JP3665378B2 - 浸漬管冷却条件の設定方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、溶融金属精錬容器、特に真空脱ガス設備等の浸漬管に用いられている芯金を効果的に冷却し、その変形を防止するために、浸漬管を冷却する条件の設定に関する。
【０００２】
【従来の技術】
以下、従来の技術を、図１、図２、図３を参照しながら説明する。
現状の溶融金属精錬プロセスにおいて、真空脱ガス設備は高級鋼製造に不可欠な設備となっている。ＲＨ、ＤＨなどを代表とする脱ガス設備は、真空槽の下端開口部を溶鋼に浸漬したのちに槽内を真空にし、溶鋼を吸い上げて精錬する。浸漬管はこれらの設備の下端に位置する。
【０００３】
浸漬管は、一般に内周がれんがあるいは不定形耐火物、外周が不定形耐火物によって構成されており、これらの耐火物は芯金と呼ばれる金属製の円筒と、そこに設置された耐火物受け金物やスタッドによって保持されている。芯金は耐火物を安定して保持し、真空槽内に外気が侵入するのを防ぐ役割を担う大切な部分である。従って変形は極力防止しなければならない。
【０００４】
芯金の素材は、一般に普通鋼であるため、その機械的強度は５００℃以上において著しく低下する（機械工学便覧（機械材料編）改訂５版 １９６８年日本機械学会刊）。従って、芯金の変形を防止するために、その温度を５００℃未満に保たなければならない。ところが、耐火物の損耗によるライニング厚みの減少等から、芯金の温度は５００℃以上に上昇する。そして、操業時の処理−非処理間の工程における温度変動、耐火物と芯金の膨張差により図１のように芯金１に変形が生じるため、内周耐火物２が目地開き６又は脱落４したり、外周耐火物３に亀裂５が発生又は脱落するなどの問題が生じ、これが浸漬管の寿命を律速している。
【０００５】
従来このような問題を解決するために、例えば特開昭６１−２５３３１８号公報のような芯金の冷却構造が提示されている。すなわち図２及び図３に示すように、芯金を外周円筒７と内周円筒８の二重構造にして、間隙にガス流体などを供給する方法である。この冷却方法を実施すれば、芯金温度を５００℃〜６００℃程度まで低下させることができるとしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら近年、これらの真空脱ガス設備の操業内容は、単なる脱水素、脱窒素、あるいは合金添加による単純な成分調整や温度調整等の軽処理中心の操業から、極低炭素鋼の製造を目的とした長時間脱炭処理などの重処理中心の操業に変化している。処理時間は非常に長くなり、それに伴い溶鋼温度も上昇している。一方設備の面では、脱炭能力向上のための浸漬管の大径化が趨勢となっている。その結果、従来の芯金冷却方法では十分な効果が得られなくなってきた。
【０００７】
本発明者らは、図２及び図３に示すような従来の冷却方法を適用した浸漬管の最高芯金温度を調査した。図４にその結果を示す。芯金温度は処理時間比率、および浸漬管内径と相関がある。ここで、処理時間比率とは、処理時間／（処理時間＋待機時間）の百分率で示される指数である。図４より処理時間比率が４０％であれば、浸漬管内径が１７００ｍｍ以上、比率５０％であれば、内径５００ｍｍ以上で芯金温度は６００℃を超える結果が得られている。このように、長時間の重処理中心の操業条件下では、大径の浸漬管芯金を従来の冷却方法で５００℃〜６００℃程度まで冷却することは不可能となっている。
本発明の目的は、溶融金属精錬容器、特に真空脱ガス容器等の浸漬管の芯金を効果的に冷却し、その変形を防止する方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する手段を鋭意研究した結果、以下のことを見い出した。
