JP4921900B2 - 溶鋼の真空脱ガス処理用の浸漬管およびそれを使用する溶鋼の真空脱ガス処理法 - Google Patents

Description

本発明は、ＲＨ、ＤＨ等の溶鋼の真空脱ガス装置に装着される真空脱ガス処理用の浸漬管とそれを使用する溶鋼の真空脱ガス処理法に関する。

図１の断面図に示すように、この真空脱ガス装置に装着される浸漬管１０は、通常、フランジ部１を有し、１２ｍｍ程度の厚みの円筒状の芯金２と、この芯金２の内周面と外周面にそれぞれ配置された耐火物とから構成されている。この浸漬管は、フランジ部を真空脱ガス槽本体のフランジ部に着脱可能に取り付けて使用される。そして、繰り返し使用され耐火物の損耗が大きくなると新しい浸漬管に交換される。ほとんどの浸漬管はこのようにフランジ部を有しているが、フランジ部を有さずに真空脱ガス槽本体に芯金を溶接することで着脱する浸漬管も使用されている。

浸漬管に配置される耐火物として、芯金２の内側にはマグクロれんがやマグネシアカーボンれんが等の内側定形耐火物３が配置され、外側には、通常不定形耐火物が配置されることが多いが、この図ではマグネシアカーボンれんが等の外側定形耐火物４が配置された状態を示している。それぞれの定形耐火物３、４は芯金とは接触しておらず、芯金との間をそれぞれキャスタブルなどの不定形耐火物５、６を介して施工されているのが一般的である。そして、芯金２は、浸漬管の下端まで伸びておらず下端部は不定形耐火物によって構成されている。

この耐火物は、溶鋼流の作用、溶鋼上に浮遊するスラグとの反応、熱サイクルによる亀裂の発生による剥落などによって消耗が著しく、使用を重ねて行く中に、下端の不定形耐火物と定形耐火物との境界部が開いてくる。そして、定形耐火物あるいは下端の不定形耐火物に亀裂等が生じ、これらが脱落する問題がある。

この脱落の大きな要因の一つは、熱歪によって芯金の下部が外側に広がり、その結果、定形耐火物と不定形耐火物との水平方向の目地境界が、接合力が弱いために開き、この部分から優先的に脱落することにあると考えられている。

この耐火物の脱落の要因である芯金の下部の外側への広がりを抑制するための対策が従来から種々試みられている。

例えば、下記特許文献１には、芯金を二重円筒構造の鉄板で形成し、その二重円筒の隙間にガスを流して冷却することで芯金の変形を抑制することが提案されている。また、特許文献２には、芯金に、長尺の縦リブを円周方向に一定間隔で併設することで、芯金を補強することが提案されている。さらに、特許文献３では円筒芯金と内張りれんがとの間に１５〜３０ｍｍの断熱キャスタブルを配する構造が提案されている。

しかしながら、これらの提案による芯金の下部の外側への広がりの抑制のための構造は、いずれも、非常に複雑で、その製作に多大な労力と費用を要してしまうという欠点がある。

また、近年、処理効率の向上のための浸漬管による溶鋼の還流量の増大、鋼品質の厳格化の要求に伴う真空処理時間の延長、処理溶鋼の温度上昇によって芯金の温度は高温となってきている。このような高温下では、上記提案された芯金構造であっても、芯金の機械的強度は不足し、変形防止の効果は得られなくなる。

そこで、その対策として、特許文献４においては、使用前後の芯金下端における外径増加が５０ｍｍ以下となるように、芯金の下端から少なくとも幅１００ｍｍ以上の範囲に亘っての厚みを１８ｍｍ以上３０ｍｍ以下とすることによって補強した浸漬管が開示されている。

確かに、芯金下端の厚みを厚くすることで、一方においては、耐火物の損傷は低減し浸漬管の寿命は延ばすことができるが、他方においては、使用を重ねることによって溶鋼中への窒素ピックアップによって鋼の品質に新たな問題を生じることがわかった。

従来、真空槽への空気の侵入による溶鋼中への窒素ピックアップの主な原因は、外周キャスタブルの亀裂あるいは芯金と外周のキャスタブルの間の隙間等が考えられており、過去多くの対策も提案されている。例えば特許文献５には、浸漬管の芯金の外周面に連続した凸部を少なくとも一段以上設けることで、芯金とその外周面に施されたキャスタブルとの間に空隙が生じても空隙はこの凸部の表面を回り込むようにして、処理溶鋼に連通しないようにし、大気の流入を防止できると記載されている。

