(57)【要約】【課題】  含クロム溶鋼の浴中に、酸化性ガスおよび／または非酸化性ガスを精錬炉の側壁から吹き込みながら精錬する含クロム溶鋼の精錬方法において、従来の溶鋼形状および精錬炉では炉寿命および脱炭効率を向上できなかった。【解決手段】  溶鋼界面積Ｓ１、耐火物施工直後の炉底部の断面積Ｓ２、静止浴面位置から前記ガスが吹き込まれる位置までの浴深Ｈ、酸化性ガスの流量Ｑ１および非酸化性ガスの流量Ｑ２が下記の１式乃至３式を満足するようにする。１．２≦Ｓ１／Ｓ２≦２・・・（１式）５≦Ｓ１／Ｈ≦１４・・・（２式）７≦（Ｑ１＋２．５×Ｑ２）×Ｓ１／Ｈ≦２２・・・（３式）    また、金属製の炉殻の最大直径Ｄ１と該炉殻の内部に耐火物を施工した直後の炉底部に相当する位置の直径Ｄ２が下記４式を満足する炉殻形状を有する精錬炉にする。０．７５≦Ｄ２／Ｄ１≦０．９５・・・（４式）【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属製の炉殻の内側に耐火物を施工した精錬炉に装入した含クロム溶鋼中に、酸化性ガスおよび／または非酸化性ガスを該炉の側壁から吹き込みながら該溶鋼を精錬する方法において、該溶鋼の静止浴面と該浴面上に存在するスラグとの界面積Ｓ１と耐火物を施工した直後の炉底部の位置における該溶鋼の断面積Ｓ２が下記１式を満足することを特徴とする含クロム溶鋼の精錬方法。
１．２≦Ｓ１／Ｓ２≦２．０・・・（１式）
【請求項２】
前記界面積Ｓ１と前記含クロム溶鋼の静止浴面位置から前記ガスが吹き込まれる位置までの浴深Ｈが下記２式を満足することを特徴とする請求項１記載の含クロム溶鋼の精錬方法。
５≦Ｓ１／Ｈ≦１４・・・（２式）
【請求項３】
前記界面積Ｓ１、前記浴深Ｈ、酸化性ガスの流量Ｑ１および非酸化性ガスの流量Ｑ２が下記３式を満足することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の含クロム溶鋼の精錬方法。
７≦（Ｑ１＋２．５×Ｑ２）×Ｓ１／Ｈ≦２２・・・（３式）
ここで、
Ｑ１：１トン当たりの含クロム溶鋼中に吹き込まれる酸化性ガスの流量（Ｎｍ3／ｔ／ｍｉｎ）
Ｑ２：１トン当たりの含クロム溶鋼中に吹き込まれる非酸化性ガスの流量（Ｎｍ3／ｔ／ｍｉｎ）
【請求項４】
前記含クロム溶鋼の炭素濃度が略０．５質量％以下になった後は、精錬炉内を略３００Ｔｏｒｒ以下に減圧して精錬することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の含クロム溶鋼の精錬方法。
【請求項５】
前記精錬炉における金属製の炉殻の最大直径Ｄ１と該炉殻の内部に耐火物を施工した直後の炉底部に相当する位置の直径Ｄ２が下記４式を満足する炉殻形状を有する精錬炉を用いることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の含クロム鋼の精錬方法。
０．７５≦Ｄ２／Ｄ１≦０．９５・・・（４式）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、含クロム溶鋼の精錬方法に係わり、精錬炉の使用可能回数を延長できると共に、脱炭効率を向上できる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ステンレス鋼等の含クロム鋼を溶製するには、予め電気炉等で合金原料およびスクラップを溶解することにより、クロムや略１．７質量％の炭素を含有した溶鋼（以下、含クロム溶鋼という）を溶製する。次に、この含クロム溶鋼を別の精錬炉でさらに脱炭等の精錬を行い、目的とする組成の溶鋼（炭素濃度は、概ね０．１質量％以下）としている。
【０００３】
ところで、この脱炭は、酸素ガスを多量に吹き込むことによって行われる。このとき、クロムが酸化されてスラグへ移行し、含クロム溶鋼のクロム濃度が低下する、所謂酸化ロスが発生する。
【０００４】
このため、一般的な精錬方法では、炭素濃度が目的の値まで低下した段階で、非酸化性ガスのみを吹き込みながら、溶鋼中にフェロシリコン等の還元材を添加することにより、スラグに移行したクロム酸化物を還元し、金属クロムを溶鋼に移行させる操業が実施されている。
【０００５】
