耐火性

材料科学において、耐火物（または耐火材料）とは、熱や化学的な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]耐火物は無機の非金属化合物で、多孔質または非多孔質であり、結晶度は多様で、結晶性、多結晶性、非晶質、複合性がある。通常、シリコン、アルミニウム、マグネシウム、カルシウム、ホウ素、クロム、ジルコニウムの酸化物、炭化物、窒化物で構成される。^[2]耐火物の多くはセラミックスだが、グラファイトなどそうでないものや、粘土陶器など一部のセラミックスは耐火物とは見なされない。耐火物は、高融点の 元素金属およびその合金である耐火金属とは区別される。

耐火物は、ASTM C71 では「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コンポーネントとして適用できる化学的および物理的特性を持つ非金属材料」と定義されています。^[3]耐火物は、炉、窯、焼却炉、反応炉で使用されます。耐火物は、ガラスや金属を鋳造するためのるつぼや鋳型を作るのにも使用されます。鉄鋼業界と金属鋳造部門では、生産される耐火物の約 70% が使用されています。^[4]

耐火材料は、高温でも化学的、物理的に安定していなければなりません。動作環境に応じて、耐熱衝撃性、化学的不活性、および/または特定の範囲の熱伝導率と熱膨張係数を備えている必要があります。

アルミニウム（アルミナ）、シリコン（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。耐火物によく含まれる別の酸化物は、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、それらが直面する条件に応じて選択する必要があります。いくつかの用途では、特別な耐火物が必要です。^[6] ジルコニアは、材料が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つの耐火物ですが、酸化して燃えてしまうため、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。炭化ハフニウムは最も耐火性の高い二元化合物として知られており、融点は3890℃である。^{[8] [9]}三元化合物である タンタルハフニウム炭化物は、既知の化合物の中で最も高い融点（4215℃）を持つ。^{[10] [11]}

二珪化モリブデンは融点が2030℃と高く、発熱体としてよく使用されます。

耐火材料は次のような機能に役立ちます。^{[12] [2]}

1. 高温媒体と容器の壁の間の熱障壁として機能する
2. 物理的なストレスに耐え、高温媒体による容器壁の侵食を防ぐ
3. 腐食防止
4. 断熱性を提供する

耐火物には様々な用途があります。冶金業界では、耐火物は金属やスラグなどの高温媒体を保持・輸送する炉、窯、反応器、その他の容器の内張りに使用されます。耐火物は、加熱炉、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、硫黄炉などの高温用途にも使用されます。^[12]耐火物は、ロケット発射構造物の炎デフレクターの表面処理に使用されます。 ^[13]

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。

1. 化学組成
2. 製造方法
3. サイズと形状
4. 融解温度
5. 難治性
6. 熱伝導率

酸性耐火物は一般に酸性物質を通さないが、塩基性物質には侵されやすいため、酸性環境では酸性スラグとともに使用される。酸性耐火物にはシリカ、アルミナ、耐火粘土レンガなどの物質が含まれる。アルミナとシリカの両方を侵す可能性のあ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）である。^[14]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る。

• シリカ耐火物は、 93%以上の酸化ケイ素（SiO ₂）を含む耐火物です。酸性で、耐熱衝撃性、耐フラックス性、耐スラグ性、耐剥離性が高くなっています。シリカレンガは、鉄鋼業界で炉材としてよく使用されます。シリカレンガの重要な特性は、高負荷下でも融点まで硬度を維持できることです。^[2]シリカ耐火物は通常、より安価なので簡単に廃棄できます。有機樹脂と混合することで、より少ない酸化ケイ素（90%）でより高い強度とより長い鋳造持続時間を実現する新しい技術が開発されています。
• ジルコニア耐火物は、酸化ジルコニウム（ZrO ₂ ）を主成分とする耐火物です。熱伝導率が低く、溶融ガラスに濡れにくく、溶融ガラスとの反応性が低いため、ガラス炉によく使用されます。また、高温建築材料への応用にも有用です。
• アルミノケイ酸塩耐火物は主にアルミナ（Al ₂ O ₃）とシリカ（SiO ₂ ）で構成されています。アルミノケイ酸塩耐火物には、半酸性、耐火粘土複合材、高アルミナ含有複合材などがあります。^{[説明が必要] [15]}

