JP6715729B2 - ガス供給装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガス供給装置に関する。

従来、溶融金属（金属溶湯）の取り扱いに取鍋が使用されている。取鍋は、溶融金属を貯留・収容する。取鍋は、貯留や収容された溶融金属にガスを吹き込むガス吹込プラグ（以下、吹込プラグとも称する。）が設けられている。通常、吹込プラグは、槽状の取鍋の底部に設けられる。吹込プラグは、アルゴンや窒素などのガスを溶融金属中に吹き込む。これにより、溶融金属の攪拌、温度調整、非金属成分の除去反応の促進等が行われる。吹込プラグには、連続した細孔を備えた多孔質の定形耐火物層を有するポーラスプラグや、緻密な不定形耐火物層にスリット（スリット状の細孔）が形成されたスリットプラグが用いられる。吹込プラグは、多孔質の細孔やスリット状の細孔をガスが通過し、金属溶湯にガスを吹き込む。

そして、ガス吹き込み処理後に取鍋の移動を行う場合、ガスの配管との接続を外して移動する。このとき、ガスの吹き込みが停止していることから、吹込プラグの細孔の内部に溶融金属が入りこむ。細孔の内部に入り込んだ溶融金属は、時間の経過により凝固する。その後に取鍋を再度使用しようとしても、吹込プラグの細孔は入り込んだ金属により閉塞している。このため、取鍋の再使用前に細孔に入り込んだ金属を除去する必要があった。

この問題に対し、ガスを加圧状態で蓄えた蓄圧ボンベ（以下、ボンベとも称する。）を取鍋に取り付けておき、ガスの配管がガス供給源と切り離されているときは、このボンベから吹込プラグにガスを供給するガス供給装置が特許文献１に提案されている。

特許文献１には、蓄圧ボンベと、ガス供給源とプラグとを接続する主管路と、主管路と蓄圧ボンベとを接続する第一副管路と、第一副管路と主管路とを接続する第二副管路と、各管路に設けられた第１〜第３逆止弁と、主管路におけるガスの流通抵抗を増加させる抵抗付与部と、抵抗付与部より下流側で主管路を流通するガスの圧力を調節する圧力調整弁とを備えたガス供給装置が記載されている。このガス供給装置は、ガス供給源から供給されたガスをガス吹込プラグに供給しつつ、蓄圧ボンベ内にガスを十分かつ速やかに充填することができる。

特開２００９−４１０７５号公報

従来のガス供給装置では、ガス供給源と吹込プラグとを接続する主管路に、ガス供給源と蓄圧ボンベとを接続する第一副管路が直交した状態で接続している。この構成では、主管路に供給したガスは、主管路に沿って流れる。つまり、主管路の第一副管路が接続する接続部近傍では、第一副管路の接続部の端面（開口部の開口面）に沿った方向にガスが流れる。このため、接続部から第一副管路内にガスが流れ込みにくくなっている。つまり、従来のガス供給装置では、ボンベにガスが流れにくくなっている。すなわち、ボンベに向けて流れるガス量が減少し、ボンベにガスが蓄圧されにくくなるという問題があった。

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、ボンベに十分なガスを素早く蓄えることができるガス供給装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するためになされた本発明のガス供給装置は、取鍋内に収容された溶鋼の精錬時にガスの供給を受けるガス受け口を有し、ガス受け口よりガスの供給を受けて取鍋に取り付けられたガス吹込プラグにガスを供給する第１ガス流路と、ガスを蓄える蓄圧ボンベを有し、ガス受け口よりガスの供給を受けて蓄圧ボンベにガスを供給する第２ガス流路と、蓄圧ボンベからガス吹込プラグに少量のガスを供給する第３ガス流路と、を有するガス供給装置において、第２ガス流路は、第１ガス流路に接続部で接続し、接続部にガスが流れ込む流れ方向と接続部から第１ガス流路を下流側に流れるガスの流れ方向がなす第１の角度（α）と、接続部にガスが流れ込む流れ方向と接続部から第２ガス流路を下流側に流れるガスの流れ方向がなす第２の角度（β）とが、β＞αであり、接続部から第１ガス流路を下流側に流れるガスの流れ方向と、接続部から第２ガス流路を下流側に流れるガスの流れ方向がなす第３の角度（γ）が９０°未満であることを特徴とする。

