(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上吹きランスを用いた脱炭吹錬にあたり、ランスノズルの絶対二次圧Ｐ0 を当該ランスノズルの適正膨張絶対二次圧Ｐ0pの０．７〜２．５倍の範囲で維持しつつ、吹錬中における絶対二次圧の最大値が最小値の１．１倍以上となるように変更することにより酸素ガス流量を変化させることを特徴とする不適正膨張噴流を利用した溶鉄精錬方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法において、前記ランスノズルの絶対二次圧Ｐ0 の変更にともない、下記▲１▼式により計算される溶鉄の凹み深さＬが所定値の±２０％以内の範囲を維持するようにランス先端と溶鉄静止湯面間の距離ＬＧを調節することを特徴とする不適正膨張噴流を利用した溶鉄精錬方法。
【数１】
0003655662.tif 000005
Ｌ  ：溶鉄の凹み深さ
ＬＧ：ランス先端と溶鉄静止湯面間の距離（ｍｍ）
Ｐ0 ：ノズル絶対二次圧（ｋｇｆ／ｃｍ2 ）
Ｐ0p：ノズル適正膨張絶対二次圧（ｋｇｆ／ｃｍ2 ）
Ｍ0p：適正膨張時吐出マッハ数（−）
ｄ  ：ノズルスロート径（ｍｍ）
【請求項３】
請求項１または２記載の方法において、酸素ガス流量を炭素濃度が１％以上では１５０〜３００Ｎｍ3 ／ｈ／ｔｏｎ、炭素濃度が０．１％以下では２０〜７０Ｎｍ3 ／ｈ／ｔｏｎとすることを特徴とする不適正膨張噴流を利用した溶鉄精錬方法。
【請求項４】
請求項３記載の方法において、独立した２〜４系統の酸素ガス配管を持ち、ノズルスロート部の総面積において最大と最小の系統の比が２〜１０である上吹きランスを用いることを特徴とする不適正膨張噴流を利用した溶鉄精錬方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、上吹きランスを用いた溶鉄精錬における酸素ガスの吹込み方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上吹きや上底吹き転炉内での精錬反応は、上吹きランスから酸素ガスを供給して、炭素、珪素、燐などの不純物を燃焼させることによって進行する。また、その際に用いられる上吹きランスには、酸素ガス噴流による鋼浴の攪拌を促進するために、ランスの二次圧を高効率で噴流の運動エネルギーに変換することを目的として単孔または複数孔の中細ノズルが一般的に採用されている（「鉄鋼便覧」第３版分冊ＩＩ、日本鉄鋼協会編、１９８２、ｐ，４６８）。
【０００３】
従来の方法では、鋼浴への攪拌力の付与を目的として、上記のような上吹きランスを用い、精錬初期から精錬末期まで、中細ノズルの適正膨張範囲の二次圧で精錬が行われており、精錬段階に対応した最適な酸素ガス流量および噴流流速を自由に選択できない。そのため、精錬初期の酸素供給律速時に、脱炭速度を高めるために酸素ガス流量を増やすと噴流流速が速くなってダストやスピッティングの発生量が増加し、また精錬末期の炭素供給律速時に、鋼浴の過酸化やスラグ中酸化鉄の増大を防止するために酸素ガス流量を減らすと噴流流速が遅くなって噴流と鋼浴の衝突部である火点の温度が低下したり、攪拌力が不足するため脱炭の進行が遅くなり、鋼浴の過酸化やスラグ中酸化鉄の量が増加するなどの問題がある。
【０００４】
