JPH06212242A

JPH06212242A - 取鍋内溶鋼の真空精錬法

Info

Publication number: JPH06212242A
Application number: JP31A
Authority: JP
Inventors: Shinya Kitamura; 信也北村; Hiroyuki Aoki; 裕幸青木
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1991-06-19
Filing date: 1991-06-19
Publication date: 1994-08-02
Anticipated expiration: 2014-07-05
Also published as: JP2915631B2

Abstract

(57)【要約】【目的】激しいスプラッシュの発生、耐火物消耗、清
浄度の低下を起こすことなく、しかも、短時間処理で極
低炭領域まで脱炭速度を低下せずに効率良く精錬を可能
とするための取鍋内溶鋼の真空精錬法【構成】取鍋内の溶鋼に浸漬管を浸漬し、該浸漬管内
を減圧すると共に、浸漬管下部および取鍋低部より不活
性ガスを供給して、該溶鋼を撹拌する真空精錬法におい
て、気泡活性面積を全溶鋼表面積の１０％以上とし、か
つ、該浸漬管内に形成される気泡活性面積を真空表面の
９５％以上とすること、および真空表面における気泡活
性面積の内の３０〜８０％の領域を相対的に強撹拌の気
泡活性面積とする取鍋内溶鋼の真空精錬法にある。【効果】短時間処理で極低炭素領域まで脱炭速度を低
下させずに効率的な精錬が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は脱炭、脱ガス効率の良い
取鍋内溶鋼の真空精錬法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、極低炭素鋼を溶製するためには、
転炉等で炭素濃度を０．０４％程度まで脱炭させた溶鋼
を取鍋等の容器に受鋼した後、ＲＨ法やＤＨ法といった
真空脱ガス装置等の排気装置を有するプロセスを用い、
溶鋼の一部分を減圧雰囲気中に配置し、気体側の圧力を
低下させることで溶鋼中の炭素を低下させる方法が実施
されていた。しかし、炭素濃度をより低下させる場合に
は、脱炭速度が停滞し、長時間の処理を要するという問
題があった。これを解決するために、通常、ＲＨにおけ
る環流用ガス流量の増加や浸漬管径の増大、あるいはＤ
Ｈ法における槽昇降速度の増加等による溶鋼環流速度の
増大といった方法がとられている。しかしながら、環流
量の増大は設備上限界があり、槽昇降速度の増加も溶鋼
の追従性からの限界がある。これらの問題に対して、特
開昭５３−６７６０５号公報には、取鍋内の溶鋼を浸漬
管を介して真空槽内に吸い上げ、かつ、取鍋底部から不
活性ガスを導入し、しかも一精錬期に真空槽内を複数回
にわたり減圧・復圧を繰返す溶鋼の真空脱ガス方法が提
示されている。一方、特開昭５１−５５７１７号公報に
おいては、円筒形の管を浸漬し、管内を減圧した上で取
鍋底部よりポ−ラスレンガよりＡｒを吹き込む減圧精錬
炉が提示されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た特開昭５３−６７６０５号公報にあっては、処理中に
管内溶鋼と管外溶鋼とを混合させることを目的として、
一精錬期に真空槽内を複数回にわたり減圧・復圧を繰返
すため、溶鋼反応表面が真空下にさらされる時間が短
く、極低炭素鋼を溶製するためには、長時間の処理を要
するという問題がある。さらに特開昭５１−５５７１７
号公報にあっては、円筒形の浸漬管に溶鋼を吸い上げ、
取鍋底部に設けたガス吹き込み孔から不活性ガスを導入
することが開示されているが、単にこの方法のみでは安
定して極低炭領域まで脱炭することが出来ない上に処理
中のスプラッシュの発生も安定して制御出来ず、また、
転炉スラグを巻き込むため高清浄度鋼の安定した溶製も
難かしいという種々の問題がある。そこで本発明は、こ
れら問題点を解消せんとするもので、その目的は激しい
スプラッシュの発生、耐火物消耗、清浄度の低下という
問題を起こすことなく、しかも、短時間処理で極低炭領
域まで脱炭速度を低下させることなく効率的な精錬を可
能とするものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、前述した
従来の溶鋼の脱ガス方法の欠点を解消すべき種々の検討
及び実験を行った結果、極低炭素域の脱炭速度は従来提
唱されてきた溶鋼の環流速度や溶鋼全体の撹拌エネルギ
−ではなく、気泡活性面積に基因するものであるという
新しい知見を得た。本発明はこの知見に基づいてなされ
たものである。その要旨とするところは、（１）取鍋内
の溶鋼に浸漬管を浸漬し、該浸漬管内を減圧すると共
に、取鍋低部より撹拌用ガスを供給して、該溶鋼を撹拌
する真空精錬法において、気泡活性面積を全溶鋼表面積
の１０％以上とし、かつ、該浸漬管内に形成される気泡
活性面積を真空表面の９５％より大きくすることを特徴
とする取鍋内溶鋼の真空精錬法。（２）真空表面における気泡活性面積の内の３０〜８０
％の領域を相対的に強撹拌の気泡活性面積とすることを
特徴とする請求項１記載の取鍋内溶鋼の真空精錬法にあ
る。

