JP6992513B2 - ガス吹込み用ランスの溶損抑制方法 - Google Patents

Description

本発明は、取鍋中の溶融金属にガスを吹き込むためのガス吹込み用ランスの溶損抑制方法に関する。

従来、ガス吹込み用ランス（以下、単に「ランス」という）は、溶融金属やスラグのような浸食性物質を高温で処理するため、主として耐火物で構成されている。そして、この耐火物は、使用中の浸食や熱によって溶損するので、その寿命が短いという問題がある。耐火物の寿命は、ランス自体の寿命になり、耐火物を長持ちさせれば、それだけランスの製造コストが低減される。

ランスの寿命が短い原因としては、（１）取鍋精練（ＬＦ）では、サブマージドアーク加熱が行われ、スラグの温度が高温となる点、（２）スラグ組成は、脱硫目的で滓化性の良い、つまり融点が低い組成となっており、ランスの侵食が大きい点、（３）ＬＦでは、ガス撹拌を実施しており、ランスのスラグへの溶解成分の物質移動を促進する点、などが挙示される。

これは、ランスにおけるスラグによる影響が著しく溶損を促進していると考えられるためである。特許文献１には、取鍋の内張り耐火物の溶損を従来よりも低減可能な取鍋内張り耐火物の溶損防止方法が開示されている。

特開２０００－１７３２０号公報（２０００年１月１８日公開）

しかしながら、上記従来技術は、取鍋の内張り耐火物の溶損の抑制を課題としているが、ランスの溶損を抑制する観点については何も考慮されていないという問題点がある。

本発明の一態様は、以上の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、従来よりもランスの溶損を低減することができる溶損抑制方法を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係るガス吹込み用ランスの溶損抑制方法は、取鍋中の溶融金属にガスを吹き込むためのガス吹込み用ランスの溶損抑制方法であって、上記溶融金属に、Ａｌ_２Ｏ_３源およびＭｇＯ源を少なくとも投入し、上記溶融金属の表面に生じるスラグにおけるＡｌ_２Ｏ_３の濃度を２４重量％以上、３０重量％以下とし、上記スラグにおけるＭｇＯの濃度を１０重量％以上、１５重量％以下に調整する方法である。なお、溶融金属としては、溶銑および溶鋼などを例示することができる。

例えば、ガス吹込み用ランス（以下、単に「ランス」という）の主成分がＡｌ_２Ｏ_３である場合、スラグ中のＡｌ_２Ｏ_３を増加させることで、ランスとスラグの濃度差が小さくなり、ランスがスラグに溶け出しにくくなる。

また、ＭｇＯおよびＡｌ_２Ｏ_３はスラグ融点の高いＭｇＯ・Ａｌ_２Ｏ_３スピネルを形成することが知られている。ランスとスラグとの界面において、ランスに含まれるＡｌ_２Ｏ_３が溶け出し、溶け出したＡｌ_２Ｏ_３がスラグ中のＭｇＯと反応することによりＭｇＯ・Ａｌ_２Ｏ_３スピネルが形成される。上記界面に生成されたＭｇＯ・Ａｌ_２Ｏ_３スピネルにより、ランスから溶け出したＡｌ_２Ｏ_３の拡散が抑制される。そのため、上記界面におけるＡｌ_２Ｏ_３の濃度が高まる、その結果、ランスのＡｌ_２Ｏ_３濃度とスラグのＡｌ_２Ｏ_３濃度との差が小さくなることにより、ランスの溶損速度を低下させることができる。

なお、ＭｇＯの濃度を上げすぎると、スラグの融点が高くなりすぎて滓化せず脱硫反応が進行しにくくなるので、ＭｇＯの濃度は、１５重量％以下とすることが好ましい。一方、Ａｌ_２Ｏ_３の濃度を上げすぎると、脱硫反応の主体となるＣａＯの濃度が低下し、脱硫反応が進行しにくくなるため、Ａｌ_２Ｏ_３の濃度は、３０重量％以下とすることが好ましい。

以上により、上記方法によれば、スラグにおけるＡｌ_２Ｏ_３の濃度を２４重量％以上、３０重量％以下とし、上記スラグにおけるＭｇＯの濃度を１０重量％以上、１５重量％以下に調整することで、従来よりもランスの溶損を低減することができる。

なお、１ｃｈの処理時間を４０分とした場合、従来のランス寿命は約４ｃｈであったが、上記方法によるスラグ組成の変更によりランス寿命は約７～８ｃｈとなりランス寿命を倍近く延ばすことができる。

