(57)【要約】【課題】上吹きランスを用いた転炉精錬方法において、ランス使用回数によらず、常に良好な吹錬状況を保持し、ランス先端への地金付着を防止し、二次燃焼率の増大をも防止することのできる転炉精錬方法を提供する。【解決手段】上吹きランスを用いた転炉精錬方法において、ランスの使用回数に応じてランス高さの設定値を決定する。ランス使用回数とノズル形状変形状況との関係を求め、当該関係に基づいて、前記ランス使用回数と全運動エネルギー比との関係を求めると良い。ランス基準使用回数（Ｎ1、Ｎ2（Ｎ1＜Ｎ2））を定め、ノズル形状が変形していない場合の最適ランス高さＨ0を予め定め、ランス使用回数が前記Ｎ1以下の一部又は全部においてランス高さをＨ0よりも高い高さとし、ランス使用回数が前記Ｎ2以上の一部又は全部においてランス高さをＨ0よりも低い高さとすると好ましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上吹きランスを用いた転炉精錬方法において、ランスの使用回数に応じてランス高さの設定値を決定することを特徴とする転炉精錬方法。
【請求項２】
ランス高さを所定の高さとしたときのランス使用回数と湯面に到達するジェットの全運動エネルギーとの関係を予め求めておき、ランス初回の全運動エネルギーを基準とした全運動エネルギー比が目標範囲に入るようにランス高さの設定値を決定することを特徴とする請求項１に記載の転炉精錬方法。
【請求項３】
ランス使用回数とノズル形状変形状況との関係を求め、当該関係に基づいて、前記ランス使用回数と全運動エネルギー比との関係を求めることを特徴とする請求項２に記載の転炉精錬方法。
【請求項４】
ランス基準使用回数（Ｎ1、Ｎ2（Ｎ1＜Ｎ2））を定め、ノズル形状が変形していない場合の最適ランス高さＨ0を予め定め、ランス使用回数が前記Ｎ1以下の一部又は全部においてランス高さをＨ0よりも高い高さとし、ランス使用回数が前記Ｎ2以上の一部又は全部においてランス高さをＨ0よりも低い高さとすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の転炉精錬方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、上吹きランスを用いた転炉精錬方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
上底吹き転炉、上吹き転炉においてはいずれも、上吹きランスを用いた転炉精錬が行われる。上吹きランスの先端に設けられた酸素ノズルから純酸素ガスを高速で転炉中の溶湯（溶融金属）に噴射し、ガスの衝突によって溶湯を攪拌するとともに、酸素ガスによって溶湯中の不純物成分を酸化させて金属精錬が行われる。酸素ノズルとしてはラバールノズルが用いられ、酸素ノズルから超音速噴流を吐出させる。複数の酸素ノズルを有する多孔ノズルランスが用いられている。
【０００３】
所定のノズル形状（ノズルスロート径、ノズル孔数、ノズルの広がり角度）を有するランスを用いて酸素吹き込みを行うに際し、送酸速度とランス高さ（ランス先端と湯面との距離）を変更することにより、転炉中の溶湯に与える酸素ガスジェットの影響を調整することができる。同じ送酸速度であれば、ランス高さを低くすると酸素ガスジェットの影響が高まり、溶湯の攪拌動力が高まるとともに、溶湯が跳ね返るスピッティング現象が増大し、ランス先端への地金付着も増大する。逆にランス高さを高くすると酸素ガスジェットの影響が弱まり、弱攪拌に特有の精錬反応（いわゆる「ソフトブロー」）が進行するとともに、転炉中の雰囲気ガスと酸素ガスジェットとの混合が進んで二次燃焼率が増大する原因ともなる。そのため、転炉及びランスの種類ごとに、最適な送酸速度とランス高さが定められ、転炉精錬が行われる。
【０００４】
特許文献１には、排ガス中のＣＯ及びＣＯ2濃度より二次燃焼による反応熱量を求め、実測した排ガス温度及び火点温度より溶鋼・スラグへの着熱分配率を決定して溶鋼・スラグ温度を推定し、この推定値に対応して送酸量、ランス高さ、底吹きガス流量を操作することで溶鋼・スラグ温度を制御することを特徴とする転炉吹錬制御方法が開示されている。しかし、これら諸パラメータを計測した上で溶鋼・スラグ温度を推定し、この推定値に対応して送酸量、ランス高さ、底吹きガス流量を操作するのでは、対応が煩雑すぎる問題がある。
