(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属精錬炉内に保持した固体原料にガスを吹き付け、あるいは溶鉄にガスを吹込む際に使用するランスであって、
互いに異なった種類のガスを流す内管及び外管で形成し、かつ前記内外管を流れるガスを相互に切り換える切り換え手段を備えてなることを特徴とする金属精錬炉用ガス吹込みランス。
【請求項２】
前記外管の表面を耐火物で保護してなることを特徴とする請求項１記載の金属精錬炉用ガス吹込みランス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属精錬炉用ガス吹込みランスに関し、特に電気炉で使用され、溶鉄中に浸漬して酸素ガスの吹き込みに使用しても寿命が長く、また固体原料の溶解前には、その溶解バーナとしても使用可能な金属精錬炉用ガス吹込みランスである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、直流式あるいは交流式電気炉を用いて鋼を製造するには、まず電気炉内に固体原料の鉄スクラップ（以下、単にスクラップという）を装入し、例えば、直流式電気炉では、直流電源に接続された上部電極と炉底電極との間に通電して該スクラップを溶解してから精錬していた。その際、スクラップの溶解及び脱炭精錬を促進するため、炉体の作業口から鉄パイプを炉内に送り込みながら、酸素ガスが吹き込まれていた。
【０００３】
ところが、この鉄パイプは、時間の経過に伴い消耗して短くなるので、使用中に新しいパイプの接続が必要となり、非能率的であるばかりでなく、コストも高くなる。また、溶鋼に浸漬させて送酸すると、先端が損耗するため、常に溶鋼内の一定位置で送酸することができず、溶鋼の撹拌が不安定になるという欠点があった。特に、スクラップとしてスラブ、インゴットのような安価な重量屑を使用する場合には、溶鋼の撹拌が弱くなると、それらの溶解が遅れ、溶け残りが生じたり、あるいは不均一溶解に起因してスクラップの倒れ込み現象が生じ、電気炉の安定操業を行う上で問題があった。
【０００４】
これらの問題点を解決するため、特開平３−２７９７７６号公報、特開平７−３５４８２号公報等は、非消耗型の水冷ランスを提案している。しかしながら、水冷ランスは、溶鋼に浸漬することができないので、溶鋼の撹拌が今一歩不足であった。また、水冷ランスは、その使用中に、溶融したスクラップや溶鋼が飛散したものが当って溶損し、水漏れトラブルが発生しやすく、その度に操業が中断されるという問題点もあった。
【０００５】
また、電気炉精錬の初期、すなわち溶鉄溜りが形成されていない時には、ランスから出る酸素に如何にして着火させるかが問題となる。このため、炭化水素と酸素を利用したバーナを別途設置し、固体原料の溶解を促進させる方法が知られている（例えば、実開昭６０−５０３０６号公報）。しかしながら、この方法では、専用のバーナ設備を備える必要があり、設備コストがかかると共に、使用後にバーナを炉より退避させ、酸素ランスを挿入する必要があり、精錬作業の効率が悪いという問題があった。
【０００６】
そこで、特開平８−３１１５２５号公報は、「電炉又は上底吹き精錬炉により鋼スクラップを溶解する方法において、電極を通電しながら又は送酸しながら鋼スクラップを溶解し、炉底に設けた少なくとも１つの羽口から撹拌用ガスを吹込み溶融鉄を撹拌し、該羽口と別に炉底に設けたバーナにより炭材と酸素含有ガスを吹込みながら該溶鋼スクラップを溶解し、該鋼スクラップの一部を溶解後は該バーナから撹拌用ガスを吹込む」鋼スクラップの溶解法を開示している。そして、この溶解法を実施するため、「炉底部に２個以上の撹拌ガス吹込み用羽口を有し、該羽口の間に相当する炉底部又は炉壁部に単管、二重管以上の多重管又は２種以上の集合細管からなるバーナを少なくとも１つ有する」溶解炉を提案している。この公報記載の方法によれば、前記着火問題は解消され、加えて羽口やバーナの寿命に関しての記載がないが、前記した水冷ランスに比べて、長寿命であることは予想できる。
