(57)【要約】【課題】インジェクションランスの芯金を覆う耐火物上でのクラック発生や剥離を防止し、ランスの寿命延長を可能とし、溶銑予備処理コストの低減及び生産性向上などを実現する。【解決手段】アンカーが複数設けられた金属製芯金の外周に耐火物を配したインジェクションランスの少なくとも溶銑に浸漬する部分の構成を、前記芯金外周上におけるアンカーの配置間隔が、芯金周方向に対しては、４５°以上１８０°以下、且つ、芯金軸方向に対しては３ｃｍ以上１００ｃｍ以下、前記耐火物の線膨張係数が１．０×１０−６（Ｋ−１）以上、２０×１０−６（Ｋ−１）未満、且つ、ヤング率が１０ＧＰａ以上、７０ＧＰａ未満とし、さらに、下記式を満たすように形成する。（１）１．２≦Ｒ１／Ｒ３≦３（２）Ｒ３≦Ｒ２＜０．６×（Ｒ１＋Ｒ３）Ｒ１：ランスの外径、Ｒ２：アンカーを含めた芯金の最大外径を示す部分の外径、Ｒ３：芯金に用いたパイプの外径。【選択図】図１
2008121041.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周表面に芯金露出防止用のアンカーが複数設けられたパイプ状の金属製芯金の外周に、耐火物を配したインジェクションランスであって、
インジェクションランスの少なくとも溶銑に浸漬する部分の構成を、
前記芯金外周上におけるアンカーの配置間隔が、芯金周方向に対しては、芯金断面中心から見た角度が４５°以上１８０°以下、且つ、芯金軸方向の長さが３ｃｍ以上１００ｃｍ以下とし、さらに、
前記耐火物の線膨張係数が１．０×１０−６ （１／Ｋ）以上、２０×１０−６ （１／Ｋ）未満、且つ、ヤング率が１０ＧＰａ以上、７０ＧＰａ未満であって、さらに、
下記（１）及び（２）式を満たすように形成することを特徴とするインジェクションランス。
１．２≦Ｒ１／Ｒ３≦３  ・・・（１）
Ｒ３≦Ｒ２＜０．６×（Ｒ１＋Ｒ３）  ・・・（２）
ここで、
Ｒ１：インジェクションランスの外径（ｍｍ）
Ｒ２：アンカーを含めた金属製芯金の最大外径を示す部分の外径（ｍｍ）
Ｒ３：金属製芯金に用いたパイプの外径（ｍｍ）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冶金分野における溶銑予備処理等の際に、処理剤の吹き込みに用いられる粉体及びガスの吹き込み用ランス（以下、「インジェクションランス」という。）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、製鉄業においては、製品規格の厳格化などを背景として、転炉に挿入する前の溶銑に対して、事前に脱燐、脱硫等を行う、いわゆる溶銑予備処理を行うことが一般的となっている。溶銑からの燐や硫黄の除去は、一般的には、脱燐剤、脱硫剤などの処理剤を窒素ガス等のキャリアガスとともに、一端を溶銑に浸漬したインジェクションランスを通じて溶銑中に吹き込み、脱燐剤、脱硫剤などの処理剤と溶銑とを接触、反応させることによって行われる。
【０００３】
ところで、効率的かつ確実な溶銑予備処理のためには、溶銑と吹き込まれる処理剤を適切に混合することが求められる。そのため溶銑の液面に対して直上からではなく、斜め方向からインジェクションランスを挿入する方法が良く行われている。また、効率的かつ確実な溶銑予備処理のためには、溶銑中への処理剤の吹き込みを安定的に行うことも合わせて必要である。一方、処理剤の吹き込み中、インジェクションランスは処理剤吹込みによる反力作用、浮力、溶銑の振動など、さまざまな力を受け、変形する場合がある。インジェクションランスの変形は、吹き込み状態の変動を引き起こし、ひいては安定的な処理剤の吹き込みを妨げ、溶銑予備処理の効率を著しく悪化させる。
【０００４】
そこで、溶銑予備処理の際に用いられるインジェクションランスには、処理剤の吹き込み中に発生する力による変形を最小限とするため、金属製の管を主構造（芯金）とし、その外面を流し込み剤などの不定形耐火物で保護した構造をもつものが一般的に用いられる。ここで用いられる耐火物は、１３００℃以上と高温である溶銑と金属製の管とが直接接触することによる金属製の管の変形や溶解などの破壊を防ぐ重要な役割を担っている。
【０００５】
しかし、上記のようなインジェクションランスは、耐久性に問題を有していた。インジェクションランスが使用できなくなる理由としては、（１）インジェクションランスの折れ曲がり、（２）溶損や切断によって長さが短くなり処理剤の吹き込みができなくなる、という２つの理由が専らである。このような現象は、芯金温度が上昇し過ぎることによって発生するが、とりわけ頻度が高いのが、耐火物がスポーリングを起こし、クラックや耐火物の剥離が発生し、そこから芯金と溶銑が直接接触してしまうことによる芯金の温度上昇である。従来、インジェクションランスに用いられてきた耐火物はスポーリングが発生しやすく、複数回利用が著しく困難であるという課題があった。インジェクションランスを複数回利用できれば、溶銑予備処理に用いるランスコストの低減だけでなく、交換時間の削減による生産性の大幅改善につながる。このような事情から、長寿命なインジェクションランスの開発が強く求められている。特に、安定的に複数回以上使用できるインジェクションランスの開発は急務である。
