JPH04317478A - 軽金属溶湯処理用炭素質耐火物及びその製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、アルミニウムやマグ
ネシウム等の軽金属の溶解、保持、精製処理に必要な各
種炉、取り鍋、樋等の内張りに使用する炭素質耐火物に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、たとえばアルミニウム及びアルミ
ニウム合金の溶解炉、保持炉、脱ガス槽、濾過槽、取り
鍋、湯溜り、樋等の内張り材としては、主にＡｌ２Ｏ３
・ＳｉＯ２系の定形、不定形耐火物が使われている。鉄
鋼用耐火物に比べて、軽金属用耐火物は使用温度が低い
ので耐火度が低くてもよい筈であるが、浸透したアルミ
ニウムやマグネシウムが耐火物中のＳｉＯ２を還元して
ＳｉとＡｌ２Ｏ３やＭｇＯを生成するために、耐火物の
結合組織が損傷を受けて寿命が短くなるばかりでなくメ
タルがＳｉやＡｌ２Ｏ３系またはＭｇＯ系非金属介在物
で汚染される。Ａｌ２Ｏ３・ＳｉＯ２系の定形、不定形
耐火物の施工使用上の問題点としては、■モルタルやキ
ャスタブルの養生及び乾燥に長期間を要し、工期が長い
。■耐熱衝撃性に乏しく、予熱が不充分であると剥離や
爆裂を起こし易い。■溶融メタルが気孔中に浸透し、結
合組織が損傷を受けると同時に、メタルがＳｉや介在物
で汚染される。■冷却時に表層にメタルが固着し、これ
を剥す時の耐火物の損傷とメタル損失が大きい。等があ
げられる。これに対し、黒鉛，無煙炭を主成分とする炭
素質耐火物は、Ａｌ２Ｏ３・Ｓｉ０２系れんがと異なり
、著しく大きなブロック（例えば６００×７００×３０
００ｍｍ）の製造が可能であり、また、機械加工が容易
な為、大型一体形成物やカーボンセメントによる接着形
成物の製作を可能とする。従って、板状断熱材等を併用
すれば、水を全く使わない乾式施工が可能となり、従来
の養生・乾燥期間は不要となる。これは、新設及び張り
替え工期を著しく短縮する副次効果をもたらす。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】発明者らは、Ａｌ２Ｏ
３・ＳｉＯ２系耐火物の問題点及び炭素質耐火物の利点
に鑑み、軽金属溶湯処理用に炭素質耐火物を用いること
とし、軽金属溶湯用としては特に耐熱衝撃性、及び気孔
内への軽金属溶湯の侵入を防止することが重要であり、
耐熱衝撃性を大とするめには全気孔率を充分に確保し、
適切な熱伝導率を保有し、かつアルミニウム溶湯の気孔
内への浸透を防止するためには通気率を小さくすること
が必要であることを見いだし、かかる条件を具備した炭
素質耐火物の製造方法の研究を進め、本発明を完成した
。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、全気孔
率が１５％以上、通気率が２ミリタ゛ルシイ未満で、熱
伝導率が１０〜４０ｋｃａｌ／ｍｈ℃であることを特徴
とする軽金属溶湯処理用湯炭素質耐火物及びその製造方
法が提供される。

【０００５】アルミニウムやマグネシウムメタルが炭素
質耐火物の気孔中に浸透すると、化学的損傷を与えない
までも、両者の熱膨張係数の違いによって、加熱冷却時
に大きな熱応力が発生し、物理的損傷を起こして亀裂や
剥離を生成する原因となる。また、メタルが浸透すると
、凝固メタルを剥すときに耐火物の表層が大きく損傷す
る。特にアルミニウム溶湯は銑鉄溶湯よりも気孔に浸透
し易く、常圧で３μｍ以上の気孔に侵入する。メタルの
浸透を防止する為には粗大気孔を皆無にする必要がある
が、粗大気孔が少量の場合は、細孔径分布よりも通気率
の測定の方が有害な粗大気孔の存在を鋭敏に検知できる
。発明者らは、軽金属、特にアルミニウム溶湯処理用炭
素質耐火物の場合、通気率が２ミリタ゛ルシイ未満、好
ましくは０．１ミリタ゛ルシイ以下であれば、メタルの
浸透と固着を防止できることを発見した。従って、通気
率を２ミリタ゛ルシイ未満とすることが必要である。

【０００６】耐熱衝撃性を大きくするためには、ある程
度以上の気孔量を確保する必要がある。全気孔率が小さ
くなると弾性率が大きくなって靱性が失われる。全気孔
率は１５％以上であることが必要で、この値以下では、
耐熱衝撃性が劣る。また、熱伝導率が小さくなると、過
渡的に大きな温度差を生じて、熱応力により亀裂や剥離
を発生する。高温メタルを注入する時の炭素質耐火物の
熱衝撃損傷を防ぐためには、１５％以上の気孔率ととも
に熱伝導率が１０〜４０ｋｃａｌ／ｍｈ℃であることが
必要である。１０ｋｃａｌ／ｍｈ℃未満では熱衝撃損傷
を起こす虞があり、４０ｋｃａｌ／ｍｈ℃を超えると、
放熱が大きくなってメタルが冷え易くなる弊害を起こす
虞がある。

