JP4787244B2 - 湯出しパイプ - Google Patents

Description

本発明は、冶金学的溶融容器のための湯出しパイプ（湯出し火口とも呼ばれる）に関する。冶金学的溶融容器は、例えば転炉又はアーク炉のような、冶金学的溶融物がその中で生産され、処理され、及び／又は搬送されるものの集合体（ａｇｇｒｅｇａｔｅ）として理解される。

この場合、溶融容器に配置されている溶融金属は湯出しパイプに沿って下流の集合体の中に導かれる。例えば、転炉からの鋼は下流の連続鋳造設備へ取鍋を介して供給される。

溶融金属は可能な限り汚染無く搬送されなければならない。例えば、周囲環境（酸素、窒素）との接触は避けられるべきであり、スラグとともに運ばれる酸素、窒素との接触も避けられるべきである。

転炉の湯出し装置は特許文献１から知られており、この装置は軸方向の複数の耐火煉瓦又は耐火円板を備えている。入り口側の煉瓦は漏斗形状の通路溝（溝型貫通孔（ｔｒｏｕｇｈｈｏｌｅ）とも呼ばれる）を有し、湯出しパイプの通路溝は出口側の端部で最小径を有する。このように設計された湯出しパイプは２０年間市場に出ており、性能が証明されている。

出口側の端部における寸法が特許文献２の要求に対応する湯出しパイプもまた、性能が証明されている。この場合、出口の断面の計算は、湯出しパイプの上の溶融金属の高さの平均値を仮定した、対応する溶融金属の流量プロファイルに基づいている。

転炉の湯出しパイプに対して、湯出し中の溶融金属の高さ（浴高）は、転炉は湯出し時間が経つにつれて傾斜（ｔｒａｃｋｅｄ）されるため、通常はほとんど一定である。しかし、浴高は、特に湯出しの最後には、自動的に減少する。同時に、スラグが溶融金属に誘導されて湯出しパイプに入り、通過する危険性が増大する。さらに、乱流が形成される恐れがあり、湯出しパイプの中に部分的な真空状態が生じる恐れがある。再酸化及び窒素の取り込みの危険が同時に増加する。
欧州特許第００５７９４６号明細書 独国特許発明第４２０８５２０号明細書

本発明は、このような方法に引用された種類の湯出しパイプを最適化することを目的とし、湯出し時間の全体を通して望ましい（“一定の”）流量を確保すると共に、スラグが運ばれないようにする。“一定の”という言葉は、可能な限り、湯出しパイプの湯出しチャネル（ｔａｐｐｉｎｇ ｃｈａｎｎｅｌ）の中の流量が湯出し時間の最後まで妨害されない、ということを意味する。また、酸素又は窒素の吸収は、可能な限り避けられるべきである。最後に、湯出しパイプは、可能な限り均一な流量が（技術的な許容限界の範囲内で）損耗とは独立して、湯出しパイプに沿って輸送されることが可能であるように、設計されるべきである。

特許文献２によれば、溶融金属の流量分布は次式から決定することができる。
Ａ（ｘ）＝ｍ／（ρ＊（２ｇｘ）^１／２）
ここで、
Ａ（ｘ）＝浴レベル（ｂａｔｈ ｌｅｖｅｌ）から距離ｘにおける望ましい流れ断面（ｆｌｏｗ ｃｒｏｓｓ−ｓｅｃｔｉｏｎ）
ｍ＝溶融金属（溶融物）の流量
ｇ＝重力加速度＝９．８１ｍ／ｓ^２
ｘ＝浴レベルからの選択された距離
ρ＝溶融金属（溶融物）の密度

この場合では、溶融金属の加速によって生じる落下高さの関数としての断面変化のみが考慮されている。計算の明確性及び理解可能性を確保するために、溶融金属の粘度、または壁部摩擦のような影響は、ここ及びこの明細書中に示されるさらなる計算において、軽視及び／又は無視されている。

