JPH09125128A

JPH09125128A - ガス吹き込み用羽口

Info

Publication number: JPH09125128A
Application number: JP28526295A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Ishida; 博章石田; Yoshiyasu Shirota; 良康城田; Kenji Ichikawa; 健治市川; Yukinobu Kurashina; 幸信倉科
Original assignee: Shinagawa Refractories Co Ltd; Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Shinagawa Refractories Co Ltd; Nippon Steel Corp
Priority date: 1995-11-01
Filing date: 1995-11-01
Publication date: 1997-05-13

Abstract

(57)【要約】【課題】羽口支持耐火物に見られる亀裂を防止できる
羽口構造を開発する。【解決手段】羽口金物の外周囲に第１耐火物からなる
断熱層を配設するとともに、この断熱層の外周囲にさら
に保護金物を設け、その全体を羽口支持用の第２耐火物
中に埋設する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガス吹き込み用羽
口、より詳述すれば、転炉、電気炉、ＡＯＤ炉等の精錬
炉における溶融金属の精錬に際して行うガス吹き込み用
の羽口に関する。

【０００２】

【従来の技術】転炉等の精錬炉に用いるガス吹き込み用
羽口は、炉底あるいは炉側壁の耐火煉瓦を貫通して取付
けられる。この精錬用羽口としては、図１(a) 〜(d) に
示すごとく、例えば単管羽口１ (図１(a) 参照) 、二重
管羽口２( 図１(b) 参照) 、多孔質羽口３ (図１(c) 参
照) 、そして多芯管羽口４( 図１(d) 参照) 等が知られ
ており、図１(a) 、(b) のパイプ形羽口には主に銅やス
テンレス鋼製のパイプが用いられている。図１(c) の多
孔質羽口３と図１(d) の多数芯管羽口４はそれ自体が耐
火物と一体に成形されたものである。

【０００３】このうち、図１(a) 、(b) にそれぞれ示す
単管羽口１および二重管羽口２のようなパイプ形羽口の
場合、炉内に吹込まれるガスの冷却能、すなわち羽口を
通過中に周囲より熱を奪って上昇する顕熱分およびＬＰ
Ｇ等の炭化水素ガスのように熱分解によって吸収する分
解吸収熱分によって、その羽口を囲む煉瓦面５が冷却さ
れ、精錬炉から伝熱される熱量との間に大きな温度勾配
を生ずる。

【０００４】図２(a) および(b) は、それぞれ単管羽口
１、二重管羽口２の耐火煉瓦内の等温線を示したグラフ
である。このような等温線から分かるように、羽口長手
方向における温度勾配は、内管６と外管７からなる二重
管羽口２において、例えば内管６より酸素ガスを、外管
７よりＬＰＧや灯油等の分解型炭化水素を吹込んだ場合
に特に大きい。これは、羽口先端部においてガスの顕熱
上昇分がみられ、一方羽口内部では分解吸熱分による冷
却が加わるためである。

【０００５】このような大きな温度勾配は、煉瓦内に熱
応力を発生させ、いわゆる熱的スポーリングを起させ破
壊に至らしめることがある。そこで、従来にあってもこ
のような温度勾配を軽減するため、羽口と耐火煉瓦との
間に断熱層を設ける試みがなされている。

【０００６】例えば図３(a) に示すごとく、単管羽口１
と耐火煉瓦８との間に砂状のMgO 粒９を充填して断熱す
る方法、同図(b) に示すごとく、二重管羽口２と耐火煉
瓦８との間を MgO製パイプ10で断熱する方法が試みられ
ている。

【０００７】しかし、羽口と耐火煉瓦との間をMgO 粒、
あるいはMgO 製管で断熱する方法を採用しても、耐火煉
瓦内の温度勾配の軽減効果は小さく、大量に精錬用ガス
を吹込む場合には耐火煉瓦８に亀裂が入り、スポーリン
グによる破壊を十分に防止することができない。