そこで、管路中にスピンドルを設け、そのスピンドルを上下に昇降させることにより、管路のスロート部の断面積を可変にし、酸素ガス噴流の出口部での流速を維持したまま、流量を変化させる転炉製鋼用ランスが提案されている（特公昭４７−４７７０号公報）。ところが、このランスでは管路中のスピンドルの駆動機構が複雑となり、多大な設備費を要する上に、噴流の合体によりスピッティングが多くなるという難点を解決することはできない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前述した欠点を解決し、酸素ガス流量の増減に影響されずに噴流流速をほぼ一定範囲に維持する方法を提供し、高速吹錬またはダスト、スピッティングの発生量の低減、鋼浴の過酸化防止、スラグ中酸化鉄の低減などを複雑な機構を用いずに実現することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決しようとする手段】
すなわち、本発明の要旨とするところは、
（１）上吹きランスを用いた脱炭吹錬にあたり、ランスノズルの絶対二次圧Ｐ0 を当該ランスノズルの適正膨張絶対二次圧Ｐ0pの０．７〜２．５倍の範囲で維持しつつ、吹錬中における絶対二次圧の最大値が最小値の１．１倍以上となるように変更することにより酸素ガス流量を変化させることを特徴とする不適正膨張噴流を利用した溶鉄精錬方法にある。
【０００７】
ここで、ランスノズルの絶対二次圧Ｐ0 とは、ランスノズルのスロート前の淀み部の絶対圧である。また、ランスノズルの適正膨張絶対二次圧Ｐ0pは、下記の▲２▼式で計算される。
Ｓe ／Ｓt ＝０．２５９（Ｐe ／Ｐ0p）-5/7｛１−（Ｐe ／Ｐ0p）2/7｝-1/2……  ▲２▼
Ｓe ：ランスノズル出口部の面積（ｍｍ2 ）
Ｓt ：ランスノズルスロート部の面積（ｍｍ2 ）
Ｐe ：ランスノズル出口雰囲気絶対圧（ｋｇｆ／ｃｍ2 ）
Ｐ0p :ランスノズル適正膨張絶対二次圧（ｋｇｆ／ｃｍ2 ）
また、
（２）前項（１）記載の方法において、前記ランスノズルの絶対二次圧Ｐ0 の変更にともない、▲１▼式により計算される溶鉄の凹み深さＬが所定値の±２０％以内の範囲を維持するようにランス先端と溶鉄静止湯面間の距離ＬＧを調節することを特徴とする不適正膨張噴流を利用した溶鉄精錬方法にある。
【０００８】
ここで、▲１▼式中の適正膨張時吐出マッハ数Ｍ0pは、下記の▲３▼式で計算される。
Ｍ0p＝〔５・｛（Ｐ0p／Ｐe ）2/7 −１｝1/2                     ……  ▲３▼
Ｍ0p：適正膨張時吐出マッハ数（−）
Ｐe ：ランスノズル出口雰囲気絶対圧（ｋｇｆ／ｃｍ2 ）
Ｐ0p :ランスノズル適正膨張絶対二次圧（ｋｇｆ／ｃｍ2 ）
また、
（３）前項（１）または（２）記載の方法において、酸素ガス流量を炭素濃度が１％以上では１５０〜３００Ｎｍ3 ／ｈ／ｔｏｎ、炭素濃度が０．１％以下では２０〜７０Ｎｍ3 ／ｈ／ｔｏｎとすることを特徴とする不適正膨張噴流を利用した溶鉄精錬方法にある。
【０００９】
ここで、酸素ガス流量は、下記の▲４▼式より算出される。
ＦO2＝０．５８１・Ｓt ・ε・Ｐ0                               ……  ▲４▼
Ｓt ：ランスノズルスロート部の面積（ｍｍ2 ）
Ｐ0  :ランスノズル絶対二次圧（ｋｇｆ／ｃｍ2 ）
ＦO2：酸素ガス流量（Ｎｍ3 ／ｈ）
ε：流量係数（−）（通常は０．９〜１．０の範囲内）
さらに、
（４）前項（３）記載の方法において、独立した２〜４系統の酸素ガス配管を持ち、ノズルスロート部の総面積において最大と最小の系統の比が２〜１０である上吹きランスを用いることを特徴とする不適正膨張噴流を利用した溶鉄精錬方法にある。
【００１０】
【作用】
本発明の作用を図１に従って説明する。
開孔断面積一定のノズルより噴出するガスの流量はノズルの絶対二次圧Ｐ0 に比例するが、ノズルの適正膨張絶対二次圧Ｐ0pに対してノズルの絶対二次圧Ｐ0 が０．７〜２．５倍の範囲の圧力領域では、図１に示すように、噴流進行方向に垂直な断面における最大噴流流速Ｕmax がほぼ一定となる領域があるなど、ノズルの絶対二次圧と最大噴流流速には必ずしも正相関があるわけではない。ここで、Ｕmaxpは適正膨張時の最大噴流流速を表す。
