JP6406517B2 - 転炉用底吹き羽口 - Google Patents

Description

本発明は、細管集合型の転炉用底吹き羽口であり、その細管すなわち金属パイプからなる吹込みノズルの好適配置を実現することで耐用性の向上が期待できる底吹き羽口に関する。

溶融金属を精錬する場合、とくに転炉にて溶鋼を溶製する場合、その転炉内に、攪拌による反応の促進等を目的として各種のガスを吹き込むことがある。例えば、転炉にて銑鉄の炭素を取り除く精錬のように、炉底からアルゴンや窒素などの不活性ガスを吹き込む場合などである。この場合、炉底から攪拌用ガスを吹き込むための底吹き羽口が必要となる。その底吹き羽口の一つとして、非特許文献には、柱状の羽口耐火物中に多数の金属パイプを埋設した構造の底吹き羽口を開示している。このような底吹き羽口は、ガス流量の下方弾力性に優れており、商業生産用の転炉において特に賞用されている。

前記転炉用底吹き羽口は、例えば、特許文献１や特許文献２に記載のような構造となっているのが普通である。即ち、底吹き羽口は、略円柱状の羽口耐火物中に、ガス流路を構成する複数の金属パイプからなる吹込みノズルが、このノズルの軸方向が転炉の上下方向に沿うように、かつ各々離隔した状態で埋設されており、一般には、ガス吹き出し方向からみて（平面視）、この羽口の中央を含む所定のガス吹き出し領域内において、等間隔もしくは略等間隔に配置されるのが普通である。つまり、従来の底吹き羽口にあっては、ガスの吹き出し方向からみて、一つのガス吹き出し領域内に、全てのガス流路が略等間隔になるように配設されているものが多い。

特開昭５９−１５３８１８号公報 実公昭６２−１７４６３号公報 特開２０１２−２２９４８７号公報

鉄と鋼６８（１９８２）４、Ｓ２００

前記底吹き羽口（いわゆる羽口ブロック）については、近年、溶鋼の製造コストの低減という要請から、その損耗速度の抑制が望まれている。一方、精錬時間の短縮やスクラップの多量使用等の要求により、底吹きガス流量の増大も望まれており、これらに対応した該底吹き羽口の損耗速度低減が強く求められている。

この点に関しては、前記従来技術のように、一つのガス吹き出し領域内において、複数のガス流路（金属パイプからなる吹込みノズル）を単に等間隔で配置したものでは、ガス流量が増加するほど底吹き羽口の特に羽口耐火物の温度分布が不均一となり、該耐火物の損耗速度が増大するという問題があった。

これに対し、前述した問題を克服するための対策として、特許文献３では、金属細管が埋設されている全領域を含む最小円を基準円とし、その基準円の半径の２／３の円で領域を分けた上で、金属細管の配置を
０．１≦（内側のガス流路断面／内側の領域面積）／（外側のガス流路断面／外側の領域面積）≦０．８
となるように配置した羽口ブロック（底吹き羽口）を提案している。しかし、この新提案技術では、確かにそれ以前のものよりは損耗速度の低減ができるが、それでも十分な対策となっていない。

前述したおり、従来から提案されてきた底吹き羽口は、以前として、羽口耐火物や金属細管の損耗速度が大きく、該底吹き羽口（ブロック）の取替えや炉全体の補修頻度が高いという課題があった。

そこで、本発明の目的は、耐用性の高い転炉底吹き羽口の構造を提案することにある。

発明者らは、従来技術が抱えている前記課題を解決し、上掲の目的を実現するために、鋭意検討を重ねた結果、金属細管からなる複数の吹込みノズルを、このノズルの吹き出し口の平面視配置が同心の円形もしくは多角形の複数環状配列となるように、柱状の羽口耐火物中に軸方向に埋設してなる底吹き羽口において、最外周の位置に埋設された前記吹込みノズルの隣り合うものどうしの中心間距離を、上記最外周のすぐ内側の周に位置して埋設されている前記吹込みノズルの隣り合うものどうしの中心間距離よりも大きくすると共に、該最外周のすぐ内側の周に位置して埋設されている前記吹込みノズルの隣り合うものどうしの中心間距離を５〜２０ｍｍとし、かつ最外周の位置に埋設される前記吹込みノズルの数を、当該最外周の位置に埋設されている吹込みノズルの隣り合うものどうしの中心間距離と同じ距離の中にある、そのすぐ内側の周にある吹込みノズルの数の１／３〜２／３に減らしたことを特徴とする転炉用底吹き羽口が有効であることを突き止め、本発明の開発に成功した。

