JP5318326B2

JP5318326B2 - ガス吹込みノズル装置およびそれを備えたガス吹込み設備

Info

Publication number: JP5318326B2
Application number: JP2006028646A
Authority: JP
Inventors: 一孝國井; 威博中岡; 浩一坂本
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2006-02-06
Filing date: 2006-02-06
Publication date: 2013-10-16
Anticipated expiration: 2026-02-06
Also published as: JP2007204843A

Description

本発明は、不活性ガスを吹き込み、溶融金属中に存在する非金属介在物およびガス成分（以下、単に「介在物」で代表することがある）を除去するのに好適なガス吹込みノズル装置およびそれを備えたガス吹込み設備に関するものである。

溶融金属中に含まれる介在物を除去する方法として、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、介在物をその気泡で捕捉して浮上させることにより除去する方法、溶融金属中に含まれるガスを低減させる方法が知られている。

吹き込むガスをより微細な気泡にすると、総界面積を増加させることができるとともに溶融金属中での気泡滞留時間が長くなるため、十分に捕捉する時間が得られる。そのため、溶融金属の脱ガス反応や微小介在物の浮上除去効率を高めるのに有効であることが分かっている。

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気泡を発生させるための方法や気泡を分散させるための方法が提案されている。

具体的には、(ａ)多孔質耐火物で形成されたガス吐出部を備えたバブリングランスを、溶鋼内で回転させながらガスを吹込む方法（例えば、特許文献１参照）、(ｂ)また、羽根を備えた浸漬可能な回転子を回転させつつ、羽根の谷間に設けられた吹込み部より不活性ガスを吹込む方法（例えば、特許文献２参照）、(ｃ)また、ガス拡散器と回転羽根を組み合わせて構成された気泡発生器からガスを微細化して放出する方法（例えば、特許文献３参照）等が知られている。
特開昭６２−１９２２４０号公報特開平１−１８０７６４号公報特公平７−１２２１０６号公報

上記(ａ)の方法は、バブリングランスの回転によって多孔質耐火物稼働面からの気泡の分離が促され微細な気泡の生成が可能であり、しかも気泡が上昇する際にバブリングランスの周囲に螺旋状に付着するため、気泡の合体が起こりにくく、微細気泡を維持するのに適している。

しかしながら、生成された気泡は螺旋状に上昇して速やかに溶鋼表面に到達してしまうため、気泡を溶融金属中に広く分散させることは困難となる。このように溶融金属中の介在物に気泡が接触する頻度が少ないと介在物を浮上除去する効果は小さい。

また、上記(ｂ)の方法は、回転子の回転による遠心力および溶鋼流を利用して小さな気泡が生成され溶鋼流に乗ってその気泡を拡散させることができるとされている。ところが、羽根が回転することによって溶鋼全体に回転流が生じてしまい、溶鋼表面に大きな渦が発生する。この渦は溶鋼表面に浮いているフラックスを再び溶鋼中に巻き込むという問題がある。

さらにまた、上記(ｃ)の方法では、気泡発生器を一定時間ごとに反転させながら回転させることにより上記渦流の発生を防止することができるとされているが、回転方向が反転するときに溶鋼中に大きなうねりが発生しやすくなり(ｂ)の方法と同様に、フラックスの巻き込みを確実に防止することは困難である。

本発明は以上のような従来の気泡吹込み方法における課題を考慮してなされたものであり、溶融金属中に乱流が発生することを抑制して溶融金属表面に浮いている酸化物やフラックスの巻き込みを防止し、溶融金属中に微細な気泡を均一に分散させることができるガス吹込みノズル装置およびそれを備えたガス吹込み設備を提供するものである。

上記課題を解決するため、溶融金属中にガス吹込み用の回転体（例えばパイプ先端の周壁に沿ってガス放出孔を備えたもの）を浸漬し、これを垂直軸まわりに回転させた場合の気泡の微細化、気泡の溶融金属中への分散状況を、まず、水モデル試験を行うことにより調査した。水モデル試験によって得られたことは、
(1) 回転体の外表面に突起部がないものを、ガスを吹き込みながら回転させると、発生した気泡は回転体表面と溶融金属（試験では溶融金属に想定した水）との間で発生する剪断力によって微細化するものの、気泡を含んだ溶融金属に対し水平方向への運動を与えることはできず、気泡を溶融金属中に分散させることは困難であった。

