JP2014501328A - 高炉炉床のセラミック底部ライニング - Google Patents

Abstract

本発明は特に高炉に用いられる冶金炉用炉床（１０；２１０）に関する。炉床（１０；２１０）は、溶融金属浴を収容するための、耐火材から成る壁ライニング（１２，２１２）及び底部ライニング（１４；２１４）から構成される。底部ライニング（１４；２１４）は、下側部分（２０；２２０）及び該下側部分（２０；２２０）を覆うように配置され、かつセラミック部材を用いて作製される上側部分（２２；２２２）から構成される。上側部分（２２；２２２）のセラミック部材（２４；２２４）は、シリコンアルミニウム含有アルミナ高含量粒状材から成る粒状相と、前記粒状材の粒子を結合させる結合相から構成される微孔質セラミック材で製造され、かかる構成により該微孔質セラミック材の熱伝導性は７Ｗ／ｍ°Ｋ以下、好ましくは５Ｗ／ｍ°Ｋ以下に永続的に保持される。本発明ではさらに、窒素雰囲気下で焼成することによりセラミック部材（３００）を微孔質にする方法、及び底部ライニング中へのセラミック部材の固有的配置が提案されている。

Description

本発明は概略的には冶金槽、例えば銑鉄製造用高炉、の炉床耐火ライニングに関する。本発明は、より具体的には、操業中に液状高温金属が収容される炉床の底部ライニング上側部分へのセラミック材の使用に関する。

高炉設計分野における炉床底部ライニングの建設において、カーボンブロック等の耐火性材料を用いることは周知である。炉床には液状高温金属が収容されるため、炉床ライニングには、高温、機械的摩擦、化学的腐蝕及び液状高温金属の浸透などの観点において使用条件が過酷である。近年、高炉の生産速度が迅速化している傾向からも、炉床の使用条件はさらに過酷になっている。かかる底部ライニングの寿命を延ばすため、既知解決策においては、例えばムライト結合を備えた紅柱石煉瓦のような耐火性レンガ等のセラミック材から成る最上層を熱伝導性耐火カーボンブロックから成る主要耐火層上へ設ける方法が一般的にとられてきた。

しばしばセラミックパッドと称されるセラミック材から成る上層によって底部冷却システムの有効度が増大される。この底部冷却システムによって底部ライニングの熱伝導性耐火エレメントが冷却され、銑鉄が固化するレベルである固化等温線（凍結レベル）が底部ライニング中において可能な限り高くされる熱平衡が達成される。最終的目標は、最終的には底部ライニング中へ下方移動する溶融鋳鉄が可能な限り高い位置において、好ましくは最上層セラミック部分（セラミックパッド）がある場合にはそのレベルで、固化することを確実にすることである。浴と底部主耐火材間にセラミック部材から成る断熱性バリヤを追加設けることにより、後者の目的達成が明らかに促進される。前記セラミック層の熱伝導性が可能な限り低くあるべきことは容易に理解されよう。従って、セラミック上層の主たる機能は、下部耐火材を腐蝕から保護し、また摩耗を減ずるために作業温度を総じて低下させることである。

しかしながら、最近において、保護セラミック耐火材から成る最上層を設けることには猶欠点があることが分かってきた。実際、前記セラミック層の好ましくない長期における摩損の他、セラミック層の厚さの減少が未だ大きく起こっていないうちに、固化等温線が底部ライニングのカーボン部分中へ漸進的に下降し始めることが分かってきた。

上記問題に鑑み、本発明は、底部ライニング上側部分に用いることができ、下側部分に対してより耐久保護性に優れる効果を有する改良型セラミック層を提供することを目的とする。

本発明は冶金産業における冶金槽に用いられる炉床、特に低粘度溶融金属を収容する炉、特に高炉に用いられる炉床を提供する。前記炉床には、溶融金属浴を収容するために、耐火材から成る壁ライニング及び底部ライニングが設けられる。前記底部ライニングは、下側部分と、セラミック部材層、例えば分離建造単位から成る石造り敷石様建造物に形状化された煉瓦又はより大きなブロックの層が含まれる上側部分から成る。前記セラミック部材層は前記下側部分を覆うように寸法化されている。

「セラミック材料」について通常認められる定義は、火に対して耐久性である耐火性セラミック材料、すなわち、粒状相についてはセラミック酸化物、及び粒子間の結合相に関する限りはセラミック酸化物あるいは非酸化物成分を基材とする耐火性セラミック材料であると理解される。主として炭素等の非酸化物材料、あるいは炭化珪素から成る粒状相を有する耐火性材料は、本特許発明においては後述する技術的理由から考慮に入れていない。

本発明によれば、上記目的は、シリコンアルミニュウム含有アルミナ高含量粒状材から成る粒状相と前記粒状材の粒子同士を結合させる結合相から成る微孔質セラミック材料から成るセラミック部材によって達成される。前記微孔質(microporous)セラミック材は典型的には７Ｗ／ｍ°Ｋ以下、さらに好ましくは５Ｗ／ｍ°Ｋ以下の低熱伝導性を有する。

前記粒状相には、紅柱石、シャモット、鋼玉石、合成ムライトの１または２以上が含まれる。前記結合相は窒化結合、好ましくはＳｉＡｌＯＮ結合によって構成される。

本発明によれば前記微孔質セラミック部材により、底部ライニングの従来設計による下側部分を完全に覆う保護層あるいは境界面が形成される。底部ライニングの多孔質が全体として僅かに非均質的であるのは、煉瓦間あるいはブロック間の接合部によって形成される、既知の熱機械的理由から必要とされるマイナーな非微孔質部分によるためである。しかしながら、底部ライニングにおけるかかる多孔質の僅かな非均質性は許容可能である。いずれにしても、前記セラミック部材自体は、技術的に可能な限度において、微孔質セラミック材料のみで構成される。

