(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
転炉型精錬炉内に保持した溶湯に、上方から酸素ガス・ジェットを吹き付けるのに使用され、長尺の筒体先端に、１個の貫通孔を有するノズル・チップを取り付けて形成されたガス上吹き用ランスであって、
前記貫通孔の形状を、上端が閉止された下拡がりの円錐台状とし、該貫通孔の頂部には、そこを通過する酸素ガスが前記貫通孔の円形断面の接線成分を有するように、該酸素ガスを水平方向に導入する開口を設けたノズルチップの蓋からなり、前記貫通孔の下端から噴出する酸素ガス・ジェットに旋回流れを付与する旋回手段を備えたことを特徴とするガス上吹き用ランス。
【請求項２】
前記円錐台の下拡がり角が、ランス軸に対し５〜３０°であることを特徴とする請求項１記載のガス上吹き用ランス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス上吹き用ランスに係わり、特に、転炉、鉄浴型溶融還元炉、スクラップ溶解炉等で溶鉄を精錬する際に使用され、炉内において高い二次燃焼率及び着熱効率を得るのに有効な酸素ガス吹精用上吹きランスの構造に関する。ここで、二次燃焼とは、溶鋼の酸素吹錬で転炉内に発生したＣＯガスを、該炉内の上部空間で再度燃焼させることを言い、二次燃焼率は、転炉排ガスのＣＯ2 ／（ＣＯ＋ＣＯ2 ）×１００で表わされる。また、着熱効率とは、該二次燃焼で発生した熱が溶鋼やスラグに着熱する効率を言う。
【０００２】
【従来の技術】
最近、製鋼分野では、転炉内の溶銑にクロム鉱石あるいは鉄鉱石等の鉱石原料とコークス等の炭材とを添加し、該鉱石を直接溶融還元することによって、鉱石中の有価金属を回収する技術が普及している。かかる鉱石の溶融還元を実施するに際しては、通常、大量の加熱・還元エネルギーが必要となる。また、溶融還元でなく、高炉溶銑を原料とした一般的な製鋼を行う転炉操業においても、生産性向上の要求から、鉱石、スクラップを大量に転炉内に供給し、加熱・還元することがある。そのため、いずれにしても、転炉へのエネルギー供給は、従来に比べて高密度、大量化しており、エネルギー源としてのコークスや石炭等の炭材と、それらを燃焼させる酸素ガスとを、可能な限り高速で供給する必要が生じている。
【０００３】
通常、転炉内に保持した溶銑あるいは溶鋼（以下、溶湯という）への酸素ガスの供給は、その大部分の量を所謂上吹きランスを介して行われるが、上述の要求に従い酸素ガスの供給速度を増加させると、ダストの発生が増大するという問題が生じる。このダストの発生速度の増大は、製造する溶鋼の歩留まり低下及びその後のダスト処理コストの増大等をきたし、特に、溶融還元を高い生産性下で行うには、該ダスト発生速度の抑制が重要となっている。
【０００４】
ところで、かかるダストは、溶湯の脱炭反応によって生じるＣＯガス気泡がはじけることに起因するもの、あるいは溶湯から金属成分が直接蒸発することに起因するものが主体と考えられるが、両者とも、上吹きする酸素ガス・ジェットと溶湯の衝突程度や酸素ガスの供給速度が増加するに伴い、増大する。このダスト発生の抑制対策としては、溶湯上に存在する溶融スラグ層で、上吹き酸素ガス・ジェットを溶湯表面から遮断することが考えられるが、そのためには、上吹き酸素ガス・ジェットが衝突することによって生じるスラグ層の凹み深さを低減する必要があった。つまり、上吹き酸素ガス・ジェットを所謂ソフト・ブローにすることである。
【０００５】
一方、通常の転炉精錬においては、熱供給能力を向上するため、上吹き酸素ガス・ジェットをソフト・ブローにして、炉内での前記二次燃焼率を上昇させるため、以下のような方法が取られている。
（１）上吹きランスの先端位置（以下、ランス高さと略す）を上昇させる
（２）上吹きランスのノズルを多孔にして上吹き酸素ガス・ジェットを分散させる
