(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器内の溶融金属に底吹き羽口からガスを吹き込むに際して、２重の同心円管からなるノズルを用い、内管の内径を５０ｍｍ以下とし、外側の開口部から供給されるガスの開口部出口での線流速を該ガスの標準状態での音速以上とし、内側の開口部から供給されるガスの流量の下限を０とし上限を吹き抜け限界流量として該範囲内の流量で吹き込むことを特徴とする溶融金属内へのガスの吹き込み方法。
【請求項２】
容器内の溶融金属に底吹き羽口からガスを吹き込むに際して、３重の同心円管からなるノズルを用い、最内管の内径を５０mm以下とし、内側の開口部と中間の開口部から酸素を供給し、外側の開口部から炭化水素ガス、不活性ガス、ＣＯ2ガスの冷却ガスを供給し、中間の開口部から供給される酸素ガスの開口部出口での線流速を３３０Ｎｍ／秒以上とし、内側の開口部から供給される酸素ガスの流量の下限を０とし上限を吹き抜け限界流量として該範囲内の流量で吹き込むことを特徴とする溶融金属内へのガスの吹き込み方法。
【請求項３】
容器内の溶融金属に該容器の側面に設けた羽口からガスを吹き込むに際して、２重の同心円管からなるノズルを用い、内管の内径を５０ｍｍ以下とし、外側の開口部から供給されるガスの開口部出口での線流速を該ガスの標準状態での音速以上とし、内側の開口部から供給されるガスの流量の下限を０とし上限を吹き抜け限界流量として該範囲内の流量で吹き込むことを特徴とする溶融金属内へのガスの吹き込み方法。
【請求項４】
容器内の溶融金属に該容器の側面に設けた羽口からガスを吹き込むに際して、３重の同心円管からなるノズルを用い、最内管の内径を５０mm以下とし、内側の開口部と中間の開口部から酸素を供給し、外側の開口部から炭化水素ガス、不活性ガス、ＣＯ2ガスの冷却ガスを供給し、中間の開口部から供給される酸素ガスの開口部出口での線流速を３３０Ｎｍ／秒以上とし、内側の開口部から供給される酸素ガスの流量の下限を０とし上限を吹き抜け限界流量として該範囲内の流量で吹き込むことを特徴とする溶融金属内へのガスの吹き込み方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶鋼等の溶融金属内へのガスの吹き込み方法に関し、とくに吹込みガス流量の可変範囲の広いガスの吹き込み方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、鉄鋼精錬においては溶鋼内へのガス吹込みが常用されるようになってきたが、精錬技術の高度化、多様化にともない、一連の精錬工程の中で吹込みガスの流量を大幅に変更しうる技術の必要性が高まっている。
【０００３】
例えば、上底吹き転炉で低燐の高炭素鋼を溶製するためには、脱炭吹錬の末期に底吹きガス流量を絞り、スラグ中の（Ｔ．Ｆｅ）を高めて脱燐を促進させる必要がある。また、上底吹き転炉で極低炭素域まで脱炭するに際しては、脱炭末期に酸素の供給が過剰にならないように、極低炭素域で底吹き酸素流量を低減させる必要がある。
【０００４】
また、電気炉においても底吹き精錬が多用されるようになってきたが、溶解初期の溶鋼量の少ない時期は、底吹きガス流量を小さくし、溶鋼量が多くなる溶解中期以降に、底吹きガス流量を増大させる必要がある。
【０００５】
一般に溶鋼中にガスを吹き込む羽口としては、羽口れんが内に金属製の単管又は二重管ノズルを埋込んだものが多く用いられる。しかし、このような管状のノズルは、ガス流量を低減させた時にノズル内に溶鋼が差し込んで閉塞するという問題がある。
【０００６】
また、吹込みガス流量を大きくすると、いわゆる吹き抜け現象が起こり、吹込みガスの利用効率が悪化するだけでなく、溶鋼の粒滴を吹き上げて安全上問題がある。そのために管状のノズルでは、吹込みガス流量の可変範囲が狭いということが問題であった。
【０００７】
これに対して、多孔質の耐火物いわゆるポーラスプラグを用いて溶鋼内にガスを吹込む方法では、管状のノズルのような溶鋼の差し込みがないため流量を絞ることは可能であるが、吹き込めるガス流量が少なく、大幅な精錬効果の向上が期待できない。
【０００８】
