JP3623816B2

JP3623816B2 - 真空精錬炉及びその操業方法

Info

Publication number: JP3623816B2
Application number: JP06195495A
Authority: JP
Inventors: 敏隆湯木; 公久岸上
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1995-02-23
Filing date: 1995-02-23
Publication date: 2005-02-23
Anticipated expiration: 2020-02-23
Also published as: JPH08232014A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、真空精錬炉とその操業方法とに係り、更に詳しくは、溶鋼やスラグの突沸を回避しながら、高真空度での溶鋼の精錬を可能として、これにより、高効率で脱炭や脱窒処理ができて、生産性の向上が図れる真空精錬炉及びその操業方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
溶鋼の精錬法としては、例えば特開昭５８−１５３７２１号公報に示すように、一般にＶＯＤ法と呼ばれる方法が知られている。この精錬方法は、減圧下で、溶鋼鍋の底部に取付けられたバブリング用耐火物を介してアルゴンガスを溶鋼中に吹き込んで溶鋼の撹拌を行いながら、酸化性ガスを該溶鋼鍋の上部から上吹きするものであり、［Ｃ］＋［Ｏ］→ＣＯの脱炭反応によって脱炭を行うと共に、発生するＣＯガスによる撹拌効果によって脱窒などの脱ガス処理も並行して行えるものである。しかし、この脱炭反応が激しくなると、大量のＣＯガスが発生して、このために溶鋼鍋中の溶鋼やスラグが溶鋼鍋から溢れ出て、突沸と呼ばれる現象を引き起こす。この溢れ出た溶鋼やスラグは真空精錬炉内で凝固し、溶鋼鍋その他の設備に甚大な被害を与え、生産上の障害を招く。従って、溶鋼の真空精錬に際しては、適正な真空度で操業を行う必要がある。
【０００３】
このような従来のＶＯＤ法による溶鋼の精錬方法としては、例えば、特公昭６０−１３４０６号公報の「減圧下における溶鋼の精錬法」に記載されているものが知られている。この方法においては、真空処理開始から４分以内までは、１６５Ｔｏｒｒ／ｍｉｎ以下の平均減圧速度で１００Ｔｏｒｒ以上の真空度を保持し、４分以降から酸化性のガスの吹き込みを開始するまでは５０Ｔｏｒｒ／ｍｉｎ以下の減圧速度で、１００〜２５０Ｔｏｒｒの真空度を保持するものであり、このような真空度をコントロールすることにより、溶鋼やスラグの溶鋼鍋からの突沸を回避しようとするものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述した従来技術の精錬方法は、処理する鋼種の成分によって微妙に異なる突沸条件を考慮に入れたものではなく、減圧速度を必要以上に遅く抑えることによって、突沸を回避するだけのものであり、しかも突沸し難い安全な領域での操業であるため、脱炭及び脱窒処理の効率が低く、処理時間も長くなるという問題があった。
また、従来の精錬方法では、このように真空度制御だけに頼ったものであったので、現実の突沸現象を予知することが困難であるため、溶鋼鍋の鍋口からスラグ表面までの鍋下がりを必要以上に長くして、即ち溶鋼鍋中の溶鋼の投入量を減らして、充分な安全サイドで精錬を行う必要があった。このことは、１回の操業で精錬できる溶鋼量が減少することを意味し、効率的な操業とは言えなかった。
