JP5205883B2

JP5205883B2 - 転炉底吹きガスの分配装置

Info

Publication number: JP5205883B2
Application number: JP2007234922A
Authority: JP
Inventors: 智之岸浪; 敏明天笠; 智明田玉; 崇山内
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2007-09-11
Filing date: 2007-09-11
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2027-09-11
Also published as: JP2009068033A

Description

本発明は、底吹き転炉もしくは上底吹き転炉に設置され、気体ないし固気二相流体を転炉底の複数の羽口に均分することが可能な転炉底吹きガスの分配装置に関する。

溶鋼の成分調整を行うため、たとえば図２に示すような転炉２が製鋼工場に設置されている。一般に転炉底には羽口３が、底吹きガスＦによる溶鋼Ｍの攪拌が良好であること、炉体振動が小さいこと、スピッティングが発生しないこと等の性能を満たすよう、複数個所に設けてある。その転炉底の下方には転炉底吹きガスの分配装置が設置されている。
この転炉底吹きガスの分配装置が付帯されている転炉精錬では、転炉底の複数の羽口３から純酸素、不活性ガスあるいは両者を混合したガスなどの気体ないし固気二相流体が分配装置１を経て吹き込まれる。ガスとともに転炉底の複数の羽口から吹き込む粉体は、生石灰や蛍石などフラックスとして作用する固体であって、その粒度は粒径40μm以上が50wt％以上を占める比較的粗いものである。

気体ないし固気二相流体を転炉底の複数の羽口３から吹き込む場合、羽口間で、粉体の分配も含め、固気二相流体の配分に偏りが大きいと、所期の吹錬性能が得られなくなるばかりでなく、底吹きガスＦの流量の多い羽口３において、火点反応の促進や粉体による磨耗の増大により、損耗が早く進行する。粉体による羽口損耗が早く進行すると、当該羽口のみならず、転炉底全体の補修が必要となる。このため、固気二相流体を転炉底の複数の羽口３から吹き込む場合、羽口間で、単にガスの体積が等しいだけではなく、粉体の分配も等しいことが望まれる。

ここで、転炉底の下方に設置される転炉底吹きガスの分配装置の構造について、図により説明しておく。図３は本発明を適用した転炉底吹きガスの分配装置１の外観を示す斜視図、図４は本発明を適用した転炉底吹きガスの分配装置１の内部を示す斜視図である。
図３中、５は外筒４に接続される流入管を示す。また図４中、Ｒは外筒開口部８からガス旋回室９内へ流入する流入流Ｉによって生じる旋回流を示す。

この旋回流Ｒが生じるガス旋回室９は、外筒開口部８が形成された蓋付き外筒４と、内筒６とを具備し、内筒６の下端が複数の隔室に接続されている。外筒４には流入管５が接続される。７は羽口ごとに区画された隔室を示す。各隔室７には、分配装置１で分配後の気体ないし固気二相流体を、羽口へ気流輸送する連絡配管が接続される。
このような構造を有する転炉底吹きガスの分配装置１では、気体ないし固気二相流体を流入管５へ供給すると、図４に示したように、外筒開口部８からガス旋回室９内へ流入する流入流Ｉによって旋回流Ｒが生じる。ガス旋回室９内で形成された旋回流Ｒは、内筒６上端を旋回しながら内筒６内に流入した後、内筒６内を旋回しながら下降し、次いで複数の隔室７に流入し、隔室７に接続された連絡配管を経て羽口３から転炉２内に底吹きガスＦとして噴出する。

したがって、気体ないし固気二相流体を転炉底の複数の羽口３から吹き込む場合、転炉底吹きガスの分配装置１の隔室７ごとに、気体ないし固気二相流体の配分に偏りが大きいと、転炉精錬や転炉底寿命に問題を生じることとなる。
ところで、固気二相流体を均分することが可能な分配装置が開示されている（特許文献１、２、３）。特許文献１には、分配器または分配器下流の配管の途中に、粉体磨耗に十分耐久性がある材質のオリフィスを、羽口ごとに取付けた粉体供給装置が開示され、また、特許文献２、３には、軸対称形状の気流輸送粉粒体の分配装置が開示されている。
特開2001−304773号公報特開昭58−69620号公報特開昭58−216829号公報

しかしながら、特許文献１にはオリフィスを羽口ごとに取付けた構造が示されているが、固気二相流体を転炉底の複数の羽口に均分することが可能な転炉底吹きガスの分配装置１自体の構造は示されていない。
また、特許文献２、３に記載の気流輸送分配装置は、高炉の羽口部に微粉炭やコ−クス粉を気流輸送するのに好適な装置であり、図４で説明したような転炉底吹きガスの分配装置に適用するのは困難である。

