JP2020094243A - 上吹きランス - Google Patents

Abstract

【課題】設備費用を低減し、かつ、ＲＨ装置の寿命の延長を可能とする。【解決手段】ＲＨ装置において真空槽内の溶鋼の湯面に対して噴射体を噴射する上吹きランスであって、噴射体を噴射するノズルを下端に有するランス本体と、ノズルの上方にノズルと接続して設けられることによりノズルのノズル孔と連通してノズル孔に噴射体を供給する供給流路を画成する画成部材と、を備え、供給流路におけるノズルとの接続部分の開口である供給口の中心は、ノズル孔の中心軸から水平方向にずれた位置に存在し、画成部材は、ノズル孔の中心軸を中心としてランス本体に対して回動可能である、上吹きランス。【選択図】図４

Description

本発明は、上吹きランスに関する。

製鋼プロセスの二次精錬において、ＲＨ真空脱ガス装置（以下、ＲＨ装置とも呼称する）が広く用いられている。ＲＨ装置では、取鍋内の溶鋼に対して、真空槽の下部から延伸される２本の浸漬管（上昇側浸漬管及び下降側浸漬管）が浸漬された状態で、当該真空槽が減圧されることにより、当該浸漬管を介して当該真空槽内に溶鋼が吸い上げられる。

この状態で、上昇側浸漬管に設けられているガスの吹き込み口から、当該上昇側浸漬管内の溶鋼に対して不活性ガスが吹き込まれる。当該不活性ガスの吹き込みにより、上昇側浸漬管内の溶鋼に上昇流が生まれ、取鍋内の溶鋼が当該上昇側浸漬管内を通って真空槽内に上昇し、更に真空槽内の溶鋼が下降側浸漬管を通って取鍋内に移動する。このように、ＲＨ装置では、取鍋と真空槽との間で溶鋼を還流させながら、当該真空槽内で、溶鋼に対する二次精錬が行われる。

具体的には、ＲＨ装置を用いた二次精練では、溶鋼を還流させながら、上吹きランスのノズルから真空槽内の溶鋼に対して上方から酸素や粉体などの噴射体を吹き込むこと（上吹き）によって、溶鋼に対する、脱炭、脱硫、昇温等の処理が行われる。そこで、これらの処理の効率向上や、溶鋼の飛散（スプラッシュ）による真空槽の内壁の溶損の抑制等を目的として、上吹きランスによる酸素や粉体の噴射について、様々な技術が提案されている。特に、そのような技術として、ＲＨ装置の寿命を延長するための上吹きランスによる酸素や粉体の噴射について技術開発が進められている。

例えば、特許文献１には、上吹きランスの中心軸と噴射体の噴射方向とが所定の角度だけずれて構成される上吹きランスを、上吹きランスの中心軸を回動軸として回動させながら、当該上吹きランスから溶鋼に対して酸素含有ガスを噴射する技術が開示されている。当該技術によれば、水平面内における所定の円周上で、溶鋼に対する酸素含有ガスの衝突位置を時間経過とともに変化させることができるため、溶鋼のスプラッシュによる真空槽の内壁の溶損を均一化することができる。

特開２００９−９１６１２号公報

従来、上記特許文献１に記載された技術のように、上吹きランスを回動して溶鋼に対する噴射体の衝突位置を変更してＲＨ装置の寿命を延長する方法が行われている。

ここで、ＲＨ装置に用いられる上吹きランスは、一般的に大型であり質量が大きい。故に、上吹きランス全体を回動させるためには設備が大規模になる。例えば、上吹きランス全体を回動させる動力を出力するモータとして高出力のものが必要となる。そのため、設備費用が上昇することが懸念される。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、設備費用を低減し、かつ、ＲＨ装置の寿命を延長可能な上吹きランスを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、ＲＨ装置において真空槽内の溶鋼の湯面に対して噴射体を噴射する上吹きランスであって、前記噴射体を噴射するノズルを下端に有するランス本体と、前記ノズルの上方に前記ノズルと接続して設けられることにより前記ノズルのノズル孔と連通して前記ノズル孔に前記噴射体を供給する供給流路を画成する画成部材と、を備え、前記供給流路における前記ノズルとの接続部分の開口である供給口の中心は、前記ノズル孔の中心軸から水平方向にずれた位置に存在し、前記画成部材は、前記ノズル孔の中心軸を中心として前記ランス本体に対して回動可能である、上吹きランスが提供される。

前記ランス本体は、下端に開口を有する円筒形であり、前記画成部材は、前記ノズルの上方において前記ランス本体の内周面と嵌合され、前記ノズル孔の中心軸から水平方向にずれた位置に上下方向に貫通する貫通孔が前記供給流路として形成される円柱部と、前記円柱部の上面から前記ランス本体の上端を貫通して前記ノズル孔の中心軸上に延設され、上端に前記画成部材を回動させる動力が入力される軸部と、を有することが好ましい。

