JP2009084670A - 酸素ガス吹き込みランス及び溶銑の脱珪処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 耐用性が高く、従来に比べて多数回の使用が可能であり、製造コストの削減に寄与する酸素ガス吹き込みランスを提供するとともに、該吹き込みランスを使用した溶銑の脱珪処理方法を提供する。
【解決手段】 本発明の酸素ガス吹き込みランスは、溶融金属中に酸素ガスを吹き込むための酸素ガス吹き込みランス１であって、内管２及び外管３からなる２重管構造であり、内管からは酸素ガス、内管と外管との間隙からは炭化水素系ガスが吹き込まれ、ガス吐出口７の近傍の外管外周に成型煉瓦層８が設けられ、当該成型煉瓦層が設けられていない外管の外周には不定形耐火物４が被覆されている。また、本発明の脱珪処理方法は、前記酸素ガス吹き込みランスを溶銑中に浸漬させ、該吹き込みランスの内管から溶銑中に酸素ガスを吹き込むとともに、内管と外管との間隙から炭化水素系ガスを吹き込んで溶銑中の珪素を酸化除去する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、溶融金属を精錬する際に溶融金属中に酸素ガスを吹き込む酸素ガス吹き込みランス、及び、この酸素ガス吹き込みランスを使用した溶銑の脱珪処理方法に関するものである。

近年、鋼材の高級化に伴う燐含有量低下対策或いは製鋼プロセスの合理化を目的として、溶銑の脱燐処理が、転炉または溶銑鍋若しくは混銑車（「トーピードカー」ともいう）などにおいて広く行われている。また、この脱燐処理を効率的に行うために、脱燐処理の前に予め溶銑中の珪素を除去する脱珪処理も行われている。溶銑中の燐及び珪素は酸化反応によって除去されるので、溶銑の脱燐処理及び脱珪処理は、溶銑に酸素ガスや酸化鉄などの酸素源を供給し、酸素源によって溶銑中の燐或いは珪素を酸化除去させている。その際に、反応効率を高める或いは生成するスラグの組成を調整するために、生石灰などのフラックスも添加されている。

溶銑の脱燐処理及び脱珪処理において溶銑に酸素ガスを供給する方法は、大きく分けて２種類に分類される。１つの方法は、溶銑とは非接触の上吹きランスなどから酸素ガスを溶銑浴面に向けて吹き付ける方法、所謂上吹きする方法（「上吹き送酸法」と呼ぶ）である。他の方法は、溶銑中に浸漬させた吹き込みランスや反応容器の底部などに設けた羽口から、溶銑中に酸素ガスを直接吹き込む方法（「吹き込み送酸法」と呼ぶ）である。それぞれの方法には、それぞれの特長があり、吹き込み送酸法の場合には、酸素ガスの添加効率が高い、攪拌力が向上するなどの利点がある一方、浸漬部の熱負荷が大きく、耐用回数が限られるなどの問題がある。これに対して、上吹き送酸法の場合には、上吹きランスへの熱負荷が小さく、長期間にわたって使用できるという利点があるが、酸素ガスの添加効率が低い、攪拌力が得られないなどの問題がある。

酸素ガスを供給する際に、上吹き送酸法とするか、吹き込み送酸法とするかは、上記の特長を考慮して決められるが、例えば混銑車の場合のように、処理容器の形状から上吹き送酸法では反応効率が悪く、吹き込み送酸法を採用せざるを得ないこともある。混銑車の場合には、その容器形状が攪拌・混合されにくく、それに加えて溶銑の収容量に対して開口部が少なく、上吹き送酸法では所望する反応効率が得られないからである。

吹き込み送酸法で使用する吹き込みランスは、前述したように浸漬部の損耗が激しいことから、これを改善する手段が提案されている。例えば、特許文献１には、溶融金属中に浸漬する先端部と、該先端部を保持するホルダー部とからなる吹き込みランスにおいて、前記先端部を単管構造とし、その全表面をカロライズ処理し、更にその外周を耐火物で被覆することにより、吹き込みランス先端部の溶損防止を図る技術が開示されている。また、特許文献２には、吹き込みランスを、外周に耐火物が被覆された２重管構造とし、内管からは精錬剤と酸素ガスを吹き込み、外管からは炭化水素系ガスを吹き込むことで、吹き込みランス先端部の溶損防止を図る技術が開示されている。特許文献２の技術は、炭化水素系ガスは加熱されると分解し、分解する際に吸熱するので、この吸熱を利用して吹き込みランス先端部を冷却するという技術である。
実開平６−６４４７号公報 特開昭５８−２２１２１０号公報

しかしながら、上記の従来技術には以下の問題点がある。即ち、溶融金属中に精錬剤とともに酸素ガスを吹き込むに当たり、特許文献１のように、浸漬部をカロライズパイプとしてその周囲を耐火物で被覆する技術においては、供給する酸素源としては酸化鉄が主体であり、酸素ガス比率、つまり総酸素ガス供給量（酸化鉄（酸素ガスに換算）供給量＋酸素ガス供給量）に対する酸素ガス供給量の割合は、２０〜３０％が上限である。酸素ガス比率を高めた場合には、発熱が激しく単管構造では耐え切れない。酸化反応による発熱を有効利用するためには酸素ガス比率は１００％が望ましいが、この技術では酸素ガスのみの吹き込みに対する耐用性が十分でない。

