JP3749622B2

JP3749622B2 - 溶鋼の脱水素方法

Info

Publication number: JP3749622B2
Application number: JP23636398A
Authority: JP
Inventors: 裕幸青木; 信也北村; 健一郎宮本
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1998-08-06
Filing date: 1998-08-06
Publication date: 2006-03-01
Anticipated expiration: 2018-08-06
Also published as: JP2000054021A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶鋼の真空脱ガス処理において、真空槽内での地金の飛散や付着を抑制し、短時間で効率的な脱水素を可能とする溶鋼の脱水素方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
溶鋼の脱水素方法にはＲＨが広く用いられている。しかし、ＲＨにおいて、溶鋼を環流させるためには高真空度が必須となり、また、上昇管から入れるＡｒガス量も多くする必要があるため、処理中に溶鋼が多量に飛散（スプラッシュ）し、真空槽内に地金が堆積する。脱水素処理中に付着する地金は炭素濃度が高いため、同一装置で極低炭素鋼を処理する場合には大きな弊害となる。
これに対して、本出願人は、既に極低炭素鋼を効率的に溶製する方法として、特開平０６−１１６６２４号公報に、直胴型大径の浸漬槽を取鍋内溶鋼に浸漬し、該浸漬槽内部を減圧する真空脱ガス方法を開示した。しかし、この方法では、脱水素反応を効率的に進めるための条件は何ら開示されてなく、効率的に脱水素を実施することはできない。また、特開平１０−１５８７２１号公報（特願平８−３３７７１１号）には、真空度を５０〜３００Ｔｏｒｒで行う脱水素方法が開示されているが、未脱酸状態での処理のため脱酸時や合金添加時に、付着水分により水素濃度が再上昇するという問題がある。
従って、これまで本出願人が開示した先行技術では、地金飛散をほぼ完全に抑制して効率的に脱水素精錬を実施するための最適操業条件が明確に開示されていない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、脱水素率を短時間で向上し、また地金の飛散及び付着を抑制した状態で脱水素を安定的に行う溶鋼の脱水素方法を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
前記目的に沿う請求項１記載の溶鋼の脱水素方法は、直胴型大径の浸漬槽を取鍋内の溶鋼に浸漬し、該浸漬槽内部を減圧する真空脱ガス方法による溶鋼の脱水素方法において、以下の式で表される溶鋼循環流量パラメータΛを０．４５以上で２以下とする。
Λ＝１／（τ／３０）・・・・・（１）
τ＝１００｛（Ｊ² ／Ｈ）² ×（ｈ’／Ｈ）^-3.2
×（ｓ／Ｄ／０．１５）^-0.504／ε｝^0.337 ・・・・・（２）
ε＝（３７１／Ｗ）・（Ｑ／１０００／６０）・Ｔ
・｛ｌｎ（ρｇＨ／１３３．３２／Ｐ）＋０．０６（１−２９８／Ｔ）｝
・・・・・（３）
