JP4672198B2 - 測温用羽口のガス吹き込み方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐火物容器内の溶融金属の温度を連続的に測定する方法に関し、特に、転炉、ＡＯＤ炉などによる精錬において、溶鋼温度を放射測温により連続的に測定する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
転炉、ＡＯＤ炉等による精錬では、溶鋼中に上吹きランスおよび底吹き羽口から酸素ガス（以後、単に酸素という）を吹き込むことで、特に[Ｃ]を酸化させて除去するとともに、酸化による発熱反応により高温の溶鋼を造る処理が行なわれる。溶鋼温度は精錬制御と製造した鋼の品質造り込みの両面で重要であり、溶鋼温度を連続的に把握し、鋼種ごとに定められた温度推移パターンにコントロールすることは精錬を効率よく行う上で重要である。
【０００３】
溶鋼温度を連続的に測定する方法として、例えば、特開昭６０−１２９６２８号公報や特開昭６１−１７９１９号公報には、転炉や取鍋の耐火物を貫通した測温用羽口の後端に放射温度計を設け、測温用羽口から溶鋼にガスを噴出させながら、羽口先端に面する溶鋼の熱放射光から溶鋼温度を測定する方法が開示されている。しかしながら、これらの方法では羽口から噴出するガスにより、羽口先端近傍の耐火物及び溶鋼界面が常に冷却されるため、羽口先端付近にマッシュルームと呼ばれる凝固した鋼が生成し、その成長により羽口閉塞が頻発する。その結果、放射温度計は溶鋼より温度が低いマッシュルームを観測することになり、測定値に大きな誤差を生じる。
【０００４】
マッシュルームを溶解する方法として、吹き込むガスに酸素を混合し、酸化反応熱によりマッシュルームを溶解させる方法が考えられるが、この方法で溶鋼温度の上昇により羽口の溶損が急激に進行して測温できなくなることがわかった。一方、マッシュルームの成長を抑える方法として不活性ガスの流量を少なくすることで溶鋼界面の冷却を極力抑える方法が考えられるが、流量が不足すると羽口内に溶鋼が進入して受光器が破壊されるばかりか、溶鋼が外部に流出すると重大事故を引き起こす。
【０００５】
測温用羽口内への溶鋼の進入を防止する方法として、特開平１１−２８１４８５号公報には、測温用羽口の内径を３〜５ｍｍとし、かつ測温用羽口から溶鋼に向けて噴出させる不活性ガスの流量を、羽口先端でマッシュルームが成長せず、かつ溶鋼進入がない範囲とする方法が開示されている。
【０００６】
しかしながら、この方法では、羽口内径が３〜５ｍｍと非常に小さく、かつ羽口が貫通する耐火物の厚みが１ｍ前後もあることから、耐火物の熱変形により羽口に曲がりが生じると、観察できる視野を十分に確保できないという問題がある。また、精錬炉では酸素吹き込みによる発熱と冷却材等の添加による抜熱のアンバランスにより溶鋼温度変化が大きいため、マッシュルームによる羽口先端の閉塞を完全に防止できないという問題があり、羽口開口のために酸素を吹き込んだ場合は、この方法で用いる羽口は単管であるため、羽口の溶損が急激に進行して測温できなくなることがわかった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、精錬炉の炉壁を貫通して設けた測温用羽口から溶鋼に不活性ガスを吹き込みながら該羽口の先端に面する溶鋼の熱放射から溶鋼温度を連続的に測定する方法において、該羽口に曲がりが生じた場合でも観察視野を十分に確保し、また、マッシュルームの成長による羽口閉塞を極力低減し、さらには、羽口閉塞が生じた場合でもマッシュルームを酸素により溶解できるように構成することにより、溶鋼の連続測温を１炉代通して可能とすることを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決する本発明による測温用羽口のガス吹き込み方法は、
（１）溶鋼の脱炭精錬において、精錬炉の炉壁及び／又は炉底を貫通して設けた測温用羽口から溶鋼に不活性ガスを吹き込みながら該測温用羽口の先端に面する溶鋼の熱放射光から溶鋼温度を連続的に測定する方法において、前記測温用羽口を内管と外管の二重管で形成し、該内管のガス流速を４００m/sec以上とし、前記外管のガス圧力を２．５kg/cm 2 以上とし、前記脱炭精錬の初期、末期および前記内管のガス圧力が定常時の圧力よりも０．５kg/cm2以上２．０kg/cm2以下上昇したときに、該内管に酸素ガスを吹き込むとともに、内管のガス圧力を１５kg/cm2以上とし、かつガス流量を前記外管のガス流量との比で３０以下とすることを特徴とする。
（２）前記不活性ガスが、Ａｒガスまたは窒素ガスまたはこれらの混合ガスであるか、または、前記内管の内径が、８ｍｍφ以上であることを特徴とする。
（３）前記測温用羽口の先端に溶鋼が存在しないときは、該測温用羽口から空気を吹込むことを特徴とする。
【０００９】
従来、測温用羽口を単管とし、成長したマッシュルームの溶解のために吹き込むガスに酸素を混合した場合には、羽口の溶損が急激に進行して測定が不可能となっていた。本発明においては、測温用羽口を二重管とし、マッシュルームが成長した場合には、外管のガスは不活性ガスとしたまま内管のガスを酸素に切り替えることにより、羽口溶損を起こさずにマッシュルームを溶解することが可能になり、羽口寿命を改善することができた。さらに、羽口への溶鋼の差し込みが起こらないための最適なガス吹き込み条件を明らかにし、安定した開口条件が得られた。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細な内容について説明する。
