JP6638538B2 - Ｒｈ式真空脱ガス処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、特に、脱ガス反応の速度を増加させるために用いて好適なＲＨ式真空脱ガス処理装置に関する。

鋼材中の不純物元素は鋼材の強度を低下させたり、非金属介在物を生成して破壊の起点となったりするため、精錬工程では不純物元素の除去が行われる。特に、二次精錬では真空脱ガス処理装置を用いて溶鋼を減圧雰囲気下で精錬処理することにより、炭素（以下、Ｃ）、水素（以下、Ｈ）、窒素（以下、Ｎ）といったガス元素の除去を行う。真空脱ガス処理ではＲＨ式真空脱ガス処理装置を用いた処理が広く行われている。

ＲＨ式真空脱ガス処理装置を用いたガス元素の除去には、雰囲気圧力の低減、溶鋼の環流量の増加、及び脱ガス反応が生じる界面積の増加が有効であることは従来知られている。そこで、雰囲気圧力を低減するために真空排気能力が強化されてきた。また、溶鋼の環流量を増加させるために環流ガス流量が増加されてきた。さらに、脱ガス反応が生じる界面積の増加については、真空槽を大型化することによって減圧雰囲気にさらされる溶鋼の表面積を増加させてきた。しかし、これらの方法は、装置の大幅な改造を伴い、現実的には困難であるため、ＲＨ式真空脱ガス処理装置では、環流ガスとして溶鋼中に吹き込まれる気泡を活用した脱ガス反応の速度向上方法が提案されている。

特許文献１には、環流ガスを吹き込む羽口に供給するガスの温度を２００〜１２００℃に加熱する溶鋼の真空脱ガス処理方法が提案されている。この方法を用いると、環流ガスの気泡が溶鋼温度まで加熱される際の膨張が抑えられ、気泡が微細化するとしている。

特許文献２には、環流ガスを吹き込む羽口の近傍の浸漬管内周部に超音波加振子を設けたＲＨ脱ガス装置の浸漬管が提案されている。この浸漬管を用いることによって、超音波の振動により気泡を微細化することができるとしている。

特許文献３には、精錬の各時期に応じて上昇管内の溶湯へ吹き込むガス気泡を均一とするか中央に集中するかを選択して精錬する方法が提案されている。この方法を用いると、気泡を上昇管の中央に集中させるために、高圧の環流ガスを羽口の細管を通じて吹き込むことによって、気泡が微細化されるとしている。

特開平６−１７１１４号公報 特開平２−１７３２０５号公報 特開平１−１６８８０９号公報

しかし、特許文献１に記載の方法は、環流ガスを加熱して吹き込むために、特に羽口周辺の耐火物の溶損が促進され、耐火物の補修頻度が増加してしまうという課題がある。また、特許文献２に記載の浸漬管は、溶鋼中では超音波加振子の寿命が短く、超音波加振子の交換頻度が増加してしまうという課題がある。さらに特許文献３に記載の方法は、環流ガス気泡を浸漬管の中央に集中させるためには、ガスの圧力を高める必要があり、設備の大幅な改造が必要という課題がある。

そこで、本発明は、装置の大幅な改造を不要とし、補修や交換の頻度を抑えて環流ガスの気泡を微細化し、脱ガス反応を促進することが可能なＲＨ式真空脱ガス処理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、本発明者らは、隣接する環流ガス羽口から噴出された高速の気泡同士を衝突させ、衝突した界面を通じて気泡中に巻き込まれる溶鋼滴が気泡の表面に衝突する際に、気泡表面を乱して微細な気泡を***させて生成する方法を検討した。

環流ガスを吹き込む羽口から噴出される気泡同士が衝突し、気泡の中に溶鋼滴が巻き込まれるためには、気泡同士が衝突する直前に、気泡と気泡との間に溶鋼が存在していることが必要である。また、気泡同士の衝突角度も適正とする必要がある。

羽口を通じて上昇管内の溶鋼中に吹き込まれた気泡は、耐火物と溶鋼との濡れ性が悪いこと、溶鋼との界面張力が大きいこと、及び溶鋼温度まで急速に加熱され急激に膨張することから耐火物に接触している面積は大きくなる。そのため、隣接する羽口対の羽口出口間の直線距離（羽口出口の中心間を結ぶ直線距離）が小さい場合は、羽口を出た直後に気泡同士が合体してしまい、溶鋼滴を巻き込まない。また、羽口出口間の直線距離が大きい場合は、気泡同士が衝突しなくなってしまう。

