JP7036147B2 - 上吹きランスおよびそれを用いた溶鉄の精錬方法 - Google Patents

Description

本発明は、反応容器に装入した溶鉄に酸素含有ガスを吹き付けて溶鉄に送酸精錬を施すための上吹きランスおよびその上吹きランスを用いた溶鉄の精錬方法に関する。

溶鉄の酸化精錬において、反応効率向上の観点から、上吹きランスから噴射される酸素含有ガスの溶鉄浴面での噴流流速とガス流量とを同時に制御できる実用的な送酸手段が求められている。

例えば、製鋼工程において、転炉に溶銑を収容して、溶銑の表面(湯面とも称する)の上方から上吹きランスを用いて酸化性ガスを供給することによって脱炭吹錬を行なうことが公知の技術として行われている。酸化性ガスとして酸素を含有するガス（酸素含有ガス）を使用するが、工業的には純酸素ガスが広く使用されている。酸素含有ガスを転炉内に供給することによって、転炉内に収容された溶銑中の炭素（Ｃ）と酸素含有ガス中の酸素（Ｏ）とを反応させて脱炭処理を行なう。

脱炭処理では、下記の（１）式で表わされるように溶銑中のＣと酸素含有ガス中のＯとが反応してＣＯを生成させる反応（以下、１次燃焼という）、および１次燃焼によって生成したＣＯと酸素含有ガス中のＯとが反応してＣＯ_２を生成させる下記の（２）式の反応（以下、２次燃焼という）が進行する。
Ｃ＋１／２Ｏ_２→ＣＯ ・・・（１）
ＣＯ＋１／２Ｏ_２→ＣＯ_２ ・・・（２）

ここで、転炉内に供給された酸素含有ガス中のＯのうち、２次燃焼に寄与する割合を２次燃焼率として下記の（３）式で定義する（ただし、右辺のＣＯ_２、ＣＯはそれぞれ排ガス中のＣＯ_２、ＣＯの体積である）。
２次燃焼率＝ＣＯ_２／（ＣＯ＋ＣＯ_２） ・・・（３）
なお、１次燃焼によって生じる反応熱と２次燃焼によって生じる反応熱とを比べると、２次燃焼の方が１次燃焼の約２．５倍である。したがって、２次燃焼率が低下すると、転炉上部の炉壁の温度が低下するので、炉壁上部に地金が付着しやすくなる。この状態で転炉の操業を継続すると、地金が蓄積されて、炉内容積が減少するばかりでなく、出鋼歩留りが低下する。その一方で、２次燃焼率を低下させ、（１）式で示す脱炭反応に利用される酸素量を増やすことで、吹錬時間の短縮を図ることができる。逆に、２次燃焼率を高くすると、発熱量が増大して炉内の温度が上昇するので、溶鋼への着熱が可能となり、地金を溶解することが可能となる。これらの１次燃焼、２次燃焼の制御は、上吹きランスから供給される酸素含有ガス噴流の流速を調節（低流速と、高流速）することによって行うことが一般的である。

また、製鋼工程では、転炉での製鋼スラグ発生量の低減や製鋼トータルコストの削減を図るために、転炉で脱炭吹錬する前に、溶銑中に含有するＳｉやＰを予め酸化剤を用いて除去する方法がとられているが、その方法のひとつに、処理容器として転炉を用いた脱りん吹錬がある。

この転炉を用いた脱りん吹錬は、一般的には、脱炭吹錬と同様に、溶銑の湯面上方から上吹きランスを用いて酸素含有ガスを吹きつけながら、石灰等の精錬剤（以下、フラックスと称する）を溶銑に添加するものである。このときも、上吹きランスから供給される酸素含有ガス噴流の流速を調節することによって、脱りん吹錬時に生成するスラグ中のＴ．Ｆｅ濃度（トータル鉄分濃度）を制御する手法がとられる。

そして、上記のように、上吹きランスから供給される酸素含有ガス噴流の流速を調節する際には、溶銑の湯面位置での流速が、例えば、高流速の場合は低流速の場合の１．０５倍以上になるようにすることが一般的である。そのために、酸素含有ガスの流量を変更したり、上吹きランスの高さ位置を変更したり、上吹きランスの先端に位置するノズルを交換したりすることが通常行われている。

