JP6672986B2 - 溶湯保持容器のライニング構造及びその施工方法 - Google Patents

Description

本発明は、溶湯保持容器のライニング構造及びその施工方法に関する。

溶湯保持容器のライニング構造では、溶湯（溶融金属）漏れ防止の観点から、稼働面側にウェアライニング、鉄皮側にパーマライニングという２層構造を採用している。ウェアライニング及びパーマライニングには耐火物が使用されるが、一部の溶湯保持容器では、施工の簡便さからライニング材として不定形耐火物が使用される。不定形耐火物を施工する際には、パーマ耐火物を流し込み施工して養生した後、ウェア耐火物を流し込み施工して乾燥させる方法が採られる。

ウェアライニングは溶湯に直接接触するため、熱膨張収縮による亀裂が入りやすく、さらにスラグと接触することにより溶損する。そのため、ウェアライニングには供用期間を通じて定期的な補修が行われる。
一方、パーマライニングは、溶湯やスラグと直接接触する機会は少ないが、使用時の熱膨張収縮によって亀裂が入ることがある。その場合、ウェアライニングの亀裂からパーマライニングの亀裂へ溶湯が浸入して溶湯洩れのリスクが発生する。

ウェアライニングの加熱・冷却過程における膨張・収縮に起因する亀裂発生等の問題を解消あるいは抑制するライニング構造として、例えば特許文献１には、ウェアライニングを不定形耐火物で形成する取鍋において、取鍋のパーマネントライニング（パーマライニング）の内表面部に複数個の凹部及び／あるいは凸部を設け、該凹凸部にウェアライニングの外表面部を嵌合させる技術が開示されている。

特開平６−３０７７７４号公報

特許文献１に記載されている取鍋ライニング構造によれば、ウェアライニングの亀裂発生を、ある程度抑制できるものの完全に防止することはできない。また、ウェアライニングとパーマネントライニングが凹凸部を介して嵌合しているため、かえってパーマネントライニングに亀裂が入りやすくなり、パーマネントライニングの寿命低下や溶湯洩れのリスクを解消することができないという課題がある。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、パーマライニングの亀裂発生を抑制してパーマライニングの寿命低下や溶湯洩れのリスクを解消することができる溶湯保持容器のライニング構造及びその施工方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、第１の発明に係る溶湯保持容器のライニング構造は、内表面に複数の凹部が千鳥配置された不定形耐火物からなるパーマライニングと、前記パーマライニングの内表面を覆うモルタル層と、前記モルタル層上に形成されたウェアライニングとを有し、
前記モルタル層の縦弾性率が、前記パーマライニングを構成する不定形耐火物の縦弾性率よりも小さいことを特徴としている。

パーマライニングの内表面に複数の凹部を千鳥配置し、さらにパーマライニングの内表面を縦弾性率の低いモルタル層で覆うことにより、パーマライニングの内表面に生じる歪を分散させて亀裂の発生を抑制する。仮にパーマライニングの内表面に亀裂が発生した場合でも、パーマライニングの内表面に密着するモルタル層によって溶湯漏れを防止する。

また、第１の発明に係る溶湯保持容器のライニング構造では、隣接する前記凹部間の最短距離が５ｍｍ以上５０ｍｍ以下とされていることを好適とする。

凹部間の最短距離が狭いほどパーマライニングとモルタル層との接着効果が期待できるが、パーマ耐火物の最大粒子径が３ｍｍ〜４ｍｍであることから、パーマライニングの健全性を維持するため、凹部間の最短距離は５ｍｍ以上確保する必要がある。
一方、凹部間の最短距離が５０ｍｍ超であると、凹部間の最短距離が広すぎ、パーマライニングの内表面に発生する歪を分散させることができない。

また、第２の発明に係る溶湯保持容器のライニング施工方法は、気体を内包する複数の凸部が一方の面に千鳥配置されている気泡緩衝材の他方の面を型枠に取り付け、前記気泡緩衝材の一方の面が、溶湯保持容器の外殻を構成する鉄皮の内表面と対峙するように、該鉄皮と間隔をあけて前記型枠を前記溶湯保持容器内にセットする工程と、
前記鉄皮と前記気泡緩衝材との間の空間に不定形耐火物を流し込んでパーマライニングを形成する工程と、
前記不定形耐火物が固化した後、前記型枠及び前記気泡緩衝材を取り外して前記パーマライニング上に、該パーマライニングを構成する不定形耐火物の縦弾性率よりも小さい縦弾性率を有するモルタル層を形成し、さらに前記モルタル層上にウェアライニングを形成する工程とを備えることを特徴としている。

第２の発明では、気体を内包する複数の凸部が一方の面に千鳥配置されている気泡緩衝材を利用することにより、パーマライニングの内表面に複数の凹部を容易に千鳥配置することができる。

