JPH10306309A - 溶融金属精錬用容器の羽口用耐火物の選定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 対象とする溶融金属精錬用容器の羽口用耐火
物として用いた場合に熱間強度を長時間維持することが
可能な炭素含有耐火物を適切に選定すること 【解決手段】 炭素含有耐火物をＣＯとＮ₂の混合雰囲
気下において５００〜８００℃で熱処理した後、８００
℃以上、１１００℃未満の温度域と、１１００℃以上で
あって、且つ適用すべき溶融金属精錬用容器内の溶融金
属浴温度以下の温度域でそれぞれ曲げ強度を測定し、こ
の両測定値が設計値以上となる炭素含有耐火物、特に好
ましくは前者の温度域で測定した曲げ強度が９ＭＰａ以
上であって、且つ後者の温度域で測定した曲げ強度が１
４ＭＰａ以上となる炭素含有耐火物を、溶融金属精錬用
容器の羽口用耐火物として用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、溶融金属精錬用
容器に精錬用ガスを吹き込むための羽口に炭素含有耐火
物を適用するに当り、羽口用耐火物として好適な炭素含
有耐火物を選定するための方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】炭素含有耐火物は耐熱衝撃性に優れてお
り、溶融金属精錬用容器の耐火物として一般に使用され
ているが、炭素を含有するため耐酸化性が低いという欠
点がある。このような欠点を補うとともに、強度をさら
に向上させるため、炭素含有耐火物中に炭素よりも酸素
親和力の強い金属、液相を生成する物質（ホウ化物、ガ
ラス質等）を添加することが行われている。従来、この
ような添加物を含む炭素含有耐火物の熱間強度の評価
は、加熱炉内においてＪＩＳ Ｒ ２２１３に準じて曲げ
試験する方法、或いはＪＲＳ２２１７，ＰＲＥＲ１８−
７８に準じた熱間曲げ強度測定法により実施されてい
る。具体的には、試験片を試験装置内で室温から昇温さ
せ、所定温度で数時間保持した後、曲げ強度を測定する
方法である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の評価方
法は、溶融金属精錬用容器の側壁用耐火物に用いる炭素
含有耐火物の強度評価方法としては十分な精度を有して
いるが、図１に示すようなガス吹き込み羽口用耐火物に
用いる炭素含有耐火物の強度評価方法としては以下に述
べるような問題がある。すなわち、羽口用耐火物は側壁
用耐火物と使用環境が大きく異なり、表１に示すように
側壁用耐火物の場合は稼働面から背面に至る全ての部分
が使用初期から添加物の効果が顕在化する高温になるの
に対し、羽口用耐火物の場合はガスにより冷却されるた
め、溶融金属に接触する稼働面近傍以外の部分は、損耗
により稼働面付近となるまでの間は、添加物の効果が発
揮されない数百℃程度の比較的低い温度域で長時間維持
される。

【０００４】そして、このような熱履歴の相違は、炭素
含有耐火物中の添加物による強度向上効果に大きな影響
を与える。例えば、表２に示すように従来の評価法によ
るとほぼ同等の熱間曲げ強度（１４００℃における熱間
曲げ強度）と耐摩耗性を示すが、耐熱衝撃性と添加物の
種類が異なる２種類のＭｇＯ−Ｃ耐火物を、図１に示す
ような上底吹き転炉型精錬炉の羽口用耐火物として使用
した結果、２種類のＭｇＯ−Ｃ耐火物は炉代前半の損耗
速度の優劣関係と炉代後半の損耗速度（すなわち、羽口
環境下の温度履歴を長時間受けた後の損耗速度）の優劣
関係が逆になり、耐熱衝撃性の良好なＭｇＯ−Ｃ耐火物
の方がむしろ損耗速度が大きくなった事例が認められ
た。このように従来の評価方法では、羽口用耐火物とし
て好適な炭素含有耐火物の選定が適切に行えないという
問題がある。

