JP2007239082A - 溶融金属の酸化精錬方法及び精錬用上吹きランス - Google Patents

Abstract

【課題】 上吹きランスから酸素含有ガスを吹き付けて溶融金属を酸化精錬するに当たり、上吹きジェットの動圧を調整することが可能であり、これにより、溶融金属に付与する攪拌力を容易に増大させることができ、同一ランスであっても種々の状況に適確に対処することのできる溶融金属の酸化精錬方法を提供する。
【解決手段】 上吹きランス１の中心に設置されたラバールノズル形状の中心孔４から、超音速ガスの噴流を溶融金属の浴面に向けて供給するとともに、該噴流の周囲に、燃料ガス供給ノズル６から供給する燃料ガスを燃焼させて火炎包囲帯を形成させ、且つ、前記中心孔の周囲に設置された３孔以上の周囲孔５から酸素含有ガスを溶融金属の浴面に向けて供給して精錬する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、上吹きランスから溶融金属の浴面に向けて酸素含有ガスを吹き付けて行う溶融金属の酸化精錬方法、並びに、その際に使用する精錬用上吹きランスに関するものである。

溶銑の転炉吹錬においては、上吹き酸素或いは底吹き酸素により、主として脱炭吹錬を目的とする酸化精錬が行われている。これらの酸素のうちで上吹き酸素は、上吹きランスの先端に設置された、ラバールノズルと呼ばれる末広がり形状のノズルから、超音速または亜音速の酸素ジェットとして転炉内に吹き付けられる。この上吹き酸素により、溶銑には大きな攪拌力が付与される。このラバールノズルの末広がりの部分は理想的には曲線であるが、加工が容易であることから、広がり角度を２〜８°とする円錐形状になっているものが大部分であり、また、スロート部或いは出口部に多少のストレート部を有するものもある。

この転炉脱炭吹錬においては、近年、溶銑の脱燐を目的とした溶銑予備処理（「予備脱燐処理」という）の発展により、転炉における脱燐の必要性が少なくなり、転炉で必要とする媒溶剤が大幅に低減した。その結果、従来には生成される溶鋼トン当たり５０ｋｇ（以下、「ｋｇ／ｔ」と記す）を越えていた脱炭吹錬時の生成スラグ量は急激に減少し、例えば、溶銑の予備脱燐処理によって溶銑の燐濃度を実質的に鋼材製品の燐濃度と同等の０．０２質量％以下まで低減した場合には、転炉での脱炭吹錬における脱燐に必要な媒溶剤は１０ｋｇ／ｔ以下となり、生成するスラグ量はおよそ２５ｋｇ／ｔ以下にまで低減可能となっている。

脱炭吹錬の吹錬初期から中期にかけての脱炭最盛期（およそＣ≧０．６質量％）では、脱炭反応は酸素供給律速であるため、高速吹錬を指向する場合には、酸素供給速度（以下、「送酸速度」という）を高める必要がある。しかし、高速吹錬を指向した場合、生成スラグ量の少ない脱炭吹錬では、上吹き酸素ジェットによる鉄の飛散及びダストの発生が顕著になり、鉄歩留まりの低下や操業の不安定化をもたらす。つまり、従来は炉内に存在する大量のスラグが被覆剤の役割を担っていたが、予備脱燐処理された溶銑を用いた場合などスラグ量が低減した場合には、溶銑が酸素ジェットの影響を直接的に受け、前述した歩留まりの低下などの不都合が発生する。

従来、こうした操業条件の悪化を抑制するために、上吹きランスの孔数を４孔或いは５孔にするなどして１孔当たりの送酸速度を下げ、つまり浴面での動圧を下げ、且つ、それぞれの酸素ジェットが互いに干渉し合わないようにした非干渉・多孔型ランスが指向されてきた。また、酸素ジェットが干渉しないようにするために、ラバールノズルの孔径及び傾角などの上吹きランス形状のハード面を適正化すると同時に、上吹きランスの先端と浴面との距離（「ランス高さ」という）或いは送酸速度などの操業条件を調整した対策も数多く提案されている。

