(57)【要約】【課題】  溶湯鍋の鍋底の耐火物に対して剥離損傷を抑制して、溶湯鍋の長寿命化を可能とする。【解決手段】本発明の溶湯鍋は、溶湯が内部に装入されると共に、鍋底が下方に向かって湾曲しており、溶湯の出湯後に当該鍋底の一部に地金が残存する溶湯鍋であって、鍋底における地金に接触する部分が、Al2O3、SiO2、C、及びSiCを母材とする第１の耐火物で形成されており、第１の耐火物は、当該第１の耐火物の全重量に対するAl2O3の配合量が45重量％〜55重量％、SiO2の配合量が27重量％〜37重量％、Cの配合量が5重量％〜15重量％、SiCの配合量が1重量％〜8重量％とされていて、第１の耐火物には、さらに金属Alが1重量％〜4重量％添加されていることを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶湯が内部に装入されると共に、鍋底が下方に向かって湾曲しており、前記溶湯の出湯後に当該鍋底の一部に地金が残存する溶湯鍋であって、
前記鍋底における地金に接触する部分が、Al2O3、SiO2、C、及びSiCを母材とする第１の耐火物で形成されており、
前記第１の耐火物は、当該第１の耐火物の全重量に対するAl2O3の配合量が45重量％〜55重量％、SiO2の配合量が27重量％〜37重量％、Cの配合量が5重量％〜15重量％、SiCの配合量が1重量％〜8重量％とされていて、
前記第１の耐火物には、さらに金属Alが1重量％〜4重量％添加されていることを特徴とする溶湯鍋。
【請求項２】
前記鍋底における地金に接触する部分を除く部分が、Al2O3、SiO2、C、及びSiCを母材とする第２の耐火物で形成されており、
前記第２の耐火物は、当該第２の耐火物の全重量に対するAl2O3の配合量が45重量％〜55重量％、SiO2の配合量が27重量％〜37重量％、Cの配合量が5重量％〜15重量％、SiCの配合量が1重量％〜8重量％とされていて、
前記第２の耐火物には、金属Alが0重量％〜1重量％添加されていることを特徴とする請求項１に記載の溶湯鍋。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温で使用される溶湯鍋などの容器について耐火物の損耗を抑制可能な技術に関するものである。より詳しくは、本発明は、溶銑鍋などの鍋底に使用される敷きれんがについて剥離損傷を低減する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、溶銑などの溶湯が装入される溶湯鍋の内周面には、装入された溶湯の高温に耐えられるように耐火物が貼り付けられている。このような耐火物には高温に耐えられるように耐火れんがなどが用いられているが、耐火れんがは多数回に亘って溶湯の装入と出湯とを繰り返せば、耐火れんがであっても損傷を受け、徐々に摩耗が進行する。
特に、溶湯鍋の鍋底には出湯の際に鍋内に残留した残湯が少量だけ残る場合があり、これらの残湯は短時間で冷却・凝固して地金となる。このような残湯の凝固が起こると、地金と耐火れんがとの収縮率の差による耐火物の剥離損傷が起きやすくなることが知られている。
【０００３】
このような耐火物の剥離損傷に関する技術としては、以下の特許文献１に示すようなものが開示されている。
特許文献１の技術は、耐火物の剥離損傷を抑制するものではなく、剥離損傷により傷みやすい溶銑鍋の鍋底に対して効果的な補修を可能とするものとなっている。つまり、溶銑鍋の鍋底には、上述した残湯（溶銑）が不可避的に残留・凝固して地金となるため、鍋底の耐火物を補修したくてもこの地金が補修の妨げとなって満足な補修が行えないという問題があった。
【０００４】