従って、特定の溶融金属に対しては、出口端におけるフローチャネル（ｆｌｏｗ ｃｈａｎｎｅｌ）の望ましい直径は、フローチャネルの垂直位置、予め定められた流量、及び浴レベルと出口端との間の予め定められた距離について、正確に決定することができる。これは下記の１つの例に基づいて示される。
ｍ＝７００ｋｇ／ｓ
ｘ＝２．７ｍ
ρ＝７２００ｋｇ／ｍ^３ （鋼に対して）
Ａ（ｘ＝２．７メータ）＝７００／７２００＊（２＊９．８１＊２．７）^１／２＝０．０１３５５ｍ^２

Ａ ＝ ｄ^２＊π／４から、出口において円形状の断面を有する湯出し部に対して、出口の直径は次のように計算される。
ｄ＝（Ａ＊４／π）^１／２
ｄ＝［（０．０１３３５＊４）／π］^１／２＝０．１３０４ｍ

しかし、出口端における湯出しチャネルの予め定められた直径について、流量及び結果的な流量分布に関する決定因子（ｄｅｃｉｓｉｖｅ ａｓｐｅｃｔ）は特定の浴高（湯出しパイプの出口端の上の溶融金属の高さ）である。湯出しパイプのフローチャネルの円形状の断面の望ましい半径が、出口端からの距離の関数としての異なる浴高さに対する例として、図１にプロットされており、ここで、出口端からの距離０は湯出しパイプの出口端を示し、１．３５メータは（新規な）湯出しパイプの全長であり、２．７０メータの（出口端から計算された）最大浴高さが仮定されている。湯出し入り口端の上の溶融金属浴の有効最大高さは、従って、１．３５メータである。ベースとして予め定められた流量を使用すると、図示された曲線は、最大浴高さ（＝２７００ｍｍ）に対する、出口端からの異なる距離における湯出しチャネル（湯出しパイプの中のフローチャネル）の理論的な必要最小半径を示し、出口端において半径＝６５ｍｍから始まっている。残りの曲線は、出口端における同一の断面（半径６５ｍｍ）という仮定の下での、異なる浴高さに対する、出口端からの異なる距離における湯出しチャネルの理論的な必要最小半径を示している。

湯出しパイプの入り口領域の２７００ｍｍと２４００ｍｍとの間の浴高さにおいて、８０ｍｍという半径は、湯出しパイプの円形状断面を６５ｍｍの半径を有する出口端において完全に溶融金属の流れで満たすための、フローチャネルの断面としては十分である。

しかし、浴レベルがさらに下降し、例えば１６００ｍｍの最小浴高さまで下降した場合（湯出し入り口の上の溶融金属の有効高さが２５０ｍｍとして図示されている）には、出口端での湯出しパイプの同じ断面に対して、湯出しパイプの入り口領域におけるフローチャネルの断面の必要半径として約１１０ｍｍの値が結果として得られる。

湯出し部分の寸法について、特許文献２には３０％から７０％の範囲の浴レベルしか考慮されていない。

最低浴レベルが３０％であり、装備された湯出し部（湯出し装置）の長さが７５０ｍｍである場合を考慮した上述の例に対して、７５ｍｍの入り口径が結果として得られる。このことから、特許文献２の教示が、湯出しパイプの通路溝が入り口側で小さすぎる結果を算出するということが結論付けられる。

対照的に、本発明は湯出しパイプの通路溝の全く異なる寸法を結果的に算出する。

低い浴高さ（湯出しパイプの入り口領域の上の溶融金属の有効高さ＜最大値の３０％）を考慮することによって、入り口端に置ける望ましい断面は大きくなり、特許文献２に従って結果として得られる断面から大きく異なっている。

