JFE 技報 No. 38（2016 年 8 月）p. 69-74

製鋼工程の容器における熱損失低減技術
Reduction of Heat Loss in Steelmaking Process
井上明彦

INOUE Akihiko

JFE スチール

スチール研究所

スラグ・耐火物研究部

主任研究員（副部長）

細原聖司

HOSOHARA Seiji

JFE スチール

スチール研究所

スラグ・耐火物研究部

主任研究員（課長）清田禎公

KIYOTA Yoshisato

JFE テクノリサーチ

知的財産事業部

知財調査部長要旨
製鋼工程は高温の溶銑・溶鋼を多段階のプロセスで扱うため，熱損失が大きい。近年，断熱材と耐火物の進歩により，断熱の設備容量や耐火物寿命への悪影響が軽微となり，熱損失低減が容易となった。今回，製鋼工程における熱損失を評価するとともにその低減方法を検討し，熱損失の大きい溶銑溶鋼輸送容器について断熱による低減を図った。その結果，鉄皮からの熱損失が 25～45％低減した。

Abstract:
During steelmaking process, high temperature melt is processed through several facilities and containers, therefore
the heat loss through steelmaking process is large. Progress of refractories and insulators have reduced the adverse
influences by heat-insulation. The amount of heat loss through steelmaking process was estimated. Heat insulation
with optimal design was attempted in molten iron and steel containers, heat loss through the steel shell was reduced
by 25-45％.

1． はじめに

2． 製鋼工程における熱損失の現状

地球温暖化に対する関心は全世界的に高く，その主要因

まず，耐火物を介した鉄皮からの放散による熱損失量をとされる CO2（二酸化炭素）などの温室効果ガスの削減に試算した。一般に，鉄皮などの固体から外気への伝熱は対取組まれて久しい。日本鉄鋼連盟は，「エコプロセス」，「エ流と輻射による。温度 T（K）の物体から温度 T0（K）の外コプロダクト」，「エコソリューション」を 3 つの柱と位置付
1）

け温暖化ガス排出量の低減を目指している 。特に，生産工気への単位時間当たりの伝熱量を考える。対流による伝熱量 QC（W）は，程での CO2 削減については，1970 年代の石油危機を契機にJFE スチールを含む日本の鉄鋼業は，環境保全や省エネル

QC＝hC・S・（T－T0） ………………………… （1）

ギーのために多くの設備投資を行なってきた。その結果，日hC：自然対流熱伝達係数（W/m2・K）

本の鉄鋼業は世界でも最高水準のエネルギー効率を実現し

S：伝熱面積（m2）2）ている 。JFE グループでも，グループの行動理念の一つに「地球環境との共存」を掲げ，上記 3 つの柱に沿ったさまざと表される。一方，輻射による伝熱量 QR（W）は

3）

まな省エネルギー，CO2 削減に対する施策を実施している 。
しかし，今後の地球温暖化の進行を緩和・阻止するために

QR＝hR・S・（T－T0） ………………………… （2）はより一層の CO2 削減への取組みが必要である。

hR：輻射伝熱係数（W/m2・K）

CO2 削減のためには，熱損失を低減して燃料としての炭素の使用量を削減することが有効であるが，製鉄所の中でと表される。したがって，外気への伝熱量 QT（W）はこれ

製鋼工程は高温の溶銑・溶鋼を多段階のプロセスで扱うたらの和であるから，め，耐火物を介した鉄皮からの放散による熱損失が大きい。
QT＝QC＋QR＝（hC＋hR）
・S・（T－T0）……… （3）本報では製鋼工程における熱損失量を見積もるとともに，その低減手法について述べる。

で表される。なお，自然対流熱伝達率は大気におけるグラスホフ数 Gr，プラントル数 Pr の積に応じて次式の簡易推定式（4），（5）式
2016 年 1 月 7 日受付－ 69 －Copyright © 2016 JFE Steel Corporation. All Rights Reserved.

