JP2002105528A - ノズルを用いてガスを注入する方法 - Google Patents
ノズルを用いてガスを注入する方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】ノズルを用いてガスを注入する方法を提供す
る。 【解決手段】電気アーク炉に、超音速インジェクター
（１０）が設けられている。この超音速インジェクター
は、浴上に所定の距離を置いて配置されたいわゆるラバ
ルノズル（２０）を有している。このノズル（２０）の
ディメンションは、酸素の所望流量及びジェットの所望
速度の関数として計算されている。ノズル（２０）の入
口の酸素の圧力は、インジェクター（１０）の出口のジ
ェットの静圧が周囲の雰囲気の圧力とほぼ等しくなるよ
うにされている。好ましくは、インジェクターは、天然
ガスを注入するための環状チャネル（１３）を有し、く
ず鉄の溶融の始めに、バーナモードで使用され得る。酸
素速度は、亜音速である。
る。 【解決手段】電気アーク炉に、超音速インジェクター
（１０）が設けられている。この超音速インジェクター
は、浴上に所定の距離を置いて配置されたいわゆるラバ
ルノズル（２０）を有している。このノズル（２０）の
ディメンションは、酸素の所望流量及びジェットの所望
速度の関数として計算されている。ノズル（２０）の入
口の酸素の圧力は、インジェクター（１０）の出口のジ
ェットの静圧が周囲の雰囲気の圧力とほぼ等しくなるよ
うにされている。好ましくは、インジェクターは、天然
ガスを注入するための環状チャネル（１３）を有し、く
ず鉄の溶融の始めに、バーナモードで使用され得る。酸
素速度は、亜音速である。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、液体、特に液体金
属へのガス注入に関し、特に、くず鉄もしくはくず鉄の
代用品からの鋼製造に使用される電気アーク炉だけでな
く、合金鋼もしくは非合金鋼もしくは非鉄材料、銑鉄か
らのコンバータ、溶融炉のような金属リアクトルの分野
に関し、一般に、液体への所定のガス注入に関する。
属へのガス注入に関し、特に、くず鉄もしくはくず鉄の
代用品からの鋼製造に使用される電気アーク炉だけでな
く、合金鋼もしくは非合金鋼もしくは非鉄材料、銑鉄か
らのコンバータ、溶融炉のような金属リアクトルの分野
に関し、一般に、液体への所定のガス注入に関する。
【０００２】
【従来の技術】電気アーク炉での鋼製造技術において、
溶融位相中に金属を溶融し、この金属を精製する位相中
にこれを溶融状態に維持するためのエネルギーを供給す
るような、炉の電極と金属との間の電気アークを発生さ
せることによって、くず鉄もしくはこの代用品は、溶融
される。精製位相中に、酸素は、金属を脱炭し、酸素と
金属から形成される炭素との反応によっていわゆる形成
スラグを形成するために使用されるか、もしくは、特に
このような目的のために、金属浴の表面に注入される。
溶融位相中に金属を溶融し、この金属を精製する位相中
にこれを溶融状態に維持するためのエネルギーを供給す
るような、炉の電極と金属との間の電気アークを発生さ
せることによって、くず鉄もしくはこの代用品は、溶融
される。精製位相中に、酸素は、金属を脱炭し、酸素と
金属から形成される炭素との反応によっていわゆる形成
スラグを形成するために使用されるか、もしくは、特に
このような目的のために、金属浴の表面に注入される。
【０００３】この、酸素の注入は、消耗品であるか水で
冷却され得るドアランスを用いて、実行され得る。この
場合、ランスは、モビール構成部品に設けられており、
これの使用を担当する従業員と高レベルのメンテナンス
とが必要になる。更に、酸素は、浴へ均等に注入されな
く、炉の高い性能に悪影響を与え、金属浴は、温度にお
いても化学合成においても均一とはならない。
冷却され得るドアランスを用いて、実行され得る。この
場合、ランスは、モビール構成部品に設けられており、
これの使用を担当する従業員と高レベルのメンテナンス
とが必要になる。更に、酸素は、浴へ均等に注入されな
く、炉の高い性能に悪影響を与え、金属浴は、温度にお
いても化学合成においても均一とはならない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】この注入は、炉の壁に
配置されたインジェクターを用いて、実行され得る。こ
の配置は、酸素が金属浴内でより均一に分配され、炉の
スラグと熱収量が、増加されるようにし、また、鋼の製
造時間を短縮し、空気の取り入れが、炉が比較的堅固に
なった（炉のドアがドアランスの遺漏によって閉められ
得る）結果減少されるのを可能にする。しかしながら、
このようなインジェクターは、早くに破壊されることな
く、高熱ロードに耐えることができ、また、酸素が、液
体金属浴に到達されこの中を通るような状況下で、注入
可能でなくてはならない。当業者に提案する、明らかな
解決法は、酸素が前記浴に到達するのを確実にする為に
酸素インジェクターを金属浴の近くに配置する工程を有
している。しかしながら、金属浴と近い位置にあること
で、インジェクターの磨耗が起こるのが早い。
配置されたインジェクターを用いて、実行され得る。こ
の配置は、酸素が金属浴内でより均一に分配され、炉の
スラグと熱収量が、増加されるようにし、また、鋼の製
造時間を短縮し、空気の取り入れが、炉が比較的堅固に
なった（炉のドアがドアランスの遺漏によって閉められ
得る）結果減少されるのを可能にする。しかしながら、
このようなインジェクターは、早くに破壊されることな
く、高熱ロードに耐えることができ、また、酸素が、液
体金属浴に到達されこの中を通るような状況下で、注入
可能でなくてはならない。当業者に提案する、明らかな
解決法は、酸素が前記浴に到達するのを確実にする為に
酸素インジェクターを金属浴の近くに配置する工程を有
している。しかしながら、金属浴と近い位置にあること
で、インジェクターの磨耗が起こるのが早い。
【０００５】この磨耗を減少させるために、当業者は、
ランスの端部を表面から離れるように移動させて、液体
金属中へのジェットの通過を減じる傾向がある。液体金
属浴内の鋼の脱炭のために、酸素を超音速で注入するよ
うに超音速注入ランスを使用することが、英国特許ＧＢ
−Ａ６２３８８１によって公知である。このタイプの設
備が生じさせる問題は、酸素ジェットが注入ノズルの出
口で広がり、浴中へのジェットの通過する力を低下さ
せ、スプラッシのリスクを高めるということである。
ランスの端部を表面から離れるように移動させて、液体
金属中へのジェットの通過を減じる傾向がある。液体金
属浴内の鋼の脱炭のために、酸素を超音速で注入するよ
うに超音速注入ランスを使用することが、英国特許ＧＢ
−Ａ６２３８８１によって公知である。このタイプの設
備が生じさせる問題は、酸素ジェットが注入ノズルの出
口で広がり、浴中へのジェットの通過する力を低下さ
せ、スプラッシのリスクを高めるということである。
【０００６】酸素ジェットの金属浴への通過する力を向
上させるために、酸素の超音速ジェットの使用と、この
ジェットを火炎で囲むこととが、米国再発行特許Ｒｅ３
３４６４の、特に欄７の、３２行乃至４１行によって公
知である。この火炎の囲いは、溶融金属の表面まで実質
的に延びている。このジェットを囲む火炎（及び高温で
あること）によって、このようなシステムは、このジェ
ットの全コヒーレンスを保護可能であり、この分散（di
sintegration）を回避していると説明されている。かく
して、このようなシステムは、浴への酸素の通過を増す
と説明されている。
上させるために、酸素の超音速ジェットの使用と、この
ジェットを火炎で囲むこととが、米国再発行特許Ｒｅ３
３４６４の、特に欄７の、３２行乃至４１行によって公
知である。この火炎の囲いは、溶融金属の表面まで実質