吹錬中にノズル形状を制御する技術としては、例えば、特許文献１には、機械的にノズル形状を変える真空脱ガス槽内の上吹きランスの技術が開示されている。また、特許文献２には、上吹きランスのラバールノズルに別のラバールノズルを延長するように重ねることによって、噴流流速を変える技術が開示されている。

また、噴流制御のひとつにランスノズルの主噴流とは別の制御流の利用があげられる。例えば特許文献３には、流体噴出流路の側壁に制御ガス用の一対の開口部を設け、噴流方向を制御する方法が開示されている。

特開平８－２６００２９号公報 特開２０００－２３４１１５号公報 特開２００５－１１３２００号公報

しかしながら、上記のようにして、酸素含有ガス噴流の流速を調節する従来の技術には、以下のような問題点がある。まず、酸素含有ガスの流量を変更する方法では、高流速にするために酸素含有ガスの流量を増加させると、脱炭反応や脱りん反応に直接は寄与しない余剰な酸素含有ガスが増加してしまい、反応効率が上がらないことに加え、コスト面でも不利になる。また、上吹きランスの高さ位置を変更する方法では、高流速にするために上吹きランスを溶銑の湯面に近づけると、湯面からのスプラッシュによって上吹きランス、特にランス先端のノズルが損傷する危険性がある。また、ノズルを交換する方法では、交換時間のために操業効率が低下する。

また、機械的にノズル形状を変える方法である特許文献１に開示の方法は、高温かつダストが発生する雰囲気下で機械的可動部を持つなどの点で実用的でない上、噴出孔が多数あるランスへの応用が困難という問題があった。また、ノズル内面の可動部によって断面積を縮小する場合、段差が生じるが、この段差の形状がガス流速に及ぼす影響も必ずしも明らかではなかった。また、特許文献２に開示の技術では、ランス内部の構造物を移動させるための駆動装置が必要となるほか機械的可動部を持つなどの点で実用的でない問題があった。また、特許文献３に開示の方法は、噴流方向の制御は達成できるものの、噴流の流速を増減させる制御には適用できない課題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、反応容器に装入した溶鉄に酸素含有ガスを吹き付けて行う精錬、例えば、溶鋼の脱炭精錬や溶銑の脱りん吹錬を行う際に１本の上吹きランスを用いて、ランスノズルチップやランス高さ、酸素含有ガス流量を変更することなく、ランスノズルに機械的可動部を用いることなく、酸素含有ガス噴流の流速を制御し、歩留向上や高速吹錬を達成することができる上吹きランスおよびそれを用いた溶鉄の精錬方法を提供することを目的とする。

上記課題を有利に解決する本発明の上吹きランスは、反応容器に収容された溶鉄に酸素含有ガスを吹き付けるための上吹きランスであって、上記上吹きランスの外殻を貫通して、上記酸素含有ガスを噴射させる、１個以上の吹錬用主孔と、該吹錬用主孔の軸心に向けて制御用ガスを噴出させるために上記吹錬用主孔の内壁面に配置された開口部を有する制御用ガス供給管と、上記吹錬用主孔の入口から上記酸素含有ガスを供給するメイン酸素供給手段と、上記制御用ガス供給管を介して上記制御用ガスを供給する制御用ガス供給手段と、を有し、上記吹錬用主孔は、上記開口部から上記吹錬用主孔の出口まで管径が一定のストレート形状であり、上記吹錬用主孔の出口径Ｄｍ（ｍｍ）と、上記開口部から上記吹錬用主孔の出口までの距離Ｌａ（ｍｍ）との比が、０．５０≦Ｌａ／Ｄｍ≦２．５０の範囲にあり、上記吹錬用主孔の軸の向きと上記開口部近傍における上記制御用ガス供給管の軸の向きとのなす角度θａ（°）は、メイン酸素の流れの向きと制御用ガスの流れの向きとが同じ場合にθａ＝０°であるとして、４５°≦θａ≦１５０°の範囲にあることを特徴とする。

なお、本発明にかかる上吹きランスは、
上記制御用ガス供給管の上記開口部から吹き付ける制御用ガスの向きを定める、上記開口部の形状が丸孔、楕円孔、多角形孔、全周スリットおよび分割スリットから選ばれる少なくとも１種であること、
がより好ましい解決手段になり得るものと考えられる。

