JP2008184668A - Ｒｈ真空脱ガス装置の溶鋼環流量推定方法及び環流用ガス吹き込み方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＲＨ真空脱ガス装置における溶鋼環流量を推定するとともに、溶鋼の環流量を最大となるように調整して効率の良い精錬を行う。
【解決手段】 複数の環流用ガス吹き込みノズル１０が配置された浸漬管８から環流用ガスを吹き込んで溶鋼３を環流させるＲＨ真空脱ガス装置１において、溶鋼の環流量を、環流用ガス流量、環流用ガス吹き込みノズルの設置本数及び環流用ガス吹き込みノズルの内径を用いて下記の（１）式により算出し、算出される溶鋼環流量が目的とする環流量になるように、環流用ガス流量、環流用ガス吹き込みノズルの設置本数、環流用ガス吹き込みノズルの内径のうちの１種以上を調整する。但し、（１）式において、Ｗは溶鋼環流量（kg/sec）、Ｎは環流用ガス吹込ノズルの設置本数、ｄ_b は環流用ガスの気泡径（m ）、Ｑ_gは環流用ガス流量（m³ /sec）である。 W∝N^-0.0238 d_b ^-1.357Qg^0.881 …(1)
【選択図】 図１

Description

本発明は、溶鋼に対して真空脱ガス精錬を行うＲＨ真空脱ガス装置における溶鋼環流量の推定方法並びにＲＨ真空脱ガス装置の環流用ガスの吹き込み方法に関するものである。

鋼の高級化並びに用途の拡大化に伴って、近年、真空脱ガス精錬を必要とする鋼種は益々増加しており、処理量の拡大化の観点から、その処理時間の短縮が強く望まれる状況にある。この真空脱ガス精錬を実施する代表的な設備はＲＨ真空脱ガス装置であり、特殊品を除いた大半の溶鋼はＲＨ真空脱ガス装置によって真空脱ガス精錬が施されている。

ＲＨ真空脱ガス装置は、真空槽とその下部に設けられた２本の浸漬管（上昇側浸漬管及び下降側浸漬管）とを備えており、ＲＨ真空脱ガス装置を用いて溶鋼を精錬する際には、取鍋内に収容された溶鋼中に２本の浸漬管を浸漬し、真空槽の内部を減圧して溶鋼を浸漬管内に引き上げ、そして上昇側浸漬管に設けられた環流用ガス吹き込みノズルからＡｒガスなどの不活性ガスを環流用ガスとして吹込み、ガスリフトポンプの原理によって溶鋼を上昇させて真空槽内に送り込み、真空槽内で真空処理を行い、下降側浸漬管から取鍋内に戻している。このように溶鋼を取鍋と真空槽との間で環流させることによって、連続的に真空精錬を行っている。従って、ＲＨ真空脱ガス装置において処理能力及び処理効率を増大させるには、単位時間当たりに真空槽内を通過する溶鋼量つまり単位時間当たりの環流量を増大させることが必要となる。

単位時間当たりの溶鋼の環流量は、浸漬管の内径、環流用ガスの流量、真空槽内と大気との圧力差などに依存することが経験的に分かっており、従来、浸漬管内径の拡大や環流用ガス流量の増加などにより環流量の増加が図られてきた。しかし、浸漬管内径の拡大は大幅な設備改造を伴い、設備費の増大を招き、また、拡大するにしても真空槽及び取鍋の大きさに制限されて自ずと限界がある。一方、環流用ガス流量の増加は効果があるものの、或る限界以上に増大させると環流用ガスの吹き抜けが発生し、逆に溶鋼環流量が減少してしまうという問題が発生する。

これらの問題を解決するために、特許文献１及び特許文献２が提案されている。特許文献１では、環流用ガスの吹き込みノズルを第１系統及び第２系統の２系統に分割し、第２系統の吹き込み圧力を第１系統に比べて高く設定して吹き込む方法を提案している。このようにして環流用ガスを吹き込むことで、浸漬管内に環流用ガスの気泡が充満し、溶鋼の環流量が増加するとしている。一方、特許文献２では、浸漬管の内径と、環流用ガス吹き込みノズルの個数と、この環流用ガス吹き込みノズルの内径と、環流用ガス流量とが、所定の関係を満足するように調整しながら環流用ガスを吹き込む方法、つまり、浸漬管の内径及び環流用ガス流量のみならず、環流用ガス吹き込みノズルの内径及び設置本数をも配慮した最適の条件で環流用ガスを吹き込む方法が提案されている。このようにして環流用ガスを吹き込むことで、溶鋼を効率良く環流させることができるとしている。
特開昭６４−７９３１７号公報 特開２００２−３６３６３６号公報