【０００５】
非特許文献１によると、転炉上吹きの総運動エネルギーＪは以下の式で表される。
Ｊ＝ｎｃｏｓξ・(π・ρg)／20・(6.313・Ｄe／ｘ)3
×(ｘ・ｔａｎθ／2)2・ｕ'3 (0, 0)                     （１）
上記式のｘをまとめて記述すると、
Ｊ＝ｎｃｏｓξ・(π・ρg)／20・(6.313・Ｄe)3・(ｔａｎθ／2)2・ｕ'3 (0, 0)／ｘ
となり、Ｊはｘに反比例する形となる。
ここで、ｎ：ノズル孔数、ξ：ノズル広がり角度(°)、ρg：気体の密度(kg/m3)、Ｄe：先端部でのノズル径(m)、ｘ：ランス高さ(m)、θ：ジェットの広がり角度(°)、ｕ' (0, 0)：ノズル先端部での見掛けの流速(Nm/s)、を意味する。即ち、他の条件を一定にしてランス高さのみを変化させた場合、総運動エネルギーはランス高さに反比例する。以下、本発明ではランス高さをｘではなく「Ｈ」と表記する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平５−２６３１２０号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】甲斐幹ら著「上底吹き転炉特性のコールドモデルによる検討」鉄と鋼第６９年（１９８３）第２号第４２〜５１頁）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
転炉においてランス先端のノズル形状を定め、当該ノズル形状にマッチした最適な送酸速度とランス高さが定められ、転炉精錬が行われる。ランス先端のノズル部分を交換した直後においては、最適送酸条件が適用されているため、上吹きガスジェットによる溶湯の攪拌を適切に得られ、かつスピッティングも十分に抑えられ、二次燃焼率が高すぎない良好な吹錬を行うことができる。
【０００９】
ところが、新品のノズルを使用し始めてランス使用回数数十回が経過すると、スピッティングに起因するランス先端への地金付着でノズル交換を余儀なくされる場合が見られた。さらにランス使用回数が２００回を超えると、逆に弱攪拌になり、二次燃焼率が増大する傾向が見られることがあった。
【００１０】
本発明は、上吹きランスを用いた転炉精錬方法において、ランス使用回数が変わっても常に良好な吹錬状況を保持し、ランス先端への地金付着を防止し、二次燃焼率の増大をも防止することのできる転炉精錬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】
【００１１】
即ち、本発明の要旨とするところは以下のとおりである。
（１）上吹きランスを用いた転炉精錬方法において、ランスの使用回数に応じてランス高さの設定値を決定することを特徴とする転炉精錬方法。
（２）ランス高さを所定の高さとしたときのランス使用回数と湯面に到達するジェットの全運動エネルギーとの関係を予め求めておき、ランス初回の全運動エネルギーを基準とした全運動エネルギー比が目標範囲に入るようにランス高さの設定値を決定することを特徴とする請求項１に記載の転炉精錬方法。
（３）ランス使用回数とノズル形状変形状況との関係を求め、当該関係に基づいて、前記ランス使用回数と全運動エネルギー比との関係を求めることを特徴とする請求項２に記載の転炉精錬方法。
（４）ランス基準使用回数（Ｎ1、Ｎ2（Ｎ1＜Ｎ2））を定め、ノズル形状が変形していない場合の最適ランス高さＨ0を予め定め、ランス使用回数が前記Ｎ1以下の一部又は全部においてランス高さをＨ0よりも高い高さとし、ランス使用回数が前記Ｎ2以上の一部又は全部においてランス高さをＨ0よりも低い高さとすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の転炉精錬方法。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、上吹きランスを用いた転炉精錬方法において、ランスの使用回数に応じてランス高さの設定値を決定することにより、ランス使用回数によらず、常に良好な吹錬状況を保持し、ランス先端への地金付着を防止し、二次燃焼率の増大をも防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】ランス先端を示す部分図であり、（ａ）はランス使用開始前、（ｃ）はノズル変形が発生した後の状態を示し、（ｂ）（ｄ）はそれぞれＢ−Ｂ矢視部分図、Ｄ−Ｄ矢視部分図である。
