要点：転炉の出鋼孔は、各チャージで同じ3段階の負荷を連続して受けるため、急速に摩耗します。高温の空気と炉内ガスが孔壁の炭素を燃焼させ、続いて溶鋼流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、熱衝撃や乱暴な取り扱いによって亀裂や欠けが生じます。劣化を抑えるには、4つの対策が重要です。高密度・高純度の炭素結合スリーブを使うこと、滑らかな孔を確保し、清潔で隙間のない状態に施工すること、酸素、FeO、スラグの持ち越しを抑える出鋼方法を実施すること、そして毎チャージ孔を測定し、不良出鋼が起きてからではなく、計画したタイミングで交換する習慣をつけることです。
炉体で最も過酷な箇所、出鋼孔
転炉の内張りは数千チャージ単位で評価されます。出鋼孔の寿命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回の転炉キャンペーン中に出鋼孔スリーブを何度も交換します。交換のたびに操業停止と作業が必要になり、最初の出鋼で不具合が起きるリスクも伴います。
孔の働きを見れば、その理由は明らかです。炉体のほかの場所では、内張りは静止しているか、ゆっくり動くスラグや溶鋼にさらされます。出鋼孔では、溶鋼1チャージ分が直径数百ミリメートルの孔を通って押し出されます。転炉の出鋼を扱ったある研究では、直径200～220 mmの孔が模擬されました（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、おおよその規模は明らかです。これは炭素結合の壁面に当たる、高速で高温の研磨性を持つ流れです。
出鋼孔は稼働サイクルも最も過酷です。出鋼時には高温になり、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、1チャージごとにこれほど状態が変化する場所はほとんどありません。
公表論文2本が、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対象とした2013年の研究では、耐火物が耐えるべきメカニズムとして、溶鋼の流れによる侵食と酸化が挙げられています（ABM Proceedings、2013年）。LD転炉の摩耗領域に関するレビューでは、出鋼部とスラグ部が化学的侵食、すなわち腐食と酸化を受けるとされています（ABM Proceedings）。どちらも要旨のみのため、数値ではなくメカニズムの説明に用いています。
出鋼孔の寿命における1チャージ
1チャージの流れを追えば、損傷の原因が分かります。
- 出鋼後。転炉が垂直位置に戻ります。内孔は高温で空になり、空気や炉内ガスが通り抜けることがあります。
- 閉塞と装入。作業方法に応じて、孔を清掃し、充填または被覆します。スクラップと溶銑を装入し、炉を前後に傾けます。
- 吹錬。孔は高温の炉内でライニングの奥にあり、内部から熱が伝わります。
- 吹錬終了とサンプリング。炉が再び傾けられ、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。渦によって早い段階からスラグが引き込まれることもあります。
ステップ1、2、4で炭素が失われます。ステップ5では、弱くなった表面が剥ぎ取られ、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出鋼孔が摩耗する5つの要因
1. 酸化と洗い流し：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合し、スラグが内部に入り込むのを防ぎます。出鋼の合間に空気や高温ガスが内孔壁に達すると、表面近く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。
その層は長持ちしません。溶鋼が流れ始めると、数分でその層を剥ぎ取ります。その下の新しい表面は、次の出鋼までの間、空気やガスにさらされます。サイクルのたびに少しずつ削られ、内径が大きくなります。酸化だけでも、洗い流しだけでも起こるわけではないため、私たちはこれを「酸化と洗い流し」と呼びます。酸化がなければ、溶鋼は炭素結合の強い材料にぶつかります。溶鋼が流れなければ、酸化した層はその場にとどまり、残りを保護するだけです。
適切な酸化防止剤を含み、気孔率の低いスリーブが有効なのもこのためです。この原理は、MgO-Cれんがが炭素を失う仕組みについての当社のホワイトペーパーで説明しているものと同じです。炭素の損失を抑えれば、洗い流しによって除去される量も少なくなります。
2. 入口縁での流れによる侵食
穴の高温面側の端では、溶鋼の流れが最初に加速します。ここで縁が最も強いせん断力を受けます。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、縁の摩耗が速まります。その結果、流れがさらに悪化します。入口を滑らかに丸めれば、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、マグネシアと炭素の両方を侵食します。最も厳しい影響が生じるのは出鋼の終盤で、穴より上の溶鋼面が下がり、渦が発生するときです。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後にスラグが穴から流出し、約50 s後に安定した渦が発生しました。傾動角100度と105度では、渦の発生がそれぞれ約71 s後と74 s後に遅れました。穴が大きいほど渦は早く発生し、直径200 mmの穴では68.8 s、210 mmでは62.6 s、220 mmでは57.1 s後に発生しました（Materials, 2023）。これは特定の炉を対象にしたシミュレーション結果であり、お使いの炉にも当てはまる法則ではありませんが、傾向を知るうえでは参考になります。穴が大きいほど渦の発生は早まり、発生が早いほどスラグがスリーブを通過する量も増えます。
