JPH0434612B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、三相交流又は直流のアークによりス
クラツプ及び金属材料等を溶解、精錬を行なう際
に、電孤炉内の溶融金属浴を効率良く攪拌する方
法及び装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、電孤炉の操業においては、スクラツプ等
の装入原料を溶解する工程で、炉壁から助燃バー
ナーや溶解促進のために酸素が供給されている。
このとき、電孤炉の炉底は、その直径に対して深
さの極めて浅い、いわゆるシヤローバスの状態に
ある。このために、溶融金属浴を攪拌する力は極
めて弱い。加えて、電極から付与される熱も溶融
金属浴の上面のみを加熱するために消費されるの
で、溶融金属浴内に対流が起き難く、温度及び成
分が不均一となる。

また、攪拌力が弱いことから、溶融金属浴とフ
ラツクス層との間で冶金的反応が平衡となる状態
に達せず、極めて反応効率が弱い。その結果、フ
エロマンガン、フエロクロム、シリコン材等の添
加材の原単位の悪化、スラグ中のトータルFeが
上昇することによる鉄ロスの増加等の欠点があつ
た。この欠点を避けるため攪拌力を強化すると、
上記の解決に加えて、脱炭率の向上、鋼中の含有
ガスの除去等による清浄化が図られ、極めて大き
なメリツトが期待される。

しかし、電孤炉の場合、溶融金属浴の揺動や激
しい波立ちは、開口部からの溶融金属の洩出、水
冷パネルの溶損、アークの不安定化等の問題を派
生するおそれがある。このため、これらの危険性
を回避して激しい攪拌力を溶融金属浴に与えるこ
とは実操業的には困難とされていた。そこで、炉
床部から不活性ガス又は酸化性ガス等を炉内に吹
き込むことにより、溶解を促進させる方法等が提
案されている。

この電孤炉における溶解促進の方法として、た
とえば、特開昭50−92807号公報に記載されてい
るものがある。これは、溶融金属浴の攪拌を行う
ために炉底に吹込みノズルを配置したもので、吹
込みガスによつて溶融金属浴を強制的に流動化す
る手段を採用したものである。そして、吹込みノ
ズルは、炉体周りに溶融金属浴が旋回流動するよ
うに、炉芯周りの仮想円の接線方向にガスを吹き
込む構成となつている。このように吹込みノズル
を浴が炉芯周りの旋回渦流となるように配置する
ことにより、溶融金属浴の攪拌を可能としてい
る。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、溶融金属浴に炉芯周りの旋回渦
流を与える吹込みノズルの配置では、溶融金属浴
の渦動は生ずるが、炉中央部での動きは殆ど停滞
してしまう。すなわち、ガス吹込みによつて浴が
流動化されるが、その流線は炉芯周りの円となる
ために、半径位置が大きな部分では流動速度は大
きく、逆に炉芯部分では絶対停止する浴が発生し
てしまう。このことは、トレーサを用いた実験に
よつても確認されている。

したがつて、浴の攪拌は半径方向位置が大きい
個所では十分に行われるが、炉芯側では流れが実
質的に生起されないために攪拌不良となり、浴の
攪拌強度の指標となる均一混合時間も長くなる。

このように、炉芯周りに溶融金属浴の旋回流を
吹込みノズルによつて与えるのみでは、炉内での
浴の相対的な動きが少ない。その結果、全体的に
観ると攪拌力が弱く且つ均一混合も不十分とな
り、スクラツプの溶解速度や冶金反応の向上が効
果的に達成できない。

そこで、本発明は、このような電孤炉における
問題に鑑み、炉内の浴を均一に且つ大きな攪拌を
与えるガス吹込み用ノズルの配置によつて、固体
装入物の溶解促進、冶金反応の向上、温度、成分
の均一化等を目的として開発されたものである。

〔問題点を解決するための手段〕 本発明の溶融金属浴攪拌方法は、その目的を達
成するために、炉体の炉内半径をＲとするとき炉
芯を中心とする半径0.3〜0.8Rの仮想円の接線と
なるようにガスを吹き込み可能な炉床側壁近傍に
設けられた少なくとも１つの旋回ノズルから電孤
炉内の炉内に吹き込まれる攪拌用又は粉体搬送兼
撹拌用ガスの総流量Q₂と、炉床の中心付近に設
けられた少なくとも１つの中心底吹きノズルから
吹き込まれる攪拌用又は粉体搬送兼攪拌用ガスの
総流量Q₁との比Q₁／Q₂を0.7〜3.5の範囲で調整す
ることを特徴とする また、そのために使用する溶融金属浴攪拌装置
は、電孤炉の炉内半径をＲとするとき炉芯を中心
とする半径0.3〜0.8Rの仮想円の接線となるよう
にガスを吹き込み可能な少なくとも１つの旋回ノ
ズルを炉床側壁近傍に設け、且つ炉床の中心付近
に少なくとも１つのガス吹き込み用中心底吹きノ
ズルを設けたことを特徴とする。

