転炉の炉体
【課題】付着地金となるスピッティング粒鉄が炉口へ付着し難い転炉の炉体を提供する。
【解決手段】上底吹きの操業を行う転炉の炉体の炉体高さH，炉口内径R，炉体の直胴部内径D，炉体を出鋼側へ９０°傾けた際の炉体が溶鋼を保持できる炉内保持容積Vi，炉内全容積Voが、2.828ln(R)+5.252≦H≦2.828ln(R)+7.3958，H/D≧1.4，Vi/Vo≧0.06を満たすようにする。
【解決手段】上底吹きの操業を行う転炉の炉体の炉体高さH，炉口内径R，炉体の直胴部内径D，炉体を出鋼側へ９０°傾けた際の炉体が溶鋼を保持できる炉内保持容積Vi，炉内全容積Voが、2.828ln(R)+5.252≦H≦2.828ln(R)+7.3958，H/D≧1.4，Vi/Vo≧0.06を満たすようにする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば上底吹き転炉の炉体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、特許文献１に示すように転炉の操業においては、炉体内に溶銑を装入し、炉体の炉口へ上吹き用のランスを挿入した後に、このランスから溶銑に向けて酸素ガスを吹き付けることによって吹錬を行っている。このとき、転炉の操業では、炉体の底部からガスを吹き込んで溶銑を攪拌しながら酸素ガスを吹き込むようにしている。
ランスから酸素ガスを吹き込む際、酸素ガスが溶銑の表面に衝突するため、溶銑の一部がスピッティング粒鉄となって炉口へと飛んでいき、このスピッティング粒鉄が炉口へ付着して地金（以降、炉口に付着した地金のことを付着地金という）となる。
【０００３】
炉口周りに付着地金が付着して堆積すると炉口が小さくなってしまうことから、例えば、炉体内にスクラップを装入する際、スクラップを炉体内へ入れるスクラップシュートが炉口に詰まってしまってスクラップを炉体内へ入れられない問題が発生する。
また、溶銑（溶鋼）の温度［℃］の測定を行うサブランスを炉体内へ挿入する際、前記サブランスが付着地金に衝突してしまう危険性がある。また、チャージ数が多くなるにつれて炉体の底部（炉底部）の耐火物が溶損して減少する結果、次第に相対的に炉口近傍が重くなり、転炉が起きあがりにくくなる傾動トリップが発生する恐れがある。
【０００４】
このように、炉口周りに付着地金が堆積すると様々な問題を引き起こすことから転炉の操業においては付着地金が所定以上堆積すると、例えば、酸素パイプを用いて炉口に付着した付着地金を溶断した後、スクラップシュートを用いて付着地金を除去したり、専用の地金溶解ランスを用いて溶解したりしている。
【特許文献１】特開２００５−２８９３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、付着地金の除去作業を行う間は、転炉の操業を停止しなければならず、生産性が低下してしまう問題がある。また、付着地金の除去作業の際に、炉口の絞り部の耐火物が地金と共に脱落することがあり、転炉寿命が短くなる問題がある。
このような問題に鑑み、転炉の操業においては、炉口周りでの付着地金の堆積速度を低下させる、即ち、付着地金となるスピッティング粒鉄が炉口へ付着し難くすることで前記除去作業をできるだけ少なくすることが望まれている。そこで、ランスチップの改善などを行うことで、スピッティング粒鉄が炉口へ付着しないようにする技術が考えられているが、十分な効果が得られていないのが実情である。
【０００６】
そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、付着地金となるスピッティング粒鉄が炉口へ付着し難い転炉の炉体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】
【０００７】
前記目的を達成するために、本発明は、次の手段を講じた。即ち、本発明における課題解決のための技術的手段は、上底吹きの操業を行う転炉の炉体が、式（１）〜式（３）を満たす形状の点にある。
【０００８】
【数２】
【０００９】
このようにすることで、付着地金となるスピッティング粒鉄が炉口へ付着し難くなり、炉口付近における付着地金の堆積速度（成長速度）を低下させることができ、付着地金の除去作業を少なくすることができる。
式（１）〜式（３）の導出する考え方について図１〜６を用いて説明する。
まず、使用する変数について説明する。図１に示すように、炉体の炉内高さＨｉを、炉口から湯面までの距離とする。詳しくは、炉内高さＨｉは、炉体内に溶銑，冷銑，故銑，鉄屑などの主原料を装入した際の湯面から炉口までの距離である。炉体の直胴部内径Ｄを炉体の直胴部内に耐火物を設けたときの耐火物間の距離（内径）とする。また、炉体高さＨを炉体の底部に設けた耐火物の上面から炉口までの距離とし、炉口内径Ｒを炉体の絞り部の端部内径、即ち、絞り部の最端部（炉口縁）に設けた耐火物間の（距離）内径とする。
【００１０】
図２に示すように、炉内保持容積Ｖｉを、炉体を出鋼側へ９０°傾けた際に炉体が保持可能な溶鋼容積（言い換えれば、溶銑容積）、即ち、炉体を出鋼側へ９０°傾けた際に炉口からスラグ、さらには、溶鋼が出ないようにできる容積とする。炉内容積Ｖoを炉体内の全容積とする。
