JP4909184B2

JP4909184B2 - 不定形耐火物の耐爆裂性評価方法及び評価装置、溶融金属容器の内張り耐火物の形成方法、並びにプログラム

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Publication number: JP4909184B2
Application number: JP2007151919A
Authority: JP
Inventors: 有人溝部
Original assignee: Krosaki Harima Corp
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Priority date: 2007-06-07
Filing date: 2007-06-07
Publication date: 2012-04-04
Anticipated expiration: 2027-06-07
Also published as: JP2008304330A

Description

本発明は、不定形耐火物の耐爆裂性評価方法及び評価装置、溶融金属容器の内張り耐火物の形成方法、並びにプログラムに関する。

本明細書において、溶融金属容器とは、溶銑鍋、溶鋼鍋、タンディッシュ、混銑車、樋の他、転炉や脱ガス炉等の炉も含む概念とする。

溶融金属容器の内張り耐火物は、加水混練された不定形耐火物を容器内面に施工し、得られた施工体を養生したのち、ガスバーナやマイクロ波発生装置等の加熱機を用いて乾燥させてなる。施工体を乾燥させる際に留意すべき点に爆裂という問題がある。爆裂は、施工体内の水分が加熱により蒸発し、施工体の内部水蒸気圧が施工体の強度を上回ったときに起こると考えられる。この爆裂のトラブルを回避するためには、施工体の乾燥状況をモニタすることが有効である。

特許文献１は、施工体の乾燥状況をモニタする方法として、（イ）施工体に熱電対を埋め込み、施工体の表層部及び内部の温度を測定する方法、（ロ）シリコーン油を充填した中空細管を施工体内に埋め込んで施工体内の蒸気圧を測定する方法、（ハ）施工体に一対の電極を埋め込み、それら電極間の電気抵抗値から残留水分量を推定する方法、（二）中性子水分計を用いる方法、及び（ホ）施工体の重量を測定する方法があると説明している。

特許文献２では、上記（ホ）の方法の一態様として、不定形耐火物の成形体よりなる小型サンプルを電気炉で乾燥させ、乾燥開始から１分毎に小型サンプルの重さの減少量を測定している。その測定値から小型サンプルの含水率を算出するとともに、その含水率によって不定形耐火物の乾燥特性を考察している。また、小型サンプルを厚さ方向の位置によって複数の層に分割し、層毎の含水率の時間変化を測定して、小型サンプル内における水分の移動について考察している。
内之倉，「不定形耐火物と粉体工学（その２７）第５章不定形耐火物の乾燥，焼成−乾燥プロセス，伝統的方法から最近の動向−」，耐火物，５７〔１１〕，２００５年、ｐ５９０〜５９７渡辺ら，「不定形耐火物の乾燥に関する一考察」，耐火物，３７−５９０，１９８５年，ｐ３０〜３３

特許文献１の（イ）〜（二）の方法によると、施工体の乾燥状況を正確にモニタできるが、モニタに必要な装置の構成が大がかりであるとともに、その設置作業に手間を要するきらいがある。施工現場に、複雑な装置を持ち込んで、煩雑な作業を行うことは望まれない。また、（イ）〜（ハ）の方法によると、施工体にセンサを埋め込まなくてはならないため、埋め込みによって施工体に損傷を与えることとなる。

特許文献２の方法は、小型サンプルの重さの減少量をみるだけであるので、上記（イ）〜（二）の方法に比べると手間はかからないが、重さの減少量のみに基づく耐爆裂性の評価はやや正確性に欠けると考えられる。

なお、特許文献２では、加熱による小型サンプルの重さの減少量から、含水率や乾燥速度を算出しているが、重さの減少量と含水率や乾燥速度とは線形の関係にあって両者は実質的に等価な物理量であるため、含水率や乾燥速度を算出したからといって、耐爆裂性の評価精度が向上する訳ではない。

本明細書において、加熱による小型サンプルの重さの減少量というときは、これと線形の関係にある物理量、例えば小型サンプルの乾燥速度や含水率等を含む概念とする。

特許文献２ではまた、小型サンプル内の水分の移動について考察しているが、そのためには小型サンプルを実際に複数の層に切断しており、作業が非常に煩雑になるとともに、層毎の含水率の時間変化をモニタしただけでは、小型サンプル内の水分の移動のし易さを定量的に評価することはできない。

本発明の目的は、不定形耐火物の耐爆裂性を、煩雑な作業を伴わずに、定量的に正確に評価することができる技術を提供することにある。

本発明の一観点によれば、（ａ）不定形耐火物の成形体よりなる小型サンプルを作製する工程と、（ｂ）作製した小型サンプルを或る加熱条件に従って加熱した場合の該小型サンプルの重さの減少量Ｑの推定値を、前記小型サンプル内における水分の移動のし易さを表すパラメータであって、加熱による小型サンプルの重さの減少量とは非線形の関係にあり、前記小型サンプル内の水分移動量に比例するパラメータである通水特性値ｋｎを用いて算出する工程であって、ｋｎを順次変化させてｋｎ別にＱを算出することにより、ｋｎとＱとの関係Ｑ[ｋｎ]を求める工程と、（ｃ）前記小型サンプルを前記加熱条件に従って実際に加熱した場合の該小型サンプルの重さの減少量の測定値Ｑｍを取得する工程と、（ｄ）前記Ｑ［ｋｎ］と前記Ｑｍとを照合し、両者が一致又は近似するときのｋｎを求める工程と、（ｅ）前記求めたｋｎと、前記不定形耐火物の熱伝導率、比熱、かさ比重その他の物性値及び前記不定形耐火物を溶融金属容器の内面に施工して得られる施工体の含有水分量と、前記施工体の乾燥条件とに基づき、前記施工体の内部水蒸気圧を求める工程と、（ｆ）前記求めた内部水蒸気圧と、前記施工体の曲げ強度に基づいて定められる閾値とを比較する工程とを有する不定形耐火物の耐爆裂性評価方法が提供される。

