JP2015094003A - 真空脱ガス設備における溶鋼の脱炭精錬方法 - Google Patents

Abstract

【課題】脱炭精錬処理の脱炭効率を高めつつ、鉄飛散を大幅に低減することを可能とする真空脱ガス設備における溶鋼の脱炭精錬方法を提供する。
【解決手段】真空脱ガス設備６１において、上吹きランス１を用いて溶鋼６３を脱炭精錬する。上吹きランス１に液体酸素と気体酸素とを供給する。上吹きランス１の内部で気体酸素と液体酸素とを混合して、気液混合酸素を生成する。真空脱ガス設備６１に収容されている溶鋼６３に向けて、気液混合酸素を上吹きランス１から噴射する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、脱炭効率を高めつつ、鉄飛散を大幅に低減することを可能とする真空脱ガス設備における溶鋼の脱炭精錬方法に関する。

溶鋼を大気圧よりも低い減圧下で精錬する方法として、ＲＨ（Ruhrstahl-Heraeus）真空脱ガス設備、ＤＨ（Dortmund-Horde）真空脱ガス設備、ＶＯＤ（Vacuum Oxygen Decarburization）設備などを用いた精錬方法が知られている。このような減圧下での溶鋼の精錬処理には、例えば、酸素を吹き付けて行なわれる脱炭処理があり、この脱炭処理を迅速に行う方法として、上吹きランスから溶鋼表面に向けて酸素ガスを吹き付ける方法が知られている。減圧下における上吹きランスからの酸素供給による真空脱炭精錬については、脱炭酸素効率などの脱炭効率の改善や、酸素ジェットの溶鋼表面への衝突に起因した鉄飛散の低減を目的とした種々の技術が開発されており、酸素ジェットのエネルギーを制御するための、ラバールノズルを初めとしたノズル形状の設計や、ランス高さの調整などに関する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

ところで、転炉精錬で発生するスラグ中の鉄酸化物濃度の低減ならびに転炉精錬後の溶鋼中の酸素の低減を目的として、近年、転炉での脱炭精錬終了後の炭素濃度を従来に比べて高くする操業が行われており、真空脱ガス設備における脱炭処理の負荷が増大する傾向にある。更には、Ｍｎ（マンガン）濃度が２．５質量％程度となる高マンガン鋼を生産するために、従来、マンガン純度の高く高価な低炭素マンガン系合金鉄（フェロマンガン）が使用されているが、近年の金属原料コストの高騰や資源確保の観点から、炭素を初めとした不純物の含有率が高く安価な高炭素フェロマンガンの使用が望まれる。

しかしながら、安価な高炭素フェロマンガンを使用する場合には、フェロマンガン添加後の溶鋼中の炭素濃度が増加してしまうので、真空脱ガス設備における脱炭処理の負荷が増大してしまう。このため、高炭素フェロマンガンの使用量が制限されてしまうという問題がある。

高炭素フェロマンガンの使用量を多くすることを目的として、脱炭効率を高めるために、真空脱ガス設備において、上吹きランスから供給される酸素量を増加することが有効ではある。しかしながら、供給される酸素量の増加に伴い、上吹きランスのランス背圧を増大させる必要があり、それに伴い、酸素ジェットのエネルギー量が増大してしまい、エネルギー量が増大した酸素ジェットの溶鋼表面への衝突に起因して、鉄飛散量が多くなってしまう。鉄飛散量が多くなると、二次燃焼量増加による設備の耐火物への熱負荷が増大することや、精錬中の炉内に付着した地金の溶解にともない溶鋼成分が変化してしまうという問題が招来する。

