(57)【要約】【課題】Ｏ２流量を低減させることなく、またランス高さを変えることなく、吹錬中における湯面への衝突流速を低下させる。【解決手段】本発明の脱炭用吹錬ランスチップ１は、転炉容器において溶銑の脱炭処理を実施する際に使用する脱炭用吹錬ランス４の先端に取り付けられて、溶銑に対して酸素を噴出するノズル７を複数有しており、これら複数のノズル７は出口８よりも小径に絞られたスロート部９を孔内に有し、スロート部９及び出口８において複数のノズル７に形成される断面形状の各々が等しい形状で且つ非円形とされており、複数のノズル７のスロート部９及び出口８が、脱炭用吹錬ランス４の軸心を基準として同心円に並ぶように、かつ軸心回りに互いに等角度をあけて、軸心に対して互いに回転対称な状態で配置されており、複数のノズル７のアスペクト比と孔占有角度が所定の条件を満足する。【選択図】図１
2018131675.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
転炉容器において溶銑の脱炭処理を実施する際に使用する脱炭用吹錬ランスの先端に取り付けられる脱炭用吹錬ランスチップであって、
前記溶銑に対して酸素を噴出するノズルを複数有しており、これら複数のノズルは出口よりも小径に絞られたスロート部を孔内に有するスロート構造を備えており、
前記スロート部において複数のノズルに形成される断面形状の各々が等しい形状で且つ非円形とされており、前記出口において複数のノズルに形成される断面形状の各々が等しい形状で且つ非円形とされていて、
前記複数のノズルのスロート部及び出口が、前記脱炭用吹錬ランスの軸心を基準として同心円上に並ぶように、かつ軸心回りに互いに等角度をあけて、前記軸心に対して互いに回転対称な状態で配置されており、前記複数のノズルが以下の条件を満足することを特徴とする脱炭用吹錬ランスチップ。
（条件１）
「前記スロート部の断面形状を楕円換算した場合、当該楕円換算された断面形状のアスペクト比が2.4〜5.5とされている」
（条件２）
「前記脱炭用吹錬ランスチップの底面において脱炭用吹錬ランスの軸心を中心として周方向360°を見た場合に、前記ノズルが存在している角度範囲を合計した孔占有角度が330°以下とされている」
【請求項２】
前記ノズルの出口には、当該ノズルから噴出した噴流の流れを抑制する抑制部が形成されており、
前記抑制部は、前記ノズルの出口における軸心側の開口縁から軸心から離れる方向に向かって開口幅の1/4以上の突出幅で突出するように形成されており、
前記ノズルから噴出する酸素の流量、前記スロート部の断面積、及び前記出口の断面積より求まる不適性度が0.6〜0.9とされている
ことを特徴とする請求項１に記載の脱炭用吹錬ランスチップ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、転炉での脱炭吹錬に使用する脱炭用吹錬ランスチップであって、特に、スピッテイングの少ない脱炭用吹錬ランスチップに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
我が国の粗鋼生産量の約７割を占める高炉−転炉法では、高炉から出銑された溶銑をバッチ式の転炉容器に装入し、上方からの酸素ジェット吹付あるいは転炉羽口からの酸素吹込により、脱炭（[C]+1/2O2=CO)により鋼に転化することが一般的に行われている。
なお、従来の転炉では脱炭と同時に脱珪/脱燐処理を実施していたが、近年では、コストダウン/品質要求厳格化への対応のため、転炉での脱炭処理の前に、事前脱りん処理(同時に脱Si処理も実施される)を実施し、転炉では脱炭に特化している場合が多い。
【０００３】
事前脱りん処理の実施により、転炉におけるスラグ発生量は従来より大幅に低下しているが、今度はスピッティングによるダストロスの問題が顕著になってきている(スラグが多い場合はそれがカバーとなりダスト発生量を低減する効果がある)。
ダストロスを防ぐためには、上方から投入される酸素の溶銑浴面への衝突流速(衝突圧)を下げる必要があり、その方法としては（１）Ｏ２流量を低減させる、（２）ランス高さを上げてランスから湯面までの距離を大きくとるなどの方法が一般的には採用される。
【０００４】
ただ、（１）に示すようにＯ２流量を低減させると、処理時間が長くなり、生産性の観点から望ましくない。また、（２）に示すようにランス高さを上げて湯面からランスまでの距離を大きくとると、二次燃焼（CO+1/2O2=CO2)が増加して炉内耐火物に悪影響を及ぼす。それゆえ、Ｏ２流量を低減させることなく、またランス高さを高くすることなく、スピッティングによるダストロスの問題を解決する手段を採用するのが望ましい。このようなスピッティングの抑制手段としては、以下の特許文献１〜特許文献２に示すような技術が開発されている。
【０００５】
例えば、特許文献１には、送酸速度の調整幅が広く、炉内状況に応じて送酸速度を自由に変更でき、高送酸速度時の鉄飛散やダスト発生を低減し、吹錬末期での低送酸速度時の鉄酸化を抑制し、反応の安定化を向上させた転炉吹錬用上吹きランスが開示されている。
この特許文献１の転炉吹錬用上吹きランスは、ランスの先端にラバールノズルが設置されたものであって、ラバールノズルのスロート径Dt(mm)が、ノズル背圧P(kPa)が392から588(kPa)の範囲内において、ノズル背圧P(kPa)と転炉容量W(t)とラバールノズルの設置個数nとの間に所定の関係が成立し、かつラバールノズルの出口径Deとスロート径Dtの比(De/Dt)が所定の関係を満たすものとなっている。
