JP2019203169A - 精錬用ランス、精錬用ランス装置、及びｒｈ型精錬装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ランス交換や機械的ランス先端可動機構を設けることなく、精錬装置の溶鉄表面への粉体吹き付け位置を変更することのできる、精錬用ランス、精錬用ランス装置、及びＲＨ型精錬装置を提供する。【解決手段】ラバール形状の主孔ノズル７と、主孔ノズル７の末広部９に開口する複数の副孔１０と、各副孔１０にガスを供給する副孔ガス流路１２を流れるガス流量を副孔１０ごとに独立に制御することのできる副孔ガス流量調整装置とを有し、副孔１０は、主孔ノズル７の末広部９の起点から主孔ノズル出口方向にスロート部直径以上の距離に配置されていることを特徴とする精錬用ランス。上記精錬ランスと粉体供給装置を有する精錬用ランス装置。精錬用ランス装置を備えたＲＨ型精錬装置。【選択図】図１

Description

本発明は、精錬用ランス、精錬用ランス装置、及びその精錬用ランス装置を備えたＲＨ型精錬装置に関するものである。

溶鉄の精錬において、溶鉄に精錬剤を供給し、高温の溶鉄とガス撹拌による滓化に伴う反応性向上によって、脱硫、脱燐、介在物除去などによる鋼材特性を高めるための有害物除去が実施される。精錬剤の供給手段としては、溶鉄表面への上方添加が容易であり、溶銑予備処理や転炉、取鍋精錬装置による溶鉄の精錬において、精錬剤ホッパーを用いた精錬剤の溶鉄表面上方添加を行っている。

これらの、精錬剤の添加による効率を高めて、精錬剤の使用量の削減や、処理時間を短縮することは極めて重要である。このため、転炉におけるＬＤ−ＡＣ法（火点粉体吹付）や、ＶＯＤにおける高速ジェットで搬送された生石灰などの粉体精錬剤のブラスティングによる溶鉄内への精錬剤侵入促進などの技術が古くから開発されてきている。

また、特許文献１記載の真空脱炭処理方法では、ＲＨ型真空精錬設備（ＲＨ型精錬装置、ＲＨともいう）の真空槽内において１本のランス（加熱バーナー）を設け、ＲＨ処理中に燃料燃焼を行うことができる発明が開示されている。そのランス構造は、同文献の図２に示されるようなランス先端部に設けた別系統の燃料供給孔から燃料ガスを供給することができる。

特許文献２には、更に燃料燃焼効率を高めることを目的に、内管と外管からなる二重管ランスを用い、内管内部から燃料ガス、外管と内管の間から酸素ガスを供給するに際し、外管内に螺旋状のフィンを設けて燃料と酸素の混合促進効果によって加熱特性を向上させるような技術が記載されている。

ＲＨなどの脱ガス装置の真空槽内の溶鋼は、激しいスプラッシュ撹拌による高い反応領域が形成されている。従って、真空槽内の溶鋼に対して、キャリヤーガスとともに精錬剤粉末を吹き付けることは、有効な精錬手段である。さらにその反応性をより一層高めるためには、真空槽内の溶鋼表面の特定位置への精錬剤供給が有効である。

特許文献３では環流用下降浸漬管（単に「下降管」ともいう。）上部の湯面に粉末を吹き付ける発明が開示されている。吹き付けた粉体が溶鋼中に侵入しやすく、下降管から溶鋼流とともに直ちに取鍋内に流入し、取鍋内での精錬剤分散による効果を享受できる。

一方、特許文献４では、ＲＨ真空槽内に上吹きランスで脱硫剤を吹き付けるに際し、上吹きランスは水平方向から５０度以上９０度未満で傾斜するとともに、上昇管に近い部位の環流ガスによる真空槽内溶鋼盛り上がり部位の下降流が発生する位置に粉体供給することで反応促進を実施させることができる技術が記載されている。

上述のように、精錬用ランスで特にＲＨ型真空精錬設備に設けられたものに関しては、燃料やアルミ昇熱以外に、粉体吹き付け機能向上を行うための特定位置への吹付を行うことで、精錬特性を高める操業技術が進歩してきた。

