CN105917186A - 熔融金属容器的衬里结构体的制造方法及熔融金属容器的衬里结构体 - Google Patents

熔融金属容器的衬里结构体的制造方法及熔融金属容器的衬里结构体 Download PDF

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Abstract

本发明提供在维持耐火性能的状态下能够以比以往低的成本实现的熔融金属容器的衬里结构体及熔融金属容器的衬里方法。本发明的熔融金属容器的衬里结构体具备夹装于铁皮与永久衬耐火物之间的传热系数为100W/m2K以下的绝热材料，内衬耐火物为如下得到的耐火物：将含有60质量％以上的氧化铝和4质量％以上的氧化镁且氧化镁的50质量％以上为方镁石或煅烧白云石、并且在1500℃下进行3小时热处理后的残留膨胀率为0.8％以上的未煅烧耐火物或不定形耐火物施工到熔融金属容器中后，使氧化铝与氧化镁发生尖晶石化。

Description

熔融金属容器的衬里结构体的制造方法及熔融金属容器的衬里结构体
技术领域
本发明涉及熔融金属容器的衬里结构体(lining structure)的制造方法及熔融金属容器的衬里结构体。
背景技术
混铁车(torpedo car)、高炉(blast furnace)、转炉(steelmakingconverter)、钢水锅(molten steel ladle)这样的各种熔融金属容器的衬里结构体在熔融金属容器的最外侧设置有铁皮(outer steel shell)，朝向熔融金属容器的内侧依次由永久衬耐火物、内衬耐火物构成。位于最内侧的内衬耐火物的工作面(working face(of refractory))与熔融金属接触。作为熔融金属容器中的内衬耐火物的特性，要求对熔融金属或作为共存的熔融氧化物的熔渣(slag)的耐腐蚀性(corrosion resistance)和针对伴随温度变化所产生的破裂(spalling)的耐性。
一般而言，包含氧化铝(alumina)和氧化镁(magnesia)的内衬耐火物通过在施工后进行烧结而使尖晶石化(spinelization)进行。利用尖晶石化进行时的体积膨胀，耐火物的体积发生膨胀，并且耐火物内存在的空隙减少。由此，能够使耐火物致密化而使气孔率降低，能够防止熔渣向耐火物中的侵入，因此能够使耐火物的损耗速度降低。
在熔融金属容器的使用过程中，在内衬耐火物的工作面附近，会产生温度的急剧升高或下降。因此，如上所述，将在内衬耐火物的施工后使氧化铝与氧化镁发生尖晶石化的方法应用于熔融金属容器的情况下，会产生如下所述的问题。即存在如下问题：内衬耐火物的工作面附近的尖晶石化没有充分进行时，因使用过程中来自熔融金属的受热而产生温度升高，从而引起内衬耐火物的热膨胀，因该热膨胀和伴随尖晶石化所产生的结构性膨胀而使内衬耐火物产生龟裂。
对此，在专利文献1中公开了：作为内衬用的耐火物，使用未尖晶石化的氧化铝和氧化镁作为主要材料，在内衬用的耐火物的施工后，在1300℃以上的高温下进行4小时以上的煅烧，由此，在熔融金属容器的使用前使内衬用耐火物尖晶石化。
在专利文献2中，提出了添加微量的使熔点降低的二氧化硅(silica)从而使尖晶石化迅速进行的方案。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平10-167846号公报
专利文献2：日本专利4220131号公报
发明内容
发明所要解决的问题
但是，在专利文献1所公开的方法中，提出了通过在熔融金属容器的使用前使用燃烧器对内衬耐火物的工作面进行1300℃以上且4小时以上的加热来促进内衬耐火物的尖晶石化的方案，但是，为了在1300℃以上对内衬耐火物的工作面进行加热，需要强力的燃烧器设备。另外，在内衬耐火物的内部，温度从工作面朝向永久衬耐火物的方向、即耐火物的背面的方向下降，因此，为了历经4小时以上进行加热而使内衬耐火物的内部充分尖晶石化，需要巨大的能量。因此，应用引用文献1所公开的方法并不经济。
