KR102344147B1 - 용철의 송산 정련 방법 및 상취 랜스 - Google Patents

Abstract

용철의 송산 정련 방법으로서, 송산 정련의 적어도 일부의 기간, 상취 랜스의 외각을 관통하는 산소 함유 가스의 분사 노즐에 있어서, 노즐의 횡단면적이 노즐 축 방향에서 최소의 횡단면적이 되는 부위(1) 또는 그 근방의 부위의 노즐 측면에, 노즐의 중심축을 통과하는 임의의 평면으로 2분한 경우에 양 공간에 적어도 분출구의 일부가 존재하도록 배치하여 형성한 분출구(3)로부터 분사 노즐 내를 향하여 제어용 가스를 분출시키면서, 분사 노즐의 입구측으로부터 주공급 가스로서 산소 함유 가스를 공급하여 분사 노즐로부터 분사한다.

Description

용철의 송산 정련 방법 및 상취 랜스{METHOD FOR OXYGEN-BLOWING REFINING OF MOLTEN IRON AND TOP-BLOWING LANCE}

본 발명은, 반응 용기에 장입한 용철(molten iron)에 상취 랜스(top-blowing lance)로부터 산소 함유 가스를 분사하여 용철에 송산(oxygen-blowing) 정련을 실시하는 용철의 송산 정련 방법 및, 그 송산 정련에 이용하기 위한 상취 랜스에 관한 것이다.

용철의 산화 정련에 있어서, 반응 효율 향상의 관점에서, 상취 랜스로부터 분사되는 산소 함유 가스의 용철 욕면에서의 분류(噴流) 유속과 가스 유량을 동시에 제어할 수 있는 실용적인 송산 수단이 요구되고 있다.

예를 들면, 전로(converter)에서의 용선의 탈탄 정련에서는, 전로 생산성 향상의 관점에서, 단위 시간당의 상취 산소 유량을 높인 조업을 행하는 경우가 있다. 그러나, 그 경우 용선 탕면에서의 분류의 유속이 높아지면, 더스트(dust) 등으로서 로(furnace) 밖으로 비산하는 철분 및 로벽이나 로구 부근에 부착·퇴적되는 철분이 증가한다. 이 양이 많아지면, 철 수율 저하에 의한 비용의 증가나 전로 가동률의 저하를 초래하기 때문에, 고유량 또한 저유속을 실현 가능한 송산 수단이 요구되고 있다.

한편으로, 취련 말기의 용철 중 탄소 농도가 낮은 경우에 있어서는, 철의 과잉의 산화 로스를 방지하기 위해, 상취 산소 유량을 적게 하여 취련을 행하는 것이 일반적이다. 이 경우, 용철 탕면에서의 분류의 유속이 지나치게 낮으면, 화점에 있어서의 용철의 교반이 약하여, 철이 과잉으로 산화한다는 문제가 있다. 이 때문에, 고산소 유량 시에 있어서는 저유속에서의 조업을 가능하게 하고, 또한, 저산소 유량 시라도 고유속에서의 조업을 가능하게 하는 송산 수단이 요구되고 있다.

일반적으로, 산소 유량의 조정과는 독립적으로 욕면에서의 유속을 조정하는 방법으로서, 랜스 높이를 조정하는 방법이 이용되고 있다. 그러나, 랜스 높이를 지나치게 낮게 하면, 비산한 용철에 의한 용손을 받아 랜스 수명이 현저하게 저하하는 문제가 있고, 또한, 랜스 높이를 지나치게 높게 하면, 2차 연소율의 증대나 2차 연소 착열 효율의 저하에 의해 로 내 가스 온도가 상승하여, 내화물 수명의 저하를 초래하는 문제가 있기 때문에, 랜스 높이에 의한 유속의 조정 범위에는 한계가 있다. 이 때문에, 산소 유량에 의존하지 않고 분사 속도를 조정 가능한 송산 노즐의 실현이 기대되고 있었다.

그러나, 일반적으로는, 노즐 출구에서의 가스 유속은, 노즐 형상을 결정하면 가스 유량에 대하여 가스 유속이 일의적으로 결정되어, 고유량에서는 유속이 증가하고, 저류량에서는 유속이 감소한다는 성질이 있다. 특히, 고(高)가스 유량에서 저(低)동압이 되도록 노즐 지름을 크게 하면, 가스 유량을 저하시킨 경우에 유속이 지나치게 저하하는 것이 문제였다. 이 때문에, 취련 중에 노즐 형상을 제어함으로써, 고산소 유량 시에 동압이 지나치게 높아지는 경우가 없는 취련 조건 및, 저산소 유량 시에 동압이 지나치게 낮아지지 않는 취련 조건을 동시에 달성할 수 있는 기술이 검토되고 있었다. 취련 중에 노즐 형상을 제어하는 기술로서는, 예를 들면, 특허문헌 1에, 기계적으로 노즐 형상을 바꾸는 진공 탈가스조 내의 상취 랜스의 기술이 개시되어 있다.

또한, 특허문헌 2에는, 라발 노즐(Laval nozzle)의 끝 확장부의 내면에 가스의 취출 구멍을 형성하고, 주류(主流)의 산소 가스 유량에 따라서, 이 취출 구멍으로부터 가스를 취입하는, 라발 노즐을 사용한 조업 방법이 개시되어 있다. 전로 정련에서는, 랜스 높이를 높게 해도 용철 욕면에서 충분한 가스 유속이 얻어지도록, 가스의 압력을 효율 좋게 운동 에너지로 전환할 수 있는 라발 노즐이 널리 이용되고 있다. 라발 노즐에서는, 노즐 출구와 스로트부의 횡단면적(노즐 내의 중심축에 수직인 단면의 면적)의 비(개구비)에 따라서, 노즐의 끝 확장부에서 적정 팽창이 되어 에너지 손실이 적어지는, 노즐의 입구와 출구의 압력비가 결정된다. 노즐 출구의 로 내 압력은 대체로 대기압이기 때문에, 노즐의 형상에 대하여 적정 팽창이 되는 노즐 입구에서의 가스 압력(적정 팽창 압력)과, 그에 따른 가스 유량(적정 팽창 유량)이 일의적으로 결정된다. 그러나, 가스 유량을 적정 팽창 유량보다도 저하시키면, 노즐 입구의 가스 압력은 적정 팽창압보다도 낮아지고, 노즐 내에서 충격파가 발생하는 과팽창의 상태가 되고, 반대로, 가스 유량을 적정 팽창 유량보다도 증대시키면, 노즐 출구 이후에 충격파가 발생하는 부족 팽창 상태가 되고, 에너지 손실이 발생하여, 각각의 가스 압력에 있어서 적정 팽창이 되는 노즐 형상의 경우보다도 가스 유속이 저하한다.

특허문헌 2의 방법에서는, 적정 팽창 유량보다도 낮은 가스 유량에 있어서, 라발 노즐의 끝 확장부의 내면에 형성한 가스의 취출 구멍으로부터 소량의 가스를 취입함으로써, 끝 확장부의 노즐 측면을 따라 형성된 경계층의 가스 흐름이 내측으로 압출되어 박리한다고 되어 있다. 그리고, 이것에 의해, 주류 가스의 팽창이 억제되고, 과팽창의 상태가 완화되어, 가스 유량을 저하시킨 경우에 있어서의 가스 유속의 저하가 억제된다고 되어 있다.

또한, 노즐 내에 주류와는 별도로 가스를 취입하여 가스 분류를 제어하는 방법으로서는, 특허문헌 3에, RH 탈가스 설비의 상취 랜스에 있어서, 라발 노즐의 스로트부에 작동 가스를 분출시켜 주류의 가스 제트의 분출 방향을 제어하는 방법이 개시되어 있다.

일본공개특허공보 평8-260029호 일본공개특허공보 2000-234116호 일본공개특허공보 2004-156083호

기계적으로 노즐 형상을 바꾸는 방법인 특허문헌 1의 방법은, 고온 또한 더스트가 발생하는 분위기하에서 기계적 가동부를 갖는 등의 점에서 실용적이지 않은데다가, 분출 구멍이 다수 있는 랜스로의 응용이 곤란하다는 문제가 있었다. 또한, 노즐 내면의 가동부에 의해 단면적을 축소하는 경우, 이 단차 부분에 있어서 단차가 발생하지만, 이 단차의 형상이 가스 유속에 미치는 영향도 반드시 분명하지는 않았다.

또한, 특허문헌 2의 방법에서는, 라발 노즐의 끝 확장부에 있어서 가스 흐름의 경계층을 노즐 벽면으로부터 박리시키고, 저가스 유량 시의 과팽창의 상태를 완화하는 것을 의도하고 있지만, 가스 공급 압력이 노즐의 개구비에 의해 결정되는 적정 팽창압보다도 높은 부족 팽창 조건에서는, 효과적으로 유속을 증가시킬 수 없다는 문제가 있었다.

특히, 전로 등의 송산 정련에 있어서의 생산성을 향상하기 위해, 산소 가스 유량의 증대가 요구되고 있고, 고가스 유량 조건에 있어서의 가스 유속을 억제하기 위해 스로트부의 노즐 단면적을 확대하는 경우가 있다. 그러나, 랜스 선단을 냉각하기 위해 적정한 냉각수의 유로 단면적을 확보할 필요로부터, 노즐의 출구 단면적은 제약을 받기 때문에, 노즐의 개구비는 반드시 자유롭게는 설정할 수 없다. 이 경우, 노즐의 개구비 및 그에 따라 결정되는 적정 팽창압은 저하하는 경향이 되기 때문에, 저가스 유량 조건에 있어서도 부족 팽창 조건이 되는 경우가 있다. 그러나, 특허문헌 2의 방법에서는, 이러한 경우에 가스 유속을 효과적으로 증가시킬 수 없었다.

또한, 특허문헌 3의 방법에서는, 가스 제트의 분출 방향을 제어할 수는 있어도, 가스 유속을 효과적으로 제어할 수 없다는 문제가 있었다.

본 발명은, 랜스 노즐에 기계적 가동부를 이용하는 일 없이, 부족 팽창 조건에 있어서도 저가스 유량 시의 가스 유속을 효과적으로 증가시킬 수 있는, 가스 유량의 가변 범위가 큰 상취 송산 방법과 그에 이용하는 상취 랜스를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

발명자들은, 상기 과제를 해결하기 위해, 상취 가스의 분사 노즐에 기계적 가동부를 형성하는 일 없이, 노즐 내로의 가스 도입 방법을 변경함으로써, 가스 유량에 의존하지 않고, 가스 유속을 제어하는 방법에 대해서 예의 검토를 거듭하고, 본 발명의 송산 정련 방법 및 그 송산 정련에 이용하기 위한 상취 랜스를 완성하기에 이르렀다.

즉, 본 발명은, 반응 용기에 장입한 용철에 상취 랜스로부터 산소 함유 가스를 분사하여 상기 용철에 송산 정련을 실시하는 용철의 송산 정련 방법으로서, 상기 송산 정련의 적어도 일부의 기간, 상기 상취 랜스의 외각(外殼)을 관통하는 상기 산소 함유 가스의 분사 노즐에 있어서, 노즐의 횡단면적이 노즐 축 방향에서 최소의 횡단면적이 되는 부위 또는 그 근방의 부위의 노즐 측면에, 노즐의 중심축을 통과하는 임의의 평면으로 2분한 경우에 양 공간에 적어도 분출구의 일부가 존재하도록 배치하여 형성한 분출구로부터 상기 분사 노즐 내를 향하여 제어용 가스를 분출시키면서, 상기 분사 노즐의 입구측으로부터 주공급 가스로서 산소 함유 가스를 공급하여 상기 분사 노즐로부터 분사하는 것을 특징으로 하는 용철의 송산 정련 방법이다. 또한, 적합예로서, 상기 노즐의 횡단면적이 노즐 축 방향에서 최소의 횡단면이 되는 부위의 근방이, 노즐의 횡단면적이 노즐 축 방향에서 최소의 횡단면적의 1.1배 이하가 되는 부위인 경우가 있다.

