(57)【要約】【課題】  大気圧よりも低い減圧下において上吹きランスから溶鋼に向けて酸素ガスを吹き付けて脱炭精錬する際に、高効率で高速に、しかも設備への地金付着を少なくする。【解決手段】  その先端にラバールノズルが設置された上吹きランスを用い、大気圧よりも低い圧力の雰囲気下において溶鋼に向けて酸素含有ガスを吹き付けて脱炭精錬するに際し、前記雰囲気の圧力が４０ｋPa以下の条件下で、スロート径及び出口径が最適膨張条件で設計されたラバールノズルを使用し、下記の（５）式から算出されるパラメータＰが０．５〜２．０となるように、雰囲気圧力に応じて上吹きランスのランス高さ及び酸素含有ガスの供給速度のうちの少なくとも１つを調整する。但し、（５）式においてＰeaは雰囲気圧力（ｋPa）、Ｖは酸素ジェットの溶鋼湯面における流速（ｍ／秒）である。  P=7.06×10-6×Pea×V2…(5)【選択図】            なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
その先端にラバールノズルが設置された上吹きランスを用い、大気圧よりも低い圧力の雰囲気下において溶鋼に向けて酸素含有ガスを吹き付けて脱炭精錬するに際し、前記雰囲気の圧力が４０ｋPa以下の条件下で、ラバールノズルのスロート径（Ｄｔ）及び出口径（Ｄｅ）と、ラバールノズル１孔当たりの酸素含有ガスの供給速度（Ｆｈ）と、ノズル背圧（Ｐｏ）と、設計雰囲気圧（Ｐｅ）とが、下記の（１）式及び（２）式を満足する形状のラバールノズルを使用し、下記の（３）式、（４）式及び（５）式から算出されるパラメータＰが０．５〜２．０となるように、雰囲気圧力に応じて上吹きランスのランス高さ及び酸素含有ガスの供給速度のうちの少なくとも１つを調整することを特徴とする、溶鋼の真空脱炭精錬方法。
【数１】
2006097047.tif 000008
【数２】
2006097047.tif 000009
【数３】
2006097047.tif 000010
【数４】
2006097047.tif 000011
【数５】
2006097047.tif 000012
但し、（１）式〜（５）式において各記号は以下を表すものである。
Ｆｈ：ラバールノズル１孔当たりの酸素含有ガスの供給速度（Nm3 ／hr）
Ｄｔ：ラバールノズルのスロート径（mm）
Ｄｅ：ラバールノズルの出口径（mm）
Ｐｏ：ノズル背圧（ｋPa）
Ｐｅ：設計雰囲気圧（ｋPa）
Ｖｏ：ラバールノズル出口での酸素ジェットの噴出流速（ｍ／秒）
Ｖ：酸素ジェットの溶鋼湯面における流速（ｍ／秒）
Ｐea：雰囲気圧力（ｋPa）
Ｌｈ：上吹きランスのランス高さ（mm）
Ｐ：パラメータ（−）
【請求項２】
前記上吹きランスからの酸素含有ガスの吹き付け開始時の雰囲気圧力（Ｐea）を１３．３ｋPa以上とすることを特徴とする、請求項１に記載の溶鋼の真空脱炭精錬方法。
【請求項３】
前記設計雰囲気圧（Ｐｅ）を、１３．３ｋPa以上で且つ上吹きランスからの酸素含有ガス吹き付け時における雰囲気の最大圧力を超えない範囲とすることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の溶鋼の真空脱炭精錬方法。
【請求項４】
前記上吹きランスからの酸素含有ガスの吹き付け終了時の雰囲気圧力（Ｐea）を６．７ｋPa以上とすることを特徴とする、請求項１ないし請求項３の何れか１つに記載の溶鋼の真空脱炭精錬方法。
【請求項５】
前記上吹きランスからの酸素含有ガスの吹き付け開始時での溶鋼中炭素濃度を０．０４質量％以上とすることを特徴とする、請求項１ないし請求項４の何れか１つに記載の溶鋼の真空脱炭精錬方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大気圧よりも低い減圧下において上吹きランス先端のラバールノズルから溶鋼に向けて酸素含有ガスを吹き付け、溶鋼を脱炭精錬する真空脱炭精錬方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