〔実施例〕

以下、図面に示す実施例に基づいて本発明を具
体的に説明する。

第１図及び第２図は本発明の第１の実施例にお
ける電孤炉の縦断面図及び水平断面図である。

電孤炉の炉体１の中心部分には３本の電極２が
設けており、これらの電極２に通電することによ
りスクラツプ等を溶解する。炉体１のシルレベル
以下の炉床３の側壁には、旋回ノズル４が設けら
れている。また、炉床３の炉体中心付近には、中
心底吹きノズル５（以下中心ノズルという）が設
けられている。なお、炉体１の左右には、固体装
入物を装入する作業孔６及び溶解後の溶鋼を排出
する出鋼孔７を設けると共に、冷却のための水冷
パネル８を周囲に形成している。旋回ノズル４及
び中心ノズル５は、炉体１内の溶融金属浴にガス
を吹き込む構造であり、外部の酸化性ガス又は不
活性ガスの供給源（図示せず）に連通している。
そして、中心ノズル５は、炉体１の略中心にあつ
て、そのガス吹き込み流線が炉軸と同軸の鉛直方
向となるように設置される。

一方、旋回ノズル４は、炉体１内の溶融金属浴
を炉芯周りに旋回されるために、流線に対して接
線方向としたタンジエンシヤルノズルである。す
なわち、第２図から明らかなように、旋回ノズル
４の軸線は炉体１を貫通し、炉内の仮想円の接線
上にこの軸線が一致する配置となつている。そし
て、上下方向の向きは、第１図に示すように炉芯
側に向けてやや下向きに傾斜している。しかし、
これに拘束されることなく、水平方向に指向する
ように旋回ノズル４を設けても良いことは勿論で
ある。このような旋回ノズル４の配置及び姿勢に
よつて、吹き込まれるガスは、炉芯方向へは向か
わずに炉芯周りの円を描くように溶融金属浴を流
動攪拌することが可能である。

ここで、中心ノズル５が存在せずに、旋回ノズ
ル４によつてのみ炉体１内に溶融金属浴を攪拌さ
せた浴の挙動は、第３図に示すようになる。すな
わち、旋回ノズル４からガスを吹き込むと、吹き
込み圧及びガス流れが炉芯周りの円を仮想円とす
る接線方向を指向するので、浴は炉芯を中心とす
る円を描きながら流動する。この結果、ガス吹き
込みによる流動力の伝播によつて、炉内の浴は炉
芯周りに反時計方向への旋回流となつて流動す
る。そして、吹込みガス量を増せば、特に炉外周
部の浴の旋回運動は増大し、外周部側ほど速い流
速で旋回流動する。

しかしながら、炉芯部分までへの流動力の伝播
は、浴の粘性等の影響及び炉底間との摩擦抵抗に
よつて減衰し、結果的に炉芯部分では浴は流動せ
ず、停滞したままの状況となる。なお、このよう
な現象は、トレーサーを用いた実験等により認め
られており、従来技術の項でも既に述べていると
ころである。

したがつて、浴に炉芯周りの旋回流を起こさせ
る旋回ノズル４によつてのみの攪拌では、外周部
と中心部の浴の混合は促進されることがなく、結
果的に浴に与えられる攪拌力は比較的小さい。こ
のため、炉芯部であつて且つ底部側に位置するス
クラツプの溶解を促進することは困難であり、ま
た、冶金反応の向上及び浴の成分、温度の均一化
も不十分である。

これに対して、旋回ノズル４に加えて中心ノズ
ル５からも同時にガス吹込みを行うと、浴の攪拌
は良好に促進される。このことを、第４図によつ
て説明する。

旋回ノズル４からのガス流によつて、浴には炉
芯を中心とする流れが促進されることは、第３図
において既に述べた。そして、この旋回流に対し
て、中心ノズル５により炉芯から上方に向けてガ
スを吹き込むと、旋回流と上向きの流れとが発生
する。このとき、浴はこれらの二つの流れを受
け、第４図ａ点線で示す下降流及び実線で実す平
面又は上昇流を生じる。これらの上昇又は下降流
は、中心ノズル５からの上向きのガス吹込みに起
因して生じることは言うまでもなく、結果として
炉芯周りの旋回流に停まらず、上下方向の攪拌も
良好となる。そして更に、上昇及び下降の合成流
れによつて、炉芯側と炉壁側との混合も可能とな
る。