【０００５】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、溶鋼やスラグの突沸を回避しながら、高真空度での真空精錬を可能とし、これにより、高効率で脱炭や脱窒処理ができて、処理時間の短縮による生産性の向上が図れる真空精錬炉及びその操業方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的に沿う請求項１記載の真空精錬炉は、溶鋼鍋、その上部に配置された吹酸ランス、該溶鋼鍋の底部に配置されたガス吹き込み装置及び、真空ポンプに接続される排気口を備えた、炭素及びクロムを含むステンレス溶鋼の真空精錬炉において、前記溶鋼鍋内のステンレス溶鋼やスラグの突沸を監視する炉内監視装置と、炉内雰囲気の真空度をＰ（Ｔｏｒｒ）、理論平衡一酸化炭素分圧をＰ_CO（Ｔｏｒｒ）、溶鋼温度をＴ（Ｋ）としたとき、ΔＧ＝３ＲＴｌｎ（Ｐ／Ｐ_CO）で定義されるΔＧを、該ΔＧと前記Ｐとの関係において、実験的に炭素及びクロムの成分を変えた精錬条件下で調査した突沸の有無により設定された突沸の起こる限界値以下で、かつ１８ｋｃａｌ／ｍｏｌ以上を満足する領域に調節する制御装置とを有するように構成されている。
【０００７】
請求項２記載の真空精錬炉は、請求項１記載の真空精錬炉において、前記炉内監視装置が、前記溶鋼鍋の鍋口の斜め上方に設置したテレビカメラにより構成されている。
請求項３記載の真空精錬炉は、請求項１記載の真空精錬炉において、前記炉内監視装置が、前記溶鋼鍋内のステンレス溶鋼やスラグの突沸の際、該ステンレス溶鋼やスラグの吹きこぼれる位置に取付けられた熱電対により構成されている。
【０００８】
請求項４記載の真空精錬炉の操業方法は、減圧下で酸素を吹き込んで炭素及びクロムを含むステンレス溶鋼を精錬する真空精錬炉の操業方法において、炉内雰囲気の真空度をＰ（Ｔｏｒｒ）、理論平衡一酸化炭素分圧をＰ_CO（Ｔｏｒｒ）、溶鋼温度をＴ（Ｋ）としたとき、ΔＧ＝３ＲＴｌｎ（Ｐ／Ｐ_CO）で定義されるΔＧが、該ΔＧと前記Ｐとの関係において、実験的に炭素及びクロムの成分を変えた精錬条件下で調査した突沸の有無により設定された突沸の起こる限界値以下で、かつ１８ｋｃａｌ／ｍｏｌ以上を満足する領域で操業を行い、かつ、炉内監視装置によってステンレス溶鋼やスラグの突沸を検知し、突沸が生じた場合は、酸素の吹き込み量を減らすか、又は前記炉内真空度を下げて、あるいは底吹ガス流量を調整して、突沸を制御するように構成されている。
【０００９】
【作用】
本発明者等は真空精錬炉内における脱炭反応における生成自由エネルギーを直接制御し、かつ炉内監視装置により、真空精錬炉内の状況を把握することによって、真空精錬炉内で発生する突沸現象を効果的に防止できるという考えに基づいて、幾多の実験を積み重ねることによって、本発明を完成させるに至ったものである。従って、本発明においては、突沸が起こる限界値近傍の領域で精錬反応を行わせることができ、精錬時間の大幅な時間短縮を図ることができる。
請求項１〜４記載の真空精錬炉及びその操業方法は、真空精錬炉の炉内監視装置により、溶鋼やスラグの突沸を監視しているので、突沸現象を確実に把握することができる。
請求項４記載の操業方法は請求項１〜３記載の真空精錬炉の炉内監視装置による監視データに基づいて突沸状況を把握して、かつ脱炭反応のしやすさを示す指標であるΔＧを定めて、突沸の起こる限界値近傍の領域で精錬反応を行わせることによって、溶鋼やスラグの突沸を回避しながら高真空度での操業が可能となり、高効率での脱炭や脱窒処理が可能である。
【００１０】
