(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内壁側面が円筒状である保持容器に収容された溶融金属の攪拌方法であって、保持容器の内壁底面形状を凹凸のある形状として、保持容器の内壁底面に沿って流動する溶融金属に摩擦による駆動力を生じさせるようにし、保持容器の外部に設置した移動磁場発生装置を用いて、保持容器内の溶融金属に保持容器の側面に沿って水平方向に移動する磁場を印加することを特徴とする溶融金属の攪拌方法。
【請求項２】
内壁側面が円筒状である保持容器に収容された溶融金属の攪拌方法であって、保持容器の内壁底面形状を凹凸のある形状として、保持容器の内壁底面に沿って流動する溶融金属に摩擦による駆動力を生じさせるようにし、保持容器の鉛直方向の実質的な中心線を軸として保持容器を水平回転させることを特徴とする溶融金属の攪拌方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、円筒状保持容器内に収容された溶融金属を攪拌する方法に関し、詳しくは、保持容器内湯面の広い範囲に緩やかな湧昇流を発生させることが可能な攪拌方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
溶融金属を凝固させ、製品素材を製造する工程において、溶融金属中に含まれる非金属介在物を浮上分離させて少なくすることは、良好な製品品質を維持する上で重要である。例えば鉄鋼業においては、溶鋼の精錬過程で溶鋼中の酸素を脱酸する工程があり、この脱酸工程では溶鋼中に多数の酸化物系非金属介在物（以下「介在物」と記す）が生成する。
【０００３】
ここで生成する介在物の大半は大きさが１０μｍ以下と小さく、溶鋼との比重差に基づく介在物自体の有する浮上速度は１×１０-5ｍ／ｓｅｃ程度であり、この浮上速度で溶鋼湯面まで浮上するためには、数時間のオーダーを必要とする。又、取鍋内の溶鋼中には、移動速度が１×１０-2ｍ／ｓｅｃのオーダーで、その大きさが１ｍ以下の熱対流セルが存在するので、介在物の浮上分離はますます難しくなる。そのため介在物の浮上分離を促進させる方法が種々提案されてきた。
【０００４】
その一つとして、ＲＨ真空脱ガス装置を利用する方法がある。ＲＨ真空脱ガス装置では、取鍋と真空槽との間を高速度で循環する溶鋼流が生じ、この溶鋼流による乱流・衝突により介在物の凝集・合体が起こり、介在物は１００μｍ程度まで大きくなり、その結果、介在物の浮上速度が速くなり、介在物の浮上分離が促進される。しかし、この方法は、介在物の合体による浮上分離の促進を利用したものであり、介在物の浮上分離にとって最も本質的で効果的なことである、保持容器内の溶融金属湯面位置に短時間の内に数多くの介在物を輸送することを促進させる方法ではない。
【０００５】
又、磁場が鉛直方向に移動する移動磁場発生装置を保持容器の側面に取り付け、保持容器内の溶鋼を鉛直方向に攪拌する装置（例えば、ＡＳＥＡ−ＳＫＦ）がある。この装置では、移動磁場により保持容器内に鉛直方向の循環流を励起するため、強い循環流が得られる。しかし、このような移動磁場発生装置は、保持容器のハンドリングや設備コストの点から保持容器の全周に配置されることはなく、通常、円周方向の一部分のみに設置されて攪拌を行うことになる。従って、保持容器内の溶鋼湯面では、移動磁場発生装置が設置された部分だけに強い湧昇流が生じるため、この湧昇流により溶鋼湯面に浮かんでいるスラグが溶鋼中に巻き込まれ、このスラグが介在物となることもある。
【０００６】
