轉爐的吹煉方法和轉爐吹煉用的頂吹噴槍的製作方法

2023-05-09 16:27:11

專利名稱：轉爐的吹煉方法和轉爐吹煉用的頂吹噴槍的製作方法
技術領域：
本發明涉及用氧氣對鐵水進行氧化的精煉轉爐的吹煉方法，以及轉爐吹煉用的頂吹噴槍。
背景技術：
在使用鐵水的轉爐吹煉方法中，都是用頂吹氧氣或者底吹氧氣的方法，進行主要目的是脫碳的氧化精煉。近年來，在更短的時間內對大量鐵水進行精煉，以便獲得很高的生產率的要求比以往更加高漲了。更進一步，為了將大量的鐵礦石和錳礦石在爐內直接還原，或者為了將大量廢鐵在爐內熔化，所需要的氧氣量越來越多。為此，就需要有在把大量氧氣在短時間內穩定地吹入爐內的同時，還能高精度地控制其成分的技術。此外，由於以鐵水的脫磷和脫硫為目的的鐵水預處理工藝的發展，在轉爐吹煉中所產生的爐渣量大大地減少了，產生了許多與以往的工藝中不同的因素。為了應對這些情況，當務之急是需要一種最適宜的轉爐快速吹煉方法。
在用頂吹噴槍的氧化精煉過程中，氧氣是從設置在頂吹噴槍頂端的，稱為拉瓦爾噴嘴的末端擴大的噴嘴中，以超音速或者亞音速的氣流供向轉爐內部的。在這樣的情況下，為了不使脫碳反應等的反應效率降低，通常供應的氧氣量比較多，是根據吹煉的初期到中期的高碳範圍內的精煉條件來設計拉瓦爾噴嘴形狀的。下文中，將氧氣的供應量稱為「供氧速度」。換言之，在供氧速度大的情況下，噴射出來的氧氣藉助於拉瓦爾噴嘴能適當地膨脹，達到超音速的速度，相反，在吹煉末期的相當於低碳範圍內的供氧速度較小的情況下，氧氣在拉瓦爾噴嘴中過度膨脹，阻礙了它達到超音速的速度。從吹煉初期到中期的高碳範圍內，熔融金屬中的含碳量大約超過0.6質量％，而在吹煉末期的低碳範圍內，含碳量大約在0.6質量％以下。
在為了達到高生產率的供氧速度進一步增大的轉爐吹煉中，當採用根據這種設計思想的拉瓦爾噴嘴時，由頂吹噴槍所供應的氧氣氣流的噴射速度進一步提高，到達熔融金屬表面的噴射氣流速度大大增加，將更加激起熔融金屬表面的紊亂。在以往的每一頓鋼水的鋼渣重量超過50kg的吹煉方法中，為了使氧氣流能切實地穿過鋼渣層，這種設計思想是必然的。
可是，在近年來的鋼渣量很少的吹煉方法中，這種設計思想的必要性降低了，相反，隨著氣流速度的增大，熔融金屬的表面被攪亂了，在鋼渣量很少的吹煉中，會激起熔融金屬劇烈地飛濺，增加沾粘在爐口和爐蓋、頂吹噴槍、還有排氣設備等部位上的生鐵塊，對作業產生不良的影響，同時還會降低鐵的回收率，使生產率下降。此外，隨著上述飛濺，鐵塵的產生也顯著增加，從產生鐵塵這一點來看，鐵的回收率也下降了。
為了阻止這種作業狀況的惡化，曾經提出過對拉瓦爾噴嘴的孔徑和傾角等頂吹噴槍形狀的硬體方面的改進方案，以及控制頂吹噴槍的頂端與液體金屬表面之間的距離和送氧的速度等作業條件的對策。下文中稱上述噴槍的頂端與液體金屬表面之間的距離為「噴槍高度」。例如，在日本專利公報特開平6-228624號公報中，公開了在改進頂吹噴槍的形狀的同時，使得送氧速度和噴槍高度與拉瓦爾噴嘴的形狀相配合，將其控制在適當的範圍內的吹煉方法。可是，像這一公報那樣，為了抑制大流量過程中鐵水的飛濺和鐵塵，因而對拉瓦爾噴嘴的構造和噴槍的高度進行變化的情況下，由於從頂吹噴槍噴射出來的氧氣流的軌跡和級和形狀有了很大的變化，以至產生了不必要的二次燃燒，以及因反應界面的面積變化而造成的反應效率變劣的所謂二次不良影響。另外，在由於機械的布置或者在作業上改變噴槍高度很困難的情況下就不能使用這種方法來處理。
另一方面，在吹煉末期的低碳範圍中，所供應的氧氣不但要用於脫碳，鐵的氧化也要消耗很多氧氣，所以為了抑制鐵的氧化，提高氧氣的脫碳效率，要降低送氧的速度。在此情況下，由於送氧的速度要從拉瓦爾噴嘴的適宜的流量值大幅度地下調，就不可能獲得拉瓦爾噴嘴的最佳效果，不必要地減少氧氣流，爐渣中的T.Fe將明顯增加，降低了吹煉末期的脫碳反應的效率。另外，為了提高吹煉結束時鐵水中各種成分的精確度，雖然把吹煉末期的的送氧速度控制在極低的值上是很必要的，但是，過於低了，氧氣流的動壓力將極度下降，會引起鐵的劇烈氧化，所以送氧速度的降低是有限度的。以上所說的T.Fe是爐渣中的FeO和Fe2O3等全部鐵的氧化物中鐵的組分的總量。
在特開平10-30110號公報中，公開了使用這樣的頂吹噴槍的轉爐吹煉方法，它對於用拉瓦爾噴嘴的喉徑與送氧速度所決定的拉瓦爾噴嘴的最適宜的膨脹出口直徑D，在高碳範圍內使用具有0.85D～0.94D的出口直徑的頂吹噴槍，在低碳範圍內，則使用具有0.96D到1.15D出口直徑的頂吹噴槍。另外，即使使用同一個拉瓦爾噴嘴，則藉助於改變送氧速度和拉瓦爾噴嘴的噴嘴背壓P，也能對於適宜的膨脹出口直徑D在上述範圍內改變出口直徑。
