要点：転炉のタップホールは、毎回の溶解で3つの作用を連続して受けるため、急速に摩耗します。まず、高温の空気と炉内ガスが孔壁のカーボンを焼失させ、次に溶鋼の流れが弱くなった層を洗い流し、出鋼の終わりに通過するスラグが残った部分を侵食します。さらに、熱衝撃や粗雑な取り扱いによって亀裂や欠けが生じます。摩耗を抑えるには、4つの点に取り組みます。高密度・高純度のカーボン結合スリーブを使うこと、孔を滑らかに仕上げて隙間なく適切に施工すること、酸素、FeO、スラグの巻き込みを抑える出鋼操業を行うこと、そして孔を毎回測定し、出鋼不良が起きてからではなく、計画した時期に交換することです。
炉体で最も過酷な場所、タップホール
転炉の内張りは、数千回の溶解を基準に評価されます。タップホールは、それよりはるかに少ない回数で評価されます。製鉄所では、1回の転炉操業期間中にタップホールスリーブを何度も交換します。そのたびに操業停止と人手が必要となり、最初の出鋼でトラブルが起きるリスクも伴います。
タップホールが果たす役割を考えれば、その理由は単純です。炉体のほかの部分では、内張りは滞留しているか、ゆっくりと動くスラグや溶鋼に接しています。一方、タップホールでは、液体の溶鋼全体が直径数百ミリの孔に押し込まれます。転炉の出鋼に関するある研究では、直径200～220 mmの孔がシミュレーションされました（Materials, 2023）。簡単な水頭計算で流速の目安がわかります。孔の上に1～2 mの溶鋼がある場合、理想的な流出速度は約4.4～6.3 m/sです。損失があるため実際の速度はこれより低くなりますが、桁の大きさは明らかです。カーボン結合された壁面に、高温で高速の研磨性流れが当たるのです。
タップホールは、最も過酷な使用サイクルにもさらされます。溶鋼が流れるときは高温になり、その後は空気やガスにさらされ、閉じられるか充填され、再び加熱されます。製鉄所で、毎回の出鋼時にこうした状態を繰り返す場所はほとんどありません。
発表済みの2本の論文が、主な2つの摩耗経路を裏付けています。転炉出鋼孔スリーブを扱った2013年の研究は、耐火物が耐えるべき機構として、溶鋼流による侵食と酸化を挙げています（ABM Proceedings、2013年）。LD転炉の摩耗域に関するレビューでは、出鋼域とスラグ域が化学的な攻撃、すなわち腐食と酸化を受けるとされています（ABM Proceedings）。どちらも抄録のみのため、数値ではなく機構の説明に用いています。
出鋼孔の寿命をたどる1ヒート
1回の出鋼サイクルをたどると、損傷の原因が分かります。
- 出鋼後。転炉が直立位置に戻ります。ボアは高温で空の状態になり、空気や炉内ガスが通過します。
- 閉孔と装入。通常の手順に従って孔を清掃し、充填または覆います。スクラップと溶銑を装入し、炉体を前後に傾けます。
- 吹錬。孔は高温の炉壁の裏側にあり、炉内から熱が浸透します。
- 吹錬終了とサンプリング。炉体が再び傾き、サンプリング中に孔がスラグやガスにさらされることがあります。
- 出鋼。孔が開かれます。まず溶鋼が流れ、最後にスラグが続きます。渦によってスラグが早い段階で引き込まれることもあります。
手順1、2、4では炭素が失われます。手順5では、弱くなった表面が剥がれ落ち、スラグが作用します。その後、サイクルが繰り返されます。
BOF出鋼孔の摩耗を引き起こす5つの要因
1. 酸化・洗掘：主なサイクル
炭素はマグネシア・カーボン製スリーブを結び付け、スラグの侵入を防ぎます。出鋼の合間に空気や高温ガスがボア壁に達すると、表面付近の炭素が燃えて失われます。残るのは、結合材を失った薄く多孔質なマグネシア粒子の層です。
この層は長くは持ちません。溶鋼が流れ始めると、数分で層が剥がれ落ちます。その下の表面は、次の出鋼までの合間に空気やガスにさらされます。サイクルごとに少しずつ削られ、ボアが広がっていきます。どちらか一方だけでは成り立たないため、これを「酸化・洗掘」と呼びます。酸化がなければ、溶鋼流は炭素で強固に結合した材料に当たります。溶鋼流がなければ、酸化した層はそのまま残り、残りの部分を保護します。
