JP7793783B2 - Method for manufacturing refractory for gas-blowing nozzle, refractory for gas-blowing nozzle, and gas-blowing nozzle - Google Patents
Method for manufacturing refractory for gas-blowing nozzle, refractory for gas-blowing nozzle, and gas-blowing nozzleInfo
- Publication number
- JP7793783B2 JP7793783B2 JP2024534130A JP2024534130A JP7793783B2 JP 7793783 B2 JP7793783 B2 JP 7793783B2 JP 2024534130 A JP2024534130 A JP 2024534130A JP 2024534130 A JP2024534130 A JP 2024534130A JP 7793783 B2 JP7793783 B2 JP 7793783B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- carbon
- refractory
- firing
- gas
- oxidizing
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21C—PROCESSING OF PIG-IRON, e.g. REFINING, MANUFACTURE OF WROUGHT-IRON OR STEEL; TREATMENT IN MOLTEN STATE OF FERROUS ALLOYS
- C21C5/00—Manufacture of carbon-steel, e.g. plain mild steel, medium carbon steel or cast steel or stainless steel
- C21C5/28—Manufacture of steel in the converter
- C21C5/42—Constructional features of converters
- C21C5/46—Details or accessories
- C21C5/48—Bottoms or tuyéres of converters
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
- B22D1/00—Treatment of fused masses in the ladle or the supply runners before casting
- B22D1/002—Treatment with gases
- B22D1/005—Injection assemblies therefor
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
- B22D41/00—Casting melt-holding vessels, e.g. ladles, tundishes, cups or the like
- B22D41/50—Pouring-nozzles
- B22D41/58—Pouring-nozzles with gas injecting means
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21C—PROCESSING OF PIG-IRON, e.g. REFINING, MANUFACTURE OF WROUGHT-IRON OR STEEL; TREATMENT IN MOLTEN STATE OF FERROUS ALLOYS
- C21C5/00—Manufacture of carbon-steel, e.g. plain mild steel, medium carbon steel or cast steel or stainless steel
- C21C5/28—Manufacture of steel in the converter
- C21C5/30—Regulating or controlling the blowing
- C21C5/34—Blowing through the bath
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21C—PROCESSING OF PIG-IRON, e.g. REFINING, MANUFACTURE OF WROUGHT-IRON OR STEEL; TREATMENT IN MOLTEN STATE OF FERROUS ALLOYS
- C21C5/00—Manufacture of carbon-steel, e.g. plain mild steel, medium carbon steel or cast steel or stainless steel
- C21C5/28—Manufacture of steel in the converter
- C21C5/42—Constructional features of converters
- C21C5/44—Refractory linings
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
- F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
- F27D3/00—Charging; Discharging; Manipulation of charge
- F27D3/16—Introducing a fluid jet or current into the charge
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Carbon Steel Or Casting Steel Manufacturing (AREA)
- Ceramic Products (AREA)
- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
- Treatment Of Steel In Its Molten State (AREA)
Description
本発明は、転炉又は電気炉などにおいて、精錬効率及び合金歩留まりの向上を目的としたものである。炉底などから溶湯内にガスを吹込むためのガス吹き込みノズル用の耐火物であって、炭素含有耐火物にガス吹込み用の金属細管が1本以上埋設されたガス吹き込みノズル用耐火物の製造方法に関する。また、本発明は、ガス吹き込みノズル用耐火物及びガス吹き込みノズルに関する。 The present invention aims to improve refining efficiency and alloy yield in converters, electric furnaces, etc. It relates to a refractory for a gas-blowing nozzle for injecting gas into molten metal from the bottom of the furnace, and to a method for manufacturing the refractory for a gas-blowing nozzle, which has one or more thin metal tubes for gas injection embedded in a carbon-containing refractory. The present invention also relates to a refractory for a gas-blowing nozzle and a gas-blowing nozzle.
転炉又は電気炉などでは、精錬効率及び合金歩留まりの向上を目的として、炉底から撹拌ガス(通常、窒素又はArなどの不活性ガス)又は精錬ガスを溶湯内に吹込む、いわゆる底吹きが行われる。この底吹きの方式として、例えば以下の(1)~(3)が挙げられる。(1)の方式は、内管から脱炭を目的とした酸素を、外管から溶鋼接触部位の冷却を目的とした炭化水素ガス(プロパンなど)をそれぞれ吹込む二重管方式である。(2)の方式は、金属管と煉瓦の隙間にスリット状の開孔を設け、その開孔から不活性ガスを吹込む方式(スリット方式)である。(3)の方式は、カーボン含有煉瓦に複数本(数本~数百本)の金属細管を埋設し、煉瓦の底部からガス導入管とガス溜まりを介して不活性ガスを金属細管に供給し、この金属細管から不活性ガスを吹込む方式である。In converters or electric furnaces, bottom blowing is used to inject a stirring gas (usually an inert gas such as nitrogen or Ar) or a refining gas into the molten metal from the bottom of the furnace to improve refining efficiency and alloy yield. Examples of bottom blowing methods include (1) to (3) below. Method (1) is a double-pipe method in which oxygen is blown into the inner pipe for decarburization, and a hydrocarbon gas (such as propane) is blown into the outer pipe for cooling the area in contact with the molten steel. Method (2) is a slit method in which slit-shaped openings are created in the gap between the metal pipe and the brick, and inert gas is blown through these openings. Method (3) is a method in which multiple (several to several hundred) metal capillaries are embedded in carbon-containing bricks, and inert gas is supplied to the metal capillaries from the bottom of the bricks via a gas inlet pipe and gas reservoir, and the inert gas is blown through these metal capillaries.
これらのうち(1)、(2)の方式では、羽口用煉瓦を予め定法により製造する。その後、二重管又はスリットを形成する金属管の設置部分を加工する。もしくは、2分割ないし4分割とすることで金属管を設置する空間を形成し、施工時にはガスを吹き込む金属管を予めセットし、その周囲に羽口用煉瓦を施工するのが一般的である。 In methods (1) and (2), the tuyere bricks are manufactured in advance using standard methods. The area where the metal pipe that will form the double pipe or slit will be installed is then processed. Alternatively, the space for installing the metal pipe is generally created by dividing the pipe into two or four parts. During construction, the metal pipe through which the gas will be blown is set in place beforehand, and the tuyere bricks are installed around it.
一方、(3)の方式で用いられるガス吹き込み用プラグ(ノズル)は、マルチプル・ホール・プラグ(以下、MHPという)と呼ばれる。例えば、特許文献1では、このMHPでは1~20倍のガス流量(0.01~0.20Nm3/min)が制御可能とされている。このため、MHPは二重管方式又はスリット方式に比べて採用が容易である。 On the other hand, the gas injection plug (nozzle) used in method (3) is called a multiple hole plug (hereinafter referred to as MHP). For example, Patent Document 1 states that this MHP can control a gas flow rate 1 to 20 times higher (0.01 to 0.20 Nm 3 /min). For this reason, the MHP is easier to adopt than the double pipe method or slit method.
MHPは、ガス溜まりに接続された複数本の金属細管がマグネシア-カーボン煉瓦などのカーボン含有耐火物に埋め込まれた構造である。そのため、その製造は、二重管方式又はスリット方式のノズルとは異なり、以下のような方法が採られる。 MHPs have a structure in which multiple metal tubes connected to a gas reservoir are embedded in a carbon-containing refractory material such as magnesia-carbon bricks. Therefore, their manufacture differs from that of double-tube or slit-type nozzles and involves the following method:
すなわち、マグネシア原料などの骨材に鱗状黒鉛などの炭素源、ピッチ、金属種、フェノール樹脂などのバインダーを加えた原料を、分散性能の高いハイスピードミキサーなどの混練手段を用いて混練する。そして、金属細管を埋設する炭素含有耐火物を構成すべき混練物を得る。それから、この混練物の上に金属細管を敷設しながら積層状に金属細管を埋設した上で、プレス機により所定の圧力で成形を行う。その後、所定の乾燥を行う方法(金属細管は、その後、ガス溜まり用の部材に溶接で接合する)、或いは、予めガス溜まり用の部材に金属細管を溶接で接合しておき、その周囲の混練物を充填した上で、プレス機により所定の圧力で成形を行う。その後、所定の乾燥を行う方法、などによりMHPが製造される。That is, raw materials consisting of aggregate such as magnesia raw material, a carbon source such as scaly graphite, pitch, metal species, and a binder such as phenolic resin are mixed using a mixing device with high dispersion performance, such as a high-speed mixer. A kneaded mixture is then obtained that will form the carbon-containing refractory material in which the metal capillaries will be embedded. The metal capillaries are then laid on top of this kneaded mixture, forming them into a layered structure, and then molding them at a predetermined pressure using a press. This is then followed by a predetermined drying method (the metal capillaries are then welded to a gas reservoir component), or by welding the metal capillaries to a gas reservoir component in advance, filling the surrounding area with the kneaded mixture, and then molding at a predetermined pressure using a press. An MHP is then manufactured by this method, followed by a predetermined drying method, or the like.
底吹きノズルは炉壁などの耐火物に比べて損傷量(損耗量)が大きく、炉寿命を左右する重要な部材であるため、従来、損傷抑制のための様々な提案がなされており、MHPについても、例えば、以下のような改善が提案されている。 Bottom blowing nozzles are subject to greater damage (wear and tear) than refractory materials such as furnace walls, and are important components that determine the furnace's lifespan. Therefore, various proposals have been made to reduce damage, and for MHPs, the following improvements have been proposed:
特許文献2では、MHPのガス吹込みノズル部分と周囲羽口を一体化させ、目地部からの先行溶損、磨耗の低減が図られている。しかし、MHPの損傷は、金属細管が埋め込まれた部分でも起こる。そのため、この技術はあまり有効な対策とはなり得ない。
また、MHPの損傷要因の一つとして、耐火物内に埋設した金属細管の浸炭による低融点化(金属細管の先行損傷)が挙げられる。その対策として、以下のような提案がなされている。
In Patent Document 2, the gas injection nozzle of the MHP is integrated with the surrounding tuyere to reduce premature erosion and wear from the joints. However, damage to the MHP also occurs in the parts where the metal capillaries are embedded. Therefore, this technology is not a very effective solution.
One of the causes of damage to MHPs is the lowering of the melting point of the metal tubes embedded in the refractory due to carburization (pre-damage to the metal tubes). The following countermeasures have been proposed:
特許文献3には、マグカーボンなどの炭素含有耐火物に埋設されたステンレス製の金属細管の浸炭を抑制するために、金属細管表面に溶射によって酸化物層を形成することが提案されている。しかし、転炉などのように長期間使用される精錬炉(例えば2ヶ月~半年の使用期間)では、酸化物層の膜厚が十分ではなく、浸炭抑制効果が小さいという問題がある。 Patent Document 3 proposes forming an oxide layer on the surface of stainless steel metal tubes embedded in a carbon-containing refractory material such as mag-carbon by thermal spraying in order to suppress carburization of the metal tubes. However, in refining furnaces used for long periods of time (for example, two to six months), such as converters, the oxide layer is not thick enough, resulting in a small carburization suppression effect.
また、特許文献4には、金属細管の浸炭を抑制するために、金属細管と炭素含有耐火物と間に耐火性焼結体を配設することが提案されている。この技術では、浸炭の抑制効果は認められる。しかし、多数本の金属細管を埋設するノズルでは、金属細管の間隔が狭いため耐火性焼結体を配設することが困難であり、実用化は難しい。 Patent Document 4 also proposes placing a refractory sintered body between the metal capillary tubes and the carbon-containing refractory material to suppress carburization of the metal capillary tubes. This technology is effective in suppressing carburization. However, in nozzles with many embedded metal capillaries, the narrow spacing between the metal capillaries makes it difficult to place a refractory sintered body, making it difficult to put into practical use.
