JPWO2018190283A1 - 水冷式ランス - Google Patents

Abstract

ランス本体部と、ランス本体部の先端に設けられたノズル部とからなる水冷式ランスであって、ランス本体部の最外部に設けられる外筒（１５１ｂ）は、地金の線膨張係数より大きい線膨張係数である材料から形成される。これにより、ランス本体部の外表面への地金の堆積を抑制する。【選択図】図３

Description

本発明は、転炉等の容器内部にガスを供給する水冷式ランスに関する。

転炉の役割の１つとして、溶銑中にある炭素を除去する脱炭がある。脱炭は、転炉の容器内部にランスを入れ、当該ランスから転炉の容器内部への酸素を供給することにより行われる。例えば上吹き転炉では、転炉の容器内に収容された予備処理された溶銑に対して、上吹きランスから高い供給速度で純酸素を吹き付ける。これにより、溶銑中の炭素と酸素とを直接反応させて一酸化炭素を生成させ、溶銑中にある炭素を除去する。このような転炉等の容器内部は高温であるため、ランスは、熱による損傷を防止するため冷却機構を備えている。例えば特許文献１には、耐熱性、耐衝撃性、耐摩耗性の向上のため、転炉の酸素吹込用ランス等の銅鋼装置に用いられる銅製ジャケットが開示されている。銅製ジャケットは、銅板の露出面上にニッケル又はニッケル合金被覆層を形成することにより構成されている。

特開昭５８−９９０６号公報

ここで、上吹きランスによる酸素の供給速度あるいは転炉等の容器内で溶銑を撹拌する攪拌速度が高まるにつれて、容器内で発生するスプラッシュが増大する。その結果、容器内壁に地金が付着する。また、容器内に挿入されている上吹きランスにも、ランス本体部であるランス軸に地金が付着する。ランス軸に地金が付着し堆積すると、吹錬後に上吹きランスを容器から取り出す際に、堆積した地金が容器上部の開口部に引っ掛かり、上吹きランスを容器から取り出せなくなる。ランス軸への地金の堆積を防止するためにはランスの手入れが必要であり、地金手入れの作業工数が増加する。

さらに、副孔ランスを用いる場合、副孔がランスに付着した地金により塞がれると、副孔から噴射される酸素の噴流が偏流する。この場合、ランスに副孔を設けることの効果が得られないだけでなく、ランス自体が溶損し、寿命が低下する恐れがある。また、ランス軸に付着する地金が多くなると、スクラップとして回収はされるものの鉄の歩留まりが低下する。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、ランス本体部の外表面に地金が堆積することを抑制可能な、新規かつ改良された上吹きランスを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、ランス本体部と、ランス本体部の先端に設けられたノズル部とからなる水冷式ランスであって、ランス本体部の最外部に設けられる外筒は、地金の線膨張係数より大きい線膨張係数である材料から形成される、水冷式ランスが提供される。

外筒は、１２×１０^−６／Ｋより大きい線膨張係数を有する材料から形成される。

また、外筒は、地金の熱伝導率より小さい熱伝導率を有する材料から形成される。例えば、外筒は、４０Ｗ／ｍ・Ｋより小さい熱伝導率を有する材料から形成される。

外筒は、オーステナイト相を含むステンレス鋼から形成するのが好ましい。

また、少なくとも外筒は、２００℃における高温強度が２００ＭＰａ以上である材料から形成されることが好ましい。

また、外筒の外表面は、カロライジング処理が施されていてもよい。

さらに、水冷式ランス内を流れる冷却媒体の流速は、外筒の外表面温度がσ相脆化温度である５００℃以下となるように設定してもよい。

以上説明したように本発明によれば、ランス本体部の外表面に地金が堆積することを抑制できる。

本発明の一実施形態に係る上吹きランスを用いる上吹き転炉設備の概略構成を示す概略説明図である。 同実施形態に係る上吹きランスの概略構成を示す説明図である。 同実施形態に上吹きランスの構成する部材の材質を示す説明図である。 各種材料の線膨張係数を示すグラフである。 各種材料の熱伝導率を示すグラフである。 各種材料の高温強度を示すグラフである。 実施例として、各材料における外筒の外表面温度と内表面温度とのシミュレーション結果を示すグラフである。 実施例として、各材料におけるエアギャップの大きさのシミュレーション結果を示すグラフである。 上吹きランスを流れる冷却媒体の流速を変化させたときの、オーステナイト系ＳＵＳからなる外筒の外表面温度及び内表面温度のシミュレーション結果を示すグラフである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

