JP7522992B2 - Carbon-containing unburned brick refractory and method for producing carbon-containing unburned brick refractory - Google Patents
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Description
本発明は、製鉄用精錬設備等の高温プロセスで内張りとして用いられるカーボン含有不焼成れんが耐火物及びカーボン含有不焼成れんが耐火物の製造方法に関する。 The present invention relates to a carbon-containing unburned brick refractory material used as an inner lining in high-temperature processes such as iron-making refining equipment, and a method for producing the carbon-containing unburned brick refractory material.
従来、カーボンを含有するれんが耐火物として代表的な耐火物には、例えばMgO-Cれんが、Al2O3-Cれんが、Al2O3-SiC-Cれんが等がある。特にMgO-Cれんがは、製鋼スラグへの耐食性が良好であること、焼成れんがと比較して、比較的良好な耐熱衝撃性を備えること等の特徴を有し、製鋼工程の主要設備における内張り耐火物として主に使用されている。その一方、MgO-Cれんがはカーボンを含有しているため、焼成れんがに比べて熱伝導率が高い。 Conventionally, representative examples of carbon-containing brick refractories include MgO-C bricks, Al 2 O 3 -C bricks, and Al 2 O 3 -SiC-C bricks. In particular, MgO-C bricks have the characteristics of being excellent in corrosion resistance to steelmaking slag and having relatively good thermal shock resistance compared to sintered bricks, and are mainly used as refractory linings in major equipment in the steelmaking process. On the other hand, MgO-C bricks have a higher thermal conductivity than sintered bricks because they contain carbon.
また、地球環境のため、世界的規模でのCO2排出量の削減活動がなされている。製鉄業においても、多量の炭材を使用するため、高炉の還元材比の低減に伴う熱エネルギーの損失の抑制や、熱の有効利用化技術の開発など、CO2削減のための様々な取り組みが重要となっている。耐火物分野においては、熱余裕創出の策として、耐火物の低熱伝導化による炉体からの熱放散の抑止があげられる。特に、MgO-Cれんが等のカーボン含有れんがは、熱伝導率にカーボン濃度依存性が見られるため、低カーボン化は熱エネルギーの損失の抑制に大きく寄与する。また、れんがの低カーボン化は、精錬時におけるカーボンピックアップの抑止など鋼片品質の向上にも寄与する。 Moreover, for the sake of the global environment, CO2 emissions reduction activities are being carried out on a global scale. In the steel industry, since a large amount of carbonaceous materials is used, various efforts to reduce CO2 emissions are important, such as suppressing the loss of thermal energy due to the reduction of the reducing agent ratio in blast furnaces and developing technologies for effective use of heat. In the field of refractories, a measure to create thermal margin is to suppress heat dissipation from the furnace body by reducing the thermal conductivity of refractories. In particular, carbon-containing bricks such as MgO-C bricks have a carbon concentration-dependent thermal conductivity, so reducing the carbon content greatly contributes to suppressing the loss of thermal energy. In addition, reducing the carbon content of bricks also contributes to improving the quality of steel pieces, such as suppressing carbon pickup during refining.
MgO-Cれんが等のカーボン含有れんが耐火物を低カーボン化した場合、課題となるのが耐熱スポーリング性の低下である。特に、製鉄プロセスで使用される耐火物(MgO-Cれんが)のスポーリング破壊は、長期間による繰り返し熱負荷等で耐火物内に発生したクラックが進展することによって起こる。近年、その対策として、耐熱スポーリング性の低下を抑制したカーボンMgO-Cれんがが提案されている。例えば、特許文献1には、カーボン源としてカーボンファイバー(長さ0.13~50mm、径5μm以上)を50%以下の範囲で耐火物中に添加する技術が開示されている。 When carbon-containing refractory bricks such as MgO-C bricks are reduced in carbon content, a problem arises: the deterioration of heat spalling resistance. In particular, spalling destruction of refractories (MgO-C bricks) used in the steelmaking process occurs when cracks that occur in the refractory due to repeated thermal loads over a long period of time propagate. In recent years, as a countermeasure, carbon MgO-C bricks that suppress the deterioration of heat spalling resistance have been proposed. For example, Patent Document 1 discloses a technology in which carbon fiber (length 0.13 to 50 mm, diameter 5 μm or more) is added to the refractory in a range of 50% or less as a carbon source.
また、近年、カーボンブラックや、カーボンナノチューブ(以下、「CNT」と記載することがある。)、カーボンナノファイバー(以下、「CNF」と記載することがある。)、フラーレン、グラフェンなど、数多くのカーボンナノ材料が発見され、それらナノマテリアルの添加により機械特性向上、特に、耐スポーリング性の向上を図った技術も多く使用されている。例えば、特許文献2には、メゾフェーズピッチ+熱硬化性樹脂を耐火物中に添加させて、メゾフェーズピッチ+熱硬化性樹脂の熱分解(1000℃以下)により、カーボンナノファイバー(径:最大500nm、長さ:100μm)を生成させ、耐食性かつ耐熱衝撃性を向上させる技術が開示されている。また、特許文献3には、フラーレン類を5%以下の範囲で耐火物中に添加し、耐スポーリング性の向上を図る技術が開示されている。その原理は、フラーレン類とバインダーであるフェノールレジンとが熱間(熱処理:最大1500℃)で反応し、カーボンナノファイバー(CNF)が生成することに因る。この生成されたCNFが、ブリッジング効果の役割をなすため、耐スポーリング性の向上が達成される。ここで、耐スポーリング性の一種として、耐熱スポーリング性がある。 In recent years, many carbon nanomaterials have been discovered, such as carbon black, carbon nanotubes (hereinafter sometimes referred to as "CNT"), carbon nanofibers (hereinafter sometimes referred to as "CNF"), fullerenes, and graphene, and many technologies have been used to improve mechanical properties, especially spalling resistance, by adding these nanomaterials. For example, Patent Document 2 discloses a technology in which mesophase pitch + thermosetting resin is added to a refractory material, and carbon nanofibers (diameter: maximum 500 nm, length: 100 μm) are generated by thermal decomposition (1000° C. or less) of the mesophase pitch + thermosetting resin, thereby improving corrosion resistance and thermal shock resistance. Patent Document 3 discloses a technology in which fullerenes are added to a refractory material in a range of 5% or less to improve spalling resistance. The principle is that fullerenes react with the binder phenol resin at high temperatures (heat treatment: up to 1500°C), producing carbon nanofibers (CNF). These CNFs act as a bridging effect, improving spalling resistance. One type of spalling resistance is heat spalling resistance.
