JP2024500653A - 金属浴中の溶融金属および／またはスラグを処理するための方法、および溶融金属を処理する金属プラント - Google Patents

Abstract

金属浴中の溶融金属（４）および／またはスラグを処理のための方法であって、溶融浴へのプロセスガスの導入を含み、ここで、プロセスガスが超音速に加速され、少なくとも１つの超音速ノズル（６）によって溶融浴の表面（５）より下において、溶融金属（４）の液相に、および／またはスラグ（１３）に、および／または溶融金属とスラグ（１３）間の相境界（１４）の領域に、超音速で導入されることを特徴とする。本発明は、さらに、溶融金属を処理するための金属プラントに関する。

Description

本発明は、溶融浴にプロセスガスを導入することを含む、金属浴中（治金浴中）の溶融金属および／またはスラグを処理する方法に関する。本発明は、さらに、溶融容器と、溶融金属および／またはスラグをガス化する手段を有する、溶融金属を処理するための金属プラントに関する。

金属プラント（治金プラント）においては、溶融金属の処理に、プロセスガス、例えば、空気、酸素、窒素、アルゴン、炭化水素、水素などが用いられる。例えば、これらのプロセスガスによる処理は、溶融金属中の不要な付随元素を酸化するか、または金属および／またはスラグを還元することを意図している。

電気アーク炉における金属および溶融金属の高温冶金処理において、酸素リッチガスおよび／または炭素含有粒子を、スラグ／発泡スラグ層に吹き込み／注入することが知られている。ＥＰ１４６６０２２Ｂ１からは、例えば、金属、溶融金属および／またはスラグの高温冶金処理のための方法が知られており、この方法においては、酸素含有ガスが噴射装置の助けを借りて超音速に加速され、噴射装置から出る高速ジェットは、溶融金属の高温冶金処理に使用されている。高速ジェットは、高速ジェットを包む高温ガスのガスジャケットによって保護されており、高速ジェットは、中央の高速ジェットと高温ガスジャケットのジェット間の相対速度および運動量の交換が最小になるように高速ジェットに供給される。中央の酸素リッチなガスジェットを、可能な限り低い運動量損失を有する高温ガスで被覆するこの方法は、溶融金属の上のスラグ層へのガスジェットの長さと浸透深さを最大にして、スラグ層の集中的な混合および撹拌をもたらす。ＥＰ１４６６０２２Ｂ１に記載された方法においては、ガスジェットを上方からスラグ上に吹き付け、スラグと金属の間の境界層に吹き込む。

ＷＯ２０１９／１５８４７９Ａ１は、転炉において溶融金属を処理するための方法であって、水冷ランスによって溶融浴の表面に上方から純酸素を高圧かつ超音速で供給し、スラグ内に空洞を形成するプロセスを開示する。

上述した文脈での超音速噴射装置の使用は、多くの刊行物、例えばＥＰ０９６４０６５Ａ１から知られている。

プロセスガスを溶融浴の表面下の溶融金属に導入して、プロセスガスがそこで液体金属またはスラグと直接反応できるようにすることも、当技術分野では知られていることである。これらのガスの導入は、例えば、いわゆるボトムフラッシャまたはサイドウォールフラッシャによって行うことができる。このサブバスガス処理では、気泡の形で、あるいは溶融物の液相に入る閉じたガスジェットの形で、プロセスガスを導入する。アンダーバスガス処理におけるガスジェットの噴射は、音速以下の速度で行われる。多くの用途において、プロセスガスが溶融金属に入る領域では、浄化剤の過成長など、望ましくない副作用が発生する。さらに、溶融容器の耐火物は、ガス入口の上方で摩耗の増加にさらされる。

原則として、プロセスガスの溶融金属への浸透深度が高く、溶融金属内へのガスの進入による攪拌効果が得られることが望ましい。

ＥＰ１４６６０２２Ｂ１ ＷＯ２０１９／１５８４７９Ａ１

したがって、本発明は、上述の欠点を回避する上述のタイプの方法を提供することを課題としている。

本発明の基礎となる課題は、請求項１の特徴を有する方法、および請求項１０の特徴を有する金属プラントの提供により解決される。本発明の有利な実施形態は、従属請求項によりカバーされる。