ここにおいて、ランスから溶鋼表面への吹きつけ位置については、吹き付けの目的ごとに吹き付け位置が異なる。そのため、ここで問題とされることは、粉体を真空槽内溶鋼表面の一定の部位に集中して吹き付けを行うように設計されたランスでは、同じランスを用いた別の目的で用いるには最適とならないことがある。例えば、粉体吹き込みに最適化したランスにおいて、吹き付け位置が下降管位置、あるいは上昇管付近であった場合、同じランスを用いて酸素によるアルミ燃焼や酸素と燃料の混合ガスによる熱補償を実施しようとすると、酸素ガス吹き付けによる発熱位置が粉体吹き付け位置（上昇管、下降管付近）に近くなることから一部の耐火物内壁のみ過剰に加熱され、耐火物ダメージによって安定的な操業を行うことが極めて困難となる。また、同一、もしくは異なる粉体供給位置を、処理中に変化させることによる高機能な精錬を実施することもできない。仮に、特許文献３に記載のような偏芯方向への粉体吹付構造のランスを回転するなどしても、耐火物ダメージが最も少ない中心位置での発熱を実施することができないといった課題があった。

上記問題を解決するためには、操業中にランスを交換するような、操業時間の大幅延長を必要とする操業の実施や、ランスノズル先端角度を変更できる特殊構造が考えられるが、高温下でスプラッシュやダストが大量に発生する条件で安定的な機械構造は、実用上の問題が大きいため、極く限られた条件でしか実用ができないものと考えられる。

特許文献５には、ラバールノズルのスロートとノズル出口部との間の末広がり部に、吹錬用酸素ガスとは独立して流量制御の可能な制御用ガスを供給する制御用ガス噴射孔を配置し、精錬中、該制御用ガス噴射孔から噴射するガス流量を変化させることで、ラバールノズルから噴射される酸素ガス噴流の噴射角度を変化させる転炉操業方法が開示されている。特許文献６には、ラバールノズルの末広がり部に制御用ガス噴射孔を設け、制御用ガス噴射孔とスロートからの距離とスロート径との関係が所定の範囲に入る上吹きランスが開示されている。

特開平６−７３４３２号公報 特開平６−２２０５２１号公報 特開平５−３１１２３１号公報 特開平８−６０２２６号公報 特開２０１０−４７８３０号公報 特開２０１２−８２４９１号公報

上記のように、溶鉄の精錬において、粉体吹き付け機能を有する精錬用ランスを用いて粉体精錬剤を溶鉄表面に吹き付けるに際し、吹き付け位置や、ガス吹き付け方向を精錬処理中に変更制御することは、溶鉄精錬における操業では極めて有効な手段である。一方、ガス吹き付け方向の変更について、精錬用ランスの交換、精錬用ランス先端の機械的な角度変更を行うのでは、精錬時間の延長、設備負荷の増大を伴うために現実的ではない。

本発明は、粉体吹き付けを伴う精錬用ランスにおいて、ランス交換を伴うことなく、また機械的にランス先端を可動とすることなく、精錬装置の溶鉄表面への粉体吹き付け位置を変更することのできる、精錬用ランス、精錬用ランス装置、及びその精錬用ランス装置を備えたＲＨ型精錬装置を提供することを目的とする。

上記課題解決のため、ランス構造の検討とその特性調査を実施した結果、優れた構造を見出すことができた。即ち、本発明の要旨とするところは以下の通りである。
（１）先端に主孔ノズルを有する精錬用ランスであって、
前記主孔ノズルはラバール形状であって、スロート部と、スロート部の下流側に順次径が拡大する末広部を有し、
前記主孔ノズルに酸素ガスを供給したり、キャリヤーガスとともに粉体を供給したりする主孔ガス流路と、
前記主孔ノズルの末広部に開口する複数の副孔と、前記各副孔にガスを供給する副孔ガス流路と、各副孔ガス流路を流れるガス流量を副孔ごとに独立に制御することのできる副孔ガス流量調整装置とを有し、前記副孔は、主孔ノズルの末広部の起点から主孔ノズル出口方向にスロート部直径以上の距離に配置されていることを特徴とする精錬用ランス。
（２）上記（１）に記載の精錬用ランスを用いた精錬用ランス装置であって、前記主孔ガス流路に非酸化性ガスと酸素ガスとを切り替えて供給することのできる主孔ガス供給装置と、前記主孔ガス流路に粉体を供給する粉体供給装置を有することを特徴とする精錬用ランス装置。
（３）上記（２）に記載の精錬用ランス装置を備えたＲＨ型精錬装置であって、前記精錬用ランスがＲＨ型精錬装置の真空槽内に配置されていることを特徴とするＲＨ型精錬装置。

本発明によれば、取鍋精錬工程等において溶鋼表面に対するガスや粉体の吹き付け位置を、操業中に適切な位置に制御、変更することが可能であり、更にその効果は、吹付面が狭くなおかつ上昇管と下降管による流れを伴うＲＨ型真空精錬設備での操業効率向上に特に適している。粉体添加時の精錬効果を向上することができるし、また、粉体吹き付けを伴わずに溶鋼を加熱する目的で酸素吹き付けを行う操業時には耐火物ダメージを回避することができる。また、ＲＨなどでの使用時には真空槽待機時のバーナー予熱や地金溶流に適した方向にバーナージェット方向を制御することができるので、本発明に係るランスや装置の適用による溶鋼精錬工程における操業改善効果は極めて高いものである。