特許文献4には、有機バインダーと、粒径1000nm以下の微粒子が溶媒中に分散されたコロイド状又は懸濁液状の遷移金属又は遷移金属塩の溶液又は分散液と、耐火物原料とを混練し、600℃~1200℃の温度で熱処理し、炭素繊維状組織と粒子径1000nm以下の遷移金属又は遷移金属塩とを含む微粒子を分散して生成することにより、耐火物の靭性を向上させる技術が開示されている。 Patent Document 4 discloses a technology for improving the toughness of refractories by kneading an organic binder, a colloidal or suspension-like solution or dispersion of transition metals or transition metal salts in which fine particles with a particle size of 1000 nm or less are dispersed in a solvent, and refractory raw materials, and heat treating the mixture at a temperature of 600°C to 1200°C to produce a dispersion of fine particles containing a carbon fiber structure and transition metals or transition metal salts with a particle size of 1000 nm or less.
また、特許文献5には、耐火原料の表面に触媒として、V、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、Pd、Rh、W、Ptからなる群のうち1種または2種以上の金属が被覆された触媒被覆耐火原料と、有機高分子樹脂またはその前駆体とを原料とし、その耐火物を熱処理することによって、組織中にナノカーボンチューブを均一に分散させて、靭性を向上させる技術が開示されている。 Patent Document 5 also discloses a technology that uses a catalyst-coated refractory raw material, in which the surface of the refractory raw material is coated with one or more metals selected from the group consisting of V, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Pd, Rh, W, and Pt as a catalyst, and an organic polymer resin or its precursor as raw materials, and heat-treats the refractory material to uniformly disperse nanocarbon tubes in the structure and improve toughness.
更に、特許文献6には、耐火物原料の表面にCNT、CNFを被覆した耐火原料を用いた耐火物を適用することにより、強度や耐破壊特性に優れた耐火物を提供する技術が開示されている。 Furthermore, Patent Document 6 discloses a technology for providing a refractory material with excellent strength and fracture resistance by applying a refractory material made of a refractory material whose surface is coated with CNT or CNF.
これらの技術は、いずれも耐火物の組織中に繊維状物質を存在させて、繊維状物質によるブリッジング効果により、機械的負荷を原因とした耐火物中に発生する亀裂の進展を防ぐことを狙いとする。なお、上記した従来技術は、カーボン含有率の低い低カーボンれんがのみならず、比較的高いカーボン含有量を有するれんがにも適用でき、耐火物の更なる高強度化、あるいは耐スポーリング性の更なる向上に寄与している。 These technologies all aim to prevent the growth of cracks that occur in the refractory due to mechanical loads by introducing fibrous materials into the structure of the refractory and using the bridging effect of the fibrous materials. The above-mentioned conventional technologies can be applied not only to low-carbon bricks, but also to bricks with a relatively high carbon content, and contribute to further increasing the strength of the refractory or further improving its spalling resistance.
しかしながら、特許文献1のように繊維物質を添加する場合、耐火物の緻密性が損なわれ、逆に耐火物の成形が困難になるおそれがある。また、耐火物の製造コストの増大も招きかねない。特許文献2の場合には、添加する物質が比較的高価なメゾフェーズピッチであり、製造コストの面で問題がある。特許文献3の場合においても、添加する物質が比較的高価なフラーレンであり、耐火物の製造コストの増大も招きかねない。 However, when a fibrous material is added as in Patent Document 1, the denseness of the refractory material is impaired, and it may become difficult to mold the refractory material. This may also lead to an increase in the manufacturing costs of the refractory material. In the case of Patent Document 2, the added material is mesophase pitch, which is relatively expensive, which poses a problem in terms of manufacturing costs. In the case of Patent Document 3, the added material is fullerene, which is relatively expensive, which may also lead to an increase in the manufacturing costs of the refractory material.
また、特許文献4の場合、液状の有機バインダーとともにコロイド状、または液状の物質を新たに添加することになる。この時、混錬物の流動性が過剰に増大し、耐火物の成形が非常に困難になる。これは、バインダー添加量をコロイド状物質、あるいは懸濁液量の制限を結果として生じさせることになり、耐火物の製造に関して大きな制約を受けることになる。さらに、特許文献5及び特許文献6に開示された技術は、両者ともに被覆技術を適用したものである。この被覆技術は、通常CVD等の蒸着法を用いるが、この手法もコストが非常に高くなり、また、大量に被覆することが非常に難しいのが課題である。したがって、これらの技術は必ずしも有効とは言えない。 In addition, in the case of Patent Document 4, a colloidal or liquid substance is newly added along with the liquid organic binder. At this time, the fluidity of the kneaded material increases excessively, making it very difficult to mold the refractory material. This results in a restriction on the amount of colloidal substance or suspension added to the binder, which places great restrictions on the manufacture of refractories. Furthermore, the technologies disclosed in Patent Documents 5 and 6 both apply coating technology. This coating technology usually uses a deposition method such as CVD, but this method also has the problem of being very expensive and very difficult to coat in large quantities. Therefore, these technologies cannot be said to be necessarily effective.
本発明は、かかる事情を鑑みてなされたもので、転炉への施工の後に当該転炉の予熱処理を経ることで、耐火物の耐熱スポーリング性を向上させることができるカーボン含有不焼成れんが耐火物及びカーボン含有不焼成れんが耐火物の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention was made in consideration of the above circumstances, and aims to provide a carbon-containing unburned brick refractory material and a manufacturing method for a carbon-containing unburned brick refractory material that can improve the heat spalling resistance of the refractory material by applying the material to a converter and then preheating the converter.
