JP4806863B2

JP4806863B2 - Ｒｈ真空脱ガス装置における溶鋼の精錬方法

Info

Publication number: JP4806863B2
Application number: JP2001178621A
Authority: JP
Inventors: 剛村井; 英寿松野; 栄司櫻井; 善幸中村; 篤史角田
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2001-06-13
Filing date: 2001-06-13
Publication date: 2011-11-02
Anticipated expiration: 2021-06-13
Also published as: JP2002363636A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＲＨ真空脱ガス装置における溶鋼の精錬方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＲＨ真空脱ガス装置は、真空槽とその下部に設けられた２本の浸漬管（上昇側浸漬管及び下降側浸漬管）とを備えている。このＲＨ真空脱ガス装置を用いて溶鋼を精錬する際には、取鍋内に収容された溶鋼中に２本の浸漬管を浸漬し、真空槽の内部を減圧して溶鋼を浸漬管内に引き上げ、そして上昇側浸漬管に設けられたガス吹き込みノズルからＡｒ等の不活性ガスを吹込み、ガスリフトポンプの原理により溶鋼を上昇させて真空槽内に送り込み、真空槽内で真空処理を行い、下降側浸漬管から取鍋内に戻している。このようにして溶鋼を取鍋と真空槽との間を環流させることにより連続的に真空精錬を行っている。
【０００３】
このＲＨ真空脱ガス装置において処理能力及び処理効率を増大させるには、溶鋼の単位時間当たりの環流量を増大させることが必要である。
【０００４】
溶鋼の環流量は、浸漬管の内径、環流用不活性ガスの流量、真空槽内と大気との圧力差等に依存することが経験的に分かっており、従来、浸漬管内径の拡大や環流用不活性ガス流量の増加により環流量の増加が図られてきた。しかし、浸漬管内径の拡大は大幅な設備改造を伴い、設備費の増大を招き、又、拡大するにしても真空槽の大きさにより自ずと限界がある。環流用不活性ガス流量の増加は効果があるものの、Ａｒ等の不活性ガスは高価であり、又、或る限界以上に増大させると逆に溶鋼環流量を減少させると云う問題もある。
【０００５】
これらの対策とは別に、浸漬管内の溶鋼流を制御することにより環流量を増大させる方法も提案されている。例えば、特開平３−３６２０９号公報には、上昇側浸漬管に設置するガス吹き込みノズルの吐出方向を浸漬管の中心に向かう方向から測方へ傾斜させ、浸漬管内の溶鋼上昇流に旋回流を発生させる方法が開示され、又、特開平５−１３１９号公報には、上昇側浸漬管に設置するガス吹き込みノズルの吐出方向を水平方向から２０〜５０°上向きに配置して、溶鋼を環流させる方法が開示されている。これらの方法によれば、浸漬管内径の拡大や環流用不活性ガス流量の増加をすることなく環流量を増加させることができるが、どちらの方法もガス吹き込みノズルの向きが特殊であるため、耐火物の施行、製作にかなりの技術が必要である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで上昇側浸漬管には、通常複数個のガス吹きノズルが設置されており、ガス吹きノズルの個数も溶鋼環流量に影響を及ぼすことは明らかである。即ち、環流用不活性ガス流量が同一であっても、ガス吹きノズル個数が少な過ぎる場合にはガス気泡が大きくなり、ガスの吹き抜けが生じて溶鋼の環流を阻害し、一方、ガス吹きノズルの個数が多過ぎる場合にはガス吹きノズルからのガスの吐出流速が遅くなり、吹き込まれたガスは浸漬管内壁を伝わって上昇し、溶鋼の環流に効果がないばかりか、浸漬管内壁の溶損を促進させてしまう。又、同様に、ガス吹きノズルの内径も、ガス吹きノズルからのガスの吐出流速を左右すると云う観点から考えると、溶鋼環流量に影響を及ぼすことは明らかである。
【０００７】
このように、ガス吹きノズルの個数及びその内径は溶鋼の環流に対して重要な要素であり、溶鋼環流量を増大させる場合には、環流用不活性ガスの流量や浸漬管内径と同様に考慮すべきであるが、上記公報を始めとして従来、溶鋼環流量を増大させる観点からガス吹きノズルの個数及びその内径について配慮された報告はない。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みなされたもので、その目的とするところは、ＲＨ真空脱ガス装置を用いて溶鋼を精錬する際に、上昇側浸漬管の内径及び環流用不活性ガス流量のみならず、ガス吹き込みノズルの内径及び設置個数をも配慮した適正な条件で溶鋼を環流させ、効率の良い精錬を行うことができる精錬方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は上記課題を解決するために鋭意検討を実施した。以下に検討結果を説明する。
【００１０】
前述したように、ガス吹き込みノズル個数が少な過ぎると、ノズル１本当たりのガス流量が増大し過ぎてガスの吹き抜けが起こり、溶鋼の環流を阻害する。一方、ガス吹き込みノズル個数が多過ぎると、ノズル１本当たりのガス流量が減少し過ぎてガスが浸漬管側壁を伝わってしまい、溶鋼の環流に有効に作用しない。
【００１１】
これらの現象から判断して、ガスリフトポンプの原理により溶鋼を環流させる際には、ガス吹き込みノズルから吹き込まれる環流用不活性ガスの水平方向到達距離が溶鋼の環流に影響を及ぼすことが類推できる。
【００１２】
この不活性ガスの水平方向到達距離は、文献１において、下記の（２）式により表されると提唱されている（文献１：鉄と鋼，1979，A133）。但し、（２）式において、Ｌ：水平方向到達距離（ｍ）、ｄ：ガス吹き込みノズルの内径（ｍ）、ρ_g ：環流用不活性ガスの密度（kg/m³ ）、ρ_l ：溶鋼の密度（kg/m³ ）、Ｖ：ガス吹き込みノズル出口におけるガス流速（m/sec ）、ｇ：重力加速度（m/sec²）である。
【００１３】
【数１】