また、本発明の一態様に係るガス吹込み用ランスの溶損抑制方法では、上記溶融金属に、ＣａＯ源を投入し、上記スラグにおけるＣａＯの濃度を５０重量％以上、５５重量％以下に調整することが好ましい。上記方法によれば、滓化を促進するＡｌ_２Ｏ_３の濃度が高いため、ホタル石（ＣａＦ_２）を用いることなく滓化が促進する。さらにＣａＯの濃度も高いため、良好な脱硫率を確保することができる。

また、本発明の一態様に係るガス吹込み用ランスの溶損抑制方法では、上記Ａｌ_２Ｏ_３源および上記ＭｇＯ源のぞれぞれの平均粒子径が、５ｍｍ以上、４０ｍｍ以下であることが好ましい。ここで、Ａｌ_２Ｏ_３源およびＭｇＯ源の各造滓剤の平均粒子径が５ｍｍ未満であると、粒子径が細かすぎ、投入シュートを用いて造滓剤を投入する際に、該造滓剤が投入シュートの途中で止まり造滓剤を円滑に溶融金属に投入することができなくなる。このため、別途上記造滓剤を投入するための設備が必要となる。また、粒子径が細かすぎると飛散ロスが多くなる問題もある。しかしながら、上記方法のように、Ａｌ_２Ｏ_３源およびＭｇＯ源のぞれぞれの平均粒子径を５ｍｍ以上、４０ｍｍ以下とすることで、従来の投入シュートなどの設備をそのまま利用できるので、コストを削減することができる。

また、本発明の一態様に係るガス吹込み用ランスの溶損抑制方法では、（ＣａＯの重量％）／（ＳｉＯ_２の重量％）／（Ａｌ_２Ｏ_３の重量％）の値が０．１８以上、０．４０以下であることが好ましい。上記方法によれば、上記の値が０．１８以上、０．４０以下でない場合と比較して脱硫率を高めることができる。

本発明の一態様によれば、従来よりもランスの溶損を低減することができるという効果を奏する。

本発明の実施の形態に係る取鍋精練炉の概要構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態に係る溶損抑制方法を説明するための図である。

〔取鍋精練炉について〕
図１は、本発明の実施の形態に係る取鍋精練炉１０の概要構成を示す模式図である。同図に示すように、取鍋精練炉１０は、主として取鍋１、ガス吹込み用ランス２、黒鉛電極３、取鍋台車４、および取鍋カバー５を備える。

取鍋１中には、溶融金属６およびスラグ７が収容されている。溶融金属の量は約９０ｔ、スラグ量は１．５ｔ～２．０ｔである。転炉から取鍋１に出鋼が行われた時点で存在するスラグは一旦除去され、取鍋精練では新しいスラグ７を形成する。スラグ７は軽金属の酸化物で構成される（Ａｌ、Ｓｉ、Ｃａなどの酸化物が複合体として溶融して存在する）。なお、溶融金属６としては、溶銑および溶鋼などを例示することができる。

取鍋１中の溶融金属６に耐火物で構成されたガス吹込み用ランス２を浸漬させ、ガス吹込み用ランス２の先端から攪拌用ガスとしてＡｒガスを吹き込むことで溶融金属６が攪拌される。なお、ガス吹込み用ランス２のスラグライン部分の外径は、３００ｍｍまたは３３０ｍｍ、ガス吹込み用ランス２の延伸方向（縦方向）の長さは約４２００ｍｍである。また、スラグ７および溶融金属６の撹拌を行うために、ガス吹込み用ランス２にてＡｒガスを２５０～３５０リットル／分、流している。

また、黒鉛電極３に通電（３相交流）することでアークが発生し、溶融金属６が加熱される。すなわち、本実施形態では、溶融金属６の昇熱のために黒鉛電極３にてサブマージドアーク加熱を行っている。取鍋台車４上には取鍋１が搭載され、取鍋１を搬送することが可能になっている。また、取鍋１の開口部は、取鍋カバー５で覆われている。

