JP2011524469A - 保護要素を有する酸素吹き込みランス - Google Patents

Abstract

本発明は、保護要素を有する、製鋼用の酸素吹き込みランスに関し、酸素主管のランスヘッド側の端部は、１つ以上の吹出し口を備えるカバーシェルが備わっており、それぞれの吹出し口には、酸素吹出しノズルが取り外しと交換可能に固定されており、酸素吹き込みランスのランスヘッド側の端部は保護要素が取り外しと交換可能に備わっており、酸素吹き込みランスのランスヘッド側の端部と保護要素との間には中間空間があり、保護要素内には通路があり、当該通路を通じて酸素吹出しノズルが、シェルから外部に通されており、当該通路はそれぞれ、酸素吹出しノズルと保護要素との間に間隙が残るような寸法になっており、保護要素には開口部があり、酸素吹き込みランスのランスヘッド側の端部と保護要素との間の中間空間に合流する、少なくとも１つの保護ガス管がある。さらに本発明は、酸素吹き込みランスを作動するための方法に関し、当該方法においては、保護ガスが、保護ガス管から、カバーシェルと保護要素との間の中間空間に送り込まれ、かつ当該中間空間から、酸素吹出しノズルと保護要素との間の間隙および保護要素の開口部を通って外部に運ばれる。

Description

本発明は、保護要素を有する、製鋼用の酸素吹き込みランスおよびそれを作動させるための方法に関する。

粗鋼溶解物を精錬するために、製鋼用の転炉において、酸素吹き込みランスを介して、酸素が粗鋼溶解物に吹き込まれる。酸素が噴出する、転炉内に突出している酸素吹き込みランスの端部は、ランスヘッドと呼ばれる。ランスヘッドは精錬の際に、たとえば、鋼やスラグのしぶきと、スラグ浸出による磨耗と、熱い周囲のガスの吸引とによって、強い熱的、機械的、化学的負荷にさらされる。このような負荷によって、ランスヘッドの摩滅に至り、それによってランスヘッドの使用時間が制限される。特に、ランスヘッドの酸素吹出しノズルの縁部の摩滅が、使用時間を制限する要因である。縁部の形状は、酸素の流れが粗鋼溶解物に侵入する深さにとって、ひいては粗鋼溶解物の浸透および脱炭時間と湯出し間の時間（tap-to-tap time）にとって決定的に重要である。

特許文献１から、ランスヘッドを銅で製造し、酸素吹き込みランスの鋼鉄製の管体に溶接し、かつ管体の冷却水循環と接続されている、当該管体内部の冷却水路によって冷却することが知られている。耐熱性の材質から成る保護キャップがランスヘッドを覆っており、必要な場合には銅製のランスヘッドとは別に交換することができる。このような構成においては、吹き込みランス本体とランスヘッドとの間の溶接接合部を、手間をかけて検査しなくてはならない。ランスヘッドもしくは保護キャップの摩滅によって引き起こされる、冷却水が貫流するランスヘッドにおけるあるいは溶接接合部での漏れは、人間と製鋼所設備とにとって危険な、転炉への浸水というリスクをはらんでいる。保護キャップの頻繁な交換は、作業の手間がかかるとともに酸素吹き込みランスがすぐに使用不可能となる危険性を有している。

独国特許出願公開第３１２２１７８号明細書

本発明の課題は、摩滅に強くかつ駆動に信頼性のある、製鋼用の酸素吹き込みランス、およびそれを作動させるための方法を提供することである。

本発明に従えばこの課題は、保護要素を有する、製鋼用の酸素吹き込みランスであって、ランス外管と、当該ランス外管の内部に設けられた酸素主管とを備える酸素吹き込みランスにおいて、ランス外管と酸素主管との間に間隙が形成され、当該間隙は、ランスヘッド側で閉鎖されており、かつ１つ以上の冷媒路を含んでおり、酸素吹き込みランスのランスヘッド側の端部には保護要素が設けられており、当該保護要素は、酸素吹き込みランスのランスヘッド側の端部を覆い、かつ取り外し可能かつ交換可能に酸素吹き込みランスに固定されており、酸素吹き込みランスのランスヘッド側の端部と保護要素との間に中間空間を有する、酸素吹き込みランスによって解決される。