又、特開平４−３１４８１３号公報には、円筒状の保持容器に水平旋回流を生じさせ、介在物と溶鋼との密度差に起因して介在物に作用する中心方向への求心力により介在物を保持容器の中心部に集め、介在物が少なくなった溶鋼を保持容器の円周に沿った位置から流出させる方法が提案されている。この方法では、介在物に求心力を作用させるために、５０ｒｐｍという大きな水平旋回速度が必要である。連続鋳造機のタンディッシュのような比較的小さな保持容器であれば、小さな移動磁場発生装置でもこの旋回速度まで溶鋼を駆動できるが、取鍋のような大きな保持容器内の溶鋼をこれだけの旋回速度で駆動させる場合には、大規模な装置が必要となり、設備コストが増加する。又、旋回速度が高速になれば、湯面のゆらぎにより溶鋼の溢れ出しの虞もある。これを避けるために保持容器内の溶鋼量を少なくすると、生産性が低下するという問題が生ずる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
溶融金属中の介在物を浮上分離させるためには、より多くの介在物を溶融金属の湯面に迅速に輸送し、湯面から系外へ排出してしまうことである。そのための輸送に必要なことは、介在物の大きさから決まる浮上速度を考慮すると、介在物を含んだ溶融金属が溶融金属の湯面と極力多く接触するように輸送すること、換言すれば、介在物を含んだ溶融金属が溶融金属の湯面と極力多く接触するように溶融金属を攪拌することである。
【０００８】
しかしながら、従来の攪拌方法にはこの概念が取り入れられておらず、例えば合金を添加した際の溶融金属成分を均一にする手段としては優れた攪拌方法であるが、介在物の浮上分離を促進させる点に関しては十分とは言い難い。
【０００９】
本発明は上記事情に鑑みなされたもので、その目的とするところは、溶融金属湯面に局所的な湧昇流を発生させずに、円筒状保持容器内に収容された溶融金属を保持容器内の溶融金属湯面と高い頻度で接触させることができる、介在物の浮上分離に好適な攪拌方法を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は上記課題を解決するために鋭意検討を重ねた。その結果、内壁側面が円筒状の保持容器を用い、この保持容器内で溶融金属を水平方向に旋回させた場合、内壁底面と溶融金属との摩擦により内壁底面側の旋回速度を遅くさせて、保持容器内で旋回させる溶融金属の遠心力に保持容器の上下方向で差を生じさせれば、保持容器の中心部に緩やかな湧昇流が発生するとの知見を得た。
【００１１】
又、内壁側面が円筒状の保持容器を用い、その内部に溶融金属を収容させ、この保持容器の鉛直方向の中心線を軸として保持容器を水平方向に回転させた場合、内壁底面と溶融金属との摩擦により内壁底面側の溶融金属の旋回速度を大きくさせて、保持容器内で旋回させる溶融金属の遠心力に保持容器の上下方向で差を生じさせれば、保持容器の側面部に緩やかな湧昇流が発生するとの知見を得た。
【００１２】
本発明は上記知見に基づきなされたもので、第１の発明による溶融金属の攪拌方法は、内壁側面が円筒状である保持容器に収容された溶融金属の攪拌方法であって、保持容器の内壁底面形状を凹凸のある形状として、保持容器の内壁底面に沿って流動する溶融金属に摩擦による駆動力を生じさせるようにし、保持容器の外部に設置した移動磁場発生装置を用いて、保持容器内の溶融金属に保持容器の側面に沿って水平方向に移動する磁場を印加することを特徴とするものである。
【００１３】
