JPH0377251B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、三相交流又は直流の電弧によりスク
ラツプ、鉱石、金属材料等の溶解、精錬を行う際
に、電弧炉内の溶融金属浴を効率良く撹拌する方
法及び装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、電弧炉に操業においては、スクラツプ等
の装入原料を溶解する工程で、炉壁から助燃バー
ナーや溶解促進のための酸素が使用されている。
この場合、電弧炉に炉底は、その直径に対し深さ
の極めて浅い、いわゆるシヤローバスの状態にあ
る。このために、溶融金属浴を撹拌する力は極め
て弱い。加えて、電極から付与される熱も溶融金
属浴の上面のみを加熱するために消費されるの
で、溶融金属浴内に対流が起き難く、温度及び成
分が不均一になる。

また、撹拌力が弱いことから、溶融金属浴とフ
ラツクス層との間で冶金的反応が平衡となる状態
に達せず、極めて反応効率が悪い。その結果、フ
エロマンガン、フエロクロム、シリコン材等の添
加材の原単位の悪化、スラグ中のトータルFeが
上昇することによる鉄ロスの増加等の欠点があつ
た。この欠点を避けるため撹拌力を強化すると、
上記の解決に加えて脱炭率の向上、鋼中の含有ガ
スの除去等による清浄化が図られ、極めて大きな
メリツトが期待される。

しかし、電弧炉の場合、溶融金属浴の揺動や激
しい波立ちは、開口部からの溶融金属の洩出、水
冷パネルの溶損、アークの不安定化等の問題を派
生するおそれがある。このため、これらの危険性
を回避して激しい撹拌力を溶融金属浴に与えるこ
とは実操業的には困難とされていた。そこで、炉
床部から不活性ガス又は酸化性ガス等を炉内に吹
込むことにより、溶解を促進させる方法等が提案
されている。

たとえば、電弧炉の炉床に設けたノズルを介し
たガス吹込みにより溶鋼の撹拌を行なうことが、
特開昭50−92807号公報等に記載されている。ま
たこれを発展させたものとして、鋼浴のコールド
ゾーン部の炉底にノズルを取り付けることや、ホ
ツトゾーン部に向けて不活性ガスを吹込む方法等
が知られている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

この炉底からのガス吹込みにより、それなりの
効果は想像できるものであるが、その具体的方法
と効果は不明であつた。現在の進んだ形式の電弧
炉においては、炉壁の大部分が水冷パネルで構築
されており、それもシルレベルより300mm程度の
下部まで水冷パネルが適用されている場合もあ
る。この形式の電弧炉において、炉底から撹拌用
のガスを吹き込むとき、溶融金属浴は撹拌される
ものの、揺動現象に伴つて溶融金属浴が水冷パネ
ルに当たる可能性があることが解つた。また、撹
拌を十分強化していくと、電弧炉に通常設けられ
ている作業口、出鋼口等から溶融金属浴及びスラ
グの洩出が起こる。このため、撹拌強度は、溶融
金属浴の揺動の大きさにより制限され、期待する
十分な効果が発揮できないという問題が存在して
いた。

また、ガス吹込みによりノズル直上部の溶融金
属浴の盛り上がりも同様にガス量を増大すると、
その揺動範囲が大きくなることも判つた。このた
め、電極の直近にノズルを設置するとき、浴面の
変動が大きく、安定したアークが得られない。そ
の結果、操業状態が不安定なアーク状態の下での
操業を強いられることにもなる。

更に、従来例における撹拌ガス吹込み用のノズ
ルの配置は、コールドゾーンとかホツトゾーンと
いう電極からの受熱を中心とした範囲分け、又は
鋼浴の1/2以下等というように、極めて大まかに
定められていた。しかし、溶融金属浴の撹拌に与
える影響は、ノズルを設置した位置により大きく
変わるものである。ところが、このように効果的
な撹拌を行わせるためのノズル配置は、これまで
のところ提案されていない。

本発明は、このような電弧炉における問題に鑑
み、溶融金属が炉外に漏出する危険性がなく、水
冷パネルの溶損防止及びアークの安定化を図りつ
つ溶融金属浴に大きな撹拌能力を与えることによ
り、固体装入物の溶解促進や精錬反応、溶融金属
浴の温度及び成分の均一化等を目的として開発さ
れたものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の溶融金属浴撹拌方法は、その目的を達
成するために、炉体の鉄皮内半径をＲとするとき
0.2〜0.8×Ｒの範囲にある炉床部に設けられた少
なくとも１つの外周部ノズルから電弧炉の炉内に
吹き込まれる撹拌用又は粉体搬送兼撹拌用ガスの
総流量Q₂と、炉体の中心付近に設けられた少な
くとも１つの中心ノズルから吹き込まれる撹拌用
又は粉体搬送用兼撹拌用ガスの総流量Q₁との比
Q₁／Q₂を0.2〜５の範囲で調整することを特徴と
する。