ここで、Ｗは溶鋼重量（ｔｏｎ）、Ｑは底吹きガス流量（Ｎリットル／ｍｉｎ）、Ｈはガス吹き込み位置の浴深（ｍ）、Ｔは溶鋼温度（Ｋ）、Ｄは浸漬槽内直径（ｍ）、Ｊは取鍋内直径（ｍ）、ｈ’は修正ガス吹き込み位置の浴深（ｍ）、ｓは浸漬槽中心に対するガス吹き込み位置（偏心距離（ｍ））、ρは溶鋼密度（ｋｇ／ｍ³ ）、ｇは重力加速度（ｍ／ｓ² ）、Ｐは浸漬管内圧力（Ｔｏｒｒ）、τは溶鋼の循環による均一混合時間（ｓｅｃ）である。なお、Ｐが１Ｔｏｒｒ以下の場合はＰ＝１とする。また、ガス吹き込みにガス吹き込みパイプを用いた場合には、吐出方向の垂直上方に対する角度をθ（ｄｅｇ）、パイプ直径をｄ（ｍ）、ガス密度をρ_g （ｋｇ／ｍ³ ）とすると、ｈ’は以下の式で求められる。なお、ガス吹き込みがポーラス煉瓦の場合にはｈ’＝Ｈとする。
ｈ’＝Ｈ−ｃｏｓθ×ｄ×５．０７×（Ｆｒ’）^1/3 ・・・・・（４）
Ｆｒ’＝（ρ_g ／ρ）×｛（Ｑ／１０００／６０）
／（３．１４×（ｄ／２）² ）｝² ／（ｇ・Ｈ）・・・・・（５）
【０００５】
請求項２記載の溶鋼の脱水素方法は、請求項１記載の溶鋼の脱水素方法において、前記ガス吹き込みがポーラス煉瓦の場合には、該ポーラス煉瓦の表面積当たりの底吹きガス流量ｑ（Ｎリットル／ｍｉｎ／ｃｍ² ）と前記浸漬管内圧力Ｐ（Ｔｏｒｒ）の比（ｑ／Ｐ）を３〜５０とする。
（ｑ／Ｐ）を３〜５０としたのは、（ｑ／Ｐ）が３未満の場合では、気泡群中の気泡密度が小さすぎるため、溶鋼の下降流により気泡群が押し曲げられて気泡が浸漬槽外に流出し、有効に気泡活性面の生成に使用されなくなるからであり、一方、この比が５０を超える場合には、ポーラス煉瓦表面直上で気泡同士が合体し気泡群が有効に広がらないと共に、自由表面で破泡する際にスプラッシュが激しく生じ、地金飛散が大きくなるからである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
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の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
ここに、図１は本発明の一実施の形態に係る溶鋼の脱水素方法を適用する溶鋼の脱水素設備の構成図、図２は溶鋼循環流量パラメータと脱水素率との関係を表すグラフである。
【０００７】
図１に示すように、本発明の一実施の形態に係る溶鋼の脱水素方法を適用する溶鋼の脱水素設備１０は、溶鋼１１を貯留する取鍋１２と、取鍋１２内の溶鋼１１中に浸漬され、かつ図示しない排気設備に接続され、真空装置により高真空度に減圧される直胴型大径の浸漬槽１３とを有している。図１中の符号１４は底吹き羽口、符号１５は気泡群、符号１６は気泡活性面を示す。
真空下での脱水素精錬を効率的に行うには、反応が起こる場所である真空下に暴露された自由表面１７での表面反応を極限まで高めることが重要である。このための手段として、溶鋼の脱水素設備１０においては、例えば、特開平８−４１５２３号公報では、（１）取鍋１２内に受湯した溶鋼１１内に、従来よりはるかに大きい、例えば取鍋内直径Ｊの５０％以上の浸漬槽内直径Ｄをもった直胴型の浸漬槽１３を溶鋼１１内に浸漬し、（２）取鍋１２底部の中心から偏心した位置に設けた底吹き羽口１４のノズルから、特定量のガス（アルゴン等の不活性ガス）を吹き込んで適切な気泡活性面１６を形成し、（３）しかも溶鋼１１の循環攪拌を図りつつ、（４）減圧下で精錬を行うことを提示している。
【０００８】