本発明では、パーマライニングの内表面に複数の凹部を千鳥配置し、さらにパーマライニングの内表面を縦弾性率の低いモルタル層で覆うことにより、パーマライニングの内表面に生じる歪を分散させて亀裂の発生を抑制し、パーマライニングの寿命を向上させることができる。さらにまた、モルタル層によって溶湯の浸入を防止するので、溶湯洩れのリスクを解消することができる。

本発明の一実施の形態に係る溶湯保持容器のライニング構造の縦断面図である。 パーマライニングの内表面に形成された凹部の模式図である。 凹部の間隔を説明するための模式図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は、本発明の一実施の形態に係る溶湯保持容器のライニング施工方法の手順を示した模式図である。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。

本発明の一実施の形態に係る溶湯保持容器のライニング構造は、図１に示すように、溶湯保持容器の外殻を構成する鉄皮１５側から溶湯１６側に向けて順に、パーマライニング１２、モルタル層１１、ウェアライニング１０からなる３層構造とされている。

パーマライニング１２は不定形耐火物からなり、その内表面（溶湯側）には、複数の凹部１３が千鳥配置されている。即ち、隣接する上段の凹部１３と下段の凹部１３の横方向位置に関して、上段の凹部１３間の凸部１４の位置に下段の凹部１３の中心が位置している（図２参照）。同一段における凹部１３の中心間距離をＬとすると、当該段の凹部１３の中心と当該段の上下に隣接する段の凹部１３の中心との間にＬ／２の位相差があることが好ましい。図２に示すように、任意の凹部１３の周囲に存在する凸部１４の中心同士を結ぶと、六角形（ハニカム形状）となる。

モルタル層１１はパーマライニング１２の内表面を覆い、凸部１４とウェアライニング１０との間の厚さは１０ｍｍ〜２０ｍｍ程度とされている。モルタル層１１には耐火モルタルを使用してもよいが、通常使用されているもので構わない。ただし、モルタルの縦弾性率をパーマライニング１２に使用される不定形耐火物の縦弾性率よりも小さくする必要がある。
なお、モルタル層１１上に形成されたウェアライニング１０も不定形耐火物から構成されている。

図１及び図２に示すように、凹部１３は半球状とされ、隣接する凹部１３間に形成されている凸部１４の幅は５ｍｍ以上５０ｍｍ以下とされている。
凹部１３の直径の上限は５０ｍｍ、直径の下限は２ｍｍとする。凹部１３の直径を５０ｍｍ超とした場合、ライニング施工後に、凹部１３からモルタルが垂れ落ち、凹部１３にモルタルが充填されないおそれがある。一方、パーマライニング１２の内表面を覆うモルタルの最大粒子径は１ｍｍ〜２ｍｍであるため、凹部１３の直径は２ｍｍ以上とする必要がある。
また、パーマライニング１２の強度を維持する必要から、凹部１３の深さはパーマライニング１２の厚さの１０％〜２０％の深さが好ましい。

凹部１３の平面形状を円とし、互いに隣接する３つの凹部１３の中心が正三角形を構成する場合、図３に示すような直角三角形ＰＱＲを想定することができる。
凹部１３の半径をｄ、凸部１４の幅をａとすると、ＰＱの長さは２ｄ＋ａとなる。ＰＱとＱＲの長さの比は２：√３なので、ＱＲ＝（２ｄ＋ａ）×√３／２となる。ＱＲ＝（２ｄ＋ａ）×√３／２＜２ｄであると、パーマライニング１２内表面のいずれの方向の歪に対しても、凹部１３が効果を発揮する。
（２ｄ＋ａ）×√３／２＜２ｄを変形すると次式となる。
ａ＜（４√３−６）ｄ／３
従って、互いに隣接する３つの凹部１３の中心が正三角形を構成し、且つ上式が満足される場合、パーマライニング１２内表面のいずれの方向の歪に対しても、凹部１３による亀裂防止効果が期待できる。

本実施の形態では凹部１３の形状を半球状としたが、これに限るものではなく、例えば円柱や直方体などとしてもよい。ただし、凹部１３の角部に応力が集中するのを避けるため、角部にはアールを設けることが好ましい。

本発明者らは、従来のパーマライニングにおける亀裂発生及び亀裂拡大の原因は以下の２つであると考えている。
ａ）亀裂の発生：加熱と冷却の繰り返しの過程でパーマライニングの内表面側と外表面側に温度差が生じる。この温度差によってパーマライニングに熱膨張差が生じ、その熱膨張差がパーマライニングの限界歪を越えると亀裂が発生する。
ｂ）亀裂の拡大：パーマライニングの使用期間が長くなると、温度の高いパーマライニング表面の焼結が進み、体積収縮が生じる。体積収縮はライニング全体で起きるものの、体積収縮は亀裂に集中し亀裂の幅が拡大する。

