WO2011083655A1 - 含クロム溶鉄の機械撹拌操業法 - Google Patents

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molten iron
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chrome
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正之 杉浦
将和 森
貴博 吉野
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日新製鋼株式会社
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    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D27/00—Stirring devices for molten material

Definitions

  • the present invention relates to an operation method for reducing melting loss of a shaft rod portion that rotates integrally with a stirring blade in a refining process in which molten iron containing chromium (molten metal or molten steel) is mechanically stirred with a stirring blade (impeller).
  • the present invention provides an operation method that remarkably improves the life of a “rotary body” in which a stirring blade and a shaft bar are integrated in mechanical stirring in the case of chromium-containing hot metal or molten steel. It is to try.
  • the inventors of the present invention have found that in the mechanical stirring of chromium-containing hot metal or molten steel, the stirring is performed with the rotating shaft of the stirring blade aligned with the central axis of the refining vessel (central stirring mode). It was found that a significant difference appears in the wear state of the shaft rod portion that rotates integrally with the stirring blades when stirring in the state of being stirred (eccentric stirring mode). That is, in the case of the eccentric stirring mode, the shaft rod is very damaged as described above. On the other hand, in the case of the central agitation mode, slag, hot metal, and molten steel scattered matter easily adhere to the shaft rod.
  • the adhering matter is hard and has an action of firmly protecting the refractory of the shaft rod without easily peeling off. That is, during the stirring operation in the central stirring mode, a strong protective layer is naturally formed on the surface of the shaft refractory, and this phenomenon is sometimes referred to as “self-repair” in this specification.
  • the shaft refractory that has been consumed by stirring in the eccentric stirring mode can be self-repaired by setting the subsequent stirring charge to the central stirring mode.
  • the amount of slag and scattered matter attached to the shaft rod can be controlled, and as a result, the life of the shaft refractory can be greatly improved. It is.
  • the present invention has been completed based on such findings.
  • the stirring blade when the chromium-containing molten iron accommodated in the refining vessel is mechanically stirred by the stirring blade having the vertical rotation axis, the horizontal cross section of the inner wall surface is circular around the vertical center axis of the vessel.
  • the stirring blade is integrated with the shaft rod covered with the refractory and rotates with the central axis of the shaft rod as the rotation axis.
  • ⁇ central agitation mode '' in which stirring is performed with the rotation axis of the stirring blade aligned with the central axis of the container
  • ⁇ eccentric stirring mode '' in which the rotation axis of the stirring blade is shifted from the central axis of the container
  • a method of mechanical stirring of chromium-containing molten iron that can be selected and switched regularly or irregularly.
  • a method of alternately switching the central agitation mode and the eccentric agitation mode for each charge of agitation can be suitably employed.
  • hot metal or molten steel having a Cr content (value at the start of stirring of each stirring charge) of 8 to 35 mass% as a target of the chromium-containing molten iron.
  • Typical examples include hot metal and molten steel for making stainless steel by refining and casting in the subsequent process.
  • stainless steel is defined in the number 3801 of JIS G0203: 2009. Specific steel types include austenitic steel types defined in Table 2 of JIS G4305: 2005, and austenite steels defined in Table 3.
  • Ferritic steel types ferritic steel types specified in Table 4; martensitic steel types specified in Table 5; precipitation hardened steel types specified in Table 6; and various other types not applicable to JIS The developed steel grade is also covered. Further, steel types based on these component systems and having extremely low S (for example, S content of 0.005% by mass or less) are particularly suitable.
  • the rotation shaft of the stirring blade is It is more preferable that the stirring is performed while shifting from the range of 0.20D to 0.45D from the central axis of the container.
  • the initial shaft rod diameter D can be in the range of 10 to 30% of D 0 , for example. .
  • the “melt” is a substance that is in a molten state in a refining vessel, and specifically includes chrome-containing molten iron (molten metal or molten steel), and a refining flux or slag that is stirred together therewith.
  • the “average hot water surface height position of the melt during stirring” corresponds to the average hot water surface height position of the melt when assuming the state where the stirring is stopped and the hot water surface is stationary. When the average hot-water surface height fluctuates, such as when flux is added during stirring, the highest position is adopted.
  • the present invention when mechanically stirring the chrome-containing molten iron (hot metal or molten steel), it is possible to greatly extend the replacement time of the rotating body in which the stirring blade and the shaft rod are integrated. Therefore, the present invention improves the workability and reduces the cost in the process of accelerating the reaction by mechanical stirring, such as desulfurization treatment or chromium reduction recovery treatment in slag in the smelting process of chromium-containing steel including stainless steel. It contributes.
  • the figure which illustrated typically the external appearance of the rotary body which was in the state which should be replaced
  • FIG. 1 schematically illustrates the form of the rotating body applied to the mechanical stirring of the present invention in the initial state (before use).
  • a stirring blade 2 is attached to the lowermost part of the shaft core 1 made of steel or the like. Inside the stirring blade 2, there is usually a core material (not shown) made of a steel material joined to the shaft core 1, and the stirring blade 2 is constructed by spreading a refractory around the core material. Yes.
  • a refractory layer 3 is formed around the shaft core 1 so that the shaft core 1 made of steel or the like is not directly exposed to the molten metal.
  • a shaft rod 10 is constituted by the shaft core 1 and the surrounding refractory layer 3. The stirring blade 2 and the shaft rod 10 rotate together. This integrated body is called a rotating body 20.
