(57)【要約】【課題】スラグ積載可能容積を確保しつつ、排滓時の熱応力に対する鍋剛性を向上してスラグ鍋の寿命を延ばす。【解決手段】鍋上端開口部における予め設定した排滓位置から溶融状態のスラグを排滓するスラグ鍋１である。鍋上端開口部の周方向に沿った輪郭形状のうち、少なくとも上記排滓位置およびその排滓位置に連続する左右部分の形状が円弧形状である。排滓位置およびその排滓位置に連続する左右部分の下方に位置する鍋上部外壁面の部分に、上方に向かうほど上記排滓位置の周方向中央側に近づく斜め方向に延在する１又は２以上の斜めリブ１０を設けた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鍋上端開口部における予め設定した排滓位置から溶融状態のスラグを排滓するスラグ鍋であって、鍋上端開口部の周方向に沿った輪郭形状のうち、少なくとも上記排滓位置およびその排滓位置に連続する左右部分の形状が円弧形状のスラグ鍋において、
上記排滓位置およびその排滓位置に連続する左右部分の下方に位置する鍋上部外壁面の部分に、上方に向かうほど上記排滓位置の周方向中央側に近づく斜め方向に延在する１又は２以上の斜めリブを設けたことを特徴とするスラグ鍋。
【請求項２】
鍋上端開口部に周方向に沿って延びる外向きフランジと、その外向きフランジよりも下側の外壁部に形成されて周方向に延びる横リブと、を有するスラグ鍋において、
上記斜めリブは、上記外向きフランジと横リブとの間の位置に形成されることを特徴とする請求項１に記載したスラグ鍋。
【請求項３】
上記斜めリブは、上面視において、鍋に設けられた一対の傾動軸位置よりも上記排滓位置側に配置されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載したスラグ鍋。
【請求項４】
上記斜めリブの少なくとも下部位置が、鍋からのスラグの排滓が開始した際に、スラグが通過する鍋上部内壁面に対応する鍋上部外壁面位置よりも周方向外側に位置することを特徴とする請求項３に記載したスラグ鍋。
【請求項５】
上記鍋上端開口部の周方向に沿った輪郭形状が楕円形形状であり、その楕円形形状の長径に沿って傾動軸が設定されていることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載したスラグ鍋。
【請求項６】
上記斜めリブの延在する斜め方向は、スラグを排滓する際に、鍋上部における排滓位置近傍の外壁部に発生する熱応力の主応力方向に沿った方向に設定することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載したスラグ鍋。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、製鉄プロセスで発生する溶融状態のスラグを受滓・運搬・排滓するためのスラグ鍋に関する。
【背景技術】
【０００２】
高炉、転炉、電気炉などの製鉄プロセスで発生する溶融スラグは、スラグ鍋と呼ばれる輸送容器に排出され、スラグ鍋によってスラグ処理場まで搬送される。そして、スラグ処理場でスラグ鍋を傾動軸周りに傾動させることで、鍋内のスラグが排滓される。そのスラグ鍋には、排滓時にスラグを剥離しやすくするために耐火物が敷設されておらず、鋳鉄製のスラグ鍋に直接スラグを積載している。
ここで、スラグ鍋の上端開口部の形状（以下、単に開口部形状ともいう）は、通常、楕円形形状、真円形状、矩形形状などとなっている。
【０００３】
開口部形状が楕円形形状のスラグ鍋の場合（特許文献２参照）、通常、楕円の長径方向に傾動軸が設定される。そして、溶融スラグを受滓した鍋は、スラグ処理を行う所定の場所において、傾動軸周りに傾動されることで、曲率半径が大きな排滓位置から、鍋内の溶融スラグが排滓される。スラグ鍋は、このような溶融スラグの受滓、排滓の作業の際に繰り返し使用される。