そこで、特許文献１では、同文献の図２に示すように、溶銑を搬送するために用いられ且つ底部が円弧状となっている溶銑用の取鍋を整備するに際し、溶銑を払い出した後に残留する溶銑が底部の中央部で凝固する前に取鍋を傾動し、底部の中央部とは異なる位置で溶銑が凝固するまで取鍋の傾動を維持し、残留した溶銑を鍋底以外の箇所で凝固させることで鍋底の補修を可能としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−２４５４９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上述した特許文献１は、あくまでも損傷を受けた鍋底を補修する技術を開示するに過ぎないものである。つまり、溶湯鍋の鍋底の剥離損傷については、剥離損傷の原因を把握した上で、根本的に剥離損傷を抑制することが好ましい。この点、特許文献１の整備方法は、補修を行うことができても鍋底の損傷を根本的に低減することはできず、耐火物も短寿命のままとなっており、剥離損傷を確実に抑制可能なものとはなっていなかった。
【０００７】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、溶湯鍋の鍋底の耐火物に対して剥離損傷を抑制することができ、溶湯鍋の長寿命化が可能となる溶湯鍋を提供することを目的とする。
つまり、本発明は、鍋底の耐火物（敷き耐火物）の剥離損傷に大きく左右される現在の溶銑鍋の容器寿命をさらに延長するため、剥離損傷への耐性を向上させた耐火物を地金付着箇所に限定的に（選択的に）使用することで、鍋底の耐火物の剥離損傷を効果的に低減することができる溶湯鍋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】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明の溶湯鍋は以下の技術的手段を講じている。
即ち、本発明の溶湯鍋は、溶湯が内部に装入されると共に、鍋底が下方に向かって湾曲しており、前記溶湯の出湯後に当該鍋底の一部に地金が残存する溶湯鍋であって、前記鍋底における地金に接触する部分が、Al2O3、SiO2、C、及びSiCを母材とする第１の耐火物で形成されており、前記第１の耐火物は、当該第１の耐火物の全重量に対するAl2O3の配合量が45重量％〜55重量％、SiO2の配合量が27重量％〜37重量％、Cの配合量が5重量％〜15重量％、SiCの配合量が1重量％〜8重量％とされていて、前記第１の耐火物には、さらに金属Alが1重量％〜4重量％添加されていることを特徴とする。
【０００９】
好ましくは、前記鍋底における地金に接触する部分を除く部分が、Al2O3、SiO2、C、及びSiCを母材とする第２の耐火物で形成されており、前記第２の耐火物は、当該第２の耐火物の全重量に対するAl2O3の配合量が45重量％〜55重量％、SiO2の配合量が27重量％〜37重量％、Cの配合量が5重量％〜15重量％、SiCの配合量が1重量％〜8重量％とされていて、前記第２の耐火物には、金属Alが0重量％〜1重量％添加されているとよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の溶湯鍋によれば、溶湯鍋の鍋底の耐火物に対して剥離損傷を抑制することができ、溶湯鍋の長寿命化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１Ａ】従来の溶湯鍋において鍋底の耐火物に発生する熱応力の分布を示した図である。
【図１Ｂ】耐火物と地金の線膨張率を仮想的に同じ値にした際に耐火物に発生する熱応力分布を示した図（線膨張率差が応力発生原因であることを検証した図）である。
【図２】本実施形態の溶湯鍋における第１の耐火物の適用範囲を示した図である。
【図３】本実施形態の溶湯鍋における操業時の温度変化を示した図である。
【図４】ひずみに対する熱応力の変化を各耐火物毎にまとめた図である。
【図５】最小主ひずみ及び破断ひずみの変化を、実施例（Ｆ）と比較例（２Ｅ１）とで比較した図である。
【図６】最小主ひずみを破断ひずみで除した割合を各耐火物毎に比較した図である。
【図７】耐火物の全重量に対して金属Alの配合量を変えた場合に、耐火物の弾性率がどのように変化するかを示した図である。
