专利名称：转炉的吹炼方法和转炉吹炼用的顶吹喷枪的制作方法
技术领域：
本发明涉及用氧气对铁水进行氧化的精炼转炉的吹炼方法，以及转炉吹炼用的顶吹喷枪。
背景技术：
在使用铁水的转炉吹炼方法中，都是用顶吹氧气或者底吹氧气的方法，进行主要目的是脱碳的氧化精炼。近年来，在更短的时间内对大量铁水进行精炼，以便获得很高的生产率的要求比以往更加高涨了。更进一步，为了将大量的铁矿石和锰矿石在炉内直接还原，或者为了将大量废铁在炉内熔化，所需要的氧气量越来越多。为此，就需要有在把大量氧气在短时间内稳定地吹入炉内的同时，还能高精度地控制其成分的技术。此外，由于以铁水的脱磷和脱硫为目的的铁水预处理工艺的发展，在转炉吹炼中所产生的炉渣量大大地减少了，产生了许多与以往的工艺中不同的因素。为了应对这些情况，当务之急是需要一种最适宜的转炉快速吹炼方法。
在用顶吹喷枪的氧化精炼过程中，氧气是从设置在顶吹喷枪顶端的，称为拉瓦尔喷嘴的末端扩大的喷嘴中，以超音速或者亚音速的气流供向转炉内部的。在这样的情况下，为了不使脱碳反应等的反应效率降低，通常供应的氧气量比较多，是根据吹炼的初期到中期的高碳范围内的精炼条件来设计拉瓦尔喷嘴形状的。下文中，将氧气的供应量称为“供氧速度”。换言之，在供氧速度大的情况下，喷射出来的氧气借助于拉瓦尔喷嘴能适当地膨胀，达到超音速的速度，相反，在吹炼末期的相当于低碳范围内的供氧速度较小的情况下，氧气在拉瓦尔喷嘴中过度膨胀，阻碍了它达到超音速的速度。从吹炼初期到中期的高碳范围内，熔融金属中的含碳量大约超过0.6质量％，而在吹炼末期的低碳范围内，含碳量大约在0.6质量％以下。
在为了达到高生产率的供氧速度进一步增大的转炉吹炼中，当采用根据这种设计思想的拉瓦尔喷嘴时，由顶吹喷枪所供应的氧气气流的喷射速度进一步提高，到达熔融金属表面的喷射气流速度大大增加，将更加激起熔融金属表面的紊乱。在以往的每一顿钢水的钢渣重量超过50kg的吹炼方法中，为了使氧气流能切实地穿过钢渣层，这种设计思想是必然的。
可是，在近年来的钢渣量很少的吹炼方法中，这种设计思想的必要性降低了，相反，随着气流速度的增大，熔融金属的表面被搅乱了，在钢渣量很少的吹炼中，会激起熔融金属剧烈地飞溅，增加沾粘在炉口和炉盖、顶吹喷枪、还有排气设备等部位上的生铁块，对作业产生不良的影响，同时还会降低铁的回收率，使生产率下降。此外，随着上述飞溅，铁尘的产生也显著增加，从产生铁尘这一点来看，铁的回收率也下降了。
为了阻止这种作业状况的恶化，曾经提出过对拉瓦尔喷嘴的孔径和倾角等顶吹喷枪形状的硬件方面的改进方案，以及控制顶吹喷枪的顶端与液体金属表面之间的距离和送氧的速度等作业条件的对策。下文中称上述喷枪的顶端与液体金属表面之间的距离为“喷枪高度”。例如，在日本专利公报特开平6-228624号公报中，公开了在改进顶吹喷枪的形状的同时，使得送氧速度和喷枪高度与拉瓦尔喷嘴的形状相配合，将其控制在适当的范围内的吹炼方法。可是，像这一公报那样，为了抑制大流量过程中铁水的飞溅和铁尘，因而对拉瓦尔喷嘴的构造和喷枪的高度进行变化的情况下，由于从顶吹喷枪喷射出来的氧气流的轨迹和级和形状有了很大的变化，以至产生了不必要的二次燃烧，以及因反应界面的面积变化而造成的反应效率变劣的所谓二次不良影响。另外，在由于机械的布置或者在作业上改变喷枪高度很困难的情况下就不能使用这种方法来处理。
另一方面，在吹炼末期的低碳范围中，所供应的氧气不但要用于脱碳，铁的氧化也要消耗很多氧气，所以为了抑制铁的氧化，提高氧气的脱碳效率，要降低送氧的速度。在此情况下，由于送氧的速度要从拉瓦尔喷嘴的适宜的流量值大幅度地下调，就不可能获得拉瓦尔喷嘴的最佳效果，不必要地减少氧气流，炉渣中的T.Fe将明显增加，降低了吹炼末期的脱碳反应的效率。另外，为了提高吹炼结束时铁水中各种成分的精确度，虽然把吹炼末期的的送氧速度控制在极低的值上是很必要的，但是，过于低了，氧气流的动压力将极度下降，会引起铁的剧烈氧化，所以送氧速度的降低是有限度的。以上所说的T.Fe是炉渣中的FeO和Fe2O3等全部铁的氧化物中铁的组分的总量。
在特开平10-30110号公报中，公开了使用这样的顶吹喷枪的转炉吹炼方法，它对于用拉瓦尔喷嘴的喉径与送氧速度所决定的拉瓦尔喷嘴的最适宜的膨胀出口直径D，在高碳范围内使用具有0.85D～0.94D的出口直径的顶吹喷枪，在低碳范围内，则使用具有0.96D到1.15D出口直径的顶吹喷枪。另外，即使使用同一个拉瓦尔喷嘴，则借助于改变送氧速度和拉瓦尔喷嘴的喷嘴背压P，也能对于适宜的膨胀出口直径D在上述范围内改变出口直径。