【０００６】
また、特許文献２には、上底吹き転炉精錬において、ダスト発生量を低減するための転炉上吹きランスが開示されている。この特許文献２の転炉上吹きランスは、ガスにより鋼浴を撹拌せしめる上底吹き転炉型精錬炉における転炉上吹きランスであって、同心の3〜16角形の多角形または同心円の断面を有する１条のスリット状の酸素供給管の先端開口面の一部に２〜１０個の遮蔽板を配し、ランス本体とランス中心点を含むランス先端部とが遮蔽板を介して固着された転炉上吹きランスが開示されている。この転炉上吹きランスは、遮蔽板で分離された個々の先端開口面の長辺長さB(mm)と短辺長さh(mm)の比B/hが10〜225、ランス直径をR(mm)とした場合の(B×h)/Rが0.4〜4で、隣接する２孔の先端開口面の、互いに最も接近した周上の点と、ランス中心点とのなす角度ωが10〜60度とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−１０５４２５号公報
【特許文献２】特開平８−１５７９２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、特許文献１の転炉吹錬用上吹きランスでは、ノズル出口の配置状況が一切記載されていない。そのため、ラバールノズルの配置状況によってはノズルから噴出したジェットが湾曲し、湾曲したジェットの噴流同士が重なり合い、噴流同士の合流によって噴流がハードブロー化してスピッティングが発生する可能性がある。つまり、特許文献１の技術はスピッティングを抑制するための指針としては不十分なものである。
【０００９】
また、特許文献２にはジェット流速に大きく影響を及ぼすスロートの開口形状とノズル出口の開口形状との関係が一切記載されておらず、特許文献２の転炉吹錬用上吹きランスでもスピッティングによるダスト低減を抑制する指針としては不十分である。
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、Ｏ２流量を低減させることなく、またランス高さを変えることなく、吹錬中における湯面への衝突流速を低下させることができ、吹錬中に発生するスピッティングを低減することが可能となる脱炭用吹錬ランスチップ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】
上記課題を解決するため、本発明の脱炭用吹錬ランスチップは以下の技術的手段を講じている。
即ち、本発明の脱炭用吹錬ランスチップは、転炉容器において溶銑の脱炭処理を実施する際に使用する脱炭用吹錬ランスの先端に取り付けられる脱炭用吹錬ランスチップであって、前記溶銑に対して酸素を噴出するノズルを複数有しており、これら複数のノズルは出口よりも小径に絞られたスロート部を孔内に有するスロート構造を備えており、前記スロート部において複数のノズルに形成される断面形状の各々が等しい形状で且つ非円形とされており、前記出口において複数のノズルに形成される断面形状の各々が等しい形状で且つ非円形とされていて、前記複数のノズルのスロート部及び出口が、前記脱炭用吹錬ランスの軸心を基準として同心円上に並ぶように、かつ軸心回りに互いに等角度をあけて、前記軸心に対して互いに回転対称な状態で配置されており、前記複数のノズルが以下の条件を満足することを特徴とする。
（条件１）
「前記スロート部の断面形状を楕円換算した場合、当該楕円換算された断面形状のアスペクト比が2.4〜5.5とされている」
（条件２）
「前記脱炭用吹錬ランスチップの底面において脱炭用吹錬ランスの軸心を中心として周方向360°を見た場合に、前記ノズルが存在している角度範囲を合計した孔占有角度が330°以下とされている」
なお、好ましくは、前記ノズルの出口には、当該ノズルから噴出した噴流の流れを抑制する抑制部が形成されており、前記抑制部は、前記ノズルの出口における軸心側の開口縁から軸心から離れる方向に向かって開口幅の1/4以上の突出幅で突出するように形成されており、前記ノズルから噴出する酸素の流量、前記スロート部の断面積、及び前記出口の断面積より求まる不適性度が0.6〜0.9とされているとよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の脱炭用吹錬ランスチップによれば、Ｏ２流量を低減させることなく、またランス高さを変えることなく、吹錬中における湯面への衝突流速を低下させることができ、吹錬中に発生するスピッティングを低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施形態の脱炭用吹錬ランスチップが設けられた転炉設備を示した図である。
【図２】本実施形態の脱炭用吹錬ランスチップの先端面におけるノズルの配置状態を示した図である。
【図３】ノズルのアスペクト比の算出方法を示した図である。
【図４】不適性度の算出方法を説明する際に用いるノズルの断面図である。
【図５】孔占有角度の算出方法を説明する際に用いるノズルの先端面の図である。
【図６】断面形状が真円形状とされたノズルを６孔有したベース形状のランスチップ先端面を示した図である。