【図８】耐火物の全重量に対して金属Alの配合量を変えた場合に、耐火物の圧縮強度がどのように変化するかを示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の溶湯鍋１の実施形態を、図面に基づき詳しく説明する。
本実施形態の溶湯鍋１には、例えば、製鋼工場において溶銑や溶鋼を搬送するのに用いられる溶銑鍋や溶鋼鍋などの鍋（溶湯鍋）が用いられる。以降、本実施形態では、溶湯鍋１の例として、溶銑鍋２を考える。
本実施形態の溶銑鍋２は、混銑車からの出銑した溶銑を受銑した後、受銑した溶銑を転炉に払い出したり、脱りん用の転炉から出銑した溶銑を受銑した後、受銑をした溶銑を脱りん用の転炉に払い出す際に用いられる。
【００１３】
上述した溶銑鍋２では、繰り返し溶銑の出銑や受銑を行うと、鍋底３（敷き部）で剥離損傷が進行することが以前より知られていた。このように鍋底３で剥離損傷が進行する理由については、未だにわかっていないことが多い。しかし、本発明の発明者は、出銑後に容器内が降温する過程において残銑が耐火物より大きく収縮し、両者の間に熱収縮の差により応力が加わって、剥離損傷が進行するのではないかと考えた。
【００１４】
本発明が上述したように考える理由は、溶銑と耐火物の線膨張係数の違いによって熱応力の発生状態に大きな差が生じているからである。
すなわち、実際に溶銑鍋２の内周面に使用されている耐火物の線膨張係数と、溶銑鍋２に実際に装入される溶銑の線膨張係数とを用いて、鍋底３（敷き部）に発生する熱応力を求めると、求められた熱応力は図１に示すように分布する。
【００１５】
図１は、鍋底３の耐火物の表面を小面積を備えた複数の要素に分けて熱応力を計算し、各要素毎に計算された熱応力を、明度階調（濃淡階調）で表現したものである。図中の要素は、階調が白に近づくほど（明るくなるほど）熱応力が高く、階調が黒に近づくほど（暗くなるほど）熱応力が低くなっている。図１を見ると、鍋底３の中央側に、熱応力が大きいことを示す明度の高い部分（明るい部分）が確認される。その一方で、鍋底３の外周側には、熱応力が小さいことを示す明度の低い部分（暗い部分）が確認され、鍋底３の中央側に外周側よりも大きな熱応力が発生していることがわかる。
【００１６】
一方、図２は、鍋底３の耐火物の線膨張係数を溶銑の線膨張係数と等しいものとして熱応力を求めた場合の分布図である。図２を見ると、鍋底３の外周側と中央側とで発生する熱応力には殆ど差がなく、鍋底３の全面に亘って均一な熱応力が発生している。このことから、耐火物と溶銑との線膨張係数の差により、言い換えれば耐火物の機械的特性と溶銑の機械的特性との差により、耐火物に熱応力が発生し、発生した熱応力によって鍋底３（敷き部）の耐火物が剥離損傷を起こしている可能性が高いと判断される。
【００１７】
また、上述した図１及び図２の結果からは、線膨張係数が溶銑の線膨張係数に可能な限り等しくなるような耐火物、言い換えれば耐火物の機械的特性が溶銑の機械的特性に近い耐火物を選択し、選択した耐火物（機械的特性が溶銑に近い耐火物）を、鍋底３のうち残湯した溶銑が凝固した地金に接触する部分４に使用すれば、耐火物と溶銑との間に発生する熱応力を低減して剥離損傷を防止可能になると考えることもできる。
【００１８】
そこで、本発明の発明者は、以下に示す（１）〜（３）の条件を満足するような溶湯鍋１を形成することで、剥離損傷を確実に防止するようにしている。
（１）の条件
「鍋底３における残湯が凝固して形成される地金に接触する部分４を、第１の耐火物５で形成する」
（２）の条件
「第１の耐火物５は、第１の耐火物５の全重量に対するAl2O3の配合量が45重量％〜55重量％、SiO2の配合量が27重量％〜37重量％、Cの配合量が5重量％〜15重量％、SiCの配合量が1重量％〜8重量％とされていて、さらに金属Alが1重量％〜4重量％添加されている」
（３）の条件
「第１の耐火物５は、剥離損傷に有利な機械的特性を持つ（弾性率・圧縮強度・破断ひずみが指定の値以上となる）」
以降では、上述した（１）〜（３）の条件について詳しく説明する。
