JPH01208411A - 溶融金属炉のガスノズルの冷却法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は溶融金属炉の浴面下に配設されたガスノズルの
冷却法に関するもので、例えば溶鋼の精錬、鉄浴を用い
る可燃ガスの製造プロセス、その他のプロセスにおいて
、ガスノズルを介して溶融金属浴中に酸素若しくは酸素
含有ガスを吹込んで発熱を伴う化学反応を行わせるプロ
セスに広く適用できる。

（従来の技術） 以下従来技術を溶鋼の精錬を例にして説明する。

最近の製鋼技術においては、上方のランスより酸素を吹
きこむＬＤ転炉方式より、浴面下に設置されたノズルに
よる酸素底吹き方式（あるいは、上下より酸素を吹きこ
む折衷方式）へと方向が変りつつある。この時、浴面下
に設置されたノズル（以降底吹きノズルと称する）の先
端温度は、浴と酸素の反応により　著しい高温に達し、
ノズル自身および周囲煉瓦の寿命を短くすると同時に、
金属ヒユームを多量に発生させ歩留り低下の問題おこな
われ、ノズルを保護する技術が発明され使用されている
ことは周知の通りである。

例えば鉄と鋼、６５（１９７９）、１３８頁において、
ノズルの冷却に関することが記載されている。

ところでこのように炭化水素を使用する場合、ノズル先
端部は炭化水素の顕熱上昇および分解熱によって冷却さ
れ、マツシュルームと称する凝固物がノズル周囲に付着
し保護物として作用する。

しかもＬＤ転炉のように酸素の上吹きのみでは浴の撹拌
が充分ではなく、ある程度の底吹きが歩留りその他の点
で良好な成績を残すことが判明し、底吹き技術は高度な
製鋼技術において不可欠となった。このような背景によ
り浴面下に配設されたガス吹込みノズルの冷却技術はま
すます重要度を増してきている。

（発明が解決しようとする問題点） 前項で説明したように、Ｃ３Ｈ１ｌその他の炭化水素類
は底吹きノズル冷却材として極めて有効な働きをするも
のであるが、実際の使用にあたってはいくつかの問題点
のあることは避けられない。たとえばＣ３Ｈ，Ｉは、同
一ノズルより吹きこまれる酸素量の２〜３％が必要とさ
れており、かなりのコスト増を招くことになる。

またｃ、ｎ８は、通常酸素ノズルの外側に異なる同心管
をさしこみ、内部の酸素管との環状のすき間を流すため
、その分だけノズル全体の径が大きくならざるを得ない
。特に酸素と同時に炭材を吹きこむ場合には、３重管ノ
ズルとなり、ますます大口径となる。底吹きノズルにお
いては、熔融金属のノズルへの侵入の危険が常に存在し
、その危険はノズル径が大きいほど大と一般的に考えら
れるので、ＣＪｓ流路による径増加は好ましい方向では
ない。

他の問題はノズル直上部の浴内より発生する鉄ヒユーム
である。鉄ヒユームの発生原因についてはいるいろな説
があるものの、酸素を吹きこむノズル直上部では相当な
高温に到達していることが予想され、この温度がヒユー
ム発生の主なる要因と考えてさしつかえない。

鉄浴炉での発生ダストによる鉄損失については、ヒユー
ム以外にも浴表面での気泡が破裂するときの、いわゆる
バブルバーストによるものなどがあるが、ヒユームによ
る損失もかなりの割合を占めていることは、電子顕微鏡
下で、数百Å以下の微細な球形粒子が観察されることよ
り明らかといえ６°　　　　上 このヒユーム″ｆ！減少させるためには、高温部の温度
をできるだけ低下させることが必要である。

Ｃ３Ｈ８１を増すことによってマツシュルームが肥大す
るなどの効果があるので、温度低下には効果があるが、
コストの点で問題のあることは避けられない。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので
、ノズルを保護し、歩留り向上を図るガスノズルの冷却
法を提供する。

（問題点を解決するための手段） 本発明は従来の炭化水素に代えて、霧化した水を用い直
接酸素含有気流中に添加することに特徴があり、以下の
要旨からなる発明である。

即ち、溶融金属炉の浴面下に配設されたガスノズルを介
して溶融金属中に酸素若しくは酸素含有ガスを供給して
発熱を伴う化学反応を行わせる方法において、水を霧化
した状態で酸素若しくは酸素含有ガス中に懸濁させて前
記ガスノズルに供給することを特徴とする溶融金属炉の
ガスノズルの冷却法であり、また、ノズル後方の酸素若
しくは酸素含有気体流路において３０ｍ／秒以上の気体
高流速部を設け、この高流速部にノズルより水を噴射す
るか、または　ノズル後方の酸素若しくは酸素含有気体
流路において管壁を貫通して水噴射ノズルを設け、水ノ
ズルの直前圧と酸素若しくは酸素含有気体の気体圧の差
圧を０．３ｋｇ／ａａ以上にして前記のノズルから水を
噴射するか、または底吹きノズル本体の高流速部に設け
た水噴射ノズルから水を噴射し、高流速の気流の動圧を
利用する方法のいずれか単独または２以上を組合せて水
を霧化するものである。