【０００５】

【表１】

【０００６】

【表２】

【０００７】したがって本発明の目的は、対象とする溶
融金属精錬用容器の羽口用耐火物として用いた場合に熱
間強度を長時間維持することができる、羽口用耐火物と
して好適な炭素含有耐火物を適切に選定することができ
る方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
るための本発明法の特徴は以下の通りである。 (1) 炭素含有耐火物をＣＯとＮ₂の混合雰囲気下におい
て５００〜８００℃で熱処理した後、８００℃以上、１
１００℃未満の温度域と、１１００℃以上であって、且
つ適用すべき溶融金属精錬用容器内の溶融金属浴温度以
下の温度域でそれぞれ曲げ強度を測定し、この両測定値
が設計値以上となる炭素含有耐火物を溶融金属精錬用容
器の羽口用耐火物として用いることを特徴とする溶融金
属精錬用容器の羽口用耐火物の選定方法。 (2) 上記(1)の方法において、炭素含有耐火物のＣＯと
Ｎ₂の混合雰囲気下における熱処理を１００時間以上実
施することを特徴とする溶融金属精錬用容器の羽口用耐
火物の選定方法。 (3) 上記(1)または(2)の方法において、８００℃以上１
１００℃未満の温度域で測定した曲げ強度が９ＭＰａ以
上であって、且つ１１００℃以上、適用すべき溶融金属
精錬用容器内の溶融金属浴温度以下の温度域で測定した
曲げ強度が１４ＭＰａ以上となる炭素含有耐火物を、溶
融金属精錬用容器の羽口用耐火物として用いることを特
徴とする溶融金属精錬用容器の羽口用耐火物の選定方
法。

【００１０】

【発明の実施の形態】或る炭素含有耐火物が溶融金属精
錬用容器の羽口用耐火物として適しているか否かは、評
価したい炭素含有耐火物を当該溶融金属精錬用容器の羽
口環境下に近い温度履歴で熱処理した後に強度評価すれ
ば、適正な評価は可能である。しかし、熱間曲げ試験機
内で羽口環境を想定した長時間の熱処理を行い、所定温
度で曲げ強度を測定する方法は効率が悪く実用的でな
い。この問題を解決するため、本発明者らは図２に示す
ような実炉回収試料の強度評価結果及び実験室での熱処
理後強度評価結果と、実炉試験での損耗速度の測定結果
の比較検討により、熱処理炉において炭素含有耐火物を
ＣＯとＮ₂の混合雰囲気下で熱処理した後、曲げ試験機
により特定の２つの温度領域における熱間曲げ強度をそ
れぞれ測定し、この２つの温度領域における強度測定値
が所定のレベル（設計値）を満足するか否かにより羽口
用耐火物としての適性を評価できること、すなわち上記
２つの強度測定値が所定の設計値以上であれば羽口用耐
火物に適した炭素含有耐火物であると評価できることが
判った。

【００１１】具体的には、対象となる炭素含有耐火物を
曲げ試験片に加工し、ＳｉＣ製等の試料ケース中に炭素
粉（黒鉛粉、コークス粉等）で埋め、ＣＯとＮ₂の混合
雰囲気の熱処理炉内で熱処理した後に、熱間曲げ強度を
測定する。上記熱処理温度としては熱処理後の強度に大
きく影響する５００〜８００℃とし、熱間曲げ強度の測
定温度は、結合材の炭化はほぼ終了するが添加物の強
度向上効果が顕著でない温度域であって、且つ出湯時の
推定最大応力発生部の温度域である８００℃以上、１１
００℃未満、添加物の強度向上効果が顕在化する温度
から稼働面近傍のバックアタックや溶融金属流による摩
耗が発生する温度域である、１１００℃以上、溶融金属
浴温度（耐火物を適用すべき溶融金属精錬用容器内の溶
融金属浴温度）以下、の２つの温度域とする。

【００１２】したがって、本発明法では炭素含有耐火物
をＣＯとＮ₂の混合雰囲気下において５００〜８００℃
で熱処理した後、８００℃以上１１００℃未満の温度域
と、１１００℃以上溶融金属浴温度以下の温度域でそれ
ぞれ熱間曲げ強度を測定し、この両強度測定値が設計値
以上である炭素含有耐火物を羽口用耐火物として用い
る。本発明において、炭素含有耐火物の熱処理をＣＯと
Ｎ₂の混合雰囲気下で行うのは、炉内側および鉄皮側か
ら供給されるＣＯ₂やＯ₂が炭素含有耐火物中のＣと反応
してＣＯを発生することと、通常、炉内側および鉄皮側
には大気中のＮ₂が浸入しているためである。そして、
このＣＯとＮ₂が炭素含有耐火物中の添加物と反応し、
強度向上効果を発揮する。通常、ＣＯとＮ₂の混合雰囲
気のガス組成はＣＯ：１〜９９％、Ｎ₂：９９〜１％程
度とすることが好ましい。これは混合ガス雰囲気中にＣ
ＯとＮ₂がそれぞれ１％以上含まれていれば、前記強度
向上効果が有効に発揮されるからである。また、この雰
囲気中にはＣＯとＮ₂以外にも、通常大気中に含まれる
ような不活性なガス成分が含まれることは妨げない。

