(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
その先端にラバールノズルが設置された転炉吹錬用上吹きランスであって、前記ラバールノズルのスロート径Ｄｔ（ｍｍ）が、３９２ｋＰａから５８８ｋＰａの範囲内の条件下のノズル背圧Ｐ（ｋＰａ）と、転炉容量Ｗ（ｔｏｎ）と、ラバールノズルの設置個数ｎとから定まる下記の（１）式を満たし、かつ、ラバールノズルの出口径Ｄｅとスロート径Ｄｔとの比（Ｄｅ／Ｄｔ）が下記の（２）式を満たすことを特徴とする転炉吹錬用上吹きランス。
【数１】
0004244546.tif 000012
【請求項２】
前記上吹きランスは複数個のラバールノズルを有し、その内の一部のラバールノズルが前記（１）式および（２）式により定まるスロート径Ｄｔおよび出口径Ｄｅを有していることを特徴とする請求項１に記載の転炉吹錬用上吹きランス。
【請求項３】
転炉内のスラグ量が溶鋼トン当たり５０ｋｇ未満の吹錬に用いられることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の転炉吹錬用上吹きランス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、転炉において溶銑を酸化精錬する際に用いる上吹きランスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
溶銑を用いた転炉吹錬においては、上吹き酸素または底吹き酸素により、主として脱炭を目的とした酸化精錬が行われている。近年、大量の溶銑をより短時間に精錬し、高い生産性を得ようとするニーズが従来にも増して高まっているばかりでなく、大量の鉄鉱石及びＭｎ鉱石等を添加した炉内直接還元や、大量の鉄スクラップの炉内溶解等のために、より多くの酸素源が必要となり、大量の酸素を短時間に安定して吹き込みつつ、高精度の成分制御を可能とする技術が必要になっている。また、溶銑の脱燐や脱硫を目的とする溶銑予備処理プロセスの発達により、転炉吹錬で発生するスラグ量は大幅に減少し、従来プロセスとは異なった要素が多く発生する等々、これらの状況に対処するために早急な転炉吹錬方法の最適化が急務となっている。
【０００３】
上吹きランスによる酸化精錬では、酸素は、上吹きランス先端に設置されたラバールノズルと呼ばれる末広がりのノズルから超音速または亜音速のジェットとして転炉内に吹き付けられる。この場合、脱炭反応等の反応効率を低下させないようにするため、通常、酸素の供給量（以下「送酸速度」という）が比較的多い、吹錬の初期から中期までの高炭素域（およそＣ＞０．６ｍａｓｓ％）における精錬条件に基づいてラバールノズルの形状が設計されている。換言すれば、送酸速度が大きい場合に、吹き付けられる酸素はラバールノズルにより適正に膨張して超音速化されるようになっており、逆に、吹錬末期の低炭素域（およそＣ≦０．６ｍａｓｓ％）に相当する送酸速度が小さい場合には、酸素はラバールノズル内で過剰に膨張して、超音速化が阻害されるようになっている。
【０００４】
高生産性を目的として、送酸速度をさらに増大させた転炉吹錬に、このような設計思想に基づくラバールノズルを用いた場合には、上吹きランスから供給される酸素ジェットの噴出流速はさらに増加し、転炉内の溶湯表面に到達するジェット流速が増大して溶湯湯面の乱れはいっそう激しくなる。従来のようなスラグ量の多い（およそ溶鋼トン当たり５０ｋｇ以上）吹錬においては、酸素ジェットのスラグ層の貫通を確実にさせるためには、この設計思想が必須であった。
【０００５】
しかしながら、近年のようなスラグ量の少ない吹錬においては、このような設計思想の必要性は低くなってきており、却って、ジェット流速の増大に伴う湯面の乱れは、スラグ量の少ない吹錬下ではスピッティングやスプラッシュ等の激しい溶湯飛散をもたらし、炉口やフード、上吹きランス、更には排ガス設備といった部位への地金付きを増加させ、操業に悪影響を与えるとともに、鉄歩留まりの低下による生産性の悪化をもたらす。また、飛散に伴う鉄ダストの発生も著しく増加し、ダスト発生の観点からも鉄歩留まりの低下をもたらす。
【０００６】
