JP5822073B2 - ダスト発生の抑制効果に優れる転炉の精錬方法 - Google Patents

Description

本発明は、ダストの発生を抑制する効果に優れる転炉の精錬方法に関する。

近年の転炉精錬方法は、純酸素上吹き転炉精錬法の導入により格段の発展を遂げたが、その背景には、酸素源として反応効率の良い純酸素を用いることと同時に、超音速酸素噴流による鋼浴の攪拌強化ができたという大きな理由がある。

その後、転炉の精錬方法は、炉底部からアルゴンや酸素などを吹き込む底吹き技術の発展とともに、上底吹き転炉精錬方法が主流となり、現在に至っている。これらの転炉精錬法において、鉄歩留を悪化させる要因としては、スラグ中への酸化鉄の蓄積、粒鉄の混入と、ダスト発生による飛散とがある。

特に、ダスト発生量が増加すると、ダクト内にダストの堆積を招き、計器の検出孔詰りや、集塵能力の低下を招く原因となる。そのため、従来、転炉吹錬中に発生するダストの発生量を低下させる方法について、種々の提案がなされている。

一般に、転炉精錬時におけるダストの発生原因としては、上吹き酸素噴流が浴面の溶鉄に衝突し、高温（２０００〜２５００℃）になった火点から鉄分が蒸発することによる“ヒュームダスト”と、浴中での脱炭反応によるＣＯガス気泡がバーストする際のバブルバーストダストおよびスピッティングが考えられる。

そのうち、前記バブルバーストダストには、ＣＯガスが溶鉄浴面バーストする際にできる１次バーストダストと、その１次バーストダストによって弾き飛ばされた溶滴が酸素噴流中で脱炭され、さらに分裂する際に発生する２次バーストダストとがある。

ところで、火点でのバブルバースト部や、上吹き酸素噴流が形成する溶鉄キャビティのリップ部などからは、溶鉄が飛散し、その飛散した溶鉄（液滴）が脱炭され、前記２次バーストダストと同様の、スピッティングダストと呼ばれるものを発生することが知られている。なお、スピッティングというのは、前記のようにダスト化する他、炉壁への地金付着、上吹き酸素ランスへの地金付着、上吹き酸素ランスの損耗の原因ともなり、転炉の安定操業に支障をきたすことで知られている。そのため、このスピッティングについてもまた、前記バブルバーストダストと同様に、その発生を抑制しなければならない。

次に、ヒュームダストの発生を抑制する方法としては、上吹き酸素ランスから、ＣＯ_２やＣａＣＯ_３、水、水蒸気、Ｍｎ鉱石、鉄鉱石などのいずれか一種もしくはこれらの混合物からなる冷却剤を吹込むことにより、火点温度を冷却して、火点での鉄分蒸発を抑制する方法（特許文献1）や、火点面積を小さくする方法などとして提案されている。

その他、スピッティングを抑制する方法としては、酸素上吹きランスの形状を改善する方法や転炉の操業条件を改善する方法などがある。例えば、酸素上吹きランスの形状を改善してスピッティングを抑制する方法（特許文献２、３）としては、
ａ．ランスを多孔化する、
ｂ．上吹きジェットの重なりを減少させられるような孔配置をする、
ｃ．溶鋼に遠心力を付与するために、ランスの孔の向きをランス本体および径方向に対して斜めにする、
というものなどが提案され、実施されてきた。

その他、スピッティングの発生を抑制する方法については、操業条件を最適化すること、例えば、ランス高さや送酸速度を制御する方法なども知られている（特許文献４）。例えば、
ａ．ランス高さを上昇させて溶鉄浴面と酸素噴流の衝突を緩和する方法、
ｂ．ランスからの酸素噴流の吐出速度（Ｖ）を、３００≦Ｖ≦１０００（ｍ／ｓｅｃ）に制御する方法、
ｃ．送酸速度を抑制する方法、
ｄ．酸素噴流を溶鉄に吹付けた際に生じるキャビティ直径Ｄとキャビティ深さＬの比Ｌ／Ｄを２以上に制御する方法、
などが提案されている。

特開昭５８−１９３３０９号公報 特開昭６０−１６５３１３号公報 特開昭６３−１３４６１７号公報 特開平７−９０３３９号公報 特開平７−１１３１１２号公報

しかし、特許文献１に記載の方法は、火点を十分に冷却するにはかなりの量の冷却剤を吹き込む必要があり、冷却剤のコストが高くなる上、冷却剤を吹き込むことで吹錬熱エネルギーを消費して熱的なロスが顕在化する問題がある。

特許文献２、３に記載の方法は、ランスの改良、製作が必要になると共に、ランスを使用する際にもその改良ランスに応じた最適操業条件を見い出さなければならないという問題がある。

