JP6828509B2 - 溶解炉の操業方法 - Google Patents

Description

本発明は、特に溶銑を製造する溶解炉の操業方法に関する。

転炉や電気炉等の溶解炉にてスクラップや還元鉄を原料として溶銑を製造する際、それらの溶解効率を向上させる方法として、炉底に設置した底吹きノズルから炉内の溶銑へガスを吹き込む方法（以下、底吹き攪拌という。）が知られている。特に底吹きノズルから酸素を吹き込む場合は、溶銑中炭素との燃焼反応によりＣＯを生成してモル数が増えるため、窒素やアルゴン等の不活性ガスを吹き込む場合と比べて同じガス流量でも攪拌力が強く、その上、熱発生面でも有利なことから、効率的に原料を溶解できる。しかし、攪拌力が向上する一方で、局所的に燃焼熱が発生する影響やガス発生量の増大により底叩きが増加する影響により、底吹きノズルの損耗速度が酸素底吹きをしない場合と比べて大きくなる。その対策として、底吹きノズルとして、内管から酸素ガスを流し、内管と外管との間の間隙からＣＯ₂やＮ₂、ＬＰＧ等の冷却ガスを流す二重管構造のノズルを採用し、冷却ガスの顕熱、およびＬＰＧに関してはその分解熱でノズル周辺の溶銑を冷やし、マッシュルームと呼ばれる地金の塊を形成させて、ノズルを熱や底叩きから保護する方法が用いられている。

例えば、特許文献１には、精錬用底吹き羽口の保護方法が記載されている。その方法では、溶鉄による羽口への熱負荷を表す受熱速度と、吹き込むガスの顕熱による抜熱速度との比である受熱指数が特定の範囲になるよう、内管および外管の内外径を選択している。また、羽口に形成されたマッシュルームは、転炉操業において吹錬初期から吹錬末期にかけて成長し、最末期に溶解して排滓期に最低となることが記載されているが、生成したマッシュルーム中の炭素成分値は記述されておらず、主に溶銑を製造する溶解炉においても同様の溶損速度低減効果が得られるかは不明である。

特許文献２には、転炉等の炉底部に配設する羽口として二重管を採用し、内管から炉内の溶融金属に酸素を吹き込むと共に、内管と外管との間の間隙部からプロパンガス等の冷却ガスを吹き込んで、羽口先端部にマッシュルームを生成させて羽口を保護する技術が記載されている。しかし、溶鋼よりも羽口へのマッシュルームの溶着性が悪い溶銑を対象とした場合の効果については、言及されていない。

特開平８−２８３８２２号公報 特開２００６−１２４８０４号公報

上底吹き転炉を用いてスクラップや還元鉄を使用して溶銑を製造する溶解炉の操業では、溶鋼を製造する一般的な転炉操業と比較して、底吹き羽口にマッシュルームが溶着しにくく、羽口および炉底の損耗速度が大きいという問題がある。これは、溶銑が溶鋼よりも羽口へのマッシュルームの溶着性が悪いことに起因すると考えられる。

そこで、本発明は前述の問題点を鑑み、マッシュルームを溶着させたまま溶銑を製造する溶解炉の操業方法を提供することを目的とする。

本発明の要旨とするところは以下のとおりである。
（１）上吹きランスと底吹き羽口とを有する溶解炉を用いて固体鉄源を溶解し、溶銑を製造する溶解炉の操業方法であって、
前記溶解炉内に種湯として収容した溶銑に固体鉄源を投入し、前記上吹きランスから当該溶銑に酸素を吹き付けつつ熱源として炭材を供給すると共に、前記底吹き羽口として内管と外管とを有する二重管を採用し、前記内管からＯ₂ガス、前記内管と前記外管との間の間隙から冷却ガスを吹き込んで溶銑を製造する第１の工程と、
前記種湯とした量の溶銑を前記第１の工程で用いる種湯として前記溶解炉内に残して、前記第１の工程で製造した溶銑を前記溶解炉外へ出湯する第２の工程と、
前記第１の工程と前記第２の工程とを１５回以下繰り返した後に、前記第２の工程で前記溶解炉内に残した溶銑を前記第１の工程で用いる種湯とすることに代えて、前記第２の工程で前記溶解炉内に残した溶銑を吹錬して溶鋼を製造し、前記溶鋼を前記溶解炉外へ出鋼する第３の工程とを有し、
前記第３の工程の終了後に他の溶解炉から前記種湯を前記溶解炉に供給して前記第１の工程を再開することを特徴とする溶解炉の操業方法。

