(57)【要約】【課題】  転炉における精錬済み溶融金属の排出口、とくに、スリーブ状耐火物を使用した溶融金属の排出口による平均排出時間を短くするための手段を見出し、これによって転炉の操業能率を向上すること。【解決手段】出鋼口１は、転炉の内張り耐火物に装着された上部スリーブ２とその下端部に着脱可能に設けた下部スリーブ３とから構成されており、それぞれ、新品をセットした状態で使用前の状態を示す。上部スリーブ２は、筒状の耐火物４と下端に設けたノズル孔を有する板状耐火物５とからなり、その下端部は転炉の外面６より突出して受けれんが７に装着されている。下部スリーブの内孔断面積は使用後交換時の内孔断面積の６０〜９８％である。【選択図】  図１
2005206902.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上部スリーブとこの上部スリーブの下端部に着脱可能に設けた下部スリーブとからなり、新規設置時の下部スリーブの内孔断面積は使用後交換時の内孔断面積の６０〜９８％である転炉における溶融金属の排出口。
【請求項２】
上部スリーブは、新規設置時の内孔断面積が、使用後交換時の下部スリーブの内孔断面積の８５〜２００％である請求項１に記載の転炉における溶融金属の排出口。
【請求項３】
上部スリーブは、その下端部が、転炉の外面より突出している請求項１に記載の転炉における溶融金属の排出口。
【請求項４】
上部スリーブとこの上部スリーブの下端部に着脱可能に設けた下部スリーブとからなる溶融金属の排出口を有する転炉の操業方法であって、
新規設置の下部スリーブの内孔断面積が、使用後交換時の下部スリーブの内孔断面積の６０〜９８％とし、
しかも、
転炉の操業中は、前記下部スリーブの内孔断面積は常に上部スリーブの内孔断面積以下に維持する転炉の操業方法。
【請求項５】
下部スリーブを交換設置したときの上部スリーブの内孔断面積を、使用後交換時の下部スリーブの内孔断面積の８５〜２００％に維持する請求項４に記載の転炉の操業方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶融金属の精錬用転炉において精錬済みの溶融金属を排出するための排出口に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼をはじめとする金属は、一般的に高温の溶融状態にして、取鍋のような移送用の容器で転炉まで運搬され、その溶融金属は移送容器から、鉄皮を守るため耐火材で内張りされた転炉内に移し変えられ、転炉内に貯留させたまま各種精錬処理を施される。そして、精錬が終了した溶融金属は次の工程へ運ぶため、転炉から移送容器へ排出される。
【０００３】
このように、転炉の処理サイクルは、基本的には、溶融金属の受入、精錬、排出の三工程からなる。代表的な例として、製鋼用転炉の場合、溶銑の受入(受鋼)には約５分、精錬(吹錬)に約３０分、排出(出鋼)に約７．５分かかり、全処理サイクルに約４２．５分を要する。この全処理サイクル中、受鋼時間が占める割合は約１２％を占め、出鋼時間は約１８％を占めている。この受鋼と出鋼、すなわち、受入工程と排出工程は溶融金属を運搬するだけで、転炉の本来の作業ではなく、俗に言う無駄時間である。
【０００４】
従って、この受入工程と排出工程に要する時間を短縮することは、転炉の操業能率を向上することになり、転炉１基当りの年間精錬処理量を増やすことができ、生産性向上、ひいてはコストダウンにつながる。
【０００５】
移送容器から転炉に溶融金属を移す受入工程は、移送容器を傾けて内部の溶融金属を転炉に注入するものであるが、受入工程の時間短縮は流量制御などの細かな管理を必要とし難しいだけでなく、また、従来設備の大幅な改造を必要とし、その改造の効果も多くは期待できないことから未だ実現していない。
【０００６】
また、溶融金属の排出工程は、溶融金属の品質を維持向上させるために、精錬工程で発生した大量のスラグを移送容器へ流出させないようにする必要がある。また、同時に、流出時に溶融金属の噴流に乱れを生じると、外気中に含まれる酸素を巻き込み、溶融金属が酸化されて品質を著しく低下させる。そのために、排出部には、受入部と異なる排出口を設けている転炉がある。このような転炉では、スラグの流出を少なくし、かつ排出流ができるだけ層流となるように排出口の内径または開口面積は限定される必要がある。
【０００７】
