特許 7307305 電気炉におけるガス噴出装置及びガス噴出方法

(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】2023-07-04

(45)【発行日】2023-07-12

(54)【発明の名称】電気炉におけるガス噴出装置及びガス噴出方法

(51)【国際特許分類】

   F27B 3/22 20060101AFI20230705BHJP

   F27D 3/16 20060101ALI20230705BHJP

【ＦＩ】

F27B3/22

F27D3/16 Z

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2018234395

(22)【出願日】2018-12-14

(65)【公開番号】P2020094775

(43)【公開日】2020-06-18

【審査請求日】2021-08-10

(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】110001519

【氏名又は名称】弁理士法人太陽国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】小野 慎平

(72)【発明者】

【氏名】西野 修司

(72)【発明者】

【氏名】立入 靖久

【審査官】櫛引 明佳

(56)【参考文献】

【文献】特開平０７－１１３５８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表平１０－５００４５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６３－１２５６１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－２０９２２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－２４９５６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５５－１０７８７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５４－０９９０２７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２７Ｂ ３／００－３／２８

Ｆ２７Ｄ ３／００－５／００

Ｃ２１Ｃ １／００－７／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

容器状の炉体と、
前記炉体内の中央部に鉛直方向に沿って配置された円柱状の電極と、
を備える電気炉に適用され、
前記電極よりも前記炉体の周壁部側かつ前記電極の下端よりも上側の位置に配置され、先端が前記炉体内の中央部側かつ下側を向くように鉛直方向に対して傾斜されると共に軸方向に沿って昇降し、平面視で前記先端が前記電極を向いた状態で、前記炉体内に装入された固体金属材料の溶解促進及び前記炉体内の溶融金属材料の精錬のために、複数の先端ノズル孔から前記炉体内に酸素を含むガスを噴出するランスを有し、
前記先端ノズル孔から噴出される前記ガスの噴流の中心軸と、前記電極の中心軸との水平方向に沿った最短距離をＤ_Ｅとし、
前記電極の半径をｒ_Ｅとし、
前記噴流の中心軸と、前記電極の中心軸との水平方向に沿った距離が最短となる前記噴流の中心軸上の点を中心とする水平方向への前記噴流の拡がりにおける前記最短距離Ｄ_Ｅに沿った半径をｒ_Ｊとした場合に、式（１）を満たし、
Ｄ_Ｅ＞ｒ_Ｅ＋ｒ_Ｊ・・・（１）
前記噴流の中心軸と前記溶融金属材料の浴面との交点である火点中心と、前記炉体の周壁部との水平方向に沿った最短距離をＤ_Ｗとし、
前記噴流が前記溶融金属材料の浴面と接触したときの前記火点中心を中心とする水平方向への前記噴流の拡がりにおける前記最短距離Ｄ_Ｗに沿った半径をｒ_Ｈとした場合に、式（２）を満たすように、前記ガスを噴出する、
Ｄ_Ｗ＞ｒ_Ｈ・・・（２）
電気炉におけるガス噴出装置。

【請求項2】

容器状の炉体と、
前記炉体内の中央部に鉛直方向に沿って配置された円柱状の電極と、
を備える電気炉に適用され、
前記電極よりも前記炉体の周壁部側かつ前記電極の下端よりも上側の位置に配置され、先端が前記炉体内の中央部側かつ下側を向くように鉛直方向に対して傾斜されると共に軸方向に沿って昇降し、平面視で前記先端が前記電極を向いた状態で、前記炉体内に装入された固体金属材料の溶解促進及び前記炉体内の溶融金属材料の精錬のために、複数の先端ノズル孔から前記炉体内に酸素を含むガスを噴出するランスを用い、
前記先端ノズル孔から噴出される前記ガスの噴流の中心軸と、前記電極の中心軸との水平方向に沿った最短距離をＤ_Ｅとし、
前記電極の半径をｒ_Ｅとし、
前記噴流の中心軸と、前記電極の中心軸との水平方向に沿った距離が最短となる水平方向への前記噴流の拡がりにおける前記最短距離Ｄ_Ｅに沿った半径をｒ_Ｊとした場合に、式（１）を満たし、
Ｄ_Ｅ＞ｒ_Ｅ＋ｒ_Ｊ・・・（１）
前記噴流の中心軸と前記溶融金属材料の浴面との交点である火点中心と、前記炉体の周壁部との水平方向に沿った最短距離をＤ_Ｗとし、
前記噴流が前記溶融金属材料の浴面と接触したときの前記火点中心を中心とする水平方向への前記噴流の拡がりにおける前記最短距離Ｄ_Ｗに沿った半径をｒ_Ｈとした場合に、式（２）を満たすように、前記ガスを噴出する、
Ｄ_Ｗ＞ｒ_Ｈ・・・（２）
電気炉におけるガス噴出方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電気炉におけるガス噴出装置及びガス噴出方法に関する。