また、特許文献２に開示された方法では、炭素水素系ガスの分解吸熱により、吹き込みランス先端部においては冷却が行われるが、炭化水素系ガスの分解による吸熱効果は最先端部つまりガス吐出口の近傍が主であり、吹き込みランスに被覆した耐火物の冷却には寄与しない。従って、耐火物自体の耐用性確保が必要であるが、特許文献２では耐火物の組成を具体的に開示していない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、溶銑などの溶融金属中に酸素ガスを吹き込む酸素ガス吹き込みランスにおいて、耐用性が高く、従来に比べて多数回の使用が可能であり、製造コストの削減に寄与する酸素ガス吹き込みランスを提供するとともに、該吹き込みランスを使用した溶銑の脱珪処理方法を提供することである。

上記課題を解決するための第１の発明に係る酸素ガス吹き込みランスは、溶融金属中に酸素ガスを吹き込むための酸素ガス吹き込みランスであって、内管及び外管からなる２重管構造であり、内管からは酸素ガスが吹き込まれ、内管と外管との間隙からは炭化水素系ガスが吹き込まれ、ランス先端部のガス吐出口近傍の外管外周に成型煉瓦層が設けられ、当該成型煉瓦層が設けられていない外管の外周には不定形耐火物が被覆されていることを特徴とするものである。

第２の発明に係る酸素ガス吹き込みランスは、第１の発明において、前記成型煉瓦層のガス吐出方向と平行な方向の長さが１０ｍｍ以上で、且つ、ガス吐出方向と垂直な方向の長さが５ｍｍ以上であることを特徴とするものである。

第３の発明に係る酸素ガス吹き込みランスは、第１または第２の発明において、前記不定形耐火物は、ＭｇＯを１０〜５０質量％、Ｃを１〜１０質量％含有するＡｌ₂ Ｏ₃ −ＭｇＯ−Ｃ系不定形耐火物、または、ＭｇＯを５〜３０質量％含有するＡｌ₂Ｏ₃ −ＭｇＯ系不定形耐火物であることを特徴とするものである。

第４の発明に係る酸素ガス吹き込みランスは、第３の発明において、前記Ａｌ₂ Ｏ₃ −ＭｇＯ−Ｃ系不定形耐火物またはＡｌ₂Ｏ₃ −ＭｇＯ系不定形耐火物は、前記吹き込みランスの先端部位に被覆され、この先端部位に続く前記吹き込みランスの胴部には、前記外管の外周にＳｉＯ₂を１０〜４０質量％含有するＡｌ₂ Ｏ₃ −ＳｉＯ₂ 系不定形耐火物が被覆されていることを特徴とするものである。

第５の発明に係る溶銑の脱珪処理方法は、第１ないし第４の発明の何れか１つに記載された酸素ガス吹き込みランスを溶銑中に浸漬させ、該吹き込みランスの内管から溶銑中に酸素ガスを吹き込むとともに、内管と外管との間隙から炭化水素系ガスを吹き込んで溶銑中の珪素を酸化除去することを特徴とするものである。

本発明によれば、溶融金属中に酸素ガスを吹き込むための酸素ガス吹き込みランスを２重管構造とし、２重管構造の外管に炭化水素系ガスを流し、炭化水素系ガスの分解による吸熱反応を利用して酸素ガス吹き込みランスを冷却するとともに、ランス先端部のガス吐出口近傍の外管外周に成型煉瓦層を設けているので、熱負荷の特に大きくなるランス最先端部のガス吐出口周辺の溶損を大幅に低減することができる。また、前記成型煉瓦層を設けることで、不定形耐火物のみを施工して酸素吹き込みランスを製造する場合に比較して酸素吹き込みランスの強度を確保することが可能となる。また更に、耐スポーリング性を向上させる目的でＣ（黒鉛）を増量する場合に、不定形耐火物では嵩密度が低下して施工が困難である上にＣが偏析しやすくなるという問題があるが、成型煉瓦層ではこのような問題は発生せず、所望する組成の成型煉瓦層を施工することができる。そして、前記成型煉瓦層が設けられていない外管の外周を、耐スポーリング性に優れる、ＭｇＯを１０〜５０質量％、Ｃを１〜１０質量％含有するＡｌ₂ Ｏ₃ −ＭｇＯ−Ｃ系不定形耐火物、または、溶融金属に対する溶損性に優れる、ＭｇＯを５〜３０質量％含有するＡｌ₂Ｏ₃ −ＭｇＯ系不定形耐火物で施工した場合には、損耗速度をより一層低減することが可能となる。その結果、精錬反応に使用する酸素ガスを、高効率で且つ撹拌力を向上可能な方法で長期間にわたって同一の吹き込みランスで添加可能となる。特に、溶銑の脱珪処理で本発明の酸素ガス吹き込みランスを使用することにより、脱珪反応による発熱を有効利用することが可能となる。