【００１１】
この原理を用いてノズルの絶対二次圧を適正膨張絶対二次圧の０．７〜２．５倍に維持しつつ、吹錬中の絶対二次圧を変更すれば、ランス先端と溶鉄静止湯面間の距離を大幅に変化させることなく、最大噴流流速をほぼ一定範囲に保ったまま酸素ガス流量を大幅に変更することができる。すなわち、精錬初期には噴流流速を大幅に増大させることなく酸素ガス流量を増大させることができるため、高速吹錬を行っても、酸素ガス流量あたりのダスト、スピッティング発生量の低減が実現できる。一方、精錬末期では噴流流速を大幅に低減させることなく酸素ガス流量を低減させることができるため、高温火点が形成されやすく、また攪拌力を維持できるため、脱炭の進行に有利となる。ここで、吹錬中の絶対二次圧の最大値が最小値の１．１倍未満では流量を大幅に変更することができず、効果が少ない。また、望ましくは、ノズルの絶対二次圧を適正膨張二次圧の０．８５〜１．７５倍に維持することにより、さらに噴流流速の変動範囲は狭まる。
【００１２】
さらに、上記の方法において、本発明者らの詳細な研究により導出された▲１▼式により計算される溶鉄の凹み深さＬを、好ましくは所定値の±２０％以内の範囲で一定となるようにランス先端と溶鉄静止湯面間の距離を調節することで噴流流速の微調整が可能となる。Ｌの所定値は鋼浴の深さＬ0 に対して、Ｌ／Ｌ0 が０．１〜０．６の範囲になるように適宜定めればよい。また、Ｌは鋼浴の攪拌力の確保やスピッティングの発生防止のために、所定値の±２０％以内にすることが望ましい。
【００１３】
また、上記の方法において、吹錬中の脱炭酸素効率が最大となる炭素濃度が１％以上の範囲では、酸素ガス流量を１５０Ｎｍ3 ／ｈ／ｔｏｎより少なくすると精錬時間の大幅な延長を生じ、また３００Ｎｍ3 ／ｈ／ｔｏｎより多くするとダスト、スピッティングの発生量が大幅に増加する。一方、脱炭酸素効率が低下してくる炭素濃度が０．１％以下の範囲では、酸素ガス流量を２０Ｎｍ3 ／ｈ／ｔｏｎより少なくすると攪拌力の不足を生じて脱炭速度が低下し、また酸素ガス流量を７０Ｎｍ3 ／ｈ／ｔｏｎより多くすると鋼浴の過酸化防止、スラグ中酸化鉄の低減などの効果が低減する。
【００１４】
また、上記の方法において、独立した酸素ガス配管を持つランスを用いる場合、独立した酸素ガス配管を２〜４系統とした理由は、１系統の配管では酸素ガス流量の変化幅が最小流量の３．５７倍までであるのに対し、２系統以上の配管を用いることにより、３．５７倍以上の酸素ガス流量の変化幅が得られるからである。一方、５系統以上では、ランスの構造が複雑となり、加工が困難となるなど好ましくない。
【００１５】
さらに、ノズルスロート部の総面積において、最大と最小の系統の比が２〜１０であるとした理由は、２倍未満では流量の変化幅が小さくなるため効果が少なく、一方、１０倍超では流量の変化幅が大きくなりすぎて、そこまで大きく流量を変化させることの効果が少ない。
【００１６】
【実施例】
内径約１．２ｍの上底吹き転炉を用いて、６ｔの溶銑を装入し、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆの６水準の脱炭試験を行った。このとき、鋼浴の深さＬ0 は約７５０ｍｍであり、本転炉を用いて以前に行った試験から溶鉄の凹み深さＬは約１２０ｍｍを所定値とした。何れの水準でも底吹きガスとして窒素２００Ｎｍ3 ／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。各水準におけるランスノズルの設計値を表１に、また各ランス先端部の概略図を図２に示す。
