JP7107140B2 - 転炉の羽口構造 - Google Patents

Description

本発明は、転炉の羽口構造に関する。

転炉は、通常、底吹き羽口構造を有している。羽口構造は、転炉内において鉄皮に設置された羽口煉瓦を含む耐火構造物と、この耐火構造物に挿入された金属製の底吹きノズルと、を有している（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の底吹きノズルは、直線管である。上底吹き転炉では、底吹きノズルから不活性ガスが転炉内に吹き込まれる。

特開２０１３－１５９８０１号公報

図１（Ａ）および図１（Ｂ）は、従来の転炉１００の羽口構造１０１における課題を説明するための模式図である。図１（Ａ）を参照して、羽口煉瓦１０２には、耐熱性の高い煉瓦として、ＭｇＯ－Ｃ煉瓦が用いられる。また、底吹きノズル１０３には、耐熱性の高い金属管が用いられる。この金属管の材料として、例えばオーステナイト系ステンレス鋼が使用される。このような構成において、転炉１００内に鉄の溶湯が注入され転炉１００の炉底部の温度が上昇すると、羽口煉瓦１０２と底吹きノズル１０３はいずれも熱膨張する。

しかしながら、ＭｇＯ－Ｃ煉瓦からなる羽口煉瓦１０２の線膨張係数よりも、オーステナイト系ステンレス鋼からなる底吹きノズル１０３の線膨張係数のほうが、大きい。このため、底吹きノズル１０３の熱膨張量は、羽口煉瓦１０２の熱膨張量よりも大きくなる。

円筒形状である底吹きノズル１０３が熱膨張すると、当該底吹きノズル１０３は、外径が大きくなるとともに、全長が大きくなる。底吹きノズル１０３の外径が大きくなることで、底吹きノズル１０３の外周面は、当該底吹きノズル１０３の周囲の羽口煉瓦１０２を矢印Ｆ１１に示すように押し広げるように変形する。この状態で底吹きノズル１０３が矢印Ｆ１２に示すように底吹きノズル１０２の軸方向Ｓ１に膨張すると、羽口煉瓦１０２が軸方向Ｓ１に沿って底吹きノズル１０３によって上方に向けて引っ張られる。その結果、底吹きノズル１０３と接触する部分の羽口煉瓦１０２には、軸方向Ｓ１の引張応力が発生する。

また、羽口煉瓦１０２の熱伝導率よりも金属製の底吹きノズル１０３の熱伝導率のほうが高い。つまり、羽口煉瓦１０２の温度上昇速度よりも底吹きノズル１０３の温度上昇速度のほうが高いため、羽口構造１０１に熱的な衝撃が加わると、底吹きノズル１０３と羽口煉瓦１０２の温度差が大きくなる。その結果、底吹きノズル１０３の熱膨張量と羽口煉瓦１０２の熱膨張量との差はさらに大きくなる。その結果、羽口煉瓦１０２に発生する引張応力は、さらに高まる。

ここで、煉瓦（羽口煉瓦１０２）は、圧縮負荷に対する破壊強度は高いが、引張負荷に対する破壊強度は比較的低い。このため、羽口煉瓦１０２に底吹きノズル１０３からの荷重に起因する引張応力が発生すると、羽口煉瓦１０２に割れ１０５が発生し，スポーリング発生の原因になる。スポーリングが発生した結果、図１（Ａ）および図１（Ｂ）に示すように、羽口煉瓦１０２のうち羽口上面１０４の付近のブロック状部分１０６は、転炉１００内の溶湯によって羽口構造１０１から脱落する。

このブロック状部分１０６は、羽口上面１０４からの厚みが例えば数ｍｍ～数十ｍｍ程度である。その結果、底吹きノズル１０３のうち羽口上面１０４の付近における一部分１０７は、溶湯に直接曝され、損耗速度が格段に高くなる。このような、羽口煉瓦１０２にスポーリングが発生→羽口煉瓦１０２の一部消滅→底吹きノズル１０３の損耗促進、のサイクルが繰り返される結果、底吹きノズル１０３の損耗が促進される。その結果、羽口構造１０１の更新から交換までの期間が短くなり、羽口構造１０１の更新周期が短くなってしまう。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、羽口煉瓦のスポーリングを抑制することのできる、転炉の羽口構造を提供することを目的としている。

