JP6743713B2 - 溶銑の脱炭吹錬方法 - Google Patents

Description

本発明は、上底吹き式転炉による溶銑の脱炭吹錬方法に関する。

転炉における脱炭吹錬では、溶鉄中の炭素（Ｃ）と溶鉄に供給した酸素の反応によりＣＯを生成させて溶鉄中の炭素を除去しているが、酸化鉄が不可避的に発生する。酸化鉄が過剰に生成すると、製造する溶鋼量が減少し、鉄歩留りが悪化するため好ましくない。そのため、炭素等の不純物の除去を効率的に行う、即ち、鉄の酸化ロスを低減して鉄歩留りを向上させることが脱炭吹錬では必要となる。
なお、本明細書では、「溶銑」及び「溶鋼」の上位概念として「溶鉄」という用語を使用する。

鉄歩留りを向上させる方法として、例えば特許文献１では、脱炭吹錬においてスラグ中の全鉄分（Ｔ．Ｆｅ）を低下させることを課題として、酸素と共に希釈ガスを用いて吹錬する技術が開示されている。詳細には、上吹き吹錬による撹拌エネルギーを低下させずに酸素供給速度を低減することにより、スラグ中のＴ．Ｆｅを低下させることが記載されている。
また、特許文献２も特許文献１と同様、脱炭吹錬においてスラグ中のＴ．Ｆｅを低下させることを課題とし、適切な撹拌を施すことで課題を解決する技術が記載されている。

特開平６−３３１２５号公報 特開２０００−３３６４１８号公報

特許文献１、２記載の方法によってスラグ中のＴ．Ｆｅ（酸化鉄量）を低下させ鉄歩留りを向上させることが可能であるが、脱りんに必要な酸化鉄が不足するため脱りんが進まないという知見を本発明者らは得ている。また、脱炭吹錬時に、溶銑予備処理スラグが残留している場合、スラグ中のりんが溶鉄に移行する復りん反応が起きる不都合もある。
従って、転炉による脱炭吹錬では、鉄の酸化ロスを低減して鉄歩留りを向上させ、且つ、酸化鉄を必要とする脱りんも効率的に推進できることが望ましい。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、転炉による脱炭吹錬末期において、鉄歩留りの向上と脱りんの推進を両立させることが可能な、溶銑の脱炭吹錬方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、上底吹き式転炉による溶銑の脱炭吹錬において、
溶鉄中炭素濃度が０．５質量％以下となる脱炭吹錬末期における上吹き吹酸速度を１．６〜３．６Ｎｍ^３／ｍｉｎ／溶鉄質量（ｔｏｎ）とすると共に、（１）式によって算出されるＢＯＣ値が５００〜２０００の範囲に収まる底吹きガス流量（Ｎｍ^３／ｍｉｎ）とし、
前記脱炭吹錬末期における上吹き吹酸量と底吹き吹酸量の和を４．０〜１０．０Ｎｍ^３／溶鉄質量（ｔｏｎ）とすることを特徴としている。

ただし、Ｑ_Ｏ２Ｓ：上吹き酸素流量と底吹き酸素流量の和（Ｎｍ^３／ｍｉｎ）、Ｗ：溶鉄質量（ｔｏｎ）、τ：均一混合時間（ｓ）、［Ｃ］：溶鉄中炭素濃度（質量％）

（１）式の分子は酸化鉄の生成速度を決める酸素の供給速度、分母は酸化鉄を還元する炭素の供給速度に相当する。因って、ＢＯＣ値は、酸素供給速度と底吹き撹拌動力のバランスを示す指標、即ち、上底吹き比を表している。
ＢＯＣ値が大きい程、底吹き撹拌動力に対して酸素供給速度が大きく、ＢＯＣ値が小さい程、底吹き撹拌動力に対して酸素供給速度が小さいことを示している。

本発明者らは、脱炭吹錬末期において、上吹き吹酸速度、上底吹き比、及び総吹酸量（上吹き吹酸量と底吹き吹酸量の和）がそれぞれ所定の要件を満足して初めて鉄歩留り向上と脱りん推進の両立を図れることを見出した。
上吹き吹酸速度の低下や適切な上底吹き比を施すことで転炉の鉄歩留りを向上させることは可能である。しかし、従来の脱炭吹錬では、上吹き吹酸速度もしくは上底吹き比のどちらか一方しか規定せず、また脱炭吹錬末期における総吹錬量を規定していなかったため、鉄歩留り向上と脱りん推進の両立を図ることが困難であった。

