JP6277985B2 - 高温用容器の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、５００℃以上の高温溶融物の保持、輸送、精錬などに用いられる高温用容器の製造方法に関する。
カーボン（炭素）を含有する耐火物は、その熱伝導率が高いことによって温度勾配に起因する割れが起こり難いことや、溶融酸化物との接触角が大きいことによって溶融酸化物との反応による溶損が起こり難いことにより、溶融鉄などの高温溶融物を含め、高温物体を保持する高温用容器のワークレンガ（「内張りレンガ」ともいう）に汎く使用されている。
ところが、カーボンは大気などの酸素を含む雰囲気に曝されると、およそ５００℃以上の温度で酸化が始まり、前述の特性が損なわれる。一般に、高温物体を保持する高温用容器の使用を開始し、或る程度時間が経過すると、その耐火物の稼動面には緻密で気密性の有る反応層が生成するためにカーボンの酸化は止まるが、使用開始前の予熱時や使用開始直後には、稼動面に緻密で気密性のある反応層が生成されていないので、耐火物中のカーボンが大気中の酸素などによって酸化される。
稼動面でのカーボンの酸化速度は、耐火物組成、雰囲気組成及び雰囲気温度などによってまちまちであるが、例えば、製鉄用の転炉に用いられるマグネシア−カーボン質レンガでは、８００℃の大気雰囲気中に１２時間曝されると、稼動面から２０ｍｍの深さまでカーボンが消失する。カーボンが消失した領域は、前述した熱伝導率が高いことや溶融酸化物との接触角が大きいといった特性が失われると同時に、カーボンが存在していた部分が空隙となり、更なる溶損の加速と強度の低下とを呈する。
高温溶融物を保持する高温用容器に施工されたカーボン含有耐火物中のカーボンの酸化を防ぐ技術として、特許文献１は、耐火物の背面の酸化防止を目的とするものではあるが、カーボン含有耐火物に対し、高温用容器の高温溶融物と接触する稼動面側ではなく、その反対側の面に金属板を接着することによって外気を遮断することを提案している。
しかしながら、上記特許文献１に開示される技術では、稼動面側の大気との接触を防ぐことができないことから、高温用容器の使用開始前の予熱時や使用開始直後における稼動面側でのカーボン消失を防ぐことはできない。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、稼働面にカーボン含有耐火物が施工され、５００℃以上の高温溶融物を保持する高温用容器における使用開始前の予熱時や使用開始直後の耐火物稼動面側でのカーボン含有耐火物中のカーボンの酸化を効果的に防止することのできる、高温用容器の製造方法を提供することである。
上記課題を解決するための本発明の要旨は以下のとおりである。
［１］金属製の外殻の内部に耐火物が施工されて構成される、５００℃以上の高温溶融物を保持する高温用容器の製造方法において、前記高温用容器の高温溶融物と接触する内面を３質量％以上のカーボンの配合されたカーボン含有耐火物で施工し、このカーボン含有耐火物の表面に、ＳｉＯ2とＮａ2Ｏとを質量比（ＳｉＯ2／Ｎａ2Ｏ）で３以上４以下含有し、粘度が０．５Ｐａ・ｓ以下である、水で希釈したケイ酸ソーダ水溶液を塗布してケイ酸ソーダの被覆層を形成することを特徴とする高温用容器の製造方法。
［２］前記ケイ酸ソーダ水溶液を、塗布時１．０ｍｍ以下、乾燥時０．５ｍｍ以下の厚みになるように塗布することを特徴とする、上記［１］に記載の高温用容器の製造方法。
