JP2009046756A - ガス吹込みプラグ - Google Patents

Abstract

【課題】断面形状を変化させることによって多孔質耐火物層のガス流通性が損なわれというおそれが低減されていると共に、効率的に溶融金属中にガスを吹き込むことができるガス吹込みプラグを提供する。
【解決手段】ガス吹込みプラグは、多孔質耐火物層５及び多孔質耐火物層に底部側で接続されたガス供給管を備え、多孔質耐火物層はガス供給管に接続された略載頭四角錘形状の第一多孔質部１０と、第一多孔質部から接着層を介することなく連設された略載頭円錐形状の第二多孔質部２０とを具備し、第一多孔質部の気孔率は第二多孔質部の気孔率以上であり、第一多孔質部において底部端面１１は第二多孔質部との境界の第一境界部端面１２より面積が大であると共に、第二多孔質部において第一多孔質部との境界の第二境界部端面２１は反対側の先端部端面２２より面積が大であり、第一境界部端面の対角線の長さは第二境界部端面の直径と略等しいものとされている。
【選択図】図２

Description

本発明は、製鋼プロセスにおいて溶融金属中にガスを吹込むために使用されるガス吹込みプラグに関するものである。

製鋼プロセスでは、溶融金属の撹拌、温度調整、非金属成分の除去反応の促進等のために、ガス流通性を有する耐火物を用いたガス吹込みプラグを取鍋の底部等に取付け、アルゴンや窒素などのガスを溶融金属中に吹込む処理が行われる。このガス吹込みプラグは、先端が溶融金属に接触することに加え、ガスの流通経路となる空孔を介して耐火物内部まで溶融金属が浸入することから、取鍋の内張りの耐火物に比べて溶融金属による浸食・損耗が激しい。そのため、溶融金属が取鍋外に漏出するという重大な事故を回避するためには、損耗が著しく進行する前に、新しいガス吹込みプラグに交換することが必要となる。しかしながら、溶融金属の漏出を恐れるあまりに早期にガス吹込みプラグの交換を行うのでは、資源的、労力的、経済的に無駄が大きい。

そこで、従来、図５に示すように、多孔質耐火レンガを断面形状が途中で変化するように形成したガス吹込みプラグ１００が提案され、実施されている（例えば、特許文献１参照）。図示した例では、ガスを透過させる多孔質耐火レンガ１１０は、四角柱形状の部分１１１と載頭円錐形状の部分１１２とが組み合わされた形状をしており、この多孔質耐火レンガ１１０の底部には鉄皮１０９を介してガス吹き込みプラグ１００にガスを供給するガス供給管１０８が取り付けられている。また、多孔質耐火レンガ１１０の外周には、緻密質耐火物層１０６が形成されている。

かかる構成のガス吹き込みプラグ１００では、取鍋から溶融金属を排出した際、まだ赤熱している緻密質耐火物層１０６の中に、ガスの流通により冷え易い多孔質耐火レンガ１１０が暗色に見えるため、両者を視覚的に識別することができる。そして、図５（ｂ）にＸ−Ｘ線断面図を示すように、当初は円形に見えていた多孔質耐火レンガ１１０が、ガス吹き込みプラグの損耗の進行に伴い、図（ｃ）にＹ−Ｙ線断面図を示すように四角形に見えるようになる。従って、多孔質耐火レンガ１１０において断面形状を変化させる位置を、ガス吹込みプラグ１００を交換すべき残寸を考慮して設定しておくことにより、断面形状の変化を検知することによってガス吹込みプラグ１００の交換時期の到来を知ることができる。

実開昭５７−１２２７５１号公報

しかしながら、断面形状が途中から変化する複雑な形状の多孔質耐火レンガは、従来では、載頭円錐形状、円柱形状、四角柱状などの単純な形状のレンガを、耐火モルタル等で接着して形成されることが多かった。そのため、接着されたレンガは脱落し易く短寿命に終わってしまうことがあった。また、接着層には溶融金属が浸入し易く、その固化によって多孔質耐火レンガの空孔が塞がれ、ガス流通性が損なわれることもあった。

一方、多孔質耐火レンガを一体成形する場合は、複雑な形状であるために成形型の製造のために手間やコストがかかることに加え、均一に加圧成形することが難しいという問題があった。特に、多孔質耐火レンガの部位ごとに気孔率にばらつきが生じ易く、ガス吹込みプラグのガス流通性に大きく影響するものであった。例えば、ガス流通経路の始端側である底部付近の気孔率が低い場合は、他の部分の気孔率が適切であったとしても、底部付近の気孔率によってガス吹込みプラグ全体としてのガス流通性が定まってしまうという問題があった。また、ガス流通経路の後端となるプラグの先端側の気孔率が他の部分に比べて高い場合は、その気孔率の高さがガス流通性に寄与せず無駄となるだけではなく、溶融金属が浸入し易くマイナス因子となるという問題があった。

