取鍋精錬装置およびこれを用いた取鍋精錬方法
【課題】複雑な装置を用いずに取鍋内部の溶鋼の流れに水平方向の旋回成分を付与し得る取鍋精錬装置およびこれを用いた取鍋精錬方法を提供する。
【解決手段】この取鍋精錬装置１は、底吹きプラグ３を取鍋底面１ａの中心Ｏから離れた位置に設置するとともに、底面１ａの中心Ｏと底吹きプラグ３の位置を結ぶ直線Ｌに対して交差する方向に沿って凸条をなす整流部５を取鍋１内部の底面１ａに設けた。
【解決手段】この取鍋精錬装置１は、底吹きプラグ３を取鍋底面１ａの中心Ｏから離れた位置に設置するとともに、底面１ａの中心Ｏと底吹きプラグ３の位置を結ぶ直線Ｌに対して交差する方向に沿って凸条をなす整流部５を取鍋１内部の底面１ａに設けた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、取鍋精錬装置およびこれを用いた取鍋精錬方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼に対する品質要求が厳格化している昨今では、溶鋼の脱炭、脱酸、脱硫、介在物の除去、および最終成分調整を取鍋において行う取鍋精錬が一般的に実施されている。取鍋精錬では、取鍋内の溶鋼を攪拌する技術が重要である。
その理由は、溶鋼中の数μｍの微小な介在物粒子は単独での除去は困難であるが、凝集して巨大化した場合には浮力差を用いて浮上分離させることができるため、攪拌により介在物粒子の凝集を促進させるためである。
【０００３】
取鍋精錬における溶鋼の攪拌には、電磁力を使ったり、真空槽による吸い上げによったり、浸漬したランスからのガス吹き込みを行なったりと、種々の方法が試されている。最近では、取鍋に底吹き可能なプラグを設置して、このプラグからガスを吹き込むことによる底吹きガス攪拌が効率的であり、設備的にも安価であることから最も多く利用されている。
一般的に、取鍋底吹きガス攪拌では、耐火物製のポーラスプラグやスリットプラグを取鍋の底部に設置し、アルゴンや窒素等の不活性ガスを溶鋼内に吹き込んで溶鋼を流動させる。
取鍋底吹きガス攪拌では、適正な攪拌条件を作り出すために、特許文献１に示されるようにガス流量を規定することや、特許文献２に示されるように、ガスの初期気泡径を規定することが試みられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１−２８７２１８号公報
【特許文献２】特公昭５６−４９９６９号公報
【特許文献３】特開平６−２３５０１８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、上述のように、取鍋底吹きガス攪拌は、アルゴンや窒素等の不活性ガスの浮力を利用した攪拌手段である。よって、ガスの浮上によって生成される溶鋼の流れは、プラグから真上に向かう上昇流となる。この上昇流は、やがて浴面に達すると水平方向に向きを変え、取鍋側壁にぶつかる地点で下降流となる。このように、取鍋内部の溶鋼の流れは、基本的に上昇と下降とを繰り返す流れとなり、取鍋内部をかき回すような水平方向の旋回成分は含まれていない。
【０００６】
そのため、取鍋底吹きガス攪拌をより効果的に実施するには、溶鋼の流れに水平方向の旋回成分を付与できればよい。例えば、特許文献３記載の技術では、複数個のプラグからのガス流量を時系列に変化させることで溶鋼の流れに水平方向の旋回成分を与えることが試みられている。しかし、ガス流量に変化を与えるためには、機械式の可動部を有する複雑な装置を必要とするという問題がある。
そこで、本発明は、このような問題点に着目してなされたものであって、複雑な装置を用いずに取鍋内部の溶鋼の流れに水平方向の旋回成分を付与し得る取鍋精錬装置およびこれを用いた取鍋精錬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】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明のうち第一の発明は、取鍋精錬を行なうために円形の底面に一個の底吹きプラグを設置した取鍋精錬装置であって、前記底吹きプラグを前記底面の中心から離れた位置に設置するとともに、前記底面の中心と前記底吹きプラグの位置を結ぶ直線に対して交差する方向に沿って凸条をなす整流部を前記取鍋内部の底面に設けたことを特徴とする。
