(57)【要約】【課題】円筒状の芯金の下端部を覆うように定形耐火物を配置した精錬装置用の浸漬管において、定形耐火物の大亀裂発生及び脱落を防止できる構造を提供すること。【解決手段】浸漬管の少なくとも下端部を定形耐火物２０とし、定形耐火物２０に設けた溝２１に芯金１０の下端部を挿入し、溝２１内に不定形耐火物３０を施工してなる浸漬管において、溝２１の内面に縦断面形状が円弧状の窪み部２１ａを設け、この窪み部２１ａの最深部を通る縦断面において、当該窪み部２１ａの長さをＬとしたときに、芯金１０から突出する支持金物１１の先端部中心位置を、窪み部２１ａの最深部位置から芯金１０の面に垂直に結んだ水平線から０．３Ｌの範囲となるようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状の芯金の内外表面に耐火物を設けた精錬装置用の浸漬管であって、当該浸漬管の少なくとも下端部を定形耐火物とし、当該定形耐火物に設けた溝に前記芯金の下端部を挿入し、当該溝内に不定形耐火物を施工してなり、前記溝は、その内面に縦断面形状が円弧状の窪み部を有し、前記芯金は、その周面から半径方向に突出する支持金物を有し、前記窪み部の最深部を通る縦断面において、当該窪み部の長さをＬとしたときに、前記窪み部の最深部位置から芯金の周面に対し垂直に結んだ水平線から０．３Ｌの範囲内に支持金物の先端部中心位置が含まれる精錬装置用の浸漬管。
【請求項２】
前記定形耐火物が、精錬中に局部的に損傷する部位に配置される請求項１に記載の精錬装置用の浸漬管。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶融金属の精錬装置に用いられる浸漬管に関する。
【背景技術】
【０００２】
転炉等で精錬が行われた溶鋼の二次精錬のため、浸漬管を介して取鍋中の溶鋼の成分調整を行うＣＡＳ（Composition Ajustment by Sealed Argon Bubbling）、取鍋に入れられた溶鋼を減圧脱ガス装置側に吸い上げて脱ガスし取鍋側に戻すＲＨ（Ruhrstahl-Heraus）やＤＨ（Dortmunt-Horde）等の脱ガス装置が用いられる。
【０００３】
これら溶鋼を処理する二次精錬装置に接続される浸漬管は、基本的には円筒状の芯金の内外表面に耐火物を設けた構造を有し、かつてはその耐火物として不定形耐火物を主体とした構造がとられていたが、溶鋼の精錬中は少なくとも先端が溶鋼及びスラグ中に浸漬されるため、スラグによる溶損が大きく寿命が短かった。そこで不定形耐火物よりも耐用性に優れるマグネシア−クロム質れんがやマグネシア−カーボンれんが等の定形耐火物をスラグや溶鋼に接触する部位に配置し、溶損を抑えるようにした浸漬管を得るようになった。
【０００４】
しかしながら、二次精錬装置における精錬処理が完了すると、浸漬管は取鍋の溶鋼やスラグの液面より退避させられ次の精錬処理に移行する。すなわち浸漬管は、精錬処理中は１６００℃を超える溶鋼にさらされ、処理と処理の間は外気にさらされるため、急激な加熱と冷却を繰り返される。この繰り返しが継続されることで、定形耐火物や不定形耐火物に亀裂が発生してしまう。
【０００５】
一般的に不定形耐火物は芯金に対し複数の金属製のスタッドで固定されているのに対し、定形耐火物はスタッドの設置が容易ではなく、芯金に対してはモルタル等によって接着されている程度であり、その固定力は比較的小さい。そのため、定形耐火物に亀裂が発生してしまうと、定形耐火物は脱落に至る可能性が高く、浸漬管の寿命を悪化させる可能性がある。
【０００６】
そこで特許文献１には、筒状の芯金の内外表面に耐火物を設けた脱ガス装置の浸漬管において、浸漬管の下端部の定形耐火物に、芯金が入る溝と芯金の厚み方向に形成された固定穴に連通する係止穴とを設け、芯金を定形耐火物の溝に挿入し、固定穴と係止穴に固定ピンを挿入して芯金と定形耐火物とを固定する構造が提案されている。特許文献２には、芯金の周囲を不定形耐火物とし、その不定形耐火物の下方に定形耐火物を配し、両者をスタッドで結合し、使用段階において定形耐火物が脱落することを防止する構造が提案されている。
【０００７】
また、特許文献３には、定形耐火物を浸漬管の内表面の上部から下部にかけて配置し、芯金と定形耐火物との間に不定形耐火物を配置し、不定形耐火物は金属製のスタッドで芯金に結合され、定形耐火物は不定形耐火物との境界面に部分的に凹状または凸状に形成された凹凸によって固定された構造が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１０−２４８５５７号公報