図１は、溶鋼温度を連続的に測定する装置を模式的に示す図であり、図２は図１に示す測温用羽口の部分を拡大して示す断面図である。図２に示すように、内管１と外管２の二重管で形成された測温用羽口３は精錬炉４の鉄皮５及び耐火物６を貫通し、その先端が溶鋼７に達するように配設されている。図１に示すように、測温用羽口３の後端に取り付けられた測温治具８には内管１に連なる不活性ガス管及び酸素ガス管９と、外管２に連なる不活性ガス管１０が連結されており、各管９及び１０は圧力計および流量調節弁を有しており、吹き込むガスの種類および流量を任意に調整可能である。
【００１１】
図２に示す測温用羽口３の内管１および外管２にはＡｒガスや窒素ガス等の不活性ガスが吹き込まれる結果、溶鋼７と接する羽口先端部で気泡柱１３が形成される。放射測温による連続測温では、この気泡柱１３を通して観察される熱放射光より溶鋼温度を測定することになる。
【００１２】
気泡柱１３を通して得られた熱放射光は、図１のイメージファイバー１２を通してＣＣＤカメラ１１により撮影され、カメラケーブル１４を通して画像処理装置１５に送られる。画像処理装置１５は得られた画像の処理を行って溶鋼温度の演算を行うとともに、測温用羽口３から溶鋼に供給されているガスによる冷却分の補正を行い、溶鋼温度を出力する。
【００１３】
図２の内管１及び外管２に供給されるガスが不活性ガスのみの場合は、溶鋼７が冷却され、外管２の先端部よりマッシュルーム１６が成長し始める。溶鋼の冷却が極端に強く溶鋼温度が低い場合には、マッシュルーム１６は内管１側にも成長し、内管１の先端から溶鋼７を観察できなくなる。このような場合は、測温用羽口３の内管１から溶鋼に向けて酸素を噴出させることにより、マッシュルーム１６を溶解することができる。このとき、外管２から冷却ガスとして不活性ガスが噴出しているので測温用羽口３の溶損を防止できる。なお、測温中において内管１及び外管２に供給する不活性ガスとしてＡｒガス及び窒素ガスを用いたが、この外に ＣＯガス等を用いてもよい。また、測温用羽口３の先端に溶鋼が存在しないとき、具体的には、精錬を終了して出鋼のために精錬炉４を傾けることで測温用羽口３が溶鋼７から露出した後、出鋼を完了し次の精錬のために受鋼するまでの間の、測温用羽口３が溶鋼７から露出している間は、測温用羽口３から吹込むガスをＡｒガスや窒素ガスに代えて空気を吹込むことで、高価な不活性ガスの消費量を少なくしてガスコストの削減を達成することができる。
【００１４】
測温用羽口３の内管１から溶鋼に向けて酸素を噴出させることにより、マッシュルーム１６を溶解することができるが、酸素を噴出させている間は溶鋼温度が高くなるため、定常時の測温ができない。そのため、マッシュルームの成長を極力抑える必要があるが、マッシュルームの成長を抑えるために、内管１および外管２から吹き込むガスの流量あるいは圧力を小さくした場合、ないしは溶鋼流動により気泡柱１３が安定しない場合には、外管２あるいは内管１内に溶鋼が差し込む現象が起きて溶鋼７の熱放射光を観察できなくなり、この場合、内管から酸素を吹き込んでも差し込んだ鋼を溶解できない。このような場合は、後述するように、内管のガス流速及び外管のガス圧力を所定値以上に高めることにより外管２あるいは内管１内への溶鋼の差し込みを防止することができる。
【００１５】
本発明者らは、図１の装置において、精錬炉にＡＯＤ炉を採用し、外管と内径が８ｍｍφ以上の内管の二重管からなる測温用羽口を用いたＳＵＳ３０４ステンレス鋼（18mass％Cr−8mass％Ni）の精錬中において、内管および外管への溶鋼の差し込みを完全に防止する条件を検討した。
【００１６】
内管内径を８ｍｍφ以上としたのは、測温用羽口を精錬炉に施工した場合、炉の耐火物の熱変形により最大５ｍｍ程度の曲がりを生ずることから、内管内径が８ｍｍφ以上であれば、観察視野を十分確保でき、安定して測温を行えることによる。
【００１７】
図３に内管のガス流速と１００チャージ当たりの溶鋼差し込み頻度の関係を示す。なお、外管のガス吹き込みは２．５kg/cm2以上の圧力で行い、内管のガス流速は内管からのガス吹き込み流量（標準状態）を内管の断面積で除して求めた。また、溶鋼差し込みの有無は、前記画像処理装置での画像より判断した。
【００１８】
図３より、内管のガス流速が４００m/sec以上では溶鋼の差し込みは全く起こらない。これは、ガス流速が大きい場合にはジェット流を形成し、羽口先端での気泡柱が安定した状態となり、溶鋼が入り込めないためである。内管ガス流速が４００m/sec未満では流速の低下に伴い、溶鋼の差し込み頻度が増大する。以上より、内管から吹き込むガス流速は４００m/sec以上が必要である。なお、ガス流速があまり大きいと、ガスによる冷却能が大きくなってマッシュルームが成長し易くなること、および吹き込むガス流量が増大することになり、ガスコストの増大を招くことになることから、内管のガス流速は７００m/sec以下が望ましい。
【００１９】
図４に外管のガス圧力と１００チャージ当たりの溶鋼差し込み頻度の関係を示す。なお、内管のガス流速は４００m/sec〜７００m/secの範囲で行った。溶鋼差し込み頻度を外管のガス圧力を用いて評価した理由は、外管には内管とのクリアランスを維持するために、リブ加工等が施されているため、流速が管内で均一にならないことにより、溶鋼の差込みが発生することを考慮したものである。