ここで、取鍋精練（ＬＦ）の目的は、（１）還元性スラグによる脱硫（スラグ７は脱硫反応に適したスラグ組成で、ガス撹拌によるスラグ７と溶融金属６の混合が必要である）、（２）溶融金属６を脱酸して脱硫反応を促進（脱酸剤として、Ａｌショット、ＦｅＳｉ等を投入）、（３）溶融金属６を、スラグ７を介して昇温（スラグ７は低融点で流動性が良い必要がある）、（４）合金の添加（ガス撹拌＋溶融金属面の露出のため、ある一定以上のガス流量が必要）、（５）撹拌ガスによる脱酸生成物の浮上分離（Ａｒガスに酸化物を吸着させて浮上）、などであり、スラグ７は脱硫反応に適した組成（脱硫能が高い高Ｃ／Ｓや、流動性が良いＣ／Ｓ／Ａ＝０．２～０．４等）が必要である。ここで、Ｃ／Ｓ＝（ＣａＯの重量％）／（ＳｉＯ_２の重量％）であり、Ｃ／Ｓ／Ａ＝（ＣａＯの重量％）／（ＳｉＯ_２の重量％）／（Ａｌ_２Ｏ_３の重量％）である。

〔ガス吹込み用ランスの溶損抑制方法について〕
本実施形態のガス吹込み用ランス２の溶損抑制方法では、溶融金属６に、Ａｌ_２Ｏ_３源およびＭｇＯ源を少なくとも投入し、ＭｇＯ‐Ｃ、カルシウムアルミネートの投入量を増やし、溶融金属６の表面に生じるスラグ７におけるＡｌ_２Ｏ_３の濃度を２４重量％以上、３０重量％以下とし、スラグ７におけるＭｇＯの濃度を１０重量％以上、１５重量％以下に調整する。

Ａｌ_２Ｏ_３の調整にはカルシウムアルミネートを用い、ＭｇＯの調整にはＭｇＯ‐Ｃレンガ屑を用い、ＣａＯの調整には生石灰を用いた。ＳｉＯ_２がスラグ組成に含まれる場合、ＳｉＯ_２は、前工程の転炉からの持ち越し分と、溶融金属６の脱酸剤として用いるＦｅＳｉの酸化によって生成されるものを含む。各成分の濃度の調整に使用する原料は、上述した原料に限定されず、スラグ７の各成分の濃度を調整できれば制限はない。

例えば、ガス吹込み用ランス２（以下、単に「ランス」という）の主成分がＡｌ_２Ｏ_３である場合、スラグ７中のＡｌ_２Ｏ_３を増加させることで、ランスとスラグ７との濃度差が小さくなり、ランスがスラグ７に溶け出しにくくなる。

また、ＭｇＯおよびＡｌ_２Ｏ_３はスラグ融点の高いＭｇＯ・Ａｌ_２Ｏ_３スピネルを形成することが知られている。ランスとスラグ７との界面において、ランスに含まれるＡｌ_２Ｏ_３が溶け出し、溶け出したＡｌ_２Ｏ_３がスラグ７中のＭｇＯと反応することによりＭｇＯ・Ａｌ_２Ｏ_３スピネルが形成される。上記界面に生成されたＭｇＯ・Ａｌ_２Ｏ_３スピネルにより、ランスから溶け出したＡｌ_２Ｏ_３の拡散が抑制される。そのため、上記界面におけるＡｌ_２Ｏ_３の濃度が高まる、その結果、ランスのＡｌ_２Ｏ_３濃度とスラグ７のＡｌ_２Ｏ_３濃度との差が小さくなることにより、ランスの溶損速度を低下させることができる。

なお、ＭｇＯの濃度を高くしすぎると、スラグ７の融点が高くなりすぎて滓化せず脱硫反応が進行しにくくなるため、ＭｇＯの濃度は、１５重量％以下、より好ましくは１２重量％以下とする。一方、Ａｌ_２Ｏ_３の濃度を高くしすぎると、Ｃ／Ｓ／Ａが下がりすぎて（ＣａＯの活量が低下する）脱硫反応が進行しにくくなるため、Ｃ／Ｓ／Ａ≧０．１８程度となるよう、Ａｌ_２Ｏ_３の濃度は、３０重量％以下とすることが好ましい。

以上により、上記方法によれば、スラグ７におけるＡｌ_２Ｏ_３の濃度を２４重量％以上、３０重量％以下とし、スラグ７におけるＭｇＯの濃度を１０重量％以上、１５重量％以下に調整することで、従来よりもランスの溶損を低減することができる。

なお、１ｃｈの処理時間を４０分とした場合、従来のランス寿命は約４ｃｈであったが、上記方法によるスラグ組成の変更によりランス寿命は約７～８ｃｈとなりランス寿命を倍近く延ばすことができる。

