(57)【要約】 【課題】容器内において発生したガスの２次燃焼率を向上させることができ、副ノズルの周りの溶損を抑えることのできるランス及びこれを用いた操業方法を提供する。【解決手段】本発明は、ノズル部と内部空間からなり、容器の内部に突出して原料ガスを吹き込むランスであって、前記ノズル部は、前記原料ガスが通過する内部空間を含むノズル壁体と、前記内部空間と連通し、前記ノズル壁体の底部を貫通して前記容器内部に前記原料ガスを噴き出す主ノズルと、前記内部空間と連通し、前記ノズル壁体下部の円周方向に位置して前記ノズル壁体を貫通して形成される副ノズルと、からなり、前記副ノズルは、前記ノズル部の幅方向の中心を通る幅方向の延長線と交差するように設けられていることを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズル部と内部空間からなり、容器の内部に突出して原料ガスを吹き込むランスであって、
前記ノズル部は、
前記原料ガスが通過する内部空間を含むノズル壁体と、
前記内部空間と連通し、前記ノズル壁体の底部を貫通して前記容器内部に前記原料ガスを噴き出す主ノズルと、
前記内部空間と連通し、前記ノズル壁体下部の円周方向に位置して前記ノズル壁体を貫通して形成される副ノズルと、
からなり、
前記副ノズルは、前記ノズル部の幅方向の中心を通る幅方向の延長線と交差するように設けられていることを特徴とするランス。
【請求項２】
前記副ノズルは、前記ノズル壁体の水平面上において、前記副ノズルの流入口から前記流入口に流入した原料ガスが排出される排出口に延びた副ノズルの延長線が前記幅方向の延長線に対して交差するように形成されることを特徴とする請求項１に記載のランス。
【請求項３】
前記副ノズルの延長線と幅方向の延長線とがなす角度は、５°〜３０°であることを特徴とする請求項２に記載のランス。
【請求項４】
前記副ノズルは、前記副ノズルの延長線が前記ノズル部の上下方向の延長線と交差するように延設されることを特徴とする請求項３に記載のランス。
【請求項５】
前記副ノズルは、前記副ノズルの延長線と上下方向の延長線とがなす角度が、１０°〜４０°であることを特徴とする請求項４に記載のランス。
【請求項６】
前記副ノズルは、原料ガスを超音速で吹き込むように設計されることを特徴とする請求項２乃至請求項５のいずれか一項に記載のランス。
【請求項７】
前記排出口の直径は、前記流入口と排出口との間に対応する前記副ノズルの内部の直径に比べて大きいことを特徴とする請求項６に記載のランス。
【請求項８】
前記副ノズルは、前記ノズル壁体の円周方向に互いに隔設されて３個〜６個設けられることを特徴とする請求項７に記載のランス。
【請求項９】
前記主ノズルは、前記内部空間と連通される前記主ノズルの流入口から前記原料ガスが排出される前記主ノズルの排出口に延びる主ノズルの延長線が前記上下方向の延長線に対して交差するように形成されることを特徴とする請求項２乃至請求項５のいずれか一項に記載のランス。
【請求項１０】
前記主ノズルの延長線と上下方向の延長線とがなす角度は、０°〜２０°であることを特徴とする請求項９に記載のランス。
【請求項１１】
溶銑を精錬する操業方法であって、
容器内に前記溶銑を注入する過程と、
前記溶銑の上にランスを配置する過程と、
前記ランスに原料ガスを供給して、前記溶銑の上に前記ランスの主ノズルを介して前記原料ガスを噴射する過程と、
前記主ノズルの上側に位置する副ノズルを介して、前記ランスの水平面に対して交差する方向に原料ガスを通過させて噴射する過程と、
を含むことを特徴とする操業方法。
【請求項１２】
前記副ノズルを介して、前記ランスの水平面に対して交差する方向に原料ガスを通過させて噴射する過程において、
前記原料ガスは、前記ランスの幅方向の中心を通る幅方向の延長線に対して交差する方向に前記副ノズルを通過して噴射されることを特徴とする請求項１１に記載の操業方法。
【請求項１３】
前記副ノズルを通過して噴射される原料ガスは、前記ランスの上下方向の延長線と交差する方向に前記副ノズルを通過して噴射されることを特徴とする請求項１２に記載の操業方法。
【請求項１４】
前記副ノズルの内部を通過する原料ガスは、前記ランスの前記上下方向の延長線に対して１０°〜４０°、前記幅方向の延長線に対して５°〜３０°になるように通過することを特徴とする請求項１２に記載の操業方法。
【請求項１５】
前記副ノズルの内部を通過する原料ガスが超音速で吹き込まれることを特徴とする請求項１４に記載の操業方法。
【請求項１６】