【００１７】
水準Ａでは酸素ガス流量１０００Ｎｍ3 ／ｈ、ランスノズルの絶対二次圧と適正膨張絶対二次圧の比Ｐ0 ／Ｐ0pを１、ランス先端−溶鉄静止湯面間距離を１０００ｍｍ、溶鉄の凹み深さを所定値１２０ｍｍとし、操業パターンを変更することなく精錬を実施した。
水準Ｂでは炭素濃度に応じて酸素ガス流量を１０００Ｎｍ3 ／ｈから４００Ｎｍ3 ／ｈまで変更し、それにともないランスノズルの絶対二次圧と適正膨張絶対二次圧の比Ｐ0 ／Ｐ0pを２．８６から１．１４まで変更した試験を実施した。この水準のＰ0 ／Ｐ0pの最大値は本発明におけるＰ0 ／Ｐ0pの範囲の上限より大きくなっている。また、ランス先端−溶鉄静止湯面間距離を８００ｍｍ一定としたため、溶鉄の凹み深さは酸素ガス流量の変更に応じて２４０ｍｍから５５ｍｍまで変化した。この水準の溶鉄の凹み深さ（Ｌ／所定値：５５／１２０〜２４０／１２０＝０．４６〜２．００）は本発明における範囲から外れる。
【００１８】
水準Ｃでは炭素濃度に応じて酸素ガス流量を１０００Ｎｍ3 ／ｈから４００Ｎｍ3 ／ｈまで変更し、それにともないランスノズルの絶対二次圧と適正膨張絶対二次圧の比Ｐ0 ／Ｐ0pを１．２５から０．５０まで変更した試験を実施した。この水準のＰ0 ／Ｐ0pの最小値は本発明におけるＰ0 ／Ｐ0pの範囲の下限より小さくなっている。また、ランス先端−溶鉄静止湯面間距離を８００ｍｍ一定としたため、溶鉄の凹み深さは酸素ガス流量の変更に応じて１４０ｍｍから１０ｍｍまで変化した。この水準の溶鉄の凹み深さ（Ｌ／所定値：１０／１２０〜１４０／１２０＝０．０８〜１．１７）は本発明における範囲から外れる。
【００１９】
水準Ｄでは炭素濃度に応じて酸素ガス流量を１０００Ｎｍ3 ／ｈから４００Ｎｍ3 ／ｈまで変更し、それにともないランスノズルの絶対二次圧と適正膨張絶対二次圧の比Ｐ0 ／Ｐ0pを２．００から０．８０まで変更した試験を実施した。この水準のＰ0 ／Ｐ0pは本発明におけるＰ0 ／Ｐ0pの範囲内である。また、ランス先端−溶鉄静止湯面間距離を８００ｍｍ一定としたため、溶鉄の凹み深さは酸素ガス流量の変更に応じて１６０ｍｍから５０ｍｍまで変化した。この水準の溶鉄の凹み深さ（Ｌ／所定値：５０／１２０〜１６０／１２０＝０．４２〜１．３３）は本発明における請求項２の範囲から外れる。
【００２０】
水準Ｅでは炭素濃度に応じて酸素ガス流量を１０００Ｎｍ3 ／ｈから４００Ｎｍ3 ／ｈまで変更し、それにともないランスノズルの絶対二次圧と適正膨張絶対二次圧の比Ｐ0 ／Ｐ0pを２．００から０．８０まで変更した試験を実施した。この水準のＰ0 ／Ｐ0pは本発明におけるＰ0 ／Ｐ0pの範囲内である。また、酸素ガス流量の変更に応じてランス先端−溶鉄静止湯面間距離も９９７ｍｍから４５４ｍｍまで変更し、溶鉄の凹み深さが所定値の１２０ｍｍ±２０％以内になるように調整した。
【００２１】
水準Ｆでは炭素濃度に応じて酸素ガス流量を１４００Ｎｍ3 ／ｈから２００Ｎｍ3 ／ｈまで変更した。この水準では２系統の酸素ガス配管を有するランスを使用した。まず、第１系統の配管の酸素ガス流量を１４００Ｎｍ3 ／ｈから５００Ｎｍ3 ／ｈまで変更し、それにともないランスノズルの絶対二次圧と適正膨張絶対二次圧の比Ｐ0 ／Ｐ0pを２．１５から０．７７まで変更した。また、酸素ガス流量の変更に応じてランス先端−溶鉄静止湯面間距離も１０５３ｍｍから４６８ｍｍまで変更し、溶鉄の凹み深さが所定値の１２０ｍｍ±２０％以内になるように調整した。次に、第２系統の配管に切り換えて酸素ガス流量を５００Ｎｍ3 ／ｈから２００Ｎｍ3 ／ｈまで変更し、それにともないランスノズルの絶対二次圧と適正膨張絶対二次圧の比Ｐ0 ／Ｐ0pを１．９２から０．７７まで変更した。また、酸素ガス流量の変更に応じてランス先端−溶鉄静止湯面間距離も１３６３ｍｍから６２４ｍｍまで変更し、溶鉄の凹み深さが所定値の１２０ｍｍ±２０％以内になるように調整した。この水準のＰ0 ／Ｐ0pは本発明におけるＰ0 ／Ｐ0pの範囲内である。