本発明の他の観点によれば、不定形耐火物の成形体よりなる小型サンプルを加熱する加熱機、及び該加熱機の加熱による小型サンプルの重さの減少量を測定する質量計を有する乾燥装置と、コンピュータとを備えた耐爆裂性評価装置において、前記コンピュータが、前記小型サンプルを或る加熱条件に従って加熱した場合の該小型サンプルの重さの減少量Ｑの推定値を、前記小型サンプル内における水分の移動のし易さを表すパラメータであって、加熱による小型サンプルの重さの減少量とは非線形の関係にあり、前記小型サンプル内の水分移動量に比例するパラメータである通水特性値ｋｎを用いて算出する手段であって、ｋｎを順次変化させてｋｎ別にＱを算出することにより、ｋｎとＱとの関係Ｑ[ｋｎ]を求める第１の演算手段と、前記小型サンプルを前記加熱条件に従って実際に加熱した場合の該小型サンプルの重さの減少量の測定値Ｑｍを前記質量計により取得する取得手段と、前記第１の演算手段により求めたＱ［ｋｎ］と前記取得手段により取得したＱｍとを照合し、両者が一致又は近似するときのｋｎを求める第２の演算手段と、前記第２の演算手段により求めたｋｎと、前記不定形耐火物の熱伝導率、比熱、かさ比重その他の物性値及び前記不定形耐火物を溶融金属容器の内面に施工して得られる施工体の含有水分量と、前記施工体の乾燥条件とに基づき、前記施工体の内部水蒸気圧を求める第３の演算手段と、前記第３の演算手段により求めた内部水蒸気圧と、前記施工体の曲げ強度に基づいて定められる閾値とを比較する比較手段とを備えた不定形耐火物の耐爆裂性評価装置が提供される。

前記コンピュータが、小型サンプルの通水特性値ｋｎと、前記加熱機の加熱による該小型サンプルの重さの減少量の推定値Ｑとを対応付けたＱ［ｋｎ］を記憶した記憶手段を有し、前記演算手段が、Ｑ［ｋｎ］と前記質量計の測定結果Ｑｍとを照合し、両者が一致又は近似するときのｋｎの値を、前記通水特性値とすることが好ましい。

本発明のさらに他の観点によれば、（Ａ）不定形耐火物の成形体よりなる小型サンプルを作製する工程と、（Ｂ）作製した小型サンプルを或る加熱条件に従って加熱した場合の該小型サンプルの重さの減少量Ｑの推定値を、前記小型サンプル内における水分の移動のし易さを表すパラメータであって、加熱による小型サンプルの重さの減少量とは非線形の関係にあり、前記小型サンプル内の水分移動量に比例するパラメータである通水特性値ｋｎを用いて算出する工程であって、ｋｎを順次変化させてｋｎ別にＱを算出することにより、ｋｎとＱとの関係Ｑ[ｋｎ]を求める工程と、（Ｃ）前記小型サンプルを前記加熱条件に従って実際に加熱した場合の該小型サンプルの重さの減少量の測定値Ｑｍを取得する工程と、（Ｄ）前記Ｑ［ｋｎ］と前記Ｑｍとを照合し、両者が一致又は近似するときのｋｎを求める工程と、（Ｅ）前記求めたｋｎと、前記不定形耐火物の熱伝導率、比熱、かさ比重その他の物性値及び前記不定形耐火物を溶融金属容器の内面に施工して得られる施工体の含有水分量と、前記施工体の乾燥条件とに基づき、前記施工体の内部水蒸気圧を求める工程と、（Ｆ）前記求めた内部水蒸気圧と、前記施工体の曲げ強度に基づいて定められる閾値とを比較する工程と、（Ｇ）前記比較された結果に基づいて、前記施工体の養生条件及び／又は乾燥条件が変更された場合、該変更された養生条件及び／又は乾燥条件に基づいて前記施工体の養生及び／又は乾燥を行う工程とを有する内張り耐火物の形成方法が提供される。

本発明のさらに他の観点によれば、不定形耐火物の耐爆裂性を評価するためにコンピュータに、（ｉ）不定形耐火物の成形体よりなる小型サンプルを或る加熱条件に従って加熱した場合の該小型サンプルの重さの減少量Ｑの推定値を、前記小型サンプル内における水分の移動のし易さを表すパラメータであって、加熱による小型サンプルの重さの減少量とは非線形の関係にあり、前記小型サンプル内の水分移動量に比例するパラメータである通水特性値ｋｎを用いて算出する手順であって、ｋｎを順次変化させてｋｎ別にＱを算出することにより、ｋｎとＱとの関係Ｑ[ｋｎ]を求める手順と、（ｉｉ）前記小型サンプルを前記加熱条件に従って実際に加熱した場合の該小型サンプルの重さの減少量の測定値Ｑｍを取得する手順と、（ｉｉｉ）前記求めたＱ［ｋｎ］と前記取得したＱｍとを照合し、両者が一致又は近似するときのｋｎを求める手順と、（ｉｖ）前記求めたｋｎと、前記不定形耐火物の熱伝導率、比熱、かさ比重その他の物性値及び前記不定形耐火物を溶融金属容器の内面に施工して得られる施工体の含有水分量と、前記施工体の乾燥条件とに基づき、前記施工体の内部水蒸気圧を求める手順と、（ｖ）前記求めた内部水蒸気圧と、前記施工体の曲げ強度に基づいて定められる閾値とを比較する手順とを実行させるためのプログラムが提供される。

本発明のさらに他の観点によれば、不定形耐火物の耐爆裂性を評価するためにコンピュータに、（Ｉ）不定形耐火物の成形体よりなる小型サンプルを或る加熱条件に従って加熱した場合の該小型サンプルの重さの減少量の測定値Ｑｍを取得する手順と、（ＩＩ）前記小型サンプル内における水分の移動のし易さを表すパラメータであって、加熱による小型サンプルの重さの減少量とは非線形の関係にあり、前記小型サンプル内の水分移動量に比例するパラメータである通水特性値を或るｋ´と定め、このｋ´の値を用いて、前記小型サンプルを前記加熱条件に従って加熱した場合の該小型サンプルの重さの減少量の推定値Ｑｃを算出する手順と、（ＩＩＩ）前記算出したＱｃと、前記取得したＱｍとを比較し、両者の差が小さくなるようにｋ´の値を変更する手順と、（ＩＶ）前記変更したｋｎ´と、前記不定形耐火物の熱伝導率、比熱、かさ比重その他の物性値及び前記不定形耐火物を溶融金属容器の内面に施工して得られる施工体の含有水分量と、前記施工体の乾燥条件とに基づき、前記施工体の内部水蒸気圧を求める手順と、（Ｖ）前記求めた内部水蒸気圧と、前記施工体の曲げ強度に基づいて定められる閾値とを比較する手順とを実行させるためのプログラムが提供される。

