溶銑の脱珪処理方法
【課題】 混銑車内の溶銑に浸漬ランスを介して酸素含有ガスを吹き込んで溶銑を脱珪処理するに際し、浸漬ランスの耐用性が高く、且つ、混銑車開口部からの溶銑の噴出が少なく、高い反応効率で溶銑を脱珪処理する。
【解決手段】 混銑車に収容された溶銑に浸漬ランスを介して酸素含有ガスを吹き込んで溶銑を脱珪処理するに際し、浸漬ランスの中心軸を対称とし、且つ隣り合う吐出孔５のなす中心角を、「θ１＋θ２＝１８０°」及び「２０°≦θ１≦θ２」を満足するθ１及びθ２とする４つの吐出孔をその下端部側面に有し、内管２及び外管３からなる二重管構造の浸漬ランス１を、中心角がθ１の側が混銑車の長手方向を向き、吐出孔は混銑車の長手方向とは交差する方向を向くように溶銑に垂直に浸漬させ、内管から酸素含有ガスを吹き込むとともに、内管と外管との間隙から炭化水素系ガスを吹き込んで脱珪処理する。
【解決手段】 混銑車に収容された溶銑に浸漬ランスを介して酸素含有ガスを吹き込んで溶銑を脱珪処理するに際し、浸漬ランスの中心軸を対称とし、且つ隣り合う吐出孔５のなす中心角を、「θ１＋θ２＝１８０°」及び「２０°≦θ１≦θ２」を満足するθ１及びθ２とする４つの吐出孔をその下端部側面に有し、内管２及び外管３からなる二重管構造の浸漬ランス１を、中心角がθ１の側が混銑車の長手方向を向き、吐出孔は混銑車の長手方向とは交差する方向を向くように溶銑に垂直に浸漬させ、内管から酸素含有ガスを吹き込むとともに、内管と外管との間隙から炭化水素系ガスを吹き込んで脱珪処理する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、浸漬ランスを介して酸素含有ガスを、混銑車に収容された溶銑に吹き込んで行う溶銑の脱珪処理方法に関し、詳しくは、下端側面に４つの吐出孔を備えた二重管構造の浸漬ランスを混銑車内の溶銑に垂直に浸漬させ、二重管構造の内管から酸素含有ガスを吹き込むと同時に、二重管構造の内管と外管との間隙から炭化水素系ガスを吹込んで行う、溶銑の脱珪処理方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、鋼材の高級化に伴う燐含有量低下対策、或いは製鋼プロセスの合理化を目的として、溶銑の脱燐処理が、転炉または溶銑鍋若しくは混銑車（「トピードカー」ともいう）などにおいて広く行われている。また、この脱燐処理では、溶銑中の珪素も除去され、この珪素が脱燐反応を阻害するので、脱燐処理を効率的に行うために、脱燐処理の前に予め溶銑中の珪素を除去する脱珪処理も行われている。
【０００３】
溶銑中の珪素は酸化反応によって除去される。従って、溶銑の脱珪処理は、溶銑に酸素ガスや酸化鉄などの酸素源を供給し、この酸素源によって溶銑中の珪素を酸化除去させている。その際に、反応効率を高める或いは生成するスラグの組成を調整するために、生石灰などのフラックスも添加されている。
【０００４】
溶銑の脱珪処理において、溶銑に酸素ガスなどの酸素含有ガスを供給する方法は、大きく分けて２種類に分類される。１つの方法は、溶銑とは非接触の上吹きランスなどから酸素含有ガスを溶銑浴面に向けて吹き付ける方法（「上吹き送酸法」と呼ぶ）である（例えば、特許文献１を参照）。他の方法は、溶銑中に浸漬させたガス吹き込み用の浸漬ランスや反応容器の底部などに設けた羽口から、溶銑中に酸素含有ガスを直接吹き込む方法（「吹き込み送酸法」と呼ぶ）である（例えば、特許文献２を参照）。
【０００５】
それぞれの方法には、それぞれの特徴があり、吹き込み送酸法の場合には、酸素含有ガスの添加効率が高い、攪拌力が向上するなどの利点がある一方、浸漬ランスの浸漬部の熱負荷は大きく（例えば一方向のみの熱負荷を受ける羽口などと比べても消耗が激しい）、耐用回数が限られるなどの問題がある。これに対して、上吹き送酸法の場合には、上吹きランスへの熱負荷が小さく、長期間に亘って使用できるという利点はあるが、酸素含有ガスの添加効率が低い、攪拌力が得られないなどの問題がある。
【０００６】
酸素含有ガスを供給する際に、上吹き送酸法とするか、吹き込み送酸法とするかは、上記の特徴を考慮して決められるが、例えば混銑車の場合のように、処理容器の形状から上吹き送酸法では反応効率が悪く、吹き込み送酸法を採用せざるを得ないこともある。混銑車の場合には、その容器形状から攪拌・混合されにくく、それに加えて溶銑の収容量に対して開口部が少なく、上吹き送酸法では所望する反応効率が得られないからである。
【０００７】
吹き込み送酸法で使用する浸漬ランスは、前述したように浸漬部の損耗が激しいことから、これを改善する手段が提案されている。例えば、特許文献３には、浸漬ランスを二重管構造とし、内管から酸素含有ガスを吹き込み、内管と外管との間隙から炭化水素系ガスを吹き込み、この炭化水素系ガスの分解反応による吸熱を利用して浸漬ランスを冷却する技術が開示されており、工業上有益な効果が得られている。
【０００８】
酸素含有ガスを混銑車内の溶銑に吹き込む際の他の１つの技術課題として、混銑車の開口部からの溶銑の噴出が挙げられる。特に、浸漬ランスを混銑車の開口部から溶銑に垂直に浸漬させた場合には、浸漬ランスのガス吹き出し部と混銑車の開口部とが近い位置関係になるため、溶銑が噴出しやすくなるという問題がある。この溶銑の噴出は設備トラブルを招く恐れがあり、溶銑が噴出しないようにするためには、浸漬ランスの浸漬深さを十分に深くすることはできず、浅くせざるを得ない。浸漬深さが浅いと、酸素含有ガスと溶銑との接触時間が短くなるため、反応効率が低下してしまうという問題が生じる。
【０００９】