以上のように、炭素含有耐火物に金属細管を埋設するタイプのガス吹きノズル(MHPなど)では、耐用性を高めるために耐火物材質又は構造について種々検討がなされているが、十分な改善効果が得られていないのが現状である。 As described above, in gas blowing nozzles (such as MHPs) that have metal tubes embedded in carbon-containing refractories, various studies have been conducted on the refractory materials and structures to improve durability, but the current situation is that sufficient improvements have not been achieved.
したがって本発明の目的は、以上のような従来技術の課題を解決することにある。本発明の目的は、炭素含有耐火物にガス吹込み用の金属細管が1本以上埋設されたガス吹き込みノズル用耐火物の製造方法であって、ガス吹き込みノズルの耐用性を向上させることができるガス吹き込みノズル用耐火物の製造方法を提供することにある。Therefore, an object of the present invention is to solve the problems of the prior art described above. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a refractory for a gas-blowing nozzle, in which one or more thin metal tubes for gas injection are embedded in a carbon-containing refractory, which can improve the durability of the gas-blowing nozzle.
転炉又は電気炉で用いられるMHPの損傷の原因については、これまで、金属細管から勢いよくガスが吹き込まれることから、ノズル稼働面近傍での溶鋼流による溶損、磨耗が主体と考えられてきた。特許文献2の対策はこの考え方に立つものである。また、浸炭などにより金属細管が先に消耗することで、損傷が大きくなるとの考え方もあり、特許文献3又は特許文献4のような手法で金属細管への浸炭を防止してきた。一方、吹錬時は不活性ガスを勢いよく吹き込むために耐火物が冷却され、吹錬時と非吹錬時の間の温度差によってスポーリング損傷するという考え方があった。さらには、炭素含有耐火物は600℃付近で強度が最低になるので、その部分で稼働面に亀裂が入り、損傷するという考え方があった。このように様々な考え方があり、結論が出ていなかった。その結果、十分な対策が行われず、上記のように必ずしも満足する耐用性が得られていないのが現状である。 The cause of damage to MHPs used in converters or electric furnaces has traditionally been thought to be primarily due to melting and abrasion caused by the flow of molten steel near the nozzle working surface, due to the forceful gas injection from the metal tubes. The countermeasures in Patent Document 2 are based on this concept. Another theory is that the metal tubes are worn out first by carburization, leading to greater damage, and methods such as those in Patent Documents 3 and 4 have been used to prevent carburization of the metal tubes. On the other hand, another theory is that the refractory material is cooled during blowing due to the forceful injection of inert gas, and the temperature difference between blowing and non-blowing causes spalling damage. Furthermore, it is thought that the strength of carbon-containing refractories is lowest around 600°C, causing cracks and damage to the working surface at that temperature. As such, various theories exist, and no conclusion has been reached. As a result, sufficient countermeasures have not been implemented, and as described above, satisfactory durability is not necessarily achieved.
そこで、本発明者らは、MHPの真の損傷原因を探るため、実炉で使用された使用後品(MHP)を回収し、ノズル稼働面近傍の耐火物組織について詳細に調査した。その結果、稼働面から深さ10~20mm程度の耐火物内部で500~600℃という非常に大きな温度変化が発生していることが判明し、さらにこの部位に稼働面と平行な亀裂を確認することができた。このような実炉使用後品の稼働面近傍の詳細な調査を重ねた結果から、MHPの損傷形態は、溶損又は磨耗による損傷ではなく、稼働面近傍で生じている急激な温度勾配に起因した熱衝撃による損傷が主体であるとの結論が得られた。 To investigate the true cause of damage to the MHP, the inventors recovered a used MHP from an actual furnace and conducted a detailed investigation of the refractory structure near the nozzle working surface. The results revealed that a very large temperature change of 500-600°C had occurred within the refractory approximately 10-20 mm deep from the working surface, and furthermore, cracks parallel to the working surface were confirmed in this area. Based on the results of this detailed investigation of the working surface and its vicinity in the used MHP, it was concluded that the damage to the MHP was primarily due to thermal shock caused by the sudden temperature gradient occurring near the working surface, rather than damage due to melting or wear.
これまで耐熱衝撃性の考え方としては、ノズルの母材となる炭素含有耐火物そのものに亀裂を発生させないことを目的とし、材質の低弾性率化、低熱膨張化、高強度化を図るための改善が行われてきた。しかしながら、上記のように稼働面の非常に狭い範囲で急激な温度変化が生じるような条件下では、亀裂の発生自体を止めることは困難である。そこで、本発明者らは、亀裂が発生したとしても亀裂を伸展し難くすることで改善する手法の検討を進め、炭素含有耐火物の破壊エネルギーについて着目した。 Until now, the approach to thermal shock resistance has been to prevent cracks from occurring in the carbon-containing refractory that forms the base material of the nozzle, and improvements have been made to reduce the material's elastic modulus, thermal expansion, and strength. However, under conditions such as those described above, where sudden temperature changes occur over a very narrow range of the operating surface, it is difficult to prevent cracks from occurring. Therefore, the inventors have been investigating methods to improve this by making it more difficult for cracks to propagate even if they do occur, and have focused on the fracture energy of carbon-containing refractories.
耐火物の破壊エネルギーは、亀裂が伸展して新しい表面が形成される際、その表面形成に必要なエネルギーとして定義される。耐火物に熱応力がかかり一定量の弾性エネルギーが蓄えられて、そのエネルギーによって亀裂が生成されるとすると、破壊エネルギーが大きいほど、亀裂が伸展しにくいことになる。 The fracture energy of refractory is defined as the energy required to form a new surface when a crack propagates. If a refractory is subjected to thermal stress and a certain amount of elastic energy is stored, and a crack is generated by this energy, the greater the fracture energy, the more difficult it is for the crack to propagate.
これまで、耐火物の破壊エネルギーを向上させる方法は様々検討されていて、例えば、炭素長繊維を添加することで破壊エネルギーが向上することが知られている。しかし、炭素長繊維を添加すると炭素含有耐火物の充填性が悪くなるという欠点があるため、現状では実用化されていない。 Various methods have been investigated to improve the fracture energy of refractories. For example, it is known that adding long carbon fibers can improve fracture energy. However, adding long carbon fibers has the disadvantage of worsening the packing properties of carbon-containing refractories, and therefore this method is not currently in practical use.
従来、主に炉の内張り用耐火物の耐食性又は耐熱スポーリング性などの改善を目的として、耐火物を非酸化焼成・有機物含浸する技術が知られている。例えば、特許文献5では、金属Al粉末を添加したマグカーボン煉瓦を500~1000℃の非酸化性雰囲気下で焼成加熱し、その後、炭化収率25%以上の有機物を煉瓦気孔内に含浸させる処理を行い、熱間強度の向上とともに耐食性の向上を図っている。また、特許文献6では、仮焼無煙炭を0.5~10重量%添加したマグカーボン煉瓦を600~1500℃の還元雰囲気下で焼成することで、耐スラグ侵食性及び弾性率の低減による耐熱スポーリング性の改善が図られるとしている。この特許文献6では、耐スポーリング性の指標として、1400℃還元焼成後の弾性率で評価しており、弾性率が1.2×104MPa以下であることが重要であるとしている。さらに、還元焼成後にタールを含浸してもよく、この含浸により気孔の密封、強度アップ、耐消化性の向上が図られると説明されているが、実施例は記載されていない。 Conventionally, techniques for non-oxidizing firing and impregnating refractories with organic substances have been known, primarily for the purpose of improving the corrosion resistance or heat spalling resistance of furnace lining refractories. For example, Patent Document 5 discloses that magma-carbon bricks containing added metal Al powder are fired and heated in a non-oxidizing atmosphere at 500 to 1000°C, and then an organic substance with a carbonization yield of 25% or more is impregnated into the brick pores, thereby improving hot strength and corrosion resistance. Patent Document 6 also discloses that magma-carbon bricks containing added 0.5 to 10 wt% calcined anthracite are fired in a reducing atmosphere at 600 to 1500°C, improving slag erosion resistance and heat spalling resistance by reducing the elastic modulus. Patent Document 6 evaluates the elastic modulus after reduction firing at 1400°C as an indicator of spalling resistance, and states that it is important that the elastic modulus be 1.2 × 10 4 MPa or less. Furthermore, it is explained that tar may be impregnated after reduction firing, and that this impregnation seals the pores, increases strength, and improves slaking resistance, but no examples are given.
以上のように、耐火物を非酸化焼成・有機物含浸する従来技術は、主に炉の内張り用耐火物の耐食性又は耐熱スポーリング性の改善を目的としたものであった。これに対して、特許文献7には、耐火物を非酸化条件で焼成した後、有機物を含浸する方法(非酸化焼成・有機物含浸)が破壊エネルギーの向上に有効であることが開示されている。
ここで、炭素含有耐火物を非酸化焼成・有機物含浸することにより破壊エネルギーが増大する理由は必ずしも明確ではないが、以下のように考えられる。
As described above, the conventional technique of non-oxidizing firing of a refractory material and impregnating it with an organic substance has been aimed at improving the corrosion resistance or heat spalling resistance of the refractory material for use in furnace linings. In contrast, Patent Document 7 discloses that a method of firing a refractory material under non-oxidizing conditions and then impregnating it with an organic substance (non-oxidizing firing and organic substance impregnation) is effective in improving fracture energy.
Here, the reason why the fracture energy of a carbon-containing refractory increases when it is fired non-oxidatively and impregnated with an organic substance is not entirely clear, but is thought to be as follows.
炭素含有耐火物(煉瓦)は、一般にフェノール樹脂などをバインダーとして製造される。フェノール樹脂は、高温で熱分解され、一部が残炭し、炭素含有耐火物の結合材として機能する。しかし、その結合の程度は大きい。また、亀裂が発生すると容易に伸展するため破壊エネルギーはあまり大きくない。これに対して、非酸化焼成した後に有機物を含浸させた場合、有機物が耐火物の内部まで均等に拡散して浸透し、耐火物内のマトリックス部分又は鱗状黒鉛の層間などに有機物が入り込む。これらの有機物は、ノズル使用時に加熱されることによって分解し、炭素結合が形成される。その結果、鱗状黒鉛などの炭素材料と耐火性骨材の間に緩い結合が生じ、結合の程度が高まる。その結果、亀裂が発生しても容易に伸展しにくくなる。加えて、緩い結合が生じたために適度な応力によって上述した有機物由来の炭素結合が引き剥がされ、炭素長繊維を添加した場合と同様に煉瓦組織間の架橋として働く、所謂、引き抜き性の向上効果が得られ、その結果として破壊エネルギーが増大する。Carbon-containing refractories (bricks) are generally manufactured using binders such as phenolic resin. Phenolic resins undergo thermal decomposition at high temperatures, leaving some carbon residue, which functions as a binder for carbon-containing refractories. However, the degree of bonding is strong. Furthermore, cracks that occur easily propagate, resulting in low fracture energy. In contrast, when organic matter is impregnated into the refractory after non-oxidizing firing, the organic matter diffuses and penetrates evenly into the refractory, penetrating into the matrix or between the layers of flake graphite. These organic matter decomposes when heated during nozzle use, forming carbon bonds. This results in loose bonds between carbon materials such as flake graphite and the refractory aggregate, enhancing the degree of bonding. As a result, cracks are less likely to propagate evenly. Furthermore, the loose bonds allow the aforementioned organic carbon bonds to peel off under moderate stress, acting as bridges between the brick structure, similar to the addition of long carbon fibers. This improves pullability and ultimately increases fracture energy.
しかし、本発明者らが検討した結果、特許文献7の方法では、破壊エネルギーの増大とこれに伴う耐用性の向上に限界があること、これに対して、非酸化焼成・有機物含浸を複数回実施することにより破壊エネルギーが飛躍的に増大することを見出した。However, after further investigations, the inventors discovered that the method described in Patent Document 7 has limitations in increasing fracture energy and the associated improvement in durability, and that performing non-oxidizing firing and organic impregnation multiple times dramatically increases fracture energy.
