JP5920267B2 - 転炉底吹羽口のマッシュルームの検出方法およびそれを用いた底吹羽口の異常検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、転炉の底吹羽口に形成されるマッシュルームを検出する方法、および検出したマッシュルームに基づいて底吹羽口の異常の有無を検出する方法に関するものである。

転炉の底吹羽口として用いられる２重管羽口は、内管から酸素ガス等の酸化性ガスを吹込み、内管と外管の間隙からプロパンガスやＣＯ₂ガス等の羽口保護用の冷却ガスを吹込むものである。このような底吹羽口を設置する転炉は、酸化性ガスの全量を底吹羽口の内管から吹込んで溶融鉄の精錬を行なう底吹転炉と、酸化性ガスの一部を底吹羽口の内管から吹込み、その他の酸化性ガスを上吹ランスから吹込んで溶融鉄の精錬を行なう上底吹転炉と、に大別される。

これらの転炉の操業において、底吹羽口の内管と外管の間隙から冷却ガスを吹込んで、その冷却ガスが転炉内の溶融鉄の温度に到達するときの顕熱と冷却ガスの熱分解吸熱とを利用して底吹羽口を冷却する。その結果、底吹羽口の近辺の溶融鉄が冷却されて凝固し、底吹羽口の先端部に凝固鉄（いわゆるマッシュルーム）が形成される。そのマッシュルームは、底吹羽口の先端部および周辺の炉底レンガが溶融鉄と接触するのを防止して、底吹羽口および炉底レンガを保護する作用を有する。

そのため、適正な状態のマッシュルームを形成させる必要がある。つまり、マッシュルームが小さすぎると、底吹羽口や炉底レンガを保護する効果が得られないので、転炉寿命が短くなる。一方、マッシュルームが大きすぎると、内管から酸化性ガスの吹込みが困難になるので、転炉の操業に支障を来す。
そこで、転炉から出鋼した後に作業員が底吹羽口とその周辺を目視で点検して、異常の有無を判定している。しかし、作業員の判定に個人差が生じるばかりでなく、高温環境で点検を行なうことから判定に要する時間が長くなるという問題がある。

このような作業員の目視点検の問題点を解決するために、マッシュルームの形成を制御する技術が検討されている。
たとえば特許文献１には、マッシュルームの圧力損失を所定の範囲内に保つように冷却ガスの供給を調整することによって、底吹羽口と炉底レンガを保護する技術が開示されている。しかし冷却ガスの供給を調整しても、底吹羽口とその周辺の炉底レンガは徐々に損耗するので、底吹羽口や炉底レンガの点検を定期的に行なう必要がある。

特許第4497004号公報

本発明は、転炉のマッシュルームを短時間で精度良く検出し、さらに、検出したマッシュルームに基づいて底吹羽口の異常の有無を短時間で精度良く検出する方法を提供することを目的とする。

発明者は、まず、マッシュルームを短時間で精度良く検出する技術を検討した。その結果、出鋼後の凝固鉄からなるマッシュルームと耐火物からなる炉底レンガとの温度差から、マッシュルームを定量的に検出することが可能であり、かつその面積を測定できることを見出した。しかも、転炉に設置した複数の底吹羽口に形成される各マッシュルームの大きさを個別に測定することも可能であることが分かった。

次に発明者は、検出したマッシュルームに基づいて底吹羽口の異常の有無を短時間で精度良く判定する技術を検討した。その結果、測定した各マッシュルームの個別の面積とその底吹羽口の断面積との比較、あるいは測定した各マッシュルームの個別の面積とその転炉の全マッシュルームの平均面積との比較によって、底吹羽口の異常の有無を判定できることを見出した。

本発明は、これらの知見に基づいてなされたものである。
すなわち本発明は、溶鋼を出鋼した後に転炉の炉底レンガの表面温度Ｔ_BR（℃）を測定し、該表面温度Ｔ_BR（℃）の測定値から平均表面温度Ｔ_AV（℃）を算出し、該平均表面温度Ｔ_AVと予め設定した閾値α（℃）とに対して、底吹羽口の近傍において表面温度Ｔ（℃）が下記の(1)式を満足する部位をマッシュルームと判定する転炉底吹羽口のマッシュルームの検出方法である。
Ｔ≦Ｔ_AV−α ・・・(1)
本発明のマッシュルームの検出方法においては、前記炉底レンガの表面温度Ｔ_BRの測定位置が、前記転炉の炉底に備えられた全ての底吹羽口の中心位置から、予め設定した距離ｄよりも離れた位置であることが好ましく、前記底吹羽口の近傍の表面温度Ｔ（℃）と前記炉底レンガの温度Ｔ_BR（℃）とを、赤外線カメラを用いて測定することが好ましい。

