JP5491815B2 - 精錬装置用浸漬管 - Google Patents

Description

本発明は、精錬装置等に用いる浸漬管に関する。

転炉法は現在製鋼法の主流となっている。その工程は、溶銑中の燐や硫黄を取る容銑予備処理と、転炉内において炭素を取る一次精錬と、溶鋼中の炭素、酸素、窒素、水素などの不要な成分を取り、成分調整の合金添加を行なう二次精錬とから成っている。このうち二次精錬では真空脱ガス法や簡易精錬法が用いられている。真空脱ガス法は取鍋（とりべ又はとりなべ）に入った溶鋼を真空槽下部に設けられた浸漬管を介して真空槽に吸い上げ、溶鋼中の水素、窒素、一酸化炭素の脱ガスを行なうものである。さらにこのうちＲＨ真空脱ガス法は、真空槽の下端に２つの浸漬管が付いた装置を用い、浸漬管下端を取鍋内の溶鋼に浸漬し、真空槽内に溶鋼を吸い上げ、さらに一方の浸漬管の側面からアルゴンガス等の不活性ガスを吹き込むことで、ガスの浮上力によって溶鋼に上昇して真空槽内に向かう流れを生じさせ、他方のガスの供給されない浸漬管に下降する流れを生じさせることで還流させ、連続的に溶鋼の脱ガス処理を行なうというものである。

簡易精錬法は、取鍋精錬法、簡易取鍋精錬法などとも呼ばれ、真空装置を用いず、槽の下部に設けられた浸漬管の途中まで溶鋼が進入した状態で精錬を行なうものである。

いずれの方式においても、所定時間の処理が終わると浸漬管は取鍋を下降させるかまたは槽を上昇させることにより溶鋼の液面より退避させられ、次の取鍋の処理に移る。このとき処理される溶鋼の温度は１６００℃以上であるから、浸漬管が溶鋼から離れると、浸漬管の温度は急速に低下し、次に処理を行なう取鍋の溶鋼に浸漬されるとき急速に上昇する。以後この熱履歴が繰り返されることになり浸漬管の破壊が進行する。

浸漬管の基本的な構造は、円筒芯金に対してその外周、内周及び下端を耐火物で覆い構成されるものである。上記したような急激な熱衝撃の繰り返しにより、耐火物に亀裂が発生、進行し耐火物下端部の脱落に至る。この現象はスポーリングと呼ばれる。浸漬管は槽に対しフランジ部で着脱自在に装着されているので、亀裂が発生した場合は真空槽から取り外し、補修を行なって使用したり、また、亀裂や脱落がひどくなった場合は別に準備した浸漬管と交換することができる。浸漬管はこのように使用回数の制約があり、装置を維持するために費用が発生するため、この耐用回数を増すことが課題となっている。

このような課題に対して従来からさまざまな提案がなされている。たとえば特許文献１、２に示される基本的な構造は、図８の従来の浸漬管の断面図に示すようなものである。すなわち、金属製の芯金２１の内周側に耐食性に優れた定形耐火物２２を配し、芯金２１の外周と下端側及び定形耐火物２２の下側に定形耐火物２２より耐食性の劣る不定形耐火物（キャスタブル耐火物）２３を配するとともに、芯金２１の外側に不定形耐火物２３に対し保持部材となる金属製のスタッド（又はアンカー）２４を設けるというものである。

特開平１１−３３５７２０号公報 特開平９−３１０１１５号公報

しかしながら、上記従来例には２つの問題が考えられる。スタッド２４が芯金２１に設けられていることと、浸漬管の下端部が定形耐火物２２に比べて耐食性の劣る不定形耐火物２３となっていることによるものである。

