JP5477228B2 - 溶鋼の取鍋精錬装置及び溶鋼の取鍋精錬方法 - Google Patents

Description

本発明は、炉体軸芯に回転対称に３本の電極を有し、スラグに浸漬した電極間でスラグを介してアーク加熱を行う溶鋼の取鍋精錬装置及びその取鍋精錬装置を用いた取鍋精錬方法に関するものである。

転炉又は電気炉で溶製された溶鋼を取鍋に出鋼した後、さらに取鍋中の溶鋼について二次精錬を行うことを目的にして、アーク加熱を行う溶鋼の取鍋精錬装置が知られている。ＬＦ（Ladle Furnace）とも呼ばれている。取鍋内の溶鋼表面にスラグを形成し、取鍋底からの不活性ガス吹き込みによって溶鋼を攪拌しつつ、サブマージドアーク加熱を行う。取鍋の炉体軸芯に回転対称に３本の電極を有し、この電極先端をスラグに浸漬し、スラグを介して電極間でアーク加熱を行うものである。

取鍋精錬装置（ＬＦ）は図５に示すように炉蓋２を有し、炉蓋２には３本の電極３が貫通する電極孔６を有し、この電極孔６を貫通して電極３が炉内に挿入され、溶鋼表面のスラグ２１に浸漬してアーク加熱を行う。炉蓋１の電極孔６よりも外周側については、炉蓋鉄皮の炉内側に耐火物を内張りした構造、あるいは図５に示すように炉蓋鉄皮の炉内側を水冷構造にした構造が採用される。本発明においては水冷構造を採用した炉蓋を対象とし、炉蓋のうち水冷構造を有する部分を水冷炉蓋部４と称する。

水冷炉蓋部４は、電極孔の外周側から炉蓋の外周付近までの位置を占め、鉄皮の炉内側を水冷ジャケット構造とし、あるいは鉄皮の炉内側に冷却水配管を配設した構造とする。水冷ジャケットあるいは冷却水配管が炉内側に露出していてもよく、水冷ジャケットあるいは冷却水配管のさらに炉内側に耐火物被覆を設けても良い。さらには、水冷ジャケットあるいは冷却水配管を炉内側に露出させ、これら表面にスラグをコーティングしてスラグ被覆層を形成することとしても良い。

電極孔６を含む炉蓋２の中心部については、小天井５と呼ばれ、水冷構造とはせず、鉄皮の炉内側に耐火物を内張りした構造としている。

非特許文献１には、アーク炉回路の特性・その１として、三相平衡回路での特性が解説されている。アーク長さと電圧、力率の関係について、同文献の第５６頁には、（Ｖ）式として
Ｖ_a＝Ｖ₀ｃｏｓθ−ＩＲ＝Ｖ_A＋Ｖ_K＋Ｅ_KＬ （Ｖ）
と記載されている。ここで、Ｖ_a：アーク電圧、Ｖ₀：無負荷時二次相電圧、ｃｏｓθ：力率、Ｉ：アーク電流、Ｒ：回路レジスタンス、Ｖ_A：陽極降下、Ｖ_K：陰極降下、Ｅ_K：アーク柱での電界強度（Ｖ／ｍｍ）、Ｌ：アーク長さ（ｍｍ）を表す。

上記（Ｖ）式において、Ｖ_A＋Ｖ_K＝Ｃ、Ｅ_K＝αと置き換え、Ｌに関する式とすると下記（１）式のようになる。
Ｌ＝（Ｖ₀×ｃｏｓθ−Ｉ×Ｒ−Ｃ）×（１／α） （１）
ここで、Ｌ：理論アーク長（ｍｍ）、Ｃ：陽陰極電圧降下（Ｖ）、ｃｏｓθ：力率、１／α＝１／Ｅ_K：電位傾度係数、Ｉ：アーク電流（Ａ）、Ｒ：回路レジスタンス（Ω）である。