（１）の条件は、上述した第１の耐火物５を使用する範囲（適用範囲）を決定するものである。つまり、本実施形態の溶銑鍋２は、鍋底３の中でも上述した適用範囲に第１の耐火物５を用いると共に、上述した適用範囲以外の鍋底３には第２の耐火物６を用いたものとなっている。
【００１９】
この適用範囲は、実際の溶銑鍋２に残湯が凝固して得られた地金７の量を計測することで算出することができる。
例えば、実際に操業に使用されている溶銑鍋２は、高温であるため鍋の内部にセンサなどを挿し込んで溶湯の量を正確に計測することはできない。そこで、溶銑鍋２の交換時に、老朽化して交換される（解体される）溶銑鍋２に残る地金７の量から、操業時の溶銑鍋２に残留する地金量を求める。
【００２０】
すなわち、実際の製鋼工場では、所定の使用回数だけ出銑と受銑を行った溶銑鍋２が解体され、新たな溶銑鍋２に交換される。このように交換される溶銑鍋２は、原則としては材質や寸法が規格化されて揃っている。そのため、解体される溶銑鍋２に残る残銑量（地金量）がわかれば、残銑量を基に実際の溶銑鍋２において地金７が付着している地金付着部を決定することができる。
【００２１】
具体的には、解体される溶銑鍋２から残銑量が250 [kg]の溶銑（地金７）が得られた場合、残銑の密度を7000 [kg/m3]とすれば、溶銑鍋２に残る地金７の体積は3.6×107 [mm3]となる。ここで、溶銑鍋２の鍋底３を半径3600 [mm]の丸底とした場合、地金７の体積は以下の式（１）で表される。但し、式（１）の「V」は溶銑鍋２に残る地金７の体積を示すものであり、「r」は鍋底３を半径を示すものであり、「x」は鍋底３から地金７の表面までの高さを示すものである。
［数１］
地金の体積：V=πrx2-πx3/3  ・・・  （１）
上述した式（１）に、地金の体積Vとして3.6×107 [mm3]、鍋底３の半径rとして3600 [mm]を代入すると、鍋底３から地金７の表面までの高さ「x」は56 [mm]となる。
【００２２】
つまり、図２に示すように、鍋底３から地金７の表面までの高さが56[mm]となる領域、つまり図２において斜線で囲まれた領域が、本実施形態における地金付着部になる。この地金付着部に対しては、出湯時に地金に接触して熱応力が加わるため、以下に示すように溶銑と機械的特性が等しくなるような第１の耐火物５を設けて、剥離損傷を抑制する。
（２）の条件は、（１）の条件で決定された適応範囲に配備される第１の耐火物５の組成に関するものである。この第１の耐火物５は、Al2O3、SiO2、C、及びSiCを母材とするものであり、いわゆる「ろう石れんが」をベースとするものとなっている。
【００２３】
具体的には、第１の耐火物５は、第２の耐火物６に、金属Alを1重量％〜4重量％添加したものとなっている。つまり、第２の耐火物６は、Al2O3、SiO2、C、及びSiCを母材とするろう石れんがであり、第２の耐火物６の全重量に対するAl2O3の配合量が45重量％〜55重量％、SiO2の配合量が27重量％〜37重量％、Cの配合量が5重量％〜15重量％、SiCの配合量が1重量％〜8重量％とされている。
【００２４】
この第１の耐火物５が第２の耐火物６と異なっている点は、第１の耐火物５には金属Alが1重量％〜4重量％添加されているのに対し、第２の耐火物６には金属Alが0重量％〜1重量％しか含まれておらず、金属Alの添加量に大きな差がある点である。
このように金属Alの添加量に大きな差がある第１の耐火物５は、機械的特性の面で、第２の耐火物６に比して、以下の（３）の条件に示すような特徴を備えたものとなっている。
【００２５】
（３）の条件は、第１の耐火物５が有する機械的特性に関するものである。つまり、この機械的特性は、剥離損傷に対して有利となるようなものであり、本実施形態では機械的特性に弾性率、圧縮強度、及び破断ひずみを挙げている。言い換えれば、図１及び図２の例では、線膨張係数という機械的特性を用いたが、本実施形態では弾性率、圧縮強度、及び破断ひずみを機械的特性として用いている。
【００２６】