【０００８】
また、本発明のうち第二の発明は、取鍋精錬を行なうために円形の底面に複数個の底吹きプラグを設置した取鍋精錬装置であって、前記底吹きプラグの少なくとも一個を前記底面の中心から離れた位置に設置するとともに、前記底面の中心と前記底吹きプラグの位置を結ぶ直線に対して交差する方向に沿って凸条をなす整流部を前記取鍋内部の底面に設けたことを特徴とする。
また、本発明のうち第三の発明は、取鍋精錬方法であって、本発明のうち第一の発明または第二の発明に係る取鍋精錬装置を用いて精錬を行なうことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る取鍋精錬装置およびこれを用いた取鍋精錬方法によれば、底吹きプラグを底面の中心部から離れた位置に設置し、底面の中心と底吹きプラグの位置を結ぶ直線に対して交差する方向に沿って凸条をなす整流部を取鍋内部の底面に設けたので、この凸条をなす整流部によって、取鍋内部の溶鋼の流れに水平方向の旋回成分を付与することができる。そして、この整流部は、単純な凸条としているため、複雑な装置を用いずに取鍋内部の溶鋼の流れに水平方向の旋回成分を付与することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係る取鍋精錬装置の一実施形態の説明図であり、同図（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図である。
【図２】本発明に係る取鍋精錬装置およびこれを用いた取鍋精錬方法の効果を説明するグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の一実施形態について、図面を適宜参照しつつ説明する。
図１（ａ）および（ｂ）に、本発明に係る取鍋精錬装置の一実施形態を示す。なお、同図の例は、取鍋精錬装置（以下、「取鍋」ともいう）１に１５０トンの溶鋼２が保持された状態で、底吹きプラグ３からＡｒガス４を１０００Ｌ／ｍｉｎ吹き込んでいる取鍋精錬の操業の様子を示している。
【００１２】
取鍋１は、円形の底面１ａと、この底面１ａの周囲を囲繞する側壁部１ｂとを有する容器であり、底面１ａには、一個の底吹きプラグ３が設置されている。この底吹きプラグ３は、底面１ａの中心Ｏから離れた位置（距離Ｒを有している）に設置されている。さらに、この取鍋１は、底面１ａの中心Ｏと底吹きプラグ３の位置を結ぶ直線Ｌに対して交差する方向に沿って凸条をなす整流部５を取鍋１内部の底面１ａに設けている。ここで、整流部５の凸条の高さはｈ、長さはＷ、凸条の延設方向と直交方向での距離ｄである。なお、凸条の厚みは、溶鋼２の流れに対して整流部５を固定できる厚みであればよく、実質的な寸法の規定はない。しかし、この整流部５を耐火レンガで構成するとした場合、例えば「１３０ｍｍ」程度の厚みとすることが考えられるが、これに限定されるものではない。
【００１３】
この整流部５は、凸条をなす形状であれば種々の形状を採用可能であるが、本実施形態の整流部５としては、正面視が矩形板状の整流板を耐火煉瓦によって立設して凸条としている。また、平面視（同図（ｂ））において、底吹きプラグ３の位置と底面１ａの中心Ｏを通る直線Ｌに対して交差する方向に沿って設けられる整流部５がなす角度θについても、種々の角度を設定可能であるが、溶鋼２の流れに十分な旋回流を与えつつ、流れの速度を低下させないことが条件となるため、角度θは４５度程度が最適な値である。本実施形態では、底面１ａに設置された整流部５は、底面１ａの中心Ｏと底吹きプラグ３とを結ぶ直線Ｌに対し、４５度の角度が付けられている。
【００１４】
次に、この取鍋１およびこれを用いた取鍋精錬方法の作用・効果について説明する。
