JP2002275522A

JP2002275522A - ガス上吹きランスとそれを用いた転炉の操業方法

Info

Publication number: JP2002275522A
Application number: JP2001078332A
Authority: JP
Inventors: Yukio Takahashi; 幸雄高橋; Goro Okuyama; 悟朗奥山; Takeshi Suzuki; 健史鈴木; Hideji Takeuchi; 秀次竹内
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2001-03-19
Filing date: 2001-03-19
Publication date: 2002-09-25

Abstract

(57)【要約】【課題】ガス上吹きランスから噴射される酸化性ガ
ス流量を変化させた場合でも、脱炭速度の低下を抑制で
きるガス上吹きランスおよびそのガス上吹きランスを用
いた転炉の操業方法を提供する。【解決手段】オリフィスの壁面に補助ガス供給ノズル
を配設したガス噴射ノズルを有するガス上吹きランスを
用い、ガス上吹きランスの高さおよび／または酸化性ガ
スの流量に応じて補助ガス供給ノズルからオリフィス内
に吹き込まれる補助ガス流量を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、上底吹き転炉等の
精錬装置に用いられる上吹きランスおよびその上吹きラ
ンスを用いた上底吹き転炉の操業方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】上底吹き転炉等の精錬装置において溶鉄
中のＣを除去するいわゆる脱炭処理に際しては、上吹き
ランスおよび底吹き羽口のいずれか一方、またはその両
方から精錬装置内に保持した溶鉄に酸化性ガス（たとえ
ばＯ₂ガスあるいはＯ₂含有ガス）を供給する。そして
下記の (1)式で表される溶鉄中のＣの酸化反応（いわゆ
る１次燃焼）を利用して脱炭処理を行なう。

【０００３】〔Ｃ〕＋１／２Ｏ₂→ＣＯ・・・ (1) 〔Ｃ〕：溶鉄中のＣ上吹きランスから噴射する酸化性ガスは、精錬装置内の
雰囲気ガス（以下、炉内雰囲気ガスという）を巻き込ん
で溶鉄上面まで到達する。炉内雰囲気ガスには(1)式で
表される１次燃焼で発生するＣＯが含まれており、酸化
性ガス中のＯ₂の一部が下記の (2)式で表されるように
ＣＯと反応（いわゆる２次燃焼）するので、溶鉄上面に
到達するＯ₂量は減少する。

【０００４】ＣＯ＋１／２Ｏ₂→ＣＯ₂ ・・・ (2) 一方、底吹き羽口から酸化性ガスを供給する場合は、１
次燃焼や２次燃焼は生じないので、酸化性ガス中のＯ₂
全量が溶鉄中に供給される。脱炭処理を基本とする精錬
を上底吹き転炉で行なうにあたって生産性を高めるため
には、 (1)式で表される１次燃焼の効率を改善して脱炭
速度を向上する必要がある。そのためには上吹きランス
から噴射する酸化性ガスの流量を増加したり、溶鉄上面
に到達する酸化性ガス中のＯ₂量を増加することが重要
である。

【０００５】高炭素濃度域では、脱炭速度は酸化性ガス
の供給量で律速される。したがって脱炭速度を向上する
ためには、上吹きランスおよび底吹き羽口から供給され
る酸化性ガス流量の増加が有効である。一方、低炭素濃
度域では、脱炭速度は溶鉄中のＣの移動で律速される。
したがって溶鉄の攪拌を強化しかつ酸化性ガス供給量を
Ｃの移動速度に適合させることによって脱炭速度を向上
できる。