【０００５】

【作用】以下本発明について図面に従って詳細に説明す
る。図１は本発明の一実施例の説明図であり、溶鋼４
は、取鍋１に収容され、浸漬管２は取鍋１内の溶鋼４に
浸漬静止される。浸漬管２は排気管と連通し、浸漬管２
内の真空度に応じて、浸漬管２内に溶鋼４が吸い上げら
れる。そして浸漬管２の下部断面が垂直下方に当る取鍋
１の底部に配設されたポ−ラスプラグ３より不活性ガス
５が溶鋼中に吹き込まれ、溶鋼４が撹拌混合される。こ
の場合に、極低炭領域まで脱炭速度を低下させることな
く脱炭を進行させるためには、真空下に暴露されている
溶鋼表面部分を有効に撹拌し実質的な表面積を増大させ
ることが極めて効果的であるという新しい知見に基づ
き、これを有効に効果ならしめる撹拌方法について、水
モデルや水銀モデルによって詳細に検討した結果、吹き
込まれる気泡を表面の広い範囲に浮き上がらせることが
重要であるということを見出した。これは、例えば大量
の気泡を上昇させても、途中に狭い断面積の流路を通過
した場合や吹き込み位置が浅く表面での気泡の浮上領域
の面積が狭い場合には、吹き込むガス量を増加させても
実質的な表面積を増加しないことを意味しており、単に
鋼浴全体に対する撹拌力や環流速度という既存の概念で
は説明が困難な現象であり、これは取りも直さず表面領
域に対する撹拌という新しい概念に基づくものである。

【０００６】また、取鍋内溶鋼の深い位置からのガス撹
拌下での流動状況については、水モデルや数値計算によ
り明らかにされているが、しかし吹き込まれたガスが浮
上する領域では大きな上向きの流れが生じ、表面の気泡
浮上領域で最も強い上向きの流れとなる。これに対し
て、気泡浮上領域以外の表面では、表面に水平方向の炉
壁へ向かう流れになり、この流れが炉壁へ衝突して下向
きの流れへと変化している。これらの流動の内、水平方
向の炉壁へ向かう流れの速さは、本発明者による研究の
結果、いわゆる撹拌エネルギ−や環流速度と対応するこ
とが明らかになった。

【０００７】しかも、真空下での脱炭反応に対しては、
水平方向の炉壁へ向かう流れの速さよりも、吹き込まれ
たガスが浮上する領域での大きな上向きの流れが圧倒的
に重要であることが明らかになり、さらに、種々の実
験結果により、この脱炭特性を支配する要因は、次のよ
うな定義による気泡活性面積であることが明らかになっ
た。すなわち、この気泡活性面積とは、吹き込まれたガ
ス気泡が表面に浮上する領域であると定義され、水モデ
ルや水銀モデルあるいは実機での観察結果により、垂直
方向に吹き込まれたガスに対する気泡活性面積（Ａｎ）
は（１）式で、水平方向に吹き込まれたガスに対する気
泡活性面積（Ａｕ）は（２）式で与えられる。Ａｎ＝３．１４×（０．２１２×Ｈ）² ‥‥‥‥（１）Ａｕ＝３．１４×（７×Ｑ⁰・⁶⁷）²／２ ‥‥‥‥（２）ここで、Ｈは吹き込み位置から溶鋼面までの距離（ｍ）
であり、Ｑはノズル１個当りのガス吹き込み量（Ｎｍ³
／ｓ）である。

