JP5962257B2 - 真空脱ガス装置の煙道の構造 - Google Patents

Description

本発明は、真空脱ガス装置を用いて、脱炭精錬や成分調整処理を実施する際に煙道ヘの地金付着量を低減させるための技術に関する。

従来、溶鋼処理に使用される真空脱ガス装置の形式は種々提案されているが、現在の主流はＲＨ（Ruhrstahl-Hausen）式の真空脱ガス装置である。ＲＨ式は、真空槽の下端に二本の浸漬管（シュノーケル）を備え、ガスリフトと減圧操作によって取鍋内の溶鋼を真空槽内に循環し、溶鋼の脱ガス清浄化を図る方式である。
このＲＨ式溶鋼真空脱ガス装置（以下、単に真空脱ガス装置と称す）の耐火物の内張りは従来、煉瓦積みで行われてきたが、内張り作業の省力化などを目的として、不定形耐火物化が検討されている（例えば、特許文献１及び特許文献２を参照）。

真空脱ガス装置における真空槽の構造は、高さ方向に長尺で且つ密閉構造である。真空槽は、内張りの施工を容易にするため、上下に複数分割可能となっている。例えば、上下の二分割あるいは上中下の三分割が一般的である。
自動車用鋼板や缶用鋼板の中には、高い加工性を得るために鋼中の炭素量を数十［ｐｐｍ］レベルまで低減した極低炭素鋼がある。極低炭素鋼を溶製するためには、真空脱ガス装置において、脱炭反応に必要な酸素を確保した上で、高真空下で環流処理を行うことで、脱炭反応を生じさせることが必要である。

このような脱炭処理では、溶鋼中にＣＯガスの気泡が発生し、バブルブースト反応を生じるため、真空脱ガス装置の真空槽内に溶鉄の溶滴が激しく飛散し、真空槽内の耐火物内壁に地金として付着する。真空脱ガス装置の煙道に地金が大量に付着し、閉塞すると、排気能力が低下し、脱炭反応を促進させるために必要な真空度を維持できなくなる。そのため所望の脱炭量を達成できない等のトラブルを誘発する。従って、真空槽の煙道に付着した地金（以下、煙道地金と称す）は、定期的に除去することが必要である。

近年では、自動車用鋼板を中心とする高級鋼へのシフトに伴い、脱ガス設備においても、極低炭素鋼の処理比率が上昇し、煙道地金の除去に伴う設備停止による設備稼働率の低下が健在化してきた。
そのため、従来から煙道地金の付着を低減する技術、または、煙道地金の除去技術の開発が行われてきた。煙道地金の付着を低減する技術としては、上吹ランス形状を改善し、脱炭反応に必要な酸素を上吹ランスから供給する際の地金飛散を抑制する技術（特許文献３を参照）などが提案されている。また、煙道地金の除去技術としては、上吹ランスにアタッチメントを設置し、真空槽内で送酸することで、付着地金を迅速に溶解する技術（例えば、特許文献４を参照）などが提案されている。

また、真空脱ガス槽を構成する下部槽の内張り耐火物として、マグネシア・カーボン煉瓦を用いる技術がある（例えば、特許文献５を参照）。マグネシア・カーボン煉瓦は、マグネシアと鱗状黒鉛とを主体とする耐火原料配合物にフェノール樹脂等の有機バインダーを添加し、２００〜３００［℃］で熱処理することで製造される。このマグネシア・カーボン煉瓦はマグネシアを主成分とすることで耐食性に優れ、鱗状黒鉛を含有することで優れた耐熱衝撃性、耐スラグ性が得られる。

特開平９−２７９２２２号公報 特開平９−２７９２２３号公報 特開２００６−２７４４０８号公報 特開２００８−１７９８５５号公報 特開２００２−２８５２２８号公報

しかしながら、煙道への地金付着は、上吹ランスからの酸素供給時以外にも生じるため、上吹ランス形状を改善して酸素供給時に付着抑制動作を行う上記従来技術では、地金付着量を十分に低減することが困難である。
また、上記付着地金を溶解する従来技術においては、付着した地金を溶解するために、脱ガス設備の操業を数十分間は停止させる必要がある。そのため、設備稼働率の低下が生じるといった問題がある。