また本発明は、上記の方法を用いて、マッシュルームと判定した部位の面積Ｓ_MA（mm²）と、該マッシュルームに対応する底吹羽口の断面積Ｓ_TU（mm²）とが、予め設定した閾値βに対して、下記の(2)式を満足する底吹羽口を異常と判定する底吹羽口の異常検出方法である。
Ｓ_MA／Ｓ_TU≦β ・・・(2)
また本発明は、上記の方法を用いて、前記転炉の炉底に備えられた複数の底吹羽口についてマッシュルームと判定した部位の面積Ｓ_MA（mm²）を求め、その面積Ｓ_MA（mm²）と、前記複数の底吹羽口のマッシュルームと判定した部位の面積Ｓ_MA（mm²）から算出される平均面積Ｓ_AV（mm²）とが、予め設定した１より小さい閾値γを用いて、下記の(3)式を満足する底吹羽口を異常と判定する底吹羽口の異常検出方法である。
Ｓ_MA／Ｓ_AV≦γ ・・・(3)

本発明によれば、マッシュルームの面積を定量的に測定することが可能となる。さらに、作業員の個人差を生じることなく、底吹羽口の異常の有無を検出することが可能となる。その結果、マッシュルームの検出および底吹羽口の異常の検出を短時間で精度良く行なうことができるので、産業上格段の効果を奏する。

本発明にて底吹羽口と炉底レンガの温度を測定する方法の例を模式的に示す断面図である。

図１は、本発明にて底吹羽口と炉底レンガの表面温度を測定する際の転炉と温度計の配置の例を模式的に示す断面図である。
本発明では、転炉１内に収容した溶融鉄の精錬が終了し、転炉１を転動して出鋼孔（図示せず）から所定の成分の溶鋼を出鋼した後に、図１に示すように、底吹羽口２周辺の炉底レンガ３の表面温度Ｔ_BR（℃）を、非接触式の温度計５で測定する。温度計５は特定の構成に限定しないが、測定する炉底レンガ３が高温であることから、赤外線カメラを用いることが好ましい。

本発明の対象とする酸素ガスを底吹きする羽口の場合、酸素ガスの流路となる中心管の開口部は、凝固鉄で閉塞されないため、炉口側から管の開口部が直接観察できるが、管の開口部は数百℃と周囲に比べて非常に低温となることから、上記の赤外線カメラによる熱画像において、容易に羽口の中心位置を特定できる。
羽口の近傍には、前述のようにマッシュルームと称される凝固鉄の付着物が形成されるため、上記のように底吹羽口２周辺の炉底レンガ３の表面温度を測定する際には、羽口近傍のマッシュルームの範囲を含まないように測定に留意する必要がある。このため、炉底レンガの表面温度Ｔ_BRの測定位置は、転炉の炉底に備えられた全ての底吹羽口の中心位置から、予め設定した距離ｄよりも離れた位置とすることが好ましく、距離ｄは設備および操業の条件に応じて経験的に設定することができる。

そして、赤外線カメラで撮影した画像の画像解析を行なって、温度の分布と、その温度別の面積を測定する。画像解析は、市販の解析ソフトを用いて行なうことができる。
このようにして測定した炉底レンガ３の表面温度Ｔ_BR（℃）から、その平均値Ｔ_AVを算出する。平均値Ｔ_AVは、温度計５から画像解析を経て得られたデータを演算装置に伝送すれば短時間で算出することが可能である。平均値Ｔ_AVを算出する際に、各底吹羽口の中心位置からの距離が予め設定した距離ｄ以内である位置の表面温度測定値を、除外する計算処理を行なうことが効率的である。