在专利文献2中，添加微量的使熔点降低的二氧化硅而局部地产生液相，由此，相对于通常的固相扩散，成为迅速的尖晶石化。但是，因二氧化硅添加引起的耐火性能的降低会损害使耐火物致密化而防止熔渣的侵入这样的尖晶石化的优点，与不添加二氧化硅而花费足够的时间进行预热的情况相比，存在耐火性能差的问题。
本发明是针对上述问题而完成的，其目的在于提供无需像以往那样的强力的燃烧器设备而具有充分的耐火性能的熔融金属容器的衬里结构体的制造方法及熔融金属容器的衬里结构体。
用于解决问题的方法
本发明是针对如上所述的问题而完成的，具有如下所述的特征。
[1]一种熔融金属容器的衬里结构体的制造方法，其为在外侧具有铁皮、在内侧具有内衬耐火物、进一步在铁皮与内衬耐火物之间具有永久衬耐火物的熔融金属容器的衬里结构体的制造方法，其中，
在上述铁皮与上述永久衬耐火物之间设置有传热系数为100W/m2K以下的绝热材料，
将含有60质量％以上的氧化铝和4质量％以上的氧化镁并且在1500℃下进行3小时热处理的前后在室温下的线变化率为0.8％以上的未煅烧耐火物(unfired refractory)和/或不定形耐火物(unshapedrefractory)作为上述内衬耐火物进行施工，
在上述熔融金属容器的使用前，对上述内衬耐火物的工作面进行预热。
[2]如[1]所述的熔融金属容器的衬里结构体的制造方法，其中，
施工前的上述内衬耐火物以方镁石(periclase)或煅烧白云石(calcined dolomite)的形式含有上述氧化镁的50质量％以上，
在上述熔融金属容器的使用前的预热中，预热至施工前的上述内衬耐火物中作为方镁石或煅烧白云石的氧化镁的一部分与氧化铝发生尖晶石化。
[3]一种熔融金属容器的衬里结构体，其通过[1]或[2]所述的熔融金属容器的衬里结构体的制造方法来制造。
发明效果
根据本发明，能够提供无需像以往那样的强力的燃烧器设备而具有充分的耐火性能的熔融金属容器的衬里结构体的制造方法及熔融金属容器的衬里结构体。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式的熔融金属容器的衬里结构体的图。
图2是表示本发明例1(有绝热材料)和比较例3(无绝热材料)的距内衬耐火物的工作面的距离与氧化镁的尖晶石化比率的关系的图。
具体实施方式
以下，参考附图对本发明的实施方式进行说明。
首先，对本发明的概要进行说明。本发明发现，在熔融金属容器的衬里结构体的制造中，在内衬耐火物施工后，使用能够使氧化铝与氧化镁尖晶石化的材料作为内衬耐火物，并且在铁皮与永久衬耐火物之间夹装绝热层，由此，能够在不使设备费用、能量成本变差的情况下大幅降低耐火物成本，从而完成了本发明。
即，将氧化镁的一半量以上以方镁石(periclase)或煅烧白云石(calcined dolomite)的形式配合，利用尖晶石化来实现耐火物的致密化，并且，为了减少因内衬耐火物的使用开始后的急剧的温度升高时的热膨胀与伴随尖晶石化的进行所产生的膨胀的合成膨胀而引起的破裂，在与内衬耐火物相比更靠近铁皮侧设置绝热层。由此，使内衬耐火物的内部的温度梯度平缓，并且提高内衬耐火物的背面以及至背面为止的部位的温度。其结果是，能够在施工后的预热时提高进行尖晶石化的比率，并且能够使尖晶石化进行至足够深的部分，能够相对地降低实际的使用开始后、即内衬耐火物的工作开始后的伴随尖晶石化的进行所产生的膨胀，从而抑制破裂。由此，能够在不使设备费用、能量成本变差的情况下大幅降低耐火物成本。需要说明的是，内衬耐火物的背面是指相对于工作面、即与熔融金属接触的面相反的一侧的面。
图1是表示本发明的实施方式的熔融金属容器的衬里结构体的一例的图。在熔融金属容器的最外侧设置有铁皮1。衬里结构体在内侧、即纸面右侧与熔融金属(未图示)接触。该衬里结构体从铁皮1朝向内侧、即熔融金属进入的方向(衬里方向)依次具备绝热材料2、永久衬耐火物3、内衬耐火物4。
