耐火物

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　�G�H�I�J�K�L�M�N�O�P�Q�R　　古川邦男

１、まえがき

　　鉄鋼プロセスの進歩は、それに合った耐火物の開発に支えられてきたといっても過言ではない。

　　一般に使用条件の過酷になる新プロセスに、耐火物は材質の開発、施工技術、使用技術、補修技術などの開発改善によって対処してきた。これらの現状について述べ、そして今後についても一緒に考えてみたい。

　

２、耐火物とは

　 ２ー１　耐火物の定義　^＊１、２

　　　１７００〜１８００℃の高温によく耐える非金属材料を耐火材料（refractory materials）と呼び、使用　　に具合の良いように形状を整えたものを耐火煉瓦（refractory bricks）と称している。

　　　ゼーゲルコーン２６番（SK26）以上のものを耐火物と呼ぶ定義もあるが（JIS 2002）、現在では『高温で　　使用できる材料』位が一般的である。また、建設材料関係で耐火材料と呼んでいるものもあるが、耐熱温度も１０００℃位であり、防火材料（fire-proof materials）と呼ぶべきである。また、耐熱材料というものもあるが、耐火物と同等に扱ってもよい。この中には、耐熱ガラスや耐熱合金も含まれる。

　 ２ー２　耐火物の分類

　　　耐火物の分類法には種々の分け方がされているが、化学成分による分類と形態による分類について述べる。

　　　�@化学成分による分類　

　　　�A形態による分類

　 ２ー３　耐火物の生産

　　　耐火物の生産量は鉄の生産量に結びついている。図１に日本の年度別の粗鋼生産量を示す。^＊３

　　　平成２年度（バブルの絶頂期）をピークに減少の傾向を示し、平成４、５年度は１億トンを割っている。

　　　しかしながら、この３年間は連続して１億トンを越えている。

　　　図２に日本の耐火物の生産量の変化を示す。^＊４

耐火物の生産量は年々減少の傾向を示す。また減少しているのは定形煉瓦であり、不定形耐火物の生産量の変化は小さい。すなわち、不定形化比率が増加していることを意味している。平成４年度で不定形耐火物の生産量が定型耐火物のそれを越えた。耐火物の生産量の減少は、主として製鉄所サイドの耐火物原単価が低下したことによる。今後、さらに製鉄メーカーの国際価格購買政策の進行により、輸入煉瓦の使用量が増加し、国内生産量の減少が続くものと考えられる。

　図３に耐火物の用途を示す。耐火物の用途の約６３％は鉄鋼向けであることがわかる。

　

図３：耐火物の用途 ^＊４

 

 

 

 

 ２ー４　耐火物の原料

　　　３８．６％が輸入原料である。また、人工合成原料は３５．３％を占めている。^＊５

　 ２ー５　耐火物の物性とその評価

　　験、�C製品の実炉試験などの種々の試験が実施される。表４に耐火物の特性例を示す。

　　 さらに多くの評価法があるが基本的なものに留めた。耐火物の使用条件は非常に複雑であり、いくつかの特性の組み合わせで実使用との相関を推定できることは少ない。従って、実使用に近いシュミーレターを製作し評価試験されることが多い。しかし、実際は実炉で使用しないと本当のことがわからないと言っても過言でない。

３、製鋼用耐火物の使用の実際

　 ３ー１　溶銑鍋、混銑車

　　　�@　溶銑鍋

　　　溶銑鍋用耐火物は、本邦で多量産出する蝋石主体とした蝋石煉瓦が主体であったが、近年溶銑鍋が、脱燐　　や脱硫処理の容器として使用されるために、耐食性に優れ、耐構造スポーリング性に優れ、さらに、スラグ浸透が小さく耐食性に優れるAl_２O_３-SiC-C質煉瓦が使用されるようになった。最近は煉瓦に代わり、不定形の流し込み施工が行われている例もある。表５に溶銑鍋用耐火物の例を示す。^＊５