例えば、特許文献１には、上吹きランスの形状を適正化するとともに、送酸速度及びランス高さをノズル孔の形状に合わせて適正範囲内に制御した吹錬方法が提案されている。しかし、このような対策では、上吹きランスから噴出される酸素ジェットの軌跡及び幾何学的形状が大きく変化してしまうため、酸素ジェット中の酸素濃度の変化及び酸素ジェットの浴面への衝突位置（以下「火点」と記す）の変化などにより、不必要な二次燃焼の増加或いは脱炭反応効率の低下などをもたらす。

また、鉄飛散及びダスト生成の防止には火点間の干渉を避けることが重要である、との観点から、特許文献２には、火点の幾何学的な重なり面積率が３０％以下になるように円周方向にノズル孔を配置し、干渉を避けつつ浴面上に効率的に火点を形成する方法が提案されている。しかし、この対策では、送酸速度を大幅に増大する場合には自ずと限界が生じ、送酸速度の大幅な変更には対処することができない。

一方、脱炭吹錬末期の低炭素域（およそＣ＜０．６質量％）においては、供給された酸素は脱炭反応だけでなく鉄の酸化にも消費されるため、鉄の酸化を抑えて脱炭酸素効率を高める目的で送酸速度を低減させている。この場合、鉄浴への酸素供給効率を維持するために、ランス高さを低減させて鉄浴への酸素衝突圧、即ち酸素ジェットの動圧を高め、浴の攪拌を確保している。ラバールノズルは、通常、吹錬中期の脱炭最盛期において最適な脱炭反応が可能で且つ地金・ダスト飛散を抑制するように設計されているので、高流量低動圧型のノズルが一般的である。そのため、吹錬末期には、高い動圧及び高い攪拌力が必要であるにも拘わらず、送酸速度の低下に伴って不必要に酸素ジェットが減衰して、主にスラグ中のＴ．Ｆｅの増加に見られるように、脱炭反応効率の低下が生じる。高い動圧を得るためにランス高さの低減も行われるが、輻射熱などによる弊害のため、ランス高さの低減にも限界があり、吹錬末期の操業安定化には限界が存在している。尚、Ｔ．Ｆｅとはスラグ中の全ての鉄酸化物（ＦｅＯやＦｅ₂ Ｏ₃ ）の鉄分の合計値である。

このように、同一ランスを用いて吹錬の中期と末期とで送酸速度を変更して操業する場合、吹錬末期の動圧を適正値に確保する方法、及びその場合に吹錬中期の高炭素域での吹錬への影響などは未だに不明確なままである。また、溶湯の攪拌力については、底吹きガスによる攪拌強化も行われているが、流量の可変幅、ノズル寿命の問題などから最適化には課題が残っている。

また、転炉における溶銑の予備脱燐処理のように転炉を用いた予備処理吹錬では、低動圧化による鉄酸化の促進によって脱炭反応の抑制及び脱燐反応の高効率化が図られているが、この予備脱燐処理において大量の鉄スクラップを溶解しようとする場合には、底吹きガスによる攪拌力だけでは十分とはいえず、上吹き酸素ジェットによる攪拌力の増強が求められ、この場合も上吹き酸素の動圧の制御は重要な課題である。

ところで、酸素ジェットの高動圧化技術として、ラバールノズルとバーナーとを併用する技術が従来から知られており、例えば特許文献３には、気体のジェットを、ランス出口から溶融金属浴面までの範囲に亘って火炎で包囲（「火炎包囲帯」と呼ぶ）し、溶融金属の浴面に気体のジェットを高速で吹き込む技術が開示されている。しかしながら、溶銑の転炉吹錬などのように高い送酸速度を必要とする場合においては、酸素ジェット動圧の極端な増加を抑制するために、複数のノズル孔を有する上吹きランスを用いた送酸が一般的であり、このような高流量の送酸を伴う精錬において特許文献３の技術を適用しようとすると、全てのノズル孔の周囲に、火炎包囲帯を形成させるための燃料供給配管を配置しなければならず、極めて複雑な上吹きランス構造となる。また、転炉内のように高温環境では水冷構造も必要なため、このような複雑な構造を上吹きランスに具備させることは実用上困難であり、簡易な構造が望まれる。
特開平６−２２８６２４号公報 特開平６−５７３２０号公報 特開平１０−２６３３８４号公報