本発明は、下記の転炉の羽口構造を要旨とする。

（１）転炉の炉底部に配置される羽口構造であって、羽口煉瓦を含む羽口耐火物と、前記羽口耐火物に埋設され前記転炉内に開口する埋設部を有し、前記炉底部から前記転炉内にガスを吹き込むための金属製のノズルと、を備え、前記埋設部の外周面は、前記転炉の内側に進むに従い直径が大きくなる拡径テーパ面を含んでいる。

（２）前記（１）に記載の転炉の羽口構造であって、前記拡径テーパ面は、前記羽口構造の使用前における前記羽口構造の上面位置と、所定の交換基準損耗深さ位置と、の間の少なくとも一部に配置されている。

（３）前記（１）または（２）に記載の転炉の羽口構造であって、前記拡径テーパ面は、前記埋設部の前記外周面の全域に亘って配置されている。

（４）前記（１）または（２）に記載の転炉の羽口構造であって、前記埋設部の前記外周面は、直径が一定の円筒面をさらに含み、前記拡径テーパ面は、前記円筒面から前記羽口構造の上面まで延びている。

（５）前記（１）または（２）に記載の転炉の羽口構造であって、前記埋設部の前記外周面は、前記拡径テーパ面の下方に配置され前記拡径テーパ面側に進むに従い直径が小さくなる縮径テーパ面をさらに含む。

本発明によれば、羽口煉瓦のスポーリングを抑制できる。

図１（Ａ）および図１（Ｂ）は、従来の転炉の羽口構造における課題を説明するための模式図である。 図２は、本発明の一実施形態に係る羽口構造を備える転炉の模式的な断面図である。 図３は、転炉の炉底部における羽口構造の周囲を拡大して示す図である。 図４は、羽口構造における作用を説明するための図である。 図５は、第１変形例の主要部を示す図である。 図６は、第２変形例の主要部を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。

図２は、本発明の一実施形態に係る羽口構造４を備える転炉１の模式的な断面図である。図３は、転炉１の炉底部１１における羽口構造４の周囲を拡大して示す図である。図２および図３を参照して、転炉１は、鉄を含む溶湯に処理を施すために用いられ、例えば、高炉から取り出された溶銑を脱炭するために用いられる。なお、転炉１は、電気エネルギーによって鉄スクラップを溶解させる電気炉として用いられてもよい。

本実施形態では、特に説明なき場合、転炉１の全体が新品の状態、または、羽口構造４が新品に更新された状態の転炉１を基準に説明する。また、本実施形態では、特に説明なき場合、転炉１が起立姿勢（精錬時の姿勢）にあるときを基準に説明する。また、羽口構造４は、転炉１の底部外側から鉄皮２に着脱される構成であってもよいし、転炉１の炉口部８を通して転炉１内に対して搬出入され鉄皮２に着脱される構成であってもよい。

転炉１は、鉄皮２と、鉄皮２に設置された耐火構造３および羽口構造４と、を有している。

鉄皮２は、中空の容器状に形成されている。鉄皮２においては、上端部は開口している。また、鉄皮２は、下方に進むに従い直径が大きくなるテーパ状部分、および、略円筒状部分を有している。鉄皮２の下端部は、中空部分を塞ぐようにして配置された鉄皮底部２ａを含んでいる。鉄皮２の内側面の略全域に、耐火構造３が設けられている。

