TWI572581B - A method for manufacturing a lining structure of a molten metal container, and a lining structure of a molten metal container - Google Patents

A method for manufacturing a lining structure of a molten metal container, and a lining structure of a molten metal container Download PDF

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Description

熔融金屬容器之襯砌構造體的製造方法、及熔融金屬容器的襯砌構造體
本發明係關於熔融金屬容器的襯砌構造體(Lining structure)的製造方法及熔融金屬容器的襯砌構造體。
混鐵爐(torpedo car)、高爐(blast furnace 、轉爐(steelmaking converter)、鋼液鍋(molten steel ladle)等之各種熔融金屬容器的襯砌構造體係以在熔融金屬容器的最外側設置鐵皮(outer steel shell)，朝熔融金屬容器的內側依序為永久襯砌耐火物、內襯耐火物所構成。位於最內側的內襯耐火物之運行面(working face(of refractory))是與熔融金屬接觸。作為熔融金屬容器之內襯耐火物的特性，被要求對熔融金屬、共存的熔融氧化物之渣(slag)等的耐蝕性(corrosion resistance)、和對伴隨溫度變化所引起之龜裂(spalling)之耐性。
一般，含有氧化鋁(alumina和苦土(magnesia)之內襯耐火物係藉由在施工後進行燒結，使得 尖晶石化(spinelization)行進。在尖晶石化行進時的體積膨脹，耐火物的體積會膨脹，並且存在於耐火物內的空隙會減少。藉此，可將耐火物緊緻化而使氣孔率降低，能夠防止熔渣侵入到耐火物，因此，能夠減低耐火物的耗損速度。
在熔融金屬容器的使用過程，在內襯耐火物的運行面附近，會產生急遽的溫度上升、下降。因此，如上述般，將在內襯耐火物施工後使氧化鋁與苦土尖晶石化之方法適用於熔融金屬容器的情況時會造成以下這種問題產生。亦即，當內襯耐火物的運行面附近的尖晶石化未充分進行時，因來自於使用過程之熔融金屬的受熱產生溫度上升，因起內襯耐火物產生熱膨脹，因該熱膨脹與伴隨尖晶石化之構造膨脹，會造成在內襯耐火物產生龜裂的問題產生。
相對於此，在專利文獻1揭示有作為內襯用耐火物，使用以未尖晶石化的氧化鋁與苦土作為主要材料來使用，在內襯用耐火物施工後，以1300℃以上的高溫進行4小時以上的燒成，藉此在熔融金屬容器使用前，使內襯用耐火物尖晶石化。
在專利文獻2提案有添加微量的使熔點降低之二氧化矽(silica)，使尖晶石化迅速地進行。
[先行技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開平10-167846號公報
[專利文獻2]日本專利第4220131號公報
但，在專利文獻1所揭示的方法，提案有在熔融金屬容器使用前，使用噴燈將內襯耐火物的運行面以1300℃以上且加熱4小時以上，藉此使內襯耐火物的尖晶石化行進，但，為了以1300℃以上加熱內襯耐火物的運行面，必須採用強力的噴燈設備。又，在內襯耐火物的內部，由於溫度從運行面朝永久襯砌耐火物的方向亦即耐火物的背面方向下降，故，為了進行4小時以上的加熱，讓內襯耐火物的內部充分地尖晶石化，必須需要龐大的能量。因此，適用專利文獻1所揭示的方法並不經濟。
