JP2010047830A - 転炉操業方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 上吹きランスを介して酸素ガスを上吹きして溶銑の酸化精錬を行うに当たり、精錬中におけるスピッティングの発生を抑制する。
【解決手段】 ラバールノズル形式のノズルの末広がり部の壁面に１個以上の制御用ガス供給孔１０を有し、該制御用ガス供給孔を介して吹錬用酸素とは独立して流量制御の可能な制御用ガスを供給し、それにより、噴射ノズル９から噴射される酸素噴流の方向を制御することが可能なガス噴射ノズルを、その先端部の円周方向に３個以上具備する上吹きランス８を用いた転炉操業方法であって、（１）式で計算される、各ガス噴射ノズルからの噴流により形成されるキャビティの中心位置を結ぶ円の直径（Ｄ_CPC）の１チャージの吹錬のなかの最小値が、１チャージの吹錬のなかの最大値の８０％以上となるように制御用ガス供給孔から供給する制御用ガスの流量を調整する。
Ｄ_CPC=2×H×tan(θ+α)+Ｄ_NPC …(1)
【選択図】 図２

Description

本発明は、転炉内の溶銑に上吹きランスから酸素ガスを吹き付けて、溶銑に対して酸化精錬を行う転炉操業方法に関し、詳しくは、精錬中に炉外に逸散するダストの発生及び転炉の炉口や側壁への地金の付着を抑制し、安定した転炉精錬を行うための操業方法に関するものである。

上吹き転炉或いは上底吹き転炉では、上吹きランスから高速噴流の酸素ガスを溶銑表面に吹き付けて精錬を実施している。酸素ガスが吹き付けられた溶銑表面の部位には、酸素ガスの圧力による凹み（「キャビティ」と称す）が形成される。このキャビティは「火点」とも呼ばれている。また、高速噴流の酸素ガスの吹き付けにより、溶銑の表面から溶銑及び溶融スラグの液滴が飛散する現象、所謂、スピッティングが発生し、飛散した溶銑及びスラグの一部は、転炉の炉口や炉内側壁に地金として付着し、一部は、ダストとして炉外へ逸脱する。

付着した地金は操業を続けるにつれて成長し、その大きさが或る限度以上になると、溶銑及びスクラップの炉内への装入の障害になるばかりでなく、吹錬中に地金が浴内へ落下したり或いは溶融流下したりすることで、浴の成分組成や温度の変動を来たし、操業に大きな支障をもたらす。このような付着地金は適切に除去しないと、その付着地金の下側の耐火物まで損傷する危険性もある。ダストは回収されて鉄源として再使用されるが、回収工程において酸化してしまうことにより再度の還元剤が必要となり効率的ではない上に、ダストを回収するための費用を必要とする。

そこで、スピッティングの発生を軽減するための改善が、上吹きランスに対して精力的に行われてきた。上吹きランスの具体的な改善方法としては、ガス噴射ノズルの多孔化、ガス噴射ノズルの大径化、ガス噴射ノズルの傾斜角度の拡大化といった内容が代表的である。このうちのガス噴射ノズルの傾斜角度を拡大する技術の１つとして、特許文献１には、傾斜角度の異なる２種類のガス噴射ノズルを円周方向に交互に配置し、これらの各ノズルから噴射されるガスジェットによって形成される浴面キャビティの幾何学的な重なり面積率を３０％以下とし、スピッティングを低減する技術が開示されている。

しかしながら、これらの改善方法には限界がある。即ち、現在一般的に使用されている上吹きランスのノズル孔数は、４孔から８孔程度であり、これ以上に孔数を増加させても、更なるスピッティングの抑制効果は期待できないといわれている。これは、孔数の増加に伴い、隣り合うノズル孔同士の間隔が狭くなるため、各ノズル孔から噴出した酸素ガス噴流が浴面に到達する前に集合・合体し、あたかも１つのノズル孔から噴出した噴流のような挙動を示すことによる。

ノズル孔の大径化については、スピッティングが明らかに低減する範囲までノズル孔を拡大すると、酸素ガス噴流が弱くなりすぎ（「ソフトブロー」という）、脱炭反応効率が低下するという別の問題を生ずる。

また、ノズル傾斜角度の拡大化については、操業時のランス先端から溶銑浴面までの距離（以下、「ランス高さ」とも称す）を適切に設定する必要があることから、自ずと限界がある。例えば、ノズル傾斜角度の大きい上吹きランスを用いた操業では、ランス高さが小さい条件では問題ないが、ランス高さが大きい条件では、酸素ガス噴流と炉壁耐火物とが近接することになり、炉壁耐火物の損耗増加を招く恐れがある。前述した特許文献１の技術は、こうした問題を解決するために開発されたが、特に酸素ガス供給量を増加させて吹錬時間の短縮を図ろうとした場合には、スピッティングの発生、つまり地金付着やダスト発生を抑制するまでには至っていない。

ところで、特許文献２には、上部及び下部に孔を有し、一方の孔から他方の孔に向かって口径が徐々に拡大し、最大径をすぎた後に逆に口径が徐々に狭くなる西洋梨形状のチェンバを、超音速ジェットの噴流を噴射する吹出口に接続させて設置し、前記チェンバ側壁に開口するように配置したガス吐出口から、超音速ジェットの噴流を供給する経路とは別の経路から供給されるガスを噴出させ、超音速ジェットの噴出方向を変更する技術が開示されている。

特許文献２によれば、精錬中に、酸素ジェットによるキャビティの位置が変更されるので、メタルとスラグとの攪拌が促進され、効率的な精錬が可能になるとしているが、ラバールノズルの出口に更に西洋梨形状のチェンバを設置した形態であり、ラバールノズルからの酸素噴流が前記チェンバによって減速され、酸素ジョットが音速を維持できなくなり、溶銑の酸化精錬自体を効率的に実施できなくなるという問題点がある。

