JP6640461B2 - マルチホールプラグ - Google Patents

Description

本発明は、転炉や電気炉等の溶融金属精錬容器において底部からガスを吹き込むために使用するガス吹込用のプラグに関し、特に、耐火物からなるプラグ本体中に、上下方向に複数本のガス吹込管が埋設されたマルチホールプラグに関する。

溶銑の脱炭製錬や脱燐製錬、更には鉄の溶融還元を行う溶融金属製錬容器では、多くの場合その底部（羽口部）に、ガスを吹き込むためのガス吹込用のプラグが設置されている。このようなガス吹込用のプラグの一種として、耐火物からなるプラグ本体中に、上下方向に複数本のガス吹込管（一般的には外径１〜６ｍｍ程度の金属管）が埋設されたマルチホールプラグが知られている。このようにマルチホールプラグは、複数本のガス吹込管を備えることから、ガス吹込量の調節が容易であるという特徴を有する。なお、マルチホールプラグは、羽口周囲耐火物に装着されて使用されるが、そのプラグ本体及び羽口周囲耐火物は、耐食性及び耐スポーリング性を確保するため、一般的にはマグネシアカーボンれんがで構成される。

ところがマルチホールプラグにおいては、複数本のガス吹込管から、室温つまり低温のガスが吹き込まれるため、これらガス吹込管の近くのプラグ本体は冷却されて低温となる。一方、ガス吹込管から離れた部分のプラグ本体は、溶融金属により加熱されて高温になるため、マルチホールプラグのプラグ本体には大きな温度勾配（温度差）が生じる。したがって、マルチホールプラグには、使用時に生じる温度勾配に起因してプラグ本体に亀裂等の損傷が発生し、使用に伴いその損傷が進行するという問題がある。更に、特に転炉においては、底吹きガスの攪拌により生じる溶融金属流が、マルチホールプラグを摩耗し、損傷させるという問題がある。これらの問題を解決するべく多数の提案がなされている。

例えば特許文献１には、ガス吹込面においてガス吹込管（金属細管）を含む羽口存在領域を内側と外側に区別し、内側の羽口存在領域面積ＴＡｉ，内側の流路断面積ＧＡｉ，外側の羽口存在領域面積ＴＡｏ，外側の流路断面積ＧＡｏの関係が、０．１≦（ＧＡｏ／ＴＡｏ）／（ＧＡｉ／ＴＡｉ）≦０．８を満たすマルチホールプラグ（羽口ブロック）が提案されている。この特許文献１のマルチホールプラグ（羽口ブロック）によれば、ガス吹込管（金属細管）を含む羽口存在領域内の温度勾配を縮小することはできる。しかし、羽口存在領域とその外側の領域との間には依然として大きな温度勾配が発生する。

また、特許文献２には、ガス吹込管を有するマグネシアカーボンれんがからなる羽口れんがと、この羽口れんがを囲むマグネシアカーボンれんがからなる羽口周囲れんがとで構成した羽口れんが構造において、羽口れんがのカーボン量を羽口周囲れんがのカーボン量よりも低くすることで、羽口れんがの熱膨張率を羽口周囲れんがの熱膨張率よりも大きくし、かつ羽口れんがの熱伝導率を羽口周囲れんがの熱伝導率よりも小さくすることが提案されている。この特許文献２の羽口れんが構造によれば、羽口れんがは羽口周囲れんがに比較して温度が低いにも拘わらず、羽口れんがの熱膨張量は羽口周囲れんがの熱膨張量よりも大きくなり、羽口れんがと羽口周囲れんがとの境界で、羽口れんがは羽口周囲れんがによって拘束され、これにより、羽口れんがには圧縮力が働き、羽口れんがの温度差によって発生する熱応力が前記圧縮力によって打ち消され、羽口れんがにおける亀裂の発生が抑制されるとされている。このように特許文献２は、羽口れんが構造において温度勾配（温度差）があることを前提としており、羽口れんがのカーボン含有量を相対的に低くすることで温度勾配は、多少は縮小するものの、温度勾配の問題を根本的に解消するものではない。

このように、マルチホールプラグにおいて温度勾配に起因する損傷の問題は依然として解消されておらず、これが溶融金属製錬容器の寿命を律速する一因となっている。

特開２０１２−２２９４８７号公報 特開２００９−２３５４５７号公報

本発明が解決しようとする課題は、マルチホールプラグにおいて、使用中の温度勾配を縮小し、温度勾配に起因する損傷を抑制することにある。

本発明者らは、プラグ本体のガス吹込管存在領域におけるガス吹込管の本数密度を高め、更にガス吹込管存在領域の外周に位置するガス吹込管非存在領域を小さくすることで、マルチホールプラグの使用中の温度勾配が小さくなり、しかも耐火物からなるプラグ本体全体が低温に保たれて高い機械的強度を維持でき、その結果、マルチホールプラグの損傷が大幅に抑制されて寿命が大幅に向上することを知見した。

