Jack Xing著、YK Chanshine 技術営業部長 · 高炉耐火物 ·
高炉の操業では、送風温度と圧力を高め、酸素量と微粉炭量を増やしています。高温送風供給システムのすべての部品にかかる負荷が増し、そのしわ寄せを羽口支管が最も受けます。羽口支管が赤熱したり溶損したりすると、高炉を休風するか、送風量を絞って操業しなければなりません。
この記事では、中国の高炉操業で使用されている羽口支管キャスタブルの詳細な故障解析を紹介します。中温域での強度低下がスラグ侵食を招く仕組みを追跡し、XRDとSEMで故障を再現するとともに、キャスタブルの購入仕様書に記載すべき仕様項目を明らかにします。
故障解析の主な知見：
- この材料は、アルミナセメントで結合したAl₂O₃-SiO₂系キャスタブルです。1100～1200 °Cでは、冷間圧縮強度が約47%低下し、見掛け気孔率が上昇します。
- 高炉スラグがこの緩んだ組織を侵食します。CaとMgがキャスタブル内へ移動し、低融点のゲーレナイト（Ca₂Al₂SiO₇）とMgSiO₃を形成します。
- ムライト化されていない原料、遊離石英、鉄滓由来のFe₂O₃によって侵食が悪化します。
- 3つの改善策：より高純度の原料を使用し、アンダルサイト／カイヤナイトの膨張で収縮を補い、軟質粘土を3～6 wt%添加して焼結温度を下げる。
羽口支管のキャスタブルが損傷する理由
操業条件
高温送風、高い送風圧、酸素富化、大量の微粉炭吹き込みにより、送風供給システムへの負荷が増大します。送風系部品の亀裂、崩落、溶損が起こりやすくなります。最も厳しい環境にさらされる部品は羽口支管です。羽口冷却器のためにスペースが限られ、管本体は細く、耐火物層も薄い一方で、使用条件は過酷です。
赤熱・溶損の報告原因
研究で挙げられている主な原因：
- フランジ接続部の隙間：接触面から送風が漏れ、管本体が過熱する
- キャスタブルの品質：耐熱衝撃性、熱間強度、耐スラグ性が低い
- 微粉炭ランスの摩耗：高いガス流速と石炭の摩耗作用でライニングが薄くなる
- 炉壁材の崩落：装入物が送風管に落下し、機械的損傷を与える
報告された2件の事例
柳鋼
調査の結果、キャスタブルの品質不良が羽口ストック焼損の主な原因と結論づけられた。工場はキャスタブルの品質を高め、羽口ストックの製作方法を改善した。赤熱や焼損は発生しなくなり、品質と耐用年数が向上した。
首鋼
長期間使用され、何度も減風を経験した送風管で焼損が発生した。大きな温度変化により、前部の水冷スリーブと管本体の間のライニングに亀裂が生じた。その後、酸素を多く含む熱風が前部から吹き抜けて焼損した。工場はキャスタブルを分析し、品質を確認するとともに、羽口ストックの使用状況を監視した。
羽口ストック用キャスタブルの性能分析
サンプリング
故障したストックから採取した使用済みキャスタブルと新品キャスタブルの両方を分析した。使用済みおよび新品サンプルの写真を表2の後の図に示す。
化学組成：新品と使用済みの比較
表1. 羽口ストック用キャスタブルの化学分析（重量%）
| サンプル | SiO₂ | Al₂O₃ | Fe₂O₃ | CaO | MgO | TiO₂ | K₂O | Na₂O | ZnO | S |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 新品 | 42.14 | 49.69 | 1.36 | 3.92 | 0.60 | 0.63 | 0.46 | 0.32 | 0.001 | 0.018 |
| 使用済み | 42.19 | 49.54 | 2.10 | 3.66 | 0.58 | 0.86 | 0.29 | 0.22 | 0.004 | 0.006 |
どちらもAl₂O₃-SiO₂系材料であり、使用中に主な酸化物の組成はほとんど変化しなかった。使用済みサンプルではFe₂O₃が多く、著者らは鉄分を含むスラグの混入が原因と推測している。新品キャスタブルのCaO含有量は約3.9%で、アルミン酸カルシウムセメントによる結合と整合しており、これは著者らが後に特定した結合材とも一致する。
新品キャスタブルの物理的性質
表2. 2工場の新品キャスタブルの常温圧縮強度
| 工場 | 熱処理 | 常温圧縮強度（MPa） |
|---|---|---|
| 工場A（首鋼） | 110 °C × 24 h | 18.5 |
| 工場A（首鋼） | 1200 °C × 3 h | 9.80 |
| 工場B（柳鋼） | 110 °C × 24 h | 30.0 |