この問題を解決するために、特許文献４には、浸漬ランスを混銑車内の溶銑に斜めに浸漬させ、ランス先端を混銑車の一方の側の絞り部の近傍に浸漬させる技術が開示されている。浸漬ランスを斜めに浸漬させることで、浸漬ランスのガス吹き出し部と混銑車の開口部とが隔てられ、溶銑の噴出が抑制される。
【特許文献１】特開昭５３−７８９１３号公報
【特許文献２】特開昭５６−１６９７１６号公報
【特許文献３】特開昭５８−２２１２１０号公報
【特許文献４】特開平１−３０６５１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献４においては以下の問題がある。
【００１１】
即ち、浸漬ランスを斜めに浸漬することで、混銑車開口部からの溶銑の噴出を減らすことができ、ランスの浸漬深さを深くすることが可能となるものの、ランス本体が溶銑の浮力を受けやすく、振動が激しくなってランスの損傷が激しくなるという課題を有している。従って、特許文献４は、浸漬ランスの寿命という観点からは十分ではない。
【００１２】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、混銑車内の溶銑に浸漬ランスを介して酸素含有ガスを吹き込んで溶銑を脱珪処理するに際し、浸漬ランスの耐用性が高く、且つ、混銑車開口部からの溶銑の噴出が少なく、高い反応効率で処理することのできる、溶銑の脱珪処理方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するための第１の発明に係る溶銑の脱珪処理方法は、混銑車に収容された溶銑に浸漬ランスを介して酸素含有ガスを吹き込んで溶銑を脱珪処理するに際し、浸漬ランスの中心軸を対称とし、且つ隣り合う吐出孔のなす中心角を、「θ１＋θ２＝１８０°」及び「２０°≦θ１≦θ２」を満足するθ１及びθ２とする４つの吐出孔をその下端部側面に有し、内管及び外管からなる二重管構造の浸漬ランスを、中心角がθ１の側が混銑車の長手方向を向き、吐出孔は混銑車の長手方向とは交差する方向を向くように溶銑に垂直に浸漬させ、前記内管から酸素含有ガスを吹き込むとともに、内管と外管との間隙から炭化水素系ガスを吹き込んで、溶銑に脱珪処理を施すことを特徴とするものである。
【００１４】
第２の発明に係る溶銑の脱珪処理方法は、第１の発明において、前記θ１は２０〜６５°の範囲内であることを特徴とするものである。
【００１５】
第３の発明に係る溶銑の脱珪処理方法は、第１または第２の発明において、前記中心角をθ１として隣り合う吐出孔間の中心位置が混銑車の長手方向を向くように、浸漬ランスを浸漬させることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、浸漬ランスは４つの吐出孔を有しているので、２孔の浸漬ランスに比較して吐出孔からの噴流のエネルギーが溶銑浴内で分散され、それに伴って混銑車開口部からの溶銑の噴出が抑制でき、また、内管と外管との間隙から吹き込む炭化水素系ガスによって浸漬ランスの先端部が冷却されるので、浸漬ランスの耐用性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明を具体的に説明する。本発明者らは、浸漬ランスの耐用性が高く、且つ、浸漬深さを深くしても、混銑車開口部からの溶銑の噴出が少なく、高い反応効率で脱珪処理可能な脱珪処理方法の開発を目的として、混銑車を模した水モデル装置における水モデル実験及び実機混銑車における溶銑の脱珪処理を種々の条件下で実施し、調査・検討を行った。
【００１８】
その結果、斜め浸漬型の浸漬ランスでは、溶銑の浮力に起因して浸漬ランスに作用する応力を軽減することはできず、浸漬ランスの寿命を現在以上に延ばすことは困難であることが確認できた。従って、垂直に浸漬する型式の浸漬ランスを対象とすることとした。垂直に浸漬する型式の浸漬ランスでは、浸漬深さを同一とした場合、斜めに浸漬する場合に比較して浸漬部の体積が減少することから、浸漬ランスに作用する応力は小さくなり、また、浮力がランスの中心軸方向に作用し、浸漬ランス円周方向の応力が均一化されるなどにより、浮力の影響が軽減されるからである。
【００１９】
しかしながら、垂直に浸漬する型式の浸漬ランスでは、前述したように、混銑車開口部からの溶銑の噴出が問題となる。そこで、混銑車を模した水量８０リットルの水モデル装置を用いて混銑車開口部からの水の飛散量を評価した。水モデル試験では、吐出孔が２孔の場合と、吐出孔が４孔の場合とで試験した。
【００２０】
吐出孔が２孔の場合は、浸漬ランスの両側面に同一直線上に配置した吐出孔が混銑車の長手方向を向くように、浸漬ランスを浸漬させた（水準１）。吐出孔が４孔の場合は２水準の試験を実施し、水準２は、隣り合う吐出孔のなす中心角をθ１（「中心角θ１」とも記す）及びθ２（「中心角θ２」とも記す）としたとき、θ１及びθ２を全て９０°とし、且つ、隣り合う吐出孔間の中心位置が混銑車の長手方向を向くように浸漬ランスを浸漬させ、また、水準３は、隣り合う吐出孔のなす中心角のうち、θ１を６０°、θ２を１２０°とし、且つ、中心角をθ１（＝６０°）として隣り合う吐出孔間の中心位置、つまり、中心角θ１の角の二等分線の方向が混銑車の長手方向を向くように浸漬ランスを浸漬させた。
【００２１】
吐出孔からのガスの吐出速度を同一にするために、吐出孔の断面積の合計値は、水準１〜３で同一とした。表１に実験条件を示し、また、図１に水の飛散流出速度の測定結果を示す。尚、表１の「吐出孔の向き」の欄に示す図でおいて、符号１は浸漬ランス、符号６は混銑車、符号６ａは混銑車の開口部を示す。水の飛散流出速度は、噴出した水の質量を容器で受け、時間毎に水の流出量を秤量して求めた。
