JP2023004232A - 溶鋼鍋及び溶鋼鍋の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】不定形耐火物において、き裂の発生及び過大な剥離を抑制することができる溶鋼鍋及び溶鋼鍋の製造方法を提供する。【解決手段】溶鋼鍋(10)は、側壁(11)の最内層に不定形耐火物(90)を備える。不定形耐火物(90)は骨材(91)を含む。骨材(91)の粒径は20mm未満である。不定形耐火物(90)の物性について、推定周方向応力(σ)が、推定熱間せん断強度(Fs)よりも小さい。【選択図】図5
Description
本開示は、溶鋼鍋及び溶鋼鍋の製造方法に関する。
溶鋼鍋は溶鋼を搬送するための容器である。溶鋼は1300℃を超える高温である。このため、溶鋼鍋のうち溶鋼と接触する側壁の最内層には、不定形耐火物が設けられる。
従来、側壁に設けられる不定形耐火物は、粒径が30~100mmの大粗粒骨材を含む(例えば、特許文献1)。特許文献1の溶鋼鍋では、溶鋼鍋の使用時に不定形耐火物が熱膨張すると、大粗粒骨材に応力が集中し、大粗粒骨材が応力を負担する。これにより、不定形耐火物でき裂の発生及び剥離を防止できる、と特許文献1に記載されている。
しかしながら、実際には、大粗粒骨材を含む不定形耐火物では、き裂の発生、及び内周面の剥離が散見されている。溶鋼鍋が損傷した際、溶鋼鍋の一部の部位では、損傷具合に応じて差替え補修することができる。ただし、側壁に設けられた不定形耐火物を差替え補修する有効な方法はない。不定形耐火物が損傷すると、溶鋼鍋の寿命短縮に繋がる。また、不定形耐火物の厚み管理だけでは、不定形耐火物の損傷を観察しづらい。損傷に気付かずに溶鋼鍋を使用し続けた場合、漏鋼トラブルが起こる恐れがある。これらを防止するために、き裂の発生及び剥離を抑制する必要がある。
本開示は、不定形耐火物において、き裂の発生及び過大な剥離を抑制することができる溶鋼鍋及び溶鋼鍋の製造方法を提供することを課題とする。
本開示に係る溶鋼鍋は、側壁の最内層に不定形耐火物を備える。不定形耐火物は骨材を含み、骨材の粒径は20mm未満である。不定形耐火物の物性について、下記式(1)で表される推定周方向応力σ(MPa)が、下記式(2)で表される推定熱間せん断強度Fs(MPa)よりも小さい。
式(1)及び(2)中の記号は、以下に示す不定形耐火物の物性を意味する;
E1:1500℃焼成による弾性率(GPa)、
R1:1500℃焼成による残存膨張率、
E2:1300℃焼成による弾性率(GPa)、
R2:1300℃焼成による残存膨張率、
a1:1500℃における熱間膨張係数(1/℃)、
a2:1300℃における熱間膨張係数(1/℃)、及び
f:1300℃焼成による熱間圧縮強度(MPa)。
E1:1500℃焼成による弾性率(GPa)、
R1:1500℃焼成による残存膨張率、
E2:1300℃焼成による弾性率(GPa)、
R2:1300℃焼成による残存膨張率、
a1:1500℃における熱間膨張係数(1/℃)、
a2:1300℃における熱間膨張係数(1/℃)、及び
f:1300℃焼成による熱間圧縮強度(MPa)。
本開示に係る製造方法は、側壁の最内層に不定形耐火物を備える溶鋼鍋の製造方法である。製造方法は、準備工程と、予備試験工程と、算出工程と、評価工程と、施工工程と、を備える。準備工程では、骨材を含む不定形耐火物の原料を準備する。準備工程において、骨材の粒径は20mm未満である。予備試験工程では、原料の物性を測定する。予備試験工程で測定する物性は、1500℃焼成による弾性率E1(GPa)、1500℃焼成による残存膨張率R1、1300℃焼成による弾性率E2(GPa)、1300℃焼成による残存膨張率R2、1500℃における熱間膨張係数a1(1/℃)、1300℃における熱間膨張係数a2(1/℃)、及び1300℃焼成による熱間圧縮強度f(MPa)である。算出工程では、原料の物性より、下記式(1)で表される推定周方向応力σ(MPa)、及び下記式(2)で表される推定熱間せん断強度Fs(MPa)を算出する。評価工程では、推定周方向応力σが推定熱間せん断強度Fsよりも小さいか否かを判定する。施工工程では、推定周方向応力σが推定熱間せん断強度Fsよりも小さい場合、当該原料を用いて、側壁の最内層に不定形耐火物を形成する。
本開示に係る溶鋼鍋及び溶鋼鍋の製造方法によれば、不定形耐火物において、き裂の発生及び過大な剥離を抑制することができる。
上記の課題を解決するために本発明者らは鋭意検討を重ね、その結果、下記の知見を得た。