［１．上吹き転炉設備の概要］
まず、図１を参照して、本発明の一実施形態に係る上吹きランスを用いる上吹き転炉設備の概略構成について説明する。図１は、本実施形態に係る上吹きランスを用いる上吹き転炉設備の概略構成を示す概略説明図である。

製鋼工程において、転炉により溶銑中に含まれる不純物を取り除く処理が行われる。転炉設備は、図１に示すように、転炉本体１０と、上吹きランス１００とを備える。転炉本体１０は、外殻が鉄皮で構成され、その内部に耐火物が施工されている。上吹きランス１００は、容器内に酸素を供給する。上吹きランス１００は、上下方向に移動可能に構成されている。容器内に酸素を供給する際には、転炉本体１０の上部の炉口１２からその内部に挿入される。容器内に酸素を供給しない間は、上吹きランス１００は、炉口１２から転炉本体１０の容器外へ移動される。転炉本体１０の炉口１２には、排ガスフード２０が接続されている。転炉本体１０の内部から放出されるガスは、排ガスフード２０を通り、転炉本体１０の容器外へ排出される。

転炉本体１０の内部に収容された溶銑５は、炉口１２から転炉本体１０の内部へ挿入された上吹きランス１００から吹き込まれる酸素と反応し、脱炭される。ここで、上吹きランス１００による酸素供給速度あるいは転炉本体１０の内部で溶銑５を撹拌する攪拌速度が高まるにつれて、転炉本体１０の容器内で発生するスプラッシュが増大する。その結果、転炉本体１０の内壁あるいは上吹きランス１００のランス本体部に対して地金７が付着しやすくなる。ランス本体部に地金７が付着し堆積すると、吹錬後に上吹きランス１００を転炉本体１０の容器内から取り出す際に、ランス本体部に堆積した地金７が炉口１２あるいは排ガスフード２０の開口部（図示せず。）に引っ掛かり、上吹きランス１００を容器内から取り出せなくなる。

そこで、本実施形態に係る上吹きランス１００は、ランス本体部の外表面を形成する外筒を、地金が付着しにくい材質を有する材料から形成する。これにより、ランス本体部への地金７の堆積を抑制し、ランスの手入れ等の作業負荷を軽減する。

［２．上吹きランス］
本実施形態に係る上吹きランス１００の構成を、図２及び図３に基づきより詳細に説明する。図２は、本実施形態に係る上吹きランス１００の概略構成を示す説明図である。図３は本実施形態に係る上吹きランス１００の構成する部材の材質を示す説明図である。

［２−１．構成］
本実施形態に係る上吹きランス１００は、水冷式ランスであり、図２に示すように、同軸上に配置された第１の円筒部１１０、第２の円筒部１２０、第３の円筒部１３０と、ノズル部１５３とから構成される。以下では、上吹きランス１００の第１の円筒部１１０、第２の円筒部１２０、及び第３の円筒部１３０からなるランス軸を、ランス本体部１５１という。また、第１の円筒部１１０、第２の円筒部１２０、及び第３の円筒部１３０について、中心側の面を内表面とし、外部側の面を外表面として説明する。

第１の円筒部１１０は、上吹きランス１００の最内部にある中空部材である。第１の円筒部１１０は、上吹きランス１００の先端部の主孔１０２と連通している。酸素供給源（図示せず。）から上吹きランス１００に送入された酸素は、第１の円筒部１１０を通り、主孔１０２から処理容器内に供給される。

