JP2009516070A - Improved lance for LD steelmaking - Google Patents

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Abstract

An improved lance for LD steelmaking comprises a plurality of peripheral supersonic nozzles provided with a single inlet high pressure gas supply line and a central nozzle. The central nozzle is a subsonic nozzle provided with a separate low pressure gas supply line (1 ) independent of the high pressure gas supply line (2) for the peripheral nozzles. The flow rate through the central subsonic nozzle is controllable for varying generation of liquid metal droplets during the blow, according to the process requirement.

Description

本発明は、広い意味で言うと、LD製鋼用の改良されたランスに関するものである。特に、本発明は、工程の要求に従って液体金属の溶滴の生成を変えるための、中央の別個に制御可能な亜音速ノズルを有する多孔ランス設計に関するものである。   In a broad sense, the present invention relates to an improved lance for LD steelmaking. In particular, the present invention relates to a multi-hole lance design with a central separately controllable subsonic nozzle to vary the formation of liquid metal droplets according to process requirements.

鋼は、塩基性酸素炉(BOF)工程、電気アーク炉(EAF)工程、カルド法等の多くの工程によって生産される。これらのうちで、塩基性酸素炉(BOF)又はLD製鋼の工程が、製法が効果的であり及び生産される鋼の品質がよいために、現在世界中で広く用いられている。LD製鋼工程は、非常に高い割合の鉄と共に、炭素、リン、マグネシウム、マンガン、アルミニウム等を主要な不純物として含む液体銑鉄の精錬工程である。これらの不純物は、酸素ガスを酸化剤として使用する酸化反応によって除去される。酸素ガスは、銅のヘッドを使用する水冷ランスを介して複数の超音速噴流によってLD容器に導入される。さらに、液体金属を完全に攪拌するために、アルゴンガスが容器の底部の羽口から導入される。ランスを介して頂部から酸素ガスを吹き込み、アルゴンを底部から注入するこの工程は、上底吹き工程と呼ばれている。   Steel is produced by a number of processes such as a basic oxygen furnace (BOF) process, an electric arc furnace (EAF) process, and a cardo process. Of these, basic oxygen furnace (BOF) or LD steelmaking processes are now widely used around the world because of the effectiveness of the process and the quality of the steel produced. The LD steelmaking process is a refining process for liquid pig iron containing carbon, phosphorus, magnesium, manganese, aluminum and the like as main impurities together with a very high proportion of iron. These impurities are removed by an oxidation reaction using oxygen gas as an oxidizing agent. Oxygen gas is introduced into the LD vessel by a plurality of supersonic jets through a water cooling lance using a copper head. Furthermore, argon gas is introduced from the tuyere at the bottom of the container in order to completely stir the liquid metal. This process of blowing oxygen gas from the top through the lance and injecting argon from the bottom is called an upper bottom blowing process.

LD容器内での精錬工程は以下のようにまとめることができる。液体銑鉄は、金属スクラップと共に容器に投入される。LD容器で起こる反応のほとんどが発熱反応であり、全体のLD製鋼工程が自動発生工程、即ち外部からの熱供給がまったく必要ないので、これらの金属スクラップは容易に溶解できる。ケイ酸に対する石灰の重量比率(CaO/SiO)として定義される塩基度の必要とされる値に従って、フラックスとしての石灰(CaO)も加えられ、酸素ガスの液体金属への吹込みが開始される。不純物は酸化され、炭素の酸化物以外の酸化物は液体金属の頂部に浮く溶融スラグを形成する。炭素は溶融スラグを通過する一酸化炭素(CO)ガスとして酸化される。このため、スラグ層の体積が増し、一般に「スラグ・フォーム(スラグ発泡体、slag foam)」と呼ばれるものを形成する。スラグ・フォームは、溶融スラグ、液体金属から発生するガス、及び酸素噴流が液体金属表面に衝突することによる容器に投入される液体金属の液滴を含む。こうしてスラグ・フォームが形成され、ランス・ヘッド及び部分的にはランス自体を完全に覆って、容器の大きな体積を占める。スラグ・フォームは液体金属とスラグの間の大きな界面領域を形成し、それによって脱リンなどの界面反応が促進される。 The refining process in the LD container can be summarized as follows. Liquid pig iron is put into a container together with metal scrap. Most of the reactions that occur in LD containers are exothermic reactions, and the entire LD steelmaking process is an automatic generation process, ie no external heat supply is required, so these metal scraps can be easily melted. According to the required value of basicity, defined as the weight ratio of lime to silicic acid (CaO / SiO 2 ), lime as a flux (CaO) is also added and oxygen gas starts to be blown into the liquid metal. The Impurities are oxidized and oxides other than carbon oxides form a molten slag that floats on top of the liquid metal. The carbon is oxidized as carbon monoxide (CO) gas that passes through the molten slag. This increases the volume of the slag layer, forming what is commonly referred to as a “slag foam” (slag foam). The slag foam includes molten slag, gas generated from the liquid metal, and liquid metal droplets that are introduced into the container as the oxygen jet impinges on the liquid metal surface. A slag foam is thus formed, completely covering the lance head and partly the lance itself, occupying a large volume of the container. Slag foam forms a large interfacial region between the liquid metal and slag, which promotes interfacial reactions such as dephosphorization.

LD製鋼工程は極めて動的であり、酸素吹込み期間中に容器内の状態が連続的に変化するので、酸素ランスの制御が必須である。したがって、酸素ランスは超音速噴流の衝突の強度を制御するために、異なるランス高さで動作される。ランス高さは、吹込みの開始前の平らな液体金属表面に対する、任意時刻でのランス先端部の距離として定義される。吹込みの開始時には、製鋼業者の主な興味は溶融スラグを即時に形成し、投入された石灰を完全に溶解することである。この段階では炭素の酸化が好ましくないので、ハード・ブロー又はランス高さをより低くすることは、不利になることが分かる。したがって、ランスはより高い所で動作され、例えば最初のランス高さは2.2mである。   Since the LD steelmaking process is extremely dynamic and the state in the container continuously changes during the oxygen blowing period, it is essential to control the oxygen lance. Thus, the oxygen lance is operated at different lance heights to control the intensity of the supersonic jet impact. The lance height is defined as the distance of the lance tip at any time relative to the flat liquid metal surface before the start of blowing. At the start of blowing, the steelmaker's main interest is to immediately form molten slag and completely dissolve the lime charged. It can be seen that lowering the hard blow or lance height is disadvantageous because carbon oxidation is not preferred at this stage. Thus, the lance is operated higher, for example the initial lance height is 2.2 m.

初期の間は、スラグは、必要な化学的及び物理的特性を有して形成し始める。次に、炭素を酸化することによってより多くのCOガスを生成することにより、泡状のスラグを生成することが必要である。なぜなら、泡状のスラグだけが、スラグと金属の間の界面領域を増加させ、それによって脱リンの重要な反応を促進できるからである。したがって、ランスの高さは、ハード・ブローを与えるために低くされる。低くされた高さは、およそ1.5mであることができる。この段階では、脱リン反応に関する限り、金属の液滴の生成もまた非常に重要である。ほとんどの場合、ランスは炭素の酸化を促進するために大部分の吹込みに関してこのより低い高さで動作される。   During the initial period, the slag begins to form with the necessary chemical and physical properties. Next, it is necessary to produce foamy slag by producing more CO gas by oxidizing the carbon. This is because only foamy slag can increase the interfacial area between the slag and the metal, thereby promoting an important reaction of dephosphorization. Thus, the height of the lance is lowered to provide a hard blow. The lowered height can be approximately 1.5 m. At this stage, the formation of metal droplets is also very important as far as the dephosphorization reaction is concerned. In most cases, the lance is operated at this lower height for most blows to promote carbon oxidation.

