TW202003863A - 頂底吹轉爐型精煉容器 - Google Patents

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田村鐵平
坪井真廣
淺原紀史
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日商日本製鐵股份有限公司
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Abstract

本發明之特徵在於：在爐體中心軸的方向視角下之爐口的形狀中，前述爐口的輪廓由圓弧與線段所形成，前述線段與耳軸平行，並且和出鋼孔隔著前述耳軸而存在於相反側，若將前述耳軸投影於前述爐口之直線與前述圓弧重疊的2個交點進行連結之直線的長度設為D0 ，且將前述線段的長度設為D1 ，比值D1 /D0 為0.2以上且0.8以下，在和前述耳軸垂直且包含前述爐體中心軸的截面之形狀中，若將和前述出鋼孔隔著前述爐體中心軸而位於相反側之爐內表面的任意之點上的切線與前述爐體中心軸所形成的角度設為θ，前述角度θ的最大角度為70°以下。

Description

頂底吹轉爐型精煉容器
發明領域 本發明是有關於一種特別是在對熔渣進行中間排渣時較理想的頂底吹轉爐型精煉容器。
發明背景 鋼鐵精煉是藉由在收容於精煉爐內的熔融生鐵之上層形成熔融熔渣，並且使包含於熔融生鐵中的雜質移動至熔融熔渣而進行。精煉爐是在爐頂部具有爐口，並且從爐口裝入熔融生鐵與熔渣原料來進行精煉。在精煉結束後是使精煉爐傾轉以從出鋼孔只對熔鋼進行出鋼，之後，將精煉爐朝相反側傾轉以從爐口對熔融熔渣進行排渣。
近年來，在利用了轉爐的鋼鐵精煉中，在相同的轉爐內將脫磷精煉與脫碳精煉分割而進行之方法已廣泛地被使用。在此方法中，首先，是在轉爐內裝入熔融生鐵，並進一步裝入脫磷用的熔渣原料，且以熱力學上對脫磷而言有利的低溫來進行脫磷精煉。並且，在脫磷精煉結束後將轉爐朝與出鋼孔相反的相反側傾轉，以從爐口讓脫磷熔渣排渣至爐外。之後，以將熔融生鐵原樣留下的狀態在相同的轉爐中進行脫碳精煉，而製造已變得高溫的熔鋼。在脫碳精煉結束後是使轉爐傾轉以從出鋼孔只對熔鋼進行出鋼，之後，朝相反側傾轉以從爐口對脫碳熔渣進行排渣。再者，將下述步驟稱為中間排渣：在脫磷精煉結束後將轉爐朝與出鋼孔相反的相反側傾轉，而從爐口將脫磷熔渣排渣至爐外之步驟。又，將下述比率稱為中間排渣率：在中間排渣所排渣之熔渣的重量相對於脫磷精煉結束後於轉爐內生成的脫磷熔渣的重量之比率。
將轉爐傾轉而從爐口對脫磷熔渣進行中間排渣時，中間排渣率為較低水準，若中間排渣後脫磷熔渣仍於轉爐內殘留很多時，會使移動至脫磷熔渣中的磷在脫碳精煉中於熔融生鐵中復磷(rephosphorization)，使得先前藉由在低溫下進行脫磷精煉所形成的脫磷效果減低。因此，讓中間排渣率形成較高水準是非常重要的。
為了提升中間排渣率，而例如增大傾動角時，雖然可將脫磷熔渣排出更多，但是會成為熔融生鐵也和脫磷熔渣一起從爐口排出之情形。從爐口排渣的脫磷熔渣是被在轉爐的下方待機的排渣鍋所接收。此時，若將熔融生鐵與脫磷熔渣一起排出時，會使脫磷熔渣與熔融生鐵在排渣鍋中受到攪拌，並且相互反應而產生氣體，使得脫磷熔渣起泡(foaming)。若熔融生鐵流出量較少，可以藉由將起泡壓制材投入排渣鍋中而繼續進行熔渣排出作業。但是，若熔融生鐵流出量變得過多時，會使已起泡之脫磷熔渣從排渣鍋溢出，導致設備損傷或伴隨於其對應處理之生產性的惡化。又，因為即使將排渣鍋設得較大而變得可抑制由起泡所造成之熔渣溢出，仍然會因熔融生鐵流出而使鐵的成品率降低，所以將傾動角設得較大來提升中間排渣率之作法並不佳。
