回転軸を中実円柱で構成した場合、回転軸の１次曲げの共振周波数ｆをインペラの回転周波数よりも大きくするためには回転軸の外径ｄ₀をどの程度の大きさにすべきかを、（１）式及び（２）式を用いて検討した。検討にあたり、炭素鋼製の回転軸のヤング率Ｅは２．１×１０¹¹Ｐａ、回転軸の密度ρは７８００ｋｇ／ｍ³、回転軸の長さＬは６．３ｍ、回転軸の先端に作用する集中質量Ｍは８０００ｋｇとした。

その結果、回転軸の１次曲げの共振周波数ｆをインペラの回転周波数の１．２倍である２．２Ｈｚ以上とするには、回転軸の外径を０．３４３ｍ以上とすればよいことがわかった。そこで、共振周波数が２．２Ｈｚであり、回転軸の外径が０．３４３ｍである攪拌体を使用し、インペラの回転数を１１０ｒｐｍとして溶銑の脱硫処理を実施した（本発明例１）。

この脱硫処理では、インペラの回転数１１０ｒｐｍにおいて、共振現象による振動増大を回避して安定的に攪拌することが可能であった。

また、上記の脱硫処理条件において、回転軸を中空円管で構成する場合の回転軸の１次曲げの共振周波数ｆがインペラの回転周波数の１．２倍よりも大きくなるための条件を、（１）式及び（３）式を用いて検討した。回転軸のヤング率Ｅ、回転軸の密度ρ、回転軸の長さＬ、回転軸の先端に作用する集中質量Ｍは上記と同一とした。また、インペラの回転数は本発明例１と同様、１１０ｒｐｍ（回転周波数１．８Ｈｚ）とした。

その結果、炭素鋼鋼管からなる回転軸の外径ｄ₁を０．３５０ｍ以上、内径ｄ₂を０．２００ｍにすることで、回転軸の１次曲げの共振周波数ｆが２．２Ｈｚ以上となることがわかった。そこで、共振周波数が２．２Ｈｚであり、回転軸の外径ｄ₁を０．３５０ｍ、内径ｄ₂を０．２００ｍとする攪拌体を使用して、溶銑の脱硫処理を実施した（本発明例２）。この脱硫処理では、インペラの回転数１１０ｒｐｍにおいて、共振現象による振動増大を回避して安定的に攪拌することが可能であった。

上記の本発明例１と本発明例２とで、脱硫時のインペラの回転数は同一である。本発明例１と本発明例２の回転軸の質量は、それぞれ４５１２ｋｇ、３１６４ｋｇである。本発明例２では、回転軸を中空構造とすることで、攪拌体の質量を本発明例１に比べて約３０％低減することができた。このように、回転軸を中空構造とした場合、中実構造の場合に比べて回転軸を軽量化できることから、電動機の負荷が軽減して、より低コストで設備を実現することができる。

本発明を適用して種々の条件で溶銑の脱硫処理を実施した。

外径が０．３００ｍ、長さが４．５ｍの炭素鋼製の中実構造の回転軸の１次曲げの共振周波数ｆを（１）式及び（２）式を用いて算出した。計算にあたり、炭素鋼製の回転軸のヤング率Ｅは２．１×１０¹¹Ｐａ、回転軸の密度ρは７８００ｋｇ／ｍ³、回転軸の先端に作用する集中質量Ｍは７６５０ｋｇとした。

その結果、上記回転軸の１次曲げの共振周波数ｆは２．９Ｈｚであった。この値は、インペラの回転数に換算すると、１７４ｒｐｍに相当する。そこで、回転軸の１次曲げの共振周波数ｆ＝２．９Ｈｚがインペラの回転周波数の１．２倍以上となるように、１４５ｒｐｍをインペラ回転数の上限に設定して脱硫処理を実施した（本発明例３）。

ここで、インペラの回転数を更に大きくすることを目的として、回転軸を炭素鋼鋼管製の回転軸に変更した。この場合、回転軸の質量が本発明例３で使用した回転軸と同等となるように、回転軸を、外径ｄ₁が０．３４６ｍ、内径ｄ₂が０．１７３ｍ、長さが４．５ｍの中空構造とした。この回転軸の１次曲げの共振周波数ｆは３．７Ｈｚであった。比ｄ₂／ｄ₁＝０．５の中空構造にすることで、回転軸の質量を変えずに共振周波数ｆを１．３倍に大きくすることができた。

この回転軸の共振周波数ｆ＝３．７Ｈｚは、インペラの回転数に換算すると、２２２ｒｐｍに相当する。そこで、回転軸の１次曲げの共振周波数ｆがインペラの回転周波数の１．２倍以上となるように、１８５ｒｐｍをインペラの回転数の上限として溶銑鍋の溶銑を脱硫した（本発明例４）。その結果、本発明例３に比べて１．３倍の高速回転が可能となり、効果的な攪拌効果を得ることができ、脱硫速度及び脱硫率が向上した。

本発明例３で使用した攪拌体を使用し、精錬容器として、底部が傾斜しており、その角度θが５°である、図５に示す精錬容器（以下、「傾斜鍋」と記す）を用いて溶銑の脱硫処理を実施した（本発明例５）。