不定形耐火物の耐爆裂性の評価においては、加熱による小型サンプルの重さの減少量（乾燥速度や含水率等を含む）がどうかというよりも、小型サンプル内における水分の移動のし易さがどうかということの方が重要である。発明者の研究によると、小型サンプル内における水分の移動のし易さの程度は、加熱による小型サンプルの重さの減少量と単純な比例関係にない。両者は、非線形の関係にある。小型サンプル内における水分の移動のし易さを考慮して耐爆裂性を評価することにより、重さの減少量のみに基づく従来の評価に比べると、より現実に即した正確な評価を得ることができる。

小型サンプル内における水分の移動のし易さの程度をパラメータ（通水特性値）として算出することにより、耐爆裂性を定量的に評価することが可能となる。

評価にあたっては、加熱による小型サンプルの重さの減少量を測定するだけでよいので、実際の施工現場において、不定形耐火物の耐爆裂性の評価を、煩雑な作業を伴わずに行うことができる。

図１は、実施例による不定形耐火物の耐爆裂性評価装置を示す。この評価装置は、熱風発生機１、パイプ２、乾燥室３、及び電子天秤６を有する乾燥装置８と、ＣＰＵ１２及びメモリ１３を有するコンピュータ１０とで構成される。

乾燥装置８では、熱風発生機１が、熱風を発生する。発生された熱風は、パイプ２を通して乾燥室３内に送り込まれる。乾燥室３内には、小型サンプル４が配置されている。小型サンプル４は、評価対象とする不定形耐火物の成形体よりなり、未乾燥状態において例えば３〜１５質量％の水分を含有する。

なお、小型サンプル４のサイズは特に限定されないが、小型サンプル４の作製の容易性や本評価装置の小型化等の観点から、小型サンプル４のサイズは、例えば１０００ｃｍ^３以下であることが好ましい。

熱風によって小型サンプル４が加熱され、小型サンプル４中の水分が蒸発する。これにより、小型サンプル４が乾燥し、その重さが減少する。小型サンプル４から蒸発した水分は、乾燥室３に形成された排気口５を通じて外部に排気される。

乾燥室３は、電子天秤６に載っている。小型サンプル４を期間ｔｍにわたって乾燥させたときの、小型サンプル４の重さの減少量Ｑｍが、電子天秤６により測定され、測定結果Ｑｍがデータ通信用配線７を介してコンピュータ１０に取り込まれる。以下、乾燥装置８にてＱｍを測定する操作を、乾燥測定という。

コンピュータ１０では、ＣＰＵ１２が、メモリ１３内の評価プログラム１３ａに従い、入力インターフェース１１を介して取得したＱｍと、メモリ１３に予め記憶された小型サンプル温度データ（Tｓ[ｘ，ｔ]）１３ｂ及び施工体温度データ（Tｒ[ｘ，ｔ]）１３ｃとに基づいて、不定形耐火物の耐爆裂性を評価するための演算を行う。この演算の内容については、図３〜図５を参照して後述する。

本評価装置を不定形耐火物の施工現場に配置しておけば、溶融金属容器の内面に施工された不定形耐火物の施工体の乾燥に先立ち、又は乾燥と並行して、その不定形耐火物よりなる小型サンプル４の乾燥測定を行うことで、所与の乾燥昇温スケジュールに従った場合の、施工体の爆裂の可能性の評価をコンピュータ１０で事前に得ることができ、その評価結果に応じて所与の乾燥昇温スケジュールの良否を判定できる。所与の乾燥昇温スケジュールがきびしいと判定されれば、それを事前に修正できるため施工体の爆裂を回避できる。

本評価装置においては、小型サンプル４の重さの減少量Ｑｍを測定するだけで施工体の耐爆裂性の評価を得ることができるから、評価にあたって施工要員に煩雑な作業が要求されることはない。

本評価装置は、小型で占有面積が小さく、かつ構成が簡素であるから、施工現場に配置してもなんら支障なく、従来の熱電対等のセンサを施工体に埋め込む方法や、中性子水分計を用いる方法等に比べると、手軽かつ速やかに乾燥測定を行うことができる。

図２は、小型サンプル４の物理モデルを示す。コンピュータ１０で行う演算の説明に先立ち、その演算に使用する各種変数等について説明する。小型サンプルの或る仮想断面内にＸ軸２０を想定する。例えば、小型サンプルが円柱状であれば、その半径方向にＸ軸を想定する。Ｘ軸２０上において、仮想断面の一端の位置をｘ＝０、他端の位置をｘ＝Ｌとする。

ｘ＝０の位置からｘ＝Ｌの位置にわたり、Ｘ軸２０に沿って配列したＬ／Δｘ個の直方体状のセル２１を考える。各セル２１の幅はΔｘであり、隣合うセル２１どうしは接している。セル２１の側面、即ち隣のセル２１と接する面の面積をＡとする。

各セル２１は、不定形耐火物を構成する耐火性粒子によって囲まれてできる微小空間を再現する。セル２１毎に、そのセル内の温度Ｔｓ、圧力Ｐ、及び水分残量ｍを考える。面積Ａの側面を通じて、或るセルから隣のセルに水分が移動することに伴い、Ｔｓ、Ｐ、及びｍの値は、セル２１毎に、かつ時間毎に変化すると考えるのが妥当であろう。従って、これらの変数は、位置ｘと時刻ｔの二次元配列、即ちＴｓ［ｘ，ｔ］、Ｐ［ｘ，ｔ］、ｍ［ｘ，ｔ］と表記される。

このうちＴｓ[ｘ，ｔ]は、予め分かっている不定形耐火物の熱伝導率、比熱、かさ比重その他の物性値と、小型サンプルの初期水分量と、予め決まっている図１の乾燥装置８による加熱条件とに基づいて、有限要素法により予め求められ、図１のコンピュータ１０のメモリ１３内に、小型サンプル温度データ１３ｂとして記憶されている。

ここで、小型サンプルの初期水分量とは、小型サンプルの乾燥測定前の含有水分量のことである。本実施例では、小型サンプルの初期水分量は、不定形耐火物の混練水分量に等しいと近似するものとする。

