(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
５０Ｔｏｒｒ以下の真空度で溶鋼を真空脱ガス処理する真空槽と、
前記真空槽内の溶鋼に酸素ガスを噴射する上吹きランスと
を備え、
前記上吹きランスは、スロート径が３０ｍｍ以上１４０ｍｍ以下、且つ出口径が８０ｍｍ以上１４０ｍｍ以下の１つのラバール型のノズルを先端に備え、
前記上吹きランスの下端から前記溶鋼の浴面までの高さであるランス高さを３５００ｍｍ以上５５００ｍｍ以下とし、前記酸素ガスの送酸量を２０００Ｎｍ３／ｈ以上３０００Ｎｍ３／ｈ以下とすることを特徴とする真空脱ガス装置。
【請求項２】
真空脱ガス装置の真空槽内で真空脱ガス処理される溶鋼に、上吹きランスから酸素ガスを噴射することで前記溶鋼を脱炭する際に、
５０Ｔｏｒｒ以下の真空度で前記溶鋼を真空脱ガス処理し、
スロート径が３０ｍｍ以上１４０ｍｍ以下、且つ出口径が８０ｍｍ以上１４０ｍｍ以下の１つのラバール型のノズルを先端に備える前記上吹きランスを用い、
前記上吹きランスの下端から前記溶鋼の浴面までの高さであるランス高さを３５００ｍｍ以上５５００ｍｍ以下とし、前記酸素ガスの送酸量を２０００Ｎｍ３／ｈ以上３０００Ｎｍ３／ｈ以下とすることを特徴とする真空脱ガス処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、上吹きランス、真空脱ガス装置および真空脱ガス処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
製鉄の製鋼プロセスでは、転炉等で一次精錬処理された溶鋼の成分を調整するために、ＲＨ法や、ＤＨ−ＡＤ法、ＬＶＤ法等の各種真空脱ガス方式を用いた二次精錬処理が行われる。このうち、ＲＨ法では、真空槽内で高真空に曝した溶鋼に対してＡｒガスを吹き込み、溶鋼を還流・攪拌することで、主に溶鋼中のガス成分が除去される（真空脱ガス処理）。さらに、ＲＨ法では、真空脱ガス処理中の溶鋼に対して、上吹きランスから酸素ガスを吹き付けることにより、溶鋼中の炭素が除去（脱炭）されるため、高品質な鋼を製造することができる。
【０００３】
このＲＨ法では、近年、二次精錬プロセスの効率化や処理速度の向上を目的とした様々な取り組みが行われている。例えば、特許文献１には、真空脱ガス処理中の溶鋼に対して、上吹きランスから酸素と燃料ガスとを噴出させ、燃焼させることにより、溶鋼の温度上昇を図る方法が記載されている。また、特許文献２には、真空脱ガス処理中の溶鋼に対して、複数のランスから酸素を吹き付けることにより、脱炭反応を促進させる方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第２７５９０２１号公報
【特許文献２】特開２００２−２９４３２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、ＲＨ法では、溶鋼から水素や窒素等のガス成分を除去する際、真空槽中の真空度を高めることにより、脱ガス反応が促進されることが知られている。しかし、例えば５０Ｔｏｒｒ以下の高い真空度下において、特許文献１，２に記載の方法のように上吹きランス等から酸素を溶鋼に吹き付けて脱炭処理を行う場合、吹き付ける酸素の体積が増大することで吹き付け流速が増大し、浴面動圧が高まることにより、スプラッシュの発生量が増大することが問題であった。スプラッシュは、溶鋼が表面のガス流動によって飛散する現象であり、これが生じると装置壁面や上吹きランスへの地金付着により操業が困難となる。
