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耐火レンガ、耐火粘土レンガ、または耐火レンガは、炉、窯、燃焼室、暖炉の内張りに使用されるセラミック材料のブロックです。シリカやアルミナなどの酸化物材料をさまざまな比率で主成分として作られており、[ 1 ]これらの断熱材は非常に高い温度に耐えることができ、熱伝導率が低いためエネルギー効率が高くなります。耐火レンガは一般的に、アルミナが25～45%、シリカが約60%で、マグネシウム、カルシウム、カリウムの酸化物が追加されています。[ 1 ]
通常、高密度の耐火レンガは、木材による摩耗、灰やスラグによる融解、高温にさらされる薪窯や炉の内部など、極度の機械的、化学的、または熱的ストレスがかかる用途で使用されます。電気窯や天然ガス窯など、それほど過酷ではない状況では、一般的に「窯用レンガ」として知られる多孔質のレンガの方が適しています。[ 2 ]これらは強度は劣りますが、はるかに軽量で成形しやすく、高密度のレンガよりもはるかに優れた断熱性を備えています。いずれの場合も、耐火レンガは剥離してはならず、急激な温度変化にも強度を維持する必要があります。
耐火レンガには、焼成、セメント化、ジオポリマー化の 3 つの主な製造方法があります。[ 3 ]最初の方法では、粘土を窯で部分的にガラス化するまで焼成します。特別な用途では、レンガに釉薬をかけることもできます。焼成は最も一般的なプロセスであり、従来の設備を使用して簡単に実行できます。ただし、これはエネルギー集約型のプロセスであり、レンガ 1 つあたり 2.0 kWh というかなりの量のエネルギーを消費します。また、焼成では、炭酸塩物質の分解と燃料の燃焼により、約 0.41 kg の CO2 [ 3 ]が放出されます。
耐火レンガを接着するには、耐火セメントを組み合わせます。ポルトランドセメントは高温に耐えられないため、推奨されません。[ 4 ]高温耐火セメントには、炉用セメントや高温モルタルなどがあります。これらの混合物をレンガの表面に塗布して押し付け、数日から数週間かけて時間をかけて硬化させます。
焼成とセメント化に代わる可能性のある技術として、ジオポリマー化がある。焼成とセメント化はどちらも膨大なエネルギーを必要とし、大量の温室効果ガスを放出するため、代替の製造方法の研究が求められている。粘土セラミックに最大30重量％の廃棄物を組み込む試みが行われている。17重量％の添加剤を含む粘土セラミックは、30 MPaという最高の曲げ強度を示した。 [ 3 ]これらの廃棄物は不活性であるが、材料特性を変化させ、ひいてはこれらのレンガの用途を変える構造欠陥の原因となる可能性がある。
耐火レンガには、229 mm × 114 mm × 76 mm (9インチ × 4 + 1/2インチ × 3インチ)と 229 mm × 114 mm × 64 mm (9インチ × 4 + 1/2インチ × 2 + 1/2インチ)の2つの標準サイズがあります。[ 5 ]また、厚さが半分の耐火レンガ「スプリット」も入手可能で、薪ストーブや暖炉のインサートの内張りによく使用されます。スプリットの寸法は通常229 mm × 114 mm × 32 mm (9インチ × 4 + 1/2インチ × 1 + 1/4インチ)です。[ 5 ]耐火レンガは、 1822 年にウィリアム・ウェストン・ヤングによってウェールズのニース渓谷で初めて発明されました。
製鋼炉の内張りに使われるシリカ耐火レンガは、最高1,649 ℃（3,000 °F）の温度で使用され、これは他の多くの種類のセラミックを溶かす温度であり、実際、シリカ耐火レンガの一部は液化します。[ 6 ]同じ組成の材料である高温再利用可能表面断熱材（HRSI）は、スペースシャトルの断熱タイルに使用されました。
非鉄金属冶金プロセスでは、これらのプロセスで使用されるスラグが「酸性」シリカレンガを容易に溶解するため、塩基性耐火レンガが使用されます。[ 7 ]非鉄金属精鉱の製錬で使用される最も一般的な塩基性耐火レンガは、「クロムマグネサイト」または「マグネサイトクロム」レンガです（製造に使用されるマグネサイト鉱石とクロム鉱石の相対比率によって異なります）。 [ 8 ]
低温用途の耐火レンガには、他のさまざまな材料が使用されています。[ 9 ]酸化マグネシウムは、炉の内張りとしてよく使用されます。シリカレンガは、炉や焼却炉の内張りに使用される最も一般的なタイプのレンガです。内張りは通常犠牲的な性質を持つため、再内張りの間隔を長くするために、アルミナ含有量の高い耐火レンガが使用されることがあります。多くの場合、この犠牲的な内張りは、稼働開始後まもなく亀裂が見られます。亀裂は、そもそももっと多くの伸縮継手を設けるべきだったことを示していますが、これら自体が伸縮継手となり、構造的完全性に影響がない限り問題ありません。[ 10 ]耐摩耗性に優れた炭化ケイ素は、焼却炉や火葬炉の炉床によく使用される材料です。一般的な赤粘土レンガは、煙突や薪窯に使用されることがあります。
耐火レンガの圧縮時の線収縮率は約 12.8% であることがわかった。[ 11 ]この数値は、25wt%の石炭灰を添加することで 8% 未満に減らすことができる。これは、純粋な耐火レンガの気孔率が約 31% と高く、構造的完全性が損なわれるためである。5wt% の石炭灰を添加するだけでも気孔率は 24% に減少し、[ 11 ]より大きな圧縮荷重に耐えることができる。耐火レンガのかさ密度は 1.88～2.05 g/cm^3 であり、これは高温用途の標準推奨値とほぼ同じである。この高密度は、厳しい運転環境に対する耐性を提供するために好まれる。 耐火材料の冷間圧縮強度の標準は、最低 12,000 kN/m^2 である。[ 11 ]
耐熱レンガは高温に耐え、熱を蓄えることができるため、エネルギー貯蔵の有望なソリューションとなります。これらの耐火レンガは、産業プロセスの熱を貯蔵するために使用でき、余剰の再生可能電力を活用して、産業向けの低コストで継続的な熱源を作り出すことができます。一般的な材料で作られているため、耐火レンガ貯蔵システムは、熱エネルギー貯蔵用のバッテリーシステムよりもはるかにコスト効率が高くなります。149か国にわたる研究によると、熱貯蔵に耐火レンガを使用することで、発電、バッテリー貯蔵、水素製造、低温熱貯蔵の必要性を大幅に削減できることが示されています。このアプローチにより、全体のエネルギーコストを約1.8%削減できるため、耐火レンガは100%クリーンな再生可能エネルギーへの移行コストを削減するための貴重なツールとなります。[ 12 ]