JP4343129B2 - 羽口レンガ - Google Patents

Description

本発明は、各種取鍋やタンディッシュ等の金属溶湯を収容する容器に設けられ、例えば不活性ガス等を金属溶湯に吹き込むガス吹込用耐火物を保持するための羽口レンガに関するものである。

従来から金属溶湯に対する処理として、取鍋の底壁にポーラスプラグを設け、そのポーラスプラグにより金属溶湯にガスを吹き込む（バブリング）操作が行われている。このポーラスプラグは、取鍋の底壁に埋設された羽口レンガの保持孔に嵌合されて保持されている。さらに、取鍋の底壁には金属溶湯を排出するノズルが、底壁に埋設された羽口レンガの保持孔に嵌合されて保持されている。これらの羽口レンガは、その内端面が高温の金属溶湯に接しており、しかもポーラスプラグからのガス吹き込みやノズルからの金属溶湯の排出に起因する金属溶湯の熱衝撃、物理摩耗、化学侵食等の影響を受けやすい。そのため、ポーラスプラグやノズルを装着する羽口レンガの使用条件は過酷である。そこで、羽口レンガの材質として、アルミナ−シリカ系の耐火物、ハイアルミナ系の耐火物、アルミナ−クロム系の耐火物が従来より使用されている。

また、従来の羽口レンガは、図８に示すような形状を有している。すなわち、取鍋の底壁３１はレンガ又はキャスタブルレンガよりなる内層３２と、バック材としての外層３３とから構成されている。その底壁３１には円柱状の嵌合孔３４が穿設され、その嵌合孔３４には羽口レンガ３５が嵌合されている。羽口レンガ３５の内周部には円錐台状の保持孔３６が形成され、その保持孔３６にはポーラスプラグ３７が保持されるようになっている（例えば、特許文献１を参照）。従って、羽口レンガ３５は外周部が円柱状、内周部が円錐台状に形成されている。

さらに、羽口レンガとして、外周部及び内周部とも円錐台状に形成され、その肉厚が一定の形状を有するものも知られている（例えば、特許文献２を参照）。
特開平１１−１２６３８号公報（第２頁及び図１） 特開平１１−２５６２２２号公報（第２頁及び図１）

ところが、特許文献１に記載の羽口レンガ３５においては、その外周面が取鍋の底壁の内層３２の延びる方向と直交している。このため、１５００℃以上の高温の金属溶湯による熱で底壁３１の内層３２が熱膨張して羽口レンガ３５の外周面を押圧し、その応力が外周面にそのまま加わることになる。さらに、底壁３１の外層３３は温度上昇しにくく、ほとんど熱膨張しないことから、内層３２の熱膨張によって内層３２と外層３３との間に段差が生じやすい。従って、その段差により羽口レンガ３５の外周面が応力を受けやすい。その結果、羽口レンガ３５は特に底壁３１の内層３２と外層３３との境界部において亀裂（クラック）が発生しやすい。

また、特許文献２に記載の羽口レンガにおいては、その外周面が傾斜しているため、底壁の内層から羽口レンガに加えられる応力は若干緩和されるが、肉厚が内端部から外端部まで一定であり、羽口レンガの強度が均一であることから、繰り返しの使用によって亀裂が発生しやすいという問題があった。

本発明は、このような従来技術に存在する問題点に着目してなされたものである。その目的とするところは、繰り返し使用したとき、亀裂の発生を抑制することができる羽口レンガを提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明の羽口レンガは、金属溶湯を貯留する容器の底壁に設けられた嵌合孔に嵌合されるとともに、金属溶湯にガスを吹き込むポーラスプラグ又は金属溶湯を排出するためのノズルが内包される保持孔を有し、外周部が金属溶湯に面する内端側より外端側が拡がるように錘台状に形成され、かつ内端部の肉厚に対する外端部の肉厚の比が１．２〜１．７となるように、内端部の肉厚より外端部の肉厚が厚くなるように設定されていることを特徴とするものである。

