JPH06336604A

JPH06336604A - 溶融金属精錬方法

Info

Publication number: JPH06336604A
Application number: JP5686794A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Inoue; 茂井上; Katsuhiko Murakami; 勝彦村上; Toshiyuki Kozuka; 敏之小塚
Original assignee: NKK Corp; Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1993-03-31
Filing date: 1994-03-28
Publication date: 1994-12-06

Abstract

(57)【要約】【目的】溶融金属及びスラグの共存する流れ場におい
て、電磁気力を有効に利用し、溶融金属とスラグの混合
及び分離を迅速におこない、溶融金属中の不純物を迅速
に除去する。【構成】溶融金属１及びスラグ２が共存し、溶融金属１
とスラグ２の混合工程とそれに続く分離工程とを備えた
流れ場において、磁極５より直流磁界を溶融金属１及び
スラグ２の流れに直交方向に印加し、電極３より直流電
流を溶融金属に印加し、混合工程では電磁気力を鉛直上
向きに付加し、分離工程では電磁気力を鉛直下向きに付
加し、電磁気力ＦがＦ＝α×（溶融金属密度）×（重力
加速度）にあるとき、溶融金属１とスラグ２の混合工程
ではα≧０．６、分離工程ではα≧０．４となるように
した溶融金属精錬方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は溶融金属及びスラグの流
れ場における溶融金属及びスラグの混合及び分離を改良
した方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】溶融金属及びスラグの共存する流れ場に
おいて、溶融金属中の不純物除去を行う試みは、例えば
鉄鋼精錬においても、高炉鋳床での溶銑脱珪・脱燐処理
や、連続鋳造でのタンディッシュ精錬などで試みられて
きた。溶銑脱珪・脱燐処理はフラックスを上置きする
か、又は粉体のフラックスを吹き込む方法でスラグ〜メ
タル反応を行うものであり、タンディッシュ精錬は溶鋼
中の介在物の除去を図るものが主体である。

【０００３】一方、溶融金属中の不純物除去に電磁気力
を利用する考え方に、以下のことが知られている。第12
9.130 回西山記念講座（日本鉄鋼協会発行）p.132 〜13
4 には以下の記述がある。Meyer らは商用周波数領域
で，コイルと液体金属間に、導電性材料（銅）でできた
磁気スクリーンを挿入することにより、液体金属の流動
パターンを種々変化させることが可能なことを示してい
る。又、Fautrelle らの、更に低い周波数領域での研究
では、周波数が数ヘルツ程度になると振動成分が無視で
きなくなり、機械的振動では得られないような均一なパ
ルス力を溶融金属全体に付与した状態が出現し、液体自
由表面に共振を伴った複雑な運動や、特殊な変形パター
ンが現れ、更にはスパイク状の波立ちへと変化していく
ことを示している。

【０００４】また、エリ・ア・ブェルテ著の「溶融金属
の電磁鋳込と電磁処理」（日・ソ通信社訳）によれば、
以下のような記述がある。エ・カ・コチネフ、エム・グ
・レジン及びその他らは、移動磁場により取鍋内の溶銑
を電磁撹拌し、溶銑とその表面に供給された脱硫剤（石
灰）との界面における反応速度を増加させることを試み
た。試験装置は２個の誘導子（出力各125kw)と、その間
に置かれた容量０．７トンの取鍋からなり、両誘導子の
移動磁場の移動方向は、ともに上向きか下向き、又は逆
方向にすることが可能である。研究の結果、誘導子がと
もに上向きの配置で脱硫速度は最も速く、効果的であっ
た。そして硫黄含有量が０．０６〜０．０８重量％（以
下％と記す）の銑鉄を２０〜３０分間処理して、その時
の脱硫率は６０〜６５％が得られた。この時の脱硫剤
（石灰）の使用量は銑鉄量の０．４〜０．５％である。
これらのテストに基づいて、ア・カ・セロフ記念冶金コ
ンビナートでは、５００ＫＷの出力をもつ銑鉄の半工業
用設備の建設が計画された。エ・カ・コチネフは８０〜
１００トン容量規模の取鍋における電磁撹拌法による工
業用銑鉄脱硫設備では、６〜１０KWH/ton の電力原単位
が必要としている。

【０００５】同書には、電磁誘導ポンプ（浴の深部から
溶融金属を浸出し、これを脱硫剤等のスラグレベルの上
方に投げ出す）を利用した、電磁樋による溶銑の脱硫に
ついての記載もあるが、溶融金属の撹拌条件、脱硫剤の
金属との混合条件等の基礎的な内容にとどまっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】高炉鋳床での溶銑脱珪
・脱燐処理において、フラックス上置き法では反応効率
が非常に悪く、所定の不純物レベルまで下げることが不
可能であり、又、粉体吹き込み法では反応効率は良い
が、粉体吹き込みによる温度低下や耐火物溶損、さらに
は大量の粉塵が発生するという問題がある。