的に延びている。このジェットを囲む火炎（及び高温で
あること）によって、このようなシステムは、このジェ
ットの全コヒーレンスを保護可能であり、この分散（di
sintegration）を回避していると説明されている。かく
して、このようなシステムは、浴への酸素の通過を増す
と説明されている。
【０００７】ジェット周辺の温度の上昇は周囲の媒体の
密度（density）の低下を招き、かくして、冷却媒体に
対する前記媒体の抵抗を低くさせるよう影響し、理論
上、超音速ジェットを比較的“コヒーレント”にするこ
とが、理論上、当業者に明らかである。しかしながら、
実践上は、例えば浮力効果のような、火炎とジェットと
の間の相互作用が、実際に、ジェットに悪影響を与え、
通過する力を低下させるということが現在は分かってい
る。これら浮力効果は、前記火炎より冷たい媒体内で、
火炎の熱電流によって発生させられる。超音速ジェット
を囲み、約１５００℃の温度の媒体を介して通過する火
炎は、火炎の温度が２３００℃近いかこれより高くなっ
ている間、かくして、上へ向かって曲げられ、この上へ
向かう間に、特に、超音速ジェットの“コヒーレンス”
を適切に保持することが求められ得る浴の近くで、ジェ
ットと相互に作用する。このコヒーレンスは、実際は、
ここで崩される。
密度（density）の低下を招き、かくして、冷却媒体に
対する前記媒体の抵抗を低くさせるよう影響し、理論
上、超音速ジェットを比較的“コヒーレント”にするこ
とが、理論上、当業者に明らかである。しかしながら、
実践上は、例えば浮力効果のような、火炎とジェットと
の間の相互作用が、実際に、ジェットに悪影響を与え、
通過する力を低下させるということが現在は分かってい
る。これら浮力効果は、前記火炎より冷たい媒体内で、
火炎の熱電流によって発生させられる。超音速ジェット
を囲み、約１５００℃の温度の媒体を介して通過する火
炎は、火炎の温度が２３００℃近いかこれより高くなっ
ている間、かくして、上へ向かって曲げられ、この上へ
向かう間に、特に、超音速ジェットの“コヒーレンス”
を適切に保持することが求められ得る浴の近くで、ジェ
ットと相互に作用する。このコヒーレンスは、実際は、
ここで崩される。
【０００８】更に、電気金属炉のバーナによって作り出
される火炎の使用が、装入物にエネルギーを供給するた
めの効果的な補体となり、かくして、溶融速度を上昇さ
せることが、公知である。火炎と装入物との間のエネル
ギー交換は、交換面が重要である（significant）限り
即ち、くず鉄が溶融されず火炎と装入物との間の温度差
が高い状態である限り、効果的である。
される火炎の使用が、装入物にエネルギーを供給するた
めの効果的な補体となり、かくして、溶融速度を上昇さ
せることが、公知である。火炎と装入物との間のエネル
ギー交換は、交換面が重要である（significant）限り
即ち、くず鉄が溶融されず火炎と装入物との間の温度差
が高い状態である限り、効果的である。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明に係わる方法は、
これら欠点を回避可能にする。本発明に係われば、この
方法は、ノズルを用いて、金属容器に収容された液体金
属浴中に酸素のようなガスを注入するために提供されて
いる。前記ノズルは、金属浴の上方で前記容器の側壁に
設けられ、垂線に対しαの角度を付けられており、ガス
を、液体金属浴の方向に排出する、ノズルの下流端は、
液体金属の表面から距離Ｌだけ離れて配置され、前記ノ
ズルを通るガスは、ノズルの上流端を、Ｐ１の圧力で通
過し、また前記下流端では、Ｐ２の圧力で排出される。
本方法は、ガスを金属容器中へ排出する前記下流端での
圧力Ｐ２と、金属容器内の圧力Ｐ３とが、以下の関係式 ０・９ Ｐ３≦ Ｐ２≦ １．１ Ｐ３ によって互いに関係付けられていることが、特徴であ
る。ここで、ノズルの下流端と液体金属の表面との間の
距離Ｌは、以下と等しい。
これら欠点を回避可能にする。本発明に係われば、この
方法は、ノズルを用いて、金属容器に収容された液体金
属浴中に酸素のようなガスを注入するために提供されて
いる。前記ノズルは、金属浴の上方で前記容器の側壁に
設けられ、垂線に対しαの角度を付けられており、ガス
を、液体金属浴の方向に排出する、ノズルの下流端は、
液体金属の表面から距離Ｌだけ離れて配置され、前記ノ
ズルを通るガスは、ノズルの上流端を、Ｐ１の圧力で通
過し、また前記下流端では、Ｐ２の圧力で排出される。
本方法は、ガスを金属容器中へ排出する前記下流端での
圧力Ｐ２と、金属容器内の圧力Ｐ３とが、以下の関係式 ０・９ Ｐ３≦ Ｐ２≦ １．１ Ｐ３ によって互いに関係付けられていることが、特徴であ
る。ここで、ノズルの下流端と液体金属の表面との間の
距離Ｌは、以下と等しい。
【００１０】
【数２】 ここで、Ｐ２は、出口でのジェット圧力（パスカル）で
あり、これは、金属容器内の圧力と等しくなくてはなら
ない。アーク炉の場合、Ｐ２＝１０５パスカルである。
あり、これは、金属容器内の圧力と等しくなくてはなら
ない。アーク炉の場合、Ｐ２＝１０５パスカルである。
【００１１】Ｍは、次の式に従って計算されたマッハ数
である。
である。
【００１２】
【数３】 （これは、３．７×１０５パスカルの上流の圧力Ｐ１に
対応する１．５と、４５×１０５パスカルの圧力Ｐ１の
ための３．１５との間で計算され得る（take）。Ｔ
Ｏは、酸素の温度（ケルビン）である。（一般に２９４
ケルビンである）。
対応する１．５と、４５×１０５パスカルの圧力Ｐ１の
ための３．１５との間で計算され得る（take）。Ｔ
Ｏは、酸素の温度（ケルビン）である。（一般に２９４
ケルビンである）。
【００１３】γは、ＣＰ／ＣＶの比率であり、これらＣ
Ｐ及びＣＶは、夫々に、一定の圧力もしくは体積での、
モル熱体積である。酸素の場合の比率は、１．４程度で
ある。Ｒは、理想的なガスの定数（８．３１４／モル質
量のＯ２）である。ｑｅは、質量流量（ｋｇ／ｓ）であ
り、＝体積流量（Ｓｍ３／ｈ）＊酸素のモル質量／３６
００／０．０２２４（１／モル）である。Ｔｊは、ノズ
ルの出口の温度（Ｋ）である。
Ｐ及びＣＶは、夫々に、一定の圧力もしくは体積での、
モル熱体積である。酸素の場合の比率は、１．４程度で
ある。Ｒは、理想的なガスの定数（８．３１４／モル質
量のＯ２）である。ｑｅは、質量流量（ｋｇ／ｓ）であ
り、＝体積流量（Ｓｍ３／ｈ）＊酸素のモル質量／３６
００／０．０２２４（１／モル）である。Ｔｊは、ノズ
ルの出口の温度（Ｋ）である。
【００１４】ρｊは、ノズルの出口におけるジェットの
密度（ｋｇ／ｍ３）であり、以下から計算されている。 Ｐ２／Ｒ＊Ｔｊ Ｔａは、周囲の媒体の温度（Ｋ）である。ρａは、周囲
の媒体の密度（ｋｇ／ｍ３）であり、以下から計算さ
れ、 Ｐ３／Ｒ＊Ｔａ また、ここで、ガスの注入は、金属容器内のガスの温度
が８００℃以上、好ましくは１０００℃以上のときに行
われる。好ましくは、注入されるガスは、酸素、窒素、
アルゴン、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、炭化水素、
特に、アルケン及びアルキン、天然ガス、並びに、硫黄
六フッ化物から選択され、これらのガスは、単体でもし
くは混合されて、注入される。
密度（ｋｇ／ｍ３）であり、以下から計算されている。 Ｐ２／Ｒ＊Ｔｊ Ｔａは、周囲の媒体の温度（Ｋ）である。ρａは、周囲
の媒体の密度（ｋｇ／ｍ３）であり、以下から計算さ
れ、 Ｐ３／Ｒ＊Ｔａ また、ここで、ガスの注入は、金属容器内のガスの温度
が８００℃以上、好ましくは１０００℃以上のときに行
われる。好ましくは、注入されるガスは、酸素、窒素、
アルゴン、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、炭化水素、
