JP2953293B2

JP2953293B2 - 製鋼炉用ガス吹き込み羽口構造体

Info

Publication number: JP2953293B2
Application number: JP1442394A
Authority: JP
Inventors: 篤也葛西; 雄司成田
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1994-02-08
Filing date: 1994-02-08
Publication date: 1999-09-27
Anticipated expiration: 2014-09-27
Also published as: JPH07224311A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、鉄鋼製造プロセスにお
ける製鋼炉のガス吹き込み羽口構造に関し、詳しくは、
羽口レンガとガス供給を行う金属製羽口管との間にセラ
ミックス断熱層を設けた羽口構造体に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在の鉄鋼製造プロセスにおいては、製
錬工程で転炉を使用するのが一般的である。転炉方式の
中で多数使用されているのは、底吹転炉あるいは上底吹
機能を持つ複合吹錬転炉である。さらに、炉底部に羽口
を有するＶＯＤ炉、スクラップ溶解や二次燃焼などを目
的として炉壁部にも羽口を付加した冶金炉などもある。

【０００３】これらの羽口としては、主に金属製の単
管羽口、同じく内管と外管で構成される二重管羽口、
耐火物に多数の細管を設けた集合羽口の３種類などが
使用されている。金属の種類はステンレス鋼の場合が多
い。羽口部分の構造としては、後述する図３に示すよう
に、羽口レンガ内にステンレス鋼製の二重管を直接内挿
したものが一般的である。

【０００４】羽口からの吹き込みガス種は、溶銑の脱炭
が目的の時にはO₂ガスが選択され、二重管の内管から溶
銑中へ吹き込まれる。この時、羽口を冷却する目的で外
管からＬＰＧ等の炭化水素が冷却ガスとして吹き込まれ
る。ＬＰＧ等の炭化水素は吸熱反応で熱分解し、抜熱能
に優れるからである。このようなＬＰＧ冷却は、O₂ガス
吹き込み時の金属製羽口管の着火溶損を防止するために
行われる。しかし、同時に羽口管周囲の羽口レンガも冷
却され、熱応力や熱衝撃を受けて損耗する。

【０００５】一方、溶鋼の強攪拌による精錬反応の効率
化、脱炭反応の促進を目的とする時は、N₂やArガスが選
択される。コスト面からN₂ガスの使用が優位であるが、
鋼質に悪影響を与えることからArとともに使い分けられ
ている。このような不活性ガスのみを吹き込む場合で
は、金属製羽口管の着火溶損は起こらないが、ＬＰＧ吹
き込みの場合と同様に、羽口レンガはガス冷却による抜
熱のため熱応力や熱衝撃を受けて損耗する。

【０００６】羽口部分のうち、特に羽口レンガは、築炉
後いったん炉の稼働を開始した後においては、局所的に
も補修が困難な部位であり、羽口レンガの損耗は炉命を
律速する。

【０００７】実公昭63−44449 号公報には、O₂ガスによ
るステンレス管羽口の着火溶損を防止するためのセラミ
ックス材質の底吹ノズルが示されている。しかし、この
考案はO₂吹き込み時の金属製羽口の先行溶損を防止する
ためのものであり、羽口寿命を延長するためには、さら
に羽口レンガの損耗を抑制しなければならない。

【０００８】羽口レンガの損耗機構は、次のように説明
される。

【０００９】他のレンガ部位では溶損が損耗の主因であ
るのに対して、羽口レンガでは熱スポーリングがその主
因となる。すなわち、羽口レンガでは吹錬中、溶鋼から
の受熱と羽口冷却ガスの抜熱により、羽口レンガ内に極
端な温度勾配が生じ、これによって羽口レンガ内に熱応
力が発生する。しかも、転炉では通常バッチ精錬が行わ
れるので、この熱応力は繰り返し熱衝撃的に発生するこ
とになる。

