特許 7205367 転炉上吹ランスチップ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-01-06

(45)【発行日】2023-01-17

(54)【発明の名称】転炉上吹ランスチップ

(51)【国際特許分類】

   C21C 5/46 20060101AFI20230110BHJP

【ＦＩ】

C21C5/46 101

【請求項の数】 1

(21)【出願番号】P 2019081656

(22)【出願日】2019-04-23

(65)【公開番号】P2020180310

(43)【公開日】2020-11-05

【審査請求日】2021-12-06

(73)【特許権者】

【識別番号】000006655

【氏名又は名称】日本製鉄株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100090697

【弁理士】

【氏名又は名称】中前 富士男

(74)【代理人】

【識別番号】100127155

【氏名又は名称】来田 義弘

(74)【代理人】

【識別番号】100176142

【弁理士】

【氏名又は名称】清井 洋平

(72)【発明者】

【氏名】福山 博之

(72)【発明者】

【氏名】貞本 峻秀

(72)【発明者】

【氏名】松澤 玲洋

【審査官】岡田 隆介

(56)【参考文献】

【文献】特開２００１－１７２７１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－００２０４５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ２１Ｃ ５／４６

Ｃ２１Ｃ ５／３２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

転炉内の溶融金属へ酸素を吐出する複数のノズル孔を有し、仕切筒を挟んで対向する内筒と外筒の間の間隙が冷却水路とされた、転炉上吹ランスの先端に装着されるランスチップにおいて、
隣接する前記ノズル孔の内周面間の最短距離ｄ（ｍｍ）が（１）式の条件を満足し、前記内筒の底部肉厚ｗ（ｍｍ）が（２）式の条件を満足することを特徴とする転炉上吹ランスチップ。
ｄ＜２ｔ／ｃｏｓ（θ／２）・（１－ｓｉｎ（θ／２）） （１）
ｗ≧（２ｔ－ｄ・ｃｏｓ（θ／２））／（２ｓｉｎ（θ／２）） （２）
ここで、ｔ：ノズル孔を画成する周壁の厚み（ｍｍ）、θ：隣接するノズル孔とノズル孔がなす角度（°）

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、転炉内の溶融金属に酸素を供給する転炉上吹ランスの先端に装着されるランスチップに関する。

【背景技術】

【0002】

転炉上吹ランスは、精錬反応に必要な酸素を転炉内の溶融金属に高速で供給する設備である。転炉上吹ランスの設計に当たっては、酸素の利用効率、ダスト発生量の抑制、精錬効率、耐火物への影響などの点が考慮される。

【0003】

ダスト発生量については、例えば非特許文献１のＦｉｇ.３に記載されているように、酸素ジェットが溶融金属面に到達した際に発生する窪み（キャビティ）の深さＬ（キャビティ深さ）と径Ｄ（キャビティ径）からなる指標Ｌ／Ｄと負の線形相関を示すことが知られている。因って、ダスト発生量を抑制するためには、キャビティ深さを大きく、キャビティ径を小さくすることが有効である。実操業では、ランスチップ下面と溶融金属表面との間の距離（ランスギャップ）を短くして、酸素ジェットの広がりを抑制することによりキャビティ径を小さくすると共に、溶融金属表面到達時の酸素ジェット動圧を増加させることによりキャビティ深さを大きくしている。

【0004】

また、キャビティ径を小さくするため、酸素ジェットの吹出口（ノズル孔）を複数設ける、いわゆる多孔ランスが考案され実用化されている。ランスチップ下面におけるノズル孔の総面積が一定の条件下では、ノズル孔数が多いほどキャビティ径を小さくすることができるので、キャビティ数が増加してもダスト発生量を抑制することができる。このため、非特許文献２にも記載されているように、４孔以上のノズル孔を有するランスチップが一般に使用されている。

