JP2009074161A - 真空脱ガス方法 - Google Patents

Abstract

【課題】真空精錬設備における水封式真空ポンプのキャビテーションを防止する真空脱ガス方法を提供する。
【解決手段】真空精錬設備におけるエジェクター式真空排気装置および水封式真空ポンプを使用する真空脱ガス方法であって、前記水封式真空ポンプで吸入し排気した排ガスを吸入ラインに循環させて前記水封式真空ポンプの吸入側流量をほぼ一定にさせることにより該水封式真空ポンプのキャビテーションを防止することを特徴とする真空脱ガス方法。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高炉・転炉・電気炉等で製造された炭素含有の粗溶湯を真空下において精錬する真空精錬設備における真空脱ガス方法に関する。

真空精錬炉は、ＶＯＤ，ＡＯＤ，ＲＨ，ＲＥＤＡ等種々のタイプがあるが、炉内を真空にするための真空排気設備は必須の装備である。こうした真空精錬炉を工業的に真空にする真空排気設備は、一般に、エジェクターを多段に組合せることにより所定の炉内真空度を達成している。真空精錬炉における精錬の進行に合わせて真空度を制御するが、通常は多段のエジェクターの内、目標とする真空度に見合った能力の単数或いは複数のエジェクターを稼動させ、所定の真空度を確保している。

一方、工業的に使用される真空排気装置の一つに水封式真空ポンプがある。これは単独で使用する場合、キャビテーションの問題から到達真空度として８kPa程度であり、それ以上の真空度を得る場合は、前述のエジェクターを併用する必要がある。エジェクターのみを使用して真空度制御を行う場合は、エジェクターの前に窒素或いは空気等を吹込み、その吹込み流量を制御することにより、炉内或いはダクトの真空度が制御される。

溶鋼を真空下で気体酸素を使用して精錬する場合、脱炭反応により生成するＣＯガスにより、溶鋼の湯面から地金・スプラッシュが真空精錬炉の上部に向かって吹上げてくる。これらは真空度が高くなると（高真空となると）発生量が激しくなり、精錬炉の上部の合金添加孔・炉蓋・ダクト等に付着して閉塞或いは種々の設備・操業トラブルを引き起こし生産性を阻害する。また真空度を高くして且つ吹酸速度を大きくすると、急激な脱炭反応が進行して、発生したＣＯガスによって溶鋼湯面近傍から大量の地金を一気に吹上げる現象、即ち突沸を引き起こす。これも大きな設備トラブルとなり生産性を悪化させる。

この様に、真空下での炭素含有溶鋼を吹酸脱炭することは、極めて注意を要する操業である。そのポイントは、溶鋼中の炭素濃度に応じて、真空度・吹酸速度を制御することである。このうち吹酸速度については、酸素ガスの流量調節弁によりある程度制御可能であるが、真空度については充分な制御方法が確立されていない。

前記の従来技術の内、エジェクターを使用する場合、多段のエジェクターを順次起動・停止する方法は、エジェクター単体の能力範囲が広いため真空度をきめ細かく制御することは不可能である。また、特開平１０−１７１６号公報（下記特許文献１）に見られる様に、排気装置を稼動させながら外部からガスをリークさせる（例えば窒素を使用する）方法は、ある程度の真空度の制御は可能であるが、ガスコストが高くなる欠点がある。ガスコスト削減の方策として窒素の代替として空気を使用する方法がある。しかし、真空度制御そのものは可能であるが、吸引する排ガスは高濃度のＣＯガスを含有しているため、助燃ガスである酸素を含有する空気を混入した場合、燃焼・爆発の危険性があり、実機への採用は極めて危険である。更に、外部からガスをリークさせると、排気装置の負荷が増え、例えば真空ポンプの使用電力は増大するため省エネルギーの観点からも好ましくない。また、同文献で実施されているエジェクターへの蒸気供給量を制御する方法は、エジェクターの排気特性の最適蒸気流量は固有のものであるため、これを増減することはエジェクターそのものの排気性能を著しく低下せしめることになる。と同時に、僅かな蒸気流量変動がエジェクター性能に敏感に影響し過ぎるため、精錬炉内圧力をきめ細かに制御することも難しくなる。

