JP5489568B2 - ガス吹込みノズル - Google Patents

Description

本発明は、溶融金属にガスを吹込むためのガス導入用金属管を炭素含有耐火物で外囲して形成されるガス吹込みノズルに関する。

金属精錬では、窒素ガス、アルゴンガス、一酸化炭素ガスまたは二酸化炭素ガスなどを溶融金属に吹込んで撹拌し、溶融金属とガスや造滓剤との反応を促進することで、精錬効果を高めることが行われている。金属の一種である鋼の製造では、電気炉および転炉などの製鋼炉または取鍋に、ガスを吹込むためのガス吹込みノズルが設けられ、脱炭または脱硫などに用いられている。

以下、ガス吹込みノズルが電気炉に設けられる場合について例示する。図４は、従来のガス吹込みノズルを備える電気炉１の概略的な構成を示す。電気炉１は、鋼製の殻体２に耐火物を内張りして形成される耐火壁３と、不図示の電極などを含む。電気炉１は、炉中に入れたスクラップなどの溶解原料を溶解して溶鋼原料になる溶銑４とする。ガス吹込みノズル５は、炉底の殻体２および耐火壁３に形成される孔を充填するように設けられる。

ガス吹込みノズル５は、溶銑４にガスを吹込むためのガス導入用金属管６と、ガス導入用金属管６を外囲する炭素含有耐火物７と、吹込み前のガスを一旦プールしてサージタンクの役目をする風箱８と、を含む。ガス吹込みノズル５は、耐熱スポーリング性、耐摩耗性および耐食性が要求されるので、ガス導入用金属管６を外囲し、高温の溶銑４に接する部分に上記特性に優れる炭素含有耐火物７が用いられている。炭素含有耐火物７としては、たとえばＭｇＯ−Ｃレンガなどが挙げられる。

ガス吹込みノズル５を用いて溶銑４中へガス９を吹込む使用時には、炭素含有耐火物７およびガス導入用金属管６の温度が上昇する。この昇温により、炭素含有耐火物７からガス導入用金属管６へ炭素が浸透する浸炭現象が発生する。浸炭によって炭素濃度が高くなるガス導入用金属管６は、その融点が低下して溶融する。ガス導入用金属管６が溶融すると、吹込まれるガス９によって生じる溶融金属流で、溶融したガス導入用金属管周辺の炭素含有耐火物７が損耗する。このような損耗でガス吹込みノズル５の耐用寿命が短くなるという問題がある。

このような問題に対応する先行技術として、炭素を含まないキャスタブル耐火物でガス導入用金属管を被覆すること（特許文献１参照）、ガス導入用金属管の外周にＭｇＯ質コーティング材をコーティングすること（特許文献２参照）、ガス導入用金属管と炭素含有耐火物との間に耐火性焼結体を配設すること（特許文献３参照）、またガス導入用金属管にアルミナまたはマグネシアを溶射すること（特許文献４参照）が提案されている。

実開平２−６１９５０号公報 特開平１０−２６５８２９号公報 特開２００３−２３１９１２号公報 特開２０００−２１２６３４号公報

しかし、特許文献１に開示されるガス吹込みノズルは、炭素を含まないキャスタブル耐火物が耐熱スポーリング性および耐食性に劣るので、キャスタブル耐火物が寿命律速となり、耐用寿命を長くすることができないという問題がある。特許文献２に開示されるガス吹込みノズルは、ＭｇＯ質コーティング層が炭素含有耐火物のノズル本体へ内設する際に剥離し易く、剥離部分で浸炭が生ずるので、耐用寿命を長くすることができないという問題がある。特許文献３に開示されるガス吹込みノズルは、ガス導入用金属管と耐火性焼結体との間等に充填するモルタルが耐摩耗性および耐食性に乏しく寿命律速となるので、耐用寿命を長くすることができないという問題がある。特許文献４に開示されるガス吹込みノズルは、ガス導入用金属管と溶射層の線膨張係数が例えばガス導入用金属管としてＳＵＳ３０４鋼、溶射材としてアルミナを用いた場合、それぞれ次の表１に示すように、１８．７×１０^−６（１／Ｋ）、８．８×１０^−６（１／Ｋ）と大きく異なるため、加熱と冷却を繰り返し受けることにより、ガス導入用金属管と溶射層が剥離し易く、剥離部分で浸炭が生ずるので、耐用寿命を長くすることができないという問題がある。

本発明の目的は、耐用寿命を長くすることができるガス吹込みノズルを提供することである。

本発明は、溶融金属にガスを吹込むためのガス導入用金属管を炭素含有耐火物で外囲して形成されるガス吹込みノズルにおいて、
ガス導入金属管は、外表面に３０〜４０質量％のアルミニウムを含有する合金層が形成されることを特徴とするガス吹込みノズルである。