前記主ノズルの内部を、原料ガスは、前記ランスの上下方向の延長線に対して２０°以下になるように通過することを特徴とする請求項１３に記載の操業方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ランス及びこれを用いた操業方法に係り、より詳しくは、容器内の温度が確保され易く、しかも、寿命が長いランス及びこれを用いた操業方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、転炉においては、溶銑中に酸素を供給して溶銑中に含まれているＣ（炭素）、Ｓｉ（ケイ素）、Ｍｎ（マンガン）などを酸化させて溶銑を製造し、これらの成分の酸化過程において発生する熱により溶銑の温度は自体的に上昇する。このとき、一般に、溶銑それ自体から発生する熱を用いて操業可能なスクラップの比率は、約２０％である。
このため、スクラップの装入比率を増やそうとする場合には、酸素と反応して熱を発生させる物質例えば、Ｓｉ（ケイ素）又はＣ（炭素）を溶銑内に添加する方法が用いられている。
他の方法としては、転炉内において行われる脱炭精錬に際して発生するＣＯガスを酸素ともう一回反応させて、ＣＯ２に変化させるときに発生する２次燃焼熱を用いる方法が挙げられる。
このように、２次燃焼熱を発生させるための方法としては、ランスノズルに、溶銑の精錬のための主孔（Ｍａｉｎ−ｈｏｌｅ）に加えて、２次燃焼用酸素が噴き出せるように副孔（Ｓｕｂ−ｈｏｌｅ）を設けることが日本国公開特許１９９５−１３８６３１号公報に開示されている。
【０００３】
しかしながら、たとえ２次燃焼のために副孔を設けても、２次燃焼率が満足できるほど向上しなかった。なお、副孔を有していない通常のランスは、使用回数が２００回〜３００回であるが、副孔を有するランスは使用可能な回数が１００回以下であり、寿命が非常に短いという問題がある。
また、２次燃焼率の向上のために、主孔の延長方向に対して所定の角度で傾くように副孔の形状を変更したが、このような副孔の変更にも拘わらず、ランスの安定的な使用回数は確保できなかった。
その理由は、次の通りである。即ち、主孔が、溶銑の湯面から約１．５ｍ以上の高さから精錬を目的に酸素を噴き出し、これにより形成されたメインジェット（ｍａｉｎ  ｊｅｔ）が湯面と衝突する。しかし、メインジェットが湯面と衝突し上部に方向を切り換えるとき、２次燃焼を目的に副孔から噴き出す酸素の補助ジェット（ｓｕｂ  ｊｅｔ）の流れと干渉する問題が発生するためである。この理由により、補助ジェットは真っ直ぐに伸びず、再び副孔に向かって逆火する現象が発生してランスノズルに熱的損傷を発生させランスノズルの寿命が短くなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０７−１３８６３１号公報
【特許文献２】大韓民国登録実用新案公報第０１９８９１５号
【特許文献３】大韓民国公開特許公報第２０１１−００３１５３３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的とするところは、容器内において発生したガスの２次燃焼率を向上させることのできるランス及びこれを用いた操業方法の提供にある。
また、副ノズルの周りの溶損を抑えることのできるランス及びこれを用いた操業方法の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、ノズル部と内部空間からなり、容器の内部に突出して原料ガスを吹き込むランスであって、
前記ノズル部は、
前記原料ガスが通過する内部空間を含むノズル壁体と、
前記内部空間と連通し、前記ノズル壁体の底部を貫通して前記容器内部に前記原料ガスを噴き出す主ノズルと、
前記内部空間と連通し、前記ノズル壁体下部の円周方向に位置して前記ノズル壁体を貫通して形成される副ノズルと、
からなり、
前記副ノズルは、前記ノズル部の幅方向の中心を通る幅方向の延長線と交差するように設けられていることを特徴とする。
【０００７】
前記副ノズルは、前記ノズル壁体の水平面上において、前記副ノズルの流入口から前記流入口に流入した原料ガスが排出される排出口に延びた副ノズルの延長線が前記幅方向の延長線に対して交差するように形成されることを特徴とする。
【０００８】
前記副ノズルの延長線と幅方向の延長線とがなす角度は、５°〜３０°であることを特徴とする。
【０００９】
前記副ノズルは、前記副ノズルの延長線が前記ノズル部の上下方向の延長線と交差するように延設されることを特徴とする。
【００１０】
前記副ノズルは、前記副ノズルの延長線と上下方向の延長線とがなす角度が、１０°〜４０°であることを特徴とする。
【００１１】
前記副ノズルは、原料ガスを超音速で吹き込むように設計されることを特徴とする。
【００１２】
前記流入口と排出口との間に対応する前記副ノズルの内部の直径に比べて、前記排出口の直径が大きいことを特徴とする。
【００１３】
前記副ノズルは、前記ノズル壁体の円周方向に互いに隔設されて３個〜６個設けられることを特徴とする。
【００１４】