請求項２に記載の発明の羽口レンガは、請求項１に記載の発明において、前記外周部は円錐台状又は角錐台状に形成されていることを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明の羽口レンガは、請求項１又は請求項２に記載の発明において、底壁は内層と外層とから構成されるとともに、前記外周部は、前記底壁の内層側に位置する第１傾斜面と前記底壁の外層側に位置する第２傾斜面とから構成され、前記第２傾斜面の傾斜角度が前記第１傾斜面の傾斜角度より小さくなるように形成されていることを特徴とするものである。

本発明によれば、次のような効果を発揮することができる。
請求項１に記載の発明の羽口レンガにおいては、外周部が金属溶湯に面する内端側より外端側が拡がるように錘台状に形成され、底壁の内層から羽口レンガに加えられる応力はその一部が外周部の傾斜に沿って逃げ、緩和される。しかも、羽口レンガはその内端部の肉厚より外端部の肉厚が厚くなるように設定されているため、外端部ほど強度が高められており、底壁の内層から羽口レンガに加えられる応力に対する耐力が向上している。従って、操業を繰り返し、羽口レンガを繰り返し使用したとき、亀裂の発生を抑制することができる。

さらに、内端部の肉厚に対する外端部の肉厚の比が１．２〜１．７に設定され、肉厚比に基づく作用を有効に発揮させることができる。

請求項２に記載の発明の羽口レンガでは、外周部は円錐台状又は角錐台状に形成されている。従って、請求項１に係る発明の効果に加え、羽口レンガをプレス成形法や型成形法によって容易に製造することができる。

以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
（第１実施形態）
図４に示すように、金属溶湯１１を収容するための容器としての取鍋１２は、耐火レンガにより略有底円筒状に形成されている。その周壁１３は鉄皮１４に内張りされた耐火壁により構成され、その耐火壁はアルミナ−カーボン系又はマグネシア−カーボン系のレンガで形成されている。また、底壁１５も鉄皮に内張りされた耐火壁により構成され、その耐火壁はアルミナ−カーボン系レンガで形成されている。底壁１５の耐火壁より内側には、レンガ又はキャスタブルレンガよりなる内層１６と、バック材としてのハイアルミナレンガよりなる外層１７とが設けられている。

取鍋１２内には金属溶湯１１が収容され、その表面にはスラグ１８が浮遊している。取鍋１２の上端開口部には蓋体１９が被せられている。その蓋体１９の中心部には３つの挿通孔２０が透設され、各挿通孔２０には黒鉛電極２１が挿通されてそれらの先端がスラグ１８に接触している。そして、黒鉛電極２１で生ずるアークにより金属溶湯１１の温度を１４００〜１６００℃の所定温度に温度調整を行い、スラグ１８により金属溶湯１１に対して二次精錬を実行するようになっている。

図３及び図４に示すように、取鍋１２の底壁１５（図４の底壁１５の左部）の内層１６及び外層１７には円錐台状に形成された第１嵌合孔２２が穿設され、その第１嵌合孔２２には羽口レンガ２３が嵌合されている。羽口レンガ２３の内周部には円錐台状の第１保持孔２４が形成され、その第１保持孔２４には円錐台状をなす多孔質のポーラスプラグ２５が保持されている。ポーラスプラグ２５の底面中心部にはアルゴンガス等の不活性ガスを取鍋１２内に供給するためのガス供給路２６が接続されている。尚、ポーラスプラグ２５の外周面には鉄皮が被覆形成されている。そして、前記二次精錬の際に、ガス供給路２６からポーラスプラグ２５を介して不活性ガスを金属溶湯１１に供給し、バブリング処理を行うようになっている。

