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技術 溶銑の予備処理方法

出願人 日本製鉄株式会社
発明者 位一平福山博之
出願日 2019年2月12日 (1年9ヶ月経過) 出願番号 2019-022780
公開日 2020年8月31日 (2ヶ月経過) 公開番号 2020-132888
状態 未査定
技術分野 銑鉄の精製;鋳鉄の製造;転炉法以外の製鋼
主要キーワード メンテナンス費 流動計算 ノズル角度 酸化鉄粉体 酸化鉄量 検証試験 レーザー距離計 律速過程
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(2020年8月31日)のものです。
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図面 (6)

課題

トピードカーによる溶銑予備処理において、処理効率の向上と耐火物溶損の抑制を両立することが可能な方法を提供する。

解決手段

トピードカー内の溶銑インジェクションランスを浸漬し、粉体及び気体をインジェクションランスを介して前記溶銑に吹き込む溶銑予備処理方法において、溶銑の脱Si処理後の目標Si濃度が設定Si濃度より高い場合、前記インジェクションランスの吐出孔の角度(トピードカーを上方から見て、インジェクションランスの中心を通りトピードカーの長手方向に延びる仮想線と粉体の吐出方向とが成す鋭角)を20°〜40°とし、溶銑の目標Si濃度が設定Si濃度より低い場合、少なくとも溶銑Si濃度が設定Si濃度未満の領域ではインジェクションランスの吐出孔の角度を45°〜70°とする。

概要

背景

溶銑酸化鉄石灰等の精錬剤を添加し、不純物であるSi(珪素)やP(燐)、S(硫黄)を除去する溶銑予備処理では、コスト低減や、発生するスラグを削減するため、処理効率を高めて、投入する精錬剤量を削減することが課題となる。特に、高炉原料操業の変動による溶銑中Si濃度の上昇は、精錬剤使用量の増加や発生スラグ量の増加への影響が大きい。因って、トピードカーでの溶銑予備処理では、効果的にSiを除去することが求められている。

溶銑予備処理の効率を高めるには、溶銑をよく撹拌し、溶銑中の不純物元素を精錬剤とよく接触させることが重要となる。本来トピードカーは溶銑搬送容器であり、保温性を高めるため紡錘形をしている。そのため、トピードカー内の溶銑は両端部へ流動しにくく撹拌性が悪い。その結果、トピードカー内溶銑を精錬処理するために炉体中央部から吹き込まれた精錬剤が溶銑中に拡散していかず、反応効率低位である。溶銑のSi濃度をより効率的に低減させるには、トピードカーの紡錘形両端部に未反応のSiを留めないように溶銑を撹拌させることが必要となる。

そこで、トピードカーで溶銑予備処理を行う際に、溶銑の撹拌性を向上させて反応効率を高める技術が種々提案されている。例えば特許文献1では、溶銑の予備処理を行う際に、トピードカーに加振装置を連結し、この加振装置によってトピードカーに水平方向の振動を与えて、トピードカー本体を溶銑の共振周波数長手方向に振動させる技術が開示されている。
また、特許文献2では、浸漬ランスインジェクションランス)を2本とし、それらの先端を溶銑中に混銑車(トピードカー)長手方向に沿った同一軸上で互いに中心から離隔して配置し、互いに相反する方向へ酸化剤を吹き込むと共に、浸漬ランスから溶銑中への酸化剤の酸素ガス換算給速度を各ランスについて0.13Nm3/min/t以下とする技術が開示されている。
特許文献3では、インジェクションランスを、水平面への投影図でみたとき、混銑車炉体の長手方向の中心軸とは離れた位置で、中心軸の方向と平行な方向に配置する技術が開示されている。

