JP2008241169A - 金属溶解炉天井用プレキャストブロックの製造方法及び金属溶解炉天井用プレキャストブロック - Google Patents

Abstract

【課題】耐スポーリング性に優れる金属溶解炉天井用プレキャストブロックの製造方法、及び、耐スポーリング性に優れる金属溶解炉天井用プレキャストブロックを提供する。
【解決手段】金属溶解炉天井用プレキャストブロックの製造方法は、不定形耐火材料の泥しょうに、該不定形耐火材料の全体積に対し０．５体積％以上２５体積％以下の可燃性材料を混合する泥しょう調製工程Ｓ１と、可燃性材料が混合された泥しょうを、金属溶解炉天井の全体または一部の形状とした成形型に流し込んで成形し、乾燥して不定形耐火物層を得る成形工程Ｓ２とを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属溶解炉天井用プレキャストブロックの製造方法及び金属溶解炉天井用プレキャストブロックに関するものであり、特に、アーク式の金属溶解炉の天井用プレキャストブロックの製造方法、及びアーク式の金属溶解炉の天井用プレキャストブロックに関するものである。

製鋼工程において使用されるアーク式の金属溶解炉（電気炉）では、大型の天井（炉蓋）に通して炉内に挿入された電極に電流を流すことにより、炉内に収容された鉄スクラップとの間にアークを発生させ、同時に酸素ガスを吹き込むことによって、鉄スクラップの溶解及び精錬が行われる。旧来、金属溶解炉の天井は、多数の小さな耐火煉瓦を、複雑に組み上げて製造されていた。そのため、施工期間や熟練した技術が必要であった。また、目地部の損傷等によって煉瓦が落脱するという問題があった。

そこで、近年では、金属溶解炉の天井に、プレキャストブロックが用いられるようになっている（例えば、特許文献１）。ここで、プレキャストブロックは、不定形耐火材料を予め鋳込み成形した後に乾燥させたものであり、任意の形状に形成することができると共に、大型品も製造できるという利点を有する。更に、一体成形されたプレキャストブロックによる天井には目地部がなく、また、数個の大きなプレキャストブロックで構成させた天井には目地部が少ないことから、ブッロクが脱落するという恐れが小さく、現場での天井の施工も容易であるという利点を有する。

特開平１１−１６６７９２号公報

しかしながら、従来の金属溶解炉の天井用プレキャストブロックは、耐スポーリング性の点で、更なる改善が望まれるものであった。ここで、金属溶解炉の天井に用いられる耐火物は、取鍋等の容器に内張り材として用いられる耐火物とは、使用される環境が異なるため、求められる特性も異なっている。例えば、内張り材とは異なり、天井は溶鋼に浸漬されないため、内張り材にとっては重大な問題である「溶損」、すなわち、溶鋼との化学的な反応による溶出や、溶鋼の流動により受ける物理的な侵食という問題は少ない。

その代わりに、アークの発生や酸素の吹き込みに伴って飛散した溶鋼が天井に付着し、付着した溶鋼に加熱されて耐火物の表面層が変質し、変質層と原層との間で亀裂や剥離が生じる構造的スポーリングの問題が大きい。更に、極めて高温の溶鋼が飛散して天井に付着した際の熱衝撃、鉄スクラップの投入時の急激な温度低下、天井において電極の挿入される孔部の周縁部の大きな温度勾配に起因して、亀裂や剥離が生じる熱的スポーリングの問題も大きい。

加えて、プレキャストブロックによる天井は、目地部が少ないために上述の利点を有する反面で、膨張代として作用する目地部が少ないため、ブロックの内部で発生する水蒸気の圧力や熱膨張に起因する内部応力によって、亀裂や剥離を生じる機械的スポーリングの問題も大きい。

そこで、本発明は、上記の実情に鑑み、耐スポーリング性に優れる金属溶解炉天井用プレキャストブロックの製造方法、及び、耐スポーリング性に優れる金属溶解炉天井用プレキャストブロックの提供を課題とするものである。

