(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
精錬容器の炉底に設けた底吹き羽口からガスを吹き込んで溶融金属の攪拌を行いながら、前記溶融金属を精錬するにあたり、下記数式（１）を満たすように前記底吹き羽口から分解熱を吸収して分解する分解性ガスを含むガスを吹き込むことを特徴とする底吹き羽口によるガス吹き込み方法。
【数１】
0006399067.tif 000015
ただし、Ｔ０は、前記底吹き羽口の中心から、前記底吹き羽口の中心に設けられているノズルの外周まで、の領域から選択される位置における稼動面の温度（℃）を表し、Ｔｒは、前記Ｔ０を定義した位置から半径方向にｒ（ｍｍ）離れた位置における底吹き羽口の外縁稼動面温度（℃）を表し、Ａは、前記底吹き羽口の軸方向の温度勾配（℃／ｍｍ）を表す。
【請求項２】
前記底吹き羽口から、前記数式（１）を満たすように吹き込まれる前記分解性ガスの種類の選択および前記底吹き羽口に備えられる底吹きガスノズル１本当たりの前記底吹きガスの線速度の制御の少なくとも一つを実行することを特徴とする請求項１に記載の底吹き羽口によるガス吹き込み方法。
【請求項３】
前記ガスとして不活性ガスと炭化水素ガスの混合ガスを選択し、下記数式（２）で表されるα（無次元数）が１．１以上になるように、下記数式（３）で表される混合比βを決定し、決定された前記混合比βになるように前記混合ガスの混合比を調整することを特徴とする請求項２に記載の底吹き羽口によるガス吹き込み方法。
【数２】
0006399067.tif 000016
【数３】
0006399067.tif 000017
ただし、ＣＰ１は、前記不活性ガスの比熱（ｋＪ／ｋｇ・Ｋ）を表し、ＣＰ２は、前記炭化水素ガスの比熱（ｋＪ／ｋｇ・Ｋ）を表し、Ｌは、前記炭化水素ガスの分解熱（ｋＪ／ｋｇ）を表し、Ｑ１は、前記不活性ガスの流量（Ｎｍ３／ｍｉｎ）を表し、Ｑ２は、前記炭化水素ガスの流量（Ｎｍ３／ｍｉｎ）を表し、Ｔ１は、底吹き羽口の末端部の温度（℃）を表し、Ｔ２は、底吹き羽口の稼動面の温度（℃）を表す。
【請求項４】
前記底吹き羽口として、細管集合羽口、単管羽口および中心部に位置する芯体の外側内管に外管を内管との間に隙間を開けて嵌挿固定されリング状のガス吐出流路を形成してなる底吹きガス吹込みノズルを有する羽口、のいずれかを用いることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の底吹き羽口によるガス吹き込み方法。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の底吹き羽口によるガス吹き込み方法を用いて、不活性ガスに前記分解性ガスを混合して転炉底吹きを行なうことを特徴とする鋼の精錬方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、転炉等の精錬容器を用いて溶融金属を精錬する際に、炉内の溶融金属にガスを吹き込む底吹き羽口によるガス吹き込み方法および当該ガス吹き込み方法を用いた鋼の精錬方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
転炉を用いた鉄鋼精錬では、溶融金属の攪拌を目的に炉底からガスを吹き込むことが広く行われている。精錬技術の高度化、多様化に伴い、溶融金属内へのガス吹き込み流量を大幅に変更しうる技術の必要性が高まっている。その技術の一つとして、耐火物から構成される羽口ブロック内に埋設された複数の細管から転炉内にガスを吹き込む羽口が開発され、利用されている。
【０００３】
転炉の稼働率を高めて生産性を向上する上で、羽口の損耗速度は遅いことが望ましい。また、精錬時間の短縮、スクラップの多量使用等のために底吹きガス流量増加の要求もあり、これに対応した羽口の損耗速度低減技術が期待されている。
【０００４】
従来より考えられている羽口の損耗機構の１つに、溶融金属にガスを吹き込むことによって発生する下向流による底叩き（バックアタック）がある。当該バックアタックによって溶銑と羽口が磨耗し、羽口の損耗が進行する。
【０００５】
特許文献１には、底吹きガスを予熱することによって羽口稼動面の過冷を防ぎ、羽口のガス出口部分に生成する凝固鉄、すなわちマッシュルームを安定的に形成させて、バックアタックから羽口を保護する技術が開示されている。
【０００６】
また、特許文献２には、中心部に位置する芯体の外側内管に、外管を内管との間に適当な隙間を開けて嵌挿固定し、リング状のガス吐出流路を形成するガス吹込みノズルを有する精錬用底吹き羽口が開示されている。底吹きガス流量に基づいて算出される受熱指数が一定の範囲内になるように、内管および外管の内外径を選択することによって、羽口部に適正なマッシュルームを形成させる技術が開示されている。
