(57)【要約】【課題】高い耐用性と安定性とを有するガス吹込みノズルおよびそれを用いたガス吹込み方法を提供する。【解決手段】溶融金属の溶解または精錬にて使用され、断面の形状が内管と外管とで同心円状に形成されたガス吹込みノズルであって、前記内管と前記外管との間に複数の空間が設けられ、前記複数の空間を２つのグループに分けて連通し、当該２つのグループにそれぞれ異なる組成のガスを独立して流すことができる流路を設けてあるガス吹込みノズルを用い、前記２つのグループの空間から単体、あるいは、混合ガスとする冷却能の異なるガスをそれぞれ流す。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融金属の溶解または精錬にて使用され、断面の形状が内管と外管とで同心円状に形成されたガス吹込みノズルであって、前記内管と前記外管との間に複数の空間が設けられ、前記複数の空間を２つのグループに分けて連通し、当該２つのグループにそれぞれ異なる組成のガスを独立して流すことができる流路を設けてあることを特徴とするガス吹込みノズル。
【請求項２】
請求項１に記載のガス吹込みノズルを用いて行うガス吹込み方法であって、前記２つのグループの空間から単体、あるいは、混合ガスとする冷却能の異なるガスをそれぞれ流すことを特徴とするガス吹込み方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に金属溶解・精錬炉用のガス吹込みノズルおよびそれを用いたガス吹込み方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
溶解炉または転炉などの溶解・精錬炉内の溶融鉄浴の撹拌には、炉の底部または側壁からのガスの吹込みが用いられている。一般に、このようなガスの吹込みには、耐火物に埋め込まれたＣｒやＮｉなどを多く含む耐熱・耐酸化性の材質（例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ）など）のノズルが使用される。
【０００３】
なお、ガスの吹込みは、高温の条件下で行われるため、ＳＵＳ等製のノズルが溶解等により損耗しないようにノズルの冷却状態を確保しながら行われる。ここで、冷却条件を維持し、ノズルの損耗を抑制するために、ノズルの先端部に溶融鉄浴を凝固させた鉄（凝固鉄、通称：マッシュルーム）を一定量付着させた保護層を形成させることが知られている。また、ノズルの損耗を抑制して操業を安定化させるためには、ノズル先端のマッシュルームをいかに安定的に維持できるかが重要である。
【０００４】
従来、吹き込みガスとして酸素を使用する場合、ノズルを内管と外管とを有する２重管構造としている。そして、２重管構造の内管の内部からは酸素や酸素にＣＯ2等を混合したガスを流し、内管と外管との間からは、特許文献１及び２に開示されるように、冷却ガスとしてプロパン等の炭化水素系のガスやＣＯ2ガス、あるいは、炭化水素系のガスにＣＯ2ガスを混合したガスを流している。このようにすることによって、酸素発熱に伴うノズル先端部の熱負荷を抑制すると共に、マッシュルームを形成させてノズルの損耗を抑制するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭５８−３９７１７号公報
【特許文献２】特公昭６０−５１５２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記特許文献１及び２に開示された冷却ガスのガス種の制御を主たる狙いとした改善だけでは、冷却された鉄のノズル先端部への付着及び溶着を促進させることは難しく、ノズル先端部へマッシュルームを安定して速やかに形成させることは難しい。また、溶解・精錬処理数の増大に伴って炉底が損耗するとともにマッシュルームが再生成されるが、ガス種のみの制御ではマッシュルームを速やかに再生成させることは難しい。マッシュルーム生成状態を安定化させることによってノズルの熱負荷を低減するためには、ガス冷却によって生成するマッシュルームを速やかにノズル先端部に安定形成化させる技術が必要である。
【０００７】
特に溶融鉄浴中のＣ濃度が高い条件においては、一般的に溶融鉄浴の温度が低くなり、溶融鉄浴の温度に対してノズルの溶融温度が高くなるため、マッシュルームは生成し易いものの、マッシュルームとノズル先端部との間で溶融及び溶着が起こりにくい。このような場合、吹込みガス圧力の変動、スクラップ装入時の機械的衝撃、または炉内温度変化に伴う熱衝撃等により、マッシュルームがノズル先端部から更に剥離しやすくなる。