一方、例えば特開昭６２−９６６１２号公報には、羽口れんが内に多数の金属製の細管を埋め込んで、低流量時に溶鋼の差し込みを起こりにくくする方法が開示されている。しかし、この方法では不活性ガスの吹込みは可能であっても、酸素ガスを使用した時にノズルの適切な冷却が難しく、ノズル寿命に問題がある。また、ノズルの製作に手間がかかりかつ補修が容易でないためコスト面でも問題があると予想される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記のような従来技術の問題点に鑑み、吹込みガス流量の可変範囲を大きくし、かつノズルの製作が容易な溶融金属内へのガスの吹き込み方法を提供することを目的とする。
【００１０】
また、併せて酸素ガスと冷却ガスのような異種のガスを同時に吹き込む場合にも、吹込みガス流量の可変範囲の広い溶融金属内へのガスの吹き込み方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであって、その要旨は、
（１）容器内の溶融金属に底吹き羽口からガスを吹き込むに際して、２重の同心円管からなるノズルを用い、内管の内径を５０ｍｍ以下とし、外側の開口部から供給されるガスの開口部出口での線流速を該ガスの標準状態での音速以上とし、内側の開口部から供給されるガスの流量の下限を０とし上限を吹き抜け限界流量として該範囲内の流量で吹き込むことを特徴とする溶融金属内へのガスの吹き込み方法である。
【００１２】
また、容器内の溶融金属に底吹き羽口からガスを吹き込むに際して、３重の同心円管からなるノズルを用い、最内管の内径を５０mm以下とし、内側の開口部と中間の開口部から酸素を供給し、外側の開口部から炭化水素ガス、不活性ガス、ＣＯ2ガスの冷却ガスを供給し、中間の開口部から供給される酸素ガスの開口部出口での線流速を３３０Ｎｍ／秒以上とし、内側の開口部から供給される酸素ガスの流量の下限を０とし上限を吹き抜け限界流量として該範囲内の流量で吹き込むことを特徴とする溶融金属内へのガスの吹き込み方法である。
【００１３】
（２）容器内の溶融金属に該容器の側面に設けた羽口からガスを吹き込むに際して、２重の同心円管からなるノズルを用い、内管の内径を５０ｍｍ以下とし、外側の開口部から供給されるガスの開口部出口での線流速を該ガスの標準状態での音速以上とし、内側の開口部から供給されるガスの流量の下限を０とし上限を吹き抜け限界流量として該範囲内の流量で吹き込むことを特徴とする溶融金属内へのガスの吹き込み方法である。
【００１４】
また、容器内の溶融金属に該容器の側面に設けた羽口からガスを吹き込むに際して、３重の同心円管からなるノズルを用い、最内管の内径を５０mm以下とし、内側の開口部と中間の開口部から酸素を供給し、外側の開口部から炭化水素ガス、不活性ガス、ＣＯ2ガスの冷却ガスを供給し、中間の開口部から供給される酸素ガスの開口部出口での線流速を３３０Ｎｍ／秒以上とし、内側の開口部から供給される酸素ガスの流量の下限を０とし上限を吹き抜け限界流量として該範囲内の流量で吹き込むことを特徴とする溶融金属内へのガスの吹き込み方法である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明に用いられるガス吹込みノズルの形状の例を示す。羽口れんが１の内部に、二重の同心円管からなる金属製のノズルが埋め込まれており、内側の円形の開口部２と、外側の環状の開口部３はそれぞれ独立のガス供給管４、５に接続されている。この羽口れんがは精錬容器の底部又は側面に取付けられ、容器内の溶融金属にノズルからガスを吹き込む。
【００１６】
本発明のガス吹き込み方法は、外側の開口部３から供給されるガスの出口線流速を該ガスの標準状態での音速以上とすることにより、内側の開口部２から供給されるガスの流量の大幅な変更を可能にしたことを特徴とする。内側の開口部２のガス流量の下限を０としても、ノズルへの溶融金属の差し込みが起らない。
【００１７】
また、その上限は物理的な制約はないが、吹込みガスの利用効率や作業の安全上の理由から、いわゆる吹き抜け現象の起こらない範囲（吹き抜け限界流量以下）として、この範囲内で任意に内側の開口部のガス流量を変更することができる。
【００１８】
本発明において、吹込みガスとしては例えばＮ２，Ａｒ，ＣＯ２などを用いることができ、内側と外側の開口部から吹き込むガスの種類が同一であっても、或いは異なっていてもよい。
【００１９】
以下本発明の原理について説明する。
図２は、溶融金属等の液体中に底吹きノズルからガスを吹き込んだ場合の、ノズル上部の気泡の状態を示す模式図である。管状のノズル６からガスを吹き込んで、その流量が比較的少ない場合は、図２（ａ）に示すように、独立した気泡７が連続的に形成され、液体８内を上昇してゆく（この状態を以下「バブリング」という）。
【００２０】