上記の課題を解決するため、本発明にかかる天井用プレキャストブロックの製造方法は、「不定形耐火材料の泥しょうに、該不定形耐火材料の全体積に対し０．５体積％以上２５体積％以下の可燃性材料を混合する工程と、前記可燃性材料が混合された前記泥しょうを、金属溶解炉天井の全体または一部の形状とした成形型に流し込んで成形し、乾燥して不定形耐火物層を得る工程とを」具備している。

「金属溶解炉天井」は、製鋼工程において、電極と鉄スクラップとの間にアークを発生させ、その熱で鉄スクラップを溶解する、アーク式の金属溶解炉の炉蓋を指している。

「不定形耐火材料」の種類は特に限定されず、例えば、アルミナ質、アルミナ−マグネシア質、アルミナ−クロム質、アルミナ−シリカ質等の不定形耐火材料を使用することができる。また、天井において電極が挿通される孔部の周縁部を、他の部分より耐熱性の高い耐火材料で構成させる等、天井の部分に応じて異なる種類の耐火材料を使用しても構わない。

「泥しょう」は、不定形耐火材料の粉末に、水、及び結合剤、硬化剤、分散剤等の調整剤を混合して調製することができる。なお、泥しょうを流し込む成形型が「金属溶解炉天井の全体または一部の形状」とされることから、製造されるプレキャストブロックは、単一のブロックで天井を構成するもの、或いは、複数のブロックで一つの天井を構成するものとなる。

「可燃性材料」は、加熱によって燃焼し、焼失する材料であれば特に限定されず、木材、樹脂、ダンボール等の紙材、撚り合わされた藁材等を例示することができる。なお、可燃性材料の燃焼は、天井用プレキャストブロックの製造所で行われる成形体の乾燥時に行われるものであっても、金属溶解炉に天井用プレキャストブロックを取付けた後の金属溶解炉の稼動に伴う加熱によって行われるものであっても良い。

上記の構成により、鋳込み成形によって緻密に充填された不定形耐火物層のマトリックス中に、可燃性材料の焼失によって後発的に気孔が形成される。これにより、可燃性材料の添加によって、気孔の大きさや気孔率を制御することができる。また、可燃性材料を不定形耐火材料の泥しょうと混合してから鋳込むことにより、マトリックス中に気孔を分散させることができる。従って、本発明によれば、不定形耐火物層内に積極的に形成された気孔が吸収代（膨張代）となり、飛散して天井に付着した溶鋼によって変質した表面層の体積変化、金属溶解炉の稼動に伴う加熱による不定形耐火物層内の粒子の熱膨張、不定形耐火物層の内部で発生する水蒸気による圧力、等に起因して生じる内部応力が吸収・緩和され、亀裂の発生や剥離が抑制される。

また、飛散した溶鋼が天井に付着した際の熱衝撃、鉄スクラップの投入時の急激な温度低下、電極が挿通される孔部の周縁の大きな温度勾配等に起因して、不定形耐火物層内に亀裂が発生しても、不定形耐火物層のマトリックス中に分散する気孔によって、亀裂の進展が抑制される。

ここで、可燃性材料の不定形耐火材料全体積に対する割合が０．５体積％より小さいときは、生成される気孔が少なく、内部応力を吸収・緩和する作用や亀裂の進展を抑制する作用が充分に得られない。また、２５体積％を超えると、生成される気孔の数が多くなると共に、複数の気孔が連通して大径となり易く、欠陥となって、金属溶解炉天井用プレキャストブロックの強度を低下させる原因となり易い。

なお、本発明は、上記の構成に加え、鋳込み成形された成形体を養生する工程を付加して構成させることができる。

次に、本発明にかかる金属溶解炉天井用プレキャストブロックは、「直径の平均値が３ｍｍ以上１０ｍｍ以下の気孔を含有し、１５００℃，３時間加熱後の見掛け気孔率が１５％以上２０％以下の不定形耐火物層が、金属溶解炉天井の全体または一部の形状に形成されている」ものである。

かかる構成の金属溶解炉天井用プレキャストブロックは、上記の製造方法によって製造することができる。そして、生成させる気孔の大きさは、添加する可燃性材料の大きさによって制御することができる。ここで、平均の気孔径（直径）が３ｍｍより小さい場合は、内部応力を吸収・緩和する作用が充分に得られず、１０ｍｍより大きい場合は、欠陥として作用して、金属溶解炉天井用プレキャストブロックの強度を低下させる原因となり易い。