【００１０】この熱応力が、レンガの破壊応力以上に達
するとレンガに亀裂が発生し、繰り返し熱衝撃を受ける
ことで亀裂が進展して、レンガは剥離・損耗（熱スポー
リング損傷）していく。

【００１１】底吹転炉においては、当初、羽口レンガの
材質は焼成マグドロレンガであったが、上記の熱スポー
リング損傷が問題となったため耐熱スポーリング性に優
れた耐火物が指向され、 MgO−Ｃレンガが選定された。
現在では、複合吹錬転炉、底吹転炉のほぼ全ての内張り
材として MgO−Ｃレンガが使用されている。

【００１２】MgO−Ｃレンガは、熱伝導性に優れるカー
ボンをMgO に配合することにより、熱衝撃に対する抵抗
性を持たせた複合耐火物である。羽口レンガとして MgO
−Ｃを用いることによって、羽口の寿命は従来の酸化物
系耐火物に比較して延命された。

【００１３】しかし、その寿命は未だ満足できる水準に
達しておらず、さらなる改善のために種々の対策がなさ
れている。そのひとつの方向として熱伝導性を上昇さ
せ、耐熱衝撃性を向上することが指向された。すなわ
ち、 MgO−Ｃレンガ中のカーボン配合量を増加すること
で熱伝導率を上げ、耐熱衝撃性を向上させる方法であ
る。

【００１４】しかし、カーボンの過剰な配合は、カーボ
ンの酸化損失の増加を招き MgO−Ｃレンガの耐酸化性を
低下させる。さらに、カーボンの酸化により MgO−Ｃレ
ンガのスラグに対する耐食性も劣化する。したがって、
カーボン配合量は最大でも30％までしか増加できず、根
本的な解決にはなっていない。

【００１５】羽口外周部にZrO₂を溶射し、羽口レンガの
熱スポーリングの発生を低減した報告がある（鉄と鋼,
vol.70, 1984, Ｓ949 参照）。これは、ZrO₂溶射層を断
熱層とすることで、羽口レンガ内に発生する温度勾配を
緩和して羽口レンガ内の熱応力を低減させ、熱スポーリ
ングの抑制を図るものである。

【００１６】この報告では、断熱された羽口レンガは高
温にはなるが、温度変化は半減し、羽口レンガの損耗速
度が７％低減したとされている。しかし、このような溶
射層を断熱層とする方法では次の点が問題となる。すな
わち、施工可能な溶射層の厚さは、一般に２〜300 μ
ｍ程度であり、断熱層としては充分な効果が得られな
い。形成される溶射層が酸化物であり、耐熱衝撃性に
劣る等である。このため、羽口レンガの寿命を延長する
技術としては未だ不十分である。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、従来
のガス吹き込み羽口構造体の欠点である羽口レンガ本体
の亀裂発生を防止して損耗を抑制し、羽口寿命を安定的
に延長させることができる羽口部の構造を提供すること
にある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は次の製鋼
炉用ガス吹き込み羽口構造体にある。

【００１９】（１）羽口レンガと金属製羽口との間に、実質的にＺｒ
Ｂ ₂ からなるセラミック管が内挿されていることを特徴
とする製鋼炉用ガス吹き込み羽口構造体。（２）羽口レンガと金属製羽口との間に、重量％で、Ｂ
Ｎ：４０％以下を含有し、残部が実質的にＺｒＢ ₂ から
なるセラミック管が内挿されていることを特徴とする製
鋼炉用ガス吹き込み羽口構造体。（３）羽口レンガと金属製羽口との間に、重量％で、Ｓ
ｉＣおよび／またはＢ ₄ Ｃ：１０％以下を含有し、残部
が実質的にＺｒＢ ₂ からなるセラミック管が内挿されて
いることを特徴とする製鋼炉用ガス吹き込み羽口構造
体。（４）羽口レンガと金属製羽口との間に、重量％で、Ｂ
Ｎ：４０％以下、ならびにＳｉＣおよび／またはＢ ₄
Ｃ：１０％以下を含有し、残部が実質的にＺｒＢ₂から
なるセラミック管が内挿されていることを特徴とする製
鋼炉用ガス吹き込み羽口構造体。

