JP3496522B2 - 溶融金属精錬用上吹きランス - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、製鋼用転
炉において精錬用ガスを溶融金属に吹き付けるために使
用する上吹きランスに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、脱Ｓｉ、脱Ｐ等の溶銑予備処理設
備の普及により、転炉の主たる役割は脱炭のみとなって
いる。このため、これらの設備を有する製鋼工場におい
ては、副原料をほとんど添加しないレススラグ吹錬が行
われることが多い。

【０００３】製鋼プロセスにおいて生産性を向上させる
ためには、全ての溶鋼が対象となる転炉脱炭処理をいか
に短縮するかが課題である。すなわち、送酸速度を上げ
て吹錬時間を短縮することが重要である。

【０００４】前述した様に、レススラグ吹錬が普及した
今日では、高速吹錬時の問題はスラグフォーミングより
もスピッティングである。

【０００５】スピッティングの発生量が増大すると、ダ
ストの発生増加による歩留まりの低下、ダクト内のダス
ト堆積による設備能力の低下や設備損傷、炉口への地金
付着による操業阻害等を招く。

【０００６】このスピッティングを低減するためには、
酸素ガスジェットが浴面に衝突するときのエネルギーを
分散させることが可能なランス多孔化が有効であり、現
状の製鋼用転炉においては多孔ランスを用いるのが一般
的である。

【０００７】多孔ランスとは、同一円周上に３孔以上の
ノズルが等間隔で配置されたものであり、通常各ノズル
軸の延長がランスの中心軸上の１点で交わるように傾斜
している。

【０００８】多孔ランスではノズル個数が多いほどジェ
ットの衝突エネルギーを分散させる効果が大きく、スピ
ッティング低減に有利である。現状の転炉では４〜６孔
の多孔ランスが用いられているが、今後更に高速の吹錬
を要された場合、更にランスの多孔化が望まれる。

【０００９】しかしながら、多孔ランスにおけるノズル
数の増加には自ずと限界がある。すなわち、ノズル数が
多くなりすぎると各ノズルに対応するキャビティー（ジ
ェット衝突による浴面の凹み）に重なりが生ずるが、こ
れにより、スピッティングが助長されることが指摘され
ている。

【００１０】この問題を解決する手段として、特開昭６
０−１６５３１３号公報では、キャビティーの直径Ｄ
と、隣接するキャビティーの中心を結んだ直線上の２つ
のキャビティーが重なる部分の距離ｄの比率であるオー
バーラップ率δ（＝ｄ／Ｄ）を指標としてノズル傾斜角
θを大きくとり、キャビティーの重複を小さくする方法
が提案されている。

【００１１】幾何学的に考えて、ノズル数が多くなる
程、このθを大きくする必要があるが、この場合、脱炭
酸素効率（上吹き酸素と溶鋼中炭素との反応効率）の低
下による吹錬時間の延長やスラグ中Ｔ．Ｆｅ（Total F
e、すなわち全鉄分）の増加、および二次燃焼率の増加
による炉壁耐火物の損耗速度が増大するといった問題が
生じる。すなわち、θを大きくすることは、キャビティ
の重複を小さくしスピッティングの低減には効果がある
ものの、本来の目的である製鋼プロセスの生産性向上に
対し有効な手段とは言い難い。

【００１２】また、ノズル数が多くなりすぎるとノズル
出口における酸素ガスの流速が減少し、飛散した粒鉄が
ノズル内に入り込み、ノズル詰まりやランス溶損を招く
という問題もある。

【００１３】ノズル数を多くせずにスピッティングを低
減する方法として、特開平８−２６９５３０号公報で
は、主噴出孔の出口部内面に副噴出孔を複数個配設し、
ジェットの流速分布を平滑化することによりスピッティ
ングを低減するという方法が開示されている。

【００１４】ジェットの流速分布の平滑化がスピッティ
ング低減に有効であるのは、後述する様に本発明者らも
確認したが、特開平８−２６９５３０号公報の方法は、
ランス内の酸素流路の数を増やす必要があること、およ
びランスの先端形状が複雑になることからランスの製作
コストが増大するという問題がある。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、高速吹錬条
件下において、スピッティングを抑制することが可能な
溶融金属精錬用上吹きランスを提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明者らはスピッティ
ング低減を目的に様々な形状のランスを検討した結果、
次のような知見を得た。

【００１７】(a) 噴出したジェットの鋼浴面に衝突する
ときの流速分布、または動圧分布（流速の二乗に比例す
る）はノズルの中心軸上で最大となるが、この最大流速
とスピッティング発生量とは正の相関関係にある。

