TWI448555B - Method of refining molten iron - Google Patents

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Futoshi Ogasawara
Noriyasu Kato
Masayuki Koge
Yuma Igarashi
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Description

熔融生鐵之精煉方法
本發明係關於適用於對轉爐型精煉容器內的熔融生鐵(hot metal)或熔鋼實施脫磷處理(dephosphorization treatment)等的氧化精煉(oxidation refining)之精煉用上吹式噴管(top lance)，進一步關於使用該上吹式噴管之熔融生鐵之精煉方法。本發明之上吹式噴管，由於含氧氣體(oxygen containing gas)的供應路徑和氧化鐵等的固體氧源(solid oxygen source)的供應路徑是分離的，可從該等路徑將含氧氣體及固體氧源獨立地供應至轉爐型精煉容器內的熔融生鐵或熔鋼的浴面。又本發明的上吹式噴管，可將固體氧源以外的粉體和含氧氣體一起供應。再者本發明的上吹式噴管，可從與噴管前端部隔離之噴管的側面，將二次燃燒用的含氧氣體供應至轉爐型精煉容器的爐內空間。
在使用高爐熔融生鐵的製鋼過程中，在藉由轉爐(converter)進行脫碳吹煉之前，一般是進行熔融生鐵的預備脫磷處理(dephosphorization pretreatment))，以將熔融生鐵中所含的磷(P)大部分藉由氧氣和固體氧化鐵來予以氧化除去。特別是近年來，對鋼鐵製品的品質要求比以前更為嚴格，而要求進一步減低磷濃度。為了因應該品質要求，實施脫磷處理的熔融生鐵量必須比以往更多，又必須將脫磷處理後的磷濃度穩定地降低。
另一方面，為了減輕以地球暖化為代表之對環境造成的影響，必須減少製鋼過程中熔渣(slag)排出量。在熔融生鐵的預備脫磷處理中為了減少熔渣的排出量，必須減少脫磷用的精煉劑(以下稱「脫磷用精煉劑」)的投入量，該脫磷用精煉劑熔融後會成為具備磷氧化物(P2 O5 )吸收用精煉劑(refining agent)的作用之熔渣(稱為「脫磷精煉用熔渣」)。熔融生鐵的預備脫磷處理之脫磷用精煉劑的主體為石灰(lime)。因此，為了符合上述品質要求並減少熔渣排出量，必須有能在減少石灰使用量下維持必要脫磷量的技術，亦即必須有能在較少石灰使用量下高效率地進行脫磷處理的技術。
在熔融生鐵的預備脫磷處理中，由於未進行滓化(fluxing，熔渣化)的石灰無助於脫磷反應，為了減少石灰使用量，如何促進所添加的石灰之滓化是很重要的。以往，作為包含石灰之熔渣滓化能力優異的滓化促進用的助熔劑(滓化促進劑，fluxing agent)，螢石(fluorite，以氟化鈣為主成分的礦石)是已知的，而在脫磷處理中也是使用螢石。然而近年來，隨著環保法規的日趨嚴格，已開始限制含氟的助熔劑的使用。因此，針對不須使用螢石也能促進石灰所形成的脫磷反應的手段已被探討，且有多數的提案。
其中之一手段所提出的技術，是將石灰系的脫磷用精煉劑，供應至與含氧氣體和氧化鐵等的氧源所供應的場所相同的場所或接近的場所。該技術，是為了促進石灰系的脫磷用精煉劑之滓化，以在較少石灰系脫磷用精煉劑下高效率地進行脫磷處理。
例如，在專利文獻1提出一種熔融生鐵之預備脫磷處理方法，是在氧氣所供應的場所，添加石灰系的脫磷用精煉劑及吸熱物質來進行。又在專利文獻2揭示一種上吹式噴管，其適用於對藉由供應氧氣而形成於熔融生鐵表面的火點(fire spot，hot spot)區域添加石灰系脫磷用精煉劑。該上吹式噴管，是在軸心部位置配置用來供應石灰系脫磷用精煉劑之粉體吹入噴嘴，在其周圍配置用來供應氣氣之複數個噴嘴，而形成四層管構造。此外，專利文獻3提出一種五層管構造的精煉用上吹式噴管，其中，將石灰系脫磷用精煉劑和含氧氣體一起供應的供應路徑是與氧化鐵的供應路徑分離，且從該等路徑將含氧氣體、石灰系脫磷用精煉劑及氧化鐵供應至熔融生鐵浴面以對熔融生鐵實施脫磷處理等的氧化精煉。在該專利文獻3中還提出，藉由在氧化鐵供應路徑的周圍設置緩衝空間，以檢測出氧化鐵供應路徑的破洞。
然而，由於熔鐵的脫磷反應是溫度越低越有利，脫磷處理是在1300~1400℃左右的熔融生鐵階段進行。例如在專利文獻1及專利文獻2，是揭示1300℃弱~1350℃左右的實施溫度。此外，最近，由於自由空間(free board，爐內的靜置熔融生鐵以外的空間)變大而能實施強力攪拌，因此熔融生鐵之預備脫磷處理，一般是在轉爐型精煉容器內進行。然而，由於是在低溫下，在脫磷處理中飛散的熔融生鐵會在轉爐型精煉容器的側壁、爐口等附著凝固而造成基體金屬的堆積，導致熔融生鐵良率降低，且該基體金屬的除去作業會導致生產性降低。