特開平６−５７３２０号公報 特開昭６２−２０５２１３号公報

上述したように、従来の技術では、上吹きランスや操業方法の改善によってスピッティングの発生を完全に防止することは困難であり、地金付着やダスト発生を余儀なくされ、更なる技術開発が切望されていた。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、転炉内の溶銑に上吹きランスを介して酸素ガスを上吹きして溶銑の酸化精錬を行うに当たり、精錬中におけるスピッティングの発生を抑制し、それにより、炉外に逸散するダストや転炉炉口への付着地金などに起因したトラブルや、これを防ぐための処置に伴う生産性の低下を回避しつつ、しかも冶金特性の悪化や炉内側耐火物を損傷させることもない転炉操業方法を提供することである。

上記課題を解決するための第１の発明に係る転炉操業方法は、スロート部と、該スロート部の下流側の末広がり部と、を有するとともに、前記末広がり部の壁面に少なくとも１個の制御用ガス供給孔を有し、前記スロート部及び末広がり部を介して吹錬用酸素ガスを噴射し、一方、前記制御用ガス供給孔を介して前記吹錬用酸素ガスとは独立して流量制御の可能な制御用ガスを供給し、それにより、前記スロート部及び末広がり部を介して噴射される吹錬用酸素ガスの噴流の方向を制御することが可能なガス噴射ノズルを、その先端部の円周方向に３個以上具備する上吹きランスを用いた転炉操業方法であって、下記の（１）式で計算される、各ガス噴射ノズルからの噴流によって溶銑浴面に形成されるキャビティの中心位置を結ぶ円の直径（Ｄ_CPC）の１チャージの吹錬のなかの最小値が、１チャージの吹錬のなかの最大値の８０％以上となるように、吹錬中の上吹きランスのランス高さに応じて前記制御用ガス供給孔から供給する制御用ガスの流量を調整することを特徴とするものである。
Ｄ_CPC=2×H×tan(θ+α)+Ｄ_NPC …(1)
但し、（１）式において、Ｄ_CPCは、溶銑浴面上に形成されるキャビティの中心位置を結ぶ円の直径（ｍｍ）、Ｈは、ランス高さ、つまりランス先端から静止浴面までの距離（ｍｍ）、θは、上吹きランス先端の円周方向に配置したガス噴射ノズルの傾斜角度（°）、αは、制御用ガスを供給することによるガス噴射ノズルからの噴流の角度変化（°）、Ｄ_NPCは、上吹きランスでの各ガス噴射ノズルの中心位置を結ぶ直径（ｍｍ）である。

第２の発明に係る転炉操業方法は、スロート部と、該スロート部の下流側の末広がり部と、を有し、前記スロート部及び末広がり部を介して吹錬用酸素ガスを噴射するガス噴射ノズルを、その先端部の円周方向に４個以上具備し、前記ガス噴射ノズルの設置数をｎとしたとき、設置数ｎが偶数の場合には、「ｎ／２」個のガス噴射ノズルが、前記末広がり部の壁面に少なくとも１個の制御用ガス供給孔を有し、該制御用ガス供給孔を介して前記吹錬用酸素ガスとは独立して流量制御の可能な制御用ガスを供給し、それにより、前記スロート部及び末広がり部を介して噴射される吹錬用酸素ガスの噴流の方向を制御することが可能なガス噴射ノズルであり、一方、設置数ｎが奇数の場合には、「（ｎ−１）／２＋１」個のガス噴射ノズルが、前記末広がり部の壁面に少なくとも１個の制御用ガス供給孔を有し、該制御用ガス供給孔を介して前記吹錬用酸素ガスとは独立して流量制御の可能な制御用ガスを供給し、それにより、前記スロート部及び末広がり部を介して噴射される吹錬用酸素ガスの噴流の方向を制御することが可能なガス噴射ノズルであり、且つ、前記制御用ガス供給孔を有するガス噴射ノズルと、制御用ガス供給孔を有していないガス噴射ノズルとを、円周方向の交互に配置する上吹きランスを用いた転炉操業方法であって、下記の（１）式で計算される、制御用ガス供給孔を有するガス噴射ノズルからの噴流によって溶銑浴面に形成されるキャビティの中心位置を結ぶ円の直径（Ｄ_CPC）の１チャージの吹錬のなかの最小値が、１チャージの吹錬のなかの最大値の８０％以上となるように、吹錬中の上吹きランスのランス高さに応じて、前記制御用ガス供給孔から供給する制御用ガスの流量を調整することを特徴とするものである。
Ｄ_CPC=2×H×tan(θ+α)+Ｄ_NPC …(1)
但し、（１）式において、Ｄ_CPCは、溶銑浴面上に形成されるキャビティの中心位置を結ぶ円の直径（ｍｍ）、Ｈは、ランス高さ、つまりランス先端から静止浴面までの距離（ｍｍ）、θは、上吹きランス先端の円周方向に配置したガス噴射ノズルの傾斜角度（°）、αは、制御用ガスを供給することによるガス噴射ノズルからの噴流の角度変化（°）、Ｄ_NPCは、上吹きランスでの各ガス噴射ノズルの中心位置を結ぶ直径（ｍｍ）である。

本発明によれば、制御用ガス供給孔を介して供給する制御用ガスにより、吹錬中、ガス噴射ノズルの傾斜角度を実質的に変更し、それにより、酸素ガス噴流により形成される溶銑浴面上のキャビティの中心位置を結ぶ円の直径（Ｄ_CPC）の最小値が、最大値の８０％以上になるように制御して吹錬するので、スピッティングの発生が減少し、その結果、付着地金やダストに起因する操業トラブルや、これを防ぐための処置に伴う生産性の低下が回避できる。しかも、冶金特性の悪化を伴わず、炉口や炉壁の耐火物を損傷させることもなく、安定した操業が継続でき、大幅な生産性の向上が実現される。

本発明を実施するために用いる転炉設備の一例の概略図である。 図１に示す上吹きランスの拡大図である。 図２に示すガス噴射ノズルの拡大図である。 図１に示す上吹きランスの別の形態例の拡大図である。 制御用酸素ガス流量／（制御用酸素ガス流量＋吹錬用酸素ガス流量）と角度（α）との関係を模式的に示す図である。