按照该公报，借助于按照上述方式改变拉瓦尔喷嘴的形状，就能在高碳范围内得到软吹风，而在低碳范围内得到硬吹风，就能同时达到降低铁尘和减少铁的氧化的目的。可是，在这种吹炼方法中，为了切实地对精炼进行控制，就必须使用形状不同的两种以上的顶吹喷枪，不能忽视其设备和操作上的复杂化的缺点。另外，在使用同一个顶吹喷枪的情况下，在使得拉瓦尔喷嘴的设计复杂化的同时，还有不能根据炉内的状况自由地改变送氧速度等问题。此外，对于炉渣量极少的情况是否可以适用，还有许多问题是不清楚的。
发明内容
本发明的目的是提供一种转炉的吹炼方法，这种方法能降低在向脱碳旺盛期的高碳区域高速送氧吹炼时，铁水的飞溅和铁尘的产生，而且，同时还能抑制在吹炼末期的低速送氧吹炼时铁的氧化，能提高低速送氧时反应的稳定性。
为达到上述目的，本发明提供了一种使用在其顶端设置了拉瓦尔喷嘴的顶吹喷枪来进行吹炼的转炉吹炼方法。
上述拉瓦尔喷嘴具有这样的喷嘴背压PO(kPa)，这个背压对于由脱碳最旺盛时期的高碳区域的送氧速度Fs(Nm3/hr)所确定的每一个拉瓦尔喷嘴孔的送氧速度Fhs(Nm3/hr)，和喉径Dt(mm)来说，满足下述公式。
PO＝Fhs/(0.00465·Dt2)拉瓦尔喷嘴的出口直径De，对于喷嘴的背压PO(kPa)和周围环境气压Pe(kPa)，以及上述喉径Dt(mm)来说，应该满足下列公式。
De2≤0.23×Dt2/{(Pe/PO)5/7×[1-(Pe/PO)2/7]1/2}在上述转炉吹炼方法中，上述拉瓦尔喷嘴的出口直径De、喷嘴背压PO(kPa)、周围环境气压Pe(kPa)、以及上述喉径Dt(mm)应该满足下述公式。
De2≤0.185×Dt2/{(Pe/PO)5/7×[1-(Pe/PO)2/7]1/2}更进一步，上述拉瓦尔喷嘴的出口直径De相对于喷嘴背压PO(kPa)、周围环境气压Pe(kPa)、以及上述喉径Dt(mm)应该满足下述公式。
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}在上述转炉吹炼方法中，上述顶吹喷枪有多个拉瓦尔喷嘴，其中至少一个拉瓦尔喷嘴要满足下列两个公式的条件。
PO＝Fhs/(0.00465·Dt2)De2≤0.23×Dt2/{(Pe/PO)5/7×[1-(Pe/PO)2/7]1/2}如果能满足下列两个公式就更好。
PO＝Fhs/(0.00465·Dt2)De2≤0.185×Dt2/{(Pe/PO)5/7×[1-(Pe/PO)2/7]1/2}在上述转炉吹炼方法中，以每一顿钢水的钢渣重量不足50kg为好。更好一些是每一顿钢水的钢渣重量不足30kg。
此外，在上述转炉吹炼方法中，拉瓦尔喷嘴具有这样的喷嘴背压POO(kPa)，这个背压对于由脱碳末期的低碳区域的送氧速度FM(Nm3/hr)所确定的每一个拉瓦尔喷嘴孔的送氧速度FhM(Nm3/hr)，和上述喉径Dt(mm)来说，满足下述公式。
POO＝FhM/(0.00465·Dt2)上述出口直径De对于由背压POO(kPa)、周围环境气压Pe(kPa)、以及上述喉径Dt(mm)用下式所获得的最佳出口直径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}
更进一步，本发明提供了一种使用在其顶端设置了拉瓦尔喷嘴的顶吹喷枪进行吹炼的转炉吹炼方法。
上述拉瓦尔喷嘴具有这样的喷嘴背压POO(kPa)，这个背压对于由脱碳末期的低碳区域的送氧速度FM(Nm3/hr)所确定的每一个拉瓦尔喷嘴孔的送氧速度FhM(Nm3/hr)，和上述喉径Dt(mm)来说，满足下述公式。
POO＝FhM/(0.00465·Dt2)上述拉瓦尔喷嘴出口直径De对于由背压POO(kPa)、周围环境气压Pe(kPa)、以及上述喉径Dt(mm)用下式所获得的最佳出口直径Deo(mm)，其比例(De/Deo)为0.95以下。
Deo2≤0.259×Dt2/{(Pe/POO)5/7×[1-(Pe/POO)2/7]1/2}在上述转炉吹炼方法中，上述顶吹喷枪有多个拉瓦尔喷嘴，其中至少一个拉瓦尔喷嘴要满足下列两个公式的条件。
POO＝FhM/(0.00465·Dt2)Deo2＝0.259×Dt2/{(Pe/POO)5/7×[1-(Pe/POO)2/7]1/2}在上述转炉吹炼方法中，以每一顿钢水的钢渣重量不足50kg为好。更好一些是每一顿钢水的钢渣重量不足30kg。
此外，本发明还提供了一种在其顶端设置拉瓦尔喷嘴的转炉吹炼用的顶吹喷枪。
上述拉瓦尔喷嘴具有这样的喷嘴背压PO(kPa)，这个背压对于由脱碳最旺盛时期的高碳区域的送氧速度Fs(Nm3/hr)所确定的每一个拉瓦尔喷嘴孔的送氧速度Fhs(Nm3/hr)，和喉径Dt(mm)来说，满足下述公式。
