JP3821109B2 - 溶融金属の精錬方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶融金属中の介在物低減などを効率的に行うことが可能な溶融金属の精錬方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
溶融金属中に含まれる介在物の除去方法として、溶融金属中にガスを吹き込んで溶融金属中に気泡を生成させ、介在物をこの気泡で捕捉して浮上させ除去する方法が知られている。そして、気泡をより微細にすることと、気泡を溶融金属中に広く分散させることとが、溶融金属中微小介在物の浮上除去に有効であることが知られている。
【０００３】
溶融金属中に微細気泡を分散させることにより介在物を効率的に除去することが可能である。しかしながら、溶融金属と耐火物との濡れが悪いため、これを実現するのは困難である。
【０００４】
このような観点から、溶融金属の精錬において、溶融金属中に微細な気泡を生成させる方法や気泡を分散させる方法について、これまでいくつか提案されている。
【０００５】
特許文献１には、ガスプールと複数個の小径ポーラスプラグもしくは円環状のポーラスれんがとを備えるガス吹き込み装置を用いてガスを吹き込む方法が開示されている。
【０００６】
特許文献２には、多孔性耐火物からなる吹き込みプラグを用いた微細気泡の発生方法において、該耐火物の稼働面の単位面積当たりのガス吹き込み量を所定量以下としてガスを吹き込む方法が開示されている。
【０００７】
さらに、特許文献３には、多孔質耐火物で形成されたガス吐出部を先端部に備えるバブリングランスを溶鋼内で回転させながらガスを吹き込む方法が開示されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開昭59−125249号公報
【特許文献２】
特開昭59−226129号公報
【特許文献３】
特開昭62−192240号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公報に開示された方法には以下の問題点がある。
特許文献１および特許文献２に開示されている方法は、多孔質の耐火物を用いて溶鋼へのガス吹込みを行うものであるが、溶鋼と耐火物との濡れ性が小さいため、各孔から生じた気泡が耐火物表面を覆うように成長し、耐火物の稼働面から離脱する前に容易に合体してしまう。この現象は特許文献１に開示されているようにガス吹き込み量を小さくしたりしても変わらない。したがって、上記公報に開示された方法では、例えば直径が10mm以下といった微細な気泡を溶融金属中に生成させることは困難である。
【００１０】
特許文献３に開示されている方法は、バブリングランスを回転させながらガスを吹き込むので、多孔質耐火物の稼動面からの気泡の離脱が促され、特許文献１および特許文献２に開示されている方法に比べて、微細な気泡を溶融金属中に生成させることができる。しかしながら、生成した気泡はバブリングランスの周囲の上昇流に随伴して速やかに表面に到達して消滅してしまうため、気泡を溶融金属中に広く分散させることが困難である。したがって、気泡により介在物を捕捉する頻度が小さくなり、介在物を浮上除去する効果が小さくなる。
【００１１】
本発明の課題は、上述した従来技術の問題点に鑑み、溶融金属中に微細な気泡を生成させるとともに、該気泡を溶融金属中に広く分散させることにより、効率的に介在物を除去することができる微細気泡生成方法を利用した溶融金属の精錬方法を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、先ず、溶融金属中に微細な気泡を生成させる方法について検討すべく以下の水モデル試験を行った。
【００１３】
溶融金属を模した水を入れた容器の内壁に形成したノズルから水中にガスを吹き込み、水の流動状態とガスの吹き込み方向とを種々変更して、気泡の形成状態を調査した。ここで、溶融金属と耐火物との濡れ性の悪さを模するために、容器の内面には撥水材を塗布した。
【００１４】
図１(a) 〜(c) は、溶融金属を模した水が入った容器の底面もしくは側面から、水中にガスを吹き込んだ状態を示す概念図であり、図１(a) は、静止した水に容器底面からガスを吹き込んだ状態、図１(b) は、水平方向に流れる水に容器底面からガスを吹き込んだ状態、図１(c) は、下方向に流れる水に容器側面からガスを吹き込んだ状態をそれぞれ示す。
【００１５】
図１(a) に示すように、静止した水に容器底面からガスを吹き込んだ場合には、離脱前の成長過程の気泡に加わる力は表面張力と浮力のみであり、気泡の成長により浮力が表面張力を上回った時点ではじめて気泡がノズルから離脱するため、水中に分散された気泡は比較的大きな径を有していた。
【００１６】
これに対し、図１(b) に示すように、水平方向に流れる水に容器底面からガスを吹き込んだ場合には、離脱前の成長過程の気泡に対してさらに水流による剪断力が加わるので、ノズルからの気泡の離脱が促進され、図１(a) の場合よりも速い段階で気泡が離脱する。このため、水中に分散された気泡は、図１(a) の場合よりも小さな径を有していた。
【００１７】
さらに、図１(c) に示すように、下方向に流れる水に容器側面からガスを吹き込んだ場合は、離脱前の成長過程の気泡に加わる剪断力が、浮力に対して反対方向に作用するため、ノズルからの気泡の離脱がより一層促進され、図１(b) の場合よりも早い段階で気泡が離脱する。このため、水中に分散された気泡は、図１(b) の場合よりもさらに小さな径を有していた。
【００１８】
以上より、溶融金属中に微細な気泡を生成させるには、図１(c) に示す機構が有効であるとの知見を得た。
次に、本発明者らは図１(c) に示す方法によって生成させた微細な気泡を溶融金属中に広く分散させることができる実用的で簡便な方法を確立すべく検討を行った。その結果、溶融金属浴に浸漬管を浸漬させ、浸漬管の内部を減圧して溶融金属を吸引させ、次いで、浸漬管の内部を加圧して吸引した溶融金属を吐出させることにより、浸漬管の内部に下方向の溶融金属の流れを形成させるとともに、浸漬管内部の溶融金属と接する部位から溶融金属の流れ方向と交差する方向へガスを吹き込むこと、例えば浸漬管の先端部の内壁に設けたガスの吹込み口からガスを吹き込む方法を着想し、そして、以下の水モデル試験を行った。
【００１９】
図２は水モデル試験装置の概要を示す説明図である。同図に示すように、水モデル試験装置は、取鍋を模した容器２に溶融金属を模した水３が入れられ、溶融金属浴を模した水浴が形成されており、下方が開口され上方が閉塞された浸漬管１が該水浴に浸漬されている。そして、浸漬管１の上部は減圧バルブ６を介して図示しない減圧室と、加圧バルブ７を介して図示しない加圧室とに、それぞれ連通して構成された減圧手段および加圧手段が設けられている。減圧室は、予め内部の圧力が減圧されており、減圧バルブ６を開とすることにより、浸漬管内部が速やかに減圧されるように構成されている。
【００２０】
また、加圧室は、予め内部の圧力が加圧されており、加圧バルブ７を開とすることにより、浸漬管の内部が速やかに加圧されるように構成されている。また、浸漬管１の内部の圧力は、圧力計８によって検出可能とされており、これにより浸漬管１の内部の圧力変化速度も求めることができるように構成されている。さらに、浸漬管１の下方先端部の内壁にはガス吹込み口４が設けられている。
【００２１】
図２に示す水モデル試験装置を用いて次の試験を行った。先ず、減圧バルブ６を開、加圧バルブ７を閉として、浸漬管１の内部の圧力を減圧し、容器２の中の水３を浸漬管１の内部に吸引させた。以下、この工程を「減圧工程」ともいう。次いで、減圧バルブ６を閉、加圧バルブ７を開として、浸漬管１の内部の圧力を加圧し、先の減圧工程で浸漬管１の内部に吸引させた水３を再び容器２の中へ吐出させた。以下、この工程を「加圧工程」ともいう。そして、加圧工程において、浸漬管１の下方先端部の内面に設けたガス吹込み口４からガスを吹き込んだ。
【００２２】
その結果、加圧工程において、次の▲１▼および▲２▼の現象が確認された。
▲１▼浸漬管の内部に下方向の水流が形成され、この水流中に交差する方向からガスを吹込むことにより、微細な気泡５が形成される。
