EAF用MgO-Cれんが：損耗メカニズムと酸化防止剤の設計

1. このホワイトペーパーの目的

マグネシアカーボンれんがは、当初、電気アーク炉の高温部向けに開発され、転炉に導入されたのは1970年代後半になってからです。そのため、この材料が最も長く使われてきたのはEAFです。また、購入担当者と技術者の間で今なお最も議論が多いのもEAFです。黒鉛含有量の高いれんがのほうが優れているのか。炭化ホウ素は価格に見合うのか。隣の炉では同じブランドのれんがが2倍長持ちしたのに、なぜこちらではそうならなかったのか。

当社は耐火物を製造しており、独自の見解もあります。また、どの記述が公表済みの研究に基づくものか、どれが当社独自の解釈なのかを明記するよう努めています。確かな数値がない場合はその旨を示し、数値を捏造することはありません。

この論文では、次の内容を取り上げます。

• EAF用MgO-Cれんがが摩耗する4つの仕組みを平易に解説
• 各酸化防止剤の働きと、問題を引き起こす可能性がある箇所
• 炉の各ゾーンに合わせたれんがの調整方法
• 使用済みれんがの見方と、サプライヤーへの提出資料
• トン当たりコストの計算方法と、直接回答する18の質問。

2. EAF用マグネシアカーボンれんがの構造

3つの役割、3つの材料

MgO-Cれんがは複数の材料で構成され、それぞれが役割を担います。

• マグネシア粒子はスラグと熱に耐え、れんがの大部分を占めます。
• 黒鉛はスラグに濡れず、熱伝導性に優れ、膨張も小さいため、スラグの侵入を防ぎ、加熱と冷却に耐えられるようれんがを支えます。
• 炭素結合材（通常は樹脂）がれんがを結合し、初回の加熱後に炭素ネットワークを残します。

問題は黒鉛が燃焼することです。この論文のほかの内容は、すべてそこから導かれます。

文献に記載された範囲

これらは公表されたレビューに基づく一般的な数値であり、特定の炉に対する仕様ではありません。自炉の数値は、サプライヤーのデータシートと自炉の実績から得る必要があります。

電融マグネシアと焼結マグネシア、どちらを選ぶべきか？

公表された参考表の1つでは、電融海水マグネシア（MgO 99.07%、見掛け気孔率2.6%）と天然焼結マグネシア（MgO 95.46%、見掛け気孔率8%）を比較しています。これは単一の例であり、一般則ではありません。しかし、方向性は示しています。電融粒子は純度と密度が高い傾向にあり、そのためスラグが内部に入り込む経路が少なくなります。粒子中のSiO2やCaOなどの不純物が重要なのは、酸化鉄とともに低融点相を形成するためです。

当社の見解では、粒子の選択は使用ゾーンに合わせるべきです。この点については、ゾーン別の表で改めて説明します。

3. EAF用MgO-Cレンガが損耗する4つの仕組み

1. スラグがマグネシアを溶解する

スラグは2つの方法でマグネシアを侵食します。シリカと石灰が粒子間の境界に入り込み、粒子を緩ませます。酸化鉄（FeO）はマグネシア粒子自体に拡散してマグネシア-酸化鉄固溶体を形成し、これは純粋なマグネシアより低い温度で溶融します。

1,600 °C、FeO 25%のスラグを用いた実験室研究では、塩基度0.5で最も激しい損耗が見られ、約2.0以上では損耗がほとんどありませんでした。したがって、炉の操業条件とスラグの化学組成は、レンガと同じくらい重要です。塩基性でMgO飽和のスラグに適したレンガでも、スラグが酸性に変わると、深刻な損耗を受けることがあります。

2. 酸化鉄が内部から炭素を燃焼させる

スラグがレンガに入り込むと、酸化鉄が黒鉛と反応し、FeO + C → Fe + COによって炭素が失われます。レンガは多孔質でもろくなり、さらにスラグが入り込んで、損耗が加速します。公表されたレビューでは、この反応がレンガの構造的な脆化の原因として挙げられています。

3. スラグに覆われない部分では、空気とCO2が炭素を燃焼させる

EAF炉壁の高温面が常にスラグで覆われているとは限りません。レンガが炉内の空気やCO2にさらされると、炭素が直接燃焼します。公表された研究によると、約1,400 °C未満では直接酸化が、それ以上ではマグネシアやスラグによる間接酸化が起こります。そのため、スラグによる侵食が軽微な場所でも、下部側壁や露出することが多い部分には耐酸化性が必要です。

