JP4242247B2 - バーナー又はランスのノズル構造及び金属の溶解・精錬方法 - Google Patents

Description

本発明は、バーナー又はランスのノズル構造及び金属の溶解・精錬方法に関し、詳しくは、金属を溶解・精錬する際に用いられいるバーナーやランスの先端部に設けられて支燃性ガスや燃料ガスを噴出するノズルの構造、及び、該ノズル構造を備えたバーナー・ランスを使用して金属を溶解・精錬する方法に関する。

転炉や電気炉に代表される金属の溶解・精練炉では、従来から支燃性ガス噴流や、燃料と支燃性ガスとによる火炎が多く用いられている。例えば、転炉では、高炉から排出される溶銑や別途投入される固体鉄に対して上吹きランスから高純度の酸素を高速で噴出させ、金属中の炭素、燐、硅素等の不純物を酸化精練するとともに、固体鉄が多く配合されて熱不足の場合は、炉内から発生する一酸化炭素を炉内で燃焼させ、その熱を利用して熱補償している。

一方、電気炉では、固体鉄スクラップをアーク熱で加熱溶解するとともに、アーク加熱が不十分なコールドスポット部に助燃バーナーあるいはランスを設置し、火炎により溶解を促進させ、さらに、固体鉄スクラップの一部が液体になった場合には、そこへ高純度の酸素を供給することにより前記転炉と同様に精練を行っている。

これらの溶解・精練をより効率的に行うために、従来からランスあるいはバーナに様々な工夫がなされており、例えば、精練用主ガスノズルと二次燃焼用サブノズルとを設けた上吹きランスが提案されている。二次燃焼用サブノズルは、ランス中心軸に対して外側に傾斜しており、広い範囲に酸素を吹込むことができるようにしている。さらに、この上吹きランス自体を回転させる機構を設け、上吹きランスを回転させながら酸素を吹込んで溶解・精練を行うことにより、局所加熱による炉壁レンガの溶損を軽減し、二次燃焼を更に促進させて熱効率を向上させている（例えば、特許文献１参照。）。

また、前記同様に、精練用ノズルと外側に傾斜した二次燃焼用ノズルとを設けたランス自体を回転させ、さらに左右に振動させることにより、酸素噴流の噴出範囲を拡大し、二次燃焼を促進させて熱効率を向上させることも提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

一方、電気炉においては、電気炉で一般的に使用されている炉壁バーナノズルを偏心させ、さらに、回転機構を設けることでバーナ火炎による加熱範囲を拡大することにより加熱溶解効率を高めることが提案されている。さらに、このバーナーに酸素ランスとしても使用できる構造や粉体吹込みも可能な構造を採用することにより、固体鉄スクラップが溶落ちた後、酸素や粉体を広範囲に吹込むことによって精練効率も高めることができるようにしている（例えば、特許文献３参照。）。
特開昭６２−１３５１３号公報 特開昭６０−１８７６１０号公報 特開２０００−４３８２号公報

しかし、前記各特許文献に記載されたものは、いずれも巨大なランスやバーナーを回転させたり、振動させたりするための大掛かりで複雑な構成の機械的な駆動装置が必要であり、コストやメンテナンス性に問題がある。

そこで本発明は、機械的な駆動装置を使用することなく酸素噴流や火炎の噴出方向を変化させることができるバーナー又はランスのノズル構造を提供するとともに、このノズル構造を備えたバーナー・ランスを使用することにより加熱溶解効率や精練効率を向上させることができる金属の溶解・精錬方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明のバーナー又はランスのノズル構造は、金属の溶解・精錬時に、先端部に設けた流体噴出口から支燃性ガス又は燃料ガスの少なくともいずれか一方を前記金属に向けて噴出するバーナー又はランスのノズル構造において、前記流体噴出口における、流体流れ方向に直交する断面形状が矩形状の流体噴出流路の側壁の対向位置に一対の開口部を設け、該開口部同士を連通ダクトで連通させるとともに、前記開口部より下流側の流体噴出流路を開口部設置側の側壁が下流側に向かって拡開する扇形形状に形成したことを特徴としている。

