JPS592722B2 - 溶融金属の真空脱ガス用ノズル - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、溶融金属の真空脱ガス法において、脱ガスす
べき溶融金属を脱ガス容器内に流出させるノズルに関す
るものである。

上記の脱ガス法自体は公知に属することであり、一般に
流滴脱ガス法と称されている。

この脱ガス法が賞月されているのは、金属材料例えば鋼
材中に残存して材質に悪影響を与えるような有害なガス
成分である水素、あるいはときには窒素等を溶融状態に
おいて能率よく除去し得ると考えられているからである
。

しかしながら、例えば鋼材等金属材料の特性に対する要
求は次第に厳しくなりつつあり、鋼材においては、溶鋼
段階での残留水素量を平均値でｌｐｐｍ以下としなけれ
ばならないような場合があるが、このような条件を満足
させようとすることが極めて困難であることは内外の文
献（例えば１９７１年ＢＬＳＥＶＩＥＲＰＵＢＬＩＳＨ
ＩＮＧ ＣＯ。

発行０． Ｗｉｎｋｌｅｒ、 Ｒ，Ｂａｋｉｓｈ著’Ｖ
ＡＣＵＵＭＭＥＴＡＬＬＵＲＧＹ、’、日本鉄鋼協会特
殊鋼部会特別報告書Ａ８１’−鋼の真空溶解および真空
脱ガス法の進歩」等）からも明白な事実である。

ただしＪｏｕｒｎｅｌ ｏｆ Ｍｅｔａｌｓ １０ （
１９５８）Ｐ４７１〜４７５には水素量をｌｐｐｍ以下
にした報告がなされているが、この場合には真空鋳造中
の雰囲気の全圧を可能な限り０．５ ｍｍＨｇ以下に保
持するような特別の注意が必要とされているのである。

すなわち、真空ポンプの排気能力を充分大きくとり、真
空中への外気の漏れ（リーク）量を０、０３０ ｍｍＨ
ｇ／分という低い値となるようにシールを固くし、処理
開始直前には０．１０ ｍｍＨｇで処理中も０．５ ｍ
ｗＨｇを超さないような高度な操業を行なっている。

しかしながら、上記のような低い圧力の操業を行なうの
は一般には容易ではなく、敢えて実施するとしてもその
ための設備投資額はかなり膨大なものとなり経済性から
問題があって到底実用的とは云えない。

一方、溶鋼とそれを増り巻く雰囲気ガスとの化学平衡論
によれば、水素分圧が１ｍ７ＩＬＨｇであれば１６００
℃の溶銑中には約０．８９ｐｐｍの水素が溶解すること
が知られている。

そこで再び、前記Ｊｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｏｔａｌｓの
排気ガスの成分分析による水素濃度約３６％の値および
、操業中の平均的な全圧０．３５ ｍｍＨｇを用いると
、水素ガスの分圧は０．１２６ ｍｍＨｇとなるから、
化学平衡論による溶鋼中の水素は０．３２ｐｐｍとなり
、計算上はこのレベルまで脱水素できても良いことにな
る。

しかし、実際はその２倍以上の水素が残存する場合があ
り、従来法の中でも最高水準と思われるこの実施例でも
、その設備能力に比べれば脱水素は、また不充分と言わ
ざるを得ない。

そこで、本発明者等は、かかる設備能力と水素脱ガスと
の関係を理論的および実験的に詳細に検討し、設備能カ
一杯まで脱水素させることができる装置を発明したので
ある。

すなわち、本発明は、溶融金属をノズルを通して減圧溶
器中に流出させ、該溶融金属中に溶解しているガス成分
を除去する真空脱ガス法に使用するノズルにおいて、ノ
ズルの断面形状を かつ かつ ただし、０°≦α＜９０°の場合のみ で定められた形状に構成したことを特徴とするものであ
る。