以下、具体的な導出方法について説明する。
発明者は、過去の操業において炉口へ付着した付着地金を採取し、その断面積や組成分析などを行った結果、スピッティング粒鉄の粒径が１ｍｍ程度のものが付着地金となることが分かった。
【００１１】
そこで、発明者は前記粒径が１ｍｍ程度のスピッティング粒鉄が炉口に付着しない炉内高さＨｉと炉体の炉口内径Ｒとについて検討した。具体的には、図３に示すように、炉口内径Ｒを横軸にとり、炉内高さＨｉを縦軸にとり、粒径が１ｍｍのスピッティング粒鉄が炉口に付着しない各炉内高さＨｉと炉口内径Ｒとを複数の実験や物理的な計算により算出し、図３にプロットした。
前記物理的な計算は、図８に示すように、酸素を炉体内に吹き込んだ状態でのスピッティング粒鉄の速度ｖと、酸素を吹き込んだ際に発生する上昇気流（ＣＯガス）の速度Ｖ（空塔速度）と、抗力と、重力とに着目し、これらを用いて、スピッティング粒鉄が炉口に付着しない運動方程式をたてて、これを解くこととしている。なお、スピッティング粒鉄を球状とした。
【００１２】
図３に示すように、例えば、ランスの送酸速度が７００Ｎｍ3／分であるとき、粒径１ｍｍのスピッティング粒鉄が炉口に付着しない炉内高さＨｉと炉口内径Ｒとは、ラインＫ１（以降、未付着ラインＫ１とする）になった。この場合は、炉内高さＨｉと炉口内径Ｒとを未付着ラインＫ１上になるように決定することで、スピッティング粒鉄が付着し難い炉体を構成できることが分かった。
ここで、前記炉口内径Ｒは炉体直胴部内径Ｄで示すことも可能であって、炉内高さＨｉを炉体高さＨで示すことも可能であるため、図３で炉口内径Ｒを炉体直胴部内径Ｄに置き換えると共に、炉内高さＨｉを炉体高さＨに置き換えたとして、炉体高さＨと炉体直胴部内径Ｄとの関係について考える。
【００１３】
ラインＫ１によって、炉体高さＨと炉体直胴部内径Ｄとを決定すると様々な内容積の炉体を構成することができるが、炉体の内容積は、１チャージ当たりに精錬する量に合わせて決定するのが妥当である。
そこで、発明者は図３に炉内容積が一定の炉内容積一定ラインＶ１を描き、当該炉内容積一定ラインＶ１と前記未付着ラインｋ１との接点Ｐ１を求めた。
炉口内径Ｒ（炉体直胴部内径Ｄ）と炉内高さＨｉ（炉体高さＨ）との関係が点Ｐ１になるとき、炉内容積が一定の炉体では最もスピッティング粒鉄が付着し難い炉体となることが分かる。
【００１４】
ここで、前記点Ｐ１付近を見てみるとその付近で前記未付着ラインＫ１と炉内容積一定ラインＶ１とは近接又は重なっており、未付着ラインＫ１と炉内容積一定ラインＶとの近接点Ｐ２，Ｐ３においても前記点Ｐ１と同等の効果を得ることができる。
したがって、未付着ラインＫ１において点Ｐ２〜Ｐ３の範囲で、炉口内径Ｒと炉内高さＨｉとを決定することが好ましい。
上記と同じように、操業条件などを考慮して複数の未付着ラインと、複数の炉内容積一定ラインとの近接点を複数求め、これらの近接点に対する近似曲線を求めると、図３に示すように、曲線Ｌ１，Ｌ２になった。
【００１５】
図４に示すように、図３の炉内高さＨｉを炉体高さＨに置き換えて、前記曲線Ｌ１，Ｌ２をフィッティングすると曲線Ｌ３，Ｌ４になった。
この曲線の近似式を求めると、曲線Ｌ３は２．８２８ｌｎ（Ｒ）＋７．３９４８となり、曲線Ｌ４は２．８２８ｌｎ（Ｒ）＋５．２５２となった。
したがって、炉体高さＨが曲線Ｌ３及び曲線Ｌ４で囲まれる領域（最適な領域）にあるとき、即ち、前記式（１）を満たすようにすれば付着地金の堆積速度（成長速度）を低下させることができる。
【００１６】
さて、炉体高さＨと炉体直胴部内径Ｄとの関係を考えてみると、例えば、炉体高さＨに対して炉体直胴部内径Ｄが大きくなり過ぎると、溶銑を装入した際に溶銑の深さが浅くなると共にその深さに対する溶銑の湯幅が大きくなりすぎるため、操業の際に溶銑の攪拌などが十分に行えない問題がある。
そこで、発明者は、溶銑を装入した際に溶銑の深さを所定以上確保できるようにすると共に、その溶銑の湯幅が所定以上大きくならないようになる炉体高さＨと炉体直胴部内径Ｄとの縦横比率（Ｈ／Ｄ）を実験により求めた。転炉の操業において、前記縦横比率をＨ／Ｄ≧１．４［式（２）］にすれば、溶銑の攪拌が十分に行えることが分かった。
【００１７】
さて、通常、炉体内の溶鋼（溶銑）を炉体から出鋼（出湯）するとき、炉体を出鋼側に傾けて炉体の出鋼口（出湯口）から出鋼する。溶鋼を出鋼する際、スラグが炉口から出ると、溶鋼を受ける溶鋼鍋内のスラグ量が多くなり溶鋼の品質低下を招く、さらに炉口から流出したスラグが溶鋼鍋に入らず溶鋼鍋を搬送する受鋼台車を焼損する恐れがあるため、スラグが炉口から出ないようにする必要がある。
溶鋼を出鋼する際、即ち、炉体を出鋼側に傾けたとき、スラグが炉口から出ないようにする炉内容積Ｖoと炉内保持容積Ｖｉとを実験により調べた。これらの関係がＶｉ／Ｖo≧０．０６にすると、出鋼の際に炉口からスラグが出ることはなく、スムーズに出鋼作業を行うことができた。
【００１８】