本発明は、上記した従来技術の問題点に鑑み、底吹き転炉もしくは上底吹き転炉に設置され、気体ないし固気二相流体を転炉底の複数の羽口に均分することが可能な転炉底吹きガスの分配装置を提供することを目的とする。

本発明者らは、前記問題を解決するために、分配装置自体の各部の寸法を変えて数値実験を重ねた結果、ガス旋回室内に発生する旋回流と、流入管からの流入流との干渉を低減することにより、下部の複数の隔室に固気二相流体を均分することが可能となること、およびガス旋回室内における旋回流と流入流との干渉は、外筒開口部と内筒の上端との位置関係の適正化により実現できることを見出し、以下の本発明をなした。

本発明は、上部に外筒と内筒を具備したガス旋回室を配置し、その下部に羽口ごとに区画された複数の隔室を配置してなる転炉底吹きガスの分配装置において、前記外筒の側壁に流入管を接続する外筒開口部が設けられ、前記内筒の上端が外筒内に開口しその下端が複数の隔室に接続され、前記外筒開口部の上端から前記内筒の上端までの最小軸方向距離ａが前記外筒開口部の軸方向寸法ｂの０．２５倍以上であることを特徴とする転炉底吹きガスの分配装置である。

本発明にかかる転炉底吹きガスの分配装置によれば、ガス旋回室内に発生する旋回流と、流入管からの流入流との干渉が低減され、下部の複数の隔室に固気二相流体を均分することが可能となる。この結果、底吹き転炉もしくは上底吹き転炉に設置することで、気体ないし固気二相流体を転炉底の複数の羽口に均分することができ、羽口間の損耗の偏りが抑制され、炉底の寿命を最大とすることが可能である。

以下、本発明にかかる転炉底吹きガスの分配装置の構造について説明する
本発明にかかる分配装置の基本構造は、図３、４を用いて説明した、従来の分配装置１と同様である。つまり、上部に外筒４と内筒６を具備したガス旋回室９を配置し、その下部に羽口ごとに区画された複数の隔室７を配置してなる。また内筒６の上端が外筒内に開口しその下端が複数の隔室７に接続される。

そして、ガス旋回室９の外筒開口部８には、外筒４の内周面に沿う方向に向けて流入管５が接続され、外筒開口部８からガス旋回室９内へ流入する流入流Ｉによって旋回流Ｒが生じる構造となっている。
本発明の特徴は、外筒開口部８と内筒６の上端との位置関係を以下のようにしたことである。すなわち、図１に示したように、外筒開口部８の全部が、内筒６の上端よりも隔室７の側、つまり内筒６の上端よりも下にあり、外筒開口部８の上端から内筒６の上端までの最小軸方向距離ａが外筒開口８の軸方向寸法bの0.25以上である分配装置１としたことである。

なお、図１（ａ）は、外筒開口部８と内筒６の上端との位置関係（ａ／b）が底吹きガス分配の均等性（Max（abs(残差/平均)）に及ぼす影響を示すグラフ、図１（ｂ）はその位置関係を説明する要部断面図である。ここで、図１（ｂ）は前掲した図４のＹ−Ｙ縦断面図でもある。Ｙ−Ｙ縦断面の円周方向位置は、外筒開口部８の上端から内筒６の上端までの軸方向距離が最小となる位置である。

数値実験は、以下のようにして分配装置１の各部の寸法を変えて行った（各部の寸法条件は実施例を参照方）。粉体を含まないガス（酸素ガス）のみの場合と、粉体を含む固気二相流体の場合とで、流体シュミレーションを行い、その結果に基づき、底吹きガス分配の均等性を、次のようにして求めた（Max（abs(残差/平均)）により評価した。
下部の複数の隔室７にそれぞれ配分されるガス流量を測定し、その平均流量に対する各隔室７のガス流量の差を残差（＝各隔室のガス流量−平均流量）とし、この残差を平均流量で除した絶対値の内、最大の値を（=Max（abs(残差/平均)）とした。

その結果を示した図１（a）から明らかなように、ａ／bが0.25以上であるガス旋回室とした場合、それ未満であるガス旋回室の場合に比べて、下部の複数の隔室に固気二相流体を均等に分配できることがわかる。
ただし、粉体を含む固気二相流体の場合の流体シュミレーションは、粉体がガス中に均一に分布しており、固気二相流体の振る舞いがガスのみの場合と同じであると仮定して行った。具体的には固気二相流体の平均密度＝ガスの密度＋LLD（Lime Load Factor）とし、LLD＝1.43として取り扱った。