従って、含クロム溶鋼の精錬では、精錬の効率化および製造コストの削減を達成するためには、酸化ロスを低減し、還元用フェロシリコンの使用量を削減することが必要である。このことは、言い換えると、吹き込んだ酸素ガスが脱炭に利用された割合を示す「脱炭酸素効率」を向上させることが必要である。
【０００６】
この脱炭酸素効率を向上できる方法としては、精錬炉の側壁に設けた羽口から含クロム溶鋼中に脱炭のための酸素ガスとクロムの酸化を抑制するためのアルゴン等の非酸化性ガスを混合したガスを吹き込む方法、所謂ＡＯＤ法（例えば、非特許文献１参照、以下、単にＡＯＤ法と称す）が広く使用されている。この方法では、多量の非酸化性ガスも吹き込まれるので大きな攪拌効果が得られると共に一酸化炭素の分圧を下げることができるために、酸化ロスを極力抑制しながら脱炭できる。
【０００７】
また、ＡＯＤ法の脱炭酸素効率を更に向上させるための方法として、含クロム溶鋼の炭素濃度が概ね０．２％以下になった後は、精錬炉内を略２００Ｔｏｒｒ以下に減圧すると共に、吹き込みガスとして非酸化性ガスのみを用いて精錬を施したものがある（例えば、特許文献１参照、以下、真空ＡＯＤ法と称す）。
【０００８】
この方法に従えば、圧力が低いため、非酸化性ガスはその流量が少なくても大きな攪拌作用を及ぼすので溶鋼中の炭素とスラグ中のクロム酸化物との反応、即ち脱炭とクロム酸化物の還元反応、が促進されるために脱炭酸素効率を更に向上できる。
【０００９】
また、ＡＯＤ法あるいは転炉法での脱炭酸素効率を向上させるための方法には、含クロム溶鋼の静止浴面位置から酸素ガス又は酸素ガスと他のガスとの混合ガスが吹き込まれる位置までの浴深さ（以下、浴深と称す）、静止状態にある溶鋼の浴面（以下、溶鋼浴面と称す）とこの浴面上に存在するスラグとの界面の面積（以下、溶鋼界面積と称す）及び吹き込まれる酸化性ガスの流量を、下記５式を満足する範囲内に定めて精錬する方法がある（例えば、特許文献２参照）。
【００１０】
５≦Ｑ×Ｓ１／Ｈ≦２０・・・（５式）
ここで、
Ｑ：１トン当たりの含クロム溶鋼中に吹き込まれる酸素ガス又は酸素ガスと他のガスとの混合ガスの流量（Ｎｍ3／ｔ／ｍｉｎ）
Ｓ１：静止浴面での溶鋼界面積（ｍ2）
Ｈ：浴深（ｍ）
【００１１】
【特許文献１】特開平３−６８７１３号公報（第５頁、図１）
【特許文献２】特開２００１−１７２７１１号公報（第４頁、図１）
【非特許文献１】日本鉄鋼協会編  第３版  鉄鋼便覧  II  製銑・製鋼、丸善株式会社、１９７９年、ｐ．７１８およびｐ．８０６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
前記のように、ＡＯＤ法、更には真空ＡＯＤ法では脱炭酸素効率を向上させることができる。その反面、溶鋼形状によっては耐火物の溶損が大きく、また脱炭酸素効率が低下するという課題があった。以下、この課題について詳細に説明する。
【００１３】
ＡＯＤ法および真空ＡＯＤ法では、大きな攪拌効果のために精錬炉１回使用当たりの耐火物の溶損量（以下、耐火物の溶損率と称す）が大きく、耐火物施工１回当たりの精錬炉の使用可能回数（以下、炉寿命と称す）が短い。このため、ＡＯＤ法および真空ＡＯＤ法では、精錬炉の耐火物を頻繁に施工し直さなければならず、耐火物施工費用がかかるという課題があった。また、耐火物の施工中および炉体交換中は生産ができないために生産効率を低下させるという課題もあった。尚、真空ＡＯＤ法では、ＡＯＤ法に比べて攪拌が強いために単位時間当たりの耐火物の溶損量は増加するが、脱炭酸素効率が向上し操業時間を短縮できるため、その炉寿命はＡＯＤ法のものと概ね同じである。
【００１４】
耐火物の施工および炉体交換の頻度を少なくする方法として、炉殻の形状は従来のままで、耐火物の厚みを厚くする、特に耐火物の溶損率が大きい炉底近傍の側壁の耐火物は更に厚くすることが実施されてきた。この方法では、耐火物施工直後における溶鋼形状は、従来に比べて溶鋼界面積が狭く、溶鋼の深さは深く、また溶鋼浴面の面積に比べて炉底の面積が狭くなり過ぎる形状となる。
【００１５】
上記のような溶鋼形状では、施工直後から耐火物の溶損が比較的少ない時点の炉使用回数（以下、炉初期と称す）までは、耐火物の溶損率は耐火物を薄く施工した場合に比べて大きい。
【００１６】
