JP4036167B2

JP4036167B2 - 溶鋼昇熱方法及び溶鋼昇熱装置

Info

Publication number: JP4036167B2
Application number: JP2003313495A
Authority: JP
Inventors: 俊行植木; 清人藤原
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2003-09-05
Filing date: 2003-09-05
Publication date: 2008-01-23
Anticipated expiration: 2023-09-05
Also published as: JP2005082826A

Description

本発明は、減圧下において上吹き酸素吹錬して溶鋼を昇熱する方法及びその装置に関し、より詳しくは、ＲＨ真空脱ガス装置を使用した溶鋼昇熱方法及び溶鋼昇熱装置に関するものである。

鋼の脱ガス及び二次精錬の主要な方法として、現在では、ＲＨ真空脱ガス装置を使用した真空精錬法が広く普及している。この真空精錬法の主要技術は以下の（イ）〜（ニ）である。

（イ）「ベース技術」：真空で溶鋼を処理し、脱炭処理や脱酸、脱水素等の脱ガス処理を行う。

（ロ）「酸素吹き昇熱技術」：Ａｌ、Ｓｉ等を溶鋼に添加し、酸素を供給して溶鋼の昇熱を行う。

（ハ）「酸素吹き脱炭技術」：溶鋼の脱Ｃ中に酸素を吹込み、脱炭の促進を行う。

（ニ）「フラックス添加技術」：ＲＨ真空槽内に脱硫剤を添加して溶鋼の脱硫を行う。

なお、ＲＨ真空脱ガス装置とは、図１に概略を示すように、真空槽１の下部に２本の浸漬管、すなわち上昇管４（溶鋼が上向きに流れている浸漬管で、「吸上管」とも称される）と下降管５（溶鋼が下向きに流れている浸漬管で、「排出管」とも称される）を有し、上昇管４にＡｒガス等の不活性ガスを環流ガス６として流し、上昇管４から溶鋼３を逐次吸上げ、下降管５を経由して溶鋼３を取鍋２へ戻す方式で連続的に脱ガス処理を行う装置である。

真空精錬処理に関連する技術としては、特許文献１に、Ａｌと酸素との発熱反応を利用して溶鋼を昇熱する技術、具体的には、脱炭処理の末期に発熱剤（Ａｌ）を添加することによって昇熱しつつ脱炭を行う方法が開示されている。また、特許文献２には、真空槽内における耐火物の溶損抑制の観点から、ランス高さと真空槽内溶鋼の浴深との比を規定することによって、真空槽の槽底耐火物の損傷を招くことなく効率のよい溶鋼昇熱が実現できる技術が開示されている。更に、特許文献３には、上吹きランス装置のランスの先端部に２０〜５０゜の角度を有するランス孔を設け、酸素の吹き付け方向を調節することで２次燃焼ゾーンを任意に調整して、溶鋼の温度降下の防止及び耐火物の溶損を抑制する技術が開示されている。

しかし、上記の各特許文献で開示された技術のうち、特許文献１及び２で提案された技術の場合には、上吹きランスから酸素を溶鋼面に吹き付けた際に生じる真空槽内の側壁煉瓦の溶損については何ら考慮がなされていない。このため、ランニングコストに多大な影響を与える側壁煉瓦の大きな溶損が生じることを避け難い。

また、特許文献３で提案された技術は、脱炭中に発生するＣＯガスを溶鋼の上方で燃焼させることを前提とするものである。このため、昇熱効率のよいＡｌ昇熱を前提とする場合には「２０〜５０゜」というランス孔の角度が過大であり、酸素を側壁に到達させることなく溶鋼へ到達させるためには、ランスと溶鋼面との距離（以下、「ランス−溶鋼面間距離」という）を著しく低下させる必要があるが、この場合には、スプラッシュによるランスへの地金の付着が多くなり、ランスの損傷を招いて実質上操業に支障をきたすことがあった。更に、ランス−溶鋼面間距離を著しく低下させた場合には、酸素が真空槽槽底にまで到達して、真空槽槽底の耐火物の溶損が生じることもあった。