【００２０】溶鋼に対する耐食性や耐熱スポーリング性
に特に優れた材質としては、ZrB₂質セラミックス、ZrB₂
含有耐火物が知られている。本発明者は、これらのセラ
ミックス材について、Ｒ″（熱衝撃破壊抵抗係数）を指
標として熱衝撃に対する抵抗性を評価した。この結果、
上記のZrB₂含有材を羽口レンガと金属製羽口の間に挿入
することにより、羽口構造体としての寿命を効果的に延
長できること見いだした。

【００２１】

【作用】図１は、本発明の羽口構造体の例を示す図であ
る。この例は炉底羽口の場合であり、図１(a) は縦断面
図、図１(b) はＡ方向から見た羽口構造体のみの平面図
である。

【００２２】図示するように、この例の羽口構造体は、
金属製二重管羽口１、ZrB₂質セラミックス管２および羽
口レンガ３から構成されており、ZrB₂質セラミックス管
２は羽口レンガ３に内挿され、さらにZrB₂質セラミック
ス管２に金属製二重管羽口１が内挿されているものであ
る。

【００２３】このＺｒＢ₂ 質セラミック管２が、さらに
重量％でＢＮ：４０％以下、または、ＳｉＣおよび／ま
たはＢ₄ Ｃ：１０％以下を含有し、残部が実質的にＺｒ
Ｂ₂からなるセラミック管（以下、ＺｒＢ ₂ 主成分セラ
ミック管といい、実質的にＺｒＢ ₂ からなるセラミック
管をＺｒＢ ₂ 質セラミック管という）であり、溶鋼に対
する耐食性を有するとともに、金属製二重管羽口１が冷
却されているとき、羽口レンガ３に対する断熱層として
作用する断熱管、すなわち熱衝撃を緩和する構造材料で
ある。羽口は金属製のものであれば、単管や三重以上の
多重管であってもよく、羽口構造体としては同様のもの
となる。金属の材質は、ステンレス鋼、銅および鋳鉄等
から選択できる。

【００２４】ZrB₂質セラミックス管を上記の組成に限定
した理由は、次のとおりである。

【００２５】このセラミックス管それ自体は金属製羽口
と接しているため、この羽口が冷却されているとき、直
接的にしかも繰り返し熱応力や熱衝撃を受けることにな
る。

【００２６】したがって、セラミックス管は、熱衝撃破
壊抵抗性が高い材質でなければならない。

【００２７】材料の熱衝撃に対する抵抗性を定量的に評
価する手段として熱衝撃破壊抵抗係数Ｒ″の適用を考え
ると、Ｒ″は下記の(1) 式で表される。

【００２８】

【数１】

【００２９】ここで、Ｓ：破壊強度、μ：ポアッソン
比、Ｋ：熱伝導率、Ｅ：ヤング率、α：熱膨張係数、
ρ：密度、Ｃ：比熱である。

【００３０】すなわち、熱衝撃破壊抵抗係数Ｒ″は、破
壊強度と熱伝導率の向上、ヤング率と熱膨張係数の低下
によって向上することがわかる。

【００３１】(1) 式を用い、市販されている代表的なセ
ラミックスおよびZrB₂質セラミックスについて評価した
結果を表１に示す。

【００３２】

【表１】

【００３３】表１から、SiC 、Si₃N₄ 等の非酸化物系セ
ラミックスのＲ″は、MgO 、Al₂O₃、PSZ(部分安定化ZrO
₂) 等の酸化物系セラミックスに比較して一桁またはそ
れ以上高く、これらの非酸化物系セラミックスは熱衝撃
に対する抵抗性に優れていることがわかる。

