JP3922231B2

JP3922231B2 - 真空精錬用取鍋の蓋

Info

Publication number: JP3922231B2
Application number: JP2003274003A
Authority: JP
Inventors: 望田村; 勝鷲尾; 純夫山田; 利雄金谷
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2003-07-14
Filing date: 2003-07-14
Publication date: 2007-05-30
Anticipated expiration: 2015-07-28
Also published as: JP2004043974A

Description

本発明は、ＶＯＤ法に代表される真空精錬において使用される取鍋上に載置されて取鍋の開口部を覆う蓋に関するものである。

溶鋼の二次精錬で用いるＶＯＤ設備は、二次精錬中に、減圧雰囲気下の真空容器内に設置された取鍋の内部で生じる、バブリングガス、脱炭、脱酸または脱窒等の発泡によって、溶鋼あるいはスラグが真空容器内へ飛散、そして堆積するのを防止し、また処理中の鋼浴放散熱を抑制するため、取鍋に蓋を載置するのが通例である。

この蓋は、耐火物にて形成するのが一般的であり、非特許文献１として示す刊行物には、天井耐火物材として、不焼成Ｍｇ−Ｃｒと黒鉛の組み合わせが開示され、また、上吹きランスの挿入孔の構成材が黒鉛であり、その他が不焼成Ｍｇ−Ｃｒである耐火物が開示されている。ここに示された取鍋蓋は、熱伝導度が1.5kcal／mH℃程度の断熱レンガに分類される耐火物である不焼成Ｍｇ−Ｃｒを、挿入孔周りを除く天井のほぼ全域に施工したものである。

一方、取鍋蓋の製造およびメンテナンスの費用低減を達成するため、最近、例えば特許文献１に開示の水冷構造蓋が採用されつつある。すなわち、水冷チューブにより蓋を形成し、チューブ内に冷却水を常時流通させることで、チューブを熱的に保護し、半永久使用を原理的に可能としたものである。
特開平６−10031 号公報鉄鋼便覧第３版製銑・製鋼」（発行：丸善）第712 頁表13．19、図13・111

しかしながら、上記非特許文献１に開示された蓋を用いた場合、取鍋蓋における、特に溶鋼面からの輻射熱の著しい蓋中心部から径方向に半径の70〜80％までの部分は、処理中に急激に熱せられる一方、非処理時間に冷却される、熱サイクルを繰り返し受けるため、スポーリングが発生し易く、耐火物寿命が短くなるという問題があった。なお、熱サイクルによるスポーリングに強い、例えば挿入孔材質の黒鉛を天井全域に施工すれば、熱スポーリング損耗は防止可能であるが、近年増加している極低炭素域の溶製において、処理中の黒鉛溶出による脱炭不良が発生し、しかも、上吹き酸素使用時に、取鍋の鋼浴面と蓋との間の空間で不可避的に生じる二次燃焼によって、黒鉛質が溶損して耐火物寿命が短くなるという問題が生ずる。

また、特許文献１に開示の水冷構造蓋の場合には、鋼浴放散熱が、処理中は低温に保たれる水冷チューブを介して、冷却水に殆ど全て奪われるため、処理中の溶鋼温度降下が著しく、処理に必要な熱補償が増加して、処理コストが膨大になるという致命的問題を有していた。

そこで、本発明の目的は、上述した問題を解決し、熱サイクルによるスポーリングに対する耐久性に優れた耐火物寿命の長い取鍋の蓋を提供するところにある。

本発明は、溶鋼の真空精錬に供する取鍋上に載置する蓋であって、炭素を５質量％以上20質量％以下含有するＭｇＯ−Ｃ耐火物からなる真空精錬用取鍋の蓋を基本として以下のように構成してなるものである。

即ち、本発明は、溶鋼の真空精錬に供する取鍋上に載置する円盤状の蓋であって、上吹きランスの挿入孔周辺の内周部分を炭素含有量が５質量％以上のＭｇＯ−Ｃ耐火物にて蓋の中心から径方向に半径の６５％以上の領域に形成するとともに、該内周部分の径方向外側の外周部分を炭素含有量が５質量％未満のＭｇＯ−Ｃｒ_２Ｏ_３耐火物または炭素含有量が５質量％未満のマグネシアドロマイト耐火物にて形成したことを特徴とする真空精錬用取鍋の蓋である。

