JP2005264264A - 溶鋼の真空精錬方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 真空脱ガス等の精錬能を犠牲にすることなく、上吹きランスから酸化性ガスを吹き付けることによる真空槽の槽底の耐火物の損傷を防止し、スラグの吸い上げを抑制し、さらには浸漬管の開口部が大きいことに起因する熱スポール割れを抑制することによって、耐火物の寿命を向上しながら、工業的規模で溶鋼を真空精錬する。
【解決手段】 真空槽１２の下部に連通して設けられる一本の浸漬管１３を、浸漬管１３の下方に配置された取鍋１５に収容された溶鋼１６に浸漬し、攪拌ガスＧを浸漬管１３の内部の溶鋼１６に吹き込んで浸漬管１３の内部を上昇及び下降する循環流を生じさせることにより溶鋼１６の真空精錬を行う。この際に、浸漬管１３の少なくとも下端開口部の内面が、下端開口部において循環流２０が存在する領域の外縁形状に略沿った非円形の水平断面形状を有する浸漬管１３を用いて、溶鋼１６の真空精錬を行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は、溶鋼の真空精錬方法及び真空精錬装置に関し、例えば、真空雰囲気と接する溶鋼の表面に酸化性ガスを吹き付けながら行う溶鋼の真空精錬方法及び真空精錬装置に関する。

溶鋼の真空精錬方法として、例えばＶＯＤ法のように取鍋に収容された溶鋼の全体を真空雰囲気下に置いて脱ガス等を行う方法や、ＲＨ脱ガス法やＤＨ脱ガス法等のように真空槽の下部に設けた浸漬管を取鍋に収容された溶鋼に浸漬し、真空槽の内部を真空雰囲気として真空精錬を行う方法等が知られている。

ここで、ＶＯＤ法では、フリーボードを大きく確保できないために溶鋼横溢を生じる危険があることから溶鋼の撹拌力を増加させることが難しく、真空精錬能力に限界がある。また、ＤＨ脱ガス法では１本の浸漬管を溶鋼に浸漬した状態で取鍋又は浸漬管を下部に装着された真空槽のいずれかを機械的に高速で繰り返し昇降させる必要があるため、設備費が著しく嵩む。

これに対し、図１０にその原理を模式的に示すＲＨ脱ガス法では、同図に示すように、２本の浸漬管である上昇管１及び下降管２を下部に有する真空槽３を取鍋４に収容された溶鋼５に浸漬し、上昇管１から環流用ガスＧを吹き込むことによって、溶鋼５を上昇管１を介して真空槽３の内部へ供給した後に下降管２から取鍋４へ戻すことにより、取鍋４及び真空槽３間で溶鋼の循環流を形成する。このように、このＲＨ脱ガス法では、環流用ガスＧの吹き込みにより溶鋼５の循環流を形成でき、上述したＤＨ脱ガス法のように取鍋４又は真空槽３を機械的に高速で繰り返し昇降させる必要がないため、設備費の上昇を抑制でき、現在は広く利用されている。

図１１は、このＲＨ脱ガス法において、さらに、真空槽３の内部に存在する溶鋼５の表面に酸化性ガスを吹き付ける状況を模式的に示す説明図である。同図に示すように、ＲＨ脱ガス法では、真空槽３における真空脱炭反応（Ｃ＋Ｏ＝ＣＯ）の酸素源として、又は溶鋼５中のＡｌと酸素との反応熱により溶鋼５を加熱する場合の酸素源として、真空槽３の内部の溶鋼５の表面に真空槽３の内部に配置された上吹きランス６から酸素ガスＯ₂ を代表とする酸化性ガスを吹き付けることも広く行われている。

一般的に、ＲＨ脱ガス法やＤＨ脱ガス法等の真空脱ガス法を行う際に、真空環境下での脱ガス反応速度を確保するためには反応界面積を増大する必要があり、反応界面積を増大するためには真空槽３の内部における浴表面積を充分確保する必要がある。ここで、浴表面積を充分確保するために最も有利なのは、浴面の水平断面形状を円形とすることである。また、真空槽３の下部に設ける浸漬管の形状は真空槽３と同径の円形とすることが、設備構造的な観点から最も有利である。そこで、真空脱ガス法を行う真空脱ガス装置では、水平断面形状が円形である浴面を有する円形の真空槽の下部に、この真空槽と同径の円形の浸漬管を装着している。

一方、このような従来から広く知られているＤＨ脱ガス法やＲＨ脱ガス法の脱ガス能力を高めて真空精錬を行うための発明がこれまでにも多数提案されている。
例えば、特許文献１には、取鍋に収容された溶鋼に大きな内径を有するシュノーケルを浸漬し、このシュノーケルの内部を減圧排気して溶鋼を内部に吸い上げながら、このシュノーケルの内部の下端部の内周面の全域からアルゴンガスを吹き込むことにより脱ガスを行う発明が開示されている。この発明では、溶鋼は、シュノーケルの内周壁面に添って上昇するアルゴンガスバブリングによってシュノーケルの内周壁面に沿う上昇流を形成し、この上昇量に見合う下降量でシュノーケルの中央部で下降流を形成するため、シュノーケルの内部に溶鋼の循環流が形成され、真空脱ガスが行われる。

また、特許文献２には、減圧槽の主体部を形成する下向きに開口した筒体の内部の減圧時、吸い上げる溶融金属の量をできるだけ多くしておき、筒体の内部に吸い上げられた溶融金属に対して、羽口側の溶融金属には上昇流を与えるとともに対面側の溶融金属には下降流を与え、処理する溶融金属の全体を撹拌混合させるように偏って設置させた１以上の羽口から、撹拌兼精錬用ガスを溶融金属に吹き込むことにより、溶融金属を減圧精錬する発明が開示されている。

また、特許文献３には、上部に減圧排気口を設けた円筒容器の下部を溶鋼に浸漬し、円筒容器の内部を減圧することにより溶鋼を円筒容器の内部に吸上げながら、円筒容器の下端付近の内面側から溶鋼へ不活性ガスを吹込み、円筒容器の内部で溶鋼を上昇及び下降させる循環流を形成することにより真空脱ガスを行う発明が開示されている。

一方、真空槽を用いて真空雰囲気にある溶鋼の表面に酸化性ガスを吹き付ける発明として、以下に説明する発明も知られている。
特許文献４には、特許文献４に記載された発明を模式的に示す図１２に示すように、円形の水平断面形状を有する真空槽７の内部の浴深さ及びＲＨ溶鋼環流速度を規定して真空槽７の内部の溶鋼８の表面に取鍋９の炉底に設けられた羽口１０から酸素ガスを吹き付けて真空脱炭を行う発明が開示されている。この発明によれば、真空槽７の内部の浴深さを０．４ｍ以上と大きく設定することにより、吹き付けた酸素ガスが真空槽７の槽底を構成する耐火物を損傷することを防止できるとしている。

さらに、特許文献５には、特許文献５に記載された発明を模式的に示す図１３に示すように、取鍋９の内径の０．４〜０．８倍の内径を有する１本の浸漬管７を取鍋９に収容された溶鋼８に浸漬し、取鍋９の内部の溶鋼８に、下部（底を含む）から攪拌ガスを吹き込むとともに上吹きランス６から酸化性ガスを吹き付ける発明が開示されている。

特開平３−６３１７号公報 特開昭５２−５２１０９号公報 特開平５−２７１７４８号公報 特開昭５２−８９５１３号公報 特開昭６１−３７９１２公報

しかしながら、上述した特許文献１〜３により開示された発明には、以下に列記する共通の課題がある。
第１の課題として、特許文献１〜３により開示された発明では、脱ガス処理に際して取鍋に収容された溶鋼の上部に存在するスラグを大量に浸漬管から吸い上げてしまい、吸い上げられたスラグによって浸漬管を構成する耐火物が早期に損傷する。

