JP2006274408A - 減圧下における溶融金属の精錬方法及び精錬用上吹きランス - Google Patents

Abstract

【課題】 大気圧よりも低い減圧下において上吹きランスから溶融金属に向けて酸素含有ガスを吹き付け、溶融金属を酸化精錬する際に、高効率で高速に、しかも設備への地金付着を少なくする精錬方法並びに精錬用上吹きランスを提供する。
【解決手段】 上記課題は、その先端にラバールノズル１６が設置された、大気圧よりも低い圧力の雰囲気下において溶融金属に向けて酸素含有ガスを吹き付けて溶融金属を酸化精錬する精錬用上吹きランス１３であって、ラバールノズルの周囲に、ラバールノズルのスロート径（Ｄｔ）に対してそのスロート径（Ｄtt）及びその設置数（Ｎ）が下記の（１）式を満足する複数個の副孔２０が設置された上吹きランスを用い、当該副孔から酸素含有ガスを吹き込んで火炎または燃焼帯を形成することにより達成される。（１）式のαは１よりも大きい任意の係数である。
Ｄｔ² ＝Ｄtt² ×Ｎ×α …（１）
【選択図】 図３

Description

本発明は、大気圧よりも低い減圧下において上吹きランスから溶融金属に向けて酸素含有ガスを吹き付け、溶融金属を酸化精錬する溶融金属の精錬方法、並びに、その際に使用する精錬用上吹きランスに関するものである。

溶鋼を大気圧よりも低い減圧下で精錬する精錬方法としては、ＲＨ真空脱ガス設備、ＤＨ真空脱ガス設備、ＶＯＤ設備などを用いた精錬が広く知られている。このような減圧下での精錬において、溶鋼の脱炭処理を迅速に行う方法の１つとして、その先端にラバールノズルが設置された上吹きランスから溶鋼湯面に向けて酸素ガスを上吹きして精錬する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

この減圧下での上吹き送酸による脱炭精錬においては、脱炭効率向上などの精錬効率の改善を目的とした種々の技術開発が行われており、これらの技術開発の結果から、前記目的を達成するには、送酸条件及びラバールノズルの形状（ノズル設計）に関する開発が極めて重要であることが判明している。即ち、脱炭精錬を高効率化するためには上吹きランスからの酸素ガスの噴出流（「酸素ジェット」という）の溶鋼湯面における動圧を高くすることが効果的であり、これを実現する手段として、酸素ジェットの噴射流速を増大するなどして酸素ジェット自体のエネルギーを大きくする、或いは、上吹きランス先端と溶鋼湯面までの距離（「ランス高さ」という）を低減して酸素ジェットの減衰を抑制するなどの対策が実施されてきた。

例えば、特許文献２には、効率的に酸素を供給して脱炭するために、送酸用ラバールノズル設計時の雰囲気圧力を送酸精錬中の槽内雰囲気圧力の変動幅の上限としたラバールノズルを使用することで、１３．３ｋPa（１００torr）よりも低い圧力の雰囲気下における酸素ジェットの減衰による酸素ガスの到達ロスを減少させる方法が提案されている。また、特許文献３には、上吹きランスの設計時のノズル背圧（「設計二次圧」ともいう）、操業時の実際のノズル背圧などに基づき、ランス高さを１〜５ｍの範囲内において調整する方法が提案され、更に、特許文献４には、溶鋼浴面における酸素ガスの到達圧力を指標として、ラバールノズルの形状、酸素ガス流量、送酸終了時の槽内真空度及びランス高さを調整する方法が提案されている。

しかしながら、これらの対策を過大に志向すると脱炭反応は向上するものの、酸素ガス動圧の増加に起因して多量の鉄飛散が発生し、設備への地金付着が発生して操業に多大の支障を招き、更には、炭素濃度の高い付着地金が再溶解することに起因する炭素濃度のピックアップにより、極低炭素域での脱炭速度が著しく低下する或いは極低炭素鋼の成分規格を外れてしまうなどといった大きな問題が発生する。

また近年、溶鋼の成分調整のために真空脱ガス設備を用いた溶製方法を必要とする鋼種が増加したことも相まって、溶鋼の溶製コストの削減を目的として、転炉とＲＨ真空脱ガス設備とを一貫とする溶製工程における生産効率の向上が求められている。また、転炉精錬で発生するスラグ中の鉄酸化物濃度の低減並びに転炉精錬後の溶鋼中の酸素濃度の低減などを目的として、転炉での脱炭精錬終了時の溶鋼中炭素濃度を従来に比べて高濃度にする操業が行われており、ＲＨ脱ガス精錬における脱炭処理の負荷が増大する傾向にある。