또한, 본 발명에서는, 명세서 전체를 통하여, 노즐의 「횡단면적」이란, 노즐 내부의 중심축에 수직인 면적을 말한다. 그 때문에, 본 발명에 있어서 「최소의 횡단면적의 1.1배 이하인 부위」란, 그 부위의 횡단면적이 최소의 횡단면적의 1.0배를 초과 1.1배 이하가 되는 부위를 가리킨다.

또한, 상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 용선의 송산 정련 방법에서는,

(1) 분사 노즐로서, 노즐 출구에 이어서 횡단면적이 노즐 축 방향에서 최소로 일정해지는 스트레이트부를 갖는 스트레이트 노즐, 또는, 횡단면적이 노즐 축 방향에서 최소가 되는 스로트부에 이어서 끝 확장부를 갖는 라발 노즐을 사용하는 것,

(2) 상기 분사 노즐의 입구측에 있어서의 상기 주공급 가스의 압력을, 하기 (1)식을 충족하는 적정 팽창압 Po보다 크게 하는 것:

Ae/At＝(5^5/2/6³)×(Pe/Po)^－5/7×[1－(Pe/Po)^2/7]^－1/2…(1)

여기에서, At: 분사 노즐의 최소 횡단면적(㎟), Ae: 분사 노즐의 출구 단면적(㎟), Pe: 노즐 출구부 분위기압(㎪), Po: 노즐 적정 팽창압(㎪),

(3) 상기 분출구가 상기 분사 노즐의 측면의 둘레 방향으로 복수의 방향으로 형성되고, 상기 분출구로의 상기 제어용 가스의 도입 구멍의 직경과 상기 분사 노즐 1개당의 상기 분출구의 수 n의 곱이, 상기 분사 노즐의 횡단면적이 최소가 되는 부위의 노즐 내경의 0.4배 이상인 것,

(4) 상기 분출구가 상기 분사 노즐의 측면의 전체 둘레 방향으로 슬릿 형상으로 형성되고, 상기 분출구의 상기 분사 노즐의 축 방향의 길이가, 상기 분사 노즐의 횡단면적이 최소가 되는 부위의 노즐 내경의 0.25배 이하인 것,

(5) 상기 송산 정련의 적어도 일부의 기간, 상기 분사 노즐 내를 향하여 분출하는 상기 제어용 가스의 유량이, 상기 제어용 가스의 유량과 상기 분사 노즐에 공급하는 상기 주공급 가스의 유량과의 합계 유량의 5％ 이상인 것,

(6) 상기 상취 랜스로부터 상기 용철에 분사하는 상기 산소 함유 가스의 공급 속도에 따라서, 상기 제어용 가스의 공급 속도를 조정하는 것,

(7) 상기 용철의 송산 정련의 진행에 수반하여, 상기 제어용 가스의 공급 속도를 변경하는 것,

(8) 상기 송산 정련 개시 전의 용철의 규소 농도에 따라서, 상기 제어용 가스의 공급 속도를 변경하는 것,

(9) 상기 송산 정련에 있어서 공급하는 상기 산소 함유 가스에 포함되는 총 산소 가스량의 85％를 공급한 이후의 송산 정련 말기에, 상기 분사 노즐에 있어서, 상기 제어용 가스를 분출시키면서, 상기 주공급 가스로서 산소 함유 가스를 공급하는 것,

(10) 상기 송산 정련 개시 전의 규소 농도가 0.40질량％ 이상인 용철에 대하여, 상기 송산 정련에 있어서 공급하는 상기 산소 함유 가스에 포함되는 총 산소 가스량의 20％를 공급하기 이전의 송산 정련 초기에, 상기 분사 노즐에 있어서, 상기 제어용 가스를 분출시키면서, 상기 주공급 가스로서 산소 함유 가스를 공급하는 것,

이 보다 바람직한 해결 수단이 되는 것이라고 생각된다.

또한, 본 발명은, 반응 용기에 수용된 용철에 산소 함유 가스를 분사하기 위한 상취 랜스로서, 상기 상취 랜스의 외각을 관통하는 상기 산소 함유 가스의 분사 노즐에 있어서, 노즐의 횡단면적이 노즐 축 방향에서 최소의 횡단면적이 되는 부위 또는 그 근방의 부위의 노즐 측면에, 노즐의 중심축을 통과하는 임의의 평면으로 2분한 경우에 양 공간에 적어도 분출구의 일부가 존재하도록 배치된, 상기 분사 노즐 내를 향하여 제어용 가스를 분출시키기 위한 분출구를 구비하고, 상기 노즐 측면의 둘레 방향으로 복수의 방향으로 구비된 상기 제어용 가스의 복수의 분출구로의 상기 제어용 가스의 도입로가, 상기 상취 랜스 내에 있어서 서로 연통하고 있는 것을 특징으로 하는 상취 랜스이다. 또한, 적합예로서, 상기 노즐의 횡단면적이 노즐 축 방향에서 최소의 횡단면이 되는 부위의 근방이, 노즐의 횡단면적이 노즐 축 방향에서 최소의 횡단면적의 1.1배 이하가 되는 부위인 경우가 있다.

또한, 상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 상취 랜스에 있어서는,

(1) 상기 분출구가 상기 분사 노즐의 측면의 둘레 방향으로 복수의 방향으로 형성되고, 상기 분출구에 연통하는 상기 제어용 가스의 분출 노즐의 내경과 상기 분사 노즐 1개당의 상기 분출구의 수 n의 곱이, 상기 분사 노즐의 최소 횡단면적에 대응하는 노즐 내경의 0.4배 이상인 것,

(2) 분사 노즐로서, 노즐 출구에 이어서 단면적이 노즐 축 방향에서 최소로 일정해지는 스트레이트부를 갖는 스트레이트 노즐, 또는 단면적이 노즐 축 방향에서 최소가 되는 스로트부에 이어서 끝 확장부를 갖는 라발 노즐을 사용하는 것,

이 보다 바람직한 해결 수단이 되는 것이라고 생각된다.

또한, 본 발명은, 반응 용기에 수용된 용철에 산소 함유 가스를 분사하기 위한 상취 랜스로서, 상기 상취 랜스의 외각을 관통하는 상기 산소 함유 가스의 분사 노즐에 있어서, 횡단면적이 노즐 축 방향에서 최소의 횡단면적이 되는 부위 또는 그 근방의 부위의 노즐 측면의 둘레 방향으로 전체 둘레 방향에 슬릿 형상으로 설치된, 상기 분사 노즐 내를 향하여 제어용 가스를 분출시키기 위한 분출구를 구비하는 것을 특징으로 하는 상취 랜스이다. 또한, 적합예로서, 상기 노즐의 횡단면적이 노즐 축 방향에서 최소의 횡단면이 되는 부위의 근방이, 노즐의 횡단면적이 노즐 축 방향에서 최소의 횡단면적의 1.1배 이하가 되는 부위인 경우가 있다.

또한, 상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 상취 랜스에 있어서는,

(1) 상기 분출구의 상기 분사 노즐의 축 방향의 길이가, 상기 분사 노즐의 최소 횡단면적에 대응하는 노즐 내경의 0.25배 이하인 것,

(2) 분사 노즐로서, 노즐 출구에 이어서 단면적이 노즐 축 방향에서 최소로 일정해지는 스트레이트부를 갖는 스트레이트 노즐, 또는 단면적이 노즐 축 방향에서 최소가 되는 스로트부에 이어서 끝 확장부를 갖는 라발 노즐을 사용하는 것,

이 보다 바람직한 해결 수단이 되는 것이라고 생각된다.

본 발명에 의하면, 상취 랜스의 산소 함유 가스의 분사 노즐에, 기계적 가동부를 이용하는 일 없이, 노즐 내의 단면적이 길이 방향에서 최소의 횡단면이 되는 부위의 근방의 노즐 측면에 있어서 둘레 방향으로 복수의 방향 또는 전체 둘레 방향으로부터 분사 노즐 내를 향하여 분출시키는 제어용 가스를 제어함으로써, 총 가스 유량에 의존하지 않고, 가스 유속을 제어하는 것이 가능해진다. 이 때문에, 용철 등의 비산이 격렬한 송산 정련의 조업 조건에 있어서도, 기계적 가동부의 트러블을 초래하는 일 없이 조업에 이용할 수 있다. 또한, 부족 팽창 조건에 있어서도 저가스 유량 시의 가스 유속을 효과적으로 증가시킬 수 있기 때문에, 가스 유량의 가변 범위가 큰 상취 송산 방법과 그에 이용하는 상취 랜스를 실현할 수 있다. 즉, 고가스 유량 조건에 있어서 스피팅(spitting) 저감에 적절한 최소 내경이 큰 노즐이라도, 저가스 유량 조건에 있어서의 가스 유속의 저하를 억제하여 송산 정련을 실시하는 것이 가능해진다.

도 1은 본 발명의 상취 랜스에서 이용하는 가스 분사 노즐의 일 예의 종단면을 나타내는 개략도이다.
도 2(a)∼도 2(d)는, 각각, 도 1에 나타내는 가스 분사 노즐에 있어서의 제어용 가스 분출구를 설명하기 위한 스로트부에서의 횡단면을 나타내는 개략도이다.
도 3은 도 2(a)∼도 2(d)에 나타내는 가스 분류 노즐에 있어서의, 제어용 가스 유량에 의한 분류 유속의 증가 거동을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 상취 랜스에서 이용하는 가스 분사 노즐에 있어서, 분류 유속이 최대가 되는 제어용 가스 유량 비율에서의 분류 유속을, 제어용 가스 분출구의 지름×제어용 가스 분출구의 수/분사 노즐의 스로트부 직경을 횡축으로 하여 정리한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 상취 랜스에서 이용하는 가스 분사 노즐에 있어서, 분류 유속이 최대가 되는 제어용 가스 유량 비율에서의 분류 유속을, 슬릿의 간극의 간격/분사 노즐의 스로트부 직경을 횡축으로 하여 정리한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 상취 랜스에서 이용하는 가스 분사 노즐에 있어서, 탈탄 처리 종료 시의 분사 정지(the end of blowing) 탄소 농도와 슬래그 중 T.Fe 농도(질량％)의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명을 이용한 탈탄 취련에 있어서, 취련 초기의 제어용 가스 유량 비율에 의한 슬로핑(slopping)의 발생 유무의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명을 이용한 탈탄 취련에 있어서, 용선의 규소 농도가 0.4질량％ 미만인 조건에서의 제어용 가스 유량 비율과 더스트 발생 속도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명을 이용한 탈탄 취련에 있어서, 탄소 농도 약 0.05질량％까지 탈탄 취련을 행한 시점에서의 슬래그 중의 T.Fe 농도(질량％)와 제어용 가스 유량 비율의 관계를 나타내는 그래프이다.

(발명을 실시하기 위한 형태)

이하에, 도면을 이용하여 본 발명의 실시 형태에 대해서 설명한다.

도 1은, 본 발명에서 사용하는 상취 랜스용의 가스 분사 노즐의 일 예를 나타내는 노즐의 종단면의 개략도이다. 송산 정련용의 산소 함유 가스는, 상취 랜스의 저기조(貯氣槽)(4)로부터, 상취 랜스의 외각을 관통하는 분사 노즐을 통과하여, 욕면으로 분사된다. 도 1 및 도 2(a)∼도 2(d)에 나타내는 예에서는, 간략화하여 설명하기 위해, 분사 노즐을 1개만 갖는 상취 랜스의 선단부를 나타내고 있고, 수냉의 상취 랜스의 외각의 냉각수 유로 등에 대해서는 생략하여 도시하고 있다. 여기에서, 산소 함유 가스로서는, 공업용의 순산소 가스를 이용하는 것이 일반적이지만, 순산소 가스와 질소 가스 또는 아르곤 가스의 혼합 가스 등도 목적에 따라서 사용되는 경우가 있다.

