JP2007537355A - 溶融金属の精錬 - Google Patents

Abstract

酸素と溶融金属中の不純物との反応によって容器中で溶融金属を精錬する方法は、次の各工程：ａ）少なくとも１つの酸素の第１ジェットを該溶融金属の上に置かれたランスから該溶融金属に噴出して、その中の不純物と反応させ、そして溶融スラグの層を形成する工程；ｂ）該第１酸素ジェットを該ランスから噴出し続け、それによって該第１酸素ジェットがスラグ層を通り抜けて該溶融金属へ通過するようにさせる工程；ｃ）複数の酸素の第２ジェットを該ランスから噴出し、該第２酸素ジェットが該第１酸素ジェットから離れて移動する工程；および、ｄ）該第１酸素ジェットが該溶融金属へ入る上流で、該第２酸素ジェットを該第１酸素ジェットへ取り込む工程、を含む。本方法で用いるランスヘッドは少なくとも１つの第１酸素口および複数の第２酸素口を有し、第２酸素口の軸は第１酸素口からの流れの方向に４５°以下の角度で分かれている。本方法およびランスヘッドは基本的酸素鋼製造（ＢＯＳ）法で特に用いられる。望ましいならば、アルゴンのような撹拌ガスを第１酸素と混合してもよい。

Description

本発明は溶融金属の精錬法に関する。本発明はまた本方法で用いるためのランスヘッドに関する。
溶融金属をその中に酸素の１つ以上のジェットを導入することによって精錬することはよく知られている。例えば、鋼はこのようにして鉄から製造される。いくつかの方法では、酸素のジェットは、先端が溶融金属の表面より下に置かれた羽口から溶融金属の浴へ導入される。羽口の使用は、金属精錬操作が行われる容器の耐火性ライニングを損なうので、それほど理想的ではないと考えられる。従って、いくつかのまたは全ての酸素ジェットを上から溶融金属へ導入するのが一般的である。商業的に重要な基本的酸素鋼製造（ＢＯＳ）法は、上から溶融金属へ酸素ジェットを「吹き込む」方法である。酸素は、溶融金属中に溶解した形で見られる炭素と反応して、一酸化炭素を形成する。さらに、酸素は不純物または溶融金属の少量成分（例えば、珪素）と反応して、溶融金属の表面にスラグを形成する。

一般に、酸素と、例えば、溶融金属中の炭素との反応の程度は限定されない。は従って、酸素が溶融金属に導入される量を最大にするのが望ましい。しかしながら、実際問題として、この程度は限定される。これらの問題の１つは、酸素の溶融金属への導入によって生じる乱れの程度である。溶融金属の過度の跳ねがあると、吹き込まれる酸素が通り抜けるランスの磨耗が生じ、その結果、金属の経済的な製造をだいなしにするほどしばしばランスのヘッドを交換する必要があることになると考えられる。溶融金属の過度の跳ねはまた溶融金属が容器から噴出することになり、収量の損失を高めかつ下流装置の維持の必要性を増加させる。他方、物質移動制限に直面することがあるとき、酸素と炭素の反応を促すために、特に後の段階で、一般には吹き込みの最後の２０％で、溶融金属にある程度の乱れがあるのが望ましい。

ＥＰ−Ａ−８６６ １３８およびＥＰ−Ａ−８６６ １３９のような特許出願では、静止した大気を通り抜けて移動するような酸素のジェットが静止大気を取り込む傾向のあることが開示されている。この取り込みは速度および酸素ジェットの推力を減じる効果を有する。取り込みの結果、ランスヘッドを理想よりも溶融金属表面に近く置かなければならなず、従って、跳ねる溶融金属によってそれがより傷つきやすくなると述べている。ＥＰ−Ａ−８６６ １３８およびＥＰ−Ａ−８６６ １３９は、ランスヘッドを実際においてバーナーに換えることを提案している。ランスから超音速で噴出される酸素の第１ジェットはやはりあるが、酸素の第１ジェットは第２火炎囲いで囲まれている。第２火炎囲いは、燃料ガス（または液体燃料）およびランスヘッドからの第２酸素を噴出することによって形成される。燃料ガスおよび第２酸素は混ざって火炎を形成する。火炎囲いは、静止大気の酸素ジェットへの取り込みを妨げると述べている。それゆえ、酸素ジェットは火炎囲いのない方法にはあった分岐または減速をしない。従って、酸素ジェットは溶融金属の表面下に十分に突き通ることができ、それによって、酸素の溶融金属に溶解した炭素との反応を容易にする。さらに、ランスヘッドは、その磨耗速度を許容レベルに保つことができるのに十分な溶融金属上に容易に置くことができる。

