JP6441684B2

JP6441684B2 - 溶融金属容器蓋用キャスタブル耐火物

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Publication number: JP6441684B2
Application number: JP2015001085A
Authority: JP
Inventors: 多喜　徳雄; 徳雄多喜; 毅前村; 豊司栗田; 武晴平山
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2015-01-06
Filing date: 2015-01-06
Publication date: 2018-12-19
Anticipated expiration: 2035-01-06
Also published as: JP2016124768A

Description

本発明は、溶鋼取鍋やタンディッシュ等の溶融金属容器の蓋に使用するキャスタブル耐火物に関する。

溶鋼取鍋やタンディッシュ等の溶融金属容器に使用される蓋は、溶鋼などの溶融金属面からの熱の放散や溶融金属又は溶滓飛沫の飛散を抑制する等を目的として設けられている。特に、溶鋼取鍋においては転炉から受鋼した溶鋼を二次精錬設備を経てタンディッシュまで輸送し、注入する際に使用され、この保温蓋は着脱が頻繁に行われるため、熱衝撃や蓋の着脱時の機械的衝撃、付着物除去時の損傷等の影響を大きく受ける。また、溶鋼取鍋において、溶鋼の輸送はクレーンで吊って行われるため、重量制限があり、蓋に使用する耐火物の重量は軽いほど望ましい。そのため、この保温蓋には保温性のみならず、軽量化、耐熱衝撃性、耐機械的衝撃性など多様な具備特性が求められている。しかも、これらの具備特性を充足させようとすると、材料設計上相反する特性を兼備しなければならないため、高耐用化が困難となっている。

実開昭61-158354号（特許文献1）には、溶融金属鍋(以下単に取鍋と称す)内に収容した溶融金属としての溶鋼又は取鍋の内張耐火物からの放熱を防止すると共に作業環境を良好に維持するために、取鍋の上端に保温蓋を載置することが記載されている。

特開平10-235466号（特許文献2）には、取鍋の上部一側端に後部を回動可能に設けて、前記取鍋の内張耐火物又は前記取鍋内に収容した溶鋼を保温する保温蓋であって、先部下面を煉瓦又はキャスタブルの耐火物とし、内部下面を繊維系の耐火物とした保温蓋が記載されている。特許文献2には、前記保温蓋は、軽量で、転炉滓や地金が接触しても寿命が短くなることがなく、しかもメンテナンス性を悪化させることのないため、350 t程度の溶鋼を収容する大型の取鍋用の直径が4〜5 m程度の保温蓋として好適であると記載されている。

特開2002-162172号（特許文献3）には、断熱材であるキャスタブル耐火物やファイバーブランケットの脱落防止及び形状維持を目的として、蓋殻の内側に配設された前記断熱材を1200〜1300℃で耐熱性がある鋼板、炭素鋼、ステンレス鋼の鋼板で支えてなる保温蓋を開示している。

また材料に関するものとして、特開平6-87666号（特許文献4）には、セラミックファイバー入り断熱キャスタブルが開示されており、炉壁や炉蓋、加熱炉スキッドパイプなどに使用できることが記載されている。

溶融金属容器用の保温蓋は、例えば溶鋼取鍋の場合、chごと又は二次精錬設備を通過するごとに、クレーン等で頻繁に載せたり外したりされるため、熱衝撃(急熱・急冷)、蓋の着脱時の機械的な衝撃(特に落下衝撃)、さらには転炉滓、溶鋼、地金等による溶損、機械的損耗等の様々な要因により損傷を受ける。これらの繰り返し受ける損傷要因によって保温蓋の損傷が進み、蓋材(の一部)が脱落し保温性の悪化や鉄皮の歪が生じると、保温蓋を交換しなければならなくなる。しかしながら、従来の材料ではこれらの損傷要因に対しての耐性に偏りがあるため、いずれかの要因に対する耐性が低いと、その要因が損耗を律速してしまい、十分な耐用が得られていない。