도 1에 나타낸 라발 노즐은, 노즐 내의 단면적이 분사 노즐의 축 방향에서 최소가 되는 스로트부(1)와 그 하류측으로 계속되는 끝 확장부(2)를 구비한다. 또한, 스로트부(1)의 상류측으로 계속하여 도시하지 않는 선세부(先細部)를 구비하고, 주공급 가스를 스로트부(1)에 도입하는 선세 끝 확장 노즐의 형상으로 하는 경우도 있다. 본 발명에서 이용하는 상취 랜스는, 노즐의 횡단면적이 분사 노즐 축 방향에서 최소의 횡단면적이 되는 부위의 근방의 노즐 측면에, 노즐의 중심축을 통과하는 임의의 평면으로 2분한 경우에 양 공간에 적어도 분출구의 일부가 존재하도록 배치하여 형성한 제어용 가스의 분출구(3)를 구비한 가스 분사 노즐을 구비한다. 이 제어용 가스의 분출구(3)로부터, 분사 노즐의 입구로부터 공급되는 주공급 가스와는 독립적으로 유량 제어가 가능한 제어용 가스를 분사 노즐 내를 향하여 분출시키면서, 분사 노즐의 입구측으로부터 주공급 가스로서 산소 함유 가스를 공급할 수 있다.

여기에서, 분출구(3)를 포함하는 부위에 있어서의 분사 노즐의 단면적이란, 분사 노즐의 측면에 있어서, 실제로는 분사 노즐의 측면이 존재하지 않는 분출구(3)의 부분을 분출구(3)의 주위의 노즐 측면과 연속하는 매끄러운 곡면으로 보간한 곡면을 가상 노즐 측면으로 하고, 분사 노즐의 중심축에 수직인 평면에 있어서, 이 가상 노즐 측면에 둘러싸인 면적을 의미한다.

이때, 복수의 분출구(3)의 부분을 제외한 분사 노즐의 측면이 분사 노즐의 중심축을 중심으로 하는 회전체의 측면으로서 형성되는 경우는, 가상 노즐 곡면은 이 회전체의 측면과 동일해진다. 라발 노즐의 경우에는, 분출구(3)의 부분을 보간하는 곡면은, 원주(圓柱) 또는 원추의 측면의 일부, 혹은 이들 조성으로 이루어지는 경우가 많지만, 끝 확장부(2)의 형상이 원추대가 아닌 조종(釣鐘) 형상의 경우나 분사 노즐의 단면 형상이 원형이 아닌 경우도 포함하면, 반드시 원주 또는 원추의 측면의 일부, 혹은 이들 조성에는 한정되지 않는다.

또한, 후술하는 바와 같이, 분출구(3)가 분사 노즐의 둘레 방향의 전체 둘레에 슬릿 형상으로 형성되는 경우에는, 가상 노즐 곡면은, 분사 노즐의 중심축을 포함하는 단면에 있어서 분출구(3)의 부위를 근방의 노즐 측면과 연속하는 매끄러운 곡선(직선의 경우도 포함함)으로 보간함으로써 구해진다.

분출구(3)가 없는, 통상의 산소 가스를 상취하는 라발 노즐을 갖는 상취 랜스에서는, 산소 가스의 유량과 스로트부 입구에서의 압력의 관계는, 경험적으로 하기 (2)식과 같이 근사하여 나타낼 수 있는 것이 알려져 있다:

Pt＝Fo₂/(0.456×n×dt²)…(2)

여기에서, Pt는 스로트부(1)의 입구의 가스 압력(절대압)(kgf/㎠), Fo₂는 상취 랜스로부터 분사하는 산소 가스 유량(Nm³/hr), n은 상취 랜스의 분사 노즐 개수, dt는 분사 노즐의 스로트부의 내경이다.

(2)식으로부터, 스로트부(1)의 입구의 가스 압력 Pt는, 가스 유량에 비례하고, 또한, 스로트부(1)의 단면적에 반비례한다(혹은, Pt는 가스의 선속도(Nm/s)에 비례함). 분사 노즐로부터 분사되는 가스 분류는, 근원적으로는 이 가스 압력 Pt를 동력원으로 하는 것으로서, 정성적으로는 가스 분류의 속도 혹은 운동 에너지는, 가스 압력 Pt가 높을수록 높아지는 경향이 있다.

이에 대하여, 분사 노즐로부터 분사하는 총 가스 유량을 일정하게 하는 조건으로 분출구(3)로부터 제어용 가스를 분출시키면, 스로트부(1)의 분출구(3)의 근방에서는, 축 방향의 질량 유속이 작은 영역이 발생하고, 스로트부(1)의 횡단면(분사 노즐의 중심축에 수직인 단면)의 그 외의 영역에서는, 제어용 가스를 분출시키지 않는 경우보다도 질량 유속(단위 면적당의 질량 유량)이 증대한다. 이 때문에, 스로트부(1)의 입구에서 주공급 가스의 가스 압력이 상승하고, 분사 노즐로부터 분사되는 가스 분류의 속도가 증대하는 현상이 발견되었다. 이 현상은, 겉보기상 스로트부(1)의 횡단면적을 감소시키는 효과라고도 할 수 있지만, 주공급 가스에 대한 제어용 가스의 비율이 비교적 작아도 현저하고, 스로트부(1)에 제어용 가스의 분출구(3)를 구비한 라발 노즐의 경우뿐만 아니라, 노즐의 축 방향으로 횡단면적이 일정한 스트레이트 노즐에 있어서, 어느 축 방향 위치에 제어용 가스의 분출구를 형성한 경우에도 동일하게 관찰되었다. 끝 확장부(2)가 없는 스트레이트 노즐에서는, 복수의 분출구(3)를 형성하는 노즐 축 방향 위치를 어느 분출구(3)에 대해서나 일률적으로 하면, 임의의 노즐 축 방향 위치에 형성해도 좋다. 즉, 스트레이트 노즐에 있어서, 분출구(3)를 형성하는 위치는, 노즐의 횡단면적이 노즐 축 방향에서 최소의 횡단면적이 되는 부위의 노즐 측면이 된다.

분출구(3)로부터의 제어용 가스의 도입에 의한 스로트부 입구에서의 주공급 가스의 가스 압력의 상승을, 효율 좋게 운동 에너지로 전환하여 분류의 유속을 증대시키기 위해서는, 통상의 라발 노즐의 경우와 동일하게 노즐 형상의 영향을 고려할 필요가 있어, 발명자들은, 특정의 노즐 형상의 조건에서는 특히 양호한 분류 유속을 증대시키는 효과가 얻어지는 것을 발견했다. 즉, 분사 노즐의 개구비(Ae/At)에 대하여 하기 (1)식에 의해 결정되는 적정 팽창압 Po보다도 주공급 가스의 스로트부 입구에서의 가스 압력이 높아지는, 겉보기상 부족 팽창의 조건에서는, 이 조건을 충족하지 않는 경우보다도 효과적으로 분류 유속을 증대시킬 수 있다:

Ae/At＝(5^5/2/6³)×(Pe/Po)^－5/7×[1－(Pe/Po)^2/7]^－1/2…(1)

여기에서, At: 분사 노즐의 최소 횡단면적(㎟), Ae: 분사 노즐의 출구 단면적(㎟), Pe: 노즐 출구부 분위기압(㎪), Po: 노즐 적정 팽창압(㎪)이다. 이 분류 유속의 증대 효과에 대한 노즐 형상의 영향에 대해서는, 이하와 같이 설명할 수 있다고 생각된다.

즉, 통상의 라발 노즐에서는, 스로트부(1)의 입구에서의 가스 압력이 적정 팽창압보다 높은 경우, 라발 노즐의 끝 확장부(2)에서는 부족 팽창이 되어, 가스는 압력이 높은 채 노즐 출구로부터 분사되고, 노즐의 외부에서 충격파를 수반하여 팽창하기 때문에, 에너지 손실이 발생하여, 동일한 스로트부(1)의 입구에서의 가스 압력으로 적정 팽창이 되는, 보다 개구비가 큰 노즐의 경우보다도 분류 유속은 저하한다.

이에 대하여, 스로트부(1)(혹은 노즐의 횡단면적이 노즐 축 방향에서 최소가 되는 스트레이트부)의 노즐 측면에 구비한 복수의 분출구(3)로부터 제어용 가스를 분출시킨 경우에는, 스로트부(1)의 노즐 측면(벽면)을 따라 형성되는 주공급 가스의 가스 경계층이 노즐 측면으로부터 박리하고, 겉보기상 스로트부(1)의 노즐 단면적을 감소시키는 효과가 발생한다. 한편, 이 노즐 단면적을 감소시키는 효과는, 노즐 출구에 있어서는, 제어용 가스가 분사 노즐의 가스 분사 방향으로 가속됨으로써 상대적으로 작아진다고 생각된다. 이 때문에, 제어용 가스를 도입함으로써, 실제의 노즐의 형상보다도 실질적으로 개구비를 증대시키는 효과가 발생하게 되어, 노즐 형상(개구비)으로부터 상기 (1)식에 의해 결정되는 적정 팽창압보다도 높은 스로트부(1)의 입구에서의 가스 압력에 있어서 실질적으로 적정 팽창이 되어 분류 유속이 증대한다. 또한, 스로트부(1)의 입구에서의 가스 압력에 대하여 상기 (1)식에 의해 결정되는 개구비의 노즐을 이용한 경우에는, 실질적으로는 과팽창이 되어 에너지 손실이 발생한다. 이와 같이, 스로트부(1)(혹은 노즐의 횡단면적이 노즐 축 방향에서 최소가 되는 부위)의 노즐 측면에 구비한 복수의 분출구로부터 제어용 가스를 분출시킨 경우에는, 분사 노즐의 형상(개구비)으로부터 하기 (1)식에 의해 결정되는 적정 팽창압 Po보다도 스로트부(1)의 입구에서의 주공급 가스의 가스 압력이 높은, 겉보기상 부족 팽창의 조건으로, 이 조건을 충족하지 않는 경우보다도 효과적으로 분류 유속을 증대시킬 수 있다.

이상과 같은 제어용 가스에 의한 분류 유속의 증대 기능에 대해서 확인하기 위해, 도 1에 나타낸 바와 같은 개형의 노즐 등을 이용하여 모델 실험을 행하고, 분류 유속에 미치는 제어용 가스의 영향을 조사했다. 이용한 노즐의 형상 조건을 표 1에 나타내지만, 노즐 A1∼A3 및 B는, 스로트부(1)를 갖는 라발 노즐이고, 노즐 C1∼C6은, 노즐 출구로부터 소정의 거리의 위치에 제어용 가스의 분출구를 갖는 스트레이트 노즐이다. 제어용 가스의 분출구는, 어느 조건에 있어서도, 도 2(c)에 나타낸 분사 노즐의 스로트에서의 횡단면도와 같이, 8개를 둘레 방향으로 등분하여 배치하고 있고, 내경 1㎜의 도입 구멍(제어용 가스 도입 구멍)의 개방단(端)으로서 형성하고 있다. C5, C6은 그 8개의 분출구 내 4개를 봉쇄하고 있고, C5에 대해서는 분출구가 4개 인접하도록, C6에 대해서는 분출구가 하나 간격을 두도록 하고 있다. 표 1 중의 제어용 가스 분출구의 면적률이란, 각 노즐의 최소 횡단면적에 대한 제어용 가스 도입 구멍의 총 단면적의 비율이다.

