JP4231164B2 - ポーラスプラグ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、取鍋等の底に取り付けられ、溶鋼攪拌に伴う溶鋼温度の均一化、溶鋼成分の均質化、2次精錬効果の向上及び非金属介在物の浮上除去等のために溶鋼中にガスを吹き込むためのポーラスプラグに関する。
【0002】
【従来の技術】
通常ポーラスプラグは繰り返し使用され、そのライフはおよそ5〜30回である。このポーラスプラグで最も重要な特性は、バブリング信頼性である。バブリング信頼性とは、必要な時に溶鋼中へ必要な量のガスを必ず吐出することができることである。バブリング信頼性が低く、いざと言う時にガスを吐出することができないと、溶鋼成分や溶鋼温度を均一にすることができないため、製造工程が中断してしまい溶鋼を再び転炉や電気炉に戻さなければならなくなる。
【0003】
一般的に、ポーラスプラグは取鍋の底に取り付けられ、まず転炉や電気炉から溶鋼を受鋼する時に溶鋼の攪拌のためにガスを吐出する。その後、ガス吹きを中断して鍋を移動し、取鍋精錬時に再びガスを吐出する。そして、精錬後の鋳造中の約60分間位はガスを吐出しない。
【0004】
このようなポーラスプラグの使われ方で問題となるのは、ガス吐出の中断に伴う問題である。すなわちガス吐出の中断中に、ポーラスプラグの気孔中へ稼働表面から溶鋼が浸入し凝固して溶鋼浸潤層を形成する。そして、この溶鋼浸潤層のためガスが吐出しにくくなってしまう。よって、中断後必要なガス量を吐出するためには、ポーラスプラグ表面の溶鋼浸潤層をガス圧で吹き飛ばす必要がある。ガス圧でポーラスプラグの溶鋼浸潤層が吹き飛ぶと、新しい耐火物の表面が露出するので、満足する流量が確保できる。
【0005】
また、鋳造後取鍋が空になると、次の受鋼に備えてポーラスプラグにガスを流して所定の流量が確保されているかポーラスプラグの通気性能を確認する作業を行う。しかしながら、流量が不足している場合には、表面を酸素洗浄する必要がある。この作業は、ポーラスプラグ内にガス圧をかけた状態でポーラスプラグの先端に向けて鉄パイプから酸素を吹き付けると、酸素と溶融した酸化鉄によりポーラスプラグの溶鋼浸潤層を溶かし、新しい表面を露出させるものである。この作業は、高熱作業でしかも鍋の底が見にくく確実に洗浄をすることは非常に難しく、洗浄が不十分で次の使用時にガス吐出不良になることもある。
【0006】
このような、ポーラスプラグにおけるガスの再吐出に際しての不都合を解消する手段が、従来から種々提案されている。
【0007】
例えば、特開平2−307863号公報には、ガス吐出不良の原因となる溶鋼浸潤層の厚みを小さくするために、粒径1〜0.3mmのアルミナ球状原料を使用して気孔径の分布幅を狭くして溶鋼の浸入を少なくすることが記載されている。
【0008】
また、特公平7−74091号公報には、通気性耐火物にジルコニアムライト原料を使用し、これによって、ジルコニアムライトとメタル及びスラグとの反応によって粘性を向上せしめて溶鋼の浸入を軽減することが記載されている。
【0009】
このような対策によって、ポーラスプラグの耐用性が向上し安定使用できる。しかしながら、通気率が2〜5CGSと高い通気性耐火物を使用し、ガス流量を多くする場合には、通常よりも溶鋼浸潤層が厚く残り、使用時にガス吐出が困難になったり、酸素洗浄に非常に時間を要する場合があり、必要時にガスを吐出できるバブリング信頼性が低下する。
【0010】
通常、通気性耐火物の通気率は、成形時の加圧力あるいは配合の粒度構成でコントロールすることができる。精錬時に多くのガスを吐出する必要がある場合には、成形時の加圧力を弱くしたりあるいは粒径の大きい原料粒子を使用したりして通気率の高い通気性耐火物を製造する。ガスの吐出量が少なくても良い場合には、逆に加圧力を強くしたり粒径の小さい原料粒子を使用したりしている。したがって、通気量が多い条件で使用する場合には気孔径が大きくなるため、溶鋼浸潤層が厚くなる。溶鋼浸潤層が厚くなると、使用時にこの部分が吹き飛びにくくなったりあるいは酸素洗浄に時間を要する。
【0011】
さらには、従来の通気性耐火物は、高強度でしかも耐スポーリング性に優れたものとするために1700℃程度の高温で焼成することが、より一層溶鋼浸潤層をガス圧のみで吹き飛ばすことが困難になる。
【0012】
