(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応容器に装入した溶鉄に上吹きランスからガスを吹き付けて前記溶鉄に精錬酸素を吹き付けるランスノズルであって、前記ランスノズルのノズル軸方向で横断面積の最小となる部位またはその近傍の部位のノズル内壁側面に、作動ガス吹き出し用の吹き出し孔を１つ以上設けるとともに、前記吹き出し孔の開口部の孔横幅の合計がノズル円周に対し２５％以上７５％以下となることを特徴とするランスノズル。
【請求項２】
前記吹き出し孔について、孔高さ／孔横幅が０．１５以上１．０以下であることを特徴とする請求項１に記載のランスノズル。
【請求項３】
前記ノズルの軸方向で横断面積の最小となる部位の近傍は、ノズル軸方向の横断面積がノズル軸方向で最小の横断面積の１．１倍以内であることを特徴とする請求項１または２に記載のランスノズル。
【請求項４】
前記吹き出し孔の中心が、前記ノズルの中心軸に垂直な同一平面上にあることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のランスノズル。
【請求項５】
前記吹き出し孔が、同一形状および同一開口面積で等間隔に２つ以上配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のランスノズル。
【請求項６】
前記吹き出し孔の開口部付近に急拡大部を有さないことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のランスノズル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反応容器に装入した溶鉄に上吹きランスからガスを吹き付けて溶鉄に送酸精錬を施すランスノズルに関する。
【背景技術】
【０００２】
溶鉄の酸化精錬では、反応効率向上あるいは歩留り向上のため上吹きランスのランスノズルから噴射される酸素含有ガスの溶鉄浴面での噴流流速と流量とを制御する吹錬が行われている。例えば、製鉄所の転炉における溶鉄の脱炭精錬においては、溶鉄中の炭素濃度が高い吹錬初期または吹錬中期では、脱炭効率の向上を目的として上吹きランスノズルから噴射される酸素流量を高める操業が行われる。一方、溶鉄中の炭素濃度が低い吹錬末期では、鉄の過剰な酸化による歩留り低下を避けるため、酸素流量を抑える操業が行われる。【０００３】
この吹錬初期および吹錬中期と吹錬末期のそれぞれ異なる適正操業条件を満たすために、特許文献１ではラバールノズルのスロート径ｄと送酸速度Ｆから求められる適正膨張出口径Ｄに対し、炭素濃度が高い領域では０．８５Ｄ〜０．９４Ｄの出口径のランスノズルを用い、炭素濃度が低い領域では０．９６Ｄ〜１．１５Ｄの出口径のランスノズルを用いる方法が提案されている。【０００４】
また、特許文献２ではラバールノズルのスロート口に、スロート口と同じ面積および形状の吹き出し口を有するラバールノズルを機械的に重ねることで、吹錬初期または吹錬中期の適正膨張条件と吹錬末期の適正膨張条件のいずれの条件でも操業が可能となるラバールノズルが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−３０１１０号公報
【特許文献２】特開２０００−２３４１１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の方法では、高炭素域・低炭素域それぞれの吹錬ごとに異なるランスノズルを使用しなければならず、２本のランスノズルを吹錬中に切り替える必要が生じる課題があった。また、吹錬中にランスノズルを交換するためにはその間吹錬を止める必要があり、操業の妨げとなる課題もあった。さらに、吹錬中待機させるランスノズルの本数も増える為に、必要となるスペースが広くなるうえ、設備が複雑になるという点も課題となる。【０００７】
また、機械的にノズル形状を変える方法である特許文献２の方法は、高温雰囲気にて機械的可動部を有すること、また噴出口が複数あるノズルに適用する際のノズル本体の構造及び周辺装置が煩雑になるという課題があった。加えて可動部がノズル内壁との摩擦部を有しており、ランスノズルの摩耗がランス寿命へ与える影響も課題となる。【０００８】
