(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶鋼表面にキャリアガスとともに精錬用粉体を吹き付ける減圧精錬方法であって、前記精錬用粉体を吹き付けるランス先端のノズル部が、直径ｄのスロート部と、スロート部に続く直径Ｄおよび長さＬの円筒形の拡大部とからなり、前記ｄ、Ｄ、Ｌおよびスロート部を通過するキャリアガスの流速Ｖ（ｍ／ｓ）とが、下記(1)〜(3)式で表される関係を満足することを特徴とする減圧精錬方法。
0.0012V＋0.63≦L/d≦0.002V＋2.6                    (1)
0.00015V＋0.05≦d/D≦0.00018V＋0.32                (2)
100≦V≦1000                                       (3)
ここで、キャリアガスの流速Ｖ（ｍ／ｓ）は、標準状態換算のガス流量（ｍ３／ｓ）をスロート部の断面積（ｍ２）で除した値である。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、減圧下の溶鋼に対して脱炭、脱硫等の目的でキャリアガスとともに精錬用粉体を吹き付ける減圧精錬方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
溶鋼中のＣ、Ｓ、Ｎ等の濃度を低減すると、鋼材の各種特性が向上するため、これら成分の濃度低減を効率化する技術が開発されている。例えば、ＲＨ方式真空脱ガス装置を用いて溶鋼表面に精錬用のＣａＯ粉体やＦｅ2Ｏ3粉体を上方から吹き付ける技術が開発され、簡便に不純物元素濃度の低減が図られている。
【０００３】
精錬効率は、これらの粉体（フラックス粉体ともいう）の冶金学的精錬能に依存するが、吹き付け方法自体にも依存する。
フラックス粉体の上吹きは、真空槽内に設けた上吹きランス先端のノズルからキャリアガスとともに粉体を吹き付ける方法で行われるが、このノズル形状を適正にすることで精錬効率を向上できる。上吹きランスのノズルに関する技術としては、一般的に用いられているストレートノズル、ラバールノズルを用いる方法や、特開平８−３６１８号公報に開示された技術等に見られるように、独自のノズル構造を持たせる方法が提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のフラックス粉体上吹きノズルでは、溶鋼への粉体到達率（補足率、着地効率ともいう）を向上させることで精錬効率をある程度向上させられるものの、さらに高い精錬効率を得ることが望まれている。精錬効率が不十分であるのは、従来のノズルがフラックス粉体を高速で溶鋼中に深く進入させることを主目的に設計されており、精錬効率全体としての検討が十分でなかったためと考えられる。例えば、前記特開平８−３６１８号公報に開示されたノズルは、精錬ガスのみを吹き込む場合と、フラックス粉体を上吹きする場合の双方に適用できるとしているが、同公報に開示されたノズル形状は、粉体噴射速度を高速化して粉体の溶鋼への進入を促進させることを目的としており、同一量のフラックス粉体を吹き込むときの時間を短縮することができるが、精錬効率、すなわち同一量のフラックス粉体量に対する脱硫量（または脱炭量、脱窒素量等）を向上させるものではない。後述するように、従来のノズルでの脱硫率（＝｛（処理前Ｓ濃度−処理後Ｓ濃度）／処理前Ｓ濃度｝×１００）は最大７０％程度であり、十分に高いとは言えない。
【０００５】
