JPH0860224A

JPH0860224A - 溶融金属精錬用羽口

Info

Publication number: JPH0860224A
Application number: JP19042194A
Authority: JP
Inventors: 克則 ▲高▼橋; Katsunori Takahashi; Eizo Maeda; 榮造前田; Masato Kumagai; 正人熊谷
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1994-08-12
Filing date: 1994-08-12
Publication date: 1996-03-05

Abstract

(57)【要約】【目的】二重管からなる精錬容器用羽口の内管で酸素ガ
ス等を利用して石灰石等を搬送するのに有効で、耐熱衝
撃性と耐摩耗性とに優れた内管挿入用複合材料製のパイ
プを備えた溶融金属精錬用羽口の提案を目的としてい
る。【構成】溶融金属を保持した容器の浴面下に位置する容
器壁又は底に埋設して使用する二重管からなる溶融金属
精錬用羽口において、上記二重管の内管内に、４０〜７
０重量％の炭化物もしくは窒化物と、２０〜５０重量％
の酸化物及び５〜２０重量％の金属とからなる複合材料
のパイプを挿入、密着させた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、溶融金属精錬用羽口に
関し、詳しくは二重管からなる羽口管の内管を保護する
ため、その中に複合材料製パイプを内挿、密着させた構
造の羽口に係わる。

【０００２】

【従来の技術】一般に、酸素底吹き転炉等、精錬容器の
底部に取付け、該容器が保持する溶融金属中に種々の目
的でガスを吹込むために使用する羽口は、同心の２重管
構造となっており、内管内には精錬用酸素ガス等を流
し、内管と外管の間から冷却用炭化水素ガスを流す構造
となっている。従来、その羽口の内管及び外管は共に金
属製パイプが使用されているが、内管は石灰粉等を酸素
ガス等で搬送することがあるので、その内面の摩耗防止
に、セラミックスパイプが挿入され、コーティング材と
して使用されることがある。このセラミックスパイプと
しては、当初、アルミナ質あるいはムライト質の緻密質
のものが多く用いられてきた。

【０００３】しかしながら、これら緻密質セラミックス
は、耐摩耗性に優れているものの耐熱衝撃性に劣るた
め、吹錬過程で羽口近傍の急激な温度変化があると損
傷、破壊することが多く、これが原因となって本体であ
る羽口自体の損耗速度を大きくしている場合があった。
そこで、以前より、この問題を解決する対策が研究さ
れ、羽口の炉内側で使用する部分と炉外側で使用する部
分でセラミックスの性質を変える方法とか、セラミック
ス材質自体をすべて変更する方法が提案されている。前
者としては、特公昭６２−１４５１号公報に開示された
ように、炉内側に露出して使用する面を耐熱衝撃性に優
れた多孔質のセラミックスとする一方、炉外側で使用す
る面を耐摩耗性に優れた緻密質のセラミックスで構成す
る方法である。この方法によって、羽口自体の損耗速度
をそれまでの６０％程度に低減し、転炉の寿命延長に大
きな進歩があった。

【０００４】しかしながら、熱衝撃によるスポーリング
（ｓｐａｌｌｉｎｇ、亀裂）は、かなり改善されたもの
の、まだ依然として発生しており、また炉内側に露出し
たセラミックスパイプの摩耗が前記緻密質のものに比べ
て進行し易いため、羽口自体の損耗速度に悪影響を与え
る場合が多々見られる。一方、後者としては、特開昭５
８−１００６１６号公報に開示されたように、Ｓｉ、Ａ
ｌの炭化物、窒化物、酸窒化物を７０％以上含有する材
料を用いて、耐摩耗性と耐熱衝撃性を共に向上させる方
法や、特開昭６２−２０７８１７号公報に記載されてい
るように、金属で内壁面を被覆したセラミックスパイプ
を利用する方法が提案されている。そのうち、Ｓｉ、Ａ
ｌ炭化物、窒化物、酸窒化物を６０％以上含有する材料
を用いる方法は、材料の選定次第では耐摩耗性と耐熱衝
撃性を共に改善してアルミナやムライトの緻密質のもの
に比べて羽口の寿命延長を図れる場合もある。しかしな
がら、耐摩耗性に優れるものは耐熱衝撃性が不十分であ
ったり、耐熱衝撃性が優れるものは耐摩耗性に劣るな
ど、改善は不十分であった。また、上記の金属被覆でセ
ラミックスパイプを保護する方法は、金属が摩耗すると
改善効果はなくなってしまう欠点を有していた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記問題点
を解決し、二重管からなる精錬容器用羽口の内管で酸素
ガス等を利用して石灰石等を搬送するのに有効で、耐熱
衝撃性と耐摩耗性とに優れた内管挿入用複合材料製のパ
イプを備えた溶融金属精錬用羽口の提案を目的としてい
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】発明者らは、上記目的を
達成するため、耐摩耗性の確保には緻密質のセラミック
スが本質的に有利であるとの観点から、緻密質のセラミ
ックスで耐熱衝撃性を上げることを鋭意検討した。その
結果、セラミックス単体ではなく、種々の金属小片又は
粒子を細かく分散、混合させた所謂複合材料構造にする
と、熱衝撃が抑制できることを発見し、この新しい知見
に基づき本発明を創案するに至った。

