真空脱ガス装置の下部構造
【課題】溶融金属の通過する管路を有した環流管を２つ備えた真空脱ガス装置の下部構造であって、環流管の耐久性を向上させたものを提供する。
【解決手段】各環流管は、横断面が９０°以上１８０°以下の中心角度を有した円弧状のスリーブと環流管本体とを備えて、互いに相補的な形状を有して嵌め合わされて管路を形成し、かつ、２つの環流管の横断面において２つの管路の中心点を結んで仮想線分としたときに、各円弧状スリーブの周方向における両端部が、それぞれ仮想線分を挟んで周方向に４５°以上の角度を有する位置に存在させるようにした真空脱ガス装置の下部構造である。
【解決手段】各環流管は、横断面が９０°以上１８０°以下の中心角度を有した円弧状のスリーブと環流管本体とを備えて、互いに相補的な形状を有して嵌め合わされて管路を形成し、かつ、２つの環流管の横断面において２つの管路の中心点を結んで仮想線分としたときに、各円弧状スリーブの周方向における両端部が、それぞれ仮想線分を挟んで周方向に４５°以上の角度を有する位置に存在させるようにした真空脱ガス装置の下部構造である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、取鍋等に入れられた溶融金属を槽内に吸い上げて脱ガス等を行う真空脱ガス装置の下部構造に関し、詳しくは、それぞれ浸漬管が接続される２つの環流管の耐久性を向上させた真空脱ガス装置の下部構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
真空脱ガス装置は、溶鋼等の溶融金属から水素や窒素等を脱ガスしたり、ＣＯとして炭素を取り除く脱炭など、溶融金属を成分調整する処理に利用されている。例えば、ＲＨ（Ruhrstahl-Heraus）式真空脱ガス装置では、一般に、天蓋を有する上部構造には、成分調整として合金を投入するのに利用される合金投入口や槽内の雰囲気を排気する排気口を備え、また、炉底側には先端に浸漬管が繋がれる環流管を２つ備えて下部構造を形成しており、取鍋に入れられた溶融金属を槽内に環流させるようにしている。これら真空脱ガス装置の上部構造と下部構造は、図７に示したように、各々に接続フランジが取り付けられて上部槽と下部槽のように分離可能に形成される場合もあれば、特に継ぎ目を有さずに一体に形成されることもある。
【０００３】
このうち、溶融金属が入れられた取鍋側に配設される下部構造は、一方の浸漬管から溶融金属を吸い上げて環流管を介して槽内に流入させ、真空中で脱ガス等の処理を行った後、他方の環流管及び浸漬管を通じて処理後の溶融金属を取鍋に戻すことから、比較的損傷が激しい。なかでも、先端が溶鋼中に浸漬される浸漬管は、溶融金属の流れによる作用や、取鍋中の溶融金属表面に発生するスラグによる溶損等によって消耗が著しいことから、一般的にＲＨ式真空脱ガス装置では、溶融金属を４０〜２５０チャージ程度処理した後に、新しい浸漬管に交換される。
【０００４】
これに対して環流管は、浸漬管ほどではないが、脱ガス処理等を続けていくにつれて、溶融金属の通過する管路にひび割れや亀裂が生じてしまう。一旦、亀裂等が形成されるとその部分に溶融金属が差し込み、溶損が促進されてしまうことから、下部構造の本体の寿命を全うする前に、環流管の管路を中心とした大規模な補修工事が必要になる。
【０００５】
そこで、円筒状をした一体構造のスリーブ煉瓦を環流管に配設して管路を形成する技術がこれまで採用されてきた（例えば特許文献１、２参照）。すなわち、溶融金属の通過する管路を一体構造のスリーブ煉瓦によって形成することで、管路に目地を無くして溶融金属の差し込みによる局所的な損傷を防ぐようにしている。
【０００６】
また、これに関連して、アルミナ系の原料に流動性促進材とセメントを添加したキャスタブル材を鋳込み成形して円筒状スリーブを形成することで、耐摩耗性や耐熱スポーリングを向上させる技術（特許文献３参照）や、一体構造の円筒状スリーブの下端を環流管と浸漬管との接合位置からずらして配設することで、環流管と浸漬管との境界部での溶損を防ぐ方法（特許文献４参照）など、数多くの改良技術が提案されて現在に至っている。そして、この円筒状スリーブは、浸漬管の交換と合わせて環流管から抜き取られ、新品に置き換えられて操業を続けるのが実情である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平２−２５５１３号公報
【特許文献２】特開平２−３４７１４号公報
【特許文献３】特開平１１−２７９６２９号公報
【特許文献４】特開平９−２４１７２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、従来技術において、上記のような円筒形状をしたスリーブを配設する要因となった環流管の管路に発生する亀裂等について、本発明者等は改めて詳細な検討を行った。すなわち、煉瓦の目地部分以外でも管路にひび割れや亀裂が発生することがあり、また、不定形耐火物によって目地の無い管路を形成した場合でも亀裂等が確認されることがあることから、これらの原因について、熱応力計算に基づき環流管の構造解析を実施した。その結果、環流管の管路に発生するひび割れや亀裂は、従来考えられていたような環流管の内側（溶融金属が流れる管路側）から発生するのではなく、むしろ、環流管の外側で発生して管路に到達すると理解した方が合理的であるという結論を得た。また、この環流管の外側から発生するひび割れや亀裂は、ある所定の領域に集中して起こることも分った。
【０００９】
そこで、本発明者等は、上記のような新たな知見に基づいて、横断面が円弧状のスリーブを環流管本体の所定の位置に嵌め合わせて、このスリーブの内壁面と環流管本体の内壁面とによって管路を形成することで、環流管でのひび割れや亀裂の発生を効率的に抑制することができることを見出し、本発明を完成した。
【００１０】
したがって、本発明の目的は、真空脱ガス装置における環流管の耐久性を向上させた下部構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
すなわち、本発明は、溶融金属の通過する管路を有した環流管を２つ備えた真空脱ガス装置の下部構造であって、前記各環流管は、環流管本体と横断面が９０°以上１８０°以下の中心角度を有した円弧状のスリーブとを備えると共に、これらが互いに相補的な形状を有して環流管本体の一部に円弧状スリーブが嵌め合わされ、環流管本体の内壁面と円弧状スリーブの内壁面とによって管路を形成しており、かつ、２つの環流管の横断面において、一方の環流管Ｐ1の管路の中心点Ｏ1と他方の環流管Ｐ2の管路の中心点Ｏ2とを結んで仮想線分Ｌとしたとき、環流管Ｐ1に配設された円弧状スリーブＳ1の周方向における両方の端部は、いずれも仮想線分Ｌを基準にして中心点Ｏ1における角度が４５°以上となる位置に存在すると共に、環流管Ｐ2に配設された円弧状スリーブＳ2の周方向における両方の端部は、いずれも仮想線分Ｌを基準にして中心点Ｏ2における角度が４５°以上となる位置に存在する、真空脱ガス装置の下部構造である。
【００１２】
本発明では、下部構造における２つの環流管は、それぞれ環流管本体と円弧状スリーブとが互いに相補的な形状を有して一体に嵌め合わされ、環流管本体の内壁面と円弧状スリーブの内壁面とによって管路を形成する。このうち、円弧状スリーブは、横断面が９０°以上１８０°以下の中心角度を有したものである。この中心角度が９０°未満であると、以下で詳述するように環流管本体に発生する可能性のあるひび割れや亀裂の位置を確実に保護することができなくなる。一方で、実際の操業時に加熱されると、スリーブ自身の熱膨張や環流管本体の熱膨張によってスリーブの周方向の端部に力が掛かるため、中心角度が１８０°を超えるとスリーブが座屈するように割れてしまうおそれがある。特に、従来技術のようにスリーブを円筒形にした場合、スリーブに掛かる応力を解放することができないため、スリーブ自身が応力ひずみによって縦方向に割れてしまう。なお、環流管本体と円弧状スリーブとが互いに相補的な形状を有しているとは、双方が嵌め合わされた状態で互いの内壁面が揃って管路を形成できることを意味し、環流管本体と円弧状スリーブとの間に膨張吸収材を配したような場合や、ずれを防ぐために円弧状スリーブに突起部等を設けたような場合でも、これに含まれることは勿論である。
【００１３】