上記のように、転炉吹錬においては、送酸速度が低下した場合であっても上吹き酸素ジェットの動圧を調整可能であり、同一の上吹きランスを使用して種々の状況に適確に対処することのできる吹錬方法及びそれに用いる上吹きランスが切望されているにも拘わらず、有効な手段は提案されていないのが現状である。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、上吹きランスから酸素含有ガスを吹き付けて溶銑或いは溶鋼などの溶融金属を酸化精錬するに当たり、上吹きジェットの動圧を調整することが可能であり、これにより、溶融金属に付与する攪拌力を容易に増大させることができ、同一ランスであっても種々の状況に適確に対処することのできる溶融金属の酸化精錬方法を提供すること、並びに、その際に使用する精錬用上吹きランスを提供することを目的とする。

本発明者等は、上記課題を解決すべく鋭意研究を行った。その結果、複数のノズル孔を有する上吹きランスを用いて精錬する際に、上吹きランスの中心孔から噴出する超音速噴流の周囲に火炎包囲帯を形成させ、且つ、中心孔の周囲に配置した複数のノズル孔から酸素含有ガスを供給して精錬すれば、中心孔からの超音速噴流の動圧の低下が抑制され、上吹き送酸による撹拌力を増大させることができるとの知見を得た。

本発明は、上記知見に基づいてなされたものであり、第１の発明に係る溶融金属の酸化精錬方法は、上吹きランスの中心に設置されたラバールノズル形状の中心孔から、超音速ガスの噴流を、該噴流の周囲に火炎包囲帯を形成させて溶融金属の浴面に向けて供給するとともに、前記中心孔の周囲に設置された３孔以上の周囲孔から酸素含有ガスを溶融金属の浴面に向けて供給することを特徴とするものである。

第２の発明に係る溶融金属の酸化精錬方法は、第１の発明において、前記中心孔から、酸素含有ガスを供給することを特徴とするものである。

第３の発明に係る溶融金属の酸化精錬方法は、第１または第２の発明において、前記周囲孔がラバールノズル形状のノズルであり、該周囲孔から供給する酸素含有ガスの総流量が前記中心孔から供給するガス量の２倍以上であることを特徴とするものである。

第４の発明に係る溶融金属の酸化精錬方法は、第１ないし第３の発明の何れかにおいて、前記溶融金属が溶融鉄であることを特徴とするものである。

第５の発明に係る溶融金属の酸化精錬方法は、第４の発明において、前記溶融鉄中の炭素濃度が０．６質量％以下であることを特徴とするものである。

第６の発明に係る精錬用上吹きランスは、超音速ガスの噴流を供給するためのラバールノズル形状の中心孔を具備するとともに、火炎包囲帯を前記噴流の周囲に形成させるための燃料ガス供給ノズルを具備し、且つ、３孔以上の周囲孔を前記中心孔の周囲に具備することを特徴とするものである。

本発明によれば、中心孔から噴出される噴流、つまりジェットの周囲に火炎包囲帯を形成するので、ジェットへ巻き込まれる雰囲気ガス量が少なくなってジェットの減衰を抑制することができる。ジェットの減衰が抑制されること、つまりジェットの動圧の低下が抑制されることにより、上吹きガスによる溶湯の撹拌力が増大し、その結果、スラグ酸化度の低減による操業の高効率化・安定化などが達成され、工業上極めて有益な効果がもたらされる。

以下、本発明について具体的に説明する。

本発明は、上吹きランスから溶銑や溶鋼などの溶融金属に向けて、酸素、空気、酸素富化空気、Ａｒ−酸素混合ガスなどの酸素含有ガスを吹き付け、溶融金属を酸化精錬する技術に関するものである。この酸化精錬の例として大気圧下の転炉で行われる溶銑の脱炭吹錬を取り上げ、酸素ジェットの動圧を調整することができ、同一上吹きランスを使用しても状況に応じて適確な脱炭吹錬を可能とする精錬方法の開発を目的とし、上吹き送酸ジェットの減衰挙動を詳細に調査・解析した。そして、ラバールノズルから噴射される酸素ジェットの動圧減衰に及ぼすノズル孔数、及び雰囲気温度、つまり火炎包囲帯の影響を明確化した。ここで、酸素ジェットの動圧を調整する手段としては、特許文献３に開示された火炎包囲帯を酸素ジェットの周囲に形成する方法を利用した。