주공급 가스 및 제어용 가스로서 고압 공기를 표 2에 나타내는 유량 조건으로 공급하고, 노즐 선단으로부터 200㎜ 떨어진 중심축 상에서의 분류 유속을 측정한 결과 및 주공급 가스와 제어용 가스의 공급 압력을 표 2에 나타냈다. 이 시험에서는, 각 노즐에 대해서 총 가스 유량(제어용 가스 유량과 주공급 가스 유량과의 합계)을 3조건 이내에서 변경하고, 제어용 가스를 공급하지 않는 경우와, 총 가스 유량에 대한 제어용 가스 유량의 비율이 20％인 경우를 대비시키도록 조사를 행했다. 또한, 표 1에 나타낸 모델 시험용의 노즐의 최소 지름이나 개구비 등의 주요한 형상은, 후술하는 300t 규모의 실기(實機)용의 상취 랜스의 가스 분사 노즐의 대략 1/10의 축척의 닮은꼴로 하도록 결정한 것이다. 또한, 표 2에 나타낸 모델 시험에서의 가스 유량은, 가스의 압력 혹은 선속도를 실기의 조업 조건과 동(同)정도로 하도록, 실기의 가스 분사 노즐에 있어서의 조업 조건 범위의 대략 1/100이 되도록 설정했다.

표 2 중의 분류 가스 속도차는, 노즐 형상과 총 가스 유량이 동일한 조건의 데이터 간에서의 제어용 가스의 유무에 의한 분류 가스 속도의 차이다. 표 2의 결과에 의해, 총 가스 유량이 일정해도, 제어용 가스를 분출시킴으로써, 주공급 가스의 압력이 상승하여, 분류 유속을 증대시키는 것이 가능한 것을 알 수 있다. 특히, 주공급 가스의 압력이 각 노즐의 적정 팽창압을 초과하는 조건에서는, 분류 유속의 증대 효과가 큰 것을 알 수 있다. 이는, 전술한 바와 같이, 제어용 가스를 분출시킴으로써 겉보기상 개구비를 증대시키는 효과가 발생하여, 적정 팽창에 상대적으로 가까운 조건이 되는 것에 의한다고 생각된다.

또한, 라발 노즐 및 스트레이트 노즐의 종류를 묻지 않고, 노즐 횡단면적이 최소의 횡단면이 되는 부위(A1, B 및 C1∼C6의 예) 또는 그 근방의 부위(A2 및 A3의 예)의 노즐 측면에 분출구가 존재하면 증대 효과가 얻어지는 것을 알 수 있다. 또한, 제어 가스를 노즐에 대하여 일방향으로부터 분출시키면 효과가 얻어지지 않고, 제어 가스 분출구를 노즐의 중심축을 통과하는 임의의 평면으로 2분한 경우에 양 공간에 적어도 분출구의 일부가 존재하도록 배치할 필요가 있다고 생각된다.

여기에서, 표 1 및 표 2의 라발 노즐을 이용하는 A1∼A3을 참조하여, 「노즐 횡단면적이 최소의 횡단면적이 되는 부위」에 대해서 검토했다. 우선, A1에 있어서의 분출구를 형성한 위치는, 확대부 길이가 4㎜이고 제어용 가스 분출구의 노즐 출구로부터의 거리가 4㎜이기 때문에, 노즐 횡단면적이 노즐 축 방향에서 최소의 횡단면적이 되는 스로트부(1)인 것을 알 수 있다. 또한, A2에 있어서의 분출구를 형성한 위치는, 확대부 길이가 4㎜이고 제어용 가스 분출구의 노즐 출구로부터의 거리가 2.7㎜이기 때문에, 노즐 횡단면적이 노즐 축 방향에서 최소의 횡단면적의 1.06배가 되는 부위인 것을 알 수 있다. 또한, A3에 있어서의 분출구를 형성한 위치는, 확대부 길이가 4㎜이고 제어용 가스 분출구의 노즐 출구로부터의 거리가 2㎜이기 때문에, 노즐 횡단면적이 노즐 축 방향에서 최소의 횡단면적의 1.14배가 되는 부위인 것을 알 수 있다. 이상의 전제로, A1∼A3의 표 2에 있어서의 「분류 가스 속도차 ㎧」를, 제어용 가스 있음의 경우에서 총 가스 유량 1.1Nm³/min 경우로 비교하면, 최소 횡단면적에 대한 배율이 「1」인 노즐 A1은 ＋20㎧이고, 최소 횡단면적에 대한 배율이 「1.06」인 노즐 A2는 ＋10㎧이고, 최소 횡단면적에 대한 배율이 「1.14」인 노즐 A3은 ＋0이다. 이 점에서, 본 발명에서는, 라발 노즐을 이용한 경우, 노즐 횡단면적이 최소의 횡단면이 되는 부위의 근방의 부위란, 바람직하게는, 노즐의 횡단면적이 노즐 축 방향에서 최소의 횡단면적의 1.1배 이하가 되는 부위인 것을 알 수 있다.

다음으로, 제어용 가스의 공급 조건에 대해서 설명한다.

표 1 중의 노즐 B와 동일 형상의 라발 노즐 형상을 갖는 분사 노즐로, 제어용 가스 분출구를 여러 가지 변경한 조건에 있어서, 제어용 가스 유량 비율(제어용 가스 유량의 총 가스 유량에 대한 비율)이 분류 유속에 미치는 영향을 조사했다. 여기에서, 제어용 가스 분출구는 도 2(a)∼도 2(d)에 나타낸 바와 같이, 2개, 4개 또는 8개를 둘레 방향으로 등분하여 배치하거나, 또는 전체 둘레에 걸쳐 슬릿 형상으로 형성하거나 하여, 분사 노즐의 중심축에 대하여 회전 대칭이 되도록 배치한 것을 이용했다. 복수개의 분출구를 배치한 경우에서는, 각 분사 노즐의 분출구는, 내경 1㎜의 원형 단면의 제어용 가스 도입 구멍의 개방단으로서 형성했다. 또한, 슬릿 형상의 분출구의 경우는 슬릿 형상의 간극의 폭을 1㎜로 했다. 각 분사 노즐에 있어서, 총 가스 유량을 1.1Nm³/min으로 일정하게 하고, 제어용 가스 유량 비율을 0∼30％의 범위에서 변화시켜, 노즐 선단으로부터 200㎜ 떨어진 중심축 상에서의 분류 유속을 측정했다. 분류 유속의 측정 결과를 도 3에 나타낸다. 도 3에 나타내는 바와 같이, 제어용 가스 분출구가 전체 둘레에 걸치는 슬릿 형상이라도, 복수개의 분출구를 배치한 경우라도, 분류 유속의 효과가 있는 것을 알 수 있다. 제어용 가스 유량 비율은, 전술한 스로트부의 노즐 단면적을 겉보기상 감소시키는 효과를 어느 정도 얻기 위해서는, 5％ 이상인 것이 바람직하다고 할 수 있다. 또한, 제어용 가스 유량 비율의 상한에 대해서는 특별히 제한은 없지만, 제어용 가스 유로나 제어용 가스 공급계의 대형화를 피하기 위해서는 50％ 이하 보다 바람직하게는 30％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

또한, 도 3에 나타낸 모든 노즐에 있어서, 분류 유속을 최대화할 수 있는 제어용 가스 유량 비율이 존재하고, 그 비율 이상으로 제어용 가스 유량 비율을 크게 하면, 분류 유속이 감소해 가는 경향이 보여지는 경우도 있는 것을 알 수 있었다. 이는, 제어용 가스를 도입함으로써 발생한, 실제의 노즐의 형상보다도 실질적으로 개구비를 증대시키는 효과와 스로트부 입구에서의 주공급 가스의 압력을 상승시키는 효과의 관계로부터, 실질적으로 적정 팽창이 되는 제어용 가스 유량 비율이 있기 때문이라고 생각된다.

다음으로, 표 1 중의 노즐 B와 동일 형상의 라발 노즐 형상을 갖는 분사 노즐로, 제어용 가스 분출구를 2∼8개의 둘레 방향으로 등분하여 배치한 원형 단면의 제어용 가스 도입 구멍의 개방단으로서 형성한 조건에 있어서, 제어용 가스 도입 구멍의 내경도 0.8∼1.2㎜의 범위에서 변화시켜, 동일하게 분류 유속의 측정을 행하고, 스로트부의 둘레 방향에 있어서 제어용 가스 분출구가 존재하는 영역의 비율이 어떻게 영향을 주는지를 조사했다. 각각의 노즐에 있어서, 총 가스 유량이 1.1Nm³/min으로 일정한 조건하에서, 분류 유속이 최대가 되는 제어용 가스 유량 비율에서의 분류 유속을, 제어용 가스 분출구의 지름×제어용 가스 분출구의 수/분사 노즐의 스로트부 직경을 횡축으로 하여 정리한 결과를 도 4에 나타낸다.

도 4로부터 알 수 있는 바와 같이, 스로트부(혹은 노즐의 횡단면적이 노즐 축 방향에서 최소가 되는 스트레이트부)의 둘레 방향에 있어서, 분출구가 존재하는 영역의 비율은, 상기한 겉보기상 스로트부의 노즐 단면적을 감소시키는 효과의 관점에서, 어느 정도 큰 것이 바람직하다. 이 때문에, 분사 노즐의 측면의 둘레 방향으로 복수의 방향으로 형성한 분출구는, 분출구의 지름(분사 노즐의 중심축 및 제어용 가스 도입 구멍의 중심축에 수직인 방향의 지름, 혹은 분출구로의 제어용 가스의 도입 구멍의 직경)의 분사 노즐의 측면의 둘레 방향의 총 연장, 즉, 분출구의 지름과 분사 노즐 1개당의 분출구의 수 n의 곱을, 분사 노즐의 스로트부 직경, 혹은 횡단면적이 최소가 되는 부위의 노즐 내경의 0.4배 이상으로 하는 것이 바람직하다.

또한, 표 1 중의 노즐 B와 동일 형상의 라발 노즐 형상을 갖는 분사 노즐로, 제어용 가스 분출구를 분사 노즐의 둘레 방향의 전체 둘레에 걸치는 슬릿 형상으로 한 조건에서, 그 슬릿의 간극의 간격을 0.6㎜∼2.0㎜의 범위에서 변화시켜 상기와 동일하게 분류 유속 측정을 행했다. 각각의 노즐에 있어서, 분류 유속이 최대가 되는 제어용 가스 유량 비율에서의 분류 유속을, 슬릿의 간극의 간격/분사 노즐의 스로트부 직경을 횡축으로 하여 정리한 결과를 도 5에 나타낸다.

도 5로부터 알 수 있는 바와 같이, 분출구가 분사 노즐의 측면의 전체 둘레 방향으로 슬릿 형상으로 형성되어 있는 경우, 슬릿 형상의 간극으로서 형성되는 분출구의 분사 노즐의 축 방향의 길이가 지나치게 커지면, 분류 유속의 증대 효과가 감소하는 경향이 있기 때문에, 슬릿 형상으로 형성되는 분출구의 분사 노즐의 축 방향의 길이는, 분사 노즐의 횡단면적이 최소가 되는 부위의 분사 노즐 내경의 0.25배 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 슬릿 형상의 간극이 분사 노즐 내경의 0.25배보다 지나치게 커지면, 상기한 겉보기상 스로트부의 노즐 단면적을 감소시키는 효과를 얻기 위해 필요해지는 제어용 가스의 유량이 증대하고, 제어용 가스 유로나 제어용 가스 공급계의 대형화가 필요해지는 점에서도 바람직하지 않다.

