JP3769060B2 - 溶融金属内へのガスの底吹き方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【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底吹き方法に関し、とくに吹込みガス流量の可変範囲の広いガスの底吹き方法に関する。
【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込んで閉塞するという問題がある。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。
【０００６】
これに対して、多孔質の耐火物いわゆるポ−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。
【０００７】
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。
【０００８】
【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が大きくし、かつノズルの製作が容易な溶融金属内へのガスの底吹き方法を提供することを目的とする。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底吹き方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【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、異種のガスを同時に吹込む方法として、容器内の溶融金属に底吹き羽口からガスを吹込むに際して、短辺の幅がほぼ一定なスリット状又は環状の第一の開口部と、該スリット状の第一の開口部の外周に又は該環状の第一の開口部の外周と内周の双方に短辺の幅がほぼ一定な第二の開口部を設け、該第一の開口部と該第二の開口部の短辺の幅を下式の関係を満たすように定めて、該第一の開口部と該第二の開口部に異種のガスを供給することを特徴とする溶融金属内へのガスの底吹き方法である。
【００１２】
（ｄ₁＋２ｄ₂）／Ｈ≦０．０２
ｄ₁：第一の開口部の短辺の幅（ｍ）
ｄ₂：第二の開口部の短辺の幅（ｍ）
Ｈ ：開口部における平均浴深（ｍ）
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に用いられる底吹き羽口の例を示す説明図で、図１(ａ)はスリット状のノズルを有する羽口の斜視図、図１(ｂ)は環状のノズルを有する羽口の斜視図である。図１(ａ)では、羽口れんが１の内部に、短辺の幅がほぼ一定なスリット状のノズル２が埋め込まれ、ガス供給管３に接続されている。
【００１４】
また、図１(ｂ)では短辺の幅がほぼ一定な環状のノズル４が用いられ、ノズルの内側は耐火物５が充填されている。これらのノズルは、一般には金属製のものが用いられる。なお、図１(ｂ)は円形の環状のノズルの場合であるが、この他正方形や長方形の環状ノズルを用いることもできる。
【００１５】
図１(ａ)、１(ｂ)の羽口ともに溶融金属の入った容器の底部に取り付けられ、ノズル先端の開口部から溶融金属内にガスが吹き込まれる。
【００１６】
本発明の発明者らは、このようなスリット状又は環状のノズルにおいて溶融金属の差し込みが起こる上限のガス流速(以下、「差し込み限界流速」という)について検討した結果、差し込み限界流速が下式で表わされることを知見した。
【００１７】
Ｕ₁＝｛５・（ρ_l−ρ_g）・ｇ・ｄ／ρ_g｝^1/2 ……(１)
Ｕ₁： 差し込み限界流速（ｍ／ｓ）
ρ_l，ρ_g： 溶融金属及びガスの密度（ｋｇ/ｍ³)
ｇ： 重力加速度（９．８ｍ／ｓ²）
ｄ： スリットノズル又は環状ノズルの開口部の短辺の幅(ｍ)
(１)式は開口部が円形のノズルに一般的に用いられる式と同形で、管状ノズルの場合は、その開口部の直径Ｄを(１)式のｄに代入して、差し込み限界流速が求められる。
【００１８】
一方、開口部がスリット状又は環状のノズルで、ガスの吹き抜けが起こる下限のガス流速(以下、「吹き抜け限界流速」という)については下式で表されることを知見した。
【００１９】
Ｕ₂＝｛(ρ_l−ρ_g)・ｇ・Ｈ³／(5.07)³・ρ_g・ｄ²｝^1/2 ……(２)
Ｕ₂：吹き抜け限界流速（ｍ／ｓ)
Ｈ：ノズル開口部における溶融金属の平均浴深(ｍ)
上記（２）式も、ｄにノズルの開口部の直径Ｄを代入すると、管状ノズルの吹き抜け限界流速を与える式として一般的に用いられているものである。
【００２０】
底吹きノズルにおいて流量が変えられる上限はＵ₂、下限はＵ₁であるからＵ₂／Ｕ₁の値が大きいほど、流量の可変範囲が広いことになる。Ｕ₂／Ｕ₁に(1)式及び(2)式を代入して整理すると次式が得られる。
【００２１】
Ｕ₂／Ｕ₁＝０．０３９(ｄ／Ｈ) ^-3/2 ……(３)
図２に、上式より計算されるｄ／ＨとＵ₂／Ｕ₁の関係を示す。この図より、ｄ／Ｈが０．０２以下でＵ₂／Ｕ₁が急激に大きくなり、流量可変範囲が増大することが知れる。
【００２２】
したがって、本発明のガス底吹き方法においては、スリット状又は環状ノズルの短辺の幅ｄを平均浴深Ｈの０．０２倍以下とする必要がある。とくにｄ／Ｈを０．０１以下とすればＵ₂／Ｕ₁の値は３０以上となり流量可変範囲は著しく大きくなる。このようにスリットの短辺の幅ｄを小さくしても、開口部の長さｌを大きくすれば、開口部面積はｄ×ｌであるから十分な量のガスを溶融金属内に吹込むことができる。
【００２３】
図３は、本発明に用いられる二重ノズルのノズル形状の説明図で、図３(a)はスリット状の二重ノズルの断面図、図３(b)は環状の二重ノズルの断面図である。これらのノズルは一般には金属製で、図(1)と同じく、羽口れんがに埋め込まれ、中央の第一の開口部６とその周囲の第二の開口部７は、それぞれ別々にガス供給管に接続されている。また、図３(b)の環状の二重ノズルでは、第一の開口部６の内周と外周の双方に第二の開口部７が設けられ、さらにその内側には耐火物５が充填されている。
【００２４】
このような二重ノズルが用いられるのは、例えば中央の第一の開口部６に酸素ガスを、その周囲の第二の開口部７に冷却ガスを流すような場合であり、それぞれの開口部を仕切る金属板は厚み数mm以下の薄いものが用いられる。
【００２５】
本発明の発明者らは、このようなスリット状又は環状のノズルにおける差し込み限界流速及び吹き抜け限界流速について検討した結果、ガス流速として第一の開口部と第二の開口部の平均のガス流速を用い、ノズルの短辺の幅ｄに次式を用いれば、ほぼ(１)式及び(２)式が適用できることを知見した。
【００２６】
ｄ＝ｄ₁＋２ｄ₂
ｄ₁：第１の開口部の短辺の幅 （ｍ）
ｄ₂：第２の開口部の短辺の幅 （ｍ）
この場合もＵ₂／Ｕ₁の値について（３）式及び２図の関係が適用できる。したがって、(３)式で計算されるｄを平均浴深Ｈの０．０２倍以下とすることにより、流量可変範囲を広くすることができる。
【００２７】
なお、図１及び図３に示すスリット状又は環状のノズルの短辺の幅は、局所的に多量のガスが流れないようにほぼ一定であればよく、短辺の幅に多少の変動がある場合は、その平均値を開口部の短辺の幅ｄとすればよい。
【００２８】
【実施例】
容量１００tonの転炉を用いて、本発明の底吹き方法と単管ノズルを用いる従来の底吹き方法とでの、底吹きガス流量の可変範囲を比較した。実施例は開口部が３×１５０mmのスリット状のノズルを炉底中央に配置した場合で、比較例は開口部の直径が２０mmの単管ノズル２本を１ｍの間隔で炉底に配置した場合である。
【００２９】
いずれの場合も金属製のノズルを羽口れんが内に埋め込み、羽口れんがを炉底に装着した。炉内に所定量の溶銑を装入し、溶銑中にＡｒガスを吹込んで、ノズルへの差し込みが起こる限界の流量と吹き抜けの起こる限界の流量を測定した。差し込み限界流量はノズルの元圧の変動状況から判定し、吹き抜け限界流量は浴の表面からの溶銑粒滴の飛散状況を目視で判定した。
【００３０】
表１に、実施例と比較例におけるノズル開口部面積、平均浴深、差し込み限界流量、吹抜け限界流量の値を示す。
【００３１】
【表１】