特に、アルケン及びアルキン、天然ガス、並びに、硫黄
六フッ化物から選択され、これらのガスは、単体でもし
くは混合されて、注入される。
【００１５】好ましい実施形態に係われば、ノズルによ
る排出中、ガスの速度は超音速である。また、好ましく
は、ガス注入のためのノズルは、上流から下流に向かっ
て、ガスの流れる方向において、先に行くに従って狭く
なる錐筒形上流部（a convergent truncated upstream
part）、錐筒形中心部、金属容器の周囲に現れる先に行
くに従って広くなる円筒形下流部(a divergent truncat
ed downstream part)を、順に有しているノズルであ
る。角度αは、好ましくは３０°≦α ≦６０°で、更
に好ましくは、α＝４５°±５°である。
る排出中、ガスの速度は超音速である。また、好ましく
は、ガス注入のためのノズルは、上流から下流に向かっ
て、ガスの流れる方向において、先に行くに従って狭く
なる錐筒形上流部（a convergent truncated upstream
part）、錐筒形中心部、金属容器の周囲に現れる先に行
くに従って広くなる円筒形下流部(a divergent truncat
ed downstream part)を、順に有しているノズルであ
る。角度αは、好ましくは３０°≦α ≦６０°で、更
に好ましくは、α＝４５°±５°である。
【００１６】本発明の実施形態に係われば、本方法で
は、ガスを注入するためのノズルは、上流から下流に向
かって、ガスの流れる方向において、先に行くに従って
狭くなる錐筒形上流部（a convergent truncated upstr
eam part）、錐筒形中心部、金属容器の周囲に現れる先
に行くに従って広くなる円筒形下流部(a divergent tru
ncated downstream part)を順に有しているノズルであ
ると、考えられている。狭くなる錐と広くなる錐との頂
角比は、夫々、約１．５と２．５との間である。
は、ガスを注入するためのノズルは、上流から下流に向
かって、ガスの流れる方向において、先に行くに従って
狭くなる錐筒形上流部（a convergent truncated upstr
eam part）、錐筒形中心部、金属容器の周囲に現れる先
に行くに従って広くなる円筒形下流部(a divergent tru
ncated downstream part)を順に有しているノズルであ
ると、考えられている。狭くなる錐と広くなる錐との頂
角比は、夫々、約１．５と２．５との間である。
【００１７】他の実施形態に係われば、狭くなる錐筒
（２１）の半角は、２°と１２°との間であり、広くな
る錐筒（２３）の半角は、１５°と３５°との間であ
る。好ましくは、これらの錐筒は、円錐台形の筒であ
る。他の実施形態に係われば、本発明に係わる方法は、
ガスの流量が、５０と５０００Ｓｍ３／ｈとの間、好ま
しくは１０００と３５００Ｓｍ３／ｈとの間であること
を特徴とする。
（２１）の半角は、２°と１２°との間であり、広くな
る錐筒（２３）の半角は、１５°と３５°との間であ
る。好ましくは、これらの錐筒は、円錐台形の筒であ
る。他の実施形態に係われば、本発明に係わる方法は、
ガスの流量が、５０と５０００Ｓｍ３／ｈとの間、好ま
しくは１０００と３５００Ｓｍ３／ｈとの間であること
を特徴とする。
【００１８】他の変形例に係われば、本発明に係わる方
法は、火炎の速度が、１５０ｍ／ｓと３００ｍ／ｓとの
間であることを特徴とする。本発明の一実施形態に係わ
れば、金属中に注入されるガスは、炭化水素もしくはガ
ス状の炭化水素の混合物、好ましくは天然ガスである。
好ましくは超音速の、ガスの注入は、例えば、前記容器
内に存在する固体もしくは／並びに液体の金属の方向
へ、この容器の壁からこの容器中へ火炎を射出すのと交
互に、果され得る。
法は、火炎の速度が、１５０ｍ／ｓと３００ｍ／ｓとの
間であることを特徴とする。本発明の一実施形態に係わ
れば、金属中に注入されるガスは、炭化水素もしくはガ
ス状の炭化水素の混合物、好ましくは天然ガスである。
好ましくは超音速の、ガスの注入は、例えば、前記容器
内に存在する固体もしくは／並びに液体の金属の方向
へ、この容器の壁からこの容器中へ火炎を射出すのと交
互に、果され得る。
【００１９】他の変形例に係われば、ガスの注入は、前
記容器内に存在する固体もしくは／並びに液体の金属の
方向へ、この容器の壁からこの容器中へ火炎を射出すの
と同時に、果され得る。この際、金属を加熱する為のエ
ネルギーを得るとともに、金属中へのガス（例えば脱炭
のための酸素）の注入を果すのが望ましい。ノズルの出
口からのガスのジェットは、調節されたジェット即ち、
この圧力の約±１０％まで、インジェクターの出口での
静圧が、このジェットが通過する雰囲気での圧力と等し
いかつこの圧力の約±１０％になるジェットであり得
る。ジェットの動的エネルギーを低下させる衝撃波の発
生がこのような方法で回避されているため、調節された
ジェットは、例えば、ガスの超音速速度が、所望の有効
なガス圧力に対し可能な最も長い距離に渡って維持され
ることを可能にしていることが、明らかにされている。
このような調節されたジェットは、いわゆるラバルノズ
ルを有するインジェクターによって調節され得る。ラバ
ルノズルは、上流から下流に向かって、狭くなる部分(c
onverging part)と、酸素の速度が音速になっているス
ロート部と、酸素の速度が超音速になっている広くなる
部分(diverging part)と、酸素ジェットを安定にさせる
即ちジェットの水路を開き所定の乱流を減少させる直線
（錐筒形）部分とを有している。また、このノズルは、
酸素ジェットの所望の流量及び出口の速度の関数である
ディメンションを有している。また、ノズル入口での酸
素の圧力は、ジェットの出口での圧力が（例えば金属容
器内の）雰囲気を囲む圧力とほぼ等しくなるように調節
されている。これら２つの圧力がほぼ等しいこと（好ま
しくは約１０％未満の差）は、強度が増すと圧力差ガ大
きくなる超音速ジェットを生じさせる圧縮拡大効果が、
制限されることを可能にしている。本明細書のこれら圧
縮拡大効果は、ジェットの動的エネルギーを、かくして
同速度の長さ（isovelocity length）（ジェットがこの
最初の速度を維持する全長）を、著しく減少させる。か
くして、例えば、ノズルの便宜上の入口（上流）のガス
圧力が３×１０５Ｐだけ減少されると、同速度の長さ
（isovelocity length）において約３５％の減少が生じ
る。
記容器内に存在する固体もしくは／並びに液体の金属の
方向へ、この容器の壁からこの容器中へ火炎を射出すの
と同時に、果され得る。この際、金属を加熱する為のエ
ネルギーを得るとともに、金属中へのガス（例えば脱炭
のための酸素）の注入を果すのが望ましい。ノズルの出
口からのガスのジェットは、調節されたジェット即ち、
この圧力の約±１０％まで、インジェクターの出口での
静圧が、このジェットが通過する雰囲気での圧力と等し
いかつこの圧力の約±１０％になるジェットであり得
る。ジェットの動的エネルギーを低下させる衝撃波の発
生がこのような方法で回避されているため、調節された
ジェットは、例えば、ガスの超音速速度が、所望の有効
なガス圧力に対し可能な最も長い距離に渡って維持され
ることを可能にしていることが、明らかにされている。
このような調節されたジェットは、いわゆるラバルノズ
ルを有するインジェクターによって調節され得る。ラバ
ルノズルは、上流から下流に向かって、狭くなる部分(c
onverging part)と、酸素の速度が音速になっているス
ロート部と、酸素の速度が超音速になっている広くなる
部分(diverging part)と、酸素ジェットを安定にさせる
