JP6451364B2 - 溶融金属精錬用上吹きランス - Google Patents

Description

本発明は、例えば、製鋼用転炉において精錬用ガスを溶融金属に吹きつけるために使用する溶融金属精錬用上吹きランスに関する。

転炉型精錬容器において上吹きランスから溶銑に酸素を吹き付ける脱炭処理によって溶鋼を得る操業では、処理効率向上のために酸素流量を上げて高速処理をすることが求められている。

しかし、酸素流量を上げると、吹錬中の粒鉄飛散（スピッティング）が激しくなり、鉄分歩留りが低下してしまうことが問題であった。

この問題を解決するため、特許文献１には、図１に示すように、上吹き多孔ランスのノズルの向きをひねり、各ノズルの噴出方向を互いにひねった位置関係にすることで、スピッティングを低減できることが開示されている。詳細には、ノズルの出口２１ａがランス先端面２２の同一円周上に等間隔で配置された複数の同一形状のラバールノズル２１を有し、かつ、ランス１の中心軸をｚ軸として、その正方向をラバールノズル２１の出口２１ａから噴出する上吹き酸素の上流側に定め、複数のラバールノズル２１のうちの任意の一つのラバールノズル２１に関し、その出口２１ａの中心がｙ軸上の正側に位置するように定めた右手系のｘｙｚ直交座標系において、図１（ａ）に示すようにｘｙ平面への任意の一つのラバールノズル２１の中心軸２１ｂの投影がｙ軸となす角度をひねり角α、図１（ｄ）に示すようにノズルの出口２１ａの中心を通り、かつｚ軸と平行な直線ｆとノズル中心軸２１ｂとのなす角度を傾斜角βとした時、ひねり角αおよび傾斜角βは所定の範囲とする。

特開２０００−００１７１４公報

しかし、このノズルの向きをひねる角度を大きくするほど二次燃焼率が増加することがわかった。二次燃焼率が増加すると脱炭精錬に必要な酸素原単位の増加につながり、転炉における生産コストが悪化してしまう。また、不必要な二次燃焼の増加は炉壁耐火物の溶損を招いてしまう。

そこで、本発明は、ノズルの向きをひねった上吹き多孔ランスにおいて、二次燃焼率の増加を抑制する溶融金属精錬用上吹きランスを提供する。

上底吹き型転炉においてノズルの向きをひねった上吹き多孔ランスを使用した場合、二次燃焼率が増加する原因として、ジェットの乱れが大きくなっていることが考えられる。その原因を、ノズルの向きをひねった上吹き多孔ランスの構造から詳細に検討した。

まず、通常の多孔ランスでは、各ノズルからジェットが合体せずに放射状に噴出されるように、各ノズル中心軸はランス中心軸と平行ではなく、ランス外側に向けて傾斜角が付与された構造となっている。また、各ノズルはランス内管の流路とその先端で連通して延設されており、内管先端面すなわち酸素含有ガスが各ラバールノズルに流入する入口を配置されたノズル部への入口面は曲面、あるいは錐面であり、ランス内管の流路から各ノズルへ酸素ガスがスムースに流入しやすい形状が望ましいとされている。

たとえば、従来一般的な多孔ランスであってひねりのないもの（以下、ノーマルランスと称する。）において、ランス内管先端面が錐面でノズルの傾斜角が１５°の場合、図２に示すように、ノズル３１の中心軸３１ｂと直角に交差する錐面３２がランス内管先端に設けられる。その錐面の頂点３３はランス中心軸上にあり、同一円周上に等間隔で配置された全てのノズル３１の中心軸３１ｂはその錐面３２と直角に交差する。そのため、その一つの錐面と各ノズルを接続することにより、酸素ガスは均一にノズルに流入しやすくなる。

そこで、本発明者らはノーマルの多孔ランスおよび従来のノズルの向きをひねった多孔ランスにおいて、流動解析でノズル出口面におけるジェットの動圧分布を求め、ランス中心軸を中心軸とし、ノズル出口の中心を通る円筒とノズル出口面との交線上の動圧を調査した。調査条件は、いずれも５孔ランスであり、ノズルスロート径が５．５ｍｍ、ノズル傾斜角が１５ｄｅｇ．とし、ノズルの向きをひねった多孔ランスではそのひねり角を４０ｄｅｇ．とした。このようなランスを用いて、酸素流量が８．０Ｎｍ^３／ｍｉｎとして流動解析を行った。その結果を図３に示す。