酸素ジェットの流速測定の結果、単孔ノズルにおいては、ノズル出口近傍に火炎包囲帯を形成することにより、ジェット周囲の雰囲気ガスの密度が減少するため、ジェットへの雰囲気ガスの巻込みが大幅に抑制され、その結果、火炎包囲帯を形成しない場合に比べて、酸素ジェットの流速が上昇し、且つ、浴面における動圧が著しく上昇することが定量的に把握された。しかし、多孔ノズルの場合には、多孔ノズルによる複数の酸素ジェットの周りを囲むようにして１つの大きな火炎包囲帯を形成させても、雰囲気ガスの巻き込みを抑制することは十分にはできず、動圧を高める効果はほとんど得られないことが分かった。この結果から、多孔ノズルの酸素ジェットの減衰を抑制するためには、各々の酸素ジェットに各々火炎包囲帯を形成させる必要のあることが分かった。

しかしながら、多孔ノズルの場合には、酸素ジェットによる溶銑の撹拌力を増大させるために全ての酸素ジェットについて減衰を抑制しなくても、一部の酸素ジェットについて減衰を抑制すれば、包括的には撹拌力が増大することが分かった。このようにすることで、高効率な酸素供給がなされることも分かった。

そこで先ず、多孔ノズルに及ぼす火炎包囲帯の影響について、小型ランスでの吹錬実験（１００ｋｇ規模）による検証を行った。小型ランスの中心部にラバールノズル形状の中心孔を設置し、超音速で酸素ジェットを噴出させた。このとき噴出マッハ数は１．５〜２．０の範囲であった。そして、この酸素ジェットの周囲にプロパンガスの燃焼による火炎包囲帯を形成させた。その結果、水冷ピトー管による動圧の測定結果から、火炎包囲帯が形成されない場合に比べて火炎包囲帯を形成させた場合には、動圧が著しく増大することが確認できた。この場合、火炎包囲帯の形成方法には特に制限はなく、中心孔の周囲にプロパンガス及びその燃焼用酸素を供給するノズルを円周上に設置してもよいし、また、中心孔のラバールノズル内壁からプロパンガスを供給する方法とすることもできる。ラバールノズル内壁からプロパンガスを供給する場合には、燃料ガスの供給機構が容易となる。

この小型ランスに、中心孔を対称点として更に３つの周囲孔を設置した。ここで、周囲孔の設置数は、浴面での対称性を確保し且つ浴面振動を減少させるために３孔以上が必要である。この上吹きランスを用いて脱炭吹錬実験を行った。比較対象として、火炎包囲帯を形成させない条件での実験も行った。ランス高さは何れの水準も同一としたが、火炎の安定性を確保するために火炎が浴面に達しない条件に設定した。

実験の結果、吹錬後（炭素濃度＝０．０５質量％）のスラグ中の鉄酸化物濃度は火炎包囲帯の形成により、約４０質量％から２０質量％へと半減した。また、周囲孔の全てに火炎包囲帯を形成させた実験も行ったが、スラグ中の鉄酸化物濃度は２０質量％前後であり大差はなかった。しかしながら、周囲孔の全てに火炎包囲帯を形成させた実験では、吹錬中の浴面の変動が極めて大きくなり、鉄・ダストの飛散は著しく増大した。また、ランスノズルの構造が複雑なため、冷却不足による冷却水温度の上昇傾向が観察された。

このように、小型実験の結果、火炎包囲帯を酸素ジェットの噴出部に形成させることで、撹拌力の増大が図れ、スラグの酸化度低減に効果があることが分かった。また、多孔ノズルの場合、全ノズル孔ではなく中心孔の酸素ジェットのみに火炎包囲帯を形成させることで、鉄の激しい飛散を生じさせることなく十分な撹拌効果が得られることが分かった。また、ランス高さを増大させて同様の実験を行った結果、火炎包囲帯を形成しない場合には脱炭酸素効率の低下が観察されたが、中心孔に火炎包囲帯を形成させることで脱炭酸素効率の高位維持が可能であった。これは、浴面近傍での撹拌が強化され、さらに周囲孔の酸素ジェットをも随伴させて、周囲孔も含めた全送酸酸素の到達度が高位に維持されたものと考えられる。