上述したように、従来の溶鋼鍋では、不定形耐火物は大粗粒骨材を含む。不定形耐火物が大粗粒骨材を含むことにより、き裂及び剥離を防止できる、と考えられていたためである。しかしながら、実際には、き裂及び剥離が散見されている。そこで、本発明者らは、不定形耐火物に含まれる骨材の大きさに着目した。
図1は、大粗粒骨材91aを含む不定形耐火物90の初期状態を示す模式図である。図2は、細粒骨材91bを含む不定形耐火物90の初期状態を示す模式図である。図1及び図2には、不定形耐火物90が設けられた溶鋼鍋を使用する前の状態が示される。図1及び図2を参照して、不定形耐火物90は、骨材91と、その他の部分のマトリックス92と、から構成される。骨材91(大粗粒骨材91a、細粒骨材91b)は、マトリックス92中に分散している。
図1を参照して、大粗粒骨材91aを含む不定形耐火物90では、一部の大粗粒骨材91aが不定形耐火物90の内周面90aに露出している。図2を参照して、細粒骨材91bを含む不定形耐火物90では、一部の細粒骨材91bが不定形耐火物90の内周面90aに露出している。不定形耐火物90の内周面90aは、溶鋼鍋の内周面に対応する。大粗粒骨材91aの粒径は、20mm以上である。細粒骨材91bの粒径は、20mm未満である。以下、特に断りのない限り、細粒骨材91bを含む不定形耐火物90は、粒径が20mm以上の大粗粒骨材91aを含まない。
図3は、大粗粒骨材91aを含む不定形耐火物90の使用状態を示す模式図である。図4は、細粒骨材91bを含む不定形耐火物90の使用状態を示す模式図である。図3及び図4では、不定形耐火物90が設けられた溶鋼鍋を繰り返し使用したときの様子が示される。
図3及び図4を参照して、溶鋼鍋を使用すると、内周面90aに露出している骨材91(大粗粒骨材91a、細粒骨材91b)とマトリックス92との間に、地金やスラグが浸潤する。さらに、スラグが不定形耐火物90の表面に堆積し、スラグ浸潤層Aを形成する。スラグ浸潤層Aは、骨材91とマトリックス92との間にスラグが浸潤してできたスラグ浸潤部A1を含む。
浸潤したスラグ等の熱膨張率は、マトリックス92の熱膨張率と異なる。温度変化に対するスラグ等の膨張(収縮)量と、マトリックス92の膨張(収縮)量の差によって、き裂の発生が起こり、更なるスラグ等の浸潤、及び内周面90aの剥離が起こる。つまり、構造スポールに起因して、き裂及び剥離が発生する。
スラグ浸潤層Aにおいて、スラグ浸潤深さdは、不定形耐火物90に含まれる骨材91の最大粒径に比例する。細粒骨材91bを含む不定形耐火物90のスラグ浸潤深さdは、大粗粒骨材91aを含む不定形耐火物90のスラグ浸潤深さdよりも小さい。そのため、細粒骨材91bを含む不定形耐火物90によれば、構造スポールによるき裂が発生しにくくなる。
図3及び図4を参照して、スラグがマトリックス92と骨材91との間に浸潤した後、溶鋼鍋を使用すると、スラグ浸潤層Aの表面にさらにスラグが堆積する。このとき、スラグはビルドアップ層Bと呼ばれる層を形成する。溶鋼鍋の使用後、溶鋼鍋が空になると、ビルドアップ層Bは重力を受ける。ビルドアップ層Bは、不定形耐火物90の内周面90aにおいて、スラグ浸潤部A1によって支持される。スラグ浸潤部A1が、ビルドアップ層Bの受ける重力によるモーメントに耐え切れなくなると、ビルドアップ層Bは、スラグ浸潤層A及び不定形耐火物90の一部と共に剥離する。
図3に示すように、大粗粒骨材91aを含む不定形耐火物90を用いた場合、上述した通り、スラグ浸潤深さdが大きい。そのため、スラグ浸潤部A1は、自重によるモーメントにある程度耐えることができる。よって、剥離に至ったときのビルドアップ層Bの厚みは大きい。この場合、ビルドアップ層Bと共に剥離する不定形耐火物90の厚みも大きくなるため、剥離厚hは大きくなる。剥離厚hとは、剥離する層全体の厚みである。要するに、剥離厚hはスラグ浸潤深さdに比例する。
一方、図4に示すように、細粒骨材91bを含む不定形耐火物90を用いた場合、スラグ浸潤深さdが小さい。そのため、大粗粒骨材91aを含む不定形耐火物90を用いた場合と比較して、より小さいモーメントで剥離に至る。よって、剥離に至ったときのビルドアップ層Bの厚みは小さい。この場合、剥離厚hは小さくなるため、剥離による不定形耐火物90の損耗を低減することができる。このように、細粒骨材91bを含む不定形耐火物90によれば、過大な剥離を抑制することができる。
別の観点でのき裂の発生及び剥離の要因として、不定形耐火物90に発生するフープ応力がある。フープ応力は、溶鋼鍋の使用時、不定形耐火物90の周方向にはたらく。このとき、不定形耐火物90のせん断強度が不十分であると、不定形耐火物90にはせん断破壊によるき裂の発生、及び剥離が起こる。
