JP4487824B2 - 精錬用容器で用いる底吹き羽口 - Google Patents

Description

本発明は、溶融金属を収容して精錬する容器の底部に配設され、精錬用ガスを容器内の溶融金属に吹き込む羽口（以下、底吹き羽口という）に関するものである。

溶融金属（たとえば溶鋼等）に精錬用ガスを供給して精錬するにあたって、
(a) 溶融金属の浴面の上方から精錬用ガスを高速で吹き付ける精錬方法、
(b) 溶融金属を収容する精錬用容器の底部から精錬用ガスを吹き込む精錬方法、
(c) 上記の (a)と(b) を併用する精錬方法
等が広く採用されている。精錬用ガスは、溶融金属を攪拌するための不活性ガス（たとえばアルゴンガス，窒素ガス等）のみならず、溶融金属が溶鋼である場合には脱炭反応を促進するための酸素ガス等、種々のガスをその目的に応じて適宜選択して使用する。

上記の (b)あるいは (c)の精錬方法にて使用する底吹き羽口は、溶融金属を収容する精錬用容器（たとえば底吹き転炉，上底吹き転炉等）の底部に配設されるので、精錬の操業中は常に溶融金属に接触し、化学的あるいは物理的な侵食が容易に進行する。また、精錬が終了して溶融金属を排出したときに底吹き羽口は冷却されるが、再び溶融金属を精錬用容器に収容すれば、底吹き羽口の温度は急激に上昇する。このような熱衝撃を繰り返し受けることによって、底吹き羽口の物理的な侵食も進行する。

したがって底吹き羽口の耐用性を高めるためには、化学的な侵食の抑制（すなわち耐食性の改善），物理的な侵食の抑制（すなわち耐スポーリング性や耐磨耗性の改善）が要求される。そのため、底吹き羽口を構成する素材の成分のみならず底吹き羽口の構造についても種々の検討がなされている。
たとえば特許文献１には、管の内部が空洞（以下、円筒状という）の外管と、管の内部が中実（以下、円柱状という）の軸心とを組み合わせた底吹き羽口が開示されている。この底吹き羽口は、中心軸を一致させて配置した外管と軸心の間隙から精錬用ガスを吹き込むものである。しかしながら特許文献１では外管や軸心の寸法については考慮されていない。そのため、外管と軸心の間隙から吹き込まれた精錬用ガスが溶融金属中で気泡が過剰に大きくなった場合には、その気泡が底吹き羽口から離脱した後の空間に、周辺の溶融金属が充満することによって底吹き羽口に作用する衝撃が大きくなる。つまり特許文献１に開示された技術では損耗速度低減の大幅な向上は期待できない。

また特許文献２には、円筒状の外管と円筒状の内管とを組み合わせた底吹き羽口が開示されている。この底吹き羽口は、中心軸を一致させて配置した外管と内管の間隙のみならず内管の内側からも精錬用ガスを吹き込むものである。したがって特許文献２では精錬用ガスの流量が増大し、溶融金属に吹き込まれた精錬用ガスによって大径の気泡が発生する。大径の気泡が底吹き羽口から離脱した後の空間に周辺の溶融金属が充満すれば、その衝撃は一層大きくなる。そのため損耗速度低減の向上は期待できない。
特開昭57-114623 号公報 特開平10-130715 号公報

本発明は上記のような問題を解消し、優れた損耗速度低減効果を有する底吹き羽口を提供することを目的とする。

発明者らは、底吹き羽口の損耗速度低減効果を向上できる構造について鋭意検討した。その結果、円筒状の外管と円柱状の軸心の寸法を好適範囲に調整することによって、精錬用ガスの気泡が離脱した後の空間に溶融金属が充満するときの衝撃を分散させ、かつ精錬用ガスによる冷却効果を十分に確保できることを見出した。本発明は、このような知見を活用して、底吹き羽口の損耗速度を低減するものである。

すなわち本発明は、溶融金属を収容して精錬する精錬用容器の底部に配設され、精錬用ガスを精錬用容器内へ吹き込む底吹き羽口であって、円筒状の金属製外管と円柱状の軸心とを有し、かつその外管の中心軸と軸心の中心軸とを一致させて配置し、外管の内径Ｄ₁ （mm）と軸心の外径Ｄ₂ （mm）から下記の(1)式で算出されるｔ値およびＤ₁ 値，Ｄ₂ 値が下記の (2)〜(4) 式を満足する底吹き羽口である。

