JP5724761B2

JP5724761B2 - 転炉吹錬方法

Info

Publication number: JP5724761B2
Application number: JP2011188375A
Authority: JP
Inventors: 鎮彦池野; 真導菊地; 赤井　真一; 真一赤井; 百紀加茂; 北野　嘉久; 嘉久北野
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2011-08-31
Filing date: 2011-08-31
Publication date: 2015-05-27
Anticipated expiration: 2031-08-31
Also published as: JP2013049890A

Description

本発明は、上吹きランスを用いた、転炉における溶銑の精錬に係り、とくにダストの発生を低減し、鉄分の飛散を抑制した転炉吹錬方法に関する。

転炉を用いた精錬においては、溶銑に、上吹き又は底吹きにより、酸素を吹き込み、溶銑中の炭素Ｃ、珪素Si、燐Ｐ等の不純物を除去し、所望の成分組成を有する鋼としている。近年、転炉においても、高い生産性が要求され、大量の溶銑を、短時間に精錬することが必要となっており、転炉操業においても迅速な処理が要求されている。上記したような迅速な処理を達成するためには、大量の酸素を安定的に吹込むことが可能で、かつ、安定して高精度に成分調整することができる技術が必要となる。

従来から、上吹き転炉では、溶銑の撹拌を強化し、脱炭、脱燐等の冶金反応を促進するために、上吹きランスから供給する酸素を、強噴流として浴面に強く衝突させる、いわゆる「ハードブロー」を指向していた。このような「ハードブロー」を行うために、一般的に、単孔または複数孔の末広ノズル（ラバールノズル）が採用されている。このラバールノズルによれば、ランス入口側の酸素ガス圧力を高効率で運動エネルギーに変換でき、超音速噴流を形成できる。

しかし、ハードブローを行うと、浴面に深いキャビティが形成される。この深いキャビティが形成されると、スピッティングが発生して、粒鉄が飛散したり、ダストの発生量が顕著に増加する。そのため、鉄歩留りの低下や、炉口やランスへの地金付きなどの操業トラブルが多発する。
このようなスピッティングやダストの発生量を低減するには、酸素ガス噴流の浴面への衝突エネルギーを分散することが有効であることから、多孔ランスが広く利用されている。しかし、多孔から噴出された酸素ガスの噴流が重なり合い、一つの噴流となり、強く浴面に衝突し、深いキャビティが形成される場合がある。

このような問題に対し、例えば、特許文献１には、ランス先端の円周方向に複数のノズルを配設し、湯面に形成される各ノズルに対応するキャビティの直径と、そのキャビティに隣接するキャビティとの重なりとの比で定義されるオーバーラップ率を0.2以下と小さくなるように、ノズルの傾斜角を定めた上吹きランスが提案されている。しかし、特許文献１に記載された技術では、十分な効果を達成するためにはノズルの傾斜角を大きくする必要があり、その場合には、炉壁に酸素ガス噴流が衝突し、耐火物を著しく損耗させる恐れがあるという問題がある。

また、特許文献２には、傾斜角度の異なる２種類のラバールノズルを円周方向に交互に各々３個以上配置し、各ノズルから噴射されたガスジェットにより形成される浴面キャビティの幾何学的重なり面積率が30％以下となる上吹きランスが提案されている。しかし、特許文献２に記載された技術では、酸素ガス流量を大幅に増加した場合には、スピッティングの抑制が不十分となり、一方、酸素ガス流量を減少した場合には、ソフトブローになりすぎるという問題があった。

また、特許文献３には、上吹きランスを用いた脱炭吹錬を行うにあたり、ランスノズルの絶対二次圧Ｐ_０を当該ランスノズルの適正膨張絶対二次圧Ｐ_０Ｐの0.7〜2.5倍の範囲で維持しつつ、吹錬中における絶対二次圧の最大値が最小値の1.1倍以上となるように変更することにより酸素ガス流量を変化させる、不適正膨張噴流を利用した溶鉄精錬方法が記載されている。特許文献３に記載された技術では、吹錬の初期、中期では、不適正膨張状態の噴流で吹錬し、噴流流速を大幅に増大させることなく酸素ガス流量を増大させることができ、一方、吹錬末期では、適正膨張状態の噴流で吹錬して、噴流流速を大幅に低減させることなく酸素ガス流量を低減することができる。これによりスピッティングやダストの発生量を低減でき、鋼浴の過酸化を防止でき、またスラグ中酸化鉄の低減が可能となるとしている。

