(57)【要約】      （修正有）【課題】取鍋上方を真空カバーで密閉して溶鋼中にガスを吹き込む真空精錬方法においてフリーボードに余裕の無い取鍋に対しても大きな反応速度を得る方法を提供する。【解決手段】真空カバーを吸引管部と気密用の真空フランジ部と取鍋内壁内に溶鋼面直上まで挿入する円筒隔壁から構成し、該隔壁の外周面と該フランジ下面と取鍋内壁と溶鋼表面との４面で環状空間を形成する。真空下でのガス吹込みにより溶鋼表面は発泡しつつ上昇するが、吸引管の内部のみで上昇し、環状空間部では上昇せずフリーボードが小さくても溢れ出しが無い。従って既存の工場に容易に設置することができる。ガス流量を大きくすることができ撹拌エネルギー密度が増大し、反応速度が大きくなり、精錬時間が短縮される。既存のＲＨ法から簡単に転換することも可能である。【選択図】図１
2014189865.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶鋼を収容した取鍋の上縁を真空カバーで気密にして内部空間を真空に吸引し、他方取鍋底部から不活性ガスを吹き込んで溶鋼全体を撹拌して精錬する方法において、真空カバーを１）取鍋内径の５０％以上の内径を持ち上部が排気装置の排気管に連接する円筒状吸引管と２）該吸引管の下部外周に設けられ該取鍋上縁を気密にする真空フランジと３）該吸引管の下方に連接し取鍋内空間に装入され気密時には下端が溶鋼表面直上に来る長さを持つ円筒隔壁とから構成し、精錬時には発泡による液面上昇を該隔壁内では誘導し隔壁外では抑制しつつ撹拌エネルギー密度を１００Ｗ／ｔ以上とすることを特徴とする取鍋真空精錬方法。
【請求項２】
撹拌エネルギー密度Ｅを１００Ｗ／ｔ以上とする方法が、以下の式に基づいてガス吹込み量の調整によって行うことを特徴とする請求項１に記載した取鍋真空精錬方法。
Ｅ＝３７０ＱＴ／Ｗ×ｌｎ（Ｐｂ／Ｐａ）  −−−−−（１）
Ｐｂ＝Ｐａ＋γＺ                        −−−−−（２）
Ｅ：撹拌エネルギー密度(W/t)    Ｑ：ガス流量(Nm3/s)    Ｔ：溶鋼温度(K)
Ｗ：溶鋼質量(t)    Ｐｂ：底部圧(kg/m2)    Ｐａ：雰囲気圧(kg/m2)
γ：溶鋼密度(kg/m3)    Ｚ：鋼浴深さ(m)
【請求項３】
精錬終了に際して隔壁外の雰囲気圧を隔壁内の雰囲気圧と同等に又は先行して復圧することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載した取鍋真空精錬方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は溶解炉から取鍋に受けた溶鋼を真空下で精錬する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
今日では溶鋼の仕上げ精錬は多くの場合溶解炉内ではなく取鍋内でなされる。高級鋼には真空処理が適用され脱ガス、脱酸、脱非金属介在物等の高度の精錬がなされる。
真空精錬には種々の方法・装置があって一長一短がある。大容量用に多用されているＲＨ法（図２Ａ）と称される吸引循環式脱ガス方法では既存の取鍋をそのまま使用することができる。また温度低下が比較的小さく、再加熱を省略することも可能である。
【０００３】
短所として反応領域が大きくないこと、循環量に限度があるため撹拌エネルギー密度（該密度と反応速度係数値は比例的関係にある）が小さいことにより反応速度が小さい、精錬時間が長い（約３０分）と言う問題がある。
さらに処理装置本体は耐火物をライニングした長身の真空槽とその下部に付設された２本の特殊浸漬管から構成され、単純な形状でないため耐火物耐久に不利であり、特殊な浸漬管を初め耐火物コストが大きいと言う問題もある。
【０００４】
