JP2006056735A - マグネシア−カーボンれんが - Google Patents

Abstract

【課題】 耐スポーリング性及び耐磨耗性に優れたマグネシア-カーボンれんがを提供する。
【解決手段】 マグネシア-カーボンれんがに、カーボンファイバーを０．０５〜５重量％、膨張黒鉛を１〜５０重量％含む炭素質原料を１〜７０重量％含有させるとともに、前記カーボンファイバーと膨張黒鉛に配向性を強化する。
これにより、成形体の成形面に平行な方向に対する曲げ強度を、成形面に垂直な方向に対する曲げ強度よりも大きくすることができ、優れた耐スポーリング性及び耐磨耗性を有するマグネシア-カーボンれんがを得ることができる。
上記配向性は、（成形体の成形面に平行な方向に対する曲げ強度）／（成形体の成形面に垂直な方向に対する曲げ強度）が１．２以上であることが好ましい。
【選択図】 なし

Description

本発明は、マグネシア-カーボンれんがに関する。

マグネシア-カーボンれんがは、高融点のマグネシアとスラグに対して濡れにくい性質をもつ炭素とにより構成されているため、耐食性に優れているとともに、炭素の高熱伝導性により耐スポーリング性にも優れており、転炉、電気炉等の様々な製鋼の精錬設備において広く使用されている。

しかし、ガス等を吹き込む底吹き転炉の羽口れんがやノズルなどでは、ガス等の吹き込みに伴う局部冷却と反応に伴う局部加熱との繰り返しが起こり、また、炉内では、溶銑、溶鋼あるいはスラグが強烈に攪拌される。このような部位に使用される炭素含有耐火物においては、スポーリングあるいは磨耗による損傷が大きく、これが炉寿命の決定要因となっているのが現状である。

また、マグネシア-カーボンれんがの耐酸化性や耐食性を向上するために、Ａｌ、ＳｉやＡｌＭｇ合金等の金属を添加する場合がある。しかし、こうした耐火物を内張りした溶融金属容器を繰り返し使用すると、れんがの稼動面側の表層部の迫り合い応力が発生し、稼動面表層の剥離が生じるスポーリング損傷によりれんがの損耗が大きくなる。

耐スポーリング性を向上させる方法として、膨張黒鉛を使用する方法が提案されている（例えば、特許文献１など。）。しかし、膨張黒鉛の使用により耐火物の強度が小さくなり、構造物としての強度不足による耐火物の破壊が生じ、損耗が大きくなる場合がある。

また、鋼ファイバーを添加して強度を向上させることも提案されているが（例えば、特許文献２など。）、鋼ファイバーの比重はれんがよりも３倍程度大きいため、少量の添加ではれんが内に一様に分散せず、強度向上の効果を得るためには添加量を多くする必要がある。しかも、主成分が鉄であるので、添加量が多くなるとマグネシア-カーボンれんがの耐食性低下が著しい。

この解決策として、アルミニウムファイバーやアルミニウム合金ファイバーやカーボンファイバーを添加することが提案されている（例えば、特許文献３、４、５、６など。）。
特開平５−３０１７７２号公報 特開昭５４−１３０６０８号公報 特開昭６１−１３６９６６号公報 特開平８−２３９２５８号公報 特開昭５９−２０７８７１号公報 特開平１−３０５８４９号公報

しかし、上述のように、アルミニウムファイバーやアルミニウム合金ファイバーを添加した場合、アルミニウムがカーボンと反応して、８００℃程度から炭化物（炭化アルミニウム等）が形成される。このため、金属アルミニウム添加と同様に耐スポーリング性が低下し、実用上、ファイバー添加の効果が現れない場合がある。

また、カーボンファイバーの添加が上記特許文献５及び特許文献６等に示されているが、れんが成形時に、絡まりあったカーボンファイバーが、弾性回復力によって元の形状に戻ろうとするスプリングバック現象により、れんが組織が劣化するため、れんがの物性低下が著しく、耐食性の低下が著しい。

さらに、上記特許文献４に示されているアルミニウムファイバーやアルミニウム合金ファイバーとカーボンファイバーの併用も、カーボンファイバーによるスプリングバック現象を完全には抑制できず、やはり組織劣化によるれんがの物性低下が著しい。

本発明は、上記従来の事情に基づいて提案されたものであって、耐スポーリング性に優れたマグネシア-カーボンれんがを提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、カーボンファイバーと膨張黒鉛とを併用するとともに、カーボンファイバー及び膨張黒鉛の配向性を強化する構成としている。すなわち、本発明はマグネシア-カーボンれんがに、カーボンファイバーを０．０５〜５重量％、膨張黒鉛を１〜５０重量％含む炭素質原料を１〜７０重量％含有させるとともに、抗折方向が成形時の加圧方向に対して、平行であるときの曲げ強度を、垂直であるときの曲げ強度の１．２倍以上にしている。