すなわち本発明のマルチホールプラグは、耐火物からなるプラグ本体中に、上下方向に複数本のステンレスからなるガス吹込管が埋設されたマルチホールプラグであって、ガス吹込面となる上端面内において、ガス吹込管の中心位置どうしを結ぶ線分で囲まれる最大の領域をガス吹込管存在領域とし、このガス吹込管存在領域におけるガス吹込管の本数密度（本／ｍｍ^２）の逆数（ｍｍ^２／本）が１００以下であり、当該ガス吹込管存在領域の外周に位置するガス吹込管とプラグ本体の外縁との最短距離の平均値が１０ｍｍ以上４５ｍｍ以下であることを特徴とするものである。

ここで、本発明でいう「ガス吹込管存在領域」とは前述のとおり「ガス吹込面となる上端面内において、ガス吹込管の中心位置どうしを結ぶ線分で囲まれる最大の領域」のことであり、本発明の一実施例によるマルチホールプラグの上端面を示す図２ａにおいて示せば、ガス吹込管３の中心位置どうしを結ぶ線分４で囲まれる最大の領域５がガス吹込管存在領域である。また、本明細書では、このガス吹込管存在領域５の外側の領域をガス吹込管非存在領域６という。

引き続き図２ａを参照すると、マルチホールプラグ１の使用中はガス吹込管３を流れるガスによってその周囲の耐火物（プラグ本体２）は冷却されるが、ガス吹込管存在領域５におけるガス吹込管３の本数密度が高いほど、このガス吹込管存在領域５内の温度差（温度勾配）が小さくなり、しかもガス吹込管存在領域５全体としてはより低い温度になる。

本発明では、ガス吹込管存在領域５におけるガス吹込管３の本数密度を表す指標として、その本数密度（本／ｍｍ^２）の逆数Ｓ（ｍｍ^２／本）を用いた。すなわち、本数密度の逆数の数値が小さいほど、本数密度が高いということであり、本発明では、この逆数Ｓ（ｍｍ^２／本）が１００以下であることを要件とした。この逆数Ｓ（ｍｍ^２／本）が１００以下であることにより、ガス吹込管存在領域５におけるガス吹込管３の本数密度が十分に高くなり、ガス吹込管３によるガス吹込管存在領域５の冷却効果が均一に発揮される。その結果、ガス吹込管存在領域５内の温度差（温度勾配）が小さくなって熱応力が小さくなるので、温度差（温度勾配）に起因するマルチホールプラグ１（プラグ本体２）の損傷を抑制することができる。更に、ガス吹込管存在領域５が十分に冷却されることで、ガス吹込管存在領域５（プラグ本体２）を構成する耐火物がかなりの低温（例えば３００℃以下）になるので、その耐火物の機械的強度が高い状態で維持され、溶融金属流による摩耗に対する抵抗性も高くなる。これらの点から、この逆数Ｓ（ｍｍ^２／本）の数値は小さいほど良く、５０以下であることが好ましい。なお、ガス吹込管３の風箱への溶接作業を行う場合の作業効率を考慮した場合、この逆数Ｓ（ｍｍ^２／本）は３以上であることが好ましい。

一方、ガス吹込管存在領域５の外側のガス吹込管非存在領域６は、使用中には、ガス吹込管存在領域５近くは低温となり、羽口周囲耐火物と接する外縁部は高温となるので、温度差（温度勾配）が発生する。このガス吹込管非存在領域６内の温度差（温度勾配）は、ガス吹込管非存在領域６の内縁部と外縁部との距離が大きいほど大きくなり、それに伴い熱応力も大きくなる。したがって、ガス吹込管非存在領域６内の温度差（温度勾配）を小さくして熱応力を低減するには、ガス吹込管非存在領域６の内縁部と外縁部との距離を小さくすることが有効である。ただし、マルチホールプラグ１の構造体としての強度を維持するためには、ある程度のガス吹込管非存在領域６が必要である。

