JPS5952202B2 - 溶融銑鉄脱炭のためのノズル - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明の主題である新規なノズルは最も広い範囲におい
て、溶融銑鉄のレベル上方に配置され、ノズルを経て溶
融銑鉄の表面に向けて酸素のジエ）ットを放出す乞ラン
ス（ｉａｎｃｅ）を介しての溶融銑鉄の脱炭に関するも
のである。

より具体的には本発明は、本新規ノズルを設けた噴射ラ
ンスから流出する酸素のジェットの特性並びに前記酸素
ジェット及び液状銑鉄間の相互作用に関する状態時１性
の影響に関するものである。

本ノズルは限定する意味ではないが特にクローム含有銑
鉄の脱炭に用いられる。

銑鉄の脱炭に用いられる酸素噴射ランスの端部に装着さ
れるノズルが満足すべき特性については；幾つかの研究
が行なわれている。

かくて、ｒＢＯＦ製鋼」と題する、基本転炉を用いた鋼
冶金学に関する研究（米国鉄鋼学会において１９７６年
に出版）において、酸素ランス上に装着されるノズルの
特性に関する正確な情報が３巻の第８章１５０１頁〜１
５３頁に記載されている。

特に１５０頁の２８行から３５行において、絞りに引続
く単純な円錐によってほぼ一様な超音速流れを得ること
が出来るということが記載されている。

１５１頁の第８−５図はそのような酸素ランスノズルを
再現している。

最ノ後に、１５３頁の７行から１７行は円錐台状発散部
分の頂点において採用すべき半角に関する正確な情報を
記述している。

大きすぎる角度は衝撃波を促進し、ジェットの急激すぎ
る分散を引き起すので避けなければならない。

噴射ノズルの頂点におけデる半角は２．５°から１０°
の間にあるよう選択すべきで、５°の半角が実用上の妥
協値であることが提案されている。

経験によれば、そのように構成されたノズルは通常の銑
鉄の脱炭の場合には比較的満足すべき結果を与えること
が判明している。

しかしながら、クロームを含有する銑鉄を処理する時に
は、特に１９８０年１月２４日ウジンつシア（ＵＧＩＮ
ＥＡＣＩＥＲ３）によって出願された仏国特許出願第８
００１８０９号の主題である脱炭プロセスを実施する時
には困難が経験されている。

前記出願は１．５〜８重量％のＣと、１０〜３０重量％
のＣｒと、３０重量％迄のＮｉを含むクローム乃至ニッ
ケルークローム銑鉄の脱炭プロセスについて記述してお
り、当該プロセスは少なくとも脱炭工程の最終相におい
て、ガス／溶融銑鉄エマルジョンの形成を含んでおり、
このエマルジョン内において炭素を酸素によって直接酸
化することを含んで゛いる。

前述のエマルジョンを得るために必要とされる条件は臨
界的である。

実際には、溶融銑鉄と、スラグと、ガス相の間における
エマルジョンの如くエマルジョンを生成することは比較
的単純な事柄である。

これはＬＤプロセスによる溶融銑鉄の脱炭について当て
はまる。

Ａ、チャタジー（Ａ、ＣＨＡＴＴＥＲＪＥＥ ）、Ｎ、
Ｏ，リントフォア（Ｎ、０．ＬＩＮＤＦＯＲ）及びＪ、
Ａ、ウェスタ（Ｊ、 Ａ、 ＷＥＳＴＥＲ）によるｒＬ
Ｄ製鋼のプロセス冶金学Ｊ （Ｐｒｏｃｅｓｓ ｍｅ
ｔａｌｌｕｒｇｙ ｏｆ ＬＤＳｔｅｅｌｍａｋｉｎｇ
） （Ｉｒｏｎ ｍａｋｉｎｇ ａｎｄ
ｓｔｅｅ１ｍａｋｉｎｇ誌１９７６年Ｎｏ１号）に示さ
れているように、最も重要な役割を果すのはスラグの粘
度特性である。

これと比較して、実際にスラグが全く欠除している場合
においても、ガス状部と溶融銑鉄の間のエマルジョンを
安定した態様で形成、維持し、炭素含有量を最終的に０
．２％近くの最終レベルに迄減少させるためには、溶融
銑鉄の温度、炭素含有量、ランスと浴の距離、及び酸素
流量並びに圧力に関してはっきり決められた条件が達成
されることを必要とする。