【００１８】(b) ジェットの鋼浴面に衝突するときの流
速分布ができるだけ平滑であることがスピッティング低
減に有効である。

【００１９】(c) 図１は多孔ランスの先端部を示す概要
図で、同図(a) は通常のランス、同図(b) は本発明のね
じれを有するランスである。符号１はランス、２はノズ
ルである。同図(a) の場合、各ノズルの中心軸はランス
の中心軸上の１点で交わるが、同図(b) の場合、各ノズ
ルの方向は相互にねじれた位置関係となっている。

【００２０】平滑な流速分布を得るには、図１(b) のよ
うに、各ノズルの噴出方向が互いにねじれた位置関係に
あるように配置するとよい。

【００２１】(d) ただし、ノズルが形成する鋼浴面のキ
ャビティが互いに干渉するとスピッティングが増加する
ので、鋼浴面のキャビティが干渉しない範囲、すなわち
鋼浴面のキャビティの大きさと火点の位置をあまり変え
ないで平滑化しなければならない。この制約のもとで、
前記のノズルのねじれを大きくしようすると、ランス先
端でノズルのひねりを大きくするとともに、ノズルの外
側方向への傾斜角度を小さくしなければならない。その
結果、ジェット同士が接近し、鋼浴面ではキャビティ同
士が干渉してスピッティングは逆に増加する。従って、
ノズルのひねりとノズル傾斜とは適切な関係を保たねば
ならない。

【００２２】上記の知見に基づき完成した本発明の要旨
は以下の通りである。

【００２３】同円周上に等間隔で配置された３孔以上の
ノズルを有する金属精精錬用上吹きランスにおいて、ラ
ンス中心軸がｚ軸、ノズルの出口位置がｘ軸上となるよ
うに定めたｘｙｚ直交座標系において、ｙｚ平面および
ｘｚ平面への該ノズル軸の投影がｚ軸となす角度をそれ
ぞれαおよびβとしたとき、αとβが下記（１）式を満
足することを特徴とする溶融金属精錬用上吹きランス。

【００２４】 ０＜ tanα／tan β＜２．７５ （１）

【００２５】

【発明の実施の形態】図２は本発明の上吹きランス先端
部の６孔ランスの例を示す概要図であり、同図(a) は平
面図、同図(b) は同図(a) のＢ−Ｂ断面のｙｚ平面への
投影図、同図(c) は同図(a) のＣ−Ｃ断面のｘｚ平面へ
の投影図である。同図において図１と同一部品は同一符
号で表す。図２において、符号３は中心に配置された小
径ノズルである。

【００２６】図２において、ランス中心軸がｚ軸、ノズ
ルの出口位置がｘ軸上となるｘｙｚ直交座標系を用いて
説明する。ランス１には、ノズルのひねりに相当するｙ
ｚ平面へのノズル軸の投影とｚ軸となす角度α（以下、
ノズル旋回角という）、およびノズルの外側方向の傾斜
に相当するｘｚ平面へのノズル軸の投影とｚ軸とのなす
角度β（以下ノズル傾斜角という）とを有するノズル２
が、ランス軸の周りに等間隔で軸対称に配置されてい
る。

【００２７】ノズル軸がｚ軸上の１点で交わる通常の多
孔ランス（例えば、特開昭６０−１６５３１３号公報に
開示されたもの）を同図の角度に適用すると、αは０°
であり、βは通常のランスで言うノズルの傾斜角度に相
当する。

【００２８】図３は本発明のランスを溶融金属精錬炉で
使用する場合の、ノズル２とそれに対応する火点５の幾
何学的位置関係を示す概要図である。同図ではノズル１
本分のみを示す。同図に示すように、火点の中心（ノズ
ル軸の延長が溶融金属浴面４と交わる位置）からｚ軸に
降ろした垂線のｘｙ平面への投影とｘ軸とがなす角度を
ねじれ度δと定義すると、δ、α、β、ランス−浴面間
距離Ｈ₀ 、ノズル出口位置とランス中心軸との距離Ｄ
（図２参照）との間に（２）式の関係が得られる。 tan δ＝Ｈ₀tanα／（Ｈ₀tanβ＋Ｄ） （２）。