耐火構造３は、溶湯を受けるために設けられており、鉄皮２に隣接配置されたパーマ煉瓦６と、パーマ煉瓦６に対して転炉１の内側に配置されたウェア煉瓦７と、を有している。

パーマ煉瓦６は、例えば、ＭｇＯ煉瓦であり、ブロック状に形成されている。多数のパーマ煉瓦６が、鉄皮２の内側面に設置されている。

ウェア煉瓦７は、溶湯に直接曝される煉瓦であり、例えば、ＭｇＯ－Ｃ煉瓦であり、ブロック状に形成されている。

上記の構成により、転炉１は、鉄皮２の上端部側に位置する炉口部８と、炉口部８から下方に向けて延びる傾斜部９と、傾斜部９の下方に配置された直胴部１０と、直胴部１０の下方に配置された炉底部１１と、を有している。そして、炉底部１１は、鉄皮底部２ａと、耐火構造３のうち炉の底部に設置された部分と、羽口構造４と、を有している。

羽口構造４は、上底吹き転炉においては、炉底部１１から溶湯に向けて不活性ガスを供給するために設けられる。このような不活性ガスとして、窒素ガス、および、アルゴンガス等を例示できる。羽口構造４は、炉底部１１に複数配置されている。各羽口構造４は、互いに同じ構成を有している。

羽口構造４は、羽口煉瓦１２を含む羽口耐火物１３と、炉底部１１から転炉１の溶湯貯留空間１４内にガスを吹き込むための金属製のノズル１５と、を有している。

羽口耐火物１３は、炉底部１１において、パーマ煉瓦６およびウェア煉瓦７に取り囲まれている。本実施形態では、羽口耐火物１３の全体が、単一の羽口煉瓦１２によって形成されている。なお、羽口耐火物１３は、ブロック状の煉瓦を積み上げこれらの煉瓦をセラミック粉末等の不定形耐火物で固めることで形成されていてもよい。

羽口煉瓦１２は、ＭｇＯ－Ｃ煉瓦であり、本実施形態では、ウェア煉瓦７と同一の材質である。羽口煉瓦１２は、本実施形態では、上下に細長い円錐台形状に形成されている。羽口煉瓦１２の上面１２ａおよび下面１２ｂは、それぞれ平坦な面である。本実施形態では、これら上面１２ａおよび下面１２ｂは、互いに平行である。

羽口煉瓦１２の寸法は、転炉１の大きさに応じた値である。本実施形態では、羽口煉瓦１２の高さＨ１は、約１２００ｍｍである。羽口煉瓦１２の上面１２ａの直径は、約３００ｍｍである。羽口煉瓦１２の下面１２ｂの直径は、約４００ｍｍである。

羽口煉瓦１２の上面１２ａは、炉底部１１におけるウェア煉瓦７の上面と連続した面を形成している。羽口煉瓦１２の下面１２ｂは、鉄皮底部２ａの内側面に受けられている。

羽口煉瓦１２の外周面１２ｃは、パーマ煉瓦６のうち外周面１２ｃに対向する対向面に押さえられているとともに、ウェア煉瓦７のうち外周面１２ｃに対向する対向面に押さえられている。パーマ煉瓦６およびウェア煉瓦７のうち外周面１２ｃに対向する対向面は、外周面１２ｃの形状に沿った形状に形成されている。このように、羽口煉瓦１２は、外周面１２ｃの全域および下面１２ｂが、対応するパーマ煉瓦６、ウェア煉瓦７、および、鉄皮底部２ａによって拘束されている。一方、羽口煉瓦１２の上面１２ａには、羽口煉瓦１２を拘束する部材は配置されていない。

羽口煉瓦１２に形成された埋設孔部１２ｄに、ノズル１５の一部が挿入されている。ノズル１５は、鉄皮底部２ａに形成された貫通孔部２ｂを通して転炉１の内側から転炉１の外側に延びている。ノズル１５は、耐熱性の高い金属管で形成されることが好ましい。このような金属管の材料として、オーステナイト系ステンレス鋼を例示できる。オーステナイト系ステンレス鋼として、ＪＩＳ（日本工業規格）のＳＵＳ３０４等を例示できる。このように、ノズル１５が金属管であるため、ノズル１５の線膨張係数は、羽口煉瓦１２の線膨張係数よりも大きい。