更に、従来のガス吹込みプラグでは、多孔質耐火レンガの断面形状の変化に伴って断面積も大きく変化するため、多孔質耐火レンガのガス流通性が充分に生かされていなかった。例えば、図５で例示した従来のガス吹込みプラグ１００は、部分１１１の断面積が部分１１２の断面積よりかなり小さいため、ガス吹込みプラグ１００全体のガス流通性は部分１１１の面積によって律せられてしまうものであった。逆に、図６に示すように、底部側の部分１２１の断面積が先端側の部分１２２の断面積よりかなり大きいガス吹込みプラグ１０１では（特許文献１で他の例として示されている例）、部分１２１を上昇してきたガスは緻密質耐火物層１０６との境界１２３でそれ以上の上昇を妨げられ、応力を発生させるおそれがあった。

そこで、本発明は、上記の実情に鑑み、交換時期の到来を検知するために多孔質耐火物層の断面形状を変化させたガス吹込みプラグにおいて、断面形状を変化させることによって多孔質耐火物層のガス流通性が損なわれるというおそれが低減されていると共に、効率的に溶融金属中にガスを吹き込むことができるガス吹込みプラグの提供を課題とするものである。

上記の課題を解決するため、本発明にかかるガス吹込みプラグは、「多孔質耐火物層、及び、該多孔質耐火物層に底部側で接続されたガス供給管を備え、製鋼プロセスにおいて溶融金属中にガスを吹込むガス吹込みプラグであって、前記多孔質耐火物層は、前記ガス供給管に接続された略載頭四角錘形状の第一多孔質部と、該第一多孔質部から接着層を介することなく連設された略載頭円錐形状の第二多孔質部とを具備し、前記第一多孔質部の気孔率は前記第二多孔質部の気孔率以上であり、前記第一多孔質部において底部端面は前記第二多孔質部との境界の第一境界部端面より面積が大であると共に、前記第二多孔質部において前記第一多孔質部との境界の第二境界部端面は反対側の先端部端面より面積が大であり、前記第一境界部端面の対角線の長さは前記第二境界部端面の直径と略等しい」ものである。

「多孔質耐火物層」を構成させる耐火材料の種類は特に限定されず、例えば、アルミナ質、スピネル質、アルミナ−シリカ質、アルミナ−スピネル質、アルミナ−マグネシア質、アルミナ−カーボン質、マグネシア−カーボン質、アルミナ−クロム質、マグネシア−クロム質等の耐火材料を使用することができる。

第二多孔質部が「接着層を介することなく」「第一多孔質部から連設」された構成としては、単一の成形体に対して切削等の加工を施すことによって第一多孔質部と第二多孔質部とが形成された構成や、第一多孔質部と第二多孔質部が一体的に成形された構成を例示することができる。ただし、上記のように、複雑な形状を一体的に成形する場合は均一な成形が難しく、気孔率のばらつきが大きくなり易いため、単一の成形体が事後的に加工される方が望ましい。

「気孔率」は、第一多孔質部と第二多孔質部とで同一の方法で評価することが必要であるが、測定方法は特に限定されない。例えば、ＪＩＳ Ｒ２２０５に規定された見掛け気孔率の測定方法、水銀圧入法、画像解析法を用いて測定することができる。また、「第一多孔質部の気孔率は前記第二多孔質部の気孔率以上」とする方法としては、成形型に充填する耐火材料の粒度を部位に応じて調整する方法を例示することができる。或いは、単一の成形体を事後的に加工する場合において、元となる成形体を一方向加圧成形し、第二多孔質部を構成することとなる側から加圧する方法を例示することができる。

上記の構成により、本発明によれば、第一多孔質部と第二多孔質部との境界において、載頭四角錘形の対角線の長さと載頭円錐形の直径がほぼ等しいため、多孔質耐火物層における断面積の変化を最小限にとどめつつ、断面の形状を不連続に変化させることができる。これにより、形状の相違を明瞭に識別し得る円から四角へという不連続な変化によって、ガス吹込みプラグの交換時期をはっきりと検知できると共に、ガスの流通経路となる多孔質耐火物層の体積を確保することができ、多孔質耐火物層のガス流通性が阻害されるおそれが低減される。