この受滓、排滓の繰り返しによる経時劣化によって、スラグ鍋に発生する変形および亀裂が問題となっている。中でも、鍋鉄皮の加熱、冷却の繰り返しで発生する熱疲労による亀裂よりも、スラグと接触する範囲だけが部分的に高温になるために生じる、熱応力による変形や亀裂が深刻な問題となっており、この熱応力による変形、亀裂が鍋の寿命を律速している。このことから熱変形による鍋の変形を抑制し寿命延長を図ることが急務とされている。
【０００４】
特許文献１は、鍋の内部に補強リブを配置し、その補強リブを、対向する壁面間に架け渡すように配置し、鍋本体および補強リブの厚さおよび高さを最適化することで、鍋の変形や亀裂の発生を抑制することが提案されている。なお、特許文献１のスラグ鍋は、本願が対象とする開口部形状とは異なり、開口部形状が矩形の鍋である。
また、特許文献２においては、受滓したスラグを容器内面に付着させることにより、スラグの高い断熱性を利用した断熱層を鍋内に形成する。これにより、温度変化を小さく抑えて、鍋の熱変形や亀裂を防止することが提案されている。
また、特許文献３には、電気炉などで使用される鋼板を溶接して製作するスラグ冷却容器が記載されている。特許文献３では、そのスラグ冷却容器の変形しやすい位置に鍋の母材より線膨張係数が大きい補強材を配置することで母材の変形を相殺する方向に力を作用させ、変形を抑制することが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−４９３１１号公報
【特許文献２】特開２００３−２９４３７６号公報（図４参照）
【特許文献３】特開２００５−１５６００５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１に記載されるスラグ鍋では、鍋の内側に補強リブを配置しているため、操業中に、補強リブを起点に発生する亀裂を見つけにくいという問題があった。また鍋内側の凹凸がスラグの剥離性を悪化させるという課題も有する。
特許文献２に記載されるスラグ鍋では、スラグを常に内面に付着させた状態とする必要があるため、鍋への積載可能容積が減少するという問題があった。一般に、一度、鍋内にスラグ層を形成すると、スラグ同士の親和性が良いことから、スラグの受滓・排滓を繰り返すことで鍋内のスラグ層が増加し続ける。そのため、特許文献２に記載されるスラグ鍋を使用する場合、連続受滓回数を通常より小さく設定する必要がある。
【０００７】
特許文献３に記載されるスラグ冷却容器は、複数の厚鋼板を溶接して構成されているため、溶接部に応力が集中し、亀裂発生は避けられない。一方、スラグ鍋は、通常、鋳物で一体成型される鍋であり、線膨張係数が異なる材料を組み合わせた構造にすることが非常に困難である。
本発明は、上記のような点に着目してなされもので、スラグ積載可能容積を確保しつつ、排滓時の熱応力に対する鍋剛性を向上してスラグ鍋の寿命を延ばすことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
課題を解決するために、本発明の一態様であるスラグ鍋は、鍋上端開口部における予め設定した排滓位置から溶融状態のスラグを排滓するスラグ鍋であって、鍋上端開口部の周方向に沿った輪郭形状のうち、少なくとも上記排滓位置およびその排滓位置に連続する左右部分の形状が円弧形状のスラグ鍋において、上記排滓位置およびその排滓位置に連続する左右部分の下方に位置する鍋上部外壁面の部分に、上方に向かうほど上記排滓位置の周方向中央側に近づく斜め方向に延在する１又は２以上の斜めリブを設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の一態様によれば、斜めリブによって、スラグ排滓時に鍋に発生する熱応力に対する主応力方向への剛性が向上する。このため、排滓時の発生応力を低減することができ、熱変形を抑制することができる。また、リブは張出部を構成するが、上記作用を有する補強部材としての斜めリブを、鍋の外壁面側に設けるので、積載容積を減少させることなく、さらにスラグの剥離性を減少させることなく、上記排滓時の変形抑制を向上することが出来る。