PO＝Fhs/(0.00465·Dt2)拉瓦尔喷嘴的出口直径De，对于喷嘴的背压PO(kPa)和周围环境气压Pe(kPa)，以及上述喉径Dt(mm)来说，应该满足下列公式。
De2≤0.23×Dt2/{(Pe/PO)5/7×[1-(Pe/PO)2/7]1/2}还有，本发明提供了一种在其顶端设置拉瓦尔喷嘴的转炉吹炼用的顶吹喷枪。
上述拉瓦尔喷嘴具有这样的喷嘴背压POO(kPa)，这个背压对于由脱碳末期的低碳区域的送氧速度FM(Nm3/hr)所确定的每一个拉瓦尔喷嘴孔的送氧速度FhM(Nm3/hr)，和上述喉径Dt(mm)来说，满足下述公式。
POO＝FhM/(0.00465·Dt2)上述出口直径De对于由背压POO(kPa)、周围环境气压Pe(kPa)、以及上述喉径Dt(mm)用下式所获得的最佳出口直径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}
图1是脱碳最旺盛时期的铁尘发生速度和铁末附着量与常数K之间的关系图；图2是实际出口直径De与最佳出口直径Deo之比与吹炼结束时的T.Fe之间的关系图；和图3是本发明所使用的拉瓦尔喷嘴的示意断面图。
具体实施例方式
本发明的发明人使用了具有比根据脱碳最旺盛时期的高碳范围内的高送氧速度所设计出来的出口直径De更要小得多的出口直径De的拉瓦尔喷嘴，从而得知了能解决现有技术中的问题的技术方案。下面，对其研究的成果进行说明。
氧气吹炼时转炉中的炼制过程大致分为高碳范围(C＞0.6质量％)与低碳范围(C≤0.6质量％)。在高碳范围内，所供应的氧气几乎全部消耗于脱碳反应，反应的速度与氧气的供应速度成比例，是高送氧速度的吹炼过程。另一方面，在低碳范围内，脱碳的速度与供氧的速度不成比例了，因为有一部分氧气消耗在铁的氧化上了，因而，为了控制铁的氧化，提高脱碳的效率，要降低送氧的速度。
此时，在高碳范围内的吹炼中，为了降低铁水的飞溅和铁尘的产生，在保持高的送氧速度的同时，必须降低熔融金属表面上氧气流的动压力。但是，为了避免不需要的2次燃烧和保持脱碳氧气的高效率，必须尽可能地使氧气流的喷射形状和轨迹保持同样的条件。另一方面，在低碳范围中，为了提高氧气的脱碳效率，要降低送氧的速度，但氧气流的动压却随之而大幅度地降低了，在这样的情况下，氧气的脱碳效率降低，即，铁的氧化增多了。而且，送氧速度越低，这种恶化的程度越严重。因此，虽然希望让铁水表面的氧气流的动压保持在尽可能高的数值，但是，如果用降低喷枪的高度来增大氧气流的动压，则由于从铁水表面向四面喷射而造成的顶吹喷枪顶端的损耗，以及由于铁水表面的飞溅而造成的向顶吹喷枪上的铁末的附着量显著增加，而受到限制。由于在高碳范围内与在低炭范围内有相反的要求，而且要避开对喷枪高度等的作业条件变化的可能性的限制，因此，必须有相应的对策。
转炉吹炼中的拉瓦尔喷嘴是根据送氧速度来设计的，通常，是按照从吹炼初期到中期的高碳范围内的送氧速度来设计的。即，拉瓦尔喷嘴的设计是采用根据从高碳范围的送氧速度Fs(Nm3/hr)所求得的每一个拉瓦尔喷嘴孔的送氧速度Fhs(Nm3/hr)和喉径Dt(mm)，用下列公式(1)来确定喷嘴的背压PO(kPa)，再使用所确定的喷嘴的背压PO(kPa)和周围环境气压Pe(kPa)以及上述喉径Dt(mm)，用下列公式(5)来确定拉瓦尔喷嘴的出口直径De(mm)。
PO＝Fhs/(0.00465·Dt2) .......(1)De2＝K×Dt2/{(Pe/PO)5/7×[1-(Pe/PO)2/7]1/2} ......(5)此处，每一个拉瓦尔喷嘴的送氧速度Fh可以用拉瓦尔喷嘴的喉径Dt的总断面积与每一个拉瓦尔喷嘴的喉径Dt的断面积的比与送氧速度F相乘来求得。通常，在设置多个拉瓦尔喷嘴的情况下，各拉瓦尔喷嘴的喉径Dt实质上是相同的，所以可以将送氧速度F除以拉瓦尔喷嘴的个数来求得Fh。另外，所谓周围环境气压Pe是指拉瓦尔喷嘴外部的环境气压，换言之，是转炉内部周围气体环境的气压。此外，(1)式和(5)式是拉瓦尔喷嘴中成立的关系式，是在设计拉瓦尔喷嘴时众所周知的公式。(5)式中的K是一个常数。
(5)式中的常数K在理论上是0.259，但，在实际操作中，很少使送氧速度F与喷嘴背压PO的比例(F/PO)保持恒定，所以在操作上一般要控制比例(F/PO)，使常数K保持在0.24～0.28的范围内。在以常数K为0.24～0.28来确定出口直径De的拉瓦尔喷嘴中，氧气流几乎以最适宜的方式膨胀，氧气流本身的能量最大。因此，到达铁水表面的氧气流的能量也达到最大，铁水的飞溅和铁尘的产生也很剧烈。