底吹羽口２の先端部にはマッシュルーム４が形成されており、図１に示すようにして底吹羽口２近傍の表面温度を測定した場合に、凝固鉄からなるマッシュルーム４は、出鋼した後に急速に冷却されて、炉底レンガ３の温度の平均値Ｔ_AVよりも低くなる。
一方で、耐火物からなる炉底レンガ３の表面温度は、出鋼した後の冷却速度が遅い。そのため、炉底レンガ３の表面温度の平均値Ｔ_AVと底吹羽口２近傍の表面温度Ｔとの差が、予め設定した閾値α（℃）に対して下記の(1)式を満足する部位にマッシュルームが形成されていると判定する。なお閾値αは、転炉の寸法や操業条件等に応じて適宜設定する。
Ｔ≦Ｔ_AV−α ・・・(1)
つまり、(1)式の関係を満足する底吹羽口２近傍の表面温度Ｔの部位をマッシュルームと判定することによって、定量的に精度良くマッシュルームを検出することが可能となる。しかも、その判定は、演算装置を用いて短時間で行なうことができる。ここで底吹羽口２近傍の表面温度を判定する範囲は、概ね前述の各底吹羽口の中心位置からの距離が、予め設定した距離ｄ以内である範囲とすれば良いが、必ずしもこれに限定されない。

このようにしてマッシュルームと判定した部位の面積Ｓ_MA（mm²）は、表面温度ＴがＴ_AV−α以下の部位の面積として画像解析によって測定することが可能である。
また、そのマッシュルーム４が形成された底吹羽口２の寸法は、設備仕様から判明するので、その底吹羽口２の中心軸に垂直な断面積Ｓ_TU（mm²）を算出することができる。そして、マッシュルーム４の面積Ｓ_MA（mm²）と、底吹羽口２の断面積Ｓ_TU（mm²）とが、予め設定した閾値βに対して、下記の(2)式を満足する場合に、その底吹羽口２に異常が発生したと判定する。なお閾値βは、転炉の寸法や操業条件等に応じて適宜設定する。
Ｓ_MA／Ｓ_TU≦β ・・・(2)
あるいは、転炉１には複数の底吹羽口２が設置されるので、それぞれのマッシュルームと判定した部位の面積Ｓ_MA（mm²）から平均面積Ｓ_AV（mm²）を算出し、マッシュルーム４の面積Ｓ_MAと平均面積Ｓ_AV（mm²）が、予め設定した１より小さい閾値γに対して、下記の(3)式を満足する底吹羽口２に異常が発生したと判定することも可能である。なお閾値γは、転炉の寸法や操業条件等に応じて適宜設定する。
Ｓ_MA／Ｓ_AV≦γ ・・・(3)
つまり(1)式に基づいて判定したマッシュルームのうち、(2)式または(3)式の関係を満足するマッシュルームを選別し、そのマッシュルームが形成された底吹羽口に異常が発生したと定量的に判定することによって、精度良く異常を検出することが可能となる。しかも、その判定は、演算装置を用いて短時間で行なうことができる。

ここで判定される底吹羽口の異常は、マッシュルームの縮小を誘発するものであり、具体的には、
(a)底吹羽口内に地金が浸入し、酸素ガスと反応して異常燃焼を引き起こす現象（いわゆる地金差し）
(b)酸素ガスとプロパンガスの供給バランスが変動して、底吹羽口の異常損耗を引き起こす現象（いわゆるバーンバック）
(c)スラグが底吹羽口を閉塞することによって、プロパンガスが逆流して異常燃焼を引き起こす現象（いわゆるバックファイア）
等である。これらの原因でマッシュルームが縮小すると、底吹羽口や炉底レンガを保護する効果が得られない。

このようにして検出したマッシュルームの大きさや底吹羽口の異常を、転炉操業の作業員に示す（たとえば画面に表示する、帳票に印刷する等）ことによって、作業員は底吹羽口の補修や閉止、あるいは転炉の炉修等の対策を的確に講じることができる。

表１に示す条件で底吹転炉を操業して、各チャージの精錬が終了すると、転炉を転動して出鋼孔から溶鋼を出鋼した後に、本発明を適用して底吹羽口の点検を行なった。以下にその手順を説明する。