一方、MHPの課題としては、特許文献3、4に示すように金属細管からガス吹きをする際に発生する金属細管への浸炭現象がある。金属細管への浸炭は、耐火物(煉瓦)に含まれる炭素源が実機稼働時の高温下で金属細管内に浸入することにより生じるものであり、この浸炭により金属細管が低融点化し、ノズル損傷量を増大させることが知られている。本発明では、ガス吹き込みノズル用耐火物を製造する際に、金属細管が埋設された炭素含有耐火物を複数回にわたって非酸化焼成・有機物含浸することにより破壊エネルギーを飛躍的に増大させ得ることを見出したものである。ただし、その非酸化焼成においても、熱処理条件によっては炭素含有耐火物由来の炭素成分が金属細管内に浸入し、浸炭に伴う細管の低融点化が起こる。そこで、金属細管が埋設された炭素含有耐火物に対する複数回の非酸化焼成において、金属細管の浸炭による低融点化を防止する。そのために、非酸化焼成条件(焼成温度、焼成時間)、さらには非酸化焼成後の金属細管の炭素含有量などについて詳細な検討を行い、金属細管の低融点化を抑制できる実用化可能な最適条件を見出した。On the other hand, one issue with MHP is the carburization of metal capillaries that occurs when gas is blown through them, as described in Patent Documents 3 and 4. Carburization of metal capillaries occurs when carbon sources contained in refractories (bricks) penetrate into the metal capillaries at high temperatures during actual operation. This carburization is known to lower the melting point of the metal capillaries and increase the amount of nozzle damage. In this invention, we have discovered that when manufacturing refractories for gas injection nozzles, the fracture energy can be dramatically increased by subjecting carbon-containing refractories with embedded metal capillaries to multiple non-oxidizing firings and organic impregnation. However, even during non-oxidizing firing, depending on the heat treatment conditions, carbon components derived from the carbon-containing refractory penetrate into the metal capillaries, causing the melting point of the capillaries to decrease due to carburization. Therefore, we aim to prevent the melting point of the metal capillaries from decreasing due to carburization during multiple non-oxidizing firings of carbon-containing refractories with embedded metal capillaries. To this end, detailed studies were conducted on the non-oxidizing firing conditions (firing temperature, firing time), as well as the carbon content of the metal tubes after non-oxidizing firing, and optimal conditions for practical use that can prevent the melting point of the metal tubes from decreasing were found.
以上のように、MHP用の金属細管が埋設された炭素含有耐火物について、非酸化焼成・有機物含浸を複数回行うことにより、金属細管の周囲を形成する耐火物の破壊エネルギーを飛躍的に向上させることができる。これによりMHPの稼働面付近に発生する亀裂の伸展を抑制することができ、MHPの寿命を大きく向上させることができる。さらに、非酸化焼成条件などを最適化し、MHPの製造過程における金属細管へ浸炭を抑制することで、より高寿命とすることが可能となることを見出した。
本発明は、このような知見に基づきなされたもので、以下を要旨とするものである。
As described above, by repeatedly performing non-oxidizing firing and organic impregnation on carbon-containing refractories in which metal tubes for MHPs are embedded, the fracture energy of the refractory surrounding the metal tubes can be dramatically improved. This can suppress the propagation of cracks that occur near the working surface of the MHP, significantly improving the lifespan of the MHP. Furthermore, it was discovered that optimizing the non-oxidizing firing conditions and suppressing carburization of the metal tubes during the MHP manufacturing process can further extend the lifespan of the MHP.
The present invention was made based on these findings and has the following gist.
[1]炭素含有耐火物にガス吹込み用の金属細管が1本以上埋設されたガス吹き込みノズル用耐火物の製造方法において、
金属細管が埋設された炭素含有耐火物を非酸化焼成した後、該炭素含有耐火物に、残炭率が30質量%以上の有機物を含浸させる含浸処理を施す一連の工程を複数回行うことを特徴とするガス吹き込みノズル用耐火物の製造方法。
[1] A method for manufacturing a refractory for a gas-blowing nozzle, in which one or more metal thin tubes for gas blowing are embedded in a carbon-containing refractory,
A method for producing a refractory for a gas-blowing nozzle, comprising the steps of: non-oxidizing firing a carbon-containing refractory having a metal capillary embedded therein; and then impregnating the carbon-containing refractory with an organic substance having a residual carbon rate of 30 mass% or more; and repeating this series of steps multiple times.
[2]上記[1]の製造方法において、非酸化焼成を焼成温度400~1100℃、焼成時間1~20時間で行うことを特徴とするガス吹き込みノズル用耐火物の製造方法。 [2] A method for producing a refractory material for a gas injection nozzle, characterized in that the non-oxidizing firing is carried out at a firing temperature of 400 to 1100°C for a firing time of 1 to 20 hours in the manufacturing method of [1] above.
[3]上記[1]の製造方法において、非酸化焼成を焼成温度800~1100℃、焼成時間3~20時間で行うことを特徴とするガス吹き込みノズル用耐火物の製造方法。 [3] A method for producing a refractory material for a gas injection nozzle, characterized in that the non-oxidizing firing is carried out at a firing temperature of 800 to 1100°C for a firing time of 3 to 20 hours in the manufacturing method of [1] above.
[4]上記[1]~[3]のいずれかの製造方法において、非酸化焼成と有機物の含浸処理を施す一連の工程を2~3回行うことを特徴とするガス吹込みノズル用耐火物の製造方法。 [4] A method for manufacturing a refractory material for a gas injection nozzle, characterized in that, in any of the manufacturing methods described above in [1] to [3], a series of steps of non-oxidizing firing and organic substance impregnation treatment are carried out two to three times.
[5]上記[1]~[4]のいずれかの製造方法において、複数回の前記非酸化焼成での合計の焼成時総浸炭指数Nが閾値以下となるように前記非酸化焼成の条件を設定することを特徴とするガス吹き込みノズル用耐火物の製造方法。 [5] A method for manufacturing a refractory material for a gas injection nozzle, in any of the manufacturing methods [1] to [4] above, characterized in that the conditions for the non-oxidizing firing are set so that the total carburization index N during firing over multiple non-oxidizing firings is below a threshold value.
[6]上記[1]~[5]のいずれかの製造方法において、製造されたガス吹き込みノズル用耐火物を構成する炭素含有耐火物の破壊エネルギーが175J/m2以上であることを特徴とするガス吹き込みノズル用耐火物の製造方法。 [6] A method for producing a refractory for a gas blowing nozzle according to any one of the above [1] to [5], wherein the fracture energy of the carbon-containing refractory constituting the produced refractory for a gas blowing nozzle is 175 J/ m2 or more.
[7]上記[1]~[6]のいずれかの製造方法において、製造されたガス吹き込みノズル用耐火物を構成する炭素含有耐火物の気孔率が3%以下であることを特徴とするガス吹き込みノズル用耐火物の製造方法。 [7] A method for manufacturing a refractory for a gas-blowing nozzle, in any of the manufacturing methods [1] to [6] above, characterized in that the porosity of the carbon-containing refractory constituting the manufactured refractory for a gas-blowing nozzle is 3% or less.
[8]上記[1]~[7]のいずれかの製造方法において、最終の非酸化焼成後における金属細管の炭素含有量を2.0質量%以下とすることを特徴とするガス吹き込みノズル用耐火物の製造方法。 [8] A method for producing a refractory material for a gas-blowing nozzle, in any of the manufacturing methods [1] to [7] above, characterized in that the carbon content of the metal capillary after the final non-oxidizing firing is 2.0 mass% or less.
[9]上記[1]~[7]のいずれかの製造方法において、最終の非酸化焼成後における金属細管の炭素含有量を1.3質量%以下とすることを特徴とするガス吹き込みノズル用耐火物の製造方法。 [9] A method for producing a refractory material for a gas-blowing nozzle, in any of the manufacturing methods [1] to [7] above, characterized in that the carbon content of the metal capillary after the final non-oxidizing firing is 1.3 mass% or less.
[10]上記[1]~[9]のいずれかの製造方法において、含浸処理において炭素含有耐火物に含浸させる有機物が、コールタールピッチ、フェノール樹脂、フラン樹脂の中から選ばれる1種以上であることを特徴とするガス吹き込みノズル用耐火物の製造方法。 [10] A method for producing a refractory for a gas-blowing nozzle, in any of the manufacturing methods [1] to [9] above, characterized in that the organic substance impregnated into the carbon-containing refractory in the impregnation treatment is one or more selected from coal tar pitch, phenolic resin, and furan resin.
[11]炭素含有耐火物にガス吹込み用の金属細管が1本以上埋設されたガス吹き込みノズル用耐火物であって、
炭素含有耐火物の破壊エネルギーが175J/m2以上であることを特徴とするガス吹き込みノズル用耐火物。
[11] A refractory for a gas-blowing nozzle, in which one or more metal thin tubes for gas blowing are embedded in a carbon-containing refractory,
A refractory for a gas-blowing nozzle, characterized in that the fracture energy of the carbon-containing refractory is 175 J/ m2 or more.
[12]上記[11]のガス吹き込みノズル用耐火物において、炭素含有耐火物の気孔率が3%以下であることを特徴とするガス吹き込みノズル用耐火物。 [12] A refractory for a gas-blowing nozzle according to [11] above, characterized in that the porosity of the carbon-containing refractory is 3% or less.
[13]上記[11]又は[12]のガス吹き込みノズル用耐火物において、金属細管の炭素含有量が2.0質量%以下であることを特徴とするガス吹き込みノズル用耐火物。 [13] A refractory material for a gas injection nozzle according to [11] or [12] above, characterized in that the carbon content of the metal capillary is 2.0 mass% or less.
[14]上記[11]又は[12]のガス吹き込みノズル用耐火物において、金属細管の炭素含有量が1.3質量%以下であることを特徴とするガス吹き込みノズル用耐火物。 [14] A refractory material for a gas injection nozzle according to [11] or [12] above, characterized in that the carbon content of the metal capillary is 1.3 mass% or less.
[15]上記[11]~[14]のいずれかのガス吹き込みノズル用耐火物を備えることを特徴とするガス吹き込みノズル。 [15] A gas injection nozzle characterized by comprising a refractory material for a gas injection nozzle according to any one of [11] to [14] above.
本発明の製造方法によれば、金属細管が埋設された炭素含有耐火物の破壊エネルギーが高く、ノズル稼働面付近における急激な温度勾配によって発生する亀裂の伸展が抑制されるガス吹き込みノズル用耐火物を製造することができる。このガス吹き込みノズル用耐火物を用いることにより、ガス吹き込みノズルの寿命を大きく向上させることができる。 The manufacturing method of the present invention makes it possible to produce a refractory material for gas injection nozzles, in which the fracture energy of the carbon-containing refractory material with embedded metal capillaries is high and the propagation of cracks caused by a sudden temperature gradient near the nozzle operating surface is suppressed. Use of this refractory material for gas injection nozzles can significantly extend the life of the gas injection nozzle.
さらに、非酸化焼成条件(焼成温度、焼成時間)、非酸化焼成後の金属細管の炭素含有量などを最適化することにより、金属細管への浸炭を抑えることで金属細管の融点の低下を防止することができ、ガス吹き込みノズルの寿命をさらに向上させることができる。 Furthermore, by optimizing the non-oxidizing firing conditions (firing temperature, firing time) and the carbon content of the metal tube after non-oxidizing firing, it is possible to suppress carburization of the metal tube, thereby preventing a decrease in the melting point of the metal tube, and further improving the lifespan of the gas injection nozzle.
本発明は、炭素含有耐火物にガス吹込み用の金属細管が1本以上埋設されたガス吹き込みノズル用耐火物の製造方法である。金属細管が埋設された炭素含有耐火物を非酸化焼成し(非酸化焼成工程)、次いで、この炭素含有耐火物に残炭率が30質量%以上の有機物を含浸させる含浸処理を施す(含浸処理工程)一連の工程、すなわち、非酸化焼成・有機物含浸を複数回行うものである。The present invention is a method for manufacturing a refractory for a gas injection nozzle, in which one or more metal capillaries for gas injection are embedded in a carbon-containing refractory. The carbon-containing refractory with the embedded metal capillaries is subjected to non-oxidative firing (non-oxidative firing step), and then the carbon-containing refractory is impregnated with an organic substance having a residual carbon content of 30% by mass or more (impregnation step). In other words, the non-oxidative firing and organic substance impregnation process is repeated multiple times.
