(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入口部にスロート部を有しかつ前記スロート部の下流側に末広がり部を有するガス噴射ノズルを１個以上配設した上吹きランスであって、前記ガス噴射ノズルのうちの少なくとも１個は、当該ノズルの前記末広がり部の前記ガス噴射ノズルから噴射される噴流を偏向させようとする方向と反対側の壁面に配設された少なくとも１箇所の制御用ガス供給孔を有し、かつ、前記スロート部出口から前記制御用ガス供給孔中心間の距離ｘと、前記スロート部出口からノズル出口間の距離ｌとの比ｘ／ｌが０．３≦ｘ／ｌ＜１．０であり、前記制御用ガス供給孔から制御用ガスを供給することにより、当該ガス噴射ノズルから噴射される噴流の方向および／または流速が制御されることを特徴とする上吹きランス。
【請求項２】
前記制御用ガス供給孔から供給されるガス流量Ｑｓ（Ｎｍ３／ｍｉｎ）と、前記ガス噴射ノズルから供給されるガス流量Ｑｍ（Ｎｍ３／ｍｉｎ）との比が
０．０２≦Ｑｓ／Ｑｍ≦０．３
であることを特徴とする請求項１に記載の上吹きランス。
【請求項３】
前記ガス噴射ノズルを複数有し、前記制御用ガス供給孔は、前記各ガス噴射ノズルの噴射口の中心点とランス横断面の中心点を結ぶ直線上に配設されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の上吹きランス。
【請求項４】
前記制御用ガス供給孔は、ランスの中心側から前記ガス噴射ノズルへ制御用ガスを供給することを特徴とする請求項３に記載の上吹きランス。
【請求項５】
前記制御用ガス供給孔は、ランスの半径方向外側から前記ガス噴射ノズルへ制御用ガスを供給することを特徴とする請求項３に記載の上吹きランス。
【請求項６】
前記ガス噴射ノズルを複数有し、前記制御用ガス供給孔は、ランスの中心側から各ガス噴射ノズルへ制御用ガスを供給するように形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の上吹きランス。
【請求項７】
前記ガス噴射ノズルを複数有し、前記制御用ガス供給孔は、ランス外側から各ガス噴射ノズルへ制御用ガスを供給するように形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の上吹きランス。
【請求項８】
前記ガス噴射ノズルを複数有し、前記制御用ガス供給孔は、ランスの中心側から各噴射ノズルへの制御用ガスの供給およびランス外側から各ガス噴射ノズルへの制御用ガスの供給を選択的に行うことが可能なように形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の上吹きランス。
【請求項９】
入口部にスロート部を有しかつ前記スロート部の下流側に末広がり部を有するガス噴射ノズルを１個以上配設し、前記ガス噴射ノズルのうちの少なくとも１個は、当該ノズルの前記末広がり部の前記ガス噴射ノズルから噴射される噴流を偏向させようとする方向と反対側の壁面に配設された少なくとも１箇所の制御用ガス供給孔を有し、かつ、前記スロート部出口から前記制御用ガス供給孔中心間の距離ｘと、前記スロート部出口からノズル出口間の距離ｌとの比ｘ／ｌが０．３≦ｘ／ｌ＜１．０である上吹きランスを用いて酸化性ガスを転炉内に供給して所定の操業を行う転炉操業方法であって、転炉における処理の一部、もしくは全部の区間において、前記ガス噴射ノズルの制御用ガス供給孔から制御用ガスを噴射して当該ガス噴射ノズルから噴射される噴流の方向および／または流速を制御することを特徴とする転炉操業方法。
【請求項１０】
入口部にスロート部を有しかつ前記スロート部の下流側に末広がり部を有する複数のガス噴射ノズルを有し、前記ガス噴射ノズルから噴射される噴流を偏向させようとする方向と反対側の壁面に配設された複数の制御用ガス供給孔を有し、かつ、前記スロート部出口から前記制御用ガス供給孔中心間の距離ｘと、前記スロート部出口からノズル出口間の距離ｌとの比ｘ／ｌが０．３≦ｘ／ｌ＜１．０である上吹きランスを用いて酸化性ガスを転炉内に供給する転炉操業方法において、前記ガス噴射ノズルのうちの少なくとも１個から噴射される前記酸化性ガスの噴射方向を、前記ガス噴射ノズルの噴射口中心点とランス横断面の中心点を結ぶ直線方向に沿って走査することを特徴とする転炉操業方法。
【請求項１１】
前記ガス噴射ノズルを用いて前記転炉内に前記酸化性ガスを供給して、前記溶鋼の脱炭処理、あるいは溶銑の脱りん処理を行なうとともに前記転炉の炉壁に付着した地金を溶解することを特徴とする請求項９または請求項１０に記載の転炉操業方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、転炉を用いて溶鋼の脱炭精錬、および、あるいは溶銑の脱りん吹錬を行う際に酸化性ガスを転炉内に供給する上吹きランス、およびその上吹きランスを用いた転炉の操業方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