  • FIG. 2 schematically shows the configuration of each part in the refining vessel in which the chromium-containing molten iron is mechanically stirred in the central stirring mode.
  • the cross section including the container center axis 40 and the rotation axis 41 is shown, the rotary body 20 is shown in a side view (the same applies to FIG. 4 described later).
  • the smelting vessel 30 uses a vessel whose inner wall surface 33 has a circular horizontal cross section around the vessel central axis 40 in the vertical direction.
  • a “horizontal section” is a section perpendicular to the container central axis 40 in the vertical direction.
  • the “circular shape” allows normal unevenness (deviation from a perfect circle) that occurs when the inner wall surface 33 is constructed of a refractory.
  • the inner diameter of the refining vessel 30 may be uniform in the height direction, or may not be uniform.
  • a refining vessel having a shape in which the inner diameter increases from the bottom toward the upper side can also be used.
  • the rotating body 20 is fixed to a rotating member whose upper part of the shaft rod 10 is rotated by the driving force of the motor, and the height position and the horizontal position of the rotating body 20 are set to predetermined positions by changing the position of the rotating member. Can be done.
  • the rotating shaft 41 and the container central axis 40 coincide with each other. Therefore, when the stirring by the rotating body 20 is started, the fluid vortex core 50 composed of the chrome-containing molten iron 31 and the refining flux or slag 32 is refined. It is formed at the center position of the container 30. Along with this, the hot water surface height decreases at the position of the vortex core 50 and increases at the peripheral portion.
  • the fluctuation amount of the molten metal surface is exaggerated (the same applies to FIG. 4 described later).
  • the interface between the chrome-containing molten iron 31 and the refining flux or slag 32 becomes complicated with rotation, but the interface is simplified in FIG. 2 (the same applies in FIG. 4 described later).
  • the height position of the rotating body 20 is set so that the upper end of the stirring blade 2 is below the molten metal surface height of the vortex core 50. Most of the upper end opening of the smelting vessel 30 is closed by the lid 34 except for the vicinity of the shaft 10.
  • FIG. 3 schematically illustrates the appearance of a rotating body after mechanical stirring of chromium-containing hot metal or molten steel is continuously performed for about 50 charges in the central stirring mode.
  • the surface of the refractory layer 3 constituting the shaft rod 10 is thickly covered with a hard deposit 4. In such a state, it is very difficult to remove the deposit 4 using a hammer or other jig. Further, as the apparent diameter of the shaft 10 increases due to the deposit 4, the amount of slag and molten metal scattered during rotation increases, and the deposition speed of the deposit 4 increases more and more. Therefore, when carrying out the mechanical stirring of the chromium-containing molten iron only in the central stirring mode, the rotating body must be frequently replaced.
  • FIG. 4 schematically shows the configuration of each part in a refining vessel in which chromium-containing hot metal or molten steel is mechanically stirred in an eccentric stirring mode.
  • the rotating body 20 rotates in a state where the rotating shaft 41 is eccentric with respect to the container center axis 40 by an eccentric amount ⁇ .
  • the vortex core 50 is shifted to the opposite side of the rotation axis 41 with respect to the container center axis 40.
  • the amount of shift of the vortex center 50 from the container center position is approximately equal to the amount of eccentricity ⁇ .
  • the height position of the rotating body 20 is set so that the upper end of the stirring blade 2 is lower than the hot water surface height of the vortex core 50.
  • FIG. 5 schematically illustrates the external appearance of the rotating body after mechanical stirring of chromium-containing hot metal or molten steel is continuously performed for about 150 charges in the eccentric stirring mode.
  • the deposit 4 is also observed on the surface of the refractory layer 3 constituting the shaft 10, but the portion of the refractory layer 3 to be washed by the hot water surface is eroded violently, and the diameter of the initial refractory layer 3 is larger.
  • a refractory melted portion 5 is formed which becomes thinner.
  • the number of charges until such a state changes depends on conditions, but in the operation so far, the life is generally between 80 and 180 charges.
  • the central stirring mode and the eccentric stirring mode are selected for each stirring charge, and the operation is switched regularly or irregularly.
  • the shaft rod 10 melts as described above.
  • the melted portion of the shaft 10 is coated with hard deposits, and the above-described “self-repair” action is exhibited.
  • the amount of deposits attached to the shaft rod 10 can be controlled. Therefore, the melting loss of the refractory layer 3 constituting 10 can be greatly reduced.
  • Most of the deposit layer formed in the central stirring mode is melted in the subsequent stirring charge in the eccentric stirring mode, so that the shaft 10 is covered with the excessive deposit 4 as shown in FIG. It is avoided that it becomes a state that is.
  • the amount of refractory layer 3 or the amount of deposit 4 deposited is investigated at the end of one charge or at a constant charge interval. There is a method of determining the agitation mode in charge until the investigation is conducted.
  • the diameter of the shaft 10 in this case may be based on the diameter before using the rotating body 20 for the first charge (the diameter in an unused state). This diameter is referred to herein as “initial shaft rod diameter” and is represented by the symbol D.
  • the initial shaft rod diameter D (mm) is the refractory diameter in the initial state of the shaft rod portion that is submerged under the melt surface before the start of rotation (that is, when the surface height is uniform in the container).