4. 熱衝撃
ボアは冷却され、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、接合線に沿って走ります。亀裂があると、空気やスラグが内部へ入り込む経路ができ、流れの下で破片が剥離することもあります。
5. 取り扱いと設置
ロッディング、清掃、傾動時の荷重、スリーブと周囲のライニングとの隙間は、いずれも材質のグレードでは防げない損傷を引き起こします。溶鋼はすぐに隙間へ入り込みます。スリーブの据え付けが不適切だと、ボアに異常が見られないまま、外側から内側へ破損することがあります。
相互に悪化させる仕組み：燃焼と洗い流しによってボアが広がります。ボアが広がると鋼浴面が早く下がり、渦の発生も早まり、穴を通過するスラグが増えます。スラグが増えるほどスリーブの摩耗も速まります。どこかでこの悪循環を断てば、残りの進行も遅くなります。
穴の摩耗が出鋼に及ぼす影響
スリーブが壊れるまで待たなくても、影響は感じられます。
- 出鋼時間が変化します。孔径が大きいと、容器からの排出が速くなります。孔が粗かったり中心から外れていたりすると、流れ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。幅広く乱れた流れは、取鍋までの移送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。その影響は下流工程にも及びます。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、取鍋内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。孔が不均一だと、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。出鋼が速くなったり不規則になったりすると、合金の溶解やスラグへの損失量が変化します。
多くの工場では、孔径または出鋼時間に上限を設定しています。より重要なのは、その上限にどれほど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。
自社の出鋼孔を読み解く
出鋼孔は、記録すれば毎回データを得られます。以下の方法は簡単で、特別な器具も必要ありません。
毎回、または少なくとも数回の出鋼ごとに測定してください。ゲージまたは校正済みのロッドで孔径を記録します。その横に出鋼回数と出鋼時間を記入してください。
孔径を出鋼回数に対してプロットしてください。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、または目地の破損を示します。
摩耗箇所を確認してください。スリーブ交換時に、入口縁、孔壁、出口を撮影してください。
| 目に見える状態 | 考えられる原因 | 最初に確認すること |
|---|---|---|
| 丸く洗掘された入口縁 | 流動による侵食と早期のスラグ巻き込み | 入口形状、傾動速度、スラグ止め |
| 滑らかに均一に広がった孔 | 溶損と洗掘 | 出鋼間隔、スリーブの密度と炭素量 |
| 片側だけがより摩耗している | 溶鋼流が片側に当たる、または位置ずれ | 施工角度と目地の据え付け |
| 孔内または出口を横切る亀裂 | 熱衝撃 | 冷却・昇温の手順、スリーブ内の黒鉛量 |
| スリーブの目地に沿った鋼の痕跡 | 隙間または据え付けの緩み | 裏込め材、目地充填、予熱 |
| スラグで着色したガラス状の孔内面 | 出鋼終了時のスラグ | 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、運用、メンテナンス
単独の対策だけでは不十分です。出鋼孔の寿命を延ばしている工場では、通常、以下の4項目すべてに取り組んでいます。
スリーブ材質
- 粒子の品質。高純度のマグネシア、できれば電融マグネシアを使用し、シリカと石灰分を低く抑えると、耐スラグ性が高まります。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。
- 密度。開気孔率が低いほど、空気やスラグが内部に侵入しにくくなります。
- 炭素と酸化防止剤。炭素源と酸化防止剤の配合は、スラグラインではなく、燃焼と洗浄のサイクルに合わせて選びます。出鋼間に空気にさらされるスリーブには、スラグ下にあるれんがとは異なる配合が必要です。
- 周囲の材質との適合性。スリーブは、目地に亀裂を生じさせないよう、周囲の材質に合わせて膨張・収縮する必要があります。
形状と取り付け
- 滑らかな内径と丸みのある入口により、最初に接触する部分の乱流を抑えられます。
- スリーブの長さと壁厚で摩耗代を確保します。汎用品ではなく、ご使用の炉に合った図面を依頼してください。
- 隙間のない、完全な接合。目地材やキャスタブルで隙間を埋め、空隙ができないようにします。新しいスリーブは、サプライヤーの推奨に従って予熱してください。
- 芯合わせと角度。スリーブの設置角度が数度ずれているだけでも、片側が摩耗し、出鋼流が狙った方向から外れます。
出鋼方法
- 終点酸素とスラグ中のFeO。酸化度の高いヒートでは、スリーブや炉体の炭素が侵食されます。出鋼孔だけでなく、出鋼後の酸素量を下げることが全体の改善につながります。
- 傾動角度と速度。上記のシミュレーションでは、傾動によって渦が発生するタイミングが変わることが示されています。ご使用の炉で何が有効かは、実際に試してご確認ください。