また、特許文献４には、上吹き酸素に水を、溶融メタル表面の火点面積１m^２あたり４（ｌ/min）以上50（ｌ/min）以下、混合する、メタル歩留りの高い転炉吹錬法が記載されている。特許文献４に記載された技術によれば、混入した水の冷却作用により、火点の温度が低下して、メタル分の蒸気圧を低下させて、転炉で発生するダスト量を大幅に低減できるとしている。

また、特許文献５には、鉄浴面に上吹き酸素ガスとともに、CaCO_３含有率が20質量％以下の生石灰粉を吹き付けることにより、あるいはMgOおよび／またはMgCO_３粉を吹き付けることにより、ダスト発生量を低減する上底吹き転炉の精錬方法が記載されている。

特開昭60−165313号公報特許第2848010号公報特許第3655662号公報特開2009−290515号公報特開2006−342370号公報

しかしながら、特許文献３に記載された技術では、噴流流速の制御範囲が狭く、スピッティングやダストの発生量低減の効果は期待できるが、吹錬末期での過酸化抑制の効果までは期待できないという問題がある。
また、特許文献４に記載された技術では、吹錬初期から中期にかけて発生するダストに対して効果が少ないうえ、高温の炉内に水分を吹き付けることは水蒸気爆発を起こす恐れがあるという問題がある。また、特許文献５に記載された技術では、火点の冷却効果はあるが、吹付ける粉末の粒度に制限がある。

本発明は、かかる従来技術の問題を有利に解決し、上吹きランスを用いた転炉吹錬において、ダスト発生量を低減して鉄歩留りを向上でき、さらに迅速な吹錬が可能な、転炉吹錬方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記した目的を達成するために、ダスト発生量（ダスト発生速度）に及ぼす各種要因について、鋭意研究した。その結果、吹錬の各段階で、ダスト発生量（ダスト発生速度）に影響する要因が異なることに思い至り、吹錬の各時期（初期、中期、末期）で、吹錬条件を変更する必要のあることに、想到した。そして、更なる研究により、吹錬の初期では、溶銑が蒸発しダスト化する傾向が強いため、ダスト発生量（ダスト発生速度）を小さくするには、送酸量を適正にコントロールしながら、とくに火点面積を所定値以下に小さくすることが必要であり、湯面動圧と火点面積を所定の範囲に制御することが肝要になることを見出した。また、吹錬の中期には、溶銑の飛散が激しくなるため、ダスト発生量（ダスト発生速度）を小さくするには、湯面動圧を所定値以下に低く保持することが肝要となり、吹錬の末期では、ダストの発生は著しく少なくなるため、ダストの発生抑制より、反応の安定度を向上させることが操業上、重要となるため、溶銑の過酸化を防止し、銑歩留を向上させる観点から、湯面動圧を高くして、ハードブローを行うことが、重要となるという知見を得た。

このようなことから、吹錬を３段階に分け、各時期で、吹錬条件をそれぞれ適正範囲に制御することにより、ダスト発生量（ダスト発生速度）が少なく、高い鉄歩留りを確保でき、さらには吹錬時間の短時間化が図れる、生産性に優れた転炉吹錬を達成できることを見出した。
まず、本発明の基礎となった実験結果について説明する。

