JP3615400B2 - 不焼成炭素含有耐火物および溶融金属用容器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶融金属用容器ライニングに適する不焼成炭素含有耐火物、特に、溶融金属用容器の鉄皮温度を低減することにより、鉄皮変形の防止、溶鋼温度の低下抑制等を可能とする溶融金属用容器のライニングに適する不焼成炭素含有耐火物および溶融金属用容器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
黒鉛等のカーボンを含有するマグネシアカーボンれんが、アルミナカーボンれんが等の炭素含有耐火物は、その優れた耐食性、耐酸化性によって高耐用性を示すことから、現在、混銑車，溶銑鍋，転炉，取鍋，脱ガス炉，保持炉，電気炉等、運搬用や処理用（ＲＨ脱ガス，ＬＦ処理等）としての、特に製鉄用の、各種容器に内張りとして多く使用されている。
【０００３】
しかし、カーボンの熱伝導率が高いために、ＲＨ脱ガス，ＬＦ処理等の溶鋼処理をする際に、容器内で長時間溶鋼が滞留するため、鉄皮温度が上昇し、鉄皮変形や熱放散の増大等の問題が発生している。
また、運搬や処理する溶融金属の温度降下を増大させ、エネルギー損失が大きくなるという問題も抱えている。
更に、鉄皮温度が高くなると鉄皮が変形し易く容器の缶体の耐用性が低下する等の問題があるし、また、敷部でも同様に高温に晒されるためにスライドバルブ装置の変形による鋳造時のトラブル等も発生している。
【０００４】
高エネルギー消費産業である製鉄業あるいは非鉄金属業において、エネルギー効率を最大限に高めることは最も重要な課題の一つである。
これらの問題に関して、これまでにも以下のような技術が開示されている。
【０００５】
［耐火物 Ｖｏｌ．１４９ Ｎｏ．１０ ５７４−５７５ １９９７ ］では、マイクロポア断熱材（厚さ３ｍｍ）を取鍋の側壁に適用し、鉄皮温度が約５５℃低下することが開示されている。しかし、側壁の背面へ断熱材を適用した場合、耐火物ライニングがコスト高になり、また、断熱材はその内部に多数の気孔があるため高強度とはいえず、その結果受鋼時の耐火物の熱膨張等により、断熱材の構造が圧縮変形を起こして断熱性を低下しやすく、連続的に効果を得られにくい問題がある。通常断熱材が有効に使用できる期間はウェアー耐火物の１〜２倍程度である。そして断熱材を交換するときには裏張り耐火物を解体する必要が生じる。その結果、裏張り耐火物は通常ウェアー耐火物の５〜８倍の耐用期間を有するが、断熱材を適用するとその耐用期間はウェアー耐火物の１〜２倍程度となってしまう。
また、断熱材を適用すれば、それまでは鉄皮を通じて外部に逃げていた熱が耐火物内にこもることになり、耐火物全体の温度が上昇するため、耐火物（特にウェアー）の耐用性低下などの問題がある。
【０００６】
［耐火物 Ｖｏｌ．１４１ Ｎｏ．７ ３６５−３７０ １９８９ ］では、転炉の鉄皮寿命の向上のため、炉腹及び下部コーンは衝風冷却法を、上部コーンには水冷管法を採用しているが、ＬＦ鍋への導入は熱ロスの観点から適用できない。
また、転炉等では高温での応力緩和を目的として、ＭｇＯ−Ｃ れんがの膨張を考慮したライニング設計を適用することにより発生応力を低下させているが、基本的に鉄皮温度が高い状態で運転した場合、鉄皮温度が上昇し鉄皮変形及び熱ロス等の問題が残る。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、従来の技術では、鉄皮温度を低減するために缶体を水冷或いは空冷システムの導入、裏張り煉瓦の背面側に断熱材の適用、熱間での発生応力の低減等により鉄皮変形を防止しているが、コスト的問題、耐用性の低下、省エネルギーの面で十分とは言えない。
【０００８】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、溶融金属用容器の鉄皮変形を防止し、缶体の寿命向上と溶鋼温度の低下抑制を達成し、エネルギー損失を低減できる溶融金属用容器のライニングに好適な炭素含有耐火物、特に、エネルギー損失を低減できることに加えて内張りライニングの耐用を低下させることのない炭素含有耐火物、を提供すること及びその炭素含有耐火物を内張りすることによって、エネルギー損失の削減が可能でかつ耐用性の安定した溶融金属用容器を提供することにある。
本発明において、「溶融金属用容器」とは、混銑車，溶銑鍋，転炉，取鍋，脱ガス炉，保持炉，電気炉等、運搬用や処理用（ＲＨ脱ガス，ＬＦ処理等）としての各種容器を意味するものとする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、溶融金属用容器からのエネルギー損失を低減させる技術及びそれとともに、耐食性、耐スポーリング性、耐酸化性等の耐用性を低下させないための技術について鋭意検討を重ね、上記の目的を達成できる発明を完成したものである。
【００１０】
以下において、本発明について更に詳細に説明する。
現在、各種の溶炉に用いられている内張り用の炭素含有耐火物は、それぞれの使用条件に即した良好な耐用性を得るための適正なカーボン含有量のものが用いられており、対象とする溶炉によってカーボン含有量の異なる炭素含有耐火物が使用されている。
【００１１】
近年、炭素含有耐火物の製造技術あるいは材質設計技術が進歩した結果、高密度のものが得られるようになっている。
高密度の炭素含有耐火物は、耐食性、耐酸化性に優れ良好な耐用性を示す一方で、熱伝導率が高いためにライニング内の温度が上昇して溶炉の鉄皮温度を上昇させ、溶炉および溶融金属からの放散熱量が大きくなっている。
現在、各種溶炉に使用されている高密度炭素含有耐火物の熱伝導率λＷ／ｍ℃は、その耐火性骨材の種類にもよるが、該耐火物のカーボン含有量Ｘ重量％に対して、およそ ０．８Ｘ＋８ ＜λ＜ ０．８Ｘ＋１６程度の範囲にあるのが現状である。
【００１２】
本発明者らは、溶融金属用容器からのエネルギー損失を低減させる技術について検討した結果、炭素含有耐火物において、少なくとも一部に特定の黒鉛（後記参照）を含む炭素原料を30重量％以下、好ましくは、１〜20重量％とし、該耐火物のカーボン含有量Ｘ重量％と熱伝導率λW/m℃とがλ≦0.8Ｘ＋7の関係にあるようにすることにより、上記の目的を達成できることを認め、本発明を開発するに至ったのである。
【００１３】
また、本発明者らは、溶融金属用容器からのエネルギー損失を低減させるとともに、耐食性，耐スポーリング性，耐酸化性等の耐用性を低下させないための技術について検討した結果、炭素含有耐火物において、少なくとも一部に特定の黒鉛（後記参照）を含む炭素原料を30重量％以下とし、該耐火物のカーボン含有量Ｘ重量％と熱伝導率λW/m℃とがλ≦0.8Ｘ＋7の関係にあり、見掛気孔率が10％以下で、かつ１mmより大きい耐火性骨材を、耐火性骨材と炭素原料との合量100重量部に対して20重量部以上含むようにすることにより、更に上記の目的を達成できることを認め、本発明を開発するに至ったのである。
これによって高密度でありながら、適用した溶融金属用容器からのエネルギー損失を低減することの可能な炭素含有耐火物を得ることができた。
そして、特に、少なくとも一部に黒鉛を含む炭素原料を１〜20重量％とした場合には、更に、従来の同一炭素含有量の炭素含有耐火物と比較して熱伝導率が10〜30％以上低い炭素含有耐火物となり、それを内張りした溶融金属用容器においては、炭素含有耐火物煉瓦の背面温度は100〜150℃低下され、溶融金属用容器の鉄皮温度は500 ℃以下にされることを見いだすことにより、更に改善された発明を開発するにいたったものである。
【００１４】