仏国特許出願８００１８０９号に記載されているように
、好ましい条件が組み合わされ、ガス状部と溶融銑鉄の
間のエマルジョンが形成され満足に維持される時には、
脱炭が迅速かつ大規模に発生すると同時に特に高クロー
ム濃度の金属が得られる。

前述の特許出願において示された例は約６０ｋｇの一定
量のクローム含有銑鉄について行なわれたテスト結果を
示している。

用いたノズルは２ｍｍのネック直径を有し、酸素の流量
は１６８Ｎ １ ／分であった。

このクローム含有銑鉄脱炭プロセスを発展させるために
行なわれた研究及び多くのテスト結果によると、安定し
たエマルジョンを再現性に富んだ態様で達成するために
は提示されていた作動パラメータを適当に調節するだけ
では不十分なることが判明した。

多くの場合、エマルジョン形成の遅れ及びエマルジョン
のある程度の不安定性が認められた。

そのような遅延及び／又は不安定性はクローム及び鉄の
産出量の低下となって表われた。

場合によってはエマルジョンが全く形成されなかった。

ガス／溶融銑鉄エマルジョンの形成開始に関する再現性
を改善するとともに、いったん形成されたエマルジョン
の安定性を増大させる方策が従って追求された。

本発明の主題を形成する装置は超音波酸素ジェット噴射
ジェットのための新規なノズルであり、当該ノズルによ
ってガス／溶融銑鉄エマルジョンの形成をより高い効率
で誘起せしめることが可能となる。

本発明に係るノズルはその発散部分に特徴があり、当該
部分はネック乃至絞りを超えて、１つの円錐台状部分を
有しており、円錐台の頂角は６０゜から７０°の間、好
ましくは６２°から６６°の間にある。

なお６５°の角度がテストの条件下においては最適値に
近い。

前記円錐台状部分は同一軸線のまわりの回転表面によっ
て延長可能であり、前記回転表面の母線はジェットの分
散の程度を減少するために内向きの凹曲率を備えている
。

本発明に係る新規なノズルによれば、仏国特許出願第８
００１８０９号の主題である、超音速酸素ジェットによ
るクローム含有銑鉄の脱炭プロセスを特に有効的な態様
で実施せしめることが可能となる。

本発明に係るノズルは又より広に態様において、特定の
効率を以って全てのタイプの銑鉄の脱□炭に適用され、
ガス相を介して液相のエマルジョンあるいは又溶融スラ
グを備えたエマルジョンの形成を誘起せしめることが出
来る。

以下付図を参照して本発明のより具体的な説明を行なう
。

仏画特許第８００１８０９号に記載のプロセスを用いた
最初のクローム含有銑鉄脱炭テストにおいては、ノズル
の絞り乃至首部が直径約２ｍｍ、長さ約２０ｍｍの円筒
管領域から構成されているノズルを有する酸素ランス（
ｌａｎｃｅ）が用いられた。

前記管状領域の出口端に位置する端部は発散部分によっ
て延ばされておらず、従って酸素のジェットの膨張は絞
りからの出口のみに限定されるものではなかった。

経験上から、これらの条件下においては、ノズルが酸化
クロームベースの耐火性酸化物の層で覆われることがわ
かっていた。

この層は主として形成の期間中に堆積され、次にガス／
溶融銑鉄エマルジョンを維持した。

そのような層の分析は例えば次の成分を示した。

Ｃｒ２Ｏ３：５０％（重量） ＦｅＯ：２０％（重量） ＳｉＯ２：１０％ Ａ Ｉ ２０３ ： ７％ ＭｇＯ：６％ ＣａＯ：６％ この例より、前述の層は基本的にはクローム含有銑鉄の
成分が酸化したことにより形成されていることがわかろ
う。

なお数％の石灰の介在が認め。られるが、これは最初導
入されたスラグからきており、アルミナ及びマグネシア
はライニングからきたものである。

この層はノズルのオリフィスを囲み、当該ノズルオリフ
ィスのまわりの多かれ少なかれ明白なじょうろ状輪郭を
形成することが判明した。

本発明の考え方はジェットの効率を改善するとともに、
溶融銑鉄からの突起によって堆積した耐火性酸化物の堆
積物によって当該ジェットが乱される危険性を妨止する
ために、発散部分を備えたノズルを提供することにある
。