ここに、Ｐａ ＝未処理の溶鋼表面上にかかる外圧力 Ｈ＝未処理の溶鋼表面からノズル入口までの鉛直距離 ρ＝該溶鋼０密度 ａ＝定数（４≦ａ≦８）ｇ＝重力の
加速度 Ｐｓ＝処理処理浴鋼中のガス成分の中での最大の平衡分
圧 すなわち、前記の平衡論に従って説明すれば、本発明ノ
ズスによれば処理後の鋼中水素を０１８９９９ｍにする
に要する水素分圧はｌｍｍＨｇであるから、排ガス中の
水素濃度が３６％ならば操業圧力は最高２．７８ ｍｔ
ｎＨｇまで高めて良く、工業的に、従来公知の方法に比
較してはるかに容易な操業を行うことができるのである
。

而して本発明ノズルが上記のような操業を行うことがで
きる理由は、最大平衡分圧を持つガス成分の気泡核生成
を溶鋼流出ノズル内部で積極的に促進し、かつそれらの
気泡を流れの中に均一に分散させることによって極めて
大きな気液反応界面積を形成させると同時に除去すべき
ガス成分を稀釈する効果を併せもたせ、さらにノズル流
出後に減圧雰囲気に曝されて膨張し、一層脱ガス反応が
活発化することになるためである。

以下、本発明について詳細に説明する。

本発明ノズルは前記（５）式で定められる形状にするこ
とを特徴とするものであるが、これを図示すると、第１
図ａ、ｂに示すようになる。

すなわち本発明ノズルは、縮小部、最小断面部、拡大部
からなるものである。

１はノズルを形成する材料で、ｔｏはノズル全長、ｔは
最小断面部長さ、ｄはその内径、θ１．θ２はそれぞれ
縮小部と拡大部のノズル内壁が中心軸に対して傾斜する
角度である。

また第１図すにおいて２は、適渦な通気性を有する材料
、３は外部との通気を遮断する材料、４はノズル内への
ガス導入管、５はノズル材料内に形成した環状の空間で
あり、ガス導入管４から供給されたガスをノズル孔の周
囲に均一に充満させる役割りを果す。

なお第１図においてはノズル出口を下向きに設置するよ
うにしているが、ノズルの中心軸線の流出方向は下向き
に限らず、鉛直方向と任意の角度αをもって設置しても
よいことは当然である。

なお本発明のような末広形のノズルは例えばフランス特
許第１２９４２５０号があるが、これは鋳造時のスプラ
ッシュ防止を目的とするもので本発明のように脱ガス用
に使用するものではない。

さてこのような構成からなる本発明ノズルにおいてその
形状の決定理由を以下詳細に説明する。

ここでＰｓについて若干の説明を加える。

通常の真空脱ガスでは、特に水素と窒素の除去を主目的
とするが、時には、炭素と酸素を一酸化炭素ガスとして
除去する場合もある。

いずれにしても、溶解する各ガス成分の濃度によって、
平衡するガス分圧は異なる値となるけれども、最も分離
され易いガスの発生を利用すれば良いので、Ｐｓはその
中で最大の平衡分圧を採るのである。

例えば、水素４ｐｐｍ、窒素８０ｐｐｍ、炭素０．２５
％、酸素０．０１％を溶解する１６００℃の未処理溶鋼
と平衡する、各ガス成分の分圧は以下の如く計算される
。

水素ガス Ｐ Ｈ２’＝ ２０ ｍｖｊＨｊ
！窒素ガス ＰＮ２”＝２４ 馴ｕｇ−酸化
炭素ガス Ｐｃｍ”＝７６．０ ｍＴｌｌＨｇしたが
って、ノズル断面の特定条件の設定には、ｐｓ＝Ｆ’０
０ ＝ ７６０ ｍｍＨ，９を採用するのである。

