阅读说明：本技术 转炉的操作方法 (Method for operating converter ) 是由 天野胜太 高桥幸雄 菊池直树 三木祐司 于 2018-05-07 设计创作，主要内容包括：每当从顶吹枪顶吹氧气而实施铁液的脱碳精炼时,抑制铁液的摆动,并抑制气泡破裂及与气泡破裂相伴的喷溅物。在使用下端设置有拉瓦尔喷嘴的顶吹枪,并从拉瓦尔喷嘴向转炉内的铁水浴面喷吹氧气而对转炉内的铁液进行脱碳的转炉的精炼方法中,以蓄积氧指标S(F)成为40以下的方式调整来自顶吹枪的送氧速度及枪高度LH中的任一方或双方。(When decarburization refining of molten iron is performed by blowing oxygen gas from the top of a top-blowing lance, the swinging of the molten iron is suppressed, and the bubble collapse and the splashes accompanying the bubble collapse are suppressed. In a method for refining a converter in which a top-blowing lance having a laval nozzle at its lower end is used and oxygen is blown from the laval nozzle to the molten iron surface in the converter to decarburize molten iron in the converter, either or both of the oxygen feed rate from the top-blowing lance and the lance height LH are adjusted so that the accumulated oxygen index S (F) becomes 40 or less.)

转炉的操作方法

技术领域

本发明涉及从在顶吹枪设置的多个拉瓦尔喷嘴将氧气向铁液喷吹，抑制铁液向转炉外的喷出并从铁液熔炼钢水的转炉的操作方法。在此，“铁液”是指铁水或钢水，在能够将两者明确地区分的情况下，记载为“铁水”或“钢水”。

背景技术

在转炉的脱碳精炼中，从转炉的生产性提高的观点出发，采用增多每单位时间的氧气供给量(也称为“送氧速度”)的操作。然而，当增大每单位时间的氧气供给量时，作为灰尘等向炉外飞散的铁分及附着而堆积于炉壁或炉口附近的铁分增加。上述的铁分损失最终被回收，再次被利用作为铁源，但是其量增多时，会导致灰尘回收及附着于炉口附近的铁分的除去所需的成本的增加或转炉的运转率的下降，因此成为应解决的重要的课题之一。

因此，关于转炉的脱碳精炼中的灰尘的产生及抑制，以往进行了较多的研讨及研究。其结果是，关于灰尘的产生机理，已知大体分为下述所示的2个机理，伴随着吹炼的进展而各产生机理产生的灰尘的产生量及灰尘的产生比例变化。

[1]由于气泡破裂(喷溅物(生铁块飞散)或伴随着气泡的熔液面脱离而粒铁飞散等)而产生灰尘。

[2]由于烟雾(铁原子的蒸发)而产生灰尘。

另一方面，已知在铁液中的碳浓度达到临界碳浓度之前的期间中，来自顶吹枪的顶吹氧产生的脱碳反应速度为氧供给速度限制，在临界碳浓度以下的碳浓度中，来自顶吹枪的顶吹氧产生的脱碳反应速度为铁液中碳的移动(扩散)速度限制。但是，根据非专利文献1，记载了即使在氧供给速度限制期间中基于废气的连续分析的脱碳速度也不恒定而进行变动的情况。直接观察使用了小型熔化炉的脱碳精炼的浴面的结果是，在该氧供给速度限制期间中，如果脱碳速度变动，则从浴面产生大气泡，因此可认为脱碳速度的变动由于从表面反应向浴内反应的转移引起的反应面积的扩大而产生。

已知基于顶吹氧的脱碳反应主要在氧喷流与铁液的碰撞界面，称为所谓“火点”的“凹坑”处进展。在非专利文献2中记载了如下情况：作为火点的面积，如下述的(4)式所示，定义除了几何学上的凹坑的表面积A_p之外还考虑了在浴面上产生的液滴的影响的等效界面面积A^*，如下述的(5)式所示，伴随着顶吹氧流量F_O2与等效界面面积A^*之比即氧负荷F_g的增加而脱碳氧效率下降。

[数学式1]

在(4)式中，d_c是拉瓦尔喷嘴的喉径，I是顶吹氧喷流的运动量，κ是运动量I的校正系数，σ是铁液的表面张力。

然而，在转炉等精炼反应容器中，伴随着顶吹或底吹的精炼用及搅拌用的气体供给和基于脱碳反应的CO气体的产生而反应容器内的铁液摆动。在摆动的振动频率与由反应容器的形状决定的固有振动频率一致的所谓共振时，摆动的振幅最大化。这样的现象称为“晃动”。当晃动产生时，在顶吹枪、炉壁、进而炉口附近附着/堆积的铁分增加。