図３に示すように、ノーマルランスでは、ノズル壁近傍を除き、動圧分布は均一であることがわかった。しかし、ノズルの向きをひねった従来のひねりランスの場合、ノズル出口においてジェットの動圧は均一ではなく、一方の内壁に偏ってしまった。従来のひねりランスは、図４に示すように、ランス内管先端に錐面４２が設けられているため、全てのノズル４１の中心軸４１ｂとその錐面４２を直角に交差させることはできない。各ノズル４１が錐面４２と直角に交差せず、ノズル４１と錐面４２が直角から傾いて接続されるために、酸素ガスは均一にノズル４１に流入し難くなる。このため、ノズル４１の出口においてもジェットの動圧は均一でなく、図３のように不均一な動圧分布となったものと考えられる。このように、従来のひねりランスの場合、従来のランスの製作方法では、ジェットのノズルへの流入が不均一となるため、ジェットが乱れると考えた。

そこで、ノズルの向きをひねったランスにおいても、ジェットの不均一を解消すれば、ジェットの乱れが抑制されると推定し、酸素ガスを均一にノズルに流入させる方法を検討した。ノズルの向きをひねっただけの従来のランスでは、図４に示すように、酸素ガスが各ノズルに流入する入口を配置されたノズル部への入口面であるランス内管の先端面を１つの面だけで構成するため、全てのノズルに対し、ノズル軸とその面は直角に交差することができない。そこで、ノズル軸とランス内管の先端面とを直角に交差させるため、各々のノズルに対し、ノズル軸と直角に交差する面をランス内管先端に設けて、それらの全体として酸素ガスが各ノズルに流入する入口を配置されたノズル部への入口面とすることに着目して鋭意検討した。その結果、以下の改善を行うことで、酸素ガスは均一にノズルに流入しやすくなり、ノズル出口におけるジェットの動圧の不均一を抑制できることが見出された。本発明の要旨を次のように纏めることができる。

（１）酸素含有ガスの流路とするランス内管と、該ランス内管の先端に前記流路に連通して延設される３孔以上のラバールノズルを有し、前記酸素含有ガスが各ラバールノズルに流入する入口を配置された入口面および各ラバールノズルから噴出するノズル出口を配置されたランス先端面を有するノズル部とを備えた溶融金属精錬用上吹きランスであって、
前記３孔以上のラバールノズルは全て同一形状で、それらの中心軸が当該ランスの中心軸を中心とする同心円上に等間隔に配置され、
前記各ラバールノズルにおいて、上吹きランスの中心軸がｚ軸、前記ノズル出口の中心位置がｙ軸上となるように定めたｘｙｚ直交座標系において、ｘｙ平面へのノズル中心軸の投影がｙ軸となす角度をひねり角α（ｄｅｇ）、ノズル出口の中心を通るｚ軸と平行な直線とノズル中心軸とのなす角をノズル傾斜角β（ｄｅｇ）としたとき、αが（１）式、βが（２）式を満足し、
１０ ＜ α ＜ ７０ （１）
１５ ≦ β ≦ ３０ （２）
かつ、前記各ラバールノズルの中心軸を通る縦断面において、前記ノズル中心軸に直交する横断面を形成する当該ラバールノズルのスロート部から前記酸素含有ガスが流入する入口を配置された入口面までのノズル内壁面の長さが、当該内壁面全体にわたって均一であることを特徴とする溶融金属精錬用上吹きランス。