ノズル孔の最小断面部内径のｄは、その横断面の孔形が
非円形の、いわゆる異形ノズルにあっては、次のような
計算値を用いる。

すなわち ここにＳは横断面での孔形の面積でπは円周率である。

次に、かかるノズルの特定理由を詳細に説明する。

第２図にはＩ、ＩＩ、Ｈに示す三種類のノズルの縦断面
図があり、その下に、それぞれのノズルの長さ方向での
、流体静圧変化を模式的に描いている。

Ｉは、短かい直管（ストレート）ノズルで、■は長い直
管ノズルを表わし、■は全長は■と同じであるが、最小
断面部に引き続いて拡大部を有する末広ノズルである。

さて、いずれのノズルに対しても、ノズル入口部では流
体の速度は小さいから、ベッド（ρｇＨ）と表面上の外
圧（Ｐａ）の和であるＰｏでその静圧を表わすことがで
きる。

このＰｏと、減圧容器中の全圧ＰＴの差によって流体は
ノズル内で加速されてその静圧が低下する。

そして、ついには上述のガス成分の最大平衡分圧に達し
て、それ以下の静圧では該ガス成分は液体中では不安定
となりガスとして分離されてゆく。

こうしてノズルの端部に達するが、ＰＴが充分低くガス
の発生が充分あれば、流れは全体として気体そのものの
ような圧縮性をもち、いわゆる縮流状態も表われる。

その結果、ノズル出口での圧力に図のようなギャップが
できるのである。

以上のような、基礎事実に対して本発明者等はさらに研
究を押し進め、短かいノズル■に対して長いノズル■が
、さらには、長い末広ノズル■が脱ガスに有利であるこ
とを見出した。

すなわち、今、第２図の静圧変化を見るに、ガス成分の
気泡生成に適する静圧はノズルＩでは（１）−（２）間
で、それに対応するノズル長さはｔｌである。

それに対してノズル■では（３）＝（４）間の長さｔ２
とより長くなり気泡の生成により適するのである。

しかし、これら、Ｉ、ＩＩの直管ノズルでは別の困難が
つきまとう。

すなわち、すでに述べたようにノズル出口部での静圧ギ
ャップがあるため、ノズル出口で爆発に近い激しい急膨
張が起り、液体は周囲に飛散する。

そのため、該液体を受ける容器に入る収率が低下したり
、減圧容器全体を汚損する。

この困難を解決し、さらにはノズル内の気泡生成により
適する条件を作り出したのが■の長い末広ノズルである
。

これによれば流れの静圧は拡大部で緩やかに膨張させる
ことにより一層低下させることができ、気泡生成条件に
適うノズル長さｔ３も、より長くなり、かつ、出口での
大きな静圧ギャップも６のように小さくなって液体の飛
散も激減するのである。

ところで、以上述べてきたところからもわかるように、
ノズル内での気泡核の生成にはノズル内壁が重要な役割
を果しているのであるが、その生成度台が流れ全体の挙
動に及ぼす影響を考慮に入れるために、ノズル長さとそ
の内径の比（／、、／ｄ）を代表パラメータとした。

かつ、その他の重要な操業条件を全て考慮に入れると、
本発明のノズルの特定理由が一層明確となる。

まず、ノズル入口部での液体の静圧は、それを保持する
条件によって変化する。

第３図のように、断面形状が同一のノズルにあってノズ
ル人口静圧がＰｌ、Ｐ２と異なる場合は、高いＰｌの方
が気泡生成に適したノズル長さｔｌが低いＰ２の場合の
ｔ２より短かくなり脱ガスには不利となる。

したがって、ノズル全長と最小断面部内径の比（ｔ。

／ｄ）は、かかる操業条件に応じて一定値以上を確保す
る必要があることが理解されよう。

ところで、これまでの説明ではノズル全長について述べ
てきたが、本発明者らはノズル最小断面部長さの重要性
にも着目し、その形状を特定した。

すなわち、ノズル最小断面部は相対するノズル壁が最も
接近する場所であり、気泡生成に好適で、かつ、その影
響が流れの中心まで及び易い場所である。

したがって、最小断面部長さとその内径の比（ｔｌｄ）
が小さすきると、かかる重要な場所が充分確保されてい
ないという事になり、脱ガスが不充分となる。

この場合、最小断面部の近傍でノズル内壁の傾斜角度θ
が２°以下の部分を有する形状の場合は、脱ガス効果の
実質上はこの部分の長さを最小断面部の長さｔに含めて
良いことを付言する。

