JP5463374B2 - ガス吹き込みノズル - Google Patents

Description

本発明は、電気炉や転炉などに取り付けられ、溶融金属にガスを吹き込むために用いるガス吹き込みノズルに関する。

電気炉や転炉などの溶融金属精錬容器の底または側壁には、窒素ガス、アルゴンガスなどの不活性ガス、あるいは一酸化炭素ガス、炭酸ガスなどを、精錬炉内の溶融金属中に吹き込むためのガス吹き込みノズルが設置されているのが一般的である。

このガス吹き込みノズルは、耐熱スポーリング性、耐摩耗性、および溶銑、溶鋼、スラグなどに対する耐食性が要求されるため、一般的に、例えばマグネシア・カーボン煉瓦等の炭素含有耐火物に、１本または複数本のガス吹き込み用金属細管（例えばステンレス鋼等）を前記耐火物を貫通するように埋め込んだ形で設置して作製される。

なお、大量にガスを吹き込む用途に使用されるガス吹き込みノズルとしては、単管タイプで管内径の大きいものが用いられる。特に多くのガスを吹き込む必要がなく、緻密な気泡のガスを吹き込むことが望ましい用途には、複数の金属細管を耐火物に貫通するように埋め込んだ形の細管タイプのものが用いられ、この細管タイプに用いられる金属細管としては、一般的には管内径φ１．５〜２．５ｍｍ、管肉厚０．５〜１．０ｍｍのものが用いられる。

また、このようなガス吹き込みノズルにおいては、使用時にはノズルそのものの温度が上昇し、炭素含有耐火物中の炭素が金属細管に浸透する浸炭現象により、金属細管の融点が低下して溶融することが一般的に知られている。そして、金属細管が溶融すると、ガスの吹き込みによって生じる溶鋼流が直接に炭素含有耐火物に当たり、損耗し易くなる。このため、ガス吹き込みノズル自体の寿命が短くなる。

金属細管のかかる問題点を解決するために特許文献１〜５のような技術が提案されている。
(１)ガス導入管の外周に耐火性焼結体を配設するもの（特許文献１参照）。
(２)ガス導入管の周囲をカーボンを含まないキャスタブルとしたもの（特許文献２参照）。
(３)ガス導入管の周囲にＭｇＯ質コーティング層を設けるもの（特許文献３参照）。
(４)ガス導入管の外表面に溶射によって形成した酸化物層を設けるもの（ 特許文献４参照）。
(５)ガス導入管の外表面にアルミニウムを含む合金層を設けるもの（特許文献５参照）。
上記(１)〜(５)の対策を実施することにより、ある程度の寿命の延長を図ることが可能になる。しかしながら、その効果は限定的なものであり、必ずしも十分なものではなかった。

[関連技術]
これに対し、本発明の発明者らは、以下に説明するような、新しいタイプのガス吹き込みノズルを提案している（特願２０１０−１５３９５８号）。
このガス吹き込みノズルは、
(ａ)開口した炉内側先端が炉内に露出し、炉内の溶融金属にガスを吹き込むことが可能な状態にある複数の第１金属細管と、第１金属細管と連通する第１サージタンクとを備える第１ノズル部と、
(ｂ)耐火物中に埋設され、炉内側先端が閉塞している複数の第２金属細管と、第２金属細管と連通する第２サージタンクとを備える第２ノズル部と
を具備するガス吹き込みノズルであり、
第１ノズル部からのガスの吹き込みが継続して行われることにより、第２金属細管の炉内側先端に達するまで第２耐火物の損耗が進むと、閉塞していた第２金属細管の炉内側先端が開口し、第２ノズル部の第２金属細管からのガスの吹き込みが開始するように構成されている。

したがって、それまでガスを吹いていた第１ノズル部を構成する第１金属細管および第１耐火物が所定のラインまで損耗した時点で、ガス吹き込みの経路が、第１ノズル部の吐出口近傍より耐火物の損耗の程度が軽微な第２ノズル部から（詳しくは、第２金属細管の炉内側先端から）のガス吹き込みに切り換えられるため、上述の位置による耐火物の損耗差を有効に利用して、耐用寿命を延ばすことができるという特徴を有している。

しかしながら、このガス吹き込みノズルの場合、第１ノズル部から第２ノズル部への切り換え時に、複数本配設した第２ノズル部のうち、数本しか通気しない場合があり、切り換えが必ずしも上手くいかない場合が生じていた。

特開２００３−２３１９１２号公報 実開平０２−６１９５０号公報 特開平１０−２６５８２９号公報 特開２０００−２１２６３４号公報 特開２０１１−２６６４３号公報

本発明は、上記課題を解決するものであって、上記関連技術にかかるガス吹き込みノズルの改良にかかるものであり、第１ノズル部から第２ノズル部への切り換え時の通気を円滑に行うことが可能で、信頼性の高いガス吹き込みノズルを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、発明者等は、第１ノズル部から第２ノズル部への切り換え時の状況を観察し、切り換えが上手くいかない原因を検討した。その結果、例えば図７に模式的に示すように、第２ノズル部２０を構成する複数本の第２金属細管２１のうち、一部の第２金属細管２１（２１ａ）しか通気しない状況があることを確認した。通気する第２金属細管２１（２１ａ）は、ほとんどが第１ノズル部の近傍に位置するものであり、第１ノズル部１０から離れた第２金属細管２１（２１ｂ，２１ｃ）は通気しないものが多く認められた。

これは、第１ノズル部を構成する第１金属細管、および第２ノズル部を構成する第２金属細管を埋設した耐火物の損耗の程度が位置により異なり、第１ノズル部に近い側で耐火物の損耗が大きく、そこに位置する第２ノズル部を構成する第２金属細管からの通気が行われ易くなることによるものである。

一般に、炉内耐火物全体を見た場合、炉内位置によって損耗速度が異なることはよく知られているが、これまでは、１個の耐火物においては位置による損傷速度は同一であり、多少の違いがあっても無視できるものと仮定し、第２ノズル部の長さは同一としてきた。しかし、実際には、上述のように、１個のノズル耐火物内でも位置によっては損耗量が異なることが解った。これは、特に損傷の著しい第１ノズル部の近傍であるためその差が顕在化したものと考えられる。