そのため、ＲＨ真空脱ガス設備において上吹き送酸して溶鋼を脱炭処理する場合に、脱炭処理時間が従来に比べて延長することにより、脱炭処理中における真空槽内の雰囲気圧力の変動幅が増大し、場合によっては１３．３ｋPa（１００torr）を越えるような比較的高い圧力の雰囲気で脱炭処理を開始し、１．３ｋPa（１０torr）近傍の低い雰囲気圧力で脱炭処理を終了することも発生し、脱炭処理中における雰囲気の圧力変動幅は極めて大きくなっている。また、脱炭処理時間の短縮を目的として酸素ガスの供給量（以下、「送酸速度」と記す）を増大させた場合には、溶鋼浴面の酸素ジェットのエネルギーが増大し、鉄飛散、地金付着などの操業阻害をもたらすことになる。

これに対処するためには、幅広い圧力範囲の雰囲気下においても高速で且つ地金付着の少ない送酸脱炭技術の開発が急務となっているが、この観点から前記従来技術（特許文献２〜４）を検証した場合、何れの方法も根本的な解決には至っていないのが現状である。

一方、地金付着対策については、脱炭処理とは別に、昇温用及び地金溶解用のバーナーランスを用いる方法が種々提案されている。例えば、前述した特許文献４には、２本のランスを用い、脱炭機能と昇温・溶解機能とを独立させ、脱炭処理と同時に二次燃焼を利用した昇温を実施することが提案されている。

また、脱炭用ランスにバーナーを一体化させたものとして、特許文献５には、脱炭時には酸素ガスのみを吹き込み、溶解・昇温時には酸素ガスに燃料を混合させてバーナーとして使用するランスが提案されている。しかしながら、この方法は、脱炭と昇温・地金溶解とを同時に行うものではない。また、脱炭時に燃料を混合させても、通常、脱炭用の酸素ガス供給量は大量であり、ノズル近辺では流速が速いことから、燃料の燃焼は生じにくく、また、燃焼したとしても極めて不安定であり、ランス近傍の燃焼・昇温は困難である。

また、特許文献６には、酸素供給用通路の外周に液体燃料及び燃焼用気体の通路を備え、これら通路の出口に燃焼バーナーを備えた上吹きランスが提案されているが、この上吹きランスにおいても、溶鋼の脱炭精錬と、昇温・地金溶解とを同時に行うものではない。

このように、従来の地金付着対策は、脱炭精錬工程と昇温・溶解工程とを基本的に独立しており、１本のランスを用いて脱炭精錬を行いながら且つ地金付着を抑制する方法は提案されていないのが現状である。
特開昭５５−１２５２２０号公報 特開昭５７−１３７４１５号公報 特開平９−１４６５４５号公報 特開平２−７７５１８号公報 特開平６−７３４３３号公報 特開２０００−３２８１３４号公報

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、大気圧よりも低い減圧下において上吹きランスから溶融金属に向けて酸素含有ガスを吹き付け、溶融金属を酸化精錬するに当たり、高効率で高速に、しかも設備への地金付着を少なくすることができる溶融金属の精錬方法、並びに、その際に使用する精錬用上吹きランスを提供することを目的とする。

本発明者等は、上記課題を解決すべく鋭意研究を行った。その結果、上吹き送酸時、ラバールノズルから噴射される酸素ジェットの周囲に、酸素ジェットを包囲するように火炎または燃焼帯を形成することで、減圧下における送酸脱炭の高効率高速化が可能になると同時に鉄飛散を低減することが可能になるとの知見を得た。

本発明は、上記知見に基づいてなされたものであり、第１の発明に係る減圧下における溶融金属の精錬方法は、その先端にラバールノズルが設置された上吹きランスを用い、大気圧よりも低い圧力の雰囲気下において溶融金属に向けて酸素含有ガスを吹き付けて溶融金属を酸化精錬するに際し、前記ラバールノズルから吹き付けられる酸素含有ガスの周囲に、当該酸素含有ガスを包囲する火炎または燃焼帯を形成することを特徴とするものである。