こうした操業状況の悪化を抑制するために、ラバールノズルの孔径や傾角等の上吹きランス形状のハード面を適正化しつつ、上吹きランスの先端と浴面との距離（以下「ランス高さ」と記す）や送酸速度等の操業条件を制御した対策が多数提案されている。例えば特開平６−２２８６２４号公報には、上吹きランスの形状を適正化するとともに、送酸速度およびランス高さをラバールノズルの形状に合わせて適正範囲内に制御した吹錬方法が開示されている。しかし、同公報のように高流量化した際の鉄飛散やダストを抑制する目的で、ラバールノズルの構造やランス高さの変更を行う場合には、上吹きランスから噴出される酸素ジェットの軌跡および幾何学的形状が大きく変化するので、不必要な２次燃焼が生じたり、反応界面積の変動に起因して反応効率が悪化するという２次的な悪影響が発生する。また、物理的または操業的にランス高さの変更等が困難な場合には、この方法では対処することができない。
【０００７】
一方、吹錬末期の低炭素域においては、供給された酸素は脱炭反応だけでなく鉄の酸化にも消費されるため、鉄の酸化を抑えて脱炭酸素効率を高める目的で送酸速度を低減させている。この場合、送酸速度はラバールノズルの適正流量値から大きく外れるために、ラバールノズルの最大の効果が得られず、不必要に酸素ジェットが減衰し、主にスラグ中のＴ．Ｆｅ（スラグ中の全ての鉄酸化物（ＦｅＯやＦｅ2Ｏ3）の鉄分の合計値をいう）の増加に見られるように、脱炭反応効率の低下が生じる。また、酸素ジェットの非定常な乱れも大きくなり、精錬反応の安定化および定常化が得られず、吹錬終了時の成分ばらつきも大きくなる。
【０００８】
これらの現象を抑制する目的で、吹錬末期における反応効率の向上および安定化を指向してランス高さをさらに低下させ、溶湯湯面での酸素ジェットの動圧を高めた吹錬方法が採られることがあるが、この場合、吹錬末期には送酸速度も大きく低下しているため、ランス高さを相当な低位に維持する必要が生じ、鉄飛散による上吹きランスへの鉄付着等の悪影響が無視できず、歩留まりの低下および操業性の悪化をもたらす。また、ランス高さの低下により、酸素ジェットの浴面への衝突面積が小さくなるため、反応界面積が減少してしまい、Ｔ．Ｆｅの低減に関して大きな効果を得ることは困難となる。
【０００９】
この問題を改善するために、特開平１０−３０１１０号公報には、ラバールノズルのスロート径と送酸速度とで決定されるラバールノズルの適正膨張出口径Ｄに対し、高炭素域では０．８５Ｄ〜０．９４Ｄの出口径を有する上吹きランスを用い、低炭素域では０．９６Ｄ〜１．１５Ｄの出口径を有する上吹きランスを用いた転炉吹錬方法が開示されている。また、同一のラバールノズルを使用しても、送酸速度とラバールノズルのノズル背圧Ｐとを変更することにより、適正膨張出口径Ｄに対して出口径を上記の範囲に変更できるとしている。
【００１０】
しかしながら、この吹錬方法では、精錬の制御を確実に行うためには形状の異なる２種類以上の上吹きランスを使用しなければならず、設備上並びに操業上の煩雑さが無視できない。また、同一の上吹きランスを使用した場合には、高炭素域および低炭素域の双方で最適範囲にとどめることが必要であり、ラバールノズルの設計が複雑になり、さらに、吹錬初期から中期の高炭素域においては吹錬時間の短縮や高生産性を目的として高い送酸速度を確保し、かつ、吹錬末期においては送酸速度を低く保持したい場合には、上記範囲を逸脱せざるを得ない。すなわち、送酸速度の調整幅が限定されてしまい、炉内状況に応じて送酸速度を自由に変更することができない等の問題点が生じる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこのような事情に鑑みなされたもので、その目的とするところは、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することが可能であり、かつ、高炭素域での高送酸速度時の鉄飛散やダスト発生を低減し、さらに、吹錬末期での低送酸速度時の鉄酸化を抑制するとともに反応の安定化を向上させることが可能な転炉吹錬用上吹きランスを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記課題を解決するために、ラバールノズルの設計条件に着目して鋭意研究を行った。その結果、吹錬末期における低い送酸速度、および、この低い送酸速度を前提とした低いノズル背圧Ｐに基づいてラバールノズルを設計すること、すなわち、吹錬末期の低い送酸速度および低いノズル背圧Ｐの条件でラバールノズルを最適化することにより、上記課題を解決することができるとの知見を得た。
【００１３】
