JP3372867B2

JP3372867B2 - ランス

Info

Publication number: JP3372867B2
Application number: JP09635398A
Authority: JP
Inventors: 恒明西川; 秀実筒井; 恭資白崎; 功夫松井; 裕樹楠田
Original assignee: JFE Steel Corp; Kobe Steel Ltd; JFE Engineering Corp; Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: JFE Steel Corp; Kobe Steel Ltd; JFE Engineering Corp; Nippon Steel Corp
Priority date: 1998-04-08
Filing date: 1998-04-08
Publication date: 2003-02-04
Anticipated expiration: 2018-04-08
Also published as: JPH11293321A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は溶銑、溶鋼処理にお
いて、また転炉等において吹錬を行うランスに関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】金属精錬用のランスは、高温の溶銑、溶
鋼に対し至近距離で高圧酸素を吹き込むものであり、そ
のため、ランス先端部は、溶銑、溶鋼からの輻射熱を受
けるとともに、吹錬中に飛散する地金が付着することに
より著しい熱負荷を受ける。

【０００３】そこで一般的なランスの構造は、図１１に
示すように三重管構造から構成されており、ランス５０
の中管５１内に供給された冷却水は矢印Ａ方向に流れ、
一部の流れは酸素ノズル５２ａの外周側に形成されてい
る酸素ノズル外周導入口５３を通過して折り返し（矢印
Ｂ参照）、外管５４内を矢印Ｃ方向に流れる。一方、残
りの流れはランス中心部に形成されている受熱面導入口
５５を通過して（矢印Ｄ参照）外管５４内に流れ、上記
一部の流れと合流して排水される。このような冷却構造
を備えることにより、ランス先端部に加わる熱負荷を低
減するようになっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このような従来のラン
ス５０は、酸素ノズル５２ａの先端部開口縁５２ｂの肉
厚ｔが厚く形成されているため、冷却水を供給している
にも拘らず十分な冷却が得られない。その結果、酸素ノ
ズル先端部５２ｃが溶損してランスの寿命を短かくする
という問題がある。

【０００５】酸素ノズル先端部の冷却効率を高めるもの
として、例えば特開昭61−15911 号公報には、酸素ノズ
ル先端部の外周面に沿って冷却用導水口を複数個配設し
たものが提案されている。しかしながら、この構成にお
いても、厚肉に形成されている酸素ノズル先端部の開口
縁については冷熱を確実に作用させることができない。

【０００６】本発明は以上のような従来のランスの課題
を考慮してなされたものであり、ガスノズルの先端部開
口縁を確実に冷却することができ、それによりランスの
寿命を延ばすことができるランスを提供するものであ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明において、ガスノ
ズル先端部を冷却する形態としては、以下の３種類のラ
ンスが示される。

【０００８】第一のランスは、金属精錬用ランス先端の
受熱面に、複数の高圧ガス噴出口が輪状に貫通配設され
ているランスにおいて、高圧ガス噴出口それぞれの先端
部開口縁に座ぐりを施し、開口縁を薄肉化してなること
を要旨とする。

【０００９】また、第一のランスでは開口縁の肉厚を受
熱面肉厚の１２５％以下とすることが好ましい。

【００１０】第二のランスは、金属精錬用ランス先端の
受熱面に、複数のガスノズルの各高圧ガス噴出口が輪状
に貫通配設されているランスにおいて、ガスノズル先端
部外周面に接続した状態で受熱面の背面に放熱フィンが
形成されていることを要旨とする。

【００１１】第二のランスにおいて、放熱フィンは受熱
面背面の中心から放射状に配設してガスノズルの各先端
部外周面と接続することが好ましい。また、放熱フィン
の厚さは、５mm以下であり且つ高さが外管と中管（仕切
管）との間隔以下であることが好ましい。

【００１２】第三のランスは、高圧ガスを供給する内
管、冷却水を供給する中管及びその供給した冷却水を戻
す外管を有する三重管構造をなす金属精錬用ランスであ
って受熱面に複数のガスノズルの各高圧ガス噴出口が輪
状に貫通配設されているランスにおいて、高圧ガス噴出
口それぞれの先端部開口縁に座ぐりを施し、ガスノズル
の先端部外周面に接続した状態で受熱面の背面に放熱フ
ィンを形成してなることを要旨とする。

【００１３】第三のランスにおいては、ガスノズル外周
面に沿って中管に穿設されている導水口の縁部から、ガ
スノズル外周面に沿わせた状態で規制板を延設するとと
もに、ガスノズル外面に、該ガスノズル軸方向に沿って
１以上の帯板状放熱フィンを形成することができる。

