説明

通気性耐火物とその製造方法

【課題】耐食性および耐熱衝撃性に優れ、Crを含有する通気性耐火物に代替可能な、Crを含有しない通気性耐火物を提供すること。
【解決手段】ガスを通過させるための気孔3を有する通気性耐火物において、主骨材たる粗粒2、2間の架橋部分1に、AlとNiOからなるスピネル形鉱物6と、ムライト4中にZrO7を分散させたジルコニア−ムライトとを含有する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、主として溶鋼等の溶融金属にガスを吹き込むために使用される通気性耐火物とその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
溶鋼等の溶融金属の精錬工程や連続鋳造工程等においては、溶融金属の精錬、撹拌、スラグ等の排除等、さまざまな目的で、溶融金属中にガスを吹き込むことが多く行われている。
【0003】
このような使用に供する通気性耐火物は、ガス吹き込みのための通気性のほか、FeO等との反応に対する化学的抵抗性、即ち耐食性、急激な熱衝撃若しくは大きい温度勾配に耐える耐熱衝撃性等を備えることが必要である。
【0004】
従来、特に高い耐食性と耐熱衝撃性を要求される使用条件では、耐火物中にCrを含有させたものが多く使用されている。これは、Al系にCrが加わると、固溶体の生成等により、融点の上昇、耐食性の向上、耐熱衝撃性の向上等の効果が得られるからである。
【0005】
しかし、Cr含有耐火物は、一定の条件下では有害な六価クロムを生成することがあることから、近年環境問題が大きくクローズアップされ、Cr を含有しない耐火物への転換が必要となってきた。
【0006】
Cr含有耐火物の代替品として、例えば、特許文献1には、主としてゴミ焼却炉等の内張用不定形耐火物として、酸化ニッケル等のニッケル含有物とAlからなるスピネル形の鉱物組成を含む耐火物が耐食性等の向上に有効であることが開示されている。しかしながら、これは緻密な組織を前提にして主として耐食性の向上を目的とするものであり、一定の通気性を前提としつつ、耐食性と共に高度な耐熱衝撃性を必要とするガス吹き込み用の通気性耐火物には、特に耐熱衝撃性が低いために実用的ではない。
【0007】
特許文献2には、耐スポーリング性(耐熱衝撃性)を向上させる手段として、酸化ニッケル等のニッケル含有物に部分安定化ジルコニアを加えた不定形耐火物が開示されている。
【0008】
しかしながら、これも緻密な組織を前提にして耐スポーリング性の向上を目的とするものであり、微粒域に独立して存在する部分安定化ジルコニアが衝撃に対して変態する性質を利用して応力を吸収させることで耐スポーリング性を向上させようとするものである。 そのため、一定の通気性を前提としつつ、耐食性と共に高度な耐熱衝撃性を必要とするガス吹き込み用の通気性耐火物に適用しようとすると、骨材間を連結する架橋部分の構造としては結合力が弱く、また耐熱衝撃性が十分ではないために、実用的ではない。
【0009】
このように、通気性耐火物、特にガス吹き用のポーラスタイプの通気性耐火物においては未だCr系の代替となる耐火物は実用化されていない。
【特許文献1】特開2002−241173号公報
【特許文献2】特開2003−183082号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
本発明が解決しようとする課題は、耐食性および耐熱衝撃性に優れ、Crを含有する通気性耐火物に代替可能な、Crを含有しない通気性耐火物を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明の通気性耐火物は、ガスを通過させるための気孔を有する通気性耐火物において、主骨材たる粗粒の耐火性原料間の架橋部分に、AlとNiOからなるスピネル形鉱物と、ムライト中にZrOを分散させたジルコニア−ムライトとを含有することを特徴とする。
【0012】
また、本発明の通気性耐火物の製造方法は、ガスを通過させるための気孔を有する通気性耐火物の製造方法において、主骨材たる粗粒の耐火性原料の周囲に、Al源の微粒およびNiO源の微粒、またはAlとNiOからなるスピネル形の微粒と、ムライト中にZrOを分散させたジルコニア−ムライトの微粒とを配置し、その後焼成することより、主骨材たる粗粒の耐火性原料間の架橋部分に、AlとNiOからなるスピネル形鉱物とジルコニア−ムライトとを含有させることを特徴とする。
