高炉銑受け寿命延長：TiO₂添加による耐火物保護の実証技術

高炉（BF）キャンペーン寿命延長は極めて重要課題。高生産性維持しつつキャンペーン延長で単位資本コスト低減図る。高炉銑受け耐火物ライニングは最クリティカルでキャンペーン寿命最大影響因子。銑受け耐火物摩耗は操業最大懸念事項。

銑受け過酷環境と摩耗要因

銑受けは高炉内最も過酷曝露ゾーン：化学攻撃、炭素レンガ溶解、スラグ/銑鉄流動、熱応力。最重要領域は炉壁と銑受け底部遷移域。キャンペーン寿命通常は銑受け壁耐火物侵食で決定。適正ライニング設計に加え、銑受け壁侵食最小化不可欠。生産中断なしで銑受け・炉壁寿命延長手法は経済的・技術的意義大。

銑受け摩耗・侵食要因：

• 高周囲温度
• 液体製銑生成物連続移動
• 生成物化学活性
• ガス圧力・化学活性
• 銑受けへの水分侵入

耐火物摩耗主因：

• 高炉高生産性
• 長期休止頻度（2日超）
• 冷却水系漏水
• チャージ材品質

侵食低減対策とTiO₂添加の優位性

侵食低減策：生産性低減、石炭吹込率低減、スタッフ・炭素ブロック間ラミングマスグラウチング、チュイエール一時閉塞、壁冷却強化、TiO₂含有材料添加。其中TiO₂含有化合物添加によるライニング寿命改善が最広く使用。TiO₂は銑受けライニング早期侵食防止。

TiO₂供給源：イルメナイト鉱

炉頂投入最頻度TiO₂材料はイルメナイト鉱（チタン天然源）。チタン磁鉄鉱（Fe,Ti）₃O₄またはFeTiO₃形態、イルメナイトと鉄鉱物（磁鉄鉱、一部ヘマタイト）機械混合物。典型組成：TiO₂ 33%、Fe₂O₃ <36%、SiO₂ <25%、Al₂O₃ <8%、MgO <5%、水分 6%。粒度10〜40mm。他に焼結鉱、ペレット、合成TiO₂材料で負荷投入可能。

「ホットリペア」メカニズム

現行技術：適量イルメナイト投入で化学的・熱的に安定なチタンカーボナイトライドTi(C,N)生成。これら損傷箇所主に蓄積、「ホットリペア」効果発揮。図1は銑受け内Ti(C,N)堆積。

適量チタン（Ti）含有材料投入で耐火レンガ保護層「チタンベア」形成促進確認。「チタンベア」はTi炭化物、窒化物、炭窒化物析出物、TiO₂原料存在時銑受け領域形成。表1はTiN・TiC重要特性。

表1 チタンカーバイドとチタンナイトライド特性
No.	特性	単位	TiC	TiN
1	色		灰色金属光沢	銅色
2	密度	g/cm³	4.93	5.4
3	融点	℃	3,157	2,950
4	熱伝導率	W/(m·K)	29	38
5	硬度（モース）		9	9
6	硬度（ヌープ）		2,470	1,800
7	銑鉄中溶解度（1,400℃）	%	<0.01	<0.01
8	結晶型		面心立方	面心立方
9	格子定数	nm	0.4305-0.4327	0.4323-0.4342
10	熱膨張係数（25-100℃）	10⁻⁶/K	7.3	7.3
11	ヤング率	GPa	320	260
12	比電気抵抗	10⁻⁵ Ω·cm	7	3

Ti含有材料添加目的：高温・高耐摩耗Ti(C,N)化合物生成、銑鉄中温度依存溶解度示す。溶解度限界到達（損傷箇所高熱流束・外部熱損失で温度低下）でTi(C,N)析出、耐火物重度損傷ゾーン堆積、固有「ホットリペア効果」発揮。

二つのアプローチ：予防的・治療的

• 予防的アプローチ：TiO₂定期投入でTi(C,N)析出保護層構築・維持
• 治療的アプローチ：銑受け温度臨界超過時、大量TiO₂投入、許容レベル安定化まで継続