【００２３】
▲２▼同時に浸漬管直下には水の吐出により渦輪が形成されるが、前述の微細気泡の群はこの内部に取り込まれ底面近傍まで降下し、その後、浸漬管直下の下降水流が底面で転じてできる水平流、さらにはこれが側面で転じてできる上昇流に随伴し、水浴中に広く分散される。
【００２４】
なお、加圧工程における加圧を、単に大気に開放することにより行った場合には、加圧工程の末期においてわずかな気泡が水浴中に分散されるだけであり、分散の程度も小さかった。
【００２５】
さらに、検討を加えたところ、上記の加圧・減圧工程を繰り返し実施した場合、容器２に収容した水の浴表面が上下動を繰り返し、その上下動の振幅が増大する現象が、ある条件下で発生することが新たに判明した（図３(a))。そこで、溶融金属の精錬で使用されるスラグを模したシリコンオイルを容器２の水浴上に浮かべ、上記現象を引き起こす条件下で実験を実施した。この場合に、水浴面の上下振動にともないシリコンオイル層が水浴内部に中に引き込まれ、シリコンオイル滴となって水浴中に分散するという現象が観察された（図３(b))。
【００２６】
こういった現象は、溶融金属の精錬において特に問題となる。すなわち、浴表面の上下動により溶融金属が容器から横溢する現象は、該溶融金属の歩留まりが低下することになり製造コストの上昇につながる。また、通常溶融金属の精錬時には容器内溶融金属の上にスラグが存在するが、浸漬管外側の浴面の上下動（揺動ともいう）によりスラグ滴が溶融金属中に分散するとスラグ系介在物として残留し、品質の悪化につながる。
【００２７】
したがって、浴面にスラグを浮かべた状態で、浸漬管を用い、その先端内壁からガスを吹込みつつ、浸漬管内部の加圧減圧を繰り返して微細気泡を生成させるとともに該気泡を浴中に広く分散させる際には、極力浴面の上下動（あるいは揺動）を抑制することが重要となる。
【００２８】
以上より、溶融金属中に微細な気泡を生成させるとともに、該気泡を溶融金属中に広く分散させるには、減圧工程につづく加圧工程において、浸漬管の内部を所定値以上の加圧速度で加圧して吸引した溶融金属を吐出させることにより、浸漬管の内部に下方向の溶融金属の流れを形成させるとともに、浸漬管の内部の溶融金属と接する部位から溶融金属の流れ方向と交差する方向へガスを吹込み、かつ、容器表面の揺動を抑制することが有効であるとの知見を得た。
【００２９】
次に、本発明者らは、実際の溶融金属について、溶融金属中に生成させたかかる微細な気泡を利用して効率的に介在物を除去することができる溶融金属の精錬方法を確立すべく、溶融金属として実際に溶鋼を用いた小規模試験を行ってそのための諸条件について検討を行った。
【００３０】
試験機としては、図２に示す水モデル試験機と同様の基本構成を備える溶鋼量1000kg（容器内径0.6m）の小型試験機を用いた。溶鋼に内径が約0.15m 、外径が0.21m の浸漬管を浸漬させた。該浸漬管の内部を減圧して浸漬管内部に溶鋼を吸引させ、次いで浸漬管の内部を加圧して吸引した溶鋼を吐出させた。そしてこの間、浸漬管の下方先端部に設けたガス吹込み口からArガスを吹込んだ。
【００３１】
このようにして減圧工程と加圧工程とを繰り返し実施する処理を行った。
まず、加圧時における浸漬管内部加圧速度の最適範囲を明らかにするため、これを10kPa/s から2500kPa/s に変化させ、平均気泡径dBについて評価を行った。加圧速度以外の条件は次の通り一定とした。
【００３２】
ガス吹込み速度Ｑ：3.3 ×10-5Nm3/s
浸漬管内の最小圧力と最大圧力の差ΔＰ：80kPa
気泡の径と分散状況については、溶鋼を用いた試験では浴内の観察ができないため、溶鋼表面に浮上してきた気泡をビデオカメラで撮影し、画像処理を行うことにより評価した。
【００３３】
図４は、加圧時における浸漬管内部の圧力変化速度と平均気泡径dBとの関係を示すグラフである。ここで、圧力変化速度とは、加圧工程における最大瞬間圧力変化速度である。
【００３４】
同図に示すように、最大瞬間圧力変化速度が100kPa/s以上となると平均気泡径dBは著しく小さくなる。したがって、溶鋼中に微細な気泡を生成させるためには、最大瞬間圧力変化速度を150kPa/s以上とするのが好ましい。より好ましくは200kPa/s以上である。気泡の微細化の観点からは、最大瞬間圧力変化速度の上限は特に限定されないが、最大瞬間圧力変化速度が過大である場合には溶鋼のスプラッシュが発生するおそれがあるので、2000kPa/s 以下とするのが好ましい。より好ましくは1500kP/s以下である。
【００３５】
なお、本明細書においては、「最大瞬間圧力変化速度」を単に「圧力変化速度」と云うこともある。
次に、発明者らは同様の溶鋼実験装置を用いて減圧および加圧の繰り返し周期Ｔ(s) が介在物除去率に及ばす影響を検討した。
【００３６】
また、介在物除去能力は介在物濃度の指標として全酸素濃度（以下、T.[O] ( 単位：ppm)ともいう）を用いた介在物除去率ηで評価した。すなわち、ηは(1) 式で定義される値である。
【００３７】
η＝（処理前T.[O] −処理後T.[O])／処理前T.[O] ・・・(1)
なお、溶鋼中に浮遊する介在物は製品特性の劣化や製品疵などの問題を引き起こすが、この介在物には二つの種類がある。一つは、脱酸材を溶鋼へ添加する際に該脱酸材と溶鋼中酸素とが反応することによって生じる、いわゆる、脱酸生成物系介在物である。もう一つは、溶鋼上面に存在するスラグがなんらかの理由で溶鋼中ヘスラグ滴として進入することにより生じる、スラグ系介在物である。したがって、介在物濃度の指標として用いた全酸素濃度は上記の脱酸生成物系介在物とスラグ系介在物の合計を示している。
【００３８】
図５は、浸漬管内での瞬間最大加圧速度：800kPa/s、吹込みガス流量Ｑ：3.3 ×10-5Nm3/s 、浸漬管内での最大圧力と最小圧力の差：80kPa で一定として、減圧、加圧の繰り返し周期Ｔを0.6sから15s に変化させ、かかる処理を600 回( サイクル) 行ったときの介在物除去率ηの変化を示す図である。また、いずれの実験も溶鋼表面上部の空間にはアルゴンガスをシールガス（あるいはパージガス）として供給し、雰囲気中酸素ガスと溶鋼との反応（いわゆる、空気酸化あるいは大気酸化）が生じないようにした。
【００３９】
図５に示すように、ηはＴが1sを境に急増し、1sから2sにかけてゆるやかに増加し、2s以上では徐々に減少した。この理由は次のように考えられる。
前述したように、生成した微細気泡群は浸漬管直下に形成される渦輪により底面近傍まで運ばれる。よって、Ｔが小さく連続して形成された渦輪どうしの距離が十分でないと、両者の干渉により渦が消滅し微細気泡群は底面まで運ばれることなく浮上してしまう。つまり、分散が十分でなく一つの気泡が介在物と接触する機会は減少する。図５の結果が得られたのは、Ｔが1sを超えるとこのような渦どうしの干渉が抑制されるからである。
【００４０】
さて、この臨界周期Tcは上記条件では1sと判断されたが、このTcは管内の液下降速度に影響されると考えられる。そこで、これに影響を及ぼす加圧時の浸漬管内での圧力変化速度（kPa/s)が異なる条件で，上記と同様の調査をした。その結果を図６に示す。
【００４１】
これは次のように考えられる。管内圧力変化速度が大きいほど、管内溶鋼の下降速度が大きくなり同周期であれば連続して生成する渦輪どうしの距離は大きくなるが、一方で、渦速度が大きくなる。前者は渦どうしの干渉を軽減し後者は助長する。このように２つの影響が相反するため、管内加圧速度の影響は結果的に小さくなり、Tcはほぼ一定となるのである。
【００４２】
また、図５に示すように、Ｔが2s以上でηが徐々に減少するのは吐出の絶対回数が減り、同時間内に生成される気泡の数が減少するためである。なお、同図には上記実験と同様のガス吹込み速度で通常のバブリングを行った際の介在物除去率も示したが、それによれば、Ｔが15s 以上の条件では介在物除去率は同等あるいはそれ以下となってしまう。
【００４３】
以上のことから、本発明における加圧・減圧の繰り返し周期Ｔの適正範囲は1s以上15s 未満と結論できる。
ここに、上記周期Ｔは、例えば加圧開始から次回の加圧開始までの時間(s) であり、本発明ではこれをサイクルタイムと称することもある。