浸漬管が溶鋼に浸漬されたとき、温度上昇により芯金２１は膨張するが、このとき耐火物は金属より熱膨張率が小さいため寸法変化が小さい。スタッドが芯金に直接設けられていると、スタッドと芯金は共に、径が大きくなる方向に移動しようとする。ところが耐火物の膨張は小さいため、スタッドと芯金は共に耐火物に対して力を加えることになる。浸漬管が溶鋼から離れるとき、温度が下降するため、反対に径が小さくなる方向に収縮する。このためスタッド２４と耐火物には浸漬されたときとは反対方向の力が発生する。この力が温度の上昇下降に応じて繰り返し働くためスタッドが原因となって亀裂が生じ、耐火物が破壊されてゆくと考えられる。耐火物は金属のように展性や延性をもたないので外力に対し破壊されやすい。また、スタッド２４の近辺では耐火物層の厚みも局部的に薄くなるため亀裂が入りやすいことも考えられる。

浸漬管は耐火物の施工性の面から、従来例のように外周と下端部を不定形耐火物２３、内周を定形耐火物２２としている場合が多いが、下端部が定形耐火物２２に比べて耐食性の劣る不定形耐火物２３であることは、不定形耐火物２３に亀裂が発生したり、脱落が起こりやすいことになる。

本発明は、上記従来の構造を見直し、耐用回数を上げた二次精錬装置用浸漬管の構造を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明者は二次精錬装置用浸漬管について鋭意検討した結果、本発明を考案した。

本発明に係る浸漬管は、上部にフランジを有する円筒状の芯金と、芯金の少なくとも外周面を一体に覆う不定形耐火物と不定形耐火物の下部に位置する定形耐火物とからなる。定形耐火物は芯金のフランジに先端が固定され不定形耐火物を介して下方に延びるスタッドおよび不定形耐火物に上部が固定されたスタッドの少なくとも１種に吊り下げられていることを特徴とする。定形耐火物の荷重等を分散させ亀裂の発生や脱落を防止する。

スタッドは、芯金のフランジおよび不定形耐火物の少なくとも一方に保持された上方部材と、上方部材の下端部から一体的に下方に延び定形耐火物に保持された下方部材とを含む。この構成によれば、定形耐火物の製作が容易になる。

スタッドの上方部材と下方部材は、結合手段により一体化されているとよい。この構成によれば、浸漬管の製作が容易になる。

芯金は不定形耐火物と共に一部が定形耐火物中に貫入していてもよい。この構成によれば芯金があるために不定形耐火物と定形耐火物との境界を長くでき、真空脱ガス法に用いる場合、境界に隙間が生じても外気のリークが少ない。

定形耐火物は円周方向に複数個でリング状に配置されているとよい。この構成により定形耐火物層の脱落を好適に防止する。

スタッドのうち少なくとも１つは、芯金のフランジに溶接されているとよい。この構成によれば芯金のフランジと定形耐火物を連結できるので、不定形耐火物にかかる荷重を緩和できる。

結合手段は、下方部材の上端部に設けられたねじ穴と、上方部材の下端部に設けられたねじ部とからなるとよい。この構成によれば部品点数の増加がなく、使用中に緩むことがないという利点がある。

定形耐火物はプレス成形により作製されたマグネシア−カーボンからなる不焼成耐火煉瓦であり、下方部材は前記プレス成形時に一体的に埋設されるとよい。この構成によれば下端部が耐食性に優れた不焼成耐火煉瓦となる構造となるため脱落が起こりにくい。

（本発明に係る耐火煉瓦は、）定形耐火物本体と、定形耐火物本体に一体的に埋設され、その上端が定形耐火物本体の表面に表出しているスタッドとからなる（ことを特徴とする精錬装置用浸漬管に使用する）耐火煉瓦を利用できる。この構成によれば容易に精錬装置用浸漬管を作製することができる。

スタッドは、精錬装置用浸漬管を構成する芯金または芯金の外周面を一体的に覆う不定形耐火物に支持され、定形耐火物本体の表面に表出している前記下方部材に一体化される上方部材をもつものであってもよい。この構成によれば容易に精錬装置用浸漬管を作製することができる。