一方、取鍋１２の底壁１５（図４の底壁１５の右部）の内層１６及び外層１７には円錐台状に形成された第２嵌合孔２７が穿設され、その第２嵌合孔２７には羽口レンガ２３が嵌合されている。羽口レンガ２３の内周部には円錐台状の第２保持孔２８が形成され、その第２保持孔２８には図示しないノズルが保持される。そのノズルからは取鍋１２内の金属溶湯１１が成形に必要な量だけ排出されるようになっている。

図１（ａ）及び（ｂ）並びに図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、ポーラスプラグ２５用及びノズル用の羽口レンガ２３はともにその外周部が円錐台状に形成されるとともに、内周部には円錐台状の第１保持孔２４又は第２保持孔２８が形成されている。従って、ポーラスプラグ２５用の羽口レンガ２３の外周面は第１傾斜面２３ａ、内周面は斜状面２４ａとなり、ノズル用の羽口レンガ２３の外周面は第１傾斜面２３ａ、内周面は斜状面２８ａとなっている。ノズル用の羽口レンガ２３の第１傾斜面２３ａ及び斜状面２８ａの傾斜角度は、ポーラスプラグ２５用の羽口レンガ２３の第１傾斜面２３ａ及び斜状面２４ａの傾斜角度よりそれぞれ小さく設定されている。また、羽口レンガ２３の第１傾斜面２３ａの傾斜角度は、斜状面２４ａの傾斜角度より小さくなっている。

羽口レンガ２３の第１傾斜面２３ａにより、図３の矢印に示すように取鍋１２の底壁１５の内層１６から羽口レンガ２３に加えられる応力を斜め上方向に沿って逃がすように構成されている。さらに、この羽口レンガ２３の内端部（上端部）の肉厚ｘより外端部（下端部）の肉厚ｙが厚くなるように設定されている。これにより、羽口レンガ２３の外端部ほど強度が高められており、底壁１５の内層１６から羽口レンガ２３に加えられる応力に対する耐力が高められている。

そのような観点から、羽口レンガ２３の内端部の肉厚ｘに対する外端部の肉厚ｙの比（ｙ／ｘ）は１．２〜１．７であることが好ましい。この肉厚比が１．２未満の場合には、羽口レンガ２３の肉厚が均一に近くなって強度が十分に確保できず、羽口レンガ２３に亀裂が入るおそれがある。一方、肉厚比が１．７を越える場合には、その比が大きくなり過ぎて底壁１５の内層１６の端部が弱くなり、前記内層１６に亀裂が入るおそれがある。

さて、鋼鉄を用いて精錬を行う場合には、取鍋１２内に鋼鉄を収容して加熱溶融して金属溶湯１１を形成するとともに、ガス供給路２６から不活性ガスをポーラスプラグ２５を介して金属溶湯１１に供給し、バブリング処理を行う。さらに、スラグ１８に接触する黒鉛電極２１によりアークを発生させて金属溶湯１１の温度を１４００〜１６００℃の所定温度に温度調整を行い、スラグ１８により金属溶湯１１に対して二次精錬を行う。その際にも、ポーラスプラグ２５のガス供給路２６から不活性ガスを金属溶湯１１に供給し、バブリング処理を行う。その後、ノズルから金属溶湯１１の必要量を取り出す。このような操作を繰り返して行う。

この場合、ポーラスプラグ２５用及びノズル用の羽口レンガ２３は、いずれも外周部が傾斜しており、底壁１５の内層１６から羽口レンガ２３に加えられる応力の一部がその外周部で斜め上方向へ逃げる（分力となる）ことにより、羽口レンガ２３に水平方向に加えられる応力が緩和（分散）される。その上、金属溶湯１１に面する内端部の肉厚ｘより外端部の肉厚ｙが厚くなるように形成されている。従って、羽口レンガ２３は外端側ほど強度が高く、底壁１５の内層１６から羽口レンガ２３に加えられる応力に耐え得ることができる。その結果、羽口レンガ２３に亀裂が入る事態が抑えられ、羽口レンガ２３は初期の状態が保持される。

