JP6782683B2

JP6782683B2 - 減圧精錬槽

Info

Publication number: JP6782683B2
Application number: JP2017214120A
Authority: JP
Inventors: 公勇谷山; 驍騰丁; 勇輔藤井; 中井　由枝; 由枝中井
Original assignee: JFE Steel Corp; Chugai Ro Co Ltd
Current assignee: JFE Steel Corp; Chugai Ro Co Ltd
Priority date: 2017-11-06
Filing date: 2017-11-06
Publication date: 2020-11-11
Anticipated expiration: 2037-11-06
Also published as: JP2019085609A

Description

本発明は、溶鋼環流式真空脱ガス装置（略称：ＲＨ）や減圧下取鍋脱炭精錬装置（略称：ＶＯＤ）に代表される精錬設備の減圧精錬槽用バーナを備える減圧精錬槽に関するものである。

従来、溶鋼の減圧精錬槽では、気圧の低い空間（低圧空間）で燃料と空気や酸素等の支燃ガスとを噴射して火炎を形成しており、その減圧精錬槽用バーナとしては、特許文献１〜３に示されるようなものが使用されている。

特開平７−２９２４１１号公報特開平６−８１０２３号公報特開平６−７３４３３号公報

ここで、上記に示されたような減圧精錬槽用バーナは、火炎を棒状に勢いよく噴射するようになっているので、燃料と支燃ガスとが混合しにくく、炉内圧力を低くすることが難しい。また、低圧空間において燃料と支燃ガスとが拡散するため、火炎はバーナノズル先端からリフトし、溶鋼の表面の高温部分で燃えているという状態になりやすく、燃焼が安定しにくいという課題がある。

そこで、本発明では、低圧空間においても燃焼を安定させることができる減圧精錬槽用バーナを提供することを目的とする。

本発明は、
減圧精錬槽に設けられる減圧精錬槽用バーナであって、
添加物及び／又は気体を噴射する添加物ノズルと、
前記添加物ノズルの外周側に形成され、前記減圧精錬槽用バーナの前記減圧精錬槽への開口部から前記減圧精錬槽用バーナの内方側へ凹む凹部と、
前記凹部に燃料開口部を有し、燃料を噴射する１以上の燃料ノズルと、
前記凹部に支燃ガス開口部を有し、支燃ガスを噴射する１以上の支燃ガスノズルと、を備えており、
前記燃料ノズルは、前記燃料開口部に向かって、前記支燃ガス開口部に近接するよう傾斜しており、及び／又は、前記支燃ガスノズルは、前記支燃ガス開口部に向かって、前記燃料開口部に近接するよう傾斜していることを特徴とする。

前記構成によれば、燃料ノズル及び支燃ガスノズルは凹部に開口しており、燃料ノズル及び支燃ガスノズルは、一方が他方に対して近接するように傾斜しているので、凹部において火炎を保持することが容易となり、低圧空間においても、燃焼を安定させることができる。