【０００６】
上述したように、インジェクションランスの寿命の低減はスポーリング発生及びそれに起因する耐火物剥離によるところが大きかった。そこで、インジェクションランス表面上の耐火物破損を防止するための技術がいくつか提案されている。例えば、特許文献１（特開２００２−２７４９６２号公報）には、金属製の芯金の外面を覆う不定形耐火物の組成を改良することにより、インジェクションランスの耐火物上のクラック発生を防止する技術が開示されている。
【０００７】
しかし、本発明者らが上記特許文献１に記載の技術について試験を行ったところ、この引用文献１で開示されている組成の不定形耐火物を用いてもなおクラック発生抑制効果は不十分であり、インジェクションランスの十分な寿命延長効果は得られなかった。
【０００８】
また、クラック発生後の進展及び耐火物剥離を防止する技術についてもいくつか提案がなされている。例えば、特許文献２（特開平３−１１１５１０号公報）には、インジェクションランスに用いるキャスタブル不定型耐火物中に金属ファイバーを添加する技術が開示されている。
【０００９】
しかし、本発明者らが上記特許文２に記載の技術について試験を行ったところ、クラック進展防止については一定の効果が認められたがその効果は十分ではなかった。さらに、耐火物と芯金間の密着が不十分であったために、処理中に耐火物と芯金の線膨張係数差に起因する耐火物の抜け落ちが発生するという問題があった。
【００１０】
上記耐火物の抜け落ちを防ぐ技術についてもいくつか提案がなされている。例えば、特許文献３（特開２００１−４９３２８号公報）には、芯金上にさまざまな形のスタッド(アンカー)を固定する技術が開示されている。
【００１１】
本発明者らは、上記特許文献３の技術を元にインジェクションランスを作製し、試験を行った。その結果、耐火物にクラックが発生しても、耐火物の抜け落ちに至る率は大幅に低下することが確認できた。しかし、今度はアンカーを起点とする耐火物のクラックが頻発するようになった。上記特許文献２の技術と組み合わせることで、クラックの成長はある程度は抑制されたが、それでも実用には不十分であり、結果としてクラック発生の防止によるランス寿命の延長効果は不十分であった。
【００１２】
上記アンカーを使うとクラックが発生してしまうという問題の解消を狙った技術としては、例えば、特許文献４（特開平９−６７６１１号公報）がある。これは、上記特許文献３のスタッドの代わりにらせん状棒鋼をはりつけることにより、不定形耐火物にクラックが入っても耐火物剥離や抜け落ちにつながらないようにしたものである。
【００１３】
しかし、本発明者らが上記特許文献４に記載の技術について評価したところ、らせん状棒鋼では耐火物抜け落ち防止の効果は不十分であり、インジェクションランスの寿命の延長効果は確認できなかった。
【特許文献１】特開２００２−２７４９６２号公報
【特許文献２】特開平３−１１１５１０号公報
【特許文献３】特開２００１−４９３２８号公報
【特許文献４】特開平９−６７６１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
そこで、本発明は、インジェクションランスの破損原因の大きな割合を占めるランスの芯金を覆う耐火物上でのクラック発生や剥離を防止し、インジェクションランスの寿命延長を可能とすることで、溶銑予備処理コストの低減及び生産性向上などを実現することが可能なインジェクションランスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明者らは、インジェクションランスの芯金を覆う耐火物上でのクラック発生状況について鋭意調査及び検討を行った。その結果、クラック発生の主原因は、溶銑予備処理中のランスの変形ならびにランス上の耐火物に働く熱応力によることを見出した。そこで、ランスの変形を防ぐためのアンカー形状および耐火物の施工条件などのパラメータを種々変更し、クラック発生に与える影響について鋭意調査を行った。
【００１６】
その結果、アンカーの形状と耐火物の厚みをある範囲とすることで、ランス上の耐火物に発生するクラックが著しく減少することを見出した。
【００１７】
さらに、耐火物の剥離や抜け落ちとの関係についても鋭意調査を行った。その結果、クラック発生と剥離及び抜け落ちの防止を両立できることを見出した。そこで、本発明者らは、さらに検討を行ったところ、アンカー形状の大きさならびにランス上の耐火物厚みを適正な範囲とし、さらに、芯金上のアンカー個数を一定の範囲内に収めることによってランス上の耐火物と芯金に働く熱応力を著しく低減できることを見出した。
【００１８】
さらに、検討の結果、本発明者らは、溶銑予備処理中のランスの天地向きによってクラック発生と耐火物剥離及び抜け落ちの挙動が異なることを見出した。そこで、アンカー形状、配置向き、個数が耐火物破損に与える影響をランスの天地向き毎に調査した。その結果、天地向き毎でアンカーの形状、配置を調整することによって、さらに有効にクラック発生と剥離及び抜け落ちの防止が実現できることを見出した。
【００１９】
