JP2006182576A - キャスタブル耐火物 - Google Patents

Abstract

【課題】 断熱性、耐スポーリング性、強度特性に優れ、アルミニウム等の溶湯の浸透を抑制することができ、アルミニウム等の非鉄金属の溶解、鋳造等において好適に用いることができるキャスタブル耐火物を提供する。
【解決手段】 ９５％以上のＳｉＯ₂を含有する粒径２０ｍｍ以下の溶融シリカからなる骨材に、粒径１０μｍ以上１００μｍ以下のアルミナ微粉、粒径１μｍ以下のシリカ微粉および粒径２０μｍ以上１００μｍ以下のアルミナセメントからなる粉末原料と、酸化鉛、酸化バリウム、硫酸バリウム、酸化ゲルマニウム、酸化鉄から選ばれた少なくとも１種の粉末からなる浸潤抑制剤と、縮合リン酸ナトリウム、ナフタレンスルホン酸系またはポリカルボン酸系から選ばれた少なくとも１種の分散剤とが配合され、前記骨材の配合量が、前記骨材と粉末原料と浸潤抑制剤の合計量に対して、６０重量％以上８５重量％以下であるキャスタブル耐火物を得る。
【選択図】 なし

Description

本発明は、アルミニウムや亜鉛に代表される非鉄金属の溶湯を取り扱う原料溶解工程、鋳造工程等において用いられる溶解保持炉、バスタブ、取鍋等の炉壁材、移送パイプ、ルツボ、スリーブ、鋳湯ノズル、ラドル、トラフ、樋等に好適なキャスタブル耐火物に関する。

アルミニウム等の非鉄金属の溶解、鋳造等において、溶湯が直接接触して使用される部材は、耐火物により構成される。前記耐火物は、定形レンガ、キャスタブル耐火物、繊維質耐火物（セラミックファイバー）、モルタル（コート材等）、セラミックフィルタ等の様々な態様のものが使用されている。

前記耐火物の材質としては、溶湯の組成、形状、使用態様等の種々の条件に応じて、適宜選定して使用されている。例えば、溶湯に濡れ難いという特性を利用して、窒化珪素、炭化珪素、黒鉛等を材料とするものが、樋、溶融炉内張り材等に多く採用されている。
また、溶融シリカ質による熱膨張率が小さい鋳鉄誘導炉用ラミング材や、溶融シリカを含むアルミナ−シリカ質キャスタブル耐火物等も提案されている（例えば、特許文献１，２等参照）。
特開平７−８２０４５号公報 特開２０００−１０３６８４号公報

近年、アルミニウム合金やマグネシウム合金等の非鉄金属の需要が伸びており、特に、自動車関連の部材における需要が大幅に増加しており、これらの製品の素材の品質に対する要求が厳しくなってきている。

前記品質は、アルミニウム等の原料の溶解時に使用される上記のような様々な耐火物の特性により、大きな影響を受ける。例えば、耐火物が、熱的または機械的衝撃により剥離や欠落を生じたり、接触する溶湯により浸食されたりすると、種々の介在物やアルカリ金属を含む元素の混入により溶湯が汚染され、得られる地金の純度、品質の低下を招くこととなる。

このため、高品質の地金を得るためには、金属原料の品質のみならず、その製造工程のうち、特に、原料溶解工程、鋳造工程等において、溶湯と直接接触して使用される耐火物の材質の選択、品質の向上も重要な要素となる。
したがって、前記耐火物においては、耐熱衝撃性および機械的強度に優れ、しかも、溶湯への不純物の混入を防止するため、溶湯と接触する耐火物の浸食、反応が抑制されることが求められている。

そこで、本発明者らは、従来から耐火物材料の一つとして用いられている溶融シリカに着目して、施工が容易であり、応用範囲が広いキャスタブル耐火物において、従来の高アルミナ質等の耐火物では十分とは言えなかった上記特性の要求に応えられるものを得るべく検討を重ねた結果、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、上記技術的課題を解決するためになされたものであり、断熱性、耐スポーリング性、強度特性に優れ、アルミニウム等の溶湯の浸透を抑制することができ、アルミニウム等の非鉄金属の溶解、鋳造等において好適に用いることができるキャスタブル耐火物を提供することを目的とするものである。