図５（ｂ）に示すように、取鍋１内に溶鋼２０が満たされ、溶鋼２０の表面にスラグ２１の層が形成される。３本の電極の先端がいずれもスラグ中に浸漬している場合は、図６（ａ）に示すように、スラグ２１中において電極間にアーク２２が発生し、サブマージドアーク加熱が行われる。ところが、図６（ｂ）に示すように３本のうちのいずれかの電極先端がスラグと離れると、当該電極３と炉蓋２との間にアークが発生することがある。このようなアークをオープンアーク２３と呼ぶ。オープンアーク２３の到達先が水冷炉蓋部の冷却水配管あるいは水冷ジャケット表皮であった場合、これらオープンアークの到達先が高熱にさらされ、損傷することとなる。冷却水配管や水冷ジャケット表皮が損傷すると、冷却水漏れが発生するので、ＬＦの操業を停止して補修を行う必要が生じる。冷却水配管の炉内側を耐火物で被覆した場合であっても、耐火物が剥離したり、耐火物表面の変質や地金付着が生じた場合、冷却水配管にオープンアークが到達するケースがあるため、冷却水配管の損傷は発生し得る。また、冷却水配管の炉内側をスラグで被覆する場合については、たまたまスラグで被覆されていない箇所にオープンアークが到達することがあり、このような場合は到達箇所の冷却水配管が損傷する。

「アーク炉の電熱」（５） 工業加熱 Ｖｏｌ．１８，Ｎｏ．３、第５４〜５７頁

取鍋内溶鋼表面を被覆するスラグの厚さをＴ_Sとおいたとき、スラグ厚さＴ_Sは、前記（１）式で算出される理論アーク長Ｌよりも大きくなければならない。すなわち、発熱量を高くするために、理論アーク長付近で操業を行うが、スラグ厚が十分に確認されていない場合、電極先端がスラグから露出し、オープンアーク状態となる可能性があるからである。実際のＬＦの操業においては、取鍋内の溶鋼表面が波打っていることから、スラグ厚さＴ_Sを理論アーク長Ｌと同一としたのでは電極先端が頻繁にスラグ表面から非浸漬状態となり、その際に非浸漬となった電極と水冷炉蓋部との間で図６（ｂ）に示すようにオープンアークが発生し、水冷炉蓋部の冷却水配管類が損傷して水漏れが発生することとなる。そのため、スラグ厚さＴ_Sを理論アーク長Ｌと同一とするのでは足りず、スラグ厚さＴ_Sを理論アーク長Ｌより１００〜２００ｍｍほど大きな値としていた。そのようにスラグ厚を厚くしても電極がスラグから非浸漬となる場合がある頻度で発生し、水冷炉蓋部の損傷と水漏れ発生を完全に防止することができなかった。

スラグ厚を確保するために取鍋内に添加する副材料の原単位が増大し、これが取鍋精錬コストを押し上げる要因となっていた。また、水冷炉蓋部が損傷するため、修復費用がかかると同時に、修復時にＬＦの生産能率を低減させる原因となっていた。

本発明は、水冷炉蓋部の損傷発生を防止するとともに、取鍋内に添加する副材料の原単位を低減することのできる取鍋精錬装置及び取鍋精錬方法を提供することを目的とする。

即ち、本発明の要旨とするところは以下の通りである。
（１）炉体軸芯に回転対称に３本の電極３を有し、スラグ２１に浸漬した電極間でスラグを介してアーク加熱を行う溶鋼の取鍋精錬装置において、循環する冷却水で冷却する接地された水冷炉蓋部４と３本の電極３が貫通する電極孔６とを有する炉蓋２を備え、
水冷炉蓋部４の金属部材から炉内側に複数の金属突起物７を設け、及び／又は、３本の電極の中心を結んだ三角形領域（以下「中心部設置領域１５」という。）において炉蓋から炉内側に１本以上の金属突起物７を設け、金属突起物７の炉内側先端位置は、表面を被覆することなく、かつ、炉内側に露出していることを特徴とする溶鋼の取鍋精錬装置。
（２）水冷炉蓋部４に設けた金属突起物７は、最も近い隣接する金属突起物との最短距離ｄ_Pが、当該金属突起物の長さＬ_Pの２倍以下であることを特徴とする上記（１）に記載の溶鋼の取鍋精錬装置。
（３）取鍋内の溶鋼表面に形成するスラグ厚を、下記（１）式で規定するＬ以上かつＬ＋１００ｍｍ以下とすることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の溶鋼の取鍋精錬装置を用いた溶鋼の取鍋精錬方法。
Ｌ＝（Ｖ₀×ｃｏｓθ−Ｉ×Ｒ−Ｃ）×（１／α） （１）
ここで、Ｌ：理論アーク長（ｍｍ）、Ｖ₀：無負荷時二次相電圧、Ｃ：陽陰極電圧降下（Ｖ）、ｃｏｓθ：力率、１／α＝１／Ｅ_K：電位傾度係数、Ｉ：アーク電流（Ａ）、Ｒ：回路レジスタンス（Ω）である。