惑わすつもりはないが、一般的な慣行の不利な点を過剰に見積もりすぎると考える。さらに、火炎囲いの形成はかなり不利である。すなわち、燃料ガスまたは液体燃料をオーバーヘッドランスへ供給しなければならない。不利の程度は金属溶融または精錬法ごとに変わる。例えば、ＥＰ−Ａ−８６６ １３８およびＥＰ−Ａ−８６６ １３９の教示は特に火炎囲いの形成のためにオーバーヘッド燃料供給を求めているので、ＢＯＳ法ではその不利はかなりなものである。特に、ランスは通常、上下の位置間で操作しなければならないので、これを実施するのは工学的に相当難しいと考えられる。さらに、溶融金属による水素ピックアップの可能性はかなり増加し、これは鋼の多くのグレードにとって受け入れられない。

金属精錬における酸素吹き込み技術を改善できるかどうかは、ランス磨耗速度を過度に速める問題を同時に起こすことなく、反応に利用できるオキシダントのつくられる速度を速めることによると考える。

本発明は、酸素と溶融金属中の不純物との反応によって、一定容量の溶融金属を含有する容器中で溶融金属を精錬する方法を提供するものであって、その方法は、次の各工程：
ａ）少なくとも１つの酸素の第１ジェットを該溶融金属の上に置かれたランスから該溶融金属に噴出して、その中の不純物と反応させ、そして溶融スラグの層を形成する工程；
ｂ）該第１酸素ジェットを該ランスから噴出し続け、それによって該第１酸素ジェットが、スラグ層を通り抜けて該溶融金属へ通過するようにさせる工程；
ｃ）酸素の複数の第２ジェットを該ランスから噴出し、該第２酸素ジェットが該第１酸素ジェットから離れて移動する工程；および
ｄ）該第１酸素ジェットが溶融金属へ入る上流で、該第２酸素ジェットを該第１酸素ジェットへ噴出する工程
を含む。

本発明はまた、上記の方法で用いるためのランスヘッドを提供するものであり、ランスヘッドは少なくとも１つの第１酸素口および複数の第２酸素口を有し、各第２酸素口は第１酸素口または第１酸素口の１つと関連し、流れの方向にその関連した第１酸素口から４５°以下の角度で分かれている軸を有する。

本発明の方法およびランスヘッドは、一定体積の溶融金属の炭素含有量を減少させるのにかかる時間を減じるように操作することができると考える。さらに、この結果は第１酸素の初期の圧力、速度および流れを高めることなく行うことができ、それによって、ランスヘッドの腐蝕または損傷度の増加リスクは、従来の方法で通常受けるのと比較して、低く保たれると考える。第１酸素の圧力、速度および流れの増加はまた、溶融金属およびスラグの容器からの噴出の原因ともなって、収量損失および維持問題を伴う。本発明の方法およびランスヘッドではまた、燃料はランスヘッドに供給されず、それによってオーバーヘッド燃料供給の必要は回避される。そのようなオーバーヘッド燃料供給はＥＰ−Ａ−８６６ １３８およびＥＰ−Ａ−８６６ １３９に記載の覆われたガスジェットの形成に必要である。

本発明の方法およびランスヘッドは、基本的酸素鋼製造（ＢＯＳ）法で用いることを特に意図するものであるが、いくつかの他の鋼製造法およびいくつかの非鉄金属精錬法にも適用できる。

酸素の第１ジェットは、本発明の工程（ａ）および工程（ｂ）のランスから超音速の軸速度で噴出されるのが望ましい。これらの工程では、マッハ１．５〜マッハ３の範囲の超音速を用いうる。

各第２酸素ジェットの取り込みがその関連する第１ジェットの適した中間位置で行われるために、各第２ジェットの長軸はその関連する第１ジェットの長軸から４５°以下の角度で移動方向に分かれる。

各第２酸素ジェットのその関連する第１酸素ジェットからの好ましい分岐角度は、第２酸素ジェットの絶対速度および第１酸素ジェットに対するその相対速度により５〜２５°の範囲である。

