JP2003138311A - ガス上吹きランス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 長尺の筒体先端に、主流れ経路８を有し、主
流れ経路８から噴出する酸素ガス・ジェット９に旋回流
れを付与する旋回流経路６を主流れ経路８の側面に備え
たガス上吹きランス１に改善を加える。 【解決手段】 主流れ経路８に流れるガスと旋回流経路
６に流れるガスをランス内に設けた主ガス用のオリフィ
ス１１と旋回ガス用のオリフィス１２の断面積比によっ
て流量分岐する。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、転炉、特に脱炭
炉、鉄浴型溶融還元炉、転炉型スクラップ溶解炉等で溶
鉄を精錬する際のガス上吹きランスの構造に関する。 【０００２】 【従来の技術】最近、製鋼分野では、転炉内の溶銑にク
ロム鉱石あるいは鉄鉱石等の鉱石原料とコークス等の炭
材とを添加し、該鉱石を直接溶融還元することによっ
て、鉱石中の有価金属を回収する技術が普及している。
このような鉱石の溶融還元を実施するに際しては、通
常、大量の加熱・還元エネルギーが必要となる。また、
溶融還元に限らず、高炉溶銑を原料とした一般的な製鋼
を行う転炉操業においても、鉱石、スクラップを大量に
転炉内に供給し、加熱・還元、および溶解を行うことが
ある。さらにステンレス鋼における転炉での脱炭吹錬で
は、メタル中のＣｒの酸化ロスを削減するために吹錬初
期において、高温に昇熱しなければならない。そこで生
産性を高位に維持しつつ、こうした操業を行うために
は、エネルギー源としての炭材と、これを燃焼させる酸
素ガスとを可能な限り高速で供給する必要がある。 【０００３】通常、転炉内に保持した溶銑あるいは溶鋼
（以下、溶湯という）への酸素ガスの供給は、その大部
分の量を上吹きランスを用いて行うが、上述の要求に従
い酸素ガスの供給速度を増加させると、ダストの発生が
増大するという問題が生じる。このダストの発生速度の
増大は、製造する溶鋼の歩留まりの低下及びその後のダ
スト処理コストの増大等をきたし、特に溶融還元を高い
生産性下で行うには、ダスト発生速度の抑制が重要とな
っている。 【０００４】また、通常、上吹き酸素を高速で供給する
と２次燃焼率が低下し、溶湯の昇熱効率が低下するとい
った問題もある。 【０００５】ところで、このようなダストは、溶湯の脱
炭反応によって生じるＣＯガス気泡がはじけることに起
因するもの、あるいは溶湯から金属成分が直接蒸発する
ことに起因するものが主体と考えられるが、両者とも、
上吹きする酸素ガスジェットと溶湯との衝突程度や酸素
ガスの供給速度が増加するに従い増大する。このダスト
発生の抑制対策としては、溶湯上に存在する溶融スラグ
層で、上吹き酸素ガスジェットを溶湯表面から遮断する
ことが有効である。そのためには、上吹き酸素ガスジェ
ットが衝突することによって生じるスラグ層のくぼみ深
さを低減して、くぼみが溶湯表面に達しないようにする
ことが必要である。つまり、上吹き酸素ガスジェットを
いわゆるソフトブローにすることにより上記のダスト発
生速度抑制などの条件が達成される。 【０００６】同時に、上吹き酸素ガスジェットのソフト
ブロー化は、２次燃焼率の向上をもたらすことが知られ
ており、ダスト発生速度を低減しつつ溶湯への熱エネル
ギー供給速度を増大させる方法として極めて有効であ
る。 【０００７】ここで２次燃焼とは、溶湯の酸素精錬によ
り炉内で発生したＣＯガスを、炉内の上部空間でＣＯ₂
にまで燃焼させることを言い、２次燃焼率は転炉排ガス
組成の［（ｖｏｌ％ＣＯ₂）／｛（ｖｏｌ％ＣＯ）＋
（ｖｏｌ％ＣＯ₂）｝］×１００で表される。また、着
熱効率とは、２次燃焼で発生した熱が溶鉄およびスラグ
の顕熱となる効率をいう。 【０００８】従来、転炉精錬においては、炉内での２次
燃焼率を増大させるため、つまり熱供給能力を向上させ
るため、上吹き酸素ガスジェットをソフトブロー化する
際には、以下のような方法がとられている。 【０００９】（１）上吹きランスの先端位置（以下、ラ
