JP3864842B2 - 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の低減、脱ガス反応の促進およびスラグ−メタル間反応の促進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、溶融金属の脱ガス反応を促進する方法、または脱りんや脱硫のスラグメタル反応を促進させ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、および気泡を溶融金属中に広く分散させることが、溶融金属の脱ガス反応の促進、スラグ−メタル間反応の促進または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】
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、例えば、下記の方法が提案されている。
【０００４】
特開昭５９−２２６１２９号公報には、多孔性耐火物からなる吹き込みプラグを用いた気泡の発生方法について、耐火物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するガス吹き込み方法が開示されいる。ガス吹き込み量を所定量以下とすることにより、微細気泡の生成が可能であるとされている。
【０００５】
特開昭６２−１９２２４０号公報には、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用い、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。バブリングンスの回転によって、多孔質耐火物稼働面からの気泡の離脱が促され、微細な気泡の生成が可能であり、気泡が上昇する際に、バブリングランスの周りに螺旋状に付着するため、気泡の合体が起こりにくく、微細気泡が維持されるとされている。
【０００６】
しかし、上記公報に開示された方法には以下の問題点がある。
【０００７】
特開昭５９−２２６１２９号公報に開示された方法は、多孔質の耐火物を用いているが、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、耐火物稼働面から離脱する前に容易に合体する。同公報に開示された方法では、例えば直径が１０ｍｍ以下の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。
【０００８】
特開昭６２−１９２２４０号公報に開示された方法においては、生成した気泡は螺旋状の経路をたどるとはいえ、バブリングランスの周囲を上昇して速やかに溶鋼表面に到達し、そこで消滅するため、気泡を溶融金属中に広く分散させることは困難である。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。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、前記の問題を解決し、溶融金属中の介在物除去、脱ガス反応およびスラグメタル反応などを促進させることができる溶融金属の精錬方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上述の課題を達成するため、溶融金属中に浸漬管を浸漬したことをシミュレートする水モデル試験により、気泡の微細化方法について検討を加え、以下の知見を得た。
（ａ）浸漬管内の加圧工程において浸漬管内に形成される溶融金属の下降流中にガスを吹き込むことにより微細な気泡が形成され、この気泡が浸漬管から吐出される溶融金属に随伴し、溶融金属浴中に広く分散される。
【００１１】
（ｂ）浸漬管に旋回流付与装置を有する場合には、浸漬管から吐出された気泡は一層広く溶融金属浴中に分散される。
（ｃ）溶融金属を吐出する際の浸漬管内の溶融金属上部の雰囲気圧力の変化速度が１００ｋＰａ／ｓ以上になると、平均気泡径は著しく小さくなる。
（ｄ）浸漬管内部に設けられる旋回流付与手段の直径Ｄと旋回流付与手段の長さＬとの比、Ｄ／Ｌの値が０．５〜５のときに、介在物除去率ηが高い値となる。
【００１２】
本発明は、上記（ａ）〜（ｄ）の知見に基づいて完成されたものであり、その要旨は、下記の溶鋼の精錬方法にある。
【００１３】
すなわち、「溶融金属中に浸漬管を浸漬し、浸漬管内の溶融金属上部の雰囲気圧力を増減させることにより、浸漬管内への溶融金属の吸込みと浸漬管内からの溶融金属の吐出を交互に行う溶融金属の精錬方法であって、溶融金属の通過する浸漬管に旋回流付与手段を配置し、吐出される溶融金属に浸漬管内の周方向に流動を付与すると共に、溶融金属を吐出する際の浸漬管内の溶融金属上部の雰囲気圧力の変化速度を１００ｋＰａ／ｓ以上とし、浸漬管内への溶融金属中にガスを供給することを特徴とする溶融金属の精錬方法」である。
【００１４】
なお、本発明において、「加圧」とは、浸漬管内の基準圧力に対して加圧することにより圧力が上昇することを意味し、大気圧力に対して加圧する場合に限定されるものではない。「加圧工程」とは、前記の加圧により浸漬管内の溶融金属の浴面が下降する工程を意味する。また、後出の「減圧」についても同様であって、「減圧」とは、浸漬管内の基準圧力に対して減圧することにより圧力が低下することを意味し、「減圧工程」とは、前記の減圧により浸漬管内の溶融金属の浴面が上昇する工程を意味する。
【００１５】
「浸漬管内」とは、浸漬管を溶融金属中に浸漬したとき、外気と遮断される浸漬管の内部領域をいい、「浸漬管内の溶融金属上部の雰囲気圧力」とは、浸漬管内の溶融金属上部の内部空間の圧力をいう。
【００１６】
「浸漬管内の溶融金属中にガスを供給する」とは、前記の浸漬管の内部領域に存在する溶融金属中にガスを吹き込むことをいう。例えば、溶融金属と接する浸漬管の内壁面にガス吹き込み口を設け、ガスを吹き込むようにしてもよいし、また、バブリングランスを浸漬し、該バブリングランスからガスを吹き込むようにしてもよい。
【００１７】
本発明の「旋回流付与手段」とは、浸漬管内の軸方向に進行する溶融金属の流れに対して、浸漬管の周方向の流速成分を与えることが可能な手段をいう。
【００１８】
浸漬管内に設置する方式のものとしては、浸漬管の軸の周りに捩れた「ねじれ羽根」型、「螺旋羽根」型、「プロペラ」型などのいずれであっても良い。また、旋回流付与手段は、旋回流付与手段自体が浸漬管の軸に対して回転しない非回転固定型、溶融金属の流動により回転力を得て回転する回転型、駆動機構を有し、溶融金属の流動による力以外の駆動力により旋回流付与手段を回転させる駆動型などのいずれであっても良い。
【００１９】
さらに、浸漬管の外部に設置する方式のものとしては、外周に回転磁界を与える磁石を設け、電磁力により溶融金属に旋回力を与える方式のものであっても良い。
「旋回流付与手段の直径」とは、浸漬管内に設置された旋回流付与手段の直径をいい、「旋回流付与手段の長さ」とは、浸漬管の中心軸方向にける旋回流付与手段の設置長さをいう。
【００２０】
【発明の実施の形態】
（１）微細気泡の形成と分散機構
本発明者らは、溶融金属中に微細気泡を生成させる方法を検討するために、以下の水モデル試験を行った。
【００２１】
溶融金属を模した水を装入した容器の内壁に形成したノズルからガスを吹き込み、水の流動状態とガスの吹き込み方向とを種々変更して、気泡の形成および移動挙動を調査した。さらに、容器の内部に非回転型ねじれ羽根（以下、単に「ねじれ羽根」という）を設置し、気泡の形成および移動挙動に及ぼすねじれ羽根の影響を調査した。同水モデル試験においては、溶融金属と耐火物との滴れ性の悪さに近似させるため、容器の内面には撥水剤を塗布した。
【００２２】
図１は、溶融金属を模した水が装入され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。
【００２３】
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、水中に分散された気泡は比較的大きな径を有していた。この理由は、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って、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である。
