JPH1143714A

JPH1143714A - 精錬用ランス

Info

Publication number: JPH1143714A
Application number: JP19745497A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiko Higuchi; 善彦樋口
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1997-07-23
Filing date: 1997-07-23
Publication date: 1999-02-16

Abstract

(57)【要約】【課題】転炉の吹錬中のスピッティングによる歩留低
下を防止する。【解決手段】ランス先端面をノズルの中心軸に垂直な
面に対して外側に５°〜25°傾斜させる。さらに、ラン
ス内のノズル入口をランス内半径の0.7 倍より外側に配
置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は溶融金属の精錬に用
いられる精錬用ランスに関する。

【０００２】

【従来の技術】溶融金属を精錬する際、上吹きランスか
ら酸化性ガスを高速ジェットとして溶融金属浴面に吹き
付けて精錬（吹錬ともいう）する。精錬炉の代表的なも
のは鉄鋼業の転炉である。以下は製鋼用転炉について本
発明を説明する。

【０００３】製鋼用の転炉では、上底吹き転炉が導入さ
れる前には上吹きガスのジェットの運動エネルギーで攪
拌力を高め、精錬反応を促進するためハードブロー化、
すなわち、ランスのノズル数を少なくし酸素を高圧、高
速化し、ランス高さを低く設定して操業していた。また
ハードブローの場合、ランスの中心軸とノズルの中心軸
のなす角、すなわちノズル傾斜角は12°以下に設計さ
れ、上吹きガスジェットにより溶融金属面に形成される
くぼみ（以下キャビティという）を合体させ、深いキャ
ビティを形成することが鋼浴の攪拌を高めるものとして
多用されていた。このような深いキャビティは溶融金属
のスピッティングを招き、スピッティングロスおよびダ
ストロスの面から不利であった。

【０００４】近年、上底吹き転炉が導入されるにつれ、
溶融金属を攪拌するため上吹きジェットの運動エネルギ
ーを高める必要性は以前よりも低下してきた。そこで、
上吹きジェットの運動エネルギーを低減したソフトブロ
ー化が指向されるようになってきた。ソフトブローを実
現するためには、(a) ランス高さを高くする、(b) ラン
ス孔を多孔化する、の二つが考えられる。前者(a) のよ
うにランス高さを高くすると、炉内の脱炭反応により生
成したＣＯガスと上吹き酸素ガスとの反応（二次燃焼）
により脱炭酸素効率が低下して吹錬時間の延長を招く。
また、酸素ジェットが広がって炉壁に衝突し、炉寿命が
低下するなどの問題を招く。また、後者(b) のようにノ
ズルを多孔化すると、隣接するキャビティ同士が重なっ
てスピッティングがかえって増大するのでノズル配置の
制約の問題がある。

【０００５】これらの問題を解決するために、以下の技
術が提案されている。特開昭６０−１６５３１３号公報
にはランス先端の同円周上に配置した複数ノズルを有す
る上吹きランスにおいて、湯面に形成された各ノズルに
対応するキャビティの直径Ｄと隣接するキャビティとの
重なりｄとの比で表されるキャビティのオーバーラップ
率γが0.2 以下となるようランス先端の円周上にノズル
を配置し、ノズル傾斜角を定めた精錬用上吹きランスが
開示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前記特開昭６
０−１６５３１３号公報記載の方法は、キャビティのオ
ーバーラップ率γを0.2 以下とするためにはノズル傾斜
角を大きくとる必要がある。ランスの外径は転炉設備の
基本設計による制約があるため、ノズル出口の位置をラ
ンス中心から離したままノズル傾斜角を大きくするのは
限界がある。ノズル傾斜角を大きくするためランスの内
面でノズル入口（酸素ガスの流入部）をランス中心に近
づけると、各のノズル入口が接近することになる。ノズ
ル同士が近くなるとランス先端の水冷構造上、冷却が不
十分になるおそれがある。

【０００７】さらに、本発明者が行った実験によれば、
ノズル入口同士が近くなると後述のようにジェットの脈
動が大きくなりスピッティングが助長されるという問題
がある。

【０００８】本発明の課題は、スピッティングを軽減す
るための処置として、ノズル傾斜角を大きくしたと同等
の効果を得ることができ、安定したソフトブローを実現
できるランスを提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者は前記特開昭６
０−１６５３１３号公報に記載された条件で上吹きラン
スを試作し、実験を行った。その結果、確かにノズル傾
斜角を大きく取ることによりスピッティングを減少でき
ることを確認した。

