JP6958228B2

JP6958228B2 - ホットスカーファー及びスラブの溶削方法

Info

Publication number: JP6958228B2
Application number: JP2017205106A
Authority: JP
Inventors: 克己天田; 吉川　悟; 耕大山本; 智明片平
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2017-10-24
Filing date: 2017-10-24
Publication date: 2021-11-02
Anticipated expiration: 2037-10-24
Also published as: JP2019076924A

Description

本発明は、ホットスカーファー及びスラブの溶削方法に関するものである。

特許文献１に記載されているように、表面に欠陥のあるスラブに対してホットスカーファーを用いて、溶削することが知られている。ホットスカーファーによるスラブ幅方向の溶削を均一化して、スカーフィングの不均一を回避すれば、いわゆるトラ刈りの発生を回避することができる。トラ刈りの発生を回避することは、ハンドスカーフの工程が必要となるスラブ本数の削減や、熱間スラブ加熱炉装入（Hot Charge and Rolling;以下HCRと称する）率向上による加熱炉原単位削減のために重要である。

幅方向の均一溶削性を確保するためには、溶削の前に行う予熱の幅方向の均一性を確保することが非常に重要となる。ここでスカーファー処理について簡単に説明する。スラブをスカーファー内に搬送したのち、図１３に示すように、ユニットをスラブに近づけて、ユニット内に組み込まれているインサートノズルを活用してスラブ表面を予熱して溶融池を形成させる。なお、インサートノズルは、主にスラブ予熱の役割を担う。その後インサートノズルの燃焼負荷を下げつつスロット酸素圧力を上げて溶融池にスロット酸素を衝突させ、酸化反応を起こした状態でスラブの移動を開始する。このように、溶融池での酸化反応を移動させることで、スラブ表面に連続的に酸化反応を起こしてスラブ表面を溶削していく。

特許２６０６４７３号公報

このように、予熱が溶削の最初の起点をつくるため、幅方向に均一に溶削するには幅方向の均一予熱が非常に重要となる。例えば、予熱が幅方向に不均一で溶削に移ると、予熱のあまりされていない部分が未溶削となり、トラ刈りが発生する。対策として予熱時間を長くとると、予熱の強い部分と弱い部分の溶融池の深さの差が発生し、溶削時にこの溶削深さの差を引きずり、溶削厚が幅方向に不均一となる。またスロット酸素のガスジェトが、深い溶融池に衝突して溶融スラグを大量に跳ね上げ、ユニットに付着して予熱異常や溶削異常を発生させる原因となる。このように、スカーファー操業において幅方向の均一予熱は非常に重要である。

本発明は、このような経緯でなされた発明であり、本発明の課題は、ホットスカーファーによる予熱の幅方向のばらつきを低減させることで、ユニットへの溶融スラグの付着防止や予熱不足部の発生防止によるトラ刈り発生を抑制することである。

上記課題を解決するため、酸素の噴射口となる中心孔の周囲に燃料ガス噴射の孔を複数備えたインサートノズルが幅方向に複数配置されたホットスカーファーであって、インサートノズルは、少なくとも一つおきに、その取り付け角度が所定の角度±５度の範囲内で取り付けられていることを特徴とするホットスカ―ファーとする。

また、全てのインサートノズルが所定の角度±５度の範囲内で取り付けられている構成とすることが好ましい。

また、インサートノズル１つに対して燃料ガス噴射の孔は４つであり、燃料ガス噴射の孔は、インサートノズルが並ぶ方向と平行に二列に並んで配置されている構成とすることが好ましい。

また、インサートノズルの燃料ガス噴射の孔の直径が１０ｍｍ以下であり、インサートノズルのうちの１つの取り付け角度が、所定の角度±５度の範囲を超えた状態で取り付けられており、当該インサートノズルの両側に位置するインサートノズルは、取り付け角度が所定の角度±５度の範囲内で取り付けられている構成とすることが好ましい。