【００４４】
ただし、スラグを浮かべた場合には、ある特定のサイクルタイムＴA でηが急激に低下する現象が観察された。処理後の溶鋼からサンプルを採取し、顕微鏡で介在物形態を調査した結果、ηが急激に低下した条件ではサンプル中にスラグ系介在物が観察された。また、この条件では浴面の揺動が大きくなる現象が観察された。ηが急激に低下しない条件でのサンプルを調査すると介在物は脱酸生成物系が主体であった。
【００４５】
以上から、溶鋼上にスラグを浮かべた条件は介在物除去率向上に有効な条件であるが、その有利性を十分に確保するためにはサイクルタイムを限定する必要があることが判明した。
【００４６】
まず、発明者らは図５から、ηが急激に悪化するサイクルタイムは基本サイクルタイムTxの整数倍で表されることを見出した。そこで、図５からＴが1s以上15s 未満で、かつ、ηが急激に悪化するｍ番目のサイクルタイムTmを順番に読み取り、Tm-Tm-1から基本サイクルタイムTxを算出した。
【００４７】
次に、発明者らは種々の条件を変更して基本サイクルタイムTxは取鍋径ＤL と浸漬管外形Ｄo を用いて(2) 式で整理できることを見出した。したがって、ηが悪化するサイクルタイムはその整数倍の(3) 式で表わせることが分った。実験式から求まるサイクルタイム計算値を TB とする。
【００４８】
Ｔx ＝ 0.8・ (ＤL −Ｄo)0.5 ・・・ (2)
ＴB ＝ｎ・Ｔx ・・・ (3)
ここで、ＴB ：ηが急激に大きくなるサイクルタイムの計算値(s) 、ｎ：正の整数（1, 2, 3,・・・）、ＤL ：浴面における容器内径(m) 、Ｄo ：浴面における浸漬管外径(m) である。
【００４９】
図７は上式で求めたサイクルタイムＴB と実際にηが急激に悪化したサイクルタイムＴA との関係を示したものである。実績のサイクルタイムであるＴA は計算値ＴB に対して若干ばらついているが、ＴB に対して±0.03s の幅の中にほぼ入っている。
【００５０】
以上から、本発明にあっては、スラグ系介在物による清浄性悪化を抑制するために、サイクルタイムＴとしてＴB −0.03≦Ｔ≦ＴB ＋0.03 を除外した値を採用する。
【００５１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について、溶融金属が溶鋼である場合について説明する。図８は、本発明の方法を取鍋の内部にある溶鋼に適用する場合について、装置構成の一例を示す概要図である。
【００５２】
同図に示すように、本発明の方法を取鍋の内部にある溶鋼に適用する場合の装置例としては、取鍋12に溶鋼13が入れられ溶鋼浴が形成されており、下方が開口され上方が閉塞された浸漬管11が昇降可能に備え付けられている。同図は、浸漬管11の下部が溶鋼浴に浸漬されている状態を示す。そして、各部材の作用は、すでに図２に関連させて説明した通りである。
【００５３】
本発明によれば、少なくとも加圧工程において、ガス吹込み口にガスを供給する制御手段（図示せず）が設けられている。かかる制御手段は、適宜バルブ装置と、加圧減圧手段と連動した適宜スイッチ装置を用いることで構成できる。
【００５４】
ここに、減圧手段は、減圧バルブ16と、それを介して浸漬管内部と連通する減圧室（図示せず）とから構成され、同様に、加圧手段は、加圧バルブ17と、それを介して浸漬管内部と連通する加圧室（図示せず）とから構成される。
【００５５】
減圧室は、浸漬管の内部の容積に比べて充分に大きな容積を有し、予め内部の圧力が減圧されており、減圧バルブ16を開とすることにより、浸漬管の内部が速やかに減圧されるようにしてある。また、加圧室は、浸漬管の内部の容積に比べて必ずしも大きな容積を有する必要は無いが、予め内部の圧力が加圧されており加圧バルブ17を開とすることにより、浸漬管の内部が速やかに加圧されるようにしてある。
【００５６】
浸漬管11の内部の圧力は、圧力計18によって検出可能とされており、これにより浸漬管11の内部の圧力変化速度を求めることができるようにしてある。さらに、浸漬管11の下方先端部において、浸漬管を構成する耐火物の内部に構成された吹込みガス流通路が浸漬管の内面側に開口しており、Arガスを溶鋼中に吹き込むためのガス吹込み口14が形成されている。
【００５７】
本発明において、ガス吹込み口それ自体の構造は特に制限されないが、下降流に交差する方向にガスを吹込むために、具体的な形態としては、単数あるいは複数本の細管（例：ステンレス製、鋼製）を浸漬管内面側壁の位置に埋設するとか、耐火物製造時に耐火物内部にガス流通路を設けるとか、また、多孔質ノズル口を浸漬管内壁に設けるなどして構成してもよい。溶鋼中に浸漬させるバブリングランスを用いる場合には、これらのノズル口をランス側面に設けるなどして構成してもよい。
【００５８】
本発明の方法は、図８に示す装置を用いて例えば次のように実施することができる。先ず、減圧バルブ16を開、加圧バルブ17を閉として、浸漬管11の内部の圧力を減圧し、取鍋12の中の溶鋼13を浸漬管11の内部に吸引させる。次いで、減圧バルブ16を閉、加圧バルブ17を開として、浸漬管11の内部の圧力を加圧し、先の工程で浸漬管11の内部に吸引させた溶鋼13を再び取鍋12の中へ吐出させる。そして、少なくとも加圧工程において、浸漬管11の下方先端部の内面に設けたガス吹込み口14からArガスを吹込むように、適宜制御手段（図示せず）を設けている。
【００５９】
上記減圧工程と上記加圧工程とを順次繰り返し行うことにより、溶鋼浴中に微細なArガス気泡15を断続的に生成することができる。また、加圧工程において浸漬管11から吐出される溶鋼は浸漬管よりやや径の大きい渦輪を形成しこれにより気泡を取鍋12の底面近傍まで輸送する。そして、気泡は取鍋12の底面に到達した後は溶鋼下降流が転じてできる水平流により水平方向に分散し、最終的には水平流が側壁近傍で転じてできる上昇流と浮力の作用とにより上昇する。このように気泡は溶鋼浴中に広く分散され、効率的に介在物を除去することができるのである。
【００６０】
本発明を取鍋内溶鋼に適用する際の適正条件とその限定理由について述べると、次の通りである。
まず、本発明は取鍋内溶鋼の浴面上にスラグを浮遊させて実施する。スラグを浮遊させると、溶鋼浴中を上昇してきた介在物、あるいは、溶鋼浴中を移動してきた気泡と接触し気泡に取込まれ気泡とともに移動する介在物が、スラグへ吸収されるために、スラグを浮遊させない場合よりも介在物除去効率が向上するからである。
【００６１】
そして、上記サイクルタイムＴが下式を満足することが好ましい。
１≦Ｔ＜15
Ｔが1s未満の場合、生成した微細気泡を底面近傍まで輸送する渦輪同士の干渉が大きく、これらが底面に到達する前に崩壊し、その結果、微細気泡が底面到達より前に浮上してしまう、つまり、気泡により除去される介在物の量が低下してしまう。また、Ｔが15s 以上では所定時間に排出される気泡個数が少なすぎるため、通常のバブリングと同等あるいはそれ以下の効果しか得られない。
【００６２】
さらに、加圧・減圧工程のサイクルタイムＴが下式を満足しないことが好ましい。
ＴB −0.03≦Ｔ≦ＴB ＋0.03
ＴB ＝ 0.8・ｎ・(D1-D2)0.5
サイクルタイムＴが上記条件を満足するとき、溶鋼浴面に振動現象が発生し、浮遊させたスラグが浴中に分散してスラグ系介在物となるため、介在物除去効率が低下するからである。
【００６３】
次に、加圧工程における浸漬管の最大瞬間圧力変化速度は100kPa/s以上とする。圧力変化速度が100kPa/s未満では管内溶鋼の下降流速が十分でなく、微細気泡を得ることができない、つまり介在物を効率的に除去できないからである。
【００６４】
そして、より微細な気泡を安定して生成させるには、圧力変化速度を200kPa/s以上とすることが好ましい。気泡の微細化の観点からは、圧力変化速度の上限は特に限定されないが、圧力変化速度があまり過大である場合には溶鋼のスプラッシュが発生する恐れがあるので、圧力変化速度を2000kPa/s 以下とすることが好ましい。
【００６５】
次に、加圧直後の管内最高圧力と減圧終了時の管内最小圧力との差、つまり圧力差最大変化量ΔＰは100kPa/s以下とする。