【００１４】
この場合、ガス吹き込みノズル出口におけるガス流速（Ｖ）は下記の（３）式で表すことができる。但し、（３）式において、Ｇ：環流用不活性ガスの流量（m³/sec）、ｎ：ガス吹き込みノズルの個数である。
【００１５】
【数２】

【００１６】
（２）式に（３）式を代入して整理すると、下記の（４）式が得られる。
【００１７】
【数３】

【００１８】
このようにして定められる不活性ガスの水平方向到達距離（Ｌ）が上昇側浸漬管の内径（Ｄ）に対して大き過ぎても、又、小さ過ぎても溶鋼環流を阻害すると考えられる。そこで、上昇側浸漬管の内径（Ｄ）と水平方向到達距離（Ｌ）との比（Ｄ／Ｌ）を種々変更した試験を実施し、この比（Ｄ／Ｌ）が溶鋼環流に及ぼす影響を調査した。
【００１９】
ここで、上昇側浸漬管の内径（Ｄ）と水平方向到達距離（Ｌ）との比（Ｄ／Ｌ）は下記の（５）式で表すことができる。
【００２０】
【数４】

【００２１】
比（Ｄ／Ｌ）は、正確には上記（５）式で表されるが、（５）式の右辺を３／２乗し更に係数を除去して簡素化した下記の（６）式により表されるＺと比例関係が成立する。
【００２２】
【数５】