保護要素を有する当該酸素吹き込みランスは、酸素主管のランスヘッド側の端部に、１つ以上の吹出し口を備えるカバーシェルが備えられ、それぞれの吹出し口には、酸素吹出しノズルが取り外し可能かつ交換可能に固定されていること、保護要素内には通路があり、当該通路を通じて酸素吹出しノズルが、シェルから外部に通されており、当該通路がそれぞれ、酸素吹出しノズルと保護要素との間に間隙が残るような寸法になっていること、保護要素には開口部が設けらていること、及び、酸素吹き込みランスのランスヘッド側の端部と保護要素との間の中間空間に合流する、少なくとも１つの保護ガス管が存在すること、を特徴としている。

酸素主管のランスヘッド側の端部には、当該端部の横断面全体を覆うカバーシェルが備えられている。カバーシェルは１つ以上の吹出し口を有しており、当該吹出し口を通じて、酸素主管で送り込まれる酸素を噴出することができる。当該吹出し口のそれぞれに、たとえば耐高温性の接着剤によって、酸素吹出しノズルが取り外し可能かつ交換可能に固定されている。取り外し可能かつ交換可能な固定方法とは、第１の部材を第２の部材から、当該第２の部材を破壊することなく分離することができ、かつ第１の部材への接合を解除した後、第２の部材にはさらなる第１の部材を再び受容する用意がある、固定方法のことである。本願の場合では、酸素吹出しノズルをカバーシェルの吹出し口から、当該吹出し口を破壊することなく分離することができ、かつ酸素吹出しノズルへの接合を解除した後、吹出し口には再び酸素吹出しノズルを受容する用意があることを意味する。酸素吹出しノズル自体は、接合解除の際に破壊されてもよい。そのような固定方法によって、カバーシェルもしくはその吹出し口を破損することなく、摩滅した酸素吹出しノズルを新しい酸素吹出しノズルに交換することができる。

好適には固定は、簡易脱着装置たとえばネジ山、バヨネットロック、差込接続によって行われ、それによって、摩滅した酸素吹出しノズルの交換に必要な作業時間が短縮される。好ましい実施形態に従えば、酸素吹出しノズルは、ラバルノズル（Laval nozzle）として形成されている。これによって酸素吹出しノズルから出る際の、酸素の速い速度と大きな膨張とが保証され、それによって良好な粗鋼溶解物の浸透および酸素吹出しノズルの冷却が達成される。

１つの実施形態に従えば、酸素吹出しノズルは、作動条件下で熱的、機械的、化学的摩滅に対して耐久性のある材質、たとえばステンレス鋼、セラミックコーティングを有するステンレス鋼、耐高温性セラミック、酸化セラミック、たとえば窒化セラミックや炭化セラミックのような非酸化セラミック、たとえばセラミック板のような繊維強化セラミック材料、コランダム・ムライト・セラミックス、耐火性セラミックス、炭化セラミックス、あるいはグラファイトから成る。窒化セラミックスはたとえば、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化ケイ素、窒化酸化ケイ素アルミニウム、窒化チタンである。炭化セラミックスはたとえば、炭化ケイ素あるいは炭化ホウ素である。酸化セラミックスはたとえば、別の酸化物を有するあるいは有さない二酸化チタンベースのセラミック材料であってよく、あるいは酸化アルミニウムの含有量が高いセラミック材料、あるいは酸化ベリリウム、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム、チタン酸アルミニウム、スピネル、ムライトあるいは酸化チタンをベースとしたセラミック材料であってよい。

別の実施形態に従えば、酸素吹出しノズルは、そのような材質でコーティングされ自らは別の材質から作られている支持体から成る。

酸素吹き込みランスのランスヘッド側の端部には、保護要素が備えられている。当該保護要素は、酸素吹き込みランスのランスヘッド側の端部の横断面全体を覆っている。保護要素は、酸素吹き込みランスのランスヘッド側の端部を摩滅と熱的負荷から保護する。当該保護要素は、たとえば耐高温性の接着剤によって、取り外し可能かつ交換可能に酸素吹き込みランスに固定されている。本願の場合では、保護要素を酸素吹き込みランスから、当該酸素吹き込みランスを破壊することなく分離することができ、かつ保護要素への接合を解除した後、酸素吹き込みランスには再び保護要素を受容する用意があることを意味する。そのような固定方法によって、酸素吹き込みランスを破損することなく、摩滅した保護要素を大した手間もなく新しい保護要素に交換することができる。保護要素自体は、接合解除の際に破損されてもよい。好適には固定は、簡易脱着装置たとえばネジ山、バヨネットロック、差込接続によって行われ、それによって、摩滅した保護要素の交換に必要な作業時間が短縮される。