製鋼工程において、転炉に溶鋼を収容して酸化性ガスを供給することによって脱炭精錬を行なうことが公知の技術として利用されている。酸化性ガスとして酸素を含有するガスを使用するが、工業的には酸素ガスが広く使用されている。こうして酸化性ガスを転炉内に供給することによって、転炉内に収容された溶鋼中のＣと酸化性ガス中のＯとを反応させて脱炭処理を行なう。
【０００３】
脱炭処理では、下記の（１）式で表わされるように溶鋼中のＣと酸化性ガス中のＯとが反応してＣＯを生成させる反応（以下、 １次燃焼という）、および１次燃焼によって生成したＣＯと酸化性ガス中のＯとが反応してＣＯ２を生成させる下記の（２）式の反応（以下、２次燃焼という）が進行する。
Ｃ＋１／２Ｏ２ →ＣＯ                     ・・・（１） 
ＣＯ＋１／２Ｏ2 →ＣＯ2                   ・・・（２）
ここで、転炉内に供給された酸化性ガス中のＯのうち、２次燃焼に寄与する割合を２次燃焼率として下記の（３）式で定義する（ただし、右辺のＣＯ２、ＣＯはそれぞれ排ガス中のＣＯ２、ＣＯの体積である）。
２次燃焼率＝ＣＯ２ ／（ＣＯ＋ＣＯ2 ）      ・・・（３）
１次燃焼によって生じる反応熱と２次燃焼によって生じる反応熱とを比べると、２次燃焼の方が１次燃焼の約２．５倍である。したがって２次燃焼率が低下すると、転炉上部の炉壁の温度が低下するので、炉壁上部に地金が付着しやすくなる。この状態で転炉の操業を継続すると地金が蓄積されて、炉内容積が減少するばかりでなく、出鋼歩留りが低下する。
【０００４】
一方、２次燃焼率を高めると発熱量が増大して炉内の温度が上昇するので、溶鋼への着熱が可能となり、地金を溶解することが可能となる。その一方で、２次燃焼率を低下させ、（１）式で示す脱反応に利用される酸素を高めることで吹錬時間の短縮を図ることができる。これらは上吹きランスから供給される酸化性ガス噴流（ソフトブロー／ハードブロー）を制御することによってなす場合が一般的である。
【０００５】
一方、製鋼工程においては転炉での負荷軽減（製鋼スラグ発生量の低減）、製鋼トータルコストの削減を図るために、溶銑中に含有するＳｉ、Ｐを転炉で脱炭吹錬の前に予め酸化剤（以下フラックス）を用いて除去する方法がとられているが、その方法のひとつに、処理容器として転炉を用いた脱りん吹錬がある。
【０００６】
転炉を用いた脱りん吹錬は一般的には脱炭精錬と同様に鋼浴面上方から酸素ガスに代表される酸化性ガスを上吹きランスを通じて吹きつけるとともに石灰等の精錬剤（以下、フラックスと称する）を炉内に添加する方法をとる。このとき、上吹きランスからの酸化性ガス供給速度、ランス高さ等を調節して、脱炭吹錬時に比較してソフトブローで吹きつけ、吹錬時に生成するスラグ中のＴ．Ｆｅ濃度を制御する手法がとられる。
【０００７】
このように、上吹きランスを要する転炉容器を用いる処理においては、上吹きランスから噴射される酸化性ガスの噴流特性を変化させることで、１次燃焼、２次燃焼、Ｔ．Ｆｅ制御などを行うことができる。
【０００８】
このとき通常、ランスノズルからの噴流制御は特許文献１に開示されているように、酸化性ガスの流量、ランス高さなどを調節する方法が採られる。また、噴流制御のひとつにランスノズルの主噴流とは別の制御流の利用があげられる。例えば特許文献２にはラバールノズルのスロート部と出口部の内面にガス吹き出し孔を設け、ラバールノズルの面積比を制御し、低流量下でも適正膨張が可能なランスノズル、および転炉操業方法について開示している。
【０００９】
しかしながら、特許文献２に開示された技術はノズルからの噴流流速の高速化は達成できるものの、流速を大きく低下させるような制御まではできない。また、通常ノズルの傾角は一度決定すると任意に変更できないため、地金などの溶解のためには付着した地金の位置に応じたノズル傾角にしなければならないが、そのためには、付着地金位置により、ノズルを変更しなければならないため、ランスコストが増大する問題がある。また、傾角を広げすぎると炉壁耐火物へのダメージも問題となる。
【００１０】
このような問題を解決するためには、ランスの傾角を任意に変更可能とする技術が好適であり、そのような技術として特許文献３には、上吹きランスのノズル先端部に配置したチャンバーの側壁に導管を配置し、その導管からガスを供給することによって酸素ジェットの角度を変化させる技術が開示されている。しかしながら、特許文献３に開示された技術は、超音速の酸素ジェットがメタル浴（すなわち溶融金属浴）の表面に衝突する衝撃点を遂時変化させて、メタル浴の攪拌を進行する技術であり、２次燃焼率の飛躍的な向上は期待できない。
【特許文献１】特開平７−７０６２６号公報
【特許文献２】特開２０００−２３４１１６号公報