第２の発明による溶融金属の攪拌方法は、内壁側面が円筒状である保持容器に収容された溶融金属の攪拌方法であって、保持容器の内壁底面形状を凹凸のある形状として、保持容器の内壁底面に沿って流動する溶融金属に摩擦による駆動力を生じさせるようにし、保持容器の鉛直方向の実質的な中心線を軸として保持容器を水平回転させることを特徴とするものである。
【００１４】
図１に、内壁側面が円筒状の保持容器１において保持容器１内の溶融金属３を旋回させた時の溶融金属３の流動状況を模式的に示す。内壁側面が円筒状の保持容器１内の溶融金属３を内壁側面に沿って水平方向に旋回させると、溶融金属３には遠心力が生じる。その際に、保持容器１の内壁底面を適当な粗度の凹凸形状としておくと、内壁底面に沿った溶融金属３の旋回流７には摩擦による減速力が生じ、内壁底面上方の旋回流７ａに較べて旋回速度が減少する。すると、底面に沿って旋回する溶融金属３の遠心力は、上方で旋回する溶融金属３の遠心力よりも小さくなるので、力の釣り合いから、保持容器１の内壁側面に沿って保持容器１の上部側から底面側に溶融金属３が移動して、二次鉛直循環流８が発生する。この二次鉛直循環流８は、内壁底面では側面側から底面中心側に向かう流れとなり、そして、底面中心部に集まった二次鉛直循環流８は、保持容器１の中心軸に沿って底面から溶融金属湯面に向かう、緩やかな湧昇流９を発生させる。
【００１５】
又、図２に内壁側面が円筒状の保持容器１において保持容器１を鉛直方向の中心線を軸にして水平回転させた時の保持容器１内の溶融金属３の流動状況を模式的に示す。内部に溶融金属３を収容した保持容器１を水平方向に回転させると、溶融金属３と保持容器１の内壁との摩擦により、溶融金属３も保持容器１の回転方向に旋回を開始する。その際に、保持容器１の内壁底面を適当な粗度の凹凸形状としておくと、内壁底面近傍の溶融金属３には摩擦による駆動力がより多く作用し、内壁底面に沿った溶融金属３の旋回流７は内壁底面上方の旋回流７ａに較べて旋回速度が増加する。すると、底面に沿って旋回する溶融金属３の遠心力は、上方で旋回する溶融金属３の遠心力よりも大きくなるので、力の釣り合いから、保持容器１の内壁側面に沿って保持容器１の底面側から上部側に溶融金属３が移動して、二次鉛直循環流８が発生する。この二次鉛直循環流８は、溶融金属３の湯面では側面側から湯面の中心側に向かう流れとなり、そして湯面中心部に集まった二次鉛直循環流は保持容器１の中心軸に沿って下降して内壁底面に至り、内壁底面では底面中心側から側面側に向かう流れとなる。この二次鉛直循環流８のなかで、保持容器１の側面に沿って底面から溶融金属湯面に向かう流れは緩やかな湧昇流９となる。
【００１６】
本発明では、保持容器の内壁底面形状を凹凸のある形状として、内壁底面近傍の溶融金属に摩擦による駆動力を生じさせ、この保持容器内の溶融金属を移動磁場発生装置を用いて水平方向に旋回させる、又は、保持容器を水平回転させて、その時に生ずる鉛直方向の二次循環流を利用するので、保持容器内の溶融金属湯面の広い範囲に緩やかな湧昇流を生じさせることができる。この攪拌方法により溶融金属を攪拌することで、溶融金属中の介在物は湧昇流に伴って湯面に輸送されて、湯面に浮かんでいるスラグ等に吸収されるので、介在物を溶融金属から迅速に分離させることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面を参照して説明する。図３は本発明の実施の形態の１例を示す図であって、保持容器と移動磁場発生装置との取り合いを示す縦断面概略図、図４は図３におけるＸ−Ｘ’矢視による平断面概略図、図５は図３に示す保持容器の内壁底面を示す平面概略図、図６は図５におけるＹ−Ｙ’矢視による縦断面概略図である。