このように、第２ノズル部に埋設されている複数本の第２金属細管が概ね同時期にガス通気を開始するかどうかは、上記の損耗速度の差異が深く関係し、その結果として、第２ノズル部を構成する複数の第２金属細管のうち、一部の第２金属細管からしか通気しないという事態が生じることが解った。

第１ノズル部を構成する複数の第１金属細管からの吹き出しから、第２ノズル部を構成する複数の第２金属細管からの吹き出しに切り換えるためには、必ずしも第２ノズル部を構成する第２金属細管のすべてが通気することは必要ではないが、精錬容器内の溶融金属の攪拌に影響がない程度の本数の第２金属細管からの通気が必須である。この通気が可能にならないと、第１ノズル部と第２ノズル部の両方から同時にガスが吹き出し続けることになり、第１金属細管およびガスの吹き込みを開始した第２金属細管内の圧力が低下する。

そして、圧力が低下した状態でガスの吹き込みを続けると、最悪の場合、まだ開口していない第２金属細管からのガスの吹き込みができなくなる場合が発生する。この段階の第２ノズル部を回収してその状態を調べると、まだ開口していない第２金属細管の先端部が軟化変形して、金属細管が閉塞されていることが確認された。
これは、吹き込み圧力が十分に高い場合、高温での軟化変形による第２金属細管の開口部の収縮と、内圧とがバランスして、開口している状態が保たれるのに対し、内圧がある程度以上に低下すると第２金属細管の開口部の収縮力が内圧を上回ってしまい、第２金属細管の閉塞が発生するものと考えられる。

また、このような最悪の事態にならないまでも、第１ノズル部と第２ノズル部の両方から同時にガスが吹き出し続ける時間が長くなると、それに伴って第２金属細管の損傷が大きくなり、結果として、第１ノズル部と第２ノズル部からのガスの吹き込みを切り換えるようにした構成から得られる効果、すなわち、第１ノズル部からのガスの吹き込みを継続して行い、第２耐火物の損耗が進んで閉塞していた第２金属細管の炉内側先端が開口して、第２ノズル部の第２金属細管からのガスの吹き込みが始まるようにする（第１ノズル部から第２ノズル部にガスの吹き込みを切り換える）ことにより、位置による耐火物の損耗差を有効に利用して、耐用寿命を延ばすという効果を得ることができなくなる。

さらに発明者等は、ガス吹き込みノズルと同等の位置にあった炉底内張り耐火物を回収し、位置による損傷速度の違いを測定した。その結果、１個の煉瓦内であっても損傷速度に差があり、第２ノズル部の複数の第２金属細管のうち、最初の第２金属細管の炉内側先端が開口（露出）して、ガスを導入できる状態になる時点と、最後の第２金属細管の炉内側先端が開口（露出）して、ガスを導入できる状態になる時点とでは数チャージ、場合によっては３０チャージ以上の差が生じる場合があることを知った。なお、ここでいうチャージは、精錬容器において所定量の溶融金属を精錬し、別の容器に移し換えるまでの回数を意味する。
発明者等は、上述の検討を行って得た知見に基づき、さらに実験、検討を行って本発明を完成した。

すなわち、本発明のガス吹き込みノズルは、
ガス導入用の複数の金属細管と、吹き込み前のガスをプールするサージタンクと、前記金属細管および前記サージタンクを保護する耐火物とを備えた、炉内の溶融金属にガスを吹き込むためのガス吹き込みノズルであって、
炉内側先端が開口しているとともに、前記炉内側先端が炉内に露出し、炉内の溶融金属にガスを吹き込むことが可能な状態にある複数の第１金属細管と、前記第１金属細管と連通する第１サージタンクと、前記第１金属細管および前記第１サージタンクを保護する第１耐火物とを備える第１ノズル部と、
炉内側先端が所定の深さに位置するように耐火物中に埋設され、前記炉内側先端が閉塞した複数の第２金属細管と、前記第２金属細管と連通する第２サージタンクと、前記第２金属細管および前記第２サージタンクを保護する第２耐火物とを備える第２ノズル部とを具備し、
前記第２ノズル部にガスの圧力をかけた状態で、前記第１ノズル部からのガスの吹き込みが継続して行われ、前記第２耐火物中に埋設された前記第２金属細管の前記炉内側先端に達するまで前記第２耐火物の損耗が進むと、閉塞していた前記第２金属細管の前記炉内側先端が開口し、前記第２金属細管からのガスの吹き込みが開始するように構成されたガス吹き込みノズルにおいて、
複数本の前記金属細管のうち、少なくとも一部の第２金属細管の、前記炉内側への延長線上に、周囲の前記第２耐火物とは損耗速度の異なる第３耐火物が配設されていること
を特徴としている。

本発明のガス吹き込みノズルにおいては、 前記第３耐火物が、前記炉内側先端の開口を封止するような態様で配設されていることが好ましい。

また、前記第３耐火物の、前記第２金属細管の前記炉内側先端から炉内に向かう方向の寸法である厚みが１〜２０ｍｍであることが好ましい。

また、前記第３耐火物は、前記第２金属細管の前記炉内側先端が入り込む凹部を備えたキャップ状の構造を有するものであることが好ましい。

また、前記第３耐火物は、１つのブロックで複数の前記第２金属細管の前記炉内側先端の開口を封止するように構成されていることが好ましい。

また、複数の前記第２金属細管が、その周囲の耐火物の損耗速度の大きさにより、複数のグループに分けられているとともに、
複数の前記グループのうち、所定のグループに属する前記第２金属細管の前記炉内側への延長線上に所定の損耗速度を有する前記第３耐火物を配設することにより、複数の前記第２金属細管のうちの大部分の第２金属細管において、近似したタイミングでガスの吹き込みが開始するように構成されていることが好ましい。

