JPS58725B2 - 高炉操業方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、高炉操業方法に関するものであり、さらに詳
細に述べるならば、銑鉄中の硫黄濃度を調整する方法に
関するものである。

硫黄（以下Ｓと称する）は鋼材の性質を害する元素であ
り、鋼材中のＳ濃度に関しては非常に厳格な規格が定め
られている。

したがって製錬工程における脱硫反応は重要である。

とくに高炉内の雰囲気は転炉内のそれに比べてはるかに
強還元性のため脱硫反応にとって有利であり、高炉内の
脱硫反応の程度が、鋼材中のＳ濃度や製錬工程における
脱硫コストを決定しているといっても過言ではない。

したがって、高炉内における脱硫反応機構や銑鉄中のＳ
濃度の推定に関する研究が、後述のように古くから行わ
れてきたが、炉容積あるいはスラグ組成などの高炉操業
条件が異る任意の条件のもとで、銑鉄中のＳ濃度や脱硫
要因の定量的効果を適確に推定・評価する方法はまだ確
立されていなかった。

その理由は、高炉内における諸反応の機構が複雑なため
であり、たとえば脱硫反応を例にとって説明すると、炉
下部におけるガスによる脱硫反応、炉床に貯溜したスラ
グ層内を溶銑層が滴下する過程での脱硫反応および出銑
口より排出されるまでの炉床のスラグ層−溶銑層の界面
での脱硫反応と反応機構は複雑であり、銑鉄中のＳ濃度
を高炉操業条件から総括的に推定したり、前記高炉操業
要因の脱硫効果を定量化することに困難と考えられてい
たためである。

ところで、脱硫に関する従来技術の概要を説明すると、
大別して、理論的方法によるアプローチと統計的方法に
よるアプローチの２つに分けられるが、このうち、前者
の理論的方法は、主として熱力学的モ衡論に立脚したも
のであり、平衡時のスラグ中のＳ濃度（％Ｓ）。

、と銑鉄中のＳ濃度〔％Ｓ〕。

、の比すなわちスラグと銑鉄へのＳの平衡分配比（％５
）ｅｑ／〔％Ｓ〕ｅｑを熱力学データより推定し、スラ
グ組成や銑鉄組成の脱硫効果を評価するものである。

しかしながら、高炉内における脱硫反応は平衡に達して
いないことが従来の通説であり、前記のＳの平衡分配比
（％Ｓ）。

、／〔％Ｓ〕。

、に基づいて、銑鉄中のＳ濃度を推定し高炉操業に適用
１〜でいるとの報告はない。

むしろ最近の研究（文献１．槌谷、川口、高山、間部：
鉄と鋼、９−β（１９７７）、Ｐ、１７９１）によると
、式（４）で定義されるＳの実績分配比Ｌｓと、式（５
）で定義されるＳの平衡分配比しｓｏとの比から、次式
（３）で炉況指数Ｒｓを求め、 ただし。

ここで、（％Ｓ）、〔％Ｓ〕ニスラグおよび銑鉄中のＳ
濃度、ｆＳ：銑鉄中のＳの活量係数前記Ｒｓによって脱
硫反応の平衡への到達後、換訂すれば、炉下部−＼のＦ
ｅＯの降下状態を検出し、酸化鉄還元状態の良否を判定
しているとの報告がある。

当然、この場合、前記Ｒｓで判定される炉床部での脱硫
反応は平衡状態にはないため、Ｒｓ＼１００であり、操
業条件あるいは炉がちがう・ｉとにより、炉況指数Ｒｓ
が変動すると報告されている。

一方、後者の統計的方法は、従来多くの報告があり、以
下２．３の研究例の概要を説明するが、脱硫解析に統計
的手段が多用された理由は、前述のごとく、高炉内にお
ける脱硫反応機構が複雑であり、たとえば、熱力学的平
衡論の手法では銑鉄中のＳ濃度の推定が不可能であると
の判断がなされていたものと推察される３３ さて、脱硫要因の効果の定量化あるいは銑鉄中のＳ濃度
の推定のための統計的解析には、脱硫反応に関与すると
考えられる要因を独立変数とし、銑鉄中Ｓ濃度〔％Ｓ〕
あるいは、Ｓの分配比（％Ｓ）／〔％Ｓ〕を従属変数と
する重回帰分析が一般に行われている。