即ち、本発明に係る不焼成炭素含有耐火物は、「耐火性骨材と、少なくとも一部に黒鉛を含む炭素原料30重量％以下と、を含む不焼成炭素含有耐火物において、前記黒鉛は、カーボンよりも熱伝導率の低い超微粉を被覆した黒鉛、カーボンよりも熱伝導率の低い層を形成した黒鉛、または、黒鉛結晶のＣ軸方向に薄片化した黒鉛からなり、前記耐火物のカーボン含有量Ｘ重量％と熱伝導率λW/m℃(600℃熱間での測定値)とがλ≦0.8Ｘ＋7の関係にあり、見掛気孔率が10％以下であり、かつ１mmより大きい耐火性骨材を、耐火性骨材と炭素原料との合量100重量部に対して20重量部以上含むことを特徴とする不焼成炭素含有耐火物。」（請求項１）を要旨（発明を特定する事項）とする。
【００１５】
また、本発明に係る不焼成炭素含有耐火物は、「マグネシア原料50重量％以上からなる耐火性骨材と、少なくとも一部に黒鉛を含む炭素原料30重量％以下と、を含む不焼成炭素含有耐火物において、前記黒鉛は、カーボンよりも熱伝導率の低い超微粉を被覆した黒鉛、カーボンよりも熱伝導率の低い層を形成した黒鉛、または、黒鉛結晶のＣ軸方向に薄片化した黒鉛からなり、前記耐火物のカーボン含有量Ｘ重量％と熱伝導率λW/m℃(600℃熱間での測定値)とがλ≦0.8Ｘ＋7の関係にあり、見掛気孔率が６％以下であり、かつ１mmより大きい耐火性骨材を、耐火性骨材と炭素原料との合量100重量部に対して20重量部以上含むことを特徴とする不焼成炭素含有耐火物。」（請求項２）を要旨（発明を特定する事項）とする。
【００１６】
また、本発明に係る不焼成炭素含有耐火物は、「アルカリ含有量が１重量％以下のアルミナ原料50重量％以上からなる耐火性骨材と、少なくとも一部に黒鉛を含む炭素原料30重量％以下と、を含む不焼成炭素含有耐火物において、前記黒鉛は、カーボンよりも熱伝導率の低い超微粉を被覆した黒鉛、カーボンよりも熱伝導率の低い層を形成した黒鉛、または、黒鉛結晶のＣ軸方向に薄片化した黒鉛からなり、前記耐火物のカーボン含有量Ｘ重量％と熱伝導率λW/m℃(600℃熱間での測定値)とがλ≦0.8Ｘ＋5の関係にあり、見掛気孔率が10％以下であり、かつ１mmより大きい耐火性骨材を、耐火性骨材と炭素原料との合量100重量部に対して20重量部以上含むことを特徴とする不焼成炭素含有耐火物。」（請求項３）を要旨（発明を特定する事項）とする。
【００１７】
また、本発明に係る不焼成炭素含有耐火物は、
「上記の各不焼成炭素含有耐火物において、前記少なくとも一部に黒鉛を含む炭素原料が１〜２０重量％であることを特徴とする不焼成炭素含有耐火物。」（請求項４）
を要旨（発明を特定する事項）とする。
【００１８】
また、本発明に係る溶融金属用容器は、
「溶融金属用容器において、内張りの少なくとも一部に、上記の不焼成炭素含有耐火物の何れかを使用することを特徴とする溶融金属用容器。」（請求項５）
を要旨（発明を特定する事項）とする。
【００１９】
また、本発明に係る溶融金属用容器は、
「溶融金属用容器において、内張りの少なくとも一部に、上記の不焼成炭素含有耐火物の何れかが使用され、鉄皮温度が５００℃以下であることを特徴とする溶融金属用容器。」（請求項６）、
を要旨（発明を特定する事項）とする。
【００２０】
また、本発明に係る溶融金属用容器は、
「溶融金属用容器において、裏張り断熱材を介さずに、内張りの少なくとも一部に、上記の不焼成炭素含有耐火物の何れかが使用され、鉄皮温度が５００℃以下であることを特徴とする溶融金属用容器。」（請求項７）、
を要旨（発明を特定する事項）とする。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明は、耐火性骨材と少なくとも一部に特定の黒鉛を含む炭素原料30重量％以下、好ましくは20重量％以下とを含む不焼成炭素含有耐火物において、該耐火物のカーボン含有量Ｘ重量％と熱伝導率λW/m℃とがλ≦0.8Ｘ＋7の関係にあり、見掛気孔率が10％以下で、かつ１mmより大きい耐火性骨材を、耐火性骨材と炭素原料との合量100重量部に対して20重量部以上含むことを特徴とするものである。
また、本発明は、耐火性骨材と少なくとも一部に特定の黒鉛を含む炭素原料30重量％以下、好ましくは、20重量％以下とを含む不焼成炭素含有耐火物であって、該耐火物のカーボン含有量Ｘ重量％と熱伝導率λW/m℃とがλ≦0.8Ｘ＋7の関係にある不焼成炭素含有耐火物を溶融金属用容器の内張りライニングとして使用することを特徴とするものである。
【００２４】
即ち、本発明は、低減した熱伝導率の炭素含有耐火物を使用することにより、ライニング内の温度上昇を抑制して鉄皮温度を低下させ、溶炉および溶融金属からの放散熱量を低減するものである。
特に、従来の同一炭素含有量の炭素含有耐火物と比較して１０〜３０％以上低減した熱伝導率の炭素含有耐火物を使用することにより、ライニング内の温度上昇を抑制して炭素含有耐火物煉瓦の背面温度を約１００〜１５０℃低下でき、その鉄皮温度を５００℃以下とし、鉄皮変形の防止を可能とし、かつ、溶融金属用容器および溶融金属からの放散熱量を低減するものである。
即ち、上記低減した熱伝導率の炭素含有耐火物を使用することにより、従来から行なわれているように、内張り耐火物の熱伝導率とその厚み、裏張り耐火物の熱伝導率とその厚み等を考慮して溶融金属容器の鉄皮温度を５００℃以下とすることができるのである。
鉄皮温度は、より好ましくは、４００ ℃以下、更には３８０ ℃以下とすることがより望ましい。
【００２５】
本発明に係る炭素含有耐火物は、溶融金属容器用の耐火物として使用のためには、該耐火物のカーボン含有量Ｘ重量％と熱伝導率λＷ／ｍ℃とがλ≦０．８Ｘ＋７であることが必要である。
λ＞０．８Ｘ＋７ の場合には、ライニング内の温度が上昇して溶融金属容器の鉄皮温度を上昇させ、溶融金属容器および溶融金属からの放散熱量が大きくなるので好ましくない。
【００２６】
炭素含有耐火物のカーボン含有量Ｘ重量％と熱伝導率λW/m℃とがλ≦0.8Ｘ＋7であるためには、炭素原料として、特定の黒鉛、すなわち、カーボンよりも熱伝導率の低い超微粉（例えば、アルミナ、マグネシア等の超微粉）の被覆をした黒鉛、炭素原料表面へカーボンよりも熱伝導率の低い層を形成した黒鉛、あるいは黒鉛を酸処理するなどして黒鉛結晶のＣ軸方向に薄片化した黒鉛を用いる必要があり、その量は、炭素原料の少なくとも30重量％以上、好ましくは、50重量％以上である。
【００２７】
ここで、熱伝導率λの値には、大別して、常温での測定値と熱間での測定値があるが、本発明に係る炭素含有耐火物が高温で使用されることから、熱間での測定値に意味があり、熱伝導率λの値は、６００℃熱間での測定値を採用している。なぜなら、本発明に係る炭素含有耐火物は不焼成品なので、２００〜５００℃ではバインダーとして使用している樹脂等の有機物の炭化が進行するため、正確な熱間での熱伝導率を表示し難いし、また、５００℃以上であれば、有機バインダーの炭化がほぼ完了しているために熱伝導率の大きな変動はなく、６００℃での測定値で代表させることができるからである。
したがって、本発明で使用している熱伝導率λの値は、５００℃以上での熱間特性値としての値を意味している。
【００２８】
本発明で使用される耐火性骨材としては、特に限定されるものではなく、マグネシア、アルミナ、スピネル、カルシア、ドロマイト、ジルコニア、シリカ等の酸化物、あるいは炭化珪素、炭化硼素、硼化ジルコニウムなどの非酸化物が使用可能である。
【００２９】
一般的には、炭素含有耐火物に使用される耐火性骨材としては、マグネシア原料、アルミナ原料が多く用いられている。
本発明で使用されるマグネシア原料は、電融品、焼結品の何れでも良いが、高い耐食性を得る上で、純度が９５重量％以上のものが望ましい。
また、転炉など、特に高塩基度スラグを用いて常に使用される転炉においては、マグネシア原料中の不純物組成がＣａＯ／ＳｉＯ２≧２であることが望ましい。