本発明の溶鋼の脱水素方法でも、この技術の適用が有効であり、その際の表面反応は、底吹きされた気泡群１５が自由表面１７で破泡する領域である気泡活性面１６を利用することが効果的である。表面反応を利用するには、底吹きされた気泡群１５が浮上途中で自由に水平方向に広がりながら上昇し、合体することなく小さな気泡径を保ったままで自由表面１７に到達することが重要である。このような場合には、自由表面１７で極めて多くの小さな気泡が破泡するため、破泡により小さな液滴が生成し、あるいは、表面に細かい周波数の波立ちが起こり、気泡群１５としての破泡の総エネルギーを有効に反応表面積の増大に変換することが可能となる。また一方では、個々の気泡の破泡のエネルギーは極めて小さいため地金の飛散という面からは、これを抑制することができる特徴がある。
【０００９】
これを実現する第１の要素が、図１に模式的に示したような取鍋内直径Ｊに対して３０％以上の浸漬槽内直径Ｄを有する浸漬槽１３を取鍋１２内の溶鋼１１に浸漬し、浸漬槽１３内部を減圧する真空脱ガス方法とすることである。つまり、底吹き羽口１４から吹き込まれたガスの気泡群１５は浮上途中で自由に水平方向に広がりながら上昇することができるため、自由表面１７に広い気泡活性面１６を形成することが可能となる。気泡活性面１６は図１にも示すように、底吹きされた気泡群１５が１２度の立体角で広がるとして幾何学形状から計算されるものである。
【００１０】
さらに効率的な精錬をするためには、浸漬槽１３内で精錬された溶鋼１１が、取鍋１２全体の溶鋼１１と停滞することなしに高速に置き換わることである。つまり、以下の（１）〜（３）式で表されている溶鋼循環流量パラメータΛを０．４５〜２．０とすることが必要である。

【００１１】
ここで、Ｗは溶鋼重量（ｔｏｎ）、Ｑは底吹きガス流量（Ｎリットル／ｍｉｎ）、Ｈはガス吹き込み位置の浴深（ｍ）、Ｔは溶鋼温度（Ｋ）、Ｄは浸漬槽内直径（ｍ）、Ｊは取鍋内直径（ｍ）、ｈ’は修正ガス吹き込み位置の浴深（ｍ）、ｓは浸漬槽中心ｍに対するガス吹き込み位置（偏心距離（ｍ））、ρは溶鋼密度（ｋｇ／ｍ³ ）、ｇは重力加速度（ｍ／ｓ² ）、Ｐは浸漬管内圧力（Ｔｏｒｒ）である。なお、Ｐが１Ｔｏｒｒ以下の場合はＰ＝１とする。ガスの吹き込みにガス吹き込みパイプを用いた場合は、吐出方向の垂直上方に対する角度をθ（ｄｅｇ）、パイプ直径をｄ（ｍ）、ガス密度をρ_g （ｋｇ／ｍ³ ）とすると、ｈ’は以下の（４）、（５）式で求められる。また、ガス吹き込みがポーラス煉瓦の場合には、ｈ’＝Ｈとする。なお、τは溶鋼の循環による均一混合時間（ｓｅｃ）を表している。
ｈ’＝Ｈ−ｃｏｓθ×ｄ×５．０７×（Ｆｒ’）^1/3 ・・・・・（４）
Ｆｒ’＝（ρ_g ／ρ）×｛（Ｑ／１０００／６０）
／（３．１４×（ｄ／２）² ）｝² ／（ｇ・Ｈ）・・・・・（５）
【００１２】
図２に溶鋼循環流量パラメータΛと脱水素率の関係を示すが、溶鋼循環流量パラメータΛが０．４５よりも小さい場合には、溶鋼の循環が悪くなるため脱水素率が４０％未満に低下し、一方溶鋼循環流量パラメータΛを２．０よりも大きくすると、循環のために供給する底吹きガス流量が大きくなりすぎるため、地金飛散が激しくなる。本発明の方法では、基本的にガス気泡による循環流は浸漬槽１３内で形成される。溶鋼循環流量パラメータΛが０．４５未満の場合には、浸漬槽１３内循環流の流速が小さいため浸漬槽１３外の溶鋼１１に循環流を形成させることができず、浸漬槽１３内で閉鎖的となるため極めて脱水素に悪影響を与えるが、溶鋼循環流量パラメータΛが０．４５以上であれぱ浸漬槽１３内循環流が浸漬槽１３外の溶鋼１１にも影響を与え、浸漬槽１３外にも循環流が形成されるため脱水素速度が増加する。
【００１３】
溶鋼循環流量パラメータΛの物理的意味は以下のようなものである。