【００１３】熱処理の時間は、羽口環境下における熱履
歴を考慮して或る程度長時間の方がよく、通常は１０時
間以上、望ましくは１００時間以上とすることが好まし
い。但し、熱処理の適正時間は試料の大きさ（実炉サイ
ズ、試験片サイズ等の違い）によっても異なり、したが
って、試料サイズ等に応じて上記の範囲において適宜選
択すればよい。炭素含有耐火物を羽口用耐火物として使
用する際の熱間曲げ強度の使用限界値は、各種炉体およ
び操業条件によりある程度は異なるものの１２０ｔ転炉
型炉体の実績等からして、８００℃以上１１００℃未
満で測定した曲げ強度が９ＭＰａ以上、１１００℃以
上溶融金属浴温度以下で測定した曲げ強度が１４ＭＰａ
以上あれば、羽口用耐火物としての適性を備えており、
実用的な羽口用耐火物としての寿命が得られることが判
った。したがって、これら、の曲げ強度を設計値と
し、上記の強度測定値がこれら設計値を満足した場合
に、羽口用耐火物として好適であると評価することが好
ましい。

【００１４】

【実施例】図１に示すような１２０ｔ上底吹き転炉型溶
融還元炉の羽口用耐火物を以下のようにして選定した。
なお、図１に示す溶融還元炉において、１は側壁ライニ
ング（ワーク：炭素含有耐火物、パーマ：酸化物系焼成
耐火物）、２は上吹きランス、３は底吹き羽口、４は溶
湯、５はスラグ浴、６はノズル（金属パイプ）、７は羽
口用耐火物、８は鉄皮である。この溶融還元炉による溶
融還元では各工程で溶湯温度が異なり、溶湯温度はＮｉ
溶融還元時：１５２０℃、Ｃｒ溶融還元時：１６００
℃、脱炭時：１６２０℃である。

【００１５】表３に示すような組成のＭｇＯ−Ｃ耐火物
をＣＯ−Ｎ₂混合雰囲気中において５００℃、８００℃
でそれぞれ１００時間熱処理した後、曲げ強度を９００
℃、１４００℃でそれぞれ測定した。また、５００℃、
８００℃でそれぞれ１００時間熱処理した場合、添加物
による強度向上効果が低減することを確認するため、添
加物の効果が発現する無処理及び１１００℃×１００時
間熱処理後の熱間曲げ強度も測定した。その結果を図３
〜図７に示す。これらのうち図３が耐火物Ｎｏ．１の曲
げ強度を、図４が耐火物Ｎｏ．２の曲げ強度を、図５が
耐火物Ｎｏ．３の曲げ強度を、図６が耐火物Ｎｏ．４の
曲げ強度を、図７が耐火物Ｎｏ．５の曲げ強度をそれぞ
れ示している。

【００１６】このような熱間熱間強度の測定結果に基づ
き、本発明法に従って、５００℃および８００℃でそれ
ぞれ１００時間熱処理した後、９００℃で測定した曲
げ強度が９ＭＰａ以上、１４００℃（溶湯温度以下）
で測定した曲げ強度が１４ＭＰａ以上、という条件を満
足した耐火物Ｎｏ．１と耐火物Ｎｏ．２を羽口用耐火物
としての適性がある炭素含有耐火物であると判定し、こ
れに対して上記、の条件を満足しなかった耐火物Ｎ
ｏ．３〜耐火物Ｎｏ．５を羽口用耐火物としての適性が
ない炭素含有耐火物であると判定した。