なお、式（１）〜式（３）は、吹錬を行う種類に関わらず適用できる。即ち、上記で示した炉体は、脱りん処理のみを行う炉体にも適用できるし，脱炭処理のみを行う炉体にも適用できる。当然の如く、脱りん処理及び脱炭処理の両方を行う炉体にも適用できるし、上底吹きの操業を行う転炉の炉体であればすべてのものに適用可能である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、付着地金となるスピッティング粒鉄が炉口へ付着しにくくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態を、図面に基づき説明する。
図１は本発明の転炉の炉体の全体側面図を示している。図１に示すように本発明の転炉は、転炉の上側から酸素を吹きつけ且つ、転炉の底部からガスを吹き込むことができる上底吹き転炉であり、転炉の炉体１内に溶銑（溶鋼）やスクラップ等が収容可能となっている。
前記炉体１は有底で筒状に形成された鉄皮２と、この鉄皮２の内部に設けられた複数の耐火物３（耐火レンガ）から構成されている。炉体１の底部４にはガスを吹き込むための底吹き羽口５が設けられ、この底吹羽口５（炉体の底部４）に対向する側に炉口６が形成されている。炉口６に酸素などを吹くための上吹きランス７が挿入可能になっている。
【００２１】
鉄皮２は、底部１０と、この底部１０から炉口６側にいくにしたがって徐々に内径及び外径が大きくなる拡大部１１と、この拡大部１１から連続していて内径及び外径が略一定の直胴部１２と、この直胴部１２から炉口６側にいくにしたがって徐々に内径及び外径が小さくなる絞り部１３とを備えたものとなっている。
前記耐火物３は、鉄皮２の底部１０，拡大部１１，直胴部１２及び絞り部１３に沿うように順番に鉄皮２内に貼り付けられ、貼り付けられた耐火物３の内面が鉄皮２の内面に略沿ったものとなっている。鉄皮２の直胴部１２に溶銑８（溶鋼）を出湯（出鋼）するための出湯口９（出鋼口）が形成されている。
【００２２】
以上のことから、炉体１には、鉄皮２及び耐火物３によって、外径又は内径が徐々に大きくなる炉拡大部１５が形成され、この炉拡大部１５に連続して形成され外径又は内径が略一定となる炉直胴部１６と、この炉直胴部１６から炉口６にいくにしたがって外径又は内径が小さくなる炉絞り部１７とがそれぞれ形成されている。そして、前記炉拡大部１５、炉直胴部１６及び炉絞り部１７の内径や炉内高さは、鉄皮２に耐火物３を貼り付ける際に、耐火物３の厚みＴ１を調整することによって自在に変更することができる。前記厚みＴ１は、鉄皮２の内面に対向する対向部から径内側までの距離である。
【００２３】
転炉の炉体１の形状は式（１）〜式（３）を満たすように設定されている。
【００２４】
【数３】
【００２５】
式（１）〜式（３）において、炉体高さＨは、炉口６から炉体１の底部４に貼り付けた耐火物３の内面１４（上面）までの距離である。詳しくは、図１に示すように、炉体高さＨは炉体１の左右方向中心位置での高さとする。炉口内径Ｒは炉絞り部１７（鉄皮２の絞り部１３）の最端部に設けた耐火物３の内径、詳しくは、左側の最端部耐火物３ａの内面から右側の最端部耐火物３ｂの内面までの距離である。
また、炉体直胴部内径Ｄは、炉直胴部１２に設けた耐火物３の内径、詳しくは、左側の炉直胴部１６に位置する耐火物３ｃの内面から右側の炉直胴部１６に位置する耐火物３ｄの内面までの距離であり、前記炉内保持容積Ｖｉは、炉体１を出鋼側（出湯側）へ９０°傾けた際に炉体１が溶銑を保持できる容積である。炉内容積Ｖoは炉体内の全容積（耐火物３で取り囲まれた容積）である。
【００２６】
式（２）は実験により求めたもので、実験炉で炉内高さＨと炉体直胴部内径Ｄとを変化させながら複数の脱りん処理を行った結果から求めた。
図５は、実験結果をまとめたもので、炉体高さＨを炉体直胴部内径Ｄで割った縦横比率（Ｈ／Ｄ）を横軸にとり、縦軸に脱りんの効率を縦軸にとって、これらの実験データをプロットしたものである。なお、脱りん効率は、脱りん開始時のりん濃度を［Ｐ］ｉとし、脱りん終了時のりん濃度を［Ｐ］ｆとし、開始時のりん濃度［Ｐ］ｉから終了時のりん濃度［Ｐ］ｆを引いて、この値を開始時のりん濃度［Ｐ］ｉで割ることにより、脱りんの割合を百分率で示したものである。
【００２７】
図５に示すように、前記縦横比率が１．４以上であるときは殆どの脱りん処理において脱りん効率（脱りん割合）が６０％を超えており、脱りん処理における攪拌には問題がなかった。
式（３）は式（２）と同様に実験により求めたもので、実験炉で炉内保持容積Ｖｉと炉内容積Ｖoとを変化させながら複数の脱りん処理を行った結果から求めた。
図６は、実験結果をまとめたもので、炉内保持容積Ｖｉを炉内容積Ｖoで割った保持率（Ｖｉ／Ｖo）を横軸にとり、出鋼時間を縦軸にとって、これらの実験データをプロットしたものである。
【００２８】
図６に示すように、前記保持率が０．０６未満であると、出鋼（出湯）の際にスラグＳが炉口６から流出してその影響で出鋼時間が６分以上かかってしまい問題があった。保持率が０．０６以上であるときは、スラグＳが炉口６から流出することもなく、出鋼時間は６分以内にすることができた。
なお、上記では、保持率を０．０６以上にする、即ち、Ｖｉ／Ｖo≧０．０６にすると良いことを出鋼の観点（脱炭処理を行った後に溶鋼を出鋼するという観点）から説明したが、湯面上に脱りん処理の際にも脱炭処理と同じようにスラグＳが形成される。
【００２９】