そこで、本発明は、上記の課題に着目してなされたものであり、酸素ガス吹き付けによる脱炭反応を伴う真空脱ガス処理において、高い真空度下でスプラッシュの発生量を低減することができる上吹きランス、真空脱ガス装置および真空脱ガス処理方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記課題の解決のためになされたものであって、以下の特徴を有している。
[１]真空脱ガス装置で用いられ、前記真空脱ガス装置の真空槽内の溶鋼に酸素ガスを噴射する上吹きランスであって、スロート径が３０ｍｍ以上７０ｍｍ以下、且つ出口径が８０ｍｍ以上１４０ｍｍ以下の１つのラバール型のノズルを先端に備えることを特徴とする上吹きランス。
[２]前記ノズルのスロート長さは、７０ｍｍ以上であることを特徴とする[１]に記載の上吹きランス。
【０００７】
[３]５０Ｔｏｒｒ以下の真空度で溶鋼を真空脱ガス処理する真空槽と、前記真空槽内の溶鋼に酸素ガスを噴射する上吹きランスとを備え、前記上吹きランスは、スロート径が３０ｍｍ以上１４０ｍｍ以下、且つ出口径が８０ｍｍ以上１４０ｍｍ以下の１つのラバール型のノズルを先端に備えることを特徴とする真空脱ガス装置。
[４]真空脱ガス装置の真空槽内で真空脱ガス処理される溶鋼に、上吹きランスから酸素ガスを噴射することで前記溶鋼を脱炭する際に、５０Ｔｏｒｒ以下の真空度で前記溶鋼を真空脱ガス処理し、スロート径が３０ｍｍ以上１４０ｍｍ以下、且つ出口径が８０ｍｍ以上１４０ｍｍ以下の１つのラバール型のノズルを先端に備える前記上吹きランスを用いることを特徴とする真空脱ガス処理方法。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の一態様によれば、酸素ガス吹き付けによる脱炭反応を伴う真空脱ガス処理において、高い真空度であってもスプラッシュの発生量を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態に係る真空脱ガス装置を示す断面図である。
【図２】上吹きランスの先端を示す一部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下の詳細な説明では、本発明の実施形態の完全な理解を提供するように多くの特定の細部について記載される。しかしながら、かかる特定の細部がなくても１つ以上の実施態様が実施できることは明らかであろう。他にも、図面を簡潔にするために、周知の構造及び装置が略図で示されている。
＜真空脱ガス装置の構成＞
はじめに、図１および図２を参照して、本発明の一実施形態に係る真空脱ガス装置１について説明する。真空脱ガス装置１は、ＲＨ方式の脱ガス装置であり、取鍋２に収容された溶鋼３に対して脱ガスや脱炭等の精錬処理を行う。溶鋼３は、予め転炉等の精錬装置において、一次精錬処理される。
【００１１】
真空脱ガス装置１は、真空槽４と、上昇側浸漬管５と、下降側浸漬管６と、ダクト７と、副原料投入管８と、上吹きランス９とを有する。
真空槽４は、内面に耐火物が設けられた略円筒容器状の容器であり、上昇側浸漬管５および下降側浸漬管６、ならびに上部にダクト７および副原料投入管８がそれぞれ接続される。
【００１２】
上昇側浸漬管５および下降側浸漬管６は、略円筒状の形状を有し、内面および下端側の外面に耐火物が設けられる。また、上昇側浸漬管５は、不図示のガス供給装置から供給されるガスを内面から吹き込むように構成される。
ダクト７は、不図示の真空排気装置と接続され、真空排気装置によって真空槽４の内部の気圧を低くすることができるように構成される。
