JP3547246B2 - 溶鉄精錬用ランスおよび溶鉄精錬方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ランスを用いた溶鉄精錬におけるランスの構造および溶鉄精錬方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
転炉等の精錬容器で溶鉄を精錬する際に用いられるランスには、酸素ガス噴流による鋼浴の攪拌を促進するために、ランス下端面に設けたノズルの入り側圧を高効率で噴流の運動エネルギーに変換する複数孔の中細ノズルが一般的に採用され、そのノズルの適正膨張圧の範囲で精錬が行われている（鉄鋼便覧、第３版分冊ＩＩ、日本鉄鋼協会編、１９８２発行、ｐ．４６８）。しかし、この場合には、噴流の運動エネルギーが高い（ハードブロー）ためダストが発生することにより、鉄の歩留まりが低下する弊害は回避できない。そこで、こうしたダストの発生を抑制するために、噴流の運動エネルギーの低下（ソフトブロー化）を指向して、ランス先端−溶鉄静止湯面間距離を大きくして噴流の運動エネルギーの減衰を図ったり、ノズルのスロート径を大径化してノズルの入り側圧を低下させたり、多孔のノズルを使用して噴流の減衰を促進するという試みがなされている。しかし、いずれの方法でも炉内空間ガスの巻き込み量が増大し、二次燃焼率が上昇するため、脱炭酸素効率の低下や二次燃焼の燃焼熱による炉内耐火物の溶損を生じるという難点がある。すなわち、従来の方法では「ダストの発生」と「二次燃焼率の上昇」とは表裏一体の関係にあり、両方の問題を同時に回避することは不可能であった。
【０００３】
なお、ここで言う「ランス下端部に設けるノズル」とは、その上端をガス供給管に連結され、縦断面上にくびれを有してランス下端に開口した管路（中細ノズル）であり、ノズル下端の開口部を孔と称する構造体を指す。また、スロート径とはこの管路の最も狭い部分の内径を指す。
また、ダスト発生量を低減することを目的として、ノズルの配置や傾斜角を適正化して酸素噴流により形成されるキャビティ（溶鉄湯面上の凹み）の重なり率を低減するランスなどが提案されている（例えば、特公昭６２−４６６１１号公報、特開平６−５７３２０号公報）。これらでは噴流の総運動エネルギー一定のもとで、噴流方向を分散させることにより、ダスト発生の一因と考えられているキャビティの重なり範囲を低減することを技術思想としている。しかし、これらの場合でもノズルの傾斜角を広角化するため、炉壁と噴流の距離が接近して炉内耐火物との損耗を招くおそれがある。このため、キャビティの重なりに起因するダストは低減できても、噴流の総運動エネルギーは変わらないので、運動エネルギーに起因するダスト発生量を低減することはできない。結局、先述の表裏一体の２つの問題点はいずれも解決できない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記の解決手段が相矛盾するような表裏一体の問題、すなわち、二次燃焼率の上昇による脱炭酸素効率の低下や、炉内耐火物の溶損の問題、およびダストの発生の問題の２つを同時に解決し得る画期的な溶鉄精錬用ランスおよび溶鉄精錬方法を提供する。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、ダスト発生量とガス噴流の溶鉄湯面への到達速度（噴流流速＝Ｕ）が正相関の関係があることを詳細な実験により確認した。その時、精錬炉内雰囲気絶対圧（＝Ｐ_ｅ ）一定のもとで、ノズルから吐出するガス噴流量（酸素ガスの場合、送酸速度（＝Ｆ_Ｏ２）を意味する）は、ノズル入り側絶対圧（＝Ｐ_Ｏ ）およびノズルのスロート径（＝ｄ_ｔ ）が、同一の条件下では一義的に決定される。一方、噴流流速ＵはＰ_Ｏ およびｄ_ｔ が同一の条件下でも、出口径（＝ｄ_ｅ ）により変化する現象に着目し、ｄ_ｅ を変更することによりスロートから出口へかけての噴流の膨張の状態、つまり噴流の運動エネルギーの損失量（噴流流速Ｕの減衰度合い）を、変化させ得る工業的手段として、本発明を発明するに至ったのである。