本発明は、さらに、次のような構成を備えるのが好ましい。
（１）前記凹部は、前記添加物ノズルを囲む環状形状を有し、
前記燃料ノズルと前記支燃ガスノズルとは、一対となるよう設けられ、
前記燃料ノズルは、前記燃料開口部に向かって、対となる前記支燃ガスノズルの前記支燃ガス開口部に近接するよう、円周方向及び径方向に傾斜している。
（２）前記凹部は、前記添加物ノズルを囲む環状形状を有し、
前記燃料ノズルと前記支燃ガスノズルとは、一対となるよう設けられ、
前記支燃ガスノズルは、前記支燃ガス開口部に向かって、対となる前記燃料ノズルの前記燃料開口部に近接するよう、円周方向及び径方向に傾斜している。
（３）前記凹部は、前記添加物ノズルを囲む環状形状を有し、
前記燃料ノズルと前記支燃ガスノズルとは、一対となるよう設けられ、
一方のノズルは、その開口部に向かって、対となる他方のノズルの開口部に近接するよう、円周方向に傾斜し、
他方のノズルは、その開口部に向かって、対となる一方のノズルの開口部に近接するよう、径方向に傾斜している。
（４）前記構成（１）〜（３）のいずれか１つにおいて、前記燃料ノズルの燃料開口部は、前記減圧精錬槽用バーナの軸心を中心とする同心円上に均等に設けられ、
前記支燃ガスノズルの支燃ガス開口部は、前記減圧精錬槽用バーナの軸心に対して前記燃料開口部の外周側又は内周側に、前記減圧精錬槽用バーナの軸心を中心とする同心円上に均等に設けられている。
（５）前記凹部の幅（Ｗ）と前記凹部の深さ（Ｌ）との関係は、
１．５＜Ｌ／Ｗ＜２．０
となっている。
（６）前記燃料開口部の径（ＤＧ）、前記支燃ガス開口部の径（ＤＡ）及び前記凹部の幅（Ｗ）の関係は、
１．５＜Ｗ／（ＤＧ＋ＤＡ）＜２．０
となっている。
（７）前記支燃ガスノズルは、酸素を噴射するようになっている。

前記構成（１）によれば、燃料ノズルと支燃ガスノズルとを一対として設け、燃料ノズルを円周方向及び径方向に傾斜させることによって、燃料と支燃ガスとの混合を促進させ、槽内が真空（低圧）でも、火炎の維持をより容易に行うことができる。

前記構成（２）によれば、燃料ノズルと支燃ガスノズルとを一対として設け、支燃ガスノズルを円周方向及び径方向に傾斜させることによって、燃料と支燃ガスとの混合を促進させ、槽内が真空（低圧）でも、火炎の維持をより容易に行うことができる。

前記構成（３）によれば、燃料ノズルと支燃ガスノズルとを一対として設け、一方のノズルを円周方向に傾斜させ、他方のノズルを径方向に傾斜させることによって、燃料と支燃ガスとの混合を促進させ、槽内が真空（低圧）でも、火炎の維持をより容易に行うことができる。

前記構成（４）によれば、燃料ノズルの燃料開口部を同心円上に均等に設け、支燃ガスノズルの支燃ガス開口部を燃料開口部の外周側又は内周側に同心円上に均等に設けることによって、添加物ノズルの外周側に均等な火炎を形成することができる。

前記構成（５）によれば、凹部の形状を所定の関係に設定することによって、凹部における火炎の保持をより容易に行うことができる。

前記構成（６）によれば、凹部、燃料開口部及び支燃ガス開口部の大きさを所定の関係に設定することによって、凹部における火炎の保持をより容易に行うことができる。

前記構成（７）によれば、支燃ガスノズルが酸素を噴射するようになっているので、凹部における火炎の形成を容易に行うことができる。また、高温で排気にＮＯｘを含まない火炎を形成することができる。

要するに、本発明によると、低圧空間においても燃焼を安定させることができる減圧精錬槽用バーナを提供することができる。

本発明の実施形態に係る減圧精錬槽用バーナの炉側から見た正面図である。図１のII-II断面図である。図１のIII-III断面図である。本発明の別の実施形態に係る減圧精錬槽用バーナの炉側から見た正面図である。図４のV-V断面図である。図４のVI-VI断面図である。

図１は、本発明の実施形態（実施例１）に係る減圧精錬槽用バーナの炉側から見た正面図であり、図２は、図１のII-II断面図である。図１及び図２に示されるように、減圧精錬槽用バーナ１０は、添加物及び／又は気体を噴射する添加物ノズル２と、添加物ノズル２の外周側に形成され、減圧精錬槽用バーナ１０の減圧精錬槽への開口部１１から減圧精錬槽用バーナ１０の内方側へ凹む凹部３と、凹部３に燃料開口部４１を有し、燃料を噴射する１以上の燃料ノズル４と、凹部３に支燃ガス開口部５１を有し、支燃ガスを噴射する１以上の支燃ガスノズル５と、を備えている。なお、減圧精錬槽用バーナ１０には、スパークプラグ等の火炎の着火源が設けられるが、図示及びその説明は省略する。