【００２９】（２）式で、ＤがＨ₀ に比べて十分に小さ
いとすると、δは近似的に（３）式で与えられる。 δ＝tan ^-1(tanα／tan β） （３）。

【００３０】また、浴面上の火点の中心とランス中心軸
位置間の距離Ｒは（４）式で与えられる。 Ｒ＝Ｈ₀ （tan²α＋tan²β）^1/2 （４）。

【００３１】本発明者らは水モデル実験により、ノズル
のねじれ度δが液滴飛散速度に及ぼす影響を調査した。

【００３２】図４は縮尺１／１０の水モデル実験装置を
示す概略図である。符号６は飛散した液滴、７は測定用
の吸水紙である。同図のランス１には表１に示すランス
Ａ〜Ｆの６孔ランスを用意しそれぞれについて実験を行
った。

【００３３】

【表１】

【００３４】表１のランスＡは各ノズルの中心軸がｚ軸
上の１点で交わるもので、従来型に相当するランスであ
り、α＝０°β＝２０°である。

【００３５】これに対し、ランスＢ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、およ
びＦは、本発明に係る各ノズルの方向が互いにねじれの
位置関係にあるランスで、（４）式のＲはランスＡと同
様９８ｍｍで一定、かつ、（３）式のねじれ度δが１０
°、３０°、６０°、７０°および９０°となるよう
α、βを決定したものである。

【００３６】図４において、ランス１と水面間４の距離
を２７０ｍｍに設定し、ランス１より一定時間圧空を流
量１０００Ｎｌ／ｍｉｎで上吹きした。その間、水面４
の上方８００ｍｍに吸水紙７を取り付け、その前後の重
量変化から液滴６の飛散速度を算出した。液滴６は転炉
におけるスピッティングを想定したものである。

【００３７】また、同条件において、水面に相当する平
面上のジェットの流速分布をピトー管による動圧分布で
計測した。

【００３８】図５は水モデル実験の各種ランスの液滴飛
散速度（スピッティング量に相当）を、ねじれ度が０°
のランスＡの値を１として指数化し、比較したグラフで
ある。

【００３９】同図からわかるように、ねじれ度δが１０
°、３０°、および６０°のランスＢ〜Ｅのスピッティ
ング量はランスＡよりも少なく、約０．４〜０．５倍に
安定していた。これに対し、δが７０°および９０°の
ランスではスピッティング量は従来ランスより増加して
おり、その量は約１．２倍および１．５倍であった。

【００４０】図６〜８は、ねじれ度δが０°の従来型ラ
ンス、３０°および７０°の６孔ランスのランス中心軸
から半径方向のジェットの動圧分布を示すグラフであ
る。図６〜８においては、ランス中心から見て動圧が最
大値をとる方位と、そこから３０°ずれた、隣接ノズル
との境界に相当する方位（最も動圧が小さくなる方位）
のみを示した。

【００４１】図６に示すように、従来型ランスにおける
動圧の最大値は、最も動圧が小さくなっている方位のピ
ーク値に対して約２倍であった。

【００４２】これに対し、図７に示すように、ねじれ度
δが３０°のランスでは、動圧の最大値は、最も動圧が
小さくなっている方位のピーク値に対して１．３倍であ
った。

【００４３】また、図８に示すように、ねじれ度δが７
０°のランスでは、方位ごとの動圧分布に明確な差がな
く、従来型のランスＡよりもランス中心軸に近い位置に
動圧の最大値がみられた。

【００４４】以上の結果より、δが０°より大きく７０
°未満の場合、動圧分布がより平滑になり、その結果液
滴飛散速度が減少するが、７０°以上の場合、急激にジ
ェット間の相互干渉による合体が進み、その結果逆に液
滴飛散速度を増加させてしまうことが判明した。

【００４５】次に、本発明のランスを、内径７ｍの転炉
で、２７０ｔｏｎ／ｃｈ、送酸速度６万Ｎｍ³ ／ｈｒの
吹錬を行う場合を例として、ノズル傾斜角度およびラン
ス高さを定める方法を述べる。

【００４６】後述の実施例で示すように、（３）式より
求まるノズルのねじれ度δが７０°以上であるとスピッ
ティングは増加してしまう。これは、ジェット間の干渉
合体が強まり動圧分布平滑化の効果が薄れてしまうから
である。よってねじれ度δは７０°未満となるよう定め
る。すなわち、δ、α、βの関係は、０°＜δ＝ tan^-1
（tan α／tan β）＜７０°、すなわち、０＜tan α／
tan β＜２．７５、である。

【００４７】次に、幾何学的な火点の中心とランス中心
軸間の距離Ｒについて述べる。図３から明らかなよう
に、Ｒが小さいほどジェットは浴面に鉛直に近い角度で
侵入することになり、その結果、鉛直方向に近い角度で
飛散する、すなわち、ダストロスや炉口地金付着として
問題となるスピッテイングが増大する。