前記主ノズルは、前記内部空間と連通される前記主ノズルの流入口から前記原料ガスが排出される前記主ノズルの排出口に延びる主ノズルの延長線が前記上下方向の延長線に対して交差するように形成されることを特徴とする。
【００１５】
前記主ノズルの延長線と上下方向の延長線とがなす角度が、０°〜２０°であることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明は、溶銑を精錬する操業方法であって、
容器内に前記溶銑を注入する過程と、
前記溶銑の上にランスを配置する過程と、
前記ランスに原料ガスを供給して、前記溶銑の上に前記ランスの主ノズルを介して前記原料ガスを噴射する過程と、
前記主ノズルの上側に位置する副ノズルを介して、前記ランスの水平面に対して交差する方向に原料ガスを通過させて噴射する過程と、
を含むことを特徴とする。
【００１７】
前記副ノズルを介して、前記ランスの水平面に対して交差する方向に原料ガスを通過させて噴射する過程において、
前記原料ガスは、前記ランスの幅方向の中心を通る幅方向の延長線に対して交差する方向に前記副ノズルを通過して噴射されることを特徴とする。
【００１８】
前記副ノズルを通過して噴射される原料ガスは、前記ランスの上下方向の延長線と交差する方向に前記副ノズルを通過して噴射されることを特徴とする。
【００１９】
前記副ノズルの内部を通過する原料ガスは、前記ランスの前記上下方向の延長線に対して１０°〜４０°、前記幅方向の延長線に対して５°〜３０°になるように通過することを特徴とする。
【００２０】
前記副ノズルの内部を通過する原料ガスが超音速で吹き込まれることを特徴とする。
【００２１】
前記主ノズルの内部を、原料ガスは、前記ランスの上下方向の延長線に対して２０°以下になるように通過することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、副ノズルは、主ノズルの上側に位置して、上下方向の延長線に対して交差するように形成されることにより、メインジェットの周りに補助ジェットが形成される。また、副ノズルが幅方向の延長線に対して交差するように延設されることにより、旋回流状に補助ジェットが形成される。更に、補助ジェットの旋回流によりＣＯガスとの接触率又は接触機会が増え、これにより、ＣＯの２次燃焼率が上がるという効果がある。したがって、外部から別の熱源を追加しないで、２次燃焼を通じて熱源を十分に確保することができる。
加えて、副ノズルを超音速ノズルタイプに設計することにより、副ノズルの周りの溶損を低減させてランスの寿命を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施形態による転炉操業工程を概略的に示す図。
【図２】本発明の実施形態によるランスの分解斜視図。
【図３】本発明の実施形態によるランスのノズル部を示す断面図。
【図４】ノズル部及び酸素が排出される状態を概念的に示す図。
【図５】ランスの水平方向の延長線（幅方向の延長線）に対する副ノズルの延設角度によるＣＯ２ガスの分布度を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、添付図面に基づいて本発明について詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態による転炉操業工程を概略的に示す図であり、図２は、本発明の実施形態によるランスの分解斜視図であり、図３は、本発明の実施形態によるランスのノズル部を示す断面図である。また、図４は、ノズル部及び酸素が排出される状態を概念的に示す図であって、図４ａは、本発明の実施形態によるノズル部を示すものであり、図４ｂは、従来のノズル部を示すものである。更に、図５は、ランスの水平方向の延長線（幅方向の延長線）に対する副ノズルの延設角度によるＣＯ２ガスの分布度を示す図である。
【００２５】
以下、図１から図４に基づき、本発明の  ランスについて説明する。
本発明の実施形態によるランス及びこれを用いた操業方法は、反応ガスが発生する容器に原料ガスを吹き込むランス１００及びこれを用いた操業方法であって、本発明においては、反応ガスはＣＯガス、容器は転炉１、原料ガスは酸化性ガスである。
転炉１は、高炉から搬送されてきた溶銑を装入して、酸素などのガスを吹き込んだり、各種の成分の調整のための精錬剤及び別途の添加剤を投入したりして、溶銑中の不純物を除去して所望の成分の濃度に調整して溶鋼を製造する設備である。
ランス１００は、溶銑Ｍが装入された容器、すなわち、転炉１内に挿入されて、溶銑Ｍに酸素ガスを吹き込む手段である。実施形態によるランス１００は、転炉１内に酸素を吹き込むノズル部１３０と、ノズル部１３０と連設され、ノズル部に酸素を供給可能なように内部に酸素が移動する通路１１０ａが設けられた胴体部１１０と、を備える。
【００２６】