【０００７】タンディッシュ精錬は溶鋼中の介在物除去
が主要な目的であり、一部で合金調整が行われているに
すぎない。その介在物除去も、溶鋼と介在物の比重差に
よるタンディッシュ内での自然浮上に頼っているのみで
あり、もちろん脱硫などのスラグ〜メタル反応は現在行
わていない。

【０００８】電磁気力を利用して、自由表面に波動を起
こすことにより、スラグ〜メタル界面積を増大させるこ
とは、反応速度向上のために有効ではあるが、その効果
はたかだか数倍に過ぎない。ロシアでの取鍋での電磁撹
拌法による脱硫処理にしても、スラグとメタルの混合が
十分でないため、２０分程度の長い処理でも脱硫率は６
０〜７０％でしかない。以上のように流れ場での金属精
錬は、重力を利用した方法も、又電磁気力を利用した方
法も、現状では迅速かつ効率良く行われているとはいい
難い。

【０００９】本発明者らは、上記の事情に鑑みて、溶融
金属中の不純物をスラグにより除去する精錬において、
電磁気力を効率良く利用して、溶融金属及びスラグの流
れ場中で、スラグとメタルを迅速に混合させ、スラグ〜
メタル間の反応速度を向上させること、及び反応後にス
ラグとメタルを迅速に分離させる方法を研究した。

【００１０】溶融金属及びスラグの共存する流れ場の横
断面（以下チャンネルと記す）を図２に示す。直流電流
はチャンネルの長手方向に、直流磁場はチャンネルを横
断する方向に印加する。電磁気力は、フレミングの法則
により鉛直方向に働き、鉛直上向きであれば溶融金属と
スラグの混合を促進する。電磁気力が重力に比して小さ
い場合には、図３に示すように溶融金属は電磁気力によ
って撹拌され、反応が促進される。電磁気力が重力を上
回った場合には、図４(b) に示すような不安定現象によ
り、溶融金属が上方に飛散される。飛散により電流が遮
断されると、電磁気力は働かなくなり、図４(a) の状態
に帰するが、再び電流が流れた瞬間に図４(b) の飛散を
繰り返し、図３の場合よりも飛躍的に反応効率を促進さ
せることが可能である。電磁気力が鉛直下向きであれ
ば、溶融金属とスラグの分離を促進する。この場合も図
５に示すような対流が生じるが、付加された電磁気力の
一部はスラグと溶融金属の見掛けの密度差を増加させる
効果を持っており、浮上分離が促進される。

【００１１】本発明は上記の知見に基づき、図４に示す
不安定現象での溶融金属とスラグの混合と、図５に示す
溶融金属とスラグの分離を、溶融金属及びスラグの共存
する流れ場に適用したもので、その目的とするところは
流れ場の溶融金属とスラグを迅速に混合・分離する方法
を提供するものである。又本方式は、電流印加により溶
融金属への加熱効果も期待できると同時に、精錬装置間
の輸送経路に設置することも可能である。

【００１２】

【課題を解決するための手段】溶融金属及びスラグの共
存する流れ場で、最初に溶融金属とスラグを撹拌混合し
て反応させる工程と、その後に溶融金属とスラグを分離
する二つの工程において、混合工程では、直流磁界を溶
融金属及びスラグの流れに直交方向に印加し、直流電流
を流れている溶融金属に、その流れと順方向又は逆方向
に印加して、フレミングの法則による電磁気力を鉛直上
向きになるように付加し、電磁気力ＦがＦ＝α×（溶融
金属密度）×（重力加速度）にあるとき、α≧０．６と
なるように電磁気力を付加して、撹拌混合を促進し、反
応速度を向上させる。分離工程では、磁界を溶融金属及
びスラグの流れに直交方向に印加し、電流を流れている
溶融金属に、その流れと順方向又は逆方向に印加して、
電磁気力を鉛直下向きになるように付加し、前記αをα
≧０．４となるように電磁気力を付加して、前工程で混
合されて懸濁した溶融金属とスラグを迅速に分離させ
る。この二つの工程を連続的かつ迅速に行うことによ
り、溶融金属中の不純物を効率的に除去する。

【００１３】

【作用】溶融金属に作用する電磁気力Ｆは次式のよう
に、電流ベクトルＪと磁場ベクトルＢの外積で表され
る。Ｆ＝Ｊ×Ｂ電流と磁場が直交する場合には次式となる。

【００１４】Ｆ＝ＪＢまた、電流印加によって発生する熱量ｑは次のとおりで
ある。ｑ＝Ｊ² ／σ ｑは単位時間、単位体積に発生する熱量で、σは電気伝
導度である。これを熱容量Ｃ_p と密度ρで割れば、１秒
間の上昇温度△Ｔが計算される。