気孔の「直径の平均値」は、金属溶解炉天井用プレキャストブロックの断面または表面の画像解析により、総気孔面積と気孔の数から、気孔を円形として換算して求めることができる。

また、「見掛け気孔率」は、ＪＩＳ Ｒ２２０５に規定された方法により測定することができる。ここで、見掛け気孔率が１５％より小さいときは、気孔によって内部応力を吸収・緩和する作用や亀裂の進展を抑制する作用が充分に得られない。また、２０％を超えると、導入された気孔の量が多すぎ、欠陥となって、金属溶解炉天井用プレキャストブロックの強度を低下させる原因となり易い。

上記の構成により、上述の作用効果を奏し、耐スポーリング性に優れた金属溶解炉天井用プレキャストブロックとなる。

以上のように、本発明の効果として、耐スポーリング性に優れる金属溶解炉天井用プレキャストブロックの製造方法、及び、耐スポーリング性に優れる金属溶解炉天井用プレキャストブロックを提供することができる。

以下、本発明の最良の一実施形態である金属溶解炉天井用プレキャストブロックの製造方法、及び金属溶解炉天井用プレキャストブロックについて、図１及び図２に基づいて説明する。ここで、図１は本実施形態の金属溶解炉天井用プレキャストブロックの製造方法の工程図であり、図２は本実施形態の金属溶解炉天井用プレキャストブロックの構成を例示する平面図である。なお、図２は概略図であり、金属溶解炉天井用プレキャストブロックの形状や寸法比を正確に表示したものではない。

本実施形態の金属溶解炉天井用プレキャストブロックの製造方法（以下、単に「製造方法」という）は、図１に示すように、不定形耐火材料の泥しょうに、該不定形耐火材料の全体積に対し０．５体積％以上２５体積％以下の可燃性材料を混合する泥しょう調製工程Ｓ１と、前記可燃性材料が混合された前記泥しょうを、金属溶解炉天井の全体または一部の形状とした成形型に流し込んで成形し、不定形耐火物層する成形工程Ｓ２と、鋳込み成形された成形体を養生する養生工程Ｓ３と、養生後の成形体を脱型する脱型工程Ｓ４と、脱型した成形体を加熱し、可燃性材料を燃焼させて直径の平均値が３ｍｍ以上１０ｍｍ以下の気孔を生成させる加熱工程Ｓ５とを具備している。

そして、加熱工程Ｓ５における加熱によって、可燃性材料が燃焼・焼失することにより、不定形耐火物層のマトリックス中に気孔が分散した金属溶解炉天井用プレキャストブロック（以下、単に「天井用プレキャストブロック」という）が形成される。ここで、気孔の大きさは、可燃性材料のサイズと、可燃性材料の燃焼温度から天井用プレキャストブロックの使用温度までの不定形耐火物層の体積変化を考慮して制御することができ、平均の気孔径（直径）を３ｍｍ〜１０ｍｍとすることができる。

天井用プレキャストブロックの形状は、成形工程Ｓ２で泥しょうを鋳込む成形型の形状により設定することができ、例えば、図２に示すように、金属溶解炉天井を単一の天井用プレキャストブロック１で構成させる場合の形状（図２（ａ）参照）、電極を挿通する孔部９を有する小天井を単一の天井用プレキャストブロック２ａで構成させ、その周囲の大天井を複数の天井用プレキャストブロック３ｂで構成させる形状（図２（ｂ）参照）、小天井及び大天井を共に複数の天井用プレキャストブロック２ｂ，３ｂで構成させる形状（図２（ｃ）参照）等を、例示することができる。

上記の構成により、本実施形態の製造方法により製造される天井用プレキャストブロックによれば、不定形耐火物層のマトリックス中に分散した気孔が吸収代となり、飛散して天井に付着した溶鋼の加熱による表面層の体積変化、金属溶解炉の稼動に伴う加熱による不定形耐火物層内の粒子の熱膨張、不定形耐火物層の内部で発生する水蒸気による圧力等に起因する内部応力が緩和され、亀裂の発生や剥離が抑制される。

