JP3681292B2

JP3681292B2 - るつぼ形誘導炉のガスバブリング方法

Info

Publication number: JP3681292B2
Application number: JP31308698A
Authority: JP
Inventors: 博彦木村; 利猛菅野; 秀雄中江; 浩植村
Original assignee: Kimura Chuzosho Co Ltd; Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd; Kimura Chuzosho Co Ltd
Priority date: 1998-05-27
Filing date: 1998-11-04
Publication date: 2005-08-10
Anticipated expiration: 2018-11-04
Also published as: JP2000045010A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、るつぼ形誘導炉内の鋳鉄溶湯から鉛、亜鉛、アルミなどの不純物を除去するためのガスバブリング方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記るつぼ形誘導炉で溶解する鋳鉄原料としてスクラップ鋼材が多量に使用されるが、このスクラップ鋼材には近年、亜鉛、鉛、アルミなどにより表面処理された鋼板屑が必ず混入するようになっている。しかし、これらの表面処理鋼板屑をるつぼ形誘導炉で溶解し、またその溶湯で鋳造することによりいろいろな問題が生じている。すなわち、亜鉛は溶解過程において気化して炉を構成する耐火物中に浸透し、湯漏れ検出器を誤動作させたり、鋳鉄中にピンホールを発生させたりする。また、鉛は鋳鉄中に異常黒鉛を発生させ、鋳鉄の機械的性質や加工性を悪化させる。更に、アルミは鋳込み後に象肌を発生させたり、鋳鉄中にピンホールを発生さたりする。
【０００３】
そこで、上記不純物の中で、鉛や亜鉛などの低融点金属については、溶湯中にアルゴンや窒素などの不活性ガスを泡状に吹き込み（ガスバブリング）、溶湯中の不純物金属蒸気をこの不活性ガス中に移動させて除去する方法が試みられている（特公平６−１９０９６号公報参照）。一方、アルミは沸点が非常に高い金属であり、鋳鉄溶湯中からアルミを除去するには酸化によりＡｌ₂Ｏ₃としてスラグ化するしかないが、そのためには空気によるガスバブリングが有効な手段となる。しかし、空気の吹き込みは同時に、２Ｃ＋Ｏ₂→２ＣＯの反応により鋳鉄溶湯中の炭素を減少させ、チルの発生を招く原因になる。また、溶湯中の酸素が増えると黒鉛形状が悪くなり、また球状黒鉛の場合は球状化率が低下する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記した不純物の除去において、不活性ガスを用いたガスバブリングは鉛や亜鉛などの低融点金属の除去には有効であるがアルミに関しては酸化性のガスに比べて効果が低く、また不活性ガスは高価であるためガスバブリング費用が嵩むという問題がある。これに対してガスバブリングに空気を用いれば鉛や亜鉛と同時にアルミも除去できるが、溶湯中の炭素を減少させ、また酸化溶湯を生じさせてチルの発生や鋳鉄性能の低下を招く問題がある。
【０００５】
この発明の課題は、るつぼ形誘導炉において、空気を用いて亜鉛、鉛、アルミなどを経済的に除去しながら、鋳鉄溶湯を劣化させることのないガスバブリング方法を得ることにある。また、この発明の課題は、ポーラスプラグを目詰まりさせることなく、ガスを円滑に吹き込むことのできる方法を得ることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
ところで、溶湯中の酸素が５ppm を超えると酸化溶湯となり、黒鉛形状が悪くなることが知られている。また、溶湯中の窒素が 100ppm 以上になると、鋳物中にひび割れ状のピンホールが発生することも知られている。図４は10ノルマルリットル（Ｎｌ）／分の空気を吹き込みながら、鋳鉄原料を所定の成分に調整して溶解し、溶湯温度を1500℃で30分保持した後、溶湯の炭素当量（Ｃ＋１／３・Ｓｉ）と酸素及び窒素の量との関係を測定した結果を示すものである。図４によれば、炭素当量が 3.1よりも少ないと、酸素及び窒素の量が問題となる上記量まで溶け込んでしまうことがわかる。
【０００７】
