JP2014051703A

JP2014051703A - ライニング構造

Info

Publication number: JP2014051703A
Application number: JP2012196482A
Authority: JP
Inventors: Koji Kono; 幸次河野; Hiroki Tsukigase; 弘樹月ヶ瀬; Takuo Uehara; 拓男上原; Hisao Matsutani; 悠生松谷; Tetsunori Ikebe; 哲則池部
Original assignee: Krosaki Harima Corp; Nippon Steel and Sumitomo Metal Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp; Krosaki Harima Corp
Priority date: 2012-09-06
Filing date: 2012-09-06
Publication date: 2014-03-20
Anticipated expiration: 2032-09-06
Also published as: JP5950398B2

Abstract

【課題】加熱炉等の工業炉及び製鉄用設備に採用される雰囲気が１０００℃を超える窯炉のライニング構造において、耐ＦｅＯ性に優れると共に放散熱量と蓄熱量の全体として熱損失の削減を可能にするライニング構造を提供する。
【解決手段】製鉄用の窯炉に使用され、耐火物層で構成されるライニング構造であって、前記耐火物層は、ＣａＯ・６Ａｌ_２Ｏ_３を主たる鉱物組成とした多孔質な断熱性骨材が配合された表層材と、該表層材よりも窯炉使用時において低熱伝導率且つ低かさ比重の物性を有する背面材とで構成され、前記耐火物層の窯炉使用時における放散熱量及び蓄熱量のそれぞれが共に、前記耐火物層を全て前記表層材単独で構成したときよりも小さくなるような厚みの比率で表層材と背面材が構成され、前記表層材の厚みが１０ｍｍ以上であることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、加熱炉等の工業炉及び製鉄用設備に採用される雰囲気が１０００℃を超える窯炉の耐火物ライニング構造に関するものである。特には、耐火物がＦｅＯと接触する環境下で使用される窯炉の耐火物ライニング構造に関するものである。

従来より、耐火性能を必要とする窯炉においては、耐火材として耐火キャスタブルと断熱材とを含むライニング構造が適用されている。例えば、加熱炉のスキッドポストにおけるライニング構造の場合、耐火材として耐火キャスタブルとＣＦ（セラミックファイバー）とを含むライニング構造が適用されている。

しかしながら、従来のライニング構造の場合、かさ比重が約２程度（２．１〜２．５）の耐火キャスタブルを使用していたため、断熱性能が十分でなかった。このため、窯炉の炉外等（加熱炉のスキッドポストの場合は耐火キャスタブルを冷やす冷却水）に放散する熱量（放散熱量）及び耐火キャスタブルの蓄熱量を低減することが困難であった。例えば、間欠的に加熱操業を行う工業炉において、従来よりも低かさ比重の軽量キャスタブルを用いて放散熱量及び蓄熱量を低減することができれば、炉を加熱する際、加熱に要するためのエネルギーを低減することができる。また、製鉄設備において蓄熱量を低減することができれば、耐火材に吸収される熱量を低減でき、溶鉄の温度低下を防止することができる。

上述のように、加熱に要するためのエネルギーの低減及び溶鉄の温度低下の防止を実現するには、放散熱量及び蓄熱量の低減が必要である。放散熱量及び蓄熱量を低減するためには、低かさ比重の軽量キャスタブルをライニング構造に適用する技術が考えられる。このような低かさ比重の軽量キャスタブルを適用することにより、断熱性能が向上し、放散熱量及び蓄熱量の低減を図ることが可能となる。

ここで、低かさ比重の軽量キャスタブルとしては、ＣａＯ・６Ａｌ_２Ｏ_３（カルシウムヘキサアルミネート、以下ＣＡ６という。）を主たる鉱物組成（化合物）とした断熱性骨材を使用した軽量キャスタブルやシリカ・アルミナ中空粒子及びシリカ質中空粒子を骨材とした軽量キャスタブルが知られている（特許文献１〜３参照）。

その他、ＣＦ（セラミックファイバー）を含有した軽量キャスタブル（例えば、特許文献４参照）や、珪酸カルシウム質からなる断熱ボード（例えば、特許文献５参照）についても断熱性能を向上させる技術として知られている。

特開２００９−２０３０９０号公報特許２００５−３１４２２２号公報特開２００９−２６３１４５号公報特開２０００−２０３９５１号公報特開平８−３１２９３９号公報特開２０１１−３２１１９号公報

例えば、上述の特許文献１、２に示されたＣＡ６を主たる鉱物組成とした断熱性骨材を使用した軽量キャスタブル（以下「ＣＡ６軽量キャスタブル」という。）を耐火材に適用した場合、従来のライニング構造よりも断熱性能は向上すると考えられる。しかしこの場合、耐火材はＣＡ６軽量キャスタブルのみで構成されるため、断熱性能はＣＡ６軽量キャスタブルの性能に依存してしまう。このため、断熱性能には限界があった。すなわち、ライニング構造をＣＡ６軽量キャスタブルのみで構成する場合、放散熱量及び蓄熱量の低減には限界があった。

断熱性能を向上させるためには、軽量キャスタブルの物性として低かさ比重である方が望ましい。このため、例えば、特許文献３に示すような、ＣＡ６軽量キャスタブルよりも低かさ比重の軽量キャスタブルを適用することも考えられ得る。

しかし、特許文献３に記載のような低かさ比重の軽量キャスタブルのみを耐火材に適用した場合、耐ＦｅＯ性が劣るという問題もあった。これは、製鉄工程や廃棄物焼却時に発生するＦｅＯ及びＦｅ_２Ｏ_３が耐火物ライニング表面に付着し、高温雰囲気下で耐火材と反応し劣化する反応（劣化反応）が起こるためであると考えられる。この劣化反応は特許文献３に記載のようなＳｉＯ_２を多く含む耐火材に顕著に見られる。

