JP2000313914A

JP2000313914A - ガス吹き込み用ノズル、その製造方法及びガス吹き込み構造

Info

Publication number: JP2000313914A
Application number: JP11226012A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Goto; 潔後藤; Tadashi Imoto; 忠司井本; Masaru Kanekawa; 賢兼川
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1999-03-03
Filing date: 1999-08-10
Publication date: 2000-11-14

Abstract

(57)【要約】【課題】耐用性が高く長寿命で、交換が容易なガス底
吹きノズルとスリーブを得る。【解決手段】ノズルの貫通孔壁が金属管３とセラミッ
ク管２の２層以上の層状構造となっている。また、ノズ
ルは中程が太く、スリーブを被せた状態では上ほど細い
形状とし、ノズル内部にはノズルを構成する耐火物に嵌
合した金属構造体５が存在し、その根元は風箱に接続さ
れ、先端はノズルの最も太くなった部分よりも上まで達
している。従って、製造時の加圧による管の破損や溶融
金属の影響による損耗がなく、耐用性が高い。また、ノ
ズルを引き抜く際には、ノズルに亀裂があっても嵌合し
た金属構造体により切れずに抜くことができ、しかも中
太なノズル形状のためスリーブも残留させることなく引
き抜くことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は金属精錬用窯炉内の
溶融金属等にガスを吹き込むノズル、その製造方法及び
ガス吹き込み構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】金属精錬窯炉では反応効率向上のために
ガス吹き込みが盛んに行われている。ガスを吹き込むた
めには様々なノズルが使用されており、耐火物と激しく
反応しないガスを窯炉の底から大量に吹き込む場合に
は、貫通孔を有するノズルが使用されることが多い。そ
の構造は、例えば特開昭５８−１１７１８号公報に記載
されているように、金属管を耐火物中に埋め込んだ構造
が開示されている。金属管がガスと耐火物の反応を完全
に防ぎ、またガスが耐火物中に亀裂などの中に逃げるの
を防止するため、比較的安定に使用することができる。
ノズルの製造方法は、金属管を並べてその間及び周囲に
耐火物の坏土を充填し、プレス装置で加圧して成形する
ことによるのが普通である。

【０００３】しかし、実際にこの構造のノズルを使用し
てみると、金属管の稼働面に近い部分は溶融金属の影響
で溶けたり、酸化して消失するなどの損耗を被るため、
ガスと金属管周囲の耐火物が反応したり、損耗しやすい
金属管の縁の角が丸まることで、貫通孔を中心にらっぱ
状に凹んだ状態になることが多い。

【０００４】貫通孔壁の材質が金属であるがゆえにこの
ような損耗を被るのであるから、溶融金属の熱で溶け
ず、しかも酸化しないセラミックを管の材質として用い
ることも考えられる。例えば、特開昭６３−２３５４２
１号公報にはセラミック単管を貫通孔上部に用いたノズ
ルが、また実開昭６１−１５０８４４号公報には二重管
ノズルにセラミック管を用いた例が記載されている。

【０００５】一方、ガス吹きノズルは周囲の耐火物ライ
ニングよりも速く損耗することが多く、窯炉の使用途中
で交換することも多い。通常、ノズルは窯炉の外側から
外挿することを想定し、はめ込みやすいように上すなわ
ち炉内側が細くなった形状を有している。また、ノズル
自体はガスによって強く冷却され、かつ溶融金属からの
熱も受けるため、ノズル内部には大きな熱応力が発生
し、破壊に至る場合も多い。ガスによる冷却の影響が周
囲の耐火物に与える悪影響を最小限にし、またノズルの
交換を容易にするためのスペーサーとして、ノズルの外
側にはスリーブを被せることが多い。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、セラミ
ック管を使用して貫通孔とすると、次のような大きな問
題が生じる。まず、セラミック管を耐火物原料の坏土中
に埋め込んでから成形してノズルを製造する際に、成形
圧力でセラミックが割れてつぶれ、ガスが通らない、あ
るいはガスが耐火物内部に逃げてしまい、ガスと耐火物
が反応して耐火物が劣化したり、最悪の場合にはガスの
圧力で耐火物が破壊する。このためセラミック管を貫通
孔壁に使用することは困難である。

【０００７】一方、ノズルを交換する場合には、ノズル
下部の風箱に取り付けられたガス管を引っ張って古いノ
ズルを取り去り、新しいノズルを挿入する。しかし、ノ
ズルの炉内側に地金やスラグが固着していたり、ノズル
が周囲の耐火物と焼き付いたり、あるいはノズルに亀裂
が生じていると、ガス管を引っ張ってもノズルが途中で
折れ、先端部分を取り去ることができず、新しいノズル
が挿入できなくなる場合がある。

