(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス又はガスとともに溶融金属の精錬処理のための粉体処理剤を搬送する搬送通路である内管と、この内管の外側に配置した外管とを備えた溶融金属の精錬処理用のランスパイプであって、
前記内管の外周面と前記外管の内周面との間に、輻射伝熱抑制層及び空気層を設けたことを特徴とする溶融金属の精錬処理用のランスパイプ。
【請求項２】
前記輻射伝熱抑制層は前記内管の外周面に沿って設け、この輻射伝熱抑制層の外側に前記空気層を設けた、請求項１に記載の溶融金属の精錬処理用のランスパイプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶銑、溶鋼等の溶融金属に、その精錬処理のためにガスや処理剤を供給するランスパイプに関する。
【背景技術】
【０００２】
製鉄分野においては、鋼材に対する品質要求の高度化に伴って、溶融金属を精錬する精錬処理が実施されている。具体的には、精錬処理として、溶銑予備処理及び２次精錬処理が実施されている。溶銑予備処理とは、転炉に装入する溶銑から、あらかじめ不純物を除く処理のことをいい、２次精錬処理とは、転炉から出鋼した溶鋼を最終的に精錬、脱ガスする処理のことをいう（以下、本明細書では、溶銑予備処理及び２次精錬処理を総称して精錬処理という。）。
【０００３】
精錬処理においては、溶融金属内にランスパイプを挿入し、ランスパイプの吐出孔から溶融金属内にガスや処理剤を吹き込む処理が一般的に実施される。これらのガスや処理剤は、ランスパイプの芯金パイプにより搬送されるが、このとき芯金パイプは溶融金属からの伝熱により加熱され、芯金パイプの温度が上昇する。その結果、芯金パイプの強度が低下し、ランスパイプの先端部分が脱落するなどの不具合が生じることがあった。
【０００４】
芯金パイプの温度上昇を抑制するための技術として、特許文献１には、芯金パイプの外側に断熱材層を設ける技術が開示されている。
【０００５】
また、特許文献２には、芯金パイプを二重管構造とし、その外管から冷却用気体を吹き出すことにより、芯金パイプを被覆する被覆耐火物の表面を冷却し、その被覆耐火物の溶損を抑制する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】実開昭５８−１５１９９号公報
【特許文献２】実開平１−１６１２４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１の技術は、芯金パイプの外側に断熱材層を設けることで芯金パイプの温度上昇を抑制しようとするものであるが、実際のランスパイプにおいては、被覆耐火物を芯金パイプに確実に固定するために芯金パイプの外周面には金属製のスタッドが多数設けられており、これらスタッドを介した熱伝達（熱流入）が避けられない。すなわち、芯金パイプの外側に断熱材層を設けるだけでは、スタッドを介した熱伝達を抑えることができず、芯金パイプの温度上昇を抑制するには不十分である。スタッドを介した熱伝達を抑えるには、スタッドの外側に断熱材層を設けることが考えられるが、スタッドは多数あり、その形状も複雑であるので、スタッドの外側に断熱材層を設けることは、現実的には困難である。
【０００８】
また、特許文献１の技術では、芯金パイプの外側に断熱材層に加えて、熱膨張の小さい耐熱性管体として例えば紙管を設けているが、この紙管は被覆耐火物と芯金パイプの熱膨張差により芯金パイプが被覆耐火物に対し縦方向にずれることを許容するために設けられたもので、ランスパイプの断面係数の向上には殆んど寄与しない。したがって、特許文献１の技術ではランスパイプの断面係数が十分ではなく、結果としてランスパイプが曲がってしまい、耐用性が低下するという問題がある。
【０００９】
この点、特許文献２の技術では芯金パイプを二重管構造としているので、ランスパイプの断面係数は向上する。また、外管に冷却用気体を通過させるなど、冷却のための工夫がなされているが、高温になった外管と内管における支配的な伝熱形態である輻射熱を抑制することができないため、芯金パイプ（内管）の温度上昇を抑制するには不十分である。
【００１０】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、ランスパイプとしての十分な断面係数を確保するとともに、芯金パイプ（内管）の温度上昇を抑制し、もってランスパイプの耐用性を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によれば、次の溶融金属の精錬処理用のランスパイプが提供される。