また、真空脱ガス槽を構成する下部槽の内張り耐火物として、マグネシア・カーボン煉瓦を用いる上記従来技術では、下部槽の内張りにのみマグネシア・カーボン煉瓦を用いており、煙道への地金付着量を低減する点で改良の余地があった。
そこで、本発明は、このような従来の技術の有する未解決の課題に着目してなされたものであって、真空脱ガス装置の煙道への地金付着量を低減するのに好適な真空脱ガス装置の煙道の構造を提供することを目的としている。

〔形態１〕 上記目的を達成するために、形態１に記載の真空脱ガス装置の煙道の構造は、溶鋼を保持する取鍋と、真空脱ガス槽と、該真空脱ガス槽の下部に設けられた浸漬管と、前記真空脱ガス槽に設けられた煙道とを備え、前記浸漬管に設けたノズルからガスを吹き込み、溶鋼を、前記浸漬管を介して取鍋と真空脱ガス槽との間で環流させる溶鋼環流方式の真空脱ガス装置において、前記煙道の内壁の少なくとも底部にマグネシア・カーボン煉瓦を敷設したことを特徴とする。

ここで、マグネシア・カーボン煉瓦は、アルミナ系材料等の煙道の内張り耐火物として用いられている他の耐火物と比較して、溶鉄との濡れ性が低く、かつ、侵食され難い性質を有している。そのため、上記形態１の構成であれば、マグネシア・カーボン煉瓦を敷設した部分には、地金が付着し難く、かつ、付着した地金の除去作業が容易となる。特に、地金が付着しやすい煙道の内壁底部にマグネシア・カーボン煉瓦で敷設するようにしたので、地金の付着低減の効果を高め、かつ、除去作業の高効率化を図ることが可能となる。

〔形態２〕 更に、形態２に記載の真空脱ガス装置の構造は、形態１の構成に対して、前記煙道の内壁の底部に前記マグネシア・カーボン煉瓦を敷設し、該敷設部以外の内壁部を不定形耐火物で被覆したことを特徴とする。
このような構成であれば、煙道の内壁底部について、地金を付着し難く、かつ、付着した地金の除去作業を容易とすることができる。加えて、底部以外の内壁部を、例えば、アルミナ系の塗布材等の不定形耐火物で被覆することから、底部以外の内壁部の耐熱性、耐食性等を従来のレベルに確保することができる。加えて、不定形耐火物は、煉瓦材料と比較して、塗布材の形で容易に施工をすることができるので、内壁全周にマグネシア・カーボン煉瓦を敷設するよりも、施工面及びコスト面で優位となる。

本発明に係る真空脱ガス装置の煙道の構造によれば、煙道の少なくとも底部にマグネシア・カーボン煉瓦を敷設するようにしたので、従来と比較して、煙道内に付着する地金の量を低減することができるという効果が得られる。加えて、マグネシア・カーボン煉瓦の特性から、煙道内に付着した地金の除去作業を従来と比較して軽減することができるという効果が得られる。