鉄飛散量を抑えるために、例えば、特許文献１に記載されているような上吹きランスを用いて、ノズル形状を変更することで、噴流を減衰させて、鉄飛散量を抑え得る。しかしながら、鉄飛散量を抑えた上で脱炭精錬処理における脱炭効率を大きく向上させることが困難である。また、ランス高さを大きくして、溶鋼表面に衝突する酸素ジェットのエネルギーを低下させて、鉄飛散量を抑えることもできる。しかしながら、この方法によって鉄飛散量を抑えたとしても、溶鋼に吹き付けられる酸素量が低下してしまい脱炭効率が低下するという問題が懸念される。

特開２００６−７０２９２号公報

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、脱炭効率を高めつつ、鉄飛散を大幅に低減することを可能とする真空脱ガス設備における溶鋼の脱炭精錬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の要旨は以下の通りである。
（１）上吹きランスを用いて溶鋼を脱炭精練する真空脱ガス設備における溶鋼の脱炭精錬方法であって、前記上吹きランスに気体酸素と液体酸素とを供給し、前記上吹きランスの内部で前記気体酸素と前記液体酸素とを混合して、気液混合酸素を生成し、前記真空脱ガス設備に収容されている溶鋼に向けて、前記気液混合酸素を前記上吹きランスから噴射することを特徴とする真空脱ガス設備における溶鋼の脱炭精錬方法。
（２）転炉からの出鋼時の溶鋼における炭素濃度が０．０８〜０．３質量％であることを特徴とする上記（１）に記載の真空脱ガス設備における溶鋼の脱炭精錬方法。
（３）転炉からの出鋼の後に、フェロマンガンを前記溶鋼に添加して、真空脱ガス設備に設定時の溶鋼における炭素濃度が０．０８〜０．３質量％とすることを特徴とする上記（１）または上記（２）に記載の真空脱ガス設備における溶鋼の脱炭精錬方法。

本発明によれば、真空下で溶鋼を脱炭精錬する際に、上吹きランスの内部で気体酸素と液体酸素とを混合して、気液混合酸素を上吹きランスから噴射するので、従来技術と同じランスの背圧で、より多くの酸素を溶鋼に供給することができる。よって、真空脱ガス設備において、脱炭効率を向上させつつ、鉄飛散量を大幅に抑えた脱炭処理を行なうことができる。これにより、例えば、極低炭素高マンガン鋼を生産する場合であっても、安価な高炭素フェロマンガンを多く使用することが可能となり、溶融金属の精錬コストを抑えることができる。

上吹きランスの先端縦断面図である。 図１に示す上吹きランスを真空脱ガス設備で使用している状態を示す説明図である。

以下、添付図面を参照して本発明を具体的に説明する。図１は、上吹きランスの先端縦断面図である。上吹きランス１は、円管状のランス本体２と、このランス本体２の下端に溶接などにより接続された銅鋳物製のランスチップ３と、を有している。ランス本体２は、最内管２１、内管２２、外管２３、最外管２４の同心円形状の４種の鋼管を有する４重管構造であることが好ましい。

最内管２１は、その内部で液体酸素供給路１１を形成しており、最内管２１の先端には、スプレーチップ１７が取り付けられている。該スプレーチップ１７に設けられている開口は、液体酸素噴射孔１２となっている。最内管２１と内管２２との間隙は、気体酸素供給路１３を形成しており、最内管２１の先端位置における気体酸素供給路１３は、液体酸素噴射孔１２の周囲に円環状のノズルとして開口する気体酸素噴射孔１４となっている。

内管２２と外管２３との間隙及び外管２３と最外管２４との間隙は、冷却水の給水流路１５及び排水流路１６となっている。これらの間隙のうちの一方が給水流路で、他方が排水流路であり、どちらを給水流路としても構わない。冷却水が、給水流路１５に供給されて排水流路１６を通過することで、上吹きランス１が冷却される。この冷却水がランスチップ３の位置で反転するように、上吹きランス１は構成されている。