図２において、曲線（１）は、浴高さが１６００ｍｍであり、出口断面の半径が６５ｍｍである場合の出口溝の長軸方向の断面（理論的必要最小半径）の望ましい分布を示している。曲線（２）は、関連技術（入り口断面の半径：８０ｍｍ）による湯出しパイプ中の流れの状態を示している。関連技術においては、本発明によって求められる入り口断面（半径＝１１０ｍｍ）に比べ小さすぎる入り口断面の故に、湯出しパイプ中の流れの強い狭窄が生じる。流れが自由に形成される場合には、８０ｍｍという入り口断面の半径は、出口端における５０ｍｍという断面領域の半径にしか相当しない。したがって、入り口断面以下の領域において、湯出しチャネルの断面全体を満たし、湯出しチャネルを使用して溶融物を流し出すことはもはや可能ではない。これらの結果として、上述した乱流及び湯出しパイプ中の部分的な真空状態が生じるとともに、溶融金属の上に浮遊しているスラグが一緒に運ばれてしまう。同時に、パイプの経路に沿って生じる乱流によって体積流量が（さらに）減少し、よって湯出し時間が必要以上に長くなってしまう。このため、溶融金属の温度が低下してしまい、後続の処理において溶融金属を望ましい温度レベルまで再度過熱する必要が生じ、付加的なエネルギーコストが生じてしまう。

本発明に従って、乱流を回避し、湯出しチャネルの中の完全連続流を維持することが、湯出しチャネル全体が湯出し時間の全体を通して、例えば、低い浴高さ（湯出しパイプの入り口端の上の浴レベルの有効高さが最大高さの３０％以下）であってさえも、溶融金属で完全に充填されるように湯出しチャネルを設計することによって達成される。

本発明の最も一般的な実施形態においては、本発明は冶金学的な溶融用容器のための湯出しパイプを備えてなり、この湯出しパイプの軸方向に設けられた通路溝の出口端と入り口端との間の溝断面Ａ（ｙ）は次の関係式で表される。
Ａ（ｙ）＝Ａ＊√（（ｈ_ｌ−ｈ_ｋ）／（ｈ_ｌ＋ｈ_ｋ−ｙ））
ここで、
Ａ＝出口端における断面積 ［ｍ^２］
ｈ_ｌ＝入り口端の上の溶融金属の有効高さ［ｍ］（湯出しチャネルの軸方向の延長部において）
ｈ_ｋ＝湯出しパイプの入り口端と出口端との間の長さ［ｍ］
ｙ＝出口端と湯出しパイプに沿う所定の点との間の軸方向距離［ｍ］であり、０＜ｙ＜（ｈ_ｌ＋ｈ_ｋ）

“ｈ_ｌ”は、湯出しパイプの軸方向延長部における溶融用容器の中の溶融金属の最大高さ（ｈ_ｍａｘ）の０．３倍より小さいか又は等しい。変動要因（ｈ_ｌ／ｈ_ｍａｘ）は、特に低い浴高さでの、異なる流れ特性を考慮している。この場合、＜０．３という因子から、湯出しパイプの入り口端の上の溶融金属の有効高さが最高浴高さでの溶融金属の有効高さより少なくとも７０％低い状態が検出できるという結果となる。

“ｈ_ｋ”は、湯出しパイプの入り口端と出口端との間の特定の長さを示している。湯出しパイプの出口端は自動的にその下方自由端となるが、入り口端の位置は湯出しパイプの使用期間とともに変化する。入り口端の耐火材料の消耗がこのことの原因である。形成されたままの状態では、入り口端は、隣接する冶金学的溶融用容器の耐火ライニングの耐火材料のレベルに一致している。湯出しパイプの長さは、浸食に従って短くなる。

最終的に“ｙ”は、出口端と湯出しパイプに沿った所定の点との間の軸方向距離となる。出口端に対してｙ＝０となり、次式が前述の式から導かれる。
Ａ_{（ｙ＝０）}＝Ａ

次の関係式が、円形状の湯出し断面という特定のケースの場合の、出口端と入り口端との間の湯出し断面の直径ｄ（ｙ）に対して導かれる。
ｄ（ｙ）＝ｄ＊^４√（（ｈ_ｌ＋ｈ_ｋ）／（ｈ_ｌ＋ｈ_ｋ−ｙ））
ここで、
ｄ＝出口端での直径
ｈ_ｌ＝湯出しパイプの軸方向の延長部における湯出し入り口の上の溶融用容器中の溶融金属の最大高さ（ｈ_ｍａｘ）に対して０．３ｈ_ｍａｘ以下
ｈ_ｋ＝湯出しパイプの出口端と入り口端との間の長さ
ｙ＝出口端と湯出しパイプに沿った所定の点との間の軸方向距離