以上のことから、中心ノズル５から上向きのガ
ス吹込みを行うことによつて、浴は炉芯周り、上
下方向の流動が促進され、しかも炉芯側と炉壁側
間の混合攪拌も十分に行われる。したがつて、旋
回流を生起する旋回ノズル４と炉芯から上方向へ
浴を流動化する中心ノズル５との併用によつて、
浴を均一に大きな攪拌能力で攪拌できる結果とな
る。なお、第４図ａのように、旋回ノズル４を複
数個設ければ、このような攪拌能力の向上が更に
一層向上することも明らかである。

このように、浴に旋回流れを起こす旋回ノズル
４と炉芯から上向きの流れを起こす中心ノズル５
とを併用することにより、浴の均一な攪拌を効率
的に行えることが判つた。そして、より効果的な
攪拌を実現するため、両ノズル４，５からの吹込
みガス量及び旋回ノズル４の配置姿勢について最
適なものを本発明者等は求めることができた。

第５図に示す線図は、横に中心ノズル５からの
吹込みガス量Q₁と旋回ノズル４からの吹込みガ
ス量Q₂との比Q₁／Q₂をとり、縦に吹込みガスに
よる浴面の盛り上がり高さＨ及び均一に攪拌する
までに要する均一混合時間τをとつたものであ
る。

この線図から、攪拌強度の指標ともなる均一混
合時間τは、Q₁／Q₂が増加すれば減少する傾向
にある。すなわち、旋回ノズル４からの吹込みガ
ス量を一定としたとき、中心ノズル５からの吹込
みガス量を増やせば、均一混合時間τは短くな
り、中心ノズル５の存在は攪拌を良好に行う機能
を十分に果たしていることが判る。

また、浴面の盛り上がり高さＨは、Q₁／Q₂の
増加と共に大きくなつている。このため、中心ノ
ズル５からの流量が過大又は旋回ノズル４からの
流量が過少である場合には、浴面に波立ち等が生
じる。ところが、浴面の変動は電極２との間隔の
変化により、アークが不安定になつてしまい、溶
解通電力が制限される。このため、浴面の盛り上
がり高さＨには或る上限を設定する必要がある。

発明者らの経験によると、均一混合時間が25秒
以上になると、溶解の撹拌力が弱まり、溶鋼中に
吹き込むガスコストと、得られるコストメリツト
とが逆転するため、均一混合時間は25秒以下にす
る必要があつた。

一方、浴面の盛り上がり高さが100mm以上とな
ると、アークが極端に不安定となり、操業に支障
が生じた。

以上の均一混合時間τの短縮化及び浴面の盛り
上がり高さＨの制限の２点の条件を基にすると、
同第５図の線図からはQ₁／Q₂は0.7〜3.5の範囲が
最適である。

更に、第６図は旋回ノズル４の最適な姿勢を示
す平面図及び第７図はこの旋回ノズル４の最適姿
勢を求めるための線図である。

第６図において、旋回ノズル４の取り付け姿勢
は、炉芯を中心とし且つ吹き込まれるガスの流線
を接線とする円の半径を基準として決定されるも
ので、第７図はこの円の半径に対する炉壁の溶損
速度（実線で示す）及び炉壁側の半径が大きい部
分の浴の表面速度（点線で示す）の関係を表して
いる。

すなわち、第７図の線図によれば、炉内半径Ｒ
に対して0.8Rよりも大きい円の接線となるよう
な旋回ノズル４の姿勢とすると、炉壁の溶損速度
が急速に上昇する。これは、旋回ノズル４からの
吹込みガスによる流動攪拌が炉壁側で激しく行わ
れる結果であることは言うまでもない。

一方、旋回ノズル４の姿勢を、吹込みガスの流
線が0.3Rよりも小さい円の接線となる配置とす
ると、炉壁側の浴面の流速がかなり小さくなる。
このことは、炉壁側の浴に対する旋回ノズル４に
よる攪拌効果が低下する結果となり、本来の目的
を達成するには不適切である。

したがつて、旋回ノズル４の姿勢は、吹込みガ
スの流線が接線となる炉芯を中心とする仮想円の
半径の値が、第６図に示すように、0.3R〜0.8R
の範囲に含まれるようにすることが好ましい。