4）を用い，輻射伝熱係数は（6）式を用いた。

製鋼工程の容器における熱損失低減技術

hC＝1.3（DT/L）1/4 （Gr・Pr＜109）………… （4）1/4

hC＝1.3（DT）

9（Gr・Pr＞10 ）…………… （5）シュ（Tundish）について，鉄皮温度を測定し，前述の式を用いて 1 ヒート当たりの放熱量を計算した。

44
hR＝s・e・（T －T0 ）/（T－T0） …………… （6）結果を図 2 に示す。鉄皮からの放熱量が大きいのは，輸L：伝熱面高さ（m）

送容器と精錬容器を兼ねる混銑車，高炉鍋，取鍋であり，3s：Stefan-Boltzmann constant, 5.67×10－8 J/m2・s・K4

者合計で全体の約 90％を占める。また，製鋼プロセス全体

e：輻射率の鉄皮からの放熱量は，冷却水や排気への放熱や解放部からの放熱などを含めた非回収の総熱損失量のおよそ 2 分の 1

この式からわかるように，高温の物体から外気への熱損に相当すると見積もられた。

失量は時間と表面積に比例し，物体の温度が高いほど大き3 章で，鉄皮からの熱放散量の大きい混銑車，高炉鍋，取くなる。実際の製鋼プロセスにおいては鉄皮温度が 500 K

鍋の耐火物ライニングにマイクロポーラス断熱材を使用すを超える箇所があり，熱損失量は輻射伝熱に支配される領ることで，容器鉄皮からの放熱量の低減を試みた結果につ44域（QC＜＜QR ∝ T －T0 ）にあるので鉄皮温度に対して極めいて述べる。て敏感に変化する（図 1）。このような箇所では鉄皮よりも高温溶融物側のライニングの断熱により鉄皮温度が下がる

3． 製鋼工程における熱損失の低減と鉄皮と外気の間の伝熱係数（hC＋hR）も大幅に低下する

3.1

ため，断熱の効果が特に大きい。

断熱材と低熱伝導耐火物の進歩

製鋼工程における高温溶融物容器，すなわち，混銑車容器の耐火物を介した鉄皮からの熱損失低減方法として（Torpedo car）
，高炉鍋（Hot metal ladle），転炉（Converter），

は耐火物自体の低熱伝導率化と，断熱材の使用の 2 つが考取鍋（Ladle），真空脱ガス装置（RH），連続鋳造のタンディッえられる。
低 熱 伝 導 耐 火 物 とし て は 耐 火 断 熱 れ ん が（ 熱 伝 導 率0.2 W/m・K 程度）やろう石れんが（熱伝導率 1 W/m・K程度）が利用されてきた。これらの材質は熱伝導率が低い一方で，高い気孔率や低い耐食性から，高温溶融物と接しない永久耐火物として施工されることが多い。それでも，構造体としての強度，設備容量，高温溶融物の差し込みを止める能力を確保するために施工厚さは限定され，断熱効果は不十分であった。
高温溶融物と接するウェア耐火物自体の低熱伝導率化に関しては耐火物メーカー各社で開発が進められている。アルミナ系の不定形耐火物においては，中空アルミナを使用した断熱キャスタブルを各社が開発している。また，耐熱ス
ポーリング性と耐スラグ耐食性に優れ，現在多用されてい図 1 鉄皮・外気間の温度差と熱流束の関係
Fig. 1

Influence of temperature gap on heat flux between shelland ambience

るマグネシアカーボンれんがに対し，マグネシア骨材とピッ®

チを改良した品川リフラクトリーズ（株）の「GAIREX 」
シリーズ

5）

や，ナノカーボンファイバー技術を応用した黒®

崎播磨（株）の「FANON 」シリーズ

6）など，マグネシアカーボンれんがの長所を生かしつつ，熱伝導率の高い黒鉛を減らすことで低熱伝導化を図った耐火物が開発されている。
近年，ヒュームドシリカなどを使用し，空気分子の平均自由工程より短い空隙を有するマイクロポーラス断熱材が開発された。空隙が非常に小さいため，対流や気体分子の衝突による熱伝達を抑制する他に，球状の粒子同士の接触面積が非常に小さいため固体間の熱伝導が小さく，さらに赤外線透過を抑制する物質を添加することで輻射による熱伝
達 も 抑 制 し て い る。こ れ ら の 効 果 により 熱 伝 導 率 は 約
図 2 製鋼工程における鉄皮放散熱量
Fig. 2

Amount of heat emission through steel shell ofsteelmaking vessels

JFE 技報 No. 38（2016 年 8 月）

7）0.02 W/m・K と静止空気よりも低く ，前述の耐火断熱れんがの 10 分の 1，ろう石れんがの 50 分の 1 程度である。このため，厚さを 10 分の 1 にしても同等以上の断熱性能を得－ 70 －