さらに、本発明者らは、インジェクションランスの芯金を覆う耐火物の種類を種々変更し、耐火物へのクラックや剥離の発生状況がどのように変化するかを鋭意調査した。その結果、耐火物のヤング率と線膨張係数がある範囲内に収まる場合に、上述したアンカーの配置のもとで、クラックの発生や剥離の発生が著しく防止されることを見出した。
【００２０】
本発明は、上記知見に基づきなされたもので、以下のような特徴を有する。
［１］外周表面に芯金露出防止用のアンカーが複数設けられたパイプ状の金属製芯金の外周に、耐火物を配したインジェクションランスであって、
インジェクションランスの少なくとも溶銑に浸漬する部分の構成を、
前記芯金外周上におけるアンカーの配置間隔が、芯金周方向に対しては、芯金断面中心から見た角度が４５°以上１８０°以下、且つ、芯金軸方向の長さが３ｃｍ以上１００ｃｍ以下とし、さらに、
前記耐火物の線膨張係数が１．０×１０−６ （１／Ｋ）以上、２０×１０−６ （１／Ｋ）未満、且つ、ヤング率が１０ＧＰａ以上、７０ＧＰａ未満であって、さらに、
下記（１）及び（２）式を満たすように形成することを特徴とするインジェクションランス。
１．２≦Ｒ１／Ｒ３≦３  ・・・（１）
Ｒ３≦Ｒ２＜０．６×（Ｒ１＋Ｒ３）  ・・・（２）
ここで、
Ｒ１：インジェクションランスの外径（ｍｍ）
Ｒ２：アンカーを含めた金属製芯金の最大外径を示す部分の外径（ｍｍ）
Ｒ３：金属製芯金に用いたパイプの外径（ｍｍ）
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、インジェクションランスの破損原因の大きな割合を占めるランスの芯金を覆う耐火物上でのクラック発生や剥離を防止し、インジェクションランスの寿命延長を可能とすることで、溶銑予備処理コストの低減及び生産性向上などを実現することが可能なインジェクションランスが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明を実施するための最良の形態の一例を説明する。
【００２３】
本発明に係るインジェクションランスは、外周表面に芯金露出防止用のアンカーが複数設けられたパイプ状の金属製芯金の外周に不定形耐火物又は定型耐火物等の耐火物を配する粉体及びガスの吹き込み用ランスである。そして、本発明に係るインジェクションランスは、その少なくとも溶銑に浸漬する部分の構成を、前記芯金外周上におけるアンカーの配置間隔が、芯金周方向に対しては、芯金断面中心から見た角度が４５°以上１８０°以下、且つ、芯金軸方向の長さが３ｃｍ以上１００ｃｍ以下とし、さらに、前記耐火物の線膨張係数が１．０×１０−６ （１／Ｋ）以上、２０×１０−６ （１／Ｋ）未満、且つ、ヤング率が１０ＧＰａ以上、７０ＧＰａ未満であって、さらに、下記（１）及び（２）式を満たすように形成することを特徴とするものである。
１．２≦Ｒ１／Ｒ３≦３  ・・・（１）
Ｒ３≦Ｒ２＜０．６×（Ｒ１＋Ｒ３）  ・・・（２）
ここで、
Ｒ１：インジェクションランスの外径（ｍｍ）
Ｒ２：アンカーを含めた金属製芯金の最大外径を示す部分の外径（ｍｍ）
Ｒ３：金属製芯金に用いたパイプの外径（ｍｍ）
を表す。
【００２４】
図１に、本発明に係るインジェクションランス１の断面構成の一例を示す。なお、本発明において、ランス、金属製芯金の最大外径を示す部分及び金属製芯金に用いたパイプの断面が円形である場合は、上記Ｒ１〜Ｒ３の値としては、それぞれの直径を用いるものとする。また、それぞれの断面が多角形である場合は、それらの断面中で最も距離の離れた部分の長さを上記Ｒ１〜Ｒ３の値として用いるものとする。
【００２５】
本発明に係るインジェクションランス１に用いられるパイプ状の金属製芯金２は、ランスの使用条件下で十分な強度並びに剛性を持ち、さらに、内部にガス並びに粉末を通す構造とすることが出来るパイプ状のものであれば、どのような材料を用いてもかまわない。特に、その中でも、炭素を０．２〜０．４ｍａｓｓ％含有する炭素鋼は、これにより造られるパイプは強度特性に優れ且つ安価であり、その上、加工性に優れているため、安価に上記条件を満たす金属製芯金を得るという目的からは好ましい材料である。そのため、本発明では、炭素を０．２〜０．４ｍａｓｓ％含有する炭素鋼を芯金として用いることが好ましい。ただし、本発明においては、使用条件等を考慮して、ステンレスなどの炭素鋼以外の材料で作製されたパイプを用いても、勿論かまわない。
【００２６】
前記芯金２として用いるパイプは、その断面形状が円形あるいは概略それに近い形をもつことが好ましい。角型、たとえば四角形の断面形状を持つ芯金を用いてランスを作製した場合、その外周を覆う耐火物が相対的に薄くなる部分が発生する。そのような部分の存在は、温度上昇の仕方が周囲と異なる部分を作ってしまう結果となる。温度が異なる部分の近傍にある耐火物は、周囲に比べ過大な熱応力を受けることになる。この熱応力の集中は、芯金の外周を覆う耐火物にクラックを発生させてしまう原因となり、本発明では好ましくない。したがって、本発明においては、前記芯金として用いるパイプの断面形状は、円形あるいは概略それに近い断面形状を持つことが好ましい。具体的には、好ましい断面形状としては、正５角形以上の多角形、より好ましくは円形である。
