(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
稼働面の温度が８００℃以上となる容器または設備の耐火物構造であって、
前記稼働面を構成する耐火物として、耐火物Ａと、前記耐火物Ａとは熱膨張係数が２×１０-6／Ｋ以上異なる耐火物Ｂとを用い、
前記稼働面に、熱伝達係数が１００Ｗ／ｍ2Ｋ以下の保護層を設ける、耐火物構造。
【請求項２】
前記耐火物Ａが、ＺｒＯ2およびＳｉＯ2からなる群から選ばれる少なくとも１種を５０質量％以上含む耐火物であり、前記耐火物Ｂが、前記耐火物Ａとは異なる耐火物である、請求項１に記載の耐火物構造。
【請求項３】
稼働面の温度が８００℃以上となる容器または設備の耐火物構造であって、
前記稼働面を構成する耐火物として、ＺｒＯ2およびＳｉＯ2からなる群から選ばれる少なくとも１種を５０質量％以上含む耐火物Ａと、前記耐火物Ａとは異なる耐火物Ｂとを用い、
前記稼働面に、熱伝達係数が１００Ｗ／ｍ2Ｋ以下の保護層を設ける、耐火物構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐火物構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、用途に応じて、様々な材質の耐火物が用いられている。
例えば、比較的低温でスラグなどによる侵食の無い用途にはＳｉＯ2質耐火物が、比較的高温の用途にはＡｌ2Ｏ3質耐火物が、高温でかつスラグによる侵食の激しい用途にはＭｇＯ質耐火物が、それぞれ用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５２６２１４１号公報
【特許文献２】実開平５−１８６７１号公報
【特許文献３】特開２００１−２０７２１０号公報
【特許文献４】特許第３８２７４３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来、溶銑貯蔵炉、溶鋼鍋などの製鉄用の容器または設備が知られている。これら容器等の稼働面の温度は、通常、８００℃以上となる。なお、稼働面とは、これらの容器等の内部に内張りされた耐火物の表面であって、例えば、雰囲気ガス、焼成用原料、溶融金属、溶融スラグなどに曝される面である。
【０００５】
このような稼働面を構成する耐火物は、その部位ごとに要求される条件（スラグと接触するか否か、温度など）が異なる場合があり、その場合、部位ごとに異なる材質の耐火物が施工されることがある。
【０００６】
ところが、本発明者は、材質が異なる耐火物どうしの熱膨張係数の差が大きい場合（具体的には、２×１０-6／Ｋ以上である場合）には、膨張が少ない耐火物を施工した部位に緩みが生じて、その耐火物が脱落したり倒壊したりすることがあることを明らかにした。
【０００７】
例えば、熱膨張係数が１２×１０-6／ＫであるＭｇＯ質耐火物からなる耐火物構造の一部の部位に、熱膨張係数が７×１０-6／ＫであるＡｌ2Ｏ3質耐火物を施工した場合、８００℃では０．４％の寸法差が生じる。より詳細には、１ｍの長さで耐火物を施工した場合、ＭｇＯ質耐火物とＡｌ2Ｏ3質耐火物との間には４ｍｍの寸法差が生じ、Ａｌ2Ｏ3質耐火物の部位においては「迫り（せり）」が無くなり、耐火物の脱落または倒壊の危険が増す懸念がある。
【０００８】
こうした温度上昇に伴う耐火物どうしの寸法差の影響を緩和するためには、膨張量が大きい方の耐火物の膨張を吸収することが有効である。例えば、特許文献１〜４には、耐火物の膨張により生じる応力を低減しようとする技術が開示されている。
【０００９】
