JP4496843B2 - 脱ガス装置の浸漬管 - Google Patents

Description

本発明は、溶融金属の脱ガス処理を行なう吸上げ式真空精錬法で使用する脱ガス装置の真空槽に取付けられる浸漬管に関するものである。

近年、金属材料の高級化，高純度化の要求が高まっており、その精錬工程で不純物を除去する様々な技術が開発されている。不純物の中でも、Ｈ，Ｎ等のガス成分を除去する技術は脱ガス処理と呼ばれており、
(a) 溶融金属を収容した容器を真空槽内に格納し、真空槽内を減圧して脱ガス処理を行なう技術
(b) 溶融金属を収容した容器から、内部を減圧した真空槽へ溶融金属を吸上げて脱ガス処理を行なう技術
等が普及している。これらの技術は、いずれも減圧した環境にて脱ガス処理を行なう（以下、真空精錬という）ものである。

これらの真空精錬技術のうち上記の (b)に挙げた技術は、吸上げ式真空精錬と呼ばれており、効率良く脱ガス処理を行なうことができるので、大量に生産される溶融金属（たとえば溶鋼等）の真空精錬に広く採用されている。吸上げ式真空精錬の技術はＤＨ法とＲＨ法に大別されるが、いずれも真空槽の下部に取付けた浸漬管を溶融金属に浸漬し、さらに真空槽内を減圧することによって、溶融金属を真空槽内へ吸上げる。ＤＨ法では真空槽に浸漬管を１本取付けるのに対して、ＲＨ法では浸漬管を２本取付ける。

次に、吸上げ式真空精錬の一例として、ＲＨ法を適用した溶鋼の真空精錬について説明する。

図５は、ＲＨ法で真空精錬を行なう際の溶融金属と真空槽の配置の例を模式的に示す断面図である。図５中の溶融金属２は溶鋼であり、容器１は取鍋である。したがって、この図５の説明では、それぞれ溶鋼２，取鍋１と記す。

ＲＨ法で使用する真空槽３の下部には、２本の浸漬管が配設されており、その上昇浸漬管5aと下降浸漬管5bを取鍋１内の溶鋼２に浸漬する。次いで、真空槽３の上部に設けられる排気ダクト４から真空槽３内のガスを吸引して、真空槽３内を減圧する。

真空槽３内が減圧されることによって、取鍋１内の溶鋼が真空槽３内に吸い上げられる。上昇浸漬管5aには不活性ガス６の吹込みノズルが設けられており、上昇浸漬管5a内の溶鋼２に不活性ガス６が吹込まれる。不活性ガス６は気泡となって溶鋼２内を浮上する。その結果、上昇浸漬管5a内の溶鋼２の比重が相対的に減少し、下降浸漬管5b内の溶鋼２の比重は上昇浸漬管5a側に比べて大きくなる。

溶鋼２に比重差を付与することによって、取鍋１内の溶鋼２が上昇浸漬管5aを通って真空槽３内に上昇し、さらに真空槽３内の溶鋼２は下降浸漬管5bを通って取鍋１に下降する。このようにして溶鋼２が取鍋１から真空槽３を経て再び取鍋１へ環流する間に、真空槽３内で溶鋼２の脱ガス処理を行なう。

上昇浸漬管5aには不活性ガス６の吹込みノズルが設けられているが、上昇浸漬管5aと下降浸漬管5bの他の部分の構造は基本的に同じである。図３は浸漬管の構造を模式的に示す断面図であるが、上昇浸漬管5aに設けられる不活性ガス６の吹込みノズルは、図示を省略する。したがって図３の説明では、上昇浸漬管5aと下降浸漬管5bを区別せず、単に浸漬管５として説明する。

従来の浸漬管５は、図３に示すように、耐火れんがで形成される筒状体７の外側に芯金８が配設される。芯金８は、耐熱性合金からなる金属管であり、浸漬管５の強度を確保するために使用される。筒状体７と芯金８は不定形耐火物９で被覆され、所定の寸法を有する浸漬管５となる。したがって浸漬管５は、所定の形状に成形する不定形耐火物９（以下、成形用不定形耐火物という）の内部に筒状体７と芯金８が埋設されたものである。