【００２７】
また、前記芯金２として用いるパイプ外径Ｒ３の大きさは、ランスの使用条件等に応じて適宜決定すればよいが、吹き込むガスならびに粉末（処理剤）を十分安定的に流すこと、ならびにインジェクションランスの固定の容易さなどを考慮するとＲ３の大きさとしては、２０ｍｍ以上、５００ｍｍ以下とすることが好ましい。特に好ましくは、２０ｍｍ以上、１５０ｍｍ以下である。
【００２８】
また、前記芯金２として用いるパイプの肉厚ｔは３ｍｍから２０ｍｍ程度とすることが好ましい。肉厚ｔが３ｍｍ未満となると、剛性が低くなりすぎて溶銑予備処理時に溶銑から受ける力によって変形してしまう場合がある。一方、肉厚をあまり増大させると、強度は向上するが、重量が増してしまいハンドリングや固定を著しく困難にしてしまう。したがって、前記芯金として用いるパイプの肉厚ｔとしては、２０ｍｍ以下とすることが好ましい。特に好ましくは、３ｍｍ以上、１０ｍｍ以下である。
【００２９】
また、本発明においては、前記芯金の外周に配される不定形耐火物または定型耐火物等の耐火物４の線膨張係数を１．０×１０−６ （１／Ｋ）以上２０×１０−６ （１／Ｋ）未満、且つ、ヤング率を１０ＧＰａ以上７０ＧＰａ未満とする必要がある。
【００３０】
なお、本発明においては、前記耐火物４の線膨張係数とヤング率が上記範囲に入るものであり、溶銑温度で溶解が起きない程度の耐熱性並びに溶銑や処理剤などとの反応による侵食が起きない材質であれば、どのようなものを用いてもかまわない。このような耐火物としては、例えばアルミナ、シリカ、マグネシア、ジルコニア、クロミアなどを主成分とする耐火物、あるいは、アルミナ−シリカ系耐火物のように、前記成分の２以上のものを組み合わせた耐火物などが挙げられる。勿論、これら以外の耐火物を用いてかまわない。
【００３１】
また、前記不定形耐火物は、芯金外周面上での耐火物層の形成が定型耐火物に比べて容易である上、定型耐火物では不可避的に発生する隙間などを形成させずに配することができるため、全体で均一な熱的特性が得られ、クラックの発生をより抑制できるという特徴を有する。したがって、本発明においては、不定形耐火物を用いて芯金外周面上の耐火物層を形成することが好ましい。このような不定形耐火物としては、例えば、アルミナ−シリカ質、クロム質、クロム−マグネシア質、スピネル質、ジルコニア質などのキャスタブル耐火物が挙げられる。
【００３２】
以下、前記耐火物の線膨張係数の範囲の限定理由について説明する。前記耐火物の線膨張係数が１．０×１０−６（１／Ｋ）未満の場合は、耐火物と芯金との線膨張係数差が過大となる。インジェクションランスの使用時には、前記耐火物には、耐火物と芯金との線膨張係数差に起因する内部応力が作用するが、その線膨張係数差が過大となった場合、線膨張係数差に起因する内部応力が前記耐火物の破壊強度を上回ってしまう場合がある。そのため、インジェクションランスに配される耐火物には容易にクラックが発生する状態となる。クラックの発生によりインジェクションランスに配される耐火物の破損は著しくなり、結果としてインジェクションランスの寿命が極めて短くなってしまう。
【００３３】
一方、線膨張係数が２０×１０−６ （１／Ｋ）以上となる場合は、線膨張係数差による破壊は防止される。また、インジェクションランスの使用時に、前記耐火物の表面温度がもっとも高くなる部分には、熱膨張により圧縮方向の応力が作用するので、一旦クラックが入ったとしてもクラックの進行が抑制され、それ以上の破壊は防がれる。しかし、一方で、その膨張によって発生した圧縮応力の反作用として、インジェクションランス側の耐火物には大きな引っ張り方向の応力が発生する。特に、アンカー周辺のように形状が複雑な部分には応力が集中してしまう。その結果、インジェクションランスの使用時に、アンカー周辺を起点としてランス側から耐火物の破損が著しくなり、ランスの寿命が極めて短くなってしまう。
【００３４】
以上の理由により、本発明においては、インジェクションランスに配される耐火物の線膨張係数を１．０×１０−６（１／Ｋ）以上、２０×１０−６ （１／Ｋ）未満と限定した。なお、本発明において、好ましい耐火物の線膨張係数は３．０×１０−６（１／Ｋ）以上、２０×１０−６ （１／Ｋ）未満となり、特に好ましくは４．０×１０−６ （１／Ｋ）以上、１５×１０−６ （１／Ｋ）未満である。
【００３５】
次に、前記耐火物のヤング率の限定理由について説明する。耐火物のヤング率が１０ＧＰａ未満となった場合、熱膨張による応力はきわめて小さくなる。しかし、耐火物のヤング率が１０ＧＰａ未満となると、耐火物の保形性が著しく悪化してしまい、ハンドリングが困難になるという問題がある。
【００３６】
一方、前記耐火物のヤング率を７０ＧＰａ以上とすると、熱膨張で発生するひずみによる応力が過大となる。その結果、スポーリング等による耐火物の破壊が顕著となり、インジェクションランスの寿命を著しく短くしてしまう。
【００３７】