另一方面，随着吹炼的进行而到达低碳范围时，当按照上述方式那样降低送氧速度时，如果使用以往的那种拉瓦尔喷嘴，由于喷嘴是根据高碳范围的高送氧速度设计的，当随后的送氧速度过低时，氧气流的变弱是极为严重的，将使得脱碳的反应效率降低，即由于铁的氧化，吹炼过程将极为不稳定，在吹炼末期熔融金属中的组分的精度将急剧恶化。
因此，当使用按照以往的高送氧速度的拉瓦尔喷嘴时，吹炼末期的反应有不稳定的倾向，此外，对于在高碳范围中的送氧速度来说，吹炼末期的送氧速度存在着降低比例的下限，在此限度以下的送氧速度将使吹炼末期的组分命中率大大下降。
因此，本发明人等为了解决这个问题，使用了喉径Dt虽然与以往的喷嘴相同，但出口直径De却与以往不相同的拉瓦尔喷嘴，并对吹炼过程中的脱碳最旺盛时期和吹炼末期转炉的反应过程进行了调研。具体的说，拉瓦尔喷嘴的出口直径用以下的方式来确定。即，用上述(1)式从高碳范围内的送氧速度Fhs和喉径Dt求得喷嘴的背压PO，再从所求得的喷嘴背压PO和周围环境气压Pe以及喉径Dt，在用上述(5)式求得出口直径De的过程中，使常数K在0.15～0.26的范围内作各种变化，以此来确定出口直径De。随着常数K从0.26逐渐变小，出口直径De就变小，拉瓦尔喷嘴内氧气流的膨胀就越加呈现不充分的状态。此外，所使用的转炉是在以后的实施例中描述的转炉。
在这种吹炼过程中，对脱碳最旺盛期的铁尘产生速度以及铁末的附着量与常数K之间的关系的调研结果如图1所示。如图1所示，当常数K大约在0.23以下时，铁尘产生速度以及铁末的附着量都比较少。即，已经得知，当出口直径De在下列公式(2)所确定的范围内时，铁尘产生速度以及铁末的附着量都减少了。如果常数K在0.185以下，则铁尘产生速度以及铁末的附着量将更加减少。常数K的最佳范围为0.15～0.18。我们认为，这是由于把出口直径De做得比理论值(K＝0.0259)小，在高碳范围内高送氧速度时的氧气流在拉瓦尔喷嘴内膨胀不充分，在氧气流的喷射减弱的同时，氧气流在铁水表面上的运动能量也减小的缘故。此时，虽然说常数K越小，气流的减弱效果越大，但，出口直径De应该与喉径Dt使用同样的K值是其计算时的下限。
De2≤0.23×Dt2/{(Pe/PO)5/7×[1-(Pe/PO)2/7]1/2}......(2)另一方面，在吹炼末期的低碳范围内，为了降低T.Fe和促进精炼的反应和稳定，必须在降低送氧速度的同时增大氧气流的能量。当使用比从脱碳最旺盛期时的高碳范围内的送氧速度所求得的理论值小的出口直径De的拉瓦尔喷嘴时，即，使用常数K在0.259以下的出口直径De所设计出来的拉瓦尔喷嘴时，随着出口直径De的减小，虽然脱碳最旺盛时期的氧气流将会不能充分膨胀，但在吹炼末期送氧速度较低时，必然是接近膨胀程度最适宜的氧气流，特别是，即使不采取任何对策，氧气流的能量也将增大，由于氧气流能量的增大而获得精炼反应的改善效果，就能使T.Fe减少，并促进和稳定精炼反应。
为了使这种这种改善的效果达到最大程度，最好是在吹炼末期的送氧速度中获得最佳的膨胀气流。为此，要按照下列(3)式，从这种吹炼的吹炼末期拉瓦尔喷嘴的每一个孔的送氧速度FhM(Nm3/hr)和预先设定的拉瓦尔喷嘴的喉径Dt(mm)，求出吹炼末期喷嘴的背压POO(kPa)，再使用所确定的喷嘴的背压POO(kPa)和周围环境气压Pe(kPa)以及上述喉径Dt(mm)，用下列公式(4)求出吹炼末期的最佳出口直径Deo(mm)，并使所求出的最佳出口直径Deo与拉瓦尔喷嘴的出口直径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)
不过，实际上很难使用上述方法求出的最佳直径Deo与实际出口直径De一致。因此，又对De/Deo的比例在怎样的范围内能达到降低炉渣中的T.Fe的效果进行了调研。调研在上述同样的转炉上实施。
图2表示了调研的结果。
图2中，横坐标是所使用的喷嘴的出口直径De与从实际操作时吹炼末期的条件算出来的最佳出口直径Deo的比值，而在纵坐标上则表示吹炼结束时的T.Fe。由图2可以很清楚的看出，在吹炼末期的低碳范围内，如果所使用的喷嘴出口直径De与计算出来的最佳出口直径Deo之比(De/Deo)在1.10以下的范围内，则与以往的水平相比，可以把T.Fe压低。更进一步，从大量的试验结果可知，De/Deo在0.90～1.05的范围内，降低T.Fe的效果显著，能取得良好的效果。当出口直径De在上述(2)式的范围内时，这种效果很显著。如果常数K在0.18以下，而且每吨钢水的炉渣量不到50kg，最好是不到30kg，效果就更好。