しかし、一般的には、耐火物は脆性材料であり、耐火物どうしを強固に接着することは困難である。このため、耐火物構造の安定は膨張により生じる応力、すなわち「迫り」によるところが大きい。したがって、特許文献１〜４に記載された技術のように、耐火物の膨張を吸収して応力を低減することは、「迫り」不足による耐火物構造の不安定化の一因となる場合がある。
【００１０】
本発明は、以上の点を鑑みてなされた発明であり、稼働面を構成する耐火物として熱膨張係数の差が大きい耐火物どうしを使用した場合にも、膨張差による寸法差に起因する脱落等を防止できる耐火物構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者は、鋭意検討した結果、下記構成によって上記目的が達成されることを見出し、本発明を完成させた。すなわち、本発明は、以下の［１］〜［３］を提供する。
［１］稼働面の温度が８００℃以上となる容器または設備の耐火物構造であって、上記稼働面を構成する耐火物として、耐火物Ａと、上記耐火物Ａとは熱膨張係数が２×１０-6／Ｋ以上異なる耐火物Ｂとを用い、上記稼働面に、熱伝達係数が１００Ｗ／ｍ2Ｋ以下の保護層を設ける、耐火物構造。
［２］上記耐火物Ａが、ＺｒＯ2およびＳｉＯ2からなる群から選ばれる少なくとも１種を５０質量％以上含む耐火物であり、上記耐火物Ｂが、上記耐火物Ａとは異なる耐火物である、上記［１］に記載の耐火物構造。
［３］稼働面の温度が８００℃以上となる容器または設備の耐火物構造であって、上記稼働面を構成する耐火物として、ＺｒＯ2およびＳｉＯ2からなる群から選ばれる少なくとも１種を５０質量％以上含む耐火物Ａと、上記耐火物Ａとは異なる耐火物Ｂとを用い、上記稼働面に、熱伝達係数が１００Ｗ／ｍ2Ｋ以下の保護層を設ける、耐火物構造。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、稼働面を構成する耐火物として熱膨張係数の差が大きい耐火物どうしを使用した場合にも、膨張差による寸法差に起因する脱落等を防止できる耐火物構造を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】容器の一例を示す斜視図である。
【図２】容器の耐火物構造を稼働面側から見た概略図である。
【図３】容器の耐火物構造を上方から見た概略断面図である。
【図４】保護層を設けた容器の耐火物構造を稼働面側から見た概略図である。
【図５】保護層を設けた容器の耐火物構造を上方から見た概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の耐火物構造は、稼働面の温度が８００℃以上となる容器または設備の耐火物構造であって、上記稼働面を構成する耐火物として、耐火物Ａと、上記耐火物Ａとは熱膨張係数が２×１０-6／Ｋ以上異なる耐火物Ｂとを用い、上記稼働面に、熱伝達係数が１００Ｗ／ｍ2Ｋ以下の保護層を設ける、耐火物構造である。
【００１５】
本発明の耐火物構造は、製鉄用の容器または設備に適用される。これらの容器等は、その稼働面の温度（常用温度）が８００℃以上となる。このような容器等の具体例としては、溶銑鍋、溶銑貯蔵炉、トピードカー、転炉、溶鋼鍋などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００１６】
図１は、容器の一例を示す斜視図である。図１には、一例として、溶鋼鍋である容器１を示している。容器１は、鋼鉄製の構造物である鉄皮２を最外層として有する。容器１において、内張りされた耐火物（「ウェア耐火物」ともいう）４の表面は、図示しない溶融金属または溶融スラグ等に曝される稼働面５である。
【００１７】
