JP2024073212A - 溶鉱炉出銑孔閉塞用マッド材 - Google Patents

Abstract

【課題】耐食性と開孔性に優れる溶鉱炉出銑孔閉塞用マッド材を提供すること。
【解決手段】使用後アルミナショットブラスト粉を含むことを特徴とする溶鉱炉出銑孔閉塞用マッド材。
【選択図】なし

Description

本発明は、溶鉱炉出銑孔閉塞用マッド材に関する。

溶鉱炉出銑孔閉塞用マッド材とは、溶鉱炉の出銑孔を充填・閉塞するために用いられる粘土状の材料である。鉄の製造における製銑工程では、出銑孔をマッド材で閉塞した溶鉱炉内で鉄鉱石を溶かして銑鉄を生成し、その後、マッド材を壊して出銑孔を開口することによって銑鉄が取り出される。

溶鉱炉の出銑孔を閉塞するための従来のマッド材は、例えば以下の特許文献１や特許文献２などに開示されている。

特開平０８－１１９７５４号公報 特開平１１－０２９３６６号公報

特許文献１には、アルミナ質原料を３０～５０重量％、シリカ質原料を２～５重量％、炭化珪素を１５～２５重量％、炭素質原料を５～１０重量％、窒化物を１５～３０重量％、金属粉末を５～１５重量％で構成された耐火骨材１００％に対し、結合材の液状タールを外掛けで１０～１７重量％添加した溶鉱炉出銑口閉塞用マッド材、が開示されている。

特許文献２には、仮焼アルミナを含むアルミナ質原料３０～５０重量％、シリカ質原料２～５重量％、炭化珪素１５～２５重量％、炭素質原料５～１０重量％、窒化物１５～３０重量％、及び金属粉末５～１５重量％よりなり、かつ粒径１ｍｍを超えるものが５重量％以下、粒径０．０７５ｍｍ未満のもの（但し、粒径２μｍ以下の仮焼アルミナを除く。）が６０～７０重量％、粒径２μｍ以下の仮焼アルミナが５～１５重量％、残部が粒径１～０．０７５ｍｍのもので構成された粒度構成を有する耐火骨材１００重量％に対し、結合材の液状タールを外掛けで１０～１７重量％添加した溶鉱炉出銑口閉塞用マッド材、が開示されている。

特許文献１に開示される溶鉱炉出銑口閉塞用マッド材は、強度および耐食性の向上が期待でき、かつ開孔性が良いとされているが、強度が高すぎて開孔に時間がかかる場合がある。

特許文献２に開示される溶鉱炉出銑口閉塞用マッド材は、細かい原料を多量に使用する粒度構成に特徴があり、アルミナ成分を多量に使用することで耐溶銑性、耐スラグ性に優れるが、高強度、緻密化組織であるため開孔が困難である。

以上のように、従来の溶鉱炉出銑口閉塞用マッド材は、耐溶銑性と耐スラグ性に優れる一方で、組織が強固となって開孔性に劣るという問題を抱えている。

本発明に係る溶鉱炉出銑口閉塞用マッド材の特徴は、使用後アルミナショットブラスト粉を含む点にある。

本発明に係る溶鉱炉出銑口閉塞用マッド材においては、前記使用後アルミナショットブラスト粉を２質量％以上５０質量％以下含むと好適である。

本発明に係る溶鉱炉出銑口閉塞用マッド材においては、前記使用後アルミナショットブラスト粉の最大粒径が、３ｍｍ以下であると好適である。

鉄工や非鉄金属の産業分野では、酸化アルミニウムの研削材（研磨剤）を吹き付け、製品の表面粗さを整えたり、錆や汚れの除去を行ったり等、アルミナショット（アルミナブラスト）加工が行われている。この加工に使用した後のアルミナが使用後アルミナショットブラスト粉である。

本発明者らが、開孔性に優れるマッド材について検討したところ、アルミナショット施工後に発生する使用後アルミナショットブラスト粉をマッド材に適用することによって、従来のマッド材の耐食性を備えつつ開孔性に優れるマッド材が得られるという知見が得られた。

また、使用後アルミナショットブラスト粉は、例えば、大規模な鉄鋼製品の製造業では毎月数百トンの規模で排出されて廃棄されるため、使用後アルミナショットブラスト粉をリサイクル原料としてマッド材に使用することで、廃棄物の量を大幅に削減することも可能となる。