また、そのために使用する溶融金属浴撹拌装置
は、炉体の鉄皮内半径をＲとするとき0.2〜0.8×
Ｒの範囲にある炉床部に少なくとも１つのガス吹
込み用外周部ノズルを設け、且つ炉体の中心付近
に少なくとも１つのガス吹込み用中心ノズルを設
けたことを特徴とする。

〔実施例〕

以下、図面を参照しながら、実施例により本発
明の特徴を具体的に説明する。

第１図は本発明の第１実施例における電弧炉の
縦断面図、第２図は同第１図の−線矢視によ
る水平断面図である。

鉄皮１ａを備えた電弧炉の炉体１の炉壁２に
は、水冷パネル３が取り付けられている。また、
炉体１の中心部分には３本の電極４が設けてられ
ており、これらの電極４に通電することにより電
弧炉に投入されたスクラツプ等の原料を溶解す
る。また、炉体１のシルレベル以下にある炉床５
の炉体中心付近には中心ノズル６が設けられてお
り、炉床５の外周部には少なくとも１個の外周ノ
ズル７が設けられている。この場合、中心付近と
は３本の電極４の中心を通るピツチ円内の範囲を
意味している。

第３図及び第４図は、それぞれ本発明の第２実
施例における電弧炉の縦断面図及び水平断面図で
ある。これらの図において、第１図及び第２図の
部材等に対応するものは同一の符番で指示し、そ
の説明を省略した。ただし、本例にあつては、３
個の外周ノズル7₁〜7₃を設けている点が、第１実
施例と異なる。

中心ノズル６及び外周ノズル7₁〜7₃には、それ
ぞれの配管８ａ〜８ｄを介して撹拌用ガスが送給
される。これら配管８ａ〜８ｄの途中には調節弁
９ａ〜９ｄが設けられており、中心ノズル６及び
外周ノズル7₁〜7₃から炉内に吹き込まれる撹拌用
ガスの流量が調節される。また、これら配管８ａ
〜８ｄは、ガス供給配管１０を経て、CO₂、CO、
Ar、N₂、O₂空気等の不活性ガス又は酸化性ガス
のガス供給源１１に接続されている。

いま、たとえば中心ノズル６を働かせず、外周
ノズル7₁〜7₃で溶融金属浴を撹拌すると、溶融金
属浴は第５図に示すように挙動する。すなわち、
静止浴表面をＡとすると、ガス吹込み初期におい
ては外周ノズル7₁〜7₃（ただし、外周ノズル7₂は
図示せず）の直上部にある浴面が、同図ａに示す
ように盛り上がる。更に、これらの盛上り部Ｂ
は、同図ｂ及びｃに示すごとく、それぞれが旋回
運動を始める。

この旋回状態が10〜20秒程度経過すると、吹込
みガスによる盛上り部Ｂの旋回運動は、干渉及び
協動を繰り返し、同図ｄに示すように、溶融金属
浴は外方に向かつて激しく揺動する。このように
外方に流動した溶融金属は、次の段階で同図ｅに
示すように、炉体中心に向かつて打ち返してくる
運動を繰り返す。

このとき、外周ノズル7₁〜7₃からのガス吹込み
量を多くしていくと、溶融金属浴が極めて激しく
揺動運動を行い、同図ｄに示すように、炉体１の
外周部にある水冷パネル３に溶融金属が当たるよ
うになる。その結果、水冷パネル３に大きな熱衝
撃及び機械的な力が加わり、水冷パネル３の溶損
や水冷機構からの水漏れに起因する爆発事故を起
こし兼ねない状況となる。或いは、第６図に示す
ように、作業口１４、出鋼口１３等の開口部か
ら、溶鋼又はスラグが洩出し、炉外にいる作業者
に飛散するという極めて危険な状態となつてしま
う。

このようなことから、従来の方法によるとき、
溶融金属浴の撹拌のために炉内に吹き込まれるガ
ス量を、鋼浴トン当たり0.1Nm³／時／トン以下
程度にまで、極力絞らざるを得なくなる。そうす
ると、本来の溶解速度の向上、冶金反応の促進等
の効果が発揮されなくなつてしまう。

