JP7416107B2 - Ｒｈ真空脱ガス槽の下部槽構造及びｒｈ真空脱ガス設備 - Google Patents

Description

本発明は、ＲＨ真空脱ガス槽の下部槽構造及びＲＨ真空脱ガス設備に関する。

製鉄所の製鋼工程では、ＲＨ真空脱ガス設備を用いたＲＨ真空脱ガス処理が行われる。ＲＨ真空脱ガス設備のＲＨ真空脱ガス槽は、溶鋼からの熱負荷により、下部槽の底部の鉄皮が変形することが問題となっている。この変形が進展すると、内部に煉瓦を積むことが困難となり、鉄皮の補修が必要となる。例えば、特許文献１には、底板下部中央部を凸曲面にした形状が提案されている。

特開平１０－４６２２８号公報

しかしながら特許文献１に記載の技術では、下部槽の底部が溶鋼からの輻射で加熱され膨張した際に、底部の鉄皮の変形自体は抑えられるが、底部と胴部との接続部近傍で曲げ応力が発生し、特に接続部直上の胴部において鉄皮の塑性変形が進展するという問題がある。
そこで、本発明は、上記の課題に着目してなされたものであり、下部槽の底部と胴部との接続部近傍に発生する曲げ応力を緩和し、胴部の鉄皮の変形を防止する、ＲＨ真空脱ガス槽の下部槽構造及びＲＨ真空脱ガス設備を提供することを目的としている。

本発明の一態様によれば、上蓋と、上部槽と、下部槽とを備えるＲＨ真空脱ガス槽の下部槽構造であって、上記下部槽は、円筒状又は円錐台筒状の形状を有する胴部と、上記胴部の下側に接続して設けられ、浸漬管が設けられる底部と、を有し、上記底部は、中央部と、上記中央部の外周に配される接続部とを有し、前記中央部は、前記ＲＨ真空脱ガス槽の底面を形成し、上記接続部は、上記底部の外側に凸状に曲率半径Ｒで湾曲した曲面を形成して、上記中央部と上記胴部の下端とを接続し、下記（１）式を満たす形状である、ＲＨ真空脱ガス槽の下部槽構造が提供される。
１／８≦Ｒ／Ｄ≦１／５・・・（１）
Ｒ：接続部の曲率半径（ｍｍ）
Ｄ：胴部下端の内径（ｍｍ）

本発明の一態様によれば、上蓋と、上部槽と、下部槽とを備えるＲＨ真空脱ガス槽の下部槽構造であって、上記下部槽は、楕円筒状又は楕円錐台筒状の形状を有する胴部と、上記胴部の下側に接続して設けられ、浸漬管が設けられる底部と、を有し、上記底部は、中央部と、上記中央部の外周に配される接続部とを有し、上記接続部は、上記底部の外側に凸状に曲率半径Ｒで湾曲した曲面を形成して、上記中央部と上記胴部の下端とを接続し、下記（２）式及び（３）式を満たす形状であるＲＨ真空脱ガス槽の下部槽構造が提供される。
１／８≦Ｒ／Ｄ_１≦１／５・・・（２）
１／８≦Ｒ／Ｄ_２≦１／５・・・（３）
Ｒ：接続部の曲率半径（ｍｍ）
Ｄ_１：胴部下端の長径（ｍｍ）
Ｄ_２：胴部下端の短径（ｍｍ）
本発明の一態様によれば、上記ＲＨ真空脱ガス槽の下部槽構造を有する、ＲＨ真空脱ガス設備が提供される。

本発明の一態様によれば、下部槽の底部と胴部との接続部近傍に発生する曲げ応力を緩和し、胴部の鉄皮の変形を防止する、ＲＨ真空脱ガス槽の下部槽構造及びＲＨ真空脱ガス設備が提供される。

本発明の一実施形態に係るＲＨ真空脱ガス設備を示す模式図である。 ＲＨ真空脱ガス槽の下部槽構造の一例を示す断面図である。 ＲＨ真空脱ガス槽の下部槽構造の一例を示す断面図である。 下部層の変形メカニズムを示す説明図である。 ＲＨ真空脱ガス槽の下部槽の具体的な一例を示す模式図であり、（Ａ）は平面視の断面図であり、（Ｂ）は正面視の一部断面図である。 実施例の計算例１における下部槽の形状を示す説明図である。 実施例の計算例２における下部槽の形状を示す説明図である。 実施例の計算例３における下部槽の形状を示す説明図である。 実施例の結果を示すグラフである。

以下の詳細な説明では、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付し、重複する説明を省略する。各図面は模式的なものであり、現実のものとは異なる場合が含まれる。また、以下に示す実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において種々の変更を加えることができる。