【０００８】また、図３(a) の場合は、炉体の傾動等に
際し、羽口１と耐火煉瓦８との間に充填したMgO 粒９が
こぼれ落ちて充填材としての役目を果さなくなる。ま
た、図３(b) の場合は、MgO 製パイプ10自体が熱衝撃に
弱く、当該パイプ内に発生する応力に耐えられず剥離し
て、常に鋼浴面に端面を保持しておくことが困難であ
り、さらにMgO 製パイプが外径約20〜30mmの羽口に外嵌
し得る内径を有し、かつ羽口と同程度の長さ (１〜1.5
ｍ) を必要とし、しかも焼成MgO を用いるため、製造が
困難でコストが高くつく欠点がある。

【０００９】従来にあってもかかる問題点についてはそ
の解決手段がいくつか提案されている。それについて特
許公報を参照して以下説明する。羽口と耐火煉瓦との間
に断熱層を設ける例としては実開昭60−110452号公報
に、そのような断熱層を、通気性を有しかつ冷却用ガス
が通過できる多孔質耐火物から構成することが提案され
ている。

【００１０】しかしながら、多孔質耐火物が、断熱層と
して作用するので、急激な温度勾配が多孔質耐火物中に
発生することは避けられない。この提案で使用している
MgO、MgO-Al₂O₃ 系の耐火物では、その内部に熱的スポ
ーリングによる亀裂が発生し、それが多孔質耐火物およ
び羽口周囲煉瓦にまで亀裂伝播し、結局、煉瓦が剥落す
るのを阻止できない。また、多孔質耐火物への冷却用ガ
スの導入という新規な技術が必要となる。一般的に多孔
質耐火物の通気量は限定され、所定の冷却ガス量を確保
するのは困難である。

【００１１】特開昭59−20417 号公報には、金属製羽口
と耐火物製羽口煉瓦との間に熱伝導率が小さく、かつ高
強度を有するセラミックス材から成るチューブを挿入介
在させることが提案されている。

【００１２】しかしながら、このような構造であって
も、セラミックチューブに発生する熱的スポーリングに
よる亀裂はその外側の羽口煉瓦およびさらにその外側の
耐火煉瓦にまで伝播するので、抜本的に亀裂の伝播拡大
を阻止することはできない。また、セラミックチューブ
は衝撃による割れが発生しやすいので施工等の取り扱い
に注意を要する。

【００１３】次に、特開平３−211212号公報には、羽口
外周を黒鉛シートにて断熱した構造とすることが提案さ
れている。しかしながら断熱材に黒鉛を使用しているの
で、一般的に精錬用ガスとして使用されているO₂または
CO₂ガスによる酸化反応、あるいは羽口周辺に濃縮され
て存在するFeO 系溶融物による酸化反応を回避できない
という問題を抱えている。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】ここに、本発明の目的
は、従来技術では解決されなかった「断熱化により断熱
材に発生する急激な温度勾配に起因する断熱材の内部の
亀裂がその周囲の煉瓦に伝播し拡大する」という問題を
解決する新たな技術を開発することである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、かかる課
題を解決すべく、種々検討を重ね、次のような知見を得
た。

【００１６】すなわち、羽口金物の外周に第１耐火物か
らなる断熱層を配設し、その外側をさらに保護金物で覆
い、そして全体を今度は羽口支持用の第２耐火物中に埋
設することで、第２耐火物中への亀裂の伝播が効果的に
抑制されることを知り、本発明を完成した。

【００１７】よって、本発明は、溶鋼あるいは溶銑 (総
称して、溶湯と呼ぶ) を処理する精錬炉の底部または側
壁に設けられ、溶湯に接触してガス流を溶湯中に吹き込
むための羽口において、該ガス流体の流通路を形成した
羽口金物と、該羽口金物の外周囲に配設した第１耐火物
からなる断熱層と、該断熱層の外周囲に設けた保護金物
とから成る構造を有し、さらに該構造の全体を羽口支持
用の第２耐火物中に埋設したことを特徴とするガス吹き
込み用羽口である。

【００１８】本発明の好適態様によれば、前記断熱耐火
物を構成する第１耐火物は、羽口支持用の前記第２耐火
物よりも熱伝導率が低いものを使用することが一層好ま
しい。