即ちジェットの水路を開き所定の乱流を減少させる直線
（錐筒形）部分とを有している。また、このノズルは、
酸素ジェットの所望の流量及び出口の速度の関数である
ディメンションを有している。また、ノズル入口での酸
素の圧力は、ジェットの出口での圧力が（例えば金属容
器内の）雰囲気を囲む圧力とほぼ等しくなるように調節
されている。これら２つの圧力がほぼ等しいこと（好ま
しくは約１０％未満の差）は、強度が増すと圧力差ガ大
きくなる超音速ジェットを生じさせる圧縮拡大効果が、
制限されることを可能にしている。本明細書のこれら圧
縮拡大効果は、ジェットの動的エネルギーを、かくして
同速度の長さ（isovelocity length）（ジェットがこの
最初の速度を維持する全長）を、著しく減少させる。か
くして、例えば、ノズルの便宜上の入口（上流）のガス
圧力が３×１０５Ｐだけ減少されると、同速度の長さ
（isovelocity length）において約３５％の減少が生じ
る。
【００２０】超音速モードでのインジェクターの使用
は、特に電気アーク炉における、溶融金属の装入物精製
期間中に必要である。しかしながら、これは、装入物の
溶融期間中に、始動され得る。ＡＩＳ（”Alternative
Iron Sources”）に基づく装入物を使用する炉におい
て、超音速モードは、全溶融精製期間に使用され得る。
超音速モード並びにバーナモードでインジェクターによ
って配達される酸素の流量の比率は、５にほぼ等しいの
が好ましい。
は、特に電気アーク炉における、溶融金属の装入物精製
期間中に必要である。しかしながら、これは、装入物の
溶融期間中に、始動され得る。ＡＩＳ（”Alternative
Iron Sources”）に基づく装入物を使用する炉におい
て、超音速モードは、全溶融精製期間に使用され得る。
超音速モード並びにバーナモードでインジェクターによ
って配達される酸素の流量の比率は、５にほぼ等しいの
が好ましい。
【００２１】更に、英国特許ＧＢ−Ａ−６２３８８１に
説明されている先行技術に係われば、このようなノズ
ル、特に超音速ノズルの、炉の壁上での配置は、この装
置の非常に不確実な効果を招く実証的なルールに、基づ
いている。本発明の他の目的物は、炉の具体的なパラメ
ータと特にガスの流量の関数として、炉の動作状況（温
度と圧力）と、ノズル中に注入されるガスの可能な圧力
と、ジェットの最大同速度長さ（即ち酸素のような注入
されるガスの速度が±１０％にほぼ一定している）とが
決定可能にされ得、かくして、炉の壁上でのインジェク
ターの最良の配置が、決定可能にされ得る。本発明に係
われば、インジェクターのノズルと金属浴の表面との間
の距離Ｌは、以下と等しくなり得る。
説明されている先行技術に係われば、このようなノズ
ル、特に超音速ノズルの、炉の壁上での配置は、この装
置の非常に不確実な効果を招く実証的なルールに、基づ
いている。本発明の他の目的物は、炉の具体的なパラメ
ータと特にガスの流量の関数として、炉の動作状況（温
度と圧力）と、ノズル中に注入されるガスの可能な圧力
と、ジェットの最大同速度長さ（即ち酸素のような注入
されるガスの速度が±１０％にほぼ一定している）とが
決定可能にされ得、かくして、炉の壁上でのインジェク
ターの最良の配置が、決定可能にされ得る。本発明に係
われば、インジェクターのノズルと金属浴の表面との間
の距離Ｌは、以下と等しくなり得る。
【００２２】
【数４】 （これは、３．７×１０５パスカルの上流の圧力Ｐ１に
対応する１．５と、４５×１０５パスカルの圧力Ｐ１に
対応する３．１５との間で計算され（take）得る） ＴＯは、酸素の温度（ケルビン）である。（一般に２９
４ケルビン） γは、ＣＰ／ＣＶの比率であり、これらＣＰ、ＣＶは、
夫々に、一定の圧力及び体積におけるモル熱体積であ
る。酸素の場合、通常は１．４程度である。Ｒは、理想
のガス定数である（８．３１４／モル質量のＯ２）。ｑ
ｅは、質量流量（ｋｇ／ｓ）である。＝体積流量（Ｓｍ
３／ｈ）＊酸素のモル質量／３６００／０．０２２４
（１／モル） Ｔｊは、ノズルの出口におけるジェットの密度（Ｋ）で
ある。
対応する１．５と、４５×１０５パスカルの圧力Ｐ１に
対応する３．１５との間で計算され（take）得る） ＴＯは、酸素の温度（ケルビン）である。（一般に２９
４ケルビン） γは、ＣＰ／ＣＶの比率であり、これらＣＰ、ＣＶは、
夫々に、一定の圧力及び体積におけるモル熱体積であ
る。酸素の場合、通常は１．４程度である。Ｒは、理想
のガス定数である（８．３１４／モル質量のＯ２）。ｑ
ｅは、質量流量（ｋｇ／ｓ）である。＝体積流量（Ｓｍ
３／ｈ）＊酸素のモル質量／３６００／０．０２２４
（１／モル） Ｔｊは、ノズルの出口におけるジェットの密度（Ｋ）で
ある。
【００２３】ρｊは、ノズルの出口における、ジェット
の密度（ｋｇ／ｍ３）であり、以下の式から計算され
る。
の密度（ｋｇ／ｍ３）であり、以下の式から計算され
る。
【００２４】Ｐ２／Ｒ＊Ｔｊ Ｔａは、周囲の媒体の温度（Ｋ）である。ρａは、周囲
の媒体の密度（ｋｇ／ｍ３）であり、以下の式から計算
される。
の媒体の密度（ｋｇ／ｍ３）であり、以下の式から計算
される。
【００２５】Ｐ３／Ｒ＊Ｔａ 電気アーク炉の場合、 １．１＜Ｍ＜３．５ １０００Ｓｍ３／ｈ＜体積流量＜２００００Ｓｍ３／ｈ １４００℃≦周囲Ｔ（精製中の電気炉内部のＴ°）＜２
５００℃ 本発明の他の変形例に係われば、インジェクターは、上
流から下流へ向かって、狭くなる部分、酸素の速度が音
速になるスロート部、酸素の速度が超音速になる広くな
る部分と、酸素ジェットを安定にさせる直線（錐筒形）
部分とを有しているノズルを備える。このノズルは、ガ
スのジェットの所望の流量と出口速度との関数であるデ
ィメンションを有し、ノズルの入口でのガスの圧力は、
ジェットの出口での圧力が周囲の雰囲気の圧力とほぼ等
しくなるような圧力である。これら２つの圧力がほぼ等
しいこと（１０５パスカル未満の違い）は、ノズルによ
って配達される超音速ジェットを通常は結果として生じ
させる圧縮拡大効果を、制限可能にする。本明細書での
こうした圧縮拡大効果は、ジェットの動的エネルギーを
減じる。かくして、これらの効果を制限することが必要
であり（即ち静止出口圧力は、プラスもしくはマイナス
１０５パスカルまでの範囲で、周囲の雰囲気の圧力とほ
ぼ等しい）、調節されたジェットの必要性が生じる。
５００℃ 本発明の他の変形例に係われば、インジェクターは、上
流から下流へ向かって、狭くなる部分、酸素の速度が音
速になるスロート部、酸素の速度が超音速になる広くな
る部分と、酸素ジェットを安定にさせる直線（錐筒形）
部分とを有しているノズルを備える。このノズルは、ガ
スのジェットの所望の流量と出口速度との関数であるデ
ィメンションを有し、ノズルの入口でのガスの圧力は、
ジェットの出口での圧力が周囲の雰囲気の圧力とほぼ等
しくなるような圧力である。これら２つの圧力がほぼ等
しいこと（１０５パスカル未満の違い）は、ノズルによ
って配達される超音速ジェットを通常は結果として生じ
させる圧縮拡大効果を、制限可能にする。本明細書での
こうした圧縮拡大効果は、ジェットの動的エネルギーを
減じる。かくして、これらの効果を制限することが必要
であり（即ち静止出口圧力は、プラスもしくはマイナス
１０５パスカルまでの範囲で、周囲の雰囲気の圧力とほ
ぼ等しい）、調節されたジェットの必要性が生じる。
【００２６】ノズル内の衝撃波の発生を回避するため
に、後者は、以下のような明確な説明に係わって、狭く
なる部分とスロート部との間、スロート部と広くなる部
分との間、広くなる部分と直線部分との間に夫々、明確
な丸められた接合面を有しているのが好ましい。
に、後者は、以下のような明確な説明に係わって、狭く
なる部分とスロート部との間、スロート部と広くなる部