【００２４】
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、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。この理由は、気泡には浮力のみならず、水流によるせん断力も加わるので、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ためである。
【００２５】
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、気泡は図１（ｂ）の場合と同程度の小さな径を有しており、図１（ｂ）の場合よりも長時間気泡が水中に滞留した。この理由は、図１（ｂ）の場合と同様に、水流により、ノズルからの気泡の離脱が促進されるため、気泡が小さくなり、さらに、気泡は一旦下方に押し流され、下降流の影響を受けない領域に至ったときに初めて浮上するためである。
【００２６】
さらに、図１（ｃ）の条件において、容器内にねじれ羽根を挿入し固定して、容器内の下方向に流れる水に容器内の周方向の速度成分を与えて旋回運動をさせ、その水に容器側面からガスを吹き込んだ場合は、気泡は図１（ｂ）および（ｃ）の場合と同程度の小さな径を有していた。さらに、生成した気泡は容器内を真下ではなく斜め下方に旋回しながら押し出され、図１（ｃ）の場合よりも広範囲に気泡が分散された。
【００２７】
以上の結果より、溶融金属中に微細な気泡を生成させ、その気泡を溶融金属内に広範囲に分散させ、長期間滞留させるには、図１（ｃ）に示した方法が有効であるとの知見を得た。次に、本発明者らは、この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。
【００２８】
その結果、溶融金属浴の内部にねじれ羽根を設置した浸漬管を浸漬させ、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、浸漬管の内部に溶融金属の下降流を形成させるとともに、この下降流中にガスを吹き込む方法を想到した。そして以下の水モデル試験を行った。
【００２９】
図２は、水モデル試験装置の一例を示す模式図である。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、浸漬管１が水浴に浸漬されている。浸漬管１の下部は水浴中に開口し、上部は閉じた減圧空間となっており、この減圧空間は減圧バルブ６を介して図示しない減圧設備に、加圧バルブ７を介して図示しない加圧設備に、それぞれ接続されている。また、浸漬管１の内部の圧力は、圧力計８によって検出され、これにより浸漬管１の内部の圧力変化速度を求めることができる。この水モデル試験装置のガス吹き込み口４は、浸漬管内壁の円周上に９０度おきに４ヵ所配設されている。また、内部に「ねじれ羽根」が固定された浸漬管も用意した。
【００３０】
試験方法は以下のとおりである。まず、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の内部に吸引した。以下、この工程を「減圧工程」ともいう。
【００３１】
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。
【００３２】
加圧工程において、ガス吹き込み口４からガスを吹き込んだ。
【００３３】
加圧工程においては、浸漬管の内部に下方向の水流が形成される。この水流中にガスを吹き込むことにより、微細な気泡５が形成されるとともに、気泡が浸漬管から吐出される水流に随伴し、水浴中に広く分散されることを確認した。さらに、内部にねじれ羽根が固定されている浸漬管を使用した場合は、吐出された気泡が羽根のない場合よりも一層広く水浴中に分散されることを確認した。
【００３４】
次に、実際の溶融金属について微細な気泡を生成させる諸条件を検討すべく、溶融金属として溶鋼を用いた小規模試験を行った。本発明の目的は、脱りんや脱硫などのスラグメタル反応、脱窒素や脱水素などの脱ガス反応および溶融金属中の介在物の浮上分離を効率的に行うものであるが、微細気泡を利用する点では同一構成となる。したがって、以下では溶鋼中の介在物を浮上させ除去する場合を例に説明する。
【００３５】
試験装置は、図２に示す水モデル試験装置と同様の基本構成を備えた、溶鋼量１０００ｋｇの小型試験装置を用いた。内径が０．５ｍの取鍋に溶鋼を装入し、その溶鋼浴中に内径０．１ｍの浸漬管を浸漬し、浸漬管の内部を減圧して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、前記加圧工程では、浸漬管の下部（開口端から上方に０．０３ｍに位置）に設けたガス吹き込み口からＡｒガスを吹き込んだ。
【００３６】
種々の条件で試験を行い、気泡の径、気泡の分散状況および介在物除去能力について評価を行った。気泡径と気泡分散状況については、溶鋼を用いた試験での浴内観察が困難なため、溶鋼表面に浮上してきた気泡をビデオカメラで撮影し、その画像処理を行うことにより評価した。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］」（ｐｐｍ）という）を用いた下記式で定義される介在物除去率η（−）により評価した。
【００３７】
η＝（処理前Ｔ．［Ｏ］−処理後Ｔ．［Ｏ］）／処理前Ｔ．［Ｏ］
（２）浸漬管内圧力変化速度
図３は、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。ここで、圧力変化速度とは、加圧工程における圧力変化速度の最大値である。
【００３８】
同図に示すように、圧力変化速度が１００ｋＰａ／ｓ以上になると平均気泡径ｄBは著しく低下する。したがって、溶鋼中に微細な気泡を生成させるためには、圧力変化速度を１００ｋＰａ／ｓ以上とする必要がある。さらに微細な気泡を安定して生成させるには、１５０ｋＰａ／ｓ以上とすることが好ましい。
【００３９】
気泡の分散性の観点からは、圧力変化速度の上限は特に限定されないが、同値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、１５００ｋＰａ／ｓ以下とするのが好ましい。
【００４０】
また、浸漬管内に旋回流付与手段としてねじれ羽根がある場合には、ねじれ羽根がない場合に比べて、平均気泡径ｄＢ は小さくなる。
【００４１】
次いで、処理時間を５分として、介在物除去率に及ぼす浸漬管内のねじれ羽根の有無の影響を比較した。
【００４２】
図４は、浸漬管内のねじれ羽根の有無と介在物除去率ηとの関係を示すグラフである。同図の結果によれば、在物除去率ηは、浸漬管内にねじれ羽根を設置することにより向上する。
【００４３】
この理由は以下のとおりである。すなわち、ねじれ羽根を設置した場合は、生成した気泡径が低下するため、気泡総表面積が増加し、介在物と気泡が接触するチャンスが増大して精錬効率が向上する。さらに、浸漬管から下方への気泡の放出方向が、浸漬管の斜め下方となるため、気泡の分散する領域が拡大し、一層広い範囲に存在する介在物が捕捉の対象となる。以上の２つの理由により介在物除去率ηが増加したと解釈される。
【００４４】
（３）ねじれ羽根の直径Ｄと長さＬとの比の値
処理時間を５分として、浸漬管内のねじれ羽根の直径Ｄと長さＬとの比Ｄ／Ｌの値を変更して介在物除去率に及ぼす影響を検討した。
【００４５】
図５は、浸漬管内のねじれ羽根の比、Ｄ／Ｌの値と介在物除去率ηとの関係を示すグラフである。同図の結果によれば、介在物除去率ηは、比Ｄ／Ｌの値に対して上に凸の関係を有し、Ｄ／Ｌの値が０．５以上、５以下の範囲において、介在物除去率ηは０．８５以上の高い値を示す。
【００４６】
この理由は以下のとおりである。比Ｄ／Ｌの値が０．５未満の場合には、旋回流速成分が小さくなり、ねじれ羽根による溶鋼の旋回効果が薄れてしまい、気泡の分散は、ねじれ羽根のない場合に比してわずかに良い程度である。その結果、介在物の捕捉効果も、ねじれ羽根がない場合に比してわずかに良い程度の結果となる。
【００４７】
一方、比Ｄ／Ｌの値が５を超える場合には、ねじれ羽根による旋回効果が大きくなりすぎて、気泡は浸漬管の下端を通過直後にほぼ水平方向に進み、浸漬管外周部の浴面へ速やかに到達してしまう。その結果、気泡の浴内滞留時間が減少し、精錬効果も低減してしまう。