本発明はこのような知見に基づいて完成されたものであり、第１発明は、その先端にラバールノズルが設置された転炉吹錬用上吹きランスであって、前記ラバールノズルのスロート径Ｄｔ（ｍｍ）が、３９２ｋＰａから５８８ｋＰａの範囲内の条件下のノズル背圧Ｐ（ｋＰａ）と、転炉容量Ｗ（ｔｏｎ）と、ラバールノズルの設置個数ｎと、から定まる下記の（１）式を満たし、かつ、ラバールノズルの出口径Ｄｅとスロート径Ｄｔとの比（Ｄｅ／Ｄｔ）が下記の（２）式を満たすことを特徴とする転炉吹錬用上吹きランスを提供する。
【数３】
0004244546.tif 000002
【００１４】
第２発明は、第１発明において、前記上吹きランスは複数個のラバールノズルを有し、その内の一部のラバールノズルが前記（１）式および（２）式により定まるスロート径Ｄｔおよび出口径Ｄｅを有していることを特徴とする転炉吹錬用上吹きランスを提供する。
【００１７】
第３発明は、第１発明または第２発明において、転炉内のスラグ量が溶鋼トン当たり５０ｋｇ未満の吹錬に用いられることを特徴とする転炉吹錬用上吹きランスを提供する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について具体的に説明する。
まず、本発明に至った検討結果について説明する。
酸素吹錬中の転炉内挙動は、その反応挙動の違いから高炭素域（Ｃ＞０．６ｍａｓｓ％）と低炭素域（Ｃ≦０．６ｍａｓｓ％）とに大別される。高炭素域では、供給される酸素はほぼ全量脱炭に費やされ、反応は酸素の供給律速であり、高い送酸速度で吹錬が行われる。一方、低炭素域では、酸素の供給律速から炭素の移動律速に変わり、酸素の一部が鉄の酸化にも費やされるので、鉄の酸化を抑制して脱炭酸素効率を高めるために送酸速度を低減させている。
【００１９】
このとき、高炭素域での吹錬では、鉄飛散やダスト発生を低減させるために、高い送酸速度を維持したまま、溶湯湯面での酸素ジェットの動圧は低くする必要がある。ただし、不必要な２次燃焼の回避、並びに、脱炭酸素効率の高位維持のため、幾何学的な酸素ジェットの形状及び軌跡はできるだけ同条件に保持する必要がある。一方、低炭素域では、脱炭酸素効率を高めるために送酸速度を低減させるが、これに伴って酸素ジェットの動圧も大幅に低下するため、そのままでは脱炭酸素効率の低下、すなわち鉄の酸化増大をもたらす。また、その悪化度合いは送酸速度を低くするほど大きくなる。そのため、浴面での酸素ジェットの動圧を可能な限り高く維持したいが、ランス高さを低下させて酸素ジェットの動圧を増大させることは、浴面からの輻射による上吹きランス先端の損耗や浴面からの鉄飛散に起因する上吹きランスへの地金付きを著しく増大させるために限界がある。このように高炭素域と低炭素域とでは相反する要求があり、しかも、ランス高さ等の操業条件の変更は可能な限り避けて対処する必要がある。
【００２０】
そこで、形状の異なる種々のラバールノズルについて、酸素ジェットの噴出流速とノズル背圧Ｐとの関係を調査した。その結果、理論的に求められる最適なノズル背圧Ｐにおいて、理論値に近い噴出流速が得られることがわかった。酸素ジェットの噴出流速とノズル背圧Ｐとの関係を調査した結果の一例を図１に示す。図１において、破線は理論値を示し、●印は、ノズル背圧Ｐが３８２ｋＰａ（３．９ｋｇ／ｃｍ2）の時に吹き付けられる酸素が最も適正に膨張して超音速化されるように設計された、すなわち、設計ノズル背圧Ｐｏが３８２ｋＰａであるラバールノズルＡでの測定値であり、また、○印は、設計ノズル背圧Ｐｏが５９８ｋＰａ（６．１ｋｇｆ／ｃｍ2）であるラバールノズルＢでの測定値である。
【００２１】
なお、ラバールノズルにおいて、ノズル背圧Ｐ（ｋＰａ）と、ラバールノズル１孔当たりの送酸速度Ｆｈ（Ｎｍ3／ｈｒ）およびラバールのスロート径Ｄｔ（ｍｍ）とは下記の（３）式に示す関係があり、（３）式に示すようにノズル背圧Ｐは送酸速度に比例する。ここで、本発明におけるノズル背圧Ｐ，Ｐｏは絶対圧（真空の状態を圧力０とし、それを基準として表示される圧力）で表示した圧力である。
【数５】
0004244546.tif 000003
【００２２】
