JP2012031507A - 真空脱ガス装置用浸漬管 - Google Patents

Abstract

【課題】不定形耐火物の亀裂や剥離の主原因である芯金と不定形耐火物との熱膨張量の違いを改善できる真空脱ガス装置用浸漬管を提供する。
【解決手段】円筒形状をなす芯金７の内側に定形耐火物８を備え、芯金７の外側に不定形耐火物１０を備える真空脱ガス装置用浸漬管１において、芯金７の外周と不定形耐火物１０の内周との間に可縮性の円筒形状をなす断熱材９を設ける。芯金７の熱膨張による直径の増加率と不定形耐火物１０の熱膨張による直径の増加率との差を可縮性の断熱材９が吸収する。
【選択図】図２

Description

本発明は、精錬工程で使用する真空脱ガス装置用浸漬管に関する。

近年、鋼材の高級化の要請に応えるため、転炉、電気炉によって生産される溶鋼を真空精錬することが行われている。真空精錬の主流をなすＤＨ法、ＲＨ法は、真空槽内に鍋内の溶鋼を吸い上げて、溶鋼を真空に接触させ、真空精錬を行うものである。

ＤＨ法においては、真空槽の下部に溶鋼に浸漬可能な１本の浸漬管を設け、真空槽を昇降させて１本の浸漬管から溶鋼を出し入れする。他方、ＲＨ法においては、真空槽の下部に２本の浸漬管を設け、２本の浸漬管のうちの一方にＡｒガスを吹き込みガスリフトポンプの原理で溶鋼を取鍋から真空槽内に吸い上げ、他方の浸漬管で溶鋼を真空槽から取鍋に戻し、これにより溶鋼を循環させている。

真空槽の下部に取り付けられる浸漬管の一般的な構造は、円筒状をなす芯金の内側に耐火煉瓦からなる定形耐火物を設け、芯金の外側にキャスタブルからなる不定形耐火物を設ける構造になっている。定形耐火物の内側に溶鋼流路が形成される。浸漬管の構造はＤＨ法でも、ＲＨ法でもほぼ同一である。芯金は、耐火煉瓦及び不定形耐火物を構造的に支持するために必要不可欠なものであり、厚さ数ｍｍ〜数十ｍｍのものが一般的である。この芯金は、外気から溶鋼中に窒素が混入することを防止するリーク防止の役割も担っている。

溶鋼を真空精錬する際、浸漬管は、高温・真空下での溶鋼による激しい摩耗条件で使用される。芯金の内側の定形耐火物には、高速の溶鋼の通過に伴う機械的摩耗が発生する。一方、芯金の外側の不定形耐火物には、高温の溶鋼に接触することに伴う亀裂が発生する。

芯金の外側の不定形耐火物に発生する亀裂の原因は以下のように推測される。熱膨張率の異なる鉄製の芯金とキャスタブル製の不定形耐火物を結合すると、高温になったときの熱膨張量の違い（芯金の熱膨張量が大きいのに対し、不定形耐火物の熱膨張量が小さい）から熱応力が生じる。この熱応力により、不定形耐火物が芯金の変形に追従し、不定形耐火物に亀裂が発生すると推測される。不定形耐火物に生じる亀裂を放置すると、不定形耐火物の剥離、脱落に繋がるため、吹付け材を用いて補修する必要がある。

従来、芯金の外側の不定形耐火物の亀裂を抑制する技術としては、芯金を空冷や水冷する技術（特許文献１参照）、不定形耐火物の材質改善による耐スポーリング性向上技術が知られている。耐火物材質改善の例としては、バインダーの変更による耐火物の過焼結の防止や、耐火物の粒度構成の変更（超微粒割合の減）などがある。

特開２００７−１９１７３７

しかし、芯金の外表面を空冷や水冷する技術においては、芯金に冷却ガスや冷却液を吹き付ける必要があり、装置が大がかりとなるという問題がある。しかも、芯金の内周側と外周側との間で温度勾配が発生するので、芯金の熱膨張量を制御するのが困難であった。

不定形耐火物の材質改善による上記の例では、不定形耐火物の耐久性は向上するものの、亀裂や熱スポーリングの主原因である芯金と不定形耐火物との熱膨張量の違いは改善されない。

そこで、本発明は、不定形耐火物の亀裂や剥離の主原因である芯金と不定形耐火物との熱膨張量の違いを改善できる真空脱ガス装置用浸漬管を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様は、円筒形状をなす芯金の内側に定形耐火物を備え、前記芯金の外側に不定形耐火物を備える真空脱ガス装置用浸漬管において、前記芯金の外周と前記不定形耐火物の内周との間に可縮性の円筒形状をなす断熱材を設けることを特徴とする真空脱ガス装置用浸漬管である。