かくて第１図に示す全体形状を有するノズルが作られた
。

これらのノズルは酸素吸入ダクトに接続された取入口と
、直径が約２ｍｍ、長さが２０ｍｍの円筒状ネック２と
、円錐台状発散部分３とを有しており、前記部分３の頂
角ａ１は前述のｒＢＯＦ製鋼」の教示するところによれ
ば約１０°である。

そのようなノズルを使用したテスト結果はかんばしくな
かった。

実際何らの酸化物層も発散部分内には堆積しなかったけ
れど、ガス／溶融銑鉄エマルジョンを再現性に富み安定
した態様で形成することが出来なかった。

次に特に円錐台状発散部分の頂角が一定流量にあるジェ
ットのスラスト力に及ぼす影響を調べるためのテストが
行なわれた。

第２図は発散部分の角度が異なる以外第１図のノズルと
同一の特性を備えた一連の８個のノズルを使用した場合
のそのようなテストの結果を示している。

ノズルＮｏｌは発散部分を備えておらず、一方ノズル２
，３゜４、 ５． ６． ７及び８は高さが４ｍｍの円
錐台状発散部分を備えており、頂角はそれぞれ４１°、
５３°、６１°、６５°、６９°、７７°及び１００°
であった。

異なる３つの酸素流量レベル、１７２．１８１及び１９
３Ｎ ｌ ７分を用いて３つのシリーズのテストが行な
われた。

各テストについて、ジェットによりオリフィスより約３
ｃｍの間融離して置いたバランスパンに加えられるスラ
スト力（Ｎｅｏ、１ｋｇ ｆ ）が測定された。

それぞれ１９３．１８１及び１７２Ｎ １７分の流量に
対して描かれた３つのカーブは６５°の発散部分を用い
た時間−の特異点が存在することを示している。

この特異点は最小のスラスト力レベルに対応しているが
、本発明によれば超音速酸素ジェットを用いて銑鉄の脱
炭を行なうためのノズルは頂角が６０°〜７０°、好ま
しくは６２°〜６６°の範囲にある円錐台状発散部分を
有しており、測定誤差の範囲内ではこれらのテスト条件
下においては６５°の角度が最小のスラスト力を与える
ものであった。

第３図は本発明に係るノズルを示す。

このノズルは取入口４及びネック５を有しており、これ
らの特性は第１図の取入口１及びネック２の特性と類似
している。

一方円錐台形状発散部分６は６５゜の頂角ａ２を備えて
いる。

そのようなノズルを用いた時には、前述の仏画特許出願
に記載のプロセスに従って、超音速の酸素ジェットを介
して完全に再現性に富む態様でクローム含有銑鉄のエマ
ルジョンを作ることが可能である。

加えるに、いったんこのエマルジョンが形成されると、
当該エマルジョンは高度の安定性を備えており、銑鉄の
最終脱炭が行なわれる迄、即ち炭素含有量が０．２％近
くになる迄この安定性は維持される。

確証は無いけれど、６０°〜７０°の角度好ましくは６
２°〜６６゜の角度を備えた発散部分を用いることによ
り特に効率が良くなる原因は、この発散輪郭の形状によ
り酸素流内にかなりの量の渦が発生するためであるとい
う可能性がある。

次に脱炭工程において、発散部分の頂角がＣｒ及びＦｅ
の平均産出量に及ぼす影響が調べられた。

テスト結果によれば、一般的に言って、ガス／溶融銑鉄
エマルジョンの形成及び維持に関して高度の安定性が得
られるということはＦｅ及びＣｒに関して極めて高い産
出量を生み出すということが判明した。

これらの産出量は銑鉄内に最初含まれていたＦｅ及びＣ
ｒの量に対する、脱炭後における鋼中に含まれるＦｅ及
びＣｒの量を重量％で表わしてプロットされている。

以下に述べる例は変動パラメータをノズルの発散角度に
限定し、その他は等しい態様で行なわれた一連の銑鉄脱
炭テストの結果を与えている。

一連の６個のノズルが用意されたが、これらのノズルは
第３図に示したのと同一のタイプで゛あるも、各々は円
錐台状発散部分において異なる頂角を備えている。

かくて得られた６個の頂角は４１°、５３°、６１°、
６５°、６９°及び７７°であった。

各々のノズルは直径が２ｍｍ、長さが２０ｍｍの円筒状
ネックを有しており、全ての場合において発散部分の円
錐台の高さは４ｍｍであった。

これらのノズルの各々について、仏画特許出願第８００
１８０９号の６頁〜７頁に記載のシングルモード工程に
類似の工程を用いて、３〜９のクローム含有の銑鉄脱炭
テストが行なわれた。

