JP2014148701A

JP2014148701A - 溶鋼の取鍋真空精錬装置

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Publication number: JP2014148701A
Application number: JP2013016727A
Authority: JP
Inventors: Eiko Yamada; 榮子山田
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-01-31
Filing date: 2013-01-31
Publication date: 2014-08-21
Anticipated expiration: 2033-01-31
Also published as: JP5687718B2

Abstract

【課題】取鍋上方を真空カバーで密閉して溶鋼中にガスを吹き込む真空精錬方法においてフリーボードが小さい既存の取鍋に対して適用可能な処理装置を提供する。
【解決手段】真空カバーを吸引管４部と気密用の真空フランジ７部と取鍋３内壁内に溶鋼２面直まで挿入する下端部９管から構成し、該下端部管９の外周面と該フランジ７下面と取鍋３内壁と溶鋼２表面との４面で環状空間１０を形成する。真空下でのガス吹込みにより溶鋼２上面は発泡しつつ上昇するが、吸引管４の内部のみで上昇し、環状空間１０部では上昇しない。
【選択図】図１

Description

本発明は溶解炉から取鍋に受けた溶鋼を真空下で精錬する装置に関するものである。

今日では溶鋼の仕上げ精錬は多くの場合溶解炉内ではなく取鍋内でなされる。高級鋼には真空処理が適用され脱ガス、脱酸、脱非金属介在物等の高度の精錬がなされる。
真空精錬には種々の方法・装置があって一長一短がある。大容量用に多用されているＲＨ法（図２Ａ）と称される吸引循環式脱ガス方法では従来の取鍋がそのまま使用することができる。短所として反応領域が大きくなく、又循環量にも限度があるため撹拌エネルギー密度（該密度と反応速度係数値は比例的関係にある）が小さくなり、その結果反応速度が小さい、精錬時間が長い（約３０分）と言う問題がある。
さらに処理容器は単純な形状でないため耐火物耐久に不利であり、特殊な浸漬管を初め耐火物コストが大きいと言う問題もある。

他方ＡＳＥＡ−ＳＫＦ法等の取鍋溶鋼自体を真空下に曝す方法（図２Ｂ）では上記の両問題には有利になる。真空精錬では諸反応の誘導と反応促進のためのガス吹込みと真空吸引が一体となっている。その結果真空下でのガス吹込みにより沸騰しつつ溶鋼面が上昇し、場合により溢れる危険性が生ずる。従って取鍋高さ（深さ）に充分な余裕が必要になる。その余裕高さをフリーボードと称し、通常７００〜１５００ｍｍが設定される。通常の取鍋ではその余裕が無い。

工場新設時に真空精錬装置を設置する場合、上記フリーボードは問題にはならないが、真空装置を事後付設する場合、取鍋の長身化は容易に見えて実際は大変である。通常製鋼工場建屋の作業下限は溶解炉下のピット床面であり、該床面に取鍋台車が誘導される。取鍋の長身化は該ピットや台車軌道全体の掘り下げを不可避とする。
また作業上限は取鍋を連続鋳造機架台に積載する高さにある。取鍋の長身化は取鍋耳軸を吊り下げる取鍋吊り具の長身化をもたらし、架台に簡単には収まらない。色々な工事が必要になる。既存のフリーボードの小さい取鍋がそのまま使用することができる真空精錬装置が大いに期待される。

特許文献１には、単一の大径浸漬管を取鍋内溶鋼に浸漬し、該管内を真空に吸引する方法が開示（図２Ｃ）されている。本方法では上記フリーボード問題が解消される。又本方法ではＲＨ法に比較して反応領域が拡張すること及び撹拌のための吹込みガス量を容易に増加させることができることにより反応速度が向上する。
問題は、真空に吸引する結果、該管の内外に溶鋼レベル差が生じ、差は大気圧相当の約１．４ｍになる。その上沸騰による溶鋼面上昇約１ｍが上乗せされる。さらに浸漬深さを加えると浸漬管の最少長さは約３ｍ弱になり溶鋼に接触する耐火物面積は過大となってコスト負担があまりに大きい。
又精錬終了時や停電等の事故時に安易に復圧すると、２ｍを越える溶鋼が急速落下し、弾みで溢れ、爆発事故を誘発する危険性もある。緩慢・確実な復圧を管理しなければならない。

