JP2000080419A - Smelting furnace - Google Patents

Smelting furnace

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JP2000080419A
JP2000080419A JP24760498A JP24760498A JP2000080419A JP 2000080419 A JP2000080419 A JP 2000080419A JP 24760498 A JP24760498 A JP 24760498A JP 24760498 A JP24760498 A JP 24760498A JP 2000080419 A JP2000080419 A JP 2000080419A
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Japan
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molten metal
natural frequency
standing wave
bath surface
metal bath
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JP24760498A
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Susumu Okabe
進 岡部
Fumito Tanaka
史人 田中
Naoki Horibatake
直紀 堀畑
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Original Assignee
Mitsubishi Materials Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To restrain wave motion on a molten metal bath surface without needing a large auxiliary facility and to reduce the erosion of a refractory by disposing a top-blown lance above a position apart from the node of a standing wave caused on the molten metal bath surface in a furnace by blowing wind from the top-blown lance. SOLUTION: In a smelting furnace 1 disposing a top-blown lance 2, the depth n2 (m) of a cavity formed on a molten metal bath surface caused by blowing wind from the top-blown lance 2 is obtd. by equations I and II, and a natural frequency fc (Hz) of the cavity is obtd. from this depth n2. Successively, the natural frequency (f) (Hz) of the standing wave formable on the molten metal bath surface. In this natural frequency (f), under assuming that the standing wave having the natural frequency (f) equal to 1/2 of the natural frequency fc causes on the bath surface, the top-blown lance 2 is disposed above a position apart from the node 6 of this standing wave. Then, in the equations, n1 is the depth (m) of slag, ρ1 is the density (kg/m3) of slag, ρ2 is the density (kg/m3) of crude copper and H is the height (m) of the top-blown lance from the molten metal bath surface, etc.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、上吹きランスを配
設した製錬炉に関するものである。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a smelting furnace provided with a top blowing lance.

【0002】[0002]

【従来の技術】製錬炉において、炉内に滞留された溶湯
浴による炉を構成する耐火物の侵食は、炉体の寿命を支
配する重要な要因である。この侵食は局所的に生じ、操
業条件によっては、とりわけ溶湯浴面が接するバスレベ
ル耐火物に著しい侵食が観察される。このため、該バス
レベル耐火物の侵食を抑制し、炉修間隔を延長すれば、
製錬プロセスの経済性を著しく改善することができる。
バスレベル耐火物の侵食の主な起因の一つとして、溶湯
浴面の波動がある。その浴面の波動は、耐火物組織を崩
壊せしめるという物理的損耗を加速させるのみならず、
耐火物/スラグ界面の濃度境界層を薄くし物質移動を促
進するという点で化学的熔損を加速させる要因でもあ
る。そのため、浴面の波動を抑制することは、耐火物の
侵食の抑制において重要である。
2. Description of the Related Art In a smelting furnace, erosion of refractories constituting the furnace by a molten metal bath retained in the furnace is an important factor that governs the life of the furnace body. This erosion occurs locally and, depending on the operating conditions, significant erosion is observed, especially on bath-level refractories in contact with the bath surface. Therefore, by suppressing the erosion of the bath-level refractories and extending the furnace repair interval,
The economics of the smelting process can be significantly improved.
One of the main causes of erosion of bath-level refractories is the undulation of the molten metal bath surface. The wave of the bath not only accelerates the physical wear that causes the refractory structure to collapse,
It is also a factor that accelerates chemical erosion in that it reduces the concentration boundary layer at the refractory / slag interface and promotes mass transfer. Therefore, suppressing the wave of the bath surface is important in suppressing the erosion of the refractory.

【0003】従来の製錬炉における浴面の波動の抑制が
可能な製錬炉として、例えば特開平9−176719号
をあげることができる。この製錬炉では、炉内の側壁の
溶湯浴の深さの中間高さ位置に、ガス吹込み方向と側壁
内周円の接線方向とのなす角度θが0゜<θ<90゜で
ある複数の横吹き羽口を配し、溶湯浴が持つ固有振動数
と一致するように、各横吹き羽口ごとの吹込みガス量を
周期的に制御することを特徴とする。
[0003] As a smelting furnace capable of suppressing the wave motion of the bath surface in a conventional smelting furnace, for example, JP-A-9-176719 can be mentioned. In this smelting furnace, the angle θ between the gas blowing direction and the tangential direction of the inner circumferential circle of the side wall is 0 ° <θ <90 ° at an intermediate height position of the depth of the molten bath on the side wall in the furnace. A plurality of side-blowing tuyeres are provided, and the amount of gas to be blown in each side-blowing tuyere is periodically controlled so as to match the natural frequency of the molten metal bath.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この製
錬炉では、溶湯浴の固有振動数と一致するように吹込み
ガス量を制御することが難しいこと、ガス量制御のため
の付帯設備が大がかりになること、羽口損耗のために炉
の寿命が短縮されること等の問題点がある。
However, in this smelting furnace, it is difficult to control the amount of gas to be blown so as to coincide with the natural frequency of the molten metal bath, and ancillary facilities for controlling the amount of gas are large. And the life of the furnace is shortened due to tuyere wear.