また、ＣＡ６が耐ＦｅＯ性に優れる特性を有することは知られており（例えば、特許文献６参照）、上述のＣＡ６軽量キャスタブルは耐ＦｅＯ性に優れる特性を有する。また、特許文献３に記載の軽量キャスタブル、特許文献４に記載のＣＦ、特許文献５に記載の断熱ボードは断熱性能に優れる。

このため、炉内側の表層材にＣＡ６軽量キャスタブルを構成し、かつ、表層材の背面側に形成される背面材に断熱性能の優れる材質（軽量キャスタブル、ＣＦ又は断熱ボード）を構成すれば、耐ＦｅＯ性に優れ、且つ放散熱量及び蓄熱量を低減することが可能であると考えられる。

しかしながら、本発明者らが検討したところ、表層材にＣＡ６軽量キャスタブルを構成し、背面材に断熱性能の優れた材質を構成した場合、ライニング構造をＣＡ６軽量キャスタブル単独で構成した場合と比較して、蓄熱量が増加してしまう場合があるという問題が生じることが判った。

このため、単純に表層材と背面材を配置してライニング構造を構成した場合、蓄熱量が増えて熱損失の削減に対して逆効果になる場合があるという問題が生じることが判った。

そこで、本発明は、加熱炉等の工業炉及び製鉄用設備に採用される雰囲気が１０００℃を超えるような、製鉄用の窯炉に使用され、耐火物層で構成されるライニング構造において、耐ＦｅＯ性に優れると共に、蓄熱量単独、及び放散熱量と蓄熱量の全体として、熱損失の削減を可能にする耐火物のライニング構造を提供することを目的とする。

本発明者等は上記目的に鑑み、窯炉中のＦｅＯと直接接触する表層側に、ＣａＯ・６Ａｌ_２Ｏ_３（ＣＡ６）を主たる鉱物組成とした多孔質な断熱性骨材が配合された表面材を配置することで、耐ＦｅＯ性に優れたものとし、且つ、その反対側（背面側）に、表層材よりも窯炉使用時において低熱伝導率且つ低かさ比重の物性を有する背面材を配置することで、放散熱量と蓄熱量の削減を図るべく、耐火物層のライニング構造について鋭意検討した。

その結果、背面材を配置することで、放散熱量は、表層材単独のときよりも削減でき、背面材の厚み割合が多くなるほど、より放散熱量が小さくなって削減が進むことが確認できた。ところが、蓄熱量は、背面材の厚み割合を０から少しずつ増やしていくと、途中までは表層材単独のときよりも増加していき、ある厚み割合でピークに達し、そこから減少に転じて、背面材の厚み割合が所定の割合以上になって、ようやく表層材単独のときよりも減少することが判明した。

また、特許文献６に記載のような、セラミックファイバーブロックの表面にＣＡ６を含有するコーティング材を、数ミリ以下程度コーティングするような形態では、コーティング材は短期間で損耗又は消失してしまい、頻繁に再コーティングしなければならないという問題があった。

また、耐火物層の蓄熱量の削減は、放熱量の削減以上に重要な場合がある。例えば、大規模な設備になるほど、相対的に投入熱量に対する放熱量の割合が小さくなるため、蓄熱量が、窯炉の立ち上げ時の熱エネルギー消費の支配的因子となるケースや、加熱冷却を繰り返す窯炉において、耐火物層の温度が一旦低下する熱履歴を有する場合に、蓄熱量が、放熱量よりも熱エネルギー消費の支配的因子となるケースなどである。更にまた、加熱冷却を繰り返す窯炉において、窯炉内に溶鉄や鋼板を入れた際に、耐火物層の温度が低下していることで、溶鉄や鋼板の温度が低下するため、これを抑制して品質を安定的に保つ際に、蓄熱量の削減がより重要となる場合もある。

本発明は上記知見に基づいて為されたものであり、その要旨は以下の通りである。
（１）製鉄用の窯炉に使用され、耐火物層で構成されるライニング構造であって、前記耐火物層は、ＣａＯ・６Ａｌ_２Ｏ_３を主たる鉱物組成とした多孔質な断熱性骨材が配合された表層材と、該表層材よりも窯炉使用時において低熱伝導率且つ低かさ比重の物性を有する背面材とで構成され、前記耐火物層の窯炉使用時における放散熱量及び蓄熱量のそれぞれが共に、前記耐火物層を全て前記表層材単独で構成したときよりも小さくなるような厚みの比率で表層材と背面材が構成され、前記表層材の厚みが１０ｍｍ以上であることを特徴とするライニング構造。
（２）前記耐火物層は、ケーシングの内側に配置されることを特徴とする（１）に記載のライニング構造。
（３）前記背面材は、軽量キャスタブルからなり、多孔質粒、中空粒子、及び発泡粒の群から選ばれる少なくとも１種からなる軽量骨材を含み、該軽量骨材の含有量は、背面材を構成する粉体原料全体の５０〜８０質量％であることを特徴とする（１）又は（２）に記載のライニング構造。
（４）前記背面材が２層以上から構成されていることを特徴とする（１）〜（３）のいずれか１項に記載のライニング構造。

本発明の効果について以下に述べる。

一般的に、定常状態に近い条件で長期間稼働する連続操業の窯炉は、常時炉外へ放出される放散熱を抑制することがエネルギー損失の低減に効果的である。一方、加熱冷却を短期間に繰り返す間欠操業の窯炉や、溶鉄の運搬や処理に使用される設備は、定常状態（操業設定温度）に至るまでに耐火物へ吸収される熱、いわゆる蓄熱量を抑制することが設備立ち上げ時の熱エネルギー低減や溶鉄の温度低下抑制に多大な効果を生む。

