JP6540301B2 - 溶鉄排出作業方法 - Google Patents

Description

本発明は、転炉や電気炉で製造された溶銑や溶鋼などの溶鉄を取鍋などの容器に排出する工程で利用されるタップホールを用いることによって、後工程で品質などに悪影響を及ぼすスラグの流出量増加を抑制しつつ、溶鉄排出時間の短縮を実現して生産性向上などを実現するための溶鉄排出作業方法に関する。

従来、溶鋼などに代表される溶融金属を、転炉や電気炉などの精錬炉から歩留り良く容器に排出するために、転炉や電気炉の内壁に出鋼孔（以降タップホールと記述）が設けられている。このタップホールから溶融金属を排出することにより、精錬時に炉内の溶融金属上に存在するスラグの同時流出を防止しつつ効率よく出鋼することが可能であり、一般に広く使用されている。

近年では、３００ｔ規模の転炉において脱炭処理時の吹錬時間は１０〜１５分で実施できるレベルに達している。ところが、タップホールから溶鋼を出鋼する時間には５〜１０分程度の時間を要している。したがって、転炉における生産性向上の観点から、出鋼時間を短縮するニーズは非常に高い。

そこで、出鋼時間を短縮するためには、タップホールを大径化して、単位時間あたりの溶鋼の出鋼量を多くすることが考えられる。ところが、出鋼末期にはタップホールの近傍で渦が形成されやすく、この渦の形成に伴ってスラグが同時に排出されてしまうことから、スラグの同時排出量はタップホールの大径化に伴って増加してしまう。スラグ排出量が増加すると、次工程以降、取鍋に流出したスラグに起因して再酸化が生じたり、スラグの巻き込みに起因して清浄性悪化や復燐による成分外れなどが生じたりして悪影響を伴うという重大課題がある。

これらの課題に対して、渦によるスラグ流出量を低減させるために、スラグと溶鋼との中間比重のスラグボールを出鋼時に投入する技術が提案されている。例えば、特許文献１には、スラグボールとして効率の良い特殊形状のものが提案されている。また、渦を防止する効率を向上させるために、例えば、特許文献２に記載の方法のように、タップホールの内側に渦防止棒を備えたダーツを挿入する方法なども提案されている。

また、渦の発生によりスラグの同時流出を抑制するために、特許文献３に記載されているような、タップホール内にガスを吹き込む制御方法や、特許文献４に記載されているような、タップホールの外周に設けた電磁コイルのインピーダンスの変化からスラグの流出を検知して、機械的に栓を駆動させる装置なども提案されてきた。

しかし、スラグボールやダーツによりスラグカットを実施するためには、転炉の操業中の高温状態で、出鋼中に炉裏から炉口中にスラグ流出防止具を挿入する必要があり、さらに、これらスラグ流出防止具自体が高価な消耗品であることから、作業性及びコスト面での問題がある。また、特許文献３や４に記載されているように特殊な羽口構造を設けると、連続操業時のメンテナンスの面で作業負荷が大きい。

また、通常、高生産性を維持することを前提とした連続操業では、タップホールが溶損したりタップホールに地金が付着したりすることから、特許文献５に記載されているようなスリーブをチャージ間に交換することにより、短時間に作業負荷の小さいメンテナンスで安定操業が実施される。ところが、特殊な羽口構造を設けると、作業負荷が大きくなり、生産性が悪化する要因となる。更に、非特許文献１には、内面にテーパーのある特殊なスリーブを適用した例が報告されているが、非特許文献１に記載されているように、テーパー部の損耗により操業性の悪化を招くものである。また、内壁にテーパーを設けたスリーブそのものを製造する際の制約があり、コストが高くなる。

特開平１１−２０９８１６号公報 特開２００６−１２４７３７号公報 特開平１１−２７９６２０号公報 特開平１１−６１２２５号公報 特開平６−１８４６１７号公報

Michael M.Berger, Christian Rham: Iron Steel Technical Conf. Proc.(2007),p1111.