浸漬管５の上部にはフランジ11が設けられており、図５に示すように、真空槽３の底部に取付けられる。

溶鋼２の真空精錬を行なうときには、図５に示すように、上昇浸漬管5aと下降浸漬管5bは溶鋼２に浸漬され、かつその内部を溶鋼２が流通する。したがって真空精錬の操業中は、上昇浸漬管5aと下降浸漬管5bは高温に曝される。一方、真空精錬が終了すると、真空槽３は吊り上げられて溶鋼２と接触しなくなるので、上昇浸漬管5aと下降浸漬管5bは冷却される。

このようにして上昇浸漬管5aと下降浸漬管5bの加熱と冷却が繰り返される。その結果、内部に埋設された芯金８は、成形用不定形耐火物９や芯金８の膨張と収縮に起因する熱応力を繰り返し受ける。芯金８に生じる熱応力が、素材である耐熱性合金の変形抵抗を超えると、芯金８が変形する。図４は、芯金８が変形した浸漬管５の例を模式的に示す断面図である。図４の説明においても、上昇浸漬管5aと下降浸漬管5bを区別せず、単に浸漬管５として説明する。

図４に示すように、芯金８の変形は、筒状体７の下方すなわち筒状体７が埋設されていない部位で発生する。その理由は、筒状体７と成形用不定形耐火物９の膨張収縮量が異なるので、筒状体７の下方に応力が集中するからである。芯金８の変形は、成形用不定形耐火物９の亀裂12を伴って生じる。亀裂12は、溶鋼２が浸入することによって侵食されて次第に拡大していき、成形用不定形耐火物９の剥離や破断を招く。つまり芯金８の変形は、浸漬管５の耐用性が低下する原因になる。そこで、芯金８の変形を防止する技術が種々検討されている。

たとえば特許文献１には、真空脱ガス設備用浸漬管及びその使用方法が開示されている。この技術は、芯金の外周に冷却板を設置し、その冷却板の内部に冷却用流体を流すことによって芯金を冷却するものである。しかしながら特許文献１に開示された技術では、冷却用流体のタンクや配管が必要であるから、設備が複雑になり、メンテナンスの負荷が増大する。しかも、浸漬管を形成する耐火物中に溶鋼が浸入したときに、冷却板が破損するおそれがある。冷却板の破損によって冷却用流体が流出すると、脱ガス処理を停止しなければならない。

特許文献２には、真空脱ガス処理に用いる浸漬管及び真空脱ガス処理方法が開示されている。この技術は、芯金の外周に平板を取付けることによって、芯金の剛性を高めるものである。しかしながら特許文献２に開示された技術では、平板を取付けた部位（すなわち芯金の突起部）の先端から耐火物に亀裂が生じやすい。この亀裂は耐火物の剥離や破断の原因になるので、浸漬管の寿命の著しい延長は期待できない。
特開平8-218114号公報 特開平11-117016 号公報

本発明は上記のような問題を解消し、浸漬管の耐用性を簡便な手段で向上し、寿命を大幅に延長することを目的とする。

本発明は、溶融金属の脱ガス処理を行なう脱ガス装置の真空槽に取付けられる浸漬管であって、耐火れんがで形成される筒状体の外側に第１芯金を配設し、第１芯金の外側に第２芯金を配設し、第１芯金と第２芯金との隙間に充填用不定形耐火物を充填し、さらに筒状体と第１芯金と第２芯金と充填用不定形耐火物とをその外周部と底部と内周部とを成形用不定形耐火物で被覆して管状に成形するとともに、成形用不定形耐火物として炭素を含まない材質を使用し、かつ充填用不定形耐火物として炭素を含む材質を使用し、充填用不定形耐火物と成形用不定形耐火物の成分が異なる浸漬管である。

