JP4742855B2 - 溶融金属精錬用ランス - Google Patents

Description

本発明は、溶融金属精錬用ランスに関する。

図２は、真空槽３及び取鍋５を備えるＲＨ真空脱ガス装置０を用いて、溶融金属（以降の説明では溶融金属が溶鋼６である場合を例にとる。）の精錬を行う状況を模式的に示す説明図である。

同図に示すように、溶鋼６の精錬では、末広形状の内面を有する中空のハウジングからなるラバールノズルを先端に設けられるラバールランス１を真空槽３の内部に配置しておき、酸素２を超音速で、環流Ａｒ又はＮ_２４によって真空槽３内を環流する溶鋼６の浴面に吹き付けることによって溶鋼６をＡｌで昇熱する操業が行われる。また、脱硫の際には、ラバールランス１から生石灰等の混合物の粉体２を溶鋼６の浴面に吹き付ける操業が行われる。溶鋼６の精錬において超高速ランスであるラバールランス１を用いる理由は、高温の溶鋼６へのガス又は粉体の到達割合（到達割合／吹き込み量）を増加させて精錬の効率を高めることにある。

本出願人は、特許文献１、２により、このラバールランス１に替えて、先細り形状の中子と、この中子を支持するとともに中子の外側に配置されて中子の周囲に環状のスリットを形成する形状の内面を有する中空のハウジングとを備えるスパイクノズルを有するスパイクランスを、超音速ランスとして用いることを提案した。

図３は、このスパイクランス７の構成例を示す断面図である。同図に示すように、このスパイクランス７は、内管８と、内管８の外側に配置される外管９と、内管８の先端に内管８と一体に設けられて流体や粉体を噴出するためのスパイクノズル１０とを有する多重管構造を備える。このスパイクノズル１０は、先細り形状の中子１１と、中子１１を支持するとともに中子１１の外側に配置されて中子の周囲に環状のスリットを形成する形状の内面を有する中空のハウジング１２とを備える。外管９と内管８との間に仕切り管１３が配置される。

このスパイクランス７を構成する外管９及び内管８はいずれも、冷却水１４を流すための流路１５を内蔵する水冷構造としていた。この種のランスは、高温の条件下で用いられることから、外管９、内管８のそれぞれに水冷構造を有することは、不可欠であると考えられてきたからである。

スパイクランス７の利点の一つは、酸素ガスを大量に流す場合のみならず流量を絞って流す場合においても、安定した超音速ジェットを形成できることである。また、もう一つの利点は、酸素ガスとともに粉体を流した場合、粉体は超音速ジェットのコア−部分（中心部分）に集中して流れるとともに形成される超音速ジェットが安定であることから、吹き付けられる粉体が拡散し難いことである。このスパイクランス７では、ジェットが中子１１の先端部に形成された斜面に沿って流れるため、粉体もジェットの中心方向へ集中して流れる。このため、ラバールランス１に比較して溶鋼６の表面への粉体の到達率が上昇し、これにより脱硫率が上昇する。このように、スパイクランス７は粉体の吹込みにも適する。

ラバールランス１では最狭部であるスロート部であってもその径は３０ｍｍと大口径であるので、スロート部の磨耗は少なかった。これに対し、スパイクランス７では、ガスを流すための環状のスリットの間隙ｄは２〜１０ｍｍ程度と狭いため、粉体や粉体の凝固物、さらにはその他の異物が衝突することによる中子１１の磨耗が多い傾向にあるので、磨耗した場合にはスパイクランス７の全体を高い頻度で交換しなければならなくなる。

この対策として、特許文献２により、中子１１の先細り形状の先端部１１ａを脱着自在としてスパイクノズル１０の交換作業性を向上することや、中子１１を高い耐磨耗性を有する材料により構成することを開示した。

さらに、特許文献３により、槽内付着物の加熱除去、槽の予熱及び槽内溶鋼の昇温ならびに紛体上吹きによる精錬機能向上を行うことができる多重管構造の多目的バーナを提案した。
特開２００２−２２６９０７号公報 特開２００４−２１１１８１号公報 特開平６−７４４２５号公報

しかし、特許文献２により開示したように、スパイクノズル１０の交換作業性を向上したり、中子１１を高い耐磨耗性を有する材料により構成しても、スパイクノズル１０の全体の寿命は中子１１だけではなく内管８の先端部の磨耗によっても決定され、内管８の先端部が磨耗すると、やはりスパイクランス７全体を交換しなければならなくなる。このため、スパイクランス７の交換頻度を大幅に低下することは難しい。