また、飛散した溶鋼が天井に付着した際の熱衝撃、鉄スクラップの投入時の急激な温度低下、電極が挿通される孔部の周縁の大きな温度勾配等に起因して、不定形耐火物層内に亀裂が発生しても、マトリックス中に分散する気孔によって、亀裂の進展が抑制される。

以下に、本実施形態の一実施例の試料１乃至試料３について、対照試料と対比しつつ説明する。本実施例では、不定形耐火材料としてアルミナ質耐火材料を使用し、可燃性材料として、サイズ４ｍｍ×５ｍｍ×２０ｍｍの木材を使用した。また、不定形耐火材料に対する可燃性材料の割合は、試料１〜試料３について、それぞれ、０．９０体積％、１．３５体積％、１．８０体積％とした。対照試料では、可燃性材料を添加しなかった。

各試料及び対照試料について、上記の泥しょう調製工程Ｓ１〜加熱工程Ｓ５を経て得られた天井用プレキャストブロックの耐スポーリング性を評価するために、ＪＩＳ Ｒ２１０１に規定する並形サイズの天井用プレキャストブロックの片側のみを、電気炉内で１４００℃，１５分加熱し、その後送風機を使用して急冷する操作を５サイクル繰り返した。そして、（１）５サイクル終了後の加熱側の切断面の組織観察、及び、（２）各サイクル後の体積弾性率の測定を行った。図３に、弾性率変化率（０サイクル時の体積弾性率を１００とした場合、各サイクル終了後に「圧力に対する変形し易さ」がどの程度低下していたかの指標となる）を示す。

また、各試料及び対照試料の天井用プレキャストブロックについて、見掛け気孔率、嵩比重、曲げ強度、及び圧縮強度を測定した。ここで、見掛け気孔率及び嵩比重についてはＪＩＳ Ｒ２２０５、曲げ強度及び圧縮強度についてはＪＩＳ Ｒ２５５３に規定された方法によって測定を行った。また、それぞれの測定は、１１０℃，２４時間加熱後（Ａ条件）、１０００℃，３時間加熱後（Ｂ条件）、１５００℃，３時間加熱後（Ｃ条件）の各条件で行った。その結果、Ａ条件、Ｂ条件、及びＣ条件の何れにおいても、可燃性材料の添加量の増加に伴って、上記の物性値は同様の傾向で変化した。例として、Ｃ条件における、見掛け気孔率及び嵩比重を図４に、曲げ強度及び圧縮強度を図５に示す。

なお、ＪＩＳ Ｒ２５５４に規定された方法によって線変化率の測定も行ったが、ほとんどゼロに近く、本実施形態で使用した耐火材料の場合、相変化等に起因する残存膨張はほとんどないと考えられた。

上記の各測定の結果、木材の添加量が０から１．８０体積％まで増加するのに伴い、天井用プレキャストブロックの見掛け気孔率（１５００℃，３時間）は、図４に示すように、約１５％から約１７％まで増加した。また、切断面の組織観察により、木材を添加した試料１乃至試料３では、木材が無添加の対照試料に比べ、直径約３ｍｍ〜８ｍｍの気孔が多く形成されていること、及び、亀裂の数が少ないと共に、亀裂の進展の程度が小さいことが確認された。特に、木材の添加量が０．９体積％の場合（試料１）では、大きく進展している亀裂が少ない様子が観察された。

加熱急冷の繰り返しによる弾性率変化率の低下は、図３に示すように、木材の添加によって抑制されており、気孔によって内部応力が吸収・緩和されていることを示していると考えられた。また、木材の添加量０．９体積％の場合（試料１）で、弾性率変化率の低下を抑制する効果が最も大きかった。