一方、流量が多くなると、図２（ｂ）に示すように、ノズルの上部に気柱（ガスのジェット）９が定常的に形成され、この気柱内には液体が存在しなくなる（この状態を以下「ジェッティング」という）ことが知られている。バブリングからジェッティングへの遷移は、ノズル出口のガスの流速が音速になる付近で起こることが文献（例えば、鉄と鋼，６８（１９８２），ｐ．９８）に示されている。
【００２１】
本発明の発明者らは、図２（ｃ）に示すように、二重管のノズルにおいて内側の開口部２のガスを止め、外側の開口部３の出口のガスの流速を音速以上にすると、二重管ノズル全体の上にジェッティング状態の気柱９が形成され、この気柱内に液体が存在しなくなることを知見した。
【００２２】
内管の径が５０ｍｍ以下であれば、前記の気柱は安定に存在し、内管への液体の侵入は起こらない。また、外側の環状の開口部の幅は機械加工の精度上０．５ｍｍ程度以上にする必要があるが、この幅が０．５ｍｍ程度以上であれば内管への液体の侵入は起こらないことを知見した。
【００２３】
本発明はこの知見に基いてなされたもので、同心円の二重ノズルにおいて、外側の環状の開口部の出口のガス流速を音速以上にすることにより、ノズル全体にジェッティングの気柱を形成させ、内管のガス流量を０にしても、溶融金属の差し込みを回避することができ、これにより内管のガス流量の可変幅を飛躍的に大きくすることを特徴とする。
【００２４】
内管の内径をＤ、外側の開口部の幅をｔ、内側の開口部、外側の開口部の面積をそれぞれＡ１、Ａ２とすると、Ａ２／Ａ１はおおよそ４ｔ／Ｄとなる。Ｄ＝５０ｍｍ、ｔ＝０．５ｍｍとするとＡ２／Ａ１は約０．０４となり、外側の開口部の面積の比率はきわめて小さくすることができる。したがって、外側の開口部面積を小さくし、これから一定流量のガスを流しておくことで、内管のガス流量を大幅に可変にできるようにしたことが本発明の効果である。
【００２５】
すでに述べた如く、内側の開口部のガス流量の下限は０とすることができる。またその上限は吹き抜けが起こる臨界のガス流量（吹き抜け限界流量）として、この範囲内で内側の開口部のガス流量を任意に選択しうる。
【００２６】
なお、単管ノズルの吹き抜け限界流量Ｑ（ｍ３／ｓ）は、開口部面積Ａ（ｍ２）、ノズル径Ｄ（ｍ）、ガス及び溶融金属の密度ρｇ，ρｌ（  ｋｇ／ｍ３）、浴の深さＨ（ｍ）などにより、下式で表わされることが文献（例えば、鉄と鋼，６８（１９８２），ｐ．１９６４）に示されている。
【００２７】
【数１】
0003619338.tif 000002
【００２８】
なお、容器の底面に取付けたノズルからガスを吹き込んだ場合について以上に説明したが、本発明の原理は容器の側面に取付けたノズルからガスを吹き込んだ場合にも適用できる。
【００２９】
すなわち、容器の側面からのガス吹き込みの場合も、二重管ノズルにおいて内側の開口部２のガスを止め、外側の開口部３の出口のガスの流速を音速以上にすると、二重管ノズルの前方にジェッティング状態の気柱９が形成され、この気柱内に液体が存在しなくなること、及び内管の径が５０ｍｍ以下であれば、前記の気柱は安定に存在し、内管への液体の侵入は起こらないことが本発明者らによって確かめられている。
【００３０】
なお、この場合は上記の吹き抜け限界流量の式において、Ｈとして浴表面から側面のノズル中心までの浴深の値を用いればよい。
【００３１】
図３に、本発明に用いられるガス吹込みノズルの形状の他の例を示す。この例では、羽口れんが１の内部に三重の同心円管からなる金属製のノズルが埋め込まれており、内側の開口部１１と中間の開口部１２から酸素を供給し、外側の開口部１３からは、ノズル冷却用ガスを供給することを特徴とする。内側の開口部１１と中間の開口部１２はそれぞれ独立の酸素供給管１４、１４´に接続され、吹き込む酸素の圧力を独立に調節しうるようになっている。
【００３２】
また、外側の開口部１３は、冷却用ガス供給管１５に接続されており、この羽口れんがも図１の場合と同じく精錬容器の底部又は側面に取付けられる。
【００３３】
図３のノズルを用いた本発明のガスの吹き込み方法は、中間の開口部１２から供給される酸素ガスの開口部出口での線流速を３３０Ｎｍ／秒（標準状態での酸素ガスの音速）以上とすることにより、内側の開口部１１の酸素流量の下限を０上限を吹き抜け限界流量として、該範囲内の流量で酸素ガスを溶融金属中に吹き込むことを特徴とする。
【００３４】
最内管の内径が５０ｍｍ以下であれば、図２（ｃ）に示すようなジェッティングの気柱により、内側の開口部のガス流量を０にしても溶融金属の差し込みは起こらない。