【００１５】△Ｔ＝ｑ／ρＣ_p 溶融金属が溶鋼の場合での、電磁気力が鉛直上向き時の
電流密度と磁場の条件を図６に、電磁気力が鉛直下向き
時の電流密度と磁場の条件を図７に示す。図６、図７で
破線で示す曲線は電磁気力と重力が釣り合う条件であ
り、図６の実線で示す曲線は溶融金属とスラグの混合が
十分可能となる条件の範囲内で、図７の実線で示す曲線
は溶融金属とスラグの分離が十分可能となる条件の範囲
内である。この条件を重力に対する比をもって表せば次
のようになる。

【００１６】ＪＢ＝αρｇここでαがその有効係数、ｇは重力加速度である。図中
にはジュール熱による上昇温度を同時に示した。

【００１７】本発明において、混合工程では撹拌混合を
促進し反応速度を向上させるためにα≧０．６とし、分
離工程では懸濁した溶融金属とスラグを迅速に分離させ
るためにα≧０．４と限定した理由を以下に示す。

【００１８】本発明法による磁界、電流の配置にて、溶
融金属相として物性値が十分既知である錫を、スラグ相
としてはアルミナ系酸化物を使用し、電磁気力によるス
ラグ〜メタル間の混合・分離実験を実施した。溶融錫中
に懸濁しているアルミナ量を定量化するために、超音波
エコーによる検出器を使用した。

【００１９】混合工程における鉛直上向きの電磁気力を
付加したときのスラグ相が懸濁する様子を図８に示す。
横軸は時間、縦軸は超音波エコーの出力値から計算した
スラグ〜メタル界面積と、電磁気力を付加しない時のス
ラグ〜メタル界面積との比Ｒである。Ｒは時間経過に伴
って飽和するが、その飽和値Ｒｓは付加した電磁気力に
大きく影響されることが判る。Ｒｓと電磁気力の関係を
図９に示す。Ｒｓはα＝０．６を境にして急激に増加
し、α＝０．６が上方への飛散現象が開始する臨界点と
なっている。この結果から混合工程においてα≧０．６
とした。αが１より小さくなる理由は、電磁気力による
溶湯の攪拌とそれに伴う表面変動が電流密度を大きくす
る作用を持つためである。

【００２０】分離工程における鉛直下向きの電磁気力を
付加し、一様に懸濁したスラグ相を分離させた場合を図
１０、１１に示す。図１０に示すように、Ｒは１に漸近
しているが、その速度は電磁気力を増加することにより
大きくなっている。図１１は分離速度と電磁気力の関係
を示しているが、図１１よりαが０．４以上で分離速度
が顕著に向上していることが判る。この結果から分離工
程においてα≧０．４とした。

【００２１】一方、ある程度以上の電磁気力を付加して
もあまり効果的でない。これは図８及び図１０に示すよ
うに、電磁気力による混合及び分離の効果が、ある程度
以上の電磁気力になると飽和して、電気エネルギーの浪
費となるからである。

【００２２】

【実施例】本発明を実施例に基づき説明する。本発明に
よる直流磁場及び直流電流を高炉鋳床樋へ適用した例を
図１に示す。図１（ａ）は４本の電極３から電流を印加
した場合（実施例１）を、図１（ｂ）は２本の電極３か
ら電流を印加した場合（実施例２）を示す。耐火物６で
造られた高炉鋳床樋での溶銑通路の断面積は幅３００mm
で、高さ２００mmであり、ここを５トン／分で溶銑１が
通過する。溶銑の通過線速度は０．２ｍ／秒である。

【００２３】実施例１においては、第１と第２の電極の
間と第３と第４の電極の間に位置する桶の両側に磁極５
を設置し、流れの直交方向に上流側から見て右から左に
０．２テスラの磁界を印加する。そして４本の電極３を
流れ方向に５ｍずつ離して設置し、上流側の第１と第２
の電極間に、直流電源４から４万アンペアの電流を、上
流から下流へ通電し、電磁気力を鉛直上向きになるよう
に付加し、混合を促進する。下流側の第３と第４の電極
間には、下流から上流へ２万アンペアの電流を通電し、
電磁気力を鉛直下向きになるように付加し、分離を促進
する。この時、有効係数αの値は混合工程で２、分離工
程で１となる。