【００４８】
したがって、高い介在物の除去効率を確保するためには、比Ｄ／Ｌの値を０．５〜５の範囲とすることが好ましい。さらに好ましくは、０．７〜３である。
【００４９】
（４）取鍋内溶鋼精錬への適用
図６は、本発明の方法を取鍋内の溶鋼の精錬に適用した場合の装置構成の一例を示す模式図である。
【００５０】
取鍋１２中に溶鋼１３が入れられ、溶鋼浴が形成されている。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が溶鋼浴中に浸漬されている状態を示す。浸漬管の内部には、ねじれ羽根２１が浸漬管に固定配置されている。浸漬管の上部は、減圧バルブ１６を介して図示しない減圧設備、および加圧バルブ１７を介して図示しない加圧設備に、それぞれ接続されている。
【００５１】
浸漬管は、昇降可能に備え付けられているが、例えば、浸漬管を取鍋の蓋形状のものに固定し、この蓋形状のものをクレーンまたはホイストなどで取鍋上縁に載せたり、はずしたりしてもよい。取鍋内溶鋼浴面の高さが大きく変動しない場合、すなわち、取鍋上縁から浴面までの距離が過大または過小でない限りにおいては、この方式は簡易法として設備費の低減に有効である。
【００５２】
減圧設備とは、ポンプあるいはスチームエジェクター等の排気機能を有する設備であるが、精密な制御が必要な場合や前記排気設備の能力が低い場合などには、前記排気設備と減圧バルブ１６の間に減圧室を設けてもよい。この場合は、減圧室とは浸漬管の内部の容積に比べて十分大きな容積を有し、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する必要がある。
【００５３】
また、加圧設備とは、高圧ガスを迅速に供給することが可能な設備であり、一般に、高圧ガスを保有するタンクあるいはボンベ、およびタンクあるいはボンベ出口の圧力調整器または加圧バルブのすぐ上流の圧力調整器により圧力変化速度をコントロールすることが可能な設備である。また、この圧力調整器の下流に流量可変弁を置き、この開度により加圧工程の圧力変化速度をコントロールすることも可能である。
【００５４】
浸漬管１１の内部の圧力は、圧力計１８によって検出され、この検出値により圧力変化速度を求めることができる。本発明における加圧工程の圧力変化は、その最大値で管理するのがよい。その理由は、加圧工程の時間は短いため、圧力変化速度が一定値となる期間は極めて短いこと、および微小気泡の生成に対しては最大圧力変化速度の影響が大きいことによる。
【００５５】
（５）浸漬管内へのガス吹き込み位置およびガス吹き込み時期
浸漬管１１内へのガス吹き込み位置について説明する。
【００５６】
本発明法においては、浸漬管１１の下端開口部から上方０．０１〜０．５ｍ程度の部位で浸漬管耐火物の内部に埋め込まれたステンレス製のパイプが浸漬管内面に開口しており、Ａｒガスを溶鋼中に吹き込むためのガス吹き込み口１４を形成している。ガス吹き込み口の設置部位は、浸漬管の下端開口部に近いほど、加圧工程においてガス吹き込み口が溶鋼流と接する時間を長くすることが可能であり、１サイクル当たりの効率が向上するが、過度に下端開口部に近いと気泡を含んだ溶鋼流が下方に加速されず、気泡が取鍋の底面近傍に到達できない。
【００５７】
ガス吹き込み口は、もっとも開口部に近い吹き込み口でも、開口部から少なくとも０．０１ｍ程度離れていることが望ましく、０．０３ｍ程度離れていることが一層望ましい。
【００５８】
一方、０．５ｍを超えて離れていると次の間題がある。加圧工程の浴面の位置（減圧工程における浴面の最終到達位置）は、このガス吹き込み口に対し、浴面低下速度に応じて高くする必要がある。なぜなら、加圧工程における浴面の下降速度は、吹き込み口から離れた気泡の下降速度よりも大きく、加圧工程直前での浴面の高さが不十分であると、下降する気泡に浴面が追いついてしまい、気泡が浸漬管内で浮上してしまうおそれがあるからである。この観点から、吹き込み口の開口部からの距離は０．５ｍ以下であることが望ましい。
【００５９】
ガス吹き込み口１４の先端に、ポーラスプラグまたはポーラスれんが、あるいは、貫通孔を有する耐火物を設けてもよい。
【００６０】
本発明法においては、少なくとも加圧工程においてガスを吹き込むが、それ以外の工程、例えば、減圧工程でのガス吹き込みを妨げるものではない。例えば、ガス吹き込み口の閉塞を防止するため、減圧工程において少量または加圧工程と同量のガス吹き込みを行ってもよい。
【００６１】
本発明の方法は、図６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。まず、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の内部に吸引する（減圧工程）。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の内部に吸引した溶鋼１３を再び取鍋１２の中へ吐出する（加圧工程）。加圧工程において、ガス吹き込み口１４からＡｒガスを吹き込む。減圧工程と加圧工程とで１サイクルの操作となるが、このサイクルを順次繰り返して行うことが望ましい。
【００６２】
なお、上述のように減圧バルブ１６を閉とした直後に加圧バルブ１７を開としたり、加圧バルブ１７を閉とした直後に減圧バルブ１６を開としてもよいが、その中間に減圧バルブおよび加圧バルブが同時に閉となる時間を設定してもよい。減圧バルブや加圧バルブを閉とした直後は浸漬管内の溶鋼表面が不安定に揺動している場合があり、そのような状態で加圧バルブや減圧バルブを開にすると浸漬管内の溶鋼が飛散して浸漬管の上部に地金として付着し、操業が困難となることがあるためである。
【００６３】
以上の操作により、溶鋼浴中に微細なＡｒガス気泡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から吐出される溶鋼は下降流を形成し、取鍋の底面に到達した後に水平流となり、取鍋径が小さい場合には取鍋の内壁を伝わる上昇流となり、取鍋径が大きい場合には取鍋内壁よりも中心側で気泡はその浮力により上昇に転じる。これらの溶鋼流の作用により、微細なＡｒガス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。
【００６４】
なお、図示しないが、複数の浸漬管を取鍋内溶鋼に浸漬して同様の操作を実施してもよい。その場合、浴面の変動が問題とならない場合には、浸漬管内の加圧工程と減圧工程とを同期させてもよい。また、ある浸漬管が加圧工程にあるときに、別の浸漬管を減圧工程として浴面の変動を抑制してもよい。さらに、複数の浸漬管間で工程を時間的に少しずつずらして、常にどれかの浸漬管が加圧工程となるようにしてもよい。
【００６５】
（６）タンディッシュ内溶鋼精錬への適用
図７は、本発明の方法を連続鋳造のタンディッシュ内の溶鋼の精錬に適用した場合の装置構成を示す模式図である。
【００６６】
図８は、連続鋳造におけるタンデイツシュ内の溶融金属に二つの浸漬管を用いて本発明法を適用した場合の装置構成の一例を示す模式図である。上記の図７および図８において、同一要素は同一数字を有する符号を用い、例えば、浸漬管１１、１１ａおよび１１ｂのように示す。
【００６７】
同図に示すように、タンデイツシュ１９には、取鍋１２から連続的に注入される溶鋼１３が収容されて溶鋼浴が形成されており、浸漬管１１が昇降可能に備え付けられている。同図は、浸漬管が溶鋼浴に浸漬されている状態を示す。浸漬管の内部には、ねじれ羽根２１、２１ａおよび２１ｂがそれぞれ固定配置されている。浸漬管１１の上部は減圧バルブ１６を介して図示しない減圧設備に、加圧バルブ１７を介して図示しない加圧設備に、それぞれ接続されている。
【００６８】
浸漬管は、昇降可能に備え付けれられているが、取鍋の場合と同様に、浸漬管を蓋形状のものに固定し、この蓋形状のものをクレーンやホイストなどでタンデイツシュ上部に載せたり、はずしたりしてもよい。例えば、タンデイツシュに溶鋼を注入する前に、この蓋形状のものと一緒に浸漬管をタンディッシュに据え付け、タンデイツシュの予熱とともに浸漬管の予熱を実施してもよい。タンデイツシュ内の浴面は鋳造初期やヒート間で若干低下する場合があるが、一般的にほぼ同じ高さを維持するため、この方式は簡易法として設備費の低減に有効である。