【特許文献３】特公平８−１１８０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、転炉を用いて溶鋼の脱炭精錬および／または溶銑の脱りん吹錬を行う際に１本のランスノズルを用いて、ランスノズルチップ、ランス高さ、酸化性ガス流量を変更することなく、酸化性ガス噴流を制御し、炉内付着地金溶解、２次燃焼増大による溶鋼着熱、高速吹錬を達成することができる上吹きランスノズルおよびそれを用いた転炉操業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】
【００１２】
上記課題を解決するため、本発明は以下の（１）〜（１１）を提供する。
（１）入口部にスロート部を有しかつ前記スロート部の下流側に末広がり部を有するガス噴射ノズルを１個以上配設した上吹きランスであって、前記ガス噴射ノズルのうちの少なくとも１個は、当該ノズルの前記末広がり部の前記ガス噴射ノズルから噴射される噴流を偏向させようとする方向と反対側の壁面に配設された少なくとも１箇所の制御用ガス供給孔を有し、かつ、前記スロート部出口から前記制御用ガス供給孔中心間の距離ｘと、前記スロート部出口からノズル出口間の距離ｌとの比ｘ／ｌが０．３≦ｘ／ｌ＜１．０であり、前記制御用ガス供給孔から制御用ガスを供給することにより、当該ガス噴射ノズルから噴射される噴流の方向および／または流速が制御されることを特徴とする上吹きランス。
（２）上記（１）において、前記制御用ガス供給孔から供給されるガス流量Ｑｓ（Ｎｍ３／ｍｉｎ）と、前記ガス噴射ノズルから供給されるガス流量Ｑｍ（Ｎｍ３／ｍｉｎ）との比が０．０２≦Ｑｓ／Ｑｍ≦０．３であることを特徴とする上吹きランス。
（３）上記（１）または（２）において、前記ガス噴射ノズルを複数有し、前記制御用ガス供給孔は、前記各ガス噴射ノズルの噴射口の中心点とランス横断面の中心点を結ぶ直線上に配設されることを特徴とする上吹きランス。
（４）上記（３）において、前記制御用ガス供給孔は、ランスの中心側から前記ガス噴射ノズルへ制御用ガスを供給することを特徴とする上吹きランス。
（５）上記（３）の前記制御用ガス供給孔は、ランスの半径方向外側から前記ガス噴射ノズルへ制御用ガスを供給することを特徴とする上吹きランス。
（６）上記（１）または（２）において、前記ガス噴射ノズルを複数有し、前記制御用ガス供給孔は、ランスの中心側から各ガス噴射ノズルへ制御用ガスを供給するように形成されていることを特徴とする上吹きランス。
（７）上記（１）または（２）において、前記ガス噴射ノズルを複数有し、前記制御用ガス供給孔は、ランス外側から各ガス噴射ノズルへ制御用ガスを供給するように形成されていることを特徴とする上吹きランス。
（８）上記（１）または（２）において、前記ガス噴射ノズルを複数有し、前記制御用ガス供給孔は、ランスの中心側から各噴射ノズルへの制御用ガスの供給およびランス外側から各ガス噴射ノズルへの制御用ガスの供給を選択的に行うことが可能なように形成されていることを特徴とする上吹きランス。
（９）入口部にスロート部を有しかつ前記スロート部の下流側に末広がり部を有するガス噴射ノズルを１個以上配設し、前記ガス噴射ノズルのうちの少なくとも１個は、当該ノズルの前記末広がり部の前記ガス噴射ノズルから噴射される噴流を偏向させようとする方向と反対側の壁面に配設された少なくとも１箇所の制御用ガス供給孔を有し、かつ、前記スロート部出口から前記制御用ガス供給孔中心間の距離ｘと、前記スロート部出口からノズル出口間の距離ｌとの比ｘ／ｌが０．３≦ｘ／ｌ＜１．０である上吹きランスを用いて酸化性ガスを転炉内に供給して所定の操業を行う転炉操業方法であって、転炉における処理の一部、もしくは全部の区間において、前記ガス噴射ノズルの制御用ガス供給孔から制御用ガスを噴射して当該ガス噴射ノズルから噴射される噴流の方向および／または流速を制御することを特徴とする転炉操業方法。
（１０）入口部にスロート部を有しかつ前記スロート部の下流側に末広がり部を有する複数のガス噴射ノズルを有し、前記ガス噴射ノズルから噴射される噴流を偏向させようとする方向と反対側の壁面に配設された複数の制御用ガス供給孔を有し、かつ、前記スロート部出口から前記制御用ガス供給孔中心間の距離ｘと、前記スロート部出口からノズル出口間の距離ｌとの比ｘ／ｌが０．３≦ｘ／ｌ＜１．０である上吹きランスを用いて酸化性ガスを転炉内に供給する転炉操業方法において、前記ガス噴射ノズルのうちの少なくとも１個から噴射される前記酸化性ガスの噴射方向を、前記ガス噴射ノズルの噴射口中心点とランス横断面の中心点を結ぶ直線方向に沿って走査することを特徴とする転炉操業方法。