本発明に係る真空脱ガス装置の概略断面図である。 （ａ）及び（ｂ）は、アルミナ系塗布材を用いて煙道５の内壁をコーティングした一例を示す模式図である。 アルミナ系塗布材によって煙道５の内張り施工を行った場合の、真空脱ガス槽の使用回数と、煙道開度との関係を示す図である。 （ａ）及び（ｂ）は、マグネシア・カーボン煉瓦及びアルミナ系塗布材を用いて煙道５の内壁を内張り施工した例を示す図である。 マグネシア・カーボン煉瓦及びアルミナ系塗布材を用いた内張り施工後の真空脱ガス装置１を示す図である。 （ａ）は、アルミナ系塗布材の被覆部１１に対する地金の付着状態の一例を示す図であり、（ｂ）は、マグネシア・カーボン煉瓦の被覆部１０に対する地金の付着状態の一例を示す図である。 従来の真空脱ガス装置と本発明の真空脱ガス装置とにおける真空脱ガス槽の使用回数と煙道開度との関係を示す図である。 従来の真空脱ガス装置と本発明の真空脱ガス装置とにおける煙道地金の除去頻度の一例を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。図１〜図６は、本発明に係る真空脱ガス装置の煙道の構造の一実施形態を示す図である。
（構成）
まず、本発明に係る真空脱ガス装置の構成を図１に基づき説明する。図１は、本発明に係る真空脱ガス装置の概略断面図である。
本実施形態に係る真空脱ガス装置１は、ＲＨ方式の真空脱ガス装置であって、図１に示すように、上蓋２、上部槽３及び下部槽４から構成される真空脱ガス槽と、下部槽４に設けられた上昇側浸漬管４ａ及び下降側浸漬管４ｂと、を備えている。更に、上部槽３には、排気装置（図示せず）と接続する煙道５が設けられ、また、上昇側浸漬管４ａには、環流用ガス吹込ノズル６が設けられている。環流用ガス吹込ノズル６からは環流用ガスとしてＡｒ（アルゴン）ガスが上昇側浸漬管４ａの内部に吹き込まれる構造となっている。更に、上蓋２を貫通させて真空脱ガス槽の内部に配設された、脱炭精錬時に酸素ガスを吹くための上吹きランス７と、溶鋼を保持する取鍋８と、を備えている。

かかる真空脱ガス装置１は、取鍋８内の溶鋼２０を、上昇側浸漬管４ａを介して真空脱ガス槽内へと吸い上げ、これにより真空脱ガス槽内に保持した溶鋼の表面に、上吹きランス７から酸素ガスを噴射し、該溶鋼の脱炭精錬を行う。
このとき、上部槽３に設けられた煙道５は、その内部を、脱炭精錬時に発生したダストを含む高温の排気ガスが通過する。そのため、煙道５の内壁には耐火物の内張りを施してある。具体的に、従来は、煙道５の内壁にアルミナを含有する耐火物を用いて内張りを行っている。
ここで、アルミナは、酸化アルミニウムの通称であり、ボーキサイトを原料として作られるアルミニウムに製錬される前段階の中間生産物である。アルミナは、耐熱性、絶縁性、耐摩耗性、耐食性等の優れた物理的、化学的特性を有している。

一方、脱炭精錬の操業過程において、酸素ガスの噴射により溶鋼面よりスプラッシュ粒が真空脱ガス槽内に飛散し、真空脱ガス槽の内壁や上蓋２の下面、煙道５の内壁に地金として付着する。このとき、煙道５の入口において、不図示の排気装置の排気動作によって、スプラッシュ粒は上向きから横向きに方向転換する。そのためスプラッシュ粒の流速が低下する。これにより、煙道５の内壁底部以外には地金付着はし難くなるが、煙道５の内壁底部に地金が付着し易くなり、内壁底部において付着地金が成長し易くなる。図１に示すように、煙道５の内壁底部に付着した地金５０が成長して厚みを増すと、該煙道５の断面積（開度）が小さくなり、真空排気時の抵抗が大きくなる。そのため、槽内雰囲気を目標真空度に到達させる時間が長くなる。あるいは、目標真空度に到達させることができなくなる。その結果、真空脱ガス槽での溶鋼の処理時間が長くなり、生産性を低下させることになる。本実施形態において、煙道５の内壁底部は、例えば、煙道５の内周の底部側の半周以下の所定範囲の内壁部とする。

以下、図２に基づき、アルミナ系塗布材（不定形耐火物）を用いて煙道５の内壁をコーティングする従来の内張り施工について説明する。図２（ａ）及び（ｂ）は、アルミナ系塗布材を用いて煙道５の内壁を内張り施工した一例を示す模式図である。なお、図２（ａ）は、煙道５を真空脱ガス槽の内側から見た図であり、（ｂ）は、（ａ）のＢ−Ｂ'断面図である。
図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、従来は、エアレススプレーガン等によって、煙道５の内壁の全周をアルミナ系の塗布材によってコーティングする内張り施工を行っていた。これにより、煙道５の全周をアルミナ系材料で被覆してなる被覆部１０（以下、アルミナ系被覆部１０と称す）が形成される。

