JP2006348341A - 溶鉄精錬用上吹ランス及び溶鉄精錬方法 - Google Patents

Abstract

【課題】常に超音速ジェットの出口圧を雰囲気圧に一致させながら反応ガスの流量やノズル元圧を独立に制御することができ、これにより、反応ガスの供給量及び攪拌力を操業条件に応じて最適に制御することができる溶鉄精錬用上吹ランスを提供する。
【解決手段】ベル形の内面形状７ａを有する筒体７と、筒体７の内部であってスロート部７ｂ近傍に筒体７の中心軸の方向へ移動可能に配置される弁８とを有するノズル９を備える溶鉄精錬用上吹ランス６である。弁８の中心軸が筒体７の中心軸に一致するとともに、ノズル９の上方に配置されて外部から入力される信号に応じて弁８を移動させるための駆動機構を備える。膨張扇１０を用いた自由膨張により超音速ジェットを形成するため、形成される超音速ジェットは雰囲気圧に必ず一致する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、溶鉄精錬用上吹ランス及び溶鉄精錬方法に関し、具体的には、常に超音速ジェットの出口圧を雰囲気圧に一致させながら反応ガスの流量やノズル元圧を独立に制御することができ、これにより、反応ガスの供給量及び攪拌力を操業条件に応じて最適に制御することができる溶鉄精錬用上吹ランス及び溶鉄精錬方法に関する。

溶鉄を収容する精錬炉において酸素等の反応ガスを上吹きする際、一般的には、超音速ノズルであるラバールノズルを単本又は複数本を内蔵した水冷ランスが用いられる。このようなランスに関しては、これまでも様々な提案がなされている。

例えば特許文献１には、ラバールノズルの中心に円錐状又は末広がり状の棒であるスピンドルを配設し、スロート面積を可変にしたノズルが開示されている。このノズルは、ラバールノズルを基本としてそのスロート面積及び出口面積を規定した末広ノズルであり、強制膨張を利用して超音速ジェットを形成するものである。

特許文献２には、ラバールノズルの外側に環状の吹き出し口を設けたノズルが開示されている。このノズルは２重管を用いて反応ガスの流量を調整しようとするものである。
特許文献３や特許文献４には、形状を改善したラバールノズル（末広ノズル）が開示されているとともに、特許文献５には、酸素の他に可燃性ガスを切り替えて流すことができるランスが開示されている。特許文献３〜５により開示されたものは、いずれも、ラバールノズル（末広ノズル）を用いるものであり、スロート面積及びノズル出口面積を規定するものである。
特公昭４７−４７７０号公報 特開平７−３０５１０７公報 特開２００２−２４９８１６号公報 特開２０００−３４５２２８号公報 特開２００３−２６８４３４公報

溶鉄の反応では通常、反応の初期、中期及び末期のそれぞれにおいて反応速度及び反応による溶鉄の攪拌現象が大きく異なる。このため、以前から、反応ガスの流量やノズル元圧を独立に制御することによって、溶鉄の精錬プロセスでは特に重要とされる、反応ガスの供給量及び溶鉄攪拌力を最適化したいとの要請が存在する。すなわち、反応ガスの流量を制御するためにはスロート面積及びノズル元圧の調節が必要であるのに対し、溶鉄を攪拌する動力エネルギーを制御するためにはノズル元圧の調節が必要である。したがって、操業の自由度を確保するため、反応ガスの流量やノズル元圧を独立に制御することが不可欠である。

しかし、特許文献１〜５により開示された発明では、反応ガスの流量やノズル元圧を独立に制御して反応ガスの供給量及び攪拌力を最適化することは、難しい。
特許文献１により開示されたノズルは、スロート面積及び出口面積を規定した末広ノズルであって強制膨張を利用して超音速ジェットを形成するため、ノズルから出た超音速ジェットの圧力が雰囲気圧に必ずしも一致しないために不適正な超音速ジェットとなり、超音速ジェットが早期に減衰してしまう。

