EAF用MgO-Cれんが：損耗メカニズムと酸化防止剤の設計

1. 本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、電気アーク炉のホットスポット用に開発され、その後、1970年代後半になって転炉にも使われるようになりました。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、調達チームと技術チームの間で、今も最も議論の多い材料でもあります。黒鉛含有量の多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。隣接する炉で同じブランドのれんがの寿命が2倍も違ったのはなぜか。

当社は耐火物を製造しているため、独自の見解があります。また、公表済みの研究に基づく記述と、当社独自の見解を区別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明記し、数値を捏造することはありません。

本書では、以下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のある箇所
• 炉の各ゾーンに合わせたれんがの設計方法
• 使用済みれんがの見方と、サプライヤーに送る情報
• トン当たりコストの算出方法と、明快な回答付きの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っています。

• マグネシア粒はスラグと熱に強く、れんがの大部分を占めます。
• 黒鉛はスラグに濡れにくく、熱伝導性に優れ、熱膨張が小さいため、スラグの侵入を防ぎ、加熱と冷却を繰り返してもれんがが長持ちします。
• 炭素結合剤（通常は樹脂）がれんがを固め、最初の加熱後に炭素のネットワークを残します。

問題は、黒鉛が燃えることです。この論文のほかの内容はすべて、そこから導かれます。

文献に記載されている範囲

これらは公表されているレビューに基づく一般的な数値であり、特定の炉向けの仕様ではありません。実際の数値は、サプライヤーのデータシートと自炉の情報を確認してください。

溶融マグネシアと焼結マグネシア、どちらを選ぶ？

公表されている参考表の1つでは、海水溶融マグネシア（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、傾向は示されています。溶融結晶粒は純度と密度が高い傾向にあるため、スラグが侵入する経路が少なくなります。結晶粒中の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。

当社の考えでは、結晶粒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れんがが損耗する4つの仕組み

1. スラグがマグネシアを溶かす

スラグは2つの方法でマグネシアを侵食します。シリカと石灰が結晶粒の境界に入り込み、粒を緩めます。酸化鉄（FeO）はマグネシア結晶粒そのものに拡散し、純粋なマグネシアより融点の低いマグネシア-酸化鉄固溶体を形成します。

1,600 °CでFeOを25%含むスラグを用いた実験では、塩基度0.5で最も深刻な損耗が見られ、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、炉の操業条件やスラグの化学組成も、れんがと同じくらい重要です。塩基性でMgO飽和のスラグには良好なれんがでも、スラグが酸性になると大きく損耗することがあります。

2. 酸化鉄が内部から炭素を燃やす

スラグがれんがに入り込むと、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。れんがは多孔質になって強度が低下し、さらにスラグが入り込んで損耗が加速します。公表されているレビューでは、この反応がれんがの構造的な脆化の原因として挙げられています。

3. 空気とCO2は、スラグに覆われていない部分の炭素を燃やす

EAFの壁の高温面が常にスラグに覆われているとは限りません。れんがが炉内の空気やCO2にさらされる箇所では、炭素が直接燃焼します。公開されている研究によると、約1,400 °C未満では直接酸化が、それを超える温度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箇所でも、下部側壁や露出することの多い部分には耐酸化性が必要です。

4. れんが自体が侵食される

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(gas) + CO(gas) 標準条件では、約1,850 °Cで反応が始まります。実際のれんがでは、ガスが気孔から抜けるため、はるかに低い温度でも反応が進むことがあります。れんがの内部から材料が失われ、脆く多孔質な組織になります。公開されている試験では、非常に細かく粉砕したマグネシア（0.1 mm以下）を使うと、この種の損傷が減少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つの要因に加えて、EAFのれんがは繰り返し加熱・冷却され、スクラップの衝撃を受け、流動す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。公開されている転炉の研究では、1,500 °Cを超える加熱と500 °Cを下回る冷却を繰り返すことで、実際のれんがの損傷を実験室で再現できることが示されています。れんがの高温強度が高いほど、流動する溶鋼による摩耗は減少します。

互いに影響し合う仕組み

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。炭素が失われると気孔が開きます。気孔が開くとスラグが侵入します。スラグによってFeOがさらに増えます。FeOが増えると、炭素がさらに消耗します。この節からひとつだけ覚えておくなら、次の点です。れんがは通常、単一の原因ではなく、連鎖的な作用によって損傷します。最も弱い部分でこの連鎖を断てば、れんが全体の寿命が延びます。

4. 炉内でれんがが損傷する箇所

多くの炉では、上部壁に水冷パネルを使用するため、れんがが主に使われるのは下部シェル、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（詳しくは、EAF耐火物ライニングソリューションをご覧ください）。

正確な摩耗の順序は、炉の設計、電力入力、スラグ管理、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ていません。条件を示さずに数値を提示する人がいたら、慎重に受け止めてください。