さらに、図２に示すようにＲＨ真空脱ガス処理において溶鋼６に酸素２を吹き付ける際、酸素２の噴射速度（マッハ数）が低過ぎると、溶鋼６の凹み深さが小さくなって酸素ジェットが拡散し易くなり、真空槽３の側壁の溶損が増加する。一方、マッハ数を高くすると溶鋼の凹み深さが増加して酸素ジェットも拡散し難くなり、真空槽３の側壁の溶損を抑えることができるために真空槽３の寿命向上が図られるものの、マッハ数を過剰に高くすると、溶鋼６の凹み深さが溶鋼深さを超えて真空槽３の槽底が溶損する。

真空槽３の使用初期は、槽底が厚いことに伴って真空槽３内の溶鋼深さが低くなるため、槽底に損傷を受け易い。一方、真空槽３の使用末期は溶鋼深さが高くなるため、槽底よりも側壁が損傷を受けやすくなる。そのため、真空槽３の使用初期にはマッハ数を下げて槽底の損傷を抑制するとともに真空槽３の使用末期にはマッハ数を上げて側壁の損傷を低減するという操業を行えることが理想的である。しかし、このように真空槽３の使用時期に応じてマッハ数をコントロールする場合にも、スパイクランス７全体を交換しなければならない。

なお、酸素ジェットのマッハ数は動圧から次式によって求められる。
高Ｍａｃｈ数：（Ｍ≧０．９９８ ｆｏｒ γ＝１．４）

低Ｍａｃｈ数：（Ｍ＜０．９９８ ｆｏｒ γ＝１．４）

上記式において、Ｐ_ｍは動圧を示し、Ｐ_∞は雰囲気圧を示す。
さらに、特許文献３により開示した多重管構造の多目的バーナは、構造が複雑であることから、ランスの交換に多大な労力及び時間を要する。

上述したように、これまで、ランスを構成する外管及び内管がいずれも水冷構造を有することは不可欠であると考えられてきた。しかし、本発明者らはこのような技術常識にとらわれることなくさらに検討を重ねた結果、内管は水冷構造としなくとも操業上支障をきたすことはなく、内管を水冷構造としないことにより内管の構造を簡素化できるので、内管の先端に各種のノズルを脱着自在に設けることができることを知見し、さらに検討を重ねて、本発明を完成した。

本発明は、内管と、この内管の周囲に配置される仕切り管と、内管及び仕切り管の外側に内管及び仕切り管と同心円状に配置される外管と、内管の先端に設けられて流体及び／又は粉体を噴出するためのノズルとを少なくとも有する多重管構造を備え、この内管が非水冷構造を有すること、ノズルが、先細り形状の中子と、この中子を支持するとともに中子の外側に配置されて中子の周囲に環状のスリットを形成する形状の内面を有する中空のハウジングとを備えるスパイクノズルであること、スパイクノズルが、ノズル回し穴を有するとともに、該ノズル回し穴に工具を差し込んで該工具を回転させることによって前記中空のハウジングの外面に設けられた雄ねじ部を前記内管の内面に設けられた雌ねじ部に螺着させて、前記内管に脱着自在に設けられること、及び、内管に螺着されたノズルは、仕切り管の先端であって内管よりも先端側へ突き出た部分の内側に配置される回り止め部材によって、固定されることを特徴とする溶融金属精錬用ランスである。

この本発明に係る溶融金属精錬用ランスでは、ノズルが、外管が公知の溶融金属精錬用ランスと同様に水冷構造を有することが例示される。

本発明により、例えば溶鋼精錬用ランスといった溶融金属精錬用ランスを構成する内管の構造を非水冷構造と簡素なものにするので、内管からの水漏れの危険を解消できるとともに内管の製造コストを大幅に削減できる。

また、本発明により、ノズルを内管に脱着自在に設けることにより、ランス自体の交換頻度を大幅に低減できるとともにノズルの交換を簡単に行うことができることから、真空槽の使用時期（操業回数）に応じてノズルを最適なものに交換することにより、例えばＲＨ真空脱ガス処理において溶鋼に酸素を吹き付ける際のマッハ数を、最適な値に制御することができる。

以下、本発明に係る溶融金属精錬用ランスを実施するための最良の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以降の説明では、溶融金属が溶鋼である場合を例にとるが、真空槽及び取鍋を用いたこの種の精錬に供せられる溶融金属であれば、溶鋼以外でも同様に適用可能である。

図１は、本実施の形態の溶鋼精錬用ランス２０の構造例を示す断面図であり、図１（ａ）はスパイクノズル２４を装着した場合を示し、図１（ｂ）はラバールノズル２５を装着した場合を示す。

