JPS62207815A - 酸素吹錬用ランス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は上方から酸素を吹込んで金属または鉄合金の精
錬を行うための酸素吹錬用ランスに関するものである。

精錬用の鉛直酸素ジェットを供給するいわゆるランスで
あれ、それに加えてさらに一酸化炭素を再燃焼させるた
めの斜方流を供給する側方導管等を備えるランスであれ
、吹錬用ランスを使用するにあたっては以下の２つの物
理量の計算値がわかっている必要がある。その物理量と
はマツハ数と最適ガス流量である。

マツハ数はガスジェットの衝撃や流速、すなわちガスジ
ェットの固さの程度を表わす数値である。

ランスのノズルは、普通、収束部分とこの収束部分の下
流側の発散部分とを備える。ところでマツハ数は、出口
となる発散部分の直径と収束部分のスロートでの直径の
比の関数である。また、最適ガス流量は、ノズルの人口
の圧力と収束部分のスロートでの直径の関数である。

上記の２つの物理量はノズルの形状により変化し、しか
も互いに独立に変化させることはできない。つまり、最
適ガス流量が大きなランスを用いて少ない流量で強いガ
スジェットを発生させることや、流量が大きなランスを
用いて少ない流量で弱いガスジェットを発生させること
を、ノズルの形状に関係するこの２つの物理量の最適値
からある程度離れることなく実現するのは不可能である
。

ガス流量と吹出口でのそのガスの流速が所定の値を越え
ると、転炉内部とランスの吹出口近傍に衝撃波が発生す
る。するとガスジェットの特性が低下するため、ランス
の損耗が早まる。

精錬中に、大流量の酸素で発生させた弱い鉛直酸素ジェ
ットをメタル浴表面に衝突させたいことがある。特に、
精錬中によく酸化されたスラグを形成する場合にこのよ
うな酸素ジェットを利用できることが望ましい。さらに
、小流量の酸素で弱い酸素ジットを発生させたいことも
ある。これは、転炉に供給される全酸素量を減らしてス
ラグが酸化するのを防止するとともにメタルを完全に脱
炭しておくためである。

本発明の目的は、最小限の可動部材を用いて、マツハ数
と最適ガス流量を互いに独立に変化させることのできる
酸素吹錬用ランスを提供することである。

重要なのは、使用する機械的手段を最小限にすること、
すなわちノズルの出口の形状を変化させることのできる
手段を使用せずに目的を達成する必要があることである
。実際、ノズルの発散部分の直径を変化させることので
きる機械的手段があったところで手頃な価格で作製する
ことはできないであろう。

上記の目的を達成するため、本発明に従うと、ヘッドが
少なくとも酸素を成分として含む複合ガスのジェットを
導く少なくとも１本のノズルを備える、酸素を上吹して
金属または鉄合金の精錬を行うための酸素吹錬用ランス
であって、上記ノズルは、下部が収束部分とスロートと
発散部分とを備えるラバール管をなし、該発散部分の下
端部が吹出口となっている内管と、該内管と同軸であり
、横断面の断面積が該内管の横断面の断面積よりも広く
、下端が上記ノズルの吹出口となっている外管とで構成
されており、上記ランスは上記内管のスロートの断面積
を変化させる手段を備え、上記内管の吹出口は上記ノズ
ルの吹出口よりも引込んだ位置に設定され、上記内管は
ガス流量調節用バルブを備え、上記外管はガスの流速を
亜音速に調整する手段を備えることを特徴とするランス
が提供される。

本発明の一態様によれば、上記内管のスロートの断面積
を変化させる手段は該内管の軸線に沿って移動可能なほ
ぼ針状の部材からなり、咳針状部材の尖かった部分は該
内管内でさまざまな位置をとることができる。

本発明の別の実施態様では、上記内管のスロートの断面
積を変化させる手段は該内管の収束部分内にあり、圧力
可変のガス源に接続された環状開口部からなることが可
能である。この場合、上記環状開口部は、上記収束部分
の壁面により分割された複数の部分からなることが好ま
しい。

さらに本発明の一実施態様に従うと、上記内管の発数部
分内に、該内管と上記外管を連通ずる超音速フィルタを
設ける。この場合、上記超音速フィルタは、上記内管の
発散部分の壁面に設けた孔により構成されることが好ま
しい。