ところが、製鋼用転炉の出鋼口は、高温の溶鋼の激しい流れによって、化学的、機械的に著しく損耗し、出鋼口の口径は徐々に拡大する。この出鋼口の開口面積が徐々に拡大すると、排出流量が増大することによって排出時間は短縮されて行く。
【０００８】
しかし、出鋼口の開口面積が所定の面積まで拡大すると、激しい流れによって出鋼口の回りに渦が発生し、溶鋼の表面のスラグを巻き込み、大量のスラグが移送容器へ排出されてしまう。このスラグは金属の品質に悪影響を及ぼすため、スラグの巻き込みと大量排出は避けなければならない。
【０００９】
つまり、出鋼口の耐火物が転炉の使用毎に溶損して開口面積が拡大するのに上限を設け、開口面積が所定の上限に達した時、あるいは、溶鋼の排出時間が所定の下限に達した時に、出鋼口のスリーブ状耐火物を新品と交換し、初めの内径(開口面積)に戻す必要がある。
【００１０】
また、転炉の出鋼に際してのスラグの流出の防止は、転炉自体を傾動、あるいは回転させることによって行なわれており、溶鋼やスラグ流を堰き止めるバルブを設けていないのが一般的である。
【００１１】
そのため、実際の出鋼に際してのスラグの流出の防止は、溶鋼流にスラグが巻き込まれるのを検知してから、転炉自体を傾動、あるいは回転させるものであるため、一定量のスラグが溶鋼の移送容器に排出されるのは避けられない。
【００１２】
そして、移送容器へ排出されるスラグの量は、出鋼口の開口面積にほぼ比例し、転炉の傾動、あるいは回転速度の能力によっても左右される。従って、移送容器へ排出されるスラグの量を一定量以下にするためには、転炉の設備能力を考慮して出鋼口の開口面積の上限値を設定しなければならない。換言すれば、出鋼口の開口面積の上限値は転炉の設備能力によっても変動する。
【００１３】
出鋼口を新品と交換するには、長時間を必要とする。出鋼口交換の間、転炉は操業停止を余儀なくされ、その分、精錬量(生産量)は低下する。
【００１４】
そこで、出鋼口を交換する時間の短縮のための対策が種々講じられている。
【００１５】
例えば、特許文献１には、出鋼口にスリーブ状の耐火物がはめ込まれ、スリーブ状の耐火物を交換することで出鋼口を新しくしている。また、このスリーブ状耐火物は、交換頻度が少なくて済むように、金属の流出に対して損耗の少ない長寿命の材質が選定される。
【００１６】
また、一層の長寿命を計るために、スリーブ状耐火物新品の出鋼口径は、許容できる最長の流出時間に相当する小さな直径を有し、肉厚を厚く設計されている。通常、転炉では、新品の出鋼口の面積が流出面積上限の約半分になるように、または、新品の流出時間が流出時間下限の約２倍になるように、出鋼口径(内径)を設計している。
【００１７】
このため、例えば、２００ヒート使用するためのスリーブ状耐火物は、最初の出鋼時間は１０分と長いが、使用末期には５分程度まで出鋼時間が短くなり、平均出鋼時間（出鋼時間の総和／スリーブ状耐火物の使用回数）は、７．５分となっている。この転炉におけるスラグの混入のない最短出鋼時間を５分とすると、２．５分／ヒートの出鋼時間の無駄が生じていることになる。
【００１８】
さらに、スリーブ状耐火物の交換に要する時間は、従来、通常５０分〜１００分が一般的で、平均７５分を要する。また、スリーブ状耐火物の寿命は１５０〜２５０ヒートで、平均２００ヒートが限度である。通常の製鉄所では一般的に容量３００トンの転炉１基で、出鋼間隔(tap-to-tap)４０分で年間約１２，０００ヒートの鋼を精錬している。 スリーブ状耐火物の寿命が平均２００ヒートとすると、交換回数は６０回／年となり、交換に要する時間が平均７５分／回の時、交換に費やす年間の操業停止時間は、約４，５００分、７５時間にも達する。
【００１９】
もし、このスリーブ状耐火物の交換に要する時間を半分の平均３７．５分に短縮できれば、交換に費やす年間の操業停止時間は、半分の約２，２５０分、３７．５時間となり、その分だけ転炉の稼動を増やすことができ、生産量も増加する。また、スリーブ状耐火物の寿命を２倍の平均４００ヒートに伸ばせれば、交換回数は半分の３０回／年となり、交換に要する時間が平均７５分／回の時、交換に費やす年間の操業停止時間は、同じように半分の約２，２５０分、３７．５時間となり、その分だけ転炉の稼動を増やすことができ、生産量も増加する。
【００２０】
しかし、このスリーブ状耐火物はモルタルなどの不定形耐火物を使って強固に転炉内張りに焼結され、かつ高温下で交換作業を行うことを余儀なくされるため、これ以上交換時間を短縮することはできないという問題がある。