【０００７】
特許文献３には、吹錬の条件に応じて底吹きガス流量およびガス組成を変化させ、羽口を適正な冷却状態に制御することが開示されている。そして、羽口を適正な冷却状態に制御することで、羽口にマッシュルームを安定的に形成させて、羽口の損耗を防ぐ技術が開示されている。これらはいずれも羽口にマッシュルームを形成させて、羽口の損耗を防ぐ技術である。
【０００８】
一方、羽口にマッシュルームを形成させずに、羽口の半径方向の温度勾配を制御することによって、羽口の損耗速度を低下させる技術も開示されている。特許文献４には、羽口存在領域を内側の領域と外側の領域に区分し、内側領域のガス流路断面積と外側領域のガス流路断面積の比率が予め定められた数式を満足するように、内側領域および外側領域のそれぞれに金属細管を配置した羽口が開示されている。これにより、羽口中央側から外周側に向かう方向における羽口の温度勾配を従来よりも緩やかにして、羽口の損耗速度を低下させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平９−２５６０２７号公報
【特許文献２】特開平８−２８３８２２号公報
【特許文献３】特開２００１−３５５０１９号公報
【特許文献４】特開２０１２−２２９４８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
羽口は、溶融金属により加熱されると同時に転炉内に吹き込むガスによって冷却されるので温度勾配が生じる。この温度勾配によって発生する応力によって、羽口に亀裂が生じる。そして当該亀裂の発生方向が羽口の軸方向に対して垂直となる方向（以後、「横方向」という場合がある）である場合に、羽口にスポーリングが発生し、羽口が損耗する。このように、羽口の損耗は、温度勾配によって発生する横方向の亀裂によっても進行する。
【００１１】
上記特許文献１から特許文献３に開示されている技術は、いずれもマッシュルームの安定生成により羽口を保護するものであって、羽口の温度勾配およびこれによって生じる熱応力の方向については何ら記載されていない。そのため、これらの技術では、温度勾配によって引き起こされる横方向の亀裂を抑制できない。また、特許文献４には、羽口の横方向の温度勾配を制御することは記載されているものの、羽口の軸方向（以後、「縦方向」という場合がある）の温度勾配については何ら開示されていない。そのため、縦方向の温度勾配によっては羽口ブロックに半径方向の亀裂が発生し得る。本発明は、従来技術が抱える上記の問題点を鑑みてなされたものであり、その目的は、転炉などの精錬容器を用いて溶融金属を精錬するにあたり、温度勾配によって発生する半径方向の亀裂を抑制し、底吹き羽口の損耗を抑制するガス吹き込み方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
このような課題を解決するための本発明の特徴は、以下の通りである。
［１］精錬容器の炉底に設けた底吹き羽口からガスを吹き込んで溶融金属の攪拌を行いながら、前記溶融金属を精錬するにあたり、下記数式（１）を満たすように前記底吹き羽口から分解熱を吸収して分解する分解性ガスを含むガスを吹き込むことを特徴とする底吹き羽口によるガス吹き込み方法。
【数１】
0006399067.tif 000002
ただし、Ｔ０は、前記底吹き羽口の中心稼動面の温度（℃）を表し、Ｔｒは、前記Ｔ０を定義した位置から半径方向にｒ（ｍｍ）離れた位置における底吹き羽口の外縁稼動面温度（℃）を表し、Ａは、前記底吹き羽口の軸方向の温度勾配（℃／ｍｍ）を表す。
［２］前記底吹き羽口から、前記数式（１）を満たすように吹き込まれる前記分解性ガスの種類の選択および前記底吹き羽口に備えられる底吹きガスノズル１本当たりの前記底吹きガスの線速度の制御の少なくとも一つを実行することを特徴とする［１］に記載の底吹き羽口によるガス吹き込み方法。
［３］前記ガスとして不活性ガスと炭化水素ガスの混合ガスを選択し、下記数式（２）で表されるα（−）が１．１以上になるように、下記数式（３）で表される混合比βを決定し、決定された前記混合比βになるように前記混合ガスの混合比を調整することを特徴とする［２］に記載の底吹き羽口によるガス吹き込み方法。
【数２】
0006399067.tif 000003
【数３】
0006399067.tif 000004
ただし、ＣＰ１は、前記不活性ガスの比熱（ｋＪ／ｋｇ・Ｋ）を表し、ＣＰ２は、前記炭化水素ガスの比熱（ｋＪ／ｋｇ・Ｋ）を表し、Ｌは、前記炭化水素ガスの分解熱（ｋＪ／ｋｇ）を表し、Ｑ１は、前記不活性ガスの流量（Ｎｍ３／ｍｉｎ）を表し、Ｑ２は、前記炭化水素ガスの流量（Ｎｍ３／ｍｉｎ）を表し、Ｔ１は、底吹き羽口の末端部の温度（℃）を表し、Ｔ２は、底吹き羽口の稼動面の温度（℃）を表す。