この傾斜鍋を使用することで乱れた渦流が溶銑中に生成され、平坦な底部を有する容器（以下、「通常鍋」と記す）に比べて、脱硫剤の反応効率を２倍程度向上することができた。一方、乱れた渦流が生成される影響で、攪拌体の振動が大きくなり、傾斜鍋の場合には、図６に示すように通常鍋に比べて攪拌体の振動加速度が約１．９倍になることを本発明者らは確認している。
図６は、回転軸の回転周波数と周波数に対する共振加速度との関係を通常鍋と傾斜鍋とで比較して示す図である。実線は通常鍋の場合の回転周波数と周波数に対する共振加速度との関係を、点線は角度θが５°の傾斜鍋の場合の回転周波数と周波数に対する共振加速度との関係を示す。この関係は、中実の回転軸であっても中空の回転軸であっても変わらない。また、図６は共振周波数が２．９Ｈｚの場合を示したが、共振周波数が変わった場合でも、周波数応答全体の形状は維持したままで、振動加速度が最大となる周波数が変わるだけである。

前記の本発明例３では、回転軸の１次曲げの共振周波数ｆ＝２．９Ｈｚがインペラの回転周波数の１．２倍以上となるように、インペラの回転数の上限を１４５ｒｐｍ（回転周波数２．４Ｈｚ相当）としていたのに対し、本発明例５では、本発明例３と同等の振動加速度に抑えるために、図６に基づいて、傾斜鍋における攪拌体の振動加速度が、通常鍋使用時のインペラの回転数１４５ｒｐｍにおける振動加速度と同等となる回転数１２５ｒｐｍで操業した。この１２５ｒｐｍの値から、傾斜鍋では回転軸の１次曲げの共振周波数ｆ＝２．９Ｈｚに相当するインペラの回転数１７４ｒｐｍの０．７２倍以下の回転数とすればよいことがわかる。

従って、本発明例５では、傾斜鍋の効果によって脱硫反応効率の向上が期待できる一方で、中実の回転軸を使用した攪拌体では振動が大きくなり、インペラの回転数を上げることが難しく、傾斜鍋の効果を十分に享受することはできなかった。

この結果から、本発明例６として、傾斜鍋を使用し、且つ、インペラの回転数を増大させることを目的として、本発明例４で使用した中空構造の回転軸を有する攪拌体を使用して溶銑の脱硫処理を実施した。

前記のように、本発明例４で使用した、外径ｄ₁が０．３４６ｍ、内径ｄ₂が０．１７３ｍ、長さが４．５ｍの中空構造の回転軸の１次曲げの共振周波数ｆは３．７Ｈｚである。本発明例６では、傾斜鍋での振動増大を考慮して、共振周波数ｆ＝３．７Ｈｚに相当する回転数２２２ｒｐｍの０．７２倍にあたる１６０ｒｐｍをインペラ回転数の上限として脱硫処理を行った。その結果、本発明例６では、本発明例５に比べて１．３倍のインペラの高速回転が可能となり、効果的な攪拌効果を得ることができるとともに、傾斜鍋の効果も加わり、脱硫速度及び脱硫率を大きく向上させることができた。

なお、本発明は実施例に限定されるものではなく、例えば脱硫処理に限らず脱燐、脱硅処理にも使用できる。共振周波数も、実施例に限られることは無く、撹拌設備に応じて適宜設定できることは言うまでも無い。

上記の説明では、精錬容器の形状は、図１に示すように底面が水平となっている形状や、図５に示すように底面が傾斜した形状のものを例として説明したが、本発明において、精錬容器の形状は、上記の例に限られるものではない。例えば、精錬容器の底面は、球面状に形成してもよい。また、精錬容器の底面は、水平な部分、傾斜部分、球面状の部分のうち２以上を組み合わせて形成してもよい。また、精錬容器の底面を凸形状に形成してもよい。

１ 攪拌体
２ 回転軸
２ａ フランジ
３ インペラ
３ａ 金属板
４ 精錬容器
４Ａ 精錬容器
５ 溶銑
６ 添加剤
７ 耐火物

Claims (7)

1. 回転軸の先端部に取り付けられたインペラを精錬容器内の溶銑に浸漬させ、浸漬させたインペラを回転させることによって溶銑と添加剤とを攪拌し、
   前記回転軸の１次曲げの共振周波数は、溶銑を攪拌するインペラの回転周波数よりも大きい溶銑予備処理方法。
2. 前記１次曲げの共振周波数はインペラの回転周波数の１．２倍以上である請求項１に記載の溶銑予備処理方法。
3. 前記回転軸は中空構造である請求項１または請求項２に記載の溶銑予備処理方法。
4. 前記インペラの回転数は１００ｒｐｍ以上２００ｒｐｍ以下である請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の溶銑予備処理方法。
5. 前記精錬容器は、底部の内面形状が該精錬容器の中心軸に対して非軸対称となるように、底部の耐火物が施工されている請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の溶銑予備処理方法。
6. 回転軸と、この回転軸の先端部に取り付けられたインペラとを有し、前記回転軸及び前記インペラが回転することで溶銑を攪拌する溶銑予備処理用攪拌体であって、前記回転軸の１次曲げの共振周波数が２．０〜４．０Ｈｚである溶銑予備処理用攪拌体。
7. 前記回転軸は中空構造である請求項６に記載の溶銑予備処理用攪拌体。
   

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