【0013】
図1に本発明の通気性耐火物の架橋部分を中心とする組織図を示す。同図に示すように、主骨材たる粗粒2、2間の架橋部分1は、ムライト等のAl−SiO系鉱物等を中心とする母体部分4に、Al粒5、AlとNiOからなるスピネル形鉱物6およびZrO7が分散された組織を呈する。なお、主骨材たる粗粒2、2間には気孔3も存在する
【0014】
AlとNiOからなるスピネル形鉱物を含有する耐火物は、FeOやスラグ等に対する耐食性に優れる。この耐食性を利用しつつ、通気性耐火物としての強度、耐熱衝撃性を向上させるために、本発明では主骨材即ち耐火物の骨格となる粗粒の耐火性原料間の架橋部分に、AlとNiOからなるスピネル形鉱物を含有させる。この架橋部分は、主骨材間を支持して構造体としての強度の基本となる。また、この架橋部分は、通気性確保の要請から、FeOやスラグ等に第一次的に接触する部分でもある。したがって、この部分に耐食性に優れたAlとNiOからなるスピネル形鉱物を高割合で存在させることが効果的である。
【0015】
このAlとNiOからなるスピネル形鉱物を主骨材間の架橋部分に含有させるには、Al源としてコランダム微粒、NiO源として酸化ニッケル微粒を原料とし、耐火物製造中の焼成工程においてスピネル形鉱物を生成させる、既にスピネル形鉱物の形態の原料を使用する等の方法を採り得る。この2成分系においては、AlとNiOとのモル比が約1:1からAlが多い領域において高温下でも安定なスピネル形鉱物を生成することから、Al源およびNiO源となる微粒中のAlとNiOとのモル比(Al/NiO)を約1以上、即ち質量比を約1.4以上にすることが好ましい。
【0016】
この場合、Al系でCrを含有するものと同等以上の特性を得るには、NiOの含有量が、Al系でCrを使用する場合のCr含有量の2分の1に相当する量を下まわらないようにすることが好ましい。即ち、Crの含有量が2質量%の場合に相当する特性を得るためには、主骨材を含めた耐火性原料中のNiOの含有量が1質量%を下まわらないようにすることが好ましい。
【0017】
しかし、主骨材間の架橋部分にAlとNiOからなるスピネル形鉱物を含有させるだけでは、架橋部分の応力緩和機能が不十分であり、十分な耐熱衝撃性を確保することが困難である。そこで、本発明は、この架橋部分に、ジルコニア−ムライトをさらに含有させる。
【0018】
ジルコニア−ムライトは、ムライト(3Al・2SiO)中にZrOを分散させたものであり、本発明において、主骨材間の架橋部分にジルコニア−ムライトを含有させるために使用するジルコニア−ムライトの微粒は、例えば、ジルコン(ZrO・SiO)とそこに含有されるSiO分をムライト(3Al・2SiO)転換させる量の仮焼アルミナを混合し、アーク式電気炉で溶融した後、粒状・紛状に粉砕することにより得ることができる(この方法で得られたジルコニア−ムライトを「電融ジルコニア−ムライト」という。)。
【0019】
ジルコニア−ムライトは、ZrOの耐食性とムライトの耐熱衝撃性を兼ね備える耐火性原料である。その化学組成は、ZrOが約37質量%、Alが約45質量%、SiOが約18質量%であり、ムライトの中に単斜晶のZrOが存在する状態になって、且つ、粒界の殆ど無い一体的な構造を有する。そして、高温下ではムライトを構成するAlとSiO、ZrOが溶融して粘調な状態となり、またZrOが配筋的な強化機能も発揮する。微粒域においてジルコニア−ムライト微粒とAl微粒、NiO微粒が併存していても、Al−NiOのスピネル形鉱物は選択的に生成する。このジルコニア−ムライト部分は、ムライトが熱解離したSiO融液、他の構成原料である粘土や不純物等を取り込んだSiO−Al系溶融物やそれに不純物が関与した低融物等に加え、Al微粒やAl−NiOスピネル形鉱物等を取り込んでそれらが分散した粘調な状態となり、通気性耐火物としての主骨材間の支持・接着部分を形成する。
【0020】