按照該公報，藉助於按照上述方式改變拉瓦爾噴嘴的形狀，就能在高碳範圍內得到軟吹風，而在低碳範圍內得到硬吹風，就能同時達到降低鐵塵和減少鐵的氧化的目的。可是，在這種吹煉方法中，為了切實地對精煉進行控制，就必須使用形狀不同的兩種以上的頂吹噴槍，不能忽視其設備和操作上的複雜化的缺點。另外，在使用同一個頂吹噴槍的情況下，在使得拉瓦爾噴嘴的設計複雜化的同時，還有不能根據爐內的狀況自由地改變送氧速度等問題。此外，對於爐渣量極少的情況是否可以適用，還有許多問題是不清楚的。

發明內容
本發明的目的是提供一種轉爐的吹煉方法，這種方法能降低在向脫碳旺盛期的高碳區域高速送氧吹煉時，鐵水的飛濺和鐵塵的產生，而且，同時還能抑制在吹煉末期的低速送氧吹煉時鐵的氧化，能提高低速送氧時反應的穩定性。
為達到上述目的，本發明提供了一種使用在其頂端設置了拉瓦爾噴嘴的頂吹噴槍來進行吹煉的轉爐吹煉方法。
上述拉瓦爾噴嘴具有這樣的噴嘴背壓PO(kPa)，這個背壓對於由脫碳最旺盛時期的高碳區域的送氧速度Fs(Nm3/hr)所確定的每一個拉瓦爾噴嘴孔的送氧速度Fhs(Nm3/hr)，和喉徑Dt(mm)來說，滿足下述公式。
PO＝Fhs/(0.00465·Dt2)拉瓦爾噴嘴的出口直徑De，對於噴嘴的背壓PO(kPa)和周圍環境氣壓Pe(kPa)，以及上述喉徑Dt(mm)來說，應該滿足下列公式。
De2≤0.23×Dt2/{(Pe/PO)5/7×[1-(Pe/PO)2/7]1/2}在上述轉爐吹煉方法中，上述拉瓦爾噴嘴的出口直徑De、噴嘴背壓PO(kPa)、周圍環境氣壓Pe(kPa)、以及上述喉徑Dt(mm)應該滿足下述公式。
De2≤0.185×Dt2/{(Pe/PO)5/7×[1-(Pe/PO)2/7]1/2}更進一步，上述拉瓦爾噴嘴的出口直徑De相對於噴嘴背壓PO(kPa)、周圍環境氣壓Pe(kPa)、以及上述喉徑Dt(mm)應該滿足下述公式。
0.15×Dt2/{(Pe/PO)5/7×[1-(Pe/PO)2/7]1/2}≤De2≤0.18×Dt2/{(Pe/PO)5/7×[1-(Pe/PO)2/7]1/2}在上述轉爐吹煉方法中，上述頂吹噴槍有多個拉瓦爾噴嘴，其中至少一個拉瓦爾噴嘴要滿足下列兩個公式的條件。
PO＝Fhs/(0.00465·Dt2)De2≤0.23×Dt2/{(Pe/PO)5/7×[1-(Pe/PO)2/7]1/2}如果能滿足下列兩個公式就更好。
PO＝Fhs/(0.00465·Dt2)De2≤0.185×Dt2/{(Pe/PO)5/7×[1-(Pe/PO)2/7]1/2}在上述轉爐吹煉方法中，以每一頓鋼水的鋼渣重量不足50kg為好。更好一些是每一頓鋼水的鋼渣重量不足30kg。
此外，在上述轉爐吹煉方法中，拉瓦爾噴嘴具有這樣的噴嘴背壓POO(kPa)，這個背壓對於由脫碳末期的低碳區域的送氧速度FM(Nm3/hr)所確定的每一個拉瓦爾噴嘴孔的送氧速度FhM(Nm3/hr)，和上述喉徑Dt(mm)來說，滿足下述公式。
POO＝FhM/(0.00465·Dt2)上述出口直徑De對於由背壓POO(kPa)、周圍環境氣壓Pe(kPa)、以及上述喉徑Dt(mm)用下式所獲得的最佳出口直徑Deo(mm)，其比例(De/Deo)希望在1.10以下。
Deo2＝0.259×Dt2/{(Pe/POO)5/7×[1-(Pe/POO)2/7]1/2}
更進一步，本發明提供了一種使用在其頂端設置了拉瓦爾噴嘴的頂吹噴槍進行吹煉的轉爐吹煉方法。
上述拉瓦爾噴嘴具有這樣的噴嘴背壓POO(kPa)，這個背壓對於由脫碳末期的低碳區域的送氧速度FM(Nm3/hr)所確定的每一個拉瓦爾噴嘴孔的送氧速度FhM(Nm3/hr)，和上述喉徑Dt(mm)來說，滿足下述公式。
POO＝FhM/(0.00465·Dt2)上述拉瓦爾噴嘴出口直徑De對於由背壓POO(kPa)、周圍環境氣壓Pe(kPa)、以及上述喉徑Dt(mm)用下式所獲得的最佳出口直徑Deo(mm)，其比例(De/Deo)為0.95以下。
Deo2≤0.259×Dt2/{(Pe/POO)5/7×[1-(Pe/POO)2/7]1/2}在上述轉爐吹煉方法中，上述頂吹噴槍有多個拉瓦爾噴嘴，其中至少一個拉瓦爾噴嘴要滿足下列兩個公式的條件。
POO＝FhM/(0.00465·Dt2)Deo2＝0.259×Dt2/{(Pe/POO)5/7×[1-(Pe/POO)2/7]1/2}在上述轉爐吹煉方法中，以每一頓鋼水的鋼渣重量不足50kg為好。更好一些是每一頓鋼水的鋼渣重量不足30kg。
此外，本發明還提供了一種在其頂端設置拉瓦爾噴嘴的轉爐吹煉用的頂吹噴槍。
