JP4466287B2 - 減圧下における溶鋼の精錬方法及び精錬用上吹きランス - Google Patents

Description

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から溶鋼に向けて酸素ガスを吹き付け、溶鋼を脱炭精錬する溶鋼の精錬方法、並びに、その際に使用する精錬用上吹きランスに関するものである。

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）。

この減圧下での上吹き送酸による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、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。

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。

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。
特開昭５５−１２５２２０号公報 特公昭６１−５７８８６号公報 特許第３２９３０２３号公報 特許第２６６７００７号公報

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。

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。尚、ＲＨ真空脱ガス設備などを用いた減圧下における上吹き送酸による脱炭処理では、槽内の雰囲気圧力は、脱炭反応によるＣＯガスの発生量が脱炭処理の経過時間に伴って少なくなることから、通常、脱炭処理開始時が高く脱炭処理終了時が低くなる。

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力の範囲が狭いため、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。

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。

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ガスを吹き付け、溶鋼を脱炭精錬する際に、高効率で高速に、しかも設備への地金付着を少なくすることができる溶鋼の精錬方法、並びに、その際に使用する精錬用上吹きランスを提供することを目的とする。

本発明者等は、上記課題を解決すべく鋭意研究を行ない、幅広い減圧雰囲気の条件下において上吹き送酸ジェットの減衰挙動に及ぼす雰囲気圧力の影響を調査した。その結果、上吹き送酸時に使用されるラバールノズルの形状を雰囲気圧力の変動を考慮して設計することで、鉄飛散を低減すると同時に減圧下における送酸脱炭の高効率高速化が可能となるとの知見を得た。

本発明は、上記知見に基づいてなされたものであり、第１の発明に係る減圧下における溶鋼の精錬方法は、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ガスを吹き付けて脱炭精錬するに際し、主たる送酸速度Ｆ（Nm³ ／hr）から定まるラバールノズル１孔当たりの送酸速度Ｆｈ（Nm³ ／hr）と、ラバールノズルのスロート径Ｄｔ（mm）と、に対して下記の（１）式を満足するノズル背圧Ｐｏ（ｋPa）を定めると共に、上吹きランスからの送酸開始時の雰囲気圧力Ｐes（ｋPa）及び送酸終了時の雰囲気圧力Ｐee（ｋPa）に対して下記の（２）式を満足する圧力Ｐｅ（ｋPa）を設計雰囲気圧Ｐｅとして定め、定めたノズル背圧Ｐｏ（ｋPa）及び設計雰囲気圧Ｐｅ（ｋPa）と前記スロート径Ｄｔ（mm）とから、下記の（３）式によって定められる出口径Ｄｅ（mm）を有するラバールノズルを備えた上吹きランスを用いることを特徴とするものである。

第２の発明に係る減圧下における溶鋼の精錬方法は、第１の発明において、前記設計雰囲気圧Ｐｅを、上吹きランスからの送酸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。

第３の発明に係る減圧下における溶鋼の精錬方法は、第１または第２の発明において、前記上吹きランスからの送酸開始時の雰囲気圧力Ｐesを１３．３ｋPa以上とすることを特徴とするものである。

第４の発明に係る減圧下における溶鋼の精錬方法は、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送酸終了時の雰囲気圧力Ｐeeを１３．３ｋPa未満とすることを特徴とするものである。

第５の発明に係る減圧下における溶鋼の精錬方法は、第１ないし第４の発明の何れかにおいて、前記設計雰囲気圧Ｐｅを１３．３ｋPa以上とすることを特徴とするものである。

第６の発明に係る減圧下における溶鋼の精錬方法は、第１ないし第５の発明の何れかにおいて、前記ノズル背圧Ｐｏを６８６ｋPa以下とすることを特徴とするものである。

第７の発明に係る減圧下における溶鋼の精錬方法は、第１ないし第６の発明の何れかにおいて、前記上吹きランスからの送酸開始時での溶鋼中炭素濃度を０．０５質量％以上とすることを特徴とするものである。

