JP2021152425A

JP2021152425A - 溶融金属容器

Info

Publication number: JP2021152425A
Application number: JP2020052685A
Authority: JP
Inventors: 紗希豊田; Saki Toyoda
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2020-03-24
Filing date: 2020-03-24
Publication date: 2021-09-30

Abstract

【課題】通常の使用時における耐火物ライニングの膨張挙動を想定することによって、耐火物ライニングにおける目地部の先行損耗を効果的に防止する。【解決手段】外殻を構成する鉄皮と、鉄皮の内面に沿って配置される耐火れんが、および耐火れんがの隙間を埋める目地材を含む耐火物ライニングとを備える溶融金属容器であって、溶融金属が収容された使用時の温度において、鉄皮の熱膨張率αｉ、耐火れんがの熱膨張率αｂ、目地材の熱膨張率αｍ、目地材の可縮率Ｓおよび耐火物ライニングの内面における耐火れんがの面積割合ｒが、以下の式（ｉ）を満たす、溶融金属容器が提供される。【選択図】図１

Description

本発明は、溶融金属容器に関する。

混銑車などの溶融金属容器では、鉄皮の内面に耐火れんがおよび目地材からなる耐火物ライニングが施工される。このような耐火物ライニングでは、冷却時の目地の隙間発生による地金差しや加熱時の迫り合いによる目地材の割れ等により、目地部近傍の先行損耗の問題がある。目地部近傍の耐火れんがが先行損耗して局所的に厚みが小さくなり、耐火物ライニングが断面蒲鉾状に溶損すると、本来の耐火れんがの性能が発揮されない。

このような問題に対して、特許文献１では、耐火れんがにおいてアルミナ・炭化珪素・炭素質耐火物のアルミナ質原料に代えてシリマナイト原料を使用し、さらに、シリカまたはシリカ・アルミナ質原料を使用することによって、従来のアルミナ・炭化珪素・炭素質耐火物に比し耐食性を大幅に低下させることなく、熱膨張性と残存膨張性を付与する技術が記載されている。

また、特許文献２には、所定割合のマグネシア、アルミナおよび炭素、ならびに結合剤からなる配合物を混練、成形した後、１２００℃以下で加熱処理して耐火れんがを製造することによって、残存膨張率が小さいために使用中に目地開きを生じてれんがの脱落または目地部の先行損耗が生じるという従来の耐火れんがの欠点を改善する技術が記載されている。

特開平５−１３９８２２号公報特開昭５６−６３８６８号公報

しかしながら、上記の特許文献１および特許文献２に記載されたような技術を適用しても、使用条件によっては目地部近傍の先行損耗が改善されない場合があった。その理由の１つとして、上記の技術が冷却時の目地の隙間発生による地金差しや、加熱時の迫り合いによる割れ等の極端な場合の損耗メカニズムを想定したものであることが考えられる。

そこで、本発明は、通常の使用時における耐火物ライニングの膨張挙動を想定することによって、耐火物ライニングにおける目地部の先行損耗を効果的に防止することが可能な溶融金属容器を提供することを目的とする。

混銑車などの溶融金属容器に溶融金属を収容すると、内張りの耐火物ライニングを構成する耐火れんがが膨張する。耐火れんがの端部変位は鉄皮によって拘束されるため、耐火れんがが膨張するとその隙間を埋める目地材が圧縮される。ここで、目地材は圧縮されない状態では内部に空隙を多く有し、圧縮されると空隙が減少して収縮する。本発明者らは、冷却時の目地隙間や加熱時の迫り合いによる割れ等が発生しない状態でも目地部近傍の先行損耗が改善されない原因は、通常の使用時における目地材の収縮量が小さく、目地材の内部に空隙が多く残っているために目地部にスラグが浸透していくことにあると考えた。

本発明によれば、外殻を構成する鉄皮と、鉄皮の内面に沿って配置される耐火れんが、および耐火れんがの隙間を埋める目地材を含む耐火物ライニングとを備える溶融金属容器であって、溶融金属が収容された使用時の温度において、鉄皮の熱膨張率α_ｉ、耐火れんがの熱膨張率α_ｂ、目地材の熱膨張率α_ｍ、目地材の可縮率Ｓおよび耐火物ライニングの内面における耐火れんがの面積割合ｒが、以下の式（ｉ）を満たす、溶融金属容器が提供される。

上記の構成によれば、溶融金属容器の使用時において目地材が十分に収縮した状態まで圧縮されるため、目地部へのスラグの浸透が抑制され、目地部の先行損耗を効果的に防止することができる。

