JP2009235457A

JP2009235457A - 転炉底吹き羽口の煉瓦構造

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Publication number: JP2009235457A
Application number: JP2008080815A
Authority: JP
Inventors: Makoto Kato; 誠加藤; Hisaki Kato; 久樹加藤
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2008-03-26
Filing date: 2008-03-26
Publication date: 2009-10-15
Anticipated expiration: 2028-03-26
Also published as: JP5463623B2

Abstract

【課題】マグネシア・カーボン煉瓦からなる羽口煉瓦と、羽口煉瓦を囲む、マグネシア・カーボン煉瓦からなる羽口周囲煉瓦とから構成される底吹き羽口において、羽口煉瓦の損傷を抑制し、長期間の使用に耐えることのできる、底吹き羽口の煉瓦構造を提供する。
【解決手段】上記課題を解決するための発明に係る底吹き羽口の煉瓦構造は、精錬用ガスを吹き込むためのガス吹込管を有し、マグネシア・カーボン煉瓦からなる羽口煉瓦と、該羽口煉瓦を囲む、マグネシア・カーボン煉瓦からなる羽口周囲煉瓦と、から構成され、転炉の底部に設置される底吹き羽口の煉瓦構造において、前記羽口煉瓦のカーボン含有量が前記羽口周囲煉瓦のカーボン含有量よりも低く、これにより、羽口煉瓦の熱膨張率が羽口周囲煉瓦の熱膨張率に比較して相対的に大きく、且つ、羽口煉瓦の熱伝導率が羽口周囲煉瓦の熱伝導率に比較して相対的に小さいことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、精錬用ガスのガス吹込管を有し、マグネシア・カーボン煉瓦からなる羽口煉瓦と、該羽口煉瓦を囲む、マグネシア・カーボン煉瓦からなる羽口周囲煉瓦とから構成され、転炉の底部に設置される底吹き羽口の煉瓦構造に関するものである。

溶銑の脱炭精錬や脱燐精錬、更には鉄の溶融還元製錬を実施する転炉には、その底部に、精錬用のガスを吹き込むための底吹き羽口が設置されている。この羽口は、通常、その内部に金属製のガス吹込管を有する羽口煉瓦と、この羽口煉瓦の周囲を囲む羽口周囲煉瓦とで構成されている。ガス吹込管からは、Ａｒガスや窒素ガスなどが攪拌用ガスとして吹き込まれたり、酸素ガスが脱炭反応用ガスとして吹き込まれたりしている。羽口煉瓦及び羽口周囲煉瓦は、耐侵食性や耐摩耗性に優れることから、マグネシア・カーボン煉瓦で構成されることが一般的に行われている。尚、本発明においては、攪拌用ガス及び脱炭反応用ガスなど、精錬或いは製錬で使用するガスを全て精錬用ガスと定義する。

この構造の底吹き羽口においては、ガス吹込管から、室温つまり低温のガスが吹き込まれるために、羽口煉瓦及び羽口周囲煉瓦はガス吹込管を通過するガスによって冷却される。特に、羽口煉瓦の冷却は著しく、羽口煉瓦自体に温度差が生ずるとともに、羽口周囲煉瓦との間に大きな温度差が生じやすい。この温度差による熱応力に起因して羽口煉瓦に亀裂などが発生し、羽口煉瓦の損傷が進行する。また、ガスのバックアタックも生じるために羽口煉瓦の損傷は助長され、底吹き羽口の耐用性低下をもたらしている。この問題を解決するべく、多数の提案がなされている。

例えば、特許文献１には、「ガス吹込管と該ガス吹込管を囲む羽口煉瓦とからなる底吹き羽口において、前記ガス吹込管が、黒鉛パイプと、それに内挿された金属パイプと、前記黒鉛パイプの外面側に設けられた長繊維強化断熱層体からなる３層構造である底吹き羽口」が開示されている。特許文献１によれば、ガス吹込管の異常溶損がなくなり、羽口煉瓦の冷却も抑制され、羽口の損耗速度を低減でき、精錬炉の炉体寿命の延長に寄与できる旨が記載されている。