以下、本発明を具体的に説明する。先ず、本発明に至った経緯について説明する。

転炉での吹錬において、上吹きランスからの酸素ガス噴流によるスピッティングの発生、及び、転炉の炉口や側壁への地金付着量及び付着位置は、ランス高さやガス噴射ノズルの傾斜角度が大きな影響を及ぼすことが知られている。また、同時に、これらランス高さやガス噴射ノズルの傾斜角度は、脱炭反応効率に代表される冶金特性は勿論のこと、炉内耐火物の損耗状況にも大きな影響を及ぼすことが知られている。従って、ランス高さやガス噴射ノズルの傾斜角度は上記の影響を総合的に考慮して経験的に決定されている。

一般的には、酸素ガス流量を一定とした場合には、ランス高さ或いはガス噴射ノズルの傾斜角度を大きくすると、酸素ガス噴流の浴面に到達するまでの流速の減衰が大きくなり、所謂、ソフトブローの条件となり、スピッティングの発生は減少する。また、ランス高さ或いはガス噴射ノズルの傾斜角度を一定としても酸素ガス流量を減少すれば、ソフトブローの条件となり、スピッティングは減少する。但し、冶金特性から見るとソフトブローの条件では脱炭反応に対して相対的に鉄の酸化に消費される酸素量が増加する。吹錬中、溶銑の炭素濃度に応じて酸素ガス供給量を変更する操業が一般的に行われており、この酸素ガス供給量の変更に合わせてランス高さを変更する操業が行われている。具体的には、酸素ガス供給量の多い吹錬の初期にはランス高さを大きくして、投入した造滓剤の滓化を促進させる程度に鉄の酸化を抑制する。一方、酸素ガス供給量が低下する吹錬末期には、脱炭反応速度が溶湯中炭素の物質移動律速となるために、浴の攪拌を強化して脱炭反応を促進させることを狙って、ランス高さを小さくすることが一般的である。

例えば、スピッティングの発生を減少させるために、ガス噴射ノズルの傾斜角度を大きくした上吹きランスを用いて、上述したように吹錬の時期に応じてランス高さを変更する操業を考える。吹錬の初期には、ランス高さを大きくするので、過度のソフトブローとなる可能性があり、結果として、造滓剤の滓化が進み過ぎてスロッピングを起こしたり、炉内耐火物を損耗させたりする原因となる。尚、スロッピングとは、転炉内のスラグが泡立ち（「フォーミング」という）、操業中に転炉炉口から溢れる現象である。

一方、上記とは逆に、ガス噴射ノズルの傾斜角度を小さくした上吹きランスを用いて、上述したように吹錬の時期に応じてランス高さを変更する操業を考えると、特にランス高さを小さくする吹錬の末期には、過度のハードブローとなり、スピッティングの発生が増加するばかりか、酸素ガスが衝突して形成されるキャビティの面積、つまり反応面積が小さくなり、ランス高さを小さくして吹錬するにも拘わらず、脱炭反応効率が向上しない場合も生ずる。

このように、スピッティングの発生を減少させると同時に、冶金特性の向上や耐火物損耗の防止などの要因をも満足させるためには、上吹きの条件に或る適正範囲が存在し、吹錬の全期間を通じてその範囲内に制御することが肝要である。

本発明者らは、ランス先端部の円周方向に３個以上のガス噴射ノズルを具備する上吹きランスを用いた吹錬において、上記上吹きの条件の適正範囲を定めるための代表値となり得る因子について検討した。その結果、各ガス噴射ノズルからの噴流により溶銑浴面上に形成されるキャビティの中心位置を結ぶ円の直径（Ｄ_CPC）（以下、単に「直径Ｄ_CPC」とも記す）が１チャージの吹錬中に極力一定値となるように、ガス噴射ノズルの傾斜角度及びランス高さを調整することで、スピッティングの発生を減少させると同時に、冶金特性の向上や耐火物損耗の防止などの要因をも満足させ得ることを見出した。

この直径Ｄ_CPCの値は、下記の（１）式により求めることができ、ガス噴射ノズルの傾斜角度が大きい上吹きランスを使用すれば大きくなり、ガス噴射ノズルの傾斜角度が同一の上吹きランスではランス高さが大きいほど大きくなる。
Ｄ_CPC=2×H×tan(θ+α)+Ｄ_NPC …(1)
但し、（１）式において、Ｄ_CPCは、溶銑浴面上に形成されるキャビティの中心位置を結ぶ円の直径（ｍｍ）、Ｈは、ランス高さ、つまりランス先端から静止浴面までの距離（ｍｍ）、θは、上吹きランス先端の円周方向に配置したガス噴射ノズルの傾斜角度（°）、αは、制御用ガスを供給することによるガス噴射ノズルからの噴流の角度変化（°）、Ｄ_NPCは、上吹きランスでの各ガス噴射ノズルの中心位置を結ぶ直径（ｍｍ）である。

通常は、生産性確保の観点から、１チャージの吹錬中に上吹きランスを交換することはなく、ガス噴射ノズルの傾斜角度は一定となるので、直径Ｄ_CPCはランス高さのみで決まってしまう。そのため、直径Ｄ_CPCを吹錬中に極力一定値にしようとしても、自ずと限界があった。

ところで、本発明者らは、特開２００７−７７４８９号公報において、流体素子の応用によりガス噴射ノズルの傾斜角度を実質的に変化させる方法を開示している。即ち、入口部にスロート部を有し、且つ前記スロート部の下流側に末広がり部を有する、所謂ラバールノズル型のガス噴射ノズルにおいて、末広がり部の壁面に制御用ガス供給孔を配置し、この制御用ガス供給孔に供給する制御用ガスの流量を変化させることにより、前記ガス噴射ノズルから噴出される噴流の噴出方向を自在に変更するという技術である。

この構成のガス噴射ノズルを利用して、ランス高さの変更と同時に、吹錬中に制御用ガスの流量を調整することによってガス噴射ノズルの傾斜角度を実質的に変化させれば、直径Ｄ_CPCの値を吹錬中に極力一定値にした吹錬条件が設定可能であり、その結果として、スピッティングの発生を減少させると同時に、冶金特性の向上や耐火物損耗の防止などの要因をも満足させ得る操業が実現可能になるとの知見を得た。