一般に、２〜８の第２酸素ジェットが用いられ、２〜６が好ましい。第２口の正確な数は第１酸素対第２酸素流の望ましい流量比率により選択しうる。例えば、第２酸素流は第１酸素流の５０％以下でもよく、そして１２以下の第２口を用いてもよい。通常、第２酸素流は第１酸素流の５〜５０％である。

各第２酸素口のその関連する第１酸素口からの線分離は一般に、第１酸素口の直径の２倍未満である。
各第２酸素ジェットは第１酸素ジェットより薄いのが好ましい。

個々の第２酸素ジェットは酸素の第１ジェットにおけるそれらの取り込みに対して互いに別れて移動するのが好ましい。
例えば、基本的酸素鋼製造では、ランスのヘッドは工程（ｂ）の間、スラグ層に一般に浸されている。基本的酸素鋼製造のこの例および他の例では、複数の第１酸素ジェットがあり、それぞれは１つ以上の第２酸素ジェットと関連する。各第１酸素ジェットとその関連する第２酸素ジェットとの関係は、上記の一般的なまたは好ましい特徴のいずれかあるいは全てが用いられようにしうる。

複数の第１酸素ジェットが用いられるならば、それらは一般に周辺に（または別の閉じた幾何学的形の周辺に）配列されている第１酸素口から出るのが一般的である。第２酸素口は第１酸素口の外側に配列されているのが一般的である。

好ましくは、各第１酸素口はそれに関連した第２酸素口のグループを有し、各グループの第２酸素口は円の弧上、すなわち周辺に配列されている。円は、第１酸素口のある円と同心である。弧に対する角度は通常１８０°未満である。

本発明の好ましいランスヘッドでは、第２酸素口または各第２酸素口がその関連する第１酸素口から分岐する角度は通常４５°以下、好ましくは５〜２５°、さらに好ましくは１０〜２０°である。第１酸素口または各第１酸素口に関連して１〜８（より好ましくは２〜８）の第２酸素口のグループがあるのが好ましい。各第２酸素口の第１酸素口からの線分離は第１酸素口の直径の２倍未満であるのが好ましい。第１酸素口および各第２酸素口はランスヘッドの先端に置くのが好ましい。

ＢＯＳ法での使用に適した好ましいランスヘッドでは、ランスヘッドの軸の周辺に配列されている複数の第１酸素口がある。第１酸素口はランスヘッドの傾斜環状面に配置されるのが好ましく、その面は先導する内部周辺端を有し、第１酸素口の長軸は全て互いから酸素流の方向に分かれる。各第１酸素口は複数の第２酸素口と関連しているのが好ましく、全て環状面に形成されている。

本発明の好ましいランスヘッドでは、第１酸素口または各第１酸素口は先細−末広ノズルの形であり、各酸素ジェットはランスヘッドの先端から放出される。
本発明のランスヘッドは冷却液、例えば水の流れ用の通路を一般に有する。

本発明のいくつかの好ましいランスヘッドでは、第１および第２酸素口全てがランスヘッド中の共通チャンバーと通じている。そのような態様では機械が単純になる利点がある。本発明によるランスヘッドの別の好ましい態様では、第１酸素口または各第１酸素口は、第２酸素口と通じていないランスヘッド中のチャンバーと通じている。これらの態様では、第１酸素に関係なく第２酸素の速度および流量を調節することができる利点がある。

多くの場合において、本発明の方法は
ｅ）第１ジェットおよび／または第２ジェットが形成される酸素噴出の上流で、少なくとも１種の撹拌ガスと混合すること
の追加工程を行うのが好ましい。

これまでのランスを用いる従来法では、商業的に純粋な酸素が超音速で溶融金属に単に吹き込まれる。量および速度は、過度の乱れおよび跳ねを生じることなく、最短時間で精錬操作を完了するように選択される。本発明による第１ジェットに撹拌ガスを含めることは、溶融金属に溶解した炭素と、溶融金属表面に浸透するガス状酸素との冶金学的反応を容易にする傾向がある。さらに、第２ジェットの使用はさらなる酸素を提供し、そして第１酸素、第２酸素および撹拌ガスの供給量は、第１ジェットによる力が受け入れられない跳ねが生じる場所を増加させないことを確実にしながら、全酸素投入量が最大になるように選択しうる。