本発明の精錬用ランス構造の一例を説明するための図であり、（Ａ）は正面断面図、（Ｂ）はＢ−Ｂ矢視平面断面図、（Ｃ）はＣ−Ｃ矢視図である。 本発明の精錬用ランス構造の一例を説明するための図であり、（Ａ）は正面断面図、（Ｂ）はＢ−Ｂ矢視平面断面図、（Ｃ）はＣ−Ｃ矢視図である。 本発明の精錬用ランスを具備したＲＨ型精錬装置の構造の模式図である。 実施例における副孔配置を示す図である。

以下、本発明について、図面を参照しながら説明する。
図１、２は、本発明による精錬用ランス構造の一例を水冷ランスにて構成する場合の図面であり、また、図３は図１、２に示した構造のランスを具備したＲＨ型精錬装置による操業形態を示したものである。ここで、本発明は、図１〜３に限られたものではなく、本発明の請求項で規定される範囲にて、適宜その効果を溶鋼精錬プロセスにて発現するものである。ここで、図１（Ａ）は精錬用ランスの縦断面図を示し、図１（Ｂ）はＢ−Ｂ矢視平面断面図を示し、図１（Ｃ）は下方から見た精錬用ランス先端部を示している。図２も同様である。

本発明の精錬用ランス１４は、先端に主孔ノズル７を有し、主孔ノズル７はラバール形状であって、スロート部８と、スロート部８の下流側に順次径が拡大する末広部９を有し、主孔ノズル７に酸素ガスを供給したり、キャリヤーガスとともに粉体を供給したりする主孔ガス流路１１と、主孔ノズル７の末広部９に開口する複数の副孔１０と、各副孔１０にガスを供給する副孔ガス流路１２と、各副孔ガス流路１２を流れるガス流量を副孔ごとに独立に制御することのできる副孔ガス流量調整装置２２とを有し、副孔１０は、主孔ノズル７の末広部９の起点から主孔ノズル出口方向にスロート部直径以上の距離に配置されていることを特徴とする。

精錬用ランス１４はまず、先端に主孔ノズル７を有し、主孔ノズル７はラバール形状であって、スロート部８と、スロート部８の下流側に順次径が拡大する末広部９を有し、主孔ノズル７に酸素ガスを供給したり、キャリヤーガスとともに粉体を供給したりする主孔ガス流路１１を有している。

主孔ノズル７の構造は、配管内およびノズル出口での圧力損失を抑制することができるラバールノズル構造である必要があるが、くびれ部であるスロート部８における圧力が主孔ガス流路１１から主孔ノズル出口まででの最大値になる構造であれば、背圧と出口圧、スロート部と出口部の断面積比から決定される、ジェット噴流強度が他の条件よりも数割強くなる適正膨張条件には大して関係なく、本発明の効果は発現される。

主孔ノズル７につながる内管４の内部は主孔ガス流路１１であり主孔ガス流路１１へは、酸素ガスが供給されたり、キャリヤーガスとともに粉体が供給されたりする。キャリヤーガスは、酸素、Ａｒ、窒素等であり、主孔ガス流量調整弁１８によって圧力又は流量を制御され、このキャリヤーガスに粉体供給装置１７から粉体が供給される。

主孔ノズル７には、末広部９に開口する複数の副孔１０を有する。また、各副孔１０にガスを供給する副孔ガス流路１２と、各副孔ガス流路１２を流れるガス流量を副孔ごとに独立に制御することのできる副孔ガス流量調整装置２２とを有する。副孔ガス流量調整装置２２は副孔ガス流量調整弁２０を有し、各副孔へ供給する圧力又はガス流量を調整する。図１に示す例では、副孔１０ごとに副孔ガス流路１２を設け、副孔ガス流路１２は、主孔ガス流路１１を構成する内管４の外側に副孔１０の数だけ配置されている。図２に示す例では、外管５と内管４との間の空間を分割してａ，ｂ，ｃ，ｄの４系統に分け、それぞれの区画を副孔ガス流路１２としている。

次に、副孔１０を設ける目的について説明する。副孔１０から副孔ガスを噴出しない場合、主孔ノズル７から噴出する主孔ガスの噴出方向は、主孔ノズル７のノズル軸５１方向と一致する。ここにおいて、副孔１０から副孔ガスを噴出すると、主孔ガスの噴出方向は、主孔ノズル７のノズル軸５１から見て、副孔１０の存在位置と反対側に傾いて噴出することとなる。即ち、副孔１０を設け、副孔１０から副孔ガスを噴出することにより、主孔ガスの噴出方向を変化させるのである。本発明においては、主孔ガス中に粉体精錬剤を供給したりしなかったり選択できることが特徴となっている。