加えて、溶融金属浴の盛上り部Ｂの直径D_p（第
７図参照）は、第８図に示すように、溶融金属浴
の深さＨに応じて変化している。このため、電極
４中心から外周ノズル7₁〜7₃までの距離ｌを少な
くともD_p／２以上とすることが必要である。こ
れによつて、電極４先端と溶融金属浴の表面との
間の距離ｇが、盛上り部Ｂにより影響されること
がないので、安定したアーク状態が得られる。

また、第８図における点線で示す盛上がり部の
直径D_rの値は、第３図及び第４図に示した装置
を使用して、90トンの溶鋼に対し、３本の外周ノ
ズル7₁〜7₃からそれぞれ67Nm³／時ずつ吹き込む
場合で、ガスの総流量Q₂を200Nm³／時としたと
きの状況を示す。そして、実線は、総流量Q₂は
200Nm³／時と同一で３本の外周ノズル7₁〜7₃か
ら50Nm³／時×３の流量で且つ中心ノズル６から
50Nm³／時の流量で、90トンの溶鋼にガスを吹き
込んだ場合の盛上がり部の直径D_pを示すもので
ある。

この線図から明らかなように、中心ノズル６か
らガス吹込みを行うことにより、盛上り部Ｂの直
径D_pを1.0ｍから0.6ｍに低下させることができ
た。なお、同図の二点鎖線は、第７図に示す揺動
を考慮しない単一盛上がり部直径D_pを示す。

ところで、中心ノズル６からガス吹込みを行な
うと、溶融金属浴の盛上がり部の直径D_pの減少
だけではなく、浴の揺動も大幅に抑えられる結果
となる。このことを、第９図に示す吹込み条件の
相違に対する均一混合時間及び炉壁部における波
立ち高さの関係によつて説明する。

第９図ａにおいて、イの破線は外周ノズル7₁〜
7₃よりガスを吹き込み、中心ノズル６を設けない
場合を示し、ロの実線は中心ノズル６によるガス
吹込みを加えた場合のそれぞれの炉壁部における
波立ち高さを示す。そして、この線図から明らか
なように、中心ノズル６のない場合に対し、中心
ノズル６を設けて該中心ノズル６からの吹込みガ
ス量を増やせば、波打ち高さHrは大幅に減少し
てゆくことが判る。

例えば、鋼浴90トンに対して、底吹トータルガ
ス量が200Nm³／HrのCO₂とすると、鋼浴トン当
たり2.2Nm³／時／トンとなり、３本の外周ノズ
ル７からそれぞれ67Nm³／時ずつ吹込んだ場合
は、波打ち高さHr、破線イにより与えられる値
は横軸2.2の位置のＡ点で示す0.4ｍである。これ
に対して、外周ノズル７からの吹込みトータルガ
ス量が50Nm³／時×３＝150Nm³／時に加えて中
心ノズル６から50Nm³／時のガス吹込み（全ての
ノズルから50Nm³／時給気し合計200Nm³／時と
した場合）を行なうと、実線ロにより波立ち高さ
HrはＢ点で示す0.22ｍとなる。

また、ガスの吹込みによつて浴の全体を均一に
撹拌するに必要な時間すなわち均一混合時間τを
縦軸にとると、中心ノズル６がない場合では点線
ハ上の点Ｃとなり、中心ノズル６によるガス吹込
みを行う場合は実線ニ上の点Ｄとなる。この線図
から、上記条件の流量のガス吹込みを行つた場
合、３本の外周ノズル７のみを使用すると均一撹
拌の為にＣ点の値48分が必要である。これに対し
て、中心ノズル６からのガス吹込みによる効果に
よつて、Ｄ点の値25分で均一撹拌が可能であり、
均一撹拌に要する時間が大幅に短縮された。

なお、第８図で示したように、中心ノズル６か
らのガス吹込みにより揺動直径D_pも小さくなり、
電極４との距離ｌもｌ＝1/2｛（0.4〜0.6）×Ｈ｝
の範囲以上遠ざけることにより、前述したアーク
の不安定を回避した操業を実現できたのである。

ところで、第９図ａに示された線図における流
量条件としては、中心ノズルのガス量Q₁と外周
ノズルのガス量Q₂の比はQ₁／Q₂50／150＝１／３
である。これに対して、この比の変化によつて、
浴の挙動がどのように変化するかを、第９図ｂに
よつて説明する。この第９図ｂに示す線図は、横
にQ₁／Q₂の値をとると共に縦に炉壁部波打ち高
さHr及び均一混合時間τをとつたもので、Q₁／
Q₂＝0.1を基準として実線が波打ち高さHr及び破
線が均一混合時間τを表す。

