JP5273125B2 - 溶融金属減圧精錬用ノズル - Google Patents

Description

本発明は、鉄鋼精錬などの溶融金属精錬において、減圧下で溶融金属の表面に酸化性ガスを吹き付ける処理に用いる溶融金属減圧精錬用ノズルに関し、詳しくは、酸化性ガスと溶融金属との反応効率をより高めることができる溶融金属減圧精錬用ノズルに関する。

鉄鋼精錬では、転炉において溶融鉄に酸素ガスを吹き付けて溶鉄中炭素Ｃを除去する処理が行われ、引き続いて目的とする製品に応じて、ガス吹き込み精錬や真空脱ガス等の二次精錬が行われる。転炉処理では、Ｃと酸素ガスとの反応により溶融鉄の温度が上昇するが、溶融鉄が溶鋼となっている二次精錬では発熱反応を伴う処理が存在しないために、処理中に溶鋼温度が低下する。過度に溶鋼温度が低下すると精錬そのものが不可能になることはもちろんであるが、精錬可能な範囲での温度低下であっても、次工程である鋳造を適正な条件で行うことができなくなり、鋳片の内質や表面性状を著しく劣化させる。このため、二次精錬では、溶鋼温度を適正な範囲に制御することが非常に重要である。

二次精錬において溶鋼温度を低下する方法として、溶鋼を一定時間保持する方法の他にも、固体鉄等の冷却剤を溶鋼に所定量添加する方法も知られており、溶鋼温度を下げることは容易である。

一方、溶鋼温度を上げる方法として、電極加熱や高周波誘導加熱といった電気加熱も用いられているが、処理時間とコストの面から溶融鉄にＡｌやＳｉ等の脱酸元素を添加するとともに溶鋼に酸素等の酸化性ガスを吹き付ける方法が用いられることが多い。この酸化性ガスを用いる方法は、設備も処理方法も簡便であるが、この処理をＲＨ真空槽等において減圧下で行う場合には、以下に説明する課題がある。

通常、ＲＨ真空槽等で酸化性ガスを溶鋼に吹き付ける場合、真空槽内の溶鋼表面に上吹きランスを介して酸素ガスを上吹きする方法が用いられる。ランス先端のノズルから吐出された酸化性ガスは、噴流となって溶鋼表面に達し、溶鋼と反応する。

気−液反応で考えると、酸化性ガス噴流が強いほど溶鋼、正確には溶鋼中Ａｌとの反応速度が向上する。その結果、酸化性ガスと溶鋼中Ａｌとの反応効率が高まるため、溶鋼温度の上昇速度が高まるとともに、ＦｅＯやＭｎＯの生成が抑制されてスラグの汚染も軽減される。このため、より酸化性ガス噴流を強化するためにラバールノズルを用いる技術が多数開発されている。

例えば特許文献１には、ＲＨ真空槽の上部から内部に昇降可能なラバールノズルランスを装入し、ランスから真空槽内の溶鋼面に酸素を吹き付ける方法が開示されている。しかし、ラバールノズルには以下に示す制約がある。ラバールノズルのスロート部断面積や出口断面積等の形状は、ガス流量と供給側ガス圧力、出口側雰囲気圧力によって規定され、これら使用条件に則した適正な形状が存在する。ラバールノズルの使用条件が一定であれば問題ないが、使用条件を変更する場合や使用条件が変化する場合には、それに応じた別形状のラバールノズルに交換する必要がある。

このような課題を解決するノズルとして、特許文献２には、ラバールノズルのいわゆるスロート部に、スロットルと呼ばれる尖端部を一方に有する棒状の物体を挿設されたノズルが開示されている。このノズルは、最小限とはいえ可動部を有し、この可動部を処理中に動作させる必要があり、操作がやや煩雑である。

そこで、特許文献３には、特許文献２により開示されたノズルの課題を解決するための新たなノズルが開示されている。このノズルは、先端部内に環状スリットの空間部を形成するための気体流路形成体を挿設されており、この気体流路形成体の形状が特定の条件を満足することによって、様々な条件で使用でき、精錬の途中での交換の必要性を解消できる。特許文献３により開示されたノズルによってさらに広範囲な条件でランスを使用でき、操業作業性が大幅に改善される。また、特許文献４、５には、このノズルの保守性を高める技術がそれぞれ開示され、さらに、特許文献６には、既存のノズルとの併用による真空槽耐火物の損耗抑制技術が提案されており、より操業作業性が改善されている。

特許文献２や特許文献３〜６により開示されたノズルは、上述した利点を有しており、従前のラバールノズルと得られる精錬性能は同等である。

特開平２−５４７１４号公報 特開平２−１１５３１５号公報 特開２００２−２２６９０７号公報 特開２００４−２１１１８１号公報 特開２００７−１３８１９６号公報 特開２００７−１６９７３７号公報

本発明は、上記課題に鑑み、鉄鋼精錬などの溶融金属精錬において、減圧下で溶融金属の表面に酸化性ガスを吹き付ける処理を行う際に、ラバールノズルより反応効率を向上させることができる溶融金属減圧精錬用ノズルを提供することを目的とする。