［１］金属製の外殻の内部に耐火物が施工されて構成される、５００℃以上の高温溶融物を保持する高温用容器の製造方法において、前記高温用容器の高温溶融物と接触する内面を３質量％以上のカーボンの配合されたカーボン含有耐火物で施工し、このカーボン含有耐火物の表面に、ＳｉＯ2とＮａ2Ｏとを質量比（ＳｉＯ2／Ｎａ2Ｏ）で３以上４以下含有し、粘度が０．５Ｐａ・ｓ以下である、水で希釈したケイ酸ソーダ水溶液を塗布してケイ酸ソーダの被覆層を形成することを特徴とする高温用容器の製造方法。
［２］前記ケイ酸ソーダ水溶液を、塗布時１．０ｍｍ以下、乾燥時０．５ｍｍ以下の厚みになるように塗布することを特徴とする、上記［１］に記載の高温用容器の製造方法。
本発明によれば、５００℃以上の高温溶融物と接触するカーボン含有耐火物の稼働面側に、所定の組成及び粘度のケイ酸ソーダ水溶液を塗布してケイ酸ソーダの被覆層を形成するので、このケイ酸ソーダの被覆層は厚みにバラツキが少なく、ケイ酸ソーダの体積収縮に伴う亀裂、割れ、剥離を抑制することができ、５００℃を超える高温でも外気遮断性能の機能を発揮し、カーボン含有耐火物中のカーボンの酸化を防止することが実現される。
以下、本発明を具体的に説明する。まず、本発明に至った経緯について説明する。
本発明者らは、カーボン含有耐火物中のカーボンの酸化を効果的に防止することを検討した。その結果、カーボン含有耐火物の表面に被覆層を形成し、この被覆層で覆うことで、少なくともカーボン含有耐火物の表面に緻密で気密性の有る反応層が生成されるまでの期間において、カーボン含有耐火物の表面が大気などの酸素によって酸化されないようにすることで、カーボン含有耐火物中のカーボンの酸化が防止できるとの結論に至った。
そこで、耐火物表面の被覆層を形成する材料として、ケイ酸ソーダ水溶液を利用し、試験を開始した。
ケイ酸ソーダ水溶液は、ＳｉＯ2（酸化珪素）とＮａ2Ｏ（酸化ナトリウム）と水（Ｈ2Ｏ）とからなり、室温以上で脱水され、脱水されて固化した後は約８００℃の低い温度で溶融する。試験では、耐火性能を向上させるために、マグネシアやアルミナなどの他の固体をケイ酸ソーダ水溶液に混合し、他の固体を混合させたケイ酸ソーダ水溶液をカーボン含有耐火物の表面に塗布した。しかしながら、ケイ酸ソーダ水溶液は脱水固化の過程で数十パーセントの大きな体積収縮を示し、この体積収縮に起因して、カーボン含有耐火物との界面で亀裂や割れなどが多発し、他の固体を混合させたケイ酸ソーダ水溶液をカーボン含有耐火物の表面に塗布しても、カーボン含有耐火物中のカーボンの酸化を抑制する効果は得られなかった。
そこで、亀裂や割れなどを防ぐために、マグネシアやアルミナなどの他の固体を配合せずに、ケイ酸ソーダ水溶液のみを塗布した。その結果、脱水固化の過程での亀裂や割れは低減した。しかし、ケイ酸ソーダの被覆層が耐火物稼動面から剥離し、カーボン含有耐火物中のカーボンの酸化防止効果は得られなかった。
このとき使用した市販のケイ酸ソーダ水溶液はＳｉＯ2対Ｎａ2Ｏの質量比（ＳｉＯ2／Ｎａ2Ｏ）が２で、常温での粘度は２Ｐａ・ｓであった。ケイ酸ソーダ水溶液の粘度を低減することで、耐火物稼動面への密着性が増大して剥離を抑制できると考え、市販のケイ酸ソーダ水溶液を水で希釈して粘度を下げて試験した。その結果、水で希釈して常温での粘度を０．５Ｐａ・ｓ以下とすれば、脱水固化の過程での耐火物稼動面からの剥離を無くすことができた。
ところが、耐火物稼動面が垂直の場合、この垂直な部位に塗布したケイ酸ソーダ水溶液は下方に流れ、ケイ酸ソーダの被覆層の厚みにバラツキが生じ、約３００℃の温度で被覆層に亀裂が生じた。ＳｉＯ2対Ｎａ2Ｏの質量比（ＳｉＯ2／Ｎａ2Ｏ）が異なる各種のケイ酸ソーダ水溶液を試した結果、ＳｉＯ2とＮａ2Ｏとの質量比（ＳｉＯ2／Ｎａ2Ｏ）を３とし、且つ、水で希釈して粘度を０．５Ｐａ／ｓとした場合に、垂直な部位に塗布しても流動による被覆層厚みのバラツキが軽減し、亀裂が発生しないことを見出した。