例えば、第２の耐火物６に比べて弾性率が大きな耐火物は弾性変形しやすく、熱応力が作用しても当然ながら剥離損傷しにくい。また、圧縮強度は破断に必要な最大応力を示しており、第２の耐火物６に比べて圧縮強度が大きな耐火物は当然ながら破断に大きな応力を必要とし、剥離損傷を受けにくい。さらに、破断ひずみは破断するまでに耐火物に加えられたひずみのことであり、第２の耐火物６に比べて破断ひずみが大きな耐火物は当然ながら破断し難く、剥離損傷を受けにくい。これらの理由から、本発明の溶銑鍋２では弾性率、圧縮強度、及び破断ひずみを機械的特性に用いている。
【００２７】
具体的には、本実施形態の溶銑鍋２では、弾性率が9〜16［GPa］、圧縮強度が51［MPa］、破断ひずみが0.9〜1.5［-］という閾値を満足する第１の耐火物５を用いている。
上述した第１の耐火物５を用いれば、弾性率、圧縮強度、及び破断ひずみが閾値以上となり、耐火物に残湯が凝固して地金７に変化する際に第１の耐火物５に熱応力が加わっても、第１の耐火物５が破断したり鍋底３から剥離したりすることがなくなり、鍋底３の剥離損傷を確実に抑制することも可能となる。
【実施例】
【００２８】
次に、実施例及び比較例を用いて、本実施形態の溶銑鍋２（溶湯鍋１）の作用効果をさらに詳しく説明する。
実施例及び比較例は、2E1、A、C、F、H、I、J、Lの８種類の耐火物について、高温環境下（加熱状態とされたヒータ中）にて圧縮試験（神戸製鋼所技報、第64巻、No.2、「耐火物評価技術と評価適用による改善事例」の図２、図３、若しくは特開２０１４−３５２５１号公報などを参照）を行い、得られた応力-ひずみ曲線から弾性率、圧縮強度、破断ひずみが上述した閾値以上となるかどうかを確認したものである。つまり、上述した圧縮試験は、高温に維持された環境下で引っ張り試験や圧縮試験を行い、機械的特性を評価するものとなっている。
【００２９】
なお、この高温環境とは、８００℃の温度に維持された環境のことである。このような８００℃の温度は、図３に示す溶銑鍋２の内部の温度変化から決定されたものである。
すなわち、図３に示す溶銑鍋２の内部では、交換直後の溶銑鍋２はまず７５０℃まで予熱される。そして、予熱後の溶銑鍋２については、受銑と出銑とが繰り返し行われる。溶銑を受銑した際には、溶銑鍋２は７６０℃から１２３０℃まで加温され、出銑した際には、１２３０℃から７６０℃まで降温させられる。このようにして複数回（１０バッチ）に亘って受銑と出銑を繰り返した後、老朽化した溶銑鍋２は冷却の後に解体される。この冷却の開始時の温度は、図３に示すように８００℃となっている。それゆえ、実施例及び比較例では、上述した圧縮試験を、老朽化した溶銑鍋２の冷却開始時点に合わせて８００℃の高温環境で行っている。
【００３０】
上述した圧縮試験によって得られた各耐火物の応力-ひずみ曲線を図４に示す。図４においては、上述した弾性率：9〜16［GPa］、圧縮強度：51［MPa］、破断ひずみ：0.9〜1.5［-］という閾値を満足する領域は、以下の（i）〜（iii）で示されるものとなっている。
（i）の領域：図４中のＸ１で示される点線とＸ２で示される点線で囲まれた領域
→弾性率：9〜16［GPa］を満足する
（ii）の領域：図４中のＹで示される点線よりも上に位置する領域
→圧縮強度：51［MPa］を満足する
（iii）の領域：図４中のＺ１とＺ２との点線間に位置する領域
→破断ひずみ：0.9〜1.5［-］を満足する
上述した応力-ひずみ曲線が、（i）〜（iii）の領域のすべてを通過する耐火物としては「Ｆ」が挙げられる。この耐火物「Ｆ」は、弾性率、圧縮強度、破断ひずみのいずれもが閾値より以上であって剥離損傷を抑制可能な機械的特性を満足する。
【００３１】
つまり、耐火物「Ｆ」が実施例であり、「Ｆ」以外の７つの耐火物は、条件（i）〜条件（iii）のいずれかを満足しないものであり、いずれも比較例となっている。
上述のような実施例及び比較例の耐火物については、圧縮試験において得られた機械的特性を基に数値解析を行い、最小主ひずみを算出した。そして、算出された最小主ひずみと、圧縮試験により取得した破断ひずみとを比較することで、剥離損傷が実際に起こるかどうかの判定を行った。