特開平７−１３８６３３号公報

特開２００１−１５８９１０号公報特開平７−４１８２５号公報

本発明は、上記現状に鑑みてなされたもので、その第１の目的は、ＲＨ真空脱ガス装置の真空槽内で酸素ガスを上吹き吹錬する真空精錬において、真空槽の側壁煉瓦の溶損を抑制することが可能な溶鋼昇熱方法及びそのための装置を提供することであり、また、第２の目的は、真空槽の側壁煉瓦の溶損を抑制しつつ効率よく溶鋼を昇熱する方法及びそのための装置を提供することである。

本発明の要旨は、下記（１）〜（３）に示す溶鋼昇熱方法及び（４）〜（６）に示す溶鋼昇熱装置にある。

（１）ＲＨ真空脱ガス装置の真空槽内で上吹きランスから酸素ガスを吹き付ける溶鋼昇熱方法であって、酸素火点の中心位置を真空槽内の上昇管側に位置させることを特徴とする溶鋼昇熱方法。

（２）酸素火点の中心位置を、真空槽の上昇管側の側壁からの距離ｒと真空槽の内半径ｒ0 との比（ｒ／ｒ0 ）の値で０．５〜０．９の位置とする上記（１）に記載の溶鋼昇熱方法。

（３）上吹きランスとして、ランスノズル先端のランス孔に鉛直方向に対して下向きに３〜１０゜の角度を設けたランスを用いる上記（１）又は（２）に記載の溶鋼昇熱方法。

（４）ＲＨ真空脱ガス装置の真空槽内で上吹きランスから酸素ガスを吹き付ける溶鋼昇熱装置であって、酸素火点の中心位置が真空槽内の上昇管側に位置することを特徴とする溶鋼昇熱装置。

（５）酸素火点の中心位置が、真空槽の上昇管側の側壁からの距離ｒと真空槽の内半径ｒ0 との比である（ｒ／ｒ0 ）の値で０．５〜０．９の位置にある上記（４）に記載の溶鋼昇熱装置。

（６）上吹きランスが、ランスノズル先端のランス孔に鉛直方向に対して下向きに３〜１０゜の角度を有するランスである上記（４）又は（５）に記載の溶鋼昇熱装置。

本発明における「酸素火点の中心位置」とは、上吹き酸素ガスジェットが溶融金属浴面に到達する領域の中心をいう。

「真空槽内の上昇管側」とは、真空槽内における上昇管との距離が下降管との距離よりも小さい位置であることを指す。

また、酸素火点の中心位置の「上昇管側の側壁からの距離ｒ」とは、「上昇管側側壁の内表面からの距離ｒ」、つまり、酸素火点の中心位置を含む水平面上で真空槽の内壁が構成する円を想定した場合、酸素火点の中心位置を通る前記円の直径上での酸素火点の中心位置と上昇管側に対応する円周部との距離ｒを指す。したがって、前記上昇管側の側壁からの距離ｒと真空槽の内半径ｒ0 との関係は、酸素火点の中心位置が上昇管側にある場合には「ｒ＜ｒ0 」、酸素火点の中心位置が下降管側にある場合には「ｒ＞ｒ0 」、更に、酸素火点の中心位置が前記円の中心に一致する場合、つまり、酸素火点の中心位置が上昇管と下降管から等距離にある場合には「ｒ＝ｒ0 」となる。

ランスノズル先端のランス孔に鉛直方向に対して下向きに設ける角度とは、図１の「Ａ部拡大」図に示す２点鎖線で示す鉛直方向とランス孔の中心軸とがなす角度θをいう。

以下、上記（１）〜（３）の溶鋼昇熱方法に係る発明及び（４）〜（６）の溶鋼昇熱装置に係る発明をそれぞれ（１）〜（６）の発明という。

本発明の方法によれば、ＲＨ真空脱ガス装置の真空槽内で酸素ガスを上吹き吹錬する真空精錬において、真空槽の側壁煉瓦を構成する耐火物の溶損を抑制することができる。更に、効率よく溶鋼を昇熱することも可能である。このため、ランニングコストを大幅に低減することができる。また、本発明の溶鋼昇熱装置を用いれば本発明の方法を容易に実施することができる。