なお、湿潤した対象物の物性値と初期水分量と加熱条件とから、有限要素法により対象物の内部温度分布の時間変化を求めるアルゴリズムは公知であるから、その詳細な説明は省略する。

図３に、実施例による溶融金属容器の内張り耐火物の形成方法のフローチャートを示す。ステップＳ１〜Ｓ１２及びＳ１５は、図１のコンピュータ１０が評価プログラム１３ａに従って行う演算である。他のステップは、施工要員が行う処理である。

まず、初期値として変数ｘ、ｔ、Ｑ、及び配列Ｐ［０，０］にそれぞれ０を代入し、水分残量を表す配列ｍ［０，０］、ｍ［Δｘ，０］、…ｍ［Ｌ，０］に、小型サンプルの初期水分量（不定形耐火物の混練水分量）を代入する（ステップＳ１）。即ち、ｔ＝０では、図２の各セル２１内の水分残量は、不定形耐火物の混練水分量に等しい。

次に、ｋｎをｋｍｉｎ〜ｋｍａｘまで変化させる第１のループ（ステップＳ２〜Ｓ１２）と、ｔを０〜ｔｍ（ｔｍは図１の乾燥装置８で小型サンプル４を乾燥させる期間）まで変化させる第２のループ（ステップＳ３〜Ｓ１０）と、ｘをΔｘ〜Ｌ（Ｌは小型サンプル４の厚さ）まで変化させる第３のループ（ステップＳ４〜Ｓ８）との三重ループ内で、下記の式１〜式３を計算する。

Ｐ［ｘ，ｔ］＝ｆ（Ｔｓ［ｘ，ｔ］）・ｍ［ｘ，ｔ］…（式１；ステップＳ５）

式１で、ｆは、飽和水蒸気圧を示す関数である。即ち、空気中の飽和水蒸気圧は、温度によって一意に定まる。ｆには、例えばTetensの近似式を用いる。なお、温度Ｔｓ［ｘ，ｔ］が有限要素法により予め求められていることは既述のとおりである。

式１では、図２の各セル２１内の圧力を、単純に飽和水蒸気圧ｆに等しいとみなすのではなく、これに水分残量ｍ［ｘ，ｔ］に応じた重み付けをすることにより、具体的には、水分残量ｍ［ｘ，ｔ］の値をかけることにより、各セル２１内の水蒸気圧を忠実に再現することができる。

ｑ［ｘ，ｔ］＝ｋｎ・（Ａ／Δｘ）・｛Ｐ［ｘ−Δｘ，ｔ］−Ｐ［ｘ，ｔ］｝…（式２；ステップＳ６）

式２で、ｑ［ｘ，ｔ］は、図２の或るセル２１から、隣のセル２１に面積Ａの側面を通じて移動する水分量を表す。ｑ［ｘ，ｔ］は、その符号によって、水分が移動する向きも表す。即ち、ｑ［ｘ，ｔ］が負の場合は、図２のＸ軸の負方向に水分が移動し、正の場合は、図２のＸ軸の正方向に水分が移動する。

ｋｎは、式２から分かるように、小型サンプル内の水分の移動のし易さ、具体的には、セル２１間の水分の移動のし易さを表すパラメータ（以下、通水特性値という。）である。

ｍ［ｘ，ｔ＋Δｔ］＝ｍ［ｘ，ｔ］−ｑ［ｘ，ｔ］…（式３；ステップＳ７）

式３は、式２で求めたｑ［ｘ，ｔ］を用いて、Δｔ経過後のセル２１内の水分残量を定義する。即ち、或るセル２１から隣のセル２１に水分が移動した場合、その移動した水分量ｑ［ｘ，ｔ］だけ、或るセル２１内の水分残量ｍ［ｘ，ｔ］が減る。

次に、ｘを変化させる第３のループ（ステップＳ４〜Ｓ８）が終わる毎に、ｔを変化させる第２のループ（ステップＳ３〜Ｓ１０）内で次の式４を計算する。

Ｑ＝Ｑ＋ｑ［Ｌ，ｔ］＋ｑ［０，ｔ］…（式４；ステップＳ９）

式４では、変数Ｑに、ｑ［Ｌ，ｔ］＋ｑ［０，ｔ］の値を足してゆく。ｑ［０，ｔ］は図２のＸ軸方向一端のセル２１から外部（大気）に出る水分量を表し、ｑ［Ｌ，ｔ］はＸ軸方向他端のセル２１から外部に出る水分量を表す。小型サンプルから外部に抜け出す水分量の合計が、小型サンプルの重さの減少量である。

式４が、ｔを変化させる第２のループ内に配置されていることから分かるように、式４は、ｔ＝０〜ｔｍにわたって小型サンプルから外部に抜け出す水分量の時間積分値である。この値が、図１の乾燥装置８の加熱による小型サンプル４の重さの減少量の推定値である。

次に、ｔを変化させる第２のループ（ステップＳ３〜Ｓ１０）が終わる毎に、ｋｎを変化させる第１のループ（ステップＳ２〜Ｓ１２）内で、次の式５を計算する。

Ｑ［ｋｎ］＝Ｑ…（式５；ステップＳ１１）

式５は、通水特性値がｋｎであるときのステップＳ９の時間積分値Ｑを、そのｋｎと対応付けて記憶することを意味する。Ｑ［ｋｎ］は、Ｑとｋｎとを対応付ける一次元配列である。

式５（ステップＳ１１）が、ｋｎを順次変化させる第１のループ内に配置されていることから分かるように、通水特性値ｋｎ別にＱを算出することにより、ｋｎとＱとの関係Ｑ［ｋｎ］を求める。求められたＱ［ｋｎ］は、図１のコンピュータ１０のメモリ１３に格納される。

なお、以上までの計算は、特に施工現場で行わなくてもよいため、図１のコンピュータ１０が以上までの計算を行うのではなく、他のコンピュータで事前にＱ［ｋｎ］を求め、その結果を図１のメモリ１３に格納するようにしてもよい。この場合は、Ｔｓ[ｘ，ｔ]（小型サンプル温度データ１３ｂ）をメモリ１３に記憶しておく必要がない。予めＱ［ｋｎ］を求めておくことにより、施工現場にて以上までの計算を行わなくて済み、その分、耐爆裂性の評価結果を得るのに要する時間を短縮できる利点がある。

