JPH0253483B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明はとりべ製鋼法およびその装置に係り、
特に米国特許第3501289号に記載の方法ならびに
装置に対する改良をその目的としている。 製鋼業においては増大するコストならびにその
他の要因に帰因して1960年半ばとりべ製鋼技術を
進歩すべく努力がなされた。その一つとして、真
空アーク脱ガスとして知られる方法がついに開発
されるに到つた。この方法には３つの基本的な特
性が利用されている。即ち、適正な真空レベルに
課する工程と、ガスかくはん工程ならびに鋼がこ
の真空とガスかくはんとの同時効果を受ける時点
に実施する交流（以下「AC」と称す）アーク加
熱工程の３つである。真空ならびにガスかくはん
を施す鋼処理は米国特許第3236635号に記載の如
き方法に達しており、この特許の内容は本明細書
に参考引用されている。この方法は、この発明の
譲受人により又その後もその他の人により広く商
業上に使用されたが、鋼の許容温度降下により時
間制限があつた。米国特許第3501289号に例証さ
れたようなACアーク加熱の他の特性により、温
度降下制限が除かれエンドポイント脱ガスが可能
となり同時にその他の処理を実施するのに使用で
きもしくは単に生産制限に要するよく制手段とし
て利用のできるような任意の時間が得られる。 真空アーク脱ガス（以下VADと称す）が開発
され立証されているので、この方法ならびに他の
とりべ製鋼法技術は、炭素鋼および低合金鋼の製
造にもつとも迅速にして簡単しかも経済的な方法
として確立されている。 実際、とりべ製鋼は現在市場でもつとも一般的
な製鋼技術の１つである。にも拘らずこのきわめ
て烈しい競走的な製鋼時代には各製鋼業者は更に
そのとりべ製鋼コストを下げることが必須とされ
ている。これは、とりべ製鋼に要する時間がエネ
ルギならびにスペースを減少することにより達成
できる。 プロセス時間の短縮は生産高を増加するのに重
要であり、これにより処理鋼トン当りの資本コス
トを下げVADをUHPニユーマチツク炉と同程度
のものにすることができる。とりべ製鋼の場合、
溶湯がとりべに保持されている間熱を失うので時
間の経過は温度降下と同じになる。この熱損失は
溶解炉内で過熱したり又はとりべ内のアーク加熱
により補うことができる。いづれにしても高価な
電気エネルギの消耗をともなうものであるが、こ
れは下記の新規にしてユニークな技術を用いて
VADプロセスを短縮することによりかなり低減
ができる。又、プロセス時間の短縮により、溶解
工場においてより多くの時間とスペースの両方を
消費する多重ステーシヨンの単一目的設備の補助
的複雑性をともなうことなしに脱ガスならびにア
ーク加熱を同時に実施できるような単一プロセス
ステーシヨンの使用が可能となる。 本発明はVADプロセスにおける元来の重要特
性の３つ（真空、アーク加熱ならびに或るかくは
ん作用）に対する新規性のある改良に基いてい
る。これらの改良はそれぞれ単独で又いづれか２
つの組合せ若しくは同時に実施できるものであ
り、真空やアーク加熱ならびにかくはんの基本的
要件のようには互いに依存するものではない。３
つの新しい技術とは、(1)鋼沸騰又はプロセス時間
に適せる勾配調整真空レベル、(2)初期グロー発光
を避けるため真空レベルに比例して電極電圧をオ
ンライン式に変化する、(3)熱量の増加につれ十分
な金属の循環流を保証する装置の設置の３点であ
る。 以下混乱を避けるため３つの技術をそれぞれ説
明する。 () 真空沸騰の勾配調整 塩基性VAD製鋼プロセスに用いる蒸気ジエ
ツトエジエクタは通常6.25対１に近い圧縮比を
もつている。水素を迅速に除くためには、シー
ボルトの法則によれば水素1ppm又はそれ以下
の溶解度レベルがかなり高いものであつても絶
対圧約0.5mmHgの真空レベルを必要とする。シ
ーボルトと実際の真空レベルとの差は水素が真
空鋼界面から爆発して出るのに必要な駆動力で
ある。絶対圧１mmHg未満の真空レベルの必要