概要

トピードカーによる溶銑予備処理において、処理効率の向上と耐火物溶損の抑制を両立することが可能な方法を提供する。トピードカー内の溶銑にインジェクションランスを浸漬し、粉体及び気体をインジェクションランスを介して前記溶銑に吹き込む溶銑予備処理方法において、溶銑の脱Si処理後の目標Si濃度が設定Si濃度より高い場合、前記インジェクションランスの吐出孔の角度(トピードカーを上方から見て、インジェクションランスの中心を通りトピードカーの長手方向に延びる仮想線と粉体の吐出方向とが成す鋭角)を20°〜40°とし、溶銑の目標Si濃度が設定Si濃度より低い場合、少なくとも溶銑Si濃度が設定Si濃度未満の領域ではインジェクションランスの吐出孔の角度を45°〜70°とする。

目的

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、トピードカーによる溶銑予備処理において、処理効率の向上と耐火物溶損の抑制を両立することが可能な方法を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

トピードカー内の溶銑インジェクションランスを浸漬し、粉体及び気体を前記インジェクションランスを介して前記溶銑に吹き込む溶銑予備処理方法において、前記溶銑の脱Si処理後の目標Si濃度が設定Si濃度より高い場合、前記インジェクションランスの吐出孔の角度(トピードカーを上方から見て、インジェクションランスの中心を通りトピードカーの長手方向に延びる仮想線と粉体の吐出方向とが成す鋭角)を20°〜40°とし、前記溶銑の目標Si濃度が前記設定Si濃度より低い場合、少なくとも溶銑Si濃度が前記設定Si濃度未満の領域では前記インジェクションランスの吐出孔の角度を45°〜70°とすることを特徴とする溶銑の予備処理方法

請求項2

請求項1記載の溶銑の予備処理方法において、吐出孔の角度が20°〜40°のインジェクションランスAと、吐出孔の角度が45°〜70°のインジェクションランスBとを準備し、前記溶銑の目標Si濃度が前記設定Si濃度より高い場合、前記インジェクションランスAを使用し、前記溶銑の目標Si濃度が前記設定Si濃度より低い場合、少なくとも溶銑Si濃度が前記設定Si濃度未満の領域では前記インジェクションランスBを使用することを特徴とする溶銑の予備処理方法。

請求項3

請求項1又は2記載の溶銑の予備処理方法において、前記設定Si濃度が0.10〜0.20質量%であることを特徴とする溶銑の予備処理方法。

技術分野

0001

本発明は、トピードカー内の溶銑インジェクションランスを浸漬し、粉体及び気体をインジェクションランスを介して溶銑に吹き込む溶銑の予備処理方法に関する。

背景技術

0002

溶銑に酸化鉄石灰等の精錬剤を添加し、不純物であるSi(珪素)やP(燐)、S(硫黄)を除去する溶銑予備処理では、コスト低減や、発生するスラグを削減するため、処理効率を高めて、投入する精錬剤量を削減することが課題となる。特に、高炉原料操業の変動による溶銑中Si濃度の上昇は、精錬剤使用量の増加や発生スラグ量の増加への影響が大きい。因って、トピードカーでの溶銑予備処理では、効果的にSiを除去することが求められている。

0003

溶銑予備処理の効率を高めるには、溶銑をよく撹拌し、溶銑中の不純物元素を精錬剤とよく接触させることが重要となる。本来トピードカーは溶銑搬送容器であり、保温性を高めるため紡錘形をしている。そのため、トピードカー内の溶銑は両端部へ流動しにくく撹拌性が悪い。その結果、トピードカー内溶銑を精錬処理するために炉体中央部から吹き込まれた精錬剤が溶銑中に拡散していかず、反応効率低位である。溶銑のSi濃度をより効率的に低減させるには、トピードカーの紡錘形両端部に未反応のSiを留めないように溶銑を撹拌させることが必要となる。

