JP7597019B2 - Steelmaking container and method for operating the same - Google Patents
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Description
本発明は、高温プロセスで用いられる製鉄用容器について、カーボン含有不焼成れんが耐火物をワーク耐火物として施工した製鉄用容器及び製鉄用容器の操業方法に関する。 The present invention relates to a steelmaking vessel used in a high-temperature process, in which a carbon-containing unburned brick refractory is used as the work refractory, and to a method for operating the steelmaking vessel.
従来、製鉄プロセスにおいて、溶鉱炉から出湯される溶銑は、トピード・カーや溶銑鍋に代表される製鉄用溶銑輸送容器で製鋼工程へ輸送される。その後、転炉や電気炉に代表される製鉄用精錬容器にて精錬処理を行い、当該精錬処理が施された溶鋼は取鍋等の容器に移され、2次精錬や連続鋳造等の次工程へ輸送される。このうち、転炉や電気炉などの製鉄用精錬容器(製鉄用容器の一例)は、脱炭精錬を行なうのみならず、溶鋼温度の調整等のため重要な役割を果たす。また、トピード・カーに備えられる溶銑鍋(高炉鍋)などの製鉄用溶銑輸送容器(製鉄用容器の一例)は、高炉から製鋼工場までの溶銑の輸送を行なうのみならず、輸送の途中において脱珪、脱りん、脱硫処理(溶銑予備処理)の実施等、精錬処理のコストダウンにおいて重要な役割を果たす。 In the conventional steelmaking process, molten iron discharged from a blast furnace is transported to the steelmaking process in a molten iron transport vessel such as a torpedo car or a molten iron ladle. After that, it is refined in a steelmaking refining vessel such as a converter or an electric furnace, and the refined molten steel is transferred to a vessel such as a ladle and transported to the next process such as secondary refining or continuous casting. Among these, steelmaking refining vessels such as converters and electric furnaces (one example of steelmaking vessels) not only perform decarburization refining, but also play an important role in regulating the molten steel temperature. In addition, molten iron transport vessels such as a molten iron ladle (blast furnace ladle) installed in a torpedo car (one example of steelmaking vessels) not only transport molten iron from a blast furnace to a steelmaking plant, but also play an important role in reducing the cost of refining by performing desiliconization, dephosphorization, and desulfurization treatments (hot metal pretreatment) during transportation.
製鋼プロセスでは、複数の精錬工程のそれぞれがバッチ式であることが多く、それ故、設備における熱の吸収及び放出が周期的に行われる。耐火物設備において、熱負荷を繰り返し受け続けると、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、製鉄プロセスの中で耐火物設備の寿命増加をもたらし、設備の補修等にかかるコストダウンを達成できる。 In steelmaking processes, each of the multiple refining processes is often a batch process, and therefore the equipment periodically absorbs and releases heat. When refractory equipment is repeatedly subjected to thermal loads, the thermal stress generated in the refractory 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, the lifespan of refractory equipment in the steelmaking process can be extended, and costs associated with equipment repairs can be reduced.
例えば、上底吹き転炉に代表される転炉は、転炉等の反応容器内に酸化性ガスを供給することにより脱炭精錬を行う方法が公知の技術として利用されている。上吹きランスを介して炉内に酸化性ガス(主に酸素ガス)を供給し、以下の(3)式に示す通り、溶鋼中の炭素が酸素ガスと反応して一酸化炭素COを発生させる反応(以下、1次燃焼という)を進行させて、溶銑の脱炭処理を行う。 For example, in converters, such as top and bottom blown converters, a method of decarburization refining by supplying oxidizing gas into a reaction vessel such as a converter is used as a known technology. Oxidizing gas (mainly oxygen gas) is supplied into the furnace through a top blowing lance, and as shown in the following formula (3), a reaction in which carbon in the molten steel reacts with the oxygen gas to generate carbon monoxide (CO) (hereinafter referred to as primary combustion) is promoted to decarburize the molten iron.
C + 1/2O2 = CO ・・・(3)式 C + 1/2O 2 = CO...Equation (3)
同時に、溶銑の攪拌を行い、反応効率を高めるため炉底部よりガス(主に不活性ガス)を溶銑に供給する。Q-BOPと呼ばれる底吹き転炉においても、炉底部に配した羽口より炉内に酸化性ガスを供給して脱炭精錬を行う。これらの羽口は金属のパイプに耐火物を施工した構造となっている。羽口耐火物は、溶銑(溶鋼)から莫大な熱エネルギーを受けると共に、金属パイプから高流速のガスを溶銑(溶鋼)に供給するため、羽口耐火物には非常に高い熱勾配の分布が生じる。また、転炉からの出鋼時に、酸化鉄含有スラグと接触する可能性もある。そのため、羽口部用の耐火物として耐熱衝撃性(耐熱スポーリング性)、耐食性が求められ、上記の観点から、MgO-Cれんがが使用される。側壁部のワーク耐火物層に対しても、熱衝撃、機械的衝撃への耐用性が求められる。 At the same time, the molten iron is stirred and gas (mainly inert gas) is supplied to the molten iron from the bottom of the furnace to increase the reaction efficiency. In the bottom-blown converter called Q-BOP, oxidizing gas is supplied to the furnace from the tuyere located at the bottom of the furnace to perform decarburization and refining. These tuyere refractories are made of metal pipes with refractory applied. The tuyere refractory receives enormous heat energy from the molten iron (molten steel) and supplies high-speed gas from the metal pipe to the molten iron (molten steel), so a very high thermal gradient is generated in the tuyere refractory. In addition, there is a possibility that the tuyere refractory will come into contact with slag containing iron oxide when steel is tapped from the converter. For this reason, tuyere refractories are required to have thermal shock resistance (thermal spalling resistance) and corrosion resistance, and from the above viewpoints, MgO-C bricks are used. The work refractory layer on the side wall is also required to be resistant to thermal shock and mechanical shock.
