JP2908268B2

JP2908268B2 - 酸素吹き込み用ランス

Info

Publication number: JP2908268B2
Application number: JP7014168A
Authority: JP
Inventors: 浩志岡本; 信元高柴
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1995-01-31
Filing date: 1995-01-31
Publication date: 1999-06-21
Anticipated expiration: 2014-06-21
Also published as: JPH08209221A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、金属材料の溶解、溶融
金属の昇温・精錬等に用いられる炉、特に溶銑を使用す
る電気炉に酸素を吹き込むためのランスに関する。

【０００２】

【従来の技術】電気炉としては、直流電気炉と交流電気
炉とが知られている。前者は、炉内に装入された金属材
料の上方に設けられた上部電極と、炉底あるいは側壁等
に設けられた下部電極との間に電流を流して発生したア
ークを熱源として金属の溶解、溶融金属の精錬等を行う
ものである。一方、後者は、前記金属材料の上方に設け
られた３本の電極間に電流を流して発生したアークを熱
源として金属材料の溶解、溶融金属の精錬等を行うもの
である。

【０００３】この種の電気炉においては、金属材料の溶
解促進、溶融金属の精錬等を行うためにランスを用いて
炉内の溶融金属に酸素や粉体を吹き込む作業が一般に行
われている。従来のランスとしては、例えば、実開平２
−３８４５７号公報に記載のものが知られている。この
ランスａは、図１０に示すように、自走台車ｂに搭載さ
れて電気炉ｃの側壁から炉ｃ内に挿入されたもので、該
ランスａの先端部には一個の酸素吹き込み用ノズルｄが
形成されている。

【０００４】ところで、このランスａは、通常、４０Ａ
程度の小径のパイプが用いられている。従って、酸素吹
き込み用ノズルｄのノズル内背圧（ノズル出口側のガス
圧力）を臨界圧（ノズル内圧力／雰囲気圧力＞１．８
９）に維持するにはパイプ内の酸素流量が極めて多くな
って現実的でないので、ノズル内背圧を臨界圧以下、す
なわち、ノズルｄからの酸素噴射速度を音速以下にして
いる。そして、酸素噴射速度が音速以下であることと上
述したようにノズルｄの数が一個であることから、酸素
の利用効率をあげるためにランスａの先端部を溶融金属
ｅに浸漬して該溶融金属ｅ内で酸素ジェットを噴射して
いる。

【０００５】しかしながら、このようにランスａの先端
部を溶融金属ｅに浸漬すると、溶融金属ｅの熱によって
ランスａが次第に消耗してしまうので自走台車ｂに新た
なランスａを供給しなければならず、ランスａの供給作
業が面倒になると共に供給する新たなランスａのコスト
も多大なものとなる不都合がある。また、ランスａの先
端が熱で曲がって上方に酸素ジェットが噴射されるよう
な状況になると炉壁が熱負荷に耐えられなくなって炉壁
の損傷を招き炉の操業ができなくなるという不都合があ
る。

【０００６】そこで、このような不都合を解消するため
に、特開平６−１９２７１８号公報に記載の水冷式ラン
スが提案されている。この水冷式ランスｆは、図１１に
示すように、電気炉ｃの側壁に設けられた作業口ｇから
炉内に挿入されたものであり、挿入状態では溶融金属ｅ
表面の上方に配置されている。また、ランスｆの先端部
には溶融金属ｅの表面に向けて酸素ジェットを超音速で
噴射する末広がり形状のラバール形ノズルｈが形成され
ている。ここで、ラバール形ノズルｈとは、図１２に示
すように、断面形状を末広がり形状とすることにより、
通常のストレート形ノズルや断面急拡大ノズルでは達成
できなかった超音速での酸素ジェットの噴射を可能にし
たものである。このように、水冷式ランスｆは、ラバー
ル形ノズルｈを用いて酸素ジェットを超音速で噴射する
ことにより、溶融金属ｅへの酸素供給量を増大して、換
言すれば、酸素の利用効率を高めて溶融金属ｅの上方位
置からの酸素噴射を可能にし、これにより、ランスｆの
先端部を溶融金属ｅに浸漬しなくて済むようにして上述
した不都合を解消している。

