JP3619338B2 - 溶融金属内へのガスの吹き込み方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶鋼等の溶融金属内へのガスの吹き込み方法に関し、とくに吹込みガス流量の可変範囲の広いガスの吹き込み方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、鉄鋼精錬においては溶鋼内へのガス吹込みが常用されるようになってきたが、精錬技術の高度化、多様化にともない、一連の精錬工程の中で吹込みガスの流量を大幅に変更しうる技術の必要性が高まっている。
【0003】
例えば、上底吹き転炉で低燐の高炭素鋼を溶製するためには、脱炭吹錬の末期に底吹きガス流量を絞り、スラグ中の(T.Fe)を高めて脱燐を促進させる必要がある。また、上底吹き転炉で極低炭素域まで脱炭するに際しては、脱炭末期に酸素の供給が過剰にならないように、極低炭素域で底吹き酸素流量を低減させる必要がある。
【0004】
また、電気炉においても底吹き精錬が多用されるようになってきたが、溶解初期の溶鋼量の少ない時期は、底吹きガス流量を小さくし、溶鋼量が多くなる溶解中期以降に、底吹きガス流量を増大させる必要がある。
【0005】
一般に溶鋼中にガスを吹き込む羽口としては、羽口れんが内に金属製の単管又は二重管ノズルを埋込んだものが多く用いられる。しかし、このような管状のノズルは、ガス流量を低減させた時にノズル内に溶鋼が差し込んで閉塞するという問題がある。
【0006】
また、吹込みガス流量を大きくすると、いわゆる吹き抜け現象が起こり、吹込みガスの利用効率が悪化するだけでなく、溶鋼の粒滴を吹き上げて安全上問題がある。そのために管状のノズルでは、吹込みガス流量の可変範囲が狭いということが問題であった。
【0007】
これに対して、多孔質の耐火物いわゆるポーラスプラグを用いて溶鋼内にガスを吹込む方法では、管状のノズルのような溶鋼の差し込みがないため流量を絞ることは可能であるが、吹き込めるガス流量が少なく、大幅な精錬効果の向上が期待できない。
【0008】
一方、例えば特開昭62−96612号公報には、羽口れんが内に多数の金属製の細管を埋め込んで、低流量時に溶鋼の差し込みを起こりにくくする方法が開示されている。しかし、この方法では不活性ガスの吹込みは可能であっても、酸素ガスを使用した時にノズルの適切な冷却が難しく、ノズル寿命に問題がある。また、ノズルの製作に手間がかかりかつ補修が容易でないためコスト面でも問題があると予想される。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記のような従来技術の問題点に鑑み、吹込みガス流量の可変範囲を大きくし、かつノズルの製作が容易な溶融金属内へのガスの吹き込み方法を提供することを目的とする。
【0010】
また、併せて酸素ガスと冷却ガスのような異種のガスを同時に吹き込む場合にも、吹込みガス流量の可変範囲の広い溶融金属内へのガスの吹き込み方法を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであって、その要旨は、
(1)容器内の溶融金属に底吹き羽口からガスを吹き込むに際して、2重の同心円管からなるノズルを用い、内管の内径を50mm以下とし、外側の開口部から供給されるガスの開口部出口での線流速を該ガスの標準状態での音速以上とし、内側の開口部から供給されるガスの流量の下限を0とし上限を吹き抜け限界流量として該範囲内の流量で吹き込むことを特徴とする溶融金属内へのガスの吹き込み方法である。
【0012】
また、容器内の溶融金属に底吹き羽口からガスを吹き込むに際して、3重の同心円管からなるノズルを用い、最内管の内径を50mm以下とし、内側の開口部と中間の開口部から酸素を供給し、外側の開口部から炭化水素ガス、不活性ガス、CO 2 ガスの冷却ガスを供給し、中間の開口部から供給される酸素ガスの開口部出口での線流速を330Nm/秒以上とし、内側の開口部から供給される酸素ガスの流量の下限を0とし上限を吹き抜け限界流量として該範囲内の流量で吹き込むことを特徴とする溶融金属内へのガスの吹き込み方法である。
【0013】
