技術報告

耐火物

72［ 4 ］176～180（2020）

鹿島 2 製鋼における転炉耐火物の改善
加藤健佑，伊藤
日本製鉄㈱

鹿島製鉄所

〒314-0014

智茨城県鹿嶋市光 3 番地

Improvement of MgO-C Bricks for the BOF Converter in Kashima No.2 Steelmaking Plant
Kensuke KATO, Satoru ITO
Nippon Steel Corporation 3, Hikari, Kashima City, Ibaraki Prefecture 314-0014, Japan

キーワード：転炉，MgO-Cれんが，装入壁，高強度化1

緒言

1･1から自動車向けの薄板まで多種多様なスラブを製造してい鹿島製鉄所の製鋼プロセスフローる。二製鋼工場では，KR脱硫-転炉-RHのプロセスにより

鹿島製鉄所は図 1 に示す 2 つの製鋼工場を有し，年間合薄板汎用鋼を大量製造しており，年間450万トンの粗鋼生産能力を有している。

計750万トンの粗鋼生産能力を誇り，日本製鉄㈱国内の主要な生産拠点のひとつである。一製鋼工場では，KR脱硫-二製鋼工場では連鋳能力が転炉能力よりも高く，製造能脱りん炉-脱炭炉-（IR脱硫）-RHのプロセスにより低りん・力向上のため2010年にヒートサイズを増加させている。

低硫鋼の溶製が可能な為，ラインパイプや造船向けの厚板

2010年以前の装入スクラップ量及び寿命の平均値を100とFig. 1 Process flow of steelmaking plants in Kashima works.
第 7 回鉄鋼用耐火物専門委員会 発表
投稿責任者：加藤健佑

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（2020）

した場合の装入スクラップ量と炉寿命の関係を図 2 に示

全に均一にすることは困難であり，転炉の操業形態に応じす。転炉では，装入溶銑量に加えて装入スクラップ量を増て損傷ネックとなる部位が発生する場合が多い。
鹿島 2 製鋼転炉の損傷プロフィール例を図 3 に示す。図加することで出鋼量を確保しており，これに伴って炉寿命が低下する傾向となっている。

中の色は耐火物の厚みを示しており，他部位よりも先行し1･2て装入側の耐火物厚みが減少する傾向となっている。装入

鹿島 2 製鋼転炉の課題

転炉では耐食性に優れたMgO骨材及び耐熱衝撃性に優側の耐火物は，稼働初期は補修せずに操業しているが，損れた黒鉛を主原料とし，樹脂及び金属添加物等を副原料と傷速度が他部位と比較して約 5 倍程度と大きい為，損傷状するMgO-Cれんがが内張耐火物として使用されている。

況に応じ図 4 に示す型銑スラグコーティング補修により装転炉では部位ごとの損傷要因が違うことに対応して，それ入壁を保護している。しかし，補修のみでは十分な耐用をぞれに最適な具備特性を有するれんがを使用するゾーンラ得られておらず，転炉耐火物の損傷ネック部位となっていイニングる。

1－4）を採用している。しかし，各部位の損傷を完そこで，装入壁れんが材質の改善による転炉耐火物の寿命向上を図った。
2MgO-Cれんが材質の改善

2･1改善方針

鹿島 2 製鋼転炉において，装入壁の損傷を低減するためには，型銑スラグコーティング補修を実施するのみでなく，耐火物の材質改善が求められる。鹿島 2 製鋼転炉では，スクラップが多量に投入される為，スクラップ装入時に生じる機械的な損傷が主な課題であると考えられる。そこで，装入壁れんがの耐用向上策として，高強度化を指針として材質改善を行った。

Fig. 2 R elationship between charging scrap and thefurnace life index.

転炉用MgO-Cれんがは，図 5 に示す通りMgO粒子，鱗状黒鉛，酸化防止材及びバインダーであるフェノール樹脂で構成されており，粒子結合力の向上やマトリックス強度のFig. 3 C olor map showing the MgO-C brick thickness
at the end of a BOF campaign.

Fig. 4 S chematic view of the coating with pig ironand slag procedure.

Fig. 5 S chematic view of the MgO-C and techniques
to enhance mechanical properties.