【００１８】
図３に示すように、その内壁側面１ｂが円筒状の保持容器１に溶鋼等の溶融金属３が収容されており、溶融金属３上には精錬過程等に生成したスラグ４が浮遊している。保持容器１の内壁底面１ａには、図５及び図６に示すように、高さがＨで幅がＤの凸部５が平坦部６から突出して設けられている。
【００１９】
保持容器１の外周には保持容器１を囲うようにして、磁場が水平方向に移動する移動磁場発生装置２が設置されており、この移動磁場発生装置２により保持容器１内の溶融金属３は水平方向に旋回移動される。図４では、移動磁場発生装置２が保持容器１の外周長さの１／２を囲うように設置されているが、これは設備コストを勘案したものであり、この移動磁場発生装置２により十分な水平方向の旋回流が得られるが、勿論、移動磁場発生装置２を保持容器１の全周に設置しても良く、又、水平方向の旋回流が得られる範囲で設置範囲を短くしても良い。
【００２０】
このような保持容器１と移動磁場発生装置２とを用い、移動磁場発生装置２により溶融金属３に磁場を印加する。水平方向に移動する磁場が印加された溶融金属３は、内壁側面１ｂに沿う水平方向の移動を開始し、前述した図１に示す旋回流を形成する。
【００２１】
前述したように、内壁底面１ａに沿った旋回流は凸部５により減速され、内壁底面１ａ上方の旋回流に較べて旋回速度が減少する。すると、内壁底面１ａに沿って旋回する溶融金属３の遠心力は、内壁底面１ａの上方位置で旋回する溶融金属３の遠心力に較べて小さくなるので、力の釣り合いから、保持容器１の内壁側面１ｂに沿って保持容器１の上部側から内壁底面１ａ側に溶融金属３が移動し、二次鉛直循環流が発生する。この二次鉛直循環流は、内壁底面１ａでは内壁側面１ｂ側から内壁底面１ａの中心側に向かう流れとなり、そして、内壁底面１ａの中心部に集まった二次鉛直循環流は、保持容器１の中心軸に沿って内壁底面１ａから溶融金属湯面に向かい、溶融金属湯面の広い範囲に緩やかな湧昇流を形成する。
【００２２】
このようにして溶融金属３を攪拌することで、保持容器１内の溶融金属湯面の中央部に緩やかな湧昇流を連続して生成させることが可能となり、この方法で溶融金属３を攪拌すれば、溶融金属３の上に浮遊するスラグ４を溶融金属３中に巻き込むことなく、溶融金属３に含まれる介在物を迅速に除去することができる。
【００２３】
図７は本発明の他の実施の形態の１例を示す図であって、保持容器と保持容器を水平回転させるための装置を示す縦断面概略図である。
【００２４】
図７に示すように、保持容器１を戴置する台盤１０の下面には車輪１１が円周方向に設けられており、台盤１０の周縁に設けられた歯（図示せず）と、この歯に噛み合う歯車１４と、歯車１４を駆動するための電動機１２及び減速機１３とからなる回転装置により、台盤１０は水平旋回するようになっている。保持容器１の鉛直方向の中心線と台盤１０の旋回中心とがおおよそ一致するように保持容器１を台盤１０に戴置させて、１分間に数回から数十回の旋回速度で保持容器１を水平旋回できるようになっている。尚、保持容器１を水平回転させる装置は上述の装置に限るものではなく、保持容器１を水平回転できる機能を備えていればどのような装置であっても良い。
【００２５】
溶融金属３を収容した保持容器１の内壁側面１ｂは円筒状であり、保持容器１の内壁底面１ａには、前述した図５及び図６に示すような、高さがＨで幅がＤの凸部５が平坦部６から突出して設けられている。溶融金属３上には精錬過程等に生成したスラグ４が浮遊している。
【００２６】
