TW201920692A - 轉爐吹煉用頂吹噴槍及熔鐵的精煉方法 - Google Patents

Abstract

在包含噴槍中心軸，且將噴槍內管之流路與噴嘴孔之邊界面二等分的截面中，在前述邊界面上通過噴槍之最下游側之點，並在垂直於前述噴槍中心軸的直線上將前述噴嘴孔橫截之線段的長度設定為L₀ ，且在前述噴槍內管之流路的範圍內往垂直於前述噴槍中心軸之橫截面投影前述橫截之線段時投影在前述橫截面上之線段的長度設定為L，則0.19≦L/L₀ ≦0.82。

Description

轉爐吹煉用頂吹噴槍及熔鐵的精煉方法

發明領域 本發明是有關於一種在製鋼用轉爐中，將精煉用氣體及粉體噴灑到熔鐵浴面以進行吹煉時所使用的轉爐吹煉用頂吹噴槍、及使用該轉爐吹煉用頂吹噴槍之熔鐵的精煉方法。

發明背景 例如，在氧氣頂吹轉爐製鋼法中之預備脫磷精煉中，使用了將生石灰等之粉體與氧氣射流一起噴灑至溶鐵的表面的方法。此時，將粉體噴入至氧氣射流與熔鐵的碰撞面、所謂的火點，促進渣化並且提高反應效率。因此，該方法中，必須盡可能以高速度噴入粉體，確實地到達火點。

但是，使粉體噴入速度增加時，則粉體造成噴嘴的磨耗成為問題。噴嘴磨耗持續進行而在用以冷卻噴嘴之冷卻水的流路開孔，引起冷卻水漏水時，會成為重大的操作阻害，招致生產性的降低。又，噴嘴的磨耗變得顯著時，也會有精煉行為變化且吹煉控制變困難的問題。不僅是預備脫磷精煉，在對未施行預備脫磷精煉之熔鐵或已經施行預備脫磷精煉之熔鐵施行脫碳精煉時，從頂吹噴槍噴入生石灰或礦物等之粉體時有同樣的課題。

因此，為了解決該課題，例如，在專利文獻1中，已經揭示了在噴嘴孔之內表面施行利用電鍍之鍍硬鉻，以抑制磨耗的方法。然而，在此揭示的方法雖然可提高噴嘴之耐磨耗性，但無法抑制粉體往噴嘴孔內表面碰撞本身。又，往噴嘴孔內施行鍍硬鉻難以說是簡易的方法。

進而，從在實際操作中抑制噴渣的觀點，由於使射流之動壓分散，一般對噴嘴賦予傾斜角而多孔化。因此，認為是粉體所致之噴嘴的磨耗也與噴嘴之配置或噴嘴傾斜角度息息相關。例如，若使用單孔噴嘴，與氧氣一起通過噴嘴內的粉體大部分可推定為即使粉體未順著氣流而直線前進，也不會衝撞到噴嘴內壁，難以磨耗。另一方面，若是多孔噴嘴的情況，由於噴嘴內壁相對於噴槍內管之軸方向成角度，因此若粉體沒有順著氣流，則會確實地碰撞到噴嘴內壁，故容易磨耗。因此，不論噴嘴的材質為何，都需要以多孔噴槍構造為前提以抑制粉體所致之噴嘴磨耗的技術。

以多孔噴槍構造為前提的技術，例如，在專利文獻2記載了方法如下：在從頂吹噴槍噴入粉體時，調整噴嘴喉部之橫截面積之總和與噴槍內管流路之橫截面積的比，以改變粉體通過噴嘴部時的分布。可是，該方法是以抑制噴渣為目的，並未記載與抑制噴嘴磨耗的關係。又，由於噴嘴內壁相對於噴槍內管之軸方向具有角度，因此即使可改變粉體通過噴嘴部時的分布，還是會如前所述，粉體碰撞到噴嘴內壁的可能性高，難以抑制噴嘴孔的磨耗。 先行技術文獻 專利文獻

[專利文獻1]特開2003-213318號公報 [專利文獻2]特開2012-251199號公報

發明概要 發明欲解決之課題 本發明是有鑑於前述的問題點，目的在於提供一種噴嘴內壁相對於噴槍內管之軸方向具有角度且具有多孔噴嘴，可抑制該等噴嘴孔之磨耗的轉爐吹煉用頂吹噴槍及使用該轉爐吹煉用頂吹噴槍之熔鐵的精煉方法。 用以解決課題之手段

