JP6021787B2

JP6021787B2 - 充填砂の評価及び選定方法

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Publication number: JP6021787B2
Application number: JP2013233064A
Authority: JP
Inventors: 裕己太田
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2013-11-11
Filing date: 2013-11-11
Publication date: 2016-11-09
Anticipated expiration: 2033-11-11
Also published as: JP2015093292A

Description

本発明は、取鍋などの排出口に充填される充填砂の評価及び選定方法に関する。

近年、品種構成の多様化、品質レベル向上の要望増加などにより、二次精錬プロセスを代表とする製鋼工程は複雑・多様化してきている。このような製鋼工程（精錬プロセス）では、取鍋などの溶鋼容器に溶鋼を装入し、様々な精錬処理を行い、その後、取鍋の底面に配設されたノズルから、処理後の溶鋼を外部へ排出している。取鍋からの溶鋼排出時（出鋼時）には、取鍋に設けたノズルを開孔する、即ち、取鍋開孔を行うことによって取鍋内の溶鋼を外部に排出する作業が必須作業となっている。

この取鍋開孔時には、ノズル内に充填された充填砂が溶鋼の静圧によって当該ノズル内から外部に排出され、これにより、ノズルが自然開孔する。しかしながら、取鍋開孔時にノズル内の充填砂が詰まり、出湯に手間取った場合には、酸素溶解することにより取鍋開孔を行うという作業が必要となる。この酸素溶解作業は、品質への悪影響、作業時間増大で連続鋳造が行えなくなるなど、操業上多くの問題が生じる要因となる。そこで、取鍋開孔をスムーズに進めるために、充填砂の評価方法や充填砂の配設方法などが開発されている。

例えば、特許文献１には、取鍋の敷き部に溶鋼流出用ノズルとは別の位置に保持部を設け、その保持部に評価用充填材を装入した後、溶鋼を注入し、精錬が終了した後に充填材を回収し、ノズル充填材の焼結状況や浸透状況を調査することが開示されている。また、特許文献２には、溶鋼に充填砂を浸漬させるタイプの試験方法であって、ノズルと溶鋼間の温度勾配の影響を考慮して評価を行うことが開示されている。

特許文献３には、充填砂のノズルへの充填方法として、下砂に難溶融性のシリカ・クロマイト砂、上砂に溶融性の高いシリカ、長石系の砂を置く、２層充填構造とすることが開示されている。また、特許文献４には、充填砂の試料を１５００℃で１時間で焼結し、その焼結試料を一定速度荷重下で圧縮し、その崩壊強度を評価指数とすることが開示されている。その他に、特許文献５に開孔率が向上する充填砂が開示されている。

特開平１１−２６３７８１号公報特開平０９−５４０７７号公報特開２００５−０８８０２０号公報特開２００１−１２１２５６号公報特開２００６−２９７４２６号公報

特許文献１〜特許文献５の方法や充填砂を用いた場合、ある程度は自然開孔率が向上することができるものの、自然開孔率を１００％にすることができないのが実情である。つまり、自然開孔率を確実に１００％にすることができる充填砂を選定する技術は未だ開発されておらず、新たに開発することが望まれていた。
そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、取鍋の自然開孔率を１００％にすることができる充填砂を選定することが可能な充填砂の評価及び選定方法を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。
即ち、本発明における課題解決のための技術的手段は、取鍋内の溶湯を排出するノズルに充填される充填砂を評価及び選定する方法であって、前記充填砂の試料収縮率を測定した際に、温度が１２５０℃以上１３５０℃以下の低温域では熱間試料収縮率が１．２％以上２．５％以下となり、且つ、温度が１４５０℃以上１５５０℃以下の高温域では冷間試料収縮率が３．０％以上１０％以下である充填砂を選定することを特徴とする充填砂の評価及び選定方法。なお、前記充填砂の組成は、Ｃｒ _２Ｏ _３：３３．８〜３９．６（質量％）、Ｆｅ _２Ｏ _３：１７．８〜２６．３（質量％）、ＳｉＯ _２：１４．２〜２４．８（質量％）、Ｃ：０．１６〜０．６３（質量％）、ＭｇＯ：７．９〜８．６（質量％）、Ａｌ _２Ｏ _３：１１．２〜１３．２（質量％）、残部：０．１９〜２．５３（質量％）であり、前記熱間試料収縮率は、ホットプレス機を用い、充填砂からなるサンプルに溶鋼静圧に対応した圧力を加えると共に、サンプルを加熱部で加熱した後の熱間状態でのサンプルの収縮率（試験後のサンプル高さ÷試験前のサンプル高さ×１００）であり、冷間試料収縮率は、電気炉を用いて、充填砂からなるサンプルを加熱し、その後サンプルを冷却し、冷間状態となったサンプルの収縮率（試験後のサンプル高さ÷試験前のサンプル高さ×１００）のことである。