本発明は、ＣＡ６を主たる鉱物組成とした多孔質な断熱性骨材が配合された表層材と、該表層材よりも低熱伝導率且つ低かさ比重の物性を有する背面材とで耐火物層が構成され、当該耐火物層の放散熱量及び蓄熱量が、耐火物層を全て前記表層材単独で構成したときよりも小さくなるように表層材と背面材の厚みの比率を構成することで、耐ＦｅＯ性に優れると共に、蓄熱量単独、及び放散熱量と蓄熱量の全体として、熱損失の削減を可能とすることができる。また、表層材は１０ｍｍ以上の厚みを有するため、表層コーティング材よりも大幅に、長期に亘って耐久性を確保できる。

本発明を窯炉の炉壁に適用したライニング構造を示す断面図である。３層構造における伝熱と境界温度を模式した図である。全厚みに対する表層材の厚み比率と蓄熱量指数及び放散熱量指数との関係を示す図である。定常状態における耐火材ライニングの内部温度モデルの図である。２層構造における背面材の熱伝導率と境界温度の関係を示した図である。表層材を耐火材Ａ、背面材を耐火材Ｂで構成したライニング構造において、全厚みを変化させた場合における、全厚みに対する表層材の厚み比率と蓄熱量指数との関係を示す図である。表層材を耐火材Ａ、背面材を耐火材Ｃで構成したライニング構造において、全厚みを変化させた場合における、全厚みに対する表層材の厚み比率と蓄熱量指数との関係を示す図である。表層材を耐火材Ａ、背面材を耐火材Ｄで構成したライニング構造において、全厚みを変化させた場合における、全厚みに対する表層材の厚み比率と蓄熱量指数との関係を示す図である。表層材を耐火材Ａ、背面材を耐火材Ｅで構成したライニング構造において、全厚みを変化させた場合における、全厚みに対する表層材の厚み比率と蓄熱量指数との関係を示す図である。

本実施の形態においては、製鉄用の窯炉に使用され、ケーシングの内側に配置される、耐火物層で構成される本発明のライニング構造について説明する。

図１は、窯炉の炉壁に本発明のライニング構造を適用した例の断面図である。図１に示すように、炉壁は、炉内側になる表層材１と、表層材１の背面に形成される背面材２と、ケーシング３と、で構成されている。ケーシングは例えば、金属製のものが用いられ、製鉄用に使用される窯炉においては、鉄皮が使用されることが多い。対象とする窯炉としては、特に限定されるものではないが、例えば、加熱炉や焼結炉などの炉壁に適用できる。

なお、表層材の背面とは、表層材が加熱される際に熱エネルギーが移動する方向側の面のことをいう。また、背面材２は１層に限られることなく、２層以上積層してもよい。

表層材は、耐ＦｅＯに優れたＣＡ６を主たる鉱物組成とした、気孔率が６０％以上の多孔質な断熱性骨材（例えば、アルマティス社のＳＬＡ−９２）が配合された耐火材を使用する。ＣＡ６断熱性骨材は、かさ比重が０．６５〜０．９５程度、内部の平均気孔径が３〜４μｍ程度であることから、高断熱性を達成でき、また主鉱物の融点が約１８３０℃であるため高耐火性も達成できる。

表層材は耐火性粉体組成物と添加剤とで構成され、耐火性粉体組成物には、ＣＡ６断熱性骨材及びそれ以外の耐火原料（耐火性骨材とも言う）、並びに結合剤が含まれる。このうちＣＡ６断熱性骨材は、耐火性粉体組成物の４０〜８０質量％が含まれることが好ましい。

その理由は、４０質量％未満では、表層材の耐ＦｅＯ性能及び断熱性能が低下し過ぎてしまう場合があり、期待されている断熱効果が得られず、８０質量％を超えると、ＣＡ６断熱性骨材以外の耐火性骨材及び結合材（例えば、アルミナセメント）の割合が少なくなり、強度や耐損耗性能が不足する場合があるためである。

なお、断熱性骨材の気孔率は2ｍｍ以上の粗粒について粒度２〜３．３６ｍｍに破砕・粒度調整し、学振法２のマグネシアクリンカーの見掛け気孔率の測定方法に準じた方法で測定する。

表１及び表２は、表層材と背面材の耐火材に関するデータを示すものである。

表１及び表２に示す耐火材Ａ〜Ｆのうち、耐火材ＡはＣＡ６断熱性骨材を主骨材とするＣＡ６軽量キャスタブルである。

表層材において、ＣＡ６断熱性骨材と混合する耐火原料は、電融アルミナ、仮焼アルミナ（以下、アルミナ質原料と記す）、マグネシア、スピネル、ジルコニア等である。さらに、これらに溶融シリカ、仮焼アルミナ、超微粉シリカ、炭化珪素、窒化珪素等を組み合わせて使用される。

結合剤としては、例えば、アルミナセメント、水硬性アルミナ、ポルトランドセメント等のセメント、水硬組成物等を使用できる。

添加剤としては、分散材、金属粉、炭化物、硼化物、ガラス成分、ファイバー類、増粘剤、凝結調整剤、消泡剤、起泡剤、等が挙げられ、１種又は２種以上が適宜添加される。

分散剤としては、例えば、縮合リン酸、ポリアクリル酸、ポリカルボン酸、ホスホン酸、フミン酸、アルキルスルホン酸、芳香族スルホン酸等、あるいはこれらと同様な効果が得られる物質から１種又は２種以上を選択して、適宜使用することができる。

また、耐火物組織の強度向上の目的で、アルミニウム、アルミニウム−シリコン合金、アルミニウム−マグネシウム合金、アルミニウム−シリコン−マグネシウム合金、シリコン、マグネシウム等の金属粉、炭化硼素等の炭化物、硼化ジルコニウム等の硼化物、あるいは硼珪酸ガラス等のガラス成分を添加することもできる。

