JP2009242120A - マッド材 - Google Patents
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Abstract
【課題】 耐侵食性と耐摩耗性とを兼ね備えたマッド材を提供する。
【解決手段】 本発明のマッド材は、粒径75μm以下の微粒域を有するように粒度調整された耐火性粉体をバインダで錬り込んでなるマッド材において、微粒域が、窒化アルミニウム質原料、窒化珪素質原料、炭素質原料、及び蝋石を含んで構成され、かつ微粒域におけるそれら四者の合量100質量%が、窒化アルミニウム質原料x(但し、xは10〜20の任意の実数)質量%、窒化珪素質原料(30−x)〜(80−3x)質量%、炭素質原料10〜(60−2x)質量%、及び蝋石(2x+10)〜(2x+20)質量%よりなることを特徴とする。
【選択図】 図1
【解決手段】 本発明のマッド材は、粒径75μm以下の微粒域を有するように粒度調整された耐火性粉体をバインダで錬り込んでなるマッド材において、微粒域が、窒化アルミニウム質原料、窒化珪素質原料、炭素質原料、及び蝋石を含んで構成され、かつ微粒域におけるそれら四者の合量100質量%が、窒化アルミニウム質原料x(但し、xは10〜20の任意の実数)質量%、窒化珪素質原料(30−x)〜(80−3x)質量%、炭素質原料10〜(60−2x)質量%、及び蝋石(2x+10)〜(2x+20)質量%よりなることを特徴とする。
【選択図】 図1
Description
本発明は、粒径75μm以下の微粒域を有するように粒度調整された耐火性粉体をバインダで錬り込んでなるマッド材に関する。
高炉の操業を例にとってマッド材の使用形態を説明する。マッド材は出銑終了後の出銑口に圧入充填されてこれを閉塞する。その出銑口による次回の出銑時期が到来すると、それまでの期間に炉熱で焼成されたマッド材をドリルで開孔して湯道を生成する。この湯道を通じて炉内の溶銑及び溶滓が炉外に排出される。
湯道の口径の拡大の進行を抑えて、長時間の安定した出銑を達成するためには、マッド材が溶銑及び溶滓に対して優れた耐損耗性を有していることが必要である。このため、従来からマッド材の耐損耗性の向上を図るべく種々の検討がなされている。
特許文献1では、マッド材に窒化アルミニウム質原料を配合することにより、マッド材の耐損耗性の向上を図っている。具体的には、特許文献1は、窒化アルミニウム質原料、炭素質原料、及び蝋石を含むマッド材を開示している(特許文献1の段落0019及び表2参照)。このマッド材によると、窒化アルミニウム質原料がAl2O3ボンドを生成し、蝋石が炭素質原料と共にSiCボンドを生成する(特許文献1の段落0008参照)。
特許文献2では、マッド材にAlN及びSi3N4を含む粉末を炭素質原料と組み合わせて配合することにより、マッド材の耐損耗性の向上を図っている(特許文献2の段落0015〜0017及び表1参照)。このマッド材によると、上記粉末中のAlNと炭素質原料とがAl4C3ボンドを生成し、上記粉末中のSi3N4と炭素質原料とがSiCボンドを生成する(特許文献1の段落0006参照)。
特開平08−290959号公報
特開2001−247370号公報
マッド材の損耗形態には、化学的な侵食と機械的な摩耗とがある。特許文献1及び2のマッド材は、SiCボンドの生成によって優れた耐侵食性を達成することができるが、耐摩耗性が充分とは言い難い。
本発明者の研究によると、窒化アルミニウム質原料、窒化珪素質原料、炭素質原料、及び蝋石の四者を、粒径75μm以下の粒度域に適切な割合で配合すると、SiCボンドの生成によって優れた耐侵食性を達成できるのは勿論、Al2O3ボンドやAl4C3ボンドよりも機械強度に優れたムライトボンドを形成できることにより優れた耐摩耗性も達成できることが判った。