【０００７】また、溶融金属の精錬を行う転炉において
も、上述した水冷式ランスが用いられている。この水冷
ランスは、図示は省略するが転炉の上部炉口部から挿入
されており、ノズルはラバール形ノズルが用いられて超
音速（５００ｍ／ｓ以上）で溶融金属に向けて酸素ジェ
ットを噴射するようになっている。また、溶融金属の表
面からノズルまでの高さ（以下、「ランスハイト」とい
う。）は、噴射された酸素ジェットの溶融金属表面到達
速度が５０ｍ／ｓ以下となるように２〜４ｍの範囲で設
定される。このように溶融金属表面到達速度を５０ｍ／
ｓ以下にすることにより、酸素ジェットが溶融金属表面
に衝突した際の溶融金属及びスラグの飛散量を抑制して
いる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、かかる
水冷式ランスｆを電気炉ｃに用いた場合には、水冷式ラ
ンスｆを電気炉ｃの側壁の作業口ｇから挿入しており、
しかも、電気炉ｃの高さは転炉の約１／２程度であるた
め、ランスハイトを高くすることができない。この場
合、転炉のようにランスｆを炉の上部から挿入してラン
スハイトを高くすることが考えられるが、電気炉ｃの上
部には電極が設けられているためにランスｆを電気炉ｃ
の上部から挿入することは困難である。従って、電気炉
ｃに用いた場合は、ノズルｈからの酸素噴射速度は転炉
の場合とほぼ同等で５００ｍ／ｓ以上を有しているにも
かかわらず溶融金属表面到達速度は１００ｍ／ｓ以上と
なり、酸素ジェットが溶融金属ｅ表面に与える衝撃エネ
ルギーは転炉の場合と比べて局所的に極めて大きくな
る。この結果、該衝撃エネルギーが溶融金属やスラグ等
に攪拌力やせん断力として作用して粒状化された該溶融
金属やスラグが多量に飛散するという不都合が生じる。

【０００９】そして、飛散した溶融金属やスラグが電気
炉内の炉壁或いはガス排気用のエルボ等に付着すると、
電極と炉蓋とがショートして大電流が流れてしまい、こ
の結果、炉蓋が焼損したり、炉の側壁を覆う水冷ボック
スの水冷配管の水漏れが生じたり、電極挿入部（小天
井）の寿命が低下したり、炉蓋付着地金が溶融金属に落
下して溶融金属の温度が低下したり、或いはカーボン外
れ等の種々の弊害を招く。また、飛散した溶融金属等が
炉蓋に付着すると炉蓋の重量が増加して炉蓋の昇降が不
能となり、さらに、水冷式ランスに付着すると該ランス
が溶損し、さらに、溶融金属の多量の飛散より鉄の歩留
りが低下するという種々の弊害を招く。

【００１０】本発明はかかる不都合を解消するためにな
されたものであり、炉内の溶融金属へ酸素を吹き込む作
業に際して、新たなランスの供給を不要にすることがで
きるのは勿論のこと、溶融金属やスラグの飛散を良好に
抑制することができる酸素吹き込み用ランスを提供する
ことを目的とする。

【００１１】

【００１２】

【００１３】

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
めに、請求項１に係る酸素吹き込み用ランスは、炉内の
溶融金属の上方に配置され該溶融金属の表面に向けて酸
素ジェットを噴射するノズルを先端部に備えたランスに
おいて、前記ノズルは、一端部から他端部までの断面形
状が均一にされたストレート形ノズルと、酸素流入側と
酸素流出側とにそれぞれ小径部と大径部とが形成された
断面急拡大ノズルとをそれぞれ一個以上有することを特
徴とする。

【００１４】請求項２に係る酸素吹き込み用ランスは、
請求項１において、前記炉が電気炉であり、該電気炉の
側壁と上部電極との間の溶融金属の表面に酸素ジェット
が噴射されるように前記ノズルを配置したことを特徴と
する。