ンス高さと称する）を上昇させる。 【００１０】（２）上吹きランスのノズルを多孔にして
上吹き酸素ガスジェットを分散させる。 【００１１】（３）上吹きランスのノズル形状を非円形
にして上吹き酸素ガスジェットの流速の減衰を促進す
る。 【００１２】（４）上吹きランスからのガスの主流を旋
回流にして上吹き酸素ガスジェットの流速の減衰を促進
する。 【００１３】上記（３）に関しては下記の技術が開示さ
れている。特開昭６１−１４３５０７号公報には、ＣＯ
の２次燃焼増大効果を得るために長径軸と短径軸の比が
１．２以上の非円形開口よりなり、互いに同形のノズル
を少なくとも２つ以上有する転炉の２次燃焼促進用ラン
スが開示されており、ノズルが３孔または４孔の時、ラ
ンスの半径線上に各ノズルの長径を備えたものも示され
ている。このノズル孔は横断面が変化しない一様な孔で
ある。 【００１４】特開昭６２−４４５１７号公報には、主ノ
ズルの周囲を取り巻く帯状断面の亜音速副ノズルを配置
してＣＯの２次燃焼熱の回収を図っている。 【００１５】特開平８−６０２１９号公報では、上吹き
ガスを噴出せしめるノズルを２個以上２０個以下有し、
ノズル形状が長方形、楕円形、円弧形、もしくはそれら
を組み合わせた形状のものを用いる転炉精錬技術を開示
している。この技術は高着熱効率、高２次燃焼率で、か
つダストが少なく鉄歩留まりが高い脱炭精錬に関するも
ので、長辺と短辺の比が大きい、いわゆる細長い噴出孔
から出たガスは円形孔から出たガスに比べて噴出直後に
ガスの流速の大きな減衰が起こることが記載されてい
る。そして実施例として、ノズル開口の配列が「二」の
字状、大半円と小半円が対向した形状、小半円の下に
「ハ」の字を配した形状、「二」の字状の周囲に断続円
弧が取り巻いた形状などのノズルを例示している。この
技術もノズル孔は横断面が変化しない一様な形状であ
る。 【００１６】上記（４）に関しては下記の技術が開示さ
れている。特開平１１−５８５２８号公報では、単孔の
下拡がりの円錐台状の貫通孔の頂部に、酸素ガスが前記
貫通孔の円形断面の接線成分を有するように、該酸素ガ
スを水平方向に導入する開口を設けたノズル・チップが
開示されている。この技術は高着熱効率、高２次燃焼率
で、かつダストが少なく鉄歩留まりが高い脱炭精錬に関
するもので、ガスの主流を旋回させることにより、溶鋼
面に対しての流速を大幅に低減できる。 【００１７】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記
（１）のランス高さの上昇は、２次燃焼で発生した熱の
着熱効率が低く、結果として排ガス温度の上昇、炉内の
内張り耐火物の溶損の増大をもたらし、好ましくない。
また、上記（２）のノズルの多孔化は、孔の鉛直に対す
る傾斜角（以下、ノズル傾角と称する）をある程度大き
くしないと、多孔ノズルより分散させて供給した酸素ガ
スジェットが再集合してしまい、結果として充分なソフ
トブロー効果が得られない。一方、ノズル傾角を大きく
すると酸素ガスジェットが炉壁に直接衝突して、炉壁を
損傷するという問題が生じる。さらに（３）のノズルの
非円形化に関しては、単なる非円形化によるガスジェッ
トの流速の減衰効果は本発明に比較して小さく、この効
果を大きくするためには極めて非円形度を大きくとらね
ばならず、ランス構造の複雑化やそれに伴う耐久性の劣
化を招く。（４）の旋回流に関しては、ガスジェットの
流速の減衰効果は大きく、ダスト低減および高２次燃焼
化への効果が大きい。しかしながら、旋回流のみではガ
ス流の拡がりが大きいため、高ランス高さ時では耐火物
に直接酸素があたり、耐火物溶損が大きくなる。また、
ノズル直下近傍では、旋回流中心部に強い上向きのガス
流れが生じており、低ランス高さ時ではランス孔内への
地金やダストの飛び込みにより、ノズルの低寿命が問題
となる。 【００１８】そこで本発明者らは、特願平１１−３３９
３１４号において貫通孔の側面に、噴出する酸素ガス・
ジェットに旋回流れを付与する旋回手段を備えたガス上
吹き用ランスを提供した。しかしながら、前記ガス上吹
きランスは貫通孔軸方向流れと旋回流れの２系統のガス