本発明は、上記知見に基づきなされたものであり、ラバールノズル形式のガス噴射ノズルの末広がり部に制御用ガス供給孔を配置し、この制御用ガス供給孔から制御用ガスを供給してガス噴射ノズルから噴出される酸素ガス噴流の方向を吹錬中の上吹きランスのランス高さに応じて変更し、それにより、上記の（１）式で計算される、各ガス噴射ノズルからの噴流によって溶銑浴面に形成されるキャビティの中心位置を結ぶ円の直径（Ｄ_CPC）の１チャージの吹錬のなかの最小値が、１チャージの吹錬のなかの最大値の８０％以上となるように制御することを特徴とする。

以下、本発明の好ましい形態例について、図面を参照して説明する。図１は、本発明を実施するために用いる転炉設備の一例の概略図である。

図１において、外殻を鉄皮３とし、その内側を耐火物４とする転炉本体２に対して、上吹きランス８が、炉口５を介して転炉本体２の内部に挿入可能に構成されている。上吹きランス８は、その下端部から吹錬用の酸素ガスを供給するための装置である。また、転炉本体２には、側壁上部に出湯口６が設けられ、底部に複数の底吹き羽口７が設置されている。出湯口６は、酸素吹錬により得られた溶鋼や脱燐処理された溶銑を出湯するための排出孔であり、底吹き羽口７は、溶銑１１にＡｒガス、窒素ガスなどの攪拌用ガスを吹き込むための装置である。このようにして転炉設備１が構成されている。尚、図中、符号１２はスラグ、１３は炉口付着地金、１４は側壁付着地金である。

本発明で使用する吹錬用の上吹きランス８を、図面に基づき詳細に説明する。図２は、図１に示す上吹きランス８の拡大図である。図２に示すように、上吹きランス８は、円筒状のランス本体８ａと、このランス本体８ａの下端に溶接などにより接続されたランスチップ８ｂとで構成されており、ランス本体８ａは、外管１８、仕切管１７、内管１６、最内管１５からなる同心円状の４種の鋼管、即ち四重管で構成され、先端部の銅製のランスチップ８ｂには、鉛直斜め下向き方向を向いた複数個のガス噴射ノズル９が設置されている。それぞれの吹錬用酸素ガス噴射ノズル９の中心線は、鉛直方向に対して角度θだけ傾斜しており、この鉛直方向に対する角度θをガス噴射ノズル９の傾斜角度と称している。

このガス噴射ノズル９の拡大図を図３に示す。図３に示すように、ガス噴射ノズル９は、その断面が縮小する部分と拡大する部分の２つの円錐体で構成された、所謂ラバールノズル形式のノズルであり、縮小部分は絞り部１９、拡大部分は末広がり部２１、絞り部１９から末広がり部２１に遷移する部位である、最も狭くなった部位はスロート２０と呼ばれている。ランス本体８ａの内部を通ってきた酸素ガスは、絞り部１９、スロート２０、末広がり部２１を順に通って、ガス噴射ノズル９の先端から噴射される。噴射されたガスは、その流量により亜音速から超音速のジェットとなる。図３中のＤｔはスロート径、Ｄｅは出口径であり、末広がり部２１の広がり角度θoは通常１０度以下である。

ここで、ガス噴射ノズル９の１孔当たりの酸素ガス供給流量は、それぞれのガス噴射ノズル９のスロート径Ｄｔの合計断面積に対する個々のガス噴射ノズル９のスロート径Ｄｔの断面積の比と、上吹きランス８からの酸素ガス供給流量（総量）とを、乗算することにより求めることができ、通常、複数個のガス噴射ノズル９を設置する場合には、各ガス噴射ノズル９のスロート径Ｄｔを実質的に同一とするので、酸素ガス供給流量（総量）をガス噴射ノズル９の設置個数で除算することにより求めることができる。

尚、図３に示すラバールノズル形状のガス噴射ノズル９では、絞り部１９及び末広がり部２１が円錐体であるが、ラバールノズルとしては絞り部１９及び末広がり部２１は円錐体である必要はなく、内径が曲線的に変化する曲面で構成してもよく、また、絞り部１９はスロート２０と同一の内径であるストレート状の円筒形としてもよい。絞り部１９及び末広がり部２１を、内径が曲線的に変化する曲面で構成する場合には、ラバールノズルとして理想的な流速分布が得られるが、ノズルの加工が極めて困難であり、一方、絞り部１９をストレート状の円筒形とした場合には、理想的な流速分布とは若干解離するが、転炉吹錬での使用には全く問題とならず、且つ、ノズルの加工が極めて容易となる。本発明ではこれら全ての末広がりのノズルをラバールノズルと称する。

この構成のガス噴射ノズル９には、その末広がり部２１の壁面に、図２に示すように、少なくとも１個の制御用ガス供給孔１０が設けられている。制御用ガス供給孔１０からは、当該ガス噴射ノズル９から噴射される噴流の方向及び／または流速を制御するための制御用ガスが噴射される。この制御用ガスとしては、窒素ガスであろうと、空気であろうと、またＡｒガスであろうと、どのような種類のガスであっても使用可能であるが、制御用ガスは、最終的にはガス噴射ノズル９で吹錬用酸素ガスと混合されて噴射されることから、酸素ガスを使用すれば精錬にも利用できるので望ましい。以下、制御用ガスとして酸素ガスを使用した例で説明する。

外管１８と仕切管１７との間隙、及び、仕切管１７と内管１６との間隙は、上吹きランス８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８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、仕切管１７と内管１６との間隙を通ってランスチップ８ｂの部位まで至り、ランスチップ８ｂの部位で反転して外管１８と仕切管１７との間隙を通って上吹きランス８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１６と最内管１５との間隙は、ガス噴射ノズル９への酸素ガスの供給流路となっており、上吹きランス８の上端部から内管１６と最内管１５との間隙に供給された酸素ガスは、内管１６と最内管１５との間隙を通り、ガス噴射ノズル９から転炉本体内に噴出される。

また、最内管１５の内部は、制御用ガス供給孔１０への制御用ガス（ここでは酸素ガス）の供給流路となっており、上吹きランス８の上端部から最内管１５の内部に供給された制御用ガスとしての酸素ガス（以下、「制御用酸素ガス」と記す）は、最内管１５の内部を通り、制御用ガス供給孔１０から噴射される。このように、制御用酸素ガスの供給経路を、吹錬用酸素ガスの供給経路から独立させて制御できるようにしてある。