上底吹き機能を有する転炉を用いて、上吹ランスからの酸素ガス吹き付けによる湯面動圧Ｐ、全火点面積Ｓを種々変更して、ダストの発生速度を測定した。
得られた結果を、吹錬初期について、図１、図２に示す。従来は、湯面動圧Ｐが大きくなると、溶銑表面でのスプラッシュが増加し、発生するダスト量が増加すると考えられてきた。しかし、図１の結果は、それとは逆で、ある値以上に湯面動圧Ｐが増加すると、ダストの発生速度が低減している。一方、図２からは、全火点面積Ｓが増加すると、ダストの発生速度が増加している。ダストの発生には、全火点面積が大きく影響していることになる。そして、このような結果から、本発明者らは、吹錬初期では、湯面動圧Ｐを所定値以上に大きくしても、全火点面積Ｓを所定の値より小さくすれば、ダストの発生速度、すなわちダストの発生量を低減できるという知見を得た。

つぎに、ダストの発生速度と湯面動圧Ｐの関係を、吹錬中期について図３に示す。吹錬中期では、ダストの発生速度は、湯面動圧Ｐに大きく依存している。そのため、吹錬中期では、ダストの発生を抑制する観点からは、湯面動圧Ｐを所定値以下に制限することが好ましいことになる。このような結果から、吹錬中期では、ダストの発生量を低減するために、湯面動圧Ｐを所定値以下に制限して吹錬する必要があることを知見した。

なお、吹錬末期では、ダストの発生は少なくなるため、反応の安定度を向上させ、溶銑の過酸化を防止するという観点から、湯面動圧Ｐを所定値以上に増大して溶銑の撹拌を活発にして吹錬する必要があることに想到した。
本発明は、かかる知見に基づき、さらに検討を加えて完成されたものである。すなわち、本発明の要旨はつぎのとおりである。
（１）ｎ個のラバールノズルを有する上吹きランスを備えた転炉で、該上吹きランスから溶銑に酸素ガスを吹き付けて、脱炭吹錬を行うにあたり、前記脱炭吹錬を、初期、中期、および末期からなる３段階の吹錬とし、吹錬開始から全吹錬過程の30％である前記初期の吹錬では、次（１）式
Ｐ＝（ρ／２ｇ）・Ｖ^２／1000 ‥‥（１）
で定義される湯面動圧Ｐが0.106 kgf/cm ^２以上となるように、次（２）式
Ｓ＝Ｓ_２（１−γ） ‥‥（２）
で定義される全火点面積Ｓが2.3m ^２以下となるように調整して吹錬し、全吹錬過程の30％超〜80％である前記中期の吹錬では、前記（１）式で定義される湯面動圧Ｐが0.200 kgf/cm ^２以下となるように、および全吹錬過程の80％超〜100％である前記末期の吹錬では、前記（１）式で定義される湯面動圧Ｐが0.295kgf/ cm ^２以上となるように、それぞれランス高さLhを調整して吹錬することを特徴とする転炉吹錬方法。なお、ここで、Ｐ：湯面動圧（kgf/cm^２）、Ｖ：酸素ガス噴出流速（m/s）、ρ：ガス密度（kg/m³）、ｇ：重力の加速度（m/s²）、Ｓ：全火点面積（＝Ｓ_２×（１−γ））（m^２）、Ｓ_２＝Ｓ_１×ｎ（m^２）、Ｓ_１：１つの火点の面積（＝π（Ｄ/２）^２）（m^２）、γ：干渉比（＝（Ｄ−ｄ）/Ｄ）、Ｄ：火点の直径（＝（２Lh／cosθ）・tanφ＋de）（ｍ）、ｄ：隣接する火点の中心間距離（ｍ）、Lh：ランス高さ（ｍ）、ｎ：ノズルの孔数（個）、θ：ノズル傾角θ（°）、φ：自由噴流広がり角（°）、de：出口径（ｍ）、である。

本発明によれば、上吹きランスを用いた転炉吹錬において、ダスト発生量（ダスト発生速度）を低減でき、生産性高く転炉吹錬を行うことができ、産業上格段の効果を奏する。また、本発明によれば、迅速な吹錬が可能になるという効果もある。