本発明は、複数のランスノズルや機械的可動部を要することなく、適正膨張条件を任意に切り替え、送酸量と噴射速度を独立に制御する上吹きランスノズルを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
発明者らは、上記課題を解決するため、ランスノズルの内壁の特定の部位に酸素含有ガスの吹き出し孔を設け、ガスを供給することによりノズル内部に流体壁を形成し、ノズルの見かけのスロート径を変更することで、溶鉄の高炭素濃度領域、低炭素濃度領域のいずれの適正膨張条件を達成できることを見出した。【００１０】
即ち、本発明は、反応容器に装入した溶鉄に上吹きランスからガスを吹き付けて前記溶鉄に精錬酸素を吹き付けるランスノズルであって、前記ランスノズルのノズル軸方向で横断面積の最小となる部位またはその近傍の部位のノズル内壁側面に、作動ガス吹き出し用の吹き出し孔を１つ以上設けたことを特徴とするランスノズルである。【００１１】
なお、前記のように構成される本発明に係るランスノズルでは、
（１）前記吹き出し孔について、孔高さ／孔横幅が０．１５以上１．０以下であること、
（２）前記ノズルの軸方向で横断面積の最小となる部位の近傍は、ノズル軸方向の横断面積がノズル軸方向で最小の横断面積の１．１倍以内であること、
（３）前記吹き出し孔の中心が、前記ノズルの中心軸に垂直な同一平面上にあること、
（４）前記吹き出し孔が、同一形状および同一開口面積で等間隔に２つ以上配置されていること、
（５）前記吹き出し孔の開口部の孔横幅の合計がノズル円周に対し２５％以上７５％以下となること、
（６）前記吹き出し孔の開口部付近に急拡大部を有さないこと、
がより好ましい解決手段となるものと考えられる。【００１２】
なお、本発明では、明細書全体を通して、吹き出し孔の「孔高さ」とは、吹き出し孔の形状によらず、吹き出し孔のノズル軸方向長さの一番大きい部分の高さとし、吹き出し孔の「孔横幅」とは、吹き出し孔の形状によらず、吹き出し孔の軸に垂直な方向の一番長い部分の幅とする。また、ノズルの「横断面積」とは、ノズル内部の中心軸に垂直な面積のことをいう。そのため、本発明において「最小の横断面積の１．１倍以下である部位」とは、その部位の横断面積が最小の横断面積の１．０を超え１．１以下となる部位のことを指す。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、作動ガスと称する別系統のガスを、ノズル軸方向で横断面積の最小となる部位またはその近傍の部位のノズル内壁側面に設けた吹き出し孔より供給することで、ノズル内部に流体壁を形成する。その結果、供給する作動ガスの量に応じてノズルの開口比を見かけ上変更でき、送酸量と噴射速度とを独立に制御することができるようになった。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係るランスノズルの一例の構造を示す断面図である（ストレートノズルの一例）。
【図２】本発明に係るランスノズルの他の例の構造を示す断面図である（ラバールノズルの一例）。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、作動ガス吹き出し用の吹き出し孔の形状の一例を説明するための図である。
【図４】本発明に係るランスノズルにおいて、作動ガス吹き出し用の吹き出し孔の配置の一例を説明するための図である。
【図５】本発明に係るランスノズルにおいて、作動ガス吹き出し用の吹き出し孔の孔横幅が全円周に対し示す割合を説明するための図である。
【図６】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、本発明に係るランスノズルの吹き出し孔の開口部付近に、段差部が無い例および段差部が有る例を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
＜本発明の一実施形態についての説明＞