また、溶銑輸送容器のワーク耐火物にはAl2O3-SiC-Cれんがが使用されている。ワーク耐火物は、溶銑輸送時および溶銑予備処理時に、酸化鉄含有スラグと接触する可能性がある。また、溶銑輸送容器における熱の吸収及び放出を踏まえると、溶銑充填時にはワーク耐火物は高温状態になり、溶銑払い出し後には熱が放出されるため、熱の出入りが繰り返し行われ、それに応じてワーク耐火物に発生する熱応力も繰り返し発生する。この繰り返し発生する熱応力が起因となり、熱疲労破壊が起こる。そのため、溶銑輸送用容器のワーク耐火物としては耐熱衝撃性(耐熱スポーリング性)及び耐食性が求められる。 In addition, Al 2 O 3 -SiC-C bricks are used for the workpiece refractory of the molten pig iron transport vessel. The workpiece refractory may come into contact with iron oxide-containing slag during molten pig iron transport and molten pig iron pretreatment. In addition, considering the absorption and release of heat in the molten pig iron transport vessel, the workpiece refractory is in a high temperature state when the molten pig iron is filled, and heat is released after the molten pig iron is discharged, so that heat is repeatedly input and output, and accordingly, thermal stress is repeatedly generated in the workpiece refractory. This repeatedly generated thermal stress causes thermal fatigue failure. Therefore, the workpiece refractory of the molten pig iron transport vessel is required to have thermal shock resistance (thermal spalling resistance) and corrosion resistance.
このうち、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。 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 materials with high aspect ratios, such as fibrous materials, to the refractory to strengthen bridging.
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1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2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,
特許文献3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。
また、特許文献4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 4 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5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,
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2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, in the case of
また、特許文献3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4及び特許文献5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
本発明は、かかる事情を鑑みてなされたもので、耐火物の製鉄用容器への施工の後に当該製鉄用容器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製鉄用容器および製鉄用容器の操業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 steelmaking vessel and an operating method for the steelmaking vessel that can improve the thermal spalling resistance of the refractory by applying a refractory to the steelmaking vessel and then preheating the vessel.
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]製鉄に用いられる製鉄用容器であって、内側からワーク耐火物、永久耐火物、鉄皮の順に構成され、前記ワーク耐火物の少なくとも一部に、下記(1)、(2)、及び(3)を含む混合原料が含有されたカーボン含有不焼成れんが耐火物を用いる、製鉄用容器。
(1)耐火物原料
(2)黒鉛原料
(3)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
[2]前記製鉄用容器は、内部に溶鉄を保持し、前記溶鉄に炉底部からガスを吹き込むためのガス吹き込み羽口を有する製鉄用精錬容器であって、少なくとも前記炉底部に配された前記ガス吹き込み羽口を有する部位のワーク耐火物に、前記カーボン含有不焼成れんが耐火物を用いる、[1]に記載の製鉄用容器。
[3]前記製鉄用容器は、溶銑を輸送する、または前記溶銑を輸送する途中で前記溶銑に予備処理を実施するための製鉄用溶銑輸送容器である、[1]に記載の製鉄用容器。
[4]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]~[3]のいずれか1つに記載の製鉄用容器。
[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%以下である、[1]~[4]のいずれか1つに記載の製鉄用容器。
[6]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]~[5]のいずれか1つに記載の製鉄用容器。
[7]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、[6]に記載の製鉄用容器。
[8]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]~[7]のいずれか1つに記載の製鉄用容器。
[9]製鉄に用いられる製鉄用容器の操業方法であって、下記(1)、(2)、及び(3)を含む混合原料が含有されたカーボン含有不焼成れんが耐火物を少なくとも一部に用いたワーク耐火物を内部に設けた前記製鉄用容器の操業前に、前記製鉄用容器内を予熱して前記カーボン含有不焼成れんが耐火物を焼成することで、下記(3)の混合物からカーボンナノチューブを生成させる予熱工程を有する、製鉄用容器の操業方法。
(1)耐火物原料
(2)黒鉛原料
(3)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
The gist and configuration of the present invention to solve the above problems are as follows.
[1] A steelmaking vessel used in steelmaking, which is composed of a work refractory, a permanent refractory, and an iron shell from the inside out, in that order, and at least a part of the work refractory uses a carbon-containing unburned brick refractory containing a mixed raw material including the following (1), (2), and (3):
(1) Refractory raw material; (2) Graphite raw material; (3) A mixture in which a transition metal or a transition metal compound containing a transition metal, the average particle size of which is 1 μm or less, is mixed with a liquid binder made of an organic substance. [2] The iron-making vessel described in [1] is an iron-making refining vessel that holds molten iron inside and has a gas injection port for injecting gas into the molten iron from the bottom of the furnace, and the carbon-containing unburned brick refractory is used for at least the portion of the work refractory having the gas injection port arranged in the bottom of the furnace.