本発明の溶鉱炉出銑口閉塞用マッド材は、公知の耐火性骨材と、使用後アルミナショットブラスト粉とを含んで構成される。

本発明における使用後アルミナショットブラスト粉とは、鋼鉄素材等でできた加工対象物の表面に粒状のアルミナを投射することによって、バリ取り、表面研磨、精密研削などの加工処理を行った後に生じる、ショットブラスト屑を意味するものである。尚、本発明の作用効果を奏するメカニズムは完全には明らかではないが、アルミナ表面に付着した金属粉が寄与しているものと推察される。

本発明における使用後アルミナショットブラスト粉が例えばＦｅを含む場合における好ましいＦｅ含有量、そして好ましいＡｌ_２Ｏ_３含有量、粒度、及び粒形について以下に詳述する。

＜Ｆｅ含有量＞
使用後アルミナショットブラスト粉中のＦｅの含有量は２～２５質量％であることが好ましく、より好ましくは５～２０質量％である。尚、Ｆｅ含有量については、臭素メタノール法等を用いて測定することができる。出銑時のマッド材は１４００℃以上にさらされることになるが、使用後アルミナショットブラスト粉にＦｅ成分が含まれると、Ｆｅ成分が、マッド材中に含まれる窒化珪素と炭素との反応触媒として機能して、ＳｉＣと窒素ガスが生成される以下の反応を促進すると考えられる。
反応式：３Ｆｅ＋Ｓｉ_３Ｎ_４＋２Ｃ→Ｆｅ_３Ｓｉ＋２ＳｉＣ＋２Ｎ_２（反応温度域：約１４００℃）

マッド材のマトリックス部分でＳｉＣボンドの生成が促進されることでマッド材の耐食性が向上すると同時に、発生した窒素ガスがマッド材を多孔質にすることにより開孔性が向上する。従って、使用後アルミナショットブラスト粉がＦｅ成分を含むことによって、耐食性と開孔性とに優れるマッド材が得られ易くなる。

＜Ａｌ_２Ｏ_３含有量＞
使用後アルミナショットブラスト粉中のＡｌ_２Ｏ_３の含有量は７０～９８質量％であることが好ましく、より好ましくは８０～９５質量％である。尚、Ａｌ_２Ｏ_３の含有量については、日本工業規格ＪＩＳ Ｒ ２２１６の規定によるガラスビードを用いる蛍光Ｘ線分析法等によって測定することができる。使用後アルミナショットブラスト粉に含まれるＡｌ_２Ｏ_３成分は、マッド材の耐溶銑性と耐スラグ性を向上させる。

＜粒度＞
使用後アルミナショットブラスト粉の最大粒径としては、特に限定されるものではないが、好ましくは３ｍｍ以下、より好ましくは１ｍｍ以下、さらにより好ましくは、０．０７５ｍｍ以下である。使用後アルミナショットブラスト粉と窒化ケイ素、鉄及びカーボンとの反応性は、使用後アルミナショットブラスト粉の最大粒径が３ｍｍ以下であると、マッド材中によく分散するため好ましい。この時の粒径は、ＪＩＳ Ｚ ８８０１－１のふるいによってふるい分けしたものである。

＜粒形＞
使用後アルミナショットブラスト粉の粒形状は丸みを帯びている方が好ましく、例えば円摩度で示すと、平均０．３以上が好ましく、より好ましくは平均０．５以上である。使用後アルミナショットブラスト粉粒子をＫｒｕｍｂｅｉｎの円摩度印象図と各粒子を１つずつ照合することにより円摩度平均値を算出することができる。円摩度が平均０．３以上であると、混練時において原料同士の摩擦を低減することで流動性を高めるボールベアリング効果を発揮しやすく、マッド材に必要な可塑性を得るためのバインダー添加量を低減することができる。バインダー添加量が減量されたマッド材の組織では、原料同士の距離が近くなり使用後アルミナショットブラスト粉と窒化ケイ素鉄、カーボンの反応性が高まる。

本発明の溶鉱炉出銑口閉塞用マッド材においては、使用後アルミナショットブラスト粉を２～５０質量％含むと好適である。

本発明の溶鉱炉出銑口閉塞用マッド材に適用可能な耐火性骨材としては、例えば、アルミナ質原料、アルミナ・シリカ質原料、粘土質原料およびシリカ質原料から選択される１種または２種以上の酸化物耐火原料、炭素質原料、炭化珪素質原料、窒化珪素質原料などが挙げられる。これらの原料から１種のみを選んでも良いし、または２種以上を組み合わせて使用しても良い。