気泡同士の衝突角度については、角度が小さい場合は、気泡同士が合体してしまい、気泡中に溶鋼滴は巻き込まれなくなる。角度が大きい場合は、気泡が耐火物壁面に接触する領域が大きくなりすぎてしまい、衝突によって生成する微細な気泡の数が少なくなってしまう。

このように、隣接する羽口を一対とした羽口対には、羽口出口間の直線距離と羽口の向かい合う角度とに適正な範囲が存在することが分かる。この適正な範囲について、溶鋼を用いた実験によって検討することとした。実験は以下の方法で実施した。

まず、雰囲気制御が可能なチャンバー内に設置したＭｇＯルツボ（内径０．７５ｍ、高さ２．０ｍ）の底面から０．３ｍの高さに、内径０．００１５ｍのステンレス製パイプの羽口を水平面上にＡｒガスを横向きで噴出させるよう２本設置し、羽口出口間の直線距離および羽口間の向かい合う角度を数通りで配置した。

ルツボ内にて溶鋼を１６００度まで加熱し、合金を添加することでＣ濃度を０．００５〜０．１０質量％、Ａｌ濃度を０．０２０〜０．１０質量％、Ｓ濃度を０．００１０〜０．００２０質量％、Ｎ濃度を０．００３８〜０．００４２質量％に調整した。成分濃度を調整した後、チャンバー内を真空排気し、Ａｒ雰囲気のもとで１３３〜４０００Ｐａに圧力を制御した。圧力が安定した後、羽口にＡｒガスを流した。Ａｒガス流量は合計で８０ＮＬ／ｍｉｎとした。ガスは１０分間流し、溶鋼表面に浮上する気泡を撮影し、気泡径を計測した。また、ガスの吹き込み前後に採取したサンプルのＮ濃度を分析により定量した。

０．０１ｍ以下の気泡を微細気泡とし、全気泡数に対する微細気泡の存在比率（以下、微細気泡存在率）と隣接する羽口対の向かい合う角度との関係を図１（ａ）に示す。羽口出口間の直線距離が０．０７ｍ以下では、羽口対の向かい合う角度によらず、微細気泡存在率は低位であった。これは、羽口出口間の直線距離が小さく、羽口出口で膨張する気泡同士が接触してしまい、溶鋼滴を巻き込まず、微細な気泡が生成されなかったためである。

一方、羽口出口間の直線距離が０．０８〜０．２９ｍでは、羽口対の向かい合う角度が７０〜１２０°において、微細気泡存在率が著しく増加した。これは、６９°以下では気泡同士の衝突角度が小さく、衝突の界面で溶鋼滴を巻き込まず、微細な気泡が生成されなかったためであり、１２１°以上では気泡が壁面に常に接触してしまい、生成した微細気泡が大径の気泡に吸収されてしまうためである。

また、羽口出口間の直線距離が０．３０ｍ以上では、羽口対の向かい合う角度によらず、微細気泡存在率は低位であった。これは、羽口出口間の直線距離が大きく、気泡同士の衝突が生じなくなったためである。

この時の、ガス吹き込み前のＮ濃度から吹き込み後のＮ濃度を減じた脱窒量と隣接する羽口対の向かい合う角度との関係を図１（ｂ）に示す。微細気泡存在率が高位である羽口出口間の直線距離が０．０８〜０．２９ｍであり羽口対の向かい合う角度が７０〜１２０°において、脱窒量も高位になった。これは、微細気泡によって脱窒反応が生じる界面積が増加したためである。

図２（ａ）には、微細気泡存在率と羽口出口間の直線距離との関係を示す。前述のように、羽口対の向かい合う角度が７０〜１２０°であり、羽口出口間の直線距離が０．０８〜０．２９ｍにおいて、微細気泡存在率が高位であり、羽口出口間の直線距離が０．０８〜０．２０ｍでは微細気泡存在率は特に高くなった。

図２（ｂ）には、脱窒量と羽口出口間の直線距離との関係を示す。脱窒量は、微細気泡存在率が高い羽口対の向かい合う角度が７０〜１２０°であり羽口出口間の直線距離が０．０８〜０．２０ｍにおいて大きくなり、特に微細気泡存在率が高くなる羽口対の向かい合う角度が７０〜１２０°であり羽口出口間の直線距離が０．０８〜０．２０ｍで特に大きくなった。

