JP7256063B2 - 出鋼口スリーブの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、製鋼用転炉や電気炉などで溶鋼を取鍋等に排出するための出鋼口スリーブの製造方法に関する。

製鋼用転炉や電気炉には、溶鋼を取鍋等に排出するための出鋼口が設置されており、この出鋼口は筒状の耐火物で構成されている。通常、この耐火物は出鋼口スリーブ、あるいは単にスリーブと呼ばれている。

この出鋼口スリーブは、転炉の出鋼後の待機時あるいは休止時には急激な温度変動及び雰囲気の変化に曝されるため耐熱衝撃性及び耐酸化性が要求され、出鋼中には、高温の溶鋼流に激しく曝されるため耐摩耗性や耐スラグ性などの耐食性が要求される。

そのため出鋼口スリーブの材質としては、従前より不焼成のマグネシアカーボン材質が広く使用されている。マグネシアカーボン材質は、耐熱衝撃性に優れているため熱衝撃の大きい条件下で使用される出鋼口スリーブに適した材質ではあるが、転炉の稼働率向上等のために更なる長寿命化（耐用性向上）が切望されている。

そこで、出鋼口スリーブの耐用性を向上するために、黒鉛等のカーボン使用量を少なくすること、すなわち、低カーボン化によって組織を緻密化し稼動面にＭｇＯに富む層を形成して、強固な組織として酸化や溶鋼流による摩耗を抑制することが行われている。通常、マグネシアカーボンれんがには、黒鉛が２０質量％近く含有されているが、黒鉛を大幅に減量して１０質量％以下レベルにすると、耐食性（耐摩耗性や耐スラグ性）が向上するため耐用性が改善するといわれている。

例えば、特許文献１には、マグネシア原料：９２～９９重量％及びカーボン原料：１～８重量％を含み、更に外割りでピッチ粉：０．３～５重量％、金属添加物：０～１．５重量％、硼化物：０～０．８重量％を含むことを特徴とする転炉出鋼口スリーブ用低カーボン質ＭｇＯ－Ｃ耐火物が開示されている。この耐火物は、低カーボン（１～８重量％）であること、さらには所定量のピッチ粉を含むことに特徴があり、これにより、ＭｇＯ－Ｃ質耐火物の優れた耐熱衝撃性を損なうことなく酸化損傷を抑制し、しかも、焼成後の曲げ強さが高く、かつ耐スラグ侵食性に優れた効果が得られるとされている。
しかしカーボン原料を大幅に減量すると熱衝撃によって亀裂が発生し寿命が短くなる問題があり、カーボン原料の減量には限界があった。

また、特許文献２には、全体がマグネシア－カーボン質耐火物よりなり、カーボン含有量が内周部より外周部が少ない２層構造の出鋼口スリーブが開示されている。
しかし、この２層構造の出鋼口スリーブでは、内周部（内層）のカーボン量を少なくした場合、外周部（本体層）のカーボン量が更に少なくなるため、やはり耐熱衝撃性が低下して寿命が短くなる問題がある。

特開平８－２５９３１２号公報 特開平６－１８４６１７号公報

本発明が解決しようとする課題は、内層に低黒鉛材質を配置した出鋼口スリーブにおいて耐用性を向上することにある。

出鋼口スリーブは使用時には内孔に溶鋼が通過するため内孔の急激な熱膨張によってその外面に熱応力が発生する。内層の黒鉛量が本体層の黒鉛量よりも少ない２層構造の出鋼口スリーブにおいては、外面の熱応力がより大きくなるため出鋼時に外面に亀裂が入りやすくなる。
一般的に、黒鉛量が多いと低弾性率化するため熱応力吸収能が高まるとされている。したがって、本体層の黒鉛量を多くすれば熱応力吸収能が高まり、耐熱衝撃性を向上することができる。ただし、本体層の黒鉛量が多すぎると耐食性が低下する。そこで、本発明者らは、内層の黒鉛量と本体層の黒鉛量との各組み合わせにおいて出鋼口スリーブの外面の発生応力を算出し、内層の黒鉛量に対する本体層の黒鉛量の下限値を設定することで耐熱衝撃性及び耐食性に優れた２層構造の出鋼口スリーブとなり、その耐用性を向上できることを知見した。

