JP6292019B2

JP6292019B2 - 溶融金属精錬用上吹きランス

Info

Publication number: JP6292019B2
Application number: JP2014100620A
Authority: JP
Inventors: 鉄平田村; 慎平小野
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2014-05-14
Filing date: 2014-05-14
Publication date: 2018-03-14
Anticipated expiration: 2034-05-14
Also published as: JP2015218339A

Description

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つけるために使用する溶融金属精錬用上吹きランスに関する。

転炉型精錬容器において上吹きランスから溶銑に酸素を吹き付ける脱炭処理によって溶鋼を得る操業では、処理効率向上のために酸素流量を上げて高速処理をすることが求められている。

しかし、酸素流量を上げると、吹錬中の粒鉄飛散（スピッティング）が激しくなり、鉄分歩留りが低下してしまうことが問題であった。

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。

多孔ランスとは、ランスをランス先端面側から見たときに、同一円周上に２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中心軸上の１点で交わるように傾斜している。

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。

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になる。

これに対して、特許文献１には、上吹き多孔ランスのノズルの向きをひねり、各ノズルの噴出方向を互いにねじれた位置関係にすることで、スピッティングを低減できると開示されている。

特開２０００−００１７１４号公報

しかし、特許文献１に記載の上吹き多孔ランスを使用した結果、このノズルの向きをひねる角度を大きくするほど、ランス先端部の耐用回数（寿命）が低下することがわかった。ノズル出口周囲の溶損が通常のランスと比べて激しいために寿命が低下し、ランスの交換頻度が増加してしまうのである。そこで、この課題の原因を詳細に調査した。

まず、上底吹き型転炉においてノズルの向きをひねった上吹き多孔ランスを使用した後、ランスが溶損した痕跡を詳しく観察した。その結果、地金は各ノズル出口の周囲の一部に付着しており、出口全周に付着しているわけではなく、ノズルをひねったことで通常ランスと異なる向きとなるジェットの噴出方向に地金が比較的多く付着していた。地金が付着していた箇所が、ジェットの噴出方向のノズル出口近傍であったことから、その部分が他所に比べて圧力が低いことが考えられる。

次にノズルの向きをひねった上吹き多孔ランスの構造について、詳細に検討した。

通常の多孔ランスでは、ジェットの噴出方向に地金が多く付着することはみられていない。したがって、ノズルの向きをひねった上吹き多孔ランスの構造自体がこのノズル出口での溶損を招いている可能性が高い。通常の多孔ランスでは、各ノズルからジェットが合体せずに放射状に噴出されるように、各ノズル中心軸はランス中心軸と平行ではなく、ランス外側に向けて傾斜角が付与された構造となっている。

ノズル中心軸がランス中心軸と平行でない場合、ランス先端面がランス中心軸と直角な平面であると、ノズル中心軸とランス先端面とは直角に交差しないため、ノズル出口形状が円の形状でなくなってしまう。ノズル中心軸とランス先端面が直角に交差しない場合には、噴出されるジェットの特性に悪影響を及ぼすことが考えられる。

ところで、転炉の上吹きランスのノズルは、一般的にラバールノズルである。ラバールノズルは、末細ノズルと末広ノズルを接続したノズルである。転炉の上吹きランスの場合、それらの間にはスロート直管部が設けられることが一般的であり、また、末細ノズルが省略される場合がある。いずれの場合も流路断面が最小となるスロート直管部でチョークしたガスを末広ノズルにおいて膨張させることで超音速ジェットが噴出される。

ラバールノズルの中心軸とランス先端面が直角に交差しない場合には、末広ノズルがランス先端面で斜めに切断されることとなり、末広部におけるガスの膨張が不均一となるため、ノズル出口面におけるジェットの流速・圧力・温度分布の不均一をもたらすことが考えられる。

そのため、図１に示す多孔ランス１０では、ノズル中心軸１２ｄに傾斜角βがついていることを勘案し、多孔ランス１０の先端面１２ｂがノズル中心軸１２ｅと直角に交差するように、円錐面で構成されているのが一般的である。一般的な多孔ランス１０では、このような設計が施され、ノズル中心軸１２ｅと多孔ランス１０の先端面１２ｂが直角に交差し、ノズル出口面１２ｄにおけるジェットの流速・圧力・温度分布が不均一とならないように配慮されることが多い。