さらに必要によっては、金属ファイバー、有機ファイバー、無機ファイバー等のファイバー類、あるいは粘土、ベントナイト、ＣＭＣ等の増粘剤、さらには凝結調整剤、消泡剤、起泡剤（ＡＥ剤）、耐火粗大粒子等を添加してもよい。

これらの耐火材を構成する原料に、施工水分を外掛けで適量添加し、混練後成型して、表層材とする。

また、表層材の厚みは１０ｍｍ以上とする。表３に耐火材Ａを高さ１００ｍｍ、幅（縦及び横）１００ｍｍの枠に、所定の厚みで流し込み、２４時間後に脱枠し、１０００℃まで電気炉で急加熱した試料の状況を示す。表３に示す通り、厚みが１０ｍｍ未満の場合、流し込み施工時の充填不良並び急加熱時の熱衝撃による亀裂が生じることが判った。そのため、１０００℃以上の高温下で用いられる製鉄用の窯炉に使用される表層材としての耐ＦｅＯ特性を損なうことは明らかである。従って、表層材の厚みは１０ｍｍ以上であることが必要である。

背面材は、耐火性粉体組成物と添加剤とで構成され、耐火性粉体組成物には、耐火原料（耐火性骨材とも言う）、及び結合剤が含まれる。

また、背面材には、表２に示す耐火材Ｂ〜耐火材Ｅの様に、ＣＡ６軽量キャスタブルよりも低熱伝導率であって低かさ比重の物性を有する耐火性粉体組成物を使用する。

耐火材Ｂは、フライアッシュバルーンを７０質量％、超微粉シリカ１０質量％、アルミナセメント２０質量％を配合し、前記の耐火性粉体組成物に対して外掛けで０．０５質量％の起泡剤を添加した原料構成とした。また、耐火材Ｂは、施工水分を外掛けで添加し混練後成型した軽量キャスタブルであってかさ比重は０．４２である。

耐火材Ｃは、微細多孔性断熱材（黒崎播磨（株）商品名：ＰｏｒｅｘｔｈｅｒｍＷＤＳ：以下、ＷＤＳと記す）であってかさ比重は０．２３である。

耐火材Ｄは、かさ比重が０．１２の珪酸カルシウム質の断熱ボードである。

耐火材Ｅは、かさ比重が０．１３のセラミックファイバーブランケットである。

耐火材Ｆは、超微粉シリカ、アルミナセメント、軽量シャモット質骨材及び粘土を含有する軽量キャスタブルである。

なお、背面材として軽量キャスタブル（耐火材Ｂ）を使用する場合は、多孔質粒、中空粒子及び発泡粒の少なくとも１種からなる軽量骨材を含み、軽量骨材の含有量は背面材を構成する粉体原料全体の５０質量％以上８０質量％以下であることが好ましい。軽量骨材の含有量が５０質量％未満となると、かさ比重が重くなるため、断熱性能が低下するからである。また、軽量骨材の含有量が８０質量％を超えると、結合剤（例えば、アルミナセメント）の添加量が制限されるため、背面材の強度が低下するためである。

例えば、多孔質粒の軽量骨材とは、軽量アルミナ、軽量シャモット、断熱レンガ屑、珪石レンガ屑、シャモットレンガ屑のことであり、中空粒子の軽量骨材とは、フライアッシュバルーン、シリカバルーン、ガラスバルーンのことであり、発泡粒の軽量骨材とは、パーミュライト、バーミキュライトのことである。

また、背面材の添加剤としては、表層材と同様に、分散材、金属粉、炭化物、硼化物、ガラス成分、ファイバー類、増粘剤、凝結調整剤、消泡剤、起泡剤、等が挙げられ、１種又は２種以上が適宜添加される。

分散剤としては、例えば、縮合リン酸、ポリアクリル酸、ポリカルボン酸、ホスホン酸、フミン酸、アルキルスルホン酸、芳香族スルホン酸等、あるいはこれらと同様な効果が得られる物質から１種又は２種以上を選択して、適宜使用することができ、耐火物組織の強度向上の目的で、アルミニウム、アルミニウム−シリコン合金、アルミニウム−マグネシウム合金、アルミニウム−シリコン−マグネシウム合金、シリコン、マグネシウム等の金属粉、炭化硼素等の炭化物、硼化ジルコニウム等の硼化物、あるいは硼珪酸ガラス等のガラス成分を添加することもできる。

さらに必要によっては、有機ファイバー、無機ファイバー等のファイバー類、あるいは粘土、べントナイト、ＣＭＣ等の増粘剤、さらには凝結調整剤、消泡剤、起泡剤（ＡＥ剤）、を添加してもよい。

表層材及び背面材で構成される耐火物層からなるライニング構造を設計する上では、表層材と背面材との厚み比率は重要である。これは、表層材と背面材との厚み比率によっては、耐火物層をＣＡ６軽量キャスタブル単独で構成した場合よりも蓄熱量が増加してしまい、熱損失の削減に対して逆効果になってしまうからである。

次に、本発明における放散熱量及び蓄熱量の算出方法について説明する。放散熱量及び蓄熱量は以下に示す式１〜式１１（耐火物手帳(１９７１年度版)／耐火物技術協会／昭和４６年５月３１日第１印発行、７７ページ〜８１ページから引用）より求める。

炉壁３層構造（表層材１層、背面材１層の耐火物層２層、及びケーシング（鉄皮）１層を想定）における伝熱と境界温度を模式した図２を例に説明する。

炉壁１、２、３の熱伝導率をそれぞれλ₁、λ_２、λ_３、厚みをそれぞれｌ_１、ｌ_２、ｌ_３とする。また、内壁（熱面）温度をｔ_ｉ、第１境界温度をｔ_１、第２境界温度をｔ_２、外壁（冷面）温度をｔ_０とする。熱伝導率の値としては温度―熱伝導率曲線からその炉材の受ける温度範囲の平均熱伝導率を用いる。定常状態における各炉壁間の単位時間、単位面積当たりの移動伝熱量Ｑ_１は式１で示される。