本発明によれば、ノズルの向きをひねった上吹き多孔ランスにおいて、二次燃焼率の増加を抑制する溶融金属精錬用上吹きランスを提供することができる。

図１は、従来のひねりランス先端部分の概略図であり、図１（ａ）はランスを酸素の上流側から見た平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のａ−ａ’断面図であり、図１（ｃ）は図１（ａ）のｂ−ｂ’断面図であり、図１（ｄ）は図１（ａ）のｃ−ｃ’断面図である。 図２は、ノーマルランスの先端部において、ランス内管先端面、ノズル、およびランス先端面を抽出した概略斜視図である。 図３は、ノーマルランス、従来のひねり多孔ランス、および本発明のひねり多孔ランスにおける、ノズル出口の片側内壁からの距離と動圧との関係を示す図である。 図４は、従来のひねりランス先端部において、ランス内管先端面、ノズル、およびランス先端面を抽出した概略斜視図である。 図５は本発明のひねりランスにおいてラバールノズルのノズル中心軸を通る縦断面で切断した断面図である。 図６は、本発明の溶融金属精錬用上吹きランス先端部において、ランス内管先端面、ノズル、およびランス先端面を抽出した概略斜視図である。

本発明を実施するための形態を、図を用いて説明する。
１．溶融金属精錬用上吹きランスの構成
本発明に係る溶融金属精錬用上吹きランス（以下、単に、「ランス」と称する。）は、従来のひねりランスと比べて、ノズルのスロート部以降の形状、ノズルのひねり角αおよび傾斜角βが同様であり、ランス内管先端面すなわち酸素ガスが各ラバールノズルに流入する入口を配置されたノズル部への入口面と、そこから各ノズルのスロート部上端（酸素ガスの入口側）までの形状とを除き、図１で表される。図１（ｂ）〜（ｄ）に示すように、ランス１は、ランス内管１０、ノズル部２０を有する。ランス内管１０は、酸素含有ガスの流路（以下、単に、「流路」と称する。）１１および先端面（ノズル部２０への入口面）１２を有する。本発明の場合の先端面１２と、そこから各ノズルのスロート部上端までの形状は後述する。ノズル部２０は流路１１に連通して延設されるラバールノズル２１、ランス先端面２２を有する。

２．ラバールノズルとｘｙｚ直交座標系との関係
ラバールノズル２１は、図１（ｂ）および図１（ｃ）に示すようにランス中心軸がｚ軸、図１（ａ）および図１（ｃ）に示すようにラバールノズル２１のノズル出口２１ａの中心位置がｙ軸上となるように定めたｘｙｚ直交座標系において、図１（ａ）に示すようにｘｙ平面へのノズル中心軸２１ｂの投影がｙ軸となす角度をひねり角α（ｄｅｇ）、図１（ｄ）に示すようにラバールノズル２１のノズル出口２１ａの中心を通るｚ軸と平行な直線ｆとノズル中心軸２１ｂとのなす角をノズル傾斜角β（ｄｅｇ）としたとき、ひねり角αが（１）式、傾斜角βが（２）式を満足する。

１０ ＜ α ＜ ７０ （１）
１５ ≦ β ≦ ３０ （２）
ひねり角αが１０°以下の場合には、ラバールノズル２１の向きをひねった多孔ランス特有のジェットの不均一が発生しにくく、本発明を適用する必要はない。また、ひねり角αが７０°以上の場合、ノズルの向きをひねったことによるスピッティング低減効果がなくなってしまうため、ひねり角αは７０°未満とする必要がある。また、傾斜角βが１５°未満ではジェット間の相互干渉が強くなり、βが３０°を超えると脱炭酸素効率の低下が大きくなるため、本発明はβが１５°以上３０°以下のランスを対象とする。

３．ノズル内壁面の形状
ラバールノズル２１は、図５に示すように、流路１１と連通して延設されているノズル２１のスロート部２１ｃ−１への導入部２１ｃ−２とスロート部２１ｃ−１とを含むノズル上部２１ｃと、ノズル上部２１ｃと連通して延設される末広部２１ｄとを有する。スロート部２１ｃ−１は円環形ないし短い直管状の円筒形であるが、その上部（ノズル部への入口面１２ａ側）に入口面１２ａ側から見ると先細状であるスロート部２１ｃ−１への導入部２１ｃ−２を有する。この導入部２１ｃ−２の長さは、ラバールノズル２１のノズル中心軸２１ｂを通る縦断面において、ラバールノズル２１のノズル中心軸２１ｂに直交する横断面を形成するラバールノズル２１のスロート部上端２１ｅ（導入部２１ｃ−２側の端部）からランス内管の先端面１２（ノズル部への入口面１２ａ）の端部１２ｂまでのラバールノズル２１の内壁面の長さで規定することができる。