在此情况下，特别是当De/Deo在0.95以下时，是脱碳最旺盛时期的氧气流减弱的效果必然扩大，而且还能保持末期的精炼效果的范围。而且，因为多少也能获得一些气流减弱的效果，所以不仅有减少T.Fe的效果，而且还能在整个吹炼过程中使附着在喷枪上的铁末减少到最少。即使出口直径De不在上述(2)式的范围内，只设定De/Deo在0.95以下时，也能获得这些效果。
在转炉吹炼时炉内的炉渣量很少的情况下，被炉渣覆盖的熔融金属的比例很小，在高碳范围时铁尘和铁水的飞溅量增加。但上述的转炉吹炼方法却能抑制铁尘和铁水的飞溅量。此外，在吹炼末期的低碳范围内，炉渣量少的情况下，由于妨碍气流动压的主要因素少了，所以能取得在广泛的范围内进行控制的效果。因此，上述转炉吹炼方法如用于每吨钢水的炉渣量不到50kg，最好是不到30kg的吹炼，更进一步发挥其效果。
由于本发明是基于以上的认识而创造出来的，所以，实施方式1-1中的转炉吹炼方法，是使用了其顶端设有拉瓦尔喷嘴的顶吹喷枪，并且用根据熔融金属的含碳量而不同的送氧速度进行吹炼的转炉吹炼方法，其特征在于，使用具有拉瓦尔喷嘴的顶吹喷枪，该拉瓦尔喷嘴对于脱碳最旺盛时期的高碳范围内的送氧速度Fs(Nm3/hr)所确定的每一个拉瓦尔喷嘴孔的送氧速度Fhs(Nm3/hr)和拉瓦尔喷嘴的喉径Dt(mm)，来确定能满足上述公式(1)的喷嘴背压PO(kPa)，再使用所确定的喷嘴背压PO(kPa)和周围环境气压Pe(kPa)以及上述喉径Dt(mm)，用上述公式(2)来确定出口直径De(mm)。
实施方式1-2中的转炉吹炼方法比实施方式1-1更进一步，其特征在于，上述出口直径De，与根据喷嘴背压POO(kPa)和周围环境气压Pe(kPa)以及上述喉径Dt(mm)，用公式(4)求出的最佳出口直径Deo(mm)之比(De/Deo)，在1.10以下的范围内，而上述喷嘴背压POO(kPa)对于由在吹炼末期的低碳范围内的送氧速度FM(Nm3/hr)所确定的拉瓦尔喷嘴的每一个孔的送氧速度FhM(Nm3/hr)和上述喉径Dt(mm)，满足上述(3)式。
实施方式1-3中的转炉吹炼方法，是使用了其顶端设有拉瓦尔喷嘴的顶吹喷枪，并且用根据熔融金属的含碳量而不同的送氧速度进行吹炼的转炉吹炼方法，其特征在于，上述出口直径De，与根据喷嘴背压POO(kPa)和周围环境气压Pe(kPa)以及上述喉径Dt(mm)，用公式(4)求出的最佳出口直径Deo(mm)之比(De/Deo)，在0.95以下，而上述喷嘴背压POO(kPa)对于由在吹炼末期的低碳范围内的送氧速度FM(Nm3/hr)所确定的拉瓦尔喷嘴的每一个孔的送氧速度FhM(Nm3/hr)和上述拉瓦尔喷嘴喉径Dt(mm)，满足上述(3)式。
实施方式1-4中的转炉吹炼方法，是按照实施方式1-1到1-3中任何一种方式的吹炼方法，其特征在于，上述顶吹喷枪具有多个拉瓦尔喷嘴，其中，至少有一个拉瓦尔喷嘴满足上述条件。
实施方式1-5中的转炉吹炼方法，是按照实施方式1-1到1-4中任何一种方式的吹炼方法，其特征在于，转炉中每吨钢水的炉渣量不到50kg。
实施方式1中的喷嘴背压P、PO、POO以及周围环境气压Pe是用绝对压力(真空状态的压力为0，以此为基准来表示的压力)来表示的压力。
下面，参照
本发明的实施方式。图3是本发明所使用的拉瓦尔喷嘴的示意断面图。如图3所示，拉瓦尔喷嘴2是由断面缩小的和断面扩大的两个圆锥体部分组成的，断面缩小的部分称为挤压部分3，扩大部分称为裙部5将从挤压部分3过渡到裙部5的部位的最狭窄的部位称为喉部4，在铜制的喷枪喷嘴1上设有一个到多个拉瓦尔喷嘴2。
喷枪喷嘴1用焊接等方法连接在喷枪本体(图中未表示)的下端，构成了顶吹喷枪(图中未表示)。通过喷枪本体内部的氧气依次流过挤压部分3、喉部4、裙部5，以超音速或亚音速的气流供入转炉内。图中的Dt是喉径，De是出口直径，裙部5的扩张角度θ通常在10度以下。
虽然在图3中所示的拉瓦尔喷嘴2中挤压部分3和裙部5都是圆锥体，但，作为拉瓦尔喷嘴，其挤压部分3和裙部5并不一定是圆锥体，其内径可以是按照曲线变化的曲面构成。此外，挤压部分3也可以做成与喉部4同样直径的直线的圆筒形。当将挤压部分3和裙部5的内径做成按曲线变化的曲面时，虽然对于拉瓦尔喷嘴来说能获得理想的流速分布，但喷嘴的加工却是非常困难的，另一方面，把挤压部分3做成直线的圆筒形时，虽然与理想的流速分布相距较远，但在转炉的吹炼中使用是完全没有问题的，而且，喷嘴的加工非常容易。在本发明中把所有的末端扩大的喷嘴都称为拉瓦尔喷嘴。