次に、施工要員は、施工現場にて、不定形耐火物の成形体よりなる小型サンプルを作製する（ステップＳ１３）。小型サンプルは、内張り耐火物を形成するために準備された不定形耐火物の一部を、小型サンプル用の型枠内に施工し、養生した成形体よりなる。

成形体の養生時間は、実際の施工体の養生時間と一致させることが好ましい。また、小型サンプル用の型枠内への不定形耐火物の施工方法は、溶融金属容器内面への不定形耐火物の施工方法と一致させることが好ましい。

例えば、溶融金属容器へ流し込み施工する場合は、小型サンプル用の型枠内へ流し込み施工することが好ましい。流し込みにあたって振動を付与する場合は、振動付与後の施工体から一部を小型サンプル用の型枠内にすくい取るようにしてもよい。また、溶融金属容器に湿式又は乾式法で吹付け施工する場合は、それに用いる吹付け施工装置によって、小型サンプル用の型枠内に吹付け施工することが好ましい。

小型サンプルの作製条件によって、加熱による小型サンプルの重さの減少量Ｑｍが変わる。小型サンプルの作製条件を、対応する内張り耐火物の形成条件と一致させることにより、より現実に即した正確な耐爆裂性評価を得ることが可能となる。

次に、施工要員は、図１の乾燥装置８を用いて、小型サンプルを加熱し、この加熱による小型サンプルの重さの減少量Ｑｍを測定する（ステップＳ１４）。具体的には、未乾燥状態の小型サンプルの重さを測定し、この値をｇ_１とする。次に、期間ｔｍにわたって小型サンプルを加熱したのちに、再び小型サンプルの重さを測定し、この値をｇ_２とする。Ｑｍは、ｇ_１−ｇ_２である。

なお、Ｑｍとして、乾燥速度を表す（ｇ_１−ｇ_２）／ｔｍを用いてもよい。但し、ｔｍは不定形耐火物間で共通の定数とするため、乾燥速度（ｇ_１−ｇ_２）／ｔｍは、重さの減少量ｇ_１−ｇ_２と実質的に等価な物理量である。

次に、コンピュータ１０は、ステップＳ１４の測定結果Ｑｍと、ステップＳ１２までで求めたＱ［ｋｎ］とを照合し、ＱｍとＱ［ｋｎ］とが一致又は近似するときのｋｎの値を、変数ｋに代入する（ステップＳ１５）。

図４に、Ｑ［ｋｎ］をプロットしたグラフを示す。通水特性値ｋｎが大きい程、即ち小型サンプル内における水分の移動のし易さの程度が大きい程、加熱による小型サンプルの重さの減少量Ｑが大きくなる。図４のグラフの形状から分かるように、ｋｎとＱ［ｋｎ］とは、非線形の関係にある。

図５は、図３に続くフローチャートである。ステップＳ１６〜Ｓ２５は、図１のコンピュータ１０が評価プログラム１３ａに従って行う演算である。他のステップは、施工要員が行う処理である。

まず、ｘ、ｔ、Ｐ［０，０］に、それぞれ初期値として０を代入し、ｍ［０，０］、ｍ［Δｘ，０］、…ｍ［ＬＬ，０］に、不定形耐火物の混練水分量を代入したのち（ステップＳ１６）、ｔを０〜ＴＴまで変化させる第４のループ（ステップＳ１７〜Ｓ２３）と、ｘをΔｘ〜ＬＬまで変化させる第５のループ（ステップＳ１８〜Ｓ２２）との二重ループ内で、ステップＳ１９〜Ｓ２１の計算を行う。

実際の施工体に対しても、図２の物理モデルと同様の物理モデルを想定し、ステップＳ１９〜Ｓ２１の計算を行う。図５では便宜上、実際の施工体を表現する物理モデルの各セル内の圧力Ｐ、水分残量ｍ、セル間の移動水分量ｑを表す二次元配列に、それぞれ小型サンプルの場合と同じラベルを付している。

ステップＳ１９〜Ｓ２１の計算式の物理的意味は、図３のステップＳ５〜Ｓ７で計算した式１〜式３と同じであるため、以下、相違点についてのみ説明する。図３では、通水特性値ｋを求めるためにステップＳ５〜Ｓ７の繰り返し演算を行ったが、ここでは、施行体の内部水蒸気圧Ｐ［ｘ，ｔ］を求めるために、ステップＳ１９〜Ｓ２１の繰り返し演算を行う。

ステップＳ１７で、ＴＴとは、実際の施行体の乾燥期間を表す。この値は、施工体に対する所与の乾燥昇温スケジュールによって決められる。

ステップＳ１８で、ＬＬとは、施行体の厚さを表す。即ち、施工体の厚さ方向にｘ軸を想定し、溶融金属容器の稼動面側の位置をｘ＝０、溶融金属容器の鉄皮側の背面の位置をｘ＝ＬＬとする。

ステップＳ１９で、Ｔｒ［ｘ，ｔ］とは、所与の乾燥昇温スケジュールに従って加熱中の施工体内の温度分布を示す。Ｔｒ[ｘ，ｔ]も、Ｔｓ［ｘ，ｔ］と同様、予め分かっている不定形耐火物の熱伝導率、比熱、かさ比重その他の物性値と、施工体の初期水分量（＝不定形耐火物の混練水分量）と、所与の乾燥昇温スケジュールとに基づいて、有限要素法により予め求められ、図１のコンピュータ１０のメモリ１３内に、施工体温度データ１３ｃとして記憶されているものとする。

ステップＳ２０で、ｋとは、図３のステップＳ１５で求めた小型サンプルの通水特性値である。この通水特性値ｋを加味して、施工体内の圧力分布Ｐ［ｘ，ｔ］を求めるため、Ｐ［ｘ，ｔ］は実際の施工体内の圧力分布を忠実に再現したものとなる。

次に、コンピュータ１０は、求めたＰ［ｘ，ｔ］を図１の表示装置１４に表示出力するとともに（ステップＳ２４）、Ｐ［ｘ，ｔ］の値が或る閾値ＰＰよりも大きいか否かを判定する（ステップＳ２５）。なお、閾値ＰＰは、例えば、施工体の曲げ強度に基づいて定められる。即ち、爆裂が起きるときの施工体の内部水蒸気圧は、施工体の曲げ強度と相関があることが知られている。