ΔＰが大きいほど、微細気泡生成量は増大し、したがって、介在物除去効率は増加する。しかし、ΔＰを100kPa超に増加させても介在物除去効率は飽和してしまうことがわかっている。一方、設備コストの点からは浸漬管の長さは短いほうが好ましく、すなわち、溶鋼の移動量は小さいほうが好ましい。したがって、浸漬管内の最大圧力変化量ΔＰは100kPa以下とする。ただし、微細気泡生成に十分な管内下降流速を得て効果的に介在物を除去するためには、実操業上ある程度の溶鋼移動量が必要である。この意味から、ΔＰとして少なくとも5kPa以上が望ましい。
【００６６】
以上からΔＰとしては100kPa以下が望ましく、さらに望ましくは5kPa以上である。
また、浸漬管側面からの吹込みガス流量Ｑ(m3(標準状態)/s)と浸漬管内径Di(m) の比、Q/Diは 6.7×10-5m2/s以上 6.7×10-4m2/s以下が望ましい。Q/Diが小さすぎると、気泡径は十分に小さいものの、気泡個数の絶対量が少ないため、例え気泡を溶鋼中に広く分散させたとしても捕捉し得る介在物の個数が限られる。一方、比Q/Diが大きすぎる場合には、気泡径が過大となり、気泡が浮上する際に気泡の周囲に形成される溶鋼流により介在物がスリップしてしまい、両者が接触し難くなるばかりか、気泡の上昇速度が速いので両者の接触チャンスも少なくなる。
【００６７】
したがって、介在物の除去を高い効率で行うためには、比Q/Diを 6.7×10-5m2/s以上 6.7×10-4m2/s以下とすることが好ましい。さらに好ましくは 1.3×10-4m2/s以上５×10-4m2/s以下である。
【００６８】
さらに、浸漬管の内径Diと取鍋の内径 DL の比Di/DL は気泡の分散性の点から0.1 以上0.7 以下とするのが好ましい。つまり、浸漬管から吐出した気泡群は、上述の通り、管直下に形成される渦輪によって、底面近傍まで輸送される。よって、浸漬管の内径Diが取鍋の内径 DL に比して過大である場合には、気泡が通過する領域が小さくなってしまい、介在物除去効率は低下する。また、浸漬管の内径Diが取鍋の内径 DL に比して過小である場合には、気泡の絶対数が過小なため、介在物除去効率が低下する。
【００６９】
したがって、介在物の除去を高い効率で行うためには、Di/DL を0.1 以上0.7 以下とすることが好ましい。さらに好ましくは0.2 以上0.5 以下である。
本実施態様では、溶融金属が溶鋼である場合を例にとって説明したが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、介在物を除去するプロセスを製造工程に必要とする溶融金属であれば、いずれの溶融金属についても本発明の精錬方法を適用することができる。
【００７０】
また、本実施態様では、溶融金属中に吹込むガスがArである場合を例にとって説明したが、本発明はこれに限られるものではない。ガスの種類は対象とする溶融金属と精錬の目的に応じて適宜選定することができる。ガスの種類としては、例えば、Ar、N2、H2、Heなどのガス、またはこれらを２種以上混合させた混合ガスを用いることができる。
【００７１】
ここに、「精錬の目的に応じて適宜選定する」場合の例としては、溶融金属への溶解が製品品質に悪影響を及ぼすガスについて、当該ガスに替えて他のガスを用いたり、他のガスとの混合ガスを用いたりすることが挙げられる。また、別の手法としてガスの流量を抑制するなどの方法もある。
【００７２】
浸漬管の断面形状としては、浸漬管の耐火物の施工の観点から円形であることが好ましいが、円形でない場合、浸漬管の内径Diは浸漬管の水平断面積ＳからＳ＝（π/4)Di2なる換算式を用いて円相当内径Diを求めればよい。
【００７３】
「浸漬管の内部の溶融金属と接する部位」とは、例えば、浸漬管にガス吹込み口を設ける場合には、浸漬管の内面であって溶融金属と接する部位とすることができる。また、浸漬管の内部の溶融金属にバブリングランスを浸漬させ、該バブリングランスからガスを吹込む場合には、バブリングランスの外面であって溶融金属と接する部位とすることができる。設備の複雑化を避けて設備コストを抑制する観点からは、浸漬管の先端部の内面に当該部位を設けることが好ましい。
【００７４】
「溶融金属の流れ方向と交差する方向」とは、離脱前の成長過程の気泡に対して、溶融金属の流れによる気泡の離脱を促進する剪断力が作用するような方向であり、好ましくは溶融金属の流れ方向と略直交する方向である。
【００７５】
【実施例】
【００７６】
【実施例１】
図８に示す基本構成を有する装置を用いてAl脱酸を行った 250トンの溶鋼に対して介在物を除去する精錬を行った。溶鋼上にはスラグを浮かべた。スラグ中CaO 重量濃度とAl2O3 濃度の比CaO/Al2O3 を1.5 とし、スラグ中CaO 重量濃度とSiO2濃度の比CaO/SiO2を3.0 とした。試験に用いた装置において、取鍋の内径 DL を3.9m、浸漬管の内径Diを0.66m 、すなわちDi/DL を0.17とした。また、浸漬管の外径Doを1.16m とした。したがって、ＴB ＝0.8 ×ｎ×(DL −Do)0.5＝1.324 ×ｎとなる。浸漬管の下方先端部には、浸漬管の周方向に90度の間隔をなすようにして内径２mmのステンレス鋼製のパイプを合計４本埋め込み、Arガスを溶鋼中に吹込むためのガス吹込み口を設けた。
【００７７】
溶鋼浴に浸漬管を浸漬させた後に、浸漬管の内部を減圧して浸漬管内部に溶鋼を吸引させる減圧工程と、浸漬管の内部を加圧して吸引した溶鋼を吐出させる加圧工程とを順次繰り返し行うとともに、前記加圧工程において、浸漬管の下方先端部に設けたガス吹込み口からArガスを吹込んだ。このArガスの流量は2.0 ×10-4m3 (標準状態）・Ｓで全条件共通とした。その他の条件は表１に示す通りとし600s間処理を行った（浸漬管法）。
【００７８】
比較のため、取鍋底部のポーラスプラグからArガスを10分間吹き込む従来法による処理も行った（バブリング法）。
各精錬方法を適用した場合について、精錬前後における溶鋼の全酸素濃度を測定し、上述した介在物除去率ηを用いて評価を行った。
【００７９】
結果を表１にまとめて示す。
【００８０】
【表１】
【００８１】
【発明の効果】
本発明により、スラグの巻き込みを抑制しつつ、溶融金属中に微細な気泡をさせるとともに該気泡を溶融金属中に広く分散させることにより効率的に介在物を除去することができ、本発明は、溶融金属の精錬には多大の寄与をする発明である。
【図面の簡単な説明】
【図１】溶融金属を模した水が入った容器の底面もしくは側面から、水中にガスを吹き込んだ状態を示す概念図であり、図１(a) は、静止した水に容器底面からガスを吹き込んだ状態、図１(b) は、水平方向に流れる水に容器底面からガスを吹き込んだ状態、図１(c) は、下方向に流れる水に容器側面からガスを吹き込んだ状態をそれぞれ示す。
【図２】水モデル試験装置の一例を示す模式図である。
【図３】図３(a) は、ある特定の条件で、浴面が振動することを示す模式図である。
図３(b) は、浴面上に浮かべた模擬スラグが巻き込まれることを示す模式図である。
【図４】加圧工程における浸漬管内部の圧力変化速度と平均気泡径dBとの関係を示すグラフである。
【図５】サイクルタイムと介在物除去率ηとの関係を示すグラフである。
【図６】臨界周期Tcと圧力変化速度との関係を示すグラフである。
【図７】計算周期ＴB と介在物除去率が急激に悪化した周期ＴA との関係を示すグラフである。
【図８】本発明の方法を用いて、取鍋内の溶鋼を精錬する場合の装置構成の一例を示す模式図である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶融金属中の介在物低減などを効率的に行うことが可能な溶融金属の精錬方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
溶融金属中に含まれる介在物の除去方法として、溶融金属中にガスを吹き込んで溶融金属中に気泡を生成させ、介在物をこの気泡で捕捉して浮上させ除去する方法が知られている。そして、気泡をより微細にすることと、気泡を溶融金属中に広く分散させることとが、溶融金属中微小介在物の浮上除去に有効であることが知られている。