添加物ノズル２は、添加物として、減圧精錬槽に供給する精錬剤、例えば酸化物粉体を噴射するようになっており、また、気体として、例えば酸素ガスを噴射するようになっている。精錬剤は、真空脱ガスが行われる溶鋼の成分を調整するのに使用される。また、酸素ガスは、溶鋼中の炭素（不純物）を酸化させて除去するのに使用される。

添加物ノズル２は、ラバール構造を備えている。

燃料ノズル４は、火炎を形成するための燃料として、例えば燃料ガスを噴射するようになっている。

支燃ガスノズル５は、燃料ノズル４から噴射される燃料ガスと混合させるための支燃ガスとして、例えば酸素ガスを噴射するようになっている。

凹部３は、添加物ノズル２を囲む環状形状を有している。凹部３は、径方向に幅Ｗを有し、減圧精錬槽用バーナ１０の減圧精錬槽への開口部１１から減圧精錬槽用バーナ１０の内方側へ深さＬだけ凹んでいる。凹部３の幅Ｗ、すなわち径方向の長さと、凹部３の深さＬ、すなわち軸方向長さとの関係は、低圧空間に適した燃焼をさせるために、下記式（１）のとおりとするのがよい。

ここで、Ｌ／Ｗが１．５以下となると、凹部３の中で火炎を保持しにくくなり、Ｌ／Ｗが２．０以上となると、凹部３の内部で燃焼するため、減圧精錬槽用バーナ１０の先端が溶損する恐れが生じる。

また、燃料開口部４１の径ＤＧ、支燃ガス開口部５１の径ＤＡ及び凹部３の幅Ｗの関係は、低圧空間に適した燃焼をさせるために、下記式（２）のとおりとするのがよい。

ここで、Ｗ／（ＤＧ＋ＤＡ）が１．５以下となると、凹部３の内部で燃焼するため、減圧精錬槽用バーナ１０の先端が溶損する恐れが生じ、Ｗ／（ＤＧ＋ＤＡ）が２．０以上となると、凹部３の中で火炎を保持しにくくなる。

燃料開口部４１の径ＤＧは、支燃ガス開口部５１の径ＤＡより小さくなっている。

燃料ノズル４と支燃ガスノズル５とは、一対となるよう設けられ、燃料ノズル４は、燃料開口部４１に向かって、対となる支燃ガスノズル５の支燃ガス開口部５１に近接するよう、円周方向及び径方向に傾斜している。燃料ノズル４は、円周方向に５度〜４５度（図３のθ２）、径方向に５度〜４５度（図２のθ１）だけ傾斜している。燃料ノズル４の傾斜角度は、５度より小さいと、燃料と支燃ガスとの混合がしにくくなり、４５度より大きいと、火炎が直進しにくくなる。

燃料ノズル４の燃料開口部４１は、減圧精錬槽用バーナ１０の軸心を中心とする同心円上に均等に、本実施形態では、一例として１２個設けられている。

支燃ガスノズル５の支燃ガス開口部５１は、減圧精錬槽用バーナ１０の軸心に対して燃料開口部４１の外周側に、減圧精錬槽用バーナ１０の軸心を中心とする同心円上に均等に、１２個設けられている。燃料開口部４１と支燃ガス開口部５１とは、一対となるよう設けられ、支燃ガス開口部５１は、対となる燃料開口部４１の径方向外側に位置している。

凹部３の外周側には、凹部３を冷却する冷却部６が設けられている。冷却部６は、炉側から見て環状形状を有しており、冷却媒体、例えば冷却水が循環するようになっている。冷却部６は、減圧精錬槽用バーナ１０の開口部１１において開放されておらず、冷却部６の軸方向端部は、凹部３の軸方向中間部に位置している。冷却部６によって、減圧精錬槽用バーナ１０全体の熱による変形や、特に火炎によって高温となる凹部３の熱による損傷を防止できる。