従来の取鍋では、底吹きプラグを起点として上昇する溶鋼の流れは、浴面に達すると水平方向に向きを変え、取鍋側壁にぶつかる地点で下降流となる。そのため、溶鋼の流れは、おおまかには底吹きプラグの位置と取鍋底面の中心を通る平面に平行な向きに流れることになる。
【００１５】
これに対し、この取鍋精錬装置１によれば、上述したように、底吹きプラグ３を底面１ａの中心Ｏから離れた位置に設置し、底面１ａの中心Ｏと底吹きプラグ３の位置を結ぶ直線Ｌに対して角度θが付く向き、つまり、交差する方向に沿って凸条をなす整流部５を底面１ａに設けたので、この整流部５によって、取鍋１内部の溶鋼２の流れに水平方向の旋回成分を付与することができる。そして、この凸条をなす整流部５は、上述したような単純な形状とすることができるため、複雑な装置を用いずに取鍋１内部の溶鋼２の流れに水平方向の旋回成分を付与することができる。
【００１６】
本発明の効果を確認するために、数値熱流体解析（シミュレーション）により溶鋼の均一混合時間を調べた。１５０トンの溶鋼２のうち、底面１ａの中心Ｏ付近に存在する０．４５％の溶鋼２に、他の溶鋼と区別するためのマーキングを行ない、マーキングされた溶鋼２がどのように広がっていくかを調べた。なお、本シミュレーションの条件は、湯面高さを約２０００ｍｍとし、この湯面高さでの取鍋１の内径を約３８００ｍｍ、底面１ａでの取鍋１の内径を３４００ｍｍ、整流部５の凸条の高さｈを１５０ｍｍ、凸条の長さＷを２８００ｍｍとした。シミュレーションは、まず、１５０トンの溶鋼２を２０万個のコントロールボリュームに分割し、それぞれのコントロールボリュームにおいて、マーキングされた溶鋼２の濃度を調べた。このうち、マーキングされた溶鋼２の濃度の最小値と最大値を求め、最小値を最大値で割ったものを混合率とした。
【００１７】
図２は、上述のようにマーキングされた溶鋼２の混合率の時間推移を示したものである。横軸は攪拌開始からの時間、縦軸は混合率を示している。同図に示すように、整流部５を設置した場合には、設置しない場合に比べて、より短時間に取鍋１内部の溶鋼を均一に攪拌することができることを示している。
なお、本発明に係る取鍋精錬装置およびこれを用いた取鍋精錬方法は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しなければ種々の変形が可能なことは勿論である。
【００１８】
例えば、上記実施形態では、一個の底吹きプラグ３を底面１ａに設置した例で説明したが、これに限らず、例えば、底面１ａに複数個の底吹きプラグ３を設置した取鍋１に対しても本発明を採用可能である。この場合には、複数個の底吹きプラグ３のうち、少なくとも一個を底面１ａの中心Ｏから離れた位置に設置するとともに、この底吹きプラグ３の位置と底面１ａの中心Ｏとを結ぶ直線Ｌに対して交差する方向に沿って凸条をなす整流部を取鍋１内部の底面１ａに設ければよい。
【符号の説明】
【００１９】
１ 取鍋精錬装置
２ 溶鋼
３ 底吹きプラグ
４ Ａｒガス
５ 整流部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、取鍋精錬装置およびこれを用いた取鍋精錬方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼に対する品質要求が厳格化している昨今では、溶鋼の脱炭、脱酸、脱硫、介在物の除去、および最終成分調整を取鍋において行う取鍋精錬が一般的に実施されている。取鍋精錬では、取鍋内の溶鋼を攪拌する技術が重要である。
その理由は、溶鋼中の数μｍの微小な介在物粒子は単独での除去は困難であるが、凝集して巨大化した場合には浮力差を用いて浮上分離させることができるため、攪拌により介在物粒子の凝集を促進させるためである。
【０００３】
取鍋精錬における溶鋼の攪拌には、電磁力を使ったり、真空槽による吸い上げによったり、浸漬したランスからのガス吹き込みを行なったりと、種々の方法が試されている。最近では、取鍋に底吹き可能なプラグを設置して、このプラグからガスを吹き込むことによる底吹きガス攪拌が効率的であり、設備的にも安価であることから最も多く利用されている。