底吹羽口の点検のために、図１に示すように、赤外線カメラ５を用いて撮影した画像の画像解析を行なって、底吹羽口２近傍の表面温度Ｔ（℃）とその周辺の炉底レンガ３の表面温度Ｔ_BR（℃）を測定した。
そして演算装置を用いて、各底吹羽口の中心位置からの距離が、予め設定した距離ｄ以内である位置の表面温度測定値を除外するようにして、炉底レンガ３の表面温度Ｔ_BR（℃）の平均値Ｔ_AV（℃）を算出し、温度Ｔが下記の(1)式を満足する部位をマッシュルームと判定し、かつその判定結果を表示装置の画面に表示した。なお、(1)式の閾値αは200℃に設定し、距離ｄは500mmとした。
Ｔ≦Ｔ_AV−α ・・・(1)
さらに、画像解析を行なって、マッシュルームと判定した部位の面積Ｓ_MA（mm²）を測定した。

そして演算装置を用いて、底吹羽口２の中心軸に垂直な断面積Ｓ_TU（mm²）とマッシュルーム４の面積Ｓ_MAが下記の(2)式を満足する場合に、その底吹羽口２に異常が発生したと判定し、かつその判定結果を表示装置の画面に表示した。なお、(2)式の閾値βは４に設定した。
Ｓ_MA／Ｓ_TU≦β ・・・(2)
以上の本発明を適用した点検作業を30回行なった結果、その平均所要時間は80秒／回であった。なお、点検作業の所要時間は、溶鋼の出鋼終了から次チャージの装入開始までの時間を指す。

これに対して従来は、作業員が目視で点検しており、その点検作業の平均所要時間は120秒／回であった。
従って、本発明の転炉底吹羽口のマッシュルームの検出方法を用いて羽口点検を行なうことにより、転炉の操業サイクル時間を短縮して、転炉の生産性を向上することが可能となった。

１ 転炉
２ 底吹羽口
３ 炉底レンガ
４ マッシュルーム
５ 温度計（赤外線カメラ）

Claims (5)

1. 溶鋼を出鋼した後に転炉の炉底レンガの表面温度Ｔ_BR（℃）を測定し、該表面温度Ｔ_BR（℃）の測定値から平均表面温度Ｔ_AV（℃）を算出し、該平均表面温度Ｔ_AVと予め設定した閾値α（℃）とに対して、底吹羽口の近傍において表面温度Ｔ（℃）が下記の(1)式を満足する部位をマッシュルームと判定することを特徴とする転炉底吹羽口のマッシュルームの検出方法。
   Ｔ≦Ｔ_AV−α ・・・(1)
2. 前記炉底レンガの表面温度Ｔ_BRの測定位置が、前記転炉の炉底に備えられた全ての底吹羽口の中心位置から、予め設定した距離ｄよりも離れた位置であることを特徴とする請求項１に記載の転炉底吹羽口のマッシュルームの検出方法。
3. 前記底吹羽口の近傍の表面温度Ｔ（℃）と前記炉底レンガの温度Ｔ_BR（℃）とを、赤外線カメラを用いて測定することを特徴とする請求項１または２に記載の転炉底吹羽口のマッシュルームの検出方法。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のマッシュルームの検出方法を用いて、マッシュルームと判定した部位の面積Ｓ_MA（mm²）と、該マッシュルームに対応する底吹羽口の断面積Ｓ_TU（mm²）とが、予め設定した閾値βに対して、下記の(2)式を満足する底吹羽口を異常と判定することを特徴とする底吹羽口の異常検出方法。
   Ｓ_MA／Ｓ_TU≦β ・・・(2)
5. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のマッシュルームの検出方法を用いて、前記転炉の炉底に備えられた複数の底吹羽口についてマッシュルームと判定した部位の面積Ｓ_MA（mm²）を求め、該面積Ｓ_MA（mm²）と、前記複数の底吹羽口のマッシュルームと判定した部位の面積Ｓ_MA（mm²）から算出される平均面積Ｓ_AV（mm²）とが、予め設定した１より小さい閾値γを用いて、下記の(3)式を満足する底吹羽口を異常と判定することを特徴とする底吹羽口の異常検出方法。
   Ｓ_MA／Ｓ_AV≦γ ・・・(3)

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