本発明の一態様は、金属浴中の溶融金属および／またはスラグの処理のための方法であって、溶融浴へのプロセスガスの導入を含み、プロセスガスが超音速に加速され、少なくとも１つの超音速ノズルによって溶融浴の表面より下に、溶融金属の液相に、および／またはスラグに、および／または溶融金属とスラグ間の相境界の領域に、超音速のうちに導入されることを特徴とする、処理方法に関する。

本発明で使用する溶融浴という用語は、溶融金属と溶融金属中に浮遊するスラグ液滴の両方、および溶融金属上のスラグを含む。本発明による手順は、超音速速度へのプロセスガスの加速が、溶融金属の液相へのプロセスガスの出口インパルスを著しく増加させ、その結果、プロセスガスまたは超音速ガスジェットの溶融金属へのより大きな浸透深度をもたらすという特別な利点を有する。溶融金属へのプロセスガスの高い出口インパルスにより、溶融金属を受け入れる金属容器の耐火材料の摩耗の増加も回避される。より高い出口インパルスは、溶融金属を貫通するガスジェットから個々の気泡（ガスバブル）が離脱する領域を、容器壁からさらに遠ざける。このため、容器壁に対するガスジェットの付随的なバックアタックが減少し、耐火物の摩耗が抑制される。超音速でプロセスガスを導入すると、溶融金属に乱れが生じ、その結果、溶融金属が攪拌される。溶融金属やスラグに入るプロセスガスの運動量が高くなるため、溶融金属やスラグが逆流しにくくなる。これにより、使用する超音速ノズルでの目詰まりのリスクを低減することができる。プロセスガスと溶融金属の間の高いせん断力は、さらに一次気泡のより大きな破壊を生じ、気泡サイズを小さくするため、ガス気泡の総表面積を増加させることにつながる。その結果、プロセスガスの高排出量につながる。

プロセスガスとしては、空気、酸素、窒素、アルゴン、炭化水素（Ｃ_ｘＨ_ｙ）および水素からなる群から選択されるガスが適切に提供される。

本発明に係る方法の好ましい変形例においては、複数の超音速ノズルを用いて、プロセスガスが溶融浴中の複数のポイントで導入されることが提供される。

当該プロセスガスは、溶融浴の表面に対して異なる高さで溶融金属に導入することができる。

本発明による方法の有利な変形例においては、少なくとも１つの超音速ノズルが、収束ノズル部分と発散ノズル部分を有するＬａｖａｌ超音速ノズル（ラバル超音速ノズル）として設計されていることが提供される。ノズルの収束部においては、直径が連続的にテーパー状になっており（連続的に減少し）、これにより、最も狭い断面で音速に達するまでガス速度が上昇し、圧力が低下する（マッハ数は１に等しい）。ノズルの発散部においては、その直径は着実に大きくなり、プロセスガスはさらに加速され、圧力はさらに低下する。その結果、ガスは局所的な音速を越えて加速される。

超音速ノズルの収束部および超音速ノズルの発散部の両方は、ベル形状の輪郭を有することができ、それにより、超音速ノズルの収束部および発散部のベル形状の輪郭は、ノズルの喉部で互いに連続して合流する。このような形状または輪郭は、ノズルが誤作動なく、摩耗が少なく使用できること、およびノズル出口におけるジェットインパルスが最大であることを確実にし、ガスジェットの大きな超音速長が実現される。

原則として、超音速ノズルは、プロセスガスの入口圧力、体積流量および溶融金属内の周囲圧力に関して、１つの作動点に対してのみ設計することができる。好ましくは、超音速ノズルのこのガス力学的設計点は、超音速ノズルの出口断面でのプロセスガスのガス圧が溶融金属内の周囲圧力に対応するように選択されるとよい。超音速ノズルの入口断面におけるプロセスガスのガス圧を、超音速ノズルの出口断面におけるプロセスガスのガス圧が溶融金属内の周囲圧に対応するように設定すると、超音速ノズルは設計点で作動する。

超音速ノズルの設計は、好ましくは、等エントロピー電流スレッド理論（ｄｅｒ ｉｓｅｎｔｒｏｐｅｎ Ｓｔｒｏｍｆａｄｅｎｔｈｅｏｒｉｅ）に従って、または特性法の助けを借りて行われる。本発明による方法のための設計の目的は、超音速ノズルの出口面積を、先行技術で使用されている亜音速ノズルの出口面積と同じ大きさにすることである。同じ出口断面でも、適切に設計された超音速ノズルは、より高い出口インパルス力を発生させる。この力は、以下から生じる：
Ｆ_{出口パルス}＝ρｕ^２Ａ ［Ｎ］、
ここで、ρはノズル出口でのガス密度、ｕはノズル出口でのガス速度、Ａは超音速ノズルの出口直径である。