4. レンガ自体が炭素を消耗させる

高温では、マグネシアと炭素が反応することがあります：MgO + C → Mg（気体）+ CO（気体）。標準条件では、反応は約1,850 °Cで始まります。実際のれんがでは、ガスが細孔を通って逃げるため、はるかに低い温度でも反応が進むことがあります。れんがは内部から材料を失い、脆く多孔質な組織になります。公表済みの試験では、マグネシアを非常に細かく粉砕（0.1 mm以下）すると、この種の損傷が軽減することも報告されています。

熱サイクルと機械的摩耗

この4つに加え、EAFのれんがは何度も加熱・冷却され、スクラップの衝撃を受け、流れる溶鋼に洗われます。加熱サイクルによって、時間とともに組織が緩みます。公表済みの転炉研究では、1,500 °Cを超える加熱と500 °C未満への冷却を繰り返すことで、実際のれんが損傷を実験室で再現できることが示されています。流れる溶鋼による摩耗は、れんがの高温強度が高いほど小さくなります。

相互に影響し合う理由

4つのメカニズムが単独で作用することはほとんどありません。炭素が失われると細孔が開きます。開いた細孔からスラグが入り込みます。スラグはさらにFeOを運び込みます。FeOが増えると、より多くの炭素が燃焼します。この節から一つだけ覚えておくなら、これです。れんがは通常、単一の原因ではなく、悪循環によって損傷します。最も弱い箇所で悪循環を断てば、れんが全体が長持ちします。

4. 炉内でれんがが損傷する場所

多くの炉では上部壁に水冷パネルが使われているため、れんがが主に使われるのは下部炉殻、スラグライン、ホットスポットです。配置は炉によって異なるため、ご使用の炉を確認してください。

摩耗の正確な順序は、炉の設計、投入電力、スラグの管理方法、スクラップの配合によって異なります。一般的な寿命の数値は提示しません。条件を示さずに数値を提示された場合は、慎重に受け止めてください。

5. 酸化防止剤の働きと限界

酸化防止剤とは、黒鉛よりも酸素と反応しやすい材料、または酸素がれんが内部へ侵入する経路を塞ぐ材料です。炭素を保護しますが、品質の悪いれんがを良質なものに変えるわけではありません。

アルミニウム

アルミニウムは一酸化炭素やれんが中の炭素と反応します。アルゴン雰囲気で行われた公表済みの実験室研究では、低温でアルミニウムとマグネシウムを含む液体が生成し、その後、約850 °Cで薄い板状の炭化アルミニウムが生成しました。1,000 °Cを超えると、炭化アルミニウムはマグネシアと反応してマグネシウムアルミネートスピネル（MgAl2O4）を生成します。これはマグネシアと炭素のどちらとも相性が良好です。全体として、細孔を埋めて酸素の侵入を遅らせます。

注意点（当社の操業上の注意）：炭化アルミニウムは水分と反応することがあります。保管中および輸送中は、れんがを乾燥状態に保ってください。

シリコン

シリコンは炭素と反応して炭化ケイ素を生成します（Si + C → SiC）。新たに生成したSiCが細孔を埋め、黒鉛を保護します。シリコンはアルミニウムと組み合わせて使用されることがよくあります。公表されているレビューによると、アルミニウムとシリコンは効果が高く、低コストであるため、最もよく使われる酸化防止剤です。

炭化ケイ素（SiCとして添加）

粉末として添加されたSiCには、2つの働きがあります。それ自体が酸化に耐え、細孔も埋めます。公表されている転炉の操業事例では、気相酸化が問題となる炉口やコーンにSiCを添加しています。同じ考え方は、スラグに覆われていないことが多い炉壁にも当てはまります。

炭化ホウ素

炭化ホウ素は一酸化炭素と反応して液体の酸化ホウ素を生成し、これがマグネシアと結合して液相のMgO-B2O3を形成します。公表されているレビューによると、この液相は中温域で細孔を満たし、空気の侵入を抑えます。これが炭化ホウ素の強みです。

注意点（公表データではなく、当社の見解）：炉面が非常に高温になると、液相によってれんがが軟化することがあります。最も高温になるゾーンで炭化ホウ素を使用する前に、慎重に確認し、サプライヤーに高温強度データを求めることをお勧めします。

酸化防止剤でできないこと

• スラグによるマグネシアの溶解は防げません。それには、高純度で緻密な粒子と、適切なスラグ管理が必要です。
• 適切でない昇温を補うことはできません。れんがが濡れていたり、急速に加熱されたりすれば、どのような成分が含まれていても割れます。
• 添加量を増やせばよいとは限りません。反応が早すぎたり、弱い相を残したりする酸化防止剤は、高温強度を損なうおそれがあります。個々の添加剤より、全体の設計が重要です。