【０００８】
このように、ノズルの冷却に加え、ノズル先端部とマッシュルームとの間の付着状態をいかに安定的に制御することが重要である。
【０００９】
本発明は前述の問題点を鑑み、高い耐用性と安定性とを有するガス吹込みノズルおよびそれを用いたガス吹込み方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、諸々の試験実験や考察により、ノズルの形状や、特に内管と外管との間に設置したスリット毎に吹き込む冷却ガスの種類やガス量を制御することにより、マッシュルームの剥離によるノズルの損耗を大幅に低減することが可能であるとの知見を得るに至った。すなわち、断面が２重管ノズルで内管と外管との間をスリットにより分割した構造とし、分割したスリット毎に冷却能の異なるガスを流すことにより、ノズル先端部にマッシュルームを安定的に生成し、ノズルの耐用性を大幅に向上させることができることを本発明者らは見出した。さらに、本発明者らは、種々の試験実験および検討を行った結果、下記知見を得て本発明を完成させた。
【００１１】
上記の特許文献１では、同心２重管の冷却剤として炭化水素系のガスにＣＯ2ガスを混合することで、炭化水素系ガスの分解によって生じるＣをＣＯ2の分解反応に活用することでＣＯ2の冷却能効果を高め、ノズルの冷却効果を高める提案がなされている。しかしながら本方法では、ガス自体の冷却能効率を高めることには効果が大きいものの、ノズル周方向に均一にガスを流している。このため、マッシュルームの成長により冷却ガスのマッシュルームへの圧力が高まってマッシュルームの安定した保持が困難となり、マッシュルームの剥離が発生してノズルの損耗速度が増大してしまう。
【００１２】
また、上記の特許文献２では、同心２重管の冷却剤としてＣＯ2ガスを使用し、ノズルの内周中とノズル厚みとの積、即ち、ノズルの断面積に応じた量でＣＯ2ガスを流すことによってノズル形状に応じた冷却を行い、ノズルの冷却効果を高める提案がなされている。しかしながら本方法でも、ノズル周方向に均一にガスを流すため、上記の特許文献１に記載の方法と同様に、マッシュルームの安定した保持が困難であり、マッシュルームの剥離が発生してノズルの損耗速度が増大してしまう。
【００１３】
そこで、マッシュルームの剥離時はガス流量を増やす、あるいは、ガス種を切替え冷却能の強いガスを流すことで、マッシュルームの再形成を図ることも考えられる。ところが、単に冷却能を高めた場合、ノズル先端部に迅速、且つ、均一にマッシュルームが形成されるが、マッシュルームの過剰な成長によりマッシュルーム内のガス流路が閉塞し、冷却が不安定化したりマッシュルームが剥離したりしてしまう。
【００１４】
これら課題に対し、本発明では、冷却ガスの流路を複数に分割し、分割したそれぞれの流路から、炭化水素系ガスのような高い冷却能を有するガスと、Ｎ2やＣＯ2のような比較的冷却能の小さいガスとを、それぞれの流路から同時に流し、ノズル先端部の冷却能にノズルの周方向に分布を持たせることで、マッシュルームの迅速形成と形成後の安定維持とが可能であることを見いだした。
【００１５】
本発明は、上記知見に基づいて完成されたものであり、その要旨は、下記［１］〜［２］に示す吹込みノズルの形状、及び、ガス条件にある。
［１］溶融金属の溶解または精錬にて使用され、断面の形状が内管と外管とで同心円状に形成されたガス吹込みノズルであって、前記内管と前記外管との間に複数の空間が設けられ、前記複数の空間を２つのグループに分けて連通し、当該２つのグループにそれぞれ異なる組成のガスを独立して流すことができる流路を設けてあることを特徴とするガス吹込みノズル。
【００１６】
［２］上記［１］に記載のガス吹込みノズルを用いて行うガス吹込み方法であって、前記２つのグループの空間から単体、あるいは、混合ガスとする冷却能の異なるガスをそれぞれ流すことを特徴とするガス吹込み方法。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、高い耐用性と安定性とを有するガス吹込みノズルおよびそれを用いたガス吹込み方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態に係るノズルの構造の一例を示した模式図である。