次に、上記のような構造をもつ転炉底吹きガスの分配装置１の作用につき、図１と図３を参照しつつ説明する。
ガス旋回室内に流入する流入流Ｉは外筒４の内周面に沿う方向に沿っているため、上部のガス旋回室内のガス流れに角運動量を与え、かつ外筒開口部８の全部が内筒６の上端よりも下にあるため、安定した旋回流Rが形成される。また外筒開口部８の上端から内筒６の上端までの最小軸方向距離ａが、外筒開口８の軸方向寸法bの0.25以上である場合、旋回流Rと流入流Iとの干渉が低減され、旋回流Rは軸対称に近い流れとなる。

そして、内筒６および各隔室７の形状は軸対称状であるため、内筒６の内部へ流下した以降、ガス流れに差異は生じない。流入流Ｉが固気二相流体の場合も同様である。この結果、下部の複数の隔室７に固気二相流体を均分することが可能となる。
なお、本発明にかかる転炉底吹きガスの分配装置１では、外筒４の側壁に接続する流入管は1本に限るものでなく、複数として同様の作用効果が得られる。

一方、外筒開口部８の上端が内筒６の上端よりも上方位置にあるか、あるいはａ/ｂが0.25未満であると、ガス旋回室内に発生する旋回流と、流入管からの流入流との干渉によって旋回流の乱れが大きくなる。このため、下部の複数の隔室７に配分される固気二相流体に局部的な偏りが生じる。

（転炉底吹きガスの分配装置１の寸法）
外筒４の内径＝900mm、分配装置１の全高さ＝750mm、外筒開口部８の上端から内筒６の上端までの最小軸方向距離ａ＝120mm、外筒開口８の軸方向寸法b＝300mm、a/b＝0.4としたケースAと、ａ＝-60 mm、外筒開口８の軸方向寸法b＝300mm、a/b＝-0.2としたケースBとで、上記の流体シュミレーションによる数値実験を行った。なお、隔室７の数＝18とした。

その結果、a/b＝0.4としたケースAの方が、a/b＝-0.2としたケースBに比べて下部の複数の隔室に固気二相流体を均分することができた。

外筒４の内径＝800mm〜1000mm、分配装置１の全高さ＝600mm〜900mm、外筒開口部８の上端から内筒６の上端までの最小軸方向距離ａ＝0mm〜240mm、外筒開口８の軸方向寸法b＝240mm〜360mm。ａ/b＝0〜1.0、隔室７の数＝18として、上記の流体シュミレーションによる数値実験を行った。
その結果、ａ／bが0.25以上であるガス旋回室とした場合、それ未満であるガス旋回室の場合に比べて、複数の隔室に固気二相流体を均等に分配できた。なお、実施例１、２とも、流入流の条件は、5kg/cm²G、流量：670Nｍ^３/min、流出ガスの圧力は流入流圧が5kg/cm²Gとなるように調整した。

実際の転炉底の各羽口３から気体を吹き込む場合には、ガスホルダから減圧弁をへて所定の圧力に減圧され、流量調整弁を経て所定の流量とされたガスが、ロータリージョイントを経て流入管５に供給される。また粉体をガスとともに転炉底の各羽口３から吹き込む場合、図示しない定量切り出し装置で粉体が切り出され、ガスと混合され、固気二相流体として流入管５に供給される。

（ａ）は外筒開口部と内筒の上端との位置関係が底吹きガス分配の均等性に及ぼす影響を示すグラフ、（ｂ）はその位置関係を説明する要部断面図である。転炉底吹きガスの吹き込み系統を例示する断面図である。本発明を適用した転炉底吹きガスの分配装置の斜視図である。本発明を適用した転炉底吹きガスの分配装置の内部を示す斜視図である。

符号の説明

１分配装置
２転炉
３羽口
４外筒
５流入管
６内筒
７隔室
８外筒開口部
９ガス旋回室
Ｆ底吹きガス
Ｍ溶鋼
Ｒ旋回流
Ｉ流入流
ａ外筒開口部の上端から前記内筒の上端までの最小軸方向距離
ｂ外筒開口部の軸方向寸法

Claims

上部に外筒と内筒を具備したガス旋回室を配置し、その下部に羽口ごとに区画された複数の隔室を配置してなる転炉底吹きガスの分配装置において、
前記内筒の上端が外筒内に開口しその下端が複数の隔室に接続され、前記外筒の側壁に流入管を接続する外筒開口部が設けられ、前記外筒開口部の上端から前記内筒の上端までの最小軸方向距離ａが、前記外筒開口部の軸方向寸法ｂの０．２５倍以上であることを特徴とする転炉底吹きガスの分配装置。