さらに本発明の別の実施態様によれば、上記外管内のガ
スの流速を亜音速に制限する手段は、開口度可変のバル
ブで構成されることが好ましい。

また、上記外管内のガスの流速を亜音速に制限する手段
は、環状ラバール管と該環状ラバール管に後続するキャ
ビティとで構成することも可能である。

本発明の好ましい態様によれば、上記内管の吹出口は上
記ノズルの吹出口から数ＩＱｃｍまたは十数ｃｍ引込ん
でいる。

さらに本発明の別の実施態様によれば、上記内管の横断
面の断面積は上記外管の横断面の断面積の５０〜９０％
であることが好ましい。

本発明の主要な利点は、精錬中の異なる段階で、必要と
される最適ガス流速を常に維持したまま、メタル浴中に
導入する酸素の量を容易に変化させることができること
である。

以下に本発明を図面を参照して説明する。

第１図は水冷手段２を備えるランスのヘッドの部分図で
ある。精錬用の酸素を供給するのに用いるノズル１は、
収束部分２１を有する内管２０と、この内管と同軸でや
はりほぼ円筒状の外管３とから主として構成される。内
管２０の吹出口２５はノズル１の吹出口５から数ｌＱｃ
ｍまたは十数ｃｍ引込んだ位置に配置しである。内管と
外管にはそれぞれ互いに独立なバルブ２２と４が設置さ
れていて、各バルブを用いて内部を通過するガスの量と
圧力を調節する。実際には、これらバルブは、吹出口の
はるか上流、例えばランスを固定している支持体の高さ
の位置に設置する。内管２０内には針状部材２３が配置
されている。この針状部材は内管と外管の両方に共通す
る軸線上を両矢印２４の方向に移動できる。針状部材の
駆動にはモータ、例えばステップ型リニヤモータを用い
る（不図示）。第１図にはさらに領域７が描いである。

この領域では、内管２０からの発散超音速中央酸素ジェ
ット２６と、この中央酸素ジェットを取り囲む亜音速環
状酸素ジェット６とが相互作用する。その結果、外管３
の吹出口の断面積が実質的に狭くなる。

このようにするために、内管２０の出口には収束部分２
１が形成されている。この収束部分の実効断面積は、針
状部材２３の位置を変えることにより変化させることか
できる。この内管内に、調節バルブ２２を用いて初期圧
力を調節した精錬用酸素ジェットを導入する。この酸素
ジェットは、針状部材２３の位置により実効面積が決ま
る内管吹出口２５を通って外管３内に達する。この超音
速中央酸素ジェット２６は外管内に噴出すると膨張する
。

外管３内は環状に酸素ジェット６が通過する。

酸素ジェットの代わりに空気ジェットにしてもよい。酸
素流量を調節バルブ４を用いて制御して超音速中央酸素
ジェット２６を環状酸素ジェット６で包み込む。本発明
は超音速ジェットと亜音速ジェットの間での膨張現象を
利用しているため、バルブ４が最大限間いたときに環状
酸素ジェット６が超音速となっていなくてはならない。

そうでない場合はノズルがもはや所期の機能を果たさな
いことがある。ところで、ノズル１から吹出す酸素ジェ
ットの静圧を、冶金反応容器の内圧とほぼ等しくするこ
とが望ましい。内部の圧力を大気圧よりも高い状態にし
た超音速酸素ジェットを横方向に「ガイド」するノズル
から超音速酸素ジェットが噴出するときには、超音速酸
素ジェットが横方向に激しく膨張するためこの超音速ジ
ェット内の圧力が大気圧よりも小さくなり、その結果と
して衝撃波が発生するということを思い起こされたい。

本発明のノズルでは、吹出口での超音速酸素ジェットの
圧力に対するこのような制約をわずかならがもゆるくし
、しかも超音速酸素ジェットの動きをあまり乱さないと
いうことが可能となる。実際、亜音速環状酸素ジェット
６は超音速中央酸素ジェット２６を取り囲んだままであ
るため、この環状酸素ジェットにより横方向の膨張が妨
げられる。