本発明によれば、浸漬管の耐用性を簡便な手段で向上し、寿命を大幅に延長できる。

図１は、本発明の浸漬管の例を模式的に示す断面図である。なお図５に示すように、ＲＨ法の真空槽３には２本の浸漬管が配設され、片方の上昇浸漬管5aには不活性ガス６の吹込みノズルが設けられるが、上昇浸漬管5aと下降浸漬管5bの他の部分の構造は基本的に同じである。また、ＤＨ法の真空槽に配設される浸漬管も基本的な構造は同じである。したがって、これらの浸漬管５の基本的な構造のみを図１に示し、ＲＨ法の上昇浸漬管，下降浸漬管やＤＨ法の浸漬管を区別せずに説明する。

本発明の浸漬管５は、耐火れんがで形成される円筒形状の筒状体７の外側に二重構造の芯金8a，8bを有する。これらの芯金8a，8bのうち、内側に位置する芯金8aを第１芯金とし、外側に位置する芯金8bを第２芯金とする。第１芯金8aおよび第２芯金8bの上端はフランジ11に固定される。フランジ11は、浸漬管５を真空槽に取付ける際に、真空槽の底部に固定される部材である。したがって第１芯金8aおよび第２芯金8bも真空槽に固定され、浸漬管５を補強する機能を果たす。第１芯金8aおよび第２芯金8bは、いずれも耐熱性に優れた金属（たとえばステンレス鋼等）を使用するのが好ましい。

第１芯金8aと第２芯金8bとの隙間には不定形耐火物10を充填する。この隙間に充填する不定形耐火物10（以下、充填用不定形耐火物という）は、浸漬管５を補強するための第１芯金8aと第２芯金8bとの隙間に充填されることを考慮すると、高温における圧壊強度に優れたものを使用するのが好ましい。

圧壊強度を高めるためには、充填用不定形耐火物10にＣ（炭素）を添加するのが有効である。充填用不定形耐火物10は、後述するように、溶鋼に接触しないので、Ｃを含有する充填用不定形耐火物10を使用しても、充填用不定形耐火物10から溶鋼へＣが混入する恐れはない。したがって中低炭鋼や極低炭鋼等の高品質の溶鋼の真空精錬にも支障なく使用できる。

このようにして二重構造の芯金8a，8bを採用し、その第１芯金8aと第２芯金8bとの隙間に充填用不定形耐火物10を充填することによって補強効果を高めて、浸漬管５の変形を防止することができる。つまり本発明によれば、浸漬管５の耐用性を簡便な手段で向上できる。

次に、充填用不定形耐火物10が溶鋼に接触しない点について説明する。

図１に示すように、筒状体７，第１芯金8a，第２芯金8b，充填用不定形耐火物10は少なくともその外周部と底部が不定形耐火物９で覆われる。筒状体７，第１芯金8a，第２芯金8b，充填用不定形耐火物10を被覆する不定形耐火物９（以下、成形用不定形耐火物という）は管状に成形されて、浸漬管５となる。

つまり、管状に成形された成形用不定形耐火物９の内部に、筒状体７，第１芯金8a，第２芯金8b，充填用不定形耐火物10が埋設されて、浸漬管５を構成する。したがって充填用不定形耐火物10は溶鋼に接触しない。一方、成形用不定形耐火物９は溶鋼に接触するので、耐溶損性に優れたものを使用するのが好ましい。さらに、極低炭鋼等の真空精錬に使用することを考慮すると、Ｃを含有しない成形用不定形耐火物９を使用する。

さらに本発明では、図１に示すように、筒状体７，第１芯金8a，第２芯金8b，充填用不定形耐火物10の外周部と底部の他に内周部も成形用不定形耐火物９で被覆する。このことによって筒状体７の損耗をより一層軽減できる。