本発明に係る転炉用底吹き羽口によれば、羽口外周寄りの部分において、羽口耐火物と金属細管との面積比率や冷却強度のバランスがよくなり、発生応力の低減に寄与して羽口の損耗速度が大幅に改善され、耐用性に優れたものになるという効果がある。

底吹き羽口の断面図である。 底吹き羽口の平面図である。

図１は、転炉底吹き羽口の一例を簡略化して示す断面図である。図示の１は、転炉の炉底れんが５中に埋設された転炉底吹き羽口であり、２は、この底吹き羽口１の最外郭部を構成している羽口れんがであって、水平断面が多角形や円形、楕円形の筒状である。図示の３は、前記羽口れんが２中に不定形耐火物を充填して形成された基本的には柱状の羽口耐火物であり、この羽口耐火物３の軸方向（転炉の上下方向）には、複数（５０〜１００本程度）の金属細管が、一般的には、半径方向と周方向とにそれぞれ略等間隔もしくは不等間隔に分散した状態にて埋設される吹出しノズル４が配設されている。なお、図示の６はガス供給管、７はガス供給用ヘッダー、８は底吹き羽口押えれんがである。

これに対し、本発明に係る底吹き羽口は、以下に説明するような特徴的な構成を有している。即ち、前記羽口耐火物３中に埋設される吹出しノズル４の配列は、平面視の配置形状が同心環状に配置される場合を基本として、円形、楕円形もしくは四角や六角形の如き多角形となるように、炉の上下方向に沿って多数列設されたものからなるものを好適例とする。

発明者らは、転炉の底吹き羽口１のとくに羽口耐火物３の損耗を抑えるために、該羽口耐火物３の損耗メカニズムについて鋭意検討を行なったところ、その損耗は吹錬中に生じた亀裂が伸展して剥離することで進行することを突き止めた。そして、その亀裂の発生、伸展を抑制するためには、該羽口耐火物３内に発生する熱応力を低減する必要のあることも分った。

ところで、羽口耐火物３内に発生する前記熱応力は、該底吹き羽口部周辺の炉底れんが５からの入熱と金属細管である吹出しノズル４内を流れる低温ガスによる影響で生じる温度勾配によって発生することを突き止めた。そこで、その熱応力を低減するために種々検討したところ、該羽口耐火物３内の温度勾配を平坦にすることが有効であることが判った。

一般に、前記底吹き羽口から炉内へのガスの吹込み量は、要請される吹錬に応じて必要かつ適正な量が決まっており、それによって該吹出しノズル４の本数もまた決定される。こうした制約の中で、発明者らは、吹出しノズル４の羽口耐火物３への埋設形態、とくに吹出しノズルである金属細管平面視の配置の形態について詳しく検討をした。

その結果、最外周に位置している吹込みノズルの隣り合うものどうしの間隔を、それよりすぐ内側の周にある吹込みノズルの隣り合う間隔よりも大きくすること、具体的には、最外周の位置に埋設された前記吹込みノズルの隣り合うものどうしの中心間距離（Ｄ）を、それよりもすぐ内側の周に位置して埋設されている前記吹込みノズルの隣り合うものどうしの中心間距離（ｄ）よりも大きくすることが有効である。

さらに、より好ましい具体例としては、最外周のすぐ内側の周に位置している前記吹込みノズルの隣り合うものどうしの中心間間隔（ｄ）を５〜２０ｍｍとしたとき、最外周の位置に埋設される前記吹込みノズルの数を、当該最外周の位置に埋設されている吹込みノズルの隣り合うものどうしの中心間距離（Ｄ）と同じ距離の中に配設される、そのすぐ内側の周にある吹込みノズルの数の１／３〜２／３に減らした本数となるように埋設することである。例えば、図２（ａ）の場合、最外周には２本、そのすぐ内側には同じ幅（Ｌ）の中に４本の吹込みノズルを配設した例を示している。また、図２（ｂ）の場合は１／２の例である。

なお、この場合において、その最外周の隣り合う吹出しノズル４どうしの中心を結んでできる領域（Ｌ）内に、そのすぐ内側の周にある吹出しノズルの中心を結んできる領域（ｌ）を全て包摂するように配置すること、即ち、最外周に位置する隣り合う吹込みノズルを結ぶ範囲内にはそれぞれ、すぐ内側の周に位置させる吹込みノズルをいずれも２以上配設することが好ましい。このような配置の形態とすることで、羽口耐火物３の外周部に発生する熱応力を小さくすることができ、底吹き耐用性が向上するである。

なお、上記の底吹き羽口の構成において、最外周以外、即ち、そのすぐ内側にある吹出しノズル４の中心間距離が、５ｍｍより小さいと、該吹出しノズル４間に充填する耐火物の埋設不良が生じ、耐用性の低下を招く。一方、この中心間距離が２０ｍｍより大きくなると、最外周にある吹出しノズル４への冷却が不足し、吹錬中に吹出しノズル４が溶融し、同様に耐用性の低下を招くことになる。