一方、溶湯中の珪素は酸化されるとＳｉＯ₂となるが、このＳｉＯ₂は炭素との間で、ＳｉＯ₂＋２Ｃ＝２ＣＯ＋Ｓｉの反応を行っている。この反応はその平衡温度（圧力により変化するが、大気圧では約1400℃）以下では上記反応式の右から左に反応が進み、平衡温度以上では左から右に反応が進む。そのため、この平衡温度以下の溶湯では珪素が酸化されてスラグとしてのＳｉＯ₂となり、これが増えると溶湯の性状が悪化する。これに対して、平衡温度以上の溶湯では炭素が酸化されてＣＯになり、平衡温度の 300℃以上になると炭素が急激に減少してチルが発生する。従って、溶湯温度は上記平衡温度以上から、その＋300 ℃以下の範囲に保持するのがよい。
【０００８】
すなわち、この発明は、鋳鉄原料が溶け落ちるまでに鋳鉄溶湯の炭素当量（Ｃ＋１／３・Ｓｉ）を 3.1以上に調整しておくとともに、ガスバブリングのガスとして空気又は空気を含む混合ガスを用い、かつガス吹き込み中の溶湯温度をＳｉＯ₂＋２Ｃ＝２ＣＯ＋Ｓｉの反応の平衡温度〜この平衡温度＋ 300℃の範囲に保持するものとする。このように炭素当量及び溶湯温度を規制することにより、空気を溶湯中に吹き込んでも溶湯中の酸素量及び窒素量の増加や炭素の減少を許容できるレベルに抑えることができ、高価な不活性ガスの代わりに空気を用いて鉛や亜鉛などの低融点不純物とアルミなどの高沸点不純物とを同時に除去することが可能になる。
【０００９】
また、鋳鉄溶湯に対するガスバブリングにおいて、ポーラスプラグに目詰まりを生じることが報告されている。その原因を究明したところ、従来はガスの吹き込みを原料が溶け落ちた後に開始し、出湯の開始前に停止しているため、原料の溶け落ちの途中あるいは出湯開始後に目詰まりが生じやすいことが判明した。そこで、この発明は、請求項１に記載の発明において、鋳鉄原料の溶解開始から溶け落ちまでの間及び前記鋳鉄溶湯の出湯開始から出湯完了後の炉内残留溶湯の凝固までの間に、不純物除去時よりも少ない流量でポーラスプラグからガスを吹き込むようにするものである。不純物除去時の前後にもポーラスプラグへの溶湯の差し込みや付着・凝固を防止するのに必要な程度の流量、例えば不純物除去時の十分の一程度のガスを吹き込むことにより、ポーラスプラグの目詰まりを防止できることが確認された。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に図１〜図３に基づき、この発明の実施の形態を説明する。まず、図２はガス吹き込み手段を備えたるつぼ形誘導炉を示す縦断面図である。図２において、スタンプ耐火材からなるるつぼ１により溶解室２が形成され、上部に出湯口３が設けられている。るつぼ１の外側にはコイルセメントからなる絶縁材４を介して誘導コイル５が配置され、その外側には継鉄６が配置されている。上記各部は炉枠７に収容されて炉体を構成し、るつぼ１は断熱れんが８及び耐火れんが９からなる台床を介して炉枠７上に支持され、またるつぼ１の周囲は上下２箇所で耐火セメント１０により炉枠７に固定されている。図示炉体は油圧シリンダを備えた図示しないスタンド上に傾動可能に支持されている。
【００１１】
炉体底部には、溶解室２内の溶湯中にガスを吹き込むためのポーラスプラグ１１が設けられている。ポーラスプラグ１１はガスは通過させるが金属溶湯は通過させない性質を持っており、ガス配管１２を通して供給されたガスはポーラスプラグ１１を通過して溶湯中に泡状に吹き込まれる。なお、図示しないがるつぼ１の上方には排気フードが設けられており、溶湯からの金属蒸気やガスは排気フードから集じん器を経て排気ファンにより排出される。ポーラスプラグ１１はるつぼ底部に埋設された中空円錐体のスリーブ１３内に挿入され、炉枠７にねじ止めされたフランジ１４により中空円筒体の押えれんが１５介してスリーブ１３に押し付けられて固定されている。ポーラスプラグ１１にはエア配管１２により可変流量調整弁１６を介してエアタンク１７が接続され、エアタンク１７は図示しないコンプレッサから圧縮空気が常時充填されている。
【００１２】
図３は、ポーラスプラグ１１の拡大縦断面図である。ポーラスプラグ１１は、台形円錐状に形成された高アルミナ質の多孔性耐火材１１ａの周囲がガス吹出し面になる上面を除いて鉄皮１１ｂで覆われ、底面にガス配管１２が溶接により接続されている。鉄皮１１ｂは多孔性耐火材１１ａの周囲を密閉して上面だけからガスが吹き出すようにするもので、密閉性がなくなるとガスが漏れて必要なガスバブリングができなくなる。鉄皮１１ｂの材質として従来は一般構造用圧延鋼材が使用されてきたが、約５０回の溶解で酸化し、溶接部に穴があいた。従って、鉄皮１１ｂには耐酸化性・耐腐食性に優れた材質、例えばステンレスを用いるのがよい。
