JP2009052090A - 溶鉄精錬用ランスおよび溶鉄精錬方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶鉄を精錬して一般鋼やステンレス鋼を溶製する場合において、精錬初期から中期にかけての高酸素ガス流量時点でのスピッティングおよびダストの発生量を安定して低減すると同時に、精錬末期の酸素ガス流量低下時点での鉄やクロムの酸化量を安定して抑制する方法を提供することを課題とする。
【解決手段】それぞれ３個以上のノズルからなる２種類のノズルを有し、合計ノズル数は偶数であり、２種類のノズルの傾斜角度は相互に５度以上１５度以下の範囲で異なり、各ノズルが円周方向に交互に配置され、傾斜角度の小さいノズルの適正膨張絶対圧力Ｐ_0P1と傾斜角度の大きいノズルの適正膨張絶対圧力Ｐ_0P2を、精錬中のノズル入口側絶対圧力Ｐ₀の最大値Ｐ_0maxに対して、下記（１）式かつ（２）式の範囲に限定した溶鉄精錬用ランスを使用して精錬する。
Ｐ_0max／２．０≦Ｐ_0P1≦Ｐ_0max／１．３ （１）
Ｐ_0max／１．３＜Ｐ_0P2≦Ｐ_0max／０．８ （２）
【選択図】図２

Description

本発明は、上吹きランスを用いた溶鉄精錬における酸素ガスの吹込み方法に関する。

製鋼用転炉を例に取ると、上吹きや上底吹き転炉内での精錬反応は、上吹きランスから酸素ガスを供給して、炭素、珪素、りんなどの不純物を燃焼させることによって進行する。上底吹き転炉が開発される前の上吹き転炉では、酸素ガスを供給するとともに、鉄浴の攪拌を強化して脱炭、脱りん等の冶金反応を促進するため、上吹き酸素ガスを強噴流で浴面に衝突させるいわゆるハードブローを指向してきた。そのため、ランスノズル入口側の酸素ガス圧力を高効率で噴流の運動エネルギーに変換することを目的として単孔または複数孔の中細末広ノズル（ラバールノズル）が一般的に採用されている（非特許文献１）。この際、ラバールノズルから噴出される酸素ガスのノズル出口での圧力が雰囲気圧とほぼ等しくすることで、乱れと減衰の少ない整流化された超音速ジェットが形成されるようにノズル入口側酸素圧力を調整する酸素吹き込み方法が一般的に用いられる。この整流化された超音速ジェットが適正膨張噴流、また、ノズル出口での圧力が雰囲気圧とほぼ等しくなる条件が適正膨張条件と呼ばれている。

しかしながら、ハードブローによって浴面に深いキャビティーが形成され、これにともなって粒鉄が飛散するスピッティングやダストの発生量が増加する。そのため、溶鋼歩留が低下し、またスピッティングは炉口地金付き等の操業トラブルも発生させる。特に、転炉精錬の初期から中期段階では、精錬反応速度が酸素供給速度で律速されるために、多量の酸素ガスを短時間に供給する必要があるが、酸素ガス流量を増加するほどハードブローとなり、スピッティングやダスト発生量が増大する。したがって、底吹きガスによって鋼浴の攪拌が担保される現在の上底吹き転炉においては、精錬初期から中期にかけての段階は、高酸素ガス流量を維持しつつ、できるだけ噴流強度を弱めるソフトブローが望ましい。

一方、精錬末期における脱炭反応は火点近傍の溶鉄中炭素の物質移動に律速される。したがって、炭素濃度が低下して火点に供給される炭素量が低下する精錬末期においては、過剰の酸素供給は鉄の過酸化やステンレス鋼精錬の場合のクロムの過酸化を招き、鉄やクロムの歩留が悪化するとともに、鋼中酸素濃度も高くなり、出鋼後の脱酸コストも増大するため、酸素流量を供給炭素量に応じて低減させる方が望ましい。また、火点での炭素の物質移動を促進して脱炭反応効率を向上するためには、火点部の攪拌を強化するためにハードブローとする方が良い。さらに、ソフトブローにしすぎた場合、炉内においてＣＯガスの二次燃焼が発生することや酸素ガス噴流が炉壁に衝突する等の現象が起き、酸素ガス反応効率の低下や耐火物損耗の増加といった問題を生じる。以上のことから、精錬末期の段階では、酸素ガス流量を低下する一方でできるだけ噴流強度を高めるハードブローが望ましいが、従来の一般的な酸素吹き込み方法では、酸素流量を低下するほどソフトブローとなり、前述のような問題を生じやすい。

スピッティングやダストの発生量を低減する手段として、ジェットの浴面への衝突エネルギーを分散できるランスの多孔化が有効であり、現状の製鋼用転炉において多孔ランスが広く使用されている。多孔ランスは同一円周上に一定傾斜角度のノズルを配置したものであり、孔数が多いほどジェットの衝突エネルギーを分散させる効果が大きいが、多孔化に伴い各ノズルから噴出されるジェットの重なりが問題となる。すなわち、ジェット同士が重なって一つのジェットとなった部分では、多孔化によって分散させたエネルギーが再び合算されるためにハードブローとなり、深いキャビティーが形成される。