【０００６】
すなわち、Ｆ_Ｏ２，ｄ_ｔ およびランス先端−溶鉄静止湯面間距離（＝ＬＧ）が同一の場合にでも、従来は達成し得なかった噴流の総運動エネルギーの減衰度合い（ソフトブロー化）を得る画期的な条件、つまり、最適なｄ_ｅ とｄ_ｔ の比（＝ｄ_ｅ ／ｄ_ｔ ）があることを知見したのである。さらに、ｄ_ｅ を変更して噴流流速Ｕを減衰しても、その他の条件（Ｐ_Ｏ 、ノズル数（＝ｎ），ｄ_ｔ 、ノズルの配置および位置関係、ノズルの傾斜角、ＬＧ）が同一の場合は、精錬炉内の二次燃焼率に影響がないこと、換言すれば、二次燃焼率に影響を与えずに噴流流速Ｕを変えられることを知見したのである。
【０００７】
以上の２つの新たな知見をもとに、噴流流速Ｕを減衰させてダスト発生量を低減しながら、二次燃焼率の上昇を回避できる全く新しいランスの設計条件に基づいた構造を有する溶鉄精錬用ランスおよびそれを用いた溶鉄精錬方法を発明するに至った。
すなわち、本発明の要旨は、下記のとおりである。
【０００９】
（１）酸素ガスを供給しながら溶鉄を精錬する際に用いる溶鉄精錬用ランスであって、該ランスの先端部に設けたノズルの少なくとも一つのノズルの出口径（ｄ_e （cm））とスロート径（ｄ_e （cm））との比ｄ_e ／ｄ_t をノズルの出口部雰囲気絶対圧（Ｐ_e (kgf／cm² ））、およびノズルの適正膨張絶対圧（Ｐ_Op(kgf／cm² ））との関係式(1) から決定し、かつ関係式(1) のＰ_Opを該ノズルの入り側絶対圧Ｐ_O との比で下記(2) あるいは(3) 式の範囲に限定したことを特徴とする溶鉄精錬用ランス。
【００１０】
d_e /d_t ＝0.509 ・(P_e /P_Op) ^-5/14 ・｛１−(P_e /P_Op)^2/7｝^-1/4 …(1)
P_o /2.0≦ P_op≦ P_o /1.2 …(2)
P_O /0.8≦ P_op …(3)
（２）（１）記載の溶鉄精錬用ランスによって、総ガス供給速度を最大にした場合の特定ランス下端〜溶鉄湯面間距離に対するダスト発生率を極力低減することを特徴とする溶鉄精錬方法。
【００１１】
（３）ランスの先端部に設けたノズルの少なくとも一つのノズルの出口径（ｄ_e （cm））とスロート径（ｄ_t （cm））との比ｄ_e ／ｄ_t をノズルの出口部雰囲気絶対圧（Ｐ_e (kgf／cm² ））およびノズルの適正膨張絶対圧（Ｐ_Op(kgf／cm² ））との関係式(1) から決定した溶鉄精錬用ランスを用いて、かつ該ノズルの入り側絶対圧Ｐ_O とＰ_Opとの比を下記(4) あるいは(5) 式の範囲で用いることを特徴とする溶鉄精錬方法。
【００１２】

なおここでいう「溶鉄精錬用ランス」は、ステンレス鋼を含む溶鋼の精錬に用いても良く、精錬設備としも転炉、電気炉、真空脱ガス装置などいかなるものに用いても良い。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図１に従って説明する。