均質な銑鉄のバッチが用意され当該バッチの組成ハＣｒ
１７％、 Ｃ６％、 ＳｉＯ，３％、 ＭｎＱ、３％、
Ｓ〈０．０３％、 Ｐ＜０．０３％であった。

各テストにおいて、６０ｋｇの前述の銑鉄が誘導加熱炉
内において１３８０℃の温度に昇温され、溶融銑鉄の表
面は３４０グラムの石灰で覆われた。

次に酸素が垂直ランスを介して約１８ＯＮ ｌ ７分の
流量で噴射された。

上述の６個のノズルの内の１つが用いられ、当該ノズル
の端部と浴との垂直距離が２６ｍｍに選ばれた。

かくて噴射された酸素は浴と反応し、３つの順次発生相
が観察される。

第１の相において、酸素は主として溶融銑鉄の表面にお
いて反応し、好ましくはＣｒ、 Ｓｉ及びＦｅを酸化せ
しめる。

大部分がＣｒ２Ｏ３からなる酸化物が形成されるにつれ
て当該酸化物は浴の表面に堆積し、これらの酸化物の炭
素による還元という第２の反応が開始される。

還元反応の速度は温度が約１６５０℃迄約１０分間で昇
温するのにつれて漸増する。

形成されたのはこの期間中放出され、燃焼し炎を生ずる
。

１１分目から始まる第２の相においては、酸化物（主と
して酸化クローム）の炭素による還元はこれらの酸化物
が形成されるのよりも速い速度で行なわれる。

この活発な反応期間中においては温度は更に上昇するが
、上昇速度はゆるやかである。

１５分目あたりから、脱炭の速度は安定化し、その特約
４％である炭素含有量は約０．３％／分の速度で低下し
続けると同時に、相対応して酸化クロームの還元が進行
するのが認められる。

この機構は約２０分目迄続行する。

この除温の温度は約１７５０℃上昇し、一方Ｃ含有量は
約２．９％に迄低下している。

この第２の相の終末において最初形成された金属酸化物
はほぼ完全に還元されている。

； 約２０分目において、炭素含有量が約０．２％へと
減少されるのを許容する第３番目の相を開始せしめる組
み合わせ状態が存在する。

第３の相の開始時において、溶融銑鉄の温度は極めて高
い。

これらの状態下において、酸素流量と、ノズル端部及１
び溶融銑鉄間の距離とは変わらず維持されており、ガス
と溶融銑鉄の間にはエマルジョンが形成され、当該エマ
ルジョンま溶融銑鉄の表面を急速に覆い、初期の溶融銑
鉄の体積が倍増する程度に厚味が増大する。

このプロセスはあたかも銑鉄内）体が、酸素のジェット
及び形成されたＣＯの作用のもとて酸素が銑鉄内に含ま
れる炭素と直接反応することにより、物理化学的状態の
故に全体的に沸騰状態となるようなものである。

かくて形成されたエマルジョン内においては反応速度は
高く、１このことは脱炭が急速に進行し、最終炭素含有
量が２９分目において約０．２％へと低下することを可
能ならしめている。

かくて温度は約１８２０℃であり、酸素の吹付けは停止
される。

凝固後における生産された鋼の重さを計測し、２その鉄
及びクロームの含有量を分析することにより、対応する
Ｆｅ及びＣｒの産出量を決定することが可能である。

第４図及び第５図はノズルの円錐台状発散部分の角度と
Ｆｅ及びＣｒの産出量の関係を示している。

この産出量のグラフは６５°の角度を備えたノズルの場
合に最大産出値を示していることが極めて明白である。

幾つかの因子が本発明に係る円錐台状発散部分の最適角
度をわずかに修整するかもしれないが、当該最適角度は
行なったテストより見る限り、使用可能な操業範囲にお
いては６２°から６６°の間に存在する。

６５°の頂角を備えたノズルにおいては、溶融金属から
耐火性酸化物がはね上げられることによる、ノズルの内
側壁表面上への堆積物は少ない。

補足テストによれば、そのような堆積物を更に減少する
とともに、ジェットの分散の程度を減少することも、前
記発散部分の円錐台状部分を同一軸線のまわりの回転表
面へと延長し、当該回転表面の母線が内向き凹曲率を備
えるようにすることで可能なることが判明した。