このように粘調な状態の架橋部分は、強度と靱性に富み、変形する能力を有するので、この架橋部分を破壊することなく応力を緩和することが可能となる。通気性耐火物は、溶鋼に接する面付近は高温に曝される一方で溶鋼に接する面よりも背面側は通過ガスの冷却効果等により低温になり、その温度勾配は大きい。この粘調な状態の架橋部分は、通気性耐火物のこのような熱勾配による発生応力、受鋼時、使用後の急冷時等に受ける熱衝撃による応力を緩和することに特に有効である。
【0021】
さらに、この粘調な状態の架橋部分は、耐食性の向上にも寄与する。この部分にFeOやスラグ等が接触すると、低融物生成等の反応を伴いながらそれらの成分を取り込み、または溶損する。本発明ではこの部分に、上述のとおり特に耐食性に優れるAl−NiO系のスピネル形鉱物を含有することで、粘性が低下することを抑制しつつ溶損を抑制することができる。
【0022】
またこの粘調な状態の架橋部分は、溶鋼接触面付近ではこの部分自体が溶鋼のヘッドによる圧力や発生応力により変形しながら、また一部主骨材も移動し、被膜に近い状態を形成して通気性耐火物の溶鋼接触面付近の気孔を閉塞または縮小する。その結果、ガス吹き込み処理終了時等に、溶鋼ヘッド圧や毛管現象等により溶鋼やスラグ等が耐火物内部の背面側に深く浸透して通気用に開けている気孔を閉塞して通気特性を阻害することや奥深い組織を溶損すること等を抑制する。
【0023】
このような作用により、本発明の通気用耐火物は、高耐食性 、高耐熱衝撃性、高耐浸潤性、高通気安定性等を得ることができる。
【0024】
このように、本発明のジルコニア−ムライトを使用する技術は、特許文献2に示されているようなZrOを部分安定化ジルコニアとして、それ自体の応力緩和機能を単独の構造物として利用する従来技術とは、その技術思想および作用が全く異なる。
【発明の効果】
【0025】
本発明により、ガス吹き込み用等の通気性耐火物において、その耐食性、耐熱衝撃性、耐浸潤性等を向上させることができ、Crを含有する通気性耐火物に代替可能な、Crを含有しない通気性耐火物を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0026】
本発明において主骨材間の架橋部分にAlとNiOからなるスピネル形鉱物およびジルコニア−ムライトを含有する構造とするために使用する、Al源微粒とNiO源微粒、またはAlとNiOからなるスピネル形微粒、およびジルコニア−ムライト微粒の各粒度は、約1600℃〜約1800℃程度で焼成する工程を有する耐火物の製造中に上記のような組成と構造を得るためには、0.2mm以下が好ましく、0.1mm以下がさらに好ましい。0.2mmを超える場合は、十分な結合状態を得ることができずに、耐火物構造体としての強度に劣り、十分な耐熱衝撃性および耐食性を得ることができない。0.1mm以下の場合は、より焼結速度や溶融速度を高めることができ、より一層均一で一体化した状態にすることができる。
【0027】
これらの微粒の配合量は、主骨材も含めた耐火性原料の総量を100質量%とした場合に、Al源微粒が7質量%以上12質量%以下且つNiO源微粒が1質量%以上6質量%以下、またはこれらに代わるAlとNiOからなるスピネル形微粒の場合は2質量%以上12質量%以下が好ましく、ジルコニア−ムライト微粒は1質量%以上10質量%以下が好ましい。
【0028】
AlとNiOからなるスピネル形微粒が、2質量%未満であると、耐食性や耐熱衝撃性が十分でなく、12質量%を超えると耐食性や耐熱衝撃性が低下する傾向になる。
【0029】
Al源微粒とNiO源微粒とは、この観点からそれらの配合量を決定する必要がある。即ち、Al源微粒が12質量%を超え、且つ、NiO源微粒が1質量%を下まわると、耐食性、耐熱衝撃性等に寄与するAl−NiOからなるスピネル形鉱物が十分に生成せず、Al源微粒が7質量%未満、且つ、NiO源微粒が6質量%を超えると、NiOが飽和状態になって一部単独で存在すること等により、耐食性、耐熱衝撃性等が低下傾向となる。
【0030】
ジルコニア−ムライト微粒は、1質量%未満であると応力緩和機能が小さく、十分な耐熱衝撃性を得ることができない。10質量%を超えると、相対的にSiO成分が多くなり、耐食性が低下する傾向となる。
【0031】