上述拉瓦爾噴嘴具有這樣的噴嘴背壓PO(kPa)，這個背壓對於由脫碳最旺盛時期的高碳區域的送氧速度Fs(Nm3/hr)所確定的每一個拉瓦爾噴嘴孔的送氧速度Fhs(Nm3/hr)，和喉徑Dt(mm)來說，滿足下述公式。
PO＝Fhs/(0.00465·Dt2)拉瓦爾噴嘴的出口直徑De，對於噴嘴的背壓PO(kPa)和周圍環境氣壓Pe(kPa)，以及上述喉徑Dt(mm)來說，應該滿足下列公式。
De2≤0.23×Dt2/{(Pe/PO)5/7×[1-(Pe/PO)2/7]1/2}還有，本發明提供了一種在其頂端設置拉瓦爾噴嘴的轉爐吹煉用的頂吹噴槍。
上述拉瓦爾噴嘴具有這樣的噴嘴背壓POO(kPa)，這個背壓對於由脫碳末期的低碳區域的送氧速度FM(Nm3/hr)所確定的每一個拉瓦爾噴嘴孔的送氧速度FhM(Nm3/hr)，和上述喉徑Dt(mm)來說，滿足下述公式。
POO＝FhM/(0.00465·Dt2)上述出口直徑De對於由背壓POO(kPa)、周圍環境氣壓Pe(kPa)、以及上述喉徑Dt(mm)用下式所獲得的最佳出口直徑Deo(mm)，其比例(De/Deo)希望在0.95以下。
Deo2＝0.259×Dt2/{(Pe/POO)5/7×[1-(Pe/POO)2/7]1/2}


圖1是脫碳最旺盛時期的鐵塵發生速度和鐵末附著量與常數K之間的關係圖；圖2是實際出口直徑De與最佳出口直徑Deo之比與吹煉結束時的T.Fe之間的關係圖；和圖3是本發明所使用的拉瓦爾噴嘴的示意斷面圖。
具體實施例方式
本發明的發明人使用了具有比根據脫碳最旺盛時期的高碳範圍內的高送氧速度所設計出來的出口直徑De更要小得多的出口直徑De的拉瓦爾噴嘴，從而得知了能解決現有技術中的問題的技術方案。下面，對其研究的成果進行說明。
氧氣吹煉時轉爐中的煉製過程大致分為高碳範圍(C＞0.6質量％)與低碳範圍(C≤0.6質量％)。在高碳範圍內，所供應的氧氣幾乎全部消耗於脫碳反應，反應的速度與氧氣的供應速度成比例，是高送氧速度的吹煉過程。另一方面，在低碳範圍內，脫碳的速度與供氧的速度不成比例了，因為有一部分氧氣消耗在鐵的氧化上了，因而，為了控制鐵的氧化，提高脫碳的效率，要降低送氧的速度。
此時，在高碳範圍內的吹煉中，為了降低鐵水的飛濺和鐵塵的產生，在保持高的送氧速度的同時，必須降低熔融金屬表面上氧氣流的動壓力。但是，為了避免不需要的2次燃燒和保持脫碳氧氣的高效率，必須儘可能地使氧氣流的噴射形狀和軌跡保持同樣的條件。另一方面，在低碳範圍中，為了提高氧氣的脫碳效率，要降低送氧的速度，但氧氣流的動壓卻隨之而大幅度地降低了，在這樣的情況下，氧氣的脫碳效率降低，即，鐵的氧化增多了。而且，送氧速度越低，這種惡化的程度越嚴重。因此，雖然希望讓鐵水表面的氧氣流的動壓保持在儘可能高的數值，但是，如果用降低噴槍的高度來增大氧氣流的動壓，則由於從鐵水表面向四面噴射而造成的頂吹噴槍頂端的損耗，以及由於鐵水表面的飛濺而造成的向頂吹噴槍上的鐵末的附著量顯著增加，而受到限制。由於在高碳範圍內與在低炭範圍內有相反的要求，而且要避開對噴槍高度等的作業條件變化的可能性的限制，因此，必須有相應的對策。
轉爐吹煉中的拉瓦爾噴嘴是根據送氧速度來設計的，通常，是按照從吹煉初期到中期的高碳範圍內的送氧速度來設計的。即，拉瓦爾噴嘴的設計是採用根據從高碳範圍的送氧速度Fs(Nm3/hr)所求得的每一個拉瓦爾噴嘴孔的送氧速度Fhs(Nm3/hr)和喉徑Dt(mm)，用下列公式(1)來確定噴嘴的背壓PO(kPa)，再使用所確定的噴嘴的背壓PO(kPa)和周圍環境氣壓Pe(kPa)以及上述喉徑Dt(mm)，用下列公式(5)來確定拉瓦爾噴嘴的出口直徑De(mm)。
PO＝Fhs/(0.00465·Dt2) .......(1)De2＝K×Dt2/{(Pe/PO)5/7×[1-(Pe/PO)2/7]1/2} ......(5)此處，每一個拉瓦爾噴嘴的送氧速度Fh可以用拉瓦爾噴嘴的喉徑Dt的總斷面積與每一個拉瓦爾噴嘴的喉徑Dt的斷面積的比與送氧速度F相乘來求得。通常，在設置多個拉瓦爾噴嘴的情況下，各拉瓦爾噴嘴的喉徑Dt實質上是相同的，所以可以將送氧速度F除以拉瓦爾噴嘴的個數來求得Fh。另外，所謂周圍環境氣壓Pe是指拉瓦爾噴嘴外部的環境氣壓，換言之，是轉爐內部周圍氣體環境的氣壓。此外，(1)式和(5)式是拉瓦爾噴嘴中成立的關係式，是在設計拉瓦爾噴嘴時眾所周知的公式。(5)式中的K是一個常數。
(5)式中的常數K在理論上是0.259，但，在實際操作中，很少使送氧速度F與噴嘴背壓PO的比例(F/PO)保持恆定，所以在操作上一般要控制比例(F/PO)，使常數K保持在0.24～0.28的範圍內。在以常數K為0.24～0.28來確定出口直徑De的拉瓦爾噴嘴中，氧氣流幾乎以最適宜的方式膨脹，氧氣流本身的能量最大。因此，到達鐵水表面的氧氣流的能量也達到最大，鐵水的飛濺和鐵塵的產生也很劇烈。