請求項１に係る本発明（以下、「第１発明」という）は、溶融金属精錬用ランスの先端に配置されて、溶融金属の表面に減圧下で気体を吹き付けるノズルであって、第１の開口部および第２の開口部を有するとともに第１の開口部から第２の開口部へ向かう軸方向へ向けて気体を流す管状の本体と、この本体の内部であって第１の開口部と第２の開口部との間に本体の内壁から離間して配置される流動制御体とを備え、本体は、第１の開口部と第２の開口部との間の内壁に環状に形成される突出部を有するとともに、流動制御体は、横断面積が軸方向へ対称に増加する第１の尖端部と、軸方向へ第１の尖端部に連続するとともに、横断面積が軸方向へ対称に減少する第２の尖端部とを有し、かつ、第２の尖端部の最先端部は、軸方向について第２の開口部と所定距離離れて配置されることを特徴とする溶融金属減圧精錬用ノズルである。

請求項２に係る本発明（以下、「第２発明」という）は、第１発明において、（１）式：ｄ≧０．９×（Ｄ−２ｈ）により規定される関係を満足することを特徴とする。ただし、（１）式において、符号ｄは流動制御体の最大径であり、符号Ｄは本体の内径であり、符号ｈは突出部の高さである。

請求項３に係る本発明（以下、「第３発明」という）は、第１発明または第２発明において、流動制御体における最大径を有する部分が、突出部よりも軸方向に関して第１の開口部の側に配置されることを特徴とする。

請求項４に係る本発明（以下、「第４発明」という）は、第１発明から第３発明までのいずれかにおいて、（２）式：θ＝６５〜８０°により規定される関係を満足することを特徴とする。ただし、（２）式において符号θは、軸方向の含む縦断面における第２の尖端部の最先端部とこの縦断面における第２の尖端部の最大断面積部の一方の外縁部とを結んで得られる直線と、この縦断面における最大面積部の両方の外縁部とを結んで得られる直線とがなす角度である。

請求項５に係る本発明（以下、「第５発明」という）は、第１発明から第４発明までのいずれかにおいて、（３）式：Ｌ≧０、および（４）式：Ｌ／Ｄ＝０〜１．５により規定される関係を満足することを特徴とする。ただし、（３）式および（４）式において符号Ｌは、第２の尖端部の最先端部と第２の開口部との間の軸方向距離であり、第２の開口部の位置を０とし、第２の開口部から第１の開口部を向かう方向の距離を正の値で示すとともにこの方向と反対の方向の距離を負の値で示し、（４）式において符号Ｄは本体の内径である。

第１発明から第５発明までのいずれかにおいては、突出部が、第１の開口部と第２の開口部との間の所定の位置から第２の開口部にかけての全部または一部の領域に形成されていてもよい。

本発明に係る溶融金属減圧精錬用ノズル（以下、単に「本発明に係るノズル」という）を用いることにより、鉄鋼精錬などの溶融金属精錬において減圧下で溶融金属の表面に酸化性ガスを吹き付ける処理を行う際の精錬効果を、安定的に高めることが可能になる。

図１は、本発明に係るノズルの構成の一例を示す縦断面図である。 図２は、実験結果の一例を示すグラフである。 図３は、実験結果の一例を示すグラフである。 図４は、本発明に係るノズルの構成の他の一例を示す縦断面図である。

第１発明〜第５発明の構成および効果を順次説明する。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。

（１）第１発明
特許文献３の図３に示されるように、内部に流路形成体を配置されたノズルは、酸化性ガスが雰囲気圧力やガス流量に応じて流路形成体に沿って膨張および加速される原理によって、雰囲気圧力やガス流量によらずに安定した酸化性ガス噴流を得ることができる。

一方、上吹きした酸化性ガスと溶鋼との反応効率は、上述したように、噴流の強さに依存する。内部に流路形成体を配置されたノズルでは、雰囲気圧力によらず安定した噴流が得られるので、さらに噴流を強めて反応効率を向上させる必要はない。そこで、本発明者らは、単純に噴流を強める以外の方法によって反応効率を高めることを検討した。

酸化性ガス流量を一定とすると、雰囲気圧力に応じて酸化性ガスはノズル先端の絞り部から流路形成体に沿って膨張および加速しながら流出する。このときの噴流の速度は雰囲気圧力によらないが、噴流の径は雰囲気圧力によって変化する。例えば、雰囲気圧力が高ければ噴流は細くなり、雰囲気圧力が低くなれば噴流は太くなる。このように噴流の径が変化すると、溶鋼−噴流の界面積と界面でのガス分圧が変動する。

本発明者らは、この反応界面での面積と分圧の変動が反応効率に影響を及ぼし、さらにこの影響を制御することによって反応効率を高めることができることを知見した。さらに、本発明者らは、さらに、この変動を制御するには流路形成体にそって進行するガスの膨張を制御すればよいことを知見した。