流れを制御しなくてはならず、ランス本体と周辺設備の
改造には大きな投資を必要とするものであった。 【００１９】本発明の目的は、上記事情に鑑み、ランス
内の改造のみで大きな設備投資を必要とせずに、噴出す
る酸素ガス・ジェットに旋回流れを付与する旋回手段を
貫通孔の側面に備えたガス上吹き用ランスを開発し、こ
れを提供することである。 【００２０】 【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、発明者は鋭意検討、実験を重ねることにより、その
成果を本発明として完成させた。すなわち本発明は、転
炉型精錬炉内に保持した溶湯に上方から酸素ガス・ジェ
ットを吹き付けるランスであって、長尺の筒体先端に１
個または複数個の貫通孔を有するノズル・チップを備
え、該貫通孔から噴出する酸素ガス・ジェットに旋回流
れを付与する旋回流経路を該貫通孔の側面に備えたガス
上吹きランスにおいて、前記貫通孔に流れるガスと前記
旋回流経路に流れるガスを分岐するオリフィス板をラン
ス内に設けたことを特徴とするガス上吹きランスであ
る。多孔オリフィス板はガス流路に直角に配設された１
枚のオリフィス板に旋回流経路に流れるガスおよび／又
は貫通孔に流れるガスを制限するオリフィスを形成する
孔を開口したものである。本発明によれば、ランス内の
改造のみで、大きな設備投資を必要とせずに、ランスか
ら噴出されたガス流速のソフトブローを達成することが
できる。 【００２１】 【発明の実施の形態】以下、発明をなすに至った経緯を
まじえ、本発明の実施の形態を説明する。先ず、発明者
は、ガス上吹きランスを用いたソフトブロー化の効果を
確認するため、コールドモデル実験で上吹きガス・ジェ
ットの流速分布を測定した。ここで使用した実施例の上
吹きランスのノズルチップを図１〜３に示した。図１は
本発明の実施例のノズル１の縦断面図、図２は図１のＡ
−Ａ矢視図、図３は図１のＢ−Ｂ矢視図である。実施例
のノズル１は、上流流路２から上吹き噴射ガス・ジェッ
ト（下向流）９を下方に噴出する主流れ経路８と、この
主流れ経路８に旋回運動を付与する旋回流径路６とを備
えている。この実施例では、主流れ経路８は１つであ
り、円錐台状の孔となっている。主流れ４は図２に示す
ようにオリフィス板３の中央に設けられた主ガス用のオ
リフィス１１を通って下降する。旋回流流路６に進入す
る分岐流れ５は図２に示す旋回ガス用のオリフィス１２
を通って、旋回流経路６に入り、図３に示すように、旋
回流７となって主流れ経路８に流入し、噴射ガス・ジェ
ット（下向流）９に旋回成分１０を付与する。この実施
例のノズルは一つの主流れ経路８に４つの旋回流経路６
が連結されている。主流れ４と分岐流れ５の流量は、お
おむねオリフィス１１、１２の開口面積に比例して案分
されるので、適正量に応じて各オリフィス１１、１２の
開口面積の大きさや比率を定めることができる。ガスは
それら孔の上流側に設けたオリフィス１１、１２によ
り、主流れ４と分岐流れ５側に流れるガス流量が分岐さ
れる。 【００２２】従来例として、図４に示すような、噴出孔
１３の流路の断面積が急拡大する形式の貫通孔を６個設
けたノズルチップ１を使用して実施例と比較した。図４
（ａ）は横断面図、図４（ｂ）は縦断面図である。 【００２３】使用したガスは、窒素であり、ガス・ジェ
ットは、ランス軸方向（鉛直下方）に噴出させた。ガス
の流量は、９．０ｍ³（標準状態）／ｍｉｎとし、ノズ
ル先端から下方６００ｍｍの位置で、ガス・ジェット流
速の鉛直成分の半径方向分布を測定した。図５に、それ
ぞれの位置での前記図１、図４に示す各ノズル・チップ
を使用した場合のノズル先端から下方６００ｍｍの位置
におけるガス流速分布を示した。図５に示した曲線２１
は図１に示す実施例のノズルの噴流流速分布を示すもの
で、流速が小さくソフトブロー化している。また急拡大
の噴出孔１３を６個設けた図４に示す従来のノズルは、
曲線２２で示すように、噴流流速が大きくハードブロー
となった。実施例のノズルは噴流流速が小さくソフトブ
ロー化していることから、ダスト発生低減や２次燃焼向