この場合、“ｄ”は予め設定された望ましい流量を有する出口端での直径を示している。望ましい体積流量が大きいほど、直径“ｄ”は大きくなる。

後述には、本発明による教示が別の代表的な実施形態を基に説明されている。湯出しパイプの長さ（ｈ_ｋ）は１．３５メータに、（パイプの入り口端からの）浴レベルの高さ（ｈ_ｌ）は０．２５メータ（＝湯出し入り口の上の溶融金属浴の最大高さ１．３５メータの１８．５％）に仮定している。出口端における直径“ｄ”は、望ましい体積流量“Ｘ”を確保するため、０．１３に固定されている。

上記の式を用いて、通路溝の入り口における内径は次のように計算することができる。
ｄ_（ｙ）＝０．１３＊^４√（（０．２５＋１．３５）／（０．２５＋１．３５−１．３５））＝０．２１ｍ

通路溝について、出口端での値は（上述のように）ｄ_ｌ＝ｄ、すなわち０．１３ｍであるのに対し、出口端まで１メータの距離では、次の直径の値が得られる。
ｄ_（ｙ）＝０．１３＊^４√（（０．２５＋１．３５）／（０．２５＋１．３５−１．０））＝０．１７ｍ

ベースとして２．０メータのパイプ長さを使うと（その他については、出口断面、出口径、入り口端の上のよくレベルの有効高さのような同じ構成データを用いて）、出口端に置ける望ましい直径は０．１３メータであるのに対し、入り口端に置いては０．２３メータであり、出口端から１メータの距離では０．１５メータである。

このことから、湯出しパイプの長さを増加すると、入り口端の望ましい開口幅は大きくなるということが推論できる。

代替的に、入り口端の上の溶融金属レベルの有効高さが０．４メータ（最大浴高さの約３０％に対応する）であり、パイプの長さが１．３５メータ、出口端に置ける直径が０．１３メータの場合に対して上記の計算を行うと、入り口領域におけるフローチャネルの直径は０．１９メータと計算され、出口端まで１メータの高さでは０．１６メータと計算される。

一の実施形態によると、因子（ｈ_ｌ／ｈ_ｍａｘ）は、＞０．０５及び／又は＜０．３（ｈ_ｍａｘは、湯出しパイプの軸方向延長部における湯出しパイプの入り口領域の上の溶融用容器中の溶融金属の最大高さ）と仮定される。更なる実施形態によれば、その値は＞０．１及び／又は＜０．２の間にある。

上述の通り、入り口側部分における湯出しパイプの寸法は特に重要である。この場合、低い有効高さでの浴レベル（入り口端の上の浴レベルの最大有効高さの＜３０％）における比率が特に重要である。出口側端における断面寸法は、主として予め決められた体積流量（最大浴高さでの流量）の値によって定められる。

従って、一の実施形態によれば、フローチャネルに対する断面の計算は、“ｙ”＞湯出しパイプの全体長さの５０％である場合の、“ｙ”の値に関係している。さらなる実施形態によれば、これらの値は＞７０％の値まで増加する。このことは、パイプの全体長さの（入り口端から）５０％または３分の１が本質的に本発明に従って設計されるべきであるということを意味している。

この区画は連続的に傾斜した円錐形状にされても良い。また、出口側端への方向の必要な傾斜は、必要に応じて段状にされても良い。また、フローチャネルの最適化された寸法を、（長さ方向の断面において）多角形状で勾配のある形状（図３〜５に示す）、又はアーチ状の形状にすることも可能である。また、本発明によって計算された理想的な寸法に加え、容易に製造できる技術的に設けられた段状の壁からなる進路が、図３〜５に示され、同様に望ましい効果を実現している。