製鋼工程の容器における熱損失低減技術

表 1 断熱材質の代表的特性値
Table 1*1

Typical properties of insulating materials
RosekibrickInsulating
fire brick

Thermal conductivity(W/m ･ K)

10.2

0.02

Porosity (%)

158090Heatproof temperature
(K)

1 773

1 923

Compressive strength(MPa)302

Dry condition*2Insulator withmicro pores

*1

1 273

*10.5

*25％ deformation
図 3 伝熱計算に用いたライニング構造
Fig. 3ることが可能となり，耐用温度は約 1 273 K と低いものの，

Schematic diagram of lining for heat-transport
simulation

断熱材の施工にともなう構造体としての強度，設備容量，高温溶融物の差し込みを止める能力の確保が容易となった。
ろう石れんが，耐火断熱れんが，マイクロポーラス断熱材の代表的な特性値を表 1 に示す。

3.2

断熱手法

3.2.1

断熱の設計

物質の熱伝導率は温度に依存し，温度の上昇にともない気体は上昇し，固体は上昇するものと低下するものがある。
気孔率の高い断熱材の熱伝導率は気体と同様に温度の上昇にともない上昇するので，断熱材を施工する部位が高温であるほど断熱効果が低下する。前述のマイクロポーラス断
熱材は気体分子の衝突による熱拡散を阻害する構造のため，高気孔率でも気体の熱伝導の影響を受けにくいが，内部輻

図 4 断熱材の部位と厚さが放熱に及ぼす影響射の影響を含め，温度上昇にともなう熱伝導率の上昇の解

Fig. 4

消には至っていない。また，マイクロポーラス断熱材のナノ

Influence of thickness and position of heat insulator onheat flux

サイズの粒子が点接触に近い形で形成している気孔構造は高温で破壊されやすいため，最高使用温度は耐火断熱れん大きくなるほど断熱効果が高いことを示している。

がよりも低い。
構造体としての強度，設備容量，高温溶融物の差し込み計算の結果，断熱材の施工部位は永久 / 鉄皮間が最も有を止める能力の観点からマイクロポーラス断熱材は施工厚効であり，他の部位の 1.5～2 倍程度の断熱効果を得られるさを最小限とすべきであるため，前述のマイクロポーラス断こと，断熱材の厚みが 5 mm を超えると断熱効果の変化割

熱材の特性をふまえつつ十分な断熱効果を得るには，断熱合が小さくなることが分かった。さらに，図 4 と同条件での材の熱伝導率の上昇と気孔構造の破壊を回避する施工部位

断熱材の内面側温度の変化を図 5 に示す。1 273 K で気孔構造が破壊され収縮や熱伝導率の上昇を示すマイクロポーラの選定が重要である。
断熱材の施工部位について，非定常伝熱計算

8）を用いてス断熱材を使用する場合は，最も断熱効果が高かった永久 /検討した。計算の前提は，図 3 に示すように，鍋内側からウェ

鉄皮間に設置した場合において，断熱材の厚みは 5 mm 以

ア耐火物，2 層の永久耐火物，鉄皮のライニング構成とし，下とすべきであることが分かった。

マイクロポーラス断熱材を（1）ウェア / 永久間，（2）永久 /以上のように，断熱材はより温度の低い部位に配置する，

永久間，（3）永久 / 鉄皮間の 3 通りの配置で計算した。また，

いわゆる「外断熱」とすることで，より大きな断熱効果を得断熱材の厚さを 0～10 mm の範囲で変化させてその影響をられるとともに劣化を防止できる。ところが，外断熱はウェ見た。高炉鍋のライニング構造での計算例を図 4 に示す。

ア耐火物の内部の温度を上昇させるので，スラグ浸潤が問

図の縦軸は断熱材を設置しない場合を基準とし，断熱材を題となる取鍋耐火物やマグネシア - カーボン反応が問題とな配置した時の鉄皮からの熱流束の変化であり，負の数値がる転炉耐火物では耐用が悪化する場合がある。このような－ 71 －JFE 技報 No. 38（2016 年 8 月）

製鋼工程の容器における熱損失低減技術

図 6 断熱を施したライニング構造

図 5 断熱材の部位と厚さが断熱材の温度に及ぼす影響
Fig. 5

Fig. 6

Influence of thickness and position of heat insulator on
surface temperature of insulator

