JP5455983B2

JP5455983B2 - 冶金学的に改善された溶融金属を供給する方法

Info

Publication number: JP5455983B2
Application number: JP2011137768A
Authority: JP
Inventors: ジェイ．コフロンロバート; エイ．ジェイコブスロス
Original assignee: テトロンインコーポレイテッド
Priority date: 2011-06-21
Filing date: 2011-06-21
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2020-05-17
Also published as: JP2011230193A

Description

（発明の分野）
本発明は、溶融金属の移送及び配送中の溶融金属組成を冶金的に処理することを改善させるための方法及び装置に関する。

（背景技術）
従来の金属合金製造においては、所定の金属組成を作成するための原料が、その中で構成成分が溶融かつ混合して溶融金属流体を形成する塩基性酸素炉やアーク炉等の炉に導入される。不純物及び触媒を含むスラグの層は、溶融金属層の上に運ばれる。そして溶融金属は、中間処理ステーション、あるいはストランド又はシート処理等の他の製造設備への移送のための取鍋へ排出される。製造設備のところにおいて、溶融金属は、取鍋から湯だまり等の容器に排出される。処理ステーションは、液状混合物を維持するための熱源を備えてはいるが、溶融金属流体が処理の目的地に到達すると、かなりの熱量は、いわゆる頂部が開口した取鍋（open-topped ladle）から消失する。

省エネ問題に取り組むために、炉から処理装置への溶融金属の移送の間、及び処理の間に取鍋を閉じておくことが実用的であることが見出されてきた。さらに、最近の革新は、熱エネルギが取鍋内で維持及び調節されている間に冶金学的な改善（enhancement）となるものをスラグ層又は溶融金属に加えることによって溶融金属流体の冶金組成を改善させることである。残念ながら、取鍋チャンバを閉じることで、炉から処理ステーションあるいは製造設備への溶融金属の移送中でさえも冶金学的に改善することが可能であるが、処理状態の長い時間、例えば、熱及び到達不可能性（inaccessibility）、により、従来の容器内で首尾よく用いられる注入制御技術が使えなくなる。

例えば、耐火プラグを、例えば固定炉内において、機械的アームによってノズルの上に配置して降下させるような容器からの排出を制御する従来の技術は、閉じた容器の場合には用いることができない。さらに、Ｋｏｆｆｒｏｎに対する米国特許第４，６０１，４１５号に記載されているような公知の耐火物は、容器内の溶融金属のレベルが、排出ノズル上に渦が生じるクリティカルなレベルに近づいた場合、閉じた容器内に導入することができない。また、溶融金属中で単に浮遊的に支持されるように設計された比重で形成された従来の耐火物は、取鍋中の状態に長くさらされると急速に劣化し、また溶融金属とスラグとの界面に長く接触すると、その本来の機能を果たすことができない。

特公昭４７−０２０８０３号公報特開平０８−２６７２２３号公報実願平０３−０１３４４４号（実開平０４−１０８９５５号）のマイクロフィルム特開平１０−２５１７３９号公報

（発明の開示）
本発明は、溶融金属の処理時間を延ばし、改善する処理後に容器から排出する改善された品質の金属の量を増大させる方法及び装置を提供することによって、上述の欠点を克服する。一般に、冶金学的に改善された金属注入処理のプロセスは、例えば、目標とする容器内の平衡組成に達するために組成不足分補充材（balancing composition）を導入することにより、好ましくは中間精練を始めた後にカバーで金属注入容器を閉じることを含む改善された配送と共に組み合わされる。上記方法は、特別に構成された耐火物を導入することと、好ましくは組成不足分補充材（balancing composition）と共に、溶融金属の排出が終了するまで、容器内に金属流体と耐火物を維持することとが含まれる。耐火物を長時間維持することは、取鍋内に挿入できるように形成された耐火物が調節された比重を有し、該調節された比重が、取鍋内のスラグと溶融金属との界面における溶融金属中で耐火物を浮遊的に支持するために要する比重とするための比より小さい低減されたスチールバラスト（steel ballast）と耐火物材との比を有する特別に構成された渦抑制体により補助される。上記界面における好適な調節のためには、上記比は、同時に、好ましくは、耐火物の全体をスラグ層中で支持するのに要する比重とするための比よりも大きい。好ましくは、該耐火物は、溶融金属中に滞留している間耐火物が劣化に耐える浸透抑制物を有する。