第２の発明に係る減圧下における溶融金属の精錬方法は、第１の発明において、前記上吹きランスには、ラバールノズルの周囲に、ラバールノズルのスロート径に対してそのスロート径及びその設置数が下記の（１）式を満足する複数個の副孔が設置されており、当該副孔から酸素含有ガスを吹き込んで火炎または燃焼帯を形成することを特徴とするものである。但し、（１）式において、Ｄｔはラバールノズルのスロート径、Ｄttは副孔のスロート径、Ｎは副孔の設置数、αは１よりも大きい任意の係数である。

第３の発明に係る減圧下における溶融金属の精錬方法は、第２の発明において、前記副孔は３個以上設置され、副孔の傾角はラバールノズルの最大傾角に１０°を加えた値以下であることを特徴とするものである。

第４の発明に係る減圧下における溶融金属の精錬方法は、第２または第３の発明において、前記副孔から供給する酸素含有ガスの供給量は、ラバールノズルから供給される酸素含有ガス供給量の１／３以下であることを特徴とするものである。

第５の発明に係る減圧下における溶融金属の精錬方法は、第１ないし第４の発明の何れかにおいて、前記溶融金属は溶鋼であり、前記酸化精錬は溶鋼中の炭素を除去するための脱炭精錬であることを特徴とするものである。

第６の発明に係る減圧下における溶融金属の精錬方法は、第１ないし第５の発明の何れかにおいて、前記酸化精錬は、雰囲気圧力が４０ｋPa以下のときに精錬を開始し、雰囲気圧力が１３．３ｋPa以下のときに精錬を終了することを特徴とするものである。

第７の発明に係る減圧下における溶融金属の精錬用上吹きランスは、その先端にラバールノズルが設置された、大気圧よりも低い圧力の雰囲気下において溶融金属に向けて酸素含有ガスを吹き付けて溶融金属を酸化精錬する精錬用上吹きランスであって、前記上吹きランスには、ラバールノズルの周囲に、ラバールノズルのスロート径に対してそのスロート径及びその設置数が上記の（１）式を満足する複数個の副孔が設置されており、当該副孔から酸素含有ガスを吹き込んで火炎または燃焼帯を形成することを特徴とするものである。

第８の発明に係る減圧下における溶融金属の精錬用上吹きランスは、第７の発明において、前記副孔が３個以上設置され、副孔の傾角がラバールノズルの最大傾角に１０°を加えた値以下であり、前記係数αが３よりも大きいことを特徴とするものである。

本発明によれば、大気圧よりも低い減圧下において上吹きランスから溶融金属に向けて酸素含有ガスを吹き付けて溶融金属を酸化精錬するに際し、ラバールノズルから吹き付けられる酸素含有ガスの周囲に、この酸素含有ガスを包囲するように火炎または燃焼帯を形成するので、酸素ジェット周囲の温度が高温になり、酸素ジェット周囲の雰囲気ガスの密度が低下し、その結果、酸素ジェットへ巻き込まれる雰囲気ガス量が少なくなって、酸素ジェットの動圧が増大する。これにより、ランス高さを大きくしても高い動圧が得られ、酸素の反応効率が上昇して反応速度が促進されると同時に、ランス高さを大きくすることができることから、ランスへの地金付着が低減する。更に、形成される火炎または燃焼帯により精錬容器内の温度が上昇し、精錬容器への地金付着が抑制される。これらにより、減圧下における溶融金属の精錬コストを大幅に削減することが達成され、工業上有益な効果がもたらされる。

以下、本発明について具体的に説明する。

本発明は、大気圧よりも低く減圧された雰囲気下において、上吹きランスから溶融金属に向けて、酸素ガス、空気、酸素富化空気などの酸素含有ガスを吹き付け、溶融金属を酸化精錬する技術に関するものであり、この減圧下における精錬設備として、現在溶鋼の精錬で広く使用されているＲＨ真空脱ガス設備を例とし、また、酸素含有ガスを吹き付けて行う酸化精錬としては、ＲＨ真空脱ガス設備で行われる溶鋼の脱炭処理を例として解析した。