図１に示すように、ラバールノズルの形状に拘わらず、噴出流速は、ノズル背圧Ｐの増加に伴って増大するが、ラバールノズルＢで例示するように、設計ノズル背圧Ｐｏに達するまでは理論値と比較して減衰しており、この減衰量はノズル背圧Ｐと設計ノズル背圧Ｐｏとの差が大きいほど大きくなる。そして、ノズル背圧Ｐが設計ノズル背圧Ｐｏに近づくにつれて理論値からの減衰は低減し、設計ノズル背圧Ｐｏではほぼ理論値どおりの超音速が得られる。設計ノズル背圧Ｐｏを越えてノズル背圧Ｐをさらに増大していくと、噴出流速は増大するが、ラバールノズルＡで例示するように、理論値に対する減衰量がノズル背圧Ｐの増加とともに大きくなり、噴出流速は緩やかに増加する。この現象、すなわち設計ノズル背圧Ｐｏを越えた領域での噴出流速の減衰度合いが大きくなる現象は、設計ノズル背圧Ｐｏが低いラバールノズルほど大きく、特に、設計ノズル背圧Ｐｏが４９０ｋＰａ（５ｋｇｆ／ｃｍ2）近傍以下のラバールノズルで大きくなることがわかった。
【００２３】
さらに、ラバールノズルＡで観察されるように、設計ノズル背圧Ｐｏが低いラバールノズルでは、設計ノズル背圧Ｐｏ（この場合３８２ｋＰａ）以下のノズル背圧Ｐにおいては噴出流速の理論値との差が小さいことがわかった。この傾向は設計ノズル背圧Ｐｏが低いほど顕著であり、設計ノズル背圧Ｐｏを４９０ｋＰａ以下とすれば、理論値からの減衰が抑制されることが判明した。つまり、設計ノズル背圧Ｐｏを４９０ｋＰａ以下としてラバールノズルを設計することにより、設計ノズル背圧Ｐｏ以下のノズル背圧Ｐにおける噴出流速の理論値からの減衰を抑えることが可能であることがわかった。
【００２４】
すなわち、吹錬末期における酸素ジェットの動圧を増大させるためには、吹錬末期の低炭素域での送酸速度を前提とする低いノズル背圧Ｐ、すなわち４９０ｋＰａ以下のノズル背圧Ｐに基づいて設計すれば、理論値に近い、高い酸素ジェット動圧が吹錬末期に得られるとの知見を得た。
【００２５】
また、４９０ｋＰａ以下の低いノズル背圧Ｐに基づいて設計したラバールノズルを用いて高炭素域を高送酸速度で吹錬する場合には、前述した図１に示すラバールノズルＡに例示するように、噴出流速の増加が抑えられ、高送酸速度に基づいて設計されたラバールノズルに比べて噴出流速が低下し、酸素ジェットのエネルギーが低位に維持される。そして、高送酸速度域における噴出流速の理論値からの低減度合いは、図１に示すラバールノズルＡに例示するように、操業時のノズル背圧Ｐを４９０ｋＰａ以下と低くして設計したラバールノズルを用いた場合に大きいとの知見が得られた。さらに、このラバールノズルにおいては、ノズル背圧Ｐが設計ノズル背圧Ｐｏよりも極めて高い領域（高送酸速度域）に至っても減衰効果を持続しつつ送酸することができるので、送酸速度の上限を設定する必要はなく、したがって、幅広い送酸速度での吹錬が可能であるとの知見も得られた。
【００２６】
これらの調査結果から、吹錬の初期から中期の高炭素域における溶湯湯面での酸素ジェットの動圧を低減し、かつ、吹錬末期の低炭素域における酸素ジェットの動圧を増大させるためには、高炭素域の送酸速度に基づいてラバールノズルを設計するのではなく、吹錬末期の低炭素域の送酸速度を前提とする、４９０ｋＰａ以下の低いノズル背圧Ｐに基づいて設計すれば、吹錬の初期から中期においてはダスト発生が抑制され、吹錬末期においては理論値に近い、高い酸素ジェット動圧が得られるとの知見を得た。
【００２７】
ここで、転炉吹錬用ランスのラバールノズルにおいては、設計上、設計ノズル背圧Ｐｏ（ｋＰａ）と、雰囲気圧Ｐｅ（ｋＰａ）と、ラバールノズルのスロート径Ｄｔ（ｍｍ）と、ラバールノズルの出口径Ｄｅ（ｍｍ）とは、以下の（４）式の関係を満足している。ここで、雰囲気圧Ｐｅとは、ラバールノズルの外部の雰囲気圧、換言すれば、転炉内のガス雰囲気圧力である。
【数６】
0004244546.tif 000004
【００２８】
したがって、設計ノズル背圧Ｐｏを４９０ｋＰａ以下としたラバールノズルにおいては、設計ノズル背圧Ｐｏ＝４９０ｋＰａ、雰囲気圧Ｐｅ＝１０１ｋＰａ （大気圧）を上記の（４）式に代入することにより、ラバールノズルの出口径Ｄｅとスロート径Ｄｔとの比（Ｄｅ／Ｄｔ）は、一義的に下記の（２）式により定まることになる。
【数７】
0004244546.tif 000005
【００２９】
ここで、通常の転炉脱炭吹錬、すなわち溶鋼量が５０トン以上の商業用転炉吹錬においては、高炭素域におけるノズル背圧Ｐは９８０ｋＰａ近傍以上であることが多く、吹錬末期の低炭素域においても４９０ｋＰａを越えるノズル背圧Ｐで操業している。これは、従来のようなスラグ量が多い場合（およそ溶鋼トン当たり５０ｋｇ以上）においては、酸素ジェットがスラグを貫通するに十分なノズル背圧Ｐが必要であったためである。換言すれば、設計ノズル背圧Ｐｏが４９０ｋＰａ以下のラバールノズルは、スラグ量が溶鋼トン当たり５０ｋｇ未満の転炉吹錬において、その効果を如何なく発揮させることができる。