したがって、脱りん処理を行った後の出湯の際にもスラグＳが炉口６からでないようにする必要があるので、Ｖｉ／Ｖo≧０．０６の関係は脱炭処理の際に限定されず、脱りん処理を行って溶銑を出湯する際に保持率を０．０６以上にするとよい。言い換えれば、Ｖｉ／Ｖo≧０．０６にするということは、脱りん処理又は脱炭処理のどちらにでも適用することができる。
図７は、炉体の形状を変えて操業を行った結果をまとめたものである。図７の実施例１，２は式（１）〜式（３）のすべてを満たす形状の炉体１（転炉）を形成して脱りん処理を伴いつつ脱炭処理を行ったもので、比較例１〜７は、少なくとも式（１）〜式（３）の一つを満たさないように脱りん処理を伴いつつ脱炭処理を行った。なお、実施例及び比較例において、転炉へ装入した溶銑の［Ｐ］濃度は、０．０３０〜０．０４０％ と、Ｐ規格の上限である０．０２０％より高いものを使用し、脱りん処理が必要な条件で行った。また、酸素を吹き込むランスは、その孔数が６個、その孔径が４２mm、送酸の吐出角度１５°、酸素を送り出す送酸素速度は３．０Ｎｍ3/分・t、ランスの高さ２．８ｍ（湯面からランス先端までの高さ），底吹きガスの流量（速度）を０．０６Ｎｍ3/分・tとして、各実験例及び比較例の操業条件を同じにした。
【００３０】
各実施例及び比較例では、溶鋼１ton当たりのダスト発生量（kg/t），地金取り間隔（ch/回），即ち、付着地金の除去を終了してから再度除去作業を開始するまでに操業できる総チャージ数、放熱ロス（Ｍcal/t），溶鋼１ton当たりの溶製によって耐火物３が溶損する量を示す耐火物原単位（kg/t）、脱りん効率（脱Ｐ率），出鋼時間（分/ch）を調べた。
図７に示すように、式（１）を満たす炉体１では地金取り間隔が１８〜２０ch/回となり、式（１）を満たさない炉体１では地金取り間隔が４〜８ch/回となった。
【００３１】
したがって、式（１）を満たす炉体１の地金取り間隔が式（１）を満たさない炉体１に比べ、地金取り間隔が大幅に大きくなった。即ち、炉体１の形状を式（１）を満たすようにすることで、付着地金の除去を終了してから再度除去作業を開始するまでの総チャージ数を増加させることができた。
式（２）を満たした炉体１では、放熱ロスが７．２〜１０Ｍcal/tとなり、式（２）を満たしていない炉体１での放熱ロスの値が１２Ｍcal/tや１４Ｍcal/tのものに比べ、放熱ロスが小さくなった。また、式（２）を満たした炉体１では、脱りん効率（脱Ｐ率）が６０％以上であり、式（２）を満たしていない炉体１での脱りん効率が５０％前後のものに比べ、脱りん効率が高くなった。さらに、式（２）を満たした炉体１では、耐火物原単位が０．３〜０．５kg/tとなり、式（２）を満たしていない炉体１の耐火物原単位の値が０．６のものに比べ、耐火物原単位が小さくなった。
【００３２】
式（３）を満た炉体１では、出鋼時間が他の炉体１に比べて短く６分以内となった。
以上、式（１）〜式（３）のすべてを満たす炉体１が、付着地金が炉口６に付着し難く、放熱ロスや耐火物３の溶損も少なく、脱りん効率が高いうえに、出鋼時間も短くすることができる。
本発明の炉体１は、上記実施の形態に限定されるものではない。即ち、操業を行うことによって耐火物３の溶損し、その結果、前記炉内高さＨ、炉口内径Ｒ、炉体直胴部内径Ｄ、炉内保持容積Ｖｉ及び炉内容積Ｖoが変化した場合でも上記式（１）〜（３）を満たすように、鉄皮２内に貼り付ける各耐火物３の厚みＴ１を調整することにより、本発明の炉体１を形成することができる。即ち、製鋼工場に設置して操業を行っている既存の炉体１に対して適用可能であるし、製鋼工場等に新設する新しい炉体１にも適用可能である。新設する場合には、式（１）〜（３）を満たすように鉄皮２に新しい耐火物３を貼り付けるようにしたり鉄皮２の形状、或いは、厚みＴ２を設定すればよい。
【００３３】
また、上記の説明では、縦横比率をＨ／Ｄ≧１．４にすれば良いことを脱りん処理の観点から説明したが、縦横比率の関係は炉体に入っている湯の攪拌に着目したものであるので、縦横比率をＨ／Ｄ≧１．４の関係は脱りん処理の際に限定されず、脱炭処理の際にも適用できる。言い換えれば、縦横比率をＨ／Ｄ≧１．４にするということは、脱りん処理又は脱炭処理のどちらにでも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】転炉の炉体の全体側面図である。
【図２】炉体を９０°傾けたときの全体側面図である。
【図３】炉口内径と炉内高さとの関係を示す図である。
【図４】炉口内径と炉体高さとの関係を示す図である。
【図５】縦横比率と脱りん効率とを示す実験図である。
【図６】保持率と出鋼時間とを示す実験図である。
【図７】実施例及び比較例をまとめたものである。
【図８】酸素を吹きつけた際のスピッティング粒鉄の飛翔状態でのモデル図である。
【符号の説明】
【００３５】
１ 炉体
２ 鉄皮
３ 耐火物（耐火レンガ）
６ 炉口