強度については、図５に示すように、圧縮強度は木材の添加に伴って低下し、曲げ強度については、１．３５体積％（試料２）まではほとんど変化しないものの、１．８０体積％の添加（試料３）で低下した。これらの強度に関する測定結果を、上記の組織観察や弾性率変化率の結果と考え合わせると、強度の低下を抑えて耐スポーリング性を高めるには、木材の添加量は０．９体積％〜１．３５体積％が好適であり、線変化率の小さい耐火材料の場合は、少量の気孔の導入によって、耐スポーリング性を向上させることができると考えられた。

次に、可燃性材料のサイズ及び添加量を変化させた試料５乃至試料１３の天井用プレキャストブロックについて、実際に金属溶解炉の天井として使用し、所定回数の使用後の状態を調べた。ここで、可燃性材料としては木材を使用し、不定形耐火材料としてはアルミナ質耐火材料を使用した。また、試料５乃至試料１３の天井用プレキャストブロックは、何れも、９０トン金属溶解炉の天井用として、厚さ５００ｍｍのものを製造した。

各試料について、可燃性材料のサイズ（直径φｍｍ×長さｍｍ）、可燃性材料の添加量（不定形耐火材料に対する体積％）、１５００℃，３時間加熱後（Ｃ条件）の見掛け気孔率（％）、使用回数３００チャージ後の残寸（ｍｍ）、及び、実用品としての評価を、表１にまとめて示す。なお、評価は、残寸と亀裂・剥離の程度とを、総合的に判断したものであり、実用に適するものを「◎」、不適なものを「×」、やや不適なものを「△」で示している。

また、切断面の組織観察の結果、試料５乃至試料１２では、形成された気孔の平均直径は、上述の３ｍｍ〜１０ｍｍの範囲内にほぼ収まっていた。

本実施例によれば、可燃性材料の添加量が少ない場合（試料６）は、実用品としての評価が低く、耐スポーリング性を向上させられるだけの気孔が導入されていないと考えられた。一方、可燃性材料の添加量が多い場合（試料１１）や見掛け気孔率が高い場合（試料１１，１３）も、実用品としての評価が低く、多く導入された気孔が欠陥となって、亀裂の発生や剥離を助長しているものと考えられた。そして、可燃性材料の添加量が０．５体積％〜２５体積％で、見掛け気孔率が１５％〜２０％の場合、実用品として適していると考えられた。

以上、本発明について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、以下に示すように、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計の変更が可能である。

例えば、上記の実施例では、不定形耐火材料としてアルミナ質耐火材料を使用した場合を例示したが、これに限定されず、アルミナ−マグネシア質、アルミナ−クロム質等の耐火材料を使用することができる。また、可燃性材料として木材を使用した場合を例示したが、これに限定されず、樹脂、ダンボール等の紙材、撚り合わせた藁材等を使用することができる。

本実施形態の金属溶解炉天井用プレキャストブロックの製造方法の工程図である。 本実施形態の金属溶解炉天井用プレキャストブロックの構成を例示する平面図である。 試料１乃至試料３、及び対照試料について、加熱急冷処理のサイクル数と弾性率変化率との関係を示すグラフである。 試料１乃至試料３、及び対照試料について、可燃性材料の添加量と見掛け気孔率及び嵩比重との関係を示すグラフである。 試料１乃至試料３、及び対照試料について、可燃性材料の添加量と曲げ強度及び圧縮強度との関係を示すグラフである。

符号の説明

１，２ａ，２ｂ，３ｂ 天井用プレキャストブロック
Ｓ１ 泥しょう調製工程
Ｓ２ 成形工程

Claims (2)

1. 不定形耐火材料の泥しょうに、該不定形耐火材料の全体積に対し０．５体積％以上２５体積％以下の可燃性材料を混合する工程と、
   前記可燃性材料が混合された前記泥しょうを、金属溶解炉天井の全体または一部の形状とした成形型に流し込んで成形し、乾燥して不定形耐火物層を得る工程と
   を具備することを特徴とする金属溶解炉天井用プレキャストブロックの製造方法。
2. 直径の平均値が３ｍｍ以上１０ｍｍ以下の気孔を含有し、１５００℃，３時間加熱後の見掛け気孔率が１５％以上２０％以下の不定形耐火物層が、金属溶解炉天井の全体または一部の形状に形成されていることを特徴とする金属溶解炉天井用プレキャストブロック。

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