【図２】ノズル使用回数と局部変形度（δ／Ｄt）の関係を示す図である。
【図３】ノズルの局部変形度と全運動エネルギー比の関係を示す図である。
【図４】ランスノズル使用回数とランス高さの関係を示す図である。
【図５】本発明によるランスノズル寿命の改善状況を示す図である。
【図６】本発明による二次燃焼率改善状況を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
上吹きランス先端の酸素ノズルとして３孔以上の多孔ノズルが用いられている。酸素ノズルはランス先端の同一円周上に同一角度間隔で配置されることが多い。ランスノズルの使用回数とノズルの変形状況との関係を調査したところ、ランスノズルの使用回数が増大するとともに、ノズル出口形状が変形して出口直径が減少する部分が生じることがわかった。特に各ノズルのうちのランス外周側に近い側でノズル形状の変形が進行する。図１はランス１のノズル２変形状況を示す図であり、（ａ）はランス使用開始前、（ｃ）はノズル変形が発生した後の状態を示し、（ｂ）（ｄ）はそれぞれＢ−Ｂ矢視部分図、Ｄ−Ｄ矢視部分図である。ノズル出口形状が変形して直径が最も小さくなった部分の直径をここでは「ノズル最小径」と呼ぶ。最小径は、ランス半径方向のノズル直径であることが多い。そして、ランス使用回数の進行とともに、ノズル最小径が小さくなっていくことが観察された。ラバールノズルのスロート径をＤt、出口の初期径をＤe0、実際のノズル最小径をＤeとおき、
δ／Ｄt＝（Ｄe0−Ｄe）／Ｄt
とする。δ／Ｄtを「局部変形度」とよぶ。ランス使用回数と局部変形度との関係を調査したところ、図２に示すような結果が得られた。
【００１５】
次に、ラボ実験により、湯面に到達するジェットの全運動エネルギーを計測し、局部変形度によって全運動エネルギーがどのように変化するかを評価した。ここで、全運動エネルギーとは、前記（１）式で表される上吹きジェットが有する総運動エネルギーを意味する。ノズルの変形が起きていないときの全運動エネルギーをＪ0、所定の変形が発生したときの全運動エネルギーをＪとし、Ｊ／Ｊ0を全運動エネルギー比とし、全運動エネルギー比の推移を評価した。その結果を図３に示す。図３において、「○」が実測値、実線は実測値に合致するように定めた二次曲線（図３中の二次式）を示す。図３の実線から明らかなように、局部変形度が大きくなるに従って全運動エネルギー比が最初は増大し、局部変形度があるところまで大きくなる（局部変形度が０．０５程度）と全運動エネルギー比は減少に転じ、さらに局部変形度が大きくなる（局部変形度が０．０８程度）と逆に全運動エネルギー比が１より小さくなって減少傾向が続くことが明らかになった。
【００１６】
図２に示すランス使用回数と局部変形度との関係と、上記図３に示すラボ実験における局部変形度と全運動エネルギー比の関係をあわせ考えると、ランス使用回数の初期において全運動エネルギー比はランス使用回数とともに増大し、ランス使用回数があるところまで進むと全運動エネルギー比は減少に転じ、さらにランス使用回数が増大すると全運動エネルギー比が１より小さくなって減少傾向が続くことが推論できる。
【００１７】
転炉上吹きの全運動エネルギーＪに関する前記（１）式によると、全運動エネルギーＪはランス高さＨに反比例する関係にある。従って、ランス使用回数数十回において全運動エネルギー比が過大となる状況では、ランス高さＨを増大することによって全運動エネルギー比を下げて最適化することができる。一方、ランス使用回数が２００回を超えて全運動エネルギー比が過小となる状況では、ランス高さＨを低減することによって全運動エネルギー比を上げて最適化することができる。ランス高さＨの最適な変更代については、全運動エネルギー比の変化量に応じて、（１）式に基づいて算出することが可能である。