吹込みの最終段階においては、鋼の炭素割合は非常に低く、COガスの発生は大幅に低下する。COガスが生成されないため、スラグはもはや泡状ではなく、厚い液体スラグ層が金属表面の上部に形成されることを理解されたい。この段階でのハード・ブロー及び液体金属の液滴の形成は、吹込みのより早い段階で示されたのと同様な理由により好ましくない。したがって、ランス高さはよりソフトな吹込みを与えるために、最初のランス高さに再び高められる。   In the final stage of blowing, the carbon content of the steel is very low and the generation of CO gas is greatly reduced. It should be understood that because no CO gas is produced, the slag is no longer foamy and a thick liquid slag layer is formed on top of the metal surface. Hard blow and liquid metal droplet formation at this stage are undesirable for the same reasons as shown earlier in the blow. Thus, the lance height is increased again to the initial lance height to provide a softer blow.

上記の議論から、ランスへの物理的な要求は、LD容器への吹込みの間に完全に変わることが明らかである。吹込みのある段階では、液滴の形成が第1に重要であり、その他のある段階では、液体金属の液滴の形成が不利になり、LD容器の動作に有害になるおそれがある。ランスは、単純な酸素ガスを容器へ供給する装置というとりもはるかに重要な役割を果たすことが明らかである。ランスの設計及び吹込み中の制御を適切に行うことによって、製鋼工程の効果が大幅に改善し、それにより生産される鋼の質が向上できる。   From the above discussion it is clear that the physical demands on the lance change completely during the blowing into the LD container. At some stage of blowing, the formation of droplets is of primary importance, and at some other stage, the formation of liquid metal droplets is disadvantageous and can be detrimental to the operation of the LD container. It is clear that the lance plays a much more important role as a device for supplying simple oxygen gas to the container. By appropriately performing the design of the lance and the control during blowing, the effect of the steelmaking process can be greatly improved, thereby improving the quality of the steel produced.

ランスは銅からなり、ノズルが固定される脱着式のヘッドを有する。酸素は、ノズルを介してマッハ数2.0〜2.4の範囲の超音速で容器に吹き込まれる。ランスの超音速ノズルの個数は、容器の寸法、投入の質量、及びその他の動作条件に基づいて決定される。典型的なランスは、噴流の合体を最小限に抑えるため、鉛直軸線から17.5°の傾斜角を有する6個の超音速ノズルを有することができる。ノズルは2.2の出口マッハ数を有する超音速噴流を生成するように設計されている。すべてのノズルは、単独で13.77kgf/cm(13.5バール)の圧力で酸素を供給される。使用されるランスは、LD容器の高温から保護するために水冷式になっている。 The lance is made of copper and has a detachable head to which the nozzle is fixed. Oxygen is blown into the container through the nozzle at supersonic speed in the range of Mach number 2.0 to 2.4. The number of lance supersonic nozzles is determined based on the dimensions of the container, the input mass, and other operating conditions. A typical lance can have six supersonic nozzles with an inclination angle of 17.5 ° from the vertical axis to minimize jet coalescence. The nozzle is designed to produce a supersonic jet with an exit Mach number of 2.2. All nozzles are independently supplied with oxygen at a pressure of 13.77 kgf / cm 2 (13.5 bar). The lance used is water-cooled to protect it from the high temperature of the LD container.

LD容器内の脱リンを改善することが求められる。すでに述べられたように、ランス設計及び吹込み中の制御は、製鋼工程及び生産される鋼の質に大きく影響を与える。   There is a need to improve dephosphorization in LD containers. As already mentioned, lance design and control during blowing have a great influence on the steelmaking process and the quality of the steel produced.

本発明の1つの目的は、LD容器内で脱リンを促進するスラグと金属の界面領域を増加させるために、液体金属の液滴の生成を向上させることである。脱リンは本質的にスラグと金属の間の界面反応なので、金属の液滴が増加すると脱リン効率が向上する。したがって、本発明では、LD容器での液滴の生成が促進するための取り組みがなされる。金属の液滴の形成は本質的にはランスの機能である。したがって金属の液滴の生成を促進するために、酸素噴流の機能は、製鋼条件又はそれに非常に近い条件の下で慎重に考慮される必要がある。   One object of the present invention is to improve the formation of liquid metal droplets in order to increase the slag-metal interface area that promotes dephosphorization within the LD container. Since dephosphorization is essentially an interfacial reaction between slag and metal, increasing the number of metal droplets improves dephosphorization efficiency. Therefore, in the present invention, an effort is made to promote the generation of droplets in the LD container. The formation of metal droplets is essentially a function of the lance. Therefore, in order to promote the formation of metal droplets, the function of the oxygen jet needs to be carefully considered under steelmaking conditions or conditions very close thereto.

酸素ランスに中央穴を設けると多くの金属の液滴が形成され、スピッティング(飛散)が生じることが分かっている。スピッティングは、容器の口の遮断を生じ、さらにランス及び容器のライニングの耐用年数を縮める可能性があるので不利である。したがって、中央穴は多くの液滴を生成することができるが欠点も有する。   It has been found that providing a central hole in the oxygen lance results in the formation of many metal droplets and spitting. Spitting is disadvantageous because it can result in blockage of the mouth of the container and further reduce the useful life of the lance and container lining. Thus, the central hole can produce many droplets, but also has drawbacks.

液滴の生成を促進する以外に、中央穴は製鋼業でこれまでに知られていない別の利点を有する。LD容器の超音速噴流の特性に基づく高密度のスラグ・フォームの効果が検討された。スラグ・フォームは、酸素噴流によって供給されたすべての運動量を吸収し、噴流はスラグに対して運動量を完全に失うことが分かっている。したがって、LD容器内の超音速酸素噴流の特性に関する現行の知識は、間違っていると考えられる。LD容器の流体力学的なモデルを使用して行われる液滴の生成の研究はLD容器内の液滴の生成の真の機構を明らかにしないが、それらは液滴の形成の理解を促すための基礎を提供する。周囲噴流はスラグ・フォームに曝されるので、噴流とスラグ・フォームの界面を介して、スラグ層に対して運動量のすべてを失うことが予測される。ガス噴流は溶融した金属表面に達するときに十分な運動量を有しないので、必要に応じた金属の液滴を生成することができない。   In addition to facilitating droplet formation, the central hole has other advantages not previously known in the steel industry. The effect of high density slag foam based on the characteristics of supersonic jet in LD vessel was studied. The slag foam absorbs all the momentum supplied by the oxygen jet and the jet has been found to completely lose momentum relative to the slag. Therefore, current knowledge regarding the characteristics of supersonic oxygen jets in LD vessels is considered wrong. Although droplet generation studies conducted using a hydrodynamic model of the LD vessel do not reveal the true mechanism of droplet generation in the LD vessel, they are intended to facilitate understanding of droplet formation Provides the basis for As the surrounding jet is exposed to the slag foam, it is expected that all of the momentum will be lost to the slag layer via the jet-slag foam interface. Since the gas jet does not have sufficient momentum to reach the molten metal surface, it cannot produce metal droplets as needed.

しかし、本論証が示唆するように、中央噴流は周縁噴流と比較してスラグ・フォームによってほんのわずかしか覆われず、又はまったく覆われない。周縁噴流は中央噴流を覆い、高密度のスラグ・フォームから中央噴流に対して保護的な覆いを作るのがこの理由である。さらに、中央噴流の存在による正の圧力があり、これが同様にスラグ・フォームの小さな飛沫同伴を周縁噴流の間の空間に押しやる。これは、中央噴流はスラグ層に対して運動量を失わず、集中した運動量、即ち金属表面を裂く高い速度を伴って金属表面に達し、多く求められる、脱リンを促進する金属の液滴を生成する。   However, as this discussion suggests, the central jet is covered only slightly or not at all by the slag foam compared to the peripheral jet. The reason is that the peripheral jet covers the central jet and creates a protective covering from the dense slag foam to the central jet. In addition, there is a positive pressure due to the presence of the central jet, which also forces small entrainment of slag foam into the space between the peripheral jets. This is because the central jet does not lose momentum with respect to the slag layer, but it reaches the metal surface with a concentrated momentum, i.e. a high speed to tear the metal surface, and produces a metal drop that promotes dephosphorization, which is often required. To do.