또한, 분출구의 특징에 대해서 설명하면, 도 2(a)∼도 2(d)에 나타낸 스로트부에서의 횡단면도와 같이, 분출구는, 2개 이상이라면 좋고, 혹은 노즐의 둘레 방향 전체 둘레에 걸치는 슬릿 형상이라도 좋지만, 분출구를 분사 노즐 중심축에 대하여 비대칭으로 배치하면, 특허문헌 3에 기재되어 있는 바와 같이, 분사 노즐로부터 분사되는 기체 분류가 중심축으로부터 편향되는 경향이 있기 때문에, 분출구는 노즐의 중심축을 통과하는 임의의 평면으로 2분한 경우에 양 공간에 적어도 분출구의 일부가 존재하도록 배치하는 것이 바람직하다. 이때, 복수의 분출구는, 분사 노즐 축 방향에는 모두 동일한 위치로 하는 것이, 상기한 겉보기상 스로트부의 노즐 단면적을 감소시키는 효과의 관점에서 바람직하지만, 반드시 엄밀하게 노즐 축 방향의 위치를 일치시키는 것이 필요해지는 것은 아니다. 분출구를 분사 노즐 축 방향으로 서로 근접시킴과 함께, 분사 노즐 중심축을 통과하는 임의의 평면으로 2분한 경우에 양 공간에 적어도 분출구의 일부가 존재하도록 배치되어 있으면, 모든 분출구가 분사 노즐 축 방향으로 동일한 위치에 배치된 경우보다는 효율이 뒤떨어지지만, 유사한 분류 유속의 증대 효과는 얻어진다.

이와 같이 제어용 가스의 분출구를 노즐 측면의 둘레 방향으로 복수의 방향으로 형성한 경우에는, 제어용 가스의 복수의 분출구로의 제어용 가스의 도입로는, 상취 랜스 내에 있어서 서로 연통시키도록 함으로써, 제어용 가스의 유량 제어계나 공급 경로를 단순화하면서, 각 분출구로부터 분출시키는 제어용 가스를 균형 좋게 공급하는 것이 가능해진다. 보다 바람직하게는, 분사 노즐의 주위에 형성한 환상의 가스 유로를 통하여 복수의 분출구로의 제어용 가스의 도입로를 형성하는 것이 적합하다.

또한, 분출구는, 전체가 스로트부에 포함되는 것이 바람직하지만, 스로트부의 길이가 짧아 분출구의 분사 노즐 축 방향의 지름보다도 작아지는 경우도 있어, 분출구의 일부가 하류측의 끝 확장부나, 상류측의 도시하지 않는 선세부에 포함되었다고 해도, 분출구의 중심 위치가 스로트부에 포함되어 있는지, 또는, 스로트부의 전체가 분사 노즐 축 방향에서 분출구의 존재 범위에 포함되어 있으면, 후술하는 분류 유속을 제어하는 기능에는 큰 차이는 없고, 동일한 효과가 얻어진다.

또한, 노즐 측면으로부터의 제어용 가스의 분출에 의해 겉보기상 노즐 단면적을 감소시키는 효과는, 반드시 분출구가 분사 노즐의 횡단면적이 분사 노즐 축 방향에서 엄밀하게 최소가 되는 부위에 설치된 경우에 한정되는 것이 아니라, 이 부위에 설치된 경우에 분류 유속을 증대시키는 효과가 가장 효율적으로 얻어지는 것뿐으로, 분사 노즐 축 방향에서 최소의 횡단면적에 가까운 부위라도, 유사한 분류 유속의 증대 효과는 얻어지는 경우가 있다. 단, 분출구가 설치되는 분사 노즐 축 방향 위치의 분사 노즐의 횡단면적이 커지면, 대량의 제어용 가스가 필요해져 분류 유속의 증대 효율도 저하하는 경우가 있기 때문에, 최소 횡단면적의 1.1배 이하인 횡단면적의 부위에 설치하는 것이 바람직하다.

또한, 상기한 스로트부의 노즐 단면적을 겉보기상 감소시키는 효과를 보다 효과적으로 얻기 위해서는, 분사 노즐 내를 향하여 분출되는 제어용 가스의 분출구에 있어서의 선속도(Nm/s)는 어느 정도 큰 것이 바람직하고, 스로트부에 있어서의 주공급 가스 선속도(스로트부의 횡단면 전체에서의 평균값)에 대하여 1/2배∼2배 정도의 범위 내라면, 제어용 가스의 압력이 지나치게 높아지는 일 없이, 스로트부의 노즐 단면적을 겉보기상 감소시키는 효과가 효과적으로 얻어지기 때문에 바람직하다. 이상으로 나타낸 모델 시험 결과에 기초하여 얻어진, 제어용 가스에 의해 분류 유속의 증대 효과가 얻어지는 적합 조건에 관한 인식 중, 유량비, 길이의 비, 면적비 및 선속도비 등의 무차원의 지표에 관한 것은, 실기의 경우도 포함하여 축척 혹은 사이즈가 크게 상이한 경우라도, 가스 압력 혹은 노즐에서의 선속도의 범위가 동(同)정도이면 충분히 유효하고, 대응하는 무차원의 지표의 적합 범위가 그대로 적용 가능하다.

다음으로, 발명자들은, 본 발명에 따른 상취 랜스를 이용하여 분류의 유속 혹은 동압을 제어함으로써, 전로에서의 탈탄 취련 등의 송산 정련에 있어서 안정적으로 조업하면서, 더스트 발생량이나 철의 산화 로스를 저감하는 방법에 대해서 예의 연구했다.

일반적으로 철강의 송산 정련은, 탈규, 탈탄, 탈린 등을 목적으로 하여 실시되지만, 정련의 초기의 단계에 있어서는 산소의 공급 속도를 크게 하여 불순물 원소를 효율적으로 제거하는 것이 지향되고, 정련의 말기의 단계에서는 불순물 원소의 농도가 저하하여 산화철의 생성 등의 목적 외의 반응이 우세해지는 점에서 산소의 공급 속도를 작게 하는 바와 같은 송산 패턴이 선택되는 경우가 많다. 상취 랜스로부터 산소 가스를 공급하는 경우, 이러한 송산 속도의 변경에 수반하여 상취 산소 제트의 운동 에너지가 변화하기 때문에, 상취 산소 제트의 용융 슬래그나 용철면으로의 충돌 상태가 변화하여 반응 속도가 영향을 받을 우려가 있다.

예를 들면, 용철의 탈탄 정련에 있어서, 산화철의 생성을 억제하기 위해 송산 정련 말기에 상취 산소 가스의 공급 속도를 저하시키면, 상취 산소 제트의 운동 에너지가 저하하고, 상취 산소 제트의 충돌 위치(화점)에 있어서의 교반·혼합 상태가 변화하여 탈탄 산소 효율이 저하하는 경향이 있다. 이 때문에, 이러한 경우에는 랜스 높이를 낮게 하고, 상취 산소 제트의 운동 에너지의 저하를 억제하는 방법도 이용되지만, 안전상 가능한 랜스 높이에는 한도가 있어 충분한 대응은 곤란했다.

본 발명의 용철의 송산 정련 방법에서는, 이러한 경우, 상취 랜스로부터 용철에 분사하는 산소 함유 가스의 공급 속도에 따라서, 제어용 가스의 공급 속도를 조정함으로써도 상취 산소 제트의 운동 에너지를 증대시킬 수 있기 때문에, 효율적인 반응 속도가 얻어지는 정련 조건의 자유도가 증대한다. 예를 들면, 용철의 탈탄 정련에 있어서, 총 산소 가스량의 85％를 공급한 이후와 같은 송산 정련 말기에 상취 산소 가스 공급 속도를 저하시키는 경우에 있어서, 제어용 가스를 분출시키면서 주공급 가스로서 산소 가스를 공급함으로써, 탈탄 산소 효율의 저하를 억제하여 보다 효과적으로 산화철의 생성을 억제할 수 있다. 이때, 말기를 제외한 정련 단계에 있어서는 제어용 가스의 공급을 행하지 않음으로써, 산소 가스 공급 속도가 큰 전단의 정련 단계에 있어서도 과잉의 용철의 비산이나 더스트의 생성을 억제할 수 있고, 송산 정련의 진행에 수반하여 제어용 가스의 공급 속도를 변경함으로써 전체적으로 효율적인 정련 조건으로 유지할 수 있다.

제어용 가스를 공급함으로써, 동일한 총 가스 유량 및 랜스 높이의 조건이라도 용철 욕면에서의 분류 유속을 증대시켜, 산화철의 생성을 억제하는 효과에 대해서 검증하기 위해, 2t 규모의 상저취 정련로 설비를 이용하여 용선의 탈탄 처리를 행하고, 슬래그 중 산화철 농도에 미치는 제어용 가스의 영향을 조사했다. 소형로를 이용하는 용철의 정련 시험에서는, 용철의 단위 질량당의 산소 가스나 정련제의 공급량이나 공급 속도 및, 저취 가스에 의한 교반 동력 밀도(W/t) 등의 조건을 실기와 동정도로 함으로써, 실기에서의 정련 반응을 모방한 시험을 실시할 수 있다고 생각된다. 이에 따라 결정한 산소 가스 유량의 조건에 있어서, 실기의 상취 랜스 혹은 전술한 분사 노즐의 모델 시험과 동정도의 가스 압력 혹은 노즐에서의 선속도의 범위가 되도록 상취 랜스의 설계를 행했다. 또한, 랜스 높이의 조건에 대해서는, 용철의 오목 부분 깊이를 구하는 경험식을 이용하여, 철욕(鐵浴) 깊이에 대한 오목 부분 깊이의 비율이 실기의 조업 범위와 동정도가 되도록 결정했다.

표 3에 시험에 이용한 상취 랜스의 조건을 나타낸 바와 같이, 각각 스트레이트형의 분사 노즐을 갖는 단공(單孔)의 랜스 D 및 5공(孔)의 랜스 E의 2종류의 상취 랜스를 이용하여, 각각의 랜스에 형성한 각 분사 노즐에, 각 분사 노즐의 중심축에 대하여 4회 회전 대칭이 되도록 각 4개의 제어용 가스 분출구를 형성했다. 표 4에 나타낸 주된 시험 조건과 같이, 소량의 아르곤 가스를 저취하여 용철을 교반하면서, 일정한 총 산소 가스 유량의 조건으로 저탄소 농도역까지 탈탄 처리를 행했다. 각 상취 랜스에 대해서, 제어용 가스를 공급하지 않았던 경우와, 총 산소 가스 유량의 약 23％를 제어용 가스로서 공급한 경우를 비교하여, 탈탄 처리 종료 시의 분사 정지 탄소 농도(질량％)와 슬래그 중 T.Fe 농도(질량％)의 관계를 측정한 결과를 표 5 및 도 6에 나타냈다.

표 5 및 도 6에 나타낸 결과로부터, 제어용 가스 분출구로부터 제어용 가스를 분출시킴으로써, 제어용 가스를 이용하지 않는 종래의 기술의 경우와 비교하여, 동일한 총 가스 유량 및 랜스 높이의 조건이라도 슬래그 중의 T.Fe가 상대적으로 감소하여, 철의 산화 로스가 억제된 것을 알 수 있다. 이는, 제어용 가스의 효과에 의해 산소 가스 분류가 철욕에 충돌할 때의 유속이 증대하고, 화점에서의 교반력이 강화된 것에 의한다고 생각된다. 이 시험에서는 전체 취련 기간을 통하여 제어용 가스를 공급하여 행했지만, 탈탄 정련에 있어서의 슬래그 중 산화철 농도의 상승은 정련의 말기에 있어서 현저하다는 것이 알려져 있고, 예를 들면, 총 산소 가스량의 85％를 공급한 이후와 같은 송산 정련 말기에만 제어용 가스를 공급하도록 해도, 동일하게 철의 산화 로스를 억제하는 효과가 얻어지는 것은 분명하고, 송산 정련의 진행에 수반하여 제어용 가스의 공급 속도를 변경하는 것이 효과적이다.