  • the diameter of the shaft rod portion changes depending on the part (for example, when the thickness of the shaft rod 10 changes in the height direction)
  • the diameter of the thinnest portion of the shaft rod portion is initially set.
  • the shaft rod diameter D may be used. It is particularly effective to apply the rotating body 20 whose initial shaft rod diameter D is 15 to 30% of the refining vessel inner diameter D 0 (described above).
  • the eccentricity ⁇ As a result of various studies, it is effective to set the eccentricity ⁇ to 0.20 D or more in the eccentric stirring mode. If the amount of eccentricity ⁇ becomes smaller than that, the superiority of “melting loss of the refractory layer 3” and “adhesion of the deposit 4” tends to become unstable, and it is difficult to stably realize stirring where the melting loss is dominant. There is a case.
  • the upper limit of the amount of eccentricity ⁇ is not necessarily determined because it is physically restricted by the size of the stirring blade 2 or the refining vessel installation 30 and the like, but it is not necessarily effective as ⁇ is large. It can be a factor of cost increase.
  • the rotary shaft 41 may slightly deviate from the predetermined position due to factors unavoidable in terms of equipment.
  • the amount of deviation can be allowed to a size of 0.10D. If the amount of deviation exceeds 0.10D, the superiority of “melting damage of refractory layer 3” and “adhesion of deposit 4” tends to be unstable, and it is difficult to achieve stable agitation where adhesion is superior. There is a case. More preferably, the amount of deviation is suppressed to 0.05 D or less.
  • the size of the smelting vessel is not particularly limited, and for example, it may be applied to one having the aforementioned inner diameter D 0 of about 1000 to 4500 mm.
  • FIG. 6 schematically illustrates the external appearance of the rotating body after approximately 150 charges are continuously switched by alternately switching the central stirring mode and the eccentric stirring mode for each charge for the mechanical stirring of the chromium-containing hot metal or molten steel.
  • This rotating body was used under the same conditions as those in FIG. 4 except that both modes were switched. However, due to the effect of the “self-repair”, the refractory melted part 5 was melted. The amount of loss is small and can be used continuously.
  • the desulfurization treatment was performed by mechanically stirring the electric furnace hot metal in the stainless steel melting process with a rotating body. At that time, one rotating body is used continuously until the end of its life (state to be replaced), and the mechanical stirring operation using the rotating body (shown in Table 1) is performed according to the number of times of use (number of processed stirring charges). The superiority or inferiority of each case was evaluated.
  • a rotating body having an initial shape as shown in FIG. 1 was used.
  • the diameter of the refractory layer 3 is uniform in the height direction. Therefore, the dimension indicated by d in FIG. 1 matches the initial shaft rod diameter D.
  • the value of D in each example is shown in Table 1.
  • the immersion depth of the rotating body was set such that the depth from the hot water surface to the upper end of the stirring blade was 500 mm, based on the height of the hot water surface when the rotating body was stationary.
  • the stirring time per charge was 600 sec, and the rotational speed of the rotating body was in the range of 80 to 120 rpm.
  • the amount of chromium-containing hot metal to be stirred per charge is about 80 Ton.
  • the type of molten iron used in the treatment was such that the proportion of the Fe—Cr—Ni hot metal for austenitic stainless steel accounted for about 40 to 60% of the total stirring charge up to the life of the rotating body, and the remaining stirring
  • the charge was Fe-Cr hot metal for ferritic stainless steel.
  • the temperature of molten iron containing chromium at the start of stirring was in the range of 1390 to 1450 ° C.
  • the outer diameter standard of the shaft rod part is that the apparent outer diameter of the shaft rod becomes thicker when the diameter of the portion with the largest melting damage exceeds the initial shaft rod diameter D-100 mm, or due to the adhering matter, The use was made when it was judged that there was a possibility of causing trouble due to an increase in the amount of slag and hot metal scattering and unstable rotation.
  • the reference for wear of the stirring blades was the time when it was judged that the desired desulfurization or chromium reduction recovery could not be achieved within a predetermined time (600 sec) unless the rotation speed was increased to 130 rpm or more.
  • Table 1 shows the operating conditions and results for each example.
  • “regular” is displayed in the mode switching pattern
  • the central stirring mode and the eccentric stirring mode are alternately switched every charge for each stirring.
  • the amount of refractory layer 3 melted or the amount of deposit 4 is investigated at the end of each charge, and it is determined that self-repair with the deposit should be performed at the next charge.
  • the center agitation mode was selected when it was performed, and both modes were switched as appropriate by selecting the eccentric agitation mode in other cases. However, the same stirring mode was not continued more than 3 times.
  • “CaO—Al 2 O 3 ” is displayed in the slag column, all charges are desulfurized.