本発明者らは、前記した課題を解決するために、ＲＨ真空脱ガス装置の真空槽内で酸素ガスを上吹き吹錬した場合の側壁煉瓦の溶損状況について調査し、下記（ａ）〜（ｄ）の知見を得た。

（ａ）側壁煉瓦の溶損量はチャージ当たりの平均供給酸素量が多いほど大きい。

（ｂ）真空槽の上部中心位置から真っ直ぐ下に挿入され、且つ、通常の真っ直ぐ下に酸素ガスを噴射するランスノズルを備えた上吹きランスを用いて、真空槽内で酸素ガスを上吹き吹錬した場合には、下降管側の側壁煉瓦の溶損が著しくなる。これは、真空槽内で溶鋼は上昇管側から下降管側へと流れるため、たとえ真っ直ぐ下に酸素ガスを吹き付けた場合でも、その時に発生するスプラッシュは下降管側に多く飛び散り、このスプラッシュにより煉瓦が溶損するからである。

（ｃ）溶鋼にＡｌ、Ｓｉ等を添加し、酸素ガスを供給して溶鋼の昇熱を行う場合、下降管側に酸素ガスを供給すると下降管側の側壁煉瓦の溶損が極めて大きくなる。これは、上述の昇熱処理が真空槽内にＡｌ、Ｓｉ等を添加して酸素ガスを供給する処理であるため、下降管側に酸素ガスが供給されると、昇熱した溶鋼が、十分に混合して温度が平均化するための時間的な余裕がないまま高温状態で下降管付近を通過することとなり、このために下降管側の側壁煉瓦の溶損が極めて大きくなるものである。

（ｄ）下降管側の側壁煉瓦の溶損を抑制するためには、下降管側に発生するスプラッシュを低減するとともに、十分に混合されて温度が平均化した状態の溶鋼が下降管を通過するようにすればよい。

前記（１）〜（６）の本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものである。

以下、本発明の各要件について図１を参照しながら説明する。

真空槽１の下部に上昇管４と下降管５を有し、上昇管４に不活性ガスを環流ガス６として流し、上昇管４から溶鋼３を逐次吸上げ、下降管５を経由して溶鋼３を取鍋２へ戻す方式で連続的に脱ガス処理を行うＲＨ真空脱ガス装置の真空槽１の中に、真空槽１の上部中心位置から挿入された上吹きランス７から酸素ガス８を上吹き吹錬する際、酸素ガス８が中心部、つまり上昇管４と下降管５から等距離にある部位に供給されると、下降管５側の側壁煉瓦の溶損が著しくなる。

また、上吹きランス７から酸素ガス８を上吹き吹錬する際、酸素ガス８が下降管５側に供給されると、下降管５側の側壁煉瓦の溶損が極めて大きくなる。

一方、上吹きランス７から酸素ガス８を上吹き吹錬する際、酸素ガス８が上昇管４側に供給されると、酸素ジェットは真空槽１内の溶鋼３の流れに逆らう方向で溶鋼３へ到達するため、酸素ジェットによって下降管５側へ跳ね上がるスプラッシュが著しく減少する。更に、スプラッシュの飛び上がる方向も分散して、下降管５側の側壁煉瓦の溶損が抑制される。つまり、下降管５側の側壁煉瓦の溶損を抑えるためには、真空槽１の上部中心位置から挿入された上吹きランス７から酸素ガス８を上吹き吹錬する際の酸素ガス８の供給を上昇管４側とすればよい。

したがって、前記（１）の発明においては、ＲＨ真空脱ガス装置の真空槽１内の下降管５側の側壁煉瓦の溶損を抑制するために、酸素火点の中心位置９をＲＨ真空脱ガス装置の真空槽１内の上昇管４側に位置させることとした。