特許文献３〜６に開示されたノズルでは、流路形成体のほぼ全部あるいは一部がノズル先端から外部へ向けて突出しており、雰囲気と直接接触できるように構成されている。このため、酸化性ガスは適正膨張するものの、逆にガス膨張を任意に制御することが難しくなっている。本発明者らは、この流路形成体をノズル本体の内部に完全に収容した構造とすることによって、流路形成体の尖端部において生じるガス膨張を、本体の内壁によって制御することを想到し、さらに検討を重ねて本発明を完成した。

なお、特許文献２に開示されたノズルも、流路形成体に似た形状のスロットルと呼ばれる物体を有しており、スロットルはノズルの内部に収容されている。このスロットルは、特許文献２に記載されているように、ラバールノズルのスロート部に配置されており、厳密には特許文献３により開示された流路形成体がノズルの内部に収容された構造とは相違する。しかし、特許文献２の３頁には、計算もしくは実験によりスロットル先端部とスロート入口の収束部の形状を適当とすることによって、先端部に沿って主要なガス膨張が起こるとしている。さらに、この主要なガス膨張が適正であればノズル出口の末広部も不要とされている。適正な膨張を与える具体的な条件は示されていないが、この記載は、特許文献３により開示された流路形成体をノズルの内部に収容した一つの派生形態とも考えられる。

しかし、本発明者らが検討を行った結果、特許文献２や特許文献３により開示された考え方に則って適正形状を検討しても、本発明者らが意図する効果は得られないことが判明した。これは、特許文献２、３に共通する技術的原理が、ラバールノズルのような適正膨張による噴流を得ることを目的とした噴流制御であるのに対し、本発明は、精錬効率向上を目的とした噴流−溶鋼反応界面現象制御であることに起因する。つまり、本発明者らが意図する噴流は適正膨張である必要性がないからである。

図１は、本発明に係るノズル１の構成を示す縦断面図である。
図１に示すように、第１発明は、溶融金属精錬用ランスの先端に配置されて、溶鋼の表面に減圧下で酸化性ガスを吹き付けるノズル１であって、管状の本体２と流動制御体３とを備える。

本体２は、ガス流れ方向の上流側から下流側へ向けて、第１の開口部２ａおよび第２の開口部２ｂを有する。酸化性ガスは、本体２の第１の開口部２ａから第２の開口部２ｂへ向かう軸方向へ向けて、本体２の内部を流れる。さらに、本体２は、第１の開口部２ａと第２の開口部２ｂとの間の内壁２ｃに、環状に形成される突出部４を有する。

流動制御体３は、本体２の内部であって第１の開口部２ａと第２の開口部２ｂとの間に、本体２の内壁２ｃから離間して配置される。流動制御体３は、本体２に例えば特許文献３〜５等に開示される固定手段によって適宜固定される。

流動制御体３は、本体２の第１の開口部２ａから第２の開口部２ｂへ向かう軸方向について並設された第１の尖端部３ａおよび第２の尖端部３ｂを有する。第１の尖端部３ａは横断面積が軸方向へ対称に増加するとともに、第２の尖端部３ｂは、横断面積が軸方向へ対称に減少する。なお、本明細書では、本発明に係るノズル１を特許文献３により開示されたノズルと区別するため、両端側に第１の尖端部３ａおよび第２の尖端部３ｂを有する物体を流動制御体３と呼ぶこととする。

すなわち、第１発明では、本体２は、その内壁２ｃの円周上に円環状の突出部４を有するとともに、流動制御体３は、軸方向の両端側に、第１の開口部２ａの側から第２の開口部２ｂの側へ向けて横断面積が増加する第１の尖端部３ａと、第１の開口部２ａの側から第２の開口部２ｂの側へ向けて横断面積が減少する第２の尖端部３ｂとを有する軸対象の構造を有しており、後述するように、第２の尖端部３ｂの最先端部５が第２の開口部２ｂよりも第１の開口部２ａの側に存在する。

本発明に係るノズル１は、上述したようにガス膨張を制御することによって、反応界面での面積と分圧を制御し、これにより反応効率を高める。具体的には、特許文献３により開示された流路形成体を本体の内部に完全に収容するノズルの開発を開始した。しかし、上述したように、適正膨張を前提とした先行技術との技術的原理の相違により、適正形状を先行技術から推定することができなかったため、実験的に調査を行った。

実験は、以下の方法で行った。溶鋼１．５トンをＡｒガス １０００〜１００００Ｐａ雰囲気下で溶解し、溶鋼温度を１６００℃に保持し、Ａｌを添加してＡｌ濃度を０．０３〜０．１５質量％の範囲に任意に制御した。

