JP2016108591A - 転炉の炉口金物および地金切り方法 - Google Patents

Abstract

【課題】転炉の炉口に付着した地金の除去に要する時間を短縮することができる転炉の炉口金物および地金切り方法を提供すること。【解決手段】転炉の中心軸に対向する面４０に複数のノズル４４を有し、ノズル４４から中心軸に向かう方向に、転炉の排ガス流量と炉口直径とから算出される転炉の炉口における空塔速度以上の噴射速度でノズル４４から不活性ガスを噴出する。【選択図】 図４

Description

本発明は、転炉の炉口金物および地金切り方法に関する。

製鉄所の製鋼工程では、溶銑を酸化精錬するための精錬設備として転炉が用いられる。酸化精錬である吹錬処理を転炉で行う際、転炉内部の鋼浴から飛散する地金が転炉の炉口や排ガスダクトのスカート部に付着する。さらに、吹錬処理が繰り返し行われることで、炉口やスカート部への地金の堆積が進む。炉口に堆積した地金は、炉内へ送酸処理をする際や副原料を投入する際に、各処理動作に支障をきたす。また、スカート部に堆積した地金は、炉口に堆積した地金とつながってしまうと、転炉炉体の傾動動作に支障をきたす。このため、炉口やスカート部に付着した地金を吹錬処理の合間にスクラップシュート等を用いて剥ぎ取る作業が行われる。

また、炉口近傍への地金の付着防止および炉口近傍に付着した地金を溶解・除去する方法として、転炉炉口と上方のスカートとの間隙内に円周上にガス噴射用ノズルを配設し、吹錬中にはノズルから不活性ガスを噴出し、吹錬後にはノズルから酸素ガスを噴出する方法が知られている（特許文献１）。
さらに、転炉の炉口および内部に付着する地金を溶解・除去する方法として、炉口から炉内へ挿入するランスの先端部から酸素ガスを噴射して除去する方法が知られている（特許文献２）。
さらに、炉口耐火物の損傷を抑制しつつ、効率的に炉口地金の付着を抑制する方法として、吹錬期間の前期には吹錬用ランスに設けられた地金溶解用ノズルから酸素を供給し、吹錬期間の後期には地金溶解用ノズルからパージガスを供給する方法が知られている（特許文献３）。

特開平１１−２６４００９号公報 特開平１１−３５００１５号公報 特開２０００−９６１１９号公報

ここで、通常の転炉の構造では、炉口に設けられた炉口金物に付着・堆積した地金と、炉内に付着・堆積した地金とがつながる場合があった。このような場合、スクラップシュートを用いて炉口の地金を剥ぎ取る方法では、炉口に付着した地金を十分に除去することが困難となるため、地金除去に要する時間が長くなることが問題であった。
また、特許文献１に記載の方法では、炉口金物の側面部のノズルの個数や不活性ガスの噴射条件などは明らかにされておらず、ノズル出口やノズル間での地金の堆積による閉塞が生じる可能性がある。このため、ノズル出口やノズル間での地金の堆積が生じた場合、炉口金物に付着・堆積した地金と、炉内に付着・堆積した地金とがつながってしまい、地金除去に要する時間が長くなることが問題であった。

さらに、特許文献２および３に記載の方法では、地金を溶解させるために噴射する酸素ガスによる炉口金物の溶解が懸念されることから、炉口近傍に付着した地金を溶解させることが困難であった。このため、炉口金物に付着・堆積した地金と、炉内に付着・堆積した地金とがつながってしまい、地金除去に要する時間が長くなることが問題であった。
そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、転炉の炉口に付着した地金の除去に要する時間を短縮することができる転炉の炉口金物および地金切り方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る転炉の炉口金物は、転炉の中心軸に対向する面に複数のノズルを有し、ノズルから中心軸に向かう方向に、転炉の排ガス流量と炉口直径とから算出される転炉の炉口における空塔速度以上の噴射速度でノズルから不活性ガスを噴出することを特徴とする。
また、本発明の一態様に係る転炉の地金切り方法は、少なくとも転炉の吹錬処理時において、転炉の中心軸に対向する面に設けられた複数のノズルから、ノズルから中心軸に向かう方向に、転炉の排ガス流量と炉口直径とから算出される転炉の炉口での空塔速度以上の噴射速度で不活性ガスを噴出することを特徴とする。