これにより、れんが組織の劣化が少なく、耐スポーリング性に優れたマグネシア-カーボンれんがを得ることができる。

本発明のカーボンファイバーと膨張黒鉛の炭素材料を併用し、さらにカーボンファイバーと膨張黒鉛の配向性を強化したマグネシア-カーボンれんがは、優れた耐スポーリング性及び耐磨耗性を示す。したがって、底吹き転炉の羽口れんがやノズルなどに本発明品を使用することにより炉寿命を向上させることができ、その工業的価値は大きい。

以下、本発明の実施の形態を図面にしたがって詳細に説明する。

本発明は、マグネシア-カーボンれんがに、カーボンファイバーを０．０５〜５重量％、膨張黒鉛を１〜５０重量％含む炭素質原料を１〜７０重量％含有させることにより、破壊抵抗性及び耐スポーリング性の向上をさせると同時に、れんが成形時のれんが組織（特に、カーボンファイバー及び膨張黒鉛）の配向性を強化することで、耐スポーリング性及び耐磨耗性の更なる向上を図るものである。

上記れんが組織の配向性は成形体形成時の加圧方向に垂直な方向（成形体の成形面に平行な方向）に付与されるものであり、この配向性が付与された方向をれんがの稼働面に垂直な方向として使用することで、耐スポーリング性及び耐磨耗性を向上させることが可能となる。

本発明のマグネシア-カーボンれんがに使用するカーボンファイバーは、長さが１〜１００ｍｍ、好ましくは５〜５０ｍｍのもので、断面形状を問わないが、繊維直径が１〜１００μｍ、好ましくは４〜２０μｍのものを使用する。長さが１ｍｍ未満ではファイバーの引き抜き抵抗による破壊抵抗の向上効果が無く、１００ｍｍを超えると、耐火物原料の混練中にファイバーが絡まり、成形時にセグリゲーションの発生やカーボンファイバーに配向性を付与できない等の問題が生じるので好ましくない。また、当該カーボンファイバーは、繊維直径が１μｍ未満であると繊維が絡まり易く、且つ、切れ易くなり、１００μｍ以上であると繊維の柔軟性が失われ、ファイバーの引き抜き抵抗による破壊抵抗の向上効果が低下するので好ましくない。

上記カーボンファイバーの使用量は、０．０５〜５重量％であり、さらに好ましくは、０．１〜２重量％である。カーボンファイバーの使用量が０．０５重量％未満であると引き抜き抵抗の向上効果が無く、５重量％を超えると、れんが組織が粗雑になってれんが強度が低下するとともに耐食性が著しく低下してしまう。

なお、上記カーボンファイバーは、一般に使用されているカーボンファイバーが使用でき、熱処理によってカーボン化する樹脂ファイバーやピッチファイバーも同様に使用できる。

一方、上記膨張黒鉛には、例えば、膨張化処理により得られる市販の膨張黒鉛を使用できるが、比表面積が５〜５０ｍ²/gの範囲であるものを使用することが好ましい。これは、５ｍ²/g未満では耐スポーリング性が十分ではなく、５０ｍ²/gを超えるとれんがのかさ比重が小さくなり、酸化損耗が大きくなるとともにれんが強度が低下するからである。

上記膨張黒鉛の使用量は、１〜５０重量％が好ましく、さらに好ましくは１〜２５重量％である。膨張黒鉛の使用量が１重量％未満では成形時の膨張黒鉛の配向性が弱いため、耐スポーリング性の向上効果がなく強度面で劣る。また、５０重量％を超えると、カーボンファイバーの配向性は高まるが、酸化損耗が大きくなるとともに、れんがの充填性が低下し、結果的にれんが強度が低下するからである。

残部の炭素質原料は特に限定されないが、鱗状黒鉛、土状黒鉛、人造黒鉛等の黒鉛やその紛砕物、カーボンブラック、粉末ピッチ、メソフェーズピッチなどの炭素質原料が使用できる。

上記カーボンファイバー及び膨張黒鉛を含む炭素質原料の使用量は１〜７０重量％が好ましく、さらに好ましくは３〜３０重量％である。当該炭素質原料の使用量が、１重量％未満ではスラグが浸透し易くなるとともに耐スポーリング性が低下する。逆に７０重量％を超えると酸化損耗が大きくなるとともにれんが強度が低下する。

ところで、マグネシア質原料には、電融マグネシア、焼結マグネシア、天然マグネサイト、オリビン、ドロマイト、スピネル等のマグネシアを主成分とする材料をいずれか１種または２種以上を組み合わせて使用できる。また、これらのマグネシア骨材の他に１０重量％以下の範囲内で少量の酸化物耐火原料、非酸化物耐火原料等を添加することができる。本発明における炭素質原料を除くマグネシア骨材とその他の耐火原料の使用量は３０〜９９重量％である。

なお、本発明のマグネシア-カーボンれんがには酸化防止の目的で一般的に使用されている、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、ＡｌＭｇ合金、ＡｌＳｉ合金などの金属や、Ｂ₄Ｃ、ＡｌＢ₂、ＣａＢ₆、ＭｇＢ₂などのほう素化合物などの酸化防止剤を必要に応じて添加することができる。