本発明によれば、脱炭吹錬時間を延長させることなく、転炉から排出されるスラグ中のＴ．Ｆｅ（酸化鉄量）を低下させて鉄歩留りを向上させ、且つ、スラグの酸化鉄濃度を脱りんに最適な濃度に制御して脱りんの推進を図ることができる。

本発明の一実施の形態に係る溶銑の脱炭吹錬方法に使用される上底吹き式転炉の模式図である。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。

本発明の一実施の形態に係る溶銑の脱炭吹錬方法では、上底吹き式転炉を用いて溶銑の脱炭吹錬を行う。使用する上底吹き式転炉の一例を図１に示す。
上底吹き式転炉は、溶鉄１４を貯留する転炉１１と、炉口１１ａから転炉１１内に挿入され、先端部から溶鉄１４に向けて酸素ガスを吹き付ける上吹きランス１２と、転炉１１の底部に設けられ、溶鉄１４に底吹きガスを吹き込む羽口１３とを備えている。底吹きガスには、アルゴン、窒素、酸素、二酸化炭素などが使用される。

転炉１１に溶鉄１４を投入し、上吹きランス１２の先端部から溶鉄１４に向けて酸素ガスを吹き付けると共に、羽口１３から底吹きガスを吹き込んで溶鉄１４を撹拌しながら溶銑の脱炭吹錬を行う。
なお、脱炭吹錬中に石灰系の造滓材を溶鉄１４に添加することにより、炉内で生成した酸化物が造滓材と溶融してスラグ１５が生成する。溶鉄１４中のりんは、スラグ１５中の酸化鉄と反応してＣａＯを含むスラグ１５に吸収される。

本実施の形態に係る溶銑の脱炭吹錬方法では、溶鉄中炭素濃度が０．５質量％以下となる脱炭吹錬末期において、以下の３要件を満足させることにより、鉄歩留り向上と脱りん推進の両立を図る。
・要件Ａ：上吹き吹酸速度を１．６〜３．６Ｎｍ^３／ｍｉｎ／溶鉄質量（ｔｏｎ）とする。
・要件Ｂ：酸素供給速度と底吹き撹拌動力のバランスを示すＢＯＣ値が５００〜２０００の範囲に収まる底吹きガス流量Ｑ_Ｂ（Ｎｍ^３／ｍｉｎ）とする。
・要件Ｃ：総吹酸量（上吹き吹酸量と底吹き吹酸量の和）を４．０〜１０．０Ｎｍ^３／溶鉄質量（ｔｏｎ）とする。

［要件Ａについて］
上吹き吹酸速度を１．６Ｎｍ^３／ｍｉｎ／溶鉄質量（ｔｏｎ）未満とすると、脱炭速度が著しく低下して脱炭吹錬時間の延長を招き、適切な時間内での脱炭が不可能となる。
上吹き吹酸速度を３．６Ｎｍ^３／ｍｉｎ／溶鉄質量（ｔｏｎ）以下とすることで、単位時間当たりの酸素の過剰供給を防ぎ、鉄の酸化速度を抑制して鉄歩留りの向上が可能となる。一方、上吹き吹酸速度が３．６Ｎｍ^３／ｍｉｎ／溶鉄質量（ｔｏｎ）超の場合、単位時間当たりの酸素供給量が過剰となるため、炭素の酸化と共に、鉄の酸化速度が著しく増加し、鉄歩留りの低下が顕著となる。

