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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023133926
(43)【公開日】2023-09-27
(54)【発明の名称】撹拌羽根及び溶銑の脱硫方法
(51)【国際特許分類】
C21C 1/02 20060101AFI20230920BHJP
【ＦＩ】
C21C1/02 108
【審査請求】未請求
【請求項の数】5
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022039188
(22)【出願日】2022-03-14
(71)【出願人】
【識別番号】000001258
【氏名又は名称】ＪＦＥスチール株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100103850
【弁理士】
【氏名又は名称】田中 秀▲てつ▼
(74)【代理人】
【識別番号】100105854
【弁理士】
【氏名又は名称】廣瀬 一
(74)【代理人】
【識別番号】100116012
【弁理士】
【氏名又は名称】宮坂 徹
(74)【代理人】
【識別番号】100066980
【弁理士】
【氏名又は名称】森 哲也
(72)【発明者】
【氏名】中井 由枝
(72)【発明者】
【氏名】古川 航平
(72)【発明者】
【氏名】高橋 亜門
【テーマコード（参考）】
4K014
【Ｆターム（参考）】
4K014AA02
4K014AC08
(57)【要約】
【課題】撹拌羽根を複雑な形状とすることなく、脱硫効率を向上させることができる、撹拌羽根及び溶銑の脱硫方法を提供すること。
【解決手段】機械撹拌式溶銑脱硫処理に用いられる撹拌羽根４であって、撹拌羽根４の回転軸４０から突出し、突出方向が回転軸４０に直交し且つ互いに反対方向に突出する２枚の第１撹拌翼４１１と、２枚の第１撹拌翼４１１からそれぞれ突出し、突出方向が第１撹拌翼４１１の突出方向及び回転軸に平行な方向に直交し、且つ互いに反対方向となる、２枚の第２撹拌翼４１２と、を備え、第２撹拌翼４１２は第２撹拌翼４１２のそれぞれの幅中心位置が回転軸４０の中心位置から（２）式を満たす距離Ｌだけ移動した位置に配設されている。０．５≦｜Ｌ／（Ｒ－０．５Ｔ）｜≦１ ・・・（２） ただし、Ｌ：回転軸４０から第２撹拌翼４１２の中心位置までの距離（ｍ）、Ｒ：第１撹拌翼４１１の長さ（ｍ）、Ｔ：第２撹拌翼４１２の幅（ｍ）。
【選択図】 図６
【解決手段】機械撹拌式溶銑脱硫処理に用いられる撹拌羽根４であって、撹拌羽根４の回転軸４０から突出し、突出方向が回転軸４０に直交し且つ互いに反対方向に突出する２枚の第１撹拌翼４１１と、２枚の第１撹拌翼４１１からそれぞれ突出し、突出方向が第１撹拌翼４１１の突出方向及び回転軸に平行な方向に直交し、且つ互いに反対方向となる、２枚の第２撹拌翼４１２と、を備え、第２撹拌翼４１２は第２撹拌翼４１２のそれぞれの幅中心位置が回転軸４０の中心位置から（２）式を満たす距離Ｌだけ移動した位置に配設されている。０．５≦｜Ｌ／（Ｒ－０．５Ｔ）｜≦１ ・・・（２） ただし、Ｌ：回転軸４０から第２撹拌翼４１２の中心位置までの距離（ｍ）、Ｒ：第１撹拌翼４１１の長さ（ｍ）、Ｔ：第２撹拌翼４１２の幅（ｍ）。
【選択図】 図６
【特許請求の範囲】
【請求項1】
溶銑に浸漬させた撹拌羽根を回転させることにより撹拌を与えながら、前記撹拌羽根による撹拌中及び撹拌前の少なくとも一方のタイミングで前記溶銑に脱硫剤を添加することで前記溶銑中の硫黄濃度を低下させる、溶銑脱硫処理に用いられる撹拌羽根であって、
前記撹拌羽根の回転軸から突出し、突出方向が前記回転軸に直交し且つ互いに反対方向となる、２枚の第１撹拌翼と、
２枚の前記第１撹拌翼からそれぞれ突出し、突出方向が前記第１撹拌翼の突出方向及び前記回転軸に平行な方向に直交し、且つ互いに反対方向となる、２枚の第２撹拌翼と、
を備え、
前記第２撹拌翼は、当該第２撹拌翼のそれぞれの幅中心位置が前記回転軸の中心位置から（２）式を満たす距離Ｌだけ移動した位置に配設されている、撹拌羽根。
０．５≦｜Ｌ／（Ｒ－０．５Ｔ）｜≦１ ・・・（２）
ただし、
Ｌ：回転軸から第２撹拌翼の中心位置までの距離（ｍ）
Ｒ：第１撹拌翼の長さ（ｍ）
Ｔ：第２撹拌翼の幅（ｍ）
前記撹拌羽根の回転軸から突出し、突出方向が前記回転軸に直交し且つ互いに反対方向となる、２枚の第１撹拌翼と、
２枚の前記第１撹拌翼からそれぞれ突出し、突出方向が前記第１撹拌翼の突出方向及び前記回転軸に平行な方向に直交し、且つ互いに反対方向となる、２枚の第２撹拌翼と、
を備え、
前記第２撹拌翼は、当該第２撹拌翼のそれぞれの幅中心位置が前記回転軸の中心位置から（２）式を満たす距離Ｌだけ移動した位置に配設されている、撹拌羽根。
０．５≦｜Ｌ／（Ｒ－０．５Ｔ）｜≦１ ・・・（２）
ただし、
Ｌ：回転軸から第２撹拌翼の中心位置までの距離（ｍ）
Ｒ：第１撹拌翼の長さ（ｍ）
