特許 7277744 耐火物の熱間診断方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-05-11

(45)【発行日】2023-05-19

(54)【発明の名称】耐火物の熱間診断方法

(51)【国際特許分類】

   F27D 1/00 20060101AFI20230512BHJP

   F27D 21/00 20060101ALI20230512BHJP

   C21C 7/10 20060101ALI20230512BHJP

   G01B 11/02 20060101ALI20230512BHJP

【ＦＩ】

F27D1/00 V

F27D21/00 Q

C21C7/10 P

G01B11/02 Z

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2019127400

(22)【出願日】2019-07-09

(65)【公開番号】P2021011993

(43)【公開日】2021-02-04

【審査請求日】2022-03-03

(73)【特許権者】

【識別番号】000006655

【氏名又は名称】日本製鉄株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000637

【氏名又は名称】弁理士法人樹之下知的財産事務所

(72)【発明者】

【氏名】筒井 雄史

(72)【発明者】

【氏名】久恒 光昭

(72)【発明者】

【氏名】友瀬 誠

(72)【発明者】

【氏名】齋藤 匡輝

【審査官】立木 林

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１４－１４２１５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１８５２５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭６３－０１０４０７（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開２００８－１２７６１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－２８１５１５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２７Ｄ １／００

Ｆ２７Ｄ ２１／００

Ｃ２１Ｃ ７／１０

Ｇ０１Ｂ １１／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

鉄皮の内面に耐火物が内張りされた容器の外部に設置される一つ以上のレーザープロフィールメーターを用いて、前記容器内にレーザーを照射して前記耐火物のプロフィールを測定し、前記プロフィールに基づいて前記耐火物の残寸Ａを算出する工程と、
前記プロフィールの測定と同時に前記容器の外部から少なくとも前記鉄皮の表面温度を測定し、前記表面温度に基づいて前記耐火物の残寸Ｂを算出する工程と、を含み、
前記プロフィールが測定可能であった場合には前記残寸Ａを前記耐火物の残寸とし、
前記プロフィールおよび前記表面温度がいずれも測定可能であった場合には、それぞれに基づいて算出された前記残寸Ａと前記残寸Ｂとの差分を補正値として記録し、
前記プロフィールが測定可能ではなく前記表面温度が測定可能であった場合には前記残寸Ｂを直近の前記補正値を用いて補正することによって前記耐火物の残寸を算出する
ことを特徴とする、耐火物の熱間診断方法。

【請求項2】

前記残寸Ｂを算出する工程では、前記鉄皮の表面温度に加えて前記耐火物の表面温度を測定する
ことを特徴とする、請求項１に記載の耐火物の熱間診断方法。

【請求項3】

前記容器は、鉄鋼精錬で用いられる真空脱ガス装置であり、
前記レーザープロフィールメーターは、前記真空脱ガス装置の炉外上方に設置されて炉頂開口部から前記真空脱ガス装置の内部に向けてレーザーを照射する
ことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の耐火物の熱間診断方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、耐火物の熱間診断方法に関し、特に、容器内部に内張りされた耐火物の残寸を高温下で診断する技術に関する。

【背景技術】

【0002】

鉄鋼精錬容器では、鉄皮の内面に高温に耐える耐火物が内張りされているが、スラグへの溶損や熱衝撃による割れ等が起因して、使用回数を重ねることで耐火物の残寸が減少していく。耐火物の異常損耗や残寸減少に気付かずに操業を継続した場合、耐火物が完全に消失して鉄皮が溶損・破孔し、内容物である溶融金属やスラグが漏れ出す可能性があるため、適切なタイミングで耐火物の補修や交換作業を実施することが必要になる。

【0003】

特に、鉄鋼精錬で用いられる真空脱ガス装置は、上部槽・下部槽・浸漬管に分かれており、このうち溶鋼を環流処理する下部槽に内張りされた耐火物が特に激しく損傷を生じる。しかしながら、真空脱ガス装置は密閉容器であるため、処理直後の高温下では耐火物を目視によって点検可能な箇所が少なく、耐火物の熱間診断が特に困難な設備と言える。