上記課題を解決する本発明の要旨構成は以下のとおりである。
[1]平均粒子径が1μm以下である遷移金属又は遷移金属を含有する遷移金属化合物を有機系物質からなる液状のバインダーに混合した混合物と、耐火物原料と、黒鉛原料と、を含有するカーボン含有不焼成れんが耐火物。
[2]前記耐火物原料は、Al2O3及びMgOのうち少なくとも1種類の化合物で構成され、前記化合物は、平均粒子径で3mm以上が5~40質量%、1mm以上3mm未満が10~45質量%、0.15mm以上1mm未満が15~30質量%、及び0.15mm未満が5~45質量%の粒度範囲からなる、[1]に記載のカーボン含有不焼成れんが耐火物。
[3]前記バインダーの質量は、前記耐火物原料及び前記黒鉛原料の合計質量に対して外数で2質量%以上5質量%以下である、[1]又は[2]に記載のカーボン含有不焼成れんが耐火物。
[4]前記遷移金属化合物は、Fe又はNiを含有している化合物からなる、[1]~[3]のいずれか1つに記載のカーボン含有不焼成れんが耐火物。
[5]前記Fe又はNiを含有している化合物は、Fe2O3、Fe3O4、FeO、NiCO3、及びNiOのいずれかである、[4]に記載のカーボン含有不焼成れんが耐火物。
[6]前記遷移金属及び前記遷移金属化合物の合計質量は、前記バインダーの質量に対して0.1質量%以上8.0質量%以下である、[1]~[5]のいずれか1つに記載のカーボン含有不焼成れんが耐火物。
[7]平均粒子径が1μm以下である遷移金属又は遷移金属を含有する遷移金属化合物を有機系物質からなる液状のバインダーに混合して混合物を作成する混合工程と、前記混合工程で作成された前記混合物と、耐火物原料と、黒鉛原料と、を配合して成形する成形工程と、を有するカーボン含有不焼成れんが耐火物の製造方法。
The gist and configuration of the present invention to solve the above problems are as follows.
[1] A carbon-containing unburned brick refractory material comprising a mixture of a transition metal or a transition metal compound containing a transition metal, the transition metal having an average particle size of 1 μm or less, and a liquid binder made of an organic substance, a refractory raw material, and a graphite raw material.
[2] The carbon-containing unburned brick refractory material according to [1], wherein the refractory raw material is composed of at least one compound selected from Al 2 O 3 and MgO, and the compound has a particle size range in which, in terms of average particle size, 5 to 40 mass% is 3 mm or more, 10 to 45 mass% is 1 mm or more and less than 3 mm, 15 to 30 mass% is 0.15 mm or more and less than 1 mm, and 5 to 45 mass% is less than 0.15 mm.
[3] The carbon-containing unburned brick refractory material according to [1] or [2], wherein the mass of the binder is from 2 mass% to 5 mass%, with the exception of the total mass of the refractory raw material and the graphite raw material.
[4] The carbon-containing unburned brick refractory material according to any one of [1] to [3], wherein the transition metal compound is a compound containing Fe or Ni.
[5] The carbon-containing unburned brick refractory material according to [4], wherein the compound containing Fe or Ni is any one of Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , FeO, NiCO 3 , and NiO.
[6] The carbon-containing unburned brick refractory material according to any one of [1] to [5], wherein a total mass of the transition metal and the transition metal compound is 0.1 mass% or more and 8.0 mass% or less with respect to the mass of the binder.
[7] A method for producing a carbon-containing unburned brick refractory, comprising: a mixing step of mixing a transition metal or a transition metal compound containing a transition metal, the transition metal having an average particle size of 1 μm or less, with a liquid binder made of an organic substance to prepare a mixture; and a molding step of blending and molding the mixture prepared in the mixing step with a refractory raw material and a graphite raw material.
本発明によれば、転炉への施工の後に当該転炉の予熱処理を経ることで、耐火物中に繊維状物質を効率的に生成させることが可能となる。そして、耐火物の耐熱スポーリング性の向上が可能となる。 According to the present invention, by carrying out preheating treatment of the converter after application to the converter, it is possible to efficiently generate fibrous material in the refractory material. This makes it possible to improve the thermal spalling resistance of the refractory material.
以下、本発明の実施形態を通じて本発明を説明する。本発明における「不焼成れんが耐火物」は、耐火物原料、黒鉛原料、バインダー等を配合して成形する成形工程と、成形工程にて成形された成形物を焼成する焼成工程とを行うことによって製造されるれんが耐火物に対して、当該焼成工程を実施する前のれんが耐火物を意味する。なお、成形工程には、必要に応じてバインダーを熱硬化させるための処理(例えば成形品を150~300℃程度で長時間(24~72時間)保持する処理(キュアリング処理))が含まれる。 The present invention will be described below through the embodiments of the present invention. In the present invention, "unfired brick refractory" refers to a brick refractory prior to the firing step, as opposed to a brick refractory manufactured by carrying out a molding step in which refractory raw materials, graphite raw materials, binder, etc. are mixed and molded, and a firing step in which the product molded in the molding step is fired. The molding step may include a treatment for thermally curing the binder as necessary (for example, a treatment (curing treatment) in which the molded product is held at about 150 to 300°C for a long period of time (24 to 72 hours)).
製鋼プロセスにおいては、複数の精錬工程がバッチ式で実施されるため、熱の吸収及び放出が周期的に行われる。耐火物設備が繰り返しの熱負荷を受け続けると、耐火物に発生する熱応力もそれに応じて変動する。そのため耐火物内に亀裂が発生し、耐火物の破壊が引き起こされる。よって、耐火物の靭性を向上させて耐用性向上を達成できれば、製鉄プロセスにおける耐火物設備の寿命増加をもたらすことができる。 In the steelmaking process, multiple refining processes are carried out in a batch manner, so heat is absorbed and released periodically. When refractory equipment continues to be subjected to repeated thermal loads, the thermal stress generated in the refractory also fluctuates accordingly. This causes cracks to form in the refractory, leading to its destruction. Therefore, if the toughness of the refractory can be improved to improve its durability, it can lead to an increase in the lifespan of refractory equipment in the steelmaking process.