【本発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする課題は、ガス吐出量が多い条件で使用されてもバブリング信頼性の高いポーラスプラグを提供することである。
【0013】
【課題を解決するための手段】
ガス吐出量が多い条件で使用されてもバブリング信頼性の高いポーラスプラグを得るための条件は、ガスの再吐出に際して溶鋼浸潤層をガス圧で吹き飛びやすくすることである。
【0014】
一旦使用した後のポーラスプラグは、溶鋼浸潤層と未浸潤部との境界付近には熱膨張率の差から亀裂が入っており、これにガスの吐出に際してのガス圧をかけると、この亀裂を基点に先端部が吹き飛ぶものと考えられる。
【0015】
本発明は、溶鋼浸潤層を吹き飛びやすくするためには、ポーラスプラグを形成する通気性耐火物の強度を下げることによって達成できるという着想の下で完成した。
【0016】
この強度の指標として熱間での曲げ強度及び圧縮強度に着目した。従来のポーラスプラグに使用される熱間強度は、例えば特開平10−182259号公報では1400℃で12〜14MPaが良いとされているが、この強度では溶鋼浸潤層が吹き飛びにくい。しかしながら、従来材質で成形圧や粒度構成を変えて単に強度を下げるだけでは耐用性が低下するために、耐用性とのバランスをとることが重要である。
【0017】
そこで、ガス吐出量が多い使用条件において通気性耐火物の圧縮強度と熱間強度を低下することに着目して、耐用性とのバランスを観察しながらテストを繰り返し、使用結果との相関を調査した結果、アルミナ質原料65〜90質量%及びムライト質原料3〜25質量%を使用し、且つ配合全体でSiO2の含有量が3〜10質量%で、焼成した後の圧縮強度が1〜20MPa、1400℃での熱間曲げ強度が0.2〜2MPa、通気率が2〜5CGSである通気性耐火物を使用するとほとんどガス吐出不良が発生しないことがわかった。
【0018】
また、粗粒部を粒子径が0.1〜1mmのアルミナ質原料とムライト質原料とから形成し、微粉部に粘土と酸化クロムを5〜15質量%使用することでよりガス吐出不良の改善効果が高いことがわかった。本発明で言う粗粒部とは0.1mm以上の粒径を有する原料を言い、微粉部とは0.1mm未満の原料を言う。
【0019】
低強度な材料にすると一番問題となるのは耐用性の低下である。本発明のポーラスプラグは、耐用回数は従来のものよりある程度少なくなるが、安全に使用できる耐用性を備えておく必要から、耐食性の高いアルミナ質原料を主体に使用した。
【0020】
本発明で使用するアルミナ質原料とは、Al2O3含有率が95%以上の原料であり、電融アルミナ、焼結アルミナ等の一般に市販されている原料が使用できる。使用量は65〜90質量%が好ましく、65質量%未満では耐食性が低下し、90質量%を超えると粗粒部が多すぎて微粉部が不足し低強度になってしまう。粒度は粗粒部として0.1〜1mmの範囲で使用すると効果的であり、1mmを超えると材料がぼろついて取り扱い強度が低下し、0.1mm未満は組織中に良好な気孔が形成されにくく低通気率になる。
【0021】
ムライト質原料としては、電融ムライト、焼結ムライト等の市販品が使用できる。使用量は3〜25質量%が良く、3質量%未満では耐スポーリング性が不足し、25質量%を超えるとSiO2が多くなり耐食性が低下する。粒度は1〜0.1mmの範囲の使用が効果的である。1mmを超えると耐食性が低下し、0.1mm未満では耐スポーリング性向上の効果が少ない。
【0022】
微粉部としてAl2O3及びまたはSiO2含有原料と酸化クロムが使用できるが、強度の面からは粘土と酸化クロムを使用するとより効果的である。その配合量は5〜15質量%が好ましい。5質量%未満ではマトリクスとしての量が不足し低強度になり、15質量%を超えると微粉が多くなりすぎて通気率が低下する。
【0023】
また、溶鋼の浸入を抑制するために、SiO2を3〜10質量%含有する。SiO2源としてはSiO2を含有する一般的な耐火原料を使用することができ、例えば、珪石、溶融シリカ、シリカフラワー、粘土、ムライト及び/またはジルコニアムライト等を使用する。SiO2含有量が3質量%未満では溶鋼の浸入防止が不十分で、10質量%超えると耐食性が低下する。
【0024】
本発明の通気性耐火物は、このような配合原料を使用して通常の方法で製造することができるが、強度を低くするためには通常より成形圧力を下げることで、所定の特性を有する通気性耐火物を得ることができる。また、焼成温度を通常より下げても圧縮強度を低下することができる。