【００１７】このような選定結果を確認するため、各耐
火物を図１に示す溶融還元炉の底吹き羽口に羽口耐火物
として装着し、実炉試験を実施した。羽口部損耗速度
は、新炉の稼働面から４００ｍｍ以上損耗した後の耐火
物残厚の経時変化から求め、通常の耐火物損耗速度を１
００とした場合の損耗指数（実炉損耗指数）で評価し
た。この実炉試験の結果を、各耐火物の組成、室温での
曲げ強度（熱処理なしの曲げ強度）、従来法により測定
された熱間曲げ強度等とともに表３に示す。表３によれ
ば、本発明法による選定基準を満足した耐火物Ｎｏ．１
と耐火物Ｎｏ．２は損耗指数がそれぞれ１００、８６で
あり、実用上全く問題ない。これに対して本発明法によ
る選定基準を満足なかった耐火物Ｎｏ．３〜耐火物Ｎ
ｏ．５は損耗指数がそれぞれ１４２、１２９、１４３で
あり、実用上問題がある。以上の結果から本発明法の有
効性が確認できた。

【００１８】また図３〜図７によれば、各耐火物の５０
０〜８００℃×１００時間熱処理後の熱間曲げ強度は、
耐火物Ｎｏ．１と耐火物Ｎｏ．２の場合には、添加物の
効果が発現する無処理及び１１００℃×１００時間熱処
理後の熱間曲げ強度に近い値を示しており、羽口環境下
でも従来法による評価通りの熱間曲げ強度を示すことが
確認できる。しかし、耐火物Ｎｏ．３〜耐火物Ｎｏ．５
の場合には、添加物の効果が発現する無処理及び１１０
０℃×１００時間熱処理後の熱間曲げ強度よりもかなり
低い値を示しており、羽口環境下では従来法による評価
よりも熱間曲げ強度が低下していることが確認でき、こ
のことからして従来法による熱間曲げ強度評価には問題
があることが判る。

【００１９】

【表３】

【００２０】

【発明の効果】以上述べたように本発明の羽口用耐火物
の選定法によれば、対象とする溶融金属精錬用容器の羽
口用耐火物として適用した場合に熱間強度の低下が効果
的に抑制され、使用中の劣化や損耗が少ない炭素含有耐
火物を適切に選定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】溶融金属精錬炉と精錬用ガス吹き込み羽口部の
断面構造を示す説明図

【図２】羽口用耐火物の実炉使用時間が曲げ強度に及ぼ
す影響を示すグラフ

【図３】実施例で用いた耐火物Ｎｏ．１の熱間曲げ強度
の測定結果を示すグラフ

【図４】実施例で用いた耐火物Ｎｏ．２の熱間曲げ強度
の測定結果を示すグラフ

【図５】実施例で用いた耐火物Ｎｏ．３の熱間曲げ強度
の測定結果を示すグラフ

【図６】実施例で用いた耐火物Ｎｏ．４の熱間曲げ強度
の測定結果を示すグラフ

【図７】実施例で用いた耐火物Ｎｏ．５の熱間曲げ強度
の測定結果を示すグラフ

【符号の説明】

１…側壁ライニング、２…上吹きランス、３…底吹き羽
口、４…溶湯、５…スラグ浴、６…ノズル、７…羽口用
耐火物、８…鉄皮

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田野 学 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 炭素含有耐火物をＣＯとＮ₂の混合雰囲
   気下において５００〜８００℃で熱処理した後、８００
   ℃以上、１１００℃未満の温度域と、１１００℃以上で
   あって、且つ適用すべき溶融金属精錬用容器内の溶融金
   属浴温度以下の温度域でそれぞれ曲げ強度を測定し、こ
   の両測定値が設計値以上となる炭素含有耐火物を溶融金
   属精錬用容器の羽口用耐火物として用いることを特徴と
   する溶融金属精錬用容器の羽口用耐火物の選定方法。
2. 【請求項２】 炭素含有耐火物のＣＯとＮ₂の混合雰囲
   気下における熱処理を１００時間以上実施することを特
   徴とする請求項１に記載の溶融金属精錬用容器の羽口用
   耐火物の選定方法。
3. 【請求項３】 ８００℃以上１１００℃未満の温度域で
   測定した曲げ強度が９ＭＰａ以上であって、且つ１１０
   ０℃以上、適用すべき溶融金属精錬用容器内の溶融金属
   浴温度以下の温度域で測定した曲げ強度が１４ＭＰａ以
   上となる炭素含有耐火物を、溶融金属精錬用容器の羽口
   用耐火物として用いることを特徴とする請求項１または
   ２に記載の溶融金属精錬用容器の羽口用耐火物の選定方
   法。