本発明によれば、マッシュルームを溶着させたまま溶銑を製造する溶解炉の操業方法を提供することができる。

脱炭処理間隔と羽口損耗速度指数との関係を示す図である。 脱炭処理間隔と炉底損耗速度指数との関係を示す図である。

以下、本発明について詳細に説明する。以下の説明では、上底吹き転炉を用いてスクラップや還元鉄を溶解し、溶銑を製造する溶解炉の操業方法であって、より具体的には、炉内に種湯として収容した溶銑に固体鉄源としてスクラップや還元鉄を投入し、上吹きランスから溶銑に酸素を吹き付けつつ熱源として炭材を供給すると共に、炉底に設置した二重管ノズルの羽口の内管からＯ₂ガス、内管と外管との間の間隙からＣＯ₂やＮ₂、ＬＰＧ等の冷却ガスを吹き込んで溶銑を製造することを前提とする。

溶銑を製造する場合は、溶鋼を製造する場合と比較して羽口へのマッシュルームの溶着性が悪く、羽口および炉底への熱負荷やガスの底叩きからの保護がしにくい条件であるため、損耗速度はさらに大きくなると考えられる。そこで、本発明者らは、溶解炉にて溶銑の製造を行っている操業の途中で時々溶銑を脱炭処理し、底吹き羽口に溶鋼成分のマッシュルームを溶着させた上で、溶銑の製造を再開することを着想した。このような操業方法をとることで、溶銑の製造中でもマッシュルームが安定して底吹き羽口に溶着し、その結果として羽口および炉底の損耗速度が低減できると考えられる。

そこで、上述した考え方の効果を調べるために、次のように比較試験を実施した。
先ず第１の工程として、炭素濃度４．０〜４．３ｍａｓｓ％、温度約１３５０℃の溶銑１００トンが種湯として収容されている溶解炉へ、スクラップおよび還元鉄を炉上から投入した。上吹きランスからは酸素を２４０００Ｎｍ³／ｈの速度で吹き込み、炉底に設置した２本の二重管ノズルを用いて、底吹きとして羽口の内管から酸素を７００Ｎｍ³／ｈ、内管と外管との間の間隙からＬＰＧを４０Ｎｍ³／ｈの流量で吹き込んだ。二重管ノズルの材質は、内管、外管ともにステンレス材（ＳＵＳ３０４）であり、サイズは、内管は内径１８ｍｍ、外径２０ｍｍ、外管は内径３１ｍｍ、外径３３ｍｍのものを使用した。炉底および炉壁耐火物には、ＭｇＯ−Ｃレンガを使用した。炭素含有燃料として粒径０．５〜２．０ｍｍの微粉炭を上方から供給し、投入したスクラップおよび還元鉄を溶解・還元することにより溶銑量が１００トンから１５０トンになるまで約４０分間溶解を行った。溶解終了後の溶銑は、炭素濃度４．０〜４．３ｍａｓｓ％、温度１３５０〜１４００℃であった。ここまでの作業を「１チャージ」と呼ぶこととする。

その後、第２の工程として炉を傾動させ、次チャージの溶解の種湯とする溶銑１００トンを炉内に残して、新たに製造した溶銑５０トンを鍋に排出した。以降、第１の工程と第２の工程とを基本的に繰り返した。
この第２の工程の後、炉を傾動させたまま羽口長さを検寸して損耗速度（ｍｍ／ｃｈ）を測定し、また、炉底耐火物の損耗速度（ｍｍ／ｃｈ）をレーザープロフィール計により測定した。

上記第１の工程と第２の工程とを繰り返している途中で、頻度を変えて第３の工程として種湯である溶銑１００ｔの脱炭処理を行った。脱炭処理時は、上吹きランスから酸素を２００００Ｎｍ³／ｈ、底吹きは上記１チャージでの操業と同様に二重管ノズルの内管から酸素を７００Ｎｍ³／ｈ、内管と外管との間の間隙からＬＰＧを４０Ｎｍ³／ｈの流量で吹き込み、１８分間吹錬した。吹錬終了後の溶鋼は、炭素濃度約０．０５〜０．１０ｍａｓｓ％、温度約１６５０℃であった。吹錬終了後に製造した溶鋼１００ｔは全量出鋼し、製品とするため同工場内に保有する二次精錬工程であるＲＨへ供給した。毎回炉を傾動させた状態で炉底を観察し、底吹き羽口にマッシュルームが付着していることを確認した。炉底観察後、溶解炉には同工場内に保有する別の溶解炉で製造した炭素濃度４．０〜４．３ｍａｓｓ％、温度約１３５０℃の種湯１００ｔを供給した上で溶銑の製造を再開した。繰り返し上記作業を行うことで、脱炭処理間隔に対する羽口および炉底損耗速度の関係を調査した。