또한, 송산 정련 중에 정련 상태를 검지한 결과에 기초하여 제어용 가스의 공급 속도를 변경하는 방법도 효과적이고, 예를 들면, 슬래그의 포밍 높이를 검지하거나, 배기 가스의 분석 정보에 기초하여 탈탄 산소 효율을 경시적(經時的)으로 측정하거나 한 결과에 기초하여, 산화철의 생성 속도를 조정하기 위해 제어용 가스의 공급 속도를 변경하는 방법(예를 들면, 슬래그 중 산화철 농도가 과대한 경우에, 산화철 생성 속도를 감소시키기 위해, 제어용 가스의 공급을 개시하여 상취 산소 가스 제트의 동압을 상승시키는 방법) 등이 유효하다.

또한, 송산 정련 개시 전에 판명되어 있는 용철의 온도, 규소 농도, 탄소 농도, 스크랩 사용량 등의 정련 조건에 따라서, 제어용 가스의 공급 속도의 변경 패턴을 조정하는 것도 유효하다. 예를 들면, 송산 정련 개시 전의 규소 농도가 0.40질량％ 이상인 용철의 탈탄 정련에 있어서는, 공급하는 산소 함유 가스에 포함되는 총 산소 가스량의 20％를 공급하기 이전의 송산 정련 초기에, 고송산 속도 또한 고랜스 높이의 정련 조건에 있어서, 슬로핑이 발생하기 쉬운 경향이 있다. 이 경우, 제어용 가스를 분출시키면서 주공급 가스로서 산소 함유 가스를 공급함으로써, 상취 산소 제트의 동압을 증대시켜 과잉의 산화철의 생성을 억제함으로써 슬로핑의 발생을 방지함과 함께, 송산 정련 개시 전의 규소 농도가 0.40질량％ 미만인 용철의 탈탄 정련에 있어서는, 송산 정련 초기에는 제어용 가스의 공급을 행하는 일 없이, 상취 산소 제트의 동압을 저위로 추이시켜 용철의 비산이나 더스트의 생성을 억제하는 방법을 들 수 있다.

전로의 탈탄 취련에서는 취련 전의 용선 중의 규소 농도가 높은 경우에서는, 슬로핑이라고 불리우는 슬래그의 분출이 발생하는 경우가 있는 것이 알려져 있다. 이는, 취련 초기에 생석회 등의 CaO계 매용제의 액상 슬래그로의 용해(재화(slag formation))가 그다지 진행되어 있지 않는 단계에서 이산화 규소가 대량으로 생성되면, 대량으로 생성된 고점도의 용융 슬래그 중에 탈탄 반응으로 생성된 CO 기포가 체류하여 겉보기의 체적이 10배 정도나 증대하는 현상(슬래그 포밍)이 급격하게 진행되는 것에 기인한다. 특히, 슬래그가 포밍하여 두께가 증대하면, 상취 산소 제트가 감쇠하여 용선이나 슬래그로의 충돌 상황이 변화하고, 철의 산화에 소비되는 산소의 비율이 증대하여 슬래그 중 산화철 농도의 상승을 초래하는 경향이 있다. 슬래그 중 산화철 농도가 상승하면, 용철욕이나 슬래그 중의 용철 액적 중의 탄소와의 반응에 의해, 슬래그 중에 형성되는 미소한 CO 기포가 증대하여 포밍을 조장하는 점에서, 가속도적으로 포밍이 진행하여 슬로핑에 도달하는 경우가 있다.

이러한 슬로핑을 방지하는 방법으로서, 슬래그의 포밍 높이에 따라서 랜스 높이를 낮게 하고, 용철욕에 충돌하는 상취 제트의 동압을 확보하여 과잉의 산화철의 생성을 억제하는 방법도 고려되지만, 취련 초기와 같은 고송산 속도의 취련 조건에 있어서 랜스 높이를 낮게 하는 것은, 비산한 용철에 의해 상취 랜스가 용손되어 수리 빈도가 증대하거나, 누수에 의한 조업 저해를 초래하거나 하는 리스크가 높아 유리한 득책은 아니다. 슬로핑은 조업을 크게 저해하는 요인이 되기 때문에, 통상, 취련 전의 용선 중의 규소 농도가 높은 경우는, 취련 초기의 송산 속도를 저위로 함으로써 슬로핑을 억제하고 있다. 그러나, 송산 속도가 저하하는 것은, 취련 시간 연장의 원인이 되어 있다. 그래서, 발명자들은, 취련 초기의 송산 속도를 저하시키지 않는 조건으로, 취련 전의 용선 규소 농도와 노즐에 공급하는 제어용 가스 유량 비율이 슬로핑에 미치는 영향에 대해서 조사했다.

2t 규모의 상저취 정련로 설비에 있어서, 여러 가지의 규소 농도의 용선에 대하여 탈탄 처리를 행하고, 슬로핑의 발생 상황, 더스트의 발생 상황 및 슬래그 중 T.Fe 농도에 미치는 제어용 가스의 영향을 조사했다. 제어용 가스 유량 이외의 기본적인 시험 조건은 표 4에 나타낸 것과 동일하고, 탈탄 처리 전의 용선의 규소 농도는 0.1∼0.5질량％의 범위에서 변화시켰다. 상취 랜스는 표 3 중의 랜스 E와 동일한 것을 이용하여, 총 산소 가스 유량을 일정하게 하는 조건으로, 제어용 가스 유량 비율을 여러 가지 변경하고, 약 0.05질량％의 저탄소 농도까지 탈탄 처리를 행했다.

취련 전의 규소 농도가 0.4질량％ 이상인 용선의 탈탄 취련에 있어서, 취련 초기의 제어용 가스 유량 비율에 의한 슬로핑의 발생 유무의 결과를 도 7에 나타낸다. 또한, 취련 전의 규소 농도가 0.4질량％ 미만인 용선의 탈탄 취련에 있어서는, 슬로핑의 발생은 보이지 않았다. 이들 결과로부터, 취련 전의 용선 규소 농도가 0.4질량％ 이상인 용선의 탈탄 취련의 경우, 취련 초기에, 상취 랜스의 산소 가스 분사 노즐에 형성한 제어용 가스 분출구로부터 적당한 조건으로 제어용 가스를 공급함으로써, 취련 초기의 슬로핑의 억제가 가능한 것을 알 수 있다.

또한, 용선의 규소 농도가 0.4질량％ 미만인 조건에서의 제어용 가스 유량 비율과 더스트 발생 속도의 관계를 도 8에 나타낸다. 제어용 가스 유량 비율을 증대하면 더스트 발생 속도가 증가하는 경향이 있는 것을 알 수 있다. 탈탄 정련에 있어서의 더스트는, CO 기포의 파포에 수반하여 생성되는 미소한 액적(버블 버스트)에 기인하는 것이 주체로서, 탈탄 처리의 초기부터 중반에 걸쳐 탈탄 최성기에 있어서 특히 발생 속도가 큰 것이 알려져 있다. 제어용 가스를 공급하여 산소 가스 분류의 유속이 증대하면, 물리적으로 비산하는 용철 액적이 증대하고, 이로부터 2차적으로 버블 버스트에 의해 생성되는 더스트의 발생 속도가 증대하거나, 가스 유속이 증대함으로써 로 밖으로 동반하여 사라져버리는 더스트의 비율이 증대하거나 하기 때문에, 더스트 발생 속도가 증가했다고 생각된다. 또한, 미리 예비 처리를 행하여 규소 농도가 낮은 용선의 탈탄 처리에서는, 커버 슬래그의 생성량이 적기 때문에 더스트 발생 속도가 커지기 쉽다. 따라서, 규소 농도가 0.4질량％ 미만인 용선의 탈탄 처리에 있어서는, 탈탄 최성기에는, 제어용 가스를 공급하지 않고 취련함으로써, 더스트 발생 속도의 증대를 회피하는 것이 바람직하다고 할 수 있다.

규소 농도가 0.4질량％ 미만인 용선의 탈탄 처리에 있어서, 탄소 농도 약 0.05질량％까지 탈탄 취련을 행한 시점에서의 슬래그 중의 T.Fe 농도(질량％)와 제어용 가스 유량 비율의 관계를 도 9에 나타낸다. 적당한 조건으로 제어용 가스를 공급함으로써, 슬래그 중의 T.Fe가 감소하고, 철의 산화 로스를 억제할 수 있는 것을 알 수 있다. 이는, 규소 농도가 0.4질량％ 이상인 용선의 탈탄 처리에 있어서도 동일한 경향이고, 제어용 가스의 효과에 의해 산소 가스 분류의 유속이 증대하고, 화점에 있어서의 교반력이 강화되는 것에 의한다고 생각된다.

이상의 인식으로부터, 규소 농도가 0.4질량％ 이상인 용선의 탈탄 처리에서는, 총 산소 가스량의 20％를 공급하기 이전과 같은 송산 정련 초기 및 총 산소 가스량의 85％를 공급한 이후와 같은 송산 정련 말기에 있어서, 상취 랜스의 산소 가스 분사 노즐에 형성한 제어용 가스 분출구로부터 적당한 조건으로 제어용 가스를 공급함으로써, 산소 가스 분류의 유속을 상대적으로 증대시키고, 다른 기간에는 제어용 가스를 공급하지 않는 바와 같은 정련 방법이 바람직하다고 할 수 있다.

또한, 규소 농도가 0.4질량％ 미만인 용선의 탈탄 처리에서는, 총 산소 가스량의 85％를 공급한 이후와 같은 송산 정련 말기에 있어서, 상취 랜스의 산소 가스 분사 노즐에 형성한 제어용 가스 분출구로부터 적당한 조건으로 제어용 가스를 공급함으로써, 산소 가스 분류의 유속을 상대적으로 증대시키고, 다른 기간에는 제어용 가스를 공급하지 않는 바와 같은 정련 방법이 바람직하다고 할 수 있다.

실시예

이하, 본 발명에 따른 용철의 송산 정련 방법을 공업적인 규모의 전로 탈탄 처리에 적용한 실제의 예에 대해서 설명한다.

300t 규모의 상저취 전로 설비에 있어서, 상취 랜스의 분사 노즐의 사양을 여러 가지 변경하여 용선의 탈탄 처리를 행하고, 더스트 발생량, 철 수율 및 슬로핑의 발생 상황에 미치는 영향을 조사했다. 미리 중량 부스러기를 포함하는 철 스크랩을 장입한 혼선차에 고로에서 용선을 수선(受銑)하여 제강 공장에 반송한 후, 소정량의 용선을 용선 레이들(molten pig iron ladle)로 배출하고, 용선 레이들에 있어서 기계 교반식의 용선 탈황 장치를 이용하여 탈황 처리를 행했다. 탈황 처리 후의 슬래그를 용선 레이들로부터 배출하고 나서, 미리 철 스크랩 약 30톤을 장입한 전로에 용선을 장입하여 탈탄 처리를 행했다. 1회의 취련에서의 용선과 철 스크랩의 합계 장입량은 약 300톤, 용선의 전로 장입 시의 온도는 1280∼1320℃, 규소 농도는 0.20∼0.60질량％, 탄소 농도는 4.0∼4.4질량％의 범위였다.

장입한 용선의 양, 온도, 규소 농도 및 탄소 농도, 장입한 철 스크랩의 양, 목표로 하는 용강의 온도, 탄소 농도 등의 정보로부터, 스태틱 제어에 기초하여, 취련에서 공급하는 총 산소량, 발열재나 냉각재의 첨가량을 결정했다. 또한, 생석회 등의 부원료는, 탈탄 처리 후의 슬래그의 계산 염기도(CaO질량％/SiO₂질량％)를 3.5로 하도록 첨가량을 결정하고, 취련 초기에 전체량을 첨가했다. 이때, 목표로 하는 용강의 인 농도에 따라서, 필요에 따라서 슬래그 생성량을 조정했다.

