(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【背景技術】
【0002】
近年、品種構成の多様化、品質レベル向上の要望増加などにより、二次精錬プロセスを代表とする製鋼工程は複雑・多様化してきている。このような製鋼工程(精錬プロセス)では、取鍋などの溶鋼容器に溶鋼を装入し、様々な精錬処理を行い、その後、取鍋の底面に配設されたノズルから、処理後の溶鋼を外部へ排出している。取鍋からの溶鋼排出時(出鋼時)には、取鍋に設けたノズルを開孔する、即ち、取鍋開孔を行うことによって取鍋内の溶鋼を外部に排出する作業が必須作業となっている。
【0003】
この取鍋開孔時には、ノズル内に充填された充填砂が溶鋼の静圧によって当該ノズル内から外部に排出され、これにより、ノズルが自然開孔する。しかしながら、取鍋開孔時にノズル内の充填砂が詰まり、出湯に手間取った場合には、酸素溶解することにより取鍋開孔を行うという作業が必要となる。この酸素溶解作業は、品質への悪影響、作業時間増大で連続鋳造が行えなくなるなど、操業上多くの問題が生じる要因となる。そこで、取鍋開孔をスムーズに進めるために、充填砂の評価方法や充填砂の配設方法などが開発されている。
【0004】
例えば、特許文献1には、取鍋の敷き部に溶鋼流出用ノズルとは別の位置に保持部を設け、その保持部に評価用充填材を装入した後、溶鋼を注入し、精錬が終了した後に充填材を回収し、ノズル充填材の焼結状況や浸透状況を調査することが開示されている。また、特許文献2には、溶鋼に充填砂を浸漬させるタイプの試験方法であって、ノズルと溶鋼間の温度勾配の影響を考慮して評価を行うことが開示されている。
【0005】
特許文献3には、充填砂のノズルへの充填方法として、下砂に難溶融性のシリカ・クロマイト砂、上砂に溶融性の高いシリカ、長石系の砂を置く、2層充填構造とすることが開示されている。また、特許文献4には、充填砂の試料を1500℃で1時間で焼結し、その焼結試料を一定速度荷重下で圧縮し、その崩壊強度を評価指数とすることが開示されている。その他に、特許文献5に開孔率が向上する充填砂が開示されている。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、図面に示した実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
製鋼工程においては、転炉や電気炉等にて溶銑(溶湯)の一次精錬を行い、一次精錬終了後の溶鋼を取鍋に装入した後、取鍋を二次精錬設備に搬送し、二次精錬設備にて介在物の除去や成分調整等の二次精錬を行う。そして、二次精錬処理後、溶鋼は取鍋によって連続鋳造装置に搬送され、取鍋内の溶鋼は連続鋳造装置のタンディッシュに注入され、連続鋳造装置によって、スラブ等の鋳片へと鋳造される。
【0012】
このように、製鋼工程では、一次精錬設備、二次精錬設備及び連続鋳造装置の間で溶鋼を搬送するために取鍋を使用しており、二次精錬処理後は取鍋に設けられたノズルを開孔(開放)する、即ち、取鍋開孔を実施することによって当該溶鋼内の溶鋼を連続鋳造装置のタンディッシュに注入(排出)している。このような製鋼工程では、溶鋼内の溶鋼をタンディッシュ等の外部に確実に排出すること、取鍋開孔時におけるノズルの自然開孔率が100%であることが望まれている。本発明では、取鍋のノズルに充填する充填砂を適正に選定することによってノズルの自然開孔率の向上を図っている。
【0013】
以下、本発明について詳しく説明する。
図1に示すように、ノズル1は取鍋2の底部3に設置され、当該ノズル1の外側(溶鋼排出側)には、スライドプレート4が設けられている。スライドプレート4は、ノズル1の溶鋼排出側に固定された第1プレート4aと、第1プレート4aの溶鋼排出側に移動自在に設けられた第2プレート4bとを備えており、第2プレート4bは図示省略の油圧シリンダ等の移動機構によって水平方向に移動する。なお、取鍋2の底部3には耐火物5が設けられている。
【0014】
さて、取鍋2への溶鋼の装入前では、