以上に説明した通り、充填用不定形耐火物10と成形用不定形耐火物９は、要求される特性が異なるので、それに応じて成分の異なる不定形耐火物を使用する。

［参考例］
図２に示す浸漬管５をＲＨ法の真空槽に２本取付けた。さらに図５に示すように、上昇浸漬管5aには不活性ガス６の吹込みノズルを設けて溶鋼２の真空精錬を行なった。第１芯金8aと第２芯金8bはステンレス鋼を使用し、浸漬管５の筒状体７を形成する耐火れんがはMgＯを55〜70質量％， Cr₂Ｏ₃ を15〜25質量％， Al₂Ｏ₃ を５〜10質量％含有するものを使用した。成形用不定形耐火物９は、 Al₂Ｏ₃ を89〜90質量％，MgＯを７〜８質量％含有するものを使用した。充填用不定形耐火物10は、成形用不定形耐火物９と同じものを使用した。これを参考例とする。

［発明例］
図１に示す浸漬管５をＲＨ法の真空槽に２本取付けた。さらに図５に示すように、上昇浸漬管5aには不活性ガス６の吹込みノズルを設けて溶鋼２の真空精錬を行なった。参考例と同様に、第１芯金8aと第２芯金8bはステンレス鋼を使用し、浸漬管５の筒状体７を形成する耐火れんがはMgＯを55〜70質量％， Cr₂Ｏ₃ を15〜25質量％， Al₂Ｏ₃ を５〜10質量％含有するものを使用した。成形用不定形耐火物９は、 Al₂Ｏ₃ を89〜90質量％，MgＯを７〜８質量％含有するものを使用した。ただし、充填用不定形耐火物10はAl₂ Ｏ₃ を90〜95質量％含有するものを使用した。これを発明例とする。

［比較例］
図３に示す浸漬管５をＲＨ法の真空槽に２本取付けた。さらに図５に示すように、上昇浸漬管5aには不活性ガス６の吹込みノズルを設けて溶鋼２の真空精錬を行なった。参考例と同様に、浸漬管５の筒状体７を形成する耐火れんがはMgＯを55〜70質量％， Cr₂Ｏ₃ を15〜25質量％， Al₂Ｏ₃ を５〜10質量％含有するものを使用し、成形用不定形耐火物９は、 Al₂Ｏ₃ を89〜90質量％，MgＯを７〜８質量％含有するものを使用した。芯金８はステンレス鋼を使用したが、二重構造ではないので、充填用不定形耐火物10は使用しなかった。これを比較例とする。

参考例，発明例と比較例の浸漬管５の寿命を調査したところ、参考例では平均 120チャージ，発明例では平均 150チャージであったのに対して、比較例では平均60チャージであった。

本発明の浸漬管の例を模式的に示す断面図である。 参考例の浸漬管の例を模式的に示す断面図である。 従来の浸漬管の例を模式的に示す断面図である。 芯金が変形した浸漬管の例を模式的に示す断面図である。 ＲＨ法の溶融金属と真空槽の配置の例を模式的に示す断面図である。

符号の説明

１ 容器
２ 溶融金属
３ 真空槽
４ 排気ダクト
５ 浸漬管
5a 上昇浸漬管
5b 下降浸漬管
６ 不活性ガス
７ 筒状体
８ 芯金
8a 第１芯金
8b 第２芯金
９ 成形用不定形耐火物
10 充填用不定形耐火物
11 フランジ
12 亀裂

Claims (1)

1. 溶融金属の脱ガス処理を行なう脱ガス装置の真空槽に取付けられる浸漬管であって、耐火れんがで形成される筒状体の外側に第１芯金を配設し、前記第１芯金の外側に第２芯金を配設し、前記第１芯金と前記第２芯金との隙間に充填用不定形耐火物を充填し、さらに前記筒状体と前記第１芯金と前記第２芯金と前記充填用不定形耐火物とをその外周部と底部と内周部とを成形用不定形耐火物で被覆して管状に成形するとともに、前記成形用不定形耐火物として炭素を含まない材質を使用し、かつ前記充填用不定形耐火物として炭素を含む材質を使用し、前記充填用不定形耐火物と前記成形用不定形耐火物の成分が異なることを特徴とする浸漬管。

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