本発明は、スラグに浸漬した電極間でスラグを介してアーク加熱を行う溶鋼の取鍋精錬装置において、水冷炉蓋部と小天井の一方又は両方に金属突起物を設け、金属突起物を炉内側に露出させることにより、オープンアークによる炉蓋の破損を防止することができるとともに、スラグ厚を薄くすることによって副原料使用原単位を低減することが可能となる。

本発明の取鍋精錬装置を示す概略図であり、（ａ）は炉蓋を下から見た図、（ｂ）はＢ−Ｂ矢視断面図である。 本発明の取鍋精錬装置を示す概略図であり、（ａ）は炉蓋を下から見た図、（ｂ）はＢ−Ｂ矢視断面図である。 本発明の取鍋精錬装置を示す概略図であり、（ａ）は炉蓋を下から見た図、（ｂ）はＢ−Ｂ矢視断面図である。 水冷炉蓋部に金属突起物を形成する例を示す部分断面図である。 従来の取鍋精錬装置を示す概略図であり、（ａ）は炉蓋を下から見た図、（ｂ）はＢ−Ｂ矢視断面図である。 アークが形成される状況を示す取鍋精錬装置の断面図であり、（ａ）はスラグ内にアークが形成される状況、（ｂ）はオープンアークが形成される状況を示す。

図６に示す水冷炉蓋部４の金属部分は、電位としては接地電位である。そのため、電極３との間に電位差が生じるので、図６（ｂ）に示すように電極３の先端がスラグ２１から離れて非浸漬となると、電極３と水冷炉蓋部４との電位差に基づいて、電極と水冷炉蓋部の金属部分との間にオープンアーク２３が発生する。

本発明においては第１に、水冷炉蓋部４の金属部材から炉内側に複数の金属突起物７を設けることとすると好ましい（図１）。水冷炉蓋部４の金属部材から炉内側に金属突起物７を設けると、その金属突起物７の先端側が避雷針の役割を果たし、電極３からオープンアークが発生する際に優先して金属突起物７の先端との間にアークが発生する。そして、金属部分のうち、オープンアークが接する金属突起物先端部分のみが高温に加熱され、オープンアークに起因する電流が流れる金属部分でも金属突起物先端部分以外は温度が上がらないので、水冷炉蓋部の冷却水配管や水冷ジャケット表皮が損傷することはない。

水冷炉蓋部のうち、少なくとも複数の箇所に金属突起物７を設ける。金属突起物７の設置箇所が多いほど、オープンアークが金属突起物以外の位置に到達する可能性が少なくなるので好ましい。図１は水冷炉蓋部４の全域に金属突起物７を設けた例である。ただし、金属突起物の数が多すぎると炉蓋重量が増加しすぎるため、１００本〜２０００本に設定することが望ましい。

水冷炉蓋部のうち、電極との距離が近い部位ほど、オープンアークが発生しやすい。ここで図２に示すように、隣り合う電極間の最短距離をＤminとおくと、水冷炉蓋部４の電極３からの距離がＤmin以下である部位において、電極との間でオープンアークが発生しやすい。図２において仮想円１８の内側部分である。以下、水冷炉蓋部の電極からの距離がＤmin以下である部位を、図２に示すように「水冷部設置領域１４」と称する。水冷炉蓋部４の全体ではなく、電極３からの距離がＤmin以下である部位（水冷部設置領域１４）の金属部材から炉内側に金属突起物７を設けることとしても良い（図２）。