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Abstract

　含クロム溶鉄を対象とした場合の機械撹拌において、撹拌羽根と軸棒が一体となった「回転体」の寿命を顕著に向上させる操業方法を提供する。　精錬容器に収容された含クロム溶鉄を鉛直方向の回転軸を持つ撹拌羽根により機械撹拌する際に、精錬容器は内壁面の水平断面が鉛直方向の容器中心軸の周りに円形であるものを使用し、撹拌羽根は耐火物で被覆された軸棒と一体となって軸棒の中心軸を回転軸として回転するものを使用する精錬工程において、撹拌羽根の回転軸を容器中心軸と一致させて撹拌を行う「中心撹拌モード」と、撹拌羽根の回転軸を容器中心軸からずらせて撹拌を行う「偏心撹拌モード」とを、撹拌チャージ毎に選択して規則的または不規則的に切り替える含クロム溶鉄の機械撹拌操業法。

Description

含クロム溶鉄の機械撹拌操業法
　本発明は、クロムを含有する溶鉄（溶銑または溶鋼）を撹拌羽根（インペラ）で機械撹拌する精錬工程において、撹拌羽根と一体に回転する軸棒部分の溶損を軽減する操業法に関する。
　溶鉄を撹拌羽根で機械撹拌する精錬工程は、これまで主として高炉に由来する溶銑の脱硫処理に適用されてきた（例えば特許文献１～４）。その際、撹拌効率を向上させるために、撹拌羽根の回転軸を精錬容器の中心軸から偏心させた状態で撹拌を行う方法が提案されている（特許文献３）。これにより、一定の脱硫効率を得る場合の回転数を低減させることができ、撹拌羽根等の寿命が向上するという。
　一方、ステンレス鋼の溶製においては電気炉を用いて溶銑や溶鋼を得るプロセスが主流である。その場合、電気炉のスラグとしてＣａＦ2（蛍石）を配合したものを適用したり、脱炭工程のスラグにＣａＦ2（蛍石）を配合したものを適用したりすることによって、比較的効率良く脱硫を行うことが可能であり、溶銑や溶鋼の機械撹拌を行う工程は特に必要とされていなかった。
　しかし、近年、製鋼スラグを地盤・路盤材料として利用する際にフッ素成分の含有が規制されるようになったことから、ＣａＦ2を配合させないスラグを適用することが多くなってきた。この場合、スラグの脱硫能力が低下するため、Ｓ含有量が例えば０.００５質量％以下といった極低Ｓステンレス鋼を溶製する場合には、既存の製鋼工程での脱硫負荷を軽減するためにも、電気炉溶銑や溶鋼に対して別途脱硫処理を行う必要が生じた。
　その脱硫処理として、高炉溶銑に対して行われているのと同様の機械撹拌による方法がステンレス鋼用の含クロム溶銑や溶鋼に対しても有効であることが確認されている。例えば脱硫剤としてＣａＯを使用する場合、含クロム溶銑や溶鋼を脱硫剤（ＣａＯ主体のスラグ）とともに機械撹拌すると下記（１）式の脱硫反応が進行する。発生した酸素は溶鉄中の脱酸成分（例えばＳｉ）と下記（２）式のように反応する。
　（ＣａＯ）＋［Ｓ］＝（ＣａＳ）＋［Ｏ］　…（１）
　［Ｓｉ］＋２［Ｏ］＝（ＳｉＯ2）　…（２）
特開２００４－２４８９７５号公報 特開２００１－２４８９７６号公報 特開２００１－２６２２１２号公報 特開２００３－１６６０１０号公報
　上述のように、溶銑や溶鋼を機械撹拌する際には、撹拌羽根の回転軸を精錬容器の中心軸から偏心させた状態での撹拌（偏心撹拌）を行うと撹拌効率が向上するため、同じ脱硫効果を得るためには回転数を低減することが可能となる。しかしながら発明者らの検討によれば、含クロム溶銑や溶鋼の場合、高炉溶銑の場合とは異なり、偏心撹拌による操業を行うと撹拌羽根と一体になって回転する軸棒の耐火物が非常に溶損しやすいという問題が生じた（後述の図５参照）。その結果、撹拌羽根自体の寿命は延びても軸棒部分の寿命が早期に尽きるため、撹拌羽根と軸棒が一体となった「回転体」としての交換時期は早まってしまう。
　本発明はこのような実情に鑑み、含クロム溶銑や溶鋼を対象とした場合の機械撹拌において、撹拌羽根と軸棒が一体となった「回転体」の寿命を顕著に向上させる操業方法を提供しようというものである。
　発明者らは詳細な検討の結果、含クロム溶銑や溶鋼の機械撹拌においては、撹拌羽根の回転軸を精錬容器の中心軸と一致させた状態での撹拌する場合（中心撹拌モード）と、偏心させた状態での撹拌する場合（偏心撹拌モード）とでは、撹拌羽根と一体となって回転する軸棒部分の損耗状態に顕著な差が現れることがわかった。すなわち、偏心撹拌モードの場合には上述のように軸棒の溶損が非常に大きくなる。これに対し中心撹拌モードの場合には軸棒にスラグや溶銑や溶鋼の飛散物が付着しやすくなる。しかも、その付着物は硬質であり、容易に剥落することなく軸棒の耐火物を強固に保護する作用を有するのである。つまり、中心撹拌モードによる撹拌操業中に、軸棒耐火物の表面に強固な保護層が自然に形成されるので、本明細書ではこの現象を「自己補修」と呼ぶことがある。