【００３０】
図２は、設計ノズル背圧Ｐｏと、高炭素域における同一送酸速度での１吹錬当たりのダスト発生量との関係を示す図である。図２からも明らかなように、設計ノズル背圧Ｐｏを４９０ｋＰａ以下としたラバールノズルを用いることにより、高送酸速度域における噴出流速の増加が抑制され、ダスト発生量は低位安定していることがわかった。一方、設計ノズル背圧Ｐｏが４９０ｋＰａを越えるラバールノズルを用いた吹錬では、ダスト発生の抑制が不十分であることがわかった。なお、図２は後述する実施例に示す転炉を用い、設計ノズル背圧Ｐｏが２８５〜７６５ｋＰａである種々のラバールノズルを用い、送酸速度等の操業条件を同一条件として高炭素域で溶銑を吹錬した試験から得られた結果である。
【００３１】
ところで、吹錬末期の低炭素域では脱炭酸素効率を高めるために送酸速度を低減させており、通常、この領域では転炉容量に拘わらず、脱炭酸素効率の高い範囲である、溶湯１トン当たり９０〜１８０Ｎｍ3 ／ｈｒ（１．５〜３．０Ｎｍ3 ／ｍｉｎに相当）の送酸量で吹錬されている。転炉容量をＷ（ｔｏｎ）として当該送酸量から吹錬末期の送酸速度Ｆ（Ｎｍ3／ｈｒ）を換算すると、送酸速度Ｆ（Ｎｍ3／ｈｒ）の範囲として下記の（５）式が得られる。
【数８】
0004244546.tif 000006
送酸速度Ｆ（Ｎｍ3／ｈｒ）と、ラバールノズル１孔当たりの送酸速度Ｆｈ（Ｎｍ3／ｈｒ）とは、ラバールノズルの設置個数ｎにより下記の（６）式で表される。
【数９】
0004244546.tif 000007
また、ラバールノズル１孔当たりの送酸速度Ｆｈ（Ｎｍ3／ｈｒ）と、ラバールノズルのスロート径Ｄｔ（ｍｍ）と、ノズル背圧Ｐ（ｋＰａ）とは、前述した（３）式の関係があるので、（３）式と（６）式とにより送酸速度Ｆ（Ｎｍ3／ｈｒ）は下記の（７）式で表される。
【数１０】
0004244546.tif 000008
（７）式による送酸速度Ｆ（Ｎｍ3／ｈｒ）を（５）式に代入することにより、転炉容量Ｗ（ｔｏｎ）と、ラバールノズルの設置個数ｎと、ノズル背圧Ｐ（ｋＰａ）と、ラバールノズルのスロート径Ｄｔ（ｍｍ）との関係を表す式として下記の（１）式が得られる。
【数１１】
0004244546.tif 000009
【００３２】
すなわち、転炉容量Ｗ（ｔｏｎ）、ラバールノズルの設置個数ｎ、および吹錬末期でのノズル背圧Ｐ（ｋＰａ）が決まれば、（１）式によりスロート径Ｄｔ（ｍｍ）が定まることになる。転炉容量Ｗは装置仕様により定まり、ラバールノズルの設置個数ｎは任意であるが、酸素配管の仕様および転炉容量Ｗ等により自ずと最適な個数に定まる。
【００３３】
なお、吹錬末期の低炭素域においてより脱炭酸素効率を高めるためには、送酸量は溶湯１トン当たり９０〜１２０Ｎｍ3／ｈｒ（１．５〜２．０Ｎｍ3／ｍｉｎに相当）がより好ましく、その場合には、ラバールノズルのスロート径Ｄｔ（ｍｍ）のより好ましい範囲として以下の（８）式が得られる。
【数１２】
0004244546.tif 000010
【００３４】
ここで、本発明によるラバールノズルは、設計ノズル背圧Ｐｏを４９０ｋＰａ以下として設計したノズルであるので、吹錬末期に酸素ジェットの高い動圧を確保するためには、当然のことながら吹錬末期のノズル背圧Ｐを設計ノズル背圧Ｐｏの近傍にすることが好ましい。本発明者等はノズル背圧Ｐを種々変更して酸素ジェットの動圧に及ぼす試験を実施した結果、ノズル背圧Ｐが３９２ｋＰａ（４ｋｇｆ／ｃｍ2）から５８８ｋＰａ（６ｋｇｆ／ｃｍ2）の範囲であれば、設計ノズル背圧Ｐｏを４９０ｋＰａ以下として設計したラバールノズルにおいて、十分に吹錬末期の酸素ジェットの動圧を高く保持することができることを確認した。
【００３５】
この場合、ノズル背圧Ｐを４９０ｋＰａの一定値に設定しても、酸素ジェットの動圧を十分に高く保持できることも確認した。ノズル背圧Ｐを４９０ｋＰａ の一定値に設定した場合には、転炉容量Ｗ（ｔｏｎ）と、ラバールノズルの設置個数ｎと、ラバールノズルのスロート径Ｄｔ（ｍｍ）との関係を表す式として上記（１）式のＰに４９０を代入した下記の（１）′式が得られる。すなわち、転炉容量Ｗ（ｔｏｎ）およびラバールノズルの設置個数ｎが決まれば、（１）′式によりスロート径Ｄｔ（ｍｍ）が定まることになる。なお、ノズル背圧Ｐが３９２ｋＰａ未満になると、スロート径Ｄｔが大きくなり、孔径の大きなラバールノズルを複数個設置するために、上吹きランスの直径も大きくならざるを得ないという問題点が生じることもわかった。