上述のように、後工程における品質の劣化を抑制しつつ高速に溶鉄を排出するためには、コストが高くなったり、メンテナンスのための作業的負荷が増大したりしてしまうという課題がある。

本発明は、この問題点を克服し、低コストでかつ作業負荷を抑えて、スラグの流出を抑制するとともに高速に溶鉄を排出するための溶鉄排出作業方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明の要旨は以下のとおりである。
（１）精錬チャージ間、または、精錬終了後から溶鉄排出の開始前までに、精錬容器の耐火物内壁から前記精錬容器の外部へ前記溶鉄を排出するためのタップホールにおいて、
前記耐火物内壁側の端から４００ｍｍ以上離れた位置に当該タップホールに内接するように絞り部を設け、
前記絞り部の位置を示す、Ｌ ₂ ／（Ｌ ₁ ＋Ｌ ₂ ）×１００（％）を３７．５％以下とし、
前記絞り部における通路の最小断面積Ａが、前記耐火物内壁側の端から前記絞り部までの間における通路の最小断面積の８０％以下で、
かつ、以下の（２）式を満足するよう前記溶鉄を排出することを特徴とする溶鉄排出作業方法。
Ａ≧５０×Ｗ・・・・・・・・・・・・・・・（２）
ここで、Ａは前記絞り部における通路の最小断面積（ｍｍ²）を示し、Ｗは１ヒートで排出する溶鉄量（ｔ）、Ｌ ₁ は前記耐火物内壁側の端から前記絞り部の上端までの長さ（ｍ）、Ｌ ₂ は前記絞り部の上端から溶鉄排出通路の先端までの長さ（ｍ）を示す。
（２）前記絞り部を、前記溶鉄排出通路の先端から３０ｍｍ以上離れた位置に設けることを特徴とする上記（１）に記載の溶鉄排出作業方法。

本発明によれば、転炉や電気炉で製造された溶銑や溶鋼などの溶鉄を取鍋などの容器に排出する工程で利用されるタップホール、および、それを用いることによって、後工程で品質的悪影響を及ぼすスラグの流出量増加などを抑制しつつ、溶鉄排出時間の短縮を実現して生産性向上などを実現でき、その工業的な利用価値は極めて高いものである。

転炉から取鍋に出鋼する様子を説明するための図である。 溶鉄の流速分布を説明するための図である。

以下、本発明の実施形態について、図１を参照しながら説明する。なお、本発明は、図１に示す実施形態に限られるものではなく、上記課題を解決のための手段において他の形態においても適宜実施でき、例えば転炉型精錬設備を用いた溶銑予備処理を行う場合やスクラップ溶解炉から出銑する場合、電気炉を用いた溶鉄製造時に炉内から溶鉄を排出する場合など適宜利用できるものである。

図１（ａ）には、転炉１内から取鍋２に溶鋼３を出鋼している末期を示している。一般に、出鋼末期において、溶鋼上に存在するスラグが渦に伴ってタップホールから流出するが、本実施形態ではその流出を抑制しつつ高速に出鋼を実現することを目的としている。

図１（ｂ）には、タップホール４周辺の詳細な構造例を示す。図１（ｂ）に示すように、鉄皮６の内側にはパーマ煉瓦７と更にその内側にはウエア煉瓦８とが施工されている。タップホール４の部分には羽口煉瓦９が設置され、その内側には羽口スリーブ１０が挿入されている。タップホール４のメンテナンスのために、チャージ間等において酸素洗浄により付着した地金を除去したり、また、クラックが発生したりした時には、羽口スリーブ１０を差し替えることも可能である。

また、図１（ｂ）に示す例では、羽口スリーブ１０と一体構造で出口側に絞り部１１を設けている。なお、この絞り部１１は、必ずしも羽口スリーブ１０と一体構造である必要は無く、円筒の羽口スリーブ１０の先端に、絞り部１１としてリング状の耐火物を固定交換できる構造や、不定形耐火物を溶射などによって肉盛り施工して絞り部１１を形成するような方法によっても、本発明としての効果には同等に作用し、発明の実施には適宜選択できる。

図１（ｂ）において、Ｈ_sはスラグ５の厚み（ｍ）を示し、Ｈ_mは耐火物内壁面までの溶鋼深さ（ｍ）を示す。また、Ｌ₁は羽口スリーブ１０における、耐火物内壁面から絞り部１１までの長さ（ｍ）を示し、Ｌ₂は絞り部１１上端からタップホール４の先端までの長さ（ｍ）を示す。また、図１（ｂ）に示す例では、絞り部１１の内径は一定であり、この場合、出鋼される溶鋼の流速ｕ（ｍ／ｓ）は、ベルヌイの式により、（３）式で表わされる。
ｕ＝（（ρ_s×Ｈ_s＋ρ_m×（Ｈ_m＋Ｌ₁））×ｇ）^1/2・・・・・・・（３）
ここで、ρ_sはスラグの比重（ｋｇ／ｍ³）を表し、ρ_mは溶鋼の比重（ｋｇ／ｍ³）を表し、ｇは重力加速度（９．８ｍ／ｓ²）を表す。