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記（１）のランス高さの上昇は、二次燃焼で発生した熱の着熱効率の低下につながり、排ガス温度が上昇して、転炉の内張り耐火物の溶損を増大させるという好ましくない結果になる。また、上記（２）のノズルの多孔化は、該孔の鉛直に対する傾斜角をある程度大きくしないと、十分なソフト・ブローが達成できず、該傾斜角を大きくすると、酸素ガス・ジェットが炉壁に直接衝突して、炉壁を損傷し、寿命が低下するという問題が生じる。
【０００７】
本発明は、かかる事情に鑑み、ランス高さの上昇、あるいはノズルの多孔化をしなくとも、つまり転炉内の二次燃焼率や着熱効率を低下させずに、上吹き酸素ガス・ジェットのソフト・ブローを達成し、吹錬中のダスト発生速度を抑制することが可能なガス吹き用ランスを提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、発明者は、実験研究を繰り返し、その成果を本発明として完成させた。
すなわち、本発明は、転炉型精錬炉内に保持した溶湯に、上方から酸素ガス・ジェットを吹き付けるのに使用され、長尺の筒体先端に、１個の貫通孔を有するノズル・チップを取り付けて形成されたガス上吹き用ランスであって、前記貫通孔の形状を、上端が閉止された下拡がりの円錐台状とし、該貫通孔の頂部には、そこを通過する酸素ガスが前記貫通孔の円形断面の接線成分を有するように、該酸素ガスを水平方向に導入する開口を設けたノズルチップの蓋からなり、前記貫通孔の下端から噴出する酸素ガス・ジェットに旋回流れを付与する旋回手段を備えたことを特徴とするガス上吹き用ランスである。
【０００９】
また、本発明は、前記円錐台の下拡がり角が、ランス軸に対し５〜３０°であることを特徴とするガス上吹き用ランスである。
【００１０】
本発明によれば、ランスから噴出された酸素ガス・ジェットが、溶湯面に達する前に、付与された旋回流れに起因して拡がるようになるので、溶湯表面上に形成される凹み深さが浅くなり、所謂ソフト・ブローが達成される。その結果、溶湯面上でのＣＯガスとの燃焼が十分に行われるようになり、ランス高さの上昇、あるいはノズルの傾角の拡大をしなくとも、二次燃焼や着熱効率を低下せずに、吹錬中のダスト発生速度が抑制されるようになる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、発明をなすに至った経緯をまじえ、本発明の実施形態を説明する。
まず、発明者は、上吹きランスを用いたソフト・ブロー化の効果を確認するため、コールド・モデル実験で上吹きガス・ジェットの流速分布を測定した。
ここで使用した上吹きランス５のノズル・チップ７は、図１〜３に模式的に示すように、１個の貫通孔８をその上端を蓋１１によって閉止した円錐台状にし、貫通孔を通過する酸素ガスが前記貫通孔の円形断面の接線成分を有するように、該酸素ガスを水平方向に導入する開口を設けて、前記貫通孔８の下端からの噴出ガスに旋回成分を付与するもの（図１参照、円錐台状の拡がり角を、ランス軸に対して１５°とした）、１個の貫通孔８を上端を閉止しない円錐台状にし、旋回成分を付与しないもの（図２参照）、及び円柱状の貫通孔７を６個設けたもの（図３参照、各貫通孔８は、ランス軸９に対して１５°傾斜している）である。
【００１２】
使用したガスは、窒素であり、ガス・ジェットは、ランス軸方向（鉛直下方）に噴出させた。該ガスの流量は、２．０  Ｎｍ3 ／ｍｉｎとし、ノズル先端から下方２００ｍｍの位置で、ガス・ジェット流速の鉛直成分の半径方向分布を測定した。