したがって、中央噴流を有することが、脱リン速度を改善できる金属の液滴の生成を増加させるのに有利であることが明らかである。   Thus, it is clear that having a central jet is advantageous in increasing the production of metal droplets that can improve the dephosphorization rate.

前記で説明したように、吹込みの最初及び最後の段階中に泡状のスラグがない場合、中央噴流が大量のスピッティングを生じ、即ち容器の口を介して液体金属を吐出させる。したがって、LD製鋼工程のすべての段階中に中央穴を通って非常に強い吹込みがあることは得策でない。吹込みの最初及び最後の段階中のスピッティング又は金属の液滴の生成が大きいことは、スラグ・フォームからの保護がまったくないのでランスを損傷する。スラグ・フォームが存在することで、金属の液滴の速度が低下し、ランス及び容器の耐火物が金属の液滴の衝突から保護されることが期待される。中央穴を通って強い吹込みがあることが、吹込みのこれらの2つの段階中に不利であることが上記の議論から明らかである。   As explained above, if there is no foamy slag during the first and last stages of blowing, the central jet creates a large amount of spitting, i.e. the liquid metal is ejected through the mouth of the container. It is therefore not advisable to have a very strong blow through the central hole during all stages of the LD steelmaking process. Large spitting or metal droplet formation during the first and last stages of blowing damages the lance as there is no protection from slag foam. The presence of slag foam is expected to reduce the velocity of the metal droplets and protect the lance and container refractories from metal droplet impact. It is clear from the above discussion that there is a strong blow through the central hole, which is disadvantageous during these two stages of blow.

最初の段階でのスピッティングを回避するために流量を低下させるために、超音速ノズルが設計圧力比よりも低い圧力比で動作される場合、言い換えればノズルの吹込みが少なくされると、ノズル自体の発散領域にガスの圧力、速度、温度、及び濃度の衝撃又は強い断絶が起こる可能性がある。発散領域でのそのような衝撃により、超音速ノズルの性能に大きく影響を与えるおそれがあり、ノズルの耐用年数が大幅に低下する。さらに、製鋼条件の下で、ノズルの発散領域の内側に形成されたそのような衝撃により、高温のスラグ・フォーム及び金属の液滴がノズルに吸い込まれ、かなりの腐食及びランスの故障が起こるおそれがある。超音速ノズルを介してLD製鋼工程の異なる段階で必要に応じて流量の制御を大幅に行うことは不可能であることが明らかである。   If the supersonic nozzle is operated at a pressure ratio lower than the design pressure ratio in order to reduce the flow rate to avoid spitting in the first stage, in other words, if nozzle blowing is reduced, the nozzle Gas pressure, velocity, temperature, and concentration shocks or strong disruptions can occur in their divergent areas. Such an impact in the divergent region can greatly affect the performance of the supersonic nozzle, greatly reducing the useful life of the nozzle. In addition, under steelmaking conditions, such impacts formed inside the diverging area of the nozzle can cause hot slag foam and metal droplets to be drawn into the nozzle, resulting in considerable corrosion and lance failure. There is. It is clear that it is impossible to significantly control the flow rate as needed at different stages of the LD steelmaking process via a supersonic nozzle.

上記に示した考察により、本発明においては、亜音速ノズル即ち収束する領域のみを伴うノズルを備えることが見出された。それを使用すると流量を制御することが容易であり、供給圧を変更することによって広い範囲の流量も達成できる。さらに、亜音速をもたらすノズルには衝撃形成の問題は存在しない。この説明により、すべてのノズルが同じガス供給ラインを有する場合に、中央穴を通る流量だけを制御することができないことも明らかである。前に説明したように、液滴の形成は吹込みの中間の期間にのみ増加させる必要があり、吹込みの最初及び最後の段階に多くの液滴が生成されることは好ましくない。そのようなランス動作に関しては、中央穴を介する流量の制御が必要であり、上述のように同じ酸素ガスの供給をすべてのノズルに行う場合には不可能である。したがって、本発明では、中央穴に対して別個の制御可能なガス供給が行われる。その他のすべての6個の周縁の超音速ノズルは、共有の高圧のガス供給を有することができる。   From the considerations given above, it has been found that the present invention comprises a subsonic nozzle, i.e. a nozzle with only a converging region. Using it, it is easy to control the flow rate, and a wide range of flow rates can be achieved by changing the supply pressure. In addition, there is no impact formation problem with nozzles that provide subsonic speeds. From this description it is also clear that if all nozzles have the same gas supply line, only the flow rate through the central hole cannot be controlled. As explained earlier, the formation of droplets only needs to be increased during the middle period of blowing, and it is not desirable that many droplets be produced at the beginning and end of the blowing. With respect to such a lance operation, it is necessary to control the flow rate through the central hole, which is impossible when the same oxygen gas is supplied to all the nozzles as described above. Thus, in the present invention, a separate controllable gas supply is provided for the central hole. All other six peripheral supersonic nozzles can have a shared high pressure gas supply.

したがって、本発明は、単一の吸入の高圧ガス供給ラインを有する複数の周縁の超音速ノズル及び中央のノズルを備えるLD製鋼に関する改良型ランスを提供し、中央のノズルは別個の低圧のガス供給ラインを有する亜音速ノズルであり、中央の亜音速ノズルを通る流量は、工程の要求に従い吹込み中の液体金属の液滴を多様に生成するように制御可能である。   The present invention thus provides an improved lance for LD steelmaking comprising a plurality of peripheral supersonic nozzles with a single suction high pressure gas supply line and a central nozzle, the central nozzle being a separate low pressure gas supply. A subsonic nozzle having a line, the flow rate through the central subsonic nozzle can be controlled to produce a variety of liquid metal droplets being blown according to process requirements.

次に図面を参照して本発明を説明する。   Next, the present invention will be described with reference to the drawings.

中央穴は液滴の生成を増加させることが分かったので、液滴の生成のメカニズムが、図3の概略図に示されるように中央穴を有する1:6の縮小モデルに基づく流体力学モデル実験を通して研究された。プレキシグラスによって作製されたLD容器の1:6の縮尺モデルが使用された。既存の及び提案されたランス設計の縮尺モデルが、液滴の生成を増加させるという中央穴の利点を研究するために作製された。   Since the central hole has been found to increase droplet generation, the mechanism of droplet generation is a hydrodynamic model experiment based on a 1: 6 reduced model with a central hole as shown in the schematic diagram of FIG. Researched through. A 1: 6 scale model of an LD container made with Plexiglas was used. Scale models of existing and proposed lance designs have been created to study the advantage of the central hole that increases droplet generation.

容器の頂部はステンレス鋼で作製され、円筒部及び容器底部は、実験を可視化するために透明であることが必要なので、プレキシグラスにより作製されている。ランスは、調査のために設計の異なるランス端部を設ける設備を有して、銅により作製される。   The top of the container is made of stainless steel, and the cylinder and the bottom of the container are made of plexiglas because they need to be transparent to visualize the experiment. The lance is made of copper with the provision of lance ends of different designs for investigation.

縮小されたランスは、図4に示される中央ノズルを備える6個の周縁ノズルを有して設計された。2つ別個の空気ラインがあり、ライン1はすべての6個の外側の周縁ノズルに連結され、それに対してライン2は中央のノズルに連結されている。中央穴を通る流量は直列に連結された1組の圧力調節器及び空気流ローターメータによって個別に制御され、それに対して6個の周囲のノズルを通る流量は別の組の圧力調節器及び空気流ローターメータによって制御される。中心軸線に対する周囲ノズルの傾斜は、2つの異なるランス先端部3を使用することによって(実際に存在するように)17.5°及び22°で調査された。   The reduced lance was designed with six peripheral nozzles with the central nozzle shown in FIG. There are two separate air lines, line 1 connected to all six outer peripheral nozzles, while line 2 is connected to the central nozzle. The flow through the central hole is individually controlled by a set of pressure regulators and air flow rotameters connected in series, whereas the flow through the six surrounding nozzles is another set of pressure regulators and air. Controlled by a flow rotameter. The inclination of the surrounding nozzle relative to the central axis was investigated at 17.5 ° and 22 ° (as it actually exists) by using two different lance tips 3.