【００２２】
【表１】
【００２３】
図１に示すように、吐出孔を４孔にすることで、水の飛散流出速度が低減されて、浸漬ランスの浸漬深さをより深くできる可能性のあることが分かった。また、水準２よりも水準３のように、中心角θ１を９０°よりも小さくして吐出孔の向きを混銑車の長手方向に近づけることで、水の飛散流出速度が更に低減することが分かった。
【００２４】
この水モデル実験の知見に基づいて、図２に示す実機混銑車を用いて溶銑の脱珪処理実験を実施した。尚、図２は、浸漬ランス１を混銑車６の開口部６ａから溶銑７に垂直に浸漬させて、脱珪処理する様子を示す図である。
【００２５】
実験では、図３に示す４孔の浸漬ランス１及び図４に示す２孔の浸漬ランス１Ａを用い、浸漬ランス１，１Ａを混銑車６の開口部６ａから溶銑７に垂直に浸漬させて行った。図３に示す浸漬ランス１及び図４に示す浸漬ランス１Ａは、ともに、内管２及び外管３からなる二重管構造であり、且つ外管３の外周及び底部に耐火物被覆層４が施工されているが、吐出孔５の孔数が浸漬ランス１では４孔、浸漬ランス１Ａでは２孔である点が異なる。尚、図３は、本発明で使用した浸漬ランスの概略断面図であり、（Ａ）は側面断面図、（Ｂ）は吐出孔部の横断面図、図４は、本発明で比較のために使用した浸漬ランスの概略断面図であり、（Ａ）は側面断面図、（Ｂ）は吐出孔部の横断面図である。
【００２６】
浸漬ランス１では、隣り合う吐出孔５のなす中心角を中心角θ１及び中心角θ２として、浸漬ランス１の中心軸で交差する２つの直線上に４つの吐出孔５が設置されているのに対し、浸漬ランス１Ａでは１つの直線上に２つの吐出孔５が設置されている。ここで、浸漬ランス１の形状を特定するために、中心角θ１は中心角θ２と同等かそれ未満とした。また、２本の交差する直線上に吐出孔５を配置しているので、自ずと、中心角θ１と中心角θ２との和は１８０°となる。
【００２７】
脱珪処理の際には、浸漬ランス１Ａは、吐出孔５の方向が混銑車６の長手方向とほぼ同一となるように浸漬ランス１Ａを浸漬させた。これに対して浸漬ランス１は、中心角をθ１として隣り合う吐出孔間の中心位置、つまり中心角θ１の二等分線の方向が混銑車６の長手方向とほぼ同一となるように浸漬ランス１を浸漬させたり、中心角をθ２として隣り合う吐出孔間の中心位置、つまり中心角θ２の二等分線の方向が混銑車６の長手方向とほぼ同一となるように浸漬させたり、種々変化させた。
【００２８】
そして、内管２からは１５〜３０Ｎｍ3／分の酸素ガスを吹き込み、内管２と外管３との間隙からは１．５〜３Ｎｍ3／分のプロパンガスを吹込んで、脱珪処理を行った。本発明において、内管２及び外管３からなる二重管構造の浸漬ランス１を使用する理由は、内管２と外管３との間隙から炭化水素系ガスを吹込むことで、浸漬ランス１の先端部が炭化水素系ガスの分解反応によって冷却され、浸漬ランス先端部の溶損が抑制されるからである。
【００２９】
種々の実験の結果、４孔の浸漬ランス１は２孔の浸漬ランス１Ａに比較して一般的に浸漬深さを深くすることができ、脱珪酸素効率も良好であった。尚、脱珪酸素効率とは下記の（１）式で定義される。
【００３０】
脱珪酸素効率(%)＝(処理前[質量%Si]−処理後[質量%Si])×10÷28×22.4÷酸素ガス原単位(Nm3/t-steel) …(1)
更に、中心角をθ１として隣り合う吐出孔間の中心位置、つまり中心角θ１の二等分線の方向が混銑車６の長手方向とほぼ同一となるように浸漬ランス１を浸漬させた場合には、中心角θ１は２０°以上が必要であることが分かった。中心角θ１が２０°未満であると、溶銑７の噴出状況が２孔ランスの場合と変わらず、ランスの浸漬深さを深くすることができなかった。
【００３１】
また、中心角をθ２として隣り合う吐出孔間の中心位置、つまり中心角θ２の二等分線の方向が混銑車６の長手方向とほぼ同一となるように浸漬ランス１を浸漬させた場合には、中心角θ２が９０°よりも大きくなるに伴って、酸素ガスが混銑車内壁の耐火物に直接当たるようになり、混銑車６の耐火物寿命が低下する傾向が見受けられ、この浸漬方法は好ましくないことが分かった。
【００３２】
これらの結果から、中心角がθ１となる側を混銑車６の長手方向に向かせる必要のあることが分かった。つまり、吐出孔５の方向を混銑車６の長手方向とは交差させる必要のあることが分かった。吐出孔５を混銑車６の長手方向に向けると、この吐出孔５の隣りの吐出孔５が混銑車内壁の方向を向くことになり、混銑車６の耐火物寿命が低下する。また、溶銑７の噴出を効果的に抑制する観点から、中心角をθ１として隣り合う吐出孔間の中心位置が混銑車６の長手方向とほぼ同一となるように浸漬ランス１を浸漬させることが好ましいことも分かった。
【００３３】
更に、中心角θ１が２０〜６５°の範囲において、脱珪酸素効率が最も高くなることが分かった。これは、吐出孔５からの酸素ガスの噴流が混銑車６の長手方向に沿うことで、溶銑７の攪拌が良くなるためと推察される。
【００３４】
本発明は、これらの試験結果に基づきなされたものであり、本発明に係る溶銑７の脱珪処理方法は、混銑車６に収容された溶銑７に浸漬ランス１を介して酸素含有ガスを吹き込んで溶銑７を脱珪処理するに際し、浸漬ランス１の中心軸を対称とし、且つ隣り合う吐出孔５のなす中心角を、「θ１＋θ２＝１８０°」及び「２０°≦θ１≦θ２」を満足するθ１及びθ２とする４つの吐出孔５をその下端部側面に有し、内管２及び外管３からなる二重管構造の浸漬ランス１を、中心角がθ１の側が混銑車６の長手方向を向き、吐出孔５は混銑車６の長手方向とは交差する方向を向くように溶銑７に垂直に浸漬させ、前記内管２から酸素含有ガスを吹き込むとともに、内管２と外管３との間隙から炭化水素系ガスを吹き込んで、溶銑７に脱珪処理を施すことを特徴としている。
