JP2020050927A - 転炉の羽口構造 - Google Patents

Abstract

【課題】羽口煉瓦のスポーリングを抑制することのできる、転炉の羽口構造を提供する。【解決手段】羽口構造４は、羽口煉瓦１２を含み埋設孔部１２ｄが形成された羽口耐火物１３と、埋設孔部１２ｄに埋設され転炉１内に開口する埋設部１６を有し炉底部１１から転炉１内にガスを吹き込むための金属製のノズル１５と、を有する。埋設孔部１２ｄの内周面１２ｅと、埋設部１６の外周面１６ａとの間の摩擦係数μは、所定値より小さい。【選択図】 図３

Description

本発明は、転炉の羽口構造に関する。

転炉は、通常、底吹き羽口構造を有している。羽口構造は、転炉内において鉄皮に設置された羽口煉瓦を含む耐火構造物と、この耐火構造物に挿入された金属製の底吹きノズルと、を有している（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の底吹きノズルは、直線管である。上底吹き転炉では、底吹きノズルから不活性ガスが転炉内に吹き込まれる。

特開２０１３−１５９８０１号公報

図１（Ａ）および図１（Ｂ）は、従来の転炉１００の羽口構造１０１における課題を説明するための模式図である。図１（Ａ）を参照して、羽口煉瓦１０２には、耐熱性の高い煉瓦として、ＭｇＯ−Ｃ煉瓦が用いられる。また、底吹きノズル１０３には、耐熱性の高い金属管が用いられる。この金属管の材料として、例えばオーステナイト系ステンレス鋼が使用される。このような構成において、転炉１００内に鋼等の合金の溶湯が注入され転炉１００の炉底部の温度が上昇すると、羽口煉瓦１０２と底吹きノズル１０３はいずれも熱膨張する。

しかしながら、ＭｇＯ−Ｃ煉瓦からなる羽口煉瓦１０２の線膨張係数よりも、オーステナイト系ステンレス鋼からなる底吹きノズル１０３の線膨張係数のほうが、大きい。このため、底吹きノズル１０３の熱膨張量は、羽口煉瓦１０２の熱膨張量よりも大きくなる。

円筒形状である底吹きノズル１０３が熱膨張すると、当該底吹きノズル１０３は、外径が大きくなるとともに、全長が大きくなる。底吹きノズル１０３の外径が大きくなることで、底吹きノズル１０３の外周面は、当該底吹きノズル１０３の周囲の羽口煉瓦１０２を矢印Ｆ１１に示すように押し広げるように変形する。この状態で底吹きノズル１０３が矢印Ｆ１２に示すように底吹きノズル１０２の軸方向Ｓ１に膨張すると、羽口煉瓦１０２が軸方向Ｓ１に沿って底吹きノズル１０３によって上方に向けて引っ張られる。その結果、底吹きノズル１０３と接触する部分の羽口煉瓦１０２には、軸方向Ｓ１の引張応力が発生する。

また、羽口煉瓦１０２の熱伝導率よりも金属製の底吹きノズル１０３の熱伝導率のほうが高い。つまり、羽口煉瓦１０２の温度上昇速度よりも底吹きノズル１０３の温度上昇速度のほうが高いため、羽口構造１０１に熱的な衝撃が加わると、底吹きノズル１０３と羽口煉瓦１０２の温度差が大きくなる。その結果、底吹きノズル１０３の熱膨張量と羽口煉瓦１０２の熱膨張量との差はさらに大きくなる。その結果、羽口煉瓦１０２に発生する引張応力は、さらに高まる。

ここで、煉瓦（羽口煉瓦１０２）は、圧縮負荷に対する破壊強度は高いが、引張負荷に対する破壊強度は比較的低い。このため、羽口煉瓦１０２に底吹きノズル１０３からの荷重に起因する引張応力が発生すると、羽口煉瓦１０２に割れ１０５が発生し，スポーリング発生の原因になる。スポーリングが発生した結果、図１（Ａ）および図１（Ｂ）に示すように、羽口煉瓦１０２のうち羽口上面１０４の付近のブロック状部分１０６は、転炉１００内の溶湯によって羽口構造１０１から脱落する。