その後、図１に示す距離Ｌを様々に変化させて、図１に示すノズルを用いて、酸素−Ａｒ混合ガスを５００Ｎｌ／ｍｉｎの流量で溶鋼表面に吹き付けた。混合比は酸素／Ａｒ体積比で酸素：Ａｒ＝１：０、１：１、１：３とした。なお、この実験で用いたノズルの本体の内径Ｄは３ｍｍとし、その他の形状は、後述する第２発明〜第５発明が規定する条件を満足することとした。第２発明〜第５発明の規定理由は後述する。また、実験結果は次の方法で整理した。性能を指標する反応効率は（５）式で定義した。
反応効率（％）＝（溶鋼中Ａｌと反応した酸素量）／（溶鋼に供給した酸素量）×１００
・・・・・・・・・・（５）

図２は、この実験結果の一例を示すグラフである。図２のグラフにおける比（Ｌ／Ｄ）＝０は、流動制御体３の第２の尖端部３の最先端部５が、第２の開口部２ｂと同じ平面上（面位置）に存在することを意味し、比（Ｌ／Ｄ）＜０は最先端部５が第２の開口部２ｂから外部に突出していることを意味し、比（Ｌ／Ｄ）＞０は最先端部５が本体２の内部に存在することを意味する。

図２のグラフから、流動制御体３の第２の尖端部２ｂの最先端部５が本体２の内部に存在する場合に高い反応効率が得られることがわかる。そこで、ピトー管を用いて溶鋼湯面位置での動圧を測定した。図３は、比較が容易なように、比（Ｌ／Ｄ）＝−１．５での動圧を１として規格化した結果を示すグラフである。

図３のグラフから理解されるように、流動制御体３の第２の尖端部２ｂの最先端部５が本体２から突出していると、特許文献３にも開示されるように高い動圧を安定して得られるが、第２の尖端部２ｂの最先端部５が本体２の内部に存在すると動圧が急速に低下することがわかる。これは、流路制御体３を本体２の内部に収容すると、ガス膨張が適正に進行しないことに起因する。また、流路制御体３を本体２の内部に収容するノズルは、特許文献２に開示されるように出口部に末広がり部も有さないため、適正膨張とならずに動圧が低下する。そして、ガス流量は同一であるため、中心動圧が低い条件では噴流は水平方向に広がると考えられる。

つまり、第１発明に係るノズル１は、上述した全ての条件を満足することによって、従来技術のような適正膨張による噴流を得られなくなるものの、噴流の広がりによって反応効率を高めることが可能になる。

（２）第２発明
第１発明の効果と安定性を高めるためのノズル形状の詳細を説明する。ガス膨張に伴う噴流加速を考慮するには、ガス膨張を規定する条件、すなわち、流動制御体３の最大径ｄ（図１に示すノズル１では第１の尖端部３ａおよび第２の尖端部３ｂの接続部の外径）と、突出部４の高さｈ（内壁面２ｃからの突出部４の高さ）と、本体２の内径Ｄとの関係を調査検討すればよい。

そこで、突出部４の設置位置における本体２の内径は（Ｄ−２×ｈ）として定義されるので、（Ｄ−２ｈ）との関係を動圧測定結果から検討した。その結果、（１）式：ｄ≧０．９×（Ｄ−２ｈ）により規定される関係を満足することによって噴流の直進性が向上することが確認され、さらに（１）’式：ｄ≧Ｄ−２ｈにより規定される関係を満足することによって噴流の直進性がさらに向上することが確認された。

噴流の直進性を向上させることは、例えばＲＨ真空槽内の耐火物の損耗抑制に効果があり、非常に重要な因子である。（１）式もしくは（１）’式により規定される関係を満足することによって、酸化性ガスの圧縮が流動制御体３の第１の尖端部３ａで完了し、第２の尖端部３ｂでの圧縮が起こらない結果、噴流の直進性が向上すると考えられる。

特許文献２により開示されたノズルでは、特許文献２の第１図に示されるように、スロットルがスロート内に挿入される場合があるため、スロットルは突出部より十分に細い必要がある。これは特許文献２が適正なガス膨張を意図しているためである。これに対し、本発明に係るノズル１は、反応効率の向上を目的とするため、流動制御体３が、突出部４の設置位置における本体２の内径（Ｄ−２ｈ）に近い径、あるいはこの内径（Ｄ−２ｈ）よりも大きな径を有することが望ましい。この違いは、ガス膨張に対する技術思想が相違することに起因する。

以上のように、本発明に係るノズル１は、その目的や技術思想の相違から、ノズル性能を支配する最狭部の構造が公知技術と相違する。

（３）第３発明
本発明に係るノズル１において、流動制御体３と突出部４との関係が（１）式を満足することによって、ガス圧縮を第１の尖端部３ａで行うためには、流動制御体３における最大径を有する部分（図１に示すノズル１では第１の尖端部３ａおよび第２の尖端部３ｂの接続部）が、突出部４よりも軸方向に関して第１の開口部２ａの側に配置されること、すなわち流動制御体３の最も太い部分が突出部４よりも第１の開口部２ａの側に存在することが望ましい。

流動制御体３における最大径を有する部分が突出部４よりも第２の開口部２ｂの側に存在すると、流動制御体の第１の尖端部３ａの途中が最狭部となるため、流動制御体３の第１の尖端部３ａからガス膨張が進行してしまい、噴流の直進性が損なわれる場合があるからである。なお、（１）’式を満足する場合は、この条件が必須である。