さらに、本発明のバーナー又はランスのノズル構造は、前記流体噴出口の周囲に、該流体噴出口から噴出する流体が支燃性ガスのときは燃料ガスを、該流体噴出口から噴出する流体が燃料ガスのときは支燃性ガスを、該流体噴出口から噴出する流体が支燃性ガス及び燃料ガスの混合ガスのときには支燃性ガス又は燃料ガスの少なくともいずれか一方のガスを噴出する第２の流体噴出口を備えていることを特徴としている。

加えて、前記第２の流体噴出口が、該第２の流体噴出口における、流体流れ方向に直交する断面形状が矩形状の流体噴出流路の側壁の対向位置に、前記流体噴出口に設けた開口部の軸線と平行な方向に開口する一対の開口部を設け、該開口部同士を第２の連通ダクトで連通させるとともに、前記開口部より下流側の第２流体噴出流路を開口部設置側の側壁が下流側に向かって拡開する扇形形状に形成したことを特徴とし、前記第２の連通ダクトに調節弁を備えていることを特徴としている。

また、本発明の金属の溶解・精錬方法は、前記構成のノズル構造を備えたバーナー・ランスを使用した金属の溶解・精錬方法であって、前記流体噴出口から噴出する支燃性ガス又は燃料ガスの少なくともいずれか一方のガスを、前記連通ダクトで連通した前記一対の開口部による自励振動作用により、前記流体噴出口の扇形形状に対応した振幅で自励振動させながら、金属又は溶湯に向けて噴出させることを特徴としている。

さらに、前記連通ダクトに調節弁を備えたノズルの場合は、前記流体噴出口から噴出する支燃性ガス又は燃料ガスの少なくともいずれか一方のガスを、前記連通ダクトで連通した前記一対の開口部による自励振動作用により、前記流体噴出口の扇形形状に対応した振幅で自励振動させ、前記調節弁により連通ダクトの通気量を調整し、前記自励振動の振動速度を、任意の位置での振動停止を含めて調節しながら金属又は溶湯に向けて噴出させることを特徴としている。

本発明のノズル構造は、フリップフロップノズル噴流の自励振動を利用したものであって、流体噴出口から噴出する支燃性ガスや燃料ガスを、連通ダクトで連通させた一対の開口部の作用によって振動（揺動）させることができる。したがって、ランスやバーナー自体を回転させたり、振動させたりするための大掛かりで複雑な構成の機械的な駆動装置を使用せずに、ランスやバーナーから噴出する支燃性ガスや燃料ガス、あるいはこれらにより形成される火炎の噴出方向を変化させることができる。したがって、支燃性ガスや火炎を炉内の広範囲に供給できるので、金属を溶解・精錬する際の加熱溶解効率や精練効率を向上させることができる。

図１乃至図３は、本発明のバーナー又はランスのノズル構造の第１形態例を示すもので、図１は断面側面図、図２は図１のII−II線断面図、図３は流体の噴出状態を示す説明図である。ノズル１１の中心には、支燃性ガスや燃料ガスを供給するためのガス供給路１２が設けられており、該ガス供給路１２の先端部に流体噴出口１３が設けられている。

流体噴出口１３は、流体流れ方向に直交する断面形状が矩形状の流体噴出流路１４を有するものであり、流体噴出流路１４の中間部の側壁には、対向位置に一対の開口部１５，１６がそれぞれ設けられている。この開口部１５，１６より上流側の流体噴出流路１４には、角筒状の直胴部１７が設けられており、開口部１５，１６より下流側の流体噴出流路１４には、ノズル先端側が扇形に拡開した拡開部１８が設けられている。拡開部１８の拡開方向は、開口部１５，１６の軸線方向となっており、流体噴出流路１４の開口部設置側の側壁を下流側(先端側)に向かって拡開させ扇形形状となっている。また、開口部１５，１６同士は、ノズル後部側に設けられた連通ダクト１９によって連通している。