他方ＡＳＥＡ−ＳＫＦ法等の取鍋溶鋼自体を真空下に曝しつつ電磁誘導撹拌又はガス撹拌を付与する方法（図２Ｂ）では反応速度が大きいと言う特徴がある。ガス撹拌の場合、真空吸引は撹拌を一層強化するが沸騰しつつ溶鋼面が上昇し、溢れ出す危険が生ずる。従って取鍋高さ（深さ）に充分な余裕が必要になる。その余裕高さをフリーボードと称し、通常７００〜１５００ｍｍが設定される。既存の取鍋ではその余裕が無いと言う問題がある。他に熱損が大きく再加熱が必要と言う問題もある。
【０００５】
特許文献１（先行例１）には、単一の大径浸漬管を取鍋内溶鋼に浸漬し、該管内を真空に吸引する方法（図２Ｃ）が開示されている。本方法ではＲＨ法と同様に上記のフリーボード問題が解消される。又本方法ではＲＨ法に比較して反応領域が拡張すること及び撹拌のための鍋底からの吹込みガス量を容易に増加（ＲＨ法では浸漬管に対して限定量しか吹き込めない）させることができることにより反応速度の向上が期待される。
問題は、真空に吸引する結果、該管の内外に溶鋼レベル差が生じ、差は大気圧相当の約１．４ｍになる。その上沸騰による溶鋼面上昇約１ｍが上乗せされる。さらに浸漬深さを加えると浸漬管の最少長さは約３ｍ弱になり溶鋼に接触する耐火物面積は過大となってコスト負担があまりに大きい。
又精錬終了時や停電等の事故時に安易に復圧すると、２ｍを越える落差の溶鋼が急速落下し、弾みで溢れ、爆発事故を誘発する危険性もある。緩慢・確実な復圧を管理しなければならない。大径浸漬管を使用する方法は多数出願されているが全く実用されていない。
【０００６】
特許文献２（先行例２）には、ＲＨ式真空精錬装置を原形として、真空槽底部の外周に気密フランジを設け取鍋上縁を気密構造として取鍋内側空間を気密室とし、該室を加圧して真空槽への溶鋼収容量を増加せしめ反応速度を向上させる方法が開示されている。新機軸の気密加圧室の構成により真空槽の吸引量は増加するが反応速度を律速している循環量自体は大差なく、反応速度の向上は大きくない。又ＲＨ法の耐火物コストについても何ら効果が期待できない。
【０００７】
特許文献３（先行例３）には、前記文献で開示された装置を使用して２本の浸漬管の周囲を雰囲気制御し、問題となっていた浸漬管のワレ目を通じて空気が侵入する現象を防止する方法が開示されている。気密室の新規応用と言える。
【０００８】
特許文献４（先行例４）は本願発明の基となる優先権を主張した先行願である。先行例１の浸漬管を浸漬しない吸引管に変更し、先行例２の気密フランジを活用し、新たに工夫した取鍋内溶鋼の外縁部に圧力制御空間を形成することを組合せて取鍋を長身化しないでフリーボード問題を解決する方法・装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平7-41834
【特許文献２】特開平7-118731
【特許文献３】特開平10-140228
【特許文献４】特願2013-016727
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
溶解炉から取鍋に受けた溶鋼を真空精錬するに当たり、ＲＨ法と称される吸引循環式の方法ではフリーボード問題は無く安全性が高いが、反応速度が小さく精錬能率が低いと言う問題の他に、消耗の激しい浸漬管他耐火物コストに問題がある。
【００１１】
取鍋を気密構造にして溶鋼中にガスを吹込み溶鋼全体を真空に曝すＡＳＥＡ−ＳＫＦ法では精錬能率や品質には有利であるが、溶鋼の発泡により溶鋼面が上昇するので取鍋には充分なフリーボード（余裕深さ）が必要になり、既存の取鍋では対応することはできない。真空装置を既存工場に付設する場合には取鍋更新だけでなく取鍋の長身化に伴う工場建屋各所の上下拡張工事が避けられない。再加熱が前提とされているのでコスト問題も大きい。
【００１２】
真空槽を単一大径浸漬管で構成する場合、反応速度は向上するが浸漬管の長さは異様に大きくなる。即ち真空吸引による溶鋼ヘッド差（約１．４ｍ）に減圧による沸騰高さ（最大１ｍ）と浸漬深さ（約０．３ｍ）が加わり耐火物コストが極めて不利となる。さらに浸漬管内外の溶鋼レベルの大きな落差は安全性にも特別の注意を要する。