탈탄 취련에 있어서의 총 산소 공급 속도 및 랜스 높이(용철의 정지 욕면에서 랜스 선단까지의 거리)는, 취련 말기를 제외한 취련 초기부터 중반에 있어서 각각 750Nm³/min(2.5Nm³/(min·t)) 및 4.0m로 하고, 스태틱 제어에 기초하여 결정한 총 산소량의 85％를 공급한 이후의 취련 말기에 있어서는 각각 450Nm³/min(1.5Nm³/(min·t)) 및 2.5m로 했다. 또한, 이들 랜스 높이는, 랜스 F를 이용한 과거의 조업 실적으로부터, 대응하는 총 산소 공급 속도에 있어서, 상취 랜스의 손상 상황에 큰 차이가 없이 안정적으로 조업이 가능한 랜스 높이의 하한으로서 설정한 값이다. 또한, 전로의 로저(爐低)에 형성한 복수의 가스 분사 플러그로부터, 전체 취련 기간을 통하여 30Nm³/min(0.10Nm³/(min·t))의 아르곤 가스를 저취했다.

취련 말기에 있어서, 서브 랜스를 사용하여 측정한 용강의 온도와 탄소 농도에 기초하여, 측정 후에 공급하는 산소량 및 냉각재의 첨가량을 결정했다. 결정한 산소량을 공급하여 종료된 시점에서 취련을 종료하고, 용강을 래들에 출강했다. 그 후, RH 탈가스 장치 또는 버블링 장치에 의한 래들 정련을 거쳐 성분 및 온도를 조정한 용강을 연속 주조 장치에 공급하고, 슬래브 등의 연속 주조를 행했다.

시험에 사용한 8종의 상취 랜스의 조건을 이하의 표 6에 나타냈다.

랜스 F는, 종래부터 조업에 이용하고 있던 라발 노즐을 갖는 상취 랜스이다. 랜스 G 및 랜스 H는, 대산소 유량 시의 분류 유속을 저하시켜 철의 비산 로스나 더스트의 생성을 억제하는 것을 의도하여 랜스 F의 분사 노즐 형상을 변경한 것으로서, 랜스 G에서는 스로트 지름을 66㎜로 확대하고, 랜스 H에서는 내경 70㎜의 스트레이트형의 분사 노즐을 이용했다. 또한, 상취 랜스에 필요한 수냉 구조를 확보하는 관점에서, 분사 노즐의 출구 지름을 70㎜보다도 확대하는 것은 곤란했다.

랜스 I는 랜스 G의 각 분사 노즐의 스로트부에, 또한, 랜스 J는 랜스 H의 각 분사 노즐의 출구로부터 70㎜의 위치에, 각각 내경 10㎜의 원형 단면의 제어용 가스 도입 구멍의 개방단으로서 형성한 제어용 가스 분출구 8개를, 분사 노즐의 내면에 둘레 방향으로 등분하여 배치시킨 본 발명예의 상취 랜스이다. 또한, 랜스 K∼M은, 랜스 H에 대하여 각 분사 노즐의 출구로부터 70㎜의 위치에 상이한 형태의 제어용 가스 분출구를 형성한 본 발명예의 상취 랜스이다. 랜스 K 및 랜스 M에서는, 각각 3㎜폭 및 10㎜폭의 간극의 슬릿 형상의 제어용 가스 분출구를 각 분사 노즐 내면의 전체 둘레에 걸쳐 형성했다. 랜스 N에서는, 각 분사 노즐 내면에 각각 내경 6㎜의 원형 단면의 제어용 가스 도입 구멍의 개방단으로서 형성시킨 제어용 가스 분출구 4개를, 분사 노즐의 내면의 둘레 방향으로 등분하여 배치시켰다.

각 랜스의 각 분사 노즐의 각 제어용 가스 분출구로의 제어용 가스의 도입로는 랜스 내에서 서로 연통하고 있어, 제어용 가스 공급 장치로부터 소정의 유량으로 제어한 공업용 순산소 가스를 제어용 가스로서 공급했다. 어느 상취 랜스를 사용한 경우에 있어서도, 제어용 가스를 사용하는 경우에는, 표 6에 나타낸 제어용 가스 유량 비율(총 가스 유량에 대한 제어용 가스량의 비율)로 했다.

다음으로, 각 상취 랜스를 사용한 경우의, 슬로핑의 발생 상황과, 이에 수반하여 결정한 조업 방법에 대해서 설명한다.

랜스 F의 경우에는 조업을 저해하는 바와 같은 슬로핑은 발생하지 않았지만, 랜스 G의 경우에는 용선의 규소 농도가 0.50질량％ 이상이 되면, 또한, 랜스 H의 경우에는 용선의 규소 농도가 0.40질량％ 이상이 되면, 비교적 큰 슬로핑이 발생하는 경우가 있어, 안정적으로 조업을 계속하는 것이 곤란했다. 이 때문에, 랜스 G를 이용한 조업에서는, 혼선차에서의 용선의 예비 탈규 처리나 저규소 농도 용선 래들과의 합탕(合湯)에 의해, 전로에 장입하는 용선의 규소 농도를 0.50질량％ 미만으로 제한하여 조업을 계속했다. 또한, 랜스 G와 동일한 분사 노즐 형상을 갖는 랜스 I를 이용한 조업에서는, 스태틱 제어에 기초하여 결정한 총 산소량의 20％를 공급할 때까지의 취련 초기에 있어서, 전로에 장입하는 용선의 규소 농도가 0.50질량％ 이상인 경우에는 제어용 가스를 공급하고, 전로에 장입하는 용선의 규소 농도가 0.50질량％ 미만인 경우에는 제어용 가스를 공급하지 않고 조업을 행했다. 또한, 랜스 H를 이용한 조업에서는, 동일하게 하여 전로에 장입하는 용선의 규소 농도를 0.40질량％ 미만으로 제한하여 조업을 계속했다. 또한, 랜스 H와 동일한 분사 노즐 형상을 갖는 랜스 J∼M을 이용한 조업에서는, 스태틱 제어에 기초하여 결정한 총 산소량의 20％를 공급할 때까지의 취련 초기에 있어서, 전로에 장입하는 용선의 규소 농도가 0.40질량％ 이상인 경우에는 제어용 가스를 공급하고, 전로에 장입하는 용선의 규소 농도가 0.40질량％ 미만인 경우에는 제어용 가스를 공급하지 않고 조업을 행했다. 이때, 랜스 G를 이용한 조업으로 예비 탈규 처리를 실시한 용선의 비율 및, 랜스 I를 이용한 조업으로 전로 장입 시의 용선의 규소 농도가 0.50질량％ 이상이었던 차지의 비율은, 모두 약 1할이었다.

또한, 랜스 H를 이용한 조업에서는, 동일하게 하여 전로에 장입하는 용선의 규소 농도를 0.40질량％ 미만으로 제한하여 조업을 계속했다. 또한, 랜스 H와 동일한 분사 노즐 형상을 갖는 랜스 J∼M을 이용한 조업에서는, 스태틱 제어에 기초하여 결정한 총 산소량의 20％를 공급할 때까지의 취련 초기에 있어서, 전로에 장입하는 용선의 규소 농도가 0.40질량％ 이상인 경우에는 제어용 가스를 공급하고, 전로에 장입하는 용선의 규소 농도가 0.40질량％ 미만인 경우에는 제어용 가스를 공급하지 않고 조업을 행했다. 이때, 랜스 H를 이용한 조업으로 예비 탈규 처리를 실시한 용선의 비율 및, 랜스 J∼M을 이용한 조업으로 전로 장입 시의 용선의 규소 농도가 0.40질량％ 이상이었던 차지(charging)의 비율은, 모두 약 4할이었다.

또한, 어느 제어용 가스 분출구를 갖는 랜스를 이용한 경우에 있어서도, 스태틱 제어에 기초하여 결정한 총 산소량의 85％를 공급한 이후의 취련 말기에 있어서는, 총 산소 공급 속도를 저하시킴과 함께 제어용 가스를 공급하여 취련을 행했다. 또한, 상기의 취련 초기 및 취련 말기를 제외한 기간에 대해서는, 어느 제어용 가스 분출구를 갖는 랜스를 이용한 경우에 있어서도 제어용 가스를 공급하지 않고 조업을 행했다.

각 상취 랜스마다 200회 정도의 취련을 계속하여 실시하고, 1회의 취련당의 더스트 발생량(원단위)과 철 수율의 평균값을 평가한 결과를 이하의 표 7에 나타낸다. 더스트 발생량은, 각 상취 랜스를 사용한 기간에 있어서의 집진 더스트의 발생량으로부터 구한 평균 원단위로 했다. 철 수율은, 연속 주조까지의 공정에서 발생한, 제품량, 배편(排片;rejection)량 및 재이용을 위해 회수한 지금량(base metal amount)의 합계로부터 구했다. 또한, 취련의 초기 및 말기의 송산 조건에 있어서의 각 랜스의 분사 노즐의 배압(주공급 가스의 랜스로의 공급압) 및 취련 종료 시의 용강 중 탄소 농도가 0.04∼0.05질량％인 경우의 슬래그 중(T.Fe)의 평균값도 함께 표 7에 나타냈다. 표 7 중 주공급 가스 배압(초기)의 란의 괄호 내의 수치는, 제어용 가스를 공급하지 않는 경우의 값이다.

표 7의 결과로부터, 랜스 G 및 랜스 H의 경우에는, 랜스 F의 경우보다도 더스트 발생량은 저감하지만, 슬래그 중 산화철 농도의 상승에 의해 철 수율의 향상 효과가 감쇄되어 있는 것을 알 수 있다. 또한, 랜스 G 및 랜스 H를 이용한 조업에서는, 용선의 예비 탈규 처리가 필요한 경우가 있어, 탈규제에 함유되는 산화철의 분해에 의한 흡열이 발생하기 때문에 바람직하지 않다.

이에 대하여 본 발명예에서는, 용선의 예비 처리를 행하지 않아도, 필요한 경우에 제어용 가스를 공급하여 상취 산소 분류의 속도를 증대시킴으로써 슬로핑을 방지하는 것이 가능하다. 이에 따라, 상취 산소 분류의 속도의 증대가 필요하지 않은 경우에는, 분류 속도를 저감하여 더스트를 억제함과 함께, 정련 말기에 있어서는 제어용 가스를 공급하여 슬래그 중 산화철 농도의 상승을 억제할 수 있기 때문에, 철 수율을 향상하는 조업을 안정적으로 계속하는 것이 가능해진다. 또한, 상기의 조업에 있어서, 슬래그 중 산화철 농도를 저감하는 것이 가능해지기 때문에, 탈산용 등의 합금철을 절약할 수 있는 이점도 있다. 랜스 L 및 랜스 M의 경우에는, 다른 본 발명예에 대하여 슬래그 중 산화철 농도가 조금 상승하는 경향이었기 때문에, 철 수율의 향상 효과는 감소했지만, 랜스 F를 이용하는 종래의 조업에 비하여, 더스트 발생량의 저감 효과 및 철 수율의 향상 효과는 분명하다.

(산업상 이용 가능성)

또한, 상기 실시예에서는 탈탄 취련의 경우에 대해서 설명했지만, 본 발명은 이에 한정하는 것이 아니라, 탈린 취련이나 탈규 취련에서 이 랜스를 이용해도 좋다. 또한, 송산 랜스에 의한 정련 공정이면, 예를 들면 전기로에서의 정련에 있어서도 이 기술을 응용 가능하다. 특히, 다른 가스 공급 조건의 변경에 의존하지 않고 분류 속도 혹은 동압을 증대시키고 싶은 경우에는 효과적이고, 예를 들면, 전로형 정련로를 이용한 용선의 예비 탈린 처리에 있어서, 정련 말기의 탈린 산소 효율의 저하에 따라서 상취 산소 가스 공급 속도를 저하시킬 때에, 제어용 가스를 이용하여 상취 분류 속도의 저하를 억제하는 본 발명의 송산 정련 방법을 적용함으로써 탈린 반응 효율의 저하를 억제하는 정련 방법을 예시할 수 있다.

