技術 溶銑用吹き込み管

0001

本発明は、溶銑中へガスと溶剤等の添加粒子とを吹き込んで、脱珪、脱燐、脱硫等処理を行うときに用いる吹き込み管に関する。

0002

一般に、溶銑に脱珪、脱燐、脱硫等の処理を施すときは、混銑車又は溶銑鍋の中で、溶銑中へ挿入した吹き込み管を用いて、酸素、窒素等のガスと脱珪、脱燐、脱硫等処理用の添加粒子とが送り込まれる。このとき、吹き込み管は１３５０〜１４５０℃の溶銑中へ挿入されるので、溶銑のチャージのたびに繰返し高温で使用できる耐用性が必要である。このため従来から、鋼製パイプにアルミナ等を主組成とする耐火材を被覆した吹き込み管が使用されている。そして、耐火性と共に、使用のたびに繰り返し加熱及び冷却されることにより、鋼製パイプと耐火材との熱膨張の差違に基づく亀裂或いは剥離等が耐火材に発生し難いように配慮して、耐用性の向上が図られている。

0003

例えば、特開昭５７−１１０６３１号公報には、鋼製パイプに被覆する溶融金属精錬用浸漬ランス被覆材として、耐火性骨材、結合粘土、粉末フェノール樹脂、縮合リン酸塩、水を組成とする材料が開示されている。そして、鋼製パイプへの被覆作業性が向上するとともに、高温下での鋼製パイプの膨脹に追従しえる膨脹性、耐食性、耐スポーリング性、強度等の諸特性に優れ、大亀裂の発生及びそれに基づくパイプの穴開き、折損等の虞れは実質上存在しないとされている。

0004

また、特開昭６１−９９６１４号公報には、外皮ライニング材として特定量のＣ、ＳｉＣ、ＳｉＯ２を含み残部が実質的にアルミナよりなる組成の耐火物を用いた溶銑予備処理用インジエクシヨンランスが開示されている。そして、ランス耐火物がランスパイプとの熱膨張係数の差によって生じる亀裂及び酸化鉄による酸化を受け難いので、ランス寿命を著しく向上させるとしている。

0005

製鉄工場では１日に２０チャージ程度の溶銑が処理されている。この処理に従来の吹き込み管を用いると、２〜３チャージの処理でその先端部が破損して使用できなくなる。破損の状況を調べると、吹き込み管の先端部は下側に向けてへの字状に屈曲した形状をしているが、破損はこの屈曲部にて起こっている。破損の原因は前記耐火性や熱膨張特性以外に、溶銑処理により高温状態になった吹き込み管の鋼管内面の特に屈曲部が、吹き込みガスと処理用添加粒子との混合噴流の衝突により摩耗し、支えとなる下地基材の鋼管部が消滅するためと考察された。そして、破損により、新品吹き込み管の製作とその取替えに多大の工数と経費を要している。本発明はこの問題点をも考慮して耐用性向上の研究を行い完成したもので、前記従来の技術とは異なる新規な構成の吹き込み管を提供するものである。

0006

本発明の第１発明は、図１の本発明による溶銑用吹き込み管の表層部の模式断面図にて示すように、サイアロンからなる管状の基材１の表面に、化学的に結合したＳｉＯ２層２を形成し、さらにＳｉＯ２層２の表面に耐火材の被覆層３を形成した構造を有してなる溶銑用吹き込み管である。

0007

次に第２発明は、第１発明の耐火材の被覆層３はＡｌ２Ｏ３６０〜８０重量％、ＳｉＯ２２０〜４０重量％にてなるムライト化合物系を主組成とする溶銑用吹き込み管である。

0008

本発明では、吹き込み管の基材の材質にサイアロンを用いる。ここでいうサイアロンとは、一般にエンジニアリングセラミックスとして用いられているサイアロン（Ｓｉａｌｏｎ）であるが、さらにサイアロンに諸特性が近似し、サイアロンと称しても過言でない窒化珪素系セラミックスをも含む。サイアロンは、エンジニアリングセラミックスの中でも機械的諸性質や耐熱性に優れていること、特に耐熱衝撃性が優れていること、熱膨張係数が被覆層用途の各種耐火材に近いこと、高温耐摩耗性が鋼材料に比べて優れていること、金属溶湯との耐濡れ性が優れていること等により特定するものである。こうすることにより、耐火性と熱膨張特性に優れ、さらに前記の吹き込みガスと処理用添加粒子との混合噴流による摩耗に耐える吹き込み管の基材とする。

0009

このサイアロン基材の表面には、化学的に結合したＳｉＯ２層を設ける。本発明の基礎研究において、耐火材被覆層の密着性を確保するには、ＳｉＯ２の中間層を介在させることが有効であると判明した。そして、ＳｉＯ２層の厚みは、５〜５０μｍが好ましい。５μｍ末満では被覆層の十分な密着が得られず、５０μｍを超えると厚くなり過ぎて密着効果が低下する。こうすることにより、ＳｉＯ２層が下地のサイアロンと化学的に結合すると共に、耐火材被覆層を化学的に結合し易くするので、耐火材被覆層の剥離を防止する。