前述したように、メンテナンスやコストの関係上、羽口スリーブには特許文献５に示されるような溶鋼通過方向に対して断面積が一定のストレート形状のものが一般的には採用されている。ところがこの場合の溶鋼の流速ｕは、ノズルの断面積が最小で静圧が最も高い値となるスリーブ入口（耐火物内壁面）により支配される。このことから、（３）式を用いて算出される溶鋼の流速ｕは、Ｌ₁＝０として算出された値となる。このような汎用のタップホールで高速に出鋼を実施するためには、スリーブ径を拡大し、同一流速でも多量の溶鋼を排出できるような設計が必要になる。ところが、この場合には、渦によりスラグの巻き込みが開始される条件は、出鋼速度と溶鋼ヘッド（Ｈ_m）とによって支配されるため、多量の残湯を残したまま出鋼を停止して大幅な歩留りロスを伴う操業を実施しなければならず、スラグの排出を抑制して高速に出鋼できないことが最大の課題であった。

そこで本発明では、その特徴である溶鉄排出通路（図１（ｂ）では羽口スリーブ１０に相当）の先端付近に絞り部を設けることによって、炉内の溶鋼量が同一条件で比較した場合には静圧最大位置を低くできるため、ヘッド圧力を高めて出鋼流の流速を大きくして出鋼時間を効率よく短縮することができる。すなわち、スラグの流出が開始される高さ（深さ）に及ぼす溶鋼ヘッドは（Ｈ_m＋Ｌ₁）で規定され、また、渦によるスラグの巻き込みが開始される時は、例えば羽口スリーブ上端がスラグで満たされた状態に達するまで炉内の残湯を低減することができる。これにより、汎用のタップホールを用いた操業の場合に問題となる、高速に出鋼を行うとスラグの流出量が増加することを抑制することができる。

以上の効果を享受するために、溶鉄排出通路中の絞り部は、流出駆動力となる静圧を高めるために設けられており、図１（ｂ）に示すように出口先端まで絞り部を延長して設けなくてもよい。施工や操業性に支障がない範囲で適宜通路内に絞り部を設けることでも本発明の効果発現に支障をきたすものではない。また、溶鉄の排出中や連続チャージ操業中に絞り部の断面積が溶損などの影響で拡大して本発明の効果が得られなくなることを防止するために、後述する範囲内に複数の絞り部を設置してもよい。これにより、メンテナンス作業の負荷を軽減することができる。

本発明者による水力学的検討と実機の操業調査とによると、転炉操業回数に従う羽口煉瓦の溶損影響を考慮しても、溶鋼排出通路の長さ（Ｌ₁＋Ｌ₂）はおおむね６００ｍｍ以上であり、また、１００〜２００ｍｍφの羽口スリーブによる排出に対しては、耐火物内壁側の端（耐火物内壁面）から絞り部までに４００ｍｍ以上のストロークを設ける。前述したように、静圧最大位置を低くすることによって流速を大きくしたり炉内の残湯を低減したりすることができるため、本発明では耐火物内壁面から絞り部までを４００ｍｍ以上と規定した。

以上のように本発明にて設けられる溶鉄排出通路内の絞り部は、定性的には溶鉄排出通路の先端に近いほどその効果は大きくなるが、先端部位のみにストロークの短い絞り部を設置する場合には、溶鉄の排出などによりタップホール内や周辺に地金が付着し、付着した地金の除去作業時に破損する可能性がある。したがって、溶鉄排出通路の先端から３０ｍｍ以上離れた位置に絞り部を設けることが好ましい。

また、粘性流体である溶鉄がタップホールを数ｍ／秒のオーダーの高速で通過するような高い乱流条件で粘性流体が通過することから、溶鉄の流れは、耐火物内壁面から絞り部までに圧力損失の影響を受けることを免れることはできない。絞り部の設置にあたっては、溶鉄排出通路における最小断面積を規定できれば、通路の断面積において上限に数値を設ける必要はない。粘性流体を溶鉄とした場合に円筒管内を乱流条件で通過する流速分布は、以下の（４）式に示した１／７乗則に従うことが知られている。
Ｕ＝Ｕ_max（ｙ／ｒ）^1/7・・・・・・・・・・・・・・・（４）