すなわち、特許文献１〜３により開示された発明は、いずれも、円形の真空槽の下部に同径の円形の浸漬管を装着するため、浸漬管の下端部の水平断面積は必然的に真空槽と同程度に大きくなり、取鍋に収容された溶鋼の上部に存在するスラグを大量かつ不可避的に浸漬管の内部に吸い込んでしまう。このようにして、真空槽の内部に大量のスラグを吸い込んでしまうと、吸い込まれたスラグが浸漬管や真空槽の内壁の耐火物と接触して耐火物と反応することにより低融点化した化合物を形成するため、耐火物を溶損させたり、耐火物の表面に浸潤して耐火物の表層の特性を変化させ、耐火物の損耗速度を速めてしまう。したがって、耐火物の寿命が低下し、耐火物の補修コストが嵩むとともに、耐火物の補修サイクルが短縮するために真空脱ガス装置の実稼動時間率が低下して生産性が低下する。

第２の課題として、浸漬管の下端部の開口部が大きいため、脱ガス処理を終了した後の浸漬管の内壁を構成する耐火物の温度は急激に低下し易い。したがって、次ヒートでの吸い上げの際に高温の溶鋼に接触すると、耐火物に加えられる熱履歴（温度差）が大きくなって温度変化や温度勾配が大きく発生する。このため、温度変化に伴なう耐火物の膨張及び収縮が大きくなることに起因して、耐火物に亀裂が発生し、亀裂の進展によりスポール割れや剥離を引き起こし易くなるため、耐火物の寿命が低下する。したがって、耐火物の補修コストが嵩むとともに耐火物の補修サイクルが短縮するため、真空脱ガス装置の実稼動時間率が低下して生産性が低下する。

このように、特許文献１〜３により開示された発明によっては、耐火物の寿命が低下し、耐火物の補修コストが嵩むとともに、耐火物の補修サイクルが短縮するために真空脱ガス装置の実稼動時間率が低下して生産性も低下する。

一方、真空槽７の内部に収容された溶鋼８の表面に酸化性ガスを吹き付ける特許文献４又は特許文献５により開示された発明には、以下に説明する課題がある。
特許文献４により開示された発明では、特許文献４には真空槽７の浴深はいくらでも大きく取れるとも解される記載があるが、実際には真空槽７の槽底の煉瓦厚みや溶鋼８に浸漬される部分のフランジ厚み等を勘案すると、真空槽７の内部に収容された溶鋼８に酸素を吹き付ける場合の浴深さを０．４ｍ以上確保すること自体、一般的には容易ではなく、特許文献４において望ましいとされる０．５ｍを確保することは設備コスト等を勘案すると現実には実現できない。このように、特許文献４により開示された発明は実際に行うことが難しいため、酸素を強く吹き付けた場合に発生する、真空槽７の槽底を構成する耐火物の損傷を解決することは事実上不可能である。

さらに、特許文献５により開示された発明では、真空槽７に槽底が存在しないために酸素を強く吹き付けても真空槽７の槽底を構成する耐火物の損傷は生じない。しかし、浸漬管７の径を取鍋９の径の０．４倍以上と大きく確保するため、取鍋９に収容された溶鋼８の上部に存在するスラグを大量に浸漬管７の内部へ吸い上げてしまうこととなり、上述したように吸い上げられたスラグによって浸漬管７を構成する耐火物が損傷し、やはり、耐火物の寿命が低下する。

このように、特許文献１〜５により開示されたいずれの発明によっても、真空脱ガス等の精錬能を犠牲にすることなく、上吹きランスから酸化性ガスを吹き付けることによる真空槽の槽底の耐火物の損傷を防止し、スラグの吸い上げを抑制し、さらには浸漬管の開口部が大きいことに起因する熱スポール割れを抑制することによって、耐火物の寿命を向上しながら、工業的規模で溶鋼を真空精錬することは不可能であった。

本発明の目的は、真空脱ガス等の精錬能を犠牲にすることなく、上吹きランスから酸化性ガスを吹き付けることによる真空槽の槽底の耐火物の損傷を防止し、スラグの吸い上げを抑制し、さらには浸漬管の開口部が大きいことに起因する熱スポール割れを抑制することによって、耐火物の寿命を向上しながら、工業的規模で溶鋼を真空精錬することができる溶鋼の真空精錬方法及び装置を提供することである。

はじめに、本発明者らは、水平断面形状が円形の真空槽の下部に、水平断面形状が円形であって同径の浸漬管を装着して溶鋼の脱ガス処理を行うと、真空槽の内部に大量のスラグが吸い込まれることに起因して耐火物の寿命が低下することを防止するために、まず、浸漬管を取鍋に収容された溶鋼に浸漬する前に、取鍋の底部に設けた羽口から攪拌ガスを溶鋼に吹き込むことによって攪拌ガスが形成する上昇流によって羽口の直上部に位置する浴面の溶鋼を盛り上がらせてスラグが介在しない溶鋼の裸面を出現させ、出現した溶鋼の裸面に浸漬管を浸漬することによりスラグの吸い込みを抑制できるのではと考えた。

しかし、通常の２５０トン超クラスの溶鋼を処理する場合に用いられる真空槽の内径、すなわち浸漬管の内径は約２ｍ程度であり、取鍋の底部に設けた羽口から吹き込まれる攪拌ガスによって直径が約２ｍもの大きさの溶鋼の裸面を形成することは難しい。また、この方法では、溶鋼の裸面を形成するために行うガス攪拌によってスラグが溶鋼に懸濁してしまうため、仮に所望の大きさの溶鋼の裸面を形成することができたとしても、懸濁したスラグが溶鋼とともに真空槽の内部に吸い上げられるおそれが高い。

このように、水平断面形状が円形の真空槽の下部に同径の水平断面形状が円形の浸漬管を装着して溶鋼の脱ガス処理を行うことを前提としたのでは、スラグの吸い込みを抑制することは事実上困難である。

次に、本発明者らは、真空槽へのスラグの吸い込み、及び浸漬管の内壁を構成する耐火物の温度変化による剥離をいずれも抑制するには、浸漬管の下端部の内側の水平断面積を小さくすることが有効ではないかと考え、円形の真空槽の下部に同じく円形であるものの真空槽よりも小径の浸漬管を設置することを検討した。この手段は、浸漬管の下端部の耐火物の内側の水平断面積が小さくなることから、浸漬管の径を小さくすればするほど、溶鋼に浸漬された浸漬管から吸い上げられるスラグの吸い込み量を低減することができ、浸漬管の内壁を構成する耐火物の剥離を確実に抑制できる。

しかし、この手段は、水平断面形状が円形の浸漬管の内径を小さくするものであるため、浸漬管の内部を流れる上昇流及び下降流の存在領域を必然的に狭めることとなる。このため、浸漬管の内部における溶鋼の上昇流及び下降流が互いに干渉するようになり、下降流の一部は取鍋には到達せずに上昇流に直接随伴して真空槽に導かれてしまう。このため、取鍋の内部における下降流の勢いが低下し、取鍋及び真空槽間の溶鋼の循環が不充分なものとなる。このため、脱ガス速度が悪化して溶鋼の成分調整が困難となる。特に、浸漬管の径Ｄと取鍋の径Ｄo との比Ｄ／Ｄo が０．５未満になるとこの傾向が顕著になる。

このように、円形の真空槽の下部にこの真空槽よりも小径の浸漬管を設置して真空脱ガス処理を行うことは、スラグ吸い上げ抑制による耐火物の寿命確保の点では確かに優れるものの、精錬性能の劣化は否めないため、実際の操業に適用することはできない。

そこで、本発明者らは、真空槽及び浸漬管についてのこれまでの技術常識を前提とするのではなく、この技術常識を抜本的に覆した新規な技術思想を創作する必要性を痛感し、さらに鋭意検討を重ねた。

その結果、後述する図１に示すように、円形の水平断面形状を有する真空槽の下部に、一本の浸漬管の少なくとも下端開口部の内面がこの下端開口部において循環流が存在する領域の外縁形状に略沿った非円形の水平断面形状を有する浸漬管を真空槽に連通させて一つ配置して、浸漬管の内部を流れる上昇流及び下降流の存在領域を狭めないようにしながら溶鋼の真空精錬を行えば、精錬性能を低下させずに、上吹きランスから酸化性ガスを吹き付けることによる真空槽の槽底の耐火物の損傷を防止でき、スラグの真空槽への吸い上げを抑制でき、さらに浸漬管の開口部が大きいことに起因する熱スポール割れを抑制でき、耐火物の寿命を向上しながら工業的な規模で溶鋼を真空精錬できるという、新規かつ重要な技術思想を創作でき、本発明を完成した。