次に、主孔ノズル７の末広部９における副孔１０の設置位置について説明する。副孔１０は、主孔ノズル７の末広部９の起点から主孔ノズル出口方向にスロート部直径以上の距離に配置されている。以下に、副孔とその設置位置を定めた理由について、コールド試験に基づいて説明を行う。

コールド試験に用いたランスは、後に示す溶鋼精錬実験用に製作したものの一つであり、水冷構造を用いた図１に示される形態のランスで、ランスの外形は１２０ｍｍφの水冷構造で、主孔ガス流路１１となる内管４の直径が４０ｍｍ、断面が円形のスロート部８の直径が２０ｍｍφである。主孔ガス流路１１には切り替え式で、図３に示す主孔ガス供給装置１６から、酸素、窒素ガスを導入可能な構造としている。主孔ノズル７の末広部９には、ノズル軸５１に対して相互に９０°をなす軸対称に４つの副孔１０が設けられ、副孔１０に副孔ガスを供給する４系統の副孔ガス流路１２、副孔ガス配管２１には、酸素、窒素、ＬＰＧに切り替えできる構造を採用した。

主孔ノズル７の末広部９の出口内径は９０ｍｍ、スロート部８から出口までの末広部９の長さはノズル軸方向に１３０ｍｍ、背圧が独立制御される４つの副孔１０（ａ、ｂ、ｃ、ｄ系統）は先端部が８ｍｍφのストレートノズルを、そのノズル軸と主孔ノズル軸とがなす角度が内向き８°になるように配置している。副孔１０の主孔ノズル軸方向での設置位置を、スロート部８から１５ｍｍ（チップＡ）、２５ｍｍ（チップＢ）、１００ｍｍ（チップＣ）の３種類のランスチップを用いた実験を行った。

コールド実験は、ランス先端部をＯリングでシールしたアクリル型の円筒容器内上壁に固定して、容器内の圧力を、ドレン解放した常圧と、スチームエジェクターに接続して１ｋＰａに圧力制御した減圧との二水準で実施した。

実験に用いたガスは窒素ガスで、主孔の圧力（以下：絶対圧）を０．３ＭＰａとした。副孔の圧力については、ａ系統，ｄ系統はともに０．５ＭＰａで同じ圧力とし、ｂ系統、ｃ系統については、ｂ系統：０．９ＭＰａ、ｃ系統：０．３ＭＰａにてガス噴出を行った。チップＡ、チップＢ、チップＣを用いたそれぞれのノズルを用いた場合について、アクリル容器内に設置した移動式ピトー管を用いた流速測定を行い、最大流速となる方向について計測を行った。

その結果、副孔設置をスロート部から２５ｍｍに設置したチップＢ、１００ｍｍに設置したチップＣでの実験による噴出ガスは、常圧、減圧（１ｋＰａ）の条件ともｃ系統副孔ガス方向に安定的に１４°の流体噴出角度４５（ノズル軸５１方向と噴流４６との角度）で噴出された。また、主孔の絶対圧を０．３ＭＰａ、副孔のガスを４か所とも０．２ＭＰａとした場合には、安定して０°付近（ノズル軸５１方向）に噴出されることが確認できた。

一方、副孔の設置位置をスロート部から１５ｍｍ（チップＡ，スロート径の０．７５倍）とした場合には、圧力を種々変更しても３°を超える噴出ガス角度は得られず、効果的な噴流角度制御ができないことが確認できた。

更に、上記条件で主孔ガスに５０−１００μｍサイズのカルシムアルミネート系フラックス（生石灰とアルミナ粉を７：３に混合したプレミックス品）を７０ｋｇ／ｍｉｎで搬送して粉体の着地点をチップＢを用いた実験にて調査したところ、粉体の到達範囲は、ほぼ粉体を用いない実験で得られたランス下点から１４°の位置付近を中央とした付近に着地することも確認できた。

以上のとおり、ラバールノズルの末広部に副孔を設けて副孔ガスを噴出することにより、主孔ノズルから粉体を含むガスを噴出する場合であっても、粉体を含むガスの噴出方向を変化させられることが明らかとなった。