Ｐ［ｘ，ｔ］がＰＰより大きければ（ステップＳ２５：ｙｅｓ）、図１の表示装置１４にその旨が表示され、施工要員はそれに基づいて、施行体に対する所与の乾燥昇温スケジュールを修正する（ステップＳ２６）。Ｐ［ｘ，ｔ］がＰＰ以下であれば（ステップＳ２５：ｎｏ）、処理を終える。

図６に、図５のステップＳ２４で表示装置１４に表示出力されるグラフを例示する。横軸は時刻ｔを示し、縦軸は施工体内の最大発生蒸気圧を示す。時刻ｔ１における最大発生蒸気圧とは、Ｐ［ｘ，ｔ］の時刻ｔ１における時間的断面Ｐ［ｘ］の最大値のことである。

直線ＰＰは、閾値を示す。ここでは、０．５ＭＰａとした。このように、閾値も表示出力することにより、施工体内の最大発生蒸気圧が閾値を超えたか否かを視覚的に判定できる。

曲線Ｐ１で示す圧力変動は、乾燥開始から約１２時間経過後に、閾値ＰＰを超えている。図５のステップＳ２４で、このような結果が得られた場合は、施工体に対する所与の乾燥昇温スケジュールを修正する必要がある。

曲線Ｐ２で示す圧力変動は、閾値ＰＰを超えない。図５のステップＳ２４でこのような場合には、乾燥昇温スケジュールを修正する必要がない。

図７に、乾燥昇温スケジュールのグラフを例示する。横軸は時刻を示し、縦軸は目標加熱温度を示す。

第１の乾燥昇温スケジュールＳ１は、初期の乾燥昇温レートは緩やかであるが、時刻ｔ＝約５〜７時間の期間に乾燥昇温レートを高めているため、その分、施工体の乾燥に要する時間を短縮できる。

第２の乾燥昇温スケジュールＳ２は、時刻ｔ全域にわたって乾燥昇温レートが緩やかであるため、爆裂の生じる懸念はないが、その分、施工体の乾燥に要する時間が長くなる弊害もある。

例えば、第１の乾燥昇温スケジュールＳ１に従った場合、図６の曲線Ｐ１で示す圧力変動が得られるような場合は、第１の乾燥昇温スケジュールＳ１を、第２の乾燥昇温スケジュールＳ２に修正するとよいであろう。これにより、図６の曲線Ｐ１で示す圧力変動は、曲線Ｐ２で示すような圧力変動となって爆裂を回避できる。

第１の乾燥昇温スケジュールＳ１も、爆裂を回避できるように定められていることは当然である。ところが、現実には、この乾燥昇温スケジュールに従って施工体を乾燥させているにも関らず、爆裂が起きてしまう場合がある。即ち、同じ乾燥昇温スケジュールに従ったとしても、爆裂が起きる場合と起きない場合とがある。この原因は当業者にも厳密には判っていないが、例えば、不定形耐火物の混練時に添加する水分量が必ずしも一定でないこと、混練に使用するミキサーの攪拌翼の磨耗によって不定形耐火物の混練の度合いが変わってくること、混練場の温度や湿度が必ずしも一定でないこと等の施工現場における外乱が原因しているのではないかと推定される。

本実施例では、施工現場にて実際に施工に供される不定形耐火物から小型サンプルを作製するので、ステップＳ１４で測定する小型サンプルの重さの減少量Ｑｍの値には、そのような外乱要因も反映される。このため、爆裂の可能性を的確に評価でき、従来予測できなかった爆裂を予測できるようになる。乾燥昇温レートをＳ１からＳ２へと小さく修正することで乾燥に要する時間が長くなったとしても、爆裂を回避できることの意義は極めて大である。

なお、乾燥昇温スケジュールの修正の仕方は、特に限定されない。図７では、乾燥昇温スケジュールの昇温レートをＳ１からＳ２へ低下させた例を示したが、例えば、施工体の乾燥工程において、図６の圧力変動がピーク値を示す時刻と対応する時刻よりも前に、昇温レートをゼロにする温度保持期間を挿入したり、昇温レートを負にした温度低下期間を挿入するといった修正を行ってもよい。

また、乾燥昇温スケジュールの修正は、施工要員が行ってもよいし、図１のコンピュータ１０が行うようにしてもよい。いずれにしても、修正後の乾燥昇温スケジュールの候補となるものを複数パターン準備しておき、ステップＳ２４で表示出力されるＰ［ｘ，ｔ］の傾向に応じて、最適なものをその複数パターンの中から選択するようにすると、修正を容易に行える。

また、図５のステップＳ２６で、乾燥昇温スケジュールを変更後、再びステップＳ１６に戻るようにし、Ｐ［ｘ，ｔ］の値がＰＰを下回ることが確認されるまで、ステップＳ１６〜Ｓ２６の処理を繰り返すようにしてもよい。この場合は、変更後の乾燥昇温スケジュールを考慮してＴｒ［ｘ，ｔ］を修正してもよいし、変更前の乾燥昇温スケジュールに対応したＴｒ［ｘ，ｔ］をそのまま用いてもよい。

なお、図５では、ステップＳ２５でｙｅｓと判定した場合に、乾燥昇温スケジュールだけを修正することとしたが、養生条件を修正してもよい。養生温度や養生期間の長さの修正によっても施工体の爆裂を防止しうる。具体的には、図５のステップＳ２５でｙｅｓと判定した場合に、養生温度を高めたり、養生期間を延長するといった修正を行ってもよい。

図８は、小型サンプルの乾燥測定を行う期間を示すタイミングチャートである。

例１は、施工体の養生中に、乾燥測定が終了するようにしたものである。これによると、施工体の乾燥開始から乾燥終了までの間の乾燥昇温スケジュールの良否を事前に判定できる。また、乾燥測定の終了時点以降の、施工体の養生条件も判定できる。

例２は、施工体の養生前に、乾燥測定が終了するようにしたものである。これによると、施工体の養生開始から養生終了までの間の養生条件、及び乾燥開始から乾燥終了までの間の乾燥昇温スケジュールの良否を事前に判定できる。

例３は、施工体の乾燥中に、乾燥測定が終了するようにしたものである。乾燥開始から乾燥終了までの間の乾燥昇温スケジュールの良否を事前に判定するという観点からは、例１や例２のように、遅くとも施工体の乾燥開始前に、乾燥測定が終了していることが好ましいが、例３のように、乾燥測定の終了時点が施工体の乾燥途中であっても、乾燥測定の終了時点以降における施工体の乾燥昇温スケジュールの良否を判定でき、必要に応じてこれを修正することができる。

