中周波炉の使用中、ライニングに使用される耐火物の厚さはわずか70-110mmです。内側は高温の溶融金属と接触し、外側は水冷コイルに近いため、耐火物の内側と外側の温度差が大きく、比較的薄い部分にあり、多くの製錬作業の腐食性の高い環境の使用条件にあります。ライニングの損傷に影響を与える主なプロセス条件には、製錬温度、脱ガス時間、1回の脱ガス量、スラグの化学成分、生産される鋼（鉄）の種類などがあります。ライニングの損傷に影響を与える主な要因は、スラグの化学的侵食、耐火構造の剥離、熱侵食です。
図1. 製錬鋳鉄のライニングの侵食
図2. 製錬鋳鋼のライニングの侵食
1. 中周波炉のライニング 中周波炉のライニングは、通常、さまざまな規格と粒子サイズの耐火物で作られています（一般的に使用される耐火物は主にマグネシウム、石英、アルミニウム、複合材料です）。その特徴は、直接結合です。そのため、耐腐食性が高く、機械的強度が高く、耐熱衝撃性に優れています。
図3、結節工程に厳密に従って結ばれた炉内張り
2. マグネシウム炉ライニング材の損傷メカニズム
マグネシウム耐火材料を例に、マグネシウム材料の損傷メカニズムを説明します。
マグネシウム材料の損傷の主な兆候は、流れる溶融鋼による熱侵食と、材料に浸透するスラグ成分による化学侵食です。
製錬プロセス中、溶液は耐火マトリックス内の毛細管チャネルを通じて耐火マトリックスに浸透し、炉のライニングを腐食します。耐火マトリックスに浸透する成分には、スラグ中のCaO、SiO2、FeO、溶鋼中のFe、Si、Ai、Mn、C、さらには金属蒸気、COガスなどが含まれます。これらの浸透した成分は耐火材料の毛細管チャネルに堆積し、耐火作業面と元の耐火マトリックスの物理的および化学的性質の不連続を引き起こします。操作温度の急激な変化により、亀裂、剥離、構造の緩みが発生します。厳密に言えば、この損傷プロセスは溶解損傷プロセスよりもはるかに深刻です。
炉に投入される金属材料はさまざまな酸化物を取り込み、材料や炉の種類によってスラグの組成も異なります。スラグに含まれるさまざまな酸化物、炭化物、硫化物、およびさまざまな形態の複合化合物のほとんどは、炉のライニングと化学反応を起こし、融点の異なる新しい化合物を生成します。
反応中に生成される鉄オリビン（FeOSiO2）やマンガンオリビン（MnOSiO2）などの一部の低融点酸化物は、一般に融点が1200度前後です。低融点スラグは流動性に優れ、フラックス剤を形成し、炉ライニングに深刻な化学侵食を引き起こし、炉ライニングの耐用年数を短縮する可能性があります。反応中に生成されるムライト（3Al2O3•2SiO2）、フォルステライト（2MgO•SiO2）などの高融点スラグや一部の高融点金属元素の融点は1800度を超えます。溶融金属中に浮遊する高融点スラグと低融点スラグの間には、比較的複雑な相互浸透と相互溶解があります。 これらのスラグは炉壁に付着して蓄積しやすく、深刻なスラグ固着を引き起こし、電気炉の電力、溶解速度、容量に影響を与え、さらには炉ライニングの寿命にも影響を与えます。
炉容量が大きくなると、溶鋼表面から失われる熱の割合が減少し、スラグ温度が小容量炉よりも高くなり、スラグの流動性が小容量炉よりも優れているため、炉ライニングの侵食が悪化します。大型誘導炉では、主に鋼とスラグを混合して出鋼する方法を採用しており、出鋼条件に適応するためにスラグの流動性が良好である必要があります。そのため、スラグラインの侵食が激しく、これも炉ライニングの耐用年数を短縮する原因の1つです。上記の理由により、大型誘導炉のライニングの耐用年数は、中小型誘導炉のライニングの耐用年数よりも短くなります。ライニングの耐用年数を延ばすには、ライニングの厚さを適切に増やす必要があります。ただし、炉ライニングの厚さが厚くなると、抵抗値が増加し、無効電力損失が増加し、電気効率が低下します。 そのため、炉ライニングの厚さは一定の範囲に制限されており、高い電気効率と炉ライニングの耐用年数を両立するには、適切な壁厚を選択する必要があります。
図5、スラグで覆われた炉のライニング
3. ソリューションの設計