【００３５】
浸漬ランス１の耐火物被覆層４を構成する耐火物材料は、溶損やスポーリングに対して或る程度の耐用性を有するものであれば、どのような組成であっても構わない。代表的な耐火物としては、ＳｉＯ2を１０〜４０質量％含有するＡｌ2Ｏ3−ＳｉＯ2系不定形耐火物、ＭｇＯを５〜３０質量％含有するＡｌ2Ｏ3−ＭｇＯ系不定形耐火物などを用いることができる。耐火物被覆層４の厚みは、ランス寿命を考慮すれば、２５ｍｍ以上程度が好ましい。また、内管２及び外管３は、ステンレス鋼鋼管や炭素鋼鋼管を用いることができる。
【００３６】
内管２から吹込む酸素含有ガスとしては、酸素ガス（工業用純酸素ガス）、空気、酸素富化空気、不活性ガスと酸素ガスとの混合ガスなどを使用することができる。酸素含有ガスの酸素濃度は、必要とされる酸素量から適宜決定すればよい。また、内管２からの酸素ガスの吹き込み流量を低下させる際に、窒素ガス、Ａｒガスといった不活性ガスを酸素ガスに混合させて、吹き込みガス流量を確保してもよい。
【００３７】
炭化水素ガスとしては、プロパン（Ｃ3Ｈ8）、メタン（ＣＨ4）、エタン（Ｃ2Ｈ6）、ブタン（Ｃ4Ｈ10）などが、比較的低温で熱分解し、分解吸熱も大きいため、製鋼プロセスでは利用しやすい。内管２からの酸素含有ガスの吹き込み流量の変更に伴って、内管２と外管３との間隙からの炭化水素系ガスの吹き込み流量を低下させる際にも、窒素ガス、Ａｒガスといった不活性ガスを炭化水素系ガスに混合させてもよい。
【００３８】
以上説明したように、本発明によれば、浸漬ランス１は４つの吐出孔５を有しているので、２孔の浸漬ランス１Ａに比較して吐出孔５からの噴流のエネルギーが溶銑浴内で分散され、それに伴って混銑車６の開口部６ａからの溶銑７の噴出が抑制でき、また、内管２と外管３との間隙から吹き込む炭化水素系ガスによって浸漬ランス１の先端部が冷却されるので、浸漬ランス１の耐用性を向上させることができる。
【実施例１】
【００３９】
約３００トン容量の混銑車に収容された溶銑に、前述した図３に示す４孔の浸漬ランスを垂直に浸漬させて溶銑の脱珪処理実験を実施した。中心角θ１の二等分線の方向が混銑車の長手方向を向くように浸漬ランスを浸漬させた。一部の試験では、比較例として、前述した図４に示す２孔の浸漬ランスを溶銑に垂直に浸漬させて脱珪処理を実施した。２孔ランスの場合には、吐出孔の方向が混銑車の長手方向を向くように浸漬ランスを浸漬させた。
【００４０】
内管からは、１５〜３０Ｎｍ3／分の酸素ガスを吹き込み、内管と外管との間隙からは、内管から吹込む酸素ガスの５〜１０体積％のプロパンガスを吹込んだ。ランスの浸漬深さは、混銑車開口部からの溶銑の噴出が多くない範囲で極力深くした。脱珪処理前及び脱珪処理後の溶銑中珪素濃度を分析し、この分析値から前述の（１）式を用いて各試験での脱珪酸素効率を求めた。試験条件及び試験結果を表２に示す。
【００４１】
【表２】
【００４２】
図５に、ランスの浸漬深さと脱珪酸素効率との関係を示す。２孔の浸漬ランスを使用した比較例１〜６では、混銑車開口部からの溶銑の噴出が激しく、ランスの浸漬深さを深くできず、その結果、図５に示すように、脱珪酸素効率は低位であった。また、中心角θ１が２０°未満である比較例７〜１２でも、比較例１〜６と同様に混銑車開口部からの溶銑の噴出が激しく、ランスの浸漬深さを深くできず、脱珪酸素効率は低位であった。
【００４３】
一方、本発明例においては、混銑車開口部からの溶銑の噴出が少ないことから、浸漬深さを大きく採ることができ、脱珪酸素効率は高位で安定した。なかでも、中心角θ１が２０〜６５°である本発明例１〜１１においては、脱珪酸素効率が安定して高くなることが分かった。
【００４４】
このように、本発明を適用することにより、混銑車内の溶銑に垂直に浸漬ランスを浸漬させ、該浸漬ランスから酸素含有ガスを吹き込む脱珪処理において、混銑車開口部からの溶銑の噴出を抑制することができ、これに伴ってランスの浸漬深さを深くすることが可能となり、脱珪反応効率を高めることが可能となる。その結果、脱珪反応による発熱を有効利用でき、製造コストの低減などの効果を得ることが実現される。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】水モデル試験における水の飛散流出速度の測定結果を示す図である。
【図２】本発明を適用した混銑車を示す概略図である。
【図３】本発明で使用した浸漬ランスの概略断面図である。
【図４】比較のために使用した概略断面図である。
【図５】ランスの浸漬深さと脱珪酸素効率との関係を比較して示す図である。
【符号の説明】
【００４６】
１ 浸漬ランス
２ 内管
３ 外管
４ 耐火物被覆層
５ 吐出孔
６ 混銑車
７ 溶銑
【技術分野】
【０００１】
本発明は、浸漬ランスを介して酸素含有ガスを、混銑車に収容された溶銑に吹き込んで行う溶銑の脱珪処理方法に関し、詳しくは、下端側面に４つの吐出孔を備えた二重管構造の浸漬ランスを混銑車内の溶銑に垂直に浸漬させ、二重管構造の内管から酸素含有ガスを吹き込むと同時に、二重管構造の内管と外管との間隙から炭化水素系ガスを吹込んで行う、溶銑の脱珪処理方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、鋼材の高級化に伴う燐含有量低下対策、或いは製鋼プロセスの合理化を目的として、溶銑の脱燐処理が、転炉または溶銑鍋若しくは混銑車（「トピードカー」ともいう）などにおいて広く行われている。また、この脱燐処理では、溶銑中の珪素も除去され、この珪素が脱燐反応を阻害するので、脱燐処理を効率的に行うために、脱燐処理の前に予め溶銑中の珪素を除去する脱珪処理も行われている。