第２の円筒部１２０は、第１の円筒部１１０の外表面を覆うように設けられた中空部材である。第１の円筒部１１０の外表面と第２の円筒部１２０の内表面とによって、冷却媒体が流れる第１の空間Ｖ_１が形成される。冷却媒体としては、例えば水が用いられる。第１の空間Ｖ_１は、上吹きランス１００の先端のノズル部１５３において、後述する第２の空間Ｖ_２と連通している。

第１の円筒部１１０及び第２の円筒部１２０は、図３に示すように、ランス本体部１５１の内筒１５１ａを構成する。

第３の円筒部１３０は、第２の円筒部１２０の外表面を覆うように設けられた中空部材である。第３の円筒部１３０は、上吹きランス１００の最外部に位置する。すなわち、第３の円筒部１３０は、図３に示すように、ランス本体部１５１において、内筒１５１ａを覆う外筒１５１ｂである。第２の円筒部１２０の外表面と第３の円筒部１３０の内表面とによって、冷却媒体が流れる第２の空間Ｖ_２が形成されている。上述したように、第２の空間Ｖ_２は、ノズル部１５３において第１の空間Ｖ_１と連通している。本実施形態に係る上吹きランス１００では、図２に示すように、冷却媒体は、ノズル部１５３が設けられている先端とは反対側である上部側から第１の空間Ｖ_１に流入され、ノズル部１５３に向かって流れる。その後、冷却媒体は、ノズル部１５３において第１の空間Ｖ_１から第２の空間Ｖ_２へ流入し、先端側から上部側へ向かって流れる。第１の空間Ｖ_１及び第２の空間Ｖ _２に冷却媒体を循環させることで、上吹きランス１００が冷却される。これにより、上吹きランス１００が溶損することを防止する。

ノズル部１５３は、ランス本体部１５１の先端に設けられる。ノズル部１５３は、軸方向からみると円形状である。ノズル部１５３は、１または複数の主孔１０２を有する。主孔１０２は、上吹きランス１００の先端のノズル部１５３に形成された開口である。ノズル部１５３が複数の主孔１０２を有する場合、主孔１０２は、軸方向からみて、ノズル部１５３の周方向に沿って略等間隔に配置される。主孔１０２は、第１の円筒部１１０の内部の中空部分と外界とを連通させる。これにより、第１の円筒部１１０を流れてきた酸素を、主孔１０２を介して外部に排出することができる。主孔１０２から排出される酸素は、例えば、容器内の溶銑に対して吹き付けられる。

なお、図２及び図３では、上吹きランス１００の酸素を排出する部分として主孔１０２のみを記載したが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、上吹きランス１００は、ランス本体部１５１の側面部に副孔を有していてもよい。

［２−２．材質］
本実施形態に係る上吹きランス１００は、内筒１５１ａを構成する第１の円筒部１１０及び第２の円筒部１２０は、例えば炭素鋼を用いて形成される。一方、ランス本体部１５１の外筒１５１ｂを構成する第３の円筒部１３０は、ランス本体部１５１への地金の付着を防止するため、地金の線膨張係数より大きい線膨張係数を有する材料から形成される。これにより、本実施形態に係る上吹きランス１００は、温度変化による外筒１５１ｂの膨張及び収縮によって、吹錬終了時に、吹錬時に外筒１５１ｂの外表面に付着した地金と外筒１５１ｂの外表面との間のエアギャップが大きくなるようにする。このエアギャップを生じさせることにより、外筒１５１ｂの外表面に付着した地金が、外筒１５１ｂの外表面から脱落しやすくなる。