ノズル１５は、例えば、細長い鋼板を曲げ加工することで管状に成形し、この管状の鋼板の突き合わせ部を溶接することによって形成されている。本実施形態では、ノズル１５の各部の肉厚ｔ１は一定であり、約４ｍｍである。

ノズル１５は、羽口煉瓦１２と同軸に配置されており、羽口煉瓦１２の下面１２ｂから羽口煉瓦１２の埋設孔部１２ｄ内に進入し、羽口煉瓦１２の上面１２ａまで到達している。換言すれば、ノズル１５の上面（埋設部１６の上面１６ｅ）は、羽口煉瓦１２の上面１２ａと面一に配置されている。ノズル１５の内径および外径は、ノズル１５から転炉１内に供給される不活性ガスの流量に応じて設定される。

ノズル１５は、羽口煉瓦１２の埋設孔部１２ｄに埋設されている埋設部１６と、埋設部１６から羽口煉瓦１２の下方に延びる延伸部１７と、を有している。

埋設部１６は、羽口煉瓦１２内に埋設され転炉１の溶湯貯留空間１４に開口している。埋設部１６は、例えば、埋設部１６の周囲で煉瓦を焼結して羽口煉瓦１２を成形することで羽口煉瓦１２に埋設されてもよいし、羽口煉瓦１２に埋設孔部１２ｄを予め形成し、この埋設孔部１２に埋設部１６を差し込むことで羽口煉瓦１２に埋設されてもよい。本実施形態では、ノズル１５の軸方向Ｓ１に沿った埋設部１６の長さは、羽口煉瓦１２の高さＨ１と同じである。埋設部１６の外周面１６ａは、羽口煉瓦１２の埋設孔部１２ｄの内周面と対向している。埋設部１６の外周面１６ａは、羽口煉瓦１２の上面１２ａと下面１２ｂとの間に亘って延びる筒状の面である。常温時、軸方向Ｓ１の各部において、埋設部１６の外周面１６ａの直径は、埋設孔部１２ｄの直径よりも僅かに（例えば、約１ｍｍ）小さい。

埋設部１６の外周面１６ａは、転炉１の内側（溶湯貯留空間１４側）に進むに従い直径が大きくなる拡径テーパ面１６ｂを含んでいる。

拡径テーパ面１６ｂは、本実施形態では、埋設部１６の外周面１６ａの全域に亘って配置されている。拡径テーパ面１６ｂは、例えば、前述した細長い鋼板のうちの台形部分を円錐台形状になるように巻いた状態で鋼板の突き合わせ部を溶接すること等によって形成されている。

拡径テーパ面１６ｂは、軸方向Ｓ１（鉛直面）に対する傾斜角度θ１が、例えば１度未満（ゼロを除く）に設定されている。図面では、傾斜角度θ１を誇張して示している。傾斜角度θ１として、約０．５度、約０．２度の場合を例示できる。傾斜角度θ１の上限値は、埋設部１６の上面１６ｅが羽口煉瓦１２の上面１２ａに配置され、且つ、埋設部１６の下端１６ｆが羽口煉瓦１２の下面１２ｂに配置される限り、限定されない。

傾斜角度θ１が約０．２度の場合、高さＨ１を約１２００ｍｍとすると、羽口煉瓦１２の上面１２ａにおける埋設部１６の上面１６ｅの直径Ｄ１と、羽口煉瓦１２の下面１２ｂにおける埋設部１６の下端１６ｆの直径Ｄ２の組み合わせの一例は、以下の通りである。
直径Ｄ１は約４０ｍｍで直径Ｄ２は約３５ｍｍ
直径Ｄ１は約４５ｍｍで直径Ｄ２は約４０ｍｍ

また、傾斜角度θ１が約０．５度の場合、高さＨ１を約１２００ｍｍとすると、羽口煉瓦１２の上面１２ａにおける埋設部１６の上面１６ｅの直径Ｄ１と、羽口煉瓦１２の下面１２ｂにおける埋設部１６の下端１６ｆの直径Ｄ２の組み合わせの一例は、以下の通りである。
直径Ｄ１は約４０ｍｍで直径Ｄ２は約３０ｍｍ
直径Ｄ１は約５０ｍｍで直径Ｄ２は約４０ｍｍ