工場Aのキャスタブルは、工場Bのものよりかさ密度と常温強度が低かった。1200 °C × 3 hの処理後、工場Aの常温強度は18.5 MPaから9.80 MPaに低下し、約47%減少した。著者らの報告によると、1200 °C処理後に見掛け気孔率が明らかに上昇しており、組織が粗くなった。
ガス流速と温度が高い条件では、耐摩耗性の低いライニングは摩耗が速く、剥離することもある。
新しいキャスタブルの耐スラグ性
著者らは、高温下で新しいキャスタブルに作用する高炉スラグを模擬するため、静置るつぼ試験を実施した。スラグの組成は次のとおりである。
表3. 試験に使用した高炉スラグの組成（重量%）
| SiO₂ | CaO | MgO | Al₂O₃ | TiO₂ | FeO |
|---|---|---|---|---|---|
| 34.42 | 41.22 | 7.32 | 14.04 | 1.21 | 0.43 |
スラグ試験後のサンプルのXRD
試料1について、スラグ、白色の骨材粒子、黄色のマトリックス、黒色のマトリックスの4か所でXRD分析を行った。
表4. 位置別に見た試料1の主な相
| 位置 | 外観 | 主な鉱物相 |
|---|---|---|
| スラグ | 付着スラグ層 | ゲーレナイト、メリライト、ガラス相 |
| 骨材 | 白色粒子 | ムライト、コランダム、微量のクリストバライト |
| マトリックス（黄色） | 反応領域 | ゲーレナイト、アノーサイト、ムライト |
| マトリックス（黒色） | 未変質キャスタブル | ムライト、コランダム、セメント水和物 |
スラグとキャスタブルの界面のSEM
スラグとキャスタブルの境界をSEMで調べたところ、耐火物側でカルシウムとマグネシウムの濃度が高かった。スラグ中のCaとMgがキャスタブル内部へ移動し、マトリックス中のAl₂O₃およびSiO₂と反応して、ゲーレナイト（Ca₂Al₂SiO₇）とMgSiO₃を生成している。これが侵食の実態である。スラグ試験全体について、著者らはスラグ耐食性が低く、高炉スラグによる侵食を受けやすいと結論づけている。
使用済みキャスタブル：XRDおよびSEM
6か所でのXRD
使用済みキャスタブルの代表的な6か所を分析した。位置1はスラグとキャスタブルの界面にある。
表5. 使用済み羽口ストック用キャスタブルの主な鉱物相
| 位置 | 説明 | 同定された相 |
|---|---|---|
| 1 | スラグとキャスタブルの界面 | ゲーレナイト、鉄に富む相、メリライト |
| 2 | 表面近傍マトリックス（0～5 mm） | ゲーレナイト、ムライト、アノーサイト |
| 3 | 中間領域（5～15 mm） | ムライト、コランダム、ゲーレナイト |
| 4 | コアマトリックス（15～30 mm） | ムライト、コランダム、微量の石英 |
| 5 | 粗骨材 | ムライト、コランダム |
| 6 | 冷面側裏張り | ムライト、セメント脱水相 |
スラグ面からの距離別SEM-EDS
付着スラグからキャスタブル内部に向けて測定した。スラグ面を0 mmとする。
表6. 使用済みキャスタブルのスラグ面から内側へのEDS分析、wt%
| 距離 | Al₂O₃ | SiO₂ | CaO | Fe₂O₃ | MgO |
|---|---|---|---|---|---|
| 0 mm（スラグ表面） | 18.4 | 31.2 | 38.1 | 6.2 | 6.1 |
| 2 mm（反応層） | 36.5 | 35.8 | 19.4 | 4.5 | 3.8 |
| 5 mm（浸透領域） | 45.2 | 39.1 | 8.6 | 3.9 | 1.2 |
| 15 mm（未変質領域） | 49.4 | 42.0 | 3.8 | 2.1 | 0.6 |
羽口ストック用キャスタブルの損耗機構
900～1200 °Cの温度域が弱点となる理由
特性、XRDおよびSEMの結果から、著者らはこの材料をアルミナセメントで結合したムライト質キャスタブルと特定している。
110～1200 °Cでは、セメント水和物の結合は分解していますが、セラミック焼結はほとんど始まっていません。構造は最も緩く、最も弱い状態です。この温度域は、羽口ストックライニングの使用温度と一致します。
使用中の損傷プロセス
- ライニングは強度が低下し、使用温度域で気孔率が上昇します。
- スラグ中のCaとFeが開気孔構造に侵入します。
- これらはマトリックス中のAl₂O₃やSiO₂と反応し、ゲーレナイト、MgSiO₃などの低融点化合物を形成します。