上記課題を有利に解決する溶鉄の精錬方法は、上記上吹きランスを用いる溶鉄の精錬方法であって、上記制御用ガス供給管から供給されるガス流量Ｑｓ（Ｎｍ^３／ｍｉｎ）と、上記吹錬用主孔から供給されるガス流量Ｑｍ（Ｎｍ^３／ｍｉｎ）および上記制御用ガス供給管から供給されるガス流量Ｑｓの合計流量との比を、０．０２≦Ｑｓ／（Ｑｍ＋Ｑｓ）≦０．４０とすることを特徴とする。

本発明によれば、上吹きランスの吹錬用主孔の内壁から制御ガスを適切な位置で適切な角度で導入することで、機械的可動部を用いることなく、主流の流路断面積を変更することが可能になり、主流の噴出流速を変更することが可能となる。また、地金付着で操業が阻害されやすい機械的なノズル形状変更方式によらずに流速変更が可能となる。その結果、この上吹きランスを用いて溶鉄の精錬を効率化でき、たとえば、脱炭精錬における脱炭速度が向上し、生産効率を改善することができる。

本発明の実施形態における上吹きランス先端の縦断面を示す模式図である。 本発明の実施形態における制御用ガスの合流角θａを示す吹錬用主孔の縦断面の拡大模式図である。 本発明の実施形態における制御用ガスの合流角θａ＝９０°のときの制御用ガス供給管の開口位置比Ｌａ／Ｄｍと吹錬用主孔出口３１から２ｍの位置での最大流速の増速比Ｖｍａｘ／Ｖ０との関係を表すグラフである。 本発明の実施形態における制御用ガス供給管の開口位置比Ｌａ／Ｄｍ＝１．５４のときの制御用ガスの合流角θａと吹錬用主孔出口３１から２ｍの位置での最大流速の増速比Ｖｍａｘ／Ｖ０との関係を表すグラフである。

本発明は、反応容器に収容された溶鉄に酸素含有ガスを吹き付ける上吹きランスであって、該上吹きランスの外殻を貫通して、上記酸素含有ガスを噴射させる、１個以上の吹錬用主孔と、該吹錬用主孔の軸心に向けて制御用ガスを噴出させるために上記吹錬用主孔の内壁面に配置された開口部を有する制御用ガス供給管と、上記吹錬用主孔の入口から上記酸素含有ガスを供給するメイン酸素供給手段と、上記制御用ガス供給管を介して上記制御用ガスを供給する制御用ガス供給手段とを有し、上記吹錬用主孔は、上記開口部から上記吹錬用主孔の出口までその管径が一定のストレート形状であり、制御用ガスを噴出する上記開口部は吹錬用主孔の内壁の軸方向所定の位置に配置され、制御用ガスの噴出角度を所定の角度とすることで、上記制御用ガス供給管から供給する制御用ガス流量を調整することにより、上記吹錬用主孔に供給されたメイン酸素の流れを縮流し、該吹錬用主孔から噴射される噴流の吹錬用主孔出口から２ｍの位置での流速が、制御用ガスを供給しない時に前記吹錬用主孔から噴射される噴流の同位置での流速に比べて、増速させることができる上吹きランスである。

まず、本発明の原理について説明する。
流体現象を利用した素子のひとつに流体素子があるが、本発明の原理はこの流体素子を利用したものである。流体素子とは、噴流と側壁との干渉効果、噴流と噴流との衝突効果、渦により生じる流体現象、噴流自体の流速変動による効果によって得られる機能を利用する素子の総称であり、流体力学の分野で研究されている。例えば、噴流の流路の出口付近に、噴流と直角方向に制御用流体の供給口を配した形をとる。制御用流体の供給口から噴流へ流体を導入すると、制御用流体により噴流が縮流されて、噴流の一部の断面積が小さくなり、直線状の流路であってもラバールノズルの流路であるような挙動を示す。このため、流速が向上する。