また、前記（４）の発明に係る装置においては、酸素火点の中心位置９が真空槽１内の上昇管４側に位置することと規定した。

なお、「酸素火点の中心位置」が上吹き酸素ガスジェットが溶融金属浴面に到達する領域の中心を指し、「真空槽内の上昇管側」が、真空槽内における上昇管との距離が下降管との距離よりも小さい位置をいうことは既に述べたとおりである。

上吹きランス７から酸素ガス８を上吹き吹錬する際、酸素ガス８が上昇管４側に供給される場合であっても、酸素火点の中心位置９が上昇管４側の側壁煉瓦に近づきすぎると、上昇管４側へのスプラッシュが多くなって上昇管４側の側壁煉瓦の溶損が大きくなることがある。この場合、酸素火点の中心位置９を、真空槽１の上昇管４側の側壁からの距離ｒと真空槽１の内半径ｒ0 との比（ｒ／ｒ0 ）の値で０．５〜０．９の位置とすることで、安定、且つ確実に上昇管４側においても側壁煉瓦の溶損を抑制することが可能になる。

したがって、前記（２）の発明においては、酸素火点の中心位置９を、真空槽１の上昇管４側の側壁からの距離ｒと真空槽１の内半径ｒ0 との比（ｒ／ｒ0 ）の値で０．５〜０．９の位置とした。

また、前記（５）の発明に係る装置においては、酸素火点の中心位置９が、真空槽１の上昇管４側の側壁からの距離ｒと真空槽１の内半径ｒ0 との比である（ｒ／ｒ0 ）の値で０．５〜０．９の位置にあることと規定した。

なお、既に述べたように、酸素火点の中心位置の「上昇管側の側壁からの距離ｒ」とは、「上昇管側側壁の内壁表面からの距離ｒ」、つまり、酸素火点の中心位置を含む水平面上で真空槽の内壁が構成する円を想定した場合、酸素火点の中心位置を通る前記円の直径上での酸素火点の中心位置と上昇管側に対応する円周部との距離ｒを指す。

上吹きランス７から酸素ガス８を上吹き吹錬する際、ランスノズル先端のランス孔に鉛直方向に対して下向きに角度を設けたランスを用いれば、たとえそのランスが真空槽１の上部中心位置から真っ直ぐ下に挿入された場合であっても、酸素ガス８を上昇管４側に供給することができる。そして、前記ランス孔に設ける鉛直方向に対して下向きの角度及び酸素ガス８を吹き付ける際の上吹きランス７の溶鋼３からの距離（つまり、ランス−溶鋼面間距離）や上吹きランス７の真空槽槽底１０からの距離（以下、ランスの高さという）を制御することにより、任意の位置に酸素ガス８を吹き付けることが可能になる。この場合、前記のランスノズル先端のランス孔に設ける角度が鉛直方向に対して下向きに３゜未満であると、酸素ガス８を上昇管４側に供給する、なかでも前述の酸素火点の中心位置９を、真空槽１の上昇管４側の側壁からの距離ｒと真空槽１の内半径ｒ0 との比（ｒ／ｒ0 ）の値で０．５〜０．９の位置にするためには、ランス−溶鋼面間距離やランスの高さを大きくする必要が生じ、Ａｌとの反応効率が低下して溶鋼の昇熱効率が低下することがある。一方、前記のランスノズル先端のランス孔に設ける角度が鉛直方向に対して下向きに１０゜を超えると、酸素ガス８を上昇管４側に供給する、なかでも前述の酸素火点の中心位置９を、真空槽１の上昇管４側の側壁からの距離ｒと真空槽１の内半径ｒ0 との比（ｒ／ｒ0 ）の値で０．５〜０．９の位置にするためには、ランス−溶鋼面間距離やランスの高さを小さくする必要が生じ、ランスへの地金の付着や真空槽槽底の耐火物の損傷をきたすことがある。

したがって、前記（３）の発明においては、上吹きランスとして、ランスノズル先端のランス孔に鉛直方向に対して下向きに３〜１０゜の角度を設けたランスを用いることとした。

また、前記（５）の発明に係る装置においては、上吹きランスが、ランスノズル先端のランス孔に鉛直方向に対して下向きに３〜１０゜の角度を有するランスであることと規定した。