以上の第１実施形態により発揮される効果について以下にまとめて記載する。
・ 第１実施形態の羽口レンガ２３においては、外周部が金属溶湯１１に面する内端側より外端側が拡がるように円錘台状に形成され、底壁１５の内層１６から羽口レンガ２３に加えられる応力は外周部の傾斜により緩和される。しかも、羽口レンガ２３はその内端部の肉厚ｘより外端部の肉厚ｙが厚くなるように設定されているため、外端部ほど強度が高められており、底壁１５の内層１６から羽口レンガ２３に加えられる応力に対する耐力が向上している。従って、操業を繰り返し、羽口レンガ２３を繰り返し使用したとき、亀裂の発生を抑制することができる。

・ また、羽口レンガ２３の内端部の肉厚ｘに対する外端部の肉厚ｙの比を１．２〜１．７に設定することにより、肉厚比に基づく強度向上の効果を有効に発揮させることができる。

・ さらに、羽口レンガ２３の外周部を円錐台状又は角錐台状に形成することにより、羽口レンガ２３をプレス成形法や型成形法によって容易に製造することができる。
（第２実施形態）
図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、この第２実施形態では、第１実施形態において、羽口レンガ２３の下部外周部が円筒部２９となっており、その他は第１実施形態と同じである。この場合、羽口レンガ２３の外端部の肉厚ｙは、第１実施形態の場合に比べて薄くなっている。すなわち、羽口レンガ２３の下部外周部は図５（ａ）の二点鎖線で囲まれた部分だけ第１実施形態の羽口レンガ２３の下部外周部より小さくなる。その結果、第２実施形態の羽口レンガ２３では第１実施形態の羽口レンガ２３に比べて下部の強度が若干低下するが、外端部の肉厚ｙが内端部の肉厚ｘよりも大きいため、目的とする強度は維持され、羽口レンガ２３の亀裂発生を抑制することができる。
（第３実施形態）
図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、この第３実施形態では、第１実施形態において、羽口レンガ２３の外周部が四角錘台３０となっており、その他は第１実施形態と同じである。この場合、羽口レンガ２３の外側面である第１傾斜面２３ａの傾斜角度が内周面の斜状面２４ａの傾斜角度より小さくなるように設定されていることから、第１実施形態と同様に底壁１５の内層１６から羽口レンガ２３に加えられる応力は緩和される。しかも、羽口レンガ２３の四隅部分が、第１実施形態の場合に比べて厚くなっているため、その部分で強度を高めることができる。従って、羽口レンガ２３の亀裂発生を十分に抑制することができる。

以下に、実施例及び比較例を挙げて前記実施形態をさらに具体的に説明する。
（実施例１及び比較例１、２）
内部に３００トンの金属溶湯１１を収容可能な取鍋１２の底壁１５に設けられた第１嵌合孔２２及び第２嵌合孔２７に、前記図１（ａ）及び（ｂ）に示すポーラスプラグ２５用の羽口レンガ２３並びに図２（ａ）及び（ｂ）に示すノズル用の羽口レンガ２３を嵌合させた。取鍋１２の底壁１５の内層１６は、キャスタブル耐火物で形成した。尚、底壁１５の外層１７はハイアルミナレンガで形成した。また、ポーラスプラグ２５用の羽口レンガ２３とノズル用の羽口レンガ２３の高さを３００ｍｍとした。

ポーラスプラグ２５用の羽口レンガ２３の内端部の肉厚ｘ１、外端部の肉厚ｙ１及びそれらの比（ｙ１／ｘ１）を表１に示した。また、ノズル用の羽口レンガ２３の内端部の肉厚ｘ２、外端部の肉厚ｙ２及びそれらの比（ｙ２／ｘ２）を表２に示した。比較例１では、比（ｙ１／ｘ１）及び比（ｙ２／ｘ２）を０．９とし、比較例２では１．０とした。