6. ゾーンに合わせたれんがの設計

EAFれんがに、すべての条件で最適なものはありません。炉の各ゾーンに最適なれんがは、スラグ、スクラップ、操業方法に合わせて作られます。

「中程度」と「高め」は、使用するれんがの範囲内での相対的な水準です。適切な数値は炉とサプライヤーの配合によって異なるため、固定の割合は示していません。

知っておきたい3つのトレードオフ

1. グラファイト量を増やすと熱衝撃のリスクは下がりますが、酸化によって燃焼する炭素も増えます。炭素を増やすなら、量を増やすだけでなく、より優れた保護が必要です。
2. 高純度のマグネシアは高価ですが、スラグ侵食による損耗が進むホットスポットやスラグラインでは、費用に見合う効果が得られることがよくあります。側壁では、コスト削減が割に合わない場合があります。
3. 金属系酸化防止剤はれんがの強度を高めますが、コストや取り扱い上の配慮が増える場合があります。有効な箇所で使用し、どこにでも使うのは避けましょう。

特注設計に必要な情報

これらの情報を多くお送りいただくほど、初回の設計精度が高まります：

• 炉の種類、容量、電力、出鋼から次の出鋼までの時間；
• 炉のライニング図面と使用箇所別のれんが厚さ；
• スクラップ配合、および直接還元鉄または溶銑の使用有無；
• スラグ操業（塩基度、MgO添加量、泡立ち、FeO範囲）；
• 現在のれんが、溶解回数、損傷の仕方（使用箇所別）；
• 使用済みれんがと稼働中の炉の写真。

7. 使用済みれんがの読み取り：4ステップ分析

使用済みれんがは無料の試験レポートです。読み取り方をご紹介します。

ステップ1. まず高温面を撮影する

れんがを切断したり清掃したりする前に写真を撮ります。使用箇所、位置、溶解回数を記録します。

ステップ2. 厚さ方向に切断する

高温面から低温面まで切断し、切断面を確認します。

ステップ3. 各層を測定する

高温面から各層の厚さをミリメートル単位で記録します：スラグ被覆層、緻密層、脱炭層、未影響の芯部。

ステップ4. 判定する

試験でわかること

まずは簡単なツールから

写真、定規、光学顕微鏡から多くの情報が得られます。未使用レンガのかさ密度と見掛け気孔率は、標準的な試験で測定します。

必要に応じて分析機器を追加します

元素分析機能付き走査型電子顕微鏡（SEM/EDS）を使うと、どの相にどの元素が含まれているかが分かります。X線回折（XRD）では、スピネルや炭化ケイ素などの結晶相を特定できます。

レンガ1個だけを過度に重視しない

レンガ1個だけでは誤解を招くことがあります。同じバッチの未使用レンガと、同じゾーンで使った別のレンガと比較してください。

8. 鋼材1トン当たりのコストを計算する

価格が安くても、使用できるヒート数が少ないレンガは、1トン当たりのコストが高くなる場合があります。

説明用の架空の数値を使った例：

この架空のケースでは、価格の高いレンガのほうが優れています。自社の記録から、さらに2項目を加えてください。計画外停止1回のコストと、そのゾーンの追加補修費です。計画外停止のコストは、レンガ代を上回ることがあります。

9. 注文前に確認すべき6つのポイント

10. YK ChanshineのEAFチームとの連携方法

製鉄所向けにマグネシアカーボンレンガやその他の耐火物を製造しています。EAFプロジェクトの進め方はシンプルです。

1. 炉のデータ、スラグの運用方法、使用済みレンガの写真をお送りください。
2. ゾーンごとに、摩耗の状態を一緒に確認します。
3. ゾーンごとにレンガの設計を提案し、変更点とその理由をお伝えします。
4. 保管、施工、昇温に関する注意事項を書面にまとめます。
5. 試験後、使用済みレンガを一緒に確認し、調整します。

11. よくある質問（FAQ）

12. 参考資料

本稿に記載した公表済みの情報は、以下の資料に基づいています。当社独自の判断には、その旨を明記しています。

• マグネシアカーボン耐火物、Ispatguru
• 転炉用マグネシアカーボン耐火物、新日本製鐵技術報告第125号、2020年
• 金属系酸化防止剤を含むMgO-C耐火物の反応化学と微細構造の発達、Guha、Smith、2006年
• 吹錬段階におけるスラグ塩基度と組成がConArc用マグネシアカーボン耐火物に及ぼす影響、A. Muller、南アフリカ鉱山冶金学会誌、2011年