特許文献1の窒化アルミニウム質原料に代えて、特許文献2の上記粉末を用いると、上記四者の組み合わせと同等なものが構成されうるが、特許文献1及び2は、上記粉末、蝋石、及び炭素質原料の粒度として単に0.2mm以下と説明するのみである。また、粒径75μm以下の粒度域における上記四者の割合については、何ら開示していない。
本発明の目的は、耐侵食性と耐摩耗性とを兼ね備えたマッド材を提供することにある。
本発明の一観点によれば、粒径75μm以下の微粒域を有するように粒度調整された耐火性粉体をバインダで錬り込んでなるマッド材において、前記微粒域が、窒化アルミニウム質原料、窒化珪素質原料、炭素質原料、及び蝋石を含んで構成され、かつ該微粒域におけるそれら四者の合量100質量%が、前記窒化アルミニウム質原料x(但し、xは10〜20の任意の実数とする。)質量%、前記窒化珪素質原料(30−x)〜(80−3x)質量%、前記炭素質原料10〜(60−2x)質量%、及び前記蝋石(2x+10)〜(2x+20)質量%よりなることを特徴とするマッド材が提供される。
本明細書において、AlN、Cのように化学式で表記したものは化学成分又は鉱物相を表し、窒化アルミニウム質原料、炭素質原料のように「〜質原料」と表記したものは不可避的不純物を含有する可能性のある現実の耐火原料を表すものとする。また、本明細書において、数値範囲を表す「〜」の記号は、両端点を含む意味で用いるものとする。
上記四者を配合する粒度域及び上記四者間の割合を上記のように規定すると、窒化珪素質原料に由来するSi3N4及び蝋石に由来するSiO2と、炭素質原料に由来するCとからSiCボンドが生成される。SiCボンドによりマッド材の耐侵食性が高められる。
また、窒化アルミニウム質原料に由来するAlと、蝋石に由来するSiO2とからムライト(Al6Si2O13)ボンドが生成される。ムライトボンドは、針状結晶の形態で、SiCボンドに入り混じった状態で生成し、マッド材の機械強度を高める。これにより、マッド材の耐摩耗性が高められる。
本発明の実施形態を説明する前に、本発明の基礎をなす実験結果について説明する。
窒化アルミニウム質原料、窒化珪素質原料、炭素質原料、及び蝋石の配合割合と、耐侵食性及び耐摩耗性との関係を調べるために以下の実験を行った。
AlN含有量99.5質量%の窒化アルミニウム質原料、Si3N4含有量75質量%以上の窒化珪素鉄、C含有量99.9質量%のカーボンブラック、及びAl2O3含有量15質量%以上の蝋石よりなる粒径75μm以下の混合粉体100質量%を、これに対する外掛け15質量%のタールで錬り込んでペーストを得る。
次に、得られたペーストを7MPaで加圧成形したのち、還元雰囲気中、400℃で5時間乾燥させて成形体を得、得られた成形体を、還元雰囲気中、1500℃で3時間焼成して焼成体を得る。この焼成体を試料とする。
〔第1の実験〕
上記混合粉体100質量%に占める窒化アルミニウム質原料の割合を5質量%に固定し、残り95質量%に占める窒化珪素鉄、カーボンブラック、及び蝋石の割合を様々変更し、試料A〜Gを得た。
上記混合粉体100質量%に占める窒化アルミニウム質原料の割合を5質量%に固定し、残り95質量%に占める窒化珪素鉄、カーボンブラック、及び蝋石の割合を様々変更し、試料A〜Gを得た。
表1に、混合粉体の配合構成と、試料A〜Gの評価結果とを示す。以下、表1の評価結果の項目について説明する。
溶損指数とは、侵食剤に高炉スラグを用い、回転侵食試験法で各試料を1500℃で6時間侵食させたときの各試料の最大溶損寸法を、後述する表2の試料Hの最大溶損寸法で割って100倍した値のことである。溶損指数は、その値が小さい程、耐侵食性に優れていることを示す。
摩耗指数とは、JISR2252-1に規定する方法で求めた各試料の摩耗量を、後述する表2の試料Hの摩耗量で割って100倍した値のことである。摩耗指数は、その値が小さい程、耐摩耗性に優れていることを示す。