【００２１】
一方、例えば特許文献２には、スライディングノズル装置ではあるが、必要以上の大孔径を有するプレートれんがを使用してノズル孔径を部分的に開閉してコントロールし、常に最適な流量とすることで平均出鋼時間を短くすることが記載されている。
【００２２】
しかしながら、転炉の場合には、取鍋やタンディッシュのスライディングノズル装置の場合と異なり、溶鋼の温度がおよそ５０〜１００℃も高く、しかも、流量が５〜１０倍と多いことから、耐火物の損傷が大きく、耐火物の寿命が短いため頻繁に耐火物を交換する必要があり、逆に操業能率が低下してしまう問題がある。さらに、流量制御は、複数のプレートれんがのノズル孔の絞りにより行うため、排出される溶鋼流が乱れ、溶鋼に空気を巻き込んだりする問題もある。
【特許文献１】特開平５−１９５０３８号公報
【特許文献２】特公昭５５−３８００７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
本発明が解決しようとする課題は、転炉における精錬済み溶融金属の排出口、とくに、スリーブ状耐火物を使用した溶融金属の排出口による平均排出時間を短くするための手段を見出し、これによって転炉の操業能率を向上することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本願発明者は、従来の転炉の溶融金属の排出口のスリーブ状耐火物において、最初からある程度内孔断面積が大きい状態で使用を開始することで平均排出時間を短くできると考えた。
【００２５】
最初から内孔断面積が大きなスリーブを使うことによって寿命は短くなるため交換頻度が高くなる問題があるが、この問題を、排出口のスリーブ状耐火物を上下方向に２分割し、下方スリーブ、すなわち、下部スリーブのみを頻繁に交換することで解決した。つまり、２分割することで下部スリーブを小さく構成し、ハンドリングし易くすることで交換時間を短くしたものである。従って、交換時間が増えるよりも平均出鋼時間が短縮されるメリットがはるかに大きくなることがわかった。また、上部スリーブの寿命は逆に長くなるため、上部スリーブの交換頻度は短くなる効果が得られる。
【００２６】
本発明の転炉における溶融金属の排出口は、上部スリーブと、この上部スリーブの下端部に着脱可能に設けた下部スリーブから構成される。そして、それぞれが溶融金属の排出口となる内孔を有する耐火物からなり、一体成形した耐火物、あるいは複数の耐火物を組合わせた状態で使用できる。上部スリーブは、転炉の内張り耐火物に装着されており、下部スリーブよりも耐用性が長い、例えば、従来のスリーブ状耐火物と同じ程度かそれ以上の寿命の高耐用性を持つものから形成される。
【００２７】
そして溶融金属の流量の制御は、主に、理想的な溶融金属排出時間となるように設計された下部スリーブの内孔断面積を、狭い範囲内で管理することによって行われる。その交換頻度は、上部スリーブよりも高く２〜５０倍である。この交換頻度は、交換に要する時間と使用する耐火物の耐用性やコストによって左右される。交換時間が短く、しかも耐火物のコストが低い場合には、交換頻度を高くすることで、平均出鋼時間を理想的な時間に近づけることができる。このため、上部スリーブは従来以上に耐用性を伸ばすことも可能となる。
【００２８】
本発明においては、新規設置時の上部スリーブの内孔断面積と新規設置時の下部スリーブの内孔断面積は、下部スリーブの使用後交換時の内孔断面積を基準にして決めている。下部スリーブの使用後交換時の内孔断面積とは、ヒート回数が増すにつれて、下部スリーブの内孔が溶損により拡大するが、使用者が寿命が来たと判断して交換された下部スリーブの内孔断面積のことである。
【００２９】
例えば、製鋼用転炉の場合であって、主にスラグの巻き込み防止の理由から出鋼時間の下限を決めている場合には、所定の出鋼時間に達したとき、新しい下部スリーブに交換する。また、下部スリーブの寿命を出鋼時間ではなく、スラグの巻き込み状況で決めている場合もある。
【００３０】
本発明で言う内孔断面積とは、スリーブにおいて実質的に流速を規制している部分の内孔断面積のことを意味し、内孔の最狭部の断面積を言う。また、内孔に段差があったり、凹凸があるなど部分的に内孔を狭くしている場合等もあるが、このような場合には実質的に流量を規制している部分の内孔断面積である。
【００３１】
