JPH11140531A - ガス吹き込み用プラグおよびその使用方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ガス吹き込み用プラグの構造及び材質の改良
によって、大がかりな設備を用いることなく、溶鉄内に
生成する気泡の小径化、微細化を可能にする手段を提供
する。 【解決手段】 その先端の溶鉄に接する部分が複数の細
孔を有する金属製のノズルプレートからなり、吹き込み
ガスの冷却能によって該ノズルプレートの溶損を防止し
つつ前記細孔から溶鉄中にガスを吹き込むことを特徴と
するガス吹き込み用プラグとその使用方法。また、上記
のガス吹き込み用プラグにおいて、ガス供給管に二つの
ガス流路を設け、その一方から供給した吹き込みガスを
前記ノズルプレートに吹き付けてこれをを冷却し、吹き
付けられたガスの一部を前記細孔から溶鉄中に吹き込
み、残部を他方のガス流路から排出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、溶鉄中に非酸化性
ガス又は炭酸ガスを吹き込むためのガス吹き込み用プラ
グとその使用方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】鉄鋼精錬においては、溶鉄中にガスを吹
き込んで精錬反応を促進させることが多い。このガス吹
き込み精錬は、単に溶鉄又はこれとスラグとの撹拌を目
的とするだけでなく、溶鉄と気泡の相互作用により不純
物の除去を促進させることを目的とする場合が少くな
い。

【０００３】例えば二次精錬工程では、減圧下又は大気
圧下で取鍋内に不活性ガスを吹き込んで、脱炭反応、脱
ガス反応（脱水素、脱窒）の促進を図ることが多い。こ
の場合、反応速度は気液界面積に比例するから、溶鋼内
のガス気泡の径が小さいほど反応促進の効果が大きい。

【０００４】また、取鍋やタンディッシュ内で介在物を
除去する場合にも、溶鋼中にガスを吹き込み、介在物を
気泡に同伴させて、その浮上分離の促進を図ることが多
い。これは微細な介在物が気液界面に集り易いという性
質を利用するものであるが、この場合も気泡が小径であ
ってその表面積が大きいほど、介在物除去の効果が大き
い。

【０００５】このような理由から、溶鉄内にガスを吹き
込むに際し、生成する気泡を小径化、微細化しようとす
る試みは従来から多数提案されている。たとえば、特開
昭５８−３４１２５号公報には、「容器内下部溶鋼に磁
力を作用せしめて溶鋼流を発生させ、この溶鋼流内にガ
ス体を添加する」ことによって気泡の微細化を図る方法
が開示されている。しかし、この方法では溶鋼流を発生
させるための電磁撹拌装置が大がかりになって好ましく
ない。

【０００６】また、特開平１−１２７６２４号公報に
は、「溶融金属中にガスを吹込んで精錬を行うに当り、
ノズルまたは羽口に超音波を印加する」ことによって気
泡の微細化を図る方法が開示されている。しかし、この
方法もノズルまたは羽口に超音波を印加するための装置
が複雑かつ高価になって好ましくない。

【０００７】さらに、特開平５−２８７３５７号公報に
は、「溶鋼の脱炭処理を実施するにあたり、ガス噴出方
法が互に逆向きの二つのガス噴出口を有するランスを溶
鋼に浸漬し、このランスを所定の角速度でその中心軸の
周りに回転させながら不活性ガスを吹き込む」ことによ
って、気泡を微細化し脱炭反応を促進させる方法が開示
されている。しかし、この方法も、ガス吹き込みランス
を回転させるための設備やランスのメンテナンスの費用
が大きくなって好ましくない。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述したよ
うな従来技術の問題点に鑑み、大がかりな設備を用いる
ことなく、容器の底部又は側面に設けたガス吹き込み用
プラグの構造及び材質の改良によって、溶鉄内に生成す
る気泡の小径化、微細化を可能にし、これによって脱ガ
ス反応や介在物の除去を促進しうる手段を提供すること
を目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】従来から、取鍋やタンデ
ィッシュで、比較的小流量の不活性ガスを吹き込む手段
として最も一般的なものは、耐火物製のポーラスプラグ
を用いる方法である。

【００１０】ポーラスプラグは耐火物の微細な気孔から
ガスが流出するため、小径の気泡が生成し易いような印
象を与えるが、気泡が離脱する前に横方向に拡大し、他
の気孔からのガスと合体して大きくなるため、小径の気
泡が生成し難いというのが実態である。