副原料投入管８は、不図示の複数のホッパーに接続され、各ホッパーから合金鉄等の各種副原料が送られることで、真空槽４内の溶鋼３に副原料を投入する。
【００１３】
上吹きランス９は、図２に示すように、長手方向（図１，２の紙面に対する上下方向）に酸素供給路９１が内部に形成され、下端にノズル９２が設けられる。ノズル９２は、ラバール型の形状を有し、酸素供給路９１側のスロート部におけるスロート径ｄ１が３０ｍｍ以上７０ｍｍ以下、且つ下端側の出口径ｄ２が８０ｍｍ以上１４０ｍｍ以下である。スロート径ｄ１が３０ｍｍ未満または出口径ｄ２が８０ｍｍ未満となる場合、酸素ガスの動圧が過度に高くなり、スプラッシュの発生量が増大してしまう。一方、スロート径ｄ１が８０ｍｍ超または出口径ｄ２が１４０ｍｍ超となる場合、酸素ガスの動圧が過度に低くなり、脱炭速度が低下してしまう。なお、スロート径ｄ１と出口径ｄ２とは、噴出流速と動圧とが最大となる適正開口比である必要は無い。これは最適開口比から意図的に外した設計とすることで酸素ガスの噴流が広がり、火点面積の増大が見込めるためである。また、ノズル９２のスロート部から出口までの酸素ガス噴射方向の長さであるスロート長さＬは、７０ｍｍ以上であることが好ましい。スロート長さＬを７０ｍｍ以上とすることで、安定した噴流挙動を得ることができるため、酸素ガスの最適な動圧をより確実に確保することができる。さらに、上吹きランス９の真空槽４の外に配された上端側は、不図示の酸素供給装置に接続される。このような構成の上吹きランスは、酸素供給装置を介して送られる酸素ガスを、ノズル９２から真空槽４内の溶鋼３に噴射する。
【００１４】
＜真空脱ガス処理方法＞
次に、本実施形態に係る真空脱ガス処理方法について説明する。まず、真空槽４を下降させ、取鍋２内に収容された溶鋼３に上昇側浸漬管５および下降側浸漬管６を浸漬させる。なお、溶鋼３は、炭素濃度が１．０ｍａｓｓ％以下のものであればよい。溶鋼３の炭素濃度が１．０ｍａｓｓ％超となると脱炭時間が非常に長くなるため、真空脱ガス処理前に炭素濃度を１．０ｍａｓｓ％以下まで低減しておくことが望ましい。
【００１５】
次いで、真空槽４内の真空度を５０Ｔｏｒｒ以下とし、真空槽４内の所定の高さまで溶鋼３を吸い上げる。さらに、上昇側浸漬管５の内面からＡｒガスを吹き込むことにより、溶鋼３を還流させる。これにより、溶鋼３中の水素や窒素といったガス成分が除去される。なお、真空度を、真空脱ガス処理の全ての期間にわたって、１０Ｔｏｒｒ以上５０Ｔｏｒｒ以下とすることが好ましい。通常の真空脱ガス装置では、６０Ｔｏｒｒ程度の真空度で脱炭を伴う真空脱ガス処理が行われることが多いが、本実施形態では、真空度を５０Ｔｏｒｒ以下とすることで通常よりも高い脱ガス速度で処理を行うことができる。一方、真空度が１０Ｔｏｒｒ以下になると、ガスの体積膨張が激しくなり、溶鋼３の浴面における酸素ガスの動圧が低くなる可能性があるため、真空度を１０Ｔｏｒｒ以上とすることが好ましい。なお、ここで言う真空度は、絶対圧基準での真空度とする。
【００１６】
そして、溶鋼３を還流させた状態で、上吹きランス９から酸素ガスを溶鋼３に吹き込み、溶鋼３中の炭素を酸化除去する。この際、上吹きランス９の下端から溶鋼３の浴面までの高さ（ランス高さ）を３５００ｍｍ以上５５００ｍｍ以下、酸素ガスの送酸量を２０００Ｎｍ３／ｈ以上３０００Ｎｍ３／ｈ以下とすることで、一般的なＲＨ方式の真空脱ガス装置１において適用することができる。また、炭素の酸化除去によって生じるＣＯ気泡によってもガス成分が除去される。酸素ガスの吹込みは、所定量の酸素ガスが吹き込まれるまで行われる。酸素ガスの吹込み量は、真空脱ガス処理する前の溶鋼３の炭素濃度および処理後の目標炭素濃度、ならびに処理後の目標温度等によって決定される。