[3] The steelmaking vessel described in [1] is a molten iron transport vessel for steelmaking, for transporting molten iron or for performing preliminary treatment on the molten iron while transporting the molten iron.
[4] The refractory raw material is composed of at least one compound of Al 2 O 3 and MgO, and the compound has a particle size range of 5 to 40 mass% of average particle diameter of 3 mm or more, 10 to 45 mass% of average particle diameter of 1 mm or more but less than 3 mm, 15 to 30 mass% of average particle diameter of 0.15 mm or more but less than 1 mm, and 5 to 45 mass% of average particle diameter of less than 0.15 mm.
[5] The ironmaking vessel described in any one of [1] to [4], wherein the mass of the binder is 2 mass% or more and 5 mass% or less, with the exception of the total mass of the refractory raw material and the graphite raw material.
[6] The container for iron making described in any one of [1] to [5], wherein the transition metal compound is a compound containing Fe or Ni.
[7] The container for iron-making according to [6], wherein the compound containing Fe or Ni is any one of Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , FeO, NiCO 3 , and NiO.
[8] A container for ironmaking described in any one of [1] to [7], wherein the total mass of the transition metal and the transition metal compound is 0.1 mass% or more and 8.0 mass% or less relative to the mass of the binder.
[9] A method for operating an iron-making vessel used in iron making, comprising a preheating step of preheating the inside of the iron-making vessel to fire the carbon-containing unburned brick refractory before operation of the iron-making vessel, the work refractory being at least partly made of a carbon-containing unburned brick refractory containing a mixed raw material including the following (1), (2), and (3), thereby producing carbon nanotubes from the mixture of (3) below.
(1) Refractory raw material (2) Graphite raw material (3) A mixture of transition metals or transition metal compounds containing transition metals with an average particle size of 1 μm or less, mixed with a liquid binder made of an organic substance.
本発明によれば、耐火物の製鉄用容器への施工の後に当該製鉄用容器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 applying a refractory material to a steelmaking vessel and then subjecting the steelmaking vessel to a preheating treatment, it becomes possible to efficiently generate fibrous material in the refractory material. This in turn makes it possible to improve the heat 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)).
<製鉄用容器について>
(第1実施形態)
本発明に係る製鉄用容器が転炉等の製鉄用精錬容器である場合について、図1を用いて説明する。図1は、製鉄用精錬容器の耐火物ライニング構造を示す断面模式図である。製鉄用精錬容器10は、内部に溶鉄を保持するとともに、溶鉄に炉底部からガスを吹き込むためのガス吹き込み羽口4を有する。製鉄用精錬容器10は、内側からワーク耐火物3、永久耐火物2、鉄皮1の順に構成されている。製鉄用精錬容器10の鉄皮1に接するように永久耐火物2が設けられ、永久耐火物2の内側にワーク耐火物3が設けられる。永久耐火物2としては、例えば、MgOれんがが用いられる。ワーク耐火物3として、後述するカーボン含有不焼成れんが耐火物が施工される。本実施形態では、少なくとも特に熱負荷を受けやすい製鉄用精錬容器10の炉底部に配されたガス吹き込み羽口4を有する部位(羽口の周囲)のワーク耐火物3をカーボン含有不焼成れんが耐火物とすることが好ましいが、ガス吹き込み羽口4を有する部位以外のワーク耐火物3についても、カーボン含有不焼成れんが耐火物としても良い。
<About steelmaking containers>
First Embodiment
The case where the steelmaking vessel according to the present invention is a steelmaking refining vessel such as a converter will be described with reference to FIG. 1. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a refractory lining structure of the steelmaking refining vessel. The
ここで、図1に示す通り、転炉等の製鉄用精錬容器10の内部には、溶鉄として溶鋼8及びスラグ7が保持されている。また、溶鉄に対して上方から酸素ガス6を吹き込む上吹きランス5が設けられ、炉底部からも底吹き撹拌ガス9が吹き込まれる。
As shown in FIG. 1,
製鉄用精錬容器10は、操業前に予熱工程を有する点を特徴とする。具体的には、製鉄用精錬容器10の鉄皮1の内側に永久耐火物2とワーク耐火物3を施工して製鉄用精錬容器10を構炉した後、製鉄用精錬容器10を予熱する(800~1200℃)ことにより、カーボン含有不焼成れんが耐火物を焼成する。これにより、カーボン含有不焼成れんが耐火物に、後述する図8に示す機構によって反応が起こり、カーボン含有不焼成れんが耐火物の少なくとも一部に含有される混合物(混合原料)から、カーボンナノチューブ(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、耐火物寿命向上が達成される。
The
(第2実施形態)
次に、本発明に係る製鉄用容器がトピード・カーに搭載される製鉄用溶銑輸送容器である場合について、図2を用いて説明する。図2は、製鉄用溶銑輸送容器の耐火物ライニング構造に関する断面模式図である。本実施形態では、図2に示すように、製鉄用容器が製鉄用溶銑輸送容器20である場合について説明する。製鉄用溶銑輸送容器20は、内部に溶鉄を保持し、溶銑の輸送及び輸送途中における脱炭精錬(溶銑予備処理)等に使用される。製鉄用溶銑輸送容器20は、内側からワーク耐火物13、永久耐火物12、鉄皮11の順に構成される。製鉄用溶銑輸送容器20の鉄皮1に接するように永久耐火物2が設けられ、永久耐火物2の内側にワーク耐火物3が設けられる。永久耐火物2としては、例えば、Al2O3-SiO2系焼成れんがが用いられる。ワーク耐火物3として、後述するカーボン含有不焼成れんが耐火物が施工されている。
Second Embodiment
Next, a case where the steelmaking vessel according to the present invention is a molten pig iron transport vessel for steelmaking mounted on a torpedo car will be described with reference to FIG. 2. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a refractory lining structure of a molten pig iron transport vessel for steelmaking. In this embodiment, as shown in FIG. 2, a case where the steelmaking vessel is a molten pig iron transport vessel for