その結果、本発明は、溶融金属、スラグ及び熱に長時間さらされる間、劣化に耐える耐火物を提供する。本発明は、従来のスラグ制御又は歩留まり向上技術では対応できない（inhospitable）、注入操作時の渦低減を可能にするように耐火物の一体性（integrity）を維持する実質的により強固な構造を提供する。さらに、カバーで閉じた取鍋は、従来の製造システムよりも、合金製造時の高度な精度、高品質金属の改善された製造又は利用量、及び優れたエネルギ効率を可能にする、改良された移送機構及び向上した冶金製造システムを提供する。

（好適な実施例の説明）
図１について説明すると、金属製造システム１０は、形成設備１２と、移送機構１４と、処理設備１６とを備えている。形成設備１２は、金属製造のための基本的な原材料が炉に導入され、加熱されて特に所望の金属合成物の製造のために原材料を溶かし混合する塩基性酸素炉、アーク炉又は他の合金溶融設備を有してもよい。炉１３で形成される金属の品質及び特定の組成は、炉に導入された元の原材料と矛盾しないが、各材料中の不純物は、所望の金属組成と処理炉１６で使われる金属に対する要求との間で変化を引き起こすかもしれない。処理炉１６は、個別の製造設備、例えば、ストランド、シート、あるいは、後の再加熱、成形や処理工程のために硬化する溶融金属からなる他の形成製品として受け渡すための溶融金属を受け入れる湯だまりを有するストランド製造設備でもよい。しかし、設備１２と設備１６との複雑さ、サイズ及び機能の違いは、それによって形成設備１２から溶融金属が移送されて、中間処理ステーション１５又は処理設備１６、あるいは該ステーションと該設備との間に運ばれる移送機構１４を用いることを必要とする。

本発明はまた、製造設備１２と処理設備１６との間に、２次精練設備等の中間処理ステーション１５を有することができるシステム１０に適している。一般に、炉は鋼を目標とする化学的性質及び温度範囲にする。そして該鋼は、取鍋に注入されて、溶融金属の化学的性質を調節する際に有用な取鍋精練炉、攪拌ステーション、あるいは脱気ステーション（それぞれ中間処理ステーションとして記載する）へ移送される。化学的性質及び温度は、通常顧客の注文によって操作されて、生産されている所望の程度に基づいて正確で狭い範囲に調節される。従って、それが好ましいとされれば、炉から放出される全ての熱（溶融金属流体）は、基本的に同じ化学的性質の範囲である。そのため、生産される種々の品等に対する全ての化学的調節は、取鍋精練炉で行われる。例として、Ｃａ、Ｍｎ、Ａｌ、ＭｇＯ、Ｓｉ、ＣａＣ等の材料を添加すること、スチール中にアルゴンガスを吹き込むこと、及び電極又は他の再加熱プロセスを用いて再加熱することは、仕様に対する内容の整合性を改善するのに用いることができる。耐火物が排出ノズル上の定位置に外部の手段によって拘束されていない場合、中間処理は、好ましくは耐火物の導入の前に行われる。
一般に、移送機構１４は、溶融金属を移送するディスプレーサ１８を有する。好適な実施形態においては、ディスプレーサ１８は、クレーン２０又は他の搬送手段によって運ばれる取鍋２２を有し、さらに取鍋２２のための炉ぶた９０用のクレーン２４を有する。一般に、クレーン２０は、取鍋２２の開口頂部２６が設備１２における炉１３のノズル又は他の排出開口部からの排出を受け入れるように、取鍋を形成設備１２へ運ぶ。また取鍋は、処理設備１６において湯だまり又は他の受容容器に内容物を排出することができる排出ノズル２８を有する。好ましくは、ノズル２８はゲートバルブ３０を有する。ゲートバルブ３０は、制御手段３２に応答する。