以下、本発明を具体的に説明する。

本発明者等は、混銑車に収容された溶銑に酸素ガス吹き込みランスを浸漬させ、該ガス吹き込みランスから酸素ガスを溶銑に吹き込んで行う溶銑の脱珪処理において、ガス吹き込みランスの長寿命化について研究・検討を行った。

その結果、酸素ガス吹き込みランスの外面が金属のままでは溶銑による溶損を抑えることができないことが分かった。また、特許文献１のように外表面をカロライズ処理しても、酸素ガスを大量に吹き込む場合は損耗が著しいため、その効果は少ないことが分かった。即ち、酸素ガス吹き込みランスの耐用性を向上させるためには、少なくとも溶銑中に浸漬させる部位の外表面には、耐火物の被覆層を形成させる必要のあることが分かった。

また、溶銑への浸漬部が単管構造では、耐火物を被覆したとしても耐用性に乏しく、従って、少なくとも２重管構造とし、冷却用の炭化水素系ガスを内管と外管との間隙に流す必要のあることが分かった。これは、炭化水素系ガスが分解する際の吸熱反応により、少なくとも酸素ガス吹き込みランスの最先端部（ガス吐出口部）は冷却され、これにより、最先端部の溶損が抑制されることが確認されたからである。

しかしながら、これらの対策のみでは目的とする耐用性は得られず、炭化水素系ガスの吹き込みによって直接冷却されている最先端部の周辺耐火物の溶損は、以前として長寿命化の障害となっており、更なる耐溶損性の向上が必要であることが分かった。

そこで、これらの損耗を防止する目的で試験を実施した。試験は混銑車に収容された溶銑を脱珪処理する際に使用する酸素ガス吹き込みランスで行った。図１及び図２に試験で使用した各酸素ガス吹き込みランスの概略図を示し、図３に混銑車に収容された溶銑を脱珪処理する状況を示す。

尚、図１（Ａ）は、本発明に係る酸素ガス吹き込みランスの概略断面図で、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）と直交する方向から見た側面図、図２は、本発明に係る別の酸素ガス吹き込みランスの概略断面図であり、図１及び図２において、符号１は酸素ガス吹き込みランス、２は内管、３は外管、４は耐火物被覆層、７はガス吐出口、８はガス吐出口近傍の外管外周に配置した成型煉瓦層である。耐火物被覆層４は、施工が容易であることから不定形耐火物で構成した。図２に示す酸素ガス吹き込みランス１では、耐火物被覆層４は、先端部側の先端部耐火物被覆層４Ａと胴部側の胴部耐火物被覆層４Ｂとに別れ、それぞれ異なる種類の耐火物で構成されている。その他の構造は両者で同一である。図２の符号１Ｃは、ガス吐出口７の中心であり、ｄは、ガス吐出口７の中心１Ｃからランス先端までの距離である。ここで、成型煉瓦層８としては、中空直円柱形状の、転炉底吹き羽口などで使用されているＭｇＯ−Ｃ系煉瓦を使用した。試験では、成型煉瓦層８の配置されていない酸素ガス吹き込みランスも使用し、成型煉瓦層８の効果を確認した。尚、図１における成型煉瓦層８のガス吐出方向と平行な方向の長さ（Ｌ）を成型煉瓦層８の「長さ」と称し、ガス吐出方向と垂直な方向の長さ（Ｗ）を成型煉瓦層８の「幅」と称している。

内管２の内部を酸素ガス（必要に応じて精錬剤）が流れ、内管２と外管３との間隙を炭化水素系ガスが流れ、酸素ガス及び炭化水素系ガスは、酸素ガス吹き込みランス１の先端部のガス吐出口７から溶銑中に吹き込まれるようになっている。図１及び図２に示す酸素ガス吹き込みランス１は、先端部近傍で内管２及び外管３が分岐し、ガス吐出口７がそれぞれ逆方向に開口した、所謂「Ｔ字型ランス」である。

また、図３において、５は混銑車、６は溶銑であり、混銑車５に収容された溶銑６に、図１または図２に示す酸素ガス吹き込みランス１の先端部を浸漬させ、内管２から酸素ガスを吹き込み、内管２と外管３との間隙から炭化水素系ガスを吹き込み、溶銑６に脱珪処理を実施している様子を示している。この場合、左右のガス吐出口７を水平方向に向けて酸素ガスを供給する。

この溶銑脱珪処理において、成型煉瓦層８の有無、並びに、耐火物被覆層４の組成、及び先端部耐火物被覆層４Ａと胴部耐火物被覆層４Ｂとの境界位置を変化させ、酸素ガス吹き込みランス１の耐用性を調査した。試験では、混銑車５に収容された約３００トンの溶銑６に内管２から３０Ｎｍ³ ／ｍｉｎの流量で酸素ガスを吹き込み、また、内管２と外管３との間隙から３〜４Ｎｍ³／ｍｉｎの流量でプロパンガスを吹き込み、脱珪処理した。尚、Ｎｍ³は、標準状態における体積に換算した体積を単位ｍ³で示すものである。内管２及び外管３はステンレス鋼鋼管を使用した。この脱珪処理における試験条件を表１に示す。