上記の現象をよりよく理解するために、バルブ４と２２
が所定の位置にあるときに針状部材２３を引込めて吹出
口２５の実効断面積を広くした場合を考える。このとき
超音速酸素ジェットの流量は増大する。簡単に考えると
、所期圧力が一定だとラバール管内のマツハ数は発散部
分の吹出口の直径／収束部分のスロートの直径の比の関
数であるから吹出口の酸素ジェットの流速は減少すると
結論しがちである。実際、最初の非常に短期間は吹出口
の酸素ジェットの流速は減少する。流速の減少に伴い超
音速ジェット内の圧力が上昇する。その結果、亜音速環
状ジェットがあるにもかかわらず超音速ジェットが膨張
するため、この超音速ジェットの流速は針状部材の位置
を変更する前の流速に再び近づく。

これに対してバルブ２２を開くと、酸素の流量が増えて
酸素ジェットの流速が大きくなる。初期流量に戻すには
針状部材を用いて吹出口２５の実効断面積を狭くする。

バルブ４の開き具合を勝手に調節することはできないこ
とに注意されたい。このバルブ４の重要な機能は、酸素
源の圧力を小さくして超音速環状酸素ジェットを生成さ
せないことである。亜音速酸素ジェットが外管内に噴出
するときには内圧は大気圧と等しいため、繰返して実験
を行うことにより所定の流量と流速の範囲の超音速酸素
ジェットに対して膨張状態や最適の収縮状態となるバル
ブの開き具合を自由に選ぶことができる。バルブの開き
具合を一旦決めると、その状態を比較器４０のゼロとす
る（第２図に関する以下の説明を参照のこと）。ランス
の動作状態がいろいろ変わってもバルブ４の開き具合は
ほとんど変化しない。

第２図は本発明の酸素吹錬用ランスの動作を制御する方
法を示す図である。駆動要素は、調節バルブ２２と４お
よび針状部材２３の運動制御装置である。これに対し測
定要素は、圧力検知器３０、針状部材の位置検知器３１
、収束部分２１の上流での精錬用酸素ジェットの温度検
知器３２、それに、ノズル１の吹出口５での酸素ジェッ
トの圧力検知器３３である。

ラバール管に関する理論によると、以下の関係式が成立
することが知られている。

ここに、 −Ｐｏはラバール管の入口の圧力（パスカル）、Ｔｏは
ラバール管の入口の温度（°Ｋ）、−ｐ、はラバール管
の出口の圧力（パスカル）（本実施例では転炉内の圧力
）、 −にはガスの定圧比熱と定積比熱の比、すなわちＣ，／
Ｃｖ。

−αはラバール管内での損失を表わす速度係数（理想状
態ではα＝１）、 −ρ２は標準状態、すなわち２０℃、１気圧でのガスの
密度（Ｋｇ／Ｎｍ’）、 −〇〇はガスの体積流量（Ｎｍ″／秒）、−Ｒは単位質
量当たりの気体定数（Ｒ＝ｃＰ／Ｃｖ　）（Ｊ／Ｋｇ・
’Ｋ）、 −Ａｔはラバール管のスロートの実効断面積（ｍ゛）、 Ｍ　ａｍは吹出口でのマツハ数、 である。

上記の２つの関係式（１）と（２）の値はそれぞれ関数
発生器４２と４３で計算される。関数発生器４２０入力
は、転炉内の圧力Ｐ６　とノズル１の吹出口５での酸素
ジェットの望ましい流速（実際はマツハ数Ｍ、、）とで
ある。（計算された）圧力値Ｐ。がラバール管の人口の
圧力となっていなくてはならない。そこで、この圧力値
Ｐａ　と圧力検知器３０で測定された実際の圧力値を比
較器４４で比較する。面圧力値の差はバルブ２２を制御
する制御装置４５に送られる。

関数発生器４３には、ラバール管の入口の望ましい圧力
Ｐ。、所望のガス流量Ｑｈｓそれに、ラバール管の人口
の温度Ｔ。が入力される。比較器４６で、計算されたス
ロートの断面積の値と位置検知器３１により測定された
スロートの実際の断面積値とが比較される。両断面積値
の差を表わす信号が針状部材２３の位置を制御する制御
装置４７に送られる。