1 : 스로트부
2 : 끝 확장부
3 : 분출구
4 : 저기조

Claims (25)

1. 반응 용기에 장입한 용철에 상취 랜스로부터 산소 함유 가스를 분사하여 상기 용철에 송산 정련을 실시하는 용철의 송산 정련 방법으로서,
   상기 송산 정련의 적어도 일부의 기간, 상기 상취 랜스의 외각(外殼)을 관통하는 상기 산소 함유 가스의 분사 노즐에 있어서, 노즐의 횡단면적이 노즐 축 방향에서 최소의 횡단면적이 되는 부위 또는 노즐의 횡단면적이 노즐 축 방향에서 최소의 횡단면적의 1.1배 이하가 되는 부위의 노즐 측면에, 노즐의 중심축을 통과하는 임의의 평면으로 2분한 경우에 양 공간에 적어도 분출구의 일부가 존재하도록 배치하여 형성한 분출구로부터 상기 분사 노즐 내를 향하여 제어용 가스를 분출시키면서, 상기 분사 노즐의 입구측으로부터 주공급 가스로서 산소 함유 가스를 공급하여 상기 분사 노즐로부터 분사하고, 상기 분사 노즐의 입구측에 있어서의 상기 주공급 가스의 압력을, 하기 (1)식을 충족하는 적정 팽창압 Po보다 크게 하는 것을 특징으로 하는 용철의 송산 정련 방법:
   Ae/At＝(5^5/2/6³)×(Pe/Po)^－5/7×[1－(Pe/Po)^2/7]^－1/2…(1)
   여기에서, At: 분사 노즐의 최소 횡단면적(㎟), Ae: 분사 노즐의 출구 단면적(㎟), Pe: 노즐 출구부 분위기압(㎪), Po: 노즐 적정 팽창압(㎪).
2. 제1항에 있어서,
   분사 노즐로서, 노즐 출구에 이어서 횡단면적이 노즐 축 방향에서 최소로 일정해지는 스트레이트부를 갖는 스트레이트 노즐, 또는, 횡단면적이 노즐 축 방향에서 최소가 되는 스로트부에 이어서 끝 확장부를 갖는 라발 노즐을 사용하는 것을 특징으로 하는 용철의 송산 정련 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 분출구가 상기 분사 노즐의 측면의 둘레 방향으로 복수의 방향으로 형성되고, 상기 분출구로의 상기 제어용 가스의 도입 구멍의 직경과 상기 분사 노즐 1개당의 상기 분출구의 수 n의 곱이, 상기 분사 노즐의 횡단면적이 최소가 되는 부위의 노즐 내경의 0.4배 이상인 것을 특징으로 하는 용철의 송산 정련 방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 분출구가 상기 분사 노즐의 측면의 전체 둘레 방향으로 슬릿 형상으로 형성되고, 상기 분출구의 상기 분사 노즐의 축 방향의 길이가, 상기 분사 노즐의 횡단면적이 최소가 되는 부위의 노즐 내경의 0.25배 이하인 것을 특징으로 하는 용철의 송산 정련 방법.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 송산 정련의 적어도 일부의 기간, 상기 분사 노즐 내를 향하여 분출하는 상기 제어용 가스의 유량이, 상기 제어용 가스의 유량과 상기 분사 노즐에 공급하는 상기 주공급 가스의 유량과의 합계 유량의 5％ 이상인 것을 특징으로 하는 용철의 송산 정련 방법.
6. 제3항에 있어서,
   상기 송산 정련의 적어도 일부의 기간, 상기 분사 노즐 내를 향하여 분출하는 상기 제어용 가스의 유량이, 상기 제어용 가스의 유량과 상기 분사 노즐에 공급하는 상기 주공급 가스의 유량과의 합계 유량의 5％ 이상인 것을 특징으로 하는 용철의 송산 정련 방법.
7. 제4항에 있어서,
   상기 송산 정련의 적어도 일부의 기간, 상기 분사 노즐 내를 향하여 분출하는 상기 제어용 가스의 유량이, 상기 제어용 가스의 유량과 상기 분사 노즐에 공급하는 상기 주공급 가스의 유량과의 합계 유량의 5％ 이상인 것을 특징으로 하는 용철의 송산 정련 방법.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 상취 랜스로부터 상기 용철에 분사하는 상기 산소 함유 가스의 공급 속도에 따라서, 상기 제어용 가스의 공급 속도를 조정하는 것을 특징으로 하는 용철의 송산 정련 방법.
9. 제3항에 있어서,
   상기 상취 랜스로부터 상기 용철에 분사하는 상기 산소 함유 가스의 공급 속도에 따라서, 상기 제어용 가스의 공급 속도를 조정하는 것을 특징으로 하는 용철의 송산 정련 방법.
10. 제4항에 있어서,
    상기 상취 랜스로부터 상기 용철에 분사하는 상기 산소 함유 가스의 공급 속도에 따라서, 상기 제어용 가스의 공급 속도를 조정하는 것을 특징으로 하는 용철의 송산 정련 방법.
11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 용철의 송산 정련의 진행에 수반하여, 상기 제어용 가스의 공급 속도를 변경하는 것을 특징으로 하는 용철의 송산 정련 방법.
12. 제3항에 있어서,
    상기 용철의 송산 정련의 진행에 수반하여, 상기 제어용 가스의 공급 속도를 변경하는 것을 특징으로 하는 용철의 송산 정련 방법.
13. 제4항에 있어서,
    상기 용철의 송산 정련의 진행에 수반하여, 상기 제어용 가스의 공급 속도를 변경하는 것을 특징으로 하는 용철의 송산 정련 방법.
14. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 송산 정련 개시 전의 용철의 규소 농도에 따라서, 상기 제어용 가스의 공급 속도를 변경하는 것을 특징으로 하는 용철의 송산 정련 방법.
15. 제3항에 있어서,
    상기 송산 정련 개시 전의 용철의 규소 농도에 따라서, 상기 제어용 가스의 공급 속도를 변경하는 것을 특징으로 하는 용철의 송산 정련 방법.
16. 제4항에 있어서,
    상기 송산 정련 개시 전의 용철의 규소 농도에 따라서, 상기 제어용 가스의 공급 속도를 변경하는 것을 특징으로 하는 용철의 송산 정련 방법.
17. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 송산 정련에 있어서 공급하는 상기 산소 함유 가스에 포함되는 총 산소 가스량의 85％를 공급한 이후의 송산 정련 말기에, 상기 분사 노즐에 있어서, 상기 제어용 가스를 분출시키면서, 상기 주공급 가스로서 산소 함유 가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 용철의 송산 정련 방법.
18. 제3항에 있어서,
    상기 송산 정련에 있어서 공급하는 상기 산소 함유 가스에 포함되는 총 산소 가스량의 85％를 공급한 이후의 송산 정련 말기에, 상기 분사 노즐에 있어서, 상기 제어용 가스를 분출시키면서, 상기 주공급 가스로서 산소 함유 가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 용철의 송산 정련 방법.
19. 제4항에 있어서,
    상기 송산 정련에 있어서 공급하는 상기 산소 함유 가스에 포함되는 총 산소 가스량의 85％를 공급한 이후의 송산 정련 말기에, 상기 분사 노즐에 있어서, 상기 제어용 가스를 분출시키면서, 상기 주공급 가스로서 산소 함유 가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 용철의 송산 정련 방법.
20. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 송산 정련 개시 전의 규소 농도가 0.40질량％ 이상인 용철에 대하여, 상기 송산 정련에 있어서 공급하는 상기 산소 함유 가스에 포함되는 총 산소 가스량의 20％를 공급하기 이전의 송산 정련 초기에, 상기 분사 노즐에 있어서, 상기 제어용 가스를 분출시키면서, 상기 주공급 가스로서 산소 함유 가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 용철의 송산 정련 방법.
21. 제3항에 있어서,
    상기 송산 정련 개시 전의 규소 농도가 0.40질량％ 이상인 용철에 대하여, 상기 송산 정련에 있어서 공급하는 상기 산소 함유 가스에 포함되는 총 산소 가스량의 20％를 공급하기 이전의 송산 정련 초기에, 상기 분사 노즐에 있어서, 상기 제어용 가스를 분출시키면서, 상기 주공급 가스로서 산소 함유 가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 용철의 송산 정련 방법.
22. 제4항에 있어서,
    상기 송산 정련 개시 전의 규소 농도가 0.40질량％ 이상인 용철에 대하여, 상기 송산 정련에 있어서 공급하는 상기 산소 함유 가스에 포함되는 총 산소 가스량의 20％를 공급하기 이전의 송산 정련 초기에, 상기 분사 노즐에 있어서, 상기 제어용 가스를 분출시키면서, 상기 주공급 가스로서 산소 함유 가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 용철의 송산 정련 방법.
23. 반응 용기에 수용된 용철에 산소 함유 가스를 분사하기 위한 상취 랜스로서,
    상기 상취 랜스의 외각을 관통하는 상기 산소 함유 가스의 분사 노즐에 있어서, 노즐의 횡단면적이 노즐 축 방향에서 최소의 횡단면적이 되는 부위 또는 노즐의 횡단면적이 노즐 축 방향에서 최소의 횡단면적의 1.1배 이하가 되는 부위의 노즐 측면에, 노즐의 중심축을 통과하는 임의의 평면으로 2분한 경우에 양 공간에 적어도 분출구의 일부가 존재하도록 배치된, 상기 분사 노즐 내를 향하여 제어용 가스를 분출시키기 위한 분출구를 구비하고,
    상기 노즐 측면의 둘레 방향으로 복수의 방향으로 구비된 상기 제어용 가스의 복수의 분출구로의 상기 제어용 가스의 도입로가, 상기 상취 랜스 내에 있어서 서로 연통하고,
    상기 분출구가 상기 분사 노즐의 측면의 둘레 방향으로 복수의 방향으로 형성되고, 상기 분출구에 연통하는 상기 제어용 가스의 분출 노즐의 내경과 상기 분사 노즐 1개당의 상기 분출구의 수 n의 곱이, 상기 분사 노즐의 최소 횡단면적에 대응하는 노즐 내경의 0.4배 이상인 것을 특징으로 하는 상취 랜스.
24. 반응 용기에 수용된 용철에 산소 함유 가스를 분사하기 위한 상취 랜스로서,
    상기 상취 랜스의 외각을 관통하는 상기 산소 함유 가스의 분사 노즐에 있어서, 횡단면적이 노즐 축 방향에서 최소의 횡단면적이 되는 부위 또는 노즐의 횡단면적이 노즐 축 방향에서 최소의 횡단면적의 1.1배 이하가 되는 부위의 노즐 측면의 둘레 방향으로 전체 둘레 방향에 슬릿 형상으로 설치된, 상기 분사 노즐 내를 향하여 제어용 가스를 분출시키기 위한 분출구를 구비하며,
    상기 분출구의 상기 분사 노즐의 축 방향의 길이가, 상기 분사 노즐의 최소 횡단면적에 대응하는 노즐 내경의 0.25배 이하인 것을 특징으로 하는 상취 랜스.
25. 제23항 또는 제24항에 있어서,
    분사 노즐로서, 노즐 출구에 이어서 단면적이 노즐 축 방향에서 최소로 일정해지는 스트레이트부를 갖는 스트레이트 노즐, 또는 단면적이 노즐 축 방향에서 최소가 되는 스로트부에 이어서 끝 확장부를 갖는 라발 노즐을 사용하는 것을 특징으로 하는 상취 랜스.

Images