前記画成部材は、前記ランス本体に対して前記ノズルを通じて着脱可能に設けられることが好ましい。

以上説明したように本発明によれば、設備費用を低減し、かつ、ＲＨ装置の寿命の延長が可能となる。

本発明の第１の実施形態に係るＲＨ装置の概略構成を示す側断面図である。 従来の上吹きランスの構成の一例を示す模式側断面図である。 従来の上吹きランスの構成の一例を示す底面図である。 同実施形態に係る上吹きランスの構成を示す模式側断面図である。 同実施形態に係る上吹きランスの構成を示す底面図である。 同実施形態に係る上吹きランスにおいて噴射体の噴射方向を制御することが可能になる原理について説明するための図である。 本発明の第２の実施形態に係る上吹きランスの構成を示す模式側断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る上吹きランスの構成を示す模式側断面図である。 実施例における数値解析シミュレーションの結果である、噴射体の衝突圧力分布を示す図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

＜１．第１の実施形態＞
［１．１．ＲＨ装置１の構成］
図１を参照して、本発明の第１の実施形態に係るＲＨ装置１の構成について説明する。図１は、本実施形態に係るＲＨ装置１の概略構成を示す側断面図である。

図１を参照すると、本実施形態に係るＲＨ装置１は、溶鋼１３が貯留される取鍋１１と、取鍋１１の上方に設けられる真空槽１２と、から構成される。ＲＨ装置１を用いた二次精練では、減圧された真空槽１２内に溶鋼１３が吸い上げられ、真空槽１２内において、上吹きランス３から噴射体が溶鋼１３の湯面に対して噴射され、溶鋼１３の、脱炭、脱硫、昇温等の処理が行われる。

具体的には、取鍋１１内には、転炉での一次精錬が完了した後の溶鋼１３が貯留されている。真空槽１２の下部には、２本の浸漬管１２１及び浸漬管１２２が下方に向かって延伸するように設けられており、浸漬管１２１及び浸漬管１２２の下端は取鍋１１内の溶鋼１３に浸漬されている。

真空槽１２の上部には、排気ダクト１２４が設けられている。排気ダクト１２４から真空槽１２内のガスが排気されることにより、真空槽１２内が減圧され、浸漬管１２１及び浸漬管１２２を通って、真空槽１２内に溶鋼１３が吸い上げられる。

浸漬管１２１には、不活性ガス（例えばＡｒガス等）を浸漬管１２１内に吹き込むための羽口１２３が設けられている。真空槽１２内に溶鋼１３が吸い上げられている状態で、羽口１２３から不活性ガスが吹き込まれることにより、浸漬管１２１内の溶鋼１３に上昇流が生まれ、取鍋１１内の溶鋼１３が浸漬管１２１を通って真空槽１２内に上昇する。それに伴い、真空槽１２内の溶鋼１３は、他方の浸漬管１２２を通って取鍋１１内に移動する。このように、ＲＨ装置１では、取鍋１１と真空槽１２との間で溶鋼を還流させながら、溶鋼１３に対する二次精錬処理が行われる。

ここで、図示する例では、簡単のため、一方の浸漬管１２１にのみ羽口１２３が設けられているが、実際には、他方の浸漬管１２２にも同様に、羽口１２３が設けられ得る。浸漬管１２１、１２２のうち、いずれか一方に対して不活性ガスが吹き込まれることにより、当該不活性ガスが吹き込まれた方の浸漬管が、溶鋼１３を上昇させ真空槽１２内に導く浸漬管として機能し得る。溶鋼１３による真空槽１２の内壁の溶損を均一にするために、ＲＨ装置１においては、浸漬管１２１及び浸漬管１２２における溶鋼の上昇及び下降の機能が、一定期間ごとに交替され得る。

以下では、一例として、一方の浸漬管１２１が上昇側の浸漬管とし、他方の浸漬管１２２が下降側の浸漬管として機能する場合について説明する。また、浸漬管１２１のことを、上昇側浸漬管１２１とも呼称し、浸漬管１２２のことを、下降側浸漬管１２２とも呼称する。

また、以下の説明では、ＲＨ装置１における上下方向を、Ｚ軸方向又は鉛直方向とも呼称する。このとき、Ｚ軸方向において、取鍋１１に対して真空槽１２が設けられる方向（すなわち上方向）をＺ軸の正方向とする。更に、当該Ｚ軸方向と垂直な平面（水平面）内において互いに直交する２方向を、それぞれ、Ｘ軸方向及びＹ軸方向と呼称する。また、Ｚ軸方向に延伸する各構成について、Ｚ軸の正方向側を上端側とも呼称し、Ｚ軸の負方向側を下端側とも呼称する。

真空槽１２内には上吹きランス３が挿入される。上吹きランス３の下端からは、真空槽１２内の溶鋼１３の湯面に対して、溶鋼１３の成分を調整するための各種のガスや粉体等の噴射体が吹き付けられる。このように、ＲＨ装置１では、溶鋼１３を還流させながら、上吹きランス２から溶鋼１３に対して各種の噴射体を噴射することにより、二次精錬が行われる。例えば、上吹きランス２から溶鋼１３に対して酸素含有ガスが吹き付けられることにより、溶鋼１３の脱炭処理が行われる。また、例えば、上吹きランス２から溶鋼１３に対して脱硫剤が吹き付けられることにより、溶鋼１３の脱硫処理が行われる。

ＲＨ装置１には、ＲＨ装置１及び上吹きランス２の動作を制御する制御部（図示せず）が設けられる。例えば、制御部は、上述した、真空槽１２の減圧や、羽口１２３からの不活性ガスの吹き込み、上吹きランス２からの噴射体の噴射等を制御する機能を有する。