保護要素は、酸素吹き込みプロセスの際に占める条件下で、温度や温度変化、ガスと液体と固体とによる酸化作用や腐食に対して耐久性のある材質から成る、少なくとも１つの保護体を含んでいる。たとえばこれは、材質破壊なしに２０００度までのあるいはそれ以上の温度に耐える耐火性の物質である。たとえばこれは、材質破壊なしに、２０００度までの温度で、２５０００Ｋ／ｍｉｎまでの温度変化に耐える物質である。これにより、作動時の、機械的、熱的、化学的に条件付けられた保護要素の摩滅が軽減される。有利には、これら材料は、保護要素の重量を軽くするために、低密度とされている。

好ましい材質は、耐高温性セラミックス、たとえば、酸化セラミック、たとえば窒化セラミックや炭化セラミックのような非酸化セラミック、たとえばセラミック板のような繊維強化セラミック材料、コランダム・ムライト・セラミックス、耐火性セラミックス、炭化セラミックス、あるいはグラファイトである。窒化セラミックスはたとえば、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化ケイ素、窒化酸化ケイ素アルミニウム、窒化チタンである。炭化セラミックスはたとえば、炭化ケイ素あるいは炭化ホウ素である。酸化セラミックスはたとえば、別の酸化物を有するあるいは有さない二酸化チタンベースのセラミック材料であってよく、あるいは酸化アルミニウムの含有量が高いセラミック材料、あるいは酸化ベリリウム、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム、チタン酸アルミニウム、スピネル、ムライトあるいは酸化チタンをベースとするセラミック材料であってよい。

１つの実施形態に従えば、保護要素は、取り外し可能かつ交換可能に酸素吹き込みランスに固定可能な保護体から成ってよい。別の実施形態に従えば、保護要素は、１つ以上の保護体を支持する支持構造から成ってよく、保護要素は、支持構造あるいは保護体を介して、取り外し可能かつ交換可能に酸素吹き込みランスに固定可能である。支持構造を用いれば、望ましい形状の保護要素を製造することが容易になる。保護要素が、支持構造を介して酸素ランスに接続されていれば、保護体の機械的な負荷は軽減される。なぜなら、保護体は自らの重量を支える必要がないからである。

１つの実施形態に従えば、保護要素はシェル状に設計されている。すなわち、保護要素は、側壁に囲まれた基面を有する。好ましい実施形態に従えば、保護要素はシェルの形状を有しており、当該シェルの側壁は互いに積み重ねられたリングから成り、当該シェルの基面はプレートから成る。このような実施形態は、１つの部分から作られるシェルよりも容易に作り上げることができる。加えて当該実施形態には、１つの部分から作られるシェルよりも、１つのリングの破損が、保護要素の隣接する部位に広がりにくいという利点がある。

保護要素と、酸素吹き込みランスのランスヘッド側の端部との間には、中間空間がある。

保護要素内には通路があり、当該通路を通じて酸素吹出しノズルが、シェルから外部に通されている。通路は、酸素吹出しノズルと保護要素との間に間隙が残るような寸法とされている。

さらに保護要素には開口部があり、当該開口部は保護要素を貫通している。当該開口部によって、保護要素と、酸素吹き込みランスのランスヘッド側の端部との間の中間空間は、酸素吹き込みランスを取り囲む空間と接続されている。

保護要素と、酸素吹き込みランスのランスヘッド側の端部との間の中間空間に合流する、少なくとも１つの保護ガス管が設けられており、それによって、当該中間空間に保護ガスを送り込むことが可能である。中間空間に送り込まれた保護ガスは、保護要素と酸素吹出しノズルとの間の間隙、および保護要素を貫通する開口部を通って、酸素吹き込みランスを取り囲む空間に流れ込むことができる。

好適には、保護ガス管は少なくとも部分的に、ランス外管と酸素主管との間の間隙の内部に通される。それによって保護ガス管は、ランス外管によって、機械的、熱的、化学的な酷使と摩滅とから保護される。

保護要素を有する、本発明に係る製鋼用の酸素吹き込みランスを作動させるための本発明に係る方法は、保護ガスが、保護ガス管から、カバーシェルと保護要素との間の中間空間に送り込まれ、かつ当該中間空間から、酸素吹出しノズルと保護要素との間の間隙および保護要素の開口部を通って外部に運ばれることを特徴としている。