【００１０】この効果は、隣接するキャビティが重なら
ず、完全に分離した浅いキャビティが形成されると、キ
ャビティ部の攪拌力と界面の乱れが小さくなることによ
ると考えられる。キャビティの合体の指標として特開昭
６０−１６５３１３号公報にはキャビティの直径とその
キャビティに隣接するキャビティとの重なりとの比（キ
ャビティーオーバーラップ率）γが0.2 以下が有効であ
るとしている。この技術思想からすると、キャビティの
重なりがなくなれば、すなわち、キャビティオーバーラ
ップ率が０になれば、それ以上ノズル傾斜角の広角化は
不必要であるといえる。

【００１１】しかし、本発明者は後述のように、キャビ
ティの重なりがない条件でもスピッティングが大幅には
減少しないことを水モデルでの実験から見いだした。こ
のスピッティングの発生はキャビティ形状の脈動による
もので、キャビティ形状の脈動はジェット自体の動圧脈
動によるものであり、さらにジェット自体の動圧脈動は
ランスのノズル部の構造に起因する。この脈動は多孔ノ
ズルの相互の干渉によるもので、各のノズル入口同士の
距離を大きくするほどジェットの動圧脈動を小さくでき
る事がわかった。

【００１２】前記特開昭６０−１６５３１３号公報記載
の発明のようにノズル傾斜角を大きくした場合には、キ
ャビティの重なりを抑制できるものの、単にノズル傾斜
角のみに着目した設計では各ノズル入口間の距離が小さ
くなってしまう。そこで、本発明者はキャビティの重な
りを回避しつつ、ランス内のノズル入口間の距離を大き
く取る方法について検討した。

【００１３】この問題の解決策として本発明者はランス
先端面を傾斜させることを想到した。本発明によれば、
ジェットの噴出角がノズル傾斜角よりも外側にシフトす
るため、同じジェットの噴出角を得るために必要なノズ
ル傾斜角はより小さくすることが可能になる。したがっ
て、ランス内のノズル入口の設計に余裕ができ、ノズル
間を広く取ることができる。この結果、前記のジェット
脈動を小さくすることができ、スピッティングの発生量
を低減できるのである。

【００１４】本発明は以上の知見に基づきなされたもの
で、その要旨は、下記(1) および(2) にある。 (1) ランス先端面がノズルの中心軸に垂直な面に対して
外側に５°〜25°傾斜していることを特徴とする精錬用
ランス。

【００１５】(2) ランス内面でノズル入口とランス中心
との距離がランス内半径の0.7 倍以上であることを特徴
とする前記(1) 項に記載の精錬用ランス。なお、前記
(2) 項のノズル入口の位置はノズルの中心を基準とす
る。

【００１６】

【発明の実施の形態】図１は本発明の一例で先端面をβ
（°）傾斜させたランスの縦断面概略図である。ランス
１は４つのラバール型の円孔のノズル４を有し、各ノズ
ル４はランス軸に対してノズル傾斜角α（°）を持って
いる。ランスの冷却水路３は給排水の２重管構造となっ
ているが詳細は図示されていない。通常のランスではノ
ズル４の中心軸に対してランス先端面２は垂直となって
いる。あるいはランス先端面２の要所を面取りしている
が、少なくともノズルの出口近傍のランス先端面２はノ
ズル軸に垂直である。この場合、ガスジェットはノズル
の中心軸方向に噴出する。これに対して本発明のランス
はノズル４の中心軸に垂直な面に対して、ランス先端面
２が外向きに先端面の傾斜角βを持っている。

【００１７】図２は水モデル実験におけるランス１のジ
ェット動圧の測定方法の説明図である。この実験では図
１に示す４孔ラバールノズル（ノズル傾斜角α＝10°）
を用い、先端面の傾斜角βを種々変化させ、動圧分布を
測定し、最大動圧位置を求めた。

