(57)【要約】【課題】  上吹きランスから気体酸素と液体酸素とを転炉内に供給して溶銑の脱炭精錬を行う際に、液体酸素による溶湯の冷却を抑制しつつ、ダスト及びスプラッシュの発生量を抑制することのできる上吹きランスを提供する。【解決手段】  本発明の上吹きランス１は、気体酸素用流路と液体酸素用流路とを有し、気体酸素用流路を介して供給される気体酸素と液体酸素用流路を介して供給される液体酸素との混合物を、酸素噴射ノズル９から噴出するように構成された上吹きランスであって、液体酸素用流路の先端部に、気体酸素用流路に開口し、気体酸素用流路から供給される気体酸素中に液体酸素の液滴１６を噴霧し、噴霧した液滴が酸素噴射ノズルの出口までは液体の状態で且つ酸素噴射ノズルの出口以降で気化するように、噴霧する液滴の粒径を調整するスプレーノズル１０が設置されている。【選択図】            図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体酸素用流路と液体酸素用流路とを独立して有し、前記気体酸素用流路を介して供給される気体酸素と前記液体酸素用流路を介して供給される液体酸素との混合物を、上吹きランスの先端に設置される酸素噴射ノズルから噴出するように構成された、転炉吹錬に用いられる上吹きランスであって、
前記液体酸素用流路の先端部に、前記気体酸素用流路に開口し、前記気体酸素用流路から供給される気体酸素中に液体酸素の液滴を噴霧し、噴霧した液滴が前記酸素噴射ノズルの出口までは液体の状態で且つ前記酸素噴射ノズルの出口以降で気化するように、噴霧する液滴の粒径を調整するスプレーノズルが設置されていることを特徴とする上吹きランス。
【請求項２】
請求項１に記載の上吹きランスを用い、前記酸素噴射ノズルから噴出する液体酸素の液滴が溶湯浴面に到着する以前に気化するように、前記スプレーノズルから噴霧する液滴の粒径を調整して、前記酸素噴射ノズルから気体酸素と液体酸素の液滴との混合物を溶湯浴面に向けて供給し、溶銑を脱炭精錬することを特徴とする転炉精錬方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、転炉脱炭精錬でのダスト及びスプラッシュの発生量を抑制して鉄歩留りを向上させることができると同時に、酸素供給速度を高めた高速吹錬を行うことができる上吹きランスに関し、また、この上吹きランスを用いた転炉精錬方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
上吹き転炉や不活性ガス底吹き攪拌式の上底吹き転炉では、精錬用酸素の全て或いは大部分を上吹きランスから供給して溶銑の脱炭精錬を行っている。この脱炭精錬では、上吹きランスから酸素吹錬して行う脱炭時間が精錬時間の多くを占めており、脱炭時間を短縮させて、効率的で生産性の高い転炉脱炭精錬方法を確立することが望まれている。
【０００３】
転炉での脱炭精錬では、炉内の溶湯中の炭素濃度がおよそ０．６質量％以上の高炭素域の範囲では、つまり、吹錬末期の低炭素域を除いて、供給される酸素はほぼ全量脱炭反応に費やされ、脱炭反応速度は酸素供給律速であるので、上吹きランスからの酸素供給速度を増加させることで高速吹錬が可能となる。尚、転炉での脱炭精錬では溶銑は脱炭されて溶鋼に溶製されるが、脱炭精錬の途中の段階で溶銑と溶鋼とを区別して表示することは煩雑であるのみならず困難であるので、ここでは溶銑及び溶鋼をまとめて「溶湯」と記す。
【０００４】
しかし、酸素供給速度を増加すると、上吹きランスの酸素噴射ノズルからの酸素ガス噴流（「酸素ジェット」と呼ぶ）のエネルギーが高くなり、溶湯と酸素ジェットとの衝突により、溶湯浴からの液滴の飛散（以下、「スプラッシュ」と記す）やダスト（微粉の金属鉄や酸化鉄及び微粉のスラグ）の発生量が増加し、鉄歩留りの低下や炉壁及び上吹きランスへのスプラッシュ地金の付着による操業トラブルが問題となる。
【０００５】