吹錬中、外筒１５１ｂの外面温度は２００℃以上の高温となる。このため、外筒１５１ｂが膨張した状態で、その外表面に地金が付着する。吹錬が終了すると外筒１５１ｂの外面温度は５０℃程度にまで低下し、外筒１５１ｂは収縮する。このため、外筒１５１ｂが膨張した状態で外表面に付着した地金と収縮した外筒１５１ｂとの間には、空気層が生じる。上吹きランス１００の径方向における空気層の厚さを、エアギャップという。例えば、炭素鋼の鋼管を用いてランス本体部１５１の外筒１５１ｂを形成した場合、吹錬終了時に生じるエアギャップは３００μｍ程度であった。このとき、地金は外筒１５１ｂの外表面に引っ掛かった状態で脱落せずに堆積していた。本願発明者は、エアギャップの大きさに着目し、吹錬終了時のエアギャップを大きくすることによって地金と外筒１５１ｂの外表面との引っ掛かり度合を弱め、地金が脱落しやすい状態を形成することを想到した。

具体的には、外筒１５１ｂは、地金の線膨張係数より大きい線膨張係数を有する材料から形成する。地金よりも線膨張係数より大きい材料から外筒１５１ｂを形成することにより、温度変化による外筒１５１ｂの膨張及び収縮を地金の膨張及び収縮よりも大きくすることができる。その結果、吹錬終了後のエアギャップを大きくすることができる。

図４に、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｇ、ジュラルミン、黄銅、オーステナイト系ＳＵＳ、２相系ＳＵＳ、ニッケル合金、炭素鋼、フェライト系ＳＵＳの線膨張係数を示す。図４では３００Ｋ（常温）における線膨張係数を示している。なお、一般に物性値には温度依存性があるが、使用温度範囲では線膨張係数に関しては温度依存性が低い。このため、上吹きランス１００が使用される温度環境においては、線膨張係数は一定であるとみなす。ここで、純鉄に近い地金は炭素鋼に近い物性値を有する。そこで、炭素鋼の線膨張係数（１１．８×１０^−６［／Ｋ］）を地金の線膨張係数とみなす。そうすると、外筒１５１ｂは、線膨張係数は１２×１０^−６［／Ｋ］より大きい材料から形成すればよい。図４において、線膨張係数は１２×１０^−６［／Ｋ］より大きい材料は、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｇ、ジュラルミン、黄銅、オーステナイト系ＳＵＳ、２相系ＳＵＳ、ニッケル合金である。

より好ましくは、外筒１５１ｂは、地金の熱伝導率より小さい熱伝導率を有する材料から形成する。外筒１５１ｂの熱伝導率を地金の熱伝導率より小さくすることで、外筒１５１ｂの熱が低温部へ伝わり難くなり、吹錬時に外筒１５１ｂの高温状態が維持される。これにより、外筒１５１ｂは、吹錬時により膨張し易くなる。吹錬終了後に外筒１５１ｂが膨張した状態から収縮すると、外筒１５１ｂの外表面と当該外表面に付着した地金との間に、より大きなギャップが形成される。

図５に、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｇ、ジュラルミン、黄銅、オーステナイト系ＳＵＳ、２相系ＳＵＳ、ニッケル合金、炭素鋼、フェライト系ＳＵＳの熱伝導率を示す。図５では３００Ｋ（常温）における熱伝導率を示している。なお、熱伝導率も使用温度範囲では温度依存性が低い。このため、上吹きランス１００が使用される温度環境においては、熱伝導率は一定であるとみなす。熱伝導率についても、地金は炭素鋼に近い物性値を有する。そこで、炭素鋼の熱伝導率（４３［Ｗ／ｍ・Ｋ］）を地金の熱伝導率とみなす。そうすると、外筒１５１ｂは、熱伝導率は４０［Ｗ／ｍ・Ｋ］より小さい材料から形成すればよい。図５において、熱伝導率は４０［Ｗ／ｍ・Ｋ］より小さい材料は、オーステナイト系ＳＵＳ、２相系ＳＵＳ、ニッケル合金、フェライト系ＳＵＳである。