非专利文献3关于晃动进行了记载，并记载了，由此，圆筒容器的固有振动频率f_calc能够解析性地求出，根据圆筒容器内径D和浴深H利用下述的(6)式能够算出的情况。在此，在(6)式中，g为重力加速度，k为常数(＝1.84)。

[数学式2]

在实测了脱碳精炼中的转炉的振动的非专利文献4中，记载了商业规模的转炉中的铁液的摆动引起的振动频率为0.3～0.4Hz左右的情况。该测定值与根据(6)式算出的转炉的固有振动频率大体一致。

因此，可知在商业规模的转炉中也会产生晃动现象。当晃动现象产生时，洒出(熔渣喷出)容易产生，因此在顶吹枪、炉壁、进而炉口附近附着/堆积的铁分增加。

专利文献1记载了如下精炼方法：在提高每单位时间的氧气供给量的转炉操作中，以抑制喷溅物或洒出的产生的情况为目的，基于向转炉内的氧气供给量、来自转炉的废气流量、废气组成、铁水成分及副原料使用量来算出炉内残留氧浓度，根据算出的炉内残留氧浓度，对氧气供给量、枪高度、底吹气体流量中的至少任一个进行调整，抑制喷溅物及洒出的产生。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2013-108153号公报

非专利文献

非专利文献1：生产研究，vol.22(1970)No.11.p.488

非专利文献2：铁和钢，vol.57(1971)No.12.p.1764

非专利文献3：生产研究，vol.26(1974)No.3.p.119

非专利文献4：川崎制铁技报，vol.19(1987)No.1.p.1

发明内容

发明要解决的课题

然而，在专利文献1的精炼方法中，监视洒出(熔渣喷出)的征兆，之后进行行动，因此虽然能够检测到洒出，但是无法抑制气泡破裂及与气泡破裂相伴的喷溅物(生铁块飞散)。

本发明鉴于上述情况而作出，其目的在于提供一种每当从顶吹枪顶吹氧气而实施铁液的脱碳精炼时，抑制铁液的摆动，并抑制气泡破裂及与气泡破裂相伴的喷溅物，能够抑制铁成品率的下降的转炉操作方法。

用于解决课题的方案

解决这样的课题的本发明的特征如以下所述。

[1]一种转炉的操作方法，是转炉的精炼方法，使用在下端设置有拉瓦尔喷嘴的顶吹枪，从所述拉瓦尔喷嘴向转炉内的铁液浴面喷吹氧气而对转炉内的铁液进行脱碳，其中，

以炉内的蓄积氧指标S(F)满足下述的(3)式的方式，调整来自所述顶吹枪的送氧速度Q_g及枪高度LH中的任一方或双方，所述炉内的蓄积氧指标S(F)根据利用下述(1)式确定的火点每单位面积的氧气流量F(Nm³/(m²×s))、所述氧气流量F及下述(2)式来确定。

[数学式3]

S(F)≤40…(3)

在(1)式中，

n是在所述顶吹枪的下端设置的拉瓦尔喷嘴的个数(-)，

d_c是所述拉瓦尔喷嘴的喉径(mm)，

Q_g是来自所述顶吹枪的送氧速度(Nm³/s)，

P₀是所述氧气向所述拉瓦尔喷嘴的供给压力(Pa)，

v_gc是根据所述枪高度LH(m)而算出的铁液浴面的碰撞面处的所述氧气的流速，且是所述拉瓦尔喷嘴的中心轴上的所述氧气的流速(m/s)，

r是由于所述氧气向所述铁液浴面的碰撞而形成的凹坑的半径(mm)，

L是所述凹坑的深度(mm)。

在(2)式中，

α是常数((m²×s)/Nm³)，

F₀是常数(Nm³/(m²×s))，

Δt是数据收集时间间隔(s)。

[2]根据[1]记载的转炉的操作方法，其中，

在吹炼中监视利用所述(2)式算出的蓄积氧指标S(F)的实际值、及作为输入氧量与输出氧量之差的不明氧量，并决定所述常数α，该输入氧量是来自顶吹枪的氧气供给量及向炉内投入的副原料中的氧量的总计，该输出氧量是转炉废气中存在的CO气体、CO₂气体、氧气及在脱硅反应中被消耗而作为SiO₂存在于炉内的氧量之和。