（４）第４発明
第２の尖端部３ｂの形状を説明する。尖端部の形状を与える指標を定義するために、図１に示す縦断面において、流動制御体３の最も太い部分の外縁部ｆ１、ｆ２のうちの一方ｆ１と第２の尖端部３ｂの最先端部５とを結ぶ直線をＰとする。そして、流動制御体３の最も太い部分の外縁部ｆ１、ｆ２を結んだ直径を示す直線Ｓと、直線Ｐとがなす角度θを用いて、適正形状を動圧測定により検討する。すなわち、角度θは、本体２の軸方向の含む縦断面における第２の尖端部３ｂの最先端部５とこの縦断面における第２の尖端部３ｂの最大断面積部の一方の外縁部ｆ１とを結んで得られる直線Ｐと、この縦断面における最大面積部の両方の外縁部ｆ１、ｆ２とを結んで得られる直線Ｓとがなす角度である。

その結果、角度θが６５°未満ならびに８０°を超えて大きいと、動圧が低下した。これは、第２の尖端部３ｂの傾斜が過剰であれば不足膨張が発生し、一方過小であるとガス膨張が本発明に係るノズル１の内部で進行しないためと考えられる。よって、角度θは６５°以上８０°以下であることが望ましい。

そして第２の尖端部３ｂの形状は直線Ｐによって規定される円錐形でもよい。また、先行技術のように、第２の尖端部３ｂを曲面状に構成してもよいが、直線Ｐで構成される円錐形よりも外側にはみ出さないことが望ましい。この曲面は、角度θが６５°で構成される円錐の外側にあり、かつ、θが８０°で構成される円錐の内側にあることが最も望ましい。

（５）第５発明
第２の尖端部３ｂの最先端部５の位置を説明する。第２の尖端部３ｂの最先端部５と第２の開口部２ｂとの間の軸方向距離をＬとする。そして、第２の開口部２ｂの位置を０とし、第２の開口部２ｂから第１の開口部２ａを向かう方向の距離を正の値で示すとともにこの方向と反対の方向の距離を負の値で示す。

図２、３のグラフを参照しながら上述したように、Ｌ≧０であること、すなわち流動制御体３が本体２の内部に収容されていることが望ましい。
しかし、図２にグラフで示すように、流動制御体３を本体２の内部であって第１の開口部２ａの側に配置した場合、比（Ｌ／Ｄ）が１．５を超えて大きくなると、反応効率が若干低下することがわかる。これは、流路制御体３をより第１の開口部２ａの側へ配置すると、流動制御体３の周辺でのガスの膨張圧縮に対する第２の尖端部３ｂでの膨張の影響がより大きくなるため、本来の効果が低減されるためと考えられる。このため、流動制御体３を本体２の内部に収容することで反応効率を高められるが、高い反応効率を安定的に享受するには比（Ｌ／Ｄ）が０以上１．５以下であることが望ましい。

（６）設計手法
次に、第１発明〜第５発明に係るノズルの設計手法を説明する。
はじめに、本発明に係るノズル１の設計手法（具体的仕様の決定方法）を説明する。

ノズルの設計には供給ガス圧力や必要流量、設備大きさや処理溶鋼量など、様々な前提条件や制約条件が存在する。それらの有無や優先順位は使用者によって異なる。このため、全ての条件で本発明に係るノズル１の設計手法を詳細に説明することは不可能であるので、ノズルの具体的仕様の決定方法の一例を説明する。

以降の説明では、工場の酸素ガス供給圧力とランス外径に制約がある条件で、Ａｌを添加した溶鋼にＲＨ真空槽の内部で酸素ガスを上吹きして溶鋼を加熱する例として、第１発明〜第５発明に規定する全ての条件を満足する最適なノズル仕様決定を説明する。

はじめに、ランスの外径が制約条件に基づいて決定されると、ランスの冷却構造や耐火構造を考慮してノズル１の本体２の内径Ｄが決定される。この内径Ｄと（１）式とにより、流動制御体３の最大径ｄと、ノズル最狭部となる突設部４の高さｈとの関係が得られる。そして、最大径ｄまたは高さｈのいずれか一方の値を適宜任意に決定することにより他方の値を決定する。

なお、最大径ｄおよび高さｈは、比（ｈ／ｄ）が０．０２７以上０．１４以下となるように決定することが望ましい。比（ｈ／ｄ）が０．０２７未満であると小径化の効果が小さくなり、一方０．１４を超えると急激な小径化により圧損が大きくなるからである。

また、突出部４の形状は、段差状に急激に小径化する構造でもよいが、例えば４５°程度の直線勾配状あるいは放物線状に小径化する構造であることが望ましい。これは、本体２の内径Ｄが急激に変化すると、思わぬ圧力損失を招くためである。