撹拌ガスを用いるならば、第１ジェットは撹拌ガスと酸素を予め混合することによって形成するのが好ましい。
撹拌ガスは希ガス、特にアルゴンが好ましい。しかしながら、鋼のいくつかのグレードの場合、鋼に有害な影響を及ぼさなければ、窒素が撹拌ガスとして許容される。

撹拌ガスを用いるのならば、酸素の第１ジェットは加熱の間、同じ組成であってもよい。あるいは、その組成を変えてもよく、加熱の間、一回またはそれ以上、増加させてもよい。確かに、初期の間、撹拌ガスの添加は慎重でなくてもよい（いくらかのアルゴンは酸素中に不純物として常に存在する）。撹拌は通常、加熱の終わり近くで最も必要であり、従って、第１ジェット中の撹拌ガスのモル分率は加熱の最初の半分におけるよりも加熱の最後の部分（一般には最後の１／５）において大きいのが好ましい。確かに、酸素の供給が停止された後、撹拌ガスの供給を続けることは可能である。

本発明による方法および本発明の態様によるランスヘッドを、添付図面を参照して、例によって説明する。
基本的酸素鋼製造（ＢＯＳ）容器１０２を示す図１を参照する。容器１０２は耐火性ライニング（図示されていない）を有する。操作では、容器に溶融鉄のバッチが入れられる。この溶融鉄の体積は図１の参照数字１０６で示される。溶融鉄は酸素との反応によって精錬される。酸素はヘッド１１２を有する垂直ランス１１０を通して供給される。ランス１１０はステンレス鋼で一般にできており、酸素放出のためのそのヘッド１１２に複数の第１口１１４を有する。口１１４はランス１１０を通して酸素通路１１５と通じている。ランス１１０およびヘッド１１２にはまた冷却液（一般には水）の流れ用の通路１１６があって、ＢＯＳ容器１０２の熱環境での突発的損傷に対してそれを保護する。ランス１１０はまた、ランス１１０を上下できるマニプレーター（図示されていない）とも関連している。一般的な実施では、ランス１１０は２つの位置で操作される。一方はいわゆる「ソフトブローイング」位置であり、そこでは、ランス１１０はその先端を溶融金属表面から比較的遠い状態で操作され、他方はいわゆる「ハードブローイング」位置であり、そこでは、ランス１１０はその先端を溶融金属表面に比較的近い状態で操作され、一般にランスヘッド１１２は、溶融金属の精錬の間、溶融金属の体積１０６の表面に形成される溶融スラグの体積１１８に浸される。一般に時々用いられるソフトおよびハードブローイングランスヘッド位置への変更が不必要であることは本発明による方法の利点の１つである。

本発明による方法では、位置が脱炭速度および他の要素に反応して動力学的に調節されるランスを同様に用いうる。そのような動力学的調節はホン技術分野でよく知られている。

溶融鉄の精錬はソフトブローイング位置のランスヘッド１１２からの酸素の供給で始まる。酸素はヘッド１１２から超音速、一般にマッハ１．５〜３の範囲で噴出される。酸素は０〜５０℃でランスヘッドへ一般に供給される。酸素を予熱する必要はないが、ＢＯＳ容器の周囲環境は通常、普通の室温よりかなり高い温度であるので、それに伴って少し予熱されるかもしれない。酸素を超音速でランスヘッドから噴出することができるように、酸素はまた、５〜２０バールの圧力で一般に供給される。第１酸素は溶融金属１０６の表面を貫き、その中の炭素および他の不純物、例えば珪素およびリンと反応する。鋼製造の化学はよく知られており、ここに詳しく記す必要はない。溶融金属浴に溶解した炭素は酸素に対して高い親和性を有し、それと素早く反応して一酸化炭素を形成し、一方、他の不純物は酸素と反応して、溶融鉄金属よりも軽いので表面に上昇して溶融スラグ層を形成する溶融スラグを形成すると言えば十分である。第１酸素の速度は溶融金属の撹拌を生じるような速度であり、一般にその表面が乱れる程度である。スラグ層１１８も乱れ、これは溶融鉄に溶解した炭素と酸素との反応の結果としてかなりの一酸化炭素気泡を含む。