【００６９】
浸漬管の内部の圧力は圧力計１８によって検出され、これにより浸漬管の内部の圧力変化速度を求めることができる。浸漬管の下端開口部から上方の部位で、浸漬管耐火物の内部に埋め込まれたステンレス製のパイプが浸漬管内面に開口しており、Ａｒガスを溶鋼中に吹き込むためのガス吹き込み口１４を形成している。なお、ガス吹き込み口の先端に、ボーラスプラグまたはボーラスれんが、あるいは、貫通孔を有する耐火物を設けてもよい。
【００７０】
図７および図８に示す装置の浸漬管の減圧工程および加圧工程は、取鍋における精錬の場合と同様に実施できる。図７に示す装置のように、浸漬管が一つの場合、減圧工程と加圧工程とによって、タンディッシュ内の溶鋼レベルが変動する。しかし、図８に示す装置構成の場合、二つの浸漬管の加圧工程と減圧工程のサイクルを反転して同期させることにより、溶鋼レベルの変動を最小限にすることができる。ただし、二つの浸漬管の距離が接近している場合は、一方の浸漬管から吐出された微細気泡を含んだ溶鋼の一部分が、他方の浸漬管に吸引される可能性があるので、例えば、タンディッシュ内に堰２０を設けて相互の浸漬管の干渉を防止してもよい。
【００７１】
なお、図示しないが、三つ以上の複数の浸漬管を溶鋼に浸漬して同様の操作を実施してもよい。その場合、例えば、複数の浸漬管の間で工程を時間的に少しずつずらして、常にどれかの浸漬管が加圧工程となるようにしてもよい。
【００７２】
浸漬管を複数用いる他の利点は、溶融金属を収容する容器の容量が大きい場合には、気泡の分散性を高めて介在物除去時間を短縮することである。連続鋳造の場合、タンデイツシュ内の溶鋼の滞留時間が限られているため、高能率で精錬をする必要があるが、複数の浸漬管を用いることにより高能率処理を実現できる。
【００７３】
また、一般に浸漬管は溶融金属の熱による損傷を抑制するために表面に耐火物を備えるが、浸漬管の径が大きい場合には耐火物に亀裂が発生しやすくなるので、これを回避するために浸漬管の大径化に変えて浸漬管の数を増やすことも有効である。
【００７４】
（７）浸漬管の浸漬角度および吹き込みガスの種類
上述の説明では、溶融金属浴中に浸漬管をほぼ鉛直に浸漬する場合を例示したが、本発明法はこれに限られるものではない。装置の取り合いを考慮し、溶融金属浴中に浸漬管を傾斜させて浸漬させることも可能である。浸漬管を傾斜させることによって、気泡の移動経路も傾斜するので気泡の滑留時間を長くすることができる。
【００７５】
本発明法に用いる浸漬管の横断面形状は、浸漬管の表層部を構成する耐火物の施工の観点から円形であることが好ましいが、楕円、矩形もしくは多角形とすることもできる。
【００７６】
本発明法を適用する溶融金属の種類は、溶鋼に限られるものではない。例えば、Ａｌ、Ｃｕなどの非鉄金属の製造工程においても、介在物を除去するプロセスを必要とする溶融金属の精錬であれば、本発明の精錬方法を適用することができる。
【００７７】
また、上述の説明では、溶融金属中に吹き込むガスがＡｒである場合を例示したが、本発明法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、ＣＯ、炭化水素などのガスを用いることができる。
【００７８】
さらに、必要に応じて浸漬管の溶損が問題とならない程度の酸素ガスあるいは酸化性ガス（例えば、ＣＯ２ ガス）を用いることもできる。もちろん、これらのガスを２種以上混合した混合ガスを用いることもできる。例えば、溶融金属中に溶解すると金属製品の品質に悪影響を及ぼすガスを他のガスに変えたり、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、別の方法としてガスの流量を抑制するなどの方法もある。
【００７９】
【実施例】
Ａｌ脱酸を行った１トンの溶鋼に対して、図６に示す基本構成を有する精錬装置を用いて介在物を除去する精錬試験を行った。
【００８０】
精錬試験装置の取鍋の内径は０．５ｍであり、浸漬管の内径は０．１ｍである。また、浸漬管内壁の下端開口部から０．５ｍの位置の周方向に均等間隔をなすようにして内径２ｍｍのステンレス製のパイプを合計８本埋め込み、ガス吹き込み口とした。
溶鋼浴に浸漬管を浸漬し、浸漬管の内部を減圧して、浸漬管の内部に溶鋼を吸引する減圧工程と、浸漬管の内部を加圧して、吸引した溶鋼を吐出する加圧工程とを順次繰り返し実施するとともに、前記加圧工程において、ガス吹き込み口から、Ａｒガスを吹き込んだ。
加圧工程における浸漬管内部の圧力変化速度（最大圧力変化速度）は、７５〜３００ｋＰａ／ｓの範囲で変化させた。
加圧工程と減圧工程とによる１サイクル当たりの所要時間は２秒として、処理時間は１０分とした。
【００８１】
なお、比較のため、浸漬管内部にねじれ羽根を有しない場合の試験、および取鍋底部にポーラスプラグを設け、そのポーラスプラグからＡｒガスを１０分間吹き込む試験（以下、「バブリング法」という）も行った。バブリング法におけるＡｒガス吹き込み速度は、０．２×１０−４Ｎｍ３／ｓ（１．２５Ｌ／ｍｉｎ）とした。
表１に、試験条件（ねじれ羽根の条件、圧力変化速度、ガス吹き込み速度および精錬処理前Ｔ．［Ｏ］）ならびに試験結果（精錬処理後Ｔ．［Ｏ］および介在物除去率）を示す。
【００８２】
【表１】
【００８３】
表１中の試験番号１〜４は、浸漬管内部にねじれ羽根を有しない比較例の試験であり、試験番号５は、圧力変化速度が低過ぎる比較例であり、試験番号６〜１２は、ねじれ羽根を有し、かつ圧力変化速度が適正範囲にある本発明例の試験であり、試験番号１３は、バブリング法による比較例の試験である。ねじれ羽根を有しない試験番号１〜４および圧力変化速度が低過ぎる試験番号５は、介在物除去率が０．５０〜０．８３である。これに対して、ねじれ羽根を有し、かつ圧力変化速度が適正範囲にある試験番号６〜１２は、介在物除去率が０．８４〜０．９５と高く、良好であった。試験番号５は、同じ圧力変化速度の比較例である試験番号１よりも介在物除去率は高いが、本発明例よりは劣っている。
【００８４】
また、バブリング法による試験番号１３は、介在物除去率が０．４４と非常に劣った結果であった。
以上の試験結果から、本発明法による優れた精錬効果が確認された。
【００８５】
【発明の効果】
本発明の精錬方法によれば、溶融金属中に微細な気泡を発生させるとともに、気泡を溶融金属中に広く分散させることができるので、溶融金属中の介在物を効率的に除去することができる。また、脱ガスを促進し、脱りん、脱硫などのスラグ−メタル間反応も促進することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】溶融金属を模した水が装入され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】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４】浸漬管内のねじれ羽根の有無と介在物除去率ηとの関係を示すグラフである。
【図５】浸漬管内のねじれ羽根の比、Ｄ／Ｌの値と介在物除去率ηとの関係を示すグラフである。
【図６】本発明の方法を取鍋内の溶鋼の精錬に適用した場合の装置構成の一例を示す模式図である。
【図７】本発明の方法を連続鋳造のタンディッシュ内の溶鋼の精錬に適用した場合の装置構成を示す模式図である。
【図８】連続鋳造におけるタンデイツシュ内の溶融金属に二つの浸漬管を用いて本発明を適用した場合の装置構成の一例を示す模式図である。
【符号の説明】
１、１１、１１ａ、１１ｂ：浸漬管、
２、１２：取鍋、
３：水、
１３：溶鋼、
４、１４、１４ａ、１４ｂ：ガス吹き込み口、
５、１５：気泡、
６、１６、１６ａ、１６ｂ：減圧バルブ、
７、１７、１７ａ、１７ｂ：加圧バルブ、
８、１８、１８ａ、１８ｂ：圧力計、
１９：タンディッシュ、
２０：堰、
２１、２１ａ、２１ｂ：ねじれ羽根。