【００１１】同様に、耐火物に径数ｍｍの細孔を所定間
隔で多数設けた多孔型のガス吹き込みプラグが提案され
ているが、このガス吹き込みプラグにおいても、離脱前
に気泡が合体するため、小径の気泡は得難い。

【００１２】本発明の発明者らは、このような耐火物製
のポーラスプラグ又は多孔型のガス吹き込みプラグにお
いて、離脱前に気泡が合体しやすいのは、耐火物と溶鉄
との濡れ性が悪いことに起因することを見出した。

【００１３】すなわち、溶鉄と耐火物の濡れ性が悪いた
めにその接触角が大きく、ノズル又は細孔から流出した
ガスは、僅かの圧力で溶鉄と耐火物が接触する界面に侵
入する。したがって、気泡は耐火物表面に沿って横方向
に広がり易く、溶鉄静圧に打ち勝って離脱する前に、隣
接する細孔からの気泡と合体して大型化する。

【００１４】本発明者らは、ガス吹き込み用プラグの材
料として、溶鉄との濡れ性の良い金属を用いれば、上述
のような気泡の横方向への拡大が少なく、耐火物製のプ
ラグによるよりも、気泡の小径化が容易になることを見
出した。

【００１５】また、ガスの吹き込み流量を所定の条件に
維持すれば、吹き込みガス自体の冷却能により、金属製
のガス吹き込み用プラグの溶損を防止することが可能な
ことを見出した。

【００１６】これらの知見に基づく本発明の要旨は、
(１)溶鉄中に非酸化性ガス又は炭酸ガスを吹き込むため
のガス吹き込み用プラグであって、その先端の溶鉄に接
する部分が複数の細孔を有する金属製のノズルプレート
からなり、吹き込みガスの冷却能によって該ノズルプレ
ートの溶損を防止しつつ前記細孔から溶鉄中にガスを吹
き込むことを特徴とするガス吹き込み用プラグである。

【００１７】また、(２)前記ノズルプレートが平板状又
はガスの吹き出し方向に湾曲したアーチ状であって、該
ノズルプレートとガス供給管を必要に応じてその間に空
間部を設けて金属材料により一体に成形し、該金属成形
体のノズルプレート以外の部分を耐火物内に埋め込んで
なる前項(１)記載のガス吹き込み用プラグである。

【００１８】さらに、(３)前記金属成形体のガス供給管
部分に二つのガス流路を設け、その一方から供給した吹
き込みガスを前記ノズルプレートに吹き付けてこれをを
冷却し、吹き付けられたガスの一部を前記細孔から溶鉄
中に吹き込み、残部を他方のガス流路から排出すること
を特徴とする前項(２)記載のガス吹き込み用プラグであ
る。

【００１９】本発明のガス吹き込み用プラグの使用方法
は、前項(１)〜(３)のいずれかに記載のガス吹き込み用
プラグを用いて、アルゴン、窒素、炭酸ガスまたは液化
石油ガスを溶鉄中に吹き込むに際し、吹き込みガス流量
又は供給ガス流量を下記(１)式で定められる範囲とする
ことを特徴とするガス吹き込み用プラグの使用方法であ
る。

【００２０】 Ｑ＝７．２α・ｈ・πＤ²（Ｔ_l−Ｔ_s）／Ｃ_p（Ｔ_s−Ｔ_g）………(１) ここで、Ｑ：吹き込みガス流量又は供給ガス流量（Ｎｍ
³／ｈ） Ｄ：ノズルプレートの外径又は相当直径（ｃｍ） ｈ：ノズルプレートの熱伝達係数（＝０．２ｃａｌ／ｃ
ｍ²・ｓ・Ｋ） Ｃ_p：吹き込みガスの比熱（ｋｃａｌ／Ｎｍ³・Ｋ） Ｔ_l：溶鉄温度（Ｋ） Ｔ_s：溶鉄の固相線温度（Ｋ） Ｔ_g：プラグ入口での吹き込みガス温度（Ｋ） α：ガス種によって定まる係数で、アルゴン及び窒素で
５〜３０、炭酸ガス及び液化石油ガスで３〜１８（−）

【００２１】

【発明の実施の形態】図１は、本発明のガス吹き込み用
プラグの形状の例を示す断面概要図である。図１(ａ)に
おいて、上方に湾曲したアーチ状（この例では半球状）
の金属製のノズルプレート１に、細孔２が所定間隔で多
数設けられている。ノズルプレート１とガス供給管３
は、その間に空間部４を設けて金属材料により気密かつ
一体に成形されている。