実開昭61-158354号公報特開平10-235466号公報特開2002-162172号公報特開平6-87666号公報

本発明は、保温性に優れ、かつ軽量であるなどの蓋材に求められている基本特性を有しながら、耐熱衝撃性、耐落下衝撃性、機械的強度、さらには耐食性等の様々の異なる損傷要因に対する抵抗性が優れる高耐用の溶融金属容器蓋用キャスタブル耐火物を提供することを課題とするものである。

上記目的に鑑み鋭意研究の結果、本発明者らは、特定の不定形耐火物を使用することにより、溶融金属容器蓋用として実用性と耐用とを両立させることができることを見出し、本発明に想到した。

すなわち、本発明の溶融金属容器蓋用キャスタブル耐火物は、耐火性原料とスチールファイバーとからなる溶融金属容器蓋用キャスタブル耐火物であって、1000℃加熱後のかさ比重が1.70 g/cm³以下、熱伝導率が1.0 W/m・K以下、曲げ強度が3.0 MPa以上、及び圧縮強度が10.0 MPa以上であることを特徴とする。

前記スチールファイバーは、20〜35 mmの長さを有し、前記耐火性原料100質量％に対して外割で1〜3質量％添加されるのが好ましい。

前記耐火性原料は、(A)かさ比重1.30〜1.70 g/cm³で、かつ粒径8〜0.3 mmの耐火性粒子(粒径8〜1 mmの粒子を30〜45質量％含有し、粒径1〜0.3 mmの粒子を15〜25質量％含有する。)が50〜65質量％、(B)1000℃以上で加熱したときに膨張性を発現する膨張性耐火性粒子が5〜12質量％、(C)メジアン径10μm以下の耐火性微粒子が3〜12質量％、(D)アルミナセメントが15〜25質量％、及び(E)残部が粒径0.3 mm以下の耐火性粒子からなるのが好ましい。

前記メジアン径10μm以下の耐火性微粒子は、シリカフュームが少なくとも3質量％以上であるのが好ましい。

前記膨張性耐火性粒子は、カイアナイトであるのが好ましい。

本発明の溶融金属容器蓋用キャスタブル耐火物は、特定の耐火性粒子や耐火性微粒子、アルミナセメント、スチールファイバーなどを組み合わせたものであり、溶融金属容器蓋に用いたときに、保温性や耐火物重量などの実用面で有効な特性（すなわち1000℃加熱後におけるかさ比重が1.70 g/cm³以下で、かつ熱伝導率が1.0 W/m・K以下）を確保しつつ、従来にない優れた耐久性を発揮する。

溶融金属容器蓋に用いて好適な本発明のキャスタブル耐火物について説明する。本発明のキャスタブル耐火物は、耐火性原料とスチールファイバーとからなり、1000℃加熱後のかさ比重が1.70 g/cm³以下、熱伝導率が1.0 W/m・K以下、曲げ強度が3.0 MPa以上、圧縮強度が10.0 MPa以上の特性を有する。さらに耐熱衝撃性や破壊エネルギー特性にも優れる。

(1)スチールファイバー
スチールファイバーは、靭性の向上に効果的ではあるが、公知文献(特開2001-132932号)に記載されているように、添加量が増すほど耐火物の熱伝導率が増大するため、保温性を必要とする部位には適用されていない。耐火物の熱伝導率の増大は、スチールファイバーが高熱伝導性かつ密度の高い物質であること、及び添加量が増すほどスチールファイバー同士の接点が増加することが主な要因であるが、さらに特開2001-132932号で用いられているような緻密質高熱伝導性骨材や緻密質の結合組織との接合状態も影響していると思われる。それに対し、本発明で用いられる骨材は軽量(低熱伝導性)であり、結合組織も分散剤の作用が及ぼさない非緻密質組織であるためか、骨材及び組織そのものの熱伝導性が抑制されており、スチールファイバーを添加しても、特定の範囲内であれば熱伝導率が増大することなく、靭性向上効果を得ることができる。

スチールファイバーの添加量は、耐火性原料100質量％に対して外割で1〜3質量％が好ましい。1〜3質量％であればかさ比重や熱伝導性が増大することなく靭性を向上させることができる。1質量％に満たない場合は靭性向上効果が得られず、3質量％を超えるとかさ比重や熱伝導率が増大するため好ましくない。