本発明は、水平断面形状が円形である真空槽の下部に連通して設けられる一本の浸漬管を、この一本の浸漬管の下方に配置された取鍋に収容された溶鋼に浸漬し、攪拌ガスをこの一本の浸漬管の内部の溶鋼に吹き込んでこの一本の浸漬管の内部を上昇及び下降する循環流を生じさせることにより溶鋼の真空精錬を行う際に、一本の浸漬管の少なくとも下端開口部の内面が、下端開口部において循環流が存在する領域の外縁形状に略沿った非円形の水平断面形状を有することを特徴とする溶鋼の真空精錬方法である。

この本発明に係る溶鋼の真空精錬方法では、非円形の水平断面形状が、円形を一の方向へ偏平させた長円形状であることが望ましい。この場合に、長円形状が、一の方向へ向けた長径を形成する長径部と、この長径よりも短いとともに一の方向と交差する少なくとも一の方向へ向けた少なくとも一つの短径を形成する短径部とを有する形状であることが、望ましい。

また、これらの本発明に係る溶鋼の真空精錬方法では、攪拌ガスの流量が処理溶鋼１トン当たり３ＮＬ／ｍｉｎ以上15ＮＬ／ｍｉｎ以下であることが望ましい。
また、これらの本発明に係る溶鋼の真空精錬方法では、真空槽の内部に昇降可能に配置されるランスの下端とこの真空槽の内部に存在する溶鋼の表面との間の鉛直方向の距離Ｈと、浸漬管の短径の長さＳとの比（Ｈ／Ｓ）が２以上８以下となるようにこのランスを昇降させながら、このランスから酸化性ガスを真空槽に収容された溶鋼に吹付けることが望ましい。

さらに、これらの本発明に係る溶鋼の真空精錬方法では、真空槽の内部に昇降可能に配置されるランスの下端とこの真空槽の内部に存在する溶鋼の表面との間の鉛直方向の距離Ｈと、真空槽の内径の長さＶとの比（Ｈ／Ｖ）が３以下となるようにこのランスを昇降させながら、このランスから酸化性ガスを真空槽に収容された溶鋼に吹付けることが望ましい。

別の観点からは、本発明は、上昇及び下降を繰り返す溶鋼の循環流を内部に発生する一本の浸漬管と、この一本の浸漬管の上部に連通して配置されて循環流に脱ガス処理を行う真空槽と、攪拌ガスをこの一本の浸漬管の内部の溶鋼に吹き込むことにより循環流を生じさせる攪拌ガス導入装置とを備える溶鋼の真空精錬装置であって、一本の浸漬管の少なくとも下端開口部の内面が、下端開口部において循環流が存在する領域の外縁形状に略沿った非円形の水平断面形状を有することを特徴とする溶鋼の真空精錬装置である。

この本発明に係る溶鋼の真空精錬装置では、非円形の水平断面形状が、円形を一の方向へ偏平させた長円形状であることが望ましい。この場合に、長円形状が、一の方向へ向けた長径を形成する長径部と、この長径よりも短いとともに一の方向と交差する少なくとも一の方向へ向けた少なくとも一つの短径を形成する短径部とを有する形状であることが望ましい。

また、これらの本発明に係る溶鋼の真空精錬装置では、長径の長さＬと短径の長さＳとの比（Ｌ／Ｓ）が１．５以上であることが望ましい。
また、これらの本発明に係る溶鋼の真空精錬装置では、水平断面において、浸漬管の下端開口部の外縁形状が、真空槽の外縁形状に包囲されることが望ましい。

また、これらの本発明に係る溶鋼の真空精錬装置では、攪拌ガス導入装置が長径部に設けられることが望ましい。
さらに、これらの本発明に係る溶鋼の真空精錬装置は、真空槽の内部に昇降可能に配置されて、酸化性ガスを該真空槽の内部に存在する溶鋼に吹付けるためのランスを備えることが望ましい。

本発明に係る溶鋼の真空精錬方法及び装置によれば、（ｉ）取鍋に収容された溶鋼の上部に存在するスラグを大量に浸漬管から吸い上げることを防止できるために吸い上げられたスラグによって浸漬管を構成する耐火物が早期に損傷することを防止でき、（ｉｉ）脱ガス処理を終了した後において浸漬管の内壁を構成する耐火物に発生する亀裂に起因したスポール割れや剥離を抑制でき、耐火物の寿命の低下を防止でき、さらに（ｉｉｉ）低廉な設備コストで確実に実施できる。

このように、本発明に係る溶鋼の真空精錬方法及び装置によれば、真空脱ガス等の精錬能を犠牲にすることなく、上吹きランスから酸化性ガスを吹き付けることによる真空槽の槽底の耐火物の損傷を防止し、スラグの吸い上げを抑制し、さらには浸漬管の開口部が大きいことに起因する熱スポール割れを抑制することによって、耐火物の寿命を向上しながら、工業的規模で溶鋼を真空精錬することができる。

また、本発明によれば、真空槽に収容された溶鋼に酸化性ガスを導入することにより、耐火物損耗速度を悪化させずに酸化性ガスと溶鋼中の各元素との反応効率を向上することができる。

以下、本発明に係る溶鋼の真空精錬方法及び装置を実施するための最良の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本実施の形態における溶鋼の真空精錬装置１１の構造を、一部を透視して簡略化した状態で示す斜視図である。また、図２（ａ）は図１に示す真空精錬装置１１の垂直断面図であり、図２（ｂ）は図１におけるＡ−Ａ断面図である。

図１及び図２に示すように、本実施の形態の真空精錬装置１１は、真空槽１２と、浸漬管１３と、攪拌ガス導入装置１４と、ランス１７とを備える。そこで、この真空精錬装置１１の構成要素である真空槽１２、浸漬管１３、攪拌ガス導入装置１４及びランス１７を、以下に順次説明する。

［真空槽１２、ランス１７］
本実施の形態で用いる真空槽１２は、円形の水平断面形状を有する筒状体であって、内壁に耐火煉瓦が装着されている。この真空槽１２の内径はＶである。

本実施の形態では、この真空槽１２自体は慣用されるものを用いればよく、このような真空槽は当業者にとっては周知であることから、真空槽１２に関する説明は省略する。
また、真空槽１２の上面１２ａの中央部にはシール装置１８が装着されており、このシール装置１８を介してランス１７が設けられている。ランス１７は、図示しない昇降機構により真空槽１２に対して昇降自在に設けられている。本実施の形態では、ランス１７は、酸化性ガスを真空槽１２の内部に存在する溶鋼に吹付けるために配置されており、これにより、後述する脱炭処理及び加熱処理の効率を高めるものである。

ランス１７自体は慣用されるものを用いればよく、このようなランスは当業者にとっては周知であることから、ランス１７に関する説明は省略する。
本実施の形態の真空槽１２及びランス１７は、以上のように構成される。

［浸漬管１３］
この真空槽１２の下端の槽底には浸漬管１３が一つ装着されている。本実施の形態では、浸漬管１３は、真空槽１２の水平断面形状である円形（図１においては二点鎖線で示す）を、少なくとも一の偏平方向（図示例では両矢印で指示する方向）へ偏平させて得られる長円形状の水平断面形状を有しており、真空槽１２に連通して配置される。

図１における拡大図に示すように、本実施の形態では、この真空精錬装置１１の浸漬管１３は、水平断面において、偏平方向へ向けた長さがＬの長径を形成する一対の半円状の長径部１３ａ、１３ａと、この長径の長さＬよりも短いとともに偏平方向と交差する少なくとも一の方向（図示例では偏平方向と９０°交差する一の方向）へ向けた長さがＳの短径を形成する直線状の短径部１３ｂ、１３ｂとを有する。