また、炉初期においては、ＡＯＤ法および真空ＡＯＤ法のいずれにおいても脱炭酸素効率が低下するという課題があった。
【００１７】
一方、炉使用回数が増えて、或る程度耐火物の溶損が進行した段階（以下、炉中期と称す）では、炉初期に比べて耐火物の溶損率は小さく、また脱炭酸素効率も向上することが判明した。
【００１８】
更に炉使用回数が増えて、耐火物の厚みが薄くなり溶鋼から炉殻に伝わる熱を断熱出来なくなり、炉が使用不可能になる段階（以下、炉末期と称す）においては、耐火物の溶損率は炉中期に比べて更に小さく、しかも脱炭酸素効率は低下しないことが判明した。
【００１９】
このことは、従来の炉寿命は、脱炭酸素効率等の精錬上の制約で決まったものではなく、耐火物の厚み、即ち炉殻形状の制約で決まったものと言える。また、以上のことは、溶鋼形状および炉殻形状を工夫した精錬炉を使用すれば、脱炭酸素効率を低下させることなく、炉寿命を延長できる可能性のあることを示唆しているものと考えられる。
【００２０】
尚、前記のように炉初期の脱炭酸素効率が向上する理由の一つとして、特許文献２に記載されているように、溶鋼形状、即ち溶鋼界面積および浴深、が不利な条件であるためと考えられる。
【００２１】
従来の一般的に実施されていたＡＯＤ法による操業は、溶鋼形状によらず同一のガス流量の下で実施されており、炉初期のような溶鋼界面積Ｓ１が狭く、浴深Ｈが深い形状では前記（５）式のＱ×Ｓ１／Ｈは下限値の５に近い値であり、耐火物の溶損の進行、すなわち、Ｓ１の増加およびＨの低下とともに（５）式の上限値の２０に近づくようになる。従って、特許文献２によれば、炉初期における脱炭酸素効率を向上させるためには、ガス流量を増加させれば良いことになる。
【００２２】
しかしながら、本発明者の試行によれば、炉初期においてガス流量を増加させたとしても、脱炭酸素効率は必ずしも改善できず、攪拌力が増加するために耐火物の溶損率が大きくなり、炉寿命を低下させてしまう課題のあることが判明した。また、溶鋼形状としては、溶鋼界面積および浴深のみならず、炉底部の断面積にも依存することが判明した。
【００２３】
以上のことから、耐火物の溶損率および脱炭酸素効率を改善するためには、炉底の断面積も含めて溶鋼形状および炉殻形状を変更することが必要と考えられる。
【００２４】
本発明は、かかる事情に鑑み、耐火物の溶損率の抑制および脱炭酸素効率を向上できる含クロム溶鋼の精錬方法およびそのための精錬炉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】
【００２５】
発明者は、上記目的を達成するため、含クロム溶鋼の精錬における操業条件について鋭意研究を重ね、溶鋼形状および炉殻形状の最適化に成功し、その成果を本発明に具現化した。
【００２６】
すなわち、本発明は、
（１）金属製の炉殻の内側に耐火物を施工した精錬炉に装入した含クロム溶鋼中に、酸化性ガスおよび／または非酸化性ガスを該炉の側壁から吹き込みながら該溶鋼を精錬する方法において、該溶鋼の静止浴面と該浴面上に存在するスラグとの界面積Ｓ１と耐火物を施工した直後の炉底部の位置における該溶鋼の断面積Ｓ２が下記１式を満足することを特徴とする含クロム溶鋼の精錬方法である。
１．２≦Ｓ１／Ｓ２≦２・・・（１式）
（２）前記界面積Ｓ１と前記含クロム溶鋼の静止浴面位置から前記ガスが吹き込まれる位置までの浴深Ｈが下記２式を満足することを特徴とする前記（１）記載の含クロム溶鋼の精錬方法である。
５≦Ｓ１／Ｈ≦１４・・・（２式）
（３）前記界面積Ｓ１、前記浴深Ｈ、酸化性ガスの流量Ｑ１および非酸化性ガスの流量Ｑ２が下記３式を満足することを特徴とする前記（１）乃至前記（２）記載の含クロム溶鋼の精錬方法である。
７≦（Ｑ１＋２．５×Ｑ２）×Ｓ１／Ｈ≦２２・・・（３式）
ここで、
Ｑ１：１トン当たりの含クロム溶鋼中に吹き込まれる酸化性ガスの流量（Ｎｍ3／ｔ／ｍｉｎ）
Ｑ２：１トン当たりの含クロム溶鋼中に吹き込まれる非酸化性ガスの流量（Ｎｍ3／ｔ／ｍｉｎ）
（４）前記含クロム溶鋼の炭素濃度が略０．５質量％以下になった後は、精錬炉内を略３００Ｔｏｒｒ以下に減圧して精錬することを特徴とする前記（１）乃至前記（３）記載の含クロム溶鋼の精錬方法である。