发明效果

根据本发明，将作为来自顶吹枪的送氧速度Q_g及枪高度LH的函数的、通过(2)式定义的蓄积氧指标S(F)控制为规定的范围内，因此不仅能够抑制转炉内的铁液的摆动，而且能够减少在顶吹枪、转炉炉壁、转炉的炉口附近附着/堆积的铁分。

附图说明

图1是表示平均脱碳氧效率η与根据(1)式而计算的火点每单位面积的氧气流量F之间的关系的坐标图。

图2是表示炉下落下生铁块指数W与根据(2)式而计算的氧蓄积指标S(F)的最大值S(F)_max之间的关系的坐标图。

图3是表示炉体振动的最大加速度a_max与根据(2)式而计算的氧蓄积指标S(F)的最大值S(F)_max之间的关系的坐标图。

具体实施方式

以下，通过发明的实施方式来说明本发明。首先，说明达到本发明的原委。

本发明者们使用在从顶吹枪喷吹氧气的同时能够从炉底部的底吹叶片口吹入搅拌用气体的容量300吨规模的转炉，确认了向转炉内的铁水顶吹氧气(工业用纯氧气)而进行铁水的脱碳精炼时的顶吹枪的枪高度LH对于向炉壁或顶吹枪的生铁块附着量造成的影响。作为底吹的搅拌用气体，使用了氩气。“枪高度LH”是从顶吹枪的前端至转炉内的铁水为静止状态时的铁水浴面的距离(m)。

在实验中，如表1所示，使用3个种类的顶吹枪(顶吹枪A、B、C)，将来自顶吹枪的送氧速度(氧供给流量)在750～1000Nm³/min的范围内变更，将枪高度LH在2.2～2.8m的范围内变更，在吹炼后回收在吹炼中附着于转炉炉口及护罩的生铁块向炉下落下的生铁块并进行称量，确认了枪高度LH及吹炼条件对附着生铁块量造成的影响。

[表1]

在试验中，在转炉的倾动轴上装配加速度计，计测了吹炼中的倾动轴方向的加速度。得到的加速度信号向解析装置取入记录并进行高速傅里叶变换处理，进行了炉体振动的频率解析。

在试验中，从铁水中的碳浓度为4.0质量％的时点开始来自顶吹枪的氧气的供给，在钢水中的碳浓度成为0.05质量％的时点结束氧气的供给。

在顶吹氧气而进行的铁水的脱碳精炼中，火点每单位面积的氧气流量F(Nm³/(m²×s))由下述的(1)式表示。火点每单位面积的氧气流量F是在炉内的铁水浴面的成为与顶吹氧气碰撞的碰撞部位的多个火点处，与各火点的每单位面积碰撞的氧气的脱碳精炼期间的平均流量。

[数学式4]

在(1)式中，n是在顶吹枪的下端设置的拉瓦尔喷嘴的个数(-)。d_c是拉瓦尔喷嘴的喉径(mm)。Q_g是来自顶吹枪的送氧速度(Nm³/s)。P₀是向顶吹枪的拉瓦尔喷嘴的氧气的供给压力(Pa)。v_gc是根据枪高度LH而算出的氧气的铁水浴面的碰撞面处的流速，且是拉瓦尔喷嘴的中心轴上的氧气的流速(m/s)。r是通过向铁水浴面的氧气的碰撞而形成的凹坑的半径(mm)。L是前述凹坑的深度(mm)。

说明氧气的流速v_gc(m/s)、凹坑的半径r(mm)及凹坑的深度L(mm)的算出方法。

当将拉瓦尔喷嘴内的气体流动假定为绝热变化时，从拉瓦尔喷嘴喷射的气体的喷出流速v_g0(m/s)由下述的(7)式表示。在(7)式中，g是重力加速度(m/s²)。p_c是拉瓦尔喷嘴的喉部处的压力(静压)(Pa)。p_e是拉瓦尔喷嘴的喷嘴出口处的压力(静压)(Pa)。v_c是拉瓦尔喷嘴的喉部处的比容(m³/kg)。v_e是拉瓦尔喷嘴出口处的比容(m³/kg)。K是等熵膨胀系数。

[数学式5]

另一方面，可知，从拉瓦尔喷嘴喷射之后的拉瓦尔喷嘴的中心轴上的氧气的流速v_gc作为从喷嘴至浴面为止的距离的函数而求出。因此，考虑到在拉瓦尔喷嘴的出口正下方形成的称为势核的区域长度x_c(m)时，氧气的流速v_gc由下述的(8)式表示。在(8)式中，β及γ是常数。因此，如果v_g0、LH、x_c可知，则使用下述的(8)式能够算出氧气的流速v_gc。