特性法は、以下に示す静止した等エントロピー、回転対称のガス流のガス力学的偏微分方程式を解く数学的方法である：

ここで、マッハ線、すなわち音速で伝播し、局所速度ベクトルに対してある角度で配置される弱い圧力障害の線を基礎として、いわゆる右手特性、左手特性がとらえられる。これらの特性線（特性）に沿って、上記の微分方程式の解析的解が可能であり、したがって既知である。

本発明による方法で使用する超音速ノズルの設計に適した特性法は、例えば、ＥＰ２５５３１２７Ｂ１に開示されている。

本発明による方法の変形例においては、少なくとも１つの超音速ノズルが、ガス力学的設計点の外で作動することが提供され得る。例えば、プロセスガスが溶融金属中で過小膨張または過大膨張するように超音速ノズルが作動され、これにより溶融金属中で膨張波、および、斜めまたは垂直圧縮ショックが発生することが規定され得る。その結果、溶融金属中でポンプ運動が発生することができる。プロセスガスの過大膨張は、プロセスガスが設計上の入口圧力よりも低い圧力（入口圧力）で超音速ノズルに供給される場合に発生する。プロセスガスの過小膨張は、超音速ノズルの入口断面におけるプロセスガスの入口圧力が、設計上の入口圧力よりも高い場合に発生する。一方および他方の動作モードでは、膨張波および圧縮ショックの形で溶融金属内に複雑な外乱パターン（ダイアモンドパターン）が形成され、本発明による方法は、これを利用して溶融金属内の攪拌効果を実現する。

本発明による方法のさらに有利な変形例においては、少なくとも１つの超音速ノズルが、動作中にプロセスガスの体積流量および／または圧力を変えることによって作用し、超音速ノズルのそのような拍動動作によって、有利なポンプ効果をもたらし、したがって溶融金属内の集中的な混合が生じるようにすることが可能となる。

複数の超音速ノズルが金属容器の上または中で、融解浴表面に対して異なる位置、異なる高さに配置されている場合、例えば、それぞれ異なる作動点、すなわち異なる直径を有するように設計することができる。

金属容器の個々の超音速ノズルを個別に制御でき、それによって体積流量や圧力を変化させることができる。このようにして、この方法は、異なる金属容器の異なる形状を考慮することができる。

このプロセスガスは、異なる角度で下方および／または側方から垂直に金属容器に導入することができる。

プロセスガスは、溶融金属および／またはスラグの液相に直接導入することもできるし、または溶融金属とスラグの相境界の領域に代替的または追加的に導入することができる。いずれにしても、本発明による方法の本質的な特徴は、プロセスガスが浴下（アンダーバス、Ｕｎｔｅｒｂａｄ）に導入されることである。

本発明による方法は、金属手術用容器の使用を含み、例えば、コンバーター（転炉、変換器）、レードル（取鍋炉）、電気アーク炉などの形態であり、容器の壁および／または底部を通過する複数の超音速ノズルを有する。

例えば、ピアスミス転炉（Ｐｉｅｒｃｅ Ｓｍｉｔｈ Ｋｏｎｖｅｒｔｅｒ）を金属容器として使用することができる。このような転炉は、溶融金属を保持するための回転可能なシリンダを備える。シリンダを回転させることで、超音速ノズルを、例えばスラグと溶融物の相境界の領域にプロセスガスを導入できるように配置することができる。これにより、ガス処理の強化を図ることができる。

本発明のさらなる態様においては、溶融金属および／またはスラグをガス化するための手段を備えた金属容器を有する溶融金属の処理のための金属プラントに関し、溶融金属をガス化するための手段が、金属容器の底部および／または壁内にある少なくとも一つの超音速ノズルを含み、溶融金属へのプロセスガスの浴下導入を実施できるように、溶融金属の表面に対して配置されていることを特徴としている。