【背景技術】

【0002】

電気炉の炉体内に装入された固体金属材料の溶解促進及び炉体内の溶融金属材料の精錬のために、ランスの先端ノズル孔から炉体内に酸素を含むガスを噴出する技術が知られている（例えば、特許文献１～３参照）。

【0003】

このような技術では、ガスの噴流が電極に接触すると、噴流の熱影響により、電極が損耗する虞がある。ここで、電極の損耗を回避するために、噴流を電極から遠ざけた位置に噴出することも考えられるが、このようにすると、噴流が炉体の周壁部に接触することにより、炉体の周壁部が損耗する虞がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特許第３１４８９６６号公報

【文献】特許第２９１２８３４号公報

【文献】特許第２８２４９５５号公報

【文献】特開平８－１０９４０８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明は、上記事情に鑑みて成されたものであり、電極の損耗の抑制と炉体の周壁部の損耗の抑制とを両立させることを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一態様に係るガス噴出装置は、容器状の炉体と、前記炉体内の中央部に鉛直方向に沿って配置された円柱状の電極と、を備える電気炉に適用され、前記電極よりも前記炉体の周壁部側かつ前記電極の下端よりも上側の位置に配置されると共に、先端が前記炉体内の中央部側かつ下側を向くように鉛直方向に対して傾斜され、前記炉体内に装入された固体金属材料の溶解促進及び前記炉体内の溶融金属材料の精錬のために、少なくとも一つの先端ノズル孔から前記炉体内に酸素を含むガスを噴出するランスを有し、前記先端ノズル孔から噴出される前記ガスの噴流の中心軸と、前記電極の中心軸との水平方向に沿った最短距離をＤ_Ｅとし、前記電極の半径をｒ_Ｅとし、前記噴流の中心軸と、前記電極の中心軸との水平方向に沿った距離が最短となる前記噴流の中心軸上の点を中心とする水平方向への前記噴流の拡がりにおける前記最短距離Ｄ_Ｅに沿った半径をｒ_Ｊとした場合に、式（１）を満たし、前記噴流の中心軸と前記溶融金属材料の浴面との交点である火点中心と、前記炉体の周壁部との水平方向に沿った最短距離をＤ_Ｗとし、前記噴流が前記溶融金属材料の浴面と接触したときの前記火点中心を中心とする水平方向への前記噴流の拡がりにおける前記最短距離Ｄ_Ｗに沿った半径をｒ_Ｈとした場合に、式（２）を満たすように、前記ガスを噴出する。
Ｄ_Ｅ＞ｒ_Ｅ＋ｒ_Ｊ・・・（１）
Ｄ_Ｗ＞ｒ_Ｈ・・・（２）

【0007】

本発明の一態様に係るガス噴出装置によれば、噴流の中心軸と、電極の中心軸との水平方向に沿った最短距離をＤ_Ｅとし、電極の半径をｒ_Ｅとし、噴流の中心軸と、電極の中心軸との水平方向に沿った距離が最短となる噴流の中心軸上の点を中心とする水平方向への噴流の拡がりにおける最短距離Ｄ_Ｅに沿った半径をｒ_Ｊとした場合に、式（１）を満たすように、先端ノズル孔からガスを噴出する。
Ｄ_Ｅ＞ｒ_Ｅ＋ｒ_Ｊ・・・（１）

【0008】

これにより、噴流が電極に接触することを回避することができるので、電極の損耗を抑制することができる。

【0009】

また、このように、ガスを噴出する際には、噴流の中心軸と溶融金属材料の浴面との交点である火点中心と、炉体の周壁部との水平方向に沿った最短距離をＤ_Ｗとし、噴流が溶融金属材料の浴面と接触したときの火点中心を中心とする水平方向への噴流の拡がりにおける最短距離Ｄ_Ｗに沿った半径をｒ_Ｈとした場合に、式（２）を満たすようにする。
Ｄ_Ｗ＞ｒ_Ｈ・・・（２）

【0010】

これにより、噴流が炉体の周壁部に接触することを回避することができるので、炉体の周壁部の損耗を抑制することができる。

【0011】

本発明の一態様に係るガス噴出方法は、容器状の炉体と、前記炉体内の中央部に鉛直方向に沿って配置された円柱状の電極と、を備える電気炉に適用され、前記電極よりも前記炉体の周壁部側かつ前記電極の下端よりも上側の位置に配置されると共に、先端が前記炉体内の中央部側かつ下側を向くように鉛直方向に対して傾斜され、前記炉体内に装入された固体金属材料の溶解促進及び前記炉体内の溶融金属材料の精錬のために、少なくとも一つの先端ノズル孔から前記炉体内に酸素を含むガスを噴出するランスを用い、前記先端ノズル孔から噴出される前記ガスの噴流の中心軸と、前記電極の中心軸との水平方向に沿った最短距離をＤ_Ｅとし、前記電極の半径をｒ_Ｅとし、前記噴流の中心軸と、前記電極の中心軸との水平方向に沿った距離が最短となる前記噴流の中心軸上の点を中心とする水平方向への前記噴流の拡がりにおける前記最短距離Ｄ_Ｅに沿った半径をｒ_Ｊとした場合に、式（１）を満たし、前記噴流の中心軸と前記溶融金属材料の浴面との交点である火点中心と、前記炉体の周壁部との水平方向に沿った最短距離をＤ_Ｗとし、前記噴流が前記溶融金属材料の浴面と接触したときの前記火点中心を中心とする水平方向への前記噴流の拡がりにおける前記最短距離Ｄ_Ｗに沿った半径をｒ_Ｈとした場合に、式（２）を満たすように、前記ガスを噴出する。
Ｄ_Ｅ＞ｒ_Ｅ＋ｒ_Ｊ・・・（１）
Ｄ_Ｗ＞ｒ_Ｈ・・・（２）