溶鋼を大気圧よりも低い減圧下で精錬する精錬方法としては、ＲＨ真空脱ガス設備、ＤＨ真空脱ガス設備、ＶＯＤ設備などを用いた精錬が広く知られている。このような減圧下での精錬において、溶鋼の脱炭処理を迅速に行なう方法の１つとして、その先端にラバールノズルが設置された上吹きランスから溶鋼湯面に向けて酸素ガスを上吹きして精錬する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この減圧下での上吹き送酸による真空脱炭精錬においては、脱炭効率向上などの精錬効率の改善を目的とした種々の技術開発が行なわれており、これらの技術開発の結果から、前記目的を達成するには、送酸条件及びラバールノズルの形状（ノズル設計）に関する開発が極めて重要であることが判明している。即ち、真空脱炭精錬を高効率化するためには上吹きランスからの酸素ガスの噴出流（「酸素ジェット」という）の溶鋼湯面における動圧を高くすることが効果的であり、これを実現する手段として、酸素ジェットの噴射流速を増大するなどして酸素ジェット自体のエネルギーを大きくする、或いは、上吹きランス先端と溶鋼湯面までの距離（「ランス高さ」という）を低減して酸素ジェットの減衰を抑制するなどの対策が実施されてきた。
【０００４】
しかしながら、これらの対策を過大に志向すると脱炭反応は向上するものの、酸素ガス動圧の増加に起因して多量の鉄飛散が発生し、設備への地金付着が発生して操業に多大の支障を招き、更には、炭素濃度の高い付着地金が再溶解することに起因する炭素濃度のピックアップにより、極低炭素域での脱炭速度が著しく低下する或いは極低炭素鋼の成分規格を外れてしまうなどといった大きな問題点が発生する。
【０００５】
この付着地金に起因する問題点を解決すると同時に脱炭反応を促進させるための手段が幾つか提案されている。例えば、特許文献２には、ラバールノズル設計時の雰囲気圧力を送酸精錬中の槽内雰囲気圧力の変動幅の上限としたラバールノズルを使用することで、１００torr（１３．３ｋPa）よりも低い圧力の雰囲気下における酸素ジェットの減衰による酸素ガスの到達ロスを減少させる方法が提案されている。また、特許文献３には、上吹きランスの設計時のノズル背圧（「設計二次圧」ともいう）、操業時の実際のノズル背圧などに基づき、ランス高さを１〜５ｍの範囲内において調整する方法が提案され、更に、特許文献４には、溶鋼浴面における酸素ガスの到達圧力を指標として、ラバールノズルの形状、酸素ガス流量、送酸終了時の槽内真空度及びランス高さを調整する方法が提案されている。
【特許文献１】特開昭５５−１２５２２０号公報
【特許文献２】特公昭６１−５７８８６号公報
【特許文献３】特許第３２９３０２３号公報
【特許文献４】特許第２６６７００７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで近年、溶鋼の成分調整のために真空脱ガス設備を用いた溶製方法を必要とする鋼種が増加したことも相まって、溶鋼の溶製コストの削減を目的として、転炉とＲＨ真空脱ガス設備とを一貫とする溶製工程における生産効率の向上が求められている。また、転炉精錬で発生するスラグ中の鉄酸化物濃度の低減並びに転炉精錬後の溶鋼中の酸素濃度の低減などを目的として、転炉での脱炭精錬終了時の溶鋼中炭素濃度を従来に比べて高濃度にする操業が行なわれており、ＲＨ脱ガス精錬における脱炭処理の負荷が増大する傾向にある。
【０００７】
そのため、ＲＨ真空脱ガス設備において上吹き送酸して溶鋼を脱炭処理する場合に、脱炭処理時間が従来に比べて延長することにより、脱炭処理中における真空槽内の雰囲気圧力の変動幅が増大し、場合によっては１００torr（１３．３ｋPa）を越えるような比較的高い圧力の雰囲気で脱炭処理を開始し、１０torr（１．３ｋPa）近傍の低い雰囲気圧力で脱炭処理を終了することも発生し、脱炭処理中における雰囲気の圧力変動幅は極めて大きくなっている。また、脱炭処理時間の短縮を目的として酸素ガスの供給量（以下、「送酸速度」と記す）を増大させた場合には、溶鋼浴面の酸素ジェットのエネルギーが増大し、鉄飛散、地金付着などの操業阻害をもたらすことになる。これに対処するためには、幅広い圧力範囲の雰囲気下においても高速で且つ地金付着の少ない送酸脱炭技術の開発が急務となっていた。
【０００８】
しかしながら、この観点から前記従来技術を検証した場合、特許文献２においては、前提とする雰囲気圧力の変動幅が小さい領域であり、また、ラバールノズルの設計雰囲気圧の範囲が狭いため、処理毎の雰囲気圧力に変動が生じる場合には最適なラバールノズルの設計が困難になる。また、１００torr（１３．３ｋPa）を越えるような高い雰囲気圧力で送酸処理を実施する場合は、操業雰囲気圧力の変動幅が極めて大きくなり、高い反応効率が維持されるかは疑問であり、また、この場合に地金付着との最適化については不明確である。また更に、減圧下での酸素ジェットの減衰挙動が未だ不明確であることから、酸素ジェットの浴面到達圧力制御については検討が不十分な状態である。