スチールファイバーは、断面積が0.15〜0.25 mm²のものを用いるのが好ましく、その長さは20〜35 mmであるのが好ましい。20 mmに満たないファイバーを用いると、靭性の向上効果が十分でないばかりか、同一添加量(質量％)であれば、結果的にファイバーの本数が多くなるためか、ファイバー同士の接点数が増すこととなり、熱伝導率が増大するようになる。35 mmを超えるものでは靭性向上効果の発現に必要な添加量が増加し、かさ比重が増大することとなり好ましくない。

(2)耐火性原料
本発明の溶融金属容器蓋用キャスタブル耐火物に用いる耐火性原料は、粒径0.3 mm以上の耐火性粒子、膨張性耐火性粒子、メジアン径10μm以下の耐火性微粒子、アルミナセメント及び粒径0.3 mm以下の耐火性粒子からなるのが好ましい。なお粒径0.3 mm以上の耐火性粒子とは、目開き0.3 mmの篩を通過しない耐火性粒子であり、粒径0.3 mm以下の耐火性粒子とは、目開き0.3 mm以下の篩を通過させた耐火性粒子である。

本発明の溶融金属容器蓋用のキャスタブル耐火物は、かさ比重が1.70 g /cm³以下の軽量であることが特徴である。かさ比重が1.70 g/cm³以下であれば、施工所要量削減効果だけでなく、着脱時の自重による衝撃も小さくなる。さらに、着脱時等での破損が無いようにするためには、全加熱温度域での強度が一定水準以上であり、かつ強度の変化も小さいことが好ましい。例えば高温側や低温側で一定水準以上の強度があっても、中間温度域で強度が低いと、外的要因によってその部分に亀裂が生じやすい。具体的には1000℃加熱後の曲げ強度が3.0 MPa以上、圧縮強度が10.0 MPa以上であることが好ましい。

(A) 粒径0.3 mm以上の耐火性粒子
粒径0.3 mm以上の耐火性粒子には、かさ比重1.30〜1.70 g/cm³のものが用いられる。例えばAl₂O₃含有量が40〜70質量％、SiO₂含有量が25〜60質量％の鉱物原料に消失性原料を加えて混合したものを焼成して得られるものを用いるのが好ましい。

耐火性粒子のかさ比重が1.30g/cm³未満のものを用いた場合は、キャスタブル耐火物の高温(例えば1400℃)加熱後の収縮が増大する。そのため、使用時に稼働面に収縮亀裂が発生し、これが徐々に拡大して背面まで達し、蓋の着脱時の機械的衝撃によって部分的に、あるいは広範囲に脱落が生じ、十分な耐用が得られない。耐火性粒子のかさ比重が1.70 g/cm³を超えるものを用いると、キャスタブル耐火物のかさ比重や熱伝導率の増大が見られるようになるのみならず、耐熱衝撃性の悪化も生じるようになり、十分な耐用が得られなくなる。

粒径0.3 mm以上の耐火性粒子のかさ比重は、粒径0.3 mm以上の耐火性粒子とその他の耐火性原料とを組み合わせ、混合、水添加、混練したのち、硬化後加熱して得られたキャスタブル耐火物のかさ比重と同等となるようにするのが好ましい。

粒径0.3 mm以上の耐火性粒子のうち、粒径8 mm以下の耐火性粒子、すなわち粒径8〜0.3 mmの耐火性粒子を用いるのが好ましい。なお粒径8〜0.3 mmの耐火性粒子とは、目開き8 mmの篩は通過するが目開き0.3 mmの篩は通過しない耐火性粒子である。粒径8〜0.3 mmの耐火性粒子の含有量は、耐火性原料100質量％に対して50〜65質量％であるのが好ましい。粒径8〜0.3 mmの耐火性粒子のうち、粒径8〜1 mmの耐火性粒子は、耐火性原料100質量％に対して30〜45質量％であり、粒径1〜0.3 mmの耐火性粒子は、耐火性原料100質量％に対して15〜25質量％であるのが好ましい。