Ｔ：第２撹拌翼の幅（ｍ）
【請求項2】
前記第２撹拌翼は、当該第２撹拌翼のそれぞれの幅中心位置が前記回転軸の中心位置から（３）式を満たす距離Ｌだけ移動した位置に配設されている、請求項１に記載の撹拌羽根。
Ｌ／（Ｒ－０．５Ｔ）＝１ ・・・（３）
Ｌ／（Ｒ－０．５Ｔ）＝１ ・・・（３）
【請求項3】
溶銑に浸漬させた撹拌羽根を回転させることにより撹拌を与えながら、前記撹拌羽根による撹拌中及び撹拌前の少なくとも一方のタイミングで前記溶銑に脱硫剤を添加することで前記溶銑中の硫黄濃度を低下させる、溶銑の脱硫方法であって、
前記撹拌羽根として、前記撹拌羽根の回転軸から突出し、突出方向が前記回転軸に直交し且つ互いに反対方向となる２枚の第１撹拌翼と、２枚の前記第１撹拌翼からそれぞれ突出し、突出方向が前記第１撹拌翼の突出方向及び前記回転軸に平行な方向に直交し、且つそれぞれ前記回転軸の半径方向の反対方向となる、２枚の第２撹拌翼と、を備え、前記第２撹拌翼は、当該第２撹拌翼のそれぞれの幅中心位置が前記回転軸の中心位置から（２）式を満たす距離Ｌだけ移動した位置に配設されている撹拌羽根を用いる、溶銑の脱硫方法。
０．５≦｜Ｌ／（Ｒ－０．５Ｔ）｜≦１ ・・・（２）
ただし、
Ｌ：回転軸から第２撹拌翼の中心位置までの距離（ｍ）
Ｒ：第１撹拌翼の長さ（ｍ）
Ｔ：第２撹拌翼の幅（ｍ）
前記撹拌羽根として、前記撹拌羽根の回転軸から突出し、突出方向が前記回転軸に直交し且つ互いに反対方向となる２枚の第１撹拌翼と、２枚の前記第１撹拌翼からそれぞれ突出し、突出方向が前記第１撹拌翼の突出方向及び前記回転軸に平行な方向に直交し、且つそれぞれ前記回転軸の半径方向の反対方向となる、２枚の第２撹拌翼と、を備え、前記第２撹拌翼は、当該第２撹拌翼のそれぞれの幅中心位置が前記回転軸の中心位置から（２）式を満たす距離Ｌだけ移動した位置に配設されている撹拌羽根を用いる、溶銑の脱硫方法。
０．５≦｜Ｌ／（Ｒ－０．５Ｔ）｜≦１ ・・・（２）
ただし、
Ｌ：回転軸から第２撹拌翼の中心位置までの距離（ｍ）
Ｒ：第１撹拌翼の長さ（ｍ）
Ｔ：第２撹拌翼の幅（ｍ）
【請求項4】
前記撹拌羽根の回転方向を、前記第２撹拌翼の前記第１撹拌翼からの突出方向と反対とする、請求項３に記載の溶銑の脱硫方法。
【請求項5】
前記第２撹拌翼は、当該第２撹拌翼のそれぞれの幅中心位置が前記回転軸の中心位置から（３）式を満たす距離Ｌだけ移動した位置に配設されている、請求項３又は４に記載の溶銑の脱硫方法。
Ｌ／（Ｒ－０．５Ｔ）＝１ ・・・（３）
Ｌ／（Ｒ－０．５Ｔ）＝１ ・・・（３）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、撹拌羽根及び溶銑の脱硫方法に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、鋼材の高純度化、高機能化のニーズ増大により、Ｐ濃度及びＳ濃度が低い、極低Ｐ、Ｓ鋼種の比率が高まっている。製鋼工程では不純物レベル低減のために、コストやスラグ発生量の増加を招くことなく極低Ｐ、Ｓ鋼を溶製する技術が必要であり、精錬剤の反応効率向上が重要となる。加えて、生産性も維持または向上させる必要があり、反応速度の向上も不可欠である。
【0003】
鋼中のＳ濃度を低減する方法としては、機械撹拌（インペラ）を用いた溶銑脱硫処理（機械撹拌式脱硫処理）を施すことにより、溶銑段階で低Ｓ濃度域まで脱硫しておく方法が広く工業化されている。この機械撹拌式溶銑脱硫処理により、低Ｓ濃度域までの高速処理が可能である。機械撹拌式溶銑脱硫処理において、更なる脱硫剤の反応効率向上、処理速度向上を図るため、撹拌羽根のスクリュー化や反応容器への邪魔板の設置などの技術が知られているが、撹拌羽根や容器耐火物の寿命低下により、実現が困難であった。
【0004】
機械撹拌式溶銑脱硫処理では、溶銑湯面に添加された粉状もしくは粒状脱硫剤を、撹拌羽根の回転により形成される溶銑のキャビテイー（渦）中に浸入させ、溶銑との接触界面積を大きくする事で、高い脱硫剤反応効率を指向する。ここで脱硫剤としては、例えば石灰（ＣａＯ）系脱硫剤を用いる。また溶銑側は撹拌羽根の回転により撹拌され、溶銑中の硫黄が脱硫剤との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。溶銑を保持する反応容器は円柱状の鍋型であり、撹拌羽根は上方より容器断面の中心に挿入される。撹拌羽根を容器中心で回転させるのに対し、容器内壁への邪魔板の設置、回転位置のオフセットにより撹拌力が増加することが知られている。また、撹拌羽根の形状を工夫することにより脱硫剤の巻込みを促進したり、撹拌羽根の寿命を延長したりすることができる。
【0005】
金属溶湯を撹拌するための撹拌羽根としては、従来から様々な形状のものが用いられており、金属溶湯の撹拌ムラを低減し、短時間で高い脱硫率を得るために種々の形状が提案されている（例えば、特許文献１，２）。