【００３４】しかし、個々の材料物性を検討すれば、Si
C やSi₃N₄ は溶鋼に対する耐食性が劣ることから、断熱
材や耐熱衝撃材としての適用は困難である。Al₂O₃ は耐
熱衝撃温度差が低く、また PSZは高温においては安定化
の効果が失われ、強度が著しく低下する。このため、こ
れらも同様に現実的な材料ではない。

【００３５】上記の理由で、本発明の羽口構造体におい
て断熱層として用いるセラミックス管の材質のひとつ
を、実質的にZrB₂のみからなるものとした。

【００３６】このZrB₂質セラミックスでは、さらに、Zr
B₂にその配合割合として重量％で、40％以下のBNを添
加したものか、または、 B₄Cおよび／またはSiC を10
％以下で添加し、ZrB₂成分のマトリックス中にこれらが
均一に分散したものが望ましい。

【００３７】このＢＮ、またはＢ₄ Ｃおよび／またはＳ
ｉＣを上記の範囲で配合してもよい理由は、次の、
のとおりである。

【００３８】BNを添加することにより、ZrB₂単独の場
合よりもさらに耐熱スポーリング性が向上する。しか
し、逆にこのBN配合量が40％を超えると、耐熱スポーリ
ング性には優れるが耐食性が低下する欠点が生ずる。

【００３９】 SiC、B₄C はZrB₂の焼結助剤として作用
し、熱間強度を高めるが、 B₄Cおよび／またはSiC が10
％を超えると、熱間で使用する際にZrB₂成分のマトリッ
クス部にB₂O₃やSiO₂を主成分とする液相が発生し、強度
が低下する。

【００４０】ZrB₂質セラミックス管は、上記の組成に調
整したZrB₂質および残分組成の粉末、または、焼結によ
ってZrB₂質および残分組成となりうる原料粉末を調整
し、成形した後、還元雰囲気または不活性雰囲気で焼成
する方法で製造することができる。必要であれば、さら
に緻密化を図るために、焼成方法としてホットプレス、
ＨＩＰ等の加圧焼結法を適用してもよい。

【００４１】羽口レンガの材質は、アルミナ、マグネシ
ア、マグクロ、マグドロ、Al₂O₃−Ｃおよび MgO−Ｃ等
の一般的に製鋼炉内張用耐火物として使用されている材
質から選択できる。

【００４２】羽口レンガと金属製二重管羽口の寸法は、
従来構造の羽口と同等であってもよいが、ＺｒＢ₂ 質セ
ラミック管、またはＺｒＢ ₂ 主成分セラミック管の長さ
は、それが内挿される羽口レンガの長さと同等であるこ
とが望ましい。しかし、近年の大型炉では、長さ１５０
０ｍｍ近くの長尺レンガを炉底羽口レンガとして使用す
る場合もあるため、一体物でこの長さのＺｒＢ₂ 質セラ
ミック管、またはＺｒＢ ₂ 主成分セラミック管を作製す
ると、焼成収縮時のムラ等により反りが生じる可能性が
ある。このため、必要があればＺｒＢ₂ 質セラミック
管、またはＺｒＢ ₂ 主成分セラミック管を複数に分割し
て製造し、羽口レンガに内挿する際にこれらをつなぎ合
わせ、ＭｇＯキャスタブル等で固定する方法を取っても
よい。ＺｒＢ₂ 質セラミック管、またはＺｒＢ ₂ 主成分
セラミック管の管径については、羽口径により決定すれ
ばよい。

【００４３】本発明の羽口構造体は、主に複合吹錬転炉
および底吹転炉などにおいて、溶鋼と直接接触する炉底
羽口部に適用するのが最も効果的であるが、スクラップ
溶解炉またはスクラップ溶解に続いて精錬を行う炉など
において、スラグの影響によるレンガの溶損は比較的少
ないが、繰り返し熱応力や熱衝撃を受ける炉壁部羽口の
構造体としても用いることができる。