【0004】

上記課題に対して、耐火物の残寸や状況を診断するために以下の手法が提案されている。例えば、特許文献１および特許文献２では固定式プロフィールメーターを用いて精錬容器内の耐火物残寸を測定する手法が提案されているが、容器内部に地金等が付着したことによって死角が発生した場合に測定ができない課題がある。真空脱ガス装置のように開口部が小さい設備の場合は、槽内の地金付着により死角が発生しやすく、容器外に設置されたプロフィールメーターのみによって安定して耐火物残寸を測定することは困難である。

【0005】

特許文献３および特許文献４では真空脱ガス設備下部の浸漬管からカメラやレーザープロフィールメーターを挿入し点検する手法が提案されている。しかしこの方法では高温雰囲気中の下部槽内部に測定機器を挿入するため、熱負荷のために測定機器の寿命が短くなる課題がある。また、いくつもの駆動装置を組み合わせて槽内にレーザープロフィールメーターを挿入するため、レーザープロフィールメーター自体の位置に大きな誤差が生じ、測定したデータの精度が低いという課題もある。さらに、測定機器の移動や真空脱ガス槽自体の移動のための時間が必要になるため、点検頻度が限定されるという課題もある。

【0006】

一方、特許文献５および特許文献６では耐火物内部温度および鉄皮温度を測定し、間接的に槽内耐火物の残寸を把握する手法が提案されている。しかし、この方法では、下部槽の使用回数や処理時間・処理間隔などの稼働状況などによって温度がばらつき、予測残寸の精度が低いという課題がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】特開昭６０－１３８４０７号公報

【文献】特開２００７－２９１４３５号公報

【文献】特開２００６－２９９３１４号公報

【文献】特開平１－１４５５１４号公報

【文献】特開２０１０－２８１５１５号公報

【文献】特開２０１３－１４７７１４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、容器の外部に測定機器を配置することによって熱負荷を低減し測定頻度の制約を回避しながら、炉内に内張りされた耐火物の残寸を正確に把握することが可能な耐火物の熱間診断方法を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明は以下の構成を要旨とする。
（１）鉄皮の内面に耐火物が内張りされた容器の外部に設置される一つ以上のレーザープロフィールメーターを用いて、前記容器内にレーザーを照射して前記耐火物のプロフィールを測定し、前記プロフィールに基づいて前記耐火物の残寸Ａを算出する工程と、前記プロフィールの測定と同時に前記容器の外部から少なくとも前記鉄皮の表面温度を測定し、前記表面温度に基づいて前記耐火物の残寸Ｂを算出する工程と、を有し、前記プロフィールが測定可能であった場合には前記残寸Ａを前記耐火物の残寸とし、前記プロフィールおよび前記表面温度がいずれも測定可能であった場合には、それぞれに基づいて算出された前記残寸Ａと前記残寸Ｂとの差分を補正値として記録し、前記プロフィールが測定可能ではなく前記表面温度が測定可能であった場合には前記残寸Ｂを直近の前記補正値を用いて補正することによって前記耐火物の残寸を算出することを特徴とする、耐火物の熱間診断方法。

【0010】

（２）前記残寸Ｂを算出する工程では、前記鉄皮の表面温度に加えて前記耐火物の表面温度を測定することを特徴とする、（１）に記載の耐火物の熱間診断方法。

【0011】

（３）前記容器は、鉄鋼精錬で用いられる真空脱ガス装置であり、前記レーザープロフィールメーターは、前記真空脱ガス装置の炉外上方に配置されて炉頂開口部から前記真空脱ガス装置の内部に向けてレーザーを照射することを特徴とする、（１）または（２）に記載の耐火物の熱間診断方法。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、プロフィールメーターを炉外に設置することでプロフィールメーターへの熱負荷が軽減されて測定精度が向上する。さらに、プロフィール測定と同時に鉄皮温度の測定を実施し、プロフィールによる正確な残寸と鉄皮温度よる予測残寸との差分を補正値として記録しておくことで、地金付着などによって死角が生じプロフィール測定ができなかった場合にも鉄皮温度による予測残寸を補正することで正確な残寸を把握できる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】ＲＨ設備の下部槽耐火物の構造を示す図である。

