JP5677912B2

JP5677912B2 - 溶融金属容器のライニング構造

Info

Publication number: JP5677912B2
Application number: JP2011184894A
Authority: JP
Inventors: 幸久松尾; 福永　新一; 新一福永; 真悟梅田
Original assignee: Nippon Steel Corp; Krosaki Harima Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp; Krosaki Harima Corp
Priority date: 2011-08-26
Filing date: 2011-08-26
Publication date: 2015-02-25
Anticipated expiration: 2031-08-26
Also published as: JP2013044510A

Description

本発明は、製鉄プロセスに使用される取鍋、転炉、混銑車などの溶融金属容器のライニング構造に関する。

取鍋、転炉、混銑車などの溶融金属容器は、一般に鉄皮と呼ばれる鉄製の外殻に複数種類の耐火物層を内張りしている。耐火物層は、稼働面側のウエア耐火物と鉄皮側のパーマ耐火物（以下、「パーマ煉瓦」と呼ぶこともある。）とで構成されている。ウエア耐火物は溶融金属等と接触し、損耗することを前提に設計されており、補修又は交換作業を実施することによって、溶融金属容器全体の寿命延長を図っている。一方、パーマ煉瓦は溶融金属等と接触しないため、基本的に損耗することが無く、長期間に渡って使用される。

近年、ＣＯ_２削減対策の一つとして、鉄皮を介して放射される熱を抑制することが求められており、主要な対策の一つとして、鉄皮とパーマ煉瓦の間、あるいはパーマ煉瓦とウエア耐火物の間に断熱材を配置する方法がある。この断熱材としては、熱伝導率の低い（断熱性の高い）材質が求められており、例えば、粒径５〜３０ｎｍの超微粉を主原料とし、１００ｎｍ以下の微細なマイクロポアー構造を有する微細多孔性断熱材が知られている（例えば特許文献１参照）。
微細多孔性断熱材は、０．０２〜０．０５Ｗ／（ｍ・Ｋ）という低い熱伝導率を示すことが特長であるが、水（液体）と接触すると超微粉が凝集して断熱効果が大きく損なわれる難点を有している。例えば、ウエア耐火物が損耗し、損耗したウエア耐火物の表面に不定形耐火物を継ぎ足し施工して補修した際、不定形耐火物に含まれる水分が温度の低い鉄皮内面で結露し、結露した水滴が微細多孔性断熱材と接触すると、断熱効果の低減を招くおそれがある。

微細多孔性断熱材の吸水防止対策として、例えば特許文献２では、外殻である鉄皮の内側に、鉄皮側から、エアロジル断熱材（微細多孔性断熱材）、永久耐火物（パーマ耐火物）、ワーク耐火物（ウエア耐火物）をこの順に有する耐火物ライニング層を施工するにあたり、エアロジル断熱材及び／又は永久耐火物に耐水性塗料材料を塗装し、その後、ワーク耐火物を施工することを特徴とする耐火物ライニング層の施工方法が開示されている。

また、例えば特許文献３では、超微細ヒュームド酸化物を主原料とし、細孔径の大きさが０．０１〜０．１μｍ、０．１〜１０μｍ、及び１０〜１０００μｍの範囲内にそれぞれピークが存在する細孔分布をもつ粒子からなる原料を圧縮成形し、得られた成形体を予め水中に浸漬して吸湿させた後、乾燥することにより、細孔径の大きさが０．１〜１０μｍの範囲内にピークをもつ細孔を消滅させることを特徴とする高性能断熱材（微細多孔性断熱材）の製造方法が開示されている。

特開２０００−１０４１１０号公報特開２０１０−２３６７８２号公報特開２０１１−００１２０４号公報

しかし、溶融金属容器の鉄皮温度は通常３００〜４００℃程度になるため、微細多孔性断熱材に耐水性塗料材料を塗布する特許文献２記載の方法では、長期間の耐用性を維持することが困難である。また、予め微細多孔性断熱材に水分を吸収させる特許文献３記載の方法では、水分を吸収させた時点で断熱性が低下するため、高い断熱性を発揮することができない。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、鉄皮内面に発生した結露が微細多孔性断熱材に接触しないようにして、微細多孔性断熱材の断熱効果の低減を防止することが可能な溶融金属容器のライニング構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る溶融金属容器のライニング構造は、第１の断熱材が、セラミックファイバ、断熱モルタル、又はロックウールとされ、前記第１の断熱材からなる第１断熱層と、粒径０．３μｍ以下の超微粉を２０質量％以上含有する第２の断熱材からなる第２断熱層とを有し、前記第１断熱層が前記第２断熱層よりも溶融金属容器の鉄皮側に配置されていることを特徴としている。