従来用いていた、大粗粒骨材91aを含む不定形耐火物90では、溶鋼鍋の使用時に不定形耐火物90が熱膨張すると、大粗粒骨材91aに応力が集中する。大粗粒骨材91aは、フープ応力を負担する役割を担っているとも言える。そのため、不定形耐火物90から大粗粒骨材91aを取り除くと、せん断強度が不十分となり、せん断破壊によるき裂の発生、及び剥離が起こる恐れがある。
そのため、細粒骨材91bを含む不定形耐火物90を用いる場合、不定形耐火物90の物性からフープ応力と、熱間せん断強度とを推定し、それらを比較する必要がある。なぜなら、不定形耐火物90に発生するフープ応力が、熱間せん断強度よりも大きければ、せん断破壊によるき裂及び剥離が発生する恐れがあるからである。
本開示の実施形態に係る溶鋼鍋及び溶鋼鍋の製造方法は、上記の知見に基づいて完成されたものである。
本実施形態に係る溶鋼鍋は、側壁の最内層に不定形耐火物を備える。不定形耐火物は骨材を含み、骨材の粒径は20mm未満である。不定形耐火物の物性について、下記式(1)で表される推定周方向応力σ(MPa)が、下記式(2)で表される推定熱間せん断強度Fs(MPa)よりも小さい。
式(1)及び(2)中の記号は、以下に示す不定形耐火物の物性を意味する;
E1:1500℃焼成による弾性率(GPa)、
R1:1500℃焼成による残存膨張率、
E2:1300℃焼成による弾性率(GPa)、
R2:1300℃焼成による残存膨張率、
a1:1500℃における熱間膨張係数(1/℃)、
a2:1300℃における熱間膨張係数(1/℃)、及び
f:1300℃焼成による熱間圧縮強度(MPa)。
E1:1500℃焼成による弾性率(GPa)、
R1:1500℃焼成による残存膨張率、
E2:1300℃焼成による弾性率(GPa)、
R2:1300℃焼成による残存膨張率、
a1:1500℃における熱間膨張係数(1/℃)、
a2:1300℃における熱間膨張係数(1/℃)、及び
f:1300℃焼成による熱間圧縮強度(MPa)。
本実施形態に係る溶鋼鍋では、不定形耐火物に含まれる骨材の粒径は、20mm未満である。上述の通り、大粗粒骨材を含まない不定形耐火物によれば、溶鋼鍋の使用後において、スラグ浸潤深さを低減することができる。これにより、不定形耐火物において、構造スポールによるき裂の発生及び過大な剥離を抑制することができる。
式(1)で表される推定周方向応力σは、溶鋼鍋の周方向において、不定形耐火物に発生すると推定されるフープ応力である。実施形態に係る溶鋼鍋において、推定周方向応力σは、式(2)で表される推定熱間せん断強度Fsよりも小さい。よって、せん断破壊によるき裂の発生及び剥離を抑制することができる。以上より、本実施形態に係る溶鋼鍋によれば、不定形耐火物において、き裂の発生及び過大な剥離を抑制することができる。
本実施形態に係る製造方法は、側壁の最内層に不定形耐火物を備える溶鋼鍋の製造方法である。製造方法は、準備工程と、予備試験工程と、算出工程と、評価工程と、施工工程と、を備える。準備工程では、骨材を含む不定形耐火物の原料を準備する。準備工程において、骨材の粒径は20mm未満である。予備試験工程では、原料の物性を測定する。予備試験工程で測定する物性は、1500℃焼成による弾性率E1(GPa)、1500℃焼成による残存膨張率R1、1300℃焼成による弾性率E2(GPa)、1300℃焼成による残存膨張率R2、1500℃における熱間膨張係数a1(1/℃)、1300℃における熱間膨張係数a2(1/℃)、及び1300℃焼成による熱間圧縮強度f(MPa)である。算出工程では、原料の物性より、下記式(1)で表される推定周方向応力σ(MPa)、及び下記式(2)で表される推定熱間せん断強度Fs(MPa)を算出する。評価工程では、推定周方向応力σが推定熱間せん断強度Fsよりも小さいか否かを判定する。施工工程では、推定周方向応力σが推定熱間せん断強度Fsよりも小さい場合、当該原料を用いて、側壁の最内層に不定形耐火物を形成する。
本実施形態に係る製造方法によれば、準備工程では、骨材を含む不定形耐火物の原料を準備する。準備工程において、粒径は20mm未満である。つまり、原料は、粒径20mm以上の大粗粒骨材を含まない。この原料を用いて形成される不定形耐火物も、当然ながら粒径20mm以上の大粗粒骨材を含まない。上記知見から、大粗粒骨材を含まない不定形耐火物によれば、構造スポールによるき裂の発生及び過大な剥離を抑制することができる。