第８の発明に係る減圧下における溶鋼の精錬用上吹きランスは、その先端にラバールノズルが設置された、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ガスを吹き付けて脱炭精錬する精錬用上吹きランスであって、前記ラバールノズルの出口径Ｄｅ（mm）は、主たる送酸速度Ｆ（Nm³ ／hr）から定まるラバールノズル１孔当たりの送酸速度Ｆｈ（Nm³ ／hr）及びラバールノズルのスロート径Ｄｔ（mm）に対して下記の（１）式を満足するノズル背圧Ｐｏ（ｋPa）と、上吹きランスからの送酸開始時の雰囲気圧力Ｐes（ｋPa）及び送酸終了時の雰囲気圧力Ｐee（ｋPa）に対して下記の（２）式を満足する設計雰囲気圧Ｐｅと、前記スロート径Ｄｔ（mm）とから、下記の（３）式によって定められることを特徴とするものである。

第９の発明に係る減圧下における溶鋼の精錬用上吹きランスは、第８の発明において、前記設計雰囲気圧Ｐｅは、上吹きランスからの送酸時における雰囲気の最大圧力を超えない範囲で且つ１３．３ｋpa以上であることを特徴とするものである。

本発明によれば、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溶鋼を脱炭精錬するに際し、雰囲気の真空度の変動を考慮して、送酸開始時の雰囲気圧力Ｐesと送酸終了時の雰囲気圧力Ｐeeとの平均値よりも高い雰囲気圧力を設計雰囲気圧Ｐｅとして設計したラバールノズルを具備する上吹きランスを用いて精錬するので、送酸初期の雰囲気圧力が高い状態では酸素ガスのジェットが適正化され、一方、送酸末期の雰囲気圧力が低い状態では酸素ガスのジェットが不適正膨張となり、その結果、酸素の反応効率を高める必要のある酸素吹錬の初期から中期においては、酸素ジェットの動圧が高く維持されることから酸素の反応効率が格段に上昇し、一方、酸素吹錬の中期から末期では、酸素ジェットの動圧が低くなることから鉄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など、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。

以下、本発明について具体的に説明する。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。

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た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。

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。

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。

このラバールノズル１６においては、超音速または亜音速の酸素ジェットを形成するための最適な条件として、当該ラバールノズルからの送酸速度、そのときのノズル背圧、雰囲気圧、スロート径Ｄｔ、及び、出口径Ｄｅは、前述した（１）式及び（３）式の関係を満足するように設計されている。即ち、減圧下での脱炭精錬における主たる送酸速度Ｆ（Nm³ ／hr）から定まるラバールノズル１孔当たりの送酸速度Ｆｈ（Nm³ ／hr）とノズル背圧Ｐｏ（ｋPa）とスロート径Ｄｔ（mm）とは、（１）式の関係を満足するように設計され、また、スロート径Ｄｔ（mm）及び出口径Ｄｅ（mm）は、ノズル背圧Ｐｏ（ｋPa）及び設計雰囲気圧Ｐｅ（ｋPa）に対して（３）式の関係を満足するように設計されている。

ここで、主たる送酸速度Ｆとは、減圧下での脱炭精錬において同一の送酸速度で最も長い時間にわたって送酸したときの送酸速度であり、送酸速度の変更が頻繁であって２分間以上にわたって同一の送酸速度を維持できない場合には、全期間の送酸速度の平均値とする。ラバールノズル１孔当たりの送酸速度Ｆｈは、ランスノズル１５に複数個のラバールノズル１６が設置された場合に各々のラバールノズル１６のスロート径Ｄｔの断面積比から求めることができる。ノズル背圧Ｐとは、ランス本体内即ちラバールノズル１６の入側の酸素ガスの圧力である。また、設計雰囲気圧Ｐｅは、脱炭精錬中の真空槽５の内部の雰囲気圧のなかの任意の数値である。