［４］前記底吹き羽口として、細管集合羽口、単管羽口および中心部に位置する芯体の外側内管に外管を内管との間に隙間を開けて嵌挿固定されリング状のガス吐出流路を形成してなる底吹きガス吹込みノズルを有する羽口、のいずれかを用いることを特徴とする［１］から［３］のいずれか１つに記載の底吹き羽口によるガス吹き込み方法。
［５］［１］から［４］のいずれか１つに記載の底吹き羽口によるガス吹き込み方法を用いて、不活性ガスに前記分解性ガスを混合して転炉底吹きを行なうことを特徴とする鋼の精錬方法。
【発明の効果】
【００１３】
本発明を実施すると、底吹き羽口における横方向の温度勾配は、縦方向よりも大きくなる。これにより、当該温度勾配によって発生する応力の方向は、縦方向でなく横方向になる。亀裂は、応力方向に対して垂直となる方向に生じるので、応力発生方向を横方向にすることで、羽口ブロックに生じる亀裂の発生方向を縦方向にできる。このように、縦方向の温度勾配よりも、横方向の温度勾配を大きくすることによって、亀裂の発生方向は縦方向になり、横方向の亀裂の発生は抑制される。縦方向の亀裂は、その後に発生する横方向の亀裂の進展を抑制する。このように、本発明に係るガス吹き込み方法を用いることで、スポーリングの原因となる横方向の亀裂の発生および進展を抑制できるので、底吹き羽口のスポーリングの発生を抑制できる。また、分解性ガスを含む底吹きガスを使用しているので、底吹き羽口から吹き込まれた底吹きガスが分解し、それに伴う底吹きガスの体積増加により溶鉄の撹拌効果が高められ、これにより冶金特性向上効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態に係る底吹き羽口によるガス吹き込み方法が適用される上底吹き転炉設備１０の断面模式図である。
【図２】底吹き羽口１８を示す断面模式図である。
【図３】線速度８０Ｎｍ／ｓの窒素−プロパン混合ガス中のプロパンガスの分解率を示すグラフである。
【図４】他の底吹き羽口５０を示す断面模式図である。
【図５】実施例１〜５および比較例１〜４を行なった際の、脱りん石灰効率と、底吹きガスの流量との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１は、本発明の実施形態の一例である底吹き羽口１８によるガス吹き込み方法が適用される上底吹き転炉装置１０の断面模式図である。本発明は、溶融金属一般に適用できるものであるが、ここでは、溶鉄（溶銑、溶鋼）を用いる場合を例に説明する。上底吹き転炉装置１０は、溶鉄１２が装入される転炉１４と、上吹きランス１６とを備える。また、転炉１４の底部には、複数の底吹き羽口１８が設けられている。底吹き羽口１８には、配管２０が接続されている。配管２０は、窒素ガス２２とプロパンガス２４の供給源に接続されている。窒素ガス２２とプロパンガス２４は、配管２０内で混合され、底吹きガスとして底吹き羽口１８に供給される。窒素ガス２２の流量Ｑ１は、配管２０に設けられた制御弁２６によって制御される。ここで、窒素ガス２２は、不活性ガスの一例である。不活性ガスとして窒素ガスに代えて、アルゴンガスを用いてもよい。また、上底吹き転炉装置１０は、精錬容器の一例である。
【００１６】
プロパンガス２４の流量Ｑ２は、配管２０に設けられた制御弁２８によって制御される。ここで、プロパンガスは、分解熱を吸収して分解する分解性ガスの一例である。分解性ガスとしては、プロパンガスの他にメタンガス、ブタンガス、または天然ガスなどの炭化水素ガスを用いることができる。また、分解性ガスは、底吹き羽口１８の冷却に必要な分解熱に応じて、その種類が選択されてよい。
【００１７】
例えば、上底吹き転炉装置１０を用いて脱炭を目的とした吹錬を行なう場合において、転炉１４内に装入された溶鉄１２には、上吹きランス１６から酸素が供給されるとともに、底吹き羽口１８から窒素ガス２２およびプロパンガス２４が混合ガスされた底吹きガスが供給される。溶鉄１２は、混合ガスの供給により撹拌される。これにより、溶鉄１２に含まれる炭素の脱炭を効率よく進行させることができ、溶鉄１２に含まれる炭素濃度を低減できる。
【００１８】
図２は、底吹き羽口１８を示す断面模式図である。底吹き羽口１８は、底吹き羽口１８の中心に円筒状に設けられた中心体３０と、中心体３０の外周を囲むブロック体３２とを備える。中心体３０は、中心に設けられたノズル３４と、その外周を囲む周囲部３６とを有する。ノズル３４は、例えば、ステンレス製の管である。周囲部３６およびブロック体３２は、セラミック等の耐火材から構成され、周囲部３６は、羽口ブロックとして機能する。本実施形態において、ノズル３４の軸方向（図中の矢印３８が示す方向）の寸法は、例えば、１４００ｍｍである。また、ノズル３４の半径は、３０ｍｍであって、中心体３０の半径は、１００ｍｍである。