【図2】ＲＨ設備外観とプロフィールメーター設置例を示す図である。

【図3】ＲＨ設備の使用回数と下部槽耐火物残寸推移を示すグラフである。

【図4】従来技術における下部槽耐火物残寸測定例を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0014】

図１は、本発明の実施形態に係る耐火物の熱間診断方法が適用される容器の壁構造（ＲＨ下部槽側壁）を示す図である。図示された例において、容器１は、鉄皮２の内面に背面断熱材３を介して耐火物４が内張りされた壁構造を有し、耐火物４は鉄皮側の永久耐火物４Ａと内側のウェア耐火物４Ｂとを含む。

【0015】

本実施形態では、容器１の外部に設置される一つ以上のレーザープロフィールメーターを用いてウェア耐火物の残寸（残寸Ａ）を測定する。レーザープロフィールメーターはウェア耐火物のプロフィールおよび鉄皮の少なくとも一部のプロフィールを測定する。設計図面などから鉄皮形状とウェア耐火物との位置関係が既知であれば、上記のプロフィール測定結果から鉄皮プロフィールを基準としてウェア耐火物の残寸を算出することができる。ここで、レーザープロフィールメーターは、耐火物の損耗が激しく残寸を測定する必要がある部位を観察可能な位置に設置する。装置の取り合い上、そのような位置への固定設置が困難な場合でも、例えば容器内にレーザープロフィールメーターを挿入する場合に比べて移動時間は大幅に短くなる。また、レーザープロフィールメーターで測定するウェア耐火物の残寸値は、その都度鉄皮プロフィールを基準として算出されるので、レーザープロフィールメーターを固定設置しない場合であっても良好な精度で測定できる。

【0016】

一方、温度測定による残寸の予測では、放射温度計、熱電対または光ファイバー等を用いて鉄皮または耐火物背面の温度を測定し、槽内の温度や耐火物の物性値などを用いて、下記の多層平板の熱流束Ｑを表す式１を用いてウェア耐火物の残寸を算出する。

【0017】

【数1】

【0018】

ここで、ｔ_１はウェア耐火物稼働面の温度［Ｋ］、ｔ_２はウェア耐火物背面および永久耐火物稼働面温度［Ｋ］、ｔ_３は永久耐火物背面および背面断熱材稼働面温度［Ｋ］、ｔ_４は背面断熱材背面および鉄皮温度［Ｋ］、ｔ_５は大気の温度［Ｋ］、ｈ_ａは鉄皮－大気間の熱伝達係数［Ｗ／ｍＫ^２］、λ_１はウェア耐火物の熱伝導率［Ｗ／ｍＫ］、λ_２は永久耐火物の熱伝導率［Ｗ／ｍＫ］、λ_３は背面断熱材の熱伝導率［Ｗ／ｍＫ］、ｌ_１はウェア耐火物の厚み［ｍｍ］、ｌ_２は永久耐火物の厚み［ｍｍ］、ｌ_３は背面耐火物の厚み［ｍｍ］である。