【0005】

他方、転炉内は溶融金属の輻射熱により炉内耐火物も１０００℃以上に熱せられている。転炉上吹ランスは、周囲全方向から輻射熱を受けるという熱的に非常に過酷な環境下で使用されるため、熱変形や熱損傷を受けないように外周部に冷却水路が設けられている。例えば、特許文献１には、外管本体上端に固定用のフランジ継手を設け、該継手と仕切管本体との間を摺動自在にシールすると共に、該仕切管本体上端に固定用のフランジ継手を設け、該継手と内管本体との間を摺動自在にシールした水冷式上吹き酸素ランスが開示されている。

【0006】

また、特許文献２には、酸素供給部に接続した複数のノズル片のそれぞれに、少なくとも２つの同心円状に位置するように設けられた複数の流出開孔のそれぞれによってランスヘツド内に単独流を分布せしめる水冷ランスが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】特開平７－２２８９１１号公報

【文献】特開昭６１－２１３３１２号公報

【非特許文献】

【0008】

【文献】嶋宏，外３名，「レススラグ吹錬における上吹き条件の最適化」，鉄と鋼，’８７－Ｓ１０１８（２８２），１９８７年，ｐ．２８２

【文献】後藤正夫，「鉄鋼業における高炉羽口，ランスノズルなどの純銅鋳物の変遷」，鉄と鋼，第１０号，１９８６年，ｐ．１－７

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

上述したように、転炉上吹ランスは、熱変形や熱損傷を受けないよう水冷化されている。しかし、ノズル孔が増加するにつれてランスチップ下面の局所的な溶損による水漏れが頻発し、安定操業に大きな支障をきたしている。
特許文献１記載の発明は、ランスにかかる熱負荷を軽減しランスチップの寿命を改善することを目的としているが、ランスチップ下面の局所的な溶損を低減する構造を特許化したものではない。また、特許文献２も冷却水の流路について特に記載されていない。

【0010】

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、ランスチップ下面の局所的な溶損を抑制することにより長期間安定運用できる転炉上吹ランスチップを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

上記目的を達成するため、本発明は、転炉内の溶融金属へ酸素を吐出する複数のノズル孔を有し、仕切筒を挟んで対向する内筒と外筒の間の間隙が冷却水路とされた、転炉上吹ランスの先端に装着されるランスチップにおいて、
隣接する前記ノズル孔の内周面間の最短距離ｄ（ｍｍ）が（１）式の条件を満足し、前記内筒の底部肉厚ｗ（ｍｍ）が（２）式の条件を満足することを特徴としている。
ｄ＜２ｔ／ｃｏｓ（θ／２）・（１－ｓｉｎ（θ／２）） （１）
ｗ≧（２ｔ－ｄ・ｃｏｓ（θ／２））／（２ｓｉｎ（θ／２）） （２）
ここで、
ｔ：ノズル孔を画成する周壁の厚み（ｍｍ）、
θ：隣接するノズル孔とノズル孔がなす角度（°）

【0012】

本発明者らは、ランスチップ下面の溶損原因を調査した。その結果、従来のランスチップの場合、後述するように、隣接するノズル孔の間隔が狭小化すると、冷却水路に凸部が形成されることによって冷却水の流れによどみが発生し、冷却機能が低下することが判明した。

【0013】

そこで、本発明に係るランスチップでは、隣接するノズル孔の間隔が狭小化して冷却水路に凸部が形成される（１）式の条件下において、内筒の底部肉厚を（２）式で規定することにより冷却水の流れによどみが生じないようにする。

【発明の効果】

【0014】

本発明に係る転炉上吹ランスチップでは、冷却水の流れによどみが生じないので冷却機能が低下せず、ランスチップ下面の溶損を抑制することができる。その結果、ランスチップの寿命が延びて、ランスチップの費用や交換時間を削減することができる。また、ランスチップ下面の溶損が抑制されるので、ランスギャップを小さくしてダスト発生量を減少させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】ランスチップ下部を上方から見た端面図である。