また、酸素の噴射口となる中心孔の周囲に燃料ガス噴射の孔を複数備えたインサートノズルが幅方向に複数配置されたホットスカーファーを用いてするスラブの溶削方法であって、当該インサートノズルが、少なくとも一つおきに、その取り付け角度が所定の角度±５度の範囲内で取り付けられているホットスカ―ファーを用いて溶削することを特徴とするスラブの溶削方法とする。

また、このスラブの溶削方法で用いるホットスカーファーは、全てのインサートノズルが所定の角度±５度の範囲内で取り付けられている構成とすることが好ましい。

また、インサートノズル１つに対して燃料ガス噴射の孔は４つであり、燃料ガス噴射の孔は、インサートノズルが並ぶ方向と平行に二列に並んで配置しているホットスカーファーを用いて溶削することが好ましい。

また、インサートノズルの燃料ガス噴射の孔の直径が１０ｍｍ以下であり、インサートノズルのうちの１つの取り付け角度が、所定の角度±５度の範囲を超えた状態で取り付けられており、当該インサートノズルの両側に位置するインサートノズルは、取り付け角度が所定の角度±５度の範囲内で取り付けられているホットスカーファーを用いて溶削することが好ましい。

本発明を用いると、ホットスカーファーによる予熱の幅方向のばらつきを低減させることで、ユニットへの溶融スラグの付着防止や予熱不足部の発生防止によるトラ刈りの発生を抑制することができる。

実施形態のユニットの断面及び正面を表した模式図である。インサートノズルの取り付け角度とプロパンガスの流動比率の解析結果との関係を表した図である。予熱シミュレーターの模式図である。インサートノズルを図２に示すＡ配置とＢ配置にした際の、昇温速度の測定結果を表した図である。図４に表された結果を基に、スラブ表面の温度の推移を計算した結果を表した図である。インサートノズルの例を表す図である。インサートノズルを改善水準１の状態で取り付けたユニットの模式図である。インサートノズルを改善水準２の状態で取り付けたユニットの模式図である。インサートノズルを従来のようにランダムな状態で取り付けたユニットの模式図である。溶融池生成幅比率の計測方法の概略を表した図である。インサートノズルの取り付け角度と、予熱開始からの時間と、溶融池生成幅比率との関係を表した図である。インサートノズルの取り付け角度と、トラ刈り発生スラブの本数比率との関係を表した図である。ホットスカーファーのユニットにより、スラブを予熱している状態と、スラブを溶削している状態を表した図である。

以下では、発明の実施形態について説明する。図１に示すことから理解されるように、本実施形態におけるホットスカーファー１は、酸素の噴射口となる中心孔３１の周囲に燃料ガス噴射の孔３２を複数備えたインサートノズル３が取り付けられている。また、このインサートノズル３はホットスカーファー１の幅方向に並ぶように複数配置されている。更には、複数並んだインサートノズル３は、少なくとも一つおきに、その取り付け角度が所定の角度±５度の範囲内となるように取り付けられている。このため、ホットスカーファー１による予熱の幅方向のばらつきを低減させることで、ユニット２への溶融スラグの付着防止や予熱不足部の発生防止によるトラ刈りの発生を抑制することが可能となる。なお、取り付け角度は、図１に示すことから理解されるように、燃料ガスが噴射される側から孔３２を見た場合の、ノズルの周方向の角度を意味しており、インサートノズル３のねじ込み量により変えることができる。例えば、図１にＡとして表した取り付け角度と、Ｂとして表した取り付け角度では、略４５度の違いがある。

ホットスカーファー１はユニット２を複数並べて構成しているが、ユニット２へのインサートノズル３の取り付け状態およびインサートノズル３への燃料ガスおよび酸素の供給流路を図１に示す上部ホットスカーファー１を例にして説明する。なお、ここでは燃料をプロパンガスとして説明する。インサートノズル３は上部ブロックのインサートノズル取り付け孔２１にねじ込まれて設置されている。インサートノズル取り付け孔２１はホットスカーファー１の幅方向に並ぶように複数設けられている。各々のインサートノズル取り付け孔２１にインサートノズル３が一つずつねじ込まれている。酸素は、スロット間隙２２や上部ブロックの幅方向に配置された穴２３、インサートノズル３の中心孔３１からホットスカーファー１の外部に対して供給することができる。なお、スロット間隙２２は、上部ブロックと下部ブロックの隙間により構成されている。