また、特許文献３には、鍋全体に乱流を形成し、効率よく成分調整を行うことを目的として、上部インペラと下部インペラを有する撹拌式成分調整装置が開示されている。
また、特許文献３には、鍋全体に乱流を形成し、効率よく成分調整を行うことを目的として、上部インペラと下部インペラを有する撹拌式成分調整装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開２０１２－１６７８６８号公報
【特許文献2】特開２００９－１１４５０６号公報
【特許文献3】特開２００３－２７９２７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかし、特許文献１～３に開示された撹拌羽根形状は、非常に複雑な形状を有しており、施工が困難であったり、施工に時間や費用がかかったりするといった課題がある。また、複雑な形状によって撹拌効率向上の効果を発揮する撹拌羽根は、使用中に耐火物が損耗したり、脱硫剤やスラグの付着により形状が変化したりすることでその効果が維持出来ないという課題もある。
【0008】
そこで、本発明は、上記の課題に着目してなされたものであり、撹拌羽根を複雑な形状とすることなく、脱硫効率を向上させることができる、撹拌羽根及び溶銑の脱硫方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明の一態様によれば、溶銑に浸漬させた撹拌羽根を回転させることにより撹拌を与え、上記撹拌羽根による撹拌中及び撹拌前の少なくとも一方のタイミングで上記溶銑に脱硫剤を添加することで上記溶銑中の硫黄濃度を低下させる、溶銑脱硫処理に用いられる撹拌羽根であって、上記撹拌羽根の回転軸から突出し、突出方向が上記回転軸に直交し且つ互いに反対方向となる、２枚の第１撹拌翼と、２枚の上記第１撹拌翼からそれぞれ突出し、突出方向が上記第１撹拌翼の突出方向及び上記回転軸に平行な方向に直交し、且つ互いに反対方向となる、２枚の第２撹拌翼と、を備え、上記第２撹拌翼は、当該第２撹拌翼のそれぞれの幅中心位置が上記回転軸の中心位置から（２）式を満たす距離Ｌだけ移動した位置に配設されている、撹拌羽根が提供される。
０．５≦｜Ｌ／（Ｒ－０．５Ｔ）｜≦１ ・・・（２）
ただし、
Ｌ：回転軸から第２撹拌翼の中心位置までの距離（ｍ）
Ｒ：第１撹拌翼の長さ（ｍ）
Ｔ：第２撹拌翼の幅（ｍ）
０．５≦｜Ｌ／（Ｒ－０．５Ｔ）｜≦１ ・・・（２）
ただし、
Ｌ：回転軸から第２撹拌翼の中心位置までの距離（ｍ）
Ｒ：第１撹拌翼の長さ（ｍ）
Ｔ：第２撹拌翼の幅（ｍ）
【0010】
本発明の一態様によれば、溶銑に浸漬させた撹拌羽根を回転させることにより撹拌を与え、上記撹拌羽根による撹拌中及び撹拌前の少なくとも一方のタイミングで上記溶銑に脱硫剤を添加することで上記溶銑中の硫黄濃度を低下させる、溶銑の脱硫方法であって、上記撹拌羽根として、上記撹拌羽根の回転軸から突出し、突出方向が上記回転軸に直交し且つ互いに反対方向となる２枚の第１撹拌翼と、２枚の上記第１撹拌翼からそれぞれ突出し、突出方向が上記第１撹拌翼の突出方向及び上記回転軸に平行な方向に直交し、且つそれぞれ上記回転軸の半径方向の反対方向となる、２枚の第２撹拌翼と、を備え、上記第２撹拌翼は、当該第２撹拌翼のそれぞれの幅中心位置が上記回転軸の中心位置から（２）式を満たす距離Ｌだけ移動した位置に配設されている撹拌羽根を用いる、溶銑の脱硫方法が提供される。
【発明の効果】
【0011】
本発明の一態様によれば、撹拌羽根を複雑な形状とすることなく、脱硫効率を向上させることができる、撹拌羽根及び溶銑の脱硫方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】水モデル実験において用いた撹拌羽根を示す模式図であり、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は側面図である。
【図2】水モデル実験において用いた撹拌羽根を示す模式図であり、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は側面図である。
【図3】水モデル実験において用いた撹拌羽根を示す模式図であり、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は側面図である。
【図4】水モデル実験での結果を示すグラフである。
【図5】本発明の一実施形態における機械撹拌式脱硫装置を示す模式図である。
【図6】本発明の一実施形態に係る撹拌羽根を示す模式図であり、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は側面図である。
【図7】傾斜角度のある撹拌羽根を示す模式図であり、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は側面図であり、（Ｃ）は正面図である。
