絞り部を有する精錬容器の耐火物施工構造
【課題】 絞り部を有する精錬容器の耐火物施工構造において、施工に費やす費用を増大させることなく、機械的要因による耐火物の損傷を軽減することのできる耐火物施工構造を提供する。
【解決手段】 本発明の絞り部を有する精錬容器の耐火物施工構造は、容器の外側から、少なくとも、鉄皮２、永久耐火物３、ワーク耐火物４の３層をこの順に有する精錬容器１の耐火物施工構造であって、ワーク耐火物４として黒鉛を含有する成形煉瓦を使用し、当該成形煉瓦を積み上げていく際に、少なくとも精錬容器の絞り部においては、前記成形煉瓦を、当該成形煉瓦の動的弾性率の高位な面が精錬容器の円周方向を向くように施工する。
【解決手段】 本発明の絞り部を有する精錬容器の耐火物施工構造は、容器の外側から、少なくとも、鉄皮２、永久耐火物３、ワーク耐火物４の３層をこの順に有する精錬容器１の耐火物施工構造であって、ワーク耐火物４として黒鉛を含有する成形煉瓦を使用し、当該成形煉瓦を積み上げていく際に、少なくとも精錬容器の絞り部においては、前記成形煉瓦を、当該成形煉瓦の動的弾性率の高位な面が精錬容器の円周方向を向くように施工する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、転炉、ＡＯＤ炉、混銑車などの絞り部を有する精錬容器の耐火物施工構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
溶銑の脱炭精錬に使用される転炉などの精錬容器は、一般的に、その外側から、鉄皮、永久耐火物、ワーク耐火物をこの順に有する構造となっている。また、鉄皮と永久耐火物との間、或いは、永久耐火物とワーク耐火物との間に更に断熱材を有する場合もある。施工される耐火物が成形煉瓦の場合には、永久耐火物を「永久煉瓦」とも呼び、同様に、ワーク耐火物を「ワーク煉瓦」とも呼んでいる。
【０００３】
精錬容器におけるワーク耐火物の損傷要因を大別すると、スラグと耐火物との反応のような化学的要因と、構造的スポーリング、熱的スポーリングまたは機械的スポーリングのような機械的要因の２つに大別される。このうち、機械的要因による耐火物の損傷の一つに、耐火物内に発生する応力（熱応力）によって起こる損傷が在ることが知られており、特に、構造上から機械的要因による損傷が大きい、精錬容器の絞り部について、ワーク耐火物の積み構造を改善することによって発生する熱応力を緩和させ、耐火物の損傷を抑制する方法が提案されている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、精錬容器を正立させたとき、絞り部にワーク煉瓦として施工する成形煉瓦の厚み方向中心軸が当該精錬容器の水平横断面よりも上側を向くように、成形煉瓦を積み上げた施工構造（この構造を「逆傾斜ライニング」と称す）が提案されている。更に、特許文献２には、絞り部のみならず、絞り部の下方の直胴部、更にはその下方の下部コーナー部まで逆傾斜ライニング構造とする耐火物施工構造が提案されている。特許文献１及び特許文献２によれば、使用中に成形煉瓦の膨張による応力集中が生じず、成形煉瓦の割れ防止が図られ、更に、絞り部の成形煉瓦間に隙間が生じることがないので、安定操業が可能になり、炉寿命が大幅に向上するとしている。
【０００５】
しかしながら、逆傾斜ライニング構造においては、応力の緩和は達成されるものの、逆傾斜部の成形煉瓦ですべりが発生し、稼動中における成形煉瓦の脱落を招きかねない。更に、成形煉瓦のすべり及び炉の軸方向（円周方向と直交する方向）に発生する応力により、所謂、曲げ変形を起こす可能性もある。これらを考えれば、逆傾斜ライニング構造は必ずしも優れた耐火物施工構造とはいえない。
【０００６】
また特許文献３には、転炉の鉄皮とワーク煉瓦との間に不定形耐火物を流し込み施工する転炉絞り部の耐火物施工構造において、前記ワーク煉瓦と不定形耐火物との間に間隙を設けた耐火物施工構造が提案されている。特許文献３によれば、炉内の熱サイクルによるワーク煉瓦の膨張・収縮を前記間隙で完全に吸収することができ、従って、ワーク煉瓦と不定形耐火物との膨張差原因による亀裂が無くなり、ワーク煉瓦の脱落が減少するとしている。
【０００７】
しかしながら、この方法では、ワーク煉瓦の膨張による競り合いは、形成させた間隙によって吸収できるが、個々のワーク煉瓦に作用する応力の緩和及び煉瓦の耐久性まで考慮した耐火物施工構造とはなっていない。また、不定形耐火物を転炉などの大型設備で流し込み施工する場合には、容器に対応した大型の中子、型枠の段取りなどが必要で、施工費用が増大する可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−２００８２４号公報