本発明の課題は、高い精錬効率が得られる減圧精錬方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、種々の形状のフラックス粉体吹き込み用ノズルを用意し、精錬効率に関する試験を行った結果、下記の知見を得た。
【０００７】
(a) キャリアガス量、粉体吹き込み量およびノズルの湯面からの高さ等の条件をそろえた場合、ノズル形状によって、ジェットの広がりと中心動圧のパターンが異なる。例えば、ラバールノズルは中心動圧が高い反面、ジェットの広がりが小さい。反対に、ストレートノズルは中心動圧が低く、ジェットの広がりが大きい。
【０００８】
(b) スロート部と拡大部を持つノズル（以下、２段ノズルという）は前記ラバール型とストレート型の中間の中心動圧またはジェットの広がり特性を有する。
(c) 各種形状のノズルについて、ジェットの広がり面積と中心動圧との積に対し、脱硫率を整理すると、両者は比例関係にある。この積が大きいほど、脱硫率が高い。
【０００９】
(d) この中で、最も高い脱硫率が得られるのは、２段ノズルの１種である。
(e) ２段ノズルの形状をスロート部径、拡大部径および拡大部長さの比で表すと、前記広がり面積と中心動圧の積が最大となる形状を規定することができる。
一方、この積はノズル形状のほか、スロート部の流速にも影響を受ける。
【００１０】
(f) したがって、ノズル形状とスロート部流速を規定すれば、（中心動圧×ジェット広がり面積）の積を高くし、高い脱硫率を得ることができる。
本発明は、これらの知見に基づきなされたもので、その要旨は以下の精錬方法にある。
【００１１】
溶鋼表面にキャリアガスとともに精錬用粉体を吹き付ける減圧精錬方法であって、前記精錬用粉体を吹き付けるランス先端のノズル部が、直径ｄのスロート部と、スロート部に続く直径Ｄおよび長さＬの円筒形の拡大部とからなり、前記ｄ、Ｄ、Ｌおよびスロート部を通過するキャリアガスの流速Ｖ（ｍ／ｓ）とが、下記(1)〜(3)式で表される関係を満足することを特徴とする減圧精錬方法。
【００１２】
0.0012V+0.63≦L/d≦0.002V+2.6              (1)
0.00015V+0.05≦d/D≦0.00018V+0.32          (2)
100≦V≦1000                               (3)
ここで、キャリアガスの流速Ｖ（ｍ／ｓ）は、標準状態換算のガス流量（ｍ3／ｓ）をスロート部の断面積（ｍ2）で除した値である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
１．ノズル形状とジェット形状との関係
図１は本発明に用いた２段ノズルの形状を概念的に示す縦断面図である。同図において、ランス１の先端に設けられたノズル２には、内径がｄのスロート部３が設けられ、これに続いて内径Ｄ、長さＬの拡大部４が設けられている。表１には、以下に述べる試験に用いた各種ノズルの寸法を示す。
【００１４】
ジェット形状の調査に用いたのはラバールノズルＡ（スロート部径３ｍｍ、出口径７ｍｍ、ノズル長１８ｍｍ）、ストレートノズルＢ（出口径７ｍｍ）、２段ノズルＣ（ｄ＝３ｍｍ、Ｄ＝７ｍｍ、Ｌ＝１８ｍｍ）、および２段ノズルＤ（ｄ＝３ｍｍ、Ｄ＝５ｍｍ、Ｌ＝７ｍｍ）の４種類である。
【００１５】
【表１】
0003654216.tif 000002
【００１６】
この４種類のノズルを用いて、キャリアガスのジェット形状を調査した。この試験では、雰囲気圧力４０００Ｐａ、ガス流量４００ｌ（標準状態）／ｍｉｎでノズル先端から４００ｍｍの位置でのジェット動圧を測定した。ここで、ラバールノズルＡ以外のノズルでは前記ガス流量を得るために、ラバールノズルに比べて３〜１０％ノズル前の圧力を高くした。