【図７】本実施形態の脱炭用吹錬ランスチップに設けられるノズルの断面構造を示した図である。
【図８】本実施形態の脱炭用吹錬ランスチップに設けられるノズルにおけるスロート部の設置位置を示した図である。
【図９】ベース形状のノズルを孔結合させて形成される断面形状が非等円のノズルを示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
［第１実施形態］
以下、本発明の脱炭用吹錬ランスチップ１の実施形態を、図面に基づき詳しく説明する。
図１は、本実施形態の脱炭用吹錬ランスチップ１が設けられた転炉設備２を模式的に示したものである。
【００１４】
図１に示すように、第１実施形態の転炉設備２は、予めスクラップ、冷銑等の冷鉄源が装入された上底吹きの転炉容器（転炉３）に、脱りん工程で脱りんが行われた溶銑を流し込み、次に溶銑に対して石灰などの副原料を投入し、転炉３の炉口から脱炭用吹錬ランス４を挿入して先端のノズル７より気体酸素を溶銑に吹き付け、それと同時に炉底に設けられた羽口５から窒素やアルゴンなどのガスを吹き込み溶銑を攪拌しつつ脱炭精錬（吹錬）を行うものとなっている。
【００１５】
図１に拡大して示すように、この脱炭用吹錬ランス４は、上下方向に延びる長尺管状の部材であり、内部を長手方向に貫通する酸素流路６や冷却水を流通させる冷却流路（図示略）を備えている。脱炭用吹錬ランス４の先端、言い換えれば酸素流路６の終端には、本発明の脱炭用吹錬ランスチップ１が取り付けられている。
上述した脱炭用吹錬ランスチップ１は、酸素流路６の酸素をランスの外側（湯面）に導き、導かれた酸素を溶銑に対して噴出させるノズル７を複数備えており、また冷却流路の冷却水を導入してチップ自体を冷却可能な構造となっている（図示略）。これら複数のノズル７は、それぞれのノズル７の出口８よりも小径に絞られたスロート部９を孔内に有するスロート構造（ノズル７の入口から出口８に向って、孔内が一旦狭くなった後で、再び広がるような構造）を備えている。このスロート部９での断面形状は複数のノズル７のいずれでも非円形であって、互いに等しい形状とされており、出口８での断面形状は複数のノズル７のいずれでも非円形な等しい形状とされている。そして、複数のノズル７のスロート部９及び出口８は、脱炭用吹錬ランスチップ１の先端面を下方（正面）から見た場合に、脱炭用吹錬ランス４の軸心を基準として同心円の円上にノズル７の中心が位置するように配備され、かつ脱炭用吹錬ランス４の軸心回りに互いに等角度をあけて配置されている。このような複数のノズル７の配置は、脱炭用吹錬ランス４の軸心を中心に脱炭用吹錬ランス４の底面を回転させると、所定の回転角度毎にノズル７が重なり合うものとなっているため、脱炭用吹錬ランス４の軸心に対して複数のノズル７同士が互いに回転対称な状態であるということもできる。
【００１６】
例えば、図２に例示する脱炭用吹錬ランスチップ１の場合であれば、ノズル７は脱炭用吹錬ランス４の軸心回りに１２０°の角度をあけて３箇所設けられており、それぞれのノズル７が脱炭用吹錬ランス４の軸心に対して互いに回転対称（３回対称）とされている。
言い換えれば、複数のノズル７は、脱炭用吹錬ランスチップ１（ランス）の軸心からの等距離となるように配備されている。また、複数のノズル７は、脱炭用吹錬ランスチップ１の軸心から見た場合に、それぞれのノズル７が周方向に互いに等しい角度をあけて配備されているということもできる。
【００１７】
ここで「回転対称」とは、ノズル７を脱炭用吹錬ランス４の軸心に対して所定の回転角度だけ回転させた場合に、隣りに位置していたノズル７に回転したノズル７が完全に重なる場合を言う。なお、「回転対称」を用いずに表現するなら、複数のノズル７は、脱炭用吹錬ランス４の軸心を通るいずれかの線に対してノズル７同士が線対称となるように配備されているといっても良い。
【００１８】
また、それぞれのノズル７は、脱炭用吹錬ランス４の軸心に対して垂直な断面がいずれも非円形状とされ、かつ、どのノズル７も同じ断面形状を備えている（同形状とされている）。なお、非円形状とは、直線又は曲線を組み合わせて無端の形状（閉鎖図形形状）に形成されたもののうち、真円以外のもの（アスペクト比が１とならない形状）を示す意味である。このような非円形状としては、楕円形状、ライスボール形状、多角形形状のような形状だけでなく、卵形、アレイ形などのような歪な形状も含まれる。
【００１９】
さらに、それぞれのノズル７では、出口８のさらに上方に出口８よりも断面積が小さなスロート部９を備えているが、これらのスロート部９の断面形状と出口８の断面形状とは同じ形状でなくても良い。つまり、スロート部９の断面形状と出口８の断面形状とは、楕円形状と卵形のように互いに異なる形状とされていても良い。しかし、好ましくは両断面形状は、スロート部９の断面をそのまま拡大すれば出口８の断面となるような相似形状とされているのが良い。なお、この相似形状には、例えばスロート部９の断面形状が周方向に長い楕円形状で、出口８の断面形状が径方向に長い楕円形状となるような場合、つまり形成方向が異なるが形状としては相似なものも含まれる。このようにスロート部９の断面形状と出口８の断面形状とを互いに相似形状とすれば、鋳造などの既存の加工方法を用いて本発明の脱炭用吹錬ランスチップ１を作製することが容易となるからである。
【００２０】