比較器４０では吹出口での酸素ジェットの圧力と転炉内
の圧力Ｐ、とを比較する。この比較器４０の出力は制御
装置４１に人力される。その結果、バルブ４が調節され
てあらゆる圧力差が消える。各制御装置は、「最適カル
マン型」制御装置であることが望ましい。

第３図は、可動部分がまったくない断面積可変ノズルの
一実施例の略図である。冷却装置の図示は省略しである
。可動針状部材の代わりに該部材と共通の軸線のまわり
に亜音速ジェット３０１を注入する。この亜音速ジェッ
トの圧力は、超音速中央酸素ジェットの局所静圧よりも
わずかに大きくしておく。この「環状」亜音速ジェット
の源をたどるとラバール管３０６のスロートに設けた環
状開口部３１０にまず至る。この環状開口部は圧力バッ
ファの機能をもつ円環状空間３１１に連通している。

この円環状空間３１１には、パイプ３１２を介して圧力
が伝達される。圧力値を変えると環状亜音速ジェット３
０１の大きさが変化する。環状亜音速ジェットを形成す
るガスは、超音速中央酸素ジェット３０５と化学的に反
応しないガスであれば何でもよい。しかし、酸素または
空気を使用することが好ましい。環状亜音速ジェット３
０１は、スロートを通過した後、超音速フィルタとなる
孔を有する発散部分で消えてしまう（つまり、孔は、亜
音速ジェットに対しては「透明」であり、超音速ジェッ
トに対しては存在していないかのごとく振舞う。

これは、超音速ジェットが膨張収縮性をもつからである
）。このため、環状亜音速ジェット３０３に合流するガ
スの量は少ない。その結果、この環状亜音速ジェット３
０３はほとんど乱されない。

超音速中央酸素ジェット３０９は、大気圧と等しい圧力
値になるまで環状亜音速ジェット３０３内で膨張する。

この環状亜音速ジェッ）　３０３の流量は、アキュムレ
ータの機能をもつキャビティ３０８の上流にある環状ラ
バール管３０７により制御されている。環状ラバール管
３０７とキャビティ３０８で膨張制御装置の主要部分が
構成される。

環状亜音速ジェット３０３を形成するガスは、ラバール
管３０６の上流に位置する超音速中央酸素ジェット３０
５の取り込み口３０４からのものである。

取り込まれるガスの量は超音速中央酸素ジェット３０５
により運ばれるガスの量に比べると無視できるぐらいに
少ない。環状ラバール管３０７の入口の圧力は超音速中
央酸素ジェットの圧力変化をもろに受けるが、この圧力
変化は環状ラバール管３０７とアキュムレータの機能を
もつキャビティ３０８の相乗作用により大きく弱められ
る。環状ラバール管とキャビティの大きさは、先にバル
ブ４（第２図）に関連してＳｉ明したように、超音速ジ
ェットの機能する範囲の広さに応じて決める。特にキャ
ビティの下流部分での静圧が超音速中央酸素ジェットの
静圧より小さくなるようにする。

第４図は、本発明のランスにより実現可能な酸素ジェッ
トをガス流量とガスの流速の関数として表わした特性曲
線を示すグラフである。横軸はマツハ数Ｍで、縦軸には
ノズル１から噴出する酸素ジェットの流量ＱをＮ　ｍ’
　７分で表わしである。ノズル１の大きさくノズルの上
流に位置するパイプの断面積、収縮部分の輪郭線、スロ
ートの断面積の最大値と最小値、吹出口までの距離等）
に応じて、ランスの動作が最適になる領域５０が存在し
ている。もちろんこの領域外に出ることもできる。

例えば収縮部分の上流の圧力値を大きく増大させてマツ
ハ数をＭ２よりもはるかに大きくすることができる。し
かし、この場合にはエネルギの損失（特に衝撃波）も大
きくなる。領域５０内には酸素吹込み過程での軌跡５１
が描いである。この軌跡上の相異なる動作状態５２．５
３．５４．５５はそれぞれ所定の精錬工程に対応する。

