JP4385924B2 - 溶融金属精錬炉の冷却ガス供給方法 - Google Patents

Description

本発明は、炉底部に二重管方式の羽口を有してなる転炉等の溶融金属精錬炉における、上記羽口への冷却ガスの供給方法に関する。

精錬炉内の溶融金属に対し炉底に設けた同心二重管方式からなる羽口を通じてガスを吹き込む形式の炉としては、製鋼用の底吹き転炉や上底吹き転炉が知られている。底吹き転炉は、精錬用酸素ガスの全量を上記羽口の内管から吹き込む方式の溶融金属精錬炉である。上底吹き転炉は、精錬用酸素ガスの一部を上記羽口の内管から、その他を上吹きランスから吹き込む方式の溶融金属精錬炉である。

二重管方式の羽口は、内管を通して炉内の溶融金属に酸素を吹き込むと共に、内管と外管との間の間隙部（以下、アニュラスギャップとも呼ぶ）からはプロパンガス等の冷却ガスを吹き込み、この冷却ガスが溶融金属温度に到達するときの顕熱と熱分解の分解吸熱を利用して羽口を冷却する。また、羽口先端部には、上記冷却によりマッシュルームと呼ばれる凝固鉄が生成されて羽口が保護される。すなわち、マッシュルームによって、高温の溶融金属が直接羽口あるいはその周囲の耐火物に接触することが防止され、これによって二重管方式の羽口の溶損や、羽口周囲の耐火物の損耗を抑える。このように、安定したマッシュルームを形成することは羽口損耗の低減に効果がある。

このため、例えば特許文献１に記載のように、ガス供給圧の測定値に基づき羽口先端におけるガス圧力を推定し、測定値が所定圧力範囲となるように圧力を調整している。
特開２００４−１１５８３２号公報

上記特許文献１の技術では、一例としてマッシュルームによる圧損推定値（羽口先端におけるガス圧力）が０．５ＭＰａ以下となるようにガスの供給圧を調整しているが、単に圧損推定値が０．５ＭＰａ以下となるようにガスの供給圧を調整しても、発明者らは無視できない頻度で羽口先端部にバーンバックと呼ばれる異常摩耗が発生することがあることを確認した。特に、羽口のガス流量を増加したり炉のヒートサイズアップが大きくなったりすると、発生しやすいことを確認した。
本発明は、上記のような点に着目してなされたもので、溶融金属に供給するガス流量が増大したりしても羽口の寿命向上を図ることが可能な冷却ガス供給方法を提供することを課題としている。

上記課題を解決するために、本発明は、溶融金属精錬炉の炉底に配設される二重管方式のガス吹き込み羽口における、内管と外管との間の間隙部に冷却ガスを供給する溶融金属精錬炉の冷却ガス供給方法において、
上記外管の内径と内管の外径との差であるアニュラスギャップを１．４ｍｍ以上に設定し、
精錬の際に、上記間隙部における羽口先端部でのガス圧が０．０８〜０．１５（ＭＰａ）の範囲となるように冷却ガスの供給圧を調整する共に冷却ガスの流量を６〜９．５Ｎｍ ^３ ／ｍｉｎの範囲にすることを特徴とするものである。
ここで、冷却ガスの供給量が、内管を冷却するのに充分な量となるように内管と外管の間のアニュラスギャップを調整する。

本発明によれば、羽口の寿命向上を図ることができる。

次に、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。
本実施形態の溶融金属精錬炉は、上底吹き転炉であって、その炉底に二重管方式のガス吹込み羽口が複数個、設けられている。
各羽口１は、図１に示すように、酸素を吹き込むための内管２と、その周囲に一定間隔の隙間Ｘ（アニュラスギャップ）を形成するように配置された外管３とからなり、外管３には、不活性ガスや炭化水素ガス等からなる冷却ガスが供給される。なお、プロパン等の炭化水素ガスは顕熱による冷却だけでなく分解吸熱によっても羽口１の先端部を冷却できるので有利である。

上記内管２と外管３との間のアニュラスギャップは、図２に示すように、内管２の外周面に設けられたスプライン４によって所定の間隙に確保されている。
また、上記冷却ガスは、圧力調節弁５にて供給圧力が調整されると共に、羽口１の近傍の管路に取り付けられた圧力センサ６にてガス圧が検出される。圧力センサ６は、ガス圧に応じた検出信号を後述のコントローラ７に出力し、該コントローラ７は、入力した検出信号に基づき演算した供給圧となるように上記圧力調節弁５を介して調整する。

すなわち、コントローラ７は、圧力センサ６が検出した圧力に基づき推定した、羽口１先端での圧力（マッシュルーム圧損）が０．０８〜０．１５（ＭＰａ）の範囲に収まるように圧力調節弁５を調整する。なお、ガス流量も測定されてコントローラ７に入力される。
ここで、圧力センサ６での検出圧力をＰｓとすると、下記（１）式で表される。
Ｐｓ ＝ Ｐｇ ＋ Ｐｍ ＋ Ｐｆ ・・・（１）
但し、Ｐｇ：圧力センサ６位置から羽口１先端までの配管圧損
Ｐｍ：マッシュルーム圧損
Ｐｆ：静鉄圧