【図8】傾斜角度のある撹拌羽根を示す模式図であり、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は側面図であり、（Ｃ）は正面図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
本発明者らは、上記課題を解決すべく、撹拌羽根を溶銑中に浸漬させ、回転させることにより撹拌を与え、撹拌羽根による撹拌中及び撹拌前の少なくとも一方のタイミングで石灰を主成分とする脱硫剤を溶銑に添加し、溶銑中の硫黄濃度を低下させる溶銑脱硫方法について、鋭意検討・研究を重ねた。その結果、撹拌羽根の回転軸から突出し、突出方向が回転軸に直交し且つ反対方向となる２枚の第１撹拌翼と、２枚の第１撹拌翼からそれぞれ突出し、突出方向が第１撹拌翼の突出方向及び回転軸に平行な方向に直交し、且つ互いに反対方向となる、２枚の第２撹拌翼とを備える撹拌羽根を用いることにより、高い脱硫反応効率を得られることを見出した。具体的には、発明者らは、水モデル実験及び機械撹拌式の溶銑脱硫処理において、種々の形状の撹拌羽根について鋭意検討を重ね、簡易な形状で施工が容易で、脱硫剤の巻込みや溶銑の撹拌を促進できる撹拌羽根の形状を見出した。
【0014】
まず、本発明者らは、水モデル実験において、図１に示す４枚羽根の撹拌羽根４Ａをベースとし、撹拌羽根の位置を変化させることが、脱硫剤の巻込みに与える影響について調査を行った。図１（Ａ）に示すように、撹拌羽根４Ａは、撹拌翼４１Ａを有しており、回転軸４０Ａを中心にして向かい合う２枚の撹拌翼４１Ａを一組として、２組の撹拌翼４１Ａを有している。この２組のうち、一方の組の撹拌翼４１Ａを第１撹拌翼４１１Ａとし、他方の組の撹拌翼４１Ａを第２撹拌翼４１２Ａとする。図１（Ａ）に示す例では、回転軸４０Ａから左方向及び右方向にそれぞれ突出する２枚の撹拌翼４１Ａが第１撹拌翼４１１Ａであり、回転軸４０Ａから上方向及び下方向にそれぞれ突出する２枚の撹拌翼４１Ａが第２撹拌翼４１２Ａである。また、平面視において、撹拌翼４１Ａの延在方向における１組の撹拌翼４１Ａの長さを撹拌羽根４Ａの直径ｄともいう。水モデル実験では、第１撹拌翼４１１Ａと第２撹拌翼４１２Ａの直径ｄは同じ長さとした。また、撹拌翼４１Ａの幅Ｔや鉛直方向の高さである羽根高さｂについても、第１撹拌翼４１１Ａと第２撹拌翼４１２Ａとで同じとした。
【0015】
本調査では、図２及び図３に示すように、図１の撹拌羽根４Ａをベースとして、第２撹拌翼４１２Ａが互いに離れるように、第１撹拌翼４１１Ａの延在方向（図２（Ａ）及び図３（Ａ）の左右方向）に一定距離ずつ移動させた撹拌翼４１Ａについて、同じ回転数で回転させた場合の生成渦の凹み深さと、脱硫剤を模したプラスチック粒子を添加した際の撹拌羽根より下部領域への粒子の分散個数を水モデル実験で調査した。なお、本調査では、第２撹拌翼４１２Ａの移動位置を（１）式のように移動量比ｒを定義して結果を整理した。ここでＬは、回転軸４０Ａから第２撹拌翼４１２Ａの中心位置までの長さ（ｍ）、つまり平面視における回転軸４０Ａを原点としたときの第２撹拌翼４１２Ａの中心位置までの第１撹拌翼４１１Ａの延在方向の距離（ｍ）である。本調査では、図１（Ａ）～図３（Ａ）に示すように、撹拌羽根４Ａを上方から見た時の回転方向を平面視で左回りとし、回転方向を正としてＬの正負を設定した。つまり、図２，３に示す撹拌羽根４Ａは、図１の第２撹拌翼４１２Ａに対して、第２撹拌翼４１２Ａの中心位置が回転方向と同じ方向に移動するように、第２撹拌翼４１２Ａが第１撹拌翼４１１Ａの先端側に移動していることになるので、Ｌは正となる。Ｒは、第１撹拌翼４１１Ａの長さ（ｍ）、つまり平面視における回転軸４０Ａから第１撹拌翼４１１Ａの端までの第１撹拌翼４１１Ａの延在方向の長さ（ｍ）である。Ｔは、第２撹拌翼４１２Ａの幅（ｍ）、つまり平面視における第２撹拌翼４１２Ａの第１撹拌翼４１１Ａの延在方向の長さ（ｍ）である。（１）式の分母は正の値を取るので、Ｌの値が正の場合はｒの値も正、Ｌの値が負の場合はｒの値も負となる。
ｒ＝Ｌ／（Ｒ－０．５Ｔ） ・・・（１）
ｒ＝Ｌ／（Ｒ－０．５Ｔ） ・・・（１）
【0016】
本調査では、移動量比を＋１．０、＋０．７５、＋０．５、＋０．２５、０、－０．２５、－０．５、－０．７５及び－１．０の９条件とした撹拌羽根４Ａを用いて水モデル実験を行った。水モデル実験では、回転数を一定とし生成渦の中心の凹み深さを容器外から測定した。
【0017】
図４に、水モデル実験での結果として、撹拌羽根４Ａの移動量比ｒと渦深さ及びプラスチック粒子の巻込み個数との関係を示す。なお、水モデル実験では、溶銑容器を模した鍋型の透明な円筒容器に収容された水に撹拌羽根４Ａを浸漬させ、撹拌羽根４Ａを回転させない時の水面位置から回転させた時に生成した渦の下端までの距離を渦深さとした。図４には、移動量比ｒが０の時の渦深さを１とした時の渦深さを指数で表示する。図４に示すように、移動量比ｒの絶対値が大きくなるほど渦の凹み深さが深くなることがわかった。
【0018】