ランス本体２の先端の中央部分においては、最内管２１の先端が、内管２２と外管２３と最外管２４との先端から奥まった位置（へこんだ位置）に配置され、その奥まった位置に、液体酸素噴射孔１２と気体酸素噴射孔１４とが配置されている。最内管２１の先端がその周りの先端部分より奥まっていることで形成されるランス本体２の内部空間は、気液酸素混合室３２の一部となっている。

ランスチップ３は、上吹きランス１の出口となる気液混合酸素噴出孔３１と、気液酸素混合室３２の一部と、冷却水による冷却空間３３と、を有する銅鋳物である。このランスチップ３の上端部を形成する円管部がランス本体２の鋼管に溶接などにより接続することで、気液混合酸素噴出孔３１が液体酸素噴射孔１２及び気体酸素噴射孔１４に連通し、冷却空間３３が給水流路１５及び排水流路１６に連通し、気液酸素混合室３２が形成される。

図１に示すように、液体酸素供給路１１に液体酸素４１が供給され、気体酸素供給路１３に気体酸素４２が供給される。次いで、液体酸素噴射孔１２及び気体酸素噴射孔１４を通じて、気液酸素混合室３２に液体酸素４１及び気体酸素４２が流入する。この気液酸素混合室３２で液体酸素４１及び気体酸素４２が混合して、気液混合酸素４３が生成される。上吹きランス１は真空脱ガス設備に設置されて、該真空脱ガス設備に収容されている溶鋼に向けて、気液混合酸素４３が気液混合酸素噴出孔３１から噴射される。

なお、図示は省略しているが、最内管２１と内管２２との間に仕切管を設けて、最内管２１と仕切管との間に断熱層を形成し、液体酸素供給路１１を外部から断熱してもよい。これにより、液体酸素４１は、液体状態を維持して液体酸素供給路１１を通過することができる。

図２は、図１に示す上吹きランスを真空脱ガス設備で使用している状態を示す説明図である。図２に示す真空脱ガス装置は、ＲＨ真空脱ガス設備を例としている。真空脱ガス装置６１は真空槽６５を有し、該真空槽６５は上部槽６６と下部槽６７とから構成されている。上部槽６６には、ダクト７１と原料投入口７２とが設けられており、下部槽６７には、上昇側浸漬管６８と下降側浸漬管６９と環流用ガス吹き込み管７０とが設けられている。上吹きランス１は、真空槽６５の内部を上下移動が可能なように真空槽６５の上部に設置されており、この上吹きランス１の先端（下端）から、気液混合酸素が、真空槽６５の内部の溶鋼６３の湯面に向けて吹き付けられるようになっている。

真空脱ガス装置６１では、溶鋼６３を収容している取鍋６２を昇降装置（図示せず）にて上昇させ、上昇側浸漬管６８及び下降側浸漬管６９を取鍋６２内の溶鋼６３に浸漬させる。そして、環流用ガス吹き込み管７０から上昇側浸漬管６８の内部に環流用Ａｒガスを吹き込むとともに、真空槽６５の内部をダクト７１に連結される排気装置（図示せず）にて排気して真空槽６５の内部を減圧する。真空槽６５の内部が減圧されると、取鍋６２内の溶鋼６３は、環流用ガス吹き込み管７０から吹き込まれるＡｒガスによるガスリフト効果によって、Ａｒガスとともに上昇側浸漬管６８を上昇して真空槽６５の内部に流入し、その後、下降側浸漬管６９を経由して取鍋６２に戻る流れ、所謂、環流が形成される。

真空槽６５の内部は減圧された状態であり、溶鋼６３中の溶存酸素と炭素との反応（Ｃ＋Ｏ→ＣＯ）、つまり脱炭反応が起こり、溶鋼６３に含まれる炭素はＣＯガスとなって排ガスとともに真空槽６５からダクト７１を介して排出され、溶鋼６３に真空脱炭精錬が行なわれる。なお、真空槽６５の内部を減圧にした状態で溶鋼６３に環流が形成された段階で、真空脱炭精錬が開始することになる。