前者の〔％Ｓ〕を従属変数とした解析例として次式が報
告されている〔文献２．新日鉄・釜石製鉄所：第３３回
製銑部会資料、銑３３−９−共イ（１９６８・１０）〕
。

ここで、〔％Ｓｉ、ｌ］：銑鉄中の硅素濃度（％）、Ｔ
ｐ：溶銑温度（’Ｃ’）、（％Ｃａ０）、（％５ｉｎ２
）、（％Ａ１２０３）ニスラグ中のＣａｂ、５ｉｎ２、
Ａｌ２Ｏ３濃度（％）、γ：出銑比（ｔ／ｄ−ゴ）、（
Ｔ−８）：装入硫黄量（ｋｇ／ｌ）また、後者のＳの分
配比（％Ｓ）／〔％Ｓ〕を従属変数とした解析例として
は、次式が報告されている〔文献３、佐々木、安藤、佐
藤、槌谷、梅垣、篠崎：鉄と鋼、５０（１９６４）、Ｐ
、１６１１）。

そして、銑鉄中のＳ濃度〔％Ｓ〕は、Ｓバランスから得
られた次式（３）へ、前記（力式を代入することにより
推定できると報告している。

ここで、 Ｓ：銑鉄トン当りの装入硫黄量（１） Ｖ：銑鉄トン当りのスラグ量（１） 以上、銑鉄中のＳ濃度を推定するための従来方法につい
て概説したが、つぎに脱硫要因の効果の評価方法の例を
（６）式の重回帰式を例にとって説明すると、たとえば
、スラグの塩基度（％Ｃａ０）／（％５ｉＯ２）を±０
．１増減した場合に、銑鉄中のＳ濃度〔％Ｓ〕は＋７．
１０Ｘ１０−３（％）変化するというように、（６）式
もしくは（力、（８）式が求められれば比較的簡単に定
量化することが可能である。

以上、高炉内の脱硫反応に関する従来技術の概要を説明
してきたが、既述のように、高炉の実操業における銑鉄
中のＳ濃度の推定や脱硫要因の効果の推定には統計的方
法が多く用いられてきた。

しかしながら、統計的方法の大きな欠点は統計解析によ
って得られた結果の適用範囲が限定されることである。

さらに補足説明するならば、統計処理のために用いたデ
ータの得られた高炉において、しかも、用いたデータの
範囲内においてのみ、ある程度の信頼度をもって統計解
析結果を適用できると考えるべきである。

以下、実例によってその根拠を説明する。

第１表は、高炉内容積および操業条件の異る３種類の高
炉の脱硫関連の操業データ（いずれも月平均値）を示し
たものである。

第１表の備考欄に操業の特徴を略記したが、Ｎ１炉は鋳
物銑吹製の高炉であり、Ｎ３炉およびＳ１炉は製鋼用銑
吹製の高炉である。

第１表に示す通り、出銑比、送風重力、スラグ塩基度（
％Ｃａ０）／（％５ｉＯ２）および銑鉄中のＳｉ濃度〔
％Ｓｉ）などの操業条件がお払いに相当異っている。

さて、銑鉄中のＳ濃度の実測値と、前記（６）式および
（７）、（８）式によるＳ濃度の推定値を第１表の下欄
に比較して示したが、明らかに、実測値と推定値との間
には相当の差異が認められる。

したがって、既述のごとく任意の高炉操業条件に対して
、銑鉄中のＳ濃度な的確に推定することが従来方法によ
る限りきわめて困難なことが明白であり、必然的に、従
来方法によって脱硫要因の効果を正確に杷握することも
できない。