一般的に、取鍋底吹きガス攪拌では、耐火物製のポーラスプラグやスリットプラグを取鍋の底部に設置し、アルゴンや窒素等の不活性ガスを溶鋼内に吹き込んで溶鋼を流動させる。
取鍋底吹きガス攪拌では、適正な攪拌条件を作り出すために、特許文献１に示されるようにガス流量を規定することや、特許文献２に示されるように、ガスの初期気泡径を規定することが試みられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１−２８７２１８号公報
【特許文献２】特公昭５６−４９９６９号公報
【特許文献３】特開平６−２３５０１８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、上述のように、取鍋底吹きガス攪拌は、アルゴンや窒素等の不活性ガスの浮力を利用した攪拌手段である。よって、ガスの浮上によって生成される溶鋼の流れは、プラグから真上に向かう上昇流となる。この上昇流は、やがて浴面に達すると水平方向に向きを変え、取鍋側壁にぶつかる地点で下降流となる。このように、取鍋内部の溶鋼の流れは、基本的に上昇と下降とを繰り返す流れとなり、取鍋内部をかき回すような水平方向の旋回成分は含まれていない。
【０００６】
そのため、取鍋底吹きガス攪拌をより効果的に実施するには、溶鋼の流れに水平方向の旋回成分を付与できればよい。例えば、特許文献３記載の技術では、複数個のプラグからのガス流量を時系列に変化させることで溶鋼の流れに水平方向の旋回成分を与えることが試みられている。しかし、ガス流量に変化を与えるためには、機械式の可動部を有する複雑な装置を必要とするという問題がある。
そこで、本発明は、このような問題点に着目してなされたものであって、複雑な装置を用いずに取鍋内部の溶鋼の流れに水平方向の旋回成分を付与し得る取鍋精錬装置およびこれを用いた取鍋精錬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】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明のうち第一の発明は、取鍋精錬を行なうために円形の底面に一個の底吹きプラグを設置した取鍋精錬装置であって、前記底吹きプラグを前記底面の中心から離れた位置に設置するとともに、前記底面の中心と前記底吹きプラグの位置を結ぶ直線に対して交差する方向に沿って凸条をなす整流部を前記取鍋内部の底面に設けたことを特徴とする。
【０００８】
また、本発明のうち第二の発明は、取鍋精錬を行なうために円形の底面に複数個の底吹きプラグを設置した取鍋精錬装置であって、前記底吹きプラグの少なくとも一個を前記底面の中心から離れた位置に設置するとともに、前記底面の中心と前記底吹きプラグの位置を結ぶ直線に対して交差する方向に沿って凸条をなす整流部を前記取鍋内部の底面に設けたことを特徴とする。
また、本発明のうち第三の発明は、取鍋精錬方法であって、本発明のうち第一の発明または第二の発明に係る取鍋精錬装置を用いて精錬を行なうことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る取鍋精錬装置およびこれを用いた取鍋精錬方法によれば、底吹きプラグを底面の中心部から離れた位置に設置し、底面の中心と底吹きプラグの位置を結ぶ直線に対して交差する方向に沿って凸条をなす整流部を取鍋内部の底面に設けたので、この凸条をなす整流部によって、取鍋内部の溶鋼の流れに水平方向の旋回成分を付与することができる。そして、この整流部は、単純な凸条としているため、複雑な装置を用いずに取鍋内部の溶鋼の流れに水平方向の旋回成分を付与することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係る取鍋精錬装置の一実施形態の説明図であり、同図（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図である。