試験において、図１に示す酸素ガス吹き込みランス１の耐火物被覆層４としては、Ａｌ₂ Ｏ₃ −ＭｇＯ系不定形耐火物及びＡｌ₂Ｏ₃ −ＭｇＯ−Ｃ系不定形耐火物で試験し、耐火物被覆層４の損耗速度に及ぼす影響を調査した。また、図２に示す酸素ガス吹き込みランス１における先端部耐火物被覆層４Ａとしては、Ａｌ₂Ｏ₃ −１０質量％ＭｇＯ−３質量％Ｃ系不定形耐火物を用い、胴部耐火物被覆層４ＢとしてはＡｌ₂Ｏ₃ −２０質量％ＳｉＯ₂系不定形耐火物を用いた。先端部耐火物被覆層４Ａと胴部耐火物被覆層４Ｂとの境界は、（１）溶銑の湯面位置、（２）ガス吐出口７の中心１Ｃからランス先端までの距離をｄとしたときにガス吐出口７の中心１Ｃから距離（ｄ）の２倍離れた位置（「先端近傍位置」と称す）、（３）この先端近傍位置と湯面位置との中間位置（「中間点位置」と称す）の３水準とした。尚、溶銑の湯面位置とは、スラグ表面ではなく、溶銑そのものの湯面である。試験結果を表２に示す。表２における「平均ランス寿命」とは、１本のランス当たり平均の処理チャージ数である。

表２に示すように、成型煉瓦層８をガス吐出口７の近傍の外管３の外周に配置することにより、耐火物被覆層４が、Ａｌ₂ Ｏ₃ −ＭｇＯ系不定形耐火物であっても、また、Ａｌ₂Ｏ₃ −ＭｇＯ−Ｃ系不定形耐火物であっても、平均ランス寿命が大幅に延長することが確認できた。

成型煉瓦層８の配置によりランス寿命が大幅に延長する理由は、以下の通りである。即ち、成型煉瓦層８は不定形耐火物に比較して緻密であり、耐溶損性に優れ、成型煉瓦層８を配置したガス吐出口７の近傍の溶損が大幅に抑制されて、酸素ガス吹き込みランス１の寿命が延長する。成型煉瓦層８の長さ（Ｌ）が１０ｍｍ未満では、成型煉瓦層８の周囲の耐火物被覆層４の溶損が進行し、成型煉瓦層８が脱落してしまうことにより成型煉瓦層８を配置した効果が少なく、また、成型煉瓦層８の幅（Ｗ）が５ｍｍ未満では、成型煉瓦層８の厚みが少なすぎて成型煉瓦層８を配置した効果が小さく、従って、成型煉瓦層８の長さ（Ｌ）は１０ｍｍ以上で、且つ、成型煉瓦層８の幅（Ｗ）は５ｍｍ以上とすることが好ましい。成型煉瓦層８の長さ（Ｌ）及び幅（Ｗ）の最大値は、図１に示す「Ｔ字型ランス」では、酸素ガス吹き込みランス１の寸法に応じて自ずと決定される。つまり、成型煉瓦層８の長さ（Ｌ）の上限値は耐火物被覆層４の厚みとなり、また、成型煉瓦層８の幅（Ｗ）の上限値も耐火物被覆層４の厚みとなる。一方、先端部まで内管２及び外管３が分岐しない形状の酸素ガス吹き込みランス１の場合には、成型煉瓦層８の長さ（Ｌ）の上限値は３００ｍｍ程度とすればよく、成型煉瓦層８の幅（Ｗ）の上限値は耐火物被覆層４の厚みとなる。成型煉瓦層８としては、耐食性に優れる、ＭｇＯ−Ｃ系煉瓦、ＭｇＯ−Ｃｒ₂ Ｏ₃ 系煉瓦、Ａｌ₂ Ｏ₃−ＭｇＯ−Ｃ系煉瓦などを使用することができる。

また、耐火物被覆層４を構成する耐火物としては、Ａｌ₂ Ｏ₃ −ＭｇＯ系不定形耐火物であっても、また、Ａｌ₂ Ｏ₃ −ＭｇＯ−Ｃ系不定形耐火物であっても、どちらでも構わない。Ａｌ₂Ｏ₃ −ＭｇＯ系不定形耐火物は溶融金属に対する溶損性に優れ、一方、Ａｌ₂ Ｏ₃ −ＭｇＯ−Ｃ系不定形耐火物は、耐スポーリング性に優れるという特長を有している。溶融金属に対する溶損性に優れるＭｇＯを多量に配合する場合には、ＭｇＯによるスポーリングを抑制する観点から、Ｃを含有させたＡｌ₂ Ｏ₃ −ＭｇＯ−Ｃ系不定形耐火物を採用することが望ましい。