[数学式6]

在喷流的铁浴碰撞面形成的凹坑的深度L(mm)由下述的(9)式表示。在此，在(9)式中，ε为量纲为1的常数，为0.5～1.0的范围内的值。在本实施方式中，将ε设为1.0来算出凹坑的深度L。

[数学式7]

在喷流的铁浴碰撞面形成的凹坑的半径r(mm)由下述的(10)式表示。在(10)式中，θ_s为喷流的扩展角度(°)。

[数学式8]

r＝LH×tan(θ_s)…(10)

图1是吹炼中的碳浓度从3质量％脱碳至1质量％期间的吹炼中的平均脱碳氧效率η(％)与根据(1)式计算的火点每单位面积的氧气流量F(Nm³/(m²×s))的关系的坐标图。平均脱碳氧效率η使用废气流量Q_offgas(Nm³/s)、废气中的CO浓度(C_CO；体积％)、废气中的CO₂浓度(C_CO2；体积％)通过下述的(11)式进行了定义。

[数学式9]

从图1可知，平均脱碳氧效率η伴随着火点每单位面积的氧气流量F的增加而下降。换言之，火点每单位面积的氧气流量F越增加，则炉内的氧蓄积越多。

图2是表示炉下落下生铁块指数W与吹炼中的炉内的氧蓄积指标S(F)的最大值S(F)_max之间的关系的坐标图。在此，炉内的氧蓄积指标S(F)通过下述的(2)式进行了定义。(2)式的F是通过(1)式算出的火点每单位面积的氧气流量F。α为常数((m²×s)/Nm³)。F₀为常数(Nm³/(m²×s))。在本实施方式中，常数α设为0.07(m²×s)/Nm³，常数F₀设为0.60Nm³/(m²×s)。常数α对应于每单位钢水质量的底吹气体流量而为0.05～0.10(m²×s)/Nm³的值。Δt是数据收集时间间隔(秒)，在本实施方式中，例如为1秒。在Δt为1秒、吹炼时间为20分钟的情况下，每1秒算出(1/F₀-1/F)，将其累计1200次左右的值乘以α来算出氧蓄积指标S(F)。

[数学式10]

炉下落下生铁块指数W通过下述的(12)式进行了定义。(12)式的右边的分母所示的“平均炉下落下生铁块质量”是多次挑战的试验中的吹炼结束后的生铁块落下量的平均值。

[数学式11]

从图2可知，当炉内的氧蓄积指标S(F)的最大值S(F)_max超过40时，炉下落下生铁块指数W急增。

图3是表示在吹炼中的炉体振动中，根据(6)式计算的固有振动频率即0.35Hz的最大加速度a_max与炉内的氧蓄积指标S(F)的最大值S(F)_max之间的关系的坐标图。

从图3可知，最大加速度a_max与吹炼中的炉内的氧蓄积指标S(F)的最大值S(F)_max的增加一起增加，当该最大值S(F)_max超过40时，最大加速度a_max的增加量变大。换言之，可知当最大值S(F)_max超过40时，存在铁水的摆动增大的可能性。

在此，应关注的是，无论顶吹枪的拉瓦尔喷嘴的差异如何，都是火点每单位面积的氧气流量F与平均脱碳氧效率η表现出负相关的情况、及吹炼中的炉内的氧蓄积指标S(F)的最大值S(F)_max与炉下落下生铁块指数W及炉体振动加速度a_max表现出正相关且以最大值S(F)_max成为40的点为界而炉下落下生铁块指数W及炉体振动加速度a_max这双方急增。

即，为了抑制铁液的摆动，并减少附着于转炉炉口或护罩的生铁块，防止铁成品率的下降，可知将炉内的氧蓄积指标S(F)的最大值S(F)_max控制成40以下，即，满足下述(3)式的情况至关重要。

S(F)≤40…(3)

另外，常数α在炉体的操作状况等下虽然微小但是变化。因此，在实施时，在吹炼中监视利用上述(2)式算出的蓄积氧指标S(F)的实际值、及作为输入氧量与输出氧量之差的不明氧量，该输入氧量是来自顶吹枪的氧气供给量及向炉内投入的副原料中的氧量的总计，该输出氧量是转炉废气中的CO气体、CO₂气体、氧气、在脱硅反应中被消耗并作为SiO₂存在于炉内的氧量之和，优选基于蓄积氧指标S(F)的实际值及不明氧量来决定常数α。

