JP2632913B2 - ３重管羽口の溶損防止方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、スクラップなどの固体金属を溶融金属中で
安価な熱源である石炭粉などを用いて溶解し、また同時
に脱炭する方法、あるいは、鉄浴により石炭等を連続的
にガス化する方法等における石炭等と酸化性ガスを同時
に吹込む３重管羽口の溶損防止方法に関するものであ
る。

（従来の技術） 転炉等の反応容器内の溶融金属にスクラップ等の固体
金属を投入して、石炭等の安価な熱源により溶解し、ま
たは同時に脱炭する方法、あるいは、鉄浴反応容器で石
炭等の炭素含有物質を連続的にガス化する方法等におい
て、反応容器の底部または側部から非酸化性搬送ガスと
共に石炭等の炭素質物質を、酸素等の酸化性ガスと羽口
冷却用の非酸化性ガスと同時に溶融金属中へ吹き込む３
重管羽口が従来から知られている。例えば特開昭56−55
528号公報の金属の溶解精錬法において示されている３
重管羽口は、中心管から非酸化性搬送ガスと共に炭素質
粉末を、中間環状部（中間管）から酸化性ガスを、外側
環状部（外管）から冷却用の非酸化性流体を溶融金属中
に吹込むものである。

また、特公昭57−24397号公報の石炭のガス化方法に
おいて示されている３重管は、例えば、中心管から搬送
不活性ガスにより石炭を、中間管から酸素を、外管及び
中心管と中間管の間から保護媒体を吹き込むもの、ある
いは、中心管から酸素を、中間管から保護媒体を、外管
から石炭を吹き込むものである。

而して、このような３重管の構成は、下記〜に示
す理由により、第２図に示すように中心管１から石炭等
の炭素質物質、中間管２から酸素等の酸化性ガス、外管
３から冷却用非酸化性流体を流し、中間管２には、その
通路の均一性、中心管の中心性を保つリブ４が必要であ
る。

石炭と酸素の反応効率を考えると、石炭を酸素が取
り巻く様にすべきである。

羽口溶損の主原因と考えられる酸素の片側、理想的
には両側は非酸化性流体により冷却すべきである。

石炭等の炭素質物質による配管摩耗は非常に大き
く、単期間に孔があく。このため、石炭が通過する管の
みを定期的に交換する必要がある。これらのため、石炭
の通路を中間管、外管に求めるとすれば、摩耗により、
内側と外管の２つの管材を損耗させることになるため、
交換等が困難で、不経済となり、石炭等の炭素質物質
は、中心管を通すべきである。

炉底あるいは炉側から吹込みを行う場合、耐火物の
厚みのため、羽口の長さが1m以上の長い管で構成され
る。従って、中心管がその中心を保ち、中間管の通路が
均一を保ち中間管、中心管を通る流体により中心管が振
動するのを防止するためには、中心管の外側にリブ状の
スペーサーを設置する必要がある。

中間管から多量の流体を流す場合、中間管のリブ
は、スポット的なものでは必要流量を流すには向かず、
ら線状のものでは高圧損となるため、ストレート状のリ
ブが必要であり、リブの高さもかなり高いものが必要で
ある。

（発明が解決しようとする課題） 以上の様な、３重管羽口により転炉等の反応容器の炉
底あるいは炉側より、石炭等の炭素質物質を搬送用非酸
化性ガスと共に中心管から吹込み酸化性ガスをリブによ
り形成された中間管から吹込み、冷却用非酸化性流体を
外管から溶融金属中に吹き込んで、スクラップ等の固体
金属溶解を行い、または、同時に脱炭を行う方法、ある
いは、石炭等の連続ガス化を行う方法等において、羽口
が先行的に溶損する事がある。