以下、説明し易さのために、ランスの延長方向（すなわち、上下方向の延長方向）に延びた線を上下方向の延長線Ｌｎ１と称する。また、ランス１００の幅方向の中心を通るように幅方向（水平方向又は左右方向）に延びた線を幅方向の延長線Ｌｎ２と称する。
ここで、上下方向の延長線Ｌｎ１とは、ランス１００の幅方向、すなわち、水平方向の中心から直交する方向への垂直軸のことを言い、転炉１内の溶銑Ｍの表面、すなわち、湯面と直交する方向への垂直軸のことを言う。すなわち、上下方向の延長線Ｌｎ１は、幅方向の延長線Ｌｎ２に対して垂直をなす延長線である。また、幅方向の延長線Ｌｎ２とは、ランス１００の横方向の延長線であって、ランス１００の垂直軸、すなわち、上下方向の延長線Ｌｎ１と直交する方向への延長線のことを言い、且つ、湯面と平行な又は水平な水平線のことを言う。以下、「ランス延長線」及び「湯面と直交する方向への垂直軸」は上記と同じ意味であり、同じ符号が附されてもよい。
【００２７】
胴体部１１０は、上述したように、ノズル部１３０に酸素を供給又は提供するものであって、内部には酸素がノズル部１３０に移動する空き空間である通路１１０ａが設けられた管状である。実施形態による胴体部１１０は、一方向に延設された形状であって、例えば、円筒状であってもよく、これに限定されることなく、ノズル部１３０に向かって酸素が移動可能な通路を有する様々な筒状に変更されてもよい。このような胴体部１１０の一方の端は、酸素ガスを提供するガス供給部（図示せず）と接続され、他方の端は、ノズル部１３０と接続される。また、胴体部１１０は、その内部には通路とは独立した流路が設けられて冷媒が流れるように設計されてもよい。このため、胴体部１１０の内部を循環する冷媒によりランス１００が高温の操業環境から保護される。
【００２８】
ノズル部１３０は、胴体部１１０の通路１１０ａを通って移動した酸素を転炉１内の溶銑Ｍに吹き込む手段である。このようなノズル部１３０は、図３に示すように、胴体部１１０の他方の端と接続され、胴体部１１０の通路と連通される内部空間を有するノズル壁体１３１と、ノズル壁体１３１上における内部空間１３０ａの下側に位置するように形成されて、内部空間１３０ａから伝達される酸素をノズルの外部に排出、噴射又は吹き込む主ノズルと、ノズル壁体１３１上における主ノズル１３２の上側に位置して内部空間１３０ａと連通されるように形成され、ランス１００の上下の延長方向及び直径方向のそれぞれに対して平行ではなく、所定の角度で捩れるように延設されて、内部空間１３０ａから伝達される酸素を外部に排出、噴射又は吹き込む副ノズル１３３と、を備える。
ノズル壁体１３１は、胴体部１１０の通路１１０ａから酸素が伝達される内部空間１３０ａを形成するための構成であり、且つ、ランス１００の外部と遮断するための構成である。このようなノズル壁体１３１は、胴体部１１０と同様に、高温の操業環境から保護するために、内部空間１３０ａとは独立した空間流路を設けて冷却水が流れるように設計される。
【００２９】
主ノズル１３２は、転炉１内の溶銑に酸素を吹き込むものであり、内部空間１３０ａの下側にノズル壁体１３１を一方向に貫通するように形成され、一方の端及び他方の端が開口された形状である。主ノズル１３２の一方の端は内部空間の下側の先端と接続又は連通され、他方の端はノズル壁体１３１の下端に位置するように形成されてノズル部１３０の外部に露出される。ここで、主ノズル１３２の一方の端は、内部空間の酸素が流入する流入口（以下、第１の流入口１３２ａ）であり、他方の端は、主ノズル１３２を通過した酸素がノズル部１３０の外部に排出される排出口（以下、第１の排出口１３２ｂ）である。
実施形態による主ノズル１３２は、上下方向の延長線Ｌｎ１と平行ではなく、前記上下方向の延長線Ｌｎ１から所定の角度で傾くように延設されてもよく、その角度は、２０°以下であってもよい。主ノズル１３２についてより具体的に説明するために、主ノズル１３２の延長方向への延長線を主ノズルの延長線Ｌｍと称し、主ノズルの延長線Ｌｍは、主ノズル１３２の幅方向の中心を通る線である。実施形態による主ノズル１３２は、主ノズルの延長線Ｌｍが上下方向の延長線Ｌｎ１となす角度（以下、第１の角度θｍ）又は夾角が２０°以下、好ましくは、１５°〜１７°となるように延設される。これは、主ノズルの延長線Ｌｍが上下方向の延長線Ｌｎ１と２０°以下の角度θｍをなすように斜設されて、主ノズルの延長線Ｌｍが転炉１内の湯面となす角度が垂直ではないことを意味する。
【００３０】
以上、主ノズルの延長線Ｌｍが上下方向の延長線Ｌｎ１と２０°以下傾いた場合を例にとって説明した。しかしながら、本発明はこれに何等限定されるものではなく、主ノズルの延長線Ｌｍが上下方向の延長線Ｌｎ１と並ぶように（又は、平行になるように）延設されて第１の角度θｍが０°であってもよい。これは、主ノズルの延長線Ｌｍが転炉内の湯面となす角度が垂直であることを意味する。
