JP4765372B2 - ガス吹き込み羽口 - Google Patents

Description

本発明は、高温溶融金属を精錬する転炉などの精錬容器内にガスを吹き込むために精錬容器に設置される羽口に関するものである。

精錬容器で溶融金属を精錬する場合、攪拌による反応促進などの目的で溶融金属にガスを吹き込むことがある。例えば、鉄鋼業の転炉における溶銑の脱炭精錬では、転炉の底からＡｒガスや窒素ガスなどの不活性ガスを吹き込んでいる。また、この転炉においては、羽口を内管と外管とからなる二重管構造とし、内管から酸素ガスを吹き込み、内管と外管との間隙から羽口冷却用のガスとしてプロパンガスなどの炭化水素ガスを吹き込むタイプのものもある。

一般的には、吹き込みガス流量を増加することにより、溶鋼内に誘起される溶鋼流が増大し、これにより攪拌が強化され、精錬時間の短縮や鉄スクラップ溶解時間の短縮などがなされるのみならず、スラグとメタルとの攪拌も強化されるため、Ｍｎなどの合金鉄歩留まりの向上が図れる。そのため最近では、これら冶金特性の向上や生産性向上の必要性から、吹き込みガス流量を増量する要求が高まっている。しかし、吹き込みガス流量の増加は、羽口の損耗速度を著しく増大させ、精錬容器の寿命を短くするため、吹き込みガス流量の上限は、羽口の損耗速度によって規定されてしまう場合が多い。

溶融金属中にガスを吹き込む羽口の構造としては、単管タイプ或いは上記の二重管タイプが一般的であるが、その他に特許文献１に開示された羽口がある。特許文献１では、吹き込みガス流量を広い範囲で制御可能とし且つ羽口の損耗を抑制することを目的として、中心部に位置する軸心部の外側に、外管を前記軸心部との間に適当な間隙を設けて固定設置し、リング状のガス吐出流路を有する構造の羽口（以下、「環状羽口」と称する）を開示している。この環状羽口は、比較的構造が簡単で製作コストも低減できるが、この環状羽口も、吹き込みガス流量を増大させたときの羽口の損耗速度増大の問題は解決できていない。
特開昭５７−１１４６２３号公報

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、高温溶融金属を精錬する精錬容器内にガスを吹き込むための羽口において、ガス吹き込み流量を増大させても、羽口の損耗速度を抑制することのできるガス吹き込み羽口を提供することである。

上記課題を解決するための本発明に係るガス吹き込み羽口は、溶融金属を精錬する精錬容器に設けられ、ガスを精錬容器内へ吹き込むガス吹き込み羽口において、該羽口は、羽口の精錬容器内側の先端部が、管状部と、該管状部の内側に設けられた、内管と内管の内面側の耐火物充填層とからなる軸心部と、の間隙からガスを噴出する構造であって、該羽口の精錬容器内側とは反対側に、ガス導入口が設置された風箱を有し、前記管状部及び前記内管は金属製で、管状部の内径が５３．５〜１２２．６３ｍｍであり、且つ前記間隙の幅が０．４６〜１．６ｍｍであることを特徴とするものである。

本発明によれば、高温溶融金属の精錬において使用される環状羽口の管状部の内径を４０ｍｍ以上とするので、吹き込みガス流量を増大させても損耗速度の抑制効果の高いガス吹き込み羽口を得ることができる。

以下、本発明を具体的に説明する。

羽口構造として比較的吹き込みガス流量の調整範囲が広く、ガス吹き込み量の増加を図ることのできる環状羽口に着目し、その損耗速度低減について鋭意検討と実験を重ねた。その結果、環状羽口でも、ガス流量を増大させた場合に損耗速度が大きくなる原因として、青木（鉄と鋼、７６（１９９０）、vol.１１、p.１９９６）が指摘しているように、吹き込まれたガスが羽口出口で急激に膨張し、一部の上昇しきれない気泡とそれに随伴する溶鋼流とが、羽口煉瓦部を叩くことによって損耗することが確認され、損耗速度を抑えるには、これを低減することが重要であるという結論に至った。

ここで、環状羽口について説明する。図１は、環状羽口を転炉などの精錬容器に設置した状態を示す概略断面図、図２は、図１のＸ−Ｘ’矢視による概略図である。但し、図２では精錬容器の耐火物を省略している。

図１及び図２に示すように、環状羽口１は、内管３と内管３の内面側の耐火物充填層４とからなる軸心部２と、この軸心部２の外側にリング状の間隙６を隔てて固定される管状部５とで構成される。環状羽口１の稼動面側の反対側には、風箱７及び風箱７に設置されるガス導入口８が備えられており、ガス導入口８から導入されたガスは風箱７で分散し均圧され、リング状の間隙６を通って精錬容器９の内部に供給されるようになっている。図１において、１０は精錬容器の鉄皮、１１は精錬容器の耐火物、１２は環状羽口１を鉄皮１０に取り付けるための取付金物である。

そこで、発明者等は、環状羽口の損耗速度を低減するべく、各種寸法の環状羽口１のモデル実験を行い、吹き込みガスの羽口出口での広がり防止、並びに随伴流の低減方法について検討した。その結果、環状羽口１の径を大きくすることで環状羽口１の損耗が低減することを見出した。具体的には、管状部５の内径Ｄを４０ｍｍ以上とすること、望ましくは５０ｍｍ以上とすることで、その効果が特に顕著であることが分かった。従来の転炉の場合、環状羽口１の大きさは吹き込むガス流量に応じて若干の違いはあるが、管状部５の内径Ｄは２０〜３０ｍｍ程度である。