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。

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。

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に脱炭処理を施す。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は未脱酸或いは半脱酸の状態とすることが好ましい。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。

本発明者等は、この減圧下での脱炭精錬（「真空脱炭精錬」ともいう）において、高効率で高速に脱炭処理を実施可能で、しかも設備への地金付着を少なくすることができる精錬方法の開発を目的として、上吹き送酸ジェットの減衰挙動を明確にするため、ラバールノズル１６から噴射される酸素ジェットの動圧減衰に及ぼすノズル形状及び雰囲気圧力の影響を詳細に調査した。以下、調査結果を説明する。

酸素ジェットの流速測定の結果から、減圧下においては、雰囲気ガスの酸素ジェットへの巻込みが抑制され、酸素ジェットの速度の減衰は大幅に抑制されることが分かった。ここで、溶鋼浴面での脱炭反応には酸素ジェットの動圧が重要となる。即ち、動圧が高いほど脱炭反応は促進される。この動圧は、酸素ジェットの速度及び密度の関数となるが、減圧下での密度減少にも拘わらず、動圧についても雰囲気圧力の低下に伴って増加することが定量的に確認できた。

また、エネルギーロスの少ない最適な酸素ジェットが得られるラバールノズル１６の形状として、その出口径Ｄｅとスロート径Ｄｔとの比（Ｄｅ／Ｄｔ）は、前述した（３）式に示すように、ノズル背圧Ｐｏと設計雰囲気圧Ｐｅとによって理論的に定まる。即ち、ラバールノズル１６の設計に関しては、ノズル背圧Ｐｏのみならず真空槽５の内部の雰囲気圧力も重要な要因であることが理論的に示されており、ラバールノズル１６の形状及び酸素ジェットの減衰挙動に及ぼす雰囲気圧力の影響は極めて大きい。仮に、真空槽５の内部の雰囲気圧力が一定であれば、それを設計雰囲気圧Ｐｅとすることにより、最適な酸素ジェットが得られるラバールノズル１６の形状を一義的に設計できることになる。尚、ノズル背圧Ｐｏ及び設計雰囲気圧Ｐｅ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。

しかしながら、減圧下の精錬においては操業上から雰囲気の圧力は大きく変動し、通常は酸素吹錬の進行に伴って、脱炭反応によるＣＯガスの発生量が脱炭精錬の経過時間に伴って少なくなることから雰囲気の排気が進み、雰囲気圧力は減少していく。即ち、上吹きランス１３からの送酸開始時の雰囲気圧力Ｐesが高く、上吹きランス１３からの送酸終了時の雰囲気圧力Ｐeeに向かって次第に低下していく。近年、ＲＨ真空脱ガス設備１において高速、高効率送酸脱炭を目標とする際には、脱炭精錬開始時の雰囲気圧力は高くなり１００〜２００torr（１３．３〜２６．７ｋPa）更には２００torr（２６．７ｋPa）以上に至る場合もある。溶鋼３の環流が不可となることから上限は２５０〜３００torr（３３．３〜４０．０ｋPa）程度である。雰囲気圧力は酸素吹錬の進行に伴い減少していき、その程度は当然排気能力に大きく依存するが、送酸終了時には１０torr（１．３ｋPa）以下に達する場合もある。送酸終了後は成分調整工程などの次プロセスに供されるか、或いは、環流による真空脱炭で更に極低炭素領域まで脱炭処理される。