ここで、第１の角度θｍは、０〜２０°範囲内のいずれかの角度に限定されないが、前記角度の範囲内において大きな値を有するほど、主ノズル１３２から噴射される酸素（以下、メインジェットと称する。）の半径が大きくなるため、垂直な状態で酸素を噴射する場合よりも溶銑Ｍの吹錬時間を短縮することができる。一方、第１の角度θｍが２０°を超える値を有する場合には、メインジェットの半径が大きくなるが、後述する副ノズル１３３から噴射される酸素（以下、補助ジェットと称する。）との干渉が発生して、メインジェットが溶銑の上に正常に噴射されないという問題が発生する恐れもある。
【００３１】
上述したような主ノズル１３２は複数設けられるが、ノズル壁体１３１の下部に互いに隔設される。例えば、主ノズル１３２は６個設けられてもよい。もちろん、主ノズル１３２の数は６個に何等限定されるものではなく、６個未満又は６個を超える数が設けられてもよい。
副ノズル１３３は、転炉１内において操業中に発生した反応ガスを再び燃焼する２次燃焼のために酸素を吹き込むノズルである。このような副ノズル１３３は、主ノズル１３２の上側にノズル壁体１３１を貫通するように延設され、一方の端及び他方の端が開口された形状である。ここで、副ノズル１３３の一方の端は、第１の流入口１３２ａの上側において内部空間と連結又は連通され、他方の端は第１の排出口１３２ｂの上側においてノズル部１３０の外部に露出されるように形成される。副ノズル１３３の一方の端は、内部空間の酸素が流入する流入口（以下、第２の流入口１３３ａと称する。）であり、他方の端は、副ノズル１３３を通過した酸素がノズル部１３０の外部に排出される排出口（以下、第２の排出口１３３ｂと称する。）である。第２の排出口１３３ｂは、上述したように、ノズル部１３０の外部に露出されるように形成されるが、例えば、ノズル壁体１３１の外周面のうち、側面に露出されるように形成されてもよい。このため、副ノズル１３３から噴射される酸素、すなわち、補助ジェットは、メインジェットの周り方向に噴射される。
【００３２】
実施形態による副ノズル１３３は、上下方向の延長線Ｌｎ１及び幅方向の延長線Ｌｎ２とそれぞれ平行ではなく、第１及び幅方向の延長線から所定の角度で傾くように延設される。
まず、図３に基づいて、副ノズル１３３が上下方向の延長線Ｌｎ１に対して所定の角度で傾くように延設された場合について説明する。
副ノズル１３３は、上下方向の延長線Ｌｎ１と平行ではなく、前記上下方向の延長線Ｌｎ１となす角度（以下、第２の角度θｓ１と称する。）が１０°〜４０°となるように延設される。副ノズル１３３についてより具体的に説明するために、副ノズル１３３の延長方向への延長線を副ノズルの延長線Ｌｓと称し、副ノズルの延長線Ｌｓは、前記副ノズル１３３の幅方向の中心を通る線である。上述したような定義を用いて、副ノズルの延長方向について再び説明すると、副ノズルの延長線Ｌｓが上下方向の延長線Ｌｎ１となす角度が１０°〜４０°となるように延設する。これは、副ノズルの延長線Ｌｓが転炉１内の湯面となす角度が垂直ではないことを意味する。
【００３３】
このとき、副ノズルの延長線Ｌｓと上下方向の延長線Ｌｎ１とがなす第２の角度θｓ１が、主ノズルの延長線Ｌｍと上下方向の延長線Ｌｎ１とがなす第１の角度θｍに比べて大きいことが好ましい。すなわち、主ノズルの延長線Ｌｍが上下方向の延長線Ｌｎ１となす角度が０以上、２０°以下であるとき、副ノズルの延長線Ｌｓが上下方向の延長線Ｌｎ１となす角度が２０°超え、４０°以下であることが好ましい。これは、補助ジェットの半径がメインジェットに比べて広くなるように転炉内に酸素の流れを形成するが、メインジェットの流れとの干渉が抑えられるような角度で形成するためである。
一方、第２の角度θｓ１が１０°未満の値を有するように形成される場合、主ノズル１３２から噴射されたメインジェットの流れとの干渉を抑える効果があまり得られない。すなわち、メインジェットのうち溶銑Ｍの湯面と衝突し、上部に方向を切り換えた酸素が副ノズル１３３から噴射される補助ジェットと衝突して補助ジェットが直進性を失ってしまう恐れがある。このため、転炉１内における溶銑中の炭素Ｃと主ノズル１３２から吹き込まれた酸素との反応により生成されたＣＯガス及び補助ジェット間の反応が弱くて副ノズル１３３による転炉１内の２次燃焼効率が下がってしまうという不都合がある。
【００３４】