在本发明中，在吹炼之前是按照以下的程序确定这种拉瓦尔喷嘴2的结构的。
首先，由在脱碳最旺盛时期的高碳范围中的顶吹喷枪的送氧速度Fs(Nm3/hr)，求出一个拉瓦尔喷嘴2中的送氧速度Fhs(Nm3/hr)。此时，所谓脱碳最旺盛时期的高碳范围，含碳量超过0.6质量％的范围，此外，所谓送氧速度Fs是含碳在该范围内的送氧速度，当含碳量超过0.6质量％的范围，要使送氧速度变化时，可以是在此范围内的任意送氧速度。不过，在熔融金属中的含碳量超过0.6质量％的范围，对送氧速度进行各种变化时，可以是其中的送氧速度的代表值和加权平均值。
根据送氧速度Fhs(Nm3/hr)和拉瓦尔喷嘴2的喉径Dt(mm)，按照上述(1)式确定喷嘴的背压PO(kPa)。此处，所谓喷嘴的背压PO是喷枪主体内，即拉瓦尔喷嘴2的入口侧的氧气压力。此时，先预先确定高碳范围中的喷嘴的背压PO(kPa)，就可以根据送氧速度Fhs(Nm3/hr)和喷嘴的背压PO(kPa)来决定喉径Dt(mm)。
于是，利用这样确定的喷嘴的背压PO(kPa)和周围环境气压Pe(kPa)以及上述喉径Dt(mm)，就能用上述公式(2)来确定出口直径De(mm)。但，在公式(2)中并没有显示出口直径De(mm)的下限值，当出口直径De小于喉径Dt时，由于不能再保持拉瓦尔喷嘴2的形状了，所以只有在出口直径De比喉径Dt大，或者相同的条件下，才能确定使用公式(2)所确定的任意一个数值。此外，周围环境气压Pe在平常的转炉吹炼情况下，就是大气压。
更进一步，在决定出口直径De时，最好在考虑以下各点后再决定。即，从吹炼末期的低碳范围内的送氧速度FM(Nm3/hr)求出每一个拉瓦尔喷嘴的送氧速度FhM(Nm3/hr)，再从该送氧速度FhM(Nm3/hr)和早先确定的拉瓦尔喷嘴的喉径Dt(mm)，确定由上述(3)式所求得的吹炼末期最适当的喷嘴背压POO(kPa)。然后，利用该喷嘴背压POO(kPa)、周围环境气压Pe(kPa)和喉径Dt(mm)，由上述公式(4)，求出吹炼末期中的最适当的出口直径Deo(mm)，所确定的出口直径De与所求得的最适当的出口直径Deo的比例(De/Deo)以在1.10以下的范围内为好。
此时，当在比例(De/Deo)在0.95以下的范围内确定出口直径De时，在通常的高碳范围的送氧速度与低碳范围的送氧速度有差别的转炉吹炼中，出口直径De能满足(2)式的范围，因此，没有必要特意确定用(2)式来确定出口直径De的范围。即，当比例(De/Deo)在0.95以下的范围内时，可以从吹炼末期在低碳范围内的送氧速度FM(Nm3/hr)来确定出口直径De。
接着，制造出具有以上述方式所确定的形状的拉瓦尔喷嘴2的喷枪喷嘴1，连接在喷枪本体下端，构成顶吹喷枪。在喷枪喷嘴1具有多个拉瓦尔喷嘴2的情况下，可以只对其中的一部分拉瓦尔喷嘴2按照上述方式来确定其形状。不过，此时达到的效果稍微差一些。
然后，使用这样的顶吹喷枪来吹炼在高炉中熔炼成的熔融铁水。在这种吹炼中，在脱碳最旺盛的高碳范围内，可以用设定的送氧速度Fs，或者，在各种改变送氧速度的情况下，不一定拘泥于送氧速度Fs，可以采用与精炼反应相适应的任何高的送氧速度吹炼。另一方面，在吹炼末期的低碳范围内，为了提高脱碳氧气的效率，要降低吹炼的送氧速度，此时，最好采用与由用公式(4)决定的最佳出口直径Deo之比(De/Deo)在1.10以下的送氧速度和喷嘴背压P进行吹炼。但是，在熔融金属的含碳浓度处于0.6质量％的情况下，就无法严格地区分是高碳范围还是低碳范围，因此，既可以采用降低了的比含碳浓度0.6质量％范围高的送氧速度，相反，也可以采用比含碳浓度0.6质量％范围低，例如0.4质量％的送氧速度高的送氧速度进行吹炼。
当转炉吹炼过程中炉内的炉渣量少时，被炉渣覆盖的熔融铁水的比例较少，在高碳范围内的铁尘和飞溅的铁水量增加。以上说明的吹炼方法，具有强大的抑制高碳范围内的铁尘个飞溅的铁水的效果。此外，即使在吹炼末期的低碳范围内，在炉渣量少的情况下，由于妨碍气流动压的主要因素少了，所以能取得在广阔的范围内进行控制的效果。因此，把本发明用于炉内的炉渣量在每一吨熔融钢水不足50kg，最好是30kg以下的吹炼，就能够更进一步发挥其效果。
借助于这种方法来吹炼转炉内的熔融金属，能够降低高碳范围的高送氧速度下的喷射气流的流速，使氧气流的能量保持在低位，除了能减少铁水的飞溅和铁尘之外，还能使吹炼末期的氧气流的喷射速度最适当，即，能使吹炼末期氧气流的喷射速度最适当，抑制铁的氧化。结果，整个吹炼过程的铁的成品率提高了，达到了作业稳定化的目的。