ノズルの向きをひねったランスにおいても、ジェットの不均一を解消するためには、上記した内壁面の長さが、ラバールノズルの内壁面全体にわたって均一である必要がある。この長さは、２ｍｍ以上１５０ｍｍ以下であることが好ましい。２ｍｍ未満ではノズルの加工が難しくなるし、１５０ｍｍ超ではランス先端のノズル部が大きくなり過ぎる上に、そのように長くしても本発明に係るジェットの不均一解消効果が高まる訳ではないからである。

末広部２１ｄはノズル出口２１ａへ向けて断面積が大きくなっている。つまり、末広部２１ｂは底面がノズル出口（面）２１ａである略切頭楕円錐形状である。

４．ノズル部への入口面（ランス内管先端面）の形状
ノズルの向きをひねった多孔ランスにおいて、以上の指針を設計に取り入れると、ランス先端部の形状は図６のようになる。上記したようにラバールノズルのスロート部の導入部内壁面長さを均一にするためには、ノズル部への入口面１２には、例えば図６に示すように、ラバールノズル２１ごとに、各ラバールノズル２１のノズル中心軸２１ｂと直交する面１２を形成する必要がある。本発明では、ラバールノズル２１のスロート部への導入部内壁面の長さが均一となればよいので、ノズル部への入口面１２の形状は、必ずしも図６に示すようなステップ状の面である必要は無いが、各ノズルへの入口１２ａ毎にノズル軸に直角な平面を形成する必要があるので、ノズル部への入口面全体としてはノズル数と同じ数のうねりを有することになる。

以上のようにすることによって、本発明の溶融金属精錬用上吹きランスは、酸素ガスが均一にノズルに流入しやすくなり、ノズル出口におけるジェットの動圧の不均一な分布が抑制され、図３に示すように動圧分布は偏りがなく、均一化される。その結果、ノズルの向きをひねった上吹き多孔ランスにおいて、ジェットの乱れが抑制され、通常のランスと同程度の二次燃焼率で操業することができる。

本発明の効果を、下記の上底吹き転炉における脱りん銑の脱炭吹錬操業にて検証した。
上底吹き転炉において、ノーマルの６孔ランス、従来のノズルの向きをひねった６孔ランス、および、本発明のノズルの向きをひねった６孔ランスを使用した場合の二次燃焼率を比較した。

いずれのランスも、ノズルスロート直径は５２．０ｍｍ、ノズル傾斜角βは２０ｄｅｇとした。ノズルの向きをひねった６孔ランスのひねり角αは３０ｄｅｇとした。各ノズルと接続するランス内管の先端面（ノズル部への入口面）については、ノーマルの６孔ランスはノズルの中心軸と直角に交差する錐面をランス内管先端に設け、従来のノズルの向きをひねった６孔ランスはノーマルの６孔ランスと同じ形状の錐面をランス内管先端に設け、本発明のノズルの向きをひねった６孔ランスは各ノズルの中心軸と直角に交わる平面を図６に記載したように６面形成させて、その全体をランス内管先端面の形状とした。

溶銑量はおよそ３００ｔ、酸素流量は５６０００Ｎｍ^３／ｈ、ランス高さは３０００ｍｍ一定で吹錬を行った。溶銑成分は、［Ｃ］＝３．８０ｍａｓｓ％、［Ｓｉ］＜０．０１ｍａｓｓ％、［Ｍｎ］＝０．０３ｍａｓｓ％、［Ｐ］＝０．０２ｍａｓｓ％である。副原料として、塊生石灰３５００ｋｇ、塊硅石１０００ｋｇ、ドロマイト４００ｋｇを吹錬開始時に添加した。

各比較例、および実施例において、吹錬開始後から８分経過時にメタルとスラグをサンプリングし、その間に供給した酸素ガス量、および吹錬前と吹錬後の溶銑、スラグ組成、ダストによるＦｅロスを元にマスバランス計算を行い、脱炭反応、およびスラグ中酸化鉄生成以外の上吹き酸素が二次燃焼したとして、吹錬開始後から８分経過時までの平均二次燃焼率を計算した。

