(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融金属の溶解・精錬にて使用されるガス吹込みノズルの材質の溶融温度ＴＮと、前記溶融金属の溶融浴の最高温度ＴＭとは、式（１）を満たし、
前記最高温度ＴＭは、１３００℃〜１４５０℃であり、
前記ガス吹込みノズルの材質には、Ｃｒ、ＮｉおよびＭｏが含まれる、金属溶解・精錬炉用ガス吹込み方法。
０．８＜ＴＮ／ＴＭ＜１．０・・・式（１）
【請求項２】
前記溶融温度ＴＮの材質の部材は、前記ガス吹込みノズルの一部に使用される、請求項１に記載の金属溶解・精錬炉用ガス吹込み方法。
【請求項３】
前記ガス吹込みノズルは、内側ノズルおよび外側ノズルを備える二重ノズルであり、
前記溶融温度ＴＮの材質の部材は、前記外側ノズルに使用される、請求項２に記載の金属溶解・精錬炉用ガス吹込み方法。
【請求項４】
溶融金属の溶解・精錬にて使用されるガス吹込みノズルであって、
前記ガス吹込みノズルの材質の溶融温度ＴＮと、前記溶融金属の溶融浴の最高温度ＴＭとは、式（１）を満たし、
前記最高温度ＴＭは、１３００℃〜１４５０℃であり、
前記ガス吹込みノズルの材質には、Ｃｒ、ＮｉおよびＭｏが含まれる、金属溶解・精錬炉用ガス吹込みノズル。
０．８＜ＴＮ／ＴＭ＜１．０・・・式（１）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属溶解・精錬炉用ガス吹込み方法および金属溶解・精錬炉用ガス吹込みノズルに関する。
【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・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、ノズルの溶解・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、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】
従来は、冷却用ガスを多量に吹き込むことでマッシュルームの生成・維持を制御していた。また、他にも、下記の特許文献１〜３に開示されるように、撹拌用ノズル、または羽口の損耗を抑制する方法として、ノズルの材質（組成、融点）を変更する提案が多数なされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭５７−７６１１７号明細書
【特許文献２】特開昭５８−９１１１１号明細書
【特許文献３】特開昭５９−５０１１１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、溶融鉄浴の条件によっては、上記特許文献１〜３に開示された技術、およびガス冷却能による制御だけでは、ノズルの溶解・損耗を抑制するには不十分である場合があった。特に、溶融鉄浴中のＣ濃度が高い条件では、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との間で溶融・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から剥離しやすくなる。
【０００７】
そのため、冷却条件を維持し、ノズルの溶解・損耗を抑制するためには、溶融鉄浴の温度条件を考慮しつつ、ノズルの冷却状態を制御することが重要であった。また、ノズルの冷却に加え、ノズルとマッシュルームとの間の溶融・溶着状態をいかに安定的に制御することが重要であった。
【０００８】
本発明は、上記の改善視点に基づいてなされたものである。本発明者らは、諸々の試験実験や考察により、撹拌用ノズルの材質を溶融鉄浴の温度条件に応じて適正に制御することにより、マッシュルームの剥離による撹拌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。
【０００９】
すなわち、本発明の目的とするところは、高い耐用性と安定性を有する金属溶解・精錬炉用ガス吹込み方法および金属溶解・精錬炉用ガス吹込みノズルを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、上述の課題を解決するために、上述した従来の問題点を踏まえ、撹拌用ノズルの融点（液相線温度）を溶融鉄浴の温度範囲に応じて所定の範囲に制御することにより、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】
