JP2007031820A - 溶鋼の真空脱ガス処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】真空脱ガス処理における、吹込みガスの気泡径を小さくするとともに、浸漬管の断面内において吹込みガス気泡を均一に分散させて反応界面積を増大し、しかもガス吹込み口出側における地金の著しい成長を抑制した、溶鋼の真空脱ガス処理方法について提案する。
【解決手段】下部に２本以上の浸漬管を有する真空処理槽を、溶鋼が装入された容器上に設置し、該溶鋼内に挿入した２本以上の浸漬管のいずれか１本以上から不活性ガスを吹込み、ガスの上昇運動を利用して真空処理槽内に溶鋼を導き、残る浸漬管から溶鋼を容器へ戻す、溶鋼の循環過程において、不活性ガスを所定流量以上で供給するに際し、該不活性ガス温度を200℃ないし1000℃に加熱するとともに、不活性ガスの吹込み圧力を0.5ＭＰａ以上に調整する。
【選択図】図２

Description

本発明は、溶鋼の真空脱ガス処理装置、特にＲＨ環流式真空脱ガス装置によって溶鋼の真空脱ガス処理を行う方法に関するものである。

極低炭素鋼や極低窒素鋼などの高純度鋼の需要増加に伴い、浸漬管より真空脱ガス槽内に溶鋼を吸い上げて脱ガス処理による脱炭および／または脱窒を行う、いわゆるRH環流式真空脱ガス処理の重要性は高まる傾向にあり、その能力の向上が大きな課題になっている。

ＲＨ環流式真空脱ガス装置は、図１に典型例を示すように、真空処理槽１の下部に設けた、２本以上の浸漬管、例えば上昇管２および下降管３を、溶鋼を装入する容器である取鍋４内の溶鋼に浸漬して成り、この真空処理槽１内を減圧することにより、上昇管２から溶鋼５を吸い上げる際に、不活性ガス吹込口６より不活性ガスを吹込み、そのガスの浮上力を利用して溶鋼５を真空処理槽１内に導き、次いで下降管３より溶鋼を取鍋４内に下降させて取鍋４内と真空処理槽１内との間で溶鋼を環流する過程において、溶鋼の脱ガス処理を行うものである。なお、図中７は不活性ガス供給配管および８は溶鋼のスプラッシュを示している。

このようなＲＨ環流式真空脱ガス装置について、脱ガス能力を向上させるには、（A）溶鋼の環流速度を上げる方法、または（B）真空脱ガス槽内の溶鋼の気液界面を増加させる方法がある。

上記（A）の溶鋼の環流速度を上げるには、環流用ガス流量、つまり不活性ガス吹込み流量を増加すればよい。ここで、溶鋼の環流量Q(t/min)は、下記(2)式で表される。
Ｑ＝11.4・Ｇ^1/3・ｄ^4/3・(ln(760/P))^1/3 ---(2)
但し、Ｇ：不活性ガス吹込み流量(Nl/min)
ｄ：浸漬管の内径(m)
Ｐ：真空処理槽内の真空度(Torr)

上記した(2)式によれば、溶鋼の環流量Qの増加効果は不活性ガス吹込み流量Ｇが増加するに連れて次第に小さくなり、特に後述する(1)式を満足するようになると、ガス流量の増加量当りの環流量Qの増加効果は著しく小さくなる。また、不活性ガス吹込み流量の増加は真空処理槽内のスプラッシュの増大につながり、真空処理槽内の地金付着量が増大し操業に悪影響を及ぼすことになる。

また、ガス吹込系統を２系統とし、一方の吹込みガス圧力を他方の吹込みガス圧力より高圧にして不活性ガスを吹き込む方法が、特許文献１に提案されている。しかし、吹込みガス圧力を高圧にして吹き込むと、吹込みガスの冷却能によりノズル先端に地金が生成そして成長する結果、所期した吹込みガス流量が確保できない、または確保できても吹込みガスの到達距離が小さくなり、溶鋼の環流量の増加には効果がないものであった。特許文献１には、地金防止策として不活性ガスに酸素を含有させて地金の生成を抑制することが提案されているが、地金の生成抑止と吹込みノズルの損耗防止の制御が難しく、実用化する際の障害となる。