以上、図１を参照して、本実施形態に係るＲＨ装置１の構成について説明した。なお、ＲＨ装置１の構成は図示する例に限定されない。本実施形態では、一般的に用いられている各種の公知のＲＨ装置に対して、本実施形態に係る上吹きランスが適用されてよい。従って、ＲＨ装置１の構成は、各種の公知のＲＨ装置の構成に倣って、任意に変更可能である。

［１．２．従来の上吹きランス２の構成］
続いて、図２及び図３を参照して、従来の上吹きランス２の構成について説明する。図２は、従来の上吹きランス２の構成の一例を示す模式図である。図３は、従来の上吹きランス２の構成の一例を示す底面図である。

上吹きランス２は、図２に示すように、略円筒形のランス本体２１０と、ランス本体２１０を回動させる回動部２５０とを備える。

（１．２．１．ランス本体２１０）
ランス本体２１０の下端には、ノズル２２０が形成されている。ノズル２２０は、略円筒形状を有しており、噴射体を噴射する機能を有する。ノズル２２０は、ランス本体２１０の中心軸Ｃ１と所定の角度だけずれた方向に延びた中心軸Ｃ２を有するノズル孔２２１を備える。

ノズル２２０の上方には、ランス本体２１０の内部に形成された空間である導入室２３０がノズル孔２２１と連通されるように設けられており、導入室２３０の上部は、ランス本体２１０の側部に貫通して形成される導入孔２１１を介してランス本体２１０の外部と連通されている。導入孔２１１は、ランス本体２１０の外部に設置される噴射体の供給源と接続されている。故に、供給源から供給される噴射体は、導入孔２１１を介して導入室２３０に導入され、導入室２３０からノズル２２０に供給される。

（１．２．２．回動部２５０）
回動部２５０は、モータ２５１と、ギヤ２５２と、ギヤ２５３とを備える。

モータ２５１の出力軸にはギヤ２５２が取り付けられている。また、ランス本体２１０の上端部にはギヤ２５３が取り付けられている。このようなギヤ２５２とギヤ２５３とが互いに咬合している。故に、モータ２５１から出力される動力は、ギヤ２５２及びギヤ２５３を介してランス本体２１０に伝達される。それにより、ランス本体２１０が回動する。

［１．３．上吹きランス２の動作］
続いて、従来の上吹きランス２の動作について説明する。上述したように、供給源から供給される噴射体は、導入孔２１１及び導入室２３０を介してノズル２２０に供給された後、ノズル２２０から噴射される。ここで、ノズル孔２２１の中心軸Ｃ２がランス本体２１０の中心軸Ｃ１と所定の角度だけずれているため、ノズル２２０から噴射される噴射体は、鉛直方向の軸に対して傾斜する方向に噴射される。このようにノズル２２０から噴射体が噴射されている際に、ランス本体２１０を回動部２５０により回動させることによって、水平面内における所定の円周上で、噴射体が溶鋼に衝突する衝突位置を時間経過とともに変化させることができる。その結果、溶鋼のスプラッシュによる真空槽の内壁の溶損を均一化することができる。

ここで、上吹きランス２は、大量の噴射体を高い衝突圧力で溶鋼に噴射する巨大な装置であり、ランス本体２１０は大きな体積を有する。また、ランス本体２１０は、一般的に鋼製であるため、非常に大きな質量を有している。このようなランス本体２１０を回動させるためには、モータ２５１としては高出力のものが必要となる。さらに、上吹きランス２の周囲において、追加的な部品が必要となる。例えば、ランス本体２１０を支持する装置をランス本体２１０に対して回動させるための部品が必要となる。そのため、上吹きランス全体を回動させるために設備が大規模になる結果、上吹きランス２をＲＨ装置に導入するための設備費用は高額となる。一方で、本実施形態に係る上吹きランス３では、設備費用を低減し、かつ、ＲＨ装置の寿命の延長が可能となる。

［１．４．第１の実施形態に係る上吹きランス３の構成］
続いて、図４及び図５を参照して、第１の実施形態に係る上吹きランス３を詳細に説明する。図４は、第１の実施形態に係る上吹きランス３の構成を示す模式図である。図５は、同実施形態に係る上吹きランス３の構成を示す底面図である。図４では、上吹きランス３のランス本体の中心軸を通る側断面図を示し、図５では、上吹きランス３の底面図（Ｚ軸の負方向から見た図）を示している。

本実施形態に係る上吹きランス３は、ＲＨ装置において真空槽１２内で還流する溶鋼１３の湯面に対して噴射体を噴射する機能を有する。上吹きランス３は、図４に示すように、ランス本体３１０と、画成部材３３０と、回動部３６０と、を備える。

（１．４．１．ランス本体３１０）
ランス本体３１０は、噴射体を噴射するノズル３２０を下端に有しており、具体的には、下端に開口を有する円筒形状である。ノズル３２０は、略円筒形状を有しており、ＲＨ装置１の真空槽１２内で還流する溶鋼に対して噴射体を噴射する機能を有する。ノズル孔３２１の中心軸Ｃ３は、ランス本体３１０の中心軸と一致し、鉛直方向に延在している。