また、上記の方法では、溶融金属６に、ＣａＯ源を投入し、スラグ７におけるＣａＯの濃度を５０重量％以上、５５重量％以下に調整することが好ましい。これにより、滓化を促進するＡｌ_２Ｏ_３の濃度が高くなるため、ホタル石（ＣａＦ_２）を用いることなく滓化を促進できる。さらに、ＣａＯの濃度も高くなるため、良好な脱硫率を確保することができる。

また、上記方法では、Ａｌ_２Ｏ_３源およびＭｇＯ源のぞれぞれの平均粒子径が、５ｍｍ以上、４０ｍｍ以下であることが好ましい。ここで、Ａｌ_２Ｏ_３源およびＭｇＯ源の各造滓剤の平均粒子径が５ｍｍ未満であると、粒子径が細かすぎ、投入シュートを用いて造滓剤を投入する際に、該造滓剤が投入シュートの途中で止まり造滓剤を円滑に溶融金属６に投入することができなくなる。このため、別途上記造滓剤を投入するための設備が必要となる。また、飛散ロスが多くなる問題もある。しかしながら、上記方法のように、Ａｌ_２Ｏ_３源およびＭｇＯ源のぞれぞれの平均粒子径を５ｍｍ以上、４０ｍｍ以下とすることで、従来の投入シュートなどの設備をそのまま利用でき、飛散ロスも減少する。そのため、コストを削減することができると共に、スラグの成分調整を精度よく行うことができる。

また、上記の方法では、Ｃ／Ｓ／Ａの値が０．１８以上、０．４０以下であることが好ましい。これにより、Ｃ／Ｓ／Ａの値が０．１８以上、０．４０以下でない場合と比較して脱硫率を高めることができる。

（ランスの耐火物の成分について）
次に、図２の（ａ）は、ランスの耐火物の一実施例の成分を示す表である。耐溶損性に優れるのはＭｇＯ系耐火物だが、割れやすいため、本実施例では、ランスの耐火物として、Ａｌ_２Ｏ_３系耐火物を使用している。同図に示すように、この耐火物の主成分は、Ａｌ_２Ｏ_３である。より具体的には、本実施例の耐火物は、Ａｌ_２Ｏ_３を８８重量％、ＳｉＯ_２を３重量％、ＭｇＯを５重量％、およびＣを２重量％含んでいる。

（従来のスラグ組成と本実施形態のスラグ組成）
次に、図２の（ｂ）は、従来のスラグ組成と、本発明の実施形態に係るスラグ組成と、を示す表である。まず、Ａｌ_２Ｏ_３は、従来のスラグ組成では、１８重量％以上、２３重量％以下の範囲であるが、本実施形態のスラグ組成では、２４重量％以上、３０重量％以下の範囲である。Ａｌ_２Ｏ_３はＣａＯと反応することにより、低融点化合物を生成させＣａＯの滓化を促し、脱硫反応を促進する働きがあるが、Ａｌ_２Ｏ_３自体には脱硫能がないため、従来組成の範囲で十分であった。しかし、スラグ７におけるＡｌ_２Ｏ_３の含有割合を２４重量％以上とすることにより、ランスに含まれるＡｌ_２Ｏ_３との濃度差が小さくなり、ランスの溶損が抑制される。また、スラグ７におけるＡｌ_２Ｏ_３の含有割合を３０重量％より大きくした場合、ＣａＯの活量が下がり、脱硫反応が進行しにくくなる。そのため、スラグ７におけるＡｌ_２Ｏ_３の含有割合は、３０重量％以下であることが好ましい。

次に、ＭｇＯは、従来のスラグ組成では、６重量％以上、８重量％以下の範囲であるが、本実施形態のスラグ組成では、１０重量％以上、１５重量％以下の範囲である。ＭｇＯはＣａＯと同様、塩基性酸化物であり脱硫能を有する。しかし、ＣａＯに比べ脱硫能は低く、Ａｌ_２Ｏ_３と反応してＭｇＯ・Ａｌ_２Ｏ_３スピネルを形成する。また、スラグの融点を上げスラグの滓化を抑制する働きがある。そのため、スラグ７におけるＭｇＯの含有割合を１０重量％以上とすることにより、ランスの周囲にてＭｇＯ・Ａｌ_２Ｏ_３スピネルを形成しランスの溶損を抑制する。また、スラグ７におけるＭｇＯの含有割合を１５重量％以下とすることにより、スラグの融点が高くならない。次に、Ｃ／Ｓ＝（ＣａＯの重量％）／（ＳｉＯ_２の重量％）の値の範囲は、従来も本実施形態も５以上、８以下の範囲であり、変化はない。次に、Ｃ／Ｓ／Ａ＝（ＣａＯの重量％）／（ＳｉＯ_２の重量％）／（Ａｌ_２Ｏ_３の重量％）の値の範囲は、従来は、０．２０以上、０．４４以下の範囲であるが、本実施形態では、０．１８以上、０．４０以下の範囲である。ＳｉＯ_２もＡｌ_２Ｏ_３と同様スラグの融点を降下させ滓化を促進させる作用がある。そのため、Ｃ／ＳおよびＣ／Ｓ／Ａ共にスラグの脱硫能を示す。Ｃ／Ｓの値は従来から変わらなかったが、（Ａｌ_２Ｏ_３の重量％）を増加させたため、Ｃ／Ｓ／Ａの値は低下した。