この線図から、中心ノズル６からのガス量を減
少していくとQ₁／Q₂が約0.2程度の付近で中心ノ
ズル６の存在の効果が薄れ、３本の外周ノズル７
だけと同様の現象となつてくる。つまり、波打ち
高さHr及び均一撹拌時間τともに上昇し、浴の
挙動が好ましくない状況となる。

また、反応に、Q₁／Q₂を上げていくと、中心
ノズル６からのガス吹込み量が過大となつて浴の
盛り上りが大きくなる。そして、あたかも第５図
ｂ及びｃで示した盛上り部Ｂの旋回運動の１本と
同様な動きを呈するようになり、浴の揺動は再び
大きくなつてしまう現象を生じる。

このようなことから、Q₁／Q₂には最適範囲が
存在することが認められる。そこで、本発明者等
は、この範囲を実験結果からQ₁／Q₂の値が0.2〜
５のときに良好な結果が得られることを見出し、
これに基づいて本発明を完成したものである。ま
た、このような値の範囲で、第９図ｂからは特に
0.25〜3.0が最適であることも判る。

なお、Q₁／Q₂の値を0.2〜５にとるときに得ら
れる以上の効果は、外周ノズル７の本数が１本〜
10数本の場合においても、共通することである。
また、中心ノズル６を炉体１の中心付近に１〜５
本位に分割した場合においても、同様な効果が発
揮される。

更に、外周ノズル７の位置は、その炉体中心か
らの半径ｒによつてその最適配置範囲が存在する
ことを第９図ｃによつて説明する。この第９図ｃ
に示す線図は、横軸に外周ノズル７の炉体中心か
らの距離ｒと炉体の鉄皮１ａ内半径Ｒとの比、す
なわちｒ／Ｒをとり、縦軸に炉壁部耐火物の溶損
速度（図の実線）及び外周部の浴の流速（図の破
線）をとつたものである。

この線図から明らかなように、炉体中心からの
半径ｒを0.8R以上に設定して外周ノズル７を配
置すると、炉壁との距離が大幅に小さくなる。こ
のため、外周ノズル７からのガス吹込みによつて
浴撹拌の流動が壁近傍で激しくなる結果点線で示
すように浴の流速も増大し、実線で示すように炉
壁耐火物の溶損が極端に大きくなる。また、通常
の場合では、電弧炉の浴形状は外周部では中央側
よりも浅いので、吹抜け現象が起きやすく、撹拌
効果も充分でない結果となつてしまう。

一方、外周ノズル７を中心側に近づけて、
0.2R以下の領域内に配置した場合は、外周部の
溶け残りスクラツプの存在する部分の浴の流速
が、点線に示すように緩慢となつてサチユレート
する傾向がある。このことは、外周部では浴の撹
拌が十分に行われ得ない結果となり、スクラツプ
の溶解速度を増加する効果が減退してしまう。

以上のことから、外周ノズル７の炉芯からの最
適配置半径ｒは、鉄皮１ａ内半径Ｒに対して0.2
〜0.8Rの範囲が好ましいことが判る。また、第
９図ｃの線図によつて特に0.2〜0.7Rの値の範囲
が最も効果的である。

更に、第１０図、第１１図は第３の実施例を示
すものである。

本例においては、外周ノズル7₁〜7₄を４本と
し、出鋼口及び作業口よりノズルを遠ざけた配置
となつている。この配置は出鋼口、作業口からの
溶鋼及びスラグの洩出を極力押さえたい時に採用
する実用的実施例である。この例においても、外
周ノズル７の配置位置及び中心ノズル６との流量
比の設定も前期条件を採用することは無論であ
る。

第１２図は、外周ノズル又は中心ノズルの詳細
構造を示すものである。

同図ａに示すものは、耐火ノズル３０の中に多
数の小径パイプ３１を配管して耐火ノズル３０の
下部に風箱部３２を設け、更にこれを介して吹込
み配管３３に接続した構造である。これは、「小
径多孔ノズル」として知られているもので、吹込
みガスとして、CO₂、CO、N₂、Ar、O₂これらの
混合ガス又は粉体とその搬送用ガスが用いられ
る。

この小径多孔ノズルとした構造では、小径パイ
プ３１は直径が６mm以下で作られるので、溶鋼の
逆流の発生を抑えることが可能である。このた
め、ガス流量を大幅に絞つた領域から大流量まで
流量を変えることができる。したがつて、本発明
においては、特にガス量の可変幅を大きく取り扱
つて波立ちの制御を幅広く行う場合に適切であ
る。また、絞つたときの詰まり防止のための最小
流量が少ないことと、吹込み配管３３が１つのノ
ズル当たり１本でよいので、設備も簡略化でき
る。