（５）前記精錬炉における金属製の炉殻の最大直径Ｄ１と該炉殻の内部に耐火物を施工した直後の炉底部に相当する位置の直径Ｄ２が下記４式を満足する炉殻形状を有する精錬炉を用いることを特徴とする（１）乃至（４）のいずれかに記載の含クロム鋼の精錬方法である。
０．７５≦Ｄ２／Ｄ１≦０．９５・・・（４式）
【発明の効果】
【００２７】
第１の発明は、含クロム溶鋼の精錬に際して、溶鋼形状、特に溶鋼界面積と炉底部の断面積の比を適正化して溶鋼および吹き込みガスの流れを制御することにより、耐火物の溶損率を抑制して炉寿命を延長でき、しかも脱炭酸素効率を向上できる。
【００２８】
第２の発明は、第１の発明に加えて、溶鋼界面積と浴深の比を適正化することにより、更に耐火物の溶損率を抑制して炉寿命を延長でき、しかも脱炭酸素効率を向上できる。
【００２９】
第３の発明は、第１乃至第２の発明に加えて、吹き込むガス流量を適正化することにより、攪拌力を低下させることなく、脱炭酸素効率を向上できる。
【００３０】
第４の発明は、第１乃至第３の発明に加えて、減圧下で精錬することにより、脱炭酸素効率を更に向上できる。
【００３１】
第５の発明は、含クロム溶鋼の精錬炉において、最小限の耐火物の使用量で、しかも多回数の使用においても第１乃至第２の発明の溶鋼形状を維持できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、発明をなすに至った経緯に沿い、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳しく説明する。
【００３３】
まず、発明者は、前記した３つの問題点、つまり
１．ＡＯＤ法では耐火物の溶損率が大きく炉寿命が短い、
２．耐火物の溶損率（炉寿命）および脱炭酸素効率は溶鋼形状、すなわち、溶鋼界面積と浴深に加えて炉底の断面積に依存する、
３．従来の炉寿命は、脱炭酸素効率上の制約で決まったものではなく、炉殻形状の制約で決まったものである、
等の内容から炉寿命および脱炭酸素効率を改善するためには溶鋼形状を適正な範囲に定めると共に、炉殻形状を変更した精錬炉を使用することが必要であると考えて、ＡＯＤ法あるいは真空ＡＯＤ法において、溶鋼形状および炉殻形状を種々変更した精錬炉を使用して、水モデル実験および流体解析による机上検討ならびに実機での試験を行った。
【００３４】
この机上検討ならびに試験に使用した精錬炉ならびに溶鋼形状は、図１から図４に示すようなものである。
【００３５】
図１に示す精錬炉は、従来のものである。金属製の炉殻１の形状は、高さ方向の炉殻の断面積が概ね一様である部分（以下、直胴部と称す）２の下部に傾斜部３（垂直線とのなす角度θは２０°）が設けられたものである。この炉殻１の内側に耐火物が施工されている。尚、図中の４および８は、炉初期および炉末期の耐火物の内面形状を示し、６および９は、炉初期および炉末期の溶鋼形状を示し、７および１０は炉初期および炉末期のスラグを示すものである。
【００３６】
この炉における静止浴面での溶鋼界面積Ｓ１と耐火物を施工した直後の炉底部５に相当する位置の断面積Ｓ２の比Ｓ１／Ｓ２は、炉初期で３．４４、炉末期で２．０５である。
【００３７】
図２に示す炉殻形状１は、溶鋼の炉底部の断面積を従来に比べて大きくすることを目的としたものである。傾斜部３の高さは従来と同じで、垂直線とのなす角度θを小さくすることにより、耐火物を施工したときの炉底部５に相当する位置の直径Ｄ２を大きくなるようにしたものである。
【００３８】
図３に示す炉殻形状１も、溶鋼の炉底部の断面積を従来に比べて大きくすることを目的としたものである。傾斜部３の高さを低くする、あるいは更に傾斜部３と垂直線とのなす角度θを小さくすることにより、耐火物を施工したときの炉底部５に相当する位置の直径Ｄ２を大きくなるようにしたものである。
【００３９】
また、図４に示す炉殻形状１は、炉底部の断面積に加えて、溶鋼表面の面積も従来に比べて広くすることを目的としたものであり、最大直径Ｄ１および施工した直後の炉底部５に相当する位置の直径Ｄ２を図１に示すものよりも大きくしたものである。
【００４０】
発明者は、上記試験の結果を基に耐火物の溶損率および脱炭酸素効率におよぼす溶鋼形状の影響について整理した。
【００４１】