脱落の起こりやすい下端部が不定形耐火物に比べ耐食性に優れた定形耐火物である構造となっているため、耐用回数が増加し、また耐食性に劣る不定形耐火物に亀裂が入った場合でも、下方に定形耐火物があるため脱落が起こりにくい。

本発明の浸漬管を中心軸で切断した断面図である。 本発明の浸漬管の上面図（一部を図１のＡ−Ａ断面図で示す）である。 不焼成耐火煉瓦の斜視図である。 不焼成耐火煉瓦を円周状に並べた様子を示す斜視図である。 不焼成耐火煉瓦と下方部材の枝部の配置を示す上面から見た透視図である。 下方部材を配置した後、混錬物をさらに充填していく様子を、模式的に表わした型とともに示す不焼成耐火煉瓦の透視図である。 下方部材の他の形態を示す断面図である。 従来の浸漬管の構造を示す断面図である。

図１の断面図に示すように、本発明の浸漬管は上部にフランジ１をもつ円筒状の芯金２と、芯金２を覆うように取り囲む不定形耐火物層３と、不定形耐火物層３の下方に位置する定形耐火物層４と、不定形耐火物層３に取り囲まれ芯金２の軸方向に延びる上方部材５と、定形耐火物層４に取り囲まれ芯金２の軸方向に延び途中で枝分かれしている下方部材６とから成る。双方には棒状の金具にそれぞれＶ字状またはＹ字状をした複数の突起である金属製の係止部７が設けられている。係止部７を図１、５、７では模式的にバツ印で表わした。なお、上方部材５と下方部材６とで本発明のスタッドを構成する。

芯金２は材質ＳＳ４００の鋼板を使い、厚さ約２０ｍｍとした。図１に示す浸漬管の内径は７００ｍｍ、フランジ１を除いた外径は１５００ｍｍ、フランジ部を含む高さは７００ｍｍとした。

不定形耐火物層３はアルミナ−マグネシア系の流し込み（キャスタブル）材であり、Ａｌ_２Ｏ_３が約９割、ＭｇＯが約１割の組成であり、微量の流動性調整材、発熱調整材と共に結合材として高アルミナセメントを含む。またスチールファイバーを添加しても良い。

定形耐火物層４は不焼成耐火煉瓦８からなり、例えば高耐食性で耐スポール性に優れるＭｇＯ−Ｃ（マグネシア−カーボン）材質からなる。耐火煉瓦には、成形後１３００〜１９００℃で焼成する焼成耐火煉瓦と、成形後、３００℃程度で乾燥・硬化を行ない固化させる不焼成耐火煉瓦などがあるが、本発明の特徴である定形耐火物層４に覆われるスタッドを実現しようとする場合、金属を含んだ成形体を焼成すると金属が溶けるため、本実施形態では不焼成耐火煉瓦を採用した。図３の不焼成耐火煉瓦の斜視図に示すように上面は台形状をしており、図４の不焼成耐火煉瓦を円周状に並べた様子を示す斜視図に示すように、円周方向にこれを３０個配置し定形耐火物層４を形成する。また、図３に示すように不焼成耐火煉瓦８は溝９を有し、ここに芯金２と芯金２を覆う不定形耐火物層３とが貫入する形とした。不焼成耐火煉瓦８は、プレス成形によって一体形成される。プレス成形する際、型枠内の所定の位置に下方部材６をセットすることで、下方部材６が定形耐火物層４に埋め込まれることになる。

下方部材６は図１及び図５の不焼成耐火煉瓦と下方部材の枝部の配置を示す上面から見た透視図に示すように、主棒状部１０と枝部１１とバツ印で示す複数の係止部７とからなり、途中で枝分かれしている。枝部１１は枝分かれした所から先を意味するものとする。係止部７は主棒状部１０、枝部１１の双方に設けられている。図５に示すように、主棒状部１０を軸とする枝部１１の角度（位相）は、浸漬管の径方向とは異なっており、２本の下方部材６の枝部１１の角度も相異なっている。