【図２】ノズル先端部に形成されるマッシュルームを模式的に示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明は、金属の溶解または精錬に用いるガス吹込みノズルおよびそれを用いて行うガス吹込み方法として、溶融鉄浴の撹拌における撹拌ガス供給用のガス吹込みノズル（以下、単にノズルと呼ぶ場合もある）およびそれを用いた安定冷却方法について説明する。本発明者らは、金属の溶解または精錬を行う炉における撹拌用のガス吹込みノズルを作製し、ガス吹込み試験を行った。これら試験の結果から、前述した［１］〜［２］に示した高い耐用性および安定性を有するガス吹込みノズルとその使用方法を完成させた。以下では、本発明の条件を規定した理由について詳細に説明を述べる。
【００２０】
１）従来のガス吹込みノズルとその使用方法
金属の溶解または精錬を行う炉においては、一般に炉底に溶融鉄浴を攪拌するためのガス吹込みノズルが設置されている。そのノズルには、断面の形状が内管と外管との２重の同心円状のものが用いられることが多い。２重の同心円状の管からガスを吹き込む場合には、内管の内部から酸素を含有する酸化性のガスを吹き込み、内管と外管との間から、酸化発熱からノズルを保護するため冷却ガスを吹き込む。冷却ガスは、炭化水素系のガスやＣＯ2、Ｎ2等が使用され、単体、あるいは、混合条件で吹き込み、流量、及び、混合条件を変えた吹き込みが行われる。冷却ガスが吹き込まれるガス流路はガスの供給が周方向によって変動しないように、複数の流路に分割されている場合もあるが、その場合でも吹き込まれるガスは同一の冷却能を有しており、周方向の冷却性は同一である。
【００２１】
従来は、内管の内部から流れる酸化性のガスの条件に応じて、冷却ガス流量を設定し、ノズル先端部にマッシュルームと呼ばれる凝固鉄を形成させ、ノズルを保護しているが、操業時の溶鉄温度の変動等により、マッシュルームが不安定となり、ノズル先端部からマッシュルームが剥離する場合がある。この場合、速やかにマッシュルームの再形成を図ることが重要であるが、冷却ガスが過剰で有る場合、マッシュルームが周方向全体に緻密に形成されるため、マッシュルーム内部のガスの流路が狭くなり、冷却ガスが流れにくくなる等の現象が生じてしまう。その結果、マッシュルームの冷却状態が不安定となり、更にマッシュルームの剥離が発生するなど安定して状態を維持するのが困難である。
【００２２】
２）本発明に係るガス吹込みノズルとその使用方法
そこで、冷却ガスの供給方法を変えた実験を繰り返し行うことにより、マッシュルームを迅速に形成するとともに、ガス流路を確保しながらマッシュルームを冷却して安定維持させるには、ガス冷却能にノズル周方向で分布を持たせることが有用であるとの知見を得るに至った。本発明においては、冷却ガスの流路を、断面上において、スリットにより区切ると共に、流路毎に冷却能の異なるガスを流せる構造とし、冷却能の高いガスと冷却能の低いガスとを供給する。
【００２３】
図１にノズル構造の一例を示す。図１に示すように、冷却ガスを２系統化するために、ノズル下部のガス供給部分は３重管構造を採用している。第１の流路１は、ＬＰＧなどの冷却能の高いガスを流すための流路であり、第２の流路２は、ＣＯ2、Ｎ2などの冷却能の低いガスを流すための流路である。そして、ノズル上部において、内管３と外管４との間に第１の流路１と第２の流路２とを有するようにしている。
【００２４】
図２は、本発明に係るノズルを用いた場合のマッシュルームの形成を説明するための図である。図２に示すように、ノズル先端部の高冷却能ガス１１が流れる部分では、マッシュルーム１３が厚く形成され、低冷却能ガス１２が流れる部分では、マッシュルーム１３の形成が抑制される。特に、低冷却能であるＣＯ2やＮ2の流量は、高冷却能ガスと低冷却能ガスを合計した全流量に対する比で０．６〜０．８であることが好ましい。このように、冷却能の高いガスによりマッシュルームの迅速な形成を促進し、冷却能の低いガスにより過剰なマッシュルームの形成を抑制しガス流路を確保することで、安定してマッシュルームの形成を維持できる。なお、スリット部の加工位置を変えることによりガスの分布を変えることが可能であるが、特に、図１に示すように、冷却能が高いガスと冷却能が低いガスとを交互に流すと、マッシュルーム安定性の向上効果が大きいため、好ましい。