【０００６】このため、上底吹き転炉では、溶鉄のＣ含
有量に応じて酸化性ガス供給量を調整したり、あるいは
上吹きランスの先端と溶鉄の静止浴面との距離（いわゆ
るランス高さ）を調整することによって、鉄の酸化損失
を抑制して脱炭処理を効率的に促進する。たとえばラン
ス高さが低い場合は、上吹きランスから噴射される酸化
性ガス中への炉内雰囲気ガスの巻き込み量が減少するの
で、２次燃焼で消費されるＯ₂量が減少し、その結果、
溶鉄上面に到達する酸化性ガス中のＯ₂量が増加する。
一方、ランス高さが高い場合は、上吹きランスから噴射
される酸化性ガス中への炉内雰囲気ガスの巻き込み量が
増大するので、溶鉄の上面に到達する酸化性ガス中のＯ
₂量が減少する。

【０００７】上吹きランスに配設されるノズルは、溶鉄
上面へ到達する酸化性ガス量を増加させるために末広型
の多孔ノズルが広く使用されている。末広型ノズルは、
オリフィス部における酸化性ガスの圧力をノズル内で炉
内雰囲気圧力まで膨張させる（ノズル出口における噴流
静圧＝炉内雰囲気圧力）ことが可能であるから、酸化性
ガスの超音速噴流を形成できる。超音速噴流は、上吹き
ランスから噴射される酸化性ガスによる炉内雰囲気ガス
の巻き込みを抑制し、かつ酸化性ガスによる溶鉄の攪拌
を強化するので、脱炭速度を向上する上で有効に作用す
る。

【０００８】通常、上底吹き転炉の操業において、酸化
性ガスの大部分は上吹きランスから噴射し、底吹き羽口
からは不活性ガスや一部の酸化性ガスが供給される。し
たがって、溶鉄のＣ含有量に応じて酸化性ガス供給量を
調整することは、実質的に上吹きランスから噴射される
酸化性ガスの流量を調整することを意味する。上吹きラ
ンスから噴射される酸化性ガスの流量を変化させると、
酸化性ガスの流速も変化する。

【０００９】特に低炭素濃度域では、上吹きランスから
噴射される酸化性ガスの流量を減少して溶鉄の過酸化を
抑制する技術を採用する場合が多い。このような場合
は、酸化性ガス流量の減少にともなって末広型ノズルの
入口（すなわちオリフィス部）における酸化性ガス圧力
が低下し、末広型ノズルの出口において過膨張の状態に
なる。つまり、上吹きランスから噴射される酸化性ガス
の流速が低下して、炉内雰囲気ガスが酸化性ガスに巻き
込まれやすくなる。その結果、２次燃焼が生じて溶鉄上
面に到達するＯ₂量が減少する。

【００１０】この問題の解決策として、ランス高さを低
下して酸化性ガスを噴射することが考えられる。しかし
ランス高さが低下すると、上吹きランスの先端が溶鉄上
面に接近するので、スピッティングによる上吹きランス
への地金付着を助長するので、上吹きランスの昇降動作
に支障をきたすばかりでなく、上吹きランスの損傷を招
く危険性がある。

【００１１】また低炭素濃度域で上吹きランスから噴射
される酸化性ガスの流量を減少し、かつ酸化性ガスの流
速を向上できるように末広型ノズルを設計することも可
能である。しかし、高炭素濃度域では、酸化性ガスの流
量を増加させる必要があるので、このように設計した末
広型ノズルでは、末広型ノズルの入口における酸化性ガ
ス圧力が過剰に上昇して、末広型ノズルの出口で衝撃波
が形成される。この衝撃波の形成によりノズル出口にお
いて亜音速噴流となるので、上底吹き転炉内の雰囲気ガ
スが酸化性ガスに巻き込まれやすくなる。その結果、２
次燃焼が生じて溶鉄上面に到達するＯ₂量が減少する。