高塩基度スラグ共存下で使用される場合、マグネシアは耐食性に優れるため、溶解速度が遅く、そのために不純物の濃集した結晶粒界の組成が耐火物の耐用を強く左右する。
即ち、ＣａＯ／ＳｉＯ２＜２では、結晶粒界の融点が低く、高温下で液相を生成するため、ペリクレース結晶が流出されやすくなるので好ましくない。
また、本発明で使用されるアルミナ原料は、電融品、焼結品、天然品の何れもが使用可能であり、純度は５０重量％以上が好ましい。
十分な耐食性を得る上で、アルミナ原料はアルカリ含有量が少ないことが必要であり、望ましくは１重量％以下であることが良好である。
【００３０】
耐火性骨材として、マグネシア原料を５０重量％以上使用する場合には、炭素含有耐火物のカーボン含有量Ｘ重量％と熱伝導率λＷ／ｍ℃とがλ≦０．８Ｘ＋７とすることが、放散熱量を低減する上でより好ましい。
λ≦０．８Ｘ＋７とすることにより、溶融金属用容器の鉄皮温度を５００ ℃以下とすることができ、好ましくは、４００℃以下に、更に好ましくは、３８０℃以下にすることができる。
また、耐火性骨材として、アルミナ原料を主とするものを使用する場合には、その熱伝導率が相対的に低いために、得られる炭素含有耐火物の熱伝導率も低い値を示す傾向にある。
そこで、耐火性骨材として、アルミナ原料を５０重量％以上使用する場合には、炭素含有耐火物のカーボン含有量Ｘ重量％と熱伝導率λＷ／ｍ℃とがλ≦０．８Ｘ＋５とすることが、放散熱量を低減する上でより好ましい。
λ≦０．８Ｘ＋５とすることにより、溶融金属用容器の鉄皮温度を５００ ℃以下とすることができ、好ましくは、４００℃以下に、更に好ましくは、３８０℃以下にすることができる。
【００３１】
本発明に係る炭素含有耐火物は、炭素原料の含有量が３０重量％以下が、好ましい。
３０重量％を超えると、酸化損傷が大きくなって耐用性が低下する問題を生じ、また、熱伝導率が高くなるために、溶炉の放散熱量を低減しようとする本発明の目的が達成できない。
この意味において、炭素原料の含有量は、２０重量％以下であることがより好ましい。
また、取鍋やＲＨ炉等の溶鋼保持時間の長い容器においては、放散熱量をできるだけ抑制するためには、炭素原料の含有量がより少ないことが好ましく、１７重量％未満であることが更に望ましい。
炭素原料の含有量の下限は、特に限定されるものではないが、スラグ浸潤を抑制する効果というカーボンの効果を得るためには、１重量％以上を含有することが望ましい。
【００３２】
また、本発明における炭素原料としては、前記したように、カーボンよりも熱伝導率の低い超微粉（アルミナ、マグネシア等）の被覆をした黒鉛、炭素原料表面へカーボンよりも熱伝導率の低い層を形成した黒鉛、あるいは黒鉛を酸処理するなどして黒鉛結晶のＣ軸方向に薄片化した黒鉛を使用することが必要であるが、必要に応じて、上記以外の黒鉛を使用することもできる。
上記以外の黒鉛の量は、炭素原料中に10〜70重量％であり、好ましくは、10〜50重量％である。
黒鉛を使用することで、良好な充填性を得ることができる。
また、結晶質カーボンである黒鉛は、耐食性、耐酸化性に優れるため、得られる炭素含有耐火物は良好な耐酸化性、耐食性を有することができる。
【００３３】
また、本発明に係る炭素含有耐火物は、見掛気孔率が１０％以下であることが必要である。
１０％を超えると、該耐火物の充填性が低くなるために、耐食性、耐酸化性が低下して耐用性が劣化するため好ましくない。
見掛気孔率を１０％以下とするためには、公知の手段が採用されるが、例えば、原料を混合する際に、適度な潤滑性を有するバインダーを加えて坏土とし、圧力伝達性に富む坏土状態にて加圧成形する等して緻密化を調整する手段等がとられる。
【００３４】
耐火性骨材としてマグネシア原料を主とするものが使用される場合には、マグネシア原料が相対的に低い気孔率を有することから、得られる炭素含有耐火物の見掛気孔率も低い値を示す傾向にある。
従って、本発明においてマグネシア原料が５０重量％以上使用される場合には、見掛気孔率が６％以下であることが、良好な耐用性を得る上でより好ましい。
耐火性骨材としてアルミナ原料を主とするものが使用される場合には、得られる炭素含有耐火物の見掛気孔率は、１０％以下であることが必要である。
【００３５】
熱伝導率が低い場合、厳しい温度変化条件に曝された場合、耐火物にはより大きな温度分布が発生し、そのために熱歪みに起因する熱応力が高くなって、スポーリング損傷を起こしやすくなる傾向がある。
本発明では、この点を克服するために、耐火物組織中に、一定以上の大きさを有する粗粒骨材を一定量以上分散させることが必要である。
一般に、炭素含有耐火物組織中に熱応力等によって発生した亀裂は、カーボンが多く分散しているマトリックス中を伸展しながら耐火物を破壊して行く。
このとき、炭素含有耐火物組織中に粗粒の耐火性骨材粒子を適度な頻度で分散させておくと、組織中を伝播伸展してきた亀裂は該粒子に達して時点で、粗粒の干渉効果によって伝播力が低減され、伸展が抑制される。
【００３６】
この効果を得る上で、本発明に係る炭素含有耐火物では、１ｍｍより大きい耐火性骨材を、耐火性骨材と炭素原料との合量１００重量部に対して２０重量部以上含有することが必要である。
２０重量部未満では、上記のスポーリング損傷抑制効果が十分得られない。
更に十分な効果を得るために、１ｍｍより大きい耐火性骨材を、耐火性骨材と炭素原料との合量１００重量部に対して３０重量部以上含有することがより好ましい。
１ｍｍより大きい耐火性骨材の含有量の上限は特に限定されないが、良好な組織を形成するためには、７０重量部以下であることが好ましい。
この特定粒度の耐火性骨材を使用することによって、熱伝導率が低減した炭素含有耐火物においても、緻密性および耐食性を劣化させずに十分な耐スポーリング性を確保することができるという特段の効果が得られる。
【００３７】
次に、各種容器に本発明に係る不焼成炭素含有耐火物を内張りした場合の構成について図面を参照して説明する。
図１に示されているように、溶鋼５が入れられる容器、例えば、ＬＦ鍋等は、鉄皮１に裏張り煉瓦２，３を施し、その内側に内張り不焼成炭素含有耐火物４を設けたものである。
【００３８】
【実施例】
次に、本発明の実施例を比較例と共に挙げ、本発明を具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例によって限定されるものではない。
（実施例１〜７，比較例１〜６）
表１に示す電融原料からなる耐火性骨材、および、純度９０％の鱗状の黒鉛Ａとそれを薄片化して耐火性骨材（アルミナ，マグネシア）の超微粉（２０μｍ以下）を被覆した黒鉛Ｂとを用い、表２に示すその他の原料と混合し、加圧混練機により混練し、成形し、成形物を２００ ℃で１２時間熱処理して不焼成炭素含有耐火物からなる試料を作成した。
【００３９】
各試料について下記の各種の評価試験を行った。
○耐酸化性試験
試料を１３００℃の大気中で加熱した後に脱炭層の厚み（ｍｍ）を測定した。
○耐食性試験
実施例１，２、比較例１，２の試料は、１４００℃で、塩基度２のスラグを用いてスラグ侵食テストを実施の後、溶損深さ（ｍｍ）を測定した。
他の試料は、１６５０℃で塩基度 ３．８のスラグを用いてスラグ侵食テストを実施の後、溶損深さ（ｍｍ）を測定した。
○耐スポーリング試験
試料を溶融した銑鉄中に浸漬して熱衝撃を与えた後、切断面上に認められる発生亀裂量を測定し数値化した。
○鉄皮表面温度
表２中に記載の各溶炉を想定して内張りライニング厚みを考慮したライニングモデルを作成し、一定の溶鋼温度と外気温度とを与えて定常伝熱計算を実施した際に得られた鉄皮表面温度。
【００４０】
【表１】
【００４１】
【表２】