　偏心撹拌モードでの撹拌によって消耗した軸棒耐火物は、その後に行う撹拌チャージを中心撹拌モードとすることによって自己補修することが可能となる。そして、偏心撹拌モードと中心撹拌モードを繰り返すことによって軸棒へのスラグや飛散物の付着量を制御することができ、結果的に軸棒耐火物の寿命を大幅に向上させることが可能となるのである。本発明はこのような知見に基づいて完成したものである。
　すなわち本発明では、精錬容器に収容された含クロム溶鉄を鉛直方向の回転軸を持つ撹拌羽根により機械撹拌する際に、精錬容器は内壁面の水平断面が鉛直方向の容器中心軸の周りに円形であるものを使用し、撹拌羽根は耐火物で被覆された軸棒と一体となって軸棒の中心軸を回転軸として回転するものを使用する精錬工程において、
　撹拌羽根の回転軸を容器中心軸と一致させて撹拌を行う「中心撹拌モード」と、撹拌羽根の回転軸を容器中心軸からずらせて撹拌を行う「偏心撹拌モード」とを、撹拌チャージ毎に選択して規則的または不規則的に切り替える含クロム溶鉄の機械撹拌操業法が提供される。
　上記の規則的にモードを切り替える態様として、中心撹拌モードと偏心撹拌モードを撹拌１チャージ毎に交互に切り替える手法が好適に採用できる。
　含クロム溶鉄の対象としてＣｒ含有量（各撹拌チャージの撹拌開始時の値）が８～３５質量％の溶銑または溶鋼を適用することがより効果的である。代表的な対象としては、後工程の精錬および鋳造によりステンレス鋼とするための溶銑や溶鋼が挙げられる。ここで「ステンレス鋼」はＪＩＳ Ｇ０２０３：２００９の番号３８０１に規定されており、具体的な鋼種としてはＪＩＳ Ｇ４３０５：２００５の表２に規定されるオーステナイト系鋼種、同表３に規定されるオーステナイト・フェライト系鋼種、同表４に規定されるフェライト系鋼種、同表５に規定されるマルテンサイト系鋼種、同表６に規定される析出硬化系鋼種などが挙げられる他、ＪＩＳには該当しない種々の開発鋼種も対象となる。また、それらの成分系をベースとした極低Ｓ（例えばＳ含有量０.００５質量％以下）の鋼種が特に好適な対象となる。
　特に、回転開始前に融体物の湯面下に没する軸棒部分の初期状態における耐火物直径を初期軸棒直径Ｄ（ｍｍ）とするとき、偏心撹拌モードにおいて、撹拌羽根の回転軸を容器中心軸から０.２０Ｄ以上０.４５Ｄ以下の範囲でずらせて撹拌を行うことがより好適である。また、撹拌中の融体物の平均湯面高さ位置における精錬容器内径をＤ0（ｍｍ）とするとき、初期軸棒直径Ｄは例えばＤ0の１０～３０％の範囲とすることができる。
　ここで、「融体物」は、精錬容器中で溶融状態にある物質であり、具体的には含クロム溶鉄（溶銑または溶鋼）、およびそれとともに撹拌される精錬用フラックスやスラグなどである。「撹拌中の融体物の平均湯面高さ位置」は、当該撹拌を停止して湯面を静止させた状態を想定したときの融体物の平均湯面高さ位置に相当する。撹拌の途中でフラックス等を投入する場合など、平均湯面高さが変動する場合は、その最も高い位置を採用する。
　本発明によれば、含クロム溶鉄（溶銑または溶鋼）を機械撹拌するに際し、撹拌羽根と軸棒が一体となった回転体の取り替え時期を大幅に延長することが可能となる。したがって本発明は、ステンレス鋼をはじめとする含クロム鋼の溶製プロセスにおいて、脱硫処理、あるいはスラグ中のクロム還元回収処理など、機械撹拌によって反応を促進させる工程での作業性向上およびコスト低減に寄与するものである。
回転体の初期状態における形状を模式的に例示した図。 含クロム溶鉄を中心撹拌モードで機械撹拌している精錬容器中の各部の構成を模式的に表す部分断面図。 含クロム溶鉄の機械撹拌を中心撹拌モードで連続して行って交換すべき状態となった回転体の外観を模式的に例示した図。 含クロム溶鉄を偏心撹拌モードで機械撹拌している精錬容器中の各部の構成を模式的に表す部分断面図。 含クロム溶鉄の機械撹拌を偏心撹拌モードで連続して行って交換すべき状態となった回転体の外観を模式的に例示した図。 含クロム溶鉄の機械撹拌を中心撹拌モードと偏心撹拌モードを１チャージ毎に交互に切り替えて連続して行っている場合の、まだ使用可能と判断される状態の回転体の外観を模式的に例示する。
　図１に、本発明の機械撹拌に適用する回転体の初期状態（使用前）における形態を模式的に例示する。鋼材等からなる軸芯１の最下部に撹拌羽根２が取り付けられている。撹拌羽根２の内部には通常、軸芯１と接合された鋼材からなる芯材（図示していない）があり、撹拌羽根２はその芯材をベースとして耐火物を張りめぐらせることによって構築されている。軸芯１の周囲には耐火物層３が形成され、鋼材等からなる軸芯１が直接溶湯に曝されることがないようになっている。軸芯１とその周囲の耐火物層３により軸棒１０が構成されている。撹拌羽根２と軸棒１０は一体となって回転する。この一体化したものを回転体２０と呼んでいる。