図４の線膨張係数及び図５の熱伝導率を鑑みると、本実施形態に係る上吹きランス１００の外筒１５１ｂは、例えばオーステナイト系ＳＵＳ、２相系ＳＵＳ、ニッケル合金等を用いるのが好ましい。例えば、外筒１５１ｂに、線膨張係数が炭素鋼の１．４倍程度のオーステナイト相を含むステンレス鋼（オーステナイト系ＳＵＳ）からなるステンレス鋼管を用いた場合、吹錬終了時には６００μｍ程度のエアギャップが生じ、外筒１５１ｂの外表面から地金が脱落しやすい状態となる。オーステナイト系ＳＵＳのうち、特に、外筒１５１ｂにはＳＵＳ３１０を用いるのが好ましい。ＳＵＳ３１０は、ＣＯ雰囲気中で耐浸炭性がよいことから、外筒１５１ｂの耐久性を高めることができる。

また、上吹きランス１００の損傷を防止する観点から、ランス本体部１５１のうち、少なくとも外筒１５１ｂは、転炉本体１０の容器内で使用されるときの外筒１５１ｂの温度において、高温強度が２００ＭＰａ以上である材料から形成されることが好ましい。高温強度が２００ＭＰａより低いと、使用中に上吹きランス１００が変形し、冷却媒体が流れる第１の空間Ｖ_１または第２の空間Ｖ_２が狭くなり冷却が十分に行われない等の問題が発生するためである。外筒１５１ｂは、冷却媒体に接する内表面と容器内の空間に晒される外表面とでは温度が異なる（図７参照）。ここでは、外筒１５１ｂの温度は、内表面の温度と外表面の温度との平均とする。

吹錬中、転炉本体１０の容器内の温度は１０００℃以上の高温となる。このとき、上吹きランス１００において冷却媒体により冷却されている第２の円筒部１２０の温度は、冷却媒体として常温（ここでは２７℃（３００Ｋ）とする。）の水を用いた場合、１００℃以下に維持される。一方、外筒１５１ｂである第３の円筒部１３０も冷却媒体によって冷却されているが、転炉本体１０の容器内に晒されているため、第３の円筒部１３０は第２の円筒部１２０よりも高温となる。例えば、従来一般的に使用されている炭素鋼から形成されたランス本体の外筒では、外筒の温度は２００℃程度となる。炭素鋼は、２００℃において２４５ＭＰａの高温強度を有し、４００℃において１９６ＭＰａの高温強度を有する。これより、従来一般的に使用されているランス本体の高温強度と同等、あるいはそれ以上の高温強度を確保するためには、ランス本体部１５１のうち、少なくとも外筒１５１ｂを、２００℃における高温強度が２００ＭＰａ以上である材料から形成することが好ましい。

図６に、Ｃｕ、オーステナイト系ＳＵＳ、炭素鋼、フェライト系ＳＵＳの高温強度を示す。図６では、２００℃と４００℃における高温強度を示している。図６において、２００℃における高温強度が２００ＭＰａ以上の材料は、オーステナイト系ＳＵＳ、炭素鋼、フェライト系ＳＵＳである。より高温領域である４００℃でも強度を保持できるようにするには、４００℃においても高温強度が２００ＭＰａ未満とならないオーステナイト系ＳＵＳ、フェライト系ＳＵＳを用いるのが好ましい。

また、外筒１５１ｂの外表面にカロライジング処理を施してもよい。カロライジング処理は、アルミニウムを材料表面に拡散滲透させる処理であり、耐熱性、耐酸化性、耐摩耗性等を目的として行われる。外筒１５１ｂの外表面にカロライジング処理を施すことで、外筒１５１ｂの耐浸炭性をより高めることができる。また、外筒１５１ｂの外表面にカロライジング処理を施すことにより、外筒１５１ｂの耐熱性が向上し、熱伝導率が低下する。これにより、外筒１５１ｂが膨張しにくくなる。その結果、外筒の外表面に付着した地金と外筒の外表面との間によりエアギャップを発生させることが可能となり、外筒１５１ｂの外表面から地金を容易に脱落させることができる。