【００２３】
そこで、ＲＨ真空脱ガス装置を用いた溶鋼の精錬の際に、上昇側浸漬管の内径（Ｄ）、ガス吹き込みノズルの個数（ｎ）及び内径（ｄ）、環流用不活性ガス流量（Ｇ）を種々変化させて溶鋼の均一混合時間を測定し、（６）式で算出される計算値Ｚの均一混合時間に及ぼす影響を調査した。均一混合時間は、溶鋼にトレーサーとなる元素を微量添加してその濃度変化を測定し、元素を添加した時点から濃度が一定になった時点までとした。この場合、均一混合時間が短いほど溶鋼の環流が効率良く行われていることを示す。表１に溶鋼環流試験条件を示す。表１では、浸漬管内径（Ｄ）、ノズル内径（ｄ）及びガス流量（Ｇ）が同一な条件を１つの水準として表示して、計算値Ｚとノズル個数との関係を明示している。
【００２４】
【表１】

【００２５】
図１に、（６）式で算出される計算値Ｚと均一混合時間との関係を調査した結果を示す。この場合、計算値Ｚは環流用不活性ガスの密度ρ_g としてＡｒの密度である１．７８６kg/m³ を用い、溶鋼の密度ρ_l を７０００kg/m³ として計算した。図１に示すように、均一混合時間の絶対値には各水準で差が見られるが、どの水準においても、ノズル個数が多く計算値Ｚが１００以上の場合と、ノズル個数が少なく計算値Ｚが２０以下の場合には、均一混合時間が長くなることが分かった。即ち、上昇側浸漬管の内径（Ｄ）と、ガス吹き込みノズルの個数（ｎ）と、ガス吹き込みノズルの内径（ｄ）と、環流用不活性ガスのガス流量（Ｇ）とを下記の（１）式を満足する範囲に調整して溶鋼を環流させることにより、均一混合時間を短くすることができ、効率良く溶鋼を環流させることが可能となることが分かった。
【００２６】
【数６】