【0012】

本発明の一態様に係るガス噴出方法によれば、噴流の中心軸と、電極の中心軸との水平方向に沿った最短距離をＤ_Ｅとし、電極の半径をｒ_Ｅとし、噴流の中心軸と、電極の中心軸との水平方向に沿った距離が最短となる噴流の中心軸上の点を中心とする水平方向への噴流の拡がりにおける最短距離Ｄ_Ｅに沿った半径をｒ_Ｊとした場合に、式（１）を満たすように、先端ノズル孔からガスを噴出する。
Ｄ_Ｅ＞ｒ_Ｅ＋ｒ_Ｊ・・・（１）

【0013】

これにより、噴流が電極に接触することを回避することができるので、電極の損耗を抑制することができる。

【0014】

また、このように、ガスを噴出する際には、噴流の中心軸と溶融金属材料の浴面との交点である火点中心と、炉体の周壁部との水平方向に沿った最短距離をＤ_Ｗとし、噴流が溶融金属材料の浴面と接触したときの火点中心を中心とする水平方向への噴流の拡がりにおける最短距離Ｄ_Ｗに沿った半径をｒ_Ｈとした場合に、式（２）を満たすようにする。
Ｄ_Ｗ＞ｒ_Ｈ・・・（２）

【0015】

これにより、噴流が炉体の周壁部に接触することを回避することができるので、炉体の周壁部の損耗を抑制することができる。

【発明の効果】

【0016】

本発明の一態様によれば、電極の損耗の抑制と炉体の周壁部の損耗の抑制とを両立させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明の一実施形態に係るガス噴出装置のランスと電極との位置関係を示す平面図である。

【図2】本発明の一実施形態に係るガス噴出装置が適用された電気炉の全体構成を示す側面断面図である。

【図3】本発明の一実施形態に係るガス噴出装置のランスと、炉体の周壁部及び電極との位置関係を示す斜視図である。

【図4】図３の平面図である。

【図5】本発明の一実施形態に係るガス噴出装置において、式（１）、（２）を満たす場合の第一の実施例を示す平面図である。

【図6】本発明の一実施形態に係るガス噴出装置において、式（１）、（２）を満たす場合の第二の実施例を示す平面図である。

【図7】本発明の一実施形態に係るガス噴出装置において、式（１）、（２）を満たす場合の第三の実施例を示す平面図である。

【図8】本発明の一実施形態に係るガス噴出装置において、式（１）を満たさない場合の比較例を示す平面図である。

【図9】本発明の一実施形態に係るガス噴出装置において、式（２）を満たさない場合の比較例を示す平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、本発明の一実施形態について説明する。

【0019】

図２（図１も適宜参照）に示されるように、本発明の一実施形態に係るガス噴出装置１０（電気炉におけるガス噴出装置）は、電気炉３０に適用される。電気炉３０は、上側に開口する容器状の炉体３２と、炉体３２内の中央部に鉛直方向に沿って配置された円柱状の電極３４とを備える。炉体３２内には、固体金属材料３６及び溶融金属材料３８が装入されている。本実施形態では、一例として、固体金属材料３６は、鉄製のスクラップであり、溶融金属材料３８は、溶銑である。電極３４は、先端が溶融金属材料３８の浴面３８Ａと対向する高さに配置されている。電極３４の表層部は、例えば、黒鉛で形成されている。

【0020】

ガス噴出装置１０は、直線丸棒状のランス１２と、ランス１２にガスを供給するガス供給部１４とを有している。ランス１２は、例えば、炉体３２の周壁部３２Ａの上部や、炉体３２の上側に設けられた図示しない蓋体の周縁部から炉体３２内に挿入されることにより、電極３４よりも炉体３２の周壁部３２Ａ側かつ電極３４の下端よりも上側の位置に配置されている。このランス１２は、水が循環することにより水冷される水冷式とされている。このランス１２は、先端１２Ａが炉体３２内の中央部側かつ下側を向くように鉛直方向に対して傾斜されている。