特に、湯出しパイプの下方の出口側半分を、（上方の）入り口側部分に倣って円錐形状にすることができる。しかし、この部分をより傾斜の少ない円錐形状にして、円筒形状に近い形状までにすることもできる。この形状は、特に湯出しパイプの長さの終端１０〜２０％の部分に適用される。

フローチャネルの傾斜に関して、本発明は一の実施形態（円形状の溝断面及び内部形状を溝の軸に対して対照的にすること）によってフローチャネルの内部形状の傾斜（Ｓ）が次式に従うように壁部を設計することを教唆している。
Ｓ＝ｒ／４・^４√（（ｈ_ｌ＋ｈ_ｋ）／ｈ_ｌ＋ｈ_ｋ−ｙ）^５）
ここで、
ｒ＝出口端における溝の断面の半径

この場合、傾斜Ｓは、湯出し部の出口端までの距離ｙの関数としての湯出しチャネルの円形状の断面の半径ｒ_（ｙ）の変化を記述している。

例えば、下記の表に記載された値は、異なる浴高さに対する、湯出しパイプの出口端からの異なる距離において、要求される最小の傾斜Ｓを示している。

ｈ_ｋ＝１．３５ｍ
ｈ_ｍaｘ＝１．３５ｍ
ｒ＝０．０６５ｍ
の場合

ｈ_ｋ＝２．０ｍ
ｈ_ｍａｘ＝１．３５ｍ
ｒ＝０．０６５ｍ
の場合

ｈ_ｋ＝０．７５ｍ（例えば、消耗した転炉ライニングの減少した湯出し部長さ）
ｈ_ｍａｘ＝１．９５ｍ
ｒ＝０．０６５ｍ
の場合

例は、入り口側領域（溝長さの最初の３分の１）において、傾斜の値が＞０．０２であることを示している。有効浴高さが非常に低く、湯出し口の長さが短い場合には、Ｓが＞０．０２である領域が、湯出しチャネルの入り口側半分まで延在する。このＳの値は、＞０．０２５、＞０．０５、または＞０．２５まで増加することができる。

このことは、湯出しチャネルの少なくとも（入り口端に隣接する）上半分及び／又は（入り口端に隣接する）上部３分の１に適用されるが、また、湯出しチャネルの長さ全体に亘って延在しても良い。まさに入り口端その場所（湯出しパイプの全体長さの０．０５の長さ）においては、その値は＞＞０．２５、例えば１、５、１０、３０、５０、７０、又は１００とすることができる。湯出しチャネルの壁部の設計が完全に、若しくは部分的に段状である場合、又は設計が生産設備に適用される場合には、“傾斜”は長さ方向の連続的な段の端部の間にプロットすることのできる直線的な接続線の傾斜を示している。

また、本発明による湯出しパイプの寸法取りは、湯出しパイプの長さの変化を、隣接するライニングの消耗の関数として考慮しており、湯出し口長さの特定の値及び湯出し口の上の溶融物の高さは計算に包含されている。

軸に沿って出口端から入り口端まで、理想的な流れの状況の下で通路溝の断面の変化が見られ、この断面の変化を正規化した場合には、次式が成り立つ。
Ｓ_Ａ（ｙ）／Ａ＝１／２√（（ｈ_ｌ＋ｈ_ｋ）／（ｈ_ｌ＋ｈ_ｋ−ｙ）^３）
ここで、
Ｓ_Ａ（ｙ）＝点ｙにおける断面の変化をｍ^２／ｍで表したもの
Ａ＝通路溝の湯出しパイプの出口端における断面積
ｈ_ｌ＝湯出しパイプの軸方向延長部の湯出し入り口の上の溶融用容器中の溶融金属の最大高さ（ｈ_ｍａｘ）の０．３ｈ_ｍａｘ又はそれ以下
ｈ_ｋ＝湯出しパイプの入り口端と出口端との間の長さ
ｙ＝出口端と湯出しパイプに沿う所定の位置との間の軸方向距離