制御用ガス供給孔１０は、ガス噴射ノズル９から噴射される噴流の方向及び／または流速を制御するための装置であり、制御用ガス供給孔１０からの噴射方向が、図２に示すように、上吹きランス８の中心から外面側に向いている場合には、吹錬用酸素ガスの流量に対する制御用酸素ガスの流量を増加させると、ガス噴射ノズル９から噴射される噴流は、より一層、上吹きランス８の外周側へ偏向し、ガス噴射ノズル９の傾斜角度を増加させた場合（水平方向に近くする）と同じ効果を発現する。逆に、吹錬用酸素ガスの流量に対する制御用酸素ガスの流量を減少させると、ガス噴射ノズル９から噴射される噴流は偏向しにくくなり、ガス噴射ノズル９の傾斜角度を減少させた場合（鉛直下向きに近くする）と同じ効果を発現する。

更に、本発明で使用する吹錬用の上吹きランス８の別の形態例について、図面に基づき説明する。図４は、本発明で使用する上吹きランスの、図２とは別の形態例の拡大図である。ここでは、上記で説明した上吹きランス８と区別するために、別の形態例の吹錬用の上吹きランスを、「上吹きランス８Ａ」と表示している。尚、上吹きランス８Ａは上吹きランス８と類似しており、重複することもあるが説明する。

図４に示すように、上吹きランス８Ａは、円筒状のランス本体８ｃと、このランス本体８ｃの下端に溶接などにより接続されたランスチップ８ｄとで構成されており、ランス本体８ｃは、外管１８、仕切管１７ａ、仕切管１７ｂ、内管１６からなる同心円状の４種の鋼管、即ち四重管で構成され、先端部の銅製のランスチップ８ｄには、鉛直斜め下向き方向を向いた複数個のガス噴射ノズル９が設置されている。このガス噴射ノズル９は、前述した図３に示すラバール形状のノズルであり、それぞれのガス噴射ノズル９の中心線は、図２に示すガス噴射ノズル９と同様に鉛直方向に対して傾斜している。

また、ガス噴射ノズル９には、その末広がり部２１の壁面に、少なくとも１個の制御用ガス供給孔１０が設けられている。制御用ガス供給孔１０からは、当該ガス噴射ノズル９から噴射される噴流の方向及び／または流速を制御するための制御用ガスが噴射される。この制御用ガスの種類としては、図２の場合と同様に、窒素ガスであろうと、空気であろうと、またＡｒガスであろうと、どのような種類のガスであっても使用可能であるが、制御用ガスは、最終的にはガス噴射ノズル９で吹錬用酸素ガスと混合され、噴射されることから、酸素ガスを使用すれば精錬にも利用できるので望ましい。以下、制御用ガスとして酸素ガスを使用した例で説明する。

外管１８と仕切管１７ａとの間隙、及び、仕切管１７ｂと内管１６との間隙は、上吹きランス８Ａ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８Ａ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、仕切管１７ｂと内管１６との間隙を通ってランスチップ８ｄの部位まで至り、ランスチップ８ｄの部位で反転して外管１８と仕切管１７ａとの間隙を通って上吹きランス８Ａ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１６の内部は、ガス噴射ノズル９への酸素ガスの供給流路となっており、上吹きランス８Ａの上端部から内管１６の内部に供給された酸素ガスは、ガス噴射ノズル９から転炉本体内に噴射される。また、仕切管１７ａと仕切管１７ｂとの間隙は、制御用ガス供給孔１０への制御用酸素ガスの供給流路となっており、上吹きランス８Ａの上端部から仕切管１７ａと仕切管１７ｂとの間隙に供給された制御用酸素ガスは、制御用ガス供給孔１０から噴射される。このように、制御用酸素ガスの供給経路を、吹錬用酸素ガスの供給経路から独立させて制御できるようにしてある。

制御用ガス供給孔１０は、ガス噴射ノズル９から噴射される噴流の方向及び／または流速を制御するための装置であり、図４に示すように、制御用ガス供給孔１０からの噴射方向が、上吹きランス８Ａの外面側から中心側に向いている場合には、吹錬用酸素ガスの流量に対する制御用酸素ガスの流量を増加させると、ガス噴射ノズル９から噴射される噴流は、より一層、上吹きランス８Ａの中心軸側へ偏向し、ガス噴射ノズル９の傾斜角度を減少させた場合（鉛直下向きに近くする）と同じ効果を発現する。逆に、吹錬用酸素ガスの流量に対する制御用酸素ガスの流量を減少させると、ガス噴射ノズル９から噴射される噴流は偏向しにくくなり、ガス噴射ノズル９の傾斜角度を増加させた場合（水平方向に近くする）と同じ効果を発現する。

上記２種類の上吹きランス８及び上吹きランス８Ａを用いた操業の形態について、以下、その概要を説明する。

上記の上吹きランス８或いは上吹きランス８Ａには、傾斜角度をθ（°）とするガス噴射ノズル９が、各ガス噴射ノズル９の中心を結ぶ円の直径をＤ_NPC（ｍｍ）としてランスチップ８ｂ或いはランスチップ８ｄに３個以上配置されており、この上吹きランス８或いは上吹きランス８Ａを用い、ランス高さをＨ（ｍｍ）として溶銑１１を吹錬する場合を想定する。ここで、各ガス噴射ノズル９から噴出する噴流によって溶銑１１の浴面に形成されるキャビティの中心位置を結ぶ円の直径をＤ_CPC（ｍｍ）とし、また、制御用ガス供給孔１０から供給する制御用酸素ガスによって、ガス噴射ノズル９から噴射される噴流は角度α（°）だけ傾斜角度から偏向するものとすると、キャビティの中心位置を結ぶ円の直径（Ｄ_CPC）は、幾何学的関係から、上記の（１）式で表される。