【特許文献２】特開２００９−１０８３６３号公報
【特許文献３】特開２００９−１６７４６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、転炉、ＡＯＤ炉、混銑車などの絞り部を有し、ワーク耐火物として黒鉛を含有する成形煉瓦を施工する精錬容器の耐火物施工構造において、施工費用を増大させることなく、機械的要因による耐火物の損傷を軽減することのできる耐火物施工構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するための第１の発明に係る絞り部を有する精錬容器の耐火物施工構造は、精錬容器の外側から、少なくとも、鉄皮、永久耐火物、ワーク耐火物の３層をこの順に有する精錬容器の耐火物施工構造であって、ワーク耐火物として黒鉛を含有する成形煉瓦を使用し、当該成形煉瓦を積み上げていく際に、少なくとも精錬容器の絞り部においては、前記成形煉瓦を、当該成形煉瓦の動的弾性率の高位な面が精錬容器の円周方向を向くように施工することを特徴とする。
【００１１】
第２の発明に係る絞り部を有する精錬容器の耐火物施工構造は、第１の発明において、前記成形煉瓦を、当該成形煉瓦のプレス成形時のプレス成形面が精錬容器の円周方向に対して直行する方向を向くように施工することを特徴とする。
【００１２】
第３の発明に係る絞り部を有する精錬容器の耐火物施工構造は、第１または第２の発明において、前記成形煉瓦は、精錬容器の円周方向及び円周方向と直行する方向に隣り合う成形煉瓦との境界に段差がないように施工されていることを特徴とする。
【００１３】
第４の発明に係る絞り部を有する精錬容器の耐火物施工構造は、第１ないし第３の発明の何れかにおいて、前記精錬容器が、絞り部の範囲内に出湯口を有する転炉型精錬容器であって、転炉型精錬容器の炉口から炉底の鉄皮外面までの距離Ｘ（ｍ）に対して炉口から鉄皮での出湯口中心位置までの距離Ｙ（ｍ）が、下記の（１）式の範囲を満たすことを特徴とする。
０．２２＜Ｙ／Ｘ…（１）
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、絞り部を有する精錬容器の耐火物施工構造において、耐火物に作用する熱応力として円周方向の応力が支配的であるワーク耐火物のうちで、少なくとも、他の部位よりもワーク耐火物の損傷の大きい絞り部のワーク耐火物は、ワーク耐火物を構成する成形煉瓦が、当該成形煉瓦の動的弾性率の高位な面が精錬容器の円周方向を向くように施工されているので、稼働中に発生する応力によるワーク耐火物の割れを抑制することができ、その結果、施工費用を増大させることなく、機械的要因による耐火物の損傷を軽減することが実現される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】プレス成形時の方向別に動的弾性率を調査したＭｇＯ−黒鉛質成形煉瓦の外観斜視図である。
【図２】耐火物の熱応力計算を行った転炉の耐火物施工構造の概略図である。
【図３】比率Ｙ／Ｘが０．２２でのワーク煉瓦の円周方向応力の計算結果を示す図である。
【図４】比率Ｙ／Ｘが０．２６でのワーク煉瓦の円周方向応力の計算結果を示す図である。
【図５】本発明を適用した転炉の概要図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明を詳細に説明する。
【００１７】
製鋼工程において、鉄皮、永久煉瓦、ワーク煉瓦の３層をこの順に有する転炉では、溶銑の装入、酸素吹錬による溶銑の脱炭精錬、溶製した溶鋼の出鋼からなる一連のプロセスを繰り返して行っている。これに伴い、脱炭反応による熱の発生、及び、排ガスの顕熱による熱流出や鉄皮からの放熱などの熱の放出が繰り返して発生する。このうち、鉄皮から外部に放出する熱は、炉内から永久煉瓦及びワーク煉瓦を通って放出されている。このとき、永久煉瓦、ワーク煉瓦はそれぞれの耐火物に応じた熱伝導率を有することから、炉内から鉄皮表面に亘って温度勾配が生じ、その結果、耐火物にはその温度勾配に起因して熱応力が発生する。この熱応力によるワーク煉瓦の損傷を抑制するためには、熱応力に対応した煉瓦積み構造が重要となる。
【００１８】