【０００３】
溶融金属中に微細気泡を分散させることにより介在物を効率的に除去することが可能である。しかしながら、溶融金属と耐火物との濡れが悪いため、これを実現するのは困難である。
【０００４】
このような観点から、溶融金属の精錬において、溶融金属中に微細な気泡を生成させる方法や気泡を分散させる方法について、これまでいくつか提案されている。
【０００５】
特許文献１には、ガスプールと複数個の小径ポーラスプラグもしくは円環状のポーラスれんがとを備えるガス吹き込み装置を用いてガスを吹き込む方法が開示されている。
【０００６】
特許文献２には、多孔性耐火物からなる吹き込みプラグを用いた微細気泡の発生方法において、該耐火物の稼働面の単位面積当たりのガス吹き込み量を所定量以下としてガスを吹き込む方法が開示されている。
【０００７】
さらに、特許文献３には、多孔質耐火物で形成されたガス吐出部を先端部に備えるバブリングランスを溶鋼内で回転させながらガスを吹き込む方法が開示されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開昭59−125249号公報
【特許文献２】
特開昭59−226129号公報
【特許文献３】
特開昭62−192240号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公報に開示された方法には以下の問題点がある。
特許文献１および特許文献２に開示されている方法は、多孔質の耐火物を用いて溶鋼へのガス吹込みを行うものであるが、溶鋼と耐火物との濡れ性が小さいため、各孔から生じた気泡が耐火物表面を覆うように成長し、耐火物の稼働面から離脱する前に容易に合体してしまう。この現象は特許文献１に開示されているようにガス吹き込み量を小さくしたりしても変わらない。したがって、上記公報に開示された方法では、例えば直径が10mm以下といった微細な気泡を溶融金属中に生成させることは困難である。
【００１０】
特許文献３に開示されている方法は、バブリングランスを回転させながらガスを吹き込むので、多孔質耐火物の稼動面からの気泡の離脱が促され、特許文献１および特許文献２に開示されている方法に比べて、微細な気泡を溶融金属中に生成させることができる。しかしながら、生成した気泡はバブリングランスの周囲の上昇流に随伴して速やかに表面に到達して消滅してしまうため、気泡を溶融金属中に広く分散させることが困難である。したがって、気泡により介在物を捕捉する頻度が小さくなり、介在物を浮上除去する効果が小さくなる。
【００１１】
本発明の課題は、上述した従来技術の問題点に鑑み、溶融金属中に微細な気泡を生成させるとともに、該気泡を溶融金属中に広く分散させることにより、効率的に介在物を除去することができる微細気泡生成方法を利用した溶融金属の精錬方法を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、先ず、溶融金属中に微細な気泡を生成させる方法について検討すべく以下の水モデル試験を行った。
【００１３】
溶融金属を模した水を入れた容器の内壁に形成したノズルから水中にガスを吹き込み、水の流動状態とガスの吹き込み方向とを種々変更して、気泡の形成状態を調査した。ここで、溶融金属と耐火物との濡れ性の悪さを模するために、容器の内面には撥水材を塗布した。
【００１４】
図１(a) 〜(c) は、溶融金属を模した水が入った容器の底面もしくは側面から、水中にガスを吹き込んだ状態を示す概念図であり、図１(a) は、静止した水に容器底面からガスを吹き込んだ状態、図１(b) は、水平方向に流れる水に容器底面からガスを吹き込んだ状態、図１(c) は、下方向に流れる水に容器側面からガスを吹き込んだ状態をそれぞれ示す。
【００１５】
図１(a) に示すように、静止した水に容器底面からガスを吹き込んだ場合には、離脱前の成長過程の気泡に加わる力は表面張力と浮力のみであり、気泡の成長により浮力が表面張力を上回った時点ではじめて気泡がノズルから離脱するため、水中に分散された気泡は比較的大きな径を有していた。
【００１６】
これに対し、図１(b) に示すように、水平方向に流れる水に容器底面からガスを吹き込んだ場合には、離脱前の成長過程の気泡に対してさらに水流による剪断力が加わるので、ノズルからの気泡の離脱が促進され、図１(a) の場合よりも速い段階で気泡が離脱する。このため、水中に分散された気泡は、図１(a) の場合よりも小さな径を有していた。
【００１７】
さらに、図１(c) に示すように、下方向に流れる水に容器側面からガスを吹き込んだ場合は、離脱前の成長過程の気泡に加わる剪断力が、浮力に対して反対方向に作用するため、ノズルからの気泡の離脱がより一層促進され、図１(b) の場合よりも早い段階で気泡が離脱する。このため、水中に分散された気泡は、図１(b) の場合よりもさらに小さな径を有していた。
【００１８】
以上より、溶融金属中に微細な気泡を生成させるには、図１(c) に示す機構が有効であるとの知見を得た。
次に、本発明者らは図１(c) に示す方法によって生成させた微細な気泡を溶融金属中に広く分散させることができる実用的で簡便な方法を確立すべく検討を行った。その結果、溶融金属浴に浸漬管を浸漬させ、浸漬管の内部を減圧して溶融金属を吸引させ、次いで、浸漬管の内部を加圧して吸引した溶融金属を吐出させることにより、浸漬管の内部に下方向の溶融金属の流れを形成させるとともに、浸漬管内部の溶融金属と接する部位から溶融金属の流れ方向と交差する方向へガスを吹き込むこと、例えば浸漬管の先端部の内壁に設けたガスの吹込み口からガスを吹き込む方法を着想し、そして、以下の水モデル試験を行った。
【００１９】
図２は水モデル試験装置の概要を示す説明図である。同図に示すように、水モデル試験装置は、取鍋を模した容器２に溶融金属を模した水３が入れられ、溶融金属浴を模した水浴が形成されており、下方が開口され上方が閉塞された浸漬管１が該水浴に浸漬されている。そして、浸漬管１の上部は減圧バルブ６を介して図示しない減圧室と、加圧バルブ７を介して図示しない加圧室とに、それぞれ連通して構成された減圧手段および加圧手段が設けられている。減圧室は、予め内部の圧力が減圧されており、減圧バルブ６を開とすることにより、浸漬管内部が速やかに減圧されるように構成されている。
【００２０】
また、加圧室は、予め内部の圧力が加圧されており、加圧バルブ７を開とすることにより、浸漬管の内部が速やかに加圧されるように構成されている。また、浸漬管１の内部の圧力は、圧力計８によって検出可能とされており、これにより浸漬管１の内部の圧力変化速度も求めることができるように構成されている。さらに、浸漬管１の下方先端部の内壁にはガス吹込み口４が設けられている。
【００２１】
図２に示す水モデル試験装置を用いて次の試験を行った。先ず、減圧バルブ６を開、加圧バルブ７を閉として、浸漬管１の内部の圧力を減圧し、容器２の中の水３を浸漬管１の内部に吸引させた。以下、この工程を「減圧工程」ともいう。次いで、減圧バルブ６を閉、加圧バルブ７を開として、浸漬管１の内部の圧力を加圧し、先の減圧工程で浸漬管１の内部に吸引させた水３を再び容器２の中へ吐出させた。以下、この工程を「加圧工程」ともいう。そして、加圧工程において、浸漬管１の下方先端部の内面に設けたガス吹込み口４からガスを吹き込んだ。
【００２２】
その結果、加圧工程において、次の▲１▼および▲２▼の現象が確認された。
▲１▼浸漬管の内部に下方向の水流が形成され、この水流中に交差する方向からガスを吹込むことにより、微細な気泡５が形成される。
【００２３】
▲２▼同時に浸漬管直下には水の吐出により渦輪が形成されるが、前述の微細気泡の群はこの内部に取り込まれ底面近傍まで降下し、その後、浸漬管直下の下降水流が底面で転じてできる水平流、さらにはこれが側面で転じてできる上昇流に随伴し、水浴中に広く分散される。
【００２４】
なお、加圧工程における加圧を、単に大気に開放することにより行った場合には、加圧工程の末期においてわずかな気泡が水浴中に分散されるだけであり、分散の程度も小さかった。
【００２５】