有用なことに、複数の超音速ノズルは、溶融容器の少なくとも１つの交換可能なカセットに配置される。カセットは、複数の超音速ノズルが所定のパターンで配置されたノズルアレイを有していてもよい。このようにすれば、複数の超音速ノズルを迅速かつ容易に取り付けおよび取り外すことができる。１つまたは複数のカセットにおける超音速ノズルの配列およびカセットの数は、適用方法の種類に依存する。

本発明によるシステムの有利な変形例においては、カセット内の複数のノズルを、溶融金属に供給されるプロセスガスの異なる体積流量のために設計することができる。

以下、添付図面を参照しながら、本発明を説明する。

図１は、本発明による金属容器の側壁に設けられた超音速ノズルの配置を示す模式図を示す。
図２は、本発明によるピアスミス転炉の形態の金属容器を模式的に示す図である、
図３は、本発明による設計点で作動する超音速ノズルから出るプロセスガスの速度プロファイルを示す説明図である。
図４は、図２に対応する図であり、超音速ノズルの過膨張動作時に溶融金属内で流出するプロセスガスが発生する波形を示す図である。
図５は、図２に対応する図であり、超音速ノズルの過小膨張動作時に溶融金属内で流出するプロセスガスが発生する波形を示す図である。

図１は、本発明によるプラントの金属容器１を示し、これは、耐火材料で裏打ちされた底部２および側壁３を含む。金属容器１には溶融金属４が満たされており、その中に、本発明によれば、プロセスガスが、例えば純酸素の形態で、浴下中の溶融プール表面５の下に導入される。この目的のために、特定の出口直径Ｄを有する超音速ノズル６が、金属容器１の側壁３に設けられる。金属容器１は、例示的な理由のために簡略化した形でのみ示されている。それは、異なる位置で金属容器１の側壁３または底部２に入れられる複数の超音速ノズル６を含むことができる（側壁リンサー（Ｓｅｉｔｅｎｗａｎｄｓｐｕｅｌｅｒおよび／または底部リンサーＢｏｄｅｎｓｐｕｅｌｅｒ）。超音速ノズル６によって金属容器１内に導入されたガスジェット７は、溶融金属４内で広がる周囲圧力に対応するガス圧で超音速ノズル６から出現する。ガスジェット７は、ガスの超音速により、亜音速を有するガスジェットの浸透深度よりも有意に高い浸透深度Ｊを有する。

本発明に従って使用される超音速ノズル６は、ベル形状の収束ノズル部分１０および対応するベル形状の発散ノズル部分１１を有するＬａｖａｌ超音速ノズルとして設計することができ、収束ノズル部分１０は、ノズル喉部１２の領域において発散ノズル部分１１に連続して合流している。収束ノズル部１０の最大径は超音速ノズル６の入口断面９を決定し、一方、発散ノズル部１１の最大径は超音速ノズル６の出口断面８を決定している。

図２は、本発明による方法を実施するための金属容器１の変形例を示し、この金属容器は、ピアスミス転炉として設計されている。金属容器は、長手方向軸を中心に回転可能なシリンダとして設計されており、その側壁３は、少なくとも１つの超音速ノズル６によって貫通されており、超音速ノズル６は、ガスジェット７が、溶融金属４の液相に、またはスラグ１３に、または溶融浴の表面５下の溶融金属４とスラグ１３との相境界１４の領域に、超音速で液体中に導入できるように側壁３内に配置される。図２に示す金属容器１の変形例では、図１で使用した参照符号を対応する特徴に使用し、それによって、図１による金属容器１とは対照的に、側壁は、金属容器が円筒形のシェル表面および端面から構成されているので、区別された底部を構成せず、シェル表面は、上記では側壁３と称されている。

図３～図５は、本発明による金属プラントの異なる運転モードを示す。

図３は、設計点で作動する超音速ノズル６におけるガスジェット７の速度プロファイルを示す。この運転モードでは、超音速ノズル６の出口断面８における圧力ｐ１は、溶融金属中における圧力ｐ∞に対応する。入口圧力ｐ０は、設計入口圧力ｐ０に対応する。超音速ノズルの出口断面８では、均一で均質な速度プロファイルが確立される。