0004

そこで、トピードカーで溶銑予備処理を行う際に、溶銑の撹拌性を向上させて反応効率を高める技術が種々提案されている。例えば特許文献1では、溶銑の予備処理を行う際に、トピードカーに加振装置を連結し、この加振装置によってトピードカーに水平方向の振動を与えて、トピードカー本体を溶銑の共振周波数長手方向に振動させる技術が開示されている。
また、特許文献2では、浸漬ランス(インジェクションランス)を2本とし、それらの先端を溶銑中に混銑車(トピードカー)長手方向に沿った同一軸上で互いに中心から離隔して配置し、互いに相反する方向へ酸化剤を吹き込むと共に、浸漬ランスから溶銑中への酸化剤の酸素ガス換算給速度を各ランスについて0.13Nm3/min/t以下とする技術が開示されている。
特許文献3では、インジェクションランスを、水平面への投影図でみたとき、混銑車炉体の長手方向の中心軸とは離れた位置で、中心軸の方向と平行な方向に配置する技術が開示されている。

先行技術

0005

特開2010−24542号公報
特開2006−219765号公報
特開2011−195866号公報

発明が解決しようとする課題

0006

しかしながら、特許文献1記載の技術の場合、重厚なトピードカーを加振する装置が必要になるため、設備費やメンテナンス費などが増加するという問題がある。
また、特許文献2記載の技術の場合、インジェクションランス2本を同時使用しているため、ランスコストやランス交換負荷が増加するという問題がある。
特許文献3記載の技術の場合、インジェクションランスの吐出孔がトピードカー耐火物に近づくことで、トピードカー耐火物が偏摩耗し耐火物寿命が短くなるという問題がある。

0007

トピードカーによる溶銑予備処理では、溶銑の撹拌性を高めることで酸化鉄や石灰などの精錬剤の原単位の削減が求められる一方、溶銑の撹拌性を上げ過ぎると、トピードカー耐火物壁面近傍溶銑流速が速くなり、トピードカー耐火物の溶損速度が増大する。トピードカー耐火物の溶損の抑制は、耐火物コストや、搬送容器としての信頼性の観点からも重要である。

0008

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、トピードカーによる溶銑予備処理において、処理効率の向上と耐火物溶損の抑制を両立することが可能な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

上記目的を達成するため、本発明は、トピードカー内の溶銑にインジェクションランスを浸漬し、粉体及び気体を前記インジェクションランスを介して前記溶銑に吹き込む溶銑予備処理方法において、
前記溶銑の脱Si処理後の目標Si濃度(以下、単に「目標Si濃度」ともいう。)が設定Si濃度より高い場合、前記インジェクションランスの吐出孔の角度(トピードカーを上方から見て、インジェクションランスの中心を通りトピードカーの長手方向に延びる仮想線と粉体の吐出方向とが成す鋭角)を20°〜40°とし、
前記溶銑の目標Si濃度が前記設定Si濃度より低い場合、少なくとも溶銑Si濃度が前記設定Si濃度未満の領域では前記インジェクションランスの吐出孔の角度を45°〜70°とすることを特徴としている。

0010

また、本発明に係る溶銑の予備処理方法では、吐出孔の角度が20°〜40°のインジェクションランスAと、吐出孔の角度が45°〜70°のインジェクションランスBとを準備し、
前記溶銑の目標Si濃度が前記設定Si濃度より高い場合、前記インジェクションランスAを使用し、
前記溶銑の目標Si濃度が前記設定Si濃度より低い場合、少なくとも溶銑Si濃度が前記設定Si濃度未満の領域では前記インジェクションランスBを使用してもよい。

0011

また、本発明に係る溶銑の予備処理方法では、前記設定Si濃度が0.10〜0.20質量%であることを好適とする。

0012

ここで、インジェクションランスの吐出孔の角度は、図1に示すように、トピードカー10を上方から見て、インジェクションランス11の中心を通りトピードカー10の長手方向に延びる仮想線14と粉体の吐出方向15とが成す鋭角16である。なお、以下の説明では、「インジェクションランスの吐出孔の角度」を単に「ノズル角度」と呼ぶことがある。