微孔質ということを何が決定するかについてよりよく理解するために、材料が微孔質であるか否かについて示すのはマトリックス層の特性であり、本来、該材料の約８０％を占める粒状相は真の多孔ではないか、あるいは孔があっても殆どが取るに足らない程度の閉じられた多孔であり、材料の微孔質作用に干渉しないが、それにも拘わらず、一定材料が微孔質であると言われる場合、該材料は全体として利用されることから、材料全体としての表現であることに留意すべきである。

本発明に至る過程において、耐用期間の進行に伴い、セラミック耐火部材自体が溶融銑鉄による浸透を徐々に受けることが観察された。この現象は鉄静力学的ヘッドの増加及びより高い炉操作圧に伴ってさらに明瞭となる。この現象は、従来のセラミックの本質的な多孔性及び透過性によるものと理論化される。従って、上側セラミック層の熱伝導性は銑鉄含量の増加により時間と共に増大する。その結果、固化等温線が時間と共に底部ライニング中へ弊害的に下方進行する。かかる欠点を克服するため、本発明では上層において用いられるセラミック部材の透過性を大幅に低下させること、具体的には微孔質セラミックを用いることが提案されている。かかる観点において、透過性は必ずしも、また常に多孔性を高める機能ではないことが理解されよう。一定状況下においては、透過性を減ずるためには孔隙率を増加させなければならないことが知られている。

多孔質材料は、その透過性（固有透過性）、すなわち材料が液状物質を移動することができる（透過を可能とできる）程度によって特徴付けることが可能である。透過性はメートルパームあるいは米パーム(メートルパームの約０．６５９)で記述可能である。以下においては、透過性をメートルパームで記述する。

本発明の一観点によれば、前記保護層の微孔質セラミック材料の透過性は２ナノパーム以下、より好ましくは１ナノパーム以下とされる。このように低い透過性とすることにより銑鉄の浸透が低下され、あるいは完全に防止される。適する透過性測定方法はＩＳＯ ８８４１（１９９１年版）の基準に定義されている。

よく知られるように、多孔質材料もまたその孔の平均幅によって分類される。この意味において、(またＩＵＰＡＣの定義とは異なり)、耐火性材料は、それらに含まれる孔の平均幅が2μm未満である場合は「微孔質」であると考えられる。本発明の一観点に従って、セラミック材料の孔の平均幅は好ましくは２μｍ以下、さらに好ましくは１μｍ以下とされる。

一実施態様によれば、前記保護層は、前記下側部分の全自由面、すなわち壁ライニングによって外周が画定される前記下側部分の全水平方向上面を完全に被覆する、例えば歩道に類似した石造り様の建造物のような集合構造体として構成される。理論的には、この保護層は比較的小さな煉瓦を用いる従来方式の手法によって建造可能である。煉瓦の通常容積は２０ｄｍ^３（０．０２ ｍ^３)未満であり、例えば寸法は１００ｘ２５０ｘ５００ｍｍ以下であり、重量は４０Ｋｇ以下である。しかしながら本発明の好ましい実施態様によれば、前記保護層は比較的大きなブロックから成る大型集合構造体として建造される。当然ながら壁ライニングに隣接する境界部分においては相対的に小さな部材を用いることが可能である。本発明では、煉瓦と対比される、表現「ブロック」とは、全容積が２０ｄｍ^３（０．０２ｍ^３)以上である部材、例えば高さとして前記セラミック底部層（あるいはパッド）の高さあるいは厚さに相当する４００ｍｍまたは５００ｍｍを超える高さ、（炉軸の周りの円周方向の）幅として２００ｍｍを超える幅、及び（半径方向の）長さとして５００ｍｍを超える長さから成る寸法、及び重量として５０ｋｇを大きく超える重量をもつ部材を言う。

炉床の壁ライニングには半径方向の最内側となる追加集合構造体、例えば溶融鋳鉄を収容するためにセラミック部材層と共にセラミックカップを形成するセラミック部材から成る石造りの円周壁が設けられる。用語「最内側」は本明細書においては「半径方向における最も内側」のことを言う。前記追加の集合構造体は煉瓦、あるいは好ましくはブロックで建造可能である。セラミックカップの好ましい実施態様において、前記追加の集合構造体のセラミック部材も微孔質セラミック材料を基材としているため、セラミックカップ全体が微孔質材料で形成される。

従来の耐火性セラミック材料は通常微孔質であって、かつ比較的透過性（>１０ナノパーム）である。セラミック材料の透過性を低下させて微孔質を得るために種々方法が既知である。

前記セラミック部材は、好ましくは事前作製部材から作製される。原則として、微孔質は（例えば水硬性アルミン酸カルシウムを用いた）水硬性結合によって得ることができる。水硬性結合を用いる場合、事前作製セラミック部材を、例えばシリコンアルミニウム含有アルミナ高含量粒状材、例えば鋼玉（微量の鉄、チタン、クロムを含む酸化アルミニウム結晶）あるいはシャモット、あるいは紅柱石粒状材、あるいは耐火煉瓦合成ムライトを基材として作製することが可能である。いずれの場合においても、粒子間にある微細粒子によって、高温へ晒された場合であっても安定性を保持する微孔質が付与される。