また、水モデル実験では、脱硫剤を模したプラスチック粒子を浴中へ添加し、撹拌羽根４Ａより下部領域へ分散した粒子の個数を計数した。図４には、撹拌羽根下端より下部の領域に分散した粒子の個数を巻込み個数とし、移動量比ｒが０の時の巻込み個数を１とした時の巻込み個数を指数で表示する。図４に示すように移動量比ｒの絶対値が０．２５程度では巻込み個数はほとんど増加しないが、移動量比ｒの絶対値が０．５以上になると巻込み個数が２倍以上に増加した。特に第２撹拌翼４１２Ａを移動量比ｒの値が正の場合、すなわち第２撹拌翼４１２Ａの中心位置を回転方向と同じ方向に移動させた方が巻込み個数の増加量が大きいことがわかった。
【0019】
移動量比ｒの絶対値が大きくなるほど渦凹み深さが大きくなったのは、撹拌羽根４Ａの直径ｄが同じでも、羽根部分を移動させていった場合、最大外径Ｄが大きくなりこの最大外径が渦形成に寄与しているからであると考えられた。なお、最大外径Ｄは、図１（Ａ）及び図２（Ａ）に示すように、平面視において回転軸４０Ａを通って２枚の第２撹拌翼４１２Ａの端部を結ぶ直線の長さが最大となる長さである。さらに、巻込み個数つまり分散個数が増加するのも、羽根部分の移動により最大外径Ｄが大きくなり同じ回転数で生じる渦の深さが深くなることと形状の変化により粒子の巻込みが増加したことが影響すると考えられる。
【0020】
一方で、第２撹拌翼４１２Ａを正側へ移動させた場合（第２撹拌翼４１２Ａの中心位置を回転方向と同じ方向に移動させた場合）と、第２撹拌翼４１２Ａを負側へ移動させた場合（第２撹拌翼４１２Ａの中心位置を回転方向と逆の方向に移動させた場合）との違いについて粒子分散挙動を良く観察したところ、浴中の粒子は第２撹拌翼４１２Ａが突出していない側の第１撹拌翼４１１Ａの側面に当たり、側面に沿って撹拌羽根中心側から外側へ向かって移動した後、撹拌羽根４Ａの先端から離脱して浴中へ分散している様子が確認できた。第２撹拌翼４１２Ａを負側へ移動させた場合は、第２撹拌翼４１２Ａの回転軸４０側の側面と第１撹拌翼４１１Ａの側面とによって形成されるＬ字部の内側に粒子が滞留している様子が観察された。一方、第２撹拌翼４１２Ａを正側へ移動させた場合は、羽根側面を移動した粒子がスムーズに羽根端部分から剥離しており、この粒子の滞留状態の違いが分散個数の違いに繋がっていることがわかった。よって、第２撹拌翼４１２Ａは正方向へ移動させた方がより良いといえる。即ち、撹拌羽根４Ａの形状に対して、第１撹拌翼４１１Ａの回転方向が、第２撹拌翼４１２Ａの第１撹拌翼４１１Ａからの突出方向と反対になるように、撹拌羽根４Ａを回転させる方が良いといえる。また、このような形状の変化による粒子の羽根部分からの剥離挙動は移動量比ｒが＋０．５以上の撹拌羽根４Ａで顕著に確認されており、移動量比ｒが＋０．５以上において巻込み個数が増加した要因のひとつであると考えられた。
【0021】
なお、図１に示すベースとした４枚羽根の撹拌羽根４Ａと比較して、図２及び図３のように第２撹拌翼４１２Ａを移動させた撹拌羽根４Ａは、撹拌羽根全体の体積は増加しないため、処理容器に収容できる溶銑量を減少させる必要がない。また、体積の増加がないため、同じ耐火物を用いた場合には撹拌羽根４Ａの重量も増加することはなく、撹拌機の保持強度を増加させる必要も発生しない。つまり、複雑な形状とすることなく、且つ撹拌羽根４Ａの体積も重量も増加させることなく、脱硫剤の分散を促進することができ脱硫効率を向上できることがわかった。
【0022】
以下の詳細な説明では、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付し、重複する説明を省略する。各図面は模式的なものであり、現実のものとは異なる場合が含まれる。また、以下に示す実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において種々の変更を加えることができる。
【0023】
＜撹拌羽根及び溶銑の脱硫方法＞
本発明の一実施形態に係る溶銑の脱硫方法は、一例として図５に示す機械撹拌式脱硫装置を用いて行われる。図５に示す例では、溶銑を収容する処理容器として取鍋型の溶銑鍋２を使用した例を示している。処理容器の形状については、機械撹拌式脱硫装置で脱硫処理を行うことから、図５に示すような取鍋型の処理容器が最適であるが、トーピードカーにおいても使用可能である。
本発明の一実施形態に係る溶銑の脱硫方法は、一例として図５に示す機械撹拌式脱硫装置を用いて行われる。図５に示す例では、溶銑を収容する処理容器として取鍋型の溶銑鍋２を使用した例を示している。処理容器の形状については、機械撹拌式脱硫装置で脱硫処理を行うことから、図５に示すような取鍋型の処理容器が最適であるが、トーピードカーにおいても使用可能である。
【0024】
高炉から出銑された溶銑３を台車１に搭載された溶銑鍋２又はトーピードカーで受銑し、受銑した溶銑３を機械撹拌式脱硫装置に搬送する。トーピードカーで受銑した場合には、脱硫処理に先立ち、取鍋型の処理容器に移し替えることが望ましい。本実施形態に係る脱硫処理の対象となる溶銑３は、高炉や電気炉、シャフト炉で溶製された溶銑であり、どのような成分であっても構わず、例えば、予め脱珪処理や脱燐処理が施されていてもよい。脱珪処理とは、脱燐処理を効率良く行うために脱燐処理に先立ち、溶銑３に酸素ガスや鉄鉱石などの酸素源を添加して主に溶銑中のＳｉを除去する処理である。