図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、本実施の形態に係る溶鋼精錬用ランス２０は、内管２１、仕切り管２２、外管２３及び、スパイクノズル２４又はラバールノズル２５を有する多重管構造を有するので、これらの構成要素について説明する。
［内管２１］
本実施の形態の溶鋼精錬用ランス２０は、内管２１と内管２１の周囲に配置された仕切り管２２とを有する。

本実施の形態の内管２１は、冷却水を流通させるための流路を内蔵しない非水冷構造を有する。すなわち、多重管構造を有する精錬用ランス２０における内管２１を、従来とは異なり、非水冷構造として、例えば４００ヒートの操業を行っても、内管２１には劣化は生じず、昇熱や脱硫といった精錬機能を十分に有する。このため、本実施の形態では、内管２１を非水冷構造とする。これにより、内管２１の構造を簡素化できる。

本実施の形態では、内管２１が冷却水を流通させるための流路を内蔵しない構造であるので、冷却水漏れの危険が解消されたため、内管２１の内面２１ａに、後述するスパイクノズル２４又はラバールノズル２５の中空のハウジング２６の外面２６ａに設けられた雄ねじ部と螺着する雌ねじ部が形成されている。

仕切り管２２は、内管２１よりも下方側へ長く形成されており、この部分の内部に後述するノズル２４、２５が配置される。
内管２１のこれ以外の構造は、公知の内管と同じであるので、内管２１についてのこれ以上の説明は省略する。
［外管２３］
外管２３は、内管２１及び仕切り管２２の外側に同心円状に配置される。外管２３は、従来の外管と同様に、冷却水を流通させるための流路２３ａが内蔵された水冷構造を有する。

外管２３のこれ以外の構造は、公知の外管と同じであるので、外管２３についてのこれ以上の説明は省略する。
［ノズル２４、２５］
本実施の形態の溶鋼精錬用ランス２０は、図１（ａ）に示すスパイクノズル２４、又は図１（ｂ）に示すラバールノズル２５を有する。

図１（ａ）に示すように、スパイクノズル２４は、先細り形状の中子２７と、中子２７を支持するとともに中子２７の外側に配置されて中子２７の周囲に環状のスリットを形成する形状の内面を有する中空のハウジング２６（図１（ａ）におけるハッチング部）とを備える。一方、図１（ｂ）に示すように、ラバールノズル２５は、末広形状の内面を有する中空のハウジング２６（図１（ｂ）におけるハッチング部）からなる。

図１（ａ）及び図１（ｂ）における符号２９はノズル回し穴を示す。このノズル回し穴２９に専用の工具を差し込んでこの工具を回転させることにより、スパイクノズル２４、又はラバールノズル２５を交換（取り付け及び取り外し）する。スパイクノズル２４、又はラバールノズル２５の交換後には、内管２１と仕切り管２２との間に周り止め３０を入れ、接合して固定する。

スパイクノズル２４、又はラバールノズル２５は、いずれも、内管２１に連通してその先端に設けられ、内管２１の内部を圧送される酸素、Ａｒ、Ｎ_２又は粉体を噴出する。操業途中で、スパイクノズル２４からラバールノズル２５へというように、異なる種類のノズルに交換することにより、容易にランス特性を変更できる。このため、真空槽３の使用初期にはマッハ数を下げて槽底の損傷を抑制するとともに真空槽３の使用末期にはマッハ数を上げて側壁の損傷を低減するという操業を簡単に行うことができる。

また、中空のハウジング２６の外面２６ａには、上述した雌ねじ部に螺着する雄ねじ部が設けられる。スパイクノズル２４、又はラバールノズル２５は、いずれも、中空のハウジング２６の外面２６ａに設けられた雄ねじ部が，内管２１の内面２１ａに設けられた雌ねじ部に螺着することによって、内管２１に脱着自在に設けられる。

これにより、溶鋼精錬用ランス２０の先端部を、ノズル毎まとめて容易に交換することができる。具体的には、約２０分間程度の短時間で容易にノズル部を交換することができる。

このため、図１（ａ）に示すように、スパイクノズル２４の中子２７とハウジング２６とを支持部材２８により接続して一体交換できるように構成することにより、吹き込んだ粉体によってノズルの詰まりや磨耗が発生した場合にあっても、迅速にノズル部分だけを交換でき、安定した操業を継続することができる。

このように、本実施の形態の溶鋼精錬用ランス２０によれば、溶鋼精錬用ランス２０を構成する内管２１の構造を非水冷構造と簡素なものにするので、内管２１からの水漏れの危険を解消できるとともに内管２１の製造コストを大幅に削減できる。