Schematic diagram of lining with insulation

用途では，耐火物の緻密化によりスラグ浸潤を抑制する，低カーボン化によりマグネシア - カーボン反応を抑制，外断熱に代えて耐火物自体を低熱伝導化する，いわゆる「充填断熱」とするなどの対応が必要である。
また，ナノメートルサイズの粒子の成形体であるマイクロポーラス断熱材は，水と接触すると気孔構造が破壊されるので防水ラミネート加工されたものが流通している。しかし，使用開始後におよそ 500 K 以上の温度に接するとラミネートが劣化し防水性能が失われる。そのため，施工時に水を使用して混練する耐火物を使用する場合は，複数回の耐火物

図 7 断熱による鉄皮温度の変化

張り替えにわたって断熱材の性能を持続させるためには，水Fig. 7

Effect of insulation on temperature of steel shellと接触させないよう配置を考慮する必要がある。
3.2.2

混銑車

混銑車は，両端が円錐状の形状で，開口部が小さいためが収縮し熱伝導率が上昇したものと考えられる。断熱材の保温性が良いといわれている。しかし，JFE スチールでは，熱伝導率上昇は断熱材の施工直後以外は観察されず，ウェ溶銑予備処理を行なうため保持時間が長く，鉄皮面積も大アれんがの張り替えを経て 2 年経過しても約 45 K の鉄皮温きいため 2 章で示したとおり製鋼容器の中で最も鉄皮から度の低減が持続し，鉄皮からの熱損失量が 25％低減した。の放散熱量が多い。混銑車での放散熱量を低減することは，また，断熱材施工による耐火物寿命の低下は見られなかっ直接のエネルギーロスを低減するのみならず，溶銑と比べた。て CO2 発生量の少ない鉄スクラップのリサイクル使用量を3.2.3

高炉鍋増大できるなど，地球環境に大きく貢献する。そこで，前述

高炉鍋は混銑車と同様の使用方法であるが，上方が大きのマイクロポーラス断熱材を，図 6 に示すように混銑車のく開いた鍋形状のため，開口部からの放熱が混銑車に対し鉄皮と永久耐火物間に使用し，鉄皮からの放散熱量低減をて大きく熱損失の約 60％を占めており，蓋掛けなどの対策試みた。断熱材の厚さは施工性も考慮して 3 mm とした。

が執られている。残りは鉄皮からの放熱であり，その内訳は

図 7 に稼働中の鉄皮温度の推移を示す。鉄皮温度は高温

図 8 に示すように，溶銑と接触する敷部，鋼浴部，スラグ

溶融物と直接接するウェアれんがの損耗に伴い受銑回数をラインからの放熱が大きい。そのため，これらの部位への断重ねると上昇する傾向にあるが，断熱材を施工した混銑車熱材施工を試みた。の鉄皮温度は，施工していない混銑車の鉄皮温度に比べて実機試験では鉄皮と永久耐火物間にマイクロポーラス断低く，放熱量が抑制されていることが分かる。断熱による鉄熱材を 5 mm 厚で施工するとともに，ウエアライニングの低皮温度の低減量は，断熱材の施工直後は約 60 K であったが熱伝導化を併せて実施することで，より高い断熱効果を目

受銑鉄回数 200 回以降は約 45 K に縮小した。これは，ライ指した。試験の結果，鉄皮温度は 96 K 低下し，鉄皮からのニングの温度が初期に上昇した際の膨張応力により断熱材熱損失量が 45％低減した。断熱材の施工による耐火物の寿JFE 技報 No. 38（2016 年 8 月）

－ 72 －

製鋼工程の容器における熱損失低減技術

写真 1 断熱材の鉄皮内面への施工状況

図 8 高炉鍋鉄皮からの放熱量
Fig. 8

Photo 1 Arrangement of insulators on inside of steel shellHeat emission from steel shell of hot-metal ladle

命悪化は見られず，逆に鍋内への地金付着がなく安定した使用が可能となることが分かった。
3.2.4

取鍋

取鍋は高炉鍋と同様に上方が大きく開いた鍋形状のため開口部からの放熱が大きく，蓋掛けなどの対策が重要である。しかし，近年の取鍋精錬処理の強化を背景に，鉄皮からの放熱の低減も重要となった。
取鍋の耐火物は混銑車や高炉鍋と比較すると，内容物で

図 9 取鍋鉄皮の熱画像

あるところの高温溶融物の温度が高く，受湯サイクルが短Fig. 9いことから，より高い耐食性，耐熱衝撃性が求められる。特Thermal image of steel shellに，キャスタブルと呼ばれる不定形流し込み材が多用される鋼浴部のウェア耐火物では，その気孔率の高さから，稼熱損失量が 36％低減した。

