(57)【要約】【課題】溶融金属用鍋に発生する応力を高精度に推定し、最適な鍋形状を決定することが可能な溶融金属用鍋の形状設計方法を提供する。【解決手段】鉄皮の内面に耐火物を施工して構成され、溶融金属を保持する溶融金属用鍋の形状設計方法であって、稼働中の既設鍋について、過去の操業条件に基づき設定された耐火物のヤング率を用いて応力計算を行い、既設鍋に発生する応力である計算応力値を取得する計算工程と、既設鍋に発生する応力を測定し、実測応力値を取得する測定工程と、実測応力値と計算応力値との差が許容範囲となるように、ヤング率を補正する補正工程と、補正されたヤング率を用いて、設計対象である対象鍋に発生する応力を応力計算により算出し、対象鍋の最適形状を求める設計工程と、を含む。【選択図】図１
2019130570.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄皮の内面に耐火物を施工して構成され、溶融金属を保持する溶融金属用鍋の形状設計方法であって、
稼働中の既設鍋について、過去の操業条件に基づき設定された前記耐火物のヤング率を用いて応力計算を行い、前記既設鍋に発生する応力である計算応力値を取得する計算工程と、
前記既設鍋に発生する応力を測定し、実測応力値を取得する測定工程と、
前記実測応力値と前記計算応力値との差が許容範囲となるように、前記ヤング率を補正する補正工程と、
補正された前記ヤング率を用いて、設計対象である対象鍋に発生する応力を前記応力計算により算出し、前記対象鍋の最適形状を求める設計工程と、
を含む、溶融金属用鍋の形状設計方法。
【請求項２】
前記ヤング率は、
稼働前に前記溶融金属用鍋を乾燥させる乾燥工程における第１のヤング率と、
前記乾燥工程後、前記溶融金属用鍋を予熱する予熱工程における第２のヤング率と、
前記予熱工程後、前記溶融金属の保持と排出とを繰り返し行う稼働工程における第３のヤング率と、
を含み、
前記補正工程では、前記第１のヤング率、前記第２のヤング率及び前記第３のヤング率をそれぞれ補正し、
前記設計工程では、補正された前記第１のヤング率、補正された前記第２のヤング率及び補正された前記第３のヤング率を用いて前記応力計算を実行する、請求項１に記載の溶融金属用鍋の形状設計方法。
【請求項３】
前記計算工程では、前記応力計算により算出された応力と前記ヤング率とに基づき、前記溶融金属用鍋の変形量をさらに算出し、
前記設計工程では、前記応力計算により算出された応力と前記補正されたヤング率とに基づき、前記溶融金属用鍋の変形量をさらに算出する、請求項１または２に記載の溶融金属用鍋の形状設計方法。
【請求項４】
前記既設鍋と前記対象鍋とは、鍋内部に施工される耐火物の種類及び厚みが略同一である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の溶融金属用鍋の形状設計方法。
【請求項５】
前記対象鍋は、平面形状が略矩形である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の溶融金属用鍋の形状設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶融金属用鍋の形状設計方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
転炉やトーピードカーからの溶銑、溶鋼を受ける溶銑鍋等の、高温の溶融金属を保持する溶融金属用鍋において、鍋の形状を変更して鍋の容積を拡大することは、製鉄プロセスの製造コストを削減するための有効な手段である。近年、溶融金属用鍋の容積を拡大するため、従来一般的に用いられている平面形状が円形の円形鍋から平面形状が楕円形の楕円鍋へと変更され、さらには平面形状が略矩形の矩形鍋への変更も提案されている（例えば、特許文献１〜３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−５９９４０号公報
【特許文献２】特開２０００−２５６７２８号公報
【特許文献３】特許第４５０６５８７号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Specifications  For  Design  And  Use  Of  Ladles,  AISE  Technical  Report  No.9,1991
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