また、これらの微粒の中のこれら3原料の各配合割合は、これら3原料のみの微粒の総量を100質量%とした場合に、Al成分原料が約35〜約60質量%、NiO成分原料が約5〜約35質量%(Al−NiOからなるスピネル形鉱物原料の場合は約10〜約60質量%)、ジルコニア−ムライト原料が約5〜約50質量%であることが、架橋部分における耐食性、耐熱衝撃性、耐浸潤性等の好適なバランスを有する架橋部分の構造を得るためには好ましい。但し、これらの配合割合は、鋼種、溶鋼の温度、処理時間、ガス通気量、スラグ等の侵食性の成分や量等の操業条件の変動に応じて変更させることが好ましい。即ち耐食性を強化する場合にはAl、NiO系の成分割合を増加させる、耐熱衝撃性や耐浸潤性を強化する場合にはジルコニア−ムライト原料を増加させる等である。
【0032】
主骨材たる粗粒の耐火性原料としては、Al、Al−MgO系化合物、MgO−SiO系化合物、ZrO、MgO−ZrO系化合物、ZrO−SiO系化合物、Al−SiO系化合物、Al−NiO系化合物の1種若しくは2種以上からなる、またはこれらにMgOを加えた混合物等、一般的に通気性耐火物に利用可能な耐火性原料が使用できる。
【0033】
これらのうち、微粒部分との接触部の少なくとも一部に焼結等の結合を得ることが、耐火物構造体としての強度および耐熱衝撃性確保若しくは向上のためには好ましく、そのためには、Alたる電融若しくは焼結アルミナ、Al−SiO系化合物たるムライト、シリマナイトその他の合成若しくは天然原料、Al−MgO系化合物たるスピネル、Al−NiO系化合物たるスピネル等が好ましい。
【0034】
これらの粗粒の粒度は、0.2mm以上2mm以下程度が好ましく、使用対象の溶融金属の成分、温度、圧力、ガスの流量等の諸操業条件によっては、この範囲で最適値を選択することが好ましい。一般的な溶鋼の取鍋におけるガス吹き込みの場合には、通気のための空隙の大きさとのバランスを最適にするためには、0.2mm以上1mm以下程度がさらに好ましい。2mmを超えると、粗粒と微粒との結合部分が少なくなり、また、粗粒の熱膨張量が微粒部に影響を与え始め、微粒部を破壊することもあり、強度や耐熱衝撃性の低下を生じやすくなる。
【0035】
主骨材たる粗粒と架橋部分を構成する微粒との割合は、粗粒60質量%以上90質量%以下、微粒10質量%以上40質量%以下が好ましく、且つ粗粒と微粒の相対的な質量比は、粗粒7:微粒3〜粗粒8:微粒2程度がさらに好ましい。
【0036】
粗粒が60質量%未満であって、微粒が40質量%を超えると、耐火物組織が緻密になり、通気特性が低下すると共に、耐食性や耐摩耗性が低下する傾向となる。一方、粗粒が90質量%を超え、微粒が10質量%未満であると、耐火物組織が粗になり過ぎて、結合機能を担う微粒部による架橋構造が少なすぎることになり、強度や耐熱衝撃性の低下を惹き起こす。また、耐食性や耐熱衝撃性に優れるAl−NiO系のスピネル形鉱物の量が少なくなり、Cr含有の耐火物相当の耐食性や耐摩耗性を得られない。
【0037】
本発明の通気性耐火物の製造方法においては、まず主骨材たる粗粒の耐火性原料に液状の結合材または結合材を含む液体を添加して混練し、次に微粒の耐火性原料を添加してさらに混練することが好ましい。即ち、粗粒の耐火性原料の表面に微粒の耐火性原料が均一に存在するような形態を得るような混練方法が好ましい。
【0038】
この液状の結合材または結合材を含む液体としては、有機物系では、天然や合成の糊剤等(でんぷん、デキストリン、アラビアゴム、糖蜜、メチルセルロース、ポリビニルアルコール、リグニンスルフォン酸塩、酢酸ビニルエマルジョン、ポリアクリル酸塩等)、合成樹脂(フェノール樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ピッチ等)、無機物系では、珪酸塩、リン酸塩等が使用できる。これらは水溶性のものは水溶液としてでも使用できる。これらの可塑性や接着性を増すために、粘土やシリカフラワー等を5質量%程度以内で添加することも可能である。
【0039】
このようにして得られた混練物を、プレス、流動、加振等の方法で所定の形状に成形し、乾燥後好ましくは1600℃以上で焼成することで目的とする通気性耐火物を得ることができる。この通気性耐火物は、他の耐火物の一部として組み込む、接合する等して利用できるほか、使用条件や形状に応じてガスの漏れ防止や補強等のためのメタルケースによる被覆、ガス導入用パイプの設置等を施して使用することもできる。