しかしながら、より好ましくは、別の実施態様に従い、セラミック部材には一度窒素雰囲気下で焼成処理することにより高温耐久性永久微孔質を与える適当な微細添加物が含有される。孔の平均自由幅を減じ、かつ該材料を非浸透性とすることにより、これら処理によってセラミック材料、特にＳｉＡｌＯＮセラミックに対して、例えばアルカリ性物質等による化学的攻撃に対して非窒化セラミック部材よりもさらに高い耐久性を付与することが可能である。大形の微孔質セラミック材料が好ましく、かかる材料は事前作製ブロックを窒素雰囲気下で焼成することによって得ることができる。適当な事前作製ブロックはアルミナ高含量粒状材を基材として用いて作製可能である。しかしながら、より好ましくは、コスト低減及び熱伝導性低下の観点より、上記ブロックを紅柱石あるいはシャモット粒状材、例えばAl₂O₃含量が５５〜６５重量％、とりわけ６０〜６３重量％であるシャモット、あるいは合成ムライトを基材として用いることが可能である。これら種々代替材料により、１４００℃を超える高温でも確実に安定性を保持できる微孔質が与えられると考えられる。好ましくは、事前作製ブロックは、微孔質ＳｉＡｌＯＮ結合セラミック、すなわち元素としての珪素（Ｓｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、酸素（Ｏ）、及び窒素（Ｎ）を含んで成る「セラミック合金」から成る一種のマトリックス（または結合相）が得られるように構成され、グロッグ（焼成前の当初の混合液）中へ適切に投入され、次いで窒素雰囲気下で焼成される。他方、ＳｉＡｌＯＮ結合セラミックは、溶融非鉄金属による濡れ及び腐蝕に耐久性であることが知られており、また鉄系金属の場合、例えば銑鉄製造高炉において有利であることが見出されている。

セラミック部材の実際の使用とは独立したさらに別の観点に従って、上側部分のセラミック部材を、窒素雰囲気下で焼成されたセラミック材料から成り、かつ上面及び下面備え及び該下面に少なくとも１つのブラインドホールが形成された第一部分と、前記ブラインド中に詰め込まれた耐火材から成る第二部分を有する大形サイズのブロックで構成することが可能である。ブラインドホールは、前記第一部分のセラミック材中に位置するいずれかの箇所が前記ブロックの製造に用いられる焼成プロセスによって得られる非浸透化の最大侵入深度よりも低い位置にある前記第一部分表面から一定間隔が置かれるように配置される。実際、このようなブラインドホールによって焼成工程中におけるブロック中へのより十分な窒素の進入及び拡散が可能とされ、かかる特別な設計によって窒素雰囲気下での焼成による微孔質大形ブロック、例えば２００ｘ４００ｘ５００ｍｍ以上の寸法をもつブロックの製造が可能とされ、ブラインドホールは次いでラミング(ramming)材料によって充填される。

既知方式においては、底部ライニングの下側部分は通常カーボン耐火性建造物で構成される。一般的に、前記下側部分には、その底部から頂部まで、ラミング塊、安全グラファイト層、及び熱伝導性カーボン耐火層が含められる。

理解されるように、本発明は、特に高炉の炉床、特にその底部ライニングの建造に適用可能である。

さらに別の観点に従い、前記セラミック部材は矢筈(herringbone)模様パターンに配置される大形セラミックブロックとして構成される。

第一の実施態様に従い、壁ライニングは、前記上側部分と同じ高さにおいて前記矢筈模様パターンの大形セラミックブロックに適合する耐火ブロックによって構成され、該セラミックブロックは耐火ブロックの一つによって壁ライニング周辺の方へ突き出すセラミックブロックの配列あるいは配列群から成っている。

第ニの実施態様に従い、壁ライニングには、前記上側部分と同じ高さにおいて、周辺に並べて配置される耐火ブロックから成る第一環状列が含まれ、及び周辺に並べて配置される微孔質セラミックブロックから成る第二環状列が、耐火ブロックから成る前記第一環状列と矢筈模様パターンに配置される前記大形セラミックブロックの間に配置される。

前記セラミック部材は、同心円状環状列に配置され、それぞれの環状列が周辺に並べて配置される微孔質セラミックブロックから成る大形セラミックブロックであってもよい。前記壁ライニングは、前記上側部分と同じ高さにおいて、周囲に並べて配置される耐火ブロックの環状列から成り、セラミックブロックの外側環状列はラミング材によって壁ライニングの前記環状列へ接合される。

上記実施態様のいずれかにおいて、壁ライニングの耐火ブロックは好ましくはカーボブロックである。

さらに別の実施態様に従い、隣接するセラミックブロック同士間の接合面は、その中心から底部ライニングの周辺の方へ向かって漸進的にさらに全体的に傾斜されることから、いずれのブロックも内側に隣接するブロックを部分的に乗り越えている。好ましくは、前記接合面は内側リングのための平坦な傾斜面であり、及び外側リングのための段状面あるいは湾曲傾斜面とされる。

底部ライニングに大形セラミックブロックを使用する代替例のいずれにおいても、これらブロック間の接合部には特別な配慮が必要である。熱機械的破損を避けるため、セラミックモルタルが充填されるこれらブロック間接合部の厚さは、同心円状ブロックの寸法、すなわち関与する接合部平面に対して垂直方向の隣接ブロックの寸法の０．７〜１．５％、好ましくは０．８〜１．２％とされる。