制御手段３２は、ノズル内の流量が絞られること、例えば、取鍋からの溶融金属の排出を終了させる、渦抑制体又は他のプラグにより流量が減少することを、好ましくは、溶融金属の上部のスラグ浮遊物が溶融金属層と混合する前に検知するためのセンサをノズル部に有する。しかし、渦抑制体を用いた場合、該抑制体は、渦を除去することにより金属スラグ混合物をほぼ除去しているので、金属からスラグへの変化はほぼ瞬間的に起きる。該変化は急速に発生し、かつほとんど不連続である。上記排出は、通常、スラグが作業者により観察されたとき、あるいは別の方法で自動的に検知された時に終了するが、絞りが観察されたときに応答して終了することは歩留まりを最大化しない。該絞り効果、あるいは金属からスラグフローへの変化は、作業者あるいは他の自動検知によって観察することができる。さらに、制御手段３２の応答は、絞りの検知又はスラグ内容物の検知に反応して手動又は自動で始めることができる。

図２に最も良く示すように、フローの終了の応答は、絞りの検知に応答して、油圧機械式機構によって対処することができる。例えば、ピストン４２がガイドピース４４と連結されている油圧シリンダ４０は、スライドケース４６を作動させる。スライドケース４６は、耐火材からなるスライドプレート４８を収容する凹部を有する。スライドプレート４８はボトムプレート５０近くにスライドし、また耐火材からなり煉瓦設定金属５２に運ばれる。煉瓦設定金属５２は、上記プレートのための四辺支持体と、該煉瓦設定金属が取鍋に取付けられたときに、ボトムプレート５０の位置をノズル挿入体に対して調節するためのセットボルト５４を有する調節機構とを有するため、ボトムプレート開口部５６は、ノズル挿入体６０内の開口部５８と位置合わせされる。ボトムプレート支持体６２は、取鍋の外壁に取付け又は溶接され、ボトムプレート支持体６２にボルトで締め付けられたスライドプレートハウジング６４で作動される。

スライドプレート４８内の開口部６６は、油圧シリンダ４０の作動に応答して、公知の方法でスライドケースによってずらされる。また、該スライドケースは、シュートノズル７０をシュートノズルケース内に保持するクランプアーム７６（図３）によってクランプ６８内に支持されている。シュートノズル７０は、スライドプレート４８の開口部６６、ボトムプレート５０の開口部５６及び挿入ノズル６０のノズル開口部５８と位置合わせ可能な開口部７４を有する。シュートノズルケース７２は、差し込みロックを用いてスライドケース４６内に滑り込ませられかつ回転させられて入れられる。クランプアーム７６は、挿入ノズル６０、及びボトムプレート５０に対するスライドプレート４８の位置ずれによって開口するゲートバルブと一直線上になってシュートノズル７０を保持するクランプレバー８０に応答して動くオーバーセンタートグルを有する。上記ゲートの最も熱の影響が少ない位置に取付けられたコイルスプリング８２は、スライド煉瓦４８にかかる荷重を支える。

取鍋の開口頂部２６は、耐火材又は耐火被覆で製造できる蓋又はカバー９０によって密閉される。カバー９０は、クレーン２４によって移動及び配置される。カバー９０は、閉じられたノズル２８と開口頂部２６との間に、取鍋の内部チャンバ２３を閉じ込めるために配置され、容器に蝶番式に取付けられる。このようなカバーは、チャンバ２３内の熱を維持するのに使用されるものとして知られてきた。また、取鍋内には熱があるので、冶金学的に改善する調節を、移送時間中の取鍋の内容物に対して行うことができる。特に、カバー９０が取鍋２２の開口頂部２６上に配置される前に、追加的に合金成分及び触媒をチャンバ２３に導入することができるので、上記内容物を精練できる。特に、チャンバ２３内の溶融金属混合物は、スラグ層が、溶融金属から不純物を除去し、かつ溶融金属内容物への不純物の再導入を防止する触媒を供給し続けている間に、所望の合金又は組み合わせ範囲内に維持することができる。