このように、ノズル１１の流体噴出口１３に、連通ダクト１９で連通した開口部１５，１６を対向配置することにより、該流体噴出口１３から噴出する流体（支燃性ガスや燃料ガス）に、いわゆるフリップフロップノズル噴流の自励振動を発生させることができる。すなわち、図３に示すように、直胴部１７から噴出する流体（支燃性ガスや燃料ガスあるいは火炎）Ｒは、両開口部１５，１６の間を抜けて拡開部１８に向かって噴出する際に、拡開部１８の両側の拡開壁１８ａ，１８ｂに交互に付着して自励振動する状態となる。この自励振動の振幅や振動数(周波数)は、開口部１５，１６、直胴部１７、拡開部１８及び連通ダクト１９の各部の寸法や、流体の流速等の各種条件に応じて異なるので、これらを適当に設定することにより、ノズル１１から噴出する流体Ｒを、ある程度所望の角度範囲αで揺動させることが可能となる。また、自励振動の周波数は、連通ダクト１９による両開口部１５，１６間の連通状態によって変動するので、連通ダクト１９に調節弁を設けてガス流量や圧力を調節することにより、自励振動の状態を制御することができ、任意の方向で振動を停止することもできる。

なお、拡開部１８の先端開口の長辺と短辺との比率は３以上であることが好ましく、この比率が３未満になると、すなわち、正方形に近くなると、自励振動が不安定となる。また、直胴部１７から噴出する流体の速度は任意であるが、超音速を含む高速噴流でも同様の自励振動を発生させることができる。このように流体噴出口１３を一つだけ備えたノズル１１は、通常はランスの先端に設けられ、流体噴出口１３から噴出する流体は、支燃性ガス、例えば酸素ガスとなるが、例えば、ガス供給路１２に酸素ガスを供給し、ガス供給路１２の中央に燃料供給管を設けて先端からガス燃料を噴出させたり、液体燃料を噴霧させることにより、流体噴出口１３から火炎を噴出させることも可能である。

図４及び図５は、本発明のノズルの第２形態例及びその変形例を示すノズル先端の正面図である。まず、図４に示すノズルは、前記流体噴出口１３の両側に、拡開部１８の拡径方向と同方向に長辺を有するスリット状の第２流体噴出口２１を設けた例を示している。また、図５に示すノズルは、前記流体噴出口１３の両側に、拡開部１８の拡径方向と同方向に並んだマルチホール形式の複数の円形状の第２流体噴出口２２を設けた例を示している。

第２流体噴出口２１，２２から噴出させる流体は任意であり、前記流体噴出口１３から噴出する流体と同種のものでもよいが、流体噴出口１３から支燃性ガスを噴出させて第２流体噴出口２１，２２から燃料流体を噴出させたり、その逆に、流体噴出口１３から燃料流体を噴出させて第２流体噴出口２１，２２から支燃性ガスを噴出させたりすることにより、ノズル先端に火炎を形成することができる。また、複数の第２流体噴出口２１，２２を設けた場合は、全ての第２流体噴出口２１，２２から同じ流体を噴出させてもよく、各第２流体噴出口２１，２２から異なる流体、例えば一部から支燃性ガス、残部から燃料流体をそれぞれ噴出させるようにしてもよい。さらに、スリット形状とマルチホール形式とを組み合わせることも可能である。