【００２０】
図４より、外管ガスの圧力が２．５kg/cm2以上では溶鋼の差し込みは全く起こらない。これは前述の内管のガス流速の考え方と同様である。また、外管ガスの圧力が５．０kg/cm2以上では冷却能が大きくなってマッシュルームが成長し易くなること、およびガスコストの増大を招くことから、この値以下とすることが望ましい。
【００２１】
以上より、内管のガス流速を４００m/sec以上、外管ガスの圧力を２．５kg/cm2以上とすることで、溶鋼の測温用羽口への差し込みを完全に抑え、安定した開口状態が得られることを確認した。
【００２２】
本発明者らは、次に不可避的に発生するマッシュルームによる羽口の閉塞傾向を回復する手段として、内管からの酸素の吹き込みを行うことを考え、酸素吹き込みにより閉塞傾向を完全に回復する条件の検討した。
【００２３】
図５に精錬炉で脱炭精錬を行った場合の脱炭精錬開始からの経過時間と内管の羽口開口面積率および溶鋼の測定温度と凝固点温度の差の関係を示す。なお、この場合の脱炭精錬は４０minにて終了し、測温用羽口からは内管および外管ともに不活性ガスのみの供給を行った。なお、羽口開口面積率は、画像処理装置の画像から内管の実際の開口面積を完全開口状態での面積で除した値であり、また、凝固点温度は各時間毎で溶鋼のサンプリングを行って組成分析を行い、組成より計算で求めた温度である。
【００２４】
図５より、脱炭精錬の初期と末期において、溶鋼の測定温度と凝固点温度の差（以後、ΔＴという）が小さいことから、測温用羽口のマッシュルームによる閉塞傾向が認められる。ΔＴが小さいことは溶鋼を冷却した場合、容易に凝固することを意味するから、マッシュルームが容易に成長し、羽口の閉塞傾向が認められることになる。
【００２５】
脱炭精錬の初期では、[Ｃ]濃度が高く凝固点温度は1350℃程度と低いが、溶鋼温度も1500℃程度と低いためにΔＴが小さくなる。一方、脱炭精錬の末期では、溶鋼温度は1700℃近傍と高いが、[Ｃ]濃度が下がることで凝固点温度が1500℃近傍まで上昇するためにΔＴが小さくなる。従って、脱炭精錬の初期と末期ではマッシュルームが成長し易く、測温用羽口が閉塞傾向を示すことになる。このような場合に、測温用羽口の内管より酸素を吹き込むことで、酸化発熱によりマッシュルームを溶解し、羽口を開口状態にすることが可能になる。なお、脱炭精錬の初期とは脱炭精錬開始から５ｍｉｎ以内、脱炭末期は脱炭終了までの５ｍｉｎ以内が適正である。
【００２６】
図６に脱炭精錬期の不定期に酸素吹き込みによる羽口の開口操作を行った場合の、酸素吹き込み前の内管圧力と定常の内管圧力との差（以後、ΔＰという）と酸素吹き込み後の羽口開口面積率の関係を示す。なお、定常の内管圧力とは殆どマッシュルームの生成がない場合の内管圧力を指し、この値は溶鋼量、羽口長さあるいは溶鋼温度により若干の変動がある。なお、ΔＰは内管から酸素の吹き込みのない場合には、脱炭精錬中マッシュルームが徐々に成長するために、次第に大きくなってくる。
【００２７】
図６より、ΔＰが２．０kg/cm2以下であれば、酸素吹き込み後の羽口開口面積率は１．０であり、羽口は殆ど開口状態となるが、２．０kg/cm2以上では酸素吹き込みを行っても羽口は完全には開口しない。これは、酸素吹き込み前のΔＰが大きいことは、マッシュルームが大きく成長していることを意味し、この状態で酸素吹き込みを行っても完全にマッシュルームを溶解できないことによる。従って、酸素吹き込みによる羽口の開口操作を行う場合には、ΔＰが２．０kg/cm2以下で行う必要がある。なお、ΔＰが小さい場合には、容易に酸素吹き込みによる羽口の開口が可能であるが、あまり小さい値で酸素吹き込みを行うことは、精錬中頻繁に酸素吹き込みを行うことになり、連続測温が中断されることになるため、ΔＰが０．５kg/cm2以上で酸素吹き込みを行うことが必要である。
【００２８】
図７に内管からの酸素吹き込みによる羽口の開口操作を行った時の、内管酸素と外管Ａｒガスの流量比（以後、単に流量比という）と羽口溶損指数の関係を示す。羽口溶損指数は流量比３０で開口操作を行った場合の羽口溶損長さを１として比例換算した値である。
【００２９】
図７より、流量比が３０を超えると急激に羽口溶損指数が増大する。これは、内管から酸素を吹き込む場合、管自体の発熱・溶解を抑えるために、外管から不活性ガスを供給し冷却する必要があるが、流量比が３０を超えると、不活性ガスが不足して冷却量が足りなくなり、羽口の溶損が起きるためである。そのため、流量比を３０以下にする必要がある。なお、通常、精錬炉で使用されている酸素の圧力は２０kg/cm2程度であり、１５kg/cm2以上を確保しているから、マッシュルームの溶解は容易に行えるが、試験溶解炉等で用いられている１５kg/cm2未満の圧力ではマッシュルームの溶解が不十分になる場合があることが確認された結果、内管から吹き込む酸素の圧力は１５kg/cm2以上とする必要がある。
【００３０】
以上より、精錬炉の炉壁及び／又は炉底を貫通して設けた測温用羽口から溶鋼に不活性ガスを吹き込みながら該測温用羽口の先端に面する溶鋼の熱放射光から溶鋼温度を連続的に測定する方法において、観察視野を十分に確保するためには測温用羽口の内管の内径を８ｍｍφ以上とし、測温用羽口への溶鋼の差し込みを完全に抑えるためには内管のガス流速を４００m/sec以上とし、かつ外管のガス圧力を２．５kg/cm2以上とする必要がある。