【００１５】

【００１６】

【００１７】

【作用】請求項１の発明では、ノズルを、噴射速度が共
に音速以下のストレート形ノズルと断面急拡大ノズルと
で構成することによって、酸素ジェットの噴射速度を音
速以下にして溶融金属表面到達速度を遅くし、これによ
り溶融金属表面に与える衝撃エネルギーを小さくする。
断面急拡大ノズルについては、小径部（のど径）と大径
部（出口径）との比及びノズル内背圧を調整することに
よって酸素ジェットの噴射速度を音速以下の任意の速度
にする。また、ストレート形ノズルと断面急拡大ノズル
とをそれぞれ一個以上形成することで、噴射速度を音速
以下にすることによって生じる溶融金属への酸素供給量
不足を補って酸素と溶融金属とを効率的に反応させると
共に、溶融金属表面における酸素ジェットの衝突面積を
増大させて単位面積当たりの衝撃エネルギーを小さくす
る。

【００１８】請求項２の発明では、請求項１に加えて、
炉が電気炉である場合に、該電気炉の側壁と上部電極と
の間の溶融金属の表面に酸素ジェットが噴射されるよう
に前記ノズルを配置することによって、上部電極に酸素
ジェットが直接当たらないようにして該上部電極の損耗
量を低減する。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１〜図５を参照
して説明する。図１は本発明の一実施例である酸素吹き
込み用ランスを電気炉に配置した状態を示す概略断面
図、図２は図１の部分的詳細図、図３は図２の平面図、
図４は酸素吹き込み用ランスの断面図、図５は図４の矢
印方向から見た図である。尚、本実施例では、炉とし
て溶銑を使用する直流電気炉を例に採る。

【００２０】まず、図１を参照して直流電気炉（以下、
電気炉と略称する。）１から説明すると、符号２は耐火
物からなる炉体、３は炉体２の側壁４を覆う水冷ボック
ス、５は炉体２の上部に設けられた炉蓋、６は炉蓋５の
中心部から小天井７を介して電気炉１内に昇降自在に挿
入された上部電極であり、上部電極６と炉体２の炉底８
等に取り付けた下部電極（図示せず）との間に直流電流
を流して上部電極６にアークを発生させることにより、
該アークを熱源として電気炉１内に装入されたスクラッ
プの溶解、溶融金属９の精錬及び溶銑の昇温等を行う。

【００２１】そして、溶融金属９の加熱補助、精錬及び
溶銑の加熱補助を行うべく、図２及び図３に示すよう
に、炉体２の側壁４に形成された作業口１０から粉体吹
き込み用ランス１１と２本の水冷式酸素吹き込み用ラン
ス１２ａ，１２ｂとがそれぞれ電気炉１内に挿入されて
いる。各ランス１１，１２ａ，１２ｂは、駆動装置（図
示せず）よって電気炉１内での位置調整及び電気炉１へ
の進退移動ができるようになっている。

【００２２】次に、本発明の一実施例である酸素吹き込
み用ランス１２ａ，１２ｂを図２〜図５を参照して説明
する。尚、水冷式酸素吹き込み用ランス１２ａ，１２ｂ
は、図３に示すように、互いに水平方向に対称配置され
た点を除いてその構成が同一であるので、ここでは水冷
式酸素吹き込み用ランス１２ａのみを説明する。酸素吹
き込み用ランス１２ａは、図２及び図３に示すように、
作業口１０から電気炉１内に挿入されたランス本体１３
と、該ランス本体１３の先端部に設けられたランスチッ
プ１４とを備える。

【００２３】ランス本体１３は、作業口１０から略水平
方向に電気炉１内に挿入された直線状の水平部１５と、
該水平部１５の先端から上方に傾斜して直線状に延出す
る傾斜部１６とを備える。ランス本体１３の内部中央に
は、図４に示すように、酸素流通路１７が形成され、該
酸素流通路１７の外側には冷却水流通路１８が形成され
ている。ランス本体１４の傾斜部１６の先端にはランス
チップ１４が接続されている。