金属突起物は、その炉内側先端位置が炉内側に露出していることが必要である。図４（ａ）に示すように、水冷炉蓋部４の金属構造物が炉内側に露出している場合には、その金属構造物の炉内側に金属突起物７を設けることにより、必然的に金属突起物７の炉内側先端位置は炉内側に露出することになる。図４（ａ）では冷却水配管１０が金属構造物に該当する。また、図４（ｂ）〜（ｅ）に示すように水冷炉蓋部４の金属構造物の炉内側表面に耐火物１２による被覆を行う場合には、金属突起物７の炉内側先端位置が耐火物被覆の表面よりも炉内側に露出することにより、金属突起物７の炉内側先端位置は炉内側に露出することになる。図４（ｂ）（ｃ）は、冷却水配管１０あるいは鉄皮１１に設けたスタッド１６の一部を長くして耐火物１２の表面に露出させ、金属突起物７とした例である。図４（ｅ）は水冷ジャケット１７の表面に設置するスタッド１６よりも長い金属突起物７を設け、耐火物１２の表面に露出させた例である。水冷炉蓋部の炉内側表面にスラグをコーティングする場合には、スラグコーティング厚みが部分的に厚くなり、その部分に設置した金属突起物の炉内側先端部がスラグコーティング層内に埋没することがあるが、そこまでスラグコーティング層が厚くなった部分については、たとえその部分にオープンアークが到達しても水冷炉蓋部の金属部分を損傷するには至らないので、本発明の効果が不十分となることはない。

水冷炉蓋部４に設ける金属突起物７については、金属突起物相互間の距離が近くなるほど、オープンアークが金属突起物先端以外の冷却水配管そのものに到達する可能性が減少するので好ましい。具体的には、図４（ａ）に示すように、最も近い隣接する金属突起物７との最短距離ｄ_Pが、当該金属突起物の長さＬ_Pの２倍以下であると好ましい。水冷炉蓋部の半径方向と円周方向のいずれも、上記距離関係を有することとすると好ましい。以上より、金属突起物の長さＬ_Pが長いほど、金属突起物相互間距離ｄ_Pを長くすることができる。金属突起物長さＬ_Pは１ｍｍ以上が好ましい。１０ｍｍ以上とするとさらに好ましい。一方、金属突起物の長さＬ_Pが長すぎると、溶鋼やスラグに接触し、あるいはオープンアークが飛び続けることがあるので好ましくない。金属突起物長さＬ_Pを５００ｍｍ以下とすればこのような問題が発生しない。５０ｍｍ以下とするとさらに好ましい。

本発明においては第２に、図３に示すように、３本の電極３の中心を結んだ三角形領域（以下「中心部設置領域１５」という。）において炉蓋から炉内側に１本以上の金属突起物７を設けることとすると好ましい。この場合も上記第１の場合の金属突起物と同様、金属突起物７の炉内側先端位置は炉内側に露出していることとする。通常、電極孔を含む炉蓋の中心部分については、鉄皮の炉内側に耐火物を積層した小天井５が設けられる。小天井５については、電極からの距離が近いため、オープンアークが形成されないように絶縁構造とするため、金属部材を露出させずに耐火物１２を積層しているのである。これに対して本発明では、上記のように中心部接地領域に金属突起物７を設ける。この金属突起物７は小天井の鉄皮１１と導通することにより、接地電位を保持している。そして中心部設置領域１５内であれば電極３からの距離が近いので、電極先端がスラグから非浸漬状態となったとき、オープンアークは優先して中心部設置領域１５に設けた金属突起物７との間に形成されることになるので、水冷炉蓋部４との間にオープンアークが形成される頻度が少なくなり、水冷炉蓋部４の冷却水配管などが損傷から免れることになるのである。

中心部設置領域に金属突起物を設けるに際し、３本の電極からの距離が等しい炉の軸芯部の位置と電極との距離が、隣り合う電極間の最短距離より短い場合には、当該軸芯部に１本の金属突起物を設けることにより、この目的を達成することができる。電極と軸芯部との距離が隣り合う電極間の最短距離より長い場合には、中心部設置領域内に複数の金属突起物を設けることにより、電極と金属突起物との距離を隣り合う電極間の最短距離より短くすることができる。