另一方面，隨著吹煉的進行而到達低碳範圍時，當按照上述方式那樣降低送氧速度時，如果使用以往的那種拉瓦爾噴嘴，由於噴嘴是根據高碳範圍的高送氧速度設計的，當隨後的送氧速度過低時，氧氣流的變弱是極為嚴重的，將使得脫碳的反應效率降低，即由於鐵的氧化，吹煉過程將極為不穩定，在吹煉末期熔融金屬中的組分的精度將急劇惡化。
因此，當使用按照以往的高送氧速度的拉瓦爾噴嘴時，吹煉末期的反應有不穩定的傾向，此外，對於在高碳範圍中的送氧速度來說，吹煉末期的送氧速度存在著降低比例的下限，在此限度以下的送氧速度將使吹煉末期的組分命中率大大下降。
因此，本發明人等為了解決這個問題，使用了喉徑Dt雖然與以往的噴嘴相同，但出口直徑De卻與以往不相同的拉瓦爾噴嘴，並對吹煉過程中的脫碳最旺盛時期和吹煉末期轉爐的反應過程進行了調研。具體的說，拉瓦爾噴嘴的出口直徑用以下的方式來確定。即，用上述(1)式從高碳範圍內的送氧速度Fhs和喉徑Dt求得噴嘴的背壓PO，再從所求得的噴嘴背壓PO和周圍環境氣壓Pe以及喉徑Dt，在用上述(5)式求得出口直徑De的過程中，使常數K在0.15～0.26的範圍內作各種變化，以此來確定出口直徑De。隨著常數K從0.26逐漸變小，出口直徑De就變小，拉瓦爾噴嘴內氧氣流的膨脹就越加呈現不充分的狀態。此外，所使用的轉爐是在以後的實施例中描述的轉爐。
在這種吹煉過程中，對脫碳最旺盛期的鐵塵產生速度以及鐵末的附著量與常數K之間的關係的調研結果如圖1所示。如圖1所示，當常數K大約在0.23以下時，鐵塵產生速度以及鐵末的附著量都比較少。即，已經得知，當出口直徑De在下列公式(2)所確定的範圍內時，鐵塵產生速度以及鐵末的附著量都減少了。如果常數K在0.185以下，則鐵塵產生速度以及鐵末的附著量將更加減少。常數K的最佳範圍為0.15～0.18。我們認為，這是由於把出口直徑De做得比理論值(K＝0.0259)小，在高碳範圍內高送氧速度時的氧氣流在拉瓦爾噴嘴內膨脹不充分，在氧氣流的噴射減弱的同時，氧氣流在鐵水表面上的運動能量也減小的緣故。此時，雖然說常數K越小，氣流的減弱效果越大，但，出口直徑De應該與喉徑Dt使用同樣的K值是其計算時的下限。
De2≤0.23×Dt2/{(Pe/PO)5/7×[1-(Pe/PO)2/7]1/2}......(2)另一方面，在吹煉末期的低碳範圍內，為了降低T.Fe和促進精煉的反應和穩定，必須在降低送氧速度的同時增大氧氣流的能量。當使用比從脫碳最旺盛期時的高碳範圍內的送氧速度所求得的理論值小的出口直徑De的拉瓦爾噴嘴時，即，使用常數K在0.259以下的出口直徑De所設計出來的拉瓦爾噴嘴時，隨著出口直徑De的減小，雖然脫碳最旺盛時期的氧氣流將會不能充分膨脹，但在吹煉末期送氧速度較低時，必然是接近膨脹程度最適宜的氧氣流，特別是，即使不採取任何對策，氧氣流的能量也將增大，由於氧氣流能量的增大而獲得精煉反應的改善效果，就能使T.Fe減少，並促進和穩定精煉反應。
為了使這種這種改善的效果達到最大程度，最好是在吹煉末期的送氧速度中獲得最佳的膨脹氣流。為此，要按照下列(3)式，從這種吹煉的吹煉末期拉瓦爾噴嘴的每一個孔的送氧速度FhM(Nm3/hr)和預先設定的拉瓦爾噴嘴的喉徑Dt(mm)，求出吹煉末期噴嘴的背壓POO(kPa)，再使用所確定的噴嘴的背壓POO(kPa)和周圍環境氣壓Pe(kPa)以及上述喉徑Dt(mm)，用下列公式(4)求出吹煉末期的最佳出口直徑Deo(mm)，並使所求出的最佳出口直徑Deo與拉瓦爾噴嘴的出口直徑De一致就可以了。
POO＝FhM/(0.00465·Dt2) .......(3)Deo2＝0.259×Dt2/{(Pe/POO)5/7×[1-(Pe/POO)2/7]1/2} ...... (4)
不過，實際上很難使用上述方法求出的最佳直徑Deo與實際出口直徑De一致。因此，又對De/Deo的比例在怎樣的範圍內能達到降低爐渣中的T.Fe的效果進行了調研。調研在上述同樣的轉爐上實施。
圖2表示了調研的結果。
圖2中，橫坐標是所使用的噴嘴的出口直徑De與從實際操作時吹煉末期的條件算出來的最佳出口直徑Deo的比值，而在縱坐標上則表示吹煉結束時的T.Fe。由圖2可以很清楚的看出，在吹煉末期的低碳範圍內，如果所使用的噴嘴出口直徑De與計算出來的最佳出口直徑Deo之比(De/Deo)在1.10以下的範圍內，則與以往的水平相比，可以把T.Fe壓低。更進一步，從大量的試驗結果可知，De/Deo在0.90～1.05的範圍內，降低T.Fe的效果顯著，能取得良好的效果。當出口直徑De在上述(2)式的範圍內時，這種效果很顯著。如果常數K在0.18以下，而且每噸鋼水的爐渣量不到50kg，最好是不到30kg，效果就更好。