【０００７】すなわち、本発明は、溶融金属を保持した
容器の浴面下に位置する容器壁又は底に埋設して使用す
る二重管からなる溶融金属精錬用羽口において、上記二
重管の内管内に、４０〜７０重量％の炭化物もしくは窒
化物と、２０〜５０重量％の酸化物及び５〜２０重量％
の金属とからなる複合材料のパイプを挿入、密着させた
ことを特徴とする溶融金属精錬用羽口である。また、本
発明は、上記炭化物もしくは窒化物を、炭化珪素もしく
は窒化珪素としたことを特徴とする溶融金属精錬用羽口
であり、上記酸化物をアルミナ及び／又はシリカとした
ことを特徴とする溶融金属精錬用羽口でもある。さら
に、本発明は、上記金属を金属アルミニウム及び／又は
金属シリコンとしたことを特徴とする溶融金属精錬用羽
口であることが好ましい。

【０００８】この場合、精錬対象の溶融金属としては、
溶銑、溶鋼、その他鉄合金が好ましいが、非鉄金属であ
っても良い。なお、精錬用容器としては、転炉、電気
炉、取鍋等を使用できる。

【０００９】

【作用】本発明では、溶融金属を保持した容器の浴面下
に位置する容器壁又は底に埋設して使用する二重管から
なる溶融金属精錬用羽口において、上記二重管の内管内
に、４０〜７０重量％の炭化物もしくは窒化物と、２０
〜５０重量％の酸化物及び５〜２０重量％の金属とから
なる複合材料のパイプを挿入、密着させるようにしたの
で、そのパイプ表面の緻密さから耐摩耗性が従来の羽口
より向上し、金属の分散によって熱応力が緩和し、耐熱
衝撃性も大幅に改善された。その結果、羽口本体及びそ
れを取付けた精錬用容器自体の寿命も著しく延長した。
また、本発明では、上記炭化物もしくは窒化物を、炭化
珪素もしくは窒化珪素とし、上記酸化物をアルミナ及び
／又はシリカとし、上記金属を金属アルミニウム及び／
又は金属シリコンとしたので、比較的容易に入手できる
材料で上記効果を確実に達成できるようになった。

【００１０】以下、図１〜４に基づき、本発明の内容を
具体的に説明する。図１は、複合材料パイプ（以下、単
にパイプという）３を内管２に内挿、密着させた本発明
に係る転炉用二重管羽口の一例を、平断面で示したもの
で、１は外管、２は内管、３がパイプ、４及び５はガス
を流す空間である。ここで、炭化物、窒化物の原材料と
しては、ＳｉＣ、Ｓｉ₃ Ｎ₄ 、ＡｌＮ、サイアロン（Ｓ
ｉａｌｏｎ，Ｓｉ₃ Ｎ₄ −Ａｌ₂ Ｏ₃ 固溶体）等が利
用できる。これらの材料に金属を分散させることによっ
て、耐摩耗性及び耐熱衝撃性が従来のアルミナやムライ
トを用いたセラミックスパイプよりも向上する。なお、
当該パイプ３の製作方法の一例を述べると、まず炭化物
もしくは窒化物を射出成形やスリップキャスティングに
より成形し、バリア材でコーティングする。ついで、該
コーティングされたパイプを金属板の上に置き、大気中
で加熱する。その際、該金属板の表面は溶融、酸化し該
コーティングパイプ中に浸透し、金属と酸化物よりなる
マトリックスとなり、炭化物あるいは窒化物の周囲を覆
うようになる。