【００１８】
本発明は、上記知見に基づいてなされたものであり、上吹きランスを用いた転炉精錬方法において、ランスの使用回数に応じてランス高さの設定値を決定することを特徴とする。
【００１９】
具体的には、ランス高さを所定の高さとしたときのランス使用回数と湯面に到達するジェットの全運動エネルギーとの関係を予め求めておき、ランス初回の全運動エネルギーを基準とした全運動エネルギー比が目標範囲に入るようにランス高さの設定値を決定する。まず、ランスノズルが変形していないときの最適ランス高さを所定高さＨ0とする。所定ランス高さＨ0では全運動エネルギー比が過大となるランス使用回数数十回の領域では、ランス高さを所定高さＨ0よりも高くすることによって全運動エネルギー比を適正化する。所定ランス高さＨ0では全運動エネルギー比が過小となるランス使用回数２００回以上の領域では、ランス高さを所定高さＨ0よりも低くすることによって全運動エネルギー比を適正化する。
【００２０】
より具体的には、ランス使用回数とノズル形状変形状況との関係を求め、当該関係に基づいて、前記ランス使用回数と全運動エネルギー比との関係を求めることができる。ノズル形状変形状況と全運動エネルギー比との関係についてはラボ実験で予め求めることができる。そして、ランス使用回数とノズル形状変形状況との関係については、使用したランスノズルの変形実績から求めることができる。これら事実を組み合わせることにより、ランス使用回数と全運動エネルギー比との関係を求めることができる。
【００２１】
上記種々の評価結果から、転炉精錬におけるランス使用回数と精錬状況との関係実績に基づいて、ランス使用回数ごとの最適なランス高さを定めることができる。
【００２２】
あるいはこれら評価を行わずとも転炉精錬におけるランス使用回数と精錬状況との関係実績に基づいて、ランス使用回数ごとの最適なランス高さを定めることができる。即ち、新品のノズルを使用し始めてランス使用回数数十回が経過したときに、スピッティングに起因するランス先端への地金付着でノズル交換を余儀なくされる場合が見られたのなら、この時点で全運動エネルギー比が過大となったことが原因と推定できるので、この時点でのランス高さを増大することで対応可能である。さらにランス使用回数が一定回数を超えたときに弱攪拌傾向になり、二次燃焼率が増大する傾向が見られたのなら、この時点で全運動エネルギー比が過小となったことが原因と推定できるので、この時点でのランス高さを低減することで対応可能である。
【００２３】
即ち、ランス使用回数と湯面に到達するジェットの全運動エネルギーとの関係を予め求めた場合、あるいは求めていない場合のいずれにおいても、ランス基準使用回数（Ｎ1、Ｎ2（Ｎ1＜Ｎ2））を定め、ノズル形状が変形していない場合の最適ランス高さＨ0を予め定め、ランス使用回数が前記Ｎ1以下の一部又は全部においてランス高さをＨ0よりも高い高さとし、ランス使用回数が前記Ｎ2以上の一部又は全部においてランス高さをＨ0よりも低い高さとすることで対応することができる。
【００２４】
ランス使用回数と湯面に到達するジェットの全運動エネルギーとの関係を予め求めた場合は、ランス使用回数初期段階において全運動エネルギー比が１よりも大きくなる領域をＮ1以下に包含するようにＮ1を定める。また、ランス使用回数後半において全運動エネルギー比が１よりも小さくなる領域をＮ2以上に包含するようにＮ2を定める。そして、Ｎ1以下の一部又は全部においてランス高さをＨ0よりも高い高さとすることにより、当該領域においてジェットの全運動エネルギー過多によるランス地金付きトラブルを低減することができる。また、ランス使用回数が前記Ｎ2以上の一部又は全部においてランス高さをＨ0よりも低い高さとすることにより、当該領域における二次燃焼率の増大を防止することができる。
【００２５】