従来、上吹きランスから噴射される酸素ジェットのエネルギーを低下する手段として、酸素噴射ノズルの孔数の増加やノズル断面積の増加、或いは、ランス高さ（上吹きランス先端から静止状態の溶湯面までの距離）の増加が行われてきた。しかし、上吹きランスのサイズやその他付帯設備の構造上の制約から、ノズル孔数や断面積の増加には自ずと限度があり、抜本的な対策は採ることができない。また、ランス高さの増加は、高二次燃焼化による炉体耐火物の溶損の増加、並びに、脱炭酸素効率の低下が懸念され、この手法も有効な対策にはなり得ない。
【０００６】
そこで、高い酸素供給速度を維持しつつ、スプラッシュ及びダストの発生量を抑えることを目的として、特許文献１には、上吹きランスから気体酸素と液体酸素との混合物を溶湯表面に吹き付けて行う転炉吹錬方法が提案されている。
【０００７】
特許文献１によれば、脱炭用酸素源として液体酸素を併用することで酸素供給速度を高くしても酸素ジェットのエネルギーは高くならず、また、液体酸素によって火点（酸素ジェットの溶湯への衝突面）が冷やされて火点の温度が低下するので、スプラッシュ及びダストの発生量が抑制されるとしている。
【０００８】
従来、スプラッシュ及びダストの発生メカニズムとして、以下の２つが挙げられている。（１）酸素供給により火点が高温になりＦｅが燃えてダストとなる、（２）酸素ジェットの圧力で溶湯が水しぶきのように飛び散り（この現象を「スピッティング」という）、スプラッシュ及びダストとなる。
【０００９】
特許文献１に提案される手法は、上記（１）、（２）の発生メカニズムに照らし合わせても妥当な方法であり、スプラッシュ及びダストの発生量は大幅に抑制されるが、液体酸素で火点を冷却しているので、溶鋼の温度が低下するという問題、つまり、従来と同一の条件で操業を行った場合には、転炉終点の溶鋼温度が低下するという問題が発生する。この問題を解決するためには、転炉脱炭精錬において冷却材として機能する鉄スクラップや鉄鉱石の使用量を下げざるを得ず、更にはフェロシリコンなどの発熱材の添加が必要になることも発生し、原料面から見た場合には効率的な精錬方法とはいえず、この点で改善の余地がある。また、溶湯浴面に到着した液体酸素は瞬間的に気体酸素になると考えられ、この液体酸素のガス化に伴ってスプラッシュ及びダストが発生するという虞もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平８−１９９２２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、上吹き転炉や不活性ガス底吹き攪拌式の上底吹き転炉を用い、上吹きランスから気体酸素と液体酸素とを転炉内に供給して溶銑の脱炭精錬を行う際に、液体酸素による溶湯の冷却を抑制しつつ、ダスト及びスプラッシュの発生量を抑制して鉄歩留りを向上させることができると同時に、酸素供給速度を高めた高速吹錬を行うことのできる上吹きランスを提供することであり、また、この上吹きランスを用いた転炉精錬方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するための本発明の要旨は以下のとおりである。
［１］気体酸素用流路と液体酸素用流路とを独立して有し、前記気体酸素用流路を介して供給される気体酸素と前記液体酸素用流路を介して供給される液体酸素との混合物を、上吹きランスの先端に設置される酸素噴射ノズルから噴出するように構成された、転炉吹錬に用いられる上吹きランスであって、前記液体酸素用流路の先端部に、前記気体酸素用流路に開口し、前記気体酸素用流路から供給される気体酸素中に液体酸素の液滴を噴霧し、噴霧した液滴が前記酸素噴射ノズルの出口までは液体の状態で且つ前記酸素噴射ノズルの出口以降で気化するように、噴霧する液滴の粒径を調整するスプレーノズルが設置されていることを特徴とする上吹きランス。