本発明によれば、取鍋の自然開孔率を１００％にすることができる充填砂を選定することができる。

取鍋のノズルに充填砂を充填してから溶鋼を外部に排出するまでの流れを示した図である。低温域の収縮率を測定するホットプレス機の概略図である。実施例及び比較例において、組成が同じ充填砂での収縮率をまとめた図である。実施例及び比較例における収縮率と自然開孔率の結果を示す図である。

以下、図面に示した実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
製鋼工程においては、転炉や電気炉等にて溶銑（溶湯）の一次精錬を行い、一次精錬終了後の溶鋼を取鍋に装入した後、取鍋を二次精錬設備に搬送し、二次精錬設備にて介在物の除去や成分調整等の二次精錬を行う。そして、二次精錬処理後、溶鋼は取鍋によって連続鋳造装置に搬送され、取鍋内の溶鋼は連続鋳造装置のタンディッシュに注入され、連続鋳造装置によって、スラブ等の鋳片へと鋳造される。

このように、製鋼工程では、一次精錬設備、二次精錬設備及び連続鋳造装置の間で溶鋼を搬送するために取鍋を使用しており、二次精錬処理後は取鍋に設けられたノズルを開孔（開放）する、即ち、取鍋開孔を実施することによって当該溶鋼内の溶鋼を連続鋳造装置のタンディッシュに注入（排出）している。このような製鋼工程では、溶鋼内の溶鋼をタンディッシュ等の外部に確実に排出すること、取鍋開孔時におけるノズルの自然開孔率が１００％であることが望まれている。本発明では、取鍋のノズルに充填する充填砂を適正に選定することによってノズルの自然開孔率の向上を図っている。

以下、本発明について詳しく説明する。
図１に示すように、ノズル１は取鍋２の底部３に設置され、当該ノズル１の外側（溶鋼排出側）には、スライドプレート４が設けられている。スライドプレート４は、ノズル１の溶鋼排出側に固定された第１プレート４ａと、第１プレート４ａの溶鋼排出側に移動自在に設けられた第２プレート４ｂとを備えており、第２プレート４ｂは図示省略の油圧シリンダ等の移動機構によって水平方向に移動する。なお、取鍋２の底部３には耐火物５が設けられている。

さて、取鍋２への溶鋼の装入前では、図１（ａ）に示すように、第２プレート４ｂを一方側（左側）に位置させてノズル１の外側を閉鎖したうえで、当該ノズル１内に充填砂Ｓを充填する。そして、図１（ｂ）に示すように、ノズル１に充填砂Ｓを充填した後は、ノズル１を閉鎖した状態で取鍋２内に溶鋼を装入する。なお、適正な充填砂Ｓを適正に充填した場合は、図１（ｂ）の矢印Ａに示すような溶鋼の差し込みは発生しない。そして、取鍋２内の溶鋼をタンディッシュ等の外部に排出する場合（取鍋開孔時）は、図１（ｃ）に示すように、第２プレート４ｂを他方側（右側）に位置させてノズル１を外部に向けて開孔状態にする。

ノズル１を開孔状態としたとき、後述するように充填砂が適正に選択されている場合、溶鋼２の静圧により充填砂Ｓの焼結層が破壊され、タンディッシュ内に溶鋼が排出されることになる。
ここで、ノズル１内に充填した充填砂が著しく焼結しないものである場合、即ち、充填砂の焼結特性が極端に悪い場合、溶鋼を取鍋２に装入した段階で、例えば、一部の充填砂が溶鋼によって洗い流され、図１（ｂ）の矢印Ａに示すように充填層の内部に溶鋼が差し込まれてしまう。そうすると、ノズル１の外側を開放した際に、充填砂Ｓの焼結層が破壊されず、溶鋼が排出できないという不具合が生じる。つまり、充填砂の焼結特性が極端に悪い場合は、図１（ｃ）の状態にはならず、酸素等によって焼結層等を溶解して溶鋼を排出しなければならない「開孔不良」が発生したり、酸素等によって焼結層等が溶解することが実質的に不可能な「開孔不能」が発生する。