ΔＧ＝３ＲＴｌｎ（Ｐ／Ｐ_ＣＯ）で定義されるΔＧは、脱炭反応の起こり易さの程度を示す指標となるエネルギー量である。ここで、Ｒは気体定数、Ｔは溶鋼温度（Ｋ）、Ｐ_ＣＯは精錬炉内で主体となる脱炭反応に基づき理論的に求められる理論平衡一酸化炭素分圧である。脱炭反応をＣｒ_２Ｏ_３＋３Ｃ→２Ｃｒ＋３ＣＯと想定した場合には、数１に示すＨｉｌｔｙの式によって与えられる一酸化炭素の平衡分圧Ｐ´_ＣＯが、ΔＧ式におけるＰ_ＣＯに等しいとみなすことができる。ここで、［Ｃ］は鋼中の炭素濃度、［Ｃｒ］は鋼中のクロム濃度を表している。即ち、数１のＰ´_ＣＯは、当該する溶鋼温度Ｔ（Ｋ）、鋼中の炭素濃度［Ｃ］（％）、鋼中のクロム濃度［Ｃｒ］（％）を代入して計算される。そして、以上により得られた一酸化炭素の理論平衡分圧Ｐ_ＣＯの値を用いて、ΔＧ＝３ＲＴｌｎ（Ｐ／Ｐ_ＣＯ）により、その時点におけるΔＧが計算される。
【００１１】
【数１】

【００１２】
ここで、真空精錬中における鋼中の炭素濃度［Ｃ］（％）は、真空処理前の鋼中の炭素濃度、処理溶鋼量、吹酸量、排ガス中の一酸化炭素濃度の経時変化及び排出ガス量の経時変化の各データにより、計算によって求められる。また、鋼中のクロム濃度［Ｃｒ］（％）も、前記鋼中の炭素濃度と同様に精錬炉系の物質収支計算により、求めることができる。このようにして求めた測定データから、真空精錬中における理論平衡一酸化炭素分圧Ｐ_ＣＯを決定し、最終的に脱炭反応の指標となるΔＧが求められる。
また、ΔＧを調節する制御装置は、前述の測定データを集計し、そのデータに基づいてΔＧを算出する手段と、酸素の吹き込み量を増減する手段及び真空精錬炉内の真空度を制御する手段、あるいは底吹ガス流量を調整する手段とからなるシステムで構成されている。
【００１３】
図２は実際に真空精錬炉を用いて、吹酸期における突沸現象の有無をΔＧと操業時における真空度Ｐとの関係において、調査した結果である。同図において、黒丸は突沸が顕著に発生したことを意味しており、白丸は突沸現象が起こらなかったことを示しているが、ΔＧが図中の破線で示した突沸の限界値を超えると、突沸現象の起こる確率が大きくなることを示している。また、ΔＧが、１８ｋｃａｌ／ｍｏｌ以下であると脱炭反応が遅くなりすぎて効率のよい精錬が行えない（特に、脱窒素能低下、場合によっては吸窒の問題を生じるので好ましくない）。
【００１４】
【実施例】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施例につき説明し、本発明の理解に供する。ここに、図１は本発明の一実施例に係る真空精錬炉の概略構成図、図２はΔＧ及び真空度Ｐの関係から突沸現象を説明する図、図３は吹酸時における平均真空度と脱窒率との関係を示した図である。
【００１５】
以下、図１について説明する。真空精錬炉１１は溶鋼を保持する溶鋼鍋１２と溶鋼鍋１２を密閉するための上蓋１４とからなり、上蓋１４の側面に設けられた排気口１５から図示しない真空ポンプによって炉内が排気される構造となっている。溶鋼鍋１２の底部に処理中の溶鋼を撹拌するためのガス吹き込み装置２３を有し、上蓋１４に設けられた吹酸ランス１６から真空精錬炉１１内に酸素を吹き込むように構成されている。
真空精錬前の溶鋼成分が［Ｃ］＝０．７Ｗｔ％、［Ｃｒ］＝１９Ｗｔ％、溶鋼温度Ｔ＝１９５３Ｋであるステンレス溶鋼を用いて、該ステンレス溶鋼１３５ｔを受鋼した溶鋼鍋１２に上蓋１４をかぶせ溶鋼鍋１２を密閉し、溶鋼鍋１２の鍋口の斜め上方からテレビカメラ２２で監視しながら、水蒸気エジェクター等の真空ポンプにより、真空精錬炉１１の排気口１５から炉内ガスを排出した。