【００１７】
図２は、ジェットのノズル軸中心からの距離と、動圧との関係を示すグラフである。同図に示すように、ラバールノズルＡでは、ジェットが細く、中心部での動圧が高く、外周では動圧が急激に低下していることがわかる。ストレートノズルＢでは、ジェットが太く、中心部の動圧はラバールノズルのそれに比べてはるかに低く、外周では動圧が緩やかに低下している。２段ノズルＣおよびＤでは、ジェットの太さはラバールノズルとストレートノズルの中間であり、中心部の動圧も同様に両者の中間である。これは、ノズル出口でのジェット挙動の差による。圧縮性流体力学でよく知られているように、ラバールノズルではスロートから出口にかけてガスの適正膨張が行われるため、ジェットの圧力損失を生じることがない。このため、直進性が高く中心部で得られる最大動圧の高いジェットが得られる。一方、ストレートノズル、２段ノズルでは適正膨張とならず不足膨張となるため、圧力損失により中心部の最大動圧が低下し、ジェットも広がる。前述したように、同一ガス流量を確保するためにノズル前圧を上昇させたのもこのためである。以上のように、圧力損失が少なく、動圧の高いジェットを得るにはラバールノズルが最も優れている。
【００１８】
しかし、フラックス粉体上吹き精錬の場合、フラックスと溶鋼との反応を促進させるには、フラックス粉体の進入促進のほか、フラックスと溶鋼との反応面積を増大することが重要である。そのため、キャリアガスのジェットはフラックス粉体を溶鋼に進入させるに十分な動圧を有するとともに、フラックス粉体を広範囲の溶鋼表面に展開させることが必要である。
【００１９】
図２に示すように、ラバールノズルでは中心動圧が高く、フラックス粉体はジェット中心部で溶鋼中に深く進入するが、ジェットが細いため、フラックスと溶鋼との反応面積は小さいと推定される。一方、ストレートノズル、２段ノズルＣおよびＤでは中心動圧は低いため、フラックスは溶鋼中に深く進入できないが、フラックスと溶鋼との接触面積は大きくなると推定される。
【００２０】
以上の検討のもと、発明者らは精錬効率の試験を行った。
２．精錬効率への影響
Ａｌ脱酸した溶鋼２ｔ（［Ｃ］＝０．０３％，［Ａｌ］＝０．０５％）にＣａＯ粉体を吹き付けて脱硫を行い、溶鋼中Ｓ濃度の変化を測定した。雰囲気ガスはＡｒ、雰囲気圧力は４０００Ｐａまたは６７０Ｐａとし、溶鋼温度は１８７３Ｋとした。ノズル下端と湯面間の距離は２００ｍｍ〜５００ｍｍとした。前記ラバールノズルＡ、ストレートノズルＢ（出口径７ｍｍ）、および表１に示すＣ〜Ｇまでの２段ノズルを用いた。粉体供給速度は６６０ｇ／ｍｉｎとし、吹き付け時間は３０分とした。キャリアガスとしてＡｒを流量４００ｌ（標準状態）／ｍｉｎ使用した。キャリアガス流量を一定とするため、ノズル前圧力はノズルの種類によって変化させた。
【００２１】
図３は各種ノズルの、（中心動圧×ジェットの広がり面積）の積と、脱硫率との関係を示すグラフである。ここで、ジェットの広がり面積とは、動圧が０．１ｋＰａ以上の領域の面積とした。同図に示すように、ノズルの種類にかかわらず、（中心動圧×広がり面積）の積と、脱硫率とは直線関係にあることがわかる。また、中心動圧の高いラバールノズルや、ジェットの広がりの大きいストレートノズルの脱硫効率は必ずしも高くなく、２段ノズルＦがもっとも高い脱硫率を示すことがわかる。
【００２２】