＜ＲＨ真空脱ガス設備＞
図１～図４を参照して、本発明の一実施形態に係るＲＨ真空脱ガス設備及びＲＨ真空脱ガス槽の下部槽構造について説明する。ＲＨ真空脱ガス設備１は、図１に示すように、ＲＨ真空脱ガス槽２と、溶鋼をＲＨ真空脱ガス槽２に取り入れる一対の浸漬管３と、を備える。このようなＲＨ真空脱ガス槽２では、一方の浸漬管３から槽内に取り入れられた溶鋼は、減圧された槽内で脱ガス処理された後に、他方の浸漬管３から排出される。

ＲＨ真空脱ガス槽２は、鉄皮の内側に耐火物が設けられ、上蓋２０と、上部槽２１と、下部槽２２とを鉛直方向の上から順に有する。なお、本実施形態における上下の方向は、鉛直方向における上下方向を示す。
下部槽２２は、胴部２２０と、底部２２１とを有する。
胴部２２０は、上部槽２１に接続される部位である。胴部２２０は、少なくとも下側の形状として、円筒状、円錐台筒状、楕円筒状又は楕円錐台筒状の形状を有する。また、胴部２２０の下側の形状が、円筒状又は円錐台筒状である場合、図２に示すように、胴部２２０の下端つまり、底部２２１の直上における胴部２２０の鉄皮の内径をＤ（ｍｍ）とする。一方、胴部２２０の下側の形状が、楕円筒状又は楕円錐台筒状である場合、胴部２２０の下端つまり、底部２２１の直上における胴部２２０の鉄皮の内径について、長径Ｄ_１を（ｍｍ）、短径をＤ_２（ｍｍ）とする。

底部２２１は、胴部２２０の下側に接続して設けられ、ＲＨ真空脱ガス槽２の底面を形成する部位である。底部２２１の下面側には、一対の浸漬管３が内部を貫通して設けられる。底部２２１の鉄皮の構造において、図２に示すように、胴部２２０に接続される上端側の部位を接続部２２２とし、接続部２２２よりも下側の底を形成する部位を中央部２２３とする。

接続部２２２は、中央部２２３の外周に配され、底部２２１の外側に凸状に曲率半径Ｒ（ｍｍ）で湾曲した曲面を有する。また、接続部２２２の上端を上方から視た形状は、胴部２２０の下端を下方から視た形状と同じ形状を有する。つまり、接続部２２２の上端の形状は、円形又は楕円形となる。ここで、接続部２２２の上端を上方から視た形状が円形である場合には、接続部２２２は、下記（１）式を満たす形状を有する。一方、接続部２２２の上端を上方から視た形状が楕円である場合には、接続部２２２は、下記（２）式及び（３）式を満たす形状を有する。
１／８≦Ｒ／Ｄ≦１／５ ・・・（１）
１／８≦Ｒ／Ｄ_１≦１／５ ・・・（２）
１／８≦Ｒ／Ｄ_２≦１／５ ・・・（３）

中央部２２３は、中央側が外側（下側）に凸状に曲率半径ｒ（ｍｍ）で湾曲した曲面を有する。中央部２２３の曲率半径ｒ（ｍｍ）は、接続部２２２の曲率半径Ｒ（ｍｍ）以上となればよく、上限は特に限定されない。つまり、中央部２２３は、図３に示すように、曲率半径ｒが無限大、すなわち平面形状（平底状）であってもよい。（１）～（３）式において、曲率半径ｒの値及び曲率半径Ｒの値は、それぞれ鉄皮の内側での値を用いる。なお、中央部２２３と接続部２２２との境界に生じる応力を低減する観点からは、中央部２２３の形状は平底状ではなく、図２のような下方に凸状に湾曲した曲面を有する皿形状の方が好ましい。なお、中央部２２３の曲率半径ｒは、接続部２２２の曲率半径Ｒ（ｍｍ）以上の範囲で小さい方が好ましく、接続部２２２の曲率半径Ｒと同じにすることで応力低減効果を最も高めることができる。しかし、中央部２２３の曲率半径ｒを小さくすると、ＲＨ真空脱ガス槽２の高さが高くなるため、中央部２２３の曲率半径ｒの下限値は設置可能なＲＨ真空脱ガス槽２の高さに応じて設定される。