【0021】

ランス１２の先端１２Ａには、少なくとも一つの先端ノズル孔１６が形成される。ランス１２の先端１２Ａに形成される先端ノズル孔１６は、例えば、一つ、二つ、三つ、四つ等が考えられる。図１に示されるように、本実施形態では、一例として、二つの先端ノズル孔１６がランス１２の先端１２Ａに形成されている。この二つの先端ノズル孔１６は、平面視でランス１２の中心軸Ａ２に対して対称に配置されている。

【0022】

先端ノズル孔１６の中心軸Ａ１は、平面視でランス１２の中心軸Ａ２に対し鋭角を成している。以降、平面視で先端ノズル孔１６の中心軸Ａ１とランス１２の中心軸Ａ２との成す角度をノズル角αと称する。また、図２に示されるように、先端ノズル孔１６の中心軸Ａ１は、側面視で水平方向に対して鋭角を成している。以降、水平方向に対する先端ノズル孔１６の中心軸Ａ１の傾斜角度をノズル角βと称する。

【0023】

そして、このガス噴出装置１０では、固体金属材料３６の溶解促進及び溶融金属材料３８の精錬のために、ガス供給部１４が作動すると、ガス供給部１４からランス１２にガスが供給され、先端ノズル孔１６から炉体３２内に酸素を含むガスが噴出される。

【0024】

ところで、このように、先端ノズル孔１６からガスを噴出した際に、ガスの噴流が電極３４に接触すると、噴流の熱影響により、電極３４が損耗する虞がある。ここで、電極３４の損耗を回避するために、噴流を電極３４から遠ざけた位置に噴出することも考えられるが、このようにすると、噴流が炉体３２の周壁部３２Ａに接触することにより、炉体３２の周壁部３２Ａが損耗する虞がある。

【0025】

ここで、発明者らは、出鋼量１００ｔの直流型の電気炉３０を用いて実験を行った。先ず６５トンのスクラップを電気炉３０に装入し、そのスクラップを３～４割ほど溶解した後、炉体３２の中心上方から３５トンの溶銑を電気炉３０に装入した。炉体３２の上部の操作口から水冷式のランス１２を炉体３２内へ挿入し、脱珪、脱炭、脱燐に必要な酸素を溶銑及び未溶解のスクラップへ送酸速度６０００Ｎｍ^３／ｈｒで吹き付け、送酸後の溶鋼成分がＣ：０．１％以下、Ｐ：０．０１５％以下となるようにした。処理中には、ランス１２の先端１２Ａから浴面３８Ａ（みかけの溶銑表面）間距離を０．１～３．０ｍの範囲で適宜制御した。

【0026】

そして、上記プロセスにおいて、電極３４の損耗の抑制と炉体３２の周壁部３２Ａの損耗の抑制とを両立させるための条件を鋭意検討した。その結果、以下の条件が必要であると考えた。

【0027】

（電極３４の損耗を抑制するための条件）
先ず、電極３４の損耗を抑制するための条件について説明する。図３には、ランス１２と、炉体３２の周壁部３２Ａと電極３４との位置関係が示されており、図４は、図３の平面図である。本検討では、便宜上、上述の二つの先端ノズル孔１６（図１参照）のうち一方の先端ノズル孔１６のみに着目する。また、本検討では、ガスの噴流１８の中心軸Ａ３と、電極３４の中心軸Ａ４との水平方向に沿った最短距離をＤ_Ｅとする。また、図４に示されるように、電極３４の半径をｒ_Ｅとする。また、噴流１８の中心軸Ａ３と電極３４の中心軸Ａ４との水平方向に沿った距離が最短となる噴流１８の中心軸Ａ３上の点をＥとする。さらに、点Ｅを中心とする水平方向への噴流１８の拡がりにおける最短距離Ｄ_Ｅに沿った半径をｒ_Ｊとする。火点中心Ｏが電極３４よりもランス１２と反対側にある場合（図４参照）には、点Ｅが火点中心Ｏよりもランス１３側に位置する。この場合、点Ｅを中心とする水平方向への噴流１８の拡がり形状は、円形状である。一方、火点中心Ｏが電極３４よりもランス１２側にある場合には、点Ｅが火点中心Ｏと一致する（後述する図５参照）。この場合、点Ｅを中心とする水平方向への噴流１８の拡がり形状は、火点中心Ｏを中心とする水平方向への噴流１８の拡がり形状と同じであるので、楕円形状である。そして、電極３４の損耗を抑制するためには、式（１）を満たすように、先端ノズル孔１６からガスを噴出すれば良いと考えた。この式（１）を満たせば、噴流１８が電極３４に接触せず、電極３４の損耗を抑制できることが可能である。
Ｄ_Ｅ＞ｒ_Ｅ＋ｒ_Ｊ・・・（１）