上記従来方法により、溶鋼を効率的に環流させることができ、その結果、精錬時間の短縮、除去対象成分の低減化、環流用ガス使用量の削減、浸漬管の長寿命化などを或る程度までは達成することができたが、環流量に及ぼす環流用ガス吹き込みノズルの設置本数の影響、或いはこの環流用ガス吹き込みノズルの内径の影響などは未だ十分には確認されておらず、必ずしも最適な環流条件で操業しているとはいい難い。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ＲＨ真空脱ガス装置における溶鋼環流量に及ぼす環流用ガス吹き込みノズルの設置本数の影響及び環流用ガス吹き込みノズルの内径の影響を明確にし、これによって溶鋼の環流量を推定する方法、並びに、溶鋼の環流量を最大となるように調整し、効率の良い精錬を行うことのできる環流用ガスの吹き込み方法を提供することである。

上記課題を解決するための本発明に係るＲＨ真空脱ガス装置の溶鋼環流量推定方法は、取鍋と真空槽との間で溶鋼を環流させるＲＨ真空脱ガス装置にて溶鋼の環流量を推定するに際し、溶鋼環流量を、環流用ガス流量、環流用ガス吹き込みノズルの設置本数及び環流用ガス吹き込みノズルの内径を用いて下記の（１）式により算出することを特徴とするものである。

但し、（１）式において、Ｗは溶鋼環流量（kg/sec）、Ｎは環流用ガス吹き込みノズルの設置本数、ｄ_bは環流用ガスの気泡径（m ）、Ｑ_g は環流用ガス流量（m³（標準状態）/sec）であり、ｄ_bは下記の（２）式によって表される。

但し、（２）式において、σは溶鋼の表面張力（dyn/cm）、ｄ₀は環流用ガス吹き込みノズルの内径（m ）、ρ_l は溶鋼密度（kg/m³ ）、ｇは重力加速度（m/sec²）、Ｑ_gは環流用ガス流量（m³（標準状態）/sec）、Ｎは環流用ガス吹き込みノズルの設置本数である。

また、上記課題を解決するための本発明に係るＲＨ真空脱ガス装置の環流用ガス吹き込み方法は、複数の環流用ガス吹き込みノズルが配置された浸漬管から環流用ガスを吹き込んで取鍋と真空槽との間で溶鋼を環流させるＲＨ真空脱ガス装置の環流用ガス吹き込み方法において、溶鋼の環流量を、環流用ガス流量、環流用ガス吹き込みノズルの設置本数及び環流用ガス吹き込みノズルの内径を用いて下記の（１）式により算出し、算出される溶鋼環流量が目的とする溶鋼環流量になるように、環流用ガス流量、環流用ガス吹き込みノズルの設置本数、環流用ガス吹き込みノズルの内径のうちの少なくとも１種以上を調整することを特徴とするものである。

但し、（１）式において、Ｗは溶鋼環流量（kg/sec）、Ｎは環流用ガス吹き込みノズルの設置本数、ｄ_bは環流用ガスの気泡径（m ）、Ｑ_g は環流用ガス流量（m³（標準状態）/sec）であり、ｄ_bは下記の（２）式によって表される。

但し、（２）式において、σは溶鋼の表面張力（dyn/cm）、ｄ₀は環流用ガス吹き込みノズルの内径（m ）、ρ_l は溶鋼密度（kg/m³ ）、ｇは重力加速度（m/sec²）、Ｑ_gは環流用ガス流量（m³（標準状態）/sec）、Ｎは環流用ガス吹き込みノズルの設置本数である。