上記の侵食は、温度の周期的な変動の下で、いわゆる構造剥離を引き起こします。生産プロセス中に、スラグが耐火物マトリックスの細孔に浸透し、大きく厚い耐火物層を形成します。スラグに浸された耐火物の部分の物理的および化学的性質は変化します。浸透層と残留不都合層の熱膨張係数が異なるため、温度が変化すると、2つの層の接合部に大きな応力が発生し、作業面と平行な亀裂が生じ、最終的にライニングが剥離します。耐火物マトリックスに浸透したスラグは、耐火物粒子を溶解し、粒子間の結合を弱め、材料の耐火性と耐高温性が低下します。そのため、スラグ浸透層の耐火物は、流れる溶鋼の侵食によってより早く損傷します。
スラグの塩基度はライニング材と適合している必要があります。マグネシウムライニング材は、高CaOスラグとSiO2スラグによって腐食される可能性があります。スラグ中のCaFの量を制御する必要があります。過剰なCaFはアルカリライニングを腐食し、スラグライン領域の早期溶融を引き起こします。スラグ中のフッ化物イオンと金属マンガンイオンが高い場合、または溶融池の温度が1700度を超える場合、溶液の粘度も急激に低下し、ライニングの損傷率が加速し、ライニングの寿命が大幅に短縮されます。真空下でスラグフリー製錬を行うと、ライニングの耐用年数は非真空製錬よりも長くなります。
ライニングに高濃度の酸化鉄が浸透すると、元のライニングの微細構造が破壊され、耐火性が低下し、CaO-Ai2O3-SiO2スラグの粘度が低下し、スラグが材料のより深く浸透します。ただし、元のライニングに一定量の酸化鉄が含まれていると、ライニングの急速な焼結が促進され、材料の開気孔と浸透性が低下します。特に、成形材料には一定量の酸化鉄が含まれており、材料の急速な焼結、サンドブラスト、砂の混入が非常に顕著です。酸化マグネシウム含有量とスラグの粘度を高めることは、炉ライニングのスラグの侵食を減らし、スラグ収集効果を向上させるのに有益です。スラグの塩基度が低い場合、マグネシウムライニングの侵食がより深刻になり、炉ライニングの寿命が短くなります。 逆に、スラグ塩基度が高い場合、炉ライニングの侵食は比較的少なく、炉ライニングの寿命は比較的向上します。スラグ塩基度とスラグ中のMgO含有量を増やし、スラグ中のFeO含有量を減らすことは、耐火物に対するスラグの侵食を減らすのに有益です。
したがって、スラグ製造剤を使用する場合は、酸化マグネシウム含有量の高い材料を選択することに注意する必要があります。スラグ構造を合理的に構成し、スラグ形成速度を速め、製錬時間を短縮し、スラグ中の酸化鉄含有量を減らします。炉ライニングの材質に応じて適切なスラグを選択する必要があります。アルカリスラグはマグネシウムライニングに適していますが、高CaOスラグやSiO2スラグによって腐食される可能性があります。過剰なCaF2もアルカリライニングを腐食し、スラグライン領域の早期溶融を引き起こします。酸性スラグは石英炉ライニングに適していますが、マグネシアアルミナ炉ライニングは弱アルカリ性または中性スラグにのみ使用できます。アルミナ炉ライニングは、高温で異なるpH値で典型的な両性特性を示し、異なるpH値のスラグに適応できますが、酸性およびアルカリ性炉ライニングよりもわずかに劣ります。 このため、材料を選択する際に、高純度のマグネシア砂を使用し、一定量のスピネルを加えて純マグネシア炉ライニング材のマトリックス特性を変える人もいますが、実験によると、高純度のコランダム材の耐食性も、純度の低い焼結マグネシア砂に比べて大幅に劣ることが分かっています。
酸性スラグは石英炉ライニングに適していますが、マグネシア - アルミナ炉ライニングは弱アルカリ性または中性スラグにのみ使用できます。アルミナ炉ライニングは、高温で異なるpH値で典型的な両性特性を示し、異なるpH値のスラグに適応できますが、酸性およびアルカリ性炉ライニングよりもわずかに劣ります。要するに、マグネシア炉ライニングの主な損傷メカニズムを考慮して、継続的な要約と調査の後、開いた気孔と透過性を制限することで材料のスラグ浸透に対する耐性を向上させることができ、高温曲げ強度と臨界軟化温度を高めることで炉ライニングマトリックスの高温耐侵食性と耐剥離性を向上させることができます。炉ライニングの性能は、材料の粒度分布、材料の物理的および化学的性質、炉ライニングの焼結温度など、多くの要因に依存します。