本発明における条件の導出過程について説明するための図である。目地材の可縮率の測定方法について説明するための図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

本発明では、使用時における目地材の収縮量が小さく、目地材の内部に空隙が多く残っているために目地部にスラグが浸透していくという考え方に基づき、使用時において目地材が十分に収縮した状態、すなわち目地材が後述する可縮率まで圧縮される条件を特定することによって、目地部へのスラグの浸透を抑制し、目地部の先行損耗を効果的に防止する。

図１は、本発明における条件の導出過程について説明するための図である。図１（ｉ）は、常温における鉄皮１の状態を表している。常温における鉄皮１の内寸をＬとする。図１（ii）は溶融金属が収容された使用時の温度において鉄皮１が膨張した状態を表している。この状態での鉄皮１の内寸Ａは、使用時温度における鉄皮１の熱膨張率α_ｉを用いて式（１）で表される。ここで、鉄皮１の使用時温度は、耐火物ライニングの厚みや熱伝導率が同程度の溶融金属容器に溶融金属を収容したときに測定される鉄皮温度から特定することができる。

図１（iii）は、常温で耐火れんが２を鉄皮１の内面に沿って配置し、目地材３で耐火れんが２の隙間を埋めて耐火物ライニングを構築した状態を表している。この状態で、耐火物ライニングの寸法は鉄皮１の内寸と同じＬになる。図１（iv）は、溶融金属が収容された使用時の温度において耐火物ライニングが鉄皮１の拘束を受けずに自由に膨張した状態を表している。ここで、耐火物ライニングの使用時温度は、溶融金属の温度にほぼ等しく、鉄皮１の使用時温度よりも高い。この状態での耐火物ライニングの寸法Ｂは、使用時温度における耐火れんが２の熱膨張率α_ｂおよび目地材の熱膨張率α_ｍ、ならびに耐火物ライニングの内面における耐火れんが２の面積割合ｒを用いて式（２）で表される。

耐火物ライニングの内面における耐火れんが２の面積割合ｒは、図１に示されたように両端の変位が鉄皮１によって拘束される方向における耐火れんが２と目地材３との寸法比として算出される。具体的には、面積割合ｒは、上記の方向における耐火れんが２の長さｌ_ｂ［ｍｍ］および目地材３の施工厚みｌ_ｍ［ｍｍ］、ならびに両側を鉄皮１によって拘束された区間に配置される耐火れんが２の数ｎ_ｂおよび目地部の数ｎ_ｍを用いて式（３）で表される。

図１（ｖ）は、図１（iv）の状態から目地材３のみが可縮率Ｓまで圧縮された状態を表している。上述の通り、目地材３は圧縮されると空隙が減少して収縮する性質をもっており、十分に収縮していない状態では目地材３を圧縮しても応力は発生しない。目地材３が十分に収縮し、圧縮すると応力が発生する状態にあるときの収縮率を可縮率Ｓとする。図１に示された区間において目地材３が可縮率Ｓまで圧縮されたときの収縮量Ｃは、式（４）で表される。

ここで、図２を参照して、目地材の可縮率の測定方法について説明する。まず、図２（ｉ）に示されるように、耐火れんが２を直径５０ｍｍ、高さ１０ｍｍの円板状に４枚作製する。本測定における耐火れんがには、残存線変化率（耐火物を定められた温度で定められた時間加熱した後，常温になったときの長さの最初の長さに対する百分率）の絶対値が０．５％以下であるものを用いる。目地材３を直径５０ｍｍの接着面に塗布し、実際の溶融金属容器における目地材３の施工厚み（式（３）における施工厚みｌ_ｍ）と同じ厚みの目地を含む試験片を作製する。その後、２４時間自然乾燥を行い、さらに１１０℃の乾燥装置で１０時間乾燥し、冷却後に、試験片の全高Ｈ［ｍｍ］を測定する。次に、図２（ii）に示されるように、試験片を電気炉内の加圧台座にセットし、炉内にＡｒガスを流入し、室温で目地の厚み方向に７ＭＰａの圧力を加えた状態で５℃／ｍｉｎで使用時温度（例えば、１５００℃）まで昇温する。使用時温度に到達して３０分間保持した後、加熱電源を切り、試験片を荷重状態から解放し、冷却する。その後、図２（iii）に示すように加圧後の試験片の全高ｈ［ｍｍ］を測定する。ここで、耐火れんが２の高さはほとんど変化しないため、加熱圧縮の前後における試験片の全高Ｈ，ｈの差は、目地材３が加熱および圧縮によって可縮率Ｓまで収縮したときの収縮量とみなすことができる。つまり、可縮率Ｓは、上記の試験の結果から式（５）によって算出される。