【特許文献２】特開２０１１−０７４４３９号公報
【特許文献３】特開２００８−１２７６７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１の浸漬管では、固定ピンによって係止固定された部分に定形耐火物の全重量が掛かるため、当該部位から先行して亀裂が入りやすい点と、精錬中に溶鋼に浸漬される溶鋼浸漬部の定形耐火物に亀裂が生じた場合、亀裂より下部は支持効果が薄れてしまい定形耐火物が脱落しやすいという懸念があった。特許文献２の浸漬管では、スタッドを定形耐火物内部に直接配置する構造であり、スタッドと定形耐火物の接触点を起点とした亀裂が入りやすいという問題があった。
【００１０】
また、特許文献３の浸漬管では、定形耐火物・不定形耐火物・スタッドのそれぞれの熱伝導率が大きく異なることに起因して、使用中に凹凸部の周辺やスタッドの周辺に温度差が発生してしまい、その温度差によって発生する熱応力で亀裂が入りやすいという問題があった。
【００１１】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、円筒状の芯金の下端部を覆うように定形耐火物を配置した精錬装置用の浸漬管において、定形耐火物の亀裂発生及び脱落を防止できる構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するため、本発明者は、円筒状の芯金の下端部を覆うように定形耐火物を配置した精錬装置用の浸漬管において、定形耐火物に設けた溝に、支持金物を設けた芯金の下端部を挿入し、当該溝内に不定形耐火物を施工する構造を採用することとし、この構造において溝の形状及び支持金物の位置関係に着目して検討を重ねた結果、本発明を完成するに至った。
【００１３】
すなわち、本発明は、以下の精錬装置用の浸漬管を提供する。
（１）円筒状の芯金の内外表面に耐火物を設けた精錬装置用の浸漬管であって、当該浸漬管の少なくとも下端部を定形耐火物とし、当該定形耐火物に設けた溝に前記芯金の下端部を挿入し、当該溝内に不定形耐火物を施工してなり、前記溝は、その内面に縦断面形状が円弧状の窪み部を有し、前記芯金は、その周面から半径方向に突出する支持金物を有し、前記窪み部の最深部を通る縦断面において、当該窪み部の長さをＬとしたときに、前記窪み部の最深部位置から芯金の周面に対し垂直に結んだ水平線から０．３Ｌの範囲内に支持金物の先端部中心位置が含まれる精錬装置用の浸漬管。
（２）前記定形耐火物が、精錬中に局部的に損傷する部位に配置される（１）に記載の精錬装置用の浸漬管。
【００１４】
このように本発明の浸漬管は、下端部の定形耐火物に設けた溝に芯金の下端部を挿入し、当該溝内に不定形耐火物を施工した構造において、溝の内面に縦断面形状が円弧状の窪み部を設け、定形耐火物が不定形耐火物と円弧状の窪み部をもって接するようにしたことで、定形耐火物の脱落を防止できる。
【００１５】
また、本発明の浸漬管では、溝内の不定形耐火物を保持することを目的として芯金の周面からスタッドなどの支持金物を半径方向に突出させて設けている。ここで、浸漬管が精錬中に溶融金属に浸漬されると、稼働面側の定形耐火物を介して芯金に向かって伝熱され、特に本発明のように芯金にスタッドなどの支持金物を設けている場合、通常は定形耐火物と近接する支持金物の先端部に向かって優先的に伝熱すると考えられる。このことは、定形耐火物の溝内面から支持金物の先端部までの距離に応じて当該溝内面からの伝熱量が変わり、結果として定形耐火物の溝内面に部位によって温度差が生じることを意味する。この温度差は、定形耐火物の膨張差となり局部的応力を生じさせると考えられる。
【００１６】
例えば特許文献３の浸漬管のように窪み（凹凸）やスタッドが任意の配置であると、それぞれの熱伝導率が大きく異なることに起因して、使用中に凹凸部の周辺やスタッドの周辺に温度差が発生してしまい、その温度差によって発生する熱応力で亀裂が入りやすかった。
【００１７】