溶融金属用鍋の形状設計における鉄皮の強度検討は、一般に、有限要素法による数値解析プログラムを用いて行われる。この際、溶融金属用鍋は、鉄皮の内面に耐火物を内張りして構成されているため、実際の操業においては、鍋内部に保持する溶融金属の熱を受けて耐火物が膨張して鉄皮に力が加わり、鍋鉄皮に応力及び変形が生じる。溶融金属用鍋の形状設計では、このように鍋に発生する応力及び変形量の推定結果に基づき、生産性や設備寿命の観点から最適な形状を模索し、最終的な鍋形状を決定する。
【０００６】
しかし、従来の溶融金属用鍋の形状計算では、水分含有率や組成により変化する耐火物の物性については十分に考慮されておらず、鍋鉄皮に発生する応力及び変形量の推定精度は必ずしも高いものではなかった。また、通常用いられる円形鍋または楕円鍋については、非特許文献１に標準とする強度設計が規定されているが、矩形鍋といった比較的最近利用され始めた鍋についてはこのような強度設計の指針が存在しない。上記特許文献１〜３にも、溶融金属用鍋の形状設計方法については特に限定されていない。
【０００７】
したがって、新たな形状の鍋を設計する場合には、最適な形状を決定するための明確な指針がなく、また、耐火物の物性値の変動もあるため、円形鍋あるいは楕円鍋の形状設計を行う場合と比較して、さらに鍋に発生する応力及び変形量の推定精度が低下することが懸念される。このため、生産性や設備寿命の観点から最適な形状の溶融金属用鍋を決定するための手法が望まれていた。
【０００８】
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、溶融金属用鍋に発生する応力を高精度に推定し、最適な鍋形状を決定することが可能な、新規かつ改良された溶融金属用鍋の形状設計方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、鉄皮の内面に耐火物を施工して構成され、溶融金属を保持する溶融金属用鍋の形状設計方法であって、稼働中の既設鍋について、過去の操業条件に基づき設定された耐火物のヤング率を用いて応力計算を行い、既設鍋に発生する応力である計算応力値を取得する計算工程と、既設鍋に発生する応力を測定し、実測応力値を取得する測定工程と、実測応力値と計算応力値との差が許容範囲となるように、ヤング率を補正する補正工程と、補正されたヤング率を用いて、設計対象である対象鍋に発生する応力を応力計算により算出し、対象鍋の最適形状を求める設計工程と、を含む、溶融金属用鍋の形状設計方法が提供される。
【００１０】
ヤング率は、稼働前に溶融金属用鍋を乾燥させる乾燥工程における第１のヤング率と、乾燥工程後、溶融金属用鍋を予熱する予熱工程における第２のヤング率と、予熱工程後、溶融金属の保持と排出とを繰り返し行う稼働工程における第３のヤング率と、を含み、補正工程では、第１のヤング率、第２のヤング率及び第３のヤング率をそれぞれ補正し、設計工程では、補正された第１のヤング率、補正された第２のヤング率及び補正された第３のヤング率を用いて応力計算を実行してもよい。
【００１１】
計算工程では、応力計算により算出された応力とヤング率とに基づき、溶融金属用鍋の変形量をさらに算出し、設計工程では、応力計算により算出された応力と補正されたヤング率とに基づき、溶融金属用鍋の変形量をさらに算出してもよい。
【００１２】
既設鍋と対象鍋とは、鍋内部に施工される耐火物の種類及び厚みが略同一であることが望ましい。
【００１３】
対象鍋は、平面形状が略矩形である矩形鍋をはじめ、その他形状であってもよい。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように本発明によれば、溶融金属用鍋に発生する応力を高精度に推定し、最適な鍋形状を決定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係る溶融金属用鍋の形状設計方法を示すフローチャートである。
【図２】楕円鍋の形状を示す平面図及び側面視図である。
【図３】矩形鍋の形状を示す平面図及び側面視図である。
【図４】既設鍋について、実測応力値と、耐火物のヤング率補正前の計算応力値及び耐火物のヤング率補正後の計算応力値との一関係例を示すグラフである。
【図５】半径方向変位と操業サイクル数との一関係例を示すグラフである。
【図６】比較例における対象鍋の計算応力値と実測応力値とを示すグラフである。
【図７】実施例における対象鍋の計算応力値と実測応力値とを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００１７】