如以上，僅以轉爐的傾動操作來使脫磷熔渣的一大半排渣之作法並不容易，因此所要求的是可以提升中間排渣率的方法之開發。於是，在專利文獻1中，揭示有在爐口設置堰來提升中間排渣率的技術。
但是，在專利文獻1所記載的方法中，會有下述課題：在爐口對堰進行施工於技術上並不簡單。此外，以耐火物來對堰施工的情況下，必須讓壽命維持在和形成轉爐的爐內之耐火物相同程度，但是因為在中間排渣時會對堰施加許多負荷，所以在耐用性上產生了課題。 先前技術文獻 專利文獻
專利文獻1：日本專利特開2005-264210號公報
發明概要 發明欲解決之課題 本發明是有鑒於前述之問題點，目的在於提供一種頂底吹轉爐型精煉容器，其不用設置堰，並具有耐用性，且可做到在中間排渣時使中間排渣率較高並且熔融生鐵流出量較少。 用以解決課題之手段
本發明是如以下所述。 (1)一種頂底吹轉爐型精煉容器，其特徵在於：在爐體中心軸的方向視角下之爐口的形狀中，前述爐口的輪廓由圓弧與線段所形成，前述線段與耳軸(trunnion axis)平行，並且和出鋼孔隔著前述耳軸而存在於相反側，若將前述耳軸投影於前述爐口之直線與前述圓弧重疊的2個交點進行連結之直線的長度設為D0 ，且將前述線段的長度設為D1 ，比值D1 /D0 為0.2以上且0.8以下， 在和前述耳軸成直角且包含前述爐體中心軸的截面之形狀中，若將和前述出鋼孔隔著前述爐體中心軸而位於相反側之爐內表面的任意之點上的切線與前述爐體中心軸所形成的角度設為θ，前述角度θ的最大角度為70°以下。 (2)如上述(1)所記載之頂底吹轉爐型精煉容器，其特徵在於：前述頂底吹轉爐型精煉容器的收窄部的鐵皮為圓錐台，該收窄部的鐵皮的內側是包含前述角度θ在該頂底吹轉爐型精煉容器中形成最大角度之點在內以耐火物來施工。 發明效果
根據本發明，可以提供一種頂底吹轉爐型精煉容器，其不用設置堰，並具有耐用性，且可做到在中間排渣時使中間排渣率較高並且熔融生鐵流出量較少。
用以實施發明之形態 本發明的發明人們為了探討在中間排渣時使中間排渣率變得較高且熔融生鐵流出量變得較少的爐口形狀，而利用300噸轉爐的大約1/10規模之壓克力製的轉爐型水模型實驗容器進行了水模型實驗。轉爐型水模型實驗容器是準備爐口形狀不同的3個種類的容器，各自的爐口之形狀是設為圖1A所示之一般的圓形形狀、圖1B所示之在排渣方向上設置有堰的形狀、以及圖1C所示之排渣方向的爐口為平坦的形狀。再者，在圖1B及圖1C所示的例子中，是在爐體中心軸的方向視角下將爐口高度中的形狀設為相同，並將爐口之平坦的部分的長度設為D1 ，且將爐口的圓弧部分的直徑設為D0 ，而將其比值D1 /D0 都設為0.5。又，利用水來作為模擬熔融生鐵的模型金屬，並且使用了矽油來作為模擬熔融熔渣的模擬熔渣。