プロパンガスは、下部ブロックで幅方向に配置された穴２４の他に、インサートノズル３の中心孔３１の周囲に配置された複数、例えば４つの孔３２を通って噴射される。このとき前記複数の孔３２を通って噴射されるプロパンガスは、インサートノズル３に並行に開けられた流路を通り、インサートノズル取り付け孔２１の内周とインサートノズル３の長手方向中央部の外周径の細い部分が構成する空間である均圧室２５に供給されて均圧化される。

スラブ５の下面を溶削する下部ホットスカーファー１の場合は、上部ホットスカーファー１の場合と上下逆になるため、インサートノズル３は下部ブロックのインサートノズル取り付け孔２１にネジ込まれて設置される。また、酸素はスロット酸素、下部ブロックの幅方向に配置された穴２３、インサートノズル３の中心孔３１から供給することができる。また、プロパンガスは、上部ブロックに幅方向に配置された穴２４と、インサートノズル３の中心孔３１の周囲に配置された複数、例えば４つの孔３２を通って噴射される。なお、燃料ガス噴射の孔３２は、中心孔３１を中心とする円上に位置するように設けられている。以下、上部ホットスカーファー１を例にして説明していく。

ところで、均圧室２５に繋がる燃料ガスの流路２６は、均圧室２５に対して斜め方向から燃料ガスが導入されるように設けられている。そこで、発明者は、インサートノズル３が図１のＡ及び図２のＡに示すように取り付けられると、燃料ガスの流路２６とインサートノズル３の中心孔３１を取り囲む４つの孔３２のうちの１つの孔３２が一直線に繋がるため、この孔３２から優先的に燃料ガスが噴出される可能性が高いと考えた。

一方、インサートノズル３が図１のＢ及び図２のＢに示すように取り付けられると、燃料ガスの流路２６はインサートノズル３の中心孔３１を取り囲む４つの孔３２の全てに対して一直線に並ばないため、均圧室２５のヘッダー効果が十分に得られて４つの孔３２からプロパンガスが均等に噴射される可能性が高いと考えた。

図２に流動解析の結果を示す。図２のＡに示すように取り付けられた場合は、図２のＣに示すことから理解されるように、プロパンガスの流路と一直線になる孔３２から優先的に約４０％のプロパンガスが噴出した。また、図２のＢに示すように取り付けられた場合は、図２のＤに示すことから理解されるように、プロパンガスは４つの孔３２からほぼ均等に噴出する結果となった。

インサートノズル３の取り付け方向が予熱に及ぼす影響を図３に示すような予熱シミュレーター４で定量化した。予熱シミュレーター４は、ホットスカーファー１のユニット２を上向きに設置し、酸素やプロパンガスを任意の圧力に設定して燃焼させた状態で、台車に取り付けた鋼板をスライドさせてユニット２から出される予熱火炎で加熱し、温度上昇を鋼板の上部に固定したサーモビュアーで測定した。

インサートノズル３の取り付け方向を、図２のＡに合わせた場合と図２のＢに合わせた場合の昇温速度の測定結果を図４に示す。図２のＡに合わせたほうが、図２のＢに合わせるよりも昇温速度が速くなることが判明した。

昇温速度から鋼板への入熱の熱流速束を推算し、７００℃のスラブ５表面に推算した熱流束を与えた場合のスラブ５表面温度推移の計算結果を図５に示す。例えば予熱開始から１１秒後、前記Ａに合わせた水準は、ウスタイトの融点である１３７０℃以上となり、前期Ｂに合わせた水準は、１３７０℃以下であった。このことから、ホットスカーファー１の幅方向に並んだインサートノズル３の取り付け方向の組み合わせによっては、予熱末期には、溶融の激しい部分と未溶融の部分の混在が発生するほど、幅方向に大きな予熱のばらつきが発生し得ることが分かる。このような状態となると、部分的に出来た深い溶融池のスラグが飛散してユニット２に付着する可能性が高まる。また、未溶融な部分が残ったまま溶削が開始されることにより、トラ刈りが発生する可能性が高まる。