在此情況下，特別是當De/Deo在0.95以下時，是脫碳最旺盛時期的氧氣流減弱的效果必然擴大，而且還能保持末期的精煉效果的範圍。而且，因為多少也能獲得一些氣流減弱的效果，所以不僅有減少T.Fe的效果，而且還能在整個吹煉過程中使附著在噴槍上的鐵末減少到最少。即使出口直徑De不在上述(2)式的範圍內，只設定De/Deo在0.95以下時，也能獲得這些效果。
在轉爐吹煉時爐內的爐渣量很少的情況下，被爐渣覆蓋的熔融金屬的比例很小，在高碳範圍時鐵塵和鐵水的飛濺量增加。但上述的轉爐吹煉方法卻能抑制鐵塵和鐵水的飛濺量。此外，在吹煉末期的低碳範圍內，爐渣量少的情況下，由於妨礙氣流動壓的主要因素少了，所以能取得在廣泛的範圍內進行控制的效果。因此，上述轉爐吹煉方法如用於每噸鋼水的爐渣量不到50kg，最好是不到30kg的吹煉，更進一步發揮其效果。
由於本發明是基於以上的認識而創造出來的，所以，實施方式1-1中的轉爐吹煉方法，是使用了其頂端設有拉瓦爾噴嘴的頂吹噴槍，並且用根據熔融金屬的含碳量而不同的送氧速度進行吹煉的轉爐吹煉方法，其特徵在於，使用具有拉瓦爾噴嘴的頂吹噴槍，該拉瓦爾噴嘴對於脫碳最旺盛時期的高碳範圍內的送氧速度Fs(Nm3/hr)所確定的每一個拉瓦爾噴嘴孔的送氧速度Fhs(Nm3/hr)和拉瓦爾噴嘴的喉徑Dt(mm)，來確定能滿足上述公式(1)的噴嘴背壓PO(kPa)，再使用所確定的噴嘴背壓PO(kPa)和周圍環境氣壓Pe(kPa)以及上述喉徑Dt(mm)，用上述公式(2)來確定出口直徑De(mm)。
實施方式1-2中的轉爐吹煉方法比實施方式1-1更進一步，其特徵在於，上述出口直徑De，與根據噴嘴背壓POO(kPa)和周圍環境氣壓Pe(kPa)以及上述喉徑Dt(mm)，用公式(4)求出的最佳出口直徑Deo(mm)之比(De/Deo)，在1.10以下的範圍內，而上述噴嘴背壓POO(kPa)對於由在吹煉末期的低碳範圍內的送氧速度FM(Nm3/hr)所確定的拉瓦爾噴嘴的每一個孔的送氧速度FhM(Nm3/hr)和上述喉徑Dt(mm)，滿足上述(3)式。
實施方式1-3中的轉爐吹煉方法，是使用了其頂端設有拉瓦爾噴嘴的頂吹噴槍，並且用根據熔融金屬的含碳量而不同的送氧速度進行吹煉的轉爐吹煉方法，其特徵在於，上述出口直徑De，與根據噴嘴背壓POO(kPa)和周圍環境氣壓Pe(kPa)以及上述喉徑Dt(mm)，用公式(4)求出的最佳出口直徑Deo(mm)之比(De/Deo)，在0.95以下，而上述噴嘴背壓POO(kPa)對於由在吹煉末期的低碳範圍內的送氧速度FM(Nm3/hr)所確定的拉瓦爾噴嘴的每一個孔的送氧速度FhM(Nm3/hr)和上述拉瓦爾噴嘴喉徑Dt(mm)，滿足上述(3)式。
實施方式1-4中的轉爐吹煉方法，是按照實施方式1-1到1-3中任何一種方式的吹煉方法，其特徵在於，上述頂吹噴槍具有多個拉瓦爾噴嘴，其中，至少有一個拉瓦爾噴嘴滿足上述條件。
實施方式1-5中的轉爐吹煉方法，是按照實施方式1-1到1-4中任何一種方式的吹煉方法，其特徵在於，轉爐中每噸鋼水的爐渣量不到50kg。
實施方式1中的噴嘴背壓P、PO、POO以及周圍環境氣壓Pe是用絕對壓力(真空狀態的壓力為0，以此為基準來表示的壓力)來表示的壓力。
下面，參照

本發明的實施方式。圖3是本發明所使用的拉瓦爾噴嘴的示意斷面圖。如圖3所示，拉瓦爾噴嘴2是由斷面縮小的和斷面擴大的兩個圓錐體部分組成的，斷面縮小的部分稱為擠壓部分3，擴大部分稱為裙部5將從擠壓部分3過渡到裙部5的部位的最狹窄的部位稱為喉部4，在銅製的噴槍噴嘴1上設有一個到多個拉瓦爾噴嘴2。
噴槍噴嘴1用焊接等方法連接在噴槍本體(圖中未表示)的下端，構成了頂吹噴槍(圖中未表示)。通過噴槍本體內部的氧氣依次流過擠壓部分3、喉部4、裙部5，以超音速或亞音速的氣流供入轉爐內。圖中的Dt是喉徑，De是出口直徑，裙部5的擴張角度θ通常在10度以下。
雖然在圖3中所示的拉瓦爾噴嘴2中擠壓部分3和裙部5都是圓錐體，但，作為拉瓦爾噴嘴，其擠壓部分3和裙部5並不一定是圓錐體，其內徑可以是按照曲線變化的曲面構成。此外，擠壓部分3也可以做成與喉部4同樣直徑的直線的圓筒形。當將擠壓部分3和裙部5的內徑做成按曲線變化的曲面時，雖然對於拉瓦爾噴嘴來說能獲得理想的流速分布，但噴嘴的加工卻是非常困難的，另一方面，把擠壓部分3做成直線的圓筒形時，雖然與理想的流速分布相距較遠，但在轉爐的吹煉中使用是完全沒有問題的，而且，噴嘴的加工非常容易。在本發明中把所有的末端擴大的噴嘴都稱為拉瓦爾噴嘴。