上記条件下で比較試験を行ったときの試験結果を表１に纏めて示すと共に、図１に脱炭処理間隔と羽口損耗速度指数との関係を示し、図２に脱炭処理間隔と炉底損耗速度指数との関係を示す。以下の試験では溶銑の製造は各水準とも合計６０チャージ実施した。なお、脱炭処理間隔は、脱炭処理を行うまでに溶銑を製造したチャージ数と定義する。また、羽口損耗速度指数は、新炉の状態から上記脱炭処理を行わず連続６０チャージ溶銑を製造したときの底吹き羽口における羽口損耗速度（ｍｍ／ｃｈ）を基準値「１」とし、脱炭処理を行った頻度に対する羽口損耗速度（ｍｍ／ｃｈ）を、それぞれ指数で表示したものである。同様に、炉底損耗速度指数は、新炉の状態から上記脱炭処理を行わず連続６０チャージ溶銑を製造したときの底吹き羽口の中心から半径３０ｃｍ以内の炉底耐火物における炉底損耗速度（ｍｍ／ｃｈ）を基準値「１」とし、脱炭処理を行った頻度に対する同じ範囲での炉底損耗速度（ｍｍ／ｃｈ）を、それぞれ指数で表示したものである。また、脱炭処理後、溶鋼を全量出鋼した後に炉を傾動させた状態で炉底を観察した時の羽口へのマッシュルームの有無についても表１に記載した。

先ず、表１のＮｏ．６は脱炭処理を行わない比較例（従来の操業）であり、羽口へのマッシュルームの付着は殆ど確認できなかった。一方、Ｎｏ．１〜５は脱炭処理を溶銑製造の５チャージから３０チャージ毎に行った例で、各脱炭処理の後には羽口へのマッシュルームの付着が確認できた。

図１には、計６０チャージの溶銑製造時に、脱炭処理を行うまでに連続して溶銑を製造した回数である「脱炭処理間隔」に対する底吹き羽口の「羽口損耗速度指数」を示している。溶銑の製造を繰り返す中で脱炭処理を周期的に行った本発明例であるＮｏ．１〜５の内、脱炭処理間隔が５〜２０のＮｏ．１〜４では、脱炭処理を全く行わなかった比較例（従来の操業）であるＮｏ．６と比べて、羽口損耗速度指数が小さくなっていて、羽口寿命の延長効果が認められた。特に、脱炭処理間隔が１５以下のＮｏ．１〜３では、羽口損耗速度指数の低下が顕著であった。

一方、脱炭処理間隔が３０のＮｏ．５では、脱炭処理を全く行わなかったＮｏ．６と比べて羽口損耗速度指数が悪くはなかったが、低下を認めるほどではなかった。このことは、溶銑製造１５チャージにつき１回以上の頻度で溶銑の脱炭処理を行い、底吹き羽口にマッシュルームを生成させた場合には、その羽口損耗速度指数の低下効果が顕著に認められるようになった一方、溶銑製造を３０チャージで１回行った後にさらに溶銑製造を３０チャージ繰り返した後では、脱炭処理によるマッシュルーム生成効果が殆ど現れなかったということと考えられる。これは、脱炭処理間隔が大きい状態で溶鋼成分のマッシュルームを羽口へ生成させただけでは、溶銑からの熱負荷および底吹きガスによる底叩きから羽口を保護するのに十分な量のマッシュルームが溶着しないことを示している。一方で、脱炭処理間隔が１５チャージにつき１回以上の割合で脱炭処理を行うことで、羽口を保護するのに十分な量のマッシュルームが羽口に溶着し、羽口の損耗速度低減につながったものと考えられる。

さらに、図２に「脱炭処理間隔」に対する「炉底損耗速度指数」を示す。炉底の損耗速度低減効果についても、上記羽口損耗速度の低減効果と同様のことが言える。すなわち、脱炭処理間隔が１５チャージにつき１回以上の割合で脱炭処理を行うことで、熱負荷や底叩きから炉底を保護するのに十分な量とサイズのマッシュルームが羽口に溶着したため、損耗速度低減につながったものと考えられる。以上の結果から、溶銑製造１５チャージにつき１回以上の頻度で溶銑の脱炭処理を行うことが好ましいことが確認できた。

次に、本発明の実施例について説明するが、実施例での条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。

溶解炉の条件として、炉底には、二重管ノズルで形成された羽口が２か所存在し、二重管ノズルの材質は、内管と外管ともにステンレス材（ＳＵＳ３０４）であり、サイズは、内管は内径１８ｍｍ、外径２０ｍｍ、外管は内径３１ｍｍ、外径３３ｍｍのものを使用した。炉底および炉壁耐火物には、ＭｇＯ−Ｃレンガを使用した。