本発明に係る精錬用上吹きランスは、これらの試験結果に基づくものであり、以下に、中心孔の酸素ジェットの周囲に火炎包囲帯を形成させる本発明に係る精錬用の上吹きランスの一例について説明する。

最初に、中心孔の周囲に燃料ガス供給ノズル及び燃焼用酸素供給ノズルを配置した本発明に係る精錬用上吹きランスを説明する。図１及び図２に、中心孔の周囲に燃料ガス供給ノズル及び燃焼用酸素供給ノズルを配置した本発明に係る精錬用上吹きランスの概略図を示す。図１は、本発明に係る精錬用上吹きランスを先端部側から見た概略図であり、図２は、図１のＸ−Ｘ’断面の概略断面図である。

図１及び図２に示すように、本発明に係る精錬用の上吹きランス１は、円筒状のランス本体２と、このランス本体２の下端に溶接などにより接続されたランスノズル３とで構成されており、そして、ランス本体２は、外管９、中管１０、内管１１、最内管１２からなる同心円状の４種の鋼管、即ち四重管で構成され、銅製のランスノズル３には、中心部に鉛直下向き方向を向いた中心孔４が設置され、中心孔４の周囲に、中心孔４を対称点として３個の周囲孔５が対称に設置されている。中心孔４はラバールノズル形状であることを必須とし、一方、周囲孔５はストレート形状であっても構わないが、酸素効率を高める観点から、図２に示すようにラバールノズル形状とすることが好ましい。また、浴面の振動を防止する観点から、周囲孔５から供給する酸素含有ガスの総流量が中心孔４から供給する酸素含有ガス量の２倍以上となることが好ましく、従って、周囲孔５の口径（最小部の口径）の総面積が、中心孔４の口径（最小部の口径）の面積の２倍以上となるように、中心孔４及び周囲孔５のサイズを決めることが好ましい。

そして、中心孔４の周囲に、燃料ガス供給ノズル６と燃焼用酸素供給ノズル８とがランスノズル３の軸心を中心とする同一円周上に交互に配置されている。燃料ガス供給ノズル６は、プロパンガス、天然ガス、水素含有ガス、ＣＯ含有ガスなどの燃料ガスを中心孔４の周囲に供給するノズルであり、燃焼用酸素供給ノズル８は、燃料ガス供給ノズル６により供給された燃料ガスを燃焼させるための酸素含有ガスを供給するノズルである。燃料ガス供給ノズル６により供給される燃料ガスは、燃焼用酸素供給ノズル８により供給される酸素含有ガスにより燃焼し、中心孔４から噴出するジェットの周囲に火炎包囲帯を形成させる。図１では、燃料ガス供給ノズル６と燃焼用酸素供給ノズル８とが同一円周上に交互に配置されているが、燃料ガス供給ノズル６を中心孔４の近傍に配置し、その外側に燃焼用酸素供給ノズル８を配置するようにしてもよい。また、図１では、燃料ガス供給ノズル６及び燃焼用酸素供給ノズル８がそれぞれ６個であるが、これは図面作成上の便宜的なもので、更に多数のノズルを配置しても何ら問題ない。燃料ガス供給ノズル６及び燃焼用酸素供給ノズル８はストレート形状のノズルで問題ない。

外管９と中管１０との間隙、及び、中管１０と内管１１との間隙は、上吹きランス１を冷却するための冷却水の流路となっており、上吹きランス１の上部に設けられた給水継手（図示せず）から供給された冷却水は、中間１０と内管１１との間隙を通ってランスノズル３の部位まで至り、ランスノズル３の部位で反転して外管９と中管１０との間隙を通って上吹きランス１の上部に設けられた排水継手（図示せず）から排出される。この場合に給排水の径路を逆としてもよい。