先ず、耐火物の溶損率におよぼす溶鋼形状の影響について検討した。その際、耐火物の溶損率におよぼす溶鋼形状の特徴を表す指標としてＳ１／Ｓ２なる指標が最も良い整理結果になった。つまり、図５に示すように、Ｓ１／Ｓ２が１．２〜２．０、望ましくは１．３〜１．８の範囲にあるとき、耐火物の溶損率は最も小さくなる関係が得られた。尚、図５における耐火物の溶損率は、各部位における耐火物の溶損率の内で最大の値にて示している。
【００４２】
ところで、溶鋼と接する部分における耐火物の溶損の原因は、溶鋼の流れによる機械的摩損によることが知られている。また、スラグと接する部分における耐火物の溶損は、耐火物とスラグとの反応によって起こることが知られている。尚、このスラグとの反応による耐火物の溶損は溶鋼の攪拌状態にも依存する。すなわち、溶鋼の攪拌が大きい場合、耐火物とスラグの界面も激しく攪拌されるために反応は速やかに進行するので、耐火物の溶損率が大きくなる。反対に、溶鋼の攪拌が小さい場合、反応は緩やかに進行するので、耐火物の溶損率は小さい。
【００４３】
実機での溶鋼の流れを知ることは、上記の通り耐火物の溶損を評価する上でも、また酸素ガスと炭素との反応による脱炭を評価する上でも極めて重要である。しかしながら、実機での溶鋼の流れおよびその速度等を直接観察・測定することは極めて困難である。そこで、本発明者は流体解析により、実機での溶鋼の流れを評価することを試みた。尚、ＡＯＤ法に関する流体解析の妥当性については、溶鋼形状やガス吹き込み条件を種々変更した水モデル実験の結果との比較評価によって確認した。
【００４４】
前記したように、耐火物の溶損率は溶鋼の流れに影響されるので、流体解析により求めた耐火物近傍における溶鋼の流れの速度（以下、溶鋼流速と称す）を指標として、実機の耐火物の溶損率との関係を調べた。その結果、耐火物が溶鋼と接する部位およびスラグと接する部位のいずれにおいても溶鋼流速と耐火物の溶損率とは正の相関があることが判明した。このことから、溶鋼流速が耐火物の溶損を評価する指標として使用でき、また溶鋼流速を遅くすることにより、耐火物の溶損が抑制できることが判明した。
【００４５】
この知見を基に、本発明者は、この図５について溶鋼の流れの観点から詳細に検討し、その関係が得られた理由を考察した。以下に、その詳細について述べる。
【００４６】
Ｓ１／Ｓ２が２．０超の場合は、局部的に速い溶鋼の流れが形成されるために、耐火物の溶損率が大きくなると考えられる。すなわち、図８にＳ１／Ｓ２の大きい場合における吹き込んだガスの流れおよび溶鋼の流れの模式図を示す。羽口１１から吹き込まれたガス１２と溶鋼６との相互作用により、ガスの流れと溶鋼の流れ１３が形成される。
【００４７】
この溶鋼の流れ１３は、傾斜した部分（図中の１５の領域）で速くなる。この理由は、溶鋼の流れは質量保存の法則を満足しなければならないので、溶鋼界面のように断面積の広い側での流速よりも、図中の１５に示す領域のような断面積が狭くなる領域において、溶鋼の流速は断面積に反比例して速くなければならないためである。また、断面の流速分布は一様ではなく、溶鋼内部に比べて耐火物に近い側で速い傾向にあるため、特に、傾斜部の耐火物に近い側では溶鋼の流れがより速くなる。
【００４８】
また、羽口１１に向かう流れ（矢印の先端）も速いために、羽口から吹き込まれたガス１２の流れは、この溶鋼の流れによって羽口１１側の耐火物に向かって押し戻されるようになる。このため、羽口１１側の耐火物の近傍では、このガスの流れに伴って、速い溶鋼の流れが形成される。
【００４９】
更に、羽口１１の上部に位置する耐火物４とスラグ７の界面もガスの流れに伴って激しく攪拌されるために、この部位の耐火物の溶損速度は大きくなる。
【００５０】
Ｓ１／Ｓ２が１．２〜２．０の場合は、以下に述べるように適度な溶鋼の流れが形成されるために、耐火物の溶損率は軽減されると考えられる。
【００５１】
図９にＳ１／Ｓ２が適正な場合における吹き込んだガスの流れおよび溶鋼の流れの模式図を示す。この場合の溶鋼の流れ１３は、傾斜した部分においても過度に速くなることはない。この理由は、溶鋼界面積と傾斜部における断面積の比が大きくないためである。
【００５２】
