WO2015137154A1 - 真空精錬炉用ガス供給装置 - Google Patents

Abstract

　ＶＯＤ１の真空槽２内に配置された取鍋１０内のステンレス溶鋼１１にガス供給源３０のアルゴンガス等の不活性ガスを供給すると共に取鍋１０に取り付けられる真空精錬炉用ガス供給装置１００は、取鍋１０の底壁部１０ｂに挿入される不活性ガス供給用のポーラスプラグ１２とガス供給源３０とを接続する配管及び弁を備える。配管及び弁における封止に関わる要素の耐熱温度と弁の作動に関わる要素の耐熱温度とが、４００℃以上である。

Description

真空精錬炉用ガス供給装置

　本発明は、真空精錬炉内の溶融金属にガスを供給するためのガス供給装置に関する。

　金属の製造工程では、原料を溶解させて生成した溶融金属から、金属の特性を低下させる炭素及び不純物を除去する精錬が行われる。精錬工程は、一次精錬工程と二次精錬工程とから構成されている。一次精錬工程では、転炉内の溶融金属に対して酸素を吹精することによって脱炭処理を行い、溶融金属に含有される炭素を除去すると共に、不純物を酸化させてスラグに取り込ませ、溶融金属から除去する。二次精錬工程では、転炉から取鍋に移した一次精錬後の溶融金属を取鍋と共に真空精錬炉の真空槽の中に入れ、真空槽内を減圧しつつ溶融金属に酸素を吹精することによって脱炭処理を行い、溶融金属に残存している炭素及び不純物を酸化させてさらに除去する。二次精錬工程の脱炭処理では、酸素と溶融金属の含有物との反応を促進するために、取鍋の底部からアルゴンガス等の不活性ガスを溶融金属に吹き込むことによって、溶融金属の攪拌が行われる。例えば、特許文献１には、取鍋の底部に取り付けられたガス吹き込みプラグにガス供給源からのガスを供給することによって取鍋内の溶融金属にガスを供給するガス供給装置が記載されている。そして、このガス供給装置は、ガスを貯留するタンク、ガスの流れを制御する弁、配管、継手等を含んでいる。

特開２００９－４１０７５号公報

　特許文献１に記載されるガス供給装置は、取鍋に取り付けられて取鍋と共に移動するように構成されている。また、真空槽は、地上面よりも下げられた地下ピット内に配置されることがある。この場合、地下ピット内に熱が滞留し、真空槽と真空槽の内部の取鍋とが高温になるため、ガス供給装置の弁、継手等における気密性を保つための封止要素の耐久性が低下するという問題がある。

　本発明はこのような問題点を解決するためになされたものであり、真空精錬炉内の取鍋に取り付けられ、耐熱性を向上させた真空精錬炉用ガス供給装置を提供することを目的とする。

　上記の課題を解決するために、本発明に係る真空精錬炉用ガス供給装置は、真空精錬炉の真空槽内に配置された取鍋内の溶融金属に外部ガス供給源の不活性ガスを供給すると共に取鍋に取り付けられる真空精錬炉用ガス供給装置において、取鍋の壁部に挿入される不活性ガス供給用のプラグと外部ガス供給源とを接続する配管及び弁を備え、配管及び弁における封止に関わる要素の耐熱温度と弁の作動に関わる要素の耐熱温度とが４００℃以上である。

　本発明に係る真空精錬炉用ガス供給装置によれば、真空精錬炉内の取鍋に取り付けられながらも耐久性を確保できるように、耐熱性を向上させることが可能になる。

本発明の実施の形態に係る真空精錬炉用ガス供給装置を含むＶＯＤ（真空精錬炉）の構成を示す模式的な断面側面図である。 図１の真空精錬炉用ガス供給装置の詳細を示す側面図である。

　以下、本発明の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。
　図１を参照すると、本発明の実施の形態に係る真空精錬炉用ガス供給装置１００と、真空精錬炉用ガス供給装置１００を含む真空精錬炉１とが、示されている。
　なお、以下の実施の形態では、真空精錬炉１は、ステンレス鋼の製鋼における二次精錬工程で使用される真空酸素脱炭装置（ＶＯＤ）とする。