本発明に係るキャスタブル耐火物は、９５％以上のＳｉＯ₂を含有する粒径２０ｍｍ以下の溶融シリカからなる骨材に、粒径１０μｍ以上１００μｍ以下のアルミナ微粉、粒径１μｍ以下のシリカ微粉および粒径２０μｍ以上１００μｍ以下のアルミナセメントからなる粉末原料と、酸化鉛、酸化バリウム、硫酸バリウム、酸化ゲルマニウム、酸化鉄から選ばれた少なくとも１種の粉末からなる浸潤抑制剤と、縮合リン酸ナトリウム、ナフタレンスルホン酸系またはポリカルボン酸系から選ばれた少なくとも１種の分散剤とが配合され、前記骨材と粉末原料と浸潤抑制剤の合計量に対して、前記骨材が６０重量％以上８５重量％以下配合されていることを特徴とする。
キャスタブル耐火物において、溶融シリカを骨材として、上記のような配合とすることにより、断熱性、耐スポーリング性、強度特性に優れ、アルミニウム等の非鉄金属の溶湯の浸透を抑制することができる。

前記キャスタブル耐火物は、前記骨材と粉末原料と浸潤抑制剤の合計量に対して、前記粉末原料が１４重量％以上２０重量％以下、前記浸潤抑制剤が１重量％以上２５重量％以下、前記分散剤が外率で０．０１重量％以上０．２重量％以下配合されていることが好ましい。
前記キャスタブル耐火物において、上記のような優れた特性を発揮させるためには、このような配合組成とすることが好ましい。

上述したとおり、本発明によれば、断熱性、耐スポーリング性に優れ、アルミニウム等の非鉄金属の溶湯の浸透を抑制することができるキャスタブル耐火物が提供される。
また、本発明に係るキャスタブル耐火物は、比較的かさ比重が小さく、強度特性にも優れていることから、予めブロック化して焼成処理を施すことにより、樋、パイプ、ラドル等に用いられる軽量材とする等、様々な用途に応用可能である。

以下、本発明について、より詳細に説明する。
本発明に係るキャスタブル耐火物は、溶融シリカ骨材に、アルミナ微粉、シリカ微粉およびアルミナセメントからなる粉末原料と、浸潤抑制剤と、分散剤とが配合されているものである。
すなわち、本発明は、キャスタブル耐火物の骨材として溶融シリカを用いることを特徴とするものである。
溶融シリカは、熱膨張率が非常に小さく、骨材として用いることにより、得られるキャスタブル耐火物の耐熱衝撃性が大きく向上する。また、溶融シリカ骨材自体が、他の配合成分に比べて、溶湯に濡れ難いという特徴を有している。
さらに、上記のような溶融シリカ質のキャスタブル耐火物は、従来の高アルミナ質のキャスタブル耐火物よりも、熱伝導率が小さく、優れた断熱性が得られる。

キャスタブル耐火物が多量に不純物を含有することは、上記のような優れた特性を損なわせる原因となるため、骨材として用いられる溶融シリカは、ＳｉＯ₂純度ができるだけ高いものであることが好ましい。
本発明に係るキャスタブル耐火物においては、骨材として用いられる溶融シリカの特徴であるそのガラス質により発揮される効果を、他の成分の混入により阻害されないようにするため、ＳｉＯ₂が９５％以上含まれた溶融シリカを用いることが好ましい。

前記溶融シリカ骨材の粒径は２０ｍｍ以下であることが好ましく、より好ましくは、８ｍｍ以下のものが使用される。
前記粒径が２０ｍｍを超える場合は、小型や薄型状の製品の成形が困難となり、また、現場での施工が制約され好ましくない。また、得られるキャスタブル耐火物が、アルミニウム等の溶湯により浸食されやすくなる。

前記溶融シリカ骨材の配合量は、前記骨材と粉末原料と浸潤抑制剤の合計量に対して、６０重量％以上８５重量％以下とする。
前記配合量が６０重量％未満である場合は、キャスタブル耐火物の耐熱衝撃性および耐濡れ性が著しく低下する。
一方、前記配合量が８５重量％を超える場合は、キャスタブルの流動性が低下し、施工時の作業性が劣る。

前記溶融シリカ骨材に配合されるアルミナ微粉、シリカ微粉およびアルミナセメントからなる粉末原料は、混合時にそれぞれ添加してもよく、あるいはまた、予めこれら３種を混合したものを投入してもよい。
アルミナ微粉およびシリカ微粉は、キャスタブルの流動性を向上させる作用を有する。また、アルミナセメントは、キャスタブル耐火物の強度を向上させる作用を有する。