最後に、本発明は、上記開示の観点とは独立したセラミック部材の製造方法についても提案する。

シリコンアルミニウム含有アルミナ高含量粒状材から成る粒状相と前記粒状材料の粒子を結合させる結合相から成るセラミック耐火材の非浸透化方法には、予備段階として、セラミック部材のマトリックス中にＳｉＡｌＯＮ結合を生成できる適切な比率範囲で元素としての珪素、アルミニウム、酸素及び窒素を含む、例えば粒状紅柱石、あるいはシャモット、あるいは合成ムライトを基材とする非焼成（グリーン）セラミック部材を与える工程が含まれる。次いで、非浸透化は純粋な窒素雰囲気（窒素焼成）中においてこの非焼成（グリーン）セラミック部材を焼成して微孔質セラミック結合相あるいは好ましくは2ナノパーム以下の浸透性をもつマトリックス（粒子間相）とすることによって達成される。提案された窒素雰囲気中での焼成により高温に耐久性な微孔質が得られ、溶融銑鉄に対する実質的な不浸透性が達成される。

この非浸透化方法、すなわち溶融銑鉄に対して実質的に不浸透性とする方法を用いて製造された部材、特に比較的大きなブロックは冶金炉の炉床、とりわけ高炉の炉床の耐火ライニングへの使用に特に適するものである。

窒素雰囲気中での焼成に関連して上述した特徴は、本願において独立に請求されている方法にも適用される。特に、前記一般的方法は、先に述べた炉床の底部ライニングの上側部分に用いられる微孔質セラミック部材の製造にも使用可能であり、従って前記方法は、
−粒状紅柱石、あるいは粒状シャモット、あるいは粒状鋼玉、あるいは粒状合成ムライトから成る事前作製ブロック、及び、珪素、アルミニウム、酸素及び窒素の１または２以上を含んで成る結合相を供する工程、及び
−前記ブロックを窒素雰囲気中で焼成する工程、から構成される。

大形微孔質セラミックブロックの製造において、前記事前作製ブロックは上面と下面を有し、かつ前記下面に少なくとも１個のブラインドホールが形成された大形事前作製ブロックであるため、セラミック材中のいかなる箇所も前記焼成によって得られる非浸透性の最大侵入深度よりも低い位置となるブロック自由面からは一定間隔が置かれる。

特に１または２以上のブラインドホールをとりわけ非焼成部材中に与えることは、大形ブロックの製造にとって有益であると考えられる。

底部ライニングを説明するための高炉炉床の縦断面図である。炉床中、上側部分のセラミック部材は微孔質煉瓦あるいは相対的に小さなブロックで構成される。 底部ライニングを説明するための高炉炉床の縦断面図である。炉床中、上側部分のセラミック部材は微孔質大形ブロックから成る。 大形耐火ブロックの底面図である。ブロックは図２の実施態様で用いられる大形ブロックの製造に特別に適応するものである。 大形耐火ブロックの縦断面図である。ブロックは図２の実施態様で用いられる大形ブロックの製造に特別に適応するものである。 同心円状に配置された大形セラミックブロックから成る、底部ライニングの第一の実施態様の平面図である。 矢筈パターンに配置された大形セラミックブロックから成る、底部ライニングの第二の実施態様の平面図である。壁ライニングのブロックはリング状に配置されている。 矢筈パターンに配置された大形セラミックブロックから成る、底部ライニングの第三の実施態様の平面図である。壁ライニングのブロックは整合型段状デザインに配置されている。 図４に示した底部ライニングの半径方向断面図である。セラミックブロック間の縦方向接合部を異なる例で示している。

発明を実施するための手段

以下に本発明の好ましい実施態様について実施例を用いて図面を参照しながら説明する。
図１は全体として円筒形を呈する高炉（すべてを図示していない）の炉床１０、より詳細には羽口（図示せず）下方の炉床下側部分を示した図である。炉床１０には、１５００℃を超える極めて高温にも耐久性であり、高炉処理によって生成された溶融銑鉄浴を収容する耐火材から成る側部壁ライニング１２及び下方底部ライニング１４が備えられる。壁ライニング１２には最内側となる追加ライニング１６が含まれる。典型的方式では、例えば円筒形殻の周囲外殻１８は壁ライニング１２及び底部ライニング１４を収容かつ機械的に保持するためにスチールで建造される。壁ライニング１２及び底部ライニング１４によって炉床１０の有効容積の側部境界及び下方境界がそれぞれ形成される。図1にさらに示すように、底部ライニング１４は下側部分２０と該下側部分２０上部を覆うように配置される上側部分２２から成る。セラミック材料で建造される場合、上側部分２２はしばしば「セラミックパッド」と呼ばれる。

図１には詳細に示されていないが、下側部分２０はいずれかの従来のカーボン基材構造物から成る。下側部分２０は、底部ライニングの底板から始まって、例えばラミング塊、厚さ約１００〜２００ｍｍの安全グラファイト層、及び熱伝導性炭素質耐火ブロックの２〜３段の重ね合わせから成る厚さ約１ｍのカーボン層とで建造される。

