JP6119954B2 - 溶銑の脱硫処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、溶銑の脱硫処理方法に関し、具体的には、脱硫剤と溶銑との反応効率を安定的に高めることができる溶銑の脱硫処理方法に関するものである。

近年、高強度、高加工性、高疲労特性、高溶接性等、高機能の鋼材に対するニーズの増大に伴って、極低Ｐ、極低Ｓ鋼の比率が徐々に高まってきている。これに対応するため、それらの素材を溶製する製鋼工程には、製造コストやスラグ発生量の増大を招くことなく極低Ｐ、極低Ｓ鋼を溶製することが必要であり、そのためには、脱燐剤や脱硫剤等の精錬剤と、溶銑との反応効率を高めることが不可欠である。加えて、近年の鉄鋼需要の伸びに対応するためには、生産性の向上を図る必要があり、反応速度の向上も重要である。

斯かる要求に応える技術としては、従来から、機械撹拌を用いた溶銑脱硫方法が広く実用化されている。この技術によれば、回転羽根を溶銑中に浸漬して回転させ、強撹拌することによってＳ：１０数ｍａｓｓｐｐｍ以下の低Ｓ濃度域まで、短時間で処理することが可能である。

ところで、ＣａＯ系の脱硫剤を用いた機械撹拌式の溶銑脱硫処理は、溶銑湯面に添加された粉状もしくは粒状脱硫剤を、撹絆羽根の回転により形成される溶銑のキャビティ（渦）中に没入し、溶銑との接触界面積を大きくすることによって、脱硫剤の反応効率を高めようとするものである。この際、溶銑は、撹拌羽根の回転により撹拌され、溶銑中の［Ｓ］が反応界面に供給されることによって、脱硫反応が進行する。通常、溶銑を収容する反応容器は断面が円形の鍋型であり、回転羽根はその容器の上方から容器内に収容された溶銑の中心に挿入される。

しかし、近年における極低Ｓ鋼に対する要求の高まりに対しては、上記従来技術だけでは対応することが難しくなってきている。そこで、機械撹拌式の溶銑脱硫処理方法において、脱硫剤の反応効率をさらに向上し、かつ、処理速度をより高める技術として、回転羽根のスクリュー化や回転羽根の偏心挿入、反応容器への邪魔板設置などの技術が提案されている。

例えば、特許文献１には、溶銑を収容した反応容器底部の内面形状を、容器の中心軸に対して軸対称とはならないように底部に施工する耐火物の厚みに変化を持たせることによって、回転羽根が回転中に形成されるキャビティ（渦）を偏心させ、溶銑中への脱硫剤の巻込みを促進する技術が開示されている。また、特許文献２には、回転羽根の挿入位置を容器の中心から偏心させることによって、同様にキャビティを偏心させ、さらに形成されたキャビティに専用ランスから粉状脱硫剤をキャリアガスとともに吹付けることによって、高い脱硫剤の反応効率を実現する技術が開示されている。また、非特許文献１には、回転羽根を、捻れを加えたスクリュー型形状とし、撹拌・混合を促進する技術が開示されている。

特開２０１１−０２６６９６号公報 特開２０１１−０４２８１５号公報

黒川伸洋、松尾重良、坂口弘、山田和之、渡辺吉夫：「住友金属」、４５（１９９３），５２−５８

しかしながら、特許文献１に開示の方法は、容器底部に耐火物の高低差によって設けた高低差が耐火物の損耗によって小さくなり、その効果を長期に亘って維持できないという問題がある。また、高低差を長期間維持するために底部耐火物を厚くすると、溶銑の収容能力が低下してしまう。特に、溶銑容器に冷鉄源を前装入する場合には、底部耐火物の損耗が激しいため、この問題は大きい。また、特許文献２に開示の方法は、反応容器と回転羽根との位置調整が難しく、安定した効果が得られないという問題がある。また、挿入位置がずれた場合には、再処理が必要となるため、溶銑温度の低下や生産性の低下を招くおそれがある。また、非特許文献１に開示のスクリュー型の回転羽根を用いる場合、耐火物製の羽根の寿命が短いという問題がある。
そのため、上記従来技術を適用した場合には、脱硫剤の反応効率向上効果を安定的に享受することができないという問題があった。