ｔ＝（Ｄ₁ −Ｄ₂ ）／２ ・・・ (1)
Ｄ₁ ＞Ｄ₂ ・・・ (2)
Ｄ₁ ≧40mm ・・・ (3)
0.013≦ｔ／Ｄ₁ ≦0.025 ・・・ (4)
Ｄ₁ ：外管の内径（mm）
Ｄ₂ ：軸心の外径（mm）
ｔ ：外管と軸心との間隔（mm）
本発明の底吹き羽口においては、精錬用容器が、製鋼工程で使用する転炉型容器（たとえば底吹き転炉，上底吹き転炉等）であることが好ましい。

本発明によれば、精錬用ガスの気泡が離脱した後の空間に溶融金属が充満するときの衝撃を分散させ、かつ精錬用ガスによる冷却効果を十分に確保して、底吹き羽口の損耗速度の低減を実現し、耐用性を向上できる。

図１は、本発明の底吹き羽口の例を模式的に示す斜視図である。なお、底吹き羽口は底吹き転炉等の精錬用容器の底部に配設（すなわち炉底耐火物に埋設）されるが、図１では底吹き羽口の周辺の炉底耐火物は図示を省略する。
図１に示すように、本発明の底吹き羽口は、円筒状の外管１の内側に円柱状の軸心２を有する。外管１は、熱衝撃を繰り返し受けるので、耐熱性の素材を使用する必要がある。そこで加工の容易さを考慮して、耐熱性金属（たとえばステンレス鋼，耐熱鋼等）を使用する。したがって外管１は素材の厚みを有するが、図１では外管１の厚みは図示を省略する。図１中のＤ₁ は、外管１の内径（mm）を指す。

軸心２も熱衝撃を繰り返し受ける。そのため軸心２は、外管１と同様に円筒状の管を製造し、その管の内側に耐火物３（以下、内管耐火物という）を充填して、管内が閉塞した（すなわち中実の）軸心２とする。あるいは、丸棒の形状に成形した耐火物を軸心２として使用することも可能である。図１中のＤ₂ は、軸心２の外径（mm）を指す。
これらの外管１の内径Ｄ₁ と内管２の外径Ｄ₂ が、下記の (2)式の関係を満足するように設定することによって、円筒状の外管１の内側に円柱状の軸心２を配置することが可能となる。

Ｄ₁ ＞Ｄ₂ ・・・ (2)
さらに外管１と軸心２を、両者の中心軸を一致させて配置する。したがって外管１と軸心２との間には、等間隔の幅を有する隙間が生じる。なお外管１と軸心２との間隔ｔ（mm）は、下記の (1)式で算出される。
ｔ＝（Ｄ₁ −Ｄ₂ ）／２ ・・・ (1)
そして底吹き羽口の上端面が、精錬用容器の炉底耐火物の上面に露出するように、底吹き羽口を配設する。外管１と軸心２との間に形成される隙間に精錬用ガス４を供給すれば、その精錬用ガス４が、外管１と軸心２の隙間の上端から気泡4aとなって、精錬用容器内の溶融金属へ吹き込まれる。図２は、本発明の底吹き羽口から精錬用容器内の溶融金属へ精錬用ガスを吹き込む例を模式的に示す断面図である。

このような構成を有する本発明の底吹き羽口では、外管１の内径Ｄ₁ は下記の (3)式を満足する必要がある。
Ｄ₁ ≧40mm ・・・ (3)
その理由は、Ｄ₁ 値が40mm未満では、外管１の内周長が短くなるので、気泡4aが離脱した後の空間に、周辺の溶融金属６が充満するときの衝撃が集中して作用するからである。つまり、Ｄ₁ 値が40mm未満では、羽口の物理的な損耗を低減することは期待できない。

つまり本発明では、精錬用ガス４の気泡4aが底吹き羽口から離脱した後の空間に、周辺の溶融金属６が充満するときの衝撃を分散させる観点から、外管１の内径Ｄ₁ を40mm以上に規定することによって、外管１の内周長を延長し、衝撃が集中するのを防止する。
しかしながら外管１の内周長を延長すれば、仮にＤ₁ 値の上限値を設けても、精錬用ガス４による冷却効果も分散されるのは避けられない。そこで、外管１と軸心２の隙間を通過する精錬用ガス４の線速度を増速させて、冷却効果を高める。その精錬用ガス４の十分な線速度を確保するためには、Ｄ₁ 値とｔ値が下記の (4)式を満足する必要がある。