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶融金属中の介在物の低減、脱ガス反応の促進およびスラグ−メタル間反応の促進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、溶融金属の脱ガス反応を促進する方法、または脱りんや脱硫のスラグメタル反応を促進させ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、および気泡を溶融金属中に広く分散させることが、溶融金属の脱ガス反応の促進、スラグ−メタル間反応の促進または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】
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、例えば、下記の方法が提案されている。
【０００４】
特開昭５９−２２６１２９号公報には、多孔性耐火物からなる吹き込みプラグを用いた気泡の発生方法について、耐火物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するガス吹き込み方法が開示されいる。ガス吹き込み量を所定量以下とすることにより、微細気泡の生成が可能であるとされている。
【０００５】
特開昭６２−１９２２４０号公報には、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用い、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。バブリングンスの回転によって、多孔質耐火物稼働面からの気泡の離脱が促され、微細な気泡の生成が可能であり、気泡が上昇する際に、バブリングランスの周りに螺旋状に付着するため、気泡の合体が起こりにくく、微細気泡が維持されるとされている。
【０００６】
しかし、上記公報に開示された方法には以下の問題点がある。
【０００７】
特開昭５９−２２６１２９号公報に開示された方法は、多孔質の耐火物を用いているが、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、耐火物稼働面から離脱する前に容易に合体する。同公報に開示された方法では、例えば直径が１０ｍｍ以下の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。
【０００８】
特開昭６２−１９２２４０号公報に開示された方法においては、生成した気泡は螺旋状の経路をたどるとはいえ、バブリングランスの周囲を上昇して速やかに溶鋼表面に到達し、そこで消滅するため、気泡を溶融金属中に広く分散させることは困難である。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。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、前記の問題を解決し、溶融金属中の介在物除去、脱ガス反応およびスラグメタル反応などを促進させることができる溶融金属の精錬方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上述の課題を達成するため、溶融金属中に浸漬管を浸漬したことをシミュレートする水モデル試験により、気泡の微細化方法について検討を加え、以下の知見を得た。
（ａ）浸漬管内の加圧工程において浸漬管内に形成される溶融金属の下降流中にガスを吹き込むことにより微細な気泡が形成され、この気泡が浸漬管から吐出される溶融金属に随伴し、溶融金属浴中に広く分散される。
【００１１】
（ｂ）浸漬管に旋回流付与装置を有する場合には、浸漬管から吐出された気泡は一層広く溶融金属浴中に分散される。
（ｃ）溶融金属を吐出する際の浸漬管内の溶融金属上部の雰囲気圧力の変化速度が１００ｋＰａ／ｓ以上になると、平均気泡径は著しく小さくなる。
（ｄ）浸漬管内部に設けられる旋回流付与手段の直径Ｄと旋回流付与手段の長さＬとの比、Ｄ／Ｌの値が０．５〜５のときに、介在物除去率ηが高い値となる。
【００１２】
本発明は、上記（ａ）〜（ｄ）の知見に基づいて完成されたものであり、その要旨は、下記の溶鋼の精錬方法にある。
【００１３】
すなわち、「溶融金属中に浸漬管を浸漬し、浸漬管内の溶融金属上部の雰囲気圧力を増減させることにより、浸漬管内への溶融金属の吸込みと浸漬管内からの溶融金属の吐出を交互に行う溶融金属の精錬方法であって、溶融金属の通過する浸漬管に旋回流付与手段を配置し、吐出される溶融金属に浸漬管内の周方向に流動を付与すると共に、溶融金属を吐出する際の浸漬管内の溶融金属上部の雰囲気圧力の変化速度を１００ｋＰａ／ｓ以上とし、浸漬管内への溶融金属中にガスを供給することを特徴とする溶融金属の精錬方法」である。
【００１４】
なお、本発明において、「加圧」とは、浸漬管内の基準圧力に対して加圧することにより圧力が上昇することを意味し、大気圧力に対して加圧する場合に限定されるものではない。「加圧工程」とは、前記の加圧により浸漬管内の溶融金属の浴面が下降する工程を意味する。また、後出の「減圧」についても同様であって、「減圧」とは、浸漬管内の基準圧力に対して減圧することにより圧力が低下することを意味し、「減圧工程」とは、前記の減圧により浸漬管内の溶融金属の浴面が上昇する工程を意味する。
【００１５】
「浸漬管内」とは、浸漬管を溶融金属中に浸漬したとき、外気と遮断される浸漬管の内部領域をいい、「浸漬管内の溶融金属上部の雰囲気圧力」とは、浸漬管内の溶融金属上部の内部空間の圧力をいう。
【００１６】
「浸漬管内の溶融金属中にガスを供給する」とは、前記の浸漬管の内部領域に存在する溶融金属中にガスを吹き込むことをいう。例えば、溶融金属と接する浸漬管の内壁面にガス吹き込み口を設け、ガスを吹き込むようにしてもよいし、また、バブリングランスを浸漬し、該バブリングランスからガスを吹き込むようにしてもよい。
【００１７】
本発明の「旋回流付与手段」とは、浸漬管内の軸方向に進行する溶融金属の流れに対して、浸漬管の周方向の流速成分を与えることが可能な手段をいう。
【００１８】
浸漬管内に設置する方式のものとしては、浸漬管の軸の周りに捩れた「ねじれ羽根」型、「螺旋羽根」型、「プロペラ」型などのいずれであっても良い。また、旋回流付与手段は、旋回流付与手段自体が浸漬管の軸に対して回転しない非回転固定型、溶融金属の流動により回転力を得て回転する回転型、駆動機構を有し、溶融金属の流動による力以外の駆動力により旋回流付与手段を回転させる駆動型などのいずれであっても良い。
【００１９】
さらに、浸漬管の外部に設置する方式のものとしては、外周に回転磁界を与える磁石を設け、電磁力により溶融金属に旋回力を与える方式のものであっても良い。
「旋回流付与手段の直径」とは、浸漬管内に設置された旋回流付与手段の直径をいい、「旋回流付与手段の長さ」とは、浸漬管の中心軸方向にける旋回流付与手段の設置長さをいう。
【００２０】
【発明の実施の形態】
（１）微細気泡の形成と分散機構
本発明者らは、溶融金属中に微細気泡を生成させる方法を検討するために、以下の水モデル試験を行った。
【００２１】
溶融金属を模した水を装入した容器の内壁に形成したノズルからガスを吹き込み、水の流動状態とガスの吹き込み方向とを種々変更して、気泡の形成および移動挙動を調査した。さらに、容器の内部に非回転型ねじれ羽根（以下、単に「ねじれ羽根」という）を設置し、気泡の形成および移動挙動に及ぼすねじれ羽根の影響を調査した。同水モデル試験においては、溶融金属と耐火物との滴れ性の悪さに近似させるため、容器の内面には撥水剤を塗布した。
【００２２】
図１は、溶融金属を模した水が装入され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。
【００２３】
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、水中に分散された気泡は比較的大きな径を有していた。この理由は、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って、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である。
【００２４】
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、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。この理由は、気泡には浮力のみならず、水流によるせん断力も加わるので、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ためである。