本発明の他の態様は、円筒形状をなす芯金の内側に定形耐火物を備え、前記芯金の外側に不定形耐火物を備える真空脱ガス装置用浸漬管において、前記芯金の外周と前記不定形耐火物の内周との間にヒュームドシリカの成形体からなる断熱材を設けることを特徴とする真空脱ガス装置用浸漬管である。

本発明の一態様によれば、芯金の外周側に配置した断熱材により、芯金の温度が低下する。さらに、芯金の熱膨張による直径の増加率と不定形耐火物の熱膨張による直径の増加率との差を可縮性の断熱材が吸収するので、芯金と不定形耐火物との間の熱応力を低減することができる。したがって、不定形耐火物に生じる亀裂を少なくすることができる。

本発明の他の態様によれば、ヒュームドシリカの成形体が、可縮性の断熱材として機能するので、芯金と不定形耐火物との間の熱応力を低減することができる。したがって、不定形耐火物に生じる亀裂を少なくすることができる。

一般的なＲＨ真空脱ガス槽の全体を示す垂直断面図 本発明の一実施形態の浸漬管の垂直断面図 芯金及び不定形耐火物の熱膨張による直径の増加率を示すグラフ 伝熱計算により推定した芯金および不定形耐火物の温度分布を示す図

以下、本発明の一実施形態の真空脱ガス装置用浸漬管（以下、単に浸漬管という）を図面を参照して説明する。図１は２本の浸漬管が装着されるＲＨ真空脱ガス槽の全体図を示す。真空槽２の下部には、上昇管及び下降管と称される２本の浸漬管１が装着される。真空精錬する際、取鍋３が上昇し、２本の浸漬管１が取鍋３内の溶鋼４の中に入る。上昇管１ａにＡｒガスを吹き込むと、ガスリフトポンプの原理で取鍋３内の溶鋼４が真空槽２内に吸い上げられる。真空槽２内では、溶鋼４に脱ガス等の真空精錬が行われる。真空精錬後、真空槽２内の溶鋼は下降管１ｂから取鍋３に戻される。なお、図示しないシュートを介して種々の合金鉄を投入して成分を調整したり、図示しないランスを介して酸素ガスを吹込むことによって、脱炭を行うこともある。

図２に浸漬管１の断面図を示す。浸漬管１はその上端にフランジ部６を有する。浸漬管１は、フランジ部６を介して真空槽２の下部に結合される。フランジ部６は鉄製の円筒状の芯金７と一体構造である。芯金７の内周には、耐火煉瓦からなる定形耐火物８が設けられる。定型耐火物８は、芯金７の下端や内側に設けた図示しない突起やスタッドなどによって芯金７との一体化を強化できる。芯金７の外周及び下端には、キャスタブルからなる不定形耐火物１０が設けられる。定形耐火物８及び不定形耐火物１０はいずれも芯金７と同様に、円筒状に形成される。芯金７の外周と不定形耐火物１０との間には、円筒形状をなす断熱材９が介在される。なお、芯金７の外周及び下端には、図示しない多数のスタッドが設けられていて、芯金７と不定形耐火物１０との一体化が強化されている。

浸漬管１を製造する際、芯金７の内周側に定形耐火物８を装着し、芯金７の外周側に断熱材９を装着する。そして、これらを鋳型に入れ、鋳型にキャスタブルを流し込む。キャスタブルを鋳込むことにより、断熱材９の外周に不定形耐火物１０が形成される。この時、芯金７の下端よりも、断熱材９の下端がより低い位置になるように断熱材９を配設することが好ましい。このように断熱材９を配設することによって、芯金７の高温になる部分の外側全体が断熱材９に被覆され芯金７の膨張による応力の発生を抑止し、さらに浸漬管先端部からの芯金７への伝熱も軽減できるという効果が発揮される。

定形耐火物８はマグネシア−クロム質煉瓦からなる。不定形耐火物１０は、アルミナ組成を中心とする高アルミナ質キャスタブルからなる。断熱材９は、微細なヒュームドシリカと赤外線を透過させない物質から構成され可縮性を有することが特徴である。断熱材９には、空気分子の運動を規制する微細なマイクロポア構造が採用される。断熱材９には、例えば高機能断熱材ＷＤＳ（POREXTHERM社製）を用いることができる。

断熱材９の熱伝導率は１Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満が好ましいが、特に好ましくは０．０５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満であり、例えば高機能断熱材ＷＤＳ（POREXTHERM社製）の場合、セラミックファイバーやケイ酸カルシウムといった一般的な断熱材９に比べて数倍の断熱効果がある。このため、一般的な断熱材に比べて断熱材９の厚さが２ｍｍ〜７ｍｍと薄くすることが可能になる。断熱材９の熱伝導率を小さくすればするほど、断熱効果が高まり、芯金７の膨張を抑えることができる。

図３は、芯金７及び不定形耐火物１０の熱膨張に伴う直径の増加率を示す。図３の横軸は不定形耐火物１０および芯金７の温度を表し、縦軸は熱膨張に伴う芯金７及び不定形耐火物１０の直径の増加率を示す。図中(1)の線は、芯金７の直径の増加率を示し、(2)の線は、不定形耐火物１０の直径の増加率を示す。