【0005】本発明は、上述した事情に鑑みてなされた
もので、大きな付帯設備を必要とせずに、浴面の波動の
抑制が可能な製錬炉を提供する事を目的とする。
The present invention has been made in view of the above-mentioned circumstances, and has as its object to provide a smelting furnace capable of suppressing a wave on a bath surface without requiring a large incidental facility.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明者は、上吹きラン
スからの送風によって発生する溶湯浴面の波動に起因し
た耐火物の損耗を抑制することを目的として、この波動
を解析してきた。そして、この波動の発生は、「上吹き
ランスの送風ガスが発生させるキャビティーの鉛直振動
が溶湯浴を加振し、キャビティー固有振動数のおよそ1/
2の周波数の定在波が浴面で発生する」というモデルに
より説明でき、発生する定在波の固有モードは予測でき
ることを明らかにした。浴面の波動(この場合、定在波
の固有モード)が予測可能になると、製錬条件とその波
動の特性(特に波高)との関係を定量的に調べることが
可能になる。
The present inventor has analyzed this wave for the purpose of suppressing the wear of refractory due to the wave of the molten metal bath surface generated by the blowing from the upper blowing lance. The generation of this wave is caused by the fact that the vertical vibration of the cavity generated by the blowing gas from the upper blowing lance excites the molten metal bath, and the natural frequency of the cavity is approximately 1 /
A standing wave with a frequency of 2 is generated on the bath surface ", and the eigenmode of the generated standing wave can be predicted. When the wave of the bath surface (in this case, the eigenmode of the standing wave) becomes predictable, it becomes possible to quantitatively examine the relationship between the smelting conditions and the characteristics of the wave (particularly, wave height).

【0007】定在波においては、浴面上のそれぞれの位
置で振幅が定まっており、例えば、節となった点では振
幅はゼロで全く揺れがないし、腹となった点ではある大
きさの振幅で最も大きく揺れる。すなわち、定在波が形
成される浴面上の各点は、定在波において等価ではな
い。そのため、同じ量のガスを上吹きランスから吹き付
けるにしても、浴面上の異なる点では波動に与える影響
は異なること、すなわち、上吹きランスの配置位置は発
生する波動に影響を与えることが推察され、本発明者
は、定在波の節から離れた位置の上方に上吹きランスを
配設すると、波動の波高が低減されることを見い出した
のである。
[0007] In the standing wave, the amplitude is determined at each position on the bath surface. For example, the amplitude is zero at nodal points and there is no swaying, and at the antinode points a certain amount of amplitude. The largest swing in amplitude. That is, the points on the bath surface where the standing wave is formed are not equivalent in the standing wave. Therefore, even if the same amount of gas is blown from the upper blowing lance, it is presumed that the influence on the wave is different at different points on the bath surface, that is, the arrangement position of the upper blowing lance affects the generated wave. The inventor of the present invention has found that the wave height of the wave is reduced by disposing the upper blowing lance above a position away from the node of the standing wave.

【0008】上記目的を達成するための本発明は、以下
の構成を採用した。請求項1に記載の製錬炉は、上吹き
ランスを配設した製錬炉であって、該炉内に収容された
溶湯浴面に前記上吹きランスからの送風により発生する
定在波の節から離れた位置の上方に上吹きランスを配設
したことを特徴とする。
The present invention for achieving the above object employs the following constitution. The smelting furnace according to claim 1 is a smelting furnace provided with an upper blowing lance, wherein a standing wave generated by blowing air from the upper blowing lance to a molten metal bath surface accommodated in the furnace. An upper blowing lance is disposed above a position away from the node.

【0009】請求項2に記載の製錬炉は、請求項1に記
載の製錬炉であって、少なくとも、前記定在波の節に、
前記送風によって溶湯浴面に形成されるキャビティーの
外周が交わらない位置の上方に上吹きランスを配設した
ことを特徴とする。
A smelting furnace according to a second aspect is the smelting furnace according to the first aspect, wherein at least a node of the standing wave includes:
An upper blowing lance is arranged above a position where the outer circumference of a cavity formed on the molten metal bath surface by the blowing does not intersect.

【0010】請求項3に記載の製錬炉は、上吹きランス
を配設した製錬炉であって、下記(5)式により、前記
上吹きランスからの送風に起因して溶湯浴面に形成され
るキャビティーの深さn2(m) を求め、該キャビティー
深さを下記(7)式に代入して該キャビティーの固有振
動数fc(Hz)を求め、下記(8)式によって、溶湯浴面
に形成可能な定在波の固有振動数f(Hz)を求め、求めら
れた固有振動数f(Hz)のうち、前記固有振動数fc(Hz)
の 1/2 に等しい固有振動数f(Hz)を有する定在波の節
から離れた位置の上方に上吹きランスを配設したことを
特徴とする。
The smelting furnace according to claim 3 is a smelting furnace provided with an upper blowing lance, wherein the smelting furnace is provided on the surface of the molten metal bath by the blowing from the upper blowing lance according to the following equation (5). The depth n 2 (m) of the cavity to be formed is obtained, and the natural frequency f c (Hz) of the cavity is obtained by substituting the depth of the cavity into the following equation (7). By the formula, the natural frequency f (Hz) of the standing wave that can be formed on the molten metal bath surface is obtained, and among the obtained natural frequencies f (Hz), the natural frequency f c (Hz)
An upper blowing lance is provided above a position away from a node of a standing wave having a natural frequency f (Hz) equal to 1/2 of the above.