在專利文獻2，添加微量的使熔點下降之二氧化矽，使部分產生液相，藉此，對一般的固相擴散，成為迅速的尖晶石化。但，因添加二氧化矽所引起之耐火性能的降低，會有損使耐火物緊緻化而防止熔渣的侵入之尖晶石化的優點，比起不添加二氧化矽而花費充分的時間進行預熱之情況，會有耐火性能較差之問題。
本發明係為了解決這樣的問題點而開發完成的發明，其目的在於提供不需要以往這種強力的噴燈設備，即可具有充分的耐火性能之熔融金屬容器之襯砌構造體的製造方法及熔融金屬容器的襯砌構造體。
本發明係為了解決這樣的問題點而開發完成的發明，具有以下的特徵。
[1]一種熔融金屬容器之襯砌構造體的製造方法，係從鐵皮側依序具有永久襯砌耐火物和內襯耐火物的熔融金屬容器之襯砌構造體的製造方法，其特徵為：在前述鐵皮與前述永久襯砌耐火物之間，設置熱傳達係數為100W/m2K以下的隔熱材，施工含有60質量%以上的氧化鋁及4質量%以上的苦土且在1500℃進行3小時的熱處理之前後室溫下的線性變化率為0.8%以上之作為前述內襯耐火物的不燒結耐火物(unfired refractory)及/或不定形耐火物(unshaped refractory)，在使用前述熔融金屬容器前，將前述內襯耐火物的運行面預熱。
[2]如前述[1]之熔融金屬容器之襯砌構造體的製造方法，其中，進行施工前的前述內襯耐火物係前述苦土的50質量%以上包含方鎂石(periclase)或燒成白雲石(calcined dolomite)，在前述熔融金屬容器使用前之預熱，是在施工前的前述內襯耐火物，預熱至方鎂石或燒成白雲石之苦土的一部分氧化鋁與尖晶石化。
[3]一種熔融金屬容器的襯砌構造體，其特徵為：藉 由如[1]或[2]所記載之熔融金屬容器之襯砌構造體的製造方法加以製造。
若依據本發明，能夠提供不需要以往這種強力的噴燈設備，即可具有充分的耐火性能之熔融金屬容器之襯砌構造體的製造方法及熔融金屬容器的襯砌構造體。
1‧‧‧鐵皮
2‧‧‧隔熱材
3‧‧‧永久襯砌耐火物
4‧‧‧內襯耐火物
圖1係顯示本發明的實施形態之熔融金屬容器的襯砌構造體的圖。
圖2係顯示本發明例1(有隔熱材)與比較例3(無隔熱材)之內襯耐火物從運行面起的距離與苦土的尖晶石化比率之關係的圖。
以下，參照圖面，說明關於本發明的實施形態。
首先，說明關於本發明的概要。本發明係針對熔融金屬容器的襯砌構造體的製造，發現在內襯耐火物施工後，將能夠讓氧化鋁與苦土尖晶石化的材料作為內襯耐火物使用，並且將隔熱層中介於鐵皮與永久襯砌耐火物之間，藉此，不會使設備費用、能量成本惡化，而能大幅 地減低耐火物成本而開發完成。
亦即，將苦土的半量以上作為方鎂石(periclase)或燒成白雲石(calcined dolomite)進行調配，為了既可謀求藉由尖晶石化之耐火物的緊緻化，又可減低因內襯耐火物開始使用後急遽的溫度上升時的熱膨脹與伴隨尖晶石化的行進之膨脹的合成膨脹所引起的龜裂，在較內襯耐火物更靠近鐵皮側設置隔熱層。藉此，即可使內襯耐火物的內部之溫度梯度平緩，且可提高內襯耐火物的背面及到背面為止的部位之溫度。其結果，當施工後的預熱時提高進行尖晶石化的比率，進一步使尖晶石化行進至充分深的部分，相對地減低實際開始使用後亦即內襯耐火物開始運行後的尖晶石化之行進的膨脹而可抑制龜裂。藉此，不會使設備費用、能量成本惡化而可大幅地減低耐火物成本。再者，內襯耐火物的背面係指對運行面亦即與熔融金屬接觸的面相反側之面。
圖1係顯示本發明的實施形態之熔融金屬容器的襯砌構造體的一例之圖。在熔融金屬容器的最外側設有鐵皮1。襯砌構造體係在內側亦即紙面右側，與熔融金屬(未圖示)接觸。此襯砌構造體係從鐵皮1朝內側，亦即朝熔融金屬進入的方向(襯砌方向)依序具備隔熱材2、永久襯砌耐火物3、內襯耐火物4。
在隔熱材2設置於永久襯砌耐火物3與鐵皮1之間的前述襯砌構造體，隔熱材2具有100W/m2K以下的熱傳達係數。一般，永久襯砌耐火物3的熱傳達係數為 100W/m2K左右。在此，熱傳達係數係指針對內襯耐火物4、永久襯砌耐火物3、隔熱材2等的各耐火物層，各層的厚度除各熱傳導率後的值。