図４は、突出部４の変形例４−１を示す説明図である。
突出部４の軸方向への形成範囲は、図１に示すように、第１の開口部２ａと第２の開口部２ｂとの間の内壁２ｃに幅を持たせずに環状に形成してもよいし、強度確保やノズル製造容易性から幅を持たせて形成してもよい。突出部４の高さｈは，低く第２の開口部２ｂの側では殆ど影響を生じないので、図４に示すように、簡便のために、突出部４は、第１の開口部２ａと第２の開口部２ｂとの間の図１に示す所定の位置から、第２の開口部２ｂにかけての全域やその一部に形成されていてもよい。

突出部４が決定したら流動制御体３の仕様を以下の手順で決定する。上述した手順で決定された最大径ｄと、角度θ：６５〜８０°とに基づいて、第２の尖端部３ｂの軸方向長さを決定する。適正範囲や側面形状については上述した通りである。もちろん、第２の尖端部３ｂを円錐形ではなく、例えば放物線状の曲面とする場合には特許文献３に記載された流体力学的手法を用いればよい。

流動制御体３の第１の尖端部３ａの形状が性能に与える影響は小さいため、第１の尖端部３ａは、その先端断面の広がり角θ２が３０〜６０°の円錐形に設定すればよい。第１の尖端部３ａの形状は、その他に紡錘形なども選択可能である。

また、第１の尖端部３ａと第２の尖端部３ｂとは、図１に示すように直結した構造でもあってもよいし、第１の尖端部３ａと第２の尖端部３ｂとの間に適当な長さの円筒部を介在させてもよい。これらの構造は、本体２への流動制御体３の固定方法に応じて適宜選択すればよい。

比（ｄ／Ｄ）は０．７５以上０．９５以下であることが望ましい。比（ｄ／Ｄ）が０．７５未満であると流動制御体３の効果が減殺され、反応効率が不安定になる場合がある。一方、比（ｄ／Ｄ）が０．９５を超えて大きいと、角度θ：６５〜８０°を満足するためにはノズル全長が長くなり、冷却が難しくなる。

なお、本体２は、直管でよく、特許文献２に記載されるようにラバールノズルのような末広がり部を有する必要はない。ただし、第２の開口部２ｂの側へ向かって先細りノズル管を用いてもよい。これは、例えば、粉体を上吹きする場合は先細り形状とするなどの選択が可能である。また、ラバールノズルのように第２の開口部２ｂの径がスロート形の１．５〜２．５倍となる大きな末広がり部ではなく、保守作業性のために第２の開口部２ｂの径が、本体２の内径Ｄの１．３倍以下の小さな範囲で第２の開口部２ｂの径が大きくなってもよい。なお、本体２を直管としない場合、あるいは図４に例示する形状の突出部４を選択し、本体２の内径Ｄが一様でない場合には、内径Ｄは流動制御体３の最大径ｄの部分の位置における内径とする。

以上の手順により、流動制御体３の形状が決定する。次に、本体２への流動制御体３の設置位置を決定する。
前提条件としての単位時間当たりの溶鋼加熱温度量の要求値が設定されると、必要な酸素ガス流量が決定される。酸素ガス供給圧力は決定されているので、ラバールノズルで用いられるスロート断面積が算出される。この計算は、一般的な教科書に記載されているとともに特許文献３にも記載されており、当業者にとっては周知の事項である。

本発明に係るノズル１においても、この供給圧力とガス流量との関係は成立するので、本発明に係るノズル１の最も狭い部分の面積、すなわち流動制御体３と突出部４との間に形成されるランス軸方向に垂直な部分（図１におけるＷ部分）の断面積が算出される。流量確保に必要な面積を得るに必要なＷ部分を満足するように流動制御体３を設置する。

このとき、流動制御体３における最大径を有する部分が突出部４よりも軸方向に関して第１の開口部２ａの側に配置されることが望ましく、上記（３）式および（４）式により規定される関係を満足することがさらに望ましい。

以上の手順により、本発明に係るノズル１の最適仕様を決定することができる。また、上記説明では、第１発明〜第５発明に規定する全ての条件を満足する仕様を決定する例であるが、第２発明〜第５発明については必要に応じて適宜満足するようにすればよい。

（７）使用方法
次に、本発明に係るノズル１を金属精錬において使用する方法を説明する。以降の説明では、本発明を、転炉とＲＨ脱ガス装置を用いて実施する場合を例にとって、最良の形態を説明する。

転炉処理終了後に溶鋼を取鍋へ出鋼する。出鋼時にＳｉ、Ｍｎ等の合金を添加してもよいし、ＣａＯ等の造滓剤を添加してもよい。また、出鋼時にスラグ中低級酸化物を低減することを目的にスラグ改質剤やＡｌを用いてもよい。本発明に係るノズル１は、溶鋼中Ａｌと酸素ガスとの反応効率を高めることによってスラグ中ＦｅＯやＭｎＯの生成を抑止することができるため、出鋼完了時点でスラグ中のＦｅＯ＋ＭｎＯの合計濃度を３％以下とすることが望ましい。