耐火物被覆層４として使用するＡｌ₂ Ｏ₃ −ＭｇＯ−Ｃ系不定形耐火物としては、ＭｇＯを１０〜５０質量％、Ｃを１〜１０質量％含有するものが好ましい。一般的に、ＭｇＯは耐食性を向上させるが、耐スポーリング性には劣る。Ｃを含有させることにより耐スポーリング性が向上されて寿命延長に繋がる。即ち、Ｃ含有量が１質量％未満では亀裂発生抑止効果が不十分である。一方、Ｃ含有量が１０質量％より多いと損耗速度が大きくなる。これは、Ｃが酸素ガス及び生成する酸化性スラグにより酸化されること及びＣ量が多いと耐火物の強度が低下することにより、振動や発生する熱応力による亀裂が入りやすくなるためである。ＭｇＯの含有量が規定されるのは、耐溶損性、耐熱性を向上させるためにはＭｇＯ量をできるだけ多くしたいが、前述の通りＣ含有量の上限が規定され、それに応じて亀裂防止の観点からＭｇＯの上限値が規定される。つまり、Ｃ量を１０質量％以下とすると、亀裂防止の観点からＭｇＯ量は５０質量％が上限になる。

また、耐火物被覆層４としてＡｌ₂ Ｏ₃ −ＭｇＯ系不定形耐火物を使用する場合には、ＭｇＯによる亀裂発生を防止する観点から、Ａｌ₂Ｏ₃ −ＭｇＯ系不定形耐火物中のＭｇＯ含有量は５〜３０質量％とすることが好ましい。

尚、最も良好な結果となったのは、先端部側にＡｌ₂ Ｏ₃ −ＭｇＯ系不定形耐火物またはＡｌ₂Ｏ₃ −ＭｇＯ−Ｃ系不定形耐火物を用い、胴部側にＡｌ₂Ｏ₃ −ＳｉＯ₂系不定形耐火物を用いた複合被覆構造とした場合（試験Ｎo.５〜８）であり、全体をＡｌ₂Ｏ₃ −ＭｇＯ系不定形耐火物、或いはＡｌ₂Ｏ₃ −ＭｇＯ−Ｃ系不定形耐火物で被覆した場合よりも、更に損耗速度が低く良好な結果であった。これは、以下の理由によると考えられる。上記の適正範囲にあるＡｌ₂Ｏ₃ −ＭｇＯ系耐火物及びＡｌ₂Ｏ₃ −ＭｇＯ−Ｃ系耐火物に比べても、基本的にＡｌ₂Ｏ₃ −ＳｉＯ₂系耐火物は耐スポーリング性に優れ、特に、湯面直上で付加される熱衝撃に対しては有効である。このために、胴部をＡｌ₂Ｏ₃ −ＳｉＯ₂系不定形耐火物とすることで、更に酸素ガス吹き込みランス１の耐久性が向上するものと考えられる。但し、ＳｉＯ₂ の含有量が１０質量％未満では耐スポーリング性の向上効果は少なく、一方、ＳｉＯ₂の含有量が４０質量％を越えると耐火物自体の耐火度が低下するので、ＳｉＯ₂ を１０〜４０質量％含有するＡｌ₂Ｏ₃ −ＳｉＯ₂系不定形耐火物を使用することが好ましい。

本発明はこれらの試験結果に基づくものであり、発明に係る酸素ガス吹き込みランス１は、前述した図１及び図２に示すように、内管２及び外管３からなる２重管構造であり、内管２からは酸素ガス（及び必要に応じ精錬剤）が吹き込まれ、内管２と外管３との間隙からは炭化水素系ガスが吹き込まれ、ランス先端部のガス吐出口７の近傍の外管外周に成型煉瓦層８が設けられ、成型煉瓦層８が設けられていない外管３の外周にはＡｌ₂ Ｏ₃ −ＭｇＯ−Ｃ系不定形耐火物やＡｌ₂ Ｏ₃ −ＭｇＯ系不定形耐火物などの不定形耐火物が被覆されているか、若しくは、図２に示すように、先端部がＡｌ₂Ｏ₃ −ＭｇＯ−Ｃ系不定形耐火物またはＡｌ₂ Ｏ₃ −ＭｇＯ系不定形耐火物で被覆され、残りの胴部がＡｌ₂Ｏ₃ −ＳｉＯ₂系不定形耐火物で被覆されていることを特徴とする。

図２に示す酸素ガス吹き込みランス１の場合、胴部側のＡｌ₂Ｏ₃ −ＳｉＯ₂系不定形耐火物としてはＳｉＯ₂を１０〜４０質量％含有する場合が有効である。また、耐スポーリング性の観点から、胴部耐火物被覆層４Ｂは、少なくとも溶銑の湯面以上の部位を被覆することが好ましく、一方、先端部耐火物被覆層４Ａは、耐溶損性の観点から先端部から充分な範囲までを被覆することが好ましい。従って、図２に示す形状の酸素ガス吹き込みランス１において、少なくともガス吐出口７の中心１Ｃから前記距離（ｄ）の２倍離れた位置（先端近傍位置）までを、先端部耐火物被覆層４Ａで被覆することが好ましい。即ち、図２の酸素ガス吹き込みランス１において、先端部耐火物被覆層４Ａと胴部耐火物被覆層４Ｂとの境界は、前記先端近傍位置と溶銑の湯面位置との間に位置させることが好ましい。