保護ガスとしては、化学的に不活性なすべてのガス、たとえば窒素あるいは希ガスを用いることができる。アルゴン、窒素、ヘリウムを使用するのが好ましい。

開口部と間隙とから噴出した保護ガスによって、保護要素も酸素吹出しノズルも、熱的、化学的、機械的な酷使から保護されその摩滅が軽減される。外部に向けられる保護ガス流は、周囲の熱いガスおよび当該ガスによって一緒に運び込まれる粒子が保護要素の外側表面に進むことを防ぎ、かつ保護要素に熱が伝達し、機械的、化学的に攻撃するのを妨げる。外部というのはこの場合、保護要素の、鋼溶解物に対向する側を意味する。保護ガスが保護要素の材質を、化学的に不活性なガス膜で取り囲むので、保護要素もしくは保護体には、製鋼の際に占める条件下で酸化に対して脆いために使用できないであろう材質を使うことができる。それゆえ、たとえば窒化ケイ素のような窒化物や炭化セラミックス、あるいはグラファイトなどの、温度、温度変化、および化学的かつ機械的攻撃に対する耐性に関しての良好な特性を、保護要素もしくは保護体に利用可能である。

酸素吹き込みランスの作動時には、酸素吹出しノズルから高速で噴出する酸素によって低圧が生じ、当該低圧によって周囲の熱い、場合によっては粒子を含むガスの吸引に至ることが知られている。しかしながら、本発明に係る酸素吹き込みランスの作動時には、酸素流は、酸素吹出しノズルと保護要素との間の間隙から外部に向けて流れる保護ガス流に取り巻かれる。それによって、取り巻いている当該保護ガス流の流れの方向に逆らって周囲のガスが吸引されるのが困難になり、それにより、当該周囲のガスによって引き起こされる、熱的、化学的、機械的摩滅が軽減する。

保護要素の表面をなでていく保護ガス流は、付着した粗鋼やスラグのしぶきを表面から吹き飛ばす。これによって、そのような付着によって引き起こされる摩滅が軽減される。

保護ガス流は、保護要素と酸素吹出しノズルとの熱を排出し、それによって冷却する。ランス外管と酸素主管との間の、冷媒路を含む間隙は、ランスヘッド側で閉鎖されており、そのため冷媒路は保護要素にさらに通されることはない。それゆえ、保護要素の摩滅によって引き起こされる漏れの危険が減少する。

本発明は、続く模範的かつ概略的な図１と２、および以下の記述に基づいて説明される。

保護要素を有する、作動中の本発明に係る酸素吹き込みランスの、ランスヘッド側の端部を通る縦断面である。 保護要素を有する、本発明に係る酸素吹き込みランスのランスヘッド側の端部の斜視図である。

図１は酸素吹き込みランス１を示しており、当該酸素吹き込みランスのランスヘッド側の端部には、保護体２と支持構造３とから成る保護要素が備えられている。ランス外管４と酸素主管５との間には間隙６が形成されており、当該間隙はランスヘッド側で閉鎖されている。当該間隙６は、分離管７によって２つの冷媒路８ａと８ｂとに分割されており、当該冷媒路はランスヘッド側で、分離管７の開口部によって互いに接続されている。冷媒路８ａ、８ｂと、冷却水給水管、冷却水排水管との接続は表示されていない。冷媒路８ａと８ｂに冷却水を貫流させることによって、作動中の酸素吹き込みランスの熱的負荷が軽減される。酸素主管５のランスヘッド側の端部にはカバーシェル９が備えられており、当該カバーシェルは酸素主管５の端部全体を覆っている。カバーシェルは複数の吹出し口１０ａ、１０ｂ、１０ｃを有しており、当該吹出し口にそれぞれ１つの酸素吹出しノズル１１がはめ込まれている。保護要素は、酸素吹き込みランス１のランスヘッド側の端部を覆っている。保護要素は、支持構造３を介して簡易脱着ロックによって、酸素ランスに固定されている。酸素吹出しノズル１１は、保護体２の通路を通じて外部に通されている。その際、酸素吹出しノズル１１と保護体２との間には、間隙が残る。保護体２は開口部１２に貫通されている。保護体２と、酸素吹き込みランス１のランスヘッド側の端部との間には、中間空間１３がある。保護ガス管１４は、当該中間空間１３に合流し、ランス外管と酸素主管との間の間隙６の内部で中間空間１３に至る。酸素吹き込みランス１の作動時には、直線の矢印で表された酸素が、酸素主管５から吹出し口１０と酸素吹出しノズル１１とを通って、外部に流れ出る。同時に、波線の矢印で表された保護ガスが、保護ガス管１４から中間空間１３に流れ込む。保護ガスは中間空間１３から、酸素吹出しノズル１１と保護体２との間の間隙を通って、外部に流れ出る。その際、酸素吹出しノズル１１から出てくる酸素流は、噴出する保護ガスに取り巻かれる。さらに保護ガスは、中間空間１３から開口部１２を通って外部に流れ出、当該開口部から出た後、保護体２の表面をなでる。