転炉からの出鋼時の溶鋼における炭素濃度が０．０８〜０．３質量％であることが好ましい。出鋼時の炭素濃度がこの範囲であれば、転炉で生成する酸化鉄量が低減するので、高品質の鋼を製造することが可能となる。

転炉から出鋼される溶鋼にフェロマンガンを添加する場合には、溶鋼６３に高炭素フェロマンガンを添加しておくか、あるいは、真空脱ガス装置６１において、原料投入口７２から溶鋼６３に高炭素フェロマンガンを添加する。真空脱ガス装置６１では、溶鋼６３への高炭素フェロマンガンの添加は原料投入口７２から行うことができるが、上吹きランス１を更なる多重管構造とし、このような上吹きランス１から搬送用ガスとともに粉体状の高炭素フェロマンガンを吹き付け添加してもよい。添加する高炭素フェロマンガンのサイズは、添加方法に応じて設定すればよい。

転炉から出鋼される溶鋼にフェロマンガンを添加する場合には、出鋼の後に、フェロマンガンを前記溶鋼に添加して、真空脱ガス設備に設定時の溶鋼における炭素濃度が０．０８〜０．３質量％とすることが好ましい。

上吹きランス１に液体酸素４１と気体酸素４２とを供給し、気液混合酸素４３が気液混合酸素噴出孔３１から噴射され、その後、少なくとも、溶鋼６３の表面に達するまでに気液混合酸素４３中の液体酸素４１が気化する。従来の上吹きランスには気体酸素のみを供給していたため、大量の気体酸素を吹き付ける場合には、ランス内の背圧が高くなってしまう。この背圧が高いことに起因して、酸素噴流（酸素ジェット）の溶鋼表面への衝突による鉄飛散の量が多くなっていた。しかしながら、本発明では、吹き付けられる酸素の一部に液体酸素を用いるので、上吹きランス１内の背圧を従来よりも低位にしつつも、溶鋼６３に吹き付ける酸素の供給量を大きくすることができる。このため、従来よりも、低い背圧であるにも拘らず、より多くの酸素をソフトブローの状態にして溶鋼表面に到達させることが可能である。これにより、鉄飛散量を最小限に抑制しつつ、脱炭効率を向上させて脱炭処理することができる。

上吹きランス１における、液体酸素噴射孔１２、気液混合酸素噴出孔３１、及び気液酸素混合室３２を、液体酸素の粒径を制御する形状とすることが好ましい。スプレーチップ１７によって、液体酸素噴射孔１２から噴霧される液体酸素の粒径を制御する。真空脱ガス装置６１内では、真空槽６５内が真空となっているので、気液混合酸素噴出孔３１から気液混合酸素４３が噴射されるときに、真空下であることもあって容易に気化する。

気液混合酸素４３中の液体酸素４１の粒径や密度を制御することによって、ランス高さを大きくした場合であっても、真空脱ガス装置内での二次燃焼量制御も可能となる。液体酸素４１の粒径や密度を最適化するために、予め、次に示す実験（複数の試行）をしておき、これにより、スプレーチップの形状や、液体酸素４１を供給する背圧を決める。
［１］特定の形状のスプレーチップ１７を有する上吹きランス１を真空脱ガス設備６１で使用する。背圧を低い値から高い値と順番に設定し、液体酸素４１を上吹きランス１に供給する試行を行う。例えば、刻み幅０．１［ＭＰａ］とし、最初は０．１［ＭＰａ］で液体酸素４１を供給する試行を行い、最後に１．０［ＭＰａ］で供給する試行を行う。この際、適宜、実際の操業で行う予定の背圧などの条件で、気体酸素４２も供給する。
［２］各試行において、液体酸素噴射開始後から噴射直下の溶鋼表面温度を測定する。そうすると、多くの場合、液体酸素噴射開始後から溶鋼表面温度が急激に低下する試行がある。その試行における背圧で液体酸素を供給すると、液体酸素が溶鋼表面に接触してしまい、急激に溶鋼表面温度が低下したものと考えられる。例えば、液体酸素噴射開始１秒以内に、溶鋼表面温度が１０℃を以上低下する場合には、急激に溶鋼表面温度が低下したと想定する。
［３］仮に、［２］で液体酸素噴射開始後から溶鋼表面温度が急激に低下する試行がなかった場合には、［１］で使用する上吹きランス１に取り付けられているスプレーチップ１７の形状を変えて、［１］及び［２］に記載した試行を再度行う。