スラグ層の形成後、溶融金属の脱炭速度を速めるのが望ましい。従って、ランス１１０はハードブローイング位置に下げられ、ヘッド１１２は溶融スラグ１１８に浸される。（図１に示す位置である。）ハードブローイング段階の間、第１酸素は超音速噴出で供給される。
さらに、本発明では、第２酸素も供給される。望ましいならば、あるいはランスヘッドの形状の避けられない結果として、第２酸素はソフトブローイング期の間に供給され、スラグの形成を助けてもよい。多くの異なるオプションがある。例えば、第１酸素流量および速度はソフトブローイング期からハードブローイング期まで増加させてもよい。

一般に、複数の第１酸素ジェットが用いられ、それぞれは複数の第２酸素ジェットと関連する。１つのそのような第１酸素ジェット１２０を図１に示す。第１酸素ジェット１２０は酸素の流れの方向で分かれる。第２酸素ジェット１２２を図１に示す。第２酸素ジェット１２２は互いから離れて移動する。それらは第１酸素ジェット１２０から分かれる。分岐角度は、第１および第２酸素ジェットの絶対および相対速度により、４５°以下である。一般に、第２酸素ジェットの絶対および相対速度が下がるにつれて、分岐角度を広くすることができる。分岐角度の目的は、確実に、ほとんどの第２ジェットが溶融金属表面の上流で第１ジェットに取り込まれることである。しかしながら、この取り込みがランスヘッドの先端に近すぎるところで生じるのを避けるのが好ましい。分岐角度が小さすぎるとこれが生じる。他方、分岐角度が大きすぎると、第２酸素ジェットは、第１ジェットに取り込まれることなく、かつ溶融金属を貫くことなく、分岐し、しだいに消滅し続けるだけである。分岐角度は５〜２５°が好ましく、１０〜２０°がより好ましい。

第２酸素ジェット１２２はスラグ層１１８を通り抜けて移動するので、それらはその中の一酸化炭素の気泡に出会う。二酸化炭素を形成する一酸化炭素と酸素との反応があると予測されるのはスラグ層の温度である。確かに、この反応が各第２酸素ジェットを燃焼させるほど激しいことはかなり予想される。二酸化炭素は脱炭剤として作用するので、このような二酸化炭素の形成は本質的に不利なことではない。二次的オキシダントの第１酸素ジェットへの取り込みは、より多くのオキシダントを溶融金属と接触させる。その結果、炭素および他の不純物の酸化速度は高まり、従って、溶解炭素濃度を選択された程度に減少するのにかかる時間を減じることが可能である。二次的オキシダントが、二次的酸素、二次的二酸化炭素、またはこれら２つのガスの二次的混合物として第１酸素ジェットへ入るかどうかはたいした問題ではない。すなわち、二酸化炭素の形成は本発明にありがちなことである。

溶融金属中の炭素レベルを一定の値に減じるのにかかる時間は、オキシダント分子が溶解炭素分子と接触する割合によると考える。オキシダント分子が溶解炭素分子と接触する割合を高めると精錬時間が短くなる。従って、かなりの量の二次的オキシダントを用いると有利である。一般に、二次的オキシダントの流量は一次的オキシダントの流量の５０％以下でよい。

第１酸素および第２酸素流がランスヘッド中の同じチャンバーを経て流れるならば、第２酸素ジェット速度を第１ジェット速度に無関係に設定する自由はない；第１酸素ジェット速度とほとんど同じである傾向があり、第１ジェットよりも細い通路から通常生じるので、第２ジェットにはより大きな「摩擦損失」が伴う。そのような例では、第２ジェットは第２通路を音速で一般に出るが、膨張条件下では、超音速流条件に対して中程度の強さの衝撃となり、一連の衝撃波はジェットの運動エネルギーを消散させる。他方、第２酸素が第１酸素とは別の源からくるならば、第２酸素速度を変える自由はより大きい。一般に、第１酸素速度よりもかなり下回る第２酸素速度は第２ジェットの第１酸素への取り込みを容易にする。

ハードブローイング段階の間すなわち全体にわたって、アルゴンまたは他の撹拌ガスを第１酸素へランス１１０の上流で加えうる。一般に撹拌ガスは、第２酸素が用いられるのと同じ速度またはそれ以下で加える。第１ジェットへの全体のガス流は加熱のハードブローイング期中、不変のままであるのが好ましい。撹拌ガスは加熱の間中、一定速度で供給しても、あるいは溶解炭素レベルが望ましいレベルに近づいているとき加熱の終わりに向かって供給してもよい。撹拌ガスはいくらかの第１酸素の代わりに使ってもよく、第１ジェットへ供給しうる。