そこで、先ず、転炉のワーク煉瓦として一般的に使用されているＭｇＯ−黒鉛質成形煉瓦の動的弾性率を、当該ＭｇＯ−黒鉛質成形煉瓦の成形時の方向別に調査した。尚、ＭｇＯ−黒鉛質成形煉瓦は、電融マグネシアクリンカーなどのＭｇＯ源と黒鉛（グラファイト）とを混合し、混合した原料を型枠に装入し、型枠内でフリクションプレスなどによってプレスされて成形される。この煉瓦成形時に、プレス成形面と平行になるように、黒鉛が配向することが知られている。
【００１９】
図１に、プレス成形時の方向別に動的弾性率を調査したＭｇＯ−黒鉛質成形煉瓦の外観斜視図を示す。このＭｇＯ−黒鉛質成形煉瓦は、横１５０ｍｍ、縦９００ｍｍの矩形の開口部を有する金型に装入された混合原料が図中のｚ方向からプレスされて、９０ｍｍの厚みに成形されたものである。プレス成形時の方向別に調査した動的弾性率を表１に示す。
【００２０】
【表１】
【００２１】
表１に示すように、ｚ方向の動的弾性率が極めて低く、一方、ｘ方向及びｙ方向は同等であり、ｚ方向のおよそ３倍以上の高い値であった。これは、前述したように、プレス成形時の黒鉛の配向により、ｚ方向の動的弾性率が小さくなったものと考えられる。つまり、黒鉛がプレス成形面（図１に示す上面）と平行の方向に層状に並び、これによりｚ方向の動的弾性率が小さくなったと考えられる。
【００２２】
次いで、ＭｇＯ−黒鉛質成形煉瓦をワーク煉瓦とした転炉における耐火物の熱応力計算を行った。図２に、耐火物の熱応力計算を行った、転炉の側壁上部の耐火物施工構造の概略図を示す。図２において、符号２は鉄皮、３は永久煉瓦、４はワーク煉瓦、５は出湯口、６は炉口であり、出湯口５は、鉄皮２が炉口６に向かって漸次狭くなるように絞られた絞り部に配置されている。絞り部の下部は直胴部となっている。図２に示すように、ワーク煉瓦４を、その端面が鉄皮２に対して垂直になるように配置し、表２に示す物性値を用いて定常状態を前提として計算を行った。尚、本計算条件におけるワーク煉瓦／ワーク煉瓦間及びワーク煉瓦／永久煉瓦間の目地部に関し、目地部は空目地であったため、仮想の物性値を与えて計算を行った。
【００２３】
【表２】
【００２４】
計算結果から、ワーク煉瓦に発生する熱応力は、転炉横断面での円周方向の応力が支配的であることが分った。このことから、ＭｇＯ−黒鉛質成形煉瓦をワーク煉瓦として積むときには、動的弾性率が高位な面、つまり、プレス成形面以外の面を円周方向側に配することによって、発生する熱応力によるワーク煉瓦の割れを抑制できることが分った。転炉全体のワーク煉瓦をこのようにして積むことが望ましいが、特に、構造上から機械的要因による損傷が大きい絞り部は、動的弾性率が高位な面を円周方向側に配する必要があることが分った。換言すれば、ワーク煉瓦としてＭｇＯ−黒鉛質成形煉瓦を施工する場合には、プレス成形面が円周方向に対して直行する方向を向くように施工することが好ましい。
【００２５】
また、計算結果から、局所的に熱応力が過大になり、ワーク煉瓦に割れの発生する恐れがあることも分った。これらの部位は、隣り合うワーク煉瓦間に段差が存在する部位に相当した。従って、隣り合うワーク煉瓦間の段差を無くすことにより、段差部に発生する応力（エッジロード）が低減され、ワーク煉瓦端部の損傷を防止できることが分った。
【００２６】
更に、転炉の出湯口の位置を変更したときの熱応力分布についても検討した。転炉を正立（炉口が上を向き、転炉軸が鉛直方向を向いた状態）したとき、炉口から炉底の鉄皮外面までの距離Ｘ（ｍ）に対する、炉口から鉄皮での出湯口中心位置までの距離Ｙ（ｍ）の比率Ｙ／Ｘを０．２２及び０．２６と変更し、そのときの熱応力分布（円周方向応力値）を計算した。図３に比率Ｙ／Ｘが０．２２の場合、図４に比率Ｙ／Ｘが０．２６の場合での円周方向応力の計算結果を示す。
【００２７】
図３及び図４より、比率Ｙ／Ｘが０．２６の方が円周方向応力が低下する結果が得られた。これは、鉄皮の熱膨張及び発生熱応力によって転炉炉体が微小変形するが、比率Ｙ／Ｘが大きくなる、つまり、出湯口の位置を下方に配したときには、その分、周長が長くなり、円周方向応力が緩和されることによる。
【００２８】
更なる検討結果から、円周方向応力の緩和のためには、比率Ｙ／Ｘを０．２２よりも大きくすることが好ましいことが分った。一方、比率Ｙ／Ｘの上限値については、可能な限り大きくすることが好ましいが、転炉形状の制約から出湯口を余り下方に配置することはできず、実機においては、比率Ｙ／Ｘは０．３５以下とすることが好ましい。
【００２９】
本発明は、上記検討結果に基づいてなされたもので、容器の外側から、少なくとも、鉄皮、永久耐火物、ワーク耐火物の３層をこの順に有する精錬容器の耐火物施工構造であって、ワーク耐火物として黒鉛を含有する成形煉瓦を使用し、当該成形煉瓦を積み上げていく際に、少なくとも精錬容器の絞り部においては、前記成形煉瓦を、当該成形煉瓦の動的弾性率の高位な面が精錬容器の円周方向を向くように施工することを特徴とする。