液滴の生成のメカニズムは、すべての7つの穴が実際に動作する場合に調査され、6個のみの周縁ノズルが実際に動作する場合と比較が行われた。図5(a)及び5(b)には、液滴の生成の強度が、それぞれ周縁ノズルのみを介して吹き込む場合、及びすべての7つの穴を介して吹き込む場合に関して示される。液滴の生成の範囲は、周縁ノズルを伴う中央穴が動作する場合に、周縁ノズルのみの場合の液滴の生成の範囲よりもはるかに大きいことが視覚的に理解できる。   The mechanism of droplet generation was investigated when all seven holes were actually operating and compared with the case where only six peripheral nozzles were actually operating. In FIGS. 5 (a) and 5 (b), the strength of droplet generation is shown for each case blowing through only the peripheral nozzle, and for all seven holes. It can be visually understood that the range of droplet generation is much greater when the central hole with the peripheral nozzle is operating than the range of droplet generation with only the peripheral nozzle.

実験中に、液滴の生成が開始する臨界流量があることが観察された。中央噴流の存在による、液滴生成速度が加速されるメカニズムが図6に概略的に説明される。中央噴流は、垂直に液体金属に衝突し、液体表面の中央に大きなへこみを形成する。そうして形成されたへこみは波状の性質を有し、図6に概略的に示されるように「中央の水溜りの外側の波の先端」を形成する。そうして水溜りの周囲に形成された水の波の先端は、次いで側方噴流によって引裂かれ液滴の生成を促進する。これらの側方噴流は、スラグ・フォームが実際の容器内の周縁噴流の間の中央の空間に入ることを防止するとも考えられ、したがってその高い運動量を有する中央噴流が金属浴表面に達することを確実にし、図6に概略的に示されるものと同様の液滴の生産を可能にさせる。   During the experiment, it was observed that there was a critical flow rate at which droplet formation began. The mechanism by which the droplet generation rate is accelerated due to the presence of the central jet is schematically illustrated in FIG. The central jet impacts the liquid metal vertically and forms a large dent in the center of the liquid surface. The so-formed dent has a wave-like nature and forms a “wave tip outside the central puddle” as schematically shown in FIG. The tip of the water wave thus formed around the puddle is then torn by the side jet and promotes droplet formation. These side jets are also thought to prevent the slag foam from entering the central space between the peripheral jets in the actual vessel, thus preventing the central jet with its high momentum from reaching the metal bath surface. Ensuring that droplet production similar to that schematically shown in FIG. 6 is possible.

液滴の生成速度を最大にするための中央ノズル流量の最適値を理解するために、液滴の生成を定量化することが研究された。液滴の生成速度は、400×100×50mmの寸法を有する収集皿を置くことによって測定され、測定は、現行の6ノズル・ランス及び中央のノズルを有する新しい7個穴のランスに関して実施された。収集皿の寸法は6個の周縁ノズルのうちの1個のノズルを囲み、液滴生成の効果を測定するために決定された。液滴の生成速度は、収集皿に収集された液滴の質量速度(g/秒)で表現される。 In order to understand the optimum value of the central nozzle flow rate for maximizing drop generation rate, quantification of drop generation was studied. The drop generation rate is measured by placing a collection pan with dimensions of 400 x 100 x 50 mm 3 and the measurement is carried out on a new 7-hole lance with the current 6-nozzle lance and the central nozzle. It was. The size of the collection pan was determined to surround one of the six peripheral nozzles and measure the effect of droplet formation. The droplet generation rate is expressed by the mass velocity (g / sec) of the droplet collected in the collecting dish.

液滴生成を最大にする中央ノズルを通る最適流量を選択するため、液滴の生成速度が、中央ノズルを通る流量を変化させて研究された。流量比Xを、周縁ノズルのうちの1つの流量の比率に対する中央穴を通る流量の比率として定義する。   In order to select the optimal flow rate through the central nozzle that maximizes droplet generation, the rate of droplet generation was studied by varying the flow rate through the central nozzle. The flow ratio X is defined as the ratio of the flow rate through the center hole to the ratio of the flow rate of one of the peripheral nozzles.

Figure 2009516070
Figure 2009516070

流量比に対してプロットされた液滴生成速度が図7に示される。中央のノズルを通る流量は、25%の低い流量比から125%の高い流量比まで変えられた。   The drop production rate plotted against the flow rate ratio is shown in FIG. The flow rate through the central nozzle was varied from a low flow rate of 25% to a high flow rate of 125%.

中央ノズルを通る最適の流量は、液滴生成の改善と、容器の口から流出する浴による飛散及び飛び出し(スピッティング)の制御との均衡を維持することによって得られる。中央の穴を通る流量が増加すると、液滴生成速度が向上することは非常に明確であった。図7は、中央ノズルを通して与えられる流量比Xが1(100%)の場合に液滴生成はほぼ2倍になり、最大値に達することを示す。この流量を超えると、LD容器の水モデルの口から、勢いよく飛散、飛び出しがあり、それはLD容器の動作に有害である。したがって、流体力学的なモデルの実験から、中央穴を通る最適の流量比Xが決定された。その最適の流量比Xは、容器からの飛び出し、飛散なしに、液滴生成速度を最大にする。   The optimum flow rate through the central nozzle is obtained by maintaining a balance between improved drop production and control of splashing and spitting by the bath flowing out of the vessel mouth. It was very clear that as the flow rate through the central hole increased, the drop generation rate improved. FIG. 7 shows that when the flow ratio X given through the central nozzle is 1 (100%), droplet generation is almost doubled and reaches a maximum value. If this flow rate is exceeded, there will be vigorous splashing and popping from the mouth of the water model of the LD container, which is harmful to the operation of the LD container. Thus, from an experiment with a hydrodynamic model, the optimal flow ratio X through the central hole was determined. The optimum flow rate ratio X maximizes the droplet generation rate without jumping out or splashing from the container.

6個の周囲の穴及び1個の中央穴を備える、前記に説明した7個の穴のランスから出る噴流の特性を研究するために、市販の流体力学の計算ソフトFLUENTを使用して、数値的なシミュレーションが行われた。周縁噴流の傾斜角は、初期値として17.5°になるように選択された。これは、現行の6個の穴のランス設計と同じである。前に論じた理由により噴流流れ予測を実行するために中央の亜音速ノズルが加えられた。   In order to study the characteristics of the jet exiting the 7-hole lance described above with 6 surrounding holes and 1 central hole, the numerical value is calculated using the commercially available fluid dynamics calculation software FLUENT. Simulation was performed. The tilt angle of the peripheral jet was selected to be 17.5 ° as an initial value. This is the same as the current 6-hole lance design. A central subsonic nozzle was added to perform jet flow prediction for the reasons previously discussed.

新しいランス設計に関して数値的シミュレーションの計算時間を低減させるために、容器を鉛直な中間平面を使用して全領域を分割することにより、全体の流れ領域の半分のみがシミュレーションされた。したがって、2つの完全な超音速噴流及び2つの半分の超音速噴流が数値的にシミュレーションされた。中央の亜音速噴流も半分の噴流としてシミュレーションされた。図(2)の超音速ノズルの寸法は、従来寸法、即ち入口径32.7mm、スロート径25.7mm、及び出口径37.3mmに保たれた。   In order to reduce the computation time of the numerical simulation for the new lance design, only half of the total flow area was simulated by dividing the entire area using a vertical midplane. Therefore, two full supersonic jets and two half supersonic jets were numerically simulated. The central subsonic jet was also simulated as a half jet. The dimensions of the supersonic nozzle of FIG. (2) were kept at the conventional dimensions, namely the inlet diameter 32.7 mm, the throat diameter 25.7 mm, and the outlet diameter 37.3 mm.