しかしながら、このように芯金に設けた凸部は、耐火物の損耗が進むと露出してくるため溶鋼と接触し溶融してしまう危険性がある。また、このような凸部は、キャスタブルの亀裂の起点になりやすく実際には使用されていない。
実開昭６３−８１８５２号公報 特開２０００−２９７３１６号公報 特開平９−４１０２６号公報 特開平９−２２７９２８号公報 特開２００２−２３５１０８号公報

真空槽中へ空気を吸い込む経路としては、本願発明者は以下のように推定する。すなわち、浸漬管の内側は真空に近い状態になるのでこの圧力差により、浸漬管外周の未浸漬部から空気が吸い込まれ、吸い込まれた空気は、芯金の外面を下方に伝って芯金の下端から内側に回りこみ、芯金内面とキャスタブルとの隙間から下部槽の鉄皮と耐火物との間を通って、下部槽内の側壁耐火物の目地から空気が噴出する。そして、湯面より下は溶鋼ヘッド圧が掛かっているため空気は噴出しないと考えられる。

ところで、使用済みの浸漬管は、古い芯金を上部から溶断したのち、その部分に新しい芯金を溶接によって接続して取り替えるのが一般的である。図２は、この古い芯金２の取り替え箇所を示すもので、図１に示す古い芯金（元の芯金）２のフランジ部１から下方部分を切り離し、フランジ側の残った古い芯金に新しい芯金（取り替え用芯金）２１を溶接によって接合し交換する。

このようにフランジ側の芯金は繰り返し使用されるため、フランジ側の古い芯金に変形歪が存在する場合には、空気の溶鋼への導入流路が形成され、これが窒素ピックアップの原因となると推定される。

図３は、芯金に変形歪が存在する場合の空気流路の形成状態を説明する図である。同図（ａ）は古い芯金２と新しい芯金２１とを溶接する際、古い芯金２に変形歪のない状態を示し、また、同図（ｂ）は変形歪が存在する状態を示す。同図において、５、６はそれぞれ芯金の内面と外面に施された不定形耐火物を示し、７は外面不定形耐火物６を支持補強するためのスタッドを示す。

古い芯金に変形歪がない場合には、同図（ａ）に示すように、両芯金２、２１相互は合致した状態で溶接され、その溶接面の両側は完全に不定形耐火物が充填状態になり空隙は発生しない。

これに対して、古い芯金２に、繰り返し使用によって変形歪を生じている場合には、新しい芯金２１との溶接面にずれを生じ、そこの両側にキャスタブルを充填した場合には、同図（ｂ）に示すように、その接合面の上面には空隙Ｘが生じやすく、下側には微粉の偏析部分Ｙが生じやすい。

この空隙Ｘは、通常、フランジ部を下にした状態でキャスタブルを上から流し込むため、キャスタブルの充填不足あるいは空気が上昇して集まることで形成されるものと考えられる。このような空隙や偏析部分は、浸漬管の使用中の芯金の熱膨張の繰り返しによって、キャスタブルの円周方向への亀裂の起点となりやすいと考えられる。

このように、芯金の歪みによって、円周方向に長い亀裂や空隙が形成されると、キャスタブルと芯金との間に生じた上下方向の隙間が連通されて、より多くの空気が通過しやすくなる。

また、溶接によってフランジ部を接続するタイプにおいては、溶接時の芯金の歪みによって、外周上端部においてキャスタブルと芯金との間に隙間が発生しやすくなることも考えられる。

さらに、窒素ピックアップは、浸漬管の外周にマグネシアカーボンれんがのような高熱伝導率の炭素含有耐火物を使用した場合に著しいこともわかった。

外周にマグネシアカーボンれんがを配置するとスラグの付着が少なくなり浸漬管の寿命が向上することが一般的に知られており、また、浸漬管の内周、すなわち、芯金の内側面に、マグネシアカーボンれんがを配置すると、従来のマグクロれんがを使用する場合と比較して寿命が延びることも広く知られている。しかしながら、マグネシアカーボンれんがは黒鉛を含有するため熱伝導率が高く、このためマグネシアカーボンれんがの適用は芯金の変形をより大きくし、これによる空気流路の形成がより多い空気の侵入をもたらす問題を生じる。このように、高熱伝導率の炭素含有耐火物の使用によって、浸漬管の寿命が向上することは分かっているが、芯金がより高温になることによる悪影響の方が大きくうまく使いこなせていなかった。