【数１３】
0004244546.tif 000011
【００３６】
以上のような検討結果に基き、本発明の転炉吹錬用上吹きランスは、ラバールノズルのスロート径Ｄｔ（ｍｍ）が、ノズル背圧が３９２ｋＰａから５８８ｋＰａの範囲内において上記（１）式を満たすか、または上記（１）式のＰに４９０を代入した（１）′式を満たし、出口径Ｄｅとスロート径Ｄｔとの比（Ｄｅ／Ｄｔ）が上記の（２）式を満たす構造を有するものとした。この場合に、複数個のラバールノズルの内の一部のラバールノズルがこのような条件を満たしていてもよい。
【００３７】
本発明の転炉吹錬用上吹きランスでは、その先端に設置されるラバールノズルが、吹錬末期の低い送酸速度により定まるスロート径Ｄｔと、吹錬末期の低い送酸速度を前提とする４９０ｋＰａ以下の設計ノズル背圧Ｐｏにより定まる、出口径Ｄｅとスロート径Ｄｔとの比を有しているので、吹錬の初期から中期の高炭素域における溶湯湯面での酸素ジェットの動圧が低減されてダスト発生が抑制され、かつ、吹錬末期の低炭素域においては高い酸素ジェット動圧が得られ、脱炭酸素効率の低下を防止すること、すなわち鉄の酸化を防止することができる。
【００３８】
以下、添付図面を参照して本発明の一実施形態に係る転炉吹錬用上吹きランスについて説明する。図３は本発明の一実施形態に係る転炉吹錬用上吹きランスを示す概略断面図、図４は図３に示す転炉吹錬用上吹きランスに装着されたラバールノズルの概略拡大断面図である。
【００３９】
図３に示すように、上吹きランス１は、円筒状のランス本体２と、このランス本体２の下端に溶接等により接続されたランスノズル３とで構成されており、そして、ランス本体２は、外管８、中管９、内管１０の同心円状の３種の鋼管、すなわち三重管で構成され、銅製のランスノズル３には、鉛直下向き方向または鉛直斜め下向き方向にラバールノズル４が設置されている。
【００４０】
外管８と中管９との間隙、および、中管９と内管１０との間隙は、上吹きランス１を冷却するための冷却水の流路となっており、上吹きランス１の上部に設けられた給水継手（図示せず）から供給された冷却水は中管９と内管１０との間隙を通ってランスノズル３の部位まで至り、ランスノズル３の部位で反転して外管８と中管９との間隙を通って上吹きランス１の上部に設けられた排水継手（図示せず）から排出される。この場合に給排水の経路を逆としても良い。また、内管１０の内部はラバールノズル４への酸素の供給流路となっており、上吹きランス１の上端部から内管１０内に供給された酸素は、内管１０を通り、ラバールノズル４から転炉（図示せず）内に噴出される。
【００４１】
ラバールノズル４は、図４に示すように、その断面が縮小する部分と拡大する部分の２つの円錐体で構成され、縮小部分を絞り部５、拡大部分をスカート部７、絞り部５からスカート部７に遷移する部位である、最も狭くなった部位をスロート６と呼び、１個ないし複数個のラバールノズル４がランスノズル３に設けられている。ランス本体２の内部を通ってきた酸素は、絞り部５、スロート６、スカート部７を順に通って、超音速又は亜音速のジェットとして転炉内に供給される。図４中のＤｔはスロート径、Ｄｅは出口径であり、スカート部７の広がり角度θは通常１０度以下である。
【００４２】
なお、絞り部５およびスカート部７は円錐体である必要はなく、内径が曲線的に変化する曲面で構成してもよく、また、絞り部５はスロート６と同一の内径であるストレート状の円筒形であってもよい。絞り部５およびスカート部７を、内径が曲線的に変化する曲面で構成する場合には、ラバールノズルとして理想的な流速分布が得られるが、ラバールノズルの加工が極めて困難であり、一方、絞り部５をストレート状の円筒形とした場合には、理想的な流速分布とは若干解離するが、転炉吹錬で使用には全く問題とならず、かつ、ラバールノズルの加工が極めて容易となる。本発明においては、このような種々の形態ものを全てラバールノズルと称する。
【００４３】
このような構成を有するラバールノズル４について、吹錬に先立ち、その具体的な形状を以下に示す手順によって決定する。