好ましくは、調節は、移送時間中には行われず、むしろ取鍋が中間処理ステーション１５あるいは２次精練設備のところにある間に行われる。取鍋は、鋼の化学的性質及び温度が目標の狭い範囲内に到達するまで、製造設備への移送のために中間処理ステーション１５あるいは２次精練設備から解放されない。好ましくは、耐火物は、中間処理ステーション１５あるいは２次精練設備で全ての調節が行われた後に取鍋に導入される。好ましくは、中間処理は、カバー９０が頂部に載せられる前に、より好ましくは、耐火物の導入前に、製造設備への移送中に精練設備で、又は製造設備で行われる。

取鍋２２の開口頂部２６及びノズル２８の閉塞の結果、チャンバ２３は、溶融金属の排出が求められたときに、スラグ層と溶融金属層との混合を制御する渦抑制体の使用のような追加的な改善処理ができない。さらに、移送機構２４によって処理設備１６の目的地にある容器１７に到達したときに、カバー９０は、溶融金属の注入が実質的に、又は完全に終了するまで開くことができない。あるプラントにおいては、取鍋がほとんど空になったときに、カバーが取鍋から外される。このことは、排出している取鍋がほとんど空になり、後続の充填された取鍋がカバーされていない継続する容器になったときに行われる。

この結果、カバーされることになる取鍋に渦抑制体が導入されている時間は、従来の使用時間とは実質的に異なり、その間、耐火物が溶融金属及びスラグ層と接触させられる。その結果、従来の渦抑制体とは違って、耐火物の比重及び耐火性は、充填（filling）の後、及び閉じた状態での移送の長い時間の後に実質的に行われる注入工程において適切な結果をもたらすように調節される。好ましくは、注入工程は中間処理後に行われる。注入工程は、３５から１８０分にわたって継続するが、耐火物は、注入工程の最終段階、例えば１０分間の間でも適切な結果をもたらさなければならない。

一つの実施例においては４．８から５．２という比重を有する耐火物が、一般に、絞りあるいは排出ノズルからのフローを終了させるのに用いる他の終了時点まで、炉内で溶融金属のクリティカルな高さのレベルになったときに渦の形成を抑制するためにおよそ２から１０分の間、炉中のスラグ層と溶融金属層とを分離しておくのに使用されるが、このような耐火物は、閉じた取鍋環境においては効果がない。この結果、取鍋環境における渦抑制体の寿命の一助となるようにいくつかの変更がなされた。特に、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）は、高温域のものに変更され、かつ残存する成分に比例して、重量で約４５％から７０％に増加させた。さらに、該成分は、重量で１から２％の、例えば、カルシウムアルミネートセメント等の高温セメント、またはそれに匹敵する高強度又は低水分セメントと混合した。

また、耐火材に対するスチールバラスト（steel ballast）の比は、好ましくは約３．７、好ましくは実質的に２．７から４．５の範囲になるように減じられた。さらに、好ましくは粒状炭素材の形態の非湿潤材を、長い時間の鋼とスラグの接触期間の間に、溶融金属やスラグが染み込んで、スラグ又は溶融金属によって、劣化、腐蝕、浸食、分解、あるいは溶融される耐火物の量を減じるために耐火物の混合組成に導入した。他の無機物をベースとする組成物、好ましくは珪酸塩、ホウ珪酸塩やその他のガラスを浸透抑制物として添加することができる。

典型的には、ＭｇＯ等のより高価な耐火材を用いることができるが、費用が限定される場合には回避することができる。少なくとも、耐火物は、スチールバラストと耐火材との混合物を含有し、従来の耐火物抑制体を基にして調節された比重を有する。該調節は、溶融金属の所望の化学的性質によるものであり、例えば、ステンレス鋼繊維、炭化珪素、マグネサイト耐火材、クロム耐火材、ジルコン耐火材、ジルコニヤ耐火材、板状アルミナ耐火材やムライト質耐火物等々がある。上記調節は、溶鋼中での容積密度仕様及び期待される寿命によって決定することもできる。スチールバラストの好ましい範囲は、１立方フィートあたり３００から４００＃の重量であり、好ましくは、重量で３０％から８０％の上述した種類の耐火材である。実質的な劣化を伴うことなく、少なくとも１０００°Ｆ、好ましくは２４００°Ｆから３３００°Ｆに耐えることができる高温セメントからなる膠結剤を、好ましくは重量で２から１２％含有することができる。