本発明の目的は、銑鉄中のＳ濃度の推定やスラグ組成そ
の他の高炉操業要因の脱硫効果の評価に関する従来方法
の欠点を除去１−１銑鉄中のＳ濃度を設定Ｌ１標値と等
しくするように高炉操業条件を的確に調整するための画
期的な方法を提供することにある。

すなわち、本発明の要旨は、高炉操業要因である装入硫
黄量（Ｔ、Ｓ）、スラグ比ＳＲ１溶銑温度Ｔｐ、送風川
内Ｐｂ、スラグ組成および銑鉄組成の実測値もしくは設
定目標値から、銑鉄中の硫黄濃度〔％Ｓ〕を次式に基づ
いて算定し、 ただし、 ここで、 β：銑鉄とスラグへのＳの吸収率 δ：温度補正定数 〔％Ｃ〕、〔％Ｓｉ、ｌ］、〔％Ｍｎ：ｌ：銑鉄中の炭
素、硅素、およびマンガンの各濃度 （％Ｃａ０）、（ＳｉＯ２）、（％Ｍｇ０）、（％Ａ１
２０３）ニスラグ中のＣａＯ１ＳｉＯ２、ＭｇＯおよび
Ａｌ２Ｏ３の各濃度 該硫黄濃度〔％Ｓ〕が、あらかじめ設定された目標値と
等しくなるように、前記高炉操業要因の一一個または複
数個の条件を調整することを特徴とする高炉操業方法で
ある。

以下、本発明の具体的な構成、作用および効果を詳細に
説明する。

銑鉄中へのＳの移行に関する反応の基礎式として次式を
用いる。

（９）式の左辺の８２（ｆ？）はＳが気体であることを
表わし、右辺の旦はＳが銑鉄中へ溶解している仁とを示
す。

（９）式の平衡に関する推奨値は次式で与えられている
〔文献４、松下、坂尾：鉄と鋼、５８（１９７２＞、Ｐ
、１５３５）。

ここで、ΔＧ３．自由エネルギー変化 （Ｃａｌ／ｍｏｌ）、Ｔ：温度■である。

（９）式の反応。の平衡定数Ｋｓは次式で表わせる。

ただし、ｆｓ：銑鉄中のＳの活量係数であり、Ｂａｎｙ
ａらのデータ〔文献５．Ｓ、ＢａｎｙａａｎｄＪ、Ｃｈ
ｉｐｍａｎ：ＴｒａｎｓｏＭ、ｅｔ、Ｓｏｃ、ＡＩＭＥ
Ｅ、２４５（１９６９）、Ｐ、１３３）を用いると次式
で表わされる。