生成物とは、焼成によって各試料中に生成したボンドのことである。各試料のX線回折波形を得、波形のピークからムライト(Al6Si2O13)及びクリストバライト(SiO2)の生成の有無を確認し、生成した場合を○で、生成していない場合を−で示した。SiC生成率とは、試料中のSiCの質量割合のことであり、JISR2216に規定する蛍光X線分析法によって測定した。
試料A〜Dは、クリストバライトを生成している。クリストバライトは、融点が低く、マッド材の耐侵食性を低下させる要因となるため好ましくないボンドである。実際、試料A〜Dは、溶損指数が大きく、耐侵食性に劣る。
試料E〜Gは、クリストバライトの生成を抑制できており、かつ耐侵食性の向上に貢献するSiCの生成率も20質量%以上と充分であるため、溶損指数が小さい。また、試料E〜Gは、ムライトを生成している。ムライトは、耐摩耗性の向上に貢献する。しかし、試料E〜Gではムライトの生成量が少ないためか、摩耗指数が大きく、耐摩耗性が不充分である。
以上、窒化アルミニウム質原料の割合を5質量%に固定した第1の実験では、上記四者の好ましい配合条件は見出せなかった。
〔第2の実験〕
上記混合粉体100質量%に占める窒化アルミニウム質原料の割合を10質量%に固定し、残り90質量%に占める窒化珪素鉄、カーボンブラック、及び蝋石の比率を様々変更し、試料H〜AQを得た。
上記混合粉体100質量%に占める窒化アルミニウム質原料の割合を10質量%に固定し、残り90質量%に占める窒化珪素鉄、カーボンブラック、及び蝋石の比率を様々変更し、試料H〜AQを得た。
表2〜4に、混合粉体の配合構成と、試料H〜AQの評価結果とを示す。なお、表2〜4の評価結果の項目の定義は、表1と同じである。
試料H〜Sは、クリストバライトの生成を抑制できており、かつSiC生成率が20質量%と充分である。このため、溶損指数が小さく、耐侵食性に優れる。また、ムライトを生成できており、かつ摩耗指数が小さいため、ムライトの生成量も充分であったと考えられる。試料H〜Sは、耐侵食性と耐摩耗性とを兼ね備える。
試料T〜V、X、Y、AA、AB、AE、AF、AH、及びAIは、クリストバライトを生成しているため、好ましくない。
試料W、Z、AC、AD、AG、AJ〜AQは、クリストバライトの生成は抑制できているが、SiC生成率が20質量%未満と不充分であるため、好ましくない。即ち、試料T〜AQは、少なくとも耐侵食性に懸念がある点で好ましくない。
以上、窒化アルミニウム質原料の割合を10質量%に固定した第2の実験によると、表2の試料H〜Sを構成する上記混合粉体の配合割合が好ましいことが判った。
図1は、試料H〜AQを構成する上記混合粉体の配合割合をプロットした三角ダイアグラムである。底辺は窒化珪素鉄の配合割合を示し、左側の斜辺は蝋石の配合割合を示し、右側の斜辺はカーボンブラックの配合割合を示す。好ましい試料H〜Sは白丸でプロットし、好ましくない試料T〜AQについては黒丸でプロットした。
図1中、網掛けを付した領域内に、好ましい試料H〜Sが分布している。この領域は、上記混合粉体100質量%が、窒化アルミニウム質原料10質量%、窒化珪素鉄20〜50質量%、カーボンブラック10〜40質量%、及び蝋石30〜40質量%よりなることを示している。
〔第3の実験〕
上記混合粉体100質量%に占める窒化アルミニウム質原料の割合を15質量%に固定し、残り85質量%に占める窒化珪素鉄、カーボンブラック、及び蝋石の比率を様々変更し、試料AR〜BSを得た。
上記混合粉体100質量%に占める窒化アルミニウム質原料の割合を15質量%に固定し、残り85質量%に占める窒化珪素鉄、カーボンブラック、及び蝋石の比率を様々変更し、試料AR〜BSを得た。