【０００３】
溶銑中の珪素は酸化反応によって除去される。従って、溶銑の脱珪処理は、溶銑に酸素ガスや酸化鉄などの酸素源を供給し、この酸素源によって溶銑中の珪素を酸化除去させている。その際に、反応効率を高める或いは生成するスラグの組成を調整するために、生石灰などのフラックスも添加されている。
【０００４】
溶銑の脱珪処理において、溶銑に酸素ガスなどの酸素含有ガスを供給する方法は、大きく分けて２種類に分類される。１つの方法は、溶銑とは非接触の上吹きランスなどから酸素含有ガスを溶銑浴面に向けて吹き付ける方法（「上吹き送酸法」と呼ぶ）である（例えば、特許文献１を参照）。他の方法は、溶銑中に浸漬させたガス吹き込み用の浸漬ランスや反応容器の底部などに設けた羽口から、溶銑中に酸素含有ガスを直接吹き込む方法（「吹き込み送酸法」と呼ぶ）である（例えば、特許文献２を参照）。
【０００５】
それぞれの方法には、それぞれの特徴があり、吹き込み送酸法の場合には、酸素含有ガスの添加効率が高い、攪拌力が向上するなどの利点がある一方、浸漬ランスの浸漬部の熱負荷は大きく（例えば一方向のみの熱負荷を受ける羽口などと比べても消耗が激しい）、耐用回数が限られるなどの問題がある。これに対して、上吹き送酸法の場合には、上吹きランスへの熱負荷が小さく、長期間に亘って使用できるという利点はあるが、酸素含有ガスの添加効率が低い、攪拌力が得られないなどの問題がある。
【０００６】
酸素含有ガスを供給する際に、上吹き送酸法とするか、吹き込み送酸法とするかは、上記の特徴を考慮して決められるが、例えば混銑車の場合のように、処理容器の形状から上吹き送酸法では反応効率が悪く、吹き込み送酸法を採用せざるを得ないこともある。混銑車の場合には、その容器形状から攪拌・混合されにくく、それに加えて溶銑の収容量に対して開口部が少なく、上吹き送酸法では所望する反応効率が得られないからである。
【０００７】
吹き込み送酸法で使用する浸漬ランスは、前述したように浸漬部の損耗が激しいことから、これを改善する手段が提案されている。例えば、特許文献３には、浸漬ランスを二重管構造とし、内管から酸素含有ガスを吹き込み、内管と外管との間隙から炭化水素系ガスを吹き込み、この炭化水素系ガスの分解反応による吸熱を利用して浸漬ランスを冷却する技術が開示されており、工業上有益な効果が得られている。
【０００８】
酸素含有ガスを混銑車内の溶銑に吹き込む際の他の１つの技術課題として、混銑車の開口部からの溶銑の噴出が挙げられる。特に、浸漬ランスを混銑車の開口部から溶銑に垂直に浸漬させた場合には、浸漬ランスのガス吹き出し部と混銑車の開口部とが近い位置関係になるため、溶銑が噴出しやすくなるという問題がある。この溶銑の噴出は設備トラブルを招く恐れがあり、溶銑が噴出しないようにするためには、浸漬ランスの浸漬深さを十分に深くすることはできず、浅くせざるを得ない。浸漬深さが浅いと、酸素含有ガスと溶銑との接触時間が短くなるため、反応効率が低下してしまうという問題が生じる。
【０００９】
この問題を解決するために、特許文献４には、浸漬ランスを混銑車内の溶銑に斜めに浸漬させ、ランス先端を混銑車の一方の側の絞り部の近傍に浸漬させる技術が開示されている。浸漬ランスを斜めに浸漬させることで、浸漬ランスのガス吹き出し部と混銑車の開口部とが隔てられ、溶銑の噴出が抑制される。
【特許文献１】特開昭５３−７８９１３号公報
【特許文献２】特開昭５６−１６９７１６号公報
【特許文献３】特開昭５８−２２１２１０号公報
【特許文献４】特開平１−３０６５１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献４においては以下の問題がある。
【００１１】
即ち、浸漬ランスを斜めに浸漬することで、混銑車開口部からの溶銑の噴出を減らすことができ、ランスの浸漬深さを深くすることが可能となるものの、ランス本体が溶銑の浮力を受けやすく、振動が激しくなってランスの損傷が激しくなるという課題を有している。従って、特許文献４は、浸漬ランスの寿命という観点からは十分ではない。
【００１２】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、混銑車内の溶銑に浸漬ランスを介して酸素含有ガスを吹き込んで溶銑を脱珪処理するに際し、浸漬ランスの耐用性が高く、且つ、混銑車開口部からの溶銑の噴出が少なく、高い反応効率で処理することのできる、溶銑の脱珪処理方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するための第１の発明に係る溶銑の脱珪処理方法は、混銑車に収容された溶銑に浸漬ランスを介して酸素含有ガスを吹き込んで溶銑を脱珪処理するに際し、浸漬ランスの中心軸を対称とし、且つ隣り合う吐出孔のなす中心角を、「θ１＋θ２＝１８０°」及び「２０°≦θ１≦θ２」を満足するθ１及びθ２とする４つの吐出孔をその下端部側面に有し、内管及び外管からなる二重管構造の浸漬ランスを、中心角がθ１の側が混銑車の長手方向を向き、吐出孔は混銑車の長手方向とは交差する方向を向くように溶銑に垂直に浸漬させ、前記内管から酸素含有ガスを吹き込むとともに、内管と外管との間隙から炭化水素系ガスを吹き込んで、溶銑に脱珪処理を施すことを特徴とするものである。
【００１４】
第２の発明に係る溶銑の脱珪処理方法は、第１の発明において、前記θ１は２０〜６５°の範囲内であることを特徴とするものである。
【００１５】