この問題を解決するための一つの手段として、多孔ランスの傾斜角度を大きくし、キャビティーの重なりを小さくする方法（特許文献１）が提案されている。また、より効果的にキャビティーの重なりを小さくするために、傾斜角度の異なる２種類のノズルを交互に配置する方法（特許文献２）も提案されている。さらには、スピッティングの増大に影響の大きい傾斜角度の小さい方のノズル径を小さくすることで、他方のノズルから噴出されるジェットよりも強度を弱める方法（特許文献３）も提案されている。

精錬末期の酸素ガス流量低下時の攪拌力を強化することで過酸化を防止するための手段としては、例えば、酸素管路内にスピンドルを設け、そのスピンドルを上下に昇降させることにより、管路のスロート部の断面積を可変にし、酸素ガス噴流の出口部での流速を維持したまま、酸素流量を低下させる転炉製鋼用ランスが提案されている（特許文献４）。
また、ステンレス鋼精錬における末期のクロム酸化抑制を目的として、上吹きガスに窒素などの非酸化性希釈ガスを混合する方法（例えば、特許文献５、特許文献６）も提案されている。

また、精錬初期から中期のスピッティングやダストの発生量低減と末期の過酸化抑制を両立させるための手段としては、酸素ジェットを意図的に適正膨張条件から外した不適正膨張状態を利用する方法が提案されている。すなわち、精錬初期から中期にかけては不適正膨張状態としてソフトブローとし、精錬末期に適正膨張状態に近くすることで酸素流量を低減した場合でも噴流流速をほぼ一定に保ったハードブローとする方法（特許文献７、特許文献８）である。なお、非特許文献２には、ラバールノズルを用いた転炉上吹きランスの噴流挙動について、特に不適正膨張挙動を調査した結果が記載されている。

特開昭６０−１６５３１３号公報 特許２８４８０１０号公報 特許３４２４５３４号公報 特公昭４７−４７７０号公報 特開昭５８−１３０２１６号公報 特公平１−５４４０９号公報 特許３６５５６６２号公報 特開平１０−２１９３３２号公報 第３版「鉄鋼便覧」、分冊II、日本鉄鋼協会編、１９８２，ｐ．４６８ K.Naito et.al., "Characteristics of Jets from Top-blown Lance in Converter", ISIJ International, Vol.40, No.1, pp.23-30

多孔ランスの傾斜角度を大きくし、キャビティーの重なりを小さくする方法では、ノズルの傾斜角度が全て等しいため、効果を得るためには傾斜角度を十分に大きくする必要があり、酸素噴流が炉壁に衝突して耐火物損耗が著しく増大する課題があった。

傾斜角度の異なる２種類のノズルを交互に配置する方法では、酸素ガス流量を大幅に増加した場合にスピッティング抑制が不十分である、精錬末期に酸素ガス流量を低下した場合にソフトブローとなりすぎる、などの課題があった。また、傾斜角度の小さい方のノズル径を小さくすることで、他方のノズルから噴出されるジェットよりも強度を弱める方法では、火点の攪拌に対する寄与が大きい傾斜角度の小さいノズルからの酸素ガスの流量が小さいため、精錬末期に酸素ガス流量を低下した場合に火点の攪拌を強化できるほどのハードブローを維持できない課題があった。

管路内に設けたスピンドルを上下に昇降させる方法では、スピンドルの駆動機構が複雑となり、多大な設備費を要する上に、噴流の合体によりスピッティングが多くなるという課題があった。

ステンレス鋼精錬において、非酸化性希釈ガスを混合する方法では、アルゴンガスを使用した場合にはガスのコストが増加する、窒素ガスを使用した場合には窒素ピックップが生じる、また溶鉄の温度が低下する、などの課題があった。

不適正膨張状態を利用する方法では、各ノズルから噴出される単独の酸素ジェットの特性を利用したものであり、噴流強度の制御範囲が狭く、スピッティングやダストの発生量の低減効果と精錬末期の過酸化抑制効果を十分に両立できない課題があった。

本発明は、酸素ガス流量を変更した場合の噴流強度の制御範囲を高め、精錬初期から中期にかけての高酸素ガス流量時点でのスピッティングおよびダストの発生量を安定して低減すると同時に、精錬末期の酸素ガス流量低下時点での鉄やクロムの酸化量を安定して抑制する方法を提供することを課題とする。