【００３０】
本発明によれば、絞り部を有する精錬容器に耐火物を施工するにあたり、稼動中、煉瓦に作用する熱応力として円周方向の応力が支配的であるワーク煉瓦のうちで、少なくとも、他の部位よりも損傷の大きい絞り部のワーク煉瓦を、当該ワーク煉瓦の動的弾性率の高位な面が精錬容器の円周方向を向くように施工するので、稼働中に発生する応力によるワーク煉瓦の割れを抑制することができ、その結果、施工費用を増大させることなく、機械的要因によるワーク煉瓦の損傷を軽減することが実現される。
【００３１】
尚、ワーク煉瓦として使用する、黒鉛を含有する成形煉瓦としては、上記のＭｇＯ−黒鉛質成形煉瓦が一般的であるが、その他に、Ａｌ2Ｏ3−ＭｇＯ−黒鉛質成形煉瓦、Ａｌ2Ｏ3−黒鉛質成形煉瓦、Ａｌ2Ｏ3−ＳｉＣ−黒鉛質成形煉瓦、ＳｉＣ−黒鉛質成形煉瓦などがある。また、上記説明は転炉について行ったが、本発明の適用は転炉に限るものではなく、絞り部を有する構造である限り、本発明を適用することができる。また、ワーク煉瓦の積み上げ方法として、水平積み、傾斜積み、垂直積みなどがあるが、本発明は何れの積み方であっても適用することができる。
【実施例】
【００３２】
炉容量が３００トンの転炉において本発明を適用した。図５に、本発明を適用した転炉の概要図を示す。図５において、符号１は転炉炉体、２は鉄皮、３は永久煉瓦、４はワーク煉瓦、５ａは鉄皮２における出湯口の中心位置、６は炉口であり、Ｘは、炉口から炉底の鉄皮外面までの距離、Ｙは、炉口から鉄皮での出湯口中心位置までの距離である。ワーク煉瓦は、図２と同様に垂直積みとした（ワーク煉瓦の詳細な施工方法は図２を参照のこと）。表３に、本発明例及び比較例の煉瓦施工条件を示す。
【００３３】
【表３】
【００３４】
本発明例１は、ＭｇＯ−黒鉛質成形煉瓦を、転炉円周方向の動的弾性率が２０ＧＰａ、転炉軸方向の動的弾性率が１５ＧＰａとし、上下左右に隣り合う煉瓦同士で段差が無くなるように積み上げた。出湯口の位置は比率Ｙ／Ｘが０．２３となる位置であった。
【００３５】
本発明例２は、ＭｇＯ−黒鉛質成形煉瓦を、転炉円周方向の動的弾性率が２５ＧＰａ、転炉軸方向の動的弾性率が１８ＧＰａとし、上下左右に隣り合う煉瓦同士で段差が無くなるように積み上げた。出湯口の位置は比率Ｙ／Ｘが０．２６となる位置であった。
【００３６】
比較例１は、ＭｇＯ−黒鉛質成形煉瓦を、転炉円周方向の動的弾性率が１６ＧＰａ、転炉軸方向の動的弾性率が２５ＧＰａとして積み上げた。出湯口の位置は比率Ｙ／Ｘが０．２１となる位置であった。ワーク煉瓦の一部は、上下左右に隣り合う煉瓦同士で段差が発生した。
【００３７】
それぞれの転炉に３００トンの溶銑を装入し、この溶銑を脱炭精錬して溶鋼を溶製し、溶製した溶鋼を取鍋に出湯することを繰り返し実施し、およそ１０００チャージ繰り返し実施した時点で、絞り部に施工したワーク煉瓦の損傷量及び亀裂の有無を調査した。調査結果を表３に併せて示す。
【００３８】
本発明例１及び本発明例２では、絞り部に施工したワーク煉瓦の損傷量は比較例１の２／３程度であり、また、ワーク煉瓦に亀裂も発生せず、本発明の優位性が確認できた。
【符号の説明】
【００３９】
１ 転炉炉体
２ 鉄皮
３ 永久煉瓦
４ ワーク煉瓦
５ 出湯口
６ 炉口
【技術分野】
【０００１】
本発明は、転炉、ＡＯＤ炉、混銑車などの絞り部を有する精錬容器の耐火物施工構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
溶銑の脱炭精錬に使用される転炉などの精錬容器は、一般的に、その外側から、鉄皮、永久耐火物、ワーク耐火物をこの順に有する構造となっている。また、鉄皮と永久耐火物との間、或いは、永久耐火物とワーク耐火物との間に更に断熱材を有する場合もある。施工される耐火物が成形煉瓦の場合には、永久耐火物を「永久煉瓦」とも呼び、同様に、ワーク耐火物を「ワーク煉瓦」とも呼んでいる。
【０００３】