例えば、上記の特許文献１では、溶鉄の温度をモニターしながら、溶鉄温度がノズルの融点または融点より若干低い温度以上になった場合に、非酸化性のガスの比率を増大させることで羽口の溶損を抑制する技術が提案されている。特許文献１に開示された技術では、非酸化性のガスを吹込むことによりノズルの熱負荷を低減するため、ノズルの損耗を抑制する一定の効果は認められる。しかしながら、特許文献１には、ノズルの保護に大きな役割を果たしているマッシュルームの安定形成に関しては開示されていない。ノズルの損耗を抑制するには、生成したマッシュルームとノズルとの結合性を確保する必要があるが、単に冷却ガスを流しているだけでは、マッシュルームの安定付着状態を維持することはできず、ノズル損耗速度の増大につながってしまう。
【００１２】
また、上記の特許文献２では、ノズル内管の材質を銅または銅合金とし、ノズルの外管の材質を引張り強さが３５ｋｇ／ｍｍ２以上の銅合金とすることで、熱伝導性を向上させつつ、ノズルの強度を確保する技術が開示されている。これにより、羽口周辺のマッシュルームを強固に生成させることできるため、羽口の溶損、および閉塞を防止することができる。特許文献２に開示された技術では、熱伝導の良い銅、または強度が高い銅合金を使用することで、マッシュルームを広く大きく形成することができるため、良好な結果が得られるとしている。しかしながら、銅または銅合金で製造されたノズルの融点は、溶鉄の温度より著しく低いため、マッシュルームがノズルから剥離した場合、ノズルの損耗が大きく進行することは避けられない。
【００１３】
また、上記の特許文献３では、ノズルの外管に高融点・耐熱変形性を有する材質である炭素鋼、またはステンレス鋼を使用し、ノズルの内管に高融点・耐熱変形性に加え、耐酸化性・高熱伝導性を有する材質であるＮｉ、ＣｏまたはＮｉ＋Ｃｏを５０％以上含有する材料を使用することで、羽口の溶損を低減させ、炉底寿命を向上させる技術が提案されている。特許文献３に開示された技術は、特に、内管に使用する材質に耐酸化性・高熱伝導率を持たせることを特徴としているが、耐酸化性・熱伝導性のみを制御しても、マッシュルームを安定的に形成させ、剥離を抑制することは難しい。したがって、特許文献３に開示された技術では、マッシュルームの剥離発生時における大幅な損耗速度の増大を回避することは難しい。
【００１４】
これら課題に対し、本発明では、ノズルとマッシュルームとの結合性を安定化させることで、マッシュルーム剥離によるノズル損耗の増大を回避させることができる。冷却ガスによりノズル先端部に形成されたマッシュルームは、ノズルとの結合部が溶着することで結合性を増大させるが、溶鉄温度に対しノズルの融点が高い場合、溶着結合性は低下してしまう。
【００１５】
一般に、転炉吹錬では、ＳＵＳ３０４などのＣｒやＮｉを高濃度で含有するステンレス鋼製のノズルが使用される場合が多い。従来は、吹錬末期の溶鉄温度は、１７００℃近くまで増大し、ＳＵＳ３０４の融点（１４００〜１４６０℃程度）より高くなる。このような場合、ノズル先端部では冷却ガスにより溶鉄が冷却されるものの、ノズルの融点よりも高い温度の溶鉄も存在するため、ノズルと冷却ガスにより形成されるマッシュルームの溶着・結合性が進行し、マッシュルームが安定して形成され易かった。
【００１６】
一方、近年、溶銑予備処理の処理量拡大に伴い、より低温域で吹錬を行う処理も多くなってきている。このような場合、吹錬末期においても、溶鉄温度は、１３５０〜１４００℃程度と低く、ＳＵＳ３０４などのステンレス鋼製ノズルの融点よりも低い。これは、スクラップを主原料として溶銑を製造する鉄浴式溶解炉や電気炉においても同様であり、ノズルへの熱負荷は、転炉脱炭吹錬に比べて小さいものの、ノズルとマッシュルームとの溶着・結合という点では、反応が進行しにくい条件である。
【００１７】
したがって、ノズルとマッシュルームとの溶着・結合性を高めるためには、溶鉄の処理温度範囲に対し、ノズルの融点を適正に制御する必要がある。本発明者らは、ノズルの融点を溶鉄の処理温度範囲で最も高い温度よりも低い条件とすることで、ノズルとマッシュルームとの溶着・結合性を高め、ノズルの損耗速度を低減させられることを見出した。また、本発明者らは、ノズルの融点が低すぎる場合、新規にノズルを使用する際に、またはマッシュルームが剥離した際に、ノズルの溶融損耗量が過大になることを見出した。したがって、ノズルの融点は、溶鉄の処理温度範囲に対し、低すぎても良くなく、所定の範囲内にあることが望ましいことを見出した。