中心動圧の高いラバールノズルの脱硫率が必ずしも高くない理由は、以下のように考えられる。すなわち、ジェットの広がりの中心付近ではフラックスが溶鋼中に深く進入して溶鋼との反応効率が高くなるものの、その効率は飽和する（反応の平衡状態となる）。一方、中心から少し離れたところでは、フラックスを溶鋼中に進入させるだけのジェットの運動量がなく、フラックスと溶鋼とが十分には反応せず、ジェットの広がりの範囲全体としては反応効率が低下する。
【００２３】
同様に、ストレートノズルの脱硫率が高くならない理由は、以下のように考えられる。すなわち、ジェットの広がりのそれぞれの位置で、ジェットの運動量が小さく、フラックスが溶鋼中に十分な深さまで進入できないため反応効率が低下し、ジェットの広がりは大きいものの、全体としては反応効率が低下する。
【００２４】
ラバールノズルでも、キャリアガス流量条件や、形状寸法の条件を変えれば脱硫率が向上することが考えられるが、ラバールノズルは元来フラックス粉体を溶鋼に深く進入させることを狙ったものであるため、最適ノズル形状は２段ノズルの中から選択することが望ましいと考えられる。
【００２５】
また、図３に示すように、（中心動圧×広がり面積）の積を大きくすれば、脱硫効率が高くなるからといって、ノズル供給圧を大きくしてキャリアガス流量を増加させたり、ノズル−湯面間の距離を大きくすることは、設備費の増大または設備の大幅な改造を要するのみならず、ガスコスト上昇、ランス寿命低下など、通常操業でのコストを悪化させるため、おのずと制限がある。したがって、本発明は、２段ノズルの形状および吹き込み条件を規定することによって、脱硫効率の向上を図るものである。
【００２６】
３．ノズル形状およびガス流速による整理
図３より、２段ノズルの一種が精錬効率に優れており、その中でもジェットの形状すなわち、（中心動圧×広がり面積）の積が脱硫効率に影響する事がわかったが、これら中心動圧や広がりを実際のプロセスで規定するのは実用的でないため、ノズル形状およびキャリアガス条件で整理することを検討した。キャリアガス条件としては、ガス種類、圧力（ノズル前圧力）、雰囲気圧力、流量、流速、ノズル−湯面間距離等があるが、ガス種類はＡｒ(またはＮ2）にほぼ限定され、スロート部の径が決まれば圧力、流量、流速はそれらのいずれかで決まるため、ガス流速で整理し、さらに雰囲気圧力およびノズル−湯面間距離の影響を検討した。
【００２７】
まず、各種のスロート部径ｄ、拡大部径Ｄ、および拡大部長さＬの２段ノズルを用意し、ｄ／Ｄ、Ｌ／ｄ、およびキャリアガス流速（スロート部における標準状態換算流速）について脱硫率を調査した。これらノズルのスロート部径はすべて３ｍｍとした。
【００２８】
図４はガス流速とＬ／ｄとが脱硫率に及ぼす影響を示すグラフである。同図において、●印は脱硫率が９０％未満、○印は脱硫率が９０％以上を示している。同図から、同一流速では、Ｌ／ｄの適正な範囲があることがわかる。この関係は、
0.0012V+0.63≦L/d≦0.002V+2.6              (1)
と表すことができる。ただし、流速の小さいところでは、適正なジェットが形成されないため、あるいは流速が超音速となるとガス挙動が一変するため、
100≦V≦1000                               (3)
の制約を設けた。
【００２９】
図５はガス流速とｄ／Ｄとが脱硫率に及ぼす影響を示すグラフである。同図において図４と同様に●印は脱硫率が９０％未満、○印は脱硫率が９０％以上を示している。
【００３０】
図４と同様に、図５からは、同一流速では、ｄ／Ｄの適正な範囲があることがわかる。この関係は、
0.00015V+0.05≦d/D≦0.00018V+0.32          (2)