【００４２】
表２から、本発明に係る炭素含有耐火物は、耐食性、耐スポーリング性、耐酸化性に同時に優れた特徴を有し、かつ、各種の溶融金属用容器に使用した場合に、鉄皮温度を低減できる効果を有することが明らかである。
【００４３】
それ故、本発明に係る炭素含有耐火物は、
▲１▼高い耐食性、耐スポーリング性、耐酸化性という優れた耐用性を有しながら、同時に使用時においてエネルギー損失を低減できるという特段の優れた効果を示すこと、
▲２▼優れた耐用性を有しながら、しかもエネルギー損失を低減できるという、これまで実現が非常に困難であった優れた溶融金属用ライニングを得ることができること、
▲３▼その使用によって、高エネルギー消費産業である製鉄業あるいは非鉄製造業における一層の省エネルギーが進展されるという、高い工業的価値を有していること、
が明白である。
【００４４】
（実施例８，比較例７）
現在、一般的に通常使用されている６０ｔ−ＬＦ鍋の内張り煉瓦に、上記の表２の実施例６に記載のＭｇＯ−Ｃ 煉瓦をライニング適用した本発明の容器と従来の不焼成炭素含有耐火物をライニングした比較例の容器とを表３に示すライニング厚みとして、図１に示したように構成した。なお、裏張り煉瓦には、ともに高アルミナ質煉瓦を適用しているものとした。
本発明の容器と比較例の容器における内張り不焼成炭素含有耐火物の熱伝導率とカーボン含有量を表４に示す。
また、両容器についての定常伝熱計算を、溶鋼温度を１６５０℃、外気温度を３０℃として、常法にしたがって計算を行なった。
その計算結果を表５に示す。
【００４５】
【表３】
【００４６】
【表４】
【００４７】
【表５】
【００４８】
定常伝熱計算の結果から、以下のことが明らかである。
・比較例の容器における従来ＭｇＯ−Ｃ 煉瓦の背面側温度は、１３８７℃であるのに対し、本発明の容器における低熱伝導性ＭｇＯ−Ｃ 煉瓦の背面側温度は、１２７１℃であり、従来ＭｇＯ−Ｃ 煉瓦を内張りした場合と比較して、本発明の低熱伝導性ＭｇＯ−Ｃ 煉瓦を内張りした場合は、内張り耐火物の背面側温度が１１６ ℃低下することになる。
このことにより、裏張り煉瓦の耐用性向上にも効果がある。
・比較例の容器における鉄皮温度は、５２２ ℃であるのに対し、本発明の容器における鉄皮温度は、４８５ ℃であり、約４０℃の鉄皮温度の低減が可能である。
このことにより、本発明の低熱伝導性ＭｇＯ−Ｃ 煉瓦を適用することにより、鉄皮変形の防止、鉄皮側からの放散熱量を低減することが可能となる。
・また、本発明の容器においては、内張り耐火物の熱伝導率を低減することにより、溶鋼から内張り耐火物への蓄熱を低減できるため、溶鋼温度の低下抑制に貢献できる。
【００４９】
次に、図１に示した構成の実炉に、本発明に係る不焼成炭素含有耐火物を適用した実施例について説明する。
（実施例９）
１００ｔ−ＬＦ鍋の鉄皮１に裏張り煉瓦２，３として、高アルミナ質煉瓦とマグクロ煉瓦を設け、その内側に上記の表２の実施例５に記載のＭｇＯ−Ｃ煉瓦４を２００ｍｍライニング適用した本発明の容器について鉄皮温度の測定を行なったところ、３２０℃であった。
【００５０】
（実施例１０）
２５ｔ−ＬＦ鍋の鉄皮１に裏張り煉瓦２，３として、ロー石とＭｇＯ−Ｃ 煉瓦を設け、その内側に上記の表２の実施例５に記載のＭｇＯ−Ｃ煉瓦４を１５０ｍｍライニング適用した本発明の容器について鉄皮温度の測定を行なったところ、３３０℃であった。
【００５１】
（実施例１１）
１００ｔ−ＬＦ鍋の鉄皮１に裏張り煉瓦２，３として、ロー石とＭｇＯ−Ｃ煉瓦を設け、その内側に上記の表２の実施例６に記載のＭｇＯ−Ｃ煉瓦４を２００ｍｍライニング適用した本発明の容器について鉄皮温度の測定を行なったところ、４４０℃であった。
【００５２】
上記の実炉での実施の結果から、本発明に係る不焼成炭素含有耐火物をライニング適用することにより、
・各実施例における鉄皮温度の平均は、それぞれ、３２０℃， ３３０℃，４４０℃であり鉄皮変形の問題が解消されたこと、
・実炉操業においても、ＬＦ処理時間は、約１０％短縮する効果が得られたこと（実施例９）、
・電力使用量は、約１０％低減できる効果が得られ、省エネルギー効果があったこと（実施例９）、
・ＬＦ鍋の放冷時の保温性が向上しており、溶鋼温度低下抑制についても効果があったこと（実施例９）、
・溶鋼温度低下の抑制が出来ることから、電気炉出鋼温度の低減にも効果があったこと（実施例９）、
・鉄皮温度低下以外の耐用性についても、従来の不焼成炭素含有耐火物をライニングした場合と同等の結果が得られていること、
等の優れた効果を確認することができた。
【００５３】
【発明の効果】
本発明は、以下のような優れた効果をそうするものである。
・耐火性骨材と、少なくとも一部に黒鉛を含む炭素原料30重量％以下と、を含む不焼成炭素含有耐火物において、前記黒鉛は、カーボンよりも熱伝導率の低い超微粉を被覆した黒鉛、カーボンよりも熱伝導率の低い層を形成した黒鉛、または、黒鉛結晶のＣ軸方向に薄片化した黒鉛からなり、前記耐火物のカーボン含有量Ｘ重量％と熱伝導率λW/m℃(600℃熱間での測定値)とがλ≦0.8Ｘ＋7の関係にあり、見掛気孔率が10％以下であり、かつ１mmより大きい耐火性骨材を、耐火性骨材と炭素原料との量100重量部に対して20重量部以上含むことにより、耐食性、耐スポーリング性、耐酸化性といった耐火物本来の重要な特性を劣化させることなく、エネルギー損失を低減できる不焼成炭素含有耐火物を提供することができる。
・上記不焼成炭素含有耐火物を使用することによって、エネルギー損失の削減が可能でかつ耐用性の安定した溶融金属用容器を提供することができる。
・溶融金属用容器において、カーボン含有量Ｘ重量％と熱伝導率λW/m℃とが λ≦0.8Ｘ＋7(600℃熱間での測定値)の関係にある炭素含有耐火物を、裏張り断熱材を介さずに（裏張りに断熱材を使用せずに）、内張りの少なくとも一部に使用することにより、溶融金属用容器の鉄皮温度を500 ℃以下にすることが可能で、エネルギー損失が少なく、かつ鉄皮損傷が軽微な溶融金属用容器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明に係る不焼成炭素含有耐火物を内張りに適用した溶融金属用容器の断面図である。
【符号の説明】
１ 鉄皮
２，３ 裏張り煉瓦
４ 内張り不焼成炭素含有耐火物
５ 溶鋼
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶融金属用容器ライニングに適する不焼成炭素含有耐火物、特に、溶融金属用容器の鉄皮温度を低減することにより、鉄皮変形の防止、溶鋼温度の低下抑制等を可能とする溶融金属用容器のライニングに適する不焼成炭素含有耐火物および溶融金属用容器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
黒鉛等のカーボンを含有するマグネシアカーボンれんが、アルミナカーボンれんが等の炭素含有耐火物は、その優れた耐食性、耐酸化性によって高耐用性を示すことから、現在、混銑車，溶銑鍋，転炉，取鍋，脱ガス炉，保持炉，電気炉等、運搬用や処理用（ＲＨ脱ガス，ＬＦ処理等）としての、特に製鉄用の、各種容器に内張りとして多く使用されている。
【０００３】
しかし、カーボンの熱伝導率が高いために、ＲＨ脱ガス，ＬＦ処理等の溶鋼処理をする際に、容器内で長時間溶鋼が滞留するため、鉄皮温度が上昇し、鉄皮変形や熱放散の増大等の問題が発生している。
また、運搬や処理する溶融金属の温度降下を増大させ、エネルギー損失が大きくなるという問題も抱えている。
更に、鉄皮温度が高くなると鉄皮が変形し易く容器の缶体の耐用性が低下する等の問題があるし、また、敷部でも同様に高温に晒されるためにスライドバルブ装置の変形による鋳造時のトラブル等も発生している。