【０００７】
しかしながら、撹拌ガスの吹込みに使用するものは、炉底あるいは炉壁に固定設置した羽口とバーナである。そのため、炉内で不均一溶解の起き易い電気炉では、撹拌したい溶鉄の領域を必ずしも円滑に撹拌できるとは限らない。撹拌効果を高めるには、多数の羽口を設け炉全体で撹拌力を高める必要があり、設備コストが嵩むという欠点が明らかである。また、スクラップの溶解後に、バーナを撹拌用ガスの吹込みに切り換えることは開示しているが、使用する羽口２２の開示例は、図２に示すように非常に複雑であり、内管１、外管２の他に冷却流路２３もあって、実用には馴染まない構造である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、かかる事情を鑑み、従来より溶鉄の撹拌を強化し、精錬効率を高めると共に、寿命が長く、且つ簡単な構造の金属精錬炉用ガス吹込みランスを提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
発明者は、前記目的を達成するため、特に電気炉のような金属精錬炉内で固体原料の不均一溶解を是正するには、局部的な撹拌力向上に有効なランスの使用が必須と考えた。そして、該ランスの寿命延長及び固体原料の溶解促進をできるだけ安価で具体化することに鋭意努力すると共に、該ランスの冷却を炭化水素を含むガスで行い、そのガスを固体原料の溶解時には、バーナの燃料に利用することを着想し、本発明を完成させた。
【００１０】
すなわち、本発明は、金属精錬炉内に保持した固体原料にガスを吹き付け、あるいは溶鉄にガスを吹込む際に使用するランスであって、互いに異なった種類のガスを流す内管及び外管で形成し、かつ前記内外管を流れるガスを相互に切り換える切り換え手段を備えててなることを特徴とする金属精錬炉用ガス吹込みランスである。
また、本発明は、前記外管の表面を耐火物で保護してなることを特徴とする金属精錬炉用ガス吹込みランスである。
【００１４】
なお、本発明でいう金属精錬炉には、上記電気炉の他、転炉、所謂ＡＯＤ炉、取鍋等が含まれる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明に係るランスは、転炉等で酸素ガスの上吹きに通常使用されているものとは異なり、２重管で形成されている。そして、該ランスの冷却方式は、溶鉄内に浸漬して使用できるように、水冷を廃し、冷却媒体にガスを用いるようにしてある。つまり、該ランス４は、図１に示すように、溶鉄２４の酸化精錬に使用する酸素又は酸素含有ガス１６を吹込む内管１と、その周囲を囲み該ランス４の冷却に使用する炭化水素あるいは油を流す外管２とを有している。上記ガスが冷却媒体１７となる理由は、炭化水素ガスあるいはオイルを含むガスが分解する際、下記のように吸熱反応を起こすからであり、ＣＯ，ＣＯ2 ，不活性ガス等は、顕熱を利用するのである。
【００１６】
例えば、Ｃ3 Ｈ8 →３Ｃ＋４Ｈ2 では
△Ｈ＝−１２１９９ｋｃａｌ／Ｎｍ3 Ｃ3 Ｈ8 。
また、本発明に係るランス４は、溶鉄２４に浸漬させて使用することが多いので、二重管の材質に通常のガス管材（ＳＴＧＰ材）、ステンレス鋼、Ｃｕを用いるだけではなく、外管２の表面を耐火物でコーティングして保護することが好ましい。その際、耐火物３としては、溶鉄精錬で実績のあるＭｇＯ−Ｃ系、Ａｌ2 Ｏ3 −Ｃ系及びＺｒ2 Ｏ3 −Ｃ系の使用が好ましいが、寿命延長のためには、高価になるがセラミック、例えば高Ａｌ2 Ｏ3 粉等を溶射しても良い。
【００１７】