前記アルミナ微粉は、粒径１０μｍ以上１００μｍ以下のものを用い、また、前記アルミナセメントは、粒径２０μｍ以上１００μｍ以下のものを用いる。
前記粒径が大きすぎる場合は、キャスタブルの流動性が低下する。一方、前記粒径が小さすぎる場合には、使用時に加熱焼結し、熱スポーリング性が低下する。
前記アルミナ微粉の粒径は、５０μｍ程度であることが好ましく、また、前記アルミナセメントの粒径は、３０μｍ以上６０μｍ以下であることが好ましい。

また、前記アルミナセメントは、Ａｌ₂Ｏ₃純度が低いものは、ＣａＯ分が多くなり、アルミニウム溶湯の汚染につながるため、Ａｌ₂Ｏ₃純度が７０％以上のものを用いることが好ましい。

また、前記シリカ微粉は、粒径１μｍ以下、好ましくは、０．１μｍ以上１μｍ以下のものを用いる。
前記粒径が１μｍを超える場合は、キャスタブルの流動性が低下する。

また、前記キャスタブル耐火物には、浸潤抑制剤として、酸化鉛、酸化バリウム、硫酸バリウム、酸化ゲルマニウム、酸化鉄から選ばれた少なくとも１種の粉末が配合される。
溶融アルミニウムの表面張力は、６８０℃において５５０ｄｙｎｅ／ｃｍであり、上記浸潤抑制剤はいずれも、溶融アルミニウムよりも表面張力が低い。このため、上記のような表面張力が小さい浸潤抑制剤を添加することにより、アルミニウム、アルミニウム合金、その他の非鉄金属の溶湯が耐火物内に浸透することを防止し、また、該耐火物の浸食、剥離や欠落による前記溶湯の汚染を防止することができる。

前記キャスタブル耐火物における好ましい配合組成は、前記骨材と粉末原料と浸潤抑制剤の合計量に対して、前記骨材が６０重量％以上８５重量％以下、前記粉末原料が１４重量％以上２０重量％以下、前記浸潤抑制剤が１重量％以上２５重量％以下、前記分散剤が外率で０．０１重量％以上０．２重量％以下である。

前記粉末原料の配合量は、前記骨材と粉末原料と浸潤抑制剤の合計量に対して、アルミナ微粉、シリカ微粉およびアルミナセメントの３種混合にて１４重量％以上２０重量％以下であることが好ましい。特に、キャスタブルの優れた流動性、硬化特性および強度特性等を発揮させるためには、前記３種の粉末原料は、それぞれほぼ等量ずつ配合されることがより好ましい。
前記配合量が１４重量％未満である場合は、キャスタブルの流動性、硬化特性および強度特性のいずれもが低下する。
一方、前記配合量が２０重量％を超える場合は、キャスタブル耐火物の耐食性が低下し、該耐火物からＣａＯ、Ａｌ₂Ｏ₃等の成分が溶出し、アルミニウム等の溶湯を汚染することとなる。

また、前記浸潤抑制剤の配合量は、前記骨材と粉末原料と浸潤抑制剤の合計量に対して、１重量％以上２５重量％以下であることが好ましい。
前記配合量が１重量％未満である場合は、上述したような溶湯の耐火物内への浸透防止効果が十分に得られない。
一方、前記配合量が２５重量％を超える場合は、配合量の増加に伴う量的な添加効果は認められず、しかも、コスト高となる。

さらに、本発明に係るキャスタブル耐火物には、有機または無機の分散剤が配合される。
キャスタブルの流動性、ブロック（成形体）における緻密な組織形成、耐火物における優れた強度特性を得るためには、充填性の向上、すなわち、原料混練時の水分量の低減化が求められる。そのため、低水分で良好な流動性を得るため、少なくとも１種の分散剤（混和剤）が配合される。

有機系の分散剤の場合には、ナフタレンスルホン酸系（例えば、花王株式会社製マイティー等）またはポリカルボン酸系（例えば、日本純薬株式会社製ジュリマー等）のものが用いられ、無機系の分散剤の場合には、縮合リン酸ナトリウムを用いることができる。
これらの分散剤は、１種のみでもよく、あるいはまた、２種以上を混合して配合してもよい。