しかしながら、底部ライニング１４の上側部分２２は本発明に従って特別な構造とされる。図１から分かるように、上側部分２２は、従来構造の下側部分２０の上面２６、すなわち上側部分２２がない場合には炉床１０中の浴へ曝露される上面２６を完全に被覆する複数のセラミック部材２４から成る途切れのない水平層から成っている。従って、上側部分２２によって被覆される面は下側部分２０における壁ライニング１２によって周辺範囲が画成されるディスク形状部分に対応している。図１の実施態様において、セラミック部材２４から成る層は、殆どが相対的に小さなブロック、例えば１００ｘ２５０ｘ５００ｍｍを超える寸法をもつ煉瓦あるいはブロックから成り、該ブロックは通常その縦方向軸を垂直方向に向けて配置される石造りの敷石様集合体として建造される。壁ライニング１２へ隣接する境界部分には相対的に小さな部材が使用可能である。より具体的には、上側部分２２は、ずらして配置される２つブロックの重ね合わされた水平段２８，３０から構成される。前記段２８，３０中への部材２４の幾何学的レイアウトは、いずれか公知の適当なタイプ、例えば従来の「矢筈」レイアウトとされる。そのようなセラミック部材２４に加えて、上側部分２２には、従来材料及び構成から成る部材２４と、前記段２８，３０間及び下側段３０と下側部分２０の間の水平セメント接合部との間に位置するセメント基材の縦方向接合部３４，３６が含まれる。段３０の部材に対して段２８の部材２４をずらすことによって、さらに安定な集合体とし、また溶融銑鉄に対する気密性を増大させることができる。上記より理解されるように、前記上側部分２２によって、炉床１０中に収容される浴と従来構造の下方部分２０との間に整然とした途切れのないバリヤあるいは分離帯が形成される。その結果、上側部分２２によって、上側部分２２中（すなわちパッド内）における銑鉄固化等温線の耐久的に維持される位置づけが保証される。さらに、上側部分２２のセラミックバリヤによって、特に炉床１０中の浴が（例えば二酸化炭素の噴出減少によって）カーボンで飽和されていない場合において、下方部分２０中のカーボン耐火材の炭化分解に対する追加的保護が与えられる。

理解されるように、セラミック部材２４のそれぞれは、微孔質セラミック材、すなわち２ナノパーム以下、好ましくは１ナノパーム以下（ＩＳＯ８８４１：１９９１版「高密度形状化された耐火物、ガスに対する透過性の測定」に従った方法を用いてメートル法で測定）の透過性を持つ材料を基材としている。さらに好ましくは、セラミック部材24は本質的に微孔質材料から成り、平均孔幅が２μｍ以下である平均孔を有する（ＤＩＮ６６１３３：「水銀侵入による固体の孔容積分布及び特定表面積の測定」に従った方法を用いて測定）。

耐火性部材２４から成る保護層により、理想的には全炉操業期間中、上側部分２２内における銑鉄固化等温線レベル（例えば１１５０℃）の長期的維持が可能とされる。さらに、理解されるように、従来型セラミックから成る保護層に比較して、提案された微孔質セラミック材料から成る被覆層を伴う上側部分２２によれば、上述したような耐久性レベルの高い固化等温線が与えられる。さらに、微孔質耐火性部材24は摩耗に晒されることが少なく、例えばアルカリ類による化学的攻撃に対する耐久性が向上されるゆえに寿命が長くなる。その結果、下側部分２０の寿命は本発明に従った上側部分２２中の微孔質部材２４の恩恵によって大幅に延長される。

図１からさらに分かるように、壁ライニング１２には最内側に同じく微孔質セラミックから成るセラミック部材３８で作製される追加集合体が設けられる。セラミック部材３８は、セラミック部材２４と共に、両壁ライニング１２及び炉床１０の底部１４の主要耐火建造物を保護する「人工高品質スカル」を与えるセラミックカップ３２を形成可能である。セラミック材によって、従来の耐火材に比較して熱ロスが最小限に抑えられ、セラミックカップが用意された場合、エネルギー効率のより高い操業が可能となることに注意すべきである。セラミック部材24の微孔質品質は、従来のセラミック耐火材に比較して長期の熱伝導性をかなり減少すると予測される。

公知方法、例えば粒状紅玉石（アルミニウムネソケイ酸塩鉱物Ａｌ２Ｓ１Ｏ５）あるいは合成ムライトを基剤とするプレフォーム鋳造ブロックを従来の水圧結合を用いて低透過性である適当な微孔質セラミック部材２４を製造することが可能である。

しかしながら、低熱伝導性及び熱安定性であり、かつ浸透性が例えば１ナノパーム未満と極めて低いセラミック部材２４は、好ましくは窒素雰囲気下で焼成することによって得られる。

セラミック部材２４は、好ましくは窒素雰囲気下での焼成（「窒素焼成」または「窒化物硬化」）の後、高温耐久性かつ永続性微孔質となる適当な細かい添加物を用いて製造される。孔の平均自由幅を減少させること、従って材料を非透過性とすることに加え、この処理により、セラミック材、特にＳｉＡｌＯＮセラミックに、例えばアルカリ物質による化学的攻撃に対して非窒化物材料よりもさらに優れた耐久性が付与される。大形の微孔質セラミック部材２４が好ましく、これは事前作製ブロックの窒素雰囲気下での焼成によって得られる。適する事前作製（グリーン）ブロックはアルミナ高含量粒状材を基材として作製可能である。しかしながら、コスト低減及び熱伝導性の低下の観点から、前記ブロックはより好ましくは紅柱石、合成ムライト、あるいはシャモット粒状材、例えばAl₂O₃含量が５５〜６５重量％、特に６０〜６３重量％の範囲にあるシャモットを基剤として作製可能である。これら３種の代替材料は、炉床中において生ずる１４００℃を超える高温でも高い信頼性をもって安定性を存続できる微孔質を与えると考えられる。好ましくは、前記事前作製ブロックは微孔質のＳｉＡｌＯＮ結合セラミック、すなわち元素としての珪素（Ｓｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、酸素（Ｏ）、及び窒素（Ｎ）を基材とする「セラミック合金」から成り、グログ（焼成前の当初の混合物）中へ適切に投入され、次いで窒素雰囲気下で焼成されるマトリックス（結合相）の一種が得られるように組成化される。他方ＳｉＡｌＯＮ結合されたセラミックは湿潤あるいは溶融非鉄金属による腐蝕に対して耐久性である点において既知である。また、かかるセラミックは鉄を含む金属、例えば銑鉄生産高炉において有利であることが見出されている。