【００１８】図３は図２の実験結果を示す図で、ランス
ノズルからの半径方向距離に対するジェットの中心位置
（動圧最大位置）をプロットしたグラフである。同図か
らランス先端面をノズル中心軸に垂直な面から外側に傾
斜させた場合、ジェットが外側に傾斜することが確認で
きた。つまり、ノズル傾斜角を変更せずにジェット噴出
角を変更することできることが判明した。従って、同図
よりβを５°〜25°の範囲で変化させることでジェット
の噴出角が変更でき、それ以外では効果がなく、５°≦
β≦25°が有効範囲であることがわかる。このように、
本発明によればノズル傾斜角αが小さくても、ジェット
の噴流角はノズル傾斜角を大きくした場合と同様の効果
を持たせることができることがわかる。

【００１９】したがって、ランス先端部でノズルの出口
位置を同じとすれば、ランス内のノズル入口は中心から
離して配置することができ、ランス最先端の冷却設計が
単純化され、冷却効果が向上することが期待できる。な
お、本発明においてノズル傾斜角αの好ましい範囲は５
〜20°である。

【００２０】次に、スピッティングの生成の模様を水モ
デル実験で観察した。多孔ノズルにより形成されるキャ
ビティを子細に観察すると脈動があり、キャビティが変
動するごとにスピッティングが発生していることがわか
った。

【００２１】図４(a) および同図(b) はこのキャビティ
形状の周期的な変動を模式的に描いたものである。鋼浴
面５上のキャビティ６の形状は同図(a) と同図(b) の間
で変化している。同図(a) から図(b) の状態を反復する
際、キャビティ６の端部の曲率半径が急激に減少し、そ
の結果、右端部から溶鋼液滴７が発生しスピッティング
となり、同図(b) から同図(a) に変化する時にはキャビ
ティ６の左端部から溶鋼液滴７が発生する。

【００２２】キャビティが脈動する原因を究明するため
動圧測定プローブで４つのキャビティの動圧変動を調査
したところジェットの動圧に脈動があり、キャビティの
脈動はジェットの脈動に起因することがわかった。本発
明者は脈動の原因がランス先端内部のガス流の流体力学
的挙動に起因するものと考え、以下の水モデル実験をお
こなった。

【００２３】図５は実験に用いた種々の４孔ランスの先
端要部の概要図である。同図(a) は本発明例のランス
（ランスＡ）で、ランス内面でのノズル入口とランス中
心との距離Ｒのランスの内半径Ｒ₀に対する比R/R₀＝0.
8 の位置にノズルを配置し、ノズル傾斜角α＝10°、ラ
ンスの先端面角β＝20°としたものである。同図(b)(ラ
ンスＢ）も本発明例で、α＝10°、β＝20°、ノズル入
口をR/R₀＝0.7 の位置に配置したものである。同図(c)
(ランスＣ）はランスの先端面の傾斜角βが本発明範囲
内で、ノズル位置は本発明範囲外である。すなわちα＝
10°、β＝20°、ノズル入口をR/R₀＝0.6 の位置に配置
したものである。同図(d)(ランスＤ）はランスＣと同
様、ノズル先端の傾斜角βが本発明範囲内、ノズル位置
は本発明範囲外である。すなわちα＝10°、β＝20°、
ノズル入口をR/R₀＝0.4 の位置に配置したものである。
同図(e)(ランスＥ）はランス先端傾斜角、ノズル位置と
も本発明範囲外でα＝10°、β＝０°、ノズル入口をR/
R₀＝0.4 の位置に配置したものである。動圧分布はキャ
ビティの中心位置にプローブを置き、動圧マノメータで
測定した。

【００２４】表１にランスＡ〜Ｅの動圧脈動の振幅を示
す。振幅はランスＡの脈動の振幅を１とし、他のランス
の脈動の振幅比として表した。同表に示すように、脈動
の大きさはランス内のノズルの配置に因ることがわかっ
た。ノズル入口を外側に配置すること、すなわちノズル
入口相互の距離を離すことが脈動を抑制でき、実験的に
はランス内径の0.7 倍の位置より外に配置するとよいこ
とがわかった。なお、脈動を抑制するにはR/R₀が大きい
ほど好ましいが、上限は1.0 である。ただし、R/R₀＝1.
0 とすると、ノズル入口部がランス内壁に食い込んだ形
になり、必要なノズル径や水冷構造を考慮すれば、R/R₀
は0.9 以下とすることが好ましい。

【００２５】

【表１】

【００２６】

【実施例】

（実施例１）本発明の効果を確認するため、試験転炉
（溶解量２トン、上底吹き、内径約１ｍ、炉内高さ約２
ｍ）において吹錬試験を行った。ランスは図５に示すも
のと同様の５種類（Ａ〜Ｅ）のランスを用いた。