更に、ＳｉＯ2とＮａ2Ｏとの質量比をいろいろと変化させて試験した結果、ＳｉＯ2対Ｎａ2Ｏの質量比（ＳｉＯ2／Ｎａ2Ｏ）が３以上４以下までの範囲では良好であったが、質量比（ＳｉＯ2／Ｎａ2Ｏ）が４を超える範囲までＳｉＯ2の配合率を増加すると、一部がゼリー状となって塗布が困難であった。
また、垂直面への塗布厚みを塗布時１．０ｍｍ超え（乾燥時０．５ｍｍ超え）とすると、水溶液の粘度と、ＳｉＯ2とＮａ2Ｏとの質量比（ＳｉＯ2／Ｎａ2Ｏ）との調整だけでは下方への流動が避けられず、被覆層厚みにバラツキが生じたことにより昇温中に亀裂が生じ、この亀裂によって耐火物中のカーボンが酸化することがわかった。水平面や緩傾斜面においては、塗布厚みを塗布時１．０ｍｍ超え（乾燥時０．５ｍｍ超え）としても厚みのバラツキに起因する亀裂は発生しなかった。これらの結果から、ケイ酸ソーダの被覆層厚みは、塗布時１．０ｍｍ以下（乾燥時０．５ｍｍ以下）とすることが好ましいことがわかった。
また、塗布厚みを変化させた試験では、塗布時０．４ｍｍ（乾燥時０．２ｍｍ）の厚みが有れば、耐火物中カーボンの酸化を防止する効果は十分であることがわかった。塗布厚みが塗布時１．０ｍｍの場合と塗布時０．４ｍｍの場合とで、酸化防止の効果に変化は認められなかった。尚、ケイ酸ソーダ水溶液の塗布によって形成される被覆層の厚みは、乾燥時には塗布時の厚みの約１／２になる。
本発明は、これらの試験結果に基づくものであり、本発明に係る高温用容器の製造方法は、金属製の外殻の内部に耐火物が施工されて構成される、５００℃以上の高温溶融物を保持する高温用容器の製造方法において、前記高温用容器の高温溶融物と接触する内面を３質量％以上のカーボンの配合されたカーボン含有耐火物で施工し、このカーボン含有耐火物の表面に、ＳｉＯ2とＮａ2Ｏとを質量比（ＳｉＯ2／Ｎａ2Ｏ）で３以上４以下含有し、粘度が０．５Ｐａ・ｓ以下である、水で希釈したケイ酸ソーダ水溶液を塗布してケイ酸ソーダの被覆層を形成することを特徴とする。
ケイ酸ソーダ水溶液の粘度は、低いほど耐火物稼動面への展着性は良いが、０．５Ｐａ・ｓ以下の範囲であれば固化後の耐火物稼動面からの剥離は回避できる。これは、ケイ酸ソーダの一部が耐火物稼動面の微細な凹凸へ浸入し、接着構造を呈することによると考えられる。ケイ酸ソーダ水溶液の粘度は環境温度やＳｉＯ2対Ｎａ2Ｏの質量比によって変化するので、使用環境に応じて水で適宜希釈しながら調整することが望ましい。
ケイ酸ソーダ水溶液を塗布する時期は、カーボン含有耐火物をワークレンガとして高温用容器に施工した後から、使用前の予熱を開始するまでの期間とする。カーボン含有耐火物の稼働面に形成されたケイ酸ソーダの被覆層による遮蔽効果により、カーボン含有耐火物の稼働面は大気などの酸素と直接接触することがなく、高温用容器の使用開始前の予熱時や使用開始直後におけるカーボン含有耐火物中のカーボンの酸化が防止される。高温用容器の使用を続けると、ケイ酸ソーダの被覆層は溶損していくが、その時点には、カーボン含有耐火物の稼働面側に緻密で気密性のある反応層が生成され、それ以降は、この反応層によってカーボン含有耐火物中のカーボンの酸化が防止される。
本発明を適用可能な高温用容器としては、溶銑の脱炭精錬を行う転炉、溶鋼に真空脱ガス精錬を施すＲＨ真空脱ガス装置、溶銑を保持搬送する高炉鍋、溶鋼を保持搬送する取鍋などが挙げられる。また、カーボン含有量が３質量％未満のカーボン含有耐火物では、カーボンの酸化速度が遅い上に、カーボンの酸化による耐火物性能の劣化も小さいので、本発明を適用する効果は少ない。つまり、本発明は、カーボン含有量が３質量％以上のカーボン含有耐火物がワークレンガとして施工される高温用容器を対象とする。ワークレンガとして施工されるカーボン含有耐火物のカーボン含有量の上限値は特に規定する必要がなく、カーボンが１００質量％のカーボン含有耐火物であっても本発明を適用することができる。