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 図４：混銑車のライニングの例^＊１０

　�A　混銑車

　　　　図４に混銑車のライニングを、表５に煉瓦の品質例を示す。^＊７溶銑の運搬容器の場合は、高級シャモット煉瓦が主体であるが、脱硫処理が始まると、スラグライン部の先行溶損を防止するために、高アルミナ煉瓦が使用されるようになり、さらに脱硅・脱燐・脱硫の溶銑予備処理が行われるようになり、耐用性の高いAl_２O_３-SiC-C質煉瓦が使用されるように　　　 なった。Al_２O_３-SiC-C質煉瓦の耐食性に及ぼす影響としては、アルミナ骨材はSi0_２量が少なく、黒鉛量が多いほど^＊８、また黒鉛粒度が微細なほど耐食性に優れている^。＊９ 　表５に混銑車用煉瓦の特性例を示す。　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　

　�B　溶銑予備処理

　　　　炉を使用する報告がある。

　　　　図５に溶銑予備処理の概略フローシートを示す。^＊１

　　　　炉は固有の特性があり、それに合った耐火物の開発が必要である。

　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　

 

 

 

 

 ３ー２　転炉　

　１９７９年に転炉への MgO-C 煉瓦の適応が開始されるまでは、転炉煉瓦の主流はマグネシア・ドロマイト煉瓦であった。現在では転炉のほとんどの部位に使用されている。MgO-C煉瓦は、マグネシア原料とカーボンから構成されている。マグネシア原料は転炉のCaO/SiO_２比の高いスラグに対して優れた耐食性を示すが、高い熱膨張のために、熱衝撃に弱い性質を持っている。これにカーボンを配することによって、煉瓦の熱膨張を押さえ、また熱伝導率を高めることによって熱スポーリング抵抗が向上する。また、カーボンはスラグの浸透を防止し、また冷却効果を高め耐食性を向上する。^＊１１表６に転炉用煉瓦の特性例を示す。

　 転炉煉瓦の損耗は部位によって異なるが、一般的な壁の損耗は、カーボンの酸化により、酸化層にスラグが浸透し、溶損されることと、熱スポーリングによって剥離が発生ことであるといわれている。図６にカーボンの浸透防止効果を示す。図７にスラグのMgO含有量とそのスラグへの煉瓦成分のMgOの溶解傾向を示す。また、図８はスラグコーティングの効果を示す。すなわち、スラグのMgO含有量を制御し、スラグコーティングを施すことによって炉寿命の延長を図ることができることを示している。近年、スラグスプッラシュコティング法の導入も行われ、さらに転炉の寿命延長に貢献している。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　　 　　　　　図６：カーボンの効果　　　　　　　 図７ｽﾗｸﾞ中のMgOの影響　　　　　図８：ｽﾗｸﾞｺｰﾄ量の影響

　

　

　

　

　

　

　

 

 

 

３ー３　溶鋼鍋　^{＊１４〜１９}

　　溶鋼鍋の内張り材料は、長年煉瓦が用いられてきたが、築炉の省力化、作業環境の改善、原単価の低減を目的として不定形化が開始され、種々の施工法が用いられてきたが、現在は流し込み施工が主流になっている。不定形化の初期には蝋石や珪石を主体としたものであったが、鋼品質の高級化により使用条件が過酷化し、一般壁には、主にアルミナーマグネシア質または一部アルミナースピネル質が使用されている。敷には、アルミナースピネル質が、スラグラインには MgO-C質煉瓦、または MgOーZrO₂ーSiO₂質、アルミナーマグネシア質、MgO-CaO質などの流し込み材が使用されている。表７に鋼鍋用の不定形材の代表物性を示す。

 

　　　　　図9に流し込み施工の様子を示す。

　　流し込みで施工された鋳込体は数時間で　　　　　　　　　　　　図９　取鍋の流し込み施工

　　供される。

　　　侵食が主であるが、一般壁は剥離による損耗

　　　が支配的になる。同様に敷は、溶鋼の落下の

　　　衝撃や剥離で損耗する。

　