表5〜7に、混合粉体の配合構成と、試料AR〜BSの評価結果とを示す。なお、表5〜7の評価結果の項目の定義は、表1と同じである。
試料AR〜AZは、クリストバライトの生成を抑制できており、かつSiC生成率が20質量%と充分である。このため、溶損指数が小さく、耐侵食性に優れる。また、ムライトを生成できており、かつ摩耗指数が小さいため、ムライトの生成量は充分であったと考えられる。試料AR〜AZは、耐侵食性と耐摩耗性とを兼ね備える。
試料BA、BC、BF、BG、及びBJ〜BMは、クリストバライトを生成しているため、好ましくない。
試料BB、BD、BE、BH、BI、及びBN〜BSは、クリストバライトの生成は抑制できているが、SiC生成率が20質量%未満と不充分であるため、好ましくない。即ち、試料BA〜BSは、少なくとも耐侵食性に懸念がある点で好ましくない。
以上、窒化アルミニウム質原料の割合を15質量%に固定した第3の実験によると、表5の試料AR〜AZを構成する上記混合粉体の配合割合が好ましいことが判った。
図2は、試料AR〜BSを構成する上記混合粉体の配合割合をプロットした三角ダイアグラムである。好ましい試料AR〜AZは白丸でプロットし、好ましくない試料BA〜BSについては黒丸でプロットした。
図2中、網掛けを付した領域内に、好ましい試料AR〜AZが分布している。この領域は、上記混合粉体100質量%が、窒化アルミニウム質原料15質量%、窒化珪素鉄15〜35質量%、カーボンブラック10〜30質量%、及び蝋石40〜50質量%よりなることを示している。
〔第4の実験〕
上記混合粉体100質量%に占める窒化アルミニウム質原料の割合を20質量%に固定し、残り80質量%に占める窒化珪素鉄、カーボンブラック、及び蝋石の比率を様々変更し、試料BT〜CJを得た。
上記混合粉体100質量%に占める窒化アルミニウム質原料の割合を20質量%に固定し、残り80質量%に占める窒化珪素鉄、カーボンブラック、及び蝋石の比率を様々変更し、試料BT〜CJを得た。
表8及び9に、混合粉体の配合構成と、試料BT〜CJの評価結果とを示す。なお、表8及び9の評価結果の項目の定義は、表1と同じである。
試料BT〜BYは、クリストバライトの生成を抑制できており、かつSiC生成率が20質量%と充分である。このため、溶損指数が小さく、耐侵食性に優れる。また、ムライトを生成できており、かつ摩耗指数が小さいため、ムライトの生成量は充分であったと考えられる。試料BT〜BYは、耐侵食性と耐摩耗性とを兼ね備える。
試料BZ〜CB、及びCD〜CJは、クリストバライトの生成は抑制できているが、SiC生成率が20質量%未満と不充分であるため、好ましくない。
試料CCは、クリストバライトを生成しているため、好ましくない。即ち、試料BZ〜CJは、少なくとも耐侵食性に懸念がある点で好ましくない。
以上、窒化アルミニウム質原料の割合を20質量%に固定した第4の実験によると、表8の試料BT〜BYを構成する上記混合粉体の配合割合が好ましいことが判った。
図3は、試料BT〜CJを構成する上記混合粉体の配合割合をプロットした三角ダイアグラムである。好ましい試料BT〜BYは白丸でプロットし、好ましくない試料BZ〜CJについては黒丸でプロットした。
図3中、網掛けを付した領域内に、好ましい試料BT〜BYが分布している。この領域は、上記混合粉体100質量%が、窒化アルミニウム質原料20質量%、窒化珪素鉄10〜20質量%、カーボンブラック10〜20質量%、及び蝋石50〜60質量%よりなることを示している。
〔第5の実験〕
上記混合粉体100質量%に占める窒化アルミニウム質原料の割合を25質量%に固定し、残り75質量%に占める窒化珪素鉄、カーボンブラック、及び蝋石の比率を様々変更し、試料CK〜CQを得た。
上記混合粉体100質量%に占める窒化アルミニウム質原料の割合を25質量%に固定し、残り75質量%に占める窒化珪素鉄、カーボンブラック、及び蝋石の比率を様々変更し、試料CK〜CQを得た。