製鉄用溶銑輸送容器20は、操業前に予熱工程を有する点を特徴とする。具体的には、製鉄用溶銑輸送容器20の鉄皮1の内側に永久耐火物2とワーク耐火物3を施工して製鉄用溶銑輸送容器20を構築した後、製鉄用溶銑輸送容器20を予熱する(800~1200℃)ことにより、カーボン含有不焼成れんが耐火物を焼成する。これにより、カーボン含有不焼成れんが耐火物において、後述する図8に示す機構による反応が起こり、カーボン含有不焼成れんが耐火物の少なくとも一部に含有される混合物(混合原料)から、カーボンナノチューブ(CNT)が耐火物内部に一様に生成される。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。
The hot
<カーボン含有不焼成れんが耐火物>
耐火物の耐熱スポーリング性は、金属材料や他の延性材料に比べると決して高くない。耐熱スポーリング性を高める方法の一つに、耐火物の組織中への繊維状物質を存在させて、その繊維状物質によるブリッジング効果により、機械的負荷によって耐火物中に発生した亀裂の進展を妨げる方法が挙げられる。
<Carbon-containing unburned brick refractories>
The thermal spalling resistance of refractories is not as high as that of metals or other ductile materials. One method to improve the thermal spalling resistance is to introduce fibrous materials into the structure of the refractory, and to prevent the propagation of cracks generated in the refractory by mechanical loads through the bridging effect of the fibrous materials.
MgO-CれんがやAl2O3-SiC-Cれんが等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、および各種添加材から構成される。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、より低コストで繊維状物質を耐火物内に生成でき、各種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。 Refractories such as MgO-C bricks and Al 2 O 3 -SiC-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 resins, and various additives. When the liquid binder made of organic substances is heated, volatiles are removed and carbon substances such as amorphous carbon are generated. If nano-fibrous substances such as carbon nanotubes can be generated during heating using the binder as a raw material, it is possible to generate fibrous substances in the refractory at a lower cost and solve various problems. Therefore, the inventors have investigated whether or not carbon nano-fibrous substances can be generated 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は、FeやNi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、成長することが分かっている。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、Ni粒子を核としたナノチューブ生成を狙いとして、Fe、Ni酸化物をバインダー材料に添加して観察を行った。以下、調査実験内容を記載する。 It is known that when fine particles of Fe or Ni are present, nanotubes are generated and grow from these particles as nuclei. Therefore, the inventors added Fe and Ni oxides 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 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、坩堝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3に示す温度パターンにて、Ar雰囲気で加熱した。そして、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4~5に示す。図4は、遷移金属化合物(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5は、遷移金属化合物(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。図4~5より、サブμmサイズの擬繊維状の物質の存在が確認された。 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. 3. Then, the sample after cooling was observed with a TEM (transmission electron microscope). TEM photographs under each condition are shown in FIGS. 4 and 5. FIG. 4 shows a TEM photograph of CNT, which is an example of a phenolic resin dry distillation product when a transition metal compound (Fe 2 O 3 ) is used. FIG. 5 shows a TEM photograph of CNT, which is an example of a phenolic resin dry distillation product when a transition metal compound (NiCO 3 ) is used. 4 and 5, the presence of pseudo-fibrous substances of sub-μm size was confirmed.
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を事前混合したバインダーを作成し、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 the investigation and experiment, powdered NiCO 3 was added to the binder in an amount of 1 mass % to prepare a binder 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, "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6~7に示す。静的弾性率は、NiCO3を添加しなかった通常のMgO-Cれんがと比較してほぼ同様であり、曲げ強度は向上した。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た。(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。 The results are shown in Figures 6 and 7. The static elastic modulus was almost the same as that of normal MgO-C bricks without added NiCO3 , and the bending strength was improved. This suggests that the thermal shock fracture resistance R (unit: K) defined by the following formula (2) is improved by using a binder with added nano- NiCO3 . In formula (2), ν is Poisson's ratio (dimensionless number (here, 0.3)), and α is the thermal expansion coefficient of the material (1/K). In fact, when comparing the thermal shock fracture resistance R of the two, R was 22 for the normal brick and R was 34 for the bricks with added NiCO3 , and the thermal shock fracture resistance R was greatly increased.