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば上底吹き転炉の炉体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、特許文献１に示すように転炉の操業においては、炉体内に溶銑を装入し、炉体の炉口へ上吹き用のランスを挿入した後に、このランスから溶銑に向けて酸素ガスを吹き付けることによって吹錬を行っている。このとき、転炉の操業では、炉体の底部からガスを吹き込んで溶銑を攪拌しながら酸素ガスを吹き込むようにしている。
ランスから酸素ガスを吹き込む際、酸素ガスが溶銑の表面に衝突するため、溶銑の一部がスピッティング粒鉄となって炉口へと飛んでいき、このスピッティング粒鉄が炉口へ付着して地金（以降、炉口に付着した地金のことを付着地金という）となる。
【０００３】
炉口周りに付着地金が付着して堆積すると炉口が小さくなってしまうことから、例えば、炉体内にスクラップを装入する際、スクラップを炉体内へ入れるスクラップシュートが炉口に詰まってしまってスクラップを炉体内へ入れられない問題が発生する。
また、溶銑（溶鋼）の温度［℃］の測定を行うサブランスを炉体内へ挿入する際、前記サブランスが付着地金に衝突してしまう危険性がある。また、チャージ数が多くなるにつれて炉体の底部（炉底部）の耐火物が溶損して減少する結果、次第に相対的に炉口近傍が重くなり、転炉が起きあがりにくくなる傾動トリップが発生する恐れがある。
【０００４】
このように、炉口周りに付着地金が堆積すると様々な問題を引き起こすことから転炉の操業においては付着地金が所定以上堆積すると、例えば、酸素パイプを用いて炉口に付着した付着地金を溶断した後、スクラップシュートを用いて付着地金を除去したり、専用の地金溶解ランスを用いて溶解したりしている。
【特許文献１】特開２００５−２８９３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、付着地金の除去作業を行う間は、転炉の操業を停止しなければならず、生産性が低下してしまう問題がある。また、付着地金の除去作業の際に、炉口の絞り部の耐火物が地金と共に脱落することがあり、転炉寿命が短くなる問題がある。
このような問題に鑑み、転炉の操業においては、炉口周りでの付着地金の堆積速度を低下させる、即ち、付着地金となるスピッティング粒鉄が炉口へ付着し難くすることで前記除去作業をできるだけ少なくすることが望まれている。そこで、ランスチップの改善などを行うことで、スピッティング粒鉄が炉口へ付着しないようにする技術が考えられているが、十分な効果が得られていないのが実情である。
【０００６】
そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、付着地金となるスピッティング粒鉄が炉口へ付着し難い転炉の炉体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】
【０００７】
前記目的を達成するために、本発明は、次の手段を講じた。即ち、本発明における課題解決のための技術的手段は、上底吹きの操業を行う転炉の炉体が、式（１）〜式（３）を満たす形状の点にある。
【０００８】
【数２】
【０００９】
このようにすることで、付着地金となるスピッティング粒鉄が炉口へ付着し難くなり、炉口付近における付着地金の堆積速度（成長速度）を低下させることができ、付着地金の除去作業を少なくすることができる。
式（１）〜式（３）の導出する考え方について図１〜６を用いて説明する。
まず、使用する変数について説明する。図１に示すように、炉体の炉内高さＨｉを、炉口から湯面までの距離とする。詳しくは、炉内高さＨｉは、炉体内に溶銑，冷銑，故銑，鉄屑などの主原料を装入した際の湯面から炉口までの距離である。炉体の直胴部内径Ｄを炉体の直胴部内に耐火物を設けたときの耐火物間の距離（内径）とする。また、炉体高さＨを炉体の底部に設けた耐火物の上面から炉口までの距離とし、炉口内径Ｒを炉体の絞り部の端部内径、即ち、絞り部の最端部（炉口縁）に設けた耐火物間の（距離）内径とする。
【００１０】
図２に示すように、炉内保持容積Ｖｉを、炉体を出鋼側へ９０°傾けた際に炉体が保持可能な溶鋼容積（言い換えれば、溶銑容積）、即ち、炉体を出鋼側へ９０°傾けた際に炉口からスラグ、さらには、溶鋼が出ないようにできる容積とする。炉内容積Ｖoを炉体内の全容積とする。
以下、具体的な導出方法について説明する。
発明者は、過去の操業において炉口へ付着した付着地金を採取し、その断面積や組成分析などを行った結果、スピッティング粒鉄の粒径が１ｍｍ程度のものが付着地金となることが分かった。
【００１１】
そこで、発明者は前記粒径が１ｍｍ程度のスピッティング粒鉄が炉口に付着しない炉内高さＨｉと炉体の炉口内径Ｒとについて検討した。具体的には、図３に示すように、炉口内径Ｒを横軸にとり、炉内高さＨｉを縦軸にとり、粒径が１ｍｍのスピッティング粒鉄が炉口に付着しない各炉内高さＨｉと炉口内径Ｒとを複数の実験や物理的な計算により算出し、図３にプロットした。
前記物理的な計算は、図８に示すように、酸素を炉体内に吹き込んだ状態でのスピッティング粒鉄の速度ｖと、酸素を吹き込んだ際に発生する上昇気流（ＣＯガス）の速度Ｖ（空塔速度）と、抗力と、重力とに着目し、これらを用いて、スピッティング粒鉄が炉口に付着しない運動方程式をたてて、これを解くこととしている。なお、スピッティング粒鉄を球状とした。
【００１２】