尚、使用する上吹きランス８或いは上吹きランス８Ａにおいて、予め、相似形状の模型を利用した実験などにより、制御用ガス供給孔１０から供給する制御用酸素ガスの流量を変化させたときの角度（α）がどの程度になるかを把握しておくものとする。即ち、吹錬用酸素ガスの流量及び制御用酸素ガスの流量を種々変更し、そのときの酸素ガス噴流の噴流方向を調査し、角度（α）に及ぼす影響を定量化しておく必要がある。

図５は、模型実験によって得られた、「制御用酸素ガス流量／（制御用酸素ガス流量＋吹錬用酸素ガス流量）」と角度（α）との関係を模式的に示す図である。図５に示すように、総ガス流量に対する制御用酸素ガス流量の比が定まれば角度（α）が決まるので、それぞれの吹錬条件において、上記（１）式によって直径Ｄ_CPCを定めることができる。

一般的には、溶銑１１の炭素濃度が低下する吹錬の後半或いは末期には、ランス高さをそれ以前よりも相対的に小さくする操業が行われる。前述したように、制御用ガス供給孔１０を有していない通常の上吹きランスを用いた場合には、（１）式による直径Ｄ_CPCの値はランス高さのみで一義的に決まるため、ランス高さを小さくすると、直径Ｄ_CPCの値が小さくなるが、本発明の場合には、制御用ガス供給孔１０から供給する制御用酸素ガスによってガス噴射ノズル９から噴射する噴流の方向を変えることのできる上吹きランス８，８Ａを使用しているので、ランス高さを小さくしたときの直径Ｄ_CPCの縮小を軽減することができる。

即ち、図２に示す上吹きランス８を使用したときには、吹錬用酸素ガスの流量に対する制御用酸素ガスの流量を増加させると、ガス噴射ノズル９から噴射される噴流は、より一層、上吹きランス８の外周側へ偏向する。つまり、上吹きランス８の場合、（１）式中の角度（α）は正であり且つ角度（α）は制御用酸素ガス流量の増加に伴って増大するので、ランス高さの低下に合わせて、吹錬用酸素ガスの流量に対する制御用酸素ガスの流量を増加させるように調整すればよい。

一方、図４に示す上吹きランス８Ａを使用したときには、吹錬用酸素ガスの流量に対する制御用酸素ガスの流量を増加させると、ガス噴射ノズル９から噴射される噴流は、より一層、上吹きランス８Ａの中心側へ偏向する。つまり、上吹きランス８Ａの場合、（１）式中の角度（α）は負であり且つ角度（α）の絶対値は制御用酸素ガス流量の増加に伴って増大するので、ランス高さの低下に合わせて、吹錬用酸素ガスの流量に対する制御用酸素ガスの流量を減少させるように調整すればよい。

このように、一般的には、吹錬初期はランス高さを大きくし、吹錬末期にはランス高さを小さくするので、図２に示す上吹きランス８の場合は、吹錬初期から末期に向けて制御用ガスの流量を増加させる操業となり、一方、図４に示す上吹きランス８Ａの場合は、吹錬初期から末期に向けて制御用ガスの流量を減少させる操業となる。制御用ガスが酸素ガスであれまた他のガスであれ、制御用ガス流量を増加させると、吹錬用酸素ガスと制御用ガスとが合流した後の噴流ガスの流速低下が大きくなるので、吹錬末期に酸素流量を低下させる操業を行う場合には、図４に示す上吹きランス８Ａを使用して酸素流量の低下によるソフトブロー化を最小限にすることが好ましい。一方、吹錬末期に酸素流量を低下させない操業を行う場合には、図２に示す上吹きランス８を使用して、吹錬末期の制御用ガス流量の増加によるソフトブロー化を図り、スピッティング量を低下させることがより好ましい。

上吹きランス８，８Ａによって溶銑１１を吹錬する際に、本発明においては、このようにして１チャージの吹錬中の直径Ｄ_CPCの最小値が最大値の８０％以上になるように制御する。その結果、スピッティングの発生が抑制され、炉口付着地金１３や側壁付着地金１４の発生及びダストの発生が抑制される。

尚、上吹きランス８或いは上吹きランス８Ａでは、ガス噴射ノズル９の全数に制御用ガス供給孔１０が設置されているが、ガス噴射ノズル９の全数に対して制御用ガス供給孔１０を設置しなくても、制御用ガス供給孔１０が下記の条件を満たす範囲内で設置されたガス噴射ノズル９を配置すれば、上述した効果を得ることができる。

つまり、ｎ個（Ｎ≧４）のガス噴射ノズル９が配置された上吹きランスにおいて、ｎが偶数の場合には、ｎ／２個のガス噴射ノズル９に制御用ガス供給孔１０を設置し、一方、ｎが奇数の場合には、（ｎ−１）／２＋１個のガス噴射ノズル９に制御用ガス供給孔１０を設置し、且つ、制御用ガス供給孔１０を有するガス噴射ノズル９と、制御用ガス供給孔１０を有していないガス噴射ノズル９とを、円周方向の交互に配置することである。この場合、ｎが奇数のときにはガス噴射ノズル９のうちの隣り合う１組に制御用ガス供給孔１０が配置され、制御用ガス供給孔１０を有するガス噴射ノズル９のうちの１組は互いに隣合うことになり、厳密にいえば「円周方向の交互に配置する」ことにはならないが、この場合も含めて、本発明においては、「円周方向の交互に配置する」と定義する。

この上吹きランスを用い、前述した上吹きランス８或いは上吹きランス８Ａを用いた酸化精錬と同様の方法で、溶銑の酸化精錬を実施する。但し、この場合には、溶銑浴面に形成されるキャビティの位置を変更できるのは、制御用ガス供給孔１０を有するガス噴射ノズル９からの噴流により形成されるキャビティだけであるので、（１）式を用いて、制御用ガス供給孔１０を有するガス噴射ノズル９からの噴流によって溶銑浴面に形成されるキャビティの中心位置を結ぶ円の直径（Ｄ_CPC）を求め、（１）式で求められるキャビティ中心位置を結ぶ円の直径（Ｄ_CPC）の１チャージの吹錬のなかの最小値が、１チャージの吹錬のなかの最大値の８０％以上となるように、吹錬中の上吹きランスのランス高さに応じて、制御用ガス供給孔１０から供給する制御用ガスの流量を調整する。