さらに、上吹きランス１００の外筒１５１ｂの外表面温度がσ相脆化温度である５００℃以下となるように、第１の空間Ｖ_１及び第２の空間Ｖ_２を流れる冷却媒体の流速を設定してもよい。外筒１５１ｂの外表面温度がσ相脆化温度を超えると、外筒１５１ｂの外表面で浸炭が生じるようになる。このため、外筒１５１ｂの外表面温度をσ相脆化温度である５００℃以下とすることで、外筒１５１ｂの耐浸炭性を高めることができる。

このように、本実施形態に係る上吹きランス１００は、外筒１５１ｂが地金の線膨張係数より大きい線膨張係数を有する材料から形成される。これにより、吹錬終了時に外筒１５１ｂの外表面に付着した地金と当該外表面との間に形成されるエアギャップを大きくすることができる。その結果、ランス本体部１５１に付着した地金が脱落しやすい状態となり、外筒１５１ｂの外表面に地金が付着することを防止できる。このような上吹きランス１００により、吹錬中にランス本体部１５１の外筒１５１ｂの外表面に付着した地金がチャージ毎に脱落するため、外筒１５１ｂの外表面に地金が堆積することがない。したがって、吹錬終了後にランス本体部１５１に付着した地金を除去する地金手入れ工数を低減することができる。また、地金をランス本体部１５１の外筒１５１ｂの外表面から脱落させることで、地金を容器内の溶銑に戻すことができ、鉄の歩留まりを改善できる。

さらに、上吹きランス１００が副孔を備える副孔ランスである場合、吹錬中にランス本体部１５１の外筒１５１ｂの外表面に地金が付着し、副孔を塞いだとしても、吹錬終了後には、地金はチャージ毎に容器内に脱落する。したがって、副孔が地金により塞がれた状態となり続けることはない。その結果、副孔から排出される酸素の噴流に偏流が生じることもなく、ランスが溶損することも防止できるため、ランス自体の寿命を長くすることができる。

なお、ランス本体部１５１の先端に溶接されているノズル部１５３は、熱伝導率の高い銅で形成するのが好ましい。これにより、上吹きランス１００が転炉本体１０の容器内の高温環境下にある場合にも、ノズル部１５３からランス本体部１５１へ熱が伝わりやすいため、ノズル部１５３を高温となりにくい状態とすることができる。したがって、高温環境下においてもノズル部１５３は溶融せず、上吹きランス１００の耐久性を高めることができる。このようなノズル部１５３は、冷却された状態が維持されていることから、吹錬中も地金は付着しにくい状態となっている。

本発明の上吹きランスの有効性を示すため、外筒をＣｕ、炭素鋼、オーステナイト系ＳＵＳを用いて構成した場合について、外筒温度及び形成されるエアギャップの大きさをシミュレーションにより検証した。図７は、各材料について、吹錬中における外筒の外表面温度Ｔｓと内表面温度Ｔｗとを示している。図８は、各材料について、吹錬終了時に、吹錬中に外筒の外表面に付着した地金と当該外筒の外表面との間に形成されるエアギャップの大きさを示している。また、各材料の線膨張係数及び熱伝導率は、下記表１とした。Ｃｕ、炭素鋼、オーステナイト系ＳＵＳのうち、線膨張係数が１２×１０^−６［／Ｋ］より大きく、かつ、熱伝導率が４０［Ｗ／ｍ・Ｋ］より小さい材料は、オーステナイト系ＳＵＳのみである。

本検証では、吹錬中の転炉容器内の温度を１６００℃、吹錬終了後、所定時間経過後に定常状態となったときの外筒の外面温度を２５℃とした。また、上吹きランス内を流れる冷却媒体は水とし、冷却媒体の流速は５ｍ／ｓとした。

まず、転炉容器内の温度が１６００℃であるときの、外筒の外表面温度Ｔｓと内表面温度Ｔｗとをシミュレーションにより求めた。図７に、外筒の外表面温度Ｔｓと内表面温度Ｔｗとに関するシミュレーション結果を示す。図７に示すように、Ｃｕ、炭素鋼、オーステナイト系ＳＵＳのうち、外筒を形成する材料としてオーステナイト系ＳＵＳを用いた場合が最も外表面温度Ｔｓと内表面温度Ｔｗとの温度差が大きくなることがわかった。