精錬容器におけるワーク耐火物の損傷要因を大別すると、スラグと耐火物との反応のような化学的要因と、構造的スポーリング、熱的スポーリングまたは機械的スポーリングのような機械的要因の２つに大別される。このうち、機械的要因による耐火物の損傷の一つに、耐火物内に発生する応力（熱応力）によって起こる損傷が在ることが知られており、特に、構造上から機械的要因による損傷が大きい、精錬容器の絞り部について、ワーク耐火物の積み構造を改善することによって発生する熱応力を緩和させ、耐火物の損傷を抑制する方法が提案されている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、精錬容器を正立させたとき、絞り部にワーク煉瓦として施工する成形煉瓦の厚み方向中心軸が当該精錬容器の水平横断面よりも上側を向くように、成形煉瓦を積み上げた施工構造（この構造を「逆傾斜ライニング」と称す）が提案されている。更に、特許文献２には、絞り部のみならず、絞り部の下方の直胴部、更にはその下方の下部コーナー部まで逆傾斜ライニング構造とする耐火物施工構造が提案されている。特許文献１及び特許文献２によれば、使用中に成形煉瓦の膨張による応力集中が生じず、成形煉瓦の割れ防止が図られ、更に、絞り部の成形煉瓦間に隙間が生じることがないので、安定操業が可能になり、炉寿命が大幅に向上するとしている。
【０００５】
しかしながら、逆傾斜ライニング構造においては、応力の緩和は達成されるものの、逆傾斜部の成形煉瓦ですべりが発生し、稼動中における成形煉瓦の脱落を招きかねない。更に、成形煉瓦のすべり及び炉の軸方向（円周方向と直交する方向）に発生する応力により、所謂、曲げ変形を起こす可能性もある。これらを考えれば、逆傾斜ライニング構造は必ずしも優れた耐火物施工構造とはいえない。
【０００６】
また特許文献３には、転炉の鉄皮とワーク煉瓦との間に不定形耐火物を流し込み施工する転炉絞り部の耐火物施工構造において、前記ワーク煉瓦と不定形耐火物との間に間隙を設けた耐火物施工構造が提案されている。特許文献３によれば、炉内の熱サイクルによるワーク煉瓦の膨張・収縮を前記間隙で完全に吸収することができ、従って、ワーク煉瓦と不定形耐火物との膨張差原因による亀裂が無くなり、ワーク煉瓦の脱落が減少するとしている。
【０００７】
しかしながら、この方法では、ワーク煉瓦の膨張による競り合いは、形成させた間隙によって吸収できるが、個々のワーク煉瓦に作用する応力の緩和及び煉瓦の耐久性まで考慮した耐火物施工構造とはなっていない。また、不定形耐火物を転炉などの大型設備で流し込み施工する場合には、容器に対応した大型の中子、型枠の段取りなどが必要で、施工費用が増大する可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−２００８２４号公報
【特許文献２】特開２００９−１０８３６３号公報
【特許文献３】特開２００９−１６７４６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、転炉、ＡＯＤ炉、混銑車などの絞り部を有し、ワーク耐火物として黒鉛を含有する成形煉瓦を施工する精錬容器の耐火物施工構造において、施工費用を増大させることなく、機械的要因による耐火物の損傷を軽減することのできる耐火物施工構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するための第１の発明に係る絞り部を有する精錬容器の耐火物施工構造は、精錬容器の外側から、少なくとも、鉄皮、永久耐火物、ワーク耐火物の３層をこの順に有する精錬容器の耐火物施工構造であって、ワーク耐火物として黒鉛を含有する成形煉瓦を使用し、当該成形煉瓦を積み上げていく際に、少なくとも精錬容器の絞り部においては、前記成形煉瓦を、当該成形煉瓦の動的弾性率の高位な面が精錬容器の円周方向を向くように施工することを特徴とする。
【００１１】
第２の発明に係る絞り部を有する精錬容器の耐火物施工構造は、第１の発明において、前記成形煉瓦を、当該成形煉瓦のプレス成形時のプレス成形面が精錬容器の円周方向に対して直行する方向を向くように施工することを特徴とする。
【００１２】
第３の発明に係る絞り部を有する精錬容器の耐火物施工構造は、第１または第２の発明において、前記成形煉瓦は、精錬容器の円周方向及び円周方向と直行する方向に隣り合う成形煉瓦との境界に段差がないように施工されていることを特徴とする。
【００１３】
第４の発明に係る絞り部を有する精錬容器の耐火物施工構造は、第１ないし第３の発明の何れかにおいて、前記精錬容器が、絞り部の範囲内に出湯口を有する転炉型精錬容器であって、転炉型精錬容器の炉口から炉底の鉄皮外面までの距離Ｘ（ｍ）に対して炉口から鉄皮での出湯口中心位置までの距離Ｙ（ｍ）が、下記の（１）式の範囲を満たすことを特徴とする。
０．２２＜Ｙ／Ｘ…（１）
