炉の耐火物について：炉の省エネ・長寿命化を実現するには

このコラムでは、アルミ溶解炉等に用いられている耐火物について、
基本的な知識から、日本高熱工業が自社設備で取り組んでいる内容まで簡単に解説します。

【耐火物の定義】

耐火物はJIS R2001で「1500°C 以上の定形耐火物及び最高使用温度が800°C以上の不定形耐火物，耐火モルタル並びに耐火断熱れんが」と定義されており、溶解炉・熱処理炉などを代表とした工業炉においては欠かせない構成材料です。

【耐火物の分類】

耐火物には多種多様の種類があります。
耐火物は形態の違いによる物理的分類と、化学組成上の区分による化学的分類のいずれかで分類されることが多いです。
物理的分類では、あらかじめ成型・焼成されている「定型耐火物」と、現場などで必要な形状に施工してから焼成する「不定形耐火物」、繊維状の「繊維状高温材料」とに大きく分類することができます。

表1に、耐火物の形態による物理的分類を示します。 1),2)

表1 耐火物の物理的分類

【耐火物部位と代表機能(タワー溶解炉)】

アルミ鋳造・ダイカスト工場で使われている各種工業炉においても、
高温雰囲気からの炉体保護や、断熱など様々な目的で耐火物は使用されています。

代表的な工業炉である溶解炉の場合、例えば溶けたアルミ(溶湯)と接触する炉壁・炉床では
アルミ浸透防止のためのち密性や耐濡れ性といった機能が必要になるなど、
部位ごと耐火物に求められる機能は変わります(表2)。

表2 タワー溶解炉の部位と耐火物の代表機能 3),4)

溶解炉を構成する耐火物の中で、最も重要となる部位の一つが、
投入された溶解材料と溶解バーナーとの間に位置するノーズ部です(図1)。
ノーズ部は投入材料の流れの制御や、燃焼空間の安定化などのとても重要な役割をもっており、
この部位で脱落などが発生すると、溶解能力や熱効率が低下するなど非常に大きな影響を及ぼします。

その一方、ノーズ部は溶解バーナーとの距離も近く、
溶解室上部から投入される材料による衝撃負荷も高いため、劣化が非常に激しい部位でもあります。

図1 タワー溶解炉の概略図

参照文献

　1) 工業炉の基礎知識(日本工業炉協会)
　2) 耐火物手帳1999年度版(耐火物技術協会)
　3) アルミニウム溶解炉用耐火物の基礎, 軽金属　第66 巻 第6 号（2016），324–328
　4) AGCセラミックス株式会社 ホームページ

日本高熱工業で使用している耐火物

アルミ溶解炉は、アルミ材料を溶かす溶解室や、
溶けたアルミ(溶湯)を貯める保持室などで構成されていますが、
その中でも溶解室は炉の寿命や溶湯品質、省エネ性に最も大きな影響を及ぼします。

先の項目でもご説明しましたが、溶解室を構成する要素の一つであるノーズ部は、
投入材料の流れの制御や、燃焼空間の安定化といったとても重要な役割をもっていますが、
溶解バーナーとの距離も近く、溶解室上部から投入される材料による衝撃負荷も
高いため劣化が激しい部分でもあります。

そのため、ノーズ部（ノーズブロック）の設計、
耐火物の選定と施工方法は炉メーカー各社のノウハウが現れる部分です。

日本高熱工業社では、衝撃荷重と溶解に対する熱衝撃への耐久性を飛躍的に向上させた
高強度ノーズブロックの開発により、溶解室構造体や燃焼空間を長期維持する事が
可能となり、メンテナンス費用の大幅削減や、弊社溶解炉の特徴である
省エネ運転・高品質溶湯の安定化を実現しております。

下記の写真は当社溶解炉のノーズ部を撮影したものです。写真1は一般的な耐火物で作られていた旧型ノーズブロックを採用していた炉で、約3年使用で投入材料による摩耗や熱衝撃によりノーズ部が大きく脱落しています。

一方、写真2は当社で開発した高強度ノーズブロックを採用した炉で、
6年以上経過しておりますが顕著な脱落もなく継続使用可能な状態です。

写真で見ると一目瞭然で、どちらの方がメンテナンス周期を伸ばせるか、
また性能が安定しているかは自明かと思います。

写真1 旧型ノーズ(3年経過時)　赤枠部はノーズブロック設置エリア

写真２高強度ノーズ(6年超経過)

現在、当社の溶解炉にはこの高強度ノーズブロックが標準搭載されていますが、その他の炉についても高強度ノーズブロックへの交換は検討可能です。交換により処理能力・品質の安定性の面で効果が期待できます。

ぜひ日々の業務の中で、アルミ鋳造ラインの耐火物について考えて頂ければと思います。

以上、今回のコラムでは耐火材についてお伝えしました。

今回ご紹介した日本高熱工業で使用している耐火材の詳細や、メンテナンスのご相談、より詳細な資料請求等については、
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