【００２２】この金属成形体５は、不定形耐火物層６を
介して炉底れんが７内に埋め込まれており、ノズルプレ
ート１の外表面のみが溶鉄に接している。ガス供給管３
から供給された吹き込みガス８は、細孔２を通って溶鉄
中に吹き込まれるが、その際吹き込みガス自体の冷却能
によってノズルプレートを冷却して、その溶損を防止す
る。

【００２３】図１(ｂ)の例は、ノズルプレート１が平板
状であることを除いて、図１（ａ）と同じである。

【００２４】ノズルプレート１に用いる金属材料は、あ
る程度の耐熱性を有するものであればよく、例えば、炭
素鋼、合金鋼、ステンレス鋼等の鉄系材料や、Ｎｉ、Ｃ
ｒ、Ｍｏ等の耐熱合金などが適している。

【００２５】冷却された金属材料と溶鉄との接触角は、
熱流が大きいためその測定が難しいが、耐火物と溶鉄と
の接触角（通常は１２０°以上）に比して大幅に小さ
い。したがって、前述したように細孔２の先端に生成す
る気泡は横方向に広がりにくく、ノズルプレートが耐火
物である場合に比して、気泡の合体を少くしてより小径
の気泡を生成させることができる。

【００２６】本発明のガス吹き込み用プラグは、吹き込
みガス自体の冷却能によってノズルプレートを冷却し
て、その溶損を防止するものであるから、精錬のため必
要な吹き込みガス流量より、冷却のために必要な吹き込
みガス流量が大きくなって好ましくない場合がある。

【００２７】請求項３記載の本発明は、上記の問題を解
決するためのもので、ガス供給管から供給された吹き込
みガスをノズルプレートに吹き付けてその冷却を行う
が、吹き付けられたガスの内の一部のみを細孔を通して
溶鉄内に吹き込み、他の部分は排出管から系外に排出す
ることを特徴とする。

【００２８】図２は、請求項３の本発明の実施例である
ガス吹き込み用プラグの断面概要図である。金属成形体
５のガス供給管部分に同心円状に二つのガス流路９、１
０が設けられており、吹き込みガス８は、内側流路９を
通ってノズルプレート１に吹き付けられてこれを冷却す
る。吹き付けられたガスの一部は細孔２を通って溶鉄内
に吹き込まれるが、他の部分は環状の外側流路１０を通
って系外(プラグ外部)に排出される。

【００２９】なお、吹き込みガスの供給と排出の方法は
上記の例に限定する必要はなく、環状の外側流路１０か
ら供給し、内側流路９から排出してもよい。また、必ず
しも同心円状に二つの流路を設ける必要はなく、一つの
管を中仕切りして二つの流路を設けてもよく、或いは供
給管と排出管を別々に金属成形体に取付けてもよい。

【００３０】供給された吹き込みガスのうち、溶鉄中に
吹き込まれるガス量の比率を制御するには、例えば排出
管の出口の圧力を制御するような方法によればよい。こ
れにより上記の比率を大幅に変更することが可能で、供
給された吹き込みガスの大部分、例えば９０％以上を系
外に排出することも可能である。また、排出されたガス
は、冷却、昇圧して再度吹き込みガスとして用いること
ができる。

【００３１】上述のような方法で冷却されたノズルプレ
ートの外表面の温度は、溶鉄の固相線温度以下になるか
ら、ノズルプレートの外表面には、ガスの通路を除いて
溶鉄が凝固した付着物が生成する。

【００３２】このような状況下で、溶鉄からノズルプレ
ートへの伝熱量を理論的に推定することは困難なため、
ノズルプレートの溶損防止に必要な吹き込みガス流量
は、後記の実施例に示すように、実験により求めた。

【００３３】その結果、吹き込みガス流量が少な過ぎる
とノズルプレートが溶損するが、多すぎるとノズルプレ
ートへの付着物が成長して閉塞気味になり、吹き込みガ
スの圧力が上昇して好ましくないことが判明した。

【００３４】吹き込みガスがアルゴン、窒素、炭酸ガ
ス、液化石油ガスである場合のそれぞれについて、吹き
込みガス流量Ｑの適正範囲は、前記の(１)式でαの値を
規定された範囲にすることにより与えられる。

【００３５】図１に示すようなガス吹き込み用プラグで
は、供給された吹き込みガスは全てノズルプレートの細
孔を通って溶鉄中に吹き込まれるから、上式に従って供
給がガス流量を制御すればよい。