また、特許文献２には、「カーボン含有の羽口煉瓦とカーボン含有の羽口周囲煉瓦とからなる底吹き羽口において、前記羽口煉瓦及び羽口周囲煉瓦のカーボン含有量を、それぞれＣｔ及びＣｂと表したとき、１００質量％＞Ｃｔ＞０質量％及び１００質量％＞Ｃｂ＞０質量％であり、且つ、［ΔＬ＝−225.921＋15.951Ｃｔ＋0.905Ｃｂ−0.304Ｃｔ²＋0.189Ｃｂ²］の式で求められるΔＬが６０以下になるＣｔ及びＣｂの組み合わせとする煉瓦構造」が開示されている。具体的には、例えば、羽口周囲煉瓦のカーボン量（Ｃｂ）を２０質量％に設定した場合、羽口煉瓦のカーボン量（Ｃｔ）は、約１８．７質量％以下または約３４質量％以上が妥当であるとしている。特許文献２によれば、上記のカーボン含有量とすることで、羽口煉瓦と羽口周囲煉瓦との間の隙間を小さく設定することができ、その結果、前記隙間への地金差しによるスポーリング損傷が生じなくなり、羽口煉瓦の耐用を大幅に向上できる旨が記載されている。
特開平１０−２８００２７号公報特開２００３−２６１３７４号公報

上記のような提案がなされているにも拘わらず、依然として羽口煉瓦の損傷は収まらず、底吹き羽口の耐用性は向上していないのが実情である。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、精錬用ガスのガス吹込管を有し、マグネシア・カーボン煉瓦からなる羽口煉瓦と、該羽口煉瓦を囲む、マグネシア・カーボン煉瓦からなる羽口周囲煉瓦とから構成される底吹き羽口において、羽口煉瓦の損傷を抑制し、長期間の使用に耐えることのできる、転炉底吹き羽口の煉瓦構造を提供することである。

上記課題を解決するための第１の発明に係る転炉底吹き羽口の煉瓦構造は、精錬用ガスを吹き込むためのガス吹込管を有し、マグネシア・カーボン煉瓦からなる羽口煉瓦と、該羽口煉瓦を囲む、マグネシア・カーボン煉瓦からなる羽口周囲煉瓦と、から構成され、転炉の底部に設置される底吹き羽口の煉瓦構造において、前記羽口煉瓦のカーボン含有量が前記羽口周囲煉瓦のカーボン含有量よりも低く、これにより、羽口煉瓦の熱膨張率が羽口周囲煉瓦の熱膨張率に比較して相対的に大きく、且つ、羽口煉瓦の熱伝導率が羽口周囲煉瓦の熱伝導率に比較して相対的に小さいことを特徴とするものである。

第２の発明に係る転炉底吹き羽口の煉瓦構造は、第１の発明において、前記羽口煉瓦のカーボン含有量と前記羽口周囲煉瓦のカーボン含有量との差が５質量％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、マグネシア・カーボン煉瓦からなる羽口煉瓦と、該羽口煉瓦を囲む、マグネシア・カーボン煉瓦からなる羽口周囲煉瓦と、から構成される底吹き羽口において、羽口煉瓦の熱膨張率を羽口周囲煉瓦の熱膨張率よりも大きく、且つ、羽口煉瓦の熱伝導率を羽口周囲煉瓦の熱伝導率よりも小さくするので、羽口煉瓦は羽口周囲煉瓦に比較して温度が低いにも拘わらず、羽口煉瓦の熱膨張量は羽口周囲煉瓦の熱膨張量よりも大きくなり、羽口煉瓦と羽口周囲煉瓦との境界で、羽口煉瓦は羽口周囲煉瓦によって拘束され、これにより、羽口煉瓦には圧縮力が働き、羽口煉瓦の温度差によって発生する熱応力が前記圧縮力によって打ち消され、羽口煉瓦における亀裂の発生が抑制されて、底吹き羽口の耐用性が向上する。