また、本実施の形態では、上述した長径の長さＬと短径の長さＳとの比（Ｌ／Ｓ）は１．５以上であることが望ましい。以下、この理由を説明する。
本発明者らは、水モデルを用いて、浸漬管１３の長径の長さＬが真空槽１２の内径Ｖを超えない範囲で、長径の長さＬと短径の長さＳとの比（Ｌ／Ｓ）を種々変更して、脱ガス速度を測定した。この際、水平断面形状が円形である浸漬管（比（Ｌ／Ｓ）＝１）での脱ガス速度を１．０とし、その相対値を用いて脱ガス速度指数として求めた。比（Ｌ／Ｓ）＝１の場合における浸漬管の内径Ｄと取鍋の内径Ｄo との比は０．４５とした。得られた脱ガス速度指数を図４にグラフで示す。

図４にグラフで示すように、比（Ｌ／Ｓ）が１．５未満では、浸漬管１３の長径の長さＬが短過ぎるため、浸漬管１３の内部における溶鋼１６の上昇流及び下降流からなる循環流２０（図１及び図２（ａ）において白抜き矢印で示す）が干渉し易くなり、下降流の勢いが低下して取鍋１５の内部における溶鋼１６の混合及び、取鍋１５と真空槽１２との間の溶鋼１６の混合がいずれも不十分となって脱ガス速度が低下するため、後述するように真空槽１２の内部に配置したランス１7 から真空槽１２の内部の溶鋼１６に酸化性ガスを吹き込む場合にはＡｌ反応効率も低下してしまう。

以上の理由により、本実施の形態では、長径の長さＬと短径の長さＳとの比（Ｌ／Ｓ）を１．５以上とした。
なお、比（Ｌ／Ｓ）が５．０を超えると、浸漬管１３の内部における溶鋼１６の上昇流及び下降流の分離は良好であるが、浸漬管１３の短径の長さＳが短過ぎるため、下降流の流域幅も小さくなり、取鍋１５に収容された溶鋼１６を十分に混合できなくなって脱ガス速度が低下するとともに、真空槽１２の内部に配置したランス１７から真空槽１２の内部の溶鋼１６に酸化性ガスを吹き込む場合にはＡｌ反応効率も低下してしまう。

このような観点から、比（Ｌ／Ｓ）の好ましい範囲は１．８５以上５．０以下であり、同様の観点から２．０以上４．５以下であることがより好ましい。
さらに、この真空精錬装置１１では、図１における拡大図に示すように、水平断面における浸漬管１３の外縁形状は、水平断面における真空槽１２の外縁形状に包囲される。これにより、浸漬管１３の下端開口部の水平断面積は真空槽１２の下端開口部の水平断面積よりも小さく構成されているため、溶鋼１６換言すればスラグを吸い込む浸漬管１３の下端開口部の面積を、確実に小さくして、スラグの吸い上げ量を低減することができる。

図１中の拡大図や図２（ｂ）に明確に示すように、本実施の形態の浸漬管１３の下端開口部の内面の形状は、公知の浸漬管における円形とは異なり、この下端開口部において溶鋼１６の循環流２０が存在する領域（図１の拡大図におけるハッチングをしていない部分）の外縁形状に略沿った長円形状、すなわち非円形の水平断面形状を有する。このため、本実施の形態の浸漬管１３の内面は、その下端開口部の内面も含めて、循環流２０が存在する領域の外縁形状に略沿った非円形の水平断面形状を有する。

すなわち、本実施の形態の浸漬管１３を概念的に説明すると、図１及びその拡大図において二点鎖線で示す公知の円形の水平断面形状を有する浸漬管から、内部における溶鋼１６の循環流２０には干渉しないデッドスペースＤ₁ 、Ｄ₂ （図１及びその拡大図にハッチングして示した領域）を圧縮して、水平断面形状が長円形状を有する非円形の浸漬管１３としたものである。

本実施の形態の浸漬管１３の「長円形状」とは、円形を少なくとも一の方向へ偏平させた形状を意味しており、より具体的に説明すると、浸漬管１３の内部における溶鋼１６の循環流２０が存在する領域の外縁形状に略沿う内面形状を有することによりこの循環流２０の形成を阻害しない形状を意味する。浸漬管１３の内面の水平断面形状は、このような形状であればよく、そのような形状は無数に考えられるが、これらは、浸漬管１３の内部における溶鋼１６の循環流２０が存在する領域の外縁形状に略沿う内面形状を有することによりこの循環流２０の形成を阻害しない形状である限り、全て本発明に包含されるものである。

図３（ａ）及び図３（ｂ）は、いずれも、本実施の形態の浸漬管１３の「非円形の水平内面形状」の一例を示す説明図である。本実施の形態の浸漬管１３は、例えば図２（ａ）や図３（ｂ）に示すような長方形を両側から二つの半円でそれぞれ挟み込んでなる長円形状や、図３（ａ）に示すような楕円形状、さらにはこれらを適宜組み合わせた形状等の水平断面形状を有することが例示される。これらの形状はあくまでも例示であり、これら以外の水平断面形状であっても構わないことはいうまでもない。

浸漬管１３について上述した以外の構成は、この種の浸漬管として慣用されるものと同じでよく、当業者にとっては特段の説明を要さないと考えられることから、浸漬管１３についてのこれ以上の説明は省略する。

本実施の形態の浸漬管１３は、以上のように構成される。
［攪拌ガス導入装置１４］
さらに、この真空精錬装置１１では、浸漬管１３の一方の長径部１３ａに攪拌ガス導入装置１４が設けられる。この攪拌ガス導入装置１４により攪拌ガス又は環流ガスＧが浸漬管１３の内部に吹き込まれて溶鋼１６の循環流２０が形成される。攪拌ガスＧの吹き込み位置は本実施の形態のように浸漬管１３に限定されるものではなく、溶鋼１６の循環流２０を形成することができる位置であればよく、特定の位置には限定されない。例えば、取鍋１５に収容された溶鋼１６の内部や取鍋１５の底部から吹き込むようにしてもよい。

ただし、攪拌ガスＧを取鍋１５の底部から吹き込むと、取鍋１５の内部に収容された溶鋼１６中で気泡となり、浮力により上昇する際に気泡の一部は水平方向へ分散し、取鍋１５や溶鋼１６の条件によっては水平方向へも分散しながら上昇した気泡が浸漬管１３の内部に入りきらなくなる。これにより、取鍋１５に収容された溶鋼の表面で浴面が揺動したり、スラグ粒や溶鉄粒が飛散したり、最悪の場合にはスラグや溶鉄が取鍋１５から横溢して操業を中断せざるを得なくなることもある。

また、取鍋１５の底部から攪拌ガスを吹込むと、転炉で溶製された溶鋼１６を収容した取鍋１５は、取鍋１５の底部のガス吹込み羽口に溶鋼１６が接したまま、かつ、ガスを吹き込まれることなく真空精錬処理される位置まで搬送され、ここでガス配管を接続された後に初めて攪拌ガスを吹き込まれることとなる。この際、ガス配管を接続して圧力を付与しても、羽口に差し込んで凝固した溶鋼１６が羽口に固着して羽口を閉塞し、溶鋼１６の内部に攪拌ガスを導入することができなくなる事態が発生することもある。このような場合には、取鍋１５内の溶鋼は真空処理されることなく、本来組まれていた工程から逸脱したバックアップ工程で処理されることとなる。このため、当然のことながら、予定していた鋳込みは変更され、生産工程の組み直しを余儀なくされ、生産阻害が発生するという実際の操業上では大きな問題を生じる。

以上の理由により、本実施の形態では、取鍋１５の羽口開口率を心配することなく、かつ、吹込みガスＧが浸漬管１３外の取鍋１５の表面で離脱することによるスプラッシュや浴面の揺動等も心配することなく操業するために、浸漬管１３の下部に攪拌ガス導入装置１４を設けた。これにより、浸漬管１３から吹き込みガスＧを吹き込めば、吹き込まれた全ての気泡は浸漬管１３の内部を上昇し、真空槽１２の内部における溶鋼１６の浴面から真空雰囲気へ離脱するため、取鍋１５に収容された溶鋼１６の表面で浴面が揺動したり、スラグ粒や溶鉄粒が飛散することを、確実に防止できる。