まず、ラバールノズル４のスロート径Ｄｔを前述した（１）式により決定する。（１）式において、転炉容量Ｗ（ｔｏｎ）は転炉の設備仕様により決まり、具体的には転炉で製造される溶鋼量に相当する。ラバールノズル４の設置個数ｎは任意に決めることが可能であるが、送酸速度Ｆは転炉容量Ｗと比例関係があり、転炉容量Ｗが大きくなるほど送酸速度Ｆも大きくなるので、ラバールノズル４の１孔当たりの送酸速度Ｆｈが極端に大きくなったり、小さくなったりしないように、経験上から定まる最適範囲内になるように決めれば良い。ノズル背圧Ｐ（ｋＰａ）は３９２ｋＰａから５８８ｋＰａの範囲内の任意の値を選択できるが、計画する実操業でのノズル背圧Ｐに近い値を採用することが好ましい。
【００４４】
これらの数値を（１）式に代入してスロート径Ｄｔ（ｍｍ）の範囲を定め、（１）式を満たす任意の値をスロート径Ｄｔとする。この場合、ノズル背圧Ｐ（ｋＰａ）を４９０ｋＰａの一定値として、前述した（１）′式によりスロート径Ｄｔの範囲を定めてもよい。
【００４５】
次いで、出口径Ｄｅを前述した（２）式により定める。具体的には、出口径Ｄｅとスロート径Ｄｔとの比（Ｄｅ／Ｄｔ）を（２）式の範囲内の任意の値に設定し、予め設定したスロート径Ｄｔから出口径Ｄｅを定める。
【００４６】
このようにして形状を決定したラバールノズル４を有するランスノズル３を製作し、ランス本体２の下端に接続して上吹きランス１を構成する。ランスノズル３が複数個のラバールノズル４を有している場合には、その内の一部のラバールノズル４のみを上記のようにして決定した形状としても良い。但し、この場合には、目的とする効果は若干低下する。
【００４７】
そして、この上吹きランス１を用いて、高炉等で製造された溶銑を転炉内で吹錬する。この吹錬において、吹錬末期の低炭素域では、酸素ジェットの動圧低下を抑えるために、ノズル背圧Ｐを３９２ｋＰａから５８８ｋＰａの範囲内とし、好ましくは３９２ｋＰａから４９０ｋＰａ以下として吹錬する。ラバールノズル４の１孔当たりの送酸速度Ｆｈは、ノズル背圧Ｐ及びスロート径Ｄｔと前述した（３）式の関係があるので、ノズル背圧Ｐ及びスロート径Ｄｔを決めることにより、自ずと送酸速度Ｆｈが定まることになる。この場合、溶湯の炭素濃度が０．６ｍａｓｓ％になったならば、直ちにノズル背圧Ｐを上記の範囲にする必要はなく、送酸速度を変更する時期に合わせて実施すればよい。
【００４８】
一方、吹錬の初期から中期における高炭素域（Ｃ＞０．６ｍａｓｓ％）では、送酸速度およびノズル背圧Ｐに拘わることなく、この上吹きランス１を用い、高送酸速度及び高ノズル背圧Ｐ等の精錬反応に見合った任意の条件で吹錬することが可能である。この場合、酸素ジェットの噴出流速を効率良く減衰させるために、高炭素域での送酸速度を、低炭素域での送酸速度の１．８倍以上とすることが好ましい。
【００４９】
転炉吹錬の際の炉内スラグ量は、スラグ量が少ない場合にはスラグに覆われる溶湯の比率が低下し、高炭素域におけるダストや鉄飛散の発生量が増大する。本発明によるラバールノズル４は高炭素域でのダストや鉄飛散の発生を抑制する効果が強く、したがって、炉内スラグ量が溶鋼トン当たり５０ｋｇ未満、望ましくは３０ｋｇ以下の吹錬に本発明を適用することにより、その効果をより一層発揮させることができる。
【００５０】
本発明による上吹きランス１を用いて転炉内の溶銑を吹錬することにより、吹錬末期における酸素ジェットの噴出流速を最適化すること、すなわち、吹錬末期の酸素ジェットの動圧を理論値に近い値まで増大させることが可能となり、鉄の酸化を抑制することができるとともに、高炭素域の高送酸速度領域での噴出流速を低下することができ、酸素ジェットエネルギーの低位維持がもたらされ、鉄飛散やダスト発生を軽減することができる。そのため、吹錬全体での鉄歩留まりを向上することができ、操業の安定化が達成される。
【００５１】
また、本発明の上吹きランス１では、低炭素域での送酸速度に対して高炭素域での送酸速度を任意に設定すること、すなわち、幅広い送酸速度の調整幅で吹錬することが可能であり、そのため、炉内状況に応じて送酸速度を自由に変更することができるという利点も有している。
【００５２】
【実施例】
以下、本発明の実施例を比較例とともに示す。
［実施例］