しかし、図２に示すノズルの向きをひねった多孔ランス２０では、多孔ランス２０の先端面２２ｂを円錐面で設計しても、ノズル中心軸２２ｅと多孔ランス２０の先端面２２ｂを直角に交差させることはできない。ラバールノズル２２ａの向きをひねった上吹き多孔ランス２０において、ノズル中心軸２２ｅと多孔ランス２０の先端面２２ｂを直角に交差させるためには、各ノズル中心軸２２ｅに対して直角な面を多孔ランス２０の先端面２２ｂにラバールノズル２２ａの数だけ設ける必要がある。しかし、そのような場合には先端面２２ｂに大きな凹凸が形成され、多孔ランス２０の製作が難しいだけでなく、使用時において凹凸部によって地金が付着しやすくなる可能性が考えられる。

したがって、ラバールノズルの向きをひねった多孔ランスでは、ラバールノズルの中心軸とランス先端面が直角に交差させることは困難であり、その他の措置を何も講じない場合には、ノズル出口面におけるジェットの流速・圧力・温度分布の不均一が生じてしまうことになる。

以上より、ラバールノズルの向きをひねった多孔ランスにおいて、ジェットの噴出方向のノズル出口面の外周近傍において溶損が大きく進行した原因は、ラバールノズルの中心軸とランス先端面が直角に交差しておらず、その他の対策を何も講じていないために、ノズル出口面におけるジェットの流速・圧力・温度分布が不均一になっていることであると推測された。また、流動解析によってノズル出口面の周囲のジェットの噴出方向の部位ではジェットの圧力（全圧）が局所的に低いことが示され、ここに飛散粒鉄が引き寄せられやすくなって、地金となって付着して溶損が進行したと考えられる。つまり、ジェットの噴出方向のノズル出口面外周近傍領域を通過するジェットは、他の領域を通過するジェットに比べ、より膨張しやすい行程となっており、その結果、局所的にジェットの圧力が低い領域が形成され、この領域に地金が比較的多く付着してランスが溶損したと考えられる。

そこで、本発明は、ノズルの向きを傾斜させるとともにひねった上吹き多孔ランスにおいて、ノズル出口周囲の溶損を抑制する溶融金属精錬用上吹きランスを提供することを目的とする。

ノズルの向きをひねった多孔ランスでは、ノズル軸とランス先端面を直角に交差させることができないため、ノズル出口におけるジェットの流速・圧力・温度分布の不均一を抑制するためには、その他の対策を講じる必要があると考えた。そこで、発明者らは、ラバールノズルのノズルスロート直管部と末広部の境界部について改良を施し、末広ノズルのノズル出口面においてガスの膨張を均一にすることは可能か、流動解析によって検討を行った。

その結果、以下の改善を行うことで、ノズル出口面におけるジェットの流速・圧力・温度分布の不均一を抑制できることを見出した。

（１）酸素含有ガスの流路とするランス内管と、該ランス内管の先端に前記流路に連通して延設される３孔以上のラバールノズルを有するとともに、前記酸素含有ガスが噴出するランス先端面を有するノズル部とを備えた溶融金属精錬用上吹きランスであって、
当該３孔以上のラバールノズルは全て同一形状で、それらの中心軸が当該ランスの中心軸を中心とする同心円上に等間隔に配置され、
各前記ラバールノズルにおいて、前記溶融金属精錬用上吹きランスのランス中心軸がｚ軸、前記ラバールノズルの出口面の中心位置がｙ軸上となるように定めたｘｙｚ直交座標系において、ｘｙ平面への前記ノズル中心軸の投影がｙ軸となす角度をねじれ角α（ｄｅｇ）、前記ラバールノズルの出口面の中心を通るｚ軸と平行な直線と前記ノズル中心軸とのなす角をノズル傾斜角β（ｄｅｇ）としたとき、αが（１）式、βが（２）式を満足し、
１０＜ α ＜７０（１）
１５ ≦ β ≦ ３０（２）
かつ、前記ラバールノズルは、前記流路と連通して延設されるスロート直管部と、該スロート直管部と連通して延設される末広部とを有し、該末広部の一端面である前記ラバールノズルの出口面が、前記ランス中心軸を軸とした半頂角γ（ｄｅｇ）の円錐面である前記ランス先端面に位置し、前記スロート直管部と前記末広部の境界面が、前記円錐面を前記ｚ軸方向に平行移動した仮想円錐面に位置し、かつ、前記半頂角γは（３）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。