かかる課題を解決するため、本発明の要旨とするところは、以下の通りである。
（１）酸素ガスを供給しながら溶鉄を精錬する際に用いる溶鉄精錬用ランス１であって、ランス長手方向とノズル噴出方向との角度を傾斜角度θとし、３個以上の傾斜角度の小さいノズル２１と、３個以上の傾斜角度の大きいノズル２２を有し、傾斜角度の小さいノズル２１と大きいノズル２２の合計ノズル数は偶数であり、傾斜角度の小さいノズルの傾斜角度θ１と大きいノズルの傾斜角度θ２は５度以上１５度以下の範囲で異なり、傾斜角度の小さいノズル２１と大きいノズル２２が円周方向に交互に配置され、傾斜角度の小さいノズル２１の適正膨張絶対圧力Ｐ_0P1と傾斜角度の大きいノズル２２の適正膨張絶対圧力Ｐ_0P2を、精錬中のノズル入口側絶対圧力Ｐ₀の最大値Ｐ_0maxに対して、下記（１）式かつ（２）式の範囲に限定したことを特徴とする溶鉄精錬用ランス。
Ｐ_0max／２．０≦ Ｐ_0P1 ≦ Ｐ_0max／１．３ （１）
Ｐ_0max／１．３＜ Ｐ_0P2 ≦ Ｐ_0max／０．８ （２）
（２）酸素ガスを供給しながら溶鉄を精錬するにあたり、ランス長手方向とノズル噴出方向との角度を傾斜角度θとし、３個以上の傾斜角度の小さいノズル２１と、３個以上の傾斜角度の大きいノズル２２を有し、傾斜角度の小さいノズル２１と大きいノズル２２の合計ノズル数は偶数であり、傾斜角度の小さいノズルの傾斜角度θ１と大きいノズルの傾斜角度θ２は１５度以下の範囲で異なり、傾斜角度の小さいノズル２１と大きいノズル２２が円周方向に交互に配置された溶鉄精錬用ランスを用いて、精錬中のノズル入口側絶対圧力Ｐ₀を、傾斜角度の小さいノズルの適正膨張絶対圧力Ｐ_0P1と傾斜角度の大きいノズルの適正膨張絶対圧力Ｐ_0P2に対して、下記（３）〜（５）式の範囲で上吹き酸素流量を調整することを特徴とする溶鉄の精錬方法。
０．８×Ｐ_0P1≦ Ｐ₀ ≦ ２．０×Ｐ_0P1 （３）
０＜Ｐ₀ ＜ １．３×Ｐ_0P2 （４）
Ｐ_0P1＜Ｐ_0P2 （５）
（３）精錬中におけるノズル入口側絶対圧力Ｐ₀の最大値Ｐ_0maxが下記（６）式かつ（７）式の範囲内で、ノズル入口側絶対圧力Ｐ₀の最小値Ｐ_0minが下記（８）式の範囲内で、上吹き酸素流量を変更することを特徴とする、請求項２記載の溶鉄の精錬方法。
１．３×Ｐ_0P1≦ Ｐ_0max ≦ ２．０×Ｐ_0P1 （６）
０．８×Ｐ_0P2≦ Ｐ_0max ＜ １．３×Ｐ_0P2 （７）
０．８×Ｐ_0P1≦ Ｐ_0min ＜ ０．８×Ｐ_0P2 （８）

本発明により、酸素ガスを供給して溶鉄を精錬して一般鋼やステンレス鋼を溶製する場合において、精錬初期から中期にかけての高酸素ガス流量時点でのスピッティングおよびダストの発生量を安定して低減すると同時に、精錬末期の酸素ガス流量低下時点での鉄やクロムの酸化量を安定して抑制することが可能となった。これにより、鉄やクロムの歩留が大幅に向上し、製造コストが大幅に低減した。

ラバールノズルを用いた酸素噴流において、噴出する酸素流量Ｆは、ノズル入口側の絶対圧力Ｐ₀とノズルのスロート部開口断面積Ｓ_tによって定められる。逆に、ノズルのスロート部の開口断面積Ｓ_tと該ノズルから噴出する酸素流量Ｆが定まっていれば、下記（１０）式によってノズル入口側の絶対圧力Ｐ₀を定めることができる。ノズル入口側の絶対圧力Ｐ₀とは、ノズル入口側の酸素ガスの全圧である。
Ｐ₀＝０．１６９・Ｆ／Ｓ_t （１０）
Ｐ₀：ノズル入口側の絶対圧力（ＭＰａ）
Ｆ：ノズルから噴出される酸素流量（Ｎｍ³／ｈ）
Ｓ_t：ノズルのスロート部の開口断面積（ｍｍ²）

ラバールノズルは噴流を超音速流にするため、スロート部から出口までを末広ノズルとする。スロート部から出口までにかけて、ガス流速が超音速領域で増大し、一方で圧力は低減する。ノズル出口での圧力がノズル出口側の雰囲気圧力と等しいときが適正膨張と呼ばれる。適正膨張において、ノズル入口側の絶対圧力（適正膨張絶対圧力Ｐ_0P）、ノズル出口側の雰囲気絶対圧力Ｐ_e、ノズルのスロート部の開口断面積Ｓ_t、ノズル出口の開口断面積Ｓ_eの間の関係は、下記（１１）式で表される。さらに適正膨張時吐出マッハ数Ｍ_0Pは、下記（１２）式から算出される。
Ｓ_e／Ｓ_t＝０．２５９・（Ｐ_e／Ｐ_0P）^-5/7・｛１−（Ｐ_e／Ｐ_0P）^2/7｝^-1/2 （１１）
Ｍ_0P＝［５・｛（Ｐ_0P／Ｐ_e）^2/7−１｝］^1/2 （１２）
Ｓ_e：ノズル出口の開口断面積（ｍｍ²）
Ｐ_e：ノズル出口側の雰囲気絶対圧力（ＭＰａ）
（大気圧精錬の場合は０．１０１３）
Ｐ_0P：ランスノズルの適正膨張絶対圧力（ＭＰａ）