本発明者はこれらのことが定形耐火物の亀裂発生や脱落に直接影響するという点に着目し、上記温度差を小さくするための構成を採用することとした。すなわち、本発明の浸漬管は、「前記窪み部の最深部を通る縦断面において、当該窪み部の長さをＬとしたときに、前記窪み部の最深部位置から芯金の周面に対し垂直に結んだ水平線から０．３Ｌの範囲内に支持金物の先端部中心位置が含まれる」という構成を有する。この構成により、定形耐火物の溝（窪み部）内面から支持金物の先端部までの距離の部位による違いを小さくすることができ、上記温度差を小さくすることができる。この温度差をより小さくする点からは、前記窪み部は、前記支持金物の先端部中心位置を中心とした円に沿う縦断面形状とすることが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
このように本発明の浸漬管は、下端部の定形耐火物に設けた溝に芯金の下端部を挿入し、当該溝内に不定形耐火物を施工した構造において、溝の内面に縦断面形状が円弧状の窪み部を設けること、及びその窪み部と溝内の不定形耐火物を支持する支持金物との位置関係を適正化することにより、定形耐火物の大亀裂発生及び脱落を防止でき、浸漬管の寿命を延長することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施例１による浸漬管を中心軸で切断した縦断面図である。
【図２】図１の浸漬管において、定形耐火物を設けた部位を拡大した図である。
【図３】本発明の実施例１における、定形耐火物の窪み部と支持金物との位置関係を示す図である。
【図４】本発明の実施例４における、定形耐火物の窪み部と支持金物との位置関係を示す図である。
【図５】本発明の比較例１における、定形耐火物の窪み部と支持金物との位置関係を示す図である。
【図６】本発明の比較例２における、定形耐火物の窪み部と支持金物との位置関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１に示すように本発明の浸漬管は、上部にフランジを有する円筒状の芯金１０の内外表面に耐火物（定形耐火物２０及び不定形耐火物３０）を設けた精錬装置用の浸漬管であって、その少なくとも下端部を定形耐火物２０とし、定形耐火物２０に設けた溝２１に芯金１０の下端部を挿入し、溝２１内と定形耐火物２０の上部とに不定形耐火物３０を施工してなる。
【００２１】
溝２１は、その内面に縦断面形状が円弧状の窪み部２１ａを有し、芯金１０は、その周面から半径方向に突出する棒状の支持金物１１を有する。そして本発明では、窪み部２１ａの最深部を通る縦断面（図１）において、窪み部２１ａの長さをＬとしたときに、窪み部２１ａの最深部位置から芯金１０の周面に垂直に結んだ水平線に対し０．３Ｌの範囲内に支持金物１１の先端部中心位置が含まれる。なお、図１及び図２において最下端に位置する支持金物１１はＹ字状であるが、このように先端が分岐した支持金物１１において上記の「先端部中心位置」とは、分岐した先端を直線で結んだ線の中間点のことをいう。
【００２２】
以上の構成において、定形耐火物２０は、不定形耐火物３０と円弧状の窪み部２１ａをもって接するので、その窪み部２１ａのアンカー効果により不定形耐火物３０を介して芯金１０に強固に保持される。更に不定形耐火物３０は、支持金物１１によって芯金１０に強固に保持される。したがって、定形耐火物２０は不定形耐火物３０を介して芯金１０に強固に保持されるため、定形耐火物２０の脱落を防止できる。
【００２３】
また本発明では、窪み部２１ａの最深部位置と支持金物１１の先端部中心位置との位置関係を上記のとおりに規定することで、定形耐火物２０の窪み部２１ａ内面から支持金物１１の先端部までの距離の部位による違いを小さくしている。これにより、先に説明した定形耐火物２０の溝２１内面の部位による「温度差」を小さくすることができ、定形耐火物２０の大亀裂発生及び脱落を防止できる。すなわち、定形耐火物２０の窪み部２１ａ内面から支持金物１１の先端部中心位置までの部位による「距離の差」（距離のバラツキ）を小さくすることにより、先に説明した精錬稼働中の伝熱に伴う、定形耐火物の溝２１内面に局部的に温度が異なる現象が発生することを防止できる。
【００２４】
本発明において窪み部２１ａの縦断面形状を円弧状とする理由は、上記「距離の差」を小さくすることが容易であることに加え、窪み部２１ａが熱応力による亀裂の起点となり難いこと、定形耐火物の製造において形状をなすことが容易なことが挙げられる。
【００２５】