以下の説明において、炭素含有耐火物に金属細管が数十本以上埋設されたガス吹き込みノズルを、説明の便宜上「MHP」という場合がある。 In the following explanation, a gas injection nozzle with dozens or more metal tubes embedded in a carbon-containing refractory material may be referred to as an "MHP" for convenience of explanation.
なお、本発明の製造方法で用いられる炭素含有耐火物の材質(原料)及び成形方法、金属細管の材質及び本数、金属細管を炭素含有耐火物に埋め込む方法などについては、後に詳しく述べる。 The material (raw material) and molding method of the carbon-containing refractory used in the manufacturing method of the present invention, the material and number of the metal capillaries, and the method of embedding the metal capillaries in the carbon-containing refractory will be described in detail later.
本発明において、非酸化焼成・有機物含浸される対象物は、金属細管が埋設された炭素含有耐火物である。ガス吹き込みノズルがガス溜まりを有するタイプの場合には、対象物は金属細管が埋設されただけの炭素含有耐火物でもよい。また、金属細管が埋設されるとともに、この金属細管にガス溜まり用の部材の全部又は一部が接合された炭素含有耐火物でもよい。In the present invention, the object to be non-oxidatively fired and organically impregnated is a carbon-containing refractory material in which a metal capillary tube is embedded. If the gas injection nozzle is of a type that has a gas reservoir, the object may be a carbon-containing refractory material in which only a metal capillary tube is embedded. Alternatively, the object may be a carbon-containing refractory material in which a metal capillary tube is embedded and to which all or part of a gas reservoir member is joined.
本発明では、炭素含有耐火物を非酸化焼成した後、有機物の含浸処理を施すが、非酸化焼成しないと有機物の含浸ができない。基本的に炭素含有耐火物(煉瓦)は焼成工程を経ないで得られる不焼成耐火物であり、バインダーの硬化に伴い耐火物の気孔率は数%と非常に低い。そのため、不焼成品のままでは有機物を耐火物全体に含浸させることは困難である。そのため、有機物を含浸させるためには、事前に非酸化焼成が必要になる。さらに、非酸化焼成では、耐火物全体を熱処理することで、バインダーなどに由来する炭素成分が結合材として均質に生成する。そのため、実機稼働時の受熱により耐火物組織が変化する不焼成品に対して均質な耐火物組織を得つつ、有機物を容易に含浸させることが可能となる。In this invention, the carbon-containing refractory is impregnated with an organic substance after non-oxidizing firing. However, impregnation with an organic substance is not possible without non-oxidizing firing. Carbon-containing refractories (bricks) are essentially unfired refractories obtained without a firing process, and the porosity of the refractory is extremely low, at just a few percent, due to the hardening of the binder. Therefore, it is difficult to impregnate the entire unfired refractory with an organic substance. Therefore, non-oxidizing firing is required beforehand to impregnate the organic substance. Furthermore, non-oxidizing firing involves heat-treating the entire refractory, which allows carbon components derived from the binder and other materials to be homogeneously formed as a binding agent. Therefore, it is possible to easily impregnate an unfired refractory, whose structure changes due to heat exposure during actual operation, while still maintaining a homogeneous refractory structure.
本発明において、非酸化焼成・有機物含浸を複数回行うことにより破壊エネルギーが飛躍的に増大するが、これは以下のような理由によるものと考えられる。すなわち、有機物含浸において炭素含有耐火物に含浸させる有機物には、気化成分(アルコールのように、温度が上がると酸素が無くても気体となり、耐火物の外に散逸する成分)が含まれる。また、残炭成分(炭素のように、温度が上がっても酸素が無ければ気体とはならず、耐火物の内部に残留する成分)が含まれる。このうちの気化成分は、耐火物の製造後の常温環境及び実機使用時の高温環境で耐火物の外に散逸し、有機物含浸の効果が低下する。非酸化焼成と有機物含浸を複数回繰り返すことにより、非酸化焼成による気化成分の散逸→含浸による気孔への有機物の充填→非酸化焼成による気化成分の散逸(残炭成分により前回よりは気孔が減少している)→含浸による気孔への有機物の充填、が起こる。そして、高温に晒されても残る気孔が減少していく。例えば、非酸化焼成により体積が半分になる有機物を用いれば、1回の含浸では、その後に気化成分が散逸しても気孔の体積は半分になる。また、2回の含浸では気孔の体積はさらにその半分(当初の4分の1)になる。さらに、3回の含浸では気孔の体積はさらにその半分(当初の8分の1)になる。このように非酸化焼成・有機物含浸を複数回行うことにより、気孔の体積が大きく減少する結果、破壊エネルギーが飛躍的に増大するものと考えられる。In the present invention, the fracture energy increases dramatically when non-oxidizing firing and organic impregnation are performed multiple times. This is believed to be due to the following reasons: The organic matter impregnated into the carbon-containing refractory during organic impregnation contains vaporizable components (components that, like alcohol, become gaseous even in the absence of oxygen when the temperature rises and dissipate outside the refractory). It also contains residual carbon components (components that, like carbon, do not become gaseous even in the absence of oxygen when the temperature rises and remain inside the refractory). These vaporizable components dissipate outside the refractory in the room-temperature environment after refractory manufacture and in the high-temperature environment during actual use, reducing the effectiveness of the organic impregnation. Repeating non-oxidizing firing and organic impregnation multiple times leads to the following sequence: dissipation of vaporized components due to non-oxidizing firing → filling of pores with organic matter due to impregnation → dissipation of vaporized components due to non-oxidizing firing (the pores are reduced compared to the previous firing due to the residual carbon components) → filling of pores with organic matter due to impregnation. As a result, the pores remaining even when exposed to high temperatures are reduced. For example, if an organic substance whose volume is halved by non-oxidizing calcination is used, the pore volume will be halved after one impregnation, even if the vaporized components subsequently dissipate. Furthermore, after two impregnations, the pore volume will be halved again (to one-quarter of the original volume). Furthermore, after three impregnations, the pore volume will be halved again (to one-eighth of the original volume). Thus, by performing non-oxidizing calcination and organic substance impregnation multiple times, the pore volume is significantly reduced, and it is thought that the fracture energy will increase dramatically.
また、非酸化焼成・有機物含浸を複数回行うと、非酸化焼成・有機物含浸の度に気孔が残炭により充填されていくので、熱伝導率が向上して温度勾配が緩和され、熱衝撃が低減するという効果も期待できる。 In addition, if non-oxidizing firing and organic impregnation are performed multiple times, the pores will be filled with residual carbon each time, which is expected to improve thermal conductivity, alleviate temperature gradients, and reduce thermal shock.
炭素含有耐火物の非酸化焼成での焼成温度(熱処理温度)は400℃以上1100℃以下が好ましい。焼成温度は400℃未満では、バインダー(通常、フェノール樹脂などの樹脂)の熱分解が十分に起こらず、非酸化焼成後の含浸処理において有機物の含浸が不十分となり、破壊エネルギーが十分に向上しない恐れがある。一方、焼成温度が1100℃を超えると、炭素含有耐火物由来の炭素成分の金属細管への浸炭により金属細管の低融点化を招く恐れがある。また、本発明では非酸化焼成を複数回行うので、焼成温度が1100℃を超えると、埋め込まれた金属細管が溶融したり、閉塞したりして、ガス吹き込みノズルとしてのガス吹き機能が失われる恐れもある。The firing temperature (heat treatment temperature) for non-oxidizing firing of carbon-containing refractories is preferably 400°C or higher and 1100°C or lower. At firing temperatures below 400°C, the thermal decomposition of the binder (usually a resin such as phenolic resin) may not occur sufficiently, resulting in insufficient impregnation of the organic material during the impregnation treatment after non-oxidizing firing, and thus insufficient improvement in fracture energy. On the other hand, firing temperatures above 1100°C may result in the carburization of the metal capillaries by carbon components derived from the carbon-containing refractory, lowering the melting point of the metal capillaries. Furthermore, since non-oxidizing firing is performed multiple times in the present invention, firing temperatures above 1100°C may cause the embedded metal capillaries to melt or become clogged, resulting in the loss of their gas-blowing function as gas-blowing nozzles.
また、非酸化焼成後の含浸処理において有機物をより効果的に含浸させるには、焼成温度は800℃以上が好ましい。 In addition, to more effectively impregnate organic substances in the impregnation process after non-oxidizing firing, it is preferable that the firing temperature be 800°C or higher.
非酸化焼成の焼成時間(保持時間)は、1~20時間とすることが好ましい。焼成時間が1時間未満では、ノズル全体の熱処理が不十分となりやすい。一方、焼成時間が20時間を超えると、焼成温度が1100℃を超える場合と同様に金属細管への浸炭が発生し、金属細管の低融点化を招く恐れがある。このような観点からより好ましい焼成時間は3~20時間である。 The firing time (holding time) for non-oxidizing firing is preferably 1 to 20 hours. If the firing time is less than 1 hour, the entire nozzle is likely to be insufficiently heat-treated. On the other hand, if the firing time exceeds 20 hours, carburization of the metal capillary may occur, as occurs when the firing temperature exceeds 1100°C, which may result in a lower melting point of the metal capillary. From this perspective, a more preferable firing time is 3 to 20 hours.
特に本発明では、非酸化焼成を複数回行うため、複数回の合計の熱処理量を制御することが好ましい。具体的には、以下の(1)式で示す焼成時総浸炭指数Nが閾値以下となるように非酸化焼成の条件を設定することが好ましい。非酸化焼成の条件は、例えば焼成の実施回数、焼成温度及び焼成時間を含むとして説明する。In particular, in the present invention, since non-oxidizing firing is performed multiple times, it is preferable to control the total heat treatment amount for the multiple times. Specifically, it is preferable to set the non-oxidizing firing conditions so that the total carburization index N during firing, as shown in the following formula (1), is below a threshold value. The non-oxidizing firing conditions will be explained as including, for example, the number of firings performed, the firing temperature, and the firing time.
ここで、Dは炭素の拡散係数であり、以下の式(2)で表される。なお、焼成時総浸炭指数Nは炭素の拡散係数Dを各回の焼成時間の合計時間で積分し、109を乗じた値である。 Here, D is the carbon diffusion coefficient, and is expressed by the following formula (2): The total carburization index N during firing is the value obtained by integrating the carbon diffusion coefficient D over the total firing time of each firing and multiplying the result by 10 .
式(2)において、D0は炭素拡散の頻度因子であり、Qは炭素が拡散するための活性化エネルギーであり、Rは気体定数であり、Tは焼成時間である。焼成時総浸炭指数Nは、炭素が金属細管内にどれだけ浸入するかを示す指標である。閾値は予め試験を繰り返すことにより算出される値であり、金属細管の材質に応じて適宜定められるが、本実施形態では一例として118である。すなわち、本実施形態では、非酸化焼成を複数回行った際の焼成時総浸炭指数Nが118以下となるように焼成の実施回数、焼成温度及び焼成時間を設定することが好ましい。焼成時総浸炭指数Nが閾値を超えると、非酸化焼成後の金属細管の炭素含有量が2.0質量%を超えてしまい、ノズル自体の耐用性が低下する。なお、金属細管の浸炭の観点において焼成時総浸炭指数Nに下限値はないため、バインダーの熱分解等の他の観点で熱処理量の下限値を設定すればよい。 In Equation (2), D0 is the frequency factor of carbon diffusion, Q is the activation energy for carbon diffusion, R is the gas constant, and T is the firing time. The total carburization index N during firing is an index indicating how much carbon penetrates into the metal capillary. The threshold value is calculated in advance by repeated testing and is appropriately determined depending on the material of the metal capillary. In this embodiment, the threshold value is 118, for example. That is, in this embodiment, it is preferable to set the number of firings, the firing temperature, and the firing time so that the total carburization index N during firing after multiple non-oxidizing firings is 118 or less. If the total carburization index N during firing exceeds the threshold value, the carbon content of the metal capillary after non-oxidizing firing will exceed 2.0 mass%, thereby reducing the durability of the nozzle itself. Note that there is no lower limit for the total carburization index N during firing from the perspective of carburization of the metal capillary. Therefore, the lower limit of the heat treatment amount can be set based on other perspectives, such as the thermal decomposition of the binder.