次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施形態における転炉用上吹きランス１の先端の縦断面を示す模式図である。なお、図１では、上吹きランス１の下端部を示している。図２は、吹錬用主孔３の軸および吹錬用主孔３の軸心に向かって制御用ガスを供給する制御用ガス供給管４の軸を含む断面の拡大模式図である。上吹きランス１は、酸素含有ガスを反応容器内湯面に向かって噴射する吹錬用主孔３を１個以上（ここでは、複数個）備えている。吹錬用主孔３内には、制御用ガスを噴出させるためにそれぞれの吹錬用主孔３の内壁面に配置された開口部４１を有する制御用ガス供給管４を備えている。この制御用ガスは、吹錬用主孔３の軸心に向かって噴出させるように開口部４１が構成されている。上吹きランス１は、冷却水循環路２を有している。なお、吹錬用主孔３に供給する酸素含有ガスは、例えば酸素ガスを用い、制御用ガスは、酸素含有ガスと同一のガスでもよいし、窒素ガスのような不活性ガスでもよい。

本発明では、図１および２に示すような上吹きランス１のノズル（吹錬用主孔３）内において、主流の進行方向に対して、別方向から制御ガスを主流に衝突させることにより、主流の流路を変更し、流速を制御するものである。この上吹きランス１には、吹錬用主孔３の入口から酸素含有ガスを供給するメイン酸素供給手段（図示しない）および制御用ガス供給管４を介して制御用ガスを供給する制御用ガス供給手段（図示しない）を有している。これによって、この吹錬用主孔３では、制御用ガス供給管４の開口部４１から供給された制御用ガスにより、吹錬用主孔３の入口から供給された酸素含有ガスが縮流されて、断面積が小さい部分が形成され、ラバールノズルのようになる。これにより、吹錬用主孔３の出口３１で、吹錬用主孔３からの噴射ガス（酸素含有ガスと制御用ガスの混合ガス）の流速が上昇する。

図１に示すように本発明では、吹錬用主孔３は、管径Ｄｍが一定のストレートノズルとする。一般的に脱炭最盛期となる吹錬中期では、上吹き酸素ガスのほぼ１００％が脱炭反応に寄与するため、大流量の酸素ガスを噴射することが望ましいと知られている。しかし、大流量の酸素ガスを噴射すると、酸素ガスの運動量によって溶鉄浴面から溶鉄滴飛散（いわゆるスピッティングやスプラッシュ）が生じる。スピッティングが生じることで、ノズル先端の溶損や炉外に飛び出して溶鉄歩留まりの低下につながる。そのため、大流量の酸素ガスを噴射する際でも、ラバールノズルに比べ、溶鉄浴面での酸素ガスを低流速とできるストレートノズルを利用する。

一方、吹錬末期では、上吹き酸素ガスの全てが脱炭反応に寄与するわけではなく、上吹き酸素ガスの流量を減らすことが有効である。しかし、脱炭末期には溶鉄内の炭素の分布が均一ではなく、上吹き酸素ガスが噴射されている火点と呼ばれる領域では炭素濃度が低くなり、偏りが生じる。溶鉄中の炭素濃度を均一とするために、溶鉄の攪拌を強化する必要があり、上吹き酸素ガスの流速を高めることが望まれている。したがって、上吹き酸素ガスの流量を減らしつつ、上吹き酸素ガスの流速を高めることが必要である。

そこで、吹錬中期には、制御用ガス供給管４の開口部４１から制御用ガスを供給しない、または、極小とすることによって大流量でも低流速とできるストレートノズルにて達成する。一方、吹錬末期に必要とするハードブローは、制御用ガス供給管４の開口部４１から制御用ガスを適切に供給することによって疑似ラバールノズルとし、上吹き酸素ガスの流量を減らしつつ、上吹き酸素ガスの流速を高めることで達成する。