前記構成の減圧精錬槽用バーナ１０によれば、次のような効果を発揮できる。

（１）燃料ノズル４及び支燃ガスノズル５は凹部３に開口しており、燃料ノズル４は、燃料開口部４１に向かって、支燃ガスノズル５の支燃ガス開口部５１に近接するように傾斜しているので、凹部３において火炎を保持することが容易となり、低圧空間においても、燃焼を安定させることができる。

（２）燃料ノズル４と支燃ガスノズル５とが一対として設けられ、燃料ノズル４は、燃料開口部４１に向かって、対となる支燃ガスノズル５の支燃ガス開口部５１に近接するように円周方向及び径方向に傾斜しているので、凹部３において燃料と酸素との混合を促進させ、槽内が低圧でも、火炎の維持をより容易に行うことができる。

（３）燃料ノズル４の燃料開口部４１は同心円上に均等に設けられ、支燃ガスノズル５の支燃ガス開口部５１は燃料開口部４１の外周側に同心円上に均等に設けられているので、添加物ノズル２の外周側に均等な火炎を形成することができる。

（４）凹部３の形状は、凹部３の幅Ｗ、すなわち径方向の長さと、凹部３の深さＬ、すなわち軸方向長さとの関係が、式（１）のとおりのときがよい。すなわち、凹部３の深さＬは、凹部３の幅Ｗより所定量だけ大きくなっているので、凹部３における火炎の保持をより容易に行うことができる。

（５）凹部３、燃料開口部４１及び支燃ガス開口部５１の大きさの関係が、式（２）のとおりのときがよい。すなわち、凹部３の幅Ｗは、燃料開口部４１の径ＤＧと支燃ガス開口部５１の径ＤＡとの合計より所定量だけ大きくなっているので、凹部３における火炎の保持をより容易に行うことができる。

（６）支燃ガスノズル５が酸素を噴射するようになっているので、凹部３における火炎の形成を容易に行うことができる。また、高温で排気にＮＯｘを含まない火炎を形成することができる。

（７）冷却部６は、凹部３を冷却するようになっているので、減圧精錬槽用バーナ１０全体の熱による変形や、特に火炎によって高温となる凹部３の熱による損傷を防止できる。

（８）添加物ノズル２は、ラバール構造を備えているので、添加物ノズル２から噴射される添加物の流速をより速くすることができる。

（９）支燃ガスノズル５を燃料ノズル４の外周に設けることによって、燃料の拡散を抑制し、燃料の全量を完全燃焼させることができる。

上記実施形態では、燃料開口部４１と支燃ガス開口部５１とは、一対となるようそれぞれ１２個設けられているが、それぞれ１以上設けられればよい。なお、燃料開口部４１及び支燃ガス開口部５１は、減圧精錬槽用バーナ１０の軸心を中心とする同心円上に均等に設けられることが好ましく、より好ましくは、燃料開口部４１及び支燃ガス開口部５１は、それぞれ８個以上設けられる。

上記実施形態では、支燃ガス開口部５１は、対となる燃料開口部４１の径方向外側に位置しているが、対となる燃料開口部４１の径方向内側に位置していてもよい。また、支燃ガス開口部５１は、対となる燃料開口部４１に対して、円周方向にずれて位置していてもよい。

上記実施形態では、燃料開口部４１と支燃ガス開口部５１とは、一対となるよう設けられているが、一対とならないように設けられてもよい。この場合、径方向外側に位置する開口部が、径方向内側に位置する開口部よりも多く設けられる。

上記実施形態では、内側の燃料ノズル４が円周方向及び径方向に傾斜しているが、外側の支燃ガスノズル５が円周方向及び径方向に傾斜してもよく、燃料ノズル４又は支燃ガスノズル５の一方が円周方向にのみ傾斜し、燃料ノズル４又は支燃ガスノズル５の他方が径方向にのみ傾斜してもよい。