第３の発明に係る溶銑の脱珪処理方法は、第１または第２の発明において、前記中心角をθ１として隣り合う吐出孔間の中心位置が混銑車の長手方向を向くように、浸漬ランスを浸漬させることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、浸漬ランスは４つの吐出孔を有しているので、２孔の浸漬ランスに比較して吐出孔からの噴流のエネルギーが溶銑浴内で分散され、それに伴って混銑車開口部からの溶銑の噴出が抑制でき、また、内管と外管との間隙から吹き込む炭化水素系ガスによって浸漬ランスの先端部が冷却されるので、浸漬ランスの耐用性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明を具体的に説明する。本発明者らは、浸漬ランスの耐用性が高く、且つ、浸漬深さを深くしても、混銑車開口部からの溶銑の噴出が少なく、高い反応効率で脱珪処理可能な脱珪処理方法の開発を目的として、混銑車を模した水モデル装置における水モデル実験及び実機混銑車における溶銑の脱珪処理を種々の条件下で実施し、調査・検討を行った。
【００１８】
その結果、斜め浸漬型の浸漬ランスでは、溶銑の浮力に起因して浸漬ランスに作用する応力を軽減することはできず、浸漬ランスの寿命を現在以上に延ばすことは困難であることが確認できた。従って、垂直に浸漬する型式の浸漬ランスを対象とすることとした。垂直に浸漬する型式の浸漬ランスでは、浸漬深さを同一とした場合、斜めに浸漬する場合に比較して浸漬部の体積が減少することから、浸漬ランスに作用する応力は小さくなり、また、浮力がランスの中心軸方向に作用し、浸漬ランス円周方向の応力が均一化されるなどにより、浮力の影響が軽減されるからである。
【００１９】
しかしながら、垂直に浸漬する型式の浸漬ランスでは、前述したように、混銑車開口部からの溶銑の噴出が問題となる。そこで、混銑車を模した水量８０リットルの水モデル装置を用いて混銑車開口部からの水の飛散量を評価した。水モデル試験では、吐出孔が２孔の場合と、吐出孔が４孔の場合とで試験した。
【００２０】
吐出孔が２孔の場合は、浸漬ランスの両側面に同一直線上に配置した吐出孔が混銑車の長手方向を向くように、浸漬ランスを浸漬させた（水準１）。吐出孔が４孔の場合は２水準の試験を実施し、水準２は、隣り合う吐出孔のなす中心角をθ１（「中心角θ１」とも記す）及びθ２（「中心角θ２」とも記す）としたとき、θ１及びθ２を全て９０°とし、且つ、隣り合う吐出孔間の中心位置が混銑車の長手方向を向くように浸漬ランスを浸漬させ、また、水準３は、隣り合う吐出孔のなす中心角のうち、θ１を６０°、θ２を１２０°とし、且つ、中心角をθ１（＝６０°）として隣り合う吐出孔間の中心位置、つまり、中心角θ１の角の二等分線の方向が混銑車の長手方向を向くように浸漬ランスを浸漬させた。
【００２１】
吐出孔からのガスの吐出速度を同一にするために、吐出孔の断面積の合計値は、水準１〜３で同一とした。表１に実験条件を示し、また、図１に水の飛散流出速度の測定結果を示す。尚、表１の「吐出孔の向き」の欄に示す図でおいて、符号１は浸漬ランス、符号６は混銑車、符号６ａは混銑車の開口部を示す。水の飛散流出速度は、噴出した水の質量を容器で受け、時間毎に水の流出量を秤量して求めた。
【００２２】
【表１】
【００２３】
図１に示すように、吐出孔を４孔にすることで、水の飛散流出速度が低減されて、浸漬ランスの浸漬深さをより深くできる可能性のあることが分かった。また、水準２よりも水準３のように、中心角θ１を９０°よりも小さくして吐出孔の向きを混銑車の長手方向に近づけることで、水の飛散流出速度が更に低減することが分かった。
【００２４】
この水モデル実験の知見に基づいて、図２に示す実機混銑車を用いて溶銑の脱珪処理実験を実施した。尚、図２は、浸漬ランス１を混銑車６の開口部６ａから溶銑７に垂直に浸漬させて、脱珪処理する様子を示す図である。
【００２５】
実験では、図３に示す４孔の浸漬ランス１及び図４に示す２孔の浸漬ランス１Ａを用い、浸漬ランス１，１Ａを混銑車６の開口部６ａから溶銑７に垂直に浸漬させて行った。図３に示す浸漬ランス１及び図４に示す浸漬ランス１Ａは、ともに、内管２及び外管３からなる二重管構造であり、且つ外管３の外周及び底部に耐火物被覆層４が施工されているが、吐出孔５の孔数が浸漬ランス１では４孔、浸漬ランス１Ａでは２孔である点が異なる。尚、図３は、本発明で使用した浸漬ランスの概略断面図であり、（Ａ）は側面断面図、（Ｂ）は吐出孔部の横断面図、図４は、本発明で比較のために使用した浸漬ランスの概略断面図であり、（Ａ）は側面断面図、（Ｂ）は吐出孔部の横断面図である。
【００２６】
浸漬ランス１では、隣り合う吐出孔５のなす中心角を中心角θ１及び中心角θ２として、浸漬ランス１の中心軸で交差する２つの直線上に４つの吐出孔５が設置されているのに対し、浸漬ランス１Ａでは１つの直線上に２つの吐出孔５が設置されている。ここで、浸漬ランス１の形状を特定するために、中心角θ１は中心角θ２と同等かそれ未満とした。また、２本の交差する直線上に吐出孔５を配置しているので、自ずと、中心角θ１と中心角θ２との和は１８０°となる。
【００２７】
脱珪処理の際には、浸漬ランス１Ａは、吐出孔５の方向が混銑車６の長手方向とほぼ同一となるように浸漬ランス１Ａを浸漬させた。これに対して浸漬ランス１は、中心角をθ１として隣り合う吐出孔間の中心位置、つまり中心角θ１の二等分線の方向が混銑車６の長手方向とほぼ同一となるように浸漬ランス１を浸漬させたり、中心角をθ２として隣り合う吐出孔間の中心位置、つまり中心角θ２の二等分線の方向が混銑車６の長手方向とほぼ同一となるように浸漬させたり、種々変化させた。
【００２８】
