JP7140991B2 - 底吹き羽口用プラグおよびプラグ用金物 - Google Patents

Description

本発明は、底吹き羽口用プラグ、および、当該底吹き羽口用プラグに用いることができるプラグ用金物、に関する。

精錬炉などの底部に不活性ガスを吹き込むためのプラグとして、多数の金属細管が耐火物中に埋設された構造を有するマルチホールプラグが汎用される。たとえば、国際公開第２０１７／０６０９３７号（特許文献１）には、プラグ上面の面積に占める開口群部の面積の割合や開口の密度などに特徴のある底吹きプラグが開示されている。また、特許第６６４０４６１号公報（特許文献２）には、ガス吹込管存在領域におけるガス吹込管の本数密度の逆数や、ガス吹込管存在領域の外周に位置するガス吹込管とプラグ本体の外縁との最短距離の平均値などに特徴のあるマルチホールプラグが開示されている。

国際公開第２０１７／０６０９３７号 特許第６６４０４６１号公報

マルチホールプラグについて、水平断面積あたりの金属細管密度の向上が指向されている。これは、マルチホールプラグにおける金属細管密度を向上できれば、マルチホールプラグを通じて精錬炉に吹き込む不活性ガスの流量を増すことができ、これによって精錬効率の向上が期待できるためである。たとえば、特許文献２は本数密度の逆数Ｓ（ｍｍ^２／本）を１００以下としたマルチホールプラグを開示している。しかし本数密度を高めようとすると金属細管とガスプールとの溶接作業が困難になるとともに、溶接不良によるガスリークが発生する場合があり、従来のマルチホールプラグにおいて金属細管密度の向上は限定的だった。

そこで、マルチホールプラグにおいて、水平断面積あたりの金属細管密度を従来技術に比べて向上できる技術の実現が求められている。

本発明に係る底吹き羽口用プラグは、複数の細管と、前記複数の細管と流体連通しているガスプールと、前記ガスプールに対して気体を供給可能な導入管と、を備え、前記ガスプールの内側における前記細管と前記ガスプールとの溶接部分に形成される隅肉のサイズは５．０ｍｍ以下であることを特徴とする。

また、本発明に係るプラグ用金物は、複数の細管と、前記複数の細管と流体連通しているガスプールと、前記ガスプールに対して気体を供給可能な導入管と、を備え、前記ガスプールの内側における前記細管と前記ガスプールとの溶接部分に形成される隅肉のサイズは５．０ｍｍ以下であることを特徴とする。

これらの構成によれば、マルチホールプラグにおいて、細管どうしの間隔を従来技術に比べて狭めることができる。これによって、マルチホールプラグの水平断面積あたりの金属細管密度を高めることができる。

以下、本発明の好適な態様について説明する。ただし、以下に記載する好適な態様例によって、本発明の範囲が限定されるわけではない。

本発明に係る底吹き羽口用プラグは、一態様として、前記溶接部分において、前記複数の細管は、それぞれ独立に前記ガスプールと流体連通しており、前記溶接部分における、隣接する二つの前記細管の表面どうしの最短離間距離は、８．０ｍｍ以下であることが好ましい。

この構成によれば、マルチホールプラグの水平断面積あたりの金属細管密度をさらに高めることができる。

本発明に係る底吹き羽口用プラグは、一態様として、前記細管の中心どうしの離間距離の最大値Ｌｓ（ｍｍ）、前記細管の本数Ｎ（本）、および前記導入管の内径Ｌｐ（ｍｍ）は、式（１）で表されるパラメータＱが１００以上３０００以下になるように選択されることが好ましい。

この構成によれば、細管における圧力損失が増大しにくい限度において、細管密度を特に高めることができる。

本発明に係る底吹き羽口用プラグは、一態様として、前記細管の外径は６．０ｍｍ以下であることが好ましい。

この構成によれば、マルチホールプラグの水平断面積あたりの金属細管密度をさらに高めることができる。

本発明のさらなる特徴と利点は、図面を参照して記述する以下の例示的かつ非限定的な実施形態の説明によってより明確になるであろう。

実施形態に係る底吹き羽口用プラグの縦断面図である。 実施形態に係る底吹き羽口用プラグの上面図である。 実施形態に係るプラグ用金物の縦断面図である。 実施形態に係るプラグ用金物における細管とガスプールとの接合部分を示す縦断面図（図３中に符号ＩＶで示した部分の拡大図）である。

