JP3852261B2 - 金属精錬炉 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属精錬炉に関わり、特に、炉内に保持した溶融金属中に酸化性ガスを吹き込む羽口を囲む耐火物を改良した耐久性に優れた金属精錬炉に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、製鋼に用いる転炉（精錬に用いるガスの吹込み方式により、上吹き転炉、底吹き転炉、上底き転炉等がある）の内壁には、ＭｇＯ−Ｃ系耐火物を適用することが多い。その理由は、該耐火物がスラグに濡れ難く、且つ低膨張性や高熱伝導性であるが故に、高耐食性及び高耐熱スポーリング性（熱スポーリングとは、不均一な加熱、冷却に起因したレンガの亀裂、剥離現象）を有しているからである。そして、このＭｇＯ−Ｃ系耐火物は、通常、マグネシア（ＭｇＯ）を主成分とした耐火物原料に、炭素質物質（主に、天然の鱗状黒鉛が使用される）を混合してレンガ状に成形してから、適切な条件で熱処理して製造される。また、吹き付け、あるいは流し込み施工されることもある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
かかる転炉で一般的な炭素鋼（普通鋼という）を溶製する場合、該転炉が保持する溶鋼の温度は、最大で約１７００℃である。ところが、ステンレス鋼を溶製する際には、転炉での脱炭精錬の際にクロムの酸化を抑制すること、及び転炉出鋼後の長時間にわたる二次精錬での溶鋼の温度降下を補償することの必要性から、１８００℃を超える温度が必要になる。そのため、内張りされたＭｇＯ−Ｃ系耐火物は、前記熱スポーリングによる損耗が問題となっていた。つまり、ステンレス鋼の溶製では、図３に示すように、精錬ガス（脱炭等のため、主として酸素を含む酸化性ガス）１を溶湯中に吹き込むため、二重管方式の金属管羽口２を炉底に備えた底吹き転炉３が一般に使用されるが、該金属管羽口２の周囲を保護する耐火物６（以下、羽口耐火物という）は、溶鋼４による加熱と金属管羽口２の冷却のために供給されるプロパン・ガス５の分解による冷却との作用で、熱スポーリングが生じ易い環境下にある。
【０００４】
一方、ＭｇＯ−Ｃ系レンガの耐熱スポーリング性を向上させるため、特開平５−３０１７７２号公報は、鱗状黒鉛に代え、黒鉛層の層間隔を広くした膨張黒鉛を配合することを提案している。この膨脹黒鉛は、黒鉛結晶が互いに絡み合い、所謂ハニカム構造をした弾力性に優れたものであり、マグネシア等の熱膨脹・収縮を吸収し、その耐熱スポーリング性を高める働きをする。しかしながら、かかるＭｇＯ−Ｃ系レンガを前記羽口耐火物６に採用しても、ステンレス鋼の溶製時における損耗を完全に防止することはできず、抜本的な対策がないのが現状である。
【０００５】
本発明は、かかる事情に鑑み、従来より耐熱スポーリング性に優れた羽口耐火物を備えた金属精錬炉を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
発明者は、上記目的を達成するため、ステンレス鋼の溶製に用いる精錬炉において、精錬ガスを溶湯に吹込む羽口の周囲耐火物の材質について鋭意研究を行ない、その成果を本発明に具現化した。
【０００７】
すなわち、本発明は、酸化性の精錬用ガスを溶融金属中に吹き込む金属管羽口を備えた金属精錬炉において、前記金属管羽口の周囲を、配合する炭素質物質の５０〜１００ｍａｓｓ％を、肉厚５〜４０μｍ、厚み方向に垂直な方向から見た最大径が８０〜１５０μｍの薄肉黒鉛としたＭｇＯ−ＣａＯ−Ｃ系耐火物で形成したことを特徴とする金属精錬炉である。
【０００８】
また、本発明は、前記ＭｇＯ−ＣａＯ−Ｃ系耐火物を成形、熱処理したレンガとしたことを特徴とする金属精錬炉である。
【００１０】
本発明によれば、精錬ガスを溶融金属中に吹き込む羽口の周囲耐火物が熱膨脹・収縮に耐えるものになるので、炉の寿命を従来より大幅に延長できるようになる。その結果、耐火物の使用量が減り、溶融金属の精錬コストの低減が達成される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、発明をなすに至った経緯を交え、本発明の実施の形態を説明する。
