Jack Xing著、YK Chanshine 技術営業部長 · 高炉用耐火物 ·
高炉の操業では、熱風温度と圧力を高め、酸素富化と微粉炭吹き込み量を増やしている。熱風送風システムのあらゆる部分にかかる負荷が増し、その影響を最も受けるのが羽口ストックだ。羽口ストックが赤熱したり溶損したりすると、高炉を休風するか、送風を絞って操業しなければならない。
この記事では、中国の高炉で使用された羽口ストック用キャスタブルの詳細な損傷解析を紹介する。中温域での強度低下がスラグ侵食を招くメカニズムを追究し、XRDとSEMで損傷を再現。さらに、キャスタブルの購入仕様書に盛り込むべき項目をまとめている。
損傷解析の主な知見：
- この材料は、アルミナセメントで結合したAl₂O₃-SiO₂系キャスタブルだ。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する。
- 高炉スラグは、この脆弱化した組織を侵食する。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を形成する。
- ムライト化されていない原料、遊離石英、鉄滓由来のFe₂O₃によって損傷が悪化する。
- 改善策は3つ：より高純度の原料を使うこと、収縮を補うためにアンダルサイト／藍晶石を添加すること、焼結温度を下げるために軟質粘土を3～6重量％添加すること。
羽口ストックのキャスタブルが損傷する理由
操業条件
高温熱風、高圧送風、酸素富化、そして多量の微粉炭吹き込みにより、送風設備にかかる負荷は大きくなる。送風部品の亀裂、崩落、溶損が発生する可能性も高まる。最も厳しい環境にさらされるのは羽口ストックだ。羽口冷却器を設置するためのスペースが限られているため、管本体は細く、耐火物層も薄い一方、使用条件は過酷だ。
赤熱と溶損の原因として報告されているもの
研究で挙げられている主な原因は次のとおりです。
- フランジ接続部の隙間：接触面から熱風が漏れ、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、または耐スラグ性が低い
- 微粉炭ランスの摩耗：高いガス速度と石炭による摩耗で内張りが薄くなる
- 炉壁材の崩落：装入物が送風管に落下し、機械的な損傷を与える
報告された事例は2件
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因と結論づけられた。製鉄所はキャスタブルの品質を高め、羽口ストックの製造方法を改善した。赤熱と焼損は止まり、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って、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、酸素富化された熱風が前部を焼き抜いた。製鉄所は品質確認と羽口ストックの使用状況把握のため、キャスタブルを分析した。
羽口ストック用キャスタブルの性能分析
サンプリング
破損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のサンプル写真を表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、使用中に主成分の酸化物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、著者らは鉄スラグの混入によるものと推測している。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一致しており、これは著者らが後に結合材を特定した結果とも合致する。
新品キャスタブルの物理的性質
表2. 2社の新品キャスタブルの常温圧縮強度
| メーカー | 熱処理 | 常温圧縮強度（MPa） |
|---|---|---|
| A社（首鋼） | 110 °C × 24 h | 18.5 |
| A社（首鋼） | 1200 °C × 3 h | 9.80 |
| B社（柳鋼） | 110 °C × 24 h | 30.0 |
A社のキャスタブルは、B社のものよりかさ密度が低く、常温強度も低かった。1200 °C × 3 hの処理後、A社の常温強度は18.5 MPaから9.80 MPaに低下し、約47%の減少となった。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、組織がより緻密でなくなった。
ガス流速と温度が高い環境では、強度の低いライニングは摩耗が速く、剥落することがある。
新しいキャスタブルの耐スラグ性
著者らは、高温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。
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 |
スラグ試験済みサンプルのXRD
サンプル1の4か所（スラグ、白色骨材粒子、黄色のマトリックス、黒色のマトリックス）をXRDで分析した。
表4. 位置別に見たサンプル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、灰長石、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におけるSEM像
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。スラグ由来のCaとMgがキャスタブル内部へ移動していた。これらはマトリックス中のAl₂O₃およびSiO₂と反応し、ゲーレナイト（Ca₂Al₂SiO₇）とMgSiO₃を形成する。これが侵食である。スラグ試験についての著者らの総合的な見解は、耐スラグ性が低く、高炉スラグによる侵食を受けやすいというものだ。
使用済みキャスタブル：XRDとSEM
6か所の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 | 表面近傍のマトリックス（0～5 mm） | ゲーレナイト、ムライト、灰長石 |
| 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 | 粗粒骨材 | ムライト、コランダム |
| 6 | 低温面の裏打ち材 | 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スポットをスキャンした。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、重量%
| 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 |
羽口ストックキャスタブルの摩耗メカニズム
900～1200 °Cの範囲が弱点となる理由
特性、XRD、SEMの結果から、著者らはこの材料をアルミン酸カルシウムセメントで結合したムライト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が分解している一方、セラミックの焼結はほとんど始まっていません。組織が最も緩く、強度も最も低い状態です。この温度域は、羽口台ライニングの使用温度と一致します。
使用中の損傷過程
- ライニングは使用温度域で強度が低下し、気孔率が上昇します。
- スラグ中のCaとFeが開放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生成します。
- 未焼成でムライト化が不十分な原料は、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。
対処法：3つの対策
1. 原料の品質を高める
カルシウムアルミネートセメントの結合を損なう不純物、特にアルカリ金属を減らします。
2. アンダルサイトまたはカイヤナイトを添加する
ムライト化に伴って膨張し、収縮と中温強度の低下を相殺します。その結果、微膨張性の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。これによりキャスタブルはより低温で焼結し、組織の急激な変化を防ぐ、または緩和し、中温強度を高めます。
羽口台用キャスタブルのTDSに記載すべき項目
表7. 羽口台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 | 蛍光X線分析／湿式化学分析 | ≥ 50.0% |
| Fe₂O₃含有量 | 蛍光X線分析／湿式化学分析 | ≤ 1.2% |
| 冷間圧縮強度 | 110 °C × 24 h | ≥ 30.0 MPa |
| 中温時の冷間圧縮強度 | 1200 °C × 3 h | ≥ 18.0 MPa（低下率 ≤ 40%） |
| 永久線変化 | 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
サプライヤーに依頼する情報
- 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
- 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に送付するか、お問い合わせページをご利用ください：
- 高炉の容積、送風温度、酸素富化率
- 羽口台の図面とライニング厚さ
- 現在使用中のキャスタブルのデータシートと損傷写真
- 月間のブローダウン回数
- 年間の目標使用量と港
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形成します。
- 微膨張添加剤（アンダルサイト／カイヤナイト）と焼結助剤が、強度低下域を効果的に解消します。
よくある質問（FAQ）：高炉の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？
ブローパイプは、熱風を環状管から羽口冷却器まで送る部材です。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、炉壁からの材料剥落です。吹き下ろしを繰り返すと、前部水冷スリーブ付近の内張りにもひびが入ることがあります。
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？
その温度では水和物結合は失われていますが、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、アンダルサイトやカイヤナイトはどのような役割を果たしますか？
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補い、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%が示されています。キャスタブルの低温焼結を促し、中温域の強度を高めます。
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、試料に鉄スラグが混入したと推測しています。スラグ面のEDS分析スポット1か所でFeが37.57%検出されており、この推測を裏付けています。
110 °Cでの強度以外に、何を確認すべきですか？
中温域の強度、1200 °C処理後の強度と気孔率、アルカリ含有量、結合系、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、またはブローパイプ内張りのひび割れでお困りですか？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、24～48時間以内にお客様に合わせた微膨張キャスタブルの配合と技術提案をご提供します。