スチールバラストと耐火物材との低減された比は、取鍋内のスラグ層界面での溶融金属中に耐火物を浮遊的に支持するのに要するのよりも小さい比重を有しつつも、好ましくは、スラグ層中に耐火物を浮遊的に支持するのよりも大きな比重を有する。その結果、比重及び耐火性（液状金属環境に耐える、又はその中でも残存する能力）の調節によって、溶融金属を炉から受容容器へ移送する取鍋の閉ざされた環境に長い時間さらした後でさえ、なお渦抑制及び絞り機能が行える形状に維持される耐火物が得られた。耐火物の比重の変更は、該耐火物が余り早く排出ノズルに吸い込まれないようにすることも保証する。

本発明の実施形態を図示及び説明してきたが、それらの実施形態が本発明の全ての可能な形態を図示及び説明するものとは解釈すべきではない。本明細書で使用する単語は、限定するためではなく説明のための語であり、本発明の主旨及び範囲を逸脱することなく、種々の変形が可能なことを理解すべきである。

本システムに用いられる移送容器の断面図を含む、金属製造処理設備の部分的概略図である。溶融金属を排出するゲートバルブノズル装置を有する取鍋底部の拡大断面図である。図２の３−３線から見た拡大断面図である。

Claims

炉から処理ステーションまたは製造設備への溶融金属の移送中の溶融金属組成を冶金的に処理するための、排出開口部（２８）が具備され溶融金属が入った取鍋（２２）を用いる金属注入プロセスを改善する方法であって、
スチールバラスト（steel ballast）と、耐火物と、前記取鍋（２２）内の溶融金属及びスラグによる浸透に対する抵抗を増大するための、少なくとも、粒状炭素材、シリカ及び珪酸塩をベースとするガラスのうちの一種との混合物の耐火物を含む渦抑制体を形成するステップであって、前記渦抑制体の比重が、該渦抑制体を前記溶融金属の中に浮遊的に支持するために必要な比重よりも小さく、かつ、該溶融金属の上に乗るスラグ層の中に浮遊的に支持するために必要な比重よりも大きいことを特徴とするステップと、
前記取鍋（２２）内の目標とする平衡組成に達するために組成不足分補充材（balancing composition）を該取鍋（２２）内に導入するステップと、
前記渦抑制体を前記取鍋（２２）の中に導入するステップと、
前記取鍋（２２）をカバー（９０）で閉じるステップと、
前記カバー（９０）で閉じられた取鍋（２２）を、処理ステーションまたは製造設備まで移送するステップと、
前記渦抑制体が導入され、前記カバー（９０）で閉じられた取鍋（２２）を、処理ステーションまたは製造設備まで移送する間、及び取鍋（２２）からの前記溶融金属の排出が終了するまでの間、該渦抑制体を前記取鍋（２２）の中に封じ込めた状態で維持するステップと
を含む方法。
前記取鍋（２２）の中で中間処理（１５）を行うステップを更に含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
前記中間処理が取鍋精錬（ladle refining）を含むことを特徴とする請求項２記載の方法。
前記取鍋精錬が脱気を含むことを特徴とする請求項３記載の方法。
前記取鍋精錬が、前記取鍋（２２）をカバー（９０）で閉じるステップの前に該取鍋（２２）の中に組成不足分補充材（balancing composition）を導入するステップを含むこと
を特徴とする請求項３記載の方法。
前記スチールバラストが、前記渦抑制体の３０〜８０％（重量比）であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
前記耐火物がアルミナを含み、前記渦抑制体がアルミナを４５〜７０％（重量比）含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
前記渦抑制体の比重が２．７〜４．５の間の値であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。