以上のように、中心ノズル５及び旋回ノズル４
から吹込きみガスの流量比Q₁／Q₂及び旋回ノズ
ル４の姿勢に条件を与えることにより、最適な攪
拌効果が得られる。その結果、溶解能力の向上、
優れた冶金効果が奏せられると共に、成分、温度
の均一化も更に一層効果的に達成できるものとな
る。

なお、ガスの流量比Q₁／Q₂及び旋回ノズル４
の姿勢の条件を採用するとき、旋回ノズル４の本
数が１〜10数本及び中心ノズル５も炉芯付近に１
〜５本配置しても、以上のような効果が達成され
ることも確認されている。

第８図及び第９図は、本発明の第２実施例を示
すものである。これらの図において、第１図及び
第２図の部材に相当するものは同一の符号で指示
し、その説明を省略した。ただし、本例にあつて
は、３個の旋回ノズル４−１，４−２，４−３を
設けている点が、第１実施例とは異なる。

炉体１のシルレベル以下の炉床３の炉壁には、
３本の旋回ノズル４−１，４−２，４−３が等し
い円周ピツチで配置されている。また、炉床３の
炉芯付近には中心ノズル５を設けている。なお、
第８図にはガスの供給系も併せて示されている。
すなわち、CO₂、CO、Ar、N₂、O₂及び空気等の
酸化性又は不活性ガス或いはそれらのガスをキヤ
リアガスとするCaO等の粉体の供給装置９のガス
供給配管１０に、旋回ノズル４−１，４−２，４
−３用の配管１１−１，１１−２，１１−３が接
続されると共に、中心ノズル５用の配管１２が連
結されている。そして、これらの配管１１−１，
１１−２，１１−３及び１２には、それぞれガス
の流量調節するための調節弁１３−１，１３−
２，１３−３，１３−４を設けている。

複数の旋回ノズル４−１，４−２，４−３は、
前記の第６図及び第７図から明らかになつた最適
な姿勢、すなわち吹き込みガスの流線が、炉内半
径をＲとしたときに炉芯を中心とする半径が
0.3R〜0.8Rの領域に含まれるように設置する。
また、これらの３個の旋回ノズル４−１，４−
２，４−３から吹き込むトータルのガス量Q₂及
び中心ノズル５からのガス量Q₁との比も第５図
の線図によつて得られた最適条件を満たすように
ガス量を設定する。

このように、浴の攪拌に必要な条件を持たせて
運転すれば、第１実施例の場合と同様に、炉内の
溶融金属浴を大きな攪拌強度で均一に攪拌でき、
溶解能力の向上のほか、成分、温度の均一化が可
能となる。

第１０図及び第１１図は、本発明の第３実施例
を示すものである。これは、第８図及び第９図の
第２実施例で示した３個の旋回ノズル４−１，４
−２，４−３を設けた構造において、これらの旋
回ノズル４−１，４−２，４−３の姿勢を上に傾
けたものである。すなわち、前記の実施例の場合
と同様に、炉内半径をＲとしたときに炉芯を中心
とする半径が0.3〜0.8Rの傾域に各旋回ノズル４
−１，４−２，４−３からのガス吹込み流線が至
る配置とし、ガスの流線が上向きとなるようにガ
スの供給を行うようにしている。

このように、各旋回ノズル４−１，４−２，４
−３からのガスが斜め上に吹き込まれるとき、上
向きに吹き込む中心ノズル５からのガスとの共働
効果が向上する結果、溶融金属浴を大きな攪拌強
度で均一に攪拌できる。

第１２図は、外周ノズル又は中心ノズルの詳細
構造を示すものである。

同図ａに示すものは、耐火ノズル３０の中に多
数の小径パイプ３１を配管し、耐火ノズル３０の
下部に風箱部３２を設けて小径パイプ３１のそれ
ぞれを吹き込み配管３３に接続した構造である。
これは、「小径多孔ノズル」として知られている
もので、吹き込みガスとして、CO₂、CO、N₂、
Ar、O₂及びこれらの混合ガス又は粉体とそのキ
ヤリアガスが用いられる。この小径多孔ノズルと
した構造では、小径パイプ３１は直径が１〜４mm
で作られるので、溶鋼の逆流の発生を抑えること
が可能である。このため、ガス流量を大幅に絞つ
た領域から大流量まで流量を変えることができ
る。したがつて、本発明においては、特にガス量
の可変幅を大きく取り扱つて波立ちの制御を幅広
く行う場合に適切である。