［２］上記［１］に記載の上吹きランスを用い、前記酸素噴射ノズルから噴出する液体酸素の液滴が溶湯浴面に到着する以前に気化するように、前記スプレーノズルから噴霧する液滴の粒径を調整して、前記酸素噴射ノズルから気体酸素と液体酸素の液滴との混合物を溶湯浴面に向けて供給し、溶銑を脱炭精錬することを特徴とする転炉精錬方法。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、上吹きランスの酸素噴射ノズルから噴射される液体酸素の液滴が、酸素噴射ノズルの出口までは液滴の状態で、且つ、酸素噴射ノズルの出口以降で直ちに気化するように、液体酸素の液滴の粒径をスプレーノズルによって制御するので、液体酸素は火点に直接接触せず、液体酸素が火点に直接接触することに起因する火点の温度低下、つまり、溶湯の温度低下を抑制することができる。また、液体酸素が火点で瞬間的に気体酸素になる際に発生するスプラッシュ及びダストを未然に防止することができる。また更に、液体酸素が火点に直接接触することはないものの、液体酸素の気化による抜熱で火点の温度は気体酸素のみを使用した場合に比較して低下し、且つ、液体酸素を併用することで酸素ジェットのエネルギーは低下するので、酸素供給速度を高めた高速吹錬であってもダスト及びスプラッシュの発生量を抑制することが実現される。つまり、ダスト及びスプラッシュの発生量を抑制した状態で高速吹錬を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る上吹きランスの概略断面図である。
【図２】総酸素量とスプラッシュ発生量との関係を示す図である。
【図３】総酸素量と吹錬終了時での溶鋼温度の関係を示す図である。
【図４】総酸素量とダスト発生量との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、添付図面を参照して本発明を具体的に説明する。図１は、本発明に係る上吹きランスの概略断面図である。
【００１６】
上吹きランス１は、円筒状のランス本体２と、このランス本体２の下端に溶接などにより接続された銅鋳物製のランスチップ３とで構成されており、ランス本体２は、最内管１１、内管１２、中管１３、外管１４の同心円形状の４種の鋼管、即ち４重管で構成されている。最内管１１の内部が液体酸素を通すための液体酸素用流路で、最内管１１と内管１２との間隙が気体酸素を通すための気体酸素用流路で、内管１２と中管１３との間隙及び中管１３と外管１４との間隙が、冷却水の給水流路または排水流路となっている。内管１２と中管１３との間隙及び中管１３と外管１４との間隙のうちの一方が給水流路で、他方が排水流路であり、どちらを給水流路としても構わない。
【００１７】
銅鋳物製のランスチップ３は一体構造であり、ランスチップ３の中心部には、上下が開口し、上面及び下面が円環状で、内面が円筒状であるスプレーノズル装着部４が設けられている。また、このスプレーノズル装着部４の周囲には円筒状突出部５が設けられ、また、この円筒状突出部５の周囲には円筒状突出部６が設けられ、また更に、円筒状突出部６の周囲には円筒状突出部７が設けられている。
【００１８】
スプレーノズル装着部４の下方には、ランスチップ３の円周方向につながる空間部８が形成されており、この空間部８の下方には、空間部８からランスチップ３の先端面へ向けて開口する酸素噴射ノズル９が、ランスチップ３の軸心位置を中心として同一円周上に複数個設置されている。また、スプレーノズル装着部４の内面側には、スプレーノズル１０が、スプレーノズル１０の下面が空間部８に面するように取り付けられている。スプレーノズル１０のスプレーノズル装着部４への取り付けは、ネジによる方法、テーパーを付けて嵌合させる方法、溶接による方法などの適宜の方法で行われる。
【００１９】
最内管１１の下端は、スプレーノズル装着部４の円筒状の上端部と接続され、内管１２の下端は、空間部８の周囲の円筒状突出部５と接続され、中管１３の下端は円筒状突出部６と接続され、外管１４の下端は円筒状突出部７と接続されている。これにより、スプレーノズル装着部４の内面側は、液体酸素を通すための液体酸素用流路の一部となり、同様に、空間部８は、気体酸素を通すための気体酸素用流路の一部となっている。
【００２０】