ところで、前述のとおり、上吹きランスからの酸素流量を調整するに当たってはノズル入口側のガス圧力の調整が行われる。酸素流量が高い場合にはノズル入口側の絶対圧力Ｐ₀が適正膨張絶対圧力Ｐ_0Pよりも高くなり、酸素流量が低い場合にはノズル入口側の絶対圧力Ｐ₀が適正膨張絶対圧力Ｐ_0Pよりも低くなる。いずれも不適正な膨張状態でノズルから酸素が噴出され、前者の状態を不足膨張、後者の状態を過膨張と一般に呼ぶ。不足膨張の場合は、ノズル出口側圧力が雰囲気圧力よりも高くなっており、ガスがノズルから噴出した直後に膨張波が発生し、以降衝撃波と膨張波の発生を繰り返しながら噴流が乱れ、エネルギーを損失する。逆に過膨張の場合は、ノズル出口側圧力が雰囲気圧力よりも低くなっており、ガスがノズルから噴出した直後に衝撃波が発生し、以降膨張波と衝撃波の発生を繰り返しながら噴流が乱れ、エネルギーを損失する。適正膨張に近い条件の場合のみ、乱れの少ない滑らかな超音速噴流が形成される。上吹きランスの噴流挙動を正確に把握するには、この不適正膨張挙動を把握することが重要である。

非特許文献２は、ラバールノズルを用いた転炉上吹きランスの噴流挙動について、特に不適正膨張挙動を調査した結果が記載されている。Ｐ₀／Ｐ_0Pの比を０．４〜５．０の間で変化させ、噴流のジェットコア長さＨ_Cの実測を行っている。ここで、Ｐ₀／Ｐ_0P＝１におけるジェットコア長さＨ_CPについては、
Ｈ_CP＝Ｍ_0P・（４．２＋１．１Ｍ_0P ²）・ｄ_t×１．４
ｄ_t：ランスノズルのスロート部の直径（ｍｍ）
となることが知られている。そこで、横軸をＰ₀／Ｐ_0P、縦軸を測定したＨ_Cに基づいてＨ_C／Ｈ_CPとして実験結果をプロットしたところ、図１にプロットで示す結果が得られている。この結果に基づき、０．７＜Ｐ₀／Ｐ_0P≦２．１、０．４＜Ｐ₀／Ｐ_0P≦０．７の範囲に分けてそれぞれ多項式近似を行ったところ、ｆ（Ｘ）＝１．４×Ｈ_C／Ｈ_CP、Ｘ＝Ｐ₀／Ｐ_0Pとおいて、以下の式が得られた。この式から計算される結果を図１に曲線で記した。
ｆ（Ｘ）＝−2.709Ｘ⁴＋17.71Ｘ³−40.99Ｘ²＋40.29Ｘ−12.90
（０．７＜Ｘ）
ｆ（Ｘ）＝0.7994Ｘ−0.0602
（Ｘ≦０．７）

ジェットコア長さとは噴流の中心軸上の流速が音速となるまでの超音速ジェット領域の距離のことであり、それ以降は噴流の中心軸上流速は距離に反比例して減衰する。したがって、ジェットコア長さがランス先端から同一距離における噴流の強度を代表する。但し、これは個々のノズルから噴出される噴流が干渉せずに分離されている場合であり、噴流同士が干渉して合体すると運動エネルギーが合算され、噴流流速すなわち噴流強度も増大する。また、ジェットコア領域では噴流はあまり広がらないが、それ以降は周囲のガスを巻き込みやすくなり、広がりやすくなる。そのため、近接する噴流との干渉が生じやすくなる。

本発明においては、図３に示すように、ランス長手方向とノズル噴出方向との角度を傾斜角度θとし、各々３個以上の合計が偶数の傾斜角度が異なる２種類のノズルが円周方向に交互に配置された上吹き酸素ランス（３個以上の傾斜角度の小さいノズル２１と、３個以上の傾斜角度の大きいノズル２２を有し、傾斜角度の小さいノズル２１と大きいノズル２２の合計ノズル数は偶数であり、傾斜角度の小さいノズルの傾斜角度θ１と大きいノズルの傾斜角度θ２は異なり、傾斜角度の小さいノズル２１と大きいノズル２２が円周方向に交互に配置された上吹き酸素ランス１）を使用する。傾斜角度が異なることにより、個々のノズルから噴出される酸素噴流が効率良く分離されやすくなる。なお、ランスへの地金付着防止などのためにランス中心に設置した傾斜角度０度のノズルは上記２種類のノズルには含まない。

精錬初期から中期にかけて、高速で脱炭精錬を行いたい場合には、酸素供給量を多くして、すなわち高酸素流量の下で、できるだけソフトブローとして、スピッティングやダストの発生量を低減する酸素吹き込み方法が望ましい。一方、精錬末期には、酸素供給量を低減して、すなわち低酸素流量の下で、できるだけハードブローとして、鉄の過酸化やステンレス鋼精錬の場合のクロムなどの過酸化を抑制し、鋼中の酸素濃度も低減する酸素吹き込み方法が望ましい。そのため、本発明においては、火点の攪拌に対する寄与の大きい傾斜角度の小さいノズル２１から噴出される酸素噴流には、上記不足膨張側の不適正膨張挙動を利用した噴流強度の制御を利用する。

図１から明らかなようにＰ₀／Ｐ_0Pが０．８〜２．０の範囲において、噴流強度を代表するジェットコア長さＨ_Cがほとんど変化せず一定である。Ｐ₀を変化させると酸素流量Ｆが変化することは上記（１０）式から明らかである。即ち、本発明においては、傾斜角度の小さいノズル２１（適正膨張絶対圧力：Ｐ_0P1）から噴出される酸素の噴流強度をほぼ一定に保持しつつ酸素流量Ｆを大幅に変化させ得るＰ₀／Ｐ_0P1が０．８〜２の範囲においてＰ₀を変化させる。傾斜角度の小さいノズル２１におけるＰ₀／Ｐ_0P1の制御範囲として、酸素流量を上げるべき精錬初期から中期においてはＰ₀／Ｐ_0P1制御範囲０．８〜２のうちの上限側１．３以上２．０未満の不足膨張領域を用い、酸素流量を下げるべき精錬末期においてはＰ₀／Ｐ_0P1制御範囲０．８〜２のうちの下限側０．８以上１．３未満の適正膨張に近い領域を用いるのがより望ましい実施の形態である。この制御により、精錬初期から中期にかけては高酸素流量の場合でも噴流強度をあまり強くせず、精錬末期に酸素流量を低減しても噴流強度が低減しない酸素吹き込みが可能となる。