更に、底部端面は第一境界部端面より面積が大であり、第二境界部端面は先端部端面より面積が大であることから、第一多孔質部においても第二多孔質部においても、ガス流通の始端側から後端側に向けて断面積が小さくなる。これにより、ガス流通路の始端側の方が断面積が小さい従来のガス吹込みプラグのように、始端側の断面積によって全体のガス流通性が律せられて後端側のガス流通性が無駄となるおそれがないものとなっている。

また、仮に、第一多孔質部が載頭円錐形状で第二多孔質部が載頭四角錘形状である場合は、当然ながら第二境界部端面の面積が第一境界部端面の面積より小となるため、第一多孔質部を上昇してきたガスが第二多孔質部との境界面で行き先を失い応力を発生させるおそれがある。これに対し、本発明では、第一多孔質部が載頭四角錘形状で第二多孔質部が載頭円錐形状である構成を採用したことにより、かかるおそれがなく、底部端面から先端部端面に向かってガスをスムーズに流通させることができる。

加えて、仮に、第一多孔質部の気孔率が第二多孔質部の気孔率より小さい場合は、ガス流通の始端側の気孔率によって全体のガス流通性が律せられてしまうおそれがある。逆に、第二多孔質部の気孔率が第一多孔質部の気孔率より大きい場合は、ガス流通の後端側にガス流通にあまり寄与し得ない気孔が存在し、無駄であるばかりか溶融金属が浸入するおそれの大きいものとなる。これに対し、本発明では、第一多孔質部の気孔率が第二多孔質部の気孔率以上とされているため、ガス供給管から供給されたガスを多孔質耐火物中に効率良く流通させ、溶融金属中に効率良くガスを吹き込むことができると共に、第二多孔質部の先端側で溶融金属が浸入するおそれを低減することができる。

また、第一多孔質部と第二多孔質部とが一体であり、両者間に接着層が存在しないため、接着層を介して溶融金属が浸入するおそれや、第二多孔質部が第一多孔質部から脱落するおそれがないものとなっている。

本発明にかかるガス吹込みプラグは、「前記底部端面の対角線の長さは、前記第二多孔質部を前記底部端面に向かって前記第一多孔質部の高さ分仮想的に延設した仮想的載頭円錐形における底部側の端面の直径と略等しい」ものとすることができる。

上記の構成により、本発明によれば、予め載頭円錐形状の成形体を作成し、事後的に切削・切除等の加工を施すことにより、第一多孔質部と第二多孔質部を有する多孔質耐火物層を形成する場合、元となる成形体を「第二多孔質部を底部端面に向かって第一多孔質部の高さ分仮想的に延設した仮想的載頭円錐形」とすることにより、切削・切除等する部分を最小限にとどめ、簡易かつ無駄のない加工を行うことができる。

以上のように、本発明の効果として、交換時期の到来を検知するために多孔質耐火物層の断面形状を変化させたガス吹込みプラグにおいて、断面形状を変化させることによって多孔質耐火物層のガス流通性が損なわれるというおそれが低減されていると共に、効率的に溶融金属中にガスを吹き込むことができるガス吹込みプラグを提供することができる。

以下、本発明の最良の一実施形態であるガス吹込みプラグについて、図１乃至図３に基づいて説明する。ここで、図１は本実施形態のガス吹込みプラグの（ａ）縦断面図、（ｂ）Ａ−Ａ線断面図、（ｃ）Ｂ−Ｂ線断面図であり、図２は図１のガス吹込みプラグにおける多孔質耐火物層の（ａ）斜視図、（ｂ）Ｃ−Ｃ線断面図であり、図３は図２の多孔質耐火物層の成形方法を例示する説明図である。

本実施形態のガス吹込みプラグ１は、図１（ａ）及び図２に示すように、多孔質耐火物層５、及び、多孔質耐火物層５に底部側で接続されたガス供給管８を備えており、多孔質耐火物層５は、ガス供給管８に接続された略載頭四角錘形状の第一多孔質部１０と、第一多孔質部１０から接着層を介することなく連設された略載頭円錐形状の第二多孔質部２０とを具備し、第一多孔質部１０の気孔率は第二多孔質部２０の気孔率以上であり、第一多孔質部１０において底部端面１１は第二多孔質部２０との境界の第一境界部端面１２より面積が大であると共に、第二多孔質部２０において第一多孔質部１０との境界の第二境界部端面２１は反対側の先端部端面２２より面積が大であり、第一境界部端面１２の対角線の長さは第二境界部端面２１の直径と略等しいものに設定されている。