このように、酸素吹錬中の雰囲気圧力は広い範囲で処理毎に更に鋼種毎に時々刻々変化するため、酸素ジェットの挙動も一定ではなく時々刻々変化し、酸素吹錬の初期には高い雰囲気圧力に起因して酸素ジェットの低動圧化が生じ、一方、酸素吹錬の末期には低い雰囲気圧力に起因して酸素ジェットの高動圧化が生じる。特に１００torr（１３．３ｋPa）近傍を境にして雰囲気圧力の高い側で急激に酸素ジェットの動圧が減少することが分かった。このため、送酸初期から中期までの高い雰囲気圧力のときに脱炭効率の不安定性が生じ、動圧を制御する必要が生ずる。換言すれば、雰囲気圧力が高いときに酸素ジェットの高動圧化が必要になる。ここで、上吹きランス１３のランス高さの調整によって動圧制御を実施することも可能ではあるが、雰囲気圧力が大きく変化する場合にはランス高さの調整による動圧の制御幅にも限界が生じ、また、雰囲気圧力に応じてランス高さを調整することは、オペレーターの負荷が増大するのみならず、設備的にも煩雑となり、酸素ジェットの動圧を制御する方法としては適切とはいえない。

もう一つの課題として、上吹き送酸時の鉄飛散に起因する上吹きランス１３、真空槽５などの設備への地金付着を低減する必要がある。そこで、上吹き送酸時の鉄飛散に及ぼす真空度の影響を４０ｋｇ質量の溶鋼を用いた小型実験炉により調査した。その結果、酸素ガスの上吹きによる溶鋼脱炭時の鉄飛散は、雰囲気圧力が１００torr（１３．３ｋPa）より低くなると増大し始め、７０torr（９．３ｋPa）以下で激しくなることが分かった。この結果から、鉄飛散の観点からは酸素吹錬の初期から中期までの雰囲気圧力が１００torr（１３．３ｋPa）以上の領域が好ましく、鉄飛散を低減するためには、酸素吹錬の中期から末期までの雰囲気圧力が低い領域において動圧を下げる必要のあることが分かった。

これらをまとめると、脱炭効率を最適化するためには、１００torr（１３．３ｋPa）以上の雰囲気圧力の高い側で酸素ジェットの動圧を高め、地金付着を抑制するためには、１００torr（１３．３ｋPa）以下の雰囲気圧力の低い側で酸素ジェットの動圧を下げる必要のあることが分かった。

ここで、本発明者等は、ラバールノズル１６の形状に着目した。前述のように、ラバールノズル１６の形状は、ノズル背圧Ｐｏと設計雰囲気圧Ｐｅとから決定されるために最適なノズル形状となる操業雰囲気圧力は、操業雰囲気圧力が設計雰囲気圧Ｐｅと一致する一点のみとなる。この雰囲気圧力（＝設計雰囲気圧Ｐｅ）で酸素ジェットの噴出エネルギーロスは最小となり、効率良く酸素ジェットのエネルギーを浴面へ伝えることが可能となる。実際には、操業中に雰囲気圧力は時々刻々変化しており、操業雰囲気圧力がこの最適雰囲気圧力から離れるに伴って、酸素ジェットのエネルギーロスは大きくなっていくことが分かった。そこで、雰囲気圧力の変動とラバールノズル１６の形状との関係を更に調査し、脱炭反応並びに鉄飛散に及ぼす影響を明確化すると共に、変化する雰囲気圧力のなかでどこの時点の雰囲気圧力を用いてラバールノズル１６を設計すべきかを検討した。

前述したように、脱炭効率の観点からは、急激に動圧が低下する１００torr（１３．３ｋPa）以上の雰囲気圧力が高いときのエネルギーロスを極小化する必要があり、一方、鉄飛散抑制の観点からは、急激に動圧が上昇する１００torr（１３．３ｋPa）以下の雰囲気圧力が低いときのエネルギーロスを大きくする必要がある。酸素吹錬中の雰囲気圧力の変動幅は設備によって異なり、１００torr（１３．３ｋPa）をまたぐような変動幅の時にこれらの両者は特に重要となるが、そうでない場合においても脱炭効率、鉄飛散と雰囲気圧力との関係は相対的に同じであるため、同様なことがいえる。ここで、送酸開始時の雰囲気圧力Ｐesと送酸終了時の雰囲気圧力Ｐeeとの平均値よりも高い雰囲気圧力を設計雰囲気圧Ｐｅとしてラバールノズル１６を設計することで、即ち、前述した（２）式を満足する範囲で設計雰囲気圧Ｐｅを決めることで、これらの両者は共に満たされることが分かった。ここで、設計雰囲気圧Ｐｅを（２×Ｐes＋Ｐee）／３以上とすることにより更に効果が顕著となることも分かった。