【００２２】
上記の各水準における操業パターンの詳細を表２および図３、図４、図５、図６に示す。なお、操業パターンは精錬中の炭素濃度を動的予測モデルにより予測して実行した。また、各水準の試験結果を表３に示す。
【００２３】
【表１】
0003655662.tif 000002
【００２４】
（註）＊１  Ｐ0p：適正膨張絶対二次圧（ｋｇｆ／ｃｍ2 ）
ＦO2p ：適正膨張時酸素ガス流量（Ｎｍ3 ／ｈ）
ｎ :ランスノズル孔数（−）
ｄt ：ランスノズルのスロート径（ｍｍ）
ΣＳt ：ランスノズルのスロート部の総面積（ｍｍ2）
＊２  水準Ｆでは２系統の酸素ガス配管を持つランスを使用した。従って各系統のランスノズルの設計値を記した。
【００２５】
【表２】
0003655662.tif 000003
【００２６】
（註）＊１  ＦO2：酸素ガス流量（Ｎｍ3 ／ｈ）
Ｐ0 ／Ｐ0P：ランスノズルの絶対二次圧と適正膨張絶対二次圧の比（−）
ＬＧ：ランス先端−溶鉄静止湯面間距離（ｍｍ）
Ｌ：溶鉄の凹み深さ（ｍｍ）
【００２７】
【表３】
0003655662.tif 000004
【００２８】
（註）＊１  〔Ｃ〕：鋼浴中炭素濃度（％）
〔Ｏ〕：鋼浴中遊離酸素濃度（％）
（Ｔ．Ｆｅ）：スラグ中鉄濃度（％）
＊２  水準Ｃでは精錬中にスロッピングが生じ、精錬を途中で中断した。
【００２９】
【発明の効果】
本発明により、酸素ガス流量の増減に影響されず、またランスノズル先端部と溶鉄静止湯面間距離を接近させ過ぎることなく噴流流速をほぼ一定範囲に維持することが可能となるため、ランスへの熱負荷を増大させることなく、高速吹錬またはダスト、スピッティングの発生量低減、鋼浴の過酸化防止、スラグ中酸化鉄の低減などの実現に効果があり、また複雑な機構も不要である。
【図面の簡単な説明】
【図１】ランスノズルの適正膨張絶対二次圧Ｐ0Pと絶対二次圧Ｐ0 の比Ｐ0 ／Ｐ0Pと噴流進行方向に垂直な断面における適正膨張時の最大噴流流速ＵmaxPと最大噴流流速Ｕmax の比Ｕmax ／ＵmaxPの関係を示す図である。
【図２】（ａ）は実施例の水準Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅに使用したランス先端部の概略を示す図、（ｂ）は実施例の水準Ｆに使用したランス先端部の概略を示す図である。
【図３】実施例の各水準の操業パターンで、炭素濃度と送酸速度の関係を示す図である。
【図４】実施例の各水準の操業パターンで、送酸速度とランス二次圧比の関係を示す図である。
【図５】実施例の各水準の操業パターンで、送酸速度とランス先端部−溶鉄静止湯面間の距離の関係を示す図である。
【図６】実施例の各水準の操業パターンで、送酸速度と溶鉄の凹み深さの関係を示す図である。
【符号の説明】
１    第１酸素ガス系統
２    第２酸素ガス系統
ｄt   ランスノズルのスロート径（ｍｍ）
【図１】
0003655662.tif 000006
【図２】
0003655662.tif 000007
【図３】
0003655662.tif 000008
【図４】
0003655662.tif 000009
【図５】
0003655662.tif 000010
【図６】
0003655662.tif 000011