本発明によれば、取鍋蓋耐火物の耐熱スポーリング性を改善したから、寿命の長い取鍋蓋を提供し得ると共に、また、蓋耐火物を内周部分と外周部分とで炭素含有量の異なる２種の耐火物で構成することによって、取鍋の蓋の耐熱スポーリング性を、脱炭処理に悪影響を与えることなしに、改善することができる。

図１に示すように、真空精錬用取鍋の蓋１は、取鍋２上に載置されて、その開口部を覆うものであり、円盤の中心部に、例えば黒鉛製の円環で区画された上吹きランスの挿入孔３を有し、この挿入孔３と外縁の金枠４との間に耐火物を張り合わせてなるものである。

ここで、上記蓋耐火物として、炭素を５質量％以上含有する耐火物を用いることが、蓋１に対し、優れた耐熱スポーリング性を付与するのに肝要である。すなわち、この耐火物の耐熱スポーリング性は、昇温あるいは冷却過程での温度むらに起因すると考えられる。この耐火物の熱伝導度が上昇すると、耐火物内部での熱拡散も上昇し、局所的な高温域あるいは低温域が生じにくくなるから、耐熱スポーリング性を改善するには、熱伝導度が高いことが有利になる。この熱伝導度は、炭素含有量により大きく変化し、例えばＭｇＯ質耐火物の場合、500℃における熱伝導度は、ＭｇＯ耐火物で５kcal／mH℃、炭素を５質量％含むＭｇＯ-Ｃ耐火物で９kcal／mH℃、炭素を10質量％含むＭｇＯ-Ｃ耐火物で11kcal／mH℃、炭素を15質量％含むＭｇＯ-Ｃ耐火物で16kcal／mH℃となる。同様に、1000℃では、ＭｇＯ耐火物で3.5kcal／mH℃、炭素を５質量％含むＭｇＯ-Ｃ耐火物で6.5kcal／mH℃、炭素を10質量％含むＭｇＯ-Ｃ耐火物で８kcal／mH℃、炭素を13質量％含むＭｇＯ-Ｃ耐火物で16kcal／mH℃となる。

そこで、ＭｇＯ質耐火物の炭素含有量と耐熱スポーリング性との関係を求めるため、耐熱スポーリング性の指標として耐熱衝撃温度差を調査した。ここで、耐熱衝撃温度差とは、耐火物を常温から急激にある温度雰囲気に曝したときに、耐火物が破損や亀裂を発生しない最高温度と常温との温度差を意味し、耐熱スポーリング性を評価する指標となる。その結果を図２に示す。

図２から、耐熱衝撃温度差は、耐火物中の炭素含有量５質量％を境にして急激に大きくなり、さらに２０質量％以上で一層大きくなることが明らかである。つまり、炭素含有量が５質量％以上、好ましくは２０質量％以上の耐火物を用いることによって、その耐火物による蓋の耐熱スポーリング性を改善することが可能になるのである。

ところで、蓋を構成する耐火物の炭素含有量を増加することは、蓋の一部が脱炭処理中に溶損した際に、溶鋼に炭素源を供給することになるから、脱炭を阻害する恐れがある。そこで、炭素含有量を種々に調整したＭｇＯ-Ｃ耐火物製のるつぼを使用して、溶鋼の脱炭処理を行った際の、平均脱炭速度について調査した。その結果を図３に示す。図３から、耐火物の炭素含有量が10質量％までは、脱炭速度の急激な低下はなく、また実際の脱炭処理においては脱炭速度80％までは何ら支障のないことから、耐火物の炭素含有量は20質量％まで使用できることが判明した。

これらの結果から、蓋に供する耐火物の炭素含有量を５質量％以上として耐熱スポーリング性を改善し、併せて脱炭速度の低下を回避するには、炭素含有量を20質量％以下に制限することが、有利であることが判った。

上記の結論は蓋を１種の耐火物で構成する場合を念頭に置いたものであるが、さらに、本発明においては、蓋を炭素含有量の異なる２種の耐火物で構成することによって、取鍋の蓋の耐熱スポーリング性を、脱炭処理に悪影響を与えることなしに、より改善することができるとの知見も得た。すなわち、図１において、挿入孔３の周辺の内周部分５を炭素含有量が５質量％以上の耐火物から形成するとともに、該内周部分５の径方向外側の外周部分６を炭素含有量が５質量％未満の耐火物から形成するのである。