【０００８】本発明は、このような点に鑑みなされたも
ので、高耐用、長寿命で交換の容易なガス吹き込み用ノ
ズルを提供し、耐火物コストの削減と炉の稼働率を上げ
ることができ、鉄鋼や金属の製造コストを引き下げるこ
とを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】これらの問題を解決すべ
く工夫を重ねた結果、本発明を得た。すなわち、本発明
の要旨とするところは、（１）耐火物を貫く貫通孔を通じて溶融金属中にガスを
吹き込むノズルにおいて、貫通孔壁が金属管とセラミッ
ク管の２層以上の層状構造となっていることを特徴とす
るガス吹き込み用ノズル。（２）セラミック管にその内径よりも小さい外径を有す
る金属管を内挿し、又は金属管にその内径よりも小さい
外径を有するセラミック管を内挿し、さらにこれらを坏
土に埋め込んで成形して製造することを特徴とするガス
吹き込み用ノズルの製造方法。（３）セラミック管にその内径よりも小さい外径を有す
る金属管を内挿し、その金属管の内径よりも小さい外径
を有するセラミック管を金属管に内挿し、さらにこれら
を坏土に埋め込んで成形して製造することを特徴とする
ガス吹き込み用ノズルの製造方法。（４）吹き込みノズル全長の４分の１から４分の３の位
置にノズル断面積が最大となる位置があり、その位置か
ら上および下に向かって細くなっており、さらに断面積
が最大となる位置よりも上までノズル内部に金属構造体
が存在し、金属構造体の下端は風箱に接続され、ノズル
の外側に外径が上に向かって細くなっていることを特徴
とするガス吹き込み構造。（５）ノズルが前記（１）記載の構造となっていること
を特徴とする前記（４）記載のガス吹き込み構造。

【００１０】

【発明の実施の形態】ノズルの製造に当たって、セラミ
ック管にその内径よりも小さい外径を有する金属管を内
挿する、あるいは金属管にその内径よりも小さい外径を
有するセラミック管を内挿する、あるいはセラミック管
にその内径よりも小さい外径を有する金属管を内挿して
さらにその金属管の内径よりも小さい外径を有するセラ
ミック管を金属管に内挿することで、まず金属管とセラ
ミック管の２層以上の層状構造の管を作成する。これを
耐火物坏土に埋め込み、成形してノズルを作成する。金
属管がセラミック管を複合しているため、成形圧を受け
てもセラミック管が割れにくく、また割れても金属管が
機密性を保つため、ガスが耐火物中に逃げる心配がな
い。

【００１１】また、ノズル使用中に金属管が劣化あるい
は消失しても、セラミック管が耐火物とガスの反応を防
ぎ、また耐火物よりも高耐食性なため孔の端の角が丸ま
るのを効果的に防ぎ、貫通孔のらっぱ状損耗を抑え、ひ
いてはノズルの損耗速度を小さくすることができる。

【００１２】ノズル及びスリーブの構造の一例とその作
用を図１に沿って説明する。図１は貫通孔壁が二重構造
すなわち内側は金属管３、外側はセラミック管２からな
るガス吹き込みノズルとスリーブを金属精錬窯炉の底に
取り付けた状態の模式図である。耐火物１に埋め込まれ
たセラミック管２と金属管３からなる２層管の下端は風
箱４に接続されている。風箱４には、前記の２層管と同
様に耐火物１に埋め込まれた金属構造体５が接続され、
これら耐火物１、セラミック管２、金属管３、風箱４及
び金属構造体５でガス吹き込みノズルを形成している。
ノズルの外側には上スリーブ６と下スリーブ７が被せら
れており、さらにこのノズルとスリーブが周囲の耐火物
８に挿入されている。なお、上スリーブと下スリーブは
ノズルの最も太い部分を境に分割されている。これはス
リーブをノズルに被せやすくするためであり、たとえば
円周方向に分割するなどにより容易に被せることができ
るようにすることも可能である。また、上スリーブ及び
下スリーブはノズルを被い、一体に成型しても良い。

【００１３】吹き込みノズルは、その全長の４分の１か
ら４分の３の位置、すなわち高さで断面積が最大となっ
ており、この位置から上または下の方向に細くなってい
る。ノズル全長の４分の１未満すなわち下から４分の１
よりも下に断面積が半分となる部分があると、ノズルと
スリーブを引き抜く際に奥、すなわち上の部分が抜けず
に残りやすい。また４分の３超では金属構造体５の先端
がノズルの損耗により炉内に達し、炉内の溶融金属によ
り金属構造体５が溶け、最悪の場合は湯漏れを起こすの
で好ましくない。また、この位置でスリーブが上下に分
割されている。