また、本実施の形態の溶鋼精錬用ランス２０によれば、複数本のランスを準備する必要がなく設備投資を最小限に抑制できる。
また、本実施の形態の溶鋼精錬用ランス２０によれば、例えばＲＨ脱ガス装置では処理と処理の間の時間を利用して、迅速にノズルを交換でき、ノズルまたはハウジングが磨耗した場合にも磨耗した部分のみ容易に交換できるため、ランス本体の寿命も延ばすことができる。すなわち、ランス自体の交換回数を低減でき、操業に応じたノズルの変更も自由に行うことができ、さらには真空槽の使用回数に応じたマッハ数の制御も容易に行うことができるため、ＲＨ真空脱ガス槽の寿命も延ばすことができる。

さらに、本実施の形態によれば、スパイクノズルの使用時に懸念されるスロート部の磨耗や詰りによる操業への影響を事実上無くすことができ、スパイクノズルの利点を最大限に享受できる。

さらに、本発明を実施例を参照しながら、詳細に説明する。表１にはＲＨ真空脱ガス槽において本発明のランスを使用して、溶鋼の真空精錬を行った結果を示す。
鋼中Ｃ含有量 ：０．０８〜０．１８％Ｃ普通鋼
処理パターン：昇熱（５分）→合金投入（３分）→真空処理（７分）
到達真空度 ：５０（ｔｏｒｒ）

ＲＨ真空脱ガス槽において、取鍋の使用回数０〜２００回ではラバールノズルを使用するとともに２００回からはマッハ数が若干大きなスパイクノズルを使用して、操業を行った。その結果、真空槽の寿命を１５％向上させることができた。

ＲＨ真空脱ガス槽において、取鍋の使用回数０〜２００回ではスパイクノズルを使用するとともに２００回からはマッハ数が若干大きなスパイクノズルを使用して、操業を行った。その結果、真空槽の寿命を３０％向上させることができた。

実施例１、２ともに、ランス先端部のみを交換しランス自体は交換しないことが可能になったので、ランス自体の寿命は約２倍に向上した。

実施の形態の溶鋼精錬用ランスの構造例を示す断面図であり、図１（ａ）はスパイクノズルを装着した場合を示し、図１（ｂ）はラバールノズルを装着した場合を示す。 真空槽及び取鍋を備えるＲＨ真空脱ガス装置を用いて、溶鋼の精錬を行う状況を模式的に示す説明図である。 本出願人が特許文献１、２により開示したスパイクランスの構成例を示す断面図である

符号の説明

０ ＲＨ真空脱ガス装置
１ ラバールランス
２ 酸素、粉体
３ 真空槽
４ 環流Ａｒ又はＮ_２
５ 取鍋
６ 溶鋼
７ スパイクランス
８ 内管
９ 外管
１０ スパイクノズル
１１ 中子
１１ａ 先端部
１２ ハウジング
１３ 仕切り管
１４ 冷却水
１５ 流路
２０ 溶鋼精錬用ランス
２１ 内管
２１ａ 内面
２２ 仕切り管
２３ 外管
２３ａ 流路
２４ スパイクノズル
２５ ラバールノズル
２６ ハウジング
２６ａ 外面
２７ 中子
２８ 支持部材
２９ ノズル回し穴
３０ 周り止め

Claims (2)

1. 内管と、該内管の周囲に配置される仕切り管と、前記内管及び前記仕切り管の外側に該内管及び該仕切り管と同心円状に配置される外管と、前記内管の先端に設けられて流体及び／又は粉体を噴出するためのノズルとを少なくとも有する多重管構造を備え、
   前記内管は非水冷構造を有すること、
   前記ノズルは、先細り形状の中子と、該中子を支持するとともに該中子の外側に配置されて該中子の周囲に環状のスリットを形成する形状の内面を有する中空のハウジングとを備えるスパイクノズルであること、
   前記スパイクノズルが、ノズル回し穴を有するとともに、該ノズル回し穴に工具を差し込んで該工具を回転させることによって前記中空のハウジングの外面に設けられた雄ねじ部を前記内管の内面に設けられた雌ねじ部に螺着させて、前記内管に脱着自在に設けられること、及び
   前記内管に螺着された前記ノズルは、前記仕切り管の先端であって前記内管よりも先端側へ突き出た部分の内側に配置される回り止め部材によって、固定されること
   を特徴とする溶融金属精錬用ランス。
2. 前記外管は水冷構造を有する請求項１に記載された溶融金属精錬用ランス。

Images