【００１３】
本願発明は、既存のフリーボードの余裕がない取鍋に対しても真空処理が安全になし得、且つ大きな反応速度を持つ方法を提供することを解決すべき課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
課題解決に当たり、真空精錬開始時の溶鋼表面をよく観察した結果、大気圧バブリングでは局所噴出流による沸騰状態を示すが、減圧バブリングでは全面的に比較的穏やかな発泡状で表面が大きく上昇することから、浸漬管はあえて浸漬せずとも浸漬状になることに気付き以下の発明をなした。
【００１５】
第１発明は、溶鋼を収容した取鍋の上縁を真空カバーで気密にして内部空間を真空に吸引し、他方取鍋底部から不活性ガスを吹き込んで溶鋼全体を撹拌して精錬する方法において、真空カバーを１）取鍋内径の５０％以上内径を持ち上部が排気装置の排気管に連接する円筒状吸引管と２）該吸引管の下部外周に設けられ該取鍋上縁を気密にする真空フランジと３）該吸引管の下方に連接し取鍋内空間に装入され気密時には下端が溶鋼表面直上に来る長さを持つ円筒隔壁とから構成し、精錬時には発泡による液面上昇を該隔壁内では誘導し隔壁外では抑制しつつ撹拌エネルギー密度を１００Ｗ／ｔ以上とすることを特徴とする取鍋真空精錬方法である。
【００１６】
第２発明は、撹拌エネルギー密度Ｅを１００Ｗ／ｔ以上とする方法が、以下の式に基づいてガス吹込み量の調整によって行うことを特徴とする第１発明に記載した取鍋真空精錬方法である。
Ｅ＝３７０ＱＴ／Ｗ×ｌｎ（Ｐｂ／Ｐａ）  −−−−−（１）
Ｐｂ＝Ｐａ＋γＺ                        −−−−−（２）
Ｅ：撹拌エネルギー密度(W/t)    Ｑ：ガス流量(Nm3/s)    Ｔ：溶鋼温度(K)
Ｗ：溶鋼質量(t)    Ｐｂ：底部圧(kg/m2)    Ｐａ：雰囲気圧(kg/m2)
γ：溶鋼密度(kg/m3)    Ｚ：鋼浴深さ(m)
【００１７】
第３発明は、精錬終了に際して隔壁外の雰囲気圧を隔壁内の雰囲気圧と同等に又は先行して復圧することを特徴とする第１発明又は第２発明に記載した取鍋真空精錬方法である。
【発明の効果】
【００１８】
上記の発明による第１の効果は、取鍋内溶鋼に対して底からガスを吹込み雰囲気を真空に吸引して精錬する際、溶鋼の上部は発泡状に膨張して表面が上昇する。本発明では吸引管内では上昇するが円筒隔壁の外側（即ち隔壁と取鍋内壁で形成される空間）では真空でない気密空間が形成されていて溶鋼表面が上昇しない。従ってフリーボードの小さい取鍋でも溢れることが無く操業することができる。
第２の効果は、真空精錬装置を既存の製鋼工場に付設する場合、既存の取鍋をそのまま使用することができ、設備費、工事費が割安になる。                          
第３の効果は、撹拌エネルギー密度が大きいので従来の主流になっているＲＨ式真空精錬装置よりも２倍以上精錬速度が得られる。その結果作業能率・品質・再加熱エネルギー・耐火物コスト等で有利になる。しかも耐火物は単純円筒形で耐久によく、ＲＨ法のように浸漬部が無いので耐久によい。
第４の効果は、既存のＲＨ式真空脱ガス装置に対して真空槽の下部のみを本発明の方法に従う装置に改造すると簡単に性能を飛躍させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の取鍋真空精錬方法の概念図であり、Ａは精錬直前の状態、Ｂは精錬中の状態を示す。
【図２】従来の取鍋真空精錬装置の例を示し、ＡはＲＨ法、ＢはＡＳＥＡ−ＳＫＦ法、Ｃは大径浸漬管法である。
【図３】脱酸速度係数と撹拌エネルギー密度の関係を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