【数5】 (Equation 5)

【数6】 (Equation 6)

【数7】 (Equation 7)

【数8】 ただし、 n1 : スラグ深さ (m) n2 : キャビティー深さ (m) ρ1 : スラグ密度 (kg/ m3)、 ρ2 : 粗銅密度 (kg/ m3)、 γ2 : γ=gρl (kg/ s2m2) H : 上吹きランスの溶湯浴面からの距離 (m) M : 送風ガスの運動量輸送率 (N) β* = 125 fc : キャビティーの固有振動数 (Hz) g : 重力加速度 b : 1.7 ≦ b ≦ 2.4 f : 溶湯浴面に形成可能な定在波の固有振動数 (Hz) jmn : Bessel関数Jm(x)を、xを0から正の方向に変化
させた場合に n 回目にdJm(x)/dx = 0になるときのxの
値 h : 溶湯浴の深さ (m) R : 溶湯浴の半径 (m)
(Equation 8) Where n 1 : slag depth (m) n 2 : cavity depth (m) ρ 1 : slag density (kg / m 3 ), ρ 2 : blister copper density (kg / m 3 ), γ 2 : γ = gρ l (kg / s 2 m 2) H: distance from the molten metal bath surface of the top-blown lance (m) M: momentum transfer rate of blowing gas (N) β * = 125 f c: the natural frequency of the cavity ( Hz) g: Gravitational acceleration b: 1.7 ≦ b ≦ 2.4 f: Natural frequency of standing wave that can be formed on the molten metal bath surface (Hz) j mn : Bessel function J m (x), x from 0 to positive The value of x when dJ m (x) / dx = 0 at the n-th time when it is changed in the direction h: depth of the molten bath (m) R: radius of the molten bath (m)

【0011】[0011]

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る製錬炉の実施
形態について、図面を参照して説明する。
Embodiments of a smelting furnace according to the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0012】図1において、符号1は製錬炉である。製
錬炉1は、炉内へガスを供給する上吹きランス2を備え
ている。上吹きランス2の下方には、溶湯浴3が滞留し
ており、上吹きランス2は、その下端から、溶湯浴3の
浴面3aからの距離が4になるように炉内に配置されて
いる。炉内で溶湯浴3の浴面3aに接するのは、耐火煉
瓦製のバスライン煉瓦(耐火物)5である。
In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a smelting furnace. The smelting furnace 1 includes an upper blowing lance 2 for supplying gas into the furnace. The molten metal bath 3 stays below the upper blowing lance 2, and the upper blowing lance 2 is arranged in the furnace such that the distance from the lower end of the molten metal bath 3 to the bath surface 3 a is 4. I have. A bath line brick (refractory) 5 made of refractory bricks is in contact with the bath surface 3a of the molten metal bath 3 in the furnace.

【0013】図2は、X−X線矢視図である。破線は、
炉内の溶湯浴3の浴面3aに形成可能な定在波のうちの
一つの定在波の節6を示している。図2に示されている
ように、上吹きランス2は、その節6から離れた位置の
上方に配置している。
FIG. 2 is a view taken along the line XX. The dashed line
FIG. 5 shows a standing wave node 6 of one of the standing waves that can be formed on the bath surface 3a of the molten metal bath 3 in the furnace. As shown in FIG. 2, the upper blowing lance 2 is disposed above a position away from the node 6.

【0014】発生する定在波の固有モードは理論的に予
測でき、節6の位置は、溶湯浴3の対称性による任意性
を除いて、一意に定まる。この定在波の予測の理論およ
びそれを検証した水浴模型実験を以下に詳述する。
The eigenmode of the generated standing wave can be theoretically predicted, and the position of the node 6 is uniquely determined except for the arbitrariness due to the symmetry of the molten metal bath 3. The theory of prediction of this standing wave and the water bath model experiment that verified it will be described in detail below.

【0015】図3は、水浴模型実験で使用した装置であ
る。直径1.5(m)の平底円筒容器11に、深さ40(cm)の水
12を満たし、静水面から30(cm)の高さに内径11.7(mm)
の上吹きランス13、13を配置した。静水面からの波
の高さ(波高)の計測のため、側壁近傍に容量式波高計
14を配置した。容量式波高計14からの出力の処理系
として、増幅器15、A/D変換器16、およびコンピ
ュータ17を配置した。
FIG. 3 shows an apparatus used in a water bath model experiment. A flat-bottomed cylindrical container 11 having a diameter of 1.5 (m) is filled with water 12 having a depth of 40 (cm), and the inner diameter is 11.7 (mm) at a height of 30 (cm) from the still water surface.
Lances 13 and 13 are arranged. In order to measure the wave height (wave height) from the still water surface, a capacitive wave height meter 14 was arranged near the side wall. An amplifier 15, an A / D converter 16, and a computer 17 were arranged as a processing system for the output from the capacitive wavemeter 14.