【0028】

（炉体３２の周壁部３２Ａの損耗を抑制するための条件）
続いて、炉体３２の周壁部３２Ａの損耗を抑制するための条件について説明する。本検討では、噴流１８の中心軸Ａ３と溶融金属材料３８の浴面３８Ａとの交点である火点中心Ｏと、炉体３２の周壁部３２Ａとの水平方向に沿った最短距離をＤ_Ｗとする。また、噴流１８が溶融金属材料３８の浴面３８Ａと接触したときの火点中心をＯとする。さらに、火点中心Ｏを中心とする水平方向への噴流１８の拡がりにおける最短距離Ｄ_Ｗに沿った半径をｒ_Ｈとする。火点中心Ｏを中心とする水平方向への噴流１８の拡がり形状は、楕円形状である。そして、炉体３２の周壁部３２Ａの損耗を抑制するためには、式（２）を満たすように、先端ノズル孔１６からガスを噴出すれば良いと考えた。この式（２）を満たせば、噴流１８が炉体３２の周壁部３２Ａに接触せず、炉体３２の周壁部３２Ａの損耗を抑制できることが可能である。
Ｄ_Ｗ＞ｒ_Ｈ・・・（２）

【0029】

なお、上記条件における各用語については、以下のように定義する。
（Ａ）「噴流１８」は、先端ノズル孔１６の中心軸Ａ１を延長した直線と平行に直進するものとする。
（Ｂ）「水平方向への噴流１８の拡がりにおける最短距離Ｄ_Ｅに沿った半径ｒ_Ｊ」は、火点中心Ｏが電極３４よりもランス１２と反対側にある場合（図４参照）には、点Ｅを中心とする水平方向への噴流１８の拡がり形状は、円形状であるので、噴流１８の直進距離をＬとすると、Ｌ×ｔａｎθで求められるものとする。ただし、θは、噴流１８の拡がり角度であり、ここでは、１５°とする。一方、火点中心Ｏが電極３４よりもランス１２側にある場合（図５参照）には、点Ｅを中心とする水平方向への噴流１８の拡がり形状は、楕円形状である。この場合、最短距離Ｄ_Ｅは電極３４の中心軸Ａ４と火点中心Ｏとの距離に相当する。また、半径ｒ_Ｊは火点中心Ｏと電極３４の中心軸Ａ４とを結んだ線分と楕円の交点と火点中心Ｏとの距離に相当する。最短距離Ｄ_Ｅ’は、噴流１８の中心軸Ａ３と電極３４の中心軸Ａ４との最短距離に相当する。この場合に、「水平方向への噴流１８の拡がりにおける最短距離Ｄ_Ｅに沿った半径ｒ_Ｊ」は、以下の式で求められるものとする。

ただし、ａは楕円の長辺の長さ［ｍ］、ＬＨはランス高さ［ｍ］、ｂは楕円の短辺の長さ［ｍ］、φは噴流１８の中心軸Ａ３と最短距離Ｄ_Ｅに沿った線分が成す角度である。
（Ｃ）「水平方向への噴流１８の拡がりにおける最短距離Ｄ_Ｗに沿った半径ｒ_Ｈ」は、噴流１８の直進距離をＬとした場合に、Ｌ×ｔａｎθ／ｓｉｎ（β－θ）で求められるものとする。ただし、θは、噴流１８の拡がり角度であり、ここでは、１５°とする。
（Ｄ）「溶融金属材料３８の浴面３８Ａ」は、１処理毎の平均総装入量の固体金属材料３６及び溶融金属材料３８が全て溶融したと仮定したときの静止溶融材料面とする。
（Ｅ）「溶融金属材料３８の浴面３８Ａの形状」は、炉体３２の周壁部３２Ａの内径Ｒと同じ円とする。

【0030】

ところで、上述の定義において、噴流１８の拡がり角度θを１５°に設定しているが、この根拠は、次の通りである。すなわち、噴流１８の拡がり角度θは、流体可視化実験による調査で８～１２°と言われている。しかし、噴流１８の拡がり角度θを１２°と見積もって試験したところ、電極３４の損耗が見られた。このことから噴流１８の熱影響部は噴流１８の拡がり範囲よりやや外側まで影響することが分かった。そこで、実験的に影響範囲を見積もったところ、θ＝１５°であったので、これを採用することとする。

【0031】

続いて、本発明の一実施形態に係るガス噴出方法の一例について説明する。

【0032】

本実施形態に係るガス噴出方法（電気炉におけるガス噴出方法）は、上述のガス噴出装置１０を用いて実行される。本例では、便宜上、上述の二つの先端ノズル孔１６（図１参照）のうち一方の先端ノズル孔１６のみに着目するが、他方の先端ノズル孔１６についても、以下と同様の手法によりガスを噴出すれば良い。また、先端ノズル孔１６の数が三つ以上である場合においても、各先端ノズル孔１６について、以下と同様の要領でガスを噴出すれば良い。

【0033】

本実施形態に係るガス噴出方法では、図３、図４に示されるように、先ず、ガス噴出装置１０において、三次元座標を次の通り設定する。すなわち、浴面３８Ａの中心を三次元座標の原点（０，０，０）とする。Ｚ軸は、鉛直方向上側をプラス側とする。Ｙ軸は、ランス１２の中心軸Ａ２を浴面３８Ａに投影した線と平行な軸とし、ランス１２から遠ざかる側をプラス側とする。Ｘ軸は、鉛直方向上側から見てＹ軸と直交する軸とし、ランス１２から遠ざかる側をプラス側とする。