【００２５】
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、気泡は図１（ｂ）の場合と同程度の小さな径を有しており、図１（ｂ）の場合よりも長時間気泡が水中に滞留した。この理由は、図１（ｂ）の場合と同様に、水流により、ノズルからの気泡の離脱が促進されるため、気泡が小さくなり、さらに、気泡は一旦下方に押し流され、下降流の影響を受けない領域に至ったときに初めて浮上するためである。
【００２６】
さらに、図１（ｃ）の条件において、容器内にねじれ羽根を挿入し固定して、容器内の下方向に流れる水に容器内の周方向の速度成分を与えて旋回運動をさせ、その水に容器側面からガスを吹き込んだ場合は、気泡は図１（ｂ）および（ｃ）の場合と同程度の小さな径を有していた。さらに、生成した気泡は容器内を真下ではなく斜め下方に旋回しながら押し出され、図１（ｃ）の場合よりも広範囲に気泡が分散された。
【００２７】
以上の結果より、溶融金属中に微細な気泡を生成させ、その気泡を溶融金属内に広範囲に分散させ、長期間滞留させるには、図１（ｃ）に示した方法が有効であるとの知見を得た。次に、本発明者らは、この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。
【００２８】
その結果、溶融金属浴の内部にねじれ羽根を設置した浸漬管を浸漬させ、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、浸漬管の内部に溶融金属の下降流を形成させるとともに、この下降流中にガスを吹き込む方法を想到した。そして以下の水モデル試験を行った。
【００２９】
図２は、水モデル試験装置の一例を示す模式図である。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、浸漬管１が水浴に浸漬されている。浸漬管１の下部は水浴中に開口し、上部は閉じた減圧空間となっており、この減圧空間は減圧バルブ６を介して図示しない減圧設備に、加圧バルブ７を介して図示しない加圧設備に、それぞれ接続されている。また、浸漬管１の内部の圧力は、圧力計８によって検出され、これにより浸漬管１の内部の圧力変化速度を求めることができる。この水モデル試験装置のガス吹き込み口４は、浸漬管内壁の円周上に９０度おきに４ヵ所配設されている。また、内部に「ねじれ羽根」が固定された浸漬管も用意した。
【００３０】
試験方法は以下のとおりである。まず、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の内部に吸引した。以下、この工程を「減圧工程」ともいう。
【００３１】
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。
【００３２】
加圧工程において、ガス吹き込み口４からガスを吹き込んだ。
【００３３】
加圧工程においては、浸漬管の内部に下方向の水流が形成される。この水流中にガスを吹き込むことにより、微細な気泡５が形成されるとともに、気泡が浸漬管から吐出される水流に随伴し、水浴中に広く分散されることを確認した。さらに、内部にねじれ羽根が固定されている浸漬管を使用した場合は、吐出された気泡が羽根のない場合よりも一層広く水浴中に分散されることを確認した。
【００３４】
次に、実際の溶融金属について微細な気泡を生成させる諸条件を検討すべく、溶融金属として溶鋼を用いた小規模試験を行った。本発明の目的は、脱りんや脱硫などのスラグメタル反応、脱窒素や脱水素などの脱ガス反応および溶融金属中の介在物の浮上分離を効率的に行うものであるが、微細気泡を利用する点では同一構成となる。したがって、以下では溶鋼中の介在物を浮上させ除去する場合を例に説明する。
【００３５】
試験装置は、図２に示す水モデル試験装置と同様の基本構成を備えた、溶鋼量１０００ｋｇの小型試験装置を用いた。内径が０．５ｍの取鍋に溶鋼を装入し、その溶鋼浴中に内径０．１ｍの浸漬管を浸漬し、浸漬管の内部を減圧して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、前記加圧工程では、浸漬管の下部（開口端から上方に０．０３ｍに位置）に設けたガス吹き込み口からＡｒガスを吹き込んだ。
【００３６】
種々の条件で試験を行い、気泡の径、気泡の分散状況および介在物除去能力について評価を行った。気泡径と気泡分散状況については、溶鋼を用いた試験での浴内観察が困難なため、溶鋼表面に浮上してきた気泡をビデオカメラで撮影し、その画像処理を行うことにより評価した。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］」（ｐｐｍ）という）を用いた下記式で定義される介在物除去率η（−）により評価した。
【００３７】
η＝（処理前Ｔ．［Ｏ］−処理後Ｔ．［Ｏ］）／処理前Ｔ．［Ｏ］
（２）浸漬管内圧力変化速度
図３は、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。ここで、圧力変化速度とは、加圧工程における圧力変化速度の最大値である。
【００３８】
同図に示すように、圧力変化速度が１００ｋＰａ／ｓ以上になると平均気泡径ｄBは著しく低下する。したがって、溶鋼中に微細な気泡を生成させるためには、圧力変化速度を１００ｋＰａ／ｓ以上とする必要がある。さらに微細な気泡を安定して生成させるには、１５０ｋＰａ／ｓ以上とすることが好ましい。
【００３９】
気泡の分散性の観点からは、圧力変化速度の上限は特に限定されないが、同値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、１５００ｋＰａ／ｓ以下とするのが好ましい。
【００４０】
また、浸漬管内に旋回流付与手段としてねじれ羽根がある場合には、ねじれ羽根がない場合に比べて、平均気泡径ｄＢ は小さくなる。
【００４１】
次いで、処理時間を５分として、介在物除去率に及ぼす浸漬管内のねじれ羽根の有無の影響を比較した。
【００４２】
図４は、浸漬管内のねじれ羽根の有無と介在物除去率ηとの関係を示すグラフである。同図の結果によれば、在物除去率ηは、浸漬管内にねじれ羽根を設置することにより向上する。
【００４３】
この理由は以下のとおりである。すなわち、ねじれ羽根を設置した場合は、生成した気泡径が低下するため、気泡総表面積が増加し、介在物と気泡が接触するチャンスが増大して精錬効率が向上する。さらに、浸漬管から下方への気泡の放出方向が、浸漬管の斜め下方となるため、気泡の分散する領域が拡大し、一層広い範囲に存在する介在物が捕捉の対象となる。以上の２つの理由により介在物除去率ηが増加したと解釈される。
【００４４】
（３）ねじれ羽根の直径Ｄと長さＬとの比の値
処理時間を５分として、浸漬管内のねじれ羽根の直径Ｄと長さＬとの比Ｄ／Ｌの値を変更して介在物除去率に及ぼす影響を検討した。
【００４５】
図５は、浸漬管内のねじれ羽根の比、Ｄ／Ｌの値と介在物除去率ηとの関係を示すグラフである。同図の結果によれば、介在物除去率ηは、比Ｄ／Ｌの値に対して上に凸の関係を有し、Ｄ／Ｌの値が０．５以上、５以下の範囲において、介在物除去率ηは０．８５以上の高い値を示す。
【００４６】
この理由は以下のとおりである。比Ｄ／Ｌの値が０．５未満の場合には、旋回流速成分が小さくなり、ねじれ羽根による溶鋼の旋回効果が薄れてしまい、気泡の分散は、ねじれ羽根のない場合に比してわずかに良い程度である。その結果、介在物の捕捉効果も、ねじれ羽根がない場合に比してわずかに良い程度の結果となる。
【００４７】
一方、比Ｄ／Ｌの値が５を超える場合には、ねじれ羽根による旋回効果が大きくなりすぎて、気泡は浸漬管の下端を通過直後にほぼ水平方向に進み、浸漬管外周部の浴面へ速やかに到達してしまう。その結果、気泡の浴内滞留時間が減少し、精錬効果も低減してしまう。
【００４８】
したがって、高い介在物の除去効率を確保するためには、比Ｄ／Ｌの値を０．５〜５の範囲とすることが好ましい。さらに好ましくは、０．７〜３である。
【００４９】
（４）取鍋内溶鋼精錬への適用