- 未反応でムライト化が不十分な材料は、状況をさらに悪化させます。
- 強度が低下したライニングは、ガスの流速と温度によって摩耗します。
改善方法：3つの対策
1. 原料の品質を高める
原料の不純物、特にアルカリ金属を減らします。これらはアルミン酸カルシウムセメントの結合を損ないます。
2. アンダルサイトまたはカイヤナイトを添加する
これらの材料はムライト化時に膨張し、収縮と中温強度の低下を補います。その結果、微膨張性キャスタブルが得られます。
3. 焼結助剤を添加する
例として、軟質粘土を3～6 wt%添加します。するとキャスタブルはより低温で焼結し、構造の急激な変化を防ぐ、または緩和するとともに、中温強度を高めます。
羽口ストック用キャスタブルのTDSに記載する項目
表7. 羽口ストック用キャスタブルの購入時に指定する推奨パラメーター
| パラメーター | 試験条件 | 目標値 |
|---|---|---|
| Al₂O₃含有量 | XRF／湿式化学分析 | ≥ 50.0% |
| Fe₂O₃含有量 | XRF／湿式化学分析 | ≤ 1.2% |
| 冷間圧縮強度 | 110 °C × 24 h | ≥ 30.0 MPa |
| 冷間圧縮強度（中温） | 1200 °C × 3 h | ≥ 18.0 MPa（低下率 ≤ 40%） |
| 永久線変化率 | 1200 °C × 3 h | 0.0～+0.4%（微膨張） |
| 耐スラグ性指数 | るつぼ試験、1500 °C × 3 h | 侵食深さ ≤ 3.0 mm |
購入者向けチェックリストと見積依頼データ
サプライヤーに確認する項目
- 110 °Cおよび1200 °C処理後の冷間圧縮強度
- 1200 °Cでの永久線変化率
- 骨材の供給元（焼結ムライト、電融ムライト、アンダルサイト）
- 結合材の種類とCaO含有量
推奨のためにお送りいただく情報
推奨をご希望の場合は、以下をsales@ykchanshine.com宛てに送信するか、お問い合わせページをご利用ください：
- 高炉容積、送風温度、酸素富化率
- 羽口ストックの図面とライニング厚さ
- 現在のキャスタブルのデータシートと損傷写真
- 月間の吹き出し回数
- 年間目標数量と港
結論
- 1100～1200 °Cでの強度低下が、羽口ストック用キャスタブルの損傷の根本原因です。
- 高炉スラグがこの緩い組織に浸透し、低融点のゲーレナイトを生成します。
- 微膨張添加剤（紅柱石／藍晶石）と焼結助剤が、強度低下を効果的に解消します。
よくある質問（FAQ）：高炉羽口ストック用キャスタブル
高炉の羽口ストックとは何ですか？
熱風を環状送風本管から羽口冷却装置へ運ぶのが吹込み管です。薄い鋼製本体と薄い耐火物内張りで構成されています。
羽口ストックが赤熱したり、溶損したりするのはなぜですか？
報告されている原因には、接触面からの熱風漏れ、キャスタブルの品質不良、石炭ランスの激しい摩耗、炉壁からの材料の脱落があります。ブローダウンを繰り返すことも、前面の水冷スリーブ付近の内張りに亀裂を生じさせるおそれがあります。
セメント結合キャスタブルは、なぜ1100～1200 °Cで強度が低下するのですか？
この温度域では水和物結合が失われ、セラミック結合はまだ形成されていません。組織が緩み、収縮するため、強度が低下します。羽口ストックはこの温度域で使用されます。
羽口ストック用キャスタブルにおいて、紅柱石や藍晶石にはどのような役割がありますか？
これらの鉱物はムライトに変化する際に膨張します。この膨張がセメント結合による収縮を相殺し、微膨張キャスタブルを実現します。
焼結助剤として軟質粘土をどのくらい添加しますか？
この研究では3～6 wt%が推奨されています。より低温でキャスタブルの焼結を促し、中温強度を高めます。
使用済みキャスタブルでFe₂O₃が増えるのはなぜですか？
著者らは、鉄スラグが試料に混入した可能性を指摘しています。スラグ面のEDS分析点のひとつでFeが37.57%検出されており、これを裏付けています。
110 °Cでの強度以外に、何を確認すべきですか？
中温強度、1200 °Cでの強度と気孔率、アルカリ含有量、結合剤システム、スラグ試験結果。
高炉の操業パラメーターと羽口の図面をお送りください
熱風による赤熱、溶損、または吹込み管内張りの亀裂でお困りですか？熱風温度、酸素富化率、羽口ストックの図面、現在使用しているキャスタブルのTDSをお送りください。当社の耐火物エンジニアリングチームが、用途に合わせた微膨張キャスタブル配合と技術提案を24～48時間以内にご提供します。