JPWO2018150862A1 - スラグフォーミング鎮静材及びスラグフォーミング鎮静方法並びに転炉吹錬方法 - Google Patents
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Abstract
Description
例えば、非特許文献1には、高炉から出銑された溶銑を転炉に装入して脱Si及び脱P吹錬を行った後、転炉を傾動させ、転炉内に溶銑を残した状態で生成したスラグを炉口から排滓し、その後脱C吹錬を行う方法が開示されている。
また、他の方法として特許文献1には、高炉から出銑された溶銑を転炉に装入して脱Si吹錬を行った後、転炉を傾動させ、転炉内に溶銑を残した状態で生成したスラグを炉口から排滓し、脱P吹錬を行い、その後転炉から溶銑を一度排出することで脱Pスラグと分離し、この溶銑のみを別の転炉に再度装入して脱C吹錬を行う方法が開示されている。
前者は1基の転炉を、後者は2基以上の転炉を用いた操業方法であるが、両方法ともスラグを炉口から効率的に排滓するため、吹錬中に発生するスラグのフォーミング(泡立ち)を利用して、スラグの体積を増加させる点で共通している。
また、脱Si(及び脱P)吹錬中にフォーミングしたスラグは炉外に排出されるが、その際、炉下に設置したスラグパン(排滓鍋)に収容する。このスラグパンへの排滓量を増加させるほど、炉内に残留するSiO2やP2O5を削減でき、生石灰といった新規副原料の使用量を低減することが可能となる。
従って、短時間で多量のスラグを炉外に排出することが求められる。ここで、短時間としたのは、スラグのフォーミング高さは吹錬終了後から減少していく傾向にあるため、短時間で排滓することがスラグを最も多量に炉外に排出できると考えられることによる。
この対策として、スラグパン内にフォーミングを鎮静させる物質(以下、スラグフォーミング鎮静材、フォーミング鎮静材、又は、単に鎮静材という)を投入することで、その問題の解決に取り組んでいる。
例えば、特許文献2には、軽金属と炭素質物質及び金属水酸化物及び(又は)水の混合物とを、互いに独立して存在させた鎮静材(スラグ泡立防止剤)が開示されている。
特許文献3には、生ドロマイトを含む鎮静材(フォーミング防止剤)が開示され、この生ドロマイトによる吸熱反応を利用した鎮静方法が開示されている。
そして、特許文献4には、水酸化アルミニウムと炭酸カルシウムを構成成分とする鎮静材(フォーミング抑制剤)が開示されている。
(1)水酸化物を50質量%以上含み、吸熱量が1800J/g以上であることを特徴とするスラグフォーミング鎮静材。
特に、本発明に係るスラグフォーミング鎮静方法及び転炉吹錬方法は、上記した鎮静材を使用するので、転炉の炉口からスラグを排滓する際の排滓鍋内におけるスラグのフォーミングを鎮静化でき、スラグの溢れを起こすことなく多量のスラグを転炉内から排滓できる。
本発明の一実施の形態に係るスラグフォーミング鎮静材(以下、単に鎮静材ともいう)は、水酸化物を50質量%以上含み、吸熱量が1800J/g以上である。以下、詳しく説明する。
C+FeO=CO(g)+Fe ・・・(1)
そこで、この冷却効果に着目し、転炉内の溶銑の脱Si及び脱P吹錬後に炉口から排滓されたスラグを想定した組成及び温度の条件において、スラグの冷却がフォーミング鎮静効果に与える影響を小型炉実験により検証した。なお、フォーミング鎮静を高効率で実施するためには、少量で急激に冷却する物質であることが好ましいと想定されるため、冷却に液体の水を使用した。水は安価で多量に使用できる物質であり、かつ、式(2)に示す分解反応における吸熱によりスラグの冷却が期待できるためである。
H2O(g)=H2(g)+1/2O2(g) ・・・(2)
この高さの変化量を鎮静率として、式(3)を使用して算出し、フォーミング鎮静効果を評価した。
(鎮静率)=(H1−H0)/H0×100 ・・・(3)
ここで、H0は水分投入前のスラグ高さ(mm)、H1は水分投入後のスラグ高さ(mm)、である。