流体力学モデルの実験から得られた最適の流れ比率は1であるので、亜音速ノズルは周縁の超音速ノズル(の直径37.3mm)と比べてより大きい出口直径(54mm)で設計された。これは中央の亜音速ノズル、及び超音速ノズルのうちの1つを通して同じ質量流量を押し出すために必要である。   Since the optimal flow ratio obtained from the hydrodynamic model experiment was 1, the subsonic nozzle was designed with a larger outlet diameter (54 mm) compared to the peripheral supersonic nozzle (37.3 mm diameter). This is necessary to push the same mass flow through one of the central subsonic nozzle and the supersonic nozzle.

より大きな中央ノズルを収容するために、ランス・パイプ径は、既存のランス寸法と比較して100mmだけ増加させる必要があった。中央の亜音速ノズルを通る体積流量は、周縁の超音速噴流のうちの1つとほぼ同じに保たれた。このことは、周縁の超音速ノズルのうちの1つを通る質量流量は、中央の亜音速ノズルと比較すると異なることを意味する。これは、外側ノズルでの超音速の流れのためノズル出口温度が150Kに低下することによるものである。これにより、圧力が容器内のどこでもほぼ均一であるとすると、超音速ノズルの出口でのガスの密度がはるかに高くなる。亜音速の中央噴流に関しては、ノズル出口でそのような低い温度には達しない。   In order to accommodate the larger central nozzle, the lance pipe diameter had to be increased by 100 mm compared to existing lance dimensions. The volume flow through the central subsonic nozzle was kept approximately the same as one of the peripheral supersonic jets. This means that the mass flow rate through one of the peripheral supersonic nozzles is different compared to the central subsonic nozzle. This is due to the nozzle outlet temperature being reduced to 150K due to supersonic flow at the outer nozzle. This results in a much higher gas density at the outlet of the supersonic nozzle, assuming that the pressure is almost uniform everywhere in the container. For subsonic central jets, such low temperatures are not reached at the nozzle exit.

吹込み中に中央の亜音速ノズルを通る流れを変えることが意図されているので、1つの超音速ノズルを通る流量に対する亜音速ノズルを通る流量の比率は、可変に保たれる。計算上の労力を小さく保つため、噴流によって誘発される流れを2つの体積流量比に関してのみ研究することが決定された。これらは1.0及び0.5になるように選択された。シミュレーションの結果は、1.0の体積流量比に関して下記に示される。   Since it is intended to change the flow through the central subsonic nozzle during blowing, the ratio of the flow through the subsonic nozzle to the flow through one supersonic nozzle is kept variable. In order to keep the computational effort small, it was decided to study the flow induced by the jet only with respect to the two volume flow ratios. These were selected to be 1.0 and 0.5. The results of the simulation are shown below for a volumetric flow ratio of 1.0.

図8及び図9には、上記に示唆された7個穴のランス設計の数値シミュレーションに使用される計算モデル及びメッシュが示される。130万以上のグリッド・ノードが噴流流れのシミュレーションに使用された。シミュレーションは標準的なk−εモデルを使用して行われた。シミュレーションには、1テラフロップスのリナックスのクラスタを有する12個のプロセッサが使用され、1つの流れのシミュレーションを完了するためにおよそ72〜80が使用された。k−ε乱れモデルは、実際の流れからある程度のずれを有する複数の噴流の流れ特性を予測することが知られているが、そのずれは大きくない。しかし、短い計算時間でk−εモデルを使用して即時に適度な解決を得ることが容易である。この理由から、このモデルが使用された。   FIGS. 8 and 9 show the calculation model and mesh used in the numerical simulation of the 7-hole lance design suggested above. More than 1.3 million grid nodes were used for jet flow simulation. The simulation was performed using a standard k-ε model. The simulation used 12 processors with 1 teraflop Linux clusters, and approximately 72-80 were used to complete one flow simulation. The k-ε turbulence model is known to predict the flow characteristics of a plurality of jets having a certain amount of deviation from the actual flow, but the deviation is not large. However, it is easy to get a reasonable solution immediately using the k-ε model with a short computation time. For this reason, this model was used.

図10では、容器壁及び金属表面の存在のもとで7個穴のランスの対称平面における速度形状が、周縁ノズルの17.5°の傾斜角に対して示される。数値的なシミュレーションでは、金属表面は応力のない水平層であると仮定された。噴流はその幾何学的な経路に従い、それらの間の干渉は小さいことが図10から理解される。噴流は中間の高さでのみ干渉することが図10から理解できる。金属表面により近い噴流の干渉はほんのわずかである。これは、金属表面での中央のよどみ領域によるものである。この領域のより高いよどみ点圧力が噴流を押して離れさせ、合体を低下させる。   In FIG. 10, the velocity profile in the symmetry plane of the seven-hole lance in the presence of the vessel wall and metal surface is shown for a 17.5 ° tilt angle of the peripheral nozzle. In numerical simulations, the metal surface was assumed to be a stress free horizontal layer. It can be seen from FIG. 10 that the jet follows its geometric path and the interference between them is small. It can be seen from FIG. 10 that the jets interfere only at intermediate heights. Jet interference closer to the metal surface is negligible. This is due to the central stagnation region on the metal surface. The higher stagnation point pressure in this region pushes the jet away and reduces coalescence.

図11には、7個穴のランス設計のノズル先端に形成された衝撃が温度等高線によって示される。亜音速ノズルの出口にも、より小さな衝撃があることが理解できる。これは、周囲とノズル出口の間に温度差があり、圧力差がより小さいことによる。これは、ノズルの収束部の角度を増加させることによって低減できる。本シミュレーションに関しては、角度は10°に保たれる。   In FIG. 11, the impact formed at the tip of a nozzle with a seven-hole lance design is indicated by temperature contours. It can be seen that there is a smaller impact at the outlet of the subsonic nozzle. This is because there is a temperature difference between the surroundings and the nozzle outlet, and the pressure difference is smaller. This can be reduced by increasing the angle of the converging part of the nozzle. For this simulation, the angle is kept at 10 °.

図12では、金属表面の噴流の衝突位置を示すために、速度等高線が対称な平面にプロットされた。噴流の幾何学的な突出も黒色の円によって液体金属表面に示された。噴流は幾何学的な経路にほぼ追随し、合体は中央噴流及び底部のよどみ領域の存在により最小限であることが分かる。図12では、速度形状は150m/s以下の速度の大きさに関してのみ示される。超音速噴流及び中央の亜音速噴流は、液体金属の浴にほぼ同じ速度で達するが、それぞれのノズルでの出口速度は異なることが観測できる。   In FIG. 12, the velocity contours are plotted on a symmetrical plane to show the impinging position of the jet on the metal surface. The geometric protrusion of the jet was also indicated on the liquid metal surface by a black circle. It can be seen that the jet almost follows the geometric path and coalescence is minimal due to the presence of the central jet and the bottom stagnation region. In FIG. 12, the velocity shape is shown only for velocity magnitudes of 150 m / s or less. It can be observed that the supersonic jet and the central subsonic jet reach the liquid metal bath at approximately the same speed, but the exit velocity at each nozzle is different.

亜音速ノズルの出口径(54mm)は、超音速ノズルの出口径(37.3mm)よりも広いので、金属浴の近くでの速度は一致する。   The subsonic nozzle outlet diameter (54 mm) is wider than the supersonic nozzle outlet diameter (37.3 mm), so the speeds near the metal bath match.

図13では、7個穴のランスに関して、速度等高線が、ノズル先端から異なる軸線方向距離でプロットされる。図13から、1mの軸線方向距離まで、噴流間の相互作用が最小であることが理解できる。1.5mの距離では、噴流間に大きな相互作用がある。しかし底部のよどみ領域は、噴流を離し、合体は2mで低下される。図13(d)に示される縞は、中央噴流の存在によるものである。   In FIG. 13, for a seven hole lance, the velocity contours are plotted at different axial distances from the nozzle tip. From FIG. 13, it can be seen that the interaction between the jets is minimal up to an axial distance of 1 m. At a distance of 1.5 m there is a large interaction between the jets. However, the stagnation area at the bottom separates the jet and coalescence is lowered by 2 m. The stripes shown in FIG. 13 (d) are due to the presence of the central jet.