図３に示すように、例えば、ランスの送酸速度が７００Ｎｍ3／分であるとき、粒径１ｍｍのスピッティング粒鉄が炉口に付着しない炉内高さＨｉと炉口内径Ｒとは、ラインＫ１（以降、未付着ラインＫ１とする）になった。この場合は、炉内高さＨｉと炉口内径Ｒとを未付着ラインＫ１上になるように決定することで、スピッティング粒鉄が付着し難い炉体を構成できることが分かった。
ここで、前記炉口内径Ｒは炉体直胴部内径Ｄで示すことも可能であって、炉内高さＨｉを炉体高さＨで示すことも可能であるため、図３で炉口内径Ｒを炉体直胴部内径Ｄに置き換えると共に、炉内高さＨｉを炉体高さＨに置き換えたとして、炉体高さＨと炉体直胴部内径Ｄとの関係について考える。
【００１３】
ラインＫ１によって、炉体高さＨと炉体直胴部内径Ｄとを決定すると様々な内容積の炉体を構成することができるが、炉体の内容積は、１チャージ当たりに精錬する量に合わせて決定するのが妥当である。
そこで、発明者は図３に炉内容積が一定の炉内容積一定ラインＶ１を描き、当該炉内容積一定ラインＶ１と前記未付着ラインｋ１との接点Ｐ１を求めた。
炉口内径Ｒ（炉体直胴部内径Ｄ）と炉内高さＨｉ（炉体高さＨ）との関係が点Ｐ１になるとき、炉内容積が一定の炉体では最もスピッティング粒鉄が付着し難い炉体となることが分かる。
【００１４】
ここで、前記点Ｐ１付近を見てみるとその付近で前記未付着ラインＫ１と炉内容積一定ラインＶ１とは近接又は重なっており、未付着ラインＫ１と炉内容積一定ラインＶとの近接点Ｐ２，Ｐ３においても前記点Ｐ１と同等の効果を得ることができる。
したがって、未付着ラインＫ１において点Ｐ２〜Ｐ３の範囲で、炉口内径Ｒと炉内高さＨｉとを決定することが好ましい。
上記と同じように、操業条件などを考慮して複数の未付着ラインと、複数の炉内容積一定ラインとの近接点を複数求め、これらの近接点に対する近似曲線を求めると、図３に示すように、曲線Ｌ１，Ｌ２になった。
【００１５】
図４に示すように、図３の炉内高さＨｉを炉体高さＨに置き換えて、前記曲線Ｌ１，Ｌ２をフィッティングすると曲線Ｌ３，Ｌ４になった。
この曲線の近似式を求めると、曲線Ｌ３は２．８２８ｌｎ（Ｒ）＋７．３９４８となり、曲線Ｌ４は２．８２８ｌｎ（Ｒ）＋５．２５２となった。
したがって、炉体高さＨが曲線Ｌ３及び曲線Ｌ４で囲まれる領域（最適な領域）にあるとき、即ち、前記式（１）を満たすようにすれば付着地金の堆積速度（成長速度）を低下させることができる。
【００１６】
さて、炉体高さＨと炉体直胴部内径Ｄとの関係を考えてみると、例えば、炉体高さＨに対して炉体直胴部内径Ｄが大きくなり過ぎると、溶銑を装入した際に溶銑の深さが浅くなると共にその深さに対する溶銑の湯幅が大きくなりすぎるため、操業の際に溶銑の攪拌などが十分に行えない問題がある。
そこで、発明者は、溶銑を装入した際に溶銑の深さを所定以上確保できるようにすると共に、その溶銑の湯幅が所定以上大きくならないようになる炉体高さＨと炉体直胴部内径Ｄとの縦横比率（Ｈ／Ｄ）を実験により求めた。転炉の操業において、前記縦横比率をＨ／Ｄ≧１．４［式（２）］にすれば、溶銑の攪拌が十分に行えることが分かった。
【００１７】
さて、通常、炉体内の溶鋼（溶銑）を炉体から出鋼（出湯）するとき、炉体を出鋼側に傾けて炉体の出鋼口（出湯口）から出鋼する。溶鋼を出鋼する際、スラグが炉口から出ると、溶鋼を受ける溶鋼鍋内のスラグ量が多くなり溶鋼の品質低下を招く、さらに炉口から流出したスラグが溶鋼鍋に入らず溶鋼鍋を搬送する受鋼台車を焼損する恐れがあるため、スラグが炉口から出ないようにする必要がある。
溶鋼を出鋼する際、即ち、炉体を出鋼側に傾けたとき、スラグが炉口から出ないようにする炉内容積Ｖoと炉内保持容積Ｖｉとを実験により調べた。これらの関係がＶｉ／Ｖo≧０．０６にすると、出鋼の際に炉口からスラグが出ることはなく、スムーズに出鋼作業を行うことができた。
【００１８】
なお、式（１）〜式（３）は、吹錬を行う種類に関わらず適用できる。即ち、上記で示した炉体は、脱りん処理のみを行う炉体にも適用できるし，脱炭処理のみを行う炉体にも適用できる。当然の如く、脱りん処理及び脱炭処理の両方を行う炉体にも適用できるし、上底吹きの操業を行う転炉の炉体であればすべてのものに適用可能である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、付着地金となるスピッティング粒鉄が炉口へ付着しにくくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態を、図面に基づき説明する。
図１は本発明の転炉の炉体の全体側面図を示している。図１に示すように本発明の転炉は、転炉の上側から酸素を吹きつけ且つ、転炉の底部からガスを吹き込むことができる上底吹き転炉であり、転炉の炉体１内に溶銑（溶鋼）やスクラップ等が収容可能となっている。
前記炉体１は有底で筒状に形成された鉄皮２と、この鉄皮２の内部に設けられた複数の耐火物３（耐火レンガ）から構成されている。炉体１の底部４にはガスを吹き込むための底吹き羽口５が設けられ、この底吹羽口５（炉体の底部４）に対向する側に炉口６が形成されている。炉口６に酸素などを吹くための上吹きランス７が挿入可能になっている。
【００２１】