【００１２】このような問題を解決するために、特開20
00-234116 号公報において、スロート部と出口部の間の
ノズル内面にガス吹き出し用の吹き出し口を設けたラバ
ールノズルとこれを用いた操業方法が開示されている。
すなわち、ガス流量が大きい条件で超音速噴流が得られ
るようにラバールノズルを設計した上で、ガス流量を減
少させた場合、すなわちスロート部（ノズル入口）の圧
力が低下した場合に、この吹き出し口から少量のガスを
吹き出し、ラバールノズルのテーパー部に沿って流れて
きた主流ガスの境界層ガスを押し出して、境界層を剥離
させることによって主流ガスの膨張を阻害し、ラバール
ノズルの面積比（スロート部面積に対する出口部面積の
比）を小さくでき、スロート部圧力が低下しても主流ガ
スを適正な膨張に調整することが可能となり、出口部の
主流ガスの流速を高められるとしている。さらに、この
方法を270ton規模の転炉操業に適用し、吹き止め時のＣ
濃度を調査した結果、従来の方法と比較してＣ濃度を低
下できることを示している。

【００１３】しかしながら、この方法の問題点は、スロ
ート部と出口部の間のノズル内面からの少量のガス吹き
出しによって剥離させた主流ガスの境界層をラバールノ
ズルの出口まで維持できず、主流ガス境界層がノズル内
面に再付着することにある。すなわち、スロート部と出
口部の間のノズル内面からの少量のガス吹き出しによっ
て、ガス吹き出し部での主流ガスの膨張を抑制できる
が、この主流ガス境界層の再付着は、出口部に至るまで
の間に主流ガスが再膨張することを意味するので、結局
ラバールノズルの面積を実質的には小さくできないので
ある。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記のような
問題を解消し、上吹きランスから噴射される酸化性ガス
流量を変化させた場合でも、脱炭速度の低下を抑制でき
る上吹きランス、およびその上吹きランスを用いた上底
吹き転炉の操業方法を提供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上底吹き
転炉の操業において、上吹きランスから噴射される酸化
性ガス流量を変化させた場合でも、酸化性ガスの膨張を
適正に維持できる技術について、５ton 規模の上底吹き
転炉で、酸化性ガスとしてＯ₂ガスを使用して検討を進
めた。

【００１６】上底吹き転炉の操業においては、図４に示
すような、オリフィス径ｄが5.7mmまたは8.0mm ，末広
型ノズル出口径Ｄが9.1mm の末広型ノズルを４個配設し
た上吹きランスを使用し、ランス高さは 0.7ｍとした。
さらに脱炭精錬初期は、上吹きランスから噴射するＯ₂
ガス流量を17.0Ｎｍ³／分，底吹き羽口から供給するＯ
₂ガス流量を 1.0Ｎｍ³／分とし、脱炭精錬末期は、上
吹きランスから噴射するＯ₂ガス流量を 9.6Ｎｍ³／
分，底吹き羽口から供給するＯ₂ガス流量を 2.0Ｎｍ³
／分とした。

【００１７】その結果、オリフィス径ｄが 8.0mmの末広
型ノズルを有する上吹きランスを使用した場合には、上
吹きランスからＯ₂ガスを流量17.0Ｎｍ³／分で噴射す
ると膨張が不足し、 9.6Ｎｍ³／分で適正な膨張が得ら
れた。つまり脱炭精錬初期に行なったオリフィス径ｄが
8.0mm ，Ｏ₂ガス流量が17.0Ｎｍ³／分の条件では、脱
炭反応に寄与するＯ₂量が低下することを意味する。そ
の結果、オリフィス径ｄが 5.7mmの上吹きランスを使用
した場合と比べて、脱炭精錬に要する時間が 2.7分延長
された。

【００１８】このことは、オリフィス径ｄの違いによっ
て、上吹きランスから噴射するＯ₂ガスに巻き込まれる
炉内雰囲気ガス量が変化することに起因する。すなわち
オリフィス径ｄが大きい場合には、Ｏ₂ガスに巻き込ま
れる炉内雰囲気ガス量が増加して２次燃焼が増加する
が、オリフィス径ｄが小さい場合には、Ｏ₂ガスに巻き
込まれる炉内雰囲気ガス量が減少して２次燃焼が減少
し、溶鉄上面に到達するＯ ₂量が増加することに起因す
る。