【００４８】一方、Ｒが大きいほどスピッティングは減
少するが、脱炭酸素効率の低下による吹錬時間の延長や
スラグ中Ｔ．Ｆｅの増加、ＣＯガスの二次燃焼率の増大
に伴う耐火物溶損速度の増加等の問題を生ずる。

【００４９】これより、実際の転炉においては火点の中
心とランス中心軸との距離Ｒは、５００ｍｍ以上、１５
００ｍｍ以下であるのが望ましい。

【００５０】次に、ランスと液面間の距離、Ｈ₀ につい
て述べる。Ｈ₀ を小さくしすぎると、溶鋼飛散によるラ
ンスの溶損や熱変形が発生しやすく、ランス寿命を短く
することになる。

【００５１】また、Ｈ₀ が大きすぎると、ジェットの広
がりが大きくなり、ノズル傾斜角度を大きくし過ぎたと
きと同様ＣＯガスの二次燃焼や耐火物損耗の問題を生じ
てしまう。

【００５２】これより、実際の転炉においては、Ｈ₀ は
２２００ｍｍ以上、３０００ｍｍ以下であるのが望まし
い。

【００５３】本発明のランスでは、ノズル数は３以上と
する。ノズル数２以下では転炉内での反応の対称性が失
われるためである。上限は特に定めないが、ノズル数が
過大であるとランス先端の構造が複雑になること、ノズ
ル１本当たりのジェットの運動量が過小になること等か
ら、１０以下とするのが望ましい。

【００５４】なお、本発明のランスにおいて、ランス中
央部への粒鉄付着を防止するため、他のノズルからのジ
ェットとほとんど干渉することのない、弱い噴流を生じ
せしめる小孔径ノズル（図２の符号３）をランス中央部
に配置することも可能である。

【００５５】本発明のランスは上底吹き転炉による製鋼
プロセスに使用するのが好適であるが、これに限らず上
吹きランスだけを使用する製鋼プロセス、その他ＡＯＤ
炉や銅精錬炉のような上吹きランスから精錬用ガスを供
給するあらゆる金属の精錬プロセスに適用可能である。

【００５６】

【実施例】溶鋼量２７０ｔｏｎ／ｃｈの上底吹き転炉に
おいて、本発明の上吹きランスを用いて低炭素鋼を溶製
し、スピッテイングロス量の調査を実施した。

【００５７】吹錬は全て脱りん銑を用いたレススラグ吹
錬（スラグ量溶鋼ｔｏｎ当たり３０〜３５ｋｇ）であ
り、上吹き酸素流量は５５０００Ｎｍ³ ／ｈｒ、底吹き
ガスはＣＯ₂ ２０００Ｎｍ³ ／ｈｒ、ランス高さは約
２．７ｍで一定とした。また、終点［Ｃ］は約０．０５
％で一定とした。

【００５８】ランスは、各ノズルの中心軸がランスの中
心軸上の１点で交わる通常の多孔ランス（比較例１、
２、３）と、各ノズルの方向が互いにねじれの位置関係
となるランス（比較例４および本発明例１〜３）とを用
い、後者におけるノズルのねじれ度δは１０°、３０
°、５０°、７０°の４通りとした。

【００５９】比較例２のランスは比較例１の６孔ランス
とノズル総断面積が同じ８孔ランスであり、βは比較例
１のランスと同様の１５°とした。

【００６０】比較例３のランスは比較例１の６孔ランス
とノズル総断面積が同じ８孔ランスであり、隣接するキ
ャビティーが重ならないようβは２０°とした。

【００６１】また、比較例１と同孔数かつ同ノズル径の
比較例３および実施例では、幾何学的な火点の中心と浴
面上のランス中心軸位置からの距離Ｒを比較例１と同じ
となるように、αおよびβを定めた。

【００６２】また、全ランスにおいて、ランス中央部へ
の粒鉄付着を防止するため、２０ｍｍφのノズルをラン
ス中央部に配置した。

【００６３】表２に本発明例および比較例のランスを用
いた操業時のスピッティングロス、吹錬終了時のスラグ
中Ｔ．Ｆｅ濃度、およびトータルのＦｅロスを比較して
示す。これらの値は、各ランスを１０〜２０ｃｈ使用し
たときの平均値である。スピッティングロス、スラグ中
Ｔ．Ｆｅ、およびトータルのＦｅロスは比較例１を基準
として、これに対する増減を重量％で示した。