一方、充填砂が焼結し易い場合は、溶鋼による充填砂の洗い流しは防止することができるものの、図１（ｃ）の状態にはならず、ノズル１の外側を開放した際に、非常に破壊されにくい焼結層が形成されて開孔不能となる。
このように、充填砂によっては、開孔不良や開孔不能等が発生するため、適切な充填砂を選定することは重要なことである。発明者は、充填砂の選定について様々な角度から検証を行った。その結果、充填砂がほぼ同様な組成、粒度であっても自然開孔性の優劣が異なることを知見した。その原因として、ほぼ同様な組成、粒度であっても、充填砂に含まれる測定不可能なレベルの微量元素濃度の存在有無により充填砂の焼結特性が変化するためと考えられる。

そこで、本願発明者らは、組成や粒度からノズル向けの充填砂の設定をするのではなく、別の方法で充填砂を評価し選定する方法を見いだした。
検証の結果、発明者は、低温域での充填砂の焼結特性と、高温域での充填砂の焼結特性を評価し、その結果から適正な充填砂を選定できることを見いだした。即ち、低温域では溶鋼の洗い流しや溶鋼の差し込みが無い程度に焼結し、且つ、高温域では溶鋼静圧によって破壊される程度に焼結する充填砂を用いれば、上述した開孔不良や開孔不能等が発生しないことを見いだした。

具体的には、充填砂を選定するにあたって焼結の度合い（焼結特性）を測定しなければならないが、焼結の度合い（焼結特性）を直接測定することが難しいため、まず、焼結の度合いを測定するものとして、充填砂の収縮率を測定することとした。すなわち、充填砂Ｓをノズル１に充填して焼結を行った場合、焼結が進行している場合は充填砂Ｓの収縮率は大きく、焼結が進んでいない場合には充填率Ｓの収縮率は小さい。つまり、充填砂の収縮率の増減は、焼結の進み具合と同等に考えられることから、充填砂の収縮率を測定することで焼結の度合い（焼結特性）を見ることとした。

詳しくは、充填砂の試料収縮率（収縮率）を測定した際に、温度が１２５０℃以上１３５０℃以下の低温域では熱間の試料収縮率（熱間試料収縮率）が１．２％以上２．５％以下となり、且つ、温度が１４５０℃以上１５５０℃以下の高温域では冷間の試料収縮率（冷間試料収縮率）が３．０％以上１０％以下である充填砂を選定することとした。
低温域における熱間試料収縮率の測定では、図２に示すようなホットプレス機を採用した。このホットプレス機は、黒鉛等により形成された筒状の筒体（黒鉛型）１０と、黒鉛型１０の一方側を閉鎖する固定体１１と、黒鉛型１０の他方側を閉鎖する移動体（可動体）１２と、黒鉛型１０を加熱する加熱部（図示省略）を備えたものである。

熱間試料収縮率を測定するにあたっては、移動体（可動体）１２を黒鉛型１０から離れる方向（離反方向）に移動させて黒鉛型１０内を開放し、黒鉛型１０内にサンプル（充填砂）Ｓを装入する。そして、黒鉛型１０内にサンプルＳを装入した後、移動体（可動体）１２を黒鉛型１０から近接する方向（近接方向）に移動させて黒鉛型１０内を閉鎖する。その後、移動体１２を近接方向に移動させるによって、サンプルＳに所定の圧力（溶鋼静圧に対応した圧力）を加えると共に、黒鉛型１０を加熱部で加熱する。なお、サンプルＳと固定体１１との間、サンプルＳと移動体１２との間にはスペーサ１３を介在させることが好ましい。

さらに詳しくは、低温の試験では、サンプル量は５０ｇとし、筒体（黒鉛型）はφ２５ｍｍとした。加熱部としては電気炉を採用した。即ち、電気炉内に黒鉛型１０をセットした後、Ａｒ雰囲気下で約１３００℃（１０℃／ｍｉｎ）まで加熱した。サンプルＳに対して上下方向に常に０．５〜１ＭＰａの負荷をかけながらロードセルでサンプルＳの収縮率の変化を測定しつつ、約１３００℃のまま２時間保持した後、サンプルＳの収縮率を求めた。収縮率（％）、即ち、熱間試料収縮率（％）は、「収縮率（％）＝加圧２時間保持後のサンプル高さ（ロードセルの上下位置）÷加圧前のサンプルの高さ（ロードセルの上下位置）×１００」で求めた。