他の例によれば、第２の角度θｓ１が４０°を超える値を有するように形成される場合、補助ジェットが押し出してランス１００の上方に向かって流れるメインジェットの上昇流がランス１００の胴体部１１０に直接的に衝突するため、胴体部１１０に熱的な損傷を加えてしまうという不都合が発生する恐れがある。また、ノズル部１３０の内部空間１３０ａの特性からみて、第２の角度θｓ１が４０°を超えるとき、ノズル壁体１３１の内壁に形成された主ノズル１３２の端部と副ノズル１３３の端部とが隣設されるため、内部空間１３０ａから主ノズル１３２に抜け出るべき酸素の流れを副ノズル１３３が奪う虞があるため、主ノズル１３２による溶銑の吹錬効率が下がってしまうという不都合が発生する恐れがある。このため、副ノズル１３３は、上述した第２の角度θｓ１の値を有するようにノズル壁体１３１に形成されてもよい。
【００３５】
また、本発明の実施形態による副ノズル１３３は、ランス又はノズル壁体１３１の横断面図上の水平面の延長線に対して平行ではなく、前記水平面と交差するように形成される。すなわち、副ノズル１３３は、ランス又はノズル壁体１３１の幅方向の中心を通る幅方向の延長線Ｌｎ２と平行ではなく（或いは、同一線上におらず）、幅方向の延長線Ｌｎ２と所定の角度（以下、第３の角度と称する。）をなすように形成される。すなわち、副ノズルの延長線Ｌｓが幅方向の延長線Ｌｎ２と平行ではなく（或いは、同一線上におらず）、副ノズルの延長線Ｌｓが幅方向の延長線Ｌｎ２に対して第３の角度θｓ２で傾くようにする。このとき、幅方向の延長線Ｌｎ２と副ノズルの延長線Ｌｓとがなす第３の角度θｓ２は、５°〜３０°である。
別の言い方をすれば、副ノズル１３３の延長方向とは、第２の流入口１３３ａから第２の排出口１３３ｂに向かって延びるに際して、ノズル壁体１３１の円周方向に延設されることを意味する。すなわち、第２の流入口１３３ａと第２の排出口１３３ｂとを結ぶ副ノズルの延長線Ｌｓがノズル壁体１３１の幅方向の中心Ｃを通る延長線、すなわち、幅方向の延長線Ｌｎ２の上に位置しないようにし、副ノズルの延長線Ｌｓが幅方向の延長線Ｌｎ２となす角度が５°〜３０°となるようにする。
【００３６】
副ノズル１３３がノズル壁体１３１の円周方向に延設されるとは、別の言い方をすれば、前記副ノズル１３３がノズル壁体１３１の円周方向に５°〜３０°の回転角度を有するように形成されることを意味する。
このように、副ノズル１３３が幅方向の延長線Ｌｎ２と同一線上に位置しないように（或いは、副ノズル１３３が幅方向の延長線Ｌｎ２と平行にならないように）延設されることにより、図４ａに示すように、副ノズル１３３から吹き込まれる酸素は、旋回流（ｓｗｉｒｌ  ｆｌｏｗ）を形成する。酸素が旋回流の形で吹き込まれると、そうではないときに比べて、転炉１内における滞留時間が延び、その結果、メインジェット及び溶銑Ｍ中の炭素間の反応により発生したＣＯガスとの接触率又は接触機会が多くなる。これにより、ＣＯがＣＯ２となる２次燃焼率が上がり、ＣＯが２次燃焼されるときに発生する熱は、溶銑Ｍの温度を昇温させる熱源として働く。
【００３７】
一方、図４ｂに示すように、副ノズルが上下方向の延長線Ｌｎ１に対しては１０°〜４０°で傾いているが、副ノズルの延長線Ｌｓが幅方向の延長線Ｌｎ２と平行であるか、或いは、幅方向の延長線Ｌｎ２の上にある場合、本発明のように副ノズルによる旋回流が発生しないか、或いは、旋回流の強さが低い。このため、図４ｂのノズル部１３０の場合、図４ｂの実施形態によるノズル部に比べて２次燃焼率が低い。
更に、図５に示す通り、副ノズルの延長線Ｌｓの角度に応じてＣＯ２ガスの分布面積が異なってくる。図５ａは、副ノズルの延長線Ｌｓが幅方向の延長線Ｌｎ２の上にあるため、第３の角度θｓ２が０°である場合である。なお、図５ｂ及び図５ｃは、副ノズルの延長線Ｌｓが幅方向の延長線Ｌｎ２の上におらず、副ノズルの延長線Ｌｓが幅方向の延長線Ｌｎ２と交差し、図５ｂは、第３の角度が１０°であり、図５ｃは、第３の角度が２５°である場合である。
【００３８】
図５は、第３の角度を０°、１０°、２５°に変えたとき、転炉１内のガスの濃度を数値解析した結果を示すものであり、第３の角度θｓ２が広くなるにつれて、ＣＯ２ガスの濃度の分布面積が大きくなることが分かる。また、副ノズル１３３の第３の角度が３０°を超えると、副ノズル１３３から吐き出される酸素が重なり合って、むしろ２次燃焼発生量が減ってしまう。このため、本発明においては、副ノズルの延長線Ｌｓと幅方向の延長線Ｌｎ２とがなす角度が５°〜３０°となるようにしている。
副ノズル１３３の第２の排出口１３３ｂは、転炉１と向かい合うノズル部１３０の端部から１００〜２００ｍｍだけ上部に離れた個所に形成されてもよい。
第２の排出口１３３ｂがノズル部１３０の端部から上側に１００ｍｍ未満で互いに隔設されると、第１の排出口１３２ｂと第２の排出口１３３ｂとの間の距離が小さいため、メインジェットのうち溶銑Ｍの湯面と衝突して上昇する上昇流を変える程度の補助ジェットが噴射されず、メインジェットと補助ジェットとの間の干渉の抑制効果があまり得られない。
【００３９】