図１から、Ｐ₀／Ｐ_0Pが０．８未満ではジェットコア長さＨ_Cが著しく低下するため、精錬末期に酸素流量を低下させたときのＰ₀はＰ_0Pの０．８倍以上が必要である。また、Ｐ₀／Ｐ_0Pが２以上では、ジェットコア長さＨ_Cが適正膨張時のコア長さＨ_CPの１．５倍以上となり、精錬初期から中期においてスピッティングやダスト発生量の十分な低減効果が得られない。

また、本発明者らは、上記ランスから噴出される酸素噴流の強度を種々測定した結果、上記不適正膨張挙動を利用して傾斜角度の小さいノズル２１から噴出される酸素噴流を高酸素流量の場合にソフトブローとした際に、傾斜角度の大きいノズル２２から噴出される酸素噴流３２を適正膨張に近い領域にしないと、前述の雰囲気圧力との圧力差による噴流の乱れが生じることで、両者の噴流の干渉、合体が進み、火点が分散できないことを知見した。逆に、精錬末期に酸素流量を低下した場合に、傾斜角度の大きいノズル２２からの噴流３２を過膨張条件として噴流の乱れを増加させてジェットコア長さＨ_C2を小さくすることで、噴流の干渉、合体を促進させて火点の重なり度合いを大きくでき、単独噴流の場合よりも極めて大きな噴流強度が得られることも知見した。

本発明においては、傾斜角度の大きいノズル２２（適正膨張絶対圧力：Ｐ_0P2）から噴出される酸素噴流３２にも、上記不適正膨張挙動を利用した噴流強度の制御を利用するが、上述の傾斜角度の異なる２種類のノズルから噴出される酸素噴流同士の干渉、合体を制御するため、精錬末期の酸素流量低下時にジェットコア長さが著しく低減できるように、Ｐ₀／Ｐ_0P2が１．３未満の範囲においてＰ₀を変化させる。傾斜角度の大きいノズル２２におけるＰ₀／Ｐ_0P2の制御範囲として、酸素流量を上げるべき精錬初期から中期においてはＰ₀／Ｐ_0P2が０．８以上１．３未満の適正膨張に近い範囲を用い、酸素流量を下げるべき精錬末期においてはＰ₀／Ｐ_0P2が０．８未満の過膨張範囲を用いるのがより望ましい実施の形態である。望ましい実施の形態での上吹き酸素ジェットの挙動を模式的に図２に示す。本発明のＰ₀／Ｐ_0Pの制御により、図２（ａ）に示す高酸素流量時には、傾斜角度の大きいノズルから噴出される酸素噴流３２のジェットコア長Ｈ_C2が伸び、傾斜角度の小さいノズルから噴出される酸素噴流３１との干渉が起こらずに火点が効率良く分散され、スピッティングやダストの発生量が低減される。一方、図２（ｂ）に示す低酸素流量時には、傾斜角度の大きいノズルから噴出される酸素噴流３２のジェットコア長Ｈ_C2が短くなり、傾斜角度の小さいノズルから噴出される酸素噴流３１と合体して火点が重なり合うため、火点部の攪拌が強化されることで鉄やクロムの過酸化が抑制される。

上記のように、本発明においては、傾斜角度の小さいノズル２１（適正膨張絶対圧力：Ｐ_0P1）から噴出される酸素噴流３１にはＰ₀／Ｐ_0P1が０．８〜２の適正膨張に近い領域から不足膨張領域を利用し、傾斜角度の大きいノズル２２（適正膨張絶対圧力：Ｐ_0P2）から噴出される酸素噴流３２にはＰ₀／Ｐ_0P2が１．３未満の過膨張領域から適正膨張に近い領域を利用するため、傾斜角度の小さいノズル２１の適正膨張絶対圧力Ｐ_0P1は傾斜角度の大きいノズル２２の適正膨張絶対圧力Ｐ_0P2よりも小さくないと効果がない。

なお、傾斜角度の小さいノズル２１の傾斜角度θ１と傾斜角度の大きいノズル２２の傾斜角度θ２との差が１５度超の場合には、過膨張領域のジェットコア長さが小さくなる場合でも、酸素噴流同士が干渉、合体する現象が認められず、本発明は適用できない。また、傾斜角度の差が５度未満では、傾斜角度の違いによる火点分散効果が十分に得られないため、やはり本発明には適用できない。

なお、ランスへの地金付着防止のためのランス中心軸上のノズルは適宜設置しても良く、上記２種類の傾斜角度の異なるノズルには含まない。

次に、酸素ガスを供給しながら溶鉄を精錬する際に用いる本発明の溶鉄精錬用ランスについて、傾斜角度の小さいノズル２１の適正膨張絶対圧力Ｐ_0P1と傾斜角度の大きいノズル２２の適正膨張絶対圧力Ｐ_0P2それぞれの好適範囲について検討する。