上述した複数のノズル７は、いずれもジェットを形成させるために、スロート構造を備えている。このようなスロート構造を備えたノズル７は、一般にラバールノズル（例えば、特開２０１４−２２４３０９号公報などを参照）と言われている。このようなラバールノズルを用いれば、ノズル７から噴出される噴流がいわゆるジェット噴流となり、音速噴流を形成することも可能となる。そのため、湯面への到達段階における流速が低くなり過ぎず（湯面で流速30m/s以上を確保できるような噴流を形成でき）、脱炭反応を効率的に行うことができる（特開平７−３３１８号等を参照）。
【００２１】
上述した脱炭用吹錬ランスチップ１に形成されるノズル７を複数とすれば、複数のノズル７に分かれて噴出することで噴流が減衰されやすくなり、湯面衝突時点における流速を十分に低くすることができる。すなわち、ノズル７から噴出した噴流の減衰は、外部のガスと噴流との境界面で噴流が外部のガスを巻き込み、噴流の運動量（運動エネルギ）が外部のガスに伝達されることにより生じる。つまり、ノズル７が単孔のチップの場合、ノズル７から噴出される噴流は１本だけであり、外部のガスに接触する噴流の表面積は小さい。そのため、ノズル７が単孔のチップを採用すると、噴流の運動量の減衰が小さく、湯面衝突時点における流速は高いままとなる。しかし、ノズル７が複数（複孔）のチップの場合、ノズル７から噴出される噴流は複数となり、外部のガスと接触する噴流の表面積がトータルで見ると大きくなるため、噴流の運動量の減衰も大きくなる。そのため、ノズル７が複数設けられたチップを採用すると、複数のノズル７に分かれて噴出することで湯面衝突時点における流速を十分に下げる（減衰させる）ことが可能となる。
【００２２】
このように湯面衝突時における流速を低くできれば、火点（湯面付近）において激しいスピッテイングが発生しにくくなり、スピッティングによるダストロスの増加を防止することが可能となる。そのため、ノズル７を複数設けたチップ、具体的にはノズル７の孔占有角度が330°以下となるような脱炭用吹錬ランスチップ１を本実施形態では用いているのである。
【００２３】
また、ノズル７の開口形状については、楕円などのように円に比べれば扁平（偏平）な開口形状、言い換えればアスペクト比が大きな開口形状を採用することにより、ノズル７から出た噴流の流速の減衰を大きくできる（特開平８-６０２１９号公報参照）。そのため、湯面衝突時点における流速を十分に下げることができるようなノズル７の開口形状を採用するという観点、すなわちソフトブロー化の観点では、開口形状が真円であるよりも細長い開口形状のノズル７を用いるのが好ましい。
【００２４】
なお、上述したような細長い開口形状（アスペクト比の大きな開口形状）のノズルをチップ先端に複数設ける場合であっても、ノズルから噴出された噴流が湾曲して噴流同士が合流すると、ソフトブローが得られにくくなる。
すなわち、チップの先端面で隣り合うノズルから噴出された噴流の間は、噴流内よりも負圧になるため、圧力差により噴流が内側に向かって湾曲するという現象が起こる。このような現象は、例えば同一円上に複数のノズルが並ぶ場合であれば円の中心付近などで特に起こりやすい。また、特にノズルから噴出された噴流の流速が低い場合は、この湾曲は大きくなる傾向（起きやすくなる傾向）がある。
【００２５】
湾曲のために隣り合ったノズルから噴出した噴流同士が重なると、噴流同士が合流して強い流れになってしまい（ハードブローとなってしまい）、湯面衝突時点における流速を十分に下げるというソフトブロー効果が得られなくなる。
その為、断面形状が非等円のノズルをもつチップによりソフトブロー化を実現するためには必ず湾曲による噴流の重なりを防止する必要がある。
【００２６】
つまり、本発明の脱炭用吹錬ランスチップ１は、湾曲による噴流の重なりが防止可能となるようなノズル７の開口形状と孔数とを規定したものとなっている。
なお、近年では、計算技術が飛躍的に発展を遂げており、従来困難であった圧縮性流体の流動解析が比較的簡便にできるようになされており、本技術のように流動解析の結果を元にチップ形状を設計するケースが増えてきている。
【００２７】
具体的には、本実施形態の脱炭用吹錬ランスチップ１は、上述したようにノズル７のスロート部９や出口８がいずれも同じ非円形状の断面形状となっており、かつ、これらのスロート部９及び出口８が脱炭用吹錬ランス４の軸心に対して同心円上に等角度をあけて回転対称な状態で並んで配置されているといった特徴を備えている。ただ、本実施形態の脱炭用吹錬ランスチップ１は、これらの特徴だけでなく、以下の（条件１）及び（条件２）に示される特徴も備えたものとなっている。
（条件１）
「スロート部９の断面形状を楕円換算した場合、当該楕円換算された断面形状のアスペクト比が2.4〜5.5、好ましくは2.4〜3.8とされている」
（条件２）
「前記脱炭用吹錬ランスチップ１の底面において脱炭用吹錬ランス４の軸心を中心として周方向360°を見た場合に、ノズル７が存在している角度範囲を合計した孔占有角度θが330°以下とされている」
上述した２つの条件のうち、（条件１）は、スロート部９が形成されている箇所で切断したノズル７の断面（スロート部９の断面）に対して、この断面を楕円として扱った上で、アスペクト比を求めた場合にアスペクト比が2.4以上であって、且つ、5.5以下、好ましくは3.8以下という好適な範囲になることを規定したものである。