（１）ガス又はガスとともに溶融金属の精錬処理のための粉体処理剤を搬送する搬送通路である内管と、この内管の外側に配置した外管とを備えた溶融金属の精錬処理用のランスパイプであって、
前記内管の外周面と前記外管の内周面との間に、輻射伝熱抑制層及び空気層を設けたことを特徴とする溶融金属の精錬処理用のランスパイプ。
（２）前記輻射伝熱抑制層は前記内管の外周面に沿って設け、この輻射伝熱抑制層の外側に前記空気層を設けた、（１）に記載の溶融金属の精錬処理用のランスパイプ。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、芯金パイプを内管と外管との二重管構造としたことで、ランスパイプとしての十分な断面係数を確保することができる。また、内管と外管との間に輻射伝熱抑制層及び空気層を設けたことで、外管から内管への熱伝達を抑えることができ、芯金パイプ（内管）の温度上昇を抑制することができる。これにより、ランスパイプの耐用性を向上させることができる。
【００１３】
また、本発明によれば、芯金パイプを被覆耐火物中で確実に固定するために芯金パイプ（外管）の外周面に金属製のスタッドを設けたとしても、そのスタッドの外側には断熱材層を設ける必要はない。すなわち、スタッドを介して外管に熱伝達があったとしても、外管と内管との間には前述のとおり空気層及び輻射伝熱抑制層があるから、外管から内管への熱伝達は抑えられる。このように本発明によれば、スタッドを使用する条件下においても、内管と外管との間に輻射伝熱抑制層及び空気層を設けるという簡単な構成で、芯金パイプ（内管）の温度上昇を抑制することができる。
【００１４】
さらに、本発明によれば、外管と内管との間に輻射伝熱抑制層のほかに空気層を設けるから、輻射伝熱抑制層を設けるときの施工性が向上する。例えば内管の外周面に輻射伝熱抑制層を設けてこの内管を外管内に挿入する施工の場合、この輻射伝熱抑制層の外側に空気層を設けるための隙間が存在するから、内管を外管内に挿入しやすい。また、外管の内周面に輻射伝熱抑制層を設けてこの外管内に内管を挿入する施工の場合は、輻射伝熱抑制層の内側に空気層を設けるための隙間が存在するから、外管内に内管を挿入しやすい。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係るランスパイプを示し、（ａ）はその概念的な断面図、（ｂ）はその芯金パイプの拡大端面図である。
【図２Ａ】ランスパイプにおける熱伝達のシミュレーション結果を示す（低温条件）。
【図２Ｂ】同上。
【図２Ｃ】同上。
【図３Ａ】ランスパイプにおける熱伝達のシミュレーション結果を示す（高温条件）。
【図３Ｂ】同上。
【図３Ｃ】同上。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１は、本発明の一実施形態に係るランスパイプを示し、（ａ）はその概念的な断面図、（ｂ）はその芯金パイプの拡大端面図である。
【００１７】
図１に示すランスパイプ１０の芯金パイプ１１は、内管１２と外管１３との二重管構造を有する。内管１２は、ガス又はガスとともに処理剤（粉体）を搬送する搬送通路であり、この内管１２の外側に外管１３を配置することで、二重管構造となっている。本実施形態では、外管１３の上端及び下端をそれぞれ内管１２に固定することで、内管１１及び外管１２を一体としており、さらに、その下端には内管１２に通じる吹込管１４が接続されている。
【００１８】
内管１２の外周面と外管１３の内周面との間には、輻射伝熱抑制層１５及び空気層１６が設けられている。本実施形態では、内管１２の外周面に沿って輻射伝熱抑制層１５を設け、この輻射伝熱抑制層１５の外側に空気層１６を設けている。
【００１９】
ここで、輻射伝熱抑制層としては、セラミックファイバー等の断熱材、金属箔等の低放射率材が挙げられる。セラミックファイバー等の断熱材は輻射熱を遮断する機能を有し、低放射率材は輻射伝熱を直接抑制する機能を有する。輻射伝熱抑制層はこれら機能の少なくとも１つの機能を有する。
【００２０】
芯金パイプ１１の外側には被覆耐火物１７が配置されている。言い換えれば、芯金パイプ１１は被覆耐火物１７中に埋設されている。このとき、芯金パイプ１１を被覆耐火物１７中で確実に固定するために、芯金パイプ１１の外管１３の外周面に金属製のスタッド１８が複数設けられている。
【００２１】