（１１）上記（９）または（１０）において、前記ガス噴射ノズルを用いて前記転炉内に前記酸化性ガスを供給して、前記溶鋼の脱炭処理、あるいは溶銑の脱りん処理を行なうとともに前記転炉の炉壁に付着した地金を溶解することを特徴とする転炉操業方法。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、入口部にスロート部を有しかつ前記スロート部の下流側に末広がり部を有するガス噴射ノズルを１個以上配設した上吹きランスを前提とし、少なくとも１個のガス噴射ノズルにおいて、その末広がり部の壁面に少なくとも１箇所の制御用ガス供給孔を配設し、そこから制御用ガスを供給することにより、当該ガス噴射ノズルから噴射される噴流の方向および／または流速が制御されるので、ソフトブローおよびハードブローを任意に調節でき、転炉を用いた脱りん処理、および脱炭処理の処理能力を向上させることが可能となる。このため、精錬機能の飛躍的な高度化を達成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明について詳細に説明する。
まず、本発明の原理について説明する。
流体現象を利用した素子のひとつに流体素子があるが、本発明の原理はこの流体素子を利用したものである。流体素子とは、噴流と側壁との干渉効果、噴流と噴流との衝突効果、渦により生じる流体現象、噴流自体の流速変動による効果によって得られる機能を利用する素子の総称であり、流体力学の分野において、研究がなされている。例えば主ノズルの出口に横方向より制御ノズルを配した形をとる。制御ノズルより主ノズルへ流体を導入すると、主流と側壁の間に渦が生じる。この渦は大気圧よりも低圧であり、渦の静圧分布の平均値と大気圧との差圧によって力が生じ、主流はどちらかの側壁に沿って流れる。
【００１５】
しかし、流体素子の研究は基本的には主流が層流条件のものであり、本発明が適用しようとする超音速流体素子に関する研究はほとんど行われていない。本発明はこのように流体素子においてほとんど研究されていない超音速噴流を用いた上吹きランスノズルにこの流体素子を適用する。
【００１６】
発明者らは、本発明の原理を確認するため、ラバールノズルのスロート部と出口部の間にガス供給孔を設け、ラバールノズルからの噴流特性に及ぼす制御流（作動ガス）の影響について、粒子画像流速計による流速測定を行った。図１はこの際に用いた本発明の原理を確認するための実験装置を示す模式図である。
【００１７】
この装置は、架台１０に広がり部に制御流導入孔５を設けたラバールノズル４を取り付け、ラバールノズル４から下方へ噴射された噴流６に、レーザー３を照射するレーザー照射装置１および噴流を測定するカメラ２を設置してなる。
【００１８】
また、上記の本発明の原理確認調査に用いたノズルを模式的に図２の（ａ）〜（ｃ）に示す。ここでは流速測定に単孔円錐ラバールノズルを使用した。図中符号１１はスロート部、１２は末広がり部、１５は作動ガス（制御用ガス）供給孔を示す。また、ｘはスロート部出口（スロート部１１と末広がり部１２の境界位置）と作動ガス（制御用ガス）供給孔１５の中心間距離、ｌはスロート部出口からノズル出口間の距離（すなわち末広がり部長さ）ｄｍはスロート径、ｄｓは作動ガス（制御用ガス）供給孔１５の径、Ｄはノズル出口径を表す。各ノズルにおいて、ジェット噴出方向と９０°の方向よりΦ５ｍｍの孔をあけ、制御流（作動ガス）を導入した。ｔｙｐｅ−Ａではノズル広がり部直下（スロート出口より２．５ｍｍ）、ｔｙｐｅ−Ｂでは広がり部中央（スロート出口より５．０ｍｍ）、ｔｙｐｅ−Ｃではノズル出口近傍（スロート出口より６．５ｍｍ）と作動ガスの導入位置を変化させた。各ノズルのディメンジョンを表１に示す。
【００１９】
本調査におけるガス流量の条件は表２に示す。ガス種はＮ２ガスを使用した。それぞれのノズルにおいて、メインガス流量は２．０〜４．０Ｎｍ３／ｍｉｎの間で変化させた。また、メインガス流量一定条件の下、作動ガス流量を０．０、０．５、１．０Ｎｍ３／ｍｉｎと変化させて、それぞれジェットの流速分布を測定した。
【００２０】
【表１】
0004742770.tif 000002
【００２１】
【表２】
0004742770.tif 000003
【００２２】
調査結果として、各ノズルからの噴流の流速分布を図３に示す。図３に示すように、作動ガスを導入することにより、噴流の方向および流速を変化し得ることがわかる。
【００２３】
具体的には、ｔｙｐｅ−Ｂにおいて作動ガスの導入によりジェット（噴流）の偏向、および流速値の低下が明確に観察された。ここで着目すべきことは、作動ガスを導入すると導入方向と反対側にジェットが偏向することである。これは、従来の偏心急拡大ノズルで得られていた知見と逆の方向である。また、作動ガス流量がＱｓ＝０．５Ｎｍ３／ｍｉｎ、１．０Ｎｍ３／ｍｉｎの条件を比較すると、ジェットの偏向はＱｓ＝０．５Ｎｍ３／ｍｉｎの方が大きくなり、最大流速値もＱｓ＝０．５Ｎｍ３／ｍｉｎの方が低下した。
【００２４】
さらに、ｔｙｐｅ−Ｃノズルでは作動ガスを導入すると、ｔｙｐｅ−Ｂに比べジェットの偏向がさらに大きくなり、流速値も著しく低下した。また、ｔｙｐｅ−Ｂと同様に作動ガス流量がＱｓ＝０．５Ｎｍ３／ｍｉｎ、１．０Ｎｍ３／ｍｉｎの条件を比較すると、ジェットの偏向はＱｓ＝０．５Ｎｍ３／ｍｉｎの方が大きくなり、最大流速値もＱｓ＝０．５Ｎｍ３／ｍｉｎの方が低下した。