図１で表された酸素吹き込みランスに関して図２は、ランス外管４と、当該ランス外管に接続する、保護要素の保護体２とを示している。シェル状の保護体２の側壁は、互いに積み重ねられたリング１５から成り、基面はプレート１６から成る。酸素吹出しノズル１１は保護体２の通路を通じて外部に通され、酸素吹出しノズルと保護体２との間にはそれぞれ１つの間隙が残る。保護体２は、開口部１２を備える。部分的に酸素吹き込みランスの外部に延在する保護ガス管１４は、挿入口１７を通って、ランス外管４と酸素主管との間の間隙に通される。

特許文献１の従来技術にあるような、保護キャップを有する酸素吹き込みランスに対して、保護要素を有する本発明に係る酸素吹き込みランスには、保護要素と酸素吹出しノズルとが、保護ガスによって機械的、熱的、化学的負荷と摩滅とから保護され、かつひいては交換がより少なくてすむという利点がある。交換が必要な場合、保護要素も酸素吹出しノズルも、簡易脱着ロックによって手間なく新しい構成要素と交換することができる。

１ 酸素吹き込みランス
２ 保護体
３ 支持構造
４ ランス外管
５ 酸素主管
６ 間隙
７ 分離管
８ａ、８ｂ 冷媒路
９ カバーシェル
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ 吹出し口
１１ 酸素吹出しノズル
１２ 開口部
１３ 中間空間
１４ 保護ガス管
１５ リング
１６ プレート
１７ 挿入口

Claims (4)

1. ランス外管と、
   該ランス外管の内部に設けられた酸素主管と、
   を備える、保護要素を有する、製鋼用の酸素吹き込みランスであって、
   前記ランス外管と前記酸素主管との間に間隙が形成され、該間隙は、ランスヘッド側で閉鎖されており、かつ１つ以上の冷媒路を含んでおり、前記酸素吹き込みランスのランスヘッド側の端部には保護要素が備えられ、該保護要素は、前記酸素吹き込みランスのランスヘッド側の端部を覆い、かつ取り外し可能かつ交換可能に前記酸素吹き込みランスに固定されており、前記酸素吹き込みランスのランスヘッド側の端部と前記保護要素との間に中間空間がある、酸素吹き込みランスにおいて、
   前記酸素主管のランスヘッド側の端部には、１つ以上の吹出し口を備えるカバーシェルが設けられており、それぞれの前記吹出し口には、前記酸素吹出しノズルが取り外し可能かつ交換可能に固定されていること、
   前記保護要素内には通路があり、該通路を通じて前記酸素吹出しノズルが、前記シェルから外部に通されており、前記通路はそれぞれ、前記酸素吹出しノズルと前記保護要素との間に間隙が残るような寸法とされていること、
   前記保護要素には開口部が設けられていること、及び
   前記酸素吹き込みランスのランスヘッド側の端部と前記保護要素との間の前記中間空間に合流する、少なくとも１つの保護ガス管が設けられていること、
   を特徴とする酸素吹き込みランス。
2. 前記酸素吹出しノズルおよび／または前記保護要素は、簡易脱着ロックによって固定されていることを特徴とする請求項１に記載の酸素吹き込みランス。
3. 前記保護ガス管は少なくとも部分的に、前記ランス外管と前記酸素主管との間の間隙の内部に通されていることを特徴とする請求項１または２に記載の酸素吹き込みランス。
4. 保護ガスが、前記保護ガス管から、前記カバーシェルと前記保護要素との間の前記中間空間に送り込まれ、かつ該中間空間から、前記酸素吹出しノズルと前記保護要素との間の前記間隙および前記保護要素の前記開口部を通って外部に運ばれることを特徴する、請求項１から３のいずれか一項に記載の酸素吹き込みランスを作動させるための方法。

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