(2) 一方、回転体の外表面に羽根のような突起部を設け、その突起部によって発生する剪断力で気泡を微細化する方法では、溶融金属全体を撹拌する効果が大きい。ところが、突起部によって生じる撹拌エネルギが溶融金属全体に伝播してしまう。このことから、溶融金属表面に浮いている酸化物やフラックスの巻き込みをなくして気泡を均一に分散させることは困難であると推認される。

これらの知見から、本発明は、気泡の微細化に用いられる撹拌エネルギが溶融金属全体に伝播しない回転体の構造を工夫することに着目してなされた。

具体的には、ガスと溶融金属を先に混合して微細な気泡を生成し、この気泡を溶融金属とともに放出するという方法である。この方法によれば、溶融金属全体を撹拌することなく溶融金属中に気泡を均一に分散させることが可能になることが見出された。

そのためのガス吹込みノズル装置は、軸心方向に沿ってガス吹込み通路を有する軸部と、この軸部の下端部に設けられ上記ガス吹込み通路に連通するノズル部を備え、このノズル部は下部に溶融金属の流入孔と、側壁に放出孔とを有し、且つ軸心回りに回転可能に構成されていることを要旨とする。

なお、本発明のガス吹込みノズル装置は、鋼、アルミニウム等、溶融金属の種類を問わず適用することができ、また、浸漬される溶融金属に流れが有る無しに関係なく適用することができる。

また、ノズル部の側壁内側に複数の撹拌羽根を配設すれば、ノズル部内に流入された溶融金属に対して軸心回りの回転力を与えることができ、それにより、ノズル部内に流入した溶融金属に遠心力が働き、混合されたガスと溶融金属を放出孔からより効果的に放出することができるようになる。この場合、放出孔を隣接した各撹拌羽根の間に穿設すれば、効率良く微細な気泡を生成・放出することができる。

また、ノズル部の内径を４０ｍｍ以上１６０ｍｍ以下とし、放出孔の孔数を４以上８以下とし、放出孔の総開口面積を６ｃｍ^２以上３９ｃｍ^２以下とすれば、溶融金属中に存在する非金属介在物を効果的に除去することができる。

また、各撹拌羽根を容器体の側壁から求心方向に向けて形成された凸状体で構成し、その凸状体の高さをノズル部内径の５％以上２０％以下に形成すれば、ノズル部内の溶融金属に対して効果的に遠心力を与えることができる。

本発明のガス吹込み設備は、上記構成を有するガス吹込みノズル装置と、このガス吹込みノズル装置の軸部を垂直軸まわりに回転させる回転駆動装置と、溶融金属に浸漬される状態と溶融金属から引き上げられる状態との間でガス吹込みノズル装置を昇降させる昇降装置とを備えてなることを要旨とする。

本発明のガス吹込みノズル装置およびガス吹込み設備によれば、溶融金属中に乱流が発生することを抑制することにより溶融金属表面に浮いている酸化物やフラックスの巻き込みを防止し、溶融金属中に微細な気泡を均一に分散させることができるという長所を有する。

以下、図面に示した実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明する。

図１は本発明のガス吹込みノズル装置の原理を示したものである。

同図において、ガス吹込みノズル装置１は、後述するガス吹込み設備の回転駆動装置に接続される軸部２と、この軸部２の下端に一体に形成され、溶融金属を収容した状態でその溶融金属とともにガスの吹き込みを行う有底円筒状のノズル部３を備えている。

上記軸部２は円柱状部材からなり、その中心軸に不活性ガスを供給するためのガス吹込み通路２ａが形成されている。

ノズル部３はその下側が流入孔として開口され、上側は上板部３ａ（有底円筒状の底に相当する）で遮蔽され、その上板部３ａの中心から上記軸部２が立設され、ガス吹込み通路２ａはノズル部３内に連通している。

ノズル部３の胴部となる側壁３ｂには周方向に複数の放出孔３ｃが穿設されており、側壁３ｂの内面３ｄには溶融金属に回転力を与えるための複数の撹拌羽根３ｅが設けられている。

なお、上記原理を示した図ではノズル部３の構成が理解しやすいように軸部２に対して大径に描いているが、所定量の溶融金属を収容し得る凹所が形成されていれば、例えばノズル部３の外径を軸部２のそれと同じにすることもできる。