容量が２５０トンで、酸素を上吹きし、攪拌用ガスを底吹きする上底吹き複合吹錬用転炉の上吹きランスに本発明を適用した。ラバールノズルの設置個数ｎは５個と決定し、転炉容量Ｗが２５０トン、ラバールノズルの設置個数ｎが５個の条件を（１）′式に代入し、スロート径Ｄｔの範囲として４４．４ｍｍ〜６２．８ｍｍを得た。そして、この範囲のほぼ中央値である５４ｍｍをスロート径Ｄｔとして選択した。また、これに基づき出口径Ｄｅを（２）式の範囲内である６２ｍｍとした。
【００５３】
５孔のラバールノズルを全てこの形状とし、転炉内に約２５０トンの溶銑を装入して脱炭吹錬を行った。用いた溶銑は、転炉前工程である溶銑予備処理設備にて脱硫処理及び脱燐処理が施された溶銑である。転炉内には石灰系フラックスを添加し、少量のスラグ（溶鋼トン当たり３０ｋｇ未満）を生成させている。転炉々底に設置した羽口からは、溶湯攪拌を目的としてアルゴン又は窒素を毎分１０Ｎｍ3 程度吹き込んだ。
【００５４】
吹錬初期から中期にわたっては、ノズル背圧Ｐが８８３ｋＰａ（９．０ｋｇｆ／ｃｍ2）、送酸速度Ｆが６００００Ｎｍ3／ｈｒの条件で送酸し、溶湯の炭素濃度が０．６ｍａｓｓ％以下となった吹錬末期には、ノズル背圧Ｐを４９０ｋＰａ（５．０ｋｇｆ／ｃｍ2）とした。ノズル背圧Ｐを４９０ｋＰａとすることにより、ラバールノズル１孔当たりの送酸速度Ｆｈは（３）式に基づいて低下し、送酸速度Ｆは３３２００Ｎｍ3／ｈｒとなった。
【００５５】
吹錬中は乾式のダスト測定装置を用いて排ガス中のダスト量を測定した。また、吹錬終了時には転炉内のスラグを採取して、スラグ中のＴ．Ｆｅ濃度を調査した。１００ヒートを越える吹錬結果から、このランスを用いた吹錬におけるダスト発生量は溶鋼トン当たり８ｋｇであり、また、吹錬を炭素量が０．０５ｍａｓｓ％で吹き止めた際のスラグ中のＴ．Ｆｅ濃度は１２ｍａｓｓ％であった。
【００５６】
［比較例］
実施例と同一の転炉を用い、溶銑予備処理を施した溶銑を５孔ノズルタイプの上吹きランスにより実施例と同一条件で吹錬した。ただし、ラバールノズルの形状は、吹錬の初期から中期にわたる送酸条件によりその形状を決定した。すなわち、送酸速度Ｆｈが１２０００Ｎｍ3／ｈｒ、ノズル背圧Ｐが８８３ｋＰａ（９．０ｋｇｆ／ｃｍ2）の条件から、（３）式によりスロート径Ｄｔを５４ｍｍとし、また、設計ノズル背圧Ｐｏを８８３ｋＰａとして、設計ノズル背圧Ｐｏが８８３ｋＰａ、雰囲気圧Ｐｅが１０１ｋＰａ（大気圧）、スロート径Ｄｔが５４ｍｍの条件から、（４）式により出口径Ｄｅを７２ｍｍとした。このように、スロート径Ｄｔは実施例と同一であったが、出口径Ｄｅは実施例と大幅に異なっていた。
【００５７】
５孔のラバールノズルを全てこの形状として吹錬し、吹錬中は乾式のダスト測定装置を用いて排ガス中のダスト量を測定した。また、吹錬終了時には転炉内のスラグを採取して、スラグ中のＴ．Ｆｅ濃度を調査した。１００ヒートを越える吹錬結果から、このランスを用いた吹錬におけるダスト発生量は溶鋼トン当たり１３ｋｇであり、また、吹錬を炭素量が０．０５ｍａｓｓ％で吹き止めた際のスラグ中のＴ．Ｆｅ濃度は１９ｍａｓｓ％であり、ダスト量およびＴ．Ｆｅ量ともに実施例よりも多かった。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、広い送酸速度の調整幅を確保することが可能であり、かつ、転炉吹錬の末期における送酸が最適化され、鉄の酸化を抑制することが可能になるとともに、高炭素域の高送酸速度領域での噴出流速を低下することができるので、高炭素域でのダスト発生も抑制することが可能となり、その結果、吹錬全体での鉄歩留まりを大幅に向上することができかつ操業の安定化が達成され、工業上極めて有益な効果がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】酸素ジェットの噴出流速とノズル背圧Ｐとの関係を示す図。
【図２】設計ノズル背圧Ｐｏと１吹錬当たりのダスト発生量との関係を示す図。
【図３】本発明を適用した転炉吹錬用上吹きランスの概略断面図。
【図４】本発明を適用したラバールノズルの概略拡大断面図。
【符号の説明】
１  上吹きランス
２  ランス本体
３  ランスノズル
４  ラバールノズル
５  絞り部
６  スロート
７  スカート部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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