JP2002039690A - プレキャストブロックの乾燥方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 気化した水蒸気を迅速に系外に排出し、高い
加熱効率を維持しつつ、ブロック表面と乾燥炉内雰囲気
の熱の出入りを抑制し、ブロック表面から背面まで均質
な耐火物組織を得ることができるマイクロ波乾燥方法を
提供する。 【解決手段】 施工水分量３．５〜８質量％の不定形耐
火物を予め所定形状に流し込み施工、養生、脱枠したプ
レキャストブロック３とした後、該プレキャストブロッ
クを、加熱炉１の金属製の囲い内部に載置し、該プレキ
ャストブロック表面を断熱材６で接触させて覆い、熱風
発生装置１０から１００℃以上の熱風を供給しながら、
囲い内部の空間を空洞共振器として、マイクロ波装置７
からのマイクロ波による誘電体加熱を行うマイクロ波乾
燥方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、所定形状に流し込
み施工してプレキャストブロック化した不定形耐火物の
マイクロ波乾燥方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、溶融金属を取り扱う容器には、不
定形耐火物が使用されている。一般的には、溶融金属用
容器内部に中子をセットし、不定形耐火物を流し込み施
工し、一体の状態で、養生、脱枠、乾燥、予熱した後、
溶融金属を受けている。一方、直近では、溶融金属用容
器の種類毎に、耐火物整備機械類を建設するのではな
く、成形、養生、乾燥という単位操作を共通設備で行う
ことによる省力化、並びに、プレキャストブロック製造
の一元管理化と超音波や打音検査などで築炉前のプレキ
ャストブロックの品質向上とバラツキ削減による稼働寿
命延長を期待した大型プレキャストブロックによる築炉
工法が発展している。

【０００３】各単位操作に対するプレキャストブロック
の品質への影響は、乾燥が最も大きい。一般的な乾燥方
法としては、炉の中にセットして、ガスバーナー加熱や
電気炉加熱など、伝導加熱による。しかし、この乾燥方
法によると、耐火物表面からの熱伝導によって、内部が
加熱されるので、必然と温度勾配が発生する。温度勾配
が生じると、背面側ほど発生蒸気圧が大きくなり、それ
によって耐火物組織が粗くなる傾向がある。

【０００４】それにより、一体状態で施工した場合に比
べ、大差ない品質のブロックしか確保することはできな
い。特に、大型、厚肉ブロックの場合は、爆裂の危険も
大きく、高耐用化を狙った緻密質のブロックも爆裂の危
険性をはらんだままである。また、伝導加熱の場合、炉
内の温度を均一に保つことは困難であり、必然と品質の
バラツキが発生しやすい傾向にある。

【０００５】一方、不定形耐火物の乾燥方法として、特
公昭５４−３２１７５号公報に開示されるように、マイ
クロ波加熱を利用した乾燥方法があり、熱風を同時に供
給しながらマイクロ波加熱することも記載されている。
しかしながら、マイクロ波加熱単独では、一度気化した
水蒸気が、プレキャストブロック表面や加熱炉の炉壁に
て、再凝結し、それがマイクロ波を吸収するため、加熱
効率が極端に低下し、無駄なマイクロ波エネルギーを消
費してしまう。

【０００６】また、プレキャストブロック表面からの抜
熱により、ブロック内部より、表面ほど温度が低く、大
きな温度勾配を生成し、耐火物品質の劣化を招くことも
ある。これを防ぐために、熱風を同時に送り込むことが
提案されている。熱風からプレキャストブロックへ伝導
される熱量は、以下の（２）式で表される。 Ｑ＝ｈ×△Ｔ×Ａ …（２） Ｑ：熱風からブロックへ供給する単位時間当たりの熱量
（kcal／hr） ｈ：熱風〜ブロック間の熱伝達係数(kcal／m²・hr・
℃) △Ｔ：熱風とブロック表面の温度差（℃） Ａ：ブロックの表面積（m²） （２）式から分かるように、熱風温度がブロック表面温
度より高く、その温度差が大きい場合ほど、又は、熱風
流量が大きい場合ほど、ブロック表面から内部に向かっ
て必然と温度勾配を形成し易い環境となる。それによ
り、内部加熱というマイクロ波加熱が損なわれ、通常の
ガスバーナー乾燥に比べ、大差ない耐火物品質のブロッ
クしか製造できない。

【０００７】熱風による水蒸気の迅速排出という機能を
満足しつつ、熱風からプレキャストブロックへの熱伝導
を抑制し、ブロック厚み方向の温度勾配をより小さくす
るには、（２）式から明確であるように、ブロック表面
温度に応じて熱風温度を連続的に変化するように制御す
ればよい。極端な場合、常にブロック表面温度に熱風温
度を合わせると温度差がゼロなので、熱風からブロック
へ供給する熱量もゼロとなる。

【０００８】しかし、対象となるブロック材質、重量、
形状などによって、ブロック表面温度の経時変化は大き
く異なり、このシステムを確立することは、事実上、困
難である。