粒径8〜0.3 mmの耐火性粒子の含有量が50質量％に満たない場合は、高温で加熱後の焼結収縮量が大きくなり、稼動時に収縮亀裂が発生し、蓋の着脱時などに脱落しやすくなる。粒径8〜0.3 mmの耐火性粒子の含有量が65質量％を超えると、水を添加し混練したキャスタブルの流動性が悪化して充填不足となったり、流動性の付与に過剰な水を必要とするため養生時の分離や過剰水による強度の低下が生じるようになる。また、粒径8〜1 mmと粒径1〜0.3 mmとの配分割合は流動性と加熱収縮性や強度、耐熱衝撃抵抗性のバランスが最も優れる範囲として、決定されたものである。

(B)膨張性耐火性粒子
本発明の溶融金属容器蓋用のキャスタブル耐火物は、かさ比重が1.70 g/cm³以下の軽量であることが特徴であるが、このような材料は加熱収縮が大きいのが特徴でもある。しかし、溶融金属容器蓋用の場合、着脱頻度が高く、加熱冷却を頻繁に受けるため、収縮亀裂が発達してこれを起点に脱落してしまう。そのため、膨張性耐火性粒子を適用し、その膨張反応を利用して加熱収縮を抑えるのが好ましい。

膨張性を発現する耐火性原料としては、珪石やろう石などに含まれるα-石英の相転位によるものや、カイアナイトやアンダルサイトなどのムライトへの相転位によるもの、マグネシアによる空隙形成によるもの、マグネシアとアルミナとの反応によるスピネル生成によるものなどが知られている。しかし、材料中で起こる膨張反応は、結合組織の破壊を伴う。特に本発明はかさ比重や熱伝導率が低めであることを目的とすることから、高性能減水剤(分散剤)の使用を控えたり、また骨材強度そのものも低いため、膨張による微粉部の結合組織の破壊は、顕著な強度低下を伴い、着脱時や付着した地金等の除去時に破損しやすくなるため、膨張反応のコントロールが非常に重要となる。

本発明の溶融金属容器蓋用キャスタブル耐火物に用いる膨張性耐火性原料としては、カイアナイトが好ましい。カイアナイトはAl₂O₃-SiO₂系の鉱物であるが、自然界において高圧下で生成したものであり(kyanite Al₂SiO₅ 藍晶石：比重3.53-3.65 )、常圧下で唯一の安定鉱物であるムライト(mullite Al₆Si₄O₁₃：比重3.0 )よりも高密度となっている。そのため、常圧下で加熱されると、低密度のムライトとトリジマイトとに分解・転位し、それに伴って膨張する。この膨張反応による加熱収縮抑制効果は粒径によって異なり、粒径が粗いほど膨張量が大きくなり、それに伴う強度の低下も顕著になる。また、粗いと、粒径0.3 mm以上の細骨材領域に適用することになり、キャスタブル耐火物のかさ比重が増大する。粒径としては、メジアン径0.15〜0.03 mmが最も好ましく、耐火性原料100質量％に対して5〜12質量％添加することで、強度低下の影響が小さく、かつ十分な収縮抑制効果が得られるようになる。メジアン径0.03 mm未満では膨張性付与効果は得られない。尚、0.15 mmを超えると、高温焼成後の膨張性付与効果が大きくなるため、過剰に添加すると、むしろせり出し割れを起こすようになるほか、稼働面側(高温側)強度が低下して着脱時の衝撃により破損しやすくなる。従って、この場合の添加量としては5〜7質量％が好ましくなる。

アンダルサイト(andalusite Al₂SiO₅紅柱石：比重 3.13-3.16)やシリマナイト(sillimanite Al₂SiO₅ 珪線石：比重3.23-3.27)も膨張性を発現する効果を持つが、本発明の蓋用軽量キャスタブルにおいては、その効果は小さく、加熱収縮を抑制するのに必要な量が大きくなり、骨材域までの添加が必要となり、かさ比重が大きくなってしまう。