【００３２】
なお、最小主ひずみを算出するための数値解析は、溶銑鍋２の鍋底３の図面データに基づいて３次元１次要素の数値解析モデルを作成し、作成した数値解析モデルに対して有限要素法を用いた計算を行ったものである。なお、数値解析の構成則は「弾塑性」であり、地金−れんが間の節点は共有として計算を行った。
図５には、比較例の耐火物「２Ｅ１」と、実施例の耐火物「Ｆ」との双方について、最小主ひずみと破断ひずみを求めた結果を示す。図５に示すように、比較例の耐火物「２Ｅ１」は降温開始20分（20min）ほどで破断ひずみを上回るひずみが発生しているのに対し、実施例の耐火物「Ｆ」では、200分時点でも最小主ひずみが破断ひずみを上回ることがなく、耐火物が破断したり剥離したりする心配がないことがわかった。
【００３３】
また、各耐火物で発生する最小主ひずみと、破断に至る破断ひずみの値を比較した結果を、図６に示す。
図６に示すように、比較例の耐火物、すなわち「２Ｅ１」、「Ａ」、「Ｃ」、「Ｈ」、「Ｉ」、「Ｊ」、「Ｌ」については、最小主ひずみを破断ひずみで除した割合が１００％を超えており、最小主ひずみが破断ひずみよりも大きくなっていて、破断や剥離が発生することがわかる。ところが、実施例の耐火物「Ｆ」では、最小主ひずみを破断ひずみで除した割合が１００％未満となっており、最小主ひずみが破断ひずみを超えることがない。このことから実施例の耐火物では、破断や剥離が生じず、剥離損傷を抑制して鍋底３の耐火物の寿命を延長可能となることがわかる。
【００３４】
また、図７及び図８に示すように、耐火物に対する金属Alの添加率（配合量）を、耐火物の全重量に対して、重量比で1%、2%、4%と増加させると、圧縮強度や弾性率は金属Alの添加率に対して線形的に増加する。このことから、金属Alの添加率を1%〜4%に上昇させると、圧縮強度や弾性率が上昇し、1%〜4%の添加範囲で機械的特性の条件を満たす耐火物が得られることが分かる。なお、金属Alの添加率が5%となると耐火物のコストが高騰するため、金属Alの添加率は1%〜4%とされるのが好ましい。
【００３５】
なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。特に、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、運転条件や操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。
【００３６】
上記実施形態では、溶銑鍋２の形状として、鍋底３が下方に向かって円弧状に湾曲したもの、言い換えれば丸底の形状のものを挙げた。しかし、鍋底３の形状がＵ字形状になっている溶銑鍋２や、鍋底３の一部が上方に向かって突出した（嵩上げされた）形状の溶銑鍋２、さらには溶銑でなく溶鋼を運搬等する鍋を、本発明の溶湯鍋１に用いても良い。
【符号の説明】
【００３７】
１  溶湯鍋
２  溶銑鍋
３  鍋底
４  地金に接触する部分
５  第１の耐火物
６  第２の耐火物
７  地金
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
2017150758.tif 000004
【図２】
2017150758.tif 000005
【図３】
2017150758.tif 000006
【図４】
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【図５】
2017150758.tif 000008
【図６】
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【図７】
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【図８】
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