図１は本発明の取鍋真空精錬方法を実施する精錬装置の概念図である。該精錬装置１は溶鋼２を収容した取鍋３の上方で待機する。フリーボードΔＨは通常の取鍋と同様過剰な余裕は無い。
該精錬装置１は主に溶鋼上方を真空に吸引する釣鐘状の吸引管４と該吸引管４の頂部に連接する排気管５と該排気管５の下流側に連接する排気装置６と吸引管４の外周に設けられ取鍋３の内側を気密にする水平環状の真空フランジ７とから成る。吸引管４は耐火物で内張りされた気密の鉄皮構造である。該真空フランジ７は取鍋３の上縁の外周に設けられた水平環状の気密フランジ８に自重で押圧し、パッキンを介して取鍋内を気密化する。
【００２１】
吸引管４において真空フランジ８よりも下方の耐火物製管状部を円筒隔壁９と称し、取鍋３の上縁よりも下方に挿入され溶鋼面直上までの長さを持つ。気密位置の状態で溶鋼には浸漬しない。該円筒隔壁９の外周には取鍋３の内壁と真空フランジ７の下面と円筒隔壁９の外壁と溶鋼表面の４面から成る環状空間１０（内側下部は開口している）が形成される。該環状空間１０と排気管５とは弁１１を介する連通管１２によって連通している。弁１１は通常は閉の状態である。
【００２２】
この状態で吸引すると吸引管内空間及び環状空間とも真空に向かうが何ら変化は生じない。図１Ｂに示すように、取鍋３の底部に設けられた通気栓１３から不活性ガスを溶鋼中に吹き込むと上昇気泡１４により溶鋼は撹拌される。真空下であるから気泡は液面直下に近づくと急膨張し、沸騰状（波打ち状）ではなく発泡状（平坦）で液面が上昇する。円筒隔壁９が浸漬状態になる。環状空間１０においても液面が上昇するが上昇により閉鎖されて吸引が無くなること及び溶鋼から抜け出た気泡により雰囲気圧が上昇し、液面上昇は止まり下降に転ずる。液面が円筒隔壁９の下端に達したところで均衡し、以後その水準が維持される。
【００２３】
排気直前において円筒隔壁９の下端が浸漬されている場合（溶鋼量の過剰による）の挙動は以下である。環状空間１０は大気圧の閉鎖空間である。排気により吸引管４内の液面は上昇し、他方環状空間１０内の液面は下降する。円筒隔壁９の下端に達して空間内空気が吸引管側へ移行して気圧が下がる。円筒隔壁９の内外圧力差が均衡するまで移行し下端で静止する。溶鋼が移行したことになる。内外の落差Δｈは内外の水平断面積比（外側／内側）×初期浸漬深さ×２になる。本願発明では吸引管４の内径は充分大きくしてあるので上記落差は大きくない。吸引管４の長さに多少の余裕があれば問題とならない。
環状空間内の圧力は上記落差に溶鋼密度を乗じた値になる。
【００２４】
この状態でガスを吹き込むと、前記同様、沸騰、発泡しつつ液面が上昇し、環状空間内部の溶鋼・ガスとも前記同様の経過をたどる。結局円筒隔壁９は溶鋼に浸漬してもしなくてもほとんど差がない。
【００２５】
正常な真空精錬では安全面から液面上昇は約６００ｍｍ以下に管理される。上昇は気泡の混入によるものであるから混入域１５は当然６００ｍｍを越える深さに拡がっている。環状空間の下方も混合域になっていることが容易に推測できる。環状空間には常時ガスが供給され、液面が円筒隔壁の下端に維持されることが解る。
【００２６】
ここで吹込みガス量を大きくすると比例的に撹拌が強くなり、反応速度が増大する。
図３は脱酸速度係数と撹拌エネルギー密度の関係を示す。図においてＡＳＥＡ−ＳＫＦ（誘導撹拌）が最大の脱酸速度を持ち、文献５に示された低真空ガス吹込みの取鍋精錬がそれに準じ、ＲＨ法では撹拌力が小さくそのため反応速度が小さいことが解る。
本願発明の望ましい脱酸速度係数ｋとして実績のある上記低真空ガス吹込みと同等以上（ｋ≧０．４(1/min)）を目ざし撹拌力（Ｅ≧１００(W/t)）を与える。そのための必要ガス量は以下の式から求めることができる。
【００２７】
ガス吹込みによる運動エネルギーは溶鋼中での膨張仕事（吹込み＋浮上時膨張）と気泡の浮上による位置エネルギーの変換（ガスと溶鋼の上下入れ替わり）から成り、撹拌エネルギー密度Ｅはボイル・シャール式から誘導した（１）式によって示される。