本発明に係る転炉の炉口金物および地金切り方法によれば、転炉の炉口に付着した地金の除去に要する時間を短縮することができる。

本発明の一実施形態に係る転炉の構成を示す説明図である。 炉口金物を示す平面図である。 炉口金物の一部を示す平面図である。 図３のＩ−Ｉ線矢視図である。 図３のＩＩ−ＩＩ線矢視図である。 図３のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視図である。 炉口金物の地金の付着状態を示す断面図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、実施形態という。）を、図面を参照しながら詳細に説明する。
＜炉口金物の構成＞
はじめに、図１〜図６を参照して、本発明の一実施形態に係る転炉１の炉口金物４の構成について説明する。図１に示すように、転炉１は、金属製の炉体２と、耐火物３と、炉口金物４と、底吹きノズル５と、ランス６と、スカート部７と、フード８とを備える。

炉体２は、上部が開口した洋梨型の形状を有し、内側壁の全面に耐火物３が設けられる。
炉口金物４は、炉体２および耐火物３の上部の開口端である円形の炉口の外周を覆って設けられ、炉体２および耐火物３を保護する。炉口金物４は、図２に示すように、８個の扇型の炉口金物部材４ａ〜４ｈからなり、炉口金物部材４ａ〜４ｈがそれぞれ隣接して配された状態で炉口の外周に設けられる。炉口金物４の中心には、炉口の開口端に対応して円形の開口部が形成される。以下では炉口金物４の開口部側の面であり、図１の一点鎖線で示す炉体２の中心軸に対向する面を炉口内面４０ａ（４０）と称する。

炉口金物部材４ａは、図３〜図６に示すように、ガス供給配管４１ａ（４１）と、ヘッダー管４２ａ（４２）と、複数のガス供給路４３ａ（４３）と、複数のノズル４４ａ（４４）とを有する。
ガス供給配管４１ａは、炉口の外周方向から炉口金物部材４ａの内部へ設けられる。ガス供給配管４１ａの炉口金物部材４ａ内部の一端は、ヘッダー管４２ａへと接続される。また、ガス供給配管４１ａの他端は、不図示のガス供給装置へと接続される。
ヘッダー管４２ａは、炉口金物部材４ａの内部に、炉口の周方向に延在して設けられる。ヘッダー管４２ａは、ガス供給配管４１ａの一端、および複数のガス供給路４３ａへと接続され、ガス供給装置からガス供給配管４１ａを通じて送られる不活性ガスを複数のガス供給路４３ａへと供給する。不活性ガスには、窒素ガスやアルゴンガス等が用いられる。

ガス供給路４３ａは、ヘッダー管４２ａとノズル４４ａとを繋げる孔であり、ノズル４４ａと同じ数だけ設けられる。
ノズル４４ａは、ガス供給路４３ａから炉口内面４０ａ（４０）まで延在して設けられる。ノズル４４ａは、ガス供給路４３ａから供給される不活性ガスを、炉口内面４０ａから噴射する。また、ノズル４４ａは、ヘッダー管４２ａの延在する方向に略等間隔に並んで２０個設けられる。各ノズル４４ａの炉口内面４０ａ側の先端が、炉口内面４０ａに対して、上下方向に２列に略千鳥配置するように設けられる。つまり、図５に示すように、隣接するノズル４４ａ同士は、最中央部の２個のノズル４４を除いた各ノズル４４ａの炉口内面４０ａ側の先端が、炉口内面４０ａに対して上下にそれぞれずれて配置される。このうち、先端が炉口内面４０ａの下側に配されるノズル４４ａは、図４に示すように、ヘッダー管４２ａから水平方向に延在して設けられる。また、先端が炉口内面４０ａの上側に配されるノズル４４ａは、図６に示すように、ヘッダー管４２ａから水平方向に対して傾きをもって延在して設けられる。