【００１９】
底吹き羽口１８には、窒素ガス２２とプロパンガス２４の混合ガスが底吹きガスとして供給される。プロパンガス２４は、加熱により分解する。プロパンガス２４の分解反応は吸熱反応である。プロパンガス２４の分解反応は、以下に示す化学反応式（１）の通りに進行する。
【００２０】
【化１】
0006399067.tif 000005
【００２１】
図３は、線速度８０Ｎｍ／ｓの窒素−プロパン混合ガス中のプロパンガスの分解率を示すグラフである。図３より、窒素ガス２２に対してプロパンガス２４を１体積％含む場合（図中の○）であっても、窒素ガス２２に対してプロパンガス２４を２体積％含む場合（図中の◇）であっても、プロパンガス２４は、ノズル温度が８００℃以上で分解することがわかる。
【００２２】
底吹き羽口１８から吹き込まれるプロパンガス２４は、底吹き羽口１８の稼動面４０で加熱される。底吹き羽口１８の温度は、溶鉄の温度、吹錬回数等の違いによる炉体の蓄熱の違い等により異なるが、溶鉄に接する底吹き羽口１８の先端部の温度は、１２００℃以上であることが知られている。
【００２３】
底吹き羽口１８の末端部の温度は、大気と触れ合う鉄皮に接しているので２００℃以下であることが知られている。すなわち、底吹き羽口１８の末端部の温度は、プロパンガス２４の分解温度である８００℃よりも低いので、プロパンガス２４の分解反応は進行しない。
【００２４】
稼動面４０に近い領域の温度は、プロパンガス２４の分解温度である８００℃よりも高いので、プロパンガス２４の分解反応は進行する。そのため、プロパンガス２４を底吹き羽口１８の先端部に搬送して分解させることで分解熱による抜熱が生じ、底吹き羽口１８の先端部を局所冷却できる。
【００２５】
底吹き羽口１８からガスを吹き込むことによって溶鉄１２を撹拌できる。しかしながら、底吹き羽口１８には、溶鉄１２によって加熱されるとともに、底吹きガスによって冷却されて温度勾配が生じる。温度勾配による熱応力によって羽口ブロックに生じる亀裂の方向は、温度勾配の方向に対して垂直となる方向となる。そのため、底吹き羽口１８における温度勾配が横方向よりも縦方向の方が大きい場合に、底吹き羽口１８には、縦方向の亀裂よりも優先して横方向の亀裂が生じる。横方向の亀裂は、羽口の脱落につながりやすく、底吹き羽口１８のスポーリングの発生原因となる。
【００２６】
一方、底吹き羽口１８における温度勾配が縦方向よりも横方向の方が大きい場合に、底吹き羽口１８には、横方向の亀裂よりも優先して縦方向の亀裂が生じる。縦方向の亀裂は、周囲部３６の脱落につながらず、さらに、その後に生じる横方向の亀裂の進展を抑制する。このように、縦方向よりも横方向の温度勾配が大きくなるように、例えば、吹込み羽口１８から吹き込むガスの線速度等を制御すれば、底吹き羽口１８のスポーリングの発生を抑制し、その結果、底吹き羽口１８の損耗速度を低下させることができる。
【００２７】
底吹き羽口１８の横方向の温度勾配をＢ（℃／ｍｍ）とし、Ｔ０を底吹き羽口１８の稼動面４０側の中心の温度とし、Ｔｒを底吹き羽口１８における稼動面の中心から半径ｒ（ｍｍ）離れた中心体３０の外周の温度とする。温度勾配Ｂは、中心稼動面温度Ｔ０と外縁稼動面温度Ｔｒと半径ｒ（ｍｍ）によって以下数式（４）で算出できる。
【００２８】
【数４】
0006399067.tif 000006
【００２９】
また、底吹き羽口１８における稼動面４０の温度から縦方向にｒ（ｍｍ）離れた温度を引いた温度をｒ（ｍｍ）で除して算出される温度勾配をＡ（℃／ｍｍ）とすると、縦方向の温度勾配Ａよりも横方向の温度勾配Ｂを大きくするには、下記数式（５）を満足することが条件となる。
【００３０】
【数５】
0006399067.tif 000007
【００３１】
上記数式（５）に上記数式（４）を用いてＢを消去すると、下記数式（１）が導かれる。すなわち、下記数式（１）を満足することは、ＢがＡよりも大きくなることを意味している。したがって、数式（１）を満足することによって、底吹き羽口１８のスポーリングの発生を抑制し、底吹き羽口１８の損耗速度を低下させることができる。
【００３２】
【数６】
0006399067.tif 000008
【００３３】
底吹き羽口１８には、Ｔ０およびＴｒを測定するために、複数の熱電対（不図示）が設置されている。複数の熱電対は、ノズル３４と周囲部３６との境界に設置された第１の熱電対群と、周囲部３６と、ブロック体３２の境界に設けられた第２の熱電対群とから構成される。それぞれの熱電対は、耐火材に設置され、耐火材の温度を示すデータ（以後、単に温度データという）を出力する。
【００３４】