このようにしてラバールノズル１６を設計することにより、酸素吹錬の開始から中期にいたる雰囲気圧力が高い側（設計雰囲気圧Ｐｅに近い側）では、最適な酸素ジェットが得られ、高い雰囲気圧力に起因する動圧低下があるものの、この動圧低下が補われ、酸素ジェットのエネルギーロスが少なくなり、一方、酸素吹錬の中期から末期にいたる雰囲気圧力が低い側（設計雰囲気圧Ｐｅから離れた側））では、酸素ジェットは不適正膨張（膨張不足）を起こすのでエネルギーロスが大きくなり、雰囲気圧力の低下に伴う酸素ジェットの動圧の上昇はあるものの、この動圧の上昇が抑えられる。即ち、低い雰囲気圧力下での脱炭効率を損なうことなく、高い雰囲気圧力下での脱炭効率を上昇させることが可能となり、平均の脱炭効率を上昇させることができ、また、低い雰囲気圧力下での鉄飛散を大幅に低減することができる。

これに対して、従来のラバールノズルは到達雰囲気圧の近傍（通常１００torr（１３．３ｋPa）以下）即ち低い雰囲気圧力側で設計される場合が多く、その場合には、酸素吹錬初期の高い雰囲気圧力下ではロスが更に大きくなり脱炭効率は更に悪化し、また、酸素吹錬末期の低い雰囲気圧力下ではエネルギーロスが少なく脱炭効率は良いが、地金飛散が著しくなっていたことが分かった。

図４に、ノズル背圧Ｐｏを同一とし、設計雰囲気圧Ｐｅを１５０torr（２０ｋPa）及び６０torr（８．０ｋPa）として設計したラバールノズルを用いて雰囲気圧力を変更したときの溶鋼湯面における酸素ジェットの動圧の推移を模式的に示す。本発明に係る設計雰囲気圧Ｐｅを１５０torrとしたラバールノズルでは、雰囲気圧力が高い側で酸素ジェットの動圧が理論値に近くなり、逆に、雰囲気圧力が低い側で理論値からの乖離が大きくなる。これに対して、設計雰囲気圧Ｐｅを６０torrとした従来のラバールノズルでは、雰囲気圧力が低い側で酸素ジェットの動圧が理論値に近くなり、逆に、雰囲気圧力が高い側で理論値からの乖離が大きくなる。即ち、本発明に係るラバールノズル１６では、高い雰囲気圧力下における脱炭反応が促進し、低い雰囲気圧力下における鉄飛散が抑制される。

ここで、設計雰囲気圧Ｐｅは１００torr（１３．３ｋPa）以上とすることが好ましい。減圧下における酸素ジェットの特性は、前述したように１００torr（１３．３ｋPa）近傍で大きく変化するため、設計雰囲気圧Ｐｅを１００torr（１３．３ｋPa）以上とすることで、動圧が増大して鉄飛散の激しくなる雰囲気圧力の低い側でエネルギーロスを増大させることが可能となり、一方、動圧が低減して脱炭酸素効率の低下する高雰囲気圧でエネルギーロスを少なくさせることが可能となり、本発明の効果を最大にすることができる。