図１は、ノズルの入り側絶対圧Ｐ_Ｏ が４．５ ｋｇｆ／ｃｍ^２ のときの「ノズルの出口径ｄ_ｅ とスロート径ｄ_ｔ の比ｄ_ｅ ／ｄ_ｔ 」と「入り側絶対圧Ｐ_Ｏ と適正膨張絶対圧Ｐ_Ｏｐの比Ｐ_Ｏ ／Ｐ_Ｏｐ」の関係および「ノズルの出口径ｄ_ｅ とスロート径ｄ_ｔ の比ｄ_ｅ ／ｄ_ｔ 」と「噴流進行方向に垂直な断面における噴流中心軸上流速Ｕ_ｍａｘ と当該スロート径でノズルの入り側絶対圧Ｐ_Ｏ で適正膨張するように出口径を定めたノズルの噴流中心軸上流速Ｕ_ｍａｘｐの比Ｕ_ｍａｘ ／Ｕ_ｍａｘｐ」の関係を示す図である。
【００１４】
まず、図１の縦軸（２種類）および横軸について説明する。（ａ）図の縦軸Ｐ_Ｏ ／Ｐ_Ｏｐは一般的な物理量であり、ノズルの適正膨張絶対圧（Ｐ_Ｏｐ（ｋｇｆ／ｃｍ^２ ））とノズルの入り側絶対圧Ｐ_Ｏ との比である。Ｐ_Ｏ およびＰ_Ｏｐはいずれも下記（６） および（６） ′式によって表される数値であり、ノズルのスロート径ｄ_ｔ （ｍｍ）が決まれば、送酸速度Ｆ_Ｏ２あるいはＦ_Ｏ２ｐ （適正膨張絶対圧の時の送酸速度）により一義的に決まる。縦軸をこれらの比Ｐ_Ｏ ／Ｐ_Ｏｐとしたのは操業時の送酸速度の絶対値（精錬炉の操業規模）に依存せず、適正膨張条件との乖離度合いを表現するためである。
【００１５】
Ｐ_Ｏ ＝Ｆ_Ｏ２／（０．４５６×ｄ_ｔ ^２ ） …（６）
Ｐ_Ｏ ＝Ｆ_Ｏ２ｐ ／（０．４５６×ｄ_ｔ ^２ ） …（６） ′
次に（ｂ）図の縦軸のＵ_ｍａｘ ／Ｕ_ｍａｘｐとは、ノズル下端から噴出するガス噴流の溶鉄浴面への衝突時の噴流流速Ｕ（噴流進行方向に垂直な断面における噴流中心軸上流速であり、Ｕは流速分布を持つ）に関して、そのうちの最大値をＵ_ｍａｘ と定義し、同じスロート径でノズルの入り側絶対圧Ｐ_Ｏ で適正膨張するように出口径を定めたノズルのＵ_ｍａｘ をＵ_ｍａｘｐと定義する。この時、Ｆ_Ｏ２の絶対値によらない値としてそれらの比で図示している。また、これらのＵ_ｍａｘ やＵ_ｍａｘｐは本発明者がピトー管を用いて行った噴流流速測定結果を基に算出した値を用いている。
【００１６】
ここで、或る送酸速度Ｆ_Ｏ２に対して、ノズルのスロート径が一定ｄ_ｔ の条件下で、すなわちノズルの入り側絶対圧Ｐ_Ｏ が一定の条件下で、（１） 式および（２） 式、あるいは（１） 式および（３） 式のいずれかの条件を満たすような出口径ｄ_ｅ のノズルを使用すると、図１に示すようにＵ_ｍａｘ を大幅に低減できる。
またこのことから、或るノズルの出口径ｄ_ｅ とスロート径ｄ_ｔ の比ｄ_ｅ ／ｄ_ｔ で設計された既存のランスに対して、（１） 式および（４） 式、あるいは（１） 式および（５） 式のいずれかの条件を満たすようなノズルの入り側絶対圧Ｐ_Ｏ （実操業では、（６） あるいは（６） ′式からＦ_Ｏ２に置き換えられる）で操業することによっても、同様にＵ_ｍａｘ を大幅に低減することができる。
【００１７】
また、図１に示すように、請求項１に対応する本発明のより望ましい範囲として、前記(1) 式および下記(7) 式、あるいは前記(1) 式および下記(8) 式のいずれかの条件を満たすランスを使用することにより、Ｕ_max をさらに抑制できて、ダスト発生量低減効果を高めることができる。
Ｐ_O ／１．８≦Ｐ_Op≦Ｐ_O ／１．３ …(7)
Ｐ_O ／０．７≦Ｐ_Op …(8)
同様に、請求項３に対応する本発明のより望ましい範囲として、前記(1) 式および下記(9) 式、あるいは前記(1) 式および下記(10)式のいずれかの条件を満たすようなノズルの入り側絶対圧Ｐ_O （実操業では、(6) あるいは(6) ′式からＦ_O2に置き換えられる）で操業することによりＵ_max をさらに抑制できて、ダスト発生量低減効果を高めることができる。
【００１８】