表10に、混合粉体の配合構成と、試料CK〜CQの評価結果とを示す。なお、表10の評価結果の項目の定義は、表1と同じである。
試料CK〜CQは、クリストバライトの生成は抑制できているが、SiC生成率が20質量%未満と不充分であるため、好ましくない。
以上、窒化アルミニウム質原料の割合を25質量%に固定した第5の実験では、上記四者の好ましい配合条件は見出せなかった。
窒化アルミニウム質原料の割合を5質量%、25質量%とした第1、第5の実験では好ましい配合条件が見出せず、窒化アルミニウム質原料の割合を10〜20質量%とした第2〜4の実験で好ましい条件が見出せたことから、窒化アルミニウム質原料の好ましい割合は10〜20質量%であると考えられる。
表11に、第2〜4の実験で好ましい条件として見出された上記混合粉体の配合構成をまとめた。第2〜4の実験結果を考慮すると、一般式の欄に示したように、上記混合粉体100質量%は、窒化アルミニウム質原料の比率をx(但し、xは10〜20の任意の実数とする。)質量%とした場合、残り(100−x)質量%が、窒化珪素鉄(30−x)〜(80−3x)質量%、カーボンブラック10〜(60−2x)質量%、及び蝋石(2x+10)〜(2x+20)質量%よりなることが好ましいと考えられる。
以下、上述した実験の結果を踏まえ、本発明の実施形態について説明する。
マッド材は、耐火性粉体をバインダで錬り込んでなる。
耐火性粉体は、最密充填構造に近づけること、及びできるだけ少ないバインダで良好な作業性が得られるようにすること等を目的として、例えば、粒径75μm以下の微粒域が45〜75質量%を、粒径1mm超の粗粒域が5〜25質量%を、粒径75μm超1mm以下の中粒域が残部を構成するように粒度調整される。
本明細書において、粒子の粒径がd以下とは、その粒子がJISZ8801に規定する目開きdの標準篩を通過する粒度域に属することを意味する。また、粒子の粒径がd超とは、その粒子が同篩上に残る粒度域に属することを意味する。
微粒域に、窒化アルミニウム質原料、窒化珪素質原料、炭素質原料、及び蝋石の四者を配合する。上述のように、これら四者がSiCボンド及びムライトボンド等を生成する。
窒化アルミニウム質原料としては、純度の高いもの、具体的には、AlN含有量99質量%以上のものが好ましい。
窒化珪素質原料としては、窒化珪素粉や窒化珪素鉄が挙げられる。中でも窒化珪素鉄が好ましい。窒化珪素鉄中のFe成分が、SiCボンドの生成反応を促進する。但し、窒化珪素鉄中のFe成分含有量が多すぎると、反応促進効果が過剰となり、かえってSiC生成量が低下する場合がある。このため、窒化珪素鉄としては、その70質量%以上をSi3N4が占め、残部が主としてFeよりなるものが好ましい。
なお、窒化アルミニウム質原料と窒化珪素質原料とは、別個に準備して微粒域に配合してもよいが、Al、Si、及びFeを含む合金を窒化することにより、窒化アルミニウム質原料と窒化珪素質原料との混合物を得ることができる。
炭素質原料としては、サーマルブラック、アセチレンブラック、チャンネルブラック、ランプブラック、ファーネスブラック、ケッチェンブラック等のカーボンブラック、土状黒鉛や鱗状黒鉛等の黒鉛、石油コークス、石炭コークス、及び無煙炭等が挙げられる。これらの中でも、Cの純度が80質量%以上のものが好ましい。
蝋石としては、JISR2216に規定する蛍光X線分析法による測定でAl2O3含有量が8〜17質量%で、残部がSiO2を主体とするものが好ましい。