図２（ａ）に示すように、浸漬管１３から攪拌ガスＧを吹き込む場合には、浸漬管１３の内部の全周に均一に吹き込むよりも、長径方向に粗密分布を持たせるようにして吹き込むこと、具体的には、図２（ａ）における浸漬管１３の左側部分のガス導入量を右側部分のガス導入量よりも大きく、あるいは、その逆にすることが望ましい。当然のことだが、左側部分からのみ（あるいは、逆に右側部分からのみ）攪拌ガスを導入するようにしてもよい。これにより、左側部分が右側部分よりも気泡密度が大きくなるか、あるいはその逆となるようにガスを導入することができるため、図２（ａ）中に矢印で示すように、浸漬管１３の内部で長径方向（図２（ａ）の左右方向）に大きな溶鋼流ループを形成できる。したがって、真空槽１２と取鍋１５との間で、活発な溶鋼の循環流２０を形成できる。

ここで、本実施の形態のように吹き込みガスＧを吹き込みながら真空脱ガス処理を行う場合、吹き込みガスＧの気泡の表面における脱ガス反応の観点から最適なガス流量範囲が存在する。図５は、上述した脱ガス速度指数に攪拌ガス流量が与える影響の一例を示すグラフである。

図５に示すグラフから、攪拌ガス流量が処理溶鋼１トン当たり３ＮＬ／ｍｉｎ未満であると脱ガス速度指数は小さくなる。これは、溶鋼１６の循環流２０が弱まって後述するＡｌ反応効率が低下するためだけでなく、脱ガス反応サイトであるガス気泡の生成個数が減少するためであると考えられる。攪拌ガス流量が３ＮＬ／ｍｉｎ未満であると、溶鋼１６の循環速度の絶対値が小さくなるため、Ａｌ反応効率が低下してしまう可能性がある。このため、攪拌ガス流量は処理溶鋼１トン当たり３ＮＬ／ｍｉｎ以上であることが望ましい。

一方、攪拌ガス流量が処理溶鋼１トン当たり１５ＮＬ／ｍｉｎを超えて大きくしても、Ａｌ反応効率の向上効果が飽和して脱ガス速度は向上しなくなる。攪拌ガス流量を１５ＮＬ／ｍｉｎを超えて増大させ過ぎても脱水素速度が向上しないのは、気泡同士の合体により気泡径が増大してトータルの反応界面積が効果的に増加しないためである。一方、攪拌ガス流量をむやみに増加すると、攪拌ガス気泡が溶鋼１６の表面で破泡する際に溶鋼１６の表面から溶鉄粒が飛散しランス１７に付着してしまうという、いわゆる、地金付き現象が発生し、ランス１７が損傷し易くなったり、あるいは真空系に負荷がかかる。地金がランス１７の先端のノズルに付着すると、実質のノズル形状が変化する。また、高温の溶鉄粒が付着するとランス１７の先端が熱変形する。これらの現象により、ランス１７が本来有するジェット特性を発揮できなくなる。したがって、環流ガス流量は処理溶鋼１トン当たり１５ＮＬ／ｍｉｎ以下とすることが望ましい。

本発明に係る真空精錬装置１１は、以上のように構成される。次に、この真空精錬装置１１を用いて溶鋼の精錬を行う状況を説明する。
本実施の形態では、水平断面形状が円形である真空槽１２の下部に、少なくとも下端開口部の内面が、下端開口部において循環流２０が存在する領域の外縁形状に略沿った非円形の水平断面形状を有する浸漬管１３を一本装着し、この浸漬管１３を、取鍋１５に収容された溶鋼１６に浸漬し、浸漬管１３の下部に装着した攪拌ガス導入装置１４から攪拌ガスを浸漬管１３の内部の溶鋼１６に吹き込むことによって浸漬管１３の内部で上昇及び下降する溶鋼１６の循環流２０を形成しながら、溶鋼１６の真空精錬を行う。

本実施の形態では、このように、長円形状の水平断面形状を有する浸漬管１３を用いて溶鋼１６を真空槽１２へ吸い上げるため、取鍋１５に収容された溶鋼１６の上部に存在するスラグを真空槽１２に吸い込む量を、円形の水平断面形状を有する従来の浸漬管を用いる場合に比較すると、上述した図１及びその拡大図にハッチングして示した領域であるデッドスペースＤ₁ 、Ｄ₂ から流入する分だけ低減することができる。

また、本実施の形態では、浸漬管１３に短径部１３ｂ、１３ｂを設けて浸漬管１３の水平断面積を真空槽１２の水平断面積よりも小さく設定しているものの、浸漬管１３に長径部１３ａ、１３ａを設けているため、浸漬管１３の内部を上昇及び下降する溶鋼１６の循環流２０を、長径部１３ａに攪拌ガス吹き込み装置１４を設けることによって長径方向、すなわち浸漬管１３の偏平方向に略一致させることにより、この循環流２０の形成を殆ど阻害せずに確保できる。このため、浸漬管１３の内部における溶鋼１６の上昇流及び下降流が互いに干渉することを防止でき、これら上昇流及び下降流を確実に分離して真空脱ガス等の精錬能を充分に確保することができる。

また、本実施の形態では、真空槽１２の内部に昇降可能に配置されるランス１７の下端と、真空槽１２に収容された溶鋼１６の表面との間の鉛直方向の距離Ｈと、浸漬管１３の短径Ｓとの比（Ｈ／Ｓ）が２以上８以下となるようにランス１７を昇降させながら、ランス１７から酸素等の酸化性ガスを真空槽１２に収容された溶鋼１６に吹付けながら、真空精錬を行うことが望ましい。この理由を説明する。

真空環境下で例えば酸素等の酸化性ガスを溶鋼１６の表面に吹き付けながら精錬を行う一つの目的に、溶鋼１６中の炭素と酸化性ガスとを反応させてＣ＋（１／２）Ｏ₂ ＝ＣＯという反応により溶鋼１６中の炭素を除去する、いわゆる脱炭処理がある。この脱炭処理を行う場合には、吹き付ける酸化性ガスと溶鋼１６中の炭素との反応を促進すること、すなわち脱炭効率を向上させることが精錬上重要である。脱炭効率が低ければ脱炭処理時間が長くなり、生産性の低下や処理コストの増大につながるからである。

また、真空環境下で例えば酸素等の酸化性ガスを溶鋼１６の表面に吹き付ける精錬を行うもう一つの目的に、溶鋼１６中のＡｌと酸化性ガスとを反応させて２Ａｌ＋（３／２）Ｏ₂ ＝Ａｌ₂ Ｏ₃ という発熱反応により溶鋼１６の温度を上昇させる、いわゆる加熱処理がある。この加熱処理を行う場合には、吹き付ける酸化性ガスと溶鋼１６中のＡｌとの反応を促進してＡｌ反応効率を高めることが重要となる。Ａｌ反応効率が低いと、溶鋼１６中のＭｎやＦｅ等が吹き付けた酸化性ガスと反応して、ＭｎＯやＦｅＯ等といったいわゆる低級酸化物が生成する。これらの低級酸化物は、取鍋スラグの酸素ポテンシャルを高めるため、真空精錬処理後の鋳込み待ち中あるいは鋳込み中にゆっくりと溶鋼１６中のＡｌと反応して介在物であるＡｌ₂ Ｏ₃ を生成させるため、鋼の清浄性が低下する。したがって、Ａｌ反応効率を高める必要がある。

一方、真空環境下で酸化性ガスを溶鋼１６の表面に吹き付ける際に、酸化性ガスジェットと真空槽１２の耐火物の内壁との距離が近過ぎると、耐火物の内壁の損傷が著しくなることが知られている。このため、真空槽１２の水平断面形状を楕円のように部分的に酸化性ガスジェットと耐火物の内壁との距離が近くなる形状よりも、円形もしくは円形に近い形状とする必要がある。