(2)容器内の溶融金属に該容器の側面に設けた羽口からガスを吹き込むに際して、2重の同心円管からなるノズルを用い、内管の内径を50mm以下とし、外側の開口部から供給されるガスの開口部出口での線流速を該ガスの標準状態での音速以上とし、内側の開口部から供給されるガスの流量の下限を0とし上限を吹き抜け限界流量として該範囲内の流量で吹き込むことを特徴とする溶融金属内へのガスの吹き込み方法である。
【0014】
また、容器内の溶融金属に該容器の側面に設けた羽口からガスを吹き込むに際して、3重の同心円管からなるノズルを用い、最内管の内径を50mm以下とし、内側の開口部と中間の開口部から酸素を供給し、外側の開口部から炭化水素ガス、不活性ガス、CO 2 ガスの冷却ガスを供給し、中間の開口部から供給される酸素ガスの開口部出口での線流速を330Nm/秒以上とし、内側の開口部から供給される酸素ガスの流量の下限を0とし上限を吹き抜け限界流量として該範囲内の流量で吹き込むことを特徴とする溶融金属内へのガスの吹き込み方法である。
【0015】
【発明の実施の形態】
図1に、本発明に用いられるガス吹込みノズルの形状の例を示す。羽口れんが1の内部に、二重の同心円管からなる金属製のノズルが埋め込まれており、内側の円形の開口部2と、外側の環状の開口部3はそれぞれ独立のガス供給管4、5に接続されている。この羽口れんがは精錬容器の底部又は側面に取付けられ、容器内の溶融金属にノズルからガスを吹き込む。
【0016】
本発明のガス吹き込み方法は、外側の開口部3から供給されるガスの出口線流速を該ガスの標準状態での音速以上とすることにより、内側の開口部2から供給されるガスの流量の大幅な変更を可能にしたことを特徴とする。内側の開口部2のガス流量の下限を0としても、ノズルへの溶融金属の差し込みが起らない。
【0017】
また、その上限は物理的な制約はないが、吹込みガスの利用効率や作業の安全上の理由から、いわゆる吹き抜け現象の起こらない範囲(吹き抜け限界流量以下)として、この範囲内で任意に内側の開口部のガス流量を変更することができる。
【0018】
本発明において、吹込みガスとしては例えばN2,Ar,CO2などを用いることができ、内側と外側の開口部から吹き込むガスの種類が同一であっても、或いは異なっていてもよい。
【0019】
以下本発明の原理について説明する。
図2は、溶融金属等の液体中に底吹きノズルからガスを吹き込んだ場合の、ノズル上部の気泡の状態を示す模式図である。管状のノズル6からガスを吹き込んで、その流量が比較的少ない場合は、図2(a)に示すように、独立した気泡7が連続的に形成され、液体8内を上昇してゆく(この状態を以下「バブリング」という)。
【0020】
一方、流量が多くなると、図2(b)に示すように、ノズルの上部に気柱(ガスのジェット)9が定常的に形成され、この気柱内には液体が存在しなくなる(この状態を以下「ジェッティング」という)ことが知られている。バブリングからジェッティングへの遷移は、ノズル出口のガスの流速が音速になる付近で起こることが文献(例えば、鉄と鋼,68(1982),p.98)に示されている。
【0021】
本発明の発明者らは、図2(c)に示すように、二重管のノズルにおいて内側の開口部2のガスを止め、外側の開口部3の出口のガスの流速を音速以上にすると、二重管ノズル全体の上にジェッティング状態の気柱9が形成され、この気柱内に液体が存在しなくなることを知見した。
【0022】
内管の径が50mm以下であれば、前記の気柱は安定に存在し、内管への液体の侵入は起こらない。また、外側の環状の開口部の幅は機械加工の精度上0.5mm程度以上にする必要があるが、この幅が0.5mm程度以上であれば内管への液体の侵入は起こらないことを知見した。
【0023】
本発明はこの知見に基いてなされたもので、同心円の二重ノズルにおいて、外側の環状の開口部の出口のガス流速を音速以上にすることにより、ノズル全体にジェッティングの気柱を形成させ、内管のガス流量を0にしても、溶融金属の差し込みを回避することができ、これにより内管のガス流量の可変幅を飛躍的に大きくすることを特徴とする。
【0024】
内管の内径をD、外側の開口部の幅をt、内側の開口部、外側の開口部の面積をそれぞれA1、A2とすると、A2/A1はおおよそ4t/Dとなる。D=50mm、t=0.5mmとするとA2/A1は約0.04となり、外側の開口部の面積の比率はきわめて小さくすることができる。したがって、外側の開口部面積を小さくし、これから一定流量のガスを流しておくことで、内管のガス流量を大幅に可変にできるようにしたことが本発明の効果である。
【0025】