鉄皮２は、底部１０と、この底部１０から炉口６側にいくにしたがって徐々に内径及び外径が大きくなる拡大部１１と、この拡大部１１から連続していて内径及び外径が略一定の直胴部１２と、この直胴部１２から炉口６側にいくにしたがって徐々に内径及び外径が小さくなる絞り部１３とを備えたものとなっている。
前記耐火物３は、鉄皮２の底部１０，拡大部１１，直胴部１２及び絞り部１３に沿うように順番に鉄皮２内に貼り付けられ、貼り付けられた耐火物３の内面が鉄皮２の内面に略沿ったものとなっている。鉄皮２の直胴部１２に溶銑８（溶鋼）を出湯（出鋼）するための出湯口９（出鋼口）が形成されている。
【００２２】
以上のことから、炉体１には、鉄皮２及び耐火物３によって、外径又は内径が徐々に大きくなる炉拡大部１５が形成され、この炉拡大部１５に連続して形成され外径又は内径が略一定となる炉直胴部１６と、この炉直胴部１６から炉口６にいくにしたがって外径又は内径が小さくなる炉絞り部１７とがそれぞれ形成されている。そして、前記炉拡大部１５、炉直胴部１６及び炉絞り部１７の内径や炉内高さは、鉄皮２に耐火物３を貼り付ける際に、耐火物３の厚みＴ１を調整することによって自在に変更することができる。前記厚みＴ１は、鉄皮２の内面に対向する対向部から径内側までの距離である。
【００２３】
転炉の炉体１の形状は式（１）〜式（３）を満たすように設定されている。
【００２４】
【数３】
【００２５】
式（１）〜式（３）において、炉体高さＨは、炉口６から炉体１の底部４に貼り付けた耐火物３の内面１４（上面）までの距離である。詳しくは、図１に示すように、炉体高さＨは炉体１の左右方向中心位置での高さとする。炉口内径Ｒは炉絞り部１７（鉄皮２の絞り部１３）の最端部に設けた耐火物３の内径、詳しくは、左側の最端部耐火物３ａの内面から右側の最端部耐火物３ｂの内面までの距離である。
また、炉体直胴部内径Ｄは、炉直胴部１２に設けた耐火物３の内径、詳しくは、左側の炉直胴部１６に位置する耐火物３ｃの内面から右側の炉直胴部１６に位置する耐火物３ｄの内面までの距離であり、前記炉内保持容積Ｖｉは、炉体１を出鋼側（出湯側）へ９０°傾けた際に炉体１が溶銑を保持できる容積である。炉内容積Ｖoは炉体内の全容積（耐火物３で取り囲まれた容積）である。
【００２６】
式（２）は実験により求めたもので、実験炉で炉内高さＨと炉体直胴部内径Ｄとを変化させながら複数の脱りん処理を行った結果から求めた。
図５は、実験結果をまとめたもので、炉体高さＨを炉体直胴部内径Ｄで割った縦横比率（Ｈ／Ｄ）を横軸にとり、縦軸に脱りんの効率を縦軸にとって、これらの実験データをプロットしたものである。なお、脱りん効率は、脱りん開始時のりん濃度を［Ｐ］ｉとし、脱りん終了時のりん濃度を［Ｐ］ｆとし、開始時のりん濃度［Ｐ］ｉから終了時のりん濃度［Ｐ］ｆを引いて、この値を開始時のりん濃度［Ｐ］ｉで割ることにより、脱りんの割合を百分率で示したものである。
【００２７】
図５に示すように、前記縦横比率が１．４以上であるときは殆どの脱りん処理において脱りん効率（脱りん割合）が６０％を超えており、脱りん処理における攪拌には問題がなかった。
式（３）は式（２）と同様に実験により求めたもので、実験炉で炉内保持容積Ｖｉと炉内容積Ｖoとを変化させながら複数の脱りん処理を行った結果から求めた。
図６は、実験結果をまとめたもので、炉内保持容積Ｖｉを炉内容積Ｖoで割った保持率（Ｖｉ／Ｖo）を横軸にとり、出鋼時間を縦軸にとって、これらの実験データをプロットしたものである。
【００２８】
図６に示すように、前記保持率が０．０６未満であると、出鋼（出湯）の際にスラグＳが炉口６から流出してその影響で出鋼時間が６分以上かかってしまい問題があった。保持率が０．０６以上であるときは、スラグＳが炉口６から流出することもなく、出鋼時間は６分以内にすることができた。
なお、上記では、保持率を０．０６以上にする、即ち、Ｖｉ／Ｖo≧０．０６にすると良いことを出鋼の観点（脱炭処理を行った後に溶鋼を出鋼するという観点）から説明したが、湯面上に脱りん処理の際にも脱炭処理と同じようにスラグＳが形成される。
【００２９】
したがって、脱りん処理を行った後の出湯の際にもスラグＳが炉口６からでないようにする必要があるので、Ｖｉ／Ｖo≧０．０６の関係は脱炭処理の際に限定されず、脱りん処理を行って溶銑を出湯する際に保持率を０．０６以上にするとよい。言い換えれば、Ｖｉ／Ｖo≧０．０６にするということは、脱りん処理又は脱炭処理のどちらにでも適用することができる。
図７は、炉体の形状を変えて操業を行った結果をまとめたものである。図７の実施例１，２は式（１）〜式（３）のすべてを満たす形状の炉体１（転炉）を形成して脱りん処理を伴いつつ脱炭処理を行ったもので、比較例１〜７は、少なくとも式（１）〜式（３）の一つを満たさないように脱りん処理を伴いつつ脱炭処理を行った。なお、実施例及び比較例において、転炉へ装入した溶銑の［Ｐ］濃度は、０．０３０〜０．０４０％ と、Ｐ規格の上限である０．０２０％より高いものを使用し、脱りん処理が必要な条件で行った。また、酸素を吹き込むランスは、その孔数が６個、その孔径が４２mm、送酸の吐出角度１５°、酸素を送り出す送酸素速度は３．０Ｎｍ3/分・t、ランスの高さ２．８ｍ（湯面からランス先端までの高さ），底吹きガスの流量（速度）を０．０６Ｎｍ3/分・tとして、各実験例及び比較例の操業条件を同じにした。