取鍋をＲＨ真空槽へ移送し、真空脱ガス処理を開始する。ＲＨ真空槽に本発明に係るノズル１を配したランスを設置する。ＲＨ真空槽では脱水素などの脱ガス処理、成分調整、さらに溶鋼温度調整等を行うが、溶鋼温度調整に際して本発明に係るノズル１を用いる。

目標溶鋼温度と測定溶鋼温度の差から供給酸素ガス量およびＡｌ添加量を決定する。Ａｌ添加後、もしくはＡｌ添加と同時に、本発明に係るノズル１を配したランスを用いて酸化性ガスを真空槽内の溶鋼表面に吹き付ける。

酸化性ガスは、純酸素ガスが望ましいが、Ａｒ等の不活性ガスを混合したガスを用いてもよい。また、ガス流量は０．０５Ｎｍ^３／（ｍｉｎ・溶鋼ｔｏｎ）以上０．２Ｎｍ^３／（ｍｉｎ・溶鋼ｔｏｎ）以下が望ましい。ガス流量が０．０５Ｎｍ^３／（ｍｉｎ・溶鋼ｔｏｎ）未満では酸素供給速度が遅く、十分な溶鋼温度の上昇速度を得られない。一方、ガス流量が０．２Ｎｍ^３／（ｍｉｎ・溶鋼ｔｏｎ）を超えて大きいと、溶鋼−噴流界面への溶鋼中Ａｌ供給が間に合わず、過酸化となり耐火物損耗やスラグ汚染を誘発し易くなる。

本発明に係るノズル１は、幅広い雰囲気圧力に対応できるので、ラバールノズルのように雰囲気圧力を厳格に管理する必要はないが、雰囲気圧力は７００Ｐａ以上１２０００Ｐａ以下であることが望ましい。雰囲気圧力が７００Ｐａ未満では、噴流が強くなると同時に静圧が低下するため、溶鋼飛散量が増加する。一方、雰囲気圧力が１２０００Ｐａを超えて高いとＲＨ環流速度が遅くなるため、真空槽内へのＡｌ供給が間に合わなくなることによりＦｅＯが生成し、さらに溶鋼の真空槽内滞留時間が長くなって過熱するため耐火物損耗が激しくなる。

第２の開口部２ｂと溶鋼湯面との鉛直距離Ｈは、Ｈ／Ｄ比で１５以上３０以下であることが望ましい。本発明に係るノズル１は、反応界面積と分圧たる動圧の適正バランスによって反応効率を改善するが、Ｈ／Ｄが１５未満であると噴流の広がりが十分発達しておらず界面積よりも動圧の影響が支配的になり、一方Ｈ／Ｄが３０を超えて高いと動圧が低下すると同時に噴流が非常に広がることで界面積が支配的になる。このため、過度もしくは過小にＨ／Ｄを操作すると反応効率が不安定になる場合がある。

以上の説明では、設備としてＲＨ真空脱ガス装置を用いるとともに酸化性ガスと反応させる溶鋼成分としてＡｌを用いる場合を例にとったが、ＲＨ真空槽に替わってＶＯＤやタンク脱ガスなどの真空精錬装置を用いることができ、また、Ａｌに替わってＳｉを用いることもできる。さらに、本発明に係るノズル１の利点を活用して酸化性ガス上吹き中に雰囲気圧力を変化させたりガス流量を変化させたりしてもよい。

なお、本発明に係るノズル１は、酸素ガス上吹きを主目的にしているが、本発明に係るノズル１をＣａＯ粉などの精錬剤粉体吹き付けや真空脱炭処理時の酸素上吹きに併用することもできる。

予め、必要に応じて溶銑脱硫および溶銑脱燐処理を行った溶銑を、３００トン規模の上底吹き転炉に装入し、溶鉄中Ｃ含有率が０．０３〜０．０７質量％になるまで粗脱炭吹錬を行い、終点温度を１６３０〜１６９０℃として粗脱炭溶鋼を取鍋に出鋼し、出鋼時に各種脱酸剤および合金を添加して取鍋内溶鋼成分を、Ｃ：０．０４〜０．０７質量％、Ｓｉ：０．１〜０．３質量％、Ｍｎ：０．５〜１．３質量％、Ｐ：０．００５〜０．０１３質量％、Ｓ：２０〜２４ｐｐｍ、ｓｏｌ．Ａｌ：０．０３〜０．０７質量％とした。

その後、取鍋をＲＨ真空槽へ移送し、図１におけるＤ＝８０ｍｍとして、θ、ｈ＝６としてｄ、θ、Ｌおよび流動制御体設置位置を変化させた本発明に係るノズル１を用い、（５）式により反応効率を評価した。なお、（２）式を満足するｄは６１．２ｍｍ以上である。試験に用いたノズルの諸元を表１に示す。

比較例として、本発明に係るノズル１に類似した形態として、流動制御体３が本体２の第２の開口部２ｂから外部へ突出している例として試験番号１２、１３のノズルを用い、第２の開口部２ｂを本発明例と同一とした試験番号１４のストレートノズルと、スロート径２６ｍｍで出口径８０ｍｍの試験番号１５のラバールノズルとを用いた。