從頂吹噴槍將粉體副原料與含氧氣體一起頂吹時，通常，在頂吹噴槍之上端部連接有含氧氣體之配管與粉體副原料之配管，因此含氧氣體與粉體副原料會混合。而且，含氧氣體及粉體副原料之混合體通過1支噴槍內管的內部，從連接於噴槍內管之前端的噴嘴部之1個或2個以上的噴出孔(噴嘴孔)噴出。

本發明人們檢討如下：使用具有如後述之多孔噴嘴、即噴嘴內壁相對於噴槍內管之軸方向具有角度的多孔噴嘴、也就是噴嘴孔之中心軸相對於噴槍內管具有之含氧氣體及粉體副原料之流路的中心軸而傾斜的多孔噴嘴的頂吹噴槍時，藉由噴嘴孔與噴槍內管之流路的接合位置來控制粉體行為，抑制噴嘴磨耗。以下，在噴槍內管流路之內壁面中，將噴槍內管之流路與噴嘴孔之邊界部所區隔出之假想的噴槍內管之流路的內壁面表現為「邊界面」。

圖1顯示了相對於1個噴嘴，含有噴槍中心軸，且將上述之邊界面二等分的截面。圖1中，將在邊界面上通過噴槍之最下游側的點，與噴槍中心軸垂直的直線定義為直線A。而且，將在該直線A上橫截噴嘴孔的線段定義為橫截線段B。進而，將橫截線段B在噴槍內管之流路的範圍內往與噴槍中心軸垂直的橫截面投影時投影在橫截面上的線段定義為線段C。本發明人們發現，藉由橫截線段B之長度L₀ 與線段C之長度L的比L/L₀ 滿足述式(1)，可抑制噴嘴磨耗。又，若是具有多孔噴嘴之頂吹噴槍的情況，由噴槍中心軸傾斜之所有的噴嘴滿足下述式(1)。 0.19≦L/L₀ ≦0.82　　　・・・(1)

本發明如下。 ［1］一種轉爐吹煉用頂吹噴槍，是在將熔鐵裝入至頂底吹轉爐，並從頂吹噴槍將粉體副原料與含氧氣體一起噴附於熔鐵而進行吹煉時所使用的轉爐吹煉用頂吹噴槍，其特徵在於具備： 噴槍內管，具有前述含氧氣體及前述粉體副原料之流路；及 噴嘴部，連通於該噴槍內管之前述流路而延伸設置，且具有2孔以上之噴嘴孔， 前述噴嘴孔之噴嘴中心軸是相對於前述流路之噴槍中心軸傾斜，且前述噴嘴孔分別滿足以下之式(1)： 0.19≦L/L₀ ≦0.82　　　...(1) 在此，L₀ ：在包含前述噴槍中心軸，且將前述噴槍內管之流路與前述噴嘴孔之邊界面二等分的截面中，在前述邊界面上通過噴槍之最下游側之點，且在垂直於前述噴槍中心軸的直線上將前述噴嘴孔橫截之線段的長度， L：在前述噴槍內管之流路的範圍內，將前述橫截之線段往垂直於前述噴槍中心軸的橫截面投影時，投影到前述橫截面上之線段的長度。 ［2］一種熔鐵的精煉方法，是使用上述［1］記載之轉爐吹煉用頂吹噴槍進行吹煉之熔鐵的精煉方法，其特徵在於： 將熔鐵裝入至頂底吹轉爐，並從前述轉爐吹煉用頂吹噴槍將粉體副原料與含氧氣體一起噴附於前述熔鐵而進行吹煉。 發明效果

根據本發明，可抑制將含氧氣體及粉體副原料進行頂吹所致之噴嘴的磨耗，可加長精煉用噴槍的耐磨耗壽命。

較佳實施例之詳細說明 以下，就本發明之實施形態，一面參照圖式一面進行說明。本發明之轉爐吹煉用頂吹噴槍是在將含氧氣體與粉體副原料一起噴附到裝入轉爐之熔鐵而進行吹煉時使用。