予備試験工程では、原料の物性を測定する。予備試験工程で測定された各物性は、算出工程で用いられる。算出工程では、式(1)から推定周方向応力σを算出する。推定周方向応力σは、溶鋼鍋の周方向において、不定形耐火物に発生すると推定されるフープ応力である。また、算出工程では、式(2)から不定形耐火物の推定熱間せん断強度Fsを算出する。評価工程では、算出工程で算出した推定周方向応力σ及び推定熱間せん断強度Fsを比較し、推定周方向応力σが推定熱間せん断強度Fsよりも小さいか否かを判定する。施工工程では、推定周方向応力σが推定熱間せん断強度Fsよりも小さい場合、当該評価条件を満たす原料を用いて、側壁の最内層に不定形耐火物を形成する。つまり、施工工程において、不定形耐火物は、その原料が十分なせん断強度を有することが確認された上で形成される。そのため、不定形耐火物において、せん断破壊によるき裂の発生及び剥離を抑制することができる。以上より、本実施形態に係る溶鋼鍋の製造方法によれば、不定形耐火物において、き裂の発生及び過大な剥離を抑制することができる。
以下、本開示の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。各図において同一又は相当の構成については同一符号を付し、同じ説明を繰り返さない。
〔溶鋼鍋〕
以下、図5を参照して、本実施形態に係る溶鋼鍋10の構成を説明する。図5は、本実施形態に係る溶鋼鍋10の断面図である。溶鋼鍋10は、例えば、円筒形である。溶鋼鍋10は、側壁11と、底壁12と、を有する。溶鋼鍋10は、側壁11及び底壁12の最外層に設けられる鉄皮20と、鉄皮20の内側に設けられる定形耐火物30を備える。定形耐火物30は、典型的には耐火れんがである。溶鋼鍋10は、側壁11及び底壁12の最内層に、不定形耐火物90をさらに備える。不定形耐火物90は、内周面90aと、外周面90bと、を有する。
以下、図5を参照して、本実施形態に係る溶鋼鍋10の構成を説明する。図5は、本実施形態に係る溶鋼鍋10の断面図である。溶鋼鍋10は、例えば、円筒形である。溶鋼鍋10は、側壁11と、底壁12と、を有する。溶鋼鍋10は、側壁11及び底壁12の最外層に設けられる鉄皮20と、鉄皮20の内側に設けられる定形耐火物30を備える。定形耐火物30は、典型的には耐火れんがである。溶鋼鍋10は、側壁11及び底壁12の最内層に、不定形耐火物90をさらに備える。不定形耐火物90は、内周面90aと、外周面90bと、を有する。
不定形耐火物90は、例えば、アルミナ-マグネシア質耐火物である。不定形耐火物90は、溶鋼鍋10の使用時、溶鋼と接触する部分に設けられる。不定形耐火物90は、細粒骨材91b(図2及び図4)を含む。細粒骨材91bの粒径は、20mm未満である。
不定形耐火物90は、好ましくは、厚みtが均一になるように設けられる。溶鋼鍋10を使用する前、不定形耐火物90の厚みtは、例えば180mmである。
溶鋼鍋10を使用すると、上述した通り、骨材91及びマトリックス92内に浸潤したスラグが、不定形耐火物90の一部と共に剥離する。そのため、溶鋼鍋10を使用するたびに、不定形耐火物90は損耗する。すなわち、溶鋼鍋10の使用された回数に応じて、不定形耐火物90の厚みtが小さくなる。不定形耐火物90の厚みtが一度に剥離する厚さになると、安全性の観点から、溶鋼鍋10は寿命に達する。
本実施形態では、上記の式(1)で表される推定周方向応力σ(MPa)が、上記の式(2)で表される推定熱間せん断強度Fs(MPa)よりも小さい。推定周方向応力σとは、溶鋼鍋10の使用時、不定形耐火物90に発生すると推定されるフープ応力である。また、推定熱間せん断強度Fsは、溶鋼鍋10の使用時におけるせん断強度である。
式(1)及び式(2)中の記号は、不定形耐火物90の物性を意味する。E1は、1500℃焼成による弾性率(GPa)である。R1は、1500℃焼成による残存膨張率である。E2は、1300℃焼成による弾性率(GPa)である。R2は、1300℃焼成による残存膨張率である。a1は、1500℃における熱間膨張係数(1/℃)である。a2は、1300℃における熱間膨張係数(1/℃)である。fは、1300℃焼成による熱間圧縮強度(MPa)である。
〔製造方法〕
図6は、本実施形態に係る溶鋼鍋10の製造方法を示すフロー図である。図6に示すように、本実施形態の製造方法は、準備工程(#5)と、予備試験工程(#10)と、算出工程(#15)と、評価工程(#20)と、施工工程(#25)と、を備える。この製造方法によって、側壁11の最内層に不定形耐火物90を備える溶鋼鍋10を製造できる。以下、図6に示す各工程を具体的に説明する。