ここで、〔％Ｃ〕、〔％Ｓｉ、ｌ、〔％Ｍｎ）：それぞ
れ、銑鉄中のＣ，Ｓｉ、Ｍｎの重量百分敦％）である。

また、〔％Ｓ〕、（％Ｓ）：銑鉄中およびスラグ中のＳ
の重量百分率（％）、Ｐｏ２：ガス中の酸素の分圧（ａ
ｔｍ）であり後述（２４）式で求められる。

またＣ８：サルファイドキャパシティ （ＳｕｌｐｈｉｄｅＣａｐａｃｉｔｙ）と呼ばれ、スラ
グ中へのＳの吸収能を表わす指数であり、次式で定義さ
れる。

ここで、Ｐｓ２：ガス中のＳの分圧（ａｔｍ）である。

さて、該サルファイドキャパシティＣｓ（以下Ｃｓと称
する）は、スラグ組成および温度と密接な関係をもつこ
とが知られている。

すなわち、第１図は、１５００℃における前記Ｃｓとス
ラグ組成の関係を示したものである〔文献６．Ａ、Ｓ。

ＶｅｎｋａｔｒａｄｉａｎｄＨ，Ｂ、Ｂｅ１ｌ：ＪＩＳ
Ｉ、２０７（１９６９）、Ｐ、１１１０）。

第１図における横軸をＲとお（と、Ｒは次式で表わされ
る。

ここで、Ｎｃａｏ、ＮＭｇｏ１Ｎｓｉｏ２、ＮＡ１２ｏ
３ニスラグ中のＣａｂ、ＭｇＯ１ＳｉＯ□およびＡｌ２
Ｏ３のモル分率（→である。

第１図より明ら・かなように、１ｏｇｃｓとＲとの間に
は高度の直線関係があり、１５００℃における両者の関
係を最小自乗法で近似すると次式が得られる。

ところで、Ｖｅｎｋａｔｒａｄｉら（前記文献６）は、
１５５０℃におけるＣｓは１５００℃におけるＣｓの１
．３〜１．３５倍と推定している。

そこで、Ｃｓの温度関係式として次式を仮定し、 ただし、Ｔ：温度（Ｋ）、ｂ、ｅ：定数 １５５０℃のＣｓが１５５０℃のＣｓの１．３倍とおく
と、ｂ＝７３６３、ｃ＝１．４１７が得られる。

したがって、０４）式右辺の各スラグ組成のモル分率を
重量百分率に換算し、（Ｉ６）式へ代入すると、Ｃｓの
推定式として次式が得られる。

ただし、Ｂニスラグ塩基度（− （％Ｃａｂ）／（％５ｉｎ２）） ところで、前記（１０）式の自由エネルギー変化ΔＧ８
と（１１）式で表わされる平衡定数Ｋｓとの間には次式
の関係が成り立つ。

したがって、（１０）式およびＵυ式を（１８）式へ代
入し整理すると次式が得られる。

つぎに、ガス中の酸素の平衡分圧Ｐｏ２を次式の反応の
平衡分圧として求める。

ここで、〈Ｃ〉：炉床に存在する固体のコークス、ｃｏ
（４ニー酸化炭素ガスである。

（２０）式の反応の自由エネルギー変化ΔＧ８゜は次式
で与えられている〔文献７．０．Ｋｕｂａｓｃｈｅｗｓ
ｋｉ、Ｅ、Ｌｌ。

ＥｖａｎｓａｎｄＣ，Ｂ、Ａｌｃｏｃｋ：Ｍｅｔａｌｌ
ｕｒｇｉｅａｌＴｈｅｒｍｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ、（１
９６７））。

また、（２０）式の平衡定数ＫＣは次式で表わせる。

しかるに、△ＧｏＯとＫｃとの間には次式の関係がある
から、（２１）式および（２■式を（２３）式へ代入し
、Ｐｏ２について整理すると次式が得られる。

ここで、−酸化炭素ガスの分圧Ｐｃｏ（ａｔｍ）は、以
下の前提をおくと（２５）式で近似できる。

すなわち、炉床部での脱硫反応が、炉床部に貯溜してい
るスラグ層内を溶銑粒が滴下する過程で大半行われると
みなせば、前記（２０）式の反応で生成する一酸化炭素
ガスの分圧Ｐｃｏは、少くともスラグ層上面に作用して
いる炉内ガス圧力以上でなげればならない。

そこで、前記炉内ガス圧力を送風圧力ｐｂ（ｋｇ／ｃａ
ｔ１ゲージ）と等しいとみなせば、前記Ｐｃｏは次式で
近似できる。

したがって、（１２）式、（１７）式、（２４）式およ
び１２５）式を０９）式へ代入し、スラグと銑鉄中への
Ｓの分配比（％Ｓ）／〔％Ｓ〕について整理すると次式
が得られる。

ここで、Ｂニスラグ塩基度であり次式で表わされる。

また、温度Ｔ（Ｋ）は、はぼ溶銑温度Ｔｐ（°Ｃ）と等
しくおけるが、炉内容積Ｖ（７７Ｉ３）が大きい場合（
たとえば、４０００ｍ’以上の場合）には、炉床部の熱
容量が大きい影響を考慮して若干の補正を行った方がよ
り正確に銑鉄中のＳ濃度を推定できることを見出した。