上に効果がある。 【００２４】 【実施例】５ｔｏｎ規模の上底吹き転炉で溶湯の昇熱吹
錬とＣｒ鉱石の溶融還元吹錬の操業を行い、昇熱速度お
よび溶融還元中のダスト発生速度を調査した。 【００２５】操業は以下の手順で行った、表１に示す化
学組成の溶銑を転炉に装入した後、まず底吹き羽口を介
して窒素ガスを５．０ｍ³（標準状態）／ｍｉｎ吹込
み、上吹きランスを介して純酸素ガスを２０ｍ³（標準
状態）／ｍｉｎ吹き込みつつ、炉上に設けたシューター
から塊コークスおよび造滓材としての生石灰、珪石を炉
内に投入して昇熱、造滓を行った。実施例の旋回ガス用
のオリフィス１２と主ガス用のオリフィス１１の断面積
比は０．１とした。昇熱後、脱炭吹錬を実施した。操業
中、溶湯温度の測定は、いわゆるサブランスを用いて行
い、この測定値に基づいて、昇熱速度を測定した。ま
た、溶融還元吹錬ではＣｒ鉱石と炭材を適宜連続投入
し、煙道より排ガスを適宜サンプリングし、排ガス中の
ダスト濃度を調査した。 【００２６】本発明に係る図１に示すランスを用いた実
施例と、図４に示すような流路断面が急拡大する形式の
従来のランスを用いた比較例とについて、操業時の昇熱
速度指数、ダスト発生速度指数を表２に示した。表２に
示したランス高さは、溶湯表面から上吹きランス先端ま
での距離である。昇熱速度指数は、比較例１の昇熱速度
を１００として、相対的に比較したものである。また、
ダスト発生速度指数は、比較例１の値を１．０として相
対的に比較して示したものである。 【００２７】表２の実施例と比較例を比較すると、実施
例において昇熱速度が大幅に向上しかつ、脱炭吹錬時で
は脱炭酸素効率が比較例と同等であることが確認され
た。 【００２８】なお、上記実施例および比較例は、転炉精
錬における昇熱・Ｃｒ鉱石溶融還元吹錬に関するもので
あるが、本発明の技術は、鉄鉱石、マンガン鉱石、ニッ
ケル鉱石、その他の炭素還元可能な鉱石、又はその塊状
化鉱石、予備還元鉱石等についても効果的に適用するこ
とができる。また転炉精錬におけるスクラップ等、冷鉄
源の使用量増大にも効果があることは言うまでもない。 【００２９】 【表１】 【００３０】 【表２】 【００３１】 【発明の効果】以上述べたように、本発明により、昇
熱、スクラップ溶解時あるいは溶融還元時の炉内におい
ては２次燃焼率や着熱効率を高位に維持しつつ、しかも
ダストの発生速度を大幅に低下させることが可能となっ
た。

【図面の簡単な説明】 【図１】実施例のノズルチップの縦断面図である。 【図２】図１のＡ−Ａ矢視図である。 【図３】図１のＢ−Ｂ矢視図である。 【図４】比較例のノズルチップを示し、（ａ）は横断面
図、（ｂ）は縦断面図である。 【図５】各種ランスを使用したコールドモデル実験で得
た、ノズル先端から下方６００ｍｍの位置における、ガ
スジェット流速の鉛直方向成分の半径方向分布を示すグ
ラフである。 【符号の説明】 １ ノズルチップ ２ 上流流路 ３ オリフィス板 ４ 主流れ ５ 分岐流れ ６ 旋回流経路 ７ 旋回流 ８ 主流れ経路（円錐台状孔） ９ 噴射ガス・ジェット（下向流） １０ 旋回成分 １１ 主ガス用のオリフィス １２ 旋回ガス用のオリフィス １３ 噴出孔 ２１、２２ 曲線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 竹内 秀次 千葉県千葉市中央区川崎町１番地 川崎製 鉄株式会社技術研究所内 Ｆターム(参考） 4K070 CF02

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 転炉型精錬炉内に保持した溶湯に上方か
   ら酸素ガス・ジェットを吹き付けるランスであって、長
   尺の筒体先端に１個または複数個の貫通孔を有するノズ
   ル・チップを備え、該貫通孔から噴出する酸素ガス・ジ
   ェットに旋回流れを付与する旋回流経路を該貫通孔の側
   面に備えたガス上吹きランスにおいて、前記貫通孔に流
   れるガスと前記旋回流経路に流れるガスを分岐するオリ
   フィス板をランス内に設けたことを特徴とするガス上吹
   きランス。