上記構成の炉口金物部材４ａは、ガス供給配管４１ａおよびヘッダー管４２ａが、炉口金物部材４ａに鋳包まれた後、炉口内面４０ａからヘッダー管４２ａまで複数の孔が設けられることでガス供給路４３ａが形成され、形成された孔にノズル４４ａがそれぞれ埋め込まれることで製造される。
炉口金物部材４ｂ〜４ｈは、炉口金物部材４ａと同じ形状および構成を有する。つまり、炉口金物部材４ｂ〜４ｈは、炉口金物部材４ａと同様に、ガス供給配管４１と、ヘッダー管４２と、複数のガス供給路４３と、複数のノズル４４とをそれぞれ有する。

また、ノズル４４から噴射される不活性ガスのガス噴射速度は、転炉１の炉口における空塔速度以上になるように設定される。空塔速度は、転炉１の吹錬処理に伴い発生する排ガスの流量と、炉口の直径とから決定される。本実施形態では、ガス噴射速度を空塔速度以上とすることにより、ノズル４４の出側圧力を、炉口での炉内雰囲気と外気との差圧である空塔圧力以上にすることができる。

さらに、炉口金物部材４ａ〜４ｈにより形成される炉口金物４は、下記（１）式で示される、炉口内面４０の円周方向の長さに対するノズル４４の円周占有率Ａが、０．２０以上０．９０以下となることが好ましい。なお、（１）式において、Ｎは炉口内面４０の円周あたりに設けられるノズル４４の数（個）、ｄはノズル４４の直径（ｍｍ）、πは円周率、Ｅは炉口金物４により外周が覆われる炉口の直径（ｍｍ）をそれぞれ示す。
Ａ＝（Ｎ・ｄ）／（π・Ｅ） ・・・（１）

底吹きノズル５は、炉体２の底部に、炉体２の外側面から耐火物３を含む内側面へと挿通して複数設けられる。底吹きノズル５は、不活性ガスを供給する複数のパイプが埋め込まれた耐火物からなり、パイプを通じて転炉１の炉内へと不活性ガスを吹き込むことで、炉内に収容された溶銑Ｍを撹拌させる。
ランス６は、炉体２の上方に上下方向に移動自在に設けられ、先端から酸素ガスを噴射させることで、炉内に収容された溶銑Ｍを酸化精錬処理する。
スカート部７およびフード８は、炉内から排出される排ガスを回収するＯＧ設備の一部である。スカート部７は、炉体２の炉口の上部を覆うように形成され、フード８に接続される。フード８は、集塵機等の他のＯＧ設備へと接続される。

＜地金切り方法＞
次に、図７を参照して、本発明の一実施形態に係る転炉１の地金切り方法について説明する。転炉１では、炉内に収容された溶銑Ｍを酸化精錬するための吹錬処理が行われる。吹錬処理では、主にランス６の先端から噴射される酸素ガスによって溶銑Ｍが酸化する。このとき、炉内では、溶銑Ｍや酸化された溶鋼等の地金が飛散するスピッティング現象や、処理に伴い発生するスラグが一部に地金が混入した状態で噴出するスロッピング現象が生じる。スピッティング現象やスロッピング現象によって飛散する地金（スラグに混入した地金を含む）は、炉口近傍に付着・堆積する。

本実施形態では、転炉１の吹錬処理時において、炉口金物４のノズル４４から不活性ガスＧを噴射させる。この際、図７に示すように、ノズル４４から転炉１の中心軸に向かう方向に不活性ガスＧを噴射させることで、ノズル４４周辺への地金の付着を防止する。このため、炉口近傍に付着する地金を、炉口上部に付着した炉口地金Ｓ１と、炉内に付着した炉内地金Ｓ２とに縁切りさせた状態にすることができる。