制御用ガス供給管４の開口部４１の中心は、吹錬用主孔の出口３１から吹錬用主孔軸方向にＬａだけ奥まった位置に配置している。吹錬用主孔３の出口径Ｄｍ（ｍｍ）と、制御用ガス供給管４の開口部４１から吹錬用主孔３の出口３１までの距離Ｌａ（ｍｍ）との比Ｌａ／Ｄｍ（出口径と制御用ガスの合流位置比）が、０．５０≦Ｌａ／Ｄｍ≦２．５０の範囲にある必要がある。Ｌａ／Ｄｍが０．５０より小さくなると、開口部４１が吹錬用主孔３の出口３１に近付きすぎるため、下流側に安定したよどみ領域が形成されない。また、冷却水路２の配置の関係から、上吹きランス１やその先端の冷却能が不足する懸念がある。一方、Ｌａ／Ｄｍが２．５０より大きくなると、制御用ガスにより酸素含有ガスが縮流するにもかかわらず、その効果が吹錬用主孔３の出口３１まで継続せずに、噴射ガスの流速上昇効果が得られない。適切な量の制御用ガスを供給し、Ｌａ／Ｄｍを０．５０～２．５０の範囲とすることで、吹錬用主孔３から噴射される噴流の吹錬用主孔出口３１から２ｍの位置での最大流速Ｖｍａｘと、制御用ガスを供給しない時に吹錬用主孔３から噴射される噴流の同位置での最大流速Ｖ０との比である増速比Ｖｍａｘ／Ｖ０を、１．０５以上にすることができる。より好ましくは、Ｌａ／Ｄｍを０．７５～２．００の範囲とし、増速比Ｖｍａｘ／Ｖ０を１．１０以上とすることである。

図２に示すように吹錬用主孔３の軸の向きと制御用ガス供給管４の開口部４１近傍における前記制御用ガス供給管の軸の向きとは、角度θａ（°）で交わっている。ここで、吹錬用主孔３内の噴射ガスの流れの方向を０°、流れ方向と逆方向を１８０°としたときに、制御用ガスの合流角θａを４５°≦θａ≦１５０°とする必要がある。θａが４５°より小さくなると、制御用ガスが主流である酸素含有ガスの流れに乗ってしまい、縮流効果が小さくなるため、噴射ガスの流速上昇効果が充分でない。一方、θａが１５０°より大きくなると、制御用ガスの流動が吹錬用主孔３内の酸素含有ガスの噴流を乱し、安定した噴流が形成されない。適切な量の制御用ガスを供給し、制御用ガスの合流角θａを上記の範囲とすることで、増速比Ｖｍａｘ／Ｖ０を１．０５以上とすることができる。より好ましくは、制御用ガスの合流角θａを７５～１４０°の範囲とし、増速比を１．１０以上とすることである。

また、開口部４１近傍の制御用ガス供給管４は、その軸方向の直線部長さＬｓ、および管径またはスリット間隔Ｄｓ（制御用ガス供給管の軸に直行する方向での開き幅）を有している。Ｌｓ／Ｄｓ≧３とすることが、制御用ガス供給管４の軸の向きと開口部４１近傍の制御用ガスの流れの向きを一致させるうえで好ましい。

本発明の制御用ガス供給管４の開口部４１形状は、吹錬用主孔３の内壁面を平面に展開したときに、円形の丸孔や楕円形の楕円孔、多角形の多角形孔、全周スリット、部分スリットなどが好適に用いることができる。制御用ガス供給管４の開口部４１は、円周方向に略等間隔に３個以上設けるか、または、スリット状とすることが好ましい。吹錬用主孔３の内壁面の円周方向長さのうち、制御用ガス供給管４の開口部４１の占める合計長さが２５％以上であることが好ましい。なお、上記の「円周方向に略等間隔」とは、それぞれの隣接する開口部４１同士の円周方向中心位置の距離Ｓが、全ての隣接する開口部４１同士の円周方向中心位置の距離の平均値Ｓ_ＡＶＥに対して±２０％以内に収まっているという意味である。上記開口部４１が２個以下の場合（スリットの場合を除く）や、開口部４１の占める合計長さが２５％未満の場合は、主流の酸素含有ガスの縮流効果が小さく、噴射ガスの流速上昇効果が充分でなくなるおそれがある。

本発明の上吹きランスを用いて、溶鉄の精錬に適用する場合には、吹錬用主孔３から供給されるガス流量Ｑｍ（Ｎｍ^３／ｍｉｎ）に対する制御用ガス供給管４から供給されるガス流量Ｑｓ（Ｎｍ^３／ｍｉｎ）は最適なバランスが存在する。設備のスペックによって最適な制御ガス比は変わってくるため一概に規定することは難しいが、制御ガスが少なすぎると主流の縮流効果が小さくなり、制御ガスが多すぎると主流に対する貫入が深くなりすぎ、主流の流れを大きく乱す傾向にあるため、おおまかには０．０２≦Ｑｓ／（Ｑｍ＋Ｑｓ）≦０．４０となる条件の範囲で、溶鉄を精錬処理することが好ましい。より好ましくは、０．１０≦Ｑｓ／（Ｑｍ＋Ｑｓ）≦０．２５の範囲である。