さらに、特許文献２には、上昇管に溶鋼攪拌用のガス吹込口を複数個設けると共に、このガス吹込口へのガス吹込み系統を少なくとも２系統とし、上記ガス吹込口から不活性ガスを吹込み、更に脱ガス反応が沈滞して来た段階で上記ガス吹込口からの不活性ガスの吹込みに加えて、上記真空脱ガス槽の底部の中央付近にガス吹込用の浸漬ノズルから、あるいは真空脱ガス槽内に設置したガス吹込用のランスから、上記真空脱ガス槽内溶鋼面に不活性ガスを吹込けることが、提案されている。

しかし、この手法では、脱炭速度のある程度の向上は図れるものの大幅な増加には至らない反面、不活性ガスの大量使用による処理コストの上昇をまねく。さらに、不活性ガスの大量使用によって真空処理槽内の溶鋼表面にスプラッシュが発生するため、真空槽内の内壁での地金付着量が増加する結果、溶鋼歩留りは低下し、そして真空槽内へ投入する合金鉄歩留りのばらつきが増加することになる。

さらに、吹込みガスの温度を２００〜１２００℃にしてガスの膨張量を低下することにより、生成気泡を小さくして脱炭速度を増大させることが、特許文献３に提示されている。すなわち、気泡径を小さくすれば、脱炭反応のサイトである気液界面の反応界面積が大きくなり、脱炭速度は向上する。

しかし、吹き込んだ高温ガスは、浸漬管の壁面に沿ってその近傍を浮上するため、浸漬管断面内の全溶鋼を駆動するには非常に効率の悪いものであった。その結果、ガス気泡径は小さくなるが溶鋼の環流量が減少してしまい、かつガス気泡を分散させることができないため、脱炭速度の向上はそれほど望むことができない。
特開昭６４−７９３１７号公報 特開平１−２６８８１５号公報 特開平６−１７１１４号公報

そこで、本発明は、溶鋼の環流量の増加を課題とするものであり、吹込みガスの気泡径を小さくするとともに、浸漬管の断面内において吹込みガス気泡を均一に分散させて反応界面積を増大し、しかもガス吹込み口出側における地金の著しい成長を抑制した、溶鋼の真空脱ガス処理方法について提案することを目的とするものである。

発明者らは、吹込みガスの気泡径を小さくすること、浸漬管の断面内において吹込みガス気泡を均一に分散させること、およびガス吹込み口出側における地金の著しい成長を抑制すること、を実現するための手法について数多くの実験を行ったところ、不活性ガスの吹込み圧力を規制するのが有効であることを知見し、本発明を完成するに到った。

すなわち、本発明の要旨は、次の通りである。
（１）下部に２本以上の浸漬管を有する真空処理槽を、溶鋼が装入された容器上に設置し、該溶鋼内に挿入した２本以上の浸漬管のいずれか１本以上から不活性ガスを吹込み、ガスの上昇運動を利用して真空処理槽内に溶鋼を導き、残る浸漬管から溶鋼を容器へ戻す、溶鋼の循環過程において、不活性ガスを下記（１）式を満足する流量以上で供給するに際し、該不活性ガス温度を200℃ないし1000℃に加熱するとともに、不活性ガスの吹込み圧力を0.5ＭＰａ以上に調整することを特徴とする溶鋼の真空脱ガス処理方法。
記
3.8ｄ^4/3 (ln(760/P))^1/3・Ｇ^-2/3≦0.03 ----（１）
但し、ｄ：浸漬管の内径(m)
Ｐ：真空処理槽内の真空度(Torr)
Ｇ：不活性ガス吹込み流量(Nl/min)

（２）下部に２本以上の浸漬管を有する真空処理槽を、溶鋼が装入された容器上に設置し、該溶鋼内に挿入した２本以上の浸漬管のいずれか１本以上から不活性ガスを吹込み、ガスの上昇運動を利用して真空処理槽内に溶鋼を導き、残る浸漬管から溶鋼を容器へ戻す、溶鋼の循環過程において、ノズル内径が2〜6mmの吹込み口から不活性ガスを下記（１）式を満足する流量以上で供給するに際し、該不活性ガス温度を200℃ないし1000℃に加熱するとともに、不活性ガスの吹込み圧力を0.5ＭＰａ以上に調整することを特徴とする溶鋼の真空脱ガス処理方法。
記
3.8ｄ^4/3 (ln(760/P))^1/3・Ｇ^-2/3≦0.03 ----（１）
但し、ｄ：浸漬管の内径(m)
Ｐ：真空処理槽内の真空度(Torr)
Ｇ：不活性ガス吹込み流量(Nl/min)