該基體金屬附著的問題，並不限於熔融生鐵的預備脫磷處理，在轉爐中熔融生鐵的脫碳精煉也會造成問題。亦即，在轉爐中進行熔融生鐵的脫碳精煉時，起因於吹煉中的基體金屬飛散(spitting)及熔渣噴出(slopping)，在轉爐的內壁和爐口發生基體金屬的堆積，而有熔融生鐵及鐵屑要裝入爐內時受到阻害等的問題產生。
為了解決該基體金屬附著的問題，已有許多手段被提出。例如專利文獻4揭示一種精煉方法‧是在與上吹式噴管(在前端部具有主孔噴嘴)的前端部隔離既定間隔之上吹式噴管的側面，配置朝水平或朝下方的二次燃燒用噴嘴，從前述主孔噴嘴供應氧氣而對轉爐內的熔融生鐵或熔鋼實施氧化精煉的同時，從前述二次燃燒用噴嘴供應氧氣而將附著於轉爐的基體金屬予以熔解。
[專利文獻1]日本特開2003-328021號公報
[專利文獻2]日本特開2006-336033號公報
[專利文獻3]日本特開2008-208407號公報
[專利文獻4]日本特開2008-138271號公報
現在，在製鋼過程中，包含熔融生鐵的預備脫磷處理，作為氧源，是併用含氧氣體等的氣體氧源和氧化鐵等的固定氧源，並將其等添加至同一部位或接近的部位之氧化精煉方法已成為主流。而且，在此情況，利用前述氣體氧源作為搬運用氣體，藉由將脫磷用精煉劑等的助熔劑(flux)和氣體氧源一起搬運(參照專利文獻3)，以將助熔劑投入氣體氧源的添加位置之精煉方法也已被實施。此外，在實施這種精煉的情況也是，對附著於轉爐型精煉容器的內壁及爐口之基體金屬，藉由從上吹式噴管側面的二次燃燒用噴嘴供應的氣體氧源來施以熔解，基於確保鐵良率及生產性的觀點是極為重要的。
作為實施上述精煉之上吹式噴管，對於上述習知的各種形狀的上吹式噴管加以驗證的結果，不管是哪個上吹式噴管都無法採用。此外，即使將上述習知的上吹式噴管加以組合，仍無法獲得令人滿足的上吹式噴管。例如，即使連接於專利文獻3的上吹式噴管之含氧氣體供應路徑，來設置專利文獻4的二次燃燒用噴嘴，若透過含氧氣體供應路徑將助熔劑和含氧氣體一起搬運，會發生二次燃燒用噴嘴被該助熔劑堵塞的問題。
本發明是有鑑於上述情事而開發完成的，其目的是提供一種精煉用上吹式噴管，像熔融生鐵之預備脫磷處理那樣在轉爐型精煉容器內實施熔融生鐵或熔鋼的氧化精煉時，可高效率地進行氧化精煉，同時能將附著於轉爐型精煉容器之基體金屬予以高效率地熔解。本發明的目的，是進一步提供使用該精煉用上吹式噴管之熔融生鐵的精煉方法。
為了解決上述課題之本發明的要旨如下。
(1)一種精煉用上吹式噴管，是用來將收容於轉爐型精煉容器之熔融生鐵或熔鋼實施氧化精煉之精煉用上吹式噴管，其特徵在於：在上吹式噴管的前端部，具有朝鉛垂下方或朝斜下方之吹煉用主孔噴嘴及固體氧源吹送用副孔噴嘴，在從前述前端部往上方隔離的位置之上吹式噴管的側面部，具有朝水平或朝斜下方之二次燃燒用噴嘴，而且在上吹式噴管的內部設有第1供應路徑、第2供應路徑及第3供應路徑；該第1供應路徑，是將不同於固體氧源的粉體和吹煉用的含氧氣體一起通過前述主孔噴嘴來供應，或是將吹煉用的含氧氣體通過前述主孔噴嘴來供應；該第2供應路徑，是將二次燃燒用的含氧氣體通過前述二次燃燒用噴嘴來供應；該第3供應路徑，是將粉體狀的固體氧源和搬運用氣體一起通過前述副孔噴嘴來供應。
亦即，第1供應路徑係具備：將與固體氧源不同的粉體(以下也稱「精煉用助熔劑」)導入該路徑之精煉用助熔劑導入部、以及將該含氧氣體導入該路徑之含氧氣體導入部。精煉用助熔劑導入部，亦可為將精煉用助熔劑和搬運氣體一起導入之導入部，該搬運氣體較佳為也是含氧氣體。當然，也能做成將精煉用助熔劑和含氧氣體從同一個導入部導入(亦即，將前述精煉用助熔劑和含氧氣體事先混合成要通過前述主孔噴嘴供應時的比例後，再從該導入部導入)的構造。又在作業時，將精煉用助熔劑的導入停止，而僅將含氧氣體從前述含氧氣體導入部導入第1供應路徑亦可。
此外，第2供應路徑係具備：將含氧氣體導入該路徑之含氧氣體導入部。再者，第3供應路徑係具備：將固體氧源和搬運用氣體一起導入該路徑之固體氧源導入部。又在作業時，將固體氧源的供應停止，而僅將搬運用氣體從前述導入部導入第3供應路徑亦可。
在此，第1供應路徑及第2供應路徑是共有含氧氣體導入部亦可。在此情況是設有：用來防止前述精煉用助熔劑混入第2供應路徑之分隔構造。
(2)在上述(1)記載的精煉用上吹式噴管中，前述第2供應路徑的末端是封閉的，從第2供應路徑供應的含氧氣體不與第1供應路徑及第3供應路徑合流。
又第2供應路徑的末端，是指該路徑中比最靠近噴管前端部的二次燃燒用噴嘴更前方(噴管前端部側)的部分。
(3)在上述(2)記載的精煉用上吹式噴管中，是對前述第2供應路徑供應還原性氣體、二氧化碳氣體、非氧化性氣體、惰性氣體當中之任一種或兩種以上的氣體。
亦即，第2供應路徑係具備：將前述任一種或兩種以上的氣體導入該路徑之導入部。當然，亦可做成將該等氣體從與前述含氧氣體相同的導入部導入的構造。
(4)在上述(1)~(3)任一者記載的精煉用上吹式噴管中，在前述第3供應路徑的周圍具備緩衝空間，在該緩衝空間內存在空氣、還原性氣體、二氧化碳氣體、非氧化性氣體、惰性氣體當中之任一種或兩種以上的氣體，根據存在於該緩衝空間之氣體壓力或流量的變化來檢測出第3供應路徑之破洞。