0013

後述するように、溶銑の目標Si濃度が設定Si濃度より高い場合には、脱Si反応の律速過程酸素供給であるため、溶銑の撹拌性を高める必要がない。そのため、ノズル角度を20°〜40°として溶銑の撹拌性を抑え側壁溶損速度を低下させる。一方、溶銑の目標Si濃度が設定Si濃度より低い場合には、溶銑Si濃度が設定Si濃度より低い領域では脱Si反応の律速過程が溶銑撹拌であるため、溶銑の撹拌性を高める必要がある。そのため、少なくとも溶銑Si濃度が設定Si濃度未満の領域ではノズル角度を45°〜70°として溶銑の撹拌性を高め溶銑処理時間を短縮する。

発明の効果

0014

本発明に係る溶銑の予備処理方法では、目標Si濃度に応じてノズル角度を調節することにより溶銑の撹拌性を制御する。これにより、処理効率の向上と耐火物溶損量の抑制を両立することができる。

図面の簡単な説明

0015

ノズル角度を説明するための模式図である。
ノズル角度と側壁部溶銑流速との関係を示したグラフである。
ノズル角度と均一混合時間との関係を示したグラフである。
ノズル角度が20°〜40°の場合と45°〜75°の場合それぞれについて、溶銑のSiと反応させる酸素源としてインジェクションランスから吹き込まれた酸化鉄粉体原単位と溶銑予備処理後のSi濃度との関係を示したグラフである。
(A)は高Si領域での溶銑予備処理方法を示した模式図、(B)は低Si領域での溶銑予備処理方法を示した模式図である。

0016

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。

0017

[本発明の技術思想
本発明者らは、トピードカーによる溶銑予備処理プロセスについて詳細に検討した結果、以下の知見を得た。
(a)溶銑のSi濃度が高い場合、溶銑に供給した酸素は溶銑中のSiと接触して反応する頻度が高い。そのため、酸素供給速度を上げるほど、脱Si速度も向上する。即ち、脱Si反応の律速過程は酸素供給であり、溶銑の撹拌性を高めても脱Si効率には関係せず脱Si速度は向上しない。一方、溶銑の撹拌性を上げると溶銑流速も速くなる。一般に、耐火物近傍の溶鉄流速が速くなるほど耐火物の溶損がより進むことが知られている。従って、耐火物保護の観点からは溶銑の撹拌性はむしろ下げたほうがよい。

0018

(b)溶銑のSi濃度が低い場合、溶銑に供給した酸素が溶銑中のSiと接触する頻度が少なく、局所的に酸素供給量を増加させても脱Si速度は向上しない。脱Si反応の律速過程は溶銑の撹拌による物質移動であり、溶銑の撹拌性を高めることで酸素と溶銑中のSiとの接触頻度が増加して処理効率が高まる。その結果、脱Si速度が増大し、処理時間が短縮される。

0019

(c)インジェクションランスから吐出される粉体及び気体により溶銑流が生まれる。2孔ある吐出孔のノズル角度を調整して粉体及び気体の吐出方向を変更することにより、トピードカー内の溶銑流れを変えることができる。従って、ノズル角度と溶銑流れの関係性を明らかにしたうえでノズル角度を調整することにより、トピードカー内の溶銑流れを変え、撹拌性を制御することができる。

0020

本発明者らは、流動解析計算や水モデルを用いた測定などを行い、ノズル角度と溶銑流との関係を明らかにした。特に、耐火物近傍の溶銑流の流速が速いほど耐火物の溶損が進むため、ノズル角度とトピードカー側壁部近傍の溶銑流速(側壁部溶銑流速)の関係を調査した。側壁部溶銑流速は、流動計算や、水モデルにおいて水に比重が近く目視可能なマーカーを投入することで測定できる。また、撹拌性がよいほど均一混合時間が短くなると想定されるので、ノズル角度と均一混合時間との関係を調査した。均一混合時間は、例えば、ある元素を溶銑中に添加した時に濃度が均一となるまでに要する撹拌時間のことであり、流動解析計算や、水モデルにおいて食塩を添加し電気伝導率時間推移を測定することで求められる。