次に、本発明に係るランス４は、固体原料２５の溶解用バーナとしての役割も果たす。それは、酸化精錬時には冷却媒体１７として流す炭化水素、油等を燃料とし、酸素及び酸素含有ガス助燃剤とすることで行われる。電気炉等、金属精錬炉で固体原料２５を溶解するのは、操業開始当初の溶鉄２４のプールが十分に形成されていない時期である。そのため、該ランス４をバーナとして利用できるのである。
【００１８】
本発明では、このバーナとして利用する際、酸化精錬時には内管に流す酸素、あるいは酸素含有ガス１６と、外管に流す炭化水素、油含有ガス１７を入れ換えることも配慮した。その方が、バーナとしての効率が優れることが多いからである。なお、それら燃料と助燃剤の量比は、該ランス４の内管１及び外管２断面積や、溶解すべき固体原料量により定められるので、本発明では、特に限定しない。具体的なガス流路の切り換え手段としては、ランス４の内管１及び外管２にそれぞれ接続してある配管２６に、先に流しているガスのパージ流路１４と流路変更バルブ１５を設けことである。１例を、図３に示しておく。
【００１９】
また、本発明に係るランス４は、金属精錬炉内の所望位置で酸素ガスを吹いたり、バーナとして使用できるように、該ランス４の炉内への挿入深度や挿入方向を変更できるようにすることも可能である。そのためのランス位置調整手段としては、例えば、図４に示すように、該ランス４の支持フレーム１８と、鉛直方向及び左右方向での角度変更を行う支持フレーム１８の揺動装置１９と該揺動装置１９の駆動装置２１、ランス４の軸方向移動を行うシリンダ２０とその駆動装置２１とで形成したものが使用できる。
【００２０】
さらに、本発明に係るランス４は、金属精錬炉に必要に応じて設置できるように、該ランス４を載置して移動する搬送台車６と、ランス４を炉内への挿入を助けるランス支持手段（例えば、前記支持フレーム１８）とを備えるようにもしてある。これによって、不要な時は、いつでも炉から退避できるのである。
最後に、本発明に係るランス４の使用方法であるが、まず、金属精錬炉の上蓋あるいは壁に設置して使用することができる。この場合は、設置作業が別途必要になるので、永久あるいは半永久的な使用が有利である。一方、金属精錬炉が電気炉の場合には、図５に示すように、その炉壁の一部にすでに開口されている排滓口７に設置して使用することができる。この方法によれば、特別な設置作業が不要で、経済的に有利であるばかりでなく、必要に応じて設置、退避ができる有利性もある。
【００２１】
【実施例】
本発明に係るランス４を、炉容量１００トン／チャージの直流アーク炉に設置し、その使用試験を行った。該直流アーク炉の主な仕様は、上部電極８を１本、炉底電極９を３本備え、炉内径が６７００ｍｍ、炉高さが３１００ｍｍであり、精錬としては、所謂普通鋼（ＳＤ、ＳＳ等）製造のための酸化精錬である。ランス４の材質は、ＳＴＰＧで、内管１及び外管２のサイズは、内管が外径２７．２ｍｍ，肉厚２．９ｍｍ、外管が外径４２．７ｍｍ，肉厚３．６ｍｍである。また、外管２の表面を覆う耐火物３は、ＭｇＯ−Ｃ系とした。
【００２２】
精錬に先立ち、本発明に係るランス４を該アーク炉の排滓口７に、前記搬送台車６で運び、前記したランス位置調整手段を稼働させて、該ランス４の先端を排滓口７の炉壁面に定めた。この作業は、何らトラブルなく円滑に実施できた。
次に、鋼スクラップ１１０トン（このうち、スラブ等の重量屑４０トン）を炉内に装入し、アーク電圧５５０Ｖ／１００ＫＡで通電した。そして、前記ランス４の先端を、前記スクラップの近傍に移動し、外管２からの酸素ガスで内管１からの炭化水素に着火させ、該ランス４をバーナとし、該スクラップのカッティング及び溶解を始めた。外管２の酸素ガス流量は、１００Ｎｍ3 ／ｍｉｎで、内管１のプロパン流量は５Ｎｍ3 ／ｍｉｎとした。
【００２３】