尚、先端部耐火物被覆層４Ａと胴部耐火物被覆層４Ｂとが、境界部で連続的に移行することが好ましい。これは、先端部耐火物被覆層４Ａ及び胴部耐火物被覆層４Ｂの施工時、外管３及び成型煉瓦層８の周囲に設けられた型枠に不定形耐火物を流し込んで酸素ガス吹き込みランス１を作製するときに、途中で不定形耐火物の材質を変更することで容易に実現することができる。

本発明で用いるＡｌ₂ Ｏ₃ −ＭｇＯ−Ｃ系不定形耐火物、Ａｌ₂ Ｏ₃ −ＭｇＯ系不定形耐火物、及びＡｌ₂Ｏ₃ −ＳｉＯ₂系不定形耐火物ともに、不純物を７質量％以下程度含有することは問題ない。また、図１及び図２の何れの形態においても、不定形耐火物層の厚みは２５ｍｍ以上程度が好ましい。

本発明に係る酸素ガス吹き込みランス１は、溶融金属中に酸素ガスまたは酸素ガスとともに精錬剤を供給して行う精錬であるならばどのような精錬であっても適用可能であるが、特に、溶銑の脱珪処理における酸素ガス供給手段として適用することが最適である。溶銑の脱珪処理で生成されるスラグはＳｉＯ₂ を主体としており、本発明において耐火物被覆層４或いは先端部耐火物被覆層４Ａとして使用するＡｌ₂Ｏ₃ −ＭｇＯ−Ｃ系不定形耐火物及びＡｌ₂ Ｏ₃ −ＭｇＯ系不定形耐火物は、ＳｉＯ₂を主体とするスラグに対する耐溶損性に優れるからである。ここで、精錬剤とは、酸素源となる酸化鉄や生石灰、石灰石などのフラックスのことである。

また、本発明に係る酸素ガス吹き込みランス１は、特に、混銑車における脱珪処理など、多量の送酸（例えば、１０Ｎｍ³／ｍｉｎ以上、好ましくは１５Ｎｍ³／ｍｉｎ以上）により処理を進行させる用途に好適である。

本発明に係る酸素ガス吹き込みランス１を用いて溶銑６の脱珪処理を行う場合、上記の試験と同一方法で、つまり内管２から酸素ガスを吹き込み、内管２と外管３との間隙から炭化水素系ガスを吹き込んで脱珪処理を行うが、その際に、非浸漬型の上吹きランスによる酸素ガス添加などの他の酸素ガス供給手段を併用しても構わない。また、図１及び図２に示す酸素ガス吹き込みランス１はＴ字型ランスであったが、先端部まで内管２及び外管３が分岐しない形状としてもよく、また、その場合に先端部を曲げた形状としてもよい。

また、内管２及び外管３はステンレス鋼鋼管である必要はなく、例えば炭素鋼鋼管であっても問題ない。また更に、内管２からの酸素ガスの吹き込み流量を低下させる際に、窒素ガス、Ａｒガスといった不活性ガスを酸素ガスに混合させてもよいし、酸素富化空気などの酸素含有ガスを適宜利用してもよい。酸素濃度は必要とされる酸素量から適宜決定すればよい。内管２からの酸素ガス吹き込み流量の変更に伴って外管３からの炭化水素系ガスの吹き込み流量を低下させる際にも、窒素ガス、Ａｒガスといった不活性ガスを炭化水素系ガスに混合させてもよい。炭化水素ガスの量の目安としては、内管２から供給される酸素ガスの５〜２０体積％程度とすることが好ましい。炭化水素ガスとしては、プロパン（Ｃ₃ Ｈ₈ ）、メタン（ＣＨ₄ ）、エタン（Ｃ₂ Ｈ₆ ）、ブタン（Ｃ₄ Ｈ₁₀）などが比較的低温で熱分解し、分解吸熱も大きいため製鋼プロセスでは利用しやすい。

本発明に係る酸素ガス吹き込みランス１により、転炉底吹き羽口のような設備を用いることなく、長期間に亘って１つの酸素ガス吹き込みランス１から酸素ガスを溶銑中に吹き込むことが可能となる。また、酸素ガスを吹き込むことにより、熱余裕の創出が可能となる。その結果、鉄スクラップ溶解のための熱として使用可能となり、鉄鋼材料製造時のＣＯ₂ 発生量の低減に寄与する。また酸素ガス吹き込みランス１の寿命が延びることで、ランス交換作業の頻度軽減、更に、常に浸漬深さを大きく確保できるといった利点がある。