【図2】隣接するノズル孔の周壁が離間しているランスチップのＤ－Ｄ端面図である。

【図3】同ランスチップをＡ－Ｂ線及びＡ－Ｃ線で切断した端面図である。

【図4】隣接するノズル孔の周壁が近接しているランスチップのＤ－Ｄ端面図である。

【図5】同ランスチップをＡ－Ｂ線及びＡ－Ｃ線で切断した端面図である。

【図6】隣接するノズル孔の内周面間の最短距離ｄを算出する式の導出過程を説明するための模式図である。

【図7】内筒の底部肉厚ｗを算出する式の導出過程を説明するための模式図である。

【図8】本発明の一実施の形態に係るランスチップのＤ－Ｄ端面図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。なお、以下の説明では、便宜上、転炉上吹ランスは転炉内に垂直に挿入されると想定し、ランス側をランスチップの上側、溶融金属側をランスチップの下側とする。また、本明細書及び図面において実質的に同一の機能を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

【0017】

転炉（図示省略）内の溶融金属に酸素を供給する転炉上吹ランス（図示省略）の先端にはランスチップが装着される。転炉内の溶融金属へ酸素を吐出するノズル孔１３を複数（本例ではランスチップ１０の中心軸の周囲に４孔、中心軸上に１孔配置）有するランスチップ１０下部を上方から見た端面図を図１に示す。また、図１のＤ－Ｄ線で切断したランスチップ１０の端面図を図２に、図１のＡ－Ｂ線及びＡ－Ｃ線で切断したランスチップ１０の端面図を図３に示す。

【0018】

ランスチップ１０は、同心円上に配置された内筒１４及び外筒１６と、内筒１４と外筒１６とを仕切る仕切筒１５を備え、内筒底部１８と外筒底部１９には、それぞれノズル孔１３が４孔形成されている。ランスチップ１０の中心軸の周囲に形成されているノズル孔１３は、内筒底部１８のノズル孔１３より外筒底部１９のノズル孔１３のほうが外方に配置され、内筒底部１８のノズル孔１３と外筒底部１９のノズル孔１３は管状の周壁１７で連通している（図２参照）。

【0019】

内筒１４内は酸素の供給路、仕切筒１５を挟んで対向する内筒１４と外筒１６の間の間隙は冷却水路とされている。
内筒１４内に供給された酸素はノズル孔１３から溶融金属に向けて吐出される（図３参照）。また、冷却水は、内筒１４と仕切筒１５の間の間隙を下方に向けて流れた後、ランスチップ１０の下部で反転し、仕切筒１５と外筒１６の間の間隙を上方に向けて流れる。

【0020】

図２及び図３は、隣接するノズル孔１３の周壁１７が離間しているランスチップ１０を示したものである。次に、隣接するノズル孔１３の周壁１７が近接しているランスチップ１１を図４及び図５に示す。

【0021】

隣接するノズル孔１３の周壁１７が近接していると、近接部位（冷却水路に面する内筒底部１８）に、図５に示すような凸部２０が形成される。これにより、冷却水がスムーズに流れなくなって、冷却水が渦を巻くよどみ部２１が冷却水路内に発生し（図５参照）、冷却機能が低下する。

【0022】

そこで、本発明に係るランスチップでは、隣接するノズル孔１３の間隔が狭小化して冷却水路に凸部２０が形成される（３）式の条件下において、内筒底部１８の肉厚を（４）式で規定することにより冷却水の流れによどみが生じないようにする。

【0023】

ｄ＜２ｔ／ｃｏｓ（θ／２）・（１－ｓｉｎ（θ／２）） （３）
ｗ≧（２ｔ－ｄ・ｃｏｓ（θ／２））／（２ｓｉｎ（θ／２）） （４）
ここで、
ｄ：隣接するノズル孔１３の内周面間の最短距離（ｍｍ）、
ｗ：内筒底部１８の肉厚（ｍｍ）、
ｔ：ノズル孔１３を画成する周壁１７の厚み（ｍｍ）、
θ：隣接するノズル孔１３とノズル孔１３がなす角度（°）

【0024】

先ず、図６を用いて（３）式の導出について説明する。
図６は、隣接するノズル孔１３の内周面間が最短距離となる位置を、当該ノズル孔１３の中心軸を含む平面で切ったときの断面であり、内筒底部１８付近を拡大した図である。
ノズル孔１３の内周面間の最短距離ｄは（５）式で表される。
ｄ＝２×ｄ／２＝２（ｐ－ｑ） （５）

