JP2013049581A

JP2013049581A - 耐火物の製造方法

Info

Publication number: JP2013049581A
Application number: JP2011186930A
Authority: JP
Inventors: Sadakimi Kiyota; 禎公清田
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2011-08-30
Filing date: 2011-08-30
Publication date: 2013-03-14

Abstract

【課題】低コストで酸化雰囲気でも使用できる緻密な耐火物を得ることができる製造方法を提供する。
【解決手段】開気孔を有する耐火物に酸化物ゾルを含浸させた後、酸化物ゾルの液体分を揮発させることにより、開気孔内に酸化物微粒子が残留保持された耐火物を製造する方法であって、耐火物Ａの表面の一部を、酸化物ゾルの液体分を透過させ且つ酸化物微粒子を透過させないフィルター２で覆った状態で、残部表面の少なくとも一部から耐火物Ａに酸化物ゾルを含浸させ、この酸化物ゾルの含浸中に、耐火物Ａに浸透した酸化物ゾルの液体分の一部をフィルター２を通じて耐火物外に排出することにより、耐火物Ａに残留する酸化物微粒子の濃度を高める。開気孔内に多量の酸化物微粒子を堆積させることができ、耐火物を高度に緻密化できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、開気孔を有する耐火物に酸化物ゾルを含浸させた後、酸化物ゾルの液体分を揮発させることにより、開気孔内に酸化物微粒子が残留保持された耐火物を製造する方法に関する。

溶融金属や溶融ガラスを扱う容器の内張りなどに利用される耐火物は、電鋳煉瓦などの特殊な耐火物を除き、３〜４０％程度の気孔率を持つ。気孔率が高いと、機械的強度が低く、外来成分の耐火物内部への浸入による損傷を引き起こす原因となる。なかでも、耐火物が溶融物（スラグ、ガラス、金属など）と接触する場合は、これらの溶融物による侵食や浸透反応によって損耗する場合が多い。特にスラグ等が耐火物内に浸透すると、浸透部と非浸透部で物性差が生じるため、構造的スポーリングが引き起こされ、著しく損耗する。

こうしたスラグ等の浸食や浸透を抑制するには、耐火物を緻密化させ、気孔率を低減させることが有効である。耐火物の気孔率を低減させる方法としては、（1）細密充填できるように原料の粒度配合を整える、（2）高圧で成形する、（3）ピッチなどを開気孔に浸透させる、などがある。しかし、細密充填できる粒度配合にも限界があり、１０％以下の気孔率とすることは困難である。また、成形圧力を高くし過ぎるとラミネーション割れを引き起こす問題がある。また、ピッチなどの有機化合物を浸透させたとしても、加熱によって半分以上の成分は分解・燃焼・揮発してしまう。また、その耐火物を酸化性雰囲気で使用すると、ピッチの加熱残分も酸化消失するため、緻密化させた効果も失われてしまう。

一方、シリカなどの酸化物（微粒子）のゾルを含浸させた後、酸化物ゾルの液体分を揮発させることにより、開気孔内に酸化物微粒子を残留保持させることで、耐火物を緻密化する方法があり（例えば、特許文献１）、通常、この方法では、耐火物を酸化物ゾル中に浸漬することにより、耐火物に酸化物ゾルを含浸させる。

特開平１１−１３９８６３号公報

しかし、酸化物ゾルを耐火物に含浸させる方法は、ゾル中の酸化物濃度は最大でも４０mass％程度であるため、単に耐火物をゾルに浸漬させるだけの従来法では、気孔率の低減効果は小さい。
また、さきに挙げた電鋳煉瓦は、完全に溶融した酸化物を鋳造して得られるものであるため、実質的に開気孔のない耐火物であるが、酸化物を完全に溶解するためには多くのエネルギーが必要であり、また、鋳造プロセスの生産性もあまり高くないため、一般の焼成耐火物に較べてかなり高価であり、用途が限定される。

以上のように、従来技術では、低コストで酸化性雰囲気でも使用できる緻密な耐火物を得ることができなかった。
したがって本発明の目的は、低コストで酸化性雰囲気でも使用できる緻密な耐火物を得ることができる製造方法を提供することにある。