以下、本発明を具体的に説明する。

本発明者等は、ガス吹込管を有し、マグネシア・カーボン煉瓦からなる羽口煉瓦と、該羽口煉瓦を囲む、マグネシア・カーボン煉瓦からなる羽口周囲煉瓦と、から構成される底吹き羽口の耐用性を向上させるべく、実炉における羽口煉瓦の損傷状況を詳細に検討し解析した。その結果、羽口煉瓦の主たる損傷原因は、羽口煉瓦での熱応力などに起因する亀裂の発生であり、この亀裂の発生によって稼働面側から一気に数１０ｍｍを超える範囲で損傷が生じていることが分かった。

そこで、この亀裂の発生原因を調査した。図１に、その底部に底吹き羽口が配置された転炉の一部分の概略図を示し、図２に、図１のＸ−Ｘ’矢視による概略図を示す。尚、図２では、底吹き羽口の周囲のワーク煉瓦は図示せずに省略している。

図１及び図２に示すように、転炉は、外殻をなす鉄皮６と、鉄皮６の内側の鉄皮６に接触する部分に内張りされた永久煉瓦１０と、永久煉瓦１０の内側に内張りされた、消耗部材としてのワーク煉瓦９とを有している。図ではワーク煉瓦９及び永久煉瓦１０が一層張りであるが、二層張り以上としてもよい。転炉底部には、ワーク煉瓦９及び永久煉瓦１０を貫通し、且つワーク煉瓦９及び永久煉瓦１０に嵌合して、底吹き羽口１が設けられ、この底吹き羽口１を介して転炉内の鉄浴に、Ａｒガス、窒素ガス、炭酸ガスなどの攪拌用ガス、更には、脱炭反応用の酸素ガスが精錬用ガスとして吹き込まれ、鉄浴を撹拌或いは精錬するようになっている。図１では、底吹き羽口１が１基のみ示されているが、転炉の底部には複数の底吹き羽口１が設けられている。

底吹き羽口１は、ガス吹込管２と、ガス吹込管２を囲むように設けられた羽口煉瓦３と、この羽口煉瓦３を囲む羽口周囲煉瓦４と、上述した攪拌用ガスまたは精錬用ガスを供給するためのガス導入管５とを備えている。ガス導入管５を介して導入された攪拌用ガスまたは精錬用ガスは、ガス吹込管２から鉄浴中に吹き込まれる。

鉄皮６にはフランジ７が設けられており、底吹き羽口１はフランジ７の開口部を介して転炉内に挿入され、羽口押え蓋８によって保持されている。羽口煉瓦３及び羽口周囲煉瓦４は、マグネシア・カーボン煉瓦で構成されている。この底吹き羽口１を成型する際には、先ず、ガス吹込管２と羽口煉瓦３とが圧縮成形され、その後、成型された羽口煉瓦３の周囲に羽口周囲煉瓦４が圧縮成型されて、全体が一体的に構成されている。

尚、図に示す底吹き羽口１は、１本のガス吹込管２を有しているが、底吹き羽口１はこのような構造のもの（「単管型羽口」という）に限るものではなく、目的に応じて適宜選択すればよい。例えば、ガス吹込管２を多重管の１本のみ（「多重管型羽口」という）としても、また、複数のガス吹込管２を有する構造（「多孔型羽口」という）としても構わない。

このような構成の底吹き羽口１において、転炉に溶銑や溶鋼が収容された状態でガス吹込管２から常温の精錬用ガスを吹き込むと、ガス吹込管２は精錬用ガスによって冷却され、それに応じてガス吹込管２の周囲の羽口煉瓦３も冷却され、羽口煉瓦３は羽口周囲煉瓦４に比較して低温になる。