【００３５】
すでに述べたごとく、中間の開口部１２の内側の開口部１１に対する断面積の比を小さくすることにより、酸素流量の可変範囲を従来の二重管ノズルの場合より大幅に拡大したことが本発明の効果である。
【００３６】
なお、外側の開口部１３から供給するノズル冷却用ガスとしては炭化水素ガスや不活性ガス、ＣＯ２ガス等を用いることができ、その流量はノズル先端に形成される固体付着物いわゆるマッシュルームが適度な大きさとなるように調節すればよい。本発明に用いられる三重管ノズルにおいても、従来の二重管ノズルで確立された適正なマッシュルームを得るための冷却技術を適用することができる。
【００３７】
【実施例】
容量３５０ｔの転炉を用いて、本発明のガスの吹き込み方法と単管ノズル又は二重管ノズルを用いる従来の吹き込み方法での、差し込みを起こさず吹込みガス流量を低減できる限界条件を比較した。上記転炉に約３５０ｔの溶銑を装入し、メタル浴深は約２ｍ一定の条件で試験を行った。
【００３８】
実施例１は内管の内径２５ｍｍ、外径２７ｍｍ、外管の内径３２ｍｍ、外径３４ｍｍの二重管ノズルを炉底中央に配置して、本発明のガスの吹き込み方法を実施した場合で、比較例１は内径３０．３ｍｍ、外径３２．３ｍｍの単管ノズルを炉底中央に配置して通常のガスの吹き込みを行った場合である。いずれの場合も吹込みガスはＣＯ２で、実施例１では内側、外側の開口部共にＣＯ２を吹き込み、外側の開口部の出口線流速を３５０Ｎｍ／秒とした。
【００３９】
表１に実施例１及び比較例１におけるノズル開口部面積と吹込みガス流量の低減限界を示す。実施例１においては、内管のガス流量を０にしても差し込みは起こらず、比較例１よりも吹込みガス流量の下限を大幅に低くできることが確かめられた。
【００４０】
【表１】
0003619338.tif 000003
【００４１】
実施例２は最内管の内径２５ｍｍ、外径２７ｍｍ、中管の内径３２ｍｍ、外径３４ｍｍ、外管の内径３６ｍｍ、外径３８ｍｍの三重管ノズルを炉底中央に配置して、本発明のガスの吹き込み方法を実施した場合で、内側の開口部及び中間の開口部からは酸素ガスを、外側の開口部からは冷却用のプロパンガスを吹き込み、中間の開口部の酸素ガスの出口線流速を３５０Ｎｍ／秒とした。
【００４２】
比較例２は内管の内径３０．３ｍｍ、外径３２．３ｍｍ、外管の内径３４．３ｍｍ、外径３６．３ｍｍの二重管ノズルを炉底中央に配置して、内側の開口部に酸素ガス、外側の開口部に冷却用のプロパンガスを流す通常の酸素ガスの吹き込みを行った場合である。外側の開口部のプロパンガスの流量は、実施例２及び比較例２で同一にした。
【００４３】
表２に実施例２及び比較例２における酸素吹込み部分の開口部面積と吹込み酸素ガス流量の低減限界を示す。実施例２においては、内管の酸素ガス流量を０にしても差し込みは起こらず、比較例２よりも吹込み酸素ガス流量の下限を大幅に低くできることが確かめられた。
【００４４】
【表２】
0003619338.tif 000004
【００４５】
【発明の効果】
本発明の方法により、溶融金属内へのガスの吹き込みにおいて、従来の管状のノズルと比較して吹込みガス流量の低減限界を低くすることが可能となり、その結果流量可変範囲を大幅に拡大することが可能になった。
【００４６】
また、本発明の方法ではノズルの製作が容易であり、かつ酸素ガスと冷却ガスのような異種のガスを同時に吹込む場合にも、吹込みガス流量の可変範囲を大幅に拡大することが可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に用いられるガス吹込みノズルの形状の例を示す説明図である。
【図２】液体中にガスを吹き込んだ場合のノズル上部の気泡の状態を示す模式図である。
【図３】本発明に用いられるガス吹込みノズルの形状の他の例を示す説明図である。
【符号の説明】
１  羽口れんが
２  内側の開口部
３  外側の開口部
４、５  ガス供給管
６  単管ノズル
７  気泡
８  液体
９  気柱（ガスのジェット）
１１  内側の開口部（三重管ノズル）
１２  中間の開口部
１３  外側の開口部（三重管ノズル）
１４、１４´  酸素ガス供給管
１５  冷却用ガス供給管
【図１】
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【図２】
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【図３】
0003619338.tif 000007