【００１９】

【発明の実施の形態】添付図面の図４ないし図６は、本
発明にかかる羽口構造を従来例のそれに比較して示す模
式図である。

【００２０】図４は、単管羽口の場合であって、図４
(a) が本発明例、同(b) が従来例をそれぞれ示す。図示
例にあっては、羽口支持用の第２耐火物20に埋設された
従来の単管構造の羽口金物22の外側にさらに保護金物24
を設け、その間に第１耐火物30を充填して成る断熱層が
設けられている。

【００２１】図５は、二重管羽口の場合であって、図５
(a) が本発明例、同(b) が従来例をそれぞれ示す。図示
例にあっては、羽口支持用の第２耐火物20に埋設された
羽口金物中の矢印26はガス流体の流れを示す。従来の二
重管構造の羽口金物32の外側にさらに保護金物24を設
け、その間に第１耐火物30を充填して断熱層を形成して
いる。矢印26、34は流体の流れを示す。

【００２２】図６は、三重管羽口の場合であって、図６
(a) が本発明例、同(b) が従来例をそれぞれ示す。図示
例にあっては、羽口支持用の第２耐火物20に埋設された
従来の三重管構造の羽口金物42の外側にさらに保護金物
24を設け、その間に第１耐火物30を充填している。矢印
26、34、44はガス流体の流れを示す。

【００２３】このように本発明にあっては、第１耐火物
30から成る断熱層では、急激な温度勾配による亀裂が必
ず発生するものだという考えに立って、その亀裂が周囲
の煉瓦に進展拡大しないように防止策を図るために更に
にその外側に保護金物24を設け、多重構造としたのであ
る。したがって、本発明によれば、最外側に新たに設け
た保護金物24の目的は亀裂の拡張や伝播防止である。断
熱のために用いる第１耐火物30は当然、耐火物20より熱
伝導率の低い材料を選択することが好ましい。

【００２４】すなわち、第２耐火物20の内部に発生する
熱応力による亀裂の生成を第１耐火物で抑制する効果
と、仮に第１耐火物30に亀裂が生成しても保護金物によ
って亀裂進展を防止できる効果の相乗的作用を発揮させ
ることを狙ったのである。

【００２５】本発明において使用される保護金物は、材
質的には銅やステンレス鋼製であればよく、また第１耐
火物はマグネシア、ジルコニア、アルミナ等の耐火材料
であれば特に制限されない。好ましくはジルコニア質の
キャスタブルがよい。第２耐火物は MgO−C 煉瓦など慣
用の羽口耐火物を使用すればよい。

【００２６】ここで、羽口周囲に断熱層を設ける本発明
の構成について二、三補足しておく。すなわち、すでに
先の従来技術の項で述べたとおり、一般に第２耐火物20
内に大きな温度勾配を生じさせないように羽口と第２耐
火物20の境界に断熱層を設けて、そこで第２耐火物20内
に生じる温度勾配を吸収させようとする考え方がある。

【００２７】図７(a) のように断熱層 (断熱耐火物) を
設けなかった場合と比較して、図７(b) のように断熱層
を構成する第１耐火物30を羽口外側と第２耐火物20との
間に設けた場合には、第２耐火物20内の温度勾配は緩や
かになるが、その分だけ第１耐火物30の温度勾配が急激
になる。

【００２８】従来の断熱化の考え方は、上記断熱層を構
成する第１耐火物に強度の強い材料(例えば、セラミッ
クス等) を使用することで急激な温度勾配にも耐え得る
ものにすることであるが、実際上の羽口の温度境界で
は、急激なヒートサイクルが吹錬毎に発生するため、い
くら強度のある材料といえども、それには限界があるの
が実状である。すなわち、一般論として、加熱冷却のと
きの発生応力、温度勾配について考察すると次の通りで
ある。

【００２９】激しい急熱・急冷例えば部材が高温に加熱している状態から水中に投入
し、急冷された場合を考える。このとき、部材表面は殆
ど瞬時に水温 (T') になるが内部の大部分はもとの温度
T₀を保つことになり表面層に最大引張り応力σ_maxが発
生する。