【００１２】
まず、発明者は、羽口耐火物の熱スポーリングの抑制について検討した。一般に、該耐火物に発生する熱応力は以下の式で表わすことができる。
【００１３】
σ ∝（α・Ｅ）／λ …（１）
ここで、σ：発生する熱応力、
α：線膨張係数、
Ｅ：弾性率、
λ：熱伝導率
従って、上記（１）式より、耐火物の熱スポーリングを抑制する、すなわち発生する熱応力を低減するには、耐火物自体の弾性率及び／又は線膨張係数を小さくしたり、あるいは熱伝導率を大きくしたりすれば良いことになる。
【００１４】
そこで、発明者は、この考えを具体化するため、ＭｇＯを主体にした耐火物を多種準備し、９００℃における圧縮試験を行なった。その結果、理由は定かでないが、図２に応力―歪み曲線で示すように、ＣａＯを配合したＭｇＯ−ＣａＯ−Ｃ系耐火物の弾性率がＭｇＯ−Ｃ系より小さくなることがわかった。このことは、ＭｇＯ−ＣａＯ−Ｃ系耐火物を羽口周囲の保護耐火物に採用すれば、発生する熱応力が緩和されて、該熱スポーリングが低減されることを示唆している。なお、この場合、試料は、耐火物粉末をレンガ状に加圧成形し、所定条件で熱処理したものである。また、これら耐火物の組成及び物性は、表１の通常黒鉛を配合したものに相当する。
【００１５】
【表１】

【００１６】
次に、発明者は、配合する黒鉛の種類について引き続き検討し、黒鉛の全量あるいは一部を薄肉黒鉛にすると、既に上記表１に数値を示してあるが、弾性率が一層低減するという新しい知見を得た。
【００１７】
ＭｇＯ−Ｃ系耐火物、あるいはＭｇＯ−ＣａＯ−Ｃ系耐火物では、Ｃ源に従来より黒鉛を使用しているが、その黒鉛は、その結晶学的性質上、扁平な形状をしており、肉厚が５０〜１５０μｍで、粒度（厚み方向に垂直な方向からみた最大径）が１５０〜３００μｍ程度のものである。上記薄肉黒鉛とは、肉厚が５〜４０μｍ、粒度（厚み方向に垂直な方向からみた最大径）が８０〜１５０μｍ程度で、通常の黒鉛より径が小さいばかりでなく、さらに偏平のものである。この薄肉黒鉛は、強酸処理した天然黒鉛を８００℃〜１０００℃に急加熱して、酸を分解、ガス化させることにより黒鉛層を数百倍に膨張させ、さらにそれを粉砕することによって製造されている。
【００１８】
そこで、この薄肉黒鉛を配合したＭｇＯ−ＣａＯ−Ｃ系耐火物を実際の底吹き転炉の羽口周囲に相当する環境条件に合わせた実験を行い、その損耗程度を調査した。その結果、通常黒鉛を配合したものよりさらなる耐スポーリング性の向上が得られたので、かかる薄肉黒鉛を配合したＭｇＯ−ＣａＯ−Ｃ系耐火物で羽口周囲を保護する金属精錬炉を本発明としたのである。
【００１９】
この本発明に係る金属精錬炉の羽口周囲に使用するＭｇＯ−ＣａＯ−Ｃ系耐火物は、ＭｇＯ含有量６０〜８０ｍａｓｓ％、ＣａＯ含有量１０〜２０ｍａｓｓ％、Ｃ含有量５〜３０ｍａｓｓ％が好ましい。ＭｇＯが６０ｍａｓｓ％未満では、耐火物としての強度及び融点が低く、溶鋼の精錬において耐久性が低下する傾向がある。一方、ＭｇＯが８０ｍａｓｓ％超えでは、弾性率が高くなると共に、相対的にＣ含有量が低くなることもあって熱伝導性や耐スラグ浸食性が乏しくなる傾向がある。よって、ＭｇＯ含有量は６０〜８０ｍａｓｓ％とするのが好ましい。
【００２０】
ＣａＯが１０ｍａｓｓ％未満では、耐火物の弾性率を低下する作用に乏しくなる傾向がある。一方、ＣａＯが２０ｍａｓｓ％超えでは、耐火物の吸湿性が高くなり、ハンドリング時や休炉時に吸湿防止の特別な対策が必要になる。また、耐火物の融点も低くなり、耐スラグ浸食性が低下する傾向がある。従って、ＣａＯの含有量は、１０〜２０ｍａｓｓ％とするのが好ましい。
【００２１】
Ｃが５ｍａｓｓ％未満では、耐火物の熱伝導度向上効果に乏しく、また耐スラグ塗れ性も低下する。一方、Ｃが３０ｍａｓｓ％超えでは、耐火物の強度が低下すること、並びにスラグ、溶鋼、雰囲気等からの酸化によるＣの減量が大きく耐火物の損耗速度が大きくなる傾向にある。よって、Ｃ含有量は、５〜３０ｍａｓｓ％とするのが好ましい。
【００２２】