　図２に、含クロム溶鉄を中心撹拌モードで機械撹拌している精錬容器中の各部の構成を模式的に示す。容器中心軸４０および回転軸４１を含む断面を示しているが、回転体２０については側面図を示してある（後述図４において同じ）。
　精錬容器３０は内壁面３３の水平断面が鉛直方向の容器中心軸４０の周りに円形であるものを使用する。「水平断面」とは鉛直方向の容器中心軸４０に垂直な断面である。「円形」には、内壁面３３を耐火物によって構築する際に生じる通常の凹凸（真円からのずれ）が許容される。精錬容器３０の内径は高さ方向に一様であっても構わないし、一様でなくても構わない。例えば底部から上方に向かって内径が拡大していく形状の精錬容器を使用することもできる。
　回転体２０は、軸棒１０の上部が、モーターの駆動力により回転する回転部材に固定され、その回転部材の位置を変えることにより、回転体２０の高さ位置および水平位置を所定位置に設定することができるようになっている。中心撹拌モードでは回転軸４１と容器中心軸４０が一致しているため、回転体２０による撹拌を開始すると、含クロム溶鉄３１と精錬用フラックスやスラグ３２によって構成される流体の渦心５０が精錬容器３０の中央位置に形成される。それに伴い、湯面高さは渦心５０の位置で低くなり、周辺部で高くなる。図２においてはこの湯面高さの変動量を誇張して描いてある（後述図４において同じ）。また、回転に伴い含クロム溶鉄３１と精錬用フラックスやスラグ３２の界面は複雑になるが、図２においては界面を簡略化して描いてある（後述図４において同じ）。回転体２０の高さ位置は、撹拌羽根２の上端が渦心５０の湯面高さよりも下になるように設定される。精錬容器３０の上端開口部は、軸棒１０の近傍を除く大部分が蓋３４によって塞がれる。
　中心撹拌モードで撹拌すると、軸棒１０の回転中における湯面近傍部分および湯面より上部に位置する部分に、スラグや溶銑または溶鋼に起因する付着物の層が形成される。この付着物の付着量は、高炉銑鉄の撹拌時に比べかなり多くなる傾向がある。しかも付着物は硬質となる。発明者らは含クロム溶銑や溶鋼の撹拌時付着物を分析したところ、クロム酸化物成分を含有していることがわかった。付着物のこのような特異な組成が後述するように軸棒耐火物溶損部分の自己補修に寄与しているものと推察される。
　図３に、含クロム溶銑や溶鋼の機械撹拌を中心撹拌モードで連続して約５０チャージ行った後の回転体の外観を模式的に例示する。軸棒１０を構成する耐火物層３の表面は硬質の付着物４により厚く覆われている。このような状態になると、ハンマーその他の治具を用いて付着物４を取り除くことは極めて困難である。また、付着物４によって軸棒１０の見掛けの径が太くなるほど、回転中に飛散するスラグや溶融金属の量が多くなり、付着物４の付着速度は益々増大する。したがって、含クロム溶鉄の機械撹拌を中心撹拌モードのみで実施する場合には、回転体を頻繁に取り替えなければならない。
　図４に、含クロム溶銑や溶鋼を偏心撹拌モードで機械撹拌している精錬容器中の各部の構成を模式的に示す。回転体２０は、容器中心軸４０に対し回転軸４１が偏心量δだけ偏心した状態で回転している。この場合、渦心５０は、容器中心軸４０に対し、回転軸４１と反対側にシフトする。その渦心５０の容器中心位置からのシフト量は偏心量δと概ね同等となる。偏心撹拌モードにおいても、回転体２０の高さ位置は、撹拌羽根２の上端が渦心５０の湯面高さよりも下になるように設定される。
　偏心撹拌モードで撹拌した場合でも、湯面からはスラグや溶融金属の飛散が発生する。しかし、中心撹拌モードでは上記の飛散に起因する付着物が非常に付きやすかったにもかかわらず、偏心撹拌モードでは湯面の変動によって洗われる軸棒１０の部分には付着物が非常に付きにくくなる。しかも、その部分の耐火物層３は非常に溶損しやすいことが明らかとなった。
　図５に、含クロム溶銑や溶鋼の機械撹拌を偏心撹拌モードで連続して約１５０チャージ行った後の回転体の外観を模式的に例示する。軸棒１０を構成する耐火物層３の表面には付着物４の付着も見られるが、湯面によって洗われる部分の耐火物層３は激しく浸食され、初期の耐火物層３の径よりも細くなる耐火物溶損部分５が生じている。耐火物溶損部分５の径が軸芯１の径に近づくと、更なる使用は避けるべき状態となり、回転体２０の交換を余儀なくされる。このような状態になるまでのチャージ数は条件によって異なるが、これまでの操業では概ね８０～１８０チャージの間で寿命となる場合が多かった。高炉溶銑の場合には、偏心撹拌モードを続けてもこのような顕著な溶損が問題になることはほとんどない。むしろ、撹拌羽根２の消耗が回転体２０の寿命決定要因となることが多かった。含クロム溶鉄の場合に上記のような激しい溶損が生じる理由については現時点で必ずしも明確にはなっていないが、易酸化元素であるＣｒが溶銑や溶鋼中に多量に含まれていることが耐火物を浸食しやすくしている要因になっているものと考えられる。また、撹拌処理に供する溶銑や溶鋼の温度が比較的高いことも要因の一つと考えられる。