【００３１】
また、不可避的に起きるマッシュルームによる内管の閉塞傾向を解消するためには、脱炭精錬の初期、末期および内管のガス圧力が定常の圧力よりも０．５kg/cm2以上２．０kg/cm2以下上昇した時に、内管の酸素ガス圧力を１５kg/cm2以上とし、かつ流量を外管ガスとの流量比で３０以下とする必要がある。
【００３２】
【実施例】
図１に示す連続測温装置を用いて、60tonＡＯＤ炉でのＳＵＳ３０４ステンレス鋼（18mass％Cr−8mass％Ni）の精錬において連続測温を実施した。ＡＯＤ炉での精錬は電気炉にて溶解した粗溶鋼（[Ｃ]＝約2.0mass％，[Si]＝約0.3mass％，[Ni]＝約8.0mass％，[Cr]＝約19mass％，温度＝約1450℃）55tonを装入した後、精錬羽口からの酸素および不活性ガスの吹き込みにより脱炭精錬を実施し、目標[Ｃ]濃度（約0.04mass％）までの脱炭後、還元剤および造滓剤を添加し、還元精錬を実施した。還元精錬後、取鍋に溶鋼を出鋼し、１チャージの精錬を終了した。このような操作を繰り返し、１炉代（約300チャージ）の精錬を実施した。
【００３３】
なお、連続測温羽口には内管内径１０ｍｍφ、内管肉厚１ｍｍ、内管と外管のクリアランス１ｍｍ、外管肉厚１ｍｍの二重管羽口を用い、使用する不活性ガスは精錬用羽口で使用されるガスと同じ不活性ガスを使用した。また、各ガス吹き込み条件で、各１０チャージ連続の精錬を行い、羽口状況の観察を行った。内管のガス流速については、標準状態におけるガス流量をノズル先端断面積で割ることによって算出した。
【００３４】
表１に実施結果について、測温羽口の内管ガスの流速、外管ガスの圧力、マッシュルームによる閉塞傾向がある場合の酸素吹込みの有無及び酸素圧力、酸素吹込み時の内管圧力と定常圧力の差、酸素吹込み時の内管酸素と外管ガスの流量比を示す。なお、酸素吹込み時の内管からの酸素の吹き込み圧力は２０kg/cm2であった。表１のNo.1〜No.5の例は本発明例、No.6〜No.10の例は本発明の条件外の例を示す。
【００３５】
【表１】
【００３６】
表２に実施結果について、１０チャージ連続しての測温可否、羽口への溶鋼の差し込み有無、１チャージ当たりの酸素吹込み回数、１チャージ当たりの測温可能な時間比率および羽口の溶損指数を示す。なお、羽口溶損指数はNo.1の例を１として比例換算した値である。
【００３７】
【表２】
【００３８】
本発明例では１０チャージ連続しての連続測温が可能であり、溶鋼の差し込みが少なく、安定した酸素吹込みによる開口操作が行えるために、連続測温が可能な時間比率も0.85以上と高く、羽口の溶損量も低位安定する。一方、比較例では、溶鋼の差し込みが起きてしまい、かつ酸素吹込みによる開口操作も不安定であるために、１０チャージ通して連続測温できた例が少なく、できた場合は測温可能な時間比率が非常に小さいか、あるいは羽口の溶損量が非常に大きい等の問題を生じる。また、測温用羽口３が溶鋼７から露出して測温用羽口３の先端に溶鋼が存在しないときの間、測温用羽口３から空気を吹込んだ本発明例では、この間でＡｒガスを吹込んだ場合と比べて、１ケ月当たりのＡｒガス消費量を１５％ほど節約できた。
【００３９】
【発明の効果】
本発明の測温用羽口のガス吹き込み方法を採用することで、安定した連続測温が可能になり、連続測温値を用いた精錬制御がはかれるために、精錬コストの低減および生産性の向上をはかることが可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】放射測温による連続測温装置の装置構成の模式図である。
【図２】図１の測温用羽口の部分を拡大して示す断面図である。
【図３】連続測温用羽口の内管ガスの流速と溶鋼の差し込み発生頻度の関係を示す図である。
【図４】連続測温用羽口の外管ガスの圧力と溶鋼の差し込み発生頻度の関係を示す図である。
【図５】脱炭精錬開始からの時間と連続測温用羽口の開口面積率および溶鋼温度と凝固点温度の差の関係を示す図である。
【図６】連続測温用羽口の酸素吹き込み前の内管圧力の定常圧力の差と酸素吹き込み後の羽口開口面積率の関係を示す図である。
【図７】連続測温用羽口の内管酸素と外管Ａｒガスとの流量比と羽口溶損指数の関係を示す図である。
【符号の説明】
１：内管
２：外管
３；測温用羽口
４；精錬炉
５：精錬炉鉄皮
６；耐火物
７：溶鋼
８；測温治具
９：不活性ガス管及び酸素ガス管
１０；不活性ガス管
１１； ＣＣＤカメラ
１２：イメージファイバー
１３：気泡柱
１４：カメラケーブル
１５：画像処理装置
１６：マッシュルーム
１７：スラグ
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐火物容器内の溶融金属の温度を連続的に測定する方法に関し、特に、転炉、ＡＯＤ炉などによる精錬において、溶鋼温度を放射測温により連続的に測定する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
転炉、ＡＯＤ炉等による精錬では、溶鋼中に上吹きランスおよび底吹き羽口から酸素ガス（以後、単に酸素という）を吹き込むことで、特に[Ｃ]を酸化させて除去するとともに、酸化による発熱反応により高温の溶鋼を造る処理が行なわれる。溶鋼温度は精錬制御と製造した鋼の品質造り込みの両面で重要であり、溶鋼温度を連続的に把握し、鋼種ごとに定められた温度推移パターンにコントロールすることは精錬を効率よく行う上で重要である。