本発明は、このような検討の結果なされたもので、その要旨は、下記のＲＨ式真空脱ガス処理装置にある。
（１）不活性ガスを吹き込む互いに隣接する２つの羽口を１対とした羽口対の羽口出口間の直線距離が０．０８〜０．２９ｍであり、羽口間の向かい合う角度が７０〜１２０°である羽口対が１組以上設置された浸漬管を有することを特徴とするＲＨ式真空脱ガス処理装置。
（２）前記羽口出口間の直線距離が０．０８〜０．２０ｍであることを特徴とする上記（１）に記載のＲＨ式真空脱ガス処理装置。

本発明によれば、装置の大幅な改造を不要とし、補修や交換の頻度を抑えて環流ガスの気泡を微細化し、脱ガス反応を促進することが可能なＲＨ式真空脱ガス処理装置を提供することができる。

微細気泡存在率及び脱窒量と、隣接する羽口対の向かい合う角度との関係を示す図である。 微細気泡存在率及び脱窒量と、羽口出口間の直線距離との関係を示す図である。 本発明のＲＨ式真空脱ガス処理装置の概略構成例を示す図である。

以下、本発明のＲＨ式真空脱ガス処理装置について、溶鋼の二次精錬において用いる場合を例として説明する。

（１）装置構成
図３は、本発明のＲＨ式真空脱ガス処理装置の概略構成例を示す図であり、図３（ａ）は図３（ｂ）のＡ−Ａ矢視図であり、図３（ｂ）は縦断面図である。図３（ｂ）に示すように、ＲＨ式真空脱ガス処理装置は、真空槽１と、その底部に設けられた上昇管２と下降管３とからなる。上昇管２は環流ガスを吹き込む羽口４を有する。真空槽１の上部は真空排気装置５に接続されている。溶鋼の精錬処理を行う際は、上昇管２と下降管３とを取鍋６内の溶鋼７に浸漬する。取鍋内の溶鋼７は表面をスラグ８が覆っている。

本発明のＲＨ式真空脱ガス処理装置は、環流ガスを吹き込む羽口以外の装置構成は全て通常のＲＨ式真空脱ガス処理装置と同じで良い。ただし、環流ガスを吹き込む羽口は本発明の規定を満たす必要がある。すなわち、隣接する羽口対の羽口出口間の直線距離（対となる羽口の中心を結ぶ直線距離）が０．０８〜０．２９ｍであり、向かい合う角度が７０〜１２０°である必要がある。また、前述の実験結果からわかるとおり、隣接する羽口対の羽口出口間の直線距離は０．０８〜０．２０ｍであることがより望ましい。

羽口の数は８〜２４孔（４〜１２の羽口対）とすることが望ましい。羽口の数が８孔より少ない場合、浸漬管内での環流ガスの偏在が生じやすくなり、環流量低下による混合不良を引き起こし、処理効率が低下する場合がある。一方、羽口の数が２４孔より多くなると、羽口の配管内での環流ガスの圧損が大きくなり、精錬処理に必要なガス流量を吹き込めなくなる場合があり、また、隣接する羽口対からの環流ガスの影響を受ける可能性がある。

羽口の内径は２〜７ｍｍとすることが望ましい。羽口の内径が２ｍｍより小さい場合、羽口配管内での環流ガスの圧損が大きくなり、精錬処理に必要なガス流量を吹き込めなくなる場合がある。羽口の内径が７ｍｍより大きい場合、羽口への溶鋼の侵入が生じ、羽口を溶損させてしまう場合がある。

（２）処理方法
転炉で脱炭処理を行い、取鍋に出鋼した後、取鍋を図３（ｂ）に示すＲＨ式真空脱ガス処理装置へ移送し、精錬処理を開始する。なお、出鋼後の脱ガス処理前にスラグ中のＦｅＯおよびＭｎＯの還元や脱硫を目的とした取鍋内でのガスバブリングによる精錬を行っても良い。
浸漬管（上昇管２および下降管３）を取鍋６内の溶鋼７に浸漬すると同時に環流ガスを羽口４を通じて上昇管２内に吹き込み、さらに真空排気により真空槽１内を減圧し、真空槽１内に溶鋼７を吸引する。環流ガスは例えばＡｒガスなどの不活性ガスを用いる。