(5)在上述(1)~(4)任一者記載的精煉用上吹式噴管中，前述第1供應路徑、前述第2供應路徑及前述第3供應路徑是配置在同心圓上。
(6)一種熔融生鐵之精煉方法，其特徵在於：將石灰系脫磷用精煉劑添加至轉爐型精煉容器內所收容的熔融生鐵，讓所添加的前述脫磷用精煉劑滓化成熔渣，對熔融生鐵實施氧化精煉時，使用上述(1)~(5)任一者記載的精煉用上吹式噴管，在從第1供應路徑將吹煉用的氧氣供應至熔融生鐵浴面的同時，從第3供應路徑將固體氧源和搬運用氣體一起供應至吹煉用的氧氣的供應場所附近之熔融生鐵浴面，進一步從第2供應路徑將二次燃燒用氧氣供應至轉爐型精煉容器的爐內空間而進行氧化精煉。
又較佳為，將前述石灰系脫磷用精煉劑的至少一部分從前述第1供應路徑供應至前述熔融生鐵。
依據本發明，上吹式噴管係在內部具備第1供應路徑、第2供應路徑及第3供應路徑；該第1供應路徑，是將石灰系脫磷用精煉劑等之不同於固體氧源的粉體和吹煉用的含氧氣體一起通過主孔噴嘴來供應，或是將吹煉用的含氧氣體通過主孔噴嘴來供應；該第2供應路徑，是將二次燃燒用的含氧氣體通過二次燃燒用噴嘴來供應；該第3供應路徑，是將粉體狀的固體氧源和搬運用氣體一起通過副孔噴嘴來供應。因此，即使從第1供應路徑及第3供應路徑供應粉體，從二次燃燒用噴嘴僅噴射出含氧氣體，因此二次燃燒用噴嘴能不發生堵塞而長期間穩定地噴射二次燃燒用含氧氣體。藉此，可抑制轉爐型精煉容器的基體金屬附著，可防止基體金屬附著所造成的弊害於未然，而能達成鐵良率的提昇及生產性的提昇。此外，含氧氣體、固體氧源及石灰系脫磷用精煉劑等的助熔劑可供應至同一部位或附近，因此可實現高效率地進行熔融生鐵及熔鋼的氧化精煉。
以下參照附圖來具體地說明本發明。以下所例示的噴管是典型的例子，但各部位(噴嘴、路徑等)的形狀、尺寸、數目、位置等並不限定於此。亦即，為了適當地實現各部位的目的，可參考公知的技術而設計成符合實際使用環境的構造。
第1圖係顯示本發明之精煉用上吹式噴管的一例之概略截面圖。如第1圖所示，本發明之精煉用上吹式噴管1係包含：圓筒狀的噴管主體2、藉由熔接等連接於該噴管主體2的下端之噴管噴嘴3、屬於噴管主體2的上端部且構成氣體、粉體和冷卻水的導入部(噴管主體2之與各供應設備的連接部)之噴管頂部4。噴管主體2係包含最外管5、外管6、中管7、分隔管8、內管9、最內管10之同心圓的六種鋼管，而由六層管所構成。在銅製的噴管噴嘴3，在其軸心部設置朝鉛垂下方之副孔噴嘴12，在該副孔噴嘴12的周圍，設置吐出方向朝鉛垂斜下方之複數個主孔噴嘴11。此外，在噴管主體2的側面部，在從噴管噴嘴3的前端部往上方隔離的位置，在噴管主體2的圓周方向大致等間隔地設置複數個二次燃燒用噴嘴13(吐出方向朝水平或斜下方)。在第1圖，雖是沿鉛垂方向設有二段，但亦可為一段或三段以上。又在從上吹式噴管1的前端部往上方隔離的位置的側面部設置朝水平或斜下方之二次燃燒用噴嘴13是表示，選定噴管側面部上的位置及方向(角度)而使二次燃燒用噴嘴的噴射方向朝向精煉容器的爐壁。此外，最靠近噴管前端部之二次燃燒用噴嘴13與噴管前端部的距離較佳為，考慮一般轉爐上吹式噴管噴嘴3之冷卻水路等的設計限制，而距離噴管前端300mm以上。
主孔噴嘴11，是將吹煉用氣體(含氧氣體)，或是將固體氧源以外的助熔劑等的粉體(「精煉用助熔劑」)、亦即石灰系脫磷用精煉劑等的粉體和作為搬運用氣體之含氧氣體一起，吹送至轉爐等的精煉容器(未圖示)內部之噴嘴。副孔噴嘴12，是將鐵礦石、軋鋼鱗片(mill scale)等的固體氧源和搬運用氣體一起吹送至精煉容器內部之噴嘴。此外，二次燃燒用噴嘴13，是將二次燃燒用的含氧氣體吹送至精煉容器內部空間的噴嘴。主孔噴嘴11，如第1圖所示，其截面往前端部擴大，而採用所謂拉瓦噴嘴(Laval Nozzle)的形狀。另一方面，副孔噴嘴12及二次燃燒用噴嘴13是形成筆直形狀，但副孔噴嘴12及二次燃燒用噴嘴13也能採用拉瓦形狀。該上吹式噴管1，是以能在精煉容器的內部昇降的方式，在精煉容器的上方藉由支承裝置(未圖示)所支承。
第1圖的噴管的情況，主孔噴嘴11的設置孔數及口徑等雖沒有特別的限制，但受到對上吹式噴管1之供應氣體壓力等的限制，根據所必要的含氧氣體供應量可決定其必然的設置孔數及口徑，因此設定在可滿足其等的範圍內。二次燃燒用噴嘴13也是，其設置孔數及口徑等雖沒有特別的限制，但按照爐形狀等而設定成可適當熔解所附著的基體金屬之配置。在此，含氧氣體是指，氧氣(純氧氣)、富氧空氣、氧氣和惰性氣體等的混合氣體，且其氧氣濃度比空氣高的氣體。作為從副孔噴嘴12吹送的固體氧源，可使用鐵礦石的燒結礦、軋鋼鱗片、集塵粉塵、砂鐵、鐵礦石、錳礦石等。在此的集塵粉塵，是從高爐、轉爐、燒結過程的排氣所回收之含有FeO或Fe2 O3 的粉塵。
又在本發明，屬於一種石灰系脫磷用精煉劑之生石灰等的助熔劑，是從主孔噴嘴11以含氧氣體作為搬運用氣體而進行吹送，同樣地，從副孔噴嘴12也是，將生石灰等的助熔劑和固體氧源一起吹送亦可。當然，從副孔噴嘴12噴出之流量以及從主孔噴嘴11噴出的流量，分別藉由獨立的流量計(未圖示)來獨立地進行流量控制。