内管１１と最内管１２との間隙は、燃料ガスの供給流路となっており、上吹きランス１の上端部から内管１１と最内管１２との間隙に供給された燃料ガスは、内管１１と最内管１２との間隙を通り、燃料ガス供給ノズル６から噴出される。また、最内管１２の内部は酸素含有ガスの供給流路となっており、上吹きランス１の上端部から最内管１２の内部に供給された酸素含有ガスは、最内管１２の内部を通り、中心孔４、周囲孔５及び燃焼用酸素供給ノズル８から噴出される。図では、燃焼用酸素供給ノズル８から供給する酸素含有ガスと、中心孔４及び周囲孔５から供給する酸素含有ガスとが同じ径路であるが、ランス本体２を五重管構造とするなどして、両者を独立させてもよい。

本発明に係る上吹きランス１は、送酸速度が高い精錬に使用されるものであることから、中心孔４及び周囲孔５を有する多孔ノズルであり、周囲孔５は少なくとも３孔設置する必要があるが、精錬中の鉄やダストの飛散を抑制させるためには、浴面において適度な動圧に低減させる必要があることから、この効果が顕著となる４孔以上とすること、望ましくは６孔以上とすることが好ましい。ここで、周囲孔５の傾角（θ）は、大きすぎると周囲孔５のジェットが中心孔４のジェットから離れすぎて、高動圧化の効果を得にくくなる。これを防止するために、周囲孔５の傾角（θ）は２０゜以下が好ましい。中心孔４からの酸素ジェットの周囲に火炎包囲帯を形成させた場合には、周囲孔５からの酸素ジェットの動圧は火炎包囲帯を形成しない場合と同等かそれよりも若干高くなることを確認している。

次に、中心孔の内壁に開口する燃料ガス供給ノズルを配置した本発明に係る精錬用上吹きランスを説明する。図３に、中心孔の内壁に開口する燃料ガス供給ノズルを配置した本発明に係る精錬用上吹きランスの概略側面断面図を示す。この上吹きランスは、上記の上吹きランス１と区別するために、符号１Ａで表している。

図３に示すように、本発明に係る上吹きランス１Ａは、中心孔４の側壁に開口する燃料ガス供給ノズル７が備えられている。燃料ガス供給ノズル７は、中心孔４の側壁に同心円状に複数個配置されている。燃料ガス供給ノズル７から供給された燃料ガスは、中心孔４から供給される酸素含有ガスによって燃焼するので、上吹きランス１Ａには、前述した上吹きランス１において配置された燃焼用酸素供給ノズル８は必要とせず設置されていない。上吹きランス１Ａは、その他の構造は図１及び図２に示す上吹きランス１と同一構造となっており、同一の部分は同一符号により示し、その説明は省略する。

つまり、上吹きランス１Ａでは、内管１１と最内管１２との間隙に供給された燃料ガスは、内管１１と最内管１２との間隙を通り、燃料ガス供給ノズル７から中心孔４の内部に噴出される。中心孔４の内部に噴出された燃料ガスは、中心孔４から供給される酸素含有ガスにより燃焼して、中心孔４から噴出する酸素ジェットの周囲に火炎包囲帯を形成させる。このようなランス構造の場合、構造も簡易であり、また、燃料に液体燃料を使用することも容易となる。

このようにして構成される本発明に係る上吹きランス１，１Ａを用い、溶銑や溶鋼などの溶融金属の浴面に向けて、酸素、空気、酸素富化空気、Ａｒ−酸素混合ガスなどの酸素含有ガスを吹き付け、溶融金属を酸化精錬する。酸化精錬の具体例としては、溶銑の脱炭吹錬、溶銑の予備脱燐処理、コークスなどの炭材の燃焼熱を利用した鉄スクラップの溶解処理、溶銑の存在下で行うＣｒ鉱石の溶融還元処理などである。つまり、反応生成物としてＣＯガスが生成する酸化精錬であるならば、本発明に係る上吹きランス１，１Ａを用いて効率的に精錬することができる。

本発明に係る上吹きランス１，１Ａを用い、燃料ガス供給ノズル６或いは燃料ガス供給ノズル７から燃料ガスを供給して中心孔４の酸素ジェットの周囲に火炎包囲帯を形成させることで、中心孔４から噴出される酸素ジェット周囲の温度が高温になり、この酸素ジェット周囲の雰囲気ガスの密度が減少することによって、この酸素ジェットへの雰囲気ガスの巻込み量が少なくなり、換言すれば雰囲気ガスによる中心孔４の酸素ジェットの減衰が抑制され、浴面における酸素ジェットの動圧を、火炎包囲帯を形成させない場合に比べて増加させることができる。酸素ジェットの動圧の上昇に伴って、上吹きガスによる溶融金属の攪拌力も増大する。