だからこそ、適切な酸化防止剤を含み、気孔率の低いスリーブが役立ちます。その原理は、MgO-Cれんがの脱炭の仕組みを解説した当社のホワイトペーパーと同じです。カーボンの損失を抑えれば、溶損によって除去される量も減ります。
2. 入口縁での流動侵食
孔の高温面側の端部では、溶鋼の流れが最初に加速します。この端部には最も大きなせん断力がかかります。入口の縁が鋭かったり不均一だったりすると、流れが乱れて乱流が増し、端部の摩耗が速まります。その結果、流れはさらに悪化します。入口を滑らかに丸めることで、この悪循環を抑えられます。
3. 出鋼終盤のスラグ
スラグはFeOを多く含み、マグネシアとカーボンの両方を侵食します。最も深刻な影響が出るのは出鋼の終盤です。孔の上の溶鋼面が下がり、渦が発生します。転炉の出鋼に関するシミュレーション研究では、傾動角90度で約43 s後にスラグが孔から流出し、約50 s後に安定した渦が発生しました。傾動角が100度と105度の場合、渦の発生はそれぞれ約71 s後と約74 s後に遅れました。孔径が大きいほど渦の発生が早まり、孔径200 mmでは68.8 s、210 mmでは62.6 s、220 mmでは57.1 sで発生しました（Materials, 2023）。これはある容器を対象としたモデルの結果であり、お使いの設備にそのまま当てはまる法則ではありませんが、傾向は参考になります。孔が大きいほど渦の発生が早まり、発生が早いほど、スリーブを通過するスラグが増えます。
4. 熱衝撃
孔は冷却され、ときには充填された状態から、1,600 °Cを超える温度の溶鋼が勢いよく流れる状態へと変化します。亀裂はスリーブを横切り、接合部に沿って広がります。亀裂ができると、空気やスラグが本体内部に入り込み、溶鋼の流れによって破片が剥落することもあります。
5. 取り扱いと設置
ロッド作業、清掃、傾動時の荷重、そしてスリーブと周囲のライニングとの隙間は、材質のグレードでは防げない損傷を引き起こします。溶鋼はすぐに隙間に入り込みます。スリーブが適切に設置されていないと、孔がまだ問題なく見えるうちに外側から破損することがあります。
互いに悪影響を及ぼす仕組み: 焼損と溶損によって孔が広がります。孔が広がると鋼浴面が早く下がり、渦の発生も早まり、孔を通るスラグが増えます。スラグが増えるとスリーブの摩耗も速まります。どの段階でも悪循環を断てば、ほかの段階の進行も遅くなります。
摩耗した孔が出鋼に及ぼす影響
スリーブが壊れるのを待たなくても、影響を実感することがあります。
- 出鋼時間が変化します。ボアが広いと、炉容器はより速く空になります。ボアが粗かったり中心からずれていたりすると、溶鋼流が遅くなったり乱れたりすることがあります。
- 溶鋼流が広がります。幅広く乱れた溶鋼流は、取鍋までの移動中に空気を巻き込みやすく、酸素や窒素の吸収につながります。その影響は後工程にも及びます。取鍋に入る鋼がより清浄であれば、その後のタンディッシュでの作業が容易になります。詳しくは、タンディッシュの流動制御と酸素に関する記事をご覧ください。
- スラグの巻き込みが増加します。渦が早くから発生し、止めにくくなります。取鍋内のスラグが増えると、取鍋でのスラグ処理が増え、取鍋のスラグラインへのリスクも高まります。
- 溶鋼流の向きが変わります。ボアが不均一だと、溶鋼流が取鍋の縁に向かったり、中心から外れたりすることがあります。
- 合金添加の安定性が低下します。出鋼速度が速くなったり不規則になったりすると、合金の溶解の仕方やスラグへの損失量が変わります。
ほとんどの工場では、孔径または出鋼時間に上限を設けています。より重要なのは、上限にどれだけの速さで近づいているかです。それを知るには測定が必要です。
自工場の出鋼口を読み解く
出鋼口は、データを収集すれば出鋼のたびに情報を得られます。以下の計画はシンプルで、特別なものは必要ありません。
毎回、または少なくとも数回の出鋼ごとに測定します。ゲージまたは校正済みのロッドを使って、ボア径を記録してください。その横に出鋼回数と出鋼時間も記録します。
径を出鋼回数に対してプロットします。直線なら摩耗は安定しています。上向きに曲がる線は、脱炭層が深くなっているか、スラグの影響が強まっていることを示します。急な段差は、亀裂、入口の欠け、または継ぎ目の破損を示します。