周知の事実として、溶液中へガスを吹込むと、気泡後
退現象が起こる。実機においてこの気泡後退により、羽
口及び羽口周辺に力が作用し、羽内周辺へ作用する場
合、羽口周辺耐火物を損傷させ、さらに羽口まで溶損す
る。これを耐火物先行羽口溶損と名付けることとする。
一方、羽口へ気泡後退が作用した時、羽口先の複雑な気
泡挙動により、羽口内へ溶融金属の溶融液滴が侵入す
る。従来のLD−OB法等でもこの現象は見られていて、２
重管であるため中心管の内壁に付着している。

しかし、３重管の場合、中心管へ侵入した溶融液滴
は、石炭により取り除かれるため付着跡は見られず、ま
た、侵入したとしても酸素等の酸化性ガスは存在しない
ので付着溶融液滴が酸素と反応して燃焼することはな
い。しかし、中間管へ侵入した溶融液滴は、酸素等の酸
化性ガスにより、燃焼してしまう。周知の事実として、
酸素が流れている配管中に、可燃性の金属溶融物が存在
する場合、配管を燃焼させてしまう。LD−OB法等の２重
管の場合、溶融液滴が侵入し内壁に付着しても、配管の
熱容量が大きいために付着液滴がすぐ冷却され配管まで
燃焼させることはあまりない。しかし、３重管の中間管
に侵入した溶融液滴はそれが熱容量の小さいリブに付着
した時、液滴もリブも冷却されにくく、リブが燃焼して
しまう。さらにリブが燃焼を始めると、配管まで燃焼し
てしまうことがある。これを羽口先行溶損と名付ける。
つまり大量の酸素を中間管から吹込む３重管羽口は、中
間管にリブを必要とし、このリブに気泡後退現象により
侵入した溶融金属の液滴が付着して、酸素により燃焼
し、羽口を溶損させてしまう。

従来技術の３重管羽口である特開昭56−55528号公報
や、特公昭57−24397号公報においては、中心管を保持
するリブ等の具体的方法は明記されていないが、前述し
た様に1m以上の羽口で、大量の酸素を吹込む場合、どう
してもリブ状のものが必要であり、羽口先行溶損の問題
が発生する。

（課題を解決するための手段） 本発明は、上記問題を有利に解決する方法を提供する
ものである。

即ち、本発明は、転炉等の反応容器の底部あるいは側
部に設けた３重管からなる羽口を用い、リブを有する中
心管から非酸化性ガスと共に炭素質物質を、中間管から
酸化性ガスを、外管から冷却用非酸化性流体を溶融金属
中に吹き込むに当り、酸化性ガスを吹込む中間管の相当
直径を下記式で示す様に選択するを特徴とする３重管羽
口の溶損防止方法である。

ｄ≦20・γ_ｇ ^1/6・γ_Ｌ ^−2/9・Ｑ^1/3 …（式） ただし、 d:中間管羽口断面積相当直径（mm） γ_g:中間管吹込ガス比重量（kg/Nm³） γ_L:溶融金属比重量（kg/m³） Q:中間管吹込ガス流量（Nm³/H） 尚、ここで中間羽口断面積相当直径ｄは、輪状の断面
積を円に置き変えた時の直径である。

（作用） 本発明者らは前述した羽口先行溶損を防止するため、
まず模型実験により気泡後退（バックアタック）現象の
解明を行った。羽口から溶液中に吹き込まれたガスの挙
動を高速度ビデオで観察した。第３図（ａ）では羽口５
から吹込まれたガスジェット６は正常であるが、ガスジ
ェットの噴出力が下ると第３図（ｂ）のように、ガスジ
ェット６にくびれ７が生じ、これが進行して第３図
（ｃ）に示すごとくガスジェットが切断されガスジェッ
ト６と離脱した気泡８間に液が置換し、ガスジェット６
が羽口側に後退するバックアタック現象が見られる。以
上の現象の観察結果から、羽口先行溶損の原因となる液
滴侵入のメカニズムは、第４図に示す様に、気泡が離脱
した直後の液置換により、羽口先気泡の浮力F_gに対する
反力とジェットの慣性力F_iの反力の一部が、バックアタ
ック力として羽口先に作用する時、ガスジェットの慣性
力がバックアタック力より小さい時に羽口内へ液滴が侵
入する現象と考える。そこで、このバックアタック力を
羽口先に配置した圧力センサーにより圧力P_Bとして測定
した。