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、絞り部を有する精錬容器の耐火物施工構造において、耐火物に作用する熱応力として円周方向の応力が支配的であるワーク耐火物のうちで、少なくとも、他の部位よりもワーク耐火物の損傷の大きい絞り部のワーク耐火物は、ワーク耐火物を構成する成形煉瓦が、当該成形煉瓦の動的弾性率の高位な面が精錬容器の円周方向を向くように施工されているので、稼働中に発生する応力によるワーク耐火物の割れを抑制することができ、その結果、施工費用を増大させることなく、機械的要因による耐火物の損傷を軽減することが実現される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】プレス成形時の方向別に動的弾性率を調査したＭｇＯ−黒鉛質成形煉瓦の外観斜視図である。
【図２】耐火物の熱応力計算を行った転炉の耐火物施工構造の概略図である。
【図３】比率Ｙ／Ｘが０．２２でのワーク煉瓦の円周方向応力の計算結果を示す図である。
【図４】比率Ｙ／Ｘが０．２６でのワーク煉瓦の円周方向応力の計算結果を示す図である。
【図５】本発明を適用した転炉の概要図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明を詳細に説明する。
【００１７】
製鋼工程において、鉄皮、永久煉瓦、ワーク煉瓦の３層をこの順に有する転炉では、溶銑の装入、酸素吹錬による溶銑の脱炭精錬、溶製した溶鋼の出鋼からなる一連のプロセスを繰り返して行っている。これに伴い、脱炭反応による熱の発生、及び、排ガスの顕熱による熱流出や鉄皮からの放熱などの熱の放出が繰り返して発生する。このうち、鉄皮から外部に放出する熱は、炉内から永久煉瓦及びワーク煉瓦を通って放出されている。このとき、永久煉瓦、ワーク煉瓦はそれぞれの耐火物に応じた熱伝導率を有することから、炉内から鉄皮表面に亘って温度勾配が生じ、その結果、耐火物にはその温度勾配に起因して熱応力が発生する。この熱応力によるワーク煉瓦の損傷を抑制するためには、熱応力に対応した煉瓦積み構造が重要となる。
【００１８】
そこで、先ず、転炉のワーク煉瓦として一般的に使用されているＭｇＯ−黒鉛質成形煉瓦の動的弾性率を、当該ＭｇＯ−黒鉛質成形煉瓦の成形時の方向別に調査した。尚、ＭｇＯ−黒鉛質成形煉瓦は、電融マグネシアクリンカーなどのＭｇＯ源と黒鉛（グラファイト）とを混合し、混合した原料を型枠に装入し、型枠内でフリクションプレスなどによってプレスされて成形される。この煉瓦成形時に、プレス成形面と平行になるように、黒鉛が配向することが知られている。
【００１９】
図１に、プレス成形時の方向別に動的弾性率を調査したＭｇＯ−黒鉛質成形煉瓦の外観斜視図を示す。このＭｇＯ−黒鉛質成形煉瓦は、横１５０ｍｍ、縦９００ｍｍの矩形の開口部を有する金型に装入された混合原料が図中のｚ方向からプレスされて、９０ｍｍの厚みに成形されたものである。プレス成形時の方向別に調査した動的弾性率を表１に示す。
【００２０】
【表１】
【００２１】
表１に示すように、ｚ方向の動的弾性率が極めて低く、一方、ｘ方向及びｙ方向は同等であり、ｚ方向のおよそ３倍以上の高い値であった。これは、前述したように、プレス成形時の黒鉛の配向により、ｚ方向の動的弾性率が小さくなったものと考えられる。つまり、黒鉛がプレス成形面（図１に示す上面）と平行の方向に層状に並び、これによりｚ方向の動的弾性率が小さくなったと考えられる。
【００２２】
次いで、ＭｇＯ−黒鉛質成形煉瓦をワーク煉瓦とした転炉における耐火物の熱応力計算を行った。図２に、耐火物の熱応力計算を行った、転炉の側壁上部の耐火物施工構造の概略図を示す。図２において、符号２は鉄皮、３は永久煉瓦、４はワーク煉瓦、５は出湯口、６は炉口であり、出湯口５は、鉄皮２が炉口６に向かって漸次狭くなるように絞られた絞り部に配置されている。絞り部の下部は直胴部となっている。図２に示すように、ワーク煉瓦４を、その端面が鉄皮２に対して垂直になるように配置し、表２に示す物性値を用いて定常状態を前提として計算を行った。尚、本計算条件におけるワーク煉瓦／ワーク煉瓦間及びワーク煉瓦／永久煉瓦間の目地部に関し、目地部は空目地であったため、仮想の物性値を与えて計算を行った。
【００２３】
【表２】
【００２４】
計算結果から、ワーク煉瓦に発生する熱応力は、転炉横断面での円周方向の応力が支配的であることが分った。このことから、ＭｇＯ−黒鉛質成形煉瓦をワーク煉瓦として積むときには、動的弾性率が高位な面、つまり、プレス成形面以外の面を円周方向側に配することによって、発生する熱応力によるワーク煉瓦の割れを抑制できることが分った。転炉全体のワーク煉瓦をこのようにして積むことが望ましいが、特に、構造上から機械的要因による損傷が大きい絞り部は、動的弾性率が高位な面を円周方向側に配する必要があることが分った。換言すれば、ワーク煉瓦としてＭｇＯ−黒鉛質成形煉瓦を施工する場合には、プレス成形面が円周方向に対して直行する方向を向くように施工することが好ましい。