本発明のガス供給装置は、第２ガス流路が第１ガス流路に接続部で接続しており、ガス受け口より供給されたガスは、第１ガス流路と第２ガス流路を流れることができる。そして、ガス流路を流れるガスが接続部でなす角度が第２の角度（β）＞第１の角度（α）の関係を満たす。この関係を満たすことで、ガス受け口より供給されたガスは、第一ガス流路より、第２ガス流路を蓄圧ボンベに向けて流れる。この結果、ボンベに十分なガスを蓄えることができる。

詳しくは、ガス受け口より供給され接続部まで流れたガス（ガスの分子）は、その流れ方向に沿った慣性力が働いている。二つのガス流路の接続部では、慣性力に従ってガスが流れる。本発明では、第２の角度（β）＞第１の角度（α）であるため、接続部から第１ガス流路を流れようとするガスは、第２ガス流路を流れようとするガスよりも、ガスの流れ方向が大きく変化している（角度が曲がる曲がり量が大きくなっている）。この場合、接続部を通過して第１ガス流路を流れようとするガスの流れは、第２ガス流路を流れようとするガスよりも、接続部を通過するときの抵抗が大きくなる。そうすると、ガス受け口より供給されたガスは、第１ガス流路よりも第２ガス流路を流れるようになる。この結果、本発明のガス供給装置は、第１ガス流路よりも第２ガス流路にガスが流れることで、蓄圧ボンベに十分なガスを素早く蓄えることができる。

実施形態のガス供給装置の構成を示す構成図である。 実施形態のガス供給装置のプラグの構成を示す部分拡大図である。 実施形態のガス供給装置の接続部近傍における構成を示す部分拡大図である。 実施形態のガス供給装置におけるガスの流れを示す構成図である。 実施形態のガス供給装置におけるガスの流れを示す構成図である。 実施形態のガス供給装置におけるガスの流れを示す構成図である。 変形形態２のガス供給装置のプラグの構成を示す部分拡大図である。

［実施形態］
以下、本発明の実施形態におけるガス供給装置について、図１〜図４を参照して説明する。本実施形態では、図１に示すように、ガス供給装置１は溶鋼Ｍが収容された取鍋７に組み付けられる。

（ガス供給装置）
本形態では、図１に示されるガス供給装置１により、取鍋７の吹込プラグ６へガスが供給される。本形態のガス供給装置１は、第１配管２０、第２配管３０、及び第３配管４０を有して構成される。

次に、本形態のガス供給装置１について説明する。本形態では、図１に示されるガス供給装置１により、取鍋７の吹込プラグ６へガスが供給される。ガス供給装置１は、ガス供給口２１、ガス排出口２２及び逆止弁２３を有する第１配管２０と、蓄圧ボンベ５及び逆止弁３３を有する第２配管３０と、ガス調整手段としてのガス流量調整弁４３を有する第３配管４０と、を備えて構成されている。第１配管２０は第１ガス流路を区画する。第２配管３０は第２ガス流路を区画する。第３配管４０は第３ガス流路を区画する。

第１配管２０のガス供給口２１は、取鍋７に溶鋼Ｍを収容した精錬中においては、図１に示すように、ガス供給源Ｇに連結され、ガス供給源Ｇから多量のガスが供給される。ガス供給口２１に供給された多量のガスは、第１配管２０を通って吹込プラグ６に供給される。ガス供給口２１は、精錬終了時にガス供給源Ｇから切り離される。ガス供給口２１は、ガス受け口に相当する。

第１配管２０のガス排出口２２は、吹込プラグ６に連結する。吹込プラグ６は、取鍋７内に収容された溶鋼Ｍにガスを吹込むためのものである。この吹込プラグ６は、耐火物で形成され、円錐台形状を有している。吹込プラグ６は、ガス吹込プラグに相当する。

また、吹込プラグ６には、図２に示すように、ガスを通過させるためのガス流路として複数のスリット６０が設けられている。複数のスリット６０は、吹込プラグ６内部を貫通し、スリット状の細孔を形成している。吹込プラグ６に供給されたガスは、スリット６０を通って吹出口６１から取鍋７内へ吹き出される。