既に述べたとおり、ランスノズル先端のランス孔に鉛直方向に対して下向きに設ける角度とは、図１の「Ａ部拡大」図に示す２点鎖線で示す鉛直方向とランス孔の中心軸とがなす角度θを指す。

なお、酸素火点の中心位置の真空槽内での位置は、例えば、上吹きランスを真空槽の上部中心位置から真っ直ぐ下に挿入する場合には、ランスノズル先端のランス孔に鉛直方向に対して下向きに角度を設けたランスを用いることで調整できるし、ランスノズル先端のランス孔に上記のような角度を設けない上吹きランスを用いる場合には、真空槽の上部中心位置から外れる部位から上吹きランスを真っ直ぐ下に挿入したり、真空槽の上部から上吹きランスを挿入する場合に鉛直方向（つまり、真っ直ぐ下の方向）ではなく、角度を付けて挿入することで調整できる。

そして、前記（１）〜（３）の発明の方法は、例えば、それぞれ前記（４）〜（６）の発明に係る装置を用いて容易に実施することができる。

以下、実施例により本発明を更に詳しく説明する。

２１０トン転炉で１次精錬された溶鋼を、毎分の循環量が１５０トンであるＲＨ真空脱ガス装置を用いて、脱ガス処理を繰り返した。なお、Ａｌと酸素との発熱反応を利用して溶鋼を昇熱するために、溶鋼１トン当たり０．１７ｍ³ (Normal)／分の酸素ガスを真空槽内に上吹きランスから供給して吹錬し、約１００チャージを１サイクルとした。

１サイクル中は、上吹きランスから酸素ガスを吹き付けた際の酸素火点の中心位置を固定した状態で吹錬した。なお、酸素火点の中心位置は真空槽内中心、下降管側及び上昇管側の３種類とした。酸素火点の中心位置を上昇管側及び下降管側に調整するときは、ランスノズル先端のランス孔に鉛直方向に対して下向きに５゜の角度を有する上吹きランスを使用した。

上述の各条件で酸素ガスを上吹き吹錬したときの真空槽内の側壁煉瓦の最大溶損量を調査した。なお、既に知見（ａ）として述べたように、溶損量は供給酸素量に比例することから、１チャージ当たりの平均供給酸素量が約２００ｍ³ (Normal)であるものについて比較した。

表１に、酸素ガスの上吹き吹錬条件と側壁煉瓦の最大溶損量の調査結果を示す。また、図２に酸素火点の中心位置と側壁煉瓦の最大溶損量との関係を整理して示す。なお、表１及び図２においては、「酸素火点の中心位置」を「火点位置」、側壁煉瓦の「最大溶損量」を「溶損量」と表記した。

表１及び図２から、酸素火点の中心位置を上昇管側に位置させることによって、真空槽内の側壁煉瓦の最大溶損量を低減できることが明らかである。

実施例１の場合と同様に、２１０トン転炉で１次精錬された溶鋼を、毎分の循環量が１５０トンであるＲＨ真空脱ガス装置を用いて、脱ガス処理を繰り返した。なお、本実施例の場合にも、Ａｌと酸素との発熱反応を利用して溶鋼を昇熱するために、溶鋼１トン当たり０．１７ｍ³ (Normal)／分の酸素ガスを真空槽内に上吹きランスから供給して吹錬し、約１００チャージを１サイクルとした。

１サイクル中は、上吹きランスから酸素ガスを吹き付けた際の酸素火点の中心位置を固定した状態で吹錬した。なお、酸素火点の中心位置は、ランスノズル先端のランス孔に鉛直方向に対して下向きに１〜１０゜の角度を有する上吹きランスを使用し、ランス−溶鋼面間距離を２．０〜３．９ｍとして、真空槽の上昇管側の側壁からの距離ｒと真空槽の内半径ｒ0 との比（ｒ／ｒ0 ）の値で０．２０〜０．９４の範囲で任意に調整した。