- スラグ流出の防止。効果的なスラグストッパーや検知システムを使えば、スラグがスリーブ内を通過する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、炭素の燃焼が抑えられます。
- 丁寧に清掃し、閉塞します。出鋼孔を慎重に突いて清掃します。入口の縁を欠けさせないようにします。
メンテナンス
- 設備の運用方法が許す場合は、口元を高温補修します。当社が提供する補修材については、BOF転炉用耐火物のページをご覧ください。
- 計画的な交換。測定可能な限界値に基づいてスリーブを交換し、可能であれば別の計画停止と合わせます。
- 予備品を用意し、予熱しておきます。交換をスムーズに行えば、最初の出鋼を守れます。
ヒートあたりのコストを計算する
スリーブ単体の価格では適切な指標になりません。代わりに、次の指標を使います。
ヒートあたりのコスト = (スリーブ費用 + 取り付け人件費 + 停止時間のコスト) / 交換までのヒート数
停止にかかるコストは、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、安価でもチャージ寿命が短いスリーブは、チャージ当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、チャージ当たりのコストは従来の約77％になり、23％のコスト削減となります。停止回数の減少や出鋼不良の減少による効果は、これに含まれていません。
見積もりのご依頼にあたりお送りいただきたい情報
当社工場でカーボン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ほど、初回のご提案の精度が高まります。
- 転炉の容量とタップホールの図面（ボア、スリーブ長、周囲のライニングを含む）。
- 現在のスリーブの材質と、あればメーカーのデータシート。
- 交換までのチャージ数、適用している上限（径または出鋼時間）、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、出口と摩耗状況。
- 鋼種、出鋼温度、通常の終点酸素濃度、スラグストッパーの使用有無。
- 清掃・閉止の手順と、タップ間の時間。
お問い合わせページから、またはsales@ykchanshine.comまでメールでお送りください。カーボン結合製品の製造・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
BOFのタップホールはなぜこんなに早く摩耗するのですか？
穴はチャージごとに燃焼と浸食を受けます。タップの間に空気やガスがボア壁の炭素を燃焼させ、溶鋼流が脆くなった層を剥ぎ取り、出鋼の終盤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加速させます。
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、スリーブの材質、施工方法、出鋼方法、穴径または出鋼時間に設定する上限によって異なります。参考になるのは自炉の実績です。チャージ数に対する径を記録し、段階的に改善してください。
転炉用タップホールスリーブは何でできていますか？
多くは、マグネシアを基材とするMgO-C系のカーボン結合耐火物で、図面に合わせて成形し、周囲のライニングに設置します。具体的な骨材、炭素、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判断すればよいですか？
ボア径または出鋼時間に上限を設け、各チャージで両方を記録してください。上限に達する前に、できれば計画停止時に交換します。径の推移に変曲点が現れたら、早期警告のサインです。
タップホール径が大きくなると、スラグの流出量も増えますか？
あるシミュレーション研究では、孔径が大きいほど渦の発生が早く、孔径200 mmでは68.8秒、220 mmでは57.1秒で発生しました。これは特定の炉を対象としたモデルですが、孔径を設計値付近に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、傾斜角が大きいほど渦の発生が遅れました。モデルの結果がすべての炉に当てはまるわけではないため、変更を加える際は自社の転炉で試験してください。
溶鋼中の酸素は出鋼口の摩耗に影響しますか？
終点酸素濃度とスラグ中FeO濃度が高く、酸化の進んだ溶鋼は、スリーブと炉壁の炭素を侵食します。出鋼時の酸素量を管理することは、出鋼口だけでなく炉全体に有効です。
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。広がった流れは取鍋までの間に空気を巻き込みやすくなり、酸素や窒素の吸収量が増える可能性があります。
出鋼口は熱間補修できますか？
損傷の程度や操業方法によりますが、多くの工場では口元部分に熱間補修を行います。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、交換までの出鋼回数、直近の変更理由、使用済みスリーブの写真、鋼種、終点酸素濃度、スラグ流出防止方法をお送りください。一般的な説明よりも、実際の摩耗写真や数値のほうが参考になります。
出典・参考文献
- 転炉出鋼時の流れ場シミュレーション：傾斜角、渦、出鋼口径、Materials 2023, 16(8), 3209：渦の発生、傾斜角、出鋼口径（200、210、220 mm）のシミュレーション。
- 転炉出鋼口用MgO-C耐火物部材の特性評価、ABM第44回製鋼セミナー、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：出鋼ゾーンおよびスラグゾーンにおける化学的侵食（要旨）。