先ず、ＲＨ真空脱ガス設備について説明する。図１に、本発明による精錬方法を実施する際に用いたＲＨ真空脱ガス設備の概略断面図を示す。

図１に示すように、ＲＨ真空脱ガス設備１は、上部槽６及び下部槽７からなる真空槽５と、下部槽７の下部に設けられた上昇側浸漬管８及び下降側浸漬管９とを備え、上部槽６には、排気装置（図示せず）と接続するダクト１１と、原料投入口１２と、真空槽５の内部を上下方向に移動可能な上吹きランス１３とが備えられ、また、上昇側浸漬管８には環流用ガス吹込管１０が設けられている。環流用ガス吹込管１０からは環流用ガスとしてＡｒガスが上昇側浸漬管８の内部に吹き込まれる構造となっている。

上吹きランス１３の先端には、酸素含有ガスを真空槽５の内部に吹き付けるためのラバールノズルが設置されている。このラバールノズルの概略断面図を図２に示す。図２に示すように、ラバールノズル１６は、その断面が縮小する部分と拡大する部分の２つの円錐体で構成された形状であり、ラバールノズル１６においては、縮小部分は絞り部１７、拡大部分はスカート部１９、絞り部１７からスカート部１９に遷移する部位であって最も狭くなった部位はスロート１８と呼ばれている。上吹きランス１３を通ってきた酸素含有ガスは、絞り部１７、スロート１８、スカート部１９を順に通って、超音速または亜音速のジェットとして噴射される。図２中のＤｔはスロート径、Ｄｅは出口径であり、スカート部１９の広がり角度θは通常１０°以下である。

尚、図２に示すラバールノズル１６では、絞り部１７及びスカート部１９が円錐体であるが、ラバールノズル１６としては絞り部１７及びスカート部１９は円錐体である必要はなく、内径が曲線的に変化する曲面で構成してもよく、また、絞り部１７はスロート１８と同一の内径であるストレート状の円筒形としてもよい。絞り部１７及びスカート部１９を、内径が曲線的に変化する曲面で構成する場合には、ラバールノズル１６として理想的な流速分布が得られるが、ノズルの加工が極めて困難であり、一方、絞り部１７をストレート状の円筒形とした場合には、理想的な流速分布とは若干解離するが、使用には全く問題とならず、且つ、ノズルの加工が極めて容易となる。本発明ではこれら全ての末広がりのノズルをラバールノズル１６と称することとする。

このように構成されているＲＨ真空脱ガス設備１において、先ず、溶鋼３を収納する取鍋２を真空槽５の直下に搬送し、取鍋２を昇降装置（図示せず）によって上昇させ、上昇側浸漬管８及び下降側浸漬管９を取鍋２に収容された溶鋼３に浸漬させる。次いで、環流用ガス吹込管１０から上昇側浸漬管８の内部にＡｒガスを環流用ガスとして吹き込むとともに、真空槽５の内部をダクト１１に連結される排気装置にて排気して真空槽５の内部を減圧する。真空槽５の内部が減圧されると、取鍋２に収容された溶鋼３は、環流用ガス吹込管１０から吹き込まれるＡｒガスとともに上昇側浸漬管８を上昇して真空槽５の内部に流入し、その後、下降側浸漬管９を介して取鍋２に戻る流れ、所謂、環流を形成してＲＨ真空脱ガス精錬が施される。

このＲＨ真空脱ガス精錬中に、上吹きランス１３から酸素含有ガスとして酸素ガスを、真空槽５の内部の溶鋼３に向けて吹き付けて供給し、溶鋼３に脱炭処理を施す。脱炭反応においては溶鋼３の酸素濃度を高める必要があるので、脱炭処理を開始する前、溶鋼３は未脱酸或いは半脱酸の状態とすることが好ましい。取鍋２の内部には取鍋２に付着したスラグ及び転炉や電気炉などの前工程の精錬で発生したスラグが一部混入し、スラグ４として溶鋼３の湯面を覆っている。

本発明者等は、この減圧下での脱炭精錬（「真空脱炭精錬」ともいう）において、高効率で高速に脱炭処理を実施可能で、しかも設備への地金付着を少なくすることができる精錬方法の開発を目的として、減圧下での上吹き送酸ジェットの減衰挙動を詳細に調査し、ラバールノズル１６から噴射される酸素ジェットの動圧減衰に及ぼすノズル形状及び雰囲気圧力の影響を明確化した。以下、調査結果を説明する。