首先，使空的轉爐型水模型容器在以傾動角0°來使其正立的狀態下，注入模擬熔融生鐵的水44公升與模擬脫磷熔渣的矽油10公升。並且，於水與矽油朝上下完全地分離後，在排渣方向上以傾動速度0.5°/sec來使其傾動至水面到達爐口為止並停止，且保持到矽油的排出停止為止。之後，測定所排出的矽油量，並且算出模型中間排渣率。再者，模型中間排渣率是以已排出的矽油的質量相對於注入轉爐型水模型容器的矽油的質量來算出。其結果，圖1A所示的形狀的模型中間排渣率為60%，圖1B及圖1C所示的形狀的模型中間排渣率為70%而為同等。
在圖1B及圖1C所示的形狀中，排渣方向的爐口都是平坦的，相對於圖1B的例子是設置有堰，圖1C的例子是在未設置堰之點上不同。然而，圖1B及圖1C所示的形狀的模型中間排渣率都比圖1A所示的形狀的模型中間排渣率更高，在圖1B及圖1C所示的形狀上並沒有差異。由此可知，是否為堰對於模型中間排渣率的提升而言幾乎沒有作出貢獻。可考慮為：在圖1C所示的形狀中雖然沒有堰，但是因為排渣方向的爐口是和圖1B所示的形狀同樣地為平坦的，所以圖1C的模型中間排渣率成為和圖1B同等。
由此水模型實驗的觀察結果可推定：排渣方向的爐口為平坦的情況下模型中間排渣率提升，是起因於水面到達爐口而使傾動停止的狀態下之模擬熔渣的爐口附近的狀態。
圖2A~圖2C是用於說明水模型實驗中的中間排渣時的爐口附近的狀態之圖。 爐口為圖1A之一般的圓形形狀的情況下到成為排渣末期時，會如圖2A所示，形成為殘留於爐內的模擬熔渣的厚度會變薄，而以從圓形的爐口的最下端之狹窄的流動來將模擬熔渣排出。此時，若觀察殘留於爐內的模擬熔渣的浴面時，會觀察到下述情形：在爐口附近附著於爐壁附近的模擬熔渣的流動較慢，且該爐壁附近之較慢的流動抑制用來從爐口排出的模擬熔渣的動作，且因為越接近於爐口的地方爐壁變得越接近因而助長該傾向。
另一方面，從爐口的平坦部分排出模擬熔渣的情況下，如圖2B及圖2C所示，即使在殘留於爐內的模擬熔渣的厚度變得較薄的時間點下，仍然可以從爐口的平坦部分以較寬的流動來排出模擬熔渣。此時，若觀察殘留於爐內的模擬熔渣的浴面時，雖然在爐口附近附著於爐壁附近的模擬熔渣的流動會較慢，但是在爐口的平坦部分的流動上具有寬度，而讓爐壁附近的模擬熔渣之較慢的流動的影響比圖2A的情況更小，故模擬熔渣的排出較順暢。
由以上的水模型實驗的結果，比起作為堰的效果，更能看出由爐口為平坦之情形所產生的效果。可得知即使在排渣末期，仍然可以藉由下述效果來提升模型中間排渣率：將爐口設為平坦來維持寬度較寬的熔渣之流動，而讓爐壁所造成之熔渣流動的抑制之影響變得較小。從而，可得知即使並非如圖1B及圖2B所示地設置堰，只要是如圖1C及圖2C所示的形狀，將排渣方向的爐口設為平坦即可。
接著，利用試驗轉爐，來進行確認是否可發現相同效果。首先，準備用於實驗的熔融生鐵。將熔融生鐵的成分設為含有[C]=4.5mass%、[Si]=0.4mass%、[Mn]=0.3mass%、[P]=0.1mass%、[S]=0.01mass%。並且，以砂漿(mortar)等將試驗轉爐的爐口的形狀如圖1C所示的形狀一樣不設置堰而將排渣方向的爐口做成平坦的形狀，並且改變比值D1 /D0 來進行實驗。
實驗的順序是：將具有上述之成分的2.0t熔融生鐵裝入試驗轉爐後，添加17.0kg的塊狀生石灰，並一邊從底吹風口以0.4Nm3 /min來將Ar氣吹入，一邊從頂吹4孔噴槍以4.0Nm3 /min將氧氣吹入8min，以進行脫矽、脫磷吹煉。之後，將吹煉停止，將試驗轉爐朝與出鋼孔為相反的相反側傾動來進行中間排渣，以1°/sec來將試驗轉爐傾動到事先計算所預測之熔融生鐵流出的傾動角，之後將傾動停止，並在熔渣的排出停止時將爐體回復到正立的狀態。