より詳細に説明すると、多孔質耐火物層５の外周面は緻密質耐火物層６によって被覆されており、ガス供給管８は緻密質耐火物層６を被覆する鉄皮９によってガスプール部７を介して多孔質耐火物層５に対して固定されている。なお、第一多孔質部１０の高さは、ガス吹込みプラグ１を新しいものに交換すべき残寸を考慮して設定され、通常は１００〜１５０ｍｍ程度である。

ガス吹込みプラグ１を取鍋の底部等に取り付け、溶融金属中にガスを吹き込むために使用すると、多孔質耐火物層５及び緻密質耐火物層６が先端側から損耗する。そして、取鍋から溶融金属を排出した際に、赤熱した緻密質耐火物層６の中に暗色に見える多孔質耐火物層５は、損耗の進行に伴い、図１（ｂ）にＡ−Ａ線断面を示すような円形から、図１（ｃ）にＢ−Ｂ線断面図を示すような四角形に変化する。このとき、断面形状は不連続に変化し、且つ、四角と円形という形状の相違は明瞭に識別し得るため、この変化を見落とすことなく交換時期の到来を検知することができる。

加えて、図１（ｂ）と図１（ｃ）とを対比すると明らかなように、本実施形態では多孔質耐火物層５の断面形状が変化しても断面積の変化は小さい。そのため、ガスの流通路となる多孔質耐火物層５の体積は充分に確保される。

また、図４に示すように、仮に、載頭円錐形状の第一多孔質部５１と載頭四角錘形状の第二多孔質部５２によって多孔質耐火物層５０が構成される場合は、第一多孔質部５１を上昇してきたガスは、第二多孔質部５２との境界面５３で緻密質耐火物層によって行き先を塞がれ、そこに応力が発生するおそれがある。これに対し、本実施形態では、第一多孔質部１０を載頭四角錘形状とし第二多孔質部２０を載頭円錐形状としたことにより、かかる応力が発生するおそれがなく、多孔質耐火物層５中をスムーズにガスが流通する。

次に、本実施形態の多孔質耐火物層５の成形方法の一例について、図３を用いて説明する。多孔質耐火物層５は、図３（ａ）に示すような載頭円錐形状の成形体３０を事後的に加工することによって形成することができる。ここで、元となる成形体３０の形状は、図３（ｂ）に示すように、第二多孔質部２０を底部端面１１に向かって第一多孔質部１０の高さ分だけ仮想的に延設した仮想的載頭円錐形とすることができる。これにより、仮想的載頭円錐形において底部側の端面である仮想底部端面３１の直径は、第一多孔質部１０の底部端面１１の対角線の長さと等しいものとなる。なお、図３（ｂ）では、仮想的に第二多孔質部２０を延設した部分を二点鎖線で示している。

そして、図３（ｃ）に一点鎖線で示した部分を切削または切除することにより、第一多孔質部１０に第二多孔質部２０が連設された本実施形態の多孔質耐火物層５を形成することができる。ここで、単純な載頭円錐形状の場合は、組織の均一な成形体を安定的に作製することができるため、第一多孔質部１０及び第二多孔質部２０を供える複雑な形状に対応した成形型をつくり、その成形型を用いて多孔質耐火物層５を一体成形する場合に比べ、気孔率にばらつきの少ない成形体３０を得ることができる。更に、先端部端面２２となる側から圧力をかけながら、一方向加圧成形によって成形体３０を成形することにより、全体にほぼ均一な気孔率でありながら、第一多孔質部１０となる側の気孔率が第二多孔質部２０となる側の気孔率より若干大きな成形体３０を成形することが可能となる。これにより、成形体３０を事後的に加工することにより、第一多孔質部１０の気孔率が第二多孔質部２０の気孔率以上である多孔質耐火物層５を得ることができる。

上記のように、本実施形態のガス吹込みプラグ１によれば、多孔質耐火物層５の断面形状は、円から四角へという明瞭に識別可能な形状に、不連続に変化するが、多孔質耐火物層５の断面積は大きくは変化しない構成とされているため、断面形状を変化させることによってガス流通性が阻害されるおそれの少ないものとなっている。

更に、底部端面１１の対角線は仮想的底部端面３１の直径とほぼ等しいことから、底部端面１１の面積が大きいものとなり、ガス流通路の始端側の断面積が小さい従来のガス吹込みプラグ１００のように、始端側の断面積によって全体のガス流通性が律せられるおそれのないものとなっている。

また、第一多孔質部１０が載頭四角錘形状で第二多孔質部２０が載頭円錐形状とされているため、第一多孔質部１０と第二多孔質部２０との境界でガス圧による応力が発生するおそれがない。