【0034】

ランス１２は、ランス１２の軸方向に沿って昇降する。先端ノズル孔１６の上限の座標を（Ｘ_Ｕ，Ｙ_Ｕ，Ｚ_Ｕ）とし、先端ノズル孔１６の下限の座標を（Ｘ_Ｌ，Ｙ_Ｌ，Ｚ_Ｌ）とする。先端ノズル孔１６の座標は、先端ノズル孔１６の開口中心を基準にする。ランス１２は、Ｚ軸（鉛直方向）に対して傾斜しているため、ランス１２の昇降に伴い、Ｙ座標は変化する。電極３４の中心軸Ａ４は、Ｚ軸と一致する。ノズル角α（図４参照）は、先端ノズル孔１６の中心軸Ａ１を延長した直線がＹＺ平面となす角度［ｄｅｇ］に相当し、ノズル角β（図３参照）は、先端ノズル孔１６の中心軸Ａ１を延長した直線がＸＹ平面となす角度［ｄｅｇ］に相当する。

【0035】

そして、以上のように、三次元座標を設定すると、上述の式（１）、（２）に示される条件が決定される。すなわち、先端ノズル孔１６の高さＨ（図３に示されるように、浴面３８Ａから先端ノズル孔１６の開口中心までの高さ）を任意の位置に設定することにより、先端ノズル孔１６の座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）が決定する。この先端ノズル孔１６の座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と、ノズル角α（図４参照）と、ノズル角β（図３参照）より、火点中心Ｏの座標（ｘ，ｙ，ｚ）が決定する。

【0036】

また、先端ノズル孔１６の座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と、火点中心Ｏの座標（ｘ，ｙ，ｚ）とから、先端ノズル孔１６から噴出される噴流１８の中心軸Ａ３の方向ベクトルが決定し、これにより、噴流１８の中心軸Ａ３の直線ベクトル式が求まる。また、電極３４の中心軸Ａ４の方向ベクトルは、（０，０，１）であり、原点を通るので、電極３４の中心軸Ａ４の直線ベクトル式は自明である。そして、この二つの直線ベクトル式より、噴流１８の中心軸Ａ３と、電極３４の中心軸Ａ４との水平方向に沿った最短距離Ｄ_Ｅが求まる。なお、本例において、電極３４の中心軸Ａ４は、浴面３８Ａの中心を通るが、浴面３８Ａの中心から外れた位置を通っても良い。

【0037】

また、水平方向に沿った最短距離Ｄ_Ｅを求める前段階で噴流１８の中心軸Ａ３と、電極３４の中心軸Ａ４との水平方向に沿った距離が最短となる噴流１８の中心軸Ａ３上の点Ｅの座標（Ｘ_Ｅ，Ｙ_Ｅ，Ｚ_Ｅ）が求まる。これにより、先端ノズル孔１６の座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と、点Ｅの座標（Ｘ_Ｅ，Ｙ_Ｅ，Ｚ_Ｅ）との間の距離Ｌ_Ｅが求まり、この距離Ｌ_Ｅを用いることで、式（３）より、点Ｅを中心とする水平方向への噴流１８の拡がりにおける最短距離Ｄ_Ｅに沿った半径ｒ_Ｊが求まる。
ｒ_Ｊ＝Ｌ_Ｅ×ｔａｎθ・・・（３）

【0038】

そして、設備条件として予め求まる電極３４の半径ｒ_Ｅと、水平方向への噴流１８の拡がりにおける最短距離Ｄ_Ｅに沿った半径ｒ_Ｊを合せることで、上述の式（１）に示されるように、電極３４の損耗を抑制するための条件が決定する。すなわち、最短距離Ｄ_Ｅを、半径ｒ_Ｅと半径ｒ_Ｊを合せた長さよりも長くすれば良い。

【0039】

また、先端ノズル孔１６の座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と、火点中心Ｏの座標（ｘ，ｙ，ｚ）との間の距離Ｌ_Ｏが求まり、この距離Ｌ_Ｏより、火点中心Ｏを中心とする水平方向への噴流１８の拡がりにおける最短距離Ｄ_Ｗに沿った半径ｒ_Ｈが求まる。これにより、火点中心Ｏの座標（ｘ，ｙ，ｚ）と、浴面３８Ａの中心の座標（０，０，０）と、設備条件として予め求まる炉体３２の周壁部３２Ａの内径Ｒとから、火点中心Ｏと炉体３２の周壁部３２Ａとの水平方向に沿った最短距離Ｄ_Ｗ（原点を中心とする半径ＲのＸＹ平面上の円と、ＸＹ平面上の火点中心Ｏとの水平方向に沿った最短距離）が求まる。