本発明の請求の範囲をより具体的に示すために、該ｄ_ｅ ／ｄ_ｔ とノズル入り側の絶対圧Ｐ_ｏ の関係の一例を示したものが図４である。本発明の範囲は、操業時の出口部雰囲気絶対圧Ｐ_ｅ 、および送酸速度Ｆ_Ｏ２あるいはノズルの入り側絶対圧Ｐ_ｏ の値によりｄ_ｅ ／ｄ_ｔ およびＰ_Ｏｐの取るべき絶対値はいろいろな値になるが、それぞれが互いに請求項中の（１）〜（５）式の関係を満足することにより、ランス下端〜溶鉄湯面間距離および送酸速度を同一にしたままで、溶鉄湯面における最大噴流流速を従来の値より小さくすることができるというものである。図４では一例として、（１）式中のＰ_ｅ を通常の転炉の場合の大気圧１．０３３ｋｇｆ ／ｃｍ^２ とし、（２）式（Ｐ_ｏ ／２．０≦Ｐ_Ｏｐ≦Ｐ_ｏ ／１．２）を、Ｐ_ｏ ／２．０＝Ｐ_Ｏｐ （２）′ と、Ｐ_Ｏｐ＝Ｐ_ｏ ／１．２ （２）″ の２つの式に分割し、それぞれを（１）式中に代入して（１）式をｄ_ｅ ／ｄ_ｔ とＰ_ｏ の２つの関係式としてそれぞれの曲線を図示してある。（３）式についても同様である。つまり、本発明のＰ_ｅ ＝１．０３３ｋｇｆ ／ｃｍ^２ の場合については、図４中の斜線で示されるＰ_ｏ ／Ｐ_Ｏｐ＝０．８の曲線よりｄ_ｅ ／ｄ_ｔ が大なる範囲およびＰ_ｏ ／Ｐ_Ｏｐ＝１．２〜２．０の領域であって、この領域に存在する請求の範囲のｄ_ｅ ／ｄ_ｔ とＰ_ｏ との関係は１つではない。実際には、操業で使用するＰ_ｏ の範囲は約３〜２５ｋｇｆ ／ｃｍ^２ であって、これらに対応するｄ_ｅ ／ｄ_ｔ は約１以上の範囲である。ｄ_ｅ ／ｄ_ｔ 決定の手順としてはＰ_ｏ を決定してこの図４のような関係図を求めて、例えばＰ_ｏ を（６）式から操業時のＦ_Ｏ２によって５．０ｋｇｆ ／ｃｍ^２ と決まれば、ｄ_ｅ ／ｄ_ｔ の最適領域は約１．０２〜１．１１及び１．２１以上の２つの領域となり、Ｐ_ｏ を１５．０ｋｇｆ ／ｃｍ^２ と決めればｄ_ｅ ／ｄ_ｔ の最適領域は約１．２７〜１．４７及び１．６５以上の２つの領域となるわけである。これらの領域の中から他の条件、例えばランス本体形状あるいはランス冷却方式などからｄ_ｅ ／ｄ_ｔ を更に絞り込むのである。また、この図４の横軸Ｐ_ｏ ＝４．５ｋｇｆ ／ｃｍ^２ について、Ｐ_ｏ ／Ｐ_Ｏｐとｄ_ｅ ／ｄ_ｔ との関係に置換したものが図１である。
【００１９】
【実施例】
内径約１．２ｍの上底吹き転炉を用いて、６ｔの溶鉄を装入し、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆの６種類のランスについて、それぞれランス先端−溶鉄静止湯面間距離を２段階に変更し、酸素ガス流量１２００Ｎｍ^３ ／ｈ、ノズル入り側絶対圧４．５ ｋｇｆ／ｃｍ^２ 一定で計１２水準の脱炭試験を行った。いずれの水準でも底吹きガスとして窒素３００Ｎｍ^３ ／ｈを用いた。また、精錬開始直後に塩基度が約３．５となるように石灰を１３０ｋｇ投入した。各ランスの設計値を表１に、試験条件および試験結果を表２に示す。また、本発明例のランスのうち、Ｅ，Ｆはより望ましい範囲に該当する。
【００２０】
【表１】

【００２１】
【表２】

【００２２】
本実施例の結果について説明する。本実施例は実炉ベースの６ｔ転炉によって、ランス条件（表１）における実操業水準としてランス高さを２水準（６００，１０００ｍｍ）、としたものである。すなわち、比較例Ａと比べて本発明のＢ〜Ｆでは、ダスト発生量および二次燃焼率がどのように改善されるかを定量的に表わしたものである。
【００２３】
