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技術 溶銑の脱燐精錬方法

出願人 新日鐵住金株式会社
発明者 小川雄司安藝弘
出願日 2003年11月10日 (17年1ヶ月経過) 出願番号 2003-379515
公開日 2005年6月2日 (15年7ヶ月経過) 公開番号 2005-139528
状態 特許登録済
技術分野 銑鉄の精製;鋳鉄の製造;転炉法以外の製鋼 炭素鋼又は鋳鋼の製造
主要キーワード 総酸素量 変更時期 音響レベル ノズルスロート 酸化鉄濃度 具体的条件 燐含有量 容器容量
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2005年6月2日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (3)

課題

操業上も安定した高効率脱燐精錬を可能とする溶銑精錬方法を提供することを目的とする。

解決手段

フラックス添加と酸素上吹きを行って溶銑を精錬する際に、上吹き酸素がスラグにより遮断されて直接溶銑に接触しない溶銑の精錬方法において、精錬を終了する直前の所定の期間は上吹き酸素が直接溶銑に接触するように、上吹き酸素流量、上吹きランス高さのいずれか一方または双方を調整することを特徴とする溶銑の精錬方法。

概要

背景

製鋼トータルコストミニマム化や低燐鋼の安定溶製に関して、従来溶銑脱燐法として、(1)トーピードカー内の溶銑に脱燐用フラックスインジェクションして予備脱燐を行う方法、(2)取鍋内の溶銑に脱燐用フラックスをインジェクションするかもしくは吹付けて、予備脱燐を行う方法、あるいは(3)2基の転炉を用いて、一方で脱燐を行い、他方で脱炭を行う方法(例えば、特許文献1)が用いられている。

しかしながら、トーピードカー溶銑鍋等の溶銑搬送容器を用いた場合、容器容量が小さく強攪拌精錬を行うことが困難で、特に脱燐反応平衡から遠く、目標の脱燐量を達成するためには必要以上のフラックスを使用しなければならず、かつ精錬に長時間を要するという欠点がある。また、搬送容器を用いる脱燐処理プロセスでは、年々増加するスクラップを溶解消費することができないという問題もある。上記の観点から、近年は、容器容量が大きく、強攪拌下での脱燐精錬が可能な、上吹き酸素を用いた転炉型容器による脱燐処理方法移行しつつある。

これらの脱燐方法においては、脱燐反応は簡単に記述すると主として次式で示される。
2[P]+5[O]+3CaO→3CaO・P2O5
ここで、[P]、[O]はスラグメタル界面に存在するPとOを示しており、PがOにより酸化された後、スラグ中のCaOで固定化されると言われている。したがって、スラグ中のCaO濃度が高いほど、またスラグ・メタル界面の酸素活量が高いほど、脱燐反応は効率よく進行する。

しかしながら、スラグ中CaO濃度を増加するために、多量の生石灰を脱燐用フラックスとして添加すると生成スラグ量が増大する。CaO濃度が高いスラグは粉状化しやすいため、路盤材等への有効利用が困難であり、スラグの多くは埋め立て処分等となる一種産業廃棄物になる。少量の生石灰添加で、CaO濃度を低くすると有効利用しやすくなるとともに生成スラグ量も低減できる。ただし、その場合は、脱燐反応を進行させるためにスラグ・メタル界面の酸素活量を高める必要がある。

しかしながら、溶銑脱燐精錬の場合、スラグ・メタル界面では脱炭反応が同時に進行するため、バルクスラグ酸化鉄濃度と平衡する酸素活量よりスラグ・メタル界面の酸素活量はかなり低くなっており、脱燐速度脱燐効率が不十分となる。上吹き酸素や鉄鉱石等の酸化鉄源の添加によりスラグ中酸化鉄濃度を高めることでスラグ・メタル界面の酸素活量を高め、脱燐精錬効率を向上することは可能であるが、その場合、スラグ中の酸化鉄濃度を過剰に高めるため、スロッピングによる操業不安定や鉄歩留まりの低下、生成スラグ量増大等を招く。