この結果、本発明の一態様によれば、経時的な鍋の熱変形を抑制して、スラグ鍋の寿命を延ばすことが可能となる。
【００１０】
ここで、開口部形状が楕円形形状や真円形状など、上端開口部の輪郭形状（開口部形状）が円弧形状の連続から構成される鍋の場合には、鍋の剛性を高めるために、外壁面に対し上下方向に延びる複数の縦リブや、周方向に延びる横リブを設けることも行われる場合もある。しかし、鍋の外方への変形防止には効果は大きいものの、発明者らは、排滓による熱応力で、経時的に排滓位置近傍が内側に変形することがあるという知見を得ている。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】スラグ鍋の例を説明する図であり、（ａ）は平面図を、（ｂ）は側面図を、（ｃ）は、（ｂ）のＡ−Ａ断面図を示す。
【図２】本発明に基づく実施形態に係るスラグ鍋の補強を説明する側面図である。
【図３】斜めリブの配置例を示す斜視図である。
【図４】熱変形の例を示す図である。
【図５】排滓開始時の熱解析による熱変形を説明する平面図である。
【図６】スラグの接触する範囲を示す側面図であり、（ａ）は運搬時を、（ｂ）は排滓開始直後の場合を示す。
【図７】スラグ鍋の温度分布により発生する熱応力に主応力方向を矢印で示す図である。
【図８】主応力の測定位置を示す図である。
【図９】スラグ鍋に発生する主応力を評価した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
次に、本発明に基づく実施形態について図面を参照して説明する。
以下の説明では、開口部形状が楕円形形状のスラグ鍋の場合を例に説明する。
但し、開口部形状が真円形状となっているスラグ鍋であっても良いし、開口部形状のうち、排滓側の上端傾向部する箇所だけが部分的に円弧形状となっているスラグ鍋であっても、本発明は適用可能である。すなわち、本発明が対象とするスラグ鍋は、鍋上端開口部の周方向に沿った輪郭形状のうち、少なくとも排滓位置およびその排滓位置に連続する左右部分の形状が円弧形状のスラグ鍋である。すなわち、開口部形状のうちスラグを排滓する開口端部位置およびその近傍の周方向に沿った形状が、円や楕円の一部などからなる円弧形状で構成されるスラグ鍋を対象とする。左右部分の長さは、例えば２ｍである。
【００１３】
（構成）
図１（ａ）に示すように、本実施形態が対象とするスラグ鍋１は、開口部形状が楕円形形状からなる。また、平面視において、開口部形状の楕円における長径方向ＬＬに傾動の軸Ｐが設定され、スラグ鍋１の長径方向ＬＬに張り出した一対の傾動軸部２を有する。
また、本実施形態のスラグ鍋１は、図１に示すように、鍋上端開口部には、周方向全周に外向きフランジ３が形成されている。更に、鍋上部の外壁面に周方向（横方向）に延在する横リブ４が、外方に張り出すように形成されている。その横リブ４の高さは、例えば、鍋内に収容するスラグの湯面の平均高さ近傍の高さ、若しくはスラグの湯面の平均高さ未満となるように設定されている。スラグは、例えば、鍋容積の８割程度となるように受滓される。
【００１４】
更に、上部外壁面には、外向きフランジ３と横リブ４を連結するように、複数の縦リブ５が周方向に沿って所定間隔毎に設けられている。また、横リブ４よりも下方位置の外壁面にも、上下に延びる縦リブ６が周方向に沿って所定間隔で設けられている。
ここで、図１中、符号Ｈの位置が、スラグが排出される際の排滓開始位置である。傾動軸Ｐ周りに鍋をゆっくり傾けると、楕円の短径方向ＬＳの位置を排滓の周方向中央位置（排滓の開始位置Ｈ）として、上端開口部の所定の周方向範囲からスラグが流れ出る。この流れ出るスラグが通過する位置が、排滓中での排滓位置である。
【００１５】
ここで、排滓開始時にスラグが通過（接触）する鍋上部の内壁面位置は、図１（ｂ）のように、開口部上端に近づくにつれて幅が狭くなる様な三角形形状の範囲である。本実施形態では、この排滓時にスラグが接触する上記三角形形状の領域を、排滓時スラグ通過領域Ｅと呼ぶ。