【0016】上記の構成の実験装置において、容量式波
高計14により浴面の波高の経時変化が計測される。こ
の経時変化は不規則な上下動の波動であるが、この不規
則波は、コンピュータ17によって高速フーリエ変換
(FFT)が施されて正弦波の和に分解され、周波数スペ
クトルが得られる。実験によって得られる周波数スペク
トルには、他と比べて著しく高いピークの周波数が1つ
存在する。上吹きランスの配置を変化させずに送風量の
みを変化させると、周波数スペクトルに現れるこのピー
クの位置する周波数とその高さ(ピーク高さ)とが変化
する。ピーク高さの変化は波高の増減をあらわし、ピー
クの位置する周波数の変化は浴の揺れ方が変化したこと
をあらわしている。図4(b)は、送風量とピーク高さ
の関係を表すグラフである。図中のプロットは、波動が
減衰する遷移境界をはさんで3つの段階に分類できる。
ピーク高さは送風量の増大に伴い段階的に増加し、か
つ、各段階の境界においてピーク高さは一度減少してい
る。ピーク高さの段階的増加は、波高の目視による観察
結果とよく一致する。また、図4(b)と同一スペクト
ルにつき、対応する各ピークの周波数を図4(a)にプ
ロットした。3つの段階に属するピークは、それぞれ同
一周波数に位置することがわかる。図中破線は、前記
(8)式(I.G.Currie : FundamentalMechanics of Fl
uids 2/e. , (1993), 201, McGraw-Hill)から算出して
得られる異なるモードの固有振動数を示しており、ピー
クが位置する周波数と一致している。また、前記(8)
式により求めた固有振動数をもとに計算した浴の波形
と、目視によって観測された浴の揺れ方とはよく一致し
た。したがって、上吹きランスにより発生した浴面の波
動は、近似的に、浴面の固有振動による定在波とみなせ
る。
In the experimental apparatus having the above-described configuration, the change in the wave height of the bath surface with time is measured by the capacitance type wave height meter 14. The temporal change is an irregular vertical wave, and the irregular wave is subjected to a fast Fourier transform (FFT) by the computer 17 and is decomposed into a sum of sinusoidal waves to obtain a frequency spectrum. The frequency spectrum obtained by the experiment has one peak frequency which is significantly higher than the others. If only the air blowing amount is changed without changing the arrangement of the upper blowing lance, the frequency at which this peak appears in the frequency spectrum and its height (peak height) change. A change in the peak height indicates an increase or decrease in the wave height, and a change in the frequency at which the peak is located indicates that the manner of swaying of the bath has changed. FIG. 4B is a graph showing the relationship between the amount of air flow and the peak height. The plot in the figure can be classified into three stages with the transition boundary where the wave attenuates.
The peak height increases stepwise with an increase in the air volume, and the peak height once decreases at the boundary of each step. The gradual increase in peak height is in good agreement with the visual observation of wave height. The frequency of each corresponding peak for the same spectrum as in FIG. 4B is plotted in FIG. It can be seen that the peaks belonging to the three stages are located at the same frequency. The broken line in the figure indicates the above equation (8) (IGCurrie: FundamentalMechanics of Fl
uids 2 / e., (1993), 201, McGraw-Hill. The above (8)
The waveform of the bath calculated based on the natural frequency obtained by the equation was in good agreement with the way the bath swayed visually. Therefore, the wave on the bath surface generated by the upper blowing lance can be approximately regarded as a standing wave due to the natural vibration of the bath surface.

【0017】次に、この定在波の発生の起源について述
べる。任意形状の液体貯槽を鉛直方向に加振すると、加
振振動数の約1/2の周波数で浴面が揺れることが知られ
ている。そこで、溶湯浴面で発生する波動も等価な現象
ととらえて、「上吹きランスの送風ガスが形成するキャ
ビティーの鉛直振動が浴を加振して、キャビティー固有
振動数のおよそ1/2の周波数の定在波が浴面で発生す
る」と仮定し、まずキャビティーの振動のモデルをたて
た。振動しているキャビティーの鉛直方向の時間平均位
置を安定平衡位置とし、キャビティーをこの安定平衡位
置における浮力と釣り合う質量の質点とみなす。このと
き、安定平衡位置におけるキャビティー深さn2(m)のず
れに対する復元力として浮力を考慮すると、キャビティ
ーの鉛直振動は質点の単振動とみなすことができる。そ
こで、この単振動の運動方程式をたて、キャビティー形
状を回転放物面として、この運動方程式を近似的に解く
と、キャビティーの固有振動数fcをあらわす前記
(7)式が得られる。この(7)式から、fcは、キャ
ビティー深さn2のみで定まることがわかる。ただし、
キャビティー深さn2は、以下に示すBanks et al.の式
(J. Fluid. Mech., 15, 13〜34, (1963))にβ* = 125
を代入して求めた。
Next, the origin of the standing wave will be described. It is known that when a liquid storage tank having an arbitrary shape is vibrated in the vertical direction, the bath surface shakes at a frequency of about 1/2 of the vibration frequency. Therefore, we consider the wave generated on the molten metal bath surface to be an equivalent phenomenon. "The vertical vibration of the cavity formed by the blowing gas from the top blowing lance excites the bath, and it is about 1/2 of the natural frequency of the cavity. A standing wave with a frequency of で is generated on the bath surface. ' The vertical time-average position of the oscillating cavity is defined as a stable equilibrium position, and the cavity is regarded as a mass point of mass that balances buoyancy at this stable equilibrium position. At this time, when buoyancy is considered as a restoring force for the deviation of the cavity depth n 2 (m) at the stable equilibrium position, the vertical vibration of the cavity can be regarded as a simple vibration of the mass point. Therefore, vertical motion equation of the simple harmonic oscillation, as paraboloid release rotate a cavity shape, Solving this equation of motion approximates, said representing the natural frequency f c of the cavity (7) is obtained . From this equation (7), it can be seen that f c is determined only by the cavity depth n 2 . However,
Cavity depth and n 2, Banks et al. Equation shown below (J. Fluid. Mech., 15 , 13~34, (1963)) to beta * = 125
Was determined.