鉄金属中の炭素レベルが望ましい値に減したとき、酸素（第１および第２）および撹拌ガスの供給を停止し、ランス１１０を鋼製造容器１０２から引き出す。次に、溶融金属を一般的な方法で容器１０２から出す。

供給ガスをいつ供給するかおよびどれくらい多くの供給ガスを供給するかを選択する能力は、鋼製造業者が鋼製造法を最適なものにするのに役立つ。加熱のハードブロー初期の間、炭素レベルは比較的高く、酸素の代わりに撹拌ガスを用いることは精錬を遅らせるだけである。加熱の終わりに向かって、炭素レベルが低下するとき、撹拌ガスの添加は有益である。

本発明の方法で用いるための第１ランスヘッド２００の形状は図２〜４に示す。図２〜４を参照すると、ランスヘッド２００はその前端すなわち先端２０４にノーズ２０２を有する。ノーズ２０２は、外周端よりも前方に内周端を有する傾斜環状面２０６によって囲まれている。図２に示すように、４つの第１酸素口２０８が環状面２０６に形成されている。第１酸素口２０８のそれぞれの軸は面に対して垂直である。従って、第１酸素口２０８のそれぞれは、ランスヘッド２００自身の長軸から酸素流の方向に分岐する軸を有する。分岐角度は一般に５〜１５°程度である。酸素口２０８は互いに同じ間隔で周辺に配列されている。この配列の結果、第１酸素ジェットは４つの異なる領域の溶融金属表面の中に入り込み、それによって、酸素の良好な分散を容易にする。望ましいならば、示した４つよりも少ないまたは多い第１酸素口２０８を用いてもよい。

各第１酸素口２０８は、ランスヘッド２００を貫いて形成された先細−末広ノズル２１０の末端を形成する。ノズル２１０は上流に向かって先細になる部分２１２、直径が一定の中間部分２１４および末広がり部分２１６を有する。先細部分２１２は、ヘッド２００の延長部として形成される酸素チャンバー２１８と通じている。先細−末広ノズル２１０（ラバル（Ｌａｖａｌ）ノズルとも呼ばれることがある）は高圧でチャンバー２１８へ供給される酸素を超音速で噴出することができる。先細−末広ノズル２１０の設計は、酸素が第１酸素口２０８からの出口で完全に膨張するようにするのが好ましい。

各第１酸素口は複数の第２酸素口２２０と関連している。図２に示すように、各第１酸素口２０８は２つの第２酸素口２２０と関連している。各口２２０は環状面２０６に形成される。第２口２２０は全て、第１酸素口２０８と環状面２０６の外周端との中間に位置する。各第２口２２０は第１酸素口２０８よりもかなり小さい直径である。各第２口２２０は、酸素流の方向でそれが関連する第１酸素口２０８の相当する軸から分岐する軸を有する。図１を参照して上で議論した基準が満たされるならば、分岐角度は４５°以下である。しかしながら、一般に、分岐角度は５〜２５°、より好ましくは１０〜２０°である。

各第２酸素口２２０は第２酸素通路２２２の末端にある。第２酸素通路２２２は上流レッグ２２４および下流レッグ２２６でそれぞれ形成される。下流レッグ２２６は上流レッグ２２４に対してある角度であるのが好ましい。各上流レッグ２２４はチャンバー２１８と通じている。図３に示すように、下流レッグ２２６は上流レッグ２２４よりも小さい直径である。しかしながら、望ましいならば、反対の配列を用いてもよく、上流レッグ２２４が下流レッグ２２６よりも小さい反対の配列を用いてもよい。より遅い第２酸素ジェット速度が望ましいならば、そのような配列を用いてもよい。通路２２２は一般にいずれも中ボア（bore）およびカウンターボア（counterbore）として形成される。

説明を平易にするために、各第１酸素口２０８を、２つだけの第２酸素口２２０と関連させて示す。しかしながら、一般に、各第１酸素口２０８は２つを越える第２酸素口２２０と関連させる。従って、一般に、各第１酸素口２０８は２〜８の第２酸素口２２０と関連させる。第２酸素口２２０のそれぞれのグループは、関連する第１酸素口２０８の軸と同心である円の周辺に配置されるのが好ましい。第２酸素口２２０の間隔は、操作中に、そこから出る酸素のジェットが互いに合併しないような間隔である。第２酸素口２２０の各グループは、口２２０が周辺全体に展開するのではなく、３６０°未満、通常は１８０°未満の弧に対する。