そして、本実施形態では、開口端部における、一対の傾動軸Ｐ位置よりも排滓側に位置する開口部の部分の下側に位置する外壁面上部に対して、斜め方向に延びる斜めリブ１０を設けている。斜めリブ１０を設ける外壁面上部とは、下端位置が湯面よりも高くても良いし低くても良い。但し、斜めリブ１０の上部側が湯面よりも高い位置となるように設定する。
【００１６】
斜めリブ１０は、下側から上方に向かうほど排滓位置の周方向中央側（排滓の開始位置Ｈ）に近づく斜め方向に延在して、軸が、側面視で、水平方向に対して所定傾斜角度θだけ傾斜している。
所定傾斜角度θは、水平方向に対し例えば４５度である。有限要素解析によって、排滓時の熱応力によって、スラグを排滓する際に、鍋上部における排滓位置近傍の外壁部に発生する熱応力の主応力方向と同じ傾きに、所定傾斜角度θを設定することが好ましい。発明者らが解析によって検討したところ、鍋上部における排滓位置近傍では、熱応力の主応力方向が、４５度方向若しくはその近傍の角度の方向に延びるように発生することを確認した。所定傾斜角度θは、例えば３０度以上６０度以下の範囲で設定する。
【００１７】
本実施形態では、斜めリブ１０は、外向きフランジ３と横リブ４との間の位置に形成される。このとき、斜めリブ１０は、外向きフランジ３と横リブ４との間に架け渡されるように設けることが好ましい。ここで、斜めリブ１０を設ける途中に縦リブ５が存在する場合には、図３に示すように、その縦リブ５を介して外向きフランジ３と横リブ４とを繋ぐように設けられる。なお、図３では、横リブ４とその下側の縦リブ６とを結ぶように補強部材を別途配置する場合を例示している。
斜めリブ１０を設ける領域は、上面視において、鍋の傾動軸Ｐ位置よりも排滓位置側に設定する。ただし、斜めリブ１０は、下部位置が排滓開始時のスラグ通過領域よりも周方向外側（近い側の傾動軸Ｐ側）に位置するように設定することが好ましい。また、排滓開始位置Ｈを通過する鉛直線に対し対称配置となるように、つまり対をなすように斜めリブ１０を設けることが好ましい。
【００１８】
ここで、斜めリブ１０を設ける斜めリブ形成領域は、例えば、上面視において、排滓位置の周方向中央位置（排滓開始位置Ｈ）を中心として、開口部の周長の７％以上４９％以下の範囲とする。また、斜めリブ形成領域は、例えば、側面視で、開口部上端から、受滓するスラグの標準湯面高さ近傍までの範囲とする。高さ近傍とは例えば１ｍ前後の高さの違いを含む意味である。
【００１９】
（動作その他）
高炉、転炉、電気炉などの製鉄プロセスで発生する溶融スラグが、スラグ鍋１に受滓される。スラグを受滓したスラグ鍋１は、スラグダンプトラック等の搬送車によってスラグ処理場まで搬送される。スラグ処理場で、スラグ鍋１が傾動軸Ｐ周りに傾動する、排滓開始位置Ｈを起点として、排滓位置から溶融スラグが排出される。尚、溶融スラグの温度は、例えば７００℃である。
以上のように、スラグ鍋１は受滓、運搬、排滓を繰り返す。この繰り返しによる熱変形で、図４のように、排滓方向における鍋上部が内向きに変形する。
【００２０】
排滓時の熱応力解析を行ったところ、鍋上部におけるスラグが通過する排滓時スラグ通過領域Ｅが膨張してその位置の外向きフランジ３が隆起する方向に変形すると共に、図５のように、排滓時スラグ通過領域Ｅよりも外側が外方に張り出すように変形することで、平面視で、排滓時スラグ通過領域Ｅの位置近傍が鍋内側に凸となるような熱変形が発生するとの解析結果を得た。なお図５は、変形量を２００倍で表現したものである。
これに対し本実施形態では、この変形を斜めリブ１０で拘束して、排滓位置が内側に向けて熱変形するのを抑える。
【００２１】
ここで、図６のように、スラグは鍋容積の８割ほど受滓して運搬し、排滓を行うため、それぞれのときにスラグと接触する範囲は、図６の破線で示す範囲である。また、図６（ａ）は運搬時の状態であり、（ｂ）は排滓開始時の状態である。