【００１８】
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］および［４］に示す吹込みノズルの材質選択にある。また、好ましくは［２］および［３］に示す吹込みノズルの構造にある。
【００１９】
［１］溶融金属の溶解・精錬にて使用されるガス吹込みノズルの材質の溶融温度ＴＮと、前記溶融金属の溶融浴の最高温度ＴＭとは、式（１）を満たし、
前記最高温度ＴＭは、１３００℃〜１４５０℃であり、
前記ガス吹込みノズルの材質には、Ｃｒ、ＮｉおよびＭｏが含まれる、金属溶解・精錬炉用ガス吹込み方法。
０．８＜ＴＮ／ＴＭ＜１．０  ・・・式（１）
【００２０】
［２］前記溶融温度ＴＮの材質の部材は、前記ガス吹込みノズルの一部に使用される、前記［１］に記載の金属溶解・精錬炉用ガス吹込み方法。
【００２１】
［３］前記ガス吹込みノズルは、内側ノズルおよび外側ノズルを備える二重ノズルであり、
前記溶融温度ＴＮの材質の部材は、前記外側ノズルに使用される、前記［２］に記載の金属溶解・精錬炉用ガス吹込み方法。
【００２２】
［４］溶融金属の溶解・精錬にて使用されるガス吹込みノズルであって、
前記ガス吹込みノズルの材質の溶融温度ＴＮと、前記溶融金属の溶融浴の最高温度ＴＭとは、式（１）を満たし、
前記最高温度ＴＭは、１３００℃〜１４５０℃であり、
前記ガス吹込みノズルの材質には、Ｃｒ、ＮｉおよびＭｏが含まれる、金属溶解・精錬炉用ガス吹込みノズル。
０．８＜ＴＮ／ＴＭ＜１．０  ・・・式（１）
【発明の効果】
【００２３】
本発明では、上記の指標を用いて吹込みノズルの材質を選定することにより、転炉、溶銑予備処理、鉄浴式溶解炉、電気炉等の処理温度範囲が大きく異なる様々な炉において、マッシュルームの安定形成を促進し、ノズル損耗の抑制を達成することが可能である。したがって、本発明によれば、金属溶解・精錬炉において、撹拌ガスを供給する吹込みノズルの先端部に生成される凝固鉄の安定付着状態を維持することが可能となる。これにより、金属溶解・精錬炉において、高い耐用性および安定性を有する撹拌を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】溶鉄温度ＴＭに対する鉄付着量をプロットしたグラフ図である。
【図２】溶鉄温度ＴＭとノズル融点ＴＮの差に対する鉄付着量をプロットしたグラフ図である。
【図３】ノズル融点ＴＮを溶鉄温度ＴＭで除した指標に対するノズル損耗性を評価したグラフ図である。
【図４】本発明の一実施形態に係るノズル構造の一例を示した模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明は、金属の溶解または精錬方法に関し、詳しくは、溶融鉄浴の撹拌における撹拌ガス供給用の吹込みノズル（以下、単にノズルともいう）の安定冷却方法に関する。
【００２６】
本発明者らは、金属溶解・精錬炉における撹拌用の吹込みノズルの材質について、組成を変えて種々のノズルを作成し、溶鉄への浸漬、および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］〜［３］に示す高い耐用性および安定性を有するガス吹込み方法、および前述した［４］に示す高い耐用性および安定性を有するガス吹込みノズルを完成させた。以下では、本発明を上記の範囲に規定した理由について詳細に説明し、また、本発明の好ましい範囲などについても詳細に述べる。
【００２７】
ａ）ノズル耐用性へのノズル材質の影響
従来、ガス撹拌用の吹込みノズルとしては、耐酸化性を考慮して、ＣｒおよびＮｉのうち少なくともいずれかを配合した材質のノズルが使用されていた。このような吹込みノズルは、主として転炉等の精錬炉で使用される。精錬炉などでは、処理開始時の溶鉄温度は低いものの、処理後半では溶鉄温度は高くなり、ノズルの融点より高くなる。
【００２８】
ここで、ノズル先端は、吹き込むガスによって溶鉄を凝固させたマッシュルームを付着させることで保護層を形成し、耐用性を維持している。また、処理末期では、溶鉄温度がノズルの融点以上となるため、ノズル先端部の一部が溶融し、凝固した溶鉄と強固な結合状態を形成することになる。
【００２９】