蝋石を用いた場合に、なぜボンドを適切に生成できるのか具体的なメカニズムは明らかでないが、少なくとも、蝋石が適度にAl2O3を含有するため、シリカフラワー等のシリカ質原料に比べて逸散しにくいことは、適切なボンドの生成に貢献していると考えられる。但し、Al2O3及びSiO2を主成分としたアルミナ-シリカ質原料には、蝋石の他にもシャモット等があるが、その中でも特に蝋石を用いた場合に適切に上記各ボンドを生成できることが判っている。このため、アルミナ‐シリカ質原料に蝋石を用いる。
蝋石は、カオリン粘土等の他の粘土鉱物とは異なり、熱間で膨張性を示すため、収縮に起因する組織劣化を招くことがなく、上記各ボンドの生成による組織強化の効果をいかんなく発揮することができる。また、蝋石は粘土鉱物であるためか、マッド材の可塑性を向上させるという相乗効果も得られる。
窒化アルミニウム質原料、窒化珪素質原料、炭素質原料、及び蝋石を微粒域に配合する理由は、粒径75μm超の中粒域又は粗粒域に配合しても、上記各ボンドの生成反応に寄与する影響が小さく、充分な量のボンドを生成できないためである。
なお、中粒域及び粗粒域にも窒化アルミニウム質原料、窒化珪素質原料、炭素質原料、及び蝋石を配合してもよいが、粒径75μm超の窒化アルミニウム質原料、窒化珪素質原料、炭素質原料、及び蝋石は、粒度が粗いためボンドの生成に殆ど関与しない。
以下の説明中、単に「窒化アルミニウム質原料」、「窒化珪素質原料」、「炭素質原料」、「蝋石」というときは、特に断りがない限り、いずれも微粒域を構成するもののことを指す。また、「上記四者」というときは、微粒域を構成する窒化アルミニウム質原料、窒化珪素質原料、炭素質原料、及び蝋石のことを指す。
上記各ボンドの生成反応を起こりやすくし、上記各ボンドの生成量を一段と増やすためには、上記四者の各々は、平均粒径が20μm以下であり、かつ85質量%以上が粒径45μm以下の粒度域に属するように粒度調整されていることが好ましい。
本明細書において、平均粒径とは、レーザ回折散乱式粒度分布計で測定された累積曲線(横軸を粒径、縦軸を累積頻度として描かれたグラフ)の中央累積値にあたる体積平均粒径をいう。
微粒域における上記四者の合量100質量%は、窒化アルミニウム質原料x(但し、xは10〜20の任意の実数とする。)質量%、窒化珪素質原料(30−x)〜(80−3x)質量%、炭素質原料10〜(60−2x)質量%、及び蝋石(2x+10)〜(2x+20)質量%よりなることが必要である(表11参照)。
微粒域は、上記四者よりなるか、又は上記四者と、アルミナ質原料、炭化珪素質原料、希土類元素の酸化物質原料、粘土、シリカ質原料、及び金属粉から選択される一種以上とよりなることが好ましい。
これらの各原料は、上記四者によるボンドの生成反応に殆ど関与せず、上記四者と併用しても、ボンドの生成を阻害しない。なお、粘土は、熱間で収縮特性を示すが、蝋石が熱間で膨張特性を示すので、粘土の収縮によるマッド材の組織の劣化を抑制でき、マッド材の組織を劣化させることなく、粘土添加の効果、即ちマッド材の可塑性を良好化できるという効果を得ることができる。
アルミナ質原料としては、Al2O3含有量が50質量%以上のもの、例えば、仮焼アルミナ、焼結アルミナ、及び電融アルミナ等が挙げられる。希土類元素の酸化物質原料としては、例えば、酸化イットリウム質原料、酸化ランタン質原料、及び酸化セリウム質原料等が挙げられる。シリカ質原料としては、SiO2含有量80質量%以上のもの、例えば、シリカフラワーや珪石等が挙げられる。金属粉としては、例えば、金属アルミニウム粉、金属シリコン粉、及びフェロシリコン粉等が挙げられる。
マッド材にどの程度の量のボンドを生成させるかは、マッド材の使用環境に応じて適宜決定される。適量のボンドを生成させるには、例えば、微粒域100質量%に占める上記四者の合量を40質量%以上とすることが好ましく、65質量%以上とすることがより好ましく、80質量%以上とすることがさらに好ましい。