このブロック状部分１０６は、羽口上面１０４からの厚みが例えば数ｍｍ〜数十ｍｍ程度である。その結果、底吹きノズル１０３のうち羽口上面１０４の付近における一部分１０７は、溶湯に直接曝され、損耗速度が格段に高くなる。このような、羽口煉瓦１０２にスポーリングが発生→羽口煉瓦１０２の一部消滅→底吹きノズル１０３の損耗促進、のサイクルが繰り返される結果、底吹きノズル１０３の損耗が促進される。その結果、羽口構造１０１の更新から交換までの期間が短くなり、羽口構造１０１の更新周期が短くなってしまう。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、羽口煉瓦のスポーリングを抑制することのできる、転炉の羽口構造を提供することを目的としている。

本発明は、下記の転炉の羽口構造を要旨とする。

（１）羽口煉瓦を含み、埋設孔部が形成された羽口耐火物と、前記埋設孔部に埋設され転炉内に開口する埋設部を有し炉底部から前記転炉内にガスを吹き込むための金属製のノズルと、を備え、前記埋設孔部の内周面と前記埋設部の外周面との間の摩擦係数が所定値より小さい。

（２）前記（１）に記載の転炉の羽口構造であって、前記埋設孔部の内周面の表面粗さ、および、前記埋設部の前記外周面の表面粗さは、前記摩擦係数が前記所定値より小さくなるように設定されている。

（３）前記（１）または（２）に記載の転炉の羽口構造であって、前記埋設孔部と前記埋設部との間に潤滑剤が挿入されている。

（４）前記（１）〜（３）の何れか１項に記載の転炉の羽口構造であって、低摩擦係数部材をさらに備え、前記低摩擦係数部材は、前記埋設孔部の前記内周面と前記埋設部の前記外周面とが直接接触しているときの摩擦係数よりも小さい摩擦係数が前記埋設孔部と前記埋設部との間に生じるように、前記埋設孔部と前記埋設部との間に挿入されている。

本発明によれば、羽口煉瓦のスポーリングを抑制できる。

図１（Ａ）および図１（Ｂ）は、従来の転炉の羽口構造における課題を説明するための模式図である。 図２は、本発明の一実施形態に係る羽口構造を備える転炉の模式的な断面図である。 図３は、転炉の炉底部における羽口構造の周囲を拡大して示す図である。 図４は、変形例の主要部を示す図である。 図５は、比較例１〜４および実施例１〜６における、摩擦係数と、軸方向における引張応力の最大値の割合を示すグラフである。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。

図２は、本発明の一実施形態に係る羽口構造４を備える転炉１の模式的な断面図である。図３は、転炉１の炉底部１１における羽口構造４の周囲を拡大して示す図である。図２および図３を参照して、転炉１は、鋼等の合金を含む溶湯に処理を施すために用いられ、例えば、高炉から取り出された溶銑を脱炭するために用いられる。なお、転炉１は、電気エネルギーによって鉄スクラップを溶解させる電気炉として用いられてもよい。

本実施形態では、特に説明なき場合、転炉１の全体が新品の状態、または、羽口構造４が新品に更新された状態の転炉１を基準に説明する。また、本実施形態では、特に説明なき場合、転炉１が起立姿勢（精錬時の姿勢）にあるときを基準に説明する。また、羽口構造４は、転炉１の底部外側から鉄皮２に着脱される構成であってもよいし、転炉１の炉口部８を通して転炉１内に対して搬出入され鉄皮２に着脱される構成であってもよい。

転炉１は、鉄皮２と、鉄皮２に設置された耐火構造３および羽口構造４と、を有している。

鉄皮２は、中空の容器状に形成されている。鉄皮２においては、上端部は開口している。また、鉄皮２は、下方に進むに従い直径が大きくなるテーパ状部分、および、略円筒状部分を有している。鉄皮２の下端部は、中空部分を塞ぐようにして配置された鉄皮底部２ａを含んでいる。鉄皮２の内側面の略全域に、耐火構造３が設けられている。