【０００９】
特許文献３では、減圧下における酸素ジェットの挙動は雰囲気圧力の影響を受けないとしており、雰囲気圧力の影響が十分考慮されておらず、適切とはいえない。また、特許文献４では、制御する条件の１つである雰囲気圧力が、送酸中任意の時点のものではなく送酸終了時の雰囲気圧力であるため、前述のように操業時の雰囲気圧力の変動幅が大きい場合には、雰囲気の圧力変動の影響を取り込むことができず、精錬反応を十分に制御しているとはいいがたい。また、実施例から判断して、想定している上吹きランスは５０torr（６．７ｋPa）という比較的低い雰囲気圧力で設計していることから、１００torr（１３．３ｋPa）以上の高い雰囲気圧力に渡るような大きな雰囲気圧力の変動を想定していない。
【００１０】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、大気圧よりも低い減圧下において上吹きランスから溶鋼に向けて酸素含有ガスを吹き付け、溶鋼を真空脱炭精錬するに際し、雰囲気圧力の変動によって発生する上吹き酸素ジェットの浴面動圧の変動が、高効率な脱炭精錬を阻害し且つ溶鋼飛散の不安定化をもたらしているという問題点を解決し、高効率で高速に、しかも設備への地金付着を少なくすることのできる溶鋼の真空脱炭精錬方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者等は上記課題を解決すべく鋭意研究を行なった。その結果、上吹き送酸中、時々刻々変化する槽内の雰囲気圧力に応じて上吹きランスのランス高さや送酸速度などの送酸条件を適切に制御することにより、高効率で高速にしかも設備への地金付着の少ない効率的な安定した操業のもとで真空脱炭精錬が可能であることを見出した。以下、検討結果を説明する。
【００１２】
上吹きランスを用いて酸素ガス或いはＡｒガスで希釈された酸素ガスなどの酸素含有ガスを溶鋼浴面に供給する場合、通常、酸素含有ガスは上吹きランスの先端に配置されるラバールノズルを介して供給される。これは、ラバールノズルから噴射される酸素含有ガスのジェット（以下、酸素ガスのジェットも含め、全て「酸素ジェット」と称す）が超音速または亜音速になり、酸素ガスと溶鋼との反応効率が高くなるからである。このラバールノズルの設計は上吹きランスからの酸素含有ガスの供給量即ち供給速度（Ｆ）に基づいて行なわれ、超音速または亜音速の酸素ジェットを得るべく、ラバールノズルのスロート径（Ｄｔ）と出口径（Ｄｅ）とが最適な形状に設計される。
【００１３】
即ち、ラバールノズルの設計は、上吹きランスからの酸素含有ガスの供給速度Ｆ（Nm3 ／hr）から求まるラバールノズル１孔当たりの酸素含有ガスの供給速度Ｆｈ（Nm3 ／hr）とスロート径Ｄｔ（mm）とから下記の（１）式によってノズル背圧Ｐｏ（ｋPa）を定める、或いは、ラバールノズル１孔当たりの酸素含有ガスの供給速度Ｆｈ（Nm3 ／hr）とノズル背圧Ｐｏ（ｋPa）とから下記の（１）式によってスロート径Ｄｔ（mm）を定め、このようにして定めたスロート径Ｄｔ（mm）及びノズル背圧Ｐｏ（ｋPa）と、設計雰囲気圧Ｐｅ（ｋPa）とから、下記の（２）式によってラバールノズルの出口径Ｄｅ（mm）を定めることによってなされている。尚、酸素含有ガスとして酸素ガスを単独で供給する場合には、酸素含有ガスの供給速度Ｆは送酸速度Ｆに一致する。
【００１４】
【数１】
2006097047.tif 000002
【００１５】
【数２】
2006097047.tif 000003
【００１６】
ここで、ラバールノズル１孔当たりの酸素含有ガスの供給速度Ｆｈは、ラバールノズルのスロート径Ｄｔの総断面積に対する個々のラバールノズルのスロート径Ｄｔの断面積の比と、酸素含有ガスの供給速度Ｆとを乗算することにより求めることができ、通常、複数個のラバールノズルを設置する場合には、各ラバールノズルのスロート径Ｄｔを実質的に同一とするので、酸素含有ガスの供給速度Ｆをラバールノズルの設置個数で除算することにより求めることができる。又、設計雰囲気圧Ｐｅとはラバールノズルの外部の雰囲気圧力であり、真空脱炭精錬の場合には減圧下の槽内雰囲気圧力のなかから任意に選択されるものである。真空脱炭精錬の場合には槽内の雰囲気圧力が変動するため、設計雰囲気圧Ｐｅを一定値として決めることができず、従って、減圧下の槽内雰囲気圧力のなかから任意に選択することになる。但し、後述するように、任意に選択するとはいえども好ましい範囲が存在する。これらの設計雰囲気圧Ｐｅ及びノズル背圧Ｐｏは絶対圧で表示したものである。即ち、大気圧と同一の圧力の場合を１０１．３ｋPa（１気圧）とした圧力である。