【００３２】
表1の結果から、本発明の底吹き方法によれば従来の管状ノズルに比較して、吹込みガス流量の可変範囲を大幅に拡大できることが明らかになった。
【００３３】
【発明の効果】
本発明により、溶融金属内へのガスの底吹きにおいて、従来の管状のノズルと比較して吹込みガス流量の可変範囲を大幅に拡大することが可能になった。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底吹き羽口の例を示す説明図である。
【図２】(３)式より計算されるｄ／ＨとＵ₂／Ｕ₁の関係を示す図である。
【図３】本発明に用いられる二重ノズルのノズル形状の説明図である。
【符号の説明】
１ 羽口れんが
２ スリット状のノズル
３ ガス供給管
４ 環状のノズル
５ 耐火物
６ 第一の開口部
７ 第二の開口部

Claims (1)

1. 容器内の溶融金属に底吹き羽口からガスを吹込むに際して、短辺の幅がほぼ一定なスリット状又は環状の第一の開口部と、該スリット状の第一の開口部の外周に又は該環状の第一の開口部の外周と内周の双方に短辺の幅がほぼ一定な第二の開口部を設け、該第一の開口部と該第二の開口部の短辺の幅を下式の関係を満たすように定めて、該第一の開口部と該第二の開口部に異種のガスを供給することを特徴とする溶融金属内へのガスの底吹き方法。
   （ｄ_１＋２ｄ_２）／Ｈ≦０．０２
   ｄ_１：第一の開口部の短辺の幅（ｍ）
   ｄ_２：第二の開口部の短辺の幅（ｍ）
   Ｈ ：開口部における平均浴深（ｍ）

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