【００２７】溶銑装入量は2.0 ton であった。溶鋼表面
にスラグがあるとスピッティング測定の精度が低下する
ため、造滓剤は添加しなかった。溶銑の成分は表２の通
りであった。底吹きガス流量は合計0.2 Nm³/min・ton
とし、炉底の４カ所に設けた羽口から吹き込んだ。

【００２８】

【表２】

【００２９】吹錬開始時の溶銑温度は1200〜1230℃で、
ランスの酸素流量は吹錬末期まで６Nm³/min で一定とし
た。なお、ランス高さは吹錬中500 mmで一定とした。吹
錬中期の炭素濃度がほぼ2 ％となる時期に、上面が開口
した鉄製ボックスを有するスピッティングサンプラーを
転炉内に下降させ、30秒間保持してスピッティング粒鉄
を採取した。採取したスピッティング量により、各ラン
スの評価を行った。表３に試験結果を示す。表３からわ
かるように、ランスＡおよびＢではランスＣ〜Ｅに比べ
てスピッティングを大幅に低減することができた。

【００３０】

【表３】

【００３１】（実施例２）溶銑250 ton(温度1250〜1300
℃、成分範囲を表４に示す。）を転炉に装入し、酸素75
0 Nm³/min を上吹きランス（ラバール型円形ノズル4
個、スロート径50mm、ランス高さ2.4 ｍ）から吹き込ん
だ。また、底吹ガスはArガスを流量0.15Nm³/min・ton
にて炉底の４カ所に設けた底吹き羽口から吹き込んだ。

【００３２】

【表４】

【００３３】表５に示すランス条件Ａ、ＣおよびＥはそ
れぞれ表３におけるランスＡ、ＣおよびＥに対応する。
すなわちノズル傾斜角α＝10°とし、ランスの先端面の
傾斜角βはそれぞれ、20°、20°、０°、とし、ランス
内のノズル入口の位置はそれぞれ、R/R₀＝0.8 、0.6 、
0.4 とした。各ランス条件とも約50chの吹錬を実施し
た。吹錬終点での溶鋼中酸素濃度とスラグ中(T.Fe)濃度
を調査した。なお、吹錬終点での炭素濃度は0.045 〜0.
055 重量％であった。試験結果を表５に併記する。

【００３４】

【表５】

【００３５】表５に示すように、ランス条件Ａ、Ｃと
も、吹錬時間はランス条件Ｅ（ベース）に対してわずか
な差であり、終点の溶鋼中酸素濃度およびスラグ中(T.F
e)もベースに対して有意差はなかった。一方、ランス条
件Ｅ（ベース）に対しランス条件Ｃでは鉄歩留の若干の
向上が見られた。ランス条件Ａでは大幅な鉄歩留向上が
見られた。また、ランス条件Ｅとランス条件Ｃにおいて
ランスの先端部にはノズルの金物に軽微溶損と中程度溶
損が見られた。

【００３６】

【発明の効果】本発明のランスにより、転炉吹錬時間の
延長の問題、溶鋼の過剰酸素の問題、あるいはランス先
端の溶損の問題もなく、スピッティングロスを改善する
ことが可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明例で用いるランス先端部の要部の概略を
示す縦断面図である。

【図２】上吹きガスジェットの動圧分布測定実験の説明
図である。

【図３】上吹きガスジェットの方向の変化を表すグラフ
である。

【図４】キャビティの周期的変動を説明する模式図であ
り、同図(a) と同図(b) は変動の両極端の状態を表す。

【図５】水モデル実験に使用したランスの縦断面概要図
であり、同図(a) および(b) はランス先端傾斜角βおよ
びノズル位置R/R₀とも本発明範囲の例、同図(c) 〜(d)
はβのみ本発明範囲の例、同図(e) はβ、R/R₀とも本発
明範囲外の例である。

【符号の説明】１ランス５鋼浴面２ランス先端面６キャビティ３冷却水路７溶鋼液滴４ノズル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ランス先端面がノズルの中心軸に垂直な
面に対して外側に５°〜25°傾斜していることを特徴と
する精錬用ランス。
【請求項２】ランス内面でノズル入口とランス中心と
の距離がランス内半径の0.7 倍以上であることを特徴と
する請求項１に記載の精錬用ランス。