また、使用中の羽口煉瓦３に対する、煉瓦の長さ（内張りの深さ）方向の熱の授受を考えると、炉内の鉄浴の熱は、稼動面（炉内側の露出面）から供給されるが、精錬処理時間内には熱の授受が定常状態には至らないため、羽口煉瓦３の深さ方向に温度差が発生する。その結果、温度の高い稼動面側での煉瓦の熱膨張量に対して、温度の低い内部では相対的に熱膨張量が小さくなるため、境界部分では大きな熱応力が発生し割れが発生すると考えられる。

また、マグネシア・カーボン煉瓦における温度と熱膨張率との関係を図３に示す。図３に示すように、温度の上昇に比例して熱膨張率が高くなり、また、カーボン含有量が低くなるほど熱膨張率は高くなる。図３には、マグネシア煉瓦の熱膨張率も併せて示す。

底吹き羽口１における熱膨張の方向は、底吹き羽口１の長手方向中心位置から外側に向かう方向であり、つまり、底吹き羽口１の周囲のワーク煉瓦９や永久煉瓦１０に向かう方向である。従って、羽口煉瓦３と羽口周囲煉瓦４とが同一の材質である場合や、羽口煉瓦３のカーボン含有量が羽口周囲煉瓦４のカーボン含有量よりも高い場合には、羽口煉瓦３の方が低温であることから、羽口煉瓦３の熱膨張量の方が羽口周囲煉瓦４よりも少なく、羽口周囲煉瓦４による羽口煉瓦３の拘束力が低下する。

この拘束力が弱くなることにより、羽口煉瓦３の内部の温度が１０００℃以下となる部分で熱応力などに起因して割れが発生し、羽口煉瓦３の損傷が進行するとの結論に至った。つまり、羽口煉瓦３の亀裂の主たる発生原因は、熱膨張量の差に由来する羽口周囲煉瓦４による羽口煉瓦３の拘束力の低下であることが分かった。

これらの検討結果から、羽口煉瓦３における亀裂発生を抑制するためには、羽口煉瓦３の熱膨張量を羽口周囲煉瓦４の熱膨張量よりも大きくすることであり、そのためには、少なくとも羽口煉瓦３の熱膨張率を羽口周囲煉瓦４の熱膨張率よりも高くすることが必要であり、また、羽口煉瓦３の温度降下を抑制するために羽口煉瓦３の熱伝導率を低くすることも効果があるとの知見を得た。これらによって、羽口煉瓦３には、羽口周囲煉瓦４よりも大きな熱膨張が発生することになる。

羽口煉瓦３の熱膨張率を高くし且つ熱伝導率を低くすることは、羽口煉瓦３を構成するマグネシア・カーボン煉瓦のカーボン含有量を、羽口周囲煉瓦４を構成するマグネシア・カーボン煉瓦のカーボン含有量よりも低くすれば達成される。そこで、羽口煉瓦３をカーボン含有量が１５質量％のマグネシア・カーボン煉瓦、羽口周囲煉瓦４をカーボン含有量が２０質量％のマグネシア・カーボン煉瓦で構成し、実機での試験を実施した。

その結果、羽口煉瓦３をカーボン含有量が１５質量％のマグネシア・カーボン煉瓦とし、羽口周囲煉瓦４をカーボン含有量が２０質量％のマグネシア・カーボン煉瓦とすることで、羽口煉瓦３の損耗速度は、羽口煉瓦３及び羽口周囲煉瓦４をともにカーボン含有量が２０質量％のマグネシア・カーボン煉瓦とした場合に比較して、低減することが確認された。

本発明は、上記試験結果に基づきなされたもので、精錬用ガスを吹き込むためのガス吹込管２を有し、マグネシア・カーボン煉瓦からなる羽口煉瓦３と、羽口煉瓦３を囲む、マグネシア・カーボン煉瓦からなる羽口周囲煉瓦４と、から構成され、転炉の底部に設置される底吹き羽口１の煉瓦構造において、羽口煉瓦３のカーボン含有量が羽口周囲煉瓦４のカーボン含有量よりも低く、これにより、羽口煉瓦３の熱膨張率が羽口周囲煉瓦４の熱膨張率に比較して相対的に大きく、且つ、羽口煉瓦３の熱伝導率が羽口周囲煉瓦４の熱伝導率に比較して相対的に小さいことを特徴とする。