【００２５】
これに対して、ｔｙｐｅ−Ａにおいては作動ガスを導入してもジェットの偏向は極めて小さかった。Ｑｍ＝２．０Ｎｍ３／ｍｉｎの場合、作動ガス流量が増加すると最大流速値が増加するが、これはメインガスの流量に対して作動ガス流量が過大な条件となっており、全流量が大きく増加するためである。このように作動ガスの導入位置により効果に差があることが確認された。
【００２６】
また、各ノズルからの噴流の軸方向の流速分布図を図４に示す。図４より、各条件ともノズル出口からの距離が増加するに従いジェットの流速は減少していくが、ｔｙｐｅ−Ａノズルでは作動ガス導入の有無に関わらずジェットの流速値はあまり変化が見られなかった。ｔｙｐｅ−Ｂノズルでは作動ガス導入により、ノズル出口近傍から流速が低下し、ｔｙｐｅ−Ｃではさらに著しく低下した。また、同一作動ガス比率（Ｑｓ／Ｑｍ）の条件では、作動ガス孔がノズル出口に近いノズルほどジェットの減衰は大きくなった。
【００２７】
各ノズルにおける噴流の最大流速値を示す半径方向距離、および軸方向距離から、作動ガス導入時のジェットの偏向角度βを幾何学的に計算した。ジェットの偏向角度はメインガスの流量によらず、メインガス／作動ガスの流量比で整理されることが判明しているからその前提のもとに計算を行った。図５に噴流の偏向角度βと作動ガス比率Ｑｓ／Ｑｍとの関係を示す。
【００２８】
ノズルのタイプ別に偏向角度を比較すると、ノズル出口に最も近い位置で作動ガスを導入したｔｙｐｅ−Ｃが最も偏向角度が大きい。また、ｔｙｐｅ−Ｂ、ｔｙｐｅ−Ｃにおいては作動ガス比率Ｑｓ／Ｑｍが０．０２以上で噴流の偏向が生じ、Ｑｓ／Ｑｍ＝０．１２５のときに偏向角度は最大となった。その後偏向角度は低下し、Ｑｓ／Ｑｍ≧０．３ではほぼ一定になった。
【００２９】
本調査におけるｔｙｐｅ−Ｂ、ｔｙｐｅ−Ｃノズルで作動ガス比率を増加させてもジェットの偏向角度は増加せず、逆にわずかに低下した理由については以下の通りである。
【００３０】
図６にジェットの偏向角度とメインフロー、作動ガスのノズル導入側圧力Ｐｍ、Ｐｓ（ｋｇｆ/ｃｍ2）の差（Ｐｍ−Ｐｓ）の関係を示す。図よりメインフロー、作動ガス流の圧力差が小さくなるほどジェットの偏向角度は低下することがわかる。これより、作動ガス比率を増加させた場合はメインフローに対して作動ガス孔からの流れが強くなり、ノズル内部の流れは作動ガス流が主流になる。その結果、ジェットの偏向角度は低下する。
【００３１】
また、同一流量条件下で作動ガス導入位置が変化した時のジェットの偏向角度の比較を図７に示す。ここで、横軸にはスロート部出口を０とし、ノズル末広がり部長さに対するスロート出口〜作動ガス孔中心間距離（ｘ）の比（ｘ／ｌ）を用いた。この図より、ｘ／ｌの値が０．２５より大きくなる、すなわち作動ガス孔がノズル出口に近くなるほど、作動ガス導入方向と反対側に大きく偏向し、逆に０．２５よりも小さくなると作動ガス導入方向への偏向はわずかである。
【００３２】
この現象が生じる理由は以下のように説明することができる。作動ガス孔がスロート径に近いｔｙｐｅ−Ａでは側方からのガス流により、作動ガス孔直下に循環流（渦）が形成され、その結果、作動ガス側壁面付近の圧力の低下が起こり、負圧になると考えられる。ノズル出口付近においては作動ガス孔の反対側では作動ガス孔と反対側の壁面に押された状態のまま噴出されるが、その一方作動ガス孔側では、作動ガス孔側とその反対側との圧力差のために作動ガス孔側に向かう力が発生し、作動ガス孔側への偏向が起こる。しかし、メインの噴流が超音速であるために、メイン噴流の下向きの噴出力に比べて、その力は弱く、その結果、ノズル出口以降ではジェットはわずかに末広がり形状で噴出され、見かけ上偏向が極めて小さい。
【００３３】
一方ｔｙｐｅ−Ｂ、Ｃノズルのように作動ガス孔がノズル出口に近い場合も、作動ガス流によってジェットが作動ガス孔と反対側の壁面に押される。このとき、作動ガス孔直下はノズル出口となるため、循環流は形成されず（形成しても小規模）、その結果ジェットは作動ガス孔と反対側の壁面に押された状態のまま噴出される。
【００３４】
以上より、作動ガス導入位置がノズル出口に近くなる程、ジェットの偏向は増加し角度噴流の減衰は大きくなることが明らかになった。
【００３５】
以上の調査結果から、本発明においては、図８に示すような、入口部にスロート部１１を有しかつ前記スロート部の下流側に末広がり部１２を有するガス噴射ノズル１３を１個設けたラバールノズルをランスノズルとして設けた上吹きランス１４を前提とし、ガス噴射ノズル１３の末広がり部１２の壁面に制御用ガス供給孔１５を配設し、制御用ガス供給孔１５から制御用ガス１６を供給することにより、ガス噴射ノズル１３から噴射される噴流（ジェット）１７の方向および流速を制御するようにする。