精錬中のノズル入口側絶対圧力Ｐ₀の最大値をＰ_0max、ノズル入口側絶対圧力Ｐ₀の最小値をＰ_0minとする。

前記（３）式の右辺にＰ₀≦２．０×Ｐ_0P1とあるように、Ｐ₀の最大値Ｐ_0maxは２．０×Ｐ_0P1以下である。よって、
Ｐ_0max／２．０≦ Ｐ_0P1 （１−１）
が得られる。同様に（４）式右辺から
Ｐ_0max／１．３＜ Ｐ_0P2 （２−１）
が得られる。

一方、Ｐ_0maxが１．３×Ｐ_0P1よりも小さい場合には、Ｐ₀をＰ_0max以下の範囲で変化させたとき、傾斜角度の小さいノズルをＰ₀／Ｐ_0P1が０．８〜２の適正膨張に近い領域から不足膨張領域で利用することが困難となる。そこで、
Ｐ_0P1 ≦ Ｐ_0max／１．３ （１−２）
とすることが必要である。また、Ｐ_0maxが０．８×Ｐ_0P2より小さい場合には、傾斜角度の大きいノズルからの噴流が過膨張範囲となり、傾斜角度の小さいノズルからの噴流との干渉、合体が進み、火点が分散できなくなるため、精錬初期から中期にかけてのダスト低減効果が得られなくなる。そこで、
Ｐ_0P2 ≦ Ｐ_0max／０．８ （２−２）
とすることが必要である。

（１−１）（１−２）（２−１）（２−２）の各式から、
Ｐ_0max／２．０≦ Ｐ_0P1 ≦ Ｐ_0max／１．３ （１）
Ｐ_0max／１．３＜ Ｐ_0P2 ≦ Ｐ_0max／０．８ （２）
が導かれる。

以上より、酸素ガスを供給しながら溶鉄を精錬する際に用いる本発明の溶鉄精錬用ランス１において、図３に示すように、ランス長手方向とノズル噴出方向との角度を傾斜角度とし、３個以上の傾斜角度の小さいノズル２１と、３個以上の傾斜角度の大きいノズル２２を有し、傾斜角度の小さいノズル２１と大きいノズル２２の合計ノズル数は偶数であり、傾斜角度の小さいノズルの傾斜角度θ１と傾斜角度の大きいノズルの傾斜角度θ２とは５度以上１５度以下の範囲で異なり、傾斜角度の小さいノズル２１と大きいノズル２２が円周方向に交互に配置され、傾斜角度の小さいノズル２１の適正膨張絶対圧力Ｐ_0P1と傾斜角度の大きいノズル２２の適正膨張絶対圧力Ｐ_0P2を、精錬中のノズル入口側絶対圧力Ｐ₀の最大値Ｐ_0maxに対して、上記（１）式かつ（２）式の範囲に限定し、この溶鉄精錬用ランスを用いることにより、上記（３）〜（５）式の範囲で上吹き酸素流量を調整することを特徴とする溶鉄の精錬方法を実施することが可能となる。

同様に、（１−１）（１−２）（２−１）（２−２）の各式から、
１．３×Ｐ_0P1≦ Ｐ_0max ≦ ２．０×Ｐ_0P1 （６）
０．８×Ｐ_0P2≦ Ｐ_0max ＜ １．３×Ｐ_0P2 （７）
が導かれる。

さらに、前記（３）式の左辺に０．８×Ｐ_0P1≦Ｐ₀とあるように、Ｐ₀の最小値Ｐ_0minは０．８×Ｐ_0P1以上である。よって、
０．８×Ｐ_0P1≦ Ｐ_0min （８−１）
が得られる。また、Ｐ_0minが０．８×Ｐ_0P2と同等あるいはこれよりも大きい場合には、酸素流量を下げるべき精錬末期においてＰ₀／Ｐ_0P2が０．８未満の過膨張範囲を用いることができない。そこで、
Ｐ_0min ＜ ０．８×Ｐ_0P2 （８−２）
とすることが必要である。

（８−１）（８−２）の各式から、
０．８×Ｐ_0P1≦ Ｐ_0min ＜ ０．８×Ｐ_0P2 （８）
が導かれる。

本発明の溶鉄の精錬方法において、精錬中におけるノズル入口側絶対圧力Ｐ₀の最大値Ｐ_0maxが上記（６）式かつ（７）式の範囲内で、ノズル入口側絶対圧力Ｐ₀の最小値Ｐ_0minが上記（８）式の範囲内で、上吹き酸素流量を変更することにより、本発明の溶鉄の精錬方法を好ましく実施することができる。

（実施例１）
転炉を用いて普通鋼の脱炭操業を実施し、約３５０トンの溶鋼を溶製した。溶銑を転炉に装入した後、上吹きランスから流量８００００Ｎｍ³／ｈの酸素を吹き込みつつ脱炭精錬を行い、溶鋼中Ｃ濃度が０．３〜０．４質量％となった時点から酸素流量を５００００Ｎｍ³／ｈに低下した。脱炭後の溶鋼中Ｃ濃度は約０．０４質量％一定となるように総酸素量を調整した。上吹きランスには、表１に示す６種類のランスを使用し、それぞれ１０チャージの脱炭操業を実施した。ランスギャップを３．５ｍとした。表２に実施例と比較例の操業条件および精錬実績を示す。表２に精錬初期〜中期（総酸素流量８００００Ｎｍ³／ｈ時）として記載したＰ₀がＰ_0maxである。