【0025】
焼成後に得られる通気性耐火物の物理的性質は、JIS R 2206による圧縮強度が1〜20MPaであり、JIS R 2656による1400℃での熱間曲げ強度が0.2〜2MPaであり、JIS R 2115による通気率が2〜5CGSである。圧縮強度が20MPaを超える場合、あるいは熱間曲げ強度が2MPaを超える場合には、ガス吐出不良が発生しやすくなる。また、圧縮強度が1MPa未満の場合あるいは熱間曲げ強度が0.2MPa未満の場合には耐用性に問題が出てくる。また、通気率が2CGS未満ではガス吐出不良が発生しやすくなり、5CGSを超えると気孔率が高くなりすぎて逆に溶鋼の浸入が深くなりバブリング信頼性が低下する。
【0026】
【発明の実施の形態】
表1に示す配合組成物に、水とバインダーを添加し混練後、プレスで成形し、乾燥後1600℃で焼成することで通気性耐火物を得た。溶鋼浸潤深さは20×20×200mmの試験片を1600℃の溶鋼中に3分間浸漬後カットして溶鋼の浸潤厚みを測定した。回転浸食試験は、1700℃で酸化鉄を用いて行い、溶損寸法で評価した。また耐スポーリング性を評価するために、50×50×50mmの試験片を1000℃の炉に投入し3分キープ後取り出す操作を5回繰り返して損傷状態を観察した。これらの結果を表1に示す。
【0027】
【表1】
実施例1は、焼結アルミナ70質量%、電融ムライト22質量%、粘土5質量%及び酸化クロム3質量%からなる配合物であり、溶鋼浸潤深さ、回転浸食テスト及びスポーリングテストの結果は良好であった。実施例2〜4は、それぞれの組成を本発明の規定範囲内で変更したものである。何れも、メタル浸潤層は薄く、耐食性も良好であった。
【0028】
表1に示す比較例1は、アルミナ質原料が60質量%と少ないため、回転浸食テストでの溶損が大きく耐食性が低い。比較例2はアルミナ質原料が多いためSiO2分が不足し、低強度となった。比較例3はムライト質原料が少ないため耐スポーリング性が劣る。比較例4は、ムライト質原料が多すぎて耐食性が低下している。比較例5はSiO2量が少ないためメタル浸潤層が大きくなった。
【0029】
表2は、使用原料が本発明の範囲内のもので、成形圧力を変えることで強度及び通気率を変化させた実施例を比較例とともに示す。評価は得られた通気性耐火物でポーラスプラグを製作し、実際の取鍋でそれぞれ5回使用し、使用後の解析を行ったものである。
【0030】
バブリング信頼性は、3回使用した結果、ガス吐出不良の有無と必要な流量が得られたかどうかで評価した。問題なし−○、流量が不足−△、ガス吐出不良−×とした。酸素洗浄性は、酸素洗浄時に必要な流量が得られるまでの時間で評価し、2分以内−○、2〜5分−△、5分以上−×とした。メタル浸潤深さは、使用後のポーラスプラグの断面を観察した。
【0031】
【表2】
表2において、実施例5〜8は、圧縮強度、熱間曲げ強度及び通気率が発明の範囲内であり、実炉で良好に使用されることがわかった。
【0032】
比較例6は、圧縮強度と熱間曲げ強度が本発明の規定範囲外でありバブリング信頼性に劣る。比較例7と比較例8は通気率が本発明の規定範囲外であり、バブリング信頼性に劣る。比較例9と10は通気率を高くするために従来の高強度タイプを低圧で成形したものであり、溶鋼浸潤深さが大きくバブリング信頼性に劣ることがわかる。
【0033】
【発明の効果】
本発明のポーラスプラグは、耐食性に優れ、且つ溶鋼浸入を抑制でき、通気量が多い条件で使用しても操業が安定し、ガス吐出不良による操業の中断ストが低減する。
Claims (2)
- アルミナ質原料65〜90質量%とムライト質原料3〜25質量%を含有し、全体のSiO2の含有量が3〜10質量%である配合物からなり、
焼成後の圧縮強度が1〜20MPaであり、
1400℃での熱間曲げ強度が0.2〜2MPaであり、
且つ、
通気率が2〜5CGSである通気性耐火物を使用したポーラスプラグ。 - アルミナ質原料とムライト質原料が、粒径が1〜0.1mmの粗粒部として含有されており、さらに、粘土と酸化クロムが粒径が0.1mm未満の微粉部として5〜15質量%含有されている請求項1に記載の通気性耐火物を使用したポーラスプラグ。
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