特許文献２により開示されたノズルは、流量調整を行うことはできるが、そもそも環状の超音速ジェットを形成するものではない。
特許文献３〜５により開示されたノズルは、いずれも、ラバールノズル（末広ノズル）を用いるためにスロート面積及びノズル出口面積が規定される。このため、流量を変更しようとするとノズル元圧も変動し、これに応じて、出口圧も変化する。このため、反応ガスの流量及びノズル元圧を独立に制御できず、最適な超音速ジェットが得られない。

本発明の目的は、溶鉄精錬用上吹ランス及び溶鉄精錬方法を提供することであり、具体的には、常に超音速ジェットの出口圧を雰囲気圧に一致させながら反応ガスの流量やノズル元圧を独立に制御することができ、これにより、反応ガスの供給量及び攪拌力を操業条件に応じて最適に制御することができる溶鉄精錬用上吹ランス及び溶鉄精錬方法を提供することである。

本発明は、ベル形の内面形状を有する筒体と、この筒体の内部であってスロート部近傍にこの筒体の中心軸の方向へ移動可能に配置される弁とを有するノズルを備えることを特徴とする溶鉄精錬用上吹ランスである。

別の観点からは、本発明は、ベル形の内面形状を有する筒体と、この筒体の内部であってスロート部近傍にこの筒体の中心軸の方向へ移動可能に配置される弁とを有するノズルを備える溶鉄精錬用上吹ランスから、反応容器に収容された溶鉄に向けて反応ガスを流送して精錬を行う溶鉄精錬方法であって、この反応容器の内部の状態に応じて、弁を昇降させて弁と筒体の内面との隙間の大きさを調整することにより反応ガスの流量又はノズル元圧を独立して制御することによって、スロッピング及び地金上がりの発生を抑制することを特徴とする溶鉄精錬方法である。

この本発明に係る溶鉄精錬用上吹ランス又は溶鉄精錬方法では、弁の中心軸が、筒体の中心軸に一致することが望ましい。
これらの本発明に係る溶鉄精錬用上吹ランス又は溶鉄精錬方法では、溶鉄精錬用上吹ランスが、ノズルの上方に配置されて、外部から入力される信号に応じて前記弁を移動させるための駆動機構を備えることが望ましい。

本発明により、常に超音速ジェットの出口圧を雰囲気圧に一致させながら反応ガスの流量やノズル元圧を独立に制御することができ、これにより、反応ガスの供給量及び攪拌力を操業条件に応じて最適に制御することができる。このため、溶鉄の精錬に際して、スロッピング及び地金上がりを防止でき、送酸量の増加及び処理時間の短縮を図ることができる。

以下、本発明に係る溶鉄精錬用上吹ランス及び溶鉄精錬方法を実施するための最良の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
はじめに、本実施の形態で用いる溶鉄精錬用上吹ランスにおける特徴的な構造を説明する。

図１（ａ）〜図１（ｄ）は、各種の超音速ノズルの形状例を簡略化して示す略式説明図である。超音速ノズルとしては、図１（ａ）、図１（ｂ）に示すラバールノズル（円錐形ノズル１、ベル形ノズル２）の他に、図１（ｃ）に示すスパイクノズル３や、スパイクノズル３と同じ原理で超音速膨張をするスロート面積可変膨張ノズル４が知られている。本実施の形態ではこのスロート面積可変膨張ノズル４を、溶鉄精錬用上吹ランスに適用する。

一般的に、溶鉄精錬用上吹ランスのノズルからの超音速ジェットの出口圧を雰囲気圧に一致させながら、反応ガスの流量やノズル元圧を独立に制御するためには、このノズルのスロート面積を可変にすることが有効である。このため、本実施の形態では、図２に示すような、一般に多孔ラバールノズルによって構成される公知のランス５ではなく、図３に示す、環状の噴出孔を有するスロート面積可変膨張ノズル９によって構成されるランス６を用いる。