【００２４】実施例２においては、２本の電極３を流れ
方向に１５ｍ離して設置し、上流側の第１電極から下流
側の第２電極に、直流電源４から２万アンペアの電流を
流す。第１電極下流側４ｍと第２電極上流側４ｍの範囲
の桶の両側に磁極５を設置し、第１電極側の混合工程で
は流れの直交方向に上流側から見て右から左に０．１８
テスラの磁界を印加し、第２電極側の分離工程では流れ
の直交方向に上流側から見て左から右に０．１テスラの
磁界を印加し、第１電極側の混合工程では電磁気力が鉛
直上向きになるようにし、第２電極側の分離工程では電
磁気力が鉛直下向きになるようにした。有効係数αの値
は、混合工程で０．９、分離工程で０．５となる。

【００２５】溶銑脱硫用フラックス２は実施例１、実施
例２とも、ＣａＯ−ＣａＦ₂ 系を用い、第１の電極の２
ｍ上流側でキャリアガスと同時に、粉体状のフラックス
を飛散しない程度に軽く溶銑表面に吹き付けた。

【００２６】操業結果を表１に示す。比較例は、鋳床処
理で電磁気力を付加しない場合の結果を示す。実施例
１、実施例２とも９７％の高い脱硫率が得られたが、比
較例ではほとんど、脱硫反応が進行していない。電流印
加による溶銑温度上昇は比較例との比較によると、実施
例１、実施例２とも、約５℃となり、又、分離工程後の
溶銑をサンプリングしたミクロ観察では、溶銑中にスラ
グ粒滴は観察されなかった。

【００２７】現在、鉄鋼精錬工程において極低硫鋼を溶
製する場合、溶銑段階でトピードカー又は取鍋での脱硫
処理が必要であるが、本発明法により高炉鋳床樋で脱硫
処理を行うことにより、この脱硫工程を省略することに
成功した。

【００２８】本発明は上記の高炉鋳床樋での脱硫処理以
外に、高炉鋳床樋での脱珪・脱燐処理、連続鋳造でのタ
ンディッシュにおけるフラックスを用いた介在物除去及
び脱硫処理など、鉄鋼精錬工程において幾つかの流れ場
に適用可能である。又鉄鋼精錬以外でも、例えば低炭素
フェロクロム製造工程の取鍋で行われている脱珪処理を
本発明により炉鋳床樋にて迅速に行うなど、適用可能で
ある。

【００２９】

【発明の効果】本発明によれば、溶融金属及びスラグの
共存する流れ場において、直流磁場と直流電流による電
磁気力を有効に利用することにより、溶融金属とスラグ
の混合及び分離が迅速におこなわれ、その結果、溶融金
属中の不純物を迅速に除去することが可能となる。

【００３０】

【表１】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による直流磁場及び直流電流を高炉鋳床
樋へ適用した例を示す模式図で、（ａ）は４本の電極の
場合を、（ｂ）は２本の電極の場合を示す。

【図２】溶融金属及びスラグの流れ場の横断面と磁極を
示す模式図。

【図３】電磁気力付加による反応促進の考え方を示す模
式図。

【図４】電磁気力付加による不安定現象発生による混合
促進の考え方を示す模式図。

【図５】電磁気力付加による分離促進の考え方を示す模
式図。

【図６】混合促進の場合の電磁気力に及ぼす電流密度と
磁力密度の条件を示す図。

【図７】分離促進の場合の電磁気力に及ぼす電流密度と
磁力密度の条件を示す図。

【図８】スラグ〜メタルの界面積比増大に及ぼす付加す
る電磁気力の影響を示す図。

【図９】スラグ〜メタル界面積比増大の飽和値と電磁気
力の関係から混合工程におけるαを決定したことを示す
図。

【図１０】スラグとメタルの分離に及ぼす付加する電磁
気力の影響を示す図。

【図１１】スラグとメタルの分離速度と電磁気力の関係
から分離工程におけるαを決定したことを示す図。

【符号の説明】

１：溶銑、２：溶銑脱硫用フラックス、３：電極、４：
直流電源、５：磁極、６：耐火物。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｃ２２Ｃ 33/04 Ａ (72)発明者村上勝彦東京都千代田区丸の内一丁目１番２号日本鋼管株式会社内 (72)発明者小塚敏之熊本県熊本市黒髪二丁目39番１号熊本大学工学部内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】溶融金属及びスラグが共存し、溶融金属
とスラグとの混合工程とそれに続く分離工程とを備えた
流れ場において、両工程で、直流磁界を溶融金属及びス
ラグの流れに直交方向に印加し、直流電流を溶融金属に
印加して、フレミングの法則により、混合工程では電磁
気力Ｆが鉛直上向きに付加され、分離工程では電磁気力
Ｆが鉛直下向きに付加される方法であって、Ｆ（電磁気
力）＝α×（溶融金属密度）×（重力加速度）にあると
き、混合工程ではα≧０．６、分離工程ではα≧０．４
となるようにした溶融金属精錬方法。
【請求項２】溶融金属の種類を鉄又は鉄基合金とする
ことを特徴とする請求項１に記載の溶融金属精錬方法。