【００１９】また、オリフィス径ｄが 8.0mmの上吹きラ
ンスを用いて、オリフィス径ｄが 5.7mmの上吹きランス
と同等の脱炭速度を得られるランス高さを調査したとこ
ろ、約 0.5ｍであることが分かった。しかしなから、こ
のランス高さでは、スピッティングによって上吹きラン
ス先端に地金が付着する現象が顕著となり、上吹きラン
スの昇降動作に支障をきたしたり、地金除去のために操
業を停止する等の問題が発生する可能性が示唆された。

【００２０】一方、オリフィス径ｄが 5.7mmの末広型ノ
ズルを有する上吹きランスを使用した場合には、上吹き
ランスからＯ₂ガスを流量17.0Ｎｍ³／分で噴射すると
適正な膨張が得られ、 9.6Ｎｍ³／分で過剰な膨張とな
った。つまり脱炭精錬末期に行なったオリフィス径ｄが
5.7mm ，Ｏ₂ガス流量が 9.6Ｎｍ³／分の条件では、脱
炭反応に寄与するＯ₂量が低下することを意味する。そ
の結果、溶鉄が過酸化状態になり、鉄歩留りが低下す
る。

【００２１】上記の知見から、本発明者らは、上吹きラ
ンスから噴射されるＯ₂ガス流量やランス高さを変化さ
せた場合には、これに応じてオリフィス径ｄをも適正な
値に変化させることが必要であると考えた。しかし上吹
きランスが極めて高温の環境下で使用され、かつＯ₂ガ
ス流路や冷却水流路が設けられて複雑な構造であること
を考慮すると、オリフィス径ｄを機械的に変化させるこ
とは極めて困難である。

【００２２】そこで本発明者は、オリフィスの壁面から
補助ガスを供給することによって、実質的にオリフィス
径ｄを変化させるのと同じ効果を得ることを想到し、本
発明を完成したのである。すなわち本発明は、１個また
は複数個のガス噴射ノズルを有するガス上吹きランスに
おいて、ガス噴射ノズル内にオリフィスを配設し、オリ
フィスの壁面に補助ガス供給ノズルを配設するガス上吹
きランスである。

【００２３】また本発明は、オリフィスを配設したガス
噴射ノズルを１個または複数個有するガス上吹きランス
から溶鉄上面に酸化性ガスを噴射するにあたり、ガス上
吹きランスの高さおよび／または酸化性ガスの流量に応
じてオリフィスの壁面に配設した補助ガス供給ノズルか
らオリフィス内に吹き込まれる補助ガスの流量を制御す
る上底吹き転炉の操業方法である。

【００２４】前記した操業方法の発明においては、酸化
性ガスがＯ₂ガスであることが好ましい。

【００２５】

【発明の実施の形態】図１は、本発明のガス上吹きラン
スの例を示す断面図であり、(a) は縦断面図、(b) はＡ
−Ａ矢視の部分断面図である。なお図１には４個のガス
噴射ノズル３を配設する例を示したが、本発明ではガス
噴射ノズル３の個数は４個に限定しない。すなわち上吹
きランス１には１個または複数個のガス噴射ノズル３が
配設され、各ガス噴射ノズル３の入口にはオリフィス２
が設けられる。オリフィス２の中心は、図１に示すよう
に、ガス噴射ノズル３の中心に一致させるのが好まし
い。

【００２６】ガス噴射ノズル３の壁面には補助ガス供給
ノズル４が配設され、その補助ガス供給ノズル４からオ
リフィス２内に補助ガス７が吹き込まれる。図１に示す
ように、補助ガス供給ノズル４をオリフィス２に対して
全周に設けると、オリフィス２内を通過する酸化性ガス
５の直進性が向上し、かつ補助ガス７の流量に応じた酸
化性ガス５の流速の調整が可能となる。