本発明では、ガス吹込管非存在領域６の内縁部と外縁部との距離を表す指標として、ガス吹込管存在領域５の外周に位置するガス吹込管３とプラグ本体２の外縁との最短距離の平均値Ｌを用いた。すなわち、図２ａにおいて符号７で示す距離が、ガス吹込管存在領域５の外周に位置するガス吹込管３とプラグ本体２の外縁との最短距離の例示であり、これら全ての最短距離の平均値が、本発明でいう最短距離の平均値Ｌである。この平均値Ｌが小さいほどガス吹込管非存在領域６の内縁部と外縁部との距離が小さいということであり、本発明では、この平均値Ｌが１０ｍｍ以上４５ｍｍ以下であることを要件とした。この平均値Ｌが４５ｍｍを超えると前記の温度差（温度勾配）に起因する熱応力が大きくなり損傷抑制効果が低下する。また、１０ｍｍ未満では構造体としての強度が不十分となり損傷が発生しやすくなる。この平均値Ｌは、１０ｍｍ以上３０ｍｍ以下であることが好ましい。

ここで、逆数Ｓ（ｍｍ^２／本）が１００以下であること、及び平均値Ｌが１０ｍｍ以上４５ｍｍ以下であることという要件は、少なくともマルチホールプラグのガス吹込面となる上端面において満たしていれば良いが、マルチホールプラグの寿命を更に向上する点から、マルチホールプラグの上端面から全長の２０％までの区間の水平断面においても満たしていることが好ましく、同じく上端面から全長の４０％までの区間の水平断面においても満たしていることがより好ましい。なお、通常、マルチホールプラグは円錐台形又は角錐台形をしており、ガス吹込管が鉛直に配置されている場合、使用を重ねると消耗によって全長が短くなるためガス吹込管非存在領域の割合が増えてくる。したがって、前記要件を満たしている区間の長さは、マルチホールプラグの使用条件に応じて適宜設定することが好ましい。

本発明のマルチホールプラグのプラグ本体を構成する耐火物としては、従前よりプラグ本体や羽口耐火物あるいは羽口周囲耐火物として一般的に使用されている耐火物を使用することができ、例えばマグネシアカーボンれんがなどを使用することができるが、更に損傷抵抗性を上げたい場合には、黒鉛含有量が１５質量％以下の耐火物を使用することができる。本発明のマルチホールプラグは、前述のとおり、従来と比べて相当に低い温度に保たれることになるため、黒鉛含有量が極めて少なくても耐火物内部に熱応力を発生しにくく、剥離等の損傷は抑制される。したがって、プラグ本体を構成する耐火物の黒鉛含有量は１５質量％以下で十分であり、更には黒鉛を含まなくても良い。このように黒鉛含有量を少なくすることで、機械的強度を向上させることができ、摩耗による損傷を軽減させることができる。このことから、本発明のマルチホールプラグのプラグ本体を構成する耐火物は、マグネシアカーボンれんがである必要はなく、例えば、アルミナ材質キャスタブル、マグネシア材質キャスタブルのような材質でも耐用性に支障はない。

本発明のマルチホールプラグによれば、フラグ本体のガス吹込管存在領域におけるガス吹込管の本数密度を高めるとともに、ガス吹込管存在領域の外周に位置するガス吹込管非存在領域を小さくしたことにより、使用中の温度勾配が縮小する。したがって、温度勾配に起因する損傷を抑制することができる。また、ガス吹込によってプラグ本体全体が低温に保たれることから、その機械的強度が高い状態で維持され、溶融金属流による摩耗に対する抵抗性も高くなり、溶鋼摩耗による損傷も抑制することができる。更に、プラグ本体全体が低温に保たれるということは、温度勾配（熱応力）が生じにくいということであり、この点からも温度勾配に起因する損傷を抑制することができる。よって、マルチホールプラグの耐用性が著しく向上し、溶融金属製錬容器の寿命延長及び原単位低減に大きく貢献できる。

本発明の一実施例によるマルチホールプラグの全体形状を示す正面図である。 図１のマルチホールプラグの上端面を示す平面図である。 図１のＡ−Ａ断面図（図１のマルチホールプラグの上端面から２００ｍｍ下側の位置における水平断面図）である。 ガス吹込管の配列を四角形状にした例におけるマルチホールプラグの上端面を示す平面図である。 ガス吹込管の配列を円形状にした例におけるマルチホールプラグの上端面を示す平面図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の一実施例によるマルチホールプラグの全体形状を示す正面図、図２ａは、図１のマルチホールプラグの上端面を示す平面図、図２ｂは、図１のＡ−Ａ断面図（図１のマルチホールプラグの上端面から２００ｍｍ下側の位置における水平断面図）である。