尚、酸化物耐火原料の配合量は５質量％以上８５質量％以下であることが望ましく、より好ましくは３０質量％以上７５質量％以下の範囲である。配合量が８５質量％を超えると、耐食性が低下し、５質量％未満では、気孔率が高くなりすぎる傾向にある。なお、上記の酸化物耐火原料としては、例えば、焼結アルミナ、電融アルミナ、バン土頁岩、ボーキサイト、シャモット質原料、ろう石、ムライト、アンダリューサイト、シリカフュームなどが使用できる。

耐火性骨材を構成する炭素質原料としては、例えば、黒鉛、土状黒鉛、石炭コークス、石油コークス及びこれらのコークスの粉末、黒鉛電極屑、カーボンブラック、石炭ピッチ、石油ピッチなどが挙げられる。炭素質原料はスラグの浸透抑制並びに過焼結抑制を目的に添加されるものであり、その配合量は、好ましくは３質量％以上２０質量％以下であり、より好ましくは４質量％以上１６質量％以下の範囲である。炭素質原料の配合量が３質量％未満である場合、焼結過多となるために好ましくなく、一方、２０質量％を超えると、強度が低下するため好ましくない。

耐火性骨材を構成する炭化珪素質原料として、例えば、アチソン法で製造した炭化珪素質原料や、シリカを還元炭化した炭化珪素原料などが使用できる。炭化珪素質原料は、スラグに対する耐食性向上を目的として添加され、その配合量は好ましくは５質量％以上５０質量％以下であり、より好ましくは１０質量％以上３０質量％以下の範囲内である。炭化珪素質原料の配合量は５質量％以上５０質量％以下であることが望ましい。配合量が５質量％未満では耐食性向上の寄与が少なく、５０質量％を超えると焼結後の強度が低下する。

必要に応じて、耐食性を向上するために窒化珪素質原料を配合しても良い。そのような窒化珪素質原料としては、例えば、シリカを還元窒化して得た窒化珪素、金属珪素を直接窒化した窒化珪素、フェロシリコンを直接窒化した窒化珪素鉄などが挙げられる。その配合量は、好ましくは３質量％以上４５質量％以下であり、より好ましくは１０質量％以上４０質量％以下の範囲内である。窒化珪素質原料の配合量は、３質量％以上４５質量％以下であることが望ましい。３質量％未満では、耐食性向上に対する十分な効果が得られ難く、一方、４５質量％を超えると、窒化珪素質原料はマッド材の原料の中ではやや高価であり、マッド材のコストに見合った添加効果が得られ難い。

必要に応じて、１種または２種以上の金属粉を添加しても良い。金属粉としては、例えば、金属アルミニウム、金属珪素及び金属アルミニウム・珪素合金などが挙げられる。

必要に応じて、有機バインダーとして、マッド材用のコールタールやフェノールレジンなどを使用しても良い。有機バインダーの添加量はマッド材の利用状況や求められる性能に応じて適宜調整することが可能である。

本発明に係る溶鉱炉出銑口閉塞用マッド材は、少なくとも、上述の耐火性骨材と、使用後アルミナショットブラスト粉とを配合させたものを公知の混練装置や混練方法を用いて混練することによって製造することができる。そのような混練装置としては、特に限定されるものではないが、例えば、深井式のコナーミキサー、上回りミキサー、アイリッヒミキサーなどを使用することができる。

本発明に係る溶鉱炉出銑口閉塞用マッド材を使用して溶鉱炉の出銑孔を充填・閉塞する方法については、特に限定されるものではなく、通常実施される充填・閉塞方法を用いて良い。

本発明の溶鉱炉出銑口閉塞用マッド材の実施例としての使用後アルミナショットブラスト粉を配合したマッド材と、比較例としての使用後アルミナショットブラスト粉を配合していないマッド材を以下の表１に示す。

表１の実施例１～４のそれぞれは、ろう石、アルミナ、カーボン、炭化珪素、粘土、窒化珪素鉄を配合した耐火性骨材をベースとして使用後アルミナショットブラスト粉を配合し、有機バインダーとして無水タールを添加し、混練したマッド材である。比較例１及び２は、使用後アルミナショットブラスト粉を含まない配合のマッド材である。

上記で得られたマッド材を４０×４０×１６０ｍｍの金型に入れ、５．０ＭＰａの圧力で成型し、乾燥機中にて３００℃で１２時間乾燥した。乾燥後、サンプルをコークスブリーズ中に埋没させた状態で、１５００℃で３時間加熱したものを試験片とした。