中央噴流のガスは、(シミュレーションでの)金属表面を通過できないので、周囲の超音速噴流を通過する必要がある。シミュレーションでは金属表面が応力のない平らな壁であると仮定されるので、この種類の流れの特徴は実際の容器では生じない可能性がある。LD容器では、中央噴流の衝撃はへこみを形成し、それは流れの性質を完全に変える。   Since the gas in the central jet cannot pass through the metal surface (in the simulation), it must pass through the surrounding supersonic jet. Since the simulation assumes that the metal surface is an unstressed flat wall, this type of flow feature may not occur in a real vessel. In an LD vessel, the impact of the central jet creates a dent, which completely changes the nature of the flow.

スラグ・フォームの噴流特性への影響を説明するために、単一の噴流の結果がここに論じられる。LD容器で周囲の密度(泡/エマルジョン)の可能な値の予測範囲が、吹込み全体を通じて均一の脱炭速度を仮定することによって計算された。容器の内側の泡の平均のスラグ体積分率が12〜15%の範囲になる。これは360〜450Kg/mの平均周囲密度の範囲になる。 To explain the effect of slag foam on jet properties, the results of a single jet are discussed here. The expected range of possible values of ambient density (foam / emulsion) in the LD vessel was calculated by assuming a uniform decarburization rate throughout the blow. The average slag volume fraction of the foam inside the container is in the range of 12-15%. This is in the range of an average ambient density of 360-450 Kg / m 3 .

使用される数値的な領域及び境界条件は図14に示される。単一の軸対称ノズルに必要な容器の直径は、(6個のノズルのうち1つのみがシミュレーションされるので)元の容器の断面積の1/6を使用して計算された。さらに、液体金属表面は、せん断のない平らな壁であると想定された。長い軸線方向距離にわたる噴流の挙動を研究するために、ランス高さ(ノズル先端から液体金属の表面の間の距離)が3.5mであるようにとられた。容器内の実際のランス高さは1.5〜2.2mで変化する。   The numerical regions and boundary conditions used are shown in FIG. The vessel diameter required for a single axisymmetric nozzle was calculated using 1/6 of the original vessel cross-sectional area (since only one of the six nozzles was simulated). Furthermore, the liquid metal surface was assumed to be a flat wall without shear. In order to study jet behavior over long axial distances, the lance height (distance between the nozzle tip and the surface of the liquid metal) was taken to be 3.5 m. The actual lance height in the container varies from 1.5 to 2.2 m.

シミュレーションは、流体の体積(VOF)の多段階モデルを有する2Dの軸線対称の非定常のRANSを使用して段階の界面の追跡が実行された。酸素と一酸化炭素ガスの区別は行われなかった。したがって、1つのみの気相が考慮された。実現可能なk−ε乱流モデルが、数式のシステムに近づけるために使用された。PISOアルゴリズムが圧力と速度を結び付けるのに使用された。べき乗の体系が使用される温度を除くすべての流れの変数に対して、2次の風上の離散化スキームが使用された。定常の脱炭速度から計算された平均のスラグ体積分率(15%)が、最初の推量として容器の領域に充当された。計算の間、スラグは以前のシミュレーションとは異なり、局所的な流れ条件に応じて領域全体を通じて自由に移動できる。静止した環境に入る場合、表面張力もこのシミュレーションには含まれず、高速のガス噴流は周囲にも流れを引き起こす。   The simulation was performed using a 2D axisymmetric unsteady RANS with a multistage model of fluid volume (VOF) to track the interface of the stage. No distinction was made between oxygen and carbon monoxide gas. Therefore, only one gas phase was considered. A feasible k-ε turbulence model was used to approximate the mathematical system. The PISO algorithm was used to combine pressure and speed. A second-order upwind discretization scheme was used for all flow variables except the temperature at which the power scheme was used. The average slag volume fraction (15%) calculated from the steady decarburization rate was applied to the vessel area as an initial guess. During the calculation, the slag can move freely throughout the region depending on local flow conditions, unlike previous simulations. When entering a static environment, the surface tension is not included in this simulation, and a high-speed gas jet causes a flow around it.

周囲に伝達される運動量のため、噴流境界に隣接する周囲の流体は噴流流体の圧倒的な流れ方向に移動し始める。したがって、噴流によって誘発されたこの流れのため、隣接する位置の周囲の流体は噴流に向かって移動する。スラグは周囲のガスを伴って、噴流によって誘発された流れによって噴流境界に向かって勢いよく流れる。ここで、スラグは集積し、体積分率/局所密度が増加する。噴流から伝達する運動量によりスラグは移動させられ、スラグは高速の噴流のコアを緩やかに覆う。スラグのノズル先端への集積及びその噴流に沿った移動を示すために、ノズルの先端付近のスラグ・フォームの密度形状が図15にプロットされた。   Due to the momentum transmitted to the surroundings, the surrounding fluid adjacent to the jet boundary begins to move in the overwhelming direction of the jet fluid. Therefore, due to this flow induced by the jet, the fluid around the adjacent location moves towards the jet. The slag flows vigorously towards the jet boundary with the flow induced by the jet with the surrounding gas. Here, slag accumulates and the volume fraction / local density increases. The slag is moved by the momentum transmitted from the jet, and the slag gently covers the core of the high-speed jet. To show the accumulation of slag at the nozzle tip and its movement along the jet, the density profile of the slag foam near the nozzle tip was plotted in FIG.

その結果生じる異なる軸線方向位置での運動量フラックス・レート(pV)は、特定の時間のものが図16に示される。最大の運動量流速比が噴流の軸線に起こらずに図16に示されるようにそこから離れて径方向に起こることは何も意味がない。噴流の高速のコアにより、運動量が噴流せん断層に対流的にも拡散的にも連続的に動かされる。軸線での速度は、任意の軸位置でなお最大である。   The resulting momentum flux rate (pV) at different axial positions is shown in FIG. 16 for a particular time. It does not make sense that the maximum momentum flow rate ratio does not occur in the jet axis, but occurs radially away from it as shown in FIG. The high velocity core of the jet causes the momentum to be continuously moved to the jet shear layer, both convectively and diffusively. The speed at the axis is still maximum at any axis position.

したがって、軸線方向の運動量の径方向への拡散的な伝達は、噴流軸からせん断層に向かってのものになる。噴流は拡散しているので、径方向速度vは噴流内でせん断層に向かうものになり、したがって径方向への運動量の総対流伝達(ρuv)は、せん断層にも向かうものになる。   Therefore, the diffusive transmission of the axial momentum in the radial direction is from the jet axis toward the shear layer. Since the jet is diffusing, the radial velocity v is directed to the shear layer in the jet, so the total convection transfer (ρuv) in the radial direction is also directed to the shear layer.

せん断層の流体(スラグ+ガス)の密度は噴流ガスと比較して非常に高いので、せん断層は、かなり大きな温度差なしに、より高い特定の熱/温度容量を有するリザーバに熱エネルギーを蓄積するのとちょうど同じく速度を大幅に増加することなくより高い運動量フラックスを蓄積できる。さらに、重力はスラグ層が運動量を得るのを助ける。即ち、スラグ層が重力加速度の方向に移動する。   Since the density of the fluid (slag + gas) in the shear layer is very high compared to the jet gas, the shear layer accumulates thermal energy in a reservoir with a higher specific heat / temperature capacity without a significant temperature difference Just as you do, you can accumulate higher momentum flux without significantly increasing speed. Furthermore, gravity helps the slag layer gain momentum. That is, the slag layer moves in the direction of gravitational acceleration.