【０００３】
溶鋼温度を連続的に測定する方法として、例えば、特開昭６０−１２９６２８号公報や特開昭６１−１７９１９号公報には、転炉や取鍋の耐火物を貫通した測温用羽口の後端に放射温度計を設け、測温用羽口から溶鋼にガスを噴出させながら、羽口先端に面する溶鋼の熱放射光から溶鋼温度を測定する方法が開示されている。しかしながら、これらの方法では羽口から噴出するガスにより、羽口先端近傍の耐火物及び溶鋼界面が常に冷却されるため、羽口先端付近にマッシュルームと呼ばれる凝固した鋼が生成し、その成長により羽口閉塞が頻発する。その結果、放射温度計は溶鋼より温度が低いマッシュルームを観測することになり、測定値に大きな誤差を生じる。
【０００４】
マッシュルームを溶解する方法として、吹き込むガスに酸素を混合し、酸化反応熱によりマッシュルームを溶解させる方法が考えられるが、この方法で溶鋼温度の上昇により羽口の溶損が急激に進行して測温できなくなることがわかった。一方、マッシュルームの成長を抑える方法として不活性ガスの流量を少なくすることで溶鋼界面の冷却を極力抑える方法が考えられるが、流量が不足すると羽口内に溶鋼が進入して受光器が破壊されるばかりか、溶鋼が外部に流出すると重大事故を引き起こす。
【０００５】
測温用羽口内への溶鋼の進入を防止する方法として、特開平１１−２８１４８５号公報には、測温用羽口の内径を３〜５ｍｍとし、かつ測温用羽口から溶鋼に向けて噴出させる不活性ガスの流量を、羽口先端でマッシュルームが成長せず、かつ溶鋼進入がない範囲とする方法が開示されている。
【０００６】
しかしながら、この方法では、羽口内径が３〜５ｍｍと非常に小さく、かつ羽口が貫通する耐火物の厚みが１ｍ前後もあることから、耐火物の熱変形により羽口に曲がりが生じると、観察できる視野を十分に確保できないという問題がある。また、精錬炉では酸素吹き込みによる発熱と冷却材等の添加による抜熱のアンバランスにより溶鋼温度変化が大きいため、マッシュルームによる羽口先端の閉塞を完全に防止できないという問題があり、羽口開口のために酸素を吹き込んだ場合は、この方法で用いる羽口は単管であるため、羽口の溶損が急激に進行して測温できなくなることがわかった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、精錬炉の炉壁を貫通して設けた測温用羽口から溶鋼に不活性ガスを吹き込みながら該羽口の先端に面する溶鋼の熱放射から溶鋼温度を連続的に測定する方法において、該羽口に曲がりが生じた場合でも観察視野を十分に確保し、また、マッシュルームの成長による羽口閉塞を極力低減し、さらには、羽口閉塞が生じた場合でもマッシュルームを酸素により溶解できるように構成することにより、溶鋼の連続測温を１炉代通して可能とすることを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決する本発明による測温用羽口のガス吹き込み方法は、
（１）溶鋼の脱炭精錬において、精錬炉の炉壁及び／又は炉底を貫通して設けた測温用羽口から溶鋼に不活性ガスを吹き込みながら該測温用羽口の先端に面する溶鋼の熱放射光から溶鋼温度を連続的に測定する方法において、前記測温用羽口を内管と外管の二重管で形成し、該内管のガス流速を４００m/sec以上とし、前記外管のガス圧力を２．５kg/cm 2 以上とし、前記脱炭精錬の初期、末期および前記内管のガス圧力が定常時の圧力よりも０．５kg/cm2以上２．０kg/cm2以下上昇したときに、該内管に酸素ガスを吹き込むとともに、内管のガス圧力を１５kg/cm2以上とし、かつガス流量を前記外管のガス流量との比で３０以下とすることを特徴とする。
（２）前記不活性ガスが、Ａｒガスまたは窒素ガスまたはこれらの混合ガスであるか、または、前記内管の内径が、８ｍｍφ以上であることを特徴とする。
（３）前記測温用羽口の先端に溶鋼が存在しないときは、該測温用羽口から空気を吹込むことを特徴とする。
【０００９】
従来、測温用羽口を単管とし、成長したマッシュルームの溶解のために吹き込むガスに酸素を混合した場合には、羽口の溶損が急激に進行して測定が不可能となっていた。本発明においては、測温用羽口を二重管とし、マッシュルームが成長した場合には、外管のガスは不活性ガスとしたまま内管のガスを酸素に切り替えることにより、羽口溶損を起こさずにマッシュルームを溶解することが可能になり、羽口寿命を改善することができた。さらに、羽口への溶鋼の差し込みが起こらないための最適なガス吹き込み条件を明らかにし、安定した開口条件が得られた。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細な内容について説明する。
図１は、溶鋼温度を連続的に測定する装置を模式的に示す図であり、図２は図１に示す測温用羽口の部分を拡大して示す断面図である。図２に示すように、内管１と外管２の二重管で形成された測温用羽口３は精錬炉４の鉄皮５及び耐火物６を貫通し、その先端が溶鋼７に達するように配設されている。図１に示すように、測温用羽口３の後端に取り付けられた測温治具８には内管１に連なる不活性ガス管及び酸素ガス管９と、外管２に連なる不活性ガス管１０が連結されており、各管９及び１０は圧力計および流量調節弁を有しており、吹き込むガスの種類および流量を任意に調整可能である。