具体的には、溶鋼Ｍの精錬時においては、ガス供給源Ｇから第１配管２０を介して吹込プラグ６へ多量のガスが供給され、吹込プラグ６の吹出口６１から溶鋼Ｍに多量のガスが吹き出されることにより溶鋼Ｍの精錬が行われる。ガスとしては、例えばアルゴンガス等の不活性ガスを用いるものとする。

取鍋７は、吹込プラグ６が設けられる部材であり、高温の溶鋼Ｍを収容可能な耐火物からなる槽状の容器である。取鍋７は、その底部に吹込プラグ６を設けている。

第１配管２０のガス供給路における第２配管３０との接続部３１と、第１配管２０のガス供給路における第３配管４０との接続部４２との間には、逆止弁２３が設けられている。これにより、ガス供給源Ｇからガス供給口２１が切り離された時に、吹込プラグ６からガス供給口２１側へガスが逆流することを防止している。

第２配管３０は、ガス供給口２１に供給された多量のガスを蓄圧ボンベ５に蓄えるためのものであり、第１配管２０に接続部３１で連結されている。第２配管３０は、蓄圧ボンベ５に接続部３２で連結されている。蓄圧ボンベ５には、溶鋼Ｍにガス供給源Ｇからのガスを吹き込むときに、ガス供給源Ｇからのガスの一部が蓄えられる。

更に、第２配管３０のガス供給路における第１配管２０との接続部３１と、第２配管３０のガス供給路における第３配管４０との接続部４１との間には、逆止弁３３が設けられている。これにより、ガス供給源Ｇからガス供給口２１が切り離された時に、蓄圧ボンベ５からガス供給口２１側へガスが逆流することを防止している。

第３配管４０は、蓄圧ボンベ５に蓄えられたガスを吹込プラグ６に供給するためのものであり、第２配管３０と接続部４１で、第１配管２０と接続部４２でそれぞれ連結されている。第３配管４０には、ガス流量調整弁４３が配設されている。このガス流量調整弁４３は、ガス流量を調整するためのものであり、例えばニードルバルブが用いられる。

第１配管２０と第２配管３０は、図１、図３に示したように、連結部が略Ｙ字をなすように連結されている。図３は、第１配管２０と第２配管３０の連結部近傍の構成を拡大して示す図である。第１配管２０は、第２配管３０が連結する接続部３１で屈曲している。第２配管３０は、接続部３１の上流と下流が連続した直管状をなすように連結している。

より具体的には、第１配管２０の一部であって、接続部３１の直上流部２４は、直管を形成している。第１配管２０の一部であって、接続部３１の直下流部２５も、直管を形成している。直管とは、軸方向の伸びる方向が直線状の管を示し、直管内を流れるガスの流れ方向が直線となる管を示す。そして、直上流部２４の伸びる方向は、接続部３１にガスが流れ込む流れ方向２４０となる。直下流部２５の伸びる方向は、接続部３１から第１配管２０を下流側に流れるガスの流れ方向２５０となる。直上流部２４と直下流部２５とのなす角が第１の角度（α）となる。第１の角度（α）は、ガスの流れ方向２４０と方向２５０とがなす角にも相当する。

第２配管３０の一部であって、接続部３１の直下流部３４は、直管を形成している。そして、直下流部３４の伸びる方向は、接続部３１から第２配管３０を下流方向に流れるガスの流れ方向３４０となる。直上流部２４と直下流部３４とのなす角が第２の角度（β）となる。第２の角度（β）は、ガスの流れ方向２４０と方向３４０とがなす角にも相当する。

さらに、第１配管２０の直下流部２５と第２配管３０の直下流部３４のなす角が第３の角度（γ）となる。

なお、本形態のガス供給装置１では、α、β、γの具体的な角度は限定されるものではないが、第１の角度（α）と第２の角度（β）とは、β＞αとなっている。

また、第２の角度（β）が１８０°に近いほど好ましく、β＝１８０°であることが最も好ましい。この場合、第１の角度（α）についても、第２の角度（β）に近いほど好ましい。また、第３の角度（γ）が９０°未満であることが好ましい。