【００３６】図２に示すようなガス吹き込みプラグで
は、ノズルプレートの細孔を通るガスは供給ガスの一部
であるから、その冷却能は低下するが、ノズルプレート
に吹き付けるガス流速を大きくすることによりその冷却
能を大きくすることができるので、この場合は溶鉄中に
吹き込まれるガスの流量ではなく、供給ガス流量の適正
範囲として前記(１)式のＱを適用することができる。

【００３７】本発明のガス吹き込み用プラグは、溶銑に
も溶鋼にも用いることができ、各種の溶解炉、脱炭炉、
二次精錬用容器、溶銑予備処理用容器、タンディッシュ
等にこれを適用することができる。また、取付位置も容
器の底部に限られず、その側面に取付けでもよい。

【００３８】また、必ずしも図１及び図２に示すよう
に、ノズルプレートとガス供給管を金属材料で一体に成
形する必要はなく、例えば内部に空洞を有する耐火物ブ
ロックにガス供給管と金属製のノズルプレートを気密に
接着するような構造であってもよい。さらに、金属材料
を耐火物内に埋め込む方法も、図１及び図２に示す例に
限られない。

【００３９】

【実施例】（実施例１）容量３００ｔの取鍋内の溶鋼
を、軽減圧（３００Ｔｏｒｒ）下で鍋の底部からアルゴ
ンを吹き込んで脱水素処理を行なうに際し、本発明のガ
ス吹き込み用プラグを用いた場合と従来の耐火物製ポー
ラスプラグを用いた場合の精錬効果を比較した。

【００４０】実施例は図２に示したようなガス吹き込み
用プラグを用いた場合で、プラグの外径は６０ｍｍで、
半球状のノズルプレートの厚みは５ｍｍ、その材質はＳ
ＵＳ３０４であった。このノズルプレートに径３ｍｍの
細孔を１００個略等間隔に設けた。このガス吹き込み用
プラグを１個３００ｔ取鍋の底部中央付近に配置した。
また、比較例は径１５０ｍｍの耐火物製ポーラスプラグ
を１個、鍋底中央に配置した場合である。

【００４１】溶鋼中に吹き込むアルゴンの流量は、実施
例、比較例共に６０Ｎｍ³／ｈとしたが、実施例では図
２のようなプラグの内側流路から２８０Ｎｍ³／ｈのア
ルゴンを供給してノズルプレートを冷却し、供給したア
ルゴンのうち２２０Ｎｍ³／ｈは外側流路から排出し、
残りの６０Ｎｍ³／ｈのみを溶鋼中に吹き込んだ。

【００４２】実施例、比較例共に溶鋼成分は、Ｃ：０．
０５％、Ｓｉ：０．０２％、Ｍｎ：０．３％、Ｐ：０．
０２％、Ｓ：０．０１％で、処理開始時の溶鋼温度は１
５７０℃であった。また実施例、比較例共に、溶鋼の脱
水素処理の時間は２０分間とした。

【００４３】図３に、脱水素処理後の溶鋼中の［Ｈ］の
比較を示す（実施例、比較例共に同一条件で２０ヒート
処理した平均値）。この結果から、本発明のガス吹き込
み用プラグを用いた場合の方が、従来のポーラスプラグ
より脱水素効果が大きいことが確められた。これはすで
に述べたように、気泡の小径化による効果と考えられ
る。

【００４４】（実施例２）保熱機能を有する容量１ｔの
精錬容器の底部に図１(ａ)に示したような本発明のガス
吹き込み用プラグを取付け、このプラグから容器内の溶
鋼中に吹き込むアルゴンの流量を変えて、吹き込みガス
によるプラグの冷却能力を調査した。

【００４５】容器内の溶鋼成分は［Ｃ］約０．５％、温
度約１５４０℃であった。用いたガス吹き込み用プラグ
の外径は１０ｍｍで、このプラグから一定の流量で所定
時間アルゴンの吹き込みを継続し、その間の吹き込みガ
スの圧力変化を測定するとともに、吹き込み終了後容器
中の溶鋼を排出して、底部に取付けたガス吹き込み用プ
ラグの外径の変化を測定した。

【００４６】吹き込みアルゴン流量を５〜５０Ｎｍ³／
ｈの範囲で７段階に変え、各流量条件で上記の測定を行
った結果を図４に示す。アルゴン流量７．５Ｎｍ³／ｈ
の時が、前記(１)式の係数α＝５の場合に相当し、４５
Ｎｍ³／ｈの時がα＝３０の場合に相当する。