已進行中間排渣的熔渣是由排渣鍋所接收，並由已排出到該處的熔渣量與CaO濃度來計算排渣CaO質量，並以排渣CaO質量/初始投入CaO質量(初始投入生石灰質量)×100的方式來求出中間排渣率。將其結果顯示於圖3A。
由圖3A所示的結果可知，越使比值D1 /D0 增加，中間排渣率越增加。可以確認到下述情形：特別是在比值D1 /D0 為0.2以上的條件下，和比值D1 /D0 為0之一般的圓形的爐口形狀相較之下，會使中間排渣率變大10%以上。
但是，如圖3B所示，在比值D1 /D0 為0.87以上時，和比值D1 /D0 為0之一般的圓形的爐口形狀相較之下，會導致爐口截面積變小20%以上。可得知下述情形：由於若爐口截面積變得較小時，會使在脫磷吹煉時爐口中的排氣的空塔速度變大，而產生了大量噴渣(spitting)或浮溢(slopping)，因此宜將比值D1 /D0 抑制到0.8左右。
由以上的實驗結果發現了下述情形：為了提高中間排渣率，宜將排渣方向的爐口設為平坦，又，並不需要為堰，且在確保耐火物施工、以及爐口耐火物的耐用性上，也是以在未設置堰的情形下將爐口設為平坦的形狀為宜。
接著，一邊參照圖4A及圖4B一邊說明本發明之頂底吹轉爐型精煉容器的具體的形狀。首先，說明從外側所見的爐口的形狀。圖4A是用於說明從爐體中心軸的方向所見之爐口的形狀之圖。 在圖4A中，直線S顯示的是將耳軸投影於爐口的直線，前述耳軸是成為使爐體傾動時之軸。線段AB相當於圖1C所示的長度D1 之線段，並且是和出鋼孔隔著耳軸而形成於相反側。又，線段AB是和將耳軸投影出的直線S平行。亦即，和耳軸是平行的。圓弧C相當於形成爐口的直徑D0 之圓的一部分。亦即，將圓弧C與直線S的2個交點進行連結之直線的長度相當於直徑D0 。
由前述的實驗結果，將線段AB的長度D1 相對於長度D0 的比值D1 /D0 設為0.2以上且0.8以下。若比值D1 /D0 小於0.2時，會無法充分地改善中間排渣率，效果並不充分。又，若比值D1 /D0 超過0.8時，會導致在吹煉時產生大量噴渣或浮溢。
接著，說明頂底吹轉爐型精煉容器的內部之形狀。圖4B是用於說明從耳軸的方向所見之頂底吹轉爐型精煉容器的截面之圖。再者，圖4B所示的截面顯示的是和耳軸成直角且包含爐體中心軸45的平面。
在圖4B中，爐口40及其附近之從容器的下部朝向爐口40之容器的橫截面積逐漸地變小的收窄部41，是藉由磚等之耐火物42來施工，且其外側是以鐵皮44來包覆。在圖4B所示的截面中，若將和出鋼孔43隔著爐體中心軸45而位於相反側(中間排渣之側)之爐內表面的任意之點P上的切線與爐體中心軸45所形成的角度設為θ，為了確保耐火物的耐用性，是設成在任意之點P上角度θ始終成為70°以下。亦即，設成角度θ的最大角度成為70°以下。在此，任意之點P主要是爐內表面的收窄部41之點，且是設成至少排除底面之點。這是由於在收窄部41，越上側的耐火物為越往爐體中心軸45側逐漸突出來的構造，所以若最大角度超過70°時，會和設置了堰的情況同樣地導致耐用性降低。再者，雖然爐內表面是形成為平滑的曲面，但是原本爐內表面是將複數個耐火物堆積而形成，在初次使用精煉爐之前，會有在複數個耐火物之間形成有些微的凹凸之情況，但是這樣的凹凸可忽視。再者，雖然角度θ的最大角度的下限值並無特別限定，但是作為在一般的轉爐中可以形成耐火物的內壁之範圍，實質上宜將角度θ的最大角度設為20°以上。