芯金７は鉄製であり、不定形耐火物１０はアルミナ質などを含んでいるため、断熱材９がない場合、芯金７の熱膨張率は不定形耐火物１０よりも数倍大きい。このため、不定形耐火物１０の温度の上昇に伴って、芯金７の直径の増加率が不定形耐火物１０の直径の増加率よりも数倍大きくなる。これが原因で、不定形耐火物１０が芯金７から熱応力を受け、不定形耐火物１０に亀裂が生じる。芯金７の熱膨張を低減するためには、不定型耐火物１０からの受熱量を低減する必要がある。不定型耐火物１０からの受熱量を低減するために、芯金７の周囲に断熱材９を施す。

さらに本発明が特徴とするところは、断熱材として可縮性を持つ材料を採用したことである。ここで可縮性とは、その材料が昇温中または使用温度において外力が加わった際にその厚みが減少する特性を言う。可縮性を持つ断熱材９を採用することによって、芯金７がその外側の不定形耐火物１０よりも膨張した場合にも、その膨張を断熱材９が吸収することで不定形耐火物１０における応力の発生を抑えることができる。

施すべき断熱材９の厚みはそれぞれの膨張量を推定することによって決定できる。図３に示した、芯金７と不定形耐火物１０のデータより、例えば、８００℃においては芯金７の直径増加率は０．９６％、不定形耐火物１０の直径増加率は０．３０％となる。従って、その差の０．６６％分だけ芯金７の膨張の方が大きいことになる。例えば、直径９００ｍｍの芯金７を用いた場合、０．６６％の膨張によって、直径が５．９ｍｍ拡大し、半径としてはその１／２の２．９５ｍｍ拡大することとなる。従って、芯金７の外側に２．９５ｍｍ以上の厚みの断熱材９を施工すれば、芯金７の膨張を吸収できる。実際には、断熱材９の施工によって、不定形耐火物１０よりも芯金７の温度の方が低くなるので、断熱材９の厚みはここまで必要ない場合もあるが、例えば長時間の操業によって不定形耐火物１０と芯金７の温度差がほぼなくなった場合を想定して上記のように断熱材９の厚みを決めることが好ましい。芯金７の膨張を吸収する観点からは断熱材９の厚みは大きいほどよいが、当該断熱材は不定形耐火物１０より高価であること、可縮性の断熱材９が厚すぎると不定形耐火物１０の浸漬管への強固な固定が困難になることから、断熱材９の厚みは３０ｍｍ以下とすることが好ましい。

ここで、芯金７または不定形耐火物１０の直径の増加率は（Ｌ１＋δＬ１）／Ｌ１で定義される。

Ｌ１：温度が０℃のときの芯金または不定形耐火物の直径
δＬ１：当該温度における芯金または不定形耐火物の直径の伸び。
ここで、操業時における芯金および不定形耐火物の温度は、公知の有限要素法を用いた伝熱計算により推定することができる。その結果の一例を図４に示す。図４は浸漬管の先端部の垂直断面を示し、図中の点線は計算により求められた等温線である。

芯金と不定形耐火物との間に厚さ３ｍｍの断熱材を介在させた浸漬管をＲＨ真空脱ガス槽の下部に装着し、ＲＨ真空脱ガス槽を操業した。浸漬管の不定形耐火物の亀裂の修繕に使用する吹き付け補修材は、厚さ３ｍｍの断熱材９の使用前後で、０．０９１ｋｇ／ｔから０．０８４ｋｇ／ｔへと低減した。浸漬管の保守に関わる経済的な効果が得られている。

１…浸漬管（真空脱ガス装置用浸漬管）
７…芯金
８…定形耐火物
９…断熱材
１０…不定形耐火物

Claims (4)

1. 円筒形状をなす芯金の内側に定形耐火物を備え、前記芯金の外側に不定形耐火物を備える真空脱ガス装置用浸漬管において、
   前記芯金の外周と前記不定形耐火物の内周との間に可縮性の円筒形状をなす断熱材を設けることを特徴とする真空脱ガス装置用浸漬管。
2. 前記断熱材は、ヒュームドシリカの成形体であることを特徴とする請求項１に記載の真空脱ガス装置用浸漬管。
3. 前記断熱材は、熱伝導率１Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満であり、浸漬管の使用温度における芯金の膨張による半径増加量と、前記不定形耐火物の内側半径増加量との差以上の厚みを有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の真空脱ガス装置用浸漬管。
4. 円筒形状をなす芯金の内側に定形耐火物を備え、前記芯金の外側に不定形耐火物を備える真空脱ガス装置用浸漬管において、
   前記芯金の外周と前記不定形耐火物の内周との間にヒュームドシリカの成形体からなる断熱材を設けることを特徴とする真空脱ガス装置用浸漬管。

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