この本実施の形態の溶鉄精錬用上吹ランス６は、ベル形の内面形状７ａを有する筒体７と、この筒体７の内部であってスロート部７ｂの近傍にこの筒体７の中心軸の方向（図３上図における上下方向）へ移動可能に配置される弁８とを有するスロート面積可変膨張ノズル９を備える。

この弁８の中心軸が筒体７の中心軸に一致するように、弁８は筒体７の内部に配置される。また、ノズル９の上方に配置されて、外部から入力される信号に応じて弁８を筒体７の中心軸の方向（図３上図における上下方向）へ移動させるための駆動機構（図示しない）が設けられている。

スロート面積可変膨張ノズル９の内部中心に配置された弁８の弁体８ａと、筒体７の内面７ａとの間隙が、ラバールノズルのスロート面積に相当する。そこで、この弁８を筒体７に対して相対的に上昇させ、この隙間を小さくすることにより、スロート面積を小さくすることができる。このように、本実施の形態のスロート面積可変膨張ノズル９では、弁８を筒体７に対して昇降させることにより、スロート面積を容易に変化させることができる。

図１（ａ）に示す円錐形ノズル１や図１（ｂ）に示すベル形ノズル２では、出口面積が規定され、強制膨張により超音速ジェットを形成するのに対し、本実施の形態のスロート面積可変膨張ノズル９は、図３に示すように、膨張扇１０を利用して雰囲気圧に一致するまでの自由膨張により超音速ジェットを形成する。すなわち、スロート面積可変膨張ノズル９は、スロート面積は規定するものの出口面積を規定しないノズルであり、膨張扇１０を用いた自由膨張により超音速ジェットを形成するものである。このため、形成される超音速ジェットは雰囲気圧に必ず一致する。このように、スロート面積可変膨張ノズル９は、スロート面積が可変であり、かつ出口が自由であるため、雰囲気圧に最適な超音速ジェットを形成することができる。

次に、このスロート面積可変膨張ノズル９を有する溶鉄精錬用上吹ランス６を用いて、溶鉄の精錬を行う状況を説明する。
溶鉄の精錬に広く用いられている転炉プロセスにおける最も重要な反応の一つは、溶鉄精錬用上吹ランスから超音速ジェットにより酸素を溶鉄に吹き付けることにより、溶鉄に含有される炭素、燐又は珪素を燃焼（酸化）除去することである。これまで、この酸素上吹ランスとして、図２に示す、ラバールノズルを複数個装着したランス５が慣用されている。このラバールノズルは溶鉄表面に広範囲にわたって酸素を行き渡らせるために用いられる。

この反応は、初期と中期さらには末期で反応による溶鉄の挙動が異なるため、各段階で酸素流量を一般に変化させる必要がある。具体的には、反応の初期には酸素流量を高めるが、スピッティングを抑えるため送酸圧は低く抑制する。一方、反応の末期になると、地金上がりを防ぎたいので、むしろ、酸素流量を低くし、送酸圧を高めて溶鉄の攪拌を強化する。このような流量変化に併せて、本来、スロート面積を変化させることにより送酸圧力、即ち溶鉄攪拌動力を変化させる必要がある。

しかし、一般のラバールノズルでは送酸量を低くするとこれに伴って送酸圧が低下し、一方、送酸量を高めるには送酸圧を高めなければならず、送酸量又は送酸圧を独立して制御することはできなかった。

スロート面積を可変とした特許文献１に記載されたラバールノズルも、本質的に末広ノズルであるため、ジェットの出口圧力はスロート面積とノズル出口面積及びガス流量に応じて決定される。このため、形成される超音速ジェットの出口圧力を雰囲気圧に一致させることは難しく、不適正な超音速ジェットとなり、その減衰が早まるという問題がある。

これに対し、スロート面積可変膨張ノズル９は、膨張扇１０を利用して雰囲気圧に一致するまでの自由膨張により超音速ジェットを形成するため、上述したように、常に、ジェットの出口圧が雰囲気圧に一致する。