＜曲げ強さ＞
開孔性を評価するために曲げ試験を行った。曲げ試験は、試験片をＪＩＳ Ｒ ２５５３に準じて測定した。曲げ強さが１０ＭＰａ以上の場合、強度が高く耐食性に優れるものの、強度が強すぎて開孔性は劣ると判断し、曲げ強さが１０ＭＰａ未満の場合は、開孔性に優れると判断した。

使用後アルミナショットブラスト粉を含む実施例１～４のマッド材は、使用後アルミナショットブラスト粉を含まない比較例１及び２のマッド材より、開孔性に優れている結果となった。

次に、原料の粒度構成に着目して試験した実施例５～２２、及び比較例３～５の配合と試験結果を以下の表２に示す。

曲げ試験は表１と同様に実施した。耐食性については、以下のように、耐溶銑指数と耐スラグ指数に関する試験を行って評価した。

＜耐溶銑指数＞
耐溶銑性の試験を行い、指数を算出して評価を行った。溶銑に対する耐食性は高周波誘導炉を用いたサンプル内張り試験にて評価した。型枠にマッド材を充填し、コークスブリーズ中に埋没させた状態で８００℃で３時間加熱したものを試験片とした。各試験片をるつぼ形状に組み合わせ、るつぼ内部に侵食剤として銑鉄を２０ｋｇ投入し、１５５０～１６００℃で４時間保持して試験した。試験後のサンプルの溶損容積を測定し、指数を算出して評価した。比較品１の溶損容積を１００とし、下記の式より各実施例及び比較例の指数を計算した。指数が小さいほど耐溶銑性に優れることを意味する。
耐溶銑性指数＝（各試験片の溶損容積÷比較例１の溶損容積）×１００

＜耐スラグ指数＞
耐スラグ性の試験を行い、指数を算出して評価を行った。高炉スラグに対する耐食性を回転ドラム侵食試験法にて評価した。型枠にマッド材を充填し、コークスブリーズ中に埋没させた状態で８００℃で３時間加熱したものを試験片とした。各試験片をドラム形状に組み合わせ、ドラム内部に侵食剤として高炉スラグを１ｋｇ投入し、１５５０～１６００℃で４時間保持した。侵食剤は１時間毎に入れ替えて試験した。試験後のマッド材サンプルの溶損深さを測定し、指数を算出して評価した。比較品１を１００とし、下記の式より各実施例及び比較例の指数を計算した。指数が小さいほど耐スラグ性に優れることを意味する。
耐スラグ性指数＝（各試験片の溶損深さ÷比較例１の溶損深さ）×１００

実施例５～９は、使用後アルミナショットブラスト粉の粒径が１ｍｍより大きいものを使用して配合量を変化させたものである。実施例１０～１４は、使用後アルミナショットブラスト粉の粒径が０．０７５ｍｍ～１ｍｍのものを使用して配合量を変化させたものである。実施例１５～２２は、使用後アルミナショットブラスト粉の粒径が０．０７５ｍｍより小さいものを使用して配合量を変化させたものである。

表２に示されるとおり、実施例５～２２のいずれも、耐食性に優れるとともに開孔性にも優れる結果となった。

本発明に係るマッド材は、特に溶鉱炉出銑孔閉塞用のマッド材として好適に利用することができる。

本発明に係る溶鉱炉出銑口閉塞用マッド材の特徴は、鋼鉄素材の加工処理において使用した後のアルミナショットブラスト粉と、酸化物耐火原料（但し、粒径が１ｍｍ未満のマグネシア微粉を１５～４５質量％含有するものを除く）とを含む点にある。

本発明に係る溶鉱炉出銑口閉塞用マッド材においては、前記アルミナショットブラスト粉を２質量％以上５０質量％以下で含むと好適である。

本発明に係る溶鉱炉出銑口閉塞用マッド材においては、前記アルミナショットブラスト粉の最大粒径が、３ｍｍ以下であると好適である。

本発明に係る溶鉱炉出銑口閉塞用マッド材の特徴は、鋼鉄素材の加工処理において使用した後のアルミナショットブラスト粉と、酸化物耐火原料（但し、マグネシアを除く）とを含む点にある。

Claims (3)

1. 使用後アルミナショットブラスト粉を含むことを特徴とする溶鉱炉出銑孔閉塞用マッド材。
2. 前記使用後アルミナショットブラスト粉を２質量％以上５０質量％以下で含む、請求項１に記載の溶鉱炉出銑孔閉塞用マッド材。
3. 前記使用後アルミナショットブラスト粉の最大粒径が、３ｍｍ以下である請求項１又は２に記載の溶鉱炉出銑孔閉塞用マッド材。