上記実施形態では、燃料ノズル４が支燃ガスノズル５の内側に位置しているが、燃料ノズルが支燃ガスノズルの外側に位置してもよい。

図４は、本発明の別の実施形態（実施例２）に係る、内側の燃料ノズル４が径方向に傾斜し、外側の支燃ガスノズル５が円周方向に傾斜する場合の炉側から見た正面図であり、図５は、図４のV-V断面図であり、図６は、図４のVI-VI断面図である。図４〜図６に示されるように、燃料ノズル４と支燃ガスノズル５とは、一対となるよう設けられている。燃料ノズル４は、燃料開口部４１に向かって、対となる支燃ガスノズル５の支燃ガス開口部５１に近接するよう、径方向に角度θ３だけ傾斜している。また、支燃ガスノズル５は、支燃ガス開口部５１に向かって、対となる燃料ノズル４の燃料開口部４１に近接するよう、周方向に角度θ４だけ傾斜している。ここで、角度θ３及び角度θ４は、燃料ノズル４及び支燃ガスノズル５の個数、孔の大きさ又はピッチ寸法に影響されるが、ノズルの流路が重ならない配置とすることが必要である。

通常、支燃ガスノズル５から噴射される支燃ガスの量は、燃料ノズル４から噴射される燃料ガスの量よりも多くなるため、支燃ガスノズル５を傾斜させることによって、支燃ガスの旋回効果を高めたほうが、支燃ガスと燃料ガスとの混合をより促進させることができる。そして、支燃ガスノズルを円周方向に傾斜させることによって、支燃ガスの旋回効果をさらに高めることができる。

（実施例）
減圧精錬は、溶鋼を気圧の低い空間で精錬し、中に含まれている不純物を蒸発させる目的で行われる（真空脱ガスともいう）ため、減圧精錬中の溶鋼の温度補償のためにバーナを用いる場合には、低い圧力で酸素の少ない空間でも、火炎が吹き消えせず安定して形成され、より高温の火炎が得られることが好ましい。

減圧精錬槽内で圧力を変化させてバーナを燃焼させた場合の実施例を表１に示す。「比較例」は、減圧精錬槽で用いられる従来のバーナを用いており、従来のバーナは、ラバール構造を備える添加物ノズルに燃料ノズルが途中で合流する構造を有する。そして、添加物ノズルから添加物及び支燃ガスが供給され、燃料ノズルから燃料が供給される。また、「実施例１」は上述の図１、「実施例２」は上述の図４のバーナを用いている。

燃料としてプロパンガス、支燃ガスとして酸素を用い、それぞれの流量を、プロパンガス：２０ＮＬ／ｍｉｎ、酸素：１００ＮＬ／ｍｉｎとして、各バーナを燃焼させた。そして、燃焼時の槽内圧力を、４０ｋＰａ、２０ｋＰａ、６．７ｋＰａに設定した。火炎温度は、サイトホールから消耗型光ファイバー式放射温度計を用いて測定した。なお、本実施例では、添加物を供給しない条件で、比較例、実施例１、実施例２を比較した。

火炎の状態の判定は、バーナの先端から２０ｍｍ以内で火炎が形成された場合、燃焼が安定しているとして「○」と表記し、バーナの先端から２０ｍｍより離れて火炎が形成された場合、火炎が吹き消えるおそれがあるとして「×」と表記した。

表１に示されるように、比較例では、槽内圧力が４０ｋＰａよりも下がると燃焼が不安定になり、火炎の最高温度は１２４３℃であった。一方、燃料ノズル４を径方向（θ１）及び円周方向（θ２）に傾斜させた実施例１では、２０ｋＰａでも燃焼は安定し、火炎の最高温度は１８７２℃であり、比較例に比べて低い槽内圧力でより高温の火炎が得られた。