【0025】
機械撹拌式脱硫装置は、溶銑鍋２内に収容された溶銑３に浸漬・埋没し、回転して溶銑３を撹拌するための耐火物製の撹拌羽根４を備えている。撹拌羽根４は、昇降装置（図示せず）によってほぼ鉛直方向に昇降し、且つ、駆動モータと減速機とからなる回転装置（図示せず）によって先端に撹拌羽根４が連結された軸を回転軸として回転するようになっている。また、機械撹拌式脱硫装置には、脱硫剤や脱酸源を溶銑鍋２内の溶銑３の浴面に上置き添加するための投入口６とが設置されている。また、脱硫剤を溶銑鍋２内の溶銑３に向けて上吹きして添加するための上吹きランス５が設置されていてもよい。更に、溶銑鍋２の上方位置には、集塵機（図示せず）に接続する排気ダクト口（図示せず）が備えられ、脱硫処理中に発生するガスやダストが排出されるようになっている。
【0026】
投入口６は、脱硫剤を収容するホッパー１１とホッパー１１から定量切り出すためのロータリーフィーダー１２とからなる供給装置、脱酸源を収容するホッパー１３とホッパー１３から定量切り出すためのロータリーフィーダー１４とからなる供給装置と接続しており、投入口６から、脱硫剤及び脱酸源の少なくとも一方を任意のタイミングで各々独立して調整して供給できる構造になっている。
【0027】
これと同様に、上吹きランス５は、脱硫剤を収容するホッパー７とホッパー７から定量切り出すためのロータリーフィーダー８とからなる供給装置、及び脱酸源を収容するホッパー９とホッパー９から定量切り出すためのロータリーフィーダー１０とからなる供給装置に接続されている。上吹きランス５は、搬送用ガスと共に、脱硫剤及び脱酸源の少なくとも一方を任意のタイミングで各々独立して調整して供給できる構造になっている。なお、上吹きランス５からの脱硫剤や脱酸源の供給を上吹き添加ともいう。
【0028】
脱硫剤としては、ＣａＯ系の脱硫剤のみならず、カルシウムカーバイド系の脱硫剤やソーダ系の脱硫剤、金属Ｍｇなど種々の脱硫剤を用いることができるが、安価であることから、石灰を主成分とするＣａＯ系の脱硫剤を使用することが好ましい。また、環境対策や発生するスラグの再利用が容易であることから、蛍石などのフッ素源を併用せずに、ＣａＯ系の脱硫剤のみを使用することが好ましい。ＣａＯ系の脱硫剤としては、生石灰（ＣａＯ）やドロマイト（ＭｇＣＯ３・ＣａＣＯ３）、消石灰（Ｃａ（ＯＨ）２）、石灰石（ＣａＣＯ３）などを使用することができる。
【0029】
脱酸源としては、金属Ａｌ、又はアルミ源として安価に入手できることからアルミドロス粉末を用いることが望ましい。また、アルミニウム融液をガスでアトマイズして得られるアトマイズ粉末や、アルミニウム合金を研磨、切削する際に発生する切削粉など、他のＡｌ源であってもよい。これらは、ＣａＯ系の脱硫剤とは別に、投入口６から添加されてもよく、上吹きランス５から搬送用ガスと共に溶銑３の表面へ上吹き添加されてもよい。
【0030】
機械撹拌式脱硫装置に溶銑鍋２が搬送された後、撹拌羽根４の位置が溶銑鍋２のほぼ中心になるように、溶銑鍋２を載せた台車１の位置を調整する。次いで、撹拌羽根４を下降させて溶銑３に浸漬させる。撹拌羽根４が溶銑３中に浸漬したならば、撹拌羽根４の回転を開始し、所定の回転数まで昇速する。撹拌羽根４の回転数が所定の回転数に達したならば、ロータリーフィーダー８を起動させて、ホッパー７内の脱硫剤を、投入口６や上吹きランス５から溶銑に添加する。このように、投入口６からの自然落下で脱硫剤を溶銑３に添加しても良いし、上吹きランス５から搬送用ガスと共に溶銑浴面上に吹き付けて脱硫剤を溶銑３に供給しても良いし、両者を併用しても良い。
【0031】
脱酸源の溶銑鍋２内への供給は、脱硫反応を促進させるために行われることが好ましく、脱硫剤の添加と並行して行われてもよいし、添加の前後に行われてもよいし、脱硫処理期間の全期間に行われてもよい。
所定時間の撹拌が行われたなら、撹拌羽根４の回転数を減少させ停止させる。撹拌羽根４の回転が停止したなら、撹拌羽根４を上昇させ、溶銑鍋２の上方に待機させる。生成したスラグが浮上して溶銑表面を覆い、静止した状態で溶銑３の脱硫処理が終了する。脱硫処理後、生成したスラグを溶銑鍋２内から排出し、次の精錬工程に溶銑鍋２を搬送する。
所定時間の撹拌が行われたなら、撹拌羽根４の回転数を減少させ停止させる。撹拌羽根４の回転が停止したなら、撹拌羽根４を上昇させ、溶銑鍋２の上方に待機させる。生成したスラグが浮上して溶銑表面を覆い、静止した状態で溶銑３の脱硫処理が終了する。脱硫処理後、生成したスラグを溶銑鍋２内から排出し、次の精錬工程に溶銑鍋２を搬送する。
【0032】