ランス本体３１０の内周面には、ノズル３２０の上端位置において、下側（ノズル３２０側）の内径よりも上側の内径が大きくなるように段差部３１２が形成されている。ランス本体３１０の内部に形成された空間において、ノズル３２０の上方には、後述する画成部材３３０の円柱部３３１がノズル３２０と接続して設けられる。

円柱部３３１の上方には、ランス本体３１０の内部に形成された空間である導入室３４０が設けられており、導入室３４０の上部は、ランス本体３１０の側部に貫通して形成される導入孔３１１を介してランス本体３１０の外部と連通されている。導入孔３１１は、ランス本体３１０の外部に設置される噴射体の供給源と接続されている。

なお、ランス本体３１０としては、例えば、金属製であり一般的な水冷構造を有するものが挙げられるが、素材や水冷構造の有無について特段制限されるものではない。

（１．４．２．画成部材３３０）
画成部材３３０は、ランス本体３１０の内部に形成された空間において、ノズル３２０の上方にノズル３２０と接続して設けられることによりノズル孔３２１及び導入室３４０と連通し、導入室３４０から供給される噴射体をノズル孔３２１に供給する供給流路を画成する部材である。具体的には、画成部材３３０は、円柱部３３１と、軸部３３２とを有する。

円柱部３３１は、円柱形状を有し、ノズル３２０の上方においてランス本体３１０の内周面と嵌合される。円柱部３３１の下面は段差部３１２に接している。円柱部３３１には、ノズル孔３２１及び導入室３４０と連通された、上下方向に貫通する円柱形状の貫通孔３４１が供給流路として形成されている。貫通孔３４１は、ノズル孔３２１の中心軸Ｃ３から水平方向にずれた位置に形成される。貫通孔３４１は、ノズル３２０との接続部分の開口である供給口３５０を有する。ノズル３２０の上端位置での水平断面において、供給口３５０の面積は、ノズル孔３２１の面積よりも小さい。供給口３５０の中心Ｃ４は、ノズル孔３２１の中心軸Ｃ３から水平方向にずれた位置に存在する。

また、円柱部３３１は、ランス本体３１０との接触部から噴射体が漏れ出ることを防ぐために、ランス本体３１０との接触面にシール部材（図示せず）を装着していることが好ましい。シール部材としては、例えば、耐熱性の高いメタルシールを用いることができ、具体的には、メタルＯリングを用いることができる。また、メタルシールの素材としては特段制限されないが、噴射体に酸素ガスを使用する場合は、耐酸化性を有する素材を用いることが好ましい。メタルシールの素材としては、例えば、オーステナイト系ステンレス、耐熱ステンレス及びインコネル等を用いることが好ましい。

貫通孔３４１は、ノズル孔３２１及び導入室３４０と連通されており、導入室３４０の上部は、ランス本体３１０の側部に貫通して形成される導入孔３１１を介してランス本体３１０の外部と連通されている。導入孔３１１は、ランス本体３１０の外部に設置される噴射体の供給源と接続されている。故に、供給源から供給される噴射体は、導入孔３１１を介して導入室３４０に導入され、導入室３４０から供給流路としての貫通孔３４１を介してノズル孔３２１に供給される。

軸部３３２は、円柱部３３１の上面からランス本体３１０の上端を貫通してノズル孔３２１の中心軸Ｃ３上に延設される。軸部３３２の上端には、後述するように、画成部材３３０を回動させる動力が入力される。

なお、画成部材３３０の素材としては、特段制限されないが、噴射体に酸素ガスを使用する場合は、耐酸化性を有する素材を用いることが好ましく、例えば、オーステナイト系ステンレス、フェライト系ステンレス、マルテンサイト系ステンレス等が挙げられる。

（１．４．３．回動部３６０）
回動部３６０は、モータ３６１と、ギヤ３６２と、ギヤ３６３とを備える。モータ３６１の出力軸にはギヤ３６２が取り付けられている。また、軸部３３２の上端にはギヤ３６３が取り付けられている。このようなギヤ３６２とギヤ３６３とが互いに咬合している。故に、モータ３６１から出力される動力は、ギヤ３６２及びギヤ３６３を介して軸部３３２に伝達される。それにより、画成部材３３０が回動する。

［１．５．第１の実施形態に係る上吹きランス３の動作］
続いて、本実施形態に係る上吹きランス３の動作について説明する。上述したように、供給源から供給される噴射体は、導入孔３１１、導入室３４０及び供給流路としての貫通孔３４１を介してノズル３２０に供給される。ノズル３２０に供給された噴射体は、鉛直方向の軸に対して傾斜する方向にノズル３２０の下端から噴射される。

ここで、本実施形態に係る上吹きランス３において噴射体の噴射方向を制御することが可能になる原理について、図６を参照して説明する。図６は、本実施形態に係る上吹きランス３において噴射体の噴射方向を制御することが可能になる原理について説明するための図である。

