耐火材料の高温性能を決定する4つの指標

耐火材料は、高温（一般的に1000～1800℃）において、物理的、化学的、機械的影響などにより容易に溶融・軟化したり、浸食によって侵食されたり、ひび割れや損傷が生じたりして、操業を中断させ、材料を汚染します。そのため、耐火材料には、様々な操業条件に適応できる特性が求められます。耐火材料の高温性能を決定する4つの指標は以下のとおりです。

（１）耐火性

耐火度とは、高温作用下で材料が特定の軟化度に達する温度を指し、高温作用に対する材料の性能を特徴づける指標です。耐火度は、材料が耐火物として使用できるかどうかを判断する基準となります。国際標準化機構（ISO）は、耐火度が1500℃を超える無機非金属材料を耐火材料と規定しています。これは材料の融点とは異なり、様々な鉱物からなる多相固体の混合物の総合的な表現です。

耐火性を決定する最も基本的な要因は、材料の化学組成と鉱物分布です。様々な不純物成分、特に強い溶解作用を持つものは、材料の耐火性を著しく低下させます。したがって、製造工程において、原材料の純度を確保・向上させるための適切な対策を講じる必要があります。

耐火度は、物質固有の絶対的な物理量ではなく、特定の試験条件下で測定された特定の軟化度に達したときの相対的な技術指標です。試験材料は、規定の方法に従って切頭三角錐（試験コーン）に成形され、一定の曲げ温度を持つ標準切頭三角錐（標準コーン）が特定の加熱速度で加熱されます。そして、試験コーンの曲げ度と標準コーンの曲げ度を比較することによって耐火度が決定されます。切頭三角錐の下底は各辺が8mm、上底は各辺が2mm、高さは30mmです。測定中、高温では円錐内に液相が現れることがあります。温度が上昇すると液相の量が増加し、液相の粘度が低下して円錐が軟化します。軟化が一定のレベルに達すると、円錐は自重によって徐々に曲がります。試験用コーンと標準コーンを同時に曲げて、その頂点がシャーシに接触するまで曲げた場合、標準コーンの曲げ温度が試験用コーンの耐火度として採用されるものとする。

荷重下における耐火物の軟化点、または荷重下における耐火物の変形温度とも呼ばれるこの値は、一定荷重下における高温と荷重の複合作用に対する耐火物の耐性、または耐火物が顕著な塑性変形を示す温度範囲を示します。荷重下における軟化温度から、耐火物の最大使用温度を推測することができます。荷重下における軟化温度は、同様の使用条件下における耐火物の構造強度を表し、耐火物の最大使用温度を決定する際の基準として使用できます。

荷重下での軟化温度を決定する主な要因は、材料の化学鉱物組成であり、これは材料の製造プロセスにも直接関係しています。材料の焼結温度は、荷重下での軟化変形温度に大きな影響を与えます。焼結温度を適切に上げると、気孔率の低下、結晶の成長、良好な結合により、変形開始温度が上昇します。原料の純度を高め、低溶融物や溶剤の含有量を減らすと、荷重下での軟化変形温度が上昇します。例えば、粘土レンガ中の酸化ナトリウムやシリカレンガ中のアルミナは、いずれも有害な酸化物です。

（３）耐火材料の高温体積安定性

耐火材料は、高温に長時間さらされると体積膨張を起こします。これを残留膨張と呼びます。耐火材料の残留膨張（変形）の大きさは、高温時の体積安定性の質を反映します。残留変形が小さいほど体積安定性が高く、逆に体積安定性が低いほど、石積みの変形や損傷が生じやすくなります。

再燃焼線の変化は、材料の高温体積安定性を判断するためによく用いられ、材料の品質を評価するための重要な指標である。

ほとんどの耐火材料は高温の作用で収縮します。再焼成中、ほとんどの耐火材料は収縮しますが、これは主に高温で材料から生成された液相が細孔を満たし、粒子がさらに引き締まり、より最近では再結晶化が起こり、材料の緻密化が進むためです。再焼成中に膨張する材料もいくつかあります。例えば、シリカレンガは使用中に多結晶化により膨張します。これは、シリカレンガの未変換の石英が高温でトリディマイトまたはスクエアに変化し続けるためです。体積が膨張する石英は、シリカレンガ中の未変換の約10%を占めます。材料の再焼成による収縮と膨張を減らすには、焼成温度を適切に上げて保持時間を長くすることが効果的ですが、温度が高すぎると材料構造のガラス化を引き起こし、耐熱衝撃性が低下するため、温度を上げすぎないようにする必要があります。焼成時および使用時に材料中の石英粒子が膨張し、粘土の収縮を相殺するため、半シリカレンガの体積変化は小さく、一部はわずかに膨張する。

（４）熱衝撃安定性

耐火物が急激な温度変化に耐え、破壊されない能力を熱衝撃安定性といいます。この特性は、耐熱衝撃性または耐熱性とも呼ばれます。

材料の耐熱衝撃性指数に影響を与える主な要因は、熱膨張率や熱伝導率などの材料の物理的特性です。一般的に、材料の線膨張率が高いほど耐熱衝撃性は低下し、熱伝導率が高いほど耐熱衝撃性は向上します。さらに、耐火材料の微細構造、粒子組成、形状も耐熱衝撃性に影響を与えます。