また、定常状態での単位時間、単位面積当たりにおける、外壁面より静止空気への放散熱量Ｑ_２は、自然対流伝熱量Ｑ_Ｃと放射伝熱量Ｑ_ｒとの和で、式２で示される。

黒度（熱輻射率）は外壁（鉄皮)の材料または塗布剤などによって数値を決める。

放散熱量及び炉壁各部の温度計算方法は炉壁を構成する各耐火材の移動伝熱量Ｑ_１は外壁面より放散する熱量Ｑ_２に等しいため、内壁温度ｔ_ｉを与えて（例えば、想定される炉内溶鋼温度や炉内ガス温度）、外壁温度ｔ_０ならびに各境界温度ｔ_１、ｔ_２を種々仮定し、かつ各層の熱伝導率はｔ_ｉ並びに仮定した温度の平均温度における熱伝導率を取り、上記各数値を式１、式２に代入して試算し、Ｑ_１＝Ｑ_２を最も満足するまで仮定値を変えて試算を繰り返す。Ｑ_１＝Ｑ_２を最も満足する値が正しい放散熱量である。なお、炉壁各部の温度は、Ｑ_１＝Ｑ_２を最も満足するｔ_０、ｔ_１、ｔ_２が求める温度である。具体的には、例えば、Ｑ_１及びＱ_２の値の差が０．１ｋｃａｌ／ｍ^２ｈ以内のとき、Ｑ_１＝Ｑ_２を最も満足する値と判定する。なお、当該閾値は、精度及び収束のし易さを考慮して、適宜設定すればよい。

内壁温度ｔ_ｉが解っている場合、まず外壁温度ｔ_０を適当な値に仮定し、式８によって移動伝熱量Ｑ_１を試算する。

Ｑ_１とＱ_２を式２と式８で求め、もし、Ｑ_１＞Ｑ_２であれば、ｔ_０を低く仮定しすぎたのであるから、ｔ_０を少し高く取って試算し直す。これを繰り返し、Ｑ_１＝Ｑ_２になった時の値が正しい放散熱量、ｔ_０が正しい外壁温度である。

なお、境界温度ｔ_１、ｔ_２は式９、式１０で示される。

蓄熱量は炉壁が定常状態に達し、前述の計算によって炉壁各部の温度が解れば式１１によって多層壁の蓄熱量を算出することができる。

なお、背面材が２層構造の場合は、式１〜式１１における第２層目が２つの層に分かれているものとして求める。すなわち、炉壁４層構造として求める。背面材が３層以上になった場合も同様に求めればよい。

本発明においては、上記の方法で、表層材と背面材からなる耐火物層の窯炉使用時（使用時の温度）における放散熱量及び蓄熱量を計算し、一方、式１〜式１１における第２層目を削除して、耐火物層を全て表層材単独で構成したときの窯炉使用時（使用時の温度）における放散熱量及び蓄熱量を計算し、両者の計算値を比較して、前者の放散熱量及び蓄熱量がそれぞれ共に、後者の放散熱量及び蓄熱量よりも小さくなるような厚みの比率で、表層材と背面材が構成されていればよい。但し、表層材の厚みは１０ｍｍ以上が必要である。

次に、具体例を挙げて、説明する。

図３は、図１に示すような、ケーシング３の内側に、耐火物層を配置し、ケーシング３に隣接して背面材２として耐火材Ｂ、表層材１として耐火材Ａを採用し、耐火物層の全厚みを４００ｍｍとした場合における、表層材の厚み／全厚み（すなわち、全厚みに対する表層材の厚み比率）と、放散熱量指数及び蓄熱量指数との関係を示した図である。

ここで、放散熱量指数とは、耐火物層をＣＡ６軽量キャスタブル単独で構成した場合（後述する比較例１）の放散熱量を１００としたときの指数であり、蓄熱量指数とは、耐火物層をＣＡ６軽量キャスタブル単独で構成した場合（後述する比較例１）の蓄熱量を１００としたときの指数である。耐火材Ａ、耐火材Ｂを任意の厚み比率で構成した場合の放散熱量と蓄熱量については、上述した式１〜式１１を用いて算出した。

このときの、前提条件としては炉壁の加熱前温度及び外気温度を２０℃、定常状態後の内壁温度を１３００℃、完全黒体の放射定数を４．９６、黒度を０．８５として算出し、ケーシングとして鉄を用い、ケーシング厚み（鉄皮厚み）は４．５ｍｍとしている。鉄の熱伝導率、かさ比重、比熱は代表的な値を用い、Ｑ_１＝Ｑ_２になったときの最終的な温度分布時においては、熱伝導率は６７（ｋｃａｌ／ｍｈ℃）、かさ比重は７．８５、比熱は０．４５(ｋｃａｌ／ｋｇ℃)として算出した。

なお、熱伝導率、かさ比重は後述する方法で測定した値を用いた。比熱は、耐火物技術協会から発刊されている耐火物手帳の「各種れんがの平均比熱及び実験式」より近似値を求めた。

熱伝導率は、ＪＩＳＲ２６１６（熱線法）に準じて測定した値である。

また、かさ比重は、耐火材Ｃ、Ｄ、ＥにおいてはＪＩＳＲ２６１４に準じて測定したかさ比重であり、耐火材Ａ、Ｂ、Ｆにおいては３５０℃で２４時間乾燥した試験片をＪＩＳＲ２６５５に準じて測定したかさ比重である。耐火材Ａ、Ｂ、Ｆの様な結合剤として水硬性のセメントを含む耐火材は水と反応して水和物を生成する。この水和物は１１０℃では完全に脱水反応しない。一方、１０００℃を超える雰囲気炉における操業時の背面材内部温度は３００℃〜１２５０℃となり、水和物が殆ど存在しない状態である。よって３５０℃まで温度を上げ、水和物を完全に脱水させた後のかさ比重を測定する必要がある。また、耐火材Ｃ、Ｄ、Ｅは水硬性セメントを使用しておらず水和物が生成しないため耐火材に含まれる水分が乾燥する１１０℃乾燥後のかさ比重を測定すればよい。かさ比重は、温度によって大きくは変化しないため、３５０℃で測定した一定値を、式１１では、使用すればよい。