最外管5和外管6的間隙以及外管6和中管7的間隙，是構成冷卻上吹式噴管1之冷卻水的流路。從設置於噴管頂部4之供水管(未圖示)供應的冷卻水，是通過外管6和中管7的間隙而到達噴管噴嘴3的部位，在噴管噴嘴3的部位反轉後通過最外管5和外管6的間隙而從設置於噴管頂部4之排水管(未圖示)排出。將供排水的路徑形成相反亦可。
中管7和分隔管8的間隙，是構成將含氧氣體供應給二次燃燒用噴嘴13的第2供應路徑。從設置於噴管頂部4且連通於中管7之含氧氣體供應管14導入中管7內部之含氧氣體，通過第2供應路徑到達二次燃燒用噴嘴13，而從二次燃燒用噴嘴13噴出。但分隔管8的上端部並未到達含氧氣體供應管14的部位(含氧氣體的導入部)。亦即，從含氧氣體供應管14導入中管7內部之含氧氣體，也流入分隔管8和內管9的間隙(如後述般，分隔管8和內管9的間隙是構成第1供應路徑)，通過此間隙而從主孔噴嘴11噴出。此外，分隔管8的下端部並未到達噴管噴嘴3的部位。亦即，雖然通過中管7和分隔管8的間隙(換言之第2供應路徑)但並未從二次燃燒用噴嘴13噴出之含氧氣體，是與第1供應路徑合流而從主孔噴嘴11噴出。
分隔管8和內管9的間隙是構成第1供應路徑，其用來將吹煉用的含氧氣體，或不同於固體氧源之粉體(「精煉用助熔劑」)、例如石灰系脫磷用精煉劑等的粉體和該含氧氣體一起，供應給主孔噴嘴11。亦即，在噴管頂部4，使用含氧氣體作為搬運用氣體而供應精煉用助熔劑之粉體供應管15(該供應管的設置部位成為精煉用助熔劑的導入部)是設置成連通分隔管8，又前述般之含氧氣體供應管14(該供應管的設置部位成為含氧氣體導入部)是設置成連通中管7。
而且從主孔噴嘴11將精煉用助熔劑和吹煉用含氧氣體一起吹送的情況，從含氧氣體供應管14供應的含氧氣體和從粉體供應管15供應的粉體及含氧氣體，是合流而通過第1供應路徑。在此情況，由於分隔管8的下端位置在比二次燃燒用噴嘴13的設置位置更下方，通過第1供應路徑的粉體不致流入二次燃燒用噴嘴13。亦即，分隔管8可發揮分隔構造的功能，而防止前述精煉用助熔劑混入第2供應路徑。
從主孔噴嘴11僅吹送吹煉用含氧氣體的情況，只要將粉體供應管15停止，或從粉體供應管15僅供應含氧氣體即可。
作為精煉用助熔劑，亦即與固體氧源不同的粉體，可適用固體氧源以外而為了實現高效率的精煉所投入之公知(或可預見)的固體物質全部。例如，除了前述的石灰系脫磷用精煉劑(生石灰(CaO)、石灰石(CaCO3 )、或白雲石(CaCO3 ‧MgCO3 )、脫碳熔渣、二次精煉熔渣等)以外，還包括熔渣的原料(例如含有二氧化矽(SiO2 )、氧化鎂之磚屑等)、滓化促進劑(含有螢石、氧化鈦、氧化鋁等的物質等)等等。又通常，至少石灰系脫磷用精煉劑是作為精煉用助熔劑來供應。
最內管10的內部，是構成將固體氧源和搬運用氣體一起供應給副孔噴嘴12之第3供應路徑。亦即，從設置於噴管頂部4且連通於最內管10之供應管(未圖示)和搬運用氣體一起供應至最內管10的內部之固體氧源，通過最內管10的內部而到達副孔噴嘴12後，從副孔噴嘴12噴出。在此，前述供應管的設置部(未圖示)是成為固體氧源導入部。作為搬運固體氧源之搬運用氣體，宜為氧含量為空氣以下的氣體，較佳為使用空氣、還原性氣體、二氧化碳氣體、非氧化性氣體、惰性氣體當中任一種或兩種以上的氣體。
作為固體氧源之搬運用氣體，是使用空氣、還原性氣體、二氧化碳氣體、非氧化性氣體、惰性氣體的理由如下所述。空氣，相較於從主孔噴嘴11吹送的含氧氣體其含氧量少，又還原性氣體、二氧化碳氣體、非氧化性氣體、惰性氣體中實質上不含氧。因此，可防止固體氧源所含之微量的金屬鐵(metallic iron)在搬運中發生燃燒，且能防止在搬運中因固體氧源和最內管10的接觸所產生的火花造成最內管10的燃燒。在此，還原性氣體是指丙烷氣體等的烴系氣體及CO氣體，非氧化性氣體是指氮氣等的無氧化能力的氣體，惰性氣體是指Ar氣體和He氣體等的非活性氣體。
內管9和最內管10的間隙，在前端部的噴管噴嘴3的部位被密封，而成為從設置於噴管頂部4之緩衝用氣體供應管16所供應的空氣、還原性氣體、二氧化碳氣體、非氧化性氣體、惰性氣體當中任一種或兩種以上的氣體所存在之緩衝空間。在本發明，將存在於緩衝空間之氣體稱為「緩衝用氣體」。
朝向該緩衝空間之緩衝用氣體的供應路徑如第2圖所示。如第2圖所示，在設置於噴管頂部4之緩衝用氣體供應管16，連接著具備檢測器(detector)20、遙控操作閥21、撓性軟管22以及複數個手動遮斷閥23之緩衝用氣體導入裝置19。而且，透過該緩衝用氣體導入裝置19來對緩衝空間供應緩衝用氣體。作為檢測器20，是配置壓力計或流量計，或是壓力計及流量計雙方。對緩衝空間導入緩衝用氣體的方法，可遮斷遙控操作閥21而將緩衝用氣體密封於緩衝空間，或打開遙控操作閥21而使緩衝用氣體的壓力始終作用於緩衝空間。在第2圖的例子，是構成兩個操作皆可。此外，撓性軟管22，是構成讓上吹式噴管1上下昇降時的餘裕。此外，在第2圖的例子，是將檢測器20設置在比撓性軟管22更接近上吹式噴管1側，但設置在比撓性軟管22更靠近供應側亦可，檢測器20不管設在哪個部位皆可。但要根據緩衝空間的壓力變動來檢測出破洞的情況，必須將檢測器20配置在比遙控操作閥21更靠近上吹式噴管1側。因此，基於作業彈性的觀點，較佳為將檢測器20配置在比遙控操作閥21更靠近上吹式噴管1側。
