JP5858872B2 - 取鍋に施工した不定形耐火物の乾燥方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、キャスタブル等の不定形耐火物を敷部に施工して当該不定形耐火物を乾燥させる取鍋に施工した不定形耐火物の乾燥方法に関する。

従来より、取鍋の内側には不定形耐火物などの耐火物が施工されることが一般的であり、取鍋に施工した後の耐火物を乾燥する技術として、特許文献１〜５に示すものがある。
特許文献１では、蒸気孔を有しない鉄皮構造の密閉容器にライニングした耐火物を加熱・乾燥するに際して、該密閉容器の底部鉄皮に設けた吸引孔を介して強制吸引しつつ加熱・乾燥している。

特許文献２では、永久張り耐火物が定形耐火物で施工され、且つ、耐火物の加熱・乾燥時に発生するガスを抜くための蒸気抜き孔の設置された溶融金属収容容器であって、蒸気抜き孔の設置位置と永久張り耐火物の目地とが一致せず、蒸気抜き孔の設置位置と永久張り耐火物の目地との最短距離が３０ｍｍ以上にずらしている。
その他に、不定形耐火物などを乾燥させる方法として、特許文献３〜５に示すものがある。

特開平６−１８５８７２号公報 特許第４５０６６０７号公報 特開２００３−１２８４６９号公報 特開２００７−２５５８８３号公報 特許第４５８１４４４号公報

特許文献１〜５では、容器内に施工した耐火物の乾燥を行うことができるものの、耐火物の乾燥を行ったときの水蒸気を外部に逃がす蒸気孔に関する説明が成されておらず、加えて、蒸気孔、乾燥時間及び乾燥温度とについての記載もないことから、これらの技術を用いても、取鍋の敷部に施工した不定形耐火物の剥離を防止しながら適正に乾燥させることが難しいのが実情である。

そこで、本発明では、取鍋の敷部に施工した不定形耐火物の剥離を防止しつつ、不定形耐火物の乾燥を適正に行うことができる取鍋に施工した不定形耐火物の乾燥方法を提供することを目的とする提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明は、次の手段を講じた。
敷部の鉄皮の厚みが５０〜９５ｍｍで且つ前記鉄皮の稼働面に定形の耐火物で構成されたパーマ煉瓦が施工された溶鋼取鍋に不定形耐火物を施工するに際し、前記敷部の不定形耐火物の施工厚みを１５０〜３５０ｍｍとし、前記敷部に施工する不定形耐火物の含有水分量を５〜６質量％としておき、敷部に施工した不定形耐火物の乾燥は、式（１）〜式（３）を満たした時点で終了することを特徴とする。

２５≦乾燥時間ｔ（ｈ）≦５０ ・・・（１）
５０≦鉄皮温度Ｔ（℃）≦１００ ・・・（２）
Ｔ×ｔ≧−０．０２４１×（ρ×Ｓ）＋２３４５．９ ・・・（３）
ただし、
乾燥時間ｔ（ｈ）：加熱乾燥を初めて不定形耐火物の背面温度が１００℃に達する時間
ρ：敷部の鉄皮に設けられた蒸気孔占有密度（個／ｍ^２）、１＜ρ＜２５０
Ｓ：単位個数当たりの蒸気孔面積（ｍｍ^２／個）、５０＜Ｓ＜３５０

本発明によれば、取鍋の敷部に施工した不定形耐火物の剥離を防止しつつ、不定形耐火物の乾燥を適正に行うことができる。

取鍋の全体断面図を示した図である。 取鍋の敷部にキャスタブルを施工する手順を示した図である。 ガスバーナーのＣＯＧ流量と、乾燥処理及び加熱処理との関係を示した図である。 敷部の不定形耐火物の表面温度、背面温度、敷部鉄皮温度との関係図である。 乾燥度（乾燥温度×乾燥時間）と、孔指数（ρ×Ｓ）との関係図である。 乾燥処理（乾燥域）及び加熱処理（加熱域）における水分センサの抵抗値を示す図である。 敷部に施工した不定形耐火物の爆裂（不定形耐火物の剥離）を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
製鋼工程では、電気炉や転炉で精錬した溶鋼を取鍋に出鋼して、取鍋を二次精錬設備に搬送し、二次精錬設備にて溶鋼の介在物除去や成分調整などの精錬を行う。また、二次精錬設備にて精錬を終了後、取鍋は連続鋳造装置に搬送され、連続鋳造装置にて取鍋内の溶鋼を鋳片に鋳造される。このように、取鍋は、製鋼工程にて溶鋼を搬送するために使用され、転炉から連続鋳造装置までの取鍋の搬送回数は、１回〜１２０程度であり、高温の溶鋼を受鋼することから、取鍋内には耐火物が施工されている。