【００２７】図１に示した上吹きランス１を用いて、酸
化性ガス５の流量Ｑ_m（Ｎｍ³／分）に対する補助ガス
７の流量Ｑ_S（Ｎｍ³／分）の比Ｑ_S／Ｑ_mを変化させ
て、ガス噴射ノズル３の出口から 0.7ｍ離れた位置にお
ける酸化性ガス５の噴流の中心部の流速（ｍ／秒）と補
助ガス７の流量比Ｑ_S／Ｑ_mとの関係を調査した。その
結果を図２に示す。なお、図２中のＱ_mは酸化性ガス５
の流量（Ｎｍ³／分），Ｑ_Sは補助ガス７の流量（Ｎｍ
³／分），ｄはガス噴射ノズル３のオリフィス２の直径
（mm），Ｄはガス噴射ノズル３の出口の直径（mm）を指
す。

【００２８】図２から明らかなように、補助ガス７の流
量比Ｑ_S／Ｑ_mを変化させると、上吹きランス１から噴
射される酸化性ガス５の流速が変化することが分かる。
つまり噴射ノズル３のオリフィス２の直径ｄ（mm）や出
口の直径Ｄ（mm）を変更しなくても、補助ガス７の流量
を変化させることによって、酸化性ガス５の流速を調整
することができるのである。

【００２９】したがって補助ガス７の流量Ｑ_S（Ｎｍ³
／分）を変化させて、上吹きランス１から噴射される酸
化性ガス５の流速を適正な範囲に維持しながら上底吹き
転炉を操業すると、溶鉄上面に到達する酸化性ガス５中
に含有されるＯ₂量を増加し、さらには脱炭速度を向上
することができる。なお、酸化性ガス５としてＯ₂ガス
を使用すると、脱炭速度が向上できるので好ましい。

【００３０】また補助ガス７として酸化性ガス５を使用
すると、溶鉄上面に到達する酸化性ガス５の成分が変動
しないので好ましく、補助ガス７としてＯ₂ガスを使用
するのが一層好ましい。

【００３１】

【実施例】容量５ton の上底吹き転炉を用いて溶鉄の脱
炭精錬を行なった。その装置の要部を模式的に図３に示
す。図３中の１は上吹きランス，８は上底吹き転炉，９
は底吹き羽口，10は溶鉄，11はスラグ，12は生石灰等の
副原料を投入するためのホッパーである。

【００３２】上吹きランス１は、図１にその断面図を示
す通りであり、ガス噴射ノズル３を４個配設して、各ガ
ス噴射ノズル３の出口の直径Ｄは9.1mm ，オリフィス２
の直径ｄは8.0mm ，補助ガス供給ノズル４の開口部は環
状で隙間は2.0mm ，ガス噴射ノズル３の中心軸と上吹き
ランス１の中心軸とのなす角度は15°とした。オリフィ
ス２はガス噴射ノズル３に同心に配設し、補助ガス13流
量を独立して制御するためにガス噴射ノズル３を４重管
構造にした。

【００３３】あらかじめ脱りん処理を施し、表１に示す
温度および成分を有する溶鉄を上底吹き転炉８に装入し
た後、酸化性ガス５としてＯ₂ガスを底吹き羽口９と上
吹きランス１から供給しつつ、ホッパー12から生石灰を
上底吹き転炉８内に投入してスラグ塩基度が 2.5となる
よう調整しながら、溶鉄10の炭素濃度が0.05質量％にな
るまで脱炭処理を行なった。

【００３４】

【表１】

【００３５】また、脱炭処理中は、溶鉄10の温度とＣ含
有量を測定するため、適宜サブランスを使用した。さら
に上吹きランス１から噴射される酸化性ガス５の流量Ｑ
_m（Ｎｍ³／分）および補助ガス７の流量Ｑ_S（Ｎｍ³
／分）は、溶鉄10中のＣ含有量に応じて表２に示すよう
に設定して溶鉄10の過酸化を防止した。なお補助ガス７
として、Ｏ₂ガスを使用した。これを発明例とする。