図１において、セラミック部材２４は、例えばAl₂O₃含量がおよそ５５〜６５重量％、特に６０〜６３重量％であり、窒素雰囲気下での焼成によって、すなわち粒状材料の粒子をＳｉＡｌＯＮ結合相で取り囲むことによって非浸透化された事前作製紅柱石基材ブロックから成る。

図２は炉床２１０の代替実施態様を示した図である。この態様では、底部ライニング２１４の上側部分２２の構成は前述した炉床と異なっている。図２において、下側部分２２０はいずれかの従来使用のカーボン基材構造体として構成され、及びセラミック部材２２４は、例えば同じく窒素雰囲気下での焼成によって微孔質ＳｉＡｌＯＮ結合セラミックへ変換された粒状紅柱石、あるいはシャモット、あるいは鋼玉から成る事前作製ブロックから作製される。透過性測定によれば、透過性は２ナノパーム未満である。

理解されるように、図２に模式的に示された耐火性部材２２４から成る層は２段から成り、本質的に通常２０ｄｍ^３を超える容積をもち、寸法が４００ｘ２００ｘ５００ｍｍ（高さ×幅×長さ）より大きく、少なくとも寸法の１つが２００ｍｍを大きく超える、相対的に大形なブロックによって建造される。典型例として、層224は、縦方向の大きさが４００ｍｍ、あるいは５００ｍｍとなるブロックの２段構成とされる。全厚が５００ｍｍ以上であることが推奨されることを考慮して、耐火材層も大形ブロック１段から作製することが可能である。

今まで記載してきた発明とは独立に、本発明では構成材料の全体に亘って高度に均質な微孔質性を有する大形ブロック２２４の形状及び非浸透化方法が提案されている。

図３Ａ−３Ｂには、例えばラミングあるいは振動成形によって形状化された粒状紅柱石を基材とする最適焼成前（グリーン）ブロック３００が示されている。概略平行六面体であるブロック３００には、設置される時の方位として、上面３０２及び対向下面３０４（基部）がある。図３Ａの断面図から分かるように、ブロック３００は成形目的では多少円錐形であることが好ましいブラインドホール３０６をもつように成形される。このブラインドホール３０６は下面３０４中へ開口し、上面３０２より手前で間隔ｄを空けて止まっている。さらに、図３Ｂの背面図にみられるように、大形ブロックには４つのブラインドホール３０６があり（あるいはサイズ及び形状に基づいた他の適する個数）、それらブラインドホールの直径は例えば１０〜５０ｍｍ、典型例としては約２０ｍｍである。ブラインドホール３０６は、ブラインドホール相互及び外面から規則正しい最大間隔ｄで（例えば矩形下面３０２かた対角方向に）分離されるように規則的に配置される。この間隔ｄは、選択された非浸透化プロセスの最大達成可能侵入深度の２倍の長さよりも幾分短い長さに選定される。窒化物硬化を用いる場合、間隔ｄは典型例として１００〜２００ｍｍである。ブラインドホール３０６の存在により、大形ブロックの窒素雰囲気中における均質焼成が可能とされる。大形ブロック３００の窒素雰囲気中での焼成後、多少円錐形を呈するブラインドホール３０６は好ましくはラミングによって閉じられる。好ましいラミング塊として、好ましくはリン酸塩硬化（マトリックス構成成分とのリン酸塩反応による硬化）に適する非焼成ブロックのセラミック材に類似する粒状塊が用いられる。かかるラミング塊によって高温耐久性が付与される。先行技術において周知のブロックの上面上に作られるリフティングホールも効率的な窒化物硬化に関与するものである。

図４〜図６に大形セラミックブロックを用いて作製された本発明に従った底部ライニング３つの代替設計例を示す。

図４に示した第一の好ましい設計では、例えば周辺方向の平均幅が５００ｍｍであるセラミックブロック２２４が壁ライニングの周囲カーボンブロック２のリングに平行に同心円状になるように設計されている。好ましくは同一組成であるセラミックブロックから成る外側リング４は、例えば厚さ５０ｍｍの厚ジョイント３を用いて周囲カーボンブロック２に対して適切に収容されるように設計されている。

図５及び図６に示された設計では、セラミックブロック２２４ａは互いに直交する２方向に配列される。しばしば「矢筈デザイン」と呼ばれるこの設計は多数のブロックへ同一の矩形形状及び寸法を与えるため、従って成形コストを低減するために有利である。

前記周囲カーボンブロック２が図５に示すように円形デザインである場合、円形デザインの中間リング５は、「矢筈パターン」ブロック２２４ａと前記カーボンブロックの間と設けることが推奨される。矢筈パターンの周辺に位置し、かつ中間リング5に隣接するブロック２２４ａ’だけについては特別な形状とすることが必要である。好ましくは、リング５のセラミックブロックは、ブロック２２４ａと同一組成とされるか、あるいはそれより優れる組成とされる。

他方、カーボンブロック２ａが図６に示すように所謂「階段形状平行ビーム」のようにデザインされている場合は、必要とされる厚ジョイント３ａを含めてカーボンブロックへの直接収容が用いられる。なお、セラミックブロック２２４ａの幅はカーボンブロックの幅に適合される。しかしながら、幅の異なるセラミックブロック、例えば幅が半分のセラミックブロック２２４ｂであっても必要であれば使用可能である。