ここで、本発明者らは、下部槽の鉄皮の変形の原因の一つが以下の機構によるものであると考えた。図４には、下部槽の変形メカニズムについての一例を示す。図４において、符号２２ａが下部槽、符号２２１ａが底部、符号２２２ａが接続部、符号２２３ａが中央部及び符号２２０ａが胴部をそれぞれ示す。図４（Ａ）のように、溶鋼からの輻射熱等によって底部２２１ａが加熱されると、胴部２２０ａの下端及び接続部２２２ａには、半径方向外側に胴部２２０ａを広げるような応力が作用する。その後、図４（Ｂ）に示すように、この応力により胴部２２０ａの下端及び接続部２２２ａが外側に広がる塑性変形（クリープ変形）が生じると考えられる。
この現象に対し発明者らは、主に数値解析を用いて下部槽の鉄皮の変形防止対策の検討を行なった。その結果、接続部に曲率を設け、接続部の曲率半径を大きくとれば上記の応力は軽減できることを知見し、本発明に至った。

例えば既設の下部槽を、内径Ｄを固定値として本発明を適用する改造を施す場合、下部槽の接続部を（１）式を満たす曲率半径Ｒとする。具体的には、Ｒ／Ｄ≧１／８を満たすように曲率半径Ｒを大きくとる。曲率半径Ｒが内径Ｄに対して小さく、Ｒ／Ｄ＜１／８となると、接続部に発生する応力が緩和できない。一方、Ｒ／Ｄ≦１／５を満たすよう内径Ｄに対して曲率半径Ｒの上限を設ける。曲率半径Ｒは大きいほど接続部に発生する応力が低減され、変形が抑制されるが、曲率半径Ｒが大きくなり過ぎると内部の耐火物施工、強度に支障がでるため、Ｒ／Ｄ≦１／５に制限される。

図５には、下部槽２２の具体的な一例の模式図を示す。図５（Ａ）に示すように、この例では、胴部２２０の下端の形状は楕円形であり、長径Ｄ_１が３４００ｍｍであり、短径Ｄ_２が３２００ｍｍである。また、図５（Ｂ）に示すように、接続部２２２の曲率半径Ｒが５００ｍｍであり、中央部２２３の曲率半径ｒが６０００ｍｍである。このような形状の下部槽２２は、接続部２２２の曲率半径Ｒを胴部２２０の下端の内径で除した値は、１／８以上１／５以下となり、（２）式及び（３）式を満たすものとなる。

即ち、本実施形態に係るＲＨ真空脱ガス槽２の下部槽構造によれば、接続部２２２の形状について、（１）式を満たすものとし、曲率半径Ｒを大きくする。これにより、下部槽２２の底部２２１と胴部２２０との接続部近傍、つまり接続部２２２や胴部２２０下端に発生する曲げ応力が緩和され、胴部２２０の鉄皮の変形を防止することができる。
また、本実施形態に係るＲＨ真空脱ガス槽２の下部槽構造によれば、下部槽２２の中央部２２３についても外側に凸状の曲率半径ｒを有する曲面を有する形状としてもよい。このようにすることで、胴部２２０の鉄皮の変形をより防止することができる。

なお、鉄皮の変形が進展すると定形のレンガを積むことができなくなり、下部槽２２をＲＨ真空脱ガス槽２に組み込む際に、現地でのレンガ形状の微調整が必要となる。さらに鉄皮の変形が進むと、積んだレンガが崩れるリスクがあり、鉄皮の交換補修が必要となる。本発明により鉄皮の変形が抑制されるので、鉄皮の交換補修頻度が少なくなり、補修費の削減効果も享受できる。

以上で、特定の実施形態を参照して本発明を説明したが、これら説明によって発明を限定することを意図するものではない。本発明の説明を参照することにより、当業者には、開示された実施形態とともに種々の変形例を含む本発明の別の実施形態も明らかである。従って、特許請求の範囲に記載された発明の実施形態には、本明細書に記載したこれらの変形例を単独または組み合わせて含む実施形態も網羅すると解すべきである。

本発明者らは、実施例１として、下部槽の形状を様々に変更した条件で、実操業を模擬して数値計算を行い、下部槽の底部に加熱による熱膨張が生じた際に下部槽の胴部下端にかかる応力を計算した。実施例１では、下部槽の中央部の曲率半径ｒを、∞（計算例１）、６０００ｍｍ（計算例２）又は１６００ｍｍ（計算例３）とし、接続部の曲率半径Ｒを２００ｍｍ～８００ｍｍの範囲で変化させた条件でそれぞれ計算を行った。この計算では、下部槽の形状としては、胴部の下端の上下方向から視た形状を円形とし、内径Ｄを３２００ｍｍとした。計算例１で模擬した形状は、図６に示すものであり、曲率半径ｒが∞、つまり底部の中央部が平底状のものである。計算例２で模擬した形状は、図７に示すものであり、底部の中央部が下方に凸の曲面を有する皿形状のものである。計算例３で模擬した形状は、図８に示すものであり、接続部と中央部とが同じ曲率半径となるもの（底部が半球状）である。