特許文献４に記載の方法では、ランスからの酸素噴流が所定の範囲内にしても、ランス高さを低めに設定した場合にはスピッティングが多量に発生することがあり、ランスからの酸素噴流の吐出流速を抑制してもスピッティングを十分に制御できないという問題がある。

そして、キャビティ径Ｄとキャビティ深さＬの比Ｌ／Ｄを大きくする特許文献５に記載の方法は、スピッティングの発生を減らすことに主眼をおいているものの、ヒュームダストの発生を考慮しておらず、ダストの発生を考慮した効果的なダスト低減方法とは言えない。

上述したように、前記各従来技術はいずれも、各吹錬時期におけるダスト発生機構が十分に考慮されていないため、効果的なダスト発生低減方法とは言い難いのが実情である。

本発明の目的は、上記課題に鑑み開発された技術であって、転炉の各吹錬時期毎に変わるキャビティの形態に応じ、ランスからの酸素吹精条件を変えることにより、効果的なダスト発生量の低減を達成して、鉄歩留の向上を図ることのできる転炉精錬方法を提案することにある。

前記各従来技術が抱えている上述した課題を解決し、前記目的を実現するための有効な方法として本発明は、転炉で、珪素濃度０．１５質量％以上の溶銑を使って精錬する方法において、吹錬の各段階毎に、キャビティの形態に対応するランス吹精指標を用いて、ランスによる酸素吹精を行う際に、吹錬の初期と末期におけるランス吹精指標についてはキャビティの表面積を用い、一方、吹錬の中期におけるランス吹精指標についてはキャビテイ径とキャビテイ深さとの比を用いることを特徴とするダスト発生の抑制効果に優れる転炉の精錬方法を提案する。

本発明においては、
（１） 吹錬初期は、ランス吹精時に生じる無次元化したキャビティの表面積Ａ／（Ｗ／ρ）^２／３が０．６以下となるようにランスからの酸素噴射を行い、吹錬中期は、ランス吹精時に生じるキャビティの径Ｄとその深さＬとの比Ｌ／Ｄが０．８５以上になるようにランスからの酸素噴射を行い、そして、吹錬末期は、ランス吹精時に生じる無次元化したキャビティの表面積Ａ／（Ｗ／ρ）^２／３が０．６以下となるようにランスからの酸素噴射を行うこと、
が好ましい解決手段になると考えられる。
ここで、Ａはキャビティの表面積（ｍ^２）、Ｗは転炉ヒートサイズ（ton）、ρは溶銑比重７（ton／ｍ^３）である。

また、本発明において、脱珪処理および／または脱燐処理をしていない溶銑を用いることが好ましい。

なお、本発明の上記説明において、
ａ．吹錬初期とは、積算送酸量で吹錬の開始から全吹錬過程の３０％までを意味し、この期間で支配的なダスト発生機構は、ヒュームダストを発生しやすいので、主としてこれを低減させる時期である。
ｂ.吹錬中期とは、積算送酸量で吹錬過程の３０％超〜８０％までの時期を意味し、この期間で支配的なダストの発生原因は、バブルバーストダスト（１次、２次バーストダスト）であることから、これを低減させることが主たる目的である。
ｃ.吹錬末期とは、積算送酸量で吹錬過程の８０％超〜１００％までの時期を意味し、この期間で支配的なダストの発生原因は、ヒュームダストであることから、これを低減させることが主たる目的である。

上記のような構成に係る本発明方法によれば、転炉における溶銑予備処理未実施の溶銑を使って精錬する普通吹錬において、各吹錬の段階に応じ、キャビティ表面積または、キャビティ径とキャビティ深さとの比、のいずれかを選択してこれらを好適な範囲に制御するので、ダストの発生量を吹錬の全過程において効果的に抑制することができる。従って、総体的なダストの発生量を抑制することができるので相対送酸速度を高めることができるようになり、精錬時間の短縮を図ることができるようになる。

（ａ）は、吹錬経過０〜３０％における、無次元化したキャビティ表面積Ａ／（Ｗ／ρ）^２／３と単位時間当たりのダスト発生量との関係を示す図であり、（ｂ）は、キャビティ径とその深さの比Ｌ／Ｄ（ｂ）と、単位時間当たりのダスト発生量との関係を示す図である。 （ａ）は、吹錬経過３０％超〜８０％における、キャビティ径とその深さの比Ｌ／Ｄと単位時間当たりのダスト発生量との関係を示す図であり、（ｂ）は、無次元化したキャビティの表面積Ａ／（Ｗ／ρ）^２／３（ｂ）と、単位時間当たりのダスト発生量との関係を示す図である。 （ａ）は、吹錬経過８０％超〜１００％における、無次元化したキャビティの表面積Ａ／（Ｗ／ρ）^２／３と単位時間当たりのダスト発生量との関係を示す図であり、（ｂ）は、キャビティ径とその深さとの比Ｌ／Ｄ（ｂ）と、単位時間当たりのダスト発生量との関係を示す図である。 本発明における上吹き最大送酸速度と、単位時間当たりの平均ダスト発生速度との関係を示す図である。 実施例における従来例と本発明における吹錬時間を示す図である。 実施例における従来例と本発明におけるダスト発生量を示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、キャビティの模式図である。