一方で、ノズルの長手方向において、副孔の設置位置に条件があることが分かった。スロート部から出口方向に向かってスロート部の直径（スロート形状が真円でない場合は、面積から逆算した真円相当直径）長さのポテンシャルコアの存在領域においては、スロートでの最大圧力がポテンシャルコア全体で維持され、副孔ガスからの噴出ガスによる角度変更効果が著しく低下することから、副孔ノズルの設置位置は、主孔ノズルのスロート位置を起点として、ノズル出口部方向のスロート直径以上の内面部位に設置する必要がある。スロート部８は末広部９の起点に当たるから、換言すると、主孔ノズルの末広部９の起点から主孔ノズル出口方向に、ノズル軸においてスロート部直径以上の距離に副孔１０（副孔１０の中心）が配置されている必要がある。ここで、末広部９の起点は、末広部９のうちで最も直径が小さくなる位置を意味する。また、上記コールドテストにおいて、チップＡの場合に噴流角度制御ができなかった理由は、チップＡの副孔設置位置が、スロート部からスロート部直径以上の下方に設けなかったためであることが分かった。

本発明は、複数の副孔１０を有し、ガス流量を副孔ごとに独立に制御可能であることを特徴とする。以下、この点について説明する。

それぞれの圧力を独立に制御してチップの内管出口周囲に配置された副孔１０のガス噴出圧力（図１、２の縦断面中にはｂ系統、ｃ系統の副孔ガス流路とａ系統のガス出口のみを記載）を変更することで、主孔ガスと精錬剤の噴出角度を制御可能にできる構造となっている。

図１に示す例では、副孔を４か所（ａ、ｂ、ｃ、ｄ）主孔ノズル軸対称に等角度で設けている。主孔ノズル軸５１に対して、ａとｄが対向し、ｂとｃが対向して、独立配管圧力をｂ＞（ａ＝ｄ）＞ｃに制御すると、ａ＝ｄ（圧力）なので、ａとｄを結ぶ方向には噴出角度は変化しない。一方、ｃよりｂの圧力が高いので、精錬剤を搬送する流体噴出角度４５をｃ系統に連結する副孔の方に偏向している様態を示している。

ガス流量を副孔ごとに独立に制御可能としている理由について説明する。圧力制御が単独系統の場合には、単一の副孔を設けることとすれば、副孔に副孔ガスを流すか流さないかで流体噴出方向を変化させることができる。しかし、副孔に流すパージガスを停止させないと噴流方向を偏心させることなく噴出させることができず、その場合には、パージガスを送らないことに起因する、酸化性ガスや、粉体が副孔を酸化や粉体付着などで損傷してランスチップの頻繁な交換などのメンテナンスなしには安定操業ができないこととなる。また、一方で、複数の副孔から同一圧力でガスを流すときには、操業中のランス噴流角度制御ができなくなる。

副孔の設置数については、最低２個とする。２個の場合は、図１におけるｂとｃの位置、即ちノズル軸に対して対称に設けると良い。これにより、２つの副孔のガス流量を同じとしたときには流体噴出方向をノズル軸方向とし、ガス流量を異ならせたときには流体噴出方向をノズル軸方向から変化させることができる。
また、副孔の設置数を４個とした場合には、図１におけるａ系統とｄ系統のガス流量を操作することで、噴流の方向をｃ系統の副孔の方に偏向させることに加えて、ａとｄを結ぶ方向にも偏向させることが可能になる。但し、副孔の数は多くするほど噴流方向の制御は容易になるが、多くするほどランスの構造が複雑になるほか、設備費用も嵩むので、６個程度までが適当といえる。

精錬用ランスは、溶鋼表面に近接してガス吹き付けを行うため、溶鋼からの輻射熱に対応するため、水冷ランス構造とすることが多い。水冷ランスの構造は一般的なもので、図１、図２に示すように、冷却水内側通路１（外管５と冷却水循環管２の間の空間）によってランスチップ先端部を冷却水が循環させて冷却水外側通路３（冷却水循環管２と最外管１３との間の空間）を上昇して先端部や周囲が高温条件においても長期使用に適したものである。外管５の内側に内管４を設け、内管４の内側が主孔ガス流路１１を構成し、酸素ガスの供給やキャリヤーガスによる精錬剤搬送が可能とする。内管４と外管５の間の空間に内管とは独立した圧力制御が可能な副孔ガス流路１２が配置される。図２に示す例では、外管５は、外管流路分割板６によって外管に複数の独立した圧力に制御されるガスが供給できる構造になっている。