加えて、本実施形態では仮想的載頭円錐形に成形された単一の成形体３０を、事後的に加工することによって多孔質耐火物層５を形成しているため、多孔質耐火物層５の全体にわたり気孔率のばらつきが小さく均一に近い組織となると共に、一方向加圧により第一多孔質部１０の気孔率が第二多孔質部２０の気孔率よりやや大きなものとなっている。これにより、ガス供給管８から供給されたガスを多孔質耐火物中に効率良く流通させることができると共に、第二多孔質部２０の先端側に溶融金属が浸入するおそれを低減することができる。

また、単一の成形体３０を事後的に加工したことにより、第一多孔質部１０と第二多孔質部２０との間に接着層が存在しないため、接着層を介して溶融金属が浸入するおそれや、第二多孔質部２０が第一多孔質部１０から脱落するおそれがないものとなっている。

加えて、底部端面１１の対角線の長さを仮想底部端面３１の直径とほぼ等しいものとし、且つ、第一境界部端面１２の対角線の長さと第二境界部端面２１の直径とをほぼ等しいものとしたことにより、成形体３０を事後的に加工する際に切削・切除等する部分が最小となる。これにより、加工が容易で、且つ、資源の無駄の少ないものとなる。

以上、本発明について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、以下に示すように、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計の変更が可能である。

例えば、上記構成のガス吹込みプラグ１の緻密質耐火物層６の外周面に、更に鉄皮９を介して不定形耐火物層、緻密質の定形耐火物層、或いは、多孔質の定形耐火物層で構成されるスリーブ層を設けることができる。通常、ガス吹込みプラグを取鍋に取り付ける場合、取鍋の底の羽口レンガ（受けレンガ）に設けられた孔部にガス吹込みプラグが嵌め込まれるが、スリーブ層を設けることにより、多孔質耐火物層を保護しつつ羽口レンガにガス吹込みプラグを固定することができる。加えて、本実施形態では第一多孔質部１０が四角錐状であるため、鉄皮９は多孔質耐火物層１０に直接取り付けるよりも緻密質耐火物層６の外周面に設ける方が容易であるが、スリーブ層を設けることによって鉄皮９が羽口レンガの孔部の内壁と直接当接することがなくなるため、羽口レンガの孔部の損傷を抑制することができる。

本実施形態のガス吹込みプラグの（ａ）縦断面図、（ｂ）Ａ−Ａ線断面図、（ｃ）Ｂ−Ｂ線断面図である。 図１のガス吹込みプラグにおける多孔質耐火物層の（ａ）斜視図、（ｂ）Ｃ−Ｃ線断面図である。 図２の多孔質耐火物層の成形方法を例示する説明図である。 図２の多孔質耐火物層と対比した別発明の多孔質耐火物層の斜視図である。 従来のガス吹込みプラグの（ａ）縦断面図、（ｂ）Ｘ−Ｘ線断面図、（ｃ）Ｙ−Ｙ線断面図である。 他の従来のガス吹込みプラグの縦断面である。

符号の説明

１ ガス吹込みプラグ
５ 多孔質耐火物層
６ 緻密質耐火物層
７ ガスプール部
８ ガス供給管
９ 鉄皮
１０ 第一多孔質部（多孔質耐火物層）
１１ 底部端面
１２ 第一境界部端面
２０ 第二多孔質部（多孔質耐火物層）
２１ 第二境界部端面
２２ 先端部端面
３０ 成形体
３１ 仮想底部端面

Claims (2)

1. 多孔質耐火物層、及び、該多孔質耐火物層に底部側で接続されたガス供給管を備え、製鋼プロセスにおいて溶融金属中にガスを吹込むガス吹込みプラグであって、
   前記多孔質耐火物層は、前記ガス供給管に接続された略載頭四角錘形状の第一多孔質部と、該第一多孔質部から接着層を介することなく連設された略載頭円錐形状の第二多孔質部とを具備し、
   前記第一多孔質部の気孔率は前記第二多孔質部の気孔率以上であり、
   前記第一多孔質部において底部端面は前記第二多孔質部との境界の第一境界部端面より面積が大であると共に、前記第二多孔質部において前記第一多孔質部との境界の第二境界部端面は反対側の先端部端面より面積が大であり、
   前記第一境界部端面の対角線の長さは前記第二境界部端面の直径と略等しい
   ことを特徴とするガス吹込みプラグ。
2. 前記底部端面の対角線の長さは、前記第二多孔質部を前記底部端面に向かって前記第一多孔質部の高さ分仮想的に延設した仮想的載頭円錐形における底部側の端面の直径と略等しいことを特徴とする請求項１に記載のガス吹込みプラグ。

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