まず、溶鋼鍋１２の底部に取付けたポーラスプラグからなるガス吹き込み装置２３によって溶鋼鍋１２中にアルゴンガスを５００〜１１００Ｎｌ／ｍｉｎの流量で吹き込んで溶鋼の撹拌を行いながら、真空精錬炉１１の真空度を約１分間で大気圧から２００Ｔｏｒｒまで減圧し、溶鋼鍋１２の上方に設けた吹酸ランス１６で４０〜６０Ｎｍ³ ／ｍｉｎの流量の酸素によって精錬処理を行う。
【００１６】
この酸素吹き込みを行う吹酸期間において、真空精錬炉１１内の真空度Ｐ、溶鋼中の溶鋼温度Ｔ、理論平衡一酸化炭素分圧Ｐ_COを測定し、それらのデータに基づいてΔＧを計算して、このΔＧが、図２の破線で示した突沸の起こる限界値以下で、かつ１８ｋｃａｌ／ｍｏｌ以上となるように操業を行った。なお、突沸の起こる限界値は、種々の条件下で実験を繰り返して突沸現象の有無を調査することにより、設定されたものである。また、上記の操業中は、テレビカメラ２２の他に、突沸の際、溶鋼やスラグが吹きこぼれると予想される位置、例えば、溶鋼鍋１２側面のフランジ部１３等に、熱電対１７を複数箇所設けて、該複数箇所からの温度測定データはコンピュータ１８に取り込まれる。そして、各温度データの経時変化をコンピュータ１８の画面ＣＲＴ１９上に表示できるようにして、突沸による異常な温度変化を監視し、必要に応じてスピーカー等の警報装置２０により、警報を発することができるように構成した。
【００１７】
保護筒２１内のテレビカメラ２２からなる炉内監視装置１０は溶鋼鍋１２の鍋口の斜め上方に設置されているので、鍋口近傍の耐火物側壁を監視することになり、直接溶鋼面を覗く場合に較べてガスや粉塵の影響を受けることが少なく、正確な画像信号が得られ、画像解析による自動化が容易になる。また、熱電対１７による炉内監視装置１０ａは、突沸の際、溶鋼やスラグが飛散すると予想される溶鋼鍋１２の側面の複数箇所に設置されており、突沸が生じた際の位置の把握が正確に行える。
【００１８】
このようにして、前記炉内監視装置１０、１０ａを単独又は複数組み合わせて使用することにより、炉内状況を正確に把握し、突沸が生じた場合は、前記酸素の吹き込み量を減らすか、又は前記炉内真空度を下げて、あるいは底吹ガス流量を調整して突沸を回避して、突沸が起こる限界値の近傍で精錬反応を行わせた。その結果、精錬時間が従来に較べ５〜３０％の短縮が可能となった。
図３は吹酸時における平均真空度と脱窒率との関係を示した図である。縦軸は、溶鋼の真空処理前後における窒素濃度［Ｎ］の比率を、即ち脱窒の程度を表しており、横軸は、吹酸時における炉内雰囲気の平均真空度を圧力（Ｔｏｒｒ）を単位として表示している。従って、高真空度とは雰囲気圧力がより低圧側にあることを意味し、低真空度とは、逆に大気圧に近い側の高圧の雰囲気状態を意味している。ここで、黒丸が従来における平均真空度の低い領域での真空精錬処理の結果を示し、白丸が実施例の高真空度下における結果であるが、脱炭反応による突沸が発生する限界値近傍の高真空度の領域で処理した実施例において、従来例に較べて脱窒が促進されることを示している。
【００１９】
前記実施例においては、Ｃｒ_２Ｏ_３＋３Ｃ→２Ｃｒ＋３ＣＯを主反応とする系について説明したが、Ｃｒ成分以外の関与する脱炭反応についても、理論平衡一酸化炭素分圧が計算できる場合には、本発明の適用が可能であり、この場合も対応する精錬反応式に基づいて理論平衡一酸化炭素分圧を定義することができる。また、ΔＧにおける突沸の発生する限界値は、鋼種、成分及びその他の精錬条件によって異なるものであるから、そのような場合には、図２に破線で示した限界値に限定されるものではない。
【００２０】
【発明の効果】