図１は、本発明に係るランスノズルの一例の構造を示す断面図である（ストレートノズルの一例）。また、図２は、本発明に係るランスノズルの他の例の構造を示す断面図である（ラバールノズルの一例）。図１および図２に示す例において、円筒形のランスノズル１は、その内部の同軸上に、ランスノズル１を冷却するための冷却水循環路２を設けるとともに、さらにその内部に作動ガス供給路３を設けている。そして、作動ガス供給路３からの作動ガスを吹き出すための吹き出し孔４を、ランスノズル１のノズル軸方向で横断面が最小となる部位またはその近傍の部位のノズル内壁側面に、設けている。また、５は吹錬用主孔ノズルであり、この吹錬用主孔ノズル５を介して、ランス２次圧容器に蓄えられた精錬用酸素含有ガスを転炉内に噴出する。
【００１６】
図１に示すストレートノズルでは、吹き出し孔４を設けるノズル内壁の直径はノズル全体で一定であり、ランスノズル１のノズル軸方向で横断面が最小となる部位のノズル内壁側面に吹き出し孔４が設けられている。図２に示すラバールノズルでは、吹き出し孔４を設けるノズル内壁の直径はノズル出口に向かって広がっており、ランスノズル１のノズル軸方向で横断面積の最小となる部位の近傍の部位のノズル内壁側面に吹き出し孔４が設けられている。本発明において、吹き出し孔４から作動ガスを吹錬用主孔ノズル５に吹き出すことにより得られる作用を、以下に説明する。
【００１７】
ランスノズル１より噴射する総ガス流量を一定とする条件かつ、作動ガスの非導入時不足膨張となるような条件において吹き出し孔より作動ガスを噴出させると、噴流流速が増大する現象が観察された。また、ランスノズル１より噴射する総ガス流量を一定とする条件かつ、作動ガスの非導入時過膨張〜適正膨張となるような条件において吹き出し孔４より作動ガスを噴出させると、噴流流速が減少する現象が観察された。上記現象は、吹き出し孔４の近傍において作動ガスにより軸方向に平行に流れる主供給ガスがノズル内壁より剥離し（ノズル内壁に作動ガスにより流体壁が形成されるため）、ノズル断面積断面積が見かけ上減少し、適正膨張条件が遷移したことによる効果と考えられる。
【００１８】
まず、作動ガスの非導入時不足膨張となる条件においては、ノズル断面積が減少、すなわち見かけ上開口比が大きくなると、下記式（１）によって定まる適正膨張圧Ｐｏが大きくなり、噴流の膨張状態が不足膨張条件から適正膨張条件へ近づきエネルギー効率が向上する。また、作動ガス非導入時適正膨張〜過膨張となるような条件においても、上記同様適正膨張圧Ｐｏが大きくなった結果、噴流の膨張状態が過膨張側へと遷移するためエネルギー効率が低下する。
Ａｅ／Ａｔ＝（５５／２／６３）×（Ｐｅ／Ｐｏ）−５／７×［１−（Ｐｅ／Ｐｏ）２／７］−１／２  ・・・（１）
ここで、Ａｔ：噴射ノズルの最小横断面積（ｍｍ２）、Ａｅ：噴射ノズルの出口断面積（ｍｍ２）、Ｐe：ノズル出口部雰囲気圧（ｋＰａ）、Ｐo：ノズル適正膨張圧（ｋＰａ）である。
【００１９】
本発明では、上記のように、作動ガスの有無により設計圧が切り替わり噴流のエネルギー効率も変動するため、同総ガス流量においても独立に流速を制御させることが可能となる。その結果、供給する作動ガスの量に応じてノズルの開口比を見かけ上変更でき、送酸量と噴射速度とを独立に制御することができるようになった。
【００２０】
＜作動ガス吹き出し用吹き出し孔４の形状、配置についての説明＞
図３（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、作動ガス吹き出し用の吹き出し孔の形状の一例を説明するための図である。図３（ａ）〜（ｃ）に示す例において、吹き出し孔４は円筒形状のランスノズル１の円周上の側面に形成されているためそのままでは平面として示すことができない。そのため、ここでは円周形状の吹き出し孔４を平面上に展開して吹き出し孔４の形状を考える。ここで、吹き出し孔４の「孔高さ」とは、吹き出し孔４の形状によらず、吹き出し孔４のノズル軸方向長さの一番大きい部分の高さとし、吹き出し孔４の「孔横幅」とは、吹き出し孔４の形状によらず、吹き出し孔４の軸に垂直な面内の軸方向の一番長い部分の幅とする。具体的には、図３（ａ）に示す円形の吹き出し孔４、図３（ｂ）に示す矩形の吹き出し孔、および図３（ｃ）に示す三角形の吹き出し孔４において、孔高さがＨおよび孔横幅がＷとなる。また、その他の形状であっても、同じように定義することで孔高さＨおよび孔横幅Ｗを求めることができる。