【００２５】
また、計算結果から、局所的に熱応力が過大になり、ワーク煉瓦に割れの発生する恐れがあることも分った。これらの部位は、隣り合うワーク煉瓦間に段差が存在する部位に相当した。従って、隣り合うワーク煉瓦間の段差を無くすことにより、段差部に発生する応力（エッジロード）が低減され、ワーク煉瓦端部の損傷を防止できることが分った。
【００２６】
更に、転炉の出湯口の位置を変更したときの熱応力分布についても検討した。転炉を正立（炉口が上を向き、転炉軸が鉛直方向を向いた状態）したとき、炉口から炉底の鉄皮外面までの距離Ｘ（ｍ）に対する、炉口から鉄皮での出湯口中心位置までの距離Ｙ（ｍ）の比率Ｙ／Ｘを０．２２及び０．２６と変更し、そのときの熱応力分布（円周方向応力値）を計算した。図３に比率Ｙ／Ｘが０．２２の場合、図４に比率Ｙ／Ｘが０．２６の場合での円周方向応力の計算結果を示す。
【００２７】
図３及び図４より、比率Ｙ／Ｘが０．２６の方が円周方向応力が低下する結果が得られた。これは、鉄皮の熱膨張及び発生熱応力によって転炉炉体が微小変形するが、比率Ｙ／Ｘが大きくなる、つまり、出湯口の位置を下方に配したときには、その分、周長が長くなり、円周方向応力が緩和されることによる。
【００２８】
更なる検討結果から、円周方向応力の緩和のためには、比率Ｙ／Ｘを０．２２よりも大きくすることが好ましいことが分った。一方、比率Ｙ／Ｘの上限値については、可能な限り大きくすることが好ましいが、転炉形状の制約から出湯口を余り下方に配置することはできず、実機においては、比率Ｙ／Ｘは０．３５以下とすることが好ましい。
【００２９】
本発明は、上記検討結果に基づいてなされたもので、容器の外側から、少なくとも、鉄皮、永久耐火物、ワーク耐火物の３層をこの順に有する精錬容器の耐火物施工構造であって、ワーク耐火物として黒鉛を含有する成形煉瓦を使用し、当該成形煉瓦を積み上げていく際に、少なくとも精錬容器の絞り部においては、前記成形煉瓦を、当該成形煉瓦の動的弾性率の高位な面が精錬容器の円周方向を向くように施工することを特徴とする。
【００３０】
本発明によれば、絞り部を有する精錬容器に耐火物を施工するにあたり、稼動中、煉瓦に作用する熱応力として円周方向の応力が支配的であるワーク煉瓦のうちで、少なくとも、他の部位よりも損傷の大きい絞り部のワーク煉瓦を、当該ワーク煉瓦の動的弾性率の高位な面が精錬容器の円周方向を向くように施工するので、稼働中に発生する応力によるワーク煉瓦の割れを抑制することができ、その結果、施工費用を増大させることなく、機械的要因によるワーク煉瓦の損傷を軽減することが実現される。
【００３１】
尚、ワーク煉瓦として使用する、黒鉛を含有する成形煉瓦としては、上記のＭｇＯ−黒鉛質成形煉瓦が一般的であるが、その他に、Ａｌ2Ｏ3−ＭｇＯ−黒鉛質成形煉瓦、Ａｌ2Ｏ3−黒鉛質成形煉瓦、Ａｌ2Ｏ3−ＳｉＣ−黒鉛質成形煉瓦、ＳｉＣ−黒鉛質成形煉瓦などがある。また、上記説明は転炉について行ったが、本発明の適用は転炉に限るものではなく、絞り部を有する構造である限り、本発明を適用することができる。また、ワーク煉瓦の積み上げ方法として、水平積み、傾斜積み、垂直積みなどがあるが、本発明は何れの積み方であっても適用することができる。
【実施例】
【００３２】
炉容量が３００トンの転炉において本発明を適用した。図５に、本発明を適用した転炉の概要図を示す。図５において、符号１は転炉炉体、２は鉄皮、３は永久煉瓦、４はワーク煉瓦、５ａは鉄皮２における出湯口の中心位置、６は炉口であり、Ｘは、炉口から炉底の鉄皮外面までの距離、Ｙは、炉口から鉄皮での出湯口中心位置までの距離である。ワーク煉瓦は、図２と同様に垂直積みとした（ワーク煉瓦の詳細な施工方法は図２を参照のこと）。表３に、本発明例及び比較例の煉瓦施工条件を示す。
【００３３】
【表３】
【００３４】
本発明例１は、ＭｇＯ−黒鉛質成形煉瓦を、転炉円周方向の動的弾性率が２０ＧＰａ、転炉軸方向の動的弾性率が１５ＧＰａとし、上下左右に隣り合う煉瓦同士で段差が無くなるように積み上げた。出湯口の位置は比率Ｙ／Ｘが０．２３となる位置であった。
【００３５】
本発明例２は、ＭｇＯ−黒鉛質成形煉瓦を、転炉円周方向の動的弾性率が２５ＧＰａ、転炉軸方向の動的弾性率が１８ＧＰａとし、上下左右に隣り合う煉瓦同士で段差が無くなるように積み上げた。出湯口の位置は比率Ｙ／Ｘが０．２６となる位置であった。
【００３６】