以上の考え方にもとづき研究を重ねた結果第４図ａ、ｂ
に示すように、ノズルの断面形状の特定条件を見出した
のである。

すなわち、１６００℃の温度で、水素４ｐｐｍ、窒素８
０ｐｐｍ１炭素０．２５％酸素０．０１％を含む溶鋼を
用い、種々の寸法の耐火物製ノズルを試験した。

この場合、（ａ＝５とすると） となり、ｔｏ／ｄ≧５．３５でｔ／ｄ≧１の時に、処理
後の水素量を望ましい値であるｌｐｐｍ以下とすること
ができるのである。

次に本発明のノズル断面形状における他の特定条件につ
いて説明する。

一般にノズル入口部で静止している液体を加速しようと
する場合、できるだけ円滑に行なわないと液体がノズル
内壁から離れたり、不必要なエネルギーを消費して減速
効果を及ぼすことが知られており、したがって、ノズル
入口部は滑らかな曲面で縮小させることを行なっている
。

本発明では、この公知の事実とは別の観点、すなわち、
ノズル内部での気泡生成の助成により脱ガス効果をあげ
るという観点から、縮小部の角度θ１が２°以下となる
部分は、実質上、最小断面部の長さｔに加えるべきこと
を付加しているのである。

また、拡大部については、すでに気泡の生成した液体と
気体の混合流を再び円滑に膨張させることにより、その
静圧を失わせてさらに新たな気泡の生成と成長を促進し
脱ガス効果を高めようとするものである。

したがって拡大部でのノズル角度θ２が過大であれば流
れがノズル内壁に沿うことができずその拡大効果がない
。

したがって本発明では、この拡大部の角度θ２をγ以下
と制限するのである。

またθ２が２°以下の部分はｔに加えておく。

もう一つのノズル特定条件は、ノズルの流出方向が水平
より鉛直下方に傾斜する場合の、ノズルの全長に関する
ものである。

これまでの説明は、脱ガス効果を高めるためにはノズル
内部での気泡生成を促進させることが重要で、そのため
には、ノズルの長さと内径の比を一定値以上とすべきこ
とを主として述べてきた。

したがって、ノズル全長の下限が問題であり、通常の操
業条件では重力の影響が無視できる条件にあったが、今
度はノズル全長の上限を問題にしようとするため、重力
を考慮しなければならないのである。

さらに詳しく説明すれば、ノズル中心軸の下流方向が鉛
直下方となす角度がαの全長ｔ。

のノズルに対して、ノズル内部の液体に働く重力は、ノ
ズル入口部からの長さに比例して増加し出口でｔ。

ｃｏｓαとなることは明らかである。ゆえに、ノズル内
部での液体の静圧をそれだけ押し上げる効果があるため
、気泡生成には不利となるのである。

そのため、ノズルの全長を増加させてゆくにつれて、か
かる重力による逆効果も増してゆき、実効あるノズル長
さは何ら確保されないのである。

そこで本発明では、ノズル全長での重力の静圧ρｇｔｏ
ＣＯｓαを、該液体の処理前最大ガス平衡分圧Ｐｓ以下
に特定するのである。

したがって （ただしＯ≦αく９０°）となる。

なお、付言すれば、αが９０°以上の場合、すなわち、
ノズル流出方向が水平より鉛直上方の場合は、重力の効
果はノズル流出方向に低下するから気泡生成にとって好
都合であり、全長の制限条件とはならないのである。