このとき、脱炭処理終了時の雰囲気圧力Ｐeeは１００torr（１３．３ｋPa）以上であってもよいが、酸素ジェットのエネルギーが増大する１００torr（１３．３ｋPa）未満に達する場合、特に７０torr（９．３ｋPa）以下に達する場合に効果が大きい。また、脱炭処理開始時の雰囲気圧力Ｐesが１００torr（１３．３ｋPa）以下の場合でも、１００torr（１３．３ｋPa）以上の設計雰囲気圧Ｐｅで設計することで、雰囲気圧力が１００torr（１３．３ｋPa）以下の範囲における酸素ジェットのエネルギーロスを増加させることが可能なために同様な効果を得ることができるが、脱炭処理開始時の雰囲気圧力Ｐesを１００torr（１３．３ｋPa）以上として脱炭処理を開始した場合のように、脱炭処理中の雰囲気圧力の変動が大きい場合には、雰囲気圧力の高い時点における脱炭効率の向上効果を得ることができるため、より顕著な効果が得られる。更に、高い雰囲気圧力の領域では、酸素ジェットのエネルギーが小さくなるためロスの変動幅も小さくなる。そのため、設計雰囲気圧Ｐｅが操業雰囲気圧よりも高い場合においても同様な効果が得られるが、高い雰囲気圧領域における酸素ジェットのロスを少なくするためには、設計雰囲気圧Ｐｅは、操業雰囲気圧の変動範囲内にあること、換言すれば雰囲気圧力の最大圧力を超えないことが好ましい。

また更に、脱炭酸素効率を増大させるためには、上吹きランス１３のランス高さは低いほうが好ましい。このとき、浴面での酸素ジェットは増大するため、鉄飛散及び上吹きランス１３への地金付着も著しく増大し、操業の阻害要因となる。これを抑制する観点から、ノズル背圧Ｐｏを低くし、ノズルからの噴出流速を低減させるほうが好ましい。ノズル背圧Ｐｏを低くすることにより、鉄飛散及び上吹きランス１３への地金付着を抑制しつつ、高い酸素効率を維持することが可能となる。この効果の得られるノズル背圧Ｐｏは７kgf ／cm² （６８６ｋPa）以下であり、望ましくは５kgf ／cm² （４９０ｋPa）以下とする。また、酸素吹錬の進行に伴って溶鋼３の炭素濃度は低減し、大気圧下における転炉脱炭精錬と同様に脱炭酸素効率の低下が生じるため、酸素吹錬の進行に伴い、送酸速度を低減させてもよい。これにより、酸素効率は向上し、また、酸素吹錬の中期から末期にかけての雰囲気圧力の低い場合でも、急激な動圧上昇を抑制することが可能となる。

以上説明したように、本発明によれば、大気圧よりも低い減圧下において上吹きランス１３から溶鋼３に向けて酸素ガスを吹き付けて溶鋼３を真空脱炭精錬するに際し、真空槽５の内部の真空度の変動を考慮して、送酸開始時の雰囲気圧力Ｐesと送酸終了時の雰囲気圧力Ｐeeとの平均値よりも高い雰囲気圧力を設計雰囲気圧Ｐｅとして設計したラバールノズル１６を備えた上吹きランス１３から送酸するので、上吹きランス１３及び真空槽５の内壁、更にはダクト１１を含む排気装置への地金付着を低減することが可能となると同時に、脱炭効率の向上が達成され、真空脱炭精錬に費やす費用を大幅に削減することが可能となる。

これらの効果は、溶鋼３の炭素濃度が０．０５質量％以上の炭素濃度領域で真空脱炭処理を開始する場合に特に有効である。溶鋼３の炭素濃度が０．０５質量％以上になると、脱炭反応が酸素供給律速になるため脱炭速度が大きくなるからである。

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、他の真空精錬プロセス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。

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。

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０．１８Nm³ ／min・t の酸素ガスを真空槽内の溶鋼湯面に供給し、真空脱炭精錬を実施した。この真空脱炭精錬では、種々の条件で設計したラバールノズルを備えた上吹きランスを用い、且つ、真空槽内の圧力を種々に変更して実施した。そして、ラバールノズルの設計条件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。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。