すなわち、温度Ｔ（８）を次式で近似する。

つぎに、銑鉄中のＳ濃度の推定方法を説明する６いま、
装入硫黄量を（Ｔ、Ｓ）（ｋｇ／ｌ）、スラグ比をＳＲ
（ｋｇ／ｌ）、装入硫黄のうち、銑鉄とスラグへ吸収さ
れた硫黄の重量分率（銑滓へのＳの吸収率）をβ（−）
とおくと、炉内のＳバランスから次式が得られる。

（２９）式を（％Ｓ）について整理すると次式が得られ
る。

したがって、（３０）式を（２６）式へ代入すると、銑
鉄中のＳ濃度の推定式として次式が得られる。

すなわち、（３Ｉ）式、（２８）式および（２６）式に
基づいて、高炉の操業要因である、銑鉄組成、スラグ組
成、溶銑温度Ｔｐ、送風圧力ｐｂ、装入硫黄量（Ｔ、Ｓ
）、およびスラグ比ＳＲの実測値もしくは設定目標値か
ら銑鉄中のＳ濃度〔％Ｓ〕を推定することができる。

ちなみに、前記の銑滓へのＳ吸収率βは、装入硫黄量（
Ｔ、Ｓ）、スラグ比ＳＲおよび銑滓中のＳ分析値（％Ｓ
）、〔％Ｓ〕から（２９）式で算定できるが、経験的に
β＝０．８５〜０．９５と考えられおり、以下の説明で
は、β−０，９２と仮定した。

さて、つぎに、銑鉄中の８濃度が、あらかじめ設定され
た目標値と等しくなるように、高炉操業要因の条件を調
整する方法を、スラグの塩基度Ｂを例にとって説明する
。

ここで、塩基度Ｂ以外の脱硫に関連する前記高炉操業要
因の各条件はあらかじめ設定（固定）されているものと
考える。

いま、銑鉄中のＳ濃度の設定目標値を〔％Ｓ〕ｔとおく
と、（３υ式より次式が得られる。

つぎに、（２６）式を塩基度Ｂについて整理すると次式
が得られる。

したがって、（３２）式および（３３）式により、銑鉄
中のＳ濃度の目標値〔％Ｓ〕ｔを得るためのスラグの塩
基度Ｂの条件を求めることができる。

以上は、スラグ塩基度Ｂを例とした場合であったが、塩
基度Ｂ以外に、脱硫関連の前記高炉操業要因の条件を同
様の方法によって（３υ式および（２６）式から求める
ことができることはいうまでもない。

ちなみに、前記のスラグ塩基度Ｂを調整する例において
、（３３）式で算定された塩基度Ｂの値が、あらかじめ
設定されていた塩基度の上下限値の範囲を逸脱した場合
には、塩基度Ｂを上限値もしくは−Ｆ限値に設定し、他
の高炉操業要因たとえばスラグ中のＭｇＯ濃度（％Ｍｇ
０）、あるいは、溶銑温度Ｔｐなどの要因を可変要因と
みなして、同様の操作を行うことにより、銑鉄中のＳ濃
度を設定目標値と等しくするための高炉操業条件を策定
することができる。

以上、本発明の構成と作用を詳細に説明したが、以下実
施例に基づいて、本発明の詳細な説明する。

前記第１表の下欄に、（２６）〜（２８）式および（３
１）式に基づいて、前記３種類の高炉操業データから推
定した銑鉄中Ｓ濃度を、前記の従来方法による推定値と
比較して示したが、本発明の方法による推定値は、従来
方法による推定値と比べて、実測値との斉合性が格段に
高く、本発明による銑鉄中のＳ濃隻推定力法の信頼性が
高いことは明白である。

つぎにより広範囲の高炉操業条件に対する本発明の適用
性の良否を検討する目的で、炉容積および高炉操業条件
の異なる１１基の高炉の操業データ（月平均値）を用い
て、前記（２６）〜（２８）式および０９式から推定し
た銑鉄中のＳ濃度と実測Ｓ濃度との関係を第２図に示し
た。