図1(a)に示すように、第2プレート4bを一方側(左側)に位置させてノズル1の外側を閉鎖したうえで、当該ノズル1内に充填砂Sを充填する。そして、
図1(b)に示すように、ノズル1に充填砂Sを充填した後は、ノズル1を閉鎖した状態で取鍋2内に溶鋼を装入する。なお、適正な充填砂Sを適正に充填した場合は、
図1(b)の矢印Aに示すような溶鋼の差し込みは発生しない。そして、取鍋2内の溶鋼をタンディッシュ等の外部に排出する場合(取鍋開孔時)は、
図1(c)に示すように、第2プレート4bを他方側(右側)に位置させてノズル1を外部に向けて開孔状態にする。
【0015】
ノズル1を開孔状態としたとき、後述するように充填砂が適正に選択されている場合、溶鋼2の静圧により充填砂Sの焼結層が破壊され、タンディッシュ内に溶鋼が排出されることになる。
ここで、ノズル1内に充填した充填砂が著しく焼結しないものである場合、即ち、充填砂の焼結特性が極端に悪い場合、溶鋼を取鍋2に装入した段階で、例えば、一部の充填砂が溶鋼によって洗い流され、
図1(b)の矢印Aに示すように充填層の内部に溶鋼が差し込まれてしまう。そうすると、ノズル1の外側を開放した際に、充填砂Sの焼結層が破壊されず、溶鋼が排出できないという不具合が生じる。つまり、充填砂の焼結特性が極端に悪い場合は、
図1(c)の状態にはならず、酸素等によって焼結層等を溶解して溶鋼を排出しなければならない「開孔不良」が発生したり、酸素等によって焼結層等が溶解することが実質的に不可能な「開孔不能」が発生する。
【0016】
一方、充填砂が焼結し易い場合は、溶鋼による充填砂の洗い流しは防止することができるものの、
図1(c)の状態にはならず、ノズル1の外側を開放した際に、非常に破壊されにくい焼結層が形成されて開孔不能となる。
このように、充填砂によっては、開孔不良や開孔不能等が発生するため、適切な充填砂を選定することは重要なことである。発明者は、充填砂の選定について様々な角度から検証を行った。その結果、充填砂がほぼ同様な組成、粒度であっても自然開孔性の優劣が異なることを知見した。その原因として、ほぼ同様な組成、粒度であっても、充填砂に含まれる測定不可能なレベルの微量元素濃度の存在有無により充填砂の焼結特性が変化するためと考えられる。
【0017】
そこで、本願発明者らは、組成や粒度からノズル向けの充填砂の設定をするのではなく、別の方法で充填砂を評価し選定する方法を見いだした。
検証の結果、発明者は、低温域での充填砂の焼結特性と、高温域での充填砂の焼結特性を評価し、その結果から適正な充填砂を選定できることを見いだした。即ち、低温域では溶鋼の洗い流しや溶鋼の差し込みが無い程度に焼結し、且つ、高温域では溶鋼静圧によって破壊される程度に焼結する充填砂を用いれば、上述した開孔不良や開孔不能等が発生しないことを見いだした。
【0018】
具体的には、充填砂を選定するにあたって焼結の度合い(焼結特性)を測定しなければならないが、焼結の度合い(焼結特性)を直接測定することが難しいため、まず、焼結の度合いを測定するものとして、充填砂の収縮率を測定することとした。すなわち、充填砂Sをノズル1に充填して焼結を行った場合、焼結が進行している場合は充填砂Sの収縮率は大きく、焼結が進んでいない場合には充填率Sの収縮率は小さい。つまり、充填砂の収縮率の増減は、焼結の進み具合と同等に考えられることから、充填砂の収縮率を測定することで焼結の度合い(焼結特性)を見ることとした。
【0019】
詳しくは、充填砂の試料収縮率(収縮率)を測定した際に、温度が1250℃以上1350℃以下の低温域では熱間の試料収縮率(熱間試料収縮率)が1.2%以上2.5%以下となり、且つ、温度が1450℃以上1550℃以下の高温域では冷間の試料収縮率(冷間試料収縮率)が3.0%以上10%以下である充填砂を選定することとした。
低温域における熱間試料収縮率の測定では、
図2に示すようなホットプレス機を採用した。このホットプレス機は、黒鉛等により形成された筒状の筒体(黒鉛型)10と、黒鉛型10の一方側を閉鎖する固定体11と、黒鉛型10の他方側を閉鎖する移動体(可動体)12と、黒鉛型10を加熱する加熱部(図示省略)を備えたものである。