溶融金属のレベルを、湯出しチャネルの入り口端の上の最大有効浴高さの最大３０％と仮定すると、次の値が湯出しチャネルの入り口側半分に対して導かれる。
Ｓ_Ａ（ｙ）／Ａ＞１／２＊√（（２．４）／（２．４−１）^３）
Ｓ_Ａ（ｙ）／Ａ＞０．４６８ ［ｌ／ｍ］
ここで、
ｈ_ｋ＝２ｍ
ｈ_ｌ＝０．４ｍ
ｙ＝１ｍ

これは、湯出しチャネルの入り口側半分においては、好ましい流れ状態を提供するためには、断面積が溝長さのメータあたり少なくとも４７％増加しなければならない、ということを意味している。

本発明による湯出しパイプの設計によって、湯出し工程は、たとえ低い浴高さにおいても、軽減された乱流及び一定の溶融金属流量で作業することができ、よってスラグの持ち出しを大幅に削減することを可能としている。また、温度損失の軽減及び消耗を軽減することにより、エネルギーの節約及び湯出し部の寿命の延長のような、さらなる経済的な利点が得られる。

出口端からの距離の関数としての異なる浴高さに対する、湯出しパイプのフローチャネルの円形状の断面の望ましい半径。 浴高さが１６００ｍｍであり、出口断面の半径が６５ｍｍである場合の出口溝の長軸方向の断面（理論的必要最小半径）の望ましい分布（１）及び入り口断面の半径が８０ｍｍの湯出しパイプ中の流れの状態（２）。 フローチャネルの最適化された寸法を、多角形状で勾配のある形状にした場合の湯出しパイプのフローチャネルの円形状の断面の望ましい半径。 フローチャネルの最適化された寸法を、多角形状で勾配のある形状にした場合の湯出しパイプのフローチャネルの円形状の断面の望ましい半径。 フローチャネルの最適化された寸法を、多角形状で勾配のある形状にした場合の湯出しパイプのフローチャネルの円形状の断面の望ましい半径。

Claims (4)

1. 溶融金属浴を中に保持するように設けられた溶融金属用容器と、
   該溶融金属用容器に作用可能に接続されている湯出しパイプであって、該湯出しパイプは、入口端と、出口端と、前記入口端と前記出口端との間に軸方向に延びる通路導管を含み、該軸方向に延びる通路導管は、前記入口端と前記出口端との間において次式：
   Ａ（ｙ）＝Ａ×√｛（ｈ_ｌ＋ｈ_ｋ）／［（ｈ_ｌ＋ｈ_ｋ）−ｙ］｝
   Ａ＝通路溝の出口端における断面積［ｍ^２ ］
   ｈ_ｌ＝湯出しパイプの入り口端の上の溶融用容器中の溶融金属の有効高さ（湯出しパイプの軸方向延長部）［ｍ］（ｈ _ｌ ＜０．２ｈ _ｍａｘ の状態で）
   ｈ _ｍａｘ ＝溶融金属用容器が、湯出しパイプの入口端におけるより上に溶融金属浴を保持することができる最大高さ（湯出しパイプの軸方向延長部）［ｍ］
   ｈ_ｋ＝湯出しパイプの入り口端と出口端との間の長さ［ｍ］
   ｙ＝出口端と湯出しパイプに沿う所定の点（ｙは０より大きく、（ｈ _ｌ ＋ｈ _ｋ ）に等しいか又は（ｈ _ｌ ＋ｈ _ｋ ）より小さい）との間の軸方向距離［ｍ］
   に従う断面を有する湯出しパイプと、
   を備える装置。
2. ｈ_ｌ＞０．０５ｈ_ｍａｘ であることを特徴とする請求項１に記載の湯出しパイプ。
3. ｈ_ｌ＞０．１ｈ_ｍａｘかつ＜０．２ｈ_ｍａｘであることを特徴とする請求項２に記載の湯出しパイプ。
4. 円形状断面の軸方向に延びる通路導管を有することを特徴とする請求項１に記載の湯出しパイプ。