図1に示すように、水分投入量が増加するにつれて鎮静率は増加し、水分投入量0.1g以上で飽和した。これより、適度な水分の投入はスラグ冷却による大幅な鎮静効果を発揮することが分かった。なお、水分投入量が0.3gになると鎮静率は若干低下したが、これは、水分投入量が多くなり過ぎると局所的にスラグ表面が融点以下まで冷却されるため、その部分が皮張りしてしまい、スラグ中の気泡の散逸を減少させてしまうためだと推定される。
図2に示すように、吸熱量が増加するにつれて鎮静率も増加している。良好な鎮静率を得るためには、1800J/g以上の吸熱量が必要であることが確認できる。吸熱量が4000J/gを超えると鎮静率が若干低下する傾向がみられるため、吸熱量は4000J/g以下であることが好ましい。
なお、今回の結果は、鎮静材として水を用いた実験の結果であるが、後述する水酸化物を含む鎮静材でも、同様な吸熱量の範囲で良好な鎮静効果が得られることを確認している。また、この場合の吸熱量は示差熱分析(DTA)装置を用いて測定した。
水酸化物は、式(4)及び式(5)に示す分解反応が、スラグパン内にて発生する。
X(OH)t(s)=XOt/2(s)+t/2H2O(g) ・・・(4)
t/2H2O(g)=t/2H2(g)+t/4O2(g) ・・・(5)
上記した式(4)及び式(5)はいずれも吸熱反応である。
従って、水酸化物をスラグに投入することで、水蒸気爆発を引き起こす危険性が極めて低位となり、かつ、スラグの冷却による鎮静率の向上が可能となる。
鎮静材中に含まれる水酸化物の比率が大きいほど、鎮静材のスラグ冷却効果は大きくなる。この観点から、冷却効果を担保するために50質量%(好ましくは55質量%)を下限とする。
ここで、水酸化物の比率が50質量%未満の場合、鎮静材による冷却効果が低位となりフォーミング鎮静効果が小さくなる。
なお、水酸化物の比率の上限値は特に限定しないが、80質量%を超える場合、鎮静材の単位質量当たりの冷却量が大きくなり、スラグが局所的に固相となって、フォーミング鎮静効果が小さくなる場合があるため、80質量%以下であることが好ましい。
鎮静材の密度がフォーミングしたスラグの密度(例えば、1.0〜1.5g/cm3)以上でなければ、スラグパン内のスラグ表面のみに鎮静材の効果が発揮されてしまい、フォーミング鎮静効果が減少してしまうおそれがある。
そのため、鎮静材の密度を、フォーミングしたスラグの密度以上、即ち1.5g/cm3以上とすることが好ましい。なお、鎮静材の密度が大きいほど、鎮静材がスラグに沈み込む深さがおおきくなることから、よいと推定されるため、上限については特に限定していないが、鎮静材の構成を考慮すれば、例えば、3g/cm3程度である。
前記した効果により、スラグの冷却による気泡の発生の鎮静効果でフォーミングを効率的に鎮静できることを見出したが、スラグパン内のスラグ中に残存する、あるいは、一部発生するガスを散逸する効果は期待できない。
そこで、ガスの散逸効果を鎮静材に付与することで、更なる鎮静効果が期待される。
このガスの散逸効果を備える物質としては有機物が好ましい。これは、有機物が炭素分を含有しているためガスの散逸効果が期待され、また、有機物の熱分解反応により吸熱することや、有機物が安価で手に入り易く扱いが容易であること、という利点が挙げられることによる。
ここで、水酸化物としては、Al(OH)3やCa(OH)2がある。
有機物としては、例えば、アクリル樹脂やメタクリル樹脂等の樹脂、また、スギや赤松といった木屑(木材)等が挙げられる。
酸化物としては、酸化鉄、SiO2、MgO、Al2O3等がある。
また、炭酸カルシウムは吸熱量が低く、炭酸カルシウムが増えた分水酸化物の含有量が減るため、吸熱量の低下により鎮静効果が落ちる恐れある。そのため、本発明の鎮静材は、炭酸カルシウム(CaCO3)を含まないか、含むとしても、6質量%以下が好ましく、3質量%未満とすることがより好ましい。
これは、鎮静材の粒径が3mm未満の場合、粒径が過剰に細かくなり、例えば、鎮静材を供給する投入ホッパー内での棚吊り発生や、粉塵として舞い上がり作業環境の悪化を招くといった可能性が高まるためである。一方、粒径が20mm超の場合、スラグへ迅速に溶解しにくく、フォーミングの鎮静効果が小さくなり易いためである。