［本形態の動作］
次に、本形態のガス供給装置１の動作を、図３〜図６を用いて、より具体的に説明する。

本形態のガス供給装置１は、取鍋７に組み付け固定されている。取鍋７に高温の溶鋼Ｍを収容（貯留）する。この状態で、ガス供給口２１は、ガス供給源Ｇに連結され、ガス供給源Ｇから多量のガスが供給される。ガス供給口２１から供給したガスは、図４中の矢印で示したように、第１配管２０を通って、接続部３１にまで流れる。

第１配管２０内を接続部３１まで流れたガスの分子には、直上流部２４の伸びる方向に沿った慣性力が働いている。つまり、接続部３１まで流れたガスは、直上流部２４の伸びる方向に沿って流れようとする。この慣性力により、第１配管２０の直下流部２５よりも第２配管３０の直下流部３４に、より多くのガスが流れ込む。

より具体的には、図３に示したように、第１配管２０内を、直上流部２４，接続部３１，直下流部２５の順序で流れるガスは、その流れ方向が、接続部３１で第１の角度αで曲げられている。ガスの流れ方向が曲がることは、曲がらない場合と比較してガスの流れが規制されること（接続部３１を通過するときの抵抗の増加）を示す。そして、第１の角度αが小さいほど、ガスの流れ方向が曲がる変化量が大きいことを示し、ガスの流れを規制する程度が増加する（接続部３１を通過するときの抵抗の増加を示す）。

一方、第１配管２０の直上流部２４，接続部３１，第２配管３０の直下流部３４の順序で流れるガスは、その流れ方向が、接続部３１で第１の角度βで曲げられる。本形態では、β＝１８０°であり、慣性力に沿って流れ、ガスの流れ方向が規制されない（接続部３１を通過するときの抵抗の発生が抑えられる）。

この結果、本形態のガス供給装置１では、ガス供給口２１から供給したガスは、図４中の矢印で示したように、第２配管３０を流れて蓄圧ボンベ５にガスが供給され、蓄圧ボンベ５に蓄圧する。

さらに、本形態のガス供給装置１は、第１配管２０の直下流部２５と第２配管３０の直下流部３４のなす第３の角度（γ）が９０°未満である。第３の角度（γ）が９０°未満となることで、第１配管２０の直上流部２４から第２配管３０の直下流部３４に接続部３１をガスが流れるときに、圧力損失の発生が抑えられる。これにより、第２配管３０の直下流部３４から蓄圧ボンベ５に流れるガスの減少が抑えられ、蓄圧ボンベ５にガスが充填する時間の増加が抑えられる。

蓄圧ボンベ５にガスが十分に蓄えられると、第２配管３０のガス圧力が高くなり、第２配管３０にガスが流れにくくなる。そうすると、ガス供給口２１からのガスは、第１配管２０を流れるようになる。すなわち、吹込プラグ６にガスが送られる。具体的には、図５中矢印で示したように、第１配管２０をガスが流れる。第１配管２０を流れるガスは、ガス排出口２２を介して吹込プラグ６に供給され、吹込プラグ６から取鍋７に収容した溶鋼Ｍに吹き込まれ、精錬等が行われる。

このとき、蓄圧ボンベ５に蓄えられたガスは、第２配管３０の逆止弁３３と第３配管４０のガス流量調整弁４３の閉塞により、第２配管３０内及び第３配管４０内を流れることなく蓄圧ボンベ５にガスが蓄えられた状態が維持される。さらに、第１配管２０を流れるガスは、接続部４２から第３配管４０を逆流しようとしても、ガス流量調整弁４３により規制される。

そして、精錬等が終了した場合や取鍋７を移動する場合、ガス供給装置１は、ガス供給口２１をガス供給源Ｇから切り離す。この状態では、第１配管２０へガス供給源Ｇからのガスの供給が停止する。そうすると、第１配管２０の下流側のガス圧が相対的に高まり、ガス供給口２１からガス供給装置１中のガスが吹き出そうとする。この場合、第１配管２０の逆止弁２３と第２配管３０の逆止弁３３とにより、ガスの逆流が規制される。その結果、ガス供給口２１からガス供給装置１中のガスが排出（漏出）することが抑えられている。