酸素ジェットの流速測定の結果、減圧下においては、雰囲気ガスの巻込みが大幅に抑制され、その結果、酸素ジェットの流速が上昇することが定量的に把握された。ここで、脱炭酸素効率の向上には、浴面でのジェットの動圧を高め、酸素を鋼浴に効率的に供給することが重要となる。動圧は、速度と密度との関数になるため、前述のような減圧下での速度変動に加え、密度も著しく変動し、動圧の挙動は極めて複雑となる。そのため、脱炭反応効率に及ぼす動圧変動の影響は極めて大きく、動圧の制御が重要となる。

更なる調査の結果、雰囲気圧力の低下に伴って動圧が大幅に増加することが定量的に明確化された。また、これらの動圧は減圧下において酸素ジェットの雰囲気温度の上昇によっても増大すること、つまり、雰囲気温度が上昇することで、酸素ジェットの減衰が抑制されることが明らかとなった。

ここで、脱炭酸素効率を高位に維持するには、動圧の確保を目的としてランス高さ（上吹きランス先端と溶鋼湯面までの距離）を低減させることが効果的である。また、高速送酸を志向する場合には必然的に動圧は上昇する。しかしながら、動圧を上昇させると、脱炭酸素効率の増大とともに地金の飛散が激しくなり、上吹きランス１３の表面及び真空槽５の内壁への地金付着が大きくなる。また、送酸初期の真空度は低く、送酸に伴って高真空度化するため、送酸脱炭中の真空度変動は極めて大きく、送酸初期には低動圧になり、逆に送酸末期には高動圧になるなど動圧の制御は極めて困難である。従って、脱炭酸素効率を維持するために、動圧を高めに推移させなければならず、地金飛散は避けられない問題であった。

そこで、本発明者等は、減圧下において高動圧を維持しつつ地金付着を抑制することを検討・研究し、その結果、上吹きランス１３のラバールノズル１６の周囲に副孔を設置した上吹きランス１３を用い、副孔から酸素含有ガスを吹き込みながら減圧脱炭精錬を行うことで、地金付着を抑制しつつ、高動圧が得られることを見出した。この副孔を有する本発明に係る上吹きランス１３の概略断面図を図３に示す。尚、副孔２０に対し、酸素ジェットを供給するラバールノズル１６を主孔ともいう。

図３に示すように、本発明に係る上吹きランス１３は、円筒状のランス本体１４と、このランス本体１４の下端に溶接などにより接続されたランスノズル１５とで構成されており、そして、ランス本体１４は、外管２１、中管２２、内管２３、最内管２４からなる同心円状の４種の鋼管、即ち四重管で構成され、銅製のランスノズル１５のほぼ中心位置には、鉛直下向き方向を向いた主孔としてラバールノズル１６が設置され、ラバールノズル１６の周囲に複数個の副孔２０が設置されている。

外管２１と中管２２との間隙、及び、中管２２と内管２３との間隙は、上吹きランス１３を冷却するための冷却水の流路となっている。内管２３と最内管２４との間隙は、副孔２０への酸素含有ガスの供給流路となっており、上吹きランス１３の上端部から内管２３と最内管２４との間隙に供給された酸素含有ガスは、内管２３と最内管２４との間隙を通り、副孔２０から真空槽５の内部に噴出される。また、最内管２４の内部はラバールノズル１６への酸素含有ガスの供給流路となっており、上吹きランス１３の上端部から最内管２４の内部に供給された酸素含有ガスは、最内管２４の内部を通り、ラバールノズル１６から真空槽５の内部に噴出される。

図３では、上吹きランス１３は四重管構造であるが、外管２１、中管２２、内管２３の三重管構造とし、内管２３の内部をラバールノズル１６及び副孔２０への酸素含有ガスの供給流路としてもよい。但し、この場合には、内管２３を介して送られる酸素含有ガスは、ラバールノズル１６及び副孔２０のそれぞれのノズル吐出孔断面積に応じた比率でラバールノズル１６及び副孔２０から噴射されることになり、従って、酸素含有ガスの供給量をラバールノズル１６と副孔２０とで任意に変更することができる点で、兼用流路とするよりも図３に示す独立流路とすることが好ましい。