【0020】
熱間試料収縮率を測定するにあたっては、移動体(可動体)12を黒鉛型10から離れる方向(離反方向)に移動させて黒鉛型10内を開放し、黒鉛型10内にサンプル(充填砂)Sを装入する。そして、黒鉛型10内にサンプルSを装入した後、移動体(可動体)12を黒鉛型10から近接する方向(近接方向)に移動させて黒鉛型10内を閉鎖する。その後、移動体12を近接方向に移動させるによって、サンプルSに所定の圧力(溶鋼静圧に対応した圧力)を加えると共に、黒鉛型10を加熱部で加熱する。なお、サンプルSと固定体11との間、サンプルSと移動体12との間にはスペーサ13を介在させることが好ましい。
【0021】
さらに詳しくは、低温の試験では、サンプル量は50gとし、筒体(黒鉛型)はφ25mmとした。加熱部としては電気炉を採用した。即ち、電気炉内に黒鉛型10をセットした後、Ar雰囲気下で約1300℃(10℃/min)まで加熱した。サンプルSに対して上下方向に常に0.5〜1MPaの負荷をかけながらロードセルでサンプルSの収縮率の変化を測定しつつ、約1300℃のまま2時間保持した後、サンプルSの収縮率を求めた。収縮率(%)、即ち、熱間試料収縮率(%)は、「収縮率(%)=加圧2時間保持後のサンプル高さ(ロードセルの上下位置)÷加圧前のサンプルの高さ(ロードセルの上下位置)×100」で求めた。
【0022】
この試験結果と実際の現象とを対比・検証した場合、低温域(温度が1250℃〜1350℃)において、収縮率が1.20%未満の場合、溶鋼の差込みや洗い流しによる開孔不良が多発した。低温域において、収縮率が2.5%を超える場合、過焼結による開孔不良が発生した。
なお、低温域の試験では加圧を行っているが、加圧なしと比べて極めて精度良く サンプルの収縮率を測定することが可能である。加圧をしない場合は、試験後の収縮変化量が少なくて測定精度が悪化してしまう。
【0023】
一方、高温域における冷間試料収縮率の測定では、一般的な電気炉(カンタル炉)を用いた。冷間試料収縮率を測定するにあたっては、サンプルSを黒鉛坩堝内に入れた後、黒鉛坩堝を電気炉内に入れて加熱する。なお、複数の黒鉛坩堝を電気炉に入れることによって複数のサンプルを同時に評価してもよい。
詳しくは、高温の試験では、サンプル量は50gとし、黒鉛坩堝はφ25mmとした。電気炉内は、Ar雰囲気下で約1500℃(10℃/min)まで加熱し、約1500℃のまま2時間保持した後、サンプルSの冷却後の収縮率(冷間試料収縮率)を求めた。
【0024】
収縮率(%)は、「収縮率(%)=試験後のサンプル高さ÷試験前のサンプル高さ×100」で求めた。なお、サンプル高さは、試験前後にノギスにより測定した。
この試験結果と実際の現象とを対比・検証した場合、高温域(温度が1450℃〜1550℃)において、収縮率が3.0%未満の場合、溶鋼の差し込み等による開孔不良が多発した。高温域において、収縮率が10%を超える場合、過焼結による開孔不良が発生した。
【0025】
以上、本発明によれば、取鍋2に充填砂Sを充填する前に充填砂Sの収縮率を測定することとし、その圧縮率の測定試験において、温度が1250℃以上1350℃以下の範囲では収縮率が1.2%以上2.5%以下となり、温度が1450℃以上1550℃以下の範囲では収縮率が3.0%以上10%以下となる充填砂を選定する。そして、選定した充填砂Sを取鍋2のノズル1に充填することによって、開孔不良や開孔不能を防止することができる。
【実施例】
【0026】
表1は、本発明の充填砂の評価及び選定方法によって充填砂を選定した実施例と、本発明とは異なる方法で充填砂を選定した比較例とをまとめたものである。
【0027】
【表1】
【0028】