図６は、本発明のノズル構造の第３形態例を示すノズル先端の正面図である。本形態例では、前記流体噴出口１３の両側に、前記流体噴出口１３と同じ構造の第２流体噴出口２３を設けている。すなわち、第２流体噴出口２３も、流体噴出流路の側壁の対向位置に、第２連通ダクト２４で連通した一対の開口部２５，２６をそれぞれ設けるとともに、この開口部２５，２６より上流側には角筒状の直胴部２７を、下流側にはノズル先端側が扇形に拡開した拡開部２８を設けている。したがって、この第２流体噴出口２３から噴出する流体も、中央の流体噴出口１３から噴出する流体と同様に、フリップフロップノズル噴流の自励振動を発生させることができる。

なお、第２流体噴出口２３から噴出させる流体は、前記第２形態例で説明した第２流体噴出口２１，２２と同様であり、支燃性ガスや燃料流体を任意に選択することができる。また、第２連通ダクト２４に調節弁を設けることにより、該第２連通ダクト２４から噴出する流体の周波数を制御したり、任意の位置で振動を止めることができる。

図７は、本発明のノズル構造を備えたランスを転炉３１の上吹きランス３２として使用した例を示す概略図である。なお、ノズル構造は、前記各形態例と同様であるから、詳細な図示及び説明は省略するが、本例では、上吹きランス３２の基部から取り出した連通ダクト３３に調節弁３４を設け、連通ダクト３３の連通状態を調節できるようにしている。

このように、転炉３１の上吹きランス３２のノズルに、フリップフロップノズル噴流の自励振動を利用したノズルを用いることにより、上吹きランス３２から噴出する酸素を転炉３１内の広範囲に供給することができる。特に、ノズルから酸素を亜音速から超音速の範囲で噴出させることにより、転炉３１内への酸素の吹き込みを効果的に行うことができる。すなわち、酸素噴流に自励振動を発生させることにより、ランス自体を回転させたり、振動させたりするための大規模な装置を用いることなく、回転、振動させた場合と同等以上の範囲に酸素噴流を供給することが可能となり、精練効率が向上するとともに、炉内から発生する一酸化炭素の燃焼に対しても従来と同等以上の範囲に酸素を噴出することができるので、二次燃焼の促進による熱効率の向上が可能となる。

また、連通ダクト３３に設けた調節弁３４を閉じ方向に調節することにより、自励振動の周波数を低くすることができ、さらに、調節弁３４を閉じることにより、自励振動を抑止して酸素噴流を任意の方向で停止させることができるので、所望の位置に集中的に酸素噴流を供給することもできる。

図８は、前記ノズルを電気炉４１のバーナー４２に装着した例を示している。電気炉４１では、主として炉内のコールドスポット部を加熱できるような位置にバーナー４２を配置し、バーナー４２自体は炉壁へ固定した状態で使用される。このバーナー４２は、火炎を発生させる必要があることから、通常は、第２形態例又は第３形態例に示したノズル構造を使用し、中心から自励振動する酸素噴流を噴出させるとともに、この酸素噴流を挟み込むようにして燃料流体を噴出させる。

これにより、バーナー自体に回転駆動装置を用いることなく、駆動した場合と同等以上の範囲に火炎を自励振動させて供給することができるので、広範囲を加熱することができ、溶解効率を向上させることができる。さらに、連通ダクト４３に設けた調節弁４４を閉じることによって火炎を任意の方向に止めることができるので、加熱不足の部位を集中的に加熱することもできる。また、固体鉄スクラップが溶落ちた以降に、高速の自励振動酸素を噴出させることにより、従来法と同等以上の範囲に酸素を吹込むことができ、精練効率を向上させることができる。なお、このようなバーナーは、炉壁だけでなく、作業口にも設置することが可能である。

本発明のノズル構造は、金属の溶解・精練を行う転炉や電気炉に使用するランスやバーナーに好適であり、冷鉄原料等の金属の溶解・精錬に幅広く適用できる。

本発明のバーナー又はランスのノズル構造の第１形態例を示す断面側面図である。 図１のII−II線断面図である。 流体の噴出状態を示す説明図である。 本発明のノズル構造の第２形態例を示すノズル先端の正面図である。 本発明のノズルの第２形態例の変形例を示すノズル先端の正面図である。 本発明のノズル構造の第３形態例を示すノズル先端の正面図である。 本発明のノズル構造を備えたランスを転炉の上吹きランスとして使用した例を示す概略図である。 本発明のノズル構造を備えバーナーを電気炉に使用した例を示す概略図である。