上記亀裂発生及び亀裂拡大に対して、本発明におけるパーマライニング内表面の凹凸は以下のような作用を発揮する。
パーマ耐火物の熱膨張によってパーマライニング内表面に発生する応力に起因する亀裂に対して、パーマライニング内表面に形成した凹凸が緩衝材となり、発生する応力を緩和する。一方、冷却時の収縮亀裂に対しても、多数の凹凸が、パーマライニング内表面に発生する収縮歪を集中させることなく分散させ応力を緩和する。またその際、モルタル層の縦弾性率が、パーマライニングを構成する不定形耐火物の縦弾性率よりも小さいので、凹凸の挙動がモルタルによって拘束されることもない。
さらにまた、上述したように、パーマライニング内表面のいずれの方向においても凹凸が存在する形状となっているため、パーマライニング内表面のいずれの方向の応力に対しても応力緩和効果を発揮する。

本発明では、モルタル層は、パーマライニング内表面の亀裂への溶湯浸入を抑制するための機能も有し、パーマライニングに凹凸形状を設けているため、パーマライニングへのモルタルの接着力が強化されている。

次に、上記構成を有する溶湯保持容器のライニング施工方法について図４を用いて説明する。
（１）気体を内包する複数の凸部１７ａが一方の面に千鳥配置されている気泡緩衝材１７の他方の面を型枠１８に取り付ける。そして、気泡緩衝材１７の一方の面が、溶湯保持容器の外殻を構成する鉄皮１５の内表面と対峙するように、鉄皮１５と間隔をあけて型枠１８を溶湯保持容器内にセットする（図４（Ａ）参照）。気泡緩衝材１７としては、市販されている樹脂製の包装材などを使用することができる。

（２）鉄皮１５と気泡緩衝材１７との間の空間１９に不定形耐火物を流し込んでパーマライニング１２を形成する（図４（Ｂ）参照）。
（３）不定形耐火物が固化した後（２４時間程度）、型枠１８と気泡緩衝材１７をパーマライニング１２から取り外す（図４（Ｃ）参照）。
（４）パーマライニング１２上にモルタル層１１を形成し、さらにモルタル層１１の上にウェアライニング１０を形成する（図４（Ｄ）参照）。

以上、本発明の一実施の形態について説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。例えば、上記実施の形態では、鉄皮の内表面にパーマライニングを形成しているが、鉄皮の内表面とパーマライニングとの間に、Porextherm Dammstoffe GmbH社製のPorextherm WDS（登録商標）などの断熱材を介装してもよい。

本発明の効果について検証するために実施した検証試験について説明する。
容量が７０ｔｏｎのタンディッシュのパーマライニングとして凹凸を設け、実湯試験を行った。パーマライニングの厚みは７０ｍｍとし、パーマライニングの内表面に、直径３０ｍｍ、深さ１０ｍｍの半球状の凹部を設けた。凸部の幅は１０ｍｍとした。

２４キャスト（７５チャージ）稼働後のパーマ耐火物の状態を観察したところ、従来のパーマライニングでは、縦亀裂が１４〜１５本程度全体に発生していたが、凹凸を設けた実施例では、２〜３本に亀裂本数が減少した。また、パーマライニングの内表面にモルタル層が残存しており、ウェアライニングの亀裂に浸入した溶湯はパーマライニングに到達しておらず、溶湯の浸入を防止する効果を確認できた。

１０：ウェアライニング、１１：モルタル層、１２：パーマライニング、１３：凹部、１４、１７ａ：凸部、１５：鉄皮、１６：溶湯、１７：気泡緩衝材、１８：型枠、１９：空間

Claims (3)

1. 内表面に複数の凹部が千鳥配置された不定形耐火物からなるパーマライニングと、前記パーマライニングの内表面を覆うモルタル層と、前記モルタル層上に形成されたウェアライニングとを有し、
   前記モルタル層の縦弾性率が、前記パーマライニングを構成する不定形耐火物の縦弾性率よりも小さいことを特徴とする溶湯保持容器のライニング構造。
2. 請求項１記載の溶湯保持容器のライニング構造において、隣接する前記凹部間の最短距離が５ｍｍ以上５０ｍｍ以下とされていることを特徴とする溶湯保持容器のライニング構造。
3. 気体を内包する複数の凸部が一方の面に千鳥配置されている気泡緩衝材の他方の面を型枠に取り付け、前記気泡緩衝材の一方の面が、溶湯保持容器の外殻を構成する鉄皮の内表面と対峙するように、該鉄皮と間隔をあけて前記型枠を前記溶湯保持容器内にセットする工程と、
   前記鉄皮と前記気泡緩衝材との間の空間に不定形耐火物を流し込んでパーマライニングを形成する工程と、
   前記不定形耐火物が固化した後、前記型枠及び前記気泡緩衝材を取り外して前記パーマライニング上に、該パーマライニングを構成する不定形耐火物の縦弾性率よりも小さい縦弾性率を有するモルタル層を形成し、さらに前記モルタル層上にウェアライニングを形成する工程とを備えることを特徴とする溶湯保持容器のライニング施工方法。

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