図6は、本実施形態に係る溶鋼鍋10の製造方法を示すフロー図である。図6に示すように、本実施形態の製造方法は、準備工程(#5)と、予備試験工程(#10)と、算出工程(#15)と、評価工程(#20)と、施工工程(#25)と、を備える。この製造方法によって、側壁11の最内層に不定形耐火物90を備える溶鋼鍋10を製造できる。以下、図6に示す各工程を具体的に説明する。
〔準備工程(#5)〕
準備工程(#5)では、不定形耐火物90の原料を準備する。原料は、異なる種類及び粒度の材料を様々な割合で組み合わせてできた粉末である。原料は、例えば、アルミナ原料、及びマグネシア原料を含む。原料は、粒径が20mm未満の細粒骨材91bをさらに含む。要するに、原料は、粒径が20mm以上の大粗粒骨材91aを含まない。
準備工程(#5)では、不定形耐火物90の原料を準備する。原料は、異なる種類及び粒度の材料を様々な割合で組み合わせてできた粉末である。原料は、例えば、アルミナ原料、及びマグネシア原料を含む。原料は、粒径が20mm未満の細粒骨材91bをさらに含む。要するに、原料は、粒径が20mm以上の大粗粒骨材91aを含まない。
〔予備試験工程(#10)〕
予備試験工程(#10)では、準備工程(#5)で準備した原料の物性を測定する。予備試験工程(#10)で測定する物性は、1500℃焼成による弾性率E1(GPa)、1500℃焼成による残存膨張率R1、1300℃焼成による弾性率E2(GPa)、1300℃焼成による残存膨張率R2、1500℃における熱間膨張係数a1(1/℃)、1300℃における熱間膨張係数a2(1/℃)、及び1300℃焼成による熱間圧縮強度f(MPa)である。
予備試験工程(#10)では、準備工程(#5)で準備した原料の物性を測定する。予備試験工程(#10)で測定する物性は、1500℃焼成による弾性率E1(GPa)、1500℃焼成による残存膨張率R1、1300℃焼成による弾性率E2(GPa)、1300℃焼成による残存膨張率R2、1500℃における熱間膨張係数a1(1/℃)、1300℃における熱間膨張係数a2(1/℃)、及び1300℃焼成による熱間圧縮強度f(MPa)である。
以下、物性の測定の手順を具体的に説明する。まず、粉末状の原料を1~2分混錬する。混錬には、例えばボルテックスミキサー、万能ミキサー等を用いる。その後、水を添加しさらに5~6分混錬する。このとき、原料は水と混ぜ合わされることにより、流動性を有する混錬物となる。
原料と水とを混錬してできる混錬物の流動性を十分に確保するため、添加する水分量や、混錬時間を調整する必要がある。流動性の指標として、JIS R 2521で規定されるタップフロー値を用いてもよい。その場合、例えば、タップフロー値が150mm以上になるように水分添加量及び混錬時間を調整する。
次に、混錬物を焼成して試験材を作成する。焼成のため、混錬物は電気炉内に設置される。その後、例えば2~5℃/minの速度で炉内を昇温する。炉内が所定の焼成温度に到達すると、炉内の温度を3~10時間保持する。その後、炉内放冷し、試験材を取り出す。
予備試験工程(#10)では、少なくとも2つに分けた混錬物をそれぞれ別々に焼成し、第1試験材及び第2試験材を作成する。第1試験材の焼成温度は、第2試験材の焼成温度と異なる。第1試験材は、1500℃焼成によって得られる試験材である。第2試験材は、1300℃焼成によって得られる試験材である。
このように作成した試験材を、所定の大きさに切り出して、複数の試験片を作る。試験片は、各物性の測定に用いられる。弾性率は、JIS R 1602:1995に基づき測定される。残存膨張率は、JIS R 2554に基づき測定される。熱間圧縮強度は、JIS R 2206-1:2007に基づき測定される。熱間膨張係数は、JIS R 2555に基づき測定される。
第1試験材及び第2試験材の各々から作成した試験片を用いて、各物性を測定する。第1試験材から作成した試験片より、弾性率E1、及び残存膨張率R1を測定する。また、第2試験材から作成した試験片より、弾性率E2、残存膨張率R2、及び熱間圧縮強度fを測定する。第1試験材の熱間膨張係数と第2試験材の熱間膨張係数は、ほとんど差がなく、どちらを用いても後述する評価に影響を及ぼさない。そのため、1500℃における熱間膨張係数a1及び1300℃における熱間膨張係数a2は、どちらの試験材を用いて測定してもよい。
〔算出工程(#15)〕
算出工程(#15)では、予備試験工程(#10)で測定した原料の物性から、推定周方向応力σ(MPa)、及び推定熱間せん断強度Fs(MPa)を算出する。推定周方向応力σ及び推定熱間せん断強度Fsの算出には、それぞれ上記の式(1)及び(2)を用いる。推定熱間せん断強度Fsは式(2)で表される通り、熱間圧縮強度fの半分として算出する。これは、せん断応力が、1方向のみの圧縮応力と考えることができるからである。