【０００４】
高エネルギー消費産業である製鉄業あるいは非鉄金属業において、エネルギー効率を最大限に高めることは最も重要な課題の一つである。
これらの問題に関して、これまでにも以下のような技術が開示されている。
【０００５】
［耐火物 Ｖｏｌ．１４９ Ｎｏ．１０ ５７４−５７５ １９９７ ］では、マイクロポア断熱材（厚さ３ｍｍ）を取鍋の側壁に適用し、鉄皮温度が約５５℃低下することが開示されている。しかし、側壁の背面へ断熱材を適用した場合、耐火物ライニングがコスト高になり、また、断熱材はその内部に多数の気孔があるため高強度とはいえず、その結果受鋼時の耐火物の熱膨張等により、断熱材の構造が圧縮変形を起こして断熱性を低下しやすく、連続的に効果を得られにくい問題がある。通常断熱材が有効に使用できる期間はウェアー耐火物の１〜２倍程度である。そして断熱材を交換するときには裏張り耐火物を解体する必要が生じる。その結果、裏張り耐火物は通常ウェアー耐火物の５〜８倍の耐用期間を有するが、断熱材を適用するとその耐用期間はウェアー耐火物の１〜２倍程度となってしまう。
また、断熱材を適用すれば、それまでは鉄皮を通じて外部に逃げていた熱が耐火物内にこもることになり、耐火物全体の温度が上昇するため、耐火物（特にウェアー）の耐用性低下などの問題がある。
【０００６】
［耐火物 Ｖｏｌ．１４１ Ｎｏ．７ ３６５−３７０ １９８９ ］では、転炉の鉄皮寿命の向上のため、炉腹及び下部コーンは衝風冷却法を、上部コーンには水冷管法を採用しているが、ＬＦ鍋への導入は熱ロスの観点から適用できない。
また、転炉等では高温での応力緩和を目的として、ＭｇＯ−Ｃ れんがの膨張を考慮したライニング設計を適用することにより発生応力を低下させているが、基本的に鉄皮温度が高い状態で運転した場合、鉄皮温度が上昇し鉄皮変形及び熱ロス等の問題が残る。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、従来の技術では、鉄皮温度を低減するために缶体を水冷或いは空冷システムの導入、裏張り煉瓦の背面側に断熱材の適用、熱間での発生応力の低減等により鉄皮変形を防止しているが、コスト的問題、耐用性の低下、省エネルギーの面で十分とは言えない。
【０００８】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、溶融金属用容器の鉄皮変形を防止し、缶体の寿命向上と溶鋼温度の低下抑制を達成し、エネルギー損失を低減できる溶融金属用容器のライニングに好適な炭素含有耐火物、特に、エネルギー損失を低減できることに加えて内張りライニングの耐用を低下させることのない炭素含有耐火物、を提供すること及びその炭素含有耐火物を内張りすることによって、エネルギー損失の削減が可能でかつ耐用性の安定した溶融金属用容器を提供することにある。
本発明において、「溶融金属用容器」とは、混銑車，溶銑鍋，転炉，取鍋，脱ガス炉，保持炉，電気炉等、運搬用や処理用（ＲＨ脱ガス，ＬＦ処理等）としての各種容器を意味するものとする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、溶融金属用容器からのエネルギー損失を低減させる技術及びそれとともに、耐食性、耐スポーリング性、耐酸化性等の耐用性を低下させないための技術について鋭意検討を重ね、上記の目的を達成できる発明を完成したものである。
【００１０】
以下において、本発明について更に詳細に説明する。
現在、各種の溶炉に用いられている内張り用の炭素含有耐火物は、それぞれの使用条件に即した良好な耐用性を得るための適正なカーボン含有量のものが用いられており、対象とする溶炉によってカーボン含有量の異なる炭素含有耐火物が使用されている。
【００１１】
近年、炭素含有耐火物の製造技術あるいは材質設計技術が進歩した結果、高密度のものが得られるようになっている。
高密度の炭素含有耐火物は、耐食性、耐酸化性に優れ良好な耐用性を示す一方で、熱伝導率が高いためにライニング内の温度が上昇して溶炉の鉄皮温度を上昇させ、溶炉および溶融金属からの放散熱量が大きくなっている。
現在、各種溶炉に使用されている高密度炭素含有耐火物の熱伝導率λＷ／ｍ℃は、その耐火性骨材の種類にもよるが、該耐火物のカーボン含有量Ｘ重量％に対して、およそ ０．８Ｘ＋８ ＜λ＜ ０．８Ｘ＋１６程度の範囲にあるのが現状である。
【００１２】
本発明者らは、溶融金属用容器からのエネルギー損失を低減させる技術について検討した結果、炭素含有耐火物において、少なくとも一部に特定の黒鉛（後記参照）を含む炭素原料を30重量％以下、好ましくは、１〜20重量％とし、該耐火物のカーボン含有量Ｘ重量％と熱伝導率λW/m℃とがλ≦0.8Ｘ＋7の関係にあるようにすることにより、上記の目的を達成できることを認め、本発明を開発するに至ったのである。
【００１３】
また、本発明者らは、溶融金属用容器からのエネルギー損失を低減させるとともに、耐食性，耐スポーリング性，耐酸化性等の耐用性を低下させないための技術について検討した結果、炭素含有耐火物において、少なくとも一部に特定の黒鉛（後記参照）を含む炭素原料を30重量％以下とし、該耐火物のカーボン含有量Ｘ重量％と熱伝導率λW/m℃とがλ≦0.8Ｘ＋7の関係にあり、見掛気孔率が10％以下で、かつ１mmより大きい耐火性骨材を、耐火性骨材と炭素原料との合量100重量部に対して20重量部以上含むようにすることにより、更に上記の目的を達成できることを認め、本発明を開発するに至ったのである。
これによって高密度でありながら、適用した溶融金属用容器からのエネルギー損失を低減することの可能な炭素含有耐火物を得ることができた。
そして、特に、少なくとも一部に黒鉛を含む炭素原料を１〜20重量％とした場合には、更に、従来の同一炭素含有量の炭素含有耐火物と比較して熱伝導率が10〜30％以上低い炭素含有耐火物となり、それを内張りした溶融金属用容器においては、炭素含有耐火物煉瓦の背面温度は100〜150℃低下され、溶融金属用容器の鉄皮温度は500 ℃以下にされることを見いだすことにより、更に改善された発明を開発するにいたったものである。
【００１４】
即ち、本発明に係る不焼成炭素含有耐火物は、「耐火性骨材と、少なくとも一部に黒鉛を含む炭素原料30重量％以下と、を含む不焼成炭素含有耐火物において、前記黒鉛は、カーボンよりも熱伝導率の低い超微粉を被覆した黒鉛、カーボンよりも熱伝導率の低い層を形成した黒鉛、または、黒鉛結晶のＣ軸方向に薄片化した黒鉛からなり、前記耐火物のカーボン含有量Ｘ重量％と熱伝導率λW/m℃(600℃熱間での測定値)とがλ≦0.8Ｘ＋7の関係にあり、見掛気孔率が10％以下であり、かつ１mmより大きい耐火性骨材を、耐火性骨材と炭素原料との合量100重量部に対して20重量部以上含むことを特徴とする不焼成炭素含有耐火物。」（請求項１）を要旨（発明を特定する事項）とする。
【００１５】
また、本発明に係る不焼成炭素含有耐火物は、「マグネシア原料50重量％以上からなる耐火性骨材と、少なくとも一部に黒鉛を含む炭素原料30重量％以下と、を含む不焼成炭素含有耐火物において、前記黒鉛は、カーボンよりも熱伝導率の低い超微粉を被覆した黒鉛、カーボンよりも熱伝導率の低い層を形成した黒鉛、または、黒鉛結晶のＣ軸方向に薄片化した黒鉛からなり、前記耐火物のカーボン含有量Ｘ重量％と熱伝導率λW/m℃(600℃熱間での測定値)とがλ≦0.8Ｘ＋7の関係にあり、見掛気孔率が６％以下であり、かつ１mmより大きい耐火性骨材を、耐火性骨材と炭素原料との合量100重量部に対して20重量部以上含むことを特徴とする不焼成炭素含有耐火物。」（請求項２）を要旨（発明を特定する事項）とする。
【００１６】