上記のような吹錬処理が複数回行われ、炉口地金Ｓ１がある程度堆積したところで、炉口地金Ｓ１の除去処理が行われる。除去処理では、炉体２を傾動させた状態で、スクラップシュートの先端を炉口地金Ｓ１に当てて、炉口地金Ｓ１を掻き取ることで炉口地金Ｓ１が除去される。この際、炉口地金Ｓ１が炉内地金Ｓ２と縁切りされているため、炉口地金Ｓ１を容易に削り取ることができる。

＜変形例＞
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記実施形態では、転炉１の吹錬処理時にノズル４４から不活性ガスＧを噴射させるとしたが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、非吹錬処理時においても、吹錬処理時と同様にノズル４４から不活性ガスＧを噴射させてもよい。この際、不活性ガスの噴射速度は、吹錬処理時よりも低くてもよい。非吹錬処理時に不活性ガスＧを噴射させることにより、ノズル４４が冷却され、ノズル４４の溶損を防止することができる。

また、上記実施形態では、炉口内面４０に対して、ノズル４４を上下２列に設けるとしたが、本発明はかかる例に限定されない。炉口内面４０において炉口地金Ｓ１と炉内地金Ｓ２とが縁切りできれば、炉口内面４０の上下方向に対して、ノズル４４を１列または３列以上設けてもよい。この際、ノズル４４の列を多く設けることで、炉口地金Ｓ１と炉内地金Ｓ２とが縁切りされる領域が増えるため、確実に縁切りすることができる。
さらに、ノズル４４の長手方向に垂直な断面の形状は、矩形等の円形以外の形状を有していてもよい。

＜実施形態の効果＞
（１）本発明の実施形態に係る転炉の炉口金物は、転炉１の中心軸に対向する面４０に複数のノズル４４を有し、ノズル４４から中心軸に向かう方向に、転炉１の排ガス流量と炉口直径とから算出される転炉１の炉口における空塔速度以上の噴射速度でノズル４４から不活性ガスＧを噴出する。

ここで、上記構成の炉口金物を用いない場合、吹錬処理を行うことで付着・堆積した炉口地金Ｓ１と炉内地金Ｓ２とがつながってしまい、スクラップシュートを用いて炉口地金Ｓ１を剥ぎ取ろうとしても、十分に炉口地金Ｓ１を除去することが難しかった。この際、つながった炉口地金Ｓ１と炉内地金Ｓ２とを溶断することで縁切りする方法が考えられるが、溶断処理に時間がかかってしまうために、炉口地金Ｓ１の除去に要する時間が長くなる。また、これらの地金除去の作業は、非吹錬処理時に行われるため、地金除去にかかる時間が長くなることで、転炉１での生産性が大きく低下することとなる。これに対して、上記構成によれば、噴射される不活性ガスＧによって、ノズル４４周囲への地金付着を防止することができる。これにより、炉口地金Ｓ１と炉内地金Ｓ２とを縁切りすることができ、堆積した炉口地金Ｓ１を容易に除去することができるため、炉口に付着した地金の除去に要する時間を短くすることができる。さらに、炉口地金Ｓ１と炉内地金Ｓ２とを縁切りするための溶断処理を行う必要がないため、転炉１の耐火物３や炉口金物４といった設備の溶断処理に伴う溶損等を防止することができ、安定的に転炉１を使用することができる。

また、特許文献１の図３および図４に開示された発明では、炉口金物の上面側にもノズルを設ける必要があり、上部フード等の内側面に付着した地金が落下する際に、ノズルや配管が破損する可能性があった。さらに、特許文献１の図３および図４に開示された発明では、炉口金物上に落下または堆積する地金によって、閉塞等によってノズルの稼働状況が悪化するといった問題があった。しかし、上記構成によれば、ノズル４４は、炉口内面４０に設ければよいだけなので、炉口金物４の上部から地金が落下してきても、ノズル４４や配管が破損することがない。このため、炉口金物４による地金付着の防止効果を安定的に得ることができる。また、炉口金物４の上面に地金が落下または堆積しても、ノズル４４のガス噴射動作には影響しないため、地金付着の防止効果を安定的に得ることができる。
なお、上記構成において、不活性ガスの噴射速度が空塔速度未満となる場合、飛散する地金を十分に吹き飛ばすことができなくなるため、ノズル４４の周辺に地金が付着してしまう可能性がある。このような場合、炉口地金Ｓ１と炉内地金Ｓ２とがつながってしまうと、上記の炉口地金Ｓ１の除去に要する時間が長くなる。