【００１７】
なお、ＲＨ方式の真空脱ガス装置１において、ランス高さを３５００ｍｍ以上とすることで、上吹きランス９への地金の付着を抑えることができ、さらに酸素ガスの噴流が十分に広がった状態で溶鋼３へ到達するため、火点面積が確保され安定した脱炭速度を得ることができる。一方、ランス高さを５５００ｍｍ以下とすることで、酸素ガスが確実に溶鋼３へ到達するため、脱炭速度を十分に速くすることができる。また、脱炭反応で生じるＣＯガスによって酸素ガスの溶鋼３への到達が妨げられる可能性があるが、ランス高さを５５００ｍｍ以下とすることで、ＣＯガスの発生量に関わらず酸素ガスを確実に溶鋼３へ到達させることができる。さらに、送酸量を２０００Ｎｍ３／ｈ以上とすることで、十分な脱炭速度を得ることができる。一方、送酸量を３０００Ｎｍ３／ｈ以下とすることで、１０Ｔｏｒｒ程度の高い真空度においても、スプラッシュの発生を防止することができる。
その後、溶鋼３が所定の成分および温度となるまで溶鋼３の還流が行われることで、真空脱ガス処理が終了する。なお、真空脱ガス処理中は、必要に応じて合金鉄や脱酸剤（金属アルミ等）といった副原料が、副原料投入管８から投入される。
【００１８】
以上で、特定の実施形態を参照して本発明を説明したが、これら説明によって発明を限定することを意図するものではない。本発明の説明を参照することにより、当業者には、開示された実施形態の種々の変形例とともに本発明の別の実施形態も明らかである。従って、特許請求の範囲は、本発明の範囲及び要旨に含まれるこれらの変形例または実施形態も網羅すると解すべきである。
【００１９】
＜実施形態の効果＞
（１）本発明の一態様に係る上吹きランス９は、真空脱ガス装置１で用いられ、真空脱ガス装置１の真空槽４内の溶鋼３に酸素ガスを噴射する上吹きランス９であって、スロート径ｄ１が３０ｍｍ以上７０ｍｍ以下、且つ出口径ｄ２が８０ｍｍ以上１４０ｍｍ以下の１つのラバール型のノズル９２を先端に備える。
上記構成によれば、ノズル９２のスロート径ｄ１および出口径ｄ２を上記範囲内とすることにより、溶鋼３への酸素ガスの動圧をコントロールすることができる。このため、上記構成の上吹きランス９を用いて、酸素ガス吹き付けによる脱炭反応を伴う真空脱ガス処理を行う際に、５０Ｔｏｒｒ以下の高い真空度下においてスプラッシュの発生量を操業上の問題がない程度に低減することができる。
【００２０】
ここで、通常の真空脱ガス装置にて溶鋼３を真空脱ガス処理する場合、脱ガス反応を促進させるために真空度を高くする必要がある。しかし、真空度が高い程ガスの体積が増加してスプラッシュが発生し易くなるため、高い真空度での真空脱ガス処理中に脱炭を行う場合、吹き込む酸素ガスや発生するＣＯガスによるスプラッシュの発生が問題となる。このため、例えば５０Ｔｏｒｒ以下の真空度で脱炭反応を伴う真空脱ガス処理をするには、上吹きランスから噴射される酸素ガスの送酸速度を低くする必要があった。送酸速度を低くすることでガス成分の体積が小さくなり、スプラッシュの発生を抑えることができる。一方で脱炭速度が低くなるため、真空脱ガス処理に掛かる時間が長くなることが問題であった。しかし、上記構成によれば、送酸速度を低くすることなく、高い真空度での真空脱ガス処理を安定して行うことができるようになるため、脱ガス効率および脱炭速度を共に向上させることができる。これにより、高い真空脱ガス処理に掛かる時間を短くすることができ、生産性を向上させることができる。
【００２１】