【0040】

そして、上述の水平方向への噴流１８の拡がりにおける最短距離Ｄ_Ｗに沿った半径ｒ_Ｈと、水平方向に沿った最短距離Ｄ_Ｗとで、上述の式（２）に示されるように、炉体３２の周壁部３２Ａの損耗を抑制するための条件が決定する。すなわち、最短距離Ｄ_Ｗを、半径ｒ_Ｈよりも長くすれば良い。

【0041】

本実施形態に係るガス噴出装置１０では、上述の式（１）、（２）に示される条件を満たすように、ノズル角α（図４参照）と、ノズル角β（図３参照）と、点Ｅを中心とする水平方向への噴流の拡がりにおける最短距離Ｄ_Ｅに沿った半径ｒ_Ｊと、火点中心Ｏを中心とする水平方向への噴流１８の拡がりにおける最短距離Ｄ_Ｗに沿った半径ｒ_Ｈが設定される。つまり、上述の式（１）、（２）に示される条件を満たすノズル角α、βになるように、先端ノズル孔１６の向きが設定される。また、上述の式（１）、（２）に示される条件を満たす半径ｒ_Ｊ及び半径ｒ_Ｈが得られるように、先端ノズル孔１６の開口面積や先端ノズル孔１６から噴射されるガスの流量等が設定される。

【0042】

そして、本実施形態に係るガス噴出方法では、上述の式（１）、（２）に示される条件を同時に満たすように、先端ノズル孔１６からガスが噴出される。

【0043】

ここで、図５～図９には、ランス１２の高さと、ノズル角αと、ノズル角βを異ならせた場合の複数の例が示されている。図５～図９に示される例において、その他の条件（先端ノズル孔１６の開口面積や先端ノズル孔１６から噴射されるガスの流量等）は同一である。

【0044】

先ず、式（１）を満たさない例について説明する。図８には、比較例として、式（１）を満たさない場合の一例が示されている。つまり、図８に示される例では、Ｄ_Ｅ＜ｒ_Ｅ＋ｒ_Ｊとなっている。このようになっていると、噴流１８が電極３４に接触し、噴流１８の熱影響により、電極３４が損耗する虞がある。

【0045】

次に、式（２）を満たさない例について説明する。図９には、比較例として、式（２）を満たさない場合の一例が示されている。つまり、図９に示される例では、電極３４の損耗を回避するために、噴流１８を電極３４から遠ざけた位置に噴出しているが、Ｄ_Ｗ＜ｒ_Ｈとなっている。このようになっていると、噴流１８が炉体３２の周壁部３２Ａに接触することにより、炉体３２の周壁部３２Ａが損耗する虞がある。

【0046】

次に、実施例として、式（１）、（２）を満たす例について説明する。図５に示される例では、図８に示される例に対し、ランス１２の高さを下げている。図５に示される例では、平面視で火点中心Ｏが電極３４の中心軸Ａ４よりもランス１２側に位置している。これにより、噴流１８の中心軸Ａ３と、電極３４の中心軸Ａ４との水平方向に沿った距離が最短となる噴流１８の中心軸Ａ３上の点Ｅは、火点中心Ｏと一致している。そして、最短距離Ｄ_Ｅは、火点中心Ｏと、電極３４の中心軸Ａ４との水平方向に沿った距離となっている。図５に示される例では、Ｄ_Ｅ＞ｒ_Ｅ＋ｒ_Ｊ、Ｄ_Ｗ＞ｒ_Ｈとなっており、上述の式（１）、（２）に示される条件を同時に満たしている。

【0047】

図６に示される例では、図８に示される例に対し、ノズル角αを拡大している。図６に示される例では、平面視で火点中心Ｏが電極３４の中心軸Ａ４よりも炉体３２の周壁部３２Ａ側に位置している。図６に示される例では、Ｄ_Ｅ＞ｒ_Ｅ＋ｒ_Ｊ、Ｄ_Ｗ＞ｒ_Ｈとなっており、上述の式（１）、（２）に示される条件を同時に満たしている。

【0048】

図７に示される例では、図８に示される例に対し、ノズル角β（図３参照）を拡大している。図７に示される例では、図５に示される例と同様に、平面視で火点中心Ｏが電極３４の中心軸Ａ４よりもランス１２側に位置している。これにより、噴流１８の中心軸Ａ３と、電極３４の中心軸Ａ４との水平方向に沿った距離が最短となる噴流１８の中心軸Ａ３上の点Ｅは、火点中心Ｏと一致している。そして、最短距離Ｄ_Ｅは、火点中心Ｏと、電極３４の中心軸Ａ４との水平方向に沿った距離となっている。図７に示される例では、Ｄ_Ｅ＞ｒ_Ｅ＋ｒ_Ｊ、Ｄ_Ｗ＞ｒ_Ｈとなっており、上述の式（１）、（２）に示される条件を同時に満たしている。