【００６４】

【表２】

【００６５】まず、δ＝０°のノズルを有する比較例
１、２、および３のランスを比較して述べる。

【００６６】比較例２はβを比較例１と同様の１５°と
し、ノズル数を８孔に増やしたランスである。このラン
スにおいては各ノズルに対応する火点の重複が大きいた
めスピッティングロスは大きく、また、脱炭酸素効率が
低下するため吹錬終了時のスラグ中Ｔ．Ｆｅも若干高か
った。

【００６７】比較例３は比較例２と同様８孔ランスであ
るが、火点の重複を回避するためβを２０°と大きくし
たランスである。このランスにおいては火点の重複がな
いので、多孔化の効果がそのまま反映しスピッティング
ロスは低下する。しかしながら、同時に脱炭酸素効率も
低下するためスラグ中Ｔ．Ｆｅ濃度は増加してしまい、
トータルの鉄ロスは比較例１と大差はなかった。

【００６８】次に、α＞０°のランス同志（比較例４、
実施例１、２、３）を比較する。実施例１、２、および
３の、ねじれ度δが７０°未満のランスでは、スピッテ
イングロス量は基準値に対して０．４５〜０．４８％減
少している上に、スラグ中Ｔ．Ｆｅも基準値に対し±
０．５％とほぼ同値であり、トータルの鉄ロスは大きく
減少した。

【００６９】これに対し、比較例４のねじれ度δが７０
°のランスではスラグ中Ｔ．Ｆｅは１．０％減少してお
り脱炭酸素効率の向上が伺えるが、スピッティングロス
は１．２２％も増加した。

【００７０】これは、水モデル実験でみられたように、
ノズルのねじれ度δが７０°未満の場合、動圧分布がよ
り平滑になり、スピッティングが減少するが、７０°を
超えた場合、急激にジェット間の相互干渉による合体が
進み、逆にスピッテイングを増加させてしまうためと考
えられる。

【００７１】つまり、スピッティングロス低減のために
はランスのねじれ度δを７０°未満とする必要であるこ
とがわかった。

【００７２】以上の結果より、本発明のランスはスピッ
ティングロスの低減、スラグへの鉄ロス低減および耐火
物溶損抑制の面から最適なランスであることがわかっ
た。

【００７３】

【発明の効果】溶融金属浴面に精錬用ガスを吹き付ける
精錬プロセスにおいて、本発明のランスを使用すること
により、精錬用ガスと溶融金属との反応効率を低下させ
ることなくスピッティングを大幅に低減することができ
る。

【００７４】これにより、精錬歩留まりの向上、および
炉口地金付着等の操業トラブルの回避が達成され、生産
性を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】多孔ランスの先端部を示す概要図で、同図(a)
は通常のランス、同図(b) は本発明のねじれを有するラ
ンスである。

【図２】本発明の上吹きランス先端部の６孔ランスの例
を示す概要図であり、同図(a)は平面図、同図(b) は同
図(a) のＢ−Ｂ断面のｙｚ平面への投影図、同図(c) は
同図(a) のＣ−Ｃ断面のｘｚ平面への投影図である。

【図３】本発明のランスのノズルとそれに対応する火点
の幾何学的位置関係を示す概要図である。

【図４】水モデル実験装置を示す概略図である。

【図５】水モデル実験での各種ランスの液滴飛散速度
（スピッティング量）を比較したグラフである。

【図６】ねじれ度δが０°の従来ランスの動圧分布を示
すグラフである。

【図７】ねじれ度δが３０°のランスの半径方向の動圧
分布を示すグラフである。

【図８】ねじれ度δが７０°のランスの半径方向の動圧
分布を示すグラフである。

【符号の説明】

１ ：ランス ２ ：ノズル ３ ：小径ノズル ４ ：浴面 ５ ：火点 ６ ：液滴 ７ ：吸水紙 α ：ノズル旋回角 β ：ノズル傾斜角 δ ：ねじれ度 Ｄ ：ノズル出口とランス中心間距離 Ｈ₀ ：ランスと浴面間距離 Ｒ ：浴面上の火点中心とランス中心軸位置間距離

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 同円周上に等間隔で配置された３孔以上
   のノズルを有する金属精精錬用上吹きランスにおいて、
   ランス中心軸がｚ軸、ノズルの出口位置がｘ軸上となる
   ように定めたｘｙｚ直交座標系において、ｙｚ平面およ
   びｘｚ平面への該ノズル軸の投影がｚ軸となす角度をそ
   れぞれαおよびβとしたとき、αとβが下記（１）式を
   満足することを特徴とする溶融金属精錬用上吹きラン
   ス。 ０＜ tanα／tan β＜２．７５ （１）
2. 【請求項２】