すなわち、内径４０００ｍｍ以下の浸漬管に対し、外周円筒鉄板と内周円筒鉄板とからなる芯金の二重管間隙部に、ガス流体を供給して芯金を冷却するに当たり、芯金下端内径の残存変形量が２５ｍｍ以下となるように、このガス流体風量を、処理時間比率及び浸漬管内径に応じて、以下の数式（１）により設定することを特徴とする浸漬管冷却条件の設定方法である。この方法により芯金を効果的に冷却し、浸漬管の寿命を延長することができる。
【０００９】
【数２】
Ｑ≧４．４０２×Ｃ＋０．２１４×Ｄ ………（１）
ただし、Ｑ：ガス流体風量（Ｎｍ³／ｈｒ）
Ｃ：処理時間比率（％）＝処理時間／（処理時間＋待機時間）×１００
Ｄ：浸漬管内径（ｍｍ）
【００１０】
【作用】
以下、本発明を詳細に、図１、図５を参照しながら説明する。
本発明においては、内径４０００ｍｍ以下の浸漬管を対象とし、この構造を安定なものとして保持するために必要な条件を、図１に示すように、芯金１の下端内径の残存変形量（Ｄ₁−Ｄ₀）を２５ｍｍ以下とする。残存変形量とは、使用前に対する使用後の浸漬管の芯金１の内径変化量を指す。本発明者らは、脱ガス設備の使用前後の浸漬管を調査したところ、図１に示す芯金１の最下端内径の残存変形量が２５ｍｍ以下であれば、内周耐火物２、外周耐火物３の脱落４や目地開き６が無く、また外周耐火物３にも亀裂５が生じず、浸漬管は健全であることが判明した。しかしながら、内径が４０００ｍｍを超える浸漬管については、操業中の芯金の変形挙動が異なるため、この基準値は適用できない。
【００１１】
図５に冷却ガス風量と芯金残存変形量の関係を示す。この図は、本発明者らが、前述の外周円筒鉄板と内周円筒鉄板とからなる二重円筒の冷却構造を持つ浸漬管の芯金の使用前後調査結果から作成したものである。図中の□、◇、○、△は、それぞれある決められた浸漬管内径と処理時間比率の組合わせで調査した結果をプロットしたものである。この内、斜線の領域における調査点では、いずれも、内周耐火物の脱落や外周耐火物の亀裂が生じていた。このような脱落や亀裂発生の臨界条件となるのは、芯金残存変形量が２５ｍｍのところであり、図中の●は、前記の種々の条件での臨界点を示す。すなわち、この臨界点が予測されれば、芯金の残存変形量を２５ｍｍ以内に抑えることができる。
【００１２】
この臨界点は、浸漬管内径、処理時間比率、及びガス流体風量の関係により以下に示す近似式（２）で表される。
【００１３】
【数３】
Ｑ＝４．４０２×Ｃ＋０．２１４×Ｄ ………（２）
Ｑ：ガス流体風量（Ｎｍ³／ｈｒ）
Ｃ：処理時間比率（％）
Ｄ：浸漬管内径（ｍｍ）
【００１４】
従って、この式（２）よりガス流体風量Ｑを求め、得られた値より過剰のガス流体風量を流せば、芯金の残存変形量を２５ｍｍ以内に抑えることができる。
【００１５】
なお、冷却に用いるガス流体としては、空気、窒素、アルゴン、ヘリウム、二酸化炭素、炭化水素ガスなどを用いることができる。コストの面で空気あるいは窒素が有利である。
以上述べてきたような本発明のガス流体風量設定法を用いれば、如何なる操業の処理時間比率や浸漬管内径においても、芯金の下端の内径の残存変形量を安定して２５ｍｍ以下に保つことができる。
【００１６】
ここでは、槽内を真空にすることで浸漬管の下端から溶鋼を吸い上げて精錬する設備の例について説明した。しかし、本発明による風量設定法は、溶鋼あるいは溶銑精錬におけるあらゆる空冷構造の芯金を使用した円筒形浸漬構造体に適用可能である。たとえば空冷された芯金とそれに支持された耐火物とからなる円筒形の構造体を取鍋に保持された溶鋼あるいは溶銑に浸漬し、その内部で精錬操作を行う設備である。
【００１７】
【実施例】
以下に、本発明の実施例を表１を参照しながら詳細に説明する。
【００１８】
【表１Ａ】