本発明の精錬用ランス装置は、上記本発明の精錬用ランス１４を用い、主孔ガス流路１１に非酸化性ガスと酸素ガスとを切り替えて供給することのできる主孔ガス供給装置１６と、主孔ガス流路１１に粉体を供給する粉体供給装置１７を有することを特徴とする。主孔ガス供給装置１６の酸素ガス系１６ａから酸素ガスを供給することにより、主孔ノズル７に酸素ガスを供給することができる。また、主孔ガス供給装置１６の非酸化性ガス系１６ｂから非酸化性ガス、例えばアルゴンガスや窒素ガスを供給してキャリヤーガスとし、粉体供給装置から主孔ガス流路１１に粉体を供給することにより、主孔ノズル７にキャリヤーガスとともに粉体を供給することができる。酸素ガス系１６ａから酸素ガスを供給してキャリヤーガスとし、粉体供給装置から主孔ガス流路１１に粉体を供給することとしてもよい。

本発明のＲＨ型精錬装置は、上記精錬用ランス装置を備えており、精錬用ランス１４がＲＨ型精錬装置の真空槽内に配置されていることを特徴とする。

図３は、取鍋３１内に収容した溶鋼４２に内部を減圧とした真空槽３２が浸漬された状態で上昇管３３より環流ガスを吹き込んでおり、精錬用ランス１４からは、キャリヤーガスと精錬剤が混合された噴流４６が、副孔の圧力制御によって上昇管側に偏心させた状態にて精錬を実施しているものである。

図３に示される形態にて、キルド鋼の脱硫剤としてカルシウムアルミネート系粉末をアルゴンなどの不活性ガスをキャリヤーガスとして、真空槽内では反応性の良い上昇管の上面に向けて噴流を偏心させて吹き付けることで、脱硫効率を向上させる。その後、連続鋳造までに必要な熱補償のためのアルミ昇熱のための酸素吹き付けを、副孔ガスの圧力をそのノズル孔の出口の損耗が無い程度の弱い噴流形成ができる程度に、各ノズル圧力を均一に低くすることで、酸素噴流の湯面衝突位置をアルミ昇熱による発熱が一方の耐火物にダメージを与えないような、ＲＨ槽内の中心位置に近づけることができる。ほかにも、上昇管の上面付近に脱硫フラックスを偏心吹付して脱硫効率を向上させた後、溶鋼に合金添加し、その後に、アルミナ系介在物の無害化効果を有しているものの、減圧真空槽内では溶鋼の滞在時間内で気化による歩留り低下が大きいＣａ−Ｓｉ粉末を、下降管の上面側に向けて吹き付けて早期に取鍋内へ溶鋼と共に排出して、溶鋼全体との混合を図ることで、溶鋼清浄性の向上を図るなどもできる。このように、図１に示した構造の精錬用ランスを具備した図３に示すようなＲＨ型真空精錬設備は溶鋼精錬プロセスへの適用効果が特に大きいため、請求項３として規定した。

本発明では、設備構造が簡便でかつ容易に制御ができることを前提とした、粉体とキャリヤーガスの混合ガス、酸化性ガス、燃料と酸化性ガス混合により形成されるバーナージェット、更に、窒素添加を要する鋼種への窒素供給などの成分調整機能を有し、粉体混合ガスやその他のガス流体の吹付角度をコントロールできる機能を有する精錬用ランス、および、そのランスを具備することで効率的な取鍋精錬効果が著しいＲＨ型精錬装置を提供できることを見出し、その具現化に至ったものである。

本発明の実施例について説明する。ここで記載した条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。

本発明によるランスや装置の実用効果を確認するために、ヒートサイズ２９０ｔのＲＨ型真空精錬設備による精錬実験を行い、溶鋼に対する精錬処理効果を確認した。

実験対象は、初期溶鋼温度が１６３０−１６５０℃、ＲＨ処理前の組成が質量％で、［Ｃ］：０．０５％，［Ｓｉ］＜０．０５％，［Ｍｎ］＜０．１％、［Ｐ］＜０．０３％、［Ｓ］：０．００７％の低炭素鋼を対象とした。ＲＨ処理中の脱硫処理により、［Ｓ］＜０．００４％以下への極低硫化処理を行うとともに、脱硫処理中に発生する約４０℃の温度低下に対して、後工程の連続鋳造に必要なスーパーヒートを確保するため、溶鋼にアルミニウムを添加してから酸素ガスを吹き付ける、いわゆるアルミ昇熱によって、処理後温度を１６３０℃以上の溶鋼製造を実施した。