【００１４】上記した第一のランスに従えば、ガスノズ
ルの先端部開口縁に座ぐりが施されていることにより、
従来、厚肉に形成されていたガスノズル先端部開口縁の
肉厚を受熱面肉厚の１２５％以下に抑えることができ
る。従ってガスノズルの外壁に冷却水が作用すると、冷
却効果はガスノズルの先端部開口縁まで伝播することが
でき、それにより、熱負荷に起因する開口縁温度の上昇
を抑制することができる。

【００１５】上記した第二のランスに従えば、ガスノズ
ルに放熱フィンが接続されているため、ガスノズル先端
部における熱負荷による温度上昇は、放熱フィンによる
放熱によって抑制される。しかも、放熱フィンは冷却水
の流れに沿って放射状に形成されているため、放熱が効
率良く行われる。

【００１６】上記した第三のランスに従えば、ガスノズ
ル先端部開口縁の肉厚が薄く形成され、且つガスノズル
に放熱フィンが設けられているため、ガスノズル先端部
の冷却が確実に行われる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、図面に示した好ましい実施
の形態に基づいて本発明を詳細に説明する。図１は、第
一〜第三のランスの構成を示す縦断面図である。また、
図２は図１に示すランスのノズル部のみ、その一部を切
り欠いて示したものである。

【００１８】両図に示す金属精錬用ランス１は転炉吹錬
に使用されるものであり、複数の酸素ノズルから溶鋼中
に高圧ガスとしての酸素を吹き込むことにより精錬を行
うようになっている。このランス１はランス本体１ａの
先端部にノズル１ｂを溶接したものからなり、上下に昇
降するようになっている。

【００１９】ランス１の構成は三重管構造をなしてお
り、有底筒状からなる内管２、中管３及び外管４が同心
円状に三重に配置されている。

【００２０】内管２は酸素吹込み用の酸素通路５を形成
し、内管２と中管３との間の通路は冷却水を供給するた
めの冷却水供給路６を形成し、中管３と外管４との間の
通路は供給した冷却水を戻すための冷却水戻り路７を形
成している。

【００２１】中管３に設けられているガスノズルとして
の酸素ノズル外周開口（導水口）１１の開口縁には、冷
却水の流速を加速して方向付けするための規制板８が下
向きに延設されている。詳しくは、この規制板８は、冷
却水供給路６と冷却水戻り路７とを連通している冷却水
通路の断面積を縮小して冷却水の流速を高めるものであ
り、且つ、酸素吹連用ノズル（以下酸素ノズルと略称す
る）９の先端部、すなわち、酸素ノズル９と外管４とが
交わる部分に形成される鋭角の隅部１０に向けて流れの
速い冷却水を供給し、冷却水が滞留しないようにしてい
る。

【００２２】この規制板８は図１（ａ）に示すように、
中管３の下方に円弧状に穿設されている酸素ノズル外周
開口１１に対応してその酸素ノズル外周開口１１の外側
に円弧状に配置されている。また、酸素ノズル９と規制
板８とは垂直方向に形成された３本の帯板状部材１２で
接続されており、これらの帯板状部材１２は酸素ノズル
９の放熱フィン（帯板状放熱フィン）として機能するよ
うになっている。

【００２３】図３は、酸素ノズル９の先端部（図１に示
すＨ部）を拡大して示したものである。同図において受
熱面に輪状に貫通配設される複数の酸素ノズル各開口縁
（高圧ガス噴出口の先端部開口縁）１３には、開口縁１
３の肉厚が薄くなるように座ぐり１３ａが施されてい
る。すなわち、冷却水の流れから遠い位置にある開口縁
１３は冷却効果が影響しにくいために溶損が生じやす
い。従って、座ぐり１３ａを施すことによって肉厚を薄
くし冷却水による冷却効果が影響するようにしている。
なお、肉厚を薄くするにあたり、面取り処理ではなく座
ぐり処理を採用した理由は、開口縁１３にエッジ部を残
すことにより、酸素吐出範囲が裾広がりに広まることを
防止することにある。それにより、溶鋼中に吹き込まれ
る酸素の反応効率を所定のレベルに維持することができ
る。なお、酸素ノズル開口縁１３に座ぐり１３ａを施し
たランスは本発明の第一のランスとみなすことができ
る。