統計的に、爆裂は、乾燥開始から概ね１０時間後あたりで発生する場合が多いので、例３のケースでは、乾燥測定の終了時点が、施工体の乾燥開始後１０時間以内であることが好ましい。

図９は、他の実施例による溶融金属容器の内張り耐火物の形成方法のフローチャートである。ステップＳ３１及びＳ３２は、施工要員が行う処理である。ステップＳ３３〜Ｓ４６は、図１のコンピュータ１０が、評価プログラム１３ａに従って行う演算処理である。

まず、施工要員は、施工現場にて、不定形耐火物の施工体よりなる小型サンプルを作製し（ステップＳ３１）、作製した小型サンプルを図１の乾燥装置８で乾燥させ、その重さの減少量Ｑｍを測定する（ステップＳ３２）。

次に、コンピュータは、初期値として変数ｘ、ｔ、Ｑｃ、及び配列Ｐ［０，０］にそれぞれ０を代入し、水分残量を表す配列ｍ［０，０］〜ｍ［Ｌ，０］に不定形耐火物の混練水分量を代入し、さらにｋ´に或る適当な値を代入する（ステップＳ３３）。

次に、ｔを０〜ｔｍまで変化させる第１のループ（ステップＳ３４〜Ｓ４１）と、ｘをΔｘ〜Ｌまで変化させる第２のループ（ステップＳ３５〜Ｓ３９）との二重ループ内で、ステップＳ３６〜Ｓ３８の計算を行う。

なお、ステップＳ３６〜Ｓ３８で計算する式の物理的意味は、図３のステップＳ５〜Ｓ７で計算した式１〜３と同じであるため、重複する説明は省略する。図３と異なるのは、ステップＳ３７で使用するｋ´を、予めステップＳ３３で適当に与える点である。

次に、ｔを変化させる第１のループ（ステップＳ３４〜Ｓ４１）内で、ｘを変化させる第２のループ（ステップＳ３５〜Ｓ３９）が終わる毎に、ステップＳ４０の計算を行う。ステップＳ４０の計算の意味は、図３のステップＳ９と同様である。ステップＳ４０では、小型サンプルの通水特性値がｋ´であるときの、図１の乾燥装置８の加熱による小型サンプルの重さの減少量の推定値Ｑｃを算出する。

次に、ステップＳ４０で求めたＱｃと、ステップＳ３２の測定結果Ｑｍとを比較し、両者の差の絶対値が、或る閾値εより小さいか否か判定する（ステップＳ４２）。

ＱｃとＱｍとの差の絶対値が閾値ε以上であれば（ステップＳ４２；ｎｏ）、その差が小さくなるようにｋ´の値を変更する。具体的には、Ｑｃ＞Ｑｍであれば（ステップＳ４３：ｙｅｓ）、ｋ´の値をκだけ小さくし（ステップＳ４４）、再びステップＳ３４に戻る。一方、Ｑｃ≦Ｑｍであれば（ステップＳ４３：ｎｏ）、ｋ´の値をκだけ大きくし（ステップＳ４５）、再びステップＳ３４に戻る。

ＱｃとＱｍとの差の絶対値が閾値ε未満となれば（ステップＳ４２；ｙｅｓ）、そのときのｋ´の値をｋに代入し（ステップＳ４６）、図５のフローチャートに進む。

本実施例によると、ステップＳ３３でｋ´に与える値によっては、ステップＳ４６のｋを求めるまでの計算量を、図３の実施例の場合よりも低減しうる利点がある。

以上、本発明の実施例について説明したが、本発明はこれに限られない。この他、種々の設計変更、改良、及び組み合わせが可能なことは当業者に自明であろう。

実施例による耐爆裂性評価装置の概略図である。小型サンプルの物理モデルを示す概念図である。実施例による内張り耐火物の形成方法を示すフローチャートである。ｋｎとＱ［ｋｎ］の関係を示すグラフである。図３又は図９に続くフローチャートである。不定形耐火物の施工体内の最大発生蒸気圧の時間変化を示すグラフである。乾燥昇温スケジュールを示すグラフである。乾燥測定を行う期間を示したタイミングチャートである。他の実施例による内張り耐火物の形成方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１…熱風発生機（加熱機）、２…パイプ、３…乾燥室、４…小型サンプル、５…排気口、６…電子天秤（質量計）、７…データ通信用配線、８…乾燥装置、１０…コンピュータ、１１…インターフェース、１２…ＣＰＵ（演算手段）、１３…メモリ（記憶手段）、１３ａ…評価プログラム（プログラム）、１３ｂ…小型サンプル温度データ、１３ｃ…施工体温度データ、２０…Ｘ軸、２１…セル。