在永久衬耐火物3与铁皮1之间设置有绝热材料2的上述衬里结构体中，绝热材料2具有100W/m2K以下的传热系数。一般而言，永久衬耐火物3的传热系数为约100W/m2K。在此，传热系数是指针对内衬耐火物4、永久衬耐火物3、绝热材料2等各耐火物层用各热导率除以各层的厚度而得到的值。
通过使绝热材料2为具有比永久衬耐火物3低的100W/m2K以下的传热系数的绝热材料来构成，能够使内衬耐火物4的内部的温度梯度平缓，并且能够提高背面以及至背面为止的温度，能够通过使用前的预热使内衬耐火物4的尖晶石化充分进行。绝热材料2一般为多孔质、耐火性能低，因此，为了将绝热材料2的温度保持得较低而设置在铁皮1与永久衬耐火物3之间。
在此，廉价的绝热材料的热导率为约0.3W/mK。在应用这样的绝热材料作为绝热材料2并将施工厚度设定为3mm时，传热系数达到100W/m2K。例如，如果将施工厚度设定为2倍的6mm而将传热系数降低至50W/m2K、或者通过使用价格稍贵但热导率为约0.03W/mK的纳米多孔系绝热材料而将传热系数降低至10W/m2K，则本发明的效果进一步增大。
永久衬耐火物3一般由氧化铝质等的砖构成，将接缝用灰浆等填埋。永久衬耐火物3的传热系数为约100W/m2K。图1中，以一层的方式进行了图示，但永久衬耐火物3也可以设置有两层。
内衬耐火物4是包含氧化铝和氧化镁、通过在耐火物的施工后进行烧结而使氧化铝与氧化镁尖晶石化的未煅烧耐火物和/或不定形耐火物。需要说明的是，“未煅烧耐火物”是指在成形后、施工前没有预先煅烧的耐火物。“不定形耐火物”是指在施工前没有预先成形的耐火物。内衬耐火物4优选由含有60质量％以上的氧化铝、4质量％以上的氧化镁的未煅烧耐火物及不定形耐火物中的任意一者或两者构成。更优选的是，除了为了特殊的用途而配合石墨等的情况以外，内衬耐火物4优选含有80质量％以上的氧化铝、5质量％以上的氧化镁。
另外，在使氧化铝与氧化镁尖晶石化之前的内衬耐火物4中，氧化镁的50质量％以上以方镁石或煅烧白云石的形式包含在耐火物中。由此，在施工后能够提高进行尖晶石化的比率，因此，可以得到使内衬耐火物4致密化而提高耐腐蚀性的效果。在此，虽然取决于原料价格的市场行情，但优选的是，氧化镁的90质量％以上以方镁石的形式供给是更适合的。
构成内衬耐火物4的未煅烧耐火物和/或不定形耐火物以使在1500℃下进行3小时热处理之前和之后在室温下的线变化率(以下也称为1500℃的热处理后的线变化率)为0.8％以上的方式进行调整。通过使1500℃的热处理后的线变化率为0.8％以上，在制成上述的包含绝热材料2的衬里结构体的情况下，在耐火物施工后的预热时以及作为熔融金属容器使用后(工作后)，可以得到通过氧化铝与氧化镁的尖晶石化使内衬耐火物4致密化从而提高耐腐蚀性的效果。在此，将热处理温度设定为1500℃、将热处理时间设定为3小时是因为：考虑到作为熔融金属容器使用后(工作后)的内衬耐火物4的工作面侧的温度历程，作为基于尖晶石化的内衬耐火物4的致密化的指标。
另外，1500℃的热处理后的在室温下的线变化率小于0.8％时，即使在制成包含绝热材料2的衬里结构体的情况下，也不能充分地得到使内衬耐火物4致密化而提高耐腐蚀性的效果。另一方面，在不包含绝热材料2的层的衬里结构体中，使1500℃的热处理后的在室温下的线变化率为0.8％以上时，在施工后的预热时在低温下进行尖晶石化的比率低，因此，在内衬耐火物4的使用(工作)初期因尖晶石化引起的膨胀急剧发展，因此，由于内衬耐火物4的使用开始后的急剧的温度升高时的热膨胀与因尖晶石化引起的膨胀的合成膨胀而发生破裂，有可能不能充分地获得利用基于尖晶石化的耐火物的致密化使得耐腐蚀性提高从而延长耐火物寿命的效果。