Ａ，Ｂ，Ｃのランスは図３に示すような本発明例のランスであり、表１と表２からわかる通り、傾斜角度の小さいノズル２１の適正膨張絶対圧力Ｐ_0P1と傾斜角度の大きいノズル２２の適正膨張絶対圧力Ｐ_0P2が、総酸素流量８００００Ｎｍ³／ｈ時に相当するノズル入口側絶対圧力Ｐ₀の最大値Ｐ_0maxに対して、Ｐ_0max／２．０≦Ｐ_0P1≦Ｐ_0max／１．３かつ、Ｐ_0max／１．３＜Ｐ_0P2≦Ｐ_0max／０．８の範囲となっている。Ｄ，Ｅ，Ｆは比較例のランスであり、Ｄは傾斜角度の大きいノズルの適正膨張絶対圧力Ｐ_0P2が、Ｅは傾斜角度の小さいノズルの適正膨張絶対圧力Ｐ_0P1が、前記範囲から外れている。また、Ｆは傾斜角度の小さいノズルと傾斜角度の大きいノズルの傾斜角度の差が１５度超となっている。

表２の発明例１、２、３はランスＡ、Ｂ、Ｃを使用した場合の実施例を示す。傾斜角度の小さいノズルから噴出される噴流を、精錬初期から中期については１．３≦Ｐ₀／Ｐ_0P1≦２．０の不足膨張領域とし、さらに精錬末期には０．８≦Ｐ₀／Ｐ_0P1＜１．３の適正膨張に近い領域として火点部の攪拌を維持するとともに、傾斜角度の大きいノズルから噴出される噴流を、精錬初期から中期については０．８≦Ｐ₀／Ｐ_0P1として適正膨張に近い範囲を用い、精錬末期にはＰ₀／Ｐ_0P2＜０．８の過膨張領域として、噴流同士の干渉、合体を促進した。これにより、精錬初期から中期については火点を分散し、精錬末期には火点の重なり度合いを大きくできたため、スラグ中の全鉄分濃度であるＴ．Ｆｅ（質量％）や溶鋼中の［Ｏ］濃度（ｐｐｍ）が著しく低減できており、鉄の過酸化が抑制されている。

一方、比較例１はランスＤを使用した場合を示すが、精錬初期から中期の傾斜角度の大きいノズルから噴出される噴流が１．３≦Ｐ₀／Ｐ_0P2の不足膨張度合いが強い領域となっているため、ダスト発生量がやや増加している。また、精錬末期において、傾斜角度の大きいノズルから噴出される噴流が０．８≦Ｐ₀／Ｐ_0P2＜１．３の適正膨張に近い領域となっているため、噴流同士が干渉せず、鉄の過酸化が進み、スラグ中Ｔ．Ｆｅ濃度や溶鋼中の［Ｏ］濃度が増加している。比較例２はランスＥを使用した場合であるが、精錬末期の傾斜角度の小さいノズルから噴出される噴流がＰ₀／Ｐ_0P1＜０．８の過膨張領域となっており、火点部の攪拌力が著しく低下して、鉄の過酸化が大幅に進み、スラグ中Ｔ．Ｆｅ濃度や溶鋼中の［Ｏ］濃度が大きく増加している。また、比較例３はランスＦを使用した場合を示す。精錬末期における傾斜角度の大きいノズルから噴出される噴流はＰ₀／Ｐ_0P2＜０．８の過膨張領域となっているが、傾斜角度の小さいノズルとの角度差が１５度超であるため、噴流同士が干渉せず、鉄の過酸化が進み、スラグ中Ｔ．Ｆｅ濃度や溶鋼中の［Ｏ］濃度が増加している。

（実施例２）
実施例１と同じ大きさの転炉を用いて、ステンレス鋼の脱炭操業を実施した。普通溶銑を転炉に装入後、クロム原料としてフェロクロムを、熱源として炭材を適当量使用して、クロム濃度約１７％のステンレス溶鋼を溶製した。溶銑を転炉に装入した後、上吹きランスから流量８００００Ｎｍ³／ｈの酸素を吹き込みつつ脱炭精錬を行い、溶鋼中Ｃ濃度が約１質量％となった時点から酸素流量を５００００Ｎｍ³／ｈに低下した。脱炭後の溶鋼中Ｃ濃度は約０．５質量％一定となるように総酸素量を調整した。上吹きランスには、表１に示す６種類のランスを使用し、それぞれ１０チャージの脱炭操業を実施した。ランスギャップを２．５ｍとした。表３に実施例と比較例の操業条件および精錬実績を示す。

表３の発明例４はランスＡを使用した場合の実施例を示す。精錬初期から中期の傾斜角度の小さいノズルから噴出される噴流を１．３≦Ｐ₀／Ｐ_0P1≦２．０の不足膨張領域とすることで、高酸素流量においてもダスト発生量が低減できている。また、発明例５、６はランスＢ、Ｃを使用した場合の実施例を示す。精錬初期から中期の傾斜角度の小さいノズルから噴出される噴流を１．３≦Ｐ₀／Ｐ_0P1≦２．０の不足膨張領域とし、さらに精錬末期には０．８≦Ｐ₀／Ｐ_0P1＜１．３の適正膨張に近い領域として火点部の攪拌を維持するとともに、傾斜角度の大きいノズルから噴出される噴流をＰ₀／Ｐ_0P2＜０．８の過膨張領域として、噴流同士の干渉、合体を促進したため、クロムの酸化量が著しく低減できている。

