JP3448599B2

JP3448599B2 - ランス

Info

Publication number: JP3448599B2
Application number: JP09635498A
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; Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: JFE Steel Corp; Kobe Steel Ltd; Nippon Steel Corp
Priority date: 1998-04-08
Filing date: 1998-04-08
Publication date: 2003-09-22
Anticipated expiration: 2018-04-08
Also published as: JPH11293322A

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１２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では、冷却水が酸素ノズル外周導入口５３を通過
して矢印Ａ方向から矢印Ｂ方向に変化する際に冷却水の
流速が遅くなるため、受熱面に対する冷却効果が低下す
るという問題があった。このような冷却効果の低下は酸
素ノズルまわりの隅部に冷却水の淀みが生じるためであ
る。このような不都合を解消することを目的として、特
開平９−１１８９０９号公報には直線状または曲線状の
リブを設けた構成が示されている。このリブは、冷却水
の戻り路であるランスの外管と中管の間にリブを設ける
ことにより冷却水の水路を分割し、冷却水の淀みを解消
しようとしている。

【０００５】しかしながら、同公報に記載のリブを採用
してもなお酸素ノズル５２ａの外周側５５では冷却水の
流れが遅くなるため、受熱面の冷却が不十分であった。

【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、ガスノズルの外周側に
おける冷却効果の低下を解消して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
ズル外周側における冷却効果の低下を解消する形態とし
ては、以下の二種類のランスが示される。

【０００８】

【０００９】第一のランスは、先端に複数のガスノズル
を配置し高圧ガスが供給される内管、該内管の周囲に設
けられ冷却水が供給される中管、該中管の周囲に設けら
れ供給された冷却水が戻される外管とから構成される三
重管構造の金属精錬用ランスにおいて、ガスノズルの外
壁に冷却水の流れに沿って１以上の帯板状放熱フィンを
形成したことを要旨とする。

【００１０】第一のランスにおいて帯板状放熱フィンの
厚さは、５mm以下であることが好ましい。

【００１１】第二のランスは、先端に複数のガスノズル
を配置し高圧ガスが供給される内管、該内管の周囲に設
けられ冷却水が供給される中管、該中管の周囲に設けら
れ供給された冷却水が戻される外管とから構成される三
重管構造の金属精錬用ランスにおいて、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縁部から、ガス
ノズル外壁に沿わせた状態で、冷却水の流速を高める規
制板を延設し、ガスノズルの外壁に冷却水の流れに沿っ
て１以上の帯板状放熱フィンを形成したことを要旨とす
る。第二のランスにおいて、帯板状放熱フィンは規制板
に接続することができる。

【００１２】また、第二のランスにおいて、さらにガス
ノズルの先端部開口縁に座ぐりを施し、ガスノズルに接
続した状態で受熱面の裏面に放熱フィンを形成すること
ができる。

【００１３】

【００１４】上記した第一のランスに従えば、ガスノズ
ルの外壁に放熱フィンが形成されているため、ガスノズ
ル外壁に沿って流れる冷却水の流速が遅くとも放熱フィ
ンを介して抜熱が行われるため、ガスノズルの冷却効果
を高めることができる。

【００１５】上記した第二のランスに従えば、ガスノズ
ルの外壁については放熱フィンを介して抜熱が行われ、
ガスノズルの先端部については規制板によって流速が高
められた冷却水が導入されるため冷却効果が高まる。従
って、従来、冷却効果が低かったガスノズル先端部の外
周部分についても確実に冷却が行われる。

【００１６】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、第一および
第二のランスの構成を示す断面図である。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。

【００１７】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。

【００１８】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。

【００１９】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。

【００２０】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、酸素ノズル９の先端部まわり、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に向けて流速を高めた冷却水を導入し、冷却水
が滞留しないようにしている。

【００２１】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。なお、本実施形態では規制
板８を、断面円弧状を有する一つの部材で構成したが、
これに限らず、規制板８は、断面直線状の複数の部材を
円弧状に配列したものであってもよい。また、冷却水の
流路に上記構成を有する規制板８を配置した場合の冷却
水の流れについて説明する。

【００２２】図３は、規制板８の延設長さを変化させた
場合の流路の圧損を従来と比較したものであり、横軸は
規制板８の延設長さＸを示し、右側縦軸は従来との流速
比、左側縦軸は従来との圧損比を示している。ただし、
各縦軸において規制板８を備えていない構成における圧
損を１としている。

【００２３】同図に示されるように、規制板８の延設長
さＸを長くするにつれて流速が速くなりその分圧損が増
加することになる。従来の構成、すなわち酸素ノズル外
周開口のみを有する構成と比較すると、規制板８の延設
長さＸを徐々に長くしていった場合、延設長さＸが１５
mmのとき、流速は従来の１．５０倍となり圧損は従来の
２．２５倍となる。しかも圧損は冷却水の流速の二乗で
増加する。そこで、本実施形態における好ましい規制板
８の延設長さＸの上限は、圧損で２．２５倍まで、すな
わち延設長さＸを１５mmまでとした。圧損が２．２５倍
を上回ると、冷却水の供給能力を高めるべく冷却水循環
設備の規模を変更する必要があり好ましくない。

【００２４】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本の帯板状部材からなる放熱フィン１
２で接続されており、これらの放熱フィン１２は酸素ノ
ズル９外周側から抜熱を行うようになっている。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１２の厚さは、鋳造が可能
な厚さ以上であり５mm以下に形成することが好ましい。

【００２５】図４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。

【００２６】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。

【００２７】図５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４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。

【００２８】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
している。

【００２９】また、図６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。

【００３０】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。

【００３１】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７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。