耐火構造３は、溶湯を受けるために設けられており、鉄皮２に隣接配置されたパーマ煉瓦６と、パーマ煉瓦６に対して転炉１の内側に配置されたウェア煉瓦７と、を有している。

パーマ煉瓦６は、例えば、ＭｇＯ煉瓦であり、ブロック状に形成されている。多数のパーマ煉瓦６が、鉄皮２の内側面に設置されている。

ウェア煉瓦７は、溶湯に直接曝される煉瓦であり、例えば、ＭｇＯ−Ｃ煉瓦であり、ブロック状に形成されている。

上記の構成により、転炉１は、鉄皮２の上端部側に位置する炉口部８と、炉口部８から下方に向けて延びる傾斜部９と、傾斜部９の下方に配置された直胴部１０と、直胴部１０の下方に配置された炉底部１１と、を有している。そして、炉底部１１は、鉄皮底部２ａと、耐火構造３のうち炉の底部に設置された部分と、羽口構造４と、を有している。

羽口構造４は、上底吹き転炉においては、炉底部１１から溶湯に向けて不活性ガスを供給するために設けられる。このような不活性ガスとして、窒素ガス、および、アルゴンガス等を例示できる。羽口構造４は、炉底部１１に複数配置されている。各羽口構造４は、互いに同じ構成を有している。

羽口構造４は、羽口煉瓦１２を含む羽口耐火物１３と、炉底部１１から転炉１の溶湯貯留空間１４内にガスを吹き込むための金属製のノズル１５と、を有している。

羽口耐火物１３は、炉底部１１において、パーマ煉瓦６およびウェア煉瓦７に取り囲まれている。本実施形態では、羽口耐火物１３の全体が、単一の羽口煉瓦１２によって形成されている。なお、羽口耐火物１３は、ブロック状の煉瓦を積み上げこれらの煉瓦をセラミック粉末等の不定形耐火物で固めることで形成されていてもよい。

羽口煉瓦１２は、ＭｇＯ−Ｃ煉瓦であり、本実施形態では、ウェア煉瓦７と同一の材質である。羽口煉瓦１２は、本実施形態では、上下に細長い円錐台形状に形成されている。羽口煉瓦１２の上面１２ａおよび下面１２ｂは、それぞれ平坦な面である。本実施形態では、これら上面１２ａおよび下面１２ｂは、互いに平行である。

羽口煉瓦１２の寸法は、転炉１の大きさに応じた値である。本実施形態では、羽口煉瓦１２の高さＨ１は、約１２００ｍｍである。羽口煉瓦１２の上面１２ａの直径は、約３００ｍｍである。羽口煉瓦１２の下面１２ｂの直径は、約４００ｍｍである。

羽口煉瓦１２の上面１２ａは、炉底部１１におけるウェア煉瓦７の上面と連続した面を形成している。羽口煉瓦１２の下面１２ｂは、鉄皮底部２ａの内側面に受けられている。

羽口煉瓦１２の外周面１２ｃは、パーマ煉瓦６のうち外周面１２ｃに対向する対向面に押さえられているとともに、ウェア煉瓦７のうち外周面１２ｃに対向する対向面に押さえられている。パーマ煉瓦６およびウェア煉瓦７のうち外周面１２ｃに対向する対向面は、外周面１２ｃの形状に沿った形状に形成されている。このように、羽口煉瓦１２は、外周面１２ｃの全域および下面１２ｂが、対応するパーマ煉瓦６、ウェア煉瓦７、および、鉄皮底部２ａによって拘束されている。一方、羽口煉瓦１２の上面１２ａには、羽口煉瓦１２を拘束する部材は配置されていない。

羽口煉瓦１２に形成された埋設孔部１２ｄに、ノズル１５の一部が挿入されている。ノズル１５は、鉄皮底部２ａに形成された貫通孔部２ｂを通して転炉１の内側から転炉１の外側に延びている。ノズル１５は、耐熱性の高い金属管で形成されることが好ましい。このような金属管の材料として、オーステナイト系ステンレス鋼を例示できる。オーステナイト系ステンレス鋼として、ＪＩＳ（日本工業規格）のＳＵＳ３０４等を例示できる。このように、ノズル１５が金属管であるため、ノズル１５の線膨張係数は、羽口煉瓦１２の線膨張係数よりも大きい。

