JP2015210037A - 耐火物のサンプル採取方法、耐火物の分析方法、および耐火物のサンプル - Google Patents

Abstract

【課題】炉の稼働停止後に回収された耐火物から、構造スポーリングに関する分析に適したサンプルを適切に得る。【解決手段】炉１の稼働初期に耐火物１２の温度を測定して実測値を得る工程と、炉１の稼働初期における耐火物１２の厚み条件下で、伝熱計算により求められる耐火物１２の厚み方向の初期温度分布が実測値に合致するように、炉体１０の熱境界条件を求める工程と、炉１の稼働停止後における耐火物１０の厚み条件下で、熱境界条件を用いた伝熱計算により耐火物１２の厚み方向の末期温度分布を求める工程と、末期温度分布に基づいて、耐火物１２に構造スポーリングを発生させ得る炉内成分の中で融点が最も高い成分の融点以上となっている浸透領域を求める工程と、耐火物１２の浸透領域からサンプルを採取する工程と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、炉の稼働停止後に、炉体に施された耐火物から構造スポーリングの分析に適したサンプルを採取するサンプル採取方法、当該方法により採取されたサンプルを用いた耐火物の分析方法、および当該方法により採取されたサンプルに関するものである。

炉体に施される耐火物の損耗には様々な要因がある。例えば、炉内成分が耐火物へ浸透して耐火物の成分と反応することにより生じる構造スポーリング、耐火物が拘束条件下で熱膨張することで生じる熱応力に起因する機械的スポーリング、溶湯との接触などによる急激な温度変化により耐火物内で生じる熱膨張差に起因する熱スポーリングなどがある。

このうち、構造スポーリングに関する対策を検討するためには、どのような炉内成分が耐火物へ浸透し、どのような耐火物の成分と反応しているのかを分析することが必要である。そこで、炉の稼働停止後に耐火物を回収してサンプルを採取し、これをSEM/EDX（走査型電子顕微鏡／エネルギー分散型Ｘ線分光法）、EPMA（電子線マイクロアナライザ）、SIMS（二次イオン質量分析計）などにより分析することが行われている。そして、分析結果に基づいて、構造スポーリングに寄与する炉内成分を低減できるように炉の稼働条件を変更したり、当該炉内成分と反応しにくい材料で耐火物を作製したりすることで、構造スポーリングの発生を抑制し、炉の寿命を向上させることが試みられている。

ところで、耐火物は厚み方向に温度分布を有しており、炉の稼働中は炉外側に向かうほど温度が低くなる傾向がある。このため、耐火物の部位によっては、構造スポーリングを発生させ得る炉内成分が溶解状態で浸透するほどには、十分に高温になっていない場合がある。このような部位からサンプルを採取しても、上記炉内成分は検出されず、構造スポーリングに関する適切な対策を検討することができない。したがって、炉の稼働時における耐火物の温度分布を把握し、上記炉内成分の融点よりも温度が高くなっている領域、すなわち、上記炉内成分が融解状態で浸透していたと考えられる領域から、耐火物のサンプルを採取することが重要である。

耐火物の温度分布を把握するためには、例えば熱電対などの温度測定手段を耐火物に埋め込んでおくことが考えられる。また、炉が稼働している間、耐火物の厚みは損耗により徐々に減少するため、炉の稼働停止後における耐火物の厚み条件下（炉の稼働末期における厚み条件下）での温度分布が必要となる。しかしながら、炉の稼働末期までの長期間、温度測定手段を用いて高温環境下で測定を継続することは極めて困難である。そのため、炉の稼働停止後に回収された耐火物から、構造スポーリングに関する分析に適したサンプルを適切に採取することのできる方法が求められていた。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、炉の稼働停止後に回収された耐火物から、構造スポーリングに関する分析に適したサンプルを適切に得ることを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、炉の稼働停止後に、炉体に施された耐火物からサンプルを採取する、耐火物のサンプル採取方法であって、前記炉の稼働初期に前記耐火物の温度を測定して実測値を得る工程と、前記炉の稼働初期における前記耐火物の厚み条件下で、伝熱計算により求められる前記耐火物の厚み方向の初期温度分布が前記実測値に合致するように、前記炉体の熱境界条件を求める工程と、前記炉の稼働停止後における前記耐火物の厚み条件下で、前記熱境界条件を用いた伝熱計算により前記耐火物の厚み方向の末期温度分布を求める工程と、前記末期温度分布に基づいて、前記耐火物に構造スポーリングを発生させ得る炉内成分の中で融点が最も高い成分の融点以上となっている浸透領域を求める工程と、前記耐火物の前記浸透領域から前記サンプルを採取する工程と、を備えることを特徴とする。