したがって、本発明では、耐火物のヤング率を１０ＧＰａ以上、７０ＧＰａ未満と限定した。なお、好ましい耐火物のヤング率は、１０ＧＰａ以上、５０ＧＰａ以下であり、特に好ましくは、１０ＧＰａ以上、４０ＧＰａ以下である。
【００３８】
上述したようなセラミックスなどを主原料とする耐火物は、圧縮方向の力には強いが、引張り方向の力には容易に破壊されてしまう。そのため、ランスに曲げ応力などが働いた場合、その部分の耐火物に引張り応力が働くため、耐火物に容易にクラックが生じたりすることがある。クラックの発生は前述したように、スポーリングなどによるランス寿命の低下を招くので好ましくない。
【００３９】
しかし、このような耐火物特有の課題は、例えば、耐火物中に金属ファイバーなどを添加することによって大幅に改善される。そのため、本発明においては、耐火物中に金属ファイバーを添加したものを用いることが好ましい。添加するファイバーとしては、耐熱性に優れた材質で出来たファイバーであればどのようなものでも良い。このようなファイバーとしては、例えば、ステンレスや炭素鋼などの鉄鋼材料を主原料とするもの、アルミなどの軽金属材料を主原料とするもの、炭素、窒化ホウ素、アルミナなどの非金属材料を主原料とするもの等が挙げられる。その中でも、ステンレスや炭素鋼などの鉄鋼材料で出来たファイバーは、価格も安価である上、アルミなどの軽金属材料に比べて耐熱性に優れているという特徴がある。そのため、本発明においては、前記ファイバーとして、前記鉄鋼材料を主原料とするファイバーを用いることが好ましい。
【００４０】
なお、前記ファイバーの径ならびに長さ等は用途に応じて適宜決定すればよいが、入手のし易さ、ならびに、耐火物中での分散性の良さなどを考慮すると、長さ２０〜１００ｍｍ、径０．５〜３ｍｍ程度のファイバーを用いることが好ましい。
【００４１】
上述したような構成のインジェクションランスにおいて、本発明は、図１に示すように、インジェクションランスの外径をＲ１（ｍｍ）、アンカーを含めた金属製芯金の最大外径を示す部分、つまり、アンカーを含めた芯金の断面形状の最も出っ張っている部分の外径をＲ２（ｍｍ）、金属製芯金に用いたパイプの外径をＲ３（ｍｍ）としたときに、インジェクションランスの少なくとも溶銑に浸漬する部分の構成を、上述した（１）式及び（２）式を満たすように形成するものである。
１．２≦Ｒ１／Ｒ３≦３  ・・・（１）
Ｒ３≦Ｒ２＜０．６×（Ｒ１＋Ｒ３）  ・・・（２）
以下、この限定理由を説明する。
【００４２】
芯金の外周に配される耐火物にクラックが発生する原因として、芯金と耐火物との間に働く熱応力と、耐火物自身の熱応力との２つが挙げられる。前者は、芯金と耐火物との線膨張係数差に起因する。前記芯金と耐火物との間に働く熱応力は、線膨張係数差が大きく、また温度が高くなるほど大きくなる。後者は、耐火物内の温度差によって発生する。例えば、耐火物の厚みを大きくして耐火物内の温度差が大きくなるようにすると、前記耐火物自身の熱応力は大きくなる。
【００４３】
ここで、Ｒ１／Ｒ３が１．２未満になると耐火物の厚みが薄くなり過ぎ、芯金温度の過度な上昇が起きる。温度が上昇した芯金は、剛性などが著しく低下するので、溶銑の動きによるランス変形などが起きやすくなる。その上、芯金と耐火物との間に働く熱応力が増大するという問題がある。ランスの変形、芯金と耐火物との間の熱応力の増大はいずれも芯金の外周に配される耐火物にクラックを発生させ、ランスの寿命低下につながるため好ましくない。したがって、本発明においては、Ｒ１／Ｒ３は１．２以上とする必要がある。
【００４４】
一方、Ｒ１／Ｒ３を３超とした場合、耐火物の厚みが過大となる。耐火物は熱伝導率が悪い材料なので、厚みが過大になると溶鋼に接する面と芯金に接する面との間の温度差が増大し、耐火物の内部で大きな熱応力が発生する原因となる。その結果、芯金自体の温度の上昇は防ぐことができるが、耐火物中の熱応力が大きくなってしまうため、クラックが発生しやすくなる。したがって、本発明においては、Ｒ１／Ｒ３を３以下にする必要がある。なお、Ｒ１／Ｒ３の特に好ましい範囲は、１．３超、２以下である。
【００４５】
アンカーを含めた芯金の最大外径を示す部分、つまり、アンカーを含めた芯金の断面形状の最も出っ張っている部分の外径Ｒ２は、芯金に用いたパイプの外径Ｒ３以上、且つ、０．６×(Ｒ１＋Ｒ３)未満とする必要がある。芯金の表面に配したアンカー３の出っ張りは、アンカー３による耐火物の剥落防止効果などが得られるというメリットがある。しかし、一方で、他の部分に比べて、前記アンカー３のある位置での耐火物の厚みが薄くなるため、芯金の温度上昇が大きくなる。その結果、熱膨張量が大きくなるため、前記アンカー３のある位置の近傍の耐火物に与える熱応力が増大する。特に、前記アンカー３の出っ張りが大きくなり、Ｒ２が０．６×(Ｒ１＋Ｒ３)以上となると、熱応力上昇による耐火物へのクラック発生が顕著となってしまう。そのため、本発明においては、Ｒ２は０．６×(Ｒ１＋Ｒ３)未満とする必要がある。一方、Ｒ２がＲ３より小さい場合、芯金の一部分がへこんだ状態となる。このような断面形状を持つ芯金は強度が著しく低下するので強度が必要なランスの芯金としては不適当である。以上より、本発明においては、Ｒ２は、Ｒ３以上、０．６×(Ｒ１＋Ｒ３)未満とする必要がある。前記Ｒ２の特に好ましい範囲は、アンカー３をつけた効果を得るために、１．１×Ｒ３≦Ｒ２≦０．５×(Ｒ１＋Ｒ３)の範囲である。