【００３０】

【数１】

【００３１】ここでＥはヤング率、νはポアッソン比、
αは線膨張係数である。σ_maxが破壊強度Ｓを超えると
破壊するから、耐え得る最大の温度差ΔＴ_max＝(T₀-
T') は

【００３２】

【数２】

【００３３】となる。(2) 式は最も基本的な破壊抵抗を
与えるもので材料の特性値としてＲで表し、破壊抵抗係
数と呼ぶ。

【００３４】

【数３】

【００３５】緩やかな加熱・冷却このような場合の熱衝撃の激しさは熱伝達係数ｈのみで
なく熱伝導率Ｋならびに部材の寸法ｒ_mを含んだ無次元
定数β

【００３６】

【数４】β＝ｒ_mｈ／Ｋ・・・・ (4) で支配され、βをビオ係数と呼ぶ。そしてβがあまり大
きくないときには、試料内温度分布の時間変化を考慮せ
ねばならない。β≦５程度の緩やかな加熱・冷却の時に
は材料間の比較に用いる破壊抵抗係数として、

【００３７】

【数５】

【００３８】が与えられている。

【００３９】一定速度による加熱・冷却表面の温度変化速度が一定の場合は、初期を除き温度は
放物線分布をとり、その形で全体が一定速度で変化す
る。この時材料物性値としての破壊抵抗係数は、

【００４０】

【数６】

【００４１】で与えられる。ここでρは密度、Ｃは比熱
である。

【００４２】MgO-C 煉瓦への熱衝撃破壊抵抗係数の適用以上に述べたように、材料の熱衝撃に対する評価式は
R、R'、R"があり、MgO-C 煉瓦の耐熱スポール性の評価
にはR"が用いられる。そして(6) 式から分かるように、
耐熱スポール性の向上を図るには破壊強度、熱伝導率を
上昇させる、あるいはヤング率、熱膨張係数を低下させ
ることが考えられる。

【００４３】そこで、本発明にあっては、すでに述べた
ように、断熱層では、急激な温度勾配による亀裂が必ず
発生するものだという考えに立って、その亀裂が周囲の
煉瓦に進展拡大しないように防止策を図ったものであ
る。次に、実施例によって本発明の作用効果についてさ
らに具体的に説明する。

【００４４】

【実施例】

(実施例１)本例では、図10に示す10ｔ試験転炉を用い
て、本発明にかかる断熱２重管羽口と従来の２重管羽口
の熱間耐用性を調査した。羽口構造については図５(a)
および(b) 参照。中心孔からはO₂、外側管からはLPG を
流し、本発明例において第１耐火物 (断熱耐火物、以下
同じ) としてはZrO₂質キャスタブルを、第２耐火物 (羽
口耐火物、以下同じ) としては MgO−C 煉瓦を、保護金
物としては内外管と同じくステンレス鋼をそれぞれ使用
した。

【００４５】結果を図８、図９にまとめて示す。図中、
○が本発明例を、●が従来例をそれぞれ示す。図８から
は、本発明にかかる断熱２重管羽口を使用した場合に
は、約40％の損耗深さの低減が認められた。

【００４６】図９からは、本発明にかかる断熱２重管羽
口の場合、煉瓦稼働面に近い浅い領域の羽口耐火物内の
温度勾配が小さくなるため熱応力が小さくなり、羽口耐
火物が割れにくくなると推定できる。

【００４７】実施例２本例では、同じく図10に示す構造の10ｔ上底吹転炉を使
用してこれに本発明にかかる羽口構造を用いることによ
ってその効果を評価した。本例で使用した転炉の仕様は
次の通りであった。

【００４８】溶銑量＝10ｔ、1300℃→溶鋼へ精錬吹錬時間＝16分上吹酸素ランス：直径12mm×６孔×15° O₂＝1800 Nm³/Hr 底吹羽口：炉底に２個を配置 (本発明例の羽口:1個、
従来例の羽口:1個) O₂ ＝45 Nm³/Hr/本、N₂＝15 Nm³/Hr/本 LPGガス＝４ Nm³/Hr/本底吹羽口耐火物材質 MgO-C煉瓦、Ｃ＝20％を含有したもの熱伝導率 16 kcal/m・hr・℃ (at 600℃) 同一転炉の２個の羽口の各々本発明例と従来例の羽口に
分けてそれぞれ設置し、同一の吹錬条件の下で比較し
た。