以上説明したように、本発明によれば、制御用ガス供給孔１０を介して供給する制御用ガスにより、吹錬中、ガス噴射ノズル９の傾斜角度を実質的に変更し、それにより、酸素ガス噴流により形成される溶銑浴面上のキャビティの中心位置を結ぶ円の直径（Ｄ_CPC）の最小値が、最大値の８０％以上になるように制御して吹錬するので、スピッティングの発生が減少し、その結果、付着地金やダストに起因する操業トラブルや、これを防ぐための処置に伴う生産性の低下が回避できる。

本発明を実施例により更に詳細に説明する。試験方法は、３００トン転炉に溶銑３１０トン及びスクラップ１０トン、並びに造滓剤を所定量装入し、図２に示す上吹きランスを用いて脱炭精錬した（本発明例１）。上吹きランスには、傾斜角度を１４°、各ガス噴射ノズルの中心を結ぶ円の直径（Ｄ_NPC）を２５０ｍｍとする６孔のガス噴射ノズルが設置されている。用いた転炉設備は図１に示したものに準ずる。

上吹きランスからの総酸素ガス流量は４５０００〜６００００Nm³／hrであり、最大でこのうちの約４％を制御用酸素ガスとして制御用ガス供給孔から供給した。尚、事前に実施した模型実験から、今回、本発明例１で用いた上吹きランスにおいては、総酸素ガス流量に対する制御用酸素ガス流量の比率が５％以下の範囲では、総酸素ガス流量に対する制御用酸素ガス流量の比率１％あたり＋１°の割合で、角度（α）が大きくなることが確認されている。つまり、総酸素ガス流量が６００００Nm³／hrで、制御用酸素ガス流量が比率１％の６００Nm³／hrの場合には、角度（α）は＋１°であり、同様に、総酸素ガス流量が６００００Nm³／hrで、制御用酸素ガス流量が比率４％の２４００Nm³／hrの場合には、角度（α）は＋４°である。ランス高さは、吹錬開始直後の２．８ｍから吹錬終了の２．０ｍまで、吹錬の進行に伴って減少させた。

また、第２の発明例として、別の上吹きランスを使用した試験操業も実施した（本発明例２）。本発明例２で用いた上吹きランスは、傾斜角度を１４°、各ガス噴射ノズルの中心を結ぶ円の直径（Ｄ_NPC）を２５０ｍｍとする６孔のガス噴射ノズルが設置されているもので、基本形状は本発明例１で用いた上吹きランス同じである。異なる点は、６孔のガス噴射ノズルのうちの３孔に制御用ガス供給孔が設置され、制御用ガス供給孔が設置されたガス噴射ノズルと、制御用ガス供給孔が設置されていないガス噴射ノズルとが円周方向の交互に配置されており、制御用ガス供給孔が設置されているガス噴射ノズルのみに制御用ガスを供給したことである。

上吹きランスからの総酸素ガス流量は４５０００〜６００００Nm³／hrであり、最大でこのうちの約２％を制御用酸素ガスとして制御用ガス供給孔から供給した。全てのガス噴射ノズルに対して制御用ガス供給孔の設置されたガス噴射ノズルは半数（５０％）であるので、制御用ガス供給孔の設置されたガス噴射ノズル１孔あたりの総酸素ガス流量に対する比率は最大で約４％となる。

尚、事前に実施した模型実験から、本発明例２で用いた、制御用ガス供給孔が設置されたガス噴射ノズルと、制御用ガス供給孔が設置されていないガス噴射ノズルとが３孔づつ円周方向の交互に配置され上吹きランスにおいては、制御用ガス供給孔が設置されたガス噴射ノズル１孔あたりの総酸素ガス流量に対する制御用酸素ガス流量の比率が５％以下の範囲では、総酸素ガス流量に対する制御用酸素ガス流量の比率１％あたり＋１°の割合で、角度（α）が大きくなることが確認されている。つまり、制御用ガス供給孔が設置されたガス噴射ノズル１孔あたりの総酸素ガス流量が１００００Nm³／hr（60000Nm³／hr÷6孔）で、制御用酸素ガス流量が比率１％の１００Nm³／hrの場合には、角度（α）は＋１°であり、同様に、制御用ガス供給孔が設置されたガス噴射ノズル１孔あたりの総酸素ガス流量が１００００Nm³／hrで、制御用酸素ガス流量が比率４％の４００Nm³／hrの場合には、角度（α）は＋４°である。

ランス高さは、本発明例１と同様に、吹錬開始直後の２．８ｍから吹錬終了の２．０ｍまで、吹錬の進行に伴って減少させた。

一方、比較のために、制御用酸素ガスを供給しない従来の上吹きランスを使用した試験も実施した。比較例１で使用した上吹きランスは、傾斜角度を１４°、各ガス噴射ノズルの中心を結ぶ円の直径（Ｄ_NPC）を２５０ｍｍとする６孔のガス噴射ノズルが設置された上吹きランスであり、制御用ガス供給孔が設置されていないことが異なるが、その他の形状は、本発明例で使用した上吹きランスと同一である。

比較例２で使用した上吹きランスは、傾斜角度を１８°、各ガス噴射ノズルの中心を結ぶ円の直径（Ｄ_NPC）を２５０ｍｍとする６孔のガス噴射ノズルが設置された上吹きランスであり、本発明例１で使用した上吹きランスにおいて、制御用酸素ガスを４％程度供給したときの条件に相当する。比較例１及び比較例２ともに酸素ガス供給速度及びランス高さは本発明例１と同一とした。本発明例１，２及び比較例１，２における吹錬条件を表１に示す。

表１中には、（１）式によって定まる、各上吹きランスから噴射される噴流により形成されるキャビティの中心位置を結ぶ円の直径（Ｄ_CPC）を示す。ここで、本発明例２については、制御用ガス供給孔が設置されたガス噴射ノズルから噴射される噴流により形成されるキャビティの中心位置を結ぶ円の直径を、直径Ｄ_CPCとして表示している。