＜１．概要＞
本発明の一実施形態に係る溶融金属用鍋の形状設計方法は、設計対象の溶融金属用鍋について生産性や設備寿命の観点から最適な形状を決定するための手法である。かかる方法では、まず、稼働中の既設鍋について、既設鍋に発生する応力（実測応力値）を測定するとともに、当該既設鍋について、過去の操業条件に基づき設定された耐火物のヤング率を用いて応力計算を行い既設鍋に発生する応力（計算応力値）を算出し、実測応力値と計算応力値との差が許容範囲となるように、ヤング率を補正する。そして、補正されたヤング率を用いて、設計対象である対象鍋に発生する応力を応力計算により算出し、対象鍋の最適形状を求める。
【００１８】
このように、適正な耐火物のヤング率を設定し、応力計算の精度を高めることで、検討している鍋の形状としたときに、鍋の応力集中する箇所の有無、応力から算出される操業１サイクル毎の鍋の塑性変形量から複数サイクル後に鍋に蓄積された塑性変形量の大きさをより正確に求めることができるようになり、現状の手法に比べてより最適な形状の溶融金属用鍋の形状を決定することができる。以下、本実施形態に係る溶融金属用鍋の形状設計方法について詳細に説明する。
【００１９】
＜２．溶融金属用鍋の形状設計方法＞
図１に基づいて、本実施形態に係る溶融金属用鍋の形状設計方法について詳細に説明する。図１は、本実施形態に係る溶融金属用鍋の形状設計方法を示すフローチャートである。
【００２０】
本実施形態では、溶融金属用鍋として溶鋼を保持する溶鋼鍋について説明する。また、本実施形態では、図２に示す楕円鍋を既設鍋とし、図３に示す矩形鍋を対象鍋として説明する。楕円鍋１０は、図２に示すように、溶鋼を収容する収容部の形状が平面から見て楕円形となっている。楕円鍋１０は、鉄皮１１の内部に耐火物１３を施工して構成されている。楕円鍋１０は、軸１５を中心として傾動可能に構成されている。矩形鍋２０も、図３に示すように、楕円鍋１０と同様、鉄皮２１の内部に耐火物２３が施工され、軸２５を中心として傾動可能に構成されるものとする。
【００２１】
なお、本発明はかかる例に限定されず、既設鍋は、実測応力値を取得可能な鍋であればその形状は問わない。また、対象鍋についてもその形状は限定されるものでなく、形状設計時に利用するヤング率を得た既設鍋と、少なくとも施工される耐火物の種類及び厚みが略同一であればよい。耐火物の種類及び厚みが近い鍋ほど、設計対象である対象鍋のヤング率を精度よく設定することができる。
【００２２】
（Ｓ１００：計算工程）
本実施形態に係る溶融金属用鍋の形状設計方法では、図１に示すように、既設鍋について、鍋に発生する応力を算出する（Ｓ１００）。応力の計算は、例えば有限要素法（Ｆｉｎｉｔｅ  Ｅｌｅｍｅｎｔ  Ｍｅｔｈｏｄ；ＦＥＭ）による汎用の数値解析プログラムを用いて行われる。この際、実際の操業条件に基づき、例えば鉄皮及び耐火物のヤング率をはじめ各種物性値と温度境界条件等が設定され、解析が行われる。かかる計算工程により得られた応力は、計算応力値として、後述するヤング率を補正するための情報として用いられる。
【００２３】
（Ｓ１１０：測定工程）
また、既設鍋について、鍋に発生する応力を測定し、実測応力値を取得する（Ｓ１１０）。実測応力値は、例えば、既設鍋の鉄皮表面にひずみゲージを設置し、当該ひずみゲージによって測定される鍋のひずみに基づき得ることができる。応力は、ひずみとヤング率との積により求めることができる。
【００２４】
ひずみゲージは、当該既設鍋について行った応力計算の結果より、応力が特に大きくなる箇所に設置するのがよい。例えば、本実施形態では、図２に示すように、楕円鍋１０の鉄皮１１の表面にひずみゲージ３１〜３４を設置し、周方向及び高さ方向の複数位置で鍋のひずみを測定する。各ひずみゲージ３１〜３４にて測定されたひずみは、例えばデータロガー等の記憶装置に連続的に記録される。ひずみは、例えば、鍋の稼働前に当該鍋を乾燥させる乾燥工程、乾燥工程後に鍋を予熱する予熱工程、予熱工程後に１操業サイクル毎に受鋼、鋳造、排滓を繰り返す稼働工程において測定される。なお、稼働工程においては、少なくとも初回の操業サイクルが完了するまでのひずみが取得できればよい。
【００２５】
ひずみゲージ３１〜３４により稼働する既設鍋のひずみが測定されると、当該ひずみとヤング率とからひずみゲージ３１〜３４の設置位置における応力を算出する。算出された応力は実測応力値として、後述する耐火物のヤング率を補正するための情報として用いられる。
【００２６】