本発明のガス吹き込みノズルは、上述のように、炉内の溶融金属にガスを吹き込む複数の第１金属細管と、第１金属細管と連通する第１サージタンクと、第１金属細管および第１サージタンクを保護する第１耐火物とを備える第１ノズル部と、炉内側先端が耐火物中に埋設され複数の第２金属細管と、第２金属細管と連通する第２サージタンクと、第２金属細管および第２サージタンクを保護する第２耐火物とを備える第２ノズル部とを具備し、第１ノズル部からのガスの吹き込みが継続して行われ、第２耐火物中に埋設された第２金属細管の炉内側先端に達するまで第２耐火物の損耗が進むと、第２金属細管からのガスの吹き込みが開始するように構成されたガス吹き込みノズルにおいて、複数本の第２金属細管のうち、少なくとも一部の第２金属細管の、炉内側への延長線上に、周囲の第２耐火物とは損耗速度の異なる第３耐火物を配設するようにしているので、複数本埋設した第２金属細管の先端がほぼ同時期に炉内に露出させることを可能にして、第１金属細管からのガスの吹き出しから、第２金属細管からのガスの吹き出しへの切り換えを円滑に行うことが可能になる。そして、その結果、上記切り換えが円滑に進まなかった場合にしばしば発生する第２金属細管の閉塞を回避することができるようになる。また、第１ノズル部と第２ノズル部から同時にガス吹きをすることがないため、ノズル寿命の延長も図れるようになる。

また、本発明のガス吹き込みノズルにおいて、第３耐火物が、前記炉内側先端の開口を封止するような態様で配設されている場合、地金侵入による第２金属細管の閉塞を防止して、信頼性を向上させることができる。

また、第３耐火物の、第２金属細管の炉内側先端から炉内に向かう方向の寸法である厚みを１〜２０ｍｍの範囲とすることにより、複数の第２金属細管からのガス吹きのタイミングをあまりばらつかせないようにすることが可能になり、本発明をより実効あらしめることができる。

また、第３耐火物を、第２金属細管の炉内側先端が入り込む凹部を備えたキャップ状の構造とすることにより、第２金属細管の炉内側先端開口を所定の時間（切り換え時間）まで確実に封止することが可能になり、より信頼性を向上させることができるようになる。
ただし、本発明のガス吹き込みノズルにおいては、その製造方法などにより、第３耐火物を、特に凹部を備えていない形状、構造のものとすることも可能である。

また、第３耐火物が、１つのブロックで複数の第２金属細管の炉内側先端の開口を封止することができるように構成されている場合、製造工程を効率化して、生産性を向上させることができる。

複数の第２金属細管を、その周囲の耐火物の損耗速度の大きさにより、複数のグループに分け、所定のグループに属する第２金属細管の炉内側への延長線上に所定の損耗速度を有する第３耐火物を配設することにより、複数の第２金属細管のうちの大部分の第２金属細管において、近似したタイミングでガスの吹き込みが開始するようにすることが可能になり、本発明をより実効あらしめることができる。

溶融金属精錬容器（精錬炉）の底部に組み込んだ状態の、本発明の実施形態にかかるガス吹き込みノズルを模式的に示す正面断面図である。 本発明の実施形態にかかるガス吹き込みノズルの要部構成を示す図であり、(ａ)は第２ノズル部を構成する複数の第２金属細管の配設態様および第３耐火物の配設態様を模式的に示す平面断面図、(ｂ)はその正面断面図である。 本発明の実施形態にかかるガス吹き込みノズルを用いて溶融金属にガスの吹き込みを開始した状態を示す正面断面図である。 本発明の実施形態にかかるガス吹き込みノズルを用いて溶融金属にガスの吹き込みを行う場合における、第１ノズル部から第２ノズル部への切り換えの状態を模式的に示す正面断面図である。 (ａ)〜(ｄ)は、本発明のガス吹き込みノズルに用いられる、種々の形状を有するキャップ状の第３耐火物を示す正面断面図である。 本発明のガス吹き込みノズルに用いられるキャップ状の第３耐火物の変形例を示す図である。 本発明の実施形態にかかる他のガス吹き込みノズルの要部構成を示す図であり、(ａ)は第２ノズル部を構成する複数の第２金属細管の配設態様および第３耐火物の配設態様を模式的に示す平面断面図、(ｂ)はその正面断面図である。 本発明が関連する発明にかかるガス吹き込みノズルの問題点を示す図である。

図１は本発明の実施形態にかかるガス吹き込みノズルを溶融金属精錬容器（精錬炉）の底部に組み込んだ状態を模式的に示す正面断面図、図２は、第２ノズル部を構成する複数の第２金属細管の配設態様および第３耐火物の配設態様を模式的に示す図であって、（ａ）は平面断面図、（ｂ）は正面断面図である。

図１に示すように、このガス吹き込みノズルＡは、電気炉や転炉などの精錬炉１内の溶融金属２にガスを吹き込むためのガス吹き込みノズルである。このガス吹き込みノズルＡは、炉内側先端１１１が開口しているとともに、炉内側先端１１１が炉内に露出し、炉内の溶融金属２にガスを吹き込むことが可能な状態にある複数の第１金属細管１１と、第１金属細管１１と連通する第１サージタンク１２と、第１金属細管１１および第１サージタンク１２を保護する第１耐火物１３とを備える第１ノズル部１０を備えている。

ガス吹き込みノズルＡは、さらに、複数の第２金属細管２１と、第２金属細管２１と連通する第２サージタンク２２と、第２金属細管２１および第２サージタンク２２を保護する第２耐火物２３とを備える第２ノズル部２０を備えている。
また、第１ノズル部１０および第２ノズル部２０は、サポート耐火物３１により一体に保持されている。なお、サポート耐火物３１は、例えば、第１ノズル部１０および第２ノズル部２０の周囲を取り囲むように、複数のサポートれんがを一つのユニットに組んだ構造体である。

そして、図１および図２に示すように、第２ノズル部２０において、第２金属細管２１は、炉内側先端１２１が所定の深さに位置するように第２耐火物２３中に埋設されているとともに、第２ノズル部２０を構成する複数本の第２金属細管２１のうちの所定の第２金属細管２１（２１ａ，２１ｃ）の炉内側先端１２１には、第２金属細管２１の延長線上で、炉内側先端１２１から、精錬炉１の内部（炉内）に向かう領域に、炉内側先端１２１の開口を封止するような態様で、周囲の第２耐火物２３とは損耗速度の異なる第３耐火物３３が配設されている。