本発明のマグネシア-カーボンれんがの製造方法は、上記配合の耐火物原料を、少なくとも１０００ｋｇｆ／ｃｍ²の圧力で加圧成形することを除けば、従来の製造方法と同じでよい。すなわち、マグネシア骨材に炭素質原料を加え、必要に応じて金属粉末やその他既知の添加物を添加し、フェノール樹脂、ピッチ、タール等の炭素結合を形成する結合材を１〜１５重量％好ましくは３〜８重量％加えて混練する。そして、この原料を少なくとも１０００ｋｇｆ／ｃｍ²の圧力で加圧成形した後、１００〜５００℃、より好ましくは１５０〜４００℃の熱処理をして不焼成れんがとする。あるいは、成形後、５００〜１５００℃、より好ましくは８００〜１３００℃の還元雰囲気下で焼成した焼成れんがとすることもできる。

以上のようにして、製造されたマグネシア‐カーボンれんがは、上記加圧方向に垂直な方向（成形面に平行な方向）へのカーボンファイバー及び膨張黒鉛の配向性が強化される。このため、抗折方向が成形時の加圧方向に対して、平行であるときの曲げ強度が、垂直であるときの曲げ強度よりも１．２倍以上大きいマグネシア-カーボンれんがを得ることができる。

このマグネシア-カーボンれんがを、例えば、転炉の底吹き羽口れんが等にカーボンファイバー及び膨張黒鉛の配向方向に垂直な面を稼動面として使用すれば、優れた耐スポーリング性及び、稼動面の耐磨耗性を得ることができる。

なお、上記不焼成れんがおよび焼成れんがにピッチあるいはタールを含浸してもよい。

以下、本発明のマグネシア‐カーボンれんがについて行った試験の結果を、実施例として示す。以下の実施例では、カーボンファイバーとして、３０ｍｍ（カーボンファイバーNo.1）を使用している。

表１に示す原料構成の電融マグネシアと炭素質原料にフェノール樹脂及び一部には金属アルミニウムファイバーを加えて混練し、１００ＭＰａ（１０２０ｋｇｆ／ｃｍ²）の圧力で真空フリクション成形後、２００℃で１０時間熱処理してマグネシア-カーボンれんがを製造した。また、その物性とスラグ侵食指数及びスポーリング損傷指数も表１に示した。

上記スポーリング損傷指数は、高周波誘導炉で溶融した１５８０℃の溶鉄に４０ｍｍ×４０ｍｍ×２００ｍｍの試片を長辺方向に１００ｍｍまで９０秒浸漬し、直後に２０秒水冷するサイクルを５回繰り返した後、長辺方向の弾性率の変化率を測定し、実施例１の変化率を１００として指数表示したものである。数値の大きいほどスポーリングによる劣化が大きいことを示している。

また、上記スラグ侵食指数は転炉スラグ（スラグの塩基度はCaO/SiO₂=３）を用いて回転式スラグ侵食試験機によって１７００℃で３時間処理した後の侵食量を、実施例１の侵食量を１００として指数表示したものである。数値の大きいほど侵食量が大きいことを示している。

表１の結果から、本発明のカーボンファイバーと膨張黒鉛を併用し、カーボンファイバー及び膨張黒鉛に配向性を強化したマグネシア-カーボンれんがである実施例１〜６は、比較例１〜６よりも、スポーリング損傷指数が小さく、耐スポーリング性が向上していることが理解できる。また、実施例１〜６は、成形面に平行な方向に対する曲げ強さ（抗折方向は成形時の加圧方向に対して平行）を成形面に垂直な方向に対する曲げ強さ（抗折方向は成形時の加圧方向に対して垂直）で割った値である強度比（水平方向／垂直方向）が１．２以上であり、且つ、熱間曲げ強さが大きいために、比較例１〜６に比べ耐摩耗性が優れている。

さらに、本発明品の実施例１と従来品の比較例１とを転炉の底吹き羽口れんがに使用し、使用後の損耗速度を測定した。ここで損耗速度とは、１回の操業(charge)によるれんがの損耗量を表し、単位はＣｈ(=charge)である。また、実施例１は、カーボンファイバー及び膨張黒鉛の配向方向に垂直な面を稼動面として使用している。

測定の結果、比較例１は０．６ｍｍ／Ｃｈであったのに対し、本発明品実施例１は０．３ｍｍ／Ｃｈであり、耐用性が約５０％向上した。

本発明にかかるマグネシア-カーボンれんがは、優れた耐スポーリング性及び耐磨耗性を有し、底吹き転炉の羽口れんがやノズル等に使用する耐火物として有用である。

Claims (1)

1. カーボンファイバーを含有するマグネシア-カーボンれんがにおいて、
   カーボンファイバーを０．０５〜５重量％、膨張黒鉛を１〜５０重量％含む炭素質原料を１〜７０重量％含有するとともに、
   抗折方向が成形時の加圧方向に対して、平行であるときの曲げ強度が、垂直であるときの曲げ強度の１．２倍以上であることを特徴とするマグネシア-カーボンれんが。