5. 酸化防止剤の働きと、できないこと

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、品質の低いれんがを良品に変えるものではありません。

アルミニウム

アルミニウムは一酸化炭素および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相が生成し、その後、約850 °Cを超えると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アルミン酸マグネシウムスピネル（MgAl2O4）を形成し、マグネシアと炭素の両方になじみます。全体として、気孔を満たして酸素の侵入を遅らせます。

注意点（当社の操業上の留意事項）：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、れんがを乾燥した状態に保ってください。

ケイ素

ケイ素は炭素と反応して炭化ケイ素を形成します（Si + C → SiC）。新たに生成したSiCが気孔を満たし、黒鉛を保護します。多くの場合、アルミニウムと併用されます。公表されたレビューによれば、アルミニウムとケイ素は効果が高く、低コストであることから、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）

粉末添加したSiCは、2つの働きをします。それ自体が酸化に強く、気孔も満たします。公表された転炉の操業事例では、気相酸化が問題となるスロート部とコーン部にSiCを添加しています。同じ考え方は、スラグに覆われ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体のMgO-B2O3相を形成します。公表されたレビューによれば、この液相は中温域で気孔を満たし、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、当社の見解です）：炉内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検討し、サプライヤーに高温強度データを確認す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を防ぐことはできません。そのためには、高純度で緻密な粒子と適切なスラグ操業が必要です。
• 不適切な昇温を防ぐことはできません。湿ったれんがや急加熱されたれんがは、何が含まれていてもひび割れます。
• 添加量が多ければよいとは限りません。早く反応しすぎたり、弱い相を残したりする酸化防止剤は、高温強度を損なうことがあります。添加剤ひとつより、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れんがに唯一の最適解はありません。炉の各ゾーンに最適なれんがは、スラグ、スクラップ、操業条件によって決まります。

「中程度」と「高め」は、自社で扱うれんがの範囲内での相対的な水準を指します。適切な値は炉や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. 黒鉛量を増やすと熱衝撃のリスクは下がりますが、酸化による消耗も増えます。炭素量を増やすなら、その分、保護を強化する必要があります。
2. 高純度マグネシアは高価ですが、高温部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。損耗の主因がスラグによる侵食だからです。側壁では、コスト削減の効果が見合わない場合があります。
3. 金属系酸化防止剤はれんがを強化しますが、コストや取り扱い上の負担が増えることがあります。効果がある箇所に使用し、全体には使用しないでください。

カスタム設計に必要な情報

これらの情報が多いほど、初回設計の精度が高まります。

• 炉の種類、容量、電力、出鋼から次の出鋼までの時間；
• 炉内張り図と箇所別のれんが厚さ；
• スクラップの配合、および直接還元鉄または溶銑の使用有無；
• スラグ処理（塩基度、MgO添加、発泡、FeO範囲）；
• 使用中のれんが、ヒート数で表した寿命、損傷状況（箇所別）；
• 使用済みれんがと稼働中の炉の写真。

7. 使用済みれんがを読み解く：4ステップ分析

使用済みれんがは、無料の検査報告書です。読み解き方をご紹介します。

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影します。炉内の位置、箇所、ヒート数を記録します。

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。スラグ付着層、緻密層、脱炭層、未変質コア。

ステップ4. 判定する

試験から得られる情報

まずは簡単な器具から始める

写真、定規、光学顕微鏡から多くの情報が得られます。未使用れんがのかさ密度と見掛け気孔率は、標準試験で測定できます。

必要に応じて分析機器を追加する

元素分析機能付き走査型電子顕微鏡（SEM/EDS）では、各元素がどの相に存在するかがわかります。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。

れんが1個だけで判断しない

れんが1個だけでは誤った判断につながることがあります。同じロットの未使用れんがと、同じ使用帯の別の使用済みれんが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れんがは、トン当たりコストが高くなることがあります。

説明用の架空の数値を使った例：

この架空の事例では、価格の高いれんがのほうが有利です。自社の記録から、予定外の停止1回あたりのコストと、その使用帯で追加補修があれば、その費用も加えてください。予定外の停止は、れんがの費用を上回る損失につながることがあります。

9. 注文前に確認する6つの項目

10. YK ChanshineのEAFチームとの取り組み

当社は、マグネシア・カーボンれんがをはじめとする耐火物を、自社の製造施設で製造し、製鉄所に提供しています。EAFプロジェクトの進め方はシンプルです。

1. 炉のデータ、スラグの操業条件、使用済みれんがの写真をお送りください。
2. ゾーンごとに、摩耗パターンをお客様と一緒に確認します。
3. ゾーンごとにれんがの設計をご提案し、変更内容とその理由をご説明します。
4. 保管、施工、昇温に関する注意事項を書面でお渡しします。
5. 試験後、使用済みれんがの状態を一緒に確認し、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事実は、以下の資料に基づいています。当社独自の判断は本文中にその旨を記しています。

• 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、日本製鉄技術報告第125号、2020年
• 金属酸化防止剤を含むMgO-C耐火物の反応化学と微細構造の発達、Guha and 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、南アフリカ鉱業冶金学会誌、2011年