圖2是多孔噴槍之前端部分的截面概略圖。例202是本發明之頂吹噴槍1之前端部分的截面概略圖，與圖1之例102對應。也就是說，例202所示之截面是包含噴槍中心軸2d，且將邊界面4二等分的截面。另一方面，圖2之例201是第1比較例即頂吹噴槍5之前端部分的截面概略圖，與圖1之例101對應。也就是說，圖2之例201所示的截面是包含噴槍中心軸6d，且將邊界面8二等分的截面。進而，圖2之例203是第2比較例即頂吹噴槍9之前端部分的截面概略圖，與圖1之例103對應。也就是說，圖2之例203所示之截面是包含噴槍中心軸10d，且將邊界面12二等分的截面。再者，在圖2所示之例中，為了易於說明，就2孔的多孔噴槍，省略其中一方的孔來圖示。又，圖2之例204~206是分別顯示了圖2之例201~203之噴槍內管之流路之範圍內的A-A截面圖。又，圖2所示之例中，為了簡化說明，圖2之例202之噴嘴中心軸3c、圖2之例201之噴嘴中心軸7c及圖2之例203之噴嘴中心軸11c的傾斜角θ是相同的。又，圖2所示之例中，雖然沒有圖示，但在頂吹噴槍(噴槍內管及噴嘴部)之內壁面與外壁面之間，設置有用以冷卻頂吹噴槍之冷卻水的流路。

如圖2之例202所示，頂吹噴槍1具備噴槍內管2及噴嘴部3。 噴槍內管2主要是鐵製，具有噴附到容置於轉爐型精煉容器之熔鐵的含氧氣體(以下，有時候單稱為「氣體」。)及粉體副原料(以下，有時候單稱為「粉體」。)之混合體的流路2a。流路2a到噴嘴部3為止，呈具有大略均一之內徑的管狀，且呈相對於氣體及粉體的進行方向，流路2a之截面積不急遽變化的形狀。

再者，如圖2之例202所示，邊界面4是在流路2a之內壁面2b中，以流路2a與噴嘴孔3a之邊界部2c所區隔之假想的噴槍內管2之流路2a的內壁面。又，如圖2之例205所示，在噴槍內管2之流路2a之範圍內將邊界面4投影至垂直於噴槍中心軸2d的橫截面13時，形成以邊界線2c’所包圍的投影面14。邊界線2c’是將邊界部2c投影到橫截面13的線。

噴嘴部3主要是銅製，具有噴嘴孔3a。噴嘴孔3a的形狀亦可為圓筒形(直管噴嘴)，亦可為所謂的拉瓦形(拉瓦噴嘴(Laval nozzle)。噴嘴孔3a是如圖2之例202所示，在噴槍內管2之流路2a的端部，隔著邊界部2c而與流路2a連通延伸設置。流路2a與噴嘴孔3a接合的位置是如圖1所示之線段C的長度L與橫截線段B的長度L₀ 之關係滿足了前述式(1)的位置。這是根據如下的構思所得的看法。

與氣體一起通過噴槍內管之流路並從噴嘴孔噴出的粉體大致區分的話，是分成「在侵入到噴嘴孔內以前與流路之內壁面碰撞的粉體」與「不與流路之內壁面碰撞而直接侵入到噴嘴孔內的粉體」。本發明人們將2.5t規模之轉爐進行之粉體頂吹實驗時的噴槍磨耗實態、與藉由流動分析所得之氣體及粉體行為對照的結果，「不與流路之內壁面碰撞而直接侵入到噴嘴孔內之粉體」的行為與磨耗行為是類似的。根據以上，本發明人們認為若藉由變更噴嘴部的形狀，使「不與流路之內壁面碰撞而直接侵入到噴嘴孔內的粉體」的比例減少，可抑制粉體造成之噴嘴內壁面的磨耗。

首先，假設氣體與粉體相對於流路之中心軸方向均一地在噴槍內管之流路流動。此種情況下，將噴槍內管之流路與噴嘴部之噴嘴孔的邊界面往噴槍內管之流路之橫截面投影時，若縮小其投影面上之線段C的長度L，則在通過噴嘴孔之全粉體內所占的「不碰撞到流路的內壁面而直接侵入到噴嘴孔內的粉體」的比例會減少，並且碰撞到噴嘴孔之內壁面的粉體量降低，因此有抑制噴嘴磨耗的可能性。