ここで、ｒは円筒管の半径（ｍ）を示し、ｙは円筒管内壁から管内中心方向に向かう距離（ｍ）を示す。また、Ｕ_maxは円筒管内の中心の流速（ｍ／ｓ）を示し、Ｕはｙの位置における流速（ｍ／ｓ）を示す。

図２は、（４）式に基づいた流速分布を説明するための図である。図２に示すように、絞り部を設ける場合に、絞り部の内径が絞り部以前の内径（羽口スリーブの内径）に近い場合には、粘性の影響を受ける溶鉄排出通路の内壁近傍の領域でしか、圧力向上効果が得られなくなる。すなわち、流速の低い部分でしか絞り部を設ける効果が現れず、ヘッド圧力を高める効果が小さくなってしまう。従って本発明では、絞り部が有効に作用する条件として、図２に示すように、管内流速が管内の最大流速（管中心流速）の７０％を超える条件となるｙ／ｒ＞０．１（絞り部における通路の断面積が絞り部前の通路の断面積の８割以下）を、内壁面から絞り部までの最小断面積の絞り率として数値限定している。すなわち、絞り部における通路の最小断面積を、内壁面から絞り部までの間における通路の最小断面積の８０％以下とする。

更に、上記絞り部の条件を満足していれば、タップホールの断面積自体のサイズは特に規定するものではないが、実質上、１０〜２０分程度の転炉吹錬時間に対して、出鋼時間が１０分を超える条件では、本発明による転炉のトータルサイクルタイムの短縮効果が薄れてしまう。したがって、通常の精錬炉の炉容積と溶鉄の装入量との実績より、絞り部における通路の最小断面積が以下の（５）式の条件を逸脱する範囲は、本発明からは除外する。
Ａ≧５０×Ｗ・・・・・・・・・・・・・・・（５）
ここで、Ａは絞り部における通路の最小断面積（ｍｍ²）を示し、Ｗは１ヒートで排出する溶鉄量（ｔ）を示す。

また、種々の鋼種をチャージ毎に製造する溶鉄の精錬工程においては、上記の特徴とするタップホールの効果を利用して効率の良い操業方法を提供することが可能である。本発明の操業方法の一例として、例えば、通常時は従来の汎用的なストレートタイプのタップホールを用いて転炉製鋼工程の操業を行い、特に高清浄度が求められる鋼種を出鋼する場合に、精錬チャージ間に脱着可能な内装リングを溶鉄排出通路の前述した位置に絞り部として設け、この状態で高清浄度が求められる鋼種を出鋼することによって、二次精錬工程以降の清浄化対策の負荷を効率良く軽減するような操業形態とすることもできる。また、吹錬末期の滓化不良が認められ場合や、吹止温度が想定温度よりも高いときなどは、脱燐が不十分となる頻度が高くなる。そこで、そのようなチャージでは、精錬終了後から溶鋼排出の開始前までの間に上記のような脱着可能な内装リングを設置した後に出鋼を実施することにより、スラグ流出量を低減させて二次精錬から連続鋳造中にかけての脱酸後の取鍋内での復燐量を低減させ、製品上のＰ濃度の上限外れを防止する操業形態を採用することができる。

次に、本発明を実施例に基づいて更に説明するが、実施例での条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。

本発明の効果を検証するために、ヒートサイズ３５０ｔ／ｃｈの上底吹転炉を用いて吹錬と溶鋼鍋への出鋼とを行う試験を実施した。吹錬前の溶銑は以下の表１に示した組成及び温度のものを用いてスクラップ配合比１５％にて吹錬を実施した。このとき、タップホールには転炉内壁から出口までのストロークが８００ｍｍ、内径１８０ｍｍの円筒スリーブを設置したものを用い、そこに絞り部を設けるために、内径１５０ｍｍで長さ２００ｍｍ、外径１７０ｍｍの耐火物リングを挿入してその周囲と円筒スリーブの内面とを不定形補修材で固定した。この結果、絞り部の最小断面積の絞り率は６９％（絞り部における通路の最小断面積が、内壁面から絞り部までの間における通路の最小断面積の６９％）であった。