また本発明で、前記合金層の厚さは５０〜２００μｍであることを特徴とする。

また本発明で、前記合金層はカロライズ処理で形成されることを特徴とする。

本発明によれば、ガス導入用金属管外表面のアルミニウムを３０〜４０質量％含有する合金層は、炭素含有耐火物からの炭素の浸透を抑制することができる。したがって、ガス導入用金属管は、浸炭に伴う融点低下が生じないので、溶融が防止される。さらに、ガス導入用金属管の溶融が防止されることで、ガス導入用金属管周辺の炭素含有耐火物の損耗が抑制され、ガス吹込みノズルの耐用寿命を長くすることができる。

また本発明によれば、合金層は、厚さが５０〜２００μｍに形成されるので、十分な耐浸炭性を発揮するとともに、脆化による損耗を生じることがない。耐浸炭性に優れ堅牢な合金層は、ガス導入用金属管の溶融を防止し、ガス吹込みノズルの耐用寿命延長に寄与することができる。

また本発明によれば、合金層は、カロライズ処理で形成され、素地とコーティング層が合金化されているため、ガス導入用金属管の金属素地との密着性および耐摩耗性に優れる。したがって、合金層は、剥離や損耗を生じにくく、耐浸炭性を長く保持することができるので、ガス吹込みノズルの耐用寿命延長に寄与することができる。

図１は、本発明の実施の形態であるガス吹込みノズル１０を示す正面断面図である。 図２は、図１に示すガス吹込みノズル１０のガス導入用金属管１１の部分を拡大して示す断面図である。 図３は、実施例として用いたガス吹込みノズル１０を示す平面図である。 図４は、従来のガス吹込みノズルを備える電気炉１の概略的な構成を示す正面断面図である。

図１は、本発明の実施の形態であるガス吹込みノズル１０を示す。ガス吹込みノズル１０は、溶融金属にガスを吹込むためのガス導入用金属管１１と、ガス導入用金属管１１を外囲する炭素含有耐火物１２と、風箱１３と、を含み、ガス導入用金属管１１が外表面にアルミニウムを含有する合金層１４を有することを特徴とする。ガス吹込みノズル１０は、風箱１３の天井部にガス導入用金属管１１が接続され、ガス導入用金属管１１を外囲するように炭素含有耐火物１２が配設される。風箱１３の底部には、ガス供給源から配管されるガス供給管１５が接続される。風箱１３は、その周囲がキャスタブル耐火物１６で覆われる。

図２は、図１に示すガス吹込みノズル１０のガス導入用金属管１１の部分を拡大して示す。ガス導入用金属管１１には、ステンレス鋼、普通鋼、耐熱鋼などの管を用いることができる。ガス導入用金属管１１の寸法は、内径が１〜４ｍｍ、肉厚が１〜２ｍｍ程度であることが好ましい。内径が１ｍｍ未満であると、溶融金属の撹拌に十分なガスの供給が困難になる。内径が４ｍｍを超えると、ガス導入用金属管１１に溶融金属が流入して閉塞を生じるおそれがある。ガス導入用金属管１１は、１本または複数本が設けられる。複数本を設ける場合、ガス導入用金属管同士の中心間距離を１０〜７０ｍｍ程度にすることが好ましい。

本実施形態のガス導入用金属管１１では、管の外表面にのみアルミニウムを含有する合金層１４を有する。しかし、これに限定されることなく、合金層が管の外表面だけでなく内表面に形成されていても問題がない。また、管の外表面の合金層は、ガス導入用金属管の全長に形成されてもよく、また溶融金属に接する側から管長の途中までの一部に形成されるようにしてもよい。

アルミニウムを含有する合金層１４の厚さは、５０〜２００μｍであることが好ましく、さらに好ましくは１００〜２００μｍである。以下合金層の厚さの範囲を限定する理由について説明する。厚さが５０μｍ未満では、炭素含有耐火物１２からガス導入用金属管１１への浸炭を十分に抑制することができない。厚さが２００μｍを超えると、機械的衝撃に対して脆くなり、炭素含有耐火物１２への取付け時等に合金層１４に亀裂が生じるおそれがある。

また、合金層１４のアルミニウム濃度は、最表層部でおおよそ３０〜４０質量％であることが好ましい。合金層１４は、アルミニウム濃度が厚さ方向に減少する濃度勾配を有する。合金層１４の厚さは、アルミニウム濃度が高い表面から、ガス導入用金属管１１の素管のアルミニウム濃度に対して濃度上昇が認められる深さまでをいう。このような合金層１４の厚さは、ガス導入用金属管１１の断面を、たとえばＸ線マイクロアナライザーなどでライン分析することで測定することができる。

ガス導入用金属管１１のアルミニウムを含有する合金層１４は、カロライズ処理で形成されることが好ましい。カロライズ処理には、公知の方法を用いることができる。たとえば、Ｆｅ−Ａｌ合金粉およびＮＨ_４Ｃｌ粉などの調合剤で素管を覆うようにして容器へ入れ、炉で９００〜１０５０℃に加熱することによって、合金層１４が形成される。カロライズ処理で形成される合金層１４は、ガス導入用金属管１１の素地との密着性および耐摩耗性に優れるので、剥離や損耗を生じにくい。