尚、図１及び図２に示す酸素ガス吹き込みランス１では、外管３の最先端部に成型煉瓦層８が配置され、成型煉瓦層８が使用開始時から溶融金属と直接接触するように構成されているが、図４に示すように、成型煉瓦層８の外周を、耐火物被覆層４或いは先端部耐火物被覆層４Ａで覆うようにしても構わない。この場合、成型煉瓦層８を覆う耐火物被覆層４或いは先端部耐火物被覆層４Ａの厚みは、２０ｍｍ程度以下とすればよい。尚、図４は、発明に係る別の酸素ガス吹き込みランスの概略断面図で、Ｔ字型ランスの場合を示している。

前述した図１及び図２に示す酸素ガス吹き込みランスを用い、内管から酸素ガスを３０Ｎｍ³ ／ｍｉｎ、内管と外管との間隙からプロパンガスを２〜５Ｎｍ³／ｍｉｎ吹き込んで、混銑車に収容された溶銑の脱珪処理を実施（本発明例１〜１３）した。酸素ガス吹き込みランス先端に配置する成型煉瓦層としてはＭｇＯ−１８質量％Ｃ系煉瓦を使用し、この成型煉瓦層の長さ（Ｌ）を７〜４１ｍｍの範囲で、また、成型煉瓦層の幅（Ｗ）を３〜４６ｍｍの範囲で変化させた。

酸素ガス吹き込みランスの耐火物被覆層は、本発明例１では、先端から溶銑湯面までをＡｌ₂Ｏ₃ −５質量％ＭｇＯ系不定形耐火物、溶銑湯面より上方をＡｌ₂Ｏ₃ −２０質量％ＳｉＯ₂系不定形耐火物で施工し、本発明例２では、先端から溶銑湯面までをＡｌ₂Ｏ₃ −１０質量％ＭｇＯ系不定形耐火物、溶銑湯面より上方をＡｌ₂Ｏ₃ −２０質量％ＳｉＯ₂系不定形耐火物で施工し、本発明例３では、先端から溶銑湯面までをＡｌ₂Ｏ₃ −２０質量％ＭｇＯ系不定形耐火物、溶銑湯面より上方をＡｌ₂Ｏ₃ −２０質量％ＳｉＯ₂系不定形耐火物で施工し、本発明例４では、先端から溶銑湯面までをＡｌ₂Ｏ₃ −３０質量％ＭｇＯ系不定形耐火物、溶銑湯面より上方をＡｌ₂Ｏ₃ −２０質量％ＳｉＯ₂系不定形耐火物で施工し、本発明例５では、先端から溶銑湯面までをＡｌ₂Ｏ₃ −１０質量％ＭｇＯ−３質量％Ｃ系不定形耐火物、溶銑湯面より上方をＡｌ₂Ｏ₃ −２０質量％ＳｉＯ₂系不定形耐火物で施工し、本発明例６では、先端から溶銑湯面までをＡｌ₂Ｏ₃ −３０質量％ＭｇＯ−３質量％Ｃ系不定形耐火物、溶銑湯面より上方をＡｌ₂Ｏ₃ −２０質量％ＳｉＯ₂系不定形耐火物で施工し、本発明例７では、先端から溶銑湯面までをＡｌ₂Ｏ₃ −５０質量％ＭｇＯ−５質量％Ｃ系不定形耐火物、溶銑湯面より上方をＡｌ₂Ｏ₃ −２０質量％ＳｉＯ₂系不定形耐火物で施工し、本発明例８では、Ａｌ₂ Ｏ₃ −５質量％ＭｇＯ系不定形耐火物の単層で施工し、本発明例９では、Ａｌ₂ Ｏ₃−３０質量％ＭｇＯ−３質量％Ｃ系不定形耐火物の単層で施工し、本発明例１０では、先端から溶銑湯面までをＡｌ₂Ｏ₃ −５質量％ＭｇＯ系不定形耐火物、溶銑湯面より上方をＡｌ₂Ｏ₃ −２０質量％ＳｉＯ₂系不定形耐火物で施工し、本発明例１１では、先端から溶銑湯面までをＡｌ₂Ｏ₃ −５質量％ＭｇＯ系不定形耐火物、溶銑湯面より上方をＡｌ₂Ｏ₃ −２０質量％ＳｉＯ₂系不定形耐火物で施工し、本発明例１２では、先端から溶銑湯面までをＡｌ₂Ｏ₃ −２質量％ＭｇＯ系不定形耐火物、溶銑湯面より上方をＡｌ₂Ｏ₃ −２０質量％ＳｉＯ₂系不定形耐火物で施工し、本発明例１３では、先端から溶銑湯面までをＡｌ₂Ｏ₃ −５０質量％ＭｇＯ系不定形耐火物、溶銑湯面より上方をＡｌ₂Ｏ₃ −２０質量％ＳｉＯ₂系不定形耐火物で施工した。