上記問題点を解決するため、本発明者らは先に、上吹き酸素をスラグにより遮断し、溶銑表面に接触しないように吹き付けることにより、スラグ中酸化鉄濃度を過剰に高めることなくスラグ・メタル界面の酸素活量を高め、脱燐効率を大幅に向上する方法を提案した(特許文献2)。
特開昭63−195210号公報
特開2002−322507号公報

概要

操業上も安定した高効率脱燐精錬を可能とする溶銑の精錬方法を提供することを目的とする。フラックス添加と酸素上吹きを行って溶銑を精錬する際に、上吹き酸素がスラグにより遮断されて直接溶銑に接触しない溶銑の精錬方法において、精錬を終了する直前の所定の期間は上吹き酸素が直接溶銑に接触するように、上吹き酸素流量、上吹きランス高さのいずれか一方または双方を調整することを特徴とする溶銑の精錬方法。

目的

上記(特許文献2)においては、スラグ・メタル界面の酸素活量を高めることで脱燐効率を大幅に高めることができるが、高い酸素活量のもとではメタル中Cの酸化速度も増加するためCOガス発生によるスラグの泡立ちスラグフォーミング)が増大する。過度のスラグフォーミングは炉口からのスラグの溢出による操業障害を引き起こすため、操業安定性が低下する可能性が生じる。
本発明は、操業上も安定した高効率脱燐精錬を可能とする溶銑の精錬方法を提供することを目的とする。

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
0件

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請求項1

フラックス添加と酸素上吹きを行って溶銑精錬する際に、上吹き酸素がスラグにより遮断されて直接溶銑に接触しない溶銑の精錬方法において、精錬を終了する直前の所定の期間は上吹き酸素が直接溶銑に接触するように、上吹き酸素流量、上吹きランス高さのいずれか一方または双方を調整することを特徴とする溶銑の精錬方法。

請求項2

精錬を終了する直前の所定の期間として、直接溶銑に接触するように吹き込まれる酸素量が精錬全期間に吹き込まれる総酸素量の5容量%以上15容量%以下となる期間であることを特徴とする請求項1に記載の溶銑の精錬方法。

技術分野

0001

本発明は、主に転炉型容器を用いて溶銑精錬する方法に関する。

背景技術

0002

製鋼トータルコストミニマム化や低燐鋼の安定溶製に関して、従来溶銑の脱燐法として、(1)トーピードカー内の溶銑に脱燐用フラックスインジェクションして予備脱燐を行う方法、(2)取鍋内の溶銑に脱燐用フラックスをインジェクションするかもしくは吹付けて、予備脱燐を行う方法、あるいは(3)2基の転炉を用いて、一方で脱燐を行い、他方で脱炭を行う方法(例えば、特許文献1)が用いられている。

0003

しかしながら、トーピードカー溶銑鍋等の溶銑搬送容器を用いた場合、容器容量が小さく強攪拌精錬を行うことが困難で、特に脱燐反応平衡から遠く、目標の脱燐量を達成するためには必要以上のフラックスを使用しなければならず、かつ精錬に長時間を要するという欠点がある。また、搬送容器を用いる脱燐処理プロセスでは、年々増加するスクラップを溶解消費することができないという問題もある。上記の観点から、近年は、容器容量が大きく、強攪拌下での脱燐精錬が可能な、上吹き酸素を用いた転炉型容器による脱燐処理方法移行しつつある。

0004

これらの脱燐方法においては、脱燐反応は簡単に記述すると主として次式で示される。
2[P]+5[O]+3CaO→3CaO・P2O5
ここで、[P]、[O]はスラグメタル界面に存在するPとOを示しており、PがOにより酸化された後、スラグ中のCaOで固定化されると言われている。したがって、スラグ中のCaO濃度が高いほど、またスラグ・メタル界面の酸素活量が高いほど、脱燐反応は効率よく進行する。