第１の熱電対群として、例えば、２２個の熱電対が、稼動面４０側から５０ｍｍの位置から軸方向（矢印３８方向に沿った方向）に、５０ｍｍピッチで設置されている。また、第２の熱電対群として、例えば、２０個の熱電対が、稼動面４０側から５０ｍｍに位置から軸方向に、５０ｍｍピッチで設置されている。第１の熱電対群の円周方向の位置は、周囲部３６の周囲であれば任意の位置であってよい。第２の熱電対群は、底吹き羽口１８のノズル３４の中心と、第１の熱電対群を結んだ線をブロック体３２の円周方向に延長した場合におけるブロック体３２の円周と交差する点に設けられる。
【００３５】
それぞれの熱電対には、例えば、設置位置に対応した識別番号が割り振られている。それぞれ熱電対は、それぞれに割り振られた識別番号に対応つけて温度データを出力する。これにより、熱電対の設置位置に対応付けて温度データが取得できる。
【００３６】
まず、底吹き羽口１８の中心稼動面温度Ｔ０について説明する。Ｔ０は、底吹き羽口１８の稼動面４０側の中心の温度である。なお、稼動面４０側の中心とは、底吹き羽口１８の中心に設けられているノズル３４の外周までを含む概念であり、必ずしも底吹き羽口１８の中心のみを意味するものではない。本実施形態においてＴ０は、ノズル３４と周囲部３６との境界の温度である。Ｔ０は、ノズル３４と周囲部３６との境界に設置された第１の熱電対群における最も稼動面４０に近い熱電対によって測定される。
【００３７】
底吹き羽口１８は、転炉のチャージ毎に稼動面４０側から損耗していく。そのため底吹き羽口１８の稼動面４０は、底吹き羽口１８の損耗とともに矢印３８の方向に移動する。
第１の熱電対群として設けられた複数の熱電対は、底吹き羽口１８の損耗とともに、稼動面４０に最も近い側から損失される。損失された熱電対からは温度データが出力されなくなる。上述したように、熱電対の位置に対応付けて温度データを取得できるので、温度データが出力された熱電対のうち、最も稼動面４０に近い位置の熱電対を特定する。そして特定された熱電対から出力される温度データに対応した温度をＴ０とした。
【００３８】
本実施形態において、熱電対は、底吹き羽口１８の中央に位置する稼動面４０側から矢印３８方向に沿って、５０ｍｍピッチで２２個設置されている。底吹き羽口１８の損耗により最も稼動面４０側の熱電対が損失したら、次に稼動面４０に近い熱電対がＴ０を測定する。そのため、上底吹き転炉装置１０は、底吹き羽口１８の軸方向の厚み１４００ｍｍに対して、底吹き羽口１８の厚みが３００ｍｍに損耗するまでＴ０を取得できる。
【００３９】
次に、底吹き羽口１８の外縁稼動面温度Ｔｒについて説明する。Ｔｒは、底吹き羽口１８の中心としてＴ０を定義した位置から半径方向にｒ離れた位置における底吹き羽口の外縁稼動面温度（℃）である。Ｔ０を定義した位置とは、Ｔ０を測定する場合においては、Ｔ０を測定した位置である。また、Ｔ０として過去の温度実績値を用いる場合は、過去にＴ０を測定した位置であり、Ｔ０を計算によって算出する場合には、Ｔ０であると定義された位置である。なお、本実施形態においてＴｒは、Ｔ０を測定した位置から半径ｒ（ｍｍ）離れた中心体３０の外周の温度とした。
【００４０】
底吹きガスの流量を変化させ、または分解性ガスの種類を変えてＴｒの変化を確認した。底吹き羽口１８において、周囲部３６は、ノズル３４を溶鉄１２の熱から保護することを目的として、所定寸法以上の幅を有する耐火物であることが一般的である。そのため、Ｔｒは、底吹きガスの吹き込みによる冷却効果が小さくなるので、溶鉄１２と同じ温度であると近似してもよい。なお、半径ｒ（ｍｍ）は、底吹きガスの吹き込みによる冷却効果が及ばなくなるまでの長さであればよく、最近接の羽口ノズルの管内壁からの距離が１００ｍｍ以下となることが望ましい。
【００４１】
次に、羽口の縦方向の温度勾配Ａについて説明する。スポーリングは、専ら、耐火物で発生することから、Ａは、底吹き羽口１８のＴｒを測定した位置における軸方向の温度勾配としている。Ａは、周囲部３６とブロック体３２との界面に設けられた第２の熱電対群により測定される。温度勾配は、第２の熱電対群から選択された２つの熱電対から出力される温度データを用いて算出されてよく、例えば、稼動面４０に最も近い熱電対と、稼動面４０から最も離れた熱電対から出力される温度データを用いて算出される。
【００４２】
Ｔ０、ＴｒおよびＡは、予め定められた時間ごとに逐次測定してよい。また、Ａは、Ｔ０、Ｔｒが測定された後に算出されてよい。なお、予め定められた時間は、例えば、１秒である。また、溶鉄の精錬工程において測定されたＴ０、Ｔｒの測定値を、それ以降の精錬工程に活用してもよい。同様に、溶鉄の精錬工程において算出された温度勾配Ａを、それ以降の精錬工程に活用してもよい。
【００４３】