珪石の場合は、より低温域で大きな膨張性を発現する。そのため、十分な結合組織を形成できないため、強度低下の影響が大きい。

マグネシアの場合は、シリカフューム等を多く含む本発明では、高温加熱時に低融点物を多く生成するため好ましくない。

(C)メジアン径10μm以下の耐火性微粒子
比重の増大を伴うことなく、強度を高めるため、メジアン径10μm以下の耐火性微粒子としてシリカフュームを用いるのが好ましい。但し、キャスタブル耐火物に一般的に使用されている高性能減水剤(分散剤)との併用は、その作用が及ぶと、微粒子の分散性が向上し、低水量、緻密化してかさ比重や熱伝導率も増大するため、その使用は避けた方が好ましい。但し、これらの物性に影響を及ぼさない程度であれば、高性能減水剤を流動性の調整に用いることはできる。

仮焼アルミナ超微粉やカオリナイトも、強度を高める効果を発現するうえ、融点もシリカフュームに比べて高いため耐火性の向上に有効であり、適宜使用することができる。但し、シリカフュームよりも密度が高いため、その量は限定される。

メジアン径10μm以下の耐火性微粒子の添加量は、耐火性原料100質量％に対して3〜12質量％が好ましい。なかでもシリカフュームは少なくとも3質量％以上が好ましい。3質量％に満たない場合は、十分な強度が得られなくなる。また、メジアン径10μm以下の耐火性微粒子の添加量が12質量％を超えると加熱収縮量が増し、収縮亀裂が発生・拡大し、稼働時には早期に脱落しやすくなる。

(D)アルミナセメント
アルミナセメントはキャスタブル耐火物の硬化剤としてよく用いられるが、本発明においては、適度のかさ比重、熱伝導性を維持しつつ強度発現し、かつ加熱温度変化に対する強度の変化が少ないことが求められる。JIS R2511(耐火物用アルミナセメント)に規定した1種又は2種のアルミナセメントであれば、耐火性、高温焼結性を損なうことなく、所定の特性を得ることができる。

アルミナセメントの添加量は、耐火性原料100質量％に対して15〜25質量％が好ましく、15質量％未満では十分な強度が得られない。また、25質量％を超えると、加熱後の収縮量が増大するため好ましくない。

(E)その他の耐火性粒子
0.3 mm以上の粒径の耐火性粒子と耐火性微粒子やアルミナセメントとをつなぐことで、適度の流動性を得るために、その他の耐火性粒子を使用することができる。その他の耐火性粒子は、キャスタブル耐火物のかさ比重や熱伝導率、強度等が所定の範囲に入るよう選択する。

その他の耐火性粒子としては、0.3 mm以下の耐火性粒子を用いるのが好ましく、0.075 mm篩下の微粉で、アルミナ質、ムライト質のものなどが使用できる。シリカ・珪石質やマグネシア質の微粉は、加熱時の収縮を増大させるため好ましくない。

(3)その他の添加剤
本発明の溶融金属容器蓋用キャスタブル耐火物には、その特性を損なわない範囲で、遅延剤や促進剤などの硬化調整剤、又は増粘剤などを添加することができる。

以下に本発明の実施例及び実験例について、比較例と対比して説明する。尚、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

なお実機では片面加熱状態であり、熱の放散も大きいため、スチールファイバーの酸化の影響は非常に小さいが、40 mm×40 mm×160 mmの試験片で試験した場合（特に1400℃で加熱した場合）は、スチールファイバーの酸化が極端に進行し、物性値に大きく影響する場合がある。そこで先ず、スチールファイバーの添加効果以外の性能を評価するため、スチールファイバー無添加で耐火物の性能を実験例1〜6として評価し、スチールファイバー無添加での比較例1〜13と比較した。さらにスチールファイバー無添加での実験例1に対して、スチールファイバーを添加した実施例1及び比較例14〜20を比較した。以下に詳細を述べる。