本発明の第１の課題は、芯金上部の変形による真空槽への外部空気の侵入を防止し、処理溶鋼中への窒素ピックアップを低減する浸漬管を提供することにある。

他の課題は、浸漬管の内周にマグネシアカーボンれんがの配置を可能にして、浸漬管の長寿命化を達成することにある。

本発明は、上記課題を、芯金の内外面に不定形耐火物が施工され、芯金の上端から少なくとも２００ｍｍまでは芯金の厚みを３０ｍｍ以上５０ｍｍ以下の範囲に規定された溶鋼の真空脱ガス処理用の浸漬管であって、芯金の上端から下に５０ｍｍ以上２００ｍｍ以下の芯金の上方部分が切断分離され、この切断分離された芯金の部分に新たな芯金が接合されて再使用されていることを特徴とする溶鋼の真空脱ガス処理用の浸漬管とすることによって解決した。

本願発明者等は、芯金厚みに着目して窒素ピックアップとの関係を種々検討した結果、芯金厚みが３０ｍｍ以上になると急激に窒素ピックアップの発生比率が少なくなることを知見した。また同時に浸漬管の耐用回数も厚みが３０ｍｍ以上になると急激に耐用性が向上する。しかしながら、５０ｍｍを超えると耐用性が低下してくることも判明した。

そして、その理由について調査した結果、厚み３０ｍｍを境界値として芯金の上部の歪が極めて小さくなっていることがわかった。つまり、芯金厚みを３０ｍｍ以上に特定することで芯金の変形による溶接面のずれがなくなり、その内外面に施工する不定形耐火物が均一に充填されることで外気の導入路は形成されなくなったこと、さらに、新しい芯金を溶接する際に歪を生じにくいので不定形耐火物と芯金表面とに隙間が発生しにくくなるのではないかと推定した。

しかしながら、芯金の上端から少なくとも２００ｍｍまでは、芯金の厚みが３０ｍｍよりも薄いと芯金上部の変形が大きくなり、窒素ピックアップの抑制効果が低下する。また、その厚みが５０ｍｍを超えると、内側耐火物の必要厚みが確保できなくなり、浸漬管の耐用性が低下する。もちろん芯金の全体の厚みを３０ｍｍ以上５０ｍｍ以下としても何等問題は無い。

芯金の上部は切断分離されリサイクル使用されるため少なくともこのリサイクル使用される部位は厚みが厚い方が好ましい。この点から芯金の上端から少なくとも２００ｍｍまでは芯金の厚みを３０ｍｍ以上５０ｍｍ以下に確保する必要がある。芯金の厚みが３０ｍｍ以上５０ｍｍ以下である範囲を、芯金の上端から２００ｍｍ以下の範囲に形成した場合には窒素ピックアップの発生抑制効果も少なく歪の防止効果が不十分となる。また、芯金の厚みを３０ｍｍ以上５０ｍｍ以下と規定する範囲は、芯金の全体に亘ってもよい。

また、芯金の上端から下に５０ｍｍ以上２００ｍｍ以下の芯金の上方部分を切断分離し、この切断分離した芯金の部分に新たな芯金を接合して再使用することができる。切断分離する位置が５０ｍｍ未満では、溶接時の受熱によってフランジ部が変形しやすく、また切断分離する位置が２００ｍｍを超える場合にはリサイクルの繰り返しによって芯金に変形が発生しやすくなる。

しかしながら、このような厚肉芯金を使用した場合、浸漬管の剛性は芯金下端を境に大きく異なることになり、このために、芯金下端付近のキャスタブルに水平な亀裂が入り、浸漬管下端が脱落する可能性がある。この浸漬管下端のキャスタブルの脱落を避けるために、剛性の極端な変化を避けるには、下端から１００ｍｍ程度の高さまでは、芯金の厚みを３０ｍｍ未満とすることもできる。とくに、下端に近づくにつれ厚みが連続的に小さくなる「テーパー状」とすることが効果的である。

芯金の製造に際しては、所定厚みの鋼板を円筒形に曲げ、両端を溶接することによって製作するのが一般的であるが、既製品の鋼管を適当な長さに切断することによって製作してもよい。さらに、薄い鋼板を渦巻き状に幾重にも巻くことで、鋼板の合計厚みを３０ｍｍ以上５０ｍｍ以下とすることもできる。

さらに、本発明においては、フランジ部を水冷することで、使用時の芯金の温度上昇を抑制することができ、芯金の変形がより少なくなり、空気の吸い込みもより少なくなる。

浸漬管のフランジ部の冷却構造については、公知の構造を利用することができ、例えばフランジ部内部に円周方向に水の通路を設けた構造等を利用することができる。従来、フランジ部の水冷自体は公知ではあるが、本発明に適用することで、芯金の変形防止に効果がある。これは、芯金の厚みを従来の１２ｍｍ程度より大きくすることで、熱の移動量がより増加し、芯金下部の温度上昇をより抑制できると推定する。