【００４７】図４に見られるようにαが５未満では、金
属製プラグが溶損してその根跡がなくなり（プラグ径が
０）、また、ガス供給管内に溶鋼が侵入して閉塞し、吹
き込み圧力は無限大となった。

【００４８】一方、αが３０超では、金属製プラグ周囲
の付着物が成長してその径が大きくなると共に、付着内
のガス通路が狭められて、ガスの吹き込み圧力が著しく
上昇した。

【００４９】これに対して、前記(１)式の係数αを５〜
３０の範囲内とした時は、プラグの溶損や付着物の成長
がなく、長時間安定してガス吹き込みを継続しうること
が確かめられた。

【００５０】

【発明の効果】本発明のガス吹き込み用プラグは、その
表面の溶鉄に接する部分に複数の細孔を有する金属製の
ノズルプレートを用い、吹き込みガスの冷却能によって
該ノズルプレートの溶損を防止しつつ、溶鉄中に非酸化
性ガス又は炭酸ガスを吹き込むもので、これにより、大
がかりな設備を用いることなく、溶鉄内に生成する気泡
を小径化、微細化することが可能になった。

【００５１】本発明のガス吹き込み用プラグを用いれ
ば、従来のポーラスプラグ等によるよりも、同一のガス
量で気泡表面積を大きくすることができ、これにより脱
ガス反応や介在物除去の促進を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のガス吹き込み用プラグの例を示す断面
概要図である。

【図２】本発明のガス吹き込み用プラグの他の例を示す
断面概要図である。

【図３】本実施例における脱水素効果の比較を示す図で
ある。

【図４】本発明のガス吹き込み用プラグで、吹き込みガ
ス圧力及びプラグ径の変化と吹き込みガス流量との関係
を調査した結果の例を示す図である。

【符号の説明】

１：ノズルプレート ２：細孔 ３：ガス供給管 ４：空間部 ５：金属成形体 ６：不定形耐火物層 ７：炉底れんが ８：吹き込みガス ９：内側流路 １０：環状の外側流路

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 溶鉄中に非酸化性ガス又は炭酸ガスを吹
   き込むためのガス吹き込み用プラグであって、その先端
   の溶鉄に接する部分が複数の細孔を有する金属製のノズ
   ルプレートからなり、吹き込みガスの冷却能によって該
   ノズルプレートの溶損を防止しつつ前記細孔から溶鉄中
   にガスを吹き込むことを特徴とするガス吹き込み用プラ
   グ。
2. 【請求項２】 前記ノズルプレートが平板状又はガスの
   吹き出し方向に湾曲したアーチ状であって、該ノズルプ
   レートとガス供給管を必要に応じてその間に空間部を設
   けて金属材料により一体に成形し、該金属成形体のノズ
   ルプレート以外の部分を耐火物内に埋め込んでなる請求
   項１記載のガス吹き込み用プラグ。
3. 【請求項３】 前記金属成形体のガス供給管部分に二つ
   のガス流路を設け、その一方から供給した吹き込みガス
   を前記ノズルプレートに吹き付けてこれをを冷却し、吹
   き付けられたガスの一部を前記細孔から溶鉄中に吹き込
   み、残部を他方のガス流路から排出することを特徴とす
   る請求項２記載のガス吹き込み用プラグ。
4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれかに記載のガス吹
   き込み用プラグを用いて、アルゴン、窒素、炭酸ガスま
   たは液化石油ガスを溶鉄中に吹き込むに際し、吹き込み
   ガス流量又は供給ガス流量を下式で定められる範囲とす
   ることを特徴とするガス吹き込み用プラグの使用方法。 Ｑ＝７．２α・ｈ・πＤ²（Ｔ_l−Ｔ_s）／Ｃ_p（Ｔ_s−
   Ｔ_g） ここで、Ｑ：吹き込みガス流量又は供給ガス流量（Ｎｍ
   ³／ｈ） Ｄ：ノズルプレートの外径又は相当直径（ｃｍ） ｈ：ノズルプレートの熱伝達係数（＝０．２ｃａｌ／ｃ
   ｍ²・ｓ・Ｋ） Ｃ_p：吹き込みガスの比熱（ｋｃａｌ／Ｎｍ³・Ｋ） Ｔ_l：溶鉄温度（Ｋ） Ｔ_s：溶鉄の固相線温度（Ｋ） Ｔ_g：プラグ入口での吹き込みガス温度（Ｋ） α：ガス種によって定まる係数で、アルゴン及び窒素で
   ５〜３０、炭酸ガス及び液化石油ガスで３〜１８（−）