耐火物の靭性を向上させる方法の一つとしては、材料内における破壊の原因となる亀裂の発生・進展を妨げることが挙げられる。亀裂の発生・進展を妨げる方法としては、繊維状物質のようなアスペクト比の高い物質を耐火物に添加し、ブリッジングを強化することが考えられる。ここで、繊維状物質としては、軽量で引張り強度の高い炭素繊維などが考えられる。しかし、単純に繊維状物質を添加すると、体積差や形状、表面状態などの点から、耐火物成形時にラミネーションが発生するなどの問題を有する。 One method for improving the toughness of refractories is to prevent the initiation and propagation of cracks that cause destruction within the material. One method for preventing the initiation and propagation of cracks is to add a material with a high aspect ratio, such as a fibrous material, to the refractory to strengthen bridging. Here, a possible example of a fibrous material would be carbon fiber, which is lightweight and has high tensile strength. However, simply adding a fibrous material can cause problems such as lamination during refractory molding due to volume differences, shapes, and surface conditions.
MgO-Cれんがなどに代表される耐火物は、骨材及び微粉などの耐火物原料、黒鉛原料(鱗状黒鉛)、フェノール樹脂などに代表される有機系物質からなる液状のバインダー、及びその他の各種添加材から構成される。その他の添加材としては、例えば硬化剤などが挙げられる。バインダーの種類によっては、硬化剤が必要な場合と不要な場合がある。 Refractories, such as MgO-C bricks, are composed of refractory raw materials such as aggregate and fine powder, graphite raw material (flake-like graphite), liquid binders made of organic substances such as phenolic resin, and various other additives. Other additives include, for example, hardeners. Depending on the type of binder, a hardener may or may not be required.
ここで、有機系物質からなる液状のバインダーは、加熱すると揮発分が抜け、アモルファスカーボンなどの炭素物質が生成する。この時、バインダーを原料として、カーボンナノチューブなどのナノ繊維状物質を加熱中に生成させることができれば、より低コストでかつラミネーション発生などの課題を解決できる可能性がある。そこで、発明者らはバインダー材料(例えばタールや、フェノール樹脂、ピッチ等の有機樹脂)の加熱時にカーボンナノ繊維物質の生成可否について検討を行った。 Here, when a liquid binder made of an organic substance is heated, the volatile components are removed, and carbon substances such as amorphous carbon are produced. At this time, if it were possible to produce nano-fibrous substances such as carbon nanotubes during heating using the binder as a raw material, it may be possible to solve problems such as the occurrence of lamination at lower costs. Therefore, the inventors investigated whether carbon nano-fibrous substances could be produced when a binder material (for example, organic resins such as tar, phenolic resin, and pitch) is heated.
ここで、カーボンナノチューブの生成については、FeやNiなどの遷移金属の微粒子が存在すると、その微粒子を核としてナノチューブが生成し成長する。そこで、発明者らは、加熱中にバインダー材料の成分により還元生成したFeやNi粒子を核としたナノチューブ生成を狙いとして、FeやNiの酸化物をバインダー材料に添加して観察を行った。以下、調査実験内容を記す。 When it comes to the generation of carbon nanotubes, if fine particles of transition metals such as Fe or Ni are present, nanotubes are generated and grow from these particles as nuclei. Therefore, the inventors added oxides of Fe and Ni to the binder material and conducted observations, aiming to generate nanotubes from the Fe and Ni particles generated by reduction with the binder material components during heating. The details of the investigation and experiment are described below.
原料は、遷移金属化合物として粉末状のFe2O3又はNiCO3を用い、バインダーとしてフェノール樹脂を用いた。カーボンるつぼの中にフェノール樹脂を10g添加し、その後、粉末状のFe2O3、もしくはNiCO3をるつぼ内に添加した。添加量、および実験水準を表1に示す。それぞれの条件とも、るつぼ内でフェノール樹脂と粉末状の遷移金属化合物とを十分に混合し、図1に示す温度パターンにて、Ar雰囲気で加熱した。冷却後の試料をTEM(透過電子顕微鏡)にて観察した。それぞれの条件でのTEM写真を図2~3に示す。図2~3よりサブμmサイズの擬繊維状のフェノール樹脂乾留生成物の存在が確認された。図2は、遷移金属化合物としてFe2O3を用いた場合におけるフェノール樹脂乾留生成物の一例であるCNTのTEM写真を示す。図3は、遷移金属化合物としてNiCO3を用いた場合におけるフェノール樹脂乾留生成物の一例であるCNTのTEM写真を示す。 The raw materials used were powdered Fe 2 O 3 or NiCO 3 as a transition metal compound, and phenolic resin as a binder. 10 g of phenolic resin was added to a carbon crucible, and then powdered Fe 2 O 3 or NiCO 3 was added to the crucible. The amount added and the experimental level are shown in Table 1. In each condition, the phenolic resin and the powdered transition metal compound were thoroughly mixed in the crucible and heated in an Ar atmosphere with the temperature pattern shown in FIG. 1. The sample after cooling was observed with a TEM (transmission electron microscope). TEM photos under each condition are shown in FIGS. 2 to 3. From FIGS. 2 to 3, the presence of a pseudo-fibrous phenolic resin dry distillation product of sub-μm size was confirmed. FIG. 2 shows a TEM photo of CNT, which is an example of a phenolic resin dry distillation product when Fe 2 O 3 is used as a transition metal compound. FIG. 3 shows a TEM photo of CNT, which is an example of a phenolic resin dry distillation product when NiCO 3 is used as a transition metal compound.
この調査実験結果を受け、粉末状のNiCO3をバインダーに対して1質量%分添加して、バインダーと粉末状のNiCO3を事前混合した混合物を作成し、当該混合物と、耐火物原料と、黒鉛原料とを配合して成形した成形物に対して加熱処理を行うことで、MgO-10%Cれんがを試作した。ここで、「MgO-10%Cれんが」は、マグネシア(MgO)と、10質量%の黒鉛原料(C)とを混合して成るれんがを意味する。れんがの曲げ強度(σ:MPa)、静的弾性率(E:MPa)を3点曲げ試験(JIS R2213:2005 耐火れんがの曲げ強さの試験方法)から評価した。ここで、静的弾性率(E)は以下の(1)式を用いて評価した。ここで、Lは支点間距離(m)、Bは試料の幅(m)、Wは試料の高さ(m)、Δuはたわみ(mm)、ΔPは線形域の最大荷重(N)である。 Based on the results of this investigation and experiment, powdered NiCO 3 was added to the binder in an amount of 1 mass % to prepare a mixture in which the binder and powdered NiCO 3 were premixed, and the mixture was mixed with a refractory raw material and a graphite raw material to form a molded product, which was then heat-treated to produce a prototype MgO-10%C brick. Here, the term "MgO-10%C brick" refers to a brick made by mixing magnesia (MgO) and 10 mass % graphite raw material (C). The bending strength (σ: MPa) and static elastic modulus (E: MPa) of the brick were evaluated by a three-point bending test (JIS R2213:2005 Test method for bending strength of refractory bricks). Here, the static elastic modulus (E) was evaluated using the following formula (1). Here, L is the distance between the supports (m), B is the width of the sample (m), W is the height of the sample (m), Δu is the deflection (mm), and ΔP is the maximum load in the linear range (N).