また、本発明に係る不焼成炭素含有耐火物は、「アルカリ含有量が１重量％以下のアルミナ原料50重量％以上からなる耐火性骨材と、少なくとも一部に黒鉛を含む炭素原料30重量％以下と、を含む不焼成炭素含有耐火物において、前記黒鉛は、カーボンよりも熱伝導率の低い超微粉を被覆した黒鉛、カーボンよりも熱伝導率の低い層を形成した黒鉛、または、黒鉛結晶のＣ軸方向に薄片化した黒鉛からなり、前記耐火物のカーボン含有量Ｘ重量％と熱伝導率λW/m℃(600℃熱間での測定値)とがλ≦0.8Ｘ＋5の関係にあり、見掛気孔率が10％以下であり、かつ１mmより大きい耐火性骨材を、耐火性骨材と炭素原料との合量100重量部に対して20重量部以上含むことを特徴とする不焼成炭素含有耐火物。」（請求項３）を要旨（発明を特定する事項）とする。
【００１７】
また、本発明に係る不焼成炭素含有耐火物は、
「上記の各不焼成炭素含有耐火物において、前記少なくとも一部に黒鉛を含む炭素原料が１〜２０重量％であることを特徴とする不焼成炭素含有耐火物。」（請求項４）
を要旨（発明を特定する事項）とする。
【００１８】
また、本発明に係る溶融金属用容器は、
「溶融金属用容器において、内張りの少なくとも一部に、上記の不焼成炭素含有耐火物の何れかを使用することを特徴とする溶融金属用容器。」（請求項５）
を要旨（発明を特定する事項）とする。
【００１９】
また、本発明に係る溶融金属用容器は、
「溶融金属用容器において、内張りの少なくとも一部に、上記の不焼成炭素含有耐火物の何れかが使用され、鉄皮温度が５００℃以下であることを特徴とする溶融金属用容器。」（請求項６）、
を要旨（発明を特定する事項）とする。
【００２０】
また、本発明に係る溶融金属用容器は、
「溶融金属用容器において、裏張り断熱材を介さずに、内張りの少なくとも一部に、上記の不焼成炭素含有耐火物の何れかが使用され、鉄皮温度が５００℃以下であることを特徴とする溶融金属用容器。」（請求項７）、
を要旨（発明を特定する事項）とする。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明は、耐火性骨材と少なくとも一部に特定の黒鉛を含む炭素原料30重量％以下、好ましくは20重量％以下とを含む不焼成炭素含有耐火物において、該耐火物のカーボン含有量Ｘ重量％と熱伝導率λW/m℃とがλ≦0.8Ｘ＋7の関係にあり、見掛気孔率が10％以下で、かつ１mmより大きい耐火性骨材を、耐火性骨材と炭素原料との合量100重量部に対して20重量部以上含むことを特徴とするものである。
また、本発明は、耐火性骨材と少なくとも一部に特定の黒鉛を含む炭素原料30重量％以下、好ましくは、20重量％以下とを含む不焼成炭素含有耐火物であって、該耐火物のカーボン含有量Ｘ重量％と熱伝導率λW/m℃とがλ≦0.8Ｘ＋7の関係にある不焼成炭素含有耐火物を溶融金属用容器の内張りライニングとして使用することを特徴とするものである。
【００２４】
即ち、本発明は、低減した熱伝導率の炭素含有耐火物を使用することにより、ライニング内の温度上昇を抑制して鉄皮温度を低下させ、溶炉および溶融金属からの放散熱量を低減するものである。
特に、従来の同一炭素含有量の炭素含有耐火物と比較して１０〜３０％以上低減した熱伝導率の炭素含有耐火物を使用することにより、ライニング内の温度上昇を抑制して炭素含有耐火物煉瓦の背面温度を約１００〜１５０℃低下でき、その鉄皮温度を５００℃以下とし、鉄皮変形の防止を可能とし、かつ、溶融金属用容器および溶融金属からの放散熱量を低減するものである。
即ち、上記低減した熱伝導率の炭素含有耐火物を使用することにより、従来から行なわれているように、内張り耐火物の熱伝導率とその厚み、裏張り耐火物の熱伝導率とその厚み等を考慮して溶融金属容器の鉄皮温度を５００℃以下とすることができるのである。
鉄皮温度は、より好ましくは、４００ ℃以下、更には３８０ ℃以下とすることがより望ましい。
【００２５】
本発明に係る炭素含有耐火物は、溶融金属容器用の耐火物として使用のためには、該耐火物のカーボン含有量Ｘ重量％と熱伝導率λＷ／ｍ℃とがλ≦０．８Ｘ＋７であることが必要である。
λ＞０．８Ｘ＋７ の場合には、ライニング内の温度が上昇して溶融金属容器の鉄皮温度を上昇させ、溶融金属容器および溶融金属からの放散熱量が大きくなるので好ましくない。
【００２６】
炭素含有耐火物のカーボン含有量Ｘ重量％と熱伝導率λW/m℃とがλ≦0.8Ｘ＋7であるためには、炭素原料として、特定の黒鉛、すなわち、カーボンよりも熱伝導率の低い超微粉（例えば、アルミナ、マグネシア等の超微粉）の被覆をした黒鉛、炭素原料表面へカーボンよりも熱伝導率の低い層を形成した黒鉛、あるいは黒鉛を酸処理するなどして黒鉛結晶のＣ軸方向に薄片化した黒鉛を用いる必要があり、その量は、炭素原料の少なくとも30重量％以上、好ましくは、50重量％以上である。
【００２７】
ここで、熱伝導率λの値には、大別して、常温での測定値と熱間での測定値があるが、本発明に係る炭素含有耐火物が高温で使用されることから、熱間での測定値に意味があり、熱伝導率λの値は、６００℃熱間での測定値を採用している。なぜなら、本発明に係る炭素含有耐火物は不焼成品なので、２００〜５００℃ではバインダーとして使用している樹脂等の有機物の炭化が進行するため、正確な熱間での熱伝導率を表示し難いし、また、５００℃以上であれば、有機バインダーの炭化がほぼ完了しているために熱伝導率の大きな変動はなく、６００℃での測定値で代表させることができるからである。
したがって、本発明で使用している熱伝導率λの値は、５００℃以上での熱間特性値としての値を意味している。
【００２８】
本発明で使用される耐火性骨材としては、特に限定されるものではなく、マグネシア、アルミナ、スピネル、カルシア、ドロマイト、ジルコニア、シリカ等の酸化物、あるいは炭化珪素、炭化硼素、硼化ジルコニウムなどの非酸化物が使用可能である。
【００２９】
一般的には、炭素含有耐火物に使用される耐火性骨材としては、マグネシア原料、アルミナ原料が多く用いられている。
本発明で使用されるマグネシア原料は、電融品、焼結品の何れでも良いが、高い耐食性を得る上で、純度が９５重量％以上のものが望ましい。
また、転炉など、特に高塩基度スラグを用いて常に使用される転炉においては、マグネシア原料中の不純物組成がＣａＯ／ＳｉＯ２≧２であることが望ましい。
高塩基度スラグ共存下で使用される場合、マグネシアは耐食性に優れるため、溶解速度が遅く、そのために不純物の濃集した結晶粒界の組成が耐火物の耐用を強く左右する。
即ち、ＣａＯ／ＳｉＯ２＜２では、結晶粒界の融点が低く、高温下で液相を生成するため、ペリクレース結晶が流出されやすくなるので好ましくない。
また、本発明で使用されるアルミナ原料は、電融品、焼結品、天然品の何れもが使用可能であり、純度は５０重量％以上が好ましい。
十分な耐食性を得る上で、アルミナ原料はアルカリ含有量が少ないことが必要であり、望ましくは１重量％以下であることが良好である。
【００３０】
耐火性骨材として、マグネシア原料を５０重量％以上使用する場合には、炭素含有耐火物のカーボン含有量Ｘ重量％と熱伝導率λＷ／ｍ℃とがλ≦０．８Ｘ＋７とすることが、放散熱量を低減する上でより好ましい。
λ≦０．８Ｘ＋７とすることにより、溶融金属用容器の鉄皮温度を５００ ℃以下とすることができ、好ましくは、４００℃以下に、更に好ましくは、３８０℃以下にすることができる。
また、耐火性骨材として、アルミナ原料を主とするものを使用する場合には、その熱伝導率が相対的に低いために、得られる炭素含有耐火物の熱伝導率も低い値を示す傾向にある。
そこで、耐火性骨材として、アルミナ原料を５０重量％以上使用する場合には、炭素含有耐火物のカーボン含有量Ｘ重量％と熱伝導率λＷ／ｍ℃とがλ≦０．８Ｘ＋５とすることが、放散熱量を低減する上でより好ましい。