【００２８】
なお、上述したアスペクト比は、楕円や円における長軸（長径）を短軸（短径）で除した比である。例えば、円のアスペクト比は１となる。このようなアスペクト比を用いれば、スロート部９の断面形状が円や楕円形状でないような場合、言い換えれば断面形状がライスボール形状やフットボール形状のように歪んだ形状の場合でも、アスペクト比という同じ指標を用いてノズル７のスロート部９や出口８の断面形状を評価することができる。
【００２９】
具体的には、このアスペクト比は、図３に示す＜手順１＞〜＜手順３＞を行うことで求めることができる。
＜手順１＞
スロート断面位置（ノズル７の軸心に対して垂直なスロート部９の断面）において、ノズル７の軸心より放射状に伸びる直線を引き、放射状に引かれた直線の中でスロート部９の開口縁を掠める（スロート部９の開口縁の接線となる）ように伸びる２本の直線Ｌ１、Ｌ２に対して、２本の直線Ｌ１、Ｌ２の間に形成される角を二等分する直線ＬＭがスロート部９の断面を横断する長さを短径ｂとする。
＜手順２＞
スロート部９の断面の面積Ｓ（スロート部９の開口面積Ｓ）及び＜１＞の手順で求めた短径ｂを以下の式（１）に代入し、スロート部９を楕円として扱った場合の長径ａを求める。
＜手順３＞
＜２＞の手順で求められた長径ａを、＜１＞の手順で求められた短径ｂで除すことにより、スロート部９の断面のアスペクト比を求める。
【００３０】
【数１】
2018131675.tif 000003
【００３１】
なお、上述した＜１＞〜＜３＞の手順はノズル７の断面形状を楕円換算する一例を示したものに過ぎない。例えば、計測されたノズル７の断面形状の輪郭に対して、予めモデル化した（数式化した）楕円をフィッティングさせて、計測された断面形状の輪郭を最も正確に表現可能な楕円を数式として求め、求められた楕円の数式からアスペクト比を算出することもできる。
【００３２】
上述したスロート部９のアスペクト比が２．４〜５．５（２．４以上であって、且つ、５．５以下）、好ましくは２．４〜３．８（２．４以上であって、且つ、３．８以下）とされるのは、以下の理由に従うものである。
すなわち、上述した（条件１）は、複数のノズル７の少なくとも１つについて成立するのが好ましく、より好ましくは全てのノズル７について成立するのがより好ましい。
【００３３】
一般的にはスロート部９の断面のアスペクト比が大きくなるとソフトブロー化の効果が大きくなるが、上述したスロート部９の断面のアスペクト比が２．４未満の場合は楕円噴流の効果（ソフトブロー化の効果）が十分に得られず、流速が高いままで湯面に衝突するため、満足なソフトブロー効果を得ることができなくなる。
また、アスペクト比が５．５、好ましくは３．８を超えてしまうと、１本１本のノズル７から噴出するジェット噴流は確かに弱くなるが、上記した通りに、湾曲によって噴流同士が合体するためにソフトブロー効果が得られなくなる。その為、アスペクト比は、２．４以上であって、且つ５．５以下、好ましくは３．８以下である必要がある。
【００３４】
また、上述の通り、ソフトブロー化を実現するためには、ノズル７から噴出した噴流が脱炭用吹錬ランス４の軸心側に向かって湾曲し、隣り合ったノズル７から噴出した噴流同士が一体化することを防止することが重要である。この噴流の湾曲は噴流に囲まれた空間（本実施形態の場合であれば脱炭用吹錬ランス４の軸心付近に形成される空間）が噴流に対して負圧であるために発生する。しかし、隣り合った噴流（ジェット噴流）同士の間に外気が入り込む程度の隙間があると、このような隙間を通って外気が噴流に囲まれた空間に入り込むため、噴流間の空間が負圧になりにくくなり（負圧が低減され）、結果として噴流の湾曲も抑制される。言い換えると、噴流同士の間の隙間が狭すぎる、つまり、上述した孔占有角度が大きすぎると、ジェット噴流同士の間の隙間が小さくなり、外気が入り込まなくなる。これは、例えばノズル７の出口８が円環形の開口形状をしている場合を想定すると、隙間が皆無のため外気の入り込みが無くなる点からも明らかである。つまり、孔占有角度θが大きくなりすぎると、噴流（ジェット噴流）で囲まれた空間の圧力が低くなりやすく、湾曲が起きやすくなる。
【００３５】
具体的には、上述した孔占有角度θは以下のようにして求めることができる。
図５に示すように、まず図の右上に位置するノズル７について、孔占有角度θ１を求める。上述した脱炭用吹錬ランス４の軸心から径方向に放射状に沿って直線を引いた場合に、図の右上に位置するノズル７の出口８の外縁と点接触する線分を２本引くことができる。この２本の線分をＬ３、Ｌ４とした場合、２本の線分Ｌ３、Ｌ４に囲まれた角度が、このノズル７の占有角度θ１となる。このようにして求めた占有角度θ１は図５の右上に位置するノズル７についてのものであるが、右上以外のノズル７についても同様にして占有角度θ２、θ３を求めることができる。このようにして脱炭用吹錬ランスチップ１の先端に形成された全てのノズル７について、占有角度θ１〜θ３を積算したものが（条件２）における孔占有角度θ（図５の例であれば、θ＝θ１＋θ２＋θ３）である。また、このようにして求められる孔占有角度は、周方向に連続した無端で円環状の断面形状を備えるノズル７の場合であれば３６０°となる。
【００３６】