γ＝９０−β （３）
本発明において、「境界面とは」、スロート直管部と末広部との境界部で区切られた仮想の面を表す。

本発明によれば、ノズルの向きを傾斜させるとともにひねった上吹き多孔ランスにおいて、ノズル出口周囲の溶損を抑制する溶融金属精錬用上吹きランスを提供することができる。

図１は、一般的な多孔ランスの先端部の概略図であり、図１（ａ）は底面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のａ−ａ’断面図であり、図１（ｃ）は図１（ａ）のｂ−ｂ’断面図である。図２は、特許文献１に記載の多孔ランスの先端部の概略図であり、図１（ａ）は底面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のａ−ａ’断面図であり、図１（ｃ）は図１（ａ）のｂ−ｂ’断面図であり、図１（ｄ）は図１（ａ）のｃ−ｃ’断面図である。図３は、本発明に係る多孔ランスの先端部の概略図であり、図１（ａ）は底面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のａ−ａ’断面図であり、図１（ｃ）は図１（ａ）のｂ−ｂ’断面図であり、図１（ｄ）は図１（ａ）のｃ−ｃ’断面図である。図４は、ノズルねじれ角αを変えた場合のノズル出口面における静圧の標準偏差値の変化を、本発明に係る多孔ランスと特許文献１に記載の多孔ランスとを対比して示すグラフである。

本発明を実施するための形態を、図を用いて説明する。以降の説明では、３孔以上のラバールノズルのうちの一つに着目して説明するが、本発明に係るランスは、同一形状のラバールノズルをそのノズル中心軸がランス中心軸を中心とする同一円周上に等間隔になるように配置している。それらの同一形状のラバールノズルの全てについて、それぞれ以下の説明が該当する。

１．溶融金属精錬用上吹きランス
図３に示すように、本発明の溶融金属精錬用上吹きランス（以下、単に、「ランス」と称する。）３０は、ランス内管３１、ノズル部３２を有する。ランス内管３１は酸素含有ガスの流路３１ａを有する。ノズル部３２は、ランス内管３１の先端に流路３１ａに連通して延設されるラバールノズル３２ａ、ランス３０の先端面３２ｂを有する。

ラバールノズル３２ａは、図３（ｂ）および図３（ｃ）に示すようにランス中心軸３２ｃがｚ軸、図３（ａ）および図３（ｃ）に示すようにラバールノズル３２ａの出口面３２ｄの中心位置がｙ軸上となるように定めたｘｙｚ直交座標系において、図３（ａ）に示すようにｘｙ平面へのノズル中心軸３２ｅの投影がｙ軸となす角度をねじれ角α（ｄｅｇ）、図３（ｄ）に示すようにラバールノズル３２ａの出口面３２ｄの中心を通るｚ軸と平行な直線３２ｆとノズル中心軸３２ｅとのなす角をノズル傾斜角β（ｄｅｇ）としたとき、αが（１）式、βが（２）式を満足する。

１０＜ α ＜７０（１）
１５ ≦ β ≦ ３０（２）
ねじれ角αが１０°以下の場合には、αが小さいために、ノズルの向きをひねった多孔ランス特有の溶損が発生しにくく、本発明を適用する必要はない。また、αが７０°以上の場合、特許文献１に記載されているように、ノズルの向きをひねったことによるスピッティング低減効果がなくなってしまうため、αは７０°未満とする必要がある。また、傾斜角βが１５°未満ではジェット間の相互干渉が強くなり、βが３０°を超えると脱炭酸素効率の低下が大きくなるため、本発明はβが１５°以上３０°以下のランスを対象とする。

本発明の溶融金属精錬用上吹きランスは、ラバールノズル３２ａがねじれ角αおよびノズル傾斜角βを有する場合において、ラバールノズルの中心軸３２ｅが先端面３２ｂと垂直ではない場合であっても、（１）式と（２）式とを同時に満たす場合には、後述する（３）式をも満たすことによって地金の付着を低減してランスの溶損を抑制することができる。

ラバールノズル３２ａは、流路３１ａと連通して延設されているスロート直管部３２ｇと、スロート直管部３２ｇと連通して延設される末広部３２ｈとを有する。スロート直管部３２ｇは円筒形である。スロート直管部３２ｇと末広部３２ｈとは境界面３２ｉを共有している。末広部３２ｈは境界面３２ｉから先端面３２ｄへ向けて断面積が大きくなっている。つまり、末広部３２ｈは底面が出口面３２ｄであり上面が境界面３２ｉである略切頭楕円錐形状である。境界面３２ｉはスロート直管部３２ｇと末広部３２ｈとの境界部３２ｊで囲まれた仮想円錐面である。

