直接還元シャフト炉の操業において水素を使用することは、従来の炭素ベースのプロセスとは根本的に異なるストレス環境を作り出します。主な課題は、標準的な耐火物材料から酸素を化学的に還元する、つまり「剥ぎ取る」水素の独自の能力と、多孔質構造に浸透しやすく熱を急速に伝導する傾向に起因します。
核心的な洞察：炉内において、水素は酸素の微細な溶媒のように振る舞います。その分子サイズが小さいためライニングの奥深くまで浸透でき、酸素に対する化学的親和性によって耐火物材料の強度を維持する酸化物自体が分解され、標準的な材料を使用すると避けられない構造的破壊につながります。
水素攻撃のメカニズム
酸化物の化学的不安定性
最も重要な課題は、水素の強力な還元性です。従来の耐火物ライニングは酸化物（酸素と金属の化合物）で構成されています。
高温の水素雰囲気下では、水素がこれらの化合物から酸素を本質的に「盗む」化学反応が発生します。このプロセスにより、材料の化学的完全性が損なわれ、内側から劣化します。
構造的崩壊
耐火物材料内の酸化物が還元されると、材料は凝集力を失います。固体構造を維持する化学結合が破壊されます。
これにより、著しい構造的損傷が生じ、ライニングの崩壊、粉化、または機械的強度の完全な喪失として現れることがよくあります。
物理的および熱的バリア
浸透性の問題
水素は、その極めて小さい分子サイズにより、高い浸透性を持っています。より大きな分子のガスとは異なり、水素は標準的な耐火レンガの微細な細孔を容易に浸透します。
これにより、シール能力が最重要の課題となります。ライニングがガスを効果的に封じ込められない場合、炉殻は危険な熱と反応性ガスにさらされます。
断熱の困難さ
水素は高い熱伝導率を持っています。従来の高炉やガスベースの還元シャフトで見られるガスよりもはるかに効率的に熱を伝達します。
これにより、ライニングの断熱性に対する要求が高まります。耐火物材料は、熱損失を防ぎ、外側の鋼鉄製シェルが過熱するのを防ぐために、より一層の性能を発揮する必要があります。
トレードオフの理解
材料の不活性 vs. 入手可能性
水素還元に対抗するため、エンジニアは汎用耐火物から離れる必要があります。焦点は、純粋または混合水素雰囲気下で非反応性の材料に移る必要があります。
アルミナによる解決策
業界データによると、これらの環境には通常、高アルミナまたはアルミナシリケートが選択されます。これらの材料は、他の酸化物ベースの耐火物と比較して、水素攻撃に対する優れた耐性を提供します。
設計の複雑さ
しかし、適切な材料を選択するだけでは不十分です。設計の実行も同様に重要です。水素は非常に拡散しやすいため、ライニングには高いシール性を確保するための特殊な建設技術が必要です。
標準的な石積みの単純さを、化学的不活性と極度の気密性をバランスさせる必要がある複雑で高性能なシステムと交換することになります。
目標に合わせた適切な選択
水素ベースの直接還元用の耐火物ライニングを選択する際には、化学的安定性と封じ込めを最優先する必要があります。
- 耐久性が最優先事項の場合：高アルミナまたはアルミナシリケート組成を優先してください。これらは、水素の還元効果に対する最も高い耐性を提供します。
- 熱効率が最優先事項の場合：断熱材の厚さまたは密度を増やしてシェルが過熱するのを防ぐことにより、ライニング設計が水素の高い熱伝導率を考慮していることを確認してください。
- 安全性が最優先事項の場合：水素の高い浸透性を緩和し、ライニングを通るガス漏れを防ぐために、高いシール能力に焦点を当ててください。
水素シャフト炉の成功は、熱を保持するだけでなく、容器を化学的に分解するガスを防ぐことにかかっています。
概要表：
| 課題カテゴリ | 水素の主な影響 | 耐火物への影響 |
|---|---|---|
| 化学的安定性 | 水素は金属酸化物から酸素を剥ぎ取る | 構造的崩壊、崩壊、凝集力の喪失 |
| 浸透性 | 分子サイズが小さいため深く浸透する | ガス封じ込め不良と炉殻へのリスク |
| 熱伝導率 | ガスを通じた急速な熱伝達 | 熱損失の増加と外殻過熱のリスク |
| 材料選択 | 標準的な酸化物は反応性が高い | 特殊な高アルミナまたはアルミナシリケートの必要性 |
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参考文献
- Yuzhang Ji, Weijun Zhang. Development and Application of Hydrogen-Based Direct Reduction Iron Process. DOI: 10.3390/pr12091829
この記事は、以下の技術情報にも基づいています Kintek Solution ナレッジベース .