さらに、検討を加えたところ、上記の加圧・減圧工程を繰り返し実施した場合、容器２に収容した水の浴表面が上下動を繰り返し、その上下動の振幅が増大する現象が、ある条件下で発生することが新たに判明した（図３(a))。そこで、溶融金属の精錬で使用されるスラグを模したシリコンオイルを容器２の水浴上に浮かべ、上記現象を引き起こす条件下で実験を実施した。この場合に、水浴面の上下振動にともないシリコンオイル層が水浴内部に中に引き込まれ、シリコンオイル滴となって水浴中に分散するという現象が観察された（図３(b))。
【００２６】
こういった現象は、溶融金属の精錬において特に問題となる。すなわち、浴表面の上下動により溶融金属が容器から横溢する現象は、該溶融金属の歩留まりが低下することになり製造コストの上昇につながる。また、通常溶融金属の精錬時には容器内溶融金属の上にスラグが存在するが、浸漬管外側の浴面の上下動（揺動ともいう）によりスラグ滴が溶融金属中に分散するとスラグ系介在物として残留し、品質の悪化につながる。
【００２７】
したがって、浴面にスラグを浮かべた状態で、浸漬管を用い、その先端内壁からガスを吹込みつつ、浸漬管内部の加圧減圧を繰り返して微細気泡を生成させるとともに該気泡を浴中に広く分散させる際には、極力浴面の上下動（あるいは揺動）を抑制することが重要となる。
【００２８】
以上より、溶融金属中に微細な気泡を生成させるとともに、該気泡を溶融金属中に広く分散させるには、減圧工程につづく加圧工程において、浸漬管の内部を所定値以上の加圧速度で加圧して吸引した溶融金属を吐出させることにより、浸漬管の内部に下方向の溶融金属の流れを形成させるとともに、浸漬管の内部の溶融金属と接する部位から溶融金属の流れ方向と交差する方向へガスを吹込み、かつ、容器表面の揺動を抑制することが有効であるとの知見を得た。
【００２９】
次に、本発明者らは、実際の溶融金属について、溶融金属中に生成させたかかる微細な気泡を利用して効率的に介在物を除去することができる溶融金属の精錬方法を確立すべく、溶融金属として実際に溶鋼を用いた小規模試験を行ってそのための諸条件について検討を行った。
【００３０】
試験機としては、図２に示す水モデル試験機と同様の基本構成を備える溶鋼量1000kg（容器内径0.6m）の小型試験機を用いた。溶鋼に内径が約0.15m 、外径が0.21m の浸漬管を浸漬させた。該浸漬管の内部を減圧して浸漬管内部に溶鋼を吸引させ、次いで浸漬管の内部を加圧して吸引した溶鋼を吐出させた。そしてこの間、浸漬管の下方先端部に設けたガス吹込み口からArガスを吹込んだ。
【００３１】
このようにして減圧工程と加圧工程とを繰り返し実施する処理を行った。
まず、加圧時における浸漬管内部加圧速度の最適範囲を明らかにするため、これを10kPa/s から2500kPa/s に変化させ、平均気泡径dBについて評価を行った。加圧速度以外の条件は次の通り一定とした。
【００３２】
ガス吹込み速度Ｑ：3.3 ×10-5Nm3/s
浸漬管内の最小圧力と最大圧力の差ΔＰ：80kPa
気泡の径と分散状況については、溶鋼を用いた試験では浴内の観察ができないため、溶鋼表面に浮上してきた気泡をビデオカメラで撮影し、画像処理を行うことにより評価した。
【００３３】
図４は、加圧時における浸漬管内部の圧力変化速度と平均気泡径dBとの関係を示すグラフである。ここで、圧力変化速度とは、加圧工程における最大瞬間圧力変化速度である。
【００３４】
同図に示すように、最大瞬間圧力変化速度が100kPa/s以上となると平均気泡径dBは著しく小さくなる。したがって、溶鋼中に微細な気泡を生成させるためには、最大瞬間圧力変化速度を150kPa/s以上とするのが好ましい。より好ましくは200kPa/s以上である。気泡の微細化の観点からは、最大瞬間圧力変化速度の上限は特に限定されないが、最大瞬間圧力変化速度が過大である場合には溶鋼のスプラッシュが発生するおそれがあるので、2000kPa/s 以下とするのが好ましい。より好ましくは1500kP/s以下である。
【００３５】
なお、本明細書においては、「最大瞬間圧力変化速度」を単に「圧力変化速度」と云うこともある。
次に、発明者らは同様の溶鋼実験装置を用いて減圧および加圧の繰り返し周期Ｔ(s) が介在物除去率に及ばす影響を検討した。
【００３６】
また、介在物除去能力は介在物濃度の指標として全酸素濃度（以下、T.[O] ( 単位：ppm)ともいう）を用いた介在物除去率ηで評価した。すなわち、ηは(1) 式で定義される値である。
【００３７】
η＝（処理前T.[O] −処理後T.[O])／処理前T.[O] ・・・(1)
なお、溶鋼中に浮遊する介在物は製品特性の劣化や製品疵などの問題を引き起こすが、この介在物には二つの種類がある。一つは、脱酸材を溶鋼へ添加する際に該脱酸材と溶鋼中酸素とが反応することによって生じる、いわゆる、脱酸生成物系介在物である。もう一つは、溶鋼上面に存在するスラグがなんらかの理由で溶鋼中ヘスラグ滴として進入することにより生じる、スラグ系介在物である。したがって、介在物濃度の指標として用いた全酸素濃度は上記の脱酸生成物系介在物とスラグ系介在物の合計を示している。
【００３８】
図５は、浸漬管内での瞬間最大加圧速度：800kPa/s、吹込みガス流量Ｑ：3.3 ×10-5Nm3/s 、浸漬管内での最大圧力と最小圧力の差：80kPa で一定として、減圧、加圧の繰り返し周期Ｔを0.6sから15s に変化させ、かかる処理を600 回( サイクル) 行ったときの介在物除去率ηの変化を示す図である。また、いずれの実験も溶鋼表面上部の空間にはアルゴンガスをシールガス（あるいはパージガス）として供給し、雰囲気中酸素ガスと溶鋼との反応（いわゆる、空気酸化あるいは大気酸化）が生じないようにした。
【００３９】
図５に示すように、ηはＴが1sを境に急増し、1sから2sにかけてゆるやかに増加し、2s以上では徐々に減少した。この理由は次のように考えられる。
前述したように、生成した微細気泡群は浸漬管直下に形成される渦輪により底面近傍まで運ばれる。よって、Ｔが小さく連続して形成された渦輪どうしの距離が十分でないと、両者の干渉により渦が消滅し微細気泡群は底面まで運ばれることなく浮上してしまう。つまり、分散が十分でなく一つの気泡が介在物と接触する機会は減少する。図５の結果が得られたのは、Ｔが1sを超えるとこのような渦どうしの干渉が抑制されるからである。
【００４０】
さて、この臨界周期Tcは上記条件では1sと判断されたが、このTcは管内の液下降速度に影響されると考えられる。そこで、これに影響を及ぼす加圧時の浸漬管内での圧力変化速度（kPa/s)が異なる条件で，上記と同様の調査をした。その結果を図６に示す。
【００４１】
これは次のように考えられる。管内圧力変化速度が大きいほど、管内溶鋼の下降速度が大きくなり同周期であれば連続して生成する渦輪どうしの距離は大きくなるが、一方で、渦速度が大きくなる。前者は渦どうしの干渉を軽減し後者は助長する。このように２つの影響が相反するため、管内加圧速度の影響は結果的に小さくなり、Tcはほぼ一定となるのである。
【００４２】
また、図５に示すように、Ｔが2s以上でηが徐々に減少するのは吐出の絶対回数が減り、同時間内に生成される気泡の数が減少するためである。なお、同図には上記実験と同様のガス吹込み速度で通常のバブリングを行った際の介在物除去率も示したが、それによれば、Ｔが15s 以上の条件では介在物除去率は同等あるいはそれ以下となってしまう。
【００４３】
以上のことから、本発明における加圧・減圧の繰り返し周期Ｔの適正範囲は1s以上15s 未満と結論できる。
ここに、上記周期Ｔは、例えば加圧開始から次回の加圧開始までの時間(s) であり、本発明ではこれをサイクルタイムと称することもある。
【００４４】
ただし、スラグを浮かべた場合には、ある特定のサイクルタイムＴA でηが急激に低下する現象が観察された。処理後の溶鋼からサンプルを採取し、顕微鏡で介在物形態を調査した結果、ηが急激に低下した条件ではサンプル中にスラグ系介在物が観察された。また、この条件では浴面の揺動が大きくなる現象が観察された。ηが急激に低下しない条件でのサンプルを調査すると介在物は脱酸生成物系が主体であった。
【００４５】
以上から、溶鋼上にスラグを浮かべた条件は介在物除去率向上に有効な条件であるが、その有利性を十分に確保するためにはサイクルタイムを限定する必要があることが判明した。