（作　用） 以下、本発明を作用とともに詳細に説明する。

炭化水素類のノズル冷却効果は、浴中に吹きこまれた後
の顕熱上昇と分解熱によると解釈される。

そこで、本発明者は、これらの炭化水素類に代えて安価
でありかつ浴中において大きな抜熱を期待しうる気体、
液体として水あるいは水蒸気に着目した。特に水は水素
結合により分子が会合しているため蒸発のエンタルピが
大きく、かつ蒸発が低温で行われるため、ノズル先端部
での浴内温度の過度な上昇をおさえ、ノズルの保護と金
属ヒユーム発生量の減少が期待できるものと予想された
。

さらに水であれば炭化水素と異りノズルの酸素流路に流
しても危険性は全くないため、特別な流路を必要とせず
ノズル全体の口径を小さくすることが可能である。

第１表は冷却能力の比較を示すもので、冷却材としてＣ
Ｊｓ、水蒸気、水を例にとり、１１００℃までの冷却材
の顕熱上昇分と蒸発による抜熱とがノズル保護に役立つ
ものとして必要量の計算を行ったものである。

なお、水、あるいは水蒸気を浴中へ吹きこんだときは、
水性ガス反応 Ｈ２Ｏ＋　（Ｃ）→ｃｏ　＋　ｌｈ による抜熱も十分考えられるが、この反応は浴内でおき
る反応であって、ノズル直上部の冷却には、関与しない
と見なして、反応による冷却効果は期待していない。（
第１表では、水蒸気の場合の計算例を示した。）この計
算結果によれば、酸素１ｋｇに対して液体の水６６ｇ投
入することにより、従来のＩＮＩ′ｒｒ酸素あたり０．
０３　Ｎｎ−ｒ　Ｃ３Ｈ５を使用していた時と同等の冷
却効果が期待できることになる。

この値は水蒸気の場合（顕熱のみ）の半分であり、重量
からみて著しくすくなく、かつ蒸気が保温などの特別な
設備を必要とするのに比べて、水の場合は、極めて単純
な細い配管で目的を達することができる。

以上の試算からも水は炭化水素類に代わりうる極めて優
れたノズル冷却剤である。

第１表 （実施例） 以下本発明の実施例について説明する。

第１図は溶鉄量４０ｋｇの試験用鉄浴炉の縦断面を示し
、るつぼ８の鉄浴９中に炉内上部からガスノズル１を挿
入し、またるつぼ８０周面から電気加熱１２できる方式
である。なおるつぼ８上部には蓋１０がかぶせられてい
る。

銑鉄は、あらかじめるつぼ８中に挿入され、周囲より電
気加熱１２を行って溶解させた。溶鉄９の温度は、上部
測定孔より小型のサブランスプローブを挿入して検出し
、約１２５０″Ｃ〜１３５０°Ｃの範囲で実験を行った
。溶鉄中Ｃ％は２〜４％の範囲にあった。所定の温度に
上昇後、上部の穴よりキャスタブルあるいはプラスチッ
ク耐火物をライニングしたノズル１（流路内径約１０　
ｍ／ｍ、外形５０〜６０ｍ／ｍ）を鉄浴９中にさしこみ
、吹込み実験を行った。

吹込み中の浴の揺動は極めて激しいので、るつぼには、
フタ１０をかぶせ、溶鉄の飛散を防ぐことが必要であっ
た。実験は酸素と冷却剤である水の割合を変えて吹きこ
み、同時に浴上で生成ダストを吸引し、ダスト絶対量お
よびダスト中のＦｅ値を分析した。

これらの実験か・ら基本的に必要な点は、水をあらかじ
め酸素流路において微細な水滴となし、酸素気流中に均
一に分配させることであった。すなわち吹きこまれた水
が微細化されず流体のまま内管壁を伝って浴内に入る時
は、浴内で異常な振動息づきをおこし、吹きこみが不可
能となる。かつノズル先端が閉塞するという危険性もあ
った。

実施例１ 第２図は鉄浴中に酸素、または酸素含有ガスを吹込む際
に酸素の流路で水をアトマイズする場合のフロー例を示
す。図に示すフローにおいて酸素又は酸素含有気体を配
管３からガスノズルｌを経て鉄浴４内に吹き込む。この
際その流路に３０ｍ／秒以上の流速を保つように第３図
に示す絞り部５ａを有する。高流速部５を設け、その部
分に水用ヘッドタンク６から給水管７を経て送られた水
を霧吹き状にアトマイズし、ここで生成した微細な水滴
をノズル１に送り、ノズル冷却を試みた。その結果安定
した運転状況が得られた。