本実施形態では、上記の脱硫処理において、図２、図３及び図６に示す撹拌羽根４を用いる。撹拌羽根４は、上述の水モデル実験に得られた知見に基づいたものである。撹拌羽根４は、撹拌羽根４の回転軸４０から突出し、突出方向が回転軸４０に直交し且つ互いに反対方向となる２枚の第１撹拌翼４１１と、２枚の第１撹拌翼４１１からそれぞれ突出し、突出方向が第１撹拌翼４１１の突出方向及び回転軸４０に平行な方向に直交し、且つ互いに反対方向となる、２枚の第２撹拌翼４１２とを備える。なお、第１撹拌翼４１１及び第２撹拌翼４１２を総称して撹拌翼４１ともいう。
【0033】
また、第２撹拌翼４１２は、第２撹拌翼４１２のそれぞれの幅中心位置が回転軸４０の中心位置から下記（２）式を満たす距離Ｌだけ移動した位置に配設されている。（２）式におけるＬ，Ｒ，Ｔは、（１）式のものと同じである。なお、移動量比ｒの正負についても、（１）式のものと同様となる。つまり、移動量比ｒの正負は、第２撹拌翼４１２の中心位置の回転軸４０からのずれ方向（移動方向）が、回転方向と同じ場合に正となり、回転方向と逆方向になる場合に負となる。
０．５≦｜Ｌ／（Ｒ－０．５Ｔ）｜≦１ ・・・（２）
ただし、
Ｌ：回転軸４０から第２撹拌翼４１２の中心位置までの距離（ｍ）
Ｒ：第１撹拌翼４１１の長さ（ｍ）
Ｔ：第２撹拌翼４１２の幅（ｍ）
０．５≦｜Ｌ／（Ｒ－０．５Ｔ）｜≦１ ・・・（２）
ただし、
Ｌ：回転軸４０から第２撹拌翼４１２の中心位置までの距離（ｍ）
Ｒ：第１撹拌翼４１１の長さ（ｍ）
Ｔ：第２撹拌翼４１２の幅（ｍ）
【0034】
（２）式を満たすようにすることで、図４に示すグラフにおいて、移動量比ｒを＋０．５以上又は－０．５以下の範囲とすることができることから、撹拌効率が向上し、溶銑３に添加された脱硫剤の巻込みを促進させることができる。このため、高い脱硫効率を得ることができる。また、このような撹拌羽根４は、図１に示すような従来の十字形の撹拌羽根に対して、第２撹拌翼４１２の位置をずらしただけのものであり、特許文献１～３に比べて簡易な形状となることから、施工性や施工コストに優れる。さらに、使用中の形状変化も少なくなるため、長期間に渡って高い脱硫効率を維持することができる。さらに、本実施形態に係る撹拌羽根４は、図１に示すような従来の形状に対して、撹拌羽根４の直径ｄを大きくしなくとも撹拌効率の向上効果が得られ、脱硫効率を向上させることができる。
【0035】
また、従来の知見として、施工の簡易性や使用中の効果を維持するためには４枚羽根の撹拌羽根を用いることが好ましく、撹拌効率を増加させるには撹拌羽根の径を大きくしたり、回転数を増加させたりすることが効果的となる。しかし、撹拌羽根の径を大きくする場合には撹拌羽根の体積や重量が増加し、処理容器内に格納できる溶銑の容量が減少したり、撹拌羽の重量増加により回転数が低下したりするといった課題が生じる。これに対して、本実施形態では、撹拌羽根４の体積や重量の増加を抑えることができるため、大型化に伴うこれらの課題も生じない。
【0036】
さらに、本実施形態では、撹拌を行う際に、撹拌羽根４の回転方向は、第２撹拌翼４１２の第１撹拌翼４１１からの突出方向と反対となることが好ましい。このような回転方向では、移動量比ｒが正となり、図４に示すように、移動量比ｒが負の場合に比べてより高い撹拌効率を得ることができる。
なお、（２）式に示すように、移動量比ｒの絶対値は、１以下であることが好ましい。移動量比ｒの絶対値が１を超えると、第１撹拌翼４１１と第２撹拌翼４１２との接続長が短くなるので、撹拌羽根４の耐久性が低下する。特に、第２撹拌翼４１２の移動量比ｒは＋１であることがより好ましい。この場合、撹拌羽根４は、図６に示す形状と同じになり、図４に示すように最も高い撹拌効率を得ることができる。つまり、第２撹拌翼４１２は、２枚の第２撹拌翼４１２が互いに離れるように、第２撹拌翼４１２のそれぞれの幅中心位置が回転軸４０の中心位置から（３）式を満たす距離Ｌだけ移動した位置に配設されていることが好ましい。
Ｌ／（Ｒ－０．５Ｔ）＝１ ・・・（３）
なお、（２）式に示すように、移動量比ｒの絶対値は、１以下であることが好ましい。移動量比ｒの絶対値が１を超えると、第１撹拌翼４１１と第２撹拌翼４１２との接続長が短くなるので、撹拌羽根４の耐久性が低下する。特に、第２撹拌翼４１２の移動量比ｒは＋１であることがより好ましい。この場合、撹拌羽根４は、図６に示す形状と同じになり、図４に示すように最も高い撹拌効率を得ることができる。つまり、第２撹拌翼４１２は、２枚の第２撹拌翼４１２が互いに離れるように、第２撹拌翼４１２のそれぞれの幅中心位置が回転軸４０の中心位置から（３）式を満たす距離Ｌだけ移動した位置に配設されていることが好ましい。
Ｌ／（Ｒ－０．５Ｔ）＝１ ・・・（３）
【0037】
＜変形例＞
以上で、特定の実施形態を参照して本発明を説明したが、これら説明によって発明を限定することを意図するものではない。本発明の説明を参照することにより、当業者には、開示された実施形態とともに種々の変形例を含む本発明の別の実施形態も明らかである。従って、特許請求の範囲に記載された発明の実施形態には、本明細書に記載したこれらの変形例を単独または組み合わせて含む実施形態も網羅すると解すべきである。