上述の各条件で酸素ガスを上吹き吹錬したときの真空槽内の側壁煉瓦の最大溶損量を調査した。なお、溶損量は供給酸素量に比例することから、１チャージ当たりの平均供給酸素量が約２００ｍ³ (Normal)であるものについて比較した。また、酸素吹き開始前と終了時の溶鋼の温度を測定して、昇温量を調査した。

表２に、酸素ガスの上吹き吹錬条件と側壁煉瓦の最大溶損量の調査結果、及び酸素ガスの上吹き吹錬条件と酸素量１００ｍ³ (Normal)当たりの昇温量の調査結果を示す。また、図３に前記（ｒ／ｒ0 ）の値と側壁煉瓦の最大溶損量との関係を整理して示す。なお、表２及び図３においても側壁煉瓦の「最大溶損量」を「溶損量」と表記した。表２における「ランス孔角度」は、ランスノズル先端のランス孔に鉛直方向に対して下向きに設けた角度を意味する。

表２及び図３から、酸素火点の中心位置を上昇管側に位置させた場合であっても、前記（ｒ／ｒ0 ）の値が０．５〜０．９の範囲にある試験番号１１〜２６及び試験番号３２の場合に真空槽内の側壁煉瓦の最大溶損量が小さくなることが明らかである。なお、試験番号３２の場合には、ランス孔角度が１゜と小さいため「ｒ／ｒ０」の値を０．８８にするとランス−溶鋼面間距離が大きくなるので、酸素量１００ｍ³ (Normal)当たりの昇温量で表される溶鋼の昇熱効率が劣っている。

本発明の方法によれば、ＲＨ真空脱ガス装置の真空槽内で酸素ガスを上吹き吹錬する真空精錬において、真空槽の側壁煉瓦を構成する耐火物の溶損を抑制することができるし、効率よく溶鋼を昇熱することも可能であるため、ランニングコストを大幅に低減することができる。また、本発明の溶鋼昇熱装置を用いれば本発明の方法を容易に実施することができる。

ＲＨ真空脱ガス装置の真空槽の上部中心位置から挿入した上吹きランスを用いて真空槽内で酸素ガスを上吹き吹錬する本発明の方法を説明する模式図である。実施例１で調査した酸素火点の中心位置と側壁煉瓦の最大溶損量との関係を示す図である。実施例２で調査した上昇管側領域における酸素火点の中心位置と側壁煉瓦の最大溶損量との関係を示す図である。

符号の説明

１：真空槽、
２：取鍋、
３：溶鋼、
４：上昇管、
５：下降管、
６：環流ガス、
７：上吹きランス、
８：酸素ガス、
９：酸素火点の中心位置、
１０：真空槽槽底。

Claims

ＲＨ真空脱ガス装置の真空槽内で上吹きランスから酸素ガスを吹き付ける溶鋼昇熱方法であって、酸素火点の中心位置を真空槽内の上昇管側に位置させることを特徴とする溶鋼昇熱方法。
酸素火点の中心位置を、真空槽の上昇管側の側壁からの距離ｒと真空槽の内半径ｒ0 との比（ｒ／ｒ0 ）の値で０．５〜０．９の位置とする請求項１に記載の溶鋼昇熱方法。
上吹きランスとして、ランスノズル先端のランス孔に鉛直方向に対して下向きに３〜１０゜の角度を設けたランスを用いる請求項１又は２に記載の溶鋼昇熱方法。
ＲＨ真空脱ガス装置の真空槽内で上吹きランスから酸素ガスを吹き付ける溶鋼昇熱装置であって、酸素火点の中心位置が真空槽内の上昇管側に位置することを特徴とする溶鋼昇熱装置。
酸素火点の中心位置が、真空槽の上昇管側の側壁からの距離ｒと真空槽の内半径ｒ0 との比である（ｒ／ｒ0 ）の値で０．５〜０．９の位置にある請求項４に記載の溶鋼昇熱装置。
上吹きランスが、ランスノズル先端のランス孔に鉛直方向に対して下向きに３〜１０゜の角度を有するランスである請求項４又は５に記載の溶鋼昇熱装置。