つまり、上述した「孔占有角度が３３０°以下」とは、ノズル７の数に依らず孔占有角度θの上限を示したものである。孔占有角度θが３３０°を超えてしまうと、ノズル７から噴出される噴流の湾曲が激しくなるために、ジェット噴流同士の一体化によってハードブローが発生し、目的であるソフトブロー化を実現できなくなる。
なお、上述したノズル７の出口８に、ノズル７から噴出した噴流の流れを抑制する抑制部１０を形成することもできる。このような抑制部１０を形成すれば、ノズル７から噴出したジェット（噴流）が脱炭用吹錬ランス４の軸心側に向かって湾曲して隣り合うジェット同士が一体化することを防止することができる。
【００３７】
このような抑制部１０の設置は、「発明が解決しようとする課題」で示した特開平８−１５７９２８号公報や特開昭６１−１４３５０７号公報などの先行文献にも、開示されていない。つまり、これらの先行文献には、ノズル出口にノズルから噴出されたジェット噴流を内側に湾曲させない（外側に広げる）ための邪魔板や突起のような噴流を抑制する部材（抑制部１０）は開示されていない。言い換えれば、これらの先行文献では、内側へのジェット噴流の湾曲を抑制できないため、噴流同士の合流によって噴流がハードブロー化する可能性があり、ソフトブロー化は望めないものとなっている。
【００３８】
ところが、本実施形態の抑制部１０は、脱炭用吹錬ランスチップ１の先端側に着脱自在に設けられて、ノズル７の出口８（出口８の開口）の一部を閉鎖可能な板部材とされている。なお、抑制部１０は、ノズル７から噴出される噴流を減衰可能な板部材（邪魔板のような部材）でも良いが、ノズル７の出口８に突状に形成された部位（突起）でも良い。
このような抑制部１０を設ける理由は、以下の通りである。すなわち、上述した通りに、ラバール構造を採用する本実施形態の脱炭用吹錬ランスチップ１では、スロート部９で圧縮された流体はノズル７の出口８に向かって膨張することでジェット噴流が形成される。このジェット噴流が形成されている領域、例えばノズル７の出口８付近において、ジェット噴流が障害物に接触すると、ソニックブーム（衝撃波）を発生させながらジェット噴流の流速が低下することが知られている。つまり、ノズル７の出口８に抑制部１０を設置することにより、ノズル７から噴出する噴流の流速を低減し、ソフトブロー化を実現することができる。
【００３９】
なお、抑制部１０は、ノズル７の出口８における軸心側の開口縁から軸心から離れる方向に向かって開口幅の1/4以上の突出幅で突出するように形成するのが好ましい。抑制部１０の大きさがこれ以下になると、噴流との接触面積が小さくなり、満足なソフトブロー効果を得ることはできなくなる。また、上述の通り、単純に噴流の流速を下げるだけでは湾曲が大きくなり、合体しやすくなる。そのため、軸心側の開口縁に抑制部１０を設置し、合体しやすい軸心側の噴流を抑えることでジェットの合体を防止している。
【００４０】
一方、上述した抑制部１０を設置するに際しては、脱炭用吹錬ランス４から噴出される酸素ガスの総流量を0.5〜1.5 [Nm3/分]とした場合（酸素ガスの総流量が0.5 Nm3/分以上であって、且つ、1.5 Nm3/分以下）に、ノズル７から噴出する酸素の流量、スロート部９の断面積、及び出口８の断面積より求まる不適性度が0.6〜0.9となるように抑制部１０を形成するのが好ましい。
【００４１】
ここで、不適性度とは、ジェット噴流について適性な圧縮が行われているかを示す指標であり、不適性度＝１の場合にノズルの出口における圧力が外気圧と等しくなり、もっともエネルギー変換効率が良くなって、強力なジェット噴流が得られる。この不適性度＝１の場合は「適正膨張」と言われる。これに対して不適性度≠１の場合は、「不適性膨張」と呼ばれ、出口圧力が外気圧と等しくならなくなる。特に、不適性度＜１の場合は、「過膨張」と呼ばれ、出口圧力が外気圧以下となる。この場合は、ノズル７での圧力→運動エネルギーの変換効率が低いため、ソフトブローを実現することができる。ただ、あまりソフトブローにし過ぎると、上述した湾曲が起こってジェット噴流が合体して一体化する現象が発生し、結果としてソフトブロー効果が得られなくなる。そのため、不適性度には、ソフトブロー効果を確実に発揮可能な最適範囲が存在する。
【００４２】
具体的には、本実施形態の不適性度の最適範囲は、０．６〜０．９とされる。不適性度が０．９以上であると、圧力が運動エネルギーに変換される際のエネルギー変換効率が高くなり、強力なジェット噴流が形成されてしまい、湯面への衝突流速も高くなってしまう（ソフトブロー効果が得られなくなる）。
また、不適性度が０．６以下となると、ノズル７の出口８近傍でソフトブロー化されているものの、隣り合うノズル７から噴出されたジェット噴流同士が湾曲により一体化するため、ジェット噴流の減衰が遅くなり、結果として湯面への衝突流速が高くなってしまう（ソフトブロー効果が得られなくなる）。
【００４３】
そのため、不適性度は０．６〜０．９の範囲である必要がある。
なお、上述した不適性度は、以下のような手順で実際に算出することができる。
上述したように不適性度（以降の数式では不適性度を示すのにｆという記号を用いる場合がある）とは、ジェットの膨張度合を表す指標であり、以下の式（２）で表される。
【００４４】
【数２】
2018131675.tif 000004
【００４５】
不適性度ｆ=１の場合は適正膨張と呼ばれ、ノズル効率が最大となる。また不適性度ｆ＜１、あるいは不適性度ｆ＞１の場合は、各々過膨張、不足膨張と呼ばれ、適正膨張時よりノズル効率が低くなる。