本発明において炭素含有耐火物の焼成を非酸化焼成とするのは、炭素含有耐火物が本来有する耐熱スポーリング性及び耐スラグ浸透性などの特性が損なわれないようにするためである。すなわち、炭素含有耐火物が含有する炭素が著しく減少するような焼成条件、例えば、酸化性の雰囲気下で高温・長時間加熱するような条件で焼成すると、炭素含有耐火物中の炭素が酸化消失する。そして、炭素含有耐火物が有する耐熱スポーリング性及び耐スラグ浸透性などの特性が失われてしまう。そこで、上記特性などが失われないように、非酸化性の条件で焼成するのである。 In the present invention, the carbon-containing refractory is fired under non-oxidizing conditions to prevent the loss of its inherent properties, such as heat spalling resistance and slag penetration resistance. Specifically, if the carbon-containing refractory is fired under firing conditions that significantly reduce the carbon content, such as heating at high temperatures for a long period of time in an oxidizing atmosphere, the carbon in the carbon-containing refractory will be oxidized and lost. As a result, the carbon-containing refractory's properties, such as heat spalling resistance and slag penetration resistance, will be lost. Therefore, the carbon-containing refractory is fired under non-oxidizing conditions to prevent the loss of these properties.
非酸化焼成の条件としては、焼成の実施回数、焼成温度及び焼成時間を含むとして説明したが、炭素含有耐火物中に含まれる鱗状黒鉛などの炭素が実質的に消失しないような条件であれば特に制限はない。例えば、非酸化焼成の条件は、還元焼成、還元雰囲気下での焼成、非酸化性雰囲気下での焼成、酸化雰囲気下での短時間焼成などが適用できる。 The non-oxidizing firing conditions have been described as including the number of firings, firing temperature, and firing time, but there are no particular limitations as long as the conditions do not substantially eliminate the carbon, such as flaky graphite, contained in the carbon-containing refractory. For example, applicable non-oxidizing firing conditions include reducing firing, firing in a reducing atmosphere, firing in a non-oxidizing atmosphere, and short-term firing in an oxidizing atmosphere.
非酸化焼成の実施方法には特に制限はなく、常法で実施すればよい。例えば、焼成炉内に装入する台車上に煉瓦を組合せた鞘又は金属製の容器を設置し、その内部に還元焼成する炭素含有耐火物(金属細管が埋設された炭素含有耐火物)をセットする。その後、炭素含有耐火物の周囲にコークスなどの炭素源を入れた後、上部に蓋をかけ、外気を遮蔽しながら、所定の温度、時間にて還元焼成(熱処理)を実施する。There are no particular restrictions on the method for carrying out non-oxidizing firing, and it can be carried out using conventional methods. For example, a sheath made of assembled bricks or a metal container is placed on a cart that is loaded into the firing furnace, and the carbon-containing refractory to be subjected to reduction firing (carbon-containing refractory with embedded metal tubes) is placed inside. A carbon source such as coke is then placed around the carbon-containing refractory, and a lid is placed on top, and reduction firing (heat treatment) is carried out at a specified temperature and for a specified time while blocking out outside air.
また、炭素含有耐火物の焼成は、焼成雰囲気をNXガスなどのように可燃性のガスを含んだ還元性雰囲気とした還元雰囲気焼成又は焼成雰囲気を窒素又はアルゴンのような不活性ガス、或いは非酸化性ガス雰囲気とした非酸化性雰囲気焼成とすることもできる。還元雰囲気焼成又は非酸化性雰囲気焼成の場合、鞘又は金属容器は不要とすることができる。 Furthermore, the firing of carbon-containing refractories can be performed in a reducing atmosphere containing a flammable gas such as NX gas, or in a non-oxidizing atmosphere in which the firing atmosphere is an inert gas such as nitrogen or argon, or a non-oxidizing gas. In the case of reducing or non-oxidizing atmosphere firing, a sheath or metal container may not be necessary.
さらに、炭素含有耐火物の焼成は、酸化雰囲気下の焼成であっても、短時間焼成とし、焼成後、表面に形成された脱炭層を除去し、耐火物内部の脱炭されていない部分を使用することもできる。この方法では、炭素含有耐火物の表面は酸化状態となる。しかし、表面の酸化に伴いその部分が保護層として働き、耐火物内部は非酸化条件で焼成することができる。そのため、耐火物内部については実質的に非酸化焼成と見なせる。また、炭素含有耐火物の焼成は、事前に炭素含有耐火物表面に酸化防止用のグレーズを塗布するなどの方法も採用可能である。 Furthermore, when firing carbon-containing refractories, even if firing is performed in an oxidizing atmosphere, it is possible to fire for a short period of time, remove the decarburized layer formed on the surface after firing, and use the undecarburized portion of the interior of the refractory. In this method, the surface of the carbon-containing refractory becomes oxidized. However, as the surface oxidizes, this acts as a protective layer, allowing the interior of the refractory to be fired under non-oxidizing conditions. Therefore, the interior of the refractory can be considered to have been fired essentially under non-oxidizing conditions. Furthermore, when firing carbon-containing refractories, methods such as applying an anti-oxidation glaze to the surface of the carbon-containing refractory beforehand can also be used.
ただし、上記方法のなかでは、還元焼成、還元雰囲気下での焼成、非酸化性雰囲気下での焼成がより好ましい。酸化雰囲気下の焼成では、表面の脱炭層を除去する必要があるため、経済的ではない。However, among the above methods, reducing firing, firing in a reducing atmosphere, and firing in a non-oxidizing atmosphere are more preferable. Firing in an oxidizing atmosphere is not economical because it requires removing the decarburized layer on the surface.
最終の非酸化焼成後の金属細管(炭素含有耐火物に埋設された金属細管)の炭素含有量は2.0質量%以下であることが好ましい。金属細管の炭素含有量が2.0質量%を超えると、金属細管の融点が低下するため、ノズル先端部の稼働面付近で金属細管が溶融する恐れがあり、ノズル自体の耐用性が低下する。また、以上の観点から、より好ましい金属細管の炭素含有量は1.3質量%以下である。 The carbon content of the metal capillaries (metal capillaries embedded in the carbon-containing refractory) after the final non-oxidizing firing is preferably 2.0% by mass or less. If the carbon content of the metal capillaries exceeds 2.0% by mass, the melting point of the metal capillaries will decrease, which may cause the metal capillaries to melt near the working surface of the nozzle tip, reducing the durability of the nozzle itself. From the above perspectives, a more preferable carbon content of the metal capillaries is 1.3% by mass or less.
非酸化焼成後の金属細管の炭素含有量を2.0質量%以下(好ましくは1.3質量%以下)とする方法として、例えば(i)非酸化焼成温度を低めにし、非酸化焼成時間を過度に長くしないことが挙げられる。具体的には、非酸化焼成温度を1000℃以下とし、非酸化焼成時間を20時間以下とすることがある。また、別の方法として、例えば(ii)金属細管の表面にガス透過性のないコーティング膜を塗布し、浸炭を抑えることなどを挙げることができるが、特に(i)の方法が有効である。 One method for keeping the carbon content of the metal tubes after non-oxidizing sintering to 2.0% by mass or less (preferably 1.3% by mass or less) is to (i) lower the non-oxidizing sintering temperature and not extend the non-oxidizing sintering time excessively. Specifically, the non-oxidizing sintering temperature can be set to 1000°C or less and the non-oxidizing sintering time to 20 hours or less. Another method is to (ii) apply a gas-impermeable coating film to the surface of the metal tubes to suppress carburization, but method (i) is particularly effective.
以上のような非酸化焼成工程を経た炭素含有耐火物に対して、有機物を含浸させる含浸処理を施す。 After undergoing the above-mentioned non-oxidizing firing process, the carbon-containing refractory material is subjected to an impregnation process in which it is impregnated with an organic substance.
有機物の含浸処理において、含浸する有機物の残炭率は30質量%以上とする。この機物の残炭率は、JIS K6910(フェノール樹脂試験方法)に記載の固定炭素測定法に基づいて測定されるものである。含浸する有機物の残炭率が30質量%未満では、残炭による耐火物組織強化の効果が小さく好ましくない。この観点から、より好ましい残炭率は35質量%以上である。During the organic impregnation process, the residual carbon content of the organic material to be impregnated must be 30% by mass or more. The residual carbon content of this material is measured based on the fixed carbon measurement method described in JIS K6910 (Phenolic Resin Test Method). If the residual carbon content of the organic material to be impregnated is less than 30% by mass, the effect of the residual carbon on strengthening the refractory structure is small, which is undesirable. From this perspective, a residual carbon content of 35% by mass or more is more preferable.
含浸する有機物としては、コールタールピッチ(加熱溶解物)、フェノール樹脂(液状樹脂)、フラン樹脂(液状樹脂)などが挙げられ、これらの1種以上を用いることができるが、そのなかでも、特にコールタールピッチが好ましい。コールタールピッチは、熱分解後の炭素が結晶化しやすいため、より破壊エネルギーの向上に寄与するためである。これに対して、フェノール樹脂は熱分解後の炭素が結晶化しにくく、グラッシーなカーボンとなりやすい。そのため、破壊エネルギーの向上効果はコールタールピッチに比べて相対的に低い。 Organic materials for impregnation include coal tar pitch (heat-dissolved material), phenolic resin (liquid resin), and furan resin (liquid resin). One or more of these can be used, but coal tar pitch is particularly preferred. This is because coal tar pitch easily crystallizes its carbon after pyrolysis, contributing to greater improvement in fracture energy. In contrast, phenolic resin does not easily crystallize its carbon after pyrolysis, and tends to become glassy carbon. As a result, its effect in improving fracture energy is relatively lower than that of coal tar pitch.
有機物の含浸方法には特に制限はない。ただし、一旦真空に減圧した後、加圧下で有機物を含浸させることが好ましい。例えば、真空圧100Torr以下に減圧した後、加圧力5kgf/cm2以上で2時間以上保持して有機物を含浸させる。真空圧が高いと、耐火物内に残留した気泡により、加圧時に耐火物内部まで均質に有機物を含浸させることができなくなる場合がある。このため減圧する場合の真空圧は、100Torr以下、より望ましくは60Torr以下が好ましい。また、減圧後の加圧力が低い、或いは加圧保持時間が短いと、耐火物内に有機物を十分に含浸させることができない恐れがある。このため、減圧後の加圧力は5kgf/cm2以上、より望ましくは10kgf/cm2以上とすることが好ましい。また、加圧保持時間は2時間以上、より望ましくは4時間以上とすることが好ましい。これらの含浸条件を満たすことにより、炭素含有耐火物内に有機物が均質に浸透し、上述したような原理による炭素含有耐火物の破壊エネルギーの向上効果が特に効果的に得られる。 There are no particular limitations on the method for impregnating the organic material. However, it is preferable to first reduce the pressure to a vacuum and then impregnate the organic material under pressure. For example, after reducing the pressure to 100 Torr or less, the organic material is impregnated by applying a pressure of 5 kgf/cm2 or more for two hours or more. If the vacuum pressure is too high, bubbles remaining in the refractory may prevent the organic material from being uniformly impregnated into the interior of the refractory when pressurized. For this reason, the vacuum pressure when reducing the pressure is preferably 100 Torr or less, more preferably 60 Torr or less. Furthermore, if the pressure after reducing the pressure is low or the pressure holding time is short, the organic material may not be sufficiently impregnated into the refractory. For this reason, the pressure after reducing the pressure is preferably 5 kgf/ cm2 or more, more preferably 10 kgf/ cm2 or more. Furthermore, the pressure holding time is preferably two hours or more, more preferably four hours or more. By satisfying these impregnation conditions, the organic material is uniformly impregnated into the carbon-containing refractory, and the effect of improving the fracture energy of the carbon-containing refractory based on the above-mentioned principle is particularly effectively achieved.