本実施の形態では、上述したように、少なくとも下端開口部の内面が、下端開口部において循環流２０が存在する領域の外縁形状に略沿った非円形の水平断面形状を有する浸漬管１３を用いるため、このような浸漬管１３を用いる効果として、単にスラグの吸い上げ量を低減できるというだけではなくて、浸漬管１３の内部で長径方向に流れのループが形成され易くなるために、真空槽１２及び取鍋１５それぞれの内部における溶鋼１６の循環流２０が活発なものとなり、これにより、上述した脱炭効率又はＡｌ反応効率がいずれも向上する。

本実施の形態で、真空槽１２の内部の溶鋼１６に例えば酸素等の酸化性ガスを供給する方法としては、真空槽１２の側面の浸漬羽口から溶鋼１６の内部に酸化性ガスをインジェクションする方法、真空槽１２の側壁の非浸漬羽口から溶鋼１６の表面に酸化性ガスを吹き付ける方法、さらには真空槽１２の内部に昇降可能に配置されたランスに装着したノズルから酸化性ガスを溶鋼１６の表面に吹き付ける方法等を適宜採用すればよい。

しかし、真空槽１２の内部に昇降可能に配置されたランスに装着したノズルから酸化性ガスを溶鋼１６の表面に吹き付ける方法は、他の方法と比較すると、以下のメリットがある。

すなわち、真空槽１２の側壁羽口から酸化性ガスを溶鋼１６に供給すると、羽口は溶鋼１６と接しているか溶鋼１６の極近傍に存在するため、酸化性ガスを供給する必要がない場合でも羽口の健全性を維持するために大量のパージガスを流す必要がある。大量のパージガスを流すと、真空精錬に必要な高真空状態が得難くなるため、真空精錬性能が低下する。また、浸漬羽口の場合に顕著であるが、パージガスが気泡となって真空槽１２の内部の溶鋼１６を上昇して溶鋼１６の表面で気泡が破裂する際に溶鉄粒を吹き上げるスプラッシュと呼ばれる現象が発生し、この溶鉄粒が真空槽１２の側壁に付着成長する、いわゆる地金付が発生し操業上問題となる。非浸漬羽口でも程度の差はあるものの同様の問題がある。

一方、昇降可能なランス１７を真空槽１２の内部に配置して酸化性ガスを吹き付ける方法では、酸化性ガスを吹き付ける必要がない場合には、ランス１７を上方へ引き上げて必要最低限のパージガスを導入すればよいため、上述した問題を回避することができる。

また、本実施の形態で用いる浸漬管１３を水平断面形状が円形の真空槽１２の下部に装着して真空槽１２の内部に昇降自在に配置されたランス１７から酸化性ガスを真空槽１２内の溶鋼に吹き付けることは過去に例がないため、ランス１７の条件を検討した。

先ず、 ランス１７の高さＨと浸漬管１３の短径Ｓとの比（Ｈ／Ｓ）を種々変更してＡｌ反応効率に与える影響を調査した。結果を図６にグラフで示す。
図６にグラフで示すように、比（Ｈ／Ｓ）の値が２以下と小さい場合、ランス１７の高さは小さく、酸化性ガスジェットは相対的に動圧が高い状態で溶鋼１６の表面に到達し、溶鋼１６中のＡｌとの反応性が高くなる。また、この場合、短径の長さＳが相対的に大きいために真空槽１２に到達した溶鋼１６の上昇流が真空槽１２の浴表面で水平流に移行した際に、酸化性ガスジェット直下に供給される溶鋼流２０が増加するため、酸化性ガスジェットと溶鋼１６中のＡｌとの反応性が高くなる。

しかし、比（Ｈ／Ｓ）が増加するにつれて、ランス１７の高さは高くなり相対的にジェット動圧は低い状態で溶鋼１６の表面に到達するため、あるいは、短径が相対的に小さくなりジェットの直下への溶鋼流２０の供給が低下するため、酸化性ガスと溶鋼１６中のＡｌとの反応性が低下し、比（Ｈ／Ｓ）が８を超えると急激に反応性は低下する。

以上から、Ａｌ反応効率を確保するには比（Ｈ／Ｓ）を８以下として操業することが有効であることがわかる。また、比（Ｈ／Ｓ）を低下させ過ぎるとランス１７の高さが低下し、上吹きジェットによるスプラッシュが発生して真空槽１２の内部に地金付きが増加することと、ランス１７自体への地金付及び溶鋼１６面からの輻射熱によりランス１７の変形等が発生する。このため、比（Ｈ／Ｓ）は２以上を確保することが有効である。

また、同時に真空槽１２の槽底の耐火物の寿命指数と、比（Ｈ／Ｓ）との関係を調べた。真空槽１２の槽底の耐火物の損耗速度を測定し、煉瓦積み時の煉瓦厚みを損耗速度で割ることにより計算寿命を算出し、槽底耐火物寿命指数として算出した。槽底耐火物寿命指数は、比（Ｈ／Ｓ）＝２．０での計算寿命を基準値１．０としたときの相対値である。結果を図７にグラフで示す。

比（Ｈ／Ｓ）の値が例えば１程度と小さい場合は、ランス１７の高さＨが低く酸化性ガスジェットの水平方向の広がりが小さいか、あるいは、浸漬管１３の短径Ｓが大きく損耗される可能性のある真空槽１２の槽底の存在領域が狭いために、槽底の耐火物の寿命指数は高位に維持される。

しかし、比（Ｈ／Ｓ）の値が高くなると、ランス１７の高さＨが高く酸化性ガスジェットの水平方向の広がりが大きいか、あるいは、浸漬管１３の短径Ｓが小さく真空槽１２の槽底領域が広い。したがって、比（Ｈ／Ｓ）の増加に伴ない槽底の耐火物の寿命指数は低下し、比（Ｈ／Ｓ）の値が８を超えると急激に低下する。

以上から、比（Ｈ／Ｓ）の値が２以上８以下となるように操業することが、酸化性ガスの反応効率を高位に維持するとともに真空槽１２の槽底耐火物の寿命を確保するために有効である。

さらに、本実施の形態では、真空槽１２の内部に昇降可能に配置されるランス１７の下端と、真空槽１２の内部の溶鋼１６の表面との間の鉛直方向の距離（Ｈ）と、真空槽１２の内径（Ｖ）との比（Ｈ／Ｖ）が３以下となるようにランスを昇降させながら、ランスから酸化性ガスを真空槽１２に収容された溶鋼１６に吹付けることが望ましい。以下、この理由を説明する。

上述したように、酸化性ガスを吹き付けて行う精錬の反応効率と、真空槽１２の槽底の耐火物の寿命とに関しては、比（Ｈ／Ｖ）が支配的であるが、ある条件により真空槽１２の側壁の耐火物の損耗が著しくなることがわかった。真空槽１２の側壁の耐火物は真空槽１２の寿命を決定して、生産性及び耐火物コストを左右する重要な因子である。

上吹きした酸化性ガスは、溶鋼１６との発熱反応を引き起こし、溶鋼１６の表面に高温領域を形成する。攪拌ガスや真空槽１２へのリークガス、あるいは、反応による生成ガスさらには溶鋼１６と未反応の上吹き酸化性ガス等は、基本的に、真空槽１２の上部の排気系から排出されるものの、その一部は上吹きガスジェットに巻込まれて酸化性ガスジェットともに溶鋼１６の表面の高温領域に吹き付けられる。これらの巻込まれたガスは、高温領域を通過することによりガス温度が上昇し、さらに一部は再び酸化性ガスジェットに巻込まれる。

このように、酸化性ガスジェットをランス１７から上吹きすると、真空槽１２のランス１７の下方領域に高温ガス領域が形成され、形成されたこの高温ガス領域が真空槽１２の側壁の耐火物の寿命に悪影響を与えるものと推定される。