を立証した経験により実際問題として下記に示
すような必要段数の蒸気ジエツトエジエクタが
示される。 Hgインチ絶対圧表示の全真空レベル 作動レベル×圧縮比＝吐出圧 第１段 0.5×6.25＝3.125（約3″） 第２段 3.125×6.25＝19.53（約20″） 第３段 19.52×6.25＝122.06（約120″） 第４段 120.06×6.25＝762.89（約760″） エジエクタを適当に作動させるため、各段ス
テージをその作動範囲内で適当に機能せしめる
べく順次ポンプ圧を下げねばならぬ。例えば４
段系の場合、大気中に放出される第４段が最初
に作動される段で、絶対圧120mmHgに近づくま
で作動する唯一の段であり、次いで第３段が作
動し以下これに準じる。これらの段は真空計の
観察で手動で作動、もしくは時間又は真空レベ
ルのいづれかにより自動的に順次作動させるこ
とができる。 これら２つの自動装置系のいづれでも最少の
ポンプダウン（減圧）時間が得られない。特
に、これらは製鋼法ならびに脱酸工程、真空装
置系における湿度、水分又は凝縮により変動す
る鋼およびスラツグ中におけるガス負荷に備え
ることができない。鋼およびスラツグ中に高ガ
ス負荷が含まれた状態での余りにも迅速なポン
プダウンは損害の大きい沸騰こぼれを引き起こ
すことがあり、ポンプダウンが余りにも遅いと
時間およびエネルギの消耗をともなう。 本発明の勾配調整方法においては、第１段階
入口又は高圧室又は真空タンクにおける真空レ
ベルを検出し、とりべ真空室（又は真空とり
べ）からエジエクタ装置系を隔離バルブで隔離
する一方自動的に各段階を最適の段作動圧力で
作動開始させる隔離バルブは常時は開いてお
り、とりべ内の沸騰がふちにまで上昇した時に
だけ絞られる。沸騰は隔離バルブの肉眼観察か
沸騰高さ検出の自動コントロールもしくは沸騰
高さの上昇を予想することにより沸騰を上記の
最大許容高さ近くに保持しそれから次の下位の
エジエクタ段階例えば第２段を作動開始せしめ
自動装置によりバルブの位置を応答設定する。 この技術により、沸騰高さのコントロールに
各段の作動を開始したり停止させるようなわづ
らわしくかつ時間のかかる操作から作業員は解
放される。即ち、従来技術の場合各段を止める
につれ沸騰は完全に静まり装置系を再び最大の
許容沸騰レベルまでポンプダウンせねばなら
ぬ。この増加手続きは十分なガス（主にCO）
が鋼から除かれるまで繰り返され全段ならびに
最大真空を利用できる。これとは対照的に、本
発明に開示せる如く絞りをともなつたポンプダ
ウンにより終始最大の脱ガスが可能となりこれ
により沸騰こぼれなしに最小可能なポンプダウ
ン時間が得られる。 絞り概念の一つの実施例の場合、第１段入口
の絞りが作業員によりコントロールされる状態
で連続する段を作動開始する（即ち、連続する
段を所定の時間間隔でカツトインする）時間の
自動コントロールの使用をともなうことができ
る。この作業員の干渉は、沸騰高さに応答して
絞りバルブをコントロールする働きをする沸騰
高さ検出装置の使用によりこれを無くすことが
できる。 更に複雑な設備においては、炭素沸騰ならび
に脱酸工程をマイクロプロセツサに送り、それ
により最適サイクルを得るよう真空勾配低下と
時間との関係をコントロールすることができ
る。 () 初期グローを避けるためのオンライン電極
電圧対真空レベルの比例変更 第２の技術は制御されたポンプダウンをとも
なつたりもしくはともなわずに使用ができるも
のであり真空レベルの増加をともなつたオンラ
イン電圧低下によりサイクル時間を短縮しそれ
により初期グローを回避する。 VADは通常、僅かな真空をもたらす初期閉
塞室条件からグローをともなわざる真空下にお
け最適の加熱のための絶対圧200mmHgの真空で
作動する。装置系はグロー光輝をともなわずに
絶対圧200mmHgの僅か下方になることも有る
が、均一な作業達成のためには下記表に示され
た如き通常の作動方法である所の絶対圧約200
mmHgに保持することによりグロー発光を避け
る。