図２は、容器の耐火物構造を稼働面側から見た概略図である。図３は、容器の耐火物構造を上方から見た概略断面図である。図３に示すように、容器１は、外側から順に、鉄皮２、パーマネント耐火物３およびウェア耐火物４を有する。パーマネント耐火物３は、ウェア耐火物４が損傷し抜け落ちたときでも内容物が漏洩しないよう、安全を確保するために施工される。図３では、ウェア耐火物４は２層で施工されており、最も内側のウェア耐火物４が稼働面５を構成している。
【００１８】
そして、ウェア耐火物４として、耐火物Ａと、この耐火物Ａとは熱膨張係数が異なる耐火物Ｂとが用いられている。ここでは、容器１の内周方向に沿って施工された耐火物Ａの一部が、耐火物Ｂで置換されている。
【００１９】
本発明者が検討を行なった結果、耐火物Ａと耐火物Ｂとの熱膨張係数の差が２×１０-6／Ｋ未満であるときはウェア耐火物４の脱落等は発生しなかったが、耐火物Ａと耐火物Ｂとの熱膨張係数の差が２×１０-6／Ｋ以上であるときはウェア耐火物４の脱落等が発生する場合があった。
そこで、本発明者は、耐火物の弾性変形および塑性変形を利用し、適切な応力を保ちつつ寸法差に起因する脱落等を発生させないようにすることを検討した。
【００２０】
図４は、保護層を設けた容器の耐火物構造を稼働面側から見た概略図である。図５は、保護層を設けた容器の耐火物構造を上方から見た概略断面図である。
本発明者が検討した結果、図４および図５に示すように、熱膨張係数が小さい保護層６を稼働面５に設けることにより、稼働直後におけるウェア耐火物４の温度を低下させることでき、これにより、熱膨張係数の差による耐火物Ａと耐火物Ｂとの寸法差が低減され、脱落等を防止できることを明らかにした。
【００２１】
そして、保護層６が損耗するとウェア耐火物４の温度が上昇するが、それまでの昇温速度が緩やかなため、弾性変形とともにクリープ変形が生じ、「迫り」を確保するに足る応力を維持しつつ膨張量が大きい方の耐火物（耐火物Ａまたは耐火物Ｂ）が優先的にクリープし、耐火物Ａと耐火物Ｂとの間の寸法差が大幅に縮小され、脱落等が継続的に防止できる。
【００２２】
保護層６の熱伝達係数は小さいほど好ましいが、実際には必要な容量を確保するため等の理由から、保護層６の厚さに制約のあることが多い。
そこで、本発明者は、ウェア耐火物４の脱落等を防ぐために最低限必要な保護層６の厚さを知るため、熱伝達係数が異なる保護層６を用いて脱落等を防止する効果について検討を重ねた。その結果、保護層６の熱伝達係数が１００Ｗ／ｍ2Ｋ以下であれば、耐火物Ａと耐火物Ｂとの熱膨張係数の差が２×１０-6／Ｋ以上の場合であっても、脱落等を防止できることが明らかとなった。
【００２３】
保護層６としては、熱伝達係数が１００Ｗ／ｍ2Ｋ以下であれば、その材質等は特に限定されない。例えば、安価な高アルミナ質耐火物を用いることが一般的であるが、内容積を確保する必要性などにより、保護層６の厚さに制約がある場合には、例えば、熱伝導率が低い発泡質レンガ；さらに熱伝導率が低いナノポーラス断熱材；等も使用できる。
【００２４】
なお、特許文献２の［請求項１］には「熱膨張吸収材をコーティング」が記載されており、また、特許文献４の段落［０００８］には「マグネシア質のコーティング材」が記載されているが、これらのコーティングは、いずれも膜厚がミリメートルオーダーの薄膜であり、その熱伝達係数は非常に大きく、少なくとも１００Ｗ／ｍ2Ｋ以下ではない。
【００２５】
こうして、本発明によれば、従来のモルタル、ダンボールまたは空隙等で膨張を吸収する手段に頼ることなく、耐火物の寸法差を低減でき、膨張が大きい方の耐火物の「迫り」を確保しつつ、膨張が小さい方の耐火物の脱落等を防止できる。
【００２６】
ところで、ＺｒＯ2またはＳｉＯ2などは、８００℃前後の比較的低温で相転移を起こし膨張または収縮を示す。