一方で、処理温度の低い精錬炉または鉄浴式溶解炉などでは、処理末期の溶鉄温度は１３００〜１４５０℃程度である。そのため、例えば、汎用的に使用されるＳＵＳ３０４を材質に用いたノズルでは、ノズル融点（１４００〜１４５０℃程度）は、溶鉄温度より高くなることが多い。そのため、ノズル先端部に溶鉄を凝固させたマッシュルームが形成されるものの、ノズル先端部の結合性は強固ではなく、処理中の衝撃により剥離しやすい状況となっている。
【００３０】
したがって、マッシュルームの付着性を強固にするには、炉の処理温度条件に応じて、ノズルの材質の融点を適正に選ぶ必要がある。本発明者らは、ノズル材質の影響を明確化するため、溶鉄の温度を変えた条件で、材質の異なるノズルに対してガスを吹込みながら、所定時間溶鉄に浸漬させて、ノズルへの溶鉄の付着性を評価した。
【００３１】
ノズルの材質としては、Ｃｒ、Ｎｉ、およびＭｏ等を含有する材質のうち、融点の異なる材質Ａ（融点１４３０℃）、および材質Ｂ（融点１３９０℃）の２種を使用し、溶鉄温度を１４５０℃〜１２５０℃の範囲で、５０℃毎に変化させた。溶鉄温度ＴＭに対する鉄付着量をプロットした結果を図１に示す。なお、鉄付着量は、ノズル長さ方向に垂直な断面における付着した鉄の断面形状から、付着した鉄の最大径および最小径を測定し、それらの平均値より求めた。
【００３２】
図１中、●、▲のデータは、ノズルと付着した鉄との溶着性が良好の状態を示している。この状態は、具体的には、ノズル表面が溶解し、付着した鉄と強固な結合状態を有している状態である。
【００３３】
続いて、図２に溶鉄温度ＴＭとノズル融点ＴＮの差を横軸に取り、整理した結果を示す。図２に示すように、ノズル融点が溶鉄温度よりも低い条件では、ノズルと付着鉄との溶融性が良いことが分かる。また、ノズル融点が低い材質Ｂの方が、鉄付着量が多くなり、ノズルの保護層であるマッシュルームをより良好な状態で作り出すことができることが分かる。
【００３４】
一方で、ノズル融点が著しく低い場合、マッシュルームが付着していない条件（例えば、新炉立ち上げ時、ノズル交換時、および処理中のマッシュルーム剥離時など）において、高熱負荷によってノズル溶解量の増大が生じてしまう。ノズル融点を大きく変更した条件におけるノズル損耗性を評価した結果を図３に示す。図３は、ノズル損耗速度をノズル融点／溶鉄温度（ＴＮ／ＴＭ）に対してプロットしたグラフ図である。なお、ノズル損耗速度は、１チャージ（炉に溶鉄を供給した回数）あたりのノズル損耗量として評価し、チャージ間にノズル後方からノズル内に棒状の検測用物差しを装入することによって測定した。
【００３５】
ノズル融点ＴＮを溶鉄温度ＴＭで除した指標にて整理した結果、ＴＮ／ＴＭが０．８以下である場合、ノズルの損耗量が著しく大きくなることが分かった。したがって、ノズル融点の選択条件としては、ノズル融点／溶鉄温度（＝ＴＮ／ＴＭ）が０．８よりも大きく、かつ、１．０よりも小さければ良い。ここで、溶鉄温度とは、処理中の溶鉄の最高温度である。また、ノズル融点／溶鉄温度（＝ＴＮ／ＴＭ）のより好ましい範囲としては、０．８５以上０．９５以下である。
【００３６】
ノズル融点ＴＮは、例えば、ノズル材に含有されるＣｒ、Ｎｉ、Ｍｏなどの添加元素の量を制御することにより、上述した範囲内に制御することが可能である。例えば、ノズル材に含有されるＣｒ、Ｎｉ、Ｍｏなどの添加元素の量が増加するほど、ノズル材の融点が低下する傾向にある。したがって、ノズル材におけるＣｒ、Ｎｉ、およびＭｏの合計含有量は、３０質量％以上が好ましい。また、ノズル材は、Ｃｒを１５質量％以上含有することが好ましい。このようなノズル材の具体例としては、例えば、ＳＵＳ３１６、およびハステロイなどが挙げられる。
【００３７】
なお、吹込みノズルの構造は、公知の吹込みノズルの構造であってもよいが、以下で詳述する構造であることが好ましい。また、このような吹込みノズルは、公知の方法を用いて製造することが可能である。
【００３８】
ｂ）ノズル構造
上述したノズル融点の条件を満たすようにノズルの材質を制御する場合、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏといった添加元素をノズル材に対して多量に含有させることが重要である。添加元素が比較的低濃度である場合は、ノズル材の強度維持が可能であるが、添加元素の濃度が高濃度化した場合、ノズル材の強度を低下させる懸念がある。
【００３９】