177加藤健佑他向上により，高強度化が図られている。また過去知見5－10）

2･3

鹿島 2 製鋼における転炉耐火物の改善

バインダー種変更による改善効果の検証

では，繰り返し熱負荷による強度低下の抑制やれんがの高バインダー種変更の効果を検証するため，CaseⅡと強度化によって，機械的な損傷を低減する手法が報告され

CaseⅢ を 対 象 に 物 性 比 較 試 験 を 実 施 し た。CaseⅡ 及 びている。しかし，実機適用について多くは議論されていな

CaseⅢの繰り返し加熱前後での強度と弾性率の変化率をい。そこで，強度低下抑制や高強度化の効果を実機にて検図 6 に示す。各材質について1400℃で 5 時間焼成し，室温証することとした。

まで冷却する操作を 1 サイクル実施した後の曲げ強度と弾

これまで鹿島 2 製鋼転炉において実施した主な改善手法

性率をベンチマークとして使用し，同様の操作を 5 サイクとして，①黒鉛量低減，②酸化防止材増量，及び③粒度構ル繰り返した場合の物性値の変化を比較した。どちらの値成の変更が挙げられ，これらの手法を用いた高強度化によについても繰り返し加熱後の物性値の維持率はCaseⅢでって耐用向上効果を得ている。しかし依然として耐用は不高く，高強度化及び組織劣化抑制が達成されていると考え足しており更なる改善が必要である。一方で，同様の手法られる。

によるさらなる高強度化は，耐スポーリング性の低下を引溶銑浸漬法による熱衝撃試験の結果を図 7 に示す。両材き起こす可能性がある。そこで，新たな手法として，④バ質の試験片を1650℃の溶銑に90秒間浸漬した後，30秒間水インダー種の変更を行い，弾性率低減と組織劣化抑制及び冷する操作を 3 サイクル繰り返し実施し，切断面の亀裂発高強度化を図った。

生状況を評価した。CaseⅡと比較しCaseⅢは亀裂が少な

2･2MgO-Cれんが材質の試作

鹿島 2 製鋼転炉における装入壁れんが材質の一覧を表 1に示す。従来材のCaseⅠは黒鉛量18%であり，CaseⅡは低黒鉛化及び酸化防止材を増量した材質で実機にて改善効果が得られた材質である。今回はさらにバインダー種を変更した新規材質CaseⅢを検討した。CaseⅢはCaseⅡとベースとして粒度構成とバインダー種を変更した材質であり，CaseⅡと比較して熱間曲げ強度及び耐熱衝撃性の指標である強度を弾性率で除したS/Eも改善する結果が得ら

Fig. 6 C omparison of the mechanical properties ofCase II and III MgO-C samples, before and after
single and multiple firings at 1400 °C.

れた。

Table 1

Samples of MgO-C refractories
CaseICase
IICase
IIIMgO

78

8080

F. C

181515Al○◎◎Si-○○

B4C

○○○

Binder typeAAB

Bulk density / g･cm -3

2.92

2.99

3.00

Apparent porosity / %

3.0

2.9

3.0

Compressive strength / MPa

35.0

40.0

39.0

Elastic modulus after firing at 1400 oC / GPa

15.0

24.0

25.0

Modulus of rupture at 1400 oC / MPa

15.5

22.0

23.5

Thermal shock damage resistance S/E ×10 -3 / -1.03

0.92

0.94

SamplesCompositions / mass%

Anti-oxidant content

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Fig. 7 T
 he cross section surface of samples of Case
II and Case III after thermal shock testing.

Fig. 8 T he map of elastic modulus and Modulus ofrapture for Case I to Case V samples.

く，また亀裂サイズも小さくなることが分かった。これらの向上は得られているものと考えられるが，過去知見と同の結果から，バインダー種の変更によって耐熱衝撃性が改様に黒鉛量低減による耐熱衝撃性の低下は免れない結果と善されたと考えられる。

なった。

2･4

実機試験材質の検討及び選定

表 1 及び表 2 に示した 5 材質の弾性率と強度の関係を図

更なる高強度化を図る為に，バインダー種を変更した上8 に示す。なお，各材質の指数はCaseⅠの弾性率及び強で黒鉛量を低減した材質を検討した。黒鉛量15%である度を100とした場合の値を示している。前述の通りCaseⅠ

CaseⅢのベースとして，黒鉛量のみを変更し13%及び11%及びCaseⅡと比較して，CaseⅢ，CaseⅣ及びCaseⅤではに低減したCaseⅣ及びCaseⅤを試作した。CaseⅢ，Case強度が向上する結果であった。一方で耐熱衝撃性の指標でⅣ及びCaseⅤの物性一覧を表 2 に示す。黒鉛量低減に伴あるS/E では，CaseⅢでは改善しているのに対してCaseって，冷間圧縮強度及び熱間曲げ強度が向上する結果とな

Ⅳ及びCaseⅤでは低下傾向であり，特にCaseⅤは稼動初った。しかし，強度の向上に伴って弾性率も上昇しており，期の熱スポーリングが懸念された。これらの結果から，結果として耐熱衝撃性の指標であるS/Eは低下する傾向で

CaseⅢ及びCaseⅣの 2 材質を実機試験に供することとしあった。前述の通り，バインダー種変更による耐熱衝撃性た。

Table 2

Samples of MgO-C refractories
CaseIII

CaseIV

CaseV

MgO80

8284F. C151311Al◎◎◎Si○○○

B4C

○○○

Binder typeBBB

Bulk density / g･cm -3

3.00

3.04

3.07

Apparent porosity / %

3.0

2.8

2.7

Compressive strength / MPa

39.0

41.0

42.0

Elastic modulus after firing at 1400 oC / GPa

25.0

29.0

33.0

Modulus of rupture at 1400 oC / MPa

23.5

25.0

26.0

Thermal shock damage resistance S/E ×10 -3 / -0.94

0.86

0.79

SamplesCompositions / mass%

Anti-oxidant content179

加藤健佑他

Fig. 10 C omparison of the wear-rate of samples forfield trials.

