転炉（BOF）用最適耐火物：ライニング寿命延長と生産性向上

転炉（BOF）用耐火物開発の主目的は、摩耗ライニングの有用寿命を延ばし、BOFの最大可用性を得ることです。ライニング寿命延長は耐火物コスト低減だけでなく、炉可用性向上による生産性向上も可能にします。

BOF耐火物への基本要求事項

• 熱剥離抵抗性（サーマルスポーリング抵抗）
• 耐食性
• 耐摩耗性
• 酸化抵抗性
• 高温破壊モジュラス

BOFは通常、永久ライニングとその上の摩耗ライニングで構成。永久ライニング厚は100〜120mmで、クロムマグネサイト永久ライニングがBOF全高に施工されます。

摩耗ライニング用耐火物の種類と進化

BOF摩耗ライニング用耐火物は、タール/ピッチ結合ドロマイトまたはマグネシア（MgO）、クロムマグネサイト、マグネシアクロム耐火物から、樹脂結合、金属、グラファイト、焼結/融解マグネシア（純度99%も可能）を用いた先進耐火物まで多岐にわたります。レンガは、BOF熱サイクル全体で高温と急速に変化する条件/環境に耐える重要物理特性の組み合わせで設計。高温強度、酸化抵抗性、スラグ抵抗性のバランスがBOF耐火物の良好な性能に必要です。

1950年代にBOF製鋼導入時、コンバーターはタールドロマイトレンガと安定化焼成ドロマイトレンガでライニング。これらは後に半安定化焼成ドロマイトレンガ、合成マグネシアドロマイトクリンカー製タール結合焼成レンガに置換。一部BOFでクロムマグネサイト/マグネシアクロム耐火物使用。高純度焼成マグネシアレンガも一部BOFライニングで使用。1970年代後半、耐食・耐スポーリング性を持つマグネシアカーボンレンガが開発され、BOFライニングに急速普及。これらレンガはマグネシアの高塩基度スラグ耐食性と、グラファイト（炭素）の高熱伝導率・低濡れ性を活用。今日、BOFライニングへのマグネシアカーボン耐火物使用は非常に一般的です。

マグネシアカーボンレンガの性能向上技術

マグネシアカーボンレンガの安定性は、グラファイト酸化防止とマグネシアクリンカー耐食性向上で高められます。

• グラファイト酸化防止： 容易酸化金属（Al、Mg-Al）、炭化物（SiC、B₄C）、ホウ化物（CaB₆）添加。高純度グラファイト使用も酸化防止に寄与
• マグネシア耐食性向上： 電気融解マグネシアまたは海水マグネシア使用でマグネシアクリンカー純度向上。マグネシアクリンカー粒度分布最適化でも向上
• ジルコン（ZrSiO₄）添加による熱応力緩和型マグネシアカーボンレンガも開発済み

高純度マグネシアの製造

現代の高純度マグネシアは良好に制御されたプロセスで製造。主原料は深層井戸や海水からの塩水。水酸化マグネシウムMg(OH)₂を、焼成ドロマイトまたは石灰石との反応でこれらから沈殿。スラリーをろ過し固形分濃度向上。ろ過ケーキを直接ロータリーキルンへ供給し耐火級マグネシア製造。現在はろ過ケーキを900〜1000℃で多段ハース炉で焼成し水酸化マグネシウムを活性マグネシアへ変換。この焼成マグネシアをブリケット化/ペレット化し、通常シャフトキルンで約2000℃で焼成し緻密耐火級マグネシア製造。最終製品は焼結マグネシア。融解マグネシアは耐火級マグネシア等を電気炉で溶融、溶融物を取り出し冷却・破砕し耐火物製造用に。マグネシア不純物は、元塩水/海水組成、焼成ドロマイト/石灰石組成、処理技術で制御。特にCaOとSiO₂の百分率と比率を効果的に制御、B₂O₃を極低レベルに保持。こうした高級耐火マグネシアはマグネシア耐火物製造に使用。

ゾーナルライニングによる摩耗バランス

BOFの異なるゾーンで異なる要因がライニング摩耗を引き起こすため、ゾーナルライニングが実践されます。異なるタイプのマグネシアカーボンレンガやその他レンガをBOFの異なるゾーンに設置し、摩耗バランスを取ることでBOFライニング寿命延長を実現。典型的なBOFゾーナルライニングを図1に示します。