この試験結果と実際の現象とを対比・検証した場合、低温域（温度が１２５０℃〜１３５０℃）において、収縮率が１．２０％未満の場合、溶鋼の差込みや洗い流しによる開孔不良が多発した。低温域において、収縮率が２．５％を超える場合、過焼結による開孔不良が発生した。
なお、低温域の試験では加圧を行っているが、加圧なしと比べて極めて精度良くサンプルの収縮率を測定することが可能である。加圧をしない場合は、試験後の収縮変化量が少なくて測定精度が悪化してしまう。

一方、高温域における冷間試料収縮率の測定では、一般的な電気炉（カンタル炉）を用いた。冷間試料収縮率を測定するにあたっては、サンプルＳを黒鉛坩堝内に入れた後、黒鉛坩堝を電気炉内に入れて加熱する。なお、複数の黒鉛坩堝を電気炉に入れることによって複数のサンプルを同時に評価してもよい。
詳しくは、高温の試験では、サンプル量は５０ｇとし、黒鉛坩堝はφ２５ｍｍとした。電気炉内は、Ａｒ雰囲気下で約１５００℃（１０℃／ｍｉｎ）まで加熱し、約１５００℃のまま２時間保持した後、サンプルＳの冷却後の収縮率（冷間試料収縮率）を求めた。

収縮率（％）は、「収縮率（％）＝試験後のサンプル高さ÷試験前のサンプル高さ×１００」で求めた。なお、サンプル高さは、試験前後にノギスにより測定した。
この試験結果と実際の現象とを対比・検証した場合、高温域（温度が１４５０℃〜１５５０℃）において、収縮率が３．０％未満の場合、溶鋼の差し込み等による開孔不良が多発した。高温域において、収縮率が１０％を超える場合、過焼結による開孔不良が発生した。

以上、本発明によれば、取鍋２に充填砂Ｓを充填する前に充填砂Ｓの収縮率を測定することとし、その圧縮率の測定試験において、温度が１２５０℃以上１３５０℃以下の範囲では収縮率が１．２％以上２．５％以下となり、温度が１４５０℃以上１５５０℃以下の範囲では収縮率が３．０％以上１０％以下となる充填砂を選定する。そして、選定した充填砂Ｓを取鍋２のノズル１に充填することによって、開孔不良や開孔不能を防止することができる。

表１は、本発明の充填砂の評価及び選定方法によって充填砂を選定した実施例と、本発明とは異なる方法で充填砂を選定した比較例とをまとめたものである。

実施例及び比較例では、開孔不良や開孔不能等を評価するために、実際に操業を行った。具体的には、取鍋２に充填砂を充填後、当該取鍋２を転炉に移動させ、転炉にて脱炭処理が終了した溶鋼を受鋼した。また、溶鋼の受鋼後、取鍋を二次精錬設備（例えば、ＬＦ、ＣＡＳ、ＲＨ等）に移動させて当業者常法通りに溶鋼の二次精錬処理を行った。その後、二次精錬処理の終了後、取鍋２を連続鋳造装置に移動させてタンディッシュに溶鋼を注入する作業を行った。ここで、ノズル１の外側を開放した際（スライドプレート４を閉鎖状態から開放状態にした際）に、ノズル内に酸素を吹き付ける等の強制処置を行うことなく自然に溶鋼がタンディッシュに注入した場合は、自然開孔が実施できたと判断した。

一方、ノズル内に酸素を吹き付ける等の強制処置を行うことによって充填砂の焼結層を破壊して、タンディッシュ内に溶鋼を注入した場合は、開孔不良と判断した。また、強制処置を行っても溶鋼がタンディッシュ内に注入することができなかった場合は、開孔不能と判断した。
自然開孔率は、強制処置を講じなくても溶鋼がタンディッシュに注入できた割合、即ち、「自然開孔率＝自然開孔の数／ノズルの外側を開放した数」で求めた。実施例及び比較例では、転炉から連続鋳造までの処理を３００チャージ以上行って、自然開孔率の優劣を評価した。なお、操業条件が開孔に与える影響をなくすため、実鍋時間（転炉の溶鋼を取鍋で受鋼してから取鍋内の溶鋼をタンディッシュに排出するまでの時間）が８０分以上１６０分未満で、且つ、溶鋼の最高温度は１６０℃以上〜１７００℃未満の操業についての自然開孔率を求めることとした。