　ＶＯＤ１は、内部に取鍋１０を入れることができ且つ内部に気密な密閉空間を形成することができる真空槽２を有している。真空槽２は、二分割式に構成されている。真空槽２は、下側に配置される有底筒状をした本体部２ａと、上側から本体部２ａの開口を気密に閉鎖することができる蓋部２ｂとを有している。
　真空槽２は、地上面２０から下方に掘り下げられた地下ピット２０ａ内に配設される。このとき、本体部２ａが、地下ピット２０ａ内に位置し、本体部２ａと蓋部２ｂとの境界面が、地上面２０とほぼ同レベルの高さとなっている。
　さらに、真空槽２では、真空槽２の内部の空気を真空槽２の外部に排出するための排気管２ｃが、本体部２ａの側部から延出している。排気管２ｃは、図示しない真空ポンプ及び蒸気エジェクターに接続されるように構成されている。真空ポンプ及び蒸気エジェクターを作動することによって、真空槽２の内部が減圧される。

　真空槽２内の取鍋１０には、一次精錬工程において転炉で炭素及び不純物等が除去された後の溶融金属であるステンレス溶鋼１１が、入れられている。
　ＶＯＤ１は、真空槽２の外部から蓋部２ｂを貫通して真空槽２の内部に延在する酸素ランス３を、有している。酸素ランス３は、真空槽２内に設置された取鍋１０の上部の中蓋１０ａを貫通して延在し、取鍋１０内のステンレス溶鋼１１の表面に酸素を吹精するように構成されている。

　取鍋１０の底壁部１０ｂには、ステンレス溶鋼１１に攪拌用の不活性ガスであるアルゴンガス等を送るためのポーラスプラグ１２が、差し込まれている。ポーラスプラグ１２では、アルゴンガス等の供給部分が、多孔質性の材料によって形成されている。
　ポーラスプラグ１２には、ステンレス溶鋼１１へのアルゴンガス等の供給を制御するための真空精錬炉用ガス供給装置１００の配管１３２が、接続されている。真空精錬炉用ガス供給装置１００は、真空槽２内において、取鍋１０の筒状の側壁部１０ｃの外側表面に取り付けられている。

　真空精錬炉用ガス供給装置１００は、制御ユニット１１０と、蓄圧タンク１２０と、配管とを備えている。蓄圧タンク１２０及び制御ユニット１１０は、取鍋１０の側壁部１０ｃに対して、側壁部１０ｃの中間高さ位置から下方に向かって、蓄圧タンク１２０、制御ユニット１１０の順で配置されている。ガス供給管１３１及び１３２が、制御ユニット１１０から延出している。ガス供給管１３１は、真空槽２の内部において、外部ガス供給管１３０と接続されている。外部ガス供給管１３０は、真空槽２の内部から、本体部２ａの側部を貫通して真空槽２の外部に延び、さらに、地上面２０に配設されたアルゴンガス等を供給するための外部ガス供給源３０に接続されている。ガス供給管１３２は、上述したようにポーラスプラグ１２に接続されている。

　図２を参照して、真空精錬炉用ガス供給装置１００の詳細な構成を説明する。
　ガス供給源３０（図１参照）から外部ガス供給管１３０（図１参照）を介して延びる内部ガス供給管１３１は、制御ユニット１１０内を通過し、蓄圧タンク１２０に接続されている。
　内部ガス供給管１３１は、制御ユニット１１０内に位置する２つの分岐管部１３１ａ及び１３１ｂを、その途中に有している。分岐管部１３１ａは、分岐管部１３１ｂよりも、ガス供給源３０側である上流側に位置する。