ヘッド２００は、酸素チャンバー２１８の周りの内部一体スリーブ２２８および外部一体スリーブ２３０と共に形成される。スリーブ２２８および２３０は、標準操作でランスヘッドを通る冷却液、通常は水の流れ用の通路となる。これらの通路はランス２００のノーズ２０２に延びる。

ランスヘッド２００は、内側の１つは酸素、他の２つは冷却液のためのものである３つの同心通路を有するランス（図２〜４では示されていない）へ単に溶接されているかまたは液体を通さないように固定されている。溶融金属の多くのバッチを精錬するのに用いた後、ランスヘッド２００は交換する必要がある。これは、使用されたヘッドをランスから切り落とし、新しいランスヘッドを溶接するだけでよい。

図２〜４に示すランスヘッドの操作は、図１を参照してここで説明したのと本質的に同じである。上記のように第２酸素ジェットは各第１酸素ジェットに取り込まれ、精錬される溶融金属と緊密に接触する脱炭剤の流れを増大させる。その結果、酸素の第１ジェットのみを用いる従来法と比較して、一定組成の一定量の溶融金属を精錬するのにかかる時間が短縮されると考える。一酸化炭素が第２酸素ジェットへ取り込まれる結果生じる第２酸素のどのような燃焼も本発明にとって付随して起こることである。

第２酸素口２２０は酸素チャンバー２１８と通じているので、第２酸素ジェットは一般に音速で生じ、膨張出口条件下と周囲容器圧との圧力差により超音速へ急速に膨張する。この超音速は、流れる酸素と第２酸素通路２２２となる壁との間の「摩擦」相互作用の結果、第１酸素ジェットが噴出されるよりも遅いかもしれない。

ランスヘッドの別の態様を図５および６に示す。図２〜４の部分に相当する図５および６の部分は、図２〜４におけるのと同じ参照番号で示す。一般に、図５および６に示すランスヘッドの形状および操作は、図２〜４に示すその形状および操作と非常に似ている。２つの態様の主な相違は、図５および６に示すランスヘッドでは、第２酸素通路２２２が、チャンバー２１８を囲みそしてそれと同軸である環状第２酸素チャンバー３００と通じていることである。その結果、第２酸素は第１酸素がランスヘッドから出る速度とは無関係の速度で噴出しうる。従って、望ましいならば、第２酸素は第１酸素の速度より速い超音速、第１酸素の速度よりおそい超音速、音速または音速に達しない速度で噴出しうる。第２酸素速度が音速に達しない１つの利点は、第２酸素ジェットの第１酸素への取り込みを容易にすることである。

ランスヘッドを様々に変形および変更してもよい。例えば、望ましいならば、一酸化炭素の後燃焼のために溶融金属表面から遠いＢＯＳ容器の領域でいくらかの酸素を噴出することができるように、ランスヘッドはその基部端に酸素チャンバーの壁の中に形成された開口部を有していてもよい。本技術分野における当業者であれば本発明の他の態様は明らかであろう。本発明の範囲は請求の範囲で限定される。

本発明の方法の操作に適応させたＢＯＳ容器の略図である。 本発明の第１ランスヘッドの先端図である。 図２のラインＮ−Ｎの断面である。 図２に示すランスヘッドの側面図である。 本発明の第２ランスヘッドの先端図である。 図５のラインＭ−Ｍの断面である。

Claims (32)