発明者らは、転炉吹錬の各段階でのダストの発生をそれぞれ低減させるために、ダスト発生機構の支配的な要因について調査した。その結果、ダストの発生は、吹錬中の炉内反応とそれぞれ強い関係があることがわかった。

即ち、発明者らが、３６０トン上吹き転炉において、装入する溶銑の珪素濃度が０．１５質量％以上の場合の吹錬中のダスト発生状況について（１）吹錬経過：０〜３０％（脱珪期、脱燐期）、（２）吹錬経過：３０％超〜８０％（脱炭最盛期）、（３）吹錬経過：８０％超〜１００％（吹錬末期の物質移動律速期）の各段階に細分化して調査した結果、以下に示す事実が判明した。
ここで、珪素濃度が０．１５質量％以上の溶銑は、脱珪処理または／且つ脱燐処理の予備処理をしていない溶銑を用いている。

図１（ａ）、（ｂ）に示すように、吹錬経過：０〜３０％（脱珪期、脱燐期）における単位時間当たりのダスト発生量に及ぼす、上吹き酸素噴流を溶銑に吹き付けた際に生じるキャビティの表面積を無次元化した値Ａ／（Ｗ／ρ）^２／３との相関関係の方が、キャビティ径とその深さとの比Ｌ／Ｄよりも良い相関関係を示している。ただし、無次元化したキャビティの表面積Ａ／（Ｗ／ρ）^２／３が０．６より大きいも範囲では、単位時間当たりのダスト発生量が急激に増加するため、望ましくない。

このことから、吹錬経過：０〜３０％（脱珪期、脱燐期）のダスト発生機構は、ヒュームダストが支配的であって、この時期はキャビティ表面積で管理することが有効であることがわかる。それは、ａ．炉内反応が脱珪期、脱燐期であり、脱炭反応が活発でないこと、ｂ．スラグが未滓化状態であることから、火点からの鉄分の蒸発が支配的であることなどによるものと推定される。

一方、吹錬経過：３０超〜８０％（脱炭最盛期）における単位時間当たりのダスト発生量に及ぼす影響は、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、酸素噴流を溶銑に吹き付けた際に生じるキャビティ径Ｄとキャビティ深さＬとの比であるＬ／Ｄの方が、無次元化したキャビティの表面積Ａ／（Ｗ／ρ）^２／３（図２ｂ）よりもむしろ、良い相関関係を示している。ただし、Ｌ／Ｄ＜０．８５の範囲では、単位時間当たりのダスト発生量が急激に増加しており、望ましくない。Ｌ／Ｄの上限値は特に規定する必要はないが、Ｌが過大になって鉄浴深さより大きくなると、酸素ジェットが炉底を直撃して耐火物の損耗が大きくなるので、このような悪影響のない範囲で操業を行うことが好適である。

このことから、吹錬経過：３０％超〜８０％（脱炭最盛期）のダスト発生機構は、バブルバーストダストが支配的であって、この時期はＬ／Ｄで管理することが有効であることがわかる。これは、炉内反応が脱炭最盛期であることから、脱炭反応によるＣＯガス気泡のバーストが支配的になるからだと推定される。

次に、吹錬経過が８０超〜１００％（吹錬末期の物質移動律速期）については、単位時間当たりのダスト発生量に及ぼす影響は、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、前記の脱炭最盛期とは異なり、上吹き酸素噴流を溶銑に吹き付けた際に生じるキャビティの表面積を無次元化した値Ａ／（Ｗ／ρ）^２／３の方が、前記Ｌ／Ｄとの関係よりもむしろ良い相関関係を示していることがわかる。特に、無次元化したキャビティの表面積Ａ／（Ｗ／ρ）^２／３が０．６以下において、単位時間当たりのダスト発生量は低いレベルで推移しており、好適な操業条件と言える。

このことから、吹錬経過：８０％超〜１００％（吹錬末期の物質移動律速期）のダスト発生機構は、ヒュームダストが支配的であって、この時期はキャビティ表面積で管理することが有効であると言える。これは、吹錬末期となり、脱炭反応が乏しくなり、再び、火点からの鉄分の蒸発が支配的であるからだと推定される。