まず、第１の工程として、上述した溶解炉に、炭素濃度４．０〜４．３ｍａｓｓ％、温度約１３５０℃の溶銑１００トンが種湯として収容されており、溶解炉へ、スクラップおよび還元鉄を炉上から投入した。そして、上吹きランスからは酸素を２４０００Ｎｍ³／ｈの速度で吹き込み、底吹きとして炉底に設置した２か所の羽口の内管から酸素を７００Ｎｍ³／ｈ、内管と外管との間の間隙からＬＰＧを４０Ｎｍ³／ｈの流量で吹き込んだ。さらに、炭素含有燃料として粒径０．５〜２．０ｍｍの微粉炭を上方から供給し、投入したスクラップおよび還元鉄を溶解・還元することにより溶銑量が１００トンから１５０トンになるまで約４０分間溶解を行った。溶解終了後の溶銑は、炭素濃度４．０〜４．３ｍａｓｓ％、温度１３５０〜１４００℃であった。

その後、第２の工程として炉を傾動させ、次チャージの溶解の種湯とする溶銑１００トンを炉内に残して、新たに製造した溶銑５０トンを鍋に排出した。以降、１０チャージ分の溶銑を製造するまで第１の工程と第２の工程とを繰り返した。ここまでの操業を１０チャージ分繰り返した後に、炉を傾動させたまま羽口長さを検寸して羽口損耗速度（ｍｍ／ｃｈ）を測定し、また、炉底耐火物の炉底損耗速度（ｍｍ／ｃｈ）をレーザープロフィール計により測定した。

その後、第３の工程として、上記の種湯溶銑１００トンに対して脱炭処理を行った。脱炭処理時は、上吹きランスから酸素を２００００Ｎｍ³／ｈ、底吹きは上記操業と同様に二重管ノズルの内管から酸素を７００Ｎｍ³／ｈ、内管と外管との間の間隙からＬＰＧを４０Ｎｍ³／ｈの流量で吹き込み、１８分間吹錬した。吹錬終了後の溶鋼は、炭素濃度約０．０５〜０．１０ｍａｓｓ％、温度約１６５０℃であった。吹錬終了後は溶鋼１００ｔ全量を出鋼し、溶鋼１００ｔは全量製品とするため同工場内に保有する二次精錬工程であるＲＨへ供給した。毎回脱炭終了後に炉を傾動させた状態で炉底を観察し、底吹き羽口にマッシュルームが付着していることを確認した。炉底観察後、溶解炉には同工場内に保有する別の溶解炉で製造した炭素濃度４．０〜４．３ｍａｓｓ％、温度約１３５０℃の種湯１００ｔを供給した上で溶銑製造を再開した。以降もこのように１０チャージ分の溶銑を製造する度に脱炭処理を行い、脱炭処理間隔に対する羽口損耗速度および炉底損耗速度の関係を調査した。

比較のため、工程１及び工程２の条件を同じとし、脱炭処理を行わずに１００チャージ分の溶銑を繰り返し製造した後に、羽口損耗速度及び炉底損耗速度を同様に測定した。その結果、脱炭処理を行わずに１００チャージ分の溶銑を製造した場合と比べて、１０チャージ分の溶銑を製造する度に脱炭処理を行うと、羽口損耗速度は３／１０に、炉底損耗速度は３／１０に改善したことが確認された。

Claims (1)

1. 上吹きランスと底吹き羽口とを有する溶解炉を用いて固体鉄源を溶解し、溶銑を製造する溶解炉の操業方法であって、
   前記溶解炉内に種湯として収容した溶銑に固体鉄源を投入し、前記上吹きランスから当該溶銑に酸素を吹き付けつつ熱源として炭材を供給すると共に、前記底吹き羽口として内管と外管とを有する二重管を採用し、前記内管からＯ₂ガス、前記内管と前記外管との間の間隙から冷却ガスを吹き込んで溶銑を製造する第１の工程と、
   前記種湯とした量の溶銑を前記第１の工程で用いる種湯として前記溶解炉内に残して、前記第１の工程で製造した溶銑を前記溶解炉外へ出湯する第２の工程と、
   前記第１の工程と前記第２の工程とを１５回以下繰り返した後に、前記第２の工程で前記溶解炉内に残した溶銑を前記第１の工程で用いる種湯とすることに代えて、前記第２の工程で前記溶解炉内に残した溶銑を吹錬して溶鋼を製造し、前記溶鋼を前記溶解炉外へ出鋼する第３の工程とを有し、
   前記第３の工程の終了後に他の溶解炉から前記種湯を前記溶解炉に供給して前記第１の工程を再開することを特徴とする溶解炉の操業方法。

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