図面に示す本発明のマルチホールプラグ１は、ガス吹込面となる上端面（図２ａ）及び水平断面（図２ｂ）において、長手方向中心軸を含む中央部がガス吹込管存在領域５となり、その外側がガス吹込管非存在領域６となっている。そして、ガス吹込管存在領域５ではガス吹込管３の本数密度を高めており、本発明では前述のとおり、ガス吹込面となる上端面（図２ａ）において、ガス吹込管存在領域５におけるガス吹込管の本数密度（本／ｍｍ^２）の逆数Ｓ（ｍｍ^２／本）が１００以下であること、及びガス吹込管存在領域５の外周に位置するガス吹込管３とプラグ本体２の外縁との最短距離７の平均値Ｌが１０ｍｍ以上４５ｍｍ以下であることを要件としている。なお、逆数Ｓ（ｍｍ^２／本）が１００以下であるという要件を満たすには、例えば隣接するガス吹込管３どうしの中心位置間の距離が３ｍｍ以上１２ｍｍ以下となるような配列にすれば良い。隣接するガス吹込管３どうしとは、ガス吹込管３の中心位置間の距離が最も短いガス吹込管３どうしのことである。

また、ガス吹込管３としては、従来のマルチホールプラグに使用されている公知のものを使用することができる。例えば、ステンレス管や銅管などの各種の金属管が好適に使用可能であり、セラミクス管を使用することもできる。ガス吹込管３の外径は、例えば２ｍｍ以上６ｍｍ以下とすることができる。また、ガス吹込管３の配列は前記要件を満たす範囲であれば任意に決定できる。ガス吹込管３の本数に特に制限はないが、３７本以上であればより損傷抑制効果が高い。

本発明のマルチホールプラグの外形（正面形状）は、円錐台形又は角錐台形が一般的であるが、その他の形状とすることもできる。

このような本発明のマルチホールプラグ１は、従前より転炉や電気炉で使用されているものにおいて、ガス吹込管３の配列と、前記の最短距離７を見直すことで容易に得ることができる。その製法は従来の製法を適用することができ、例えば成形枠内にガス吹込管を埋設しながら坏土を充填していき、その後加圧することで成形し、成形後は２００〜５００℃で加熱することで、本発明のマルチホールプラグを得ることができる。ガス吹込管の下端部は公知の風箱に溶接固定することができる。

次に、図１のマルチホールプラグ１の具体的形状を例示する。マルチホールプラグ１の外形（正面形状）は円錐台形で、全長が８００ｍｍ、上端面の外径が１００ｍｍ、下端面の外径が１２０ｍｍである。ガス吹込管３として外径４ｍｍのステンレス管が９１本フラグ本体１中に埋設されている。これらのガス吹込管３の下端部はガス導入パイプ８を有する金属製の風箱（図示省略）に溶接固定されている。フラグ本体１を構成する耐火物は、鱗状黒鉛を１５質量％及びマグネシアクリンカーを８３質量％含有するマグネシアカーボンれんがである。

ガス吹込管３は、図２ａに示すように六角形に配列され、隣接するガス吹込管３どうしの中心位置間の距離は６．５ｍｍ、ガス吹込管存在領域５は一辺が３２．５ｍｍの長さの正六角形であり、ガス吹込管存在領域５の面積は２７４４ｍｍ^２である。したがって、ガス吹込管存在領域５におけるガス吹込管３の本数密度（本／ｍｍ^２）の逆数Ｓ（ｍｍ^２／本）は３０である。

また、各ガス吹込管３は、上下方向（長さ方向）にほぼ平行になるようにプラグ本体２中に埋設されている。そして、ガス吹込管存在領域５の外周に位置するそれぞれのガス吹込管３とプラグ本体２の外縁との最短距離７の平均値Ｌは、上端面（図２ａ）では２０ｍｍ、上端面から全長の４０％の位置における水平断面（図２ｂ）では２５ｍｍである。

本発明のマルチホールプラグ（実施例）及び比較例のマルチホールプラグの評価試験を行った結果を表１に示す。

評価試験では、１００ｔのアーク式電気炉において実施例及び比較例のマルチホールプラグを使用した。ガス吹込は、流量５０Ｌ／ｍｉｎで３０分行った。使用後の残寸から損傷速度（ｍｍ／ｃｈ）を計算し、比較例１の損傷速度を１００とする損傷指数として表１に示した。各例のマルチホールプラグは、上端面から全長の２０〜４０％の範囲まで使用された。