［要件Ｂについて］
ＢＯＣ値は、以下の（２）〜（５）式を用いて算出する。

ただし、
Ｑ_Ｏ２Ｓ：上吹き酸素流量と底吹き酸素流量の和（Ｎｍ^３／ｍｉｎ）
Ｗ：溶鉄質量（ｔｏｎ）
τ：均一混合時間（ｓ）
［Ｃ］：溶鉄中炭素濃度（質量％）
Ｈ：溶鉄浴高さ（静置時の溶鉄の最大深さ）（ｍ）
ρ：溶鉄密度（ｋｇ／ｍ^３）
ε_Ｖ,Ｂ：溶鉄容積当たりの底吹き投入エネルギー（Ｗ／ｍ^３・ｓ）
ε_Ｖ,Ｔ：溶鉄容積当たりの上吹き投入エネルギー（Ｗ／ｍ^３・ｓ）
Ｑ_Ｂ：底吹きガス流量（Ｎｍ^３／ｍｉｎ）
Ｖ_Ｌ：溶鉄容積（ｍ^３）
Ｔ_Ｌ：溶鉄温度（吹酸終点温度）（Ｋ）
Ｔ_ｎ：底吹きガスの初期温度（Ｋ）
Ｐ_２：大気圧（１．０３３×１０^４ｋｇ／ｍ^２）
ξ：上吹きランス孔中心線と鉛直線との間の角度（°）
Ｑ_Ｏ２,Ｔ：上吹き酸素流量（Ｎｍ^３／ｍｉｎ）
Ｍ：酸素分子量
ｎ：上吹きランスの孔数
ｄ_０：上吹きランス孔の先端出口平均径（ｍ）
Ｘ：静置時の溶鉄浴面と上吹きランス先端間距離（ｍ）

底吹き撹拌動力に対して酸素供給速度が高すぎる場合（ＢＯＣ値＞２０００）、火点（上吹きランスから吹き付けられた酸素ガスが溶鉄浴面と接触する領域）への炭素供給速度に対して酸素供給速度が過剰となるため、鉄の酸化速度が著しく増加し、鉄歩留りの低下が顕著となる。
一方、底吹き撹拌動力に対して酸素供給速度が低すぎる場合（ＢＯＣ値＜５００）、脱りん反応に必要なスラグ中酸化鉄の生成速度が著しく低下し、酸化鉄を利用した脱りん反応が進行しなくなる。
因って、底吹き撹拌動力と酸素供給速度が最適なバランスとなるＢＯＣ値５００〜２０００で脱炭吹錬することにより、スラグ中酸化鉄の生成速度が、鉄歩留り向上及び脱りん推進の観点から最適となる。

なお、（２）〜（５）式は、甲斐 幹，他４名，「上底吹き転炉の冶金反応特性に対する鋼浴攪拌強さの影響」，鉄と鋼，第６８年（１９８２）第１４号，ｐ．８２−９０に記載されている。

［要件Ｃについて］
要件Ａにより、適切な時間内での脱炭促進と、スラグ中酸化鉄の生成速度の抑制による鉄歩留り向上が可能となり、要件Ｂにより、スラグ中酸化鉄の生成速度を、鉄歩留りが著しく悪化しない程度とすることができる。しかし、脱りんに必要な酸化鉄の絶対量を確保するためには要件Ｃが必要となる。
脱りん反応には、スラグ中酸化鉄濃度と脱りん反応時間を確保することが必要であるが、総吹酸量が４．０Ｎｍ^３／溶鉄質量（ｔｏｎ）未満になると、要件Ａ、Ｂのもとでは、スラグ中酸化鉄濃度、脱りん反応時間の双方が確保されず、脱りん能力の悪化を招く。
一方、総吹酸量が１０．０Ｎｍ^３／溶鉄質量（ｔｏｎ）超になると、要件Ａ、Ｂのもとでは、鉄の過剰酸化が起こると共に脱炭吹錬時間の延長を招く。
因って、総吹酸量を４．０〜１０．０Ｎｍ^３／溶鉄質量（ｔｏｎ）以下とすることにより、脱炭吹錬時間を延長することなく、鉄歩留りの向上と脱りんの推進を図ることができる。

以上、本発明の一実施の形態について説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。

本発明の効果について検証するために実施した検証試験について説明する。
転炉の溶鉄量は３００〜４００ｔｏｎ、脱炭吹錬を実施する前の溶鉄の炭素濃度は４．０〜４．４質量％、りん濃度は１００〜１５０×１０^−３質量％、マンガン濃度は０．１５〜０．２５質量％であった。
また、脱炭吹錬開始時から溶鉄中炭素濃度が０．５質量％となるまでの上吹き吹酸速度は３．６Ｎｍ^３／ｍｉｎ／溶鉄質量（ｔｏｎ）、脱炭吹錬終了時における溶鉄中炭素濃度の目標値は０．０６質量％以下とした。

脱炭吹錬開始時から脱炭吹錬終了までの間に造滓材を投入した。脱炭吹錬末期（溶鉄中炭素濃度０．５質量％以下）におけるスラグ量は４０〜６０ｋｇ／溶鉄質量（ｔｏｎ）、スラグ中のＣａＯ濃度は４０〜５０質量％、塩基度（ＣａＯ質量％／ＳｉＯ_２質量％）は３．０〜４．０であった。
溶鉄に向けて酸素ガスを吹き付ける上吹きランスの先端部と溶鉄浴面間の距離は２．２〜２．６ｍとした。底吹きガスには酸素を用い、ＢＯＣ値が４００〜２２００となるように流量調整を行った。