この位置では、スラグパン内でのスラグの撹拌が最も大きく、鎮静材に含まれる水酸化物をスラグ内部まで到達させることができ、フォーミングを効果的に鎮静し易くなることによる。
なお、いずれの投入方法においても、排滓終了まで投入を継続する必要はなく、スラグパン内でのスラグのフォーミング状況をみて、スラグ溢れが起こらないと予想できる場合は、途中で中断してもよい。
また、上記したスラグフォーミング鎮静方法は、転炉へ溶銑を装入して吹錬を行い、吹錬を一旦中断して転炉を傾動させ、転炉の炉内に溶銑を残した状態で転炉の下方に設置したスラグパンにスラグを排滓する、転炉吹錬方法に用いることができる。
具体的には、以下の通りである。
また、2基以上の転炉のうち少なくとも1基の転炉に装入された溶銑に脱Si吹錬を行って転炉を傾動させ、この転炉内に溶銑を残した状態で転炉内のスラグを炉口から排滓する際に、上記したスラグフォーミング鎮静方法を適用し(即ち、上記した鎮静材をスラグパン内に投入し)、排滓後に、転炉内の溶銑に脱P吹錬を行う(2基以上の転炉を用いる転炉吹錬方法:特許文献1参照)。
また、上記した転炉吹錬方法以外においても、ある精錬容器から別の精錬容器へスラグを排滓する段階で、フォーミングの鎮静が必要な場合は、上記したスラグフォーミング鎮静方法(スラグフォーミング鎮静材の排滓先精錬容器への投入)を用いることで、スラグの溢れを鎮静できる。
更に、本発明のスラグフォーミング鎮静材は、転炉内で発生するスラグフォーミングの鎮静材としても使用することができる。
ここでは、前記した1基あるいは2基以上の転炉を用いる転炉吹錬方法において、内容積300m3の転炉へ400トンの溶銑を装入して吹錬を行い、吹錬を一旦中断して転炉を傾動させ、転炉内に溶銑を残した状態で、転炉内のスラグを転炉の下方に設置したスラグパン(内容積:50m3)に2〜4分間排出した。その際、鎮静材を投入シュートからスラグパン内に連続的に投入した。
使用した鎮静材の組成を含む特徴を表1に示す。
具体的には、記号A1、A2の鎮静材は、水酸化物にAl(OH)3あるいはCa(OH)2を使用したものであり、有機物は含有されていない。また、記号B1、B2の鎮静材は、水酸化物にCa(OH)2を、有機物に木材及びアクリル樹脂あるいはアクリル樹脂のみを、それぞれ使用したものである。そして、記号C1、C2、C3の鎮静材は、水酸化物にAl(OH)3を、有機物にアクリル樹脂あるいはメタクリル樹脂を、それぞれ使用したものである。
なお、表1中の水酸化物、有機物以外の成分は、酸化鉄、SiO2、MgO、Al2O3等の酸化物である。
具体的には、記号D1、E1の鎮静材は、水酸化物を含有しておらず、生ドロマイトあるいはCaCO3を代替としたものである。また、記号F1の鎮静材は、水酸化物(Ca(OH)2)の含有量が本発明の適正範囲の下限値未満のものである。
なお、記号D1、E1、F1の鎮静材は全て、有機物を含有しており、それぞれアクリル樹脂あるいはメタクリル樹脂を含有している。
このとき、スラグがスラグパンから溢れそうになった場合は、転炉の傾動を一旦停止して排滓を中断し、フォーミングの成長が停滞してスラグが溢れなければ、再度転炉を傾動して排滓を再開した。なお、排滓時間には、排滓を中断している時間も含んでおり、この排滓中断時も鎮静材を継続して投入した。
また、排滓前の転炉内のスラグの重量(Wslag)は、以下の方法で算出した。
Wslag=WR−slag+WSiO2+WCaO
具体的には、転炉の傾動角度が大きくなるに伴って、リサイクルスラグの重量WR−slagが少なくなる傾向にある。この関係は、例えば、過去の操業実績に基づいて得ることができる。
WSiO2=(HM)×(HM−Si)×(SiO2分子量)/(Si分子量)
ここで、HMは溶銑量(トン/チャージ)、HM−Siは溶銑中のSi量(質量%)、SiO2分子量は60.1、Si分子量は28.1、である。
(排滓率)=(wslag)/(Wslag)×100 ・・・(6)
ここで、wslagは排滓したスラグの重量(トン/チャージ)、Wslagは排滓前の転炉内のスラグの重量(トン/チャージ)、である。