この取鍋１２を用いて鋼材の精錬を行った。すなわち、ポーラスプラグ２５からのアルゴンバブリングを２５分間、ノズルからの注湯時間を４５分間とし、７５回の操業後のポーラスプラグ２５用の羽口レンガ２３及びノズル用の羽口レンガ２３の残寸（残存高さ）を測定するとともに、羽口レンガ２３の亀裂の状態を目視により判断し、次の基準で評価した。

◎：亀裂が全く見られなかった。○：亀裂が若干見られたが、問題はなかった。△：亀裂が相当数見られた。×：亀裂が多数見られた。
以上の結果を表１及び表２に示した。

表１及び表２に示すように、実施例１においては、ポーラスプラグ２５用の羽口レンガ２３及びノズル用の羽口レンガ２３とも、前記比（ｙ１／ｘ１）又は比（ｙ２／ｘ２）が１．２〜１．７の範囲で亀裂がなく、最も良好な結果であった。また、それらの比が２でも、亀裂はほとんどなく、問題はなかった。一方、比較例１では羽口レンガに多数の亀裂が明らかに見られ、比較例２でも羽口レンガに相当数の亀裂が認められた。さらに、残寸も実施例１では比較例１及び比較例２に比べて十分に確保された。
（実施例２及び比較例３、４）
内部に１５０トンの金属溶湯１１を収容可能な取鍋１２の底壁１５に設けられた第１嵌合孔２２及び第２嵌合孔２７に、前記図５（ａ）及び（ｂ）に示すポーラスプラグ２５用の羽口レンガ２３並びに図６（ａ）及び（ｂ）に示すノズル用の羽口レンガ２３を嵌合させた。取鍋１２の底壁１５の内層１６は、ハイアルミナレンガで形成した。尚、底壁１５の外層１７は種類の異なるハイアルミナレンガで形成した。また、ポーラスプラグ２５用の羽口レンガ２３とノズル用の羽口レンガ２３の高さを３００ｍｍとした。ポーラスプラグ２５用の羽口レンガ２３の内端部の肉厚ｘ３、外端部の肉厚ｙ３及びそれらの比（ｙ３／ｘ３）を表１に示した。また、ノズル用の羽口レンガ２３の内端部の肉厚ｘ４、外端部の肉厚ｙ４及びそれらの比（ｙ４／ｘ４）を表２に示した。比較例３では、比（ｙ１／ｘ１）及び比（ｙ２／ｘ２）を０．９とし、比較例４では１．０とした。

この取鍋１２を用いて鋼材の精錬を行った。すなわち、ポーラスプラグ２５からのアルゴンバブリングを１５分間、ノズル受けからの注湯時間を２５分間とし、５０回の操業後のポーラスプラグ２５用の羽口レンガ２３及びノズル用の羽口レンガ２３の残寸を測定するとともに、羽口レンガ２３の亀裂の状態を実施例１と同様にして目視により判断した。それらの結果を表３及び表４に示した。

表３及び表４に示すように、実施例２においては、ポーラスプラグ２５用の羽口レンガ２３及びノズル用の羽口レンガ２３とも、前記比（ｙ３／ｘ３）又は比（ｙ４／ｘ４）が１．２〜１．７の範囲で亀裂がなく、最も良好な結果であった。また、それらの比が２でも、亀裂はほとんどなく、問題はなかった。これに対し、比較例３では羽口レンガに多数の亀裂が明らかに見られ、比較例４では羽口レンガに相当数の亀裂が認められた。さらに、残寸も実施例２では比較例３及び比較例４に比べて同等又はそれ以上に確保された。