在本發明中，在吹煉之前是按照以下的程序確定這種拉瓦爾噴嘴2的結構的。
首先，由在脫碳最旺盛時期的高碳範圍中的頂吹噴槍的送氧速度Fs(Nm3/hr)，求出一個拉瓦爾噴嘴2中的送氧速度Fhs(Nm3/hr)。此時，所謂脫碳最旺盛時期的高碳範圍，含碳量超過0.6質量％的範圍，此外，所謂送氧速度Fs是含碳在該範圍內的送氧速度，當含碳量超過0.6質量％的範圍，要使送氧速度變化時，可以是在此範圍內的任意送氧速度。不過，在熔融金屬中的含碳量超過0.6質量％的範圍，對送氧速度進行各種變化時，可以是其中的送氧速度的代表值和加權平均值。
根據送氧速度Fhs(Nm3/hr)和拉瓦爾噴嘴2的喉徑Dt(mm)，按照上述(1)式確定噴嘴的背壓PO(kPa)。此處，所謂噴嘴的背壓PO是噴槍主體內，即拉瓦爾噴嘴2的入口側的氧氣壓力。此時，先預先確定高碳範圍中的噴嘴的背壓PO(kPa)，就可以根據送氧速度Fhs(Nm3/hr)和噴嘴的背壓PO(kPa)來決定喉徑Dt(mm)。
於是，利用這樣確定的噴嘴的背壓PO(kPa)和周圍環境氣壓Pe(kPa)以及上述喉徑Dt(mm)，就能用上述公式(2)來確定出口直徑De(mm)。但，在公式(2)中並沒有顯示出口直徑De(mm)的下限值，當出口直徑De小於喉徑Dt時，由於不能再保持拉瓦爾噴嘴2的形狀了，所以只有在出口直徑De比喉徑Dt大，或者相同的條件下，才能確定使用公式(2)所確定的任意一個數值。此外，周圍環境氣壓Pe在平常的轉爐吹煉情況下，就是大氣壓。
更進一步，在決定出口直徑De時，最好在考慮以下各點後再決定。即，從吹煉末期的低碳範圍內的送氧速度FM(Nm3/hr)求出每一個拉瓦爾噴嘴的送氧速度FhM(Nm3/hr)，再從該送氧速度FhM(Nm3/hr)和早先確定的拉瓦爾噴嘴的喉徑Dt(mm)，確定由上述(3)式所求得的吹煉末期最適當的噴嘴背壓POO(kPa)。然後，利用該噴嘴背壓POO(kPa)、周圍環境氣壓Pe(kPa)和喉徑Dt(mm)，由上述公式(4)，求出吹煉末期中的最適當的出口直徑Deo(mm)，所確定的出口直徑De與所求得的最適當的出口直徑Deo的比例(De/Deo)以在1.10以下的範圍內為好。
此時，當在比例(De/Deo)在0.95以下的範圍內確定出口直徑De時，在通常的高碳範圍的送氧速度與低碳範圍的送氧速度有差別的轉爐吹煉中，出口直徑De能滿足(2)式的範圍，因此，沒有必要特意確定用(2)式來確定出口直徑De的範圍。即，當比例(De/Deo)在0.95以下的範圍內時，可以從吹煉末期在低碳範圍內的送氧速度FM(Nm3/hr)來確定出口直徑De。
接著，製造出具有以上述方式所確定的形狀的拉瓦爾噴嘴2的噴槍噴嘴1，連接在噴槍本體下端，構成頂吹噴槍。在噴槍噴嘴1具有多個拉瓦爾噴嘴2的情況下，可以只對其中的一部分拉瓦爾噴嘴2按照上述方式來確定其形狀。不過，此時達到的效果稍微差一些。
然後，使用這樣的頂吹噴槍來吹煉在高爐中熔煉成的熔融鐵水。在這種吹煉中，在脫碳最旺盛的高碳範圍內，可以用設定的送氧速度Fs，或者，在各種改變送氧速度的情況下，不一定拘泥於送氧速度Fs，可以採用與精煉反應相適應的任何高的送氧速度吹煉。另一方面，在吹煉末期的低碳範圍內，為了提高脫碳氧氣的效率，要降低吹煉的送氧速度，此時，最好採用與由用公式(4)決定的最佳出口直徑Deo之比(De/Deo)在1.10以下的送氧速度和噴嘴背壓P進行吹煉。但是，在熔融金屬的含碳濃度處於0.6質量％的情況下，就無法嚴格地區分是高碳範圍還是低碳範圍，因此，既可以採用降低了的比含碳濃度0.6質量％範圍高的送氧速度，相反，也可以採用比含碳濃度0.6質量％範圍低，例如0.4質量％的送氧速度高的送氧速度進行吹煉。
當轉爐吹煉過程中爐內的爐渣量少時，被爐渣覆蓋的熔融鐵水的比例較少，在高碳範圍內的鐵塵和飛濺的鐵水量增加。以上說明的吹煉方法，具有強大的抑制高碳範圍內的鐵塵個飛濺的鐵水的效果。此外，即使在吹煉末期的低碳範圍內，在爐渣量少的情況下，由於妨礙氣流動壓的主要因素少了，所以能取得在廣闊的範圍內進行控制的效果。因此，把本發明用於爐內的爐渣量在每一噸熔融鋼水不足50kg，最好是30kg以下的吹煉，就能夠更進一步發揮其效果。
藉助於這種方法來吹煉轉爐內的熔融金屬，能夠降低高碳範圍的高送氧速度下的噴射氣流的流速，使氧氣流的能量保持在低位，除了能減少鐵水的飛濺和鐵塵之外，還能使吹煉末期的氧氣流的噴射速度最適當，即，能使吹煉末期氧氣流的噴射速度最適當，抑制鐵的氧化。結果，整個吹煉過程的鐵的成品率提高了，達到了作業穩定化的目的。