(1)耐火性粒子(粒径0.3 mm以上)の準備
実施例、実験例及び比較例で用いた耐火性粒子の特性を表1に示す。

(2)実験例1〜6、実施例1及び比較例1〜20
耐火性粒子、膨張性耐火性原料、シリカフューム及びアルミナセメントを表2-1及び表2-2（実験例1〜6）並びに表3-1〜表3-4（比較例1〜13）に示す処方で配合し、キャスタブル耐火物を調整した。さらに実験例1、比較例5及び比較例6のキャスタブル耐火物組成（基本配合）に、さらにスチールファイバーを表4-1〜表4-3に示す処方で配合し、実施例1及び比較例14〜18のキャスタブル耐火物を調整した。ここで微粉のメジアン径は、株式会社セイシン企業製レーザー回折・散乱式粒度分布測定装置を用いて測定した体積基準の値である。各キャスタブル耐火物を表2-1、表2-2、表3-1〜表3-4及び表4-1〜表4-3に示す量の水で混練し、所定の形枠に流し込み成形し、常温で24時間養生した後、脱枠して110℃で24hr乾燥した。

実験例1〜6及び比較例1〜13について、乾燥後の試料をさらに1000℃で3hr加熱、及び1400℃で3hr加熱し、以下に示す方法により、加熱後の残存線変化率、かさ比重、熱伝導率、曲げ強度、圧縮強度及び耐熱衝撃試験の評価を行った。

実施例1及び比較例14〜18の試料について、乾燥後の試料をさらに1000℃で3hr加熱し、以下に示す方法により、加熱後の残存線変化率、かさ比重、熱伝導率、曲げ強度、圧縮強度及び破壊エネルギーの評価を行った。さらに、特開平6-87666号及び特開2005-314222号に記載の組成でキャスタブル耐火物（比較例19及び比較例20）を作製し、同様に評価した。さらに実施例1及び比較例14〜20の試料について、溶鋼取鍋用蓋での使用回数（転炉から取鍋に受鋼直後の蓋掛けから次回受鋼までを1chとする。この間、二次精錬を行う毎に蓋の着脱が行われる。）を評価した。

結果を表2-1及び表2-2（実験例1〜6）、表3-1〜表3-4（比較例1〜13）及び表4-1〜表4-3（実施例1及び比較例14〜20）に示す。

注(1) メジアン径
(2) 0.075 mm篩を通過した粒子
(3) 耐火性原料100質量％に対する外割添加水量
(4) 1300℃急熱→急冷3サイクル後の弾性率と、試験前弾性率との比

(3)試験方法
(3-1)残存線変化率
JIS R2654に準拠して測定した。

(3-2)かさ比重
JIS R2655に準拠して測定した。

(3-3)熱伝導率
JIS R2251-1(熱線法：直交法)に準拠して測定した。

(3-4)曲げ強度
JIS R2553に準拠して測定した。

(3-5)破壊エネルギー
JIS R2553と同様の方法で得られた試験片を用い、1000℃で加熱焼成した後、三点曲げ法にてオートグラフで破壊に至るまでの荷重―変位線図を取得し、その積分値を破壊エネルギーとした。

(3-6)耐熱衝撃試験
JIS R2553に準拠する方法で成形して得られた40 mm×40 mm×160 mmの直方体の成形体を110℃で乾燥し、1300℃にて焼成した後、室温まで徐々に冷却して得られた試験片について、まず耐熱衝撃試験前の弾性率E₀を測定した。この試験片を1300℃に昇温した炉に投入し、30分間保持した後、炉から取り出し、空気中で冷却するまでを１サイクルとした耐熱衝撃試験を行った。この耐熱衝撃試験を3サイクル行い、３サイクル後の弾性率E₃を測定し、試験前後の弾性率比E₃/E₀で評価した。E₃/E₀が1.0に近いほど耐熱衝撃性が優れる。尚、弾性率は動的弾性率試験方法(JIS R1602：曲げ共振法)にて測定した。

(4)評価結果（実験例1〜6及び比較例1〜13）
表2-1及び表2-2に示したとおり、8〜1 mmの耐火性粒子と粒径1〜0.3 mmの耐火性粒子、1000℃以上で加熱したときに膨張性を発現する膨張性耐火性粒子、平均粒径10μm以下の耐火性微粒子及びアルミナセメントを規定のものを規定量添加してなる実験例1〜6(スチールファイバーを含まない)は、いずれも適度のかさ比重及び熱伝導性を有しつつ、強度発現性や加熱収縮抑制効果及び耐熱衝撃性に優れていた。膨張性耐火性粒子を添加したため、稼働面温度に近似する1400℃加熱後において0〜0.4％程度の残存膨張率であれば、稼働面を起点とする収縮割れが発生しにくくなった。