次に、外筒の外面温度が２５℃となったときの、エアギャップの大きさをシミュレーションにより求めた。図８に、エアギャップに関するシミュレーション結果を示す。図８に示すように、炭素鋼のエアギャップ（約３００μｍ）に対し、Ｃｕ、オーステナイト系ＳＵＳを用いた場合エアギャップの方が大きくなった。これより、外筒を形成する材料としてＣｕまたはオーステナイト系ＳＵＳを用いることで、上吹きランスの外筒に付着した地金を脱落させることが可能となるといえる。また、オーステナイト系ＳＵＳは最も高いエアギャップを示したことから、外筒を形成する材料としてオーステナイト系ＳＵＳを用いることで、上吹きランスの外筒に付着した地金を脱落させることが更に容易となるといえる。

エアギャップは、地金と外筒を形成する材料との線膨張係数の差によって大きくなる。したがって、外筒を形成する材料として、地金の線膨張係数より大きい線膨張係数を有する材料を選択することで、より大きなエアギャップを発生させることができ、外筒の外表面から地金を容易に脱落させることができる。鉄鋼精錬の場合、地金の線膨張係数は、炭素鋼の約１２×１０^−６［／Ｋ］に近いとみなすことができる。これより、外筒を形成する材料は、１２×１０^−６［／Ｋ］より大きい線膨張係数を有することが望ましい。

また、熱伝導率が高い材料では、熱が高温部から低温部へと移動しやすい。すなわち、熱伝導率が高い材料は、当該材料と異なる温度のものに接したとき、温度が変化しやすい。したがって、外筒に熱伝導率が高い材料を用いた場合、吹錬時に外筒が高温状態となっても外筒の熱は低温部へ伝わりやすいため、外筒の膨張は比較的小さい。一方、熱伝導率が低い材料では、熱が高温部から低温部へと移動しにくい。すなわち、熱伝導率が低い材料は、当該材料と異なる温度のものに接したとき、温度が変化しにくい。したがって、外筒に熱伝導率が低い材料を用いた場合、外筒は、吹錬時に高温となった状態を維持するため、熱伝導率が高い材料を用いる場合よりも膨張は大きくなる。吹錬終了後に外筒が膨張した状態から収縮すると、外筒の外表面と当該外表面に付着した地金との間に、より大きなギャップが形成される。これより、外筒を形成する材料として、地金の熱伝導率より小さな熱伝導率を有する材料を選択することで、より大きなエアギャップを発生させることができ、外筒の外表面から地金を容易に脱落させることができる。鉄鋼精錬の場合、地金の熱伝導率は、炭素鋼の約４０［Ｗ／ｍ・Ｋ］に近いとみなることができる。したがって、外筒を形成する材料は、４０［Ｗ／ｍ・Ｋ］より小さい熱伝導率を有することが望ましい。

本シミュレーションでは、Ｃｕまたはオーステナイト系ＳＵＳを用いて外筒を形成した場合に、炭素鋼を用いて外筒を形成した場合よりも外筒の外表面に付着した地金と外筒の外表面との間のエアギャップが大きくなった。この結果より、ランス本体部の外筒を、線膨張係数が１２×１０^−６［／Ｋ］より大きい材料で形成することで、上吹きランスの外筒に付着した地金を脱落させることができることが示された。なお、図４に示したように、Ｎｉ、Ａｇ、ジュラルミン、黄銅、２相系ＳＵＳ、ニッケル合金も線膨張係数が１２×１０^−６［／Ｋ］より大きい。したがって、これらの材料を用いて外筒を形成した場合にも、Ｃｕまたはオーステナイト系ＳＵＳを用いた場合と同様の効果を奏すると考えられる。