【００４６】
さらに、本発明においては、芯金２外周上におけるアンカー３の配置間隔が、芯金周方向に対しては、芯金断面中心から見た角度が４５°以上１８０°以下、且つ、芯金軸方向の長さが３ｃｍ以上１００ｃｍ以下とするものである。
【００４７】
ここで、前記芯金周方向に対する芯金断面中心から見た角度とは、図１に示す、芯金２の断面円周中心Ｏから見た、それぞれ同一周上に配された、例えばアンカー３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅのなす角度θ１，θ２，θ３，θ４，θ５を意味する。なお、断面が円とならない場合には、断面の重心位置から見た角度とする。
【００４８】
本発明においては、前記芯金２の軸方向におけるアンカーの配置間隔とは、図２に一例を示すように、アンカー３ｆ，３ｇ，３ｈが芯金に接している部分を含む周Ａと、アンカー３ｉ，３ｊが芯金に接している部分を含むもう一方の周Ｂとの間隔ｄａｘｉｓをいう。
【００４９】
なお、図３（ａ）に示すように、周Ａと周Ｂの距離が接近し、ｄａｘｉｓが例えば１ｃｍ以下となる場合は、周Ａ上に存在するアンカー３ｋと周Ｂ上に存在するアンカー３ｍとは同一周上にあると本発明ではみなす。この場合は、周Ａと周Ｂとの中間をとった仮想的な周Ｃを考え、そこにアンカーが存在するものとして扱う。
【００５０】
また、図３（ｂ）に示すように、３つ以上の周（図では周Ａ，周Ｂ及び周Ｃの３つの場合を図示）が存在し、最も離れた部分のｄａｘｉｓが同じく１ｃｍ以下となる場合は、これら３つ以上の周の重心にあたる部分を含む仮想的な周（図では周Ｄ）に、それぞれの周（図では周Ａ〜Ｃ）上のアンカーが存在するものとして扱う。
【００５１】
図１は、複数のアンカーが同一周上に配置されている場合を示しているが、仮想的な周上に存在するとみなした場合も同様に各角度が定義される。なお、この場合は、図４に示すように、それぞれの周上のアンカーを仮想的な周上へ投影したものを図１の代わりとする。
【００５２】
なお、図５は、アンカー３ｆを軸方向に水平に配置し、アンカー３ｇを軸方向に対して９０°ずらして配置、つまり、アンカー３ｆと３ｇを９０°傾けて配置した場合を図示しているが、傾ける角度に制限は無く、傾けない場合も含めて任意の角度とすることができる。なお、図５では３ｆ及び３ｇ以外のアンカーは図示していない。
【００５３】
以下、各数値の限定理由を説明する。
【００５４】
芯金２外周上におけるアンカー３の配置間隔が１８０°超となった場合、芯金２の周方向にはアンカーが１個しか存在しないことになる。その結果、アンカーの数が少なすぎ、アンカーによる耐火物の剥落防止効果がほとんど得られず、単にインジェクションランスの製造コストが上昇するだけとなるため好ましくない。
【００５５】
一方、前記アンカー３の配置間隔が４５°未満とした場合、アンカーが芯金２の周方向に９個以上設置されてしまうことになる。すると、耐火物層内に占める金属部分の体積が大きくなるため、実質的にインジェクションランスの耐火物層の厚みを薄くしたのと同じ状態になってしまう。その結果、芯金全体の温度上昇が大きくなるため、熱膨張量が増大して、近傍の耐火物に与える熱応力増大、ひいてはランス寿命低減の原因となる。
【００５６】
したがって、インジェクションランスの芯金断面中心から見た角度を４５°以上１８０°以下とする必要がある。ランス寿命の改善度合いとアンカー設置間隔及びアンカー設置コストの関係を考慮すると、より好ましくは６０°以上１２０°以下である。なお、本発明においては、周方向のアンカー配置間隔は、上記間隔範囲内であるならば不均等な値、たとえば、同一の周方向に対してアンカーが、アンカー３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅまでの５個存在する場合、それぞれのアンカーのなす角度θ１，θ２，θ３を各６０°、θ４，θ５を各９０°というような間隔にしても勿論構わない。
【００５７】
前記芯金２の軸方向におけるアンカーの配置間隔が３ｃｍ未満となった場合、インジェクションランスを軸方向に見たとき耐火物層内に占める金属部分の体積が大きくなってしまう。その結果、耐火物層内に占める金属部分の体積が大きくなるため、実質的にインジェクションランスの耐火物層の厚みを薄くしたのと同じ状態になってしまい、芯金全体の温度上昇が大きくなり、熱膨張量が増大して近傍の耐火物に与える熱応力増大を招く。そして、近傍の耐火物に与える熱応力を増大させることとなり、ひいてはランス寿命低減の原因となる。
【００５８】
一方、前記アンカーの配置間隔が１００ｃｍを超えると、インジェクションランスの軸方向のアンカー密度が大幅に低下してしまう。そのため、アンカーによる耐火物の剥落防止効果がほとんど得られず、これも単にランスの製造コストが上昇するだけとなるため好ましくない。
【００５９】