また、上記のような円弧状スリーブを環流管本体に配設するにあたっては、槽底面に平行となるような２つの環流管の横断面において、一方の環流管Ｐ1の管路の中心点Ｏ1と他方の環流管Ｐ2の管路の中心点Ｏ2とを結んで仮想線分Ｌとしたとき、環流管Ｐ1に配設される円弧状スリーブＳ1の周方向における両方の端部が、いずれも仮想線分Ｌの位置を基準にして（０°として）、中心点Ｏ1における角度が４５°以上、好ましくは６０°以上となる場所に存在するようにする。環流管Ｐ2に配設される円弧状スリーブＳ2についても同様とする。
【００１４】
言い換えれば、円弧状スリーブＳ1の周方向における両端部を点Ａ1及び点Ｂ1で表したとき（すなわち円弧状スリーブが中心角度９０°以上１８０°以下の円弧Ａ1Ｂ1を有する）、線分Ｏ1Ａ1と仮想線分Ｌとのなす角が４５°以上、好ましくは６０°以上となると共に線分Ｏ1Ｂ1と仮想線分Ｌとのなす角が４５°以上、好ましくは６０°以上となるようにし、また、円弧状スリーブＳ2についても、同様に線分Ｏ2Ａ2と仮想線分Ｌとのなす角が４５°以上、好ましくは６０°以上となると共に線分Ｏ2Ｂ2と仮想線分Ｌとのなす角が４５°以上、好ましくは６０°以上となるようにする。
【００１５】
これは、本発明者等が熱応力計算による環流管の構造解析を実施したことに基づく。すなわち、２つの環流管Ｐ1、Ｐ2によって形成される炉底側の股部付近には、環流管本体の外壁面に高い引張応力が掛かる場所があり、２つの環流管の横断面において仮想線分Ｌを挟んで両方向に４５°ずつの中心角度を有した円弧上の領域に集中して、ひび割れや亀裂が発生することを突き止めた。そのため、少なくともその領域をカバーするように管路側に上記のような円弧状スリーブを配設して、ひびや亀裂の進行を食い止めるようにする。
【００１６】
このような引張応力が発生する理由は完全には明らかになっていないが、溶融金属が流れる稼働面側（管路側）と外側との熱膨張の差による応力が要因となると考えられる。また、実際に真空脱ガス装置の操業を続けるにつれて、上記仮想線分Ｌの中点ｍを基点に左右両方向に位置する環流管Ｐ1、Ｐ2が、それぞれに接続された浸漬管の先端を広げるような挙動（ハの字に開く）を示すことから、このことも上記のような個所に集中して引張応力を発生させる要因のひとつと推測する。なお、円弧状スリーブは環流管の長さに合わせて配設するのが良いが、先端側の一部を浸漬管側に貫くように配することも可能である。
【００１７】
また、本発明においては、環流管本体と円弧状スリーブとの間にモルタル等の膨張吸収材を介在させて、環流管本体の一部に円弧状スリーブが嵌め合わされるようにしてもよい。具体的には、円弧状スリーブの背面側（管路側の反対）や円弧状スリーブの周方向における端部に膨張吸収材を配して膨張代を設けることで、環流管本体や円弧状スリーブの熱膨張を吸収するのが良い。なかでも、円弧状スリーブの両端部に膨張吸収材を配すれば、スリーブ自身に掛かる応力ひずみを効果的に緩和して、環流管の耐久性を更に向上させることができる。
【００１８】
円弧状スリーブを形成する手段については特に制限されず、プレス成形や鋳込み成形するなどして所定の形状となるようにすればよいが、好ましくは、静水圧加圧成形（Cold Isostatic Press：C.I.P.）によって円弧状スリーブを得るようにするのが良い。一般に、静水圧加圧成形は無限多軸加圧となることから、金型プレスによる一軸成形に比べて均一な成形品を得ることができ、目地や耐火物の境界等を無くすることができることから、本発明のように管路の一部を形成する円弧状スリーブを得る上で、無用な溶融金属の差し込み等のおそれを排除できて好適である。
【００１９】
円弧状スリーブの厚みは、一般的なＲＨ式真空脱ガス装置での下部構造を想定すれば、少なくとも７０ｍｍを有するようにするのが望ましい。特に、操業による円弧状スリーブの消耗（化学溶損）を考慮して、真空脱ガス装置の寿命に合わせて環流管の耐久性を確保するとすれば、好ましくは１５０ｍｍ以上の厚みを有するようにするのが良い。なお、円弧状スリーブの厚みを増すにつれて耐久性は更に向上するが、実用的な効果が飽和するばかりか、経済的な理由等から２００ｍｍ程度の厚みがあれば十分であると考えられる。
【００２０】
また、円弧状スリーブには、その周方向の端部や背面の一部に突起部（だぼ）や溝を形成したり、円弧状スリーブの背面側を槽底側に向かって漸次縮径（薄肉化）させるなどして、環流管本体に対するずれを防ぐようにしてもよい。また、円弧状スリーブを槽底よりも下げて配設し、スリーブの頂部を環流管本体の一部で抑えるようにして浮上するのを防止するようにしてもよい。
【００２１】
また、円弧状スリーブを形成するための材料については、一般に、耐食性や耐スラグ性等を考慮すると塩基性材料を用いるのが望ましいが、使用条件によっては中性材料や酸性材料を用いることもできる。但し、静水圧加圧成形やプレス成形によって円弧状スリーブを得る際は、製造時の摺動性を考慮して炭素を含有した材料を用いるのが望ましい。このような炭素含有材料として、例えば、ＭｇＯ−Ｃ質、Ａｌ2Ｏ3−Ｃ質、ＺｒＯ2−Ｃ質、ＺｒＯ2−ＣａＯ−Ｃ質（ZCG）等の材料を挙げることができる。
【００２２】
また、環流管本体は、円弧状スリーブと共に形成された管路を備えるようにすれば特に制限はなく、その形状は定形煉瓦や不定形耐火物を用いて、或いはこれらを組み合わせて形成することができる。なお、本発明は、環流管本体に対して所定の位置に円弧状スリーブを嵌め合わせて環流管を形成するものであるが、これ以外に他のスリーブを環流管本体に配設することを妨げるものではない。
【００２３】
本発明における真空脱ガス装置の下部構造は、上記で説明したような環流管を２つ備えたものであればよく、通常は、これら環流管の先端にそれぞれ浸漬管が接続される。また、環流管本体や浸漬管を含めて耐火物の周りは鉄皮で覆われて下部構造を形成する。この下部構造は、真空脱ガス装置を構成する上部構造と共に一体に形成されていてもよく、接続フランジを介して上部槽と下部槽とに分かれる２槽構造（更に中間槽を含めた３槽構造）を形成するものであってもよい。そして、ガス吹き出し孔を有した浸漬管からガスリフトポンプの原理を用いて、取鍋に入れられた溶鋼等の溶融金属を吸い上げて槽内を通過させ、他方の環流管側へと溶融金属を環流させて、所定の脱ガス処理等を行う。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、下部構造を形成する一対の環流管について、横断面が円弧状のスリーブを環流管本体の所定の位置に嵌め合わせて、このスリーブの内壁面と環流管本体の内壁面とによって管路を形成することから、環流管本体に生じる可能性のあるひび割れや亀裂の発生を効率的に抑制することができる。そのため、環流管の耐久性を向上させた下部構造とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１は、本発明における真空脱ガス装置の下部構造の縦断面の様子を示す斜視説明図である。
【図２】図２は、下部構造における環流管の横断面を炉底側から見た断面説明図である。
【図３】図３は、環流管における円弧状スリーブの変形配設例を示す断面説明図である。
【図４】図４は、環流管の周方向における熱応力分布を示すグラフである。
【図５】図５は、図４のグラフにおける環流管の測定位置を説明するための模式図である。
【図６】図６は、本発明における円弧状スリーブの周方向における熱応力分布を示すグラフである。
【図７】図７は、ＲＨ式真空脱ガス装置の断面模式図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、添付図面に基づいて、本発明をより具体的に説明する。
図１には、本発明の真空脱ガス装置における下部構造１の一例について、縦断面の様子を示す斜視説明図である。この実施形態に係る下部構造１は、下部構造本体２と、溶融金属の行き帰り用の管路４を備えた２つの環流管３と、２つの浸漬管５とを有しており、環流管３と浸漬管５とは、それぞれに備え付けられたフランジ６、７によって接続され、図示外のボルトによって締め付け固定されている。また、この下部構造１は、下部構造本体２に備え付けられてフランジ８により、真空脱ガス装置の上部構造（図示外）に対して接続可能になっている。そして、下部構造本体２と環流管３は、それらの外周側面が鉄皮１６で覆われて下部構造１を形成している。
【００２７】