働面からのスラグ浸潤による変質層と原層との境界部が割9）れる構造スポーリングによる損耗が大きいとされる 。この4． おわりにため，外断熱によりウェア耐火物の内部温度が上昇すると，JFE スチールでは溶銑・溶鋼容器を介しての熱損失低減

より深くまでスラグが浸潤し構造スポーリングが助長されるため，過去の断熱の試行においては耐用が悪化した

10）。

を図っている。溶銑容器と取鍋については施工配置などのこの問題に対しては，外断熱に替わりウェア耐火物自体を低熱伝導化する充填断熱が提案された

11）。外断熱に関し最適化と高性能断熱材の活用によって諸課題を克服し有効な断熱の目処を得た。ても，ウェア耐火物の耐用の向上と外断熱による耐用悪化

その一方で，大きな放熱源の一つである転炉に関しては，の低減はアプローチを同じくするため，ウェア耐火物の低水外断熱により助長されるマグネシア - カーボン反応やカーボ分化などによる耐用向上により外断熱による耐用悪化も軽ンの気相酸化による組織劣化の問題が未解決である。近年，減した。

マグネシア - カーボン質レンガに関しては低マグネシア - カー

3.2.1 で述べたように，マイクロポーラス断熱材は水とのボン反応や低熱伝導率といった材質の開発が報告されてお接触で気孔構造が壊れ断熱性能が著しく低下する。ウェアり，利用方法の改善と組み合わせて熱損失低減を進められ耐火物に用いるキャスタブルは施工時に水を用い，施工後ると考えている。に結晶水と付着水を加熱除去するので，鉄皮側では凝縮水耐火物の使用環境については，溶銑予備処理や二次精錬が生じマイクロポーラス断熱材が劣化する危険性がある。

でのプロセス変更や処理負荷の増加など，今後も変化が続JFE スチールでは，マイクロポーラス断熱材をウエア耐火くと考えられる。社会環境としてはエネルギー事情は消費削物の水分と接しない鉄皮と永久耐火物間に 3 mm 厚で施工減の基調の中でも大きく変動している。このような環境変化することで外断熱12）を試みた。断熱材の施工の様子を写真に常に最適な対応をとるべく，熱損失低減と環境・リサイク

1 に示す。その結果，図 9 に示すようにウェア耐火物と断熱ル・機能付加などを有機的に関連付けて技術開発を進めて材の耐用を確保しつつ鉄皮温度を 70 K 低減し，鉄皮からのいく。

－ 73 －

JFE 技報 No. 38（2016 年 8 月）

製鋼工程の容器における熱損失低減技術

参考文献11）前田榮造．耐火物．2012, vol. 64, no. 9, p. 400-406.

1）日本鉄鋼連盟．http://www.jisf.or.jp/business/ondanka/eco/.
2）地球環境産業技術研究機構．エネルギー効率の国際比較（発電・鉄鋼・12）JFE スチール．溶融金属容器のライニング構造．特許第 5494898 号．
2014-03-14．

セメント部門）．https://www.rite.or.jp/Japanese/labo/sysken/aboutglobal-warming/download-data/Comparison_EnergyEfficiency.pdf.
3）小倉滋，手塚宏之，弓手崇生，田村望．JFE 技報．2013, no. 32, p. 1-7.
4）水科篤郎，荻野文丸．輸送現象．産業図書，1981, p. 163.
5）柿原昌佳，多田秀徳，飯田栄司．品川技報．2009, no. 52, p. 35-40.
6）田中雅人，波多江英一郎，吉田章二，神尾英俊，保木井利之．耐火材料．
2006, no. 154, p. 66-67.
7）Microtherm nv. High temperature insulation.
http://www.microthermgroup.com/high/EXEN/site/index.aspx.
8）水科篤郎，荻野文丸著．輸送現象．産業図書，1981，p. 109.
9）耐火物技術協会．耐火物手帳 改定 12 版．2015, p. 415-418.

井上10）杉田宏，前仏忠，浅見肇．耐火物．1981, vol. 33, no. 12, p. 35-41.

JFE 技報 No. 38（2016 年 8 月）
Copyright © 2016 JFE Steel Corporation. All Rights Reserved. 禁無断転載－ 74 －明彦

細原聖司

清田

禎公