溶鋼に対する精錬処理効果の確認実験に用いた精錬用ランス１４は、前記コールド試験に用いたものと主要諸元は同じで、副孔１０の設置数のみを変えたものである。主孔ノズルの末広部に設けた副孔１０の流路出口での設置位置（主孔ノズル軸５１方向）は、スロート部８から１００ｍｍのものとした。表１に示す本発明１は副孔を４孔（ａ、ｂ、ｃ、ｄ）有していて、前記コールド試験に用いたランスでチップＣを設けたものと同じである。他のランスは、本発明１に用いたランスと副孔の数のみが変わったもので、本発明２、比較例３は副孔を２孔（ｂ、ｃ）有し、いずれもノズル軸に軸対称の位置としている。比較例４は副孔が１孔（ｃ）のみで、比較例１、２は副孔を有していない。本発明１、本発明２は、４系統ないし２系統有する副孔１０の圧力を独立に制御できる。比較例３は２系統の副孔を同一の配管に接続しているため、圧力が同一である。主孔ノズル７のノズル軸５１方向は、比較例２を除いて鉛直下方であり、比較例２は、ノズル軸５１が鉛直下方から１４°偏心していて、その偏心方向を真空槽３２の上昇管３３方向側に向けて用いた。また、副孔を有するランスは、副孔ｃを真空槽３２の上昇管３３方向側に向けて用いた。

脱硫処理に用いた脱硫剤は、カルシウムアルミネート（ＣａＯ：Ａｌ₂Ｏ₃＝７：３）プレミックス品で、キャリヤーガスには窒素ガスを使用し、真空度は５ｋＰａにて真空槽内溶鋼表面から２８００ｍｍの位置から７０ｋｇ／分で１５分間の吹付（フラックス添加１０５０ｋｇ／ｃｈ）による脱硫処理を実施した。その後、キャリヤーガスの窒素を止めて、主孔と副孔の供給ガスを酸素に切り替え、主孔からと副孔からとの合計で２０００Ｎｍ³／ｈの酸素を吹き付けてアルミ昇熱を実施し、所定の合金を添加して連続鋳造工程に取鍋を搬送した。

ＲＨ型真空精錬設備の真空槽３２の内径は２５００ｍｍで、浸漬管（上昇管３３、下降管３４）（内径６５０ｍｍ）中心位置の直上は、真空槽中央より６８０ｍｍの距離であり、精錬用ランス１４は真空槽中央位置に設置されている。そのため、精錬用ランス１４からの噴流が上昇管３３と下降管３４の中心を結ぶ線上に傾く場合には、真空槽内溶鋼からのランスギャップが２８００ｍｍのとき、予備実験で得られた１４°の傾き角にて浸漬管（上昇管３３又は下降管３４）中心直上部の溶鋼に噴流中心部が衝突することを、幾何学的計算にて事前評価している。

浸漬管とランスの副孔配置の関係は、上昇管３３の中心軸の位置が図１の主孔ノズル軸５１に対してｃ系統の副孔がある方向、同じくｂ系統の副孔がある方向が下降管３４の中心軸のある方向に一致するように設置した。また、図４には副孔を設けて実験した例における、副孔配置位置を模式的に示す。

前に述べた事前のコールド実験で確かめたランスＣを用いて、そのときと同じガス流量（ガス圧力）を流した本発明１では、コールド実験の結果通りに流体噴出角度１４°なったと考えられる。本発明２、比較例４でも同様のコールド実験を行って、副孔の圧力選定によって噴出角度が１４°となる条件になる背圧を確認した上で実験を実施した。一方、比較例３の場合は、複数の副孔の背圧が１系統に接続されているため、ランスガスの噴出角度の制御はできずに、ほぼ噴出角度は０°と考えられる。

実験結果を表１に示す。

本発明１は、上記コールド実験結果に基づき、脱硫処理において、副孔のｂとｃの圧力に差を設けることにより、上昇管直上にフラックスが到達する条件にて脱硫処理を実施した。その結果、上昇管直上の環流ガスが破泡して強撹拌になる領域にフラックス吹き付けを実施することができたため、脱硫は良好で目標の０．００４％以下の極低硫溶鋼の製造ができた。また、脱硫処理に引き続くアルミ昇熱において、主孔ノズル、副孔共にガスを酸素に切り替えて鋼中のアルミ燃焼によるアルミ昇熱を実施するときには、主孔ノズルの背圧を０．６ＭＰａに高め、副孔４か所の副孔の背圧を同じ０．３ＭＰａにそろえることで、ランスからの酸素ジェットの傾きを回避することができたため、真空槽の耐火物に損傷を与えることなく、通常のストレートランスと同じ良好なアルミ昇熱を実施することができた。更に、チャージ間の待機時には、副孔にＬＰＧを同じ圧力にして主孔ノズルから酸素を流して真空槽予熱を実施する場合にも、バーナージェットの偏りなどの問題のない予熱も行うことができた。

比較例１は、副孔のないラバールノズルを用いたランスによる操業結果である。ランスからの噴流は鉛直方向を向いている。このときの、処理後の硫黄濃度は０．００４５％と目標の硫黄濃度に到達できなかった。これは、本発明に比較すると、精錬剤の添加が真空槽の中心に添加され、撹拌力が弱い領域での精錬剤の滓化、エマルジョンによる脱硫効果を高めることができなかったため本条件のフラックス添加量では規定濃度の極低硫鋼の製造ができなかったものである。

