JPH032208B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〔発明の利用分野〕 本発明は、取鍋内で金属溶湯を精錬する方法及
び装置に係り、特にアルミニウムやチタンのよう
に酸化しやすい金属を含む超合金の溶湯を処理す
るのに適した取鍋精錬装置に関する。 〔従来技術〕 金属たとえば鋼を製造する方法として、溶解炉
より取鍋に出湯した溶湯を取鍋内で還元精錬し、
さらに取鍋内で真空脱ガスを行つてから鋳型に鋳
込む方法がある。特開昭56−146815号公報には取
鍋内溶鋼上のスラグに加熱電極の先端部を浸漬し
て溶鋼を加熱し且つ溶鋼中にアルゴンガスを吹込
んで溶鋼を攪拌し、その後、溶鋼上のスラグを除
去して真空脱ガスを行う方法が記載されている。 取鍋中で還元精錬する方法は、通常、溶湯表面
をスラグで覆い、非消耗電極によつて溶湯を加熱
し、取鍋底部より溶湯中に不活性ガスを吹込むこ
とによつて行われている。特開昭55−110742号公
報には、かかる還元精錬法において非消耗電極と
して黒鉛電極を用いる方法が示されている。 取鍋内で真空脱ガスする方法は、一般に溶湯中
に不活性ガスを吹込んで溶湯を攪拌しつつ取鍋内
を真空排気することによつて行われている。この
場合、溶湯表面はスラグで覆わない。実公昭44−
19866号公報には、真空脱ガス中に溶湯の温度が
降下するのを防止するために取鍋の側壁に誘導コ
イルを埋め込むことが記載されている。 〔発明の目的〕 本発明の目的は、溶湯の還元精錬と同時に脱ガ
スを行うことができ且つ還元精錬による酸素除去
効果を高めることができる取鍋精錬装置を提供す
るにある。 〔発明の概要〕 本発明は、取鍋内を減圧雰囲気に保ち、その状
態で還元剤を含むスラグによつて表面が覆われた
溶湯を黒鉛製非消耗電極により加熱し、且つ溶湯
を不活性ガスの吹込みにより攪拌するものであ
る。 より高真空の減圧した雰囲気中で、表面がスラ
グで覆われた溶湯を加熱すると、スラグと溶湯中
の酸化物とが活発に反応するようになり、しかも
反応速度が速くなつて、溶湯中の酸素の除去効果
を高めることができる。 溶湯中の酸素は、各種の酸化物たとえば酸化第
一鉄（FeO）、二酸化珪素（SiO₂）、三酸化クロ
ム（Cr₂O₃）などの形で含まれている。還元精錬
では、これらの酸化物から酸素を除去し、更に硫
黄などを除去する。硫黄はたとえば硫化鉄
（FeS）として含まれている。 取鍋内溶湯の還元精錬は、次のようにして行
う。まず溶湯を入れた取鍋内にフラツクス及び還
元剤を投入し溶湯表面を覆う。フラツクスに塩基
性フラツクスである酸化カルシウム−フツ化カル
シウム系（CaO−CaF系）のフラツクスを用い、
還元剤にコークス粉を用いたとすると、以下に示
すような反応がほぼ同時に進行する。 FeS＋CaO→FeO＋CaS FeO＋Ｃ→Fe＋CO Cr₂O₃＋3C→2Cr＋3CO SiO₂＋2C→2Si＋2CO 溶湯中の硫化鉄は、フラツクス中の酸化カルシ
ウムと反応して酸化第一鉄及び硫化カルシウムを
生成する。生成した酸化第一鉄は更にコークスと
反応し還元されて溶湯中の成分となり、一酸化炭
素はガスとなつて雰囲気中に放出される。硫化カ
ルシウムはスラグ成分となつて溶湯表面を覆う。
溶湯表面を覆う成分のことを以下、スラグと総称
する。スラグの成分は、主にフラツクス成分と還
元剤成分からなるが、それらと溶湯成分との反応
による生成物が加わつたりするので、成分組成は
精錬の進行に伴つて変動する。 溶湯中の各種酸化物は、スラグとの界面でコー
クスと反応し還元されて溶湯の成分となる。生成
した一酸化炭素は雰囲気中に放出される。 スラグによる還元精錬を活発に行わせるため
に、溶湯中にアルゴンガスなどの不活性ガスを吹