定形耐火物層４を構成する不焼成耐火煉瓦８には、上記したように内周側（台形形状の上底側）、外周側（台形形状の下底側）１本ずつ計２本の下方部材６が埋め込まれており、それぞれの下方部材６上端部にはＭ８の雌ねじが切られている。不定形耐火物層３に覆われる上方部材５は下端部にＭ８の雄ねじ部を有しており、上方部材５と下方部材６はねじで連結されている。外周側の上方部材５の３０本のうち１０本は、フランジ１に溶接されている。溶接することでフランジ１と定形耐火物層４が連結される。

次に、本発明の浸漬管を作製する方法を説明する。
（成形工程）
まず、例えば、電融マグネシアの粗粒、中粒、微粉と天然黒鉛及び酸化防止剤を混合してフェノール樹脂を加えて混練する。次いで、その混練物を図６に示すように長辺側金型１２、短辺側金型１３、及び下型１４で形成されるキャビティーに充填する。キャビティーは図３に示す不焼成耐火煉瓦を横倒しにして外周側形成面、内周側形成面が垂直になるよう各金型が配置されている。混練物を所定の位置まで充填した後に下方部材６を２本配置して更に混練物を充填する。図６は、下方部材６を配置した後、混錬物をさらに充填していく様子を模式的に表わした型とともに示す不焼成耐火煉瓦の透視図である。このとき、２本の下方部材６の枝部１１の主棒状部１０の軸周りの角度（位相）は図５のように所定の異なる角度となるよう留意しつつ充填するものとする。

所定量を充填した後、上型（不図示）を押し下げ加圧成形する。本実施形態ではフリクションプレスを用いたが、油圧プレスを使用してもかまわない。
（加工工程）
次に、型から成形体を取り出し、乾燥・硬化のため約３００℃で所定時間加熱処理を行った後、溝９を機械加工で形成して図３に示す不焼成耐火煉瓦８を得る。
（セッティング工程）
次に、不焼成耐火煉瓦８を円周方向に３０個配置してリング状に並べる（図４）。このとき目地にモルタルを入れてもよい。次いで、下方部材６に上方部材５をねじ込んで連結する。また、溝９に芯金２を所定の深さまで挿入する。所定の上方部材５を芯金２のフランジ１に溶接する。
（鋳込み工程）
次に、不焼成耐火煉瓦８から芯金２にかけて外周面側と内周面側に型枠を配置し、不定形耐火物を充填し、図１及び図２に示す浸漬管となる。上方部材５と下方部材６は、ねじで連結されるが、不定形耐火物が固化した後は、スタッドが回転しないため緩むことはない。

また、不定形耐火物層３の下側は全面にわたって定形耐火物層４が存在する。そのため不定形耐火物層３として不定形耐火物を流し込む際の型枠の構造が簡易となり、浸漬管の製作が容易になる。

また、不焼成耐火煉瓦８に下方部材６が一体的に組み込まれているので、不焼成耐火煉瓦８の吊り上げ構造が簡単になり且つ浸漬管の組み立て製造が容易になる。

また、不焼成耐火煉瓦８が溝９をもち、ここに芯金２の一部が貫入する構造となっているため不定形耐火物との境界が長く迂回するので、特に真空脱ガス法に用いる場合、浸漬管を溶鋼に浸漬して内周側を減圧した際、外気のリークが少ない。

さらに、芯金２は不定形耐火物層３のみに覆われる構造となっているため、熱履歴により不定形耐火物層３と定形耐火物層４の境界に隙間ができ、二次精錬時に溶鋼が侵入しても溶鋼が芯金２に達して溶け合って結合してしまうことが避けられる。

上記実施形態では、下方部材６の枝部１１がひとつであったが、浸漬管の大きさによっては図７の下方部材の他の形態を示す断面図に示すように２つであってもよい。またさらに多くても良い。下方部材６の枝部１１の方向は図５には限定されず、不焼成耐火煉瓦の形状により適宜亀裂の発生や脱落の少ない方向を決定する。