一方、全インサートノズル３の取り付け角度が同様になるように配置することで、各インサートノズル３の予熱能力を均一化し、幅方向の予熱ムラの発生を防止すれば、トラ刈りの発生を防止できる。例えば図６に示すように、周方向に均等間隔で配置された４つのプロパンガスの孔３２がある場合は、図７に示すように、インサートノズル３の複数のプロパンガスの孔３２が×の字に揃って配置することが好ましい。つまりは、燃料ガス噴射の孔３２は、インサートノズル３が並ぶ方向と平行に二列に並んで配置されているように配置することが好ましい。このように配置すると、４つの孔３２からプロパンガスを均等に噴出させることができるからである。ただし、このような配置で無ければならないわけではなく、プロパンガスの孔３２を十の字に揃えたものとしてもよい。この場合、燃料ガス噴射の孔３２は、インサートノズル３が並ぶ方向と平行に三列に並んで配置されていることになる。プロパンガスの孔３２を十の字に揃えた場合、４つの孔３２からのプロパンガスの噴出量が少々不均一になるが、プロパンガスの孔３２をランダムに配置しているものと比べると、幅方向の予熱ムラの発生を低減することができる。また、これらの中間的配置でそろえても、幅方向の予熱ムラ発生を防止しトラ刈り発生を防止できる。

また、インサートノズル３の径が１０ｍｍ以下と小さい場合は、図８に示すように、上部（あるいは下部）ブロックの幅方向に配置されたインサートノズル３は、一つおきに、同じ取り付け角度で取り付けられていれば、その間に位置するインサートノズル３の取り付け角度が、その両側に位置するインサートノズル３の取り付け角度と異なっていても、トラ刈り発生を防止できることが判明した。これは、インサートノズル３の径が小さいが故に、溶融の激しい部分と未溶融の部分が鈍され、幅方向の予熱ムラを吸収できるからである。例えば、インサートノズル３の径が１０ｍｍ以下の場合には、二つの取り付け角度が交互に発生するようにインサートノズル３が取り付けられていても幅方向の予熱ムラを吸収し得る。尚、ここでいう同じ取付け角度とは、±５°以内までを許容するものであるが、好ましくは±３°以内である。

次に実施例を説明する。実機のホットスカーファー１でインサートノズル３の取り付け角度の配置を変化させて予熱能力の幅方向の均一性を評価した。インサートノズル３の取り付けは、全てのインサートノズル３を同じ角度に取り付ける改善水準１（図７）、インサートノズル３の燃料ガス噴射の孔３２の直径が１０ｍｍ以下の場合であって、取り付け角度がホットスカーファー１の幅方向でひとつおきに同じ角度に配置した改善水準２（図８）、現状行われているランダム配置（図９）、とした。

また、予熱能力の幅方向の均一性を評価するために、図１０に示すことから理解されるように、スラブ５上の予熱位置をカメラ６でＶＴＲ撮影し、撮影した画像から予熱開始以降の溶融池生成幅比率を定量化した。溶融池生成幅比率は、図１０に示すことから理解されるように、予熱開始後の任意のタイミングで生成した溶融池の幅合計値をスラブ幅で除した値とした。なお、低炭アルミキルド鋼で幅が１５４０ｍｍ、表面温度が７４０〜７６０℃の熱片スラブ５をテストで使用した。

図１１に各水準の代表的な溶融池生成幅比率の推移を示す。現状のランダム配置の溶融池生成幅比率が時間経過とともに除々に拡大するのに比較して、改善水準１や改善水準２は短時間の間に一気に溶融池生成幅比率が０％から１００％になることを確認できた。これは幅方向の予熱能力の均一性が高いことを表している。

各水準で約１週間ずつの実機テストを行い、トラ刈り発生スラブ本数比率を調査した結果を図１２に示す。現状のランダム配置に比較して、改善水準１と改善水準２はトラ刈り発生スラブ本数比率を約１／３に低減できることを確認した。