厚ジョイント３ａを用いた周囲カーボンブロック２ａへの収容が確実になるように、セラミックブロック２２４ａ”のいくつかについては、適合しうる長さとすることが必要とされる。

既に述べたように、上記実施例の大形セラミックブロック間のジョイントには特別な配慮が必要である。例えば、図４の同心円状リングのデザインの場合、半径方向のブロックの長さは６００ｍｍである。従って、２つの連続するリング間でジョイント２３４，２３６間の接合の厚さは前記ブロックの長さの１％、すなわち６ｍｍである。

接合部の接合面は図７に示すような平らな傾斜面（３１ａ）、あるいは湾曲傾斜面（３１ｃ）、あるいは段状面（３１ｂ）とすることが可能である。好ましくは、これら接合部は中心から底部ライニングの周辺へ向けて漸進的により全体的に傾斜した接合部とされ、軸Ａに向けられるいずれかのブロックの境界が隣接ブロックの隣接境界部を乗り越えることにより、中心から外側リングの方へ異なるリングを連続してブロックすることによるブロックのよりよい維持に有利な一種のアーチ状効果が得られることが重要である。すべての接合部は上記形状と同じ形状である。図７にカーボンライニングの下側部分２０上方に配置される同心円状リングの異なるリング間にある接合部の非限定的例を示す。炉床軸Ａはこの図の左側に位置している。前記接合部の漸進的傾斜は、ここではほぼ平らな内側リング４ａのブロック間の接合面３１ａによって得られ、中間リング４ｃのブロック間の接合面３１ｃは湾曲傾斜接合面の一例となり、また外側リング４ｂのブロック間の接合面３１ｂは段状接合面の一例である。実際の場合には、底部には湾曲傾斜接合面あるいは段状接合面の双方ではなくいずれか一方が用いられる。

[図１〜２]
１０，２１０：炉床
１２，２１２：壁ライニング
１４，２１４：底部ライニング
１６，２１６：最内側ライニング
１８，２１８：外殻
２０，２２０：下側部分
２２，２２２：上側部分
２４，２２４：セラミック部材
２６，２２６：上面
２８，２２８：第一段
３０，２３０：第二段
３２，２３２：セラミックカップ
３４，２３４：第一接合部
３６，２３６：第二接合部
３８，２３８：最内側セラミック部材
[図３]
３００：非焼成セラミックブロック
３０２：上面
３０４：下面
３０６：ブラインドホール
ｄ：間隔
（＜２ｘ侵入深度）
[図４]
２：カーボンブロック
３：厚接合部
４：外側リング
２３６：セラミック部材
２２４：セラミックブロック
[図５]
２２４ａ：セラミック部材
２：カーボンブロック
３：厚接合部
４：外側リング
２２４ａ’：周辺セラミックブロック
[図６]
２４ａ：セラミックブロック
２ａ：カーボンブロック
３ａ：厚接合部
５：外側リング
２２４ａ”：周辺セラミックブロック
２２４ｂ：半幅セラミックブロック
[図７]
４ａ：内側リング
４ｂ：外側リング
４ｃ：中間リング
３１ａ：平坦傾斜面
３１ｂ：段状面
３１ｃ：湾曲傾斜面

Claims (23)