分との間、広くなる部分と直線部分との間に夫々、明確
な丸められた接合面を有しているのが好ましい。
【００２７】本発明の他の特徴に係われば、金属溶融の
開始は、くず鉄の溶融期間中に例えば天然ガスのような
燃料を燃やすことによって促進される。この天然ガス
は、例えば、ノズルを囲む環状チャネルを通って導入さ
れ、天然ガスの燃焼に必要な酸素が、ノズルを介して、
注入される。この位相中、酸素は、亜音速の速度でノズ
ルによって排出されるように、ノズルの入口においてか
なりの低圧で注入される。１００ｍ／ｓと約３００ｍ／
ｓとの間の速度で注入される酸素と天然ガスのような通
常かなりの低速例えば約３０ｍ／ｓと１５０ｍ／ｓとの
間で注入される燃料との間に静止火炎を発生させるため
に、燃料と浸炭剤とが、燃焼チャンバで混合される。
開始は、くず鉄の溶融期間中に例えば天然ガスのような
燃料を燃やすことによって促進される。この天然ガス
は、例えば、ノズルを囲む環状チャネルを通って導入さ
れ、天然ガスの燃焼に必要な酸素が、ノズルを介して、
注入される。この位相中、酸素は、亜音速の速度でノズ
ルによって排出されるように、ノズルの入口においてか
なりの低圧で注入される。１００ｍ／ｓと約３００ｍ／
ｓとの間の速度で注入される酸素と天然ガスのような通
常かなりの低速例えば約３０ｍ／ｓと１５０ｍ／ｓとの
間で注入される燃料との間に静止火炎を発生させるため
に、燃料と浸炭剤とが、燃焼チャンバで混合される。
【００２８】特に、この配置は、装置及び方法において
利点を有し、これにおいて、火炎は、インジェクター
を、公知の方法及び装置では必須だった３つのガス供給
に代わり単独並びに２つのガス供給（１つは酸素、他方
は天然ガス）によって、ランスモード（単一流体が注入
される）もしくはバーナモード（２つの流体が注入され
る）で機能させる超音速ジェットを囲んでいる。
利点を有し、これにおいて、火炎は、インジェクター
を、公知の方法及び装置では必須だった３つのガス供給
に代わり単独並びに２つのガス供給（１つは酸素、他方
は天然ガス）によって、ランスモード（単一流体が注入
される）もしくはバーナモード（２つの流体が注入され
る）で機能させる超音速ジェットを囲んでいる。
【００２９】言うまでもなく、本発明に係わる方法と装
置とは、上述された利点に加えて、必要なときは、衝撃
波を伴わずかくして金属ジェットをよく通過する即ち超
音速注入工程を有する。これは、以下の利点を有する。
溶融金属中へ均等に通過させるために、通常のランス
（火炎なし）より金属浴の表面からより遠くに離れたラ
ンスの端部に配置が可能であること。溶融金属中へ均等
に通過させるために、本発明に係わるランスを、（米国
再発行特許Ｒｅ３３４６４に説明されているように）火
炎に囲まれたランスが配置される距離と等しい距離を置
いて、これを果すために火炎を必要とせず、配置するこ
とが可能であり、クライエントのために、同じ生産高の
ままで、実質的なガス消費量を節約可能にすることであ
る。本発明は、図を伴うが、これに制限されることな
く、以下の実施形態の実施例を用いてより理解されるだ
ろう。
置とは、上述された利点に加えて、必要なときは、衝撃
波を伴わずかくして金属ジェットをよく通過する即ち超
音速注入工程を有する。これは、以下の利点を有する。
溶融金属中へ均等に通過させるために、通常のランス
（火炎なし）より金属浴の表面からより遠くに離れたラ
ンスの端部に配置が可能であること。溶融金属中へ均等
に通過させるために、本発明に係わるランスを、（米国
再発行特許Ｒｅ３３４６４に説明されているように）火
炎に囲まれたランスが配置される距離と等しい距離を置
いて、これを果すために火炎を必要とせず、配置するこ
とが可能であり、クライエントのために、同じ生産高の
ままで、実質的なガス消費量を節約可能にすることであ
る。本発明は、図を伴うが、これに制限されることな
く、以下の実施形態の実施例を用いてより理解されるだ
ろう。
【００３０】
【発明の実施の形態】図３並びに図４は、電極４が設け
られたカバー３で上を覆われたタンク２を有する電気ア
ーク炉１を示している。前記電極４は、金属を溶融し、
これを溶融状態に維持するために、これら電極と、タン
ク２の基部に収容された金属との間に電気アークを形成
する。炉１の周囲の壁５には、溶融金属浴６の上方に位
置された軸Ｘの超音速酸素インジェクター１０が設けら
れている。インジェクター１０の軸Ｘは、平行線７に対
し３０°と６０°との間の角度γを形成する。インジェ
クター１０のノズル１１は、タンク２の内部に位置さ
れ、Ｈ＝Ｌ×ｃｏｓγの高さで、浴６の上方にある。更
に、図４に示されるように、インジェクター１０の軸Ｘ
は、インジェクター１０のノズル１１を通るタンク２の
垂直な放射面８に対し角度δを有し得る。
られたカバー３で上を覆われたタンク２を有する電気ア
ーク炉１を示している。前記電極４は、金属を溶融し、
これを溶融状態に維持するために、これら電極と、タン
ク２の基部に収容された金属との間に電気アークを形成
する。炉１の周囲の壁５には、溶融金属浴６の上方に位
置された軸Ｘの超音速酸素インジェクター１０が設けら
れている。インジェクター１０の軸Ｘは、平行線７に対
し３０°と６０°との間の角度γを形成する。インジェ
クター１０のノズル１１は、タンク２の内部に位置さ
れ、Ｈ＝Ｌ×ｃｏｓγの高さで、浴６の上方にある。更
に、図４に示されるように、インジェクター１０の軸Ｘ
は、インジェクター１０のノズル１１を通るタンク２の
垂直な放射面８に対し角度δを有し得る。
【００３１】図１並びに図２は、本発明に係わるインジ
ェクター１０の構成を詳細まで示している。インジェク
ターは、軸Ｘの周りを回転する中央導管１２と、この中
央導管１２を近距離で囲む軸Ｘの環状導管１３とを有す
る。これら２つの導管１２，１３は、夫々に円形オリフ
ィス１４、環状オリフィス１５を備えて（with）、イン
ジェクター１０の予混合チャンバ１１に現れている。予
燃焼チャンバ１１には、狭くなる部分１１ｂｉｓが設け
られ、この狭くなる部分１１ｂｉｓは、インジェクター
１１ｔｅｒのノズルから現れている。実際に、火炎が生
じているときは、酸素と燃料との分けられた注入を、特
に静止火炎を得るために、素早く混合させることが重要
である。かくして、最初はほぼ円筒形状を有し得る予燃
焼チャンバのこれら２つのガスを供給チャネルに集中さ
せるか、２つのガスがチャンバ内へ平行に現れるように
させるか、いずれかが可能である。前記チャンバの壁
は、混合が素早く実行されるように狭くなっている（co
nverge）。
ェクター１０の構成を詳細まで示している。インジェク
ターは、軸Ｘの周りを回転する中央導管１２と、この中
央導管１２を近距離で囲む軸Ｘの環状導管１３とを有す
る。これら２つの導管１２，１３は、夫々に円形オリフ
ィス１４、環状オリフィス１５を備えて（with）、イン
ジェクター１０の予混合チャンバ１１に現れている。予
燃焼チャンバ１１には、狭くなる部分１１ｂｉｓが設け
られ、この狭くなる部分１１ｂｉｓは、インジェクター
１１ｔｅｒのノズルから現れている。実際に、火炎が生
じているときは、酸素と燃料との分けられた注入を、特
に静止火炎を得るために、素早く混合させることが重要
である。かくして、最初はほぼ円筒形状を有し得る予燃
焼チャンバのこれら２つのガスを供給チャネルに集中さ
せるか、２つのガスがチャンバ内へ平行に現れるように
させるか、いずれかが可能である。前記チャンバの壁
は、混合が素早く実行されるように狭くなっている（co
nverge）。
【００３２】このような効果のために、中央導管１２
は、酸素源に接続された円筒形の壁１６によって、上流
で区分され（demarcate）、また、図面には示されてい
ないが、図２に詳述されているラバルタイプのノズル２
０によって、下流で区分されている（demarcate）。こ