本発明者らは、シリカなどの酸化物微粒子のゾルを含浸させた後、酸化物ゾルの液体分を揮発させることにより、開気孔内に酸化物微粒子を残留保持させることで、耐火物を緻密化する方法において、開気孔内に残留保持させる酸化物微粒子の量を増加させるという観点から検討を行い、その結果、耐火物表面の一部をフィルターで覆った状態で、残部表面の少なくとも一部から耐火物に酸化物ゾルを含浸させ、この酸化物ゾルの含浸中に、耐火物に浸透した酸化物ゾルの液体分のみをフィルターを通じて耐火物外に排出することにより、耐火物に残留する酸化物微粒子の濃度を高めるという新たな手法を創案した。この手法によれば、従来法に較べて開気孔内に残留保持させる酸化物微粒子の量を大幅に増加させることができ、耐火物を高度に緻密化できることが判った。

このような知見に基づく本発明の要旨は、以下のとおりである。
［1］開気孔を有する耐火物に酸化物ゾルを含浸させた後、酸化物ゾルの液体分を揮発させることにより、開気孔内に酸化物微粒子が残留保持された耐火物を製造する方法であって、
耐火物の表面の一部を、酸化物ゾルの液体分を透過させ且つ酸化物微粒子を透過させないフィルターで覆った状態で、残部表面の少なくとも一部から耐火物に酸化物ゾルを含浸させ、該酸化物ゾルの含浸中に、耐火物に浸透した酸化物ゾルの液体分の一部を前記フィルターを通じて耐火物外に排出することを特徴とする耐火物の製造方法。

［2］上記［1］の製造方法において、耐火物の少なくとも１面を前記フィルターで覆い、残りの面の少なくとも一部から耐火物に酸化物ゾルを含浸させることを特徴とする耐火物の製造方法。
［3］上記［1］又は［2］の製造方法において、酸化物ゾルを前記フィルターを通じた液体分排出側の領域の圧力よりも高い圧力で耐火物に含浸させることを特徴とする耐火物の製造方法。
［4］上記［3］の製造方法において、前記フィルターを通じた液体分排出側の領域の減圧、耐火物が浸漬される酸化物ゾルの液面の加圧のうちのいずれか一方又は両方を行うことを特徴とする耐火物の製造方法。

本発明によれば、開気孔を有する耐火物に酸化物ゾルを含浸させた後、酸化物ゾルの液体分を揮発させることにより、開気孔内に酸化物微粒子が残留保持された耐火物を製造する方法において、耐火物の開気孔内に多くの酸化物微粒子を緻密に堆積させることができ、高度に緻密化した耐火物を製造することができる。この製造方法は低コストで実施でき、製造された耐火物は酸化性雰囲気でも問題なく使用することができる。

本発明の一実施形態を、含浸処理用の容器を縦断面した状態で示す説明図実施例で用いた試験装置とその使用状態を、含浸処理用の容器を縦断面した状態で示す説明図実施例で行ったルツボ試験の試験方法を示す説明図

開気孔を有する耐火物（成型体）に酸化物ゾルを含浸させた後、酸化物ゾルの液体分を揮発させることにより、開気孔内に酸化物微粒子を残留保持させる手法において、従来法による耐火物へのゾルの含浸は、ゾルを構成する液体と固体とが均質となる条件で行われてきた。この従来法では、耐火物に含浸できる酸化物ゾルの最大体積は開気孔の体積であり、開気孔に残すことのできる酸化物微粒子の最大量は、開気孔体積と酸化物ゾル中の酸化物微粒子の濃度の積となる。そのため、開気孔を緻密化するためには、高濃度の酸化物微粒子を含有するゾルを使用することが重要であるが、ゾル中に安定的に分散させることができる酸化物微粒子の濃度は４０mass％程度が限界である。比重３〜４の酸化物微粒子を使用した場合、４０mass％を体積に換算すると１８〜１４vol％となり、開気孔体積の１４〜１８％に相当する酸化物微粒子を開気孔に残すことになる。すなわち、従来法では、含浸ゾルに由来する酸化物微粒子によって、気孔率を最大２０％程度（開気孔に対して）低減するのが限界であった。