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8を用いて説明する。熱処理の実施により、まず、図8(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8(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8(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8(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. 8, taking the case where FeO is added as a transition metal as an example. First, as shown in FIG. 8(a), reducing gas (CxHy, H 2 , CO) is volatilized from the phenolic resin (resin) by the heat treatment. Then, as shown in FIG. 8(b), the reducing gas and FeO cause an oxidation-reduction reaction to generate metallic Fe. After that, as shown in FIG. 8(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. 8(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を生成させ、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、築炉時は通常の耐火物と同様に施工し、転炉の予熱中(800~1200℃)に図8に示す機構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, construction is carried out in the same way as for normal refractories, and during preheating of the converter (800-1200°C), a reaction occurs according to the mechanism shown in Figure 8, 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 its lifespan.
ここで、本発明で用いる添加物には平均粒子径が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)を用いるべきである。平均1μmを超える粒径を有する粒子はCNTが生成し難いためである。この時の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)を添加する方が望ましい。化合物としてはFe、Niを含有することが好ましく、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 used in the present invention should be a transition metal having an average particle size of 1 μm or less, or a transition metal compound (oxide, carbonate, or other compound) containing a transition metal. This is because particles having an average particle size exceeding 1 μm are difficult to generate CNT. In this case, transition metal particles are most preferable, but they are relatively expensive and require sufficient attention to safety when handling. Therefore, it is preferable to add a transition metal compound (oxide, carbonate, or other compound) in the sense that safety when handling can be ensured and the same effect can be obtained. The compound preferably contains Fe or Ni, and more preferably NiCO 3 , Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , FeO, NiO, etc. In addition, when used as a transition metal, Fe or Ni is preferable. And, the additive to the binder may be a mixture of a transition metal and a transition metal compound (for example, a mixture of Fe and FeO), or a mixture of transition metal compounds (for example, a mixture of Fe 3 O 4 and FeO).
また、平均粒子径が1μm以下である遷移金属、あるいは遷移金属化合物(酸化物、炭酸塩その他化合物)は、予め有機系物質からなる液状のバインダーと混合し、その後に当該混合物を耐火物原料及び黒鉛原料に添加して混合原料として用意する方が、耐火物内において分散性が確保され、よりCNTの生成が容易になるため望ましい。なお、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。 In addition, it is preferable to mix transition metals or transition metal compounds (oxides, carbonates, and other compounds) with an average particle size of 1 μm or less with a liquid binder made of an organic substance in advance, and then add the mixture to the refractory raw material and graphite raw material to prepare a mixed raw material, since this ensures dispersibility within the refractory and makes it easier to generate CNTs. Note that the mixing method can be performed in various ways, such as using a stirrer such as a mixer or a kneader, and the method is not limited.
さらに、平均粒子径が1μm以下である遷移金属、あるいは遷移金属化合物(酸化物、炭酸塩その他化合物)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 transition metals or transition metal compounds (oxides, carbonates, and other compounds) with an average particle size of 1 μm or less in an amount of 0.1% to 8.0% by mass relative to the liquid binder made of an organic substance. If the amount is less than 0.1% by mass, the amount of CNT generated will be suppressed, and if the amount is 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, this is not desirable because it will affect the close packing of the refractory structure.
また、添加され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 should desirably be between 2% and 5% by mass relative to the total mass of the refractory raw material and the graphite raw material. If it is less than 2% by mass, it will not act as a sufficient binder, and if it is more than 5% by mass, there will be too much binder and it may seep out during the molding of the refractory material.
本発明は、MgO-CやAl2O3-C、Al2O3-MgO-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, Al 2 O 3 -C, and Al 2 O 3 -MgO-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 at all problematic to add antioxidants such as Al and Si to these refractories. Rather, since Al and the like contribute to the generation of whiskers, a higher effect can be fully expected. The present invention can also be applied to refractories to which SiC has been 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、バンド頁岩、シャモット、ろう石も含む)のいずれでも適用できる。SiCについても任意の品位、粒度、配合を問わず、各種設計思想に応じて使用することができる。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 materials used in the present invention can be any of the following: electrically fused products, sintered products, and natural materials (including seawater MgO, band shale, chamotte, and rosewood). SiC can be used in any grade, particle size, or blend, depending on various design concepts. In addition, various graphite raw materials can be used, such as scaly graphite, carbon black, and thin graphite.
(実施例1)
ヒートサイズ320t/ch規模の弱攪拌型上底吹き転炉の羽口部位に、MgO-C材質の羽口れんがを施工した。れんが中のカーボン濃度は20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。
Example 1
Tuyere bricks made of MgO-C were installed at the tuyere of a weakly stirred top-and-bottom blown converter with a heat size of 320 t/ch. The carbon concentration in the brick was set to 20 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。 A list of the invention examples and comparative examples is shown in Table 3. In invention example 1, CoCO3 was added as an additive having an average particle size of 1 μm or less at a ratio of 9.0 mass% to the binder by mixing it in advance. In invention example 2, NiO was added as an additive having an average particle size of 1 μm or less at a ratio of 8.0 mass% to the binder by mixing it in advance.