すでに述べた如く、内側の開口部のガス流量の下限は0とすることができる。またその上限は吹き抜けが起こる臨界のガス流量(吹き抜け限界流量)として、この範囲内で内側の開口部のガス流量を任意に選択しうる。
【0026】
なお、単管ノズルの吹き抜け限界流量Q(m3/s)は、開口部面積A(m2)、ノズル径D(m)、ガス及び溶融金属の密度ρg,ρl( kg/m3)、浴の深さH(m)などにより、下式で表わされることが文献(例えば、鉄と鋼,68(1982),p.1964)に示されている。
【0027】
【数1】
【0028】
なお、容器の底面に取付けたノズルからガスを吹き込んだ場合について以上に説明したが、本発明の原理は容器の側面に取付けたノズルからガスを吹き込んだ場合にも適用できる。
【0029】
すなわち、容器の側面からのガス吹き込みの場合も、二重管ノズルにおいて内側の開口部2のガスを止め、外側の開口部3の出口のガスの流速を音速以上にすると、二重管ノズルの前方にジェッティング状態の気柱9が形成され、この気柱内に液体が存在しなくなること、及び内管の径が50mm以下であれば、前記の気柱は安定に存在し、内管への液体の侵入は起こらないことが本発明者らによって確かめられている。
【0030】
なお、この場合は上記の吹き抜け限界流量の式において、Hとして浴表面から側面のノズル中心までの浴深の値を用いればよい。
【0031】
図3に、本発明に用いられるガス吹込みノズルの形状の他の例を示す。この例では、羽口れんが1の内部に三重の同心円管からなる金属製のノズルが埋め込まれており、内側の開口部11と中間の開口部12から酸素を供給し、外側の開口部13からは、ノズル冷却用ガスを供給することを特徴とする。内側の開口部11と中間の開口部12はそれぞれ独立の酸素供給管14、14´に接続され、吹き込む酸素の圧力を独立に調節しうるようになっている。
【0032】
また、外側の開口部13は、冷却用ガス供給管15に接続されており、この羽口れんがも図1の場合と同じく精錬容器の底部又は側面に取付けられる。
【0033】
図3のノズルを用いた本発明のガスの吹き込み方法は、中間の開口部12から供給される酸素ガスの開口部出口での線流速を330Nm/秒(標準状態での酸素ガスの音速)以上とすることにより、内側の開口部11の酸素流量の下限を0上限を吹き抜け限界流量として、該範囲内の流量で酸素ガスを溶融金属中に吹き込むことを特徴とする。
【0034】
最内管の内径が50mm以下であれば、図2(c)に示すようなジェッティングの気柱により、内側の開口部のガス流量を0にしても溶融金属の差し込みは起こらない。
【0035】
すでに述べたごとく、中間の開口部12の内側の開口部11に対する断面積の比を小さくすることにより、酸素流量の可変範囲を従来の二重管ノズルの場合より大幅に拡大したことが本発明の効果である。
【0036】
なお、外側の開口部13から供給するノズル冷却用ガスとしては炭化水素ガスや不活性ガス、CO2ガス等を用いることができ、その流量はノズル先端に形成される固体付着物いわゆるマッシュルームが適度な大きさとなるように調節すればよい。本発明に用いられる三重管ノズルにおいても、従来の二重管ノズルで確立された適正なマッシュルームを得るための冷却技術を適用することができる。
【0037】
【実施例】
容量350tの転炉を用いて、本発明のガスの吹き込み方法と単管ノズル又は二重管ノズルを用いる従来の吹き込み方法での、差し込みを起こさず吹込みガス流量を低減できる限界条件を比較した。上記転炉に約350tの溶銑を装入し、メタル浴深は約2m一定の条件で試験を行った。
【0038】
実施例1は内管の内径25mm、外径27mm、外管の内径32mm、外径34mmの二重管ノズルを炉底中央に配置して、本発明のガスの吹き込み方法を実施した場合で、比較例1は内径30.3mm、外径32.3mmの単管ノズルを炉底中央に配置して通常のガスの吹き込みを行った場合である。いずれの場合も吹込みガスはCO2で、実施例1では内側、外側の開口部共にCO2を吹き込み、外側の開口部の出口線流速を350Nm/秒とした。
【0039】
表1に実施例1及び比較例1におけるノズル開口部面積と吹込みガス流量の低減限界を示す。実施例1においては、内管のガス流量を0にしても差し込みは起こらず、比較例1よりも吹込みガス流量の下限を大幅に低くできることが確かめられた。
【0040】
【表1】
【0041】