【００１７】
この形状のラバールノズルから噴射される酸素ジェットのラバールノズル出口での噴出流速Ｖｏ（ｍ／秒）は、下記の（３）式によって求めることができる。尚、（１）式、（２）式及び（３）式は、ラバールノズルにおいて成り立つ関係式であり、ラバールノズルの設計時に使用される式として周知の式である。また、ラバールノズルにおいては、減圧下の槽内の雰囲気圧力Ｐeaが設計雰囲気圧Ｐｅと一致する時点で、ラバールノズルから噴出される酸素ジェットは適正に膨張して最高流速になり、一方、槽内の雰囲気圧力Ｐeaが設計雰囲気圧Ｐｅと乖離するに伴って酸素ジェットは過膨張或いは不足膨張となり、酸素ジェットの噴出流速は低下する。
【００１８】
【数３】
2006097047.tif 000004
【００１９】
このようにして設計されるラバールノズルが備えられた上吹きランスを用い、減圧された雰囲気下において酸素含有ガスを供給する場合、酸素ジェットに影響を及ぼす条件としては、ランス高さ（上吹きランス先端と溶鋼湯面との距離）、槽内の雰囲気圧力Ｐea、ラバールノズルの形状及びノズル背圧Ｐｏなどの条件があり、これらのうちの１つが変化すると酸素ジェットの作用は大きく変化する。また、減圧下における酸素ジェットの挙動は大気下での挙動とは全く異なっており、従来、転炉などで培われてきた情報は利用することができない。
【００２０】
本発明者等は、ラバールノズルの形状及び酸素含有ガスの供給条件と、脱炭挙動及び溶鋼飛散挙動との関係を詳細に調査した結果、設備の規模、雰囲気圧力、酸素含有ガスの供給速度を含むあらゆる条件での減圧下における上吹き超音速酸素ジェットの挙動が明らかとなり、溶鋼面での酸素ジェットの到達圧力と脱炭挙動及び溶鋼飛散挙動との関係を明確化することができた。
【００２１】
そこで、これら条件の変化による作用を、吹込まれた酸素ジェットの中心軸上の溶鋼湯面における到達圧力の指標であるパラメータＰで判定することとした。このパラメータＰを実験的に求めるに当たり、先ず、酸素ジェットの溶鋼浴面における流速Ｖを実験的に求めた。酸素ジェットの溶鋼浴面における流速Ｖが大きいほど溶鋼湯面における到達圧力は大きくなり、パラメータＰは、酸素ジェットの溶鋼浴面における流速Ｖに比例することになるからである。実験は、種々の出口径Ｄｅ（mm）及びスロート径Ｄｔ（mm）を有するラバールノズルを用い、ランス高さ、雰囲気圧力Ｐea（ｋPa）及びノズル背圧Ｐｏ（ｋPa）を変化させて行い、減圧雰囲気下での超音速酸素ジェットの溶鋼湯面における流速Ｖ（ｍ／秒）を実測した。その結果、酸素ジェットの溶鋼湯面における流速Ｖ（ｍ／秒）の回帰式として下記の（４）式を導出した。但し、（４）式におけるＶｏは（３）式によって算出される酸素ジェットのラバールノズル出口での噴出流速（ｍ／秒）、Ｐeaは雰囲気圧力（ｋPa）、Ｌｈはランス高さ（mm）、Ｄｅはラバールノズルの出口径（mm）である。
【００２２】
【数４】
2006097047.tif 000005
【００２３】
（４）式によって定まる酸素ジェットの溶鋼湯面における流速Ｖ（ｍ／秒）と雰囲気圧力Ｐea（ｋPa）とから、溶鋼湯面への到達圧力の指標であるパラメータＰ（−）の回帰式として下記の（５）式を導出した。
【００２４】
【数５】
2006097047.tif 000006
【００２５】
そして、この到達圧力の指標であるパラメータＰが０．５より小さくなる場合には、酸素ジェットが浴面まで十分には届かなくなり、脱炭酸素効率が大きく減少することが分かった。逆にパラメータＰが２．０よりも大きくなる場合には、酸素ジェットが溶鋼浴面に強く当たり過ぎ、溶鋼飛散を助長するなどの問題を引き起こすことが分かった。従って、パラメータＰが０．５〜２．０の範囲内に収まるように酸素含有ガスの供給条件を制御することにより、脱炭及び鉄飛散の両面において適切な到達圧力が得られ、特にパラメータＰが０．８〜１．７の範囲がより好ましい範囲であることが分かった。即ち、雰囲気圧力Ｐea及び設備の規模要因を考慮した溶鋼表面への酸素含有ガスの到達圧力に相当するパラメータＰに基づいて酸素含有ガス供給条件を制御することで、溶鋼量などの規模の差に拘わらず、高効率かつ溶鋼飛散の少ない真空脱炭精錬が可能になるとの知見が得られた。また、溶鋼条件によっては最適条件がばらつく場合もあるため、上記のパラメータＰの範囲内で且つパラメータＰの変動幅が０．５以下となるように供給条件を調整すると更に効果が大きくなることも分かった。この供給条件の調整は連続的に行なうことが好ましいが、段階的に行なっても問題はない。