本発明は、従来技術が抱える上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、脱硫剤と溶銑との反応効率を安定的に高めることができる溶銑の脱硫処理方法を提案することにある。

発明者らは、従来技術が抱える上記問題点を解決するべく鋭意検討を重ねた。その結果、機械撹拌式の溶銑脱硫方法において、溶銑を収容した容器を傾倒させてやることによって、溶銑に形成されるキャビティを偏心させ、脱硫剤と溶銑との反応効率を安定的に高めることができることを見出し、本発明を開発するに至った。

すなわち、本発明は、溶銑を収容した容器の上方から前記容器内の溶銑の中心に撹拌羽根を浸漬し、回転して撹拌しながら、石灰を主成分とする脱硫剤を添加して溶銑の硫黄濃度を低減する溶銑の脱硫処理方法において、前記溶銑の撹拌を、溶銑が流出しない範囲で、かつ、溶銑を収容した前記容器を、傾倒角αが６〜１０°の範囲で傾倒させて行うことを特徴とする溶銑の脱硫処理方法を提案する。

本発明によれば、機械撹拌式の溶銑脱硫処理において、溶銑を収容した容器を傾倒させ、回転羽根によって形成されるキャビティを偏心させることによって、脱硫剤の巻き込みを促進することができるので、脱硫剤の反応効率を安定的に高めることが可能となる。したがって、本発明によれば、極低Ｓの鋼を生産性よく製造することができる。

本発明に用いる機械撹拌式溶銑脱硫処理装置の一例を示す模式図である。 溶銑装入鍋の傾倒角αが脱硫率に及ぼす影響を示すグラフである。

発明者らは、機械撹拌式の溶銑脱硫処理において、溶銑と脱硫剤との反応効率を高める方法について検討を重ねた結果、溶銑を収容した容器を傾倒することによって回転羽根によって形成されるキャビティが偏心し、脱硫剤の反応効率を高めることができるのではないかと考えた。

図１は、本実験に用いた機械撹拌式の溶銑脱硫装置の概要を示した模式図であり、図１（ａ）は、輸送台車の上に積載した溶銑を収容した鍋（以降、「溶銑鍋」ともいう。）に対して、その上方から回転羽根を溶銑中に挿入した状態を表わしたものであり、また、図２（ｂ）は、上記溶銑鍋の傾倒角α（容器の軸心からの傾き角）と、溶銑中に挿入した回転羽根を回転させたときの溶銑湯面が盛り上がり高さΔＨを説明したものである。また、表１には、図１に示した機械撹拌式溶銑脱硫装置の仕様と、その脱硫装置を用いた脱硫処理条件を示した。

ここで、溶銑鍋中で回転羽根を回転させたときの溶銑湯面の盛り上がり高さΔＨ（ｍ）は、技術文献（永田進治著：「化学装置設計・操作シリーズＮｏ．１ 改定撹拌装置」：化学工業社、Ｓ５４，ｐ．６４−６５）によれば、下記の（１）〜（４）式で求めることができる。

ここで、Ｄ：溶銑鍋径（ｍ）、ｄ：回転羽根径（ｍ）、ｎ_ｐ：羽根枚数（−）、Ｎ：回転数（ｒｐｍ）、ρ：溶銑密度（＝７２００（ｋｇ／ｍ^３）、μ：溶銑の動粘性係数（＝６．５×１０^３（Ｐａ・ｓ）、ｒ_ｃ：中心円柱状回転部（回転羽根）半径（ｍ）、ｙ：中心円柱状回転部（回転羽根）の容器径に対する割合（−）、ｇ：重力加速度（＝９．８ｍ^２／ｓ）、ｂ：回転羽根高さ（ｍ）、ｎ：回転数（１／ｓ）である。

表１に示した設備仕様および撹拌条件を代入した場合の溶銑湯面の盛り上がり高さΔＨは、上記（１）〜（４）式から、約０．３１ｍと推定される。ここで、溶銑鍋を溶銑鍋ｔ中心線から５度傾倒させたときには、見かけ上、溶銑湯面は傾倒させた側に最大でＤ・ｔａｎα上昇する。例えば、表１の場合、傾倒角が５度の場合、Ｄ・ｔａｎα＝０．３５ｍｍとなる。したがって、溶銑鍋を５度傾倒させて回転羽根を表１の条件で回転させた場合の、見かけ上の湯面の盛り上がり高さΔＨは０．６６ｍとなる。同様にして、傾倒角αが１０度のときの見かけ上の盛り上がり高さΔＨは１．０１となる。