この結果、同一吹込ガス量の場合、羽口径が大きくな
ると、羽口直上に生成される気泡径が大きくなり、バッ
クアタック圧力が大きくなること、吹込ガス量の増加と
ともに、バックアタック圧力が大きくなることなどが判
明した。又、３重管の中間管のバックアタック力は、断
面積相当直径で評価すると２重管と同じように評価でき
る事が判った。

ここで中間管の断面積相当直径とは、第２図に示す中
間管２の輪状の断面積をＡとし、断面積相当直径をｄと
すれば で求められる。即ち輪状の断面積Ａを円に置き換えた時
の直径を意味する。

前記説明のようにバックアタック現象の支配要因は、
羽口径に比例する気泡の浮力、ガスジェットの慣性力と
考えられ、これらの実験結果を整理した結果、バックア
タック圧力P_Bは（１）式の様に表わすことができた。

P_B＝5.03・γ_Ｌ・ｄ^1/2・γ_ｇ ^1/4・Ｑ^1/2（kg/m²） …（１）式 ただし、γ_Ｌは液比重（kg/m³），γ_ｇはガス比重（k
g/Nm³）,dは羽口断面積相当直径（ｍ）,Qは吹込ガス量
（Nm³/S）である。

ここで、実湯におけるバックアタック力は、模型実験
におけるバックアタック力よりも大きくなる。すなわ
ち、浴温や反応による気泡の体積膨張があるためで、こ
の値をＫとすると、Ｋは理論上約5.1である。模型実験
の結果から、ジェットの慣性力がバックアタック力より
小さい時に羽口内へ液滴が侵入することが羽口先行溶損
のメカニズムと考えた。これから実湯における液滴侵入
防止条件は、（２）式で表わされる。

実機のバックアタック力 ＝模型実験のバックアタック×Ｋ≦ジェットの慣性力…
（２）式 そこで、実機における羽口先行溶損を第１図の様に整
理すると、溶損境界のＫ値として６〜７を得た。この値
は、理論値Ｋ＝5.1に比較的近い、すなわち、液滴侵入
による羽口先行溶損防止条件は、（２）式であると考え
て良く、Ｋの値は理論上5.1であるが、実際には、バラ
ツキも含めてＫ＝７であり、Ｋ＝７以上であれば、液滴
侵入による羽口先行溶損はないと言える。

ジェットの慣性力F_iはF_i＝γ_ｇ・Ｑ・u/gと表わされ
るので、（１）式と（２）式およびＫ＝７から（３）式
を得る。

ｄ≦20・γ_ｇ ^1/6・γ_Ｌ ^−2/9・Ｑ^1/3 …（３）式 ただし d:中間管羽口断面積相当直径（mm） γ_g:中間管吹込ガス比重量（kg/Nm³） γ_L:溶融金属比重量（kg/m³） Q:中管間吹込ガス流量（Nm³/H） すなわち、本発明は転炉等の反応容器において固体金
属を溶解する方法、または、石炭等をガス化する方法等
で、反応容器の底部あるいは、側部に設けた３重管から
なる羽口を用い、中心管から非酸化性ガスと共に炭素質
物質を、中間管から酸化性ガスを、外管から冷却用非酸
化性流体を溶融金属中に吹き込む方法において、酸化性
ガスを吹込む中間管の相当直径を（３）式で示す様に選
択することで、羽口先行的溶損を防止することを特徴と
する３重管羽口における羽口溶損防止方法である。