一方、比較例４はランスＤを使用した場合を示すが、精錬初期から中期の傾斜角度の大きいノズルから噴出される噴流が１．３≦Ｐ₀／Ｐ_0Pの不足膨張度合いが強い領域となっているため、ダスト発生量がやや増加している。また、精錬末期において、傾斜角度の大きいノズルから噴出される噴流が０．８≦Ｐ₀／Ｐ_0P＜１．３の適正膨張に近い領域となっているため、噴流同士が干渉せず、クロムの過酸化が進行している。比較例５はランスＥを使用した場合であるが、精錬末期の傾斜角度の小さいノズルから噴出される噴流がＰ₀／Ｐ_0P＜０．８の過膨張領域となっており、火点部の攪拌力が著しく低下して、クロムの過酸化が大幅に進んでいる。また、比較例６はランスＦを使用した場合を示す。精錬末期における傾斜角度の大きいノズルから噴出される噴流はＰ₀／Ｐ_0P＜０．８の過膨張領域となっているが、傾斜角度の小さいノズルとの角度差が１５度超であるため、噴流同士が干渉せず、鉄の過酸化が進み、クロム酸化量が増加している。

ランスノズル入口側の絶対圧力比Ｐ₀／Ｐ_0Pと、ジェットコア長さ比Ｈ_C／Ｈ_CPとの関係を示す図である。 本発明の望ましい実施の形態における上吹き酸素ジェットの挙動の変化を模式的に示す図であり、（ａ）は高酸素流量時、（ｂ）は低酸素流量時を示す図である。 本発明の溶鉄精錬用ランス先端を示す図であり、（ａ）はＡ−Ａ矢視断面図、（ｂ）は下から見た図である。

符号の説明

１ 溶鉄精錬用ランス
２ ノズル
２１ 傾斜角度の小さいノズル
２２ 傾斜角度の大きいノズル
３ 酸素噴流
３１ 傾斜角度の小さい酸素噴流
３２ 傾斜角度の大きい酸素噴流
４ 溶鋼

Claims (3)

1. 酸素ガスを供給しながら溶鉄を精錬する際に用いる溶鉄精錬用ランスであって、ランス長手方向とノズル噴出方向との角度を傾斜角度とし、３個以上の傾斜角度の小さいノズルと、３個以上の傾斜角度の大きいノズルを有し、傾斜角度の小さいノズルと大きいノズルの合計ノズル数は偶数であり、傾斜角度の小さいノズルと大きいノズルの傾斜角度は５度以上１５度以下の範囲で異なり、傾斜角度の小さいノズルと大きいノズルが円周方向に交互に配置され、傾斜角度の小さいノズルの適正膨張絶対圧力Ｐ_0P1と傾斜角度の大きいノズルの適正膨張絶対圧力Ｐ_0P2を、精錬中のノズル入口側絶対圧力Ｐ₀の最大値Ｐ_0maxに対して、下記（１）式かつ（２）式の範囲に限定したことを特徴とする溶鉄精錬用ランス。
   Ｐ_0max／２．０≦ Ｐ_0P1 ≦ Ｐ_0max／１．３ （１）
   Ｐ_0max／１．３＜ Ｐ_0P2 ≦ Ｐ_0max／０．８ （２）
2. 酸素ガスを供給しながら溶鉄を精錬するにあたり、ランス長手方向とノズル噴出方向との角度を傾斜角度とし、３個以上の傾斜角度の小さいノズルと、３個以上の傾斜角度の大きいノズルを有し、傾斜角度の小さいノズルと大きいノズルの合計ノズル数は偶数であり、傾斜角度の小さいノズルと大きいノズルの傾斜角度は１５度以下の範囲で異なり、傾斜角度の小さいノズルと大きいノズルが円周方向に交互に配置された溶鉄精錬用ランスを用いて、精錬中のノズル入口側絶対圧力Ｐ₀を、傾斜角度の小さいノズルの適正膨張絶対圧力Ｐ_0P1と傾斜角度の大きいノズルの適正膨張絶対圧力Ｐ_0P2に対して、下記（３）〜（５）式の範囲で上吹き酸素流量を調整することを特徴とする溶鉄の精錬方法。
   ０．８×Ｐ_0P1≦ Ｐ₀ ≦ ２．０×Ｐ_0P1 （３）
   ０＜Ｐ₀ ＜ １．３×Ｐ_0P2 （４）
   Ｐ_0P1＜Ｐ_0P2 （５）
3. 精錬中におけるノズル入口側絶対圧力Ｐ₀の最大値Ｐ_0maxが下記（６）式かつ（７）式の範囲内で、ノズル入口側絶対圧力Ｐ₀の最小値Ｐ_0minが下記（８）式の範囲内で、上吹き酸素流量を変更することを特徴とする、請求項２記載の溶鉄の精錬方法。
   １．３×Ｐ_0P1≦ Ｐ_0max ≦ ２．０×Ｐ_0P1 （６）
   ０．８×Ｐ_0P2≦ Ｐ_0max ＜ １．３×Ｐ_0P2 （７）
   ０．８×Ｐ_0P1≦ Ｐ_0min ＜ ０．８×Ｐ_0P2 （８）

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