図６では、図４と同様に上吹きランス３の側断面図を示すとともに、貫通孔３４１から供給された噴射体１４の挙動を、概念的にハッチングを付して示している。

図６に示すように、貫通孔３４１から供給された噴射体１４は、真空槽１２内が減圧されているため、より流路の広いノズル孔３２１内において膨張する。このとき、噴射体１４は、貫通孔３４１の供給口３５０から等方的に膨張するため、供給口３５０に近いノズル３２０の内側壁では、当該側壁によって噴射体１４の膨張が妨げられることとなり、当該側壁近傍の空間３２２において、他の空間よりも相対的に当該噴射体１４が高圧になる。従って、ノズル孔３２１において、当該空間３２２から当該空間３２２以外の空間に向かって、優先的に噴射体１４が膨張する。つまり、水平面内においては、噴射体１４を供給している貫通孔３４１の供給口３５０に近いノズル３２０の内側壁が存在する方向とは逆方向（図示する例であればＸ軸の負方向）に向かって、優先的に噴射体１４が膨張することとなる。貫通孔３４１からは、元々鉛直下向きに噴射体１４が供給されるため、ノズル３２０の下端、すなわち上吹きランス３の下端において、噴射体１４は、鉛直下向き、かつ、ノズル３２０の当該側壁が存在する方向とは逆方向に向かって（図示する例では、矢印に示すように、Ｚ軸の負方向とＸ軸の負方向とが合成された方向に向かって）、噴射されることとなる。

ところで、画成部材３３０は、回動部３６０によってノズル孔３２１の中心軸Ｃ３を中心として、ランス本体３１０に対して回動可能である。さらに、供給口３５０の中心Ｃ４がノズル孔３２１の中心軸Ｃ３と水平方向にずれた位置に配置されている。そのため、上吹きランス３では、画成部材３３０を回動させることで供給口３５０の位置を変化させることができるため、水平面内における所定の円周上で、噴射体が溶鋼に衝突する衝突位置を時間経過とともに変化させることができる。よって、浸漬管１２１及び浸漬管１２２における溶鋼の上昇及び下降の機能を一定期間ごとに交替した場合にも、上記機能の交換に応じて噴射体の噴射方向を変更した操業をすることができる。よって、溶鋼１３のスプラッシュによって発生する真空槽１２の内壁の溶損を均一化することができる。その結果、ＲＨ装置の寿命の延長が可能となる。

ここで、本実施形態に係る上吹きランス３では、上記のように、ランス本体３１０を回動させることなく画成部材３３０を回動させることによって、噴射体の噴射方向を制御することができる。このため、本実施形態に係るモータ３６１を、例えば、従来の上吹きランス２が備えるモータ２５１と比較して、より低出力なものとすることができる。さらに、上吹きランス３の周囲において、例えば、上吹きランス３を支持する装置に追加的な部品を設けることを省くことができる。よって、設備が大規模になることが抑制され、その結果、本実施形態に係る上吹きランス３は、例えば、従来の上吹きランス２と比較して、設備費用を低減することが可能となる。

本実施形態に係る上吹きランス３では、ノズル孔３２１の中心軸Ｃ３を中心として回動する画成部材３３０は、ノズル３２０の上方に備えられている。そのため、溶鋼１３の熱による画成部材３３０の変形が抑制される。その結果、上吹きランス３は、安定して画成部材３３０を回動させて供給口３５０の位置を変化させることができる。一方で、上記の従来の上吹きランス２では、上吹きランス２の下端が溶鋼１３の熱により変形し、噴射体の噴射方向を制御することが困難になる場合がある。従って、上吹きランス３は、従来の上吹きランス２と比較して、水平面内における所定の円周上で噴射体が溶鋼に衝突する衝突位置を時間経過とともに安定的に変化させることができる。

＜２．第２の実施形態＞
［２．１．ＲＨ装置１の構成］
続いて、本発明の第２の実施形態に係る上吹きランス４について説明する。本実施形態に係るＲＨ装置において、上吹きランス４以外の部分の構成は、第１の実施形態に係るＲＨ装置１の上吹きランス３以外の部分の構成と同様であるため、ここでは詳細な説明は省略する。

［２．２．第２の実施形態に係る上吹きランス４の構成］
図７は、第２の実施形態に係る上吹きランス４の構成を示す模式図である。図７では、上吹きランス４のランス本体の中心軸を通る側断面図を示している。

図７に示すように、上吹きランス４は、第１の実施形態に係る上吹きランス３において、段差部３１２を有していないものに対応する。上記の点以外の上吹きランス４の構成は、第１の実施形態に係る上吹きランス３の構成と同様であるため、ランス本体４１０以外の構成については、ここでは詳細な説明は省略する。

（２．２．１．ランス本体４１０）
ここで、ランス本体４１０の内周面には、ノズル４２０の上端位置において、段差部が形成されておらず、ランス本体４１０の中心軸Ｃ３とノズル孔４２１の中心軸とは一致し、ランス本体４１０の内部に形成された空間は、ノズル４２０のノズル孔と同径である。本実施形態に係る上吹きランス４では、ランス本体４１０に対して、画成部材３３０がノズル４２０を通じて着脱可能となる。そのため、真空槽１２の内壁の溶損の状況に応じて、供給口３５０の位置や面積を変更するなどのために、画成部材３３０を他の画成部材と容易に交換することができる。よって、溶鋼１３のスプラッシュによって発生する真空槽１２の内壁の溶損を更に均一化することができる。その結果、本実施形態に係る上吹きランス４は、第１の実施形態に係る上吹きランス３と比較して、更にＲＨ装置の寿命の延長が可能となる。