他の観点によると、耐火性粉体に占める窒化アルミニウム質原料の割合を5質量%以上とすることが好ましく、10質量%以上とすることがより好ましい。なお、耐火性粉体に占める微粒域の割合には上限があるため、耐火性粉体に占める窒化アルミニウム質原料の割合にも自ずと上限があり、その上限は、例えば15質量%程度である。
さらに他の観点によると、耐火性粉体に占める上記四者の合量の割合を18質量%以上とすることが好ましく、30質量%以上とすることがより好ましい。なお、上記と同様の理由から、この値にも自ずと上限があり、その上限は、例えば75質量%程度である。
耐火性粉体の中粒域と粗粒域は、慣用の材料、例えば、蝋石、ムライト、カオリン、シャモット、セリサイト、シリマナイト、カイヤナイト、アンダリューサイト等のアルミナ‐シリカ質原料、ボーキサイト、ダイアスポア、ばん土頁岩、電融アルミナ、焼結アルミナ、仮焼アルミナ等のアルミナ質原料、珪石、ジルコン、ジルコニア等から選択される一種以上の材料によって構成することができる。中粒域及び粗粒域は、上記四者によるボンドの生成反応に殆ど影響を与えない。
バインダには、タール類やレジン等を用いることができる。タール類としては、石炭タール、石油タール、木タール、ケツ岩タール、アスファルト、及びピッチ等が挙げられる。レジンとしては、ノボラック型又はレゾール型のフェノールレジンやフランレジン等が挙げられる。レジン、特に熱可塑性をもつノボラック型フェノールレジンを使用する場合は、ヘキサメチレンテトラミン等の硬化剤を併用することが好ましい。また、タール類とレジンとを併用してもよい。
バインダの添加量は、耐火性粉体100質量%に対する外掛けで、例えば10〜20質量%であることが好ましく、12〜17質量%であることがより好ましい。なお、バインダに含まる残炭成分の量は、例えば20〜30%質量程度であり、バインダの残炭は、ボンドの生成に殆ど寄与しない。
本明細書において、耐火性粉体をバインダで錬り込んでなるマッド材とは、耐火性粉体に、必要に応じて機能調整用の添加物を加えたものをバインダで錬り込んでなるマッド材を含む概念とする。添加物としては、例えば分散剤や強度改善材が挙げられる。分散剤としては、例えばアニオン系スルホン酸塩、具体的には、βナフタレンスルホン酸、アニオン系アルキル・アリルスルホン酸塩、アニオン系変性リグニンスルホン酸塩等が挙げられ、強度改善材としては、カーボン繊維等の無機繊維が挙げられる。
本実施形態のマッド材の作用は次の通りである。
まず、本実施形態のマッド材は、マッドガンによって出銑終了後の高炉出銑口に圧入充填され、この状態でその出銑口における次回の出銑までの間に炉熱で焼成される。出銑口を閉塞している状態のとき、マッド材の炉内側部分の温度は、約1000〜1200℃程度に保たれる。
次に、その出銑口による次回の出銑の時期が到来すると、出銑口内で固化した状態のマッド材は、ドリルによって開孔され、湯道を生成する。本実施形態のマッド材は、1200℃以下の温度域ではボンドを生成しないため、ドリルによる開孔容易性は良好である。
次に、マッド材によって構成された湯道を溶銑及び溶融スラグが流れると、マッド材の温度が約1450〜1550℃に上昇する。1400℃以上の温度域では、窒化珪素質原料に由来するSi3N4及び蝋石に由来するSiO2と、炭素質原料に由来するCとからSiCボンドが生成され、窒化アルミニウム質原料に由来するAlと、蝋石に由来するSiO2とからムライトボンドが生成される。ムライトボンドは、針状結晶の形態で、SiCボンドに入り混じった状態で生成し、マッド材の機械強度を高める。
SiCボンドがマッド材の耐侵食性を高め、ムライトボンドがマッド材の耐摩耗性を高めるため、本実施形態のマッド材は、耐侵食性と耐摩耗性とを兼ね備えることができる。
これにより、湯道の口径の拡大の進行を抑えて、長時間の安定した出銑を達成できる。また、マッド材による炉壁の保護効果が高まるので、溶銑が堆積している出銑口下部の炉壁の侵食を防止でき、炉底温度が過度に上昇することを防止できる。
