JP7130903B2 - 低融点非鉄金属用耐火材 - Google Patents
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Description
このように、低圧鋳造法により鋳造されるアルミニウムを初めとする低融点非鉄金属との耐化学反応性(耐食性)、耐熱衝撃性が高く、かつ地金の付着の少ない耐火材が強く求められているのが現状である。
本形態の低融点非鉄金属用耐火材(以下、本形態の耐火材と称する)は、全体を100mass%としたときに、20~75mass%の炭化ケイ素質材と、20~75mass%の窒化ケイ素質材と、3~22mass%の溶融石英質材と、を含有して形成される。
炭化ケイ素は、低融点非鉄金属の溶湯に対して高い耐食性を示す。特に、低融点非鉄金属としてのアルミニウム溶湯との反応性がきわめて小さい。このことは、後述の実施例の耐食性試験結果に示すように、溶損量が0であることからも確認できる。すなわち、炭化ケイ素は、アルミニウム溶湯に対して優れた耐化学反応性を有している。炭化ケイ素質材は、この特性を持つ炭化ケイ素を主成分としており、優れた耐化学反応性(優れた耐食性)を有する。
窒化ケイ素は、低融点非鉄金属の溶湯に対してほとんど反応しない。特に、低融点非鉄金属としてのアルミニウム溶湯との反応性がきわめて小さい。このことは、後述の実施例の耐食性試験結果に示すように、溶損量が0であることからも確認できる。すなわち、窒化ケイ素は、アルミニウム溶湯に対して優れた耐化学反応性を有している。窒化ケイ素質材は、この特性を持つ窒化ケイ素を主成分としており、優れた耐化学反応性(優れた耐食性)を有する。
本形態の耐火材における、炭化ケイ素質材、窒化ケイ素質材と溶融石英質材とのそれぞれの含有比率は、上記の比率を満たす範囲であれば限定されるものではない。
本形態の耐火材は、気孔率が8~18%である。気孔率を8%以上とすることで耐熱衝撃性を備えたものとなる。また、気孔率が18%以下となることで、耐火材の通気性の増加を抑えられる。具体的には、気孔率が過剰に大きくなると、鋳造時の溶湯中へのガス巻き込み度が高くなり、ピンホール等の不具合が生じやすくなる。
第1の粒子径としては、100μm以下の粒子径をあげることができ、例えば、90μm,80μm,75μm,74μm等の数値をあげることができる。
本形態の耐火材は、その製造方法が限定されるものではない。例えば、以下の焼成により製造することが好ましい。
まず、炭化ケイ素質材と窒化ケイ素質材と溶融石英質材を、それぞれ粉砕し、粗粒子材、中粒子材、微粒子材とに分級し、必要となる所定の質材(粒子材)を準備する。そして、それぞれ所定の質量比率(mass%)となるように秤量する。
以上により、本形態の耐火材が製造される。
本発明の実施例として、耐火材を製造した。
各例の耐火材は、表1に化学成分値を示した炭化ケイ素質材、窒化ケイ素質材、溶融石英質材を、表2に示した質量比率で含有して製造される。
得られたはい土を、成形型に振動を加えながら充填し、成形を行う。
以上により、実施例1~5および比較例1~6の耐火材(評価拭験用耐火材)を製造する。
製造された各例の耐火材は、表2に示した配合比率を有する。なお、各例の耐火材は、添加材を含有しているが、コロイダルシリカの添加量は外掛けで約1%である。トリエタノールアミンの添加量は、ごく微量である。添加材のコロイダルシリカは、微粒子のSiO2が水に分散してなるものであり、SiO2が約20%で含有している。製造された各例におけるSiO2の増加量は、耐火材全体の1%に満たず、耐火材の特性(耐火材の構成材料により得られる特性)に影響を及ぼすものではない。トリエタノールアミンのような有機化合物の添加材は、焼成により分解・消失し、耐火材に残留しない。
各実施例および比較例の耐火材の評価を下記の通り行った。
(品質特性値)
各実施例および比較例の耐火材の評価として、気孔率、吸水率、見掛比重、嵩比重、圧縮強度、曲げ強度、1000℃での熱間線膨張率、熱伝導率、耐スポーリング性、耐食性、耐用寿命、をそれぞれ測定した。測定結果を表2~3に合わせて示した。
(測定方法)
(a)気孔率、吸水率、見掛比重、嵩比重は、JIS R 2205に記載の測定方法で測定した。
(b)圧縮強度は、JIS R 2206に準拠した方法で測定した。
(c)曲げ強度は、JIS R 2213に記載の測定方法で測定した。
(d)1000℃での熱間線膨張率は、JIS R 2207で測定した。
(e)熱伝導率は、JIS R 2616に記載の測定方法で測定した。