【００２４】ランスチップ１４は、図２及び図４に示す
ように、傾斜部１６の先端から下方に屈曲して延出され
ており、その先端面が側壁４と上部電極６との間の溶融
金属９の表面を向くようにされている（図３参照）。ラ
ンスチップ１４の内部には、ランス本体１３に対応して
酸素流通路１９及び冷却水流通路２０が形成されてい
る。また、図２に示すように、ランスチップ１４の最先
端部は水平部１５の軸線延長線Ｘ₁より上方に配置され
ており、これにより、直線状のランスに比べてランスハ
イトを高くとれるようにすると共に、電気炉１内でのラ
ンス１２ａの位置の調整範囲を広くしてランスハイト調
整の際の自由度の向上を図っている。ランスチップ１４
の先端面には、断面急拡大ノズル２１及びストレート形
ノズル２２がそれぞれ二個ずつ形成されている。

【００２５】断面急拡大ノズル２１は、図４に示すよう
に、酸素流入側と酸素流出側とにそれぞれ小径部２３と
大径部２４とが形成されたものであり、小径部（のど
径）２３と大径部（出口径）２４との比及びノズル内背
圧を調整することによって酸素ジェットの噴射速度を音
速以下の任意の速度に設定できるようにされている。そ
して、本実施例では、図５に示すように、二個の断面急
拡大ノズル２１を、ランスチップ１４の先端面において
下側、即ち、溶融金属９の表面に近い側の面に横方向に
互いに離間して形成している。また、断面急拡大ノズル
２１の指向方向の延長線が側壁４と上部電極６との間の
溶融金属９の表面に到達するようにし、これにより断面
急拡大ノズル２１から噴射された酸素ジェットが上部電
極６に直接当たらないようにしている。

【００２６】ストレート形ノズル２２は、図４に示すよ
うに、一端部から他端部までの断面形状が均一にされた
ものであり、ノズル内背圧が臨界圧力以上であっても噴
射速度が高々音速にしか達しないようにされている。そ
して、本実施例では、図５に示すように、二個のストレ
ート形ノズル２２を、ランスチップ１４の先端面におい
て上側、即ち、溶融金属９の表面から遠ざかる側の面に
横方向に互いに離間して形成している。また、断面急拡
大ノズル２１と同様に、ストレート形ノズル２２の指向
方向の延長線が側壁４と上部電極６との間の溶融金属９
の表面に到達するようにし、これによりストレート形ノ
ズル２２から噴射された酸素ジェットが上部電極６に直
接当たらないようにしている。

【００２７】尚、ストレート形ノズル２２の指向方向の
延長線と溶融金属９の表面とのなす角度（衝突角度）
は、断面急拡大ノズル２１の指向方向の延長線と溶融金
属９の表面とのなす角度より小さくなっている（図２参
照）。また、本実施例では、断面急拡大ノズル２１及び
ストレート形ノズル２２をそれぞれ二個ずつ形成してい
るが、断面急拡大ノズル２１及びストレート形ノズル２
２がそれぞれ一個以上であればノズル２１，２２の個数
は特に限定されるものではない。

【００２８】ここで、本実施例では、酸素吹き込み用ラ
ンス１２ａ，１２ｂの各送酸量を６０Ｎｍ³／ｍｉｎ、
ランスハイトを３００〜１２５０ｍｍとした場合に、溶
融金属９の表面に近い、即ち、酸素ジェットの速度減衰
が小さい側の断面急拡大ノズル２１の噴射速度を１５０
ｍ／ｓに調整して酸素ジェットの溶融金属表面到達速度
を５０ｍ／ｓ以下に抑制し、一方、溶融金属９の表面か
ら遠い、即ち、酸素ジェットの速度減衰が大きい側のス
トレート形ノズル２２の噴射速度を３００ｍ／ｓとして
酸素ジェットの溶融金属表面到達速度を５０ｍ／ｓ以下
に抑制しており、これにより断面急拡大ノズル２１及び
ストレート形ノズル２２から噴射された酸素ジェットの
溶融金属表面に到達した流速をバランスさせている。

【００２９】次に、電気炉１の操業手順に従って酸素吹
き込み用ランス１２ａ，１２ｂによる酸素吹き込み方法
を説明する。まず、製鋼原料のスクラップを直流電気炉
１に装入した後、上部電極６からアークを飛ばしてスク
ラップを溶解する。次いで、溶銑を直流電気炉１に装入
した後、作業口１０近傍におけるスクラップに向けて酸
素吹き込み用ランス１２ａ，１２ｂの各断面急拡大ノズ
ル２１及びストレート形ノズル２２から酸素ジェットを
噴射してスクラップの溶解の促進、いわゆるカッティン
グ作業を行う。