溶融金属容器において結露が発生するのは、他の部位に比べて温度が低い鉄皮の内面である。一方、第２の断熱材は、水（液体）と接触すると超微粉が凝集して断熱効果が大きく損なわれる特性を有する微細多孔性断熱材である。本発明では、鉄皮と微細多孔性断熱材（第２の断熱材）の間に吸水性を有する吸水性断熱材（第１の断熱材）を配置することにより、鉄皮内面に発生した結露が微細多孔性断熱材に接触するのを防止して、高い断熱性を長期間維持するものである。

また、本発明に係る溶融金属容器のライニング構造では、前記第１断熱層の厚みは０．２ｍｍ以上であることが好ましい。
第１断熱層の厚みが０．２ｍｍ未満であると、第１断熱層による水分の吸収が十分でなく、第２の断熱材の熱伝導率の低下が避けられない。

また、鉄皮内面で結露が発生するため、鉄皮の内面に近接して第１断熱層を配置することが好ましい。そのため、本発明に係る溶融金属容器のライニング構造では、前記第１断熱層が前記鉄皮の内面に接することが好ましいが、前記鉄皮と前記第１断熱層の間にパーマ耐火物が配置されていてもよい。

また、本発明に係る溶融金属容器のライニング構造では、前記第２断熱層の稼働面側にパーマ耐火物が配置されていてもよいし、前記第１断熱層と前記第２断熱層の間にパーマ耐火物が配置されていてもよい。

本発明に係る溶融金属容器のライニング構造では、鉄皮と微細多孔性断熱材の間に吸水性を有する吸水性断熱材を配置するので、鉄皮内面に発生した結露が微細多孔性断熱材に接触することがなく、微細多孔性断熱材の断熱効果の低減を防止することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る溶融金属容器のライニング構造の模式図である。本発明の第２の実施の形態に係る溶融金属容器のライニング構造の模式図である。本発明の第３の実施の形態に係る溶融金属容器のライニング構造の模式図である。試験装置の概略断面図である。電気炉による乾燥曲線のグラフである。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。

［第１の実施の形態に係る溶融金属容器のライニング構造］
図１に本発明の第１の実施の形態に係る溶融金属容器のライニング構造を示す。
本実施の形態では、溶融金属容器の鉄皮１１の内面から稼働面１６（溶融金属と接する面）に向けて、第１の断熱材からなる第１断熱層１２、第２の断熱材からなる第２断熱層１３、パーマ耐火物１４からなる層、ウエア耐火物１５からなる層の順に配置されている。

第１の断熱材は耐熱性及び吸水性を有する吸水性断熱材であり、鉄皮１１の内面で結露した水分を吸収する機能を有している。吸水性断熱材としては、セラミックファイバ、断熱モルタル、ロックウールなどを好適に用いることができる。
第１断熱層１２の厚みは、吸水性を確保するため０．２ｍｍ以上とする。なお、第１断熱層１２の最大厚みとしては５０ｍｍ程度を想定している。

第２の断熱材は、粒径０．３μｍ以下の超微粉を２０質量％以上含有する微細多孔性断熱材である。微細多孔性断熱材は、約１００ｎｍ以下といった、非常に微細な空間（マイクロポアー）を原料粒子の間に形成して空気の伝熱を規制しており、このような空間を形成するため、粒径０．３μｍ以下の超微粉を含有する。超微粉としては、例えば、ヒュームドシリカなど、固有の熱伝導率が低い原料を用いることが望ましい。また、超微粉の量を２０質量％未満とした場合、マイクロポアーの量が少なく、断熱効果が十分ではないため、２０質量％以上とし、５０質量％以上であればなお良い。
第２断熱層１３の厚みは１〜２０ｍｍ程度を想定している。
なお、第２の断熱材としては、Porextherm Dammstoffe GmbH社製のPorextherm WDS（登録商標）や日本マイクロサーム(株)製のマイクロサームなどを使用することができる。