〔実施例〕
次に、図２の（ｃ）は、本発明に係る実施例（実施例１、２）および比較例（比較例１～４）における、スラグ組成、ランスの溶損量、およびランスの寿命を示す表である。

（試験条件）
試験装置として、図１に示す取鍋精練炉１０を用いた。約９０ｔの溶融金属６および１．５ｔ～２．０ｔのスラグ７に対して、黒鉛電極３によるアーク加熱を行いながら、Ａｒガスを２５０リットル／分以上、３５０リットル／分以下の流量で吹込み攪拌処理を行った。ランスの溶損量は、時間当たりに溶損したランスの長さに換算して評価した。また、ランスの寿命は、１ｃｈを４０分として実施継続が可能なｃｈ（チャージ）数で評価した。

（結果）
図２の（ｃ）に、比較例１および２として、従来の方法による脱硫処理後のランスの溶損量（ｍｍ／分）および寿命（ｃｈ）を示した。従来の方法によるランスの溶損量は約０．８０ｍｍ／分、寿命は４ｃｈであった。ランスの寿命が４ｃｈとは、１本のランスを用いて４０分間の脱硫処理を４回行うことができたことを示す。

比較例１および２に比べスラグ７におけるＭｇＯの含有割合を増加させた比較例３では、ランスの溶損量が０．６４ｍｍ／分、寿命が５ｃｈと、比較例１および２と比較して、ランスの溶損量が抑制され、寿命も若干延びた。

また、比較例１および２に比べスラグ７におけるＡｌ_２Ｏ_３の含有割合を増加させた比較例４でも比較例３と同様に、ランスの溶損量が０．６０ｍｍ／分、寿命が５ｃｈと、ランスの溶損量が抑制され、ランスの寿命も若干延びた。

次に、比較例１および２に比べスラグ７におけるＭｇＯおよびＡｌ_２Ｏ_３の両方の含有割合を増加させた実施例１ではランスの溶損量が０．３９ｍｍ／分、寿命が７ｃｈと、ランスの溶損量が約半分に抑制され、寿命が２倍となった。

また、実施例１と比較して、Ｃ／Ｓ／Ａの値を上昇させた実施例２では、ランスの溶損量が０．３６ｍｍ／分、寿命が８ｃｈと、実施例１に比べランスの溶損量が抑制され、寿命も延びた。

〔付記事項〕
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。

１ 取鍋
２ ガス吹込み用ランス
６ 溶融金属
７ スラグ
１０ 取鍋精練炉

Claims (4)

1. 取鍋中の溶融金属にガスを吹き込むためのガス吹込み用ランスの溶損抑制方法であって、
   上記溶融金属に、Ａｌ_２Ｏ_３源、ＭｇＯ源およびＣａＯ源を少なくとも投入し、
   上記溶融金属の表面に生じるスラグにおけるＡｌ_２Ｏ_３の濃度を２４重量％以上、３０重量％以下とし、上記スラグにおけるＭｇＯの濃度を１０重量％以上、１５重量％以下に調整し、
   （ＣａＯの重量％）／（ＳｉＯ _２ の重量％）の値が５以上、８以下であることを特徴とする溶損抑制方法。
2. 上記スラグに対するＣａＯの濃度を５０重量％以上、５５重量％以下に調整することを特徴とする請求項１に記載の溶損抑制方法。
3. 上記Ａｌ_２Ｏ_３源および上記ＭｇＯ源のそれぞれの平均粒子径が、５ｍｍ以上、４０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の溶損抑制方法。
4. （ＣａＯの重量％）／（ＳｉＯ_２の重量％）／（Ａｌ_２Ｏ_３の重量％）の値が０．１８以上、０．４０以下であることを特徴とする請求項１から３までの何れか１項に記載の溶損抑制方法。

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