Claims

（ａ）不定形耐火物の成形体よりなる小型サンプルを作製する工程と、
（ｂ）作製した小型サンプルを或る加熱条件に従って加熱した場合の該小型サンプルの重さの減少量Ｑの推定値を、前記小型サンプル内における水分の移動のし易さを表すパラメータであって、加熱による小型サンプルの重さの減少量とは非線形の関係にあり、前記小型サンプル内の水分移動量に比例するパラメータである通水特性値ｋｎを用いて算出する工程であって、ｋｎを順次変化させてｋｎ別にＱを算出することにより、ｋｎとＱとの関係Ｑ[ｋｎ]を求める工程と、
（ｃ）前記小型サンプルを前記加熱条件に従って実際に加熱した場合の該小型サンプルの重さの減少量の測定値Ｑｍを取得する工程と、
（ｄ）前記Ｑ［ｋｎ］と前記Ｑｍとを照合し、両者が一致又は近似するときのｋｎを求める工程と、
（ｅ）前記求めたｋｎと、前記不定形耐火物の熱伝導率、比熱、かさ比重その他の物性値及び前記不定形耐火物を溶融金属容器の内面に施工して得られる施工体の含有水分量と、前記施工体の乾燥条件とに基づき、前記施工体の内部水蒸気圧を求める工程と、
（ｆ）前記求めた内部水蒸気圧と、前記施工体の曲げ強度に基づいて定められる閾値とを比較する工程と、
を有する不定形耐火物の耐爆裂性評価方法。
不定形耐火物の成形体よりなる小型サンプルを加熱する加熱機、及び該加熱機の加熱による小型サンプルの重さの減少量を測定する質量計を有する乾燥装置と、コンピュータとを備えた耐爆裂性評価装置において、
前記コンピュータが、
前記小型サンプルを或る加熱条件に従って加熱した場合の該小型サンプルの重さの減少量Ｑの推定値を、前記小型サンプル内における水分の移動のし易さを表すパラメータであって、加熱による小型サンプルの重さの減少量とは非線形の関係にあり、前記小型サンプル内の水分移動量に比例するパラメータである通水特性値ｋｎを用いて算出する手段であって、ｋｎを順次変化させてｋｎ別にＱを算出することにより、ｋｎとＱとの関係Ｑ[ｋｎ]を求める第１の演算手段と、
前記小型サンプルを前記加熱条件に従って実際に加熱した場合の該小型サンプルの重さの減少量の測定値Ｑｍを前記質量計により取得する取得手段と、
前記第１の演算手段により求めたＱ［ｋｎ］と前記取得手段により取得したＱｍとを照合し、両者が一致又は近似するときのｋｎを求める第２の演算手段と、
前記第２の演算手段により求めたｋｎと、前記不定形耐火物の熱伝導率、比熱、かさ比重その他の物性値及び前記不定形耐火物を溶融金属容器の内面に施工して得られる施工体の含有水分量と、前記施工体の乾燥条件とに基づき、前記施工体の内部水蒸気圧を求める第３の演算手段と、
前記第３の演算手段により求めた内部水蒸気圧と、前記施工体の曲げ強度に基づいて定められる閾値とを比較する比較手段と、
を備えた不定形耐火物の耐爆裂性評価装置。
（Ａ）不定形耐火物の成形体よりなる小型サンプルを作製する工程と、
（Ｂ）作製した小型サンプルを或る加熱条件に従って加熱した場合の該小型サンプルの重さの減少量Ｑの推定値を、前記小型サンプル内における水分の移動のし易さを表すパラメータであって、加熱による小型サンプルの重さの減少量とは非線形の関係にあり、前記小型サンプル内の水分移動量に比例するパラメータである通水特性値ｋｎを用いて算出する工程であって、ｋｎを順次変化させてｋｎ別にＱを算出することにより、ｋｎとＱとの関係Ｑ[ｋｎ]を求める工程と、
（Ｃ）前記小型サンプルを前記加熱条件に従って実際に加熱した場合の該小型サンプルの重さの減少量の測定値Ｑｍを取得する工程と、
（Ｄ）前記Ｑ［ｋｎ］と前記Ｑｍとを照合し、両者が一致又は近似するときのｋｎを求める工程と、
（Ｅ）前記求めたｋｎと、前記不定形耐火物の熱伝導率、比熱、かさ比重その他の物性値及び前記不定形耐火物を溶融金属容器の内面に施工して得られる施工体の含有水分量と、前記施工体の乾燥条件とに基づき、前記施工体の内部水蒸気圧を求める工程と、
（Ｆ）前記求めた内部水蒸気圧と、前記施工体の曲げ強度に基づいて定められる閾値とを比較する工程と、
（Ｇ）前記比較された結果に基づいて、前記施工体の養生条件及び／又は乾燥条件が変更された場合、該変更された養生条件及び／又は乾燥条件に基づいて前記施工体の養生及び／又は乾燥を行う工程と、
を有する内張り耐火物の形成方法。
不定形耐火物の耐爆裂性を評価するためにコンピュータに、
（ｉ）不定形耐火物の成形体よりなる小型サンプルを或る加熱条件に従って加熱した場合の該小型サンプルの重さの減少量Ｑの推定値を、前記小型サンプル内における水分の移動のし易さを表すパラメータであって、加熱による小型サンプルの重さの減少量とは非線形の関係にあり、前記小型サンプル内の水分移動量に比例するパラメータである通水特性値ｋｎを用いて算出する手順であって、ｋｎを順次変化させてｋｎ別にＱを算出することにより、ｋｎとＱとの関係Ｑ[ｋｎ]を求める手順と、
（ｉｉ）前記小型サンプルを前記加熱条件に従って実際に加熱した場合の該小型サンプルの重さの減少量の測定値Ｑｍを取得する手順と、
（ｉｉｉ）前記求めたＱ［ｋｎ］と前記取得したＱｍとを照合し、両者が一致又は近似するときのｋｎを求める手順と、
（ｉｖ）前記求めたｋｎと、前記不定形耐火物の熱伝導率、比熱、かさ比重その他の物性値及び前記不定形耐火物を溶融金属容器の内面に施工して得られる施工体の含有水分量と、前記施工体の乾燥条件とに基づき、前記施工体の内部水蒸気圧を求める手順と、
（ｖ）前記求めた内部水蒸気圧と、前記施工体の曲げ強度に基づいて定められる閾値とを比較する手順と、
を実行させるためのプログラム。
不定形耐火物の耐爆裂性を評価するためにコンピュータに、
（Ｉ）不定形耐火物の成形体よりなる小型サンプルを或る加熱条件に従って加熱した場合の該小型サンプルの重さの減少量の測定値Ｑｍを取得する手順と、
（ＩＩ）前記小型サンプル内における水分の移動のし易さを表すパラメータであって、加熱による小型サンプルの重さの減少量とは非線形の関係にあり、前記小型サンプル内の水分移動量に比例するパラメータである通水特性値を或るｋ´と定め、このｋ´の値を用いて、前記小型サンプルを前記加熱条件に従って加熱した場合の該小型サンプルの重さの減少量の推定値Ｑｃを算出する手順と、
（ＩＩＩ）前記算出したＱｃと、前記取得したＱｍとを比較し、両者の差が小さくなるようにｋ´の値を変更する手順と、
（ＩＶ）前記変更したｋｎ´と、前記不定形耐火物の熱伝導率、比熱、かさ比重その他の物性値及び前記不定形耐火物を溶融金属容器の内面に施工して得られる施工体の含有水分量と、前記施工体の乾燥条件とに基づき、前記施工体の内部水蒸気圧を求める手順と、
（Ｖ）前記求めた内部水蒸気圧と、前記施工体の曲げ強度に基づいて定められる閾値とを比較する手順と、
を実行させるためのプログラム。