図４に示された超音速ノズル６の動作の変形例においては、プロセスガスの入口圧力ｐ０は、設計入口圧力ｐ０より低くなるように選択される。超音速ノズル６の出口断面８では、プロセスガスの対応する低い圧力ｐ１があり、これは溶融金属４の周囲圧力ｐ∞よりも低い。その結果、溶融金属４において一連の圧縮波および膨張波が発生し、圧縮ショックおよび膨張波の形態で図示の変調パターンを生成する。図３に示す超音速ノズル６の動作の変形は、過膨張動作と称される。

最後に、図５は、過小膨張動作時に生じる、超音速ノズル６における溶融金属４内のガス流の変調パターンを示す。超音速ノズル６のこの運転モードでは、プロセスガスの入口圧力ｐ０が設計入口圧力ｐ０よりも大きくなる。この結果、超音速ノズルの出口断面８におけるプロセスガスの圧力ｐ１は、溶融金属４内の周囲圧力ｐ∞よりも大きくなり、これにより、溶融金属４内でプロセスガスの後膨張が生じる。

参照符号の一覧
１ 金属容器
２ 金属容器の底部
３ 金属容器の側壁
４ 金属溶融
５ 溶融プール表面
６ 超音速ノズル
７ ガスジェット
８ 超音速ノズルの出口断面
９ 超音速ノズルの入口断面
１０ 超音速ノズルの収束部
１１ 超音速ノズルの発散部
１２ ノズル喉部
１３ スラグ
１４ 相境界
Ｊ ガスジェットの浸透深度
ｐ０ プロセスガスの入口圧力
ｐ１ 超音速ノズルの出口断面におけるプロセスガスの圧力
ｐ∞ 溶融金属中の圧力

Claims (12)

1. 金属浴中の溶融金属（４）および／またはスラグを処理のための方法であって、
   溶融浴へのプロセスガスの導入を含み、ここで、プロセスガスが超音速に加速され、少なくとも１つの超音速ノズル（６）によって溶融浴の表面（５）より下において、溶融金属（４）の液相に、および／またはスラグ（１３）に、および／または溶融金属とスラグ（１３）間の相境界（１４）の領域に、超音速で導入されることを特徴とする、前記方法。
2. 複数の超音速ノズル（６）を用いて、プロセスガスが溶融浴中の複数のポイントで導入されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記プロセスガスが、溶融浴（５）の表面に対して異なる高さで溶融金属（４）に導入されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 少なくとも１つの超音速ノズルが、収束ノズル部分（１０）と分岐ノズル部分（１１）を有する超音速ノズルとして設計されていることを特徴とする、請求項１～３のいずれか１つに記載の方法。
5. 少なくとも１つの超音速ノズル（６）のこのガス力学的設計点が、超音速ノズル（６）の出口断面（８）におけるプロセスガスのガス圧力が溶融金属（４）内の周囲圧力に対応するように選択されることを特徴とする請求項１～４のいずれか１つに記載の方法。
6. 少なくとも１つの超音速ノズル（６）がガス力学的設計点の外で作動されることを特徴とする、請求項１～５のいずれか１つに記載の方法。
7. 少なくとも１つの超音速ノズル（６）が、作動中に変化するプロセスガスの体積流量および／または圧力によって作用することを特徴とする、請求項１～６のいずれか１つに記載の方法。
8. プロセスガスが、金属容器（１）内に下方および／または側方から垂直に導入されることを特徴とする、請求項１～７のいずれか１つに記載の方法。
9. 容器の壁および／または底部を通過する複数の超音速ノズル（６）を有する金属容器（１）を使用することを特徴とする、請求項１～８のいずれか１つに記載の方法。
10. 溶融金属（４）および／またはスラグにガスを導入するための手段を備えた金属容器（１）を含む溶融金属を処理するための金属プラントであって、
    溶融金属にガスを導入するための手段が、溶融容器の底部（２）および／または壁内に少なくとも一つの超音速ノズル（６）を有し、このノズルは、溶融金属（４）および／またはスラグ（１３）に、および／または溶融金属とスラグ（１３）間の相境界（１４）の領域に、プロセスガスの浴下導入が可能であるように、溶融浴面（５）に対して配置される、前記金属プラント。
11. 請求項１～９のいずれか１つに記載の方法を実施するための、請求項１０に記載の金属プラント。
12. 複数の超音速ノズル（６）がそれぞれ金属容器（１）の交換可能なカセットに配置されていることを特徴とする、請求項１０または１１に記載の金属プラント。

Images