【００３０】
各実施例及び比較例では、溶鋼１ton当たりのダスト発生量（kg/t），地金取り間隔（ch/回），即ち、付着地金の除去を終了してから再度除去作業を開始するまでに操業できる総チャージ数、放熱ロス（Ｍcal/t），溶鋼１ton当たりの溶製によって耐火物３が溶損する量を示す耐火物原単位（kg/t）、脱りん効率（脱Ｐ率），出鋼時間（分/ch）を調べた。
図７に示すように、式（１）を満たす炉体１では地金取り間隔が１８〜２０ch/回となり、式（１）を満たさない炉体１では地金取り間隔が４〜８ch/回となった。
【００３１】
したがって、式（１）を満たす炉体１の地金取り間隔が式（１）を満たさない炉体１に比べ、地金取り間隔が大幅に大きくなった。即ち、炉体１の形状を式（１）を満たすようにすることで、付着地金の除去を終了してから再度除去作業を開始するまでの総チャージ数を増加させることができた。
式（２）を満たした炉体１では、放熱ロスが７．２〜１０Ｍcal/tとなり、式（２）を満たしていない炉体１での放熱ロスの値が１２Ｍcal/tや１４Ｍcal/tのものに比べ、放熱ロスが小さくなった。また、式（２）を満たした炉体１では、脱りん効率（脱Ｐ率）が６０％以上であり、式（２）を満たしていない炉体１での脱りん効率が５０％前後のものに比べ、脱りん効率が高くなった。さらに、式（２）を満たした炉体１では、耐火物原単位が０．３〜０．５kg/tとなり、式（２）を満たしていない炉体１の耐火物原単位の値が０．６のものに比べ、耐火物原単位が小さくなった。
【００３２】
式（３）を満た炉体１では、出鋼時間が他の炉体１に比べて短く６分以内となった。
以上、式（１）〜式（３）のすべてを満たす炉体１が、付着地金が炉口６に付着し難く、放熱ロスや耐火物３の溶損も少なく、脱りん効率が高いうえに、出鋼時間も短くすることができる。
本発明の炉体１は、上記実施の形態に限定されるものではない。即ち、操業を行うことによって耐火物３の溶損し、その結果、前記炉内高さＨ、炉口内径Ｒ、炉体直胴部内径Ｄ、炉内保持容積Ｖｉ及び炉内容積Ｖoが変化した場合でも上記式（１）〜（３）を満たすように、鉄皮２内に貼り付ける各耐火物３の厚みＴ１を調整することにより、本発明の炉体１を形成することができる。即ち、製鋼工場に設置して操業を行っている既存の炉体１に対して適用可能であるし、製鋼工場等に新設する新しい炉体１にも適用可能である。新設する場合には、式（１）〜（３）を満たすように鉄皮２に新しい耐火物３を貼り付けるようにしたり鉄皮２の形状、或いは、厚みＴ２を設定すればよい。
【００３３】
また、上記の説明では、縦横比率をＨ／Ｄ≧１．４にすれば良いことを脱りん処理の観点から説明したが、縦横比率の関係は炉体に入っている湯の攪拌に着目したものであるので、縦横比率をＨ／Ｄ≧１．４の関係は脱りん処理の際に限定されず、脱炭処理の際にも適用できる。言い換えれば、縦横比率をＨ／Ｄ≧１．４にするということは、脱りん処理又は脱炭処理のどちらにでも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】転炉の炉体の全体側面図である。
【図２】炉体を９０°傾けたときの全体側面図である。
【図３】炉口内径と炉内高さとの関係を示す図である。
【図４】炉口内径と炉体高さとの関係を示す図である。
【図５】縦横比率と脱りん効率とを示す実験図である。
【図６】保持率と出鋼時間とを示す実験図である。
【図７】実施例及び比較例をまとめたものである。
【図８】酸素を吹きつけた際のスピッティング粒鉄の飛翔状態でのモデル図である。
【符号の説明】
【００３５】
１ 炉体
２ 鉄皮
３ 耐火物（耐火レンガ）
６ 炉口
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上底吹きの操業を行う転炉の炉体が、式（１）〜式（３）を満たす形状であることを特徴とする転炉の炉体。
【数１】
【請求項１】
上底吹きの操業を行う転炉の炉体が、式（１）〜式（３）を満たす形状であることを特徴とする転炉の炉体。
【数１】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００７−４６１１６（Ｐ２００７−４６１１６Ａ）
【公開日】平成１９年２月２２日（２００７．２．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２３２４６４（Ｐ２００５−２３２４６４）
【出願日】平成１７年８月１０日（２００５．８．１０）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年２月２２日（２００７．２．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年８月１０日（２００５．８．１０）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
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