【表】 上記第１表は空気中鋳込み非脱ガスの温度に
おけるもつとも普通の脱ガスを施した溶湯出湯
を示している。脱ガスの熱損失は真空アーク加
熱により補われる。この66トン溶湯および5.25
メガワツト３相AC電力のためのサイクルは44
分を要しその間アーク加熱を25分間にわたり使
用する。白熱光輝範囲を避けるべくアークは
200mmHgにおいてだけ使用し225ボルトで電弧
発生を行う。 上記の同様な66トン溶湯のための本発明も又
225ボルトで作動されるが、僅か18分にしか過
ぎない。装置系のポンプダウン減圧にともなつ
て自動的もしくは手動式に電圧を低減させるこ
とのできるオンライン式のタツプ変換器を使用
し、それにより第２表に示すようにグロー発光
のとどかない所に保つ。

【表】

【表】 〓で加熱

【表】

【表】 ン連結

【表】 可能
アーク発生に伴わざる低真空レベルにおける
脱ガス温度のよく制されない損失が常に発生し
ているので低電力でも電力を保持し続けること
により二重の節約がもたらされる。従つて、真
空アーク加熱の際入力が低いとしてもエネルギ
は通常アークの無い時間中に溶湯により吸収さ
れる。このエネルギ吸収により普通更に熱の損
失をもたらすような真空時間を短縮し、勿論溶
湯熱又は鋼中の保有エネルギによりプロセス時
間が指定される。 真空レベルおよびアーク加熱にともなうグロ
ー発光の回避は最大電流20000アンペヤで0.006
オームのインピーダンスを有する66トンVAD
設備で実験的に決定された。低いインピーダン
スとより大きな電力を有するより強力な装置系
の場合、アーク作用は実際には脱水素範囲内で
発生する。このような結果は80ボルトと100ボ
ルトの間の電圧で絶対圧１mmHg以下の予備テ
スト時に立証されている。 この第２の新しい技術は短絡条件をもたらす
真空−電圧関連のグロー発光の問題を避けるも
のであり、これにより金属溶湯内への熱を減ら
しAC電力伝達設備の過熱を低減する。真空の
ポンプダウンの割合を調節し同時にアーク電圧
を低減することによりVAD装置系においては
更にグロー発光を避けることができる。この技
術により、熱を溶湯に加え更に若しくは普通の
アークのないポンプダウン期間中の熱損失を少
くする一方グロー発光をともなわざるアーク作
用の発生が可能となる。100mmHg以下に減圧す
る一方この加熱期間中かなりの量の酸素除去が
達成され、これにより絶対圧を下げる一方より
均等な沸騰が可能となる。例えば米国特許第
3635696号の４頁の第１欄72−75行が参照され
る。これによりフリーボードの低いとりベ上の
沸騰こぼれの可能性が減少し、更に又プロセス
時間が短縮される。 第１表ならびに第２表には従来のVADを本
発明の低減電圧サイクルに比較した場合次の如
く16％の時間節約が得られることを示してい
る。 従来のVAD 44min 低減電圧サイクル 37min 従つて節約分 7min又は7/44＝16％の時間節約 電圧低減は又16％のエネルギ節約をも示して
いる。 従来のVAD ＄2.12／ton 低減電圧サイクル ＄1.80／ton 即ち＄2.12−＄1.80／＄2.12＝16％ 節約代＝＄2.12−＄1.80＝＄0.32／ton