【００２４】図中、ｔ₀ は受熱面１３ｂの肉厚を示して
おり、開口縁１３の肉厚ｔとの関係を以下に説明する。
図４は受熱面１３ｂの肉厚ｔ₀ に対する開口縁１３の肉
厚ｔを、各位置での比率ｔ／ｔ₀ で示したものである。
開口縁１３の肉厚ｔは一定ではないため、図３に示すＰ
点を中心として水平位置０゜から垂直位置９０゜までの
範囲で回転する線分が角度θの位置にあるときの肉厚で
示している。角度θが４５゜であるとき肉厚ｔは最大と
なる。このときのｔ／ｔ₀ は従来１４０％であったが、
本実施形態によれば１２２％まで減少させて薄肉化を図
ることができる。

【００２５】そこで、本実施形態では、酸素ノズルの開
口縁１３において強度の低下を招くことなく温度分布の
均一化が図れる肉厚を考慮してｔ／ｔ₀ を１２５％に設
定した。

【００２６】また、図５に示すように、ランスノズル受
熱面の温度が低いほどランスの寿命が長くなる傾向にあ
ることは従来より知られている。ランスノズル受熱面１
３ｂの肉厚をＡ：１３mm，Ｂ：１５mm，Ｃ：１４mm，
Ｄ：１２mm，Ｅ：２２mm，Ｆ：１８mmの６種とし、受熱
面温度とランスノズルの寿命（ｃｈ：チャージ回数）と
の相関を求めると、直線回帰式Ｉが得られる。

【００２７】そこで、本実施形態では、まず第一段階と
してランスノズル受熱面１３ｂの肉厚を従来の受熱面の
肉厚よりも薄く形成した。具体的には薄肉化ランスでは
従来１８mmで形成されている受熱面肉厚を１５mmに減少
させた。

【００２８】このように受熱面１３ｂの肉厚を従来より
も３mm減少させたランスでは、図６に示すように、ラン
スノズル受熱面１３ｂの温度を２７０℃から２４℃低下
させて２４６℃まで減じることができる。

【００２９】また、従来の酸素ノズル開口縁の温度分布
と本発明の酸素ノズル開口縁の温度分布とを比較する
と、図７に示すように、酸素ノズル９の開口縁１３にお
いてその中心側に相当する０゜の位置では、従来、受熱
温度が２４１℃であったが、本発明では図８に示すよう
に１８３℃となり、５８℃の温度降下が達成された。

【００３０】また、酸素ノズル９の開口縁１３において
その外周側に相当する１８０゜の位置では、従来、受熱
温度が２６３℃であったが、本発明では２００℃とな
り、６３℃の温度降下が達成された。しかも、従来のも
のは０゜と１８０゜の位置で温度のばらつきがあった
が、本発明ではこの点についても解消されほぼ均一な温
度分布が得られるようになっている。

【００３１】このように、ランスノズル先端部の受熱面
１３ａの肉厚を薄肉化することにより、２４℃の温度降
下が得られ、さらに酸素ノズル９の開口縁１３に座ぐり
を施すことによりさらに３４℃の温度降下が得られたと
推定される。すなわち、受熱面１３ｂの薄肉化によって
４１％、酸素ノズル９の開口縁１３の座ぐりによって５
９％の割合でそれぞれ従来のランスノズルよりも冷却効
果が高められたことになる。上記座ぐりを設けた構成の
ランスの動作を以下に説明する。

【００３２】図１において、冷却水供給路６に供給され
た冷却水は矢印Ｅ方向に降下し、一部の流れは酸素ノズ
ル外周開口１１を通過して折り返し（矢印Ｆ方向の流
れ）、外管４内を矢印Ｇ方向に上昇する。一方、冷却水
の残りの流れはランス中心部に形成されている受熱面開
口１５を通過して（矢印Ｋ方向の流れ）外管４内に流
れ、上記一部の流れと合流して排水される。

【００３３】酸素ノズル９の先端部開口縁１３には図２
に示したように、座ぐり１３ａが施されているため、開
口縁１３の肉厚は従来のものよりも薄く形成されてい
る。それにより、冷却水による冷却効果は、開口縁１３
まで影響することができ開口縁１３の抜熱が確実に行わ
れる。

【００３４】また、ランスノズル先端部の冷却効果を高
める別の構成として、放熱フィンが示される。図２にお
いて、受熱面１３ｂの裏面には、ランスノズル中心から
酸素ノズル９に向けて放射状に放熱フィン１４が形成さ
れている。この放熱フィン１４は、厚さ５mmの帯板状部
材からなり、その高さｈ₁ は、中管３と外管４の間隔ｈ
₂ よりも小さくなるように形成されている。また、各放
熱フィン１４は受熱面背面の中心で交わっており、その
中心部には冷却水の流れを整えるための山形の頂部１４
ａが形成されている。上記受熱面の背面に放熱フィン１
４を備えたランスは本発明の第二のランスとみなすこと
ができる。