これに対して本発明では、耐火物の表面の一部を、酸化物ゾルの液体分（通常は水やアルコール）を透過させ且つ酸化物微粒子を透過させないフィルターで覆い、残部表面の少なくとも一部から耐火物に酸化物ゾルを含浸させ、この酸化物ゾルの含浸中に、耐火物に浸透した酸化物ゾルの液体分の一部を前記フィルターを通じて耐火物外に排出することにより、耐火物に残留する酸化物微粒子の濃度を高めるものである。耐火物の形状が直方体の場合には、通常、耐火物の少なくとも１面を前記フィルターで覆い、残りの面の少なくとも一部から耐火物に酸化物ゾルを含浸させる。

図１は、本発明の一実施形態を示すもので、耐火物の１面をフィルターで覆い、残りの面の一部から耐火物に酸化物ゾルを含浸させるようにしたものである。
図１は含浸処理用の容器１を縦断面した状態を示している。容器１内の下部には、耐火物を支持し且つ酸化物ゾルの液体分を下方に排出するための支持部３が設けられている。この支持部３は目皿、多孔板、格子板などで構成することができる。支持部３の下方には、液体分を排出するための領域６（空間）が形成されるとともに、容器１の底部には導出口５が設けられ、液体分の容器外への排出が可能となっている。支持部３の上にフィルター２を介して耐火物Ａが載せられるとともに、耐火物Ａの側面と容器１の内壁面との間にシール材４（例えば、シリコンゴム材）が配置される。
前記フィルター２は、酸化物ゾルの液体分（通常は水やアルコール）を透過させ且つ酸化物粒子を透過させないものであればよく、その種類に特別な制限はないが、例えば、フッ素樹脂やセルロース系樹脂などからなるメンブレンフィルター、ガラス繊維ろ紙、セルロース系樹脂製ろ紙などのろ紙などを用いることができる。

この実施形態では、耐火物Ａの下面がフィルター２で覆われ、この耐火物Ａに対して、主にその上面から酸化物ゾルが含浸可能である。容器１内の耐火物Ａ上方に酸化物ゾルＢを入れると、酸化物ゾルが耐火物Ａの開気孔に浸透することで酸化物ゾルの含浸がなされるが、この酸化物ゾルの含浸中に、耐火物Ａに浸透した酸化物ゾルの液体分の一部はフィルター２を通じて下方（支持部３及び領域６側）に排出される。一方、酸化物ゾルの酸化物微粒子はフィルター２で堰き止められるので、フィルター２に接する側から酸化物ゾルＢに接する側に向かって、順次開気孔内に堆積していく。その結果、耐火物Ａの開気孔内に多くの酸化物微粒子を緻密に堆積させることができ、例えば、耐火物Ａの開気孔の全体積の２０〜５０％程度の体積の酸化物微粒子を耐火物Ａ内に残すことができる。

耐火物Ａに浸透した酸化物ゾルの液体分をフィルター２を通じて耐火物外に排出するには、酸化物ゾルＢをフィルター２を通じた液体分排出側の領域６の圧力よりも高い圧力で耐火物Ａに含浸させる必要がある。このため、下記（a）〜（c）の少なくとも１つにより、フィルター２を通じた液体分排出側の領域６の圧力よりも高い圧力を得るようにする。
（a）容器１内に十分な深さで酸化物ゾルＢを入れ（耐火物Ａ上方の酸化物ゾル溜まりを深くする）、そのヘッド圧を利用する。
（b）フィルター２を通じた液体分排出側の領域６を減圧する。図１の実施形態では、例えば、導出口５などを通じた真空ポンプによる吸引により、支持部３の下方の領域６（空間）を減圧する（図示）。
（c）酸化物ゾルＢ（容器１内の酸化物ゾル溜まり）の液面を加圧する。図１の実施形態では、導入口７を通じて酸化物ゾルＢの上方の空間８に気体を圧入し、酸化物ゾルＢの液面を加圧する（図示）。
これらのなかで、（b）及び／又は（c）の方法を行うことにより、酸化物ゾルの含浸とフィルター２を通じた液体分の排出を効率的に行うことができる。