 

 

 

 

 

 ３ー４　二次精錬

　�@真空脱ガス処理^＊２０

　　　　鋼の真空脱ガス処理を行うプロセスには種々存在するが、圧延用鋼材等の大量生産に対応するプロセスとしては、ＤＨ脱ガス法とＲＨ脱ガス法が 主力である。これらの装置は脱水素処理だけでなく、脱炭、脱硫、成分制御、さらに酸素吹き込みにより、溶鋼の昇熱、極低炭素鋼の溶製、フラックスの吹き込みによる極低硫鋼の溶製、ステンレス鋼の溶製等、精錬機能の充実・拡大が進み、もはや単なる脱ガス装置ではなく、多機能な反応装置になってき　　　　ている。

　　　 図１０にＲＨ法を、そして図１１にＤＨ法の概略図を示す。^＊２１

　 図１０　ＲＨ設備

　　　　 （左図）

　

　

　　　　　 図１１　ＤＨ設備

　　　　　　　　　　（右図）

　

　

 

 

 

 

　これらの装置に使用される耐火物は、真空下の特殊な条件で使用される。それゆえ、真空下で安定であること、溶鋼の環流による磨耗作用に耐えること、耐熱スポーリング性に優れていること、さらにスラグ、フラックス、および高温のFe-oxideに対して優れた耐食性が要求される。^{＊２２〜２４}現在、主に使用される内張り材はマグクロ質ダイレクトボンド煉瓦、電融マグクロ原料を使用したセミリボンド煉瓦やリボンド煉瓦が用いられている。表８に代表的な内張り材を示す。

　

　�A その他の精錬

　　 �Aー１　電気炉^＊２５

　　　電気炉は従来の交流式から、直流式に代わりつつある。また、出鋼方式も従来の出鋼樋から、炉底から出　　鋼するＥＢＴ方式（eccentric bottom tapping）や底吹き法のガス攪拌の技術も導入されている。電気炉用耐火物は炉蓋、炉壁の水冷化の大幅な普及や取鍋精錬の採用で現在は溶鋼の接触する側壁下部や炉底部を残のみとなった。

　　 �Aー２　取鍋精錬炉　^＊２６

　　　取鍋精錬炉はＡＳＥＡ−ＳＫＦ，ＶＡＦ，ＬＦ等があるが、この中で優れた機能、および作業性を持つＬ　　Ｆが急激に増加し我が国の取鍋精錬炉の大部分を占めている。ＬＦは従来の加熱装置を持たない真空脱ガス法では処理中の溶鋼温度の低下が弱点であったが、この温度低下をアーク加熱でカバーし、取鍋中の溶鋼を積極的に精錬できるようにしたものである。

　 ３ー５　造塊

　�@タンディシュ

　　ﾀﾝﾃﾞｨｼｭに主に使用される耐火物は、一般の壁のライニング、羽口、堰､ｺｰﾃｨﾝｸﾞ材である。

　　一般壁のライニングの材料には蝋石、中アルミナ質、高アルミナ質の煉瓦または不定形材料（流し込み）が　使用されている。堰は溶鋼中の非金属介在物を除去するために使用されるもので、中アルミナまたは高アルミ　ナ質のﾌﾟﾚｷｬｽﾄｷｬｽﾀﾌﾞﾙが使用されている。一部非金属介在物の吸収能力の高い石灰質の堰が使用されている。ｺｰﾃｲﾝｸﾞ材は固化した残鋼を除去し易いようにﾀﾝﾃﾞｨｼｭ表面に塗布されるもので、これから非金属介在物が鋼に入らないようにMgO質の材料の使用が一般的である、また堰と同様、石灰質のものもある。当然、最近増えつつある熱間回転ﾀﾝﾃﾞｨｼｭではｺｰﾃｨﾝｸﾞ材は使用されない。　