【００４４】

【実施例】下記の本発明例１〜８および比較例１〜３に
示す成分および焼成条件により、長さ280 mm、外径70m
m、内径20mmの緻密質セラミックス管を作製し、羽口レ
ンガ内に断熱層として内挿し、これらを50トンＶＯＤ炉
の炉底羽口に適用し、羽口レンガの損耗を比較する試験
を実施した。

【００４５】図２は、本発明例および比較例におけるセ
ラミックス管を内挿した羽口構造体（炉底羽口）と寸法
を示す図である。(a) は縦断面図、(b) はＡ方向から見
た羽口構造体のみの平面図である。セラミックス管８
は、図１におけるZrB₂質セラミックス管２に相当する。

【００４６】具体的方法は、底吹き羽口を４個設け、そ
の内の３個の羽口を上記図２の羽口構造体とし、残り１
個の羽口を断熱層を内挿しない従来の羽口（従来例とす
る）とした。羽口レンガにはいずれの羽口構造体におい
ても MgO−Ｃ質を用いた。

【００４７】羽口はいずれもステンレス鋼製の二重管と
し、内管からの吹き込みガスはO₂、外管からの冷却ガス
はＬＰＧを選択した。試験条件を表２に示す。

【００４８】

【表２】

【００４９】本発明例１：ZrB₂原料粉末にバインダーと
してポリビニールアルコール（以下、ＰＶＡと記す）を
１wt％添加・混錬し、ＣＩＰ成形後、温度1600℃、圧力
500kg/cm²の条件でホットプレス法により作製したセラ
ミックス管本発明例２：ZrB₂95wt％、BN５wt％を成分とする原料粉
を調整し、ＰＶＡを１wt％添加・混錬し、本発明例１と
同条件で作製したセラミックス管本発明例３：ZrB₂60wt％、BN40wt％を成分とする原料粉
を調整し、本発明例１と同条件で作製したセラミックス
管本発明例４：ZrB₂98wt％、 SiC２wt％を成分とする原料
粉を調整し、ＣＩＰ成形後、N₂雰囲気中1700℃で常圧焼
結して作製したセラミックス管本発明例５：ZrB₂90wt％、 SiC10wt％を成分とする原料
粉を調整し、本発明例４と同条件で作製したセラミック
ス管本発明例６：ZrB₂98wt％、 B₄C２wt％を成分とする原料
粉を調整し、本発明例４と同条件で作製したセラミック
ス管本発明例７：ZrB₂90wt％、 B₄C10wt％を成分とする原料
粉を調整し、本発明例４と同条件で作製したセラミック
ス管本発明例８：ZrB₂90wt％、 SiC５wt％、 B₄C５wt％を成
分とする原料粉末を調整し、本発明例４と同条件で作製
したセラミックス管比較例１：Al₂O₃粉を所定形状に一軸成形後、ＣＩＰ成
形を行い、大気雰囲気下1500℃で常圧焼結して作製した
Al₂O₃セラミックス管比較例２：安定化材として３ mol％のY₂O₃を含有するZr
O₂を原料粉とし、これを所定形状に成形後、大気雰囲気
下1400℃で焼成して作製した部分安定化ZrO₂セラミック
ス管比較例３：SiC粉を所定形状に一軸成形後、ＣＩＰ成形
を行い、N₂雰囲気中1700℃、圧力500kg/cm²の条件でホ
ットプレス法により作製した SiCセラミックス管表３に本発明例１〜８、比較例１〜３のセラミックス管
材の各物性値および比較試験後の羽口レンガの損耗速度
を示す。なお、従来例羽口の損耗速度は1.30〜1.60mm/c
h であった。

【００５０】

【表３】

【００５１】羽口損耗速度は、本発明例１〜８のセラミ
ックス管を内挿した本発明の羽口構造体とすることによ
って、0.74〜0.80mm/ch まで低減した。

【００５２】試験終了後に羽口レンガを回収してその断
面を観察したところ、従来例では稼働面（溶鋼接触面）
から60mm程度のレンガ内部に、稼働面に平行な亀裂の発
生が認められた。