0005

しかしながら、スラグ中CaO濃度を増加するために、多量の生石灰を脱燐用フラックスとして添加すると生成スラグ量が増大する。CaO濃度が高いスラグは粉状化しやすいため、路盤材等への有効利用が困難であり、スラグの多くは埋め立て処分等となる一種産業廃棄物になる。少量の生石灰添加で、CaO濃度を低くすると有効利用しやすくなるとともに生成スラグ量も低減できる。ただし、その場合は、脱燐反応を進行させるためにスラグ・メタル界面の酸素活量を高める必要がある。

0006

しかしながら、溶銑脱燐精錬の場合、スラグ・メタル界面では脱炭反応が同時に進行するため、バルクスラグ酸化鉄濃度と平衡する酸素活量よりスラグ・メタル界面の酸素活量はかなり低くなっており、脱燐速度脱燐効率が不十分となる。上吹き酸素や鉄鉱石等の酸化鉄源の添加によりスラグ中酸化鉄濃度を高めることでスラグ・メタル界面の酸素活量を高め、脱燐精錬効率を向上することは可能であるが、その場合、スラグ中の酸化鉄濃度を過剰に高めるため、スロッピングによる操業不安定や鉄歩留まりの低下、生成スラグ量増大等を招く。

0007

上記問題点を解決するため、本発明者らは先に、上吹き酸素をスラグにより遮断し、溶銑表面に接触しないように吹き付けることにより、スラグ中酸化鉄濃度を過剰に高めることなくスラグ・メタル界面の酸素活量を高め、脱燐効率を大幅に向上する方法を提案した(特許文献2)。
特開昭63−195210号公報
特開2002−322507号公報

発明が解決しようとする課題

0008

上記(特許文献2)においては、スラグ・メタル界面の酸素活量を高めることで脱燐効率を大幅に高めることができるが、高い酸素活量のもとではメタル中Cの酸化速度も増加するためCOガス発生によるスラグの泡立ちスラグフォーミング)が増大する。過度のスラグフォーミングは炉口からのスラグの溢出による操業障害を引き起こすため、操業安定性が低下する可能性が生じる。
本発明は、操業上も安定した高効率脱燐精錬を可能とする溶銑の精錬方法を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0009

かかる課題を解決するため、本発明の要旨とするところは、以下の通りである。
(1)フラックス添加と酸素上吹きを行って溶銑を精錬する際に、上吹き酸素がスラグにより遮断されて直接溶銑に接触しない溶銑の精錬方法において、精錬を終了する直前の所定の期間は上吹き酸素が直接溶銑に接触するように、上吹き酸素流量、上吹きランス高さのいずれか一方または双方を調整することを特徴とする溶銑の精錬方法。
(2) 精錬を終了する直前の所定の期間として、直接溶銑に接触するように吹き込まれる酸素量が精錬全期間に吹き込まれる総酸素量の5容量%以上15容量%以下となる期間であることを特徴とする(1)に記載の溶銑の精錬方法。

発明の効果

0010

本発明により、操業上も安定した高効率脱燐精錬による極低燐化処理を可能とすることができる。

発明を実施するための最良の形態

0011

溶銑脱燐精錬時のような約3質量%以上の酸化鉄を含む溶融スラグは、溶融スラグ中鉄イオン価数変化(Fe2+⇔Fe3+)すなわち正孔の移動により、極めて速く酸素を透過することが知られており、ランスから吹き込まれてスラグ上面に達した酸素は高速で溶融スラグ中を移行し、スラグ・メタル界面に達する。そのため、スラグ・メタル界面の酸素活量は高位に維持され、脱燐反応が速やかに進行する。
しかしながら、スラグ・メタル界面の酸素活量が高位に維持されるため、メタル中のCの酸化反応すなわち脱炭反応の速度も増加し、COガス発生に伴うスラグフォーミングが増大する。特に脱燐精錬末期において、スロッピングと呼ばれるスラグが炉口から溢出する現象により操業障害を引き起こすことが懸念される。