上記［２］で特定された値より若干低い背圧が、液体酸素４１を供給する背圧として最適である。例えば、上記［２］で特定された値より、刻み幅が１つ小さい背圧で液体酸素４１を供給することが好ましい。その最適な背圧で液体酸素４１を供給すれば、液体酸素４１を起因とした溶鋼表面温度の低下を防ぎつつ、溶鋼６３に吹き付ける酸素の供給量を最大にしたことになる。このようにして、上記［１］での特定の形状のスプレーチップに応じた液体酸素４１の背圧の最適値を一度決めておけば、実際の操業において、噴射される液体酸素の粒径を把握できていなくても、最適条件での真空二次精錬の操業が可能となる。

また、本発明の溶鋼の精錬方法では、気体酸素のみを用いた従来の場合よりも、上吹きランスの背圧を抑えることで酸素ジェットのソフトブロー化が可能であるので、鉄飛散量を低位に抑えつつ、酸素の供給量を増加させることができる。ひいては、脱炭処理の時間の短縮につながる。

以上のようにして、本発明によって、真空下で溶鋼を二次精錬する際に、上吹きランスの内部で気体酸素と液体酸素とを混合して、気液混合酸素を噴射するので、真空二次精錬設備において、脱炭効率を向上させつつ鉄飛散量を大幅に抑えた脱炭処理を行なうことができる。

１ 上吹きランス
２ ランス本体
３ ランスチップ
１１ 液体酸素供給路
１２ 液体酸素噴射孔
１３ 気体酸素供給路
１４ 気体酸素噴射孔
１５ 給水流路（排水経路）
１６ 排水流路（給水経路）
１７ スプレーチップ
２１ 最内管
２２ 内管
２３ 外管
２４ 最外管
３１ 気液混合酸素噴出孔
３２ 気液酸素混合室
３３ 冷却空間
４１ 液体酸素
４２ 気体酸素
４３ 気液混合酸素
６１ 真空脱ガス装置
６２ 取鍋
６３ 溶鋼
６５ 真空槽
６６ 上部槽
６７ 下部槽
６８ 上昇側浸漬管
６９ 下降側浸漬管
７０ 環流用ガス吹き込み管
７１ ダクト
７２ 原料投入口

Claims (3)

1. 上吹きランスを用いて溶鋼を脱炭精練する真空脱ガス設備における溶鋼の脱炭精錬方法であって、
   前記上吹きランスに気体酸素と液体酸素とを供給し、
   前記上吹きランスの内部で前記気体酸素と前記液体酸素とを混合して、気液混合酸素を生成し、
   前記真空脱ガス設備に収容されている溶鋼に向けて、前記気液混合酸素を前記上吹きランスから噴射することを特徴とする真空脱ガス設備における溶鋼の脱炭精錬方法。
2. 転炉からの出鋼時の溶鋼における炭素濃度が０．０８〜０．３質量％であることを特徴とする請求項１に記載の真空脱ガス設備における溶鋼の脱炭精錬方法。
3. 転炉からの出鋼の後に、フェロマンガンを前記溶鋼に添加して、真空脱ガス設備に設定時の溶鋼における炭素濃度が０．０８〜０．３質量％とする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設備における溶鋼の脱炭精錬方法。

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