ここで、不活性ガスの吹込み圧力とは、減圧弁より下流側の吹込口手前の圧力を示す背圧である。

本発明によれば、吹込みガスの気泡径が小さくなるとともに、浸漬管の断面内において吹込みガス気泡が均一に分散して反応界面積が増大される結果、真空脱ガス処理を高い効率の下で行うことができる。従って、真空脱ガス処理中の全期間にわたって脱ガス速度を向上させることができ、真空脱ガス処理時間の短縮を図ることができる。また、不活性ガス吹込み口の出側における地金の著しい成長も抑制されるため、不活性ガスの吹込み効率の低減を抑制することができる。

また、真空脱ガス処理時間の短縮に伴って、転炉出鋼温度の低下による転炉や取鍋の耐火物寿命を向上でき、生産性の向上が図れ、更に鋼中ガス成分を短時間で低下させることにより、鋼の高級化、処理後の成分のばらつきを低減して成分不良材の発生を抑制することができ、産業上の有用性は極めて大きい

不活性ガスの吹込みによって溶鋼を環流して精錬を行うに当っては、まず、不活性ガスを下記（１）式を満足する流量以上で供給することが前提となる。すなわち、ガス流量Ｇの増加当たりの還流量Ｑの増加分（dQ／dG）が大きい場合、還流ガス量を増加させれば還流量の増加代は大きいが、0.03以下ではその効果は小さい。そのため本発明では還流量の増加代が小さい(1)式の範囲で効果を有するものである。
記
3.8ｄ^4/3 (ln(760/P))^1/3・Ｇ^-2/3≦0.03 ----（１）
但し、ｄ：浸漬管の内径(m)
Ｐ：真空処理槽内の真空度(Torr)
Ｇ：不活性ガス吹込み流量(Nl/min)

さて、上記の流量で吹込んだ不活性ガスの気泡径を小さくするには、上掲の特許文献３に記載されるように、導入する不活性ガスを高温、例えば1000℃程度の温度にし、溶鋼内での不活性ガスの膨張量を小さくすることが有効である。すなわち、吹き込まれた不活性ガスは、室温の状態からの気体状態方程式（PV=nRT）に従い、溶鋼の温度になるまで体積が膨張するため、気泡径が大きくなり脱ガスする反応速度が低下する。しかし、溶鋼に不活性ガスを吹き込む前に不活性ガスの温度を高めておけば、溶鋼中の膨張が常温（２０℃程度）で吹き込まれるものより抑えられるため、気泡径を小さくすることができる。

そのためには、不活性ガス温度を200℃ないし1000℃に加熱する必要がある。すなわち、不活性ガス温度、つまり不活性ガスの吹込み口近傍の温度が200℃未満の場合は、前述の式からわかるように、室温でのガスの膨張する割合と比較して膨張量が大きくは変わらないため、不活性ガスの気泡径が微細になる効果が小さくなる。

一方、不活性ガス吹込み温度が1000℃を超えると、不活性ガスを吹込み口に導く配管が長時間高温に晒されることによって配管の劣化が大きくなり、配管の補修並びに交換等のメンテナンス頻度が高くなる。さらに、不活性ガスを1000℃超の高温にすると、加熱部の保温性の強化が必要となり、その保温の強化に要するコストが大きくなる等の問題がある。

また、浸漬管断面内に中心近傍まで深くガス気泡を到達させ、浸漬管断面内にガス気泡を均一に分散させるためには、高温不活性ガスの吹込み口の背圧、つまり不活性ガスの吹込み圧力を高くすることが肝要である。吹込み口での背圧（吹込み圧力）を大きくすることにより、溶鋼内へ浸入する不活性ガスの線速度は増加し、浸漬管内溶鋼の内部への不活性ガスの到達距離は増加する。