比較例１は、ＭｇＯ−黒鉛質成形煉瓦を、転炉円周方向の動的弾性率が１６ＧＰａ、転炉軸方向の動的弾性率が２５ＧＰａとして積み上げた。出湯口の位置は比率Ｙ／Ｘが０．２１となる位置であった。ワーク煉瓦の一部は、上下左右に隣り合う煉瓦同士で段差が発生した。
【００３７】
それぞれの転炉に３００トンの溶銑を装入し、この溶銑を脱炭精錬して溶鋼を溶製し、溶製した溶鋼を取鍋に出湯することを繰り返し実施し、およそ１０００チャージ繰り返し実施した時点で、絞り部に施工したワーク煉瓦の損傷量及び亀裂の有無を調査した。調査結果を表３に併せて示す。
【００３８】
本発明例１及び本発明例２では、絞り部に施工したワーク煉瓦の損傷量は比較例１の２／３程度であり、また、ワーク煉瓦に亀裂も発生せず、本発明の優位性が確認できた。
【符号の説明】
【００３９】
１ 転炉炉体
２ 鉄皮
３ 永久煉瓦
４ ワーク煉瓦
５ 出湯口
６ 炉口
【特許請求の範囲】
【請求項１】
精錬容器の外側から、少なくとも、鉄皮、永久耐火物、ワーク耐火物の３層をこの順に有する精錬容器の耐火物施工構造であって、ワーク耐火物として黒鉛を含有する成形煉瓦を使用し、当該成形煉瓦を積み上げていく際に、少なくとも精錬容器の絞り部においては、前記成形煉瓦を、当該成形煉瓦の動的弾性率の高位な面が精錬容器の円周方向を向くように施工することを特徴とする、絞り部を有する精錬容器の耐火物施工構造。
【請求項２】
前記成形煉瓦を、当該成形煉瓦のプレス成形時のプレス成形面が精錬容器の円周方向に対して直行する方向を向くように施工することを特徴とする、請求項１に記載の絞り部を有する精錬容器の耐火物施工構造。
【請求項３】
前記成形煉瓦は、精錬容器の円周方向及び円周方向と直行する方向に隣り合う成形煉瓦との境界に段差がないように施工されていることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の絞り部を有する精錬容器の耐火物施工構造。
【請求項４】
前記精錬容器が、絞り部の範囲内に出湯口を有する転炉型精錬容器であって、転炉型精錬容器の炉口から炉底の鉄皮外面までの距離Ｘ（ｍ）に対して炉口から鉄皮での出湯口中心位置までの距離Ｙ（ｍ）が、下記の（１）式の範囲を満たすことを特徴とする、請求項１ないし請求項３の何れか１項に記載の絞り部を有する精錬容器の耐火物施工構造。
０．２２＜Ｙ／Ｘ…（１）
【請求項１】
精錬容器の外側から、少なくとも、鉄皮、永久耐火物、ワーク耐火物の３層をこの順に有する精錬容器の耐火物施工構造であって、ワーク耐火物として黒鉛を含有する成形煉瓦を使用し、当該成形煉瓦を積み上げていく際に、少なくとも精錬容器の絞り部においては、前記成形煉瓦を、当該成形煉瓦の動的弾性率の高位な面が精錬容器の円周方向を向くように施工することを特徴とする、絞り部を有する精錬容器の耐火物施工構造。
【請求項２】
前記成形煉瓦を、当該成形煉瓦のプレス成形時のプレス成形面が精錬容器の円周方向に対して直行する方向を向くように施工することを特徴とする、請求項１に記載の絞り部を有する精錬容器の耐火物施工構造。
【請求項３】
前記成形煉瓦は、精錬容器の円周方向及び円周方向と直行する方向に隣り合う成形煉瓦との境界に段差がないように施工されていることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の絞り部を有する精錬容器の耐火物施工構造。
【請求項４】
前記精錬容器が、絞り部の範囲内に出湯口を有する転炉型精錬容器であって、転炉型精錬容器の炉口から炉底の鉄皮外面までの距離Ｘ（ｍ）に対して炉口から鉄皮での出湯口中心位置までの距離Ｙ（ｍ）が、下記の（１）式の範囲を満たすことを特徴とする、請求項１ないし請求項３の何れか１項に記載の絞り部を有する精錬容器の耐火物施工構造。
０．２２＜Ｙ／Ｘ…（１）
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−６７３５３（Ｐ２０１２−６７３５３Ａ）
【公開日】平成２４年４月５日（２０１２．４．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２１２９７２（Ｐ２０１０−２１２９７２）
【出願日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月５日（２０１２．４．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【Ｆターム（参考）】
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