このようにして、この実施形態における上吹きランス１は、転炉を用いて溶銑の脱炭吹錬や溶銑の脱りん吹錬を行う際に、吹き付ける酸素含有ガスの流量の変更や、上吹きランスの高さ位置の変更、ノズルの交換や、機械的動作を行うことなく、効率的に、酸素含有ガス噴流の流速を調節することができる。そして、この上吹きランスを用いて転炉操業（溶銑の脱炭吹錬や溶銑の脱りん吹錬）を行う際には、制御用ガス供給管４の開口部４１から制御用ガスの供給を調節することによって、吹錬用主孔３からの噴射ガスの流速を亜音速（ソフトブロー）から超音速（ハードブロー）に変化させることができる。
すなわち、ソフトブローは、制御用ガス供給管４の開口部４１から制御用ガスを供給しないことによって実現することができ、一方、ハードブローは、制御用ガス供給管４の開口部４１から制御用ガスを適切に供給することによって実現することができる。

制御用ガスを供給する時期は、脱炭処理（脱炭吹錬）、脱りん処理（脱りん吹錬）ともに、全処理時間の一部時間（処理前半、処理中間、処理後半のいずれか１つ以上）でもかまわないし、全処理時間でもかまわない。本発明は、転炉脱炭処理や脱りん処理に限らず、転炉脱Ｓｉ、電気炉、真空脱ガス等、上吹きで精錬を行う方式であればどのようなプロセスにも適用可能である。

本発明の効果を確認するため、容量２５０トン規模の転炉を模擬した熱流体シミュレーションを実施した。シミュレーションには汎用熱流体ソフトウェアであるSTAR-CCM+（Ver. 11.02）を用いた。本実施例では、吹錬用主孔３軸方向での制御用ガス供給位置の影響を確認するため、制御用ガスの流量比および制御用ガスの合流角θａを一定の条件で行った。
吹錬用主孔３をストレート形状で、管径＝出口径（Ｄｍ）を６５ｍｍとし、制御用ガス供給管４の開口部４１は全周スリット型とし、その幅を３ｍｍとした。制御用ガスの合流角θａ（吹錬用主孔３内主流への制御用ガスの合流角度）を９０°とし、吹錬用主孔３出口径Ｄｍに対する制御用ガス供給管４の開口部４１から吹錬用主孔３の出口３１までの距離Ｌａの比（制御用ガスの合流位置比）Ｌａ／Ｄｍを変更して、シミュレーションし、各種条件および結果を表１に示す。

表１に示した条件にて、吹錬用主孔３に酸素含有ガスと制御用ガスを供給し、転炉湯面（吹錬用主孔３の出口３１から２ｍ噴出した位置）での噴射ガスの最大流速Ｖｍａｘ（ｍ／ｓ）を算出した。
なお、制御用ガスには酸素含有ガスと同一のガスを用いることを念頭において、酸素含有ガスの流量Ｑｍと制御用ガスの流量Ｑｓとの合計流量（Ｑｍ＋Ｑｓ）は４５０００（Ｎｍ^３／ｍｉｎ）にして、制御用ガスの流量比（Ｑｓ／（Ｑｍ＋Ｑｓ））を０．２に固定した。
そして、ここでは、制御用ガスを供給しない場合を基準例（比較例）と呼び、上記条件で計算された転炉湯面（吹錬用主孔３の出口３１から２ｍ噴出した位置）での噴射ガスの最大流速Ｖ０に対し、増速比Ｖｍａｘ／Ｖ０が１．０５以上の条件を発明例、１．０５に満たないものを比較例とする。

表１の結果を図３にプロットする。図３は横軸にＬａ／Ｄｍを、縦軸に増速比Ｖｍａｘ／Ｖ０を配している。出口径と制御ガスの合流位置の比Ｌａ／Ｄｍが０．５０～２．５０の範囲にある条件Ｎｏ．２～５は、増速比Ｖｍａｘ／Ｖ０が１．０５以上であるが、範囲を外れている条件Ｎｏ．６および７は、増速比Ｖｍａｘ／Ｖ０が１．０５未満である。Ｌａ／Ｄｍが０．７５～２．００の範囲にある条件Ｎｏ．３および４は、増速比Ｖｍａｘ／Ｖ０が１．１０以上となり、特に優れている。