なお、ランス本体３１０としては、例えば、金属製であり一般的な水冷構造を有するものが挙げられるが、素材や水冷構造の有無について特段制限されるものではない。

以上説明した構成を有する上吹きランス４においても、上吹きランス３と同様に、画成部材３３０は、回動部３６０によってノズル孔４２１の中心軸Ｃ３を中心として、ランス本体４１０に対して回動可能である。さらに、供給口３５０の中心Ｃ４がノズル孔４２１の中心軸Ｃ３と水平方向にずれた位置に配置されている。よって、上述したように、溶鋼１３のスプラッシュによって発生する真空槽１２の内壁の溶損を均一化することができる。その結果、ＲＨ装置の寿命の延長が可能となる。

また、本実施形態に係る上吹きランス４においても、上吹きランス３と同様に、ランス本体４１０を回動させることなくノズル孔４２１の中心軸Ｃ３を中心として画成部材３３０を回動させることによって、噴射体の噴射方向を制御することができる。その結果、上述したように、本実施形態に係る上吹きランス４は、例えば、従来の上吹きランス２と比較して、設備費用を低減することが可能となる。

さらに、本実施形態に係る上吹きランス４では、ノズル孔４２１の中心軸Ｃ３を中心として回動する画成部材３３０は、ノズル４２０の上方に備えられている。その結果、上述したように、本実施形態に係る上吹きランス４は、従来の上吹きランス２と比較して、水平面内における所定の円周上で噴射体が溶鋼に衝突する衝突位置を時間経過とともに安定的に変化させることができる。

＜３．第３の実施形態＞
［３．１．ＲＨ装置１の構成］
続いて、本発明の第３の実施形態に係る上吹きランス５について説明する。本実施形態に係るＲＨ装置１において、上吹きランス５以外の部分の構成は、第１の実施形態に係るＲＨ装置１の上吹きランス３以外の部分の構成と同様であるため、ここでは詳細な説明は省略する。

［３．２．第３の実施形態に係る上吹きランス５の構成］
図８は、本実施形態に係る上吹きランス５の構成を示す模式図である。図８では、上吹きランス５のランス本体の中心軸を通る側断面図を示している。上吹きランス５は、第１の実施形態に係る上吹きランス３において、段差部３１２と導入孔３１１とを有しておらず、軸部３３２の形状が変更されたものに対応する。本実施形態に係るノズル５２０、円柱部５３１、モータ５６１及びギヤ５６２は、第１の実施形態に係るノズル３２０、円柱部３３１、モータ３６１及びギヤ３６２と同様であるため、ここでは詳細な説明は省略する。

（３．２．１．ランス本体５１０）
ランス本体５１０の内周面には、第２の実施例に係るランス本体４１０と同様に、ノズル５２０の上端位置において、段差部が形成されておらず、ランス本体５１０の中心軸Ｃ３とノズル孔５２１の中心軸とは一致し、ランス本体５１０の内部に形成された空間は、ノズル５２０のノズル孔と同径である。そのため、本実施形態に係る上吹きランス５では、ランス本体５１０に対して、画成部材５３０がノズル５２０を通じて着脱可能となる。

なお、ランス本体３１０としては、例えば、金属製であり一般的な水冷構造を有するものが挙げられるが、素材や水冷構造の有無について特段制限されるものではない。

（３．２．２．画成部材５３０）
本実施形態に係る画成部材５３０は、円柱部５３１と、第１円筒部５３２と、第２円筒部５３３と、を有する。第１円筒部５３２は、円柱部５３１の上面の周縁部から上方に延設され、上面を有し、ランス本体５１０の内周面に嵌合される。第１円筒部５３２は、上面に上面と同心円状の開口部を有し、第２円筒部５３３は、第１円筒部５３２の上面における開口部からランス本体５１０の上端を貫通して上方に延設される。第１円筒部５３２の内部の空間である導入室５４０は、円柱部５３１を上下方向に貫通する円柱形の貫通孔５４１と連通される。また、導入室５４０は、第１円筒部５３２の上面の開口部及び第２円筒部５３３の内部の空間である導入孔５３４を介してランス本体５１０の外部と連通されている。導入孔５３４は、ランス本体５１０の外部に設置される噴射体の供給源と接続されている。故に、供給源から供給される噴射体は、導入孔５３４を介して導入室５４０に導入され、導入室５４０から供給流路としての貫通孔５４１を介してノズル５２０に供給される。本実施形態に係る上吹きランス５では、供給源から供給される噴射体は、完全に密閉された空間である導入室５４０を経由して供給口５５０からノズル５２０に供給される。一方、第１の実施形態に係る上吹きランス３や、第２の実施形態に係る上吹きランス４では、ランス本体と画成部材との接触部におけるシール性が不十分である場合、上吹きランス３及び上吹きランス４が有する導入室３４０は密閉された空間にはならなくなる可能性がある。密閉性が十分でない上吹きランス３及び上吹きランス４では、そのシール性が不十分である部分からノズルへ噴射体が漏れ出ることにより、ノズルから噴射される噴射体の速度が不足する恐れがある。これに対し、本実施形態に係る上吹きランス５では、導入室５４０が完全に密閉された空間であるため、上記のようなノズルから噴射される噴射体の速度が不足する恐れはない。