このため、1基の転炉を用いる転炉吹錬方法では、表2に結果を示す処理方式で60%以上の排滓率、2基以上の転炉を用いる転炉吹錬方法では、表3に結果を示す処理方式で50%以上の排滓率を、良好な排滓率としている。
なお、排滓中のスラグパンからのスラグ溢出の有無は目視で判定した。
なお、スラグ組成は塩基度(CaO質量%/SiO2質量%)が1.0〜1.3、スラグ中の酸化鉄濃度が20〜30質量%、スラグの温度は1250〜1350℃、であった。
実施例1〜7はいずれも、鎮静材中の水酸化物の含有量と鎮静材の吸熱量(更には、鎮静材中の有機物の含有量や鎮静材の密度)が、本発明の適正範囲内であったため、スラグをスラグパンから溢れさせることなく、速やかに排滓できた。そのため、排滓率も61質量%以上と高位であった。
比較例8は、鎮静材を投入しなかったため、スラグパンからスラグが溢れ出し、排滓率は28質量%程度にとどまった。
比較例9、10は、水酸化物を含有せず、吸熱量が過小な(比較例9:994J/g、比較例10:947J/g)鎮静材を使用したため、フォーミングの鎮静効果が小さくなった。これにより、排滓を一時中断したため、排滓率は48〜50質量%にとどまった。
比較例11は、水酸化物の含有量が過小な(40質量%)鎮静材を使用したため、比較例9、10と同様の理由により、排滓率は51質量%程度となった。
なお、スラグ組成は塩基度(CaO質量%/SiO2質量%)が0.6〜0.8、スラグ中の酸化鉄濃度が20〜30質量%、スラグの温度は1250〜1350℃、であった。
実施例12〜18はいずれも、鎮静材中の水酸化物の含有量と鎮静材の吸熱量(更には、鎮静材中の有機物の含有量や鎮静材の密度)が、本発明の適正範囲内であったため、スラグをスラグパンから溢れさせることなく、速やかに排滓できた。そのため、排滓率も50質量%以上と高位であった。
比較例19は、鎮静材を投入しなかったため、スラグパンからスラグが溢れ出し、排滓率は28質量%程度にとどまった。
比較例20、21は、水酸化物を含有せず、吸熱量が過小な(比較例20:994J/g、比較例21:947J/g)鎮静材を使用したため、フォーミングの鎮静効果が小さくなった。これにより、排滓を一時中断したため、排滓率は38〜40質量%にとどまった。
比較例22は、水酸化物の含有量が過小な(40質量%)鎮静材を使用したため、比較例20、21と同様の理由により、排滓率は45質量%程度となった。
前記実施の形態においては、スラグフォーミング鎮静材を、スラグを排滓するスラグパンに投入する場合について説明したが、スラグのフォーミングを鎮静させるのであれば、スラグパンに限定されるものではなく、他の排滓鍋に投入することもできる。
Claims (6)
- 水酸化物を50質量%以上含み、吸熱量が1800J/g以上であることを特徴とするスラグフォーミング鎮静材。
- 請求項1記載のスラグフォーミング鎮静材において、密度が1.5g/cm3以上であることを特徴とするスラグフォーミング鎮静材。
- 請求項1又は2記載のスラグフォーミング鎮静材において、更に有機物を20質量%以上50質量%以下含むことを特徴とするスラグフォーミング鎮静材。
- 請求項1〜3のいずれか1項に記載のスラグフォーミング鎮静材を、スラグを排滓する排滓鍋に投入することを特徴とするスラグフォーミング鎮静方法。
- 1基の転炉に装入された溶銑に脱Si吹錬及び脱P吹錬を行って前記転炉を傾動させ、該転炉内に溶銑を残した状態で該転炉内のスラグを炉口から排滓する際に、請求項4記載のスラグフォーミング鎮静方法を適用し、排滓後に、前記転炉内の溶銑に脱C吹錬を行うことを特徴とする転炉吹錬方法。
- 2基以上の転炉のうち少なくとも1基の前記転炉に装入された溶銑に脱Si吹錬を行って前記転炉を傾動させ、該転炉内に溶銑を残した状態で該転炉内のスラグを炉口から排滓する際に、請求項4記載のスラグフォーミング鎮静方法を適用し、排滓後に、前記転炉内の溶銑に脱P吹錬を行うことを特徴とする転炉吹錬方法。
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