結果を図4~5に示す。図4は、縦軸を荷重(N)、横軸を変位(mm)として、変位と荷重との関係を示す図である。図5は、縦軸を静的弾性率(MPa)として示す図である。図4から曲げ強度の結果が分かり、図5から静的弾性率の結果が分かる。図5から、NiCO3を添加したMgO-10%Cれんが(NiCO3添加れんが)の静的弾性率は、NiCO3を添加しなかった通常のMgO-Cれんが(通常れんが)の場合と比較してほぼ同様であることが確認できる。また、図4から、NiCO3添加れんがは、通常れんがと比較して曲げ強度が向上することも確認できる。これにより、次の(2)式で定義される熱衝撃破壊抵抗R(単位:K)は、ナノNiCO3を添加したバインダーの適用によって向上することが示唆される。 The results are shown in Figures 4 and 5. Figure 4 shows the relationship between the displacement and the load, with the load (N) on the vertical axis and the displacement (mm) on the horizontal axis. Figure 5 shows the static modulus of elasticity (MPa) on the vertical axis. The results of bending strength can be seen from Figure 4, and the results of static modulus of elasticity can be seen from Figure 5. From Figure 5, it can be confirmed that the static modulus of elasticity of the MgO-10%C brick with NiCO 3 added (NiCO 3- added brick) is almost the same as that of the normal MgO-C brick without NiCO 3 added (normal brick). Also, from Figure 4, it can be confirmed that the bending strength of the NiCO 3 -added brick is improved compared to the normal brick. This suggests that the thermal shock fracture resistance R (unit: K) defined by the following formula (2) is improved by applying a binder with added nano-NiCO 3 .
(2)式において、νはポアソン比(無次元数(ここでは0.3))、αは材料の熱膨張係数(1/K)である。実際に熱衝撃破壊抵抗Rを両者で比較すると、通常れんがではRが22、NiCO3添加れんがではRが34となり、熱衝撃破壊抵抗Rが大きく増加した。 In formula (2), ν is the Poisson's ratio (a dimensionless number (here, 0.3)) and α is the thermal expansion coefficient of the material (1/K). When the thermal shock resistance R of the two bricks is actually compared, the R of the normal brick is 22, while the R of the NiCO3 -added brick is 34, showing a large increase in the thermal shock resistance R.
ここで、本発明のCNT生成メカニズムについて、遷移金属としてFeOを添加した場合を例に、図6を用いて説明する。熱処理の実施により、まず、図6(a)に示す通り、フェノール樹脂(レジン)から還元性ガス(CxHy、H2、CO)が揮発する。そして、図6(b)に示す通り、還元性ガスとFeOとが酸化還元反応を起こし、金属Feが生成する。その後、図6(c)に示す通り、フェノール樹脂から揮発した還元性ガスが金属Feの表面で分解し、金属Feを核としてカーボンが生成及び拡散される。これを受けて、図6(d)に示す通り、金属Feの触媒作用により、金属Feの表面において拡散されたカーボンが結合(C-C結合)し、CNTとして生成及び成長する。 Here, the CNT generation mechanism of the present invention will be described with reference to FIG. 6, taking the case where FeO is added as a transition metal as an example. First, as shown in FIG. 6(a), reducing gas (CxHy, H 2 , CO) is volatilized from the phenolic resin (resin) by the heat treatment. Then, as shown in FIG. 6(b), the reducing gas and FeO cause an oxidation-reduction reaction to generate metallic Fe. After that, as shown in FIG. 6(c), the reducing gas volatilized from the phenolic resin is decomposed on the surface of metallic Fe, and carbon is generated and diffused with metallic Fe as a nucleus. In response to this, as shown in FIG. 6(d), the carbon diffused on the surface of metallic Fe is bonded (C-C bond) by the catalytic action of metallic Fe, and is generated and grown as CNT.
この熱処理中の反応を利用して、耐火物中に効率よくCNTを生成、成長させることが可能である。転炉の築炉~操業を例にとると、築炉時はCNT生成前の耐火物を従来の耐火物と同様に施工し、転炉の予熱中(800~1200℃)に、図6に示す原理によって反応が起こり、CNTが耐火物内部に一様に生成される。この生成したCNTによるブリッジング効果によって、耐火物の靭性が大きく向上して耐火物寿命向上が達成される。 By utilizing the reaction that occurs during this heat treatment, it is possible to efficiently generate and grow CNTs within the refractory. Taking the construction and operation of a converter as an example, during construction, the refractory before CNT generation is installed in the same way as conventional refractory, and during preheating of the converter (800-1200°C), a reaction occurs according to the principle shown in Figure 6, and CNTs are generated uniformly inside the refractory. The bridging effect of the generated CNTs greatly improves the toughness of the refractory, thereby achieving an improvement in the refractory's lifespan.