ノズル１５は、例えば、細長い鋼板を曲げ加工することで管状に成形し、この管状の鋼板の突き合わせ部を溶接することによって形成されている。本実施形態では、ノズル１５は、直線管である。本実施形態では、ノズル１５の外径は、約４０ｍｍであり、ノズル１５の各部の肉厚ｔ１は一定であり、約４ｍｍである。

ノズル１５は、羽口煉瓦１２と同軸に配置されており、羽口煉瓦１２の下面１２ｂから羽口煉瓦１２の埋設孔部１２ｄ内に進入し、羽口煉瓦１２の上面１２ａまで到達している。換言すれば、ノズル１５の上面（埋設部１６の上面１６ｅ）は、羽口煉瓦１２の上面１２ａと面一に配置されている。ノズル１５の内径および外径は、ノズル１５から転炉１内に供給される不活性ガスの流量に応じて設定される。

ノズル１５は、羽口煉瓦１２の埋設孔部１２ｄに埋設されている埋設部１６と、埋設部１６から羽口煉瓦１２の下方に延びる延伸部１７と、を有している。

埋設部１６は、羽口煉瓦１２内に埋設され転炉１の溶湯貯留空間１４に開口している。埋設部１６は、例えば、羽口煉瓦１２に埋設孔部１２ｄを予め形成し、この埋設孔部１２に埋設部１６を差し込むことで羽口煉瓦１２に埋設される。本実施形態では、ノズル１５の軸方向Ｓ１に沿った埋設部１６の長さは、羽口煉瓦１２の高さＨ１と同じである。埋設部１６の外周面１６ａは、羽口煉瓦１２の埋設孔部１２ｄの内周面と対向している。埋設部１６の外周面１６ａは、羽口煉瓦１２の上面１２ａと下面１２ｂとの間に亘って延びる筒状の面である。常温時、軸方向Ｓ１の各部において、埋設部１６の外周面１６ａの直径は、埋設孔部１２ｄの直径よりも僅かに（例えば、約１ｍｍ）小さい。

埋設部１６の下端１６ｆから、延伸部１７が延びている。延伸部１７は、図示しないガス供給源に接続されている。

本実施形態では、埋設孔部１２ｄの内周面１２ｅと埋設部１６の外周面１６ａとの間の摩擦係数μ（静止摩擦係数）が規定されている。この摩擦係数μは、埋設部１６から埋設孔部１２ｄに作用する垂直抗力Ｆ１と、この垂直抗力Ｆ１によって羽口煉瓦１２のうち埋設孔部１２ｄの周囲に作用する引張荷重Ｆ２（最大静止摩擦力）と、の比である。本実施形態では、この摩擦係数μは、所定値の一例としての０．３より小さく設定されており、０．２以下であることがより好ましい。

摩擦係数μが０．３以上であると、垂直抗力Ｆ１に対する引張荷重Ｆ２、すなわち、埋設孔部１２ｄの周囲において羽口煉瓦１２に作用する引張応力の最大値が過大となり、スポーリングが発生し易くなってしまう。摩擦係数μが０．３より小さければ、垂直抗力Ｆ１に対する引張荷重Ｆ２、すなわち、羽口煉瓦１２に作用する引張応力の最大値は過大とならず、スポーリングは発生し難い。この傾向は、摩擦係数μが０．２以下のときに顕著に高くなる。

本実施形態では、（ａ）埋設孔部１２ｄの内周面１２ｅの表面粗さ、および、埋設部１６の外周面１６ａの表面粗さは、摩擦係数μが０．３より小さくなるように設定されている。また、本実施形態では、（ｂ）埋設孔部１２ｄと埋設部１６との間に潤滑剤２０が挿入されている。

上記（ａ）の構成を実現するための処理としては、埋設孔部１２ｄの内周面１２ｅの表面粗さを低減させる処理、および、埋設部１６の外周面１６ａの表面粗さを低減させる処理の少なくとも一方を例示できる。

上記（ａ）、（ｂ）の構成は、摩擦係数μが０．３未満となるようにするために、何れか一つのみ適用されてもよいし、双方が施されてもよい。

上記（ａ）の構成を実現するための処理について説明すると、埋設孔部１２ｄの内周面１２ｅの表面粗さを低減させる処理として、羽口煉瓦１２の埋設孔部１２ｄとして用いられることとなる煉瓦の孔部の内周面に対する砥石や砥粒を用いた研磨処理を例示できる。同様に、ノズル１５の埋設部１６の外周面１６ａの表面粗さを低減させる処理として、ノズル１５となる鋼管の外周面に対する砥石や砥粒を用いた研磨処理を例示できる。

