不定形耐火物と吹付け・流し込みの機械化
1 1. 「積む」から「吹く・流す・圧送する」へ
第 2 部で見たれんが積みの機械化が「重いものを正確に置く」問題だったのに対し、不定形耐火物の機械化は「粉体と水を現場で材料に変え、施工面まで運ぶ」問題である。 キャスタブルや吹付け材は、施工した瞬間の混練状態・水分量・搬送条件がそのまま製品品質になる。 つまり不定形耐火物では、材料設計と施工機械と乾燥・養生管理が一体でなければ機械化が成立しない (1)。
第 1 部で確認した通り、国内の耐火物は不定形化が進んだ分野であり、消費量の大きな割合を不定形材が占める構造になっている (2)。 ここでは、その不定形材を施工する機械の系譜 — 吹付け機、ポンプ、そして計測と一体化した吹付けロボット — を整理する。
最初に用語を確定しておく。 ここでの用語整理では、圧縮空気で粉体を搬送しノズル付近で加水する方式を「乾式吹付け（dry gunning）」、事前に混練した材料を搬送し必要に応じノズルで急結剤を加える方式を「湿式吹付け（wet gunning）」と呼ぶ。 「ショットクリート（shotcrete）」と「ガナイト（gunite）」は土木由来の呼称で、業界・国によって指す範囲が揺れるため、引用元の表記をそのまま使う場合のみ登場させる。 吹付け（gunning）という語自体は、乾式・湿式を包含する上位語として使う。 この使い分けは連載の各回で統一して用いる。
2 2. 施工方式の機械構成比較
不定形耐火物の主要な施工方式は、機械構成で比較すると違いが明確になる。
| 方式 | 材料の状態 | 搬送手段 | 水の管理 | 主な用途 |
|---|---|---|---|---|
| 乾式吹付け | 乾燥粉体 | 圧縮空気搬送 | ノズル近傍で加水 | 補修・水冷壁・小規模施工 |
| 湿式吹付け | 事前混練済み | 空気搬送＋急結剤添加 | 混練時に確定 | 加熱炉・焼却炉・大面積 |
| ポンプ圧送（流し込み） | 事前混練済み | ピストン／スクイズポンプ | 混練時に確定 | 炉床・大型ライニング |
| 打込み（ramming） | 可塑性材料 | 人力・機械打撃 | 材料に内包 | プラスチック耐火物 |
AGCプライブリコは、湿式吹付けの PET 工法（完全混練したキャスタブルを空気搬送し、ノズル直前で急結剤を混合する）と、プラスチック耐火物を吹き付ける HyRATE 工法を施工工法として整理している (3)。 HyRATE 工法は、従来の打込み（ramming）施工に比べて数倍の速度でプラスチック耐火物の壁を構築できるとメーカーは説明している (3)。
ポンプ圧送の条件は米国 Plibrico 社の施工ガイドラインが具体的である。 耐火物フロア施工では高圧のスイングチューブ式ピストンポンプを推奨し、吐出配管は 3〜4 インチ（最大 6 インチ）、キャスタブルの圧送は通常 2.5〜3 インチの配管で行うとしている (4)。 同社の施工サービス部門は、ショットクリート・キャスタブルポンピング・ガナイト・HyRATE を施工メニューとして併記しており、方式選択が現場条件（面積・形状・停止時間）で決まることを示している (5)。 れんが積みのような単一の標準工程は存在せず、炉ごと・部位ごとに方式を選び直すのが不定形施工の常態である。 だからこそ「どの機械を選ぶか」より先に「どの方式が成立するか」の判断が機械化の前提になる。
3 3. 転炉・電炉のホット補修 — 計測と一体化した吹付け
吹付け機械化の最前線は、第 2 部でも登場した転炉のホット補修である。
Vesuvius の BOF VARG は、レーザ計測（ヒートごとに 1 分未満でスキャン）と吹付けロボットを一体化し、損耗箇所だけを狙って補修材を施工する (6)。 メーカーの製品ページによると、吹付け能力は必要時に毎分 200 kg 超、転炉での試験平均は毎分 218 kg、記録値は毎分 243 kg に達する (6)。 標準的な施工方法と比べ、補修材 1 トンあたりの施工時間が 7.5 分短縮された例が観察され、典型的な施工速度との比較で転炉の稼働率（availability）を 40〜60% 改善し、年間出鋼量を 1〜2% 増やせる可能性があると説明されている (6)。