また、羽口１１に向かう流れ（矢印の先端）も速くないために、羽口から吹き込まれたガスの流れは、羽口１１側の耐火物に向かって押し戻されることはなく、耐火物から離れたところを浮上する。このため、羽口１１側の耐火物の近傍においても、速い溶鋼の流れが形成されないようになる。
【００５３】
更に、羽口１１の上部に位置する耐火物とスラグの界面も激しく攪拌されないために、この部位の耐火物の溶損速度は大きくない。
【００５４】
Ｓ１／Ｓ２が１．２未満の場合は、羽口１１の上部において局部的に速い溶鋼の流れが形成されるために、この部位において耐火物の溶損率が大きくなると考えられる。すなわち、図１０にＳ１／Ｓ２が小さ過ぎる場合における吹き込んだガスの流れおよび溶鋼の流れの模式図を示す。羽口１１から吹き込まれたガス１２は溶鋼６の抵抗を受けて、ほぼ鉛直方向に浮上する。この浮上するガスの流れに伴って、羽口１１の上部の耐火物近傍では、速い溶鋼の流れが形成される。尚、この領域では、羽口１１の上部の耐火物近傍を除いては、溶鋼の流れは、Ｓ１／Ｓ２が１．２〜２．０の領域の流れよりも更に緩やかになる。
【００５５】
更に、羽口１１の上部に位置する耐火物とスラグの界面もガスの流れに伴って激しく攪拌されるために、この部位の耐火物の溶損速度は大きくなる。
【００５６】
尚、図５において、Ｓ１／Ｈが小さくなる程、耐火物の溶損率が大きくなる関係が得られた。この理由は、次のように考えられる。Ｓ１／Ｈが小さくなるのは、溶鋼界面積Ｓ１が狭くなる、または浴深Ｈが深くなる場合である。Ｓ１が狭くなると向かい合う耐火物間の距離が狭くなるので、耐火物近傍の流れが速くなり、耐火物の溶損率が大きくなる。また、Ｈが深くなると、ガスの位置エネルギーが大きくなり攪拌エネルギーが大きくなるので、それに伴い耐火物近傍の流れが速くなり、耐火物の溶損率が大きくなる。
【００５７】
次に、脱炭酸素効率におよぼす溶鋼形状の影響について述べる。図６に同一の吹き込みガス流量下で操業した場合の脱炭酸素効率におよぼす溶鋼形状の影響を示す。Ｓ１／Ｓ２が本発明の範囲内の１．２〜２で、またＳ１／Ｈが９〜１４の範囲にある場合に脱炭酸素効率が最も高く、効率的であるという結果が得られた。尚、脱炭酸素効率は、（脱炭に必要な理論酸素量）／（実績酸素量）である。
【００５８】
この理由は、Ｓ１／Ｓ２およびＳ１／Ｈが適正な場合は、酸素ガスが溶鋼中に均一に分布するようになるために、炭素と反応する部分が増大して脱炭反応が進行するとともに、炭素濃度に比べて酸素が過剰に存在するようなことも少なくなり酸化ロスも抑制されるようになるために、脱炭酸素効率が向上すると考えられる。以下、この理由について詳細に述べる。
【００５９】
先ず、Ｓ１／Ｓ２の影響については、以下のように考えられる。Ｓ１／Ｓ２が大きい場合（２．０超の領域）は、前記したように、羽口から吹き込まれた酸素ガスは羽口上部の耐火物に沿って浮上する。浮上した酸素ガスは、そのまま溶鋼の外へ排出されるものと、溶鋼の流れによって再び溶鋼中に巻き込まれるものとに別れる。再び溶鋼中に巻き込まれる酸素ガスは、前記した通り、耐火物近傍の流れが特に速いために、耐火物近傍を移動して、最終的に溶鋼の外へ排出される。
【００６０】
すなわち、Ｓ１／Ｓ２が２．０超の場合は、羽口から吹き込まれた酸素ガスは溶鋼中に一様に分布するのではなく、耐火物近傍の限られた場所に多く存在し、耐火物近傍から離れたところでは少ない。このため、脱炭反応は主に耐火物近傍の限られた場所でしか起こらない。また、耐火物近傍にいても、炭素濃度が高いときは酸素ガスと炭素との反応による脱炭反応が進行するが、脱炭反応に伴って炭素濃度が低下する、すなわち、炭素濃度に比べて酸素濃度が過剰に存在するようになると、酸素ガスは炭素と反応せずにクロムと反応するようになり、クロムの酸化ロスが進行するようになる。従って、このような溶鋼形状では、吹き込まれた酸素ガスは、脱炭反応にはあまり使用されず、クロムの酸化ロスに使用されるために、脱炭酸素効率が低下する。
【００６１】
一方、Ｓ１／Ｓ２が１．２〜２．０の場合は、前記したように、羽口から吹き込まれた酸素ガスは羽口上部の耐火物から離れたところを浮上する。また、再び溶鋼中に巻き込まれる酸素ガスは、前記した通り、耐火物近傍の流れが速くなることはないので、溶鋼中に一様に分布するようになる。このため、脱炭反応は、溶鋼中で一様に起こるようになり、また、炭素濃度に比べて酸素が過剰に存在するようなことも少なくなるためにクロムの酸化ロスも抑制されるようになる。