そして、内管２からは１５〜３０Ｎｍ3／分の酸素ガスを吹き込み、内管２と外管３との間隙からは１．５〜３Ｎｍ3／分のプロパンガスを吹込んで、脱珪処理を行った。本発明において、内管２及び外管３からなる二重管構造の浸漬ランス１を使用する理由は、内管２と外管３との間隙から炭化水素系ガスを吹込むことで、浸漬ランス１の先端部が炭化水素系ガスの分解反応によって冷却され、浸漬ランス先端部の溶損が抑制されるからである。
【００２９】
種々の実験の結果、４孔の浸漬ランス１は２孔の浸漬ランス１Ａに比較して一般的に浸漬深さを深くすることができ、脱珪酸素効率も良好であった。尚、脱珪酸素効率とは下記の（１）式で定義される。
【００３０】
脱珪酸素効率(%)＝(処理前[質量%Si]−処理後[質量%Si])×10÷28×22.4÷酸素ガス原単位(Nm3/t-steel) …(1)
更に、中心角をθ１として隣り合う吐出孔間の中心位置、つまり中心角θ１の二等分線の方向が混銑車６の長手方向とほぼ同一となるように浸漬ランス１を浸漬させた場合には、中心角θ１は２０°以上が必要であることが分かった。中心角θ１が２０°未満であると、溶銑７の噴出状況が２孔ランスの場合と変わらず、ランスの浸漬深さを深くすることができなかった。
【００３１】
また、中心角をθ２として隣り合う吐出孔間の中心位置、つまり中心角θ２の二等分線の方向が混銑車６の長手方向とほぼ同一となるように浸漬ランス１を浸漬させた場合には、中心角θ２が９０°よりも大きくなるに伴って、酸素ガスが混銑車内壁の耐火物に直接当たるようになり、混銑車６の耐火物寿命が低下する傾向が見受けられ、この浸漬方法は好ましくないことが分かった。
【００３２】
これらの結果から、中心角がθ１となる側を混銑車６の長手方向に向かせる必要のあることが分かった。つまり、吐出孔５の方向を混銑車６の長手方向とは交差させる必要のあることが分かった。吐出孔５を混銑車６の長手方向に向けると、この吐出孔５の隣りの吐出孔５が混銑車内壁の方向を向くことになり、混銑車６の耐火物寿命が低下する。また、溶銑７の噴出を効果的に抑制する観点から、中心角をθ１として隣り合う吐出孔間の中心位置が混銑車６の長手方向とほぼ同一となるように浸漬ランス１を浸漬させることが好ましいことも分かった。
【００３３】
更に、中心角θ１が２０〜６５°の範囲において、脱珪酸素効率が最も高くなることが分かった。これは、吐出孔５からの酸素ガスの噴流が混銑車６の長手方向に沿うことで、溶銑７の攪拌が良くなるためと推察される。
【００３４】
本発明は、これらの試験結果に基づきなされたものであり、本発明に係る溶銑７の脱珪処理方法は、混銑車６に収容された溶銑７に浸漬ランス１を介して酸素含有ガスを吹き込んで溶銑７を脱珪処理するに際し、浸漬ランス１の中心軸を対称とし、且つ隣り合う吐出孔５のなす中心角を、「θ１＋θ２＝１８０°」及び「２０°≦θ１≦θ２」を満足するθ１及びθ２とする４つの吐出孔５をその下端部側面に有し、内管２及び外管３からなる二重管構造の浸漬ランス１を、中心角がθ１の側が混銑車６の長手方向を向き、吐出孔５は混銑車６の長手方向とは交差する方向を向くように溶銑７に垂直に浸漬させ、前記内管２から酸素含有ガスを吹き込むとともに、内管２と外管３との間隙から炭化水素系ガスを吹き込んで、溶銑７に脱珪処理を施すことを特徴としている。
【００３５】
浸漬ランス１の耐火物被覆層４を構成する耐火物材料は、溶損やスポーリングに対して或る程度の耐用性を有するものであれば、どのような組成であっても構わない。代表的な耐火物としては、ＳｉＯ2を１０〜４０質量％含有するＡｌ2Ｏ3−ＳｉＯ2系不定形耐火物、ＭｇＯを５〜３０質量％含有するＡｌ2Ｏ3−ＭｇＯ系不定形耐火物などを用いることができる。耐火物被覆層４の厚みは、ランス寿命を考慮すれば、２５ｍｍ以上程度が好ましい。また、内管２及び外管３は、ステンレス鋼鋼管や炭素鋼鋼管を用いることができる。
【００３６】
内管２から吹込む酸素含有ガスとしては、酸素ガス（工業用純酸素ガス）、空気、酸素富化空気、不活性ガスと酸素ガスとの混合ガスなどを使用することができる。酸素含有ガスの酸素濃度は、必要とされる酸素量から適宜決定すればよい。また、内管２からの酸素ガスの吹き込み流量を低下させる際に、窒素ガス、Ａｒガスといった不活性ガスを酸素ガスに混合させて、吹き込みガス流量を確保してもよい。
【００３７】
炭化水素ガスとしては、プロパン（Ｃ3Ｈ8）、メタン（ＣＨ4）、エタン（Ｃ2Ｈ6）、ブタン（Ｃ4Ｈ10）などが、比較的低温で熱分解し、分解吸熱も大きいため、製鋼プロセスでは利用しやすい。内管２からの酸素含有ガスの吹き込み流量の変更に伴って、内管２と外管３との間隙からの炭化水素系ガスの吹き込み流量を低下させる際にも、窒素ガス、Ａｒガスといった不活性ガスを炭化水素系ガスに混合させてもよい。
【００３８】
以上説明したように、本発明によれば、浸漬ランス１は４つの吐出孔５を有しているので、２孔の浸漬ランス１Ａに比較して吐出孔５からの噴流のエネルギーが溶銑浴内で分散され、それに伴って混銑車６の開口部６ａからの溶銑７の噴出が抑制でき、また、内管２と外管３との間隙から吹き込む炭化水素系ガスによって浸漬ランス１の先端部が冷却されるので、浸漬ランス１の耐用性を向上させることができる。
【実施例１】
【００３９】
約３００トン容量の混銑車に収容された溶銑に、前述した図３に示す４孔の浸漬ランスを垂直に浸漬させて溶銑の脱珪処理実験を実施した。中心角θ１の二等分線の方向が混銑車の長手方向を向くように浸漬ランスを浸漬させた。一部の試験では、比較例として、前述した図４に示す２孔の浸漬ランスを溶銑に垂直に浸漬させて脱珪処理を実施した。２孔ランスの場合には、吐出孔の方向が混銑車の長手方向を向くように浸漬ランスを浸漬させた。