このうち、環流管３は、それぞれ不定形耐火物からなる環流管本体９と、横断面が円弧状をなす円弧状スリーブ１０（図１では半分のみが図示されている）とを有して、各管路４はこの環流管本体９による内壁面と円弧状スリーブ１０の内壁面とによって形成され、浸漬管５の管路１１を形成する不定形耐火物からなる浸漬管本体１２を含めて内壁面は全て揃えられている。また、環流管本体９を形成する不定形耐火物は、中ノ島となる敷き煉瓦１３を囲うようにしながら槽底１４を形成しており、下部構造本体２を形成する側壁煉瓦１５と共に溶融金属を一時的に溜めて脱ガス処理等が行えるようにしている。一方、炉底側には、２つの環流管３に挟まれるようにして股部１７が形成される。これらの環流管３に配設された円弧状スリーブ１０について、環流管本体９に対する位置関係を以下で図２を用いながら説明する。
【００２８】
図２は、槽底１４に対して平行な２つの環流管３の横断面を示しており、炉底側から見た図である。この図においては、便宜上、向かって右側の環流管３を環流管Ｐ1とし、左側を環流管Ｐ2とし、また、環流管Ｐ1に配設された円弧状スリーブ１０を円弧状スリーブＳ1とし、環流管Ｐ2の方を円弧状スリーブＳ2とする。ここでは、２つの円弧状スリーブＳ1、Ｓ2が、それぞれ１８０°の中心角度を有する場合を示しており、互いに背面を対峙させるようにして環流管本体９に嵌め込まれている。そして、環流管Ｐ1の管路４の中心点Ｏ1と環流管Ｐ2の管路４の中心点Ｏ2とを結んで仮想線分Ｌとしたとき、円弧状スリーブＳ1の周方向における両方の端部が、いずれも仮想線分Ｌの位置を基準にして（０°として）、中心点Ｏ1における角度が４５°以上、好ましくは６０°以上となる場所に存在するようにする。円弧状スリーブＳ2の周方向における両方の端部についても同様にする。なお、この図２では、２つの円弧状スリーブＳ1、Ｓ2の両端部が、いずれも中心点Ｏ1、O2における角度が９０°の位置に存在した状態（仮想線分Ｌに対して線分Ｏ1Ａ1、Ｏ1Ｂ1、Ｏ2Ａ2、及びＯ2Ｂ2が９０°のなす角を有した状態）を示している。
【００２９】
また、円弧状スリーブは、上記で説明したような条件を満たせば、図３に示したように、その周方向の両端部が仮想線分Ｌを挟んで非対称の位置になるように配設されても構わない。更には、図３に示したように、内壁面側（又は背面側）の円弧が迫り出したり、端部に突起部を設けたりして端部が半径方向に完全に揃っていなくても、本発明における作用効果を奏する限り構わない。
【００３０】
この実施形態に係る下部構造１を得る手段については特に制限されないが、以下のような方法を例示することができる。例えば、下部構造本体２と環流管３の外周側面を覆うと共に、両端に下部構造本体側のフランジ８と環流管側のフランジ６とを備えた鉄皮１６を外枠として用い、先に、環流管側のフランジ６に沿って養生面を形成しておく。次いで、プレス成形や鋳込み成形等によって形成した円弧状スリーブ１０を所定の位置に配置し、環流管３の管路４を形作る中子や敷き煉瓦１３の部分の中子を入れて、隙間にキャスタブル（不定形耐火物）を流し込んで充填し、養生、乾燥させて槽底１４を形成する。その際、円弧状スリーブ１０の背面や周方向の端面に予めシートモルタル等を塗布しておき、得られた環流管本体９との間に膨張吸収材を介在させるようにしてもよい。そして、側壁煉瓦１５等を築造して下部構造本体を完成させて、別途形成された浸漬管５を接続すれば、下部構造１を得ることができる。
【００３１】
或いは、環流管３の管路４を形作る中子に円弧状スリーブ１０の形状に相当する部分を設けておき、キャスタブルを流し込んで養生・乾燥させた後に中子を脱枠し、背面及び周方向の端面にモルタルを塗布した円弧状スリーブ１０を挿入してモルタルを乾燥させるようにしてもよい。更には、円弧状スリーブ１０の厚み分だけ全周にわたって大きくした中子を入れてキャスタブルを流し込み、養生・乾燥させた後に中子を脱枠し、一方、円筒状に成形したスリーブを長手方向（縦方向）に２つに分割して得たそれぞれの円弧状スリーブの周方向の端面にモルタルを塗布して、再度円筒状になるように組み合わせ、各円弧状スリーブの背面にモルタルを塗布して所定の位置に挿入するようにしてもよい。勿論、環流管本体９は、キャスタブル以外にも煉瓦を用いて形成することも可能である。
【００３２】
次に、円弧状スリーブの配設位置を決定するにあたって参考にした、熱応力計算による環流管の構造解析について説明する。
先ずは、従来技術の下部構造について、操業時に１つの環流管に掛かる熱応力をその周方向に沿って解析した。すなわち、図１に示した本発明の下部構造において円弧状スリーブ１０を配設せずに、環流管本体９のみによって管路４を形成した場合の下部構造について、管路を形成する環流管本体９の内側（管路側）と外側を、周方向に沿って熱応力を測定した。結果を図４に示す。なお、図４のグラフの横軸は、図５に示したように、上述した仮想線分Ｌと環流管本体９とが交わる位置を角度０°として、股部側からその反対側まで１８０°回転させたものであり、この間で１０°ずつ位置を変えて周方向における熱応力の分布を算出した。また、この算出に際しては有限要素法を用いて、実際の真空脱ガス槽の温度変化データを用いて計算した。
【００３３】
図４に示したグラフから分るように、仮想線分Ｌの中点ｍを挟んで左右両方向に位置する環流管は、互いに最短距離で隣接する位置において（角度＝０°）、環流管本体９の外側には約１２０ＭＰａの引張応力が発生し、そこから周方向に４５°の角度を有した位置で１５０ＭＰａを超えて引張応力が最大になる。更に周方向に角度６０°を有する位置までは高い値で引張応力が発生し、そして、周方向に沿って回転させるにつれて徐々に引張応力は低減し、角度１２０°付近でほぼ値はゼロになる。これに対して、環流管本体９の内側（管路側）には、外側に掛かる引張応力の関係と正反対のように、角度６０°の位置あたりまでは高い値で圧縮応力が発生し、それ以降は徐々に圧縮応力は少なくなり１２０°付近でほぼ一定になる。
【００３４】
このような熱応力計算による環流管の構造解析に基づき、本発明では、仮想線分Ｌを挟んで少なくとも±４５°の中心角度を有した円弧領域に対応させて円弧状スリーブを配設し、好ましくは仮想線分Ｌを挟んで±６０°の中心角度を有した円弧領域に対応させて円弧状スリーブを配設して環流管の耐久性を高めるようにする。
【００３５】
そこで、横断面における中心角度が１８０°の円弧状スリーブ１０を図２に示した位置関係となるように、モルタルを介して環流管本体９に嵌め合わせて本発明の下部構造１とし、この円弧状スリーブ１０の背面（外側面）における周方向の熱応力分布を測定した。結果を図６に示す。なお、測定環境や測定条件については先の場合と同様であるが、測定範囲は図５に示した０°〜９０°である（中心角度が１８０°の円弧状スリーブのため）。また、この測定において使用した円弧状スリーブは、静水圧加圧成形によって厚み２００ｍｍの円筒状成形品を得て、これを縦方向に２つに分割したものである。
【００３６】
図６のグラフから分るように、円弧状スリーブ１０の背面は周方向の全ての範囲で引張応力が発生しないことが分る。すなわち、先に説明した環流管本体９の外側で発生した引張応力は、円弧状スリーブ１０に対してほぼ伝達されないことから、仮に環流管本体９の外側でひび割れや亀裂が発生したとしても、円弧状スリーブ１０ではこれを食い止めることができる。また、この円弧状スリーブ１０の稼動面（内側面）での熱応力分布についても測定したところ、図６と略同様の結果が得られたことから、円弧状スリーブ１０自体が割れてしまうような深刻な応力ひずみを受けるようなおそれもない。
【実施例】
【００３７】
次に、本発明の実施例及び比較例を説明する。なお、以下では、１チャージあたり３９０トンの溶鋼を環流できるＲＨ式の真空脱ガス装置の下部構造を形成した。また、環流管３の製造にあたっては、先に述べたように、両端に下部構造本体側のフランジ８と環流管側のフランジ６とを備えた鉄皮１６を外枠として用い、予め、環流管側のフランジ６に沿って養生面を形成しておいた。
【００３８】
［実施例１］
先ず、９質量％黒鉛を含んだＭｇＯ−Ｃ粉体を用いて、１０００ｋｇ／ｃｍ2の圧力による静水圧成形によって、内径φ７００ｍｍ×外径φ１０９０ｍｍ×高さ１０４０ｍｍの円筒形の成形品を準備した。脱枠後、この円筒形成形品をダイヤモンドカッターにて縦方向に切断して半円にし、横断面が１８０°の中心角度を有した円弧状スリーブを得た。