【数9】 ただし、 n2 : キャビティー深さ (m) γ : γ=gρ0 (kg/ s2m2) ρ0 : 浴の密度 (kg/ m3)、 (前述と同じ記号は、同一の物理量を示す。)(Equation 9) Where n 2 : cavity depth (m) γ: γ = gρ 0 (kg / s 2 m 2 ) ρ 0 : bath density (kg / m 3 ), (the same symbol as above means the same physical quantity Shown.)

【0018】図5は、単一上吹きランスで送風した場合
に、各固有振動の発生が観測された最小のキャビティー
深さn0と定在波の固有振動数の関係をあらわす。図中
の2本の曲線に囲まれた領域は、前記(7)式で、bを
伊藤らにならい(鉄と鋼,55, 1164〜1175)、1.7≦b
≦2.4の間で変化させた場合のキャビティーの固有振動
数fcの1/2の曲線群の範囲をあらわす。図中のプロット
と、2本の曲線で囲まれた領域とはよく一致しており、
上吹きランスの送風ガスによって発生する浴面の波動
は、キャビティーの固有振動数の1/2で振動することが
実証された。また、上吹きランス2本の場合や、重液
(CH2Br2)を浴とした場合にも、この振動の規則が
成立することを確認した。こうして、上吹きランスの送
風ガスによって浴面に定在波が発生する現象は、その送
風ガスが形成するキャビティーの振動に起因するという
モデルによって説明できることが明らかになった。
FIG. 5 shows the relationship between the minimum cavity depth n 0 at which generation of each natural vibration is observed and the natural frequency of a standing wave when air is blown by a single top blowing lance. In the area surrounded by the two curves in the figure, in equation (7), b is similar to that of Ito et al. (Iron and steel, 55, 1164-1175), and 1.7 ≦ b
It represents a range of 1/2 of the curves of natural frequency f c of the cavity when changing between ≦ 2.4. The plot in the figure and the area surrounded by the two curves are in good agreement,
It was proved that the wave on the bath surface generated by the blowing gas from the top lance vibrated at half the natural frequency of the cavity. It was also confirmed that this vibration rule was satisfied when two lances were blown or when a heavy liquid (CH 2 Br 2 ) was used as a bath. Thus, it has been clarified that the phenomenon that the standing wave is generated on the bath surface by the blowing gas of the upper blowing lance can be explained by a model that is caused by the vibration of the cavity formed by the blowing gas.

【0019】上記の実験は全て単一液相浴における実験
データに基づいて議論したが、実炉はスラグ−粗銅の2
液相浴であるため、キャビティー深さが前記(9)式で
表現できない。そこで、発明者らは、2液相浴における
キャビティー深さの予測式を送風ガスの運動量収支式に
より求め、前記(1)式と(2)式(前記(5)式と
(6)式)を得た。
Although all of the above experiments were discussed based on experimental data in a single liquid phase bath, the actual furnace was slag-blended copper.
Since it is a liquid phase bath, the cavity depth cannot be expressed by the above equation (9). Therefore, the inventors obtained a formula for estimating the cavity depth in the two liquid phase bath by the momentum balance formula of the blown gas, and obtained the formulas (1) and (2) (the formulas (5) and (6)). ) Got.

【0020】これまでに論じてきた上吹きランスの送風
ガスにより発生する浴面の波動の理論を直島製錬所三菱
連続製銅プロセスC炉に適用し、モデルの妥当性を検証
した。図6は、そのC炉における定在波発生の予測を示
す図である。内径8.05(m)、深さ1.0(m)の平底円柱形状
とみなした浴の固有振動数を、3種類の基準振動モード
とそれらの高調波につき計算し、振動の次数ごとに水平
の帯状に表示した。また、前記(7)式で計算される個
々の深さのキャビティーが持つ固有振動数の1/2を右下
がりの帯状に示した。上吹きランス出口におけるガス温
度を20〜100(℃)とみなし、4B上吹きランスから56.1(Nm
3/min)の空気を吹いた際に、スラグ層厚15 (cm)の浴に
形成されるキャビティー深さは 21〜23 (cm)と計算され
る。このキャビティー深さの予測範囲を図中に垂直の帯
状に重ねて記すと、これらの3種類の帯の交点から、実
炉内には3次の高調波が発生していることが予測され
る。3次の高調波群は0.71〜0.79(Hz)の周波数を占めて
いる。一方、炉においてスラグのオーバーフローを観測
し、その脈流の周期から、炉内の定在波の周波数を算出
した。観測は収録したビデオ画像をもとに行った。その
結果、脈流の平均周期は 1.38(sec)(22回平均値)とな
り、定在波の周波数が0.72(Hz)であることがわかった。
この値は、先に示した予測値の範囲内にあり、上記理論
が実炉に適用できることが確認された。
The theory of the wave motion of the bath surface generated by the blowing gas of the top blowing lance, which has been discussed so far, was applied to the Naoshima Smelter Mitsubishi continuous copper process C furnace, and the validity of the model was verified. FIG. 6 is a diagram showing prediction of standing wave generation in the C furnace. Calculate the natural frequency of the bath assuming a flat-bottom cylindrical shape with an inner diameter of 8.05 (m) and a depth of 1.0 (m) for three types of normal vibration modes and their harmonics, and form a horizontal band for each vibration order displayed. In addition, 1/2 of the natural frequency of the cavity of each depth calculated by the above equation (7) is shown in a downward-sloping band shape. The gas temperature at the outlet of the upper blowing lance is assumed to be 20 to 100 (° C), and 56.1 (Nm
The depth of a cavity formed in a bath with a slag layer thickness of 15 (cm) when blowing air at 3 / min) is calculated to be 21 to 23 (cm). When the predicted range of the cavity depth is superimposed on a vertical band in the figure, it is predicted from the intersection of these three types of bands that the third harmonic is generated in the actual furnace. You. The third harmonic group occupies a frequency of 0.71 to 0.79 (Hz). On the other hand, slag overflow was observed in the furnace, and the frequency of the standing wave in the furnace was calculated from the period of the pulsating flow. The observation was based on the recorded video images. As a result, it was found that the average period of the pulsating flow was 1.38 (sec) (average value of 22 times), and the frequency of the standing wave was 0.72 (Hz).
This value was within the range of the predicted value shown above, and it was confirmed that the above theory can be applied to an actual furnace.