もちろん、図１、２に示すように水冷炉蓋部４に金属突起物を設けるとともに、図３に示すように中心部設置領域１５にも金属突起物を設けることとしても良い。

ＬＦを用いた取鍋精錬において、取鍋内の溶鋼表面に溶融スラグ層を形成し、この溶融スラグ層内に電極が浸漬することにより、アーク加熱が行われる。前述のとおり、静的には、スラグ厚さＴ_Sは、前記（１）式で算出される理論アーク長Ｌと同等あるいはそれ以上の厚さであれば足りる。ところが、溶鋼表面が波打っているため、（１）式で計算される理論アーク長と同一のスラグ厚では、電極先端が頻繁にスラグから露出し、オープンアーク発生頻度が増えるため、実際には（１）式で計算される理論アーク長にさらに１００ｍｍを足した厚さ以上のスラグ厚で取鍋精錬を行っていた。それでもオープンアーク発生によって水冷炉蓋部の冷却水配管の損傷が頻発している状況であった。

本発明においては、たとえオープンアークが発生しても金属突起物先端と電極との間にオープンアークが形成されるので、水冷炉蓋部の冷却水配管が損傷することがなくなった。さらに、スラグ厚を従来よりも薄くしても水冷炉蓋部の損傷は発生しない。一方、スラグ厚Ｔ_Sを理論アーク長Ｌ＋１００ｍｍ以下とすれば、従来に比較して取鍋精錬時に添加する副原料の原単位を削減することができるので、製造コストを削減することが可能となる。そこで本発明は、取鍋内の溶鋼表面に形成するスラグ厚を、（１）式で規定するＬ以上かつＬ＋１００ｍｍ以下とすると好ましい。

ここで、（１）式の具体的な計算手法について説明する。Ｃ：陽陰極電圧降下（Ｖ）は実測値から定めることができる。ｃｏｓθ：力率は√（１−（ＩＸ／Ｖ₀）²）から定めることができる。ここでＩ：アーク電流（Ａ）、Ｖ₀：無負荷時二次相電圧（Ｖ）、Ｘ：回路リアクタンス（Ω）である。１／α：電位傾度係数は０．０１ｔ＋０．９７５（ただしｔ：スラグと溶鋼間の温度差（℃））から定めることができる。Ｉ：アーク電流（Ａ）、Ｒ：回路レジスタンス（Ω）、Ｘ：回路リアクタンス（Ω）は実測値から定めることができる。Ｉ×Ｒ（Ｖ）を回路電圧降下状況から計測しても良い。

転炉より出鋼された２８０トンの溶鋼を処理するためのＬＦにおいて本発明を適用した。図５に示すように、取鍋１を覆う炉蓋２には炉体軸芯に回転対称に３個の電極孔６があり、この電極孔６を貫通して３本の電極３が挿入される。この電極３がスラグ２１に浸漬し、電極間でスラグを介して溶鋼のアーク加熱を行う。炉底にポーラスプラグを配置し、炉底からアルゴンガスを吹き込んで溶鋼の攪拌を行う。

炉蓋２は、中心部が小天井５であって、鉄皮の炉内側を耐火物で被覆している。小天井５に電極孔６が配置されている。炉蓋２の小天井５より外周側が水冷炉蓋部４である。水冷炉蓋部４の炉内側表面は鋼製の冷却水配管で覆われている。隣り合う電極間の最短距離Ｄminは６３０ｍｍ、電極表面から水冷炉蓋部の金属部材までの最短距離ｄminは３４０ｍｍである。

アーク加熱装置は、無負荷時二次相電圧Ｖ₀＝２１１．９Ｖ、力率ｃｏｓθ＝０．８２、電位傾度係数１／α＝１．０２５、回路電圧降下Ｉ×Ｒ＝４５．５Ｖである。これら数値を（１）式に代入し、理論アーク長Ｌ＝９０ｍｍと算出された。