算出工程(#15)では、予備試験工程(#10)で測定した原料の物性から、推定周方向応力σ(MPa)、及び推定熱間せん断強度Fs(MPa)を算出する。推定周方向応力σ及び推定熱間せん断強度Fsの算出には、それぞれ上記の式(1)及び(2)を用いる。推定熱間せん断強度Fsは式(2)で表される通り、熱間圧縮強度fの半分として算出する。これは、せん断応力が、1方向のみの圧縮応力と考えることができるからである。
〔評価工程(#20)〕
評価工程(#20)では、溶鋼鍋10の使用時における不定形耐火物90のせん断強度を評価する。具体的には、算出工程(#15)にて算出した推定周方向応力σ及び推定熱間せん断強度Fsを比較して、推定周方向応力σが推定熱間せん断強度Fsよりも小さいか否かを判定する。
評価工程(#20)では、溶鋼鍋10の使用時における不定形耐火物90のせん断強度を評価する。具体的には、算出工程(#15)にて算出した推定周方向応力σ及び推定熱間せん断強度Fsを比較して、推定周方向応力σが推定熱間せん断強度Fsよりも小さいか否かを判定する。
〔施工工程(#25)〕
施工工程(#25)では、側壁11の最内層に不定形耐火物90を形成する。不定形耐火物90の原料は、評価工程(#20)において、推定周方向応力σが推定熱間せん断強度Fsよりも小さいことが確認できたものを用いる。言い換えると、評価工程(#20)において、推定周方向応力σが推定熱間せん断強度Fsよりも大きいと判定された原料は、本開示に係る溶鋼鍋10に用いることができない。
施工工程(#25)では、側壁11の最内層に不定形耐火物90を形成する。不定形耐火物90の原料は、評価工程(#20)において、推定周方向応力σが推定熱間せん断強度Fsよりも小さいことが確認できたものを用いる。言い換えると、評価工程(#20)において、推定周方向応力σが推定熱間せん断強度Fsよりも大きいと判定された原料は、本開示に係る溶鋼鍋10に用いることができない。
以下、溶鋼鍋10に不定形耐火物90を形成する方法の一例を説明する。まず、予備試験工程(#10)と同様の手順にて、原料と水とを混錬して混錬物を作る。次に、側壁11の内側に型枠を組み付ける。このとき、側壁11の内周面と型枠との間には、隙間が存在する。この隙間に、混錬物を充填する。
混錬物の充填の際、混錬物に気泡が混入する。そのため、充填中又は充填後において、混錬物には、振動が付与される。振動の付与には、例えば、棒状のバイブレーターが用いられる。これにより、混錬物に含まれる気泡を除去することができる。また、振動の付与により、混錬物を側壁11の内周面と型枠との間に十分に行き渡らせることができる。
側壁11の内周面と型枠との間に充填された混錬物は、水分を含んでいる。そのため、ある程度静止させた後に、型枠を取り外す。その後、ガスバーナー等を用いて混錬物を乾燥させる。このようにして、側壁11の最内層に不定形耐火物90が形成される。
混錬物を乾燥させる際、混錬物の温度が急激に上昇すると、爆裂と呼ばれる破壊現象が発生する恐れがある。そのため、乾燥の際には、緩やかに昇温する必要がある。したがって、一般に、乾燥作業には多大な時間を要する。
混錬物を乾燥させる方法として、好ましくは、マイクロ波乾燥法が用いられる。マイクロ波乾燥法では、マイクロ波により混錬物内の水分子を発熱させ、内部加熱を行う。マイクロ波乾燥法では、さらに、熱風を補助熱源として供給し、混錬物の表面を乾燥させる。これにより、混錬物の表面と背面との温度勾配が付きにくくなる。そのため、マイクロ波乾燥法によれば、短時間で混錬物を乾燥させることができる。
[効果]
本実施形態に係る製造方法によれば、準備工程(#5)では、細粒骨材91bを含む不定形耐火物90の原料を準備する。細粒骨材91bの粒径は、20mm未満である。つまり、原料は、粒径20mm以上の大粗粒骨材91aを含まない。施工工程(#25)では、この原料を用いて溶鋼鍋10に不定形耐火物90が形成される。この不定形耐火物90は、当然ながら、粒径20mm以上の大粗粒骨材91aを含まない。したがって、構造スポールによるき裂の発生及び過大な剥離を抑制することができる。