【0021】上述のように、上吹きランスの送風ガスに
よって浴面に発生する定在波の固有モードは、理論的に
予測できる。浴面の波動(この場合、定在波の固有モー
ド)が予測できるようになると、製錬条件とその波動の
特性(特に、波高)との関係が定量的に調べることが可
能になる。前述したように、浴面に発生する波動の波高
が大きいほど炉体の耐火物の損耗が大きいので、この波
高を低減することが重要である。そこで、本発明者は、
次には、定在波で近似できる波動の波高と、密接に関係
するパラメータを調査した。そのパラメータを操作する
ことにより、波高を低減するためである。
As described above, the eigenmode of the standing wave generated on the bath surface by the blowing gas of the upper blowing lance can be theoretically predicted. When the wave of the bath surface (in this case, the eigenmode of the standing wave) can be predicted, the relationship between the smelting conditions and the characteristics of the wave (particularly, wave height) can be quantitatively examined. As described above, the larger the wave height of the wave generated on the bath surface, the greater the wear of the refractory of the furnace body. Therefore, it is important to reduce the wave height. Therefore, the present inventor
Next, the wave height of the wave that can be approximated by the standing wave and the parameters closely related were investigated. By manipulating the parameters, the wave height is reduced.

【0022】定在波においては、浴面上のそれぞれの位
置で振幅が定まっており、例えば、節となった点では振
幅はゼロで全く揺れがないし、腹となった点では振幅は
ある最大値で最も大きく揺れる。このように、定在波が
形成される浴面上の各点は等価ではないので、浴面にダ
イレクトにガスを吹き付ける上吹きランスの配置は、発
生する定在波に大きな影響を与えることが推察される。
そこで、本発明者は、上吹きランスの配設位置と波高の
関係を調べた。
In the standing wave, the amplitude is determined at each position on the bath surface. For example, the amplitude is zero at nodal points and there is no shaking, and the amplitude at the antinodes is a certain maximum. The value fluctuates the most. Thus, since each point on the bath surface where the standing wave is formed is not equivalent, the arrangement of the upper blowing lance that blows gas directly to the bath surface may have a great effect on the generated standing wave. Inferred.
Then, the inventor examined the relationship between the arrangement position of the upper blowing lance and the wave height.

【0023】直径1.5(m)の平底円筒容器に、深さ40(cm)
の水を満たした水浴に、静水面から30(cm)の高さに内径
11.7(mm)の上吹きランス13の配置を、図7(a)、
(b)、(c)に示すように、それぞれ2本とも節6の
上方に配置した場合、1本を節6の上方に配置し、他方
を節6の上方から離れた位置に配置した場合、2本とも
節6の上方から離れた位置に配置した場合の3通りにつ
いて、2本の上吹きランスを用いてガス流量を制御し
て、図7のように同心円状の節が生ずる定在波を発生す
るようにして、上吹きランス13の配置位置と波動の波
高との関係を調べた。その結果が図8である。図8にお
いて、縦軸は波高、横軸は単一上吹きランスからのガス
流量である。この実験例から、上吹きランスの本数が同
一であっても、節の上方に配置した上吹きランスの本数
が少ない方が波高が低いことがわかった。
In a flat-bottomed cylindrical container having a diameter of 1.5 (m), a depth of 40 (cm)
In a water bath filled with water of 30 cm in height from the still water surface
The arrangement of the upper blowing lance 13 of 11.7 (mm) is shown in FIG.
(B) As shown in (c), when both are arranged above the joint 6, one is arranged above the joint 6, and the other is arranged at a position apart from above the joint 6. In the three cases where both are arranged at positions away from above the node 6, the gas flow rate is controlled using two upper blowing lances, and a concentric node as shown in FIG. The relationship between the position of the upper blowing lance 13 and the wave height of the wave was examined so as to generate a wave. FIG. 8 shows the result. In FIG. 8, the vertical axis represents the wave height, and the horizontal axis represents the gas flow rate from the single upper blowing lance. From this experimental example, it was found that even when the number of upper blowing lances was the same, the wave height was lower when the number of upper blowing lances arranged above the node was smaller.