そこで、これらの高温ガス領域が極力悪影響を及ぼさない条件を指標（Ｈ／Ｒ）を用いて検討した。Ｈは上述したランス１７の下端の溶鋼１６の表面からの高さであり、Ｒはランス中心軸から真空槽１２の内壁までの距離である。この指標（Ｈ／Ｒ）を用いて真空槽１２の側壁耐火物の寿命指数を求めた。真空槽１２の側壁耐火物の損耗速度を測定し、煉瓦積み時の煉瓦厚みを損耗速度で割ることにより計算寿命を算出した。指数は比（Ｈ／Ｖ）が４である時の計算寿命を基準値１．０としたときの相対値である。なお、Ｖは真空槽１２の内径を示す。結果を図８にグラフで示す。

図８にグラフで示すように、比（Ｈ／Ｖ）の値が例えば１．０程度と小さい場合、ランス１７の高さＨが小さく周囲の雰囲気ガスの巻込み量が小さく、あるいは、真空槽１２の内径Ｖが大きく排気されるガスの割合が高い。このため、真空槽１２の内壁に接触するガスの温度は相対的に低く、側壁耐火物の寿命も相対的に高位に維持される。

これに対し、比（Ｈ／Ｖ）の値が大きくなると、ランス１７の高さＨが大きく周囲の雰囲気ガスの巻込み量が大きい、あるいは、真空槽１２の内径Ｖが小さく排気されるガスの割合が低い。したがって、真空槽１２の内壁に接触するガスの温度は相対的に高く、側壁耐火物の寿命も相対的に低位となる。そして、比（Ｈ／Ｖ）の値が３を超えると側壁耐火物の寿命の低下は著しくなる。

このため、比（Ｈ／Ｖ）の値が３以下となるようにして操業することが、真空槽１２の側壁耐火物の寿命を確保するためには望ましい。
本実施の形態によれば、下端開口部の面積が縮小化された上述した浸漬管１３を用いるため、浸漬管１３の下端部の水平断面積は必然的に真空槽１２よりも小さくなり、取鍋１５に収容された溶鋼１６の上部に存在するスラグの、浸漬管１３の内部への吸い込み量を低減できる。このため、耐火物の損耗速度の上昇を抑制でき、耐火物の延命を図ることができ、耐火物の補修コストの上昇を抑制できるとともに、耐火物の補修サイクルを長期化できるために真空脱ガス装置の実稼動時間率を向上でき生産性を向上できる。

また、本実施の形態によれば、下端開口部の面積が縮小化された上述した浸漬管１３を用いるため、脱ガス処理を終了した後の浸漬管の内壁を構成する耐火物の温度の急激な低下を抑制できる。したがって、次ヒートでの吸い上げの際に高温の溶鋼に接触した際に耐火物に加えられる熱履歴（温度差）が小さくなり温度変化や温度勾配が小さくなる。このため、温度変化に伴なう耐火物の膨張及び収縮が小さくなり、耐火物の亀裂や、この亀裂の進展によるスポール割れや剥離を生じ難くなるため、耐火物の延命を図ることができる。したがって、耐火物の補修コストを抑制できるとともに耐火物の補修サイクルを長期化できるため、真空脱ガス装置の実稼動時間率を向上でき生産性を向上できる。

また、本実施の形態は、略述すると、形状を円柱型から長円型に変更した浸漬管１３を製作するだけで行うことができるので、簡単に実際に行うことができ、極めて実用的である。

このように、本実施の形態によれば、真空脱ガス等の精錬能を犠牲にすることなく、ランス１７から酸化性ガスを吹き付けることによる真空槽１２の槽底の耐火物の損傷を防止し、スラグの吸い上げを抑制し、さらには浸漬管１３の下端開口部が大きいことに起因する熱スポール割れ等を抑制することによって、耐火物の寿命及び脱ガス速度をいずれも向上しながら溶鋼１６の真空精錬を行うことができる。

また、本実施の形態によれば、真空槽１２に収容された溶鋼１６に酸化性ガスを導入することにより、耐火物損耗速度を悪化させずに酸化性ガスと溶鋼１６中の各元素との反応効率を向上することができる。

さらに、本発明を実施例を参照しながら具体的に説明する。
転炉で吹錬した２４０トンの溶鋼を、図１に示す取鍋１５に出鋼し、図１に示す浸漬管１３（長径Ｌ／短径Ｓ＝１．８ｍ、２．６ｍ）と浸漬管１３を下部に備えた真空槽１２からなる真空精錬装置１１を用いて溶鋼の真空精錬を行った。

真空槽１２の上方には、合金を添加する合金添加口及び真空用排気ダクト（いずれも図示しない）を設けてあり、真空用排気ダクトは所定の真空排気装置に接続されている。なお、本発明例及び比較例のいずれにおいても攪拌ガス（あるいは環流ガス）流量を２．０Ｎｍ³ ／ｍｉｎ（８．３Ｎｌ／ｍｉｎ・ｔｏｎ）とした。

本発明例の浸漬管１３及び比較例の浸漬管それぞれの下端開口部の水平断面を図９（ａ）及び図９（ｂ）にそれぞれ示す。
本発明例及び比較例ともに、図の左側の円弧部の側面に浸漬管下端から０．３ｍの高さの位置に、攪拌ガス導入用羽口を12本設けた。左側円弧部の羽口導入開き角度θは本発明例及び比較例のいずれにおいても180 度開いた半円状とし、羽口間角度は16度とした。なお、羽口はステンレス製の単管を用いた。

なお、比較例は、浸漬管の内径Ｄと取鍋の内径Ｄ₀ との比Ｄ／Ｄ₀ を０．４５としたＡ−１と、比Ｄ／Ｄ₀ を０．６としたＡ−２の２種類により試験した。また、従来のＲＨ真空脱ガスRHを使用した試験を比較例Ｂとした。

以上の前提のもと、実施例１では、転炉で炭素濃度0.04質量％まで吹錬した溶鋼１６を取鍋１５に出鋼し、真空脱水素処理を行った。本発明例及び比較例Ａ、Ｂいずれも攪拌ガス（あるいは環流ガス）流量を２．０Ｎｍ³ ／ｍｉｎ（８．３Ｎｌ／ｍｉｎ・ｔｏｎ）とし、脱水素速度を測定した。耐火物の寿命は真空槽１２の耐火物厚みを耐火物損耗速度で割ることにより算出し、比較例Ｂでの耐火物損耗速度を1.0 とした相対値で示した。試験の結果を表１にまとめて示す。

表１から、浸漬管１３を本発明例の形状とすることにより比較例Ａ、Ｂ以上の脱水素速度を得ることができることがわかる。また、比（Ｌ／Ｓ）を最適な範囲とすることにより脱水素速度をさらに向上できることがわかる。

また、本発明例によれば、耐火物寿命指数も比較例Ａ、Ｂのいずれに対しても改善できることがわかる。これは、比較例Ａの浸漬管を本発明例の浸漬管に置換することにより取鍋スラグの真空槽１２内持込量が減少し、スラグによる耐火物損耗が減少したためと考えられる。また、比較例Ａ、Ｂと比較しても耐火物寿命指数が増加したのは、本発明法の浸漬管１３を用いることにより、スラグの取鍋１５への排出が促進されたためと考えられる。

上述した前提のもと、転炉で炭素濃度0.04質量％まで吹錬した溶鋼１６を取鍋１５に出鋼し、真空脱炭処理を行った。本発明例及び比較例のいずれも攪拌ガス（あるいは環流ガス）流量を２．０Ｎｍ³ ／ｍｉｎ（８．３Ｎｌ／ｍｉｎ・ｔｏｎ）とし、炭素濃度が２０ｐｐｍ未満となるまでの脱炭時間を測定した。試験結果を表２にまとめて示す。

表２から、浸漬管１２を本発明例の形状とすることにより脱炭時間が比較例Ａ、Ｂいずれに対しても短縮できることがわかる。

上述した前提のもと、本発明例の浸漬管１３の、長径の長さと短径の長さとの比を２．６として、攪拌ガス（あるいは環流ガス）流量を変更して脱水素速度に及ぼす影響を調査した。試験の結果を表３にまとめて示す。