図４に、前記各ノズル・チップ７を使用した場合の流速分布を示す。図４に記号（ロ）で示すように、旋回成分を付与しないノズル・チップ７（図２）では、大きな開口面積を有し、且つ出口での線速度が６孔のノズル・チップ７（図３）の使用時（記号（ハ））に比べて低下するにもかかわらず、ガス・ジェットの拡がり角が小さく、最大流速が大きいことがわかる。また、６孔のノズル・チップ７は、多孔化によりガス・ジェットの拡がり角は拡大しているが、単孔と同一のランス外径では、冷却水流路が複雑となり、ノズル・チップ７の総開口面積は、旋回成分を付与しないノズル・チップ７の場合に比べて、縮小せざるを得ない。そのため、出口線速度が高くなり、最大流速としては、（ロ）の場合と同等であった。
【００１３】
これに対して、旋回成分を付与した単孔のノズル・チップ７（図１）では、記号（イ）に示すように、旋回成分を付与しない（ロ）の場合に比べて、ガス・ジェットの拡がり角が拡大しており、最大流速も（ロ）及び（ハ）の場合に比べて大幅に低下していた。つまり、このノズル・チップ７を使用すれば、ランス高さの上昇、あるいは傾角の拡大としなくとも、溶湯面上での凹み１２の深さを浅くでき、十分なソフト・ブロー化が達成できると予想できた。そこで、発明者は、このノズル・チップ７を採用したランスを本発明とし、下記実施例で述べるように、実際の操業で効果を確認した。
【００１４】
なお、本発明では、貫通孔形状を下拡がりの円錐台状とし、その下拡がり角を５〜３０°が好ましいとした。その理由は、５°未満だと、ジェットの拡がり角が小さくソフト・ブロー化が不十分だからであり、３０°超えだと、ジェットの拡がり角が大き過ぎて、炉壁耐火物損傷の危険があるからである。
また、本発明の具体的な実施には、酸素ガス・ジェットの旋回手段を、貫通孔８を塞ぐノズル・チップの蓋１１とするのが好ましい。それは、図１（ａ）に示すように、ノズル・チップ７の貫通孔８の上端を突起状にし、そこに取り付けるようにすれば、その製作及び取付けが容易だからである。
【００１５】
【実施例】
図５に示す溶鋼処理能力５ｔｏｎ規模の上底吹き転炉１で、前記クロム鉱石の溶融還元吹錬の操業を行い、ダストの発生速度、及び炉壁耐火物の損耗量を調査した。なお、上吹きランス５としては、前記コールド・モデル実験で使用した３種類のノズル・チップ７をそれぞれ備えたものを、互いに交換して使用した。
【００１６】
操業は、予め脱燐処理した表１に示す化学組成の溶銑を、転炉１に装入した後、底吹き羽口２を介して窒素ガスを５．０Ｎｍ3 ／ｍｉｎ、及び上吹きランス５を介して純酸素ガスを１５Ｎｍ3 ／ｍｉｎ吹き込みつつ、炉上に設けたシュータ６で塊コークス及び造滓剤としての生石灰、珪石を炉内に投入することで行った。その際の吹錬期間は、溶湯温度が１５５０℃、溶融スラグ４量が１００ｋｇ／ｔになるまでであり、約２０分間である。そして、引き続き、炉上シュータ６から塊コークスを１９ｋｇ／ｍｉｎ、塊状化したクロム鉱石を、溶湯温度が１５５０℃±２０℃となるよう２〜２５ｋｇ／ｍｉｎの投入速度で添加、調整した。また、該炉上シュータ６からは、塊状の生石灰を、スラグ塩基度が１．５となるように添加した。
【００１７】
使用した塊コークス、クロム鉱石の組成を表２、表３に示す。なお、操業中、溶湯温度の測定は、所謂サブ・ランスを用いて行い、この測定値に基づいて、前述のように、クロム鉱石の投入速度を調整し、溶融メタル浴温度が１５５０℃±２０℃となるようにしたのである。クロム鉱石の添加は、約６０分間行い、この後にクロム鉱石を添加せずに、スラグ中に残留したクロムを還元回収する仕上げ還元を、溶湯温度１５５０℃±２０℃で約１０分間実施した。また、ダストの発生程度は、煙道で排気ガス中のダスト濃度を測定することにより求めた。
【００１８】
【表１】
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【００１９】
【表２】
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【００２０】
【表３】
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【００２１】