つまり、最内管１１と内管１２との間隙を通って供給される気体酸素が空間部８を経由して各酸素噴射ノズル９に導入され、各酸素噴射ノズル９の先端（出口）から外部に向かって噴出され、且つ、その際に、最内管１１の内部を通って供給される液体酸素が、スプレーノズル１０を介して空間部８に噴霧されて液滴となり、空間部８で、液体酸素の液滴と気体酸素とが混合され、液体酸素の液滴と気体酸素との混合物が酸素噴射ノズル９の先端から噴出するように構成されている。また、円筒状突出部５と円筒状突出部６との間隙と、円筒状突出部６と円筒状突出部７との間隙とは、互いにつながっており、冷却水がランスチップ３の位置で反転できるように構成されている。尚、図１において、符号１５は酸素噴射ノズル９から噴出される酸素ジェット（酸素噴流）、１６は液体酸素の液滴である。また、酸素噴射ノズル９は、その断面が縮小する部分と拡大する部分の２つの円錐体で構成される所謂「ラバールノズル」で構成されている。
【００２１】
このように構成される上吹きランス１を用い、上吹きランス１から転炉内の溶銑に向けて気体酸素（工業用純酸素）を噴き付けて転炉内の溶銑の脱炭精錬を行う。気体酸素への液体酸素の混合は、脱炭精錬の全期間で行うことは必須ではなく、ダスト及びスプラッシュの発生量の多い期間に限って行っても構わない。
【００２２】
本発明では、液体酸素の液滴１６が、酸素噴射ノズル９の出口までは液体のまま存在し、酸素ジェット１５が溶湯表面に到着するまでに酸素ジェット１５の内部で気化するように、スプレーノズル１０から噴霧する液体酸素の液滴１６の粒径を制御する。これは、液滴１６が、空間部８及び酸素噴射ノズル９の内部で気化すると、大量の気体酸素を酸素噴射ノズル９から噴射する場合と同様な形態となり、つまり、酸素噴射ノズル９からの酸素ジェット１５のエネルギーが高くなり、ダスト及びスプラッシュの発生量の抑制が困難になるからである。
【００２３】
酸素ジェット中で液体酸素が気化する位置は、液体酸素の液滴１６の粒径に大きく依存する。つまり、液滴１６の粒径が大きい場合は、気化しにくく、液滴１６が溶湯表面に達してしまうので、このようなことが起こらないように、液滴１６の粒径を調整する。
【００２４】
スプレーノズル１０から噴霧される液体酸素の液滴１６の粒径は、スプレーノズル１０の内部に装着されるコアの形状及びスプレーノズル１０のオリフィス径（出口径）に依存するので、本発明では、液滴１６の粒径の制御を、コア形状の変更またはオリフィス径の変更により実施する。
【００２５】
また、操業時、上吹きランス１のランス高さを変更する場合には、スプレーノズル１０を交換する、或いは、異なる形状のスプレーノズル１０を備えた上吹きランス１に交換して液滴１６の粒径を制御し、液滴１６の気化を適切に調整することが好ましい。この場合、ランス高さが大きい場合は、溶湯に到着するまでの時間が長くなることから液滴１６の粒径を相対的に大きくすることができ、逆に、ランス高さを小さくする場合には、液滴１６の粒径を相対的に小さくする。
【００２６】
液滴１６の粒径が大きい場合には、酸素噴射ノズル９から噴出された酸素ジェット中の液体酸素の一部は気化されずに、液滴の状態で溶湯表面に達し、このような状態では、高速吹錬は可能であるものの、溶湯表面での液滴の気化熱により溶湯の温度低下が大きくなり、且つ、溶湯表面に達する液滴により、溶湯表面での液滴の急激な気化に起因するスプラッシュが発生するが、本発明ではこのような現象は、未然に防止され、発生することがない。
【００２７】
尚、本発明者らは、スプレーノズル１０を使用しない場合には、液体酸素を噴射する孔径（ストレート状の孔）を小さくしても、液滴１６の粒径は大きく且つ不均一になることを確認している。
【００２８】
以上説明したように、本発明によれば、上吹きランス１の酸素噴射ノズル９から噴射される液体酸素の液滴が、酸素噴射ノズル９の出口までは液滴の状態で、且つ、酸素噴射ノズル９の出口以降で直ちに気化するように、液体酸素の液滴１６の粒径をスプレーノズル１０によって制御するので、液体酸素は火点に直接接触せず、液体酸素が火点に直接接触することに起因する火点の温度低下、つまり、溶湯の温度低下を抑制することができる。また、液体酸素が火点で瞬間的に気体酸素になる際に発生するスプラッシュ及びダストを未然に防止することができる。また更に、液体酸素が火点に直接接触することはないものの、液体酸素の気化による抜熱で火点の温度は気体酸素のみを使用した場合に比較して低下し、且つ、液体酸素を併用することで酸素ジェット１５のエネルギーは低下するので、酸素供給速度を高めた高速吹錬であってもダスト及びスプラッシュの発生量を抑制することが実現される。