なぜなら、熱スポーリングの原因となる急激な熱サイクルが及ぶのは、蓋１の鋼浴面直上の内周部分５であるからであり、この部分に耐熱スポーリング性の改善に有効である炭素含有量が５質量％以上の耐火物を配置し、残る外周部分６に溶損時にも炭素源となり難い、炭素含有量が５質量％未満の耐火物を配置すれば、脱炭処理を阻害することのないかつ耐熱スポーリング性に優れた取鍋の蓋が提供できる。なお、図２に示した調査結果から、内周部分５には炭素含有量が20質量％以上の耐火物を用いることが好ましいことがわかる。

ここで、蓋１における、内周部分５の領域は、炭素含有量が20質量％以上の耐火物を用いた場合でも脱炭を阻害しない面積に抑える必要がある。すなわち、図３において、炭素含有量が５質量％の耐火物面積割合を（１−Ｘ）とし、炭素含有量が20質量％の耐火物面積割合をＸとした場合、脱炭速度は、108×（１−Ｘ）＋82×Ｘで表される。そして、炭素含有量が５質量％未満の耐火物の脱炭速度の80％を確保することが肝要であるので、108×（１−Ｘ）＋82×Ｘ≧109×0.80の関係が導かれ、Ｘ≦0.80となる。よって、炭素含有量が５質量％以上の耐火物を用いる内周部分５の面積は80％以下、半径換算で蓋の半径の90％以内の領域に制限することが好ましい。一方、この内周部分５の面積率が余りに少ないと、輻射熱の著しい中心部周辺の耐熱スポーリング性が問題になるので、40％以上、半径換算で蓋の半径の65％以上の領域は確保することが好ましい。なお、ランス孔部の耐火物は、通常蓋の中心部から蓋の半径の10％以内に止まるので、ランス孔部のみに高炭素耐火物を配しても不十分である。

したがって、炭素含有量が５質量％以上の耐火物を用いる内周部分５の面積は、面積率で40〜80％（半径換算で蓋の半径の65〜90％）の範囲で施工することが好ましい。なお、より好ましくは面積率で64〜80％（半径換算で蓋の半径の80〜90％）とするのがよい。また、この内周部分の耐火物中の炭素量は、耐熱スポーリング性および脱炭速度の両者を考慮して、５〜30質量％、より好ましくは10〜20質量％の範囲で含有させるのがよい。

なお、蓋における耐火物の組立て構造としては、図１に示したように、耐火物のブロックをアーチ状に組み上げる他、ブロックに突起状加工を施しはめ合わせ式で組み上げる方式、半径方向で複数個のリング状の独立アーチ部とし独立アーチ部ごとに上部より吊り組み合わせる方法等があり、耐火物の炭素含有量別の耐火物の構造に従って形成することができる。

160ｔ／チャージの溶鋼の二次精錬に供するＶＯＤ設備において、主に鋼浴炭素濃度0.10質量％から30ppmまでの真空脱炭処理を行った。ここで、ＶＯＤ設備内の取鍋に、図１に示した、アーチ積み構造の耐火物による蓋を使用した。なお、蓋の仕様およびＭｇＯ質耐火物の炭素含有量は、表１に示すとおりである。それぞれの蓋を使用して脱炭処理を行って、蓋の耐火物が脱落するまでの寿命および脱炭処理の平均脱炭時間について測定した結果を、表１に併記する。

表１から、本発明に従う蓋は、比較例の蓋に比較して、寿命が格段に延びていることがわかる。

本発明は、極低炭素鋼を溶製するときに用いられるＶＯＤのような真空精錬用取鍋の蓋耐火物として用いられる。

取鍋および蓋を示す模式図である。耐火物の炭素含有量と耐熱衝撃温度差との関係を示す図である。耐火物の炭素含有量と脱炭速度との関係を示す図である。

符号の説明

１蓋
２取鍋
３ランス挿入孔
４金枠
５内周部分
６外周部分

Claims

溶鋼の真空精錬に供する取鍋上に載置する円盤状の蓋であって、上吹きランスの挿入孔周辺の内周部分を炭素含有量が５質量％以上のＭｇＯ−Ｃ耐火物にて蓋の中心から径方向に半径の６５％以上の領域に形成するとともに、該内周部分の径方向外側の外周部分を炭素含有量が５質量％未満のＭｇＯ−Ｃｒ_２Ｏ_３耐火物または炭素含有量が５質量％未満のマグネシアドロマイト耐火物にて形成したことを特徴とする真空精錬用取鍋の蓋。