従来方法においては、ダストを減らすと二次燃焼率が上昇していたが、本発明Ｂ〜Ｆでは、比較例Ａをベースに、同一ランス高さのもとではダストが減少し、かつ二次燃焼率（ＰＣＲ）が比較例Ａより高くならない。なお、耐火物損耗程度は前記ＰＣＲに比例するので、本実施例では、ダスト発生量と一次的関係を有する前記二次燃焼率で整理した。
【００２４】
【発明の効果】
本発明により、炉内耐火物への悪影響や二次燃焼率の上昇を生じることなく、ダスト発生量を低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るノズルの入り側絶対圧Ｐ_Ｏ が４．５ ｋｇｆ／ｃｍ^２ の時の（ａ）ノズルの出口径ｄ_ｅ とスロート径ｄ_ｔ の比ｄ_ｅ ／ｄ_ｔ と入り側絶対圧Ｐ_Ｏ と適正膨張絶対圧Ｐ_Ｏｐの比Ｐ_Ｏ ／Ｐ_Ｏｐの関係、（ｂ）ノズルの出口径ｄ_ｅ とスロート径ｄ_ｔ の比ｄ_ｅ ／ｄ_ｔ と噴流進行方向に垂直な断面における噴流中心軸上流速Ｕ_ｍａｘ と当該スロート径でノズルの入り側絶対圧Ｐ_Ｏ で適正膨張するように出口径を定めたノズルの噴流中心軸上流速Ｕ_ｍａｘｐの比Ｕ_ｍａｘ ／Ｕ_ｍａｘｐの関係を示す図である。
【図２】本発明の実施の態様を示す図で、（ａ）本発明の実施の態様を示す概略図、（ｂ）ランス先端部の態様を示す概略図である。
【図３】実施例の各水準の試験結果で、二次燃焼率とダスト発生量の関係を示す図である。
【図４】本発明の請求の範囲２および４を前記ｄ_ｅ ／ｄ_ｔ と前記Ｐ_Ｏ の関係によってより具体的に示す図である。
【符号の説明】
１…精錬容器
２…ランス
３…溶鉄
４…ランス先端−溶鉄静止湯面間距離
５…ランスノズル
６…スロート径
７…出口径
８…酸素ガス流

Claims (3)

1. 酸素ガスを供給しながら溶鉄を精錬する際に用いる溶鉄精錬用ランスであって、該ランスの先端部に設けたノズルの少なくとも一つのノズルの出口径（ｄ_e （cm））とスロート径（ｄ_t （cm））との比ｄ_e ／ｄ_t を、ノズルの出口部雰囲気絶対圧（Ｐ_e (kgf／cm² ））、およびノズルの適正膨張絶対圧（Ｐ_Op(kgf／cm² ））との関係式(1) から決定し、かつ関係式(1) のＰ_Opを該ノズルの入り側絶対圧Ｐ_O との比で下記(2) あるいは(3) 式の範囲に限定したことを特徴とする溶鉄精錬用ランス。
   d_e /d_t ＝0.509 ・(P_e /P_Op) ^-5/14 ・｛１−(P_e /P_Op)^2/7｝^-1/4 …(1)
   P_o /2.0≦ P_op≦ P_o /1.2 …(2)
   P_O /0.8≦ P_op …(3)
2. 請求項１記載の溶鉄精錬用ランスによって、総ガス供給速度を最大にした場合の特定ランス下端〜溶鉄湯面間距離に対するダスト発生率を極力低減することを特徴とする溶鉄精錬方法。
3. ランスの先端部に設けたノズルの少なくとも一つのノズルの出口径（ｄ_e （cm））とスロート径（ｄ_t （cm））との比ｄ_e ／ｄ_t をノズルの出口部雰囲気絶対圧（Ｐ_e (kgf／cm² ））およびノズルの適正膨張絶対圧（Ｐ_Op(kgf／cm² ））との関係式(1) から決定した溶鉄精錬用ランスを用いて、かつ該ノズルの入り側絶対圧Ｐ_O とＰ_Opとの比を下記(4) あるいは(5) 式の範囲で用いることを特徴とする溶鉄精錬方法。
   d_e /d _t＝0.509 ・(P_e /P_Op) ^-5/14 ・｛１−(P_e /P_Op)^2/7｝^-1/4 …(1)
   1.2・ P_op≦ P_o ≦2.0 ・ P_op …(4)
   P_o ≦0.8 ・ P_op …(5)

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