0021

ノズル角度と側壁部溶銑流速との関係を図2に、ノズル角度と均一混合時間との関係を図3にそれぞれ示す。
なお、側壁部溶銑流速は側壁部全体の平均値である。

0022

図2より以下のことがわかる。
ノズル角度を30°とした場合が側壁部溶銑流速が最も低く0.77m/sである。ノズル角度が20°〜40°の範囲であれば、側壁部溶銑流速を0.80m/s以下に抑えることができる。

0023

また、図3より以下のことがわかる。
ノズル角度を60°とした場合が均一混合時間が最も短く20秒である。ノズル角度が45°〜75°の範囲であれば、溶銑の撹拌性を高めることができ均一混合時間を30秒以下に抑えることができる。

0024

図4は、ノズル角度が20°〜40°の場合と45°〜75°の場合それぞれについて、酸化鉄原単位と溶銑予備処理後のSi濃度との関係を示したものである。酸化鉄原単位が大きいほど反応効率が悪いことを示す。なお、処理前溶銑のSi濃度は0.55質量%である。
ノズル角度が20°〜40°の場合、溶銑のSi濃度が0.20質量%付近を下回ると、反応効率がノズル角度45°〜75°の場合よりも低下し始め、0.10質量%未満では明確に差が生じることが同図よりわかる。従って、溶銑のSi濃度が0.10〜0.20質量%よりも低い場合は、ノズル角度を45°〜75°として効率低下を抑制して処理時間を短縮させることが望ましいが、ノズル角度が70°を超えると、側壁部溶銑流速が速くなりすぎるため、ノズル角度の上限は70°とする。

0025

[本発明の一実施の形態に係る溶銑の予備処理方法]
上記検討結果より、本発明では、溶銑の脱Si処理後の目標Si濃度が設定Si濃度より高い場合、ノズル角度を20°〜40°とし、溶銑の目標Si濃度が設定Si濃度より低い場合、ノズル角度を45°〜70°とする。溶銑の目標Si濃度が設定Si濃度より低い場合、溶銑Si濃度が設定Si濃度になった時点でノズル角度を20°〜40°から45°〜70°切り替えるのがベストであるが、始めから終わりまで45°〜70°のままで処理を行っても十分な効果が得られる。

0026

設定Si濃度は0.10〜0.20質量%とするのが好適である。
設定Si濃度が0.10質量%未満であると、目標Si濃度が設定Si濃度より高い場合、0.10質量%未満のSi濃度までノズル角度20〜40°で処理することになり、反応効率が悪く処理時間が長くなる。一方、設定Si濃度が0.20質量%を超えると、目標Si濃度が設定Si濃度より低い場合、0.20質量%超のSi濃度からノズル角度45°〜70°で処理することになり、側壁部溶銑流速が速くなって耐火物の溶損が進む恐れがある。

0027

なお、ノズル角度を45°〜70°とすると、側壁部溶損速度が上昇して耐火物の溶損が進行する懸念があるが、撹拌性の向上により処理時間を短縮できるので耐火物への影響は限定的となる。

0028

溶銑の目標Si濃度に応じてノズル角度を変更するには、ランスの中心軸周り回動可能なインジェクションランスを使用すればよい。

0029

あるいは、図5に示すように、ノズル角度が20°〜40°のインジェクションランスA12と、ノズル角度が45°〜70°のインジェクションランスB13とを準備し、トピードカー10の長手方向に並べて配置する。そして、インジェクションランスA12とインジェクションランスB13を使い分ける。具体的には、目標Si濃度が設定Si濃度より高い場合の溶銑予備処理ではインジェクションランスA12を使用し(図5(A)参照)、目標Si濃度が設定Si濃度より低い場合の溶銑予備処理はインジェクションランスB13を使用する(図5(B)参照)。