表３において、ガス流量を低下させ過ぎると脱水素速度が低下するのは、溶鋼循環速度が低下するとともに気泡生成数自体が減少して反応界面積が低下するからである。ガス流量を増大させ過ぎても脱水素速度が向上しないのは、気泡同士の合体により気泡径が増大してトータルの反応界面積が効果的に増加しないためである。

上述した前提のもと、本実施例では、真空槽１２の内部に配置したランス１７の先端のノズルから、酸素ガスを真空槽１２の内部の溶鋼１６の浴面に吹き付けた。
なお、比較例Ａでは浸漬管の内径Ｄと取鍋内径Ｄ₀ の比Ｄ／Ｄ₀ ＝０．４２とし、浸漬管の内壁の開き角度１８０度の範囲に設けた１２本の羽口から攪拌ガスを流した。
そして、試験の結果を表４にまとめて示す。

表４に示すように、浸漬管１３を本発明例の形状とすることによりＡｌ反応効率が比較例Ａ、Ｂのいずれに対しても向上することがわかる。

また、比（Ｈ／Ｓ）の値が増加するにつれてＡｌ反応効率は徐々に低下し、比（Ｈ／Ｓ）の値が８を超えると急激に低下することがわかる。これは、比（Ｈ／Ｓ）が増加するとランス１７の高さH が増えて溶鋼１６の表面に衝突するジェットが弱まるためである。

次に槽底耐火物寿命指数を比較した。真空槽１２の槽底の耐火物損耗量を使用チャージ数で割り算し、比（Ｈ／Ｓ）が２．０での槽底耐火物寿命を１．０とした相対値で示した。

本発明例は、比較例Ａに対して、槽底耐火物寿命指数が向上することがわかる。なお、比較例Ｂは、真空槽槽底が存在しないために槽底耐火物寿命指数は空欄としてある。
槽底耐火物の寿命は比（Ｈ／Ｓ）の増加とともにゆるやかに低下し、比（Ｈ／Ｓ）が８を超えると急激に低下することがわかる。これは、ランス１７の高さが高くなりジェットの水平方向の広がりが大きくなって真空槽槽底領域に悪影響を与えるためである。

実施例４と同様の試験を行い、真空槽１２の側壁耐火物の寿命を調査した。側壁耐火物寿命指数は真空槽１２の側壁の耐火物損耗量を使用チャージ数で割り算出し、Ｈ／Ｖ＝４での槽底耐火物寿命を１．０とした相対値で示した。
そして、試験の結果を表５に示す。

比の値（Ｈ／Ｖ）の増加にともない側壁寿命指数は徐々に低下し、（Ｈ／Ｖ）が３を超えると急激に低下することがわかる。

実施の形態における溶鋼の真空精錬装置の構造を、一部を透視して簡略化した状態で示す斜視図である。 図２（ａ）は図１に示す真空精錬装置の垂直断面図であり、図２（ｂ）は図１におけるＡ−Ａ断面図である。 図３（ａ）及び図３（ｂ）は、いずれも、本実施の形態の浸漬管の「非円形の水平内面形状」の一例を示す説明図である。 比（Ｌ／Ｓ）と脱ガス速度指数との関係を示すグラフである。 脱ガス速度指数に攪拌ガス流量が与える影響の一例を示すグラフである。 比（Ｈ／Ｓ）とＡｌ反応効率との関係を示すグラフである。 比（Ｈ／Ｓ）と槽底耐火物寿命指数との関係を示すグラフである。 比（Ｈ／Ｖ）と真空槽側壁耐火物寿命指数との関係を示すグラフである。 図９（ａ）及び図９（ｂ）は、実施例１における本発明例の浸漬管及び比較例の浸漬管それぞれの下端開口部の水平断面を示す説明図である。 ＲＨ脱ガス法の原理を模式的に示す説明図である。 ＲＨ脱ガス法において真空槽の内部に存在する溶鋼の表面に酸化性ガスを吹き付ける状況を模式的に示す説明図である。 特許文献４に記載された発明を模式的に示す説明図である。 特許文献５に記載された発明を模式的に示す説明図である。

Claims (13)

1. 水平断面形状が円形である真空槽の下部に連通して設けられる一本の浸漬管を、該一本の浸漬管の下方に配置された取鍋に収容された溶鋼に浸漬し、攪拌ガスを該一本の浸漬管の内部の溶鋼に吹き込んで該一本の浸漬管の内部を上昇及び下降する循環流を生じさせることにより溶鋼の真空精錬を行う際に、
   前記一本の浸漬管の少なくとも下端開口部の内面は、該下端開口部において前記循環流が存在する領域の外縁形状に略沿った非円形の水平断面形状を有すること
   を特徴とする溶鋼の真空精錬方法。
2. 前記非円形の水平断面形状は、円形を一の方向へ偏平させた長円形状である請求項１に記載された溶鋼の真空精錬方法。
3. 前記長円形状は、一の方向へ向けた長径を形成する長径部と、該長径よりも短いとともに該一の方向と交差する少なくとも一の方向へ向けた少なくとも一つの短径を形成する短径部とを有する形状である請求項２に記載された溶鋼の真空精錬方法。
4. 前記攪拌ガスの流量は処理溶鋼１トン当たり３ＮＬ／ｍｉｎ以上15ＮＬ／ｍｉｎ以下である請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載された溶鋼の真空精錬方法。
5. 前記真空槽の内部に昇降可能に配置されるランスの下端と該真空槽の内部に存在する溶鋼の表面との間の鉛直方向の距離（Ｈ）と、前記浸漬管の短径の長さ（Ｓ）との比（Ｈ／Ｓ）が２以上８以下となるように該ランスを昇降させながら、該ランスから酸化性ガスを前記真空槽に収容された溶鋼に吹付ける請求項３又は請求項４に記載された溶鋼の真空精錬方法。
6. 前記真空槽の内部に昇降可能に配置されるランスの下端と該真空槽の内部に存在する溶鋼の表面との間の鉛直方向の距離（Ｈ）と、該真空槽の内径の長さ（Ｖ）との比（Ｈ／Ｖ）が３以下となるように該ランスを昇降させながら、該ランスから酸化性ガスを前記真空槽に収容された溶鋼に吹付ける請求項３から請求項５までのいずれか１項に記載された溶鋼の真空精錬方法。
7. 上昇及び下降を繰り返す溶鋼の循環流を内部に発生する一本の浸漬管と、該一本の浸漬管の上部に連通して配置されて前記循環流に脱ガス処理を行う真空槽と、攪拌ガスを該一本の浸漬管の内部の溶鋼に吹き込むことにより前記循環流を生じさせる攪拌ガス導入装置とを備える溶鋼の真空精錬装置であって、
   前記一本の浸漬管の少なくとも下端開口部の内面は、該下端開口部において前記循環流が存在する領域の外縁形状に略沿った非円形の水平断面形状を有すること
   を特徴とする溶鋼の真空精錬装置。
8. 前記非円形の水平断面形状は、円形を一の方向へ偏平させた長円形状である請求項７に記載された溶鋼の真空精錬装置。
9. 前記長円形状は、一の方向へ向けた長径を形成する長径部と、該長径よりも短いとともに該一の方向と交差する少なくとも一の方向へ向けた少なくとも一つの短径を形成する短径部とを有する形状である請求項８に記載された溶鋼の真空精錬装置。
10. 前記長径の長さ（Ｌ）と前記短径の長さ（Ｓ）との比（Ｌ／Ｓ）は１．５以上である請求項９に記載された溶鋼の真空精錬装置。
11. 水平断面において、前記浸漬管の前記下端開口部の外縁形状は、前記真空槽の外縁形状に包囲される請求項７から請求項１０までのいずれか１項に記載された溶鋼の真空精錬装置。
12. 前記攪拌ガス導入装置は前記長径部に設けられる請求項９から請求項１１までのいずれか１項に記載された溶鋼の真空精錬装置。
13. さらに、前記真空槽の内部に昇降可能に配置されて、酸化性ガスを該真空槽の内部に存在する溶鋼に吹付けるためのランスを備える請求項７から請求項１２までのいずれか１項に記載された溶鋼の真空精錬装置。

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