ここで、精錬対象となる高温の鉄の溶湯が転炉１に繰り返し供給されることで、耐火構造３および羽口構造４は、溶湯によって徐々に溶融され損耗していく。そして、この損耗度合が一定の値に達すると、転炉１内のウェア煉瓦７および羽口構造４が新品のものに更新される。この更新の基準として、交換基準損耗深さ位置Ｐ２が設定されている。耐火構造３および羽口構造４が交換基準損耗深さ位置Ｐ２まで損耗すると、転炉１内のウェア煉瓦７および羽口構造４が新品のものに更新される。

交換基準損耗深さ位置Ｐ２は、羽口構造４の使用前（新品時）における羽口構造４の上面位置Ｐ１から、羽口耐火物１３の高さＨ１の例えば１／２～３／４の位置（本実施形態では、１／２の位置）に設定されている。上面位置Ｐ１は、羽口構造４の使用前における羽口煉瓦１２の上面１２ａの位置である。拡径テーパ面１６ｂは、上面位置Ｐ１と、交換基準損耗深さ位置Ｐ２との間の少なくとも一部（本実施形態では、全域）に配置されている。

埋設部１６の下端１６ｆから、延伸部１７が延びている。延伸部１７の外周面１７ａは、直径が一定の円筒面である。この外周面１７ａは、埋設部１６の下端１６ｆにおける拡径テーパ面１６ｂの直径Ｄ２と同じ直径を有している。延伸部１７は、図示しないガス供給源に接続されている。延伸部１７は、例えば、細長い鋼板のうちの矩形部分を円筒状に巻いた状態で鋼板の突き合わせ部を溶接すること等によって形成されている。

以上の構成を有する転炉１において、転炉１内に鋼等の合金の溶湯が溜められると、炉底部１１の温度は極めて高い値となる。例えば、羽口煉瓦１２の上面１２ａの温度が約１５００度、羽口煉瓦１２の下面１２ｂの温度が約４００度にまで達する。これにより、羽口煉瓦１２と底吹きノズル１５は、いずれも熱膨張する。

しかしながら、前述したように、羽口煉瓦１２の線膨張係数よりも、オーステナイト系ステンレス鋼によって形成されたノズル１５の線膨張係数のほうが大きい。このため、ノズル１５の熱膨張量は、羽口煉瓦１２の熱膨張量よりも大きくなる。

図４は、羽口構造４における作用を説明するための図である。図４を参照して、円錐台形状であるノズル１５の埋設部１６が熱膨張すると、当該埋設部１６は、羽口煉瓦１２からの拘束力が弱い領域である上方領域に向けて伸びるように熱膨張する。これにより、ノズル１５の埋設部１６は、熱膨張前における羽口煉瓦１２との接触位置よりも上方の位置で羽口煉瓦１２と接触する。すなわち、埋設部１６の外周面１６ａの各部は、羽口煉瓦１２の埋設孔部１２ｄの内周面のうち、直径がより広い箇所で接触することとなる。

その結果、埋設部１６の外周面１６ａが羽口煉瓦１２の埋設孔部１２ｄの内周面を加圧する垂直抗力Ｆ１は、小さくて済む。この状態で埋設部１６がノズル１５の軸方向Ｓ１に膨張すると、埋設部１６が羽口煉瓦１２の埋設孔部１２ｄを引っ張る引張荷重Ｆ２は、小さくて済む。その結果、羽口煉瓦１２に生じる引張応力は小さくて済む。