本実施形態に係る製造方法によれば、準備工程(#5)では、細粒骨材91bを含む不定形耐火物90の原料を準備する。細粒骨材91bの粒径は、20mm未満である。つまり、原料は、粒径20mm以上の大粗粒骨材91aを含まない。施工工程(#25)では、この原料を用いて溶鋼鍋10に不定形耐火物90が形成される。この不定形耐火物90は、当然ながら、粒径20mm以上の大粗粒骨材91aを含まない。したがって、構造スポールによるき裂の発生及び過大な剥離を抑制することができる。
予備試験工程(#10)では、原料の物性を測定する。予備試験工程(#10)で測定された各物性は、算出工程(#15)で用いられる。算出工程(#15)では、式(1)から推定周方向応力σを算出する。また、算出工程(#15)では、式(2)から不定形耐火物90の推定熱間せん断強度Fsを算出する。評価工程(#20)では、算出工程(#15)で算出した推定周方向応力σ及び推定熱間せん断強度Fsを比較し、推定周方向応力σが推定熱間せん断強度Fsよりも小さいか否かを判定する。施工工程(#25)では、推定周方向応力σが推定熱間せん断強度Fsよりも小さい場合、その原料を用いて、側壁11の最内層に不定形耐火物90を形成する。つまり、施工工程(#25)において、不定形耐火物90は、その原料が十分なせん断強度を有することが確認された上で形成される。そのため、溶鋼鍋10に形成された不定形耐火物90において、せん断破壊によるき裂の発生及び剥離を抑制することができる。以上より、不定形耐火物90において、構造スポール及びせん断破壊の両方の観点から、き裂の発生及び過大な剥離を抑制することができる。
細粒骨材91bを含む不定形耐火物90を用いた場合では、大粗粒骨材91aを含む不定形耐火物90を用いた場合と比較して、スラグ浸潤深さdが小さい。そのため、より小さいモーメントで剥離に至る。よって、剥離に至ったときのビルドアップ層Bの厚みを低減させることができる。
剥離におけるビルドアップ層Bの厚みが小さくなると、剥離する層全体の厚みである剥離厚hも小さくなる。これにより、剥離による不定形耐火物90の損耗を抑制することができる。このため、溶鋼鍋10の寿命を向上させることができる。
以上、本開示の実施の形態を説明した。しかしながら、上述した実施の形態は本開示を実施するための例示に過ぎない。したがって、本開示は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変更して実施することができる。
[実施例1]
実施例1では、No.1~7の異なる不定形耐火物の原料を準備し、これらの中から本開示に係る溶鋼鍋及び溶鋼鍋の製造方法に適する原料を選定した。その結果を下記の表1に示す。
実施例1では、No.1~7の異なる不定形耐火物の原料を準備し、これらの中から本開示に係る溶鋼鍋及び溶鋼鍋の製造方法に適する原料を選定した。その結果を下記の表1に示す。
表1を参照して、本実施例では、No.1~7の原料における粒径が20mm以上の大粗粒骨材の含有量を調べた。そして、各原料のうち大粗粒骨材を含まないものを〇印、そうでないものを×印で表1に表した。
また、各原料毎に1500℃で焼成した第1試験材と、1300℃で焼成した第2試験材とを作成し、それぞれの物性を測定した。なお、熱間膨張係数は、原料毎の差が小さく評価に影響を及ぼさないため、一律で5.6×10-6とした。これらの物性を式(1)及び式(2)に代入し、それぞれ推定周方向応力σ及び推定熱間せん断強度Fsを算出した。そして、各原料のうち推定周方向応力σが推定熱間せん断強度Fsよりも小さいものを〇印、そうでないものを×印で表1に表した。
表1を参照して、No.1~4の原料には、大粗粒骨材が含まれていない。また、No.1~4の原料は、それぞれ推定周方向応力σが推定熱間せん断強度Fsよりも小さい。よって、No.1~4の原料は、本開示に係る溶鋼鍋及び溶鋼鍋の製造方法に適する。
No.5~6の原料には、大粗粒骨材が含まれていない。しかしながら、No.5~6の原料は、推定周方向応力σが推定熱間せん断強度Fsよりも大きいため、本開示に係る溶鋼鍋及び溶鋼鍋の製造方法に適さない。
No.7の原料は、推定周方向応力σが推定熱間せん断強度Fsよりも小さい。しかしながら、No.7の原料には、大粗粒骨材が含まれているため、本開示に係る溶鋼鍋及び溶鋼鍋の製造方法に適さない。
[実施例2]
本実施例では、実施例1で準備した原料を実機の溶鋼鍋に適用し、その溶鋼鍋を使用したときの不定形耐火物の損耗速度を測定した。ただし、推定周方向応力σが推定熱間せん断強度Fsよりも大きい原料は、実機の溶鋼鍋に適用することができない。そのような溶鋼鍋を使用した場合、漏鋼トラブルが起こる恐れがあるからである。そのため、比較例1~3の中からは、比較例3のみを選択し、損耗速度を測定した。なお、本発明例1~4の中からは、本発明例1を代表として選択し、損耗速度を測定した。