吹錬終了後にサブランスにて測温し、さらにサンプリングを実施したところ、溶鋼の組成は、［Ｃ］：０．０４−０．０８質量％，［Ｓｉ］＜０．０５質量％，［Ｐ］：０．０１３−０．０１７質量％，［Ｍｎ］＜０．０３質量％，［Ｓ］：０．０１−０．０１５質量％であり、温度は１６３０〜１６６０℃の範囲であった。その後、炉体の傾動を開始し、タップホールから溶鋼の流出が開始した時間から傾動復帰によってタップホールからの流出物が無くなるまでの時間を測定して、出鋼時間の実測を行った。また、出鋼完了後に、スラグ厚み測定用の金属棒を浸漬させ、チャージ毎に鍋上のスラグ厚みを測定してスラグ流出量の指標とした。以下の表２には、試験実施の結果を示す。

実施例１は、絞り部として耐火物リングをスリーブ下端に合わせて施工したタップホールによる実験結果である。表２中に記載の絞り部位置は、図１（ｂ）に示すＬ₂／（Ｌ₁＋Ｌ₂）×１００（％）に相当し、耐火物内壁面から絞り部までの長さＬ ₁ は６００ｍｍである。このときの出鋼時間は４分強であり、耐火物リングを用いなかった比較例１と同等の時間で出鋼することができた。また、耐火物リングを用いずに耐火物リングの内径と同サイズの小径の円筒スリーブを用いた比較例２と同等の少量のスラグ厚みにて出鋼を完了することができた。

また、実施例２は、耐火物リングの施工位置を実施例１とは異なる位置に変更した例であり、Ｌ₂／（Ｌ₁＋Ｌ₂）×１００＝３７．５％で耐火物内壁面から絞り部までの長さＬ ₁ は５００ｍｍである。実施例２の場合も、ほぼ実施例１と同等の良好な結果が得られた。

一方、比較例として、従来技術であるタップホール（ストレートスリーブ）による試験結果を示すが、耐火物リングを装着していない比較例１では、実施例１及び２と比べて大量にスラグが流出し、品質維持のために後工程で行う精錬処理の負荷が大きくなる操業であった。また、耐火物リングと内径が等しい円筒スリーブを用いた比較例２では、前述したベルヌイの式でＬ₁＝０とみなされ、溶鋼の流速ｕが実施例１及び２よりも小さくなったため出鋼時間が実施例１及び２よりも２分以上長く、高生産性の維持が困難な操業であった。

本発明によれば、転炉や電気炉で製造された溶銑や溶鋼などの溶鉄を取鍋などの容器に排出する工程で利用されるタップホール、および、それを用いることによって、後工程で品質的悪影響を及ぼすスラグの流出量増加などを抑制しつつ、溶鉄排出時間の短縮を実現して生産性向上などを実現でき、その工業的な利用価値は極めて高いものである。

１ 転炉
２ 取鍋
３ 溶鋼
４ タップホール
５ スラグ
６ 鉄皮
７ パーマ煉瓦
８ ウエア煉瓦
９ 羽口煉瓦
１０ 羽口スリーブ
１１ 絞り部

Claims (2)

1. 精錬チャージ間、または、精錬終了後から溶鉄排出の開始前までに、精錬容器の耐火物内壁から前記精錬容器の外部へ前記溶鉄を排出するためのタップホールにおいて、
   前記耐火物内壁側の端から４００ｍｍ以上離れた位置に当該タップホールに内接するように絞り部を設け、
   前記絞り部の位置を示す、Ｌ ₂ ／（Ｌ ₁ ＋Ｌ ₂ ）×１００（％）を３７．５％以下とし、
   前記絞り部における通路の最小断面積Ａが、前記耐火物内壁側の端から前記絞り部までの間における通路の最小断面積の８０％以下で、
   かつ、以下の（２）式を満足するよう前記溶鉄を排出することを特徴とする溶鉄排出作業方法。
   Ａ≧５０×Ｗ・・・・・・・・・・・・・・・（２）
   ここで、Ａは前記絞り部における通路の最小断面積（ｍｍ²）を示し、Ｗは１ヒートで排出する溶鉄量（ｔ）、Ｌ ₁ は前記耐火物内壁側の端から前記絞り部の上端までの長さ（ｍ）、Ｌ ₂ は前記絞り部の上端から溶鉄排出通路の先端までの長さ（ｍ）を示す。
2. 前記絞り部を、前記溶鉄排出通路の先端から３０ｍｍ以上離れた位置に設けることを特徴とする請求項１に記載の溶鉄排出作業方法。