【００４６】
まず、発明者らは図５から、ηが急激に悪化するサイクルタイムは基本サイクルタイムTxの整数倍で表されることを見出した。そこで、図５からＴが1s以上15s 未満で、かつ、ηが急激に悪化するｍ番目のサイクルタイムTmを順番に読み取り、Tm-Tm-1から基本サイクルタイムTxを算出した。
【００４７】
次に、発明者らは種々の条件を変更して基本サイクルタイムTxは取鍋径ＤL と浸漬管外形Ｄo を用いて(2) 式で整理できることを見出した。したがって、ηが悪化するサイクルタイムはその整数倍の(3) 式で表わせることが分った。実験式から求まるサイクルタイム計算値を TB とする。
【００４８】
Ｔx ＝ 0.8・ (ＤL −Ｄo)0.5 ・・・ (2)
ＴB ＝ｎ・Ｔx ・・・ (3)
ここで、ＴB ：ηが急激に大きくなるサイクルタイムの計算値(s) 、ｎ：正の整数（1, 2, 3,・・・）、ＤL ：浴面における容器内径(m) 、Ｄo ：浴面における浸漬管外径(m) である。
【００４９】
図７は上式で求めたサイクルタイムＴB と実際にηが急激に悪化したサイクルタイムＴA との関係を示したものである。実績のサイクルタイムであるＴA は計算値ＴB に対して若干ばらついているが、ＴB に対して±0.03s の幅の中にほぼ入っている。
【００５０】
以上から、本発明にあっては、スラグ系介在物による清浄性悪化を抑制するために、サイクルタイムＴとしてＴB −0.03≦Ｔ≦ＴB ＋0.03 を除外した値を採用する。
【００５１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について、溶融金属が溶鋼である場合について説明する。図８は、本発明の方法を取鍋の内部にある溶鋼に適用する場合について、装置構成の一例を示す概要図である。
【００５２】
同図に示すように、本発明の方法を取鍋の内部にある溶鋼に適用する場合の装置例としては、取鍋12に溶鋼13が入れられ溶鋼浴が形成されており、下方が開口され上方が閉塞された浸漬管11が昇降可能に備え付けられている。同図は、浸漬管11の下部が溶鋼浴に浸漬されている状態を示す。そして、各部材の作用は、すでに図２に関連させて説明した通りである。
【００５３】
本発明によれば、少なくとも加圧工程において、ガス吹込み口にガスを供給する制御手段（図示せず）が設けられている。かかる制御手段は、適宜バルブ装置と、加圧減圧手段と連動した適宜スイッチ装置を用いることで構成できる。
【００５４】
ここに、減圧手段は、減圧バルブ16と、それを介して浸漬管内部と連通する減圧室（図示せず）とから構成され、同様に、加圧手段は、加圧バルブ17と、それを介して浸漬管内部と連通する加圧室（図示せず）とから構成される。
【００５５】
減圧室は、浸漬管の内部の容積に比べて充分に大きな容積を有し、予め内部の圧力が減圧されており、減圧バルブ16を開とすることにより、浸漬管の内部が速やかに減圧されるようにしてある。また、加圧室は、浸漬管の内部の容積に比べて必ずしも大きな容積を有する必要は無いが、予め内部の圧力が加圧されており加圧バルブ17を開とすることにより、浸漬管の内部が速やかに加圧されるようにしてある。
【００５６】
浸漬管11の内部の圧力は、圧力計18によって検出可能とされており、これにより浸漬管11の内部の圧力変化速度を求めることができるようにしてある。さらに、浸漬管11の下方先端部において、浸漬管を構成する耐火物の内部に構成された吹込みガス流通路が浸漬管の内面側に開口しており、Arガスを溶鋼中に吹き込むためのガス吹込み口14が形成されている。
【００５７】
本発明において、ガス吹込み口それ自体の構造は特に制限されないが、下降流に交差する方向にガスを吹込むために、具体的な形態としては、単数あるいは複数本の細管（例：ステンレス製、鋼製）を浸漬管内面側壁の位置に埋設するとか、耐火物製造時に耐火物内部にガス流通路を設けるとか、また、多孔質ノズル口を浸漬管内壁に設けるなどして構成してもよい。溶鋼中に浸漬させるバブリングランスを用いる場合には、これらのノズル口をランス側面に設けるなどして構成してもよい。
【００５８】
本発明の方法は、図８に示す装置を用いて例えば次のように実施することができる。先ず、減圧バルブ16を開、加圧バルブ17を閉として、浸漬管11の内部の圧力を減圧し、取鍋12の中の溶鋼13を浸漬管11の内部に吸引させる。次いで、減圧バルブ16を閉、加圧バルブ17を開として、浸漬管11の内部の圧力を加圧し、先の工程で浸漬管11の内部に吸引させた溶鋼13を再び取鍋12の中へ吐出させる。そして、少なくとも加圧工程において、浸漬管11の下方先端部の内面に設けたガス吹込み口14からArガスを吹込むように、適宜制御手段（図示せず）を設けている。
【００５９】
上記減圧工程と上記加圧工程とを順次繰り返し行うことにより、溶鋼浴中に微細なArガス気泡15を断続的に生成することができる。また、加圧工程において浸漬管11から吐出される溶鋼は浸漬管よりやや径の大きい渦輪を形成しこれにより気泡を取鍋12の底面近傍まで輸送する。そして、気泡は取鍋12の底面に到達した後は溶鋼下降流が転じてできる水平流により水平方向に分散し、最終的には水平流が側壁近傍で転じてできる上昇流と浮力の作用とにより上昇する。このように気泡は溶鋼浴中に広く分散され、効率的に介在物を除去することができるのである。
【００６０】
本発明を取鍋内溶鋼に適用する際の適正条件とその限定理由について述べると、次の通りである。
まず、本発明は取鍋内溶鋼の浴面上にスラグを浮遊させて実施する。スラグを浮遊させると、溶鋼浴中を上昇してきた介在物、あるいは、溶鋼浴中を移動してきた気泡と接触し気泡に取込まれ気泡とともに移動する介在物が、スラグへ吸収されるために、スラグを浮遊させない場合よりも介在物除去効率が向上するからである。
【００６１】
そして、上記サイクルタイムＴが下式を満足することが好ましい。
１≦Ｔ＜15
Ｔが1s未満の場合、生成した微細気泡を底面近傍まで輸送する渦輪同士の干渉が大きく、これらが底面に到達する前に崩壊し、その結果、微細気泡が底面到達より前に浮上してしまう、つまり、気泡により除去される介在物の量が低下してしまう。また、Ｔが15s 以上では所定時間に排出される気泡個数が少なすぎるため、通常のバブリングと同等あるいはそれ以下の効果しか得られない。
【００６２】
さらに、加圧・減圧工程のサイクルタイムＴが下式を満足しないことが好ましい。
ＴB −0.03≦Ｔ≦ＴB ＋0.03
ＴB ＝ 0.8・ｎ・(D1-D2)0.5
サイクルタイムＴが上記条件を満足するとき、溶鋼浴面に振動現象が発生し、浮遊させたスラグが浴中に分散してスラグ系介在物となるため、介在物除去効率が低下するからである。
【００６３】
次に、加圧工程における浸漬管の最大瞬間圧力変化速度は100kPa/s以上とする。圧力変化速度が100kPa/s未満では管内溶鋼の下降流速が十分でなく、微細気泡を得ることができない、つまり介在物を効率的に除去できないからである。
【００６４】
そして、より微細な気泡を安定して生成させるには、圧力変化速度を200kPa/s以上とすることが好ましい。気泡の微細化の観点からは、圧力変化速度の上限は特に限定されないが、圧力変化速度があまり過大である場合には溶鋼のスプラッシュが発生する恐れがあるので、圧力変化速度を2000kPa/s 以下とすることが好ましい。
【００６５】
次に、加圧直後の管内最高圧力と減圧終了時の管内最小圧力との差、つまり圧力差最大変化量ΔＰは100kPa/s以下とする。
ΔＰが大きいほど、微細気泡生成量は増大し、したがって、介在物除去効率は増加する。しかし、ΔＰを100kPa超に増加させても介在物除去効率は飽和してしまうことがわかっている。一方、設備コストの点からは浸漬管の長さは短いほうが好ましく、すなわち、溶鋼の移動量は小さいほうが好ましい。したがって、浸漬管内の最大圧力変化量ΔＰは100kPa以下とする。ただし、微細気泡生成に十分な管内下降流速を得て効果的に介在物を除去するためには、実操業上ある程度の溶鋼移動量が必要である。この意味から、ΔＰとして少なくとも5kPa以上が望ましい。
【００６６】
以上からΔＰとしては100kPa以下が望ましく、さらに望ましくは5kPa以上である。