図３の横軸は、耐火物層の全厚みに対する表層材の厚み比率を示す。横軸が１の場合、全厚みの全てがＣＡ６軽量キャスタブル単独で構成されることを示す。縦軸は蓄熱量指数及び放散熱量指数を示す。

図３に示すように、背面材の配置により、放散熱量は、表層材単独のときよりも削減でき、表層材の厚み比率が小さくなるほど（背面材の厚み比率が大きくなるほど）、より放散熱量が小さくなって削減が進む。これは熱伝導率が表層材よりも低い背面材の存在により、背面材の表面温度（表層材とは反対側の表面）が低下し、表層材の厚み比率が小さくなるほど背面材の厚み比率が大きくなって、より背面材の表面温度が低下するためである。

ところが、蓄熱量は、表層材の厚み比率を１から少しずつ減らしていくと（背面材の厚み比率を０から少しずつ増やしていくと）、途中までは表層材単独のときよりも増加していき、厚み比率が０．８５付近でピークに達し、そこから減少に転じて、表面材の厚み比率が０．６５付近になって、ようやく表層材単独のときと同等になる（蓄熱量指数は１００となる）。すなわち、全厚みの全てをＣＡ６軽量キャスタブル単独で構成した場合と同じ蓄熱量となる。また、蓄熱量指数は全厚みに対する表層材の厚み比率が約０．６５以下の場合は、減少傾向を示す。すなわち、全厚みに対する表層材の厚み比率が約０．６５以下の場合は、全厚みの全てをＣＡ６軽量キャスタブルで構成した場合よりも蓄熱量が減少する。

表層材より熱伝導率の低い耐火材を背面材に用いた場合に厚み比率によっては表層材単独で構成した場合に比較し蓄熱量が高くなる理由を図４、図５を参照して説明する。

図４に示す定常状態における耐火材内部温度で考えた場合、かさ比重、比熱が一定と仮定すると、モデルの面積で蓄熱量を代用して表すことができる。例えば表層材単独で構成されたライニング構造の内部温度を線Ａ−Ｃで表わしている場合、その蓄熱量は面ＡＢＤＣの面積と考えられる。また、表層材と背面材との２層で構成されたライニング構造で境界線を線Ｅ−Ｇ、内部温度を線Ａ−Ｆ−Ｄで表わしている場合、その蓄熱量は面ＡＢＤＦの面積と考えられる。このとき、面ＡＢＤＣの面積に対し面ＡＢＧＦの面積が広い場合は２層構造にすることによって蓄熱量が増加することを示す。

図５は表層材に耐火材Ａ、背面材に表層材より熱伝導率の低い耐火材を構成した場合における背面材の熱伝導率と境界温度の関係を表したものである。熱伝導率が低くなるに従い境界温度が高くなることがわかる。これを図４で示すと背面材の熱伝導率が低いほど点Ｆが点Ｅに近づくこと、すなわち面ＡＢＧＦの面積が拡大することを指す。

その一方、表層材の厚み比率を小さくしていくと（背面材の厚み比率を大きくしていくと）、すなわち、境界線Ｅ−ＧをＢ側に近づけていくと、それに応じて点Ｄが低下していく。そのため、面ＡＢＤＦの面積は、点Ｆの増加と点Ｄの低下のバランスによって定まり、表層材の厚み比率に対応するピーク値を有することになる。

実際に背面材に耐火材Ｂ、又は耐火材Ｃを用いて、全厚みに対する表層材の厚み比率を０．６、及び０．９としたときの境界温度、及び蓄熱量を算出して表４に示す。背面材に熱伝導率が０．１５５（ｋｃａｌ／ｍｈ℃）である耐火材Ｂを適用した構造と熱伝導率が０．０１９（ｋｃａｌ／ｍｈ℃）である耐火材Ｃを適用した構造とで同じ厚み比率の場合で比較すると、熱伝導率の低い耐火材Ｃを適用した構造の方が境界温度は高く、蓄熱量も高いことがわかる。また、背面材に耐火材Ｂを適用した構造で厚み比率と蓄熱量の関係をみると、厚み比率が１．０の場合の蓄熱量は６８,３９２ｋｃａｌ／ｍ^２、厚み比率が０．９の場合の蓄熱量は７０,９７１ｋｃａｌ／ｍ^２と増大し、厚み比率が０．６となると蓄熱量は６６,６５４ｋｃａｌ／ｍ^２と減少する。

これらから表層材より熱伝導率の低い耐火材を背面材に用いた場合に厚み比率によっては表層材単独で構成した場合に比較し蓄熱量が高くなることがわかる。

本発明においては、放散熱量と蓄熱量の全体として、表層材単独の場合と比較して、熱損失の削減を可能にすることはもちろんのこと、蓄熱量単独においても、表層材のみの場合と比較して、熱損失の削減を可能にする耐火物のライニング構造とする。これは、上述したように、大規模な窯炉や、加熱冷却を繰り返す窯炉などにおいて、耐火物層の蓄熱量の削減は、放熱量の削減以上に重要で、熱エネルギー消費の支配的因子となる場合があるためである。

その際、放散熱量は、表層材の比率が低下するほど（背面材の割合が増加するほど）に低下していくため、蓄熱量単独において、表層材のみの場合よりも削減できれば、放散熱量と蓄熱量の合計においても、削減できることになる。