実施例及び比較例では、開孔不良や開孔不能等を評価するために、実際に操業を行った。具体的には、取鍋2に充填砂を充填後、当該取鍋2を転炉に移動させ、転炉にて脱炭処理が終了した溶鋼を受鋼した。また、溶鋼の受鋼後、取鍋を二次精錬設備(例えば、LF、CAS、RH等)に移動させて当業者常法通りに溶鋼の二次精錬処理を行った。その後、二次精錬処理の終了後、取鍋2を連続鋳造装置に移動させてタンディッシュに溶鋼を注入する作業を行った。ここで、ノズル1の外側を開放した際(スライドプレート4を閉鎖状態から開放状態にした際)に、ノズル内に酸素を吹き付ける等の強制処置を行うことなく自然に溶鋼がタンディッシュに注入した場合は、自然開孔が実施できたと判断した。
【0029】
一方、ノズル内に酸素を吹き付ける等の強制処置を行うことによって充填砂の焼結層を破壊して、タンディッシュ内に溶鋼を注入した場合は、開孔不良と判断した。また、強制処置を行っても溶鋼がタンディッシュ内に注入することができなかった場合は、開孔不能と判断した。
自然開孔率は、強制処置を講じなくても溶鋼がタンディッシュに注入できた割合、即ち、「自然開孔率=自然開孔の数/ノズルの外側を開放した数」で求めた。実施例及び比較例では、転炉から連続鋳造までの処理を300チャージ以上行って、自然開孔率の優劣を評価した。なお、操業条件が開孔に与える影響をなくすため、実鍋時間(転炉の溶鋼を取鍋で受鋼してから取鍋内の溶鋼をタンディッシュに排出するまでの時間)が80分以上160分未満で、且つ、溶鋼の最高温度は160℃以上〜1700℃未満の操業についての自然開孔率を求めることとした。
【0030】
転炉の容量(粗鋼トン)は250tonとした。取鍋の容量も250tonとした。取鍋のスラグラインの耐火物はMgO−C耐火物で、メタルラインの耐火物(胴部及び敷部の耐火物)はアルミナ系耐火物を使用した。ノズル(注入ノズル)はアルミナ系材質で構成し、ノズルの内径は次第に小さくなるテーパ形状とした。詳しくは、ノズルの内側端部(溶鋼排出口と反対側)の内径はφ120mmとし、ノズルの外側端部(溶鋼排出口側)の内径はφ80mmとした。ノズルの高さ(ノズルの長さ)は325mmとした。ノズルには、1回当たり(1チャージ当たり)、40〜50kgの充填砂を取鍋の上方から装入した。
【0031】
実施例1〜13では、低温域(1250〜1350℃)における収縮率が1.2%以上2.5%以下であり、且つ、高温域(1450〜1550℃)における収縮率が3.0%以上10%以下であったため、開孔率は100%であった。
比較例14〜20(比較例−1)では、低温域における収縮率は1.2%以上2.5%以下であるものの、高温域における収縮率が3.0%未満であったり10%を超えているため、開孔率を100%にすることはできなかった。
【0032】
また、比較例21〜25(比較例−2)では、高温域における収縮率は3.0%以上10%以下であるものの、低温域における収縮率が1.2%未満であったり2.5%を超えているため、開孔率を100%にすることはできなかった。比較例26〜32(比較例−3)では、低温域及び高温域の収縮率が上述した規定値範囲外であったため、開孔率を100%にすることはできなかった。
【0033】
図3は、組成が同じ充填砂での収縮率をまとめたものである。
図3は、実施例1〜実施例3、比較例15、比較例22及び比較例30の収縮率を示しており、
図3に示すように、組成が同じであっても低温域における収縮率や高温域における収縮率は異なっており、従来のように組成で充填砂を評価しても、焼結特性は異なっていることがわかる。
図4は実施例及び比較例における収縮率と自然開孔率の結果を示したものである。
【0034】
図4に示すように、低温域(1250℃以上1350℃以下)の範囲では収縮率が1.2%〜2.5%の範囲となり、高温域(1450℃以上1550℃以下)では収縮率が3.0〜0%となる充填砂を選定することにより、自然開孔率を100%(
図4の「○」)にすることができ、これから外れる収縮率の場合は自然開孔率は100%未満(
図4の「×」)となった。
【0035】
なお、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、運転条件や操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な事項を採用している。