為了設成如上述之轉爐容器形狀，不一定需要大幅地變更鐵皮44的形狀。收窄部41的鐵皮44也可使用一般所使用之圓錐台形狀的鐵皮，且可以藉由使用和一般不同的形狀的耐火物42來實現。若變更精煉爐的鐵皮的形狀時，會需要大量的成本與工期，本發明可以主要藉由變更耐火物的形狀而以低價的方式實現。再者，在本發明中，也變得必須將爐口的耐火物的緊固金屬件變更成配合於爐口的形狀之形狀。 實施例
接著，說明本發明的實施例，在實施例中的條件是用於確認本發明的實施可能性及效果而採用的一個條件例，本發明並非限定於此一條件例之發明。本發明只要不脫離本發明的要旨，且能達成本發明之目的，為可採用各種條件之發明。
首先，準備含有[C]=4.3~4.4mass%、[Si]=0.4~0.5mass%、[Mn]=0.3~0.4mass%、[P]=0.10~0.11mass%、[S]=0.010~0.015mass%的熔融生鐵。並且，在300t/heat的頂底吹轉爐中，裝入廢料及具有上述成分的熔融生鐵290~300t，並添加生石灰2.8~2.9t後，一邊從底吹風口以40Nm3 /min吹入氧氣，一邊從頂吹噴槍以800Nm3 /min將氧氣頂吹4.0~5.0min，而進行脫矽、脫磷吹煉。之後，以0.15~0.30°/sec使轉爐傾動至熔融生鐵流出的傾動角85°~88°來進行中間排渣後，回復到原本的正立狀態，再次添加3.6~4.0t的生石灰於脫碳吹煉用後，從頂吹噴槍以1200Nm3 /min將氧氣頂吹11.0~12.0min，而進行脫碳吹煉。
在實施了脫碳吹煉後，收集脫碳熔渣並將脫碳熔渣供化學分析，從分析結果求出脫碳吹煉後的熔渣之鹼度B(CaO質量)/(SiO2 質量)。在此，熔渣的鹼度B也可以藉由以下的式(1)來求出。 B＝(WCaO,blow1 ×R/100＋WCaO,blow2 )/(WM ×[Si]/100/MSi ×MSiO2 ×R/100)　　　　…(1) 在此，WCaO,blow1 ：脫矽、脫磷吹煉中所添加的生石灰中的CaO量(t)，WCaO,blow2 ：脫碳吹煉中所添加的生石灰中的CaO量(t)，R：中間排渣率(%)，WM ：熔融生鐵量(t)，[Si]：熔融生鐵中Si濃度(mass%)，MSi ：Si的原子量(g/mol)，MSiO2 ：SiO2 的分子量(g/mol)。
在本實施例中，因為以前述之試驗轉爐中的實驗的方式來直接測定已進行中間排渣的熔渣的重量是困難的，所以將上述式(1)變形，並藉由以下之式(2)來求出中間排渣率R。 R＝10000×WCaO,blow2 /(B×WM ×[Si]/MSi ×MSiO2 -100×WCaO,blow1 )…(2)
重複如以上的作業，算出最初的10Ch(10次進料)之平均的中間排渣率R。將其結果顯示於表1。又，在10Ch以後也重複作業，將因爐口附近的摩耗而使中間排渣率降低到60%以下為止的進料數也顯示於表1。再者，在本實施例中，是將最初的10Ch之平均的中間排渣率為60%以上，且中間排渣率成為小於60%為止的進料數成為40以上的情況設為合格線。
[表1]
Figure 108113041-A0304-0001