λ≦０．８Ｘ＋５とすることにより、溶融金属用容器の鉄皮温度を５００ ℃以下とすることができ、好ましくは、４００℃以下に、更に好ましくは、３８０℃以下にすることができる。
【００３１】
本発明に係る炭素含有耐火物は、炭素原料の含有量が３０重量％以下が、好ましい。
３０重量％を超えると、酸化損傷が大きくなって耐用性が低下する問題を生じ、また、熱伝導率が高くなるために、溶炉の放散熱量を低減しようとする本発明の目的が達成できない。
この意味において、炭素原料の含有量は、２０重量％以下であることがより好ましい。
また、取鍋やＲＨ炉等の溶鋼保持時間の長い容器においては、放散熱量をできるだけ抑制するためには、炭素原料の含有量がより少ないことが好ましく、１７重量％未満であることが更に望ましい。
炭素原料の含有量の下限は、特に限定されるものではないが、スラグ浸潤を抑制する効果というカーボンの効果を得るためには、１重量％以上を含有することが望ましい。
【００３２】
また、本発明における炭素原料としては、前記したように、カーボンよりも熱伝導率の低い超微粉（アルミナ、マグネシア等）の被覆をした黒鉛、炭素原料表面へカーボンよりも熱伝導率の低い層を形成した黒鉛、あるいは黒鉛を酸処理するなどして黒鉛結晶のＣ軸方向に薄片化した黒鉛を使用することが必要であるが、必要に応じて、上記以外の黒鉛を使用することもできる。
上記以外の黒鉛の量は、炭素原料中に10〜70重量％であり、好ましくは、10〜50重量％である。
黒鉛を使用することで、良好な充填性を得ることができる。
また、結晶質カーボンである黒鉛は、耐食性、耐酸化性に優れるため、得られる炭素含有耐火物は良好な耐酸化性、耐食性を有することができる。
【００３３】
また、本発明に係る炭素含有耐火物は、見掛気孔率が１０％以下であることが必要である。
１０％を超えると、該耐火物の充填性が低くなるために、耐食性、耐酸化性が低下して耐用性が劣化するため好ましくない。
見掛気孔率を１０％以下とするためには、公知の手段が採用されるが、例えば、原料を混合する際に、適度な潤滑性を有するバインダーを加えて坏土とし、圧力伝達性に富む坏土状態にて加圧成形する等して緻密化を調整する手段等がとられる。
【００３４】
耐火性骨材としてマグネシア原料を主とするものが使用される場合には、マグネシア原料が相対的に低い気孔率を有することから、得られる炭素含有耐火物の見掛気孔率も低い値を示す傾向にある。
従って、本発明においてマグネシア原料が５０重量％以上使用される場合には、見掛気孔率が６％以下であることが、良好な耐用性を得る上でより好ましい。
耐火性骨材としてアルミナ原料を主とするものが使用される場合には、得られる炭素含有耐火物の見掛気孔率は、１０％以下であることが必要である。
【００３５】
熱伝導率が低い場合、厳しい温度変化条件に曝された場合、耐火物にはより大きな温度分布が発生し、そのために熱歪みに起因する熱応力が高くなって、スポーリング損傷を起こしやすくなる傾向がある。
本発明では、この点を克服するために、耐火物組織中に、一定以上の大きさを有する粗粒骨材を一定量以上分散させることが必要である。
一般に、炭素含有耐火物組織中に熱応力等によって発生した亀裂は、カーボンが多く分散しているマトリックス中を伸展しながら耐火物を破壊して行く。
このとき、炭素含有耐火物組織中に粗粒の耐火性骨材粒子を適度な頻度で分散させておくと、組織中を伝播伸展してきた亀裂は該粒子に達して時点で、粗粒の干渉効果によって伝播力が低減され、伸展が抑制される。
【００３６】
この効果を得る上で、本発明に係る炭素含有耐火物では、１ｍｍより大きい耐火性骨材を、耐火性骨材と炭素原料との合量１００重量部に対して２０重量部以上含有することが必要である。
２０重量部未満では、上記のスポーリング損傷抑制効果が十分得られない。
更に十分な効果を得るために、１ｍｍより大きい耐火性骨材を、耐火性骨材と炭素原料との合量１００重量部に対して３０重量部以上含有することがより好ましい。
１ｍｍより大きい耐火性骨材の含有量の上限は特に限定されないが、良好な組織を形成するためには、７０重量部以下であることが好ましい。
この特定粒度の耐火性骨材を使用することによって、熱伝導率が低減した炭素含有耐火物においても、緻密性および耐食性を劣化させずに十分な耐スポーリング性を確保することができるという特段の効果が得られる。
【００３７】
次に、各種容器に本発明に係る不焼成炭素含有耐火物を内張りした場合の構成について図面を参照して説明する。
図１に示されているように、溶鋼５が入れられる容器、例えば、ＬＦ鍋等は、鉄皮１に裏張り煉瓦２，３を施し、その内側に内張り不焼成炭素含有耐火物４を設けたものである。
【００３８】
【実施例】
次に、本発明の実施例を比較例と共に挙げ、本発明を具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例によって限定されるものではない。
（実施例１〜７，比較例１〜６）
表１に示す電融原料からなる耐火性骨材、および、純度９０％の鱗状の黒鉛Ａとそれを薄片化して耐火性骨材（アルミナ，マグネシア）の超微粉（２０μｍ以下）を被覆した黒鉛Ｂとを用い、表２に示すその他の原料と混合し、加圧混練機により混練し、成形し、成形物を２００ ℃で１２時間熱処理して不焼成炭素含有耐火物からなる試料を作成した。
【００３９】
各試料について下記の各種の評価試験を行った。
○耐酸化性試験
試料を１３００℃の大気中で加熱した後に脱炭層の厚み（ｍｍ）を測定した。
○耐食性試験
実施例１，２、比較例１，２の試料は、１４００℃で、塩基度２のスラグを用いてスラグ侵食テストを実施の後、溶損深さ（ｍｍ）を測定した。
他の試料は、１６５０℃で塩基度 ３．８のスラグを用いてスラグ侵食テストを実施の後、溶損深さ（ｍｍ）を測定した。
○耐スポーリング試験
試料を溶融した銑鉄中に浸漬して熱衝撃を与えた後、切断面上に認められる発生亀裂量を測定し数値化した。
○鉄皮表面温度
表２中に記載の各溶炉を想定して内張りライニング厚みを考慮したライニングモデルを作成し、一定の溶鋼温度と外気温度とを与えて定常伝熱計算を実施した際に得られた鉄皮表面温度。
【００４０】
【表１】
【表２】
表２から、本発明に係る炭素含有耐火物は、耐食性、耐スポーリング性、耐酸化性に同時に優れた特徴を有し、かつ、各種の溶融金属用容器に使用した場合に、鉄皮温度を低減できる効果を有することが明らかである。
【００４３】
それ故、本発明に係る炭素含有耐火物は、
▲１▼高い耐食性、耐スポーリング性、耐酸化性という優れた耐用性を有しながら、同時に使用時においてエネルギー損失を低減できるという特段の優れた効果を示すこと、
▲２▼優れた耐用性を有しながら、しかもエネルギー損失を低減できるという、これまで実現が非常に困難であった優れた溶融金属用ライニングを得ることができること、
▲３▼その使用によって、高エネルギー消費産業である製鉄業あるいは非鉄製造業における一層の省エネルギーが進展されるという、高い工業的価値を有していること、
が明白である。
【００４４】
（実施例８，比較例７）
現在、一般的に通常使用されている６０ｔ−ＬＦ鍋の内張り煉瓦に、上記の表２の実施例６に記載のＭｇＯ−Ｃ 煉瓦をライニング適用した本発明の容器と従来の不焼成炭素含有耐火物をライニングした比較例の容器とを表３に示すライニング厚みとして、図１に示したように構成した。なお、裏張り煉瓦には、ともに高アルミナ質煉瓦を適用しているものとした。
本発明の容器と比較例の容器における内張り不焼成炭素含有耐火物の熱伝導率とカーボン含有量を表４に示す。
また、両容器についての定常伝熱計算を、溶鋼温度を１６５０℃、外気温度を３０℃として、常法にしたがって計算を行なった。