高速の噴流のコアから高密度のせん断層へ伝達される運動量は、重力加速度によって与えられる運動量に加えたものになる。図16に示される運動量フラックス・レートのプロットから、高密度のせん断層での運動量フラックス・レートは高速の噴流のコアよりも最小で2桁高いものである。上記の議論から、LD容器にある高密度のスラグ―ガスの泡が超音速のガス噴流のいくつかの興味深い流れの特徴を生じることが明らかである。吹込み中に形成されるへこみの理解が完全に変わる可能性がある。   The momentum transmitted from the high-speed jet core to the high-density shear layer is in addition to the momentum given by the gravitational acceleration. From the momentum flux rate plot shown in FIG. 16, the momentum flux rate in the dense shear layer is at least two orders of magnitude higher than the core of the high speed jet. From the above discussion, it is clear that the dense slag-gas bubbles in the LD vessel give rise to some interesting flow characteristics of the supersonic gas jet. The understanding of dents formed during blowing can be completely changed.

LD鋼の容器の内側の複数の超音速噴流は、高密度のスラグ・フォームの存在により、上記に示されるような特性にも影響を受けることに留意することが重要である。上記の議論から、周縁の超音速噴流は、それらに隣接するスラグ層にそのすべての運動量を失うことが明らかである。スラグ層は非常に高い運動量を伴って液体金属のプールに向かって移動し、複雑なへこみ形状を形成する。新しい7個穴の設計での中央噴流の存在により、超音速噴流の間の空間内の圧力がこの領域の同伴を防止する。   It is important to note that the multiple supersonic jets inside the LD steel vessel are also affected by the properties as indicated above due to the presence of dense slag foam. From the above discussion, it is clear that peripheral supersonic jets lose all their momentum in the slag layer adjacent to them. The slag layer moves toward the liquid metal pool with very high momentum and forms a complex dent shape. Due to the presence of the central jet in the new seven-hole design, the pressure in the space between the supersonic jets prevents this region from being entrained.

したがって、中央噴流はスラグ・フォームに当らず又は最小限に当り、超音速噴流とは異なりその運動量を完全にスラグ・フォームに失わない。したがって、中央噴流は超音速噴流と比較して非常に高い速度で液体金属の表面に達し、より多くの液滴を生成することが期待される。すべての6個の超音速噴流が比較的緩やかに移動するスラグ層にその運動量を完全に失うので、この種の液滴の生成は6個穴の設計では不可能である。上記の議論から、7個穴の設計は6個穴の従来の設計よりも効果的であることが明らかである。   Thus, the central jet does not hit or minimally hit the slag foam and, unlike a supersonic jet, does not lose its momentum completely to the slag foam. Therefore, it is expected that the central jet reaches the surface of the liquid metal at a very high speed as compared with the supersonic jet and generates more droplets. This type of droplet generation is not possible with a six-hole design, since all six supersonic jets lose their momentum completely in a relatively slowly moving slag layer. From the above discussion, it is clear that the 7-hole design is more effective than the 6-hole conventional design.

7個穴の設計を有する本発明の1つの実施例が図17に概略的に示される。それは、中央噴流を有する6個の周縁の超音速噴流を示す。中央噴流は別個のガス供給ラインによって分離して制御され、それに対し周囲の超音速噴流は単一の入口ガス供給ラインを有する。6個の超音速噴流に対するガス供給ライン、及び中央の亜音速噴流に対するガス供給ラインが、アクチュエータ付きの2つの別個の制御バルブを備える。中央噴流は吹込みの異なる段階中に動作され、それは亜音速ノズルなので流量が工程の要求に従って変更できる。   One embodiment of the present invention having a seven hole design is shown schematically in FIG. It shows six peripheral supersonic jets with a central jet. The central jet is controlled separately by a separate gas supply line, whereas the surrounding supersonic jet has a single inlet gas supply line. The gas supply lines for the six supersonic jets and the gas supply line for the central subsonic jet comprise two separate control valves with actuators. The central jet is operated during different stages of blowing, and since it is a subsonic nozzle, the flow rate can be changed according to process requirements.

中央の亜音速ノズルを通る流量は可変に保たれる。数値的及び実験的なシミュレーションでは、中央の亜音速ノズルを通る体積流量と超音速ノズルのうちの1つを通る体積流量の比率は可変に保たれる。この比率の最大値は、数値的なシミュレーションでは1に保たれる。中央ノズルの寸法はこれを認識しておくことによって計算できる。亜音速ノズルの出口径は54mmであり、超音速ノズルの出口径は37.3mm(既存値)である。   The flow rate through the central subsonic nozzle is kept variable. In numerical and experimental simulations, the ratio of the volume flow through the central subsonic nozzle to the volume flow through one of the supersonic nozzles remains variable. The maximum value of this ratio is kept at 1 in the numerical simulation. The size of the central nozzle can be calculated by recognizing this. The outlet diameter of the subsonic nozzle is 54 mm, and the outlet diameter of the supersonic nozzle is 37.3 mm (existing value).

周縁噴流の傾斜角は17.5%(既存値)に保たれる。周縁噴流に関する修正角を有する7個穴のランスの性能を理解するために、側方噴流の傾斜に関して22°の角度を有する噴流配列について研究が実施された。さらに、周縁の超音速ノズルの傾斜角は等しくし、又は交互に変わることができる。交互に変わる傾斜角は明確な利点を有することができる。前に示したように、噴流表面のスラグ・フォームを覆うことにより、ガス噴流がより低い速度になり、噴流を覆うスラグ層は高い運動量を伴って液体金属の表面に達する。液体金属の上へのスラグ層のこの衝撃により、多くのスラグ液滴が液体金属内に形成され、スラグと金属の反応に関する界面領域を形成する。交互に変わる傾斜角の保つことにより、スラグ層によって覆われた噴流の表面積が増加でき、より多くのスラグが高い運動量を伴って液体金属に達することができる。これは脱リンなどの界面反応を促進することが期待される。   The inclination angle of the peripheral jet is kept at 17.5% (existing value). In order to understand the performance of a seven-hole lance with a modified angle with respect to the peripheral jet, a study was carried out on a jet array having an angle of 22 ° with respect to the inclination of the side jet. Furthermore, the tilt angles of the peripheral supersonic nozzles can be equal or can alternate. Alternating tilt angles can have distinct advantages. As previously indicated, covering the slag foam on the jet surface causes the gas jet to have a lower velocity, and the slag layer covering the jet reaches the surface of the liquid metal with high momentum. This impact of the slag layer on the liquid metal causes many slag droplets to form in the liquid metal, creating an interfacial region for the slag-metal reaction. By maintaining alternating tilt angles, the surface area of the jet covered by the slag layer can be increased and more slag can reach the liquid metal with high momentum. This is expected to promote interfacial reactions such as dephosphorization.

数値的及び実験的なシミュレーションによって、また同時にLD製鋼容器の内側の異なる力学を考慮することにより、以下の7個穴ランス設計が好ましい実施例を成し遂げた。この設計は現行の設計よりもはるかに優れ、よりよい製鋼状態で機能できる。   The following seven-hole lance design achieved the preferred embodiment by numerical and experimental simulations and simultaneously considering the different dynamics inside the LD steel vessel. This design is much better than current designs and can function in better steelmaking conditions.

6個の周囲の超音速ノズルは、単一のガス供給ラインを有する。中央のより大きな亜音速ノズルは別個のガス供給を有する。中央ノズルは、必要に応じて吹込みの様々な段階中に動作させることができ、流量もまたノズルの耐用期間を損なうことなく容易に変更することができる。周縁噴流の傾斜角は17.5°に保たれる。この角度はさらなる変更で増加できる。   The six surrounding supersonic nozzles have a single gas supply line. The central larger subsonic nozzle has a separate gas supply. The central nozzle can be operated during various stages of blowing as needed, and the flow rate can also be easily changed without compromising the useful life of the nozzle. The tilt angle of the peripheral jet is kept at 17.5 °. This angle can be increased with further changes.