【００３０】作業口１０近傍のスクラップの溶解が進行
すると、酸素吹き込み用ランス１２ａ，１２ｂを電気炉
１内の奥方向に前進させつつ断面急拡大ノズル２１及び
ストレート形ノズル２２から酸素ジェットを噴射して作
業口１０近傍から奥にかけてのスクラップを順次溶解す
る。スクラップの溶解がほぼ終了した時点で酸素吹き込
み用ランス１２ａ，１２ｂを上昇（図２において二点鎖
線で示す。）させてランスハイトを高くとり、この状態
で断面急拡大ノズル２１及びストレート形ノズル２２か
ら酸素ジェットを溶融金属９の表面に向けて噴射して該
溶融金属９の昇温・精錬を行う。

【００３１】この時、上述したように酸素吹き込み用ラ
ンス１２ａ，１２ｂの各断面急拡大ノズル２１及びスト
レート形ノズル２２から噴射される酸素ジェットの噴射
速度を共に音速以下にして酸素ジェットの溶融金属表面
到達速度を従来の１／２の５０ｍ／ｓ以下にしているの
で、溶融金属９表面に与える衝撃エネルギーを大幅に小
さくすることができ、しかも、ランスチップ１４には断
面急拡大ノズル２１及びストレート形ノズル２２を二個
ずつ合計四個のノズルを形成しているので、噴射速度を
音速以下にすることによって生じる溶融金属９への酸素
供給量不足が良好に補われて酸素と溶融金属９との効率
的な反応が可能になると共に、溶融金属９表面における
酸素ジェットの衝突面積が増大されて単位面積当たりの
衝撃エネルギーを小さくすることができる。この結果、
溶融金属やスラグ等に作用する攪拌力やせん断力を従来
に比べて大幅に低減することができ、この結果、溶融金
属やスラグの飛散を大幅に少なくすることができる。

【００３２】また、断面急拡大ノズル２１の指向方向の
延長線及びストレート形ノズルの指向方向の延長線が共
に側壁４と上部電極６との間の溶融金属９の表面に到達
するようにして、各ノズル２１，２２から噴射された酸
素ジェットが上部電極６に直接当たらないようにしてい
るので該上部電極６の損耗量の低減を図ることができ
る。

【００３３】さらに、酸素吹き込み用ランス１２ａ，１
２ｂを溶融金属９の表面の上方に配置して酸素ジェット
を噴射しているので、従来のように溶融金属９の熱でラ
ンスが消耗するようなことがなく、従って、酸素吹き込
み作業に際して新たなランスの供給を不要にすることが
できる。尚、実施例では、ランスチップ１４の先端面に
断面急拡大ノズル２１及びストレート形ノズル２２をそ
れぞれ二個ずつ形成しているが、必ずしもこれに限定す
る必要はなく、図６及び図７に示すように、全てのノズ
ルをストレート形ノズル２２にしてもよく、また、図８
及び図９に示すように、全てのノズルを断面急拡大ノズ
ル２１にしてもよい。全てのノズルをストレート形ノズ
ル２２にする場合は、例えば、ランスチップ１４の先端
面にストレート形ノズル２２を周方向に７２°ピッチで
五箇所形成する。

【００３４】また、上記実施例では、酸素吹き込み用ラ
ンス１２ａ，１２ｂを作業口１０から挿入した場合を例
に採ったが、必ずしもこれに限定されるものではなく、
側壁４或いは炉蓋５から酸素吹き込み用ランス１２ａ，
１２ｂを挿入してもよく、また、場合によっては転炉に
本発明の酸素吹き込み用ランス１２ａ，１２ｂを適用す
ることもできる。