式（２）において、分母p0pは「適正膨張時のノズル前圧力」を表し、以下のように算出する。なお、この「ノズル前圧力」とは、図４中に示す「ノズル前」での圧力を示している。
【００４６】
すなわち、ジェット膨張が断熱膨張と仮定すると、ノズル７の出口８の断面積（Ae）を、ノズル７のスロート部９の断面積（A*）で除した面積比と、ノズル７の出口８での噴流の流速をマッハ数で示した値（Me）は式（３）の関係にあるため、比熱比をλとすると面積比（Ae/A*）よりノズル７の出口８での噴流のマッハ数Meを以下のように算出することができる。
【００４７】
【数３】
2018131675.tif 000005
【００４８】
また、ノズル７の出口８における噴流のマッハ数と、計測しようとするノズル７の入側の圧力、及びノズル７の出側の圧力は式（４）の関係にある。なお、上述した適正膨張とは出口圧力が外気圧と等しくなる場合なので、式（３）で求めたノズル７の出口８でのマッハ数Me、およびノズル７の出口８での圧力pe=1.013×105[Pa]を代入すると、適正膨張時のノズル７の入側の圧力p0p=p0が求まる。
【００４９】
【数４】
2018131675.tif 000006
【００５０】
また、式（２）において、分子p0は求めようとする実際のノズル７の入側の圧力であり、ノズル７を流れるガス（酸素）の質量流速m*より、以下の式（５）で求められる。
【００５１】
【数５】
2018131675.tif 000007
【００５２】
なお、上述した式（２）〜式（５）中に用いられる各パラメータは、以下の表１に示すようなものとなっている。
【００５３】
【表１】
2018131675.tif 000008
【００５４】
上述した特徴を兼ね備えた本実施形態の脱炭用吹錬ランスチップ１を用いれば、ノズル７から噴出する噴流の流速を低減させることができ、ソフトブロー化を実現することができる。つまり、本実施形態の脱炭用吹錬ランスチップ１を用いれば、ノズル７から噴出される酸素ガスの流量（Ｏ２流量）を低減させなくてもソフトブローを実現できるし、またランス高さを高くしなくてもソフトブローを実現できる。そのため、吹錬中における湯面への衝突流速を低下させることができ、吹錬中に発生するスピッティングを低減することが可能となる。
【実施例】
【００５５】
上述した本発明の脱炭用吹錬ランスチップ１の作用効果を、実施例及び比較例を用いてさらに詳しく説明する。
実施例及び比較例は、ノズル７の開口形状、ノズル７の孔数、抑制部１０（邪魔板）の有無などの条件を変化させた場合に、ノズル７から噴出された噴流が溶湯表面に衝突する際の中心動圧（ジェット噴流の中心での動圧）及び中心流速（ジェット噴流の中心での流速）がどのように変化するかを、Fluent（Ver.ansys14.5）を用いた流動解析により計算したものである。なお、実施例及び比較例は、いずれも酸素流量が1000Nm3/分のものである。
【００５６】
また、流動解析に用いた実施例及び比較例の脱炭用吹錬ランスチップは、開口形状が真円の６孔ランスをベース形状とし、この６孔のうちから隣接し合うノズル同士を複数孔に亘って適宜結合させて、アスペクト比を大きくしたノズル７を適宜形成したものである。
さらに、実施例１は上述した（条件１）及び（条件２）を満足するものであり、実施例２は、上述した（条件１）及び（条件２）に加えて、ノズル７の出口８における軸心側の開口縁から軸心から離れる方向に向かって出口８の開口幅の1/4以上の突出幅で突出する抑制部１０（邪魔板）を形成すると共に、ノズルから噴出する酸素の流量、スロート部の断面積、及び出口の断面積より求まる不適性度が0.6〜0.9という条件を満足するものとなっている。なお、出口８に形成される抑制部１０の厚みはいずれも１０mmとしている。
【００５７】
まず、ノズル７の孔結合のベース形状について説明する。このベース形状の脱炭用吹錬ランスチップは、太さ（直径）がφ３５５．６ｍｍの短尺な円柱状（円盤状）で、中心から234mmの同心円上に、互いに等間隔を開けて6孔の真円形状のノズル出口を持つ。なお、孔結合のベース形状には、上述した６孔のもの以外に、４孔のものも用意した。つまり、これらのベース形状は、真円形状のノズルを脱炭用吹錬ランスの軸心に対して６０°で回転対称となるか、または９０°で回転対称となるものと言うこともできる。また、脱炭用吹錬ランスの内部には、酸素ガスを流通させる酸素流路が形成されている。これら６孔または４孔のノズルは、いずれも脱炭用吹錬ランスの内部の酸素流路に開口する入口と、脱炭用吹錬ランスチップの先端面に開口形成される出口とを結ぶものであり、本例では全長が１７３ｍｍとされている。それぞれのノズル孔の内部には、出口から奥側に向かって１４０ｍｍの位置に、スロート部が形成されている。このスロート部は、ノズル孔の出口の開口径よりも小径に絞られた部分であり、ランス孔の長手方向に対して１０ｍｍの長さに亘って形成されたものとなっている。
【００５８】
上述したベース形状に対して、実施例及び比較例のノズルは、ベース形状の６孔または４孔のノズルのうち、隣接し合うノズル同士を２孔、３孔、６孔結合させて、非円形状のノズルを作成したものとなっている。