図１は、耐火物が施工された取鍋を示したものである。まず、耐火物の施工後の取鍋の構造について説明する。なお、取鍋は図１に示したものに限定されない。
取鍋１は、本体を構成する上部が開放となった円柱状の鉄皮２を備えている。この鉄皮２の稼働面側（溶鋼が入る側）には、定形の耐火物で構成された第１パーマ煉瓦３が施工されている。鉄皮２内において、鉄皮２の胴部４に対応する部分には、第１パーマ煉瓦３に続き、さらに当該第１パーマ煉瓦３の内側に２層目となる第２パーマ煉瓦５が施工されている。また、鉄皮２内において、鉄皮２の敷部６及び鉄皮２の胴部４に対応する部分には、不定形耐火物であるキャスタブル７が施工されている。

詳しくは、鉄皮２の敷部６に対応する第１パーマ煉瓦３の稼働面にキャスタブル７が流し込み施工されている。また、鉄皮２の側壁部（胴部）４に対応する部分であって、敷部６から上下方向中途部分までの溶鋼が接する部分には、キャスタブル７が施工されている。言い換えれば、鉄皮２の胴部４に施工した第２パーマ煉瓦５の稼働面うち、スラグライン（スラグライン部）を除く稼働面側には、キャスタブル７が施工されている。

キャスタブル７から上部側であって、スラグライン部に対応する部分には、定形耐火物であるマグカーボン（ＭｇＯ−Ｃ耐火物）９が施工されている。なお、取鍋１の敷部６には、溶鋼を外部へ出鋼（排出）するための排出口８が設けられている。
本発明では、取鍋１内に施工される耐火物（キャスタブル７、パーマ煉瓦３、５、マグカーボン９）のうち、敷部６に施工する不定形耐火物（キャスタブル７）の施工に関して着目したものである。

以下、不定形耐火物（キャスタブル７）の施工について詳しく説明する。
図２に示すように、敷部６にキャスタブル７を施工するには、まず、アルミナセメントに水を加えて、アルミナセメントと水とを混練することにより、施工用のキャスタブル７を構成する（混練工程）。その後、施工用のキャスタブル７を取鍋１内に施工し（施工工程）、耐火物の施工の終了後にキャスタブル７を乾燥させ（乾燥工程）、キャスタブル７の乾燥後に加熱工程に進む。

乾燥工程などでキャスタブル７を乾燥させると、キャスタブル７内に元々水分が存在している部分は、空隙（気孔）となる。キャスタブル７内の空隙（気孔）が多く存在する場合、取鍋１を繰り返し使用していくと、受鋼した溶鋼が次第に空隙に浸潤していき、キャスタブル７の剥離や損傷が進行し、キャスタブル７の寿命、即ち、取鍋１の寿命が短くなる。取鍋１の寿命が短い場合、耐火物の再施工の回数が増加し、取鍋１の稼働率も低下する。

このようなことから、キャスタブル７の耐食性の向上を目的として、キャスタブル７に含有させる水分量は抑える傾向にあり、混練工程では、乾燥前（施工時）のキャスタブル７に含まれる水分含有量を５〜６質量％とし、低セメントキャスタブルとしている。
施工工程では、取鍋１の使用状況を考慮して敷部６に施工するキャスタブル７の厚みを決定し、敷部６にキャスタブル７を施工することとしている。即ち、取鍋１の敷部６は、転炉から出鋼された溶鋼が衝突するところであり、溶鋼が衝突する部分のキャスタブル７は傷みやすい。このようなことから、施工工程では、敷部６の中央部（装入された溶鋼が当たる湯当たり部１０）の厚みが他の部分よりも大きくなるように、敷部６にキャスタブル７を施工することとしている。敷部６におけるキャスタブル７の最大厚み（湯当部の厚み）は、１５０〜３５０ｍｍとしている。

さて、混練工程では、キャスタブル７を乾燥させる乾燥工程を考慮して、低水分のキャスタブル（アルミナセメンと水との混合物）を構成しているが、アルミナセメンと水とを混合すると、鉱物であるＣＡ（ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３）の水和物が生成される。乾燥工程にて、キャスタブル７を乾燥させると、（i）〜（iii）に示すように、キャスタブル７中の水和物は、Ｃ３ＡＨ６に転移し、キャスタブル７は、溶鋼を受鋼するために必要な物性へと変化することになる。なお、Ｃ＝ＣａＯ、Ａ＝Ａｌ_２Ｏ_３、Ｈ＝Ｈ_２Ｏの略称である。