【００３９】
得られた２つの円弧状スリーブは特に研磨等をせずに無加工のまま、それぞれの背面と周方向の端面とに厚さ２ｍｍで塩基性のモルタルを塗布し（膨張代）、図１及び図２に示したような位置関係になるように円弧状スリーブを配置して、それぞれ外径７００ｍｍの中子を入れて隙間にＡｌ2Ｏ3−ＭｇＯ系キャスタブルを流し込んだ。養生・乾燥後、ＭｇＯ−Ｃｒ2Ｏ3質の側壁煉瓦を内張りするなどして下部構造本体を形成し、また、別途用意した浸漬管を環流管側に取り付けて、実施例１に係る下部構造を完成させた。
【００４０】
上記で得られた下部構造を備えたＲＨ式真空脱ガス装置を使って、溶鋼の二次精錬で実機操業した。その結果、５５０チャージのところで下部構造本体を形成する側壁煉瓦の残厚が少なくなり、操業を中止した。このとき、２つの環流管ともに、管路を形成する環流管本体と円弧状スリーブの内壁面にはいずれもひび割れや亀裂は確認されなかった。そのため、本発明の下部構造によれば、真空脱ガス装置自体の寿命まで特段の補修等を要さずに使用することも可能になる。
【００４１】
［実施例２］
内径φ６５０ｍｍ×外径φ１１２０ｍｍ×高さ１０４０ｍｍの円筒形の成形品を縦方向に２つに分割して、横断面の中心角度が１８０°の円弧状スリーブを得た。次いで、円弧状スリーブに塩基性モルタルを塗布することなく、鉄皮からなる外枠に２つともそのまま配置した以外は実施例１と同様にして、下部構造を完成させた。
【００４２】
上記で得られた下部構造を備えたＲＨ式真空脱ガス装置を使って、実施例１と同様に実機操業したところ、３５０チャージを過ぎても環流管の管路にひび割れや亀裂が入ることはなかったが、５００チャージのところで円弧状スリーブのほぼ中央に長手方向に向かった亀裂が顕在化し、操業を中止した。
【００４３】
［実施例３］
円弧状スリーブに塩基性モルタルを塗布することなく、鉄皮からなる外枠に２つともそのまま配置した以外は実施例１と同様にして、下部構造を完成させた。
【００４４】
上記で得られた下部構造を備えたＲＨ式真空脱ガス装置を使って、実施例１と同様に実機操業したところ、３５０チャージを過ぎても環流管の管路にひび割れや亀裂が入ることはなかったが、４５０チャージのところで円弧状スリーブのほぼ中央に長手方向に向かった亀裂が顕在化し、操業を中止した。
【００４５】
［実施例４］
実施例１で使用したものと同じサイズの円弧状スリーブを、それぞれ直接オイルプレス機を用いて成形圧２５００トンで成形した。得られた円弧状スリーブの背面と周方向の端面とにそれぞれ厚さ２ｍｍで塩基性のモルタルを塗布し（膨張代）、実施例１と同様にして環流管及び下部構造本体を形成し、浸漬管を取り付けて下部構造を完成させた。
【００４６】
上記で得られた下部構造を備えたＲＨ式真空脱ガス装置を使って、溶鋼の二次精錬で実機操業した。その結果、３５０チャージを過ぎても環流管の管路にひび割れや亀裂が入ることはなかったが、４８０チャージのところで環流管の管路における円弧状スリーブの内壁面の残厚が少なくなり、２つの管路の中心点を結んだ仮想線分Ｌを挟んで両方向におよそ４５°の中心角度を有した部分に損耗が確認され、操業を中止した。
【００４７】
［実施例５］
実施例１で使用したものと同じサイズの円弧状スリーブをＡｌ2Ｏ3−ＭｇＯのプレキャスト品にかえた以外は実施例１と同様にして、下部構造を完成させた。
【００４８】
得られた下部構造を備えたＲＨ式真空脱ガス装置を使って、実施例１と同様に実機操業したところ、３５０チャージを過ぎても環流管の管路にひび割れや亀裂が入ることはなかったが、３８０チャージのところで、円弧状スリーブの内壁面の残厚が少なくなり、２つの管路の中心点を結んだ仮想線分Ｌを挟んで両方向におよそ４５°の中心角度を有した部分にひび割れや亀裂が確認され、操業を中止した。
【００４９】
［実施例６］
実施例1と同様にして成形した内径φ７００ｍｍ×外径φ１０９０ｍｍ×高さ１０４０ｍｍの円筒形の成形品を縦方向３つに切断して横断面が１２０°の中心角度を有した円弧状スリーブを得た。得られた円弧状スリーブの２つを用いて、背面と周方向の端面とにそれぞれ厚さ２ｍｍで塩基性のモルタルを塗布した（膨張代）。そして、環流管Ｐ2を形成する円弧状スリーブの周方向の両端部について、図３に示す線分ＬとＡ2とのなす角度ｍＯ2Ａ2を５０°とし、もう一方の線分ＬとＢ2とのなす角ｍＯ2Ｂ2を７０°として配置した。また、環流管Ｐ1を形成する円弧状スリーブの周方向の両端部についても同様に、線分ＬとＡ1とのなす角度ｍＯ1Ａ1を５０°とし、もう一方の線分ＬとＢ1とのなす角ｍＯ1Ｂ1を７０°として配置した。これら以外は実施例１と同様にして環流管及び下部構造本体を形成し、浸漬管を取り付けて下部構造を完成させた。
【００５０】
上記で得られた下部構造を備えたＲＨ式真空脱ガス装置を使って、実施例１と同様に実機操業したところ、５５０チャージのところで下部構造本体を形成する側壁煉瓦の残厚が少なくなり、操業を中止した。このとき、２つの環流管ともに、管路を形成する環流管本体と円弧状スリーブの内壁面にはいずれもひび割れや亀裂は確認されず、真空脱ガス装置自体の寿命まで特段の補修等を要さずに使用することも可能である。
【００５１】
［比較例１］
円弧状スリーブを配設せずに、２つの環流管ともにＡｌ2Ｏ3−ＭｇＯ系キャスタブルを流し込んで管路を形成した以外は実施例１と同様にして、下部構造を完成させた。得られた下部構造を備えたＲＨ式真空脱ガス装置を使って、溶鋼の二次精錬で実機操業したところ、３５０チャージのところで両方の環流管ともに股部付近で管路に複数の亀裂が確認され、なかでも、２つの管路の中心点を結んだ仮想線分Ｌを挟んで両方向におよそ４５°の中心角度を有したところには比較的大きな亀裂が入ったことから、操業を中止した。
【００５２】
［比較例２］
内径φ７００ｍｍ×外径φ１０９０ｍｍ×高さ１０４０ｍｍの円筒形の成形品を縦方向に分割せずに、円筒形スリーブのままで管路を形成するようにした。すなわち、上記円筒形スリーブの背面に厚さ２ｍｍで塩基性のモルタルを塗布し（膨張代）、鉄皮からなる外枠にそのまま配置して２つの環流管を形成した以外は実施例１と同様にして、下部構造を完成させた。
【００５３】
上記で得られた下部構造を備えたＲＨ式真空脱ガス装置を使って、実施例１と同様に実機操業したところ、３５０チャージを過ぎても環流管の管路にひび割れや亀裂が入ることはなかったが、４３０チャージのところで円筒状スリーブの複数個所にランダムに長手方向に向かった亀裂が顕在化し、操業を中止した。
【００５４】
上記実施例及び比較例の内容をまとめると以下の表１のとおりである。
【００５５】
【表１】
【符号の説明】
【００５６】
１：下部構造、２：下部構造本体、３：環流管、４：管路（環流管）、５：浸漬管、６：フランジ（環流管）、７：フランジ（浸漬管）、８：フランジ（下部構造本体）、９：環流管本体、１０：円弧状スリーブ、１１：管路（浸漬管）、１２：浸漬管本体、１３：敷き煉瓦、１４：槽底、１５：側壁煉瓦、１６：鉄皮。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、取鍋等に入れられた溶融金属を槽内に吸い上げて脱ガス等を行う真空脱ガス装置の下部構造に関し、詳しくは、それぞれ浸漬管が接続される２つの環流管の耐久性を向上させた真空脱ガス装置の下部構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
真空脱ガス装置は、溶鋼等の溶融金属から水素や窒素等を脱ガスしたり、ＣＯとして炭素を取り除く脱炭など、溶融金属を成分調整する処理に利用されている。例えば、ＲＨ（Ruhrstahl-Heraus）式真空脱ガス装置では、一般に、天蓋を有する上部構造には、成分調整として合金を投入するのに利用される合金投入口や槽内の雰囲気を排気する排気口を備え、また、炉底側には先端に浸漬管が繋がれる環流管を２つ備えて下部構造を形成しており、取鍋に入れられた溶融金属を槽内に環流させるようにしている。これら真空脱ガス装置の上部構造と下部構造は、図７に示したように、各々に接続フランジが取り付けられて上部槽と下部槽のように分離可能に形成される場合もあれば、特に継ぎ目を有さずに一体に形成されることもある。
【０００３】