一方、水封式真空ポンプを使用する方法は、単独では高真空にするには能力不足であり、真空度をきめ細かく制御することは不可能である。
そこで、特開２００３−１９３１２５号公報（下記特許文献２）には、真空精錬設備のエジェクター式真空排気装置及び水封式真空ポンプを同時に有する真空精錬炉で、溶湯を真空精錬するに際し、水封式真空ポンプから排気された排ガスの一部を真空度制御用圧力調整弁の弁開度を調整して、水封式真空ポンプの排ガス流路上流側に戻し、真空精錬炉内を８〜５３kPaの真空度に制御することにより、 真空精錬炉において、炭素含有溶湯を吹酸脱炭する場合、溶湯中クロムおよび鉄の酸化ロスを抑制しつつ、且つ地金・スプラッシュ等の吹き上げを防止する目的として、炉内或いはダクト内の真空度を制御する真空度制御方法及び装置が提案されている。
この特許文献２の制御方法によれば、炉内或いはダクト内の真空度を制御することはできるが、水封式真空ポンプの吸入ガス量が少なくなり過ぎてキャビテーションが発生するという問題点があった。
特開平１０−１７１６号公報 特開２００３−１９３１２５号公報

本発明は、真空精錬設備における水封式真空ポンプのキャビテーションを防止する真空脱ガス方法を提供することを課題とする。

本発明は、真空精錬設備におけるエジェクター式真空排気装置および水封式真空ポンプを使用する真空脱ガス方法であって水封式真空ポンプのキャビテーションを防止する真空脱ガス方法を提供するものであり、その要旨は特許請求の範囲に記載したとおりの下記内容である。
（１）真空精錬設備におけるエジェクター式真空排気装置および水封式真空ポンプを使用する真空脱ガス方法であって、前記水封式真空ポンプで吸入し排気した排ガスを吸入ラインに循環させて前記水封式真空ポンプの吸入側流量をほぼ一定にさせることにより該水封式真空ポンプのキャビテーションを防止することを特徴とする真空脱ガス方法。
（２）前記水封式真空ポンプで吸入し排気した排ガスを吸入ラインに循環させることにより真空脱ガス処理末期の排ガス量および成分を正確に測定し、真空脱ガス処理終了のタイミングを正確に把握することを特徴とする（１）に記載の真空脱ガス方法。
（３）前記水封式真空ポンプの吸入ラインに流量測定装置を設け、排ガスを循環させる復圧ラインに復圧流量を調整する流量調節弁を設け、該流量測定装置および流量調節弁を用いて、前記復圧ラインから水封式真空ポンプ゜に流入する排ガス流量を自動コントロールすることにより水封式真空ポンプの吸入ガス量を一定に保つことを特徴とする（１）または（２）に記載の真空脱ガス方法。
（４）初期の排気に用いるエジェクター式真空排気装置の出側に遮断弁を設けて密封することにより、排ガス成分分析時の外乱となるCOガスの流出を防止することを特徴とする（１）乃至（３）のいずれか一項に記載の真空脱ガス方法。
＜作用＞
（１）の発明によれば、水封式真空ポンプで吸入し排気した排ガスを吸入ラインに循環させて前記水封式真空ポンプの吸入側流量をほぼ一定にさせることにより該水封式真空ポンプのキャビテーションを防止することができる。
（２）の発明によれば、水封式真空ポンプで吸入し排気した排ガスを吸入ラインに循環させることにより真空脱ガス処理末期の排ガス量および成分を正確に測定し、真空脱ガス処理終了のタイミングを正確に把握することができる。
（３）の発明によれば、水封式真空ポンプの吸入ラインに流量測定装置を設け、排ガスを循環させる復圧ラインに復圧流量を調整する流量調節弁を設け、該流量測定装置および流量調節弁を用いて、前記復圧ラインから水封式真空ポンプ゜に流入する排ガス流量を自動コントロールすることにより水封式真空ポンプの吸入ガス量を一定に保つことができる。
（４）の発明によれば、初期の排気に用いるエジェクター式真空排気装置の出側に遮断弁を設けて密封することにより、排ガス成分分析時の外乱となるCOガスの流出を防止することができ、正確な排ガス成分分析を行うことができる。