作為緩衝用氣體，是使用空氣、還原性氣體、二氧化碳氣體、非氧化性氣體、惰性氣體的理由，是與作為固體氧源的搬運用氣體是使用該等氣體的理由相同。亦即，隨著固體氧源的搬運，即使該固體氧源的供應路徑(亦即作為第3供應路徑之最內管10)產生破洞而使緩衝用氣體和固體氧源接觸，由於是使用該等氣體作為緩衝用氣體，可防止固體氧源中金屬鐵的燃燒，並防止因固體氧源和最內管10的接觸所產生的火花造成最內管10的燃燒。因此，除了上述氣體以外，只要氧含量比空氣低的氣體都能作為緩衝用氣體來使用。
最內管10在精煉中發生破洞之檢測，可採用以下方式進行。亦即，當精煉中若在最內管10發生破洞，緩衝空間和最內管10的內部會連通，而使緩衝空間內的壓力改變，或對緩衝空間供應之緩衝用氣體的流量改變，因此可根據該改變來檢測破洞。具體的檢測方法可採用以下兩種方法。其中一種方法，作為檢測計20，係設置壓力計或壓力計和流量計雙方，對緩衝空間導入緩衝用氣體後，遮斷遙控操作閥21而在緩衝空間封入緩衝用氣體，精煉中藉由檢測器20來測定緩衝空間內的壓力，藉此檢測出破洞。另一方法，作為檢測器20是設置流量計，打開遙控操作閥21而使緩衝用氣體的壓力始終作用於緩衝空間，在此狀態下藉由檢測器20來測定流量，根據有破洞時的流量改變來檢測出破洞。
以下說明，使用上述構造之本發明的上吹式噴管1來在轉爐實施熔融生鐵的預備脫磷處理的例子。
將本發明的上吹式噴管1配置在轉爐內之熔融生鐵的上方既定位置，從主孔噴嘴11將作為含氧氣體之氧氣朝熔融生鐵浴面吹送。在此同時，從副孔噴嘴12，將固體氧源(使用空氣、還原性氣體、二氧化碳氣體、非氧化性氣體、惰性氣體當中任一種或兩種以上的氣體作為搬運用氣體)朝熔融生鐵浴面吹送。從副孔噴嘴12吹送的固體氧源，是供應至與氧氣所供應的場所相同場所的熔融生鐵浴面或其附近。在脫磷處理時，必須使用脫磷精煉用熔渣以吸收在脫磷反應所生成的磷氧化物(P2 O5 )，因此也將構成該脫磷精煉用熔渣之石灰系脫磷用精煉劑投入。
作為石灰系脫磷用精煉劑，只要是含有CaO且能達成本發明的脫磷處理即可，其CaO含量沒有特別的限定。通常是由CaO單獨構成，或含有50質量%以上CaO且按照需要而含有其他成分。作為具體的例子，可使用生石灰(CaO)、石灰石(CaCO3 )、或白雲石(CaCO3 ‧MgCO3 )，可進一步在該等物質中混合滓化促進劑，亦即含有氧化鈦、氧化鋁、氧化鎂的物質。此外，脫碳熔渣(decarburization slag)及桶精煉熔渣(ladle refining slag)等，由於也是以CaO為主成分且磷含量少，而能作為石灰系脫磷用精煉劑充分地利用。
在熔融生鐵浴面，氧氣與熔融生鐵浴面碰撞的場所(「火點」)，經由氧氣與熔融生鐵中的碳發生反應而變得高溫，供應至火點或火點附近的固體氧源會迅速地熔融，而使熔渣中的FeO成分增加。如此，熔渣中的氧勢(oxygen potential)上昇，亦即迅速地形成適於脫磷反應的熔渣，即使熔渣量少，即使在高溫下，仍能進行脫磷處理。此外，藉由將石灰系脫磷用精煉劑投入火點或火點附近，可促進石灰系脫磷用精煉劑的滓化而使脫磷精煉用熔渣提早形成，而能進一步促進脫磷反應。因此較佳為，石灰系脫磷用精煉劑也是透過主孔噴嘴11或主孔噴嘴11及副孔噴嘴12，投入火點或火點附近。
在進行吹煉時，從二次燃燒用噴嘴13供應二次燃燒用的氧氣，以在脫磷精煉的同時將爐體的附著基體金屬熔解，或防止基體金屬附著。藉此，可防止基體金屬附著所造成的弊害於未然，可實施鐵良率的提昇及生產性的提昇。
在此情況，來自二次燃燒用噴嘴13之氧氣供應量(Q)，較佳為來自主孔噴嘴11之氧氣供應量(QO )之5~30%的範圍。當100Q/QO 未達5%時，二次燃燒用的氧氣過少，二次燃燒發熱量不足而無法熔解附著基體金屬。另一方面，若100Q/QO 超過30%，二次燃燒發熱量過多，會促進爐體耐火物發生熔損。
此外，若來自二次燃燒用噴嘴13之氧氣的流速過快，而使來自二次燃燒用噴嘴13的氧氣直接到達爐壁，則不僅附著基體金屬發生局部熔解，爐體耐火物也會發生局部熔損。因此，在來自二次燃燒用噴嘴13的氧氣噴流到達爐壁為止的期間，讓氧氣噴流和爐內所產生的CO氣體反應而使二次燃燒熱在爐內均一分散是重要的。
如專利文獻4所揭示，在來自二次燃燒用噴嘴13的氧氣流速衰減至30m/秒的時點，爐內產生的CO氣體會和來自二次燃燒用噴嘴13的氧氣反應而產生二次燃燒反應。從二次燃燒用噴嘴13供應的氧氣流速為30m/秒時，與二次燃燒用噴嘴13的噴嘴出口距離X(m)可由下式(1)求出。
式(1)中，V0 ：二次燃燒用噴嘴的出口之氧氣噴流的流速(m/秒)，de：二次燃燒用噴嘴的出口徑(mm)，C=0.016+0.19/(PO -Pe )，PO ：二次燃燒用噴嘴的絕對壓表示之氧背壓(kgf/cm2 )，Pe：轉爐型精煉容器內的絕對壓表示之環境氣壓(kgf/cm2 )。