ここで、本発明で用いるバインダーへの添加物(触媒)には、平均粒子径が1μm以下である遷移金属あるいは遷移金属を含有する遷移金属化合物(酸化物、炭酸塩その他化合物)を用いる必要がある。バインダーに添加する遷移金属(遷移金属化合物)の粒子が平均1μmを超える場合、CNTが生成し難いためである。添加する粒子は遷移金属粒子を用いるのが最も好ましいが、比較的高価であると共に、取り扱い時の安全性に十分注意を払う必要がある。そこで、取扱い時の安全性を確保でき、同等の効果を有する意味で遷移金属化合物(酸化物や炭酸塩その他化合物)を添加するほうが望ましい。用いる遷移金属化合物としてはFe、Niを含有する化合物であることが好ましく、さらにNiCO3、Fe2O3、Fe3O4、FeO、NiO等であればなお好ましい。また、遷移金属として用いる場合は、Fe又はNiが好ましい。そして、バインダーへの添加物としては、遷移金属と遷移金属化合物との混合物(例えば、FeとFeOとの混合物)であってもよく、遷移金属化合物同士の混合物(例えば、Fe3O4とFeOとの混合物)であってもよい。 Here, the additive (catalyst) to the binder used in the present invention must be a transition metal or a transition metal compound (oxide, carbonate, or other compound) containing a transition metal with an average particle size of 1 μm or less. This is because when the average particle size of the transition metal (transition metal compound) added to the binder exceeds 1 μm, CNTs are difficult to generate. It is most preferable to use transition metal particles as the added particles, but they are relatively expensive and require sufficient attention to safety when handling. Therefore, it is more preferable to add a transition metal compound (oxide, carbonate, or other compound) in the sense that it can ensure safety when handling and has the same effect. The transition metal compound used is preferably a compound containing Fe or Ni, and more preferably NiCO 3 , Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , FeO, NiO, or the like. In addition, when used as a transition metal, Fe or Ni is preferable. The additive to the binder may be a mixture of a transition metal and a transition metal compound (e.g., a mixture of Fe and FeO), or a mixture of transition metal compounds (e.g. , a mixture of Fe3O4 and FeO).
ここで、本発明では、平均粒子径が1μm以下である遷移金属又は遷移金属化合物を予め有機系物質からなる液状のバインダーと混合して混合物にした後で、耐火物原料や黒鉛原料に添加して、カーボン含有不焼成れんが耐火物とすることを特徴とする。通常、耐火物に金属粒子を含有させる場合には、耐火物原料に金属粒子を添加することが一般的である。しかし、耐火物原料に金属粒子を添加した場合には、バインダーと金属粒子とが上手く混合されず、CNTの生成及び成長は難しい。また、特許文献4のように、溶液を介して金属粒子をバインダーに混合する場合には、耐火物の成形性が低下する。これに対し、本発明のように、耐火物原料及び黒鉛原料と配合して成形する工程(成形工程)の前に、遷移金属又は遷移金属化合物とバインダーとを予め混合させて混合物を作成する工程(混合工程)を設けることで、耐火物の成形性を低下させることなく遷移金属をバインダーに確実かつ均一に分散させることができ、CNTをより容易に生成、成長できる。なお、遷移金属(遷移金属化合物)とバインダーの混合方法は、ミキサーなどの撹拌機や混錬機など、様々な方法で行えばよく、その方法については限定しない。 Here, the present invention is characterized in that a transition metal or transition metal compound having an average particle size of 1 μm or less is mixed with a liquid binder made of an organic substance in advance to form a mixture, which is then added to a refractory raw material or graphite raw material to form a carbon-containing unburned brick refractory. Usually, when metal particles are contained in a refractory, the metal particles are generally added to the refractory raw material. However, when metal particles are added to the refractory raw material, the binder and the metal particles are not mixed well, making it difficult to generate and grow CNTs. In addition, when metal particles are mixed with a binder through a solution as in Patent Document 4, the moldability of the refractory decreases. In contrast, as in the present invention, a process (mixing process) of mixing a transition metal or transition metal compound with a binder in advance to prepare a mixture is provided before a process (molding process) of blending with the refractory raw material and the graphite raw material and molding the mixture, so that the transition metal can be reliably and uniformly dispersed in the binder without reducing the moldability of the refractory, and CNTs can be generated and grown more easily. The transition metal (transition metal compound) and binder can be mixed in a variety of ways, such as using a stirrer such as a mixer or a kneader, and there are no limitations on the method.
また、耐火物に添加するバインダーの質量は、耐火物原料及び黒鉛原料の合計質量に対して外数(外掛け)で2質量%以上5質量%以下とすることが望ましい。2質量%未満ではバインダーとして十分でなく、5質量%超えでは逆にバインダーが多すぎて耐火物の成形時にバインダーが染み出すおそれがある。 The mass of the binder added to the refractory is preferably 2% to 5% by mass relative to the total mass of the refractory raw materials and the graphite raw materials. If it is less than 2% by mass, it will not act as a sufficient binder, and if it exceeds 5% by mass, there will be too much binder and it may seep out during molding of the refractory.
さらに、平均粒子径が1μm以下である遷移金属(遷移金属化合物)の添加量は、有機系物質からなる液状のバインダーに対して、0.1質量%以上8.0質量%以下とすることが望ましい。0.1質量%未満ではCNT生成量が抑制され、8.0質量%よりも多い添加量では、8.0質量%と効果が同等であり過度の効果が望めない。また、逆に耐火物組織の細密充填性に影響を及ぼすため好ましくない。 Furthermore, it is desirable to add a transition metal (transition metal compound) having an average particle size of 1 μm or less in an amount of 0.1% by mass to 8.0% by mass relative to the liquid binder made of an organic substance. If it is less than 0.1% by mass, the amount of CNT generated will be suppressed, and if it is added in an amount of more than 8.0% by mass, the effect will be the same as that of 8.0% by mass, and excessive effects cannot be expected. Conversely, it is not preferable because it will affect the close packing of the refractory structure.
本発明は、MgO-CやAl2O3-Cなどの各種カーボン含有れんがに適用できる。なお、耐火物原料としてAl2O3及びMgOのうち少なくとも1種類の化合物を用いる場合、Al2O3及びMgOの粒度範囲は、平均粒子径で3mm以上が5~40質量%、1mm以上3mm未満が10~45質量%、0.15mm以上1mm未満が15~30質量%、及び0.15mm未満が5~45質量%の粒度範囲とすることが耐火物として好ましい。もちろん、これらの耐火物にAlやSiなどの酸化防止剤を添加しても全くかまわない。むしろ、Alなどがウィスカー生成に寄与するため、より高い効果が十分期待できる。また、SiCを添加した系の耐火物でも適用できる。 The present invention can be applied to various carbon-containing bricks such as MgO-C and Al 2 O 3 -C. When at least one compound of Al 2 O 3 and MgO is used as the refractory raw material, the particle size range of Al 2 O 3 and MgO is preferably 5 to 40 mass% of 3 mm or more, 10 to 45 mass% of 1 mm or more and less than 3 mm, 15 to 30 mass% of 0.15 mm or more and less than 1 mm, and 5 to 45 mass% of less than 0.15 mm in terms of average particle size. Of course, it is not a problem if an antioxidant such as Al or Si is added to these refractories. Rather, since Al and the like contribute to the generation of whiskers, a higher effect can be fully expected. In addition, the present invention can also be applied to refractories with SiC added.