のノズル２０は、上流から下流に向かって（ガスの流れ
の方向において）、狭くなる部分２１と、酸素の速度が
音速であるスロート部２２と、酸素の速度が超音速にな
る広くなる部分２３と、オリフィス１４を通って現れる
直線部分２４とを有し、この直線部分を用いて、酸素の
ジェットを安定にさせている。ノズル２０の様々の部分
のディメンションと、ノズル２０の入口圧力とは、ジェ
ットがスラグを通り、精製位相中浴６へ通過するよう
に、またインジェクター１１ｔｅｒの出口における酸素
の静止圧が炉１に普及している雰囲気の圧力とほぼ等し
くなるように、酸素の所望流量並びにオリフィス１４を
通るジェットの所望出口速度の関数として計算されてい
る。
は、酸素源に接続された円筒形の壁１６によって、上流
で区分され（demarcate）、また、図面には示されてい
ないが、図２に詳述されているラバルタイプのノズル２
０によって、下流で区分されている（demarcate）。こ
のノズル２０は、上流から下流に向かって（ガスの流れ
の方向において）、狭くなる部分２１と、酸素の速度が
音速であるスロート部２２と、酸素の速度が超音速にな
る広くなる部分２３と、オリフィス１４を通って現れる
直線部分２４とを有し、この直線部分を用いて、酸素の
ジェットを安定にさせている。ノズル２０の様々の部分
のディメンションと、ノズル２０の入口圧力とは、ジェ
ットがスラグを通り、精製位相中浴６へ通過するよう
に、またインジェクター１１ｔｅｒの出口における酸素
の静止圧が炉１に普及している雰囲気の圧力とほぼ等し
くなるように、酸素の所望流量並びにオリフィス１４を
通るジェットの所望出口速度の関数として計算されてい
る。
【００３３】前記広くなる部分２３及び狭くなる部分２
１の生成ライン（generating line）が夫々に軸Ｘに対
して成すとともに、広くなる部分２３及び狭くなる部分
２１の錐体の半角である角度α並びにβが、特に重要で
ある。角度αは、２°と１２°との間でなくてはならな
い。角度βは、２０°乃至３５°の範囲内でなくてはな
らない。極めて最適化されたノズル２０にとって、角度
α、βは、夫々に、４°、２０°である。かくして、衝
撃は、酸素の流れに発生されず、ノズル２０は、幾何学
的形状の不連続性を有さない。このような理由で、スロ
ート部２２と広くなる部分２３との鋭端は、図２におい
てＲ１、Ｒ２、Ｒ３として示された曲率半径を有する丸
められた接合面に換えられている。曲率半径Ｒ１、Ｒ
２、Ｒ３の好ましい値は、以下である。
１の生成ライン（generating line）が夫々に軸Ｘに対
して成すとともに、広くなる部分２３及び狭くなる部分
２１の錐体の半角である角度α並びにβが、特に重要で
ある。角度αは、２°と１２°との間でなくてはならな
い。角度βは、２０°乃至３５°の範囲内でなくてはな
らない。極めて最適化されたノズル２０にとって、角度
α、βは、夫々に、４°、２０°である。かくして、衝
撃は、酸素の流れに発生されず、ノズル２０は、幾何学
的形状の不連続性を有さない。このような理由で、スロ
ート部２２と広くなる部分２３との鋭端は、図２におい
てＲ１、Ｒ２、Ｒ３として示された曲率半径を有する丸
められた接合面に換えられている。曲率半径Ｒ１、Ｒ
２、Ｒ３の好ましい値は、以下である。
【００３４】
【数５】 好ましい超音速モードにおいて、ノズルの出口における
酸素ジェットの速度は、マッハ１．５とマッハ２．５と
の間である。超音速ジェットの流量は、好ましくは、５
０と４０００Ｓｍ３／ｈとの間であり、更に好ましく
は、１０００と３５００Ｓｍ３／ｈとの間である。ガス
のＳｍ３は、時間と圧力とがいわゆる“通常”である状
況（２７３ケルビンと雰囲気Ｐ）で測定されたガスの体
積に対応している。
酸素ジェットの速度は、マッハ１．５とマッハ２．５と
の間である。超音速ジェットの流量は、好ましくは、５
０と４０００Ｓｍ３／ｈとの間であり、更に好ましく
は、１０００と３５００Ｓｍ３／ｈとの間である。ガス
のＳｍ３は、時間と圧力とがいわゆる“通常”である状
況（２７３ケルビンと雰囲気Ｐ）で測定されたガスの体
積に対応している。
【００３５】予混合チャンバ１１は、この上流の直径が
環状カラー１５の直径と少なくとも等しくなるようなデ
ィメンションを有する。このチャンバは、狭くなる部分
１１ｂｉｓを有し、この半角は、０°と２５°との間で
あり、この長さは、ラバルノズルの出口直径の１倍から
５倍の間である。前記狭くなる部分１１ｂｉｓは、イン
ジェクター１１ｔｅｒのノズルに現れている。
環状カラー１５の直径と少なくとも等しくなるようなデ
ィメンションを有する。このチャンバは、狭くなる部分
１１ｂｉｓを有し、この半角は、０°と２５°との間で
あり、この長さは、ラバルノズルの出口直径の１倍から
５倍の間である。前記狭くなる部分１１ｂｉｓは、イン
ジェクター１１ｔｅｒのノズルに現れている。
【００３６】インジェクター１０が、天然ガスＮＧの燃
焼のために亜音速度で酸素を供給するのに使用される場
合、酸素の最大流量は、実質的に５つに分けられ、イン
ジェクター１０は、バーナモードで機能する。環状チャ
ネル１３は、天然ガスの速度が出口１４に配達される酸
素の速度に近くなるようにデザインされている。火炎の
速度は、好ましくは、１５０ｍ／ｓとマッハ１との間で
ある。火炎のパワーは、好ましくは、０．５と５ＭＷと
の間である。天然ガスの流量は、計算上の火炎を有する
ように、酸素の流量の半分にほぼ等しい。図５は、超音
速ノズル２０を有するインジェクター１０の使用例を示
している。この形状は、１０５パスカルの出口での圧力
で、マッハ２．１で、２０００Ｓｍ３／ｈの流量と電気
アーク炉中の温度３００ケルビンとを可能にする。
焼のために亜音速度で酸素を供給するのに使用される場
合、酸素の最大流量は、実質的に５つに分けられ、イン
ジェクター１０は、バーナモードで機能する。環状チャ
ネル１３は、天然ガスの速度が出口１４に配達される酸
素の速度に近くなるようにデザインされている。火炎の
速度は、好ましくは、１５０ｍ／ｓとマッハ１との間で
ある。火炎のパワーは、好ましくは、０．５と５ＭＷと
の間である。天然ガスの流量は、計算上の火炎を有する
ように、酸素の流量の半分にほぼ等しい。図５は、超音
速ノズル２０を有するインジェクター１０の使用例を示
している。この形状は、１０５パスカルの出口での圧力
で、マッハ２．１で、２０００Ｓｍ３／ｈの流量と電気
アーク炉中の温度３００ケルビンとを可能にする。
【００３７】スタンバイモードにおいて、これは、ノズ
ルが有用でないとき、溶融金属を端に間違ってスプレー
するなどの所定の漏れの危険を回避するために、期間中
使用され、低流量の酸素（例えば４０Ｓｍ３／ｈ）がノ
ズル２０を通過する。バーナモードにおいて、酸素の流
量は、例えば亜音速で４００Ｓｍ３／ｈに、限界が設定
され得る。かくして、２００Ｓｍ３／ｈの天然ガスＮＧ
が注入され、金属を溶融する位相の始めに２ＭＷの力を
用いて計算上の火炎を提供する。この例において、天然
ガスの出口速度は、酸素の速度に近く、約２５０ｍ／ｓ
が選択されている。
ルが有用でないとき、溶融金属を端に間違ってスプレー
するなどの所定の漏れの危険を回避するために、期間中
使用され、低流量の酸素（例えば４０Ｓｍ３／ｈ）がノ
ズル２０を通過する。バーナモードにおいて、酸素の流
量は、例えば亜音速で４００Ｓｍ３／ｈに、限界が設定
され得る。かくして、２００Ｓｍ３／ｈの天然ガスＮＧ
が注入され、金属を溶融する位相の始めに２ＭＷの力を
用いて計算上の火炎を提供する。この例において、天然
ガスの出口速度は、酸素の速度に近く、約２５０ｍ／ｓ
が選択されている。
【００３８】ランスモードにおいて、即ち鋼の精製期間
中には、ノズル２０は、マッハ２．１で２０００Ｓｍ３
／ｈを排出する。ランスモードでノズルが機能している