表3-1〜表3-4に比較例1〜13の配合及び特性を示した。比較例1及び比較例2は、それぞれメジアン径10μm以下の耐火性微粒子が少ない例及びシリカフュームを含まない例である。いずれも強度が低く、蓋の着脱時などでの耐機械的衝撃性が劣っていた。また耐熱衝撃性も低かった。

比較例3は、粒径8〜1 mmの耐火性粒子と粒径1〜0.3 mmの耐火性粒子との合量が耐火性原料100質量％に対して50質量％に満たない例である。加熱後の収縮が大きいため、収縮亀裂が発生して、着脱時の衝撃に脱落しやすくなると考えられる。

比較例4及び比較例5は、従来溶融金属容器の蓋用として広く用いられてきた材料に相当するもので、粒径0.3 mm以上の耐火性粒子のかさ比重が1.70 g/cm³を超える例である。比較例5はさらにシリカフュームも含まない例である。いずれもキャスタブル耐火物のかさ比重や熱伝導率が大きく、施工所要量や放散熱量が増大して好ましくない。また1000℃焼成後の強度が低く、耐熱衝撃性も劣化しており、稼働時に剥落を起こしやすいと考えられる。

比較例6は、粒径0.3 mm以上の耐火性粒子のかさ比重が1.30g/cm³に満たない場合の例である。粒径0.3 mm以上の耐火性粒子自身の加熱時の焼結収縮が顕著に現れるようになるためか、キャスタブル耐火物の加熱後の収縮が大きいため、収縮亀裂が発生して、着脱時の衝撃に脱落しやすくなると考えられる。

比較例7は、膨張性耐火性粒子が少ない例である。加熱後の収縮が大きいため、収縮亀裂が発生して、着脱時の衝撃によって脱落しやすくなると考えられる。

比較例8は、アルミナセメント量が少ない例である。加熱後の強度が不足しているため、着脱時などでの損傷が大きくなり、十分な耐用が得られないと考えられる。また1400℃加熱後の膨張が大きいため、せり出しによる剥落を起こしやすくなると考えられる。

比較例9は、アルミナセメント量が多い例である。加熱後強度不足の他、加熱後の収縮が大きいため、収縮亀裂が発生や着脱時の衝撃によって脱落が生じやすくなると考えられる。

比較例10は、膨張性耐火性粒子としてメジアン径0.2 mmのカイアナイトを用いた例である。1400℃加熱後の膨張が大きいため、せり出しによる剥落を起こしやすくなると考えられる。

比較例11は、膨張性耐火性粒子としてアンダルサイトを用いた例である。膨張不足のため、収縮亀裂が発生する他、かさ比重も次第に大きくなると考えられる。

比較例12は、膨張性耐火性粒子として珪石を用いた例である。珪石は加熱による強度発現効果がほとんど得られない低温域（500〜600℃）で膨張性を有するため、珪石を使用すると結合組織が容易に破壊され、その添加量が増すほど1000℃強度の低下を引き起こす。そのため、高温側で十分な膨張性が得られるほどに添加量を増す事ができない。

比較例13は、膨張性耐火性粒子としてマグネシアを用いた例である。1400℃で液相生成量が顕著に増大して軟化し、耐火性が不足するようになると考えられる。

(5)実施例1及び比較例14〜20
実験例1、比較例5及び比較例6のキャスタブル耐火物組成（基本配合）に、さらにスチールファイバーを表4-1〜表4-3に示す処方で配合し、表4-1〜表4-3に示す量の水を添加した以外は実験例1と同様にして、乾燥後、1000℃で3hr加熱した後の試料を作製し、それらの物性の測定を行った。さらに、特開平6-87666号及び特開2005-314222号に記載の組成でキャスタブル耐火物を作製し、同様に評価した。さらに結果を、実機に適用した結果と合わせて、表4-1〜表4-3に示す。