また、転炉１内に溶湯が注がれることで羽口構造４の上面に熱的な衝撃が加わると、羽口構造４の上面の温度が急上昇する。この場合、羽口構造４において、羽口煉瓦１２の温度上昇速度よりも金属製のノズル１５の温度上昇速度のほうが高い。このため、羽口構造４に熱的な衝撃が加わると、ノズル１５と羽口煉瓦１２との温度差が大きくなり、ノズル１５の熱膨張量と羽口煉瓦１２の熱膨張量との差は大きくなる。しかしながら、前述したように、ノズル１５から羽口煉瓦１２に作用する引張荷重Ｆ２が小さくて済むので、羽口煉瓦１２に発生する引張応力は、大きくならずに済む。

以上の次第で、本実施形態によると、ノズル１５の埋設部１６の外周面１６ａは、転炉１の内側に進むに従い直径が大きくなる拡径テーパ面１６ｂを含んでいる。この構成により、引張荷重に対する破壊強度が低い羽口煉瓦１２における割れ（スポーリング）発生をより確実に抑制できる。その結果、スポーリング発生によって羽口煉瓦１２の上面１２ａの付近が部分的に欠けることによる羽口煉瓦１２の損耗と、羽口煉瓦１２の欠けに伴うノズル１５の早期損耗と、を抑制できる。その結果、羽口構造４の更新から交換までの期間をより長くでき、羽口構造４の更新周期をより長くできる。

また、本実施形態によると、拡径テーパ面１６ｂは、羽口構造４の使用前における羽口構造４の上面位置Ｐ１と、交換基準損耗深さ位置Ｐ２と、の間の少なくとも一部に配置されている。これにより、ノズル１５のうち高温になる箇所を、より確実に転炉１の内側に熱伸びさせることができる。

また、本実施形態によると、拡径テーパ面１６ｂは、埋設部１６の外周面１６ａの全域に亘って配置されている。この構成によると、ノズル１５のうち高温になる箇所を、より一層確実に転炉１の内側に熱伸びさせることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したけれども、本発明は上述の実施の形態に限られない。本発明は、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な変更が可能である。なお、以下では、上述の実施形態と異なる構成について主に説明し、上述の実施形態と同様の構成については図に同様の符号を付して詳細な説明を省略する場合がある。

（１）上述の実施形態では、埋設部１６の外周面１６ａの全域に拡径テーパ面１６ｂが形成された構成を説明した。しかしながら、この通りでなくてもよい。図５は、第１変形例の主要部を示す図である。図５を参照して、埋設部１６の外周面１６ａのうちの一部にのみ、拡径テーパ面１６ｂが設けられていてもよい、

より具体的には、ノズル１５の埋設部１６の外周面１６ａは、拡径テーパ面１６ｂと、直径が一定の円筒面１６ｃと、を有している。

拡径テーパ面１６ｂは、交換基準損耗深さ位置Ｐ２よりも深い基端位置Ｐ３から、羽口構造４の上面位置Ｐ１まで延びている。基端位置Ｐ３は、例えば、羽口構造４の上面位置Ｐ１から、高さＨ１の３／４まで進んだ位置である。一方、円筒面１６ｃは、羽口構造４の下部に配置されており、基端位置Ｐ３から羽口煉瓦１２の下面１２ｂまで延びている。円筒面１６ｃの直径は、延伸部１７の外周面１７ａの直径と同じである。

第１変形例によると、埋設部１６の外周面１６ａのうち比較的高温にならずに済む箇所は、円筒面１６ｃであり、テーパ形状でなくてもよい。これにより、ノズル１５のうちテーパ形状に成形される必要のある箇所を少なくできる。

（２）上述の第１変形例では、埋設部１６の外周面１６ａに円筒面１６ｃが形成された構成を説明した。しかしながら、この通りでなくてもよい。図６は、第２変形例の主要部を示す図である。図６を参照して、第２変形例では、ノズル１５において、円筒面１６ｃに代えて縮径テーパ面１６ｄが設けられている。