すなわち、２００℃以上の高温ガスを浸漬管内の溶鋼に吹き込むときには、０.５ＭＰａ以上の吹込み口での背圧（吹込み圧力）で吹き込む必要がある。ここに、図２に結果を示す溶鋼内へのガス吹込み実験により、ガス気泡の到達距離は背圧が０.５ＭＰａ未満では急激に到達距離が減少するのに対し、それ以上では安定的に到達距離が確保できることがわかる。吹込み口での背圧（吹込み圧力）を０.５ＭＰａ以上とすれば、通常の内径が４００mm以上の浸漬管においても、その内部まで気泡を到達させることができる。

なお、図２に結果を示した実験は、大気圧下にて溶鋼内に水平方向にガスを吹き込んだ場合の吹込みガスの水平到達距離を調査したものである。ここで、吹込みガスの水平到達距離は、浴面での気泡の水平到達距離を目視にて測定した。

さらに、吹込み口を構成する吹込みノズルの内径を小さくすることにより、同一流量での吹込み口での背圧（吹込み圧力）が増加する効果は自明であるが、ノズル内径を小さくすることにより不活性ガスの気泡径も小さくすることが可能である。その際、吹込みノズルの外径についても小さい方が望ましい。

すなわち、２００℃以上の高温ガスを０.５ＭＰａ以上の背圧で浸漬管内の溶鋼に吹き込むときには、吹込みノズルの内径を６mm以下にする必要がある。ノズル径が６mmを超えてくると背圧の低下だけでなく、ガス気泡径が大きくなることにより環流量の低下、脱炭速度の低下が起こる。

ここで、図３に吹込みノズル内径と脱炭速度との関係を示すように、吹込みノズルの内径が６mmを超えた場合には２００℃以上の高温不活性ガスを０.５ＭＰａ以上の背圧で吹込んでも脱炭速度が低下してしまうことがわかる。

なお、図３に結果を示した実験は、溶鋼量300ton，真空槽断面積4.0m²，真空度１torr，浸漬管径700mm，Arガス量3000Nl/min，Arガス温度500〜600℃，真空脱ガス処理開始Ｃ濃度0.045〜0.055％の条件での真空脱ガス処理において、みかけの脱炭速度定数を調査したものである。ここで、みかけの脱炭速度定数Kcは、取鍋内の溶鋼分析値（開始Ｃ濃度Ｃ_I，終了Ｃ濃度Ｃ_E，時間ｔ）より次の(3)式を用いて求めた。
Ｃ_E＝Ｃ_Iexp（Kcｔ） ----（３）

一方、ノズル径が２mm未満になるとノズル先端部に生成する凝固鉄によりノズルが閉塞し、所望のガス流量が得られないという問題が発生する。したがって、ノズル内径は２mm以上６mm以下の範囲が望ましい。

また、本発明方法の実施に当っては、図４に示す装置を用いることができる。
すなわち、図４に示す装置は、図１に示した上述のＲＨ環流真空脱ガス装置において、不活性ガスの吹込口６に導入する不活性ガスを加熱するための不活性ガス加熱装置９および吹込口６での背圧（吹込み圧力）を測定するための圧力計１０を追加配備したものである。かような装置によって、吹込口６での背圧（吹込み圧力）調整の下に、加熱した高温の不活性ガスを上昇管２内の溶鋼に吹込むことができる。なお、不活性ガス加熱装置９は、電気加熱式または燃焼加熱式などのいずれの方法を採用してもよい。

［従来例］
図１に示したＲＨ真空脱ガス装置を用い、３００ｔの溶鋼を真空脱炭した。すなわち、取鍋１中の溶鋼２に真空処理槽１の上昇管２および下降管３を浸漬し、真空槽１内を1.0torr以下まで減圧し、上昇管２に付随したガス吹込口６からＡｒガスを３０００Nl／minの流量で吹き込んで溶鋼５を取鍋４と真空処理槽１内との間で循環させ、脱ガス処理を行った。