ここまでで記載されたことから理解されるように、全インサートノズル３の取り付け角度が略同一になるように配置されたホットスカーファー１を使用することで、幅方向の予熱能力の均一性が向上し、トラ刈り発生スラブ本数を大幅に低減でき、ハンドスカーフの増工程防止によるコスト削減やHCR率向上による加熱炉原単位削減も実現できた。

また、インサートノズル３の燃料ガス噴射の孔３２の直径が１０ｍｍ以下の場合であって、一つおきに、取り付け角度が同様な状態となるようにされていれば、その間に位置するインサートノズル３の取り付け角度が、当該インサートノズル３の両側に位置するインサートノズル３の取り付け角度と異なっていても、幅方向の予熱能力の均一性が向上し、トラ刈り発生スラブ本数を大幅に低減でき、ハンドスカーフの増工程防止によるコスト削減やHCR率向上による加熱炉原単位削減も実現できることが確認された。

ホットスカーファー１は、インサートノズル３が、少なくとも一つおきに、その取り付け角度が所定の角度±５度の範囲内で取り付けられている構成とすれば、予熱の幅方向のばらつきを低減させることが可能であるが、全てのインサートノズル３が所定の角度±５度の範囲内で取り付けられているようにすると、より予熱のばらつきを低減させることができる。

インサートノズル３１つに対して燃料ガス噴射の孔３２を４つとし、燃料ガス噴射の孔３２が、インサートノズル３が並ぶ方向と平行に二列に並んで配置されている構成とすることにより、より予熱のばらつきを低減させることができる。

インサートノズル３の燃料ガス噴射の孔３２の直径が１０ｍｍ以下であれば、インサートノズル３のうちの１つの取り付け角度が、所定の角度±５度の範囲を超えた状態で取り付けられていても、当該インサートノズル３の両側に位置するインサートノズル３の双方が、取り付け角度が所定の角度±５度の範囲内で取り付けられていれば、効果的に予熱のばらつきを低減させることができる。

以上、二つの実施形態を中心として説明してきたが、本発明は上記実施形態に限定されることはなく、各種の態様とすることが可能である。例えば、所定の角度±５度の取り付け角度で取り付けられたインサートノズルの間に位置するインサートノズルの取り付け角度をランダムにしても良い。

燃料ガス噴射の孔は４つでなく、２つや３つや５つ以上とすることも可能である。

１ホットスカーファー
３インサートノズル
５スラブ
３１中心孔
３２孔

Claims

酸素の噴射口となる中心孔の周囲に燃料ガス噴射の孔を複数備えたインサートノズルが幅方向に複数配置され、インサートノズルは、少なくとも一つおきに、その取り付け角度が所定の角度±５度の範囲内で取り付けられ、その間に位置するインサートノズルの取り付け角度が、その両側に位置するインサートノズルの取り付け角度と異なっているホットスカ―ファーであって、
インサートノズルの燃料ガス噴射の孔の直径が１０ｍｍ以下であり、インサートノズルのうちの１つの取り付け角度が、所定の角度±５度の範囲を超えた状態で取り付けられており、当該インサートノズルの両側に位置するインサートノズルは、取り付け角度が所定の角度±５度の範囲内で取り付けられていることを特徴とするホットスカーファー。
酸素の噴射口となる中心孔の周囲に燃料ガス噴射の孔を複数備えたインサートノズルが幅方向に複数配置され、当該インサートノズルが、少なくとも一つおきに、その取り付け角度が所定の角度±５度の範囲内で取り付けられ、その間に位置するインサートノズルの取り付け角度が、その両側に位置するインサートノズルの取り付け角度と異なっているホットスカ―ファーを用いて溶削するスラブの溶削方法であって、
インサートノズルの燃料ガス噴射の孔の直径が１０ｍｍ以下であり、インサートノズルのうちの１つの取り付け角度が、所定の角度±５度の範囲を超えた状態で取り付けられており、当該インサートノズルの両側に位置するインサートノズルは、取り付け角度が所定の角度±５度の範囲内で取り付けられているホットスカーファーを用いて溶削することを特徴とするスラブの溶削方法。