只要以該距離X未到達爐壁之適當範圍來進行上吹式噴管的設計及吹煉條件的控制，即可避免局部發生基體金屬熔解和爐壁耐火物的熔損，而使二次燃燒反應熱均一分散於爐內。
又第1圖所示的上吹式噴管1，分隔管8的下端部尚未到達噴管噴嘴3的部位，第2供應路徑是開口於第1供應路徑。因此，從二次燃燒用噴嘴13噴出之含氧氣體流量，是取決於主孔噴嘴11的總截面積和二次燃燒用噴嘴13的總截面積的比，而無法獨立地控制來自二次燃燒用噴嘴13的噴出量。亦即，從含氧氣體供應管14及粉體供應管15供應的含氧氣體的總量，是按照兩者的截面積比而分配。為了改善此情況而進行更高精度的吹煉控制，也能將二次燃燒用的含氧氣體流量實施獨立地控制。但在此情況，必須將上吹式噴管的內部構造改變成與第1圖所示的上吹式噴管1不同的構造。
第3圖係顯示，能將二次燃燒用的含氧氣體流量與吹煉用含氧氣體獨立地控制之上吹式噴管的例子。
在第3圖所示的上吹式噴管1A，分隔管8的下端到達噴管噴嘴3的部位，在噴管噴嘴3的部位，中管7和分隔管8的間隙(亦即第2供應路徑)是密封的。此外，在噴管頂部4，分隔管8的上端是位於比中管7的上端位置更上方，在中管7和分隔管8之間設置密閉用的密封材而將第2供應路徑密封。而且，在中管7連通著含氧氣體供應管18(該供應管的設置部成為含氧氣體導入部)。亦即，從含氧氣體供應管18供應至中管7內部的含氧氣體，通過中管7和分隔管8的間隙(亦即第2供應路徑)，而從二次燃燒用噴嘴13噴出。
另一方面，在噴管頂部4，在分隔管8連通著含氧氣體及粉體供應管17(該供應管的設置部是構成精煉用熔渣導入部兼含氧氣體導入部)。而且，從含氧氣體及粉體供應管17朝分隔管8內部供應之吹煉用的含氧氣體、或是以含氧氣體作為搬運用氣體之精煉用熔渣，通過分隔管8和內管9的間隙(亦即第1供應路徑)而從主孔噴嘴11噴出。在從主孔噴嘴11僅吹送含氧氣體的情況，是從含氧氣體及粉體供應管17僅供應含氧氣體；在從主孔噴嘴11吹送粉體(以含氧氣體作為搬運用氣體)的情況，是從含氧氣體及粉體供應管17供應含氧氣體及粉體。上吹式噴管1A，其他構造是與第1圖所示的上吹式噴管1相同，對相同的部分是用同一符號表示，而省略其說明。此外，使用該上吹式噴管1A之熔融生鐵的預備脫磷處理，也是按照使用上吹式噴管1的情況來進行即可。
又依吹煉的狀況，會有不須通過第2供應路徑而從二次燃燒用噴嘴13噴出氧氣的情況。在此情況，在第3圖所示的上吹式噴管1A，為了防止二次燃燒用噴嘴13堵塞而可從第2供應路徑供應還原性氣體、二氧化碳氣體、非氧化性氣體、惰性氣體當中之任一種或兩種以上的氣體。
如此般，依據本發明，上吹式噴管1、1A係在內部具備第1供應路徑、第2供應路徑及第3供應路徑。該第1供應路徑，是將不同於固體氧源的粉體(石灰系脫磷用精煉劑等)和吹煉用的含氧氣體一起通過主孔噴嘴11來供應，或是將吹煉用的含氧氣體通過主孔噴嘴11來供應；該第2供應路徑，是將二次燃燒用的含氧氣體通過二次燃燒用噴嘴13來供應；該第3供應路徑，是將粉體狀的固體氧源和搬運用氣體一起通過副孔噴嘴12來供應。因此，即使從第1供應路徑及第3供應路徑供應粉體，從二次燃燒用噴嘴13僅噴射出含氧氣體，因此二次燃燒用噴嘴13能不發生堵塞而長期間穩定地噴射二次燃燒用含氧氣體。藉此，可抑制轉爐型精煉容器的基體金屬附著，可防止基體金屬附著所造成的弊害於未然。
[實施例]
[實施例1]
從高爐送出之熔融生鐵，按照需要在高爐爐床進行脫矽處理後，搬運至容量300噸的轉爐，在該轉爐使用第1圖所示的上吹式噴管實施合計四次預備脫磷處理(本發明例1~4)。主孔噴嘴是在同心圓上均等地配置四個。此外，二次燃燒用噴嘴，是在圓周上均等地配設上下各八個，二次燃燒用噴嘴和上吹式噴管的夾角θ(°)設定成，在來自二次燃燒用噴嘴的氧噴流流速為30m/秒時，與二次燃燒用噴嘴13的噴嘴出口之距離X(m)滿足下式(2)。
在此，X為根據式(1)所決定的與二次燃燒用噴嘴的噴嘴出口的距離(m)，H為從上吹式噴管中心至轉爐爐壁在水平方向上的距離(m)。此外，角度θ，是二次燃燒用噴嘴的中心線和上吹式噴管的中心線的夾角，是以鉛垂方向(=0°)為基準(0°<θ≦90°)。因此，Xsinθ表示從二次燃燒用噴嘴起算之水平方向上的噴流到達距離(m)。
脫磷處理前的熔融生鐵的磷濃度統一為0.12質量%，脫磷處理後的熔融生鐵之磷濃度目標為0.020質量%以下，鐵良率目標為98%以上。鐵良率(η)，是相對於裝入轉爐內之熔融生鐵的質量(WO )和鐵屑質量(WS )的總質量(WO +WS )，將脫磷處理後送出的熔融生鐵的質量(W)用百分率表示(η=100W/(WO +WS ))的數值。
脫磷處理，是從含氧氣體供應管14供應氧氣，從粉體供應管15以氧氣作為搬運用氣體而供應生石灰粉(平均粒徑1mm以下)，從最內管的內部(第3供應路徑)以氮氣作為搬運用氣體而供應粉體的固體氧源。在此情況，第1供應路徑是構成氧氣和生石灰粉的供應路徑，第2供應路徑是構成氧氣的供應路徑。