また、浸漬管側面からの吹込みガス流量Ｑ(m3(標準状態)/s)と浸漬管内径Di(m) の比、Q/Diは 6.7×10-5m2/s以上 6.7×10-4m2/s以下が望ましい。Q/Diが小さすぎると、気泡径は十分に小さいものの、気泡個数の絶対量が少ないため、例え気泡を溶鋼中に広く分散させたとしても捕捉し得る介在物の個数が限られる。一方、比Q/Diが大きすぎる場合には、気泡径が過大となり、気泡が浮上する際に気泡の周囲に形成される溶鋼流により介在物がスリップしてしまい、両者が接触し難くなるばかりか、気泡の上昇速度が速いので両者の接触チャンスも少なくなる。
【００６７】
したがって、介在物の除去を高い効率で行うためには、比Q/Diを 6.7×10-5m2/s以上 6.7×10-4m2/s以下とすることが好ましい。さらに好ましくは 1.3×10-4m2/s以上５×10-4m2/s以下である。
【００６８】
さらに、浸漬管の内径Diと取鍋の内径 DL の比Di/DL は気泡の分散性の点から0.1 以上0.7 以下とするのが好ましい。つまり、浸漬管から吐出した気泡群は、上述の通り、管直下に形成される渦輪によって、底面近傍まで輸送される。よって、浸漬管の内径Diが取鍋の内径 DL に比して過大である場合には、気泡が通過する領域が小さくなってしまい、介在物除去効率は低下する。また、浸漬管の内径Diが取鍋の内径 DL に比して過小である場合には、気泡の絶対数が過小なため、介在物除去効率が低下する。
【００６９】
したがって、介在物の除去を高い効率で行うためには、Di/DL を0.1 以上0.7 以下とすることが好ましい。さらに好ましくは0.2 以上0.5 以下である。
本実施態様では、溶融金属が溶鋼である場合を例にとって説明したが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、介在物を除去するプロセスを製造工程に必要とする溶融金属であれば、いずれの溶融金属についても本発明の精錬方法を適用することができる。
【００７０】
また、本実施態様では、溶融金属中に吹込むガスがArである場合を例にとって説明したが、本発明はこれに限られるものではない。ガスの種類は対象とする溶融金属と精錬の目的に応じて適宜選定することができる。ガスの種類としては、例えば、Ar、N2、H2、Heなどのガス、またはこれらを２種以上混合させた混合ガスを用いることができる。
【００７１】
ここに、「精錬の目的に応じて適宜選定する」場合の例としては、溶融金属への溶解が製品品質に悪影響を及ぼすガスについて、当該ガスに替えて他のガスを用いたり、他のガスとの混合ガスを用いたりすることが挙げられる。また、別の手法としてガスの流量を抑制するなどの方法もある。
【００７２】
浸漬管の断面形状としては、浸漬管の耐火物の施工の観点から円形であることが好ましいが、円形でない場合、浸漬管の内径Diは浸漬管の水平断面積ＳからＳ＝（π/4)Di2なる換算式を用いて円相当内径Diを求めればよい。
【００７３】
「浸漬管の内部の溶融金属と接する部位」とは、例えば、浸漬管にガス吹込み口を設ける場合には、浸漬管の内面であって溶融金属と接する部位とすることができる。また、浸漬管の内部の溶融金属にバブリングランスを浸漬させ、該バブリングランスからガスを吹込む場合には、バブリングランスの外面であって溶融金属と接する部位とすることができる。設備の複雑化を避けて設備コストを抑制する観点からは、浸漬管の先端部の内面に当該部位を設けることが好ましい。
【００７４】
「溶融金属の流れ方向と交差する方向」とは、離脱前の成長過程の気泡に対して、溶融金属の流れによる気泡の離脱を促進する剪断力が作用するような方向であり、好ましくは溶融金属の流れ方向と略直交する方向である。
【００７５】
【実施例】
【００７６】
【実施例１】
図８に示す基本構成を有する装置を用いてAl脱酸を行った 250トンの溶鋼に対して介在物を除去する精錬を行った。溶鋼上にはスラグを浮かべた。スラグ中CaO 重量濃度とAl2O3 濃度の比CaO/Al2O3 を1.5 とし、スラグ中CaO 重量濃度とSiO2濃度の比CaO/SiO2を3.0 とした。試験に用いた装置において、取鍋の内径 DL を3.9m、浸漬管の内径Diを0.66m 、すなわちDi/DL を0.17とした。また、浸漬管の外径Doを1.16m とした。したがって、ＴB ＝0.8 ×ｎ×(DL −Do)0.5＝1.324 ×ｎとなる。浸漬管の下方先端部には、浸漬管の周方向に90度の間隔をなすようにして内径２mmのステンレス鋼製のパイプを合計４本埋め込み、Arガスを溶鋼中に吹込むためのガス吹込み口を設けた。
【００７７】
溶鋼浴に浸漬管を浸漬させた後に、浸漬管の内部を減圧して浸漬管内部に溶鋼を吸引させる減圧工程と、浸漬管の内部を加圧して吸引した溶鋼を吐出させる加圧工程とを順次繰り返し行うとともに、前記加圧工程において、浸漬管の下方先端部に設けたガス吹込み口からArガスを吹込んだ。このArガスの流量は2.0 ×10-4m3 (標準状態）・Ｓで全条件共通とした。その他の条件は表１に示す通りとし600s間処理を行った（浸漬管法）。
【００７８】
比較のため、取鍋底部のポーラスプラグからArガスを10分間吹き込む従来法による処理も行った（バブリング法）。
各精錬方法を適用した場合について、精錬前後における溶鋼の全酸素濃度を測定し、上述した介在物除去率ηを用いて評価を行った。
【００７９】
結果を表１にまとめて示す。
【００８０】
【表１】
【発明の効果】
本発明により、スラグの巻き込みを抑制しつつ、溶融金属中に微細な気泡をさせるとともに該気泡を溶融金属中に広く分散させることにより効率的に介在物を除去することができ、本発明は、溶融金属の精錬には多大の寄与をする発明である。
【図面の簡単な説明】
【図１】溶融金属を模した水が入った容器の底面もしくは側面から、水中にガスを吹き込んだ状態を示す概念図であり、図１(a) は、静止した水に容器底面からガスを吹き込んだ状態、図１(b) は、水平方向に流れる水に容器底面からガスを吹き込んだ状態、図１(c) は、下方向に流れる水に容器側面からガスを吹き込んだ状態をそれぞれ示す。
【図２】水モデル試験装置の一例を示す模式図である。
【図３】図３(a) は、ある特定の条件で、浴面が振動することを示す模式図である。
図３(b) は、浴面上に浮かべた模擬スラグが巻き込まれることを示す模式図である。
【図４】加圧工程における浸漬管内部の圧力変化速度と平均気泡径dBとの関係を示すグラフである。
【図５】サイクルタイムと介在物除去率ηとの関係を示すグラフである。
【図６】臨界周期Tcと圧力変化速度との関係を示すグラフである。
【図７】計算周期ＴB と介在物除去率が急激に悪化した周期ＴA との関係を示すグラフである。
【図８】本発明の方法を用いて、取鍋内の溶鋼を精錬する場合の装置構成の一例を示す模式図である。
Claims (3)
- 容器に収容した溶融金属浴面上にスラグを浮かべ、該溶融金属中に浸漬させた浸漬管の内部の圧力を減圧することにより前記浸漬管の内部に溶融金属を吸引する減圧工程と、前記浸漬管の内部の圧力を加圧することにより前記浸漬管の内部の溶融金属を吐出する加圧工程とを順次繰り返し行うとともに、少なくとも前記加圧工程において、前記浸漬管の内部の溶融金属と接する部位から前記溶融金属の流れ方向と交差する方向へガスを吹込む溶融金属の精錬方法であって、加圧−減圧工程の一周期のサイクルタイムＴ(s) が１s 以上15s 未満であって、かつ、以下の式の範囲外とすることを特徴とする溶融金属の精錬方法。
ＴB −0.03≦Ｔ≦ＴB ＋0.03
ＴB ＝0.8 ×ｎ×(DL −Do)0.5
ここで、ｎ：正の整数（１、２、３、４、５・・・) 、 DL ：容器内径（m)、Do：浸漬管外径（m)。 - 請求項１において、少なくとも前記加圧工程において前記浸漬管の内部の圧力変化量ΔＰが100kPa以下であることを特徴とする溶融金属の精錬方法。
- 請求項１あるいは２において、前記加圧工程における前記浸漬管の内部の最大瞬間圧力変化速度が100kPa/s以上であることを特徴とする溶融金属の精錬方法。
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