なお、画成部材５３０の素材としては、特段制限されないが、噴射体に酸素ガスを使用する場合は、耐酸化性を有する素材を用いることが好ましく、例えば、オーステナイト系ステンレス、フェライト系ステンレス、マルテンサイト系ステンレス等が挙げられる。

（３．２．３．回動部５６０）
回動部５６０は、モータ５６１と、ギヤ５６２と、ギヤ５６３とを備える。モータ５６１の出力軸にはギヤ５６２が取り付けられている。また、第２円筒部５３３にはギヤ５６３が取り付けられている。このようなギヤ５６２とギヤ５６３とが互いに咬合している。故に、モータ５６１から出力される動力は、ギヤ５６２及びギヤ５６３を介して第２円筒部５３３に伝達される。それにより、画成部材５３０が回動する。

以上説明した構成を有する上吹きランス５においても、上吹きランス３と同様に、画成部材５３０は、回動部５６０によってノズル孔５２１の中心軸Ｃ３を中心として、ランス本体５１０に対して回動可能である。さらに、供給口５５０の中心Ｃ４がノズル孔５２１の中心軸Ｃ３と水平方向にずれた位置に配置されている。よって、上述したように、溶鋼１３のスプラッシュによって発生する真空槽１２の内壁の溶損を均一化することができる。その結果、ＲＨ装置の寿命の延長が可能となる。

また、本実施形態に係る上吹きランス５においても、上吹きランス３と同様に、ランス本体５１０を回動させることなくノズル孔５２１の中心軸Ｃ３を中心として画成部材５３０を回動させることによって、噴射体の噴射方向を制御することができる。その結果、上述したように、本実施形態に係る上吹きランス５は、例えば、従来の上吹きランス２と比較して、設備費用を低減することが可能となる。但し、第１の実施形態に係る上吹きランス３や、第２の実施形態に係る上吹きランス４と比較すると、画成部材の軽量化が困難であり、設備費の低減効果においては劣る。

さらに、本実施形態に係る上吹きランス５では、ノズル孔５２１の中心軸Ｃ３を中心として回動する画成部材５３０は、ノズル５２０の上方に備えられている。その結果、上述したように、本実施形態に係る上吹きランス５は、従来の上吹きランス２と比較して、水平面内における所定の円周上で噴射体が溶鋼に衝突する衝突位置を時間経過とともに安定的に変化させることができる。

ここで、本願発明に係る上吹きランスの画成部材は、図４、図７及び図８に示したような形状に限られず、種々の形状の画成部材を本願発明に用いることが可能である。画成部材には、ノズルの上方においてランス本体の内周面と嵌合され、ノズルの中心軸から水平方向にずれた位置に上下方向に貫通する貫通孔が供給流路として形成される円柱部と、円柱部の上面からランス本体の上端を貫通してノズルの中心軸上に延設され、上端に回転動力が入力される軸部を備えるものであることが、設備の軽量化の観点から好ましい。

＜４．変形例＞
第１の実施形態及び第２の実施形態では、導入孔は、ランス本体の側面に設けられているが、導入孔の位置は、導入室に噴射体が送入されればよく、例えば、ランス本体の上面から導入室に貫通するように設けられてもよい。

また、第１の実施形態、第２の実施形態及び第３の実施形態では、導入室の形状を略円柱形状としたが、導入室の形状は略円柱形状でなくてもよい。導入室の形状は、噴射体をノズルへ供給する流れを妨げなければ（極端な圧力損失を招かなければ）特段制限されず、例えば、上吹きランスに本発明とは異なる機能を付与するために、部分的に変形するなどしてもよい。

また、第１の実施形態、第２の実施形態及び第３の実施形態では、貫通孔の形状を円柱形であるとしたが、供給口の中心（供給口の形状が円形でなければ供給口の重心）がノズル孔の中心軸と水平方向にずれるように配設されていればよく、貫通孔の形状は円柱形状でなくてもよい。但し、貫通孔が円柱形状であると、噴射体が気体である場合は圧力損失を低減することができ、噴射体が粉体である場合は噴射体による貫通孔の閉塞を抑制することができるので好ましい。

また、第１の実施形態１、第２の実施形態及び第３の実施形態では、ノズルの形状を円筒形状としたが、ノズルの形状は円筒形状でなくてもよい。ノズルの形状は、ノズル孔が上端から下端に向かうにつれて径が大きくなるラバール形状であってもよい。

また、第１の実施形態１、第２の実施形態及び第３の実施形態では、回動部をモータとギヤを有する構成としたが、回動部はモータとギヤを有する構成でなくてもよい。回動部は、画成部材を回動可能であれば特段制限されず、モータとギヤに替えて、種々の公知の技術を採用することができる。

本発明に係る上吹きランスについて数値解析シミュレーションを行い、ノズル孔の中心軸と水平方向にずれた位置に配設された貫通孔を有する上吹きランスによって噴射される噴射体の衝突圧力分布への影響を調査した。

当該数値解析シミュレーションでは、図１に示す真空槽１２を模擬した円筒形状の模擬容器の内部に本発明の実施形態に係る上吹きランス３を配置した数値解析モデルを作成した。供給流路としての貫通孔３４１からこの真空槽１２を模擬した円筒形状の模擬容器の内部に酸素ガスを供給し、当該酸素ガスの挙動を計算によって求め、上吹きランス３からの酸素ガスの衝突圧力分布を調べた。