【００１１】
図２に示す測温用羽口３の内管１および外管２にはＡｒガスや窒素ガス等の不活性ガスが吹き込まれる結果、溶鋼７と接する羽口先端部で気泡柱１３が形成される。放射測温による連続測温では、この気泡柱１３を通して観察される熱放射光より溶鋼温度を測定することになる。
【００１２】
気泡柱１３を通して得られた熱放射光は、図１のイメージファイバー１２を通してＣＣＤカメラ１１により撮影され、カメラケーブル１４を通して画像処理装置１５に送られる。画像処理装置１５は得られた画像の処理を行って溶鋼温度の演算を行うとともに、測温用羽口３から溶鋼に供給されているガスによる冷却分の補正を行い、溶鋼温度を出力する。
【００１３】
図２の内管１及び外管２に供給されるガスが不活性ガスのみの場合は、溶鋼７が冷却され、外管２の先端部よりマッシュルーム１６が成長し始める。溶鋼の冷却が極端に強く溶鋼温度が低い場合には、マッシュルーム１６は内管１側にも成長し、内管１の先端から溶鋼７を観察できなくなる。このような場合は、測温用羽口３の内管１から溶鋼に向けて酸素を噴出させることにより、マッシュルーム１６を溶解することができる。このとき、外管２から冷却ガスとして不活性ガスが噴出しているので測温用羽口３の溶損を防止できる。なお、測温中において内管１及び外管２に供給する不活性ガスとしてＡｒガス及び窒素ガスを用いたが、この外に ＣＯガス等を用いてもよい。また、測温用羽口３の先端に溶鋼が存在しないとき、具体的には、精錬を終了して出鋼のために精錬炉４を傾けることで測温用羽口３が溶鋼７から露出した後、出鋼を完了し次の精錬のために受鋼するまでの間の、測温用羽口３が溶鋼７から露出している間は、測温用羽口３から吹込むガスをＡｒガスや窒素ガスに代えて空気を吹込むことで、高価な不活性ガスの消費量を少なくしてガスコストの削減を達成することができる。
【００１４】
測温用羽口３の内管１から溶鋼に向けて酸素を噴出させることにより、マッシュルーム１６を溶解することができるが、酸素を噴出させている間は溶鋼温度が高くなるため、定常時の測温ができない。そのため、マッシュルームの成長を極力抑える必要があるが、マッシュルームの成長を抑えるために、内管１および外管２から吹き込むガスの流量あるいは圧力を小さくした場合、ないしは溶鋼流動により気泡柱１３が安定しない場合には、外管２あるいは内管１内に溶鋼が差し込む現象が起きて溶鋼７の熱放射光を観察できなくなり、この場合、内管から酸素を吹き込んでも差し込んだ鋼を溶解できない。このような場合は、後述するように、内管のガス流速及び外管のガス圧力を所定値以上に高めることにより外管２あるいは内管１内への溶鋼の差し込みを防止することができる。
【００１５】
本発明者らは、図１の装置において、精錬炉にＡＯＤ炉を採用し、外管と内径が８ｍｍφ以上の内管の二重管からなる測温用羽口を用いたＳＵＳ３０４ステンレス鋼（18mass％Cr−8mass％Ni）の精錬中において、内管および外管への溶鋼の差し込みを完全に防止する条件を検討した。
【００１６】
内管内径を８ｍｍφ以上としたのは、測温用羽口を精錬炉に施工した場合、炉の耐火物の熱変形により最大５ｍｍ程度の曲がりを生ずることから、内管内径が８ｍｍφ以上であれば、観察視野を十分確保でき、安定して測温を行えることによる。
【００１７】
図３に内管のガス流速と１００チャージ当たりの溶鋼差し込み頻度の関係を示す。なお、外管のガス吹き込みは２．５kg/cm2以上の圧力で行い、内管のガス流速は内管からのガス吹き込み流量（標準状態）を内管の断面積で除して求めた。また、溶鋼差し込みの有無は、前記画像処理装置での画像より判断した。
【００１８】
図３より、内管のガス流速が４００m/sec以上では溶鋼の差し込みは全く起こらない。これは、ガス流速が大きい場合にはジェット流を形成し、羽口先端での気泡柱が安定した状態となり、溶鋼が入り込めないためである。内管ガス流速が４００m/sec未満では流速の低下に伴い、溶鋼の差し込み頻度が増大する。以上より、内管から吹き込むガス流速は４００m/sec以上が必要である。なお、ガス流速があまり大きいと、ガスによる冷却能が大きくなってマッシュルームが成長し易くなること、および吹き込むガス流量が増大することになり、ガスコストの増大を招くことになることから、内管のガス流速は７００m/sec以下が望ましい。
【００１９】
図４に外管のガス圧力と１００チャージ当たりの溶鋼差し込み頻度の関係を示す。なお、内管のガス流速は４００m/sec〜７００m/secの範囲で行った。溶鋼差し込み頻度を外管のガス圧力を用いて評価した理由は、外管には内管とのクリアランスを維持するために、リブ加工等が施されているため、流速が管内で均一にならないことにより、溶鋼の差込みが発生することを考慮したものである。
【００２０】
図４より、外管ガスの圧力が２．５kg/cm2以上では溶鋼の差し込みは全く起こらない。これは前述の内管のガス流速の考え方と同様である。また、外管ガスの圧力が５．０kg/cm2以上では冷却能が大きくなってマッシュルームが成長し易くなること、およびガスコストの増大を招くことから、この値以下とすることが望ましい。
【００２１】
以上より、内管のガス流速を４００m/sec以上、外管ガスの圧力を２．５kg/cm2以上とすることで、溶鋼の測温用羽口への差し込みを完全に抑え、安定した開口状態が得られることを確認した。
【００２２】