込んで溶湯を攪拌し、且つ溶湯を黒鉛製電極のよ
うに非消耗電極により加熱する。 本発明者らは、スラグによる還元精錬を大気中
で行うと大気中の窒素、水素などが溶湯中に混入
してしまうおそれがあることを知り、その対策と
して減圧雰囲気にして行つてみた。その結果、雰
囲気中より水素、窒素などが混入しないばかりで
なく、溶湯中よりこれら成分を雰囲気中に放出で
きることが明らかにされた。更にスラグと溶湯中
の酸化物、硫化物などとの反応速度が速まり、溶
湯中の酸素除去効果を高めることができた。 本発明は、取鍋中で還元精錬と真空脱ガスとを
一緒に行える新規な精錬装置である。したがつ
て、以下では、還元精錬と脱ガスとを含めて広い
意味で精錬ということにする。スラグによる還元
精錬だけを云う場合には、還元精錬と記載する。 大気中での還元精錬にくらべて、真空中での還
元精錬の方が酸素除去効果が高く且つ反応速度が
速くなるのは、次の理由による。 大気中で還元精錬すると、スラグ中の還元剤は
溶湯中の酸化物ばかりでなく、大気中の酸素とも
反応する。このため溶湯中の酸化物との反応に使
われる還元剤の量が不足する。真空中で還元精錬
すれば、雰囲気の影響に基づく還元剤の消耗を防
止でき、投入した還元剤の全量を溶湯との反応に
有効に使えるようになる。 大気中では、溶湯中に不活性ガスを吹込んで酸
化物、硫化物の浮上速度を速めているにもかかわ
らず、浮上速度がきわめて遅い。減圧雰囲気にす
ると、溶湯中の酸化物、硫化物の浮上速度が非常
に速くなり、溶湯中の成分と還元剤との反応が活
発に且つ速やかに行われるようになる。 更に減圧した雰囲気中で還元精錬を行うことに
より、雰囲気の水素分圧及び窒素分圧が低くなる
ので、溶湯中の水素、窒素なども還元精錬と同時
に除去されるようになる。 減圧雰囲気にしないで還元精錬を行つた場合に
は、たとえ不活性ガス雰囲気中にしても減圧雰囲
気中におけるような活発な反応は生じない。この
場合、溶湯中の酸化物、硫化物の浮上速度は大気
中で還元精錬を行つたのと同じであり、酸素除去
効果が劣る。還元精錬と同時に脱ガスを行うこと
もできない。 真空排気して減圧雰囲気にした中で、スラグで
覆われた溶湯を非消耗電極により加熱し且つ溶湯
中に不活性ガスを吹込むことにより、大気中或い
は不活性ガス中で還元精錬を行う方法にくらべて
更に次の効果が得られる。 (イ) 精錬に要する所要時間を短くできる。 (ロ) 真空脱ガスに必要な時間を長くできる。 (ハ) 溶湯加熱のための経費を節減できる。 大気中或いは不活性ガス中で還元精錬を行う方
法においては、既に述べたようにそのあとで必ず
真空脱ガスを必要とする。真空脱ガス時には、溶
湯の温度がかなり降下するので、その降下分を見
込んで還元精錬時に溶湯を鋳込み温度よりもかな
り高い温度に加熱する必要がある。この方法は、
還元精錬時間については溶湯を加熱しているので
任意に設定でき例えば数時間という長い時間を設
定することができる。しかし、真空脱ガス時間に
ついては溶湯の温度降下を考慮して設定しなけれ
ばならないので、あまり長時間にできない。通常
は、せいぜい十数分〜数十分というところであ
る。 このように大気中或いは不活性ガス中で還元精
錬を行う方法は、溶湯を鋳込み温度よりも高い温
度に加熱しなければならず、しかもその後の真空
脱ガス時間を長くとることができない。 これに対して、真空排気して減圧雰囲気にした
状態で精錬を行うと、スラグによる還元精錬と脱
ガスとを一緒に行われるので、精錬の全所要時間
を短くでき且つ真空脱ガスの時間を長くとれる。
更に溶湯を鋳込み温度よりも高い温度に加熱する
必要もなくなる。以上のことから溶湯の加熱に必
要な電気代等の経費の節減をはかることができ
る。 真空脱ガスにおいて除去される水素、窒素など