【０００８】そして、この（１）式で定義される気泡活
性面積が脱炭速度を支配する主要な因子である。その理
由は以下のように考えられる。１）脱炭反応の起こる自由表面は、スラグが存在しない
ためにメタルの流動に対する抵抗が殆どない。そのた
め、スラグとメタルの間の反応に比較してメタル相表面
の流動は極めて容易である。従って、表面流速に大きく
影響される物質移動速度は、少量のガスにより撹拌する
のみで充分に大きく出来、これを更に大きくしても反応
速度に対する影響は小さい。このことが、撹拌エネルギ
−や環流速度といった水平方向の炉壁へ向かう流れの速
さで決定される指標と脱炭反応速度が関係しない理由で
ある。２）脱炭反応の速度を増大させるためには、物質移動速
度の増加ではなく、反応表面積の増加が最も重要な要因
となる。ところで、気泡が浮上し表面で破泡するという
一連の過程を考えると、気泡が溶鋼との密度差により浮
上した後、表面で破裂し、次いで、周囲の溶鋼表面が波
立つという過程をとる。このうち、気泡が表面で破裂し
た瞬間が最も大きな表面積を形成し、その後周囲に生成
される波では表面積は殆ど増加されない。一方、気泡が
浮上することにより形成される最表面での上向きの流れ
の速度はガス吹き込み速度や撹拌エネルギ−に影響され
るが、それは液滴を高くまで飛散させる運動エネルギ−
を与えるものであり、個々の気泡が表面で破裂した瞬間
の自由表面の形態には大きくは影響しない。従って、個
々の気泡が表面で破裂する時に形成する自由表面はほぼ
一定であり、反応容器全体の表面積を有効に増大させる
ためには、表面で破裂する気泡の数を多くすることが重
要となる。このためには、気泡の合体を可能な限り抑制
出きるように広い面積にわたって気泡を浮上させること
が必要となり、よって気泡活性面の大きさが重要とな
る。

【０００９】図２は本発明の他の実施例を示す説明図で
あり、気泡活性面積の内の３０〜８０％の領域を相対的
に強撹拌の気泡活性面積を得るために、取鍋低部より強
撹拌用ポ−ラスプラグ吹込み口６を設けると共に、別に
弱撹拌用ポ−ラスプラグ吹込み口７を設けて両者の調和
を図りながら強撹拌用ポ−ラスプラグ吹込み口からの吹
き込まれた撹拌用ガスの上昇流の補助をし、一方、強撹
拌用ガスは強い上昇流となり、弱撹拌用ポ−ラスプラグ
から吹き込まれた撹拌用ガスの上昇流に打ち勝って、下
降流を生じ下部の溶鋼との入れ替え速度が生じ、気泡活
性面における脱炭反応を促進されるものである。また、
図３は本発明に係る更に他の実施例を示す説明図であ
り、基本的には図１の実施例に加えて、より効果を得る
ために浸漬管２の側壁に設けた側壁羽口８を設けて撹拌
用ガスを吹き込むことにより、図２に示す弱撹拌用ガス
と同等の効果を達成しようとするものである。