本発明に係る底吹き羽口用プラグおよびプラグ用金物の実施形態について、図面を参照して説明する。以下では、本発明に係る底吹き羽口用プラグを、精錬炉にガスを吹き込むための底吹き羽口用プラグ１に適用した例について説明する。なお、底吹き羽口用プラグ１に含まれるプラグ用金物２は、本発明に係るプラグ用金物の例である。

〔底吹き羽口用プラグの構成〕
本実施形態に係る底吹き羽口用プラグ１は、プラグ用金物２が耐火物３に埋設された構造を有する（図１）。底吹き羽口用プラグ１の上面１１には、複数の細管２１が開口している（図２）。導入管２３から導入されたガスは、ガスプール２２を経て複数の細管２１に分配され、やがて底吹き羽口用プラグ１の上面１１に設けられた複数の細管２１の開口部分から吐出される。このように、底吹き羽口用プラグ１は、複数の細管２１を経て上面１１側にガスを供給することができるプラグである。なお、以下の説明において上下方向に言及するときは、図１および図２に示した姿勢に従って定義される上下方向をいうものとする。すなわち、底吹き羽口用プラグ１（プラグ用金物２）において細管２１が設けられている側を上といい、導入管２３が設けられている側を下という。

底吹き羽口用プラグ１は、概して四角錐台の形状を有する。すなわち、底吹き羽口用プラグ１の水平方向（図１の誌面に直交する方向）の断面は四角形であり、その断面積は底吹き羽口用プラグ１の下側から上側に向かうにつれて漸減する。図２では、底吹き羽口用プラグ１の上面１１が長方形の形状を有する例を示している。ただし、底吹き羽口用プラグ１が略角錐台形状に形成される場合において、水平方向の断面の形状は四角形であればよく、図２に例示した長方形のほか、たとえば台形であってもよい。また、四角錐台のほかの角錐台であってもよいし、円錐台であってもよい。さらには細管を有する中心部分と周辺耐火物を一体成形したものでもよいし、細管を有する中心部分を抜き挿しするものであってもよい。

〔プラグ用金物の構成〕
プラグ用金物２は、細管２１、ガスプール２２、および導入管２３の各部を有する（図１～図３）。プラグ用金物２の各部は金属製であり、細管２１とガスプール２２との接続、および、ガスプール２２と導入管２３との接続は、いずれも溶接によりなされている。プラグ用金物２の各部を構成する金属としては、たとえば、ＪＩＳ Ｇ３４５９に規定される配管用ステンレス鋼鋼管であってもよい。具体的に例示すれば、ステンレス（ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌ、ＳＵＳ３１０Ｓなど）を好適に使用できるが、これらに限定されない。なお、細管２１、ガスプール２２、および導入管２３は、すべて同一の金属材料により形成されていてもよいし、部材ごとに異なる金属材料により形成されていてもよい。たとえば、導入管２３は、ＪＩＳ Ｇ３４５４に規定されるＳＴＰＧなどの圧力配管用炭素鋼鋼管であってもよいし、ＳＳ４００などであってもよい。

ガスプール２２は、円盤状の形状を有する中空の部材である。ガスプール２２は、複数の細管２１が溶接されている上板２２ａ、導入管２３が溶接されている下板２２ｂ、および側板２２ｃ、によって画定される。側板２２ｃは、下板２２ｂから上板２２ａに延び、上板２２ａを超えてさらに上方に延びている。

本実施形態において、それぞれの細管２１は、外径２．０ｍｍ、内径１.０ｍｍの直管である。複数の細管２１は、互いに平行に延在するように、ガスプール２２（上板２２ａ）に溶接されている。したがって、上板２２ａにおける細管２１の配置は、底吹き羽口用プラグ１の上面１１における細管２１の配置（図２）と同様である。本実施形態では、図２に示すように、複数の細管２１が正六角形状の配列で配置されている。一辺あたりの細管２１の本数は１０本であり、細管２１の本数は２７１本である。なお、細管２１の寸法、細管２１が配置される形状、および細管２１の本数は特に限定されず、底吹き羽口用プラグ１の設計思想に即して適宜選択される。ただし、細管２１の外径が６．０ｍｍ以下であると、細管密度を高めやすい。