環流ガスの流量は溶鋼トン当たり４．０〜１４．０ＮＬ／（ｔ・ｍｉｎ）の範囲が望ましい。環流ガス流量が４．０ＮＬ／（ｔ・ｍｉｎ）未満となると、溶鋼の環流量が不十分となって精錬処理効率が低下し、環流ガス流量が１４．０ＮＬ／（ｔ・ｍｉｎ）を超えると、環流ガスの気泡が破泡する際に溶鋼の飛散量が増加してしまう。本発明のＲＨ式真空脱ガス処理装置を用いる場合、微細な気泡の個数を高位に保つ観点から、７．０ＮＬ／（ｔ・ｍｉｎ）以上となるようにすることがより望ましい。

真空槽内の圧力は６７〜１３３００Ｐａの範囲が望ましい。圧力が６７Ｐａ未満となると、真空引きするまでに多くの時間がかかり過ぎるとともに環流ガスの気泡が破泡する際に溶鋼の飛散量が増加する。一方、真空槽内の圧力が１３３００Ｐａを超えて大きくなると環流量が不十分となって精錬処理効率が低下してしまう。本発明のＲＨ式真空脱ガス処理装置を用いる場合、脱ガス反応により除去したガス元素を真空槽外へと速やかに排出するためには、脱ガス反応を生じさせている期間において６７〜３９９０Ｐａとすることがより望ましい。

本発明のＲＨ式真空脱ガス処理装置を用いる場合でも、通常のＲＨ式真空脱ガス処理装置と同様に、脱ガスに加えて、合金の添加による成分調整、溶鋼中に懸濁している微細な介在物の浮上除去、真空槽内の溶鋼上方に設置したランスからのＯ₂ガス吹き付けによるＡｌ酸化発熱を利用した昇温、脱硫フラックスの添加による脱硫、等といった精錬処理を行うことができる。

以下、本発明の実施例について説明するが、実施例での条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。

転炉で脱炭処理を行った後、取鍋に溶鋼３００トンを出鋼した。出鋼の際、脱酸元素およびフラックスを添加し、溶鋼を取鍋ごとＲＨ式真空脱ガス処理装置まで移送した。移送後、取鍋内の溶鋼に上昇管ならびに下降管を浸漬し、羽口から環流ガス（Ａｒガス）を吹き込みながら、真空槽内を真空排気し、脱ガス処理を開始した。真空槽内の圧力は６７〜６７００Ｐａ、環流ガス流量は２０００〜３０００ＮＬ／ｍｉｎとした。脱ガス処理は１５〜２５分間行い、処理開始時および処理直後のサンプルを採取し、Ｈ濃度およびＮ濃度の変化から、脱ガス能力を評価した。

処理前後でのＨ濃度およびＮ濃度の変化を表１に示す。

本発明例のＲＨ式真空脱ガス処理装置である試験Ｎｏ．１〜４では、Ｈ濃度は１．５ｐｐｍ、Ｎ濃度は０．００３０質量％以下まで低減することができた。一方、試験Ｎｏ．５では羽口対の羽口出口間の直線距離が小さく、気泡が羽口を出た直後に合体してしまい、微細な気泡が生成しなかったことにより、処理後のＨ濃度およびＮ濃度は高くなったと考えられる。試験Ｎｏ．６では、羽口対の羽口出口間の直線距離が大きく、気泡同士が衝突せず、微細な気泡が生成しなかったことにより、処理後のＨ濃度およびＮ濃度は高くなったと考えられる。試験Ｎｏ．７では、羽口対の向かい合う角度が小さく、気泡同士が衝突した際に溶鋼滴を巻き込むことなく合体し、微細な気泡が生成しなかったことにより処理後のＨ濃度およびＮ濃度は高くなったと考えられる。試験Ｎｏ．８では、羽口対の向かい合う角度が大きく、気泡が耐火物と接触する面積が大きくなって、微細気泡が生成しなかったことにより、処理後のＨ濃度およびＮ濃度は高くなったと考えられる。

１ 真空槽
２ 上昇管
３ 下降管
４ 羽口
５ 真空排気装置
６ 取鍋
７ 溶鋼
８ スラグ

Claims (2)

1. 不活性ガスを吹き込む互いに隣接する２つの羽口を１対とした羽口対の羽口出口間の直線距離が０．０８〜０．２９ｍであり、羽口間の向かい合う角度が７０〜１２０°である羽口対が１組以上設置された浸漬管を有することを特徴とするＲＨ式真空脱ガス処理装置。
2. 前記羽口対の羽口出口間の直線距離が０．０８〜０．２０ｍであることを特徴とする請求項１に記載のＲＨ式真空脱ガス処理装置。

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