【００１０】図４は図１に示すような、下端を開放した
円筒管を浸漬し、その内部を真空にする形式の真空精錬
炉を用いて試験したもので、脱炭速度定数と気泡活性面
が全溶鋼表面積に占める割合で整理したものである。こ
の図より気泡活性面を全溶鋼表面積の１０％以上にする
ことで脱炭速度定数は飛躍的に増大することがわかる。
そこで、脱炭速度定数をＫとすると、Ｋ＝（ｌｎ〔％Ｃ〕₁−ｌｎ〔％Ｃ〕₂）／Δｔ‥‥‥（３）ここで、〔％Ｃ〕₁は処理前の炭素濃度、〔％Ｃ〕₂は試
験終了時の炭素濃度、及びΔｔは試験時間（分）であ
る。（ｌｎは自然対数）また、気泡活性面が全溶鋼表面積に占める割合を（Ａ）
と、気泡活性面が真空表面積に占める割合を（Ｂ）及び
強撹拌気泡活性面積が真空面の気泡活性面積に占める割
合を（Ｃ）とすると、Ａ＝｛（気泡活性面積）／（全溶鋼表面積）｝×１００‥‥（４）Ｂ＝｛（気泡活性面積）／（真空表面積）｝×１００‥‥‥（５）Ｃ＝｛（強撹拌気泡活性面積）／（真空面の気泡活性面積）｝×１００ ‥‥‥（６）で表わすことができる。なお、全溶鋼表面積は図１にお
ける真空下表面（イ）と大気圧下表面（ロ）の合計を意
味し、また、真空表面積は図１における真空下表面
（イ）の面積を意味する。

【００１１】一方、図５は種々の断面積を有する浸漬管
を用いて、脱炭速度定数と気泡活性面積が真空表面積に
占める割合で整理したものである。この図より気泡活性
面が真空表面積の９５％を超えると急激に上昇すること
がわかる。これは、真空表面の可能な限り広い範囲を気
泡活性面とすると、マクロ的な下降流が形成されないた
め表面直下部分に気泡密度の高い気泡分散領域が形成さ
れる。この部分は見かけ密度が小さいためフォ−ミング
し、その内部では激しい局部的な撹拌が生じるととも
に、気泡の破裂が高い頻度で繰り返されるため、気泡活
性面が３次元的に広がった如き効果を有し、脱炭を促進
させるものである。また、部分的に気泡活性面でない部
分があると、その部分にスラグが堆積し、浴中に巻き込
まれにくくなるため、可能な限り真空面全体を気泡活性
面とすると、局部的にスラグが堆積することなく全体に
広がり、気泡が浮上した瞬間のエネルギ−の放出によ
り、ミクロ的に多くの場所で巻き込まれるようになる。
この微細なスラグ粒子がＣＯガス気泡の発生核として効
果的に作用する。更には、耐火物界面がＣＯ気泡の発生
位置として効果的であるため、吹き込まれたガス気泡
は、耐火物表面に接触しながら浮上することが望まし
い。従って、出来る限り浸漬槽内全体を気泡活性面とす
ることで脱炭が促進されるものである。なお、脱炭反応
を支配しているのは、再三前述しているように環流速度
や鋼浴全体の撹拌エネルギ−ではなく、吹き込まれた気
泡が表面に浮上した瞬間のエネルギ−の放出に伴う局部
的な表面積の増加にあり、これが気泡活性面が全溶鋼表
面積の１０％以上必要な理由である。

【００１２】次に、図６は脱炭速度定数（１／分）と強
撹拌気泡活性面の比率（％）の関係について整理したも
のである。この図より強撹拌気泡活性面の比率が３０〜
８０％の領域において脱炭速度の高いことがわかる。す
なわち、強撹拌の気泡活性面が８０％を超えると、下降
流域が少なくなるため気泡活性面における脱炭反応は進
行するものの、下部の溶鋼との入れ替え速度が不充分と
なり全体の脱炭速度が低下する。逆に、強撹拌の気泡活
性面が３０％未満ではこの領域に部分的な強い上昇流が
発生するため、上記したような、表面直下部分での見か
け密度の小さい領域の形成や、局部的なスラグの堆積抑
制といった効果が小さくなるため、やはり脱炭速度が低
下する。さらに、このような条件では、気泡分散領域が
下降流域となるため、この領域に存在する気泡は、浮力
による上昇が下降流により妨げられ、非常に長い滞留時
間になるため、浮上中のガス気泡界面で〔Ｃ〕と〔Ｏ〕
が反応する、いわゆる気泡脱炭が活発になるという効果
が生じる。このようなことから、第１の発明に、さらに
環流を促進することを狙ったものが第２の発明である。
すなわち、気泡活性面が真空面の９５％より多くても、
真空表面の各部分において、その取鍋低面までの投影領
域における気泡密度が同一でなければ、気泡密度が小さ
い部分が選択的に下降流の発生する領域になる。気泡密
度が全真空面投影領域内の平均気泡密度より相対的に高
い領域を強撹拌の気泡活性面と定義する。このような条
件を生み出すには、浸漬槽中心線の投影面に対して非対
称位置に１個もしくはそれ以上の撹拌用ガス導入孔を設
置することが必要である。