本発明における新規設置時の下部スリーブの内孔断面積は、使用後交換時の内孔断面積の６０〜９８％が好ましく、さらには６７〜９７％がより好ましい。内径が６０％未満であれば、溶融金属の排出に要する時間が長くなり、平均排出時間を短縮する効果が小さく、９８％を超えると、下部スリーブの交換頻度が高くなりすぎて、交換に要する時間の無駄の割合が大きくなり、転炉の操業能率の向上は期待できない。ここで言う新規設置時とは、新しい下部スリーブに交換した直後、つまり未使用状態である。
【００３２】
上部スリーブは、前記のように主に下部スリーブで流量制御するために、内孔断面積について特に規制しなくても、本発明の効果は得られる。つまり、上部スリーブの使用回数を飛躍的に増やすことができるため、例えば新規設置時の内孔断面積が新規設置時の下部スリーブの内孔断面積より小さくても、使用回数が増してくると下部スリーブの流量制御の効果が出でくるためである。しかしながら、本発明の効果をより大きくするためには、新規設置時の上部スリーブの内孔断面積は、具体的には、使用後の下部スリーブの内孔断面積の８５〜２００％であることがより好ましい。８５％未満では溶融金属の排出時間が長くなり過ぎ、２００％を超えるとハンドリングの面で不便である。さらにより好ましくは新規設置時の下部スリーブの内孔断面積を、上部スリーブの内孔断面積よりも常に小さい状態で使用すると、平均出鋼時間をより短くすることが可能である。
【００３３】
本発明の下部スリーブの交換には、バヨネット、ボルト締め等の公知の連続鋳造用ノズルの交換方法が利用でき、また、スライディングノズル装置の方式を利用することもできる。上部スリーブの下端面には下部スリーブを着脱自在に設けるためには、下部スリーブの下端部は上部スリーブが少し炉側面に突出した状態であることがより好ましい。
【発明の効果】
【００３４】
転炉における溶融金属の排出の時間をスラグ等の巻き込みがない状態で最短にでき、また、排出口の交換を効率よく行うことで転炉の操業能率を大きく向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、本発明の溶融金属排出口を製鋼用転炉の出鋼口に適用した実施例に基づき、本発明の実施の形態を説明する。
【実施例】
【００３６】
図１は、本発明の転炉の出鋼口を、転炉が出鋼口１の中心軸が垂直になるように傾動した状態で示す断面図である。出鋼口１は、転炉の内張り耐火物に装着された上部スリーブ２とその下端部に着脱可能に設けた下部スリーブ３とから構成されており、それぞれ、新品をセットした状態で使用前の状態を示す。
【００３７】
上部スリーブ２は、筒状の耐火物４と下端に設けたノズル孔を有する板状耐火物５とからなり、その下端部は転炉の外面６より突出して受けれんが７との間はモルタルで固定されている。下部スリーブ３は、筒状の耐火物８と上端に設けノズル孔を有する板状耐火物９とからなり、上部スリーブの下端部に設けた下部スリーブ交換装置１０に保持され、下部スリーブの上端面は、上部スリーブの下端面に圧接している。下部スリーブ交換装置１０は、転炉の鉄皮に固定され、図示しない弾性体によって下部スリーブを上部スリーブの方向へ押し付けて保持している。この状態で使用を重ねてくると、下部スリーブの内径が少しずつ拡大し、使用限界に達する。  この場合には、新規設置時の上部スリーブの内孔断面積は使用後交換時の下部スリーブの内孔断面の８８％になるように設計されている。
【００３８】
使用限界になった下部スリーブ３は、図２に示すように新しい下部スリーブ１１に交換する。このための交換装置は、特開平２００２−３４６７０５公報に開示されている浸漬ノズル交換装置を利用している。すなわち、油圧シリンダー等の駆動装置で新しい下部スリーブ１１を水平に押すことで古い下部スリーブ３を押し出し、新しい下部スリーブ１１に交換することができる仕組みになっている。具体的には、この交換装置は、上部スリーブを収納するように転炉の側面に設けた保持金枠と、摺動面を有する上部スリーブをはさんで対向するように設けたばね部と（図示していない）、ばね部に連結し上方向に付勢した複数の鍵盤と（図示していない）、ガイドレールを備えてる。また、新しい下部スリーブ押すためのプッシャーと駆動源は転炉には設けずに交換時に着脱するようになっている。
【００３９】
図１に示すスリーブによる出鋼口を用いた転炉の操業形態を表１と図３に示す。
【表１】
2005206902.tif 000003