（i）ＣＡ＋１０Ｈ→ＣＡＨ１０
（ii）２ＣＡ＋１１Ｈ→Ｃ２ＡＨ８＋ＡＨ３
（iii）３ＣＡ＋１２Ｈ→Ｃ３ＡＨ６＋２ＡＨ３
具体的には、乾燥工程では、施工工程後（キャスタブル７の施工後）、ガスバーナー１１を取鍋１の上方から挿入し、ガスバーナー１１へＣＯＧ（Coke Oven Gas）を供給して燃焼させることによりキャスタブル７を乾燥させる。図３に示すように、例えば、乾燥域（乾燥処理）では、ガスバーナー１１のＣＯＧ流量を少なく、後述するように、加熱域（加熱処理）では、ガスバーナー１１のＣＯＧ流量を多くする。

乾燥前のキャスタブル７の水和物中を見たとき、この水和物中には、結晶水と結晶化されていない自由水とが含まれていて、乾燥処理によって自由水や結晶水を蒸発させていくなかで、水和物が変化し、安定した水和物（Ｃ３ＡＨ６）となる。例えば、乾燥温度と水和物との関係は、表１に示すようになる。

表１に示すように、キャスタブル７を加熱すると、自由水は１００℃〜１２０℃付近で水蒸気となり、水和物は、ＣＡＨ１０→Ｃ２ＡＨ８→Ｃ３ＡＨ６＋２ＡＨ３に転移する。乾燥処理にともなって結晶水中の水分も蒸発していき、水和物中の結晶水の割合も次第に減少する。
上述したように、ガスバーナー１１等によって乾燥処理を行ったとき、キャスタブル７から水蒸気が発生する。キャスタブル７の表面付近の水蒸気は、キャスタブル７の表面から蒸発して抜けていくが、キャスタブル７の内部、特に、鉄皮２に近い部分では、水蒸気が上方へ抜けにくい。そのため、取鍋１の敷部６に対応する鉄皮（敷部鉄皮）２Ａには、乾燥処理時における水蒸気を逃がすための蒸気孔（鉄皮２を貫通させた孔）１２が設けられている。

敷部鉄皮２Ａに設けた水蒸孔１２を平面視したとき、単位個数当たり（１個当たり）の蒸気孔面積Ｓは、５０＜Ｓ＜３５０（ｍｍ^２／個）とされている。蒸気孔面積Ｓは、「全ての蒸気孔１２の総面積／鉄皮敷部２Ａに設けた蒸気孔１２の個数」によって求めることができる。また、敷部鉄皮２Ａに設けられた蒸気孔占有密度は、１＜ρ＜２５０（個／ｍ^２）とされている。蒸気孔占有密度は、敷部鉄皮２Ａの面積に対する蒸気孔１２の面積の割合を示したものであり、「全ての水蒸気１２の総面積／敷部鉄皮２Ａの総面積」によって求めることができる。このように、敷部鉄皮２Ａに水分の蒸発用の蒸気孔１２を設けることによって、効率よくキャスタブル７を乾燥させることができる。

さらに乾燥処理を詳しく見ていくと、本発明では、キャスタブル７の乾燥は、式（１）〜式（３）を満たした時点で終了することとしている。
２５≦乾燥時間ｔ（ｈ）≦５０ ・・・（１）
５０≦鉄皮温度Ｔ（℃）≦１００ ・・・（２）
Ｔ×ｔ≧−０．０２４１×（ρ×Ｓ）＋２３４５．９ ・・・（３）
上述したように、敷部６に施工したキャスタブル７の厚みが１５０〜３５０ｍｍで且つキャスタブル７に含まれる水分含有量が５〜６質量％である場合、キャスタブル７の背面温度が水分の蒸発温度となる１００℃に達した時点で、キャスタブル７中の水分が水蒸気となり、脱水開始となる。敷部６に施工したキャスタブル７の最大厚みが１５０ｍｍの場合、当該キャスタブル７の背面温度が１００℃に達するには、乾燥処理を開始してから２５時間必要である。また、敷部６に施工したキャスタブル７の最大厚みが３５０ｍｍの場合、当該キャスタブル７の背面温度が１００℃に達するには、乾燥処理を開始してから５０時間必要である。このようなことから、式（１）に示すように、乾燥時間は、２５時間以上５０時間以下としている。