【００２６】
本発明は上記検討結果に基づきなされたもので、第１の発明に係る溶鋼の真空脱炭精錬方法は、その先端にラバールノズルが設置された上吹きランスを用い、大気圧よりも低い圧力の雰囲気下において溶鋼に向けて酸素含有ガスを吹き付けて脱炭精錬するに際し、前記雰囲気の圧力が４０ｋPa以下の条件下で、ラバールノズルのスロート径（Ｄｔ）及び出口径（Ｄｅ）と、ラバールノズル１孔当たりの酸素含有ガスの供給速度（Ｆｈ）と、ノズル背圧（Ｐｏ）と、設計雰囲気圧（Ｐｅ）とが、上記の（１）式及び（２）式を満足する形状のラバールノズルを使用し、上記の（３）式、（４）式及び（５）式から算出されるパラメータＰが０．５〜２．０となるように、雰囲気圧力に応じて上吹きランスのランス高さ及び酸素含有ガスの供給速度のうちの少なくとも１つを調整することを特徴とするものである。
【００２７】
第２の発明に係る溶鋼の真空脱炭精錬方法は、第１の発明において、前記上吹きランスからの酸素含有ガスの吹き付け開始時の雰囲気圧力（Ｐea）を１３．３ｋPa以上とすることを特徴とするものである。
【００２８】
第３の発明に係る溶鋼の真空脱炭精錬方法は、第１または第２の発明において、前記設計雰囲気圧（Ｐｅ）を、１３．３ｋPa以上で且つ上吹きランスからの酸素含有ガス吹き付け時における雰囲気の最大圧力を超えない範囲とすることを特徴とするものである。
【００２９】
第４の発明に係る溶鋼の真空脱炭精錬方法は、第１ないし第３の発明の何れかにおいて、前記上吹きランスからの酸素含有ガスの吹き付け終了時の雰囲気圧力（Ｐea）を６．７ｋPa以上とすることを特徴とするものである。
【００３０】
第５の発明に係る溶鋼の真空脱炭精錬方法は、第１ないし第４の発明の何れかにおいて、前記上吹きランスからの酸素含有ガスの吹き付け開始時での溶鋼中炭素濃度を０．０４質量％以上とすることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、大気圧よりも低い減圧下においてラバールノズルが配置された上吹きランスから溶鋼に向けて酸素含有ガスを吹き付けて溶鋼を脱炭精錬するに際し、溶鋼湯面における酸素ジェットの動圧の指標であるパラメータＰが０．５〜２．０の範囲内となるように、雰囲気圧力に応じて上吹きランスのランス高さまたは酸素含有ガスの供給速度を調整するので、幅広い雰囲気圧力の変動範囲においても溶鋼湯面における酸素ジェットの動圧が適正化され、高い脱炭酸素効率が維持されると同時に、地金飛散が抑制されて設備への地金付着を低減することが可能となり、減圧下における溶鋼の脱炭精錬コストを大幅に削減することが達成され、工業上有益な効果がもたらされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、本発明を具体的に説明する。高炉から出銑された溶銑を溶銑鍋やトーピードカーなどの溶銑保持・搬送用容器で受銑し、次工程の脱炭精錬を行なう転炉に搬送する。この搬送途中で溶銑に対して脱燐処理或いは脱硫処理などの溶銑予備処理を施すこともできる。この溶銑を転炉において脱炭精錬し、得られた溶鋼を転炉から取鍋に出鋼し、次いで、この溶鋼を、ＲＨ真空脱ガス設備、ＤＨ真空脱ガス設備、或いはＶＯＤ設備など、大気圧よりも減圧した雰囲気下において上吹きランスから溶鋼に向けて、酸素ガス、空気、酸素富化空気、Ａｒガスで希釈した酸素ガスなどの酸素含有ガスを吹き付け、溶鋼を脱炭精錬することのできる真空脱ガス設備に搬送し、本発明に係る真空脱炭精錬を実施する。この場合、使用する溶鋼としては、高炉から出銑された溶銑を転炉で脱炭精錬した溶鋼に限るものではなく、鉄スクラップなどを電気炉で溶解して精錬した溶鋼であってもよい。
【００３３】