此外，为了使内衬耐火物4致密化而提高耐腐蚀性，更优选将1500℃的热处理后的在室温下的线变化率设定为1.5％以上。在此，关于1500℃的热处理后的线变化率，正值对应于膨胀、负值对应于收缩，可以通过增加以方镁石或煅烧白云石的形式包含在耐火物中的耐火物的氧化镁的含量等的方法来增大，另外，可以以通过增加以杂质等的形式包含在耐火物中的二氧化钛、氧化铁、二氧化硅的含量等的方法来减少的方式进行调节。
需要说明的是，作为供于熔融金属容器的内衬耐火物4的耐火物，通过设定为含有60质量％的氧化铝、4质量％以上的氧化镁的材质，能够充分地发挥基于尖晶石化的耐腐蚀性提高的效果。
如上所述的衬里结构体中，在将绝热材料2夹装于铁皮1与永久衬耐火物3之间的情况下，促进内衬耐火物4的尖晶石化的效果在熔融金属容器的使用前的内衬耐火物4的干燥、预热工序中表现出。
以往，在内衬耐火物4的干燥、预热时，如果不将内衬耐火物4的工作面的温度保持于1300℃以上且4小时以上，则内衬耐火物4的尖晶石化不会进行。与此相对，在本发明中，通过在内衬耐火物4的背面侧设置传热系数为100W/m2K以下的绝热材料2，在将内衬耐火物4的工作面的温度升高至800℃时，能够使工作面附近的内衬耐火物4的尖晶石化充分进行。需要说明的是，从缩短干燥、预热时间的观点出发，干燥、预热工序末期的内衬耐火物的表面(工作面)温度更优选为900～1200℃。
因此，能够更有效地抑制因熔融金属容器的使用开始后的来自熔融金属的受热所引起的急剧的温度升高而引起的破裂。而且，由此能够在不使设备费用、能量成本变差的情况下大幅降低耐火物成本。另外，无需像以往那样添加二氧化硅，因此可维持耐火性能。
实施例
接着，对本发明的实施例进行说明。使用图1所示的衬里结构体，对本发明的效果进行调查。需要说明的是，将进行了调查的现有例、比较例1～5、本发明例1示于表1中。在本发明例1中，包含方镁石以外的氧化镁的所有成分是未煅烧耐火物和/或不定形耐火物。
(现有例)在衬里结构体中，使用91质量％氧化铝-6质量％氧化镁且氧化镁中的六分之五(质量基准)预先以氧化铝-氧化镁尖晶石的形式配合的、1500℃的热处理后的在室温下的线变化率为0.1％的材质的浇注不定形耐火物作为内衬耐火物4。在现有例中，未施工绝热片2。永久衬耐火物3的传热系数为100W/m2K。寿命为225炉次。
(比较例1)在图1所示的衬里结构体中，使用与现有例相同的91质量％氧化铝-6质量％氧化镁且氧化镁中的六分之五(质量基准)预先以氧化铝-氧化镁尖晶石的形式配合的、1500℃的热处理后的在室温下的线变化率为0.1％的材质的浇注不定形耐火物作为内衬耐火物4。在铁皮1与永久衬耐火物3之间施工有热导率为0.2W/mK且厚度为3mm的绝热片2。绝热片2与永久衬耐火物3的合计的传热系数为40W/m2K。其结果是，与现有例相比，寿命变差了两成。
将使用后的耐火物回收并进行了调查，结果，作为熔渣成分的氧化钙、二氧化硅在耐火物中的浸润深度相对于通常的30mm而深达40mm，在其边界部还观察到龟裂。一般认为，在耐火物的背面侧实施绝热时，耐火物的温度升高，因此耐用变差，对于氧化铝-氧化镁系的材质而言也得到了同样的结果。
(比较例2)接着，使用91质量％氧化铝-6质量％氧化镁且氧化镁中的六分之四(质量基准)预先以氧化铝-氧化镁尖晶石的形式配合的、1500℃的热处理后的线变化率为0.3％的材质的浇注不定形耐火物作为内衬耐火物4。实施与比较例1同样的绝热。其结果是，虽然浸润深度减轻至30mm左右，但内衬耐火物4的寿命为与现有例相同的程度或稍差的程度。
(比较例3)此外，使用91质量％氧化铝-6质量％氧化镁且氧化镁的95质量％以上以方镁石的形式配合的、1500℃的热处理后的线变化率为1.5％的材质的浇注不定形耐火物作为内衬耐火物4。需要说明的是，在该比较例3中，未施工绝热片。其结果是，内衬耐火物4的寿命与现有例相比延长了约11％。
(比较例4)使用94质量％氧化铝-3质量％氧化镁且氧化镁的95质量％以上以方镁石的形式配合的材质的浇注不定形耐火物作为内衬耐火物4，施工有与比较例1同样的绝热片。其结果是，内衬耐火物4的寿命比现有例长、但比比较例3短。认为这是因为：即使使用方镁石比率高的氧化镁，氧化镁总量小于4质量％时，1500℃的热处理后的在室温下的线变化率低至0.7％，也不能充分地得到耐火物的致密化的效果。