【００３６】
このような上吹きランス１４では、上述のようにラバールノズルであるガス噴射ノズル１３の制御用ガス供給孔１５の位置や制御用ガスの流速を変化させることにより、ガス噴射ノズル１３から噴出される噴流（ジェット）１７の噴出方向および流速を自在に変更することができる。
【００３７】
本発明の上吹きランスにおいて、噴射ノズルは１個に限らず複数であってもよい。この場合に、ガス噴射ノズルのうちの噴流（ジェット）の噴出方向を変化させたい位置に配している少なくとも１個のノズルにおいて制御用ガス供給孔を設けることが望ましい。このとき、前述の調査結果より、制御用ガスの供給孔はガス噴射ノズルを変更させたい位置と反対方向に配置することが必要である。もちろん、複数の噴射ノズルのすべてのノズル孔に制御用ガス供給孔を設けてもかまわない。さらに、１つの噴射ノズルに設けられる制御用ガス供給孔は１個に限らず複数であってもよい。例えば、図９に示すように、ラバールノズル１３の末広がり部１２に相対向するように２つの制御用ガス供給孔１５ａ，１５ｂを設けることにより、噴流（ジェット）の偏向方向を一方だけでなく、その反対方向にも変化させることができ、より適用の自由度を高くすることができる。
【００３８】
また、前述の調査結果より、ガス噴射ノズル１３のスロート部１１から制御用ガス供給孔１５の中心間の距離ｘと、スロート部１１からノズル出口間の距離ｌとの比ｘ／ｌは０．３≦ｘ／ｌ＜１．０が適切である。さらに、制御用ガス供給孔１５から供給されるガス流量Ｑｓ（Ｎｍ３／ｍｉｎ）と、前記ガス噴射ノズルから供給されるガス流量Ｑｍ（Ｎｍ３／ｍｉｎ）との比が０．０２≦Ｑｓ／Ｑｍ≦０．３の範囲が適切である。
【００３９】
ランスが複数のガス噴射ノズルを有する場合、制御用ガス供給孔は噴射口中心点とランス横断面の中心点を結ぶ直線上に配設することがより効果的である。例えば、図１０に示すように、ランスノズル２１に複数（この例では４つ）のガス噴射ノズル２２が設けられている場合、ガス噴射ノズルの噴射口中心点Ｎｏとランス２１の横断面の中心点Ｌｏとを結ぶ直線上に制御用ガス供給孔２３を配設する。これは、制御用ガスを導入した場合、ジェットの噴出方向はランスノズル横断面の半径方向側に変化し、あたかもノズルの傾角を偏向した場合と同等の効果が得られるため、隣り合うガス噴射ノズルからのジェットの干渉を広範囲に制御することが可能となるためである。図１０の場合、制御用ガス供給孔２３が内側に配設されているが、図１１のように外側に配設するようにしてもよい。図１０の場合には、各ガス噴射ノズル２２からの噴流は外側へ偏向するため、噴流が外側に広がりソフトブローとなり、図１１の場合には各ガス噴射ノズル２２からの噴流が合体してハードブローとなる。この場合に、各ノズルに図９に示すものを用いれば、ソフトブローおよびハードブローの両方を実現することができる。なお、制御用ガス供給孔を噴射口中心点とランス横断面の中心点を結ぶ直線上に配設することが好ましいが、必ずしも制御用ガス供給孔が噴射口中心点とランス横断面の中心点を結ぶ直線上に配設されていなくても、各ガス噴射ノズルの制御ガス供給孔が内側または外側に向いていればある程度の効果を得ることができる。
【００４０】
本発明においては、ガス噴射ノズルからの噴流に制御流を導入することにより噴流流速も超音速（ハードブロー）から亜音速（ソフトブロー）まで大きく変化することができる。このため、ソフトブロー化による２次燃焼量増大による着熱向上、およびスラグ中のＴ．Ｆｅも制御することができるため、溶銑の脱りん処理に適用することができる。このようなソフトブローは、上述の図１０のように複数のガス噴射ノズル２２を配置し、その内側に制御用ガス供給孔２３を配設し、噴流を外側に広げるとともに噴流の流速を減少させることにより実現することができる。
【００４１】
また、溶鋼の脱炭処理においては、噴流流速を超音速（ハードブロー）にして行うが、複数のガス噴射ノズルの噴流を各ノズルからの噴流を合体させる方向に偏向させれば、噴流の減衰を抑制することもできる。このようなハードブローは、上述の図１１のように複数のガス噴射ノズル２２を配置し、その外側に制御用ガス供給孔を配設し、噴流を内側に偏向させることにより実現することができる。
【００４２】
制御用ガスを供給する区間は脱りん、脱炭処理ともに全処理区間の一部（処理前半、中間、後半のいずれか以上）でもかまわないし、あるいは処理の全区間で供給してもかまわない。
【００４３】
さらに、噴流を半径方向に広げるように偏向させれば、偏向と噴流の減衰の両方の効果により転炉の炉壁に付着した地金を溶解することができる。
【００４４】
このように、本発明ではガス噴射ノズル（ランスノズル）をその都度交換することなく幅広い用途に適用することができる。
【実施例】
【００４５】
＜第１の実施例＞