このうち、溶融金属が入れられた取鍋側に配設される下部構造は、一方の浸漬管から溶融金属を吸い上げて環流管を介して槽内に流入させ、真空中で脱ガス等の処理を行った後、他方の環流管及び浸漬管を通じて処理後の溶融金属を取鍋に戻すことから、比較的損傷が激しい。なかでも、先端が溶鋼中に浸漬される浸漬管は、溶融金属の流れによる作用や、取鍋中の溶融金属表面に発生するスラグによる溶損等によって消耗が著しいことから、一般的にＲＨ式真空脱ガス装置では、溶融金属を４０〜２５０チャージ程度処理した後に、新しい浸漬管に交換される。
【０００４】
これに対して環流管は、浸漬管ほどではないが、脱ガス処理等を続けていくにつれて、溶融金属の通過する管路にひび割れや亀裂が生じてしまう。一旦、亀裂等が形成されるとその部分に溶融金属が差し込み、溶損が促進されてしまうことから、下部構造の本体の寿命を全うする前に、環流管の管路を中心とした大規模な補修工事が必要になる。
【０００５】
そこで、円筒状をした一体構造のスリーブ煉瓦を環流管に配設して管路を形成する技術がこれまで採用されてきた（例えば特許文献１、２参照）。すなわち、溶融金属の通過する管路を一体構造のスリーブ煉瓦によって形成することで、管路に目地を無くして溶融金属の差し込みによる局所的な損傷を防ぐようにしている。
【０００６】
また、これに関連して、アルミナ系の原料に流動性促進材とセメントを添加したキャスタブル材を鋳込み成形して円筒状スリーブを形成することで、耐摩耗性や耐熱スポーリングを向上させる技術（特許文献３参照）や、一体構造の円筒状スリーブの下端を環流管と浸漬管との接合位置からずらして配設することで、環流管と浸漬管との境界部での溶損を防ぐ方法（特許文献４参照）など、数多くの改良技術が提案されて現在に至っている。そして、この円筒状スリーブは、浸漬管の交換と合わせて環流管から抜き取られ、新品に置き換えられて操業を続けるのが実情である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平２−２５５１３号公報
【特許文献２】特開平２−３４７１４号公報
【特許文献３】特開平１１−２７９６２９号公報
【特許文献４】特開平９−２４１７２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、従来技術において、上記のような円筒形状をしたスリーブを配設する要因となった環流管の管路に発生する亀裂等について、本発明者等は改めて詳細な検討を行った。すなわち、煉瓦の目地部分以外でも管路にひび割れや亀裂が発生することがあり、また、不定形耐火物によって目地の無い管路を形成した場合でも亀裂等が確認されることがあることから、これらの原因について、熱応力計算に基づき環流管の構造解析を実施した。その結果、環流管の管路に発生するひび割れや亀裂は、従来考えられていたような環流管の内側（溶融金属が流れる管路側）から発生するのではなく、むしろ、環流管の外側で発生して管路に到達すると理解した方が合理的であるという結論を得た。また、この環流管の外側から発生するひび割れや亀裂は、ある所定の領域に集中して起こることも分った。
【０００９】
そこで、本発明者等は、上記のような新たな知見に基づいて、横断面が円弧状のスリーブを環流管本体の所定の位置に嵌め合わせて、このスリーブの内壁面と環流管本体の内壁面とによって管路を形成することで、環流管でのひび割れや亀裂の発生を効率的に抑制することができることを見出し、本発明を完成した。
【００１０】
したがって、本発明の目的は、真空脱ガス装置における環流管の耐久性を向上させた下部構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
すなわち、本発明は、溶融金属の通過する管路を有した環流管を２つ備えた真空脱ガス装置の下部構造であって、前記各環流管は、環流管本体と横断面が９０°以上１８０°以下の中心角度を有した円弧状のスリーブとを備えると共に、これらが互いに相補的な形状を有して環流管本体の一部に円弧状スリーブが嵌め合わされ、環流管本体の内壁面と円弧状スリーブの内壁面とによって管路を形成しており、かつ、２つの環流管の横断面において、一方の環流管Ｐ1の管路の中心点Ｏ1と他方の環流管Ｐ2の管路の中心点Ｏ2とを結んで仮想線分Ｌとしたとき、環流管Ｐ1に配設された円弧状スリーブＳ1の周方向における両方の端部は、いずれも仮想線分Ｌを基準にして中心点Ｏ1における角度が４５°以上となる位置に存在すると共に、環流管Ｐ2に配設された円弧状スリーブＳ2の周方向における両方の端部は、いずれも仮想線分Ｌを基準にして中心点Ｏ2における角度が４５°以上となる位置に存在する、真空脱ガス装置の下部構造である。
【００１２】
本発明では、下部構造における２つの環流管は、それぞれ環流管本体と円弧状スリーブとが互いに相補的な形状を有して一体に嵌め合わされ、環流管本体の内壁面と円弧状スリーブの内壁面とによって管路を形成する。このうち、円弧状スリーブは、横断面が９０°以上１８０°以下の中心角度を有したものである。この中心角度が９０°未満であると、以下で詳述するように環流管本体に発生する可能性のあるひび割れや亀裂の位置を確実に保護することができなくなる。一方で、実際の操業時に加熱されると、スリーブ自身の熱膨張や環流管本体の熱膨張によってスリーブの周方向の端部に力が掛かるため、中心角度が１８０°を超えるとスリーブが座屈するように割れてしまうおそれがある。特に、従来技術のようにスリーブを円筒形にした場合、スリーブに掛かる応力を解放することができないため、スリーブ自身が応力ひずみによって縦方向に割れてしまう。なお、環流管本体と円弧状スリーブとが互いに相補的な形状を有しているとは、双方が嵌め合わされた状態で互いの内壁面が揃って管路を形成できることを意味し、環流管本体と円弧状スリーブとの間に膨張吸収材を配したような場合や、ずれを防ぐために円弧状スリーブに突起部等を設けたような場合でも、これに含まれることは勿論である。
【００１３】
また、上記のような円弧状スリーブを環流管本体に配設するにあたっては、槽底面に平行となるような２つの環流管の横断面において、一方の環流管Ｐ1の管路の中心点Ｏ1と他方の環流管Ｐ2の管路の中心点Ｏ2とを結んで仮想線分Ｌとしたとき、環流管Ｐ1に配設される円弧状スリーブＳ1の周方向における両方の端部が、いずれも仮想線分Ｌの位置を基準にして（０°として）、中心点Ｏ1における角度が４５°以上、好ましくは６０°以上となる場所に存在するようにする。環流管Ｐ2に配設される円弧状スリーブＳ2についても同様とする。
【００１４】
言い換えれば、円弧状スリーブＳ1の周方向における両端部を点Ａ1及び点Ｂ1で表したとき（すなわち円弧状スリーブが中心角度９０°以上１８０°以下の円弧Ａ1Ｂ1を有する）、線分Ｏ1Ａ1と仮想線分Ｌとのなす角が４５°以上、好ましくは６０°以上となると共に線分Ｏ1Ｂ1と仮想線分Ｌとのなす角が４５°以上、好ましくは６０°以上となるようにし、また、円弧状スリーブＳ2についても、同様に線分Ｏ2Ａ2と仮想線分Ｌとのなす角が４５°以上、好ましくは６０°以上となると共に線分Ｏ2Ｂ2と仮想線分Ｌとのなす角が４５°以上、好ましくは６０°以上となるようにする。
【００１５】
これは、本発明者等が熱応力計算による環流管の構造解析を実施したことに基づく。すなわち、２つの環流管Ｐ1、Ｐ2によって形成される炉底側の股部付近には、環流管本体の外壁面に高い引張応力が掛かる場所があり、２つの環流管の横断面において仮想線分Ｌを挟んで両方向に４５°ずつの中心角度を有した円弧上の領域に集中して、ひび割れや亀裂が発生することを突き止めた。そのため、少なくともその領域をカバーするように管路側に上記のような円弧状スリーブを配設して、ひびや亀裂の進行を食い止めるようにする。
【００１６】
このような引張応力が発生する理由は完全には明らかになっていないが、溶融金属が流れる稼働面側（管路側）と外側との熱膨張の差による応力が要因となると考えられる。また、実際に真空脱ガス装置の操業を続けるにつれて、上記仮想線分Ｌの中点ｍを基点に左右両方向に位置する環流管Ｐ1、Ｐ2が、それぞれに接続された浸漬管の先端を広げるような挙動（ハの字に開く）を示すことから、このことも上記のような個所に集中して引張応力を発生させる要因のひとつと推測する。なお、円弧状スリーブは環流管の長さに合わせて配設するのが良いが、先端側の一部を浸漬管側に貫くように配することも可能である。
【００１７】