必要吹込み酸素量が決まると、（３）式によって酸素
吹込み中間管の相当直径が決まる。すなわち、LD−OB法
等の２重管では溶銑等の差込みを防止する吹込ガス量と
羽口径の関係が言われているが、それから３重管を推定
することは、代表径ｄを何にすれば良いか不明であり、
困難であった。しかし、本発明では、溶融金属の液滴が
侵入しないように（３）式から、吹込流量に見合った相
当羽口径を選択することにより、羽口先行溶損を防止す
るものである。

本発明において、羽口は円形としているが、円形以外
においても同様である。

（実 施 例） 次に本発明の実施例を示す。転炉底部に取付けた３重
管羽口の中間管から酸素を吹込み、中心管から吹込まれ
た石炭とともに、溶銑中に投入されたスクラップを溶解
した。この時、羽口一本当りの酸素量を1285Nm³/Hと
し、酸素流速を498Nm/Sとして中間管の相当直径が30.2m
mの羽口を設計した。この時の前述Ｋ値は9.3である。こ
の羽口は、25チャージ終了後引き抜いた結果、耐火物先
行溶損による先端の溶損以外は認められずまた、液滴侵
入も認められなかった。

比 較 例 転炉底部に取付けた３重管羽口の中間管から酸素を吹
込み、中心管から吹込まれた石炭とともに、溶銑中に投
入されたスクラップを溶解した。この時、羽口一本当り
の酸素量を1285Nm³/Hとし、酸素流速を410Nm/Sとして中
間管の相当直径が33.3mmの羽口を設計した。この時の前
述Ｋ値は6.0である。この羽口は、25チャージ終了後引
抜いた結果、明らかにリブ及び中心管が燃焼状態で溶損
していた。また中間管内部を観察すると、溶接のスパッ
タ状の溶銑液滴がかなり奥まで侵入していた。

（発明の効果） 羽口先行溶損は、突発的に発生し、羽口が溶損すると
操業がストップしてしまう。すなわち、転炉等の反応容
器における固体金属溶解法、あるいは、石炭等のガス化
法等において、羽口先行溶損は致命的事故であり、羽口
先行溶損を防止することは、操業の安定化、プロセスの
確立、コストの削減等の意味からきわめて重要である。

前述した実機テストにおいて、羽口溶損が発生した場
合、全てがストップし、新しい羽口に取換えるまで、下
工程の生産までもストップするという結果となり、本発
明による羽口先行溶損を防止する効果は、はかり知れな
いものがある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の説明図、第２図は、３重管の説明
図、第３図は、バックアタックの説明図、第４図は、バ
ックアタックによる液滴侵入の説明図である。 １……中心管、２……中間管 ３……外管、４……リブ ５……羽口、６……ガスジェット ７……くびれ、８……気泡

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−232207（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−109918（ＪＰ，Ａ) 実開 昭59−160548（ＪＰ，Ｕ) 特公 平４−38818（ＪＰ，Ｂ２) 特公 平４−38819（ＪＰ，Ｂ２) 実公 平４−26447（ＪＰ，Ｙ２)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】転炉等の反応容器の底部あるいは側部に設
   けた３重管からなる羽口を用い、中心管から非酸化性ガ
   スと共に炭素質物質を、リブを有する中間管から酸化性
   ガスを、外管から冷却用非酸化性流体を溶融金属中に吹
   き込むに当り、酸化性ガスを吹込む中間管の相当直径を
   下記式で示す様に選択することを特徴とする３重管羽口
   の溶損防止方法 ｄ≦20・γ_ｇ ^1/6・γ_Ｌ ^−2/9・Ｑ^1/3 …（式） ただし、d:中間管羽口断面積相当直径（mm） γ_g:中間管吹込ガス比重量（kg/Nm³） γ_L:溶融金属比重量（kg/m³） Q:中間管吹込ガス流量（Nm³/H）