炭素含有耐火物１２には、ＭｇＯ−Ｃ系、Ａｌ_２Ｏ_３−Ｃ系、Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＣ−Ｃ系、ＭｇＯ−ＣａＯ−Ｃ系、ＭｇＯ−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｃ系などの耐火物が用いられる。これらの系以外であっても、耐熱スポーリング性、溶融金属やスラグに対する耐食性、耐摩耗性に優れる炭素含有耐火物を用いることができる。

炭素含有耐火物は、たとえば次のようにして製造される。耐火性骨材に炭素質原料を加え、必要に応じて金属粉末やその他公知の添加物を添加し、フェノール樹脂、ピッチ、タール等の炭素結合を形成する結合材を１〜１５質量％、好ましくは３〜８質量％を加えて混錬し、成形する。成形後、１００〜５００℃、好ましくは１５０〜４００℃で熱処理をして不焼成れんがとする。または、成形後、５００〜１５００℃、好ましくは８００〜１３００℃の還元雰囲気で焼成する焼成れんがとしてもよい。炭素含有耐火物１２の形状は、装着される炉または取鍋などの底部の構造により適宜定められるが、円柱形状、角柱形状、円錐台形状または角柱台形状などが用いられる。

ガス導入用金属管１１が接続される風箱１３は、サージタンクの役目をする金属製の箱である。金属素材には、ステンレス鋼、普通鋼、耐熱鋼などを用いることができる。風箱１３を覆うキャスタブル耐火物１６は、炭素を含まないものであってもよく、たとえばマグネシア質系の耐火物などを用いることができる。

以下本発明の実施例について説明する。
図３は、実施例として用いたガス吹込みノズル１０を示す。図３では、実施例のガス吹込みノズル１０を溶融金属に接する側から見た状態を示す。ガス導入用金属管１１には、カロライズ処理を施した内径が１．５ｍｍ、外径が３．５ｍｍのステンレス鋼管を用いた。カロライズ処理で形成されたアルミニウム含有合金層の厚さは、１５０μｍであった。またカロライズ処理で形成された合金層のアルミニウム濃度は３０％であった。ガス吹込みノズル１０には、７本のガス導入用金属管１１を、互いの中心間距離Ｌが５０ｍｍとなるように配設した。炭素含有耐火物１２として、炭素分の黒鉛を１０質量％含有するＭｇＯ−Ｃれんがを用いた。炭素含有耐火物１２の形状は、角柱台形状とし、その長さを８９０ｍｍとした。

比較例として用いたガス吹込みノズルは、外形および炭素含有耐火物が実施例のガス吹込みノズルと同じである。ガス導入用金属管は、寸法および材質が実施例と同じであるが、カロライズ処理が施されることなく、アルミニウム含有合金層を有しない管である。ガス導入用金属管にカロライズ処理を施さない代わりに、ガス導入用金属管と炭素含有耐火物との間に、内径が６ｍｍ、外径が１０ｍｍの耐火性焼結体を設けた。耐火性焼結体の材質はマグネシア質であり、耐火性焼結体とガス導入用金属管との隙間をマグネシアモルタルで充填して固定した。

実施例および比較例のガス吹込みノズルを、容量が１５０トンの電気炉の炉底に装着し、ガスを吹込みながらステンレス溶銑の精錬を行った。吹込みに使用したガスは窒素ガスであり、その流量は１５０ＮＬ／ｍｉｎである。４５４チャージ（以下、ｃｈで表す）の精錬を行ったのち、実施例および比較例の各ガス吹込みノズルについて、長さ方向の損耗量を測定し、耐用寿命を比較した。

損耗量の測定結果を表２に示す。４５４ｃｈ当りの損耗量は、実施例が１５０ｍｍ、比較例が２００ｍｍであった。実施例の損耗速度０．３３ｍｍ／ｃｈで、比較例の損耗量２００ｍｍに達するには、６０６ｃｈを要することになる。すなわち、比較例のガス吹込みノズルでは、４５４ｃｈで２００ｍｍ損耗して耐用寿命に達するが、実施例のガス吹込みノズルでは、２００ｍｍの損耗に達するまでに、６０６ｃｈのガス吹込み精錬を行うことが可能である。このことから、アルミニウム含有合金層を有するガス導入用金属管を用いることで、３０％強の耐用寿命の延長を実現し得ることが判る。

５，１０ ガス吹込みノズル
６，１１ ガス導入用金属管
７，１２ 炭素含有耐火物
１４ 合金層

Claims (3)

1. 溶融金属にガスを吹込むためのガス導入用金属管を炭素含有耐火物で外囲して形成されるガス吹込みノズルにおいて、
   ガス導入金属管は、外表面に３０〜４０質量％のアルミニウムを含有する合金層が形成されることを特徴とするガス吹込みノズル。
2. 前記合金層の厚さは、５０〜２００μｍであることを特徴とする請求項１記載のガス吹込みノズル。
3. 前記合金層は、カロライズ処理で形成されることを特徴とする請求項１または２記載のガス吹込みノズル。

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