実施例１から実施例４及び比較例１は、図２ａのタイプのマルチホールプラグにおいて、ガス吹込管存在領域におけるガス吹込管の本数密度（本／ｍｍ^２）の逆数Ｓ（ｍｍ^２／本）が異なる例である。
実施例５及び実施例６は、ガス吹込管の配列がそれぞれ四角形（図３）及び円形（図４）の例である。
実施例７、実施例８及び比較例２は、図２ａのタイプのマルチホールプラグにおいて、ガス吹込管存在領域の外周に位置するそれぞれのガス吹込管とプラグ本体の外縁との最短距離の平均値Ｌが異なる例である。
実施例９から実施例１４は、図２ａのタイプのマルチホールプラグにおいて、プラグ本体を構成する耐火物が異なる例である。
実施例１５は、図２ａのタイプのマルチホールプラグにおいて、ガス吹込管の本数が３７本の場合、実施例１６は図２ａのタイプのマルチホールプラグにおいて、ガス吹き込み管の数が１６９本の場合である。

なお、実施例及び比較例のガス吹込管の内径は２ｍｍである。プラグ本体の耐火物は、実施例１から実施例１２及び実施例１５及び実施例１６は、不焼成マグネシアカーボンれんが、実施例１３は不焼成アルミナカーボンれんが、並びに実施例１４はマグネシアアルミナ材質のキャスタブルである。

実施例１から実施例３は、本数密度の逆数Ｓ及び最短距離の平均値Ｌが本発明の範囲内であり比較例１と比べて損傷が少なく良好な耐用性を示している。これに対して比較例１は、本数密度の逆数Ｓが本発明の上限を超えており、損傷が大きい結果となっている。

実施例５及び実施例６は、ガス吹込管の配列がそれぞれ四角形及び円形の例であり、六角形の場合と同様に良好な耐用性を示している。

実施例７、実施例８及び比較例２は、最短距離の平均値Ｌが異なる例であり、この平均値Ｌが小さいほど耐用性に優れる傾向にあることがわかる。そして、この平均値Ｌが６０ｍｍの比較例２は、損傷指数が大幅に大きくなり耐用性が大きく低下している。

実施例９から実施例１２は、プラグ本体を構成する耐火物の黒鉛含有量が異なる例であり、黒鉛含有量が少ない方が、損傷指数が小さく耐用性に優れていることがわかる。

実施例１３はプラグ本体を構成する耐火物をアルミナカーボンれんが、実施例１４はプラグ本体を構成する耐火物をマグネシアアルミナ材質のキャスタブルとした例であり、いずれも損傷指数が小さく耐用性に優れている。

実施例１５及び実施例１６はガス吹込管の本数が異なる例であるが、いずれも損傷指数が小さく耐用性に優れている。

１ マルチホールプラグ
２ プラグ本体
３ ガス吹込管
４ ガス吹込管の中心位置どうしを結ぶ線分
５ ガス吹込管存在領域
６ ガス吹込管存在領域
７ ガス吹込管存在領域の外周に位置するガス吹込管とプラグ本体の外縁との最短距離
８ ガス導入パイプ

Claims (5)

1. 耐火物からなるプラグ本体中に、上下方向に複数本のステンレスからなるガス吹込管が埋設されたマルチホールプラグであって、
   ガス吹込面となる上端面内において、ガス吹込管の中心位置どうしを結ぶ線分で囲まれる最大の領域をガス吹込管存在領域とし、このガス吹込管存在領域におけるガス吹込管の本数密度（本／ｍｍ^２）の逆数（ｍｍ^２／本）が１００以下であり、当該ガス吹込管存在領域の外周に位置するガス吹込管とプラグ本体の外縁との最短距離の平均値が１０ｍｍ以上４５ｍｍ以下であるマルチホールプラグ。
2. ガス吹込管存在領域におけるガス吹込管の本数密度（本／ｍｍ^２）の逆数（ｍｍ^２／本）が５０以下である請求項１に記載のマルチホールプラグ。
3. ガス吹込管存在領域の外周に位置するガス吹込管とプラグ本体の外縁との最短距離の平均値が１０ｍｍ以上３０ｍｍ以下である請求項１又は請求項２に記載のマルチホールプラグ。
4. ガス吹込管の本数が３７本以上である請求項１から請求項３のいずれかに記載のマルチホールプラグ。
5. プラグ本体は、黒鉛含有量が１５質量％以下（０を含む）の耐火物からなる請求項１から請求項４のいずれかに記載のマルチホールプラグ。