上記（ｂ）の構成について説明すると、潤滑剤２０として、例えば、アルミナ、窒化ほう素等の酸化系および窒化系のセラミック粉末やニッケル粉末を含有する高温用の潤滑剤を使用することができる。潤滑剤２０としては、高温環境で使用されるため、固体状またはペースト状の潤滑剤が好ましい。

潤滑剤２０の厚みは、羽口煉瓦１２の内周面１２ｅと埋設部１６の外周面１６ａとが直接接触しない程度であればよく、具体的な厚みは限定されない。潤滑剤２０は、埋設孔部１２ｄの周方向の全域に亘って配置される。

潤滑剤２０は、埋設孔部１２ｄの内周面１２ｅと、埋設部１６の外周面１６ａとの間において、軸方向Ｓ１の少なくとも一部に介在している。

埋設孔部１２ｄの内周面１２ｅの表面粗さが低減されている領域、埋設部１６の外周面１６ａの表面粗さが低減されている領域、および、潤滑剤２０が配置されている領域は、少なくとも、羽口構造４の上面位置Ｐ１（羽口煉瓦１２の上面１２ａ）から、後述する交換基準損耗深さ位置Ｐ２までの間であることが好ましく、軸方向Ｓ１における埋設部１６の全域に亘って存在していることが、より好ましい。

ここで、精錬対象となる高温の合金の溶湯が転炉１に繰り返し供給されることで、耐火構造３および羽口構造４は、溶湯によって徐々に溶融され損耗していく。そして、この損耗度合が一定の値に達すると、転炉１内のウェア煉瓦７および羽口構造４が新品のものに更新される。この更新の基準として、交換基準損耗深さ位置Ｐ２が設定されている。耐火構造３および羽口構造４が交換基準損耗深さ位置Ｐ２まで損耗すると、転炉１内のウェア煉瓦７および羽口構造４が新品のものに更新される。

交換基準損耗深さ位置Ｐ２は、羽口構造４の使用前（新品時）における羽口構造４の上面位置Ｐ１から、羽口耐火物１３の高さＨ１の例えば１／２〜３／４の位置（本実施形態では、１／２の位置）に設定されている。上面位置Ｐ１は、羽口構造４の使用前における羽口煉瓦１２の上面１２ａの位置である。

なお、ノズル１５の延伸部１７の外周面１７ａについて、上記（ａ）、（ｂ）で説明したのと同様の構成が採用されてもよい。

以上の構成を有する転炉１において、転炉１内に鋼等の合金の溶湯が溜められると、炉底部１１の温度は極めて高い値となる。例えば、羽口煉瓦１２の上面１２ａの温度が約１５００度、羽口煉瓦１２の下面１２ｂの温度が約４００度にまで達する。これにより、羽口煉瓦１２と底吹きノズル１５は、いずれも熱膨張する。

しかしながら、前述したように、羽口煉瓦１２の線膨張係数よりも、オーステナイト系ステンレス鋼によって形成されたノズル１５の線膨張係数のほうが大きい。このため、ノズル１５の熱膨張量は、羽口煉瓦１２の熱膨張量よりも大きくなる。

円筒形状であるノズル１５が熱膨張すると、当該ノズル１５は、外径が大きくなるとともに、全長が大きくなる。ノズル１５の外径が大きくなることで、埋設部１６の外周面１６ａは、埋設部１６の周囲の羽口煉瓦１２を押し広げるように変形する。これにより、埋設部１６は、羽口煉瓦１２に垂直抗力Ｆ１を作用する。この状態で埋設部１６がノズル１５の軸方向Ｓ１に膨張すると、ノズル１５は、ノズル１５の周囲の羽口煉瓦１２を軸方向Ｓ１に引っ張り、羽口煉瓦１２の埋設孔部１２ｄの内周面１２ｅに、引張荷重Ｆ２を作用する。しかしながら、前述したように、羽口煉瓦１２の埋設孔部１２ｄとノズル１５の埋設部１６との間の摩擦係数μが低くされている結果、埋設部１６は、羽口煉瓦１２に対して滑り易い。これにより、羽口煉瓦１２に発生する引張応力は、小さくて済む。