さて、乾燥処理におけるキャスタブル７の乾燥度合いを把握するためには、キャスタブル７の温度を測定することが好ましい。特に、熱源から離れた箇所であるキャスタブル７の背面温度を測定することによって、キャスタブル７の乾燥度合いを把握することができる。ここで、キャスタブル７の背面温度は、熱電対等をキャスタブル７の背面側に設置することによって、直接測定することができる。しかしながら、キャスタブル７中の水蒸気は、キャスタブル７の背面に施工したパーマ煉瓦５、及び鉄皮２に設けた蒸気孔１２を通じて外側に抜けていくことになり、このときに、熱電対の付近を通過して熱電対の測定に影響を及ぼす可能性がある。例えば、熱電対を通過する水蒸気によって熱電対を冷却してしまい、熱電対で測定した温度が実際の温度よりも下がる可能性がある。つまり、熱電対をキャスタブル７の背面側に設置して背面側の温度を測定するとした場合、キャスタブル７の背面側の温度は水蒸気の影響を受けるため測定精度が低下し、さらに、キャスタブル７の施工前に熱電対を毎回設置することは操業上困難である。このようなことから、熱電対によってキャスタブル７の乾燥度合いを把握することは困難であり、熱電対に代わる別の方法が必要となる。

そこで、本発明では、キャスタブル７の背面温度を敷部鉄皮２Ａの温度に置き換えて考えることとし、敷部鉄皮２Ａの温度（鉄皮温度ということがある）を測定することにより、上述したような問題（水蒸気による影響）が発生しないようにしている。
詳しくは、敷部６の鉄皮２の厚みが９５ｍｍで最大である場合であって、キャスタブル７の背面温度が１００℃となるときの敷部鉄皮２Ａの温度（鉄皮温度）は５０℃である。また、敷部６の鉄皮２の厚みが９５ｍｍで最大である場合であって、キャスタブル７の背面温度が３６０℃となるときの敷部鉄皮２Ａの温度（鉄皮温度）は、１００℃である。このようなことから、式（２）に示すように、鉄皮温度（敷部鉄皮２Ａの温度）は、５０℃以上１００℃以下としている。

上述したように、乾燥時間を２５時間以上５０時間以下とし、鉄皮温度を５０℃以上１００℃以下にすることによって、適正にキャスタブル７を乾燥させることができる。
さて、蒸気孔１２の個数が少なかったり、蒸気孔１２が非常に小さい場合は、上述したように乾燥時間や鉄皮温度を規定したうえで乾燥処理を行ったとしても、キャスタブル７中の水蒸気が蒸気孔１２から外部へ十分に抜けず、キャスタブル７の乾燥状態（脱水状態）を判定することは難しくなる。このようなことから、本発明では、上述したように、乾燥時間と鉄皮温度とを掛け合わせた値を乾燥度とし、この乾燥度と、蒸気孔１２を規定した単位個数当たりの蒸気孔１２面積Ｓ及び蒸気孔１２占有密度ρとの関係を検証した。図５は、鉄皮温度と乾燥時間とを掛け合わせた値（乾燥度）と、蒸気孔１２面積Ｓと蒸気孔１２占有密度ρとを掛け合わせた値（孔指数）との結果を示したものである。

図５に示すように、乾燥度と孔関連指数との関係を見てみると、式（３）を示す直線Ｌを境界として脱水未完了領域にあるときにキャスタブル７は十分に乾燥した状態となっておらず、一方、脱水完了領域にあるときにキャスタブル７は十分に乾燥する。このようなことから、本発明では、乾燥度（乾燥時間×鉄皮温度）、蒸気孔１２面積Ｓ及び蒸気孔１２占有密度ρは、式（３）を満たしたとき、キャスタブル７の乾燥、即ち、乾燥処理を終了することとしている。なお、式（３）を満たすようには、例えば、鉄皮温度が高い場合は乾燥時間を短く、鉄皮温度が低い場合は乾燥時間を長くすればよい。

キャスタブル７の乾燥処理後は、即ち、式（１）〜式（３）を満たした時点で乾燥処理を終了後は、例えば、ガスバーナーのＣＯＧ流量を増加させて、一挙に温度を上昇させる加熱処理を行う。なお、この加熱処理は、キャスタブル７を施工後、取鍋１を使用するために取鍋１内の温度を上昇させる処理であり、当業者常法通りに行う。
表２、３は、本発明の取鍋に施工した不定形耐火物の乾燥方法を実施した実施例と、本発明とは異なる方法を実施した比較例とをまとめたものである。