本発明によれば、従来曖昧であった溶鋼環流量を、環流用ガス流量、環流用ガス吹き込みノズルの設置本数及び環流用ガス吹き込みノズルの内径から正確に把握することが可能となる。また、溶鋼環流量を正確に把握できることで、環流用ガス流量、環流用ガス吹き込みノズルの設置本数、環流用ガス吹き込みノズルの内径のうちの少なくとも１種以上を調整することによって溶鋼環流量を目的とする値に確保できるので、如何なる条件下であっても所定のＲＨ真空脱ガス精錬を実施することができ、その結果、迅速でしかも成分外れなどのない、安定したＲＨ真空脱ガス精錬が可能となる。

以下、本発明を図面に基づき具体的に説明する。

図１は、ＲＨ真空脱ガス装置の概略縦断面である。図１に示すように、ＲＨ真空脱ガス装置１は、上部槽６及び下部槽７からなる真空槽５と、下部槽７の下部に設けた上昇側浸漬管８及び下降側浸漬管９とを備え、上部槽６には、排気装置（図示せず）と接続するダクト１１、及び成分調整用合金鉄などを投入するための原料投入口１２が設けられ、また、上昇側浸漬管８には環流用ガスを吹き込むための環流用ガス吹き込みノズル１０が設けられている。環流用ガス吹き込みノズル１０からは環流用ガスとしてＡｒガスが上昇側浸漬管８の内部に吹き込まれる構造となっている。図１では環流用ガス吹き込みノズル１０を１本のみ記載しているが、上昇側浸漬管８にはその円周方向に、１つの供給管から枝分かれした複数個（Ｎ個）の環流用ガス吹き込みノズル１０が、その吐出方向を上昇側浸漬管８の中心部に向けた水平方向として設置されている。環流用ガス吹き込みノズル１０は、溶鋼３を上昇側浸漬管８の周方向で均等に上昇させる観点から、可能であるならば上昇側浸漬管８の周方向で等間隔に設置することが望ましい。尚、図１では環流用ガス吹き込みノズル１０の吐出方向を上昇側浸漬管８の中心部に向けた水平方向としているが、上向きまたは下向きにする、若しくは中心に向かう方向から水平方向へ傾斜させた方向としてもよい。

このような構成のＲＨ真空脱ガス装置１において、転炉や電気炉などで精錬した溶鋼３を収容する取鍋２を真空槽５の直下に搬送し、昇降装置（図示せず）で取鍋２を上昇させ、上昇側浸漬管８及び下降側浸漬管９を取鍋２に収容された溶鋼３に浸漬させる。取鍋２には転炉や電気炉などにおける精錬で発生したスラグ４が一部混入し、溶鋼３の湯面を覆っている。そして、環流用ガス吹き込みノズル１０から上昇側浸漬管８の内部にＡｒガスを吹き込む。このＡｒガスの吹き込みに前後して、真空槽５の内部を、ダクト１１を介して排気装置で排気して真空槽５の内部を減圧する。真空槽５の内部が減圧されると、取鍋２に収容された溶鋼３は、環流用ガス吹き込みノズル１０から吹き込まれるＡｒガスの気泡１３とともに上昇側浸漬管８を上昇して真空槽５に流入し、その後、下降側浸漬管９を介して取鍋２に戻る流れ、所謂、環流を形成してＲＨ真空脱ガス精錬が施される。

この場合に、環流用ガス流量が同一であっても、環流用ガス吹き込みノズル１０の設置本数が少な過ぎる場合には、環流用ガス吹き込みノズル１０の１本当たりの環流用ガス流量が増大し過ぎて気泡１３が大きくなり、環流用ガスの吹き抜けが生じて溶鋼３の環流を阻害し、一方、環流用ガス吹き込みノズル１０の設置本数が多過ぎる場合には、環流用ガス吹き込みノズル１０のノズル１本当たりの環流用ガス流量が減少し過ぎて、環流用ガス吹き込みノズル１０からの環流用ガスの吐出流速が遅くなり、吹き込まれたＡｒガスは上昇側浸漬管８の内壁を伝わって上昇し、溶鋼３の環流に効果がないばかりか、浸漬管内壁の溶損を促進させてしまう。また、同様に、環流用ガス吹き込みノズル１０の内径も、環流用ガス吹き込みノズル１０からの環流用ガスの吐出流速を左右しており、溶鋼環流量に重要な影響を及ぼしている。