0012

そこで、本発明では、脱燐精錬末期に上吹き酸素が直接溶銑に接触するように上吹き酸素の流量や上吹きランス高さを適切に調節することで、高い脱燐効率は維持したままでスロッピングの発生を抑制し、安定した脱燐精錬操業を実施できることを見出した。これは、上吹き酸素がスラグにより遮断されて直接溶銑に接触しない脱燐精錬を行うことで、スラグフォーミングも継続的に起こり、脱燐精錬末期には炉口付近までスラグが到達するため、このまま上吹き酸素を直接溶銑に接触させない脱燐精錬を継続すると、スロッピングが発生する可能性がある。従って、脱燐精錬の末期でスロッピングが発生する時点までに、上吹き酸素を直接溶銑に接触するように調整することで、スラグ・メタル界面の酸素活量が低下してCOガス発生速度を低下させ、スラグフォーミングを抑制することで、スロッピングの発生を防止できる。

0013

一方、界面の酸素活量低下に伴いスラグ中の酸化鉄濃度も低下してスラグの脱燐能が悪化することが懸念されるが、スラグの組成鉱物相調査した結果、スラグ中酸化鉄濃度の低下によりスラグ内に2CaO・SiO2という固相晶出し、この固相にPが高濃度で固溶するため、十分に脱燐が進行した適切な時期に上吹き酸素を直接溶銑に接触するようにすれば全体の脱燐能は阻害されないことを見出した。

0014

従って、溶融スラグが形成されて上吹き酸素が直接溶銑に接触しない条件下で十分に脱燐が進行した脱燐精錬の末期で、かつ上吹き酸素を直接溶銑に接触させない脱燐精錬によりスロッピングが発生する時点までの任意の時点以降、精錬の終了時までの期間を所定の期間として、上吹き酸素を直接溶銑に接触するように調整することで、スロッピングの発生を防止できる。なお、本発明では精錬の終了とは上吹き送酸を停止した時点を意味する。また、十分に脱燐が進行した脱燐精錬とは、特に規定はするものではなく、通常は脱燐処理前溶銑中燐含有量が、脱燐処理により50質量%以下になった状態を意味しており、要求される製品の燐含有量等から適宜設定するものである。さらに、上吹き酸素が直接溶銑に接触するように変更する適切な時期は、脱燐効率の良好な状態を極力長く維持する観点から、スロッピングが発生する直前が最も望ましい。
また、転炉内の液面測定や、音響レベルの測定により確認したり、またスラグが出鋼口や炉口からやや溢出したことを確認することで、スロッピングの発生時期は把握できる。

0015

上吹き酸素が直接溶銑に接触するようにするには、上吹き酸素流量、上吹きランス高さのいずれか一方または双方を適宜調整して実施することができる。具体的条件としては、下記(I)式で計算される酸素ジェットによるスラグ凹み深さLSが下記(II)式で計算される酸素ジェットが当たっていない部分のスラグ厚みLSo以上となる条件(LS≧LSo)とする。
LS=Lhexp(−0.78h/Lh) ・・・ (I)
但し、Lh=63×(ρS/ρM)−1/3×(Fo2/d)2/3
LS :酸素ジェットによるスラグ凹み深さ(mm)
h :上吹きランス高さ(ランス先端から酸素ジェットが当たっていない部分の
スラグ上面までの距離(mm))
Lh :h=0のときのスラグ凹み深さ(mm)
ρS :スラグの嵩密度(=約1500kg/m3)
ρM :溶銑の密度(=6900kg/m3)
Fo2:ノズル1本当たりの上吹き酸素流量(Nm3/h)
d :上吹きランスのノズルスロート部直径(mm)
LSo=WS/ρS/(πD2/4)×1000 ・・・ (II)
但し、WS=WCaO/(%CaO)f×100
LSo :酸素ジェットが当たっていない部分のスラグ厚み(mm)
WS :スラグ質量(kg)
D :スラグ表面における精錬容器の内直径(m)
WCaO :添加フラックス中の総CaO質量(kg)
(%CaO)f:精錬後のスラグ中CaO濃度(質量%)