本発明によれば、真空精錬設備におけるエジェクター式真空排気装置および水封式真空ポンプを使用する真空脱ガス方法であって水封式真空ポンプのキャビテーションを防止する真空脱ガス方法を提供することができ、具体的には下記のような産業上有用な著しい効果を奏する。
１）脱ガス処理終了タイミングを正確に判断出来る為、安定した操業が可能となる。処理終了後の溶鋼サンプリングにて規定値に達していない場合は、再処理が必要であるが、その可能性が少なくなる。
２）脱ガス処理の処理開始から終了までを自動制御（ダイナミック制御）で運転が出来るため、オペレーターの負荷軽減に繋がる。

本発明を実施するための最良の形態について図１乃至図４を用いて詳細に説明する。

図１は、本願の真空脱ガス方法における第１の実施形態を示す図である。

図１において、1はエジェクター式真空排気装置、２は水封式真空ポンプ、３は排ガス配管、４は復圧ライン、５は排ガス分析計、６は真空槽、７はガスクーラー、８はブースター、９はコンデンサーを示す。

図１に示すように、真空精錬設備における真空排気装置は、水封式真空ポンプと蒸気エジェクター（以下単にエジェクターという）の真空排気装置本体とユーティリティー（蒸気・冷却水等）を処理する補機（コンデンサー・シールタンク等）によって、構成されるのが一般的である。

真空精錬炉で発生した排ガスは真空槽６から水冷ダクトを通り、それに接続するガスクーラー７で冷却される。その後ブースター８を通り、コンデンサー９およびエジェクター式真空排気装置１を通り、更に水封式真空ポンプ２にて吸引され、大気放散される。

この真空脱ガス処理の末期には排ガス量が減少してくるため、水封式真空ポンプ２の上流側の蒸気エジェクター式真空排気装置１から流入する真空ポンプ吸入ガス量もそれに伴い減少する。真空ポンプ２の吸入ガス量が設計値以下まで減少してくると、ポンプ吸入圧力も設計値よりも高真空側に移行してくる。
水封式真空ポンプ２の内部が設計値よりも高真空側に移行してくると、ポンプの封水として使用する水（工業用水）が沸騰し、発生した気泡によりポンプがキャビテーションを引き起すという問題点があった。
このキャビテーションを防止するために、図２の従来の図に示すように、従来は水封式真空ポンプ２の吸入配管に大気を吸込するキャビテーション防止ラインを設けて、水封式真空ポンプ２の内部の圧力が設計値圧力以下(例えば90Torr以下)にならないように、大気を流入させポンプ内部を復圧させていた。

しかし、従来の真空脱ガス設備では、脱ガス処理の進捗状況把握のために、排気ダクトに排ガス流量計・排ガス成分分析計５を設置し、処理の進捗状況を監視していた。排ガス量は、処理開始時がMaxであり、処理が進むにつれて排ガス量は減少し、槽内が高真空の状態となっていた。

また、排ガス成分は、脱炭時にはCO成分が大部分を占め、処理末期は、真空槽内に吹込まれる不活性ガス（Ar又はN2）が大半を占める。

このように、排ガス量・排ガス成分にて処理進捗状況を監視できるが、水封式真空ポンプ２のキャビテーション防止の為に、水封式真空ポンプの吸入ラインから大気を吸い込ませると排ガスと吸入エアが混ざることとなり、実排ガス量および排ガス分析の数値が真値とならないという問題があった。
一般的に真空精錬処理では、処理開始の初期排気から処理中盤の脱炭/合金添加中は、槽内真空度が100Torr前後であり、水封式真空ポンプ吸入側では各機器の圧損もあり150Torr程度でキャビテーションも発生しないので、水封式真空ポンプに大気を吸入する必要はない。
しかし、脱ガス処理の末期では槽内真空度10Torr以下となり、水封式真空ポンプ２吸入側では50Torr程度まで下がる為、キャビテーション対策が必要となる。