図６は、本発明の方法を取鍋内の溶鋼の精錬に適用した場合の装置構成の一例を示す模式図である。
【００５０】
取鍋１２中に溶鋼１３が入れられ、溶鋼浴が形成されている。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が溶鋼浴中に浸漬されている状態を示す。浸漬管の内部には、ねじれ羽根２１が浸漬管に固定配置されている。浸漬管の上部は、減圧バルブ１６を介して図示しない減圧設備、および加圧バルブ１７を介して図示しない加圧設備に、それぞれ接続されている。
【００５１】
浸漬管は、昇降可能に備え付けられているが、例えば、浸漬管を取鍋の蓋形状のものに固定し、この蓋形状のものをクレーンまたはホイストなどで取鍋上縁に載せたり、はずしたりしてもよい。取鍋内溶鋼浴面の高さが大きく変動しない場合、すなわち、取鍋上縁から浴面までの距離が過大または過小でない限りにおいては、この方式は簡易法として設備費の低減に有効である。
【００５２】
減圧設備とは、ポンプあるいはスチームエジェクター等の排気機能を有する設備であるが、精密な制御が必要な場合や前記排気設備の能力が低い場合などには、前記排気設備と減圧バルブ１６の間に減圧室を設けてもよい。この場合は、減圧室とは浸漬管の内部の容積に比べて十分大きな容積を有し、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する必要がある。
【００５３】
また、加圧設備とは、高圧ガスを迅速に供給することが可能な設備であり、一般に、高圧ガスを保有するタンクあるいはボンベ、およびタンクあるいはボンベ出口の圧力調整器または加圧バルブのすぐ上流の圧力調整器により圧力変化速度をコントロールすることが可能な設備である。また、この圧力調整器の下流に流量可変弁を置き、この開度により加圧工程の圧力変化速度をコントロールすることも可能である。
【００５４】
浸漬管１１の内部の圧力は、圧力計１８によって検出され、この検出値により圧力変化速度を求めることができる。本発明における加圧工程の圧力変化は、その最大値で管理するのがよい。その理由は、加圧工程の時間は短いため、圧力変化速度が一定値となる期間は極めて短いこと、および微小気泡の生成に対しては最大圧力変化速度の影響が大きいことによる。
【００５５】
（５）浸漬管内へのガス吹き込み位置およびガス吹き込み時期
浸漬管１１内へのガス吹き込み位置について説明する。
【００５６】
本発明法においては、浸漬管１１の下端開口部から上方０．０１〜０．５ｍ程度の部位で浸漬管耐火物の内部に埋め込まれたステンレス製のパイプが浸漬管内面に開口しており、Ａｒガスを溶鋼中に吹き込むためのガス吹き込み口１４を形成している。ガス吹き込み口の設置部位は、浸漬管の下端開口部に近いほど、加圧工程においてガス吹き込み口が溶鋼流と接する時間を長くすることが可能であり、１サイクル当たりの効率が向上するが、過度に下端開口部に近いと気泡を含んだ溶鋼流が下方に加速されず、気泡が取鍋の底面近傍に到達できない。
【００５７】
ガス吹き込み口は、もっとも開口部に近い吹き込み口でも、開口部から少なくとも０．０１ｍ程度離れていることが望ましく、０．０３ｍ程度離れていることが一層望ましい。
【００５８】
一方、０．５ｍを超えて離れていると次の間題がある。加圧工程の浴面の位置（減圧工程における浴面の最終到達位置）は、このガス吹き込み口に対し、浴面低下速度に応じて高くする必要がある。なぜなら、加圧工程における浴面の下降速度は、吹き込み口から離れた気泡の下降速度よりも大きく、加圧工程直前での浴面の高さが不十分であると、下降する気泡に浴面が追いついてしまい、気泡が浸漬管内で浮上してしまうおそれがあるからである。この観点から、吹き込み口の開口部からの距離は０．５ｍ以下であることが望ましい。
【００５９】
ガス吹き込み口１４の先端に、ポーラスプラグまたはポーラスれんが、あるいは、貫通孔を有する耐火物を設けてもよい。
【００６０】
本発明法においては、少なくとも加圧工程においてガスを吹き込むが、それ以外の工程、例えば、減圧工程でのガス吹き込みを妨げるものではない。例えば、ガス吹き込み口の閉塞を防止するため、減圧工程において少量または加圧工程と同量のガス吹き込みを行ってもよい。
【００６１】
本発明の方法は、図６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。まず、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の内部に吸引する（減圧工程）。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の内部に吸引した溶鋼１３を再び取鍋１２の中へ吐出する（加圧工程）。加圧工程において、ガス吹き込み口１４からＡｒガスを吹き込む。減圧工程と加圧工程とで１サイクルの操作となるが、このサイクルを順次繰り返して行うことが望ましい。
【００６２】
なお、上述のように減圧バルブ１６を閉とした直後に加圧バルブ１７を開としたり、加圧バルブ１７を閉とした直後に減圧バルブ１６を開としてもよいが、その中間に減圧バルブおよび加圧バルブが同時に閉となる時間を設定してもよい。減圧バルブや加圧バルブを閉とした直後は浸漬管内の溶鋼表面が不安定に揺動している場合があり、そのような状態で加圧バルブや減圧バルブを開にすると浸漬管内の溶鋼が飛散して浸漬管の上部に地金として付着し、操業が困難となることがあるためである。
【００６３】
以上の操作により、溶鋼浴中に微細なＡｒガス気泡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から吐出される溶鋼は下降流を形成し、取鍋の底面に到達した後に水平流となり、取鍋径が小さい場合には取鍋の内壁を伝わる上昇流となり、取鍋径が大きい場合には取鍋内壁よりも中心側で気泡はその浮力により上昇に転じる。これらの溶鋼流の作用により、微細なＡｒガス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。
【００６４】
なお、図示しないが、複数の浸漬管を取鍋内溶鋼に浸漬して同様の操作を実施してもよい。その場合、浴面の変動が問題とならない場合には、浸漬管内の加圧工程と減圧工程とを同期させてもよい。また、ある浸漬管が加圧工程にあるときに、別の浸漬管を減圧工程として浴面の変動を抑制してもよい。さらに、複数の浸漬管間で工程を時間的に少しずつずらして、常にどれかの浸漬管が加圧工程となるようにしてもよい。
【００６５】
（６）タンディッシュ内溶鋼精錬への適用
図７は、本発明の方法を連続鋳造のタンディッシュ内の溶鋼の精錬に適用した場合の装置構成を示す模式図である。
【００６６】
図８は、連続鋳造におけるタンデイツシュ内の溶融金属に二つの浸漬管を用いて本発明法を適用した場合の装置構成の一例を示す模式図である。上記の図７および図８において、同一要素は同一数字を有する符号を用い、例えば、浸漬管１１、１１ａおよび１１ｂのように示す。
【００６７】
同図に示すように、タンデイツシュ１９には、取鍋１２から連続的に注入される溶鋼１３が収容されて溶鋼浴が形成されており、浸漬管１１が昇降可能に備え付けられている。同図は、浸漬管が溶鋼浴に浸漬されている状態を示す。浸漬管の内部には、ねじれ羽根２１、２１ａおよび２１ｂがそれぞれ固定配置されている。浸漬管１１の上部は減圧バルブ１６を介して図示しない減圧設備に、加圧バルブ１７を介して図示しない加圧設備に、それぞれ接続されている。
【００６８】
浸漬管は、昇降可能に備え付けれられているが、取鍋の場合と同様に、浸漬管を蓋形状のものに固定し、この蓋形状のものをクレーンやホイストなどでタンデイツシュ上部に載せたり、はずしたりしてもよい。例えば、タンデイツシュに溶鋼を注入する前に、この蓋形状のものと一緒に浸漬管をタンディッシュに据え付け、タンデイツシュの予熱とともに浸漬管の予熱を実施してもよい。タンデイツシュ内の浴面は鋳造初期やヒート間で若干低下する場合があるが、一般的にほぼ同じ高さを維持するため、この方式は簡易法として設備費の低減に有効である。
【００６９】