　分岐管部１３１ａには、制御ユニット１１０内を通って制御ユニット１１０の外部に延出した後に取鍋１０のポーラスプラグ１２（図１参照）に接続するガス直接供給管１３２が、接続されている。ガス直接供給管１３２は、制御ユニット１１０内に位置する分岐管部１３２ａを、ガス直接供給管１３２の途中に有している。
　分岐管部１３１ａとガス直接供給管１３２との間を気密に連結する継手部１４１は、スウェージロック（登録商標）等のダブルフェルール式継手である喰込式継手によって、構成されている。喰込式継手は、継手部１４１を構成するフロントフェルール、バックフェルール等の要素が熱膨張するように構成され、それにより外側を覆う継手ボディに管を締め付けて、連結された管同士の間の気密性を高めるように作用する。このため、喰込式継手は、高温時に緩まずに締まる構造をしている。なお、継手部１４１は、ねじ込み式の継手であってもよく、この場合、気密性を向上するために溶接による封止を伴う。

　分岐管部１３１ｂには、制御ユニット１１０内を通って分岐管部１３２ａに接続するタンクガス供給管１３３が、接続されている。
　タンクガス供給管１３３は、直列に連結された５つの管セクション１３３ａ、１３３ｂ、１３３ｃ、１３３ｄ及び１３３ｅによって構成されている。

　第一管セクション１３３ａの一端が分岐管部１３１ｂに接続され、第五管セクション１３３ｅの一端が分岐管部１３２ａに接続されている。分岐管部１３１ｂから分岐管部１３２ａに向かって、第一管セクション１３３ａ～第五管セクション１３３ｅが、上記の順で配置され且つ互いの端部同士で連結されている。

　分岐管部１３１ｂと第一管セクション１３３ａとの間の継手部１４２、第一管セクション１３３ａと第二管セクション１３３ｂとの間の継手部１４３、第二管セクション１３３ｂと第三管セクション１３３ｃとの間の継手部１４４、第三管セクション１３３ｃと第四管セクション１３３ｄとの間の継手部１４５、第四管セクション１３３ｄと第五管セクション１３３ｅとの間の継手部１４６、並びに、第五管セクション１３３ｅと分岐管部１３２ａとの間の継手部１４７はいずれも、継手部１４１と同様の構成を有している。

　内部ガス供給管１３１における分岐管部１３１ａと分岐管部１３１ｂとの間には、第二逆止弁１５２が設けられている。第二逆止弁１５２は、分岐管部１３１ａから分岐管部１３１ｂに向かう方向のガスの流れ、つまりガス供給源３０から蓄圧タンク１２０に向かう方向のガスの流れを許容し、その反対方向のガスの流れを阻止する。
　さらに、ガス直接供給管１３２における継手部１４１と分岐管部１３２ａとの間には、第一逆止弁１５１が設けられている。第一逆止弁１５１は、分岐管部１３１ａから取鍋
１０に向かう方向のガスの流れを許容し、その反対方向のガスの流れを阻止する。よって、第一逆止弁１５１は、ガス直接供給管１３２におけるガス供給源３０から取鍋１０に向かう方向のガスの流れを許容し、その反対方向のガスの流れを阻止する。

　さらにまた、タンクガス供給管１３３における第五管セクション１３３ｅの途中には、第三逆止弁１５３が設けられている。第三逆止弁１５３は、第四管セクション１３３ｄから分岐管部１３２ａに向かう方向のガスの流れを許容し、その反対方向のガスの流れを阻止する。よって、第三逆止弁１５３は、タンクガス供給管１３３において、蓄圧タンク１２０から取鍋１０に向かう方向のガスの流れを許容し、その反対方向のガスの流れを阻止する。

　タンクガス供給管１３３の第一管セクション１３３ａは、その途中に分岐管部１３３ａ１を有している。分岐管部１３３ａ１の先端部には、リリーフ弁１５６が接続されている。リリーフ弁１５６は、第一管セクション１３３ａに所定の上限圧力以上の圧力が生じる場合に開放して管内部のガスを外部に放出するように動作する。これによって、第一管セクション１３３ａ内、つまり蓄圧タンク１２０からタンクガス供給管１３３を通って取鍋１０に至る配管内の圧力の過度な上昇が、防がれる。