そこで、水モデル実験によって、溶鋼環流量に及ぼす、環流用ガス吹き込みノズル１０の設置本数の影響及び環流用ガス吹き込みノズル１０の内径の影響について調査した。

図２は、上昇側浸漬管８の内部の状況を模式的に示す概念図であり、Ｎ個の環流用ガス吹き込みノズル１０が上昇側浸漬管８の円周方向の同一水平面上に等間隔で配置されている例である。図２において、Ｄ_P は上昇側浸漬管８の内径（m ）、ｄ₀ は環流用ガス吹き込みノズル１０の内径（m ）、ｄ_b ’は温度補正後の気泡径（m ）、ｄ_bmaxは気泡同士が重なり合わない最大気泡径（m ）、Ｌ_bは気泡１３の水平方向到達距離、θ_N は隣り合う環流用ガス吹き込みノズル１０で挟まれる円周角（rad ）であり、θ_Nは２π／Ｎとなる。

環流用ガス吹き込みノズル１０から上昇側浸漬管８の内部に吹き込まれたＡｒガスは気泡１３を形成し、ガスリフトポンプの原理によって溶鋼３を上昇させる。その際、環流用ガス吹き込みノズル１０の出口で形成される気泡１３の直径をｄ_b （m ）とすると、この気泡径（ｄ_b ）は、文献１において、下記の（２）式によって表されると提唱されている（文献１：佐野等、鉄と鋼，vol.14,p.2308）。但し、（２）式において、σは溶鋼の表面張力（dyn/cm）、ρ_l は溶鋼密度（kg/m³）、ｇは重力加速度（m/sec²）、Ｑ_g は環流用ガス流量（m³（標準状態）/sec）である。

上昇側浸漬管８の内部には溶鋼３が存在することから、環流用ガス吹き込みノズル１０の出口で形成された気泡１３は溶鋼温度の影響を受けて膨張する。溶鋼３の温度をＴ_m （K ）、環流用ガス吹き込みノズル１０の出口でのＡｒガスの温度をＴ_g（K ）とすると、熱膨張後の気泡径、つまり温度補正後の気泡径（ｄ_b ’）は、下記の（３）式によって表される。

（３）式からも明らかなように、気泡１３は溶鋼３の熱を受けて１．５〜１．８倍の大きさになる。この気泡１３が重なり合って合体してしまうとガスリフトポンプの効果は大幅に低下することから、気泡１３が重なり合わないように環流用Ａｒガスを吹き込むことが必要である。気泡同士が重なり合わない最大気泡径（ｄ_ｂmax）は、図２に示す位置関係から幾何学的に、下記の（４）式によって求められる。

ここで、気泡１３の水平方向到達距離（Ｌ_b ）は、文献２において、下記の（５）式により表されると提唱されている（文献２：石橋等、鉄と鋼，1979，A133）。但し、（５）式において、ρ_gは環流用Ａｒガスの密度（kg/m³ ）、Ｖ_g は環流用ガス吹き込みノズル出口におけるガス流速（m/sec ）、ｇは重力加速度（m/sec²）である。

ここで、環流用ガス吹き込みノズル出口におけるガス流速（Ｖ_g ）は下記の（６）式によって求めることができる。

即ち、温度補正後の気泡径（ｄ_b ’）が最大気泡径（ｄ_ｂmax）よりも小さくなるように、環流用ガス吹き込みノズル１０の設置本数（Ｎ）、環流用ガス吹き込みノズル１０の内径（ｄ₀）、及び、環流用ガス流量（Ｑ_g ）を設定する。これは、次のようにして達成することができる。即ち、これら３つの要素のうちの何れか１つの要素を決定し、それに応じて他の２つの要素を設定すればよく、また、これら３つの要素のうちの何れか２つの要素を決定し、それに応じて他の１つの要素を設定すればよい。

この条件を満足させた状態で水モデル実験を実施し、環流量に及ぼす気泡の大きさ並びに気泡の発生頻度の影響を調査した。この試験では、気泡の大きさは、下記の（７）式に示す水平方向の気泡の投影面積（Ｓb ，単位：m²）で評価し、気泡の発生頻度（Ｆ_b ，単位：1/sec ）は、環流用ガス流量（Ｑ_g）と気泡径（ｄ_b ）とから下記の（８）式により算出される数値で評価した。