本発明者らは、煙道地金の付着低減を図るにあたり、アルミナ系塗布材によって煙道の内壁全周を内張り施工した真空脱ガス装置を用いて、脱炭精錬の操業を繰り返し行った。そして、真空脱ガス槽の使用回数と、煙道の開度（以下、煙道開度と称す）との関係を調査した。
ここで、図３は、アルミナ系塗布材によって煙道の内張り施工を行った場合の、下部槽の使用回数と、煙道開度との関係を示す図である。図３において、横軸が下部槽の使用回数（以下、下部槽回数と称す）を示し、縦軸が煙道開度（％）を示す。

図３に示すように、下部槽の使用初期から下部槽回数が増加する毎に煙道開度が低下する傾向にある。特に、下部槽回数が２００回以下においては、煙道開度が約６０［％］へと低下している。その後、下部槽回数が約２００回で煙道開度が約８０［％］へと回復している。ここで、脱炭精錬の操業においては、定期的に下部槽の交換（炉修）が行われる。また、下部槽の交換に合わせて、定期的（例えば、１６０ｃｈ毎）に付着地金の除去作業が行われる。具体的に、下部槽の交換中において煙道を冷却し、オペレータが煙道内に入り込んで、ブレーカーを用いて煙道内の付着地金の除去作業を行う。そして、下部槽回数が２００回を超えた辺りから、煙道開度が４０〜５０［％］へと低下するものが散見されるが、下部槽回数が３６０回以下においては、除去作業後に、煙道開度が約８０［％］にまで回復している。しかし、下部槽回数が約３６０回を超えると、地金が除去しきれなくなり、除去作業後でも煙道開度が７０［％］以下へと低下している。そして、使用末期では、除去作業後の煙道開度が約５０［％］へと更に低下している。

本発明者らは、この調査結果を受けて、煙道地金の付着低減を図るために、煙道の内張りに用いる耐火物として、マグネシア・カーボン（ＭｇＯ−Ｃ）煉瓦を採用することを見いだした。具体的に、煙道の内壁の少なくとも底部にマグネシア・カーボン煉瓦を敷設する構造を見いだした。

以下、図４及び図５に基づき、図１に示す真空脱ガス装置１において、マグネシア・カーボン煉瓦を採用した場合の煙道５の具体的な構造例を説明する。
ここで、図４（ａ）及び（ｂ）は、マグネシア・カーボン煉瓦及びアルミナ系塗布材を用いて煙道５の内壁を内張り施工した例を示す図である。なお、図４（ａ）は、煙道５を真空脱ガス槽の内側から見た図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ'断面図である。また、図５は、煙道５の内壁をマグネシア・カーボン煉瓦及びアルミナ系塗布材を用いた内張り施工後の真空脱ガス装置１を示す図である。

本実施形態では、図４（ａ）に示すように、煙道５の内壁底部に、該内壁底部を被覆するように複数のマグネシア・カーボン煉瓦を敷設した。具体的に、煙道５の内周における底部側の半周以下の所定範囲の内壁部に複数のマグネシア・カーボン煉瓦を敷き詰めた。加えて、図４（ｂ）に示すように、マグネシア・カーボン煉瓦の敷設部以外の内壁部をアルミナ系塗布材でコーティングした。

つまり、従来は、煙道の耐火物として、施工性によりアルミナ系塗布材のような不定形耐火物のみを使用していたが、本実施形態では、煙道の耐火物を二層構造として、一層目をアルミナ系塗布材等の不定形耐火物を使用し、二層目をマグネシア・カーボン煉瓦を使用する構造とした。
このようにして、図４及び図５に示すように、内壁底部にマグネシア・カーボン煉瓦を敷設してなる敷設部１１（以下、ＭｇＯ−Ｃ敷設部１１と称す）と、それ以外の内壁部にアルミナ系塗布材をコーティングしてなる被覆部１２（以下、アルミナ系被覆部１２と称す）とを有する構造の煙道５を備えた真空脱ガス装置１を構成した。