以上の構成において、精錬処理のためのガスや処理剤は、内管１２に沿って搬送され、吹込管１４を通じて溶銑、溶鋼等の溶融金属に吹き込まれる。このとき、図１（ａ）に示すようにランスパイプ１０の先端部分は溶融金属に浸漬されるので、この溶融金属により加熱される。その熱は、被覆耐火物１７、外管１３、内管１２へと順次伝達されるが、本発明では、外管１３と内管１２との間に輻射伝熱抑制層１５及び空気層１６を設けているので、外管１３から内管１２への熱伝達を抑えることができ、芯金パイプ１１（内管１２）の温度上昇を抑制することができる。また、外管１３の外周面にスタッド１８が設けられているので、外管１３にはスタッド１８を介した熱伝達もあるが、前述のとおり外管１３と内管１２との間に輻射伝熱抑制層１５及び空気層１６を設けているので、外管１３から内管１２への熱伝達は抑えられる。このように本発明によれば、スタッド１８を使用する条件下においても、スタッド１８の外側に断熱材層を設けることなく、内管１２と外管１３との間に輻射伝熱抑制層１５及び空気層１６を設けるという簡単な構成で、芯金パイプ１１（内管１２）の温度上昇を抑制することができる。加えて、芯金パイプ１１は、内管１２と外管１３との二重管構造であるので、ランスパイプ１０としての十分な断面係数を確保することができる。なお、図１（ａ）にも示すように、外管１３は内管１２の全長にわたって設ける必要はなく、少なくともランスパイプ１０が溶融金属に浸漬される先端部分において設ければよい。
【００２２】
なお、本実施形態では、内管１２の外周面に沿って輻射伝熱抑制層１５を設け、この輻射伝熱抑制層１５の外側に空気層１６を設けたが、外管１３の内周面に沿って輻射伝熱抑制層１５を設け、この輻射伝熱抑制層１５の内側に空気層１６を設けてもよい。ただし、施工性等を考慮すると、本実施形態の例が好ましい。すなわち、輻射伝熱抑制層１５は、外管１３の内周面に沿って設けるよりも、内管１２の外周面に沿って設ける方が簡単である。そして、内管１２の外周面に輻射伝熱抑制層１５を設けてこの内管１２を外管１３内に挿入するようにすれば、輻射伝熱抑制層１５の外側に空気層を設けるための隙間が存在するから、内管１２を外管１３内に挿入しやすく、施工性が向上する。また、内管１２の外周面は外管１３の内周面に比べると低温であるから、内管１２の外周面に輻射伝熱抑制層１５を設ける方が、その輻射伝熱抑制層１５に要求される耐熱性のレベルが軽減され、輻射伝熱抑制層１５を構成する材料の選択の余地が増え、その結果、低コストの材料を選択することができる。この点からも、輻射伝熱抑制層１５は内管１２の外周面に沿って設けることが好ましい。
【００２３】
次に、本発明において内管と外管の間に輻射伝熱抑制層及び空気層を設けたことによる効果をシミュレーションした結果を示す。
【００２４】
シミュレーションは、ソフトウェア「ＭＳＣ．Ｍａｒｃ２０１３」（エムエスシーソフトウェア株式会社）を用い、芯金パイプが相対的に低温になる条件（以下「低温条件」という。）と高温になる条件（以下「高温条件」という。）の２条件で行った。詳細なシミュレーション条件は表１に示すとおりである。なお、表１及び後述の説明からわかるように、低温条件はランスパイプが１３００℃の溶融金属に浸漬される条件、高温条件はランスパイプが１６００℃の溶融金属に浸漬される条件である。
【００２５】
【表１】
0006518138.tif 000002
【００２６】
シミュレーションは、ランスパイプの実際の使用条件に従い、溶融金属に浸漬する「加熱」と、溶融金属から引き上げて待機する「待機」とを繰り返すサイクルを想定して行い、高温条件と低温条件ではこれら加熱時間及び待機時間を変えた条件とし、それぞれの条件においてランスパイプの温度が定常化した状態を想定してシミュレーションを行った。このとき、ランスパイプの外周側からの伝熱については、加熱時には溶融金属からの熱伝導を考慮し、待機時には大気への熱伝導と輻射伝熱（放射伝熱）を考慮した。また、ランスパイプの内周側からの伝熱については、加熱時には芯金パイプ（内管）を流れるガスへの熱伝導を考慮し、待機時には芯金パイプ（内管）内のガスへの熱伝導を考慮した。さらに、加熱時及び待機時のいずれにおいても、芯金パイプの外管と内管との間の空気層における伝熱については、外管の内周面と内管の外周面が輻射伝熱（放射伝熱）する条件とし、形態係数は１．０とした。また、輻射率（放射率）については、特に断りがない限り外管の内周面、内管の外周面ともに０．９とした。さらに、ランスパイプを構成する芯金パイプ（内管及び外管）、輻射伝熱抑制層、並びに被覆耐火物の各物性値は表２のとおりとした。
【００２７】
【表２】
0006518138.tif 000003
【００２８】
図２Ａ〜Ｃは低温条件でのシミュレーション結果を示し、図３Ａ〜Ｃは高温条件でのシミュレーション結果を示す。以下、具体的に説明する。
【００２９】