【００１４】金属構造体５は、少なくとも先端を含む１
ヶ所あるいは２ヶ所以上で耐火物１に嵌合しており、そ
の先端はノズルの断面積が最大になる位置よりも上、す
なわち炉内側まで到達している。これらは古いノズルを
スリーブと共に引き抜く際に、途中で折れたりして先端
が残るのを防ぐためである。引き抜く際には風箱４に取
り付けられたガス管９を下、すなわち外側に引っ張る。
ノズルの長手方向の途中に最も断面積が大きい部分があ
るので、それよりも手前、すなわち外側の下スリーブは
ノズルに引っかかり、抜けずに一体となって引き抜ける
ので、スリーブは上下に分割しない方が、上スリーブが
抜け残らないので好ましい。しかし、作り易さから言う
と上下分割方式が良い。

【００１５】なお、ノズルの断面積が最大になる位置よ
りも奥、すなわち炉内側のノズルと上スリーブは、亀裂
があればそこで折れて引き抜けずに残ってしまう。金属
構造体５はこれを防止するために埋め込まれている。す
なわち、先端部は断面積が最大になる位置よりも奥まで
入って嵌合しているので、たとえ途中に亀裂などが生じ
ていても、奥の部分のノズルとスリーブを風箱と共に引
き抜くことができる。その後、ノズルと上下スリーブを
一体とした新品を挿入する。ノズルに上下スリーブを被
せた状態では、断面積は上ほど小さくなっている。これ
はノズルとスリーブを一体で挿入する場合に引っかから
ないようにするためである。

【００１６】ノズルを構成する耐火物は、耐熱衝撃性に
優れた黒鉛含有耐火物、特にマグカーボンれんががその
耐食性の高さから用いられるのが普通である。黒鉛量は
１０〜３０重量％で、５重量％以下の金属を含むことが
多い。金属管の材質はステンレスが多いが普通鋼、耐熱
鋼なども使用可能である。セラミック管の材質としては
はアルミナが入手容易であるが、ムライト、ジルコニ
ア、ＳｉＣ、ＡｌＮ、サイアロンあるいはこれらの混合
物なども使用できる。管径は、ガスを通す最も内側の内
径が１．５〜１０mm程度で、各管の肉厚は０．５〜３mm
程度である。金属構造体の材質はステンレス、普通鋼、
耐熱鋼などである。嵌合構造とするためには、たとえば
圧延あるいはプレスによりかしめる方法、短い棒や孔の
あいた円盤状のものなどを溶接する方法、先端あるいは
途中を曲げておく方法、全体を波打った形状にしておく
方法などが例示できる。金属構造体の本体の太さは５〜
２０mm程度が望ましい。スリーブの耐火物は、ノズルを
同じかあるいは類似した耐火物が望ましい。

【００１７】また、図２のようにノズル及びスリーブ全
長の下から２分の１〜１０分の１の範囲のスリーブの外
側に、カーボンシート１０を巻いた構造も選択できる。
この目的はスリーブと周囲の耐火物の焼付防止にあり、
カーボンシート１０を巻くことで、ノズル及びスリーブ
を引き抜きやすくなる。

【００１８】上記のシートは、炭素成分が５０重量％以
上であることが望ましく、厚さは０．１〜５mm程度が適
切である。残部は無機分としてＳｉＯ₂及び／又はＳｉ
Ｃを主体とし、有機分は樹脂及び／又は紙を主体とす
る。なお、複数枚のシートを重ねても差し支えない。炭
素成分が５０重量％未満だと、不純物による焼き付きが
生じることがあり好ましくない。また、厚さが０．１mm
未満だと破れやすくノズルとスリーブを挿入する際に破
損する。また、５mmより厚いと万一シートが酸化して消
失した場合に湯漏れを起こす可能性があるので好ましく
ない。

【００１９】さらに、シートを巻き付ける部位がノズル
及びスリーブの全長の２分の１よりも長いと、ノズル及
びスリーブが損耗した場合にシートが炉内に露出し、酸
化等により急速に損耗し、最悪の場合には湯漏れに至る
可能性がある。また巻き付ける部位が１０分の１未満だ
と焼き付き防止効果が現れない。

【００２０】

【実施例】（実施例１）図１の構造のガス吹き込みノズ
ルとスリーブを６０ｔ電気炉の炉底に装着し、耐用性を
評価した。ノズルの耐火物はマグカーボン質で、黒鉛量
は１８重量、金属量は３重量％であった。金属管は内径
２mm、外径３．８mmのステンレス管、セラミック管は内
径４mm、外径６mmの純度９９重量％のアルミナ管とし、
金属構造体はステンレスで、長さ６００mm、太さ１０mm
であり、これに直径５mm、長さ３０mmの同質の丸棒を先
端を含め５ヶ所に直角に溶接した。ノズルの長さは約１
ｍで、中央部で断面積が最大になるようにした。断面形
状は丸で、上端部の直径は最大部のそれの約８０％、下
端部は約９５％とした。スリーブはノズルの耐火物と同
材質とした。比較品として貫通孔壁にステンレスパイプ
のみを用い、ノズルとスリーブはいずれも上が細く下が
太い従来型であった。