ノズルの回転表面部分の創生カーブへの接線がその始点
において円錐の母線と一致するようにするのが好ましい
。

創生カーブの端末において前記接線は軸線に平行に延ば
すか又はほぼ平行状態に近く延ばすことが出来る。

第６図は前述の態様に従って改善された、本発明に係る
ノズルを示している。

第６図は取入ロア、円筒状ネック８及び頂角ａ２を備え
た円錐台状発散部分９とを示しており、これらは第３図
に示した本発明に係るノズルの相対応する部分に類似し
ている。

円錐台状部分９から延びている部分１０は軸線に向かう
凹面を備えている。

円錐台と部分１０の接続点１１において、部分１０の母
線に対する接線は円錐台の母線と一致している。

ノズルの端末に位置する地点１２において、凹面部分の
母線の接線はノズルの軸線とほぼ平行をなしている。

本発明に係る、この種の改良されたノズルは、その取出
口端部の形状の故に、突出する酸化物更には溶融金属浴
からの金属が食通するという危険性を避は得るというか
なりの利点を備えている。

前述したように、角度ａ２は６０° 〜７０°であり、
好ましくは６２° 〜６６°であり、最適角度はテスト
の状態下では６５°近くにある。

本発明に係るノズルは種々の材質から作ることが出来る
。

銅を用いると好ましい場合が多い。内側表面を適当に機
械加工し、当該表面に酸化物又は金属の飛散粒子が固着
するのを防止することが重要である。

一般的には、前記ノズルは適当な流体によって冷却され
た金属ランスに接続されている。

前述の例は少ない量のテストに関するものであるが、得
られた結果は産業規模へと拡張出来るものであることが
検証されている。

かくて、本発明に係る円錐台状発散部分の頂角は又銑鉄
を産業規模で処理するのに用いる大断面ノズルの場合に
おいても最適の結果を与える。

加えるに、本発明の主題である前記ノズルは主としてク
ローム含有銑鉄の脱炭に関してテストされたが、テスト
によれば当該ノズルは又全てのタイプの銑鉄に対しても
好適に用い得ることが判明している。

かくて、広い観点から見ると、酸素ランスに本発明のノ
ズルを設けて、ＬＤプロセス又は類似のプロセスを用い
る基本転炉において銑鉄の脱炭を行なうことが可能であ
る。

これらの種々の状況下において、本発明に係るノズルを
用いることにより、脱炭の勃率及び速度を高めるととも
に、鋼の産出量を増大させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は超音速酸素ジェットのための周知のタ；イブの
ノズルを示す図、第２図は円錐台状ノズルの発散部分の
頂点における角度とジェットのスラスト力の関係を示す
図、第３図は本発明に係る超音速酸素のためのノズルを
示す図、第４図はノズルの円錐台状発散部分の頂角とク
ローム産出量の１関係を示す図、第５図は前述の頂角と
鋼量出量との関係を示す図、第６図は改善された輪郭を
有する本発明に係るノズルを示す図である。 ４・・・取入口、５・・・ネック、６・・・発散部分。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 超音速酸素ジェットによる溶融銑鉄脱炭のためのノ
   ズルにおいて、当該ノズルは６０°から７０゜の間の頂
   角を備えた円錐台状発散部分を有してい。 ることを特徴とするノズル。 ２、特許請求の範囲第１項に記載のノズルにおいて、前
   記円錐台状発散部分は６２°から６６°の間、好ましく
   は６５° に近い頂角を備えていることを特徴とするノ
   ズル。 ３ 特許請求の範囲第１項又は２項に記載のノズルにお
   いて、前記ノズルの発散部分は円錐台状部分を超えて、
   同一軸線のまわりの回転表面を備えており、当該回転表
   面の母線カーブは内向きの凹曲率を備えていることを特
   徴とするノズル。 ４ クローム含有銑鉄の脱炭に用いられる、特許請求の
   範囲第１項から第３項のいづれか１つの項に記載のノズ
   ル。 ５ 安定したガス／溶融銑鉄又はガス／スラグ／溶融銑
   鉄エマルジョンを形成するのに用いられる、特許請求の
   範囲第１項から第３項のいづれか１つの項に記載のノズ
   ル。