転炉の炉底に設けた底吹き羽口１８からガスを吹き込み溶融金属の攪拌を行って精錬するにあたり、Ｔ０が下記数式（１）を満たすように、吹き込む分解性ガスの種類の選択および底吹き羽口１８に備えられる底吹きガスノズル１本当たりの底吹きガスの線速度の制御の少なくとも一つを実行する。
【００４４】
【数７】
0006399067.tif 000009
【００４５】
Ｔ０が上記数式（１）を満たすと、底吹き羽口１８の稼動面４０における横方向の温度勾配は、縦方向の温度勾配より大きくなる。このため、応力の作用方向は、底吹き羽口１８の半径方向となり、亀裂の発生方向を横方向に対して垂直となる縦方向に制御できる。これにより、横方向の亀裂の発生および進展を抑制できるので、スポーリングの発生を抑制し、底吹き羽口１８の損耗速度を低下させることができる。
【００４６】
Ｔｒは、周囲部３６によって隔たれているので、底吹きガスの吹き込みによる冷却効果の影響をほとんど受けない。そのため、Ｔｒを測定した位置におけるＡも、底吹きガスの冷却効果の影響をほとんど受けない。一方、Ｔ０は、底吹きガスの吹き込みによる冷却効果を受ける。そのため、例えば、底吹きガスの線速度を増加させて冷却量を増やしてＴ０を下げれば、横方向の温度勾配Ｂは大きくなる。また、底吹きガスの線速度を減少させて冷却量を減らしてＴ０を上げれば、Ｂは小さくなる。上述したように、Ａは、底吹きガスの冷却でほとんど変化しないので、底吹きガスの線速度の増減を制御して、Ｂを大きくすることによって、ＢがＡよりも大きくなるように制御できる。
【００４７】
底吹きガスの線速度を制御することに代えて、底吹きガスに含まれる分解性ガスの種類の選択を実行してもよい。例えば、分解熱の大きい分解性ガスを選択することによって、底吹き羽口１８からの抜熱量を増やすことができる。これにより、底吹きガスの線速度を増加させるのと同じく底吹き羽口１８の冷却量を増やすことができるので、Ｂは大きくなる。また、分解熱の小さい分解性ガスを選択することによって、同様の原理によりＢは小さくなる。このように、分解性ガスの種類を選択することによってもＢを大きくすることができ、これにより、ＢがＡよりも大きくなるように制御できる。
【００４８】
さらに、底吹きガスの線速を制御することに代えて、底吹きガスに含まれる分解性ガスの混合比を制御してもよい。底吹きガスに分解性ガスを多く含ませることによって、底吹き羽口１８からの抜熱量を増やすことができる。これにより、底吹きガスの線速度を増加させるのと同じく冷却量を増やすことができるので、Ｂは大きくなる。また、底吹きガスに分解性ガスを少なく含ませることによって、同様の原理により、Ｂは小さくなる。このように、底吹きガスに含まれる分解性ガスの混合比を制御することによってもＢを大きくすることができ、これにより、ＢがＡよりも大きくなるように制御できる。なお、底吹きガスの線速度の制御、分解性ガスの選択および分解性ガスの混合比の制御は、それぞれ単独で実行されてもよく、複数実行されてもよい。
【００４９】
また、底吹きガスの線速度の下限は、溶鉄１２がノズルに侵入しない流量の下限量から決定する。ノズルに溶湯が侵入しない流量の下限は、下記数式（６）を用いて算出できる。
【００５０】
【数８】
0006399067.tif 000010
【００５１】
上記数式（６）において、Ｎは、細管ノズル本数を表し、ρｇは、底吹きガス密度（ｋｇ／Ｎｍ３）を表し、ρｌは、溶湯の密度（ｋｇ／Ｎｍ３）を表し、Ｈは、溶鋼高（ｍ）を表し、ｄは、細管ノズル径（ｍ）を表す。
【００５２】
また、底吹きガスとして、窒素ガスとプロパンガスの混合ガスを使用し、下記数式（２）で表せるα（−）が、１．１以上になるように下記数式（３）で表される混合ガス全流量に対するプロパンガスの流量の混合比βを決定する。そして、決定された混合比βになるように混合ガスを調整する。
【００５３】
【数９】
0006399067.tif 000011
【００５４】
【数１０】
0006399067.tif 000012
【００５５】
上記数式（２）において、ＣＰ１は、不活性ガスの比熱（ｋＪ／ｋｇ・Ｋ）を表し、本実施形態においては、窒素ガスの比熱を表す。ＣＰ２は、炭化水素ガスの比熱（ｋＪ／ｋｇ・Ｋ）を表し、本実施形態においては、プロパンガスの比熱を表す。Ｌは、炭化水素ガスの分解熱（ｋＪ／ｋｇ）を表し、本実施形態においては、プロパンガスの分解熱である。
【００５６】
また、上記数式（３）において、Ｑ１は、不活性ガスの流量（Ｎｍ３／ｍｉｎ）を表し、本実施形態においては、窒素ガスの流量を表す。Ｑ２は、炭化水素ガスの流量（Ｎｍ３／ｍｉｎ）を表し、本実施形態においては、プロパンガスの流量を表す。Ｔ１は、底吹き羽口１８の末端部の温度を表し、本実施形態においては、例えば、３００℃である。Ｔ２は、底吹き羽口１８の稼動面の温度を表し、本実施形態においては、例えば、１５００℃である。