このような本発明に係る上吹きランス１，１Ａによる効果を特に有効に活用できる精錬としては、転炉における溶銑の脱炭吹錬が挙げられ、以下の効果を得ることができる。

即ち、脱炭初期から中期（およそＣ≧０．６質量％）においては、低動圧・高送酸操業とするため中心孔４及び周囲孔５は低動圧つまりソフトブローとして設計されており、従って、中心孔４の酸素ジェットの周囲に火炎包囲帯を形成させると、浴面の変動が大きくなることから、細粒のスピッティング或いはダストを低減させることができる。大径の鉄飛散は増加するが、発生量は送酸量に依存し、本発明法では周囲孔５からの酸素供給がメインであることから、増加度合いは最小に抑えることが可能である。また、上吹き酸素による撹拌力が増大するので、底吹き撹拌がない場合でも問題なく吹錬が可能となる。更に、上吹きランス１，１Ａへの地金付着低減などを目的としてランス高さを増大させた場合においても、高い脱炭酸素効率が得られ、操業安定化の効果が著しい。

一方、脱炭酸素効率が低下する吹錬末期（およそＣ＜０．６質量％）においては、中心孔４の酸素ジェットの周囲に火炎包囲帯を形成させると、脱炭酸素効率を増大させる目的により送酸速度を減じた場合でも酸素ジェットの動圧は高く、溶湯の攪拌力が高位に維持され、鉄の酸化が抑制される。つまり、スラグ中のＴ．Ｆｅ濃度を低減することができ、鉄歩留りを向上させることができる。しかも、同時に動圧が低下してしまう周囲孔５からの酸素ジェットに関しても、高動圧となった中心孔による中心へのジェット吸引効果により酸素効率の低下を抑制できる。また、溶銑の脱炭吹錬においてＭｎ鉱石の還元を実施する場合には、Ｍｎ歩留りを飛躍的に向上させることが可能となる。これに対して、火炎包囲帯を形成させない場合には、送酸速度の減少に伴って、脱炭速度の低下及び鉄の酸化が促進され、スラグ中のＴ，Ｆｅ濃度は著しく増大する。このように、特に、吹錬の末期に本発明に係る上吹きランス１，１Ａを用いることで、効果が顕著となる。また、これらの効果は、炉内のスラグ量が５０ｋｇ／ｔ以下の場合に顕著であり、スラグ量が２０ｋｇ／ｔ以下の場合に特に顕著である。

また、本発明の上吹きランス１，１Ａを用いた溶銑の予備脱燐処理においては、酸素ジェットの動圧が上昇することで溶銑の攪拌が促進され、鉄スクラップの溶解が促進することから、多量の鉄スクラップを溶解することが可能となる。

このように、本発明によれば、中心孔４から噴出される酸素ジェットの周囲に火炎包囲帯を形成するので、酸素ジェットの動圧が上昇し、この酸素ジェットの高動圧化に伴って上吹きガスによる撹拌力が増大し、例えば、鉄歩留りの向上、Ｍｎ鉱石の溶融還元の促進化などの効果が得られる。また、底吹き撹拌の必要性もなくなるとともに、ダストの低減を図ることができる。また更に、酸素ジェットの動圧が高いことから、ランス高さを増大することが可能となり、上吹きランスへの地金付着を軽減することができる。更にまた、脱燐吹錬などの溶銑予備処理時の動圧制御による鉄スクラップ溶解の促進効果も得ることができる。これらの効果が周囲孔にも波及し、簡易なノズル構造で、最大の効果が得られる。

以下、本発明の実施例を比較例とともに示す。容量が５トンで、酸素を上吹きし、攪拌用ガスを底吹きする上底吹き複合吹錬用転炉内に約５トンの溶銑を装入し、図３に示す上吹きランスを用いて主として脱炭吹錬を行った。用いた溶銑は、珪素濃度が０．０５質量％以下、燐濃度が０．００７〜０．０１８質量％であった。転炉内には石灰系フラックスを添加し、スラグを生成させている。スラグの分析値から求められたスラグの塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ₂ ）は質量％比で約２．６〜３．９であり、炉内のスラグ量はＣａＯバランスによって求めた。転炉炉底に設置した羽口からは、溶湯攪拌を目的としてＡｒまたは窒素を毎分０．５Ｎｍ³程度吹き込んだ。