副孔２０は脱炭反応により生成するＣＯガスを燃焼させる酸素含有ガスを供給するためのものであり、ＣＯガスを安定して燃焼させるためには、副孔２０のノズル吐出孔断面積の合計値は、ラバールノズル１６のノズル吐出孔断面積よりも小さくなるようにする、つまり、副孔２０のスロート径をＤttとし、副孔２０の設置数をＮとしたときに、下記の（１）式を満足するように副孔２０を配置することが好ましい。ラバールノズル１６及び副孔２０に供給する酸素含有ガスの供給経路を兼用する場合には、各々のノズルから流出する流量比が決定されることになり、特に重要である。ここで、（１）式において、Ｄｔはラバールノズル１６のスロート径、Ｄttは副孔２０のスロート径、Ｎは副孔の設置数、αは１よりも大きい任意の係数である。図３では、副孔２０はストレート型ノズルであり、この場合には副孔２０のスロート径Ｄttとしては内径を採用すればよい。

前述のように、従来、酸素ジェットの動圧を高めるためにはランス高さを小さくする必要があるが、その際には上吹きランス１３への地金付着が問題となる。これに対して、本発明の上吹きランス１３を用い、副孔２０から酸素含有として酸素ガスを供給すると、ラバールノズル１６による脱炭反応で生じた雰囲気ガス中のＣＯガスと副孔２０から供給される酸素ガスとが反応し、酸素ジェットの噴出部周囲に火炎或いは燃焼帯が生じる。そのため、酸素ジェット周囲の温度が部分的に高温になり、ジェット周囲の雰囲気ガスの密度が減少することにより、酸素ジェットへの雰囲気ガスの巻込み量が少なくなり、つまり雰囲気ガスによる酸素ジェットの減衰が抑制され、酸素ジェットの動圧が増大する。その結果、ランス高さを拡大しても高い動圧を得ることができる。また、脱炭反応によって発生したＣＯガスを利用するため、燃料ガスも不要である。燃焼帯が酸素ジェットの周囲に密着していない場合には、上記効果は著しく低下する。

このように、本発明では、酸素ジェットの動圧を維持した状態でランス高さを大きくすることができるので、ランス高さを大きくした操業が可能となり、その結果、上吹きランス１３への地金付着を低減することができる。本効果を得るためにはラバールノズル１６から噴射される酸素ジェットの噴出部周囲に燃焼帯を生じさせる必要があるため、ラバールノズル１６の周りに複数孔の副孔２０が必要となる。副孔２０を３個以上設置すればこの効果を得ることができるが、ラバールノズル１６を燃焼帯で包み込むためには副孔２０は多いほどよい。この観点から、副孔２０が５個以上で効果は増大し、８個以上がより好ましい。

このとき、燃焼帯を安定に生成させる観点から、副孔２０からの送酸量はラバールノズル１６からの送酸量に対して少ないほうが好ましく、ラバールノズル１６からの送酸量の１／３以下が好ましい。酸素含有ガスの供給流路が、ラバールノズル１６と副孔２０とで兼用の場合には、上記（１）式の定数αを３以上として副孔２０を設計して設置すればよい。

また、ラバールノズル１６の周りに均等に副孔２０を配置することが望ましい。また、副孔２０は鉛直下向きとすればよいが、角度を設けてもよい。但し、角度を広げすぎると燃焼帯が周囲に拡散してしまい、ラバールノズル１６から噴射される酸素ジェットの周囲から燃焼帯が離れてしまい、ジェットの減衰抑制効果が小さくなる、或いは、真空槽５の側壁に直接当たり、耐火物などの損耗が大きくなる、など不都合が生ずる。このような理由から、副孔２０の傾角θ₀ は、ラバールノズル１６の最大傾角に１０°を加えた値（ラバールノズル１６の最大傾角＋１０°）よりも小さくすることが望ましい。傾角θ₀ は小さいほど好ましく、好ましくはラバールノズル１６の傾角以下とする。図３ではラバールノズル１６の傾角は０°である。ラバールノズル１６については単孔が主となるが、多孔とした場合でも同様の効果が得られる。また、副孔２０は燃焼を安定させるためにストレート型ノズルが望ましい。

本発明においては、ランス高さを拡大することによって上吹きランス１３への地金付着は減少するが、酸素ジェットの高動圧化により、地金の飛散は却って増大する。しかしながら、副孔２０による燃焼帯が形成されることにより、真空槽５の側壁温度が上昇し、真空槽５の側壁への地金付着抑制効果も同時に得ることができる。また、本発明ではランス高さを大きくすることが可能なため、真空槽５の内部の広い範囲の地金抑制効果が得られ、二次燃焼用のランスを別途用いることは不要である。