（動作）
図５に示す構成の真空脱ガス装置１において、環流用ガス吹込ノズル６からアルゴンガスが上昇側浸漬管４ａの内部に吹き込まれると、取鍋８内の溶鋼２０が、上昇側浸漬管４ａを介して下部槽４内へと吸い上げられる。そして、下部槽４内に吸い上げられた溶鋼の表面に、上吹きランス７から酸素ガスが噴射される。これにより、溶鋼中の炭素成分が一酸化炭素として除去される。この脱炭精錬により発生したダストを含む高温のガスは、煙道５を通って排気される。また、下部槽４内に吸い上げられた溶鋼は、下降側浸漬管４ｂを介して取鍋８内へと戻る。一方、溶鋼の表面に酸素ガスが吹き付けられることによってスプラッシュが発生する。このスプラッシュ粒は、真空脱ガス槽内を飛散し、飛散したスプラッシュ粒の一部は、煙道５の内部へと到達する。

本実施形態の煙道５の構造であれば、煙道５の内壁底部にはマグネシア・カーボン煉瓦が敷設されているので、煙道５へと到達したスプラッシュ粒の少なくとも一部が、ＭｇＯ−Ｃ敷設部１１へと到達することになる。
ここで、図６に基づき、アルミナ系被覆部１０と、ＭｇＯ−Ｃ敷設部１１とにおける地金の付着状態について説明する。図６（ａ）は、アルミナ系被覆部１０（内壁底部）に対する地金の付着状態の一例を示す模式図であり、（ｂ）は、ＭｇＯ−Ｃ敷設部１１に対する地金の付着状態の一例を示す模式図である。

アルミナ系塗布材と、マグネシア・カーボン煉瓦とは、溶鉄との濡れ性の点で、アルミナ系塗布材よりもマグネシア・カーボン煉瓦の方が濡れにくい。また、酸化鉄による浸食の大きさの点で、アルミナ系塗布材よりもマグネシア・カーボン煉瓦の方が小さい。従って、図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、地金５０が付着することによって、アルミナ系被覆部１０の表面に生成する酸化鉄の浸潤層６０ａよりも、ＭｇＯ−Ｃ敷設部１１の表面に生成する酸化鉄の浸潤層６０ｂの方が生成範囲が小さく、かつ、層の厚みが薄くなる。

従って、図５に示す真空脱ガス装置１の煙道５の構造であれば、ＭｇＯ−Ｃ敷設部１１が、アルミナ系被覆部１０と比較して、溶鉄との濡れ性が低く、かつ、侵食され難い性質を有するため、ＭｇＯ−Ｃ敷設部１１に地金が付着し難い。加えて、ＭｇＯ−Ｃ敷設部１１に地金が付着した場合でも、アルミナ系被覆部１０に付着した地金と比較して、地金の除去が容易となる。以上より、本実施形態の真空脱ガス装置１の煙道５の構造であれば、煙道地金の付着量を低減することが可能になると共に、地金除去の作業性を向上することが可能となる。
ここで、上昇側浸漬管４ａ及び下降側浸漬管４ｂが浸漬管に対応し、環流用ガス吹込ノズル６がノズルに対応する。

（変形例）
なお、上記実施形態において、マグネシア・カーボン煉瓦を、煙道５の内壁底部に敷設する構成としたが、この構成に限らない。例えば、煙道５の内壁全周又は内壁底部以外の他の箇所にマグネシア・カーボン煉瓦を敷設する構成とするなど他の構成としてもよい。
また、上記実施形態において、煙道５の内壁底部にマグネシア・カーボン煉瓦を敷設し、それ以外の内壁部をアルミナ系塗布材でコーティング（被覆）する構成としたが、この構成に限らない。例えば、アルミナ系材料の代わりに、ジルコン系材料等の、耐火物として同等の機能を確保できる材料であれば他の材料を用いてコーティングする構成としてもよい。

また、上記実施形態は、本発明の好適な具体例であり、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、上記の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの形態に限られるものではない。また、上記の説明で用いる図面は、図示の便宜上、部材ないし部分の縦横の縮尺は実際のものとは異なる模式図である。
また、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。