［発明例］
図４に示したＲＨ真空脱ガス装置を用い、３００tonの溶鋼を真空脱炭するに当り、不活性ガスの吹込み口４に供給する不活性ガス供給管９の途中に不活性ガスを加熱する不活性ガス加熱装置９を設置し、吹込むＡｒガスの温度を２００℃、５００℃、７００℃および１０００℃の４段階に加熱し、Ａｒガスを３０００Nl／minの流量で溶鋼に吹込んだ。その際、不活性ガスの吹込口のノズル内径を２〜６mmにし、不活性ガス供給配管内のガス吹込み圧力（背圧）が０.５ＭＰａ以上になるように調整した。
なお、上昇管２および下降管３の径は共に７５０mm、真空槽１下部の断面積は４.０m²および到達真空度は1.0Torrであり、比較例と同様である。そして、その他の装置条件は、全て同じにし、吹込む不活性ガスの温度、不活性ガス供給配管内の背圧および吹込み口のノズル内径を変更した。

上記の比較例および発明例における、みかけの反応速度定数および吹込み口のノズル閉塞の有無について調査した結果を、脱ガス処理条件と併せて表１に示す。表１から明らかなように、本発明の方法を使用して、２００〜１０００℃に加熱したＡｒガスを不活性ガス吹込口のノズル内径を２〜６mmおよび吹込口６での背圧（吹込み圧力）を0.5MPa以上として、Ａｒガスを溶鋼に吹込みながら溶鋼の真空脱ガス処理を行うと、比較例対比にて脱炭反応速度定数は増大し、溶鋼中のＣ濃度を迅速に低下することができた。

従来のＲＨ環流真空脱ガス装置を示す断面図である。 溶鋼内への高温ガス吹込み時におけるガス吹込みノズルの背圧とガス気泡の到達距離との関係を示すグラフである。 RH脱ガス処理における高温ガス吹込み時の吹込みノズルの内径と脱炭速度との関係を示すグラフである。 本発明のＲＨ環流真空脱ガス装置を示す断面図である。

符号の説明

１ 真空処理槽
２ 上昇管
３ 下降管
４ 取鍋
５ 溶鋼
６ 吹込み口
７ 不活性ガス供給配管
８ スプラッシュ
９ 不活性ガス加熱装置
１０ 圧力計

Claims (2)

1. 下部に２本以上の浸漬管を有する真空処理槽を、溶鋼が装入された容器上に設置し、該溶鋼内に挿入した２本以上の浸漬管のいずれか１本以上から不活性ガスを吹込み、ガスの上昇運動を利用して真空処理槽内に溶鋼を導き、残る浸漬管から溶鋼を容器へ戻す、溶鋼の循環過程において、不活性ガスを下記（１）式を満足する流量以上で供給するに際し、該不活性ガス温度を200℃ないし1000℃に加熱するとともに、不活性ガスの吹込み圧力を0.5ＭＰａ以上に調整することを特徴とする溶鋼の真空脱ガス処理方法。
   記
   3.8ｄ^4/3 (ln(760/P))^1/3・Ｇ^-2/3≦0.03 ----（１）
   但し、ｄ：浸漬管の内径(m)
   Ｐ：真空処理槽内の真空度(Torr)
   Ｇ：不活性ガス吹込み流量(Nl/min)
2. 下部に２本以上の浸漬管を有する真空処理槽を、溶鋼が装入された容器上に設置し、該溶鋼内に挿入した２本以上の浸漬管のいずれか１本以上から不活性ガスを吹込み、ガスの上昇運動を利用して真空処理槽内に溶鋼を導き、残る浸漬管から溶鋼を容器へ戻す、溶鋼の循環過程において、ノズル内径が2〜6mmの吹込み口から不活性ガスを下記（１）式を満足する流量以上で供給するに際し、該不活性ガス温度を200℃ないし1000℃に加熱するとともに、不活性ガスの吹込み圧力を0.5ＭＰａ以上に調整することを特徴とする溶鋼の真空脱ガス処理方法。
   記
   3.8ｄ^4/3 (ln(760/P))^1/3・Ｇ^-2/3≦0.03 ----（１）
   但し、ｄ：浸漬管の内径(m)
   Ｐ：真空処理槽内の真空度(Torr)
   Ｇ：不活性ガス吹込み流量(Nl/min)