表４に、本発明に係るランスを用いた実施例、及び他方式のランスを用いた比較例を、操業時のダスト発生の速度指数、耐火物損耗指数、生産性指数（単位時間当りクロム鉱石使用量の指数）を示す。また、表４に示したランス高さは、溶湯表面から上吹きランスの先端までの距離であり、ダスト発生の速度指数は、比較例１のダスト発生速度を１００として、相対的に比較したものである。また、耐火物損耗指数及び生産性指数は、比較例１の値を１．０として相対的に比較したものである。
【００２２】
【表４】
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【００２３】
表４の比較例１と比較例２を比較すると、比較例２は、ランス高さを上昇してソフト・ブロー化したので、比較例１より、ダスト発生速度は低下している。しかし、耐火物の損耗量は大幅に増大し、またクロム鉱石の使用量はあまり増大しないで、生産性の向上効果も大きくない。
旋回成分を付与しない単孔ノズル・チップを用いた比較例３では、コールド・モデルの測定結果が示唆したように、ソフト・ブローは達成されず、耐火物損耗指数は低下するが、クロム鉱石使用量は減少し、ダスト発生速度も増大する。
【００２４】
以上の比較例に対して、本発明に係り、旋回成分を付与したノズル・チップ７を備えたランスでの実施例１は、比較例１と同じランス高さでは、耐火物損耗指数が若干増大するが、クロム鉄鉱石の使用量は増大し、ダスト発生速度は大幅に減少している。さらに、ランス高さを低くした実施例２では、比較例１と比べて、耐火物損耗指数も減少し（クロム鉱石使用量は増大、ダスト発生速度は減少）ている。つまり、低ランス高さでも、ソフト・ブローが達成され、前記二次燃焼率や着熱効率が増大した結果として、転炉耐火物への負荷を増大することなく、溶湯への入熱量が増大し、クロム鉱石を多量に溶融還元できるようになった。
【００２５】
なお、上記実施例及び比較例は、クロム鉱石の溶融還元に関するものであったが、本発明の技術は、鉄鉱石、マンガン鉱石、ニッケル鉱石、およびその他の炭素還元可能な鉱石、およびその塊状化鉱石、予備還元鉱石等についても効果的に適用することができる。また、転炉精錬におけるスクラップ等、冷鉄源の使用量増大にも効果があることは言うまでもない。
【００２６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明により、二次燃焼率や着熱効率を落とさず、しかも転炉の内張り耐火物損耗を増大させることなく、ダストの発生速度を大幅に低下させることができた。また、歩留低下及びその後のダスト処理コストの増大を生じさせることなく、溶鋼の生産性を向上させることができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るランスを示す図であり、（ａ）はノズル・チップ上部に取り付けた蓋の平面、（ｂ）はノズル・チップの縦断面である。
【図２】酸素ガス・ジェットに旋回成分を付与しない単孔ノズル・チップを示す縦断面図である。
【図３】６個の貫通孔を有するノズル・チップを示す図であり、（ａ）は縦断面、（ｂ）は平面である。
【図４】各種ランスを使用したコールド・モデル実験で得た酸素ガス・ジェットの流速分布を示す図である。
【図５】本発明の実施に使用した転炉設備を模式的に示す縦断面図である。
【符号の説明】
１    転炉
２    底吹き羽口
３    溶湯
４    溶融スラグ
５    ガス上吹き用ランス
６    炉上シュータ
７    ノズル・チップ
８    貫通孔
９    ランス軸
１０  旋回流
１１  ノズル・チップの蓋
１２  凹み
【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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