従って、以下の説明においては、主として蓄熱量の削減効果について述べる。

図６は、耐火物層として表層材を耐火材Ａ、背面材を耐火材Ｂで構成したライニング構造において、全厚みを変化させた場合における、全厚みに対する表層材の厚み比率と蓄熱量指数との関係を示す図である。図６に示すように、全厚みが７０ｍｍのときは全厚みに対する表層材の厚み比率が約０．８以下のときに蓄熱量指数は１００未満となり、全厚みが２００ｍｍのときは全厚みに対する表層材の厚み比率が約０．７以下のときに蓄熱量指数は１００未満となり、全厚みが４００ｍｍのときは、上述の通り全厚みに対する表層材の厚み比率が約０．６５以下のときに蓄熱量指数は１００未満となる。

図７は、耐火物層として表層材を耐火材Ａ、背面材を耐火材Ｃで構成したライニング構造において、全厚みを変化させた場合における、全厚みに対する表層材の厚み比率と蓄熱量指数との関係を示す図である。図７に示すように、全厚みが７０ｍｍの場合、全厚みに対する表層材の厚み比率が約０．５７以下で蓄熱量指数は１００未満となり、全厚みが２００ｍｍの場合、全厚みに対する表層材の厚み比率が約０．５２以下で蓄熱量指数は１００未満となり、全厚みが４００ｍｍの場合、全厚みに対する表層材の厚み比率が約０．５以下で蓄熱量指数は１００未満となる。

図８は、耐火物層として表層材を耐火材Ａ、背面材を耐火材Ｄで構成したライニング構造において、全厚みを変化させた場合における、全厚みに対する表層材の厚み比率と蓄熱量指数との関係を示す図である。図８に示すように、全厚みが７０ｍｍの場合、全厚みに対する表層材の厚み比率が約０．７以下で蓄熱量指数は１００未満となり、全厚みが２００ｍｍの場合、全厚みに対する表層材の厚み比率が約０．６３以下で蓄熱量指数は１００未満となり、全厚みが４００ｍｍの場合、全厚みに対する表層材の厚み比率が約０．６以下で蓄熱量指数は１００未満となる。

図９は、耐火物層として表層材を耐火材Ａ、背面材を耐火材Ｅで構成したライニング構造において、全厚みを変化させた場合における、全厚みに対する表層材の厚み比率と蓄熱量指数との関係を示す図である。図９に示すように、全厚みが７０ｍｍのときは全厚みに対する表層材の厚み比率が約０．７以下のときに蓄熱量指数は１００未満となり、全厚みが２００ｍｍのときは全厚みに対する表層材の厚み比率が約０．６４以下のときに蓄熱量指数は１００未満となり、全厚みが４００ｍｍのときは全厚みに対する表層材の厚み比率が約０．６１以下のときに蓄熱量指数は１００未満となる。

表５は本発明の実施例について、表６は比較例について、それぞれの放散熱量指数、蓄熱量指数、表層材の耐ＦｅＯ性の評価を示したものである。

放散熱量指数及び蓄熱量指数の評価においては、比較例１と比較して低い値（すなわち、１００より低い値）である方が好ましい。

表層材の耐ＦｅＯ評価は以下の方法で行った。

先ず、８５ｍｍ×８５ｍｍ×８０ｍｍの上部中央部分にφ３５ｍｍ×３５ｍｍ深さの穴を開けたルツボ形状へ表層材の試料を鋳込んだ。そして、ルツボ形状に鋳込んだ試料を１１０℃×２４時間乾燥後、酸化鉄を４０g入れ、１５００℃×５時間焼成し、酸化鉄に侵食された試料の寸法を測定した。測定により、侵食寸法が１ｍｍ以上認められたものを×、１ｍｍ未満を○とした。

また、総合評価は、上記表層材の耐ＦｅＯ性の評価に加え、図１に示すようなケーシングの内側に耐火物層を配置したライニング構造にて、放散熱量指数、蓄熱量指数を評価し、総合的に評価したものである。評価は○、×の相対評価により行った。具体的には、放散熱量指数及び蓄熱量指数が共に１００未満の場合、総合評価は○とした。また、放散熱量指数及び蓄熱量指数のいずれか１つが１００以上の場合、総合評価は×とした。また、耐ＦｅＯ性が×の場合も総合評価は×とした。

実施例１は、表層材にＣＡ６軽量キャスタブル（耐火材Ａ）を用い、背面材にフライアッシュバルーンを主原料とした軽量キャスタブル（耐火材Ｂ）を用いた例である。実施例１は全厚みに対する表層材の厚み比率を０．６３としたものである。この場合、指数評価の基準となる背面材のない比較例１の１００と比較して、蓄熱量指数は低下し、放散熱量指数は大幅に低下した。また、耐ＦｅＯ性の評価は○であった。このため、総合評価は○となった。

実施例２〜４は、実施例１と同じ耐火材（表層材に耐火材Ａ、背面材に耐火材Ｂ）を用い、全厚みに対する表層材の厚み比率を、実施例２は０．５０、実施例３は０．２５、実施例４は０．０５としたものである。いずれも指数評価の基準となる背面材のない比較例１の１００と比較して、蓄熱量指数及び放散熱量指数は大幅に低下した。また、耐ＦｅＯ性の評価は○であった。このため、総合評価は○となった。

実施例５は、表層材にＣＡ６軽量キャスタブル（耐火材Ａ）を用い、背面材に珪酸カルシウム断熱ボード（耐火材Ｄ）を用いた例である。実施例５は全厚みに対する表層材の厚み比率を０．５０とした。この場合、指数評価の基準となる背面材のない比較例１の１００と比較して、蓄熱量指数は低下し、放散熱量指数は大幅に低下した。また、耐ＦｅＯ性の評価は○であった。このため、総合評価は○となった。