　�A連続鋳造

　　近年、日本においては連続鋳造技術の進歩にともない適応鋼種の拡大、多連鋳化、高速鋳造等、そこで使用される耐火物に対する要求はますます過酷化してきており、機能用耐火物と呼ばれる所以である。連続鋳造用として用いられる耐火物は機能別に各種様々であるが（図１２）^＊２７、ここでは特にｽﾗｲﾃﾞｨﾝｸﾞﾉｽﾞﾙﾌﾟﾚｰﾄ､ﾛﾝｸﾞﾉｽﾞﾙ､ｲﾏｰｼﾞｮﾝﾉｽﾞﾙ等について概説する。

 

　

　

　

　

　

　

　

　　

 

 

 

 

　 (1)　ｽﾗｲﾃﾞｨﾝｸﾞﾉｽﾞﾙ

　　　　ｽﾗｲﾃﾞｨﾝｸﾞﾉｽﾞﾙは取鍋、およびﾀﾝﾃﾞｨｼｭの流量制御用に用いられ、要求される特性としては、溶鋼流に対　　 する高耐食性、高耐熱衝撃性等が必要^＊２８である。図１３^＊２８に材質の変遷を示す。現在はピッチ含浸高アル　　 ミナから無発煙タイプのAl_２O_３−Ｃ質が主流になっている。表９に材質の例を示す。

　 (2)　ﾛﾝｸﾞﾉｽﾞﾙ　及び ｲﾏｰｼﾞｮﾝﾉｽﾞﾙ

　　　　ﾛﾝｸﾞﾉｽﾞﾙは取鍋とタンディシュの間にあって溶鋼流の酸化や乱流の防止、流量の制御の役割を担っている。また、ｲﾏｰｼﾞｮﾝﾉｽﾞﾙはﾛﾝｸﾞﾉｽﾞﾙと同様に無酸化鋳造を目的に使用されるが、溶鋼吐出流の制御による介　　 在物の浮上促進やモールドパウダーの巻き込み防止などの重要な役割を果たしている。

　　　　　　これらの具備条件は、

　　　　　　　　　(1)高温下での高強度

　　　　　　　　　(2)溶鋼、スラグ、モールドパウダー等に対する高耐食性、耐摩耗性

　　　　　　　　　(3)急激な温度変化によって生じる耐熱衝撃性　　　　　　　　　　　　　　　　である。

　 (2)-1　ﾛﾝｸﾞﾉｽﾞﾙ

　　　　無予熱の溶融シリカ質に変わる物として、Al_２O_３-SiO_２-Graphite質^＊３０が、低熱膨張、Graphiteの高熱伝　　　導性のため使用されている。ＣおよびSiO_２の添加は耐熱衝撃性を向上させるが、耐食性を低下させるので、いずれも３０％以下で使用される^{＊３１，３２}。ﾛﾝｸﾞﾉｽﾞﾙの割れは鋼の断気の続行が出来なくなることから、耐食性と耐ｽﾎﾟｰﾙ性のバランスが材質選定のキーポイントになる。^＊３３

　 (2)-2　ｲﾏｰｼﾞｮﾝﾉｽﾞﾙ

 　　　ﾓﾙﾀﾙﾊﾟｳﾀﾞｰと接する部位に使用される、及びｱﾙﾐﾅの付着抑制方法等について述べる。

　　　　　　　　1､ﾊﾟﾟｳﾀﾞｰﾗｲﾝ材質^{＊３４，３５}

　　　　　　　　　ﾓｰﾙﾄﾞﾊﾟｳﾀﾞｰ に接触するﾊﾟｳﾀﾞｰﾗｲﾝが溶損ﾈｯｸ部位になる。ﾊﾟｳﾀﾞｰ成分にはアルカリ成分や弗

　　　　　　　　素を含み低粘性である。現在は、ZrO_２-Graphite質がﾊﾟｳﾀﾞｰﾗｲﾝ部のみに使用されている。

　　　　　　　　2,ｱﾙﾐﾅ付着防止^{＊３６〜３８}

　　　　　　　　　付着防止には a)脱酸生成物の粘性を下げる。b)溶鋼の清浄　 c)ﾉｽﾞﾙ内へのＡｒ吹き込み

　　　　　　　　d)溶鋼温度の低下の抑制 e)ﾉｽﾞﾙ界面の低融化　などがある。e)については、ZrO_２-CaO-Graph-

　　　　　　　　ite質がよいという報告がある。表１０に物性の代表例を示す。

　　　　　　　　　a) から e)を組み合わせた対策がとられることが多い。

　