本発明者らは、次に不可避的に発生するマッシュルームによる羽口の閉塞傾向を回復する手段として、内管からの酸素の吹き込みを行うことを考え、酸素吹き込みにより閉塞傾向を完全に回復する条件の検討した。
【００２３】
図５に精錬炉で脱炭精錬を行った場合の脱炭精錬開始からの経過時間と内管の羽口開口面積率および溶鋼の測定温度と凝固点温度の差の関係を示す。なお、この場合の脱炭精錬は４０minにて終了し、測温用羽口からは内管および外管ともに不活性ガスのみの供給を行った。なお、羽口開口面積率は、画像処理装置の画像から内管の実際の開口面積を完全開口状態での面積で除した値であり、また、凝固点温度は各時間毎で溶鋼のサンプリングを行って組成分析を行い、組成より計算で求めた温度である。
【００２４】
図５より、脱炭精錬の初期と末期において、溶鋼の測定温度と凝固点温度の差（以後、ΔＴという）が小さいことから、測温用羽口のマッシュルームによる閉塞傾向が認められる。ΔＴが小さいことは溶鋼を冷却した場合、容易に凝固することを意味するから、マッシュルームが容易に成長し、羽口の閉塞傾向が認められることになる。
【００２５】
脱炭精錬の初期では、[Ｃ]濃度が高く凝固点温度は1350℃程度と低いが、溶鋼温度も1500℃程度と低いためにΔＴが小さくなる。一方、脱炭精錬の末期では、溶鋼温度は1700℃近傍と高いが、[Ｃ]濃度が下がることで凝固点温度が1500℃近傍まで上昇するためにΔＴが小さくなる。従って、脱炭精錬の初期と末期ではマッシュルームが成長し易く、測温用羽口が閉塞傾向を示すことになる。このような場合に、測温用羽口の内管より酸素を吹き込むことで、酸化発熱によりマッシュルームを溶解し、羽口を開口状態にすることが可能になる。なお、脱炭精錬の初期とは脱炭精錬開始から５ｍｉｎ以内、脱炭末期は脱炭終了までの５ｍｉｎ以内が適正である。
【００２６】
図６に脱炭精錬期の不定期に酸素吹き込みによる羽口の開口操作を行った場合の、酸素吹き込み前の内管圧力と定常の内管圧力との差（以後、ΔＰという）と酸素吹き込み後の羽口開口面積率の関係を示す。なお、定常の内管圧力とは殆どマッシュルームの生成がない場合の内管圧力を指し、この値は溶鋼量、羽口長さあるいは溶鋼温度により若干の変動がある。なお、ΔＰは内管から酸素の吹き込みのない場合には、脱炭精錬中マッシュルームが徐々に成長するために、次第に大きくなってくる。
【００２７】
図６より、ΔＰが２．０kg/cm2以下であれば、酸素吹き込み後の羽口開口面積率は１．０であり、羽口は殆ど開口状態となるが、２．０kg/cm2以上では酸素吹き込みを行っても羽口は完全には開口しない。これは、酸素吹き込み前のΔＰが大きいことは、マッシュルームが大きく成長していることを意味し、この状態で酸素吹き込みを行っても完全にマッシュルームを溶解できないことによる。従って、酸素吹き込みによる羽口の開口操作を行う場合には、ΔＰが２．０kg/cm2以下で行う必要がある。なお、ΔＰが小さい場合には、容易に酸素吹き込みによる羽口の開口が可能であるが、あまり小さい値で酸素吹き込みを行うことは、精錬中頻繁に酸素吹き込みを行うことになり、連続測温が中断されることになるため、ΔＰが０．５kg/cm2以上で酸素吹き込みを行うことが必要である。
【００２８】
図７に内管からの酸素吹き込みによる羽口の開口操作を行った時の、内管酸素と外管Ａｒガスの流量比（以後、単に流量比という）と羽口溶損指数の関係を示す。羽口溶損指数は流量比３０で開口操作を行った場合の羽口溶損長さを１として比例換算した値である。
【００２９】
図７より、流量比が３０を超えると急激に羽口溶損指数が増大する。これは、内管から酸素を吹き込む場合、管自体の発熱・溶解を抑えるために、外管から不活性ガスを供給し冷却する必要があるが、流量比が３０を超えると、不活性ガスが不足して冷却量が足りなくなり、羽口の溶損が起きるためである。そのため、流量比を３０以下にする必要がある。なお、通常、精錬炉で使用されている酸素の圧力は２０kg/cm2程度であり、１５kg/cm2以上を確保しているから、マッシュルームの溶解は容易に行えるが、試験溶解炉等で用いられている１５kg/cm2未満の圧力ではマッシュルームの溶解が不十分になる場合があることが確認された結果、内管から吹き込む酸素の圧力は１５kg/cm2以上とする必要がある。
【００３０】
以上より、精錬炉の炉壁及び／又は炉底を貫通して設けた測温用羽口から溶鋼に不活性ガスを吹き込みながら該測温用羽口の先端に面する溶鋼の熱放射光から溶鋼温度を連続的に測定する方法において、観察視野を十分に確保するためには測温用羽口の内管の内径を８ｍｍφ以上とし、測温用羽口への溶鋼の差し込みを完全に抑えるためには内管のガス流速を４００m/sec以上とし、かつ外管のガス圧力を２．５kg/cm2以上とする必要がある。
【００３１】
また、不可避的に起きるマッシュルームによる内管の閉塞傾向を解消するためには、脱炭精錬の初期、末期および内管のガス圧力が定常の圧力よりも０．５kg/cm2以上２．０kg/cm2以下上昇した時に、内管の酸素ガス圧力を１５kg/cm2以上とし、かつ流量を外管ガスとの流量比で３０以下とする必要がある。
【００３２】
【実施例】