なお、本発明に使用する耐火物原料としては、電融品、焼結品、天然材質(海水MgOも含む)のいずれでも適用できる。また、黒鉛原料も、鱗状黒鉛、カーボンブラック、薄肉黒鉛など、各種材質が適用できる。 The refractory raw material used in the present invention can be any of electrofused products, sintered products, and natural materials (including seawater MgO). In addition, various graphite raw materials can be used, such as scaly graphite, carbon black, and thin graphite.
最大サイズを5.00mmとする電融MgO骨材、1.00mm未満のMgO微粉、および鱗状黒鉛を用いてMgO-Cれんがを製造した。れんが中のカーボン濃度は10.0質量%とした。基準となるMgO-Cれんがの組成を表2に示す。表2に示す組成のMgO-Cれんがは、以下に説明する表3及び表4において、比較例1として示す例である。 MgO-C bricks were manufactured using electrofused MgO aggregate with a maximum size of 5.00 mm, MgO fine powder less than 1.00 mm, and flaky graphite. The carbon concentration in the bricks was 10.0 mass%. The composition of the reference MgO-C brick is shown in Table 2. The MgO-C brick with the composition shown in Table 2 is an example shown as Comparative Example 1 in Tables 3 and 4 described below.
発明例、および比較例の一覧を表3に示す。発明例1は平均粒子径が1μm以下の添加物としてCoCO3をバインダーに対して9.0質量%の割合でバインダーに予め混合して添加した。発明例2は平均粒子径が1μm以下の添加物としてNiOをバインダーに対して8.0質量%の割合でバインダーに予め混合して添加した。発明例3は平均粒子径が1μm以下の添加物としてFe3O4をバインダーに対して4.0質量%の割合でバインダーに予め混合して添加した。発明例4は平均粒子径が1μm以下の添加物としてFeOをバインダーに対して8.0質量%の割合でバインダーに予め混合して添加した。発明例5は平均粒子径が1μm以下の添加物としてFe2O3をバインダーに対して4.0質量%の割合でバインダーに予め混合して添加した。発明例6は平均粒子径が1μm以下の添加物として金属Feをバインダーに対して4.0質量%の割合でバインダーに予め混合して添加した。発明例7は平均粒子径が1μm以下の添加物としてNiをバインダーに対して4.0質量%の割合でバインダーに予め混合して添加した。発明例8は平均粒子径が1μm以下の添加物としてCoをバインダーに対して4.0質量%の割合でバインダーに予め混合して添加した。 Table 3 shows a list of the invention examples and comparative examples. In invention example 1, CoCO3 was premixed with the binder at a ratio of 9.0 mass% relative to the binder as an additive having an average particle size of 1 μm or less. In invention example 2, NiO was premixed with the binder at a ratio of 8.0 mass% relative to the binder as an additive having an average particle size of 1 μm or less. In invention example 3 , Fe3O4 was premixed with the binder at a ratio of 4.0 mass% relative to the binder as an additive having an average particle size of 1 μm or less. In invention example 4, FeO was premixed with the binder at a ratio of 8.0 mass% relative to the binder as an additive having an average particle size of 1 μm or less. In invention example 5 , Fe2O3 was premixed with the binder at a ratio of 4.0 mass% relative to the binder as an additive having an average particle size of 1 μm or less. In Example 6, metallic Fe was premixed with the binder at a ratio of 4.0 mass% relative to the binder as an additive having an average particle size of 1 μm or less. In Example 7, Ni was premixed with the binder at a ratio of 4.0 mass% relative to the binder as an additive having an average particle size of 1 μm or less. In Example 8, Co was premixed with the binder at a ratio of 4.0 mass% relative to the binder as an additive having an average particle size of 1 μm or less.
これに対し、比較例1では表2に示す配合の通りで混合し、添加物には何も添加しなかった。比較例2もまた、表2に示す配合の通りで混合したが、添加物にAl粉末を4.0質量%の割合でバインダーとは別に添加した。比較例3では表2に示す配合の通りで混合し、添加物にSi粉末を4.0質量%の割合でバインダーに予め混合して添加した。比較例4は平均粒子径が1μm以下の添加物としてNiCO3をバインダーに対して10.0質量%の割合でバインダーとは別に添加した。比較例5は平均粒子径が1μm以下の添加物としてFe2O3を8.5質量%の割合でバインダーとは別に添加した。ここで、比較例2、4、5における「バインダーと別々に添加」とは、金属粒子を耐火物原料に直接添加することを意味する。 In contrast, in Comparative Example 1, the materials were mixed according to the composition shown in Table 2, and no additives were added. In Comparative Example 2, the materials were mixed according to the composition shown in Table 2, but Al powder was added to the additives at a ratio of 4.0 mass% separately from the binder. In Comparative Example 3, the materials were mixed according to the composition shown in Table 2, and Si powder was added to the additives at a ratio of 4.0 mass% by mixing with the binder in advance. In Comparative Example 4, NiCO 3 was added separately from the binder as an additive having an average particle size of 1 μm or less at a ratio of 10.0 mass% relative to the binder. In Comparative Example 5, Fe 2 O 3 was added separately from the binder as an additive having an average particle size of 1 μm or less at a ratio of 8.5 mass%. Here, "added separately from the binder" in Comparative Examples 2, 4, and 5 means that metal particles are added directly to the refractory raw material.
発明例、比較例ともに原料の混練を行い、その後にフリクションプレス機を用いて成形を行なった。成形品を230℃で24時間保持して、キュアリングを行なった後に、還元雰囲気中1350℃で3時間保持して、焼成処理を行い、評価用試料を得た。評価は、機械的特性として、曲げ強度σ(MPa)および弾性率(動的弾性率)E(MPa)を測定し、熱衝撃破壊抵抗Rを(2)式に従って導出した。この熱衝撃破壊抵抗Rが高いほど破壊しにくい材料となり、耐熱スポーリング性に優れる材料といえる。 In both the invention and comparative examples, the raw materials were mixed and then molded using a friction press. The molded products were held at 230°C for 24 hours for curing, and then held in a reducing atmosphere at 1350°C for 3 hours for firing to obtain evaluation samples. For evaluation, mechanical properties such as bending strength σ (MPa) and elastic modulus (dynamic elastic modulus) E (MPa) were measured, and thermal shock fracture resistance R was derived according to formula (2). The higher this thermal shock fracture resistance R, the more difficult the material is to fracture, and the material can be said to have excellent heat spalling resistance.