【表】

【表】 繰返すがこの時間およびエネルギの16％なる
節約は一回の溶解66トンに基いている。同様な
節約がVAD処理の任意の溶解サイズに対して
発生する。 サイクルタイムで７分という節約（強力な装
置系ではこの数字はもつと大きいものとなる）
の意義はニマーマチツク炉からの40分という出
湯間の時間を考えると重要である。在来の44分
のVADサイクルタイムの場合塩基性酸素炉に
適合できるため２台の装置が必要となり、他方
37分という短かいサイクルタイムは１つの
VADの利用を可能にする。 更に、高真空でアークを使用できる能力によ
りVAD電圧低減サイクルより更にサイクルタ
イムを短縮することができる。電気装置系統の
巧みな設計により、十分な電流が低電圧で溶湯
に流れることができる程度に装置系統のインピ
ーダンスをおとすことが可能である。即ち、グ
ロー発光範囲を避け絶対圧１mmHg又は未満の
圧力で2000KWの範囲のエネルギを与えるのに
十分な程下げることが可能である。このアーク
加熱は、電圧低減サイクル中に示される節約以
外に６−７分という時間節約をともないながら
全サイクルを通じて続行する。 一例をあげると、上述の如き66トンのVAD
設備の使用により安定せるAC加熱アークが次
の如く１mmHg又はそれ未満の圧力で得られる。 0.707の力率でリアクタンスＸ＝3.5×10^-3＋
2.54＝13100アンペアを有する電気装置系では、 KW＝13100×100×√３×1/1000＝2272 60トンの中炭素鋼の場合、 2272＝132.000×0.18×ｔ×60／3416×80％効
率 ｔ＝4.35〓 若し通常の損失経験が６〓とすると、４〓の
温度上昇は僅か２〓の正味損失をもたらす。 要約すると、既述の条件の場合６分ないし７
分の追加のサイクルタイム節約が達成できる。
この時間節約は第３図に示されており、この図
面では「新しい」サイクルとしてすぐ上に述べ
たばかりの新技術と「改良型」サイクルとして
本文に記載の技術を実施したVADサイクルを
開示している。 通常、高度に塩基性のスラツグはきわめて高
い融点（約1632℃、3000〓）を有している。在
来のVAD処理時にはスラツグは固まり流動性
を失い真空に対する金属小滴の露出を妨げ易
い。 高真空範囲へのアークの使用によるスラツグ
の余分の流動化により普通のVADサイクルに
比して最大0.6ppm分だけH₂除去が容易とな
る。 () 溶湯量増加に伴う十分な金属循環流の確保 従来のVAD装置系の場合、ガス追放源は、
壁や底部に挿入した多孔性の耐火材、又は同様
に挿入した羽口、ないしは摺動型バルブ内にお
ける吹入れ装置のいづれの形態をとるにせよ１
個だけ使用される。しかし驚くべきことには、
かなりの溶湯回数にわたつて調査した所が66ト
ンの一回分溶湯に１つ以上の追放れんがを使用
した場合0.3ppmの水素の減少があつた。 VADの作動には、脱ガスされてない金属を
金属・スラツグ・真空の境界面に移し込むため
適当なかく乱が必要なので、追放又はかく乱の
装置の適当な作動が必須なものとなる。平均25
杯のとりべ分の66トン溶湯のライニングと追放
プラツグおよび調整ブロツクは以下の如く追放
セツト当りトン当り13.5セントのコストにな
る。 追放ブロツクとプラツグ（れんが）のセツト ＝＄223.02 66トン×25 ＝1650トン／セツト又は13.5セント／トン 複式追放設備では当然ながらこのトン当り
13.5セントというコストは２倍になるが、(イ)
0.3ppm水素低減。(ロ)数分にわたる短縮脱ガス
時間、又は(ハ)大溶湯量に対する複式設備の安全
のいづれをとつてもコスト増加を補つて余りが
ある。 通常、追放れんが又はプラツグはもつとも効
果的になるよう底部の半径中間に設けられ最大
50トンを上手に処理する。最大5CFM（一台の
コンプレツサーの馬力）の場合、沸騰こぼれが
発生する。それにも拘らず、とりべ直径ならび
に容量の増加にともない120゜間隔に追加の追放
点を設けるのが更に一段と効果的であると立証
されている。現行資料の外挿的適用により下記
表はコスト面で正当化されるものである。 溶湯量 追放れんがの数 50トン迄 １ 半径中間 50トンから150トン迄 ２ 半径中間120゜間隔 150トンを超える ３ 半径中間120゜×120゜間隔 第１図は本文の第１表および第２表の資料の
比較グラフを示す。斜線部分は、21分後におけ
る低減開始により以前のピーク温度2936゜が約
2907゜に下げられたことを示している。当業者
には自明のごとく温度低下は耐火材浸食を減少
するものであるから、上記の斜線部分は時間、
エネルギおよび耐火材摩耗上の節約を示してい
る。第１図には又、所望温度である2850゜が電
圧低減により37分で得られ、低減なしには44分
かかつている。同様に、第３図の場合、2850゜
はフル真空アーク加熱により30分で到達し、こ
れに対し在来サイクルでは44分かかつている。 第２図はタンク内の中炭素低合金鋼の一般的
な脱ガスサイクルを示す。これによれば、約
200mmの真空は1.5分で達し、20mm真空は４分
で、２mm真空は5.5分、そして１mm真空は７分
で達している。 以上より当業者には明らかな如く、上述の３種
類の特徴なるものは互いに相反したり打消し合う
ものではなく、又いづれの１つもしくは２つも他
の作動や非作動に依存するものではない。従つて
これらの諸特徴は在来のVADプロセスに関連し
て単独もしくは任意の２つの組合わせないしは全
部を同時に利用できるものである。 本発明はその好適実施例について図示説明せる
も、当業者には自明の如くその主旨ならびに範囲
内で更に修正変更ができるものである。従つて、
本発明は本文記載の範囲に限定されるものではな
く関連する先行技術の見地より解しやくされる本
文付属の特許請求の範囲のみにより制限されるも
のである。