より具体的には、ノズル１５の埋設部１６の外周面１６ａは、拡径テーパ面１６ｂと、拡径テーパ面１６ｂの下方に配置された縮径テーパ面１６ｄと、を有している。

縮径テーパ面１６ｄは、羽口構造４の下部に配置されており、拡径テーパ面１６ｂ側に進むに従い直径が小さくなるテーパ状に形成されている。縮径テーパ面１６ｄは、基端位置Ｐ３から羽口煉瓦１２の下面１２ｂまで延びている。軸方向Ｓ１に関して、縮径テーパ面１６ｄの長さは、拡径テーパ面１６ｂの長さよりも短い。また、軸方向Ｓ１（鉛直面）に対する縮径テーパ面１６ｄの傾斜角度θ２は、拡径テーパ面１６ｂの傾斜角度θ１と同じでもよいし、異なっていてもよい。ノズル１５の埋設部１６は、このように拡径テーパ面１６ｂと縮径テーパ面１６ｄとが連続する構成を有していることで、鉛直断面で略Ｘ字形状を有している。換言すれば、第２変形例の埋設部１６は、拡径テーパ面１６ｂと縮径テーパ面１６ｄとの接続部の周囲がくびれた形状のくびれ部１８を有している。

第２変形例によると、埋設部１６の外周面１６ａのうち比較的高温にならずに済む箇所は、縮径テーパ面１６ｄである。この構成であれば、ノズル１５の熱膨張量が羽口煉瓦１２の熱膨張量よりも大きくなるときにおいて、埋設部１６からノズル１５が抜けることを抑制できる。

ノズル１５に拡径テーパ面１６ｂを設けた場合の効果を検証するために、有限要素法（FEM:Finite Element Method）解析を実施した。具体的には、羽口構造４をコンピューター上でモデル化した。

モデル化された羽口構造４の詳細な構成は、以下の通りである。

（羽口煉瓦の材質および形状）
材質：ＭｇＯ－Ｃ煉瓦であり、ＭｇＯを７５質量％含有し、Ｃを２１質量％有する。
形状：円錐台
上面１２ａの直径：３００ｍｍ
下面１２ｂの直径：４００ｍｍ
高さＨ１：１２００ｍｍ

（ノズルの形状および材質）
羽口煉瓦１２の中心軸線と同軸に形成された埋設孔部１２ｄに、ノズル１５の埋設部１６が埋設されている。ノズル１５の軸方向Ｓ１の各部において、埋設孔部１２ｄの直径は、埋設部１６の外径よりも１ｍｍ大きい。
ノズル１５の全長：１２００ｍｍとし、ノズル１５の全体が埋設部１６とした。
ノズル１５の肉厚：４ｍｍ
材質：ＳＵＳ３０４（オーステナイト系ステンレス鋼）

（ノズルの外径および埋設部の傾斜角度）
比較例は、直線管である。比較例においては、ノズル（埋設部）における外周面の上端の直径と下端の直径を、ともに４０ｍｍとした。
実施例１～４は、ノズル１５の埋設部１６における拡径テーパ面１６ｂの上面１６ｅの直径Ｄ１と、下端１６ｆの直径Ｄ２とを、表１に示すように変化させた。

^＊比較例の最大引張応力を1.000とした場合の比

実施例１，２は、拡径テーパ面１６ｂの上面１６ｅの直径Ｄ１を比較例と同じ４０ｍｍとし、拡径テーパ面１６ｂの下端１６ｆの直径Ｄ２をそれぞれ３５ｍｍ、３０ｍｍとすることで、テーパ状の外形を有している。

実施例３，４は、拡径テーパ面１６ｂの下端１６ｆの直径Ｄ２を比較例と同じ４０ｍｍとし、拡径テーパ面１６ｂの上面１６ｅの直径Ｄ１をそれぞれ４５ｍｍ、５０ｍｍとすることで、テーパ状の外形を有している。

上記の構成により、円錐台形状の羽口煉瓦１２の中心軸線（軸方向Ｓ１）に対する拡径テーパ面１６ｂの傾斜角度θ１は、実施例１，３が０．２３９度であり、実施例２，４が０．４７７度である。なお、比較例のノズルは、直線管であるため、外周面の傾斜角度はゼロである。