すなわち、本発明の一観点によれば、次の出鋼口スリーブの製造方法が提供される。
内層とこの内層の外側の本体層とを備える出鋼口スリーブの製造方法において、
内層及び本体層は、それぞれマグネシアと黒鉛とを主体とする内層用耐火原料配合物及び本体層用耐火原料配合物を別々に混練後に一体成形し、熱処理することで得ると共に、全体の厚みに対する内層の厚みの割合を１０～３０％とし、
しかも、内層用耐火原料配合物中の黒鉛含有率Ｇ１（質量％）と本体層用耐火原料配合物中の黒鉛含有率Ｇ２（質量％）との関係が式（１）を満足する出鋼口スリーブの製造方法。
Ｇ２≧１８．４－０．６８Ｇ１ …（１）
ただし、５≦Ｇ１≦１０

本発明によれば、内層に耐食性に優れる低黒鉛材質を配置しても、本体層に耐熱衝撃性に優れる高黒鉛質材質を配置することで耐熱衝撃性の低下が抑制されるため、出鋼口スリーブの耐用性が向上する。

本発明の一実施形態である出鋼口スリーブを示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は断面図。 出鋼口スリーブの本体層外面に発生する応力について、全体の厚みに対する内層の厚みの割合別に熱応力計算を行った結果を示すグラフ。 内層及び本体層の黒鉛含有率のみが異なる各出鋼口スリーブの発生応力について計算結果をプロットしたグラフ。

図１に、一実施形態である出鋼口スリーブを示している。
この出鋼口スリーブ１は内孔４を含む内層２と、この内層２の外側の本体層３とで構成されている、２層構造の出鋼口スリーブである。この出鋼口スリーブ１の全長Ｌは１５００ｍｍ、外径ＯＤは４００ｍｍ、内孔径ＩＤは２００ｍｍ、全体の厚みＴは１００ｍｍ、内層の厚みＴ１は２０ｍｍであり、本体層の厚みＴ２は８０ｍｍであり、全体の厚みＴに対する内層の厚みＴ１の割合は２０％である。
全体の厚みＴに対する内層の厚みＴ１の割合が１０％未満では低黒鉛化による耐食性向上効果が不十分となり、３０％を超えると耐熱衝撃性が低下する。

この出鋼口スリーブ１は、一体成形で製造することができる。すなわち、出鋼口スリーブ１を構成する内層２及び本体層３は、それぞれマグネシアと黒鉛とを主体とする内層用耐火原料配合物及び本体層用耐火原料配合物を別々に混練後に一体成形し、熱処理することで得られる。一体成形では、成形型内に仕切りを設け、内層用耐火原料配合物をバインダ（有機バインダ）と共に混練して得た内層用坏土と、本体層用耐火原料配合物をバインダ（有機バインダ）と共に混練して得た本体層用坏土とを充填した後、仕切りを取り除いて加圧成形する。成形後は２００～１０００℃で熱処理を行う。

このように本発明の出鋼口スリーブにおいては、内層と本体層とが一体成形されることで、これら２つの層の界面には微視的には２つの層が混ざり合った混合層が形成される。このため実炉で使用され、損耗が進み内層が損耗して稼動面が本体層に移行する場合でも局部的な損耗等がなくスムーズに移行することができる。すなわち、出鋼口スリーブでは、使用を重ねることで損耗して内孔径が拡大してゆくが、本発明の出鋼口スリーブによれば内層が損耗してなくなっても本体層まで問題なく使用することができる。例えば、最大で全体の厚みの６０％程度までは使用可能である。

ここで、前述の混合層の厚みはわずかであるので、全体の厚みＴに対する内層の厚みの割合を求める場合には混合層の厚みは無視することができるが、この混合層の中間位置を内層と本体層との境界位置として、内層の厚みの割合を求めることもできる。

なお、一体成形に使用する成形機は円筒状の大型の構造体である出鋼口スリーブを高圧かつ均一に加圧するためにＣＩＰ成形機とすることができる。ＣＩＰ成形機を使用することで２層間の界面に亀裂が発生せず良好な混合層（結合組織）が得られる。