【００２１】約１００回使用した時点で両者を引き抜い
て調査した。従来品はノズルとスリーブの下から約４５
０mmの位置で折れたので、炉内側から突いて落とした。
本発明例はノズル、上下スリーブともきれいに引き抜け
た。

【００２２】ノズル稼働面の状況は、従来品では直径約
１５mm深さ２５mm程度のらっぱ状の損耗がすべての貫通
孔で見られた。一方、本発明例ではらっぱ状の損耗は見
られなかった。また、ノズルの損耗速度すなわちらっぱ
状損耗を被っていない部分の損耗速度は、従来品を１０
０とすると発明品は７３と、損耗が大きく抑制されてい
ることがわかった。

【００２３】（実施例２）図３に示すような、３重構造
の管を有する構造のガス吹き込みノズルとスリーブを６
０ｔ電気炉の炉底に装着し、耐用性を評価した。管は一
番外側が外径９．０mm内径６．０mm純度９９重量％のア
ルミナ管２、中間が外径５．７mm内径３．３mmのステン
レス管３、一番内側が外径３．０mm内径２．０mm純度９
９重量％のアルミナ管２′であった。ノズルの耐火物は
マグカーボン質で、黒鉛量は１８重量、金属量は３重量
％であった。金属構造体は設置しなかった。ノズルの長
さは約１ｍで、上から約４００mmで断面積が最大になる
ようにした。断面形状は丸で、上端部の直径は最大部の
それの約８０％、下端部は約９５％とした。スリーブは
ノズルの耐火物と同材質とした。比較品としてステンレ
ス管のみを用い、ノズルとスリーブはいずれも上が細く
下が太い従来型を使用した。

【００２４】約１００回使用した時点で両者を引き抜い
て調査した。本発明例はノズル、上下スリーブともきれ
いに引き抜けた。ノズル稼働面の状況によれば、らっぱ
状の損耗は見られなかった。また、ノズルの損耗速度す
なわちらっぱ状損耗を被っていない部分の損耗速度は、
従来品を１００とすると発明品は７１と、損耗が大きく
抑制されていた。

【００２５】

【発明の効果】本発明により高耐用、長寿命で交換の容
易なガス吹き込み用ノズル及び吹き込み構造が得られ、
耐火物コストの削減と炉の稼働率を上げることができ、
鉄鋼や金属の製造コストを引き下げることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る吹き込みノズルの一例を示す縦断
面図。

【図２】本発明に係る吹き込みノズルの他の例を示す縦
断面図。

【図３】本発明に係る吹き込みノズルのさらに他の例を
示す縦断面図。

【符号の説明】

１耐火物２，２′ セラ
ミック管３金属管４風箱５金属構造体６上スリーブ７下スリーブ８周囲の耐火
物９ガス管１０カーボン
シート

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者兼川賢山口県光市大字島田3434番地新日本製鐵株式会社光製鐵所内Ｆターム(参考） 4K001 GB03 4K002 BF03 4K013 CA16 CA21 4K014 AD27 4K055 MA08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】耐火物を貫く貫通孔を通じて溶融金属中
にガスを吹き込むノズルにおいて、貫通孔壁が金属管と
セラミック管の２層以上の層状構造となっていることを
特徴とするガス吹き込み用ノズル。
【請求項２】セラミック管にその内径よりも小さい外
径を有する金属管を内挿し、又は金属管にその内径より
も小さい外径を有するセラミック管を内挿し、さらにこ
れらを坏土に埋め込んで成形して製造することを特徴と
するガス吹き込み用ノズルの製造方法。
【請求項３】セラミック管にその内径よりも小さい外
径を有する金属管を内挿し、その金属管の内径よりも小
さい外径を有するセラミック管を前記金属管に内挿し、
さらにこれらを坏土に埋め込んで成形して製造すること
を特徴とするガス吹き込み用ノズルの製造方法。
【請求項４】吹き込みノズル全長の４分の１から４分
の３の位置に前記ノズル断面積が最大となる位置があ
り、その位置から上および下に向かって細くなってお
り、さらに断面積が最大となる位置よりも上までノズル
内部に金属構造体が存在し、前記金属構造体の下端は風
箱に接続され、前記ノズルの外側に外径が上に向かって
細くなっているスリーブを有することを特徴とするガス
吹き込み構造。
【請求項５】請求項１記載のノズルを有することを特
徴とする請求項４記載のガス吹き込み構造。