このため、ウェア耐火物４として、ＺｒＯ2およびＳｉＯ2からなる群から選ばれる少なくとも１種を５０質量％以上含む耐火物（耐火物Ａ）と、この耐火物とは異なる耐火物（耐火物Ｂ）とを用いた場合にも、寸法差に起因する脱落等の問題が生じ得る。
したがって、このようなウェア耐火物４が構成する稼働面５に、本発明における保護層６を設けることで、同様に、脱落等を防止する効果が認められる。
【００２７】
一般に、高温物を扱う容器または設備における外殻の温度は、鋼材の酸化や変形を抑制するため４００℃以下となるよう管理する。また、特殊な強制冷却を行なわない場合の外殻の熱伝達係数は２０〜４０Ｗ／ｍ2Ｋである。したがって、耐火物内の熱流束は最大で４０Ｗ／ｍ2Ｋ×（４００℃−２５℃）＝１５０００Ｗ／ｍ2と見積もられる。
このような環境で、稼働面に、熱伝達係数が１００Ｗ／ｍ2Ｋである保護層を設けると、稼働面の温度は最大で１５０００Ｗ／ｍ2÷１００Ｗ／ｍ2Ｋ＝１５０℃低下する。耐火物どうしの熱膨張係数の差が２×１０-6／Ｋであれば、膨張率の差が０．０３％縮小することとなる。
この条件で耐火物の脱落または倒壊を防止する効果は明らかであったが、容器または設備の容量に余裕があり、保護層の厚さを増す余地があるならば、保護層の熱伝達係数をより低くすることで、クリープのための時間をより長くできる。
【００２８】
具体的には、保護層の熱伝達係数は、９０Ｗ／ｍ2Ｋ以下が好ましく、７５Ｗ／ｍ2Ｋ以下がより好ましく、６０Ｗ／ｍ2Ｋ以下がさらに好ましい。
【００２９】
特に、ＺｒＯ2またはＳｉＯ2などの８００℃前後の比較的低温で相転移を起こし膨張または収縮を示す物質の含有量が高い耐火物を用いる場合は、保護層の熱伝達係数を１００Ｗ／ｍ2Ｋよりも大きく下げることが好ましく、より好ましくは、５０Ｗ／ｍ2Ｋ未満まで下げることで、脱落や倒壊に加えて圧縮応力による亀裂を抑制する効果によって、耐用がさらに向上する。
【００３０】
なお、保護層の熱伝達係数の下限は特に限定されないが、例えば、３Ｗ／ｍ2Ｋ以上である。
【実施例】
【００３１】
以下に、実施例を挙げて本発明を具体的に説明する。ただし、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００３２】
＜実施例１＞
ウェア耐火物４としてマグネシア−クロム質耐火物（耐火物Ａ）を使用する溶銑貯蔵炉において、加熱用バーナの火炎に近い部位のみをアルミナ質耐火物（耐火物Ｂ）に替えて耐食性の向上を図った。
下記表１に示すように、マグネシア−クロム質耐火物（耐火物Ａ）の熱膨張係数は９．５×１０-6／Ｋであったが、アルミナ質耐火物（耐火物Ｂ）の熱膨張係数は７．２×１０-6／Ｋと低く、両者の差は２．３×１０-6／Ｋであった。このため、稼働開始直後に、アルミナ質耐火物（耐火物Ｂ）の部分が脱落する場合があった。
そこで、図４〜図５に示すように、稼働面５に保護層６を設けた。保護層６には、熱伝導率が３Ｗ／ｍＫのろう石質耐火物を用い、厚さは０．０６ｍとした。このときの保護層６の熱伝達係数は、３Ｗ／ｍＫ÷０．０６ｍ＝５０Ｗ／ｍ2Ｋであった。このような保護層６を設けた結果、アルミナ質耐火物（耐火物Ｂ）の脱落が防止された。
溶銑貯蔵炉の内容積を縮小すると、溶銑貯蔵能力が低下し操業能率を阻害するため、ウェア耐火物４（耐火物Ａおよび耐火物Ｂ）の合計の厚さを保護層６の厚さ０．０６ｍだけ減じた。保護層６は稼働開始後６日で消失したが、ウェア耐火物４は初期の厚さが０．０６ｍ短いにもかかわらず、改善前の１．５倍の寿命を達成した。
【００３３】
＜実施例２＞
実施例１と同じく、ウェア耐火物４としてマグネシア−クロム質耐火物（耐火物Ａ）を使用する溶銑貯蔵炉において、加熱用バーナの火炎に近い部位のみをアルミナ質耐火物（耐火物Ｂ）に替えて耐食性の向上を図った。