　タンクガス供給管１３３の第三管セクション１３３ｃの途中には、圧力調整弁１５５及びニードル弁１５４が設けられている。圧力調整弁１５５及びニードル弁１５４は、第二管セクション１３３ｂから第四管セクション１３３ｄに向かう方向に沿って、圧力調整弁１５５、ニードル弁１５４の順で配置されている。
　圧力調整弁１５５は、タンクガス供給管１３３内を流れるガスの圧力を調節する。なお、圧力調整弁１５５の設定圧力は、ガス供給源３０からのガスの供給時に内部ガス供給管１３１を流れるガスの圧力よりも、低く設定される。圧力調整弁１５５は、下流側である第五管セクション１３３ｅ側の圧力が上記設定圧力以下である場合に開き、第五管セクション１３３ｅ側の圧力が上記設定圧力よりも高くなると閉じるように構成されている。よって、圧力調整弁１５５は、圧力調整弁１５５を通過して流れるガスの圧力を上記設定圧力以下に制御する。
　これにより、ガス供給源３０からのガスが外部ガス供給管１３０（図１参照）を介して内部ガス供給管１３１を流れて蓄圧タンク１２０に流れると共にガス直接供給管１３２に流れている際、圧力調整弁１５５の下流側のガス圧力が上記設定圧力を超えるため、圧力調整弁１５５は、蓄圧タンク１２０内のガスがタンクガス供給管１３３を通って取鍋１０に流れることを防止することができる。
　ニードル弁１５４は、その開度を調節することによって、第三管セクション１３３ｃ内、つまりタンクガス供給管１３３内を流れるガスの流量を調節するように構成されている。

　各弁及び各継手部では、気密性を保つための封止に関わる要素及び弁の作動に関わる構成要素に、以下の表１に示すような材質の材料が使用される。

　なお、地下ピット２０ａ内に配置された真空槽２（図１参照）内における取鍋１０の側壁部１０ｃ（図１参照）周辺の温度は、４００℃未満である。このため、各弁及び各継手において、上記の表１のように耐熱温度が４００℃以上である構成要素を選定した。例えば、パッキンは、耐熱温度以下の環境下で所定の封止能力を有する。ばねは、耐熱温度以下の環境下で所定のばね弾性係数の弾性を有する。フェルール及び継手ボディは、耐熱温度以下の環境下で、熱膨張はするが所定の強度を維持し、機能を損なうような変形を生じない。これにより、ステンレス溶鋼１１が入れられて高温になった取鍋１０に真空精錬炉用ガス供給装置１００が取り付けられていても、各弁及び各継手部における封止に関わる構成要素及び弁の作動に関わる構成要素は、熱による性能の劣化を抑えることができる。

　上述のような真空精錬炉用ガス供給装置１００は、ＶＯＤ１の操業時に以下のように作用する。
　図１及び図２をあわせて参照すると、ガス供給源３０に真空精錬炉用ガス供給装置１００の外部ガス供給管１３０を介して内部ガス供給管１３１が接続された後に、ＶＯＤ１の操業が開始されると、ガス供給源３０から内部ガス供給管１３１にアルゴンガス等の不活性ガスが供給される。同時に、真空槽２では、酸素ランス３から取鍋１０内のステンレス溶鋼１１の表面に、酸素ガスが吹精される。さらに、排気管２ｃに接続された図示しない真空ポンプ及び蒸気エジェクターが作動され、真空槽２内の減圧も行われる。この減圧作用によって、吹精される酸素ガスとステンレス溶鋼１１内の炭素との反応、つまり脱炭処理が促進される。

　内部ガス供給管１３１内に供給されたアルゴンガス等の不活性ガスの一部は、第二逆止弁１５２を通って蓄圧タンク１２０に流れ、他の不活性ガスは、ガス直接供給管１３２内に分岐して流れ、第一逆止弁１５１を通って取鍋１０へと流れる。このとき、ガス直接供給管１３２の不活性ガスは、第三逆止弁１５３の作用によってタンクガス供給管１３３には流れ込まない。取鍋１０では、不活性ガスが、ポーラスプラグ１２を介してステンレス溶鋼１１の内部に供給され、ステンレス溶鋼１１を攪拌する。これにより、ステンレス溶鋼１１内の含有物と吹精される酸素ガスとの反応が促進される。
　よって、ＶＯＤ１の操業が開始されると、不活性ガスは、取鍋１０へ供給されると共に蓄圧タンク１２０内に貯留される。