【0019】

温度測定は、例えば特許文献５（特開２０１０－２８１５１５号公報）および特許文献６（特開２０１３－１４７７１４号公報）を参考に、冷却等の影響による温度ばらつきを抑制するために、処理終了後、ある程度の時間が経過してから測定を実施する。また、プロフィール測定によって求めたウェア耐火物の残寸と温度測定から算出したウェア耐火物残寸（予測残寸）との間に相違がある場合、２つの残寸の差を補正値として記録する。プロフィール測定の度に補正値を記録し、例えば地金付着の影響でプロフィール測定が困難な場合、予測残寸に直近のプロフィール測定のときに算出された補正値を加減することで、予測残寸の精度を向上させることが可能となる。

【実施例】

【0020】

以下に真空脱ガス設備（ＲＨ）で本発明を適用した結果について説明する。図２に示す本実施例に係るＲＨ設備の下部槽８は、図１に示したような鉄皮２、断熱材３、永久耐火物４Ａおよびウェア耐火物４Ｂからなる壁構造を有する。ＲＨ設備では溶鋼鍋１基あたり２０～４０分間精錬処理を実施し、それを１ｃｈ（チャージ）とすると下部槽８の耐火物寿命は平均して４００ｃｈ程度である。

【0021】

上記のようなＲＨ設備において、図２に示すように、天蓋６のＯＢランス装入孔５の上部にレーザープロフィールメーター１１を設置し、１０チャージごとに、処理終了の３分後に下部槽８の耐火物プロフィールを測定し残寸を求めた。ただし、図２に示すように上部槽７内に地金１０が付着すると下部槽８の耐火物が死角に位置し、プロフィール測定はできない。

【0022】

その一方で、図２に示すように、プロフィール測定と同時に放射温度計１２（Ａ＆Ｄ製ＡＤ５６１６）を用いて下部槽８の鉄皮温度およびウェア耐火物の稼働面温度の測定を、処理終了の３分後、すなわちプロフィール測定と同じタイミングで毎チャージ実施した。測温部位に関しては、下部槽８の側壁耐火物の３段目～５段目で溶鋼環流時の湯面高さに位置する部位が最も耐火物残寸が少ないので、当該部位の鉄皮温度を測定した。また、ウェア耐火物の稼働面温度は、浸漬管９から目視可能な範囲の側壁耐火物を放射温度計を用いて測温し、式１に代入した。なお、耐火物稼働面温度の測定が出来ない場合は、測定タイミングを統一することで稼働面温度に直近に測定した結果を当てはめることで、鉄皮温度測定のみで精度を維持しつつ耐火物残寸を算出することができる。ウェア耐火物、永久耐火物、断熱材それぞれの熱伝導率に実測値（ウェア耐火物：１２［Ｗ／ｍＫ］ 永久耐火物：１．２［Ｍ／ｍＫ］ 断熱材：０．０３［Ｗ／ｍＫ］）を代入して、永久耐火物および断熱材の厚みは施工時から不変とした。大気温度は外気温の実測値を代入して、式１を用いてウェア残寸を算出した。また、１０チャージごとのプロフィール測定が実施されたときは、算出した予測残寸の結果とプロフィール測定結果との差分を補正値として記録した。

【0023】

図３に使用回数と耐火物残寸の推移を示す。プロフィール測定寸法を残寸Ａ、測温からの予測残寸を残寸Ｂとする。残寸はプロフィール測定寸法の初期値を１００として指数化した。残寸Ａ、残寸Ｂとも、使用回数を重ねるごとに耐火物の残寸が減少している状況を示している。上述のようにレーザープロフィールメーター１１を炉外に設置することで、測定時間が短縮でき、生産ロスなく従来よりも大幅に短い間隔での測定が可能となった。しかし、９０ｃｈ・１００ｃｈ・１９０ｃｈ・２００ｃｈ・３１０ｃｈ・３２０ｃｈ・３９０ｃｈの測定では、図２に示したように上部槽７内に地金１０が付着して死角が生じたことによって、測定値が異常値（直前の測定値から大きく外れた値）になり、プロフィールが測定できなかった。