図１に示す連続測温装置を用いて、60tonＡＯＤ炉でのＳＵＳ３０４ステンレス鋼（18mass％Cr−8mass％Ni）の精錬において連続測温を実施した。ＡＯＤ炉での精錬は電気炉にて溶解した粗溶鋼（[Ｃ]＝約2.0mass％，[Si]＝約0.3mass％，[Ni]＝約8.0mass％，[Cr]＝約19mass％，温度＝約1450℃）55tonを装入した後、精錬羽口からの酸素および不活性ガスの吹き込みにより脱炭精錬を実施し、目標[Ｃ]濃度（約0.04mass％）までの脱炭後、還元剤および造滓剤を添加し、還元精錬を実施した。還元精錬後、取鍋に溶鋼を出鋼し、１チャージの精錬を終了した。このような操作を繰り返し、１炉代（約300チャージ）の精錬を実施した。
【００３３】
なお、連続測温羽口には内管内径１０ｍｍφ、内管肉厚１ｍｍ、内管と外管のクリアランス１ｍｍ、外管肉厚１ｍｍの二重管羽口を用い、使用する不活性ガスは精錬用羽口で使用されるガスと同じ不活性ガスを使用した。また、各ガス吹き込み条件で、各１０チャージ連続の精錬を行い、羽口状況の観察を行った。内管のガス流速については、標準状態におけるガス流量をノズル先端断面積で割ることによって算出した。
【００３４】
表１に実施結果について、測温羽口の内管ガスの流速、外管ガスの圧力、マッシュルームによる閉塞傾向がある場合の酸素吹込みの有無及び酸素圧力、酸素吹込み時の内管圧力と定常圧力の差、酸素吹込み時の内管酸素と外管ガスの流量比を示す。なお、酸素吹込み時の内管からの酸素の吹き込み圧力は２０kg/cm2であった。表１のNo.1〜No.5の例は本発明例、No.6〜No.10の例は本発明の条件外の例を示す。
【００３５】
【表１】
表２に実施結果について、１０チャージ連続しての測温可否、羽口への溶鋼の差し込み有無、１チャージ当たりの酸素吹込み回数、１チャージ当たりの測温可能な時間比率および羽口の溶損指数を示す。なお、羽口溶損指数はNo.1の例を１として比例換算した値である。
【００３７】
【表２】
本発明例では１０チャージ連続しての連続測温が可能であり、溶鋼の差し込みが少なく、安定した酸素吹込みによる開口操作が行えるために、連続測温が可能な時間比率も0.85以上と高く、羽口の溶損量も低位安定する。一方、比較例では、溶鋼の差し込みが起きてしまい、かつ酸素吹込みによる開口操作も不安定であるために、１０チャージ通して連続測温できた例が少なく、できた場合は測温可能な時間比率が非常に小さいか、あるいは羽口の溶損量が非常に大きい等の問題を生じる。また、測温用羽口３が溶鋼７から露出して測温用羽口３の先端に溶鋼が存在しないときの間、測温用羽口３から空気を吹込んだ本発明例では、この間でＡｒガスを吹込んだ場合と比べて、１ケ月当たりのＡｒガス消費量を１５％ほど節約できた。
【００３９】
【発明の効果】
本発明の測温用羽口のガス吹き込み方法を採用することで、安定した連続測温が可能になり、連続測温値を用いた精錬制御がはかれるために、精錬コストの低減および生産性の向上をはかることが可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】放射測温による連続測温装置の装置構成の模式図である。
【図２】図１の測温用羽口の部分を拡大して示す断面図である。
【図３】連続測温用羽口の内管ガスの流速と溶鋼の差し込み発生頻度の関係を示す図である。
【図４】連続測温用羽口の外管ガスの圧力と溶鋼の差し込み発生頻度の関係を示す図である。
【図５】脱炭精錬開始からの時間と連続測温用羽口の開口面積率および溶鋼温度と凝固点温度の差の関係を示す図である。
【図６】連続測温用羽口の酸素吹き込み前の内管圧力の定常圧力の差と酸素吹き込み後の羽口開口面積率の関係を示す図である。
【図７】連続測温用羽口の内管酸素と外管Ａｒガスとの流量比と羽口溶損指数の関係を示す図である。
【符号の説明】
１：内管
２：外管
３；測温用羽口
４；精錬炉
５：精錬炉鉄皮
６；耐火物
７：溶鋼
８；測温治具
９：不活性ガス管及び酸素ガス管
１０；不活性ガス管
１１； ＣＣＤカメラ
１２：イメージファイバー
１３：気泡柱
１４：カメラケーブル
１５：画像処理装置
１６：マッシュルーム
１７：スラグ
Claims (4)
- 溶鋼の脱炭精錬において、精錬炉の炉壁及び／又は炉底を貫通して設けた測温用羽口から溶鋼に不活性ガスを吹き込みながら該測温用羽口の先端に面する溶鋼の熱放射光から溶鋼温度を連続的に測定する方法において、前記測温用羽口を内管と外管の二重管で形成し、該内管のガス流速を４００m/sec以上とし、前記外管のガス圧力を２．５kg/cm 2 以上とし、前記脱炭精錬の初期、末期および前記内管のガス圧力が定常時の圧力よりも０．５kg/cm2以上２．０kg/cm2以下上昇したときに、該内管に酸素ガスを吹き込むとともに、内管のガス圧力を１５kg/cm2以上とし、かつガス流量を前記外管のガス流量との比で３０以下とすることを特徴とする測温用羽口のガス吹き込み方法。
- 前記不活性ガスが、Ａｒガスまたは窒素ガスまたはこれらの混合ガスであることを特徴とする請求項１に記載の測温用羽口のガス吹き込み方法。
- 前記内管の内径が、８ｍｍφ以上であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の測温用羽口のガス吹き込み方法。
- 前記測温用羽口の先端に溶鋼が存在しないときは、該測温用羽口から空気を吹込むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の測温用羽口のガス吹き込み方法。
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