逆に、第２の排出口１３３ｂがノズル部１３０の端部から上側に２００ｍｍを超えて互いに隔設されると、第１の排出口１３２ｂと第２の排出口１３３ｂとの間の距離が非常に大きくなって、メインジェットの上昇流がノズル壁体１３１に達する位置よりも上部に第２の排出口１３３ｂが形成されて、メインジェットの上昇流によりノズル壁体１３１が損傷されることを抑える補助ジェットの役割が微々たるものである。このため、第２の排出口１３３ｂは、ノズル部１３０の端部、すなわち、第１の排出口１３２ｂから上部に１００〜２００ｍｍだけ離れた個所に形成する。
また、上述した副ノズル１３３は複数設けられるが、ノズル壁体の円周方向に又は周り方向に互いに隔設される。実施形態においては、副ノズル１３３を３個〜６個設ける。副ノズル１３３の数が３個未満と少な過ぎると、２次燃焼の機会が少なくなり、副ノズル１３３の数が６個を超えて多すぎると、副ノズル１３３を介して抜け出る酸素の流量が均一ではないため、流量の少ない副ノズル１３３の場合、溶鋼や鉱滓が浸透されて閉塞される虞があり、流量の少ない副ノズル１３３の場合、逆火による溶損の可能性が高くなる。
【００４０】
一方、ランス１００に副ノズル１３３が適用されると、ランス１００の寿命又は使用回数を短縮又は低下させる最も大きな要因は、副ノズル１３３の周りの溶損である。副ノズル１３３の周りの溶損は、前記副ノズル１３３から排出される酸素の流速が遅いため、上部に向かって抜け出るＣＯガスの流れを通り抜けず、むしろ副ノズル１３３に向かって逆火するためである。
このような逆火現象を防ぐためには、副ノズル１３３から噴射される（又は、吹き込まれる）酸素ガスの速度を十分に速める必要があり、このために、本発明の実施形態においては、流速を最大にするために、副ノズル１３３を超音速ノズルタイプに設計する。すなわち、第２の流入口１３３ａと第２の排出口１３３ｂとの間に対応する副ノズル１３３の内部直径Ｄｔに比べて、第２の排出口１３３ｂの直径Ｄｅが大きくなるように形成される。これにより、  酸素が副ノズル１３３の第２の流入口１３３ａに流入して第２の排出口１３３ｂを通過する間に、ガスの膨張により酸素の移動速度が音速よりも大きくなるように設計される。
【００４１】
更に、実施形態においては、副ノズル１３３を介して酸素が超音速で噴射されるように第２の排出口１３３ｂの直径（Ｄｅ、ｍｍ）を調節するに当たって、副ノズル１３３を通過する酸素の吹込み量（Ｑ、Ｎｍ３／ｍｉｎ）、酸素の圧力（Ｐ０、ｋｇ／ｃｍ２）、副ノズルの数（Ｎ）、内部直径（Ｄｔ、ｍｍ）、音速（Ｍａ）を用いて決定する。実施形態においては、下記式１及び２を用いて、副ノズル１３３の第２の排出口１３３ｂの直径Ｄｅを決定する。
【数１】
2018035441.tif 000003
【数２】
2018035441.tif 000004
【００４２】
まず、副ノズル１３３から噴射される酸素の流量を決定する。このとき、主ノズル１３２から噴射される酸素の流量の３％〜１５％の体積比にすることが好ましい。酸素の流量が３％未満であれば、副ノズル１３３を通過する酸素の流量が少ないため、２次燃焼効果があまり得られず、酸素の流量が１５％を超える場合、精錬反応に必要な酸素量が少ないため精錬時間が延びてしまうという欠点がある。
ここで、酸素の圧力は、既に設定された（又は、既に決定された）値であり、副ノズル１３３の数は、３個〜６個に決定されている。このため、上記式１に酸素の流量、副ノズルの数、酸素の圧力を適用すると、副ノズル１３３の内部直径Ｄｔが算出される。
上記式１により、副ノズル１３３の数、内部直径、酸素の圧力が決定されると、これを上記式２に適用して内部直径Ｄｔの直径Ｄｅを求める。
【００４３】
上記式２においては、Ｍａは、上述したように、マッハ数であって、Ｍａ数は、１．５〜２．５である。なお、上記式１から計算された内部直径Ｄｔを上記式２に適用すると、第２の排出口１３３ｂの直径Ｄｅを決定することができる。
これにより、副ノズル１３３を通過する酸素は、超音速で噴射される。
下記表１は、実施例及び比較例によるノズル部の適用時のランスの寿命と２次燃焼による上昇温度とを比較したものである。
実験のために、２９０トン容量の転炉に溶銑２５０トン、屑鉄４０トンを装入し、ランスに酸素を８５０Ｎｍ３／ｍｉｎで供給して吹錬を行った。
また、第１の比較例によるノズル部１３０は、副ノズル１３３が６個であり、副ノズル１３３の内部直径Ｄｔ及び第２の排出口１３３ｂの直径Ｄｅが両方とも１４ｍｍであり、副ノズル１３３から吹き込まれる酸素の吹込み量は、主ノズル１３２から吹き込まれる酸素の吹込み量の２．９％である。
【００４４】
更に、第２及び第３の比較例、第１及び第２の実施例は、いずれも内部直径Ｄｔが１４ｍｍ、第２の排出口の直径が１９．４ｍｍであって、超音速ノズルタイプであり、副ノズル１３３の数及び酸素の吹込み量を変更した。
【表１】
2018035441.tif 000005
【００４５】