本発明では、炉の稼働初期における耐火物の厚み条件下で、炉の稼働初期に測定した温度の実測値と合致するように、炉体の熱境界条件が求められる。次に、この熱境界条件を用いて、炉の稼働停止後の耐火物の厚み条件下で、温度分布（末期温度分布）が求められる。そして、末期温度分布から、構造スポーリングを発生させ得る炉内成分の中で最も融点が高い成分の融点以上となっている領域（浸透領域）が求められる。この浸透領域においては、炉の稼働中に、構造スポーリングを発生させ得るすべての炉内成分が融解状態で浸透していたと考えられる。したがって、浸透領域から耐火物のサンプルを採取することで、構造スポーリングに関する分析に適したサンプルを適切に得ることができる。

本発明の実施形態にかかる炉を模式的に示す縦断面図である。 溶湯と耐火物との間の熱伝達係数を変化させたときの耐火物の温度分布の計算結果を示すグラフである。 耐火物の初期温度分布の計算結果を示すグラフである。 耐火物の末期温度分布の計算結果を示すグラフである。

［実施形態］
以下、本発明にかかる耐火物のサンプル採取方法の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、金属の精錬工程の反応炉に施された耐火物から、構造スポーリングに関する分析に適したサンプルを採取する場合について説明する。ただし、炉の種類や構成、耐火物の材料や寸法等は、本実施形態に示すものに限定されない。

（炉の概要）
図１に示すように、反応炉１（以下、単に「炉」と称する）は、鋼板製の鉄皮１１に耐火物１２が内張りされた炉体１０の内部に、金属の溶湯Ｍが収容された構成となっている。耐火物１２は、炉内成分（溶湯Ｍに含まれる成分）に対する耐性とコスト面を考慮して、Ａｌ₂Ｏ₃（酸化アルミニウム）やＳｉＯ₂（二酸化ケイ素）を主成分とする材料で作製されている。耐火物１２は、炉１の稼働に伴って徐々に損耗し、使用限界まで減肉したと判断された時点で、解体して再施工される。

炉１の寿命を向上させるためには、耐火物１２の損耗速度を低減させることが不可欠である。本実施形態で使用した炉１では、稼働初期時点の耐火物１２の厚みは５００ｍｍであったが、稼働停止後に回収した耐火物１２の厚みは損耗により２００ｍｍまで減少していた。なお、鉄皮１１の厚みは１０．７ｍｍで一定である。既述のように、耐火物１２の損耗には様々な要因があるが、ここでは、炉内成分が耐火物１２へ浸透し、耐火物１２の成分と反応することにより生じる構造スポーリングを抑制することで、炉１の寿命を向上させることを検討する。

（初期温度の測定）
本実施形態では、炉１の稼働前に耐火物１２に熱電対を埋め込んで、炉１の稼働初期における耐火物１２の温度を測定した。測定位置は、溶湯Ｍと耐火物１２との界面（以下、「稼働面」と称する）から６０ｍｍ、４００ｍｍ、４５０ｍｍの位置とした。また、鉄皮１１の外面にも熱電対を設置した。熱電対は、耐火物１２の残厚が２００ｍｍとなる炉１の稼働末期まで使用することは極めて困難であるが、炉１の稼働初期であれば問題なく温度測定に用いることができる。なお、温度測定手段としては、熱電対以外のものを使用してもよい。