そこで、本発明においては、キャビテーション防止のために設けられていたガス吸込口を水封式真空ポンプ２の排気ラインにつなぐバイパスライン（復圧ライン４）を設け、水封式真空ポンプ２から排気する排カ゛スを循環させることにより水封式真空ポンプに大気を流入させない方式とし、前記水封式真空ポンプで吸入し排気した排ガスを吸入ラインに循環させて前記水封式真空ポンプの吸入側流量をほぼ一定量にさせることにより該水封式真空ポンプのキャビテーションを防止することができる。

また、水封式真空ポンプ２の吸入側に流量測定用オリフィス、復圧ライン４に流量調節弁とオリフィスを配置し復圧ライン4から水封式真空ポンプ２に循環させる排ガス量をコントロールするようにした。これにより水封式真空ポンプ２の吸入側排ガス量を一定に保ち水封式真空ポンプ２の吸入圧力をキャビテーション発生圧力以上とすることができる。

初期排気中等で吸入側ガス量が設計値以上である場合(吸入側圧力が高い場合(100Torr以上))は復圧ライン４の流量調節弁を閉とし、排気ラインからの排ガスの吸入を抑制し、水封式真空ポンプの吸入能力を阻害しない。

本発明によれば、従来のように水封式真空ポンプ２のキャビテーション防止ラインから大気を吸い込まないため、排ガス分析計の測定値に外乱を与えない。

また、排ガス流量値についても復圧ライン４の循環初期の流量変動は生じるが、復圧ライン４の圧力が一定に保たれれば、吸入側流量と排気側流量はほぼ等しくなる。

すなわち、脱ガス槽からの排ガス量(Q1)と復圧ライン流量（Q2）を足したものが、水封式真空ポンプ吐出流量(Q3)となる。

Q1+Q2＝Q3 ・・・（Ａ）
水封式真空ポンプ吐出流量(Q3)から、復圧ライン流量(Q2)を差し引いたものが、排ガスダクトに放出される排ガス量（Q4）となる。

Q3-Q2＝Q4 ・・・（Ｂ）
従って、脱カ゛ス槽からの排カ゛ス量(Q1)と排ガスダクトに放出される排ガス量(Q4)は、等しくなる。

Q1=Q4 ・・・（Ｃ）
また、排ガス量・排ガス成分が正確に測定できることにより、処理終了のタイミングをオペレーターもしくはプロセスコンピュータにて判断できる。

プロセスコンピュータで判断できれば、処理開始から処理終了までの自動制御が可能となる。（CO終点制御）
また、水封式真空ポンプのキャビテーション防止方法として、以下の方法が考えられる。
＜水封式真空ポンプのVVVF制御化＞
水封式真空ポンプの電動機をVVVF制御で回転数を制御することにより、水封式真空ポンプ吸入量を抑制してキャビテーションを防止することができる。

この方法によれば、回転数を自在にコントロールできるので、省電力の効果も期待できる。

しかし、この方法は高圧モーター用のＶＶＶＦ制御盤が非常に高価な物となるというデメリットがある。
＜水封式真空ポンプを使用しない排ガスシステム＞
水封式真空ポンプを併用せずに、蒸気エジェクター式真空排気装置のみで真空排気装置を設ければ、水封式真空ポンプのキャビテーションンの問題は発生しないが、蒸気エジェクター式真空排気装置を作動させるために必要な蒸気や・コンテ゛ンサー冷却水などユーティリティーの量が増大する。