（Ｓ１２０：補正工程）
既設鍋の計算応力値及び実測応力値が取得されると、これらの値が近付くように、ヤング率を調整する（Ｓ１２０）。ヤング率は、耐火物の水分含有量や温度等に基づき大きく変化することが知られている。また、ヤング率は、応力計算の結果に大きく影響するパラメータであり、ヤング率を適切に設定することで応力計算結果の精度を向上させることができる。
【００２７】
ヤング率の調整は、まず実測応力値を測定したときの既設鍋の鉄皮温度と、計算応力値を取得する応力計算で設定した鉄皮温度との温度レベルが合致するように、乾燥工程及び予熱工程で鍋内面に与える熱流束を調整し、応力計算において設定する温度条件を決定する。次いで、応力計算においてヤング率を変化させ、得られた計算応力値と実測応力値との差が許容範囲となるように、応力計算で用いるヤング率を決定する。例えば、計算応力値が実測応力値の±１０％の範囲内となるように、応力計算で用いるヤング率を決定してもよい。
【００２８】
ここで、耐火物の水分含有量による物性変化や、煉瓦及び不定形耐火物の熱膨張等は、稼働工程までの鍋の状態により大きく変化する。このため、耐火物のヤング率も、乾燥工程、予熱工程、稼働工程では変化する。そこで、応力計算の精度をさらに高めるため、工程毎にヤング率を補正し設定してもよい。例えば、耐火物の水分含有量の違いから、乾燥工程でのヤング率（第１のヤング率）、予熱工程でのヤング率（第２のヤング率）及び稼働工程でのヤング率（第３のヤング率）を設定してもよい。
【００２９】
図４に、既設鍋について、５つの操業条件におけるステップＳ１１０にて取得した実測応力値と、ステップＳ１００にて算出された計算応力値及びＳ１２０による耐火物のヤング率補正後の計算応力値との関係を示す。図４上側には耐火物のヤング率補正前の計算応力値を示し、図４下側には耐火物のヤング率補正後の計算応力値を示している。なお、図４のグラフの横軸に示す時間及び縦軸に示す応力は、正規化した値を示している。図４上側に示すように、ヤング率を補正する前は、実測応力値に比べて計算応力値がはるかに大きいものとなった。すなわち、当初の応力計算で設定された操業条件は、鉄皮の応力を高く評価する条件であり、実際の鍋の寿命は、解析の結果得られた鍋の寿命より長いものであったと考えられる。
【００３０】
そこで、ステップＳ１２０にて耐火物のヤング率を、乾燥工程、予熱工程、稼働工程それぞれについて調整し、図４下側に示すように、計算応力値が実績応力値に近づくようにした。計算応力値と実績応力値との差が許容範囲となったとき、乾燥工程の耐火物のヤング率（第１のヤング率）は当初設定していたヤング率よりも５％大きい値となり、予熱工程の耐火物のヤング率（第２のヤング率）は当初設定していたヤング率よりも５〜２０％連続的に増加させる値を設定する結果となった。
【００３１】
このように、ステップＳ１２０では、計算応力値が実績応力値に近づくように耐火物のヤング率を変化させ、応力計算に際して設定する耐火物のヤング率を、計算応力値と実績応力値との差が許容範囲となったときの値に補正する。
【００３２】
（Ｓ１３０：設計工程）
その後、ステップＳ１２０で得られた耐火物のヤング率に基づき、設計対象である対象鍋に発生する応力を算出し、対象鍋の形状を決定する（Ｓ１３０）。ステップＳ１３０では、まず、容積増加や既存設備との取り合い等を考慮して鍋の形状を仮設定し、過去の操業条件に基づき、当該鍋に発生する応力を応力計算により算出する。算出された応力より、対象鍋に応力が集中して発生している箇所が存在するか否かが判定され、所定値を超える応力が発生する箇所が存在すれば、このときの鍋の形状は不採用とする。そして、応力の集中が緩和されるように新たな鍋の形状を設定し、再度応力計算を実行する。
【００３３】
また、応力計算により算出された応力と補正されたヤング率とに基づき、鍋に発生する変形量を算出し、鍋を継続して使用することにより蓄積される変形量を求め、蓄積される変形量からその寿命を算出する。具体的には、例えば鍋の中腹部における半径方向変位を変形量として考える。そして、まず、稼働工程の１操業サイクル目から８操業サイクル目までの鋳造完了後における鍋の中腹部の半径方向変位を、応力計算により算出された応力とヤング率とから算出する。次いで、各操業サイクルにおける半径方向変位の増加量を求め、当該半径方向変位の増加量と操業サイクル数との関係を表す近似式を得る。そして、かかる近似式を用いて、所定時間経過後の半径方向変位の累積値を求める。
【００３４】