（２）複数のノズル４４は、下記（１）式で定義され、面４０の周方向の長さに対するノズル４４の占有率を示す円周占有率Ａが０．２０以上０．９０以下である。
Ａ＝（Ｎ・ｄ）／（π・Ｅ） ・・・（１）
Ｎ：転炉の中心軸に対向する面の円周あたりに設けられるノズルの数（個）
ｄ：ノズルの直径（ｍｍ）
π：円周率
Ｅ：炉口の直径（ｍｍ）

上記構成によれば、炉口金物４の強度を十分に保ちながらも、炉口地金Ｓ１と炉内地金Ｓ２との縁切りを確実に行うことができる。円周占有率Ａが０．２０未満の場合、ノズル４４の周辺において、不活性ガスＧにより地金が吹き飛ばされないために、地金が付着してしまう領域が生じる場合がある。このため、十分な縁切りの効果を得ることができない可能性がある。一方、円周占有率Ａが０．９０超の場合、炉口金物４に占めるノズル４４およびガス供給路４３による空腔の割合が過大となる。このため、炉口金物４の満足な機械的強度を得ることができない。

（３）ノズル４４は、面４０に対して上下方向に複数段設けられる。上記構成によれば、炉口地金Ｓ１と炉内地金Ｓ２との縁切りする領域を大きくすることができるため、より確実に縁切りをすることができる。
（４）本発明の実施形態に係る転炉の地金切り方法は、少なくとも転炉１の吹錬処理時において、転炉１の中心軸に対向する面に設けられた複数のノズル４４から、ノズル４４から中心軸に向かう方向に、転炉１の排ガス流量と炉口直径とから算出される転炉１の炉口での空塔速度以上の噴射速度で不活性ガスを噴出する。上記構成によれば、吹錬処理時において、上記（１）と同様な効果を得ることができる。
（５）転炉１の非吹錬時において、ノズル４４から不活性ガスを噴出する。上記構成によれば、非吹錬処理時において、ノズル４４の溶損等の損耗を防止することができる。

次に、本発明者らが行った実施例について説明する。実施例では、図１〜図６に示す上記実施形態に係る炉口金物４を用いた。炉口金物４の円周占有率Ａは、０．２６とした。ノズル４４およびヘッダー管４２には、以下の仕様のものを使用した。なお、以下のノズル４４の仕様に示す最低ピッチは、隣接するノズル４４同士の周方向における距離のうち、最も短い距離を示す。

［ノズルの仕様］
材質：ＦＣＤ４００
内径：φ５ｍｍ
スプレー角度：９０°
最低ピッチ：４８．２ｍｍ
［ヘッダー管の仕様］
材質：ＳＴＳ３７０
サイズ：１００Ａ×Ｓｃｈ１６０
長さ：２２３８ｍｍ（４０°曲げ）

また、実施例では、ノズル４４から噴射する不活性ガスとして窒素ガスを用い、噴射速度を転炉１の炉口における計算空塔速度と同じ１７ｍ／ｓとした。なお、窒素ガスの噴射速度１７ｍ／ｓは、一つの炉口金物部材４ａから噴射される窒素ガスの標準状態におけるガス流量に換算すると２４Ｎｍ^３／ｍｉｎとなる。この条件下において、ノズル４４の出側における圧力は、炉内の設定空塔圧力と同じ１０Ｐａとなる。実施例では、上記の噴射条件において、転炉１での吹錬処理中は、不活性ガスＧを常時噴射させた。