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は配合を見直し、黒鉛含有量を25.0質量%とした。比較例3は比較例1と同じ配合だが、ピッチを添加物として、外数で1.0質量%添加した。比較例4は比較例2と同じ配合だが、ピッチを添加物として、外数で1.0質量%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6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5及び6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 composition was revised, and the graphite content was set to 25.0 mass%. In Comparative Example 3, the composition was the same as in Comparative Example 1, but 1.0 mass% of pitch was added as an additive. In Comparative Example 4, the composition was the same as in Comparative Example 2, but 1.0 mass% of pitch was added as an additive. In Comparative Example 5, NiCO 3 was added separately from the binder at a ratio of 10.0 mass% relative to the binder as an additive having an average particle size of 1 μm or less. In Comparative Example 6, Fe 2 O 3 was added separately from the binder at a ratio of 8.5 mass% as an additive having an average particle size of 1 μm or less. Here, "added separately from the binder" in Comparative Examples 5 and 6 means that metal particles are added directly to the refractory raw material.
ここで、発明例及び比較例に係る耐火物について、耐火物が損耗限界に達するまでの所定期間(炉の使用回数で3000回程度)、脱炭吹錬を実施し、その時点における羽口耐火物の損耗速度及び炉寿命を比較し、評価を行った。発明例及び比較例に係る耐火物の比較の結果を表4に示す。 Here, decarburization blowing was performed for the refractories of the invention example and the comparative example for a predetermined period (approximately 3,000 furnace uses) until the refractories reached their wear limit, and the wear rate of the tuyere refractory and the furnace life at that point were compared and evaluated. The results of the comparison of the refractories of the invention example and the comparative example are shown in Table 4.
ここで、表4に示す損耗速度は、使用前後の耐火物の厚みの差(mm)を使用回数(Charge数(Ch))で除した値を意味する。炉寿命は、耐火物の使用可能回数(Charge数(Ch))を意味する。原単価指数は、耐火物原単位(溶鋼1トンあたりに使用される耐火物量(単位:kg/t-steel)と、耐火物の単価(単位重量当たりの耐火物の価格(単位円/kg))との積で定義される値を意味し、溶鋼単位重量当たりにかかる費用を指す。本願の実施例では、比較例1、9を「1.00」としたときの増減量を原単価指数と称する。 Here, the wear rate shown in Table 4 means the difference in thickness of the refractory before and after use (mm) divided by the number of uses (number of charges (Ch)). The furnace life means the number of times the refractory can be used (number of charges (Ch)). The unit cost index means a value defined as the product of the refractory unit cost (amount of refractory used per ton of molten steel (unit: kg/t-steel)) and the unit price of the refractory (price of refractory per unit weight (unit: yen/kg)), and indicates the cost per unit weight of molten steel. In the examples of this application, the increase or decrease when Comparative Examples 1 and 9 are set to "1.00" is referred to as the unit cost index.
平均粒子径が1μm以下である遷移金属化合物を添加した発明例1~2は、比較例1、2に比べて熱衝撃破壊抵抗Rが向上し、損耗速度が低減し、炉寿命が向上した。比較例3、4は、比較例1、2よりも損耗速度は低位となったが、コストが高く、原単価指数(比較例1を「1」とした場合)は高位となった。それに対して発明例1、2の原単価指数は、比較例1以下となった。 Invention Examples 1 and 2, which added a transition metal compound with an average particle size of 1 μm or less, had improved thermal shock fracture resistance R, reduced wear rate, and improved furnace life compared to Comparative Examples 1 and 2. Comparative Examples 3 and 4 had a lower wear rate than Comparative Examples 1 and 2, but were more expensive and had a high unit cost index (when Comparative Example 1 is set to "1"). In contrast, the unit cost index of Invention Examples 1 and 2 was lower than that of Comparative Example 1.
更に、耐熱スポーリング性に着目して操業後れんがの表面観察結果を比較すると、本発明例1~2は、いずれも耐火物表面の亀裂は観察されなかったが、比較例1では大きな亀裂が、比較例2~4では細かい亀裂がそれぞれ観察された。これは、発明例の熱衝撃破壊抵抗R値が、比較例に比べて高位であることとほぼ同じ傾向となっている。更に、金属化合物をバインダーと別に添加した比較例5~6は、金属化合物の分散が不十分だったため、本発明例に比べ損耗速度や熱衝撃破壊抵抗Rの向上までは至らなかった。 Furthermore, when comparing the results of surface observation of bricks after operation with a focus on thermal spalling resistance, no cracks were observed on the refractory surface in Invention Examples 1 and 2, but large cracks were observed in Comparative Example 1, and fine cracks were observed in Comparative Examples 2 to 4. This shows almost the same tendency as the higher thermal shock fracture resistance R value of the Invention Examples compared to the Comparative Examples. Furthermore, Comparative Examples 5 and 6, in which the metal compound was added separately from the binder, did not achieve an improvement in wear rate or thermal shock fracture resistance R compared to the Invention Examples, due to insufficient dispersion of the metal compound.
(実施例2)
次に、ヒートサイズ320t/ch規模の弱攪拌型上底吹き転炉の直胴部側壁部位にMgO-C材質の羽口れんがを施工した。れんが中のカーボン濃度は15.0質量%とした。基準となるMgO-Cれんがの組成を表5に示す。表5に示す組成のMgO-Cれんがは、以下に説明する表6及び表7において、比較例7として示す例である。
Example 2
Next, tuyere bricks made of MgO-C were installed on the side wall of the straight body of a weakly stirred top-and-bottom blown converter with a heat size of 320 t/ch. The carbon concentration in the bricks was set to 15.0 mass%. The composition of the reference MgO-C brick is shown in Table 5. The MgO-C brick with the composition shown in Table 5 is an example shown as Comparative Example 7 in Tables 6 and 7 described below.