【００３５】図９は上記放熱フィン１４の肉厚と伝熱量
の変化Ｑ／Ｑ₀ との関係を示したものである。なお、Ｑ
は放熱フィンを設けた場合の伝熱量を示し、Ｑ₀ は放熱
フィンを設けていない場合の伝熱量を示す。

【００３６】同図から分かるように、放熱フィン１４の
肉厚δが薄くなるにつれてＱ／Ｑ₀は大きく、すなわち
冷却効果が高まるため放熱フィン１４の肉厚は極力薄い
方が好ましい。ただし、ランスノズル１は純銅で構成さ
れており、それ自体、熱伝導率が大きいため、冷却水の
流速が速い箇所に放熱フィン１４を設けても利点がな
く、逆に圧損が生じて不利になる。

【００３７】また、肉厚δを変化させた場合のＱ／Ｑ₀
において、グラフＬ１では流速Ｖが２．１m/sec 以下で
ないと冷却効果が得られない。また、グラフＬ２では流
速Ｖが６．５m/sec 以下、また、グラフＬ３では流速Ｖ
が１５．４m/sec 以下、また、グラフＬ４では流速Ｖが
３６．６m/sec 以下でないと、冷却効果が得られない。
すなわち、放熱フィン１４の肉厚を薄くすればするほど
冷却効果が高まるものの、薄肉化した放熱フィン１４
は、流速の遅い部位に取り付けなければ冷却効果が得ら
れないことになる。これに対し、実際のランス１に供給
される冷却水の流速は、ランス１内の各部位で異なって
はいるものの、およそ５m/sec から１８m/sec である。
従って、例えば肉厚δと熱伝達関数αの関係式２λ／α
δの値が２５となるグラフＬ１は、δが４ｍｍで冷却水
流速が２．１ｍ／ｓ以下の部位でなければ冷却効果が得
られないため採用することができない。一方、鋳造にお
いて製造可能な放熱フィンの最低肉厚は４mmであり、抜
きテーパを設けることによって最大肉厚は５mmとなる。
従って放熱フィン１４の厚さは５mm以下とすることが好
ましい。

【００３８】このように第二のランスによれば、受熱面
１３ｂの温度上昇を抑制することができ、それによりラ
ンス１先端部に発生する熱応力を小さくすることができ
る。図９は従来のランスノズル先端部で生じる熱応力と
本発明のランスノズル先端部で生じる熱応力とを比較し
たものである。同図から分かるように従来のランスノズ
ルの熱応力を１とした場合、本発明のランスノズルでは
熱応力を８６％に減少させることができる。次に、上記
構成を有する第二のランスの動作について説明する。

【００３９】図２において、冷却水供給路６内に供給さ
れた冷却水は、受熱面開口１５を通過し矢印Ｋ方向に流
れる。このとき、冷却水は放射状に形成されている放熱
フィン１４に沿って放射状に流れる（図１の矢印Ｍ方向
の流れ）。

【００４０】各放熱フィン１４は酸素ノズル９先端部の
外壁と接続されているため、放熱フィン１４に沿って冷
却水が流れる際に、その放熱フィン１４を介して酸素ノ
ズル先端受熱面の温度を抜熱することができる。また、
放熱フィン１４が交わる中心に形成されている頂部１４
ａは、受熱面開口１５を通過した冷却水が放熱フィン１
４に沿って流れる際にその流れを整えるように機能す
る。

【００４１】なお、本発明における放熱フィン１４は、
上記実施形態ではそれぞれランスノズルの中心で接続す
るように構成したが、これに限らず各放熱フィンは必ず
しも受熱面背面の中心で接続させる必要はなく、少なく
とも一方端部が酸素ノズル９の外壁と接続するものであ
ればよい。

【００４２】また、上記した実施形態では、第一のラン
スと第二のランスを組み合わせたランスノズルの構成を
示しており、第三のランスとみなすことができる。第三
のランスでは、ガスノズル先端部開口縁の肉厚が薄く形
成され、且つガスノズルに放熱フィンが設けられている
ため、ガスノズル先端部の冷却が確実に行われる。