微細多孔性断熱材は、水（液体）と接触すると超微粉が凝集して断熱効果が大きく損なわれる。そのため、本実施の形態では、第１の断熱材（吸水性断熱材）からなる第１断熱層１２を第２の断熱材（微細多孔性断熱材）からなる第２断熱層１３よりも鉄皮１１側に配置し、鉄皮１１内面に発生した結露が微細多孔性断熱材に接触しないようにしている。
なお、水蒸気（気体）が微細多孔性断熱材の断熱効果に悪影響を及ぼすことはない。

パーマ耐火物１４は定形耐火物（煉瓦）、不定形耐火物のいずれでも良い。また、パーマ耐火物１４の材質も問わない。例えば、ロー石、ジルコン、粘土、シャモット、ハイアルミナ、アルミナ、スピネル、ＳｉＣ、あるいはこれらのうちの２種以上の組み合わせからなる材質の耐火物が使用可能である。

また、ウエア耐火物１５は不定形耐火物である。不定形耐火物の材質に制限は無く、主要な不定形耐火物である中性のアルミナ質、ハイアルミナ質、アルミナ−シリカ質、アルミナ−スピネル質、アルミナ−マグネシア質、アルミナ−カーボン質、アルミナ−ＳｉＣ質、アルミナ−ＳｉＣ−カーボン質及びこれらの組み合わせからなる材質の耐火物が使用可能である。

［第２の実施の形態に係る溶融金属容器のライニング構造］
図２に本発明の第２の実施の形態に係る溶融金属容器のライニング構造を示す。
本実施の形態では、溶融金属容器の鉄皮１１の内面から稼働面１６に向けて、第１の断熱材からなる第１断熱層１２、パーマ耐火物１４からなる層、第２の断熱材からなる第２断熱層１３、ウエア耐火物１５からなる層の順に配置されている。即ち、第１断熱層１２と第２断熱層１３との間にパーマ耐火物１４からなる層を配置している。

［第３の実施の形態に係る溶融金属容器のライニング構造］
図３に本発明の第３の実施の形態に係る溶融金属容器のライニング構造を示す。
本実施の形態では、溶融金属容器の鉄皮１１の内面から稼働面１６に向けて、パーマ耐火物１４からなる層、第１の断熱材からなる第１断熱層１２、第２の断熱材からなる第２断熱層１３、ウエア耐火物１５からなる層の順に配置されている。即ち、鉄皮１１と第１断熱層１２との間にパーマ耐火物１４からなる層を配置している。

以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。例えば、第１から第３の実施形態のいずれか２形態又は全形態を組み合わせて使用してもよい。即ち、パーマ耐火物からなる層を２層あるいは３層としてもよい。

本発明の効果を検証するために実施したライニング材の乾燥試験について説明する。なお、本試験では、繰返し操業によりウエア耐火物が損耗し、損耗したウエア耐火物の表面に不定形耐火物からなる補修材を継ぎ足し施工した状態を想定している。補修材を乾燥させた際、補修材に含まれる水分は温度の低い鉄皮内面で結露する。

図４に試験装置の概略断面図を示す。試験装置は、試験体２０を加熱するための電気炉２２と、電気炉２２に設けられた開口部２２ａに付設される試験体２０とから概略構成されている。
試験体２０は、鉄製の箱１８と、鉄製の箱１８内に装入されるライニング材とから構成されている。

鉄製の箱１８は、電気炉２２の開口部２２ａに面する一端面が開口面とされ、一端面に対向する他端面（鉄皮１１に相当する。）には蒸気孔１８ａが形成されている。また、他端面の周縁部に形成された側壁から熱が逃げないように、側壁全体が断熱材２１で覆われている。

鉄製の箱１８内に装入されるライニング材は複数の層から構成されている。図４は、実施例１〜実施例８のライニング構成を示している。即ち、実施例１〜実施例８では、鉄製の箱１８の他端面から一端面に向けて、第１の断熱材からなる第１断熱層１２、第２の断熱材からなる第２断熱層１３、本パーマ煉瓦１４ａ（パーマ耐火物１４）からなる層、準パーマ煉瓦１４ｂ（パーマ耐火物１４）からなる層、ウエア耐火物１５からなる層、及び補修材１７からなる層の順に形成されている。また、比較例１は、上記構成において第１断熱層１２が無く、実施例９は、パーマ耐火物１４からなる層が第１断熱層１２と第２断熱層１３の間に配置され、実施例１０は、パーマ耐火物１４からなる層が鉄製の箱１８の他端面と第１断熱層１２の間に配置されている。