以上のように炭素含有耐火物を所定の真空圧に減圧した後、所定の加圧力に保持して有機物の含浸処理を行う設備としては、スライドプレートなどで有機物を含浸する際に用いる一般的な含浸処理設備が使用できる。また、含浸後は炭素含有耐火物内に残留する揮発分を除去するために、200℃程度の乾燥処理を実施してもよい。As described above, after the carbon-containing refractory has been depressurized to a predetermined vacuum pressure, it can be impregnated with an organic substance while maintaining the pressure at a predetermined level. This can be achieved using general impregnation equipment used for impregnating organic substances with slide plates, etc. After impregnation, a drying process at approximately 200°C can be performed to remove any volatile matter remaining in the carbon-containing refractory.
本発明では、非酸化焼成・有機物含浸を複数回行うことにより破壊エネルギーが飛躍的に増大する。しかし、ある程度の実施回数になると破壊エネルギーの増大効果は飽和する。そのため、経済性を考慮すると非酸化焼成・有機物含浸の実施回数は2回~3回程度とすることが望ましい。In the present invention, the fracture energy increases dramatically by performing non-oxidizing firing and organic impregnation multiple times. However, once the process has been performed a certain number of times, the effect of increasing fracture energy saturates. Therefore, from an economical standpoint, it is desirable to perform non-oxidizing firing and organic impregnation two to three times.
本発明法で製造されるガス吹き込みノズル用耐火物は、炭素含有耐火物の破壊エネルギーが175J/m2以上であることが好ましい。破壊エネルギーが175J/m2未満では、従来の1回含浸耐火物(非酸化焼成・有機物含浸を1回のみ行って得られた耐火物)との差は小さい。そのため、ガス吹き込みノズルの寿命向上効果は小さい。すなわち、炭素含有耐火物の破壊エネルギーが175J/m2以上であることにより、ノズル稼働面付近における急激な温度勾配によって発生する亀裂の伸展を特に有効に抑制することが可能となり、ガス吹き込みノズルの寿命を大きく向上させることができる。 In the refractory for a gas blowing nozzle produced by the method of the present invention, the fracture energy of the carbon-containing refractory is preferably 175 J/ m2 or more. If the fracture energy is less than 175 J/ m2 , the difference from conventional single-impregnation refractories (refractories obtained by non-oxidizing firing and organic impregnation only once) is small. Therefore, the effect of improving the life of the gas blowing nozzle is small. In other words, if the fracture energy of the carbon-containing refractory is 175 J/ m2 or more, it becomes possible to particularly effectively suppress the propagation of cracks caused by a sudden temperature gradient near the nozzle operating surface, and the life of the gas blowing nozzle can be significantly improved.
破壊エネルギーは、三点曲げ試験法を用いて測定する。すなわち、ガス吹き込みノズル用耐火物は、25×25×140mmの試験片に対して800℃の不活性雰囲気中で100mmスパンの三点曲げ試験を行い、0.1mm/minの速度で試験片に曲げ荷重を加えて応力・歪み曲線を求め、この応力・歪み曲線のなす面積から破壊エネルギーを得る。Fracture energy is measured using a three-point bending test. Specifically, for refractory materials for gas injection nozzles, a three-point bending test is performed on a 25 x 25 x 140 mm test piece in an inert atmosphere at 800°C over a 100 mm span. A bending load is applied to the test piece at a rate of 0.1 mm/min to obtain a stress-strain curve, and the fracture energy is calculated from the area of this stress-strain curve.
同一材質の炭素含有耐火物であって、成形後、次に挙げる非酸化焼成・有機物含浸をした試料(i)~(v)について破壊エネルギーを比較した。試料(i)は、通常の乾燥処理までを実施した試料である。試料(ii)は、乾燥処理後にさらに非酸化焼成した試料である。試料(iii)は、乾燥処理後に非酸化焼成・有機物含浸を1回のみ行った試料である。試料(iv)は、乾燥処理後に本発明条件で非酸化焼成・有機物含浸を2回行った試料である。試料(v)は、乾燥処理後に本発明条件で非酸化焼成・有機物含浸を3回行った試料である。その結果、破壊エネルギーはそれぞれ、試料(i)で85J/m2、試料(ii)で62J/m2、試料(iii)で160J/m2、試料(iv)で187J/m2、試料(v)で193J/m2であった。このように複数回にわたって非酸化焼成・有機物含浸することによって、破壊エネルギーは効果的に増大する。 The fracture energies of samples (i) to (v) of carbon-containing refractories made of the same material, which were molded and then subjected to the following non-oxidizing firing and organic impregnation, were compared. Sample (i) was a sample that had been subjected to a normal drying treatment. Sample (ii) was a sample that had been subjected to a non-oxidizing firing and organic impregnation only once after the drying treatment. Sample (iv) was a sample that had been subjected to two non-oxidizing firings and organic impregnations under the conditions of the present invention after the drying treatment. Sample (v) was a sample that had been subjected to three non-oxidizing firings and organic impregnations under the conditions of the present invention after the drying treatment. As a result, the fracture energy was 85 J/m for sample (i), 62 J/m for sample ( ii ), 160 J/ m for sample (iii), 187 J/m for sample (iv), and 193 J/m for sample (v). In this way, by performing non-oxidizing baking and organic substance impregnation multiple times, the fracture energy is effectively increased.
ここで、従来法で得られたガス吹込みノズル用耐火物(破壊エネルギー160J/m2以下)では、ノズル稼働面から100mm程度耐火物の内部側に入った箇所で割れが発生した。そして、ガス吹込みノズル用耐火物の厚さが瞬時に100mm程度減少する現象が起こり、耐用が10%程度低下していた。しかし、破壊エネルギーが175J/m2の本発明品ではそのような現象は発生しなかった。 Here, in the refractory for gas injection nozzles obtained by the conventional method (fracture energy of 160 J/ m2 or less), cracks occurred at a location about 100 mm into the interior of the refractory from the nozzle operating surface. The thickness of the refractory for gas injection nozzles instantly decreased by about 100 mm, resulting in a decrease in durability of about 10%. However, this phenomenon did not occur in the product of the present invention, which has a fracture energy of 175 J/ m2 .
なお、耐火物の破壊エネルギーを高める方法としては、先に述べたように炭素繊維(炭素長繊維)を添加する方法がある。しかし、炭素繊維の添加は破壊エネルギーの増大には有効であるものの、炭素繊維と耐火物のなじみが非常に悪く、気孔率の非常に高い、ポーラスな組織となってしまう。このため炭素繊維を添加した材質では、耐食性などの低下が大きく、実用化は困難である。これに対して、非酸化焼成・有機物含浸は、耐火物組織の緻密性を保持しつつ破壊エネルギーを高めることができるので好ましい。As mentioned above, one method of increasing the fracture energy of refractories is to add carbon fiber (long carbon fiber). However, while adding carbon fiber is effective in increasing fracture energy, the carbon fiber and refractory material do not mix well, resulting in a highly porous structure with a very high porosity. As a result, materials containing added carbon fiber suffer from a significant decrease in corrosion resistance, making them difficult to put into practical use. In contrast, non-oxidizing firing and organic impregnation are preferable, as they can increase fracture energy while maintaining the density of the refractory structure.
また、本発明法で製造されるガス吹き込みノズル用耐火物は、炭素含有耐火物の気孔率が3%以下であることが好ましい。この気孔率は、有機物含浸量の指標であり、気孔率が大きければ含浸量が少なく、気孔率が小さければ含浸量が多いことを意味する。有機物含浸量が少なく炭素含有耐火物の気孔率が3%を超えると、有機物含浸による効果が小さくなって、耐火物組織を強化し、靭性を向上させる効果が小さくなり、破壊エネルギーも175J/m2以上を確保することが難しくなる。炭素含有耐火物のより好ましい気孔率は1.5%以下である。なお、炭素含有耐火物の気孔率を低減させるには、有機物を炭素含有耐火物内に十分に含浸させることが有効である。 Furthermore, in the refractory for a gas blowing nozzle manufactured by the method of the present invention, the porosity of the carbon-containing refractory is preferably 3% or less. This porosity is an indicator of the amount of organic matter impregnated, where a larger porosity indicates a smaller amount of impregnation, and a smaller porosity indicates a larger amount of impregnation. If the amount of organic matter impregnated is small and the porosity of the carbon-containing refractory exceeds 3%, the effect of the organic matter impregnation is reduced, the effect of strengthening the refractory structure and improving toughness is reduced, and it becomes difficult to ensure a fracture energy of 175 J/ m2 or more. A more preferable porosity of the carbon-containing refractory is 1.5% or less. Note that, in order to reduce the porosity of the carbon-containing refractory, it is effective to sufficiently impregnate the carbon-containing refractory with an organic matter.
次に、本発明の製造方法で用いられる炭素含有耐火物の材質(原料)及び成形方法、金属細管の材質及び本数、金属細管を炭素含有耐火物に埋め込む方法などについて説明する。 Next, we will explain the material (raw material) and molding method of the carbon-containing refractory used in the manufacturing method of the present invention, the material and number of metal capillaries, and the method of embedding the metal capillaries in the carbon-containing refractory.
炭素含有耐火物の原料は、一般に骨材、炭素源、その他の添加材料及びバインダーなどからなる。 The raw materials for carbon-containing refractories generally consist of aggregate, a carbon source, other additives, and a binder.
骨材としては、マグネシア、アルミナ、ドロマイト、ジルコニア、クロミア、スピネル(アルミナ-マグネシア、クロミア-マグネシア)などが挙げられる。これらの1種以上を用いることができるが、これらのなかでも、溶融金属及び溶融スラグに対する耐食性の点からは、マグネシアが特に好ましい。 Examples of aggregates include magnesia, alumina, dolomite, zirconia, chromia, and spinel (alumina-magnesia, chromia-magnesia). One or more of these can be used, but magnesia is particularly preferred from the standpoint of corrosion resistance to molten metal and molten slag.
炭素源は特には限定されず、鱗状黒鉛、土壌黒鉛、石油系ピッチ、カーボンブラックなど一般的に使用されるものが適用でき、これらの1種以上を用いることができる。炭素含有耐火物中での炭素源の配合量は特には限定されないが、一般には10~25質量%程度が適当である。There are no particular restrictions on the carbon source, and commonly used carbon sources such as flake graphite, soil graphite, petroleum pitch, and carbon black can be used, and one or more of these can be used. There are no particular restrictions on the amount of carbon source added to the carbon-containing refractory, but a range of approximately 10 to 25% by mass is generally appropriate.
他の材料として、例えば、金属Al、金属Si、Al-Mg合金などの金属種、SiC、B4Cなどの炭化物などが挙げられるが、これらに限定されない。 Examples of other materials include, but are not limited to, metal species such as metallic Al, metallic Si, and Al-Mg alloys, and carbides such as SiC and B 4 C.
バインダーには、フェノール樹脂、液状ピッチなど、一般的に定形耐火物のバインダーとして適用できるものが使用できる。 Binders that can be used include phenolic resins, liquid pitch, and other materials that are generally applicable as binders for shaped refractories.