そして、最外周のすぐ内側の周に位置している前記吹込みノズルの隣り合うものどうしの中心間間隔（ｄ）を５〜２０ｍｍとし、かつ最外周の位置に埋設される前記吹込みノズルの数を、当該最外周の位置に埋設されている吹込みノズルの隣り合うものどうしの中心間距離（Ｄ）と同じ距離の中に配置される、その内側の間にある吹込みノズルの数の１／３〜２／３程度に減らした本数となるように埋設する理由は、最外周にある吹出しノズルの数が、１／３未満では、冷却不足となり，埋設したパイプが溶融し、結果として損耗速度が大きくなり、一方、２／３を超える本数になると、従来の温度分布からの改善効果が小さく，発生応力の低減が小さいからである。

また、最外周にある吹出しノズルの本数を限定（低減）するのは、前述したように、ガス流量が吹錬条件で決まっているため、吹出しノズルの本数を減らすことで、一つの吹出しノズルからの吹出しガス流量が増加し、却って損耗速度が増加する懸念があること、あるいは結果的に吹出しノズルの本数を増やすことになるため好適数を埋設する必要が生じるのである。

さらに、最外周に位置する隣り合う吹込みノズルを結ぶ範囲内にはそれぞれ、すぐ内側の周に位置させる吹込みノズルをいずれも２以上配設する理由は、このバランスが崩れると、包摂していない部分の冷却が大きくなり、その部分の熱応力が大きくなるからである。

以下、本発明の実施例について説明する。
表１は、本発明の適合例および比較例を対比したものである。これらの例において、各吹出しノズルの配置について、熱応力計算を行い、最外周部に埋設されている吹出しノズル部近傍の羽口耐火物中に発生する応力を求めた。その応力値は、比較例１の応力値を基準として規格化した。また、各底吹き羽口についての損耗速度は、同様に比較例１の損耗速度を用いて規格化した。その結果、本発明例（実施例１〜５）では、発生熱応力が２０〜２５％も低減しており、損耗速度は４０〜５０％程度に抑制されていることがわかった。

一方、隣り合う吹出しノズルの中心間距離が本発明の範囲外である比較例２や比較例３では、損耗速度が大幅に増加した。即ち、比較例２では、吹出しノズル間の距離が小さすぎて、耐火物坏土の充填不良が起こり、そのために損耗速度が悪化したと考えられる。また、比較例３では、冷却不足のために吹出しノズルの溶融がみられ、損耗速度が大きくなったと考えられる。比較例４は、最外層の吹出しノズルの本数を本発明範囲外とした場合であるが、若干の損耗速度の低減はみられたが、その効果は小さい。特に、比較例４では、熱応力の低減効果は本発明例並みであるが、冷却不足のため吹出しノズルが溶融ぎみになり損耗低減効果が小さいという結果となった。

以上説明したように、本発明に適合する吹出しノズルの配置形態を採用した底吹き羽口を使用することにより、従来の底吹き羽口に比べて損耗速度を格段に低減させることができた。

本発明に係る技術は、底吹き転炉のみならず、炉の底部から溶湯中に各種のガスを噴出させるためのノズルを有する取鍋や各種精錬炉の如き精錬設備にも応用して使用することができる。

１ 転炉底吹き羽口
２ 羽口れんが
３ 羽口耐火物
４ 吹出しノズル
５ 炉底れんが
６ ガス供給管
７ ガス供給用ヘッダー
８ 底吹き羽口押えれんが

Claims (1)

1. 金属細管からなる複数の吹込みノズルを、このノズルの吹き出し口の平面視配置が同心の円形もしくは多角形の複数環状配列となるように、柱状の羽口耐火物中に軸方向に埋設してなる底吹き羽口において、
   最外周の位置に埋設された前記吹込みノズルの隣り合うものどうしの中心間距離を、上記最外周のすぐ内側の周に位置して埋設されている前記吹込みノズルの隣り合うものどうしの中心間距離よりも大きくすると共に、該最外周のすぐ内側の周に位置して埋設されている前記吹込みノズルの隣り合うものどうしの中心間距離を５〜２０ｍｍとし、かつ最外周の位置に埋設される前記吹込みノズルの数を、当該最外周の位置に埋設されている吹込みノズルの隣り合うものどうしの中心間距離と同じ距離の中にある、そのすぐ内側の周にある吹込みノズルの数の１／３〜２／３に減らしたことを特徴とする転炉用底吹き羽口。

Images