転炉の容量（粗鋼トン）は２５０ｔｏｎとした。取鍋の容量も２５０ｔｏｎとした。取鍋のスラグラインの耐火物はＭｇＯ−Ｃ耐火物で、メタルラインの耐火物（胴部及び敷部の耐火物）はアルミナ系耐火物を使用した。ノズル（注入ノズル）はアルミナ系材質で構成し、ノズルの内径は次第に小さくなるテーパ形状とした。詳しくは、ノズルの内側端部（溶鋼排出口と反対側）の内径はφ１２０ｍｍとし、ノズルの外側端部（溶鋼排出口側）の内径はφ８０ｍｍとした。ノズルの高さ（ノズルの長さ）は３２５ｍｍとした。ノズルには、１回当たり（１チャージ当たり）、４０〜５０ｋｇの充填砂を取鍋の上方から装入した。

実施例１〜１３では、低温域（１２５０〜１３５０℃）における収縮率が１．２％以上２．５％以下であり、且つ、高温域（１４５０〜１５５０℃）における収縮率が３．０％以上１０％以下であったため、開孔率は１００％であった。
比較例１４〜２０（比較例−１）では、低温域における収縮率は１．２％以上２．５％以下であるものの、高温域における収縮率が３．０％未満であったり１０％を超えているため、開孔率を１００％にすることはできなかった。

また、比較例２１〜２５（比較例−２）では、高温域における収縮率は３．０％以上１０％以下であるものの、低温域における収縮率が１．２％未満であったり２．５％を超えているため、開孔率を１００％にすることはできなかった。比較例２６〜３２（比較例−３）では、低温域及び高温域の収縮率が上述した規定値範囲外であったため、開孔率を１００％にすることはできなかった。

図３は、組成が同じ充填砂での収縮率をまとめたものである。図３は、実施例１〜実施例３、比較例１５、比較例２２及び比較例３０の収縮率を示しており、図３に示すように、組成が同じであっても低温域における収縮率や高温域における収縮率は異なっており、従来のように組成で充填砂を評価しても、焼結特性は異なっていることがわかる。
図４は実施例及び比較例における収縮率と自然開孔率の結果を示したものである。

図４に示すように、低温域（１２５０℃以上１３５０℃以下）の範囲では収縮率が１．２％〜２．５％の範囲となり、高温域（１４５０℃以上１５５０℃以下）では収縮率が３．０〜０％となる充填砂を選定することにより、自然開孔率を１００％（図４の「○」）にすることができ、これから外れる収縮率の場合は自然開孔率は１００％未満（図４の「×」）となった。

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ノズル
２取鍋
３底部
４スライドプレート
４ａ第１プレート
４ｂ第２プレート
５耐火物
８ホットプレス機
１０筒体（黒鉛型）
１１固定体
１２移動体（可動体）
１３スペーサ

Claims

取鍋内の溶湯を排出するノズルに充填される充填砂を評価及び選定する方法であって、
前記充填砂の試料収縮率を測定した際に、温度が１２５０℃以上１３５０℃以下の低温域では熱間試料収縮率が１．２％以上２．５％以下となり、且つ、温度が１４５０℃以上１５５０℃以下の高温域では冷間試料収縮率が３．０％以上１０％以下である充填砂を選定することを特徴とする充填砂の評価及び選定方法。
なお、前記充填砂の組成は、Ｃｒ _２Ｏ _３：３３．８〜３９．６（質量％）、Ｆｅ _２Ｏ _３：１７．８〜２６．３（質量％）、ＳｉＯ _２：１４．２〜２４．８（質量％）、Ｃ：０．１６〜０．６３（質量％）、ＭｇＯ：７．９〜８．６（質量％）、Ａｌ _２Ｏ _３：１１．２〜１３．２（質量％）、残部：０．１９〜２．５３（質量％）であり、前記熱間試料収縮率は、ホットプレス機を用い、充填砂からなるサンプルに溶鋼静圧に対応した圧力を加えると共に、サンプルを加熱部で加熱した後の熱間状態でのサンプルの収縮率（試験後のサンプル高さ÷試験前のサンプル高さ×１００）であり、冷間試料収縮率は、電気炉を用いて、充填砂からなるサンプルを加熱し、その後サンプルを冷却し、冷間状態となったサンプルの収縮率（試験後のサンプル高さ÷試験前のサンプル高さ×１００）のことである。