另一方面，當投影面上之線段C之長度L為0或者過小時，線段C的長度L變得遠小於噴嘴孔3a中之橫截線段B的長度L₀ 。其結果可能是在氣體及粉體之流動產生偏流，「不碰撞到流路的內壁面而直接侵入到噴嘴孔內的粉體」碰撞到噴嘴孔之內壁面，反而招致磨耗。

例如，在圖2之例201所示之頂吹噴槍5中，噴嘴孔7a與流路6a的邊界面8位於流路6a的側面。因此，如圖2之例204所示，往垂直於噴槍中心軸6d的橫截面15，投影邊界面8時，投影面的面積幾乎為0。也就是說，如圖1之例101所示，線段C本身不存在，因此L＝0。此種情況下，雖然「不碰撞到流路的內壁面而直接侵入到噴嘴孔內的粉體」的比例降低，但產生如圖2之例201所示之偏流，如圖2之例201因與圖2之例203不同的機制，噴嘴孔之上側的內壁面7b會磨耗。也就是說，藉由產生偏流，在噴嘴孔7a內，氣體及粉體之速度加速，特別是在噴嘴孔7a之出口附近，內壁面7b變得容易磨耗。

又，在圖2之例203所示之頂吹噴槍9中，由流路10a與噴嘴孔11a之邊界部10c所區劃出之邊界面12是位於流路10a之最下游側的內壁面10b。因此，邊界面12投影至與噴槍中心軸10d垂直的橫截面16時，被邊界線10c’包圍的投影面17呈楕圓形。再者，邊界線10c’是將邊界部10c投影至橫截面16的線。因此，「不碰撞到噴槍內管之流路的內壁面而直接侵入到噴嘴孔內的粉體」大量地進入到噴嘴孔11a。由於已進入之粉體碰撞於噴嘴孔11a的內壁面11b，故內壁面11b容易磨耗。

如此，本實施形態之頂吹噴槍1的情況是投影面14的面積小圖2之例203所示之頂吹噴槍9之投影面17的面積，且線段C的長度L短。因此，如圖2之例202所示之頂吹噴槍1，噴嘴孔3a與流路2a連通時，「不碰撞到流路的內壁面而直接侵入到噴嘴孔內的粉體」的比例則比圖2之例203所示之頂吹噴槍9少。

又，圖2之例202所示之噴嘴孔3a是以噴嘴中心軸3c相對於流路2a之噴槍中心軸2d傾斜的方式，連通於噴槍內管2的流路2a。傾斜角θ小於10°時，從噴槍噴出之射流之間變得容易合體而容易增加噴渣，又，傾斜角θ超出30°時，火點與爐壁間距離過短，而促進爐壁耐火物的腐蝕，因此傾斜角θ宜為10~30°。又，亦可為：在設定為噴槍內管2之噴槍中心軸2d在Z軸上、噴嘴孔3a之出口位置在X軸上的XYZ正交座標系中，設置相當於噴嘴孔3a之扭矩之噴嘴軸往YZ平面之投影與Z軸所成之角度、及相當於噴嘴之外側方向的傾斜之噴嘴軸往XZ平面投影與Z所成之角度，噴嘴孔3a之噴嘴中心軸3c朝對噴槍中心軸2d扭轉之方向傾斜。

其次，本發明人們，根據前述的假說，為了找出L/L₀ 之較佳範圍，就以抑制粉體磨耗為需求的噴嘴形狀，進行了抗磨試驗。

(1)共通的調査條件 本發明人們，令噴槍內管之徑為20mm，令噴嘴孔數為4，令喉徑為5.1mm，令噴嘴傾斜角為20°，且在包含噴槍中心軸，將邊界面二等分的截面中，橫截線段B的長度L₀ 設定為固定值，前述橫截線段B是在邊界面上通過噴槍之最下游側之點，且在與噴槍中心軸垂直之直線上橫截噴嘴孔的橫截線段。另一方面，變更線段C之長度L，來評價粉體造成噴嘴孔之內壁面的磨耗，線段C是在噴槍內管之流路之範圍內往與噴槍中心軸垂直之橫截面投影橫截線段B時投影在橫截面上的線段。所謂喉徑，是在噴嘴部之噴嘴孔中截面積為最小時的直徑，並且使用氧氣作為含氧氣體，使用生石灰粉作為粉體副原料。在氧氣流量為3.0Nm³ /min的條件下，實施了將粒徑5~200μm之生石灰粉以5.5kg/min斷續地供給總計20小時，使氣體及粉體通過噴嘴孔的試驗。