また、図１において、矢印Ｒはガス吹込みノズル装置１の回転方向を示し、矢印ＡＦは吹込まれるガスの流れを示し、矢印ＭＦは溶融金属の流れを示している。

すなわち、ガス吹込みノズル装置１が回転している状態でガス吹込み通路２ａから不活性ガスがノズル部３に供給されると、不活性ガスはノズル部３内に収容されている溶融金属と混合されて気泡となり、ノズル部３内で回転する溶融金属が放出孔３ｃから流れ出るのに随伴されて放出される。

本実施形態ではノズル部３の側壁内面に撹拌羽根３ｅを設けているため、ノズル部３内の溶融金属を効果的に回転させ、その溶融金属に対して遠心力を与えることができるようになっている。

この遠心力は、溶融金属が放出孔３ｃから放出される際のエネルギを高めるように作用するため、気泡を溶融金属中により広く分散させることができるようになる。

図２は上記ガス吹込みノズル装置１の構成をより詳しく示したものであり、同図(ａ)は正面縦断面を、同図(ｂ)は図２(ａ)のＡ−Ａ断面を、同図(ｃ)は同じくＢ−Ｂ断面をそれぞれ示している。

これらの図において、軸部２の中心軸には貫通孔２ｂが形成されており、ガス吹込み通路４ａを構成している。

固定筒４の外周面には雄ねじ部が形成されており、この雄ねじ部は、貫通孔２ｂの上部に拡径された状態で形成されている拡径貫通孔２ｂ′の内周面に形成されている雌ねじ部と螺合されている。

上記固定筒４にはナット６が締め付けられ、それにより、固定筒４と軸部２は一体に固定されている。

上記固定筒４の上端部には、外周側に複数のボルト孔７ａを備えたフランジ７がさらに固定されており、後述する回転駆動装置と接続できるようになっている。なお、図中、８は固定筒４が軸部２内で回転するのを阻止するための回り止めピンを示している。

また、図２(ｂ)に示すように、ノズル部３の筒孔内壁には求心方向に向けて撹拌羽根３ｅが円周方向に等間隔に配設されている（本実施形態では６０°ピッチ）。

各撹拌羽根３ｅは下面から見て凸条（凸状体）に形成されており、この凸条の高さｔは、ノズル部３の内径をｄとするとき、０．０５ｄ以上０．２ｄ以下の範囲内に収まるように形成される。なお、撹拌羽根３ｅの軸方向長さＳは、溶融金属に対して撹拌効果を与えないようにするため、ノズル部３の筒孔長さＳ′よりも若干短く形成されている。

また、図２(ｃ)に示すように、放出孔３ｃは円周方向に等間隔に（本実施形態では６０°ピッチ）、且つ隣接する各撹拌羽根３ｅの間に配設されている。

このように放出孔３ｃを撹拌羽根３ｅの谷間に配設すると、気泡をその撹拌羽根３ｅで微細化した後、放出することができる。

図３は上記ガス吹込みノズル装置１を備えたガス吹込み設備を示したものである。

同図において、ガス吹込み設備１０は、ガス吹込みノズル装置１を支持した状態で垂直軸まわりに回転させる回転駆動装置１１と、ガス吹込みノズル装置１を溶融金属中に浸漬した状態と溶融金属から引き上げた状態との間で昇降させる昇降装置１２とから主として構成されている。

以下、各部の構成について説明する。

ガス吹込みノズル装置１の上端に備えられたフランジ７は回転軸１３の下端に備えられたフランジ１４と接続されるようになっており、回転軸１３は軸受け１５によって支持され垂直軸まわりに回転自在に構成されている。

上記回転軸１３には従動プーリ１３ａが固定されており、この従動プーリ１３ａはノズル回転用モータ１６の出力軸に固定されている駆動プーリ１６ａとベルト１７を介して連結されている。

また、軸受け１５は上下一対のアーム１８を介してヒンジ部１９に接続されており、ガス吹込みノズル装置１は溶融金属から引き上げられた後、ヒンジ部１９の中心軸Ｃを回転中心として紙面厚み方向に揺動させることができるようになっている。なお、図中２０はガス吹込みノズル装置１を揺動させるためのノズル揺動用モータである。