实施例1在容量为250吨，氧气为顶吹，搅拌用的气体为底吹的顶吹底吹复合吹炼转炉内，装入大约250吨的熔融金属，主要进行脱碳吹炼。所用的铁水是在转炉前一个工序的铁水预备处理中进行过脱硫和脱磷处理的铁水。在转炉内加入石灰类助溶剂，产生少量炉渣(每一吨熔融钢水不到50kg)。从设置在转炉炉底的风口鼓入搅拌钢水用的每分钟10Nm3左右的氩气或氮气。
所使用的顶吹喷枪是设有5个拉瓦尔喷嘴的5喷嘴式的喷枪，拉瓦尔喷嘴的喉径Dt为55.0mm，出口直径De是这样确定的，即，从吹炼的初期到中期的脱碳最旺盛时期的送氧速度Fs为60000Nm3/hr。即，根据送氧速度为12000Nm3/hr，喉径Dt为55.0mm这两个条件，用公式(1)确定喷嘴的背压PO为853kPa(8.7kgf/cm2)，再由喷嘴的背压PO为853kPa，周围环境气压Pe为101kPa，喉径Dt为55.0mm这些条件，将常数K定为0.184，用公式(5)确定出口直径De为61.5mm。而且，5个孔的拉瓦尔喷嘴都是这样的形状。
从喉径Dt为55.0mm，出口直径De为61.5mm，周围环境气压Pe为101kPa这些条件，以常数K为0.259，由公式(5)求出该拉瓦尔喷嘴上的最佳喷嘴背压PO，即，能获得理想膨胀的喷嘴背压PO。计算的结果为，最佳喷嘴背压PO为428kPa(4.4kgf/cm2)。
根据以上的数据，在脱碳最旺盛的吹炼初期到中期这一段时期内，从插入转炉内的顶吹喷枪喷射出来的送氧条件为，送氧速度Fs为60000Nm3/hr，喷嘴背压P为853kPa；而在钢水含碳浓度为0.6质量％以下的吹炼末期，则在喷嘴背压P为428kPa的条件下进行吹炼。此时，由于吹炼末期的喷嘴背压P与最佳背压PO一致，所以吹炼末期中出口直径De与最佳出口直径Deo之比(De/Deo)为1.0。当喷嘴背压P为428kPa时，吹炼末期的送氧速度FM大约为30000Nm3/hr。
在吹炼过程中，用干式铁尘测定装置测定了排气中的含尘量。此外，吹炼结束时采了转炉内的炉渣，检查了炉渣中的T.Fe。超过100次的吹炼结果是，使用这种喷枪吹炼的铁尘产生量为每一吨钢水8kg，此外，在含碳量为0.05质量％时停止吹炼时，炉渣中的T.Fe为13质量％。
实施例2所使用的转炉与实施例1相同，经过铁水预处理的铁水用5孔喷嘴式的顶吹喷枪在与实施例1相同的条件下进行吹炼。但，拉瓦尔喷嘴的形状为，喉径Dt为55.0mm，与实施例1相同，而出口直径De改变了。
即，在从吹炼初期到中期的脱碳最旺盛时期的送氧速度Fhs为12000Nm3/hr，喉径Dt为55.0mm，的条件下，用公式(1)确定喷嘴背压PO为853kPa(8.7kgf/cm2)，再从喷嘴背压PO为853kPa，周围环境气压Pe为101kPa(大气压)，喉径Dt为55.0mm这些条件，将常数K定为0.165，用公式(5)确定出口直径De为58.2mm。而且，5个孔的拉瓦尔喷嘴都是这样的形状。
吹炼末期的送氧速度FM与实施例1相同，大约为30000Nm3/hr。由于从实施例1所得的此时最佳出口直径Deo为61.5mm，所以出口直径De与最佳出口直径Deo的比例(De/Deo)为0.95。
根据这些数据，在脱碳最旺盛的吹炼初期到中期这一段时期内，从插入转炉内的顶吹喷枪喷射出来的送氧条件为，送氧速度F为60000Nm3/hr，喷嘴背压P为853kPa；而在钢水含碳浓度为0.6质量％以下的吹炼末期，则在喷嘴背压P为428kPa的条件下进行吹炼。
在吹炼过程中，用干式铁尘测定装置测定了排气中的含尘量。此外，吹炼结束时采了转炉内的炉渣，检查了炉渣中的T.Fe。超过100次的吹炼结果是，使用这种喷枪吹炼的铁尘产生量为每一吨钢水7kg，此外，在含碳量为0.05质量％时停止吹炼时，炉渣中的T.Fe为14质量％。大致保持同样的降低T.Fe的效果，但降低铁尘的效果较大。此外，还观测到，此时附着的铁末显著减少了。
实施例3所使用的转炉与实施例1相同，经过铁水预处理的铁水用5孔喷嘴式的顶吹喷枪在与实施例1相同的条件下进行吹炼。在转炉内加入石灰类助溶剂，产生少量炉渣(每一吨熔融钢水不到30kg)。但，拉瓦尔喷嘴的形状则决定于吹炼末期的送氧速度FM。即，在吹炼末期送氧速度为3000Nm3/hr，拉瓦尔喷嘴的喉径Dt为56.0mm，出口直径De与最佳出口直径Deo之比(De/Deo)为0.95的条件下，设定拉瓦尔喷嘴的出口直径De。