表１に示すように、ラバールノズルの設計条件が本発明の範囲にある試験Ｎo.１〜７及び試験Ｎo.１１〜１３では、地金付着が少ないことが確認された。特に、ノズル背圧Ｐｏが６８６ｋPa以下で且つ設計雰囲気圧Ｐｅが送酸脱炭精錬中の雰囲気圧力を超えない範囲で設計した試験Ｎo.１〜４及び試験Ｎo.７では、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、ラバールノズルの設計条件が本発明の範囲を外れた試験Ｎo.８〜１０では、脱炭酸素効率は低く、且つ、地金付着も試験Ｎo.１〜７及び試験Ｎo.１１〜１３に比較して多いことが確認された。

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１に示す上吹きランスの概略拡大断面図である。 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。 設計雰囲気圧Ｐｅを１５０torr及び６０torrとして設計したラバールノズルにおける酸素ジェットの動圧の推移を模式的に示す図である。

符号の説明

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

Claims (9)

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ガスを吹き付けて脱炭精錬するに際し、主たる送酸速度Ｆ（Nm³ ／hr）から定まるラバールノズル１孔当たりの送酸速度Ｆｈ（Nm³ ／hr）と、ラバールノズルのスロート径Ｄｔ（mm）と、に対して下記の（１）式を満足するノズル背圧Ｐｏ（ｋPa）を定めると共に、上吹きランスからの送酸開始時の雰囲気圧力Ｐes（ｋPa）及び送酸終了時の雰囲気圧力Ｐee（ｋPa）に対して下記の（２）式を満足する圧力Ｐｅ（ｋPa）を設計雰囲気圧Ｐｅとして定め、定めたノズル背圧Ｐｏ（ｋPa）及び設計雰囲気圧Ｐｅ（ｋPa）と前記スロート径Ｄｔ（mm）とから、下記の（３）式によって定められる出口径Ｄｅ（mm）を有するラバールノズルを備えた上吹きランスを用いることを特徴とする、減圧下における溶鋼の精錬方法。
   

   

   

   
2. 前記設計雰囲気圧Ｐｅを、上吹きランスからの送酸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に記載の減圧下における溶鋼の精錬方法。
3. 前記上吹きランスからの送酸開始時の雰囲気圧力Ｐesを１３．３ｋPa以上とすることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の減圧下における溶鋼の精錬方法。
4. 前記上吹きランスからの送酸終了時の雰囲気圧力Ｐeeを１３．３ｋPa未満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つに記載の減圧下における溶鋼の精錬方法。
5. 前記設計雰囲気圧Ｐｅを１３．３ｋPa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つに記載の減圧下における溶鋼の精錬方法。
6. 前記ノズル背圧Ｐｏを６８６ｋPa以下とすることを特徴とする、請求項１ないし請求項５の何れか１つに記載の減圧下における溶鋼の精錬方法。
7. 前記上吹きランスからの送酸開始時での溶鋼中炭素濃度を０．０５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６の何れか１つに記載の減圧下における溶鋼の精錬方法。
8. その先端にラバールノズルが設置された、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ガスを吹き付けて脱炭精錬する精錬用上吹きランスであって、前記ラバールノズルの出口径Ｄｅ（mm）は、主たる送酸速度Ｆ（Nm³ ／hr）から定まるラバールノズル１孔当たりの送酸速度Ｆｈ（Nm³ ／hr）及びラバールノズルのスロート径Ｄｔ（mm）に対して下記の（１）式を満足するノズル背圧Ｐｏ（ｋPa）と、上吹きランスからの送酸開始時の雰囲気圧力Ｐes（ｋPa）及び送酸終了時の雰囲気圧力Ｐee（ｋPa）に対して下記の（２）式を満足する設計雰囲気圧Ｐｅと、前記スロート径Ｄｔ（mm）とから、下記の（３）式によって定められることを特徴とする、減圧下における溶鋼の精錬用上吹きランス。
   

   

   

   
9. 前記設計雰囲気圧Ｐｅは、上吹きランスからの送酸時における雰囲気の最大圧力を超えない範囲で且つ１３．３ｋpa以上であることを特徴とする、請求項８に記載の減圧下における溶鋼の精錬用上吹きランス。

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