さらに、脱炭反応を伴う真空脱ガス処理では、溶鋼３の炭素濃度が高くなるに従い、処理中に発生するＣＯガスの発生量が増加する。また高真空下では、発生したＣＯガスが膨張し、それによって溶鋼３が泡立って跳ね上がるため、スプラッシュの発生量が増大する。このため、高い炭素濃度（特に、０．３ｍａｓｓ％以上の炭素濃度）の溶鋼３を脱炭する際にはスプラッシュの発生が問題となる。しかし、上記構成によれば、真空脱ガス装置１で高い炭素濃度の溶鋼３を脱炭する場合でも、スプラッシュの発生を低減することができ、安定して処理を行うことができる。
（２）上記（１）の構成において、ノズル９２のスロート長さＬは、７０ｍｍ以上である。
上記構成によれば、（１）のみの構成に比べ、安定した噴流挙動を得ることができるため、酸素ガスの最適な動圧をより確実に実現することができる。
【００２２】
（３）本発明の一態様に係る真空脱ガス装置１は、５０Ｔｏｒｒ以下の真空度で溶鋼３を真空脱ガス処理する真空槽４と、真空槽４内の溶鋼３に酸素ガスを噴射する上吹きランス９とを備え、上吹きランス９は、スロート径ｄ１が３０ｍｍ以上１４０ｍｍ以下、且つ出口径ｄ２が８０ｍｍ以上１４０ｍｍ以下の１つのラバール型のノズル９２を先端に備える。
【００２３】
（４）本発明の一態様に係る真空脱ガス処理方法は、真空脱ガス装置１の真空槽４内で真空脱ガス処理される溶鋼３に、上吹きランス９から酸素ガスを噴射することで溶鋼３を脱炭する際に、５０Ｔｏｒｒ以下の真空度で溶鋼３を真空脱ガス処理し、スロート径ｄ１が３０ｍｍ以上１４０ｍｍ以下、且つ出口径ｄ２が８０ｍｍ以上１４０ｍｍ以下の１つのラバール型のノズル９２を先端に備える上吹きランス９を用いる。
【００２４】
上記（３），（４）の構成によれば、（１）と同様な効果を得ることができる。また、５０Ｔｏｒｒ以下の真空度でも、脱炭反応を伴う真空脱ガス処理を行うことができるようになるため、脱ガス効率を向上させることができる。さらに、例えば特許文献２の方法のように、動圧を低減させるために複数のランスや付帯設備を設ける必要がなく、上吹きランス自体を変更するだけで一般的な真空脱ガス装置に本発明を適用することができる。このため、設備の導入や維持に掛かるコストを低減させることができる。
【実施例】
【００２５】
次に、本発明者らが行った実施例について説明する。実施例では、上記実施形態と同様にＲＨ方式の真空脱ガス装置１を用いて、炭素濃度が０．３ｍａｓｓ％程度の溶鋼３について、脱炭反応を含む真空脱ガス処理をした。この際、上吹きランス９のスロート径ｄ１や出口径ｄ２、真空度、ランス高さ、送酸量といった条件を変え、これらの条件がスプラッシュの発生量や精錬効率に与える影響について確認をした。また、スロート長さＬは、全ての条件において７０ｍｍとした。なお、実施例では、実操業下で上吹きランス９の交換を頻繁に行うことが困難であったことから、一部の条件については実機の真空脱ガス装置１を用いて処理を行い、その他の条件については実機で得られた結果と数値解析とから評価を行った。数値解析による評価では、上昇側浸漬管５および下降側浸漬管６よりも下側の領域については解析モデルに含めずに、真空槽４内の領域についての解析モデルを用いて数値解析を行い、さらに溶鋼３の浴面よりも上側の領域について各種評価を行った。
【００２６】
表１に、実施例における真空度、スロート径ｄ１、出口径ｄ２、ランス高さおよび送酸量の条件と、評価の結果とを示す。なお、実施例では、上記実施形態に係る上吹きランスを用いた真空脱ガス処理の条件として、ノズル９２の形状や真空度、ランス高さ、送酸量の条件を変えた実施例１〜２３の２３条件で真空脱ガス処理を行った。また、スロート径ｄ１および出口径ｄ２の条件が上記実施形態と異なる比較例として、比較例１〜１１の１１条件で真空脱ガス処理を行った。