発明例、および比較例の一覧を表6に示す。発明例3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4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。 Table 6 shows a list of invention examples and comparative examples. In invention example 3, FeO was added as an additive with an average particle size of 1 μm or less by premixing it with the binder at a ratio of 8.0 mass% relative to the binder. In invention example 4, metallic Fe was added as an additive with an average particle size of 1 μm or less by premixing it with the binder at a ratio of 4.0 mass% relative to the binder.
これに対し、比較例7では表5に示す配合の通りで混合したMgO-15%Cれんがを適用した。比較例8では比較例7の配合のれんがにピッチを外数で1.0質量%添加した。 In contrast, in Comparative Example 7, MgO-15% C bricks mixed as shown in Table 5 were used. In Comparative Example 8, 1.0 mass% pitch was added to the bricks of the Comparative Example 7 composition.
ここで、発明例及び比較例に係る耐火物について、耐火物が損耗限界に達するまでの所定期間(炉の使用回数で1000回程度)、脱炭吹錬を実施し、その時点における側壁部耐火物の損耗速度を比較し評価を行った。発明例及び比較例に係る耐火物の比較の結果を表7に示す。 Here, decarburization blowing was performed for the refractories of the invention example and the comparative example for a predetermined period (approximately 1,000 furnace uses) until the refractories reached their wear limit, and the wear rate of the sidewall refractories at that point was compared and evaluated. The results of the comparison of the refractories of the invention example and the comparative example are shown in Table 7.
表7に示す通り、平均粒子径が1μm以下である遷移金属、あるいは遷移金属化合物を添加した発明例3、4は、比較例7、8に比べて損耗速度が低減した。 As shown in Table 7, Examples 3 and 4 of the invention, which contained a transition metal or transition metal compound with an average particle size of 1 μm or less, showed a reduced wear rate compared to Comparative Examples 7 and 8.
(実施例3)
次に、ヒートサイズ280t/ch規模の溶銑鍋型容器にAl2O3-SiC-C材質のワークれんがを施工した。れんが中のカーボン濃度は10.0質量%とした。基準となるAl2O3-SiC-Cれんがの組成を表8に示す。表8に示す組成のAl2O3-SiC-Cれんがは、以下に説明する表9及び表10において、比較例9として示す例である。
Example 3
Next, work bricks made of Al 2 O 3 -SiC-C were applied to a molten iron ladle-type vessel with a heat size of 280 t/ch. The carbon concentration in the bricks was set to 10.0 mass%. The composition of the reference Al 2 O 3 -SiC-C brick is shown in Table 8. The Al 2 O 3 -SiC-C brick with the composition shown in Table 8 is an example shown as Comparative Example 9 in Tables 9 and 10 described below.
発明例、および比較例の一覧を表9に示す。発明例5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6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。 A list of the invention examples and comparative examples is shown in Table 9. In invention example 5, CoCO3 was added as an additive having an average particle size of 1 μm or less at a ratio of 9.0 mass% to the binder. In invention example 6, NiO was added as an additive having an average particle size of 1 μm or less at a ratio of 8.0 mass% to the binder.
これに対し、比較例9では表8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10は配合を見直し、黒鉛含有量を15.0質量%とした。比較例11は比較例9と同じ配合だが、ピッチを添加物として、外数で1.0質量%添加した。比較例12は比較例10と同じ配合だが、ピッチを添加物として、外数で1.0質量%添加した。比較例13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14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。 In contrast, in Comparative Example 9, the materials were mixed according to the composition shown in Table 8, and no additives were added. In Comparative Example 10, the composition was revised, and the graphite content was set to 15.0 mass%. In Comparative Example 11, the composition was the same as in Comparative Example 9, but 1.0 mass% of pitch was added as an additive. In Comparative Example 12, the composition was the same as in Comparative Example 10, but 1.0 mass% of pitch was added as an additive. In Comparative Example 13, NiCO3 was added separately from the binder at a ratio of 10.0 mass% relative to the binder as an additive having an average particle size of 1 μm or less. In Comparative Example 14, Fe2O3 was added separately from the binder at a ratio of 8.5 mass% as an additive having an average particle size of 1 μm or less.
ここで、発明例及び比較例に係る耐火物について、耐火物が損耗限界に達するまで(炉の使用回数で1000回程度に達するまで)の溶銑輸送および溶銑予備処理(脱りん、脱硫処理)を実施し、その時点におけるワーク耐火物の損耗速度及び亀裂状況を比較し、評価を行った。発明例及び比較例に係る耐火物の比較の結果を表10に示す。 Here, for the refractories according to the invention example and the comparative example, molten iron transportation and molten iron pretreatment (dephosphorization, desulfurization treatment) were carried out until the refractories reached their wear limit (approximately 1,000 furnace uses), and the wear rate and crack condition of the work refractories at that point were compared and evaluated. The results of the comparison of the refractories according to the invention example and the comparative example are shown in Table 10.