（初期温度分布の算出）
上述のように、炉１の稼働初期に耐火物１２の温度を測定して実測値を得る一方で、炉１の稼働初期における耐火物１２の厚み条件下（厚みが５００ｍｍの条件下）で、定常伝熱計算により耐火物１２の厚み方向の温度分布を計算した。

伝熱計算の際、炉体１０の熱境界条件（炉内温度、炉外温度、熱伝達係数など）を設定する必要があるが、溶湯Ｍの流れや耐火物１２の稼働面での濡れ性が明確でなかったため、溶湯Ｍと耐火物１２との間の熱伝達係数は未知のパラメータとした。そして、このパラメータを、１Ｗ／ｍ²Ｋ、１０Ｗ／ｍ²Ｋ、１００Ｗ／ｍ²Ｋ、１０００Ｗ／ｍ²Ｋ、２５００Ｗ／ｍ²Ｋと仮定した場合について温度分布を求めた。その結果を図２に示す。なお、鉄皮１２と炉外との間の熱伝達係数は、冷却水の流量に基づいて一律に６６０Ｗ／ｍ²Ｋとした。

図２から明らかなように、溶湯Ｍと耐火物１２との間の熱伝達係数が大きくなるほど、溶湯Ｍから耐火物１２への流入熱量が増加し、耐火物１２の温度が高くなる。ただし、熱伝達係数が１００Ｗ／ｍ²Ｋ以上のケースでは、結果にほとんど差はなかった。なお、図２では１０００Ｗ／ｍ²Ｋ、２５００Ｗ／ｍ²Ｋの場合の温度分布を区別して図示できなかったので、両者を同じグラフで表している。

（熱境界条件の算出）
次に、熱電対による温度の実測値（図３に黒丸で示す）と合致するように、溶湯Ｍと耐火物１２との間の熱伝達係数を合わせ込んで求めた温度分布を図３に示す。こうして計算された温度分布は、炉１の稼働初期における耐火物１２の厚み条件下で求められた「初期温度分布」である。なお、本実施形態では、鉄皮１２と炉外との間の熱伝達係数は６６０Ｗ／ｍ²Ｋとしたが、この熱伝達係数を未知のパラメータとし、これについても実測値に基づいて合わせ込みを行うようにしてもよい。また、炉体１０の熱境界条件として、熱伝達係数以外の物理量を求めるようにしてもよい。

（末期温度分布の算出）
ここで、炉１の稼働停止後に耐火物１２を回収してサンプルを採取する場合には、炉１の稼働停止後における耐火物１２の厚み条件下（厚みが２００ｍｍの条件下）で求められる「末期温度分布」に基づいて、サンプルを採取する領域を決定する必要がある。しかしながら、熱電対などの温度測定手段を、耐火物１２の残厚が２００ｍｍとなる炉１の稼働末期まで使用することは極めて困難である。

そこで、炉１の稼働停止後における耐火物１２の厚み条件下で、定常伝熱計算により耐火物１２の厚み方向の温度分布を計算した。このとき、炉体１０の熱境界条件として、溶湯Ｍと耐火物１２との間の熱伝達係数、および鉄皮１２と炉外との間の熱伝達係数ともに、初期温度分布の算出時と同様とした。こうして求められた炉１の稼働末期における耐火物１２の温度分布（末期温度分布）を図４に示す。

（浸透領域の算出）
続いて、上で求めた末期温度分布に基づいて、耐火物１２に構造スポーリングを発生させる可能性のある炉内成分が融解状態で浸透していたと考えられる領域（浸透領域）を求めた。本実施形態では、耐火物１２に構造スポーリングを発生させる可能性のある炉内成分として、表１に示す３種類の塩化物を対象とした。

仮に、炉１の稼働時にいずれかの塩化物の融点を上回る温度にならなかった領域から耐火物１２のサンプルを採取した場合、その塩化物が浸透していないサンプルで分析を行うことになり、実際の炉１で生じている現象を見落とすおそれがある。つまり、構造スポーリングに関する分析を適切に行うためには、表１の塩化物のすべてが融解状態で浸透していたと考えられる領域、換言すると、炉１の稼働時に、表１の塩化物の中で最も融点が高いＸＣｌの融点９６２℃以上となっていた領域から、耐火物１２のサンプルを採取する必要がある。