本発明の最大の特徴は、黒鉛の一部または全部を薄肉黒鉛に置き換えることにある。薄肉黒鉛とは、上述した肉厚が５〜４０μｍ程度、粒度が８０〜１５０μｍ程度のものである。薄肉黒鉛の通常黒鉛に対する置換比率は、５０〜１００ｍａｓｓ％とするのが良い。５０ｍａｓｓ％未満では、耐スポーリング性の向上効果が通常黒鉛を使用した場合と大差がないからである。
【００２３】
さらに、本発明では、ＭｇＯ−ＣａＯ−Ｃ系耐火物を成形、熱処理してレンガとして使用することが一層好ましい。これは、不定形耐火物として施工した場合に比べ、レンガは、成形の過程で圧力を加えられるために緻密で気孔率が小さく、使用時に割れや剥離が生じ難いからである。
【００２４】
加えて、本発明に係る金属精錬炉は、前記金属管羽口を、炉底以外に設けたものであっても良い。例えば、ＡＯＤ炉のように、炉内に保持した溶融金属の表面下に相当する位置の炉壁に羽口を設けた炉が存在し、かかる炉の羽口耐火物は、炉底に設けたものとほぼ同様な環境に晒されるからである。
【００２５】
なお、前記薄肉黒鉛の配合がＭｇＯ−ＣａＯ−Ｃ系耐火物の耐スポーリング性を向上する理由は、未だ十分解明されてはいないが、黒鉛が薄肉であるがために、レンガに熱応力が加わっても、黒鉛内部で劈開が生じ難いからであると思われる。
【００２６】
【実施例】
金属精錬炉として、炉底に設けた羽口周囲に表１に示した耐火物を採用した上底吹転炉（図３参照）を用い、最終的にＣｒが５〜３０ｍａｓｓ％，Ｃが０．０８〜０．３０ｍａｓｓ％含有する高クロム鋼の溶製を、精錬終了時の平均溶鋼温度が１７５０℃になるように実施した。炉の大きさは、１８５トン（溶鋼規模）で、羽口は、８本の二重管方式の金属管である。羽口周囲には、最初にＭｇＯ−Ｃ系レンガ、次にＭｇＯ−ＣａＯ−Ｃ（通常黒鉛配合）系レンガ、最後にＭｇＯ−ＣａＯ−Ｃ系レンガ（薄肉黒鉛配合）の順で施工し、各レンガについて、施工した転炉の炉底寿命がつきるまで多数チャージの操業を繰り返し行なった。そして、各レンガ毎にレーザー式炉体プロフィル計を用いて、損耗速度を測定した。
【００２７】
測定結果をレンガの弾性率との関係で整理し、図１に一括して示す。なお、図１では、縦軸を、ＭｇＯ−Ｃ系レンガにおける１チャージあたりの平均損耗速度を１００として相対化した値を損耗指数として表示している。図１より、平均溶鋼温度が１７５０℃という高温の高クロム鋼を溶製しても、本発明に係る金属精錬炉が最も羽口レンガの損耗指数が低く、優れていることが明らかである。
【００２８】
なお、上記実施例では、溶融金属を高クロム鋼としたが、本発明に係る金属精錬炉は、所謂「普通鋼」や非鉄金属の溶製に使用しても何らかまわない。
【００２９】
【発明の効果】
以上に述べたように、本発明により、従来より耐熱スポーリング性に優れた羽口耐火物を備えた金属精錬炉を提供することができる。その結果、溶融金属の溶製、とりわけ高温での精錬を余儀なくされる高クロム溶鋼の溶製を従来より円滑に、且つ低コストで実施することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】底吹き羽口を有する転炉で高クロム鋼を溶製した際の羽口周囲レンガの弾性率、材質の損耗指数に及ぼす影響を示す図である。
【図２】ＭｇＯ−Ｃ系耐火物及びＭｇＯ−ＣａＯ−Ｃ系耐火物の９００℃における熱間圧縮試験結果を示す図である。
【図３】一般的な底吹き羽口を備えた転炉を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１ 精錬ガス（酸化性ガス）
２ 金属管羽口
３ 底吹き転炉
４ 溶鋼（溶融金属）
５ 冷却用プロパンガス
６ 羽口耐火物
７ 上吹ランス

Claims (2)

1. 酸化性の精錬用ガスを溶融金属中に吹き込む金属管羽口を備えた金属精錬炉において、
   前記金属管羽口の周囲を、配合する炭素質物質の５０〜１００ｍａｓｓ％を、肉厚５〜４０μｍ、厚み方向に垂直な方向から見た最大径が８０〜１５０μｍの薄肉黒鉛としたＭｇＯ−ＣａＯ−Ｃ系耐火物で形成したことを特徴とする金属精錬炉。
2. 前記ＭｇＯ−ＣａＯ−Ｃ系耐火物を成形、熱処理したレンガとしたことを特徴とする請求項１記載の金属精錬炉。

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