なお、第２ノズル部２０を構成する複数の第２金属細管２１のうち、その炉内側先端１２１側に、第３耐火物３３が配設されることになる第２金属細管２１、および、配設される第３耐火物３３の特性については、以下に説明する方法により定めた。

先に述べたように、複数本の第２金属細管２１が埋設されている第２耐火物２３は、通常、位置毎に損耗速度が多少異なるので、まず、損耗速度の似通った複数のグループに段階分けする。

なお、第２耐火物２３を、損耗速度の似通った複数のグループに段階分けするにあたって、段階分けすべき損耗速度の段階の数（すなわち、グループの数）に特別の制約はなく、２段階以上の任意の段階に分けることができる。ただし、段階数を多くしすぎると、製造工程が煩雑になり、生産性が低下するため、通常は３段階から４段階程度とすることが好ましい。

例えば、損耗速度を３段階とした場合（すなわち、図１の構成の場合）の具体的な方法および構成は以下に説明するようになる。
まず、第２耐火物２３を、その位置により損耗速度が大きい第１のグループ、損耗速度が中程度の第２のグループ、損耗速度の小さい第３のグループに分ける。

そして、第２耐火物２３の、損耗速度が大きい第１のグループとされた領域に配設された第２金属細管２１（２１ａ）の炉内側先端１２１側には、第２耐火物２３よりも損耗速度の小さい第３耐火物３３（３３ａ）を配設する。

また、損耗速度が中程度の第２のグループとされた領域に配設された第２金属細管２１（２１ｂ）の炉内側先端１２１側には、特に第３耐火物を配設せず、そのままにする。

そして、損耗速度の小さい第３のグループとされた領域に配設された第２金属細管２１（２１ｃ）の炉内側先端１２１側には、には、第２耐火物２３よりも損耗速度の大きい第３耐火物３３（３３ｂ）を配設する。
なお、第３耐火物３３（３３ａ，３３ｂ）を配設するにあたっては、第２金属細管２１の延長線上で、炉内側先端１２１から、精錬炉１の内部（炉内）に向かう領域に、炉内側先端１２１の開口を封止するような態様で配設する。

上述のように構成されたガス吹き込みノズルを用いてガスの吹き込みを行う場合、まず、図３Ａに示すように、第２ノズル部２０を構成する閉塞した第２金属細管２１にもガスの圧力をかけた状態で、第１ノズル部１０を構成する第１金属細管１１からガスを吹き込む。

この状態で精錬炉１が継続して稼働すると、第１ノズル部１０を構成する第１金属細管１１および第１耐火物１３が徐々に損耗し、それに伴って第２ノズル２０を構成する第２耐火物２３も、第１耐火物１３よりも穏やかにではあるが損耗する。

そして、図３Ｂに示すように、第２金属細管２１の、第３耐火物３３（３３ａ，３３ｂ）が被せられた第２金属細管２１（２１ａ，２１ｃ）や、第３耐火物３３が被せられていない第２金属細管２１（２１ｂ）の位置まで、耐火物（第２耐火物２３および第３耐火物３３）の損耗が進むと、第２耐火物２３および第３耐火物３３（３３ａ，３３ｂ）により閉塞していた第２金属細管２１の炉内側先端２１が開口し、第２ノズル部２０を構成する複数の第２金属細管２１からのガスの吹き込みがほぼ同時に始まる。

なお、第２金属細管２１からの通気が確認されると、それまでガスを吹いていた第１ノズル部１０の第１金属細管１１へのガスの供給を停止する。

上記の例では、第２耐火物２３のうち、第１のグループとされた領域に配設された第２金属細管２１（２１ａ）の炉内側先端１２１側には第３耐火物３３（３３ａ)を配設し、第３のグループとされた領域に配設された第２金属細管２１（２１ｃ）の炉内側先端１２１側には第３耐火物３３（３３ｂ)を配設する一方、第２のグループとされた領域に配設された第２金属細管２１（２１ｂ）の炉内側先端１２１側には第３耐火物を配設しない構成とされており、かかる構成を備えたこの実施形態のガス吹き込みノズルにおいては、第２ノズル部２０を構成する複数の第２金属細管２１（２１ａ，２１ｂ，２１ｃ）を、ほぼ同じタイミングで開口させることができる。

なお、場合によっては、第２のグループとされた領域に配設された第２金属細管２１（２１ｂ）の炉内側先端１２１側にも、適切な損耗速度を有する第３耐火物を配設して、複数本ある第２金属細管２１をほぼ同時に開口させるように構成することも可能である。

また、第３耐火物３３として用いられる、損耗速度が第２耐火物のそれより小さい耐火物および大きい耐火物を得る方法には、特に制約はないが、例えば次のような方法を適用することができる。

第２耐火物２３は通常、マグネシア・カーボン質耐火物が使用される。この第２耐火物２３は第２金属細管２１が埋め込まれる耐火物であり、製造上の理由から成形の際にあまり大きな圧力を加えることができない。一方、第２金属細管２１を含まない耐火物単体であれば、高圧で成形することが可能である。したがって、第２耐火物と同じ組成の材料を用いた場合にも、成形時の圧力を高くすることにより、高密度で、損耗速度の小さい第３耐火物３３（３３ａ）を得ることができる。

また、第２耐火物２３は耐熱衝撃性と耐食性とを兼ね備えた材料であることが必要であるが、第３耐火物３３は、第２耐火物２３に比べて形状が小さいため、熱衝撃の影響が小さいことから、耐食性が向上するような組成を採用することにより、損耗速度の小さい第３耐火物３３（３３ｂ）を得ることができる。

具体的には、マグネシア・カーボン質耐火物の場合、そこで使用するマグネシア原料の純度を上げる、マグネシア含有量を上げカーボン含有量を減らすなどの方法を適用することができる。

また、第３耐火物３３として、損耗速度が第２耐火物のそれより大きい耐火物を得る方法としては、例えば、マグネシア・カーボン質耐火物を用いる場合において、低い成形圧で成形してかさ密度の小さい素材とする、使用するマグネシアの純度を下げる、カーボン量を増加させるなどの方法を適用することができる。