請求項１〜４記載の真空精錬炉及びその操業方法は、溶鋼鍋内の溶鋼やスラグの突沸を監視する炉内監視装置と、脱炭反応の指標であるΔＧを調節する制御装置とを備えているので、突沸現象を予知して、かつ突沸の起こる限界値近傍の領域で精錬反応を行わせることができ、異常反応が生じ難いために、処理終了時のＣ、Ｃｒ濃度等の精錬の制御精度が向上する。また、高効率での脱炭及び脱窒処理が可能となるため、生産性の向上が図られる。
特に、請求項２記載の真空精錬炉においては、溶鋼鍋の鍋口の斜め上方に設置したテレビカメラにより、炉内監視を行い、間接的に真空精錬炉内の耐火物を監視するために、溶鋼面を直視して監視する場合に較べ、耐火物側壁の画面の色や輝度を画像処理する画像データの処理に適し、炉内状況の把握が正確である。
また、請求項３記載の真空精錬炉においては、炉内の監視を溶鋼鍋内の溶鋼やスラグの突沸の際、該溶鋼やスラグの吹きこぼれる位置に取付けられた熱電対で行うため、粉塵などの影響がなく、コンピュータによるデータ処理が容易に行える。
請求項４記載の方法においては、実験的に求められる突沸の起こる限界値近傍の領域で操業を行い、炉内監視装置によって突沸を検知し、突沸が生じた場合は、酸素の吹き込み量を減らすか、又は炉内真空度を下げて、あるいは底吹ガス流量を調整して突沸を制御するので、効率的かつ安全に精錬反応を行わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る真空精錬炉の概略構成図である。
【図２】ΔＧ及び真空度Ｐの関係から突沸現象を説明する図である。
【図３】吹酸時における平均真空度と脱窒率との関係を示した図である。
【符号の説明】
１０炉内監視装置
１０ａ炉内監視装置
１１真空精錬炉
１２溶鋼鍋
１３フランジ部
１４上蓋
１５排気口
１６吹酸ランス
１７熱電対
１８コンピュータ
１９ＣＲＴ
２０警報装置
２１保護筒
２２テレビカメラ
２３ガス吹き込み装置

Claims

溶鋼鍋、その上部に配置された吹酸ランス、該溶鋼鍋の底部に配置されたガス吹き込み装置及び、真空ポンプに接続される排気口を備えた、炭素及びクロムを含むステンレス溶鋼の真空精錬炉において、
前記溶鋼鍋内のステンレス溶鋼やスラグの突沸を監視する炉内監視装置と、
炉内雰囲気の真空度をＰ（Ｔｏｒｒ）、理論平衡一酸化炭素分圧をＰ_CO（Ｔｏｒｒ）、溶鋼温度をＴ（Ｋ）としたとき、ΔＧ＝３ＲＴｌｎ（Ｐ／Ｐ_CO）で定義されるΔＧを、該ΔＧと前記Ｐとの関係において、実験的に炭素及びクロムの成分を変えた精錬条件下で調査した突沸の有無により設定された突沸の起こる限界値以下で、かつ１８ｋｃａｌ／ｍｏｌ以上を満足する領域に調節する制御装置とを有することを特徴とする真空精錬炉。
前記炉内監視装置が前記溶鋼鍋の鍋口の斜め上方に設置したテレビカメラである請求項１記載の真空精錬炉。
前記炉内監視装置が、前記溶鋼鍋内のステンレス溶鋼やスラグの突沸の際、該ステンレス溶鋼やスラグの吹きこぼれる位置に取付けられた熱電対である請求項１記載の真空精錬炉。
減圧下で酸素を吹き込んで炭素及びクロムを含むステンレス溶鋼を精錬する真空精錬炉の操業方法において、
炉内雰囲気の真空度をＰ（Ｔｏｒｒ）、理論平衡一酸化炭素分圧をＰ_CO（Ｔｏｒｒ）、溶鋼温度をＴ（Ｋ）としたとき、ΔＧ＝３ＲＴｌｎ（Ｐ／Ｐ_CO）で定義されるΔＧが、該ΔＧと前記Ｐとの関係において、実験的に炭素及びクロムの成分を変えた精錬条件下で調査した突沸の有無により設定された突沸の起こる限界値以下で、かつ１８ｋｃａｌ／ｍｏｌ以上を満足する領域で操業を行い、
かつ、炉内監視装置によってステンレス溶鋼やスラグの突沸を検知し、突沸が生じた場合は、酸素の吹き込み量を減らすか、又は前記炉内真空度を下げて、あるいは底吹ガス流量を調整して、突沸を制御することを特徴とする真空精錬炉の操業方法。