図1 BOFの典型的ゾーナルライニング

摩耗ライニング設計を最適化するには、バランスドライニングを開発することが不可欠です。すなわち、摩耗パターンの慎重な研究に基づき、コンバーターライニングの様々なゾーンに異なる耐火物品質と厚みを割り当てたライニングです。バランスドライニングでは、摩耗が少ないセグメントには低品質または薄い耐火物を割り当て、最も過酷な摩耗を受けるセグメントにより耐摩耗性が高く一般に高コストの耐火物を確保します。BOF各ゾーンの摩耗条件と提案耐火物を表1に示します。

表1 コンバーターゾーン別摩耗条件と提案耐火物
コンバーターゾーン	摩耗条件	提案耐火物
コーン	1) 酸化雰囲気	1) 抗酸化剤含有標準品質マグネシアカーボンレンガ
	2) 機械的酷使	2) ピッチ結合マグネシアレンガ
	3) 熱機械的応力	3) 抗酸化剤含有樹脂結合低炭素レンガ
	4) 高温
トラニオン	1) 酸化雰囲気	1) 抗酸化剤含有プレミアム品質マグネシアカーボンレンガ
	2) スラグ腐食	2) 融解MgO含有プレミアム品質マグネシアカーボンレンガ+抗酸化剤
	3) スラグ・金属浸食	3) 高強度プレミアム品質マグネシアカーボンレンガ
チャージパッド	1) 機械的衝撃	1) ピッチ含浸焼成マグネシアレンガ
	2) スクラップ・溶銑による摩耗	2) 抗酸化剤含有標準品質高強度マグネシアカーボンレンガ
	3) 高強度低炭素マグネシアレンガ+抗酸化剤
タップパッド	1) スラグ浸食	1) 抗酸化剤含有プレミアム品質マグネシアカーボンレンガ
	2) 高温	2) 金属添加剤含有高強度低炭素マグネシアレンガ
	3) 機械的浸食	3) 抗酸化剤含有標準品質マグネシアカーボンレンガ
ターンダウンスラグライン	1) 重度スラグ腐食	1) 抗酸化剤含有プレミアム品質マグネシアカーボンレンガ
	2) 高温	2) 融解マグネシア含有プレミアム品質マグネシアカーボンレンガ+抗酸化剤
ボトム・スタジアム（底部攪拌容器）	1) 移動金属・スラグ・ガスによる浸食	1) 抗酸化剤含有標準品質高強度マグネシアカーボンレンガ
	2) 膨張による熱機械的応力	2) 低熱膨張・良好熱伝導性の金属添加剤なしマグネシアカーボンレンガ
	3) ガス冷却ノズルと周囲ライニング間の熱勾配による内部応力	3) ピッチ含浸焼成マグネシアレンガ

耐火物コストとテクノエコノミクス

利用可能なレンガ品質の幅広さに伴い、耐火物コストにも広い範囲があります。高価なレンガは従来のタール/ピッチ結合ドロマイトレンガの6倍のコストになることも。ライニング設計アップグレードに伴い、現在BOFライニングにより多くの高コスト耐火物が使用されています。しかし高コスト耐火物使用は、BOFショップ全体のテクノエコノミクスを正当化する必要があります。

例：平均4000ヒートのBOFショップでライニングコストを25%増やす場合、耐火物コスト維持にはライニング寿命を5000ヒートまで延ばす必要。しかし炉可用性が生産性に直結するショップでは、ライニング寿命のより小さな延長とより高い耐火物コストでも、高生産期に炉可用性が高ければ正当化される場合があります。

ライニング設計が性能とコスト最適化のためアップグレードされるにつれ、操業変数がライニング摩耗に与える影響を知ることが重要。これにより、ライニング摩耗に悪影響を与えるパラメータ制御の可能性と、操業コスト増加によるライニング寿命延長の経済的トレードオフをより良く評価可能。一般に、サブランス等のプロセス制御改善プラクティスはライニング寿命に有益。また、ドロマイト石灰充填によるスラグMgO供給、蛍石充填レベル最小化、溶剤添加と吹錬プラクティス制御によるスラグFeO低レベル化もライニング寿命を助けます。これらプラクティスを最適化し、最もコスト効果的なライニング性能を得る必要があります。

多くの操業条件改善、バランス摩耗へのライニング設計最適化、最高レンガ技術使用でも、摩耗は均一に発生せず、一般に耐火物ガンニングとスラグコーティングによるメンテナンスプラクティスでライニング寿命延長を図ります。