試験条件及び試験結果の一覧を表１に示す。なお、試験結果の評価は以下の基準で行った。
Ｔ．Ｆｅは、１８．０質量％以下を合格（○）、１８．０質量％超を不合格（×）とした。終点炭素濃度は、０．０６質量％以下を合格（○）、０．０６質量％超を不合格（×）、終点りん濃度は、２０×１０^−３質量％以下を合格（○）、２０×１０^−３質量％超を不合格（×）とした。脱炭吹錬時間は、実施例４を基準とし、実施例４の脱炭吹錬時間以下を合格（○）、実施例４の脱炭吹錬時間超を不合格（×）とした。

同表より以下のことがわかる。
・実施例１〜４は、全ての評価項目が合格であった。
・比較例１は、上吹き吹酸速度が１．０Ｎｍ^３／ｍｉｎ／溶鉄質量（ｔｏｎ）（１．６Ｎｍ^３／ｍｉｎ／溶鉄質量（ｔｏｎ）未満）であったため、脱炭が進まず終点炭素濃度が不合格となった。また、脱りんに必要な酸化鉄の確保が不十分であったため、終点りん濃度も不合格となった。
・比較例２は、上吹き吹酸速度が４．０Ｎｍ^３／ｍｉｎ／溶鉄質量（ｔｏｎ）（３．６Ｎｍ^３／ｍｉｎ／溶鉄質量（ｔｏｎ）超）であったため、Ｔ．Ｆｅが過剰となり、Ｔ．Ｆｅが不合格となった。

・比較例３は、ＢＯＣ値が４００（５００未満）であったため、底吹き撹拌動力に対して酸素供給速度が低すぎて脱りんに必要な酸化鉄が不足し、終点りん濃度が不合格となった。
・比較例４は、ＢＯＣ値が２２００（２０００超）であったため、底吹き撹拌動力に対して酸素供給速度が高すぎて、Ｔ．Ｆｅが過剰となり、Ｔ．Ｆｅが不合格となった。また、酸化鉄が生成しすぎたため、スラグ中のＣａＯ濃度が低下して復りんが発生し、終点りん濃度が不合格となった。

・比較例５は、総吹酸量が３．０Ｎｍ^３／溶鉄質量（ｔｏｎ）（４．０Ｎｍ^３／溶鉄質量（ｔｏｎ）未満）であったため、脱炭が進まず終点炭素濃度が不合格となった。また、脱りんに必要な酸化鉄の確保が不十分であったため、終点りん濃度も不合格となった。
・比較例６は、総吹酸量が１２．０Ｎｍ^３／溶鉄質量（ｔｏｎ）（１０．０Ｎｍ^３／溶鉄質量（ｔｏｎ）超）であったため、Ｔ．Ｆｅが過剰となり、Ｔ．Ｆｅが不合格となった。また、脱炭吹錬時間も延びたため、脱炭吹錬時間が不合格となった。

１１：転炉、１１ａ：炉口、１２：上吹きランス、１３：羽口、１４：溶鉄、１５：スラグ

Claims (1)

1. 上底吹き式転炉による溶銑の脱炭吹錬において、
   溶鉄中炭素濃度が０．５質量％以下となる脱炭吹錬末期における上吹き吹酸速度を１．６〜３．６Ｎｍ^３／ｍｉｎ／溶鉄質量（ｔｏｎ）とすると共に、（１）式によって算出されるＢＯＣ値が５００〜２０００の範囲に収まる底吹きガス流量（Ｎｍ^３／ｍｉｎ）とし、
   前記脱炭吹錬末期における上吹き吹酸量と底吹き吹酸量の和を４．０〜１０．０Ｎｍ^３／溶鉄質量（ｔｏｎ）とすることを特徴とする溶銑の脱炭吹錬方法。
   

   

   ただし、Ｑ_Ｏ２Ｓ：上吹き酸素流量と底吹き酸素流量の和（Ｎｍ^３／ｍｉｎ）、Ｗ：溶鉄質量（ｔｏｎ）、τ：均一混合時間（ｓ）、［Ｃ］：溶鉄中炭素濃度（質量％）

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