上記表１を参照すると、副ノズル１３３が通常のノズルタイプである第１の比較例の場合、第２及び第３の比較例と、第１及び第２の実施例に比べて使用回数が著しく少なく、昇温効果も高くないことが分かる。これは、副ノズル１３３から噴射される酸素の流速が音速以下になって、副ノズルの周りにおいて逆火されて溶損が発生したためである。
第２の比較例は、第１の比較例に比べて使用回数は増えたものの、副ノズル１３３の数が３以下と少ない結果、２次燃焼効率が低下して、第１及び第３の比較例、第１及び第２の実施例に比べて昇温した温度を示す。
これとは逆に、第３の比較例は、昇温した温度は第１及び第２の比較例、第１及び第２の実施例に比べて高いものの、副ノズル１３３の数が６個を超える８個と多いため、８個の副ノズル１３３から均一な酸素量が供給できず、酸素の流量が少ない副ノズル１３３において溶損が発生して使用回数が減った。すなわち、副ノズル１３３の数が多すぎると、全ての副ノズル１３３に均一な酸素が供給できず、酸素の流量が相対的に少ない副ノズル１３３の場合、溶損される可能性が高くなる。
【００４６】
第１及び第２の実施例の場合、第１の比較例に比べて使用回数及び昇温効果が両方とも増加した。
また、第１及び第２の実施例は、第２の比較例に比べて使用回数は少ないものの、使用回数がそれぞれ１２７及び１１５回であって、第１の比較例に比べては回数がかなり増えた状態であり、第３の比較例に比べては昇温効果が低いものの、第１及び第２の比較例に比べて十分に上昇した。
このため、第１及び第２の実施例により、本発明によるランス１００は、使用回数及び昇温効果が両方とも向上することが分かる。
【００４７】
以下、図１から図５に基づいて、本発明の実施形態によるランスを用いた転炉の操業方法について説明する。
まず、高炉から搬送されてきた溶銑を転炉１に装入する。このとき、溶銑Ｍ内の不純物を取り除くために、転炉１の内部にランス１００の少なくとも一部の領域を装入して、溶銑Ｍの湯面の上にランス１００の端部が隔設されるようにする。
ランス１００が配置されると、ガス供給器を動作させてランス１００の通路１１０ａに酸素を供給する。ガス供給器から供給された酸素は、胴体部１１０の通路に沿って移動されてノズル部１３０の内部空間１３０ａに流入する。
【００４８】
ノズル部１３０の内部空間に流入した酸素は、複数の主ノズル１３２及び副ノズル１３３のそれぞれを介して溶銑に吹き込まれ、これにより、吹錬が開始される。このとき、主ノズル１３２から吹き込まれた酸素のほとんどは、溶銑中の炭素Ｃと反応して炭素の濃度を下げる脱炭にあずかる。また、副ノズル１３３を介して噴射される酸素、すなわち、補助ジェットは、主ノズル１３２から吹き込まれるメインジェットの周りにおいて前記メインジェットに比べて広い半径で吹き込される。なお、副ノズル１３３から吹き込まれた酸素のほとんどは、脱炭過程において発生したＣＯガスと反応して、前記ＣＯを２次燃焼させ、２次燃焼の際に発生する熱により溶銑の温度が上昇する。
すなわち、最初には酸化性ガスの酸素Ｏと溶銑内に存在する炭素Ｃとの間の反応が行われてＣＯガスが発生し、次いで、吹錬が行われ続けると、溶銑Ｍの吹錬と２次燃焼反応とが同時に行われる。
【００４９】
ここで、実施例による副ノズル１３３は主ノズル１３２の上側に位置して、上下方向の延長線Ｌｎ１に対して１０°〜４０°傾くように形成されることにより、メインジェットの周りに補助ジェットが形成される。また、副ノズル１３３が幅方向の延長線Ｌｎ２に対して５°〜３０°の角度をなすように延設されることにより、旋回流状に補助ジェットが形成される。なお、補助ジェットの旋回流によりＣＯガスとの接触率又は接触機会が増え、これにより、ＣＯの２次燃焼率が上昇するという効果が奏される。したがって、外部から別途の熱源を追加せずとも、２次燃焼により熱源を十分に確保することができる。
【符号の説明】
【００５０】
１００：ランス                                             
１１０：胴体部
１３０：ノズル部                                          
１３２：主ノズル
１３３：副ノズル                                          
Ｌｎ１：上下方向の延長線
Ｌｎ２：幅方向の延長線                                  
Ｌｍ：主ノズルの延長線
Ｌｓ：副ノズルの延長線
【図１】
2018035441.tif 000006
【図２】
2018035441.tif 000007
【図３】
2018035441.tif 000008
【図４】
2018035441.tif 000009
【図５】
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