実施例及び比較例において、鉄皮温度の測定は、湯当たり部に対応する敷部鉄皮２Ａの温度（湯当たり部の背面側の鉄皮温度）を測定することとした。この鉄皮温度は乾燥処理終了時の温度である。
また、実施例及び比較例では、キャスタブル７の背面に水分センサを設置し、図６に示すように、水分センサの抵抗値が１０ｋΩ以上になったときに、キャスタブル７が乾燥しているとした。キャスタブル７を乾燥させている状況下では、キャスタブル７中に含まれる水分は、液体から水蒸気に変化する。この過程では、水分の蒸発によってキャスタブル７の内部に水蒸気圧力が発生し、この水蒸気圧力が高い場合には、キャスタブル７の爆裂が発生する可能性があることから、キャスタブル７の爆裂の有無を目視にて確認した。図７に示すように、例えば、範囲Ａは、キャスタブル７の爆裂が発生してキャスタブル７が飛散した状況（キャスタブル７の剥離）を示しており、このような場合は、キャスタブル７の爆裂を有り（飛散［×］）とし、範囲Ａのような部分が無い場合は、キャスタブル７の爆裂を無し（非飛散［○］）とした。

実施例では、「敷部の鉄皮の厚み」、「敷部の不定形耐火物に含まれる水分含有量」、「敷部の不定形耐火物の施工厚み」に示すように、敷部の鉄皮の厚みを５０〜９５ｍｍとし、敷部に施工する不定形耐火物の含有水分量を５〜６質量％とし、敷部の不定形耐火物の施工厚みを１５０〜３５０ｍｍとししている。また、実施例では、乾燥時間ｔ（ｈ）を２５時間以上５０時間以下とし、鉄皮温度Ｔ（℃）を５０℃以上１００℃以下とし、Ｔ×ｔの乾燥度の値が、「−０．０７８×（ρ×Ｓ）＋２４４２．５」の値以上となっている。そのため、実施例では、適正に不定形耐火物を適正に乾燥することができ（水分センサの抵抗値が１０ｋΩ以上）、さらに、不定形耐火物の爆裂（不定形耐火物の剥離）も発生しなかった（非飛散「○」）。

一方、比較例では、本発明に規定する条件を満たしていないため、不定形耐火物を適正に乾燥することがすることができず（水分センサの抵抗値が１０ｋΩ未満）、不定形耐火物の爆裂が発生することがあった（飛散「×」）。
以上、本発明によれば、敷部の鉄皮の厚み、敷部の不定形耐火物の施工厚み、不定形耐火物の含有水分量を５〜６質量％を規定したうえで、上述した式（１）〜式（３）を満たした時点で終了して、さらに取鍋の使用に備えて、加熱を行っているため、取鍋の敷部に施工した不定形耐火物を適正に乾燥することができて不定形耐火物の剥離を防止することができる。

なお、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、運転条件や操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な事項を採用している。

１ 取鍋
２ 鉄皮
３ 第１パーマ煉瓦
４ 胴部
５ 第２パーマ煉瓦
６ 敷部
７ キャスタブル（不定形耐火物）
８ 排出口
９ スラグライン部
１０ 湯当たり部
１１ ガスバーナー
１２ 蒸気孔

Claims (1)

1. 敷部の鉄皮の厚みが５０〜９５ｍｍで且つ前記鉄皮の稼働面に定形の耐火物で構成されたパーマ煉瓦が施工された溶鋼取鍋に不定形耐火物を施工するに際し、前記敷部の不定形耐火物の施工厚みを１５０〜３５０ｍｍとし、前記敷部に施工する不定形耐火物の含有水分量を５〜６質量％としておき、敷部に施工した不定形耐火物の乾燥は、式（１）〜式（３）を満たした時点で終了することを特徴とする取鍋に施工した不定形耐火物の乾燥方法。
   ２５≦乾燥時間ｔ（ｈ）≦５０ ・・・（１）
   ５０≦鉄皮温度Ｔ（℃）≦１００ ・・・（２）
   Ｔ×ｔ≧−０．０２４１×（ρ×Ｓ）＋２３４５．９ ・・・（３）
   ただし、
   乾燥時間ｔ（ｈ）：加熱乾燥を初めて不定形耐火物の背面温度が１００℃に達する時間
   ρ：敷部の鉄皮に設けられた蒸気孔占有密度（個／ｍ^２）、１＜ρ＜２５０
   Ｓ：単位個数当たりの蒸気孔面積（ｍｍ^２／個）、５０＜Ｓ＜３５０