1. 特に高炉に用いられる冶金炉用炉床（１０；２１０）であって、
   溶融金属を含む浴を収容するために耐火材から作製された壁ライニング（１２；２１２）及び底部ライニング（１４；２１４）からなり、該底部ライニング（１４；２１４）は、下側部分（２０；２２０）及び該下側部分（２０；２２０）を覆うように配置されるセラミック部材（２４；２２４）から成る上側部分（２２；２２２）を有し、
   前記上側部分（２２；２２２）の前記セラミック部材（２４；２２４）は、シリコンアルミニウム含有アルミナ高含量粒状材から成る粒状相と前記粒状材の粒子を結合させるための結合相から成る微孔質セラミック材から成り、該微孔質セラミック材（２４；２２４）の熱伝導率が７Ｗ／ｍ．°Ｋ以下、好ましくは５Ｗ／ｍ．°Ｋ以下であることを特徴とする炉床。
2. 前記壁ライニングによって、前記下側部分のほぼ水平な上面の境界が定められ、及び前記セラミック部材層（２４；２２４）が煉瓦あるいはブロックから成り、かつ前記上面を完全に覆う集合体であることを特徴とする請求項1に記載の炉床。
3. 前記底部ライニング（１４；２１４）の前記下側部分（２０；２２０）が、前記上側部分（２２；２２２）の前記セラミック部材（２４；２２４）で覆われるカーボン耐火層から成ることを特徴とする請求項１または２に記載の炉床。
4. 前記微孔質セラミック材の透過性が２ナノパーム以下、好ましくは１ナノパーム以下であることを特徴とする請求項１に記載の炉床。
5. 前記微孔質セラミック材の平均孔幅が２μｍ以下、好ましくは１μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の炉床。
6. 前記粒状相が、紅柱石、シャモット、鋼玉、合成ムライトの１または２以上から成ることを特徴とする請求項１に記載の炉床。
7. 前記粒状相が、Al₂O₃含量が５５〜６５重量％、好ましくは６０〜６３重量％である粒状紅柱石から成ることを特徴とする請求項６に記載の炉床。
8. 前記結合相が窒化結合から成ることを特徴とする請求項１に記載の炉床。
9. 前記結合相が、ＳｉＡｌＯＮ結合を生成できる適当な範囲内の比率で、珪素、アルミニウム、酸素及び窒素を基材として成ることを特徴とする請求項８に記載の炉床。
10. 前記セラミック部材は大形ブロック（２２４）であり、第一部分（３００）と第二部分と有し、該第一部分（３００）は、窒素雰囲気中で焼成されたセラミック材から成り、かつ上面（３０２）及び下面（３０４）を有し、該下面にはブラインドホールを有し、該第二部分は前記ブラインドホール中に詰め込まれた耐火材であり、前記ブラインドホールは前記第一部分のセラミック材中に位置するいずれかの箇所も前記第一部分の表面から前記ブロックの製造に用いられる焼成プロセスによって達成される非浸透化の最大侵入深度よりも低い一定間隔が置かれるように配置されることを特徴とする請求項２に記載の炉床。
11. 前記セラミック部材が、矢筈パターンに配置される大形セラミックブロック（２２４ａ）であることを特徴とする請求項2に記載の炉床（１０；２１０）。
12. 前記壁ライニングが、前記上側部分と同じ高さにおいて、前記矢筈パターンになっている前記大形セラミックブロック（２２４ａ）に適合する耐火ブロック（２ａ）から成り、セラミックブロックの各列あるいは列群が１個の前記耐火ブロック（２ａ）によって壁ライニングの周辺へ向けて突き出されていることを特徴とする請求項１１に記載の炉床（１０；２１０）。
13. 前記壁ライニングが、前記上側部分と同じ高さにおいて、周辺に並べて配置される第一環状耐火ブロック列と周辺に並べて配置される第二環状微孔質セラミックブロック列から成り、第一環状耐火ブロック列と矢筈パターンに配置される大形セラミックブロック（２２４ａ）との間に配置されることを特徴とする請求項１１に記載の炉床（１０；２１０）。
14. 前記壁ライニングは、前記上側部分と同じ高さにおいて、周辺に並べて配置される第一環状耐火ブロック列（２ａ）から成り、及びセラミック部材は、前記環状列のそれぞれが周辺に並べて配置される微孔質セラミックブロックから成る同心円状環状列に配置される大形セラミックブロック（２２４）であり、及びセラミックブロックの外側環状列（４）はラミング材（３）によって第一環状列へ接合されることを特徴とする請求項２に記載の炉床（１０；２１０）。
15. 前記耐火ブロック（２ａ）がカーボンブロックであることを特徴とする請求項１２〜１４のいずれかに記載の炉床（１０；２１０）。
16. 隣接するセラミックブロック間の接合面（３１ａ，３１ｂ，３１ｃ）がその中心から底部ライニングの周辺の方へ向けて漸進的により全体に傾斜しているため、いずれのブロックも内側に隣接するブロックが部分的に取り囲んでいることを特徴とする請求項１４に記載の炉床（１０；２１０）。
17. 前記接合面が平坦傾斜面（３１ａ）、あるいは湾曲傾斜面（３１ｃ）、あるいは段状面（３１ｂ）であることを特徴とする請求項１４または１６に記載の炉床（１０；２１０）。
18. 前記セラミック部材（２４；２２４）は、大形セラミックブロック間においてセラミックモルタルで閉じられた接合部（２３４，２３６）を有する大形セラミックブロックであり、いずれかの隣接ブロック間の接合部の幅が、該接合方向に対して垂直方向に測定される該隣接ブロックの寸法の０．７〜１．５％、好ましくは０．８〜１．２％であることを特徴とする請求項２に記載の炉床（１０；２１０）。
19. 請求項１〜１８のいずれかに記載の炉床（１０；２１０）を備えて構成される高炉。
20. 粒状紅柱石、粒状シャモット、粒状鋼玉、あるいは合成ムライトあるいは珪素、アルミニウム、酸素及び窒素の１または２以上を含んで成る結合相からなる事前作製ブロックを用意する工程、及び
    窒素雰囲気中において前記ブロックを焼成する工程から構成される、請求項１に記載の炉床の底部ライニングの上側部分（２２；２２２）に使用可能な微孔質セラミック部材の製造方法。
21. 前記事前作製ブロックは上面（３０２）及び下面（３０４）を有する大形事前作製ブロック（３００）であり、かつ該下面に少なくとも１個のブラインドホール（３０６）が形成されているため、セラミック材のほぼいかなる箇所も、前記焼成によって得られた非浸透化の最大侵入深度よりも低いブロックの自由面から一定間隔が置かれるようになっていることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
22. −アルミナ高含量凝集体または紅柱石、あるいは耐火粘土合成ムライト凝集体から成る事前作製ブロックを供する工程、及び
    −前記事前作製ブロックの水圧結合工程から構成される、請求項１に記載の炉床の底部ライニングの上側部分（２２；２２２）において使用可能な微孔質セラミック部材の製造方法。
23. −好ましくは結合相中に元素としての珪素、アルミニウム、酸素及び窒素を含む粒状紅柱石、あるいはシャモット、あるいは鋼玉、あるいは合成ムライトを基材とする非焼成セラミック部材（３００）を供する工程、及び
    −窒素雰囲気中において非焼成（グリーン）セラミック部材（３００）を焼成して好ましくは透過性が２ナノパーム以下である微孔質セラミック結合相を含むセラミック部材とする工程から構成される、シリコンアルミニウム含有アルミナ高含量粒状材から成る粒状相と前記粒状材の粒子を結合させる結合相から成るセラミック耐火材の非浸透化方法。

Images