要するに、発明者らの知見によると、転炉吹錬時に発生するダストの発生を抑制するに際し、従来のように、キャビティの一定の形状を前提として、これを最初から最後まで一律に制御するのではなく、吹錬の各段階毎に最も適したパラメータ、即ち、「ランス吹精指標」を選択して管理した方が望ましいと言えることがわかった。

本発明において、ランス吹精指標の１つとして採用する火点でのキャビティ（凹み部）表面積Ａｍ２は、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、浴面における酸素噴流の範囲が放物線状に凹むと仮定した場合、下記（１）〜（７）式を適用して求めることができる。ここで、図７は単孔ランスの場合について模式的に示した図である。なお（１）〜（７）式は各ノズルの径および傾角が等しい場合について示した式であるが、これらが異なる場合は、各ノズル入口のガス圧力が等しくなるように、（５）式に順じてガス流量が分配されるので、これに基づいて各ノズルからのガスジェットによるキャビティ表面積を計算して合計する方法によりＡを算出することができる。

また、もう１つのランス吹精指標としては、本発明では、キャビティ径Ｄ（ｍ）とキャビティ深さＬ（ｍ）との比を用いるが、この比は、（６）〜（８）式を適用して求めることができる。なお、（６）〜（８）式は、各ノズルの径および傾角が等しい場合について示した式であるが、これらが異なる場合は、各ノズル入口のガス圧力が等しくなるように、（５）式に順じてガス流量が分配されるので、これに基づいて各ノズルからのガスジェットによるＬ／Ｄを計算して、これを各ノズルのスロート部の断面積で加重平均する方法により算出することができる。

この実施例は、３６０トンの上吹き転炉にて、表１に示すランスを用い、送酸速度を表２に例示した場合のように変えたときに発生したダストの量について、本発明（吹錬の段階に応じてランス吹精指標を変えたとき）と、従来例（開始から１００％までをキャビティ表面積かＬ／Ｄのいずれかのみで管理）とを比較した試験を説明するものである。その結果を、発明例と従来例とを比較して図４に示す。この図に示すように、従来技術を適用した例では、最大送酸速度が５５０００Ｎｍ^３／ｈｒで約１５０ｋｇ／ｍｉｎのダストを発生していたのに対し、本発明適合例では、最大送酸速度を６５０００Ｎｍ^３／ｈｒにまで上昇させても５０〜１５０ｋｇ／ｍｉｎに抑制することが可能となり、吹錬時間の短縮および生産性の向上が可能となった。
なお、従来例は、本発明の最適操業条件を外れた例である。

また、表２に示した本発明を適用すると、図５、図６に示すように、表２の従来例１の場合と比較して吹錬時間を２．２分および、ダスト発生量を３．２ｋｇ／ｔ程度改善できることがわかった。即ち、本発明の採用によって送酸速度を増大してもダストの発生量を抑制することが可能になることがわかった。

本発明の技術は、未処理溶銑を対象とする転炉の精錬方法であるが、この考え方は、予備処理溶銑を対象とする精錬にも応用が可能ある。

Claims (3)

1. 転炉で、珪素濃度０．１５質量％以上の溶銑を使って精錬する方法において、吹錬の各段階毎に、キャビティの形態に対応するランス吹精指標を用いて、ランスによる酸素吹精を行う際に、吹錬の初期と末期におけるランス吹精指標についてはキャビティの表面積を用い、一方、吹錬の中期におけるランス吹精指標についてはキャビテイ径とキャビテイ深さとの比を用いることを特徴とするダスト発生の抑制効果に優れる転炉の精錬方法。
2. 吹錬初期は、ランス吹精時に生じる無次元化したキャビティの表面積Ａ／（Ｗ／ρ）^２／３が０．６以下となるようにランスからの酸素噴射を行い、吹錬中期は、ランス吹精時に生じるキャビティの径Ｄとその深さＬとの比Ｌ／Ｄが０．８５以上になるようにランスからの酸素噴射を行い、そして、吹錬末期は、ランス吹精時に生じる無次元化したキャビティの表面積Ａ／（Ｗ／ρ）^２／３が０．６以下となるようにランスからの酸素噴射を行うことを特徴とする請求項１に記載のダスト発生の抑制効果に優れる転炉の精錬方法。
   但し、Ａはキャビティの表面積（ｍ^２）、Ｗは転炉ヒートサイズ（ton）、ρは溶銑比重７（ton／ｍ^３）である。
3. 脱珪処理または／且つ脱燐処理をしていない溶銑を用いることを特徴とする請求項１または２に記載のダスト発生の抑制効果に優れる転炉の精錬方法。

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