0.013≦ｔ／Ｄ₁ ≦0.025 ・・・ (4)
ｔ／Ｄ₁ が0.025 を超えると、外管１と軸心２の隙間を通過する精錬用ガス４の線速度が低下して、十分な冷却効果が得られない。一方、ｔ／Ｄ₁ は0.013以上とする必要がある。

以上に説明した本発明の底吹き羽口を用いて精錬する溶融金属の成分や各合金元素の含有量、および使用する精錬用容器の型式や精錬用ガスの種類は特に限定しない。ただし、底吹き転炉や上底吹き転炉に溶鋼を収容して精錬を行なう際に、本発明の底吹き羽口を使用すれば、羽口の物理的な損耗が著しく低減する。

図１に示す底吹き羽口を、底吹き転炉型の試験転炉の底部に配設した。外管１および軸心２はステンレス鋼管を使用し、軸心２には軸心耐火物３として不定形耐火物を充填して固化した。使用した底吹き羽口のＤ₁ 値，ｔ値は表１に示す通りである。表１中の底吹き羽口No. １〜６は、ｔ／Ｄ₁ が本発明の範囲を満足する例（すなわち発明例）であり、底吹き羽口No. ７〜10は、ｔ／Ｄ₁ が本発明の範囲を外れる例（すなわち比較例）である。

なお、表１中の底吹き羽口No.11 は、底吹き羽口の損耗量を評価する基準値を求めるためのものである。損耗量の評価方法は後述する。

表１に示す底吹き羽口を底部に配設した試験転炉に溶鋼を５ton 収容し、底吹き羽口から窒素ガスを吹き込んだ。いずれの場合も、溶鋼の温度は1700〜1720℃とした。また、窒素ガスの吹き込みは、流量 1.0ｍ³ （標準状態）／min で 20min／回ずつ２回行なった。窒素ガスの吹き込みが終了した後、試験転炉から溶鋼を排出した。さらに底吹き羽口を回収して、底吹き羽口の高さＨ（mm）を測定した。

窒素ガスの吹き込みを開始する前に予め測定した高さと、吹き込みが終了した後で測定した高さとの差を求めて、その数値を底吹き羽口の損耗量とした。ｔ／Ｄ₁ と底吹き羽口の損耗量との関係を図３に示す。ただし図３では、底吹き羽口の損耗量を損耗指数として示す。損耗指数とは、表１中の底吹き羽口No.11 の損耗量を基準値（＝１）として、相対的に評価する指標である。図３から明らかなように、ｔ／Ｄ₁ が0.025 以下の範囲で、損耗指数が著しく減少した。

本発明の底吹き羽口の例を模式的に示す斜視図である。 本発明の底吹き羽口から精錬用容器内の溶融金属へ精錬用ガスを吹き込む例を模式的に示す断面図である。 ｔ／Ｄ₁ と損耗指数との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 外管
２ 軸心
３ 軸心耐火物
４ 精錬用ガス
4a 気泡
５ 炉底耐火物
６ 溶融金属

Claims (2)

1. 溶融金属を収容して精錬する精錬用容器の底部に配設され、精錬用ガスを前記精錬用容器内へ吹き込む底吹き羽口であって、円筒状の金属製外管と円柱状の軸心とを有し、かつ前記外管の中心軸と前記軸心の中心軸とを一致させて配置し、前記外管の内径Ｄ₁ （mm）と前記軸心の外径Ｄ₂ （mm）から下記の(1)式で算出されるｔ値および前記Ｄ₁ 値、前記Ｄ₂ 値が下記の (2)〜(4) 式を満足することを特徴とする底吹き羽口。
   ｔ＝（Ｄ₁ −Ｄ₂ ）／２ ・・・ (1)
   Ｄ₁ ＞Ｄ₂ ・・・ (2)
   Ｄ₁ ≧40mm ・・・ (3)
   0.013≦ｔ／Ｄ₁ ≦0.025 ・・・ (4)
   Ｄ₁ ：外管の内径（mm）
   Ｄ₂ ：軸心の外径（mm）
   ｔ ：外管と軸心との間隔（mm）
2. 前記精錬用容器が、製鋼工程で使用する転炉型容器であることを特徴とする請求項１に記載の底吹き羽口。

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