表2は両アプローチ典型パラメータ。

表2 高炉TiO₂添加時典型パラメータ
No.	項目	単位	予防的	治療的
1	投入TiO₂量	kg/t-HM	3-5	5-20
2	銑鉄中Ti濃度	%	0.05-0.1	1.0-1.5
3	スラグ中TiO₂濃度	%	1.0-1.5	1.5-3.0

TiO₂化学反応メカニズム

イルメナイトは鉄チタン酸塩（Fe,Ti）₃O₄或FeTiO₃。先ずエネルギー供給（コークス消費イルメナイトトン当たり3〜10kg）でFeOとTiO₂分解必要、その後Ti(C,N)生成可能。

TiO₂含有化合物添加時三基本メカニズム：

1. 熱力学計算でTiO₂はノズルレベルスラグ中TiO₂濃度約1.2%でTi(C,N)と平衡
2. 1.2%超でTiO₂還元・Ti(C,N)析出
3. 液状スラグ粘度上昇、スラグ中最大TiO₂レベルと銑鉄中最大Ti濃度制御必要（上限：スラグTiO₂ 3%、銑鉄Ti 0.3%）
4. 高Si銑鉄・高塩基度スラグでTi/TiO₂分配有利

Ti(C,N)堆積は界面反応。Tiレベルがスラグ/銑金属界面上昇しTi源効果的反応必要。故に高量・高比表面積微細分散Ti液滴早期生成有利。微細分散Ti液滴が大量Ti(C,N)形成に特に有利実証。銑受けCブロック上大型Ti(C,N)結晶は耐火物表面浸透誘起濃縮起因、結晶成長加速・堆積安定化結果。

Ti含有材料高炉投入時直接還元のみで還元：TiO₂ + 2C = Ti + 2CO；ΔH = 169,773 kcal/mol。炭窒化物形成は拡散制御、更多時間必要。TiO₂還元後Ti銑鉄析出、銑鉄中溶解C・Nと反応しTi(C,N)生成：xTi + yC + zN = TiN, TiC, Ti(C,N)。Ti(C,N)化合物は銑鉄中溶解度低い低温箇所（高熱流束領域）で析出。図2はTi(C,N)保護層形成メカニズム可視化、リライニング停止後銑受け採取Ti(C,N)保護層片。

高炉操業中Ti/TiO₂平衡影響因子：銑受け温度、スラグ塩基度、銑鉄Siレベル。温度とTiO₂負荷の関係（Ti/TiO₂平衡別、銑鉄Si別）図3。Ti(C,N)融点2,950℃、銑受け底部・壁面析出、時間経過で蓄積、ライニング内面保護、キャンペーン寿命延長。吹き飛ばし高炉サラマンダー大量Ti(C,N)堆積で実証済み。

TiO₂投入方法：炉頂投入vsチュイエール吹込み

炉頂負荷投入

シャフト全長分布、反応遅延発生。必要量超過投入、スラグ品質妥協、シャフト内偶発堆積（不活性バーデン）。Ti断面均一分布但銑受け壁域のみ必要、過剰投入で銑鉄・スラグ品質悪影響。銑鉄Ti上昇→スラグTiO₂増大→セメント添加材利用制限要因に。

チュイエール吹込み（合成微粒子TiO₂）

微細合成TiO₂粒子をチュイエールから銑受け近傍直接吹込み。危険領域直近噴射で低投入量で系統的最良結果。修復作用遅延短縮（「ホットスポット」時も）。シャフト内TiO₂材料蓄積なし。チュイエールレベル・銑受け直達、シャフト・凝集帯反応独立にガス・金属・スラグ相互作用直接影響。低投入率・高Ti(C,N)転化効率でスラグ品質改善（低TiO₂スラグ）、高炉粒状スラグ品質劣化なし。

合成TiO₂源工業使用でクリティカル銑受けゾーン系統的吹込み時温度大幅低下実証。精密噴射で「ホットスポット」発生時迅速修復可能。但噴射システム必要：貯蔵ビン、圧力ロック、供給容器、排出ノズル付ロータリーフィーダー、最大4チュイエール同時供給対応搬送ライン。供給率10〜60kg/分。要件・ニーズに応じ最適チュイエール選択・供給。貯蔵ビン充填除き全自動運転可能。