【図面の簡単な説明】

第１図は勾配調整真空レベル特性の適用により
達成された時間節約を示すグラフ、第２図は在来
のVADプロセスに対比し本文記載の改良点の実
施により得られる時間と温度の節約を示す時間・
圧力カーブ、第３図はフル真空即ち１mmHg未満
におけるACアーク作動の徴細さを示す時間・温
度・圧力カーブである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ひとかたまりの溶鋼を漸増真空装置ならびに
   鋼のかたまりの底部領域から溶鋼を表面に運びそ
   こで該溶鋼に真空をかけられるように効果的なか
   くはん装置に同時にかける段階と、真空とかくは
   んとの装置に同時にさらされている前記鋼に、前
   記同時の真空とかくはん装置が作動している前記
   時間の少くともその一部の間にわたり電極装置と
   前記鋼との間にとばされる交流加熱アークをかけ
   る段階とより成る製鋼法にして、交流加熱アーク
   電圧を絶対圧真空レベルの減少と共に減少する段
   階を有し、アーク電圧は常にグロー発光を避ける
   べく十分低いことを特徴とする製鋼法。 ２ 特許請求の範囲第１項による製鋼法にして、
   交流加熱アーク電圧は約１mmHg以下の圧力範囲
   で交流加熱アークを維持せしめ得るレベルに低減
   されることを特徴とする製鋼法。 ３ 特許請求の範囲第２項による製鋼法にして、
   電圧は約90ボルトより高くないレベルに維持され
   ることを特徴とする製鋼法。 ４ ひとかたまりの溶鋼を漸増真空装置ならびに
   鋼のかたまりの底部領域から溶鋼を表面に運びそ
   こで該溶鋼に真空をかけられるように効果的なか
   くはん装置に同時にかける段階と、真空とかくは
   んとの装置に同時にさらされている前記鋼に、前
   記同時の真空とかくはん装置が作動している前記
   時間の少くともその一部の間にわたり電極装置と
   前記鋼との間にとばされる交流加熱アークをかけ
   る段階とより成る製鋼法にして、真空レベルの減
   少と共に交流加熱アーク電圧を減少し該アーク電
   圧は常にグロー発光を避けるべく十分低くしてい
   る段階と、ガス追放装置の適用により鋼をかくは
   んする段階とを有し、該ガス追放装置は、溶鋼の
   かたまりの中心部分に関して互いに約120゜に位置
   した少くとも２つのガス放出個所を含み、それぞ
   れのガス放出個所は溶鋼のかたまりのほぼ中間半
   径上に位置していることを特徴する製鋼法。 ５ とりべ製鋼装置にして、処理すべきひとかた
   まりの溶鋼を保持するための装置と、漸増真空装
   置と、鋼のかたまりの底部領域から溶鋼を表面に
   運びそこで運ばれた鋼に真空をかけられるように
   効果的な鋼かくはんのための装置と、前記ひとか
   たまりの鋼が真空とかくはんを同時に受けている
   時間の少くともその一部にわたり、該鋼に電極装
   置と該鋼との間にとばされる交流加熱アークをか
   けるための装置と、真空レベルの減少と共に交流
   アーク電圧を減少するための装置とを組合わせ包
   含する、とりべ製鋼装置。