まず、各例の耐火材から、40×40×150mmの角柱状の試験片を製造する。この試験片を、炉内温度が1100℃に保持された炉内に設置し、30分間保持する。その後、取り出して空冷した後、弾性率を測定する。この操作を2回繰り返す。
その後、試験片を、1100℃に保持された炉内に配置し、30分間保持する。その後、取り出し、水冷した後に弾性率を測定する。この操作を2回繰り返す。
なお、弾性率の測定は、ASTM C1259-08e1に規定の「打撃共振法」を用いて、動弾性率を測定する。これらの試験片の弾性率の測定結果を表3に示した。表3では、測定結果を、試験前(加熱前)の試験片の弾性率を100%とした場合の弾性率の変化の割合で示した。
まず、各例の耐火材から、40×40×150mmの角柱状の試験片を製造する。この試験片を、ルツボ炉で溶解し、750±15℃に保持されたアルミニウムの溶場中に、一方の端部(下端)を浸漬深さ80mmで浸漬する。そして、100時間保持し、試験片を引き上げる。放冷後、試料をほぼ縦中央部で切断し、下端から40mmの部位で溶損量を測定した。測定結果を表3に合わせて示した。
表2及び表3に示したように、実施例1~5の耐火材は、耐熱性および耐食性に優れた耐火材となっている。一方、比較例1~6の耐火材は、耐熱性と耐食性のいずれかが劣る耐火材となっている。
各例の耐火材から、アルミニウム質材の低圧鋳造機用注湯管のストーク材を作製して実機実用試験を行った。
比較例2の耐火材の耐用日数を基準(100%)として、各例の耐火材の耐用日数の比率(%)を求め、各例の耐火材の実使用の耐用寿命とした。求めた耐用寿命比率(%)として、表3に合わせて示した。
本例の耐火材は、炭化ケイ素質材よりなる中粒子材および粗粒子材と、窒化ケイ素質材よりなる微粒子材および中粒子材と、溶融石英質材よりなる粗粒子材と、から形成され、気孔率および圧縮強度が所定の範囲内となっている。
本例の耐火材は、気孔率が14.2%となることで、高い耐熱性と耐熱衝撃性、耐食性を備え、また圧縮強度も111MPaとなることで、高い耐摩耗性を備えた耐火材となっている。
これらの効果は、耐スポーリング性試験および耐食性試験の試験結果からも明らかである。
具体的には、耐スポーリング性試験において、空冷と水冷のいずれにおいても、繰り返しの熱衝撃後の弾性率の低下が小さかった。つまり、耐スポーリング性に優れていることが確認できる。
また、耐食性試験において、溶損量が0mm(ゼロ)となっており、アルミニウムと反応がほとんどないことが確認できる。つまり、耐食性に優れていることが確認できる。
以上のように、本例の耐火材は、耐熱衝撃性(耐割れ性)、耐食性(溶融アルミニウムに対するキレ、ヌレ性)が向上した耐火材となっている。
本例の耐火材は、実施例1と同様に、炭化ケイ素質材よりなる中粒子材および粗粒子材と、窒化ケイ素質材よりなる微粒子材および中粒子材と、溶融石英質材よりなる粗粒子材と、から形成され、気孔率および圧縮強度が所定の範囲内となっている。
本例の耐火材でも、実施例1と同様に、耐熱衝撃性(耐割れ性)、耐食性(溶融アルミニウムに対するキレ、ヌレ性)が向上した耐火材となっている。
本例の耐火材は、実施例1~2と同様に、炭化ケイ素質材よりなる中粒子材および粗粒子材と、窒化ケイ素質材よりなる微粒子材および中粒子材と、溶融石英質材よりなる粗粒子材と、から形成され、気孔率および圧縮強度が所定の範囲内となっている。
この本例の耐火材でも、実施例1~2と同様に耐熱衝撃性(耐割れ性)、耐食性(溶融アルミニウムに対するキレ、ヌレ性)が向上した耐火材となっている。
本例の耐火材は、実施例1~3と同様に、炭化ケイ素質材よりなる中粒子材および粗粒子材と、窒化ケイ素質材よりなる微粒子材および中粒子材と、溶融石英質材よりなる粗粒子材と、から形成され、気孔率および圧縮強度が所定の範囲内となっている。
この本例の耐火材でも、実施例1~3と同様に耐熱衝撃性(耐割れ性)、耐食性(溶融アルミニウムに対するキレ、ヌレ性)が向上した耐火材となっている。
本例の耐火材は、炭化ケイ素質材よりなる微粒子材、中粒子材および粗粒子材と、窒化ケイ素質材よりなる微粒子材、中粒子材および粗粒子材と、溶融石英質材よりなる中粒子材および粗粒子材と、から形成され、気孔率および圧縮強度が所定の範囲内となっている。
この本例の耐火材でも、実施例1~4と同様に耐熱衝撃性(耐割れ性)、耐食性(溶融アルミニウムに対するキレ、ヌレ性)が高い耐火材となっている。
そして、本例の耐火材は、耐スポーリング性と耐食性のバランスに優れ、耐用寿命に優れていることが確認できる。