【0024】図9は、上記実験と同様な条件で、1本の
上吹きランスを用いた場合で、図9の破線で示すように
直径が節になる定在波(2次の高調波)を発生するよう
にした場合で、図中で、aは節である直径の上方に上吹
きランスを配置した場合で、bは直径に対して垂直に15
(cm)離れた位置の上方に上吹きランスを配置した場合で
ある。図10は、図9のそれぞれの上吹きランスの配置
位置に対して、送風量と波動の波高との関係を調べた結
果である。この実験例から、波高は、上吹きランスを節
から離れた位置の上方に配置した場合の方が低いことが
検証された。
FIG. 9 shows a case where a single upper-blowing lance is used under the same conditions as in the above experiment. A standing wave (second-order harmonic) having a node as shown by a broken line in FIG. In the figure, a is a case where the upper blowing lance is arranged above the diameter of the node, and b is 15 mm perpendicular to the diameter.
(cm) This is a case in which the upper blowing lance is arranged above the distant position. FIG. 10 shows the result of examining the relationship between the amount of air blown and the wave height of the wave with respect to the arrangement position of the upper blowing lance in FIG. 9. From this experimental example, it was verified that the wave height was lower when the upper blowing lance was disposed above a position away from the node.

【0025】次に実炉に対して、波高の上吹きランスの
配置位置に対する効果を調べた。図11に示すように、
キャスタブル耐火物で内張りした直径1.5(m)、深さ20(c
m)の溶融粗銅浴上に、静浴面から15(cm)の高さに上吹き
ランス2を8本を2通りに配置した。すなわち、図11
(a)は節6および節6近傍の上方に配置した場合、図
11(b)は全て節6の上方から離れた位置に配置した
場合である。そして、図のように節6を有する定在波が
発生するように送風を行った。300 時間送風後の側面耐
火物の侵食深さは、図11(a)の場合が 5(mm)、図1
1(b)の場合が 3(mm)であった。実炉において、上吹
きランス2は節6からより離れた位置の上方に配置した
方が、侵食が小さいことが実証された。
Next, the effect of the wave height on the arrangement position of the upper blowing lance in the actual furnace was examined. As shown in FIG.
1.5 (m) diameter, 20 (c) depth lined with castable refractories
On top of the molten blister copper bath m), eight top blowing lances 2 were arranged in two ways at a height of 15 cm from the static bath surface. That is, FIG.
11A shows a case where the antenna is arranged above the node 6 and the vicinity of the node 6, and FIG. Then, air was blown so as to generate a standing wave having a node 6 as shown in the figure. The erosion depth of the refractory after blowing for 300 hours was 5 (mm) in the case of FIG.
In the case of 1 (b), it was 3 (mm). In the actual furnace, it has been proved that the erosion is smaller when the upper blowing lance 2 is disposed at a position farther from the node 6.

【0026】[0026]

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明に係
る製錬炉によれば、上吹きランスからの送風により溶湯
浴面に発生する定在波の節から離れた位置の上方に上吹
きランスを配設したので、大きな付帯設備を必要とせず
に、溶湯浴面の波動の抑制できるという効果が得られ
る。その結果、バスライン煉瓦(耐火物)の侵食を低減
することができ、炉の寿命を延長できるという効果が得
られる。
As described above in detail, according to the smelting furnace according to the present invention, the smelting furnace according to the present invention rises above the position distant from the node of the standing wave generated on the molten metal bath surface by the blowing from the upper blowing lance. Since the blowing lance is provided, it is possible to obtain an effect that the wave of the molten metal bath surface can be suppressed without requiring a large incidental facility. As a result, it is possible to reduce the erosion of the bus line brick (refractory), and to obtain the effect of extending the life of the furnace.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 本発明に係る製錬炉の一実施形態を示す概略
構成図である。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing one embodiment of a smelting furnace according to the present invention.

【図2】 図1におけるX−X線矢視図である。FIG. 2 is a view taken along line XX in FIG.

【図3】 水浴模型実験で使用した装置の概略構成図で
ある。
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of an apparatus used in a water bath model experiment.

【図4】 (a)送風量と発生した波動の周波数スペク
トルのピーク周波数の関係を示すグラフである。(b)
送風量と周波数スペクトルのピーク周波数におけるピー
ク高さの関係を示すグラフである。
FIG. 4A is a graph showing a relationship between an amount of air blown and a peak frequency of a frequency spectrum of a generated wave. (B)
It is a graph which shows the relationship between the amount of ventilation and the peak height in the peak frequency of a frequency spectrum.

【図5】 各固有振動数で観測された最小のキャビティ
ー深さを示す図である。2本の曲線は、キャビティーの
固有振動数の1/2を示す。
FIG. 5 is a diagram showing the minimum cavity depth observed at each natural frequency. The two curves show half the natural frequency of the cavity.

【図6】 直島製錬所C炉において発生する定在波の固
有モードを予測するための図である。
FIG. 6 is a diagram for predicting an eigenmode of a standing wave generated in the Naoshima Smelter C furnace.

【図7】 2本の上吹きランスの配置位置を示す図であ
る。(a)2本とも節の上方に配置した場合、(b)1
本を節の上方に配置し、他方を節から離れた位置の上方
に配置した場合、(c)2本とも節から離れた位置の上
方に配置した場合、である。
FIG. 7 is a view showing an arrangement position of two upper blowing lances. (A) When both are arranged above the node, (b) 1
The case where the book is arranged above the node and the other is arranged above the position away from the node, and (c) the case where both books are arranged above the position away from the node.

【図8】 図7の上吹きランスの各配置について、送風
量と発生する定在波の波高の関係を示すグラフである。
8 is a graph showing the relationship between the amount of air blown and the wave height of a standing wave generated for each arrangement of the upper blowing lances in FIG. 7;

【図9】 1本の上吹きランスの配置位置を示す図であ
る。
FIG. 9 is a view showing an arrangement position of one upper blowing lance.