特許文献２には、ＲＨ真空精錬装置を原形として、真空槽底部の外周と取鍋上縁に気密にフランジを設け浸漬時には両者を押圧して取鍋内壁と真空槽底部外周で形成される空間を気密室とし、該室を加圧して真空槽への溶鋼収容量を増加せしめ反応速度を向上させる方法が開示されている。新機軸の気密室の構成によりＲＨ法の問題の一つは改善されるが耐火物コストについては何ら効果がない。

特許文献３には、前記文献で開示された装置を使用して２本の浸漬管の周囲を雰囲気制御し、浸漬管のワレ目を通じて空気が侵入するのを防止する方法が開示されている。気密室の新規応用と言える。

特開平7-41834 特開平7-118731 特開平10-140228

溶解炉から取鍋に受けた溶鋼を真空精錬するに当たり、ＲＨ法と称される吸引循環式の方法では品質には優れるが、処理装置本体は耐火物をライニングした長身の真空槽とその下部に付設された２本の特殊浸漬管から構成され、消耗の激しい浸漬管他耐火物コストは決して小さくない。

取鍋を気密構造にして溶鋼中にガスを吹込み溶鋼全体を真空に曝すＡＳＥＡ−ＳＫＦ法では品質及び耐火物コストでは有利であるが、溶鋼の発泡により溶鋼面が上昇するので取鍋には充分なフリーボード（余裕深さ）が必要になり、既存の取鍋では対応することはできない。真空装置を既存工場に付設する場合には取鍋更新だけでなく取鍋の長身化に伴う工場建屋各所の上下拡張工事が避けられない。

真空槽を単一大径浸漬管で構成する場合、反応速度は向上するが浸漬管の長さは異様に大きくなる。即ち真空による溶鋼ヘッド（約１．４ｍ）に減圧による沸騰高さ（最大１ｍ）と浸漬深さ（約０．３ｍ）が加わり耐火物コストが極めて不利となる。さらに浸漬管内外の溶鋼レベルの大きな落差は安全性にも特別の注意を要する。
本願発明は、既存のフリーボードの余裕がない取鍋に対しても真空処理が安全になし得、且つ耐火物消費に無理が無い装置を提供することを解決すべき課題とする。

課題解決に当たり、真空精錬開始時の溶鋼表面をよく観察した結果、大気圧バブリングでは局所噴出流による沸騰状態を示すが、減圧バブリングでは全面的に比較的穏やかな発泡状で表面が徐々に上昇することから、浸漬管はあえて浸漬せずとも浸漬状になることに気付き以下の発明をなした。

本願発明は、溶鋼を収容した取鍋の上縁を真空カバーで密封して内部空間を真空に吸引し、他方取鍋底部から不活性ガスを吹き込んで溶鋼全体を撹拌しつつ精錬する方法において、真空カバーを取鍋内径の５０％以上の内径を持つ吸引管部と真空フランジ部から構成し、該吸引管部は上端部と中間の円筒部と下端部から成り、半球面状の該上端部は排気装置の排気管に連接し、管状の該下端部は取鍋内壁内の空間に挿入し下端縁を精錬前は溶鋼表面直上、精錬中は溶鋼内に浸漬させ、前記真空フランジ部は該下端部直上の外周に設け、該取鍋上縁外周に設けられた気密フランジを押圧して密封するとともに取鍋内壁と該下端部外壁と該真空フランジ部下面と溶鋼上面との４面で環状空間を形成し、該環状空間と前記排気管を弁を介して連通させ、真空に吸引する際には該弁を閉、排気を止め復圧する際には開として内部空間と環状空間を同一圧力とすることを特徴とする取鍋真空精錬装置である。