また、転炉１内に溶湯が注がれることで羽口構造４の上面に熱的な衝撃が加わると、羽口構造４の上面の温度が急上昇する。この場合、羽口煉瓦１２の温度上昇速度よりも金属製ノズル１５の温度上昇速度のほうが高い。このため、羽口構造４に熱的な衝撃が加わると、ノズル１５と羽口煉瓦１２との温度差が大きくなり、ノズル１５の熱膨張量と羽口煉瓦１２の熱膨張量との差は大きくなる。しかしながら、前述したように、ノズル１５の埋設部１６は、羽口煉瓦１２に対して滑りやすく、これにより、ノズル１５から羽口煉瓦１２に作用する引張荷重Ｆ２が小さくて済むので、羽口煉瓦１２に発生する引張応力は、大きくならずに済む。

以上の次第で、本実施形態によると、埋設孔部１２ｄの内周面１２ｅと、埋設部１６の外周面１６ａとの間の摩擦係数μが、０．３より小さい値に設定されている。この構成により、羽口煉瓦１２に対して埋設部１６が滑り易くなり、埋設部１６から羽口煉瓦１２に作用する引張荷重Ｆ２を小さくできる。よって、引張荷重に対する破壊強度が低い羽口煉瓦１２における割れ（スポーリング）の発生をより確実に抑制できる。その結果、スポーリング発生によって羽口煉瓦１２の上端部が部分的に欠けることによる羽口煉瓦１２の損耗と、羽口煉瓦１２の欠けに伴うノズル１５の早期損耗と、を抑制できる。その結果、羽口構造４の更新から交換までの期間をより長くでき、羽口構造４の更新周期をより長くできる。

また、本実施形態によると、埋設孔部１２ｄの内周面１２ｅの表面粗さ、および、埋設部１６の外周面１６ａの表面粗さは、摩擦係数μが０．３より小さくなるように設定されている。このように、内周面１２ｅおよび外周面１６ａの少なくとも一方の表面粗さを低減させる簡易な処理によって、スポーリングの発生をより確実に抑制できる。

また、本実施形態によると、埋設孔部１２ｄと埋設部１６との間に潤滑剤２０を挿入する簡易な処理によって、羽口煉瓦１２に対する埋設部１６の滑り性をよくできる結果、スポーリングの発生をより確実に抑制できる。

以上、本発明の実施形態について説明したけれども、本発明は上述の実施の形態に限られない。本発明は、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な変更が可能である。なお、以下では、上述の実施形態と異なる構成について主に説明し、上述の実施形態と同様の構成については図に同様の符号を付して詳細な説明を省略する場合がある。

（１）上述の実施形態では、摩擦係数μを０．３より小さくするための構成として、上記（ａ）、（ｂ）の構成を説明した。しかしながら、この処理に限定されない。図４は、変形例の主要部を示す図である。図４を参照して、摩擦係数μを低減する構成として、（ｃ）埋設部１６と埋設孔部１２ｄとの間に低摩擦係数部材２１が挿入されていてもよい。

低摩擦係数部材２１は、埋設孔部１２ｄの内周面１２ｅと埋設部１６の外周面１６ａとが直接接触しているときの摩擦係数よりも小さい摩擦係数μが埋設孔部１２ｄと埋設部１６との間に生じるように、埋設孔部１２ｄと埋設部１６との間に挿入されている。

低摩擦係数部材２１は、円筒状部材であり、埋設孔部１２ｄの内周面１２ｅと、埋設部１６の外周面１６ａとは、直接または潤滑剤２０を介して向かい合っている。低摩擦係数部材２１は、少なくとも上面位置Ｐ１と交換基準損耗深さ位置Ｐ２との間に配置されていることが好ましく、本実施形態では、軸方向Ｓ１における埋設孔部１２ｄの全域（埋設部１６の全域）に亘って配置されている。低摩擦係数部材２１の外径は、埋設孔部１２ｄの内周面１２ｅの直径と略同じである。また、低摩擦係数部材２１の内径は、埋設部１６の外周面１６ａの直径と略同じである。低摩擦係数部材２１は、ノズル１５の周方向の全域に亘って配置されている。