注(1) 表2-1に記載した実験例
(2) 長さ
(3) 耐火性原料100質量％に対する外割添加水量
(4) 溶鋼取鍋用蓋での使用回数。転炉から取鍋に受鋼直後の蓋掛けから次回受鋼までを1chとする。この間、二次精錬を行う毎に蓋の着脱が行われる。

注(1) 表2-1及び表3-2に記載した実験例及び比較例
(2) 長さ
(3) 耐火性原料100質量％に対する外割添加水量
(4) 溶鋼取鍋用蓋での使用回数。転炉から取鍋に受鋼直後の蓋掛けから次回受鋼までを1chとする。この間、二次精錬を行う毎に蓋の着脱が行われる。

注(1)表3-2に記載した比較例
(2) 長さ
(3) 耐火性原料100質量％に対する外割添加水量
(4) 溶鋼取鍋用蓋での使用回数。転炉から取鍋に受鋼直後の蓋掛けから次回受鋼までを1chとする。この間、二次精錬を行う毎に蓋の着脱が行われる。

比較例14及び15は、スチールファイバーの長さが10 mm及び15 mmでの例である。スチールファイバーの長さが短いため、いずれも破壊エネルギーの向上効果は無く、かえって熱伝導率が増大してしまった。

比較例16は、スチールファイバーの添加量が多い例である。スチールファイバーの添加量を2質量％よりも増やしても、さらに破壊エネルギーが大きくなる効果は無く、かえってかさ比重や熱伝導率が増大してしまった。

比較例17及び18は、1000℃加熱後のかさ比重、熱伝導率及び強度が所定の範囲を外れたキャスタブル耐火物の例である。スチールファイバーの添加効果が十分に得られず、破損や亀裂の拡大によって、耐用も不十分なものとなった。

これに対して、本発明の溶融金属容器蓋用のキャスタブル耐火物(実施例1)は、従来使用されていた比較例17に比べて、施工所要量で20％、放散熱量で30％削減できたのみならず、強度発現性、加熱収縮性、耐熱衝撃性等あらゆる損傷要因に対する抵抗性に優れていた。その結果、亀裂の発生や剥落を起こし難く、大幅な耐用の延長が図れた。

また、蓋用としても適用可能として文献に開示されている比較例19及び20は、加熱収縮が大きく、強度も低いため、亀裂や着脱時の衝撃の影響で頻繁に脱落が発生し、保温効果が大幅に悪化して、早期交換しなければならなかった。

Claims

耐火性原料とスチールファイバーとからなる溶融金属容器蓋用キャスタブル耐火物であって、前記スチールファイバーが、20〜35 mmの長さを有し、前記耐火性原料100質量％に対して外割で1〜3質量％添加され、前記キャスタブル耐火物は、1000℃加熱後のかさ比重が1.70 g/cm³以下、熱伝導率が1.0 W/m・K以下、曲げ強度が3.0 MPa以上、及び圧縮強度が10.0 MPa以上であることを特徴とする溶融金属容器蓋用キャスタブル耐火物。
請求項1に記載の溶融金属容器蓋用キャスタブル耐火物において、前記耐火性原料は、
(A)かさ比重1.30〜1.70 g/cm³で、かつ粒径8〜0.3 mmの耐火性粒子(粒径8〜1 mmの粒子を30〜45質量％含有し、粒径1〜0.3 mmの粒子を15〜25質量％含有する。)が50〜65質量％、
(B)1000℃以上で加熱したときに膨張性を発現する膨張性耐火性粒子が5〜12質量％、
(C)メジアン径10μm以下の耐火性微粒子が3〜12質量％、
(D)アルミナセメントが15〜25質量％、及び
(E)残部が粒径0.3 mm以下の耐火性粒子
からなることを特徴とする溶融金属容器蓋用キャスタブル耐火物。
請求項2に記載の溶融金属容器蓋用キャスタブル耐火物において、前記メジアン径10μm以下の耐火性微粒子は、シリカフュームが少なくとも3質量％以上であることを特徴とする溶融金属容器蓋用キャスタブル耐火物。
請求項2又は3に記載の溶融金属容器蓋用キャスタブル耐火物において、前記膨張性耐火性粒子がカイアナイトであることを特徴とする溶融金属容器蓋用キャスタブル耐火物。