〔本発明の操業法〕
　本発明では、１つの回転体２０を交換することなく使い続ける間に、中心撹拌モードと、偏心撹拌モードとを、撹拌チャージ毎に選択して規則的または不規則的に切り替える操業を行う。偏心撹拌モードで撹拌するチャージでは上述のように軸棒１０の溶損が進行する。その後のチャージで中心撹拌モードでの撹拌を行うと軸棒１０の溶損部分は硬質の付着物によりコーティングされ、前述の「自己補修」の作用が発揮される。このように、偏心撹拌モードでの「溶損」と、中心撹拌モードでの「自己補修」をこまめに繰り返すことにより、軸棒１０への付着物の付着量を制御することができ、軸棒１０を構成する耐火物層３の溶損を大幅に軽減することができるのである。中心撹拌モードで形成された付着物の層は、その後に行う偏心撹拌モードでの撹拌チャージにおいて大部分が溶失するので、図３に示したように軸棒１０が過剰な付着物４で覆われるような状態となることが避けられる。
　中心撹拌モードと、偏心撹拌モードとを、撹拌チャージ毎に規則的に選択する場合のパターンとしては、例えば両モードを撹拌１チャージ毎に交互に切り替えるパターンが挙げられる。その他、（i）装置条件、（ii）撹拌対象となる含クロム溶銑や溶鋼の組成、スラグの組成、それらの温度の条件、（iii）撹拌条件、などに応じて、予め予備実験や過去の操業データに基づいて回転体２０の寿命向上に好適なパターンを定めることもできる。例えば「偏心撹拌モード×２回→中心撹拌モード×１回」のサイクルを繰り返すといったパターンが考えられる。回転体の使用回数によってモード切替パターンを変化させる「可変パターン」を採用することもできる。
　前記両モードを撹拌チャージ毎に不規則的に選択する方法としては、１チャージ終了毎、あるいは一定チャージ間隔毎に耐火物層３の溶損量または付着物４の付着量を調査し、次に調査を行うまでチャージにおける撹拌モードを決定する方法が挙げられる。
　偏心撹拌モードにおける偏心量δ（容器中心軸４０と回転軸４１の距離）は、軸棒１０の直径に応じて設定することが効果的である。この場合の軸棒１０の直径としては、その回転体２０を１チャージ目に使用する前の直径（未使用状態の直径）を基準とすればよい。当該直径を本明細書では「初期軸棒直径」と呼び、記号Ｄで表す。初期軸棒直径Ｄ（ｍｍ）は回転開始前（すなわち湯面高さが容器内で均等である場合）に融体物湯面下に没する軸棒部分の初期状態における耐火物直径である。その軸棒部分の直径が部位によって変化している場合（例えば高さ方向に軸棒１０の太さが変化する場合）には、前記軸棒部分の中で最も径の細い部分の直径を初期軸棒直径Ｄとすればよい。初期軸棒直径Ｄが精錬容器内径Ｄ0（前述）の１５～３０％である回転体２０を適用することが特に効果的である。
　種々検討の結果、偏心撹拌モードでは偏心量δを０.２０Ｄ以上とすることが効果的である。それより偏心量δが小さくなると「耐火物層３の溶損」と「付着物４の付着」の優位性が不安定となりやすく、溶損が優位となる撹拌を安定して実現することが難しくなる場合がある。偏心量δの上限は撹拌羽根２や精錬容器設３０のサイズ等により物理的に制約を受けるので特に定める必要はないが、δが大きいほど効果的であるとは限らないので、過大なδはコスト増大の要因となり得る。また、過大なδとすると回転中の撹拌羽根の振動が大きくなり装置故障の原因となり得る。通常、偏心量δは０.２０Ｄ以上０.４５Ｄ以下の範囲とすれば良好な結果が得られる。０.２０Ｄ以上０.４０Ｄ以下の範囲、あるいは０.２０Ｄ以上０.３５Ｄ以下の範囲に管理してもよい。
　一方、中心撹拌モードにおいては、設備的に不可避的な要因により、回転軸４１が所定位置から多少ずれることがある。種々検討の結果、そのずれ量は０.１０Ｄの大きさまで許容することができる。ずれ量が０.１０Ｄを超えると「耐火物層３の溶損」と「付着物４の付着」の優位性が不安定となりやすく、付着が優位となる撹拌を安定して実現することが難しくなる場合がある。前記ずれ量は０.０５Ｄ以下に抑えることがより好ましい。
　精錬容器のサイズは特に限定されないが、例えば前述の内径Ｄ0が１０００～４５００ｍｍ程度のものに適用すればよい。
　図６に、含クロム溶銑や溶鋼の機械撹拌を中心撹拌モードと偏心撹拌モードを１チャージ毎に交互に切り替えて連続して約１５０チャージ行った後の回転体の外観を模式的に例示する。この回転体は、両モードの切り替えを実施したこと以外は前述図４のものと同様の条件で使用したものであるが、前記の「自己補修」の効果により、耐火物溶損部分５の溶損量は小さく、さらに継続して使用することができる。
　ステンレス鋼溶製プロセスにおける電気炉溶銑を回転体により機械撹拌する方法で脱硫処理を行った。その際、１つの回転体を、寿命（交換すべき状態）となるまで連続して使用し、その使用回数（処理した撹拌チャージ数）により当該回転体を用いた機械撹拌操業（表１に示す各例）の優劣を評価した。