藉由將隔熱材2作為具有較永久襯砌耐火物3低的100W/m2K以下的熱傳達係數之隔熱材所構成，能夠使內襯耐火物4的內部之溫度梯度平緩，並且能增高背面及至背面為止的溫度，能利用使用前的預熱，讓內襯耐火物4的尖晶石化充分地進行。隔熱材2一般為多孔質且耐火性能低，因此，為了將隔熱材2的溫度保持成較低，而將其設在鐵皮1與永久襯砌耐火物3之間。
在此，廉價的隔熱材之熱傳導率大約為0.3W/mK。當將這樣的隔熱材適用作為隔熱材2，而施工厚度作為3mm時，熱傳達係數會成為100W/m2K。例如，藉由將施工厚度作成為2倍的6mm、且熱傳達係數降至50W/m2K或稍微高價但熱傳導率大約為之0.03W/mK的奈米多孔系隔熱材，能夠將熱傳達係數降至10W/m2K，則可使本發明的效果進一步變大。
永久襯砌耐火物3一般是由鋁氧質等的磚所構成，以砂漿掩埋接縫。永久襯砌耐火物3的熱傳達係數為100W/m2K左右。在圖1中，圖示為1層，但永久襯砌耐火物3亦可設置為2層。
內襯耐火物4為含有氧化鋁與苦土，藉由在耐火物施工後進行燒結，使得氧化鋁與苦土尖晶石化之不燒結耐火物及/或不定形耐火物。再者，「不燒結耐火 物」係指成形後施工前未預先燒成之耐火物，「不定形耐火物」係指施工前未預先成形之耐火物。內襯耐火物4係藉由含有60質量%以上的氧化鋁、4質量%以上的苦土之不燒結耐火物及不定形耐火物中的其中一方或雙方所構成為佳。更理想為除了因應特殊用途調配石墨等之情況，期望內襯耐火物4含有80質量%以上的氧化鋁、5質量%以上的苦土。
又，在使氧化鋁與苦土進行尖晶石化前之內襯耐火物4，50質量%以上的苦土作為方鎂石或燒成白雲石含於耐火物。藉此，因在施工後可提高尖晶石化的比率，所以能夠獲得使內襯耐火物4緊緻化或而提升耐蝕性之效果。在此，雖依據原料價格的市場情況，但期望苦土的90質量%以上作為方鎂石被供給為更理想。
構成內襯耐火物4的不燒結耐火物及/或不定形耐火物調整成將在1500℃下進行3小時的熱處理前後之室溫的線性變化率(以下亦稱為1500℃的熱處理後之線性變化率)作成為0.8%以上。藉由將1500℃的熱處理後之線性變化率作成為0.8%以上，作成為包含前述隔熱材2的襯砌構造體之情況，在耐火物施工後的預熱時及作為熔融金屬容器使用後(進行運行後)，藉由氧化鋁與苦土之尖晶石化，獲得使內襯耐火物4緊緻化而提升耐蝕性之效果。在此，將熱處理溫度設為1500℃、熱處理時間設為3小時之理由為考量作為熔融金屬容器，使用後(進行運行後)的內襯耐火物4之運行面側的溫度履歷，作為藉由尖 晶石化之內襯耐火物4的緊緻化的指標之故。
又，在1500℃的熱處理後的室溫之線性變化率未滿0.8%時，即使在作為含有隔熱材2的襯砌構造體的情況，也無法充分地獲得將內襯耐火物4緊緻化並提升耐蝕性之效果。另外，在未含有隔熱材2的層之襯砌構造體，當將在1500℃的熱處理後的室溫之線性變化率作成為0.8%以上時，由於施工後的預熱時以低溫進行尖晶石化的比率低，故內襯耐火物4使用(運行)初期，因尖晶石化所引起之膨脹會急遽地行進，因此，會因內襯耐火物4開始使用後的急遽的溫度上升時之熱膨脹與尖晶石化之膨脹的合成膨脹產生龜裂，變得無法充分地獲得藉由尖晶石化之耐火物的緊緻化使耐蝕性提升而延長耐火物的使用壽命之效果。
且，為了將內襯耐火物4緊緻化而使耐蝕性提升，更期望將在1500℃的熱處理後的室溫之線性變化率作成為1.5%以上。在此，1500℃的熱處理後的線性變化率係分別對應於正值為膨脹、負值為收縮，藉由使作為方鎂石或燒成白雲石而含於耐火物之耐火物的苦土之含有量增加之類的方法而能夠增加，又作為雜質等含於耐火物中的氧化鈦、氧化鐵、二氧化矽之含有量增加等的方法來予以減少的方式進行調整。