の量は、真空度が決まると平衡論的に決まり、溶
湯中にどのくらいの量が残留するか計算によつて
求めることができる。しかし、従来の方法におい
ては真空脱ガス時間が十数分あるいは数十分とい
うような短い時間であるので、実際に溶湯中に残
留する量は計算によつて求まる量にくらべてかな
り多いのが現状である。 本発明によれば、還元精錬時間＝真空脱ガス時
間となるので、溶湯中の水素、窒素などの残留量
が計算によつて求められる量にきわめて近い値と
なる。なお、このような効果があるため、真空脱
ガスと還元精錬を別個に行う従来の方法にくらべ
て、低真空にすることも可能である。 本発明によれば、超合金の製造を行うことがで
きる。超金属には、鉄基超合金、ニツケル基超合
金、コバルト基超合金などがあり、いずれもアル
ミニウムやチタン、ニオブなどの非常に酸化され
やすい成分を含んでいる。これらの超合金を電気
炉で溶解すると、アルミニウムやチタンが酸化し
て消失してしまうので、従来は真空密閉された容
器内で誘導溶解したのち、その容器内に設置され
た鋳型に鋳込んできた。この方法は真空容器を必
要とし且つその容器内を真空排気するのに大きな
排気装置を必要とする。このため構造的に大がか
りになり広い建屋を必要とする。にもかかわらず
一回に数トンの溶解しか行えない。しかも真空誘
導溶解による方法は脱炭を行うのが非常に難し
く、原料に炭素含有量の少ない高級な材料を使用
しなければならない。 本発明によれば、電気炉で溶解し取鍋で精錬す
るという、鋼の製造に用いられている一般的な方
法によつて超合金を製造することができる。大気
中で溶解できるため、一回に30トン或いは50トン
という多量の鋳塊を製造できる。脱炭作業が容易
であり、炭素含有量の多い低級な原料を用いるこ
とができる。真空誘導溶解は通常、10^-2〜10^-3mm
Hgという高真空で行われているが、本発明では
10^-1mmHg程度の低真空でも超合金を製造できる。
但し、本発明においては、アルミニウムやチタン
などの酸化しやすい原料の添加を取鍋精錬時に行
うことが必要である。 超合金に添加される成分のうちで酸化されやす
いものとしては、アルミニウム、チタン、ニオブ
のほかにクロム、ボロン、バナジウム、タンタ
ル、マグネシウム、ジルコニウムなどがある。こ
れら成分の添加も取鍋精錬時に行うことが望まし
い。 本発明において、このような高合金を精錬する
には時の真空度は100mmHg以下にする必要があ
り、特に30mmHg以下にするのが望ましい。雰囲
気は高真空であるのにこしたことはないが、真空
誘導溶解よりも高真空にする必要はない。具体的
には100mmHg〜10^-3mmHgの範囲にすることが望
ましい。高真空にするにしたがつて溶湯中の酸化
物、硫化物などの浮上速度が速まり且つ雰囲気中
の酸素による影響が少なくなつて、溶湯中の成分
とスラグとの反応が活発になる。10^-3mmHg以下
の高真空にしても精錬効果は、それ以前の近傍の
真空度のときと大差ない。 超合金の製造においては、取鍋中の溶湯をまず
10〜100mmHg程度の雰囲気中で精錬し、その後、
真空度を１mmHg以下にしてアルミニウムやチタ
ンなどの酸化しやすい成分を添加し、そのまま高
真空で精錬を終了することが望ましい。 フラツクスには、塩基性のフラツクスを用いる
ことが望ましい。超合金の製造においては、塩基
性フラツクスとして酸化カルシウム−フツ化カル
シウム系フラツクスを用いることが望ましい。酸
化カルシウムとフツ化カルシウムの比率は、重量
比で酸化カルシウム15：フツ化カルシウム１〜２
が望ましい。酸化カルシウムのみであるとスラグ
の流動性が殆どない。フツ化カルシウムを添加す
ることによりスラグの流動性がよくなる。 還元剤には、溶湯の材質に応じてコークス粉、
シリコン粉、フエロシリコン粉、カルシウム−シ
リコン合金粉、アルミニウム粉などを用いること
ができる。溶湯の材質に応じて使いわけることが
望ましい。たとえば超合金溶湯の精錬では、アル
ミニウム粉および／又はシリコン粉を用いること
が望ましい。 溶湯は黒鉛電極により加熱するが、加熱の方法
は任意でよい。低真空下ではアーク加熱になる
が、100mmHg以下ではグロー放電になるのでスラ
グの抵抗熱を利用した抵抗加熱となる。アーク加
熱は、通常、非消耗電極をスラグ面の上方に数十
mm通常は20〜30mmの間隔をあけて配置してアーク
を発生させる。アークが発生しフラツクスが溶融
したならば、以後は溶融スラグ中に非消耗電極の
先端を挿入して加熱する事が望ましい。溶融スラ
グ面の上方に数十mmの間隔をあけたままの状態で
アーク加熱を続けると、輻射熱或いは溶融スラグ
の飛散物の付着によつて取鍋の内壁が損傷を受け
やすい。溶融スラグ中に非消耗電極の先端を挿入
してアーク加熱すれば、アークが静かに発生する
ので取鍋の内壁を損傷するおそれがほとんどな
い。 抵抗加熱による場合、予め溶融させておいたス
ラグを取鍋内に挿入することも可能である。 本発明の実施例では、三相交流によるアーク及
び抵抗加熱を行つた。すなわち、精錬開始に当つ
て、まず溶湯表面に散布したフラツクス及び還元
剤の上方に非消耗電極を設置してアークを発生さ
せ、フラツクスが溶融後、溶融スラグ中でアーク
加熱を行うようにした。なお、かかる方法におい
ては、溶融スラグ中でアーク加熱と同時に抵抗加
熱も生じているものと考えている。 減圧雰囲気中で加熱を行うので、非消耗電極と
して黒鉛を用いた場合には黒鉛が溶湯中の酸素の
還元剤として作用するようになり、鋳塊の清浄度
が増すという効果が得られる。 更に、大気中のスラグ精錬においては、還元剤
であるアルミニウムやシリコンが酸化物となつて
スラグ成分となり且つスラグの塩基度を低下させ
て脱硫、脱酸の反応の進行を遅らせるが、減圧雰
囲気中のスラグ精錬においてはこのようなことが
ないという効果もある。即ち、減圧中のスラグ精
錬においては、アルミニウムやシリコンの酸化物
の大部分は、還元されてアルミニウム及びシリコ
ンとなり、再び溶湯中の酸素の還元剤として作用
する。スラグの塩基度も下がらないので、脱硫反
応の進行が弱まることもない。 不活性ガスは、取鍋の底の近傍の溶湯中へ吹込
むことが望ましい。不活性ガスとしてはたとえば
アルゴンガスを用いることができる。 本発明は、底部に溶湯注出口及び不活性ガス吹
込み口を有する取鍋と、前記取鍋の上方開口部を
覆い該取鍋に対し気密シール機構を有するととも
に着脱自在である取鍋蓋と、前記蓋を貫通して昇
降される黒鉛製非消耗電極と、前記蓋に配管を経
て設置された真空排気手段とを有する取鍋精錬装
置において、前記非消耗電極の上端に固定された
導電性金属からなる水冷式補助電極と、前記取鍋
蓋の上方に突出する前記非消耗電極の周囲を覆う
前記補助電極に固着された上部筒及び前記取鍋蓋
に固着された下部筒と、前記上部筒の内周に設け
られたシール部材によつて前記下部筒の外周面を
摺動するシール機構とを備えたことを特徴とする
取鍋精錬装置にある。 本発明の装置の一例を第１〜３図に示す。第１
図は非消耗電極をスラグ中より引き上げた状態を
示し、第３図は非消耗電極をスラグ中に浸漬した
状態を示している。第２図は、第１図の取鍋蓋か
ら上の部分の拡大図である。 取鍋１は、底部に不活性ガスの吹込み口１ａ及
び溶湯注出口１ｂを有している。不活性ガス吹込
み口は取鍋の側壁に設けてもよいが、溶湯の攪拌
効果を高めるにはやはり取鍋の底部に設けた方が
よい。取鍋及び取鍋蓋はたとえば耐火物で作られ