　なお、第二逆止弁１５２の下流側の内部ガス供給管１３１及びタンクガス供給管１３３内の圧力が所定の上限圧力に達する場合には、リリーフ弁１５６が、開放して不活性ガスを外部に逃がし、圧力の過度な上昇を防ぐ。

　ステンレス溶鋼１１の脱炭処理等が終了し、取鍋１０への不活性ガスの供給が不要になると、ガス供給源３０からの不活性ガスの供給が停止される。
　これにより、不活性ガスの供給を受けない内部ガス供給管１３１及びガス直接供給管１３２内の圧力が低下するため、蓄圧タンク１２０内の不活性ガスが自動的に、タンクガス供給管１３３を通ってガス直接供給管１３２に流れ込むようになる。この不活性ガスは、第一逆止弁１５１及び第二逆止弁１５２の作用によって、内部ガス供給管１３１におけるガス供給源３０との接続部側へ流れることが阻止される。このため、不活性ガスの全てが、取鍋１０のポーラスプラグ１２へと流れる。

　ポーラスプラグ１２は多孔質な部分を有するため、ステンレス溶鋼１１がこの多孔質部分に流下して浸透する可能性がある。しかしながら、蓄圧タンク１２０から供給される不活性ガスが加圧状態でポーラスプラグ１２内を満たすことによって、ステンレス溶鋼１１の浸透が防がれる。これにより、二次精錬工程に続く鋳造工程で取鍋１０内のステンレス溶鋼１１が使用されるまで、ポーラスプラグ１２へのステンレス溶鋼１１の浸透が防がれる。そして、ポーラスプラグ１２への不活性ガスの供給は、圧力調整弁１５５によって圧力を調節し且つニードル弁１５４によって流量を調節することによって、制御される。
　なお、ポーラスプラグ１２の多孔質部分にステンレス溶鋼１１が浸透すると、再度不活性ガスを取鍋１０内のステンレス溶鋼１１に供給する際、浸透部分が剥離してポーラスプラグ１２が破損することがある。

　このように、本発明に係る真空精錬炉用ガス供給装置１００は、ＶＯＤ１の真空槽２内に配置された取鍋１０内のステンレス溶鋼１１にガス供給源３０のアルゴンガス等の不活性ガスを供給すると共に取鍋１０に取り付けられる。この真空精錬炉用ガス供給装置１００は、取鍋１０の底壁部１０ｂに挿入される不活性ガス供給用のポーラスプラグ１２とガス供給源３０とを接続する配管及び弁を備える。上記配管及び弁における封止に関わる要素及び弁の作動に関わる要素である継手部のフェルール及び継手ボディ、パッキン、ばね等の耐熱温度が４００℃以上である。これにより、取鍋１０に取り付けられる真空精錬炉用ガス供給装置１００における気密性を保つための要素及び弁の作動に関わる要素は、ＶＯＤ１での二次精錬時において高温状態となる取鍋１０の周囲の温度以上の耐熱温度を有している。このため、真空精錬炉用ガス供給装置１００は、取鍋１０に取り付けられていても取鍋１０の熱による性能及び耐久性の低下を抑えることができる。

　真空精錬炉用ガス供給装置１００において、配管の継手部１４１～１４７は、継手部１４１～１４７を構成する要素が熱膨張することによって、配管同士の間の気密性を高めるように作用する。これにより、ＶＯＤ１での二次精錬時において取鍋１０の周囲が高温になると、継手部１４１～１４７の気密性が向上するため、加圧されたアルゴンガス等の不活性ガスを扱う真空精錬炉用ガス供給装置１００は、その性能を十分に発揮することができる。