【図２】本発明に係る取鍋精錬装置およびこれを用いた取鍋精錬方法の効果を説明するグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の一実施形態について、図面を適宜参照しつつ説明する。
図１（ａ）および（ｂ）に、本発明に係る取鍋精錬装置の一実施形態を示す。なお、同図の例は、取鍋精錬装置（以下、「取鍋」ともいう）１に１５０トンの溶鋼２が保持された状態で、底吹きプラグ３からＡｒガス４を１０００Ｌ／ｍｉｎ吹き込んでいる取鍋精錬の操業の様子を示している。
【００１２】
取鍋１は、円形の底面１ａと、この底面１ａの周囲を囲繞する側壁部１ｂとを有する容器であり、底面１ａには、一個の底吹きプラグ３が設置されている。この底吹きプラグ３は、底面１ａの中心Ｏから離れた位置（距離Ｒを有している）に設置されている。さらに、この取鍋１は、底面１ａの中心Ｏと底吹きプラグ３の位置を結ぶ直線Ｌに対して交差する方向に沿って凸条をなす整流部５を取鍋１内部の底面１ａに設けている。ここで、整流部５の凸条の高さはｈ、長さはＷ、凸条の延設方向と直交方向での距離ｄである。なお、凸条の厚みは、溶鋼２の流れに対して整流部５を固定できる厚みであればよく、実質的な寸法の規定はない。しかし、この整流部５を耐火レンガで構成するとした場合、例えば「１３０ｍｍ」程度の厚みとすることが考えられるが、これに限定されるものではない。
【００１３】
この整流部５は、凸条をなす形状であれば種々の形状を採用可能であるが、本実施形態の整流部５としては、正面視が矩形板状の整流板を耐火煉瓦によって立設して凸条としている。また、平面視（同図（ｂ））において、底吹きプラグ３の位置と底面１ａの中心Ｏを通る直線Ｌに対して交差する方向に沿って設けられる整流部５がなす角度θについても、種々の角度を設定可能であるが、溶鋼２の流れに十分な旋回流を与えつつ、流れの速度を低下させないことが条件となるため、角度θは４５度程度が最適な値である。本実施形態では、底面１ａに設置された整流部５は、底面１ａの中心Ｏと底吹きプラグ３とを結ぶ直線Ｌに対し、４５度の角度が付けられている。
【００１４】
次に、この取鍋１およびこれを用いた取鍋精錬方法の作用・効果について説明する。
従来の取鍋では、底吹きプラグを起点として上昇する溶鋼の流れは、浴面に達すると水平方向に向きを変え、取鍋側壁にぶつかる地点で下降流となる。そのため、溶鋼の流れは、おおまかには底吹きプラグの位置と取鍋底面の中心を通る平面に平行な向きに流れることになる。
【００１５】
これに対し、この取鍋精錬装置１によれば、上述したように、底吹きプラグ３を底面１ａの中心Ｏから離れた位置に設置し、底面１ａの中心Ｏと底吹きプラグ３の位置を結ぶ直線Ｌに対して角度θが付く向き、つまり、交差する方向に沿って凸条をなす整流部５を底面１ａに設けたので、この整流部５によって、取鍋１内部の溶鋼２の流れに水平方向の旋回成分を付与することができる。そして、この凸条をなす整流部５は、上述したような単純な形状とすることができるため、複雑な装置を用いずに取鍋１内部の溶鋼２の流れに水平方向の旋回成分を付与することができる。
【００１６】
本発明の効果を確認するために、数値熱流体解析（シミュレーション）により溶鋼の均一混合時間を調べた。１５０トンの溶鋼２のうち、底面１ａの中心Ｏ付近に存在する０．４５％の溶鋼２に、他の溶鋼と区別するためのマーキングを行ない、マーキングされた溶鋼２がどのように広がっていくかを調べた。なお、本シミュレーションの条件は、湯面高さを約２０００ｍｍとし、この湯面高さでの取鍋１の内径を約３８００ｍｍ、底面１ａでの取鍋１の内径を３４００ｍｍ、整流部５の凸条の高さｈを１５０ｍｍ、凸条の長さＷを２８００ｍｍとした。シミュレーションは、まず、１５０トンの溶鋼２を２０万個のコントロールボリュームに分割し、それぞれのコントロールボリュームにおいて、マーキングされた溶鋼２の濃度を調べた。このうち、マーキングされた溶鋼２の濃度の最小値と最大値を求め、最小値を最大値で割ったものを混合率とした。