図５に、半径方向変位と操業サイクル数との一関係例を示す。図５では、既設鍋として図２に示した楕円鍋と、対象鍋として図３に示した矩形鍋とについて、算出した結果を示す。なお、図５のグラフの縦軸に示す半径方向変位は、正規化した値を示している。図５は、１操業サイクル目から８操業サイクル目までの鋳造完了後における鍋の中腹部の半径方向変位を、応力計算により算出された応力とヤング率とから算出した結果である。このような半径方向変位と操業サイクル数との関係を得ることで、鍋の寿命とする半径方向変位の累積値が規定値を超えたときの操業サイクル数を計算することができる。
【００３５】
仮設定した鍋形状毎に算出された鍋の寿命に基づき、対象鍋に要求する寿命を満たすか否かが判定される。鍋の寿命を判定するために設定される半径方向変位の累積値の規定値は、例えば既設鍋と同様としてもよい。判定の結果、仮設定した鍋の形状の寿命が、鍋に要求される寿命を満たさない場合には、かかる鍋の形状は不採用とする。そして、応力の集中が緩和されるように新たな鍋の形状を設定し、再度応力計算を実行する。このように、対象鍋の設計では、鍋の形状の設定と、かかる形状とした場合の応力の集中の有無及び寿命の算出とを繰り返し、なるべく容積が大きく、かつ、要求される寿命を満たす最適な鍋の形状を決定する。
【００３６】
以上、本実施形態に係る溶融金属用鍋の形状設計方法について説明した。本実施形態によれば、既設鍋について取得した計算応力値と実測応力値とに基づいて、これらの値が近付くようにヤング率を補正し、補正されたヤング率を用いて対象鍋の応力を算出する。ヤング率を補正することで、溶融金属用鍋の耐火物の状態をより適切に反映した状態で応力計算が行われるため、応力の算出精度を高めることができる。高精度に応力を算出できるため、鍋の変形量もより正確に求めることが可能となる。その結果、新たな溶融金属用鍋の設計においても、生産性や設備寿命の観点から最適な鍋の形状を決定することができる。
【実施例】
【００３７】
実施例として、本発明の溶融金属用鍋の形状設計方法に基づき、設計対象である矩形鍋の形状を決定するため、既設鍋である楕円鍋の計算応力値及び実績応力値に基づき補正したヤング率を用いて、応力計算により矩形鍋に発生する応力を算出した。既設鍋には、対象鍋とは鍋の形状は異なるが、鍋内部に施工される耐火物の種類及び厚みは同一とみなせるものを用いた。ヤング率は、乾燥工程、予熱工程及び稼働工程についてそれぞれ設定した。一方、比較例として、ヤング率の補正は行わず、既設鍋の応力計算に用いたヤング率と同一のヤング率を用いて応力計算を行い、対象鍋の応力を算出した。図６に、比較例における対象鍋の計算応力値と実測応力値とを示し、図７に、実施例における対象鍋の計算応力値と実測応力値とを示す。なお、図６及び図７のグラフの横軸に示す時間及び縦軸に示す応力は、正規化した値を示している。
【００３８】
比較例では、図６に示すように、実測応力値と計算応力値とは大きく乖離しており、計算応力値が大きい値を示していた。かかる計算応力値を用いて鍋の形状を設計した場合、容積を十分に大きくすることができなかったり、熱間使用時の変形量を大きく見積もる結果、寿命を短く想定してしまったりすることになる。一方、実施例では、図７に示すように、比較例と比べて実測応力値と計算応力値とに大きな差はなかった。これより、本発明の溶融金属用鍋の形状設計方法を用いることで、鍋に発生する応力をより正確に推定することが可能となり、最適な鍋の形状の決定を行うことが可能となる。
【００３９】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００４０】
例えば、上記実施形態では、応力計算のパラメータのうち、耐火物の状態が反映されるヤング率を補正としたが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、ヤング率以外のパラメータについて、計算応力値と実測応力値とを近付けるように補正してもよい。
【符号の説明】
【００４１】
１０        楕円鍋
１１、２１  鉄皮
１３、２３  耐火物
１５、２５  軸
２０        矩形鍋
【図１】
2019130570.tif 000003
【図２】
2019130570.tif 000004
【図３】
2019130570.tif 000005
【図４】
2019130570.tif 000006
【図５】
2019130570.tif 000007
【図６】
2019130570.tif 000008
【図７】
2019130570.tif 000009