上記の発明による第１の効果は、取鍋内溶鋼に対して下からガスを吹込み上では真空に吸引して真空精錬する際、溶鋼の上部は発泡状に膨張して表面が上昇するが、本発明では、吸引管内では上昇するが吸引管の外周部では真空でない気密空間が形成されていて溶鋼表面が上昇しない。従ってフリーボードの小さい取鍋でも溢れるとことが無く操業することができる。
第２の効果は真空精錬装置を既存の製鋼工場に付設する場合、既存の取鍋をそのまま使用することができ、設備費、工事費が割安になる。
第３の効果は、耐火物は単純円筒形で耐久によく、円筒高さも沸騰高さのみで吸引分は無いので必要質量が大きくない。又溶鋼を内装するが浸漬部が無いので耐久によい。浸漬部はスラグに熔蝕され全体寿命は浸漬部で決まる。以上から耐火物コストに対して有利である。

本発明の取鍋真空精錬装置であり、Ａは精錬直前の状態、Ｂは精錬中の状態を示す。従来の取鍋真空精錬装置の例を示し、ＡはＲＨ法、ＢはＡＳＥＡ−ＳＫＦ法、Ｃは大径浸漬管法である。

以下実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
図１は本発明の取鍋真空精錬装置の概略図である。該精錬装置１は溶鋼２を収容した取鍋３の上方で待機する。フリーボードΔＨは通常の取鍋と同様過剰な余裕は無い。該精錬装置１は主に溶鋼上方を真空に吸引する釣鐘状の吸引管４と該吸引管４の頂部に連接する排気管５と該排気管５の下流側に連接する排気装置６と吸引管４の外周に設けられ取鍋３の内側を気密にする水平環状の真空フランジ７とから成る。吸引管４は耐火物で内張りされた気密の鉄皮構造である。該真空フランジ７は取鍋３の上縁の外周に設けられた水平環状の気密フランジ８に自重で押圧し、パッキンを介して取鍋内を気密化する。

吸引管４において真空フランジ８よりも下方の耐火物製管状部を下端部９と称し、取鍋３の上縁よりも下方に挿入され溶鋼面直上までの長さを持つ。気密状態で溶鋼には浸漬しない。該下端部９の外周には取鍋３の内壁と真空フランジ７の下面と下端部９の外壁と溶鋼表面の４面から成る環状空間１０（底内側は開口している）が形成される。
該環状空間１０と排気管５とは弁１１を介する連通管１２によって連通している。弁１１は通常は閉の状態である。

この状態で吸引すると取鍋内空間及び環状空間とも真空に向かうが何ら変化は生じない。取鍋３の底部に設けられた通気栓１３から不活性ガスを溶鋼中に吹き込むと上昇気泡１４により溶鋼は撹拌される。真空下であるから気泡は液面直下に近づくと急膨張し、沸騰状（波打ち状）ではなく発泡状（平坦）で液面が上昇する。下端部９が浸漬状態になる。環状空間１０においても液面が上昇するが上昇により閉鎖されて吸引が無くなること及び溶鋼から抜け出た気泡により雰囲気圧が上昇し、液面上昇は止まり下降に転ずる。液面が下端部９の下端に達したところで均衡し、以後その水準が維持される。

排気直前において下端部９が浸漬されている場合（溶鋼量の過剰による）の挙動は以下である。環状空間１０は大気圧の閉鎖空間である。排気により吸引管４内の液面は上昇し、他方環状空間１０内の液面は下降する。下端部９の下端に達して空間内空気が吸引管側へ移行する。下端部９の内外圧力差が均衡するまで移行し下端で静止する。溶鋼が移行したことになる。内外の落差Δｈは内外の水平断面積比（外側／内側）×初期浸漬深さ×２になる。本願発明では吸引管４の内径は充分大きくしてあるので上記落差は大きくない。吸引管４の長さに多少の余裕があれば問題とならない。
環状空間内の圧力は上記落差に溶鋼密度を乗じた値になる。

この状態でガスを吹き込むと、前記同様、沸騰、発泡しつつ液面が上昇し、環状空間内部の溶鋼・ガスとも前記同様の経過をたどる。結局下端部９は溶鋼に浸漬してもしなくてもほとんど差がない。

正常な真空精錬では安全面から液面上昇は約６００ｍｍ以下に管理される。上昇は気泡の混入によるものであるから混入域１５は当然６００ｍｍ以上の深さに拡がっている。環状空間の下方も混合域になっていることが容易に推測できる。環状空間には常時ガスが供給され、液面が下端部下端に維持されることが解る。