と表すことができる。
【００３１】
４．脱炭反応における挙動
次に、Ｃ濃度０．１％の溶鋼２ｔ（［Ａｌ］＜０．００１％）にＦｅ2Ｏ3粉体を吹き付け、脱炭速度を調査した。溶鋼温度は１８７３Ｋ、真空度は１３３０Ｐａ、粉体供給速度は２００ｇ／ｍｉｎで、吹き付け時間は３０分とした。物質収支から、本試験条件では全てのＦｅ2Ｏ3中酸素が溶鋼中Ｃと反応すると脱炭率（＝｛（処理前Ｃ濃度−処理後Ｃ濃度）／処理前Ｃ濃度｝×１００）は６７．５％となる。試験結果を表２に示す。同表のガス流速はラバールのスロート部、本発明の２段ノズルのスロート部で９４３ｍ／ｓである。ラバールノズル（スロート径３ｍｍ、出口径７ｍｍ、ノズル長１８ｍｍ）での脱炭率４３％であったのに対し、太枠内に示す本発明の方法に係るノズル（ｄ＝３ｍｍ）は６１〜６５％と高い脱炭率が得られた。
【００３２】
【表２】
0003654216.tif 000003
【００３３】
５．雰囲気圧力およびノズル−湯面間距離の影響
図６は、雰囲気圧力（背圧）と脱硫率との関係を示すグラフである。同図の試験に用いたノズルは、表１のラバールノズルＡ、ストレートノズルＢ、２段ノズルＦである。キャリアガス流量は４００ｌ（標準状態）／ｍｉｎ、ノズルと湯面間距離は３００ｍｍとした。同図に示すように、雰囲気圧力が１３３〜５３２０Ｐａ（１〜４０Ｔｏｒｒ）の範囲では、各ノズルとも脱硫率に大きな変化は生じない。
【００３４】
図７は、ノズル−湯面間距離と脱硫率との関係を示すグラフである。同図の試験に用いたノズルは、雰囲気圧力（背圧）と脱硫率との関係を試験した場合と同様のノズルである。キャリアガス流量は４００ｌ（標準状態）／ｍｉｎ、雰囲気圧力は１３３０Ｐａである。同図に示すように、各ノズルともにノズル−湯面間距離が大きくなると、脱硫率は若干変化するが、ノズル相互の優劣関係は変わらない。
【００３５】
本実験は縮尺スケールの実験であり、本実験の、ｄ＝３ｍｍ、ガス流量４００ｌ（標準状態）／ｍｉｎ等の条件は、ｄ＝３０ｍｍ、ガス流量４０ｍ3／ｍｉｎで操業する大型生産設備の１／１０スケールモデルとなる。したがって、図７に示すノズル−湯面間距離１００〜６００ｍｍは実際の生産設備の１．０〜６．０ｍに相当する。
６．プロセスへの適用形態
本発明によるノズルを有したランスをＲＨ式真空脱ガス装置で用いる場合を例に説明する。
【００３６】
脱炭等の処理を施した溶鋼を取鍋内へ出鋼し、ＲＨ装置にて真空槽内を減圧し、溶鋼を吸い上げると同時に浸漬管内からガスを吹き込み溶鋼を環流させる。
ＲＨ真空槽内に垂直に設置したランスに本発明に係るノズルを用い、真空槽内溶鋼表面にキャリアガスとともに精錬用フラックス粉を吹き付ける。ノズル形状は設備のガス供給能力によるガス流量に応じて、ｄ、ＤおよびＬを本発明の規定する条件に従い決定する。
【００３７】
キャリアガス流量（標準状態換算）は、０．０２〜０．１６ｍ3／（ｍｉｎ・溶鋼ｔ）が望ましい。０．０２ｍ3／（ｍｉｎ・溶鋼ｔ）未満では粉体供給速度が遅くなり、処理時間が長くなる。一方、０．１６ｍ3／（ｍｉｎ・溶鋼ｔ）を超えるとスプラッシュが激しくなり、地金付着などの操業上の問題が生じる。
【００３８】
ノズル下端と真空槽内溶鋼湯面の距離Ｈは、Ｈ／ｄ（−）を３０〜１５０とするよう、決定するのが望ましい。Ｈ／ｄが３０未満ではノズルが溶鋼に近すぎてスプラッシュが激しくなる。Ｈ／ｄが１５０を超えると、真空槽が小さい場合には粉体が真空槽内側壁に直接衝突する場合がある。
【００３９】