【００２１】
上述した作動ガス吹き出し用の吹き出し孔４の形状において、孔高さ／孔横幅を０．１５以上１．０以下とすることが好ましい。これは、孔高さ／孔横幅を０．１５未満とすると、吹き出し孔４付近に形成される流体壁がノズル軸方向垂直に急激に隆起するような形状となるため、圧損が発生しエネルギー効率が低下し作動ガスの効果が十分得られないためである。また、孔高さ／孔横幅を１．０超とすると、流体壁がノズル軸に対し垂直な平面に対し占める領域が小さくなるため、開口比を変更しうる幅が狭くなり作動ガスの効果が減衰する。上記のことから吹き出し孔４の孔高さ／孔横幅を０．１５以上１．０以下とすることが好ましい。
【００２２】
図１に示すストレートノズルでは、ノズル内壁のどこに吹き出し孔４を設けても、ランスノズル１のノズル軸方向で横断面が最小となる部位のノズル内壁側面に吹き出し孔４が設けられていることとなる。ノズル出口からの距離については、一例として、ノズル出口径をＤｅとした際に、ノズル出口より２．１Ｄｅとなる位置に吹き出し孔４を備えている。
【００２３】
図２に示すラバールノズルでは、作動ガス吹き出し用の吹き出し孔を設ける位置を説明するための図である。図４に示すラバールノズルにおいて、ノズル側面からの作動ガスの噴出によって見掛け上ノズル断面積を減少させる効果は、必ずしも吹き出し孔４が噴射ノズルの横断面積が噴射ノズル軸方向で厳密に最小となる部位に設置された場合に限定される訳ではなく、この部位に設置された場合に噴流流速を増大させる効果が最も効率的に得られるだけで、噴射ノズル軸方向で最小の横断面積に近い部位であっても、類似の噴流流速の増大効果は得られる場合がある。ただし、吹き出し孔４が設置される噴射ノズル軸方向位置の噴射ノズルの横断面積が大きくなると、大量の作動ガスが必要となって噴流流速の増大効率も低下する場合があるので、最小横断面積の１．１倍以下の横断面積の部位に設置することが好ましい。
【００２４】
図４は、本発明に係るランスノズルにおいて、作動ガス吹き出し用の吹き出し孔４の配置の一例を説明するための図である。本発明に係るランスノズルにおいて、吹き出し孔４はノズルの周方向全周にわたるスリット上でもよいが、この時スリットの厚みが全周に対し不均一であるとき、噴流の中心軸からの偏向を引き起こす恐れがある。この解決策として、図４に示すように、吹き出し孔４を２つ以上（図４では４か所）ノズル軸方向に垂直な同一平面上に、等距離間隔に配置することが好ましい。
【００２５】
図５は、本発明に係るランスノズルにおいて、作動ガス吹き出し用の吹き出し孔４の孔横幅が全円周に対し示す割合を説明するための図である。上記のように吹き出し孔４を２つ以上配置する場合は、ノズル断面積を減少させる効果を確保するために、ランスノズル中心軸に垂直な同一平面上ノズル円周に対し吹き出し孔４の横幅が占める割合(図５参照)が、２５％以上７５％以下とすることが好ましい。ここで、この割合が２５％未満であるとノズル断面積の減少効果が同一平面上ノズル円周に対し著しく不均一となり、流速の加速効果が十分得られない。また、この割合が７５％を超えると熱影響による変形や加工性などに起因し孔の一様形状を保持することが困難となり噴流が偏向する恐れが発生するため、２５％以上７５％以下とすることが好ましい。なお、ここで、吹き出し孔４の横幅が占める割合＝（吹き出し孔４の横幅×孔数）／（ノズル円周）となる。
【００２６】
図６（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、本発明に係るランスノズルの吹き出し孔の開口部付近に、段差部が無い例および段差部が有る例を説明するための図である。本発明に係るランスノズル１の作動ガス吹き出し用の吹き出し孔４の形状に関しては、吹き出し孔４の開口部６付近に図６（ａ）に示すように段差部を有さない構造をとることが望ましい。これは、開口部６付近に図６（ｂ）に示すように段差部７を有する場合、段差部７にて流れが剥離してよどみ部８が発生し、主噴流の流れを阻害し流速増加効果を減衰させる場合があるためである。さらに、よどみ部８を有する場合、付近の流れが乱れるためランスノズルの異常損耗の起点になりうる。以上のことから、吹き出し孔４の開口部６付近は段差部７などの急拡大部のないフラットな形状とすることが望まれる。