銑鉄やスラグのサンプリング方法もしくは分析方法ある
いはその他の操業データの集計方法などが同一条件では
ないことを考慮すれば、Ｓ濃度の推定値と実測値はよく
一致しているとみなすことができ、本発明の銑鉄中のＳ
濃度推定法によって任意の高炉操業条件に対する銑鉄中
Ｓ濃度を高精度で推定できることが実証された。

本発明の第二の効果は、銑鉄中のＳ濃度に及ぼす高炉操
業要因の効果すなわち脱硫効果を高精度で定量評価する
ことができることである。

すなわち、既述のように、銑鉄中Ｓ濃度を設定目標値と
等しくするための高炉操業条件を適確に調整したり、脱
硫方法の検討を行う場合には、正確な脱硫効果の把握が
不可欠である。

以下、銑鉄中Ｓ濃度におよぼすスラグ塩基度Ｂと送風圧
力ｐｂの影響を例にとり説明する。

まず、塩基度Ｂの効果は、前記（３１）式および（２６
）式をＢについて偏微分することにより次式で求められ
る。

同様の方法により、銑鉄中Ｓ濃度に及ぼす送風圧力ｐｂ
の効果は次式で求められる。

記述はしないが、同様の方法で、他の脱硫要因すなわち
、（％Ｍｇ０）、（％Ａ１２Ｏ３）、〔％Ｃ〕、〔％Ｓ
ｉ）、〔％Ｍｎ〕、溶銑温度Ｔｐ、スラグ比ＳＲ１およ
び装入硫黄量（Ｔ、Ｓ）の銑鉄中Ｓ濃度におよぼす影響
を評価しうろことはいうまでもない。

第２表は、前記（３４）〜（３７）式に基づいて、前記
第１表に示した３種類の高炉操業条件のもとでの銑鉄中
Ｓ濃度におよぼすスラグ塩基度Ｂおよび送風圧力ｐｂの
効果を試算した結果を示したものである。

第２表より明らかなように、炉によって、あるいは高炉
操業条件によって、脱硫要因の効果が異り、既述の統計
的方法のように、各脱硫要因の効果係数を一律に定める
方法の適用範囲が限定される一つの理由と考えてよいだ
ろう。

また、従来報告されている脱硫解析には、送風圧力を要
因として採用している例はないが、第２表に示すように
、銑鉄中Ｓ濃度に及ぼす送風圧力の影響はきわめて大き
いことが判明した。

以上、本発明の効果を実施例に基づいて、詳細に説明し
たが、高炉操業によって得られる銑鉄の品質を決定する
もつとも重要な成分であるＳを本発明の方法により適確
に推定し、かつ、調整することができるため、本発明の
効果はきわめて犬である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、１５００℃におけるスラグの組成とスラグへ
のＳの吸収能サルファイドキャパシティ（Ｓｕｌｐｈｉ
ｄｅＣａｐａｃｉｔｙ）Ｃｓとの関係を示す図。 第２図は、本発明の方法により推定した銑鉄中Ｓ濃度と
実測のＳ濃度の関係を示す図。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １高炉操業要因である装入硫黄量（Ｔ、Ｓ）、スラグ比
   ＳＲ１溶銑温度Ｔｐ、送風圧力ｐｂ、スラグ組成および
   銑鉄組成の実測値もしくは設定目標値から、銑鉄中の硫
   黄濃度〔％Ｓ〕を次式に基づいて算定し、 ここで、 β：銑鉄とスラグへのＳの吸収率 δ：温度補正定数 〔％Ｃ〕、〔％Ｓｉ〕、〔％Ｍｎ）：銑鉄中の炭素、硅
   素、およびマンガンの各濃度 （％Ｃａｂ）、（％５ｉＯ２）、（３Ｍｇ０）、（％Ａ
   １２０２）ニスラグ中のＣａｂ、５ｉ０２、ＭｇＯおよ
   びＡｌ２Ｏ３の各濃度 該硫黄濃度〔％Ｓ〕が、あらかじめ設定された目標値と
   等しくなるように、前記高炉操業要因の一個または複数
   個の条件を調整することを特徴とする高炉操業方法。