したがって、芯金２の軸方向におけるアンカーの配置間隔は、３ｃｍ以上１００ｃｍ以下とする必要がある。より好ましくは、５ｃｍ以上３０ｃｍ以下である。なお、本発明においては、軸方向におけるアンカーの設置間隔は、上記間隔範囲内であるならば不均等な値、たとえば同一の軸方向に対して先端から溶銑界面までの部分を２０ｃｍ間隔、溶銑界面付近に来る部分近辺を５ｃｍ間隔、その上部を５０ｃｍ間隔としても勿論構わない。
【００６０】
また、本発明においては、前記アンカー３の形状については特に限定されない。例えば、図６に示すように、Ｉ字型のように先端がとがった形状、Ｖ字型やＹ字型のように先端がとがり且つ開いた形状にしてもかまわない。また、Ｏ型のリブとしてもかまわない。
【００６１】
本発明においては、上記の条件を満たすインジェクションランスを用いることで、溶銑予備処理時等に、芯金の外周に配される耐火物に働く熱応力を著しく緩和することができるためクラックの発生が抑えられる。その結果、著しく寿命の伸びたインジェクションランスを得ることが可能となる。
【実施例１】
【００６２】
以下、本発明の実施例について説明する。
【００６３】
図１は、本実施例において使用したインジェクションランスの構造を示す縦断面図である。なお、図１に示すように、本実施例においては、本発明に係るインジェクションランスの構成を単管ランスに適用した場合について説明するが、これ以外の構造をもつランス、例えば二重管ランスなどに適用した場合においても同様の効果を有する。
【００６４】
表１に示す物性値を持つ耐火物を用いて、インジェクションランスを作製した。また、表２に、芯金の外周表面に配したアンカーの寸法および形状、作製したインジェクションランスにおけるＲ１，Ｒ２，Ｒ３の値、アンカーの配置間隔、隣接アンカーとの傾き角を示す。なお、芯金には、断面形状が円形で肉厚が５ｍｍの物を用いた。
【００６５】
各アンカーの形状は図６に示したものを使用した。なお、前記アンカーの高さｈは、図６に示すように、アンカーの形状の上下方向の長さとした。Ｖ字型およびＹ字型アンカーの場合、開き角αは９０°とした。また、Ｙ字アンカーの場合、軸の部分の高さｈ１と開いた部分の高さｈ２が１：１となるように調整した。隣接するアンカー同士の傾きは図５に示すように隣同士が９０°ずつ傾くように配置した。
【００６６】
インジェクションランスは実施例毎に５本準備した。なお、本実施例による試験の前に、芯金の表面にアンカーの代わりに、深さ２ｍｍ、断面形状円形の穴を穿鑿してＲ２＜Ｒ３となる芯金を作製し、それを用いてアンカー形状以外の部分を表２に示す本発明例５と同様としたランスを作製し、同様の実験及び評価を試みた。その結果、ランスからの酸素ガスの吹き込み時間が２０分に到達する前に、ランスの溶銑への浸漬部が破損してしまい、吹き込みをそれ以上継続することが出来なかった。
【００６７】
この結果より、酸素ガスの吹き込み時間の２０分を確保するためには、Ｒ３≦Ｒ２なる条件を満たす必要があることが分かったので、本実施例ではいずれもこの条件を満たす芯金を用いて評価を行った。
【００６８】
表２には、インジェクションランスのサイズから求められるパラメータであるＲ１／Ｒ３，Ｒ２／Ｒ３，Ｒ２／(Ｒ１＋Ｒ３)の値を併せて示す。なお、本発明の範囲は、１．２≦Ｒ１／Ｒ３≦３、１≦Ｒ２／Ｒ３、Ｒ２／(Ｒ１＋Ｒ３)＜０．６である。
【００６９】
作製したインジェクションランスを温度１３００℃の溶銑中に浸漬し、溶銑中に酸素ガスを２０分間吹き込み、使用後のランスの長さの変化量および浸漬部の耐火物の状態を観察した。酸素ガス吹き込み量は２０ｍ３／ｍｉｎで一定とした。長さの変化量が小さく、耐火物が元の状態に近いランスほど、寿命が長いランスと判断することが出来る。表２に、この観察結果も併せて示す。
【００７０】
耐火物の厚みがランス寿命に与える影響を評価した結果として本発明例１〜５並びに比較例１〜２を示す。耐火物の厚みが薄く、Ｒ１／Ｒ３＝１．１となった比較例１では、使用後のランスの先端部が消失してしまい、長寿命なランスは得られなかった。また、Ｒ１／Ｒ３＝５．３となった比較例２では、耐火物に大きなクラックが発生し、芯金が露出して再使用が出来ない状態となり、同じく長寿命なランスは得られなかった。一方、Ｒ１／Ｒ３を１．２以上３以下とした本発明例１〜５では、比較例１，２より長寿命なランスが得られた。特にＲ１／Ｒ３を１．３以上２以下とした本発明例１，２ではより顕著な長寿命化が実現した。これより、Ｒ１／Ｒ３は１．２以上３以下とすることがよく、さらに１．３以上２以下とすることがより好ましいことが分かる。
【００７１】
アンカーの高さによって決まるＲ２の大きさがランス寿命に与える影響を評価した結果として本発明例６〜８並びに比較例３〜５を示す。比較例３〜５は、Ｒ１／Ｒ３は本発明の範囲を満たすが、Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ３）が０．６以上となる、すなわち、Ｒ２が０．６×（Ｒ１＋Ｒ３）以上となる場合の例である。比較例３〜５の場合は、アンカー部分で大きなクラックが発生して芯金が露出した。一方、本発明例６〜８では、比較例３〜５より長寿命なランスが得られた。特に、Ｒ２≧１．１×Ｒ３及びＲ２≦０．５×（Ｒ１＋Ｒ３）の条件を満たした本発明例７及び８は、より顕著な長寿命化を実現した。