脱炭処理終了時の雰囲気圧力は１３．３ｋPa（１００torr）以上であってもよいが、酸素ジェットのエネルギーが増大する１３．３ｋPa（１００torr）以下、特に９．３ｋPa（７０torr）以下に達する場合に脱炭効率が大きく、従って、脱炭処理終了時の雰囲気圧力は１３．３ｋPa（１００torr）以下とすることが好ましい。また、脱炭処理開始時の雰囲気圧力が１３．３ｋPa（１００torr）以下の場合でも、脱炭処理はできるが、動圧が高くなり過ぎて地金飛散が激しくなるので、１３．３ｋPa（１００torr）以上とすることが好ましい。但し、雰囲気圧力が高過ぎて雰囲気圧力の変動幅が大き過ぎると、脱炭処理全体に亘って十分な効果が得られないことから、雰囲気圧力は４０．０ｋPa（３００torr）以下が好ましい。また、酸素吹錬の進行に伴って溶鋼３の炭素濃度は低減し、大気圧における転炉脱炭精錬と同様に脱炭酸素効率の低下が生じるため、酸素吹錬の進行に伴い、送酸速度を低減させてもよい。これにより、酸素効率は向上し、また、酸素吹錬の中期から末期にかけての雰囲気圧力の低い場合でも、急激な動圧上昇を抑制することが可能となる。

以上説明したように、本発明によれば、大気圧よりも低い減圧下において上吹きランス１３から溶鋼３に向けて酸素ガスを吹き付けて溶鋼３を真空脱炭精錬するに際し、ラバールノズル１６から吹き付けられる酸素ガスジェットの周囲に、この酸素ジェットを包囲するように火炎または燃焼帯を形成するので、酸素ジェット周囲の温度が高温になり、酸素ジェット周囲の雰囲気ガスの密度が低下し、その結果、酸素ジェットへ巻き込まれる雰囲気ガス量が少なくなって酸素動圧が増大する。これにより、ランス高さを大きくしても高い動圧が得られ、酸素の反応効率が上昇して反応速度が促進されると同時に、ランス高さを大きくすることができることから、上吹きランス１３への地金付着を低減することができ、且つ、燃焼帯により真空槽５の内部が昇熱されて真空槽５への地金付着が抑制され、真空脱炭精錬に費やす費用を大幅に削減することが可能となる。

尚、上記説明では、燃焼帯の形成に副孔２０からの送酸を利用しているが、本発明はこれに限るものではなく、要は、主孔（ラバールノズル１６）からの超音速酸素ジェットの周囲に燃焼帯が存在すればよく、従って、主孔の周囲に燃焼バーナーを具備させ、脱炭時に同時に燃焼させてもよい。また、主孔のノズル内壁から燃料を噴射し、超音速ジェットを噴射させてもよい。この場合、燃焼帯をジェットの周囲に形成させるためには、保炎させる必要があり、ラバールノズル内壁に保炎用の溝を具備させる必要がある。但し、上記説明のように、副孔２０からの酸素ガスのみで燃焼帯が得られる上記方法を用いると燃料は不要のため設備も簡易となり、最大のメリットを得ることができる。

以下、本発明例を従来例とともに示す。先ず、酸素ガスを上吹きし、攪拌用ガスを底吹きする上底吹き複合吹錬用転炉内に約３６０トンの溶銑を装入し、主として脱炭吹錬を行った。転炉脱炭吹錬の終了は溶鋼中炭素濃度が０．０５〜０.０７質量％となった時点とし、脱炭吹錬終了時の溶鋼温度は１６５０℃を目標とした。

次いで、転炉精錬によって得られた溶鋼を転炉から出鋼した後、未脱酸状態のまま、図１に示すＲＨ真空脱ガス設備に搬送し、上吹きランスのラバールノズルからおよそ０．１８Ｎｍ³ ／ｍｉｎ・ｔの酸素ガスを真空槽内の溶鋼湯面に供給し、同時に、副孔から合計０．０４Ｎｍ³／ｍｉｎ・ｔの酸素ガスを供給しながら真空脱炭精錬を実施した。この真空脱炭精錬では、付着地金量及び脱炭酸素効率について調査した。付着地金量は上吹きランスへの付着地金について評価した。調査結果を表１に示す。表１の地金付着の欄における◎印は付着量が少ないことを表し、×印は付着量が多いことを表している。