金属細管は、通常、内径が1~5mm程度、管厚が0.5~4mm程度の金属管である。金属細管の材質は特には限定されないが、融点が1300℃以上の金属材料を用いることが好ましい。例えば、金属細管の材質は、鉄、クロム、コバルト、ニッケルの1種以上を含む金属材料(金属又は合金)が挙げられ、なかでも特に、ステンレス鋼(フェライト系、マルテンサイト系、オーステナイト系)又は普通鋼などが一般的である。 Metal capillaries are typically metal tubes with an inner diameter of approximately 1 to 5 mm and a wall thickness of approximately 0.5 to 4 mm. There are no particular restrictions on the material of the metal capillary tube, but it is preferable to use a metal material with a melting point of 1300°C or higher. Examples of materials for metal capillary tubes include metal materials (metals or alloys) containing one or more of iron, chromium, cobalt, and nickel, with stainless steel (ferritic, martensitic, or austenitic) or ordinary steel being particularly common.
炭素含有耐火物に埋設する金属細管の本数に制限は特にない。金属細管の本数は、1本~複数本とする。金属細管の本数は、使用する金属細管の内径と、必要とされるガス吹き込み量で決められる。一般の転炉用のMHPでは、通常、60~250本程度の金属細管が炭素含有耐火物に埋設される。一方、少量のガスしか流さないノズルの場合には、金属細管の本数が1本~数本のものがある。このようなガス吹き込みノズルにおいても、勢い良くガスを吹き込むことによる羽口先端冷却が起こり、熱衝撃による亀裂の伸展が損傷の原因となるため、本発明はそのようなガス吹込みノズルにも適用することができる。There is no particular limit to the number of metal capillaries embedded in the carbon-containing refractory. The number of metal capillaries can be one to several. The number is determined by the inner diameter of the metal capillaries used and the required amount of gas injection. In a typical MHP for a converter, approximately 60 to 250 metal capillaries are typically embedded in the carbon-containing refractory. On the other hand, nozzles that only flow small amounts of gas can have one to several metal capillaries. Even in such gas injection nozzles, the tuyere tip cools due to the forceful gas injection, and crack propagation due to thermal shock can cause damage, so the present invention can also be applied to such gas injection nozzles.
金属細管を炭素含有耐火物に埋め込む方法は特には限定されない。例えば、先に挙げたような炭素含有耐火物の原料を混合し、ミキサーで混練する。その混練物の上に金属細管を敷設しながら積層状に金属細管を埋設した上で、プレス機により所定の圧力で成形を行い、成形後は適当な温度で乾燥処理する。そして、この金属細管が埋設された炭素含有耐火物に対して、本発明法に従い非酸化焼成・有機物含浸を複数回実施し、その後、ガス吹き込みノズルの機能に必要なガス溜まり用の部材を金属細管に接合(溶接)し、ガス吹き込みノズルの製品とする。There are no particular limitations on the method for embedding metal capillaries in a carbon-containing refractory. For example, the raw materials for the carbon-containing refractory, such as those listed above, are mixed and kneaded in a mixer. The metal capillaries are laid on top of the kneaded mixture, embedding the metal capillaries in a layered configuration, and then molding is performed at a specified pressure using a press. After molding, the carbon-containing refractory with the embedded metal capillaries is subjected to multiple non-oxidizing firing and organic substance impregnation processes in accordance with the method of the present invention. After that, a gas reservoir component, necessary for the function of the gas injection nozzle, is joined (welded) to the metal capillary tube to produce a gas injection nozzle product.
また、他の方法としては、予めガス溜まり用の部材(上面板)に金属細管を接合(溶接)しておき、その周囲に混練物を充填した上で、プレス機により所定の圧力で成形を行い、成形後は適当な温度で乾燥処理する。そして、この金属細管が埋設された炭素含有耐火物に対して、本発明法に従い非酸化焼成・有機物含浸を複数回実施し、ガス吹き込みノズルの製品とする。Another method involves joining (welding) a metal tube to a gas reservoir component (top plate) in advance, filling the area around it with the kneaded material, and then molding it at a specified pressure using a press. After molding, the material is dried at an appropriate temperature. The carbon-containing refractory material with the embedded metal tube is then subjected to non-oxidizing firing and organic substance impregnation multiple times according to the method of the present invention to produce a gas injection nozzle.
炭素含有耐火物の原料の混練方法には特に制限はなく、ハイスピードミキサー、タイヤミキサー(コナーミキサー)、アイリッヒミキサーなど、定形耐火物の混練設備として用いられる混練手段を用いればよい。 There are no particular restrictions on the method for mixing the raw materials for carbon-containing refractories, and mixing means used as mixing equipment for shaped refractories, such as a high-speed mixer, tire mixer (Conner mixer), or Eirich mixer, can be used.
混練物の成形には、油圧式プレス、フリクションプレスなどの一軸成形機又は等方静圧成形(CIP)など、耐火物の成形に使用される一般的なプレス機が使用できる。 To form the kneaded material, a uniaxial molding machine such as a hydraulic press or friction press, or a common press used for forming refractories, such as a cold isostatic press (CIP), can be used.
成形した炭素含有耐火物は、乾燥温度180℃~350℃、乾燥時間5~30時間程度で乾燥させればよい。 The molded carbon-containing refractory can be dried at a temperature of 180°C to 350°C for a drying time of approximately 5 to 30 hours.
表1~表3に、本実施例(本発明例、比較例)で製造したガス吹き込みノズル用耐火物の製造条件と特性を示す。 Tables 1 to 3 show the manufacturing conditions and characteristics of the refractories for gas injection nozzles manufactured in this example (invention example, comparative example).
金属細管を埋設する炭素含有耐火物の原料としては、骨材であるマグネシア原料に電融マグネシア(純度98.2質量%)を、炭素源に鱗状黒鉛(純度98.4質量%、平均粒子径0.18mm)を、バインダーに残炭量が46質量%のフェノール樹脂をそれぞれ用いた。 The raw materials for the carbon-containing refractory material in which the metal tubes are embedded were electrofused magnesia (purity 98.2% by mass) as the magnesia raw material aggregate, flake graphite (purity 98.4% by mass, average particle size 0.18 mm) as the carbon source, and phenolic resin with a residual carbon content of 46% by mass as the binder.
炭素含有耐火物に埋設する金属細管としては、普通鋼製の外径3mm、内径2mmのものを用いた。 The metal tubes embedded in the carbon-containing refractory were made of ordinary steel and had an outer diameter of 3 mm and an inner diameter of 2 mm.
炭素含有耐火物に含浸させる有機物としては、コールタールピッチ又はフェノール樹脂を用いた。表1~表3において、残炭率が42質量%のものはコールタールピッチである。また、残炭率が15質量%のものはフェノール樹脂である。残炭率は、JIS K6910(フェノール樹脂試験方法)に記載の固定炭素測定法に基づいて測定した。Coal tar pitch or phenolic resin was used as the organic material impregnated into the carbon-containing refractory. In Tables 1 to 3, coal tar pitch is used for the material with a residual carbon ratio of 42% by mass. Phenolic resin is used for the material with a residual carbon ratio of 15% by mass. The residual carbon ratio was measured based on the fixed carbon measurement method described in JIS K6910 (Testing Method for Phenolic Resins).
炭素含有耐火物の原料を表1~表3に示す割合で配合し、これをアイリッヒミキサーを用いて混練した後、230×200mmの金型を用いて、この混練物の上に金属細管を敷設しながら積層状に金属細管を埋設し、しかる後、油圧プレスで2.5トン/cm2の圧力で成形した。この成形耐火物を乾燥機を用いて250℃で10時間硬化乾燥させ、金属細管を埋設した炭素含有耐火物を作製した。 The raw materials for the carbon-containing refractories were blended in the proportions shown in Tables 1 to 3, kneaded using an Eirich mixer, and then, using a 230 x 200 mm mold, metal capillaries were laid on the kneaded mixture while embedding the metal capillaries in a layered configuration, followed by molding using a hydraulic press at a pressure of 2.5 tons/ cm2 . The molded refractories were cured and dried in a dryer at 250°C for 10 hours to produce carbon-containing refractories with embedded metal capillaries.
以上のように作製された炭素含有耐火物を、表1~表3に示す条件に従い、コークスブリーズ中で非酸化焼成した後、有機物の含浸処理を行い、ガス吹き込みノズル用耐火物を得た。本発明例では、この非酸化焼成及び有機物の含浸処理を複数回行った。有機物の含浸処理では、炭素含有耐火物を、所定の圧力にて10時間保持した。The carbon-containing refractory prepared as described above was subjected to non-oxidative firing in a coke breeze under the conditions shown in Tables 1 to 3, followed by an organic impregnation treatment to obtain a refractory for a gas injection nozzle. In the present invention, this non-oxidative firing and organic impregnation treatment was performed multiple times. During the organic impregnation treatment, the carbon-containing refractory was held at a specified pressure for 10 hours.
なお、気孔率と破壊エネルギーの測定用に、上記と同じ原料と方法で金属細管を埋設しない炭素含有耐火物を作製した。 In addition, for measuring porosity and fracture energy, carbon-containing refractories without embedded metal tubes were prepared using the same materials and methods as above.
また、比較例の一部は、非酸化焼成・有機物含浸を施さないもの、非酸化焼成のみを施して有機物含浸を施さないもの、非酸化焼成・有機物含浸を1回のみ施したものとした。 In addition, some of the comparative examples were those that were not subjected to non-oxidative firing or organic impregnation, those that were subjected to non-oxidative firing only but not organic impregnation, and those that were subjected to non-oxidative firing and organic impregnation only once.
以上のようにして得られたガス吹き込みノズル用耐火物について、金属細管の炭素含有量の測定を行った。また、金属細管を埋設しない耐火物について、気孔率と破壊エネルギーの測定を行った。それらの結果を表1~表3に示す。 The carbon content of the metal tubes in the refractories for gas injection nozzles obtained in this manner was measured. Furthermore, the porosity and fracture energy of the refractories without embedded metal tubes were measured. The results are shown in Tables 1 to 3.
耐火物の気孔率は、JIS R2205に従い測定した。この際、真空法を用い、煤液には白灯油を用いた。 The porosity of the refractory material was measured in accordance with JIS R2205. The vacuum method was used, and white kerosene was used as the soot liquid.
耐火物の破壊エネルギーの測定は、以下のようにして行った。試験片サイズは、25×25×140mmとし、100mmスパンの3点曲げ試験を行った。曲げ試験は800℃の不活性雰囲気中で行った。試験機には(株)島津製作所製「オートグラフAG-X/R」を用い、クロスヘッドスピード0.1mm/minとした。3点曲げ試験によって得られた応力・歪み曲線から安定破壊が起こっていることを確認し、応力・歪み曲線のなす面積を切断面の投影面積(25×25mm)の2倍で割り、破壊エネルギーを求めた。測定のいずれの場合も安定破壊が起こっていることを確認した。 The fracture energy of refractories was measured as follows. Test specimens measured 25 x 25 x 140 mm, and a three-point bending test was performed with a span of 100 mm. The bending test was performed in an inert atmosphere at 800°C. The testing machine used was an Autograph AG-X/R manufactured by Shimadzu Corporation, with a crosshead speed of 0.1 mm/min. Stable fracture was confirmed to have occurred from the stress-strain curve obtained from the three-point bending test, and the fracture energy was calculated by dividing the area of the stress-strain curve by twice the projected area of the cut surface (25 x 25 mm). Stable fracture was confirmed to have occurred in all measurements.
金属細管の炭素含有量は、金属細管を埋め込んだ非酸化焼成後の試験片の切断面を研磨し、分析電研によって定量分析を行うことで測定した。測定範囲は、金属細管の外周に沿った部分で100×100μmの視野における炭素量を測定した。分析装置は日本電子(株)製「JXA-8230」を使用した。 The carbon content of the metal capillaries was measured by polishing the cut surface of the test piece after non-oxidizing firing with the metal capillaries embedded, and performing quantitative analysis using an analytical instrument. The measurement range was a 100 x 100 μm field of view along the outer circumference of the metal capillaries, measuring the amount of carbon. The analytical device used was the JXA-8230 manufactured by JEOL Ltd.