この効果が発現するのは、次のような理由であると考えられる。即ち、吹き込みガス流量が一定の場合には、ガスに随伴する溶鋼量は一定になる。環状羽口１の径が大きい場合には、随伴溶鋼を補う表面積が大きくなるため、誘起される溶鋼流速は小さくなる。また、後述する水モデル実験の結果から、環状羽口１の径が大きくなるほど、羽口出口における気泡の膨張が抑制されることが確認された。誘起される溶鋼流速が小さくなること、並びに気泡の膨張が抑制されることの両者の効果によって、環状羽口１の損耗が低減されると考えられる。

以上説明したように、本発明に係る環状羽口１は、その管状部５の内経Ｄを４０ｍｍ以上とする、望ましくは５０ｍｍ以上とすることを特徴とする。間隙６の幅つまり内管３の外径は、ガス吹き込み流量や溶融金属の密度に応じて、間隙６に溶融金属が差し込まず、所望のガス流量を吹き込むことができる寸法とすればよい。内管３及び管状部５は金属製（主にステンレス鋼）である。

表１に示す４種類の形状の環状羽口を用いて水モデル実験を実施した。水モデル実験は、図３にその概要を示すように、内径６００ｍｍの円筒形のアクリル容器１３の底部に、表１に寸法を示すそれぞれの環状羽口１Ａを設置し、環状羽口１Ａの先端部レベルまで粒径０．１〜１ｍｍのＭｇＯ粉の充填層１４を形成した上で、５００ｍｍの深さに水１５を入れた。そして、環状羽口１Ａから窒素ガスを３０秒間吹き込み、その後、環状羽口１Ａの周囲のＭｇＯ粉の充填層１４の侵食形状を測定し、凹部１６の最も深かった値を最大侵食量として測定した。環状羽口１Ａの管状部の厚みは全て１ｍｍとした。羽口の種類による侵食状況の違いを比較するために、羽口Ａの線速度が２００ｍ／秒の条件における最大侵食量を基準値とし、この基準値で各条件における最大侵食量を割った数値を最大侵食量指数として求めた。

図４に、最大侵食量指数と環状羽口出口でのガスの線速度との関係を示す。図４に示すように、同一線速度の場合、環状羽口の径が小さいほど、つまり管状部の内径が小さいほど、侵食深さが深くなることが分かった。

また、目視による観察では、環状羽口の径が大きくなるほど、つまり管状部の内径が大きくなるほど、環状羽口出口における気泡の広がりが小さくなることが確認できた。環状羽口では、その出口近傍では生成したガス膜によってその膜の内側と外側とが分離されており、内側はガスの上昇によって外側よりも負圧になっており、そのために、出口での気泡の膨張が抑制されると考えられる。

更に、環状羽口の管状部の内径が大きいほど、気柱の表面積が大きくなり、随伴流の速度が小さくなると考えられる。

図５に、環状羽口出口でのガスの線速度を１４０ｍ／秒の一定としたときの、最大侵食量指数と環状羽口の管状部内径との関係を示す。尚、図５では羽口Ａの最大侵食量を基準値とし、この基準値で各条件での最大侵食量を割った数値を最大侵食量指数として示した。図５からも明らかなように、管状部内径が５０ｍｍよりも大きい領域では、最大侵食量指数は小さくなり、損耗量が低減していることが分かった。

溶鉄における効果を把握するために、容量が５トンの試験転炉を用いて試験を実施した。表２に試験に用いた環状羽口の寸法を示す。試験では、５トン試験転炉で脱炭精錬を実施する際に、羽口出口でのＡｒガスの線速度が一定となる条件下で環状羽口から攪拌用のＡｒガスを吹き込み、精錬終了後に溶鋼を排出させ、炉冷後にレーザー距離計により羽口周囲の損耗量を測定し、試験Ｎo.１の条件での損耗量を基準値とし、この基準値で各試験の損耗量を割った数値を侵食深さ量指数として求めた。

図６に調査結果を示す。図６に示すように、５トン試験転炉における結果は、水モデル試験と同等の結果になり、管状部内径が４０ｍｍよりも小さい領域では、急激に侵食深さ量指数が大きくなり、損耗量が増加することが分かった。

環状羽口を精錬容器に設置した状態を示す概略断面図である。 図１のＸ−Ｘ’矢視による概略図である。 水モデル実験装置の概略図である。 水モデル実験により得られた、最大侵食量指数と環状羽口出口でのガスの線速度との関係を示す図である。 水モデル実験により得られた、最大侵食量指数と環状羽口の管状部内径との関係を示す図である。 ５トン試験転炉により得られた、侵食深さ量指数と環状羽口の管状部内径との関係を示す図である。

符号の説明

１ 環状羽口
２ 軸心部
３ 内管
４ 耐火物充填層
５ 管状部
６ 間隙
７ 風箱
８ ガス導入口
９ 精錬容器
１０ 鉄皮
１１ 耐火物
１２ 取付金物

Claims (1)

1. 溶融金属を精錬する精錬容器に設けられ、ガスを精錬容器内へ吹き込むガス吹き込み羽口において、該羽口は、羽口の精錬容器内側の先端部が、管状部と、該管状部の内側に設けられた、内管と内管の内面側の耐火物充填層とからなる軸心部と、の間隙からガスを噴出する構造であって、該羽口の精錬容器内側とは反対側に、ガス導入口が設置された風箱を有し、前記管状部及び前記内管は金属製で、管状部の内径が５３．５〜１２２．６３ｍｍであり、且つ前記間隙の幅が０．４６〜１．６ｍｍであることを特徴とする、ガス吹き込み羽口。

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