また、本発明においては、環流管本体と円弧状スリーブとの間にモルタル等の膨張吸収材を介在させて、環流管本体の一部に円弧状スリーブが嵌め合わされるようにしてもよい。具体的には、円弧状スリーブの背面側（管路側の反対）や円弧状スリーブの周方向における端部に膨張吸収材を配して膨張代を設けることで、環流管本体や円弧状スリーブの熱膨張を吸収するのが良い。なかでも、円弧状スリーブの両端部に膨張吸収材を配すれば、スリーブ自身に掛かる応力ひずみを効果的に緩和して、環流管の耐久性を更に向上させることができる。
【００１８】
円弧状スリーブを形成する手段については特に制限されず、プレス成形や鋳込み成形するなどして所定の形状となるようにすればよいが、好ましくは、静水圧加圧成形（Cold Isostatic Press：C.I.P.）によって円弧状スリーブを得るようにするのが良い。一般に、静水圧加圧成形は無限多軸加圧となることから、金型プレスによる一軸成形に比べて均一な成形品を得ることができ、目地や耐火物の境界等を無くすることができることから、本発明のように管路の一部を形成する円弧状スリーブを得る上で、無用な溶融金属の差し込み等のおそれを排除できて好適である。
【００１９】
円弧状スリーブの厚みは、一般的なＲＨ式真空脱ガス装置での下部構造を想定すれば、少なくとも７０ｍｍを有するようにするのが望ましい。特に、操業による円弧状スリーブの消耗（化学溶損）を考慮して、真空脱ガス装置の寿命に合わせて環流管の耐久性を確保するとすれば、好ましくは１５０ｍｍ以上の厚みを有するようにするのが良い。なお、円弧状スリーブの厚みを増すにつれて耐久性は更に向上するが、実用的な効果が飽和するばかりか、経済的な理由等から２００ｍｍ程度の厚みがあれば十分であると考えられる。
【００２０】
また、円弧状スリーブには、その周方向の端部や背面の一部に突起部（だぼ）や溝を形成したり、円弧状スリーブの背面側を槽底側に向かって漸次縮径（薄肉化）させるなどして、環流管本体に対するずれを防ぐようにしてもよい。また、円弧状スリーブを槽底よりも下げて配設し、スリーブの頂部を環流管本体の一部で抑えるようにして浮上するのを防止するようにしてもよい。
【００２１】
また、円弧状スリーブを形成するための材料については、一般に、耐食性や耐スラグ性等を考慮すると塩基性材料を用いるのが望ましいが、使用条件によっては中性材料や酸性材料を用いることもできる。但し、静水圧加圧成形やプレス成形によって円弧状スリーブを得る際は、製造時の摺動性を考慮して炭素を含有した材料を用いるのが望ましい。このような炭素含有材料として、例えば、ＭｇＯ−Ｃ質、Ａｌ2Ｏ3−Ｃ質、ＺｒＯ2−Ｃ質、ＺｒＯ2−ＣａＯ−Ｃ質（ZCG）等の材料を挙げることができる。
【００２２】
また、環流管本体は、円弧状スリーブと共に形成された管路を備えるようにすれば特に制限はなく、その形状は定形煉瓦や不定形耐火物を用いて、或いはこれらを組み合わせて形成することができる。なお、本発明は、環流管本体に対して所定の位置に円弧状スリーブを嵌め合わせて環流管を形成するものであるが、これ以外に他のスリーブを環流管本体に配設することを妨げるものではない。
【００２３】
本発明における真空脱ガス装置の下部構造は、上記で説明したような環流管を２つ備えたものであればよく、通常は、これら環流管の先端にそれぞれ浸漬管が接続される。また、環流管本体や浸漬管を含めて耐火物の周りは鉄皮で覆われて下部構造を形成する。この下部構造は、真空脱ガス装置を構成する上部構造と共に一体に形成されていてもよく、接続フランジを介して上部槽と下部槽とに分かれる２槽構造（更に中間槽を含めた３槽構造）を形成するものであってもよい。そして、ガス吹き出し孔を有した浸漬管からガスリフトポンプの原理を用いて、取鍋に入れられた溶鋼等の溶融金属を吸い上げて槽内を通過させ、他方の環流管側へと溶融金属を環流させて、所定の脱ガス処理等を行う。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、下部構造を形成する一対の環流管について、横断面が円弧状のスリーブを環流管本体の所定の位置に嵌め合わせて、このスリーブの内壁面と環流管本体の内壁面とによって管路を形成することから、環流管本体に生じる可能性のあるひび割れや亀裂の発生を効率的に抑制することができる。そのため、環流管の耐久性を向上させた下部構造とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１は、本発明における真空脱ガス装置の下部構造の縦断面の様子を示す斜視説明図である。
【図２】図２は、下部構造における環流管の横断面を炉底側から見た断面説明図である。
【図３】図３は、環流管における円弧状スリーブの変形配設例を示す断面説明図である。
【図４】図４は、環流管の周方向における熱応力分布を示すグラフである。
【図５】図５は、図４のグラフにおける環流管の測定位置を説明するための模式図である。
【図６】図６は、本発明における円弧状スリーブの周方向における熱応力分布を示すグラフである。
【図７】図７は、ＲＨ式真空脱ガス装置の断面模式図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、添付図面に基づいて、本発明をより具体的に説明する。
図１には、本発明の真空脱ガス装置における下部構造１の一例について、縦断面の様子を示す斜視説明図である。この実施形態に係る下部構造１は、下部構造本体２と、溶融金属の行き帰り用の管路４を備えた２つの環流管３と、２つの浸漬管５とを有しており、環流管３と浸漬管５とは、それぞれに備え付けられたフランジ６、７によって接続され、図示外のボルトによって締め付け固定されている。また、この下部構造１は、下部構造本体２に備え付けられてフランジ８により、真空脱ガス装置の上部構造（図示外）に対して接続可能になっている。そして、下部構造本体２と環流管３は、それらの外周側面が鉄皮１６で覆われて下部構造１を形成している。
【００２７】
このうち、環流管３は、それぞれ不定形耐火物からなる環流管本体９と、横断面が円弧状をなす円弧状スリーブ１０（図１では半分のみが図示されている）とを有して、各管路４はこの環流管本体９による内壁面と円弧状スリーブ１０の内壁面とによって形成され、浸漬管５の管路１１を形成する不定形耐火物からなる浸漬管本体１２を含めて内壁面は全て揃えられている。また、環流管本体９を形成する不定形耐火物は、中ノ島となる敷き煉瓦１３を囲うようにしながら槽底１４を形成しており、下部構造本体２を形成する側壁煉瓦１５と共に溶融金属を一時的に溜めて脱ガス処理等が行えるようにしている。一方、炉底側には、２つの環流管３に挟まれるようにして股部１７が形成される。これらの環流管３に配設された円弧状スリーブ１０について、環流管本体９に対する位置関係を以下で図２を用いながら説明する。
【００２８】
図２は、槽底１４に対して平行な２つの環流管３の横断面を示しており、炉底側から見た図である。この図においては、便宜上、向かって右側の環流管３を環流管Ｐ1とし、左側を環流管Ｐ2とし、また、環流管Ｐ1に配設された円弧状スリーブ１０を円弧状スリーブＳ1とし、環流管Ｐ2の方を円弧状スリーブＳ2とする。ここでは、２つの円弧状スリーブＳ1、Ｓ2が、それぞれ１８０°の中心角度を有する場合を示しており、互いに背面を対峙させるようにして環流管本体９に嵌め込まれている。そして、環流管Ｐ1の管路４の中心点Ｏ1と環流管Ｐ2の管路４の中心点Ｏ2とを結んで仮想線分Ｌとしたとき、円弧状スリーブＳ1の周方向における両方の端部が、いずれも仮想線分Ｌの位置を基準にして（０°として）、中心点Ｏ1における角度が４５°以上、好ましくは６０°以上となる場所に存在するようにする。円弧状スリーブＳ2の周方向における両方の端部についても同様にする。なお、この図２では、２つの円弧状スリーブＳ1、Ｓ2の両端部が、いずれも中心点Ｏ1、O2における角度が９０°の位置に存在した状態（仮想線分Ｌに対して線分Ｏ1Ａ1、Ｏ1Ｂ1、Ｏ2Ａ2、及びＯ2Ｂ2が９０°のなす角を有した状態）を示している。
【００２９】
また、円弧状スリーブは、上記で説明したような条件を満たせば、図３に示したように、その周方向の両端部が仮想線分Ｌを挟んで非対称の位置になるように配設されても構わない。更には、図３に示したように、内壁面側（又は背面側）の円弧が迫り出したり、端部に突起部を設けたりして端部が半径方向に完全に揃っていなくても、本発明における作用効果を奏する限り構わない。
【００３０】