［比較例１］
ノーマル６孔ランスでは、吹錬開始後８分時点で［Ｃ］＝１．２０ｍａｓｓ％でスラグ中Ｔ．Ｆｅが６．１ｍａｓｓ％、集塵水中のダスト量測定で調査したＦｅロスが４．８ｔであり、その結果から計算された二次燃焼率は４．５％であった。

［比較例２］
従来のノズルの向きをひねった６孔ランスでは、吹錬開始後８分時点で［Ｃ］＝１．２７ｍａｓｓ％でスラグ中Ｔ．Ｆｅが６．２ｍａｓｓ％、集塵水中のダスト量測定で調査したＦｅロスが３．９ｔであり、その結果から計算された二次燃焼率は６．９％であった。

［実施例１］
本開発のノズルの向きをひねった６孔ランスでは、吹錬開始後８分時点で［Ｃ］＝１．２０ｍａｓｓ％でスラグ中Ｔ．Ｆｅが５．９ｍａｓｓ％、集塵水中のダスト量測定で調査したＦｅロスが３．９ｔであり、その結果から計算された二次燃焼率は４．６％であった。

このように、比較例１のノーマルランスの二次燃焼率に対し、従来のノズルの向きをひねった６孔ランスでは二次燃焼率が２．４％増加した。これに対し、本発明のノズルの向きをひねった６孔ランスは０．１％の増加であった。本発明の効果によってノズルの向きをひねった多孔ランスの二次燃焼率をノーマルランスと同程度とすることが確認できた。また、ノーマルランスを用いた［比較例１］に対し、ノズルの向きをひねったランスを用いた［比較例２］、［実施例１］では、両方ともダストによるＦｅロスが１９％低減され、本開発によるジェットの乱れの抑制がスピッティングには大きく影響を及ぼさないことも確認できた。

１ ランス、１０ ランス内管、１１ 流路、１２ ランス内管の先端面、１２ａ ノズル部への入口（面）、１２ｂ ランス内管の先端面の端部、２０ ノズル部、２１ ラバールノズル、２１ａ ノズル出口、２１ｂ ノズル中心軸、２１ｃ ノズル上部、２１ｃ−１ スロート部、２１ｃ−２ 導入部、２１ｄ 末広部、２１ｅ スロート部上端（導入部側の端部）、２２ ランス先端面

Claims (1)

1. 酸素含有ガスの流路とするランス内管と、該ランス内管の先端に前記流路に連通して延設される３孔以上のラバールノズルを有し、前記酸素含有ガスが各ラバールノズルに流入する入口を配置された入口面および各ラバールノズルから噴出するノズル出口を配置されたランス先端面を有するノズル部とを備えた溶融金属精錬用上吹きランスであって、
   前記３孔以上のラバールノズルは全て同一形状で、それらの中心軸が当該ランスの中心軸を中心とする同心円上に等間隔に配置され、
   前記各ラバールノズルにおいて、上吹きランスの中心軸がｚ軸、前記ノズル出口の中心位置がｙ軸上となるように定めたｘｙｚ直交座標系において、ｘｙ平面へのノズル中心軸の投影がｙ軸となす角度をひねり角α（ｄｅｇ）、ノズル出口の中心を通るｚ軸と平行な直線とノズル中心軸とのなす角をノズル傾斜角β（ｄｅｇ）としたとき、αが（１）式、βが（２）式を満足し、
   １０ ＜ α ＜ ７０ （１）
   １５ ≦ β ≦ ３０ （２）
   かつ、前記各ラバールノズルは、前記酸素含有ガスが流入する入口を配置された入口面を有する導入部と、前記導入部の前記入口面と反対側に接続されたスロート部と、前記スロート部に接続された末広部と、を有し、前記入口面は、前記ラバーノズルの中心軸に直交する横断面を形成しており、
   前記各ラバールノズルの各々について、前記各ラバールノズルの中心軸を含むどの縦断面上においても、前記入口面と前記導入部との交点から、前記スロート部と前記導入部との境界点までのノズル内壁面の長さが、当該内壁面全体にわたって均一であることを特徴とする溶融金属精錬用上吹きランス。