(比较例5)使用利用杂质稍多的氧化铝原料、90质量％氧化铝-6质量％氧化镁且氧化镁的95质量％以上以方镁石的形式配合、来自氧化铝原料的杂质(二氧化钛、氧化铁、二氧化硅)为1质量％的、1500℃的热处理后的线变化率为0.7％的材质的浇注不定形耐火物作为内衬耐火物4，施工有与比较例1同样的绝热片。其结果是，内衬耐火物4的寿命比现有例长、但比比较例3短。认为这是因为：即使使用方镁石比率高的氧化镁，因容易产生低熔点的液相的杂质的影响而使1500℃的热处理后的在室温下的线变化率低至0.7％，也不能充分地得到耐火物的致密化的效果。
需要说明的是，在其他比较例、现有例及本发明例1中使用的内衬耐火物4中，来自氧化铝原料的杂质(二氧化钛、氧化铁、二氧化硅)为0.5质量％，在表1所示的任一个试验例中，作为组成示出的数值的合计以外的其余部分均为来自氧化镁原料及矾土水泥的除氧化铝和氧化镁以外的杂质等成分。
(本发明例1)使用与比较例3相同的91质量％氧化铝-6质量％氧化镁且氧化镁的95质量％以上以方镁石的形式配合的、1500℃的热处理后的在室温下的线变化率为1.5％的材质作为内衬耐火物4。另外，施工有与比较例1同样的绝热片。其结果是，内衬耐火物4的寿命与现有例相比延长了33％。
即认为：内衬耐火物4的材质变更所带来的寿命的延长为比较例3的寿命的延长即11％，在此基础上进一步设置绝热材料2的层所带来的寿命的延长为本发明例1与比较例3的寿命的延长的差异即22％。
在本发明例1和比较例3中的衬里结构体中，在使用前的预热末期，将内衬耐火物4的工作面的温度设定为1200℃，将预热48小时后的内衬耐火物4的尖晶石化比率示于图2中。图2是表示本发明例1(有绝热材料)和比较例3(无绝热材料)中的、距内衬耐火物的工作面的距离与氧化镁的尖晶石化比率的关系的图。内衬耐火物4的厚度为130mm。
相对于不具有绝热材料2的比较例3，在具有绝热材料2的本发明例1中，在各部中尖晶石化比率高24～30个百分点，特别是在作为中央部的56～75mm的深度的部分，相对于11％，为35％，相对于比较例3，以比率计为3.2倍的尖晶石化比率。
由此可知，成为含有60质量％以上的氧化铝、4质量％以上的氧化镁并且使氧化镁的50质量％以上以方镁石的形式供给的内衬耐火物4，在铁皮1与永久衬耐火物3之间设置传热系数为100W/m2K以下的绝热材料，由此，能够延长内衬耐火物4的耐用时间。
需要说明的是，本发明不限于上述实施方式，能够应用各种设计变更，这是不言而喻的。
符号说明
1 铁皮
2 绝热材料
3 永久衬耐火物
4 内衬耐火物

Claims (3)

1.一种熔融金属容器的衬里结构体的制造方法，其为自铁皮侧起依次具有永久衬耐火物和内衬耐火物的熔融金属容器的衬里结构体的制造方法，其中，
在所述铁皮与所述永久衬耐火物之间设置有传热系数为100W/m2K以下的绝热材料，
将含有60质量％以上的氧化铝和4质量％以上的氧化镁并且在1500℃下进行3小时热处理的前后在室温下的线变化率为0.8％以上的未煅烧耐火物和/或不定形耐火物作为所述内衬耐火物进行施工，
在所述熔融金属容器的使用前，对所述内衬耐火物的工作面进行预热。
2.如权利要求1所述的熔融金属容器的衬里结构体的制造方法，其中，
施工前的所述内衬耐火物含有所述氧化镁的50质量％以上的方镁石或煅烧白云石，
在所述熔融金属容器的使用前的预热中，预热至施工前的所述内衬耐火物中作为方镁石或煅烧白云石的氧化镁的一部分与氧化铝发生尖晶石化。
3.一种衬里结构体，其通过权利要求1或2所述的熔融金属容器的衬里结构体的制造方法来制造。
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