0016

ここで、複数のノズルを有するランスを使用する際、ノズルのスロート部直径が全て等しい場合には、(I)式におけるノズル1本当りの上吹き酸素流量Fo2は上吹き酸素の総流量ノズル数で除して求める。ノズルのスロート部直径が異なるランスを使用する場合には、スロート部直径が大きいノズルから噴出される酸素噴流の方がスラグ凹み深さが大きいため、dには最大のノズルスロート部直径を用い、ノズル1本当りの上吹き酸素流量Fo2には上吹き酸素の総流量をノズルスロート部の断面積比に応じて比例配分した酸素流量を用いる。

0017

なお、上吹きランス高さhは、溶銑質量と転炉型容器の内部形状から計算した溶銑の深さから求められるランス先端から溶銑上面までの距離から(II)式で計算されるLSoを差し引いた値になるように設定すればよい。
また、実際には酸素ジェットによるスラグ凹み深さが酸素ジェットが当たっていない部分のスラグ厚みより大きくなることはないが、LSは計算上算出される仮想上のスラグ凹み深さを示している。

0018

次に、上吹き酸素が溶銑に接触しない条件から直接接触する条件に変更する適切な時期を溶銑脱燐実験から調査した。精錬全期間に吹き込んだ総酸素量に対して直接溶銑に接触するように吹き込んだ精錬末期の酸素量の割合を変更した時のスロッピングの発生率精錬終了後のメタル中P濃度の変化を図1に示す。ここで、スロッピングの発生率は、(スラグが炉口から溢出して操業障害に至ったチャージ数)/(全チャージ数)×100で示される。精錬末期に吹き込んだ酸素量が総酸素量の5容量%未満の場合はスロッピングの抑制効果がやや低下するが、5容量%以上とするとスロッピングの発生が皆無とできるため好ましい。また、精錬末期に吹き込んだ酸素量が総酸素量の15容量%超の場合は、送酸条件を変更した時点の脱燐があまり十分ではないため、精錬終了後のメタル中P濃度の増加があり、脱燐効率がやや悪化するものの、15容量%以下とした場合には精錬終了後のメタル中P濃度は低位に安定させることができるため好ましい。

0019

したがって、精錬を終了する直前の直接溶銑に接触するように吹き込まれる酸素量が精錬全期間に吹き込まれる総酸素量の5容量%以上15容量%以下となるように、上吹き酸素が上吹き酸素が溶銑に接触しない条件から直接接触する条件に変更することが、より好ましい変更時期であることが判明した。

0020

以上述べてきた方法の好ましい実施の形態を以下に示す。
まず、精錬炉に溶銑を装入し、上吹き送酸を開始すると同時に脱燐フラックスを添加する。脱燐フラックスが溶融してスラグが形成される以前の段階では、上吹き酸素は直接溶銑に接触するが、溶融スラグが形成された以降は、上吹きランスのノズルスロート部直径やノズル数、スラグ量に応じた操業中の上吹き酸素流量とランス高さを調整することにより、上吹き酸素が直接溶銑に接触しないようにする。この状態で、全精錬期間に吹き込む総酸素量の85容量%超95容量%未満の酸素量を上吹きランスから吹き込む。その後、直ちに、(I)、(II)式から計算される上吹き酸素と溶銑との接触条件を基に、上吹きランスのノズルスロート部直径やノズル数、スラグ量に応じた操業中の上吹き酸素流量とランス高さを調整することにより、上吹き酸素が直接溶銑表面に接触するように制御する。