摩耗の位置を確認します。スリーブ交換時に、入口エッジ、ボア壁、出口を撮影してください。
| 見られる現象 | 考えられる原因 | 最初に確認すること |
|---|---|---|
| 丸く削られた入口エッジ | 流動による侵食と早期のスラグ流出 | 入口形状、傾動速度、スラグの止め方 |
| 滑らかで均一に広がったボア | 焼損と溶損 | 出銑間隔、スリーブの密度と炭素量 |
| 片側の摩耗がもう一方より大きい | 溶鋼流が片側に当たる、または位置ずれ | 施工角度と継ぎ目の据え付け |
| ボアまたは出口を横切る亀裂 | 熱衝撃 | 冷却・加熱の手順、スリーブ内の黒鉛量 |
| スリーブの継ぎ目に沿った鋼の跡 | 隙間または据え付けの緩み | 裏込め材、継ぎ目の充填、予熱 |
| スラグで変色したガラス状のボア表面 | 出銑終了時のスラグ | スラグの巻き込み、終点FeO |
スリーブ1本だけでは判断を誤ることがあります。結論を出す前に、2～3本を続けて比較してください。
摩耗を抑える：スリーブ、施工、操業、メンテナンス
どれか1つの対策だけでは不十分です。出銑口の寿命を延ばしている工場は、通常、以下の4項目すべてに取り組んでいます。
スリーブの材質
- 粒子の品質。高純度のマグネシア（できれば電融品）を使用し、シリカと石灰の含有量を抑えることで、スラグへの耐性が高まります。当社製品のグレードについては、MgO-Cれんがのページをご覧ください。
- かさ密度。開気孔率が低いほど、空気やスラグが内部に浸透しにくくなります。
- 炭素と酸化防止剤。炭素源と酸化防止剤の配合は、スラグライン用ではなく、酸化・洗浄のサイクルに合わせて選定します。出鋼間に空気にさらされるスリーブと、スラグ下にあるれんがでは、適切な配合が異なります。
- 周囲との適合性。目地にひび割れが生じないよう、スリーブの膨張・収縮特性を周囲の材料に合わせます。
形状と取り付け
- 入口が丸く滑らかな内径にすることで、最初の接触箇所での乱流を抑えられます。
- スリーブの長さと肉厚によって摩耗代が決まります。汎用品ではなく、自炉に合った図面を依頼してください。
- 隙間のない完全な目地。裏込め材またはキャスタブルで空隙が残らないように隙間を埋めます。新しいスリーブは、サプライヤーの指示に従って予熱してください。
- 芯出しと角度。スリーブが数度ずれて設置されていると、片側だけが摩耗し、溶鋼の流れが狙った位置から外れます。
出鋼方法
- 終点酸素とスラグ中FeO。酸化度の高いチャージは、スリーブやライニングの炭素を侵食します。吹き止め時の酸素を減らせば、出鋼口だけでなく全体に効果があります。
- 傾斜角度と速度。上記のシミュレーションでは、傾斜によって渦の発生時期が変わることが示されています。自炉での試験により、炉に適した条件を確認してください。
- スラグの流出防止。優れたスラグストッパーや検知システムにより、スリーブを通過するスラグの時間を短縮できます。
- 出鋼間隔。空気やガスにさらされる時間が短いほど、炭素の酸化消耗が少なくなります。
- 慎重な清掃と閉塞。出鋼口を慎重に突いて清掃します。入口の縁が欠けないようにしてください。
メンテナンス
- 出鋼口のホット補修（工場の作業手順で許可されている場合）。当社が取り扱う補修材については、BOF転炉用耐火物のページをご覧ください。
- 計画的な交換。スリーブの交換時期を測定可能な基準に基づいて定め、可能であれば別の計画停止に合わせます。
- 予備品を用意し、予熱しておきます。交換作業をスムーズに進めれば、初回の出鋼を保護できます。
加熱あたりのコストを計算する
スリーブ単体の価格では判断できません。代わりに、こちらを使ってください。
加熱あたりのコスト =（スリーブのコスト + 取り付け作業費 + 停止コスト）÷ 交換までの加熱回数
停止のコストは、スリーブのコストを上回ることがよくあります。そのため、安価でも交換までのチャージ数が少ないスリーブは、1チャージあたりのコストが高くなる場合があります。単純な例では、スリーブの寿命が30％延びると、停止回数の減少や不良出湯の低減効果を含めない段階で、1チャージあたりのコストは従来の約77％となり、23％の削減になります。