そして、ガス流量調整弁４３を開くことで、図６に示したように、第３配管４０に少量のガスを流す。第３配管４０を流れた少量のガスは、接続部４２、配管２０を通り、ガス排出口２２を介して吹込プラグ６に供給され、吹込プラグ６から取鍋７に収容した溶鋼Ｍに吹き込まれる。

このように蓄圧ボンベ５に蓄えられたガスは、吹込プラグ６から少量で吹き出すことで、吹込プラグ６のガスが流通するスリット６０に溶融金属が浸入しなくなり、吹込プラグ６のガス透過性が悪化してガスの吹き込みに支障を来すことや、吹込プラグ６の酸素洗浄時における損耗が大きくなることを防止し、繰り返し使用が可能な回数が少なくなることが防止できる。

［本形態の効果］
以上に説明したように、本形態のガス供給装置１は、第１配管２０と、ガス供給口２１よりガスの供給を受けて蓄圧ボンベ５にガスを供給する第２配管３０と、蓄圧ボンベ５から吹込プラグ６に少量のガスを供給する第３配管４０と、を有する。そして、第２配管３０は、第１配管２０に接続部３１で接続し、接続部３１にガスが流れ込む流れ方向２４０と接続部３１から第１配管２０を下流側に流れるガスの流れ方向２５０がなす第１の角度αと、接続部３１にガスが流れ込む流れ方向２４０と接続部３１から第２配管３０を下流側に流れるガスの流れ方向３４０がなす第２の角度βとが、β＞αである。

本形態のガス供給装置１は、第１配管２０，第２配管３０，第３配管４０を有する構成により、ガス供給口２１にガスが供給されていない状態でも、吹込プラグ６に少量のガスを供給することができる。そして、吹込プラグ６のガスが流通するスリットに溶鋼Ｍが浸入しなくなり、吹込プラグ６のガス透過性が悪化してガスの吹き込みに支障を来すことや、吹込プラグ６の酸素洗浄時における損耗が大きくなることを防止し、繰り返し使用が可能な回数が少なくなることが防止できる。

そして、本形態の構成では、第２の角度βが第１の角度αよりも大きいことから、第１配管２０よりも第２配管３０にガス供給源Ｇからのガスが流れやすくなっている。つまり、ガス供給口２１から供給したガスは、第１配管２０よりも第２配管３０に流れ込む。そして、第２配管３０を流れて蓄圧ボンベ５にガスが供給され、蓄圧ボンベ５にガスを蓄圧する。すなわち、蓄圧ボンベ５に十分なガスを蓄えることができるガス供給装置１となっている。

なお、本形態のガス供給装置１によると、α、βの具体的な角度は限定されるものではないが、βが１８０°に近いほど好ましく、β＝１８０°であることが最も好ましい。αについても、βに近いほど好ましい。この構成となることで、第２配管３０にガスが流れやすくなる。

本形態のガス供給装置１は、第２の角度βが、１８０°である。この構成となることで、ガス供給源Ｇからガス供給口２１に供給されたガスは、ガスに働く慣性力により、接続部３１よりも下流側では第１配管２０よりも第２配管３０に流れ易くなっている。この結果、第１配管２０よりも第２配管３０（詳しくは、蓄圧ボンベ５に向けて）にガスが流れ、蓄圧ボンベ５に十分なガスを蓄えることができる。

本形態のガス供給装置１は、接続部３１から第１配管２０を下流側に流れるガスの流れ方向２５０と、接続部３１から第２配管３０を下流側に流れるガスの流れ方向３４０がなす第３の角度γが９０°未満である。この構成によると、第１配管２０の直上流部２４から接続部３１を介して第２配管３０の直下流部３４をガスが流れるときに、第１配管２０の直下流部２５側において負圧の発生が抑えられる。つまり、第２配管３０内を流れるガスは、流れが規制されることが抑えられている。この結果、本形態のガス供給装置１は、蓄圧ボンベ５に十分なガスを素早く蓄えることができる。