溶鋼を処理する真空脱ガス設備の代表的な設備はＲＨ真空脱ガス設備であり、以下、真空脱ガス設備としてＲＨ真空脱ガス設備を用い、酸素含有ガスとして酸素ガスを使用し、上吹き送酸して真空脱炭精錬する例で本発明を説明する。先ず、ＲＨ真空脱ガス設備について説明する。図１に、本発明に係る真空脱炭精錬方法を実施する際に用いたＲＨ真空脱ガス設備の概略断面図を示し、図２に、図１に示す上吹きランスの概略拡大断面図、図３に、図２に示す上吹きランスの先端に設置されるラバールノズルの概略断面図を示す。
【００３４】
図１に示すように、ＲＨ真空脱ガス設備１は、上部槽６及び下部槽７からなる真空槽５と、下部槽７の下部に設けられた上昇側浸漬管８及び下降側浸漬管９とを備え、上部槽６には、排気装置（図示せず）と接続するダクト１１と、原料投入口１２と、真空槽５の内部を上下方向に移動可能な上吹きランス１３とが備えられ、また、上昇側浸漬管８には環流用ガス吹込管１０が設けられている。環流用ガス吹込管１０からは環流用ガスとしてＡｒガスが上昇側浸漬管８の内部に吹き込まれる構造となっている。上吹きランス１３の先端と真空槽５の内部の溶鋼３の湯面との距離Ｌｈをランス高さと称す。
【００３５】
上吹きランス１３は、図２に示すように、円筒状のランス本体１４と、このランス本体１４の下端に溶接などにより接続されたランスノズル１５とで構成されており、そして、ランス本体１４は、外管２０、中管２１、内管２２からなる同心円状の３種の鋼管、即ち三重管で構成され、銅製のランスノズル１５のほぼ中心位置には、鉛直下向き方向を向いた中心孔としてラバールノズル１６が設置されている。外管２０と中管２１との間隙、及び、中管２１と内管２２との間隙は、上吹きランス１３を冷却するための冷却水の流路となっており、また、内管２２の内部はラバールノズル１６への酸素ガスの供給流路となっており、上吹きランス１３の上端部から内管２２内に供給された酸素ガスは、内管２２の内部を通り、ラバールノズル１６から真空槽５の内部に噴出される。
【００３６】
ラバールノズル１６は、図３に示すように、その断面が縮小する部分と拡大する部分の２つの円錐体で構成された形状であり、ラバールノズル１６においては、縮小部分は絞り部１７、拡大部分はスカート部１９、絞り部１７からスカート部１９に遷移する部位であって最も狭くなった部位はスロート１８と呼ばれている。ランス本体１４の内部を通ってきた酸素ガスは、絞り部１７、スロート１８、スカート部１９を順に通って、超音速または亜音速のジェットとして噴射される。図３中のＤｔはスロート径、Ｄｅは出口径であり、スカート部１９の広がり角度θは通常１０°以下である。
【００３７】
尚、図３に示すラバールノズル１６では、絞り部１７及びスカート部１９が円錐体であるが、ラバールノズル１６としては絞り部１７及びスカート部１９は円錐体である必要はなく、内径が曲線的に変化する曲面で構成してもよく、また、絞り部１７はスロート１８と同一の内径であるストレート状の円筒形としてもよい。絞り部１７及びスカート部１９を、内径が曲線的に変化する曲面で構成する場合には、ラバールノズル１６として理想的な流速分布が得られるが、ノズルの加工が極めて困難であり、一方、絞り部１７をストレート状の円筒形とした場合には、理想的な流速分布とは若干解離するが、使用には全く問題とならず、且つ、ノズルの加工が極めて容易となる。本発明ではこれら全ての末広がりのノズルをラバールノズル１６と称することとする。
【００３８】
このように構成されているＲＨ真空脱ガス設備１において、先ず、溶鋼３を収納する取鍋２を真空槽５の直下に搬送し、取鍋２を昇降装置（図示せず）によって上昇させ、上昇側浸漬管８及び下降側浸漬管９を取鍋２に収容された溶鋼３に浸漬させる。次いで、環流用ガス吹込管１０から上昇側浸漬管８の内部にＡｒガスを環流用ガスとして吹き込むと共に、真空槽５の内部をダクト１１に連結される排気装置にて排気して真空槽５の内部を減圧する。真空槽５の内部が減圧されると、取鍋２に収容された溶鋼３は、環流用ガス吹込管１０から吹き込まれるＡｒガスと共に上昇側浸漬管８を上昇して真空槽５の内部に流入し、その後、下降側浸漬管９を介して取鍋２に戻る流れ、所謂、環流を形成してＲＨ真空脱ガス精錬が施される。取鍋２の内部には転炉や電気炉などの前工程の精錬で発生したスラグ４が一部混入し、溶鋼３の湯面を覆っている。
【００３９】