【００３５】

【発明の効果】上記の説明から明らかなように、請求項
１の発明によれば、酸素吹き込み用ランスの断面急拡大
ノズル及びストレート形ノズルから噴射される酸素ジェ
ットの噴射速度を共に音速以下にして酸素ジェットの溶
融金属表面到達速度を従来より遅くすることができるの
で、溶融金属表面に与える衝撃エネルギーを大幅に小さ
くすることができ、しかも、断面急拡大ノズル及びスト
レート形ノズルをそれぞれ一個以上形成しているので、
噴射速度を音速以下にすることによって生じる溶融金属
への酸素供給量不足が良好に補われて酸素と溶融金属と
の効率的な反応が可能になると共に、溶融金属表面にお
ける酸素ジェットの衝突面積が増大されて単位面積当た
りの衝撃エネルギーを小さくすることができる。この結
果、溶融金属やスラグ等に作用する攪拌力やせん断力を
従来に比べて大幅に低減することができ、溶融金属やス
ラグの飛散を大幅に少なくすることができるという効果
が得られる。

【００３６】また、断面急拡大ノズルの小径部（のど
径）と大径部（出口径）との比及びノズル内背圧を調整
することによって酸素ジェットの噴射速度を音速以下の
任意の速度に設定することができるので、断面急拡大ノ
ズル及びストレート形ノズルから噴射された酸素ジェッ
トの溶融金属表面到達時の流速をバランスさせることが
可能になるという効果が得られる。更に、酸素吹き込み
用ランスを溶融金属の表面の上方に配置して酸素ジェッ
トを噴射しているので、従来のように溶融金属の熱でラ
ンスが消耗するようなことがなく、従って、酸素吹き込
み作業に際して新たなランスの供給を不要にすることが
できるという効果が得られる。

【００３７】請求項２の発明によれば、請求項１に加え
て、電気炉の側壁と上部電極との間の溶融金属の表面に
酸素ジェットが噴射されるように前記ノズルを配置する
ことによって、上部電極に酸素ジェットが直接当たらな
いようにして該上部電極の損耗量を低減することができ
るという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である酸素吹き込み用ランス
を電気炉に配置した状態を示す概略断面図である。

【図２】図１の部分的詳細図である。

【図３】図２の平面図である。

【図４】酸素吹き込み用ランスの断面図である。

【図５】図４の矢印方向から見た図である。

【図６】本発明の他の実施例である酸素吹き込み用ラン
スの断面図である。

【図７】図６の−線断面図である。

【図８】本発明の他の実施例である酸素吹き込み用ラン
スの断面図である。

【図９】図８の矢印方向から見た図である。

【図１０】従来の酸素吹き込み用ランスを説明するため
の説明的概略図である。

【図１１】従来の他の酸素吹き込み用ランスを説明する
ための説明的概略図である。

【図１２】図１１の酸素吹き込み用ランスの先端部の断
面図である。

【符号の説明】

１…電気炉４…側壁６…上部電極９…溶融金属１２ａ，１２ｂ…酸素吹き込み用ランス２１…断面急拡大ノズル２２…ストレート形ノズル２３…小径部２４…大径部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平７−3318（ＪＰ，Ａ) 特開平７−138631（ＪＰ，Ａ) 特開平６−192718（ＪＰ，Ａ) 実開昭62−79863（ＪＰ，Ｕ) 実公昭57−4136（ＪＰ，Ｙ２) 実公昭57−20592（ＪＰ，Ｙ２) 実公平６−5406（ＪＰ，Ｙ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C21C 5/46 101 C21C 5/52 C21C 7/072

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】炉内の溶融金属の上方に配置され該溶融
金属の表面に向けて酸素ジェットを噴射するノズルを先
端部に備えたランスにおいて、前記ノズルは、一端部か
ら他端部までの断面形状が均一にされたストレート形ノ
ズルと、酸素流入側と酸素流出側とにそれぞれ小径部と
大径部とが形成された断面急拡大ノズルとをそれぞれ一
個以上有することを特徴とする酸素吹き込み用ランス。
【請求項２】前記炉が電気炉であり、該電気炉の側壁
と上部電極との間の溶融金属の表面に酸素ジェットが噴
射されるように前記ノズルを配置したことを特徴とする
請求項１記載の酸素吹き込み用ランス。