Fig. 9 R elationship between the amounts of charged
heavy scrap, and the wear rate of the charging
sidewall.
3

鹿島 2 製鋼における転炉耐火物の改善

り，下記の結果が得られた。

実機適用結果1 ）装入壁れんが材質の高強度化

無補修時の装入壁の損傷速度を比較することで，れんが①黒鉛量低減，②酸化防止材の増量，③粒度構成の変更材質の改善効果を評価した。既述の通り，装入壁の損傷はに加えて，④バインダー種の変更によって，繰り返し加スクラップの投入による機械的な損傷によるものと考えら

熱による強度低下を抑制し，れんがの高強度化を達成しれる。転炉に投入するスクラップは多種多様な形状及び重た。

量のスクラップを混合しているが，特に単体の重量が大き2 ）装入壁の耐用改善

いスクラップ（重量屑）による機械的な損傷が大きくなる

実機試験において重量屑量に対する無補修時の損傷速度と推察される。そこで，重量屑の投入量に対する装入壁れを評価した結果，従来材と比較してCaseⅢで20%，Caseんがの損傷速度を比較することによって，材質改善の効果Ⅳで29%の耐用改善が達成された。これにより，炉代をを検証することとした。

通した装入壁の耐用で約19%改善の見通しが得られた。
参考文献

スクラップ中の重量屑量指数と無補修時の装入壁れんがの損傷速度指数を図 9 に示す。なお，横軸は現在の重量屑1 ）河野拓夫，田畑量の平均値，縦軸は従来材の損傷速度の平均値を100とし2 ）内村良治，熊谷正人，森本忠志，針田昭：耐火物，32［10］163-169（1980）．
彬，大石泉，た場合の各材質の値を示している。重量屑量指数が増加す

小笠原一紀：川崎技報，15 137-145（1983）．

るに従って，装入壁の損傷速度指数が増加する傾向であっ3 ）高長茂幸：耐火物，44［4］211-218（1992）．

た。一般的な重量屑量の範囲である重量屑量指数100～1504 ）小形昌徳，飯田敦久：耐火物，66［9］，432-442（2014）．の間で各材質の損傷速度指数を比較すると，従来材Case5 ）林聡，高橋宏邦，渡辺明，尾坂明義，三浦嘉也：

J. Ceram. Soc. Jpn, 102［1］23-28（1994）．

Ⅱと比較してCaseⅢ及びCaseⅣの損傷速度が低減していることが確認された。なお，改善材質のCaseⅣを実機適6 ）林聡，高橋宏邦，渡辺明，尾坂明義，三浦嘉也：

J. Ceram. Soc. Jpn, 102［5］476-481（1994）．

用した際，重量屑量指数200以上の範囲で損傷速度が大幅に増加しているが，操業影響で一時的に重量屑量が大幅に7 ）花桐誠司，原田俊哉，麻生誠二，藤原増加した期間であり，他材質での実績が無いため今回の評

高 長 茂 幸， 髙 橋 宏 邦， 渡 辺価からは除外した。

490-498（1992）．

茂，安井宏，明： 耐 火 物，44［9］図 9 における重量屑量指数100～150の範囲での各材質の8 ） 藤 吉 亮 磨， 飯 田 正 和， 飯 田 敦 久， 鳥 越 淳 志：

平均損傷速度指数を図10に示す。CaseⅡに対してCaseⅢ

Proceedings of the 15th UNITECR, Santiago, Chile,

では約20%，CaseⅣでは約29%の損傷低減がなされており，

Sep.26-29, 120-124（2017）．

強度低下の抑制及び高強度化による改善効果が確認され9 ）梅田真悟，池本 正，松井泰次郎：耐火物，59［10］た。その結果，装入壁れんがの初期損傷速度の低減により，炉代通算の装入壁の耐用は従来材と比較して約19%改善の

10）梅田真悟，今川浩志，池本
60［2］88-89（2008）．

見通しが得られた。
4544-551（2007）．

まとめ
装入壁れんがの損傷速度低減による転炉寿命の向上を図180

正，松井泰次郎：耐火物，