お見積もりに必要な情報
当社工場で炭素結合耐火物を製造しています。タップホールスリーブについては、以下の情報をできるだけ多くお送りいただくと、初回の提案をよりご要望に近づけられます。
- 転炉の容量とタップホールの図面。ボア径、スリーブ長、周囲のライニングを含みます。
- 現在のスリーブのグレードと、あればメーカーのデータシート。
- 交換までのチャージ数、使用している上限（孔径または出湯時間）、直近3本のスリーブの交換理由。
- 使用済みスリーブの写真：入口、ボア壁、出口と摩耗状態がわかるもの。
- 鋼種、出湯温度、通常の終点酸素濃度、スラグストッパーの使用有無。
- 清掃・閉孔の手順と、出湯間隔。
お問い合わせページからお送りいただくか、メールでsales@ykchanshine.comまでご連絡ください。炭素結合製品の製造・試験方法については、耐火物工場のページをご覧ください。
よくある質問：BOF転炉のタップホール摩耗
なぜBOFのタップホールは摩耗が速いのですか？
タップホールは毎チャージ、焼損と摩耗を受けます。出湯の合間に空気やガスがボア壁の炭素を燃焼させ、溶鋼の流れが脆くなった層を剥ぎ取り、出湯の終わりにはスラグが残った部分を侵食します。熱衝撃や乱暴な取り扱いも損傷を増やします。
転炉のタップホールは何チャージ持ちますか？
一律の数値はありません。寿命は、転炉のサイズ、スリーブのグレード、施工方法、出湯方法、孔径または出湯時間に設定する上限によって異なります。目安となるのは、自炉の実績です。チャージ数に対する孔径を記録し、段階的に改善してください。
転炉のタップホールスリーブは、何でできていますか？
多くはマグネシアをベースとする炭素結合耐火物で、MgO-C系に属します。図面に合わせて成形し、周囲のライニングに設置します。具体的な粒度、炭素量、酸化防止剤の配合は、メーカーや使用条件によって異なります。
タップホールの交換時期は、どうすればわかりますか？
ボア径または出湯時間に上限を設定し、毎チャージ両方を記録します。上限に達する前に、できれば計画停止時に交換してください。径の推移曲線に現れる変曲点は、早期警告のサインです。
タップホールの径が大きくなると、スラグの流出量は増えますか？
あるシミュレーション研究では、孔径が大きいほど渦が早く発生し、発生時刻は孔径200 mmで68.8秒、220 mmで57.1秒でした。これは特定の容器を対象としたモデルですが、孔径を設計値に近く保つべき理由になります。
出鋼時の傾斜角は重要ですか？
同じ研究では、傾斜角を大きくすると渦の発生が遅れました。モデルの結果はすべての容器に当てはまるわけではないため、変更は自社の転炉で検証してください。
溶鋼中の酸素は出鋼孔の摩耗に影響しますか？
終点酸素濃度とスラグ中のFeO濃度が高く、酸化が進んだ溶鋼は、スリーブや内張りの炭素を侵食します。吹錬終了時の酸素を管理することは、出鋼孔だけでなく容器全体に有効です。
孔が摩耗すると、なぜ流れが広がるのですか？
孔径が広がって表面が粗くなると、流れが乱れます。広がる流れは取鍋に向かう途中で空気をより多く巻き込みやすいため、酸素や窒素の吸収が増える可能性があります。
出鋼孔は熱間補修できますか？
損傷の程度や操業方法にもよりますが、多くの工場では孔口部分を熱間補修します。深い亀裂や接合部の破損がある場合は、通常スリーブを交換します。
より良いスリーブを入手するには、サプライヤーに何を伝えればよいですか？
図面、交換までのチャージ数、直近の変更理由、使用済みスリーブの写真、鋼種、終点酸素、およびスラグ止めの方法をお送りください。実際の摩耗写真や数値は、一般的な説明よりも参考になります。
出典・参考文献
- 転炉出鋼流動場シミュレーション：傾斜角、渦、出鋼孔径、Materials 2023, 16(8), 3209：渦の発生、傾斜角、出鋼孔径（200、210、220 mm）のシミュレーション。
- 転炉出鋼孔用MgO-C耐火物部材の特性評価、第44回ABM製鋼セミナー、2013年：スリーブの摩耗メカニズムとしての侵食と酸化（要旨）。
- LD転炉の各ゾーンにおける摩耗メカニズム、ABM Proceedings：出鋼ゾーンとスラグゾーンにおける化学的侵食（要旨）。