芯金の材質は、普通鋼、耐熱鋼、ステンレス鋼などが使用可能であるが、価格や加工性の面から普通鋼を使用するのが好適である。

芯金の内外面には不定形耐火物が施工されるが、この不定形耐火物それぞれの外側に定形耐火物を配置することもできる。配置する定形耐火物は、一般的な浸漬管と同じくマグクロれんが、マグネシアカーボンれんが、アルミナカーボンれんが等が使用可能であるが、マグネシアカーボンれんが、アルミナカーボンれんが等の炭素含有耐火物を配置した場合には、耐用性の面からとくに優れた効果を発揮できる。

芯金の外側に配置する炭素含有耐火物としては、黒鉛を１０〜３０質量％含有する定形耐火物が耐スラグ付着性の面からより好ましい。また、内側に配置する炭素含有耐火物は黒鉛を１〜１０質量％含有する定形耐火物が、カーボンピックアップが少ない点でより好ましい。

本発明の適用によって、溶鋼の窒素ピックアップ発生を抑制することが可能となり、溶鋼の品質安定ならびに生産性向上に寄与する。また、浸漬管寿命が高位安定し、突発での浸漬管交換が少なくなるため、計画的な操業が可能となり、溶鋼の生産性向上に寄与する。

本発明の場合、芯金の変形に起因する空気の吸い込みがほとんど無くなるので、熱伝導率の高い炭素含有耐火物を問題なく使用することができる。このため炭素含有耐火物を外周面に配置することで、外周面へのスラグの付着を防止することができるし、炭素含有耐火物を浸漬管の内側に配置することで溶損が少なくなり浸漬管の寿命が向上する。

さらに、フランジ部を再使用する場合にも、フランジ部に残存している芯金に加えてフランジ面の変形も極めて少なくなるのでフランジ部の再使用回数を増やすことができる。また、フランジ部からの空気の吸い込みも減少させることができる。

本発明の実施の形態を以下実施例によって説明する。

図１に示す浸漬管の断面図において、フランジ部１の内面下部に、厚みが、それぞれ、１２ｍｍ、１９ｍｍ、３０ｍｍ、５０ｍｍ、７０ｍｍの芯金２を接合してＲＨ用浸漬管１０を各２本製作した。尚、厚みは全体に渡り同じ厚みとした。

フランジ部１の内径は８００ｍｍであり、浸漬管１０の内側の内側定形耐火物３と芯金内面との距離は３０ｍｍで固定し、芯金２を厚くするにしたがい内側定形耐火物３の厚みを薄くし、内側定形耐火物３をライニングした時の内径が４００ｍｍで一定となるようにした。内側定形耐火物３としてマグネシアクロムれんがを使用した。

浸漬管の内側に配置した内側定形耐火物３と芯金２の間はアルミナ系キャスタブルで充填した。また、外側定形耐火物４には外周れんがとして黒鉛を２０質量％含有するマグネシアカーボンれんがを施工した。外側定形耐火物４と芯金２との距離は３０ｍｍ、その間は同じくアルミナ系キャスタブルで充填した。得られたそれぞれの浸漬管をＲＨ装置に取り付け実炉で使用した。使用に際しては、ＲＨ装置の上昇管と下降管として同じ芯金厚みのものを一対で使用し、上昇管と下降管は共に同時交換した。

下降管として使用された浸漬管は、図２に示すように、フランジ部と芯金上部を残して芯金の上端からほぼ１５０ｍｍの位置で溶断分離し、分離した芯金に相当する部分を新たな芯金として、分離した箇所の下面に溶接して新たな浸漬管を作成し、上昇管として使用した。なお、フランジ部は内部に円周方向に水の通路を設けた冷却構造を有するものを使用し、表１〜表５の実炉使用においては途中で交換することなく使用した。

また、上昇管として使用した浸漬管は、内側の耐火物の損傷部分をキャスタブルで補修した後、下降管として使用した。

上記芯金の厚みを変えて作成したそれぞれの浸漬管の試験使用の結果を表１〜表５に示す。各表はそれぞれの厚みの芯金の浸漬管毎に、交換までのチャージ回数と交換の理由を挙げたものである。

各表を対比して分かるように、表１に示す芯金の厚みが１２ｍｍの浸漬管では下端の耐火物が脱落し、表２に示す芯金の厚みが１９ｍｍの浸漬管では窒素ピックアップによる突発交換が目立つ。表３と表４に示す厚みが３０ｍｍと５０ｍｍの浸漬管では、その交換は、ほぼ予め計画されたチャージ回数での計画交換であった。しかしながら、表５に示す芯金の厚みが７０ｍｍの浸漬管では、内側のれんが厚みを消費しつくして交換を余儀なくされたケースが多くなっている。

図４は、表１〜表５の結果を、浸漬管交換に至る平均使用回数（平均チャージ回数）でまとめたものである。同図の矢印の範囲で示されているように、本発明において特定した３０ｍｍ〜５０ｍｍの範囲の肉厚の芯金を有する浸漬管は平均使用回数が８０チャージ回数以上と高い寿命が得られ、特定範囲外のものでは寿命は短いことが分かる。

図５の場合は、浸漬管による外気の導入による窒素ピックアップによって溶鋼中の窒素濃度が高すぎたことによる再処理実施比率（再処理を実施したチャージ数を、ＲＨ処理の全チャージ数で除した数値）を示す（図にはＹ軸として［Ｎ］外れチャージ比率と標記しており、単位は％である）。同図に示すように、芯金厚み１９ｍｍで再処理実施比率は最大値を示し、矢印の範囲によって示す芯金厚みが３０ｍｍ〜５０ｍｍの範囲では極めて低いことが分かる。なお、芯金厚み１２ｍｍでは発生率が低下しているのは、下端損傷により早期に浸漬管交換を余儀なくされたためである。

図６は、再使用される浸漬管の芯金上部（芯金の上端から下に１００ｍｍ位置）における芯金の厚み毎の変形量（芯金上部歪み）と使用回数との関係を示す図である。同図において、Ａ〜Ｊは、それぞれ、各厚みの芯金を使用した浸漬管の上記各表に示す上昇管と下降管との対を示す。同図に示すように、芯金厚みが１２ｍｍと１９ｍｍの場合と対比して、３０ｍｍ以上では変形はほとんど起こっていないことが分かる。このことが、前記の各表と照合して、窒素ピックアップ抑制に寄与していると考えられる。この図で芯金上部歪みとは芯金のもとの直径に対する使用後の芯金の直径の差のうち最大値を示している。

図７は、芯金厚みと芯金製作費用との関係を示す。費用は芯金厚み１９ｍｍを１００とした指数で表示した。本発明で特定する範囲内では、製作費用は芯金厚み１９ｍｍの場合の倍以下に留めることができる。本発明によって再処理実施比率を従来より約２％下げることが可能であり、窒素ピックアップによる再処理に伴う鋼の生産費用と総合すると、多くの場合は、本発明実施によって費用面でもメリットを享受することが可能である。

本発明に適用する浸漬管の断面構造を示す。 図１の浸漬管の芯金を再生する際の外見図を示す。 古い芯金を新しい芯金に交換し接合する際の変形歪みの状態の説明図である。 芯金の厚みが浸漬管の寿命に与える影響を示す。 芯金厚みと再処理実施比率の関係を示す。 各芯金厚みにおけるフランジ部の使用回数と芯金上部の変形量との関係を示す。 浸漬管芯金厚みと芯金製作費用の関係を示す。

符号の説明

１ フランジ部
２ 芯金または古い芯金 ２１ 新しい芯金
３ 内側定形耐火物
４ 外側定形耐火物
５ 内面不定形耐火物
６ 外面不定形耐火物
７ スタッド
１０ 浸漬管
Ｘ 空隙 Ｙ 偏析部分

Claims (4)

1. 芯金の内外面に不定形耐火物が施工され、芯金の上端から少なくとも２００ｍｍまでは芯金の厚みを３０ｍｍ以上５０ｍｍ以下の範囲に規定された溶鋼の真空脱ガス処理用の浸漬管であって、
   芯金の上端から下に５０ｍｍ以上２００ｍｍ以下の芯金の上方部分が切断分離され、この切断分離された芯金の部分に新たな芯金が接合されて再使用されていることを特徴とする溶鋼の真空脱ガス処理用の浸漬管。
2. 不定形耐火物の外側に炭素含有耐火物を配置した請求項１に記載の溶鋼の真空脱ガス処理用の浸漬管。
3. フランジ部が水冷されている請求項１に記載の溶鋼の真空脱ガス処理用の浸漬管。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の真空脱ガス処理用の浸漬管を使用し、窒素ピックアップを低減する溶鋼の真空脱ガス処理法。

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