さらに、オーステナイト系ＳＵＳを用いて外筒を形成した場合に、外筒の外表面に付着した地金と外筒の外表面との間のエアギャップが最も大きくなった。この結果より、ランス本体部の外筒を、線膨張係数が１２×１０^−６［／Ｋ］より大きく、かつ、熱伝導率が４０［Ｗ／ｍ・Ｋ］より小さい材料で形成することで、吹錬終了後において、外筒の外表面に付着した地金と外筒の外表面との間のエアギャップをより大きくすることができ、外筒の外表面から地金をさらに容易に脱落させることができることが示された。なお、図４及び図５に示したように、２相系ＳＵＳ、ニッケル合金も線膨張係数が１２×１０^−６［／Ｋ］より大きく、かつ、熱伝導率が４０［Ｗ／ｍ・Ｋ］より小さい。したがって、これらの材料を用いて外筒を形成した場合にも、オーステナイト系ＳＵＳを用いた場合と同様の効果を奏すると考えられる。

また、ランス本体部の外筒をオーステナイト系ＳＵＳで形成した場合に、上吹きランスを流れる冷却媒体の流速を変化させたときの、外筒の外表面温度Ｔｓと内表面温度Ｔｗとをシミュレーションにより求めた。当該シミュレーション結果を図９に示す。図９に示すように、冷却媒体の流速を５ｍ／ｓ、１０ｍ／ｓ、１５ｍ／ｓと大きくしたところ、外筒の外表面温度Ｔｓは５００℃以下を維持したまま徐々に低下する傾向があることがわかった。したがって、冷却媒体の流速は５ｍ／ｓであれば外筒の外表面温度を５００℃以下とすることができ、外筒の耐浸炭性が高い状態を維持するできることがわかった。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記実施形態では、転炉設備の上吹きランスについて説明したが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、本発明の水冷式ランスは転炉設備以外にも適用可能である。例えば、本発明の水冷式ランスは、溶融炉での溶融還元処理、トーピードカーにおける溶銑予備処理、真空炉を用いた二次精錬等において使用してもよい。また、上記実施形態では、上吹き転炉設備において、上方から溶銑に対して酸素を吹き付ける上吹きランスを例として説明したが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、溶銑に浸漬して使用される浸漬ランス等にも本技術は適用可能である。

５ 溶銑
７ 地金
１０ 転炉本体
１２ 炉口
２０ 排ガスフード
１００ 上吹きランス
１０２ 主孔
１１０ 第１の円筒部
１２０ 第２の円筒部
１３０ 第３の円筒部
１５１ ランス本体部
１５１ａ 内筒
１５１ｂ 外筒
１５３ ノズル部

Claims (8)

1. ランス本体部と、前記ランス本体部の先端に設けられたノズル部とからなる水冷式ランスであって、
   前記ランス本体部の最外部に設けられる外筒は、地金の線膨張係数より大きい線膨張係数である材料から形成される、水冷式ランス。
2. 前記外筒は、１２×１０^−６／Ｋより大きい線膨張係数を有する材料から形成される、請求項１に記載の水冷式ランス。
3. 前記外筒は、地金の熱伝導率より小さい熱伝導率を有する材料から形成される、請求項１または２に記載の水冷式ランス。
4. 前記外筒は、４０Ｗ／ｍ・Ｋより小さい熱伝導率を有する材料から形成される、請求項３に記載の水冷式ランス。
5. 前記外筒は、オーステナイト相を含むステンレス鋼から形成される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の水冷式ランス。
6. 少なくとも前記外筒は、２００℃における高温強度が２００ＭＰａ以上である材料から形成される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の水冷式ランス。
7. 前記外筒の外表面は、カロライジング処理が施されている、請求項１〜６のいずれか１項に記載の水冷式ランス。
8. 前記水冷式ランス内を流れる冷却媒体の流速は、前記外筒の外表面温度がσ相脆化温度である５００℃以下となるように設定される、請求項１〜７のいずれか１項に記載の水冷式ランス。
   

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