本発明では、耐火物Ａの表面の一部をフィルター２で覆った状態で、残部表面の少なくとも一部から耐火物Ａに酸化物ゾルを含浸させ、この酸化物ゾルの含浸中に、耐火物Ａに浸透した酸化物ゾルの液体分の一部をフィルター２を通じて耐火物外に排出することで、耐火物Ａに残留する酸化物微粒子の濃度が高められるという作用が得られるものであれば、その実施形態は任意である。したがって、例えば、６面体である耐火物Ａの２面以上をフィルター２で覆い、残部の１面又は２面以上から耐火物Ａに酸化物ゾルを含浸させる方法など、適宜な実施形態を採り得る。

耐火物Ａは、アルミナ、マグネシア、シリカ、クロミア、ジルコニア、ＳｉＣ、Ｃなどの１種又は２種以上を主原料とする耐火物レンガ（通常は酸化物系耐火物）であり、この耐火物Ａの全体には、微細な開気孔（通常、孔径１μｍ以上）が形成されている。耐火物Ａは、原料をプレス成形した後、酸化雰囲気中で焼成することで製造することができる。
また、酸化物ゾルは、５〜３００ｎｍ（通常、１０〜１００ｎｍ）程度の１次粒子径を持つシリカ、アルミナ、ジルコニアなどの酸化物微粒子の１種以上を水やアルコールなどの液体に分散させたものである。

本発明では、耐火物Ａの開気孔内にできるだけ緻密に酸化物微粒子を堆積（充填）させることが好ましいが、使用する酸化物ゾルの酸化物微粒子の粒度分布の幅を広くすることで開気孔内での酸化物微粒子の充填性を高めることができ、これによって酸化物微粒子をより緻密に堆積させることができる。このためには、例えば、或る平均粒子径を持つ原料ｘ（酸化物微粒子）に、原料ｘの平均粒子径の１／１０程度の平均粒子径を持つ原料ｙ（酸化物微粒子）を、原料ｘと原料ｙの合計の２０〜６０体積％程度となるように添加し、粒度分布に２つのピークを持たせ、大きい側のピークの粒子径（原料ｘ）／小さい側のピークの粒子径（原料ｙ）の比を１０以上にすればよい。具体的には、例えば、平均粒子径が２００ｎｍの原料ｘを７０体積％、平均粒子径が１０ｎｍの原料ｙが３０体積％となるように原料ｘに原料ｙを添加すればよく、この場合、大きい側のピークの粒子径／小さい側のピークの粒子径の比は２０となる。さらには、平均粒子径の異なる３種以上の原料を混合して粒度分布の幅を広くすることも可能であり、より好ましい。

上述したように耐火物Ａに酸化物ゾルを含浸させた後、乾燥によって液体分を揮発させることにより、開気孔中に酸化物微粒子を残留保持させた耐火物を得ることができる。
乾燥は、自然乾燥でもよいが、生産性の面からは加熱乾燥（例えば、酸化物ゾルを構成する液体の沸点以上の温度に加熱する乾燥処理）が効率的で好ましい。

なお、本発明は、特にマグクロ耐火物の製造に好適である。マグクロ耐火物は、カルシア−シリカ系スラグへの溶解度が低く、耐食性に優れているが、スラグ浸透による構造スポールの結果、著しく損耗することが多い。しかし、本発明によって製造することより、スラグ浸透が効果的に抑制でき、長期間の使用に耐えることが可能となる。また、マグクロ耐火物に適用する酸化物ゾルとして、ジルコニアゾルは添加量当たりのスラグ浸透抑制効果が優れるので特に好ましい。さらに、シリカゾルは安価で経済性に優れるので好ましい。
本発明で製造される耐火物は、種々の用途に適用できるが、容器に内張りされてスラグ等と接触する部位の耐火物として好適であり、特にＣａＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−ＭｇＯを主成分とする製鉄プロセスで発生するスラグと接触する部位の耐火物として最適である。但し、これらに限定されるものではない。