以上より、溶融金属容器において、溶融金属が収容された使用時に目地材３が可縮率Ｓまで圧縮される条件を特定することができる。その条件は、上記で図１を参照して説明したＡ，Ｂ，Ｃについて、式（６）の関係が成り立つことである。Ａは使用時温度における鉄皮１の内寸であり、Ｂは使用時温度において鉄皮１による拘束がなかった場合に膨張した耐火物ライニング（耐火れんが２および目地材３）の寸法であり、Ｃは目地材３が可縮率Ｓまで収縮したときの収縮量である。

式（６）は、使用時温度で膨張しようとする耐火物ライニングが鉄皮１に拘束されることによる圧縮量（Ｂ−Ａ）が、目地材３が可縮率Ｓまで収縮したときの収縮量Ｃを上回ることを意味する。耐火れんが２は収縮しないため、圧縮量（Ｂ−Ａ）が収縮量Ｃを上回っていれば、目地材３は可縮率Ｓまで収縮して応力が発生しており、空隙が残っていないために目地部へのスラグの浸透が抑制される。式（６）に式（１）、式（２）、式（４）を代入して、Ｌを消去し、すべての項を左辺に移項すると、式（７）が導出される。

一方、式（６）でＢ−Ａ≫Ｃ、すなわち圧縮量（Ｂ−Ａ）が過大になると、耐火れんが同士のせり合いが強くなり、応力が耐火れんがの圧縮強度を超えて割れる可能性がある。従って、式（７）の条件では下限に加えて上限を規定する必要がある。実験の結果、式（７）の左辺の値の上限を５０未満とすることで耐火れんがの割れが発生しないことが確認されたため、以下の式（８）が最終的な条件式になる。

溶銑を収容する混銑車において、本発明の効果を検証した。各実施例および比較例の条件は表１に示す通りである。耐火れんがの熱膨張率は、ＪＩＳＲ２２０７−１に準拠して測定した。目地材の熱膨張率は、ＪＩＳＲ２５０６に準拠して目地材の稠度が３００〜３５０となるように水を加えてよく練り混ぜ、成形型に詰めて２４時間自然乾燥した後１１０℃の乾燥によって十分に乾燥した後に、耐火れんがと同じ方法で測定した。耐火れんがおよび目地材からなる耐火物ライニングについては、使用時温度は溶銑温度と同一とみなし、溶銑温度１５００℃における熱膨張率を算出した。鉄皮については、溶銑を収容した際に測定された鉄皮温度２００℃における熱膨張率を算出した。目地材の可縮率は使用時温度１５００℃で前述した方法により算出した。溶損速度指数は、混銑車の稼働開始から３か月が経過した時点で目地部の最小残寸を測定し、初期寸法から最小残寸を引いた溶損量を稼働期間中の受銑回数で除した溶損速度を、比較例１を１００として指数換算したものである。判定は、溶損速度指数が比較例１の１００より小さい場合は○、１００より大きい場合は×とした。

表１に示されるように、上記の式（８）の中辺の値が０より大きく５０未満である実施例１〜実施例３では、式（８）の中辺の値が０以下である比較例１〜比較例３に比べて溶損速度指数が小さい。この結果から、上記で説明したように、式（８）の中辺の値を０よりも大きくすることによって使用時の目地部へのスラグの浸透が抑制され、目地部の先行損耗が効果的に防止されていることがわかる。一方、式（８）の中辺の値が５０である比較例４では、目地部にかかる応力が過剰に発生したために耐火れんがに割れ損傷が発生し、溶損速度指数が１００よりも大きくなった。この結果から、上記の式（８）の中辺の値は５０未満にする必要があることがわかる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１…鉄皮、２…耐火れんが、３…目地材。

Claims

外殻を構成する鉄皮と、
前記鉄皮の内面に沿って配置される耐火れんが、および前記耐火れんがの隙間を埋める目地材を含む耐火物ライニングと
を備える溶融金属容器であって、
溶融金属が収容された使用時の温度において、前記鉄皮の熱膨張率α_ｉ、前記耐火れんがの熱膨張率α_ｂ、前記目地材の熱膨張率α_ｍ、前記目地材の可縮率Ｓおよび前記耐火物ライニングの内面における前記耐火れんがの面積割合ｒが、以下の式（ｉ）を満たす、溶融金属容器。