0010

被覆層は、溶銑中へ挿入される用途であるので、サイアロン基材の表面に加わる熱的、雰囲気的、機械摩耗的負荷から保護するために設ける。被覆層の材料は、従来からある各種の耐火材を用いることができる。被覆層の厚みは０．５〜５ｍｍが好ましい。０．５ｍｍ未満では被覆層がすぐに消耗して被覆効果がなく、５ｍｍを超えると熱衝撃等により被覆層に亀裂が発生し、剥離し易くなる。被覆層を形成する面は基材となるサイアロン管の外周面、内周面、端面等の必要とする任意の面である。

0011

さらに、被覆層は、各種耐火材について基礎実験を重ねた結果、Ａｌ２Ｏ３６０〜８０重量％、ＳｉＯ２２０〜４０重量％にてなるムライト化合物系を主組成とし、他は５重量％以下程度の結合材として添加される少量の酸化物及び不純物とするのが好ましい。ここで、ムライト化合物系とは、一般的にムライトと呼ばれるセラミックスのことで、Ａｌ２Ｏ３・ＳｉＯ２系における化合物と少量の遊離混合物とを含むものである。また、結合材とは、Ａｌ２Ｏ３・ＳｉＯ２系における結合を補助するためのもので、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＺｎＯ等のような各種金属元素の酸化物である。

0012

上記のように特定する被覆層は、熱膨張係数が約５×１０−６／℃となり、各種被覆層用耐火材の中で基材のサイアロンの熱膨張係数約４×１０−６／℃に最も近づくこととなる。そして、従来の熱膨張係数約１０×１０−６／℃の鋼管を基材に用いて耐火材被覆した場合に発生した、熱膨張係数差に起因する被覆層の亀裂発生が防止でき、一層効果的な溶銑用吹き込み管が得られる。

0013

本発明溶銑用吹き込み管の基材には、サイアロンにて製作した管を用いる。サイアロン管の表面に化学的に結合したＳｉＯ２層を形成するには、サイアロン管を酸化雰囲気中で加熱処理する。例えば、大気雰囲気の９００〜１０００℃に１〜３時間加熱することにより、サイアロン管の表面部が酸化されてＳｉＯ２層が形成される。なお、必要に応じて、ＳｉＯ２の元になる化合物をサイアロン管の表面に予め塗布しておいて加熱処理してもよい。

0014

耐火材の被覆層を形成するには、耐火材の粉末を水或いは有機溶媒を用いてスラリー化し、下地のＳｉＯ２層の表面に塗布して乾燥の後、焼着処理する。スラリーの塗布は刷毛塗り、スプレー、スラリー中への浸漬、硬めの粘結状態にしてスタンプする等任意の手段により行なう。

0015

実施例１
図２は本発明による溶銑用吹き込み管の実施例の断面図である。同図において、矢印Ａの方向が先端側であって、溶銑中に挿入されて先端からガスと添加粒子を吹き出す。他端側はガスと添加粒子の供給装置からつながる気送管（図示せず）に接続される。４はサイアロン管先端部、５はサイアロン管中間部、６は材質ＳＵＳ３１６の耐熱性鋼管（ガスと添加粒子の供給側は図示省略）、７は固定機構をその内周側に設けて、サイアロン管４と５を固定して接続するためのサイアロン管製の接続具、８は固定機構をその内周側に設けて、サイアロン管５に固定して耐熱性鋼管６と接続するための材質ＳＵＳ３１６の接続金具である。これら部材のうち、サイアロン管４、５、７にはそれぞれ本発明による被覆層を形成した。また、図２のサイアロン管に先立って、事前の予備試験用に、別に製作しておいたサイアロン管試験片（図示せず）についても、同様にして被覆層を形成した。各サイアロン管の寸法、被覆層形成箇所を表１に示す。

0016

0017

表１の各サイアロン管は、被覆層を形成する前に、先ずその表面にＳｉＯ２層を形成した。即ち、サイアロン管を大気雰囲気、９５０℃の加熱炉へ装入して２．５時間加熱した。こうして得られたＳｉＯ２層の厚みは、サイアロン管試験片から試料を採取して表層部の断面を顕微鏡調査した結果、２０〜３０μｍであった。

0018

次に、化学組成がＡｌ２Ｏ３６７重量％、ＳｉＯ２３０重量％、残部はＣａＯ、ＭｇＯ、ＺｎＯ等の結合材としての酸化物及び不純物からなる粒径１０〜２００μｍのムライト化合物系粉末の被覆層形成材を準備し、水を溶媒にしてスラリー化した。このスラリーの中へ、ＳｉＯ２層被覆した表１の各サイアロン管を浸漬してスラリーを塗布し、常温乾燥の後、さらに１１０℃乾燥する一連の作業を繰り返して、下地のＳｉＯ２層へ被覆層形成材を付着させた。その後さらに、７００℃にて１時間加熱して、平均的に略２ｍｍ厚みの被覆層を下地のＳｉＯ２層へ焼着形成した。