浸漬管の内部の圧力は圧力計１８によって検出され、これにより浸漬管の内部の圧力変化速度を求めることができる。浸漬管の下端開口部から上方の部位で、浸漬管耐火物の内部に埋め込まれたステンレス製のパイプが浸漬管内面に開口しており、Ａｒガスを溶鋼中に吹き込むためのガス吹き込み口１４を形成している。なお、ガス吹き込み口の先端に、ボーラスプラグまたはボーラスれんが、あるいは、貫通孔を有する耐火物を設けてもよい。
【００７０】
図７および図８に示す装置の浸漬管の減圧工程および加圧工程は、取鍋における精錬の場合と同様に実施できる。図７に示す装置のように、浸漬管が一つの場合、減圧工程と加圧工程とによって、タンディッシュ内の溶鋼レベルが変動する。しかし、図８に示す装置構成の場合、二つの浸漬管の加圧工程と減圧工程のサイクルを反転して同期させることにより、溶鋼レベルの変動を最小限にすることができる。ただし、二つの浸漬管の距離が接近している場合は、一方の浸漬管から吐出された微細気泡を含んだ溶鋼の一部分が、他方の浸漬管に吸引される可能性があるので、例えば、タンディッシュ内に堰２０を設けて相互の浸漬管の干渉を防止してもよい。
【００７１】
なお、図示しないが、三つ以上の複数の浸漬管を溶鋼に浸漬して同様の操作を実施してもよい。その場合、例えば、複数の浸漬管の間で工程を時間的に少しずつずらして、常にどれかの浸漬管が加圧工程となるようにしてもよい。
【００７２】
浸漬管を複数用いる他の利点は、溶融金属を収容する容器の容量が大きい場合には、気泡の分散性を高めて介在物除去時間を短縮することである。連続鋳造の場合、タンデイツシュ内の溶鋼の滞留時間が限られているため、高能率で精錬をする必要があるが、複数の浸漬管を用いることにより高能率処理を実現できる。
【００７３】
また、一般に浸漬管は溶融金属の熱による損傷を抑制するために表面に耐火物を備えるが、浸漬管の径が大きい場合には耐火物に亀裂が発生しやすくなるので、これを回避するために浸漬管の大径化に変えて浸漬管の数を増やすことも有効である。
【００７４】
（７）浸漬管の浸漬角度および吹き込みガスの種類
上述の説明では、溶融金属浴中に浸漬管をほぼ鉛直に浸漬する場合を例示したが、本発明法はこれに限られるものではない。装置の取り合いを考慮し、溶融金属浴中に浸漬管を傾斜させて浸漬させることも可能である。浸漬管を傾斜させることによって、気泡の移動経路も傾斜するので気泡の滑留時間を長くすることができる。
【００７５】
本発明法に用いる浸漬管の横断面形状は、浸漬管の表層部を構成する耐火物の施工の観点から円形であることが好ましいが、楕円、矩形もしくは多角形とすることもできる。
【００７６】
本発明法を適用する溶融金属の種類は、溶鋼に限られるものではない。例えば、Ａｌ、Ｃｕなどの非鉄金属の製造工程においても、介在物を除去するプロセスを必要とする溶融金属の精錬であれば、本発明の精錬方法を適用することができる。
【００７７】
また、上述の説明では、溶融金属中に吹き込むガスがＡｒである場合を例示したが、本発明法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、ＣＯ、炭化水素などのガスを用いることができる。
【００７８】
さらに、必要に応じて浸漬管の溶損が問題とならない程度の酸素ガスあるいは酸化性ガス（例えば、ＣＯ２ ガス）を用いることもできる。もちろん、これらのガスを２種以上混合した混合ガスを用いることもできる。例えば、溶融金属中に溶解すると金属製品の品質に悪影響を及ぼすガスを他のガスに変えたり、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、別の方法としてガスの流量を抑制するなどの方法もある。
【００７９】
【実施例】
Ａｌ脱酸を行った１トンの溶鋼に対して、図６に示す基本構成を有する精錬装置を用いて介在物を除去する精錬試験を行った。
【００８０】
精錬試験装置の取鍋の内径は０．５ｍであり、浸漬管の内径は０．１ｍである。また、浸漬管内壁の下端開口部から０．５ｍの位置の周方向に均等間隔をなすようにして内径２ｍｍのステンレス製のパイプを合計８本埋め込み、ガス吹き込み口とした。
溶鋼浴に浸漬管を浸漬し、浸漬管の内部を減圧して、浸漬管の内部に溶鋼を吸引する減圧工程と、浸漬管の内部を加圧して、吸引した溶鋼を吐出する加圧工程とを順次繰り返し実施するとともに、前記加圧工程において、ガス吹き込み口から、Ａｒガスを吹き込んだ。
加圧工程における浸漬管内部の圧力変化速度（最大圧力変化速度）は、７５〜３００ｋＰａ／ｓの範囲で変化させた。
加圧工程と減圧工程とによる１サイクル当たりの所要時間は２秒として、処理時間は１０分とした。
【００８１】
なお、比較のため、浸漬管内部にねじれ羽根を有しない場合の試験、および取鍋底部にポーラスプラグを設け、そのポーラスプラグからＡｒガスを１０分間吹き込む試験（以下、「バブリング法」という）も行った。バブリング法におけるＡｒガス吹き込み速度は、０．２×１０−４Ｎｍ３／ｓ（１．２５Ｌ／ｍｉｎ）とした。
表１に、試験条件（ねじれ羽根の条件、圧力変化速度、ガス吹き込み速度および精錬処理前Ｔ．［Ｏ］）ならびに試験結果（精錬処理後Ｔ．［Ｏ］および介在物除去率）を示す。
【００８２】
【表１】
表１中の試験番号１〜４は、浸漬管内部にねじれ羽根を有しない比較例の試験であり、試験番号５は、圧力変化速度が低過ぎる比較例であり、試験番号６〜１２は、ねじれ羽根を有し、かつ圧力変化速度が適正範囲にある本発明例の試験であり、試験番号１３は、バブリング法による比較例の試験である。ねじれ羽根を有しない試験番号１〜４および圧力変化速度が低過ぎる試験番号５は、介在物除去率が０．５０〜０．８３である。これに対して、ねじれ羽根を有し、かつ圧力変化速度が適正範囲にある試験番号６〜１２は、介在物除去率が０．８４〜０．９５と高く、良好であった。試験番号５は、同じ圧力変化速度の比較例である試験番号１よりも介在物除去率は高いが、本発明例よりは劣っている。
【００８４】
また、バブリング法による試験番号１３は、介在物除去率が０．４４と非常に劣った結果であった。
以上の試験結果から、本発明法による優れた精錬効果が確認された。
【００８５】
【発明の効果】
本発明の精錬方法によれば、溶融金属中に微細な気泡を発生させるとともに、気泡を溶融金属中に広く分散させることができるので、溶融金属中の介在物を効率的に除去することができる。また、脱ガスを促進し、脱りん、脱硫などのスラグ−メタル間反応も促進することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】溶融金属を模した水が装入され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】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４】浸漬管内のねじれ羽根の有無と介在物除去率ηとの関係を示すグラフである。
【図５】浸漬管内のねじれ羽根の比、Ｄ／Ｌの値と介在物除去率ηとの関係を示すグラフである。
【図６】本発明の方法を取鍋内の溶鋼の精錬に適用した場合の装置構成の一例を示す模式図である。
【図７】本発明の方法を連続鋳造のタンディッシュ内の溶鋼の精錬に適用した場合の装置構成を示す模式図である。
【図８】連続鋳造におけるタンデイツシュ内の溶融金属に二つの浸漬管を用いて本発明を適用した場合の装置構成の一例を示す模式図である。
【符号の説明】
１、１１、１１ａ、１１ｂ：浸漬管、
２、１２：取鍋、
３：水、
１３：溶鋼、
４、１４、１４ａ、１４ｂ：ガス吹き込み口、
５、１５：気泡、
６、１６、１６ａ、１６ｂ：減圧バルブ、
７、１７、１７ａ、１７ｂ：加圧バルブ、
８、１８、１８ａ、１８ｂ：圧力計、
１９：タンディッシュ、
２０：堰、
２１、２１ａ、２１ｂ：ねじれ羽根。
Claims (1)
- 溶融金属中に浸漬管を浸漬し、浸漬管内の溶融金属上部の雰囲気圧力を増減させることにより、浸漬管内への溶融金属の吸込みと浸漬管内からの溶融金属の吐出を交互に行う溶融金属の精錬方法であって、溶融金属の通過する浸漬管に旋回流付与手段を配置し、吐出される溶融金属に浸漬管内の周方向に流動を付与すると共に、溶融金属を吐出する際の浸漬管内の溶融金属上部の雰囲気圧力の変化速度を１００ｋＰａ／ｓ以上とし、浸漬管内への溶融金属中にガスを供給することを特徴とする溶融金属の精錬方法。
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