第１２図ｂは、二重管ノズル構造のもので、内
管３５の内部流路３４からは主としてO₂（又は粉
体とその搬送用O₂）が供給され、O₂による酸化
燃焼防止のため、外管３６と内管３５との環状流
路３７から炭化水素ガス、オイル等の冷却剤が吹
き込まれる。そして、この冷却剤によつて、ノズ
ル先端部が保護されるようになつている。また、
冷却剤は炭化水素系のガス又は液体が通常使用さ
れるため、このノズルはあたかも、燃焼バーナと
しての機能も果たせる構造となつている。

この二重管構造としたものでは、内部流路３４
の直径は通常６〜30mmと大径に作られるため、最
大吹込みガス量を多くしたい場合に適しており、
また、内部流路３４からは主としてO₂を供給し、
環状流路３７からは炭化水素を吹き込むため、溶
鋼に浸漬していない場合は前記のようにバーナと
して機能してスクラツプの予熱が可能となる。ま
た、O₂により、鋼中の炭素を燃焼させて溶鋼を
加熱できるので、本発明の目的である溶解速度の
向上より一層向上させることも期待できる。

更に、第１２図ｃは、ノズルをポーラスプラグ
３８とした場合を示すものである。この構造で
は、吹込みガスの流量を小さくして簡略に操作す
る場合に適切である。

〔発明の効果〕

以上に説明したように、本発明においては、電
弧炉の炉底のほぼ中央に位置する中心ノズルから
撹拌用ガスを吹き込むと同時に、鉄皮内半径Ｒに
対して炉体中心から0.2〜0.8×Ｒの領域に位置す
る外周ノズルからもガスを吹き込み、これらの中
心ノズル及び外周ノズルからそれぞれ吹き込むガ
ス流量の比を0.2〜５の関係になるようにしてい
る。このような、ガスの吹込み形態及び炉の中心
及び外周側からの吹込み流量の設定によつて、炉
内に生じる溶湯の波立ちや旋回揺動運動を効果的
に抑制し、溶融金属が炉外に洩れでることなく安
全に操業可能となる。また、溶融金属浴に大きな
撹拌能力を与えるので、固体装入物の溶解促進や
精錬反応、溶融金属浴の温度及び成分を均一化す
ることもできる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明の第１実施例を示す
縦断面図と平面図、第３図及び第４図は第２実施
例を示す縦断面図と平面図、第５図はノズルから
のガス吹き込みによる溶融金属浴の挙動を示すた
めの説明図、第６図は溶融金属浴の撹拌によつて
生じる炉内からの漏れ出しを示す図、第７図はガ
ス吹込みによつて溶融金属浴に生じる盛り上がり
を示す説明図、第８図は浴の深さと盛り上がり直
径の大きさの関係を示す線図、第９図ａはガス吹
込み流量に対する均一混合時間及び波立ち高さの
関係、第９図ｂは内周ノズル及び外周ノズルから
の吹込み流量の比と均一混合時間及び波打ち高さ
の関係、及び第９図ｃは外周ノズルの配置と炉壁
耐火物の溶損速度及び浴の外周部の流速の関係を
それぞれ示す線図、第１０図及び第１１図は第３
実施例の縦断面図と平面図、第１２図はノズル構
造の例を示すものである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 炉体の鉄皮内半径をＲとするとき0.2〜0.8×
   Ｒの半径範囲にある炉床部に設けられた少なくと
   も１つの外周部ノズルから電弧炉の炉内に吹き込
   まれる撹拌用又は粉体搬送兼撹拌用ガスの総流量
   Q₂と、炉体の中心付近に設けられた少なくとも
   １つの中心ノズルから吹き込まれる撹拌用又は粉
   体搬送用兼撹拌用ガスの総流量Q₁との比Q₁／Q₂
   を0.2〜５の範囲で調整することを特徴とする電
   弧炉における溶融金属浴の撹拌方法。 ２ 電弧炉の炉体の鉄皮内半径をＲとするとき
   0.2〜0.8×Ｒの範囲にある炉床部に少なくとも１
   つのガス吹込み用外周部ノズルを設け、且つ炉体
   の中心付近に少なくとも１つのガス吹込み用中心
   ノズルを設けたことを特徴とする電弧炉における
   溶融金属浴撹拌装置。