【００２７】
表１に示すように、実施例では、スプラッシュの発生量の評価として、真空脱ガス処理後の上吹きランス９への地金の付着量を用いた。つまり、上吹きランス９に付着した地金の量からスプラッシュの発生量を判断した。そして、通常行われている条件となる比較例１に対して地金の付着量が同等または少なければ「○」とし、比較例１に対して地金の付着量が多ければ「×」とした。なお、数値解析による評価の場合、気液二相の解析モデルを用いて解析を行うことでスプラッシュの発生量を推定し、比較例１の条件におけるスプラッシュの発生量と比較することで評価を行った。
【００２８】
また、脱炭速度の評価では、真空脱ガス処理中に発生する排ガス量および排ガス中のＣＯガス濃度から脱炭速度を測定した。なお、数値解析による評価の場合、実際に真空脱ガス処理を行った条件での脱炭速度と、各条件における計算上の動圧との関係を調べ、得られたこの関係と、数値解析による評価を行う条件での計算上の動圧とから脱炭速度を推定した。例えば、計算上の動圧が同程度である場合、脱炭速度も同程度であるとみなした。
【００２９】
さらに、脱ガス速度の評価では、真空脱ガス処理中の溶鋼３中の窒素濃度および水素濃度をそれぞれ測定し、脱ガス速度として脱窒素速度および脱水速度を算出した。そして、比較例１に対して、脱ガス速度が向上していれば「○」または「◎」とし、特に顕著に向上した場合を「◎」とした。そして、最終的な評価として、スプラッシュの評価が「○」、且つ脱炭速度が比較例１の脱炭速度以上、且つ脱ガス速度の評価が「○」または「◎」であった条件を「○」として、これらの評価のうち少なくとも１つが条件を外れたものについては「×」とした。
【００３０】
【表１】
0006372540.tif 000002
【００３１】
実施例の結果、比較例２〜１１および実施例１〜２３の条件では、５０Ｔｏｒｒ以下と高い真空度にすることで、比較例１よりも脱ガス速度が速くなることを確認した。特に、真空度を３０Ｔｏｒｒ以下とすることで、より高い脱ガス速度が得られた。
また、上記実施形態の条件と異なり、スロート径ｄ１を２０ｍｍおよび出口径ｄ２を６０ｍｍ以下とした比較例２〜４の場合、スプラッシュの発生量が多くなった。さらに、スロート径ｄ１を２０ｍｍもしくは８０ｍｍとした比較例５〜８，１０，１１、または出口径ｄ２を６０ｍｍとした比較例９の場合、脱炭速度が０．００４ｍａｓｓ％／ｍｉｎとなり、比較例１に比べ低下した。つまり、比較例２〜１１では、スロート径ｄ１および出口径ｄ２の少なくともいずれかの条件が、上記実施形態の範囲を超えることで、スプラッシュの発生量および脱炭速度の少なくともいずれかの評価が悪くなることを確認した。
【００３２】
一方、実施例１〜２３の条件では、スロート径ｄ１、出口径ｄ２、真空度、ランス高さおよび送酸量に関わらず、すべての条件において、スプラッシュの発生量および脱炭速度の評価がよくなることを確認した。つまり、上記実施形態の構成とすることにより、５０Ｔｏｒｒ以下の真空度であっても、操業上問題になるようなスプラッシュの発生が防止され、さらに、脱炭速度および脱ガス速度が速くなることを確認できた。
【符号の説明】
【００３３】
１  真空脱ガス装置
２  取鍋
３  溶鋼
４  真空槽
５  上昇側浸漬管
６  下降側浸漬管
７  ダクト
８  副原料投入管
９  上吹きランス
９１  酸素供給路
９２  ノズル
ｄ１  スロート径
ｄ２  出口径
Ｌ  スロート長さ
【図１】
0006372540.tif 000003
【図２】
0006372540.tif 000004