先端面３２ｂはランス中心軸３２ｃを軸とした半頂角γを有する円錐面であり、この円錐面にラバールノズル３２ａの出口面３２ｄが位置する。前述のように、ノズル中心軸３２ｃが先端面３２ｂと垂直に交差することはない。しかし、本発明者らは、ラバールノズル３２ａの構造に着目し、ジェットの流速・圧力・温度分布が不均一になる原因が、ラバールノズル３２ａのスロート直管部３２ｇと末広部３２ｈとの境界面３２ｉの向きであることに着目した。そして、境界面３２ｉを、円錐面である先端面３２ｂをランス中心軸３２ｃに相当するｚ軸に沿ってランス内管３１側に平行移動した仮想円錐面３２ｋに位置するような向きとした。そして、さらに、円錐面の半頂角γ（ｄｅｇ）がノズル傾斜角β（ｄｅｇ）との関係で（３）式を満たすようにすることによって、従来では成しえなかったジェットの流速・圧力・温度分布の不均一を抑制することができた。

γ＝９０−β （３）
以上のように、ラバールノズルの向きをひねった多孔ランスにおいて、以上の指針を設計に取り入れた形状は図３のようになり、末広部３２ｈにおけるガスの膨張が均一化され、出口面３２ｄにおけるジェットの流速・圧力・温度分布の不均一が抑制される。

本発明者らは本発明の効果を立証するためにノズルの流動解析を行った。

図４には、流動解析結果の一例として、ノズルねじれ角αを変えた場合のノズル出口面における静圧の標準偏差値の変化を、本発明に係る多孔ランスと特許文献１に記載の多孔ランスとを対比して示す。ノズル出口面における静圧の標準偏差は、ノズル出口面における解析格子上の全ノード約１００箇所の静圧から求めた。この図４において、本発明に係るランスは、ノズルスロート径（境界面の直径）５６ｍｍ、ノズル出口断面積（出口面の面積）の円相当直径は７５ｍｍ、ノズル傾斜角βが１８°、半頂角γが７２°であり、ノズルねじれ角αを１５°〜７０°の範囲で変えた場合の５孔ランスである。一方、特許文献１に記載の多孔ランスを従来として、スロート直管部と末広部との境界面３２ｉとラバールノズル中心軸３２ｅとがなす角度が７２°でなく９０°とした以外、上記の本発明に係る多孔ランスと同一にしたものを示す。酸素流量を、いずれも６００００Ｎｍ^３／ｈで上吹きする際のノズル出口面における静圧の標準偏差を、両者対比して示す。

従来の設計により作製されたランス（図２に示すランス）では、ねじれ角が大きくなるほど、ノズル出口面におけるジェットの圧力分布の不均一度が増したのに対し、本設計手法を取り入れることにより作製されたランス（図３に示すランス）ではねじれ角増加によるジェットの圧力分布の不均一化が抑制された。

その結果、ラバールノズルの向きをひねった上吹き多孔ランスにおいて、ノズル出口面周囲の溶損は抑制され、通常のひねりを付与しないランスと同程度の寿命まで使用することができる。

また、本発明の設計手法で設計したランスについて、α、β、γを本発明適用外の条件にした場合についての調査も加えた。ランスは、前述の調査と同じく、ノズルをひねった５孔ランスで、ノズルスロート径（境界面の直径）５６ｍｍ、ノズル出口断面積（出口面の面積）の円相当直径は７５ｍｍであり、酸素流量６００００Ｎｍ^３／ｈで解析を行った。表１に、α、β、γの条件とノズル出口面における静圧の標準偏差を示す。

ケース１は本発明範囲にあり、ノズル出口面における静圧の標準偏差は、図４に示したとおり、従来のノズルをひねったランスと比べて小さく抑えられている。ケース２では、ねじれ角αが８０°と大きいが、本発明の設計手法を取り入れることでノズル出口面における静圧の標準偏差はケース１と同程度に抑制されている。但し、αが７０°以上であるため、前述したようにスピッティングが多くなってしまう。ケース３では、傾斜角βが３５°と大きいが、発明の設計手法を取り入れることでノズル出口面における静圧の標準偏差はケース１と同程度に抑制されている。但し、βが３０よりも大きいため、脱炭酸素効率の低下が大きくなる問題が生じる。ケース４、５では、γが（３）式を満たしていないため、ノズル出口面における静圧の標準偏差はケース１よりも高く、ノズル出口面におけるジェットの圧力分布の不均一が解消されず、ノズル寿命が短くなってしまうと考えられる。