【００１７】
図２は、上述のようにマーキングされた溶鋼２の混合率の時間推移を示したものである。横軸は攪拌開始からの時間、縦軸は混合率を示している。同図に示すように、整流部５を設置した場合には、設置しない場合に比べて、より短時間に取鍋１内部の溶鋼を均一に攪拌することができることを示している。
なお、本発明に係る取鍋精錬装置およびこれを用いた取鍋精錬方法は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しなければ種々の変形が可能なことは勿論である。
【００１８】
例えば、上記実施形態では、一個の底吹きプラグ３を底面１ａに設置した例で説明したが、これに限らず、例えば、底面１ａに複数個の底吹きプラグ３を設置した取鍋１に対しても本発明を採用可能である。この場合には、複数個の底吹きプラグ３のうち、少なくとも一個を底面１ａの中心Ｏから離れた位置に設置するとともに、この底吹きプラグ３の位置と底面１ａの中心Ｏとを結ぶ直線Ｌに対して交差する方向に沿って凸条をなす整流部を取鍋１内部の底面１ａに設ければよい。
【符号の説明】
【００１９】
１ 取鍋精錬装置
２ 溶鋼
３ 底吹きプラグ
４ Ａｒガス
５ 整流部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
取鍋精錬を行なうために円形の底面に一個の底吹きプラグを設置した取鍋精錬装置であって、
前記底吹きプラグを前記底面の中心から離れた位置に設置するとともに、前記底面の中心と前記底吹きプラグの位置を結ぶ直線に対して交差する方向に沿って凸条をなす整流部を前記取鍋内部の底面に設けたことを特徴とする取鍋精錬装置。
【請求項２】
取鍋精錬を行なうために円形の底面に複数個の底吹きプラグを設置した取鍋精錬装置であって、
前記底吹きプラグの少なくとも一個を前記底面の中心から離れた位置に設置するとともに、前記底面の中心と前記底吹きプラグの位置を結ぶ直線に対して交差する方向に沿って凸条をなす整流部を前記取鍋内部の底面に設けたことを特徴とする取鍋精錬装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の取鍋精錬装置を用いて精錬を行なうことを特徴とする取鍋精錬方法。
【請求項１】
取鍋精錬を行なうために円形の底面に一個の底吹きプラグを設置した取鍋精錬装置であって、
前記底吹きプラグを前記底面の中心から離れた位置に設置するとともに、前記底面の中心と前記底吹きプラグの位置を結ぶ直線に対して交差する方向に沿って凸条をなす整流部を前記取鍋内部の底面に設けたことを特徴とする取鍋精錬装置。
【請求項２】
取鍋精錬を行なうために円形の底面に複数個の底吹きプラグを設置した取鍋精錬装置であって、
前記底吹きプラグの少なくとも一個を前記底面の中心から離れた位置に設置するとともに、前記底面の中心と前記底吹きプラグの位置を結ぶ直線に対して交差する方向に沿って凸条をなす整流部を前記取鍋内部の底面に設けたことを特徴とする取鍋精錬装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の取鍋精錬装置を用いて精錬を行なうことを特徴とする取鍋精錬方法。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１２−２０１９３５（Ｐ２０１２−２０１９３５Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−６８２０３（Ｐ２０１１−６８２０３）
【出願日】平成２３年３月２５日（２０１１．３．２５）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２５日（２０１１．３．２５）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【Ｆターム（参考）】
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