表１に示すように、本発明例では、脱炭酸素効率は６８％以上と高く、且つ、地金付着も極めて少ない結果であった。これに対して、副孔の設置されていない従来例では、ランス高さを大きくすると地金付着は少なくなるものの、脱炭酸素効率が低下し、逆に、ランス高さを小さくすると脱炭酸素効率は高くなるものの、地金付着が増加し、双方を満足することはできなかった。

本発明による精錬方法を実施する際に用いたＲＨ真空脱ガス設備の概略断面図である。 上吹きランスの先端に設置されるラバールノズルの概略断面図である。 本発明に係る上吹きランスの概略断面図である。

符号の説明

１ ＲＨ真空脱ガス設備
２ 取鍋
３ 溶鋼
４ スラグ
５ 真空槽
６ 上部槽
７ 下部槽
８ 上昇側浸漬管
９ 下降側浸漬管
１０ 環流用ガス吹込管
１１ ダクト
１２ 原料投入口
１３ 上吹きランス
１４ ランス本体
１５ ランスノズル
１６ ラバールノズル
１７ 絞り部
１８ スロート
１９ スカート部
２０ 副孔
２１ 外管
２２ 中管
２３ 内管
２４ 最内管

Claims (8)

1. その先端にラバールノズルが設置された上吹きランスを用い、大気圧よりも低い圧力の雰囲気下において溶融金属に向けて酸素含有ガスを吹き付けて溶融金属を酸化精錬するに際し、前記ラバールノズルから吹き付けられる酸素含有ガスの周囲に、当該酸素含有ガスを包囲する火炎または燃焼帯を形成することを特徴とする、減圧下における溶融金属の精錬方法。
2. 前記上吹きランスには、ラバールノズルの周囲に、ラバールノズルのスロート径に対してそのスロート径及びその設置数が下記の（１）式を満足する複数個の副孔が設置されており、当該副孔から酸素含有ガスを吹き込んで火炎または燃焼帯を形成することを特徴とする、請求項１に記載の減圧下における溶融金属の精錬方法。
   Ｄｔ² ＝Ｄtt² ×Ｎ×α …（１）
   但し、（１）式において、Ｄｔはラバールノズルのスロート径、Ｄttは副孔のスロート径、Ｎは副孔の設置数、αは１よりも大きい任意の係数である。
3. 前記副孔は３個以上設置され、副孔の傾角はラバールノズルの最大傾角に１０°を加えた値以下であることを特徴とする、請求項２に記載の減圧下における溶融金属の精錬方法。
4. 前記副孔から供給する酸素含有ガスの供給量は、ラバールノズルから供給される酸素含有ガス供給量の１／３以下であることを特徴とする、請求項２または請求項３に記載の減圧下における溶融金属の精錬方法。
5. 前記溶融金属は溶鋼であり、前記酸化精錬は溶鋼中の炭素を除去するための脱炭精錬であることを特徴とする、請求項１ないし請求項４に記載の減圧下における溶融金属の精錬方法。
6. 前記酸化精錬は、雰囲気圧力が４０ｋPa以下のときに精錬を開始し、雰囲気圧力が１３．３ｋPa以下のときに精錬を終了することを特徴とする、請求項１ないし請求項５に記載の減圧下における溶融金属の精錬方法。
7. その先端にラバールノズルが設置された、大気圧よりも低い圧力の雰囲気下において溶融金属に向けて酸素含有ガスを吹き付けて溶融金属を酸化精錬する精錬用上吹きランスであって、前記上吹きランスには、ラバールノズルの周囲に、ラバールノズルのスロート径に対してそのスロート径及びその設置数が下記の（１）式を満足する複数個の副孔が設置されており、当該副孔から酸素含有ガスを吹き込んで火炎または燃焼帯を形成することを特徴とする、減圧下における溶融金属の精錬用上吹きランス。
   Ｄｔ² ＝Ｄtt² ×Ｎ×α …（１）
   但し、（１）式において、Ｄｔはラバールノズルのスロート径、Ｄttは副孔のスロート径、Ｎは副孔の設置数、αは１よりも大きい任意の係数である。
8. 前記副孔が３個以上設置され、副孔の傾角がラバールノズルの最大傾角に１０°を加えた値以下であり、前記係数αが３よりも大きいことを特徴とする、請求項７に記載の減圧下における溶融金属の精錬用上吹きランス。

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