また、燃料ノズル４を径方向（θ３）に傾斜させ、支燃ガスノズル５を円周方向（θ４）に傾斜させた実施例２では、６．７ｋＰａでも燃焼は安定し、火炎の最高温度は２０１８℃であり、実施例１に比べてさらによい結果が得られた。実施例１及び実施例２では、比較例と比べて、プロパンガスと支燃ガスとがよく混合された結果、保炎能力が高く、温度の高い火炎が得られたと考えられる。

特許請求の範囲に記載された本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、各種変形及び変更を行うことも可能である。

本発明では、低圧空間においても燃焼を安定させることができる減圧精錬槽用バーナを提供することができるので、産業上の利用価値が大である。

２添加物ノズル
３凹部
４燃料ノズル
４１燃料開口部
５支燃ガスノズル
５１支燃ガス開口部
６冷却部
１０減圧精錬槽用バーナ
１１開口部

Claims

減圧精錬槽用バーナを備える減圧精錬槽であって、
前記減圧精錬槽用バーナは、
添加物及び／又は気体を噴射する添加物ノズルと、
前記添加物ノズルの外周側に形成され、前記減圧精錬槽用バーナの前記減圧精錬槽への開口部から前記減圧精錬槽用バーナの内方側へ凹む凹部と、
前記凹部に燃料開口部を有し、燃料を噴射する１以上の燃料ノズルと、
前記凹部に支燃ガス開口部を有し、支燃ガスを噴射する１以上の支燃ガスノズルと、を備えており、
前記燃料ノズルは、前記燃料開口部に向かって、前記支燃ガス開口部に近接するよう傾斜しており、及び／又は、前記支燃ガスノズルは、前記支燃ガス開口部に向かって、前記燃料開口部に近接するよう傾斜していることを特徴とする、減圧精錬槽。
前記凹部は、前記添加物ノズルを囲む環状形状を有し、
前記燃料ノズルと前記支燃ガスノズルとは、一対となるよう設けられ、
前記燃料ノズルは、前記燃料開口部に向かって、対となる前記支燃ガスノズルの前記支燃ガス開口部に近接するよう、円周方向及び径方向に傾斜している、請求項１記載の減圧精錬槽。
前記凹部は、前記添加物ノズルを囲む環状形状を有し、
前記燃料ノズルと前記支燃ガスノズルとは、一対となるよう設けられ、
前記支燃ガスノズルは、前記支燃ガス開口部に向かって、対となる前記燃料ノズルの前記燃料開口部に近接するよう、円周方向及び径方向に傾斜している、請求項１記載の減圧精錬槽。
前記凹部は、前記添加物ノズルを囲む環状形状を有し、
前記燃料ノズルと前記支燃ガスノズルとは、一対となるよう設けられ、
一方のノズルは、その開口部に向かって、対となる他方のノズルの開口部に近接するよう、円周方向に傾斜し、
他方のノズルは、その開口部に向かって、対となる一方のノズルの開口部に近接するよう、径方向に傾斜している、請求項１記載の減圧精錬槽。
前記燃料ノズルの燃料開口部は、前記減圧精錬槽用バーナの軸心を中心とする同心円上に均等に設けられ、
前記支燃ガスノズルの支燃ガス開口部は、前記減圧精錬槽用バーナの軸心に対して前記燃料開口部の外周側又は内周側に、前記減圧精錬槽用バーナの軸心を中心とする同心円上に均等に設けられている、請求項２〜４のいずれか１つに記載の減圧精錬槽。
前記凹部の幅（Ｗ）と前記凹部の深さ（Ｌ）との関係は、
１．５＜Ｌ／Ｗ＜２．０
となっている、請求項１〜５のいずれか１つに記載の減圧精錬槽。
前記燃料開口部の径（ＤＧ）、前記支燃ガス開口部の径（ＤＡ）及び前記凹部の幅（Ｗ）の関係は、
１．５＜Ｗ／（ＤＧ＋ＤＡ）＜２．０
となっている、請求項１〜６のいずれか１つに記載の減圧精錬槽。
前記支燃ガスノズルは、酸素を噴射するようになっている、請求項１〜７のいずれか１つに記載の減圧精錬槽。