以上のように、本実施形態のマッド材は、ドリルによる開孔前は過度な強度を示さず、ドリルによる開孔後に充分な強度を示すものである。
表12に、実施例及び比較例によるマッド材の配合を示す。表12で、微粒域を構成する窒化アルミニウム質原料、窒化珪素鉄、カーボンブラック、及び蝋石には、第1〜5の実験に用いたものと同じものを用いた。以下、表12の試験項目について説明する。
溶損指数は、次の要領で求めた。各例のマッド材を7MPaで加圧成形したのち、還元雰囲気中、400℃で5時間乾燥させて成形体を得、得られた成形体を、還元雰囲気中、1500℃で3時間焼成して焼成体を得る。この焼成体を試料とする。侵食剤に高炉スラグを用い、回転侵食試験装置によって各試料を1500℃で6時間侵食させたときの各試料の最大溶損寸法を、実施例1の試料最大溶損寸法で割って100倍した値が溶損指数である。溶損指数は、その値が小さい程、耐侵食性に優れていることを示す。
摩耗指数とは、JISR2252−1に規定する方法で求めた上記各試料の摩耗量を、実施例1の試料の摩耗量で割って100倍した値のことである。摩耗指数は、その値が小さい程、耐摩耗性に優れていることを示す。
実施例1〜5は、本発明の規定を満たしており、いずれも小さな溶損指数及び摩耗指数を達成しており、優れた耐侵食性及び耐摩耗性を兼ね備える。
比較例1は、微粒域中に窒化アルミニウム質原料を含んでおらず、マトリックス部にムライトボンドを生成することができないためか、摩耗指数が大きく、耐摩耗性に劣る。
比較例2は、上記四者の合量100質量%に占める窒化アルミニウム質原料の割合が9質量%と本発明規定の下限値を下回るため、マトリックス部にムライトボンドを充分に生成できないためか、摩耗指数が大きく、耐摩耗性に劣る。
比較例3は、上記四者の合量100質量%に占める窒化アルミニウム質原料の割合が23質量%と本発明規定の上限値を上回り、かつ蝋石の割合が9質量%と本発明規定の下限値を下回るため、溶損指数及び摩耗指数がともに大きい。
比較例4は、上記四者の合量100質量%に占める炭素質原料の割合が7質量%と本発明規定の下限値を下回り、かつ蝋石の割合が55質量%と本発明規定の上限値を上回るため、マトリックス部にクリストバライトが生成されたためか、溶損指数が大きく、耐侵食性に劣る。
以上、本発明の具体例について説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、種々の設計変更及び改良が可能なことは当業者に自明であろう。
本発明のマッド材は、高炉出銑口の閉塞に好ましく利用される。また、本発明のマッド材は、高炉出銑口の閉塞に限らず、電気炉、廃棄物溶融炉、その他の間欠出湯方式の溶解炉における溶湯の出湯口の閉塞に広く利用されうる。
Claims (3)
- 粒径75μm以下の微粒域を有するように粒度調整された耐火性粉体をバインダで錬り込んでなるマッド材において、前記微粒域が、窒化アルミニウム質原料、窒化珪素質原料、炭素質原料、及び蝋石を含んで構成され、かつ該微粒域におけるそれら四者の合量100質量%が、前記窒化アルミニウム質原料x(但し、xは10〜20の任意の実数とする。)質量%、前記窒化珪素質原料(30−x)〜(80−3x)質量%、前記炭素質原料10〜(60−2x)質量%、及び前記蝋石(2x+10)〜(2x+20)質量%よりなることを特徴とするマッド材。
- 前記耐火性粉体に占める粒径75μm以下の前記窒化アルミニウム質原料の割合を5質量%以上とした請求項1に記載のマッド材。
- 前記耐火性粉体に占める前記微粒域の割合を45〜75質量%とした請求項1又は2に記載のマッド材。
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