領域５０に含まれるいかなる動作状態に対しても最適状
態でランスを動作させることのできる第２図に示したシ
ステムを使用する代わりに、精錬工程で通常必要とされ
るいくつかの動作状態（例えば５２．５３．５４．５５
）すべてを単に実験を行うだけで決定し、その動作状態
のみを利用することも可能であろう。

本発明は、はぼ円筒形の外管と内管とからなるノズルを
例にとって説明した。もちろん、内管はラバール管が満
たしているべき条件を満足していさえすればいかなる形
状でもよい（例えば楕円形）。

同様に、針状部材やガス「ベルト」の代わりに実効断面
積を変化させることのできる任意の手段を用いることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の酸素吹錬用ランスの一実施例を示す
図であり、 第２図は、マツハ数と最適ガス流量を独立に変化させる
ための、第１図に示した酸素吹錬用ランスの各要素の制
御装置の概略図であり、第３図は、本発明の酸素吹錬用
ランスの別の実施例を示す図であり、 第４図は、酸素ジェットの流速−流量特性曲線を表わす
グラフである。 （主な参照番号） １・・ノズル、　　　３・・外管、 ４．２２・・バルブ、　　５．２２・・吹出口、６・・
亜音速酸素ジェット、　　２０・・内管、２３・・針状
部材、　２６・・超音速酸素ジェット、３０、３３・・
圧力検知器、　３１・・位置検知器、３２・・温度検知
器、 ４１、４５．４７・・制御装置、 ４２、４３・・関数発生器、 ３０１、３０３・・環状亜音速ジェット、３０２　　・
・孔、 ３０５、３０９・・超音速中央酸素ジェット、３０７　
　・・環状ラバール管、 ３０８　　・・キャビティ 特許出願人　　アルベッド　ニス、アー。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. （１）ヘッドが少なくとも酸素を成分として含む複合ガ
   スのジェットを導く少なくとも１本のノズルを備える、
   酸素を上吹して金属または鉄合金の精錬を行うための酸
   素吹錬用ランスであって、上記ノズルは、下部が収束部
   分とスロートと発散部分とを備えるラバール管をなし、
   該発散部分の下端部が吹出口となっている内管と、該内
   管と同軸であり、横断面の断面積が該内管の横断面の断
   面積よりも広く、下端が上記ノズルの吹出口となってい
   る外管とで構成されており、上記ランスは上記内管のス
   ロートの断面積を変化させる手段を備え、上記内管の吹
   出口は上記ノズルの吹出口よりも引込んだ位置に設定さ
   れ、上記内管はガス流量調節用バルブを備え、上記外管
   はガスの流速を亜音速に調整する手段を備えることを特
   徴とするランス。
2. （２）上記内管のスロートの断面積を変化させる手段は
   該内管の軸線に沿って移動可能なほぼ針状の部材からな
   り、該針状部材の尖がった部分は該内管内でさまざまな
   位置をとることができることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項に記載のランス。
3. （３）上記内管のスロートの断面積を変化させる手段は
   該内管の収束部分内にあり、圧力可変のガス源に接続さ
   れた環状開口部からなることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項に記載のランス。
4. （４）上記環状開口部は、上記収束部分の壁面により分
   割された複数の部分からなることを特徴とする特許請求
   の範囲第３項に記載のランス。
5. （５）上記内管の発散部分内に、該内管と上記外管を連
   通する超音速フィルタを設けることを特徴とする特許請
   求の範囲第３項に記載のランス。
6. （６）上記超音速フィルタは、上記内管の発散部分の壁
   面に設けた孔により構成されることを特徴とする特許請
   求の範囲第５項に記載のランス。
7. （７）上記外管内のガスの流速を亜音速に制限する手段
   は、開口度可変のバルブで構成されることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項に記載のランス。
8. （８）上記外管内のガスの流速を亜音速に制限する手段
   は、環状ラバール管と、該環状ラバール管に続くキャビ
   ティとで構成されることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項に記載のランス。
9. （９）上記内管の吹出口は上記ノズルの吹出口から数１
   ０ｃｍまたは十数ｃｍ引込んでいることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項に記載のランス。
10. （１０）上記内管の横断面の断面積は上記外管の横断面
    の断面積の５０〜９０％であることを特徴とする特許請
    求の範囲第１項に記載のランス。