送酸は、主として中心孔を１孔、周囲孔を３孔（傾角θ：１０°）有する４孔上吹きランスにより行い、一部、５孔の周囲孔を有するランスも用いた。脱炭初期から最盛期にかけての送酸速度は１２００Ｎｍ³ ／ｈｒ、吹錬末期では６００Ｎｍ³ ／ｈｒとし、周囲孔と中心孔との酸素供給比は吹錬中一定とした。また、ランス高さなどの吹錬パターンは、何れの操業においても極力同一とした。

火炎包囲帯は、中心孔のラバールノズル内壁からプロパンガスを混合し、プロパンガスを燃焼させて、中心孔の出口に形成させた。火炎が浴面に達すると炉体振動が大きくなったため、浴面に達しない条件で行った。脱炭吹錬の終了目標は溶鋼中炭素濃度が０．０５質量％となった時点とし、到達温度は１６５０℃を目標とした。また、吹錬終了時のスラグを採取し、スラグ中のＴ.Ｆｅ濃度を評価した。Ｍｎ鉱石を吹錬中に５ｋｇ／ｔ添加し、吹錬終点でのＭｎ歩留も評価した。表１に、本発明例及び比較例の操業条件及び操業結果を示す。

表１に示すように、本発明例においては、火炎包囲帯を形成していない比較例１，２に比べてスラグ中のＴ．Ｆｅ濃度が低く、鉄歩留まりが向上することが確認できた。また、本発明例においては、スラグ中のＴ．Ｆｅ濃度が低くなることから、Ｍｎ鉱石の還元歩留まりも向上することが確認できた。中心孔及び周囲孔ともに火炎包囲帯を形成させた比較例３では、吹錬中の浴面の変動が極めて大きくなり、鉄・ダストの飛散が著しく増大した。これに対して、本発明例においては、鉄・ダストの飛散は低位に安定していた。

本発明に係る上吹きランスの１例を示す概略図である。 図１のＸ−Ｘ’断面の概略断面図である。 本発明に係る上吹きランスの他の例を示す概略側面断面図である。

符号の説明

１ 上吹きランス
１Ａ 上吹きランス
２ ランス本体
３ ランスノズル
４ 中心孔
５ 周囲孔
６ 燃料ガス供給ノズル
７ 燃料ガス供給ノズル
８ 燃焼用酸素供給ノズル
９ 外管
１０ 中管
１１ 内管
１２ 最内管

Claims (6)

1. 上吹きランスの中心に設置されたラバールノズル形状の中心孔から、超音速ガスの噴流を、該噴流の周囲に火炎包囲帯を形成させて溶融金属の浴面に向けて供給するとともに、前記中心孔の周囲に設置された３孔以上の周囲孔から酸素含有ガスを溶融金属の浴面に向けて供給することを特徴とする、溶融金属の酸化精錬方法。
2. 前記中心孔から、酸素含有ガスを供給することを特徴とする請求項１に記載の溶融金属の酸化精錬方法。
3. 前記周囲孔がラバールノズル形状のノズルであり、該周囲孔から供給する酸素含有ガスの総流量が前記中心孔から供給するガス量の２倍以上であることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の溶融金属の酸化精錬方法。
4. 前記溶融金属が溶融鉄であることを特徴とする、請求項１ないし請求項３の何れか１つに記載の溶融金属の酸化精錬方法。
5. 前記溶融鉄中の炭素濃度が０．６質量％以下であることを特徴とする、請求項４に記載の溶融金属の酸化精錬方法。
6. 超音速ガスの噴流を供給するためのラバールノズル形状の中心孔を具備するとともに、火炎包囲帯を前記噴流の周囲に形成させるための燃料ガス供給ノズルを具備し、且つ、３孔以上の周囲孔を前記中心孔の周囲に具備することを特徴とする、精錬用上吹きランス。

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