實施例1在容量為250噸，氧氣為頂吹，攪拌用的氣體為底吹的頂吹底吹複合吹煉轉爐內，裝入大約250噸的熔融金屬，主要進行脫碳吹煉。所用的鐵水是在轉爐前一個工序的鐵水預備處理中進行過脫硫和脫磷處理的鐵水。在轉爐內加入石灰類助溶劑，產生少量爐渣(每一噸熔融鋼水不到50kg)。從設置在轉爐爐底的風口鼓入攪拌鋼水用的每分鐘10Nm3左右的氬氣或氮氣。
所使用的頂吹噴槍是設有5個拉瓦爾噴嘴的5噴嘴式的噴槍，拉瓦爾噴嘴的喉徑Dt為55.0mm，出口直徑De是這樣確定的，即，從吹煉的初期到中期的脫碳最旺盛時期的送氧速度Fs為60000Nm3/hr。即，根據送氧速度為12000Nm3/hr，喉徑Dt為55.0mm這兩個條件，用公式(1)確定噴嘴的背壓PO為853kPa(8.7kgf/cm2)，再由噴嘴的背壓PO為853kPa，周圍環境氣壓Pe為101kPa，喉徑Dt為55.0mm這些條件，將常數K定為0.184，用公式(5)確定出口直徑De為61.5mm。而且，5個孔的拉瓦爾噴嘴都是這樣的形狀。
從喉徑Dt為55.0mm，出口直徑De為61.5mm，周圍環境氣壓Pe為101kPa這些條件，以常數K為0.259，由公式(5)求出該拉瓦爾噴嘴上的最佳噴嘴背壓PO，即，能獲得理想膨脹的噴嘴背壓PO。計算的結果為，最佳噴嘴背壓PO為428kPa(4.4kgf/cm2)。
根據以上的數據，在脫碳最旺盛的吹煉初期到中期這一段時期內，從插入轉爐內的頂吹噴槍噴射出來的送氧條件為，送氧速度Fs為60000Nm3/hr，噴嘴背壓P為853kPa；而在鋼水含碳濃度為0.6質量％以下的吹煉末期，則在噴嘴背壓P為428kPa的條件下進行吹煉。此時，由於吹煉末期的噴嘴背壓P與最佳背壓PO一致，所以吹煉末期中出口直徑De與最佳出口直徑Deo之比(De/Deo)為1.0。當噴嘴背壓P為428kPa時，吹煉末期的送氧速度FM大約為30000Nm3/hr。
在吹煉過程中，用乾式鐵塵測定裝置測定了排氣中的含塵量。此外，吹煉結束時採了轉爐內的爐渣，檢查了爐渣中的T.Fe。超過100次的吹煉結果是，使用這種噴槍吹煉的鐵塵產生量為每一噸鋼水8kg，此外，在含碳量為0.05質量％時停止吹煉時，爐渣中的T.Fe為13質量％。
實施例2所使用的轉爐與實施例1相同，經過鐵水預處理的鐵水用5孔噴嘴式的頂吹噴槍在與實施例1相同的條件下進行吹煉。但，拉瓦爾噴嘴的形狀為，喉徑Dt為55.0mm，與實施例1相同，而出口直徑De改變了。
即，在從吹煉初期到中期的脫碳最旺盛時期的送氧速度Fhs為12000Nm3/hr，喉徑Dt為55.0mm，的條件下，用公式(1)確定噴嘴背壓PO為853kPa(8.7kgf/cm2)，再從噴嘴背壓PO為853kPa，周圍環境氣壓Pe為101kPa(大氣壓)，喉徑Dt為55.0mm這些條件，將常數K定為0.165，用公式(5)確定出口直徑De為58.2mm。而且，5個孔的拉瓦爾噴嘴都是這樣的形狀。
吹煉末期的送氧速度FM與實施例1相同，大約為30000Nm3/hr。由於從實施例1所得的此時最佳出口直徑Deo為61.5mm，所以出口直徑De與最佳出口直徑Deo的比例(De/Deo)為0.95。
根據這些數據，在脫碳最旺盛的吹煉初期到中期這一段時期內，從插入轉爐內的頂吹噴槍噴射出來的送氧條件為，送氧速度F為60000Nm3/hr，噴嘴背壓P為853kPa；而在鋼水含碳濃度為0.6質量％以下的吹煉末期，則在噴嘴背壓P為428kPa的條件下進行吹煉。
在吹煉過程中，用乾式鐵塵測定裝置測定了排氣中的含塵量。此外，吹煉結束時採了轉爐內的爐渣，檢查了爐渣中的T.Fe。超過100次的吹煉結果是，使用這種噴槍吹煉的鐵塵產生量為每一噸鋼水7kg，此外，在含碳量為0.05質量％時停止吹煉時，爐渣中的T.Fe為14質量％。大致保持同樣的降低T.Fe的效果，但降低鐵塵的效果較大。此外，還觀測到，此時附著的鐵末顯著減少了。
實施例3所使用的轉爐與實施例1相同，經過鐵水預處理的鐵水用5孔噴嘴式的頂吹噴槍在與實施例1相同的條件下進行吹煉。在轉爐內加入石灰類助溶劑，產生少量爐渣(每一噸熔融鋼水不到30kg)。但，拉瓦爾噴嘴的形狀則決定於吹煉末期的送氧速度FM。即，在吹煉末期送氧速度為3000Nm3/hr，拉瓦爾噴嘴的喉徑Dt為56.0mm，出口直徑De與最佳出口直徑Deo之比(De/Deo)為0.95的條件下，設定拉瓦爾噴嘴的出口直徑De。