下記表１に示すように、マグネシア−クロム質耐火物（耐火物Ａ）およびアルミナ質耐火物（耐火物Ｂ）の熱膨張係数は、実施例１と同じであり、稼働開始直後に、アルミナ質耐火物（耐火物Ｂ）の部分が脱落する場合があった。
そこで、図４〜図５に示すように、稼働面５に保護層６を設けた。保護層６には、熱伝導率が２０Ｗ／ｍＫのアルミナ−炭化珪素−炭素質耐火物を用い、厚さは０．２３ｍとした。このときの保護層６の熱伝達係数は、２０Ｗ／ｍＫ÷０．２３ｍ＝８７Ｗ／ｍ2Ｋであった。このような保護層６を設けた結果、アルミナ質耐火物（耐火物Ｂ）の脱落が防止された。
なお、計画生産量が低位であり、溶銑貯蔵炉の内容積を縮小して溶銑貯蔵能力が低下しても操業が可能であったことから、実施例２では、ウェア耐火物４（耐火物Ａおよび耐火物Ｂ）の合計の厚さを変えずに、厚さ０．２３ｍの保護層６を稼働面５に設けた。保護層６は稼働開始後１２日で消失したが、ウェア耐火物４は、改善前の２．１倍の寿命を達成した。
【００３４】
＜実施例３＞
ウェア耐火物４として、ジルコニア質耐火物（耐火物Ａ）を使用する溶鋼鍋において、撹拌ガスの吹き込み位置に近い部位のみをマグネシア−カーボン質耐火物（耐火物Ｂ）に替えて耐食性の向上を図った。
ジルコニア質耐火物（耐火物Ａ）は約９００℃で転移を起こし０．５％の線収縮を示すため、使用温度の１２００℃近傍における見掛けの熱膨張係数は２．５×１０-6／Ｋと低い。一方、下記表１に示すように、マグネシア−カーボン質耐火物（耐火物Ｂ）の熱膨張係数は１１×１０-6／Ｋと高く、両者の差は８．５×１０-6／Ｋであった。このため、稼働開始直後に、ジルコニア質耐火物（耐火物Ａ）の部分が割れて脱落する場合があった。
そこで、図４〜図５に示すように、稼働面５に保護層６を設けた。保護層６には、熱伝導率が２Ｗ／ｍＫのアルミナ質耐火物を用い、厚さは０．０６ｍとした。このときの保護層６の熱伝達係数は２Ｗ／ｍＫ÷０．０６ｍ＝３３Ｗ／ｍ2Ｋであった。このような保護層６を設けた結果、ジルコニア質耐火物（耐火物Ａ）の脱落が防止された。
溶鋼鍋の内容積を縮小すると、溶鋼ヒートサイズが低下し操業能率とコストが悪化するため、ウェア耐火物４（耐火物Ａおよび耐火物Ｂ）の合計の厚さを保護層６の厚さ０．０６ｍだけ減じた。保護層６は稼働開始後４日で消失したが、ウェア耐火物４は初期の厚さが０．０６ｍ短いにもかかわらず、改善前の１．２倍の寿命を達成した。
【００３５】
【表１】
0006428692.tif 000002
【００３６】
＜比較例１＞
保護層６の厚さを０．０６ｍから０．０２ｍに変更した以外は、実施例１と同様にして評価を行なった。このときの保護層６の熱伝達係数は、３Ｗ／ｍＫ÷０．０２ｍ＝１５０Ｗ／ｍ2Ｋであった。このような保護層６を設けた場合、稼働開始直後に、アルミナ質耐火物（耐火物Ｂ）の脱落が確認された。
【００３７】
＜比較例２＞
保護層６の厚さを０．２３ｍから０．１９ｍに変更した以外は、実施利２と同様にして評価を行なった。このときの保護層６の熱伝達係数は、２０Ｗ／ｍＫ÷０．１９ｍ＝１０５Ｗ／ｍ2Ｋであった。このような保護層６を設けた結果、稼働開始直後に、アルミナ質耐火物（耐火物Ｂ）の脱落が確認された。
【符号の説明】
【００３８】
１：容器
２：鉄皮
３：パーマネント耐火物
４：耐火物（ウェア耐火物）
５：稼働面
６：保護層
【図１】
0006428692.tif 000003
【図２】
0006428692.tif 000004
【図３】
0006428692.tif 000005
【図４】
0006428692.tif 000006
【図５】
0006428692.tif 000007