本發明例1~3是在爐口未設置堰而將排渣方向的爐口形狀設為平坦，並且將該平坦部分的長度(相當於圖4A的線段AB的部分之長度)設為D1 ，將爐口的圓弧部分的直徑設為D0 的情況下，將其比值D1 /D0 分別設為0.3、0.6、0.8，且將角度θ的最大角度設為35°、40°、70°的例子。在本發明例1~3中，可以使中間排渣率R比一般的圓形的爐口形狀之比較例1更提升10%以上。再者，在比較例2中，為設置了比值D1 /D0 為0.2的堰之例子，雖然中間排渣率提升了10%，但是以耐火物來施工的堰的壽命較短，在10次進料左右中間排渣率即降低到60%以下，並無法藉由重複作業而於實用中耐久。在比較例3中，雖然嘗試設置比值D1 /D0 為0.3的堰，但是耐火物的施工困難，因此放棄了堰的設置。 產業上之可利用性
根據本發明，可以提供一種頂底吹轉爐型精煉容器，其不用設置堰，並具有耐用性，且可做到在中間排渣時使中間排渣率較高並且熔融生鐵流出量較少，工業上的價值是大的。
40‧‧‧爐口 41‧‧‧收窄部 42‧‧‧耐火物 43‧‧‧出鋼孔 44‧‧‧鐵皮 45‧‧‧爐體中心軸 AB‧‧‧線段 C‧‧‧圓弧 D0‧‧‧圓弧部分的直徑 D1‧‧‧平坦的部分的長度 P‧‧‧任意之點 S‧‧‧直線 θ‧‧‧角度
圖1A是顯示爐口為一般的圓形形狀之精煉容器的例子之圖。 圖1B是顯示在爐口設置有堰的形狀之精煉容器的例子之圖。 圖1C是顯示將爐口的一部分設為平坦的形狀之精煉容器的例子之圖。 圖2A是用於說明爐口為一般的圓形形狀的情況下從爐口流出模擬熔渣的情形之圖。 圖2B是用於說明在爐口設置有堰的形狀之情況下從爐口流出模擬熔渣的情形之圖。 圖2C是用於說明將爐口的一部分設為平坦的形狀之情況下從爐口流出模擬熔渣的情形之圖。 圖3A是顯示比值D1 /D2 與中間排渣率的關係之圖。 圖3B是顯示比值D1 /D2 與爐口截面積率的關係之圖。 圖4A是用於說明從爐體中心軸的方向所見之爐口的形狀之圖。 圖4B是用於說明從耳軸的方向所見之頂底吹轉爐型精煉容器的截面之圖。
40‧‧‧爐口
41‧‧‧收窄部
42‧‧‧耐火物
43‧‧‧出鋼孔
44‧‧‧鐵皮
45‧‧‧爐體中心軸
P‧‧‧任意之點
θ‧‧‧角度

Claims (2)

  1. 一種頂底吹轉爐型精煉容器，其特徵在於： 在爐體中心軸的方向視角下之爐口的形狀中，前述爐口的輪廓由圓弧與線段所形成，前述線段與耳軸平行，並且和出鋼孔隔著前述耳軸而存在於相反側，若將前述耳軸投影於前述爐口之直線與前述圓弧重疊的2個交點進行連結之直線的長度設為D0 ，且將前述線段的長度設為D1 ，比值D1 /D0 為0.2以上且0.8以下， 在和前述耳軸成直角且包含前述爐體中心軸的截面之形狀中，若將和前述出鋼孔隔著前述爐體中心軸而位於相反側之爐內表面的任意之點上的切線與前述爐體中心軸所形成的角度設為θ，前述角度θ的最大角度為70°以下。
  2. 如請求項1之頂底吹轉爐型精煉容器，其中前述頂底吹轉爐型精煉容器的收窄部的鐵皮為圓錐台，該收窄部的鐵皮的內側是包含前述角度θ在該頂底吹轉爐型精煉容器中形成最大角度之點在內以耐火物來施工。
TW108113041A 2018-04-20 2019-04-15 頂底吹轉爐型精煉容器 TW202003863A (zh)

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