結果を表4に示す。平均粒子径が1μm以下である遷移金属又は遷移金属化合物をバインダーに予め混合して添加した発明例1~8は、比較例1に比べて曲げ強度、弾性率が増加した。発明例1~8は、比較例1~3に比べて、熱衝撃破壊抵抗Rが向上した。発明例1~8は、比較例4、5よりも熱衝撃破壊抵抗Rが高く、靭性が向上した。更に、平均粒子径が1μm以下である遷移金属化合物としてFe2O3を採択し、その添加量を4.0質量%として添加した発明例5は、8.0質量%超えで添加した比較例5に比べて熱衝撃破壊抵抗Rが向上した。なお、同一の添加方法(有機バインダーを予め混合して添加した条件)で平均粒子径が1μm以下である遷移金属又は遷移金属化合物の種類別に熱衝撃破壊抵抗Rを比較すると、発明例1~8では大きな差は見られなかった。 The results are shown in Table 4. Inventive Examples 1 to 8, in which a transition metal or transition metal compound having an average particle size of 1 μm or less was mixed in advance with a binder and added, bending strength and elastic modulus were increased compared to Comparative Example 1. Inventive Examples 1 to 8, thermal shock fracture resistance R was improved compared to Comparative Examples 1 to 3. Inventive Examples 1 to 8, thermal shock fracture resistance R was higher than Comparative Examples 4 and 5, and toughness was improved. Furthermore, in Inventive Example 5, in which Fe 2 O 3 was adopted as a transition metal compound having an average particle size of 1 μm or less and the amount added was 4.0 mass%, thermal shock fracture resistance R was improved compared to Comparative Example 5, in which Fe 2 O 3 was added at more than 8.0 mass%. In addition, when comparing thermal shock fracture resistance R by type of transition metal or transition metal compound having an average particle size of 1 μm or less using the same addition method (conditions in which an organic binder was mixed in advance and added), no significant difference was observed in Inventive Examples 1 to 8.
以上から、本発明に係るカーボン含有不焼成れんが耐火物及びカーボン含有不焼成れんが耐火物の製造方法を利用してカーボン含有不焼成れんが耐火物を製造し、転炉への施工の後に当該転炉の予熱処理を経ることで、耐火物中に繊維状物質を効率的に生成させることが可能となる。そして、カーボン含有れんが耐火物の熱衝撃破壊抵抗性、すなわち耐熱スポーリング性に対して優れた効果を有することが明らかとなった。 From the above, it has become clear that by producing a carbon-containing unburned brick refractory using the carbon-containing unburned brick refractory and the method for producing a carbon-containing unburned brick refractory according to the present invention, and then subjecting the refractory to a preheating treatment after installation in a converter, it is possible to efficiently generate fibrous substances in the refractory. It has also become clear that this has an excellent effect on the thermal shock fracture resistance, i.e., heat spalling resistance, of the carbon-containing brick refractory.
Claims (5)
前記バインダーの質量は、前記耐火物原料及び前記黒鉛原料の合計質量に対して外数で2質量%以上5質量%以下であり、
前記遷移金属及び前記遷移金属化合物の合計質量は、前記バインダーの質量に対して0.1質量%以上8.0質量%以下であり、
カーボンナノ繊維物質を有するカーボン含有れんが耐火物。 A carbon -containing brick refractory material comprising a mixture of a liquid binder made of a transition metal or a transition metal compound containing a transition metal, the average particle size of which is 1 μm or less, and an organic substance, a refractory raw material, and a graphite raw material,
The mass of the binder is 2% by mass or more and 5% by mass or less with respect to the total mass of the refractory raw material and the graphite raw material,
a total mass of the transition metal and the transition metal compound is 0.1 mass% or more and 8.0 mass% or less with respect to the mass of the binder,
A carbon-containing brick refractory having a carbon nanofiber material .
前記化合物は、平均粒子径で3mm以上が5~40質量%、1mm以上3mm未満が10~45質量%、0.15mm以上1mm未満が15~30質量%、及び0.15mm未満が5~45質量%の粒度範囲からなる、
請求項1に記載のカーボン含有れんが耐火物。 The refractory raw material is composed of at least one compound selected from the group consisting of Al 2 O 3 and MgO,
The compound has a particle size range of 5 to 40% by mass of an average particle size of 3 mm or more, 10 to 45% by mass of an average particle size of 1 mm or more but less than 3 mm, 15 to 30% by mass of an average particle size of 0.15 mm or more but less than 1 mm, and 5 to 45% by mass of an average particle size of less than 0.15 mm.
The carbon -containing brick refractory material according to claim 1 .
前記混合工程で作成された前記混合物と、耐火物原料と、黒鉛原料と、を配合して成形する成形工程と、
前記成形工程で成形された成形物を焼成してカーボンナノ繊維物質を生成する焼成工程と、を有し、
前記バインダーの質量は、前記耐火物原料及び前記黒鉛原料の合計質量に対して外数で2質量%以上5質量%以下であり、
前記遷移金属及び前記遷移金属化合物の合計質量は、前記バインダーの質量に対して0.1質量%以上8.0質量%以下であるカーボン含有れんが耐火物の製造方法。 a mixing step of mixing a transition metal or a transition metal compound containing a transition metal having an average particle size of 1 μm or less with a liquid binder made of an organic substance to prepare a mixture;
a molding step of blending and molding the mixture prepared in the mixing step, a refractory raw material, and a graphite raw material;
A firing step of firing the molded product formed in the molding step to produce a carbon nanofiber material ,
The mass of the binder is 2% by mass or more and 5% by mass or less with respect to the total mass of the refractory raw material and the graphite raw material,
a total mass of the transition metal and the transition metal compound is 0.1 mass % or more and 8.0 mass % or less based on the mass of the binder .
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