【００５７】
上記数式（２）は、底吹きガスが窒素ガスだけであった場合に、窒素ガスが底吹き羽口１８から抜熱する抜熱量で正規化した、プロパンガスと窒素ガスの混合ガスが底吹き羽口１８から抜熱する抜熱量を示す。また、上記数式（３）は、全混合ガス流量に対するプロパンガスの流量の混合比を示す。
【００５８】
上記数式（２）で表せるα（−）が、１．１以上となることは、プロパンガスと窒素ガスの混合ガスの抜熱量が、窒素ガスが底吹き羽口１８から抜熱する抜熱量に対して１．１倍以上となることを意味する。このようなαになるように混合比βを決定し、当該混合比βに調整された底吹きガスを底吹き羽口１８から供給する。これにより、底吹き羽口１８の中心稼動面は混合ガスにより冷却されて、底吹き羽口１８の稼動面４０における横方向の温度勾配は、縦方向の温度勾配より大きくなる。これにより、亀裂の発生方向を横方向に対して垂直となる縦方向に制御できる。
【００５９】
また、本実施形態では、底吹き羽口１８として、単管羽口の例を示したがこれに限られない。底吹き羽口１８として、細管集合羽口および中心部に位置する芯体の外側内管に外管を内管との間に隙間を開けて嵌挿固定し、リング状のガス吐出流路を形成してなる底吹きガス吹込みノズルのいずれかを用いてよい。これらの底吹き込みノズルのいずれを用いても、本実施形態に係る転炉底吹き羽口によるガス吹き込み方法を実施できる。
【００６０】
図４は、他の底吹き羽口５０を示す断面模式図である。底吹き羽口５０は、多数の羽口ノズル部が設けられた細管集合羽口の一例を示す。底吹き羽口５０は、底吹き羽口５０の中心に円筒状に設けられた中心体５２と、中心体５２の外周を囲むブロック体５４とを備える。中心体５２は、中心に設けられたノズル部５６と、その外周を囲む周囲部５８とを有する。ノズル部５６は、ステンレス製の細管ノズルとその外周を囲む耐火材とから構成される複数のノズル６０から構成される。複数のノズル６０において、１つのノズル６０がノズル部５６の中心に配されるとともに、他のノズル６０がその周囲に複数設けられている。ノズル部５６は、ノズル６０が多数設けられた細管集合羽口である。なお、周囲部５８およびブロック体５４は、耐火材から構成される。このように構成される細管集合羽口を底吹き羽口１８として用いてもよい。
【００６１】
また、図４に示した底吹き羽口５０においては、細管ノズルの外周に設けられた耐火材におけるスポーリング発生を抑制するために、中心稼動面温度Ｔ０は、ノズル部５６の中心に設けられたノズル６０の周囲の温度としてよい。また、底吹き羽口１８の外縁稼動面温度Ｔｒは、ノズル部５６における稼動面４０の中心としてＴ０を測定した位置から半径ｒ（ｍｍ）離れた中心体５２の外周の温度であってよい。そして、横方向温度勾配を縦方向の温度勾配よりも大きくすることによって、細管ノズルの外周に設けられた耐火材の亀裂の発生方向を縦方向とできる。これにより、細管ノズルの外周に設けられた耐火材のスポーリングの発生を抑制できる。
【００６２】
また、本実施形態では、上底吹き転炉装置１０を用いて転炉底吹き羽口によるガス吹き込み方法を実施する例を示したが、これに限られない。上底吹き転炉装置１０に変えて、転炉の底面から酸素等の吹き込む下底吹き転炉装置にも、本実施形態に係る転炉底吹き羽口によるガス吹き込み方法を適用できる。
【実施例】
【００６３】
図４と同様の装置であって、転炉１４の規模が２２０ｔである上底吹き転炉装置１０を用いて実施した実施例を示す。溶銑装入温度は、１２５０〜１３５０℃、出鋼温度は、１６００〜１７００℃である。底吹き羽口１８におけるノズル部５６のノズル６０の内径が１．５ｍｍ、外径３．０ｍｍのものを使用した。また、数式（６）から算出された底吹きガスの下限流量をノズル内径で除した線速度の下限は、８０Ｎｍ／ｓである。
【００６４】
炭素濃度が３．９〜４．５質量％、りん濃度が０．１００〜０．１２５質量％、けい素濃度が０．２〜１．０質量％を含む溶鉄を転炉に装入し、適宜塊石灰および鉄鉱石を投入し吹錬を行った。吹錬中は酸素を上吹きし、表１に示す底吹きガスを流した。吹錬中は底吹きガスの線速度を一定とした。吹錬中の溶鉄温度は、１２５０〜１７００℃だった。
【００６５】
表１および表２に、実施例１〜５および比較例１〜４の吹錬中の各温度、実験条件および実験後観察した亀裂の様子を示す。また、損耗速度として、１００チャージ連続で吹錬を実施した場合の底吹き羽口の平均損耗速度を示す。表中のＭＲの有無とは、実験開始前に実施例１から５および比較例１〜４のいずれかの条件でマッシュルームを底吹き羽口に安定的に生成させた後に１００チャージ連続で同一の底吹き条件で吹錬を行ったことを示す。
【００６６】