從吹煉末期的送氧速度FhM為60000Nm3/hr，喉徑Dt為56.0mm這些條件，用公式(3)確定吹煉末期的噴嘴背壓POO為411kPa(4.2kgf/cm2)，再從噴嘴背壓POO為411kPa，周圍環境氣壓Pe為101kPa(大氣壓)，喉徑Dt為56.0mm這些條件，用公式(4)求出最佳出口直徑Deo，求得的最佳出口直徑Deo＝62.1mm。此時，把出口直徑De設定為與最佳出口直徑Deo之比(De/Deo)為0.94，則出口直徑De即為58.4mm。5個孔的拉瓦爾噴嘴都是這樣的形狀。
使用這種頂吹噴槍，從脫碳最旺盛期的吹煉初期到中期，在送氧速度Fs為60000Nm3/hr的條件下送氧，在鐵水的含碳濃度達到0.6質量％以下的吹煉末期，則在在送氧速度FM為30000Nm3/hr，噴嘴背壓P為411kPa的條件下進行吹煉。在送氧速度Fs為60000Nm3/hr的吹煉初期到中期的脫碳最旺盛時期，噴嘴背壓P大約為823kPa(8.4kgf/cm2)。
在吹煉過程中，用乾式鐵塵測定裝置測定了排氣中的含塵量。此外，吹煉結束時採了轉爐內的爐渣，檢查了爐渣中的T.Fe。超過100次的吹煉結果是，使用這種噴槍吹煉的鐵塵產生量為每一噸鋼水8kg，此外，在含碳量為0.05質量％時停止吹煉時，爐渣中的T.Fe為14質量％，基本保持同樣的減少T.Fe的效果，而減少鐵塵的效果增大了。此外，還觀測到，此時附著的鐵末顯著減少了。
比較例所使用的轉爐與實施例1相同，經過鐵水預處理的鐵水用5孔噴嘴式的頂吹噴槍在與實施例1相同的條件下進行吹煉。但，在拉瓦爾噴嘴的形狀中，喉徑Dt與實施例相同，為55.0，其出口直徑De能獲得脫碳最旺盛時期的最佳膨脹。即，從噴嘴背壓PO為853kPa(8.7kgf/cm2)，周圍環境氣壓Pe為101kPa(大氣壓)，喉徑Dt為55.0mm這些條件，以常數K為0.259，用公式(5)求出出口直徑De為73.0mm。
用5個孔的拉瓦爾噴嘴都是這樣形狀的噴嘴進行吹煉，在吹煉過程中，用乾式鐵塵測定裝置測定了排氣中的含塵量。此外，吹煉結束時採了轉爐內的爐渣，檢查了爐渣中的T.Fe。超過100次的吹煉結果是，使用這種噴槍吹煉的鐵塵產生量為每一噸鋼水14kg，此外，在含碳量為0.05質量％時停止吹煉時，爐渣中的T.Fe為19質量％，與實施例比較，減少鐵塵和T.Fe的效果減小了。
權利要求
1.一種使用在其頂端設有拉瓦爾噴嘴的頂吹噴槍的轉爐吹煉方法，其特徵在於，上述拉瓦爾噴嘴具有這樣的噴嘴背壓POO，單位為kPa，這個背壓對於由脫碳末期的低碳區域的送氧速度FM，單位為Nm3/hr，所確定的每一個拉瓦爾噴嘴孔的送氧速度FhM，單位為Nm3/hr，和喉徑Dt，單位為mm，來說，滿足下述公式POO＝FhM/(0.00465·Dt2)；上述拉瓦爾噴嘴的出口直徑De對於由背壓POO單位為kPa、周圍環境氣壓Pe，單位為kPa以及上述喉徑Dt，單位為mm，用下式所獲得的最佳出口直徑Deo，單位為mm，其比例(De/Deo)在0.95以下Deo2≤0.259×Dt2/{(Pe/POO)5/7×[1-(Pe/POO)2/7]1/2}其中Deo大於或等於Dt。
2.如權利要求1所述的轉爐吹煉方法，其特徵在於，上述頂吹噴槍有多個拉瓦爾噴嘴，其中至少一個拉瓦爾噴嘴滿足下列兩個公式的條件POO＝FhM/(0.00465·Dt2)Deo2＝0.259×Dt2/{(Pe/POO)5/7×[1-(Pe/POO)2/7]1/2}。
3.如權利要求1所述的轉爐吹煉方法，其特徵在於，吹煉的每一頓鋼水的鋼渣重量不足50kg。
4.如權利要求3所述的轉爐吹煉方法，其特徵在於，吹煉的每一頓鋼水的鋼渣重量不足30kg。
5.一種頂端設有拉瓦爾噴嘴的轉爐吹煉用的頂吹噴嘴，其特徵在於，上述拉瓦爾噴嘴具有這樣的噴嘴背壓POO，單位為kPa，這個背壓對於由脫碳末期的低碳區域的送氧速度FM，單位為Nm3/hr，所確定的每一個拉瓦爾噴嘴孔的送氧速度FhM，單位為Nm3/hr，和喉徑Dt，單位為mm，來說，滿足下述公式POO＝FhM/(0.00465·Dt2)；上述拉瓦爾噴嘴的出口直徑De對於由背壓POO，單位為kPa、周圍環境氣壓Pe，單位為kPa，以及上述喉徑Dt，單位為mm，用下式所獲得的最佳出口直徑Deo，單位為mm，其比例(De/Deo)在0.95以下Deo2＝0.259×Dt2/{(Pe/POO)5/7×[1-(Pe/POO)2/7]1/2}其中Deo大於或等於Dt。
全文摘要
一種使用在其頂端設有拉瓦爾噴嘴的頂吹噴槍的轉爐吹煉方法，其特徵在於，上述拉瓦爾噴嘴具有這樣的噴嘴背壓P
文檔編號C21C5/46GK1661119SQ20051006252
公開日2005年8月31日 申請日期2001年11月15日 優先權日2000年11月16日
發明者鷲見鬱宏, 渡辺敦, 菊地良輝, 赤井真一, 川畑涼, 小平悟史 申請人:傑富意鋼鐵株式會社