本発明の有利な特徴により、別個のガス供給ラインにより吹込み中の中央ノズルのよりよいオン/オフ制御がもたらされる。これにより、容器から金属の液滴をスピッティングする強い制御が与えられる。   An advantageous feature of the present invention provides better on / off control of the central nozzle being blown by a separate gas supply line. This gives strong control of spitting metal droplets from the container.

ランス・ヘッドの中央にあるより大きな亜音速ノズルは、中央ノズルを通る酸素の流量を制御するのに有用である。これは、工程全体にわたるより柔軟性のある制御を意味する。   A larger subsonic nozzle in the center of the lance head is useful for controlling the flow of oxygen through the central nozzle. This means more flexible control throughout the process.

このシステムにより、金属の液滴の生成の向上がもたらされる。中央噴流は周縁噴流によりスラグ・フォームから保護されているので、これは高い速度で金属の浴に達し、液滴の生成の向上を促進する。   This system results in improved metal droplet generation. Since the central jet is protected from the slag foam by the peripheral jet, it reaches the metal bath at a high rate and promotes improved droplet formation.

このシステムは脱リンでの効率の改善をもたらす。向上した金属の液滴の生成は、界面反応、特に脱リンを促進する。   This system provides improved efficiency in dephosphorization. Improved metal droplet formation facilitates interfacial reactions, particularly dephosphorization.

本発明について、例示に過ぎず、限定的であることを意図しないいくつかの実施例を参照して説明してきた。当業者なら、詳細及び形態の変更を、本発明の範囲及び意図から逸脱せずに行うことができる。LD製鋼工程での脱リンを向上させる目的が、液体金属の液滴の生成を増加することによって達成されることが示されてきた。やはり液体の液滴の生成を増加させることによって達成することができるその他の目的がある可能性のある他の加工工業において、本発明のシステムが使用できる。   The present invention has been described with reference to several embodiments that are merely exemplary and not intended to be limiting. Changes in detail and form may be made by those skilled in the art without departing from the scope and spirit of the invention. It has been shown that the objective of improving dephosphorization in LD steelmaking processes is achieved by increasing the formation of liquid metal droplets. The system of the present invention can also be used in other processing industries where there may be other objectives that can also be achieved by increasing the production of liquid droplets.

6個穴のランス設計の概略図。Schematic of lance design with 6 holes. 超音速ノズルの一般的な幾何学的な配置の図。A diagram of the general geometric arrangement of supersonic nozzles. LD容器の概略図。Schematic of LD container. 流体力学的なモデルの実験で使用される別個の空気供給ラインを有する7穴ランスの概略図。FIG. 2 is a schematic diagram of a seven-hole lance with a separate air supply line used in a hydrodynamic model experiment. (a)は、現行の6ノズル・ランスの場合の液滴の生成の範囲を示す図。(b)は、本発明の7穴ランスの場合の液滴の生成の範囲を示す図。(A) is a figure which shows the range of the production | generation of the droplet in the case of the present 6 nozzle lance. (B) is a figure which shows the production | generation range of the droplet in the case of the 7 hole lance of this invention. 液滴の生成のメカニズムの概略図。Schematic of the mechanism of droplet generation. 異なる流れ比率による7個穴のランスを使用した液滴の生成速度の図。FIG. 6 is a diagram of droplet generation rates using a seven-hole lance with different flow ratios. 数値的なシミュレーションに使用される計算モデル及びメッシュの図。Diagram of computational model and mesh used for numerical simulation. ノズルの近影図。A close-up view of the nozzle. 容器壁及び金属表面の存在を伴う17.5°の傾斜角を有する7穴ランスに関する速度形状の図。FIG. 5 is a velocity profile for a 7-hole lance with a tilt angle of 17.5 ° with the presence of a container wall and a metal surface. 17.5°の角度を有するノズルにおける衝撃を伴う温度等高図。FIG. 3 is a temperature contour diagram with impact at a nozzle having an angle of 17.5 °. 金属表面への衝突位置を示す速度等高図。FIG. 4 is a velocity contour diagram showing a collision position with a metal surface. 異なる軸方向位置(a)X=0.5m、(b)X=1.0m、(c)X=1.5m、(d)X=2.0mでの速度等高図。FIG. 6 is a velocity contour diagram at different axial positions (a) X = 0.5 m, (b) X = 1.0 m, (c) X = 1.5 m, and (d) X = 2.0 m. 高密度の周囲のシミュレーションに関して使用される境界条件を有する領域の概略図。FIG. 4 is a schematic diagram of a region having boundary conditions used for high density ambient simulation. ある瞬間のノズル出口付近の混合の密度等高図。The density contour map of mixing near the nozzle outlet at a certain moment. 異なる軸線方向位置(a)ノズル出口、(b)0.5m、(c)1.5m、及び(d)2.5mでの運動量フラックス・レートの図。Diagram of momentum flux rate at different axial positions (a) nozzle outlet, (b) 0.5 m, (c) 1.5 m, and (d) 2.5 m. 7個穴のランス設計の概略図。Schematic of lance design with 7 holes.

Claims (7)

LD製鋼用の改良型ランスにおいて、
単一の入口の高圧ガス供給ラインを備える複数の周縁の超音速ノズルと、
中央ノズルとを備え、
前記中央ノズルが、別個の低圧ガス供給ラインを備える亜音速ノズルであり、
前記中央の亜音速ノズルを通る流量が、工程の要求に応じて吹込み中の液体金属の液滴の生成を変化させるように制御可能である、改良型ランス。
In the improved lance for LD steelmaking,
A plurality of peripheral supersonic nozzles with a single inlet high pressure gas supply line;
With a central nozzle,
The central nozzle is a subsonic nozzle with a separate low pressure gas supply line;
An improved lance wherein the flow rate through the central subsonic nozzle is controllable to vary the production of liquid metal droplets during blowing as required by the process.
前記周縁の超音速ノズルを6個、および前記中央の亜音速ノズルを1個備える、請求項1に記載された改良型ランス。   The improved lance of claim 1, comprising six peripheral supersonic nozzles and one central subsonic nozzle. 前記中央の亜音速ノズルが、前記亜音速ノズルを通る流量を容易に制御するために、収束する領域のみを備える、請求項1又は請求項2に記載された改良型ランス。   The improved lance according to claim 1 or claim 2, wherein the central subsonic nozzle comprises only a converging region in order to easily control the flow rate through the subsonic nozzle. 前記中央の亜音速ノズルが、前記周縁の超音速ノズルよりも大きな出口直径を有する、請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載された改良型ランス。   The improved lance according to any one of claims 1 to 3, wherein the central subsonic nozzle has a larger outlet diameter than the peripheral supersonic nozzle. 前記複数の周縁の超音速ノズル用のガス供給ライン、及び前記中央の亜音速ノズル用のガス供給ラインが、流量を制御するために、アクチュエータを有する2つの別個の制御バルブを備える、請求項1に記載された改良型ランス。   The gas supply line for the plurality of peripheral supersonic nozzles and the gas supply line for the central subsonic nozzle comprise two separate control valves with actuators to control the flow rate. Improved lance as described in. 前記中央の亜音速ノズルに設けられた前記制御バルブが、吹込みの最初の段階中のスピッティングを避けるために前記亜音速ノズルを通る流れを変えるためのものであり、金属の液滴の生成速度の大きさを変えることによって吹込み中の反応の力学を制御するためのものである、請求項5に記載された改良型ランス。   The control valve provided in the central subsonic nozzle is for changing the flow through the subsonic nozzle in order to avoid spitting during the first stage of blowing; 6. An improved lance according to claim 5, for controlling the dynamics of the reaction during blowing by varying the magnitude of the velocity. 前記周縁の超音速ノズルが、等しいか又は交互に変わる前記ランスの鉛直軸線からの傾斜角を有することができる、請求項1から請求項6までのいずれか1項に記載された改良型ランス。   7. An improved lance according to any one of the preceding claims, wherein the peripheral supersonic nozzle can have an angle of inclination from the vertical axis of the lance that is equal or alternating.
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