種々の条件で試験を実施し、環流量に対する気泡の投影面積（Ｓ_b ）及び気泡の発生頻度（Ｆ_b ）の影響を次元解析法により解析した。その結果、下記の（９）式が得られた。つまり、溶鋼３の環流量をＷとすると、溶鋼環流量（Ｗ）は、気泡の投影面積（Ｓ_b）の０．６４３乗に比例し且つ気泡の発生頻度（Ｆ_b ）の０．８８１乗に比例することが分かった。

この（９）式に（７）式及び（８）式を代入し、更に（３）式を用いて気泡径（ｄ_b ’）を気泡径（ｄ_b ）に変換すると、下記の（１）式が得られる。

即ち、溶鋼環流量（Ｗ）は、環流用ガス吹き込みノズル１０の設置本数（Ｎ）の−０．２３８乗に比例し、環流用ガスの気泡径（ｄ_b ）の−１．３５７乗に比例し且つ環流用ガス流量（Ｑ_g）の０．８８１乗に比例する。つまり、環流用ガス流量（Ｑ_g ）、環流用ガス吹き込みノズル１０の設置本数（Ｎ）及び環流用ガス吹き込みノズル１０の内径（ｄ₀）から上記の（１）式により、溶鋼環流量（Ｗ）を正確に算出することができる。また、求めた溶鋼環流量（Ｗ）が目的とする溶鋼環流量と異なる場合には、算出される溶鋼環流量（Ｗ）が目的とする溶鋼環流量になるように、環流用ガス流量（Ｑ_g）、環流用ガス吹き込みノズルの設置本数（Ｎ）、環流用ガス吹き込みノズルの内径（ｄ₀ ）のうちの少なくとも１種を調整することにより、目的とする溶鋼環流量を得ることができる。

また更に、ＲＨ真空脱ガス装置１の仕様に応じた或る所定の環流用ガス流量（Ｑ_g ）のときの溶鋼環流量（Ｗ）を、環流用ガス吹き込みノズル１０の設置本数（Ｎ）及び環流用ガス吹き込みノズル１０の内径（ｄ₀）を変化させて上記の（１）式によって算出し、算出される溶鋼環流量（Ｗ）が最大となる条件の環流用ガス吹き込みノズル１０の設置本数（Ｎ）及び環流用ガス吹き込みノズル１０の内径（ｄ₀）を採用すれば、溶鋼３の環流量が最大になり、効率良くＲＨ真空脱ガス精錬を実施することができる。この場合、環流用ガス吹き込みノズル１０の設置本数（Ｎ）及び環流用ガス吹き込みノズル１０の内径（ｄ₀）が設備的に既に決まっている場合には、環流用ガス流量（Ｑ_g ）を種々変化させて（１）式を算出し、算出される溶鋼環流量（Ｗ）が最大となる条件の環流用ガス流量（Ｑ_g）を採用すればよい。

尚、これらの式の計算に当たっては、溶鋼３の表面張力（σ）は１５４０dyn/cm、環流用Ａｒガスの密度（ρ_g ）は１．７８６kg/m³ 、溶鋼３の密度（ρ_l）は７０００kg/m³ とすればよい。環流用ガス吹き込みノズル１０の内径（ｄ₀ ）の最大値は１０ｍｍ程度と考えればよい。

また、算出された条件を採用する前に、採用する予定の環流用ガス流量（Ｑ_g ）、環流用ガス吹き込みノズル１０の設置本数（Ｎ）及び環流用ガス吹き込みノズル１０の内径（ｄ₀）を用いて、温度補正後の気泡径（ｄ_b ’）並びに最大気泡径（ｄ_ｂmax）を算出し、温度補正後の気泡径（ｄ_b’）が最大気泡径（ｄ_ｂmax）よりも小さくなることを確認することが好ましい。温度補正後の気泡径（ｄ_b ’）が最大気泡径（ｄ_ｂmax）よりも大きくなった場合には、再度計算をやり直すなどして、温度補正後の気泡径（ｄ_b’）が最大気泡径（ｄ_ｂmax）よりも小さくなる条件を新たに求めることが望ましい。