また、マグネシア・カーボン質耐火物に比べて耐食性の劣るアルミナ・カーボン質、アルミナ・マグネシア・カーボン質、マグネシア質、アルミナ質などの耐火物を使用することも可能である。
さらには、通常、煉瓦に比べて耐食性が劣る不定形耐火物を使用することも可能である。

また、第２ノズル部を構成する複数本の第２金属細管をほぼ同じタイミングで開口させる方法としては、上述の方法に限らず、第３耐火物３３の厚さ（第２金属細管の延長線に沿う方向の寸法）ｔ（図２参照）を異ならせて、第２ノズル部を構成する複数本の第２金属細管が開口するタイミングをより精度よく制御する様にすることも可能である。

例えば、上で説明した、図１に示すような構成を有するガス吹き込みノズルにおいて、第２耐火物２３よりも損耗速度の小さい第３耐火物３３（３３ａ）の厚さを厚くすることにより、第２金属細管２１（２１ａ）の炉内側先端１２１が開口するまでの時間をさらに長くすることが可能であり、また、第２耐火物２３よりも損耗速度の大きい第３耐火物３３（３３ｂ）の厚さを薄くすることにより、第２金属細管２１（２１ｃ）の炉内側先端１２１が開口するまでの時間をさらに短くすることが可能である。

また逆に、第２耐火物２３よりも損耗速度の小さい第３耐火物３３（３３ａ）の厚さを薄くすることにより、第２金属細管２１（２１ａ）の炉内側先端１２１が開口するまでの時間を短くすることが可能であり、また、第２耐火物２３よりも損耗速度の大きい第３耐火物３３（３３ｂ）の厚さを厚くすることにより、第２金属細管２１（２１ｃ）の炉内側先端１２１が開口するまでの時間を長くすることが可能である。

したがって、第３耐火物３３の材質とその厚さを適宜選択することにより、第２ノズル部を構成する第２耐火物および第３耐火物が損耗して、第２金属細管２１の炉内側先端１２１が開口するに至るまでの時間をより精度よく制御することが可能になる。

ここで、第３耐火物３３の厚さ（第２金属細管２１の延長線に沿う方向の寸法）ｔ（図２参照）は、１〜２０ｍｍとすることが好ましい。
これは、第３耐火物３３の厚さｔが１ｍｍ未満の場合、各第２金属細管２１が配設された位置における耐火物の損耗速度差を十分に解消することができなくなり、また、２０ｍｍを超えると、第２耐火物２３より損耗速度の大きい第３耐火物３３（３３ｂ）を使用した場合に当該部位の損耗が激しくなり、弊害が生じるおそれがあることによる。
より好ましい第３耐火物３３の厚さｔは２〜１０ｍｍである。

第３耐火物３３を図２に示すようなキャップ状に形成する場合、全体の高さｈは、厚さｔに２ｍｍ以上を加えた寸法であることが好ましい。

また、第３耐火物３３の厚さｔの方向に直交する面の大きさは、第２金属細管２１の炉内側先端１２１を覆うことができる大きさであれば特に制約はない。ただし、隣接する第２金属細管２１と当該第２金属細管２１の中間点を超えた大きさとすることは、特に損耗速度により分けた他グループに配設された第２金属細管２１周辺の損耗速度に影響するため好ましくない。

また、第３耐火物３３の形状には特に制約はないが、例えば、図４(ａ)〜(ｄ)に示すように、下面側に凹部１３３を設けたキャップ状に形成し、凹部１３３に第２金属細管２１の炉内側先端１２１（図１，図２など参照）を嵌入させるようにすることができる。

また、第３耐火物３をキャップ状に形成するにあたっては、例えば、図４(ａ)のものを基本形状とした場合に、図４(ｂ)に示すように、第２金属細管２１の炉内側先端１２１から炉内１に向かう方向の寸法（厚み）ｔを厚くするとともに、全体の高さｈを高くしたもの、図４(ｃ)に示すように、厚みｔは図４(ａ)のものと同じとする一方、全体の高さｈを高くして、第２金属細管２１が嵌入する凹部１３３の深さを大きくしたもの、図４(ｄ)に示すように、図４(ａ)のものの上面周囲の稜線部を面取りして丸みを付けたものなどが示される。

そして、図４(ａ)〜(ｄ)に示されるような第３耐火物３３であって、厚みｔを有する部分の全体が損耗するまで（すなわち、炉内側先端１２１が露出するまで）にかかる時間として、所定の時間を要するようなキャップ状の第３耐火物３３を、所定の第２金属細管２１の炉内側先端１２１を封止するように被せることにより、複数本の第２金属細管２１をほぼ同時に開口させて、ガスの吹き込みを開始させるようにすることができる。

なお、第３耐火物３３をキャップ状とする場合、図４(ａ)〜(ｄ)に示されたもの以外の形状とすることも可能である。また、各部の寸法などについても、特に制約はなく、本発明の効果を奏する範囲において、任意の寸法とすることが可能である。

また、図５に示すように、第２耐火物２３と同じ耐火材を筒状に成形した筒状部４３の一端側（上端側）の中空部に第２耐火物２３とは損耗速度の異なる第３耐火物３３を嵌め込むことにより、下面側に凹部１３３を備えたキャップ状の構造とすることも可能である。この場合、第３耐火物自体はキャップ状ではなく、筒状部４３と第３耐火物３３が共働してキャップ状構造体を構成している。この図５の構造体を用いた場合にも、上述の図４(ａ)〜(ｄ)のキャップ状の第３耐火物３３を用いた場合と同様の効果を得ることができる。

なお、図４(ａ)〜(ｄ)のキャップ状の第３耐火物３３および図５のキャップ状の構造体（以下、これらをまとめて「第３耐火物」という）においては、主要部（筒状部）の形状を円柱状としてもよく、多角柱状としてもよい。

また、図４(ａ)〜(ｄ)および図５の第３耐火物において、凹部１３３の径（筒状部の内径）は、第２金属細管２１の外径より大きく、かつ外径に近い方が好ましい。これは、第２金属細管２１の外周と凹部１３３の内周との間の隙間が大きくなると、そこから地金差しなどが発生し、好ましくないことによる。