また、スラグ運搬中および排滓開始直後にサーモカメラで鍋温度を測定すると、スラグからの熱で加熱された鍋の温度分布を得ることができる。
上記測定により得られた温度分布を、鍋形状を再現した有限要素解析モデルに与えて熱応力解析を実施することで、排滓操業中に鍋に発生する熱応力分布および鍋の変形形状を推定することが出来る。図７に、排滓開始直後の状態について解析して求めた熱応力の主成分方向を太矢印で示す。本実施形態では、鍋上部における熱変形を抑える意味で、図７中、符号Ｓの方向と同方向に斜めリブ１０を配置するものである。
【００２２】
そして、斜めリブ１０を設けない比較例のスラグ鍋１と、上記斜めリブ１０を設けた実施例のスラグ鍋（図２参照）について熱応力解析を行い、図８に示す３点Ａ、Ｂ、Ｃの各点に発生する主応力を求めて評価した。その評価結果を図９に示す。ここで、スラグ鍋１の材質（ＳＣＷ４５０）の降伏点は２５５  ＭＰａとした。斜めリブ１０は、排滓時スラグ通過領域よりも周方向外側位置で、所定傾斜角度θを４５度に設定した。斜めリブ１０は、側面視で、排滓開始位置Ｈを通過する鉛直線に対し、左右対称な位置にそれぞれ１つずつ設けた。
【００２３】
図９から分かるように、比較例の鍋では広範囲で降伏点以上の主応力が発生しているのに対して、実施例の鍋では全ての位置で発生応力を降伏点以下にまで低減することができていることが分かる。すなわち、スラグ鍋１の温度分布により発生する変形を主応力方向への斜めリブ１０による補強により低減することができることが分かる。特に、周方向外方の主応力が大幅に減少していることから、排滓位置の左右方向が外方に張り出すような熱変形が抑制されることが分かる。
上記の例では、一対の斜めリブ１０を設けた場合であるが、２対以上の斜めリブ１０を対称位置に設けると更に熱変形が抑えられるものと推定される。ここで、斜めリブ１０は、排滓開始位置Ｈを通過する鉛直線に対し、対称位置へ対をなして配置することが好ましい。
【００２４】
以上のように、本実施形態のスラグ鍋１は、スラグからの熱で発生する変形に対して剛性を向上させることにより、変形を抑制することが出来る。すなわち、操業中の鍋に発生する熱応力の主応力方向に剛性を向上させたため、発生応力を低減することができ、変形を抑制することができた。また補強部材として鍋の外面に突出したリブを使用したため、積載容積を減少させることなく、さらにスラグの剥離性を減少させることなく上記変形抑制を達成することができる。
この結果、経時的な鍋の熱変形を抑制して、スラグ鍋１の寿命を延ばすことが可能となる。
【００２５】
なお、本手法は鍋の形状や積載容積、温度分布が異なる場合にも、鍋の使用環境を想定して温度分布を与えることで変形を抑制するための最適な補強部材の設計が可能である。
ここで、斜めリブ１０を、外向きフランジ３と横リブ４との間を繋ぐように設けることが好ましい。斜めリブ１０に掛かった軸方向への力が外向きフランジ３及び横リブ４に伝達されることで、更に鍋の剛性が向上する。
また、排滓時スラグ通過領域Ｅ内の外壁部分の斜めリブを設けても良いが、少なくとも斜めリブの下部が排滓時スラグ通過領域Ｅよりも周方向外側に位置するように設定する。
【００２６】
また、排滓位置が、楕円の短径方向ＬＳ側での開口部に沿った形状など、排滓位置の開口部の周方向に沿った曲率半径が大きい場合に、上記の内側への熱変形が発生しやすいと推定されるが、開口部形状が楕円形状であっても、本実施形態にあっては、排滓時の熱変形が従来よりも抑えることができる。
【符号の説明】
【００２７】
１     スラグ鍋
２     傾動軸部
３     外向きフランジ
４     横リブ
５     縦リブ
１０   斜めリブ
Ｅ     排滓時スラグ通過領域
Ｈ     排滓開始位置
Ｐ     傾動軸
θ     所定傾斜角度
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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