粉体の供給速度は０．５〜３ｋｇ／（ｍｉｎ・溶鋼ｔ）が望ましい。０．５ｋｇ／（ｍｉｎ・溶鋼ｔ）未満では処理時間が長くなり、３ｋｇ／（ｍｉｎ・溶鋼ｔ）を超えるとスプラッシュが激しくなる。
【００４０】
フラックス粉体はＣａＯ、ＣａＯ−Ａｌ2Ｏ3、ＣａＯ−ＣａＦ2、ＣａＯ−ＭｇＯ、ＣａＯ−Ｃａ合金、ＣａＯ−Ａｌ合金、Ｆｅ2Ｏ3など精錬目的に応じた酸化物、酸化物の混合物、酸化物とフッ化物との混合物、酸化物と金属の混合物などいかなる種類でもよい。
【００４１】
【実施例】
転炉で脱炭した溶鋼２５０ｔを取鍋内に出鋼し、ＲＨ式真空脱ガス装置で減圧下、溶鋼を環流させ、合金等を添加し、表３に示す成分に調整した。
【００４２】
【表３】
0003654216.tif 000004
【００４３】
成分調整後、各種のノズルを装着したランスを用い、減圧下、溶鋼表面にＣａＯ粉体（１００メッシュアンダー）をＡｒガスとともに吹き付けた。表４に本実施例に用いたノズルの寸法を示す。同表のノズル種類が２段−１〜１７が２段ノズルである。これら２段ノズルのスロート部径ｄはすべて０．０３ｍとした。またストレートノズル、ラバールノズルを用いた比較試験を行った。ラバールノズルはスロート径０．０３ｍ、出口径０．０６ｍ、ノズル長さ０．１８ｍであり、ストレートノズルは出口径０．０７ｍである。
【００４４】
ＣａＯ粉体供給速度は１ｋｇ／（ｍｉｎ・溶鋼ｔ）とし１０分間吹き付けた。Ａｒ流量は４２０ｍ3（標準状態）／ｈｒ、雰囲気圧力は１３３０Ｐａ、処理前Ｓ濃度は２５〜４０ｐｐｍ、ノズル−湯面間距離は２．５ｍであった。２段−１〜２段−１７のノズルではスロート部径ｄを一定としているため、ガス流速は１６５ｍ／ｓである。本発明の範囲のＬ／ｄは０．８３〜２．９（−）、ｄ／Ｄは０．０７〜０．３５（−）となる。
吹き付けによる脱硫率を表４にあわせて示す。
【００４５】
【表４】
0003654216.tif 000005
【００４６】
本発明方法に従った場合は、９０％程度の脱硫率が得られているが、本発明方法に従わない場合は５０〜６０％の脱硫率となった。またストレートノズル、ラバールノズルを用いた場合も５０〜６５％の脱硫率となった。
【００４７】
【発明の効果】
本発明の減圧精錬方法により、減圧下粉体上吹き精錬の反応効率を著しく高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に用いた２段ノズルの形状を模式的に示す縦断面図である。
【図２】ジェットのノズル軸中心からの距離と、動圧との関係を示すグラフである。
【図３】各種ノズルの（中心動圧×ジェットの広がり面積）の積と、脱硫率との関係を示すグラフである。
【図４】ガス流速とＬ／ｄとが脱硫率に及ぼす影響を示すグラフである。
【図５】ガス流速とｄ／Ｄとが脱硫率に及ぼす影響を示すグラフである。
【図６】雰囲気圧力（背圧）と脱硫率との関係を示すグラフである。
【図７】ノズル−湯面間距離と脱硫率との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１：ランス
２：ノズル
３：スロート部
４：拡大部
【図１】
0003654216.tif 000006
【図２】
0003654216.tif 000007
【図３】
0003654216.tif 000008
【図４】
0003654216.tif 000009
【図５】
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【図６】
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【図７】
0003654216.tif 000012