【００５３】図３は、従来の羽口構造体の羽口レンガ内
部に生じた亀裂の例を示す図であり、(a) が縦断面図、
(b) がＡ方向から見た羽口構造体のみの平面図である。

【００５４】比較例１、２では、セラミックス管自体に
も亀裂が発生し、稼働面側で一部欠損していた。図４
は、セラミックス管の材質が適正ではない場合の、羽口
構造体の羽口レンガとセラミックス管の内部に生じた亀
裂の例を示す縦断面図であり、(a) が比較例１、(b) が
比較例２の場合である。

【００５５】比較例３では、羽口レンガとセラミックス
管に亀裂の発生はなく損耗速度も低減していたが、セラ
ミックス管の稼働面に４〜６mmの酸化層が発生してお
り、一部この部分が溶鋼による侵食を受けていた。

【００５６】これに対し、本発明例１〜８では、羽口レ
ンガとセラミックス管の稼働面にはいずれも変質層は認
められず、溶鋼による侵食はほとんど認められなかっ
た。

【００５７】

【発明の効果】本発明によれば、ＺｒＢ₂ 質セラミック
管、またはＺｒＢ ₂ 主成分セラミック管を羽口レンガと
金属製羽口との間に断熱層として内挿することにより、
熱応力や熱衝撃による羽口レンガの亀裂損傷をなくし、
羽口の損耗を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の羽口構造体の例（炉底羽口）を示す図
である。(a) は縦断面図、(b)はＡ方向から見た羽口構
造体のみの平面図である。

【図２】本発明例および比較例で用いた羽口構造体（炉
底羽口）を示す図である。(a)は縦断面図、(b) はＡ方
向から見た羽口構造体のみの平面図である。

【図３】従来例で用いた羽口構造体（炉底羽口）を示す
図である。(a) は縦断面図、(b) はＡ方向から見た羽口
構造体のみの平面図である。

【図４】比較例で用いた羽口構造体の使用後の状況例を
示す縦断面図である。(a) は比較例１、(b) は比較例２
の場合である。

【符号の説明】

１：金属製二重管羽口、２：ZrB₂質セラミックス管、
３：羽口レンガ、４：ウェアレンガ、５：パーマネ
ントレンガ、６：鉄皮、７：ステンレス鋼製二重管羽
口、８：セラミックス管

フロントページの続き (56)参考文献特開平１−263210（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−215416（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−255315（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−50110（ＪＰ，Ａ) 工業レアメタル，Ｎｏ．91，ｐｐ．24 −27（1986) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C21C 5/48 C21C 7/072 F27D 3/16

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】羽口レンガと金属製羽口との間に、実質的
にＺｒＢ₂ からなるセラミック管が内挿されていること
を特徴とする製鋼炉用ガス吹き込み羽口構造体。
【請求項２】羽口レンガと金属製羽口との間に、重量％
で、ＢＮ：４０％以下を含有し、残部が実質的にＺｒＢ
₂ からなるセラミック管が内挿されていることを特徴と
する製鋼炉用ガス吹き込み羽口構造体。
【請求項３】羽口レンガと金属製羽口との間に、重量％
で、ＳｉＣおよび／またはＢ₄ Ｃ：１０％以下を含有
し、残部が実質的にＺｒＢ₂ からなるセラミック管が内
挿されていることを特徴とする製鋼炉用ガス吹き込み羽
口構造体。
【請求項４】羽口レンガと金属製羽口との間に、重量％
で、ＢＮ：４０％以下、ならびにＳｉＣおよび／または
Ｂ₄ Ｃ：１０％以下を含有し、残部が実質的にＺｒＢ₂
からなるセラミック管が内挿されていることを特徴とす
る製鋼炉用ガス吹き込み羽口構造体。