上記ヒンジ部１９は支柱２１に垂直方向に設けられたガイド溝に沿って昇降するスライダ１９ａを備えており、このスライダ１９ａは支柱２１の上下両側に配設された駆動スプロケット２１ａおよび従動スプロケット２１ｂ間を周回するチェーン２１ｃに対して図示しないクランプで固定されている。

駆動スプロケット２１ａはノズル昇降用モータ２２によって回転するようになっており、ノズル昇降用モータ２２を正回転または逆回転させることにより、チェーン２１ｃを矢印Ｄ方向またはＥ方向に走行させ、スライダ１９ａを下降または上昇させるようになっている。

上記ノズル昇降用モータ２２、両スプロケット２１ａ，２１ｂおよびチェーン２１ｃは昇降装置１２として機能する。

なお、図中、二点鎖線で示すガス吹込みノズル装置１は溶融金属Ｍ中に浸漬された状態を示している。なお、ＭＳは溶融金属の湯面を示している。

［実施例１］
上記構成を有するガス吹込み設備１０を用い、溶鋼中の介在物の除去と巻き込み防止について本発明の効果を確認した。

内径４００ｍｍ、深さ７８０ｍｍの誘導炉に、深さ略６００ｍｍとなるように５００ｋｇの溶鋼（Ｃ：０．８質量％，Ｓｉ：０．３質量％，Ｍｎ：０．５質量％）を充填し、溶湯温度を１５２０℃に保持した。

ガス吹込み部３の材質は、Ａｌ_２Ｏ_３が７０重量％，Ｃが２０重量％からなるＡｌ_２Ｏ_３・Ｃレンガで構成されている。

また、放出孔３ｃは溶湯面から４００ｍｍの深さで統一して回転させ５分間処理をした。

介在物の除去効率は、処理前と処理後のサンプルを酸溶解抽出して介在物量を求め、具体的には、
（処理前の介在物量−処理後の介在物量）／（処理前の介在物量）×１００［％］
の値で示している。

なお、従来法として外向きに羽根を備えた回転子（背景技術の欄で示した特許文献２参照）を回転させつつ、羽根の谷間に設けられた吹込み部より不活性ガスを吹き込む方法で処理した場合の除去効率も比較例として示した。

なお、羽根の外径は１６０ｍｍ，谷間の径は１００ｍｍ，羽根の厚みは１０ｍｍとした。また、周速については本発明ではガスの剪断がノズル部３の内側で起こっているから内径と回転数の関係から求め、従来例では最外周で起こっているから外径と回転数の関係から求めている。

本発明と従来例の比較結果を表１に示す。

本発明のサンプル数５１
吐出部総開口面積６〜３９ｃｍ^２
孔数４〜８
羽根高さ内径の０（羽根なし）〜２０％
撹拌羽根の長さｓ６５ｍｍ
筒孔長さｓ′ ８５ｍｍ
ガス吹込み部の内径４０〜２００ｍｍ
周速２〜４ｍ／sec
比較例のサンプル数３（５２〜５４）

表１より、ノズル部の内径が４０ｍｍ以上であると所定の除去効率が確保されるが２００ｍｍになると除去効率が顕著に低下する。従って内径は４０ｍｍ以上、１６０ｍｍ以下の範囲内に設定することが好ましい。

ガス吹込み量が少ない場合には放出孔の孔数が増えるにつれて除去効率も向上する傾向があるがガス吹込み量を増加させると除去効率に差がなくなる。従って孔数は４以上８以下の範囲内で選択することが好ましい。また、放出孔の総開口面積が大きくなると除去効率が僅かに低下する傾向があるものの、顕著ではない。従って放出孔の総開口面積については６ｃｍ^２以上３９ｃｍ^２以下の範囲内にすることが好ましい。

また、撹拌羽根を設けたものは設けないもの（羽根高さ０％）に比べて除去効率の向上が望める。撹拌羽根を設ける場合には羽根高さがノズル部内径の５％以上２０％以下にすることが好ましい。

［実施例２］
溶融アルミニウム合金中の介在物としての水素ガスおよび酸化皮膜の除去と表面の酸化物巻き込み防止について本発明の効果を確認した。

上記実施例１と同様に、内径４００ｍｍ、深さ７８０ｍｍの誘導炉に、3000系および5000系アルミニウム合金１７０ｋｇを、溶湯深さが略６００ｍｍとなるように溶解し、溶湯温度を７３０℃に保持した。