【実施例】
【００２５】
本発明の高い耐用性を有するノズルの効果を確認するため、以下に示す実施例、および比較例についての試験を鉄浴式溶解炉にて行い、その結果を評価した。
【００２６】
鉄浴式溶解炉において、溶解開始時にスクラップおよび酸化鉄が含有される原料を約１００ｔの溶銑浴（［Ｃ］：４．３〜４．６質量％、１４００〜１４５０℃）に投入し、その後、上吹きランスから酸素を２００００〜２５０００Ｎｍ3／ｈ供給するとともに、酸素底吹き用の２重管ノズルとは別の底吹きノズルから微粉炭を供給して、溶銑量を約１５０ｔにまで増加させた。その原料溶解後、溶銑温度を溶解開始時の温度まで昇温し、約３０分間で溶解操業を終了した。この後、溶銑約１００ｔを溶解炉内に残して出湯し、その残した約１００ｔにスクラップおよび酸化鉄が含有される原料を投入して、上記同様に溶解操業を繰り返した。また、スクラップおよび酸化鉄が含有される原料の溶解中及び溶銑温度の昇温中に、底吹き用の２重管ノズルから以下のように条件を変更して攪拌ガスを吹き込んだ。
【００２７】
底吹き用の２重管ノズルの内管と外管との間に断面上にスリットを設けたノズルを使用し、スリットにより分割されたガス流路から冷却能の異なるガスを流し、ノズルの耐用性評価を実施した。２重管ノズルの内管の内径は２０ｍｍとし、内管の内部からは酸素とＮ2とを混合したガスをノズル１本当たり約７００Ｎｍ3／ｈの流量で流した。また、ノズル上部における内管と外管との間のスリット厚は１．５ｍｍとして、スリット全体を図１に記載したように８等分にし、第１の流路１として連通しているグループと第２の流路２として連通しているグループとが、交互に配置されているものとした。冷却ガスには、ＬＰＧ、ＣＯ2、Ｎ2の３種を表１に示す所定の比率にてノズルへ供給した。ノズルの損耗速度は、溶解操業間に底吹き用の２重管ノズルの後部から内管の内部に測定用の冶具（棒状）を差し込み、ノズルの長さを測定し評価した。
【００２８】
【表１】
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【００２９】
比較例１〜３は、第１の流路１と第２の流路２との各グループでガス種を分けずに、かつそれぞれ同流量流したために、従来のノズルを用いた場合と同じ実施形態となっている。したがって、従来のノズル損耗速度と同じ結果となっていて、ノズル損耗速度は０．６４〜０．７１ｍｍ／ｃｈであった。
【００３０】
一方、実施例１〜１０は、本発明に係るノズルを用いて、第１の流路１にはＬＰＧを流し、隣接する第２の流路２にはＣＯ2またはＮ2を流した結果である。
実施例１は、スリットを分割して形成された８つの空間のうち、第１の流路１に繋がっている４つの空間からＬＰＧを吹き込み、第２の流路２に繋がっている残りの４つの空間からＣＯ2を吹き込んだ例である。つまり、第１の流路１からのＬＰＧの流量は第２の流路２からのＣＯ2の流量と合計した流量に対する比率で０．５とした例で、第１の流路１からのＬＰＧの流量は第２の流路２からのＣＯ2の流量とを等しくした例である。
【００３１】
一方、実施例２は、第１の流路１からのＬＰＧの流量を第２の流路２からのＣＯ2の流量と合計した流量に対する比率を０．１とした例である。以下、実施例１０まで同様に表示してある。
【００３２】
表１の結果からわかるように、流路毎に異なる冷却能のガスを流すことで、ノズルの損耗速度を低減できた。特に、低冷却能であるＣＯ2やＮ2の流量を全流量の０．６〜０．８とした実施例５〜１０では、より大きな効果が得られた。これは、比率が低い場合は冷却ガス全体の冷却能が高すぎるため緻密なマッシュルームの形成によりマッシュルーム剥離性が顕著になり、一方で、比率が低い場合はガス全体の冷却能が低いためにマッシュルームの形成が遅くなるためと考えられる。
【００３３】
以上、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【符号の説明】
【００３４】
１  第１の流路
２  第２の流路
３  内管
４  外管
【図１】
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【図２】
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