【００３６】

【表２】

【００３７】一方、比較例として、従来から知られてい
る図４に示すような、補助ガス供給ノズル４のない上吹
きランス１を用いて、上吹きランス１から噴射される酸
化性ガス５の流量Ｑ_m（Ｎｍ³／分）を溶鉄10中のＣ含
有量に応じて表３に示すように設定して溶鉄10の過酸化
を防止した。その他の操業条件は発明例と同じであるか
ら説明を省略する。

【００３８】

【表３】

【００３９】発明例と比較例について、脱炭精錬に要す
る所要時間（分），溶鉄１ton あたりのＯ₂原単位（Ｎ
ｍ³／ton ），脱炭精錬を終了したときのスラグ中のFe
含有量（質量％）を調査した。その結果は、表４に示す
通りである。

【００４０】

【表４】

【００４１】発明例は、脱炭精錬に要する所要時間が比
較例より短く、その結果、Ｏ₂原単位の削減と脱炭精錬
終了時のスラグ中のFe含有量の削減とを達成できた。し
たがって本発明では、溶鉄10中のＣを効率的に除去でき
ることが確かめられた。なお、ここでは酸化性ガス５と
してＯ₂ガスを使用する例について説明したが、その他
の酸化性ガスを使用しても同様の効果が得られる。

【００４２】

【発明の効果】本発明では、ガス上吹きランスから噴射
されて溶鉄上面に到達する酸化性ガス中のＯ₂が増加す
るので、脱炭速度が向上し、生産性を高めることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のガス上吹きランスの例を示す断面図で
あり、(a) は縦断面図、(b) はＡ−Ａ矢視の部分断面図
である。

【図２】補助ガスの流量比率とガス噴射ノズル出口から
0.7ｍの位置での噴流中心流速との関係を示すグラフで
ある。

【図３】上底吹き転炉の操業の例を模式的に示す配置図
である。

【図４】従来のガス上吹きランスの例を示す断面図であ
り、(a) は縦断面図、(b) はＢ−Ｂ矢視の部分断面図で
ある。

【符号の説明】

１ガス上吹きランス２オリフィス３ガス噴射ノズル４補助ガス供給ノズル５酸化性ガス（Ｏ₂ガス）６冷却水７補助ガス８上底吹き転炉９底吹き羽口 10 溶鉄 11 スラグ 12 ホッパー

フロントページの続き (72)発明者鈴木健史千葉県千葉市中央区川崎町１番地川崎製鉄株式会社技術研究所内 (72)発明者竹内秀次千葉県千葉市中央区川崎町１番地川崎製鉄株式会社技術研究所内Ｆターム(参考） 4K070 AB03 AB18 BA07 BB02 CF02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】１個または複数個のガス噴射ノズルを有
するガス上吹きランスにおいて、前記ガス噴射ノズル内
にオリフィスを配設し、前記オリフィスの壁面に補助ガ
ス供給ノズルを配設することを特徴とするガス上吹きラ
ンス。
【請求項２】オリフィスを配設したガス噴射ノズルを
１個または複数個有するガス上吹きランスから溶鉄上面
に酸化性ガスを噴射するにあたり、前記ガス上吹きラン
スのランス高さおよび／または前記酸化性ガスの流量に
応じて前記オリフィスの壁面に配設した補助ガス供給ノ
ズルから前記オリフィス内に吹き込まれる補助ガスの流
量を制御することを特徴とする上底吹き転炉の操業方
法。
【請求項３】前記酸化性ガスが、Ｏ₂ガスであること
を特徴とする請求項２に記載の上底吹き転炉の操業方
法。