【００６２】
更にＳ１／Ｓ２が１．２未満の場合は、前記したように、羽口から吹き込まれた酸素ガスは羽口上部の耐火物の近傍を浮上する。また、溶鋼の流れは緩やかなために、浮上して再び溶鋼中に巻き込まれるガスの量は少なくなる。すなわち、吹き込まれた酸素ガスは、羽口上部の耐火物の近傍という限られた部分にしか存在しなくなるために、脱炭される炭素は限られ、また、この部分では、炭素濃度に比べて酸素が過剰に存在するためにクロムの酸化ロスも多く発生するようになる。
【００６３】
次に、Ｓ１／Ｈの影響については、以下のように考えられる。Ｓ１／Ｈが大きい場合（１４超の領域）、すなわち、Ｓ１が広く互いに向かい合う耐火物の間隔が広い、または、Ｈが浅くガスの位置エネルギーによる攪拌力が小さい領域では、吹き込まれた酸素ガスの分布は、羽口に近い部分に限定される。このため、酸素と反応する炭素量は少なく、また、炭素に比べて酸素ガスが過剰に存在するようになるためにクロムの酸化ロスも多く発生するようになる。
【００６４】
一方、Ｓ１／Ｈが９〜１４の場合は、溶鋼中に一様に分布するようになる。このため、脱炭反応は、溶鋼中で一様に起こるようになり、また、炭素濃度に比べて酸素が過剰に存在するようなことも少なくなるためにクロムの酸化ロスも抑制されるようになる。
【００６５】
更にＳ１／Ｈが９未満の場合は、すなわち、Ｓ１が狭く互いに向かい合う耐火物の間隔が狭い、または、Ｈが深くガスの位置エネルギーによる攪拌力が大きい領域では、酸素ガスの分布は耐火物の近傍という限られた部分にしか存在しなくなるために、脱炭される炭素は限られ、また、この部分では、炭素濃度に比べて酸素が過剰に存在するためにクロムの酸化ロスも多く発生するようになる。
【００６６】
次に、脱炭酸素効率はガス流量にも依存する。そこで、ガス流量を変更した試験を実施し、その効果について検討した。脱炭酸素効率は図７に示すように、溶鋼形状以外にも吹き込む酸素ガスの流量Ｑ１および酸素ガス以外のガスの流量Ｑ２にも依存し、（Ｑ１＋２．５×Ｑ２）×Ｓ１／Ｈで整理できる関係が得られた。
【００６７】
この指標が２２超の領域では、ガス流量の増大によって、ガスの浮上速度および溶鋼の上昇する速度が速くなり過ぎるために、吹き込んだガスが溶鋼からすぐ外へ排出される現象、所謂吹抜けが起こるために、攪拌力が返って低下してしまうことに加えて、酸素ガスと炭素が反応する機会が減る。また、吹抜けるガスの量が多いと、溶鋼中で消費しきれない酸素ガスがスラグ相や気相の酸素ポテンシャルを高めるために、クロムの酸化を促進させる。このため、脱炭酸素効率が低下する。
【００６８】
尚、Ｓ１／Ｓ２およびＳ１／Ｈが本発明の範囲外にあるときよりも範囲内の場合の方が、脱炭酸素効率の低下は少ない傾向にある。これは、本発明の範囲内の溶鋼形状ではガスの吹抜きが起こり難くなっているためと考えられる。
【００６９】
一方、（Ｑ１＋２．５×Ｑ２）×Ｓ１／Ｈが７未満の領域で、脱炭酸素効率が低下しているのは、ガス流量の低下によって、攪拌力が小さくなり過ぎるために、吹き込んだガスが溶鋼に再び移行する量が減るために、酸素ガスと炭素が反応する機会が減るためである。
【００７０】
尚、（Ｑ１＋２．５×Ｑ２）×Ｓ１／Ｈなる指標において、酸素ガスの流量Ｑ１の係数が酸素ガス以外のガスの係数に比べて１／２．５倍と小さくなっている理由は、酸素ガスはクロム酸化物の生成にも消費され、このクロム酸化物は固体であるために攪拌におよぼす効果がないためである。
【００７１】
また、減圧下で操業する真空ＡＯＤ法に本発明を適用することにより、図７に示すように脱炭酸素効率を更に向上できることが判明した。
【００７２】
尚、本発明における耐火物の溶損率は、ＡＯＤ法と真空ＡＯＤ法で概ね同じ程度であった。
【００７３】
本発明の実施に際しては、図１に示すような、金属製の炉殻の最大直径Ｄ１と該炉殻の内部に耐火物を施工した直後の炉底部に相当する位置の直径Ｄ２の比Ｄ２／Ｄ１が０．７５未満である従来の炉殻形状においても、各部位の耐火物の厚みを適宜変更して施工することにより、Ｓ１／Ｓ２ならびにＳ１／Ｈを本発明の範囲内にし、耐火物の溶損率および脱炭酸素効率を従来よりも改善させることはできる。しかしながら、炉寿命や耐火物使用量の点で不経済であるという問題が依然として残る。