本実施例では、実施例1で準備した原料を実機の溶鋼鍋に適用し、その溶鋼鍋を使用したときの不定形耐火物の損耗速度を測定した。ただし、推定周方向応力σが推定熱間せん断強度Fsよりも大きい原料は、実機の溶鋼鍋に適用することができない。そのような溶鋼鍋を使用した場合、漏鋼トラブルが起こる恐れがあるからである。そのため、比較例1~3の中からは、比較例3のみを選択し、損耗速度を測定した。なお、本発明例1~4の中からは、本発明例1を代表として選択し、損耗速度を測定した。
不定形耐火物の損耗速度は、レーザープロフィルメーターを用いて測定した。溶鋼鍋の使用に際して、150ch~200chにわたり不定形耐火物のプロフィルを測定し、1ch当たりの損耗量を算出した。不定形耐火物のプロフィルは、(Time-Fly法)で測定した。Time-Fly法は、レーザー発生源から回転プリズムを通過し照射されたレーザー光が、溶鋼鍋耐火物稼働面で反射し再びレーザー照射口まで戻ってくるまでにかかる時間を測定する方法である。
本発明例1の原料を用いた溶鋼鍋の損耗速度は、0.235(mm/ch)であった。また、比較例3の原料を用いた溶鋼鍋の損耗速度は、0.281(mm/ch)であった。本発明例1の原料と比較例3の原料とは、本発明例1の原料が大粗粒骨材を含まないのに対し、比較例3の原料が大粗粒骨材を含む点で異なる。このことから、大粗粒骨材を含まない不定形耐火物を用いた溶鋼鍋によれば、不定形耐火物の損耗を抑制することができることがわかる。
10:溶鋼鍋
11:側壁
20:鉄皮
30:定形耐火物
90:不定形耐火物
91:骨材
91b:細粒骨材
92:マトリックス
σ:推定周方向応力
Fs:推定熱間せん断強度
11:側壁
20:鉄皮
30:定形耐火物
90:不定形耐火物
91:骨材
91b:細粒骨材
92:マトリックス
σ:推定周方向応力
Fs:推定熱間せん断強度
Claims (2)
- 側壁の最内層に不定形耐火物を備える溶鋼鍋であって、
前記不定形耐火物は骨材を含み、前記骨材の粒径は20mm未満であり、
前記不定形耐火物の物性について、下記式(1)で表される推定周方向応力σ(MPa)が、下記式(2)で表される推定熱間せん断強度Fs(MPa)よりも小さい、溶鋼鍋。
E1:1500℃焼成による弾性率(GPa)、
R1:1500℃焼成による残存膨張率、
E2:1300℃焼成による弾性率(GPa)、
R2:1300℃焼成による残存膨張率、
a1:1500℃における熱間膨張係数(1/℃)、
a2:1300℃における熱間膨張係数(1/℃)、及び
f:1300℃焼成による熱間圧縮強度(MPa)。 - 側壁の最内層に不定形耐火物を備える溶鋼鍋の製造方法であって、
骨材を含む前記不定形耐火物の原料を準備する準備工程であって、前記骨材の粒径は20mm未満である、前記準備工程と、
前記原料の物性を測定する予備試験工程であって、前記物性は、1500℃焼成による弾性率E1(GPa)、1500℃焼成による残存膨張率R1、1300℃焼成による弾性率E2(GPa)、1300℃焼成による残存膨張率R2、1500℃における熱間膨張係数a1(1/℃)、1300℃における熱間膨張係数a2(1/℃)、及び1300℃焼成による熱間圧縮強度f(MPa)である、前記予備試験工程と、
前記原料の前記物性より、下記式(1)で表される推定周方向応力σ(MPa)、及び下記式(2)で表される推定熱間せん断強度Fs(MPa)を算出する算出工程と、
前記推定周方向応力σが前記推定熱間せん断強度Fsよりも小さいか否かを判定する評価工程と、
前記推定周方向応力σが前記推定熱間せん断強度Fsよりも小さい場合、前記原料を用いて、前記側壁の最内層に不定形耐火物を形成する施工工程と、を備える、溶鋼鍋の製造方法。
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JP2021105800A JP2023004232A (ja) | 2021-06-25 | 2021-06-25 | 溶鋼鍋及び溶鋼鍋の製造方法 |
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-
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- 2021-06-25 JP JP2021105800A patent/JP2023004232A/ja active Pending
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