このＲＨ真空脱ガス精錬中に、上吹きランス１３から酸素ガスを真空槽５の内部の溶鋼３に向けて吹き付けて供給し、溶鋼３に真空脱炭処理を施す。酸素ガスの供給量即ち送酸速度Ｆ（Nm3 ／hr）は、溶鋼３の真空脱炭処理前の炭素濃度と真空脱炭終了時の目標炭素濃度との差、溶鋼量、及び、真空脱炭処理時間などから経験的に定めることができ、例えば、溶鋼トン当たり０．１〜０．２Nm3 ／分の酸素ガスを供給することのできる送酸速度とすればよい。この場合、ノズル背圧Ｐｏ（ｋPa）は送酸速度Ｆ（Nm3 ／hr）が決まれば、同一の上吹きランス１３を使用する限り、前述した（１）式によって一義的に決定される。
【００４０】
上吹きランス１３に配置されるラバールノズル１６は、スロート径Ｄｔ（mm）及び出口径Ｄｅ（mm）が、ラバールノズル１孔当たりの送酸速度Ｆｈ（Nm3 ／hr）（この場合はノズル孔が１つであるので送酸速度Ｆと同一）と、ノズル背圧Ｐｏ（ｋPa）と、設計雰囲気圧Ｐｅ（ｋPa）とから、前述した（１）式及び（２）式によって予め決定されて製作されたものである。この場合に設計雰囲気圧Ｐｅは、上吹きランス１３から酸素ガスを供給している期間の真空槽５の内部の雰囲気圧力Ｐeaと同等の値とすることとする。特に、真空槽５の内部の雰囲気圧力Ｐeaが１３．３ｋPa（１００torr）以上の場合から上吹き送酸脱炭を実施する近年の真空脱炭精錬においては、設計雰囲気圧Ｐｅを１３．３ｋPa（１００torr）以上で、且つ、上吹きランス１３からの送酸時における雰囲気圧力Ｐeaの最大圧力を超えない範囲とすることが好ましい。設計雰囲気圧Ｐｅをこのように設定することで、溶鋼３の炭素濃度が高く、脱炭速度を高める必要のある、雰囲気圧力Ｐeaの比較的高い領域において酸素ジェットは適正膨張となるために酸素ジェットの動圧が高くなり、脱炭反応効率が向上すると同時に、雰囲気圧力Ｐeaの低くなる送酸脱炭末期の領域においては不足膨張となって酸素ジェットの動圧上昇を抑制することが可能となり、地金飛散を効率的に防止することが可能となる。
【００４１】
このようにして設計されたラバールノズル１６を備えた上吹きランス１３を用い、前述した（３）式〜（５）式によって算出されるパラメータＰが０．５〜２．０の範囲となるように、望ましくは０．８〜１．７の範囲となるように、上吹き送酸脱炭中に時々刻々変化する真空槽内の雰囲気圧力Ｐeaに応じて、ランス高さＬｈまたは送酸速度Ｆを変更する。送酸速度Ｆを変更すると、（１）式から明らかなように、ノズル背圧Ｐｏも当然変化することになる。また、パラメータＰの変動幅が小さいほど操業は安定するので、パラメータＰの変動幅が０．５以下となるようにランス高さＬｈまたは送酸速度Ｆを変更することが好ましい。ランス高さＬｈの変更のみでパラメータＰを所定の範囲内に調整できる場合には、送酸速度Ｆを変更する必要はない。本発明者等は、ほとんどの場合、ランス高さＬｈの変更のみで対処可能であることを確認している。送酸速度Ｆが大幅に異なる真空脱炭精錬を実施する場合には、その送酸速度に見合ったスロート径Ｄｔ及び出口径Ｄｅを有するラバールノズル１６が備えられた上吹きランス１３を準備しておき、上吹きランス１３を交換するなどして対処することも可能である。
【００４２】
このように、本発明方法においては溶鋼湯面における酸素ジェットの動圧の指標であるパラメータＰを、真空槽５の雰囲気圧力Ｐeaに応じて０．５〜２．０の範囲内に制御するので、真空槽５の雰囲気圧力Ｐeaが大幅に変化したとしても、溶鋼湯面における酸素ジェットの動圧が適正の範囲に制御され、高い脱炭酸素効率が維持されると同時に、地金飛散が抑制されて設備への地金付着を低減することが可能となる。
【００４３】
尚、真空槽５の雰囲気圧力Ｐeaが高くなると、溶鋼３の環流が阻害されて円滑な真空脱炭処理ができなくなるので、真空脱炭精錬中の雰囲気圧力Ｐeaは４０．０ｋPa（３００torr）以下とする必要がある。一方、真空脱炭精錬中の雰囲気圧力Ｐeaが低くなり過ぎると上吹きランス１３からの酸素ジェットによる真空槽５の内壁への地金付着が急激に増大するので、上吹き送酸脱炭中の雰囲気圧力Ｐeaは６．７ｋPa（５０torr）以上とすることが好ましい。即ち、上吹き送酸脱炭中の雰囲気圧Ｐeaは６．７〜４０．０ｋPaの範囲内とすることが好ましい。また、ＲＨ真空脱ガス設備１における全体の処理時間を短縮させる観点から、真空槽５の雰囲気圧力Ｐeaが１３．３ｋPa（１００torr）以上の比較的高い段階から、上吹きランス１３からの送酸を開始することが好ましい。このようにすることで、上吹き送酸による真空脱炭精錬に費やす時間は同等であっても、上吹き送酸脱炭を開始するまでの時間が短縮され、ＲＨ真空脱ガス精錬の全体の処理時間を短縮させることが可能となる。上吹き酸素吹錬による真空脱炭精錬においては、雰囲気圧力Ｐeaは処理時間の経過に伴って低下していくので、通常、送酸開始の雰囲気圧力Ｐeaが最も高く、送酸終了時の雰囲気圧力Ｐeaが最も低くなる。