【００２７】
本発明は上記検討結果に基づきなされたもので、本発明によるＲＨ真空脱ガス装置における溶鋼の精錬方法は、上昇側浸漬管の内径（Ｄ）と、上昇側浸漬管に配置されたガス吹き込みノズルの個数（ｎ）と、このガス吹き込みノズルの内径（ｄ）と、ガス吹き込みノズルから吹き込まれる環流用不活性ガスのガス流量（Ｇ）と、の関係が上記の（１）式の範囲を満足するように、上昇側浸漬管の内径（Ｄ）、上昇側浸漬管に配置されたガス吹き込みノズルの個数（ｎ）及びガス吹き込みノズルの内径（ｄ）に応じて、ガス吹き込みノズルから吹き込まれる環流用不活性ガスのガス流量（Ｇ）を計算して求め、計算して求めたガス流量の環流用不活性ガスを上昇側浸漬管に吹き込み、溶鋼を環流させることを特徴とするものである。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図２は、本発明を実施する際に用いたＲＨ真空脱ガス装置の概略縦断面である。
【００２９】
図２に示すように、ＲＨ真空脱ガス装置１は、上部槽６及び下部槽７からなる真空槽５と、下部槽７の下部に設けた上昇側浸漬管８及び下降側浸漬管９とを備え、上部槽６には、排気装置（図示せず）と接続するダクト１１及び原料投入口１２が設けられ、又、上昇側浸漬管８にはガス吹き込みノズル１０が設けられている。ガス吹き込みノズル１０からは環流用不活性ガスとしてＡｒが上昇側浸漬管８内に吹き込まれる構造となっている。図２ではガス吹き込みノズル１０を１本のみ記載しているが、上昇側浸漬管８にはその周囲方向に、複数個（ｎ個）のガス吹き込みノズル１０がその吐出方向を上昇側浸漬管８の中心部に向けた水平方向として設置されている。ここで、上昇側浸漬管８の内径はＤ（ｍ）であり、ガス吹き込みノズル１０の内径はｄ（ｍ）である。ガス吹き込みノズル１０は、上昇側浸漬管８内の溶鋼３を周方向で均等に上昇させる観点から、可能であるならば上昇側浸漬管８の周方向で等間隔に設置することが望ましい。図ではガス吹き込みノズル１０の吐出方向を上昇側浸漬管８の中心部に向けた水平方向としているが、上平方向上向きにする若しくは中心に向かう方向から水平方向へ傾斜させても良い。
【００３０】
このような構成のＲＨ真空脱ガス装置１において、本発明による精錬方法を実施するに際しては、先ず、転炉や電気炉等で精錬した溶鋼３を取鍋２に出鋼し、溶鋼３を収納する取鍋２を真空槽５の直下に搬送する。取鍋２内には転炉や電気炉等における精錬で発生したスラグ４が一部混入し、溶鋼３の湯面を覆っている。
【００３１】
次いで、昇降装置（図示せず）にて取鍋２を上昇させ、上昇側浸漬管８及び下降側浸漬管９を取鍋２内の溶鋼３に浸漬させる。そして、ガス吹き込みノズル１０から上昇側浸漬管８内にその吹き込み流量をＧ（m³/sec）としてＡｒを吹き込むと前後して、真空槽５内を排気装置にて排気して真空槽５内を減圧する。真空槽５内が減圧されると、取鍋２内の溶鋼３は、ガス吹き込みノズル１０から吹き込まれるＡｒと共に上昇側浸漬管８を上昇して真空槽５内に流入し、その後、下降側浸漬管９を介して取鍋２に戻る流れ、所謂、環流を形成してＲＨ真空脱ガス精錬が施される。尚、ガス吹き込みノズル１０から吹き込むＡｒ流量を最初からＧ（m³/sec）とする必要はなく、溶鋼３の環流が定常状態になってからとしても良い。
【００３２】
その際に、上昇側浸漬管８の内径（Ｄ）と、ガス吹き込みノズル１０の個数（ｎ）と、ガス吹き込みノズル１０の内径（ｄ）と、ガス吹き込みノズル１０から吹き込まれる環流用不活性ガスのガス流量（Ｇ）とを、前述した（１）式の範囲を満足するように調整する。（１）式の計算に当たっては、環流用Ａｒの密度ρ_g は１．７８６kg/m³ 、溶鋼３の密度ρ_l は７０００kg/m³ とすれば良い。
【００３３】
具体的には、上昇側浸漬管８の内径（Ｄ）、ガス吹き込みノズル１０の個数（ｎ）及びガス吹き込みノズル１０の内径（ｄ）が設備的に既に決まっている場合は、環流用不活性ガスのガス流量（Ｇ）を調整して（１）式を満足させる。
【００３４】
又、環流用不活性ガス流量（Ｇ）を増大させようとして、上昇側浸漬管８の内径（Ｄ）を拡大させる設備改造を行う場合には、目的とするガス吹き込み流量（Ｇ）及び拡大しようとする上昇側浸漬管８の内径（Ｄ）に対処して、（１）式を満足する範囲内でガス吹き込みノズル１０の個数（ｎ）及びガス吹き込みノズル１０の内径（ｄ）を設定する。但し、ガス吹き込みノズル１０の内径（ｄ）は溶鋼３の差し込み等を考えると、余り大きくすることはできないので、その場合には、ノズル個数（ｎ）で対処する方が望ましい。ガス吹き込みノズル１０の内径（ｄ）の最大値は５ｍｍ程度と考えて置けば良い。
【００３５】
処理する溶鋼３の用途に基づき、この条件下で溶鋼３を環流させ、脱水素、脱炭、脱窒素等のＲＨ真空脱ガス精錬を施し、更に、溶鋼３が未脱酸状態であれば、必要に応じて溶鋼３を脱酸するために必要な量の金属Ａｌを原料投入口１２から溶鋼３に添加して溶鋼３を脱酸すると共に、必要に応じてＣ、Ｓｉ、Ｍｎ等の成分調整剤を原料投入口１２から溶鋼３に添加して成分を調整した後、真空槽５を大気圧に戻してＲＨ真空脱ガス精錬を終了する。
【００３６】
このようにしてＲＨ真空脱ガス装置１で溶鋼３を精錬することにより、溶鋼３を効率良く環流させることができ、その結果、精錬時間の短縮、除去対象成分の低減化、環流用Ａｒ使用量の削減、浸漬管の長寿命化等を達成することが可能となる。
【００３７】
【実施例】
図２に示すＲＨ真空脱ガス装置を用いて、上昇側浸漬管の内径、ガス吹き込みノズルの個数及び内径、環流用Ａｒ流量を前述した表１と同一の溶鋼環流試験条件で変化させ、転炉から出鋼された、炭素濃度が０．０３〜０．０４mass％の約２５０トンの未脱酸溶鋼を脱炭精錬する試験を合計４水準、２８ヒート実施した。脱炭時間は全ての試験で２０分間とし、その間の真空槽内到達真空度を６０〜２７０Ｐａとして、脱炭精錬中の溶鋼の到達炭素濃度に及ぼす溶鋼環流条件の影響を調査した。
【００３８】
図３に、調査結果を示す。図３の横軸は前述した（６）式による計算値Ｚである。図３に示すように、環流用Ａｒ流量を増加した水準２及び上昇側浸漬管の内径を拡大した水準４では、水準１及び水準３に比較して到達炭素濃度の絶対値が特に低く、７〜８ｐｐｍ程度まで低減したが、どの水準の試験においても横軸の計算値Ｚが２０を越えて１００未満の範囲では、到達炭素濃度が安定して低く、脱炭反応が促進されていることが分かった。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、ＲＨ真空脱ガス装置を用いて溶鋼を精錬する際に、上昇側浸漬管の内径と、ガス吹き込みノズルの個数と、ガス吹き込みノズルの内径と、環流用不活性ガスのガス流量とを所定の範囲に調整して溶鋼を環流させるので、溶鋼を効率良く環流させることができ、その結果、精錬時間の短縮、除去対象成分の低減化、環流用不活性ガス使用量の削減、浸漬管の長寿命化等を達成することができ、工業上有益な効果がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】計算値Ｚと均一混合時間との関係を示す図である。
【図２】本発明を実施する際に用いたＲＨ真空脱ガス装置の概略縦断面である。
【図３】計算値Ｚと到達炭素濃度との関係を示す図である。
【符号の説明】
１ＲＨ真空脱ガス装置
２取鍋
３溶鋼
５真空槽
８上昇側浸漬管
９下降側浸漬管
１０ガス吹き込みノズル