【００７４】
例えば、炉底部５近傍の側壁における耐火物の厚みを薄くすることにより炉底部の断面積を拡大した場合、この部分における耐火物の厚みがいち早く使用限界の厚みに達するために炉寿命を延長できないという課題が残る。
【００７５】
また、炉底部の耐火物の厚みを厚くすることにより炉底部の断面積を拡大した場合、この部分における耐火物の厚みを必要以上に厚く施工しなければならないために不経済である。更には、溶鋼界面と炉殻の上端との距離が短くなるために、ガス吹き込みに伴う溶鋼の飛散が炉内に止まらずに、炉外にまで達して安定操業を阻害する危険性がある。
【００７６】
この課題を解決するためには、図２乃至図４に示すような、金属製の炉殻の最大直径Ｄ１と該炉殻の内部に耐火物を施工した直後の炉底部に相当する位置の直径Ｄ２の比Ｄ２／Ｄ１が０．７５〜０．９５の範囲を満足する炉殻形状とすることが有効である。
【００７７】
尚、Ｄ２／Ｄ１が０．９５超の場合には、溶鋼形状を本発明の範囲内にするためには、炉底部５近傍の側壁における耐火物の厚みを必要以上に厚く施工しなければならないために不経済である。
【実施例】
【００７８】
処理能力６０トンで、金属製の炉殻にマグネシアクロマイト質の耐火物を施工した精錬炉を用いて、含クロム溶鋼をＡＯＤ法あるいは真空ＡＯＤ法にて精錬した。その際、本発明に係る図２乃至図４に示す炉殻形状および溶鋼形状と図１に示す従来通りのものを採用した。尚、ＡＯＤ法では、雰囲気の圧力を炭素濃度によらず７６０Ｔｏｒｒとして操業した。また、真空ＡＯＤ法では、雰囲気の圧力を炭素濃度が０．５質量％超で７６０Ｔｏｒｒ、炭素濃度が０．５質量％以下で２００Ｔｏｒｒとして操業した。
【００７９】
操業結果を表１に示す。表１により、本発明によれば、従来に比べて、耐火物の溶損率を低減でき、また脱炭酸素効率が向上している。尚、ガス流量Ｑ１およびＱ２は炭素濃度が０．５質量％超でのガス流量を示している。
【００８０】
【表１】
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【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】従来の精錬炉の炉殻形状および溶鋼形状を示す断面図である。
【図２】本発明に係る精錬炉の内で、傾斜部の角度を小さくて炉底部の直径を大きくした炉殻形状および溶鋼形状を示す断面図である。
【図３】本発明に係る精錬炉の内で、傾斜部の高さを低くして炉底部の直径を大きくした炉殻形状および溶鋼形状を示す断面図である。
【図４】本発明に係る精錬炉の内で、直胴部および炉底部の直径を大きくした炉殻形状および溶鋼形状を示す断面図である。
【図５】含クロム溶鋼をＡＯＤ法あるいは真空ＡＯＤ法で精錬したときの溶鋼形状と耐火物の溶損率の関係を示す図である。
【図６】含クロム溶鋼をＡＯＤ法あるいは真空ＡＯＤ法で精錬したときの溶鋼形状と脱炭酸素効率の関係を示す図である。
【図７】含クロム溶鋼をＡＯＤ法あるいは真空ＡＯＤ法で精錬したときの溶鋼形状およびガス流量と脱炭酸素効率の関係を示す図である。
【図８】Ｓ１／Ｓ２が本発明の範囲より大きい場合における溶鋼およびガスの流れを示す断面図である。
【図９】Ｓ１／Ｓ２が本発明の範囲内の場合における溶鋼およびガスの流れを示す断面図である。
【図１０】Ｓ１／Ｓ２が本発明の範囲より小さい場合における溶鋼およびガスの流れを示す断面図である。
【符号の説明】
【００８２】
１  炉殻
２  直胴部
３  傾斜部
４  炉初期における耐火物
５  耐火物施工直後における炉底部
６  炉初期における溶鋼
７  炉初期におけるスラグ
８  炉末期における耐火物
９  炉末期における溶鋼
１０  炉末期におけるスラグ
１１  羽口
１２  吹き込みガス
１３  溶鋼の流れ
１４  羽口上部の傾斜した部分
１５  羽口上部以外の傾斜した部分
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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