【０００７】通常の炭素質耐火物の通気率は、数１０〜
数１００ミリタ゛ルシイである。通気率を小さくするた
めには、超微粉を含む最密充填配合の採用、熱硬化性レ
ジンバインダーの使用、強圧成形、加圧焼成、充填処理
等の手段が考えられるが、これらはいずれも大型ブロッ
クの製造に適さないか、または、全気孔率を著しく低下
させる。

【０００８】全気孔率が１５％以上で、しかも通気率が
２ミリタ゛ルシイ未満という、極めて特異な気孔組織を
持つ炭素質耐火物を製造する為には、原料の炭素骨材に
金属珪素粉と有機バインダーを加えて混練成形し、コー
クスブリーズに埋没する等の手段で還元性窒素雰囲気と
して１１５０〜１５００℃に焼成することによって、気
孔内にひげ状珪素化合物を生成させて細孔径化する。す
なわち分散された金属珪素粉は、高温でバインダー，コ
ークスや気相中のＣＯ及びＮ２と反応し、ＳｉＣ，Ｓｉ
２ＮＯ２，Ｓｉ３Ｎ４等のひげ状珪素化合物を生成する
。これらのひげ状結晶は、金属珪素粒子の表面からＶＬ
Ｓ（気体、液体、固体）機構によって栗の「いが」状に
多数発生し、成長し、もつれた糸の様に気孔内に広がっ
て細孔径化を達成する。このとき　全気孔率は余り代わ
らないが、通気率は１／５０〜１／１００に低下する。 また、平均細孔径も数μｍのものが、０．２μｍ以下に
減少する。焼成温度が１１５０℃以下では焼成が不十分
となり、また１５００℃以上では珪素化合物の一部が分
解し始める。金属珪素粉の添加量は、混合原料１００重
量部中、５〜１０重量部の範囲が好ましく、５重量部未
満では、細孔径化効果が不十分で、１０重量部を越える
と未反応の金属珪素が残留し、溶湯を汚染する虞がある
。

【０００９】炭素骨材としては、天然黒鉛、人造黒鉛、
鱗状黒鉛、無煙炭等が使われる。熱伝導度は、黒鉛の配
合量及び無煙炭の焙焼温度を変えることによって調節さ
れる。黒鉛を用いることにより熱伝導率を大きくするこ
とができ、熱伝導率を１０ｋｃａｌ／ｍｈ℃とするため
には、黒鉛配合量は１０重量部以上とする必要がある。 炭素質耐火物は不活性雰囲気下や酸素が到達しない炉底
部、及び間欠的に高温にさらされる樋など、酸化の少な
い部所に使われる。細孔径化されると酸素が気孔内に拡
散し難くなり、耐酸化性は通常の炭素質耐火物の数倍に
向上する。

【００１０】さらに、耐酸化性が要求される場合には、
原料にアルミナ粉、ジルコン粉や炭化珪素粉を添加し、
通気率を小さくする。アルミナの配合量は、混合原料中
で５〜１０重量部の範囲とすることが好ましく、５重量
部未満では、耐酸化性はあまり向上せず、１０重量部を
超えるとアルミナ等により溶湯を汚染する虞があるから
である。バインダーには、コールタールピッチ、石油ピ
ッチ、液状フェノールレジン、フェノールレジン粉末等
が使われる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明を実施例により、さらに具体的
に説明する。 実施例　　１ 人造黒鉛１５重量部、無煙炭８０重量部、金属珪素粉５
重量部にコールタールピッチ２６重量部を加えて混練し
、５００×６００×２０００ｍｍに押出成形し、これを
コークスブリーズに埋没して１２５０℃に焼成した。得
られた炭素ブロックの特性を表１の供試品１に示す。全
気孔率、通気率及び熱伝導率は本発明に係るアルミニウ
ム溶湯処理用炭素質耐火物の要件を満たしており、電子
顕微鏡観察によれば、気孔中にはひげ状結晶が成長し充
満していることが観察された。なお、全気孔率はＪＩＳ
　Ｒ　７２１２により、熱伝導率はＪＩＳ　Ｒ　２６１
６と同一原理の高熱伝導度専用装置により、また、通気
率はＡＳＴＭ　Ｃ５７７に準じて測定した。このブロッ
クを機械加工して３００×３５０×１５００ｍｍの樋４
本を製作し、板状断熱材を介して金属ケースに収納連結
して長さ６ｍの移湯樋を製作した。これをアルミニウム
溶解炉と取り鍋間に設置し、溶融メタルを１回に２ｔず
つ、１日に３０回流した。樋の表面摩擦が小さいので、
メタルの流れは極めて順調であり、またメタルに濡れな
いので凝固メタルの固着は皆無であった。通過メタルを
分析したが、金属不純分やアルミニウムカーバイド等に
よる汚染は全く認められなかった。連日使用し、６ヶ月
後に、局部的に酸化消耗が進行したので新しい樋と交換
した。 同条件で従来の高アルミナ質キャスタブル樋を使用した
場合は、固着メタルを剥すときの損傷が甚だしく、局部
補修を繰り返しながらも、寿命は僅か２ヶ月であった。