［変形形態１］
実施形態のガス供給装置１は、従来のガス供給装置１と同様に、フィルタや圧力センサをさらに、設けた構成を有していてもよい。

フィルタは、ガスに含まれる異物（不純物）を除去する。フィルタを設けることで、不純物による配管の目詰まりを抑えることができる。フィルタは、例えば、ガス供給口２１の直下流部に設けることができる。また、これ以外の場所に設けてもよい。例えば、各配管２０、３０、４０の管路中の少なくとも一カ所に設けてもよい。

圧力センサは、各配管２０、３０、４０に接続し、各配管２０、３０、４０を流れるガスの圧力を測定する。例えば、第２配管３０に設けることで、蓄圧ボンベ５に流入するガスの圧力を直接測定できる。さらに、第２配管３０の逆止弁３３の上流側の蓄圧ボンベ５に連通するガス供給路中に設けると、蓄圧ボンベ５に蓄圧するガスの圧力を測定できる。また、第１配管２０のガス供給路における第３配管４０が連結する接続部４２より下流側に設けることで、吹込プラグ６に供給されるガスの圧力を直接測定できる。圧力センサは、接続する管路内のガス圧力を測定できるセンサであれば、具体的な構成が限定されるものではない。

実施形態のガス供給装置１は、取鍋７とガス供給装置１との間、ガス供給装置１を構成するそれぞれの部材同士の間、に断熱材を配していてもよい。断熱材を配することで、取鍋７に収容した高温の溶鋼Ｍの熱がガス供給装置１を過熱することを防止する。断熱材は、過熱を抑える部材を用いることができ、耐熱樹脂や多孔質の焼成材など断熱効果の高い材質から形成することができる。

［変形形態２］
実施形態のガス供給装置１は、吹込プラグ６としてスリット状の細孔を備えた構成のプラグを用いているが、これに限られず、図７に示す多孔質の定形耐火物により構成されたポーラスプラグを用いてもよい。

本形態の吹込プラグ６は、図７に示すように、細孔同士がつながった多数の細孔６２が設けられている。つながった多数の細孔６２は、ガスを通過させるためのガス流路となる連通孔を形成している。多数の細孔６２から形成される連通孔は、吹込プラグ６内部を貫通している。吹込プラグ６に供給されたガスは、この連通孔を通って吹出口６１から取鍋７内へ吹き出される。

これら変形形態１〜２のガス供給装置においても、実施形態のガス供給装置１と同様な効果を発揮できる。

１：ガス供給装置
２０：第１配管 ２１：ガス供給口 ２２：ガス排出口
２３：逆止弁 ２４：直上流部 ２５：直下流部
３０：第２配管 ３１、３２：接続部
３３：逆止弁 ３４：直下流部
４０：第３配管 ４１、４２：接続部 ４３：ガス流量調整弁
５：蓄圧ボンベ
６：吹込プラグ ６０：スリット ６１：吹出口
６２：細孔
７：取鍋

Claims (3)

1. 取鍋内に収容された溶鋼の精錬時にガスの供給を受けるガス受け口を有し、該ガス受け口より該ガスの供給を受けて該取鍋に取り付けられたガス吹込プラグに該ガスを供給する第１ガス流路と、
   ガスを蓄える蓄圧ボンベを有し、該ガス受け口より該ガスの供給を受けて該蓄圧ボンベに該ガスを供給する第２ガス流路と、
   前記蓄圧ボンベから前記ガス吹込プラグに該ガスを供給する第３ガス流路と、
   を有するガス供給装置において、
   該第２ガス流路は、該第１ガス流路に接続部で接続し、
   該接続部にガスが流れ込む流れ方向と該接続部から該第１ガス流路を下流側に流れるガスの流れ方向がなす第１の角度（α）と、該接続部にガスが流れ込む流れ方向と該接続部から該第２ガス流路を下流側に流れるガスの流れ方向がなす第２の角度（β）とが、β＞αであり、
   該接続部から該第１ガス流路を下流側に流れるガスの流れ方向と、該接続部から該第２ガス流路を下流側に流れるガスの流れ方向がなす第３の角度（γ）が９０°未満であることを特徴とするガス供給装置。
2. 前記第２の角度（β）は、１８０°である請求項１記載のガス供給装置。
3. 前記第３ガス流路は、前記ガスを供給するガス調整手段を持つ請求項１〜２のいずれか１項に記載のガス供給装置。

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