【0024】

一方、温度測定の結果から算出した残寸Ｂは、上記のようにプロフィール測定ができなかった場合にも算出可能であるものの、プロフィール測定による残寸Ａと比較してズレが大きい。これは、残寸Ｂは定常伝熱計算から算出しているが、温度計測時の耐火物の物性値が必ずしも事前に測定した実測値と一致するわけではなく、また物性値自体が使用を重ねて熱負荷を受ける毎に変化していくためと考えられる。

【0025】

そこで本実施例では、上述のように、プロフィール測定による残寸Ａを内張り耐火物の残寸の基本的な管理値とする一方で、プロフィール測定による残寸Ａと温度測定による残寸Ｂの両方が得られた場合に、その差分（残寸Ａ－残寸Ｂ）を補正値として記録し、プロフィールが測定可能ではなく、従って残寸Ａが得られない場合には、残寸Ｂを直近の補正値を用いて補正する、即ち（残寸Ｂ＋直近の補正値）を内張り耐火物の残寸の管理値とする。具体的には、図３において、例えば８０ｃｈでは、プロフィール測定が可能であり、指数で表される補正値は１１であった。その次の９０ｃｈでは地金付着によってプロフィール測定が可能ではなかったが、温度測定は問題なく実施できたので、（９０ｃｈの残寸Ａ）＝（８０ｃｈの残寸Ｂ）＋（８０ｃｈの補正値１１）とした。

【0026】

連続してプロフィール測定ができなかった場合には、直近の、すなわち以前に得られた補正値の中で最後に得られたものを引き続き利用する。例えば図３では、９０ｃｈに続いて１００ｃｈも残寸Ａを計測できなかったが、温度測定は問題なく実施できたので、（１００ｃｈの残寸Ａ）＝（９０ｃｈの残寸Ｂ）＋（８０ｃｈの補正値１１）とした。槽内に付着した地金を除去するなどしてプロフィール測定が可能になった場合（例えば１１０ｃｈ）は、上記のような補正は行わずにプロフィール測定による残寸Ａを内張り耐火物の残寸の管理値とするとともに、残寸Ａと温度測定による残寸Ｂとの差分（残寸Ａ－残寸Ｂ）を新たな補正値として記録する。

【0027】

比較例として、実施例と同じＲＨ設備において従来技術である浸漬管からプロフィールメーターを挿入する方法で耐火物残寸を測定し、実施例による結果と比較した。図４に、比較例における使用回数と耐火物残寸の推移を示す。比較例の場合、測定をするためにはプロフィールメーターを槽直下に移動させる時間が必要になるが、この間は操業が中断されるため、実施例と同等の生産量を確保するためには実施例（１０チャージごと）に比べて低頻度でしか測定を実施できない。また、プロフィールメーターを多くの駆動装置を用いて槽内に挿入・測定する過程でプロフィールメーターの位置把握精度が低下し、結果として測定結果の精度も低下する。

【0028】

上記のような実施例および比較例で、実際に複数の下部槽を対象に残寸精度を検証した結果を表１に示す。いずれの例でも、処理終了後の熱間での測定値と、その後に炉内で測定した実測値との誤差を算出したところ、比較例（従来技術）では実測値との誤差が２５％～４０％程度あるのに対し、本発明では４％以下に抑えられ、大幅に精度が向上した。

【0029】

【表1】

【0030】

本発明適用により、槽内の耐火物残寸を正確に把握し、下部槽耐火物の鉄皮穴あきトラブルを４回／年→０回／年に減少させることができた。また、耐火物を安全に使い切った上で槽交換をすることができ、耐火物コストを低減させることもできた。

【符号の説明】

【0031】

１…容器、２…鉄皮、３…背面断熱材、４Ａ…永久耐火物、４Ｂ…ウェア耐火物、５…ＯＢランス装入孔、６…天蓋、７…上部槽、８…下部槽、９…浸漬管、１０…地金、１１…レーザープロフィールメーター、１２…放射温度計。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】