具体的には、実験番号１〜実験番号１９は、隣接し合う２孔または３孔同士を連結させて、非円形状（円弧形状）のノズル７としたものである。これらの実験番号１〜実験番号１９は、表３において「実施例１」として示している。また、実験番号２０〜実験番号２８は、隣接し合う２孔同士を連結させて、非円形状（円弧形状）のノズル７としたものである。これらの実験番号２０〜実験番号２８は、表４において「実施例２」として示している。さらに、実験番号２９〜実験番号３４は、３孔または６孔すべてを連結させてノズルを形成したものであり、表５の「比較例１」を構成している。
【００５９】
なお、図５に示すように、実施例１、実施例２、及び比較例１のノズルは、脱炭用吹錬ランスの軸心（図５の紙面における上下方向）に対して、傾角（傾斜角）１０〜３０［deg.］で傾斜したものとなっている。
なお、上述したものを除く寸法等のデータ、言い換えれば流動解析に用いるFluentの計算条件は、表２に示すようなものとなっている。
【００６０】
【表２】
2018131675.tif 000009
【００６１】
上述した実施例及び比較例に対しては、「中心動圧」と「中心流速」とを求めて、ソフトブローが実現できているかどうかを評価した。
なお、評価に用いる「中心動圧」は、ジェットの自由噴流(障害物が無い)において、ランス高さ（出口）より2.8m下方の位置における噴流中心の動圧をFluentを用いて計算したものである。この「中心動圧」を１９．６［kPa］以下とすることにより、吹錬中期以降のダスト発生量を低減できる（特開２０１３−４９８９０号公報参照）。それゆえ、本実施例及び比較例では、「中心動圧」が１９．６［kPa］以下のものを「○（ソフトブロー化の効果あり）」の評価、「中心動圧」が１９．６［kPa］未満のものを「×（ソフトブロー化の効果なし）」の評価とした。
【００６２】
さらにまた、「中心流速」は、ジェットの自由噴流(障害物が無い)において、ランス高さ（出口）より2.8m下方の位置における噴流中心の流速をFluentを用いて計算したものである。この「中心流速」を７０［m/s］以下とすることにより、吹錬時のダスト発生量を低減できる（特開平７−３３１８号公報参照）。それゆえ、本実施例及び比較例では、「中心流速」が７０［m/s］以下のものも「○（ソフトブロー化の効果あり）」の評価、「中心流速」が７０［m/s］未満のものも「×（ソフトブロー化の効果なし）」の評価とした。
【００６３】
なお、この「中心流速」の条件は、上述した「中心動圧」よりも厳しい条件となっている。
それゆえ、「総合評価」として、「中心動圧」が「○」であるばかりでなく「中心流速」も「○」の評価となる場合は、「総合評価」を「◎（ソフトブロー化の効果が大きい）」とした。一方、「中心流速」または「中心動圧」のいずれかが「○」のものは「○（ソフトブロー化の効果がある）」としている。
【００６４】
【表３】
2018131675.tif 000010
【００６５】
【表４】
2018131675.tif 000011
【００６６】
【表５】
2018131675.tif 000012
【００６７】
表６に示すように、上述した実験番号１〜実験番号３４のうち、「実施例１」として実験番号１、２、３、「実施例２」として実験番号２０、２１、２２について、中心動圧を求めると、2.1kPa〜6.3kPaとなり、閾値である19.6kPa以下となる。ところが、比較例１の実験例は、いずれも中心動圧が、閾値である19.6kPaを超える。このことから、実施例１及び実施例２は、比較例１に比べて湯面衝突時の中心動圧を低減可能であることがわかる。
【００６８】
【表６】
2018131675.tif 000013
【００６９】
一方、表７に示すように、「実施例１」として実験番号１、２、３、「実施例２」として実験番号２０、２１、２２について、中心流速を求めると、実施例１については80.1 m/s〜97.8m/sとなり、閾値である70m/sを超えるが、実施例２については54.9m/s〜68.3m/sとなり、閾値である70m/s以下となる。このことから、実施例２は、比較例１だけでなく実施例１に比べても、湯面衝突時の中心流速を低減可能であることがわかる。
【００７０】
【表７】
2018131675.tif 000014
【００７１】
なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。特に、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、運転条件や操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。
【符号の説明】
【００７２】
１  脱炭用吹錬ランスチップ
２  転炉設備
３  転炉
４  脱炭用吹錬ランス
５  羽口
６  酸素流路
７  ノズル
８  ノズルの出口
９  スロート部
１０  抑制部
【図１】
2018131675.tif 000015
【図２】
2018131675.tif 000016
【図３】
2018131675.tif 000017
【図４】
2018131675.tif 000018
【図５】
2018131675.tif 000019
【図６】
2018131675.tif 000020
【図７】
2018131675.tif 000021
【図８】
2018131675.tif 000022
【図９】
2018131675.tif 000023