(2)L/L₀ 與磨耗試驗後之噴嘴磨耗量的關係 於圖3顯示各噴嘴中之L/L₀ 與磨耗試驗後之噴嘴磨耗量的關係。L/L₀ 愈小，則噴嘴磨耗量愈減少，但特別是在L/L₀ ＜0.2的區域中，L/L₀ 愈小，則相反方位之噴嘴孔之內壁面的磨耗量增加。約為0.19≦L/L₀ ≦0.82的情況時，相較於L/L₀ ＝1.0的情況，噴嘴的磨耗量在一半以下。藉由以上的檢討，對於實施本發明之較佳的範圍是如式(1)所示，可知為0.19≦L/L₀ ≦0.82。又，為了更確實地抑制磨耗，宜為0.35≦L/L₀ ≦0.70。

其次，就熔鐵的精煉方法進行說明。 本發明之熔鐵的精煉方法主要是在將粉體副原料與純氧氣即含氧氣體一起噴附到裝入至轉爐之熔鐵而進行熔鐵精煉時，使用前述之本發明的轉爐吹煉用頂吹噴槍。本發明之熔鐵的精煉方法中，裝入至轉爐之熔鐵不論是否已經予備處理。又，也不論精煉實施後之熔鐵的成分，其精煉亦可為所謂的熔鐵予備脫磷處理，亦可藉由其精煉而製造熔鋼。進而，粉體副原料不限定於生石灰、石灰石、鐵酸鈣（Calcium ferrite）等的脫磷劑，亦可為鋁礬土（bauxite）或金紅石（rutile）礦物等之渣化促進材、鐵礦物或Mn礦物等之礦物類、或者該等之混合物。

含氧氣體之噴附流量及粉體副原料之粒徑、添加量只要可因應於該熔鐵的精煉目的而穩定進行粉體副原料之搬送及噴附即可。 本發明之轉爐吹煉用頂吹噴槍在任何的條件中都可以比使用習知之頂吹噴槍更抑制供給粉體所伴隨之噴嘴磨耗的問題，有助於穩定操作並且可降低噴槍更換的頻率，而對生產性提高有所貢獻。 [實施例]

其次，雖然是就本發明之實施例進行說明，但在實施例的條件是為了確認本發明之可實施性及效果所採用的一條件例，本發明並不受限於該一條件例。本發明是只要不脫離本發明之要旨，可在達成本發明之目的之下，採用各種條件。

以300t規模之頂底吹轉爐進行了熔鐵預備脫磷吹煉。此時的主原料中，使用了質量濃度含有C：4.4~4.5%、Si：0.2~0.5%、Mn：0.2~0.4%、P：0.100~0.130%的熔鐵約260t，使用了廢料約20t。令頂吹氧流量為每熔鐵1t則為3.0Nm³ /min，粉體副原料是令粒徑5~200μm之生石灰粉體為頂吹速度900kg/min，令底吹CO₂ 流量為0.25Nm³ /min。藉由該脫磷吹煉，製造了質量濃度為C：3.6~3.8%、Si≦0.01%、Mn：0.1~0.2%、P：0.015~0.025%的熔鐵。在該試驗中，調查了因為噴嘴磨耗，噴槍內部之冷卻水的流路開孔，直到產生漏水的吹煉次數與L/L₀ 的關係。

頂吹噴槍的條件是令噴槍內管之徑為180mm、令喉徑為45mm、令噴嘴孔數為4、將噴嘴傾斜角固定為20°，製作改變了L/L₀ 的頂吹噴槍，使用於吹煉。在以下的表1，顯示L/L₀ 及磨耗指數。在此，所謂磨耗指數，是令比較例1之頂吹噴槍使用於吹煉直到產生前述之漏水的吹煉次數為1而經過指數化的值。

[表1]