【００１１】本発明に係る羽口の耐熱衝撃性が向上する
理由は、金属を細かく分散させると、例えば羽口先端が
１６００℃を越える高温になると、該パイプ３はわずか
に変形し熱応力の緩和ができるためである。ただし、
炭化物もしくは窒化物と金属とを組み合わせただけで
は、該パイプ３の内面を酸素ガスが通る場合、その酸素
ガスによって該パイプ３の酸化が進行し、損傷が激しく
なる。そこで、本発明では、酸化抑制のため、炭化物、
窒化物あるいは金属粒子の周囲を酸化物で覆うような微
細組織としたのである。

【００１２】次に、本発明の効果をさらに確実にするた
め詳細な検討を進めたところ、各構成成分に最適な範囲
が存在することが判ったので、以下に各構成成分の限定
理由を説明する。図２〜４は、そのために行った実験の
結果であり、ＳｉＣとアルミナと金属アルミニウムを複
合化した材料でそれぞれの含有量を変えて、前記方法で
製作したパイプ３を、酸素底吹き転炉用羽口の内管２に
挿入し、精錬を実施した際のデータを整理したものであ
る。図２は、ＳｉＣ：Ａｌ₂ Ｏ₃ ＝３：２（重量比）で
一定とし、金属アルミニウム量を変化させた場合のパイ
プ３の摩耗量である。金属アルミニウムが２５％を越え
ると急激に摩耗が増加していることがわかる。２０％以
下であれば摩耗量は０．００１ｍｍ／ｃｈ（チャージ）
未満となり、該パイプ３の肉厚を３ｍｍとすれば、炉底
寿命３０００回以上に耐えることがわかる。

【００１３】図３は、ＳｉＣと金属アルミニウムを一定
としてアルミナ量を変えて製作した該パイプ３の割れの
程度を４段階で評価した結果である。但し、図３の縦
軸、すなわち割れ評価指数は、その値が小さい程割れが
多いことを示す。アルミナ量が２０％を越えたあたりか
ら耐熱衝撃性が低下し微亀裂が観察されるが、その程度
では実用上の問題とならない。アルミナ量が５０％を越
えると、割れが増大して使用できない状態になることが
わかった。

【００１４】図４は、金属Ａｌを５％と一定にした条件
でＳｉＣ量を変えたときの該パイプ３の摩耗量である。
この条件では、前述したように、金属Ａｌに起因する摩
耗減量は大変小さかったが、ＳｉＣ量が７５％を越える
と、該摩耗量が急激に増加することがわかった。通常Ｓ
ｉＣ等の炭化物が酸化されると、その酸化物が表面に被
膜状になり、酸化に起因する劣化が次第に抑制される
が、転炉用羽口の場合には、管内を通過する酸素ガス等
や石灰等によって、酸化被膜が強固にならないうちに剥
されてしまうので、上記酸化に起因する劣化が抑制しづ
らい。しかしながら、本発明に係る組成条件のパイプ３
では、酸化物がＳｉＣ等の周りに存在しているため、Ｓ
ｉＣ等が酸化されても、それが周囲の酸化物としっかり
結合すれば、酸素ガス等や石灰等の流通下でも強固な酸
化被膜を形成することができる。また、ＳｉＣ等が多す
ぎる場合には、強固な酸化物被膜を形成する前に酸化劣
化が進行してしまうことが予想されるが、発明者の検討
により、炭化物、窒化物が７５％より少なければ、酸化
が抑制できることがわかった。

【００１５】また、強固な酸化物被膜に必要な酸化物量
についても調査した結果、それは２０重量％以上である
ことがわかった。

【００１６】

【実施例】パイプ３として表１に示す記号Ａ〜Ｋの１１
種類を製作し、それらを酸素底吹き転炉の炉底に埋設し
た二重管羽口の内管２に挿入、密着させ、効果確認試験
を行った。