0019

上記の被覆層を形成した表１のサイアロン管４、５、７は、図２に示す実施例のように組み立てて一体化し、サイアロン部分の全長が２３００ｍｍの溶銑用吹き込み管にした。先立って別に製作しておいた表１の予備試験用サイアロン管試験片は、実験用保持具に取り付けて、溶銑への浸漬予備実験に供した。

0020

実施例２
被覆層を形成した実施例１の予備試験用サイアロン管試験片を、実験用保持具に取り付けて、溶銑鍋中の１３５０℃の溶銑へ、先端から３００ｍｍの深さまで挿入し、２０秒間浸漬の後、取り出して常温まで空冷した。外観を肉眼観察の結果、外周面、先端面、内周面はともに、被覆層の肌は良好で、亀裂や剥離の発生がなかった。次いで、同じ操作を２回繰り返し、合計３回の浸漬をした。３回目浸漬後の被覆層の肌も良好で、付着したノロも容易に剥がれ易く、亀裂や剥離の発生も全く認められなかった。

0021

次に、この試験片の浸漬先端から１００ｍｍ位置部分から顕微鏡観察用試料を採取し、表層部の断面状況を調べた。顕微鏡調査の結果、被覆層と下地のサイアロンとは完全に化学的に結合しており、結合の境界部には、微細な亀裂若しくはすぐにでも剥離しそうな隙間は全く認められなかった。当初サイアロンの表面に発生させたＳｉＯ２層は拡散したためか消滅していた。被覆層の厚みは、この実験の範囲では殆んど消耗が認められず、平均的に略２ｍｍであった。

0022

これらの結果により、本発明の吹き込み管は、溶銑の中へ挿入しても十分な耐熱性があり、加熱及び冷却時の熱衝撃による破損がなく、被覆層も安定して形成されており、鋼を基材に用いた従来の吹き込み管において熱膨張係数の差に起因して発生していたとみられる亀裂の発生もなく、さらに溶銑に濡れ難いため付着したノロも容易に剥離除去し易く、吹き込み管として適応した性能を有していることが明らかになった。

0023

実施例３
被覆層を形成した実施例１のサイアロン管４、５、７を組み立てて一体化し、サイアロン部分の全長を２３００ｍｍにした溶銑用吹き込み管を、溶銑中へ挿入して吹き込み実験を行った。即ち、この吹き込み管を、ガスと添加粒子の供給装置からつながる気送管と接続し、溶銑鍋中の１３５０℃の溶銑へ、先端から１５００ｍｍまでの部分を傾斜して挿入し、Ｎ２とＯ２の混合ガスとＣａＯ−酸化鉄−ＣａＦ２系添加粒子を２０分間吹き込んだ後、取り出して、常温まで空冷した。外観を肉眼観察した結果、ノロは容易に剥離除去し易く、被覆層の外周面、先端面、内周面はともに良好な肌を呈しており、亀裂や剥離の発生がなかった。

0024

この後さらに、同じ操作を２回繰り返し、合計３回の吹き込み操作をした。３回目操作後の被覆層の肌も良好で、ノロは剥がし易く、亀裂や剥離の発生も認められず、健全であった。被覆層の消耗は、１回目と３回目使用後の各部位の外径の変化から調べてみたが、殆んど変化がなかった。

0025

吹き込みガスと添加粒子との混合噴流による内面の摩耗については、直管式にしたことにもよると思われるが、殆んど認められなかった。屈曲部を設けたとしても、基材にサイアロンを用いているので、鋼材料のような顕著な摩耗は起こらないものと推察される。これらの結果により、本発明の吹き込み管は、さらに継続して繰り返し使用できることは明らかで、製銑工程における吹き込み操作に供して十分な耐用性を有していることが明らかになった。

0026

本発明の溶銑用吹き込み管は、基材にＳｉＯ２表面層を有するサイアロンを用い、サイアロンに近似した熱膨張係数の被覆層を形成したものである。そして、耐熱衝撃性、耐溶損性、高温耐摩耗性に優れ、かつ被覆層は基材に密着しており、さらに従来の鋼と被覆層との熱膨張係数差に起因して発生していたとされる被覆層の亀裂発生がなく、また溶銑へ浸漬して付着したノロは容易に剥離除去できること等が明らかとなった。この結果、従来の吹き込み管のように早期に破損することがなく、耐用性が向上して何度も繰り返し使用することができるので、製銑工程における作業工数と経費の節減に大きく寄与する。

0027

図１本発明による溶銑用吹き込み管の表層部の模式断面図である。
図２本発明による溶銑用吹き込み管の実施例の断面図である。

0028

１；サイアロン基材２；ＳｉＯ２層 ３；耐火材被覆層
４；サイアロン管先端部 ５；サイアロン管中間部 ６；耐熱性鋼管
７；接続具８；接続金具矢印Ａ；先端側