本発明を適用する場合に、羽口煉瓦３と羽口周囲煉瓦４とのカーボン含有量の差は５質量％以上あれば十分である。但し、本発明においては、羽口煉瓦３の熱膨張量を羽口周囲煉瓦４の熱膨張量よりも大きくすることが必要であり、羽口煉瓦３と羽口周囲煉瓦４との温度差が小さい場合には、カーボン含有量の差を５質量％よりも小さくしても、羽口煉瓦３の熱膨張量を羽口周囲煉瓦４の熱膨張量よりも大きくすることができるので、温度条件などを鑑みて、カーボン含有量に差を付ければよい。また、逆に羽口煉瓦３と羽口周囲煉瓦４との温度差が大きい場合には、カーボン含有量の差を大きくしなければならないが、カーボン含有量の差は２５質量％あれば十分である。

本発明によれば、羽口煉瓦３は羽口周囲煉瓦４に比較して温度が低いにも拘わらず、羽口煉瓦３の熱膨張量は羽口周囲煉瓦４の熱膨張量よりも大きくなり、羽口煉瓦３は羽口周囲煉瓦４によって拘束され、これにより、羽口煉瓦３には圧縮力が働き、羽口煉瓦３の温度差などによって発生する熱応力が前記圧縮力によって打ち消され、羽口煉瓦３における亀裂の発生が抑制されて、底吹き羽口１の耐用性が向上する。

前述した図１に示す底吹き羽口において、羽口煉瓦をカーボン含有量が１５質量％のマグネシア・カーボン煉瓦、羽口周囲煉瓦をカーボン含有量が２０質量％のマグネシア・カーボン煉瓦で構成し、実機試験（試験水準１）を行った。また、比較のために、羽口煉瓦及び羽口周囲煉瓦ともに、カーボン含有量が２０質量％のマグネシア・カーボン煉瓦で構成した実機試験（試験水準２）も行った。表１に、使用したマグネシア・カーボン煉瓦の品質特性を示す。

羽口煉瓦の損耗抑制の評価は、定期的にレーザプロファイル計で測定を行い、測定間の数値変化から求めた損耗速度によって行った。試験水準１及び試験水準２における損耗速度を比較すると、図４に示すように、試験水準１では試験水準２に比較して約８％の損耗速度の改善が得られた。

このように、本発明を適用することにより、底吹き羽口の耐用性が向上することが確認できた。

底部に底吹き羽口が配置された転炉の一部分を示す概略図である。図１のＸ−Ｘ’矢視による概略図である。マグネシア・カーボン煉瓦での温度と熱膨張率との関係を示す図である。試験水準１及び試験水準２における損耗速度を比較して示す図である。

符号の説明

１底吹き羽口
２ガス吹込管
３羽口煉瓦
４羽口周囲煉瓦
５ガス導入管
６鉄皮
７フランジ
８羽口押え蓋
９ワーク煉瓦
１０永久煉瓦

Claims

精錬用ガスを吹き込むためのガス吹込管を有し、マグネシア・カーボン煉瓦からなる羽口煉瓦と、該羽口煉瓦を囲む、マグネシア・カーボン煉瓦からなる羽口周囲煉瓦と、から構成され、転炉の底部に設置される底吹き羽口の煉瓦構造において、前記羽口煉瓦のカーボン含有量が前記羽口周囲煉瓦のカーボン含有量よりも低く、これにより、羽口煉瓦の熱膨張率が羽口周囲煉瓦の熱膨張率に比較して相対的に大きく、且つ、羽口煉瓦の熱伝導率が羽口周囲煉瓦の熱伝導率に比較して相対的に小さいことを特徴とする、転炉底吹き羽口の煉瓦構造。
前記羽口煉瓦のカーボン含有量と前記羽口周囲煉瓦のカーボン含有量との差が５質量％以上であることを特徴とする、請求項１に記載の転炉底吹き羽口の煉瓦構造。