窪み部２１aは、溝２１の内面の全周にわたって連続的に、又は周方向に対し断続的にされる。断続的に窪み部が形成される場合には窪み部２１aの幅（円周方向の長さ）は、水平方向への温度差を小さくする点から、縦断面における窪み部２１aの長さＬ以上であれば十分である。また、窪み部２１aの長さＬは２０ｍｍ以上１００ｍｍ以下が適している。Ｌが２０ｍｍ未満では温度差が大きくなり、１００ｍｍを超えると使用時に定形耐火物と不定形耐火物との熱膨張差に起因する亀裂が定形耐火物に発生しやすくなる。支持金物１１の長さは、支持金物１１を設けた芯金１０が溝２１に入る程度の長さまでとすることが製造時の作業性の面から好ましい。窪み部２１aの深さ、すなわち窪み部の最深部位置は、支持金物１１の先端部中心位置からＬ／２以上であればよい。
【００２６】
本発明の浸漬管において、スラグと溶融金属の境界位置、すなわちスラグラインは、精錬中に局部的に損傷する部位（局損部）となるため、その部位に一般的に不定形耐火物よりも耐食性に優れる定形耐火物を配置することが好ましい。スラグラインの位置は、浸漬管の浸漬深さなどの諸条件によって変化するため、局損部はスラグラインの位置の変化に応じた範囲を持つ。具体的に局損部に配置される定形耐火物２０の材質としては、高耐食性で耐スポーリング性に優れるマグネシア−カーボン材質やマグネシア−スピネル−カーボン材質が挙げられる。この定形耐火物２０は、芯金１０の円周方向に複数個でリング状に配置される。
【００２７】
一方、不定形耐火物３０としては、施工性、膨張性、熱伝導率及び強度のバランスから、アルミナ質又はアルミナ−マグネシア質の流し込み材が好適に使用される。
【実施例】
【００２８】
各実施例及び比較例において、定形耐火物の窪み部の温度に対する支持金物の位置が与える影響について、シミュレーション計算で各部の温度と熱膨張を計算し、更に実炉テストを行った結果を表１に示す。
【００２９】
【表１】
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【００３０】
表１では、図３〜図６に示すように窪み部２１ａの最深部位置に対する支持金物１１の先端部中心位置を変えて、それぞれの場合の定形耐火物の窪み部の温度のシミュレーション計算結果を示した。なお、図中Ａ位置は窪み部２１ａの最上端位置、Ｂ位置はＡ位置から４５°下方の窪み部２１ａの内面位置、Ｃ位置は窪み部２１ａの最深部位置である。
【００３１】
シミュレーション計算は、定形耐火物としてカーボン含有量が１５質量％のマグネシア−カーボンれんがを適用して実施した。これは直接溶鋼に浸漬する部位ではカーボン含有量が少ないと熱衝撃による割れが発生し、カーボン含有量が多いと溶鋼中へのカーボン溶出が懸念されることから、カーボン含有量１５質量％のマグカーボンれんがが一般的であるためである。また、不定形耐火物としてはハイアルミナ質流し込み材を適用した。これは耐火性を有し、かつ定形耐火物と芯金との間を隙間なく充填するためである。
【００３２】
定形耐火物（マグネシア−カーボンれんが）の１０００℃における熱伝導率を１７Ｗ・ｍ-1・Ｋ-1、不定形耐火物（ハイアルミナ質流し込み材）の６００℃における熱伝導率を２Ｗ・ｍ-1・Ｋ-1、溶融金属に接する定形耐火物稼働表面の温度を１６００℃、芯金の温度を２２０℃と想定して計算を行った。この計算結果の温度における各材料の熱膨張率は、各材料の熱膨張率を予め測定したデータを使用した。
【００３３】
なお、表中温度の計算に使用した熱伝導率は、ＪＩＳ Ｒ ２６１６に記載の熱流法に準じて測定されたものであり、熱膨張率（％）は、ＪＩＳ
Ｒ ２２０７の押し棒式法に準じ窒素雰囲気下で測定されたデータを用いた。
【００３４】
実炉テストは、実施例１、実施例４、実施例５、比較例１及び比較例２について行った。
【００３５】
図１に示す実施例１の浸漬管は、フランジ、芯金１０、及び支持金物１１を溶接によって一体化し、この一体化物を、定形耐火物２０の溝２１に装入し、溝２１と定形耐火物２０の上部に不定形耐火物３０を施工することで製造した。定形耐火物２０は、円周方向に３０個に分割されたものでその高さは５００ｍｍとした。定形耐火物２０と不定形耐火物３０としては、それぞれ前記のシミュレーション計算で使用したマグネシア−カーボンれんがとハイアルミナ質流し込み材を使用した。なお、溝２１と窪み２１ａは定形耐火物に成形後に加工することで設けた。
【００３６】