本例の耐火材は、炭化ケイ素質材のみから構成され、気孔率および圧縮強度が所定の範囲内となっている。
具体的には、本例の耐火材は、粒子径の異なる炭化ケイ素質材;100mass%(微粒子材:33mass%、中粒子材:17mass%、粗粒子材;50mass%)の粒子材から形成されている。そして、気孔率が16.3%、圧縮強度が123MPaと所定の範囲内となっている。
本例の耐火材は、耐食性は優れているが、耐スポーリング性が、各実施例と比較して大きく低下していることが確認できる。
本例の耐火材は、炭化ケイ素質材よりなる中粒子材および粗粒子材と、窒化ケイ素質材よりなる微粒子材と、から形成され、気孔率および圧縮強度が所定の範囲内となっている。
具体的には、本例の耐火材は、粒子径の異なる炭化ケイ素質材;67mass%(中粒子材:17mass%、粗粒子材;50mass%)、窒化ケイ素質材;33mass%(微粒子材;33mass%)の各質材の粒子材から形成されている。そして、気孔率が12.8%、圧縮強度が128MPaといずれも所定の範囲内となっている。
本例の耐火材も、比較例1と同様に、耐スポーリング性が大きく低下していることが確認できる。
本例の耐火材は、炭化ケイ素質材よりなる中粒子材および粗粒子材と、窒化ケイ素質材よりなる微粒子材および中粒子材と、溶融石英質材よりなる粗粒子材と、から形成され、気孔率および圧縮強度が所定の範囲内となっている。
本例の耐火材も、比較例1~2と同様に、耐スポーリング性が、各実施例と比較して大きく低下していることが確認できる。
本例の耐火材は、炭化ケイ素質材よりなる中粒子材および粗粒子材と、窒化ケイ素質材よりなる微粒子材および中粒子材と、溶融石英質材よりなる粗粒子材と、から形成され、気孔率および圧縮強度が所定の範囲内となっている。
本例の耐火材も、比校例1~3と同様に、耐スポーリング性が、各実施例と比較して大きく低下していることが確認できる。
本例の耐火材は、比較例3の耐火材に対し、粗粒子材において、炭化ケイ素質材の比率を減少させ、溶融石英質材を増加している。
本例の耐火材は、比較例3の耐火材に対し、溶融石英質材の含有比率を増加して過剰量で含有した構成となっている本例の耐火材においては、耐食性が比較例3よりも大きく低下している。
本例の耐火材は、実施例4の耐火材において、微粒子材(窒化ケイ素質材)の一部を溶融石英質材へ置き換えた例である。つまり、実施例4の耐火材に対し、更に微粒子材よりなる溶融石英質材を用いた構成を有している。本例の耐火材は、炭化ケイ素質材よりなる中粒子材および粗粒子材と、窒化ケイ素質材よりなる微粒子材および中粒子材と、溶融石英質材よりなる微粒子材および粗粒子材と、から形成され、気孔率および圧縮強度が所定の範囲内となっている。
本例の耐火材は、比較例1~4に比べて耐スポーリング性は改善されているが、耐食性が大きく低下していることが確認できる。
本例の耐火材は、実施例4の耐火材に対し、粗粒子材および中粒子材は同比率であるが、微粒子材において、窒化ケイ素質材の比率を減少させ、溶融石英質材を増加している(置換している)。
本例の耐火材は、実施例4の耐火材において、微粒子材(窒化ケイ素質材)の一部を溶融石英質材へ置き換えた例である。つまり、実施例4の耐火材に対し、更に微粒子材よりなる溶融石英質材を用いた構成を有している。本例の耐火材は、炭化ケイ素質材よりなる中粒子材および粗粒子材と、窒化ケイ素質材よりなる微粒子材および中粒子材と、溶融石英質材よりなる微粒子材および粗粒子材と、から形成され、気孔率および圧縮強度が所定の範囲内となっている。
本例の耐火材も、比較例5と同様に、耐食性が各実施例と比較して大きく低下していることが確認できる。
本例の耐火材は、実施例4の耐火材に対し、微粒子材において、窒化ケイ素質材の比率を減少させ、溶融石英質材を増加している(置換している)。
Claims (2)
- 全体を100mass%としたときに、20~75mass%の炭化ケイ素質材と、20~75mass%の窒化ケイ素質材と、3~22mass%の溶融石英質材と、を含有して形成され、
粒子径が74μm未満の微粒子材と、74μm以上の粒子材と、を有し、
該微粒子材は、溶融石英質材を含むことなく、窒化ケイ素質材又は、窒化ケイ素質材と炭化ケイ素質材より形成され、
気孔率が8~18%、圧縮強度が50MPa以上であることを特徴とする低融点非鉄金属用耐火材。 - 焼成耐火物よりなる請求項1に記載の低融点非鉄金属用耐火材。
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