第１２図ｂは、二重管ノズル構造のもので、内
管３５の内部流路３４からは主としてO₂又はO₂
をキヤリアガスとするCaO等の粉体が供給され、
O₂による酸化燃焼防止のため、外管３６と内管
３５との環状流路３７から炭化水素ガス、オイル
等の冷却剤が吹き込まれる。そして、この冷却剤
によつて、ノズル全体が保護されると共に、燃焼
バーナとしての機能も果たせる構造となつてい
る。

この二重管構造としたものでは、内部流路３４
の直径は通常６〜30mmと大径に作られるため、最
大吹込みガス量を多くしたい場合に適しており、
また、内部流路３４からは主としてO₂を供給し、
環状流路３７からは炭化水素を吹き込むため、溶
鋼に浸漬していない場合は前記のようにバーナと
して機能してスクラツプの予熱が可能となる。ま
た、O₂により、鋼中の炭素を燃焼させて溶鋼を
加熱できるので、本発明の目的である溶解速度の
向上をより一層期待できる。

更に、第１２図ｃは、ノズルをポーラスプラグ
３８とした場合を示すものである。この構造で
は、吹込みガスの流量を小さくして簡略に操作す
る場合に適切である。

〔発明の効果〕

以上に説明したように、本発明においては、電
孤炉の炉床のほぼ中央に位置する中心ノズルから
攪拌用ガスを吹き込むと同時に、炉内半径Ｒに対
して炉芯を中心とする0.3〜0.8Rの仮想円の接線
方向に向けて炉の側壁部に設けた旋回ノズルによ
つてガスを吹き込み、これらの中心ノズル及び旋
回ノズルからそれぞれ吹き込むガス流量比を0.7
〜3.5の関係になるようにしている。このような、
ガスの吹込み形態、及び中心ノズルによる上昇流
と旋回ノズルによる旋回流の合成によつて、溶融
金属浴を高い攪拌強度で均一に混合攪拌でき、且
つ、浴面の盛り上がり高さを制限することができ
る。したがつて、溶融金属浴に大きな攪拌能力を
与えることができる結果、固体装入物の溶解促進
や精錬反応を効率良く行うことができ、また溶融
金属浴の温度及び成分を更に均一化することもで
きる。さらに、浴面の盛り上がり高さを制限でき
るので、浴面の変動が少なく電極間のアークが安
定し、安定した操業が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明の第１実施例を示す
縦断面図と水平断面図、第３図は旋回ノズルのみ
によるガス吹込み時の炉内浴の挙動及び第４図は
旋回ノズル及び中心ノズルの双方からガスを吹き
込んだときの炉内浴の挙動をそれぞれ示す説明
図、第５図は中心ノズル及び旋回ノズルからの吹
込みガス流量の比に対する浴面の盛り上がり及び
均一攪拌に必要な時間の関係を示す線図、第６図
は旋回ノズルの最適な姿勢を示す平面図、第７図
は旋回ノズルの姿勢と炉壁溶損速度及び炉壁側の
浴の表面流速の関係を示す線図、第８図及び第９
図は本発明の第２実施例を示す縦断面図と水平断
面図、第１０図及び第１１図は本発明の第３実施
例を示す縦断面図と水平断面図、第１２図はノズ
ル構造の例を示すものである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 炉体の炉内半径をＲとするとき炉芯を中心と
   する半径0.3〜0.8Rの仮想円の接線となるように
   ガスを吹き込む炉床側壁近傍に設けられた少なく
   とも１つの旋回ノズルから電孤炉内の炉内に吹き
   込まれる攪拌用又は粉体搬送兼攪拌用ガスの総流
   量Q₂と、炉床の中心付近に設けられた少なくと
   も１つの中心底吹きノズルから吹き込まれる攪拌
   用又は粉体搬送兼攪拌用ガスの総流量Q₁との比
   Q₁／Q₂を0.7〜3.5の範囲で調整することを特徴と
   する電孤炉における溶融金属浴の攪拌方法。 ２ 電孤炉の炉内半径をＲとするとき炉芯を中心
   とする半径0.3〜0.8Rの仮想円の接線となるよう
   にガスを吹き込み可能な少なくとも１つの旋回ノ
   ズルを炉床側壁近傍に設け、且つ炉床の中心付近
   に少なくとも１つのガス吹き込み用中心底吹きノ
   ズルを設けたことを特徴とする電孤炉における溶
   融金属攪拌装置。