次に、本発明の出鋼口スリーブに使用する内層用耐火原料配合物及び本体層用耐火原料配合物について説明する。

本発明の内層用耐火原料配合物及び本体層用耐火原料配合物は、それぞれマグネシアと黒鉛とを主体とする。そして本発明では、内層用耐火原料配合物中の黒鉛含有率Ｇ１（以下「内層の黒鉛含有率Ｇ１」という。）と本体層用耐火原料配合物中の黒鉛含有率Ｇ２（以下「本体層の黒鉛含有率Ｇ２」という。）との関係が前記の式（１）を満足することを特徴とする。すなわち、内層の黒鉛含有率Ｇ１に対して、本体層の黒鉛含有率Ｇ２が式（１）を満足する範囲では、十分な耐熱衝撃性が得られ出鋼口スリーブの外周面に発生する亀裂を抑制することができる。

また、本発明において内層の黒鉛含有率Ｇ１は、５質量％以上１０質量％以下とする。内層の黒鉛含有率Ｇ１が５質量％未満では前記の式（１）との関係から本体層の黒鉛含有率Ｇ２が多くなりすぎて耐食性が不十分となり、１０質量％を超えると低黒鉛化による耐食性向上効果が十分得られない。
なお、本体層の黒鉛含有率Ｇ２の上限は、耐食性の面から１８質量％以下とすることができる。

本発明の内層用耐火原料配合物には、黒鉛以外にマグネシアを８５～９３質量％使用することができる。また、本発明の本体層用耐火原料配合物には、黒鉛以外にマグネシアを８０～９０質量％使用することができる。
本発明の内層用耐火原料配合物及び本体層用耐火原料配合物に使用されるマグネシアは、通常のマグネシアカーボンれんがで使用されている電融マグネシアや焼結マグネシアを使用することができる。
また、本発明の内層用耐火原料配合物及び本体層用耐火原料配合物に使用される黒鉛は、通常のマグネシアカーボンれんがで使用されている鱗状黒鉛、膨張黒鉛などを使用することができる。

また、内層用耐火原料配合物及び本体層用耐火原料配合物においてマグネシア及び黒鉛以外の残部には、金属、ホウ化物、アルミナ、スピネル、ピッチ粉、及びカーボンブラックのうち１種以上を合量で１０質量％以下の範囲で使用することができる。
例えば、酸化防止及び耐食性向上を目的にアルミニウム、アルミニウム合金及び／又はシリコンの金属粉を０．５～４質量％使用することができる。
また、酸化防止のために炭化ホウ素を１質量％以下で使用することができる。
更に、耐熱衝撃性を向上するために粉末ピッチを２質量％以下で使用することができる。

表１に、本発明の実施例と比較例の耐火原料配合物、及びこれらの耐火原料配合物で出鋼口スリーブを製造し実際の転炉で使用した試験結果を示す。使用した出鋼口スリーブは前述した図１の形状をしており、各部の寸法は表１に示したとおりである。

比較例１を除いて、表１に示したそれぞれの耐火原料配合物に有機バインダとしてフェノール樹脂を適量添加して混練して内層用坏土と本体層用坏土とを作製し、型枠に仕切りを設けてそれぞれの坏土を投入後に仕切りを除いてＣＩＰ成形機で成形後に２５０℃で熱処理した。比較例１については、１層のみの構造とした以外は前述の製造方法と同様とした。

なお、マグネシアとしては純度９８質量％の電融マグネシア、黒鉛としては純度９８質量％の天然鱗状黒鉛を使用した。

出鋼口スリーブの耐用性は、各出鋼口スリーブの内孔の損耗指数により評価した。損耗指数とは、［スリーブ内孔直径の使用前後の差（ｍｍ）／２／スリーブ使用回数（回）］の計算式において比較例１の結果を１００として指数化したものである。この損耗指数が小さいほど内孔の損耗が小さく耐用性に優れるということである。各出鋼口スリーブは、全体の厚みのほぼ５０％まで使用された。
また、表１の２層構造の出鋼口スリーブにおいて内層の黒鉛含有率Ｇ１と本体層の黒鉛含有率Ｇ２との関係が式（１）であるＧ２≧１８．４－０．６８Ｇ１を満足するものを○で表示し、満足しないものを×で示した。