平均粒子径が1μm以下である遷移金属化合物を添加した発明例5、6は、比較例9、10に比べて熱衝撃破壊抵抗Rが向上し、損耗速度が低減した。比較例11、12は、比較例9、10よりも損耗速度は低位となったが、コストが高いことから原単価指数(比較例9を1とした場合)は高位となった。そして、発明例5、6における原単価指数は、比較例9、10以下となった。 Invention Examples 5 and 6, which contained a transition metal compound with an average particle size of 1 μm or less, the thermal shock fracture resistance R was improved and the wear rate was reduced compared to Comparative Examples 9 and 10. Comparative Examples 11 and 12 had a lower wear rate than Comparative Examples 9 and 10, but because of their higher costs, the unit cost index (when Comparative Example 9 is set to 1) was higher. The unit cost index in Invention Examples 5 and 6 was lower than that of Comparative Examples 9 and 10.
更に、耐熱スポーリング性に着目して操業後れんがの表面観察結果を比較すると、本発明例5、6は、いずれも耐火物表面の亀裂は観察されなかったが、比較例9では大きな亀裂が、比較例10~12では細かい亀裂がそれぞれ観察された。これは、発明例の熱衝撃破壊抵抗R値が比較例に比べて高位であることとほぼ同じ傾向となっている。更に、金属化合物をバインダーと別に添加した比較例13、14は、金属化合物の分散が不十分だったため、発明例に比べ損耗速度や熱衝撃破壊抵抗Rの向上までは至らなかった。 Furthermore, when comparing the results of surface observation of bricks after operation with a focus on thermal spalling resistance, no cracks were observed on the refractory surface in either invention examples 5 and 6, but large cracks were observed in comparative example 9, and fine cracks were observed in comparative examples 10 to 12. This shows almost the same tendency as the thermal shock fracture resistance R value of the invention examples being higher than that of the comparative examples. Furthermore, in comparative examples 13 and 14, in which the metal compound was added separately from the binder, the dispersion of the metal compound was insufficient, and therefore the wear rate and thermal shock fracture resistance R were not improved compared to the invention examples.
以上から、本発明に係る製鉄用容器および製鉄用容器の操業方法を利用して、カーボン含有不焼成れんが耐火物の製鉄用容器への施工の後に当該製鉄用容器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, by utilizing the steelmaking vessel and the method of operating the steelmaking vessel according to the present invention, and applying a carbon-containing unburned brick refractory to the steelmaking vessel and then preheating the steelmaking vessel, it is possible to efficiently generate fibrous material in the refractory. It has also become clear that this has an excellent effect on the thermal shock fracture resistance, i.e., thermal spalling resistance, of the carbon-containing brick refractory.
1、11 鉄皮
2、12永久耐火物
3、13ワーク耐火物
4 ガス吹き込み羽口
5 上吹きランス
6 酸素ガス
7 スラグ
8 溶鋼
9 底吹き撹拌ガス
10 製鉄用精錬容器
19 トピード・カー
20 製鉄用溶銑輸送容器
1, 11
Claims (8)
下記(1)、(2)、及び(3)を含む混合原料が含有されたカーボン含有不焼成れんが耐火物を少なくとも一部に用いたワーク耐火物を内部に設けた前記製鉄用容器の操業前に、
前記製鉄用容器内を予熱して前記カーボン含有不焼成れんが耐火物を焼成することで、下記(3)の混合物からカーボンナノチューブを生成させる予熱工程を有する、製鉄用容器の操業方法。
(1)耐火物原料
(2)黒鉛原料
(3)平均粒子径が1μm以下である粉末状の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(但し、前記遷移金属又は遷移金属を含有する遷移金属化合物を溶媒に懸濁した状態で前記液状のバインダーに添加して混合した混合物を除く) A method for operating a steelmaking vessel used in steelmaking, comprising the steps of:
Before the operation of the steelmaking vessel having therein a work refractory material at least partially using a carbon-containing unburned brick refractory material containing a mixed raw material including the following (1), (2), and (3),
A method for operating a vessel for steelmaking, comprising a preheating step of preheating the inside of the vessel for steelmaking to fire the carbon-containing unburned brick refractory material, thereby producing carbon nanotubes from the mixture of (3) below.
(1) Refractory raw material (2) Graphite raw material (3) A mixture in which a powdered transition metal or a transition metal compound containing a transition metal, the powdered 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 (however, this does not include a mixture in which the transition metal or the transition metal compound containing a transition metal is added to the liquid binder in a state of being suspended in a solvent).
少なくとも前記炉底部に配された前記ガス吹き込み羽口を有する部位のワーク耐火物に、前記カーボン含有不焼成れんが耐火物を用いる、請求項1に記載の製鉄用容器の操業方法。 The steelmaking vessel is a steelmaking refining vessel that holds molten iron therein and has a gas injection port for injecting gas into the molten iron from a bottom of the furnace,
2. The method for operating an iron-making vessel according to claim 1, wherein the carbon-containing unburned brick refractory is used as the work refractory at least in a portion having the gas-blowing tuyere arranged in the bottom of the furnace.
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1~3のいずれか1項に記載の製鉄用容器の操業方法。 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 an average particle size range of 5 to 40% by mass of 3 mm or more, 10 to 45% by mass of 1 mm or more and less than 3 mm, 15 to 30% by mass of 0.15 mm or more and less than 1 mm, and 5 to 45% by mass of less than 0.15 mm.
A method for operating a vessel for iron-making according to any one of claims 1 to 3.
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