【００３２】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８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９に示すよう
に１８３℃となり、５８℃の温度降下が達成された。

【００３３】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。

【００３４】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。

【００３５】次に、酸素ノズル外周開口１１の縁部に規
制板８を設け、酸素ノズル９の外壁に放熱フィン１２を
形成した構成の動作について説明する。

【００３６】図１において、酸素ノズル外周開口１１を
通過して外管４内に戻る冷却水は、その流れの方向を矢
印Ｅ方向から矢印Ｆ方向に転換する際に、規制板８によ
って流路断面積が絞られた部位を通過し、流速が速めら
れる。それにより、従来、酸素ノズル９先端部まわりで
あって外管４と接続されている鋭角部分１０に冷却水の
淀みがあったが、流速の速い冷却水が供給されることに
よってその淀みが解消される。それにより酸素ノズル９
の外周部分について従来構成よりも冷却効果が高められ
る。

【００３７】また、酸素ノズル９の外壁には放熱フィン
１２が形成されているため、酸素ノズル外壁に沿って冷
却水が流れることによってその放熱フィン１２を介して
酸素ノズル９から抜熱が行われる。しかも放熱フィン１
２は、冷却水を酸素ノズル９の軸方向に沿った流れに整
えるため、酸素ノズル９外周部分の冷却効果を従来構成
よりも高めることができる。次に、座ぐり１３ａを設け
た構成の冷却効果を以下に説明する。

【００３８】酸素ノズル外周開口１１を通過しない冷却
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。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。

【００３９】また、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５
mm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ｈ₂ 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１４ａが形成されている。

【００４０】図１０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。

【００４１】同図から分かるように、放熱フィン１４の
肉厚σ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。

【００４２】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を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を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を
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/sec 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。

【００４３】このように、放熱フィン１４を設けた構成
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１１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。

【００４４】このように、冷却水供給路６内に供給さ
れ、受熱面開口１５を通過した冷却水は矢印Ｋ方向に流
れ、このとき、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）。

【００４５】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。

【００４６】従って、酸素ノズル９の外周開口１１の縁
部から規制板８を延設し、酸素ノズル９の外壁に放熱フ
ィン１２を形成し、さらに、酸素ノズル９の先端部開口
縁に座ぐり１３ａを施し、受熱面１３ｂの背面に放熱フ
ィン１４を形成した本発明の構成によれば、従来抜熱が
不完全であった酸素ノズル９先端部まわりついて確実に
冷却を行うことができる。

【００４７】また、従来のランスでは、酸素ノズル開口
縁の背面側温度は（後述する図８参照）２６４℃である
が、酸素ノズル外周開口縁に規制板８を延設した本発明
によれば、１９８℃となり６６℃の温度降下が得られ
る。そのうち、上述したように、受熱面１３ｂの肉厚を
薄肉化したことによる温度降下が２４℃であり、座ぐり
１３ａによる温度降下が３４℃であることから、規制板
８によって得られる冷却降下は８℃であると推定され
る。冷却効果を割合で示すと、受熱面の薄肉化によるも
のが３６％、座ぐり１３ａによるものが５２％、規制板
８によるものが１２％となる。

【００４８】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。

【００４９】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。

【００５０】

【００５１】

【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、ガスノズル外壁に沿っ
て流れる冷却水の流速が遅くとも放熱フィンを介して抜
熱が行われるため、ガスノズル先端部、特にガスノズル
外周部分の冷却効果を高めることができる。

【００５２】本発明の第二のランスによれば、ガスノズ
ルの外壁については放熱フィンを介して抜熱が行われ、
先端部については規制板によって冷却効果が高められる
ため、従来、冷却効果が低かったガスノズル外周部分に
ついても確実に冷却が行われ、それによりランスの寿命
を延ばすことができる。

【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に示す放熱フィン１１の特性を示すグラフ
である。

【図４】図１のＨ部拡大図である。

【図５】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６】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７】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８】従来の酸素ノズル先端部の温度分布図である。

【図９】本発明の酸素ノズル先端部の温度分布図であ
る。

【図１０】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１１】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１２】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（ガスノズル）１０隅部１１酸素ノズル外周開口（導水口）１２放熱フィン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 (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)参考文献特開平３−229814（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】先端に複数のガスノズルを配置し高圧ガ
スが供給される内管、該内管の周囲に設けられ冷却水が
供給される中管、該中管の周囲に設けられ供給された冷
却水が戻される外管とから構成される三重管構造の金属
精錬用ランスにおいて、前記ガスノズルの外壁に前記冷却水の流れに沿って１以
上の帯板状放熱フィンを形成したことを特徴とするラン
ス。
【請求項２】前記帯板状放熱フィンの厚さが、５mm以
下である請求項１記載のランス。
【請求項３】先端に複数のガスノズルを配置し高圧ガ
スが供給される内管、該内管の周囲に設けられ冷却水が
供給される中管、該中管の周囲に設けられ供給された冷
却水が戻される外管とから構成される三重管構造の金属
精錬用ランスにおいて、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
る導水口縁部から、前記ガスノズル外壁に沿わせた状態
で、前記冷却水の流速を高める規制板を延設し、前記ガ
スノズルの外壁に前記冷却水の流れに沿って１以上の帯
板状放熱フィンを形成したことを特徴とするランス。
【請求項４】前記帯板状放熱フィンが前記規制板に接
続されている請求項３記載のランス。
【請求項５】前記ガスノズルの先端部開口縁に座ぐり
が施され、前記ガスノズルに接続した状態で前記受熱面
の裏面に放熱フィンが形成されている請求項３または４
に記載のランス。