吹錬初期におけるダスト発生速度と湯面動圧との関係を示すグラフである。吹錬初期におけるダスト発生速度と全火点面積Ｓとの関係を示すグラフである。吹錬中期におけるダスト発生速度と湯面動圧との関係を示すグラフである。転炉内での上吹きランスノズルとそれに対応する火点との位置関係を模式的に示す説明図である。

本発明は、少なくともｎ個のラバールノズルを有する上吹きランスから、溶銑に酸素ガスを吹き付けて、溶銑の脱炭吹錬を行う、転炉吹錬方法である。本発明は、吹錬の各時期では、ダスト発生に影響する要因が異なることから、吹錬の各時期を、初期、中期、末期の３段階に分けて、条件を変更して、吹錬することを特徴とする。ここでいう「初期」とは、吹錬過程において吹錬開始から全吹錬過程の30％（脱珪期、脱燐期）を、また「中期」とは吹錬過程の30％超〜80％（脱炭最盛期）を、また「末期」とは、吹錬過程の80％超〜100％（吹錬末期の物質移動律速期）を意味する。

本発明で、上吹きランスに装着して使用するラバールノズルは、公知のラバールノズルがいずれも適用できるが、ここでは、ノズル傾角：θ（°）、自由噴流広がり角：φ（°）、出口径：de（ｍ）のラバールノズルを、同一円周上に等間隔に、ｎ個、装着した上吹きランスを用いて吹錬する場合を扱う。なお、ラバールノズルでは、ランス出口から一定距離の間、超音速から音速まで減衰する遷移領域があり、この領域でのガスジェットの広がり角は乱流域よりも小さいとされているが、ここでは遷移領域を含めて平均の広がり角φとする。

転炉内で上吹きランスを用いて、湯面に酸素ガスを吹き付けたときの、ノズルとそれに対応する火点との位置関係を模式的に図４に示す。
火点直径Ｄは、ランス先端から湯面までの距離であるランス高さLh とすると、幾何学的関係から次式で表される。
Ｄ＝（２Lh／cosθ）・tanφ＋de
（ここで、θ：ノズル傾角、φ：噴流広がり角、de：ノズル出口径）
直径Ｄの一つの火点の面積Ｓ_１は、Ｓ_１＝π（Ｄ/２）^２で表わされる。ノズルの個数（孔数）がｎ個の場合には、火点の重なりがない場合には、火点の全面積Ｓ_２は
Ｓ_２＝Ｓ_１×ｎ
となるが、図４に示すように、火点の重なりがある場合には、干渉の度合（干渉比γ）に応じて（隣接する火点の中心間距離ｄに応じて）、全火点の面積Ｓは、次（２）式
Ｓ＝Ｓ_２（１−γ） ‥‥（２）
（ここで、γ＝（Ｄ−ｄ）/Ｄ）
で表わされることになる。

なお、ノズルから噴出された酸素ガスの噴流による湯面への動圧Ｐは、次（１）式
Ｐ＝（ρ／２ｇ）・Ｖ^２／1000 ‥‥（１）
（ここで、Ｐ：湯面動圧（kgf/cm^２）、Ｖ：酸素ガス噴出流速（m/s）、ρ：ガス密度（kg/m³）、ｇ：重力の加速度（m/s²）、で表される。
本発明では、上記した各式で表される湯面動圧Ｐと全火点面積Ｓとを、各吹錬時期で適正範囲内となるように調整して、吹錬する。

吹錬の初期では、鉄分の蒸発が大きく、この鉄分の蒸発によりダストが発生する。図２に示すようにダストの発生には、全火点面積Ｓが大きく影響していることから、本発明では、吹錬の初期には、全火点面積Ｓと、さらには湯面動圧Ｐを所定の範囲に調整して吹錬する。吹錬の初期では、とくに、全火点面積Ｓを、2.3m^２以下と小さくなるようにランス高さLhを調整して吹錬することが好ましい。