　真空精錬炉用ガス供給装置１００は、アルゴンガス等の不活性ガスを貯留可能な蓄圧タンク１２０と、ガス供給源３０からの不活性ガスをポーラスプラグ１２に送るための第一管路（つまり、外部ガス供給管１３０と、内部ガス供給管１３１と、ガス直接供給管１３２とからなる管路）と、ガス供給源３０からの不活性ガスを蓄圧タンク１２０に送るための第二管路（つまり、外部ガス供給管１３０と内部ガス供給管１３１とからなる管路）と、蓄圧タンク１２０内の不活性ガスをポーラスプラグ１２に送るための第三管路（つまり、内部ガス供給管１３１と、タンクガス供給管１３３と、ガス直接供給管１３２とからなる管路）と、第一管路に設けられ且つポーラスプラグ１２からガス供給源３０に向かうガスの流れを阻止する第一逆止弁１５１と、第二管路に設けられ且つ蓄圧タンク１２０からガス供給源３０に向かうガスの流れを阻止する第二逆止弁１５２と、第三管路に設けられ且つポーラスプラグ１２から蓄圧タンク１２０に向かうガスの流れを阻止する第三逆止弁１５３と、第三管路に設けられ且つ第一管路を流れるガスの圧力よりも第三管路を流れるガスの圧力を低くすることができる圧力調整弁１５５とを備えている。

　上述の構成において、ガス供給源３０からポーラスプラグ１２に不活性ガスを直接供給する際、蓄圧タンク１２０にも不活性ガスを供給することができる。そして、第三管路に設けられた圧力調整弁１５５は、第三管路を流れるガスの圧力を第一管路を流れるガスの圧力よりも低くするように設定されている。つまり、圧力調整弁１５５が第三管路を開放する上限圧力である設定圧力は、第一管路を流れるガスの圧力よりも低い。これにより、ガス供給源３０からのガスが第一管路を流れてポーラスプラグ１２に供給されている際、圧力調整弁１５５の下流側の圧力が上記設定圧力よりも高くなるため、圧力調整弁１５５は、蓄圧タンク１２０内のガスが第三管路を流れることを防止し、その結果、蓄圧タンク１２０の圧力は維持される。一方、ガス供給源３０からの不活性ガスの供給が停止すると、蓄圧タンク１２０からポーラスプラグ１２に不活性ガスが供給され、供給された不活性ガスの圧力によって、ポーラスプラグ１２に接触するステンレス溶鋼１１のポーラスプラグ１２への浸透が防がれる。

　実施の形態に係る真空精錬炉用ガス供給装置１００は、ステンレス鋼の製鋼用の取鍋１０に取り付けられるように構成されていたが、これに限定されるものでない。真空精錬炉用ガス供給装置１００は、ステンレス鋼以外の金属の製造時において、内部溶融金属へのガスの供給が必要な取鍋に対して設けられてもよい。

Claims (3)

1. 　真空精錬炉の真空槽内に配置された取鍋内の溶融金属に外部ガス供給源の不活性ガスを供給すると共に前記取鍋に取り付けられる真空精錬炉用ガス供給装置において、
   　前記取鍋の壁部に挿入される不活性ガス供給用のプラグと前記外部ガス供給源とを接続する配管及び弁を備え、
   　前記配管及び前記弁における封止に関わる要素の耐熱温度と前記弁の作動に関わる要素の耐熱温度とが４００℃以上である真空精錬炉用ガス供給装置。
2. 　前記配管の継手部は、前記継手部を構成する要素が熱膨張することによって、前記配管同士の間の気密性を高めるように作用する請求項１に記載の真空精錬炉用ガス供給装置。
3. 　前記不活性ガスを貯留可能な蓄圧タンクと、
   　前記外部ガス供給源からの前記不活性ガスを前記プラグに送るための第一管路と、
   　前記外部ガス供給源からの前記不活性ガスを前記蓄圧タンクに送るための第二管路と、
   　前記蓄圧タンク内の前記不活性ガスを前記プラグに送るための第三管路と、
   　前記第一管路に設けられ、前記プラグから前記外部ガス供給源に向かうガスの流れを阻止する第一逆止弁と、
   　前記第二管路に設けられ、前記蓄圧タンクから前記外部ガス供給源に向かうガスの流れを阻止する第二逆止弁と、
   　前記第三管路に設けられ、前記プラグから前記蓄圧タンクに向かうガスの流れを阻止する第三逆止弁と、
   　前記第三管路に設けられ、前記第一管路を流れるガスの圧力よりも前記第三管路を流れるガスの圧力を低くすることができる圧力調整弁と
   を備える請求項１または２に記載の真空精錬炉用ガス供給装置。

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