【実施例】
【００２９】
以下、本発明による転炉精錬方法（本発明例１〜３）を比較例１〜５と対比して示す。溶銑収容量が４トンの実験用転炉を用いて溶銑の脱炭精錬試験を行った。本発明例１〜３では、図１に示す構成の上吹きランスを使用して気体酸素と液体酸素とを併用し、一方、比較例１、２では、従来の上吹きランスを用いて気体酸素のみを使用し、比較例３〜５では、特許文献１に提案される、スプレーノズルを具備していない上吹きランスを用いて気体酸素と液体酸素とを併用した。上吹きの気体酸素量は１〜３Ｎｍ3／(min・t-溶鋼)であり、液体酸素量は気体酸素換算で０〜１．５Ｎｍ3／(min・t-溶鋼)とした。また、ランス高さは全ての試験で０．５ｍとした。
【００３０】
この条件で酸素吹錬を実施したときのスプラッシュ発生量、ダスト発生量、及び吹錬終了時での溶鋼温度を比較した。スプラッシュ発生量は、転炉内壁に付着した地金の量で調査した。表１に、本発明例及び比較例における操業条件並びに調査結果を示す。スプラッシュ発生量及びダスト発生量は、比較例１における調査結果を基準として指数化して表示している。
【００３１】
【表１】
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【００３２】
図２に、総酸素量（気体酸素量＋液体酸素量）とスプラッシュ発生量との関係を示す。図２に示すように、酸素供給速度（総酸素量）が増加しても、本発明例１〜３では比較例１〜５よりもスプラッシュ発生量が少なくなることが確認できた。本発明例１〜３に比較して比較例３〜５でスプラッシュ発生量が多い理由は、比較例３〜５では、液滴が火点で瞬間的に気化する際に発生するスプラッシュが多いことに起因すると考えられる。
【００３３】
図３に、総酸素量（気体＋液体酸素量）と吹錬終了時での溶鋼温度の関係を示す。ここで、溶鋼温度は比較例１での吹錬終了時での溶鋼温度をベースとして、その温度からの差として比較している。図３より、本発明例１〜３及び気体酸素のみを使用した比較例１、２での吹錬終了時での溶鋼温度は同等であるが、液体酸素の液滴径を制御していない比較例３〜５では、吹錬終了時での溶鋼温度が低下し、また、液体酸素の使用量が増加するに伴ってその傾向が大きくなった。これは、比較例３〜５ではスプレーノズルを設置していないので、液体酸素の液滴径が大きくなり、液体酸素の液滴が火点に到達し、液体酸素が溶湯表面上で気化したことに起因する。
【００３４】
図４に、総酸素量（気体＋液体酸素量）とダスト発生量との関係を示す。液体酸素を使用した本発明例１〜３及び比較例３〜５では、気体酸素のみを使用した比較例１、２よりもダスト発生量が低減した。また、本発明例１〜３と比較例３〜５とを比較すると、本発明例１〜３の方が若干ダスト発生量は多くなるものの、上述のように本発明例１〜３ではスプラッシュ発生量が少ないので、トータルの鉄歩留りが向上した。
【００３５】
尚、図１に示す構成の上吹きランスを用いて行う酸素吹錬は、脱炭精錬の全期間にわたることは必要なく、一時期であっても十分な効果が得られる。
【００３６】
このように、液体酸素用流路の先端部にスプレーノズルを設置することにより、液体酸素の液滴の粒径が制御され、上吹きランスの酸素噴射ノズルの出口までは気液混合状態で酸素を噴出させ、酸素噴射ノズル出口以降で液体酸素を気化することにより、転炉での脱炭精錬時のダスト並びにスプラッシュの発生量を抑制して鉄歩留り向上させて、効率的な高速吹錬が達成される。
【符号の説明】
【００３７】
１  上吹きランス
２  ランス本体
３  ランスチップ
４  スプレーノズル装着部
５  円筒状突出部
６  円筒状突出部
７  円筒状突出部
８  空間部
９  酸素噴射ノズル
１０  スプレーノズル
１１  最内管
１２  内管
１３  中管
１４  外管
１５  酸素ジェット
１６  液滴
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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