図１２に示す３００ｔｏｎ規模の上底吹き転炉設備を用いて溶銑の脱りん処理を行なう際の脱りん挙動、２次燃焼挙動および地金溶解挙動を調査した。なお溶銑は温度が１２００〜１２６０℃のものを使用した。操業条件は表３に示すとおりである。
【００４６】
図１２において符号３１は上底吹き転炉であり、その底には底吹き羽口３４が設けられており、転炉３１の上方から上吹きランス３６が挿入されている。転炉３１の側壁には出鋼孔３９が設けられている。転炉３１の上方にはその開口を覆うように排ガス集塵設備３５が設けられている。排ガス集塵設備３５には上吹きランス挿入孔３７が設けられている。転炉３１内には溶銑３３が貯留され、その上にはスラグ３８が浮遊している。転炉３１の上部の内壁には地金３２が付着している。
【００４７】
上吹きランスからは酸化性ガスとして酸素ガスを供給した。底吹きガスとしては窒素ガスを供給した。
【００４８】
本発明例、および比較例の上吹きランスノズルの実施条件を表４に示す。ランスノズルとしては、４つのノズル噴射孔が形成された４孔のラバールノズルを使用した。本発明例１は図１０と同様に、制御用ガスをランスノズル中心からすべてのガス噴射孔（ノズル）にランス中心点と各ガス噴射ノズルの中心点を結ぶ方向に供給した。制御用ガスはランスノズル中心部からすべてのガス噴射孔に供給するようにした。制御用ガスの供給はラバールノズルのスロート部と末広がり部長さの比ｘ／ｌが０．２５となる位置から行った。制御用ガス流量Ｑｓはメインのガス噴射孔からの流量Ｑｍに対して０．５の比率で供給した。本発明例２は発明例１と同様に制御用ガスをノズル中心からすべてのガス噴射ノズルにランス中心点と各ガス噴射孔の中心点を結ぶ方向に、すべてのガス噴射孔に供給するようにした。制御用ガスの供給はラバールノズルのスロート部と末広がり部長さの比ｘ／ｌが０．５となる位置から行った。制御用ガス流量Ｑｓはメインのガス噴射孔からの流量Ｑｍに対して０．５の比率で供給した。本発明例３も発明例１、発明例２と同様に制御用ガスをノズル中心からすべてのガス噴射孔にノズル中心点と各ガス噴射孔の中心点を結ぶ方向に、すべてのガス噴射孔に供給するようにした。制御用ガスの供給はラバールノズルのスロート部と末広がり部長さの比ｘ／ｌが０．５となる位置から行った。制御用ガス流量Ｑｓはメインのガス噴射孔からの流量Ｑｍに対して０．１の比率で供給した。以上の本発明例１〜３では制御用ガスの供給は処理の全区間において行った。
【００４９】
さらに、本発明例４では発明例３と同様のノズル配置とし、制御用ガス供給孔の配置も本発明例３と同様とした。ノズルのスロート部と末広がり部長さの比ｘ／ｌが０．５となる位置から行い、制御用ガス流量Ｑｓはメインのガス噴射孔からの流量Ｑｍに対して０．１の比率で供給したが、制御用ガスの供給は処理の前半（処理進行度５０％まで）のみ行った。以上、本発明例１〜４のランス条件は総送酸速度２７０００Ｎｍ３／ｈ、ランス高さ２．５ｍとした（表４参照）。
【００５０】
これに対し、比較例１では制御用ガスを供給しない通常のラバールノズルを使用した。総送酸速度は２７０００Ｎｍ３／ｈ、ランス高さ２．５ｍとした。また、比較例２では比較例１と同様、制御用ガスを供給しない通常のラバールノズルを使用し、処理の前半（全処理区間の５０％）を後半の半分の送酸速度で処理を行った。それぞれ表５に示すように１０分間脱りん処理を行い、脱りん挙動（脱りん率）、スラグ中（％Ｔ．Ｆｅ）度、２次燃焼率（＝（％ＣＯ２)／（（％ＣＯ)＋（％ＣＯ２）））、地金溶解挙動を調査した。ここで、総送酸速度はメインのガス噴射孔、および制御用ガス供給孔から単位時間当たりに供給した酸素ガスの総和を示す。
【００５１】
結果を表５に示す。制御用ガスをノズル中心からすべてのガス噴射孔にノズル中心点と各ガス噴射孔の中心点を結ぶ方向に供給した本発明例１は噴流のソフトブロー化によりスラグ中のＴ．Ｆｅ濃度が比較例１に対し増加しており、脱りん率がわずかに増加している。また、処理中の２次燃焼率も比較例１よりも高位である。
【００５２】
また、制御用ガスの供給をラバールノズルのスロート部と末広がり部長さの比ｘ／ｌが０．５となる位置から行った本発明例２は噴流のソフトブロー化が発明例１に比べて促進され、処理中の２次燃焼率、およびスラグ中のＴ．Ｆｅ濃度がさらに増加しており、脱りん率も向上している。また、制御ガス導出により、噴流がより炉壁へ偏向したことにより、炉内に付着した地金もよく溶解していた。さらに、制御用ガスの供給をラバールノズルのスロート部と末広がり部長さの比ｘ／ｌが０．５となる位置から行い、かつ制御用ガス流量Ｑｓはメインのガス噴射孔からの流量Ｑｍに対して０．１の比率で供給した本発明例３では、噴流のソフトブロー化がさらに促進され、処理中の２次燃焼率、およびスラグ中のＴ．Ｆｅ濃度も本発明例２に比較して増加しており、脱りん率もさらに向上した。また、制御ガス導出により、噴流が発明例２よりもさらに、より炉壁へ偏向したことにより、炉内に付着した地金もよりよく溶解していた。
【００５３】