（本発明例１）
図１に示すように、水冷炉蓋部４の冷却水配管全面に、合計１１００本の金属突起物７を設置した。金属突起物として、図４（ｆ）に示すように、長さＬ_P３０ｍｍ、頭部の直径が３４ｍｍφの鋼製ボルトを用い、ボルト頭部が炉内側となるように冷却水配管に溶接した。金属突起物の中心間距離が７５ｍｍとなるように配置したので、最も近い隣接する金属突起物との最短距離ｄ_Pは４０ｍｍとなり、当該最短距離が金属突起物の長さＬ_Pの１．３倍となった。

（本発明例２）
図２に示すように、水冷炉蓋部４の電極からの距離がＤmin以下である部位（水冷部設置領域１４）のみに、金属突起物７を設けた。金属突起物の材質・形状、金属突起物の設置間隔は上記本発明例１と同様である。合計８７本の金属突起物を設置した。

（本発明例３）
図３に示すように、水冷炉蓋部４には金属突起物を設けず、小天井５の中心部に１本の金属突起物７を設けた。金属突起物は鋼製であり、金属突起物７は小天井の鉄皮１１に溶接し、小天井の耐火物１２から炉内側に３０ｍｍ露出している。

（比較例）
図５に示すように、金属突起物を設けずにＬＦ操業を行った。

（副原料の使用状況及び設備破損状況）
造滓材として、副原料にＣａＯとＡｌ₂Ｏ₃を使用した。各実施例の副原料原単位、スラグ厚さ、造滓材発生量を表１に示す。設備破損状況を「冷却水配管破損回数／実績操業チャージ数」として評価し、結果を設備破損確率（％）として表１に示した。

本発明例１〜３については、スラグ厚がＬ＋１０〜Ｌ＋２７ｍｍと非常に薄いスラグ厚であるにもかかわらず、設備破損確率は０〜０．０９％と非常に良好であった。副原料原単位、造塊滓発生原単位とにも、良好な結果を得ることができた。それに対し比較例においては、スラグ厚がＬ＋１００ｍｍと厚いにもかかわらず、設備破損確率が０．１３％と高い値であり、副原料原単位、造塊滓発生原単位とにも本発明例に比較して高い値であった。

１ 取鍋
２ 炉蓋
３ 電極
４ 水冷炉蓋部
５ 小天井
６ 電極孔
７ 金属突起物
１０ 冷却水配管
１１ 鉄皮
１２ 耐火物
１３ スラグ
１４ 水冷部設置領域
１５ 中心部設置領域
１６ スタッド
１７ 水冷ジャケット
１８ 仮想円
２０ 溶鋼
２１ スラグ
２２ アーク
２３ オープンアーク

Claims (3)

1. 炉体軸芯に回転対称に３本の電極を有し、スラグに浸漬した電極間でスラグを介してアーク加熱を行う溶鋼の取鍋精錬装置において、循環する冷却水で冷却する接地された水冷炉蓋部と３本の電極が貫通する電極孔とを有する炉蓋を備え、
   前記水冷炉蓋部の金属部材から炉内側に複数の金属突起物を設け、及び／又は、３本の電極の中心を結んだ三角形領域（以下「中心部設置領域」という。）において炉蓋から炉内側に１本以上の金属突起物を設け、前記金属突起物の炉内側先端位置は、表面を被覆することなく、かつ、炉内側に露出していることを特徴とする溶鋼の取鍋精錬装置。
2. 前記水冷炉蓋部に設けた金属突起物は、最も近い隣接する金属突起物との最短距離が、当該金属突起物の長さの２倍以下であることを特徴とする請求項１に記載の溶鋼の取鍋精錬装置。
3. 取鍋内の溶鋼表面に形成するスラグ厚を、下記（１）式で規定するＬ以上かつＬ＋１００ｍｍ以下とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の溶鋼の取鍋精錬装置を用いた溶鋼の取鍋精錬方法。
   Ｌ＝（Ｖ₀×ｃｏｓθ−Ｉ×Ｒ−Ｃ）×（１／α） （１）
   ここで、Ｌ：理論アーク長（ｍｍ）、Ｖ₀：無負荷時二次相電圧、Ｃ：陽陰極電圧降下（Ｖ）、ｃｏｓθ：力率、１／α＝１／Ｅ_K：電位傾度係数、Ｉ：アーク電流（Ａ）、Ｒ：回路レジスタンス（Ω）である。

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