したがって、下記（２）式によって、検出圧力Ｐｓに基づきマッシュルーム圧損Ｐｍを推定して演算可能である。
Ｐｍ ＝ Ｐｓ − Ｐｇ − Ｐｆ ・・・（２）
ここで、静鉄圧Ｐｆは、炉内に挿入した溶鋼の重量などから炉内の溶鋼深さに換算することで求めることができる。
また、配管圧損は、例えば予め実験などによって、検出圧力及びガス流量を変数としたマップなどの形で求めておけばよい。

上述のようにマッシュルーム圧損Ｐｍが０．０８〜０．１５（ＭＰａ）の範囲に収まるように冷却ガスの供給圧力を調整することで、羽口１の異常摩耗が低減して当該羽口１のボトム寿命が向上する。すなわち、ヒートサイズが大きくなって冷却能を増大するためにガス流量の増大が必要であっても、マッシュルーム圧損Ｐｍの増大を抑えることで、羽口１の異常摩耗を低減する。

なお、マッシュルーム圧損Ｐｍを抑えるが、冷却能を大きくする必要がある場合には、アニュラスギャップを大きく設定して必要なガス流量を確保すればよい。
ここで、バーンバックと呼ばれる異常摩耗が発生した羽口１の内管２を回収して調査したところ、内管２の先端部側で大きな偏摩耗が観察され、肉厚が薄くなった位置のスプライン４の高さも低くなっていた。

これは、耐火物の熱膨張によって羽口１に応力が加わることが一因として、周方向における一部のアニュラスギャップＸが潰れ、その潰れた箇所で冷却ガスが偏流して内管２への冷却能が低下して内管２の温度が部分的に上昇したものと考えられる。この結果、酸化スケールの過剰成長と剥離を繰り返して、上述のような大きな偏摩耗に至ったものと推定される。

このため、スプライン４の高さを高くしてアニュラスギャップＸを大きくとることが好ましい。本実施形態では、アニュラスギャップＸ（外管３の内径−内管２の外径）を１．４ｍｍ以上に設定した。
また、内管２の内壁側からの高温酸化による損耗を防止するために、内管２の材料として、高温での耐酸化性に優れているＳＵＳ３１０Ｓのステンレス鋼を採用した。ここで、ＳＵＳ３１０Ｓは、母材中のＣｒ濃度が高く、またＮｉ濃度も比較的に高いことから、クラミア被膜へのＦｅイオンの拡散が抑制されるために保護的被膜が形成され続けるので、高温での耐酸化性に優れている。

内管２の内径を半径２２．０mmとし、それに合わせて、アニュラスギャップ断面積を１９６．１mm² （内管２外径面と外管３内径面の隙間が約１．５ｍｍ）とした場合に、冷却ガスの流量が６〜９．５Ｎｍ³ ／ｍｉｎの範囲にあっては、図３に示すようにマッシュルーム圧損を０．０８〜０．１５（ＭＰａ）の範囲とすることで、必要な冷却能を確保しつつ、圧力低減によってアッシュルームの安定性が向上し、その結果、羽口１の損傷を低減できたことを確認した。
この効果は、少なくともアニュラスギャップ断面積が１６５〜２３０ｍｍ² の範囲で有ることを確認している。
ここで、アニュラスギャップ断面積とは、所定の軸直方向で羽口１を切断したとした場合における内管２と外管３との間の円環状の空間の断面積を指す。

本発明に基づく実施形態に係る羽口の冷却設備を説明する概念図である。 本発明に基づく実施形態に係る羽口を示す軸直方向の断面図である。 本発明に基づく実施形態に係る冷却ガス流量とマッシュルーム圧損との関係を示す図である。

符号の説明

１ 羽口
２ 内管
３ 外管
４ スプライン
５ 圧力調節弁
６ 圧力センサ
７ コントローラ
１０ マッシュルーム

Claims (1)

1. 溶融金属精錬炉の炉底に配設される二重管方式のガス吹き込み羽口における、内管と外管との間の間隙部に冷却ガスを供給する溶融金属精錬炉の冷却ガス供給方法において、
   上記外管の内径と内管の外径との差であるアニュラスギャップを１．４ｍｍ以上に設定し、
   精錬の際に、上記間隙部における羽口先端部でのガス圧が０．０８〜０．１５（ＭＰａ）の範囲となるように冷却ガスの供給圧を調整する共に冷却ガスの流量を６〜９．５Ｎｍ ^３ ／ｍｉｎの範囲にすることを特徴とする溶融金属精錬炉の冷却ガス供給方法。

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