酸化性ガスとして酸素ガスを用い、ガス流量は２５００Ｎｍ^３／ｈｒとした。酸素ガス量は溶鋼温度上昇量に応じて３０〜４５０Ｎｍ^３の範囲で調整した。酸素上吹き時の真空槽内雰囲気圧力は４０００〜７０００Ｐａとした。なお、酸素上吹き開始前と酸素上吹き終了後に溶鋼からサンプルを採取し、溶鋼中Ａｌ濃度を定量分析し、（５）式に代入した。

結果を表１に併せて示す。
比較例では、試験番号１４のストレートノズルの反応効率が最も低く、試験番号１５のラバールノズルはストレートノズルよりも高い反応効率を示した。

流動制御体３が本体２の第２の開口部２ｂから外部へ突出している試験番号１２、１３は、さらに反応効率が高くなったが、第１発明の条件のみ満足しなかった試験番号１３は、第１発明の条件のみ満足する試験番号１１と比較して反応効率は低い。このことから、第１発明の効果が明らかである。

本発明例である試験番号１〜１１での反応効率は、９１．３〜９８．９％と何れの比較例よりも著しく高くなっており、第１発明の条件のみを満足する試験番号１１でも９１．３％であった。

第３発明の条件を満足しない試験番号９、１０は、最大径ｄを小さくし、環状の突出部４の内部に流動制御体３を挿設した結果であるが、反応効率は９２．８、９３．５％となった。

最大径ｄを小さくしたものの突出部４の内部に流動制御体３を挿設しなかった試験番号１、２では反応効率は９５．３、９４．３％と試験番号９、１０より高い値が得られ、流動制御体３が突出部４の内部に挿設されないほうが好ましいことがわかる。

第４発明を満足しない試験番号７，８、第５発明を満足しない試験番号６は、全ての試験番号を満足させた試験番号３、４、５よりもやや低い反応効率となった。
以上から、第１発明の条件を満足することにより先行技術より高い精錬効果を得られ、さらに第２発明〜第５発明のいずれかの条件を付加的に満足することによりさらに精錬効果が高められることがわかる。

１、１−１ 本発明に係るノズル
２ 本体
２ａ 第１の開口部
２ｂ 第２の開口部
２ｃ 内壁
３ 流動制御体
３ａ 第１の尖端部
３ｂ 第２の尖端部
４、４−１ 突出部
５ 最先端部

Claims (5)

1. 溶融金属精錬用ランスの先端に配置されて、溶融金属の表面に減圧下で気体を吹き付けるノズルであって、
   第１の開口部および第２の開口部を有するとともに前記第１の開口部から前記第２の開口部へ向かう軸方向へ向けて前記気体を流す管状の本体と、該本体の内部であって前記第１の開口部と前記第２の開口部との間に前記本体の内壁から離間して配置される流動制御体とを備え、
   前記本体は、前記第１の開口部と前記第２の開口部との間の内壁に環状に形成される突出部を有するとともに、
   前記流動制御体は、横断面積が前記軸方向へ対称に増加する第１の尖端部と、前記軸方向へ前記第１の尖端部に並設されて、横断面積が前記軸方向へ対称に減少する第２の尖端部とを有し、かつ
   前記第２の尖端部の最先端部は、前記軸方向について前記第２の開口部と所定距離離れて配置されること
   を特徴とする溶融金属減圧精錬用ノズル。
2. 下記（１）式により規定される関係を満足することを特徴とする請求項１記載の溶融金属減圧精錬用ノズル。
   ｄ≧０．９×（Ｄ−２ｈ） ・・・・・・・（１）
   ただし、ｄは前記流動制御体の最大径であり、Ｄは前記本体の内径であり、ｈは前記突出部の高さである。
3. 前記流動制御体における最大径を有する部分は、前記突設部よりも前記軸方向に関して前記第１の開口部の側に配置されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の溶融金属減圧精錬用ノズル。
4. 下記（２）式により規定される関係を満足することを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の溶融金属減圧精錬用ノズル。
   θ＝６５〜８０° ・・・・・・・（２）
   ただし、θは、前記軸方向の含む縦断面における前記第２の尖端部の最先端部と該縦断面における前記第２の尖端部の最大断面積部の一方の外縁部とを結んで得られる直線と、該縦断面における前記最大面積部の両方の外縁部とを結んで得られる直線とがなす角度である。
5. 下記（３）式および（４）式により規定される関係を満足することを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の溶融金属減圧精錬用ノズル。
   Ｌ≧０ ・・・・・・・（３）
   Ｌ／Ｄ＝０〜１．５ ・・・・・・・（４）
   ただし、Ｌは、前記第２の尖端部の最先端部と前記第２の開口部との間の軸方向距離であり、前記第２の開口部の位置を０とし、前記第２の開口部から前記第１の開口部を向かう方向の距離を正の値で示すとともにこの方向と反対の方向の距離を負の値で示し、Ｄは前記本体の内径である。

Images