以上説明したように、本発明によれば、５００℃以上の高温溶融物と接触するカーボン含有耐火物の稼働面側に、所定の組成及び粘度のケイ酸ソーダ水溶液を塗布してケイ酸ソーダの被覆層を形成するので、このケイ酸ソーダの被覆層は厚みにバラツキが少なく、ケイ酸ソーダの体積収縮に伴う亀裂、割れ、剥離を抑制することができ、５００℃を超える高温でも外気遮断性能の機能を発揮し、カーボン含有耐火物中のカーボンの酸化を防止することが実現される。
図１に、本発明を適用して製造した転炉の部分断面図を示す。転炉１は、鉄皮２を外殻とし、鉄皮２の内側に、永久レンガ３、ワークレンガ４がこの順に施工されて構成されている。永久レンガ３としては、マグネシア質レンガ、アルミナ質レンガ、粘土質レンガなど、慣用のレンガを使用する。
厚み３０ｍｍの鉄皮２の内側に厚み６０ｍｍの永久レンガ３を施工し、その内側にカーボン含有量が１５質量％のマグネシア−カーボン質レンガを厚み４５０ｍｍのワークレンガ４として施工した。その後、ワークレンガ４の稼働面に、ＳｉＯ2対Ｎａ2Ｏの質量比（ＳｉＯ2／Ｎａ2Ｏ）が３．５５であり、常温での粘度が０．２Ｐａ／ｓのケイ酸ソーダ水溶液を塗布し、塗布時の厚みが約０．５ｍｍであるケイ酸ソーダの被覆層５を形成した。
その後、転炉の内部をガスバーナで直接加熱して１０００℃以上の雰囲気中で１２時間予熱し、予熱後、溶銑の脱炭精錬に使用した。溶銑の脱炭精錬では、ワークレンガ４であるマグネシア−カーボン質レンガは１６００℃以上の温度の溶銑及び溶鋼と接触し、マグネシア−カーボン質レンガの稼働面は１６００℃以上の温度に晒される。
ケイ酸ソーダ水溶液を塗布しないまま、上記と同一の予熱を行った転炉では、予熱時にワークレンガ４であるマグネシア−カーボン質レンガの稼動面から２０ｍｍの深さまで、マグネシア−カーボン質レンガ中のカーボンが酸化で失われていた。そして、この部分が、操業開始後の数ヒートで損耗し、マグネシア−カーボン質レンガの寿命低下の原因となっていた。
これに対して、本発明を適用することで、ワークレンガ４であるマグネシア−カーボン質レンガ表層部のカーボンの酸化を防止することができ、その結果、転炉の寿命を従来の３６５０ヒートから３８５０ヒートに向上させることができた。
１ 転炉
２ 鉄皮
３ 永久レンガ
４ ワークレンガ
５ 被覆層
２ 鉄皮
３ 永久レンガ
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Claims (2)
- 金属製の外殻の内部に耐火物が施工されて構成される、５００℃以上の高温溶融物を保持する高温用容器の製造方法において、前記高温用容器の高温溶融物と接触する内面を３質量％以上のカーボンの配合されたカーボン含有耐火物で施工し、このカーボン含有耐火物の表面に、ＳｉＯ2とＮａ2Ｏとを質量比（ＳｉＯ2／Ｎａ2Ｏ）で３以上４以下含有し、常温での粘度が０．５Ｐａ・ｓ以下である、水で希釈したケイ酸ソーダ水溶液を塗布してケイ酸ソーダの被覆層を形成することを特徴とする高温用容器の製造方法。
- 前記ケイ酸ソーダ水溶液を、塗布時１．０ｍｍ以下、乾燥時０．５ｍｍ以下の厚みになるように塗布することを特徴とする、請求項１に記載の高温用容器の製造方法。
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