【００７２】
これより、Ｒ２はＲ３以上かつ０．６×（Ｒ１＋Ｒ３）未満とすることが良く、さらに１．１×Ｒ３以上かつ０．５×（Ｒ１＋Ｒ３）以下とすることがより好ましいことが分かる。
【００７３】
アンカーの芯金軸方向における配置間隔がランス寿命に与える影響を評価した結果として本発明例９〜１４並びに比較例４〜５を示す。アンカーの配置間隔を３ｃｍ未満とした場合である比較例４の場合、多くのランスの浸漬部でクラックが発生して芯金が露出した。さらに、いくつかのランスでは浸漬部が消失してしまっていた。芯金と溶銑が接触して芯金が消失したものと推定される。アンカーの配置間隔を１５０ｃｍとした場合である比較例５では、アンカーが存在しない部分の耐火物が広い領域に渡って剥離し、芯金が露出してしまった。
【００７４】
一方、アンカーの芯金軸方向の配置間隔を３ｃｍ以上１００ｃｍ以下とした本発明例９〜１４では、芯金が露出するようなクラックおよび耐火物剥離は発生せず、比較例４〜５より長寿命なランスが得られた。特に、アンカーの芯金軸方向配置間隔を５ｃｍ以上３０ｃｍ以下とした本発明例１０〜１２は、より顕著な長寿命化を実現した。これより、アンカーの芯金軸方向の配置間隔を３ｃｍ以上１００ｃｍ以下とすることがよく、さらに５ｃｍ以上３０ｃｍ以下とするとより好ましいことがわかる。
【００７５】
アンカーの芯金周方向における配置間隔がランス寿命に与える影響を評価した結果として本発明例１５〜１８並びに比較例６〜７を示す。アンカーの配置間隔を、芯金周方向に対して芯金断面中心から見た角度として４５°未満とした場合である比較例６の場合、浸漬部が消失してしまいランスの長寿命化は実現できなかった。アンカーの個数が多くなりすぎたために、実質的に耐火物厚みを薄くしたのと同じ効果が起きてしまったものと推定される。また、アンカーの配置間隔を１８０°超とした場合、すなわち芯金周方向に１個しかアンカーを設置しなかった比較例７では、アンカーが無い部分の耐火物が大きく剥離してしまい、やはり、ランスの長寿命化は実現できなかった。
【００７６】
一方、アンカーの芯金周方向における配置間隔を芯金断面中心から見た角度として４５°以上１８０°以下とした本発明例１５〜１８では、比較例６〜７のようなランスの損耗並びに耐火物剥離は発生せず、比較例６〜７より長寿命なランスが得られた。特にアンカーの芯金周方向における配置間隔を６０°以上１２０°以下とした本発明例１６〜１７では、より顕著な長寿命化を実現した。これより、アンカーの芯金周方向における配置間隔は、４５°以上１８０°以下とすることが好ましく、さらに、６０°以上１２０°以下とするとより好ましいことがわかる。
【００７７】
本発明例１９〜２１は、アンカーとして、Ｖ字型以外のアンカーを用いた場合の結果である。アンカー形状によらずランスの長寿命化が実現されており、本発明はアンカー形状を変えた場合でも有効なことが分かる。Ｏ字型アンカーを用いた本発明例２１とそれ以外の実施例との比較から、アンカー文字形状はＶ字，Ｙ字，Ｉ字など先端がとがった形状が好ましい。また、本発明例１９と２０並びに本発明例２などの比較から、Ｖ字，Ｙ字などの先端が開いた形状のアンカーを用いると、よりランスの長寿命化が実現できることが分かる。
【００７８】
本発明例２２〜２４並びに比較例８〜１０は、耐火物の線膨張係数とヤング率を変化させたときの結果である。線膨張係数とヤング率を本発明で示した範囲とした場合、著しい寿命延長が実現しており、本発明の効果が確認できた。
【００７９】
【表１】
2008121041.tif 000003
【００８０】
【表２】
2008121041.tif 000004
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明に係るインジェクションランスの断面構成の一例を示す図である。
【図２】本発明に係る芯金の軸方向におけるアンカーの配置間隔を説明するための説明図である。
【図３】本発明に係る芯金の軸方向にずれたアンカーの配置位置を説明するための説明図である。
【図４】本発明に係る芯金の軸方向にずれたアンカーの配置位置を説明するための説明図である。
【図５】本発明に係る芯金の側面図である。
【図６】本発明に係るアンカーの形状の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００８２】
１  インジェクションランス
２  芯金
３  アンカー
４  耐火物
【図１】
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【図２】
2008121041.tif 000006
【図３】
2008121041.tif 000007
【図４】
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【図５】
2008121041.tif 000009
【図６】
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