ここで、細管２１と上板２２ａとの接合部分の構造および寸法について、図４を用いてより詳細に説明する。細管２１は、上板２２ａに設けられた貫通孔２２ｄに挿通された上で、上板２２ａの下部側（ガスプール２２の内側）において上板２２ａと溶接されている。細管２１の下端部には、溶接時に形成された隅肉２１ａが存在し、隅肉のサイズＳは５．０ｍｍ以下である。それぞれの細管２１を上板２２ａに溶接する際に必ず隅肉２１ａを設ける必要があることから、隣接する細管２１の表面どうしの離間距離Ｄは隅肉のサイズＳの２倍以上になる。したがって、本実施形態では離間距離Ｄを１０ｍｍ以下にすることができる。このように、本実施形態では、隅肉のサイズＳを比較的小さな値（５．０ｍｍ以下）にすることによって、従来の底吹き羽口用プラグに用いられている金物に比べて細管どうしの離間距離を小さくすることに成功しており、これによって細管密度を従来の底吹き羽口用プラグより高くすることができる。

なお、隣接する細管２１の中心どうしの離間距離であるピッチＰは、離間距離Ｄに細管２１の外径を加えた値として得られる。本実施形態では、細管２１の外径が２．０ｍｍであり、離間距離Ｄを１０ｍｍ以下にすることができるので、ピッチＰを１２ｍｍ以下にすることができる。

図２を再び参照すると、本実施形態に係る細管２１の正六角形状の細管配置において、任意に選ばれた二つの細管２１の中心どうしの離間距離が最大となる場合は、正六角形の対向する二つの頂点に位置する二つの細管２１が選ばれた場合であり、その距離は正六角形の対角線Ｅの長さと一致する。対角線Ｅ上には、１９本の細管２１が等間隔に並んでいるため、対角線Ｅの長さは細管２１のピッチＰの１８倍である。

本実施形態では、１本の導入管２３が設けられており、導入管２３は、ＪＩＳ Ｇ３４５４に規定される呼び径３２Ａ、呼び厚さＳｃｈ／４０の直管である。

本発明者らの検討により、細管２１どうしの離間距離の最大値Ｌｓ（ｍｍ）、細管２１の本数Ｎ（本）、および導入管２３の内径Ｌｐ（ｍｍ）の間に、式（１）で表されるパラメータＱが１００以上３０００以下になる関係が成立するとき、ガス流量を特に大きくすることができることが見出された。

本実施形態では、細管２１の本数Ｎ（本）は２７１本であり、導入管２３の内径Ｌｐ（ｍｍ）は３５．５ｍｍである。また、細管２１どうしの離間距離の最大値Ｌｓ（ｍｍ）は、上述のように細管２１のピッチＰの１８倍である。そして、ピッチＰは、１２ｍｍ以下でありうる。以上の数値条件に基づくと、パラメータＱの最大値は４８００（ピッチＰ：１２ｍｍ、隅肉のサイズＳ：５．０ｍｍのとき）である。ここで、ピッチＰおよび隅肉のサイズＳを小さくすると、パラメータＱの値が低下する。パラメータＱが３０００のとき、ピッチＰは９．５ｍｍであり、隅肉のサイズＳは３．７ｍｍである。また、パラメータＱが１００のとき、ピッチＰは３．０ｍｍであり、隅肉のサイズＳは０．５０ｍｍである。

上記に例を挙げて説明したようにパラメータＱとピッチＰとは、ピッチＰを小さくするとパラメータＱの値が低下する関係にある。パラメータＱが３０００を超えるときは、本発明における隅肉のサイズの規定（５ｍｍ以下）を満たす範囲の中でピッチＰが大きい部類にあるときであるので、パラメータＱが３０００以下の場合に比べると、細管密度を高める効果が限定的である。一方、パラメータＱが１００未満のときは、細管密度に対して導入管２３の内径が小さくなりすぎ、細管２１における圧力損失が増大するおそれがある。

〔プラグ用金物の製造方法〕
これまでに説明したような構造を有するプラグ用金物２は、たとえば以下の方法により製造できる。細管２１と上板２２ａとの接合部分を形成するにあたり、まず、複数の貫通孔２２ｄが設けられた上板２２ａと、必要な本数（本実施形態では２７１本）以上の細管２１と、を用意する。このとき、上板２２ａには、設ける予定の細管２１と同じ数（本実施形態では２７１個）および配置（本実施形態では正六角形状）で、複数の貫通孔２２ｄが設けられている。次に、複数の貫通孔２２ｄのそれぞれに細管２１を挿通し、上板２２ａの下部側の面と細管２１の末端とが概ね面一になるように位置合わせする。その後、上板２２ａの下部側の面と細管２１の末端とをファイバーレーザー溶接により溶接する。最後に、通常実施される溶接の仕上げ作業（バリ取りなど）を行い、細管２１と上板２２ａとの接合を完成する。