【００１２】実施例　　２ 人造黒鉛８６重量部、金属珪素粉８重量部、アルミナ粉
６重量部にフェノールレジンとピッチの合量１８重量部
を加えて混練し、６４０×７２０×３１００ｍｍに形込
成型し、実施例１と同じ方法で焼成した。得られた炭素
ブロックの特性を表１の供試品２に示す。この供試品も
本発明に係る軽金属溶湯処理用炭素質耐火物の要件を満
たしており、熱伝導率が大で、通気率、平均細孔径が供
試品１より、さらに小さい値を示し、孔径１μｍ以上の
粗大気孔は皆無であった。アルミナ粉添加による細孔径
化の顕著な効果が認められた。このブロックを実施例１
と同様に、加工して長さ６ｍの移湯樋を作成し、同じ場
所で同じように使用した。メタルの流れやメタル離れは
実施例１と同様に良好であり、局部酸化が少なく、樋の
寿命は１２ヶ月に延長された。

【００１３】実施例　　３ 人造黒鉛４５重量部、無煙炭４０重量部、金属珪素粉７
重量部、アルミナ粉８重量部にフェノールレジンとピッ
チの合量１６部を加えて混練し、実施例２と同じ方法で
炭素ブロックを製造した。このブロックの特性を表１の
供試品３に示す。供試品２と同様に通気率、平均細孔径
が小で、孔径１μｍ以上の粗大気孔は皆無であった。実
施例２と同様、アルミナ添加の優れた効果を示している
。供試品３のるつぼ形試験筒（外径８０ｍｍ，高さ６５
ｍｍ、内径５０ｍｍ，深さ５０ｍｍ）に高純度アルミニ
ウム１６０ｇを入れ、９００℃に４８時間保持して不純
分の増加量を調べたが、るつぼからのＳｉ，Ｆｅ，Ｔｉ
，Ｃａ，Ｐの溶出は認められなかった。炭素ブロックか
ら厚さ２５０ｍｍのブロックを切り出し、これらをアル
ミニウム合金用の急速溶解炉（据置式、容量２ｔ）の炉
底部に使用した。側壁は高アルミナ質キャスタブルで内
張りした。炉底も高アルミナ質キャスタブルで内張りす
る従来法では炉底上の残留メタル量が多く、メタルの刺
し込みも有るため、合金品種切替え時の炉内清掃に７時
間も要するが、炭素ブロック炉底の場合は僅か３０分で
終了した。使用１年後、炭素ブロックの炉底を調査した
が、損傷が少ないので、側壁だけ補修して再使用した。 炭素ブロック炉底の寿命は、高アルミナ質キャスタブル
の２倍以上と推定される。

【００１４】

【表１】

【００１５】

【発明の効果】本発明によれば、内張り材からの不純物
や介在物によるメタルの汚染が少なくなり、軽金属製品
の品質向上が期待される。また、メタルの浸透による内
張り材の損傷が少なくなり、内張り材の交換頻度が減少
し廃棄物の発生量が減少する。さらに、１回の張り替え
に要する工期、人工、メタル損失も減少するので、本発
明の経済的効果は極めて大きい。又、本発明による炭素
質耐火は、軽金属の他、亜鉛等の低融点金属の溶湯処理
用にも使用することができる。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　全気孔率が１５％以上、通気率が２ミ
   リタ゛ルシイ未満で、熱伝導率が１０〜４０ｋｃａｌ／
   ｍｈ℃であることを特徴とする軽金属溶湯処理用炭素質
   耐火物。
2. 【請求項２】　　黒鉛１０重量部以上，金属珪素粉５〜
   １０重量部を含有する混合物に有機バインダーを加えて
   混練成形し、還元性窒素雰囲気中で焼成することを特徴
   とする請求項１記載の軽金属溶湯処理用炭素質耐火物の
   製造法。
3. 【請求項３】　　金属珪素粉５〜１０重量部、アルミナ
   ５〜１０重量部を含有する混合物に有機バインダーを加
   えて混練成形し、還元性窒素雰囲気中で焼成することを
   特徴とする請求項１記載の軽金属溶湯処理用炭素質耐火
   物の製造法。
4. 【請求項４】　　黒鉛１０重量部以上，金属珪素粉５〜
   １０重量部、アルミナ５〜１０重量部を含有する混合物
   に有機バインダーを加えて混練成形し、還元性窒素雰囲
   気中で焼成することを特徴とする請求項１記載の軽金属
   溶湯処理用炭素質耐火物の製造法。