図４に示した末期温度分布から、耐火物１２の温度が９６２℃以上となっている厚み方向における領域（浸透領域）を求めた結果、稼働面から６７ｍｍ以内の範囲が浸透領域であることが明らかとなった。浸透領域においては、炉１の稼働時に、表１に示すすべての塩化物が融解状態で浸透していたと考えられる。このため、浸透領域からサンプルを採取することで、実際の炉１で生じている現象を見落とすことなく、構造スポーリングに関する分析を適切に行うことができる。

（効果の検証）
炉１の稼働停止後に回収した耐火物１２の複数の部位からサンプルを採取し、SEM/EDX（走査型電子顕微鏡／エネルギー分散型Ｘ線分光法）による元素マッピングを実行し、サンプルに含まれる元素を分析した。その結果は、表２に示すとおりである。

表２に示す結果から、耐火物１２の稼働面から６０ｍｍ以内の範囲では、炉内より浸透したと考えられるＸ、Ｙ、ＺおよびＣｌの存在を確認した。一方、稼働面から８０ｍｍ離れた部位ではＸが、１００ｍｍ離れた部位ではＸ、Ｙが、１２０ｍｍ以上離れた部位ではＸ、Ｙ、Ｚすべての存在が確認できない結果となった。この結果は、末期温度分布に基づいて求めた浸透領域（稼働面から６７ｍｍ以内の領域）では、Ｘ、Ｙ、Ｚすべての塩化物が浸透していることを裏付けるものであり、耐火物１２の浸透領域から得たサンプルが、構造スポーリングに関する分析に適したものであることが検証された。

さらに、耐火物１２の浸透領域から採取したサンプルの分析を進めると、特定の微量塩化物と耐火物１２に含まれる不純物の存在が構造スポーリングの原因であることが明らかとなった。この分析結果をもとに耐火物１２の材質を改善し、実炉テストを行った結果、耐火物１２の損耗速度が１／２以下となり、炉１の寿命を向上させることができた。

［その他の実施形態］
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上記実施形態の要素を適宜組み合わせまたは種々の変更を加えることが可能である。

例えば、上記実施形態では、構造スポーリングを発生させ得る炉内成分として塩化物を対象とした場合について説明したが、他の物質を対象とすることも可能である。

また、上記実施形態では、溶湯Ｍと耐火物１２との間の熱伝達係数を未知のパラメータとし、このパラメータを変化させたときの複数の温度分布に基づいて、実測値への合わせ込みを行った。しかしながら、パラメータを変化させて複数の温度分布を求めることは必須ではなく、この過程を省略することも可能である。

１ 炉
１０ 炉体
１２ 耐火物

Claims (3)

1. 炉の稼働停止後に、炉体に施された耐火物からサンプルを採取する、耐火物のサンプル採取方法であって、
   前記炉の稼働初期に前記耐火物の温度を測定して実測値を得る工程と、
   前記炉の稼働初期における前記耐火物の厚み条件下で、伝熱計算により求められる前記耐火物の厚み方向の初期温度分布が前記実測値に合致するように、前記炉体の熱境界条件を求める工程と、
   前記炉の稼働停止後における前記耐火物の厚み条件下で、前記熱境界条件を用いた伝熱計算により前記耐火物の厚み方向の末期温度分布を求める工程と、
   前記末期温度分布に基づいて、前記耐火物に構造スポーリングを発生させ得る炉内成分の中で融点が最も高い成分の融点以上となっている浸透領域を求める工程と、
   前記耐火物の前記浸透領域から前記サンプルを採取する工程と、
   を備えることを特徴とする耐火物のサンプル採取方法。
2. 請求項１に記載の耐火物のサンプル採取方法によって採取された前記サンプルに対して構造スポーリングに関する分析を行う耐火物の分析方法。
3. 請求項１に記載の耐火物のサンプル採取方法によって採取された耐火物のサンプル。