この実施形態に係る下部構造１を得る手段については特に制限されないが、以下のような方法を例示することができる。例えば、下部構造本体２と環流管３の外周側面を覆うと共に、両端に下部構造本体側のフランジ８と環流管側のフランジ６とを備えた鉄皮１６を外枠として用い、先に、環流管側のフランジ６に沿って養生面を形成しておく。次いで、プレス成形や鋳込み成形等によって形成した円弧状スリーブ１０を所定の位置に配置し、環流管３の管路４を形作る中子や敷き煉瓦１３の部分の中子を入れて、隙間にキャスタブル（不定形耐火物）を流し込んで充填し、養生、乾燥させて槽底１４を形成する。その際、円弧状スリーブ１０の背面や周方向の端面に予めシートモルタル等を塗布しておき、得られた環流管本体９との間に膨張吸収材を介在させるようにしてもよい。そして、側壁煉瓦１５等を築造して下部構造本体を完成させて、別途形成された浸漬管５を接続すれば、下部構造１を得ることができる。
【００３１】
或いは、環流管３の管路４を形作る中子に円弧状スリーブ１０の形状に相当する部分を設けておき、キャスタブルを流し込んで養生・乾燥させた後に中子を脱枠し、背面及び周方向の端面にモルタルを塗布した円弧状スリーブ１０を挿入してモルタルを乾燥させるようにしてもよい。更には、円弧状スリーブ１０の厚み分だけ全周にわたって大きくした中子を入れてキャスタブルを流し込み、養生・乾燥させた後に中子を脱枠し、一方、円筒状に成形したスリーブを長手方向（縦方向）に２つに分割して得たそれぞれの円弧状スリーブの周方向の端面にモルタルを塗布して、再度円筒状になるように組み合わせ、各円弧状スリーブの背面にモルタルを塗布して所定の位置に挿入するようにしてもよい。勿論、環流管本体９は、キャスタブル以外にも煉瓦を用いて形成することも可能である。
【００３２】
次に、円弧状スリーブの配設位置を決定するにあたって参考にした、熱応力計算による環流管の構造解析について説明する。
先ずは、従来技術の下部構造について、操業時に１つの環流管に掛かる熱応力をその周方向に沿って解析した。すなわち、図１に示した本発明の下部構造において円弧状スリーブ１０を配設せずに、環流管本体９のみによって管路４を形成した場合の下部構造について、管路を形成する環流管本体９の内側（管路側）と外側を、周方向に沿って熱応力を測定した。結果を図４に示す。なお、図４のグラフの横軸は、図５に示したように、上述した仮想線分Ｌと環流管本体９とが交わる位置を角度０°として、股部側からその反対側まで１８０°回転させたものであり、この間で１０°ずつ位置を変えて周方向における熱応力の分布を算出した。また、この算出に際しては有限要素法を用いて、実際の真空脱ガス槽の温度変化データを用いて計算した。
【００３３】
図４に示したグラフから分るように、仮想線分Ｌの中点ｍを挟んで左右両方向に位置する環流管は、互いに最短距離で隣接する位置において（角度＝０°）、環流管本体９の外側には約１２０ＭＰａの引張応力が発生し、そこから周方向に４５°の角度を有した位置で１５０ＭＰａを超えて引張応力が最大になる。更に周方向に角度６０°を有する位置までは高い値で引張応力が発生し、そして、周方向に沿って回転させるにつれて徐々に引張応力は低減し、角度１２０°付近でほぼ値はゼロになる。これに対して、環流管本体９の内側（管路側）には、外側に掛かる引張応力の関係と正反対のように、角度６０°の位置あたりまでは高い値で圧縮応力が発生し、それ以降は徐々に圧縮応力は少なくなり１２０°付近でほぼ一定になる。
【００３４】
このような熱応力計算による環流管の構造解析に基づき、本発明では、仮想線分Ｌを挟んで少なくとも±４５°の中心角度を有した円弧領域に対応させて円弧状スリーブを配設し、好ましくは仮想線分Ｌを挟んで±６０°の中心角度を有した円弧領域に対応させて円弧状スリーブを配設して環流管の耐久性を高めるようにする。
【００３５】
そこで、横断面における中心角度が１８０°の円弧状スリーブ１０を図２に示した位置関係となるように、モルタルを介して環流管本体９に嵌め合わせて本発明の下部構造１とし、この円弧状スリーブ１０の背面（外側面）における周方向の熱応力分布を測定した。結果を図６に示す。なお、測定環境や測定条件については先の場合と同様であるが、測定範囲は図５に示した０°〜９０°である（中心角度が１８０°の円弧状スリーブのため）。また、この測定において使用した円弧状スリーブは、静水圧加圧成形によって厚み２００ｍｍの円筒状成形品を得て、これを縦方向に２つに分割したものである。
【００３６】
図６のグラフから分るように、円弧状スリーブ１０の背面は周方向の全ての範囲で引張応力が発生しないことが分る。すなわち、先に説明した環流管本体９の外側で発生した引張応力は、円弧状スリーブ１０に対してほぼ伝達されないことから、仮に環流管本体９の外側でひび割れや亀裂が発生したとしても、円弧状スリーブ１０ではこれを食い止めることができる。また、この円弧状スリーブ１０の稼動面（内側面）での熱応力分布についても測定したところ、図６と略同様の結果が得られたことから、円弧状スリーブ１０自体が割れてしまうような深刻な応力ひずみを受けるようなおそれもない。
【実施例】
【００３７】
次に、本発明の実施例及び比較例を説明する。なお、以下では、１チャージあたり３９０トンの溶鋼を環流できるＲＨ式の真空脱ガス装置の下部構造を形成した。また、環流管３の製造にあたっては、先に述べたように、両端に下部構造本体側のフランジ８と環流管側のフランジ６とを備えた鉄皮１６を外枠として用い、予め、環流管側のフランジ６に沿って養生面を形成しておいた。
【００３８】
［実施例１］
先ず、９質量％黒鉛を含んだＭｇＯ−Ｃ粉体を用いて、１０００ｋｇ／ｃｍ2の圧力による静水圧成形によって、内径φ７００ｍｍ×外径φ１０９０ｍｍ×高さ１０４０ｍｍの円筒形の成形品を準備した。脱枠後、この円筒形成形品をダイヤモンドカッターにて縦方向に切断して半円にし、横断面が１８０°の中心角度を有した円弧状スリーブを得た。
【００３９】
得られた２つの円弧状スリーブは特に研磨等をせずに無加工のまま、それぞれの背面と周方向の端面とに厚さ２ｍｍで塩基性のモルタルを塗布し（膨張代）、図１及び図２に示したような位置関係になるように円弧状スリーブを配置して、それぞれ外径７００ｍｍの中子を入れて隙間にＡｌ2Ｏ3−ＭｇＯ系キャスタブルを流し込んだ。養生・乾燥後、ＭｇＯ−Ｃｒ2Ｏ3質の側壁煉瓦を内張りするなどして下部構造本体を形成し、また、別途用意した浸漬管を環流管側に取り付けて、実施例１に係る下部構造を完成させた。
【００４０】
上記で得られた下部構造を備えたＲＨ式真空脱ガス装置を使って、溶鋼の二次精錬で実機操業した。その結果、５５０チャージのところで下部構造本体を形成する側壁煉瓦の残厚が少なくなり、操業を中止した。このとき、２つの環流管ともに、管路を形成する環流管本体と円弧状スリーブの内壁面にはいずれもひび割れや亀裂は確認されなかった。そのため、本発明の下部構造によれば、真空脱ガス装置自体の寿命まで特段の補修等を要さずに使用することも可能になる。
【００４１】
［実施例２］
内径φ６５０ｍｍ×外径φ１１２０ｍｍ×高さ１０４０ｍｍの円筒形の成形品を縦方向に２つに分割して、横断面の中心角度が１８０°の円弧状スリーブを得た。次いで、円弧状スリーブに塩基性モルタルを塗布することなく、鉄皮からなる外枠に２つともそのまま配置した以外は実施例１と同様にして、下部構造を完成させた。
【００４２】
上記で得られた下部構造を備えたＲＨ式真空脱ガス装置を使って、実施例１と同様に実機操業したところ、３５０チャージを過ぎても環流管の管路にひび割れや亀裂が入ることはなかったが、５００チャージのところで円弧状スリーブのほぼ中央に長手方向に向かった亀裂が顕在化し、操業を中止した。
【００４３】
［実施例３］
円弧状スリーブに塩基性モルタルを塗布することなく、鉄皮からなる外枠に２つともそのまま配置した以外は実施例１と同様にして、下部構造を完成させた。
【００４４】
上記で得られた下部構造を備えたＲＨ式真空脱ガス装置を使って、実施例１と同様に実機操業したところ、３５０チャージを過ぎても環流管の管路にひび割れや亀裂が入ることはなかったが、４５０チャージのところで円弧状スリーブのほぼ中央に長手方向に向かった亀裂が顕在化し、操業を中止した。
【００４５】
［実施例４］