　精錬容器として、内壁面が円筒形状である内径Ｄ0＝２７６０ｍｍの取鍋を使用した。
　回転体として、図１に示したような初期形状のものを使用した。耐火物層３の直径は高さ方向に均等である。このため図１中にｄと表示した寸法が初期軸棒直径Ｄと一致する。各例におけるＤの値は表１中に示してある。撹拌羽根２の寸法は図１においてｗ＝１２００ｍｍ、ｈ＝７００ｍｍであり、羽根厚さａは初期軸棒直径Ｄにほぼ等しい。回転体の浸漬深さは、回転体を静止した状態の湯面高さを基準として、湯面から撹拌羽根の上端までの深さが５００ｍｍとなるようにした。１チャージ当たりの撹拌時間は６００ｓｅｃ、回転体の回転数は８０～１２０ｒｐｍの範囲とした。
　１チャージ当たりに撹拌処理する含クロム溶銑の量は約８０Ｔｏｎである。処理に供した溶鉄の種類は、回転体の寿命までの全撹拌チャージにおいて、オーステナイト系ステンレス鋼用のＦｅ－Ｃｒ－Ｎｉ系溶銑の占める割合が約４０～６０％の範囲であり、残りの撹拌チャージはフェライト系ステンレス鋼用のＦｅ－Ｃｒ系溶銑であった。撹拌開始時の含クロム溶鉄温度は１３９０～１４５０℃の範囲であった。
　各チャージ終了後に「軸棒部分の外径」および「撹拌羽根の損耗」を調べ、そのいずれかが基準に達した時点で当該回転体の寿命と判断した。軸棒部分の外径基準は、最も溶損の大きい部分の直径が［初期軸棒直径Ｄ－１００ｍｍ］を超えた時点、または付着物の付着によって軸棒の見掛け外径が太くなり、更なる使用はスラグや溶銑の飛散量増大や回転の不安定によるトラブルを招く恐れがあると判断された時点とした。撹拌羽根の損耗基準は、回転数を１３０ｒｐｍ以上に上昇させなければ所定時間（６００ｓｅｃ）以内に目的の脱硫またはクロム還元回収が達成できないと判断された時点とした。
　各例の操業条件および結果を表１に示す。ここで、モード切替パターンに「規則的」と表示した例では、各撹拌１チャージ毎に中心撹拌モードと偏心撹拌モードを交互に切り替えた。「不規則的」と表示した例では、１チャージ終了毎に耐火物層３の溶損量または付着物４の付着量を調査し、次回チャージで付着物による自己補修を行うべきであると判断された場合に中心撹拌モードを選択し、それ以外の場合に偏心撹拌モードを選択する方法で適宜両モードを切り替えた。ただし、同じ撹拌モードが３回を超えて連続しないようにした。スラグの欄に「ＣａＯ－Ａｌ2Ｏ3」と表示した例は全チャージが脱硫処理である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１からわかるように、偏心撹拌モードのみ、または中心撹拌モードのみで全チャージを行った比較例に比べ、両モードを適切に切り替えた実施例では、回転体の寿命が著しく向上した。
　１　　軸芯
　２　　撹拌羽根
　３　　耐火物層
　４　　付着物
　５　　耐火物溶損部分
　１０　　軸棒
　２０　　回転体
　３０　　精錬容器
　３１　　含クロム溶鉄
　３２　　精錬用フラックスやスラグ
　３３　　内壁面
　３４　　蓋
　４０　　容器中心軸
　４１　　回転軸
　５０　　渦心

Claims (6)

  1. 　精錬容器に収容された含クロム溶鉄を鉛直方向の回転軸を持つ撹拌羽根により機械撹拌する際に、精錬容器は内壁面の水平断面が鉛直方向の容器中心軸の周りに円形であるものを使用し、撹拌羽根は耐火物で被覆された軸棒と一体となって軸棒の中心軸を回転軸として回転するものを使用する精錬工程において、
    　撹拌羽根の回転軸を容器中心軸と一致させて撹拌を行う「中心撹拌モード」と、撹拌羽根の回転軸を容器中心軸からずらせて撹拌を行う「偏心撹拌モード」とを、撹拌チャージ毎に選択して規則的または不規則的に切り替える含クロム溶鉄の機械撹拌操業法。
  2. 　中心撹拌モードと偏心撹拌モードを撹拌１チャージ毎に交互に切り替える請求項１に記載の含クロム溶鉄の機械撹拌操業法。
  3. 　含クロム溶鉄は、後工程の精錬および鋳造によりステンレス鋼とするための溶銑または溶鋼である請求項１または２に記載の含クロム溶鉄の機械撹拌操業法。
  4. 　含クロム溶鉄は、Ｃｒ含有量が８～３５質量％の溶銑である請求項１～３のいずれかに記載の含クロム溶鉄の機械撹拌操業法。
  5. 　回転開始前に融体物の湯面下に没する軸棒部分の初期状態における耐火物直径を初期軸棒直径Ｄ（ｍｍ）とするとき、偏心撹拌モードにおいて、撹拌羽根の回転軸を容器中心軸から０.２０Ｄ以上０.４５Ｄ以下の範囲でずらせて撹拌を行う請求項１～４のいずれかに記載の含クロム溶鉄の機械撹拌操業法。
  6. 　撹拌中の融体物の平均湯面高さ位置における精錬容器内径をＤ0（ｍｍ）とするとき、初期軸棒直径ＤがＤ0の１０～３０％である請求項１～５のいずれかに記載の含クロム溶鉄の機械撹拌操業法。
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