材料科学において、耐火物(または耐火材料)とは、熱や化学攻撃による分解に耐性があり、高温でも強度と剛性を維持する材料のことである。[ 1 ]これらは無機質の非金属化合物であり、多孔質または非多孔質であり、結晶性は大きく異なり、結晶質、多結晶質、非晶質、または複合材料である。これらは通常、ケイ素、アルミニウム、マグネシウム、カルシウム、ホウ素、クロム、ジルコニウムなどの元素の酸化物、炭化物、または窒化物から構成されている。[ 2 ]多くの耐火物はセラミックスであるが、グラファイトなどセラミックスではないものもあり、粘土陶器などセラミックスの中には耐火物とはみなされないものもある。耐火物は、融点が高い元素金属とその合金である耐火金属とは区別される。
耐火物は、 ASTM C71で「 1,000 °F (811 K; 538 °C)を超える環境にさらされる構造物、またはシステムの構成要素として適用できる化学的および物理的特性を有する非金属材料」と定義されています。[ 3 ]耐火材料は、炉、窯、焼却炉、および反応器で使用されます。耐火物は、ガラスや金属の鋳造用のるつぼや型を作るためにも使用されます。鉄鋼業界と金属鋳造部門は、生産される耐火物全体の約 70% を使用しています。[ 4 ]
耐火材料は、高温下でも化学的および物理的に安定していなければなりません。使用環境に応じて、耐熱衝撃性、化学的不活性性、および/または特定の熱伝導率と熱膨張係数の範囲を満たす必要があります。
アルミニウム(アルミナ)、ケイ素(シリカ)、マグネシウム(マグネシア)の酸化物は、耐火物の製造に使用される最も重要な材料です。耐火物によく見られるもう1つの酸化物は、カルシウム(石灰)の酸化物です。[ 5 ]耐火粘土も耐火物の製造に広く使用されています。
耐火物は、その使用条件に応じて選択する必要があります。用途によっては、特殊な耐火材料が必要となる場合があります。[ 6 ]ジルコニアは、極めて高い温度に耐える必要がある場合に使用されます。[ 7 ]炭化ケイ素と炭素(グラファイト)は、非常に厳しい温度条件で使用される他の2つの耐火材料ですが、酸化して燃焼するため、酸素と接触して使用することはできません。
炭化タングステンや窒化ホウ素などの二元化合物は非常に耐火性が高い。炭化ハフニウムは既知の二元化合物の中で最も耐火性が高く、融点は3890 ℃である。[ 8 ] [ 9 ]三元化合物である炭化 タンタルハフニウムは、既知の化合物の中で最も高い融点(4215 ℃)を持つ。[ 10 ] [ 11 ]
二ケイ化モリブデンは融点が2030℃と高く、発熱体としてよく用いられる。
耐火物には複数の有用な用途があります。冶金産業では、耐火物は炉、窯、反応器、および金属やスラグなどの高温媒体を保持および輸送するその他の容器の内張りに使用されます。[ 13 ]耐火物には、燃焼ヒーター、水素改質器、アンモニア一次および二次改質器、分解炉、ユーティリティボイラー、接触分解装置、空気加熱器、硫黄炉などの他の高温用途があります。[ 12 ]ロケット発射構造の火炎偏向板の表面にも使用されます。 [ 14 ]
耐火物は、以下の基準に基づいて複数の方法で分類されます。
酸性耐火物は一般的に酸性物質に対しては不浸透性ですが、塩基性物質には容易に侵されるため、酸性環境では酸性スラグとともに使用されます。これには、シリカ、アルミナ、耐火粘土レンガなどの物質が含まれます。アルミナとシリカの両方を侵すことができる注目すべき試薬は、フッ化水素酸、リン酸、フッ素化ガス(HF、F 2など)です。[ 15 ]高温では、酸性耐火物は石灰や塩基性酸化物とも反応する可能性があります。
塩基性耐火物は、スラグや雰囲気が塩基性である領域で使用されます。これらはアルカリ性物質に対して安定していますが、酸と反応する可能性があり、これは例えば銑鉄からリンを除去する際に重要となります(ギルクリスト・トーマス法を参照)。主な原料はROグループに属し、マグネシア(MgO)はその一般的な例です。その他の例としては、ドロマイトやクロムマグネシアなどがあります。20世紀前半、製鋼プロセスでは、炉内張り材として人工ペリクレース(焙焼マグネサイト)が使用されていました。
これらは、スラグや雰囲気が酸性または塩基性である地域で使用され、酸と塩基の両方に対して化学的に安定しています。主な原料は R 2 O 3グループに属しますが、それに限定されるわけではありません。これらの材料の一般的な例としては、アルミナ(Al 2 O 3 )、クロミア(Cr 2 O 3 )、炭素などがあります。[ 2 ]
耐火物は、標準形状と特殊形状で製造されます。標準形状は、耐火物メーカーが使用する慣例に準拠した寸法を持ち、一般的に同じタイプの窯や炉に適用されます。標準形状は通常、9インチ× 4.5インチ× 2.5インチ(229mm × 114mm × 64mm )の標準寸法を持つレンガで、この寸法は「レンガ1個分」と呼ばれます。「レンガ1個分」は、工業炉への設置に必要な耐火レンガの数を見積もる際に使用されます。壁、屋根、アーチ、チューブ、円形開口部などを製造するために、さまざまなサイズの標準形状が製造されています。特殊形状は、炉内の特定の場所や特定の窯や炉に合わせて特別に製造されます。特殊形状は通常、標準形状よりも密度が低く、そのため耐摩耗性も劣ります。
これらは所定の形状を持たず、塗布時にのみ形作られます。このようなタイプは一体型耐火物として知られています。一般的な例としては、可塑性材料、突き固め用材料、キャスタブル、ガンニング用材料、仕上げ用混合物、モルタルなどがあります。
誘導炉の炉内張りによく用いられる乾式振動ライニングも一体構造で、乾燥粉末として販売・輸送される。通常はマグネシア/アルミナを主成分とし、特定の特性を調整するために他の化学物質が添加されている。高炉の炉内張りへの応用も増えつつあるが、その用途はまだ稀である。
耐火材料は、融点(融解温度)に基づいて3種類に分類される。
耐火性とは、耐火物の多相が負荷なしで高温で特定の軟化度に達する性質であり、パイロメトリックコーン等価(PCE)試験で測定されます。耐火物は次のように分類されます。[ 2 ]
耐火物は、熱伝導率によって導電性、非導電性、絶縁性に分類されます。導電性耐火物の例としては、炭化ケイ素(SiC)や炭化ジルコニウム(ZrC)があり、非導電性耐火物の例としては、シリカやアルミナがあります。絶縁性耐火物には、ケイ酸カルシウム系材料、カオリン、ジルコニアなどがあります。
断熱耐火物は、炉壁からの熱損失率を低減するために使用されます。これらの耐火物は、高い多孔性により熱伝導率が低く、熱伝導率を最小限に抑えるために、耐火レンガ全体に均一に分布した小さく均一な細孔の望ましい多孔質構造を備えています。断熱耐火物は、さらに次の 4 つのタイプに分類できます。[ 2 ]
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