ランス使用の初期段階では、まだノズルの変形は発生していないので、ランス高さはＨ0とすることにより最適精錬を行うことができる。ただし、ランスの使用を開始した当初からノズルの変形は急速に進行し、ランス高さを増大する方が好ましい状況に立ち至る。従って、ランス使用回数がＮ1以下の全域、即ちランス使用初回を含めてランス高さＨをＨ0よりも高い値とすることとしても本発明の効果を十分に発揮することができる。
【実施例】
【００２６】
溶湯量４００トンの上底吹き転炉において本発明を適用した。ランスには４孔のノズルを同円周上に配置しており、スロート径Ｄtは８０ｍｍφ、初期出口径Ｄe0は８５ｍｍφである。新品のランスを用い、酸素ガス供給量を８０ｋＮｍ3／Ｈｒとしたときの最適ランス高さＨ０は４．０ｍである。
【００２７】
ランスノズルの使用回数とノズルの変形状況との関係を調査したところ、ランスノズルの使用回数が増大するとともに、ノズル出口形状が変形して出口直径が減少する部分が生じることがわかった。特に各ノズルのうちのランス外周側に近い側でノズル形状の変形が進行する。ランス使用回数と局部変形度（δ／Ｄt＝（Ｄe0−Ｄe）／Ｄt）との関係を調査したところ、図２に示すような結果が得られた。
【００２８】
次に前述の通り、ラボ実験により、湯面に到達するジェットの全運動エネルギーを計測し、局部変形度によって全運動エネルギーがどのように変化するかを評価した。ノズルの変形が起きていないときの全運動エネルギーをＪ0、所定の変形が発生したときの全運動エネルギーをＪとし、Ｊ／Ｊ0を全運動エネルギー比とし、全運動エネルギー比の推移を評価した。その結果、図３に示す結果が得られた。即ち、局部変形度が大きくなるに従って全運動エネルギー比が最初は増大し、局部変形度があるところまで大きくなる（局部変形度が０．０５程度）と全運動エネルギー比は減少に転じ、さらに局部変形度が大きくなる（局部変形度が０．０８程度）と逆に全運動エネルギー比が１より小さくなって減少傾向が続くことが明らかになった。
【００２９】
これら事実を組み合わせることにより、ランス高さ一定としたときのランス使用回数と全運動エネルギー比との関係を求めた。そして、本発明例では、ランス使用回数によって全運動エネルギー比が変動しないように、ランス使用回数ごとのランス高さを変更することとした。図２のランス使用回数と局部変形度の関係、図３の局部変形度と全運動エネルギー比の関係（実線）から、ランス使用回数と全運動エネルギー比の関係を求めた。次に、前記（１）式に基づき、ランス使用回数に関わらず全運動エネルギー比が一定になるように、ランス使用回数とランス高さの関係を求めた。その結果を図４の実線に示す。そこで、図４の実線を参照しつつ、具体的には、ランス使用開始直後からランス使用回数Ｎ1＝５０回まではランス高さＨをＨ0＋０．１〜Ｈ0＋０．１５ｍとし、ランス使用回数Ｎ1からＮ2＝２００回まではランス高さをＨ0＋０．１〜Ｈ0とし、ランス使用回数Ｎ2以降はランス高さをＨ0〜Ｈ0−０．１ｍとした。これに対して従来例は、ランス使用回数によらず、ランス高さをＨ0一定とした。図４の「○」は、実際の精錬で本発明の実施例として行った例のプロットである。本発明例は従来例と比較し、飛散した地金のノズル付着によるランスの異常溶損頻度が低減し、図５に示すように、ランスノズル寿命が従来例の１．２倍に延長した。主に、ランス使用回数４０回未満での異常溶損の発生が低減したことによる。また、従来例では二次燃焼率が過剰であったが、図６に示すように、本発明例は従来例に比較して二次燃焼率が低下し、適切な二次燃焼率を実現した。主に、ランス使用回数２００回以上における二次燃焼率の過剰が改善されたことによる。これにより、転炉ガス（ＬＤＧ）の炉内燃焼ロスを抑制でき、ユーティリティコスト削減につながった。
【符号の説明】
【００３０】
１  ランス
２  ノズル
Ｄt  スロート径
Ｄe0  初期出口径
Ｄe  ノズル最小径
δ  変形量
Ｈ  ランス高さ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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