実施例１と同様に、容量２５０トン規模の転炉を模擬した熱流体シミュレーションを実施した。本実施例では、制御用ガスの合流角θａの影響を確認するため、制御用ガスの流量比および吹錬用主孔３軸方向での制御用ガス供給位置を一定の条件で行った。制御用ガス供給管４の開口部４１を４個、吹錬用主孔の円周方向に均等に配置し、円周方向に占める合計長さの比は０．５とした。吹錬用主孔３への制御用ガス供給孔４の合流位置比Ｌａ／Ｄｍは１．５４とした。制御用ガスの合流角θａを変更してシミュレーションし、各種条件および結果を表２に示す。

表２に示した条件にて、吹錬用主孔３に酸素含有ガスと制御用ガスを供給し、転炉湯面（吹錬用主孔３の出口３１から２ｍ噴出した位置）での噴射ガスの最大流速Ｖｍａｘ（ｍ／ｓ）を算出した。
なお、制御用ガスには酸素含有ガスと同一のガスを用いることを念頭において、酸素含有ガスの流量Ｑｍと制御用ガスの流量Ｑｓとの合計流量（Ｑｍ＋Ｑｓ）は４５０００（Ｎｍ^３／ｍｉｎ）にして、制御用ガスの流量比（Ｑｓ／（Ｑｍ＋Ｑｓ））を０．２に固定した。
そして、増速比に係る評価も実施例１と同様に行った。

表２の結果を図４にプロットした。図４は横軸に合流角θａを、縦軸に増速比Ｖｍａｘ／Ｖ０を配している。合流角θａが４５～１５０°の範囲にある条件Ｎｏ．８～１１は、増速比Ｖｍａｘ／Ｖ０が１．０５以上であるが、範囲を外れている条件Ｎｏ．１２および１３は、増速比Ｖｍａｘ／Ｖ０が１．０５未満である。条件Ｎｏ．１３は、主流に逆らって制御用ガスを供給したため、主流の流れを乱してしまい、制御用ガスを供給しない場合より流速が下がってしまった。特に、θａが７５～１４０°の範囲にある条件Ｎｏ．９および１０は、増速比Ｖｍａｘ／Ｖ０が１．１０以上となり、特に優れている。

実施例１と同様に、容量２５０トン規模の転炉を模擬した熱流体シミュレーションを実施した。本実施例では、操業条件の影響を見るため、上吹きランスの形状を固定して検討した。吹錬用主孔３をストレート形状で、管径＝出口径（Ｄｍ）を６５ｍｍとし、制御用ガス供給管４の開口部４１は全周スリット型とし、その幅を３ｍｍとした。制御用ガスの合流角θａ（吹錬用主孔３内主流への制御用ガスの合流角度）を９０°とし、吹錬用主孔３出口径Ｄｍに対する制御用ガス供給管４の開口部４１から吹錬用主孔３の出口３１までの距離Ｌａの比（制御用ガスの合流位置比）Ｌａ／Ｄｍを１．５４として、制御用ガスの比を変更して、シミュレーションし、各種条件および結果を表３に示す。

表３に示した条件にて、吹錬用主孔３に酸素含有ガスと制御用ガスを供給し、転炉湯面（吹錬用主孔３の出口３１から２ｍ噴出した位置）での噴射ガスの最大流速Ｖｍａｘ（ｍ／ｓ）を算出した。
なお、制御用ガスには酸素含有ガスと同一のガスを用いることを念頭において、酸素含有ガスの流量Ｑｍと制御用ガスの流量Ｑｓとの合計流量（Ｑｍ＋Ｑｓ）は４５０００（Ｎｍ^３／ｍｉｎ）にして、制御用ガスの流量比（Ｑｓ／（Ｑｍ＋Ｑｓ））を変化させた。
そして、増速比に係る評価も実施例１と同様に行った。