実施例2は最内管の内径25mm、外径27mm、中管の内径32mm、外径34mm、外管の内径36mm、外径38mmの三重管ノズルを炉底中央に配置して、本発明のガスの吹き込み方法を実施した場合で、内側の開口部及び中間の開口部からは酸素ガスを、外側の開口部からは冷却用のプロパンガスを吹き込み、中間の開口部の酸素ガスの出口線流速を350Nm/秒とした。
【0042】
比較例2は内管の内径30.3mm、外径32.3mm、外管の内径34.3mm、外径36.3mmの二重管ノズルを炉底中央に配置して、内側の開口部に酸素ガス、外側の開口部に冷却用のプロパンガスを流す通常の酸素ガスの吹き込みを行った場合である。外側の開口部のプロパンガスの流量は、実施例2及び比較例2で同一にした。
【0043】
表2に実施例2及び比較例2における酸素吹込み部分の開口部面積と吹込み酸素ガス流量の低減限界を示す。実施例2においては、内管の酸素ガス流量を0にしても差し込みは起こらず、比較例2よりも吹込み酸素ガス流量の下限を大幅に低くできることが確かめられた。
【0044】
【表2】
【0045】
【発明の効果】
本発明の方法により、溶融金属内へのガスの吹き込みにおいて、従来の管状のノズルと比較して吹込みガス流量の低減限界を低くすることが可能となり、その結果流量可変範囲を大幅に拡大することが可能になった。
【0046】
また、本発明の方法ではノズルの製作が容易であり、かつ酸素ガスと冷却ガスのような異種のガスを同時に吹込む場合にも、吹込みガス流量の可変範囲を大幅に拡大することが可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に用いられるガス吹込みノズルの形状の例を示す説明図である。
【図2】液体中にガスを吹き込んだ場合のノズル上部の気泡の状態を示す模式図である。
【図3】本発明に用いられるガス吹込みノズルの形状の他の例を示す説明図である。
【符号の説明】
1 羽口れんが
2 内側の開口部
3 外側の開口部
4、5 ガス供給管
6 単管ノズル
7 気泡
8 液体
9 気柱(ガスのジェット)
11 内側の開口部(三重管ノズル)
12 中間の開口部
13 外側の開口部(三重管ノズル)
14、14´ 酸素ガス供給管
15 冷却用ガス供給管
Claims (4)
- 容器内の溶融金属に底吹き羽口からガスを吹き込むに際して、2重の同心円管からなるノズルを用い、内管の内径を50mm以下とし、外側の開口部から供給されるガスの開口部出口での線流速を該ガスの標準状態での音速以上とし、内側の開口部から供給されるガスの流量の下限を0とし上限を吹き抜け限界流量として該範囲内の流量で吹き込むことを特徴とする溶融金属内へのガスの吹き込み方法。
- 容器内の溶融金属に底吹き羽口からガスを吹き込むに際して、3重の同心円管からなるノズルを用い、最内管の内径を50mm以下とし、内側の開口部と中間の開口部から酸素を供給し、外側の開口部から炭化水素ガス、不活性ガス、CO 2 ガスの冷却ガスを供給し、中間の開口部から供給される酸素ガスの開口部出口での線流速を330Nm/秒以上とし、内側の開口部から供給される酸素ガスの流量の下限を0とし上限を吹き抜け限界流量として該範囲内の流量で吹き込むことを特徴とする溶融金属内へのガスの吹き込み方法。
- 容器内の溶融金属に該容器の側面に設けた羽口からガスを吹き込むに際して、2重の同心円管からなるノズルを用い、内管の内径を50mm以下とし、外側の開口部から供給されるガスの開口部出口での線流速を該ガスの標準状態での音速以上とし、内側の開口部から供給されるガスの流量の下限を0とし上限を吹き抜け限界流量として該範囲内の流量で吹き込むことを特徴とする溶融金属内へのガスの吹き込み方法。
- 容器内の溶融金属に該容器の側面に設けた羽口からガスを吹き込むに際して、3重の同心円管からなるノズルを用い、最内管の内径を50mm以下とし、内側の開口部と中間の開口部から酸素を供給し、外側の開口部から炭化水素ガス、不活性ガス、CO 2 ガスの冷却ガスを供給し、中間の開口部から供給される酸素ガスの開口部出口での線流速を330Nm/秒以上とし、内側の開口部から供給される酸素ガスの流量の下限を0とし上限を吹き抜け限界流量として該範囲内の流量で吹き込むことを特徴とする溶融金属内へのガスの吹き込み方法。
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