吹錬中の直径Ｄ_CPCの最大値を１００％としたときの直径Ｄ_CPCの変化率は、本発明例１及び本発明例２の場合、ランス高さを低下させた吹錬末期でも９４％に留まるが、比較例１及び比較例２では７５％程度まで低下する。このようにして実施した試験操業の結果を表２に示す。表２では、比較例１を基準としている。

比較例１を基準とした場合、比較例２はガス噴射ノズルの傾斜角度を大きくしており、スピッティングは低減し、それにより炉口付着地金は減少したが、吹錬終了時のスラグ中のT.Feが増加するなど、冶金特性は劣化した。また、吹錬の初期にスロッピングの生ずるチャージが見られるとともに、炉内耐火物の損耗速度も上昇した。尚、スラグ中のT.Feとは、スラグ中の全ての鉄酸化物の鉄分の合計値である。

これに対して、本発明例１及び本発明例２では、ランス高さに応じてガス噴射ノズルの傾斜角度を大きくするようにしているので、冶金特性や炉内耐火物への悪影響はなく、且つ、スピッティングが軽減されてダスト発生量及び炉口付着地金を減少させることができた。

このように、本発明を適用することにより、転炉の生産性を阻害することなく、炉口及び炉内側壁耐火物の損傷を抑制しつつ、ダスト発生量及び地金付着を効率的に抑制できることが確認された。

１ 転炉設備
２ 転炉本体
３ 鉄皮
４ 耐火物
５ 炉口
６ 出湯口
７ 底吹き羽口
８ 上吹きランス
８Ａ 上吹きランス
９ ガス噴射ノズル
１０ 制御用ガス供給孔
１１ 溶銑
１２ スラグ
１３ 炉口付着地金
１４ 側壁付着地金
１５ 最内管
１６ 内管
１７ 仕切管
１８ 外管
１９ 絞り部
２０ スロート
２１ 末広がり部

Claims (2)

1. スロート部と、該スロート部の下流側の末広がり部と、を有するとともに、前記末広がり部の壁面に少なくとも１個の制御用ガス供給孔を有し、前記スロート部及び末広がり部を介して吹錬用酸素ガスを噴射し、一方、前記制御用ガス供給孔を介して前記吹錬用酸素ガスとは独立して流量制御の可能な制御用ガスを供給し、それにより、前記スロート部及び末広がり部を介して噴射される吹錬用酸素ガスの噴流の方向を制御することが可能なガス噴射ノズルを、その先端部の円周方向に３個以上具備する上吹きランスを用いた転炉操業方法であって、
   下記の（１）式で計算される、各ガス噴射ノズルからの噴流によって溶銑浴面に形成されるキャビティの中心位置を結ぶ円の直径（Ｄ_CPC）の１チャージの吹錬のなかの最小値が、１チャージの吹錬のなかの最大値の８０％以上となるように、吹錬中の上吹きランスのランス高さに応じて、前記制御用ガス供給孔から供給する制御用ガスの流量を調整することを特徴とする転炉操業方法。
   Ｄ_CPC=2×H×tan(θ+α)+Ｄ_NPC …(1)
   但し、（１）式において、Ｄ_CPCは、溶銑浴面上に形成されるキャビティの中心位置を結ぶ円の直径（ｍｍ）、Ｈは、ランス高さ、つまりランス先端から静止浴面までの距離（ｍｍ）、θは、上吹きランス先端の円周方向に配置したガス噴射ノズルの傾斜角度（°）、αは、制御用ガスを供給することによるガス噴射ノズルからの噴流の角度変化（°）、Ｄ_NPCは、上吹きランスでの各ガス噴射ノズルの中心位置を結ぶ直径（ｍｍ）である。
2. スロート部と、該スロート部の下流側の末広がり部と、を有し、前記スロート部及び末広がり部を介して吹錬用酸素ガスを噴射するガス噴射ノズルを、その先端部の円周方向に４個以上具備し、前記ガス噴射ノズルの設置数をｎとしたとき、
   設置数ｎが偶数の場合には、「ｎ／２」個のガス噴射ノズルが、前記末広がり部の壁面に少なくとも１個の制御用ガス供給孔を有し、該制御用ガス供給孔を介して前記吹錬用酸素ガスとは独立して流量制御の可能な制御用ガスを供給し、それにより、前記スロート部及び末広がり部を介して噴射される吹錬用酸素ガスの噴流の方向を制御することが可能なガス噴射ノズルであり、
   一方、設置数ｎが奇数の場合には、「（ｎ−１）／２＋１」個のガス噴射ノズルが、前記末広がり部の壁面に少なくとも１個の制御用ガス供給孔を有し、該制御用ガス供給孔を介して前記吹錬用酸素ガスとは独立して流量制御の可能な制御用ガスを供給し、それにより、前記スロート部及び末広がり部を介して噴射される吹錬用酸素ガスの噴流の方向を制御することが可能なガス噴射ノズルであり、
   且つ、前記制御用ガス供給孔を有するガス噴射ノズルと、制御用ガス供給孔を有していないガス噴射ノズルとを、円周方向の交互に配置する上吹きランスを用いた転炉操業方法であって、
   下記の（１）式で計算される、制御用ガス供給孔を有するガス噴射ノズルからの噴流によって溶銑浴面に形成されるキャビティの中心位置を結ぶ円の直径（Ｄ_CPC）の１チャージの吹錬のなかの最小値が、１チャージの吹錬のなかの最大値の８０％以上となるように、吹錬中の上吹きランスのランス高さに応じて、前記制御用ガス供給孔から供給する制御用ガスの流量を調整することを特徴とする転炉操業方法。
   Ｄ_CPC=2×H×tan(θ+α)+Ｄ_NPC …(1)
   但し、（１）式において、Ｄ_CPCは、溶銑浴面上に形成されるキャビティの中心位置を結ぶ円の直径（ｍｍ）、Ｈは、ランス高さ、つまりランス先端から静止浴面までの距離（ｍｍ）、θは、上吹きランス先端の円周方向に配置したガス噴射ノズルの傾斜角度（°）、αは、制御用ガスを供給することによるガス噴射ノズルからの噴流の角度変化（°）、Ｄ_NPCは、上吹きランスでの各ガス噴射ノズルの中心位置を結ぶ直径（ｍｍ）である。

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