【００１３】
図１は図２のるつぼ形誘導炉を使用して鋳鉄原料を溶解する作業のフローチャートである。図１において、原料を投入して炉運転を開始したら直ぐに、１〜20Ｎｌ／分のガス（空気）をポーラスプラグ１１から吹き込み（ステップＳ１）、原料の溶け落ちまで、例えば約１時間待つ（ステップＳ２）。その間、溶解途中に投入原料の内容に応じて適宜Ｃ材及びＳｉ材を投入添加し、炭素当量が 3.1以上となるように成分調整する。その後、原料が溶け落ちたら、溶湯温度をすでに述べた反応の平衡温度以上でその＋300 ℃以下の範囲、例えば1550℃に保持しながら、可変流量調整弁１６の操作によりガス流量を20〜200 Ｎｌ／分に増やしてガスバブリングを30秒〜60分間行う（ステップＳ３）。
【００１４】
ガスバブリングのガス流量や時間は原料中の表面処理鋼材の割合や不純物除去の目標レベル、炉内の溶湯量などによって異なる。その場合、ガス流量が90Ｎｌ／分以上になると溶湯が飛散を始めるので炉蓋でるつぼ１を覆い、安全を図る必要がある。また、ガスバブリング時間は60分を超えると溶湯性状が悪化するので、60分以内を目処とする。ガスは空気単体でもよいが、必要に応じてアルゴンや窒素などの不活性ガスで薄めて使用することができる。
【００１５】
必要時間のガスバブリングが終了したら、ガスの供給をいったん停止し、溶湯表面のスラグを除去する（ステップＳ４）。その後、１〜20Ｎｌ／分のガス（空気）を再び供給し（ステップＳ５）、誘導コイル５への給電を停止した後、ガスを供給したまま炉体を95度傾動して出湯口３からの出湯を開始する（ステップＳ６）。そして、出湯の完了を待って（ステップＳ７）、炉体を定常状態に復帰させ（ステップＳ８）、炉内に残留した溶湯が凝固するのを待ち（ステップＳ９）、ガスの供給を停止して（ステップＳ１０）、炉の操業を終了する。
【００１６】
上記溶解作業において、ガスバブリングのガスとして空気を使用しているので亜鉛や鉛のみならず、アルミも酸化によりスラグとして有効に除去でき、かつ不活性ガスを使用することによる費用が不要である。またその場合に、溶湯の炭素当量を3.1 以上に調整し、かつガスバブリング中の溶湯温度をＳｉＯ₂＋２Ｃ＝２ＣＯ＋Ｓｉの反応の平衡温度〜この平衡温度＋ 300℃の範囲に保持しているので、酸化溶湯の発生による黒鉛形状の悪化や炭素の減少によるチルの発生を有効に抑えられる。更に、ガスバブリング（不純物除去）中のみならず、その前後の原料溶け落ち及び出湯段階でも適量のガスを吹き出しているので、ポーラスプラグ１１に目詰まりが生じない。
【００１７】
【発明の効果】
以上の通り、この発明によれば、空気による安価なガスバブリングにより亜鉛や鉛などの低融点金属のみならずアルミも同時に除去されるとともに、酸化溶湯の発生や炭素の減少が抑えられ、またポーラスプラグの目詰まりも避けられ、高品質の鋳鉄溶湯を経済的に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態を示す鋳鉄原料溶解作業のフローチャートである。
【図２】この発明の実施に使用されるるつぼ形誘導炉を例示する縦断面図である。
【図３】図２のおけるポーラスプラグの拡大縦断面図である。
【図４】空気を吹き込んだ溶湯中の酸素量及び窒素量と溶湯の炭素当量との関係を示す線図である。
【符号の説明】
１るつぼ
２溶湯
３出湯口
５誘導コイル
１１ポーラスプラグ
１１ａ多孔性耐火物
１１ｂ鉄皮
１２ガス配管
１６可変流量調整弁
１７エアタンク

Claims

炉底にポーラスプラグを有するつぼ形誘導炉で鋳鉄原料を溶解し、生じた鋳鉄溶湯に前記ポーラスプラグからガスを吹き込んで、この鋳鉄溶湯に含まれる不純物を除去するるつぼ形誘導炉のガスバブリング方法において、
前記鋳鉄原料が溶け落ちるまでに鋳鉄溶湯の炭素当量（Ｃ＋１／３・Ｓｉ）を3.1以上に調整しておくとともに、前記ガスとして空気又は空気を含む混合ガスを用い、かつガス吹き込み中の溶湯温度をＳｉＯ₂＋２Ｃ＝２ＣＯ＋Ｓｉの反応の平衡温度〜この平衡温度＋300℃の範囲に保持することを特徴とするるつぼ形誘導炉のガスバブリング方法。
前記鋳鉄原料の溶解開始から溶け落ちまでの間及び前記鋳鉄溶湯の出湯開始から出湯完了後の炉内残留溶湯の凝固までの間に、不純物除去時よりも少ない流量で前記ポーラスプラグから前記ガスを吹き込むことを特徴とする請求項１記載のるつぼ形誘導炉のガスバブリング方法。