0030

目標Si濃度が設定Si濃度より低い場合、溶銑Si濃度が設定Si濃度になった時点でインジェクションランスA12からインジェクションランスB13に切り替えてもよいが、始めから終わりまでインジェクションランスB13を使い続けても十分な効果が得られる。

0031

以上、本発明の一実施の形態について説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。

0032

本発明の効果について検証するために実施した検証試験について説明する。
ノズル角度が30°のインジェクションランスと60°のインジェクションランスを使用し、目標Si濃度が設定Si濃度より高い場合(0.30〜0.40質量%)と低い場合(0.02〜0.04質量%)それぞれについて50チャージずつ脱Si処理を実施した。精錬用粉体として酸化鉄粉を使用し、粉体キャリアガスとして窒素を使用して溶銑中へ吹込んだ。

0033

試験結果の一覧を表1に示す。
実施例1では、目標Si濃度が設定Si濃度より高い場合、処理開始から終了までノズル角度が30°のインジェクションランスを用いて処理を行い、目標Si濃度が設定Si濃度より低い場合、処理開始から終了までノズル角度が60°のインジェクションランスを用いて処理を行った。
実施例2では、目標Si濃度が設定Si濃度より高い場合、処理開始から終了までノズル角度が30°のインジェクションランスを用いて処理を行い、目標Si濃度が設定Si濃度より低い場合、処理開始からノズル角度が30°のインジェクションランスを用いて処理を行い、溶銑中のSi濃度を定期的に測定して、Si濃度が0.10質量%になると推定される時点で、ノズル角度が60°のインジェクションランスに切り替えて処理を行った。

0034

比較例1では、目標Si濃度が設定Si濃度より高い場合も低い場合も、処理開始から終了までノズル角度が30°のインジェクションランスを用いて処理を行った。
比較例2では、目標Si濃度が設定Si濃度より高い場合も低い場合も、処理開始から終了までノズル角度が60°のインジェクションランスを用いて処理を行った。

0035

各チャージで処理に用いた酸化鉄原単位(kg/t)を基に各実施例、比較例での平均酸化鉄原単位を求め、処理効率を評価した。
また、各実施例、比較例での処理前と処理後のトピードカー内の耐火物表面のプロフィールレーザー距離計を用いて測定し、その差から耐火物溶損量を求め、処理したチャージ数で除して耐火物平均溶損量(mm/ch)を評価した。

0036

0037

同表より以下のことがわかる。
処理効率に関して、目標Si濃度が設定Si濃度より高い場合には、ノズル角度による違いは見られなかったが、目標Si濃度が設定Si濃度より低い場合、ノズル角度が30°になると、溶銑撹拌性が低いため、目標Si濃度に到達するまでに投入する酸化鉄量が増加し、処理時間が長くなる結果となった。

0038

実施例1は、目標Si濃度に応じてノズル角度を変更したので、処理時間が短く、酸化鉄量も少なく、耐火物溶損も抑制された結果が得られた。
実施例2は、目標Si濃度が設定Si濃度より低い場合、Si濃度が高い領域ではノズル角度30°のインジェクションランスを使用し、Si濃度が低い領域ではノズル角度60°のインジェクションランスに切り替えて処理を行ったので、耐火物溶損が最も抑制された結果が得られた。

実施例

0039

比較例1は、目標Si濃度にかかわらずノズル角度30°のインジェクションランスを使用したため、実施例1、2や比較例2に比べて処理時間が長くなる結果となっている。また、目標Si濃度が設定Si濃度より低い場合、処理時間が長くなるため、溶銑流速が遅いにもかかわらず、耐火物溶損量が実施例に比べて増大している。
比較例2は、目標Si濃度にかかわらずノズル角度60°のインジェクションランスを使用したので、処理効率が向上しているが、溶銑流速が速くなるため、実施例に比べて耐火物溶損量が増大している。

0040

10:トピードカー、11:インジェクションランス、12:インジェクションランスA、13:インジェクションランスB、14:仮想線、15:吐出方向、16:鋭角

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