　 ３ー６　補修装置と材料

　　実際の炉では、最初にライニングされた耐火物が、使われ始めた後、そのまま最後まで使用されることはない。炉は使用途中でどこかに何かの欠陥（亀裂、剥離など）が発生する。そのまま放置すると、その局所のみ　が原因で炉が寿命を迎える。これは、他の部分は大量の耐火物を残すことになり不経済である。また、現実的に、その欠陥から湯漏れでも起こせば大変なことになる。従って、炉は何らかの方法によって補修される。補　修には種々のケースがあり、吹き付け､ﾊﾟｯﾃｨﾝｸﾞ、焼付、圧入、流し込み、溶射など、それぞれに合った種々の　方法が考案され実用されている。ここでは、代表的な４種類について述べる。

　�@吹き付け補修 ^{＊３９，４０}　　　　　　

　　 粉末状、またはスラリー状の粉末を吹き付け機で吹き付ける方法で、簡便であり、施工技術の修得が容易である。施工は従来の冷間が主流であったが、冷却によるエネルギー損失が無視出来ず、現在はほとんどが熱間である。吹き付け材の難しい点は、施工時の水分許容幅を広くすること、施工温度の幅の広い中で、十分な接着性が得られ、一定の時間で硬化させることの制御、急速な温度上昇時に爆裂しないこと、そして十分な耐食　 性の確保等、一見矛盾する条件をバランスよく満足させることである。

　　 表１１に吹き付け材の特性例を、図１４に施工例を示す。

　　　　　　 図１４　吹き付け施工　　　　　　　　　　　　　　　 図１５　焼き付け施工　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

 

 

 

 

 

 

　 　　�B圧入施工

　　枠のある個所に、短時間に大量の材料を圧入する。 熱間、冷間の両方がある。表１２に代表特性を示し、図１６に施工を示す。圧送パイプ内で十分な流動性を与えるために、水と耐火物の粉末が分離しないように保水性を与えること、接着性に優れること、熱間施工の場合、耐爆裂を有することが、配合設計ポイントになる。

　

　�C溶射補修 ^{＊４３，４４，４５、４６}

　 特殊なバーナーから噴射、溶融された耐火粉末を、窯炉内張ライニングの損傷部位に接着させる熱間補修法のことで、究極の吹き付け施工ともいえる。表１３に溶射補修技術の特徴を示す。耐用性は従来法に比べて抜群であるが、設備費のイニシャルコストが高いとか、材料が特殊になり、やや高価になるという問題点はあるが、現在日本の製鉄所での普及は大である。

　

　

　

４、おわりに

　　　製鋼プロセスで使用される主なる装置について、そこで使用される耐火物の具備条件と実使用の耐火物について概説した。その中で、ランスなどの付帯設備については割愛した。また、耐火物そのものの設計技術についても同様割愛した。製鉄会社の努力による原単価の低下、輸入品の活用による国際価格との競合からの価格破壊で耐火物業界は未曾有の苦難に直面している。今後、日本の耐火物屋はハード（製造など）は、たとえ外国に譲っても、長年築き上げたソフト（使用法、開発など）を活かして、さらなる新規製品の開発、使用条件に適合する材料選択技術等で今後も世界をリードして行かねばならない。したがって、これから耐火物ユーザーとメーカーの緊密な協調が重要になると思われる。

　

　

　

　

　

　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　［ 参考文献一覧　］