図９には、計算例１，２の数値計算による応力の計算結果を示す。図９の縦軸には、縦軸を計算例１で接続部の曲率半径Ｒが２００ｍｍである従来の形状の応力を１として標準化した応力比を示す。
図６に示すように、従来例１，２に示す形状を従来は用いてきたが、曲率半径Ｒを（１）式を満たす範囲、つまり４００ｍｍ以上６４０ｍｍ以下とすることで、中央部が平底状か皿形状であるかに関わらず、従来例１，２よりも応力を低減できることが確認できた。
また、計算例３の結果については、従来例１に対する応力比が０．１となり、応力が大幅に低減できることが確認できた。

実施例２として、上記実施形態に係る下部槽２２をヒートサイズ３４５トンの実設備（ＲＨ真空脱ガス設備１）に適用し、耐久性の確認を行った。また、比較例として、同じＲＨ真空脱ガス設備に従来の下部槽を適用した場合についても耐久性を確認した。実施例２では、下部槽２２の中央部の曲率半径ｒを５６００ｍｍとし、接続部２２２の曲率半径Ｒを５００ｍｍとした。Ｒ／Ｄは１／６である。一方、比較例では曲率半径ｒを∞ｍｍとし、接続部２２２の曲率半径Ｒを２００ｍｍとした。Ｒ／Ｄは１／１７である。
比較例では鉄皮が変形してレンガが積めなくなり鉄皮交換を余儀なくされるまで１２０００チャージ耐用したのに対し、実施例２では４８０００チャージ使用でき、鉄皮の交換頻度が低減できることが確認できた。

１ ＲＨ真空脱ガス設備
２ ＲＨ真空脱ガス槽
２０ 上蓋
２１ 上部槽
２２ 下部槽
２２０，２２０ａ 胴部
２２１，２２１ａ 底部
２２２，２２２ａ 接続部
２２３，２２３ａ 中央部
３ 浸漬管

Claims (3)

1. 上蓋と、上部槽と、下部槽とを備えるＲＨ真空脱ガス槽の下部槽構造であって、
   前記下部槽は、円筒状又は円錐台筒状の形状を有する胴部と、
   前記胴部の下側に接続して設けられ、浸漬管が設けられる底部と、
   を有し、
   前記底部は、中央部と、前記中央部の外周に配される接続部とを有し、
   前記中央部は、前記ＲＨ真空脱ガス槽の底面を形成し、平底状又は下方に凸の曲面を有する皿形状であり、
   前記接続部は、前記底部の外側に凸状に曲率半径Ｒで湾曲した曲面を形成して、前記中央部と前記胴部の下端とを接続し、下記（１）式を満たす形状であり、
   前記皿形状の曲率半径は、前記接続部の曲率半径以上である、ＲＨ真空脱ガス槽の下部槽構造。
   １／８≦Ｒ／Ｄ≦１／５・・・（１）
   Ｒ：接続部の曲率半径（ｍｍ）
   Ｄ：胴部下端の内径（ｍｍ）
2. 上蓋と、上部槽と、下部槽とを備えるＲＨ真空脱ガス槽の下部槽構造であって、
   前記下部槽は、楕円筒状又は楕円錐台筒状の形状を有する胴部と、
   前記胴部の下側に接続して設けられ、浸漬管が設けられる底部と、
   を有し、
   前記底部は、中央部と、前記中央部の外周に配される接続部とを有し、
   前記中央部は、平底状又は下方に凸の曲面を有する皿形状であり、
   前記接続部は、前記底部の外側に凸状に曲率半径Ｒで湾曲した曲面を形成して、前記中央部と前記胴部の下端とを接続し、下記（２）式及び（３）式を満たす形状であり、
   前記皿形状の曲率半径は、前記接続部の曲率半径以上である、ＲＨ真空脱ガス槽の下部槽構造。
   １／８≦Ｒ／Ｄ_１≦１／５・・・（２）
   １／８≦Ｒ／Ｄ_２≦１／５・・・（３）
   Ｒ：接続部の曲率半径（ｍｍ）
   Ｄ_１：胴部下端の長径（ｍｍ）
   Ｄ_２：胴部下端の短径（ｍｍ）
3. 請求項１又は２に記載のＲＨ真空脱ガス槽の下部槽構造を有する、ＲＨ真空脱ガス設備。

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