る。取鍋とは別個に不活性ガス吹込み手段を設
け、取鍋蓋を貫通して溶湯内に不活性ガスを供給
することも考えられなくはないが、取鍋を気密構
造にすることが難しくなるので好ましくない。５
は不活性ガスを供給する配管である。 取鍋蓋２は取鍋１の側面でシール機構（図示な
し）によつて気密が保たれるとともに、真空排気
手段に接続される配管３が取りつけられている。
さらに黒鉛製非消耗電極４を通す孔２ａが設けら
れている。黒鉛製非消耗電極は、通常、黒鉛粉を
焼結して作られる。したがつて、多孔質である。
黒鉛製非消耗電極は非消耗とはいつても長い間の
使用中に多少は消耗し、しかも破損することもあ
る。これらのことを考慮し、本発明の実施例では
第２図に示すように黒鉛製電極を同じく黒鉛のボ
ルトでを継ぎ足すことができるようにしている。 黒鉛製非消耗電極４は前述のように多孔質であ
る。更に非消耗電極と取鍋蓋に設けた非消耗電極
を通す孔との間には隙間がある。したがつて、こ
の装置を真空排気しても電極の孔或いは電極と取
鍋蓋との間の隙間から空気が混入してしまう。 取鍋内に大気が混入するのを防ぐために、黒鉛
製電極の上部に溶解製造により作つた導電性金属
からなる補助電極６をなじ込みなどにより接続す
る。補助電極の材料としては銅、アルミニウム、
それらを主成分とする合金或いは鋼が望ましい。
補助電極は数百度の温度に加熱されるので水冷構
造にする。符号７は、補助電極を冷却する水の給
水管を示し、１５は排水管を示している。符号８
は溶湯を示し、符号９はスラグを示している。 取鍋蓋上に突出した黒鉛製非消耗電極の周囲を
覆うシール機構は、補助電極６と取鍋蓋２との間
に設けられる。シール機構は、補助電極に固定さ
れた上部筒１０と取鍋蓋に固定された下部筒１１
を有する。上部筒１０は非消耗電極の昇降に伴つ
て移動するように構成されている。黒鉛電極は全
体が金属で覆われているので、全く大気にはさら
されず、非常に高い気密性が保たれる。 上部筒１０は下部筒１１の外筒に接して摺動す
る部分の間には、そこから大気が混入したりしな
いようにするためにパツキン１２を設けてある。
下部筒１１の外周で上部筒１０を摺動させること
により精錬中の激しい沸騰によつて生じる多量の
ミストの付着による影響をなくすことができる。
ミストはいずれも内周面に付着するが、下部筒１
１の外周面にはミストは付着しないので、摺動に
当つて気密が保たれる。パツキンは補助電極６と
上部筒１０との固着部分にも設けることが望まし
い。第２図において符号１３で示したのがそのパ
ツキンである。パツキン１３には耐熱性ゴムのチ
ユーブを有するチユーブ式パツキンを用いること
が望ましい。 下部筒１１は取鍋蓋２にパツキン（符号なし）
を用いてシールされて固着されている。 １３ａはチユーブへの空気供給管である。下部
筒１１も、数百度というきわめて高い温度に加熱
されるので水冷却構造にすることが望ましい。１
１ａが給水管、１１ｂが排水管である。符号１４
は電極ホルダーである。 黒鉛製非消耗電極４は、昇降するときに常にま
つすぐに上昇し且つ下降するとは限らない。多少
は前後左右に傾く。傾いたままで下降したり或い
は上昇すると、上部筒１０と下部筒１１との間の
すべりが悪くなり、両者の筒の間に隙間ができて
大気が混入するようになつたり或は黒鉛製非消耗
電極が割損したりするおそれがある。このような
ことを防止するために、上部筒１０の一部に第２
図に示すようにベローズ１６を設けることが望ま
しい。ベローズの材料にはたとえばステンレス鋼
を用いる。 〔発明の実施例〕 第１表に示す成分組成を有する大気溶解した溶
湯を取鍋内に入れ、本発明の装置により精錬を行
つた。

【表】 取鍋内に入れたときの溶湯の温度は1575℃であ