上記のように、ファイバーレーザー溶接を採用することによって、従来の溶接方法を採用した場合に比べて、溶接時に形成される隅肉のサイズを小さくできる。本実施形態では、細管２１とガスプール２２との溶接をファイバーレーザー溶接によって実施することで、隅肉２１ａのサイズＳを５．０ｍｍ以下にしうる。本実施形態で用いうる溶接方法としては、ファイバーレーザー溶接の他に、タングステンイナートガスアーク溶接（ＴＩＧ溶接）、イットリウム・アルミニウム・ガーネットレーザー溶接（ＹＡＧ溶接）などが例示される。

続いて、下板２２ｂと導入管２３との接合部分を、溶接して形成する。さらに、上板２２ａ、下板２２ｂ、および側板２２ｃを溶接して接合してプラグ用金物２を完成する。下板２２ｂと導入管２３との溶接、上板２２ａと側板２２ｃとの溶接、および下板２２ｂと側板２２ｃとの溶接においては、隅肉のサイズを小さくする必要性が小さい（隅肉のサイズが５ｍｍを超えてもよい）ので、上記に例示したファイバーレーザー溶接のほか、ＴＩＧ溶接などの溶接方法を用いてもよい。

〔耐火物の構成〕
耐火物３は、酸化物を主成分とする耐火原料を主体として構成される。ここで、主成分とは、耐火原料に質量比で最も多く含まれる物質をいう。また、耐火物３は、耐火原料の他に、炭素原料や非酸化物添加剤などを含みうる。耐火物３を構成する原料の組合せおよび含有比は特に限定されず、底吹き羽口用プラグ１の設計思想に即して適宜選択される。

耐火物３中の耐火原料に含まれる酸化物としては、たとえば、アルミナ、シリカ、スピネル、マグネシア、ジルコニア、ジルコン、カルシウムジルコネートなどを用いることができる。当該酸化物は、一種類の物質であってもよいし、二種類以上の物質の混合物であってもよい。耐火物３中の耐火原料は、酸化物としてマグネシアおよびスピネルの少なくとも一つを含むことが好ましく、マグネシアを含むことがより好ましい。なお、耐火物３中の耐火原料に含まれる酸化物として用いる物質は、底吹き羽口用プラグ１の用途に応じて適宜選択される。

耐火物３が炭素原料を含む場合、当該炭素原料としては、黒鉛、カーボンブラック、ピッチ、炭素繊維などが例示される。当該炭素原料は、一種類の物質であってもよいし、二種類以上の物質の混合物であってもよい。耐火物３中の炭素原料は、黒鉛および炭素繊維の少なくとも一つを含むことが好ましく、黒鉛を含むことがより好ましい。なお、耐火物３中の炭素原料として用いる物質は、底吹き羽口用プラグ１の用途に応じて適宜選択される。たとえば、底吹き羽口用プラグ１が特に大きな熱変化にさらされる用途に供される場合は、耐火物３中の炭素原料として膨張化処理後に粉砕した膨張化黒鉛粉砕物を含むことが好ましい。

耐火物３が炭素原料を含む場合、炭素原料の含有量が耐火原料に対して外掛けで１０～５０％であることが好ましい。ここで、「外掛け」とは、母材（ここでは耐火原料）の質量を１００％としたときの添加剤（ここでは炭素原料）の質量割合をいう。以下では、「外掛け」は、特記しない限り耐火原料を基準とする外掛け質量割合を表すものとする。炭素原料の含有量は、外掛けで１５％以上であることがより好ましい。また、炭素原料の含有量は、外掛けで３５％以下であることが好ましく、外掛けで２５％以下であることがより好ましい。

耐火物３が非酸化物添加剤を含む場合、当該非酸化物添加剤としては、炭化ケイ素、炭化ホウ素、ホウ化ジルコニウム、アルミニウム、窒化ケイ素などが例示される。当該非酸化物添加剤は、一種類の物質であってもよいし、二種類以上の物質の混合物であってもよい。耐火物３中の非酸化物添加剤は、アルミニウム、炭化ケイ素、および炭化ホウ素から選択される少なくとも一つを含むことが好ましく、アルミニウムおよび炭化ケイ素の少なくとも一つを含むことがより好ましい。なお、耐火物３中の非酸化物添加剤として用いる物質は、底吹き羽口用プラグ１の用途に応じて適宜選択される。たとえば、底吹き羽口用プラグ１が特に厳しい酸化条件にさらされる用途に供される場合は、耐火物３中の非酸化物添加剤としてアルミニウムを含むことが好ましい。