一方、比較例２は、本発明１と同じ脱硫効果を得ることを目的に、ランスチップの主孔ノズルのノズル軸を１４°偏心し、副孔を設けないランスで行った操業結果である。このときには、脱硫効果は目的通り本発明とほぼ同等の良好な結果が得られたが、ＲＨ処理後に上昇管付近の耐火物剥離による損傷が激しく、真空槽の補修が必要であった。これは、アルミ昇熱を実施する際にも酸素ガス噴流の方向は上昇管の方向であるため、上昇管付近でアルミ昇熱による発熱が発生して、偏った部位の耐火物損耗が激しくなったためであり、安定的な操業には適用できないことが分かった。

また、本発明２は副孔を２か所設置して独立した背圧系統に接続した条件で実施したものであり、２系統の副孔でも本発明１と同様の優れた効果が得られることが確認できた。

比較例３は、２つの副孔を本発明２と同じ位置に設置しているが、同一系統の配管に接続されているため、２つの副孔の圧力が同一であり、有効な噴流角度の変更が実施できず、比較例１と同様、脱硫が不十分であった。

更に、比較例４は、一か所の副孔を設置して脱硫処理中の噴流角度を変更させたものである。脱硫処理中は噴流の方向が上昇管付近に向いていたため、脱硫性能は良好であった。一方アルミ昇熱時には、副孔の保護のために必要なパージガス（本条件では絶対圧０．２ＭＰａを維持）が必要であり、その影響でアルミ昇熱時に噴流が上昇管側に偏る不具合によって比較例２と同様の耐火物損耗が発生して安定操業に適さないことが確認された。

本発明によって、取鍋精錬工程において減圧に晒された溶鋼表面に対する粉体吹き付け位置を、操業中に適切な位置に制御、変更することが可能であり、更にその効果は、吹付面が狭くなおかつ上昇管と下降管による流れを伴うＲＨ型真空精錬設備での操業効率を向上させることができ、粉体添加時の精錬効果を発現することができ、また、粉体精錬を実施せず、溶鉄を加熱する目的で酸素吹付を伴う操業時には耐火物ダメージを回避すること、また、ＲＨなどの使用時には真空槽待機時のバーナー予熱や地金溶流に適した方向にバーナージェット方向を制御することができ、本発明による設備の適用による溶鉄精錬工程における操業改善効果は極めて高いものである。

１：冷却水内側通路
２：冷却水循環管
３：冷却水外側通路
４：内管
５：外管
６：外管流路分割板
７：主孔ノズル
８：スロート部
９：末広部
１０：副孔
１１：主孔ガス流路
１２：副孔ガス流路
１３：最外管
１４：精錬用ランス
１６：主孔ガス供給装置
１６ａ：酸素ガス系
１６ｂ：非酸化性ガス系
１７：粉体供給装置
１８：主孔ガス流量調整弁
１９：主孔ガス配管
２０：副孔ガス流量調整弁
２１：副孔ガス配管
２２：副孔ガス流量調整装置
３１：取鍋
３２：真空槽
３３：上昇管
３４：下降管
４２：溶鋼
４５：流体噴出角度
４６：噴流
５１：ノズル軸

Claims (3)

1. 先端に主孔ノズルを有する精錬用ランスであって、
   前記主孔ノズルはラバール形状であって、スロート部と、スロート部の下流側に順次径が拡大する末広部を有し、
   前記主孔ノズルに酸素ガスを供給したり、キャリヤーガスとともに粉体を供給したりする主孔ガス流路と、
   前記主孔ノズルの末広部に開口する複数の副孔と、前記各副孔にガスを供給する副孔ガス流路と、各副孔ガス流路を流れるガス流量を副孔ごとに独立に制御することのできる副孔ガス流量調整装置とを有し、前記副孔は、主孔ノズルの末広部の起点から主孔ノズル出口方向にスロート部直径以上の距離に配置されていることを特徴とする精錬用ランス。
2. 請求項１に記載の精錬用ランスを用いた精錬用ランス装置であって、前記主孔ガス流路に非酸化性ガスと酸素ガスとを切り替えて供給することのできる主孔ガス供給装置と、前記主孔ガス流路に粉体を供給する粉体供給装置を有することを特徴とする精錬用ランス装置。
3. 請求項２に記載の精錬用ランス装置を備えたＲＨ型精錬装置であって、前記精錬用ランスがＲＨ型精錬装置の真空槽内に配置されていることを特徴とするＲＨ型精錬装置。
   
   

Images