さらに、実施例における空塔速度から、吹錬処理時に生じる微粒地金の揚力を算出した。微粒地金の揚力Ｌは下記（２）式を用いて算出した。（２）式において、Ｌは揚力（Ｎ）、ρは排ガス密度（ｋｇ／ｍ^３）、ｕはダスト速度（ｍ／ｓ）、Ａは球投影面積となるダスト代表面積（ｍ^２）、Ｃ_Ｄは球径ダストの抵抗係数をそれぞれ示す。なお、ダスト速度は、空塔速度と同じとして算出した。

（２）式を用いて揚力Ｌを算出した結果、微粒地金の粒径を２ｍｍとした場合、揚力Ｌ＝４．０×１０^−３ｋｇｆとなった。これは、２ｍｍの粒径の微粒地金の自重（０．３×１０^−３ｋｇｆ）に対して過大な値であるため、ノズル４４から空塔速度以上の噴射速度で不活性ガスＧを噴射させることで、炉口へと飛散する地金を吹き飛ばすことができることが確認できた。

また、実施例に対する比較例として、通常の炉口金物を用いて吹錬処理を行い、実施例との一日当たりに掛かる地金除去の作業時間を比較した。比較例では、通常の炉口金物として、ガス供給配管４１、ヘッダー管４２、ガス供給路４３およびノズル４４の構成がない炉口金物を用いた。また、比較例において炉口地金を除去する際には、炉口地金と炉内地金とを溶断することで縁切りした後、スクラップシュートを用いて炉口地金を掻き取った。それ以外の条件については、実施例と同様とした。
実施例および比較例の結果、比較例では転炉一基の一日当たりの地金除去の作業時間が１５７分であったのに対して、実施例では１２３分となり、実施例の炉口金物および地金切り方法を用いることで、地金除去の作業時間を大幅に短縮できることを確認した。

１ ：転炉
２ ：炉体
３ ：耐火物
４ ：炉口金物
４ａ〜４ｈ ：炉口金物部材
４０，４０ａ ：炉口内面
４１，４１ａ ：ガス供給配管
４２，４２ａ ：ヘッダー管
４３，４３ａ ：ガス供給路
４４，４４ａ ：ノズル
５ ：底吹きノズル
６ ：ランス
７ ：スカート部
８ ：フード

Claims (5)

1. 転炉の中心軸に対向する面に複数のノズルを有し、
   前記ノズルから前記中心軸に向かう方向に、前記転炉の排ガス流量と炉口直径とから算出される前記転炉の炉口における空塔速度以上の噴射速度で前記ノズルから不活性ガスを噴出することを特徴とする転炉の炉口金物。
2. 複数の前記ノズルは、下記（１）式で定義され、前記面の周方向の長さに対する前記ノズルの占有率を示す円周占有率Ａが０．２０以上０．９０以下であることを特徴とする請求項１に記載の転炉の炉口金物。
   Ａ＝（Ｎ・ｄ）／（π・Ｅ） ・・・（１）
   Ｎ：転炉の中心軸に対向する面の円周あたりに設けられるノズルの数（個）
   ｄ：ノズルの直径（ｍｍ）
   π：円周率
   Ｅ：炉口の直径（ｍｍ）
3. 前記ノズルは、前記面に対して上下方向に複数段設けられることを特徴とする請求項１または２に記載の転炉の炉口金物。
4. 少なくとも転炉の吹錬処理時において、転炉の中心軸に対向する面に設けられた複数のノズルから、前記ノズルから前記中心軸に向かう方向に、前記転炉の排ガス流量と炉口直径とから算出される前記転炉の炉口での空塔速度以上の噴射速度で不活性ガスを噴出することを特徴とする転炉の地金切り方法。
5. 前記転炉の非吹錬処理時において、前記ノズルから前記不活性ガスを噴出することを特徴とする請求項４に記載の転炉の地金切り方法。

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