実施例６は、表層材にＣＡ６軽量キャスタブル（耐火材Ａ）を用い、背面材にフライアッシュバルーンを主原料とした軽量キャスタブル（耐火材Ｂ）とＷＤＳ（耐火材Ｃ）を用いた３層構造の例である。実施例６は全厚みに対する表層材の厚み比率を０．４５とした。この場合、指数評価の基準となる背面材のない比較例１の１００と比較して、蓄熱量指数は低下し、放散熱量指数は大幅に低下した。また、耐ＦｅＯ性の評価は○であった。このため、総合評価は○となった。

実施例７は、表層材にＣＡ６軽量キャスタブル（耐火材Ａ）を用い、背面材に断熱ボード（耐火材Ｄ）とＷＤＳ（耐火材Ｃ）とを用いた３層構造の例である。実施例７は全厚みに対する表層材の厚み比率を０．４５とした。この場合、指数評価の基準となる背面材のない比較例１の１００と比較して、蓄熱量指数は低下し、放散熱量指数は大幅に低下した。また、耐ＦｅＯ性の評価は○であった。このため、総合評価は○となった。

実施例８は、表層材にＣＡ６軽量キャスタブル（耐火材Ａ）を用い、背面材にセラミックファイバーブランケット（耐火材Ｅ）とＷＤＳ（耐火材Ｃ）とを用いた３層構造の例である。実施例８は全厚みに対する表層材の厚み比率を０．４５とした。この場合、指数評価の基準となる背面材のない比較例１の１００と比較して、蓄熱量指数は低下し、放散熱量指数は大幅に低下した。また、耐ＦｅＯ性の評価は○であった。このため、総合評価は○となった。

比較例１はＣＡ６軽量キャスタブル（耐火材Ａ）のみ用いた１層構造の例である。実施例１と比較して、低かさ比重の背面材がないため放散熱量指数で高い結果となった。比較例１を基準としているため、総合評価は対象外とした。

比較例２は、フライアッシュバルーンを主原料とした軽量キャスタブル（耐火材Ｂ）のみ用いた１層構造の例である。この場合、耐ＦｅＯ性の評価が×である。このため、総合評価は×となった。

比較例３は、表層材に比較例１で用いたＣＡ６軽量キャスタブル（耐火材Ａ）を用い、背面材にフライアッシュバルーンを主原料とした軽量キャスタブル（耐火材Ｂ）を用いた例であるが、蓄熱量指数が１００を上回る。このため、総合評価は×となった。

比較例４は、表層材に比較例１で用いたＣＡ６軽量キャスタブル（耐火材Ａ）を用い、背面材にフライアッシュバルーンを主原料とした軽量キャスタブル（耐火材Ｂ）及びＷＤＳ（耐火材Ｃ）を用いた３層構造の例であるが蓄熱量指数が１００を上回る。このため、総合評価は×となった。

比較例５は、本発明の規定であるＣＡ６軽量キャスタブルを表層材に使用せずに軽量シャモット質原料を主鉱物とした軽量キャスタブル（耐火材Ｆ）を表層材に用いた例である。この場合、耐ＦｅＯ性の評価が×である。このため、総合評価は×となった。

上述の通り、本発明は背面材に耐火材Ｂ、Ｃ、Ｄ及びＥの少なくとも１つが適用される。すなわち、背面材には異なる物性を有する材質が適用される。この場合において、背面材の物性範囲を規定し、規定した範囲内において蓄熱量指数が１００未満となるような指標があれば、ライニング構造を設計する際の指標となり好ましい。

以上、本実施例のように、断熱性に優れ、且つＳｉＯ_２含有率の低いＣＡ６軽量キャスタブルからなる表層材と、表層材よりも低熱伝導率であって低かさ比重の物性を有する１層又は２層以上の背面材とで耐火物層を構成し、かつ、表層材及び背面材で構成された耐火物層の蓄熱量が、耐火物層を表層材単独で構成したときの蓄熱量以下となるように、表層材及び背面材の全厚みに対する表層材の厚み比率を構成することで、耐ＦｅＯ性に優れると共に、放散熱量と蓄熱量の全体としての熱損失の削減が可能となった。

なお、上記実施例においては、背面材が１層（実施例１〜５）又は２層構造（実施例６〜８）である場合を説明したがこれに限定されるものではない。例えば、表層材及び背面材で構成された耐火物層の蓄熱量が、耐火物層をＣＡ６軽量キャスタブル単独で構成したときの蓄熱量未満となれば、背面材を３層以上の構造としてもよい。

１：表層材
２：背面材
３：ケーシング（鉄皮)

Claims

製鉄用の窯炉に使用され、耐火物層で構成されるライニング構造であって、
前記耐火物層は、ＣａＯ・６Ａｌ_２Ｏ_３を主たる鉱物組成とした多孔質な断熱性骨材が配合された表層材と、該表層材よりも窯炉使用時において低熱伝導率且つ低かさ比重の物性を有する背面材とで構成され、
前記耐火物層の窯炉使用時における放散熱量及び蓄熱量のそれぞれが共に、前記耐火物層を全て前記表層材単独で構成したときよりも小さくなるような厚みの比率で表層材と背面材が構成され、
前記表層材の厚みが１０ｍｍ以上であることを特徴とするライニング構造。
前記耐火物層は、ケーシングの内側に配置されることを特徴とする請求項１に記載のライニング構造。
前記背面材は、軽量キャスタブルからなり、多孔質粒、中空粒子、及び発泡粒の群から選ばれる少なくとも１種からなる軽量骨材を含み、該軽量骨材の含有量は、背面材を構成する粉体原料全体の５０〜８０質量％であることを特徴とする請求項１又は２に記載のライニング構造。
前記背面材が２層以上から構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のライニング構造。