1. 酸素と溶融金属中の不純物との反応によって、一定容量の溶融金属を含有する容器中で溶融金属を精錬する方法であって、次の各工程：
   ａ）少なくとも１つの酸素の第１ジェットを該溶融金属の上に置かれたランスから該溶融金属に噴出して、その中の不純物と反応させ、そして溶融スラグの層を形成する工程；
   ｂ）該第１酸素ジェットを該ランスから噴出し続け、それによって該第１酸素ジェットが該スラグ層を通り抜けて該溶融金属へ通過するようにさせる工程；
   ｃ）複数の酸素の第２ジェットを該ランスから噴出し、該第２酸素ジェットが該第１酸素ジェットから離れて移動する工程；および
   ｄ）該第１酸素ジェットが該溶融金属へ入る上流で、該第２酸素ジェットを該第１酸素ジェットへ取り込む工程
   を含む上記の方法。
2. 工程（ｂ）で、第１酸素ジェットがマッハ１．５〜マッハ３の範囲の超音速軸速度で噴出される、請求項１に記載の方法。
3. 各第２ジェットの長軸がその関連する第１ジェットの長軸から移動方向において４５°以下の角度で分かれる、請求項１または２に記載の方法。
4. 角度が５〜２５°である、請求項３に記載の方法。
5. 角度が１０〜２０°である、請求項３または４に記載の方法。
6. 第１酸素ジェットまたは各第１酸素ジェットに関連する２〜６の第２酸素ジェットがある、請求項５に記載の方法。
7. 工程（ｂ）の間、ランスのヘッドがスラグ層に浸されている、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 各酸素ジェットがランスの先端から放たれる、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
9. 複数の第１酸素ジェットがあり、各第１酸素ジェットは酸素の１つ以上の第２ジェットと関連している、請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
10. 第１酸素ジェットが、一般に周辺に配列されている第１酸素口から出る、請求項９に記載の方法。
11. 第２ジェットが、第１酸素ジェットの外側に配列されている第２酸素口から出る、請求項１０に記載の方法。
12. 各第１酸素口がそれに関連した第２酸素口のグループを有し、第２酸素口の各グループが円の弧上に配列されている、請求項１１に記載の方法。
13. 円が、第１酸素口がある円と同心である、請求項１２に記載の方法。
14. 第２酸素流が第１酸素流の５〜５０％である、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の方法。
15. 少なくとも１種の撹拌ガスと噴出上流で、第１ジェットおよび／または第２ジェットが形成される酸素を混合する工程をさらに含む、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の方法。
16. 撹拌ガスが希ガスである、請求項１５に記載の方法。
17. 撹拌ガスがアルゴンである、請求項１６に記載の方法。
18. 撹拌ガスが第１酸素と加熱の後半部分の間だけ混合される、請求項１５〜１７のいずれか１項に記載の方法。
19. 撹拌ガスの流量が第２酸素の流量より少ないかあるいは等しい、請求項１８に記載の方法。
20. ランスヘッドが少なくとも１つの第１酸素口および複数の第２酸素口を有し、各第２酸素口が第１酸素口または第１酸素口の１つと関連し、流れの方向にその関連した第１酸素口から４５°以下の角度で分かれている軸を有する、請求項１〜１９のいずれか１項に記載の方法で用いられるランスヘッド。
21. 角度が５〜２５°の範囲である、請求項２０に記載のランスヘッド。
22. 角度が１５〜２０°の範囲である、請求項２０または２１に記載のランスヘッド。
23. 複数の第１酸素口および各第１酸素口と関連した１〜８の第２酸素口のグループがある、請求項２０〜２２のいずれか１項に記載のランスヘッド。
24. 第２酸素口の各グループが、グループが関連している第１酸素口と同心である円の弧上に配列されている、請求項２３に記載のランスヘッド。
25. 弧が１８０°未満の角度の弧である、請求項２４に記載のランスヘッド。
26. 第１酸素口からの各第２酸素口の線分離が、第１酸素口の直径の２倍未満である、請求項２０〜２５のいずれか１項に記載のランスヘッド。
27. 第１酸素口および各第２酸素口がランスヘッドの先端に置かれている、請求項２０〜２５のいずれか１項に記載のランスヘッド。
28. ランスヘッドの軸の周りに配列されている複数の第１酸素口がある、請求項２０〜２７のいずれか１項に記載のランスヘッド。
29. 第２酸素口が第１酸素口の外側に配列されている、請求項２０〜２８のいずれか１項に記載のランスヘッド。
30. 第１酸素口が、先導する内部周辺端を有するランスヘッドの傾斜環状面に配置され、それによって第１酸素口全ての長軸が酸素流の方向において互いから逸れている、請求項２０〜２９のいずれか１項に記載のランスヘッド。
31. 第１および第２酸素口の全てがランスヘッド中の共通チャンバーと通じている、請求項２０〜３０のいずれか１項に記載のランスヘッド。
32. 第１酸素口または各第１酸素口が、第２酸素口と通じていないランスヘッド中のチャンバーと通じている、請求項２０〜３０のいずれか１項に記載のランスヘッド。

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