【００４３】なお、本発明のランスは、上記した転炉に
限らず、溶銑、溶鋼処理において吹錬を行う任意の装置
に適用されうる。

【００４４】

【発明の効果】以上説明したことから明らかなように、
本発明の第一のランスによれば、冷却水による冷却効果
を開口縁部１３まで影響させることができ、開口縁部１
３の抜熱が確実に行われる。また、本発明の第二のラン
スによれば、放熱フィン１４に沿って冷却水が流れ、そ
の放熱フィン１４を介して酸素ノズル先端部の温度上昇
を効果的に抑制することができる。また、第三のランス
によれば、酸素ノズル先端部の温度上昇を確実に抑制す
ることができるため、ランスの寿命を長くすることがで
きるという長所を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のランスの構成を示す断面図である。

【図２】図１に示すノズル部の一部切り欠きを有する斜
視図である。

【図３】図１のＨ部拡大図である。

【図４】本発明の酸素ノズル開口縁の肉厚を従来例と比
較したグラフである。

【図５】受熱面温度とランスノズル寿命との相関を示す
グラフである。

【図６】受熱面肉厚とランスノズル先端温度との相関を
示すグラフである。

【図７】従来の酸素ノズル先端部の温度分布図である。

【図８】本発明の酸素ノズル先端部の温度分布図であ
る。

【図９】放熱フィン肉厚と伝熱量変化との関係を示すグ
ラフである。

【図１０】酸素ノズル先端部に生じる熱応力を従来例と
比較したグラフである。

【図１１】従来のランスの構成を示す図１相当図であ
る。

【符号の説明】

１ランス２内管３中管４外管５酸素通路６冷却水供給路７冷却水戻り路８規制板９酸素ノズル１０隅部１１酸素ノズル外周開口１２帯板部材１３酸素ノズル開口縁１３ａ座ぐり１４放熱フィン１５受熱面開口

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (73)特許権者 000002118 住友金属工業株式会社大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号 (72)発明者西川恒明兵庫県加古川市金沢町１番地株式会社神戸製鋼所加古川製鉄所内 (72)発明者筒井秀実兵庫県加古川市金沢町１番地株式会社神戸製鋼所加古川製鉄所内 (72)発明者白崎恭資東京都千代田区丸の内一丁目１番２号日本鋼管株式会社内 (72)発明者松井功夫倉敷市水島川崎通り１丁目（番地なし) 川崎製鉄株式会社水島製鉄所内 (72)発明者楠田裕樹和歌山市湊1850番地住友金属工業株式会社和歌山製鉄所内 (56)参考文献特開昭57−192211（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C21C 5/46 101 C21C 7/072 F27D 7/02

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】金属精錬用ランス先端の受熱面に、複数
の高圧ガス噴出口が輪状に貫通配設されているランスに
おいて、前記高圧ガス噴出口それぞれの先端部開口縁に座ぐりを
施し、前記開口縁を薄肉化してなることを特徴とするラ
ンス。
【請求項２】前記開口縁の肉厚を受熱面肉厚の１２５
％以下とした請求項１記載のランス。
【請求項３】金属精錬用ランス先端の受熱面に、複数
のガスノズルの各高圧ガス噴出口が輪状に貫通配設され
ているランスにおいて、前記ガスノズル先端部外周面に接続した状態で前記受熱
面の背面に放熱フィンが形成されていることを特徴とす
るランス。
【請求項４】前記放熱フィンは前記受熱面背面の中心
から放射状に配設され、前記ガスノズルの各先端部外周
面と接続されている請求項３記載のランス。
【請求項５】前記放熱フィンの厚さが、５mm以下であ
り、且つ高さが外管と中管との間隔以下である請求項３
または４に記載のランス。
【請求項６】高圧ガスを供給する内管、冷却水を供給
する中管及びその供給した冷却水を戻す外管を有する三
重管構造をなす金属精錬用ランスであって受熱面に複数
のガスノズルの各高圧ガス噴出口が輪状に貫通配設され
ているランスにおいて、前記高圧ガス噴出口それぞれの先端部開口縁に座ぐりを
施し、前記ガスノズルの先端部外周面に接続した状態で
受熱面の背面に放熱フィンを形成してなることを特徴と
するランス。
【請求項７】前記ガスノズル外周面に沿って前記中管
に穿設されている導水口の縁部から、前記ガスノズル外
周面に沿わせた状態で規制板を延設するとともに、前記
ガスノズル外面に、該ガスノズル軸方向に沿って１以上
の帯板状放熱フィンを形成した請求項６記載のランス。