図４は、スロート面積可変膨張ノズル９を設計するための基本説明図である。
このスロート面積可変膨張ノズル９の超音速ジェット形成過程は、原理的には、膨張扇１０を利用するものである。すなわち、図４に示すようにスロート（最も狭いＭａｃｈ＝１となる位置、図４の記号ＯＡ）から気体膨張が始まる。角を持つ点Ｏを中心に膨張扇ＯＢが回転しながら気体が膨張するとともに速度（Ｍａｃｈ数）を上げ、気流の方向はＯＡの方向からＯＰの方向へと変化する。このＯＡとＯＰのなす角θとＭａｃｈ数Ｍとの間には、（１）式に示す関係がある。
θ＝［（γ＋１）／（γ−１）］^１／２ｔａｎ^−１［｛（γ−１）×（Ｍ^２−１）｝／（γ＋１）］−ｔａｎ^−１（Ｍ^２−１） ・・・・・（１）
（１）式において、γはガスの比熱比（−）を示し、ＭはＭａｃｈ数（−）を示す。

また、ジェットの流れの方向ＯＰと膨張線ＯＢとの角度μは、Ｍａｃｈ数と（２）式に示す関係にある。
μ＝ｓｉｎ^−１（１／Ｍ） ・・・・・（２）
すなわち、スロート部のようにＭａｃｈ数＝１の膨張線は、（２）式に従って流れの方向と直交（μ＝９０度）する。

気体の膨張に伴って、この流れの方向が変化するので、この流れの方向に沿って筒体７の内面７ａの形状を決定する。
実際のランス６では、最終的には超音速ジェットの流れ方向を垂線から約１５度傾斜した方向に向けるため、スロート部分での図４のＯＢ線の方向を３１．４度傾斜した方向に設定すれば、超音速ジェットの流れの方向は加速しながら、丁度、超音速ジェットの流れの圧力が垂線から約１５度傾斜方向を向いた時に雰囲気圧と一致し、自由膨張が停止する。ジェットのガスは一般に酸素であり、この酸素ガスジェットが転炉の炉壁にあたると、その炉壁を酸化溶損させるため、ジェットが直接転炉の炉壁に衝突しないように設定する必要があり、このジェットの方向である傾斜角１５度はこのように設定された角度である。すなわち、この設定角度は転炉の大きさや転炉に入れる溶鋼の量によっても異なって決められる。

以上のように、スロート部から順番に膨張扇１０を回転させながら超音速ジェットの流れの方向に沿って、筒体７の内面７ａの形状を決定することができる。
このように、気体の膨張は雰囲気圧Ｐａｔｍと、加速された超音速ジェットの圧力が等しくなるまで続くが、その時の最大Ｍａｃｈ数Ｍｍａｘと雰囲気圧Ｐａｔｍと元圧Ｐ_０とは、（３）次に示す関係にある。
Ｍｍａｘ＝［｛２／（γ−１）｝×｛（Ｐ_０／Ｐａｔｍ）^{（γ−１）／γ}−１｝］^１／２ ・・・・・（３）
この（３）式により示すように、最大Ｍａｃｈ数Ｍｍａｘが元圧Ｐ_０と雰囲気圧Ｐａｔｍとによって決定されることが、自由膨張の特徴である。

質量流量Ｇは、（４）式に示すように、スロート面積Ｓと元圧Ｐ_０とに比例して増加する。
Ｇ＝Ｓ・Ｐ_０×［γ・ｇ／（Ｒ・Ｔ_０）・｛２／（γ＋１）｝^{（γ＋１）／（γ−１）}］^１／２ ・・・・・（４）
（４）式において、ｇは重力加速度を示し、Ｒは気体常数を示し、Ｔ_０は元圧での気体温度（Ｋ）を示す。

この内面７ａの形状の下で、弁８の昇降により流量を変化させることも可能であり、この結果、同じ流量でも元圧Ｐ_０を上昇させ、かつＭａｃｈ数を上昇させることや、逆に、元圧Ｐ_０を低下させ、Ｍａｃｈ数を下降させることが、可能となる。