【0025】

ｐは、ノズル孔１３の周壁１７の厚みｔ（ｍｍ）と、隣接するノズル孔１３がなす角θ（°）より（６）式で表される。
ｐ＝ｔ／ｃｏｓ（θ／２） （６）
また、ノズル孔１３が最短距離となる位置での内筒底部１８の厚みをｔ_１（ｍｍ）とすると、ｑは（７）式で表される。
ｑ＝ｔ_１・ｔａｎ（θ／２）＝ｔ_１・ｓｉｎ（θ／２）／ｃｏｓ（θ／２） （７）

【0026】

（６）式と（７）式を（５）式に代入すると、ｄは（８）式で表される。
ｄ＝２／ｃｏｓ（θ／２）・（ｔ－ｔ_１・ｓｉｎ（θ／２）） （８）

【0027】

内筒底部１８が取り得る最小厚みを、周壁１７と同じ厚みｔ（ｍｍ）として、ノズル孔１３が最短距離となる位置での厚みもｔ（ｍｍ）、即ち、ｔ_１＝ｔとなる場合、（８）式は（８’）式のように変形される。
ｄ＝２ｔ／ｃｏｓ（θ／２）・（１－ｓｉｎ（θ／２）） （８’）

【0028】

即ち、隣接するノズル孔１３の内周面間の最短距離ｄが（８’）式を満足するとき、その位置での内筒底部１８の肉厚はｔとなる。従って、（８）式で表されるｄが（８’）式の右辺の値より小さいとき、即ち、ｄが（３）式の条件を満足するとき、ｔ_１はｔより大きくなり、冷却水路に凸部２０が発生する。

【0029】

次に、図７を用いて（４）式の導出について説明する。なお、隣接するノズル孔１３の内周面間の最短距離ｄは（３）式を満足している。

【0030】

図７において、ノズル孔１３が最短距離となる位置での厚みｔ_１は（９）式で表される。
ｔ_１＝ｙ－ｚ （９）

【0031】

ｙは、ノズル孔１３の周壁１７の厚みｔと、隣接するノズル孔１３がなす角θから（１０）式で表される。
ｙ＝ｔ／ｓｉｎ（θ／２） （１０）
また、ｚは、隣接するノズル孔１３の内周面間の最短距離ｄと、隣接するノズル孔１３がなす角θから（１１）式で表される。
ｚ＝ｄ／（２ｔａｎ（θ／２））
＝ｄ・ｃｏｓ（θ／２）／（２ｓｉｎ（θ／２）） （１１）

【0032】

（１０）式と（１１）式を（９）式に代入すると、ｔ_１は（１２）式で表される。
ｔ_１＝（２ｔ－ｄ・ｃｏｓ（θ／２））／（２ｓｉｎ（θ／２）） （１２）

【0033】

内筒底部１８の肉厚ｗが、ノズル孔１３が最短距離となる位置での厚みｔ_１、即ち、（１２）式の右辺の値よりも小さいと、冷却水炉内に凸部２０が生じてしまう。従って、内筒底部１８の肉厚ｗが（１２）式の右辺の値以上のとき、即ち、ｗが（４）の条件を満足すれば、冷却水路内に凸部２０が現れない。

【0034】

本発明の一実施の形態に係るランスチップ１２のＤ－Ｄ端面図を図８に示す。
本実施の形態に係るランスチップ１２では、内筒底部１８の肉厚が、従来の内筒底部１８の肉厚に比べて厚くなっており、隣接するノズル孔１３の間隔が狭小化しても冷却水路に凸部２０が生じることがない。

【0035】

以上、本発明の一実施の形態について説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。例えば、上記実施の形態では、ノズル孔の数を４孔としているが、これに限定されるものではなく、５孔以上でもよい。

【符号の説明】

【0036】

１０、１１、１２：ランスチップ、１３：ノズル孔、１４：内筒、１５：仕切筒、１６：外筒、１７：周壁、１８：内筒底部、１９：外筒底部、２０：凸部、２１：よどみ部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】