【００１３】

【実施例】

実施例１１７５トン取鍋を用いて、図１に示す真空精錬炉におい
て実施した。いずれの場合も処理前の炭素濃度４００ｐ
ｐｍであり、炭素濃度が２０〜３０ｐｐｍの範囲で
（３）式により求めた脱炭速度定数と処理後の到達炭素
濃度で評価した。表１は（４）式で定義した気泡活性面
積と全溶鋼表面積との比（Ａ）及び（５）式で定義した
気泡活性面積と真空表面積との比（Ｂ）を変化させた場
合の脱炭速度定数と到達炭素濃度の実験結果である。

【００１４】

【表１】

【００１５】実施例２実施例１と同様、１７５トン取鍋を用いて、図２に示す
真空精錬炉において実施した。いずれの場合も処理前の
炭素濃度４００ｐｐｍであり、炭素濃度が２０〜３０ｐ
ｐｍの範囲で（３）式により求めた脱炭速度定数と処理
後の到達炭素濃度で評価した。表２は（４）式で定義し
た気泡活性面積と全溶鋼表面積との比（Ａ）及び（５）
式で定義した気泡活性面積と真空表面積との比（Ｂ）並
びに真空面の気泡活性面積に占める強撹拌気泡活性面の
比（Ｃ）を変化させた場合の脱炭速度定数と到達炭素濃
度の実験結果である。

【００１６】

【表２】

【００１７】

【発明の効果】以上述べたように、本発明を実施するこ
とによって、激しいスプラッシュの発生、耐火物損耗、
清浄度の低下という問題を起こすことなく、しかも、短
時間処理で極低炭素領域まで脱炭速度を低下させずに効
率的な精錬が可能となり工業上極めて優れた効果を奏す
るものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る一実施例を示す説明図、

【図２】同、本発明に係る他の実施例を示す説明図、

【図３】同、本発明に係る更に他の実施例を示す説明
図、

【図４】本発明に係る実施による脱炭速度定数に対する
気泡活性面積と全溶鋼表面積の比の影響を示した図、

【図５】本発明に係る実施による脱炭速度定数に対する
気泡活性面積と真空下表面積の比の影響を示した図、

【図６】本発明に係る実施による脱炭速度定数に対する
強撹拌気泡活性面積の比率との関係を示した図である。

【符号の説明】

１取鍋、２浸漬管、３ポ−ラスプラグ、４溶鋼、５不活性ガス、６強撹拌用ポ−ラスプラグ吹込み口、７弱撹拌用ポ−ラスプラグ吹込み口、８側壁羽口、イ真空下表面、ロ非真空下溶鋼表面、ハ強撹拌の気泡活性面を示す。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】取鍋内の溶鋼に浸漬管を浸潰し、該浸漬
管内を減圧すると共に、取鍋低部より撹拌用ガスを供給
して、該溶鋼を攪拌する真空精錬法において、気泡活性
面積を全溶鋼表面積の１０％以上とし、かつ、該浸漬管
内に形成される気泡活性面積を真空表面の９５％より大
きくすることを特徴とする取鍋内溶鋼の真空精錬法。
【請求項２】真空表面における気泡活性面積の内の３
０〜８０％の領域を相対的に強撹拌の気泡活性面積とす
ることを特徴とする請求項１記載の取鍋内溶鋼の真空精
錬法。