次に、本発明の特許請求の範囲Ｑ第２項である第１図す
のような他種ガスの供給ノズルについて説明する。

これまでに詳しく述べてきたように、脱ガス効果を高め
るためにはノズル内部での何らかの気泡生成が極めて重
要である。

したがって、溶解する各種ガス成分の中で最大の平衡分
圧を有するものの気泡生成を促進するために、ノズルの
断面形状を特定した。

しかし、この他に、ノズル内部にかかる溶解ガス成分以
外のガスを供給することによっても上記の目的は達成で
きることが、本発明者らによって見出されたのである。

その理由は、ノズル壁を通して供給された気泡は、溶解
するガス成分の自発的な生成気泡と同様な効果をもった
めである。

したがって、これまでの全ての説明を再び、かかるノズ
ルについても繰り返せば良いことになる。

以上累々述べてきた説明を一層明確にするため、二、三
の実施例によって本発明のノズル形状の効果を示す。

実施例 １０ｋｇの溶鋼（炭素０．２５％、酸素０．０１％、水
素４〜６ｐｐｍ）を鉛直下方に流出方向をもった第−表
Ａ、Ｂ、Ｃ，Ｄのノズルを通して、全圧ＩＴｏｒｒの減
圧容器中へ流出させて鋳造した鋼塊中の水素濃度を分析
した。

ここにノズルＡは短かい末広ノズルであり、従来公知の
断面形状４）を模したものである。

ノズルＢ、Ｃ，Ｄはいずれも本発明の特定条件に合致す
るものであるがＢは長い直管ノズル、Ｃは長い末広ノズ
ルで、ＤはＣにガス供給できる工夫を施こしたものであ
る。

これらの比較の結果は、第２表のように、本発明のノズ
ルが脱ガスに優れている事が明らかであり、さらに、直
管ノズルよりは末広ノズルの方がメタル収率の長いこと
がわかる。

以上詳細に説明したように本発明ノズルによれば溶融金
属の脱ガスを従来よりはるかに簡易かつ効率的に行うこ
とができ、その効果は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図ａおよびｂは本発明ノズルの断面を示す説明図第
２図および第３図はその作動原理を表わす説明図第４図
は本発明のノズルの特定理由を示す説明図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 溶融金属をノズルを通して減圧容器中に流出させ、
   該溶融金属中に溶解しているガス成分を除去する真空脱
   ガス法に使用するノズルにおいて、ノズルの断面形状を かつ ただし、０°≦α〈９０°の場合には、 で定められる形状に構成したことを特徴とする溶融金属
   の真空脱ガス用ノズル。 但し固成中 ａ：材質、表面粗度その他操作条件によって定まる定数
   （４≦ａ≦８） Ｐａ：未処理の溶融金属表面上に加わる外圧力Ｈ：未処
   理の溶融金属表面からノズル入口までの鉛直距離 ρ：溶融金属の密度 ｇ：重力の加速度 Ｐｓ二未処理溶融金属中に溶解しているガス成分の平衡
   分圧最大値 ｔｏ：ノズルの全長 ｄ：ノズルの最小断面部内径 θ２：ノズルの最小断面部の下方に設けた拡大部におけ
   るノズル内壁の中心軸線に対する傾斜角度 α：ノズルの中心軸の流出方向が鉛直下方に対して傾斜
   する角度 ｔ：ノズルの最小断面部ｄを含み、かつその近傍でノズ
   ル内壁の中心軸に対する傾斜角が２゜以下になる部分の
   長さ ２、特許請求の範囲１において、ノズル孔断面が非円形
   の場合ノズルの最小断面部内径ｄを但し、Ｓ異形ノズル
   の最小断面部の断面積、π＝円周率に補正する特許請求
   の範囲１記載の溶融金属の真空脱ガス用ノズル。 ３ 特許請求の範囲１において、ノズルの内面から、溶
   融金属から除去したいガス成分と異なる成分のガスをノ
   ズル内に供給する機構を設けた特許請求の範囲１記載の
   溶融金属の真空脱ガス用ノズル０