ノズル部３の材質は実施例１と同じものを使用した。

放出孔が溶湯面から４００ｍｍの深さに位置する状態でノズル部３の周速を３ｍ／secとし、１０Ｌ／分でＡｒガスを拭き込み、上記溶融アルミニウム合金を５分間処理した。

処理後、溶融アルミニウム合金中の水素ガス含有量および酸化物量を測定し、処理前、処理後について従来方法による結果と比較した。

なお、処理後の分析は、処理装置を坩堝から脱着した後に試料を採取した。

分析手段としては水素ガス量はランズレー法を、また、酸化皮膜量についてはヨウ素メタノール法で測定した。

水素量の除去効率については介在物の除去効率と同様に、
（処理前の水素量−処理後の水素量）／（処理前の水素量）×１００［％］
の値で示している。

図４は上記実施例２において本発明と従来方法の除去率を比較したグラフであり、横軸は吹込みガス流量を示し、縦軸は除去効率を示している。

特性Ｌ１は本発明のガス吹込みノズル装置による酸化物除去効率を、特性Ｌ２は従来のノズルによる酸化物除去効率を、特性Ｌ３は本発明のガス吹込みノズル装置による水素量除去効率を、特性Ｌ４は従来のノズルによる水素量除去効率をそれぞれ示している。

同グラフに示されるように、溶融アルミニウム合金中の水素ガス含有量は処理前に比べ、処理後は従来のノズルおよび本発明のノズル装置の双方とも半減或いはそれ以下に減少しているという事実がある。

一方、溶湯処理後の溶融アルミニウム合金中の酸化皮膜量については、従来のノズルでは処理前に比べて多くなっているのに対し、本発明のガス吹込みノズル装置ではいずれの条件設定下でも大幅な改善効果が確認された。

例えば吹込みガス流量１０Ｌ／分で比較すると、従来のノズルでは除去効率が３０％であるのに対し本発明のものは７８％まで除去効率を高めることができた。

本発明に係るガス吹込みノズル装置の原理を説明する縦断面図である。 (ａ)はガス吹込みノズル装置の正面縦断面図、(ｂ)はそのＡ−Ａ矢視断面図、(ｃ)は同じくＢ−Ｂ矢視断面である。ガス吹込み設備の構成を示す正面図である。本発明のガス吹込みノズル装置による除去効率を従来例と比較したグラフである。

符号の説明

１ガス吹込みノズル装置
２軸部
２ａガス吹込み通路
３ノズル部
３ｂ側壁
３ｃ放出孔
３ｅ撹拌羽根
４固定筒
６ナット
７フランジ
１０ガス吹込み設備
１１回転駆動装置
１２昇降装置
１３回転軸
１４フランジ
１５軸受け
１６ノズル回転用モータ
１８アーム
２０ノズル揺動用モータ
２２ノズル昇降用モータ

Claims

溶融金属中にガスを吹込むガス吹込み装置において、
軸心方向に沿ってガス吹込み通路を有する軸部と、この軸部の下端部に設けられ上記ガス吹込み通路に連通するノズル部を備え、
このノズル部は、円筒状に形成され、その底面が内径の大きさで開口されてなる溶融金属の流入孔と、側壁内側に配設されている複数の撹拌羽根と、側壁でかつ隣接した各上記撹拌羽根の間に形成されている放出孔とを有し、且つ軸心回りに回転可能に構成されており、
上記ノズル部の内径が４０ｍｍ以上１６０ｍｍ以下であり、上記放出孔の孔数が４以上８以下であり、上記放出孔の総開口面積が６ｃｍ ^２以上３９ｃｍ ^２以下であり、
上記各撹拌羽根が上記ノズル部の側壁から求心方向に向けて形成された凸状体からなり、その凸状体の高さが上記ノズル部内径の５％以上２０％以下に形成されていることを特徴とするガス吹込みノズル装置。
請求項１に記載のガス吹込みノズル装置と、このガス吹込みノズル装置の軸部を垂直軸回りに回転させる回転駆動装置と、溶融金属に浸漬される状態と溶融金属から引き上げられる状態との間で上記ガス吹込みノズル装置を昇降させる昇降装置とを備えてなるガス吹込み設備。