全火点面積Ｓが2.3m^２を超えて大きくなると、ダスト発生量が大きくなる。
吹錬の中期では、脱炭反応を促進するため送酸速度を大きくする必要から、湯面への酸素ガスジェットの強い吹き付けにより、鉄分が飛散してダストが発生しやすくなる。このため、吹錬の中期では、ダスト発生を抑制する観点からは、湯面動圧が小さくなるように制御して吹錬することとなる。本発明では、湯面動圧Ｐを0.200 kgf/cm^２以下となるように調整して吹錬することが好ましい。湯面動圧Ｐが0.200 kgf/cm^２を超えて大きくなると、鉄分の飛散が顕著となりダストの発生速度が増加し、ダスト発生量が増大する。なお、吹錬の中期では、ダストの発生要因が主に鉄分の飛散であるということから、全火点面積はとくに制御する必要はなく、むしろ、湯面動圧を低減するという観点から大きくしたほうが好ましい。

以下、実施例に基づき、本発明についてさらに説明する。

上吹きランスを有する転炉（ヒートサイズ：225ton／ch）で、溶銑を吹錬した。上吹きランスの先端には、同一円周上に等間隔に、ｎ＝5個のラバールノズルを配した。なお、ラバールノズルの仕様は、ノズル傾角θ：16°、噴流広がり角（平均）φ：9°、出口径de：65mmとした。
吹錬の時期を、初期、中期、末期の３段階に区分して吹錬した。本発明例では、吹錬の初期には、湯面動圧Ｐおよび全火点面積Ｓを同時に、表1に示す値に調整した。なお、湯面動圧Ｐおよび全火点面積Ｓの調整は、送酸速度（噴流流速）、ランス高さの調整によって行った。吹錬の中期、末期には、湯面動圧Ｐを表1に示す所定値となるように制御した。なお、吹錬の中期、末期には、とくに全火点面積Ｓの制限は行わなかった。なお、従来法（従来例）の吹錬条件についても表１に示す。

本発明例は、従来例に比べて、ダスト発生量が少なくでき、また、送酸速度の増加が可能となり、吹錬時間も短縮された。

Claims

ｎ個のラバールノズルを有する上吹きランスを備えた転炉で、該上吹きランスから溶銑に酸素ガスを吹き付けて、脱炭吹錬を行うにあたり、前記脱炭吹錬を、初期、中期、および末期からなる３段階の吹錬とし、吹錬開始から全吹錬過程の30％である前記初期の吹錬では、下記（１）式で定義される湯面動圧Ｐが0.106 kgf/cm ^２以上となるように、下記（２）式で定義される全火点面積Ｓが2.3m ^２以下となるように調整して吹錬し、全吹錬過程の30％超〜80％である前記中期の吹錬では、下記（１）式で定義される湯面動圧Ｐが0.200 kgf/cm ^２以下となるように、および全吹錬過程の80％超〜100％である前記末期の吹錬では、下記（１）式で定義される湯面動圧Ｐが0.295kgf/ cm ^２以上となるように、それぞれランス高さLhを調整して吹錬することを特徴とする転炉吹錬方法。
記
Ｐ＝（ρ／２ｇ）・Ｖ^２／1000 ‥‥（１）
Ｓ＝Ｓ_２（１−γ） ‥‥（２）
ここで、Ｐ：湯面動圧（kgf/cm^２）、Ｖ：酸素ガス噴出流速（m/s）、ρ：ガス密度（kg/m³）、ｇ：重力の加速度（m/s²）、Ｓ：全火点面積（＝Ｓ_２×（１−γ））（m^２）、Ｓ_２：＝Ｓ_１×ｎ（m^２）、Ｓ_１：１つの火点の面積（＝π（Ｄ/２）^２）（m^２）、γ：干渉比（＝（Ｄ−ｄ）/Ｄ）、Ｄ：火点の直径（＝（２Lh／cosθ）・tanφ＋de）（ｍ）、ｄ：隣接する火点の中心間距離（ｍ）、Lh：ランス高さ（ｍ）、ｎ：ノズルの孔数（個）、θ：ノズル傾角θ（°）、φ：自由噴流広がり角（°）、de：出口径（ｍ）