実施例１から実施例３、比較例２及び比較例３は、内層用耐火原料配合物及び本体層用耐火原料配合物は同じで、全体の厚みに対する内層の厚みの割合（％）のみが異なるものである。従来使用されていた１層構造の比較例１と比較すると、内層の厚みの割合（％）が本発明の範囲内である実施例１から実施例３は、耐用性が向上した。特に実施例２は損耗指数が小さくが耐用性が大幅に向上した。
これに対して内層の厚みの割合（％）が本発明の下限値を下回っている比較例２では、耐用性向上は見られなかった。また、内層の厚みの割合（％）が本発明の上限値を上回っている比較例３は、発生応力が大きくなったため（図２参照）、比較例１の１層構造よりも耐用性が低下した。

比較例４は、実施例２と比較して本体層の黒鉛含有率Ｇ２が１２質量％と１質量％低く式（１）を満足していないため、本体層に発生する熱応力が大きくなりすぎて（図３参照）耐用性が不十分となった。
比較例５は、内層の黒鉛含有率Ｇ１が本発明の下限値を下回っており、式（１）を満足させるために本体層の黒鉛含有率Ｇ２が多くなりすぎて耐用性が不十分となった。
比較例６は内層の黒鉛含有率Ｇ１が本発明の上限値を上回っており、式（１）を満足するが、内層の黒鉛量が多くなりすぎて耐用性が不十分となった。

また、実施例１から実施例３及びこれらと内層の厚みのみが異なる条件の出鋼口スリーブにおいて本体層外面に発生する応力について熱応力計算を行い、その結果を図２に示した。なお、熱応力計算は出鋼口スリーブ温度８００℃、溶鋼温度１６５０℃を想定しＦＥＭ計算にて行った。
この計算結果から、内層の厚みの割合が４０％になると発生応力が急激に上昇しており、内層の厚みの割合は３０％以下とすることが好ましいことがわかる。

図３は、実施例３の出鋼口スリーブ及び実施例３において内層及び本体層の黒鉛含有率のみが異なる各出鋼口スリーブの発生応力について計算結果をプロットしたものである。発生応力は図２と同じ方法で計算した。

発生応力が、実炉試験で問題のなかった実施例３の発生応力を●としてプロットし、この実施例３以下の発生応力を○とし、実施例３の発生応力よりも大きな値となったものは×とした。そして、このグラフにおいて内層の各黒鉛含有率において発生応力が○となる本体層の黒鉛含有率の下限値を直線Ａで表した。この直線ＡはＧ２＝１８．４－０．６８Ｇ１と表すことができる。
そこで、Ｇ２≧１８．４－０．６８Ｇ１の条件（図３のグラフにおいて直線Ａとその右上）では、出鋼口スリーブの外面の発生応力が実炉試験で問題のなかった実施例３以下となるため、この条件を満たす出鋼口スリーブは耐熱衝撃性に優れることになる。

逆に、Ｇ２＜１８．４－０．６８Ｇ１の条件（図３のグラフにおいて直線Ａより左下）では、出鋼口スリーブの外面の発生応力が実炉試験で問題のなかった実施例３よりも大きくなるため、この条件を満たす出鋼口スリーブは耐熱衝撃性に劣ることになる。

また、内層の黒鉛含有率Ｇ１が５質量％未満では、Ｇ２≧１８．４－０．６８Ｇ１の条件を満足させて発生応力を実施例３の●以下とするためには、本体層の黒鉛含有率Ｇ２が多くなりすぎて耐食性が不十分となる。一方、内層の黒鉛含有率Ｇ１が１０質量％を超えると低黒鉛化による耐食性向上効果が不十分となる。

１ 出鋼口スリーブ
２ 内層
３ 本体層
４ 内孔

Claims (1)

1. 内層とこの内層の外側の本体層とを備える出鋼口スリーブの製造方法において、
   内層及び本体層は、それぞれマグネシアと黒鉛とを主体とする内層用耐火原料配合物及び本体層用耐火原料配合物を別々に混練後に一体成形し、熱処理することで得ると共に、全体の厚みに対する内層の厚みの割合を１０～３０％とし、
   しかも、内層用耐火原料配合物中の黒鉛含有率Ｇ１（質量％）と本体層用耐火原料配合物中の黒鉛含有率Ｇ２（質量％）との関係が式（１）を満足する出鋼口スリーブの製造方法。
   Ｇ２≧１８．４－０．６８Ｇ１ …（１）
   ただし、５≦Ｇ１≦１０

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