表３において、合流角θａ＝９０°および出口径と制御用ガスの合流位置比Ｌａ／Ｄｍ＝１．５４の条件では、制御用ガスの流量比Ｑｓ／（Ｑｍ＋Ｑｓ）を０．０１から０．４５まで変えることで、制御用ガスを供給しない場合（条件１）に対し、増速比Ｖｍａｘ／Ｖ０を０．９８～１．１４までスムーズに変化させることができ、吹錬の時期に合わせ、最適な噴流速度を選択することができることがわかる。特に、増速比が１．０５以上となる、制御用ガスの流量比Ｑｓ／（Ｑｍ＋Ｑｓ）を０．０２～０．４０の範囲とすることが好適である。

容量２５０トン規模の転炉にて、脱炭吹錬を行った。上吹きランスの条件は、出口径（Ｄｍ）が６５ｍｍのストレートノズルとラバールノズルとし、ラバールノズルのスロート径は６０ｍｍとした。制御用ガス供給部は全周スリット型とし、その幅を３ｍｍとした。制御用ガスの合流角θａを９０°とし、制御用ガスの合流位置比Ｌａ／Ｄｍ＝１．５４とした。合計の酸素ガス供給流量（Ｑｍ＋Ｑｓ）＝４５０００（Ｎｍ^３／ｍｉｎ）にして、吹錬中期は制御ガスを用いずに脱炭吹錬を行い、吹錬末期に制御用ガスの流量比Ｑｓ／（Ｑｍ＋Ｑｓ）＝０．２０として脱炭吹錬を行った。
ラバールノズルを用いた際は、吹錬中期にて炉外への溶鉄飛散が多く、溶鉄歩留まりが著しく低下したのに対し、ストレートノズルを用いた際には吹錬を通して炉外への溶鉄飛散が少なく、溶鉄歩留まりの低下は見られなかった。

上記実施例は、溶鋼の脱炭精錬における脱炭末期への適用例を示したが、本発明のノズルは、主流の流速制御を必要とする上吹き精錬のいずれに適用しても好適である。

１ 上吹きランス
２ ノズル
３ 吹錬用主孔
３１ 吹錬用主孔の出口
４ 制御用ガス供給管
４１ 制御用ガス供給管の開口部
５ 制御用ガスの噴出方向

Claims (3)

1. 反応容器に収容された溶鉄に酸素含有ガスを吹き付けるための上吹きランスであって、
   前記上吹きランスの外殻を貫通して、前記酸素含有ガスを噴射させる、１個以上の吹錬用主孔と、
   該吹錬用主孔の軸心に向けて制御用ガスを噴出させるために前記吹錬用主孔の内壁面に配置された開口部を有する制御用ガス供給管と、
   前記吹錬用主孔の入口から前記酸素含有ガスを供給するメイン酸素供給手段と、
   前記制御用ガス供給管を介して前記制御用ガスを供給する制御用ガス供給手段と、を有し、
   前記吹錬用主孔は、前記開口部から前記吹錬用主孔の出口まで管径が一定のストレート形状であり、
   前記吹錬用主孔の出口径Ｄｍ（ｍｍ）と、前記開口部から前記吹錬用主孔の出口までの距離Ｌａ（ｍｍ）との比が、
   ０．５０≦Ｌａ／Ｄｍ≦２．５０
   の範囲にあり、
   前記吹錬用主孔の軸の向きと前記開口部近傍における前記制御用ガス供給管の軸の向きとのなす角度θａ（°）は、メイン酸素の流れの向きと制御用ガスの流れの向きとが同じ場合にθａ＝０°であるとして、
   ４５°≦θａ≦１５０°
   の範囲にあることを特徴とする上吹きランス。
2. 前記制御用ガス供給管の前記開口部から吹き付ける制御用ガスの向きを定める、前記開口部の形状が丸孔、楕円孔、多角形孔、全周スリットおよび分割スリットから選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする請求項１に記載の上吹きランス。
3. 請求項１または２に記載の上吹きランスを用いる溶鉄の精錬方法であって、
   前記制御用ガス供給管から供給されるガス流量Ｑｓ（Ｎｍ^３／ｍｉｎ）と、前記吹錬用主孔から供給されるガス流量Ｑｍ（Ｎｍ^３／ｍｉｎ）および前記制御用ガス供給管から供給されるガス流量Ｑｓの合計流量との比を、
   ０．０２≦Ｑｓ／（Ｑｍ＋Ｑｓ）≦０．４０
   とすることを特徴とする溶鉄の精錬方法。

Images