通常、溶銑脱硫操業に用いられる溶銑鍋におけるフリーボード高さ（溶銑鍋を傾倒させない状態における湯面から鍋上端までの高さ）は１．１〜１．２ｍであるので、傾倒角αが１０°までの範囲であれば溶銑の流出は起きないことが推定される。そこで、表１に示した設備仕様および撹拌条件において、溶銑鍋の傾倒角αを０〜１０度の範囲内で種々に変更して脱硫処理を行い、その際の脱硫率の変化を調査した。なお、上記脱硫率は、下記式；
脱硫率（％）＝（処理前［ｍａｓｓ％Ｓ］−処理後［ｍａｓｓ％Ｓ］）／処理前［ｍａｓｓ％Ｓ］
で定義され、同一の脱硫剤原単位、即ち、単位溶銑トン当たりの脱硫剤の投入量が同じ条件においては、脱硫率が高いほど脱硫剤と溶銑との反応効率が高いことを意味する。

図２は、溶銑鍋の傾倒角と脱硫率との関係を示したものである。この図から、傾倒角αが大きくなるのに伴い、脱硫剤の反応効率が向上し、３度以上で脱硫率を９０％以上、６度以上で脱硫率を９５％以上にできることがわかる。なお、処理中に形成されるキャビティの目視観察からも、傾倒角αが大きくなると、撹拌羽根の周囲に形成されるキャビティが中心より偏心し、添加された脱硫剤の溶銑中への巻込みが促進していることが確認された。それと同時に、傾倒角αの増加に伴い、撹拌羽根の回転数を一定に維持するためのモータ負荷は大きくなる傾向が認められた。これは、キャビティが偏心し、脱硫剤の巻込みを促進するために必要な動力が増加したためと考えられる。
上記図２の結果から、本発明では、溶銑を収容した容器の傾倒角αを好ましくは１．０度以上、より好ましくは２．５度以上とする。また、傾倒角αの上限は、容器の傾動時に溶銑が流出しなければ大きいほど好ましいが、１０度を超えると、図２からわかるように、脱硫効果も飽和するようになるので、上限は１０度程度とする。

上記基礎実験の結果に基き、傾倒角αを５度とし、他の処理条件は表１の通りとした条件で、処理数を拡大して工程的な実験を行った。
表２は、上記工程実験の結果を、溶銑鍋を傾倒させない（傾倒角α＝０度）と比較して示したものである。溶銑装入鍋を傾倒した場合には、従来の溶銑装入鍋を傾倒しない（傾倒角０°）の場合に比較して、脱硫率の平均値は大幅に向上している。

以上の結果から、本発明においては、溶銑を収容した鍋を傾倒させて機械撹拌式の脱硫処理を施す場合には、溶銑が容器から流出しない範囲で傾倒角αを適宜調整することで、脱硫剤と溶銑との反応効率を安定的に高めることとした。

図１および表１に示した機械撹拌式溶銑脱硫装置、脱硫処理条件で、溶銑鍋を傾倒させない従来の条件（比較例）と、傾倒角αを１度、５度および１０度の３水準に変化させた条件（発明例１〜３）の合計４条件において、各百数十チャージの溶銑脱硫処理実験を行い、脱硫処理前後のＳ濃度を測定し、その結果を表３にまとめて示した。

表３から、溶銑を収容した容器を傾倒する本発明を適用することにより、脱硫率を大幅に向上することができ、その結果、Ｓ≦０．００１０ｍａｓｓ％の極低Ｓ鋼を安定して製造できることがわかる。

本発明の技術は、液体中に固体を分散・混合する撹拌装置にも適用することができる。

Claims (1)

1. 溶銑を収容した容器の上方から前記容器内の溶銑の中心に撹拌羽根を浸漬し、回転して撹拌しながら、石灰を主成分とする脱硫剤を添加して溶銑の硫黄濃度を低減する溶銑の脱硫処理方法において、
   前記溶銑の撹拌を、溶銑が流出しない範囲で、かつ、溶銑を収容した前記容器を、傾倒角αが６〜１０°の範囲で傾倒させて行うことを特徴とする溶銑の脱硫処理方法。

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