耐火物３が非酸化物添加剤を含む場合、非酸化物添加剤の含有量は、外掛けで０．０１％以上であることが好ましく、外掛けで０．１％以上であることがより好ましい。また、非酸化物添加剤の含有量は、外掛けで５％以下であることが好ましく、外掛けで２％以下であることがより好ましい。

〔その他の実施形態〕
最後に、本発明に係る底吹き羽口用プラグおよびプラグ用金物のその他の実施形態について説明する。なお、以下のそれぞれの実施形態で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することも可能である。

上記の実施形態では、細管２１が一辺あたりの本数が１０本の正六角形状の配列で配置されている構成を例として説明した。しかし、本発明に係る底吹き羽口用プラグおよびプラグ用金物において、細管の配置は特に限定されない。

上記の実施形態では、細管２１のそれぞれが独立にガスプール２２（上板２２ａ）に溶接されている構成を例として説明した。しかし、本発明に係る底吹き羽口用プラグおよびプラグ用金物において、ガスプールに接合された一本の管が複数本の細管に分岐する態様で設けられてもよい

上記の実施形態では、隣接する細管２１の表面どうしの離間距離Ｄが１０ｍｍ以下である構成を例として説明した。本発明に係る底吹き羽口用プラグおよびプラグ用金物では、隣接する細管の表面どうしの最短離間距離が、８．０ｍｍ以下であることが好ましい。

上記の実施形態について、式（１）で表されるパラメータＱが１００以上３０００以下になる関係が成立するとき、ガス流量を特に大きくすることができることを説明した。

本発明に係る底吹き羽口用プラグおよびプラグ用金物において、パラメータＱは、１５０以上であることがより好ましく、１８０以上であることがさらに好ましい。また、パラメータＱは、２５００以下であることがより好ましく、１５００以下であることがさらに好ましい。

上記の実施形態では、細管２１が、外径２．０ｍｍ、内径１.０ｍｍの直管である構成を例として説明し、細管２１の外径が６．０ｍｍ以下であることが好ましいことを説明した。本発明に係る底吹き羽口用プラグおよびプラグ用金物において、細管の外径は、４．０ｍｍ以下であることがより好ましく、２．０ｍｍ以下であることがさらに好ましい。

その他の構成に関しても、本明細書において開示された実施形態は全ての点で例示であって、本発明の範囲はそれらによって限定されることはないと理解されるべきである。当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜改変が可能であることを容易に理解できるであろう。したがって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で改変された別の実施形態も、当然、本発明の範囲に含まれる。

本発明は、たとえば精錬炉にガスを吹き込むための底吹き羽口用プラグに利用することができる。

１ ：底吹き羽口用プラグ
１１ ：上面
２ ：プラグ用金物
２１ ：細管
２１ａ ：隅肉
２２ ：ガスプール
２２ａ ：上板
２２ｂ ：下板
２２ｃ ：側板
２２ｄ ：貫通孔
２３ ：導入管
３ ：耐火物
Ｓ ：隅肉のサイズ
Ｄ ：離間距離
Ｐ ：ピッチ
Ｌｐ ：導入管２３内径
Ｌｓ ：細管２１の離間距離の最大値

Claims (5)

1. 複数の細管と、前記複数の細管と流体連通しているガスプールと、前記ガスプールに対して気体を供給可能な導入管と、を備え、
   前記ガスプールの内側における 前記細管と前記ガスプールとの溶接部分に形成される隅肉のサイズは５．０ｍｍ以下である底吹き羽口用プラグ。
2. 前記溶接部分において、前記複数の細管は、それぞれ独立に前記ガスプールと流体連通しており、
   前記溶接部分における、隣接する二つの前記細管の表面どうしの最短離間距離は、８．０ｍｍ以下である請求項１に記載の底吹き羽口用プラグ。
3. 前記細管の中心どうしの離間距離の最大値Ｌｓ（ｍｍ）、前記細管の本数Ｎ（本）、および前記導入管の内径Ｌｐ（ｍｍ）は、式（１）で表されるパラメータＱが１００以上３０００以下になるように選択される請求項１または２に記載の底吹き羽口用プラグ。
   

   
4. 前記細管の外径は６．０ｍｍ以下である請求項１～３のいずれか一項に記載の底吹き羽口用プラグ。
5. 複数の細管と、前記複数の細管と流体連通しているガスプールと、前記ガスプールに対して気体を供給可能な導入管と、を備え、
   前記ガスプールの内側における 前記細管と前記ガスプールとの溶接部分に形成される隅肉のサイズは５．０ｍｍ以下であるプラグ用金物。

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