次に、図７及び図８に基づき、本発明に係る真空脱ガス装置を利用した実施例１を説明する。ここで、図７は、従来の真空脱ガス装置と本発明の真空脱ガス装置とにおける下部槽の使用回数と煙道開度との関係を示す図である。また、図８は、従来の真空脱ガス装置と本発明の真空脱ガス装置とにおける煙道地金の除去頻度を示す図である。なお、図７及び図８における従来の真空脱ガス装置は、上記実施形態の図２に示すアルミナ系塗布材を用いた煙道の構造を有する装置である。従って、従来の下部槽の使用回数と煙道開度との関係は、上記実施形態の図３と同様の内容となる。

また、本発明の真空脱ガス装置は、上記実施形態の図５に示す真空脱ガス装置１と同様の構成を有しており、煙道が、その内壁底部にマグネシア・カーボン煉瓦を敷設してなるＭｇＯ−Ｃ被覆部と、底部以外をアルミナ系塗布材でコーティングしてなるアルミナ系被覆部とを有する構造となっている。
図７の実施例は、本発明の真空脱ガス装置において、２つの真空脱ガス槽について、それぞれ脱炭精錬を繰り返し行う試験を行った。なお、２つの真空脱ガス槽は、同じ条件で試験を行った。また、本実施例においても、脱炭精錬の操業中において、定期的に下部槽の交換（炉修）が行われ、下部槽交換中に地金除去作業が行われる。図７において、テスト結果は、テスト１槽目を「●」で、テスト２槽目を「◆」で示している。なお、従来の真空脱ガス装置については、試験結果を「○」で示している。また、図７において、横軸が下部槽回数であり、縦軸が煙道開度（％）である。

図７に示すように、本発明に係る真空脱ガス装置では、テスト１槽目及びテスト２槽目共に、従来と比較して、下部槽回数に対する煙道開度の低下を抑制できている。具体的に、下部槽回数が、約３００回までは、煙道開度が約８０［％］以上で維持されている。そして、下部槽回数が３００回を超えても使用末期まで煙道開度は約７０［％］以上で維持されている。

これに対して、従来の真空脱ガス装置では、下部槽回数が２００回以下においては、煙道開度が約６０［％］へと低下し、下部槽回数が２００回を超えた辺りから、煙道開度が４０〜５０［％］へと低下するものが散見される。更に、下部槽回数が約３６０回を超えると、地金が除去しきれなくなり、除去作業後でも煙道開度が７０［％］以下へと低下している。そして、使用末期では、除去作業後の煙道開度が約５０［％］へと更に低下している。
このことから、煙道の内側底部にマグネシア・カーボン煉瓦を敷設することによって、煙道地金の付着を低減することができることが分かった。
これにより、図８に示すように、煙道地金の除去作業の頻度を従来と比較して８割にまで低減することができた。具体的に、地金切り作業の頻度を、１６０［ｃｈ］毎から２００［ｃｈ］毎へと低減することができた。

１ 真空脱ガス装置
２ 上蓋
３ 上部槽
４ 下部槽
４ａ 上昇側浸漬管
４ｂ 下降側浸漬管
５ 煙道
６ 環流用ガス吹込ノズル
７ 上吹ランス
８ 取鍋
１０，１２ アルミナ系被覆部
１１ ＭｇＯ−Ｃ敷設部
２０ 溶鋼
５０ 地金
６０ａ，６０ｂ 浸潤層

Claims (1)

1. 溶鋼を保持する取鍋と、真空脱ガス槽と、該真空脱ガス槽の下部に設けられた浸漬管と、前記真空脱ガス槽に設けられた煙道とを備え、前記浸漬管に設けたノズルからガスを吹き込み、溶鋼を、前記浸漬管を介して取鍋と真空脱ガス槽との間で環流させる溶鋼環流方式の真空脱ガス装置において、前記煙道の内壁の底部にマグネシア・カーボン煉瓦を敷設し、該敷設部以外の内壁部を不定形耐火物で被覆したことを特徴とする真空脱ガス装置の煙道の構造。

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