有別於上吹式噴管，從設置於轉爐爐上之料斗也朝爐內投入塊狀的生石灰(從上吹式噴管之生石灰投入量：從爐上料斗的生石灰投入量=8：2)。但作為脫磷用精煉劑，並未使用CaF2 等的氟化物而實施脫磷處理。此外，從轉爐爐底的風口(tuyere)，將作為攪拌用氣體之氮氣以熔融生鐵每噸0.03~0.30Nm3 /分的流量吹入。
從主孔噴嘴及二次燃燒用噴嘴供應之氧氣流量為熔融生鐵每噸0.6~2.5Nm3 /分。氧氣的單位用量，脫矽所需的氧除外為12Nm3 /t。二次燃燒用噴嘴的氧氣流量(Q)相對於主孔噴嘴的氧氣流量(QO )，亦即100Q/QO 為6%。作為固體氧源，可使用粉狀的鐵礦石(平均粒度50μm)、砂鐵(平均粒度100μm)、軋鋼鱗片(平均粒度500μm)、鐵礦石的燒結礦(平均粒度100μm)當中任一種，而從副孔噴嘴吹送。
最內管及內管是否有破洞，藉由根據緩衝用氣體流量改變來檢測的方式進行監視，結果並未發生破洞。
此外，作為比較例，是將第1圖所示的上吹式噴管之二次燃燒用噴嘴予以機械性地堵塞，在未將二次燃燒用的氣氣供應至爐內空間下實施脫磷處理(比較例1)。比較例之其他脫磷條件是依據本發明例來進行。表1顯示本發明例及比較例之脫磷處理前後的熔融生鐵成分及作業條件。表1中CaO的單位用量及固體氧源使用量，是熔融生鐵每1噸的量。
如表1所示，在來自上吹式噴管的氧氣的吹送面附近供應固體氧源之本發明例全部，脫磷處理後的熔融生鐵中磷濃度為0.020質量%以下，且鐵良率為98%以上。相對於此，在比較例1，脫磷處理後的熔融生鐵中磷濃度雖為0.020質量%以下，但鐵良率未達98%。亦即關於脫磷處理中熔融生鐵的損失，相對於比較例之2.1%，本發明例為1.2~1.7%，而有顯著的改善。
[實施例2]
從高爐送出之熔融生鐵，按照需要在高爐爐床進行脫矽處理後，搬運至容量300噸的轉爐，在該轉爐使用第3圖所示的上吹式噴管實施合計兩次預備脫磷處理(本發明例5~6)。
脫磷處理中，將二次燃燒用噴嘴的氧氣流量控制成一定的結果，二次燃燒用噴嘴的氧氣流量(Q)相對於主孔噴嘴的氧氣流量(QO )，亦即100Q/QO 為12%。在此情況也是，確認Xsinθ可滿足前述式(2)的範圍。其他的脫磷處理條件與實施例1相同。表2顯示脫磷處理前後之熔融生鐵成分及作業條件。表2中CaO的單位用量及固體氧源使用量，是熔融生鐵每1噸的量。又鐵良率的定義是與實施例1相同。
如表2所示，由於二次燃燒用噴嘴的氧氣流量比實施例1增多，二次燃燒發熱量增加，而能進一步抑制基體金屬附著，脫磷處理之鐵良率成為大致99%(亦即熔融生鐵損失約1%)，而確認具有更高的品質。
[實施例3]
從高爐送出之熔融生鐵，按照需要在高爐爐床進行脫矽處理後，搬運至容量350噸的轉爐，在該轉爐使用第1圖及第3圖所示的上吹式噴管實施預備脫磷處理(本發明例7~8)。
從轉爐爐底的風口，將作為攪拌用氣體之氧氣以熔融生鐵每1噸0.3Nm3 /分的流量吹入。爐底的風口採用雙層管構造，從內管吹送氧氣從外管是對應於氧氣流量而吹送冷卻氣體(丙烷氣體)。作為固體氧源，對熔融生鐵每1噸使用鐵礦石的燒結礦(平均粒度100μm)6kg，從上吹式噴管的副孔噴嘴吹送。二次燃燒用噴嘴的氧噴流條件，是滿足上述式(2)的範圍。其他脫磷處理條件是和實施例1同樣條件。
此外，作為比較例，是將第1圖所示的上吹式噴管之二次燃燒用噴嘴予以機械性地堵塞，在未將二次燃燒用的氣氣供應至爐內空間下實施脫磷處理(比較例2)。比較例之其他脫磷條件是依據本發明例來進行。
表3顯示脫磷處理前後之熔融生鐵成分及作業條件。一併顯示出脫磷處理中的二次燃燒用噴嘴的氧氣流量(Q)相對於主孔噴嘴的氧氣流量(QO )，亦即100Q/QO 。表3中CaO的單位用量是熔融生鐵每1噸的量。又鐵良率的定義是與實施例1相同。
如表3所示，在從爐底風口吹送氧氣之強攪拌條件下也是，隨著二次燃燒發熱量的增加，可進一步抑制基體金屬的附著，而使脫磷處理之鐵良率更高。
[實施例4]
將從高爐送出之熔融生鐵搬運至容量300噸的轉爐，在該轉爐使用第3圖所示的上吹式噴管實施脫碳脫磷處理而熔製成熔鋼(本發明例9)。熔融生鐵之脫碳精煉，是藉由提高所生成的爐內熔渣的鹼性，而和脫磷反應同時進行。
脫碳脫磷處理，是從含氧氣體供應管18供應氧氣，並從含氧氣體及粉體供應管17以氧氣作為搬運用氣體而供應生石灰粉(平均粒徑1mm以下)，從最內管的內部(第3供應路徑)是以氬氣作為搬運用氣體而供應粉體的固體氧源。
有別於上吹式噴管，從設置於轉爐爐上的料斗也將塊狀的生石灰投入爐內。但作為精煉劑，並未使用CaF2 等的氟化物而實施脫碳脫磷處理。此外，從轉爐爐底的風口，將作為攪拌用氣體之氬氣以熔融生鐵每噸0.15Nm3 /分的流量吹入。
從主孔噴嘴供應之氧氣流量為熔融生鐵每噸3.2Nm3 /分。從二次燃燒用噴嘴，在吹煉開始至結束為止的期間的前半段，是供應氧氣，在後半段供應氬氣。相對於主孔噴嘴的氧氣流量(QO )，二次燃燒用噴嘴的氧氣流量(Q)為5%。來自二次燃燒用噴嘴的氧噴流的條件為滿足前述式(2)條件的範圍。作為固體氧源，對熔融生鐵每1噸使用鐵礦石的燒結礦(平均粒度100μm)6kg，從副孔噴嘴吹送。