さらに、非酸化焼成時の1回あたりの焼成時浸炭指数n、及び複数回の非酸化焼成時の合計の焼成時総浸炭指数N(n×焼成回数)を算出した。それらの結果を表1~表3に示す。 Furthermore, the carburization index n per non-oxidizing firing and the total carburization index N (n x number of firings) for multiple non-oxidizing firings were calculated. The results are shown in Tables 1 to 3.
焼成時総浸炭指数Nの算出は以下の条件で行った。まず、式(1)中の炭素拡散の頻度因子D0及び炭素が拡散するための活性化エネルギーQは以下の式で示される。 The total carburization index N during firing was calculated under the following conditions: First, the frequency factor D 0 of carbon diffusion and the activation energy Q for carbon diffusion in formula (1) are expressed by the following formula.
D0=(4.725-5.374Wc+1.779Wc2)×10―5
Q=154.5-21.04Wc-3.285Wc2
D 0 = (4.725-5.374Wc+1.779Wc 2 )×10 -5
Q=154.5-21.04Wc-3.285Wc 2
ここで、Wcは飽和炭素濃度であり、本実施例においてWc=2.14%とした。Wcは炭素固溶限界とも呼ばれる。炭素固溶限界を超えた分はセメンタイトが析出する。Wc=2.14%の場合、D0=1.37E-05(m2/s)、Q=94.43041(kJ/mol)となる。 Here, Wc is the saturated carbon concentration, and in this example, Wc = 2.14%. Wc is also called the carbon solubility limit. Cementite precipitates when the carbon solubility limit is exceeded. When Wc = 2.14%, D 0 = 1.37E-05 (m 2 /s) and Q = 94.43041 (kJ/mol).
また、本実施例において、式(1)中の気体定数R=8.314J/(K・mol)とした。 In addition, in this example, the gas constant R in equation (1) was set to 8.314 J/(K·mol).
表1~表2によれば、本発明例はいずれも低気孔率であり、また高い破壊エネルギーを有している。特に、発明例1~5、7~11、13~16はいずれも焼成時総浸炭指数Nが118以下となり、非酸化焼成後の金属細管の炭素含有量が2.0質量%以下となった。 According to Tables 1 and 2, all of the invention examples have low porosity and high fracture energy. In particular, invention examples 1 to 5, 7 to 11, and 13 to 16 all had a total carburization index N during firing of 118 or less, and the carbon content of the metal tubes after non-oxidizing firing was 2.0 mass% or less.
表3によれば、比較例1は、一般に使用されているマグネシア・カーボン煉瓦である。比較例1の破壊エネルギーは小さい値である。比較例2は、比較例1を1400℃で非酸化焼成したもの(有機物の含浸処理をせず)である。比較例2の破壊エネルギーは小さい値である。また、焼成時総浸炭指数Nが118を超え、金属細管の炭素含有量は3.1質量%と大きい。比較例3は、非酸化焼成温度を300℃と低くしたものである。比較例3は、非酸化焼成によるバインダーの熱分解が十分に起こらないため有機物の含浸ができず、破壊エネルギーが小さい値である。比較例4は、含浸処理において残炭率が15質量%と小さい有機物を用いたものである。比較例4は、破壊エネルギーの上昇が満足できるレベルにない。比較例5は非酸化焼成・有機物含浸を1回のみ施したものである。比較例5は、破壊エネルギーの上昇が認められるものの本発明例と比べると小さい。 According to Table 3, Comparative Example 1 is a commonly used magnesia-carbon brick. The fracture energy of Comparative Example 1 is low. Comparative Example 2 is Comparative Example 1, which was non-oxidatively fired at 1,400°C (without organic impregnation). The fracture energy of Comparative Example 2 is also low. Furthermore, the total carburization index N during firing exceeds 118, and the carbon content of the metal tubes is high at 3.1% by mass. Comparative Example 3 is fired at a low non-oxidative firing temperature of 300°C. Comparative Example 3 does not achieve organic impregnation due to insufficient thermal decomposition of the binder caused by non-oxidative firing, resulting in a low fracture energy. Comparative Example 4 uses an organic material with a low residual carbon ratio of 15% by mass during the impregnation process. Comparative Example 4 does not achieve a satisfactory increase in fracture energy. Comparative Example 5 is fired non-oxidatively and impregnated with organic matter only once. Comparative Example 5 exhibits an increase in fracture energy, but it is smaller than the present invention examples.
Claims (9)
複数回の前記非酸化焼成の条件に基づいて算出される合計の焼成時総浸炭指数Nが閾値以下となるように、前記非酸化焼成の条件を設定する、
ことを特徴とするガス吹き込みノズル用耐火物の製造方法。 A method for producing a refractory for a gas-blowing nozzle, in which one or more metal capillaries for gas blowing are embedded in a carbon-containing refractory, includes non-oxidizing firing the carbon-containing refractory in which the metal capillaries are embedded, and then carrying out a series of steps multiple times to impregnate the carbon-containing refractory with an organic substance having a residual carbon rate of 30 mass% or more,
The conditions of the non-oxidizing firing are set so that the total carburization index N during firing calculated based on the conditions of a plurality of times of the non-oxidizing firing is equal to or less than a threshold value.
1. A method for producing a refractory material for a gas-blowing nozzle, comprising:
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2023049158 | 2023-03-27 | ||
| JP2023049158 | 2023-03-27 | ||
| PCT/JP2024/009888 WO2024203359A1 (en) | 2023-03-27 | 2024-03-13 | Method for producing refractory for gas-blowing nozzle, refractory for gas-blowing nozzle, and gas-blowing nozzle |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPWO2024203359A1 JPWO2024203359A1 (en) | 2024-10-03 |
| JPWO2024203359A5 JPWO2024203359A5 (en) | 2025-03-06 |
| JP7793783B2 true JP7793783B2 (en) | 2026-01-05 |
Family
ID=92905794
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2024534130A Active JP7793783B2 (en) | 2023-03-27 | 2024-03-13 | Method for manufacturing refractory for gas-blowing nozzle, refractory for gas-blowing nozzle, and gas-blowing nozzle |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP4663778A1 (en) |
| JP (1) | JP7793783B2 (en) |
| KR (1) | KR20250140568A (en) |
| CN (1) | CN120898006A (en) |
| TW (1) | TWI899907B (en) |
| WO (1) | WO2024203359A1 (en) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2018021226A (en) | 2016-07-26 | 2018-02-08 | 品川リフラクトリーズ株式会社 | Lining method of converter injection wall |
| JP2018168418A (en) | 2017-03-29 | 2018-11-01 | Jfeスチール株式会社 | High temperature melt refining vessel |
Family Cites Families (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5815072A (en) | 1981-07-14 | 1983-01-28 | 播磨耐火煉瓦株式会社 | Magnesia-carbon low temperature baking refractory brick |
| JPS5931810A (en) | 1982-08-13 | 1984-02-21 | Nippon Kokan Kk <Nkk> | Steel making method with converter |
| JPS6324008A (en) | 1986-03-06 | 1988-02-01 | Nippon Kokan Kk <Nkk> | Gas blowing plug |
| JPH05301772A (en) * | 1992-04-24 | 1993-11-16 | Kyushu Refract Co Ltd | Carbon-containing brick |
| JP3201678B2 (en) | 1993-04-27 | 2001-08-27 | 黒崎播磨株式会社 | High spalling resistant magnesia carbonaceous brick and method for producing the same |
| JPH0881256A (en) * | 1994-07-11 | 1996-03-26 | Kyushu Refract Co Ltd | Compressed and crushed expanded graphite-containing brick |
| JPH09328378A (en) * | 1996-06-03 | 1997-12-22 | Harima Ceramic Co Ltd | Method for manufacturing carbon-containing basic refractory |
| JP2000212634A (en) | 1999-01-21 | 2000-08-02 | Asahi Glass Co Ltd | Gas injection nozzle for refining furnace |
| JP2003231912A (en) | 2002-02-07 | 2003-08-19 | Kawasaki Refract Co Ltd | Gas injection nozzle |
| CN105463154A (en) * | 2012-05-25 | 2016-04-06 | 宣化钢铁集团有限责任公司 | Drilling machine special for bottom blowing air brick of rotary furnace |
| JP6538584B2 (en) | 2016-02-17 | 2019-07-03 | Jfeスチール株式会社 | Method of manufacturing refractory for gas injection nozzle |
| CN110106306B (en) * | 2019-06-14 | 2020-11-13 | 钢铁研究总院 | Bottom blowing gas supply element installation method |
| CN115304360B (en) * | 2022-08-02 | 2023-09-08 | 浙江自立高温科技股份有限公司 | Gap filler capable of preventing steel leakage for converter bottom blowing circular seam type air supply system and preparation and application thereof |
-
2024
- 2024-03-13 KR KR1020257028037A patent/KR20250140568A/en active Pending
- 2024-03-13 CN CN202480017494.6A patent/CN120898006A/en active Pending
- 2024-03-13 EP EP24779488.6A patent/EP4663778A1/en active Pending
- 2024-03-13 WO PCT/JP2024/009888 patent/WO2024203359A1/en not_active Ceased
- 2024-03-13 JP JP2024534130A patent/JP7793783B2/en active Active
- 2024-03-22 TW TW113110652A patent/TWI899907B/en active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2018021226A (en) | 2016-07-26 | 2018-02-08 | 品川リフラクトリーズ株式会社 | Lining method of converter injection wall |
| JP2018168418A (en) | 2017-03-29 | 2018-11-01 | Jfeスチール株式会社 | High temperature melt refining vessel |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN120898006A (en) | 2025-11-04 |
| KR20250140568A (en) | 2025-09-25 |
| WO2024203359A1 (en) | 2024-10-03 |
| EP4663778A1 (en) | 2025-12-17 |
| JPWO2024203359A1 (en) | 2024-10-03 |
| TWI899907B (en) | 2025-10-01 |
| TW202442878A (en) | 2024-11-01 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8349752B2 (en) | Plate brick and production method therefor | |
| Uchida et al. | High‐Temperature Properties of Unburned MgO‐C Bricks Containing Al and Si Powders | |
| JP4634263B2 (en) | Magnesia carbon brick | |
| US8609562B2 (en) | Plate brick production method and plate brick | |
| JP2015193511A (en) | Cast refractories, and casting nozzle and sliding nozzle plate using the same | |
| JP7793783B2 (en) | Method for manufacturing refractory for gas-blowing nozzle, refractory for gas-blowing nozzle, and gas-blowing nozzle | |
| CN116287534A (en) | A low-carbon composite converter taphole brick and its preparation method | |
| JP6538584B2 (en) | Method of manufacturing refractory for gas injection nozzle | |
| JP6710821B1 (en) | Refractory for gas injection nozzle and gas injection nozzle | |
| KR102757882B1 (en) | Method for manufacturing a plate for a sliding nozzle | |
| JPWO1990008114A1 (en) | Metal-impregnated refractories | |
| JP4945257B2 (en) | Refractory | |
| JP6567588B2 (en) | High temperature melt refining vessel | |
| JP2012192430A (en) | Alumina carbon-based slide gate plate | |
| TWI738262B (en) | Refining vessel for high temperature melt | |
| JP6348071B2 (en) | Magnesia refractory | |
| JP2005139062A (en) | Low carbon unfired brick | |
| JP7619306B2 (en) | Graphite-containing refractory and steel vessel equipped with graphite-containing refractory | |
| Yanxiang et al. | Effect of Alumina Micropowder on Structure and Properties of Low-carbon Magnesia Carbon Materials | |
| JP5388268B2 (en) | Refractory for sliding nozzle plate and manufacturing method thereof | |
| JPH0812456A (en) | High strength refractory | |
| JP2017001889A (en) | Un-fired plate refractory |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20240606 |
|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20240606 |
|
| AA64 | Notification of invalidation of claim of internal priority (with term) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A241764 Effective date: 20240820 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20240826 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20250805 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20250929 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20251216 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20251217 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7793783 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |