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技術 高炉炉床部の内張り構造

出願人 黒崎播磨株式会社
発明者 三島昌昭
出願日 2013年12月11日 (6年11ヶ月経過) 出願番号 2013-256189
公開日 2015年6月22日 (5年5ヶ月経過) 公開番号 2015-113254
状態 特許登録済
技術分野 セラミック製品 酸化物セラミックスの組成1 溶鉱炉 炉の外套、ライニング、壁、天井(炉一般1)
主要キーワード アルカリ侵食 整粒品 アルミナれんが 浸透抵抗 誘導加熱溶解炉 模擬試験 アルミナ系原料 高圧操業
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2015年6月22日)のものです。
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図面 (8)

課題

耐溶銑性及び耐スラグ性に優れ、構造的スポーリングにも強い高炉炉床部の内張り構造を提供すること。

解決手段

内張りれんがとして構造的スポーリングに強いβ’−サイアロンボンドを有するサイアロンボンドアルミナれんがを使用することを前提としたうえで、より耐溶銑性が要求される部位にはβ’−サイアロンに起因するれんが中のSi量特定範囲としたサイアロンボンドアルミナれんが8を、より耐スラグ性が要求される部位にはβ’−サイアロンに起因するれんが中のO(酸素)量を特定範囲としたサイアロンボンドアルミナれんが7をそれぞれ配置した。

概要

背景

近年高炉は、大型化が進むと共に高圧操業微粉炭吹き込み操業等により操業条件は過酷化し、内張り耐火物が損傷する要因が増加している反面、高炉の高額な初期投資を抑制するために長寿命化が望まれている。このような高炉の寿命律速要因は、湯溜まり部である高炉炉床部の出銑孔よりも下方の側壁炉底内張り材耐久性である。この部分の損耗が軽減すれば高炉寿命の延長につながる。損耗メカニズムとしては溶銑による静的な溶損脆弱化したれんが組織の溶銑流動による摩耗損耗などが考えられる。

この高炉炉床部の側壁と炉底の内張り材としては、一般的には炭素質耐火物が使用され、炭素質れんが(ブロック)が主流となっている。

しかしながら、このように炭素成分の多い炭素質れんがは、高炉炉床部での使用時に炭素溶銑中溶け出しやすく耐用性が悪い。そのため、炉外からの冷却を強化してれんが稼働面に溶銑粘稠層を形成して、炭素質れんがの溶銑中への溶け出しを防止することによって耐用性を確保している。しかしながら、このような炉外からの冷却は、大きいエネルギーロスをもたらすことになる。

そこで、近年炭素を少なくし溶銑中へ溶け出しにくいアルミナ主体とするれんがも使用されてきている。特に、化学式Si6−ZAlZOZN8−Zで表されるβ’−サイアロンマトリックス部に含むサイアロンボンドアルミナれんがは、炭素をほとんど含まないため、耐溶銑性に優れ、しかも高炉中で発生するスラグに対する耐食性に優れている。また、サイアロンボンドアルミナれんがは、従来の酸化物系れんがと比較して高温強度が高くてアルカリ侵食に対する抵抗性も高く、非酸化物系結合組織を有するれんがとして代表的な炭化珪素結合れんが及び窒化珪素結合れんがと比較して低熱伝導性であり、更に構造的スポーリングにも強い点から、高炉炉床部用内張りれんがとして適している。

このようなサイアロンボンドアルミナれんがの一例が特許文献1に開示されている。この特許文献1のサイアロンボンドアルミナれんがにおいてマトリックス部(結合基質)に含まれるβ’−サイアロンは、そのZ値(β’−サイアロンの化学式Si6−ZAlZOZN8−ZにおけるZ値のことをいう。以下同じ。)が0.5〜4、好ましくは2.5〜3.5で、れんが中の含有量は12〜45質量%、好ましくは25〜42質量%である。また、特許文献1のサイアロンボンドアルミナれんがは、熱衝撃に対する抵抗性を保持するために六方晶系のホウ素窒化物及び/又は結晶質黒鉛薄片粒子を含んでいる。

一方、特許文献2には、Al2O3が97質量%以上、SiO2が3質量%以下、Cが0.1質量%以下の組成で、アルミナ系原料粒径を規定した高炉炉床用れんがが開示されている。SiO2やSiC、Si3N4などのSi含有成分をほとんど含まないため、Siの溶銑中への溶解が少なくその結果、耐食性に優れるとされている。

概要

耐溶銑性及び耐スラグ性に優れ、構造的スポーリングにも強い高炉炉床部の内張り構造を提供すること。内張りれんがとして構造的スポーリングに強いβ’−サイアロンボンドを有するサイアロンボンドアルミナれんがを使用することを前提としたうえで、より耐溶銑性が要求される部位にはβ’−サイアロンに起因するれんが中のSi量特定範囲としたサイアロンボンドアルミナれんが8を、より耐スラグ性が要求される部位にはβ’−サイアロンに起因するれんが中のO(酸素)量を特定範囲としたサイアロンボンドアルミナれんが7をそれぞれ配置した。

目的

近年高炉は、大型化が進むと共に高圧操業、微粉炭吹き込み操業等により操業条件は過酷化し、内張り耐火物が損傷する要因が増加している反面、高炉の高額な初期投資を抑制するために長寿命化が望まれている

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

高炉炉床部の内張り構造において、スラグと接しない部位に、マトリックス部にβ’−サイアロンを含み、コランダム及びβ’−サイアロンの含有量の合計が95質量%以上であるサイアロンボンドアルミナれんがであって、β’−サイアロンのZ値(β’−サイアロンの化学式Si6−ZAlZOZN8−ZにおけるZ値のことをいう。以下同じ。)が2.7以上4.2以下、れんが中のβ’−サイアロンの含有量X質量%が下記式(1)を満たすサイアロンボンドアルミナれんがを配置したことを特徴とする高炉炉床部の内張り構造。5≦X≦(280+Z)/(168−28Z)×15…(1)

請求項2

スラグと接する部位に、マトリックス部にβ’−サイアロンを含み、コランダム及びβ’−サイアロンの含有量の合計が95質量%以上であるサイアロンボンドアルミナれんがであって、β’−サイアロンのZ値が2.5以下(0を含まない)、れんが中のβ’−サイアロンの含有量Y質量%が下記式(2)を満たすサイアロンボンドアルミナれんがを配置した請求項1に記載の高炉炉床部の内張り構造。10≦Y≦[(280+Z)/16Z]×6…(2)

請求項3

前記スラグと接しない部位が出銑孔より下方の部位であり、前記スラグと接する部位が出銑孔を含む上方の部位である請求項1又は請求項2に記載の高炉炉床部の内張り構造。

技術分野

0001

本発明は、高炉において羽口よりも下方の部位で溶融銑鉄あるいは溶融スラグと接触する部位、すなわち高炉炉床部の内張り構造に関する。なお、本明細書では、「溶融銑鉄」を「溶銑」といい、「溶融スラグ」を「スラグ」という。

背景技術

0002

近年高炉は、大型化が進むと共に高圧操業微粉炭吹き込み操業等により操業条件は過酷化し、内張り耐火物が損傷する要因が増加している反面、高炉の高額な初期投資を抑制するために長寿命化が望まれている。このような高炉の寿命律速要因は、湯溜まり部である高炉炉床部の出銑孔よりも下方の側壁炉底内張り材耐久性である。この部分の損耗が軽減すれば高炉寿命の延長につながる。損耗メカニズムとしては溶銑による静的な溶損脆弱化したれんが組織の溶銑流動による摩耗損耗などが考えられる。

0003

この高炉炉床部の側壁と炉底の内張り材としては、一般的には炭素質耐火物が使用され、炭素質れんが(ブロック)が主流となっている。

0004

しかしながら、このように炭素成分の多い炭素質れんがは、高炉炉床部での使用時に炭素溶銑中溶け出しやすく耐用性が悪い。そのため、炉外からの冷却を強化してれんが稼働面に溶銑粘稠層を形成して、炭素質れんがの溶銑中への溶け出しを防止することによって耐用性を確保している。しかしながら、このような炉外からの冷却は、大きいエネルギーロスをもたらすことになる。

0005

そこで、近年炭素を少なくし溶銑中へ溶け出しにくいアルミナ主体とするれんがも使用されてきている。特に、化学式Si6−ZAlZOZN8−Zで表されるβ’−サイアロンマトリックス部に含むサイアロンボンドアルミナれんがは、炭素をほとんど含まないため、耐溶銑性に優れ、しかも高炉中で発生するスラグに対する耐食性に優れている。また、サイアロンボンドアルミナれんがは、従来の酸化物系れんがと比較して高温強度が高くてアルカリ侵食に対する抵抗性も高く、非酸化物系結合組織を有するれんがとして代表的な炭化珪素結合れんが及び窒化珪素結合れんがと比較して低熱伝導性であり、更に構造的スポーリングにも強い点から、高炉炉床部用内張りれんがとして適している。

0006

このようなサイアロンボンドアルミナれんがの一例が特許文献1に開示されている。この特許文献1のサイアロンボンドアルミナれんがにおいてマトリックス部(結合基質)に含まれるβ’−サイアロンは、そのZ値(β’−サイアロンの化学式Si6−ZAlZOZN8−ZにおけるZ値のことをいう。以下同じ。)が0.5〜4、好ましくは2.5〜3.5で、れんが中の含有量は12〜45質量%、好ましくは25〜42質量%である。また、特許文献1のサイアロンボンドアルミナれんがは、熱衝撃に対する抵抗性を保持するために六方晶系のホウ素窒化物及び/又は結晶質黒鉛薄片粒子を含んでいる。

0007

一方、特許文献2には、Al2O3が97質量%以上、SiO2が3質量%以下、Cが0.1質量%以下の組成で、アルミナ系原料粒径を規定した高炉炉床用れんがが開示されている。SiO2やSiC、Si3N4などのSi含有成分をほとんど含まないため、Siの溶銑中への溶解が少なくその結果、耐食性に優れるとされている。

先行技術

0008

特表平6−502140号公報(特許第3212600号公報)
特開2009−242122号公報

発明が解決しようとする課題

0009

上記特許文献1に開示されたれんがは、六方晶系のホウ素窒化物及び/又は結晶質の黒鉛薄片粒子を含んでいるために、得られるれんがの機械的強度は低下すると共に黒鉛薄片粒子が溶銑中へ溶解することが避けられず、結果としてれんがの損傷に至るという問題がある。また、同文献に開示されているβ’−サイアロンの組成と含有量の範囲においては、溶銑による侵食が無視できない範囲があり、結果としてれんがの損傷に至るため、現在でも高炉炉床部の損傷が高炉の寿命の律速となっている。

0010

上記特許文献2に開示されたれんがは、ほぼアルミナで構成されている。アルミナは溶銑に濡れやすくしかも溶け難いため、れんが中の気孔へ溶銑がより深く侵入し、長期間の稼動に伴って徐々に溶銑浸透現象が進行していわゆる構造的スポーリングによる損傷が発生する問題があり、高炉炉床部の寿命をなかなか伸ばせない要因となっている。

0011

そこで本発明が解決しようとする課題は、耐溶銑性に優れ、構造的スポーリングにも強い高炉炉床部の内張り構造を提供することにある。

課題を解決するための手段

0012

本発明は、高炉炉床部の内張り構造において、スラグと接しない部位に、マトリックス部にβ’−サイアロンを含み、コランダム及びβ’−サイアロンの含有量の合計が95質量%以上であるサイアロンボンドアルミナれんがであって、β’−サイアロンのZ値が2.7以上4.2以下、れんが中のβ’−サイアロンの含有量X質量%が下記式(1)を満たすサイアロンボンドアルミナれんがを配置したことを特徴とするものである。
5≦X≦(280+Z)/(168−28Z)×15 …(1)

0013

また本発明では、スラグと接する部位に、マトリックス部にβ’−サイアロンを含み、コランダム及びβ’−サイアロンの含有量の合計が95質量%以上であるサイアロンボンドアルミナれんがであって、β’−サイアロンのZ値が2.5以下(0を含まない)、れんが中のβ’−サイアロンの含有量Y質量%が下記式(2)を満たすサイアロンボンドアルミナれんがを配置することができる。
10≦Y≦[(280+Z)/16Z]×6 …(2)

0014

本発明において、前記スラグと接しない部位は出銑孔より下方の部位とし、前記スラグと接する部位は出銑孔を含む上方の部位とすることができる。

発明の効果

0015

本発明の高炉炉床部の内張り構造では、より耐溶銑性が要求される部位(スラグと接しない部位)に、β’−サイアロンに起因するれんが中のSi量特定範囲としたサイアロンボンドアルミナれんがを配置することで高炉炉床部の溶銑による損耗を抑制することができる。すなわち、本発明によれば、耐溶銑性に優れ、構造的スポーリングにも強い高炉炉床部の内張り構造を提供でき、これによって高炉炉床部の長寿命化を図ることができる。

0016

また、本発明の高炉炉床部の内張り構造においては、より耐スラグ性が要求される部位(スラグと接する部位)に、β’−サイアロンに起因するれんが中のO(酸素)量を特定範囲としたサイアロンボンドアルミナれんがを配置することで、高炉炉床部のスラグによる損耗も抑制することができる。

0017

更に、本発明で使用するサイアロンボンドアルミナれんがは熱伝導率が小さいため、高炉操業におけるエネルギーロスが少なくなり、地球環境負荷の低減にも貢献することができる。

図面の簡単な説明

0018

表1における試験例のZ値とβ’−サイアロンの含有量をプロットしたグラフである。
表2における試験例のZ値とβ’−サイアロンの含有量をプロットしたグラフである。
高炉炉床部を模擬した小型高炉侵食試験装置)の断面図である。
高炉炉床部を模擬した小型高炉(侵食試験装置)の断面図である。
高炉炉床部を模擬した侵食試験設備の平面図である。
本発明を適用した高炉炉床部の構造を示す断面図である。
図4の高炉炉床部の要部を示す断面図である。

0019

本発明者等は、マトリックス部にβ’−サイアロンを含むサイアロンボンドアルミナれんがにおいて、β’−サイアロンに起因するれんが中のSi含有量及びO含有量の溶銑及びスラグに対する抵抗性に着目して種々実験を行った。その結果、耐溶銑性と耐スラグ性においてそれぞれ最適なSi量とO量の範囲があることを知見した。そこで、高炉炉床部において、出銑孔よりも下方の部位はスラグが非常に少ないことからこの部位に配置されるサイアロンボンドアルミナれんがには耐溶銑性が重視され、出銑孔を含む上方の部位はスラグが多いためこの部位に配置されるサイアロンボンドアルミナれんがには耐スラグ性が重視されると考えた。そして、より耐溶銑性が要求される部位(スラグと接触しない部位)にはβ’−サイアロンに起因するれんが中のSi量を特定範囲としたれんがを、より耐スラグ性が要求される部位(スラグと接触する部位)にはβ’−サイアロンに起因するれんが中のO量を特定範囲としたれんがをそれぞれ配置することで高炉炉床部の寿命を大幅に向上できることを見出した。

0020

以下、具体的に説明する。

0021

まず前提として、本発明で使用するサイアロンボンドアルミナれんがは、鉱物組成としては、実質的にβ’−サイアロンとコランダムとから構成される。β’−サイアロンは耐溶銑性、耐スラグ性、及び耐アルカリ性に優れる効果がある。更に、β’−サイアロンはアルミナに比較して溶銑に濡れにくいことと緻密なれんが組織を形成できることで溶銑浸透現象が生じ難く、構造的スポーリングによる問題も少ない。コランダム(アルミナ)はSiを含有しないために耐溶銑性に優れる効果がある。更に、β’−サイアロンとコランダムはどちらも炭素に比較して低熱伝導性であることから熱放散によるエネルギーロスが低減される。

0022

このように本発明で使用するサイアロンボンドアルミナれんがは、実質的にβ’−サイアロンとコランダムとから構成されるが、耐用性に影響を与えない程度の不可避成分は含むことができる。例えば、非晶質相、使用する原料中の不純物、使用するバインダー中の炭素、及び焼成中に発生する少量の窒化物や炭化物は含むことができ、合量で5質量%以下であれば許容できる。すなわち、れんが中のβ’−サイアロンとコランダムの合量は95質量%以上あれば、本発明の効果を十分発揮することができる。

0023

れんがにおいてマトリックス部は、骨材部と比べると溶銑やスラグが浸透しやすいため、本発明では特に溶銑やスラグに対する浸透防止効果を目的に、サイアロンボンドとしてのβ’−サイアロンを含有する。このマトリックス部はコランダムとβ’−サイアロンとの混合物でも、β’−サイアロンのみでも溶銑やスラグに対する浸透防止効果は得られるが、マトリックス部はβ’−サイアロンを5質量%以上含有することが好ましい。一方、骨材部は、コランダムのみでもβ’−サイアロンのみでも、あるいは両方でも構成することができる。

0024

ここで、マトリックス部とは、骨材に比較して細かい粒子(粒径1mm未満)を焼成することで骨材粒子が結合して耐火物組織を形成する母材部のことであり、サイアロンボンドとは、焼成中に形成されるマトリックス部においてβ’−サイアロン結晶が生成発達して骨材粒子を結合している耐火物組織のことである。

0025

β’−サイアロン中のSiの含有量はβ’−サイアロンの化学式のZ値によって変化するため、β’−サイアロンの化学式のSiの含有量S質量%はβ’−サイアロンの化学式Si6−ZAlZOZN8−Zから下記式(3)となる。ここで、Si、Al、O、及びNの原子量は、それぞれ28、27、16、及び14としている。
S=[28(6—Z)/(28(6−Z)+27Z+16Z+14(8−Z))]×100
=[(168−28Z)/(280+Z)]×100 …(3)

0026

そして、本発明で使用するサイアロンボンドアルミナれんがのβ’−サイアロンに起因するれんが中のSi含有量は、れんが中のβ’−サイアロン含有量をA質量%とすると、下記式(4)で表すことができる。
A/100×S=A/100×[(168−28Z)/(280+Z)]×100
…(4)

0027

本発明者等の実験により、本発明のサイアロンボンドアルミナれんがは、β’−サイアロンに起因するれんが中のSi含有量が15質量%以下のときに耐溶銑性が良好であったことから下記式(5)が得られる。
A/100×[(168−28Z)/(280+Z)]×100≦15 …(5)

0028

そして、Si含有量を15質量%以下とするためには、サイアロンボンドアルミナれんが中のβ’−サイアロン含有量A質量%は下記式(6)を満足すればよいことになる。
A≦(280+Z)/(168−28Z)×15 …(6)

0029

更に、れんが中のβ’−サイアロンの含有量は実験結果より、5質量%より少ないとれんがの溶銑浸透抵抗性が低くなり溶銑浸透組織を形成して耐溶銑性の低下につながり、高炉炉床部の内張り構造として実用上問題があるため、5質量%以上必要であることから、β’−サイアロンの含有量をX質量%で表記すると上述した式(1)が導き出される。
5≦X≦(280+Z)/(168−28Z)×15 …(1)

0030

ここで、β’−サイアロンのZ値も耐溶銑性に影響を与えるため、式(1)においてZ値は2.7以上4.2以下であることが好ましい。Z値が2.7よりも小さい場合はβ’−サイアロン中のSi/Al比率が大きくなり過ぎてβ’−サイアロンの耐溶銑性が低下し、実用上問題となる。なお、Z値が4.2よりも大きいβ’−サイアロンは現実には存在しないことが広く知られている。

0031

このように、式(1)を満足するサイアロンボンドアルミナれんがは耐溶銑性に優れるため、この式(1)を満たすサイアロンボンドアルミナれんがをスラグと接しない部位に配置した高炉炉床部は耐溶銑性が非常に高くなり、長寿命化が図られる。

0032

次に、β’−サイアロン中のO(酸素)の含有量O質量%は、上述の式(3)と同様に、下記式(7)で表すことができる。
O=[16Z/(28(6−Z)+27Z+16Z+14(8−Z))]×100
=[16Z/(280+Z)]×100 …(7)

0033

そして、本発明で使用するサイアロンボンドアルミナれんがのβ’−サイアロンに起因するれんが中のO含有量は、れんが中のβ’−サイアロン含有量をA質量%とすると、下記式(8)で表すことができる。
A/100×O=A/100×[16Z/(280+Z)]×100 …(8)

0034

本発明者等の実験により、本発明のサイアロンボンドアルミナれんがは、β’−サイアロンに起因するれんが中のO含有量が6質量%以下のときに耐スラグ性が良好であったことから下記式(9)が得られる。
A/100×[16Z/(280+Z)]×100≦6 …(9)

0035

そして、O含有量を6質量%以下とするためにはサイアロンボンドアルミナれんが中のβ’−サイアロン含有量A質量%は下記式(10)を満足すればよいことになる。
A≦[(280+Z)/16Z]×6 …(10)

0036

更に、れんが中のβ’−サイアロンの含有量は実験結果より、10質量%より少ないとれんがの耐スラグ性が低く高炉炉床部の内張り構造として実用上問題があるため、10質量%以上必要であることから、β’−サイアロンの含有量をY質量%で表記すると上述した式(2)が導き出される。
10≦Y≦[(280+Z)/16Z]×6 …(2)

0037

ここで、β’−サイアロンのZ値も耐スラグ性に影響を与えるため、式(2)においてZ値は0よりも大きく2.5以下(0<Z≦2.5)であることが好ましい。Z値が2.5よりも大きい場合はβ’−サイアロン中のO/N比率が大きくなり過ぎてβ’−サイアロンの耐スラグ性が低下し、実用上問題となる。

0038

このように、式(2)を満足するサイアロンボンドアルミナれんがは耐スラグ性に優れるため、式(2)を満たすサイアロンボンドアルミナれんがをスラグと接する部位に配置した高炉炉床部は耐スラグ性が非常に高くなり、長寿命化が図られる。

0039

以上のとおり、式(1)を満足するサイアロンボンドアルミナれんがをスラグと接しない部位に配置し、式(2)を満たすサイアロンボンドアルミナれんがをスラグと接する部位に配置した高炉炉床部は、耐溶銑性及び耐スラグ性を同時に満足することができるので、更に長寿命化が図られる。

0040

より具体的には、スラグと接しない部位を出銑孔より下方の部位とし、スラグと接する部位を出銑孔を含む上方の部位とすると、高炉炉床部の寿命が向上する。出銑孔を含む部位は、出銑時のみ一時的にスラグと接触するだけであるので、式(1)を満足するれんがと式(2)を満足するれんがのいずれか又は両方を配置することもできるが、出銑孔の下端面境界することで高炉炉床部の寿命を更に延長することができる。

0041

本発明で使用するサイアロンボンドアルミナれんがは、β’−サイアロン成分原料又はβ’−サイアロン原料とアルミナ原料とからなる配合物にバインダーを添加して混練し、成形後、焼成する定法によって得られる。

0042

アルミナ原料としては、耐火物として使用される一般的な原料を使用することができ、例えば、電融アルミナ焼結アルミナ、及び仮焼アルミナの1種又は2種以上である。アルミナ原料のAl2O3含有量は95質量%以上あることが好ましい。

0043

β’−サイアロン成分原料としては、シリコンシリカ、窒化珪素、酸窒化珪素アルミニウム、アルミナ、窒化アルミニウム酸窒化アルミニウムムライトなどを使用することができ、例えば窒化珪素とアルミナと窒化アルミニウムを所定の比率に混合したものである。

0044

β’−サイアロン原料としては、β’−サイアロンの単結晶体あるいは多結晶体及びそれらの粉砕整粒品を使用することができ、例えばβ’−サイアロン焼結材を粉砕整粒したものである。

0045

β’−サイアロンのZ値はβ’−サイアロンを構成するSiとAlの比率及びOとNの比率によって決まり、例えばSi3N4とAlNとAl2O3の比率によって決まる。

0046

本発明において高炉炉床部に使用されるサイアロンボンドアルミナれんがの試験結果を表1及び表2に示す。表1に示すサイアロンボンドアルミナれんがは、高炉炉床部のスラグと接しない部位に配置するれんがを、表2に示すサイアロンボンドアルミナれんがは、高炉炉床部のスラグと接する部位に配置するれんがを対象とした例である。

0047

図1及び図2は、それぞれ表1及び表2における試験例のZ値とβ’−サイアロンの含有量をプロットしたグラフである。図1及び図2において、優れた効果が得られたものは●で、効果が不十分なものは×で表示した。また、図1及び図2には、それぞれ式(1)及び式(2)で規定されるβ’−サイアロン含有量の上限値と下限値、並びにZ値の上限値と下限値を示す線を記入した。

0048

0049

0050

表中のβ’−サイアロン粒とは、Z値が所定の数値となるように焼結法で作製した粒状物である。β’−サイアロン成分粒とは、Si3N4とAl2O3とAlNとをZ値が所定の数値を示すような混合比率で混合した混合物である。これらのβ’−サイアロン粒及びβ’−サイアロン成分粒としては、それぞれ純度が99.5質量%のものを使用した。電融アルミナ及び焼結アルミナとしては、Al2O3含有量が99.0質量%のものを使用した。なお、表1及び表2の試験例では、使用した原料のβ’−サイアロンのZ値と焼成後のれんがで測定したZ値とは同じであった。

0051

表1及び表2に示す配合物にバインダーとしてフェノール樹脂を添加して混練し、油圧プレス機で230mm×100mm×75mmのれんがを成形し、乾燥後、窒素雰囲気下で1400℃で焼成した。ただし、1−14は酸化雰囲気で焼成した。

0052

焼成後のれんがについて、組成、かさ比重見掛け気孔率圧縮強さ、耐溶銑性及び耐スラグ性を評価した。

0053

焼成後のれんがの組成については、顕微鏡による組織観察粉末X線回折法から、1−14を除いてβ’−サイアロンとコランダムとから構成され、マトリックス部にβ’−サイアロンが含まれていることを確認した。また、焼成後のれんが中のβ’−サイアロンの含有量及びそのZ値は、粉末X線回折法によるβ’−サイアロンの回折ピーク位置とれんが中の窒素含有量測定から決定し、決定したβ’−サイアロンの含有量とZ値とからβ’−サイアロンに起因するSiとOの含有量を算出しれんが全体における質量%で示した。更に、測定されたβ’−サイアロンのZ値から、表1には式(1)の5≦X≦(280+Z)/(168−28Z)×15、表2には式(2)の10≦Y≦[(280+Z)/16Z]×6で算出されるβ’−サイアロン含有量の上限値をそれぞれ記載した。

0054

かさ比重と見掛け気孔率はJIS−R2205、圧縮強さはJIS−R2206に従い測定した。耐溶銑性及び耐スラグ性は、誘導加熱溶解炉で溶解した1550℃の溶銑と高炉スラグ中で3時間侵食させたときの試験後の溶損した体積から評価した。1−14の溶損量を100として、指数で表示した。数値が小さいもの程優れている。

0055

表1において1−1から1−7は、β’−サイアロンの含有量が式(1)の範囲内であり、かつZ値が2.7以上4.2以下と本発明の範囲内であり、耐溶銑性に優れ、高炉炉床部のスラグと接しない部位に配置するれんがとして優れていることがわかる。

0056

1−8はβ’−サイアロンの含有量が3質量%と、本発明の下限値5質量%よりも少なく、β’−サイアロンが5質量%の1−4と比較すると、耐溶銑性及び耐スラグ性が劣っている。

0057

1−9はβ’−サイアロンのZ値が2.5と、本発明の下限値2.7よりも小さく、Z値が2.7の1−2と比較すると、耐溶銑性及び耐スラグ性が劣っている。

0058

1−10から1−13は、β’−サイアロン含有量が式(1)で計算される上限値より多く、しかもSi含有量も上限値15質量%よりも多くなっており、β’−サイアロンの含有量が65質量%とβ’−サイアロン含有量が式(1)で計算される上限値よりも少なく、かつSi含有量が上限値の15質量%である1−7と比較して耐溶銑性が劣っている。

0059

1−14は、サイアロンを含有しないコランダムからなるれんがであるが、耐溶銑性及び耐スラグ性ともに劣る結果となった。

0060

また、図1から、β’−サイアロンの含有量とZ値が本発明の範囲のものは、十分な耐溶銑性が得られることがわかる。

0061

次に、表2の試験例について説明する。

0062

2−1から2−6は、β’−サイアロンの含有量が式(2)の範囲内であり、かつZ値が2.5以下(つまり、β’−サイアロン起因のO含有量が6質量%以下)であり、耐スラグ性に優れ、高炉炉床部のスラグと接する部位に配置するれんがとして優れていることがわかる。

0063

2−7と2−8は、β’−サイアロンの含有量が本発明の下限値である10質量%を下回り、β’−サイアロンの含有量が10質量%の2−1と比較して耐スラグ性に劣る。

0064

2−9と2−10は、β’−サイアロンのZ値が2.5を超えており、β’−サイアロンのZ値が2.5の2−2と比較すると、耐スラグ性に劣る。

0065

2−11から2−13は、β’−サイアロンの含有量が表に示した式(2)の上限値を超え、β’−サイアロン中のO含有量が6質量%を超えており、β’−サイアロン中のO含有量が6質量%の2−6と比較して耐スラグ性に劣っている。

0066

また、図2から、β’−サイアロンの含有量とZ値が前記の範囲のものは、十分な耐スラグ性が得られることがわかる。

0067

以上の結果は、スラグと接しない部位に、マトリックス部にβ’−サイアロンを含み、コランダム及びβ’−サイアロンの含有量の合計が95質量%以上であるサイアロンボンドアルミナれんがであって、β’−サイアロンのZ値が2.7以上4.2以下で、れんが中のβ’−サイアロンの含有量X質量%が式(1)を満たすサイアロンボンドアルミナれんがを配置し、スラグと接する部位に、マトリックス部にβ’−サイアロンを含み、コランダム及びβ’−サイアロンの含有量の合計が95質量%以上であるサイアロンボンドアルミナれんがであって、β’−サイアロンのZ値が2.5以下(0を含まない)、れんが中のβ’−サイアロンの含有量Y質量%が式(2)を満たすサイアロンボンドアルミナれんがを配置してなる高炉炉床部の内張り構造は、耐溶銑性及び耐スラグ性を同時に満足することができ、高炉の長寿命化を図ることができることを強く示唆している。

0068

次に、図3A図3B及び図3Cに示す高炉炉床部の内張り構造を模擬した小型高炉(侵食試験装置)を使用した試験方法を示す。

0069

この小型高炉は、鉄皮(図示しない)の内側に保護材13がライニングされ、保護材13の内側に表1又は表2で得られたれんがを6分割して配置したものである。上部れんが11は幅Cが200mm、厚さBが50mm、高さ500mm、下部れんが12は幅Cが200mm、厚さBが50mm、高さ300mmの大きさにそれぞれ加工してそれぞれ6個を6角筒状に配置した。銑鉄とスラグを溶解して図3Aに示すように溶銑15とスラグ14との2層になるようにし、この2層の境界部が上部れんが11の上方(約130mm、このうちスラグ部は30mm)に来るように溶銑15とスラグ14の投入量を調整した。そして、溶銑15を1550℃に20時間保持した後、溶銑15を出銑孔16から排出して溶銑15とスラグ14の境界部が図3Bに示すように上部れんが11と下部れんが12の境界部になるように調整した。その状態で4時間保持した。その後、1550℃の溶銑を投入して図3Aの状態に調整し、20時間保持した。以後同様に繰り返し、図3Aの状態を累計120時間と図3Bの状態を累計24時間保持した後、下部れんが12はそれぞれ6個のれんがの断面における最大損耗量(長さmm)の平均値(mm)を、上部れんが11はそれぞれ6個のれんがの下部れんが12に接する位置(下端部)から10mm上部の損耗量の平均値で良否を評価した。なお、溶銑の温度は誘導加熱で管理した。また使用したスラグは高炉スラグで化学成分は、SiO2が35質量%、CaOが43質量%、Al2O3が14質量%、MgOが5質量%であった。

0070

試験結果を表3にまとめた。表3において下部れんが及び上部れんがの番号は表1及び表2の試験例の番号に相当する。コランダムからなるれんがをライニングした比較例2の損耗量を基準に評価すると、実施例1から実施例4はいずれも下部れんがの損耗量が減少して本発明の効果が認められるのに対して、比較例1は下部れんがの損耗量が比較例2と同程度となった。また、比較例1と比較例2の上部れんがの損耗量が実施例より多くなった理由は、下部れんがの損耗が上部れんがの損耗に影響を与えるためと考えられ、下部れんがの損耗を小さくすることで上部れんがの損耗も小さくなる効果が得られることがわかる。

0071

0072

この模擬試験結果から、本発明の高炉炉床部の内張り構造は従来の内張り構造に比べて寿命が大幅に向上することがわかる。

0073

次に、本発明の高炉炉床部の内張り構造の具体例について図4及び図5で説明する。

0074

高炉炉床部の構造は図4のとおりで、その要部は図5のとおりである。高炉炉床部1は、羽口2より下方の側壁部3と炉底部4とから構成されている。側壁部3には鉄皮5の内側にカーボンれんが6がライニングされ、カーボンれんが6の内面に本発明のサイアロンボンドアルミナれんが7,8がライニングされている。具体的には、出銑孔9を含む上方の側壁部に表2の試験例における2−5のれんが7がライニングされ、出銑孔9より下方の側壁部に表1の試験例における1−3のれんが8がライニングされている。なお、炉底部4はカーボンれんが6の上にハイアルミナれんが10がライニングされている。

実施例

0075

なお、図4の例では本発明のサイアロンボンドアルミナれんが7,8は側壁部3にのみライニングしたが、炉底部4のハイアルミナれんが10の替わりに本発明のサイアロンボンドアルミナれんが8をライニングすることで、炉底部4の寿命を延長することができる。更に、カーボンれんが6も本発明のサイアロンボンドアルミナれんがに置換することは可能で、そうすると水冷の必要がなくなり熱放散によるエネルギーロスが低減されるとともに、高炉の寿命を延長することができる。

0076

1高炉炉床部
2羽口
3側壁部
4炉底部
5鉄皮
6カーボンれんが
7,8 本発明のサイアロンボンドアルミナれんが
9出銑孔
10ハイアルミナれんが
11 上部れんが
12 下部れんが
13断熱
14スラグ
15溶銑
16 出銑孔

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