精錬の終了に当たり、排気の停止の後外気を導入して復圧されるが、その際環状空間１０と排気管５とを連通する連通管１２に設けられた弁１１を同時に開とする。吸引管内と環状空間内は同一圧力下で復圧する。内外とも同一水準で液面が低下してゆく。
閉のままであると吸引管内の溶鋼水準が急速に下降し環状空間内の液面が急上昇する。多少でもガスが残存していてその圧縮により上昇は抑えられ溢れることは無いかも知れないが、弾みや液面脈動により角部の固着や不都合が起こりやすい。

吸引管４の内径は大きいほど都合良い。水平断面積に比例して吹込みガス量を増加させることができ精錬速度が向上する。又大きいほど反応領域が大きくなり同様の効果が得られる。具体的には大径の浸漬管方式でしばしば提起されている範囲である取鍋内径の５０％以上と特定した。

図には明記しなかったが、吸引管４や吸引管下端部９は取鍋内壁と同様に消耗的であるから交換容易な構造とする。
浸漬管を使用する方式では浸漬管を構成する耐火物に割れ目が生ずるとリークによる種々の不都合が生ずるが、本発明では下端部に割れ目が生じても内外圧力差は小さいので大きな不都合は無い。
本願発明の真空精錬の方法は高真空（約１ｔｏｒｒ）の場合でも低真空（０．１〜０．３気圧）の場合でも適用することができる。
本方法の装置はスラグを保有してもしなくても同様に適用することができる。

本願発明の精錬装置を実施する場合に適切な基本仕様の例を表１に示す。実施に際して特に困難は無い。

本願発明の真空精錬装置は既存の製鋼工場に比較的無難に設置することができる。

１：真空精錬装置２：溶鋼３：取鍋４：吸引管５：排気管６：排気装置７：真空フランジ８：気密フランジ９：下端部１０：環状空間１１：弁１２：連通管１３：通気栓１４：上昇気泡１５：気泡混入域

上記の発明による第１の効果は、取鍋内溶鋼に対して下からガスを吹込み上では真空に吸引して真空精錬する際、溶鋼の上部は発泡状に膨張して表面が上昇するが、本発明では、吸引管内では上昇するが吸引管の外周部では真空でない気密空間が形成されていて溶鋼表面が上昇しない。従ってフリーボードの小さい取鍋でも溢れるとことが無く操業することができる。
第２の効果は真空精錬装置を既存の製鋼工場に付設する場合、既存の取鍋をそのまま使用することができ、設備費、工事費が割安になる。
第３の効果は、吸引管部の耐火物は単純円筒形で耐久によく、円筒高さも沸騰高さのみで吸引による落差分は無いので必要質量が大きくない。又該吸引管部は溶鋼を内装するが浸漬部が無いので耐久によい。浸漬部はスラグに熔蝕され全体寿命は浸漬部で決まる。以上から耐火物コストに対して有利である。

Claims

溶鋼を収容した取鍋の上縁を真空カバーで密封して内部空間を真空に吸引し、他方取鍋底部から不活性ガスを吹き込んで溶鋼全体を撹拌しつつ精錬する方法において、真空カバーを取鍋内径の５０％以上の内径を持つ吸引管部と真空フランジ部から構成し、該吸引管部は上端部と中間の円筒部と下端部から成り、半球面状の該上端部は排気装置の排気管に連接し、管状の該下端部は取鍋内壁内の空間に挿入し下端縁を精錬前は溶鋼表面直上、精錬中は溶鋼内に浸漬させ、前記真空フランジ部は該下端部直上の外周に設け、該取鍋上縁外周に設けられた気密フランジを押圧して密封するとともに取鍋内壁と該下端部外壁と該真空フランジ部下面と溶鋼上面との４面で環状空間を形成し、該環状空間と前記排気管を弁を介して連通させ、真空に吸引する際には該弁を閉、排気を止め復圧する際には開として内部空間と環状空間を同一圧力とすることを特徴とする取鍋真空精錬装置。