塩基性耐火物は、スラグと雰囲気が塩基性である場所で使用されます。アルカリ性物質に対しては安定していますが、酸と反応する可能性があります。これは、銑鉄からリンを除去する場合などに重要です (ギルクリスト・トーマス法を参照)。主な原材料は RO グループに属し、マグネシア (MgO) が一般的な例です。その他の例としては、ドロマイトとクロムマグネシアがあります。20 世紀前半、製鉄プロセスでは、炉のライニング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。

• マグネサイト耐火物は、85%以上の酸化マグネシウム（MgO）で構成されています。石灰や鉄分を多く含むスラグに対する高い耐スラグ性、強力な耐摩耗性、耐腐食性、荷重下でも高い耐火性を備えており、主に冶金炉で使用されています。^[16]
• ドロマイト耐火物は主に炭酸カルシウムマグネシウムから構成されています。典型的には、ドロマイト耐火物は転炉や精錬炉で使用されます。^[17]
• マグネシアクロム耐火物は、主に酸化マグネシウム（MgO）と酸化クロム（Cr ₂ O ₃）で構成されており、耐火性が高く、腐食環境に対する耐性も高い耐火物です。

これらは、スラグと大気が酸性または塩基性であり、酸と塩基の両方に対して化学的に安定している場所で使用されます。主な原料はR ₂ O _{3グループに属しますが、これに限定されません。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]

• 炭素黒鉛耐火物は主に炭素で構成されています。これらの耐火物は高度還元環境でよく使用され、その高い耐火性により優れた熱安定性とスラグ耐性が得られます。
• クロマイト耐火物は焼結マグネシアとクロミアから構成され、高温でも体積が一定で、耐火性が高く、スラグに対する耐性が高い。^[18]
• アルミナ耐火物は、 50%以上のアルミナ（Al ₂ O ₃）で構成されています。

1. ドライプレス工程
2. 溶融鋳造
3. 手作業で成形
4. 形成（通常、焼成、または化学結合）
5. 未成形品（モノリシックプラスチック、打ち込みおよび吹き付け用マス、キャスタブル、モルタル、乾式振動セメント）
6. 未成形乾式耐火物。

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、耐火物製造業者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 (229 mm × 114 mm × 64 mm) の標準寸法を持つレンガで、この寸法は「レンガ 1 個相当」と呼ばれます。「レンガ相当」は、工業用炉に設備を設置するの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、円形の開口部などを製造するために製造されるさまざまなサイズの標準形状があります。特殊形状は、炉内の特定の場所や特定の窯や炉用に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いため、耐久性が低くなります。

これらは規定の形状を持たず、適用時にのみ形状が決まります。これらのタイプはモノリス耐火物として知られています。一般的な例としては、プラスチックマス、ラミングマス、キャスタブル、ガンニングマス、フェトリングミックス、モルタルなどがあります。

誘導炉のライニングによく使用される乾式振動ライニングもモノリシックで、通常はマグネシア/アルミナ組成に特定の特性を変えるための他の化学物質を加えた乾燥粉末として販売および輸送されます。高炉のライニングにもますます多くの用途が見出されていますが、この用途はまだまれです。

耐火物は溶融温度（融点） によって3種類に分類されます。

• 通常の耐火物の溶融温度は1580～1780℃（例：耐火粘土）
• 高耐火物の溶融温度は1780～2000℃（例：クロマイト）
• 超耐火物の溶融温度は2000℃以上（ジルコニアなど）

耐火性は、耐火物の多相が高温で無負荷状態で特定の軟化度に達する特性であり、高温円錐当量（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]

• スーパーデューティ： PCE値33～38
• 高負荷： PCE値30～33
• 中型車：PCE値28～30
• 低関税：PCE値19～28

耐火物は、熱伝導率によって、導電性、非導電性、絶縁性に分類できます。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下げるために使用されます。これらの耐火物は、多孔度が高いため熱伝導率が低く、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散した小さな均一な気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4つのタイプに分類できます。^[2]

1. 適用温度が1100℃以下の耐熱絶縁材料
2. 適用温度が 1400 °C 以下の耐火断熱材
3. 適用温度が 1700 °C 以下の高耐火断熱材
4. 適用温度が 2000 °C 以下の超高耐火断熱材

• 耐火レンガ
• 石積みオーブン

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