図２Ａは、低温条件において内管と外管との間に空気層のみがある場合のシミュレーション結果である。空気層による輻射伝熱は、一般的にステファン−ボルツマンの法則に従い、物体の温度（Ｔ）の４乗（Ｔ４）に比例して増大するところ、低温条件では輻射伝熱が少なく、結果として空気層が断熱効果を奏している。
【００３０】
図２Ｂは、図１Ａと同様に低温条件において内管と外管との間に空気層のみがある場合において、外管の内周面及び内管の外周面の輻射率（放射率）を０．３と小さくしてシミュレーションした結果である。輻射伝熱がさらに抑制されることがわかる。このことは、内管と外管との間に空気層に加えて輻射伝熱抑制層を設けることで、内管の温度上昇を抑制できることを示している。
【００３１】
そこで、内管の外周面に輻射伝熱抑制層を設けてシミュレーションした結果が図２Ｃである。輻射伝熱抑制層を設けていない図２Ａに比べ、さらに内管の温度上昇が抑制されることがわかる。
【００３２】
次に、図３Ａは、高温条件において内管と外管との間に空気層のみがある場合のシミュレーション結果である。前述のとおり空気層による輻射伝熱は、一般的にステファン−ボルツマンの法則に従い、物体の温度（Ｔ）の４乗（Ｔ４）に比例して増大するところ、高温条件では輻射伝熱が多くなり、結果として空気層は殆んど断熱効果を奏していない。
【００３３】
図３Ｂは、図３Ａと同様に高温条件において内管と外管との間に空気層のみがある場合において、外管の内周面及び内管の外周面の輻射率（放射率）を０．３と小さくしてシミュレーションした結果である。輻射伝熱が抑制される結果、内管の温度上昇が抑制されることがわかる。このことは、空気層による断熱効果が殆んど得られない高温条件においても、内管と外管との間に空気層に加えて輻射伝熱抑制層を設けることで、内管の温度上昇を抑制できることを示している。
【００３４】
そこで、内管の外周面に輻射伝熱抑制層を設けてシミュレーションした結果が図３Ｃである。空気層に加えて輻射伝熱抑制層を設けることで、内管の温度上昇が抑制されることがわかる。
【００３５】
このように、本発明に従い、内管と外管との間に空気層に加えて輻射伝熱抑制層を設けることで、低温条件及び高温条件のいずれにおいても、内管の温度上昇を効果的に抑制できることがわかる。
【実施例】
【００３６】
本発明の実施例及び比較例によるランスパイプを溶鋼鍋における精錬処理に適用し、その耐用性を評価した。その結果を表３に示す。
【００３７】
【表３】
0006518138.tif 000004
【００３８】
表３中、実施例１は、図１に示した実施形態に従い、内管の外周面に沿って輻射伝熱抑制層（セラミックファイバー層）を設け、その外側に空気層を設けた例である、比較例１は、内管と外管との間に空気層のみを設け輻射伝熱抑制層を設けなかった例である。比較例２は、前述の特許文献１に開示された従来技術に従い、芯金パイプを内管のみの単管とし、その外周面に沿って断熱材層を設けた例である。なお、実施例１及び比較例１では、外管の外周に金属製のスタッドを設け、比較例２では、内管（単管）の外周に金属製のスタッドを設けた。
【００３９】
耐用性は、溶鋼鍋にランスパイプを浸漬してから引き上げるまでを１チャージとし、ランスパイプが曲がり、その曲がった箇所から溶鋼が差し込んで剥落に至るまでのチャージ数を耐用チャージ数とし、この耐用チャージ数の大小によって評価した。表３では、比較例１の耐用チャージ数を１００として指数化した耐用性指数によって示した。耐用性指数が大きいほど耐用性に優れるということである。
【００４０】
表３より、本発明の実施例である実施例１は、比較例１、２に比べ、耐用性に優れることが確認された。比較例１は、輻射伝熱抑制層がないことから空気層による輻射伝熱を抑制できず、内管の温度が上昇した結果、十分な耐用性が得られなかったと推定される。比較例２は、内管（単管）の外周面に沿って断熱材層を有するものの、スタッドを介した熱伝達がある結果、内管の温度が上昇し、十分な耐用性が得られなかったと推定される。
【符号の説明】
【００４１】
１０  ランスパイプ
１１  芯金パイプ
１２  内管
１３  外管
１４  吹込管
１５  輻射伝熱抑制層
１６  空気層
１７  被覆耐火物
１８  スタッド
【図１】
0006518138.tif 000005
【図２Ａ】
0006518138.tif 000006
【図２Ｂ】
0006518138.tif 000007
【図２Ｃ】
0006518138.tif 000008
【図３Ａ】
0006518138.tif 000009
【図３Ｂ】
0006518138.tif 000010
【図３Ｃ】
0006518138.tif 000011