また、図４(ａ)〜(ｄ)および図５の第３耐火物において、全体の高さｈは、通常３〜２２ｍｍの範囲とすることが好ましく、また、厚さｔに２ｍｍ以上を加えた寸法であることが好ましい。全体の高さｈが３ｍｍ未満の場合、製造時に第２金属細管２１から外れやすくなる傾向がある。
図４(ａ)〜(ｄ)および図５の第３耐火物のより好ましい、全体の高さｈは、５〜１５ｍｍである。この範囲は，第３耐火物の厚さｔのより好ましい範囲２〜１０ｍｍに、上述の２ｍｍ以上を加えることにより求められる範囲である。

また、図４(ａ)〜(ｄ)および図５の第３耐火物の厚さｔの方向に直交する面の大きさに特別の制約はないが、その外径あるいは幅が、第２金属細管２１の炉内側先端１２１の外径より２ｍｍ以上大きいことが好ましい。厚さｔの方向に直交する面の大きさ（外径あるいは幅）が第２金属細管２１の外径＋２ｍｍ未満の場合、十分な強度を得ることが困難である。また、厚さｔの方向に直交する面の大きさ（外径あるいは幅）の上限にも特に制約はないが、隣接する第２金属細管２１との中間点を超えるような大きさとすることは、特に損耗速度により分けた他グループの第２金属細管２１周辺の損耗速度に影響するため好ましくない。

また、第３耐火物３３を配設すべき所定の第２金属細管２１のそれぞれに第３耐火物を用意し、その炉内側先端１２１側に第３耐火物３３を配設するようにしてもよいが、上述のように、第２耐火物を損耗速度の異なるグループに段階分けし、各グループに属する第２金属細管２１のうちの、所定の複数本の第２金属細管２１の炉内側先端１２１を１つの第３耐火物（集合第３耐火物２３３ａ，２３３ｂ）で覆うように構成することも可能である（図６参照）。

この場合、第１のグループに属する複数本の第２金属細管２１（２１ａ）の炉内側先端１２１を覆うように意図された１つの第３耐火物（集合第３耐火物）２３３（２３３ａ）と、第３のグループに属する複数本の第２金属細管２１（２１ｃ）の炉内側先端１２１を覆うように意図された１つの第３耐火物（集合第３耐火物）２３３（２３３ｂ）として、覆うべき第２金属細管２１の炉内側先端１２１に対応する位置に、凹部１３３として機能する有底穴が形成された第３耐火物（集合第３耐火物）２３３（２３３ａ，２３３ｂ）を用意する。そして、この第３耐火物（集合第３耐火物）２３３（２３３ａ，２３３ｂ）を、上記複数本の第２金属細管２１（２１ａ，２１ｃ）の炉内側先端１２１が上記有底穴（凹部１３３）に嵌り込むように配設する。この場合も、上述の図１および２に示すガス吹き込みノズルの場合と同様の効果を得ることができる。

なお、図６に示すような、第３耐火物（集合第３耐火物）２３３を用いる構成とする場合にも、第３耐火物（集合第３耐火物）２３３の厚さｔ、全体の高さｈなどは、他グループの第２金属細管２１周辺の損耗速度に影響しない範囲で、図４および５に示した第３耐火物３３の場合に準じた寸法とすることが好ましい。

以下、本発明のガス吹き込みノズルが関連する比較用のガス吹き込みノズル（本発明の要件を満たさないガス吹き込みノズル）を用いた比較例と、本発明の要件を満たすガス吹き込みノズルを用いて行った実施例について、図１〜６などを随時参照しつつ、説明する。

[比較例１]
第３耐火物を備えていないことを除いて、上述の図１に示す本発明の実施例にかかるガス吹き込みノズルに準じる構造を有するガス吹き込みノズルを作製して、１チャージ当たりの溶鋼量が約１６０ｔｏｎの電気炉の炉底に設置した。
なお、比較例１のガス吹き込みノズルにおいては、第２ノズル部２０に埋設する第２金属細管２１として、内径１．５ｍｍ、肉厚１ｍｍ、外径３．５ｍｍのステンレス鋼管を用い、図２に示すような態様で、第２金属細管２１どうしの距離が５０ｍｍとなるように第２金属細管２１を７本配設した。なお、図１，２のガス吹き込みノズルは第３耐火物３３(３３ａ，３３ｂ）を備えているが、この比較例のガス吹き込みノズルは第３耐火物を備えていないことは上述の通りである。

ノズルの有効長は３５０ｍｍとし、第２金属細管２１の炉内側先端１２１の位置は、第２ノズル部２０の炉内側表面から１４５ｍｍの位置とした。第２ノズル部２０を構成する第２耐火物２３には、黒鉛１０重量％とマグネシア純度９７％の高純度マグネシア原料とを含有するマグネシア・カーボン煉瓦を用いた。
そして、ガスを供給するためのガス配管（本管）５（図３Ａ，図３Ｂ）から分岐させたガス供給ライン３ａ，３ｂをそれぞれ第１ノズル部１０と第２ノズル部２０に接続し、ガス配管５に窒素ガスを流量約１５０ＮＬ／ｍｉｎで吹き込んだ。

４９２チャージに達した時点で第１ノズル部１０から第２ノズル部２０への切り換えを試みたところ、７本の第２金属細管２１のうち、２本のみが開口してガス吹きが可能になった。しかし、第２ノズル部２０からのガス吹き込み量は十分でなく、第１ノズル部１０から第２ノズル部２０に切り換えると、ガスの吹き込み量が不足することから、第１ノズル部１０と第２ノズル部２０の双方から同時にガスの吹き込みを行った。その後、チャージ数が増えるにつれて、第２ノズル部２０からの吹き込み量は増加し、５１４チャージでの切り換えとなった。

したがって、この比較例１では、２２チャージ（５１４チャージ−４９２チャージ＝２２チャージ）の間、第１ノズル部１０と第２ノズル部２０の双方からガスを吹き続ける必要があったことになる。
その結果、最終的なノズルの寿命は、８０５チャージとなった。