このような保持容器１と回転装置とを用いて保持容器１を水平回転させる。保持容器１の内壁底面１ａ及び内壁側面１ｂの近傍に存在する溶融金属３は、保持容器１の水平回転に伴って内壁側面１ｂに沿う水平方向の移動を開始し、前述した図２に示す旋回流を形成する。
【００２７】
前述したように、内壁底面１ａに沿った旋回流は凸部５により加速され、内壁底面１ａ上方の旋回流に較べて旋回速度が増加する。すると、内壁底面１ａに沿って旋回する溶融金属３の遠心力は、内壁底面１ａの上方位置で旋回する溶融金属３の遠心力に較べて大きくなるので、力の釣り合いから、保持容器１の内壁側面１ｂに沿って保持容器１の内壁底面１ａ側から上部側へ向かって溶融金属３が移動し、二次鉛直循環流が発生する。この二次鉛直循環流は、溶融金属３の湯面では内壁側面１ｂ側から湯面の中心側に向かう流れとなり、そして湯面中心部に集まった二次鉛直循環流は保持容器１の中心軸に沿って下降して内壁底面１ａに至り、内壁底面１ａでは中心側から内壁側面１ｂ側に向かう流れとなり、内壁側面１ｂに到達した二次鉛直循環流は、保持容器１の内壁側面１ｂに沿って内壁底面１ａから溶融金属湯面に向かい、溶融金属湯面の広い範囲に緩やかな湧昇流を形成する。
【００２８】
このようにして溶融金属３を攪拌することで、保持容器１内の溶融金属湯面の周辺部に緩やかな湧昇流を連続して生成させることが可能となり、この方法で溶融金属３を攪拌すれば、溶融金属３の上に浮遊するスラグ４を溶融金属３中に巻き込むことなく、溶融金属３に含まれる介在物を迅速に除去することができる。
【００２９】
尚、溶融金属３の旋回流を減速するための凸部５の形状は、図５及び図６に示す形状に限るものではなく、溶融金属３に摩擦による駆動力を作用させる形状であれば、どのような形状としても良い。但し、保持容器１の容量や内壁底面１ａの面積等により、同一形状の凸部５であっても溶融金属３へ作用する駆動力が異なってくるので、各々の条件に合致した凸部５の形状をモデル実験等により予め求めておくことが重要である。
【００３０】
【実施例】
［実施例１］
保持容器として２５０トンの溶鋼を収容する取鍋を用い、図３に示すような取鍋と移動磁場発生装置との組み合わせにより、本発明の方法により溶鋼を攪拌した。取鍋の内壁底面には、図５及び図６に示す凸部が設置されており、本実施例では凸部の高さ（Ｈ）を０．１５ｍ、幅（Ｄ）を０．６ｍ（Ｄ1 ＝Ｄ2 ）とした。取鍋の内壁底面の直径は３．２ｍ、内壁側面の高さは３．９ｍ、上端部の内壁直径は３．９ｍである。
【００３１】
転炉から出鋼された溶鋼をＲＨ真空脱ガス装置にて精錬し、Ｃ：０．００５質量％（以下「％」と記す）以下、Ｍｎ：０．０２５％以下、Ｓｉ：０．０４％以下、Ｓ：０．０３５％以下、Ｐ：０．００８〜０．０２０％、Ａｌ：０．０２０〜０．０５０％、Ｎ：０．００６０％以下の溶鋼を製造した。この溶鋼上には、ＣａＯ−Ａｌ2 Ｏ3 −ＳｉＯ2 −ＭｇＯ系のスラグが浮遊していた。この溶鋼を収容した取鍋を連続鋳造機による鋳造前にリニア型の移動磁場発生装置を用いて攪拌した。用いた移動磁場発生装置の仕様を表１に示す。
【００３２】
【表１】
0003750515.tif 000002
【００３３】
移動磁場発生装置により溶鋼を水平方向に攪拌しつつ、２分間隔で取鍋内の溶鋼湯面位置から約１ｍ深さの位置から分析試料を採取し、介在物量の指標となる全酸素量を分析した。その結果を図８に示す。尚、図８には溶鋼を攪拌せずに、単に取鍋内で放置した場合の溶鋼中の全酸素量の推移を調査した結果を合わせて示す。図８から明らかなように、本発明を実施した場合には全酸素量の減少が顕著であり、本発明法による２０分間の攪拌により、放置した場合の１／２の量まで全酸素量を低減することができた。