実施例１で使用したものと同じサイズの円弧状スリーブを、それぞれ直接オイルプレス機を用いて成形圧２５００トンで成形した。得られた円弧状スリーブの背面と周方向の端面とにそれぞれ厚さ２ｍｍで塩基性のモルタルを塗布し（膨張代）、実施例１と同様にして環流管及び下部構造本体を形成し、浸漬管を取り付けて下部構造を完成させた。
【００４６】
上記で得られた下部構造を備えたＲＨ式真空脱ガス装置を使って、溶鋼の二次精錬で実機操業した。その結果、３５０チャージを過ぎても環流管の管路にひび割れや亀裂が入ることはなかったが、４８０チャージのところで環流管の管路における円弧状スリーブの内壁面の残厚が少なくなり、２つの管路の中心点を結んだ仮想線分Ｌを挟んで両方向におよそ４５°の中心角度を有した部分に損耗が確認され、操業を中止した。
【００４７】
［実施例５］
実施例１で使用したものと同じサイズの円弧状スリーブをＡｌ2Ｏ3−ＭｇＯのプレキャスト品にかえた以外は実施例１と同様にして、下部構造を完成させた。
【００４８】
得られた下部構造を備えたＲＨ式真空脱ガス装置を使って、実施例１と同様に実機操業したところ、３５０チャージを過ぎても環流管の管路にひび割れや亀裂が入ることはなかったが、３８０チャージのところで、円弧状スリーブの内壁面の残厚が少なくなり、２つの管路の中心点を結んだ仮想線分Ｌを挟んで両方向におよそ４５°の中心角度を有した部分にひび割れや亀裂が確認され、操業を中止した。
【００４９】
［実施例６］
実施例1と同様にして成形した内径φ７００ｍｍ×外径φ１０９０ｍｍ×高さ１０４０ｍｍの円筒形の成形品を縦方向３つに切断して横断面が１２０°の中心角度を有した円弧状スリーブを得た。得られた円弧状スリーブの２つを用いて、背面と周方向の端面とにそれぞれ厚さ２ｍｍで塩基性のモルタルを塗布した（膨張代）。そして、環流管Ｐ2を形成する円弧状スリーブの周方向の両端部について、図３に示す線分ＬとＡ2とのなす角度ｍＯ2Ａ2を５０°とし、もう一方の線分ＬとＢ2とのなす角ｍＯ2Ｂ2を７０°として配置した。また、環流管Ｐ1を形成する円弧状スリーブの周方向の両端部についても同様に、線分ＬとＡ1とのなす角度ｍＯ1Ａ1を５０°とし、もう一方の線分ＬとＢ1とのなす角ｍＯ1Ｂ1を７０°として配置した。これら以外は実施例１と同様にして環流管及び下部構造本体を形成し、浸漬管を取り付けて下部構造を完成させた。
【００５０】
上記で得られた下部構造を備えたＲＨ式真空脱ガス装置を使って、実施例１と同様に実機操業したところ、５５０チャージのところで下部構造本体を形成する側壁煉瓦の残厚が少なくなり、操業を中止した。このとき、２つの環流管ともに、管路を形成する環流管本体と円弧状スリーブの内壁面にはいずれもひび割れや亀裂は確認されず、真空脱ガス装置自体の寿命まで特段の補修等を要さずに使用することも可能である。
【００５１】
［比較例１］
円弧状スリーブを配設せずに、２つの環流管ともにＡｌ2Ｏ3−ＭｇＯ系キャスタブルを流し込んで管路を形成した以外は実施例１と同様にして、下部構造を完成させた。得られた下部構造を備えたＲＨ式真空脱ガス装置を使って、溶鋼の二次精錬で実機操業したところ、３５０チャージのところで両方の環流管ともに股部付近で管路に複数の亀裂が確認され、なかでも、２つの管路の中心点を結んだ仮想線分Ｌを挟んで両方向におよそ４５°の中心角度を有したところには比較的大きな亀裂が入ったことから、操業を中止した。
【００５２】
［比較例２］
内径φ７００ｍｍ×外径φ１０９０ｍｍ×高さ１０４０ｍｍの円筒形の成形品を縦方向に分割せずに、円筒形スリーブのままで管路を形成するようにした。すなわち、上記円筒形スリーブの背面に厚さ２ｍｍで塩基性のモルタルを塗布し（膨張代）、鉄皮からなる外枠にそのまま配置して２つの環流管を形成した以外は実施例１と同様にして、下部構造を完成させた。
【００５３】
上記で得られた下部構造を備えたＲＨ式真空脱ガス装置を使って、実施例１と同様に実機操業したところ、３５０チャージを過ぎても環流管の管路にひび割れや亀裂が入ることはなかったが、４３０チャージのところで円筒状スリーブの複数個所にランダムに長手方向に向かった亀裂が顕在化し、操業を中止した。
【００５４】
上記実施例及び比較例の内容をまとめると以下の表１のとおりである。
【００５５】
【表１】
【符号の説明】
【００５６】
１：下部構造、２：下部構造本体、３：環流管、４：管路（環流管）、５：浸漬管、６：フランジ（環流管）、７：フランジ（浸漬管）、８：フランジ（下部構造本体）、９：環流管本体、１０：円弧状スリーブ、１１：管路（浸漬管）、１２：浸漬管本体、１３：敷き煉瓦、１４：槽底、１５：側壁煉瓦、１６：鉄皮。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融金属の通過する管路を有した環流管を２つ備えた真空脱ガス装置の下部構造であって、
前記各環流管は、環流管本体と横断面が９０°以上１８０°以下の中心角度を有した円弧状のスリーブとを備えると共に、これらが互いに相補的な形状を有して環流管本体の一部に円弧状スリーブが嵌め合わされ、環流管本体の内壁面と円弧状スリーブの内壁面とによって管路を形成しており、かつ、
２つの環流管の横断面において、一方の環流管Ｐ1の管路の中心点Ｏ1と他方の環流管Ｐ2の管路の中心点Ｏ2とを結んで仮想線分Ｌとしたとき、環流管Ｐ1に配設された円弧状スリーブＳ1の周方向における両方の端部は、いずれも仮想線分Ｌを基準にして中心点Ｏ1における角度が４５°以上となる位置に存在すると共に、環流管Ｐ2に配設された円弧状スリーブＳ2の周方向における両方の端部は、いずれも仮想線分Ｌを基準にして中心点Ｏ2における角度が４５°以上となる位置に存在することを特徴とする、真空脱ガス装置の下部構造。
【請求項２】
前記環流管本体との間に膨張吸収材を介在させて円弧状スリーブが嵌め合わされている、請求項１に記載の真空脱ガス装置の下部構造。
【請求項３】
前記円弧状スリーブが少なくとも厚さ７０ｍｍを有する、請求項１又は２に記載の真空脱ガス装置の下部構造。
【請求項４】
前記円弧状スリーブが静水圧加圧成形によって得られたものである、請求項１〜３のいずれかに記載の真空脱ガス装置の下部構造。
【請求項１】
溶融金属の通過する管路を有した環流管を２つ備えた真空脱ガス装置の下部構造であって、
前記各環流管は、環流管本体と横断面が９０°以上１８０°以下の中心角度を有した円弧状のスリーブとを備えると共に、これらが互いに相補的な形状を有して環流管本体の一部に円弧状スリーブが嵌め合わされ、環流管本体の内壁面と円弧状スリーブの内壁面とによって管路を形成しており、かつ、
２つの環流管の横断面において、一方の環流管Ｐ1の管路の中心点Ｏ1と他方の環流管Ｐ2の管路の中心点Ｏ2とを結んで仮想線分Ｌとしたとき、環流管Ｐ1に配設された円弧状スリーブＳ1の周方向における両方の端部は、いずれも仮想線分Ｌを基準にして中心点Ｏ1における角度が４５°以上となる位置に存在すると共に、環流管Ｐ2に配設された円弧状スリーブＳ2の周方向における両方の端部は、いずれも仮想線分Ｌを基準にして中心点Ｏ2における角度が４５°以上となる位置に存在することを特徴とする、真空脱ガス装置の下部構造。
【請求項２】
前記環流管本体との間に膨張吸収材を介在させて円弧状スリーブが嵌め合わされている、請求項１に記載の真空脱ガス装置の下部構造。
【請求項３】
前記円弧状スリーブが少なくとも厚さ７０ｍｍを有する、請求項１又は２に記載の真空脱ガス装置の下部構造。
【請求項４】
前記円弧状スリーブが静水圧加圧成形によって得られたものである、請求項１〜３のいずれかに記載の真空脱ガス装置の下部構造。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−８２９６９（Ｐ２０１３−８２９６９Ａ）
【公開日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２３６７１（Ｐ２０１１−２２３６７１）
【出願日】平成２３年１０月１１日（２０１１．１０．１１）
【出願人】（０００００６６５５）新日鐵住金株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月１１日（２０１１．１０．１１）
【出願人】（０００００６６５５）新日鐵住金株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
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