溶鉄の精錬反応においては、これまでも、浴の攪拌動力と反応ガス流量との独立な制御がプロセスの効率を向上するには有効であったが、従来のノズルには、このような弁８の昇降のみでスロート面積を変更できるようなものはなく、スロート面積が可変であっても強制膨張であるために出口面積によって決定された超音速ジェットの出口圧となるため、炉内の雰囲気圧とは必ずしも一致しなかった。

しかし、本実施の形態のスロート面積可変膨張ノズル９を有するランス６を用いることにより、膨張扇１０を利用する自由膨張により超音速ジェットを形成するため、従来の末広ノズルのような出口面積に相当するものがなく、雰囲気圧に等しくなるまで膨張が継続される。したがって、スロート面積をどのように変化させても必ず超音速ジェットの出口圧は雰囲気圧に一致する。この結果、反応ガス量Ｇと攪拌エネルギー（元圧Ｐ_０）とを操業中に単独で変更しながら、形成される超音速ジェットの出口圧を雰囲気圧と常に一致させることができる。

このように、本実施の形態により、構造的に非常に簡単であって、かつ、ガス流量と元圧とを自由に選択することができる、スロート面積可変膨張ノズル９を有する溶鉄精錬用上吹ランス６が提供される。

したがって、本実施の形態に係る溶鉄精錬用上吹ランス６及び溶鉄精錬方法により、常に超音速ジェットの出口圧を雰囲気圧に一致させながら反応ガスの流量やノズル元圧を独立に制御することができ、これにより、反応ガスの供給量及び攪拌力を操業条件に応じて最適に制御することができる。

さらに、本発明を、実施例を参照しながらより具体的に説明する。
（ｉ）実施方法
本発明を、２５０トン転炉（直径約７．５ｍ）において適用した実施例を説明する。平均的な溶銑成分はＣ：４．７質量％、Ｓｉ：０．３５質量％であり、スラグ重量は５５ｋｇ／ｐｉｇ−ｔである。また、ランス〜浴面間距離は３ｍである。

図５は、本実施例で用いたスロート面積可変膨張ノズル９の形状を示すグラフである。
この溶銑に、図５に示す軸方向距離及び半径方向距離の形状を有するスロート面積可変膨張ノズル９を備える本発明に係る溶鉄精錬用上吹ランス６を用いて、酸素５０．０００Ｎｍ^３／ｈにて脱炭処理した。図５に示す位置に弁８が存在する際のスロート面積は８．６２６ｍｍ^２であり、開度１００％である。

弁８は水冷構造であり、操業中に弁８を筒体７に対して相対的かつ機械的に昇降させてこのスロート間隔を調整することによりスロート面積を変化させる。弁８の機械的な上下機構は、ランス６の根元上端部に配置されている。

元圧一定の条件で弁８を下降させると、スロート面積が大きくなり、流量が増加する。逆に弁８を上昇させると流量が減少する。弁８を動かさずに元圧を上昇させると、流量が増え、攪拌動力が増加する。このように、本実施例の溶鉄精錬用上吹ランス６を用いれば、ソフトブローもハードブローも１本で行うことができる。

なお、図５右図には、形成された超音速ジェットの各軸方向距離におけるマッハ数の一例を、グラフで示す。
（ｉｉ）実施条件
従来のラバールランス（直径４２．８ｍｍ、６孔）を用いて脱炭した場合（脱炭初期のスロッピング発生に対応して送酸量を４５．０００Ｎｍ^３／ｈに低下させてスタートし、中期には１００％の送酸量（５０．０００Ｎｍ^３／ｈ）を確保し、末期には地金上がりのため送酸量を低下させる（４５．０００Ｎｍ^３／ｈ））と、スロート面積可変膨張ノズル９を有する溶鉄精錬用上吹ランス６を用いて脱炭の初期から末期まで流量５０．０００Ｎｍ^３／ｈ一定で元圧を変化させた場合とを比較した。