符号の説明

１１…ノズル、１２…ガス供給路、１３…流体噴出口、１４…流体噴出流路、１５，１６…開口部、１７…直胴部、１８…拡開部、１８ａ，１８ｂ…拡開壁、１９…連通ダクト、２１，２２，２３…第２流体噴出口、２４…第２連通ダクト、２５，２６…開口部、２７…直胴部、２８…拡開部、３１…転炉、３２…上吹きランス、３３…連通ダクト、３４…調節弁、４１…電気炉、４２…バーナー、４３…連通ダクト、４４…調節弁

Claims (7)

1. 金属の溶解・精錬時に、先端部に設けた流体噴出口から支燃性ガス又は燃料ガスの少なくともいずれか一方を前記金属に向けて噴出するバーナー又はランスのノズル構造において、前記流体噴出口における、流体流れ方向に直交する断面形状が矩形状の流体噴出流路の側壁の対向位置に一対の開口部を設け、該開口部同士を連通ダクトで連通させるとともに、前記開口部より下流側の流体噴出流路を開口部設置側の側壁が下流側に向かって拡開する扇形形状に形成したことを特徴とするバーナー又はランスのノズル構造。
2. 前記連通ダクトに調節弁を備えていることを特徴とする請求項１記載のバーナー又はランスのノズル構造。
3. 前記流体噴出口の周囲に、該流体噴出口から噴出する流体が支燃性ガスのときは燃料ガスを、該流体噴出口から噴出する流体が燃料ガスのときは支燃性ガスを、該流体噴出口から噴出する流体が支燃性ガス及び燃料ガスの混合ガスのときには支燃性ガス又は燃料ガスの少なくともいずれか一方のガスを噴出する第２の流体噴出口を備えていることを特徴とする請求項１又は２記載のバーナー又はランスのノズル構造。
4. 前記第２の流体噴出口が、該第２の流体噴出口における、流体流れ方向に直交する断面形状が矩形状の流体噴出流路の側壁の対向位置に、前記流体噴出口に設けた開口部の軸線と平行な方向に開口する一対の開口部を設け、該開口部同士を第２の連通ダクトで連通させるとともに、前記開口部より下流側の第２流体噴出流路を開口部設置側の側壁が下流側に向かって拡開する扇形形状に形成したことを特徴とする請求項３記載のバーナー又はランスのノズル構造。
5. 前記第２の連通ダクトに調節弁を備えていることを特徴とする請求項４記載のバーナー又はランスのノズル構造。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項記載のノズルを装着したバーナー・ランスを使用した金属の溶解・精錬方法であって、前記流体噴出口から噴出する支燃性ガス又は燃料ガスの少なくともいずれか一方のガスを、前記連通ダクトで連通した前記一対の開口部による自励振動作用により、前記流体噴出口の扇形形状に対応した振幅で自励振動させながら、金属又は溶湯に向けて噴出させることを特徴とする金属の溶解・精錬方法。
7. 請求項２記載のノズルを装着したバーナー・ランスを使用した金属の溶解・精錬方法であって、前記流体噴出口から噴出する支燃性ガス又は燃料ガスの少なくともいずれか一方のガスを、前記連通ダクトで連通した前記一対の開口部による自励振動作用により、前記流体噴出口の扇形形状に対応した振幅で自励振動させ、前記調節弁により連通ダクトの通気量を調整し、前記自励振動の振動速度を、任意の位置での振動停止を含めて調節しながら金属又は溶湯に向けて噴出させることを特徴とする金属の溶解・精錬方法。

Images