尚、前記実施形態を次のように変更して具体化することも可能である。
・ 図７に示すように、羽口レンガ２３の下部の外周部を上部外周の第１傾斜面２３ａより傾斜角度が小さい第２傾斜面２３ｂとすることもできる。この第２傾斜面２３ｂの上部は内層１６に達しており、図７の矢印に示すように内層１６から羽口レンガ２３に加えられる応力をより容易に斜め上方へ逃がすことができる。従って、この羽口レンガ２３では底壁１５の内層１６からの応力が一層緩和される。

・ 各実施形態において、羽口レンガ２３の外周部の第１傾斜面２３ａを、断面が若干凹状又は凸状に湾曲するように形成することも可能である。
・ 羽口レンガ２３の外周部を五角錐台以上の多角錐台状に形成することもできる。

・ 金属溶湯を貯留する容器としては、実施形態における鋼鉄用の取鍋以外の各種取鍋、タンディッシュ、その他の金属溶湯用の容器等が挙げられる。
・ 各実施形態では溶湯として鋼鉄の溶湯を用いたが、それ以外にアルミニウム等の非鉄金属の溶湯を用いることもできる。

次に、前記実施形態から把握できる技術的思想について以下に記載する。
・ 外周部の傾斜面の傾斜角度が内周部の斜状面の傾斜角度より小さくなるように設定されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の羽口レンガ。このように構成した場合、羽口レンガを繰り返し使用したとき、亀裂の発生を抑制することができる。

・ 少なくとも底壁の内層に対向する外周面が傾斜面であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の羽口レンガ。このように構成した場合、底壁の内層からの応力を緩和でき、羽口レンガを繰り返し使用したとき、亀裂の発生を抑制することができる。

（ａ）は本発明を具体化した第１実施形態におけるポーラスプラグ用の羽口レンガを示す断面図、（ｂ）はその羽口レンガを示す平面図。 （ａ）はノズル用の羽口レンガを示す断面図、（ｂ）はその羽口レンガを示す平面図。 羽口レンガが取鍋の底壁に取り付けられた状態を示す断面図。 金属溶湯が収容された取鍋を示す概略の断面図。 （ａ）は第２実施形態におけるポーラスプラグ用の羽口レンガを示す断面図、（ｂ）はその羽口レンガを示す平面図。 （ａ）は第３実施形態におけるポーラスプラグ用の羽口レンガを示す断面図、（ｂ）はその羽口レンガを示す平面図。 羽口レンガの別例を示す断面図。 従来例を示し、羽口レンガが取鍋の底壁に取り付けられた状態を示す断面図。

符号の説明

１１…金属溶湯、１２…容器としての取鍋、１５…底壁、２２…嵌合孔としての第１嵌合孔、２３…羽口レンガ、２４…保持孔としての第１保持孔、２５…ポーラスプラグ、２７…嵌合孔としての第２嵌合孔、２８…保持孔としての第２保持孔、ｘ、ｘ１、ｘ２、ｘ３、ｘ４…内端部の肉厚、ｙ、ｙ１、ｙ２、ｙ３、ｙ４…外端部の肉厚。

Claims (3)

1. 金属溶湯を貯留する容器の底壁に設けられた嵌合孔に嵌合されるとともに、金属溶湯にガスを吹き込むポーラスプラグ又は金属溶湯を排出するためのノズルが内包される保持孔を有し、外周部が金属溶湯に面する内端側より外端側が拡がるように錘台状に形成され、かつ内端部の肉厚に対する外端部の肉厚の比が１．２〜１．７となるように、内端部の肉厚より外端部の肉厚が厚くなるように設定されていることを特徴とする羽口レンガ。
2. 前記外周部は円錐台状又は角錐台状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の羽口レンガ。
3. 前記底壁は内層と外層とから構成されるとともに、前記外周部は、前記底壁の内層側に位置する第１傾斜面と前記底壁の外層側に位置する第２傾斜面とから構成され、前記第２傾斜面の傾斜角度が前記第１傾斜面の傾斜角度より小さくなるように形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の羽口レンガ。

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