【００４０】
内管からは、１５〜３０Ｎｍ3／分の酸素ガスを吹き込み、内管と外管との間隙からは、内管から吹込む酸素ガスの５〜１０体積％のプロパンガスを吹込んだ。ランスの浸漬深さは、混銑車開口部からの溶銑の噴出が多くない範囲で極力深くした。脱珪処理前及び脱珪処理後の溶銑中珪素濃度を分析し、この分析値から前述の（１）式を用いて各試験での脱珪酸素効率を求めた。試験条件及び試験結果を表２に示す。
【００４１】
【表２】
【００４２】
図５に、ランスの浸漬深さと脱珪酸素効率との関係を示す。２孔の浸漬ランスを使用した比較例１〜６では、混銑車開口部からの溶銑の噴出が激しく、ランスの浸漬深さを深くできず、その結果、図５に示すように、脱珪酸素効率は低位であった。また、中心角θ１が２０°未満である比較例７〜１２でも、比較例１〜６と同様に混銑車開口部からの溶銑の噴出が激しく、ランスの浸漬深さを深くできず、脱珪酸素効率は低位であった。
【００４３】
一方、本発明例においては、混銑車開口部からの溶銑の噴出が少ないことから、浸漬深さを大きく採ることができ、脱珪酸素効率は高位で安定した。なかでも、中心角θ１が２０〜６５°である本発明例１〜１１においては、脱珪酸素効率が安定して高くなることが分かった。
【００４４】
このように、本発明を適用することにより、混銑車内の溶銑に垂直に浸漬ランスを浸漬させ、該浸漬ランスから酸素含有ガスを吹き込む脱珪処理において、混銑車開口部からの溶銑の噴出を抑制することができ、これに伴ってランスの浸漬深さを深くすることが可能となり、脱珪反応効率を高めることが可能となる。その結果、脱珪反応による発熱を有効利用でき、製造コストの低減などの効果を得ることが実現される。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】水モデル試験における水の飛散流出速度の測定結果を示す図である。
【図２】本発明を適用した混銑車を示す概略図である。
【図３】本発明で使用した浸漬ランスの概略断面図である。
【図４】比較のために使用した概略断面図である。
【図５】ランスの浸漬深さと脱珪酸素効率との関係を比較して示す図である。
【符号の説明】
【００４６】
１ 浸漬ランス
２ 内管
３ 外管
４ 耐火物被覆層
５ 吐出孔
６ 混銑車
７ 溶銑
【特許請求の範囲】
【請求項１】
混銑車に収容された溶銑に浸漬ランスを介して酸素含有ガスを吹き込んで溶銑を脱珪処理するに際し、浸漬ランスの中心軸を対称とし、且つ隣り合う吐出孔のなす中心角を、「θ１＋θ２＝１８０°」及び「２０°≦θ１≦θ２」を満足するθ１及びθ２とする４つの吐出孔をその下端部側面に有し、内管及び外管からなる二重管構造の浸漬ランスを、中心角がθ１の側が混銑車の長手方向を向き、吐出孔は混銑車の長手方向とは交差する方向を向くように溶銑に垂直に浸漬させ、前記内管から酸素含有ガスを吹き込むとともに、内管と外管との間隙から炭化水素系ガスを吹き込んで、溶銑に脱珪処理を施すことを特徴とする、溶銑の脱珪処理方法。
【請求項２】
前記θ１は２０〜６５°の範囲内であることを特徴とする、請求項１に記載の溶銑の脱珪処理方法。
【請求項３】
前記中心角をθ１として隣り合う吐出孔間の中心位置が混銑車の長手方向を向くように、浸漬ランスを浸漬させることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の溶銑の脱珪処理方法。
【請求項１】
混銑車に収容された溶銑に浸漬ランスを介して酸素含有ガスを吹き込んで溶銑を脱珪処理するに際し、浸漬ランスの中心軸を対称とし、且つ隣り合う吐出孔のなす中心角を、「θ１＋θ２＝１８０°」及び「２０°≦θ１≦θ２」を満足するθ１及びθ２とする４つの吐出孔をその下端部側面に有し、内管及び外管からなる二重管構造の浸漬ランスを、中心角がθ１の側が混銑車の長手方向を向き、吐出孔は混銑車の長手方向とは交差する方向を向くように溶銑に垂直に浸漬させ、前記内管から酸素含有ガスを吹き込むとともに、内管と外管との間隙から炭化水素系ガスを吹き込んで、溶銑に脱珪処理を施すことを特徴とする、溶銑の脱珪処理方法。
【請求項２】
前記θ１は２０〜６５°の範囲内であることを特徴とする、請求項１に記載の溶銑の脱珪処理方法。
【請求項３】
前記中心角をθ１として隣り合う吐出孔間の中心位置が混銑車の長手方向を向くように、浸漬ランスを浸漬させることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の溶銑の脱珪処理方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１０−９５７４０（Ｐ２０１０−９５７４０Ａ）
【公開日】平成２２年４月３０日（２０１０．４．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２６５８１６（Ｐ２００８−２６５８１６）
【出願日】平成２０年１０月１５日（２００８．１０．１５）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年４月３０日（２０１０．４．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１０月１５日（２００８．１０．１５）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【Ｆターム（参考）】
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