【００４４】
また更に、溶鋼３の炭素濃度が０．０４質量％以上の場合は脱炭に及ぼす送酸速度即ち送酸条件の影響が大きいため、送酸開始前の溶鋼３の炭素濃度が０．０４質量％以上である場合に本発明方法の効果が大きくなる。送酸開始前の溶鋼３の炭素濃度が０．０５質量％以上の場合、更に効果が大きい。また、脱炭反応は溶鋼３の酸素濃度が高いほど進行するので、脱炭処理を開始する前、溶鋼３は未脱酸の状態とすることが好ましい。更に、酸素含有ガスとして、酸素ガスに代わってＡｒガスで希釈した酸素ガスなどを使用する場合には、希釈酸素ガスの供給量（供給速度Ｆ）を送酸速度Ｆの代わりに用いてラバールノズル１６を設計することで、上記説明に沿って本発明方法を実施することができる。
【００４５】
尚、上記説明はＲＨ真空脱ガス設備１における溶鋼３の真空脱炭精錬を例として説明したが、本発明は上記説明に限るものではなく、他の脱ガス設備を用いた上吹き送酸真空脱炭精錬においても同様な効果を得ることができる。また、上吹きランス１３として中心孔のみが設置された例で説明したが、複数個のノズルを有する多孔型上吹きランスであってもよい。更に、精錬剤の投射などとの技術と組み合わせてもよい。
【実施例１】
【００４６】
以下、本発明例を比較例と共に示す。先ず、酸素ガスを上吹きし、攪拌用ガスを底吹きする上底吹き複合吹錬用転炉内に約３２０トンの溶銑を装入し、主として脱炭吹錬を行なった。転炉脱炭吹錬の終了は溶鋼中炭素濃度が０．０４〜０.１２質量％となった時点とし、脱炭吹錬終了時の溶鋼温度は１６５０℃を目標とした。
【００４７】
次いで、転炉精錬によって得られた溶鋼を転炉から出鋼した後、未脱酸状態のまま、図１に示すＲＨ真空脱ガス設備に搬送し、上吹きランスからおよそ０．１４〜０．１８Nm3 ／分・t の酸素ガスを真空槽内の溶鋼湯面に供給し、上吹きランスのランス高さを変更して真空脱炭精錬を実施した。使用したラバールノズルは、設計雰囲気圧Ｐｅを２０．０ｋPaとして前述の（１）式及び（２）式を用いて設計したものを主として用い、１０．７ｋPa、２４．０ｋPa、３３．３ｋPaの設計雰囲気圧Ｐｅで設計したラバールノズルも使用した。上吹き送酸終了時の溶鋼の炭素濃度は約０．０２〜０．０６質量％であった。そして、ランス高さ、送酸速度、雰囲気圧力、ラバールノズル形状に基づき、前述した（３）式〜（５）式を用いて送酸脱炭精錬中のパラメータＰの値を求め、求めたパラメータＰと上吹きランスへの付着地金量及び脱炭酸素効率との関係を調査した。操業条件及び調査結果を表１に示す。ここで、脱炭酸素効率とは、供給した酸素ガスのうちで脱炭反応に寄与した酸素ガスの比率であり、百分率で表示している。
【００４８】
【表１】
2006097047.tif 000007
【００４９】
表１に示すように、パラメータＰが本発明の範囲にある試験Ｎo.１〜８では、地金付着が少なく、且つ、脱炭酸素効率もおよそ７０％以上の高い値を得ることができた。これに対して、パラメータＰが本発明の範囲を外れた試験Ｎo.９〜１３では、試験Ｎo.１〜８に比較して、脱炭酸素効率が低いか、或いは、地金付着が多いことが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明による精錬方法を実施する際に用いたＲＨ真空脱ガス設備の概略断面図である。
【図２】図１に示す上吹きランスの概略拡大断面図である。
【図３】図２に示す上吹きランスの先端に設置されるラバールノズルの概略断面図である。
【符号の説明】
【００５１】
１  ＲＨ真空脱ガス設備
２  取鍋
３  溶鋼
４  スラグ
５  真空槽
６  上部槽
７  下部槽
８  上昇側浸漬管
９  下降側浸漬管
１０  環流用ガス吹込管
１１  ダクト
１２  原料投入口
１３  上吹きランス
１４  ランス本体
１５  ランスノズル
１６  ラバールノズル
１７  絞り部
１８  スロート
１９  スカート部
２０  外管
２１  中管
２２  内管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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