Claims

上昇側浸漬管の内径（Ｄ）と、上昇側浸漬管に配置されたガス吹き込みノズルの個数（ｎ）と、このガス吹き込みノズルの内径（ｄ）と、ガス吹き込みノズルから吹き込まれる環流用不活性ガスのガス流量（Ｇ）と、の関係が下記の（１）式の範囲を満足するように、上昇側浸漬管の内径（Ｄ）、上昇側浸漬管に配置されたガス吹き込みノズルの個数（ｎ）及びガス吹き込みノズルの内径（ｄ）に応じて、ガス吹き込みノズルから吹き込まれる環流用不活性ガスのガス流量（Ｇ）を計算して求め、計算して求めたガス流量の環流用不活性ガスを上昇側浸漬管に吹き込み、溶鋼を環流させることを特徴とする、ＲＨ真空脱ガス装置における溶鋼の精錬方法。
20＜n/{[ρ_g/(ρ_l−ρ_g)]^1/2×(G/d)×D^-3/2}＜100 …（１）
但し、（１）式において、ｎ：ガス吹き込みノズルの個数、ρ_g ：環流用不活性ガスの密度（kg/m³ ）、ρ_l：溶鋼の密度（kg/m³ ）、Ｇ：環流用不活性ガスの流量（m³/sec）、ｄ：ガス吹き込みノズルの内径（ｍ）、Ｄ：上昇側浸漬管の内径（ｍ）である。