また、供給蒸気量の上限が同じで水封式真空ポンプの併用ができない場合は、水封式真空ポンプ併用の場合と比べ、排気時間が長くなる。

図３は、本願の真空脱ガス方法における第２の実施形態を示す図である。

通常、真空排気装置は、蒸気量削減の観点より、エジェクターと水封式真空ポンプを組み合わせて運転し、大気圧から40Torr近辺までの初期排気は、エジェクター式真空排気装置（初期排気用）１２を運転し、40Torr以下の高真空域では、初期排気用エジェクター１２を停止し、この駆動蒸気で、エジェクター式真空排気装置（高真空用）１及びブースター８を運転し、エジェクター式真空排気装置（高真空用）１及びブースター８運転時の後段側の排気は水封式真空ポンプ２で排気する。

図３に示す本発明の第３の実施形態では、排ガス成分分析を行う際、初期排気用のエジェクター１２の停止時に、真空ポンプ系の排ガスラインのみから排ガスが流れることになるが、ドラフト効果により初期排気用のエジェクター１２内のＣＯを含む滞留ガスが排出されないように、初期排気用のエジェクター１２の後段に遮断弁１４を設けて初期排気用のエジェクター１２の非駆動時に密封状態とすることにより、排ガス成分分析時の外乱となるCOガスの流出を防止することができ、正確な排ガス成分分析を行うことができる。

図４は、本願の真空脱ガス方法における第３の実施形態を示す図であり、図
３に示す遮断弁１４を設けない場合を示しており、この実施形態も本願発明に含まれる。

以上の実施形態により、本発明の効果が確認された。

本発明の真空精錬設備における真空脱ガス方法によれば、水封式真空ポンプで吸入し排気した排ガスを吸入ラインに循環させて前記水封式真空ポンプの吸入側流量と排気側流量とのバランスを取ることにより該水封式真空ポンプのキャビテーションを防止することができるので真空精錬設備の信頼性が向上し、操業上のトラブルがなく連続運転が可能となるので真空精錬設備の生産性を著しく向上させることから将来の適用拡大が大いに期待できる。

本願の真空脱ガス方法における第１の実施形態を示す図である。 従来の真空脱ガス方法を例示する図である。 本願の真空脱ガス方法における第２の実施形態を示す図である。 本願の真空脱ガス方法における第３の実施形態を示す図である。

符号の説明

１ エジェクター式真空排気装置
２ 水封式真空ポンプ
３ 排ガス配管
４ 復圧ライン
５ 排ガス分析計
６ 真空槽
７ ガスクーラー
８ ブースター
９ コンデンサー
１０ 流量調節弁
１１ 吸入弁
１２ エジェクター式真空排気装置（初期排気用）
１３ アフターコンデンサー
１４ 遮断弁

Claims (4)

1. 真空精錬設備におけるエジェクター式真空排気装置および水封式真空ポンプを使用する真空脱ガス方法であって、前記水封式真空ポンプで吸入し排気した排ガスを吸入ラインに循環させて前記水封式真空ポンプの吸入側流量をほぼ一定にさせることにより該水封式真空ポンプのキャビテーションを防止することを特徴とする真空脱ガス方法。
2. 前記水封式真空ポンプで吸入し排気した排ガスを吸入ラインに循環させることにより真空脱ガス処理末期の排ガス量および成分を正確に測定し、真空脱ガス処理終了のタイミングを正確に把握することを特徴とする請求項１に記載の真空脱ガス方法。
3. 前記水封式真空ポンプの吸入ラインに流量測定装置を設け、排ガスを循環させる復圧ラインに復圧流量を調整する流量調節弁を設け、該流量測定装置および流量調節弁を用いて、前記復圧ラインから水封式真空ポンプ゜に流入する排ガス流量を自動コントロールすることにより水封式真空ポンプの吸入ガス量を一定に保つことを特徴とする請求項1または請求項２に記載の真空脱ガス方法。
4. 初期の排気に用いるエジェクター式真空排気装置の出側に遮断弁を設けて密封することにより、排ガス成分分析時の外乱となるCOガスの流出を防止することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の真空脱ガス方法。

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