上記実施形態では、芯金２と定形耐火物層４は接触していない構成としたが、芯金２の内径側で接触した場合は、芯金膨張時に両者は離れる方向に変形することや、不定形耐火物層３と定形耐火物層４との隙間から溶鋼が侵入しても、両者の境界が溝９で長く迂回しており、芯金２に結合しにくいことから、定形耐火物層４が芯金２の内周の一部と接触するようにしてもよい。製作時の位置出しが容易になる利点がある。

また、簡易精錬法においては、特に溶鋼の上面（スラグライン）が浸漬管の定形耐火物層４の領域内に来るよう使用すれば好適である。こうすれば溶鋼に接するのは高耐食性を示す定形耐火物層４だけになり、耐用回数が多くなる。

上記実施形態では上方部材５を下方部材６に直接ねじ込む構造としたが、上方部材５、下方部材６の端部にスタッドの伸びる方向に直角に貫通穴を設け、ボルトとナットで締結することも可能である。また、スタッドを上方部材と下方部材に分割するのではなく、両者を結合したものとほぼ同寸法のスタッドを不焼成耐火煉瓦作製時に埋め込み、不定形耐火物層と定形耐火物層の上下方向を１つの部材で構成する浸漬管とすることももちろん可能である。

上記実施形態では各不焼成耐火煉瓦８が２つの下方部材６を有していたが、浸漬管の大きさによって適宜スタッドの数を勘案するのがよい。また、上記実施形態では下方部材６のみが枝部１１を持っているが、浸漬管の大きさによっては上方部材５にも枝部を設けて不定形耐火物層中で複数に枝分かれするようにしてもよい。定形耐火物層の重量が大きな場合でも不定形耐火物層にかかる荷重を好適に分散させ、脱落を防止する。

１ フランジ
２ 芯金
３ 不定形耐火物層（キャスタブル耐火物）
４ 定形耐火物層
５ 上方部材
６ 下方部材
７ 係止部
８ 不焼成耐火煉瓦（定形耐火物）
９ 溝
１０ 主棒状部
１１ 枝部
１２ 長辺側金型
１３ 短辺側金型
１４ 下型
２１ 芯金
２２ 定形耐火物
２３ 不定形耐火物（キャスタブル耐火物）
２４ スタッド（アンカー）

Claims (7)

1. 上部にフランジを有する円筒状の芯金と、
   前記芯金の少なくとも外周面を一体に覆う不定形耐火物と、
   前記不定形耐火物の下部に位置する定形耐火物とからなり、
   前記定形耐火物は前記芯金の前記フランジに先端が固定され前記不定形耐火物を介して下方に延びるスタッドおよび前記不定形耐火物に上部が固定されたスタッドの少なくとも１種に吊り下げられていることを特徴とする精錬装置用浸漬管。
2. 前記スタッドは、
   前記芯金及び前記不定形耐火物の少なくとも一方に保持された上方部材と、
   前記上方部材の下端部から一体的に下方に延び前記定形耐火物に保持された下方部材とを含む請求項１に記載の精錬装置用浸漬管。
3. 前記スタッドの前記上方部材と前記下方部材は、
   結合手段により一体化されている請求項２に記載の精錬装置用浸漬管。
4. 前記芯金は前記不定形耐火物と共に一部が前記定形耐火物に貫入している請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の精錬装置用浸漬管。
5. 前記定形耐火物は円周方向に複数個でリング状に配置されている請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の精錬装置用浸漬管。
6. 前記結合手段は前記下方部材の上端部に設けられたねじ穴と、前記上方部材の下端部に設けられたねじ部とからなる請求項３から請求項５のいずれか一項に記載の精錬装置用浸漬管。
7. 前記定形耐火物はプレス成形により作製されたマグネシア−カーボンからなる不焼成耐火煉瓦であり、前記下方部材は前記プレス成形時に一体的に埋設されている請求項２から請求項６のいずれか一項に記載の精錬装置用浸漬管。

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