る。フラツクスには酸化カルシウムとフツ化カル
シウムの混合物を用い、15Kg／トン添加した。フ
ラツクスの組成は重量比で酸化カルシウム15対フ
ツ化カルシウム２である。還元剤にはシリコン粉
及びアルミニウム粉を用い、1.5Kg／トン添加し
た。 フラツクス及び還元剤を添加後、黒鉛製非消耗
電極をスラグ中に浸漬してアーク加熱するととも
に真空排気を開始した。更に取鍋の底の部分より
アルゴンガスを20〜100／minの流量で吹込ん
だ。精錬開始後、直ちに脱ガスによる溶湯の沸騰
現象が起こつた。取鍋内の真空度は常に約50mm
Hgに保たれるように調整した。15〜20分の精錬
により溶湯は鎮静化した。次いで真空度を次第に
低くして10^-1mmHgにした。精錬開始当初から約
30分経過した時点での溶湯中の酸素、窒素の量は
酸素が68ppm、窒素が103ppmであつた。取鍋内
の真空度が10^-1mmHgになつた時点で、溶湯にア
ルミニウム及びチタンを投入した。そしてそのま
ましばらく加熱を続けて精錬を終了した。 精錬終了後の溶湯の成分組成は第２表に示す通
りである。

【表】 酸素、硫黄、窒素の量を減らすことができた。 アルミニウムの歩留は95％、チタンの歩留は93
％であつた。 溶湯温度或いは真空度と精錬過程との関係を第
４図に示した。 比較例 第１表に示す成分組成の溶湯を取鍋に注入して
大気中で還元精錬し、その後真空脱ガスを行つ
た。フラツクス及び還元剤には、本発明の実施例
のときと同じものを使つた。なお、アルミニウム
とチタンの投入は行なわなかつた。真空脱ガス前
の溶湯の温度は1650℃とし、15分間脱ガス処理し
た。脱ガス終了時の溶湯の温度は1580℃であつ
た。 精錬後の溶湯の成分組成は第３表に示すとおり
であり、本発明にくらべて酸素、硫黄、窒素の残
留量がいずれも多かつた。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば特定の減
圧下での溶湯のスラグによる還元精錬と脱ガスと
を一緒に行うことができる。しかも溶湯中の酸化
物とスラグとの反応を活発に行わせることができ
るので、特に高合金の製造において酸素量を顕著
に低める優れた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１〜３図は、本発明の取鍋精錬装置の一実施
例を示す断面図、第４図は、本発明の取鍋精練法
の一実施例において使用したもので、溶湯温度或
いは真空度と精錬過程との関係を示すグラフであ
る。 １……取鍋、２……取鍋蓋、４……黒鉛製非消
耗電極、６……補助電極、８……溶湯、９……ス
ラグ、１０……上部筒、１１……下部筒、１２…
…パツキン。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 底部に溶湯注出口及び不活性ガス吹込み口を
   有する取鍋と、前記取鍋の上方開口部を覆い該取
   鍋に対し気密シール機構を有するとともに着脱自
   在である取鍋蓋と、前記蓋を貫通して昇降される
   黒鉛製非消耗電極と、前記蓋に配管を経て設置さ
   れた真空排気手段とを有する取鍋精錬装置におい
   て、前記非消耗電極の上端に固定された導電性金
   属からなる水冷式補助電極と、前記取鍋蓋の上方
   に突出する前記非消耗電極の周囲を覆う前記補助
   電極に固着された上部筒及び前記取鍋蓋に固着さ
   れた下部筒と、前記上部筒の内周に設けられたシ
   ール部材によつて前記下部筒の外周面を摺動する
   シール機構とを備えたことを特徴とする取鍋精錬
   装置。 ２ 特許請求の範囲第１項において、前記上部筒
   はベローズ構造を有し、前記下部筒は水冷構造を
   有することを特徴とする取鍋精錬装置。