また、比較のために、本発明例１〜９と同一の耐火物被覆層ではあるものの、成型煉瓦層を配置しない酸素ガス吹き込みランスを用いた脱珪処理（比較例１〜９）も実施した。比較例１〜９は、成型煉瓦層を配置していないこと以外は、本発明例１〜９と同一の条件で実施した。また更に、本発明例１で使用した酸素ガス吹き込みランスを用いたものの、酸素源として、酸素ガスの代わりに酸化鉄（鉄鉱石）を用いた脱珪処理（比較例１０）も実施した。比較例１０では、窒素ガスを搬送用ガスとして酸化鉄を内管から吹き込み、内管と外管との間隙からは窒素ガスを供給した。この場合、酸化鉄中の酸素量は化学分析値に基づいて酸化鉄１ｋｇが酸素ガス０．１５Ｎｍ³ に相当するとして、本発明例及び比較例と酸素供給量及び供給速度が一定になるように調整した。

本発明例１〜１３及び比較例１〜９においては、主に成型煉瓦層の有無による酸素ガス吹き込みランスの寿命について比較評価し、比較例１０では、主に脱珪処理後の溶銑温度を比較した。表３に試験条件及び試験結果を示す。

表３に示すように、例えば本発明例１と比較例１との比較、本発明例５と比較例５との比較、或いは本発明例８と比較例８との比較など、耐火物被覆層が同一であっても、成型煉瓦層を設置することによりランス寿命が大幅に向上することが確認できた。

但し、本発明例１０では、成型煉瓦層の長さ（Ｌ）が７ｍｍと短く、ランス寿命の向上効果は少なく、本発明例１１では、成型煉瓦層の幅（Ｗ）が３ｍｍと狭く、ランス寿命の向上効果は少なかった。この結果から、成型煉瓦層の長さ（Ｌ）は１０ｍｍ以上、幅（Ｗ）は５ｍｍ以上とすることが好ましいことが確認できた。また、本発明例１２及び本発明例１３は、耐火物被覆層が好ましい組成範囲を外れていることから、ランス寿命の向上効果は少なかった。この結果から、ランス寿命の延長には耐火物被覆層を構成する耐火物組成も重要であることが確認できた。

また、酸素源として酸素ガスを供給した場合（本発明例１〜１３及び比較例１〜９）には、溶銑中の珪素０．０１質量％が酸化除去されることにより約３℃の溶銑温度の上昇が見られたのに対し、酸素源として酸化鉄を供給した比較例１０では、酸化鉄の顕熱及び分解熱により溶銑温度が低下する結果となった。

本発明に係る酸素ガス吹き込みランスの概略断面図である。 本発明に係る別の酸素ガス吹き込みランスの概略断面図である。 本発明に係る酸素ガス吹き込みランスを用いて混銑車に収容された溶銑を脱珪処理する状況を示す図である。 本発明に係る別の酸素ガス吹き込みランスの概略断面図である。

符号の説明

１ 酸素ガス吹き込みランス
１Ｃ ガス吐出口中心
２ 内管
３ 外管
４ 耐火物被覆層
４Ａ 先端部耐火物被覆層
４Ｂ 胴部耐火物被覆層
５ 混銑車
６ 溶銑
７ ガス吐出口
８ 成型煉瓦層

Claims (5)

1. 溶融金属中に酸素ガスを吹き込むための酸素ガス吹き込みランスであって、内管及び外管からなる２重管構造であり、内管からは酸素ガスが吹き込まれ、内管と外管との間隙からは炭化水素系ガスが吹き込まれ、ランス先端部のガス吐出口近傍の外管外周に成型煉瓦層が設けられ、当該成型煉瓦層が設けられていない外管の外周には不定形耐火物が被覆されていることを特徴とする酸素ガス吹き込みランス。
2. 前記成型煉瓦層のガス吐出方向と平行な方向の長さが１０ｍｍ以上で、且つ、ガス吐出方向と垂直な方向の長さが５ｍｍ以上であることを特徴とする、請求項１に記載の酸素ガス吹き込みランス。
3. 前記不定形耐火物は、ＭｇＯを１０〜５０質量％、Ｃを１〜１０質量％含有するＡｌ₂ Ｏ₃ −ＭｇＯ−Ｃ系不定形耐火物、または、ＭｇＯを５〜３０質量％含有するＡｌ₂Ｏ₃ −ＭｇＯ系不定形耐火物であることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の酸素ガス吹き込みランス。
4. 前記Ａｌ₂ Ｏ₃ −ＭｇＯ−Ｃ系不定形耐火物またはＡｌ₂ Ｏ₃ −ＭｇＯ系不定形耐火物は、前記吹き込みランスの先端部位に被覆され、この先端部位に続く前記吹き込みランスの胴部には、前記外管の外周にＳｉＯ₂を１０〜４０質量％含有するＡｌ₂ Ｏ₃ −ＳｉＯ₂ 系不定形耐火物が被覆されていることを特徴とする、請求項３に記載の酸素ガス吹き込みランス。
5. 請求項１ないし請求項４の何れか１つに記載された酸素ガス吹き込みランスを溶銑中に浸漬させ、該吹き込みランスの内管から溶銑中に酸素ガスを吹き込むとともに、内管と外管との間隙から炭化水素系ガスを吹き込んで溶銑中の珪素を酸化除去することを特徴とする、溶銑の脱珪処理方法。

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