前記分散剤は、前記骨材と粉末原料と浸潤抑制剤の合計量に対して、外率で０．０１重量％以上０．２重量％以下配合されることが好ましい。
前記配合量が０．０１重量％未満である場合は、キャスタブルの良好な流動性が得られ難い。
一方、０．２重量％よりも多く配合した場合であっても、配合量の増加に伴う量的な添加効果は得られない。

上記のような本発明に係るキャスタブル耐火物は、断熱性、耐スポーリング性に優れ、アルミニウム、アルミニウム合金、亜鉛、マグネシウム合金等の非鉄金属を溶解する際に使用される溶解保持炉、バスタブ、取鍋等の炉壁材、移送パイプ、ルツボ、スリーブ、鋳湯ノズル、ラドル、トラフ、樋等の非鉄金属の溶湯や蒸気に直接触れる箇所に好適に用いることができる。

また、本発明に係るキャスタブル耐火物は、比較的かさ比重が小さく、強度特性にも優れていることから、予めブロック化して焼成処理を施して、樋、パイプ、ラドル等の様々な用途の軽量材として応用することができる。

以下、本発明を実施例に基づきさらに具体的に説明するが、本発明は下記の実施例により制限されるものではない。
［実施例１〜６］
表１の実施例１〜６に示すような配合組成で混練し、１１０℃で２４時間、または、９００℃で３時間処理したキャスタブル耐火物を作製した。
得られたキャスタブル耐火物について、線変形率、かさ比重、曲げ強度、圧縮強度を測定した。
また、アルミニウム溶湯浸漬試験として、各キャスタブル耐火物を６６０℃のアルミニウム合金（ＡＤＣ１２）の溶湯に３５０時間浸漬させ、浸食量により評価を行った。
さらに、スポーリング試験として、各キャスタブル耐火物を１０００℃の炉内で１５分間加熱後、３分間水冷し、１２分間空冷するというサイクルを繰り返し、３０回まで行い、試料片の剥離や欠落が発生するまでの回数により評価を行った。
これらの結果を表１に示す。

［比較例１〜４］
表２の比較例１〜４に示すような配合組成で混練し、１１０℃で２４時間、または、９００℃で３時間処理したキャスタブル耐火物を作製した。
得られたキャスタブル耐火物について、実施例１と同様にして、線変形率、かさ比重、曲げ強度、圧縮強度を測定し、また、アルミニウム溶湯浸漬試験およびスポーリング試験を行った。
これらの結果を表２に示す。

表１に示したように、実施例１〜６のキャスタブルは、比較的低水分での流し込み施工が可能であり、流動性が良好であることが認められた。
また、得られた耐火物の線変化率、強度特性にも優れており、アルミニウム溶湯浸漬試験においては、溶湯の耐火物内への浸透は認められなかった。
さらに、水冷法によるスポーリング試験でも、３０回繰り返した後も、試料片の剥離や欠落は認められなかった。

一方、表２に示したように、比較例１，３，４のキャスタブル耐火物は、線変化率が大きく、また、十分な強度特性は認められなかった。また、アルミニウム溶湯浸漬試験においては、浸食されてしまい、さらに、スポーリング試験においても、２０回目までには試料が剥離または欠落した。
比較例２については、線変化率、強度特性、耐スポーリング性は、実施例と同等であったが、アルミニウム溶湯浸漬試験においては、浸食されてしまった。

Claims (2)

1. ９５％以上のＳｉＯ₂を含有する粒径２０ｍｍ以下の溶融シリカからなる骨材に、粒径１０μｍ以上１００μｍ以下のアルミナ微粉、粒径１μｍ以下のシリカ微粉および粒径２０μｍ以上１００μｍ以下のアルミナセメントからなる粉末原料と、酸化鉛、酸化バリウム、硫酸バリウム、酸化ゲルマニウム、酸化鉄から選ばれた少なくとも１種の粉末からなる浸潤抑制剤と、縮合リン酸ナトリウム、ナフタレンスルホン酸系またはポリカルボン酸系から選ばれた少なくとも１種の分散剤とが配合され、
   前記骨材と粉末原料と浸潤抑制剤の合計量に対して、前記骨材が６０重量％以上８５重量％以下配合されていることを特徴とするキャスタブル耐火物。
2. 前記骨材と粉末原料と浸潤抑制剤の合計量に対して、前記粉末原料が１４重量％以上２０重量％以下、前記浸潤抑制剤が１重量％以上２５重量％以下、前記分散剤が外率で０．０１重量％以上０．２重量％以下配合されていることを特徴とする請求項１記載のキャスタブル耐火物。