以上で、特定の実施形態を参照して本発明を説明したが、これら説明によって発明を限定することを意図するものではない。本発明の説明を参照することにより、当業者には、開示された実施形態とともに種々の変形例を含む本発明の別の実施形態も明らかである。従って、特許請求の範囲に記載された発明の実施形態には、本明細書に記載したこれらの変形例を単独または組み合わせて含む実施形態も網羅すると解すべきである。
【0038】
例えば、上記実施形態では、図２、図３及び図６に示すように、撹拌翼４１には傾斜角度のないものを用いるとしたが、本発明はかかる例に限定されない。傾斜角度のある撹拌翼４１とは、撹拌翼４１の突出方向及び鉛直方向に直交する方向からみて、撹拌翼４１の突出方向先端の端面が鉛直方向に対して傾いている撹拌翼４１である。例えば、図７及び図８に示すように、撹拌翼４１は、撹拌羽根４の下端側になるほど、回転軸４０から突出する長さが短くなり、直径ｄが小さくなるような傾斜角度を有するものであってもよい。
【0039】
また、上記実施形態では、第１撹拌翼４１１と第２撹拌翼４１２の幅Ｔは同じであるとしたが、本発明はかかる例に限定されない。第１撹拌翼４１１と第２撹拌翼４１２の幅Ｔは異なる値としてもよく、例えば、第１撹拌翼４１１と第２撹拌翼４１２との損耗速度の違いから異なる幅Ｔに設定をしてもよい。
さらに、上記実施形態では、撹拌羽根４で撹拌させた溶銑３に脱硫剤を添加するとしたが、本発明はかかる例に限定されない。脱硫剤を溶銑３に添加するタイミングは、撹拌羽根４による溶銑３の撹拌中及び撹拌前の少なくとも一方のタイミングであればよい。
さらに、上記実施形態では、撹拌羽根４で撹拌させた溶銑３に脱硫剤を添加するとしたが、本発明はかかる例に限定されない。脱硫剤を溶銑３に添加するタイミングは、撹拌羽根４による溶銑３の撹拌中及び撹拌前の少なくとも一方のタイミングであればよい。
【実施例0040】
本発明者らが行った実施例について説明する。実施例では、脱硫剤として石灰を用い、図５に示す機械撹拌式脱硫装置で溶銑３の脱硫処理を行った。用いた溶銑３の脱硫処理前の化学成分は、Ｃ：３．５～５．０質量％、Ｓｉ：０．１～０．３質量％、Ｓ：０．０２５～０．０３５質量％、Ｐ：０．１０～０．１５質量％で、溶銑温度は１２５０～１３５０℃の範囲であった。脱硫処理は、処理容器として２５０～３５０トンの溶銑３が収納可能な溶銑鍋２を用い、処理対象の溶銑量は約３００トンとした。
【0041】
脱硫処理では、用いた脱硫剤の原単位は５．０～６．０ｋｇ／溶銑－ｔｏｎとし、脱硫撹拌時間は一定とした。また、脱酸剤として、金属アルミを、脱硫剤の添加前に溶銑中へ添加した。そして、脱硫処理が終了すると、溶銑鍋から脱硫スラグを除去し、溶銑サンプルを採取し、メタル中の硫黄濃度を分析した。
【0042】
実施例、比較例とも、撹拌羽根４は、直径ｄが１．４ｍ、羽根高さｂが０．８ｍであり、図１、図２、図３及び図６に示すように羽根に傾斜角度のないものを用いた。実施例では、撹拌羽根４の移動量比ｒが＋０．２５、＋０．５、＋１．０、－０．５、－１．０となる６種類の撹拌羽根４を用いた。撹拌羽根４の使用回数に対する出力（駆動モータの電流値）を一定とし、それぞれの撹拌羽根４でそれぞれ３００回の脱硫処理を行った。撹拌羽根の浸漬位置は処理容器の中心位置であり、撹拌羽根浸漬時（非回転状態）の静止溶銑表面からの浸漬深さは一定とした。また、比較例として、移動量比ｒが０、＋０．２５となる２種類の撹拌羽根を用いて、同様に脱硫処理を行った。
【0043】
３００回の脱硫処理の処理前及び処理後の溶銑中Ｓ濃度の平均値と脱硫率を表１に示す。なお、脱硫率は、｛（処理前Ｓ濃度）－（処理後Ｓ濃度）｝／（処理前Ｓ濃度）×１００として定義した。移動量比ｒが０の４枚羽根の撹拌羽根４を用いた場合（比較例１）と移動量比が０．２５の撹拌羽根を用いた場合（比較例２）では、脱硫率は７０％未満であったが、移動量比を±０．５以上とした場合（実施例１，２，３，４）では脱硫率は８５％以上と著しく向上しており、中でも移動量比を１とした場合（実施例４）では脱硫率が９５％以上と高位となることが確認できた。
【0044】
【表1】
【符号の説明】
【0045】
１ 台車
２ 溶銑鍋
３ 溶銑
４，４Ａ 撹拌羽根
４０，４０Ａ 回転軸
４１，４１Ａ 撹拌翼
４１１，４１１Ａ 第１撹拌翼
４１２，４１２Ａ 第２撹拌翼
５ 上吹きランス
６ 投入口
７，９，１１，１３ ホッパー
８，１０，１２,１４ ロータリーフィーダー
２ 溶銑鍋
３ 溶銑
４，４Ａ 撹拌羽根
４０，４０Ａ 回転軸
４１，４１Ａ 撹拌翼
４１１，４１１Ａ 第１撹拌翼
４１２，４１２Ａ 第２撹拌翼
５ 上吹きランス
６ 投入口
７，９，１１，１３ ホッパー
８，１０，１２,１４ ロータリーフィーダー
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】