此外，作為比較例，是將第3圖所示的上吹式噴管之二次燃燒用噴嘴予以機械性地堵塞，在未將二次燃燒用的氣氣供應至爐內空間下實施脫磷處理(比較例3)。比較例之其他脫碳脫磷條件是依據本發明例來進行。
表4係顯示本發明例及比較例之脫磷處理前後的熔融生鐵成分及作業條件。表4中的CaO單位用量及固體氧源使用量是熔融生鐵每1噸的量。鐵良率(η)，是相對於裝入轉爐內之熔融生鐵的質量(WO )和鐵屑質量(WS )的總質量(WO +WS )，將脫碳脫磷處理後送出的熔鋼的質量(W1 )用百分率表示(η=100W1 /(WO +WS ))的數值。
如表4所示，本發明例9之鐵良率比起比較例3稍佳。亦即即使在高溫處理之基體金屬附著較少的條件下，藉由局部地援用二次燃燒，仍可改善良率。
依據本發明之上吹式噴管，即使從第1供應路徑及第3供應路徑供應粉體，從二次燃燒用噴嘴僅噴射出含氧氣體，因此二次燃燒用噴嘴能不發生堵塞而長期間穩定地噴射二次燃燒用含氧氣體。藉此，可抑制轉爐型精煉容器的基體金屬附著，可防止基體金屬附著所造成的弊害於未然，而能達成鐵良率的提昇及生產性的提昇。此外，含氧氣體、固體氧源及石灰系脫磷用精煉劑等的助熔劑可供應至同一部位或附近，因此可實現高效率地進行熔融生鐵及熔鋼的氧化精煉。
1．．．上吹式噴管
1A．．．上吹式噴管
2．．．噴管主體
3．．．噴管噴嘴
4．．．噴管頂部
5．．．最外管
6．．．外管
7．．．中管
8．．．分隔管
9．．．內管
10．．．最內管
11．．．主孔噴嘴
12．．．副孔噴嘴
13．．．二次燃燒用噴嘴
14．．．含氧氣體供應管
15．．．粉體供應管
16．．．緩衝用氣體供應管
17．．．含氧氣體及粉體供應管
18．．．含氧氣體供應管
19‧‧‧緩衝用氣體導入裝置
20‧‧‧檢測器
21‧‧‧遙控操作閥
22‧‧‧撓性軟管
23‧‧‧手動遮斷閥
第1圖係本發明的精煉用上吹式噴管的例子之概略截面圖。
第2圖係顯示，本發明之精煉用上吹式噴管中，朝緩衝空間之緩衝用氣體的供應路徑。
第3圖係本發明的精煉用上吹式噴管的其他例子之概略截面圖。
1．．．上吹式噴管
2．．．噴管主體
3．．．噴管噴嘴
4．．．噴管頂部
5．．．最外管
6．．．外管
7．．．中管
8．．．分隔管
9．．．內管
10．．．最內管
11．．．主孔噴嘴
12．．．副孔噴嘴
13．．．二次燃燒用噴嘴
14．．．含氧氣體供應管
15．．．粉體供應管
16．．．緩衝用氣體供應管

Claims (6)

  1. 一種熔融生鐵之精煉方法，是將石灰系脫磷用精煉劑添加至轉爐型精煉容器內所收容的熔融生鐵，讓所添加的前述脫磷用精煉劑滓化成熔渣，對熔融生鐵實施氧化精煉時，使用精煉用上吹式噴管，該精煉用上吹式噴管，是用來將收容於轉爐型精煉容器之熔融生鐵或熔鋼實施氧化精煉之精煉用上吹式噴管；在上吹式噴管的前端部，具有朝鉛垂下方或朝斜下方之吹煉用主孔噴嘴及固體氧源吹送用副孔噴嘴，在從前述前端部往上方隔離的位置之上吹式噴管的側面部，具有朝水平或朝斜下方之二次燃燒用噴嘴，而且在上吹式噴管的內部設有第1供應路徑、第2供應路徑及第3供應路徑；該第1供應路徑，是將不同於固體氧源的粉體和吹煉用的含氧氣體一起通過前述主孔噴嘴來供應，或是將吹煉用的含氧氣體通過前述主孔噴嘴來供應；該第2供應路徑，是將二次燃燒用的含氧氣體通過前述二次燃燒用噴嘴來供應；該第3供應路徑，是將粉體狀的固體氧源和搬運用氣體一起通過前述副孔噴嘴來供應；在從第1供應路徑將吹煉用的氧氣供應至熔融生鐵浴面的同時，從第3供應路徑將固體氧源和搬運用氣體一起供應至吹煉用的氧氣的供應場所附近之熔融生鐵浴面，進一步從第2供應路徑將二次燃燒用氧氣供應至轉爐型精煉 容器的爐內空間而進行氧化精煉，藉此抑制轉爐型精煉容器的基體金屬附著，而防止基體金屬附著所造成的弊害於未然。
  2. 如申請專利範圍第1項記載的熔融生鐵之精煉方法，其中，前述第2供應路徑的末端是封閉的，從第2供應路徑供應的含氧氣體不與第1供應路徑及第3供應路徑合流。
  3. 如申請專利範圍第2項記載的熔融生鐵之精煉方法，其中，對前述第2供應路徑供應還原性氣體、二氧化碳氣體、非氧化性氣體、惰性氣體當中之任一種或兩種以上的氣體。
  4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項記載的熔融生鐵之精煉方法，其中，在前述第3供應路徑的周圍具備緩衝空間，在該緩衝空間內存在空氣、還原性氣體、二氧化碳氣體、非氧化性氣體、惰性氣體當中之任一種或兩種以上的氣體，根據存在於該緩衝空間之氣體壓力或流量的變化來檢測出第3供應路徑之破洞。
  5. 如申請專利範圍第1至3項中任一項記載的熔融生鐵之精煉方法，其中，前述第1供應路徑、前述第2供應路徑及前述第3供應路徑是配置在同心圓上。
  6. 如申請專利範圍第4項記載的熔融生鐵之精煉方法，其中，前述第1供應路徑、前述第2供應路徑及前述第3供應路徑是配置在同心圓上。
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