| 項目 | メーカー記載値 |
|---|---|
| 吹付け能力 | 必要時 200 kg/min 超 |
| 転炉での試験平均 | 218 kg/min |
| 記録値 | 243 kg/min |
| 施工時間短縮 | 補修材 1 t あたり 7.5 min 削減（観察例） |
| 転炉稼働率 | 40〜60% 改善（典型的施工速度との比較） |
| 年間出鋼量 | 1〜2% 増の可能性 |
これらはいずれもメーカー公称値であり、効果は操業条件に依存する。 重要なのは個々の数値よりも、吹付け速度・水使用量・施工位置がすべて記録され、次回の補修計画に引き継がれるという情報の流れである。
同じ Vesuvius は、より基礎的な吹付け機 piroGUN も電炉・転炉向けに提供している (7)。 ロボット化された VARG と、人が操作する piroGUN の併存は、吹付けの自動化が「全置換」ではなく「高頻度・高リスク部位からの段階導入」で進むことを示している。
仏 Calderys は、転炉・電炉向けの高速 MgO 系吹付け材 CALDE MAG GUN VELOCITY を発表し、停止時間の短縮を訴求している (8)。 同社が指標として使う「有効吹付け率（effective gunning rate）」は、投入した材料量ではなく、リバウンド（跳ね返り）で失われずに壁面へ残った量に着目する考え方である (8)。 吹付けの性能比較では、毎分の吐出量だけでなく、このリバウンド率・有効吹付け率・施工体の密度を併せて見る必要がある。 インド・オディシャ州の生産拠点で取鍋・電炉向け塩基性不定形材の現地生産を始めるなど、補修材は消費地近接型の供給網へ移行しつつある (9)。
4 4. 国内の不定形材機械化史 — 遠隔操作吹付けから乾燥レス材へ
国内メーカーの歩みは、施工機械と材料設計の二人三脚である。
AGCプライブリコの社史は、高炉や煙突向けの遠隔操作吹付け機の開発、低粉じん吹付けシステム Clean Hitter、2010 年のポンプ施工用キャスタブル PECO といった節目を記録している (10)。 粉じんが出やすい乾式吹付けを遠隔化・低粉じん化し、さらにポンプで流せる材料を作る、という流れがここに読み取れる。
| 段階 | 技術 | ねらい |
|---|---|---|
| 遠隔操作吹付け機 | 高炉・煙突向けの遠隔吹付け | 危険区域からの作業者隔離 |
| 低粉じん化（Clean Hitter） | 吹付け時の発じん抑制 | 作業環境の改善 |
| ポンプ施工材（PECO、2010 年） | 圧送可能なキャスタブル | 配管搬送による大量・連続施工 |
| 乾燥レス材（Dry-Free 等） | 乾燥工程の不要化 | 立上げ工期と爆裂リスクの削減 |
乾式側では、AGC 系の GRAM（低セメント乾式吹付け材）が、湿式吹付けのような専用機材を必要とせず、ニードガンのみで施工できることを特徴に掲げる (11)。 大がかりな機械化と逆方向の「装置の軽量化」も、補修現場では立派な省力化である。
材料側の最大のボトルネックは乾燥工程だった。 キャスタブル施工体は水分を含むため、初回昇温前にゆっくり水分を抜く乾燥（dry-out）が必要で、黒崎播磨によると従来材ではこの工程に 90〜100 時間を要していた (12)。 同社の Dry-Free シリーズはこの乾燥工程自体を不要にする材料設計で、施工後すぐに昇温できることを訴求する (12)。 同社の技報も乾燥不要な吹付け材の開発を報告しており、材料技術が施工工期を直接削る構図がわかる (13)。 品川リフラクトリーズも、乾燥時間を短縮するキャスタブルや、加熱炉スキッドパイプ用のこて塗り補修材といった「施工性で差別化する不定形材」を技報で展開している (14)。