２．溶銑の精錬方法
本発明に係る溶銑の精錬方法は、主に純酸素ガスである酸素含有ガスを転炉に装入した溶銑に吹き付けて溶銑を精錬する際に、本発明に係るランスを用いる。本発明に係る溶銑の精錬方法において、転炉に装入する溶銑は予備処理されているかどうかを問わない。また、精錬実施後の溶銑の成分も問わず、その精錬がいわゆる溶銑予備脱燐処理であってもよいし、その精錬によって溶鋼を製造してもよい。

本発明に係るランスは、いかなる操業条件においても従来公知のノズルをひねったランスを用いるよりもノズル出口周囲の溶損を抑制してノズル寿命を延ばすことにより、ランスの交換頻度を低減して生産性の向上に貢献することができる。

本発明の効果は、下記の上底吹き転炉における脱りん銑の脱炭吹錬操業にて検証した。

上底吹き転炉において、ひねりが付与されてないノーマルの多孔ランス、ノズルの向きをひねった従来の多孔ランス、および、本発明のノズルの向きをひねった多孔ランスのランス寿命を比較した。いずれのランスも、ノズル数が６個、ノズルスロート直径は６０ｍｍ、ノズル出口断面積の円相当直径は７５ｍｍ、ノズル傾斜角βは２０ｄｅｇ、ランス先端面はランス中心軸を軸とした半頂角γが７０ｄｅｇの円錐面とした。ノズルの向きをひねった多孔ランスのねじれ角αは４０ｄｅｇとした。また、本開発のランスは、該ラバールノズルのスロート直管部と末広部の接続部位が、ランス中心軸を軸とする半頂角γが７０ｄｅｇの円錐面上になるようにした。また、溶銑量はおよそ３００ｔ、酸素流量は最大７００００Ｎｍ^３／ｈで吹錬を行った。

流動解析で事前検討した結果、ノズル出口面における解析格子上の全ノード約１００箇所の静圧から求めたノズル出口面のジェット静圧の標準偏差は、ノーマルの多孔ランスが２７００Ｐａに対して、従来のノズルの向きをひねった多孔ランスでは４２００Ｐａ、本開発のノズルの向きをひねった多孔ランスは２９００Ｐａであり、本開発の設計によりノズル出口におけるジェットの圧力分布の不均一度はノーマルランス程度に抑制されていることがわかった。

本検証の結果、ノーマルの多孔ランスの耐用吹錬回数で除して規格化すると、ノーマルの多孔ランスの寿命が１．０に対して、従来のノズルの向きをひねった多孔ランスでは寿命が０．７、本開発のノズルの向きをひねった多孔ランスの寿命は１．０であり、本開発効果によってノズルの向きをひねった多孔ランスの寿命をノーマルランスと同程度とすることができた。

Claims

酸素含有ガスの流路とするランス内管と、該ランス内管の先端に前記流路に連通して延設される３孔以上のラバールノズルを有するとともに、前記酸素含有ガスが噴出するランス先端面を有するノズル部とを備えた溶融金属精錬用上吹きランスであって、
当該３孔以上のラバールノズルは全て同一形状で、それらの中心軸が当該ランスの中心軸を中心とする同心円上に等間隔に配置され、
各前記ラバールノズルにおいて、前記溶融金属精錬用上吹きランスのランス中心軸がｚ軸、前記ラバールノズルの出口面の中心位置がｙ軸上となるように定めたｘｙｚ直交座標系において、ｘｙ平面への前記ノズル中心軸の投影がｙ軸となす角度をねじれ角α（ｄｅｇ）、前記ラバールノズルの出口面の中心を通るｚ軸と平行な直線と前記ノズル中心軸とのなす角をノズル傾斜角β（ｄｅｇ）としたとき、αが（１）式、βが（２）式を満足し、
１０＜ α ＜７０（１）
１５ ≦ β ≦ ３０（２）
かつ、前記ラバールノズルは、前記流路と連通して延設されるスロート直管部と、該スロート直管部と連通して延設される末広部とを有し、該末広部の一端面である前記ラバールノズルの出口面が、前記ランス中心軸を軸とした半頂角γ（ｄｅｇ）の円錐面である前記ランス先端面に位置し、前記スロート直管部と前記末広部の境界面が、前記円錐面を前記ｚ軸方向に平行移動した仮想円錐面に位置し、かつ、前記半頂角γは（３）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。
γ＝９０−β （３）