【表１】
0006399067.tif 000013
【００６７】
【表２】
0006399067.tif 000014
【００６８】
比較例１〜４は、底吹きガスとして窒素ガスを、線速度を変えて吹錬したものである。実施例１、３、４、５は、底吹きガスとして窒素ガスとプロパンガスの混合ガスを混合比または線速度を変えて吹錬したものであり、実施例２は、窒素ガスとメタンガスとの混合ガスで吹錬したものである。
【００６９】
比較例１〜３より、窒素ガスの増量では底吹き羽口１８の先端における冷却は不十分であり、Ａの値は、（Ｔｒ−Ｔ０）／ｒの値よりも大きい。これは、底吹き羽口１８の縦方向の温度勾配が、半径方向の温度勾配よりも大きいことを示しており、この場合、半径方向である横亀裂の発生を抑制することができない。また、比較例４の結果から、マッシュルームを底吹き羽口１８の稼動面４０に生成させても、Ａの値が（Ｔｒ−Ｔ０）／ｒの値よりも大きい場合は、比較例１〜３同様に半径方向である横亀裂が発生し、底吹き羽口１８の損耗抑制効果は見られなかった。
【００７０】
一方、実施例１〜５では、比較例と同等または比較例よりも少量の底吹きガスの線速度であっても底吹き羽口１８の先端を十分に冷却できており、Ａの値は、（Ｔｒ−Ｔ０）／ｒの値よりも小さい。これは、底吹き羽口１８の横方向の温度勾配が、縦方向の温度勾配よりも大きいことを示しており、応力の作用方向を横方向にできた。これにより、当該応力によって発生する亀裂は、縦亀裂になる。このように、横方向の温度勾配を大きくすることによって、亀裂の発生方向は縦方向に制御され、横亀裂の発生を抑制できる。また、縦方向の亀裂は、その後に発生する横方向の亀裂の進展を抑制する。このように、横方向の温度勾配を縦方向の温度勾配よりも大きくすることで、スポーリングの発生原因として知られる横方向の亀裂の発生および進展を抑制できる。
【００７１】
表１および表２においても、実施例１〜５の底吹き羽口の損耗速度は、比較例１〜４のいずれよりも低い。すなわち、本実施形態に係るガス吹き込み方法を用いることで、底吹き羽口のスポーリングの発生を抑制でき、これにより、底吹き羽口の損耗速度を低下させることができた。
【００７２】
図５は、実施例１〜５および比較例１〜４を行なった際の、脱りん石灰効率と、底吹きガスの流量との関係を示すグラフである。図５において、横軸は、底吹きガスの流量（Ｎｍ３／ｍｉｎ）であり、縦軸は、脱りん石灰効率（％）である。なお、脱りん石灰効率とは、脱りん反応により生成したＰ２Ｏ５が、３ＣａＯ・Ｐ２Ｏ５の形態で脱りん精錬用スラグに固定されているとした場合の投入されたＣａＯ単位質量当りの効率であり、本実施例においては冶金特性を示す指標として用いている。
【００７３】
図５に示すように、窒素のみを吹込んだ比較例１〜４であっても、底吹きガス流量を増加させるに従い、脱りん石灰効率は向上する。しかしながら、窒素のみを吹込む比較例１〜４では、炭化水素ガスの熱分解によってガスが増加しないので、底吹きガス流量を同じにすると、実施例１〜５と比べて脱りん石灰効率は低くなる。
【００７４】
例えば、実施例３および比較例２に示すように、窒素にプロパンガスを４％含ませた実施例３は、比較例２よりも底吹きガス流量を１２．５％削減したとしても、プロパンガスの熱分解により底吹きガスを増加させることができるので、比較例２より高い脱りん石灰効率を得ることができた。このように、本実施形態に係る底吹き羽口によるガス吹き込み方法を用いて、不活性ガスに分解性ガスを含ませた底吹きガスを溶鉄に吹込むことで、不活性ガスのみを底吹きガスとして溶鉄に吹込む場合よりも脱りん石灰効率を向上、すなわち、冶金特性を向上できることが確認された。
【符号の説明】
【００７５】
１０  上底吹き転炉装置
１２  溶鉄
１４  転炉
１６  上吹きランス
１８  底吹き羽口
２０  配管
２２  窒素ガス
２４  プロパンガス
２６  制御弁
２８  制御弁
３０  中心体
３２  ブロック体
３４  ノズル
３６  周囲部
３８  矢印
４０  稼動面
５０  底吹き羽口
５２  中心体
５４  ブロック体
５６  ノズル部
５８  周囲部
６０  ノズル
【図１】
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【図２】
0006399067.tif 000019
【図３】
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【図４】
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【図５】
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