[比較例２]
比較例１と同様の条件で操業を行った。４８８チャージに達した時点で第１ノズル部１０から第２ノズル部２０への切り換えを試みたところ、７本ある第２金属細管２１のうち、３本のみが開口してガス吹きが可能となった。

しかし、第２ノズル部２０からのガス吹き込み量は十分でなく、第１ノズル部１０から第２ノズル部２０に切り換えると、ガスの吹き込み量が不足することから、切り換えは行わずに、第１ノズル部１０と第２ノズル部２０の双方から同時にガスの吹き込みを行ったところ、４８９チャージ目の吹錬の開始時に地金侵入により第２ノズル部２０を構成する第２金属細管が閉塞し、ガスの吹き込みを行うことができなくなった。

［実施例１］
図１に示すような構造を有するガス吹き込みノズルＡを用意した。このガス吹き込みノズルＡにおいては、比較例１，２の場合と同様に、第２ノズル部２０の第２耐火物に埋設する第２金属細管２１として、内径１．５ｍｍ、肉厚１ｍｍ、外径３．５ｍｍのステンレス鋼管を用い、第２金属細管２１どうしの距離が５０ｍｍとなるように第２金属細管２１を７本配設した。
第２ノズル部２０のノズルの有効長は３５０ｍｍとし、第２金属細管２１の炉内側先端１２１の位置は、第２ノズル部２０の炉内側表面から１４５ｍｍの位置とした。

そして、第２ノズル部２０を構成する第２耐火物２２には黒鉛１０重量％とマグネシア純度９７％の高純度マグネシア原料とを含有するマグネシア・カーボン煉瓦を用いた。

また、第２耐火物２２のみを用いた場合の損耗速度から、上記７本の第２金属細管２１を、第２耐火物２２の損耗速度が大きい位置にあるもの２本、第２耐火物２２の損耗速度が中程度の位置にあるもの３本、第２耐火物２２の損耗速度が小さい位置にあるもの２本の、３つのグループに分けた。

そして、損耗速度の大きいグループの２本の第２金属細管２１（２１ａ）に対しては、第２耐火物２２より耐食性の優れる（損耗速度の小さい）、キャップ状の第３耐火物３３（３３ａ）を、その炉内側先端１２１に被せた。第３耐火物３３（３３ａ）の材質は、マグネシア・カーボン質耐火物でカーボン量を７質量％とし、かつ使用するマグネシアの純度を９８質量％に上げた。

また、損耗速度の小さいグループの２本の第２金属細管２１（２１ｃ）に対しては、第２耐火物２２より耐食性の劣る（損耗速度の大きい）、キャップ状の第３耐火物３３（３３ｂ）を、その炉内側先端１２１に被せた。
第３耐火物３３（３３ｂ）の材質は、マグネシア・カーボン煉瓦で、カーボン量を１５質量％とし、かつ使用するマグネシアの純度を９２質量％に下げた。

一方、損耗速度が中程度の第２金属細管２１（２１ｂ）の３本には、第３耐火物３３は取り付けなかった。

第３耐火物として、全体の高さｈが１５ｍｍ、外径１５ｍｍとし、下部に内径３．６ｍｍ、深さ５ｍｍの穴（凹部）１３３が形成された第３耐火物３３（３３ａ，３３ｂ）を作製し、これを、第２金属細管２１（２１ａ，２１ｃ）の炉内側先端１２１に被せた。

このガス吹き込みノズルを用いて、溶融金属へのガスの吹き込みを繰り返して行い、５１３チャージで第１ノズル部１０から第２ノズル部２０へのガスの切り換えを試みたところ、７本ある第２金属細管２１のうち、６本が開口してガス吹きが可能になったことから、ガスの吹き込みを、第１ノズル部１０から第２ノズル部２０に切り換えた。その後、第２ノズル部２０からのガス吹きにより吹錬を続行した結果、最終的に８３６チャージの寿命を得ることができた。なお、この実施例１では、第２ノズル部２０を構成する第２金属細管２１の閉塞は全く起こらなかった。

［実施例２および実施例３］
上記実施例１と全く同様の条件で、さらに２回のガスの吹き込み実験を行った。その結果、切り換えは、それぞれ、５１９チャージ（実施例２）、５２３チャージ（実施例３）であり、第２金属細管２１の開口は、それぞれ、７本（実施例２）、６本（実施例３）であった。
また、最終寿命は、それぞれ、８３１チャージ（実施例２）、８５１チャージ（実施例３）であった。
この実施例２および実施例３でも、第２ノズル部２０を構成する第２金属細管２１の閉塞は全く起こらなかった。

［実施例４］
この実施例４では、第３耐火物として、上記実施例１の場合とは異なる第３耐火物を用いたこと以外は、上記実施例１の場合に準じる条件のガス吹き込みノズルを用いて操業を行った。以下、説明を行う。

まず、実施例１の場合と同様に、第２耐火物２２のみを用いた場合の損耗速度から、上記７本の第２金属細管２１を、第２耐火物２２の損耗速度が大きい位置にあるもの２本、第２耐火物２２の損耗速度が中程度の位置にあるもの３本、第２耐火物２２の損耗速度が小さい位置にあるもの２本の、３つのグループに分けた。

そして、７本の第２金属細管２１のうち、損耗速度の大きいグループの２本の第２金属細管２１（２１ａ）に対しては、第２耐火物２３より耐食性に優れた（損耗速度の小さい）、キャップ状の第３耐火物３３（３３ａ）をその炉内側先端１２１に被せた。

なお、第２耐火物２３より耐食性に優れた（損耗速度の小さい）第３耐火物３３（３３ａ）としては、カーボン量を５質量％とし、かつ使用するマグネシアの純度を９８質量％に上げたマグネシア・カーボン耐火物（煉瓦）からなるものを用いた。そして、整形時には、プレス圧を、第２耐火物２３を成形する際のプレス圧の１．５倍に上げて成形を行った。
また、第３耐火物は、寸法が、全体の高さｈ２０ｍｍ、外径２０ｍｍであり、下面側に内径３．６ｍｍ、深さ１０ｍｍの有底穴（凹部）１３３を備えている。