なぜ乾燥がそれほど重大なのか。 査読付きのレビュー論文によると、緻密質キャスタブルの初回加熱では乾燥が最も危険な工程であり、組織の透過性が低いと内部の水蒸気圧が逃げ場を失い、爆裂（explosive spalling）による施工体の破壊につながる (15)。 乾燥挙動の物理（水分移動・蒸気圧・昇温速度の関係）は同レビューの第 1 部で体系化されており、昇温カーブの設計は材料科学の問題でもある (16)。 つまり「速く施工できても速く立ち上げられない」のが不定形材の弱点であり、乾燥レス材はその弱点を材料側から消しにいく技術である。
5 5. 施工品質を数値で見る
吹付け・流し込み施工の良し悪しは、感覚ではなく指標で評価できる。
| 指標 | 意味 | 機械化との関係 |
|---|---|---|
| 吐出量（kg/min） | 単位時間に機械から出る材料量 | 機械能力のカタログ値 |
| リバウンド率（%） | 壁面に付着せず跳ね返って失われた割合 | 材料・ノズル・距離・角度に依存 |
| 有効吹付け率 | 壁面に残った有効施工量の割合 | 実際のコストと工期を決める実質値 |
| 施工体密度 | 施工後の組織の緻密さ | 耐食性・寿命に直結 |
| 注水率（質量%） | 材料に加える水の比率 | 過多で強度低下、過少で閉塞・付着不良 |
| 乾燥時間（h） | 初回昇温前の水分除去に要する時間 | 停止時間・立上げ工期に直結 |
カタログの吐出量が大きくても、リバウンドで 3 割失われれば有効施工量は伸びない。 有効吹付け率という言葉をメーカーが前面に出すようになったこと自体が、施工品質のデータ化が購買条件になりつつある証拠である (8)。 そして表の最下段、乾燥時間の短縮こそが前節で見た国内材料メーカーの主戦場だった。
6 6. 材料と機械の境界 — 特許に見る設計変数
吹付け材の設計変数は、公開特許からも読み取れる。 簡易湿式吹付け施工装置用の吹付け材に関する公開特許は、粒度構成として粗粒 30 質量% 以下・中粒 40〜70 質量%・微粒 20〜50 質量%、注水率 20〜40 質量% という範囲を記載している (17)。 粒度分布と注水率は、配管の閉塞しにくさ・付着性・施工体密度を同時に左右する変数であり、機械の仕様（ポンプ圧力・配管径・ノズル形状）と不可分に最適化される。 吹付け機の性能表だけを見ても施工品質は予測できない、というのが不定形施工の実務的な教訓である。
7 7. 適用炉別の整理と限界
主要な適用先を方式別にまとめる。
| 適用炉・設備 | 主な方式 | 代表事例 |
|---|---|---|
| 転炉・電炉 | ホット gunning（乾式・ロボット化） | BOF VARG、piroGUN、CALDE MAG GUN |
| 取鍋 | スラグライン補修 gunning | 取鍋補修ロボット（第 2 部） |
| 加熱炉・焼却炉 | 湿式吹付け・流し込み | PET 工法、HyRATE 工法 |
| 炉床・大面積 | ポンプ圧送・流し込み | スイングチューブポンプ施工 |
| 水冷壁・小規模補修 | 乾式吹付け | GRAM（ニードガン施工） |
最後に、機械化の限界を確認しておく。 吹付けとポンプ圧送の自動化が進んでも、人の判断が残る工程は多い。
- ノズルの清掃と、施工を中断した際の配管内残材の処理 (4)
- 材料ロットごとの状態確認と、温湿度に応じた水分調整
- 施工後の養生管理と昇温カーブの運用 (15)
- アンカー（施工体を保持する金物）の溶接・配置
ポンプ圧送は配管径・距離・高低差・骨材粒径・可使時間に強く依存し、条件が一つ崩れると配管閉塞という形で施工全体が止まる。 転炉補修ロボットのような統合製品は材料・機械・計測をセットで最適化した特殊例であり、一般的な吹付け施工の自動化水準と混同すべきではない。 不定形施工の機械化の現実的な目標は、完全無人化ではなく「人を危険区域から隔離し、品質判断をデータで支援する」ことにある。
まとめると、第 3 部で見た技術の進化は 3 つの軸で進んできた。 第一に、施工の高速化（高流量吹付け・ポンプ圧送）。 第二に、品質の数値化（リバウンド率・有効吹付け率・施工ログ）。 第三に、工期の圧縮（乾燥レス材による dry-out の省略）。 そしてこの 3 軸すべての起点に「どこがどれだけ損耗しているか」という計測情報がある。
その「データ」を作る側、すなわち残厚計測と寿命予測のデジタル化が、最終回・第 4 部の主題である。