【００４０】
使用した下部スリーブの使用後交換時の内孔断面積は、使用後の４つの下部スリーブの内孔断面積を測定しその平均値から算出したもので、７０７cm２（内径３００ｍｍ）であり、この内孔断面積を使用後交換時の内孔断面積とし１００％とした。新規設置時の上部スリーブの内孔断面積は、下部スリーブの使用後の内孔断面積と同じとした。新規設置時の下部スリーブの内孔断面積は、下部スリーブの使用後の内孔断面積に対して８８％であった。出鋼回数は、２００回使用した。平均出鋼時間は２００回の平均値を示す。上部スリーブの長さは７００ｍｍ、下部スリーブの長さは３００ｍｍとした。スリーブの材質は実施例、比較例ともにマグネシアカーボン材質である。
【００４１】
図４は、比較例１としての従来例であって、本発明と同じ転炉で一体成形したもので、内孔断面積ははほぼ一定の一本のスリーブ状耐火物５１を使用した例を示す。このスリーブ状耐火物は、２００回使用し、使用後交換時の内孔断面積が７０７cｍ２（内径３００ｍｍ）であり、最初の内孔断面積は、使用後に対して５０％であった。
【００４２】
この比較例１の出鋼時間は、図５に示すように、最初は内孔断面積が５０％と小さいため１０分と長く、使用回数が増えるとともに出鋼時間は徐々に短くなってくる。その結果平均出鋼時間は、７．５分となる。これに対して、実施例１の場合は、図３に示すように、比較例１と比べると最初の下部スリーブの内孔断面積が８８％と大きいため、最初の出鋼時間も６．２５分と短い。このため平均出鋼時間は、５．６３分となり、表１に示すように比較例１と比べて１．８７分短くなる。しかしながら、下部スリーブは、５０ヒート毎に交換しなければならず、その平均交換時間は２０分である。従って、２００ヒートの間には４回の交換すなわち合計８０分が必要である。従って、この転炉で２００回出鋼した場合には、１．８７分／回×２００回−８０分＝２９４分のメリットが操業能率向上として得られることになる。
【００４３】
したがって、この転炉では年間１２０００ヒート稼動しているため、メリット時間は、年間２９４時間となる。この時間で精錬を行えば、４４２．５ヒート／年、１３２，７５０トン／年の生産増加となる。
【００４４】
さらに、こ実施例の結果をもとに、新規設置時の下部スリーブの内孔断面積と下部スリーブの交換時間を変えた場合の、年間の操業能率の向上について、算出した結果を表２に示す。
【表２】
2005206902.tif 000004
【００４５】
この計算では、この転炉は年間１２０００回出鋼すると仮定した。下部スリーブの寿命は、実施例１の場合と同じ損耗速度で算出した。この表からわかるように、操業能率の向上は、下部スリーブの交換時間が短い程大きいことがわかり、交換時間が５分の場合には、実施例２〜６と比較例１の全てで効果があるが、交換時間が１０分の場合には、下部スリーブの内孔断面積が、使用後の下部スリーブの内孔断面積の９８％以上の領域では効果が得られないことがわかる。この結果から、より好ましくは、交換時間の余裕を考慮すると新規設置時の下部スリーブの内孔断面積は９７〜６７％であることがわかる。下部スリーブの交換時間が２０分は、バヨネットやボルト締め等の従来の連続鋳造用ノズル等で下部ノズル等を固定する方法を利用することで十分実現可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明は、製鋼用転炉のみならず、非鉄精錬用転炉、その他の傾動炉に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の転炉の出鋼口を断面によって示す。
【図２】本発明における下部スリーブの交換状態を示す。
【図３】本発明の転炉の出鋼口を用いた下部スリーブの交換の態様を示す。
【図４】比較例としての従来の出鋼口を示す。
【図５】比較例の場合のスリーブの交換の態様を示す。
【符号の説明】
【００４８】
１    出鋼口
２    上部スリーブ
３    下部スリーブ
４、８    筒状の耐火物
５、９    板状耐火物
６    転炉の外面
７    受けれんが
１０  下部スリーブ交換装置
【図１】
2005206902.tif 000005
【図２】
2005206902.tif 000006
【図３】
2005206902.tif 000007
【図４】
2005206902.tif 000008
【図５】
2005206902.tif 000009