制御用ガスの供給を前半のみに行った本発明４では前半にソフトブロー化することによりスラグ中のＴ．Ｆｅの上昇を促進させ、かつ、後半にハードブロー化することで、上吹きの攪拌力を向上させて脱りん率が大きく向上した。さらに処理前半をソフトブローとすることで本発明例１〜３ほどではないものの、２次燃焼も増加し、地金溶解も見られた。
【００５４】
これに対し、前半を送酸速度を低下させてソフトブロー化させた比較例２ではスラグ中のＴ．Ｆｅの上昇、および後半のハードブロー化による上吹き攪拌力向上により脱りん率は増加したものの、２次燃焼率の増加は見られず、炉口に大量の地金が付着した。
【００５５】
【表３】
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【００５６】
【表４】
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【００５７】
【表５】
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【００５８】
＜第２の実施例＞
ここでは、上記図１２と同様の構造の３００ｔｏｎ規模の上底吹き転炉設備を用いて溶鋼の脱炭処理を行うときの吹錬末期の脱炭挙動を調査した。なお操業中、溶鋼は温度が１５８０〜１６００℃、鋼中炭素濃度を０．４〜０．５％のものを使用した。ここでは、温度が高いので、図１２に示すような地金の付着は生じない。操業条件は表６に示すとおりである。上吹きランスからは酸化性ガスとして酸素ガスを供給した。底吹きガスとしては窒素ガスを供給した。
【００５９】
本発明例、および比較例の上吹きランスノズルの実施条件を表７に示す。ランスノズルは６孔のラバールノズルを使用した。本発明例５では、上記図１１に示すように（４孔が６孔に変わっただけ）、制御用ガスをすべてのガス噴射孔にノズル中心点と各ガス噴射孔の中心点を結ぶ方向にノズル断面の外側から供給した。制御用ガスはノズルの半径方向外側からすべてのガス噴射孔に供給するようにした。制御用ガスの供給はラバールノズルのスロート部と末広がり部長さの比ｘ／ｌが０．５となる位置から行った。制御用ガス流量Ｑｓはメインのガス噴射孔からの流量Ｑｍに対して０．１の比率で供給した。
【００６０】
これに対し、比較例３では制御用ガスを供給しない通常のラバールノズルを使用した。それぞれ表７に示すように総送酸速度５５０００Ｎｍ３／ｈ、ランス高さ２．３ｍで５分間脱炭処理を行い、末期の脱炭速度を調査した。
【００６１】
結果を表８に示す。制御用ガスをノズルの半径方向外側からすべてのガス噴射孔に供給するようにした本発明例５は各ノズルからの噴流同士が合体することにより、上吹きジェットの攪拌力が増大し、処理末期の脱炭速度が比較例３に比べ、わずかに増加している。
【００６２】
【表６】
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【００６３】
【表７】
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【００６４】
【表８】
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【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の原理を確認するための実験装置を示す模式図。
【図２】原理確認調査に用いたノズルの構造を示す模式図。
【図３】図２に示す各ノズルからの噴流の流速分布を示す図。
【図４】図２に示す各ノズルからの噴流の軸方向の流速分布図。
【図５】噴流の偏向角度βと作動ガス比率Ｑｓ／Ｑｍとの関係を示す図。
【図６】噴流の偏向角度とメインフロー、制御流導入側圧力Ｐｍ、Ｐｓ（ｋｇｆ／ｃｍ２）の差（Ｐｍ−Ｐｓ）の関係を示す図。
【図７】制御流導入位置を変化させた場合のジェットの偏向角度を比較して示す図。
【図８】本発明の一実施形態に係る上吹きランスを示す断面図。
【図９】本発明の他の実施形態に係る上吹きランスを示す断面図。
【図１０】複数のガス噴射ノズルを有する上吹きランスにおける制御用ガス供給孔の好ましい配設形態の一例を示す図。
【図１１】複数のガス噴射ノズルを有する上吹きランスにおける制御用ガス供給孔の好ましい配設形態の他の例を示す図。
【図１２】本発明の実施設備としての上底吹き転炉設備を示す概略図。
【符号の説明】
【００６６】
１１；スロート部
１２；末広がり部
１３；ガス噴射ノズル
１４；上吹きランス
１５，１５ａ，１５ｂ；制御用ガス供給孔
１６；制御用ガス
１７；噴流（ジェット）
２１；ランスノズル
２２；ガス噴射ノズル
２３；制御用ガス供給孔
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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