［実施例２］
保持容器として２５０トンの溶鋼を収容する取鍋を用い、図７に示すような取鍋と回転装置との組み合わせにより、本発明の方法により溶鋼を攪拌した。取鍋の内壁底面には、図５及び図６に示す凸部が設置されており、本実施例では凸部の高さ（Ｈ）を０．１５ｍ、幅（Ｄ）を０．６ｍ（Ｄ1 ＝Ｄ2 ）とした。取鍋の内壁底面の直径は３．２ｍ、内壁側面の高さは３．９ｍ、上端部の内壁直径は３．９ｍである。
【００３４】
転炉から出鋼された溶鋼をＲＨ真空脱ガス装置にて精錬し、Ｃ：０．００５％以下、Ｍｎ：０．０２５％以下、Ｓｉ：０．０４％以下、Ｓ：０．０３５％以下、Ｐ：０．００８〜０．０２０％、Ａｌ：０．０２０〜０．０５０％、Ｎ：０．００６０％以下の溶鋼を製造した。この溶鋼上には、ＣａＯ−Ａｌ2 Ｏ3 −ＳｉＯ2 −ＭｇＯ系のスラグが浮遊していた。この溶鋼を収容した取鍋を、連続鋳造機による鋳造前に図７の取鍋回転装置を用いて回転させた。回転速度は毎分１０回転とした。
【００３５】
取鍋回転装置により取鍋を水平回転しつつ、２分間隔で取鍋内の溶鋼湯面位置から約１ｍ深さの位置から分析試料を採取し、介在物量の指標となる全酸素量を分析した。その結果を図９に示す。尚、図９には溶鋼を攪拌せずに、単に取鍋内で放置した場合の溶鋼中の全酸素量の推移を調査した結果を合わせて示す。図９から明らかなように、本発明を実施した場合には全酸素量の減少が顕著であり、本発明法による２６分間の攪拌により、放置した場合の１／２の量まで全酸素量を低減することができた。
【００３６】
【発明の効果】
本発明では、溶融金属を収容する保持容器の内壁底面を凹凸形状として、内壁底面に沿った水平方向の旋回流を減速させ、これによる保持容器内の二次鉛直循環流を積極的に利用するので、容器内の溶融金属湯面の広い範囲に緩やかな湧昇流を発生させることができる。そのため、この方法で溶融金属を攪拌することにより、溶融金属湯面に浮かんでいるスラグを溶融金属中に巻き込むことなく、溶融金属中の介在物を迅速に除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】保持容器内の溶融金属を旋回させた時の溶融金属の流動状況を模式的に示す図である。
【図２】保持容器を水平回転させた時の溶融金属の流動状況を模式的に示す図である。
【図３】本発明の実施の形態の１例を示す縦断面概略図である。
【図４】図３におけるＸ−Ｘ’矢視による平断面概略図である。
【図５】図３に示す保持容器の内壁底面を示す平面概略図である。
【図６】図５におけるＹ−Ｙ’矢視による縦断面概略図である。
【図７】本発明の他の実施の形態の１例を示す縦断面概略図である。
【図８】実施例１における攪拌中の溶鋼の全酸素量の推移を示す図である。
【図９】実施例２における攪拌中の溶鋼の全酸素量の推移を示す図である。
【符号の説明】
１  保持容器
２  移動磁場発生装置
３  溶融金属
４  スラグ
５  凸部
６  平坦部
７  旋回流
８  二次鉛直循環流
９  湧昇流
１０  台盤
１１  車輪
１２  電動機
１３  減速機
１４  歯車
【図１】
0003750515.tif 000003
【図２】
0003750515.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
0003750515.tif 000008
【図７】
0003750515.tif 000009
【図８】
0003750515.tif 000010
【図９】
0003750515.tif 000011