低摩擦係数部材２１は、例えば、当該低摩擦係数部材２１の内周面および外周面における表面粗さが所定値以下に設定されている。低摩擦係数部材２１の材質として、アルミナ、ムライト、ジルコニア、サイアロン等のセラミック材を例示できる。本実施形態では、低摩擦係数部材２１は、セラミックパイプである。低摩擦係数部材２１は、ノズル１５内を通過する常温のガスからの冷気が羽口煉瓦１２に伝わらないようにする機能を有している。これにより、埋設孔部１２ｄの周囲における羽口煉瓦１２の熱膨張量と、低摩擦係数部材２１の熱膨張量との差が大きくなることが抑制されている。

上記（ｃ）の低摩擦係数部材２１は、上記（ａ）、（ｂ）の摩擦係数低減の構成と併用されてもよいし、併用されなくてもよい。すなわち、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）で説明した摩擦係数低減のための構成は、一つのみ適用されてもよいし、何れか二つが適用されてもよいし、三つとも適用されてもよい。

上記（ｂ）の潤滑剤２０が用いられる構成と、上記（ｃ）の低摩擦係数部材２１が用いられる構成と、が併用される場合、潤滑剤２０は、埋設孔部１２ｄと低摩擦係数部材２１との間、および、低摩擦係数部材２１と埋設部１６との間の少なくとも一方に介在される。

第１変形例によると、ノズル１５の埋設部１６と羽口煉瓦１２との間に低摩擦係数部材２１が配置されることにより、ノズル１５はよりスムーズに熱伸びできる。その結果、ノズル１５から羽口煉瓦１２に作用する引張荷重Ｆ２をより小さくできる。よって、羽口煉瓦１２にスポーリングが生じることをより確実に抑制できる。

ノズル１５の埋設部１６の摩擦係数μが低減された場合の効果を検証するために、有限要素法（FEM:Finite Element Method）解析を実施した。具体的には、羽口構造４をコンピューター上でモデル化した。

モデル化された羽口構造４の詳細な構成は、以下の通りである。

（羽口煉瓦の材質および形状）
材質：ＭｇＯ−Ｃ煉瓦であり、ＭｇＯを７５質量％含有し、Ｃを２１質量％有する。
形状：円錐台
上面１２ａの直径：３００ｍｍ
下面１２ｂの直径：４００ｍｍ
高さＨ１：１２００ｍｍ

（ノズルの形状、材質）
羽口煉瓦１２の中心軸線と同軸に形成された埋設孔部１２ｄに、ノズル１５の埋設部１６が埋設されている。埋設孔部１２ｄの内周面１２ｅの直径は、埋設部１６の外周面１６ａの直径よりも１ｍｍ大きい。
材質：ＳＵＳ３０４（オーステナイト系ステンレス鋼）
ノズル１５の全長：１２００ｍｍとし、ノズル１５の全体を埋設部１６とした。
ノズル１５の埋設部１６の外周面１６ａの直径：４０ｍｍ
ノズル１５の肉厚：４ｍｍ

（羽口構造の物性値）
（羽口構造における羽口煉瓦の物性値）
羽口煉瓦１２の物性値は、以下の通りである。
線膨張係数：１１．２×１０^−６／℃
ヤング率：２８２０ＭＰａ
ポアソン比：０．２５

（ノズルの物性値）
ノズル１５（ＳＵＳ３０４）の物性値は、以下の通りである。
線膨張係数：１９．７×１０^−６／℃
ヤング率：８９０００ＭＰａ
ポアソン比：０．３

（羽口煉瓦とノズル間の摩擦係数）
羽口煉瓦とノズル間の摩擦係数μを、１．００〜０．００の間で変化させた。具体的には、摩擦係数μを、以下のように設定した。
比較例１：μ＝１．００
比較例２：μ＝０．７０
比較例３：μ＝０．５０
比較例４：μ＝０．３０
実施例１：μ＝０．２８
実施例２：μ＝０．２５
実施例３：μ＝０．２２
実施例４：μ＝０．２０
実施例５：μ＝０．１０
実施例６：μ＝０．００