Ｅ＝ｎＲＴ／Ｗ×ｌｎ（Ｐｂ／Ｐａ）
＝３７０ＱＴ／Ｗ×ｌｎ（Ｐｂ／Ｐａ）  −−−（１）
Ｐｂ＝Ｐａ＋γＺ                    −−−−−（２）
撹拌エネルギー密度(W/t)    Ｑ：ガス流量(Nm3/s)    Ｔ：溶鋼温度(K)
Ｗ：溶鋼質量(t)    Ｐｂ：底部圧(kg/m2)    Ｐａ：雰囲気圧(kg/m2)
γ：溶鋼密度(kg/m3)    Ｚ：鋼浴深さ(m)    ｎ：モル数    Ｒ：ガス定数
図３から（３）式が得られる。
ｌｏｇｋ＝０．７ｌｏｇＥ−２．０    −−−−−（３）
本発明が充分有効である範囲として、ＲＨ法の２倍以上の反応速度である下記範囲を特定する。
Ｅ≧１００  （Ｗ／ｔ）              −−−−−（４）
【００２８】
引用文献５：The Institute of Metals; 3rd International Conference on CleanSteel,1985,June,P.250
【００２９】
反応速度が大きいので精錬は１０分以下に短縮される。因みにＲＨ法では通常約３０分を要する。脱酸には文献５から真空度は０．１気圧でも撹拌力さえあれば充分である。脱Ｈには真空度は０．０１気圧が必要である。脱硫は必要スラグがあれば脱酸に併行して進行する。
【００３０】
精錬の終了に当たり、吹込みと排気の停止の後外気を導入して吸引管内は復圧される。その際環状空間１０と排気管５とを連通する連通管１２に設けられた弁１１を同時に開とする。吸引管内と環状空間内は同一圧力下で復圧し、管内液面が低下してゆく。弁が閉のままであると吸引管内の溶鋼水準が急速に下降し環状空間内の液面が急上昇して種々のトラブルが生ずる。要は環状空間の復圧は管内よりも遅れないことが安全上必要である。
【００３１】
吸引管４の内径は大きいほど都合良い。水平断面積に比例して吹込みガス量を増加させることができ精錬速度が向上する。又大きいほど反応領域が大きくなり同様の効果が得られる。具体的には吸引管内径は大径の浸漬管方式でしばしば提起されている範囲である取鍋内径の５０％以上と特定した。
【００３２】
図２Ａで示した既存のＲＨ法の真空槽は本発明の構造の簡単に改造することができる。改造により吹込みガス量は１桁以上増加させることが可能となり、精錬速度を倍増以上に強化することができる。
【００３３】
図には明記しなかったが、吸引管４や円筒隔壁９は取鍋内壁と同様に消耗するから交換容易な構造とする。当業者にとっては困難ではない。
浸漬管を使用する方式では浸漬管を構成する耐火物に割れ目が生ずるとリークによる種々の不都合が生ずるが、本発明では下端部に割れ目が生じても内外圧力差は小さいので大きな不都合は無い。
本願発明の真空精錬の方法は高真空（約１ｔｏｒｒ）の場合でも低真空（０．１〜０．３気圧）の場合でも適用することができる。
本方法の装置はスラグを保有してもしなくても同様に適用することができる。
【実施例】
【００３４】
本願発明の精錬装置を実施する場合に適切な基本仕様の例を表１に示す。実施に際して特に困難は無い。
【００３５】
【表１】
2014189865.tif 000003
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本願発明の真空精錬装置は既存の製鋼工場に比較的無難に設置することができる。
【符号の説明】
【００３７】
１：真空精錬装置    ２：溶鋼    ３：取鍋    ４：吸引管    ５：排気管    ６：排気装置    ７：真空フランジ    ８：気密フランジ    ９：円筒隔壁    １０：環状空間    １１：弁    １２：連通管    １３：通気栓    １４：上昇気泡    １５：気泡混合域
【図１】
2014189865.tif 000004
【図２】
2014189865.tif 000005
【図３】
2014189865.tif 000006