从吹炼末期的送氧速度FhM为60000Nm3/hr，喉径Dt为56.0mm这些条件，用公式(3)确定吹炼末期的喷嘴背压POO为411kPa(4.2kgf/cm2)，再从喷嘴背压POO为411kPa，周围环境气压Pe为101kPa(大气压)，喉径Dt为56.0mm这些条件，用公式(4)求出最佳出口直径Deo，求得的最佳出口直径Deo＝62.1mm。此时，把出口直径De设定为与最佳出口直径Deo之比(De/Deo)为0.94，则出口直径De即为58.4mm。5个孔的拉瓦尔喷嘴都是这样的形状。
使用这种顶吹喷枪，从脱碳最旺盛期的吹炼初期到中期，在送氧速度Fs为60000Nm3/hr的条件下送氧，在铁水的含碳浓度达到0.6质量％以下的吹炼末期，则在在送氧速度FM为30000Nm3/hr，喷嘴背压P为411kPa的条件下进行吹炼。在送氧速度Fs为60000Nm3/hr的吹炼初期到中期的脱碳最旺盛时期，喷嘴背压P大约为823kPa(8.4kgf/cm2)。
在吹炼过程中，用干式铁尘测定装置测定了排气中的含尘量。此外，吹炼结束时采了转炉内的炉渣，检查了炉渣中的T.Fe。超过100次的吹炼结果是，使用这种喷枪吹炼的铁尘产生量为每一吨钢水8kg，此外，在含碳量为0.05质量％时停止吹炼时，炉渣中的T.Fe为14质量％，基本保持同样的减少T.Fe的效果，而减少铁尘的效果增大了。此外，还观测到，此时附着的铁末显著减少了。
比较例所使用的转炉与实施例1相同，经过铁水预处理的铁水用5孔喷嘴式的顶吹喷枪在与实施例1相同的条件下进行吹炼。但，在拉瓦尔喷嘴的形状中，喉径Dt与实施例相同，为55.0，其出口直径De能获得脱碳最旺盛时期的最佳膨胀。即，从喷嘴背压PO为853kPa(8.7kgf/cm2)，周围环境气压Pe为101kPa(大气压)，喉径Dt为55.0mm这些条件，以常数K为0.259，用公式(5)求出出口直径De为73.0mm。
用5个孔的拉瓦尔喷嘴都是这样形状的喷嘴进行吹炼，在吹炼过程中，用干式铁尘测定装置测定了排气中的含尘量。此外，吹炼结束时采了转炉内的炉渣，检查了炉渣中的T.Fe。超过100次的吹炼结果是，使用这种喷枪吹炼的铁尘产生量为每一吨钢水14kg，此外，在含碳量为0.05质量％时停止吹炼时，炉渣中的T.Fe为19质量％，与实施例比较，减少铁尘和T.Fe的效果减小了。
权利要求
1.一种使用在其顶端设有拉瓦尔喷嘴的顶吹喷枪的转炉吹炼方法，其特征在于，上述拉瓦尔喷嘴具有这样的喷嘴背压POO，单位为kPa，这个背压对于由脱碳末期的低碳区域的送氧速度FM，单位为Nm3/hr，所确定的每一个拉瓦尔喷嘴孔的送氧速度FhM，单位为Nm3/hr，和喉径Dt，单位为mm，来说，满足下述公式POO＝FhM/(0.00465·Dt2)；上述拉瓦尔喷嘴的出口直径De对于由背压POO单位为kPa、周围环境气压Pe，单位为kPa以及上述喉径Dt，单位为mm，用下式所获得的最佳出口直径Deo，单位为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大于或等于Dt。
2.如权利要求1所述的转炉吹炼方法，其特征在于，上述顶吹喷枪有多个拉瓦尔喷嘴，其中至少一个拉瓦尔喷嘴满足下列两个公式的条件POO＝FhM/(0.00465·Dt2)Deo2＝0.259×Dt2/{(Pe/POO)5/7×[1-(Pe/POO)2/7]1/2}。
3.如权利要求1所述的转炉吹炼方法，其特征在于，吹炼的每一顿钢水的钢渣重量不足50kg。
4.如权利要求3所述的转炉吹炼方法，其特征在于，吹炼的每一顿钢水的钢渣重量不足30kg。
5.一种顶端设有拉瓦尔喷嘴的转炉吹炼用的顶吹喷嘴，其特征在于，上述拉瓦尔喷嘴具有这样的喷嘴背压POO，单位为kPa，这个背压对于由脱碳末期的低碳区域的送氧速度FM，单位为Nm3/hr，所确定的每一个拉瓦尔喷嘴孔的送氧速度FhM，单位为Nm3/hr，和喉径Dt，单位为mm，来说，满足下述公式POO＝FhM/(0.00465·Dt2)；上述拉瓦尔喷嘴的出口直径De对于由背压POO，单位为kPa、周围环境气压Pe，单位为kPa，以及上述喉径Dt，单位为mm，用下式所获得的最佳出口直径Deo，单位为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大于或等于Dt。
全文摘要
一种使用在其顶端设有拉瓦尔喷嘴的顶吹喷枪的转炉吹炼方法，其特征在于，上述拉瓦尔喷嘴具有这样的喷嘴背压P
文档编号C21C5/46GK1661119SQ20051006252
公开日2005年8月31日 申请日期2001年11月15日 优先权日2000年11月16日
发明者鷲见郁宏, 渡辺敦, 菊地良辉, 赤井真一, 川畑涼, 小平悟史 申请人:杰富意钢铁株式会社