【0049】

このように、上述の式（１）で示される条件については、ノズル角αが大きいほど噴流１８の中心軸Ａ３が電極３４から遠ざかり、これにより、最短距離Ｄ_Ｅが増加するので、噴流１８の影響範囲と電極３４とが干渉しにくくなる。また、ランス１２の高さが高くなるほど半径ｒ_Ｊが増加し、噴流１８の影響範囲が電極３４と干渉しやすくなるが、ノズル角αが大きければ、最短距離Ｄ_Ｅが増加するので、噴流１８の影響範囲と電極３４とが干渉しにくくなる。

【0050】

また、上述の式（２）で示される条件については、ノズル角βが大きいほど噴流１８の中心軸Ａ３が炉体３２の周壁部３２Ａから遠ざかり、最短距離Ｄ_Ｗが増加するので、噴流１８の影響範囲と炉体３２の周壁部３２Ａとが干渉しにくくなる。また、ランス１２の高さが高くなるほど半径ｒ_Ｈが増加し、噴流１８の影響範囲が電極３４と干渉しやすくなるが、ノズル角βが大きければ、最短距離Ｄ_Ｗが増加するので、噴流１８の影響範囲と炉体３２の周壁部３２Ａとが干渉しにくくなる。

【0051】

次に、本発明の一実施形態の作用及び効果について説明する。

【0052】

以上詳述したように、本実施形態によれば、噴流１８の中心軸Ａ３と、電極３４の中心軸Ａ４との水平方向に沿った最短距離をＤ_Ｅとし、電極３４の半径をｒ_Ｅとし、噴流１８の中心軸Ａ３と、電極３４の中心軸Ａ４との水平方向に沿った距離が最短となる噴流１８の中心軸Ａ３上の点Ｅを中心とする水平方向への噴流の拡がりにおける最短距離Ｄ_Ｅに沿った半径をｒ_Ｊとした場合に、式（１）を満たすように、先端ノズル孔１６からガスを噴出する。
Ｄ_Ｅ＞ｒ_Ｅ＋ｒ_Ｊ・・・（１）

【0053】

これにより、噴流１８が電極３４に接触することを回避することができるので、電極３４の損耗を抑制することができる。

【0054】

また、このように、ガスを噴出する際には、噴流１８の中心軸Ａ３と溶融金属材料３８の浴面３８Ａとの交点である火点中心Ｏと、炉体３２の周壁部３２Ａとの水平方向に沿った最短距離をＤ_Ｗとし、噴流１８が溶融金属材料３８の浴面３８Ａと接触したときの火点中心Ｏを中心とする水平方向への噴流１８の拡がりにおける最短距離Ｄ_Ｗに沿った半径をｒ_Ｈとした場合に、式（２）を満たすようにする。
Ｄ_Ｗ＞ｒ_Ｈ・・・（２）

【0055】

これにより、噴流１８が炉体３２の周壁部３２Ａに接触することを回避することができるので、炉体３２の周壁部３２Ａの損耗を抑制することができる。

【0056】

このように、本実施形態によれば、電極３４の損耗の抑制と炉体３２の周壁部３２Ａの損耗の抑制とを両立させることができる。

【0057】

次に、本発明の一実施形態の実施例と比較例とについて行った検証試験について説明する。

【0058】

表１には、本発明の一実施形態の実施例と比較例とについて行った検証試験の結果が示されている。「電極損耗指数」は、「比較例１」を基準とした電極の損耗の割合を表し、「炉壁損耗指数」は、「比較例１」を基準とした炉体の周壁部の損耗の割合を表している。

【0059】

「条件１」は、式（１）で示される条件に相当し、「条件２」は、式（２）で示される条件に相当する。「条件１」及び「条件２」について、「○」は、条件を満たすことを表し、「×」は、条件を満たさないことを表している。また、「評価」は、電極損耗指数及び炉壁損耗指数が所定の値を満たすか否かに相当する。「評価」について、「○」は、電極損耗指数及び炉壁損耗指数が所定の値を満たすことを表し、「×」は、電極損耗指数及び炉壁損耗指数が所定の値を満たさないことを表している。

【0060】

表１に示されるように、「比較例１」～「比較例６」では、「条件１」及び「条件２」のいずれかが「×」となるので、「評価」も「×」となる。一方、「実施例１」～「実施例９」では、「条件１」及び「条件２」がいずれも「○」であるので、「評価」も「○」となる。このように、検証試験の結果から、本発明の一実施形態の有用性を確認することができた。

【0061】

【表1】

【0062】

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記に限定されるものでなく、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。

【符号の説明】

【0063】

１０ ガス噴出装置
１２ ランス
１６ 先端ノズル孔
１８ 噴流
３０ 電気炉
３２ 炉体
３２Ａ 周壁部
３４ 電極
３６ 固体金属材料
３８ 溶融金属材料
３８Ａ 浴面
Ａ１ 先端ノズル孔の中心軸
Ａ２ ランスの中心軸
Ａ３ 噴流の中心軸
Ａ４ 電極の中心軸

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】