前記（１）式中の１／（τ／３０）は本発明者らにより導出された溶鋼循環速度と均一混合時間τとの関係を規定した式であり、τは図１に示した本発明技術での均一混合時間である。ここで、均一混合時間τとは任意の位置での濃度変化が溶鋼１１全体に均一になるまでに要する時間であり、一般にはＣｕ合金を添加し、Ｃｕ濃度がほぼ均一（±５％の誤差の範囲）になるまでの時間として測定される。
上記（２）式は、図１に示した本発明技術での均一混合時間τを表わす実験式であり、本発明者らの詳細なる実験により始めて明らかとされたものである。特に、（ｓ／Ｄ／０．１５）^-0.504は、底吹き羽口１４又はガス吹き込みパイプの底吹きガス吹き込み位置と浸漬槽中心ｍとの偏心距離ｓの影響を定量化したものであり、均一混合時間τには、取鍋中心との相対位置関係は何ら影響を持たず、ガス吹き込み位置と浸漬槽中心ｍとの偏心距離ｓでのみ決定される点が重要である。
【００１４】
（２）式中の（ｈ’／Ｈ）^-3.2は、ガス吹き込み方法の影響を定量化した実験式である。ガス吹き込みはポーラス煉瓦の他に、インジェクションランスを浸漬してガス吹き込みパイプからガスを吹き込むことがある。ポーラス煉瓦の場合には、ガスは慣性力を失って吐出されるためｈ’＝Ｈとなるが、ガス吹き込みパイプの場合には、慣性力によりジェットコアと呼ばれる気柱が立つため、実質的なガス吹き込み深さは、気柱高さを幾何学的にガス吹き込み位置の浴深Ｈより差し引く必要があることを意味する。気柱高さは、（４）式中のｃｏｓθ×ｄ×５．０７×（Ｆｒ’）^1/3で表わされる。
【００１５】
さらに、効率的な精錬を実施するための条件としては、底吹きガスをポーラス煉瓦から供給する場合の最適条件を規定したものであり、ポーラス煉瓦の表面積当たりの底吹きガス流量ｑ（Ｎリットル／ｍｉｎ／ｃｍ²）と浸漬管内圧力Ｐ（Ｔｏｒｒ）の比（ｑ／Ｐ）を３〜５０とするものである。この比が５０よりも大きい場合には、ポーラス煉瓦の表面直上で気泡同士が合体し気泡群１５が有効に広がらない上に、自由表面１７で破泡する際にスプラッシュが激しく生じ、地金飛散が大きくなる。逆に、この比が３よりも小さい場合には、気泡群１５中の気泡密度が小さすぎるため、溶鋼１１の下降流により気泡群１５が押し曲げられて気泡が浸漬槽１３外に流出し、有効に気泡活性面１６の生成に使用されなくなるためである。ここで、真空度は１０Ｔｏｒｒ以下で（ｑ／Ｐ）を制御することが望ましい。なぜなら、１０Ｔｏｒｒよりも低真空度では脱水素反応はほとんど進行せず、（ｑ／Ｐ）を制御する必要が無いためである。
【００１６】
【実施例】
実施例は、図１の溶鋼の脱水素設備１０を用いて、以下の条件で実施した。溶鋼重量Ｗは３５０ｔｏｎ、取鍋内直径Ｊは４ｍ、浸漬槽内直径Ｄは２ｍ（従って、浸漬槽断面積Ｓは３．１４ｍ² ）、底吹きガスはＡｒ（アルゴン）とし、取鍋１２炉底に設置した直径９０ｍｍのポーラス煉瓦からなる底吹き羽口１４から吹き込んだ。ガス吹き込み位置の浴深Ｈは４．７７ｍ、浸漬槽中心ｍに対するガス吹き込み位置の偏心距離ｓは０．３５ｍ、溶鋼温度Ｔは１８７０（Ｋ）、溶鋼密度ρは７０００ｋｇ／ｍ³ であり、底吹きガス流量Ｑを４００〜１５００（Ｎリットル／ｍｉｎ）、浸漬管内圧力Ｐは１〜１０（Ｔｏｒｒ）とした。
【００１７】
取鍋１２内の、炭素濃度が約０．５５重量％、Ａｌ（アルミニウム）濃度が約０．０２０重量％の溶鋼１１に浸漬槽１３を浸漬し、槽内を排気することで真空処理を約１０分間実施した。
処理開始から５分以内に真空度は１Ｔｏｒｒまで低下し、溶鋼循環流量パラメータΛは０．８９、ポーラス煉瓦の表面積当たりの底吹きガス流量ｑと浸漬管内圧力Ｐの比（ｑ／Ｐ）は１５．７Ｎリットル／ｍｉｎ／ｃｍ²／Ｔｏｒｒであった。１０分の処理で水素は４ｐｐｍから１．４ｐｐｍまで低下し、脱水素率は６５％と高く、地金飛散は極めて軽微であった。従って、短時間で高い脱水素率を得ることができた。