【実施例】
【0040】
表1は、各例の通気性耐火物における耐火性原料の配合割合と試験結果を示す。
【表1】

【0041】
まず主骨材たる粗粒の耐火性原料に液状の結合材としてフェノール樹脂と粘土を添加してミキサーで混練し、その後、微粒の耐火性原料を添加し、さらに混練した。その後プレス機械により大型のポーラスプラグ形状に成形し、乾燥工程を経て、1600℃以上で焼成した。そのポーラスプラグを各試験に応じた試験片に切り出した。
【0042】
各試験方法は次の通りである。
【0043】
・耐食性:回転侵食試験炉内の炉壁を構成するように各試験片を設置し、1750℃で30分保持した後、酸素ランスで酸素を吹き付け、試験後の損傷寸法を測定し、侵食寸法の百分率で表した。
【0044】
・耐浸潤性:1辺30mmの立方体の試験片を高周波炉の炉底に設置し、1700℃で2時間溶鋼中に浸漬した後、その試料を切断して内部の溶鋼の浸潤深さ(mm)で表した。
【0045】
・耐熱衝撃性:40×40×160mmの試験片を1600℃の溶鋼中に3分間浸漬し、空冷する操作を繰り返し、試験片が破壊して剥落等が開始する回数で表した。
【0046】
・通気率:JISR2115による。
【0047】
・見掛け気孔率:JISR2105による。
【0048】
・圧縮強度:JISR2106による。
【0049】
表1において、実施例1〜12は本発明の範囲内のCrを含有しない通気性耐火物、比較例1〜3は本発明の範囲外のCrを含有しない通気性耐火物、参考例1はCrを含有する通気性耐火物である。
【0050】
表1に示すように、本発明のCrを含有しない実施例1〜12は、同じくCrを含有しない比較例1〜3に比べ、耐食性、耐湿潤性および耐熱衝撃性が向上している。とくに、Al微粉の配合量が7〜12質量%、NiO微粉の配合量が1〜6質量%、ジルコニア−ムライト微粉の配合量が1〜10質量%の範囲にある実施例2〜5および実施例7は、Crを2質量%含有する参考例1と同等以上の特性を有しており、Crを含有する通気性耐火物に十分に代替可能である。
【産業上の利用可能性】
【0051】
本発明は、溶鋼の精錬や均一化等の様々な溶鋼や溶銑の処理に使用するガス吹き込み機能を備える通気性耐火物として、例えば、ポーラスプラグ、連続鋳造用各種ノズルやストッパー先端のガス吹き部分等に広く利用できる。
【図面の簡単な説明】
【0052】
【図1】本発明の通気性耐火物の架橋部分を中心とする組織図である。
【符号の説明】
【0053】
1 架橋部分(微粒からなる部分)
2 主骨材たる粗粒
3 気孔(空間)
4 ムライト等のAl−SiO系鉱物等を中心とする架橋部分の母体部分
5 Al粒(コランダム、図1中「C」の表示)
6 AlとNiOからなるスピネル形鉱物(図1中「S」の表示)
7 ZrO(図1中「Z」の表示)

【特許請求の範囲】
【請求項1】
ガスを通過させるための気孔を有する通気性耐火物において、主骨材たる粗粒の耐火性原料間の架橋部分に、AlとNiOからなるスピネル形鉱物と、ムライト中にZrOを分散させたジルコニア−ムライトとを含有する通気性耐火物。
【請求項2】
ガスを通過させるための気孔を有する通気性耐火物の製造方法において、主骨材たる粗粒の耐火性原料の周囲に、Al源の微粒およびNiO源の微粒、またはAlとNiOからなるスピネル形の微粒と、ムライト中にZrOを分散させたジルコニア−ムライトの微粒とを配置し、その後焼成することより、主骨材たる粗粒の耐火性原料間の架橋部分に、AlとNiOからなるスピネル形鉱物とジルコニア−ムライトとを含有させる通気性耐火物の製造方法。

【図1】
image rotate


【公開番号】特開2007−99562(P2007−99562A)
【公開日】平成19年4月19日(2007.4.19)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2005−291534(P2005−291534)
【出願日】平成17年10月4日(2005.10.4)
【出願人】(000170716)黒崎播磨株式会社 (314)
【Fターム(参考)】