0021

試験転炉を用いて、溶銑の脱燐実験を実施した。
まず、約4.5質量%のC、約0.1質量%のP、約0.4質量%のSiを含む初期温度約1300℃の溶銑約6tを用いて脱燐精錬を行った。なお、試験転炉の炉内直径はスラグが存在する部分で約1.1mである。
溶銑を転炉に装入し、脱燐フラックスであるCaO濃度95質量%の生石灰105kgを投入した後、上吹きランスからの酸素の吹き付けにより12分間の脱燐精錬を行った。上吹きランスとしては、ノズル数4、ノズルスロート部直径28mmのものを使用した。

0022

精錬開始時点での上吹き酸素流量は800Nm3/h、上吹きランス高さは700mmとした。この条件下では、脱燐フラックスが溶融してスラグが形成された以降は、(I)、(II)式から計算されるLS、LSoはそれぞれ134〜139mmと171〜189mmであり、LS<LSoであるため上吹き酸素が直接溶銑に接触しない。この状態で脱燐精錬を行い、上吹き酸素量にして72Nm3となった時点で上吹き酸素流量を700Nm3/hに、上吹きランス高さを400mmに変更し、上吹き酸素量80Nm3となった時点で上吹き送酸を停止して脱燐精錬を終了した。上吹き酸素流量と上吹きランス高さを変更した後の条件下では、(I)、(II)式から計算されるLS、LSoはそれぞれ215〜224mmと171〜189mmであり、LS≧LSoであるため上吹き酸素が直接溶銑に接触する。
同様の脱燐精錬実験を50チャージ実施した。精錬終了後のスラグ中CaO濃度は39〜43質量%の間であった。

0023

次に比較例として、同一の試験炉および上吹きランスを用いて、実施例と同じ溶銑条件、生石灰投入量、精錬時間で50チャージの脱燐精錬実験を実施した。比較例においては、精錬開始時点での上吹き送酸量と上吹きランス高さを実施例と同一とし、この条件のまま脱燐精錬を継続し、上吹き酸素量80Nm3となった時点で上吹き送酸を停止して脱燐精錬を終了した。

0024

実施例50チャージと比較例50チャージの溶銑脱燐精錬実験における精錬後の溶銑中P濃度の最小値最大値平均値を表1に示す。P濃度の最小値、最大値、平均値ともに殆ど差は認められない。一方、スラグフォーミングの程度を表す指標として、スロッピングの発生が認められないものを1、炉口の下部にある出鋼口からスラグが溢出したものを2、炉口からスラグが溢出したものを3、スロッピングの発生により操業障害に至ったものを4として定義し、実施例と比較例のスラグフォーミングの程度を指数化(1〜4)して比較した。すなわち、スラグフォーミング指数の値が小さいほど、より安定な操業状態であることを示している。

0025

それぞれのスラグフォーミング指数の頻度と平均値を図2に示す。ここで、スラグフォーミング指数の頻度とは、(各指数に該当するチャージ数)/(全チャージ数)×100で示される。
比較例では、スラグフォーミング指数の頻度は、高い指数(2〜4)での分布を示しており、操業障害に至るケースもあるのに対し、実施例ではスラグフォーミング指数の頻度は、低い指数(1〜3)での分布を示しており、操業障害に至ったのは皆無であった。すなわち、実施例では極めて安定な操業条件下で低燐鋼の溶製が可能であった。

0026

図面の簡単な説明

0027

精錬全期間に吹き込んだ総酸素量に対する直接溶銑に接触するように吹き込んだ精錬末期の酸素量の割合と、脱燐精錬後のメタル中P濃度およびスロッピング発生率との関係を示す図。
実施例と比較例でのスラグフォーミングの程度の比較を示す図。

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