【００１７】

【表１】

【００１８】記号Ａ（Ａｌ₂ Ｏ₃ ：９９％）は、従来の
緻密アルミナ質セラミックス単味のパイプであり、耐摩
耗性は優れているが、耐熱衝撃性は劣っている。ここ
で、耐摩耗性及び耐熱衝撃性は、パイプ３の製作後、そ
の製品に関して以下に示す試験方法で実測し、パイプＡ
の値を１００として指数化して比較する。耐摩耗試験
は、アルミナ砥粒を製品パイプ３から直方体状に切出し
た試料面に垂直に吹きつけ、それによる摩耗体積を実測
した。なお、吹付け圧力は、３．５Ｋｇｆ／ｃｍ³ ，吹
付け時間は９０秒である。耐熱衝撃性試験は、実炉サイ
ズのパイプ３をリング状に切断し、このリングを所定温
度に３０分間保持した後、流水中で急冷し、亀裂の発生
有無を調べて以下の基準で評価する。

【００１９】（ａ）不良・・・・・亀裂発生温度が６００℃以下（ｂ）良・・・・・亀裂発生温度が８００℃以下（ｃ）優・・・・・１０００℃以上から急冷して
も亀裂が発生しない記号Ｂ〜Ｆ（ＳｉＣ−Ａｌ₂ Ｏ₃ −Ａｌ系）のパイプ３
では、金属の多すぎるＢを除き、金属が２０％以下と本
発明の限定範囲にあるものは、前記従来のパイプ、記号
Ａより優れている。耐熱衝撃性は、金属が少なすぎるＦ
の条件では熱衝撃性に起因すると推定される割れが多か
ったが、記号Ｂ〜Ｅでは従来のＡより優れていた。ま
た、アルミナの少ない記号Ｇでは、耐熱衝撃性は良好な
ものの、酸化に起因する劣化が起こり、摩耗の進行が観
察され、アルミナが多い記号Ｈでは、耐摩耗性はよいも
のの耐熱衝撃性が劣り、亀裂が発生することが確認され
た。すなわち、本発明に係る組成の組み合わせたパイプ
３であれば、従来のセラミックスパイプの欠点を解消で
きることが分かった。

【００２０】さらに、記号Ｉ〜Ｋのパイプ３において
も、上記ＳｉＣ−Ａｌ₂ Ｏ₃ −Ａｌ系と同様な改善効果
を示し、炭化物もしくは窒化物、酸化物及び金属を組み
合わせた複合材料からなるパイプ３を転炉用二重管羽口
の内管２内側に嵌挿した羽口を用いることによって羽口
寿命を著しく延長することができた。

【００２１】

【発明の効果】以上に述べたように、本発明により、二
重管羽口の内管に嵌挿するパイプは、スポーリングによ
る破損を大幅に低減され、また、摩耗による損傷も抑制
できた。その結果、精錬容器の底部全体の寿命を律速す
る羽口の損耗を抑制することが可能となり、転炉等、溶
融金属精錬容器の寿命を延長することができるととも
に、操業コストも削減できた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る溶融金属精錬用羽口の一例の平断
面図である。

【図２】ＳｉＣ−Ａｌ₂ Ｏ₃ −Ａｌ系パイプにおける金
属Ａｌ含有量と実炉羽口使用時の摩耗速度との関係であ
る。

【図３】ＳｉＣ−Ａｌ₂ Ｏ₃ −Ａｌ系パイプにおけるア
ルミナ含有量と実炉羽口使用時の割れの程度との関係で
ある。

【図４】ＳｉＣ−Ａｌ₂ Ｏ₃ −Ａｌ系パイプにおけるＳ
ｉＣ含有量と実炉羽口使用時の摩耗速度との関係であ
る。

【符号の説明】

１外管２内管３パイプ４空間（内管内ガス通路）５空間（内管と外管の間のガス通路）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】溶融金属を保持した容器の浴面下に位置
する容器壁又は底に埋設して使用する二重管からなる溶
融金属精錬用羽口において、上記二重管の内管内に、４０〜７０重量％の炭化物もし
くは窒化物と、２０〜５０重量％の酸化物及び５〜２０
重量％の金属とからなる複合材料のパイプを挿入、密着
させたことを特徴とする溶融金属精錬用羽口。
【請求項２】上記炭化物もしくは窒化物を、炭化珪素
もしくは窒化珪素としたことを特徴とする請求項１記載
の溶融金属精錬用羽口。
【請求項３】上記酸化物をアルミナ及び／又はシリカ
としたことを特徴とする請求項１又は２記載の溶融金属
精錬用羽口。
【請求項４】上記金属を金属アルミニウム及び／又は
金属シリコンとしたことを特徴とする請求項１〜３いず
れか記載の溶融金属精錬用羽口。