首先，敘述比較例1及2。相較於比較例1，比較例2的磨耗指數較小。這是因為比較例2之頂吹噴槍的L/L₀ 較小之故。其次，敘述實施例1~4。實施例1~4之磨耗指數相較於比較例1為一半以下。這是因為滿足L/L₀ ≦0.82，且「不碰撞到噴槍內管壁面而直接侵入到噴嘴孔內的粉體」的比例已減少之故。又，實施例2的L/L₀ 比實施例1還小，但看不到與實施例1之磨耗指數有大的差異。又，實施例1及2分別比實施例3及4還更為抑制磨耗。

另一方面，比較例3的磨耗指數比實施例1~4還大。這是因為藉由令L/L₀ 比0.19還小，在噴嘴孔內之氣體及粉體之流動產生了偏離之故。 由以上可確認，藉由設定為0.19≦L/L₀ ≦0.82，可抑制因粉體造成之噴嘴孔之內壁面的磨耗，進而藉由設定為0.35≦L/L₀ ≦0.70，可更抑制內壁面的磨耗。 產業上之可利用性

根據本發明，可抑制將含氧氣體及粉體副原料進行頂吹所致之噴嘴的磨耗，並可加長精煉用噴槍之耐磨耗壽命。因此，工業的價值大。

1‧‧‧頂吹噴槍

2‧‧‧噴槍內管

2a‧‧‧流路

2b‧‧‧內壁面

2c‧‧‧邊界部

2c’‧‧‧邊界線

2d‧‧‧噴槍中心軸

3‧‧‧噴嘴部

3a‧‧‧噴嘴孔

3c‧‧‧噴嘴中心軸

4‧‧‧邊界面

5‧‧‧頂吹噴槍

6a‧‧‧流路

6d‧‧‧噴槍中心軸

7a‧‧‧噴嘴孔

7b‧‧‧內壁面

7c‧‧‧噴嘴中心軸

8‧‧‧邊界面

9‧‧‧頂吹噴槍

10a‧‧‧流路

10b‧‧‧內壁面

10c‧‧‧邊界部

10c’‧‧‧邊界線

10d‧‧‧噴槍中心軸

11a‧‧‧噴嘴孔

11b‧‧‧內壁面

11c‧‧‧噴嘴中心軸

13‧‧‧橫截面

14‧‧‧投影面

15‧‧‧橫截面

16‧‧‧橫截面

17‧‧‧投影面

A‧‧‧直線

B‧‧‧橫截線段

C‧‧‧線段

L‧‧‧長度

L₀‧‧‧長度

圖1是用以說明橫截線段B之長度L₀ 與線段C之長度L的圖。 圖2是多孔噴槍之前端部分的截面概略圖。 圖3是顯示L/L₀ 之差異所致之磨耗係數的變化之圖。

Claims (2)

1. 一種轉爐吹煉用頂吹噴槍，是在將熔鐵裝入至頂底吹轉爐，並從頂吹噴槍將粉體副原料與含氧氣體一起噴附於熔鐵而進行吹煉時所使用的轉爐吹煉用頂吹噴槍，其特徵在於具備： 噴槍內管，具有前述含氧氣體及前述粉體副原料之流路；及 噴嘴部，連通於該噴槍內管之前述流路而延伸設置，且具有2孔以上之噴嘴孔， 前述噴嘴孔之噴嘴中心軸是相對於前述流路之噴槍中心軸傾斜，且前述噴嘴孔分別滿足以下之式(1)： 0.19≦L/L₀ ≦0.82　　　...(1)， 在此，L₀ ：在包含前述噴槍中心軸且將前述噴槍內管之流路與前述噴嘴孔之邊界面二等分的截面中，在前述邊界面上通過噴槍之最下游側之點，且在垂直於前述噴槍中心軸的直線上將前述噴嘴孔橫截之線段的長度， L：在前述噴槍內管之流路的範圍內，將前述橫截之線段往垂直於前述噴槍中心軸的橫截面投影時，投影到前述橫截面上之線段的長度。
2. 一種熔鐵的精煉方法，是使用如請求項1之轉爐吹煉用頂吹噴槍進行吹煉之熔鐵的精煉方法，其特徵在於： 將熔鐵裝入至頂底吹轉爐，並從前述轉爐吹煉用頂吹噴槍將粉體副原料與含氧氣體一起噴附於前述熔鐵而進行吹煉。