（羽口構造の物性値）
羽口煉瓦１２の物性値は、以下の通りである。
線膨張係数：１１．２×１０^－６／℃
ヤング率：２８２０ＭＰａ
ポアソン比：０．２５

（ノズルの物性値）
ノズル１５（ＳＵＳ３０４）の物性値は、以下の通りである。
線膨張係数：１９．７×１０^－６／℃
ヤング率：８９０００ＭＰａ
ポアソン比：０．３

（羽口煉瓦とノズル間の摩擦係数）
羽口煉瓦とノズル間の摩擦係数は０．３とした。

（羽口構造に対する温度・拘束条件）
ＦＥＭ解析では、羽口煉瓦１２およびノズル１５の上面温度を１５００℃、下面温度を４００℃に設定した。また、炉底部１１に配置される羽口煉瓦１２は、当該羽口煉瓦１２の周囲のパーマ煉瓦６およびウェア煉瓦７によって熱伸びを拘束される。このため、ＦＥＭ解析では、羽口煉瓦１２の外周部は当該羽口煉瓦１２の半径方向に膨張しないように境界条件を与えた。この条件は、比較例および実施例１～４において共通である。

（解析結果）
ＦＥＭ解析で求めた、羽口煉瓦１２のうち埋設孔部１２ｄの周囲に発生する、煉瓦高さ方向（軸方向Ｓ１）の引張応力の最大値を表１に示す。解析結果は、比較例における、軸方向Ｓ１の引張応力の最大値を１としたときの、実施例１～４のそれぞれにおける、軸方向Ｓ１における引張応力の最大値の割合を算出した。

表１から明らかなように、実施例１～４は、比較例と比べて、明らかに引張応力の最大値が低下した。これにより、ノズル１５の埋設部１６の外周面１６ａに拡径テーパ面１６ｂを設けることによって、羽口煉瓦１２に発生する引張応力を低減できた。すなわち、羽口煉瓦１２の割れ（スポーリング）を抑制することが実証された。

本発明は、転炉の羽口構造として広く適用することができる。

１ 転炉
４ 羽口構造
１１ 炉底部
１２ 羽口煉瓦
１３ 羽口耐火物
１５ ノズル
１６ 埋設部
１６ａ 埋設部の外周面
１６ｂ 拡径テーパ面
１６ｃ 円筒面
１６ｄ 縮径テーパ面
Ｐ１ 羽口構造の上面位置
Ｐ２ 交換基準損耗深さ位置

Claims (5)

1. 転炉の炉底部に配置される羽口構造であって、
   羽口煉瓦を含む羽口耐火物と、
   前記羽口耐火物に埋設され前記転炉内に開口する埋設部を有し、前記炉底部から前記転炉内にガスを吹き込むための金属製のノズルと、を備え、
   前記埋設部の外周面は、前記転炉の内側に進むに従い直径が大きくなる拡径テーパ面を含み、
   前記拡径テーパ面の上端における前記ノズルの開口断面積を前記拡径テーパ面の下端における前記ノズルの開口断面積で除した値が１．８以下である、転炉の羽口構造。
2. 請求項１に記載の転炉の羽口構造であって、
   前記拡径テーパ面は、前記羽口構造の使用前における前記羽口構造の上面位置と、所定の交換基準損耗深さ位置と、の間の少なくとも一部に配置されている、転炉の羽口構造。
3. 請求項１または請求項２に記載の転炉の羽口構造であって、
   前記拡径テーパ面は、前記埋設部の前記外周面の全域に亘って配置されている、転炉の羽口構造。
4. 請求項１または請求項２に記載の転炉の羽口構造であって、
   前記埋設部の前記外周面は、直径が一定の円筒面をさらに含み、
   前記拡径テーパ面は、前記円筒面から前記羽口構造の上面まで延びている、転炉の羽口構造。
5. 請求項１または請求項２に記載の転炉の羽口構造であって、
   前記埋設部の前記外周面は、前記拡径テーパ面の下方に配置され前記拡径テーパ面側に進むに従い直径が小さくなる縮径テーパ面をさらに含む、転炉の羽口構造。

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