スクラップが溶け、溶鉄２４の溜りが生じ始めたので、酸素ガスの流量を１２０Ｎｍ3 ／ｍｉｎ、プロパンを６Ｎｍ3 ／ｍｉｎに増加すると共に、ランス先端位置を適宜移動させて、溶解の促進を図った。
やがて、スクラップが溶け落ち、溶鉄２４のプール内にランス先端が埋没したので、アーク電圧を４００Ｖへ下げ、酸化精錬に移行させた。つまり、前記したランス４のガス流路の切り換え手段を用いて、内管１及び外管２から同時に不活性ガスを流すことで消火し、その後内管１から酸素ガスを１２０Ｎｍ3 ／ｍｉｎの流量で、外管２からのプロパンを６Ｎｍ3 ／ｍｉｎの流量で流すようにした。勿論、外管２のプロパンは、冷却媒体１７として作用させたのである。
【００２４】
その結果、溶鉄の脱炭反応等の酸化精錬には、何ら障害が起きなかったので、この酸素吹込みを３０分間継続し出鋼した。この精錬時間は、従来の鉄パイプで酸素吹きを実施した操業時よりも３０％短縮され、精錬効率が大幅に改善したことを示唆するものである。出鋼後の溶鋼は、予定通り普通鋼の目標とした成分を達成していた。また、この操業を１４チャージ継続して行い、ランス先端の損耗状況を確認したが、何ら損耗は見られなかった。この結果は、従来の鉄パイプをランス４として使用していた時のパイプ継足し作業を解消し、作業者の負担を軽減すると共に、ランス・コストの低減にもなった。
【００２５】
なお、上記実施例では、金属精錬炉を電気炉とした例で説明したが、本発明に係るランス４は、転炉、取鍋等で使用でき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、従来、鉄パイプの使用では、精錬中に数本のパイプを継足す作業負荷があったが、連続した酸素吹きが可能となり、精錬効率を高めることができた。また、従来の鉄パイプでは、先端が損耗するため、精錬中に送酸する位置が変わり、溶鋼の撹拌が弱く、スラブ等の重量屑を溶解する際に溶け残りが生じたり、溶解不均一で倒れ込みが生じ、安定操業に問題があった。本発明により、水冷ランスにせずとも溶鉄に浸漬させ、常に一定の位置で送酸できるようになったので、溶鋼の撹拌が十分になり、多量の重量屑の溶解にも全然支障がなく、安定操業ができるようになった。さらに、ランス寿命の延長から製造コストの低減等、操業に多大の効果があった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るランスの断面を説明する斜視図であり、（ａ）は耐火物なし、（ｂ）は耐火物で保護したものである。
【図２】特開平８−３１１５２５号公報に開示された三重管からなる羽口を示す縦断面図である。
【図３】本発明に係るランスのガス配管の一例を示す図である。
【図４】本発明に係るランスの位置調整手段を示す模式図である。
【図５】本発明に係るランスを電気炉の排滓口に設置した状況を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１    内管
２    外管
３    耐火物
４    本発明に係る２重管ランス（ランス）
５    電気炉の炉体
６    搬送台車
７    排滓口
８    上部電極
９    炉底電極
１０  ８の昇降装置
１１  給電体
１２  サイリスタ
１３  トランス
１４  パージ流路
１５  流路切り換えバルブ
１６  酸素あるいは酸素含有ガス
１７  冷却媒体（バーナの燃料）
１８  ランスの支持フレーム
１９  １８の揺動ギア
２０  シリンダ
２１  １９、２０の駆動装置
２２  羽口
２３  冷却流路
２４  溶鉄
２５  固体原料（スクラップ）
２６  配管
２７  細管
２８  ガス供給源
【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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