【００４９】合計150 ヒート＝40時間の吹錬後、炉冷し
て羽口耐火物の損耗長さを計測した(羽口耐火物損耗速
度＝損耗長さ÷40時間で表現する) 。また、羽口煉瓦を
抜き堀りサンプリングして、羽口耐火物に亀裂が発生し
ていないかその有無について調べた。結果をその試験条
件とともに表１に示す。

【００５０】表１の結果から分かるように、本発明によ
れば、本発明例１では、単管羽口に断熱耐火物と保護金
物である金属パイプを配設した場合、従来例 (断熱耐火
物のみ配設した場合) と比較して、羽口耐火物損耗速度
＝1.50→0.98 mm/hr (35％の損耗減) の低減がみられ
た。また、羽口耐火物に亀裂は見られなかった。

【００５１】本発明例２の場合、つまり２重管羽口のと
きには、羽口耐火物損耗速度＝0.94→0.56 mm/hr (40％
の損耗減) の低減が見られ、また、本発明例３の場合、
つまり３重管羽口のとき、同速度は0.85→0.50 mm/hr
(41％の損耗減) に低減した。

【００５２】一方、従来例では、従来例１〜３のいずれ
においても、単管〜３重管羽口のそれぞれ外側に断熱耐
火物 (ジルコニア) のみを配設した場合であって、断熱
耐火物および保護金物は配設されていなかった。

【００５３】

【表１】

【００５４】

【発明の効果】本発明によれば、断熱層内部に発生する
亀裂に起因するその周囲の耐火物への亀裂の伝播、拡大
を防止することができ、その結果、大幅な耐火物の損耗
軽減に寄与することができる。そしてこれにより炉本体
の寿命延長が図られ、大幅なコスト低減が図れた。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１(a) ないし(d) は、それぞれ従来の単管羽
口、二重管羽口、多孔質羽口、そして多芯管羽口の略式
断面図である。

【図２】図２(a) および(b) は、従来の単管羽口、二重
管羽口の周囲の耐火物内の温度勾配を示す略式説明図で
ある。

【図３】図３(a) および(b) は、従来技術における断熱
層、断熱管を設けたそれぞれ単管羽口、二重管羽口の略
式断面図である。

【図４】図４(a) は本発明の単管羽口の略式説明図およ
び図４(b) は従来の単管羽口の略式説明図である。

【図５】図５(a) は本発明の２重管羽口の略式説明図お
よび図５(b) は従来の２重管羽口の略式説明図である。

【図６】図６(a) は本発明の３重管羽口の略式説明図お
よび図６(b) は従来の３重管羽口の略式説明図である。

【図７】図７(a) および(b) は、羽口耐火物内の温度分
布を示すグラフである。

【図８】実施例の結果を示すグラフである。

【図９】実施例の結果を示すグラフである。

【図１０】実施例で使用した転炉の略式説明図である。

【符号の説明】 20：第２耐火物 (羽口耐火物) 22,32,42：羽口金物 24：保護金物 26：ガス流体の流れ 30：第１耐火物 (断熱耐火物) 34：ガス流体の流れ 44：ガス流体の流れ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者市川健治岡山県備前市伊部707 品川白煉瓦株式会社技術研究所内 (72)発明者倉科幸信岡山県備前市東片上88 品川白煉瓦株式会社岡山工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】溶湯を処理する精錬炉の底部または側壁
に設けられ、溶湯に接触してガス流体を該溶湯中に吹き
込むための羽口であって、該ガス流体の流通路を形成し
た羽口金物と、該羽口金物の外周囲に配設した第１耐火
物からなる断熱層と、該断熱層の外周囲に設けた保護金
物とから成る構造を有し、さらに該構造の全体を羽口支
持用の第２耐火物中に埋設したことを特徴とするガス吹
き込み用羽口。
【請求項２】前記断熱層を構成する第１耐火物は、羽
口支持用の前記第２耐火物よりも熱伝導率が低いことを
特徴とする請求項１記載のガス吹き込み用羽口。