【実施例】
【００２７】
＜実施例１＞
図１に示すストレートノズルからなるランスノズルを用い、粒子画像流速計測法（Particle Image Velocimetry；ＰＩＶ法）による流速測定を実施した。ＰＩＶ法とは流体に追従する粒子をトレーサーとし流体に導入し、レーザーシート照射によりトレーサーを可視化する計測法である。本実験において、トレーサーは粒径１−２μｍに調整したシリコンオイルミストを使用し、使用気体は圧縮空気を用いた。ノズルの主孔を内径６．６ｍｍのストレートノズルとし、表１に示す個数、形状、寸法、孔高さ／孔横幅の作動ガス供給用の吹き出し孔を、ノズル内壁のノズル出口から１４ｍｍの位置に設け、表１に示す流量条件で流速測定を実施した。その結果、表１に示す平均流速および制御ガス無し時に対する平均速度増加比を得ることができた。【００２８】
【表１】
0006935853.tif 000002
【００２９】
表１の結果から、作動ガスを吹き出し孔から供給した本発明例１〜８は、作動ガスを吹き出し孔から供給していない比較例１〜８の例と比較して、平均速度増加比が向上していることがわかる。また、本発明例１〜８の中では、孔高さ／孔横幅が０．１５以上１．０以下の本発明例２〜４および本発明例６〜８が、孔高さ／孔横幅が０．１５未満の本発明例１および本発明例５よりも平均速度増加比が高く好ましいことがわかった。【００３０】
＜実施例２＞
また、スロート径６ｍｍ、出口径６．６ｍｍの開口比１．２１のラバールノズルに対し、スロート部となる最小円周部（ノズル出口から１４ｍｍの箇所となるよう設計した）に各種作動ガス孔を設けたランスノズルに関して、ＰＩＶ法を利用した流速測定を実施した。表２に測定条件および結果を示す。【００３１】
【表２】
0006935853.tif 000003
【００３２】
表２の結果から、作動ガスを吹き出し孔から供給した本発明例９〜１４は、作動ガスを吹き出し孔から供給していない比較例９〜１４の例と比較して、平均速度増加比が向上していることがわかる。また、本発明例９〜１４の中では、孔高さ／孔横幅が０．１５以上１．０以下の本発明例１０〜１１および本発明例１３〜１４が、孔高さ／孔横幅が０．１５未満の本発明例１および本発明例９、１２よりも平均速度増加比が高く好ましいことがわかった。これはストレートノズルの場合と同様の傾向であり、ストレートノズル・ラバールノズルを問わず孔高さ／孔横幅が０．１５以上１．０以下となっていることが望ましいといえる。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
なお、本発明のランスノズルは、脱炭吹錬、脱燐吹錬、脱珪吹錬のいずれにおいても用いることができる。また、ランスノズルを用いた精錬工程であれば、たとえば電気炉での精錬においてもこの技術を応用可能である。特に、他のガス供給条件の変更に拠らずに噴流速度あるいは動圧を増大させたい場合には効果的であり、例えば、転炉型精錬炉を用いた溶銑の予備脱燐処理において、精錬末期の脱燐酸素効率の低下に応じて上吹き酸素ガス供給速度を低下させる際に、作動ガスを用いて上吹き噴流速度の低下を抑制する本発明のランスノズルを用いた送酸精錬方法を適用することにより脱燐反応効率の低下を抑制する精錬方法が例示できる。
【符号の説明】
【００３４】
１  ランスノズル
２  冷却水循環路
３  作動ガス供給路
４  吹き出し孔
５  吹錬用主孔ノズル
６  開口部
７  段差部
８  よどみ部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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