その計算結果を表５に示す。
【００４５】
【表３】
【表４】
【表５】
定常伝熱計算の結果から、以下のことが明らかである。
・比較例の容器における従来ＭｇＯ−Ｃ 煉瓦の背面側温度は、１３８７℃であるのに対し、本発明の容器における低熱伝導性ＭｇＯ−Ｃ 煉瓦の背面側温度は、１２７１℃であり、従来ＭｇＯ−Ｃ 煉瓦を内張りした場合と比較して、本発明の低熱伝導性ＭｇＯ−Ｃ 煉瓦を内張りした場合は、内張り耐火物の背面側温度が１１６ ℃低下することになる。
このことにより、裏張り煉瓦の耐用性向上にも効果がある。
・比較例の容器における鉄皮温度は、５２２ ℃であるのに対し、本発明の容器における鉄皮温度は、４８５ ℃であり、約４０℃の鉄皮温度の低減が可能である。
このことにより、本発明の低熱伝導性ＭｇＯ−Ｃ 煉瓦を適用することにより、鉄皮変形の防止、鉄皮側からの放散熱量を低減することが可能となる。
・また、本発明の容器においては、内張り耐火物の熱伝導率を低減することにより、溶鋼から内張り耐火物への蓄熱を低減できるため、溶鋼温度の低下抑制に貢献できる。
【００４９】
次に、図１に示した構成の実炉に、本発明に係る不焼成炭素含有耐火物を適用した実施例について説明する。
（実施例９）
１００ｔ−ＬＦ鍋の鉄皮１に裏張り煉瓦２，３として、高アルミナ質煉瓦とマグクロ煉瓦を設け、その内側に上記の表２の実施例５に記載のＭｇＯ−Ｃ煉瓦４を２００ｍｍライニング適用した本発明の容器について鉄皮温度の測定を行なったところ、３２０℃であった。
【００５０】
（実施例１０）
２５ｔ−ＬＦ鍋の鉄皮１に裏張り煉瓦２，３として、ロー石とＭｇＯ−Ｃ 煉瓦を設け、その内側に上記の表２の実施例５に記載のＭｇＯ−Ｃ煉瓦４を１５０ｍｍライニング適用した本発明の容器について鉄皮温度の測定を行なったところ、３３０℃であった。
【００５１】
（実施例１１）
１００ｔ−ＬＦ鍋の鉄皮１に裏張り煉瓦２，３として、ロー石とＭｇＯ−Ｃ煉瓦を設け、その内側に上記の表２の実施例６に記載のＭｇＯ−Ｃ煉瓦４を２００ｍｍライニング適用した本発明の容器について鉄皮温度の測定を行なったところ、４４０℃であった。
【００５２】
上記の実炉での実施の結果から、本発明に係る不焼成炭素含有耐火物をライニング適用することにより、
・各実施例における鉄皮温度の平均は、それぞれ、３２０℃， ３３０℃，４４０℃であり鉄皮変形の問題が解消されたこと、
・実炉操業においても、ＬＦ処理時間は、約１０％短縮する効果が得られたこと（実施例９）、
・電力使用量は、約１０％低減できる効果が得られ、省エネルギー効果があったこと（実施例９）、
・ＬＦ鍋の放冷時の保温性が向上しており、溶鋼温度低下抑制についても効果があったこと（実施例９）、
・溶鋼温度低下の抑制が出来ることから、電気炉出鋼温度の低減にも効果があったこと（実施例９）、
・鉄皮温度低下以外の耐用性についても、従来の不焼成炭素含有耐火物をライニングした場合と同等の結果が得られていること、
等の優れた効果を確認することができた。
【００５３】
【発明の効果】
本発明は、以下のような優れた効果をそうするものである。
・耐火性骨材と、少なくとも一部に黒鉛を含む炭素原料30重量％以下と、を含む不焼成炭素含有耐火物において、前記黒鉛は、カーボンよりも熱伝導率の低い超微粉を被覆した黒鉛、カーボンよりも熱伝導率の低い層を形成した黒鉛、または、黒鉛結晶のＣ軸方向に薄片化した黒鉛からなり、前記耐火物のカーボン含有量Ｘ重量％と熱伝導率λW/m℃(600℃熱間での測定値)とがλ≦0.8Ｘ＋7の関係にあり、見掛気孔率が10％以下であり、かつ１mmより大きい耐火性骨材を、耐火性骨材と炭素原料との量100重量部に対して20重量部以上含むことにより、耐食性、耐スポーリング性、耐酸化性といった耐火物本来の重要な特性を劣化させることなく、エネルギー損失を低減できる不焼成炭素含有耐火物を提供することができる。
・上記不焼成炭素含有耐火物を使用することによって、エネルギー損失の削減が可能でかつ耐用性の安定した溶融金属用容器を提供することができる。
・溶融金属用容器において、カーボン含有量Ｘ重量％と熱伝導率λW/m℃とが λ≦0.8Ｘ＋7(600℃熱間での測定値)の関係にある炭素含有耐火物を、裏張り断熱材を介さずに（裏張りに断熱材を使用せずに）、内張りの少なくとも一部に使用することにより、溶融金属用容器の鉄皮温度を500 ℃以下にすることが可能で、エネルギー損失が少なく、かつ鉄皮損傷が軽微な溶融金属用容器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明に係る不焼成炭素含有耐火物を内張りに適用した溶融金属用容器の断面図である。
【符号の説明】
１ 鉄皮
２，３ 裏張り煉瓦
４ 内張り不焼成炭素含有耐火物
５ 溶鋼
Claims (7)
- 耐火性骨材と、少なくとも一部に黒鉛を含む炭素原料30重量％以下と、を含む不焼成炭素含有耐火物において、前記黒鉛は、カーボンよりも熱伝導率の低い超微粉を被覆した黒鉛、カーボンよりも熱伝導率の低い層を形成した黒鉛、または、黒鉛結晶のＣ軸方向に薄片化した黒鉛からなり、前記耐火物のカーボン含有量Ｘ重量％と熱伝導率λW/m℃(600℃熱間での測定値)とがλ≦0.8Ｘ＋7の関係にあり、見掛気孔率が10％以下であり、かつ１mmより大きい耐火性骨材を、耐火性骨材と炭素原料との合量100重量部に対して20重量部以上含むことを特徴とする不焼成炭素含有耐火物。
- マグネシア原料50重量％以上からなる耐火性骨材と、少なくとも一部に黒鉛を含む炭素原料30重量％以下と、を含む不焼成炭素含有耐火物において、前記黒鉛は、カーボンよりも熱伝導率の低い超微粉を被覆した黒鉛、カーボンよりも熱伝導率の低い層を形成した黒鉛、または、黒鉛結晶のＣ軸方向に薄片化した黒鉛からなり、前記耐火物のカーボン含有量Ｘ重量％と熱伝導率λW/m℃(600℃熱間での測定値)とがλ≦0.8Ｘ＋7の関係にあり、見掛気孔率が６％以下であり、かつ１mmより大きい耐火性骨材を、耐火性骨材と炭素原料との合量100重量部に対して20重量部以上含むことを特徴とする不焼成炭素含有耐火物。
- アルカリ含有量が１重量％以下のアルミナ原料50重量％以上からなる耐火性骨材と、少なくとも一部に黒鉛を含む炭素原料30重量％以下と、を含む不焼成炭素含有耐火物において、前記黒鉛は、カーボンよりも熱伝導率の低い超微粉を被覆した黒鉛、カーボンよりも熱伝導率の低い層を形成した黒鉛、または、黒鉛結晶のＣ軸方向に薄片化した黒鉛からなり、前記耐火物のカーボン含有量Ｘ重量％と熱伝導率λW/m℃(600℃熱間での測定値)とがλ≦0.8Ｘ＋5の関係にあり、見掛気孔率が10％以下であり、かつ１mmより大きい耐火性骨材を、耐火性骨材と炭素原料との合量100重量部に対して20重量部以上含むことを特徴とする不焼成炭素含有耐火物。
- 前記少なくとも一部に黒鉛を含む炭素原料が、１〜20重量％であることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の不焼成炭素含有耐火物。
- 溶融金属用容器において、内張りの少なくとも一部に、請求項１〜４の何れかに記載の不焼成炭素含有耐火物が使用されていることを特徴とする溶融金属用容器。
- 溶融金属用容器において、内張りの少なくとも一部に、請求項１〜４の何れかに記載の不焼成炭素含有耐火物が使用され、鉄皮温度が500℃以下であることを特徴とする溶融金属用容器。
- 溶融金属用容器において、裏張り断熱材を介さずに、内張りの少なくとも一部に、請求項１〜４の何れかに記載の不焼成炭素含有耐火物が使用され、鉄皮温度が500℃以下であることを特徴とする溶融金属用容器。
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