このように、本発明では、上昇側浸漬管８の内径（Ｄ_P ）をも考慮しながら、環流用ガス流量（Ｑ_g ）、環流用ガス吹き込みノズル１０の設置本数（Ｎ）、環流用ガス吹き込みノズル１０の内径（ｄ₀）を最適条件として環流用Ａｒガスを吹き込むので、溶鋼３を極めて効率良く環流させることができ、その結果、精錬時間の短縮、除去対象成分の低減化、環流用Ａｒガス使用量の削減、浸漬管の長寿命化などを達成することが可能となる。

尚、上記説明では環流用ガス吹き込みノズル１０を同一水平面上に配置したが、これは説明を分かりやすくするためのもので、同一水平面上に配置する必要は全くない。また、環流用ガス吹き込みノズル１０を円周方向に等間隔に配置したが、等間隔に配置する必要も全くない。

ＲＨ真空脱ガス装置の概略縦断面である。 上昇側浸漬管の内部の状況を模式的に示す概念図である。

符号の説明

１ ＲＨ真空脱ガス装置
２ 取鍋
３ 溶鋼
４ スラグ
５ 真空槽
６ 上部槽
７ 下部槽
８ 上昇側浸漬管
９ 下降側浸漬管
１０ 環流用ガス吹き込みノズル
１１ ダクト
１２ 原料投入口
１３ 気泡

Claims (2)

1. 取鍋と真空槽との間で溶鋼を環流させるＲＨ真空脱ガス装置にて溶鋼の環流量を推定するに際し、溶鋼環流量を、環流用ガス流量、環流用ガス吹き込みノズルの設置本数及び環流用ガス吹き込みノズルの内径を用いて下記の（１）式により算出することを特徴とする、ＲＨ真空脱ガス装置の溶鋼環流量推定方法。
   

   

   但し、（１）式において、Ｗは溶鋼環流量（kg/sec）、Ｎは環流用ガス吹き込みノズルの設置本数、ｄ_bは環流用ガスの気泡径（m ）、Ｑ_g は環流用ガス流量（m³（標準状態）/sec）であり、ｄ_bは下記の（２）式によって表される。
   

   

   但し、（２）式において、σは溶鋼の表面張力（dyn/cm）、ｄ₀は環流用ガス吹き込みノズルの内径（m ）、ρ_l は溶鋼密度（kg/m³ ）、ｇは重力加速度（m/sec²）、Ｑ_gは環流用ガス流量（m³（標準状態）/sec）、Ｎは環流用ガス吹き込みノズルの設置本数である。
2. 複数の環流用ガス吹き込みノズルが配置された浸漬管から環流用ガスを吹き込んで取鍋と真空槽との間で溶鋼を環流させるＲＨ真空脱ガス装置の環流用ガス吹き込み方法において、溶鋼の環流量を、環流用ガス流量、環流用ガス吹き込みノズルの設置本数及び環流用ガス吹き込みノズルの内径を用いて下記の（１）式により算出し、算出される溶鋼環流量が目的とする溶鋼環流量になるように、環流用ガス流量、環流用ガス吹き込みノズルの設置本数、環流用ガス吹き込みノズルの内径のうちの少なくとも１種以上を調整することを特徴とする、ＲＨ真空脱ガス装置の環流用ガス吹き込み方法。
   

   

   但し、（１）式において、Ｗは溶鋼環流量（kg/sec）、Ｎは環流用ガス吹き込みノズルの設置本数、ｄ_bは環流用ガスの気泡径（m ）、Ｑ_g は環流用ガス流量（m³（標準状態）/sec）であり、ｄ_bは下記の（２）式によって表される。
   

   

   但し、（２）式において、σは溶鋼の表面張力（dyn/cm）、ｄ₀は環流用ガス吹き込みノズルの内径（m ）、ρ_l は溶鋼密度（kg/m³ ）、ｇは重力加速度（m/sec²）、Ｑ_gは環流用ガス流量（m³（標準状態）/sec）、Ｎは環流用ガス吹き込みノズルの設置本数である。

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