【００１８】
比較例も実施例と同一の装置で実施した。
取鍋１２内の、炭素濃度が約０．５５重量％、Ａｌ濃度が約０．０２０重量％の溶鋼に浸漬槽１３を浸漬し、槽内を排気することで真空処理を約１０分間実施した。底吹きガス流量Ｑを１５０Ｎリットル／ｍｉｎとし、到達真空度は７Ｔｏｒｒであった。溶鋼循環流量パラメータΛは０．４３、（ｑ／Ｐ）は０．３６Ｎリットル／ｍｉｎ／ｃｍ²／Ｔｏｒｒであり、脱水素率は３２％と低かった。
【００１９】
【発明の効果】
請求項１、２記載の溶鋼の脱水素方法においては、溶鋼循環流量パラメータΛを０．４５以上で２以下としているので、浸漬槽内循環流の流速が大きく、その結果浸漬槽外（取鍋内）溶鋼に循環流を形成させることができるため、短時間で脱水素率が向上し、安定的に脱水素が行える。
また、溶鋼循環流量パラメータΛを２以下とするので、溶鋼の循環のために供給する底吹きガス流量が適正であるため、地金飛散、付着が抑制される。
特に、請求項２記載の溶鋼の脱水素方法においては、ポーラス煉瓦の表面積当たりの底吹きガス流量と浸漬管内圧力の比（ｑ／Ｐ）を３〜５０とするので、脱水素率を維持しながら、地金飛散、付着も抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る溶鋼の脱水素方法を適用する溶鋼の脱水素設備の構成図である。
【図２】溶鋼循環流量パラメータと脱水素率との関係を表すグラフである。
【符号の説明】
１０溶鋼の脱水素設備１１溶鋼
１２取鍋１３浸漬槽
１４底吹き羽口１５気泡群
１６気泡活性面１７自由表面

Claims

直胴型大径の浸漬槽を取鍋内の溶鋼に浸漬し、該浸漬槽内部を減圧する真空脱ガス方法による溶鋼の脱水素方法において、
以下の式で表される溶鋼循環流量パラメータΛを０．４５以上で２以下とすることを特徴とする溶鋼の脱水素方法。
Λ＝１／（τ／３０）・・・・・（１）
τ＝１００｛（Ｊ² ／Ｈ）² ×（ｈ’／Ｈ）^-3.2
×（ｓ／Ｄ／０．１５）^-0.504／ε｝^0.337 ・・・・・（２）
ε＝（３７１／Ｗ）・（Ｑ／１０００／６０）・Ｔ
・｛ｌｎ（ρｇＨ／１３３．３２／Ｐ）＋０．０６（１−２９８／Ｔ）｝
・・・・・（３）
ここで、Ｗは溶鋼重量（ｔｏｎ）、Ｑは底吹きガス流量（Ｎリットル／ｍｉｎ）、Ｈはガス吹き込み位置の浴深（ｍ）、Ｔは溶鋼温度（Ｋ）、Ｄは浸漬槽内直径（ｍ）、Ｊは取鍋内直径（ｍ）、ｈ’は修正ガス吹き込み位置の浴深（ｍ）、ｓは浸漬槽中心に対するガス吹き込み位置（偏心距離（ｍ））、ρは溶鋼密度（ｋｇ／ｍ³ ）、ｇは重力加速度（ｍ／ｓ² ）、Ｐは浸漬管内圧力（Ｔｏｒｒ）、τは溶鋼の循環による均一混合時間（ｓｅｃ）である。なお、Ｐが１Ｔｏｒｒ以下の場合はＰ＝１とする。また、ガス吹き込みにガス吹き込みパイプを用いた場合には、吐出方向の垂直上方に対する角度をθ（ｄｅｇ）、パイプ直径をｄ（ｍ）、ガス密度をρ_g （ｋｇ／ｍ³ ）とすると、ｈ’は以下の式で求められる。なお、ガス吹き込みがポーラス煉瓦の場合にはｈ’＝Ｈとする。
ｈ’＝Ｈ−ｃｏｓθ×ｄ×５．０７×（Ｆｒ’）^1/3 ・・・・・（４）
Ｆｒ’＝（ρ_g ／ρ）×｛（Ｑ／１０００／６０）
／（３．１４×（ｄ／２）² ）｝² ／（ｇ・Ｈ）・・・・・（５）
前記ガス吹き込みがポーラス煉瓦の場合には、該ポーラス煉瓦の表面積当たりの底吹きガス流量ｑ（Ｎリットル／ｍｉｎ／ｃｍ² ）と前記浸漬管内圧力Ｐ（Ｔｏｒｒ）の比（ｑ／Ｐ）を３〜５０とする請求項１記載の溶鋼の脱水素方法。