【００１９】
【表１Ｂ】
表１のつづき

【００２０】
表１に、本発明のガス流体風量設定法を用いて浸漬管の冷却を行った実施例を（１）〜（８）に、比較例を（９）〜（１５）に示した。表１には、本発明の実施例（１）〜（８）および比較例（９）〜（１５）の浸漬管内径、処理時間比率、回帰式（２）から予測される必要ガス流体風量すなわち予測ガス流量、実ガス流量、ガス種、浸漬管寿命、芯金残存変形量、浸漬管損傷の有無、及び損傷状況を示す。なお、いずれの場合も溶鋼温度は１６５０±５０℃であり、浸漬管の耐火物ライニングは、内周９がマグクロダイレクトボンドれんがで厚さは１７０ｍｍ、外周１０がアルミナ系キャスタブルで厚さは１７０ｍｍであった。芯金１の構造は図２及び図３に示したものと同一の外周円筒鉄板と内周円筒鉄板からなる構造で、間隙には周方向に均等にガスを導くようにパイプ１１が設置されており、材質は普通鋼であった。
【００２１】
内径は異なるが内部構造は同じである複数種の芯金を作成し、これらの上記の要領で耐火物を施工し、実際の真空脱ガス設備に取り付けて試験した。５００あるいは６００ｍｍ内径の浸漬管はＲＨ様の二本脚脱ガス設備、１０００ｍｍ以上の浸漬管はＤＨ様の一本脚脱ガス設備で試験した。それぞれの浸漬管は内周あるいは外周の耐火物の残厚が５０ｍｍ以下あるいは耐火物の脱落、大きな亀裂発生や目地開きに至るまで使用し、使用後は耐火物は除去して芯金の内径を測定し、これから使用前の内径を差し引いて残存変形量を算出した。
【００２２】
表１の浸漬管損傷の項目に「無」とあるものは、耐火物の残厚が５０ｍｍ以下となったために使用を中止し、残存変形量が２５ｍｍ以下であったことを示す。また「有」は耐火物の脱落、亀裂発生あるいは目地開きにより浸漬管の使用を中止したことを示す。
【００２３】
表１において、比較例（９）〜（１５）では、いずれも何らかの浸漬管損傷が生じ、残存変形量も２５ｍｍを超えていた。これに対して（１）〜（８）に示す本発明の方法で風量を設定した場合は、同じ内径の比較例と比較すると寿命が倍程度まで延長され、さらに浸漬管損傷は生じておらず、残存変形量も２５ｍｍ以下であった。従って、本発明のガス流体風量設定法を用いて浸漬管の冷却を行うことにより、浸漬管を健全に保つことができ、寿命延長が計られた。
【００２４】
【発明の効果】
本発明による冷却ガス流体風量設定を行えば、内径４０００ｍｍ以下の浸漬管であれば、芯金下端の残存変形量を２５ｍｍ以下に保つことができる。これにより浸漬管の寿命を延長し、溶融金属精錬容器、特に真空脱ガス設備の浸漬管の耐用性を大幅に延長して、炉材コストを大幅に下げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】浸漬管損傷状況の概略を示す図である。
【図２】従来の浸漬管の構造例を示す縦断面図である。
【図３】（ａ）は従来の空冷芯金の構造例の詳細を示す図で、図２のＢ−Ｂ’水平断面の部分断面図である。（ｂ）は（ａ）の芯金部の垂直断面図である。
【図４】各種条件での浸漬管内径と芯金温度との関係を示す図である。
【図５】各種条件での冷却ガス風量と芯金残存変形量との関係を示す図である。
【符号の説明】
１ 芯金
２ 内周耐火物
３ 外周耐火物
４ 耐火物脱落
５ 亀裂
６ 目地開き
７ 外周円筒
８ 内周円筒
９ 内周耐火物
１０ 外周耐火物
１１ パイプ

Claims (1)

1. 内径４０００ｍｍ以下の浸漬管に対し、外周円筒鉄板と内周円筒鉄板とからなる芯金の二重管間隙部に、ガス流体を供給して芯金を冷却するに当たり、このガス流体風量を、処理時間比率及び浸漬管内径に応じて、以下の数式（１）により設定することを特徴とする浸漬管冷却条件の設定方法。
   

   

   Ｑ：ガス流体風量（Ｎｍ³／ｈｒ）
   Ｃ：処理時間比率（％）＝処理時間／（処理時間＋待機時間）×１００
   Ｄ：浸漬管内径（ｍｍ）

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