第４図は、その時の結果を示し、横軸のＨ，０＼ （ｍｏｌ）１０ｘ（ｍｏｌ）比率が上昇するとダクト量
が著しく減少することがわかる。

なお第２図の破線で示すガスノズル２を増設してノズル
を２本に分岐し、吹きこみ実験を行ったところ、さらに
良好な吹きこみ状況が得られた。

この実験に先立って冷間でのモデルテストを行い、アト
マイズ装置の有無により、水の分配状況がどのように変
化するかを観察した。アトマイズ装置が無い場合、水は
霧化が十分でないため不均一に管壁を流れ、複数ノズル
の場合にはノズルによる分配水量が異り、一方のノズル
へ過剰に流れるという不適切な結果となった。単一のノ
ズルでもアトマイズが不適切であれば、トラブルの生じ
ることは明らかであり、水の微細粒化が極めて重要であ
ることがわかる。

実施例２ 第１図に示す鉄浴炉を用い、アトマイズ方法として通常
流速の酸素配管（１０ｍ／５ｅｃ）に圧力をかけた水を
注射器の針より噴射し、アトマイズすることを試みた。

この場合は水のノズル直前圧（この場合注射器針面前圧
）と、酸素管内圧との差圧が重要であり、すくなくとも
０．３ｋｇ／ｃ１ｉ１以上の圧差が必要であり、それ以
下では霧化が十分ではなく、管内壁で水流となり、分配
器で不均一に水量が分配されることが判明した。０．３
ｋｇ／ｃｆｆ１以上、望ましくは１）ｃｇ／ｃｆｆ１以
上の圧力差の場合には、充分細い水滴となり、気流に同
伴して均等にノズル毎に分配される。この場合は酸素管
内圧力が、酸素流量や浴内の状況によって変化するので
、それに追従させる制御装置が必要である。

実施例３ 実施例１．２では上方からの浸漬ノズルによる場合であ
ったが、実施例３では第５図に示すように炉８ａの底部
に短管ノズル１ａを設置し、４０ｋｇの鉄浴を用いて酸
素を吹きこむ試験を行った。第５図に示す底吹きの場合
、溶鉄９のアタックを避けるために、ノズル気体流速は
音速に近い値が要求される。したがってノズル本体ｌａ
内を通過する気体（多くの場合酸素）の動圧を利用して
冷却水を霧化することを考え、それを試みた。すなわち
酸素流路管３ａの中心部に注射用の針７ａを設置して水
を７０ｇ／　Ｎｒｒｆ　　Ｏｚ流すことにより、底吹き
ノズルおよび炉底煉瓦になんら支障をきたすことなく運
転することができた。なお図中１１はダストサンプリン
グ管である。

なお、実施例１〜３の方法は浴面下において横方向より
吹きこむノズルにおいても同様に適用できる。

以上水をアトマイズする例を示したがこれらの方法を２
つ以上組合わせて同時にアトマイズしても良く、またこ
れらに示した例以外の方法であっても水を充分に微粒化
できる方法であれば同様に適用できる。

（発明の効果） 以上説明したごとく本発明法は、水を直接送酸ノズルの
気流中に噴霧させることにより、ノズル先端部の温度を
低下させることができ、ノズル保護、ノズルの単純化と
ともにヒユームの減少による歩留向上を達成することが
可能となった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施するために使用した鉄浴炉の１例
を示す縦断面図、第２図は本発明の水をアトマイズする
１例を示すフロー図、第３図は第２図における高流速部
の拡大図、第４図は本発明の詳細な説明するための冷却
材量とダス）Ｉとの関係を示す図面、第５図は本発明を
実施するために使用した鉄浴炉の他の実施例を示す縦断
面図である。 １．１ａ１２・・・ガスノズル、３・・・送酸用の配管
、４．９・・・鉄浴、５・・・高流速部、５ａ・・・絞
り部、６・・・水用ヘッドタンク、７・・・給水管、７
ａ・・・給水用注射針、８・・・るつぼ、８ａ・・・炉
体、１ｏ・・・蓋、１１・・・ダストサンプリング管、
１２・・・電気加熱代理人　弁理士　秋　沢　政　光 Ａ九　／糸 ７１図 ５α

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、溶融金属炉の浴面下に配設されたガスノズルを介し
   て溶融金属中に酸素若しくは酸素含有ガスを供給して発
   熱を伴う化学反応を行わせる方法において、水を霧化し
   た状態で酸素若しくは酸素含有ガス中に懸濁させて前記
   ガスノズルに供給することを特徴とする溶融金属炉のガ
   スノズルの冷却法。 ２、ノズル後方の酸素若しくは酸素含有気体流路におい
   て３０ｍ／秒以上の気体高流速部を設け、この高流速部
   にノズルより水を噴射するか、またはノズル後方の酸素
   若しくは酸素含有気体流路において管壁を貫通して水噴
   射ノズルを設け、水ノズルの直前圧と酸素若しくは酸素
   含有気体の気体圧の差圧を０．３ｋｇ／ｃｍ＾２以上に
   して前記のノズルから水を噴射するか、または底吹きノ
   ズル本体の高流速部に設けた水噴射ノズルから水を噴射
   し、高流速の気流の動圧を利用する方法のいずれか単独
   、または２以上を組合せて水を霧化する請求項１記載の
   溶融金属炉のガスノズルの冷却法。