再者，作為供給至熔融金屬容器的內襯耐火物4之耐火物，藉由作成為包含60質量%的氧化鋁、4質量%以上的苦土之材質，可充分地發揮藉由尖晶石化之耐 蝕性提升的效果。
在以上所述的襯砌構造體中，在將隔熱材2中介於鐵皮1與永久襯砌耐火物3之間的情況，促進內襯耐火物4的尖晶石化之效果，可在熔融金屬容器使用前的內襯耐火物4之乾燥、預熱製程產生。
在以往，當內襯耐火物4乾燥、預熱時，若將內襯耐火物4的運行面的溫度保持在1300℃以上且4小時以上，則內襯耐火物4的尖晶石化不會行進。相對於此，在本發明，於內襯耐火物4的背面側，藉由設置熱傳達係數為100W/m2K以下的隔熱材2，將內襯耐火物4的運行面之溫度提升至800℃，則能夠使運行面附近的內襯耐火物4之尖晶石化充分地行進。再者，從縮短乾燥、預熱時間的點來看，更期望在乾燥、預熱製程末期的內襯耐火物之表面(運行面)溫度為900至1200℃。
因此，能夠能有效地抑制因來自於熔融金屬容器開始使用後的熔融金屬之受熱所引起的急遽的溫度上升所引起的龜裂。並且，藉此，不會使設備費用、能量成本惡化而可大幅地減低耐火物成本。又，由於不需要如以往添加二氧化矽，故可維持耐火性能。
[實施例]
其次，說明關於本發明的實施例。使用圖1所示的襯砌構造體，調查本發明效果。再者，將進行調查的以往例、比較例1至5、本發明例1顯示於表1。在本 發明例1，包含方鎂石以外的苦土之所有的成分也為不燒結耐火物及/或不定形耐火物。
(以往例)在襯砌構造體，作為內襯耐火物4，使用91質量%氧化鋁-6質量%苦土，且苦土中的6分之5(質量基準)是預先作為氧化鋁-苦土尖晶石加以調配之1500℃的熱處理後的室溫之線性變化率為0.1%的材質之流入型不定形耐火物。在以往例，未施工有隔熱薄片2。永久襯砌耐火物3的熱傳達係數為100W/m2K。使用壽命為225爐次。
(比較例1)在圖1所示的襯砌構造體，作為內襯耐火物4，使用與以往例相同的91質量%氧化鋁-6質量%苦土，且苦土中的6分之5(質量基準)是預先作為氧化鋁-苦土尖晶石加以調配之1500℃的熱處理後的室溫之線性變化率為0.1%的材質之流入型不定形耐火物。在鐵皮1與永久襯砌耐火物3之間施工有熱傳導率為0.2W/mK且厚度為3mm之隔熱薄片2。隔熱薄片2與永久襯砌耐火物3的總合熱傳達係數為40W/m2K。其結果，比起以往例，使用壽命惡化20%。
回收使用後的耐火物並進行調查時，熔渣成分之氧化鈣、二氧化矽等對耐火物中之浸潤深度，對於一般的30mm，變成較深的40mm，且在其邊界部亦產生龜裂。一般，在耐火物的背面側實施隔熱時，由於耐火物的溫度會上升而造成耐用度惡化，即使在氧化鋁-苦土系的材質也成為相同結果。
(比較例2)其次，作為內襯耐火物4，使用91質量%氧化鋁-6質量%苦土，且苦土中的6分之4(質 量基準)是預先作為氧化鋁-苦土尖晶石加以調配之1500℃的熱處理後的線性變化率為0.3%的材質之流入型不定形耐火物。實施與比較例1相同的隔熱。其結果，浸潤深度減低至30mm前後，但內襯耐火物4的壽命為與以往例相同程度、或較差程度等。
(比較例3)且，作為內襯耐火物4，使用91質量%氧化鋁-6質量%苦土，且苦土中的95質量%以上作為方鎂石加以調配之1500℃的熱處理後的線性變化率為1.5%的材質之流入型不定形耐火物。再者，在此比較例3，未實工有隔熱薄片。其結果，內襯耐火物4的壽命比起以往例，變長大約11%。
(比較例4)作為內襯耐火物4，使用94質量%氧化鋁-3質量%苦土，且苦土中的95質量%以上作為方鎂石加以調配的材質之流入型不定形耐火物，施工與比較例1相同的隔熱薄片。其結果，內襯耐火物4的壽命比起以往例變長，但較比較例3變短。這是因為即使使用方鎂石比率高的苦土，在苦土總量未滿4質量%時，1500℃的熱處理後的室溫之線性變化率為較低的0.7%，無法獲得耐火物之緊緻化效果之故。