（羽口構造に対する温度・拘束条件）
ＦＥＭ解析では、羽口煉瓦１２およびノズル１５の上面温度を１５００℃、下面温度を４００℃に設定した。また、炉底部１１に配置される羽口煉瓦１２は、当該羽口煉瓦１２の周囲のパーマ煉瓦６およびウェア煉瓦７によって熱伸びを拘束される。このため、ＦＥＭ解析では、羽口煉瓦１２の外周部は当該羽口煉瓦１２の半径方向に膨張しないように境界条件を与えた。この条件は、比較例１〜４および実施例１〜６において共通である。

（解析結果）
ＦＥＭ解析で求めた、羽口煉瓦１２のうち埋設孔部１２ｄの周囲に発生する、煉瓦高さ方向（軸方向Ｓ１）の引張応力の最大値（解析結果）を表１および図５に示す。図５は、比較例１〜４および実施例１〜６における、摩擦係数μと、軸方向Ｓ１における引張応力の最大値の割合を示すグラフである。解析結果は、摩擦係数μによる影響を比較し易くするために整理した。具体的には、比較例１における、軸方向Ｓ１の引張応力の最大値を１としたときの、比較例２〜４および実施例１〜６のそれぞれにおける、軸方向Ｓ１における引張応力の最大値の割合を算出した。

図５において、○点は、実際にＦＥＭ解析を行った結果を示している。図５において、○点を結んだ線は、摩擦係数μと引張応力の最大値との関係を視覚的に示す傾向線である。

^＊比較例の最大引張応力を1.000とした場合の比

表１および図５から明らかなように、実施例１〜６は、比較例１〜４と比べて、明らかに引張応力の最大値が低下した。特に、摩擦係数μが０．２８である実施例１では、最大引張応力の最大値が、比較例１と比べて２５％以上低下した。さらに、図５によく示されているように、摩擦係数μが０．３０から０．２０へ低下することで、摩擦係数μの低下率に対する最大引張応力の低下率が顕著に大きくなった。また、摩擦係数μが０．２０から０．００へ低下したときも、摩擦係数μの低下率に対する最大引張応力の低下率が大きくなった。

このように、摩擦係数μを０．３より小さくすることが好ましく、摩擦係数μを０．２以下にすることがより一層好ましいことが実証された。すなわち、実施例１〜６によって、羽口煉瓦１２の割れ（スポーリング）を抑制することが実証された。

本発明は、転炉の羽口構造として広く適用することができる。

１ 転炉
４ 羽口構造
１１ 炉底部
１２ 羽口煉瓦
１２ｄ 埋設孔部
１２ｅ 埋設孔部の内周面
１３ 羽口耐火物
１５ ノズル
１６ 埋設部
１６ａ 埋設部の外周面
２０ 潤滑剤
２１ 低摩擦係数部材
μ 摩擦係数

Claims (4)

1. 羽口煉瓦を含み、埋設孔部が形成された羽口耐火物と、
   前記埋設孔部に埋設され転炉内に開口する埋設部を有し炉底部から前記転炉内にガスを吹き込むための金属製のノズルと、を備え、
   前記埋設孔部の内周面と前記埋設部の外周面との間の摩擦係数が所定値より小さい、転炉の羽口構造。
2. 請求項１に記載の転炉の羽口構造であって、
   前記埋設孔部の内周面の表面粗さ、および、前記埋設部の前記外周面の表面粗さは、前記摩擦係数が前記所定値より小さくなるように設定されている、転炉の羽口構造。
3. 請求項１または請求項２に記載の転炉の羽口構造であって、
   前記埋設孔部と前記埋設部との間に潤滑剤が挿入されている、転炉の羽口構造。
4. 請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の転炉の羽口構造であって、
   低摩擦係数部材をさらに備え、
   前記低摩擦係数部材は、前記埋設孔部の前記内周面と前記埋設部の前記外周面とが直接接触しているときの摩擦係数よりも小さい摩擦係数が前記埋設孔部と前記埋設部との間に生じるように、前記埋設孔部と前記埋設部との間に挿入されている、転炉の羽口構造。
   

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