そこで、ノズル全体を上述したノズル融点の条件を満たす材質で製造しても良いが、ノズルの一部のみを上述したノズル融点の条件を満たす材質で製造しても良い。例えば、ノズル材の添加元素が高濃度になる場合、ＳＵＳ３０４（融点１４００〜１４５０℃）などの高強度材質にて主たるノズルを製造し、より高合金組成の材質については、ノズルの一部に埋め込む等の加工を行うことで、所望の効果を発揮させることも可能である。このように、高合金低融点材質をノズルの一部に埋め込むことで、ノズル全体の強度は維持しつつも、埋め込んだ高合金低融点材質により、ノズルとマッシュルームとの溶着性を維持することが可能となる。
【００４０】
図４に上記の方法の適用の一例を示す。図４は、本発明の一実施形態に係るノズルを軸方向と垂直な面で切断した断面の一例を示した模式図である。図４に示すように、例えば、ノズル１は、ＳＵＳ３０４製の内側ノズル１００と、ＳＵＳ３０４製の外側ノズル２００を備える２重ノズルである。また、外側ノズル２００の一部には、高合金系の材質（例えば、ハステロイ（融点約１２９０℃））製の埋込材３００が埋め込まれている。このような構造によれば、ノズル全体の高温条件下での強度を維持しつつ、マッシュルームの付着性を向上させることが可能である。
【実施例】
【００４１】
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行い、その結果を評価した。
【００４２】
鉄浴式溶解炉にて底吹き２重ノズルの材質を変更し、耐用性評価を実施した。なお、鉄浴式溶解炉では、スクラップおよび酸化鉄が含有される原料を溶銑浴に投入し、溶解を行った。
【００４３】
底吹き２重管ノズルにおいて、内側のノズルは材質Ａ（融点１４３０℃）を使用し、外側のノズルは材質Ｂ（融点１３９０℃）、材質Ｃ（融点１３３０℃）、または材質Ｄ（融点１２７０℃）をそれぞれ使用して、実施例１〜３に係るノズルを製造し、耐用性を評価した。また、内側のノズルは材質Ａ（融点１４３０℃）を使用し、外側のノズルは材質Ａ（融点１４３０℃）を使用し、一部に材質Ｄ（融点１２７０℃）を埋め込んだノズルを使用して、図４に示す構造を有する実施例４に係るノズルを製造し、耐用性を評価した。
【００４４】
また、比較のため、底吹き２重管ノズルにおいて、内側ノズルの材質は材質Ａ（融点１４３０℃）を使用し、外側ノズルの材質は材質Ａ、または材質Ｅ（融点１０９０℃）を使用して、比較例１および２に係るノズルを製造し、ノズルの耐用性を評価した。
【００４５】
ここで、内側のノズルからは、窒素ガスをキャリアガスとして微粉の石炭を流し、外側のノズルからは冷却ガスとして窒素ガスを流した。なお、溶鉄の温度は、処理後１４００〜１４５０℃に達し、溶解処理中はこの温度より低い温度条件であった。そのため、処理後に達した溶鉄の温度を溶鉄温度ＴＭとした。
【００４６】
表１にノズルの耐用性を評価した結果を示す。
【００４７】
【表１】
0006604062.tif 000002
【００４８】
表１の結果からわかるように、ＴＮ／ＴＭを０．８〜１．０の範囲内とすることで、ノズルの損耗速度を低減できることが分かる。また、外側ノズルの一部に材質Ｃ（融点１３３０℃）を図４のように埋め込んだ実施例４は、外側ノズル全体を材質Ｃに変えた実施例２に対して、損耗速度は若干増大するもの、十分な効果が得られることが分かる。
【００４９】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な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。
【００５０】
なお、上記では、ノズルの材質の融点ＴＮを制御することで、ノズル融点／溶鉄温度（ＴＮ／ＴＭ）が式（１）の関係を満たすようにしたが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、溶鉄温度ＴＭを制御することで、ノズル融点／溶鉄温度（ＴＮ／ＴＭ）が式（１）の関係を満たすようにしてもよいことは言うまでもない。このような場合、例えば、溶鉄温度ＴＭは、１３００℃〜１４５０℃の範囲で制御することが好ましい。
【符号の説明】
【００５１】
１        ノズル
１００    内側ノズル
２００    外側ノズル
３００    埋込材
【図１】
0006604062.tif 000003
【図２】
0006604062.tif 000004
【図３】
0006604062.tif 000005
【図４】
0006604062.tif 000006