第１断熱層１２及び第２断熱層１３の材質及び厚さは表１に示す通りである。なお、表中の「ＷＤＳ」はPorextherm Dammstoffe GmbH社製のPorextherm WDSのことである。
本パーマ煉瓦１４ａの材質はロー石質耐火煉瓦、厚みは６５ｍｍ、準パーマ煉瓦１４ｂの材質は高Ａｌ_２Ｏ_３質耐火煉瓦、厚みは６５ｍｍである。
ウエア耐火物１５の材質はＡｌ_２Ｏ_３−ＭｇＯ質不定形耐火物、厚みは５０ｍｍ、補修材１７の材質はＡｌ_２Ｏ_３−ＭｇＯ質不定形耐火物、厚みは８０ｍｍ、含有水分は７質量％である。

電気炉２２を用いて試験体２０を加熱乾燥させると、補修材１７に含まれる水分が蒸発し、鉄製の箱１８の他端面側に移動する。そして、鉄製の箱１８の他端面に設けられた蒸気孔１８ａから水蒸気が大気中に放出されると共に、乾燥終了後の冷却過程で鉄製の箱１８の他端面の内側で結露が発生する。結露した水分は第１の断熱材（吸水性断熱材）からなる第１断熱層１２によって吸収される。

電気炉２２による乾燥曲線を図５に示す。図５の縦軸は電気炉２２内の温度、横軸は経過時間である。乾燥試験前の第２の断熱材の熱伝導率を予め測定しておくと共に、図５の乾燥曲線に従って試験体２０を乾燥させた後の第２の断熱材の熱伝導率を測定した。熱伝導率の測定には京都電子工業（株）製の熱伝導率測定機ＱＴＭ−Ｄ３を使用し、（試験後の第２の断熱材の熱伝導率／試験前の第２の断熱材の熱伝導率×１００）で表される熱伝導率指数で各試験体を評価した。具体的には、熱伝導率指数が１１０未満を”○”、１１０以上１４０未満を”△”、１４０以上を”×”とし、乾燥試験前後における第２の断熱材の熱伝導率の変化が小さいものを良とした。

同表より以下のことがわかる。
（１）実施例１〜３と比較例１を対比することにより、第１の断熱材（吸水性断熱材）からなる第１断熱層１２を設けると断熱効果が良好であることがわかる。
（２）実施例４〜６を対比することにより、第１断熱層１２の厚みを０．１ｍｍとした場合、第１断熱層１２の厚みを０．２ｍｍ以上とした場合に比べて断熱効果が低下することがわかる。また、実施例５、７、８を対比することにより、第１の断熱材として、セラミックファイバ、断熱モルタル、ロックウールのいずれも使用可能であることがわかる。
（３）実施例１、９、１０を対比することにより、パーマ耐火物１４の位置にかかわらず断熱効果が良好であることがわかる。

１１：鉄皮、１２：第１断熱層、１３：第２断熱層、１４：パーマ耐火物、１４ａ：本パーマ煉瓦、１４ｂ：準パーマ煉瓦、１５：ウエア耐火物、１６：稼働面、１７：補修材、１８：鉄製の箱、１８ａ：蒸気孔、２０：試験体、２１：断熱材、２２：電気炉、２２ａ：開口部

Claims

第１の断熱材が、セラミックファイバ、断熱モルタル、又はロックウールとされ、前記第１の断熱材からなる第１断熱層と、粒径０．３μｍ以下の超微粉を２０質量％以上含有する第２の断熱材からなる第２断熱層とを有し、
前記第１断熱層が前記第２断熱層よりも溶融金属容器の鉄皮側に配置されていることを特徴とする溶融金属容器のライニング構造。
請求項１記載の溶融金属容器のライニング構造において、前記第１断熱層の厚みは０．２ｍｍ以上である溶融金属容器のライニング構造。
請求項１又は２記載の溶融金属容器のライニング構造において、前記第１断熱層が前記鉄皮の内面に接している溶融金属容器のライニング構造。
請求項１又は２記載の溶融金属容器のライニング構造において、前記鉄皮と前記第１断熱層の間にパーマ耐火物が配置されている溶融金属容器のライニング構造。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の溶融金属容器のライニング構造において、前記第２断熱層の稼働面側にパーマ耐火物が配置されている溶融金属容器のライニング構造。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の溶融金属容器のライニング構造において、前記第１断熱層と前記第２断熱層の間にパーマ耐火物が配置されている溶融金属容器のライニング構造。