(比較例5)作為內襯耐火物4，使用採用雜質稍多的氧化鋁原料、且90質量%氧化鋁-6質量%苦土且苦土中的95質量%以上作為方鎂石加以調配，並且來自於氧化鋁原料之雜質(氧化鈦、氧化鐵、二氧化矽)為1質量%之1500℃的熱處理後的線性變化率為0.7%之材質的流入 型不定形耐火物，並施工與比較例1相同的隔熱薄片。其結果，內襯耐火物4的壽命比起以往例變長，但較比較例3變短。這是因為即使使用方鎂石比率高的苦土，因容易產生低熔點的液相之雜質的影響，在1500℃的熱處理後的室溫之線性變化率為較低的0.7%，無法獲得耐火物之緊緻化效果之故。
再者，在其他的比較例、以往例及本發明例1所使用的內襯耐火物4，來自於氧化鋁原料之雜質(氧化鈦、氧化鐵、二氧化矽)為0.5質量%，在表1所示的任何一個實驗例，作為組成所顯示的數值之總和以外的殘餘部為來自於苦土原料及礬土水泥之氧化鋁及苦土以外的雜質等的成分。
(本發明例1)作為內襯耐火物4，使用與比較例3相同的91質量%氧化鋁-6質量%苦土，且苦土中的95質量%以上作為方鎂石加以調配之1500℃的熱處理後的室溫之線性變化率為1.5%的材質。又，施工有與比較例1相同的隔熱薄片。其結果，內襯耐火物4的壽命比起以往例，變長大約33%。
亦即，這是因為藉由內襯耐火物4之材質變更的壽命延長中，比較例3的壽命延長為11%，並且藉由設置隔熱材2的層之壽命延長中，本發明例1與比較例3的壽命延長之差異為22%。
在本發明例1與比較例3之襯砌構造體，在使用前的預熱末期，將內襯耐火物4的運行面的溫度設為 1200℃，將預熱48小時後的內襯耐火物4之尖晶石化比率顯示於圖2。圖2係顯示本發明例1(有隔熱材)與比較例3(無隔熱材)之內襯耐火物從運行面起的距離與苦土的尖晶石化比率之關係的圖。內襯耐火物4的厚度為130mm。
對於不具有隔熱材2之比較例3，在具有隔熱材2之本發明例1，在各部尖晶石化比率高出24至30點，特別是在中央部之56至75mm的深度之部分，相對於11%是高達35%，對於比較例3，換算成比率則為3.2倍之尖晶石化比率。
藉此可得知，對含有60質量%以上的氧化鋁、4質量%以上的苦土且苦土的50質量%以上是作為方鎂石被供給之內襯耐火物4，藉由在鐵皮1與永久襯砌耐火物3之間設置熱傳達係數為100W/m2K以下的隔熱材，能夠延長內襯耐火物4的耐用時間。
再者，本發明不限於前述實施形態，當然能夠適用各種設計變更。
1‧‧‧鐵皮
2‧‧‧隔熱材
3‧‧‧永久襯砌耐火物
4‧‧‧內襯耐火物

Claims (4)

  1. 一種熔融金屬容器之襯砌構造體的製造方法，係從鐵皮側依次具有永久襯砌耐火物和內襯耐火物的熔融金屬容器之襯砌構造體的製造方法，其特徵為：在前述鐵皮與前述永久襯砌耐火物之間，設置熱傳達係數為100W/m2K以下的隔熱材，施工含有60質量%以上的氧化鋁及4質量%以上的苦土且在1500℃進行3小時的熱處理之前後室溫下的線性變化率為0.8%以上之作為前述內襯耐火物的不燒結耐火物及/或不定形耐火物，在使用前述熔融金屬容器前，將前述內襯耐火物的運行面預熱。
  2. 如申請專利範圍第1項之熔融金屬容器之襯砌構造體的製造方法，其中，進行施工前的前述內襯耐火物中，前述苦土的50質量%以上含有方鎂石或燒成白雲石，在前述熔融金屬容器使用前之預熱，是在施工前的前述內襯耐火物，預熱至方鎂石或燒成白雲石之苦土的一部分氧化鋁與尖晶石化。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項之熔融金屬容器之襯砌構造體的製造方法，其中，將前述內襯耐火物的運行面預熱時，係利用800℃以上1300℃未滿的溫度進行預熱。
  4. 如申請專利範圍第1項或第2項之熔融金屬容器之襯砌構造體的製造方法，其中，將前述內襯耐火物的運行 面預熱時，係利用800℃以上1200℃以下的溫度進行預熱。
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