【図10】 図11の上吹きランスの各配置について、
送風量と発生する定在波の波高の関係を示すグラフであ
る。
FIG. 10 shows each arrangement of the upper blowing lance in FIG.
It is a graph which shows the relationship between the amount of ventilation and the wave height of the standing wave which generate | occur | produces.

【図11】 8本の上吹きランスの配置位置を示す図で
ある。(a)節および節近傍の上方に配置した場合、
(b)は全て節から離れた位置の上方に配置した場合、
である。
FIG. 11 is a diagram showing the arrangement positions of eight upper blowing lances. (A) When placed above a knot and near the knot,
(B) when all are arranged above the position away from the node,
It is.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 製錬炉 2 上吹きランス 3 溶湯浴 6 (定在波の)節 13 上吹きランス DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Smelting furnace 2 Top blowing lance 3 Molten bath 6 Node (of standing wave) 13 Top blowing lance

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 堀畑 直紀 埼玉県大宮市北袋町1丁目297番地 三菱 マテリアル株式会社総合研究所内 Fターム(参考) 4K001 AA09 DA01 GB03  ────────────────────────────────────────────────── ─── Continued on the front page (72) Inventor Naoki Horihata 1-297 Kitabukuro-cho, Omiya-shi, Saitama F-term in Mitsubishi Materials Corporation Research Laboratory (reference) 4K001 AA09 DA01 GB03

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 上吹きランスを配設した製錬炉であっ
て、 該炉内に収容された溶湯浴面に前記上吹きランスからの
送風により発生する定在波の節から離れた位置の上方に
上吹きランスを配設したことを特徴とする製錬炉。
1. A smelting furnace provided with an upper blowing lance, wherein the smelting furnace is located at a position distant from a node of a standing wave generated by blowing air from the upper blowing lance on a surface of a molten metal bath accommodated in the furnace. A smelting furnace having an upper blow lance disposed above.
【請求項2】 請求項1に記載の製錬炉であって、 少なくとも、前記定在波の節に、前記送風によって溶湯
浴面に形成されるキャビティーの外周が交わらない位置
の上方に上吹きランスを配設したことを特徴とする製錬
炉。
2. The smelting furnace according to claim 1, wherein at least a node of the standing wave does not cross an outer periphery of a cavity formed on a molten metal bath surface by the blowing air. A smelting furnace provided with a blowing lance.
【請求項3】 上吹きランスを配設した製錬炉であっ
て、 下記(1)式により、前記上吹きランスからの送風に起
因して溶湯浴面に形成されるキャビティーの深さn2(m)
を求め、該キャビティー深さを下記(3)式に代入して
該キャビティーの固有振動数fc(Hz)を求め、 下記(4)式によって、溶湯浴面に形成可能な定在波の
固有振動数f(Hz)を求め、求められた固有振動数f(Hz)
のうち、前記固有振動数fc(Hz)の1/2に等しい固有振動
数f(Hz)を有する定在波の節から離れた位置の上方に上
吹きランスを配設したことを特徴とする製錬炉。 【数1】 【数2】 【数3】 【数4】 ただし、 n1 : スラグ深さ (m) n2 : キャビティー深さ (m) ρ1 : スラグ密度 (kg/m3)、 ρ2 : 粗銅密度 (kg/m3)、 γ2 : γ2=gρl (kg/s2m2) g : 重力加速度 H : 上吹きランスの溶湯浴面からの距離 (m) M : 送風ガスの運動量輸送率 (N) β* = 125 fc : キャビティーの固有振動数 (Hz) b : 1.7 ≦ b ≦ 2.4 f : 溶湯浴面に形成可能な定在波の固有振動数 (Hz) jmn : Bessel関数Jm(x)を、xを0から正の方向に変化
させた場合に n 回目にdJm(x)/dx = 0になるときのxの
値 h : 溶湯浴の深さ (m) R : 溶湯浴の半径 (m)
3. A smelting furnace provided with an upper blowing lance, wherein a depth n of a cavity formed on a molten metal bath surface due to air blowing from the upper blowing lance according to the following equation (1). 2 (m)
Is obtained, and the natural frequency f c (Hz) of the cavity is obtained by substituting the cavity depth into the following equation (3). The standing wave that can be formed on the molten metal bath surface is obtained by the following equation (4). The natural frequency f (Hz) of the obtained natural frequency f (Hz)
Of, and characterized in that arranged on the lance above a position away from the node of the standing wave having the natural frequency f c (Hz) 1/2 to equal the natural frequency f (Hz) Smelting furnace. (Equation 1) (Equation 2) (Equation 3) (Equation 4) Where n 1 : slag depth (m) n 2 : cavity depth (m) ρ 1 : slag density (kg / m 3 ), ρ 2 : blister copper density (kg / m 3 ), γ 2 : γ 2 = gρ l (kg / s 2 m 2) g: gravitational acceleration H: the distance from the molten metal bath surface of the top-blown lance (m) M: momentum transfer rate of blowing gas (N) β * = 125 f c: cavity B: 1.7 ≤ b ≤ 2.4 f: Natural frequency of standing wave that can be formed on the molten metal bath surface (Hz) j mn : Bessel function J m (x), x from 0 The value of x when dJ m (x) / dx = 0 at the n-th time when changed in the direction of h: Depth of molten bath (m) R: Radius of molten bath (m)
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