すなわち、スロート面積可変膨張ノズル９を有する溶鉄精錬用上吹ランス６本では、初期には開度１００％、元圧８．６ｋｇｆ／ｃｍ^２Ｇにて操業した結果、ソフトブローとなり、スロッピングが抑制された。その後、末期に向かうにつれ、スロート面積を９０％、流量５０．０００Ｎｍ^３／ｈ、元圧９．６ｋｇｆ／ｃｍ^２Ｇにした結果、ハードブローになり攪拌が強化されたため地金上がりが抑制された。

開度の調整は、弁８を昇降することにより操業中に行った。すなわち、図５の筒体７は水冷構造であり、また弁も水冷構造をなしており、中心軸を同じくして相対的に移動するようになっており、その弁の相対的な移動はランスの上部にて機械的に行われ、操業室から遠隔操作できるようになっている。

なお、この時の底吹きＮ_２流量は１１Ｎｍ^３／ｈで一定である。
（ｉｉｉ）評価方法
転炉では吹錬時間の短縮が課題であり、送酸量をできるだけ多くすることが効果的である。上記の２つのランスの操業条件はスロッピングの発生及び地金上がりによる操業停止を避け得る最大送酸量から決定されたものである。
（ｉｖ）結果及び効果
図６に、従来のランス及び本発明に係るランスを用いた時の操業結果（送酸速度、吹錬時間、スロッピング比率）を、比較してグラフで示す。

従来のランスでの平均送酸量が４７．０００Ｎｍ^３／ｈに対し、本発明に係るランスでは弁開度制御により５０．０００Ｎｍ^３／ｈが可能となった。その結果として吹錬時間（処理時間）が１６分間から１５分間へと短縮した。本発明により、特にスロッピング比率を１０％超低下できた。

図１（ａ）〜図１（ｄ）は、各種の超音速ノズルの形状例を簡略化して示す略式説明図である。 酸素上吹きランスとして慣用される、ラバールノズルを複数個装着したランスを示す説明図である。 本発明に係るスロート面積可変膨張ノズルを備える溶鉄精錬用上吹ランスを示す説明図である。 スロート面積可変膨張ノズルを設計するための基本説明図である。 実施例で用いた本発明に係る溶鉄精錬用上吹ランスを構成するスロート面積可変膨張ノズルの形状（軸方向距離及び半径方向距離）を示すグラフである。 従来のランス及び本発明に係るランスを用いた時の操業結果（送酸速度、吹錬時間、スロッピング比率）を比較して示すグラフである。

符号の説明

１ 円錐形ノズル
２ ベル形ノズル
３ スパイクノズル
４ スロート面積可変膨張ノズル
５ 多孔ラバールノズルによって構成されるランス
６ 実施の形態の溶鉄精錬用上吹ランス
７ 筒体
７ａ ベル形の内面形状
７ｂ スロート部
８ 弁
８ａ 弁体
９ スロート面積可変膨張ノズル
１０ 膨張扇

Claims (4)

1. ベル形の内面形状を有する筒体と、該筒体の内部であってスロート部近傍に該筒体の中心軸の方向へ移動可能に配置される弁とを有するノズルを備えることを特徴とする溶鉄精錬用上吹ランス。
2. 前記弁の中心軸は、前記筒体の中心軸に一致する請求項１に記載された溶鉄精錬用上吹ランス。
3. 前記ノズルの上方に配置されて、外部から入力される信号に応じて前記弁を移動させるための駆動機構を備える請求項１又は請求項２に記載された溶鉄精錬用上吹ランス。
4. ベル形の内面形状を有する筒体と、該筒体の内部であってスロート部近傍に該筒体の中心軸の方向へ移動可能に配置される弁とを有するノズルを備える溶鉄精錬用上吹ランスから、反応容器に収容された溶鉄に向けて反応ガスを流送して精錬を行う溶鉄精錬方法であって、該反応容器の内部の状態に応じて、前記弁を昇降させて前記弁と前記筒体の内面との隙間の大きさを調整することにより前記反応ガスの流量又はノズル元圧を独立して制御することによって、スロッピング及び地金上がりの発生を抑制することを特徴とする溶鉄精錬方法。

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