上吹きランス３は、模擬容器の水平面内における中心に、当該模擬容器の上面から所定の距離だけ下がった位置に当該上吹きランス３の先端が位置するように配置した。また、上吹きランス３は、その先端が鉛直下向きとなるように配置した。貫通孔３４１の供給口３５０の径は３０ｍｍとし、ノズル孔３２１の径は１００ｍｍとした。

上吹きランス３の先端から鉛直方向下向きに１．８ｍ離れた位置に湯面に対応する水平な平面が存在すると仮定し、上吹きランス３から酸素ガスを吹き付けた際の当該平面内での衝突圧力の分布を求めた。当該数値解析シミュレーションでは、貫通孔３４１の供給口３５０を、その供給口３５０の中心がノズル孔３２１の中心軸からＸ軸の負方向に２０ｍｍだけ離れたところに位置するように配置した。

酸素ガスの総供給量は１８００Ｎｍ^３／ｈとした。また、減圧された真空槽１２０内の雰囲気中に酸素ガスが噴射されることを模擬して、模擬容器の内部は４．７ｋＰａとした。

数値解析シミュレーションの結果を図９に示す。図９は、噴射体の衝突圧力分布を示す図である。図９では、ノズル孔３２１の中心軸の位置を原点（Ｘ＝０ｍ）とした。図９に示すように、Ｘ＝０．４ｍの位置で噴射体の衝突圧力が最も高くなり、本実施形態に係る上吹きランス３では、噴射体の衝突圧力が最も高い位置は、ノズルの中心軸からずれた位置となることが分かった。これは、模擬容器内が減圧されているため、例えば図６に示すように、噴射体が貫通孔３４１の供給口３５０から等方的に膨張し、供給口３５０に近いノズル３２０の内側壁で当該側壁によって噴射体の膨張が妨げられ、当該側壁近傍の空間において、他の空間よりも相対的に当該噴射体が高圧になった結果、水平面内において、Ｘ軸の正方向に向かって、優先的に噴射体が膨張したためである。その結果、当該数値解析シミュレーションでは、噴射体は、貫通孔３４１から、元々噴射体が供給される方向であるＺ軸の負方向と、水平面内において噴射体が優先的に膨張する方向であるＸ軸の正方向とが合成された方向に向かって噴射され、衝突圧力が最大となる位置は、ノズルの中心軸からずれた位置となった。

上記のように、供給流路としての貫通孔の供給口の中心がノズル孔の中心軸と水平方向にずれた位置に配設されることで、噴射体をノズル孔の中心軸に対して角度を有する方向に噴射させることが可能である。本発明に係る上吹きランスが有する画成部材は、ノズル孔の中心軸を中心として、ランス本体に対して回動可能である。そのため、上吹きランスでは、画成部材を回動させることで供給口の位置を変化させることができ、水平面内における所定の円周上で、噴射体が溶鋼に衝突する衝突位置を時間経過とともに変化させることができる。

＜５．補足＞
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。

１ ＲＨ装置
２、３、４、５ 上吹きランス
１１ 取鍋
１２ 真空槽
１３ 溶鋼
１２１、１２２ 浸漬管
１２３ 羽口
１２４ 排気ダクト
２１０、３１０、４１０、５１０ ランス本体
２１１、３１１、４１１、５３４ 導入孔
２２０、３２０、４２０、５２０ ノズル
２２１、３２１、４２１、５２１ ノズル孔
３３０、４３０、５３０ 画成部材
２３０、３４０、５４０ 導入室
２５０、３６０、５６０ 回動部
２５１、３６１、５６１ モータ
２５２、２５３、３６２、３６３、５６２、５６３ ギヤ
３３１、５３１ 円柱部
３３２ 軸部
３４１、５４１ 貫通孔
３５０、５５０ 供給口
５３２ 第１円筒部
５３３ 第２円筒部

Claims (3)

1. ＲＨ装置において真空槽内の溶鋼の湯面に対して噴射体を噴射する上吹きランスであって、
   前記噴射体を噴射するノズルを下端に有するランス本体と、
   前記ノズルの上方に前記ノズルと接続して設けられることにより前記ノズルのノズル孔と連通して前記ノズル孔に前記噴射体を供給する供給流路を画成する画成部材と、
   を備え、
   前記供給流路における前記ノズルとの接続部分の開口である供給口の中心は、前記ノズル孔の中心軸から水平方向にずれた位置に存在し、
   前記画成部材は、前記ノズル孔の中心軸を中心として前記ランス本体に対して回動可能である、
   上吹きランス。
2. 前記ランス本体は、下端に開口を有する円筒形であり、
   前記画成部材は、
   前記ノズルの上方において前記ランス本体の内周面と嵌合され、前記ノズル孔の中心軸から水平方向にずれた位置に上下方向に貫通する貫通孔が前記供給流路として形成される円柱部と、
   前記円柱部の上面から前記ランス本体の上端を貫通して前記ノズル孔の中心軸上に延設され、上端に前記画成部材を回動させる動力が入力される軸部と、
   を有する、
   請求項１に記載の上吹きランス。
3. 前記画成部材は、前記ランス本体に対して前記ノズルを通じて着脱可能に設けられる、
   請求項１又は２に記載の上吹きランス。

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