溝２１は、深さが３５０ｍｍ、幅が８２ｍｍである。窪み部２１ａは溝２１の壁に連続して芯金１０と同心円状になるように設けている。窪み部２１ａは縦断面形状が半径１５ｍｍの半円で、長さＬは３０ｍｍである。芯金１０は、厚みが２２ｍｍで内径が１１８４ｍｍである。芯金の側面に位置する支持金物１１は円柱で長さが２５ｍｍ、外径が１０ｍｍである。最下端に位置する支持金物１１は、外径が５ｍｍのＹ字状で長さは２５ｍｍである。
【００３７】
なお、実施例２〜実施例４及び比較例１〜比較例２は支持金物の位置以外の構造は実施例１と同じである。実施例５は、窪み部は縦断面形状が半径１０ｍｍの半円で、長さＬは２０ｍｍとし、これら以外は実施例１と同じである。
【００３８】
これら浸漬管を実機のＲＨにて使用した。当該ＲＨは浸漬管を２本有しており、浸漬管はそれぞれフランジ構造にてボルト止めされる。２本の浸漬管はアルゴンガスを流し、溶鋼を上昇させる側を上昇側、逆側を下降側と呼んでおり、本実施例では、本発明浸漬管も比較用浸漬管もそれぞれ下降側にて使用した。この際、取鍋には平均４１０トンの溶鋼が入っており、１鍋処理ごとに１ｃｈと数え、浸漬管の寿命を交換するまで使用したｃｈ数で比較した。なお、１ｃｈあたりの平均処理時間、すなわち浸漬管が溶鋼にさらされる時間は１７分、処理間の時間は５分〜２０分であった。
【００３９】
表１において実施例１は、図３に示すように支持金物１１の先端部中心位置を窪み部２１ａの最深部位置から芯金１０の周面に垂直に結んだ水平線に合わせた例である。Ｃ位置とＡ位置との温度差は８６℃で、そのときの膨張率の差は０．１０である。実炉テストでは５２ｃｈで交換となった。定形耐火物の小さな亀裂は見られたものの脱落は見られず、耐用回数を大幅に向上させることができた。
【００４０】
実施例４は、図５に示すように支持金物１１の先端部中心位置が、窪み部２１ａの最深部位置から芯金１０の周面に垂直に結んだ水平線から０．３Ｌ離れている場合であり、Ａ位置とＣ位置との温度差は４３３℃、及び膨張率の差は０．４８である。定形耐火物の小さな亀裂は見られたものの脱落は見られず、耐用回数は４８回と良好であった。
【００４１】
実施例５は、Ｌが２０ｍｍの場合で、支持金物１１の先端部中心位置が窪み部２１ａの最深部位置から芯金１０の周面に垂直に結んだ水平線から０．３Ｌ離れている場合であり、Ａ位置とＣ位置との温度差は１３７℃、及び膨張率の差は０．１５である。定形耐火物の小さな亀裂は見られたものの脱落は見られず、耐用回数は５０回と良好であった。
【００４２】
比較例１は、図５に示すように支持金物１１の先端部中心位置が、窪み部２１ａの最深部位置から芯金１０の周面に垂直に結んだ水平線から０．４Ｌ離れている場合であり、Ａ位置とＣ位置との温度差は５５１℃、及び膨張率の差も０．６１と大きい。実炉テストでは定形耐火物に大きな亀裂が発生したため３５ｃｈで交換となった。
【００４３】
比較例２は、図６に示すように支持金物１１の先端部中心位置が、窪み部２１ａの最深部位置から芯金１０の周面に垂直に結んだ水平線から０．５Ｌ離れている場合であり、Ａ位置とＣ位置との温度差は６５３℃、及び膨張率の差も０．７２と大きい。実炉テストでは定形耐火物に大きな亀裂が発生し、一部の定形耐火物が脱落したため３０ｃｈで交換となった。
【００４４】
実施例２及び３については、図示は省略するが、実施例２は支持金物１１の先端部中心位置が、窪み部２１ａの最深部位置から芯金１０の周面に垂直に結んだ水平線から０．１Ｌ離れている場合、実施例３は同様に０．２Ｌ離れている場合である。いずれも実施例４に比べ、Ａ位置とＣ位置との温度差及び膨張率の差は小さい。したがって、実炉においても、実施例４より優れた結果が得られると考えられる。
【００４５】
また、定形耐火物の厚みは一定のため内面での上下方向での温度差はほとんどないため、支持金物の先端中心位置と窪み部の最新部位置を結ぶ直線に対して、温度分布はほぼ対称になっていると考えられる。したがって表１より、支持金物の先端部中心位置が、窪み部の最深部位置から芯金の周面に対し垂直に結んだ水平線から０．３Ｌの範囲であれば、本発明の効果が得られる。
【符号の説明】
【００４６】
１０  芯金
１１  支持金物
２０  定形耐火物
２１  溝
２１ａ  窪み部
３０  不定形耐火物
【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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