間、天然ガスの流量はない。図６は、電気アーク炉にお
いてマッハ２．１で２０００Ｓｍ３／ｈの流量が可能な
ノズル２０を有するインジェクター１０の使用の他の例
である。前記電気アーク炉には、２つの連続的なバスケ
ットが、導入されている。スタンバイモードでは、低流
量の酸素が、（周囲のカラーの低流量の天然ガスに対応
して、もしくは対応せずに）ノズル２０を通る。ランス
モードでは、ノズル２０は、マッハ２.１で２０００Ｓ
ｍ３／ｈを排出する。
中には、ノズル２０は、マッハ２．１で２０００Ｓｍ３
／ｈを排出する。ランスモードでノズルが機能している
間、天然ガスの流量はない。図６は、電気アーク炉にお
いてマッハ２．１で２０００Ｓｍ３／ｈの流量が可能な
ノズル２０を有するインジェクター１０の使用の他の例
である。前記電気アーク炉には、２つの連続的なバスケ
ットが、導入されている。スタンバイモードでは、低流
量の酸素が、（周囲のカラーの低流量の天然ガスに対応
して、もしくは対応せずに）ノズル２０を通る。ランス
モードでは、ノズル２０は、マッハ２.１で２０００Ｓ
ｍ３／ｈを排出する。
【００３９】バーナモードでは、４００Ｓｍ３／ｈのみ
の酸素が、亜音速で通る。かくして、ガス２００Ｓｍ３
／ｈの天然ガスが、酸素に近い速度で注入される。計算
上の火炎は、２ＭＷの力を用いて、得られる。溶融期間
の間、各バスケットの始動時に、インジェクター１０
は、バーナモードで使用される。くず鉄の量が減ると、
インジェクター１０は、ランスモードで使用される。精
製期間中は、インジェクター１０は、ランスモードで使
用される。
の酸素が、亜音速で通る。かくして、ガス２００Ｓｍ３
／ｈの天然ガスが、酸素に近い速度で注入される。計算
上の火炎は、２ＭＷの力を用いて、得られる。溶融期間
の間、各バスケットの始動時に、インジェクター１０
は、バーナモードで使用される。くず鉄の量が減ると、
インジェクター１０は、ランスモードで使用される。精
製期間中は、インジェクター１０は、ランスモードで使
用される。
【００４０】上述された２つの使用例において、ノズル
２０は、酸素を、バーナモードのとき、亜音速の速度で
配達し、ランスモードのとき、超音速で配達する。図７
は、炉１の冷却される壁へのインジェクター１０の設置
を示している。インジェクター１０は、酸素供給のため
の接続部（connection）２０と、天然ガスＮＧ供給のた
めの接続部２１とを有している。また、これには、外部
回路に接続される水の入口２２及び出口２３を有する内
部水冷却面が設けられている。
２０は、酸素を、バーナモードのとき、亜音速の速度で
配達し、ランスモードのとき、超音速で配達する。図７
は、炉１の冷却される壁へのインジェクター１０の設置
を示している。インジェクター１０は、酸素供給のため
の接続部（connection）２０と、天然ガスＮＧ供給のた
めの接続部２１とを有している。また、これには、外部
回路に接続される水の入口２２及び出口２３を有する内
部水冷却面が設けられている。
【００４１】インジェクター１０の水冷却部は、銅の熱
交換器２４中に配置されており、この熱交換器２４は、
接続部２５から中に入り接続部２６から外に出る水によ
って、冷却される。この交換器２４は、タンク２の周壁
５に設けられている。
交換器２４中に配置されており、この熱交換器２４は、
接続部２５から中に入り接続部２６から外に出る水によ
って、冷却される。この交換器２４は、タンク２の周壁
５に設けられている。
【００４２】実施例 電気アーク炉１の適用の数値の例である。Ｍ＝２．２
が、酸素を鋼に注入するための適当な値に対応して、選
択されている。この速度は、鋼の全作業において、通常
使用される流量で、実現され得る。これは、可能な圧力
と流量とジェットの速度との間の適当な妥協点を表して
いる。
が、酸素を鋼に注入するための適当な値に対応して、選
択されている。この速度は、鋼の全作業において、通常
使用される流量で、実現され得る。これは、可能な圧力
と流量とジェットの速度との間の適当な妥協点を表して
いる。
【００４３】体積流量＝５０００Ｓｍ３／ｈ Ｏ２のジェット（モル質量＝０．０３２ｋｇ／モル） 雰囲気（ambient）Ｔ（炉の内部）＝２０００ケルビン この場合、Ｌ＝１．９３ｍである。一例としてあげられ
た流量は、電気アーク炉の鋼の作業で通常使用される流
量に対応しており、この総トン数は、１００トンより大
きい。これは、１回の精錬でのインジェクターの使用時
間を考慮すると、著しい量の酸素が注入されるのを可能
にする。インジェクターの流量は、各鋼作業の局所的な
状況の関数である。これは、炉のタイプ、装入物の総ト
ン数、この作業のモード、装入物のタイプに応じてい
る。この計算は、この例の構造における本発明の生産高
を明らかにするための例を用いて成される。
た流量は、電気アーク炉の鋼の作業で通常使用される流
量に対応しており、この総トン数は、１００トンより大
きい。これは、１回の精錬でのインジェクターの使用時
間を考慮すると、著しい量の酸素が注入されるのを可能
にする。インジェクターの流量は、各鋼作業の局所的な
状況の関数である。これは、炉のタイプ、装入物の総ト
ン数、この作業のモード、装入物のタイプに応じてい
る。この計算は、この例の構造における本発明の生産高
を明らかにするための例を用いて成される。
【図１】図１は、本発明に係わる方法を実行するために
使用される超音速酸素インジェクターのブロック図であ
る。
使用される超音速酸素インジェクターのブロック図であ
る。
【図２】図２は、本発明に係わる、いわゆるラバルノズ
ルのブロック図である。
ルのブロック図である。
【図３】図３は、電気アーク炉と、この超音速インジェ
クターのインプラントを示すブロック図である。
クターのインプラントを示すブロック図である。
【図４】図４は、図３の炉の上からの図である。
【図５】図５は、鋼製造サイクルのための時間関数とし
ての（as）、酸素及び天然ガスの流量の典型的な曲線で
ある。
ての（as）、酸素及び天然ガスの流量の典型的な曲線で
ある。
【図６】図６は、他タイプの鋼製造サイクルのための時
間関数としての（as）、酸素及び天然ガスの流量の典型
的な曲線である。
間関数としての（as）、酸素及び天然ガスの流量の典型
的な曲線である。
【図７】図７は、上から見た、炉壁上へのインジェクタ
ー設置の外形ダイアグラムである。
ー設置の外形ダイアグラムである。
１０…超音速インジェクター、１３…環状チャネル、２
０…ノズル。
０…ノズル。
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｃ２１Ｃ 5/52 Ｃ２１Ｃ 5/52 (72)発明者 クリステル・シャンピノー フランス国、75321 パリ・セデクス 07、 カイ・ドルセイ 75、レール・リキード内 (72)発明者 ステファン・メルン フランス国、75321 パリ・セデクス 07、 カイ・ドルセイ 75、レール・リキード内 (72)発明者 ジャン−クロード・ブイラーモズ フランス国、75321 パリ・セデクス 07、 カイ・ドルセイ 75、レール・リキード内 (72)発明者 セバスティアン・フリシー フランス国、75321 パリ・セデクス 07、 カイ・ドルセイ 75、レール・リキード内 (72)発明者 ジャッキー・ローラン フランス国、75321 パリ・セデクス 07、 カイ・ドルセイ 75、レール・リキード内 Ｆターム(参考） 4D075 AA02 AA06 DB01 4F033 AA13 BA01 BA02 CA01 DA02 EA01 NA01 4K013 BA02 CA01 CA02 CA03 CA04 CA05 CA07 CA12 CA21 CD08 CF12 4K014 CB01 CC02 CD18 4K070 AB01 AB03 BA05 BB02 BB04 BB06 CG01 DA07 EA07 EA08 EA09 EA15 EA16 EA30