本发明基于上述研讨结果，在使用下端设置有拉瓦尔喷嘴的顶吹枪并从拉瓦尔喷嘴向转炉内的铁液浴面喷吹氧气而对于转炉内的铁液实施脱碳精炼等氧化精炼的转炉的精炼方法中，以炉内的蓄积氧指标S(F)满足上述的(3)式的方式调整来自顶吹枪的送氧速度Q_g及枪高度LH中的任一方或双方，所述炉内的蓄积氧指标S(F)根据利用上述的(1)式确定的火点每单位面积的氧气流量F和(2)式来确定。

以蓄积氧指标S(F)满足(3)式的方式调整来自顶吹枪的送氧速度Q_g及枪高度LH中的任一方或双方，由此抑制对于铁液浴面的氧的过度供给，抑制在铁液浴内由于碳与氧反应而产生的CO气泡变得过大的情况。由此，能够抑制气泡破裂及与气泡破裂相伴的喷溅物。

此外，如图3所示，以蓄积氧指标S(F)满足(3)式的方式调整来自顶吹枪的送氧速度Q_g及枪高度LH中的任一方或双方，由此能够抑制铁液的摆动增大的情况。

这样，通过实施本实施方式的转炉的操作方法能够抑制铁液的摆动并抑制气泡破裂及与气泡破裂相伴的喷溅物。由此，铁分向炉外的逸散减少，不仅能削减生铁块的回收和再利用所需的费用，而且能够抑制与在转炉炉口等附着、堆积的生铁块的除去相伴的转炉的运转率下降。

实施例

接下来，说明本发明的实施例。使用能够从顶吹枪喷吹氧气并从炉底部的底吹叶片口吹入搅拌用气体的容量300吨规模的转炉(以下，记载为“上底吹转炉”)进行脱碳吹炼。作为铁分向炉外的逸散的评价，使用了利用(12)式定义的炉下落下生铁块指数W。

在本实施例中使用的顶吹枪在前端部具有同一形状的4个拉瓦尔喷嘴作为喷射喷嘴，将所述拉瓦尔喷嘴相对于顶吹枪主体的轴心而在同心圆上等间隔配置且使顶吹枪主体的轴心与喷嘴的中心轴所成的角度(以下，记载为“喷嘴倾角”)为17°地配置。拉瓦尔喷嘴的喉径d_c为76.0mm，出口径d_e为87.0mm。

同样，使用了如下顶吹枪：具有5个拉瓦尔喷嘴，喷嘴倾角为15°，喉径d_c为65.0mm，出口径d_e为78.0mm的顶吹枪；具有5个拉瓦尔喷嘴，喷嘴倾角为15°，喉径d_c为65.0mm，出口径d_e为75.3mm的顶吹枪；以及具有5个拉瓦尔喷嘴，喷嘴倾角为15°，喉径d_c为57.0mm，出口径d_e为67.2mm的顶吹枪。表2示出在各试验中使用的顶吹枪的规格。

[表2]

转炉的操作方法将废铁向上底吹转炉装入之后，将1260～1280℃的铁水向上底吹转炉装入。接下来，一边从顶吹枪将平均为2.0Nm³/(hr×t)的氧气朝向铁水浴面喷吹，一边从底吹叶片口将氩气或氮气作为搅拌用气体向铁水中吹入，进行脱碳精炼直至钢水中的碳浓度成为0.05质量％为止。废铁的装入量以精炼结束时的钢水温度成为1650℃的方式进行了调节。使用的铁水的组成及温度如表3所示。

[表3]

表4示出来自顶吹枪的送氧速度及枪高度LH。如表4所示，根据铁水中的碳浓度而区分为区间1、2、3地设定了来自顶吹枪的送氧速度及枪高度LH。

[表4]

来自顶吹枪的送氧速度及枪高度LH以铁水浴面的碰撞面处的氧气的流速v_gc在区间1、2、3中大致成为120～240m/s的范围的方式，根据顶吹枪的喷嘴的差异而变更了设定。底吹气体流量在全部的试验中为恒定。

表5中，按照各试验示出根据(1)式计算的火点每单位面积的氧流量F及根据(2)式计算的炉内的氧蓄积指标S(F)的最大值S(F)_max、以及操作结果。

[表5]

根据表5可知，在本发明例与比较例中，吹炼时间大致同等，但是本发明例1～4的吹炼结束时的炉下落下生铁块指数W与比较例1～5的吹炼结束时的炉下落下生铁块指数W相比为显著小的值。根据该结果，确认到能够实施如下转炉操作的情况：通过将氧蓄积指标S(F)设为40以下，能够抑制生铁块附着，由此能够抑制铁成品率的下降。