また、７本の第２金属細管２１のうち、損耗速度の小さいグループの２本の第２金属細管２１（２１ｃ）に対しては、第２耐火物２３より耐食性の劣る（損耗速度の大きい）、キャップ状の第３耐火物３３（３３ｂ）をその炉内側先端１２１に被せた。

第２耐火物２３より耐食性に劣る（損耗速度の大きい）第３耐火物３３（３３ｃ）としては、第２耐火物２２と同様のマグネシア・カーボン耐火物（煉瓦）を加工して、全長２０ｍｍ、外径２０ｍｍ、内径３．６ｍｍのパイプを作り、下部に深さ１０ｍｍの穴（凹部）１３３が形成されるように、パイプの上端側にアルミナ・マグネシアキャスタブルを混練して詰め込むことによりキャップ状の第３耐火物３３（３３ｂ）を作製した。
そして、この第３耐火物３３（３３ｂ）を、第２金属細管２１（２１ｂ）の炉内側先端１２１が凹部１３３に嵌り込むように被せた。

一方、損耗速度が中程度の第２金属細管２１（２１ｂ）の３本には、第３耐火物３３は取り付けなかった。

そして、このガス吹き込みノズルを、上記の実施例１〜３、比較例１，２の場合と同一の精錬炉で同様に使用した。
その結果、第１ノズル部１０から第２ノズル部２０への切り換えは、５２２チャージで、第２金属細管２１は６本が開口し、切り換えを円滑に行うことができた。また、最終寿命は、８４４チャージであった。
なお、実施例１〜３の場合と同様、実施例４でも、第２ノズル部２０を構成する第２金属細管２１の閉塞は全く起こらなかった。

なお、上記実施例では、ガス吹き込みノズルから、精錬炉内の溶融金属に窒素ガスを吹き込む場合を例にとって説明したが、ガスの種類に特別の制約はなく、本発明のガス吹き込みノズルは、アルゴンガスなどの他のガスを吹き込む場合にも用いることが可能である。

本発明はさらにその他の点においても上記実施例に限定されるものではなく、発明の範囲内において種々の応用、変形を加えることが可能である。

１ 精錬炉
２ 溶融金属
３ａ，３ｂ ガス供給ライン
５ ガス配管
１０ 第１ノズル部
１１１ 第１金属細管の炉内側先端
１１ 第１金属細管
１２ 第１サージタンク
１３ 第１耐火物
２０ 第２ノズル部
１２１ 第２金属細管の炉内側先端
２１ 第２金属細管
２１ａ 第１のグループとされた領域（損耗速度の大きい領域）に配設された第２金属細管
２１ｂ 第２のグループとされた領域に配設された第２金属細管
２１ｃ 第３のグループとされた領域（損耗速度の小さい領域）に配設された第２金属細管
２２ 第２サージタンク
２３ 第２耐火物
３１ サポート耐火物
３３ 第３耐火物
３３ａ 第２耐火物よりも損耗速度の小さい第３耐火物
３３ｂ 第２耐火物よりも損耗速度の小大きい第３耐火物
４３ 筒状部材
１３３ 凹部
２３３ 集合第３耐火物
２３３ａ 第２耐火物よりも損耗速度の小さい集合第３耐火物
２３３ｂ 第２耐火物よりも損耗速度の小大きい集合委第３耐火物
Ａ ガス吹き込みノズル
ｈ 第３耐火物の全体の高さ
ｔ 第３耐火物の厚さ（第２金属細管の延長線に沿う方向の寸法）

Claims (6)

1. ガス導入用の複数の金属細管と、吹き込み前のガスをプールするサージタンクと、前記金属細管および前記サージタンクを保護する耐火物とを備えた、炉内の溶融金属にガスを吹き込むためのガス吹き込みノズルであって、
   炉内側先端が開口しているとともに、前記炉内側先端が炉内に露出し、炉内の溶融金属にガスを吹き込むことが可能な状態にある複数の第１金属細管と、前記第１金属細管と連通する第１サージタンクと、前記第１金属細管および前記第１サージタンクを保護する第１耐火物とを備える第１ノズル部と、
   炉内側先端が所定の深さに位置するように耐火物中に埋設され、前記炉内側先端が閉塞した複数の第２金属細管と、前記第２金属細管と連通する第２サージタンクと、前記第２金属細管および前記第２サージタンクを保護する第２耐火物とを備える第２ノズル部とを具備し、
   前記第２ノズル部にガスの圧力をかけた状態で、前記第１ノズル部からのガスの吹き込みが継続して行われ、前記第２耐火物中に埋設された前記第２金属細管の前記炉内側先端に達するまで前記第２耐火物の損耗が進むと、閉塞していた前記第２金属細管の前記炉内側先端が開口し、前記第２金属細管からのガスの吹き込みが開始するように構成されたガス吹き込みノズルにおいて、
   複数本の前記第２金属細管のうち、少なくとも一部の第２金属細管の、前記炉内側への延長線上に、周囲の前記第２耐火物とは損耗速度の異なる第３耐火物が配設されていること
   を特徴とするガス吹き込みノズル。
2. 前記第３耐火物が、前記炉内側先端の開口を封止するような態様で配設されていることを特徴とする請求項１記載のガス吹き込みノズル。
3. 前記第３耐火物の、前記第２金属細管の前記炉内側先端から炉内に向かう方向の寸法である厚みが１〜２０ｍｍであることを特徴とする請求項１または２記載のガス吹き込みノズル。
4. 前記第３耐火物は、前記第２金属細管の前記炉内側先端が入り込む凹部を備えたキャップ状の構造を有するものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のガス吹き込みノズル。
5. 前記第３耐火物は、１つのブロックで複数の前記第２金属細管の前記炉内側先端の開口を封止するように構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のガス吹き込みノズル。
6. 複数の前記第２金属細管が、その周囲の耐火物の損耗速度の大きさにより、複数のグループに分けられているとともに、
   複数の前記グループのうち、所定のグループに属する前記第２金属細管の前記炉内側への延長線上に所定の損耗速度を有する前記第３耐火物を配設することにより、複数の前記第２金属細管のうちの大部分の第２金属細管において、近似したタイミングでガスの吹き込みが開始するように構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のガス吹き込みノズル。

Images