Claims (19)
- 【請求項１】 ノズルを用いて、金属容器内に収容され
た液体金属浴に酸素のようなガスを注入する方法であっ
て、前記ノズルは、前記容器の側壁に設けられ、垂直線
に対して所定角度αをなすように向けられており、そし
て、ガスを液体金属浴の方向に排出するノズルの下流端
は、液体金属の表面から距離Ｌだけ離れて配置され、ま
た、前記ノズルを通るガスは、ノズルの上流端を、Ｐ１
の圧力で通過し、また前記下流端では、Ｐ２の圧力で排
出される、方法において、前記ガスは、金属容器内の圧
力Ｐ３と前記下流端での圧力Ｐ２とが、以下の関係式 ０．９ Ｐ３ ≦ Ｐ２ ≧ １．１ Ｐ３ によって、互いに関連するように、前記ノズルから、金
属容器内へ排出され、また、前記ノズルの下流端と液体
金属の表面との間の距離Ｌ（メートル）は、 【数１】 ＴＯは、酸素の温度（Ｋ）であり、 γは、ＣＰ／ＣＶの比率であり、これらＣＰ、ＣＶは、
夫々に、一定の圧力もしくは体積におけるモル熱体積で
あり、 Ｒは、理想ガス定数（８．３１４／モル質量のＯ２）で
あり、 ｑｅは、質量流量（ｋｇ／ｓ）であり、＝体積流量（Ｓ
ｍ３／ｈ）＊酸素のモル質量／３６００／０．０２２４
（１／モル）であり、 Ｔｊは、ノズル出口の温度（Ｋ）であり、 ρｊは、ノズル出口におけるジェットの密度（ｋｇ／ｍ
３）であり、以下の式 Ｐ２／Ｒ＊Ｔｊ から計算され、 Ｔａは、周囲の媒体の温度（Ｋ）であり、 ρａは、周囲の媒体の密度（ｋｇ／ｍ３）であり、以下
の式 Ｐ３／Ｒ＊Ｔａ から計算されており、ガス注入は、金属容器内のガスの
温度が８００℃以上、好ましくは１０００℃以上である
ときに実行されることを特徴とする、方法。 - 【請求項２】 前記ガスは、酸素、窒素、アルゴン、水
素、一酸化炭素、二酸化炭素、アルカン、アルキン、天然
ガス、並びに、六フッ化硫黄から、単独でもしくは混合
して、選択されることを特徴とする、請求項１の方法。 - 【請求項３】 前記ノズルによって排出されているガス
の速度は、超音速であることを特徴とする、請求項１も
しくは２の方法。 - 【請求項４】 前記ガスを注入するノズルは、上流から
下流に向かって、ガスの流れる方向において、先に行く
に従って狭くなる錐筒形上流部、錐筒形中心部、及び金
属容器の雰囲気上に現れ、先に行くに従って広くなる円
筒形下流部、を順に有するノズルであり、これら狭くな
る部分及び広くなる部分の頂角比は、約１．５乃至２．
５であることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか
１の方法。 - 【請求項５】 前記所定の角度αは、 ３０°≦α ≦ ６０° で、好ましくはα＝４５°±５°であることを特徴とす
る、請求項１乃至４のいずれか１の方法。 - 【請求項６】 前記金属は、鋼であり、前記注入ガス
は、酸素であることを特徴とする請求項１もしくは５の
いずれか１の方法。 - 【請求項７】 前記金属に注入されるガスは、炭化水素
もしくはガス状炭化水素の混合物、好ましくは天然ガス
であることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか１
の方法。 - 【請求項８】 前記ガスの注入は、前記容器内に存在す
る固体並びに／もしくは液体の金属の方向へのこの容器
の壁からこの容器中への火炎の射出と交互に行われるこ
とを特徴とする、請求項１乃至７のいずれか１の方法。 - 【請求項９】 前記ガスの注入は、前記容器内に存在す
る固体並びに／もしくは液体の金属の方向へのこの容器
の壁からこの容器中への火炎の射出と同時に行われるこ
とを特徴とする、請求項１乃至７のいずれか１の方法。 - 【請求項１０】 前記ノズル（２０）は、いわゆるラバ
ルノズルであり、このラバルノズルは、上流から下流に
向かって、狭くなる部分（２１）と、酸素の速度が音速
になるスロート部（２２）と、注入されるガスの速度が
超音速になる広くなる部分（２３）と、ガスのジェット
が安定にされる直線部分（２４）とを有しており、ま
た、ガスのジェットの所望の流量並びに出口速度の関数
であるようなディメンションを有し、また、ノズル出口
でのガスのジェットの圧力が雰囲気の圧力とほぼ等しく
なるように設定されていることを特徴とする請求項１乃
至９のいずれか１の方法。 - 【請求項１１】 前記ノズル（２０）は、前記狭くなる
部分（２１）と、スロート部（２２）と、広くなる部分
（２３）と、直線部分（２４）との夫々の間に、円形接
合面を有することを特徴とする、請求項１乃至１０のい
ずれか１の方法。 - 【請求項１２】 前記狭くなる部分の錐（２１）の半角
は、２°と１２°との間であり、広くなる部分の錐（２
３）の半角は、１５°と３５°との間であることを特徴
とする、請求項１乃至１１のいずれか１の方法。 - 【請求項１３】 前記ノズル出口でのガスの超音速ジェ
ットの速度は、マッハ１．５とマッハ２．５との間であ
ることを特徴とする、請求項１乃至１２のいずれか１の
方法。 - 【請求項１４】 前記ガスの流量は、５０と５０００Ｓ
ｍ３／ｈとの間であり、好ましくは１０００と３５００
Ｓｍ３／ｈとの間であることを特徴とする、請求項１乃
至１３のいずれか１の方法。 - 【請求項１５】 金属の溶融は、金属溶融期間の始めに
天然ガスを燃焼させることによって促進され、この天然
ガスは、ノズル（２０）を囲む環状チャネル（１３）を
介して導入され、そして、この天然ガスの燃焼に必要な
酸素は、ノズル（２０）を介して注入されることを特徴
とする、請求項１乃至１４のいずれか１の方法。 - 【請求項１６】 前記溶融促進期間中、酸素は、ノズル
から亜音速速度で排出されることを特徴とする、請求項
１５の方法。 - 【請求項１７】 前記火炎の速度は、１５０ｍ／ｓと３
００ｍ／ｓとの間であることを特徴とする、請求項１４
もしくは１５の方法。 - 【請求項１８】 前記火炎のパワーは、０．５と５ＭＷ
との間であることを特徴とする、請求項１４乃至１６の
いずれか１の方法。 - 【請求項１９】 超音速モードとバーナモードとで、イ
ンジェクターによって排出される前記酸素の流量の比率
は、５にほぼ等しいことを特徴とする、請求項１６乃至
１８のいずれか１の方法。
Applications Claiming Priority (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR0010393A FR2812659B1 (fr) | 2000-08-07 | 2000-08-07 | Procede d'injection au four a arc electrique |
| FR0010393 | 2000-11-09 | ||
| FR0014405 | 2000-11-09 | ||
| FR0014405A FR2816324B1 (fr) | 2000-11-09 | 2000-11-09 | Procede d'injection d'un gaz a l'aide d'une tuyere |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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ID=26212569
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|---|---|---|---|
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| EP (1) | EP1179602A1 (ja) |
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