図２に示す試験装置を用いて本発明法を実施した。この試験装置は、耐火物の１面をフィルターで覆い、残りの面の一部から耐火物に酸化物ゾルを含浸させるようにしたものである。図２は含浸処理用の円筒容器を縦断面した状態を示している。この円筒容器は、縦長の円筒状本体の上端と下端にそれぞれ上蓋と下蓋を装着した密閉型容器であり、上端（上蓋）に加圧用気体を供給するための導管（閉止バルブ付き）が接続され、下端（下蓋）に気体吸引用と液体排出用を兼ねた導管（閉止バルブ付き）が接続されている。円筒容器内の底部には目皿が設けられ、この目皿の上にフィルターを介して耐火物（煉瓦試料）を載せるとともに、耐火物全周の下部側面と円筒容器の内壁面との間にシール材（シール用シリコンゴムリング）が介装されている。円筒容器内に酸化物ゾルを入れた状態で、表１に示す酸化物ゾル液面圧、フィルター下方（液体分排出側）領域の圧力となるように、酸化物ゾル液面の加圧および／またはフィルターの下方領域の減圧を行った。フィルターとしてはメンブレンフィルター（セルロース混合エステル）を使用した。
なお、比較例は、同じ試験装置においてフィルターを用いないで実施した。

耐火物（煉瓦試料）としてマグクロ系耐火物とマグネシア系耐火物を用い、種々の条件で酸化物ゾルの含浸を行った。含浸終了後、酸化物ゾルの液体分を揮発させる乾燥処理（１１０℃×１８時間加熱保持）を行い、その後、１０００℃で焼成して製品とした。
このようにして得られた耐火物の気孔率を測定し、ゾル含浸前の耐火物に対する気孔率の減少率を調べた。また、一部の耐火物については、図３に示すように黒鉛ルツボに入れ、その上から塩基度０．６のスラグを入れ、１４００℃で８時間保持し、溶融したスラグを耐火物に浸透させた。冷却後、耐火物を中央で切断し、スラグ浸透深さを測定した。

それらの結果を、使用した耐火物及び酸化物ゾルの詳細、酸化物ゾルの含浸条件、酸化物ゾル含浸前の耐火物の気孔率などとともに表１に示す。なお、耐火物の気孔率は、アルキメデス法（ＪＩＳ−Ｒ２２０５）により測定した。
表１によれば、従来法である比較例では、耐火物の気孔率を最大で１７％程度しか低減できていないが、本発明例はいずれも気孔率を３０％以上低減できている。また、ルツボ試験の結果についても、比較例の耐火物はスラグ浸透深さが大きく、全体にスラグ浸透が観察されたのに対して、本発明例の耐火物はスラグ浸透深さが浅い。

１容器
２フィルター
３支持部
４シール材
５導出口
６領域
７導入口
８空間
Ａ耐火物
Ｂ酸化物ゾル

Claims

開気孔を有する耐火物に酸化物ゾルを含浸させた後、酸化物ゾルの液体分を揮発させることにより、開気孔内に酸化物微粒子が残留保持された耐火物を製造する方法であって、
耐火物の表面の一部を、酸化物ゾルの液体分を透過させ且つ酸化物微粒子を透過させないフィルターで覆った状態で、残部表面の少なくとも一部から耐火物に酸化物ゾルを含浸させ、該酸化物ゾルの含浸中に、耐火物に浸透した酸化物ゾルの液体分の一部を前記フィルターを通じて耐火物外に排出することを特徴とする耐火物の製造方法。
耐火物の少なくとも１面を前記フィルターで覆い、残りの面の少なくとも一部から耐火物に酸化物ゾルを含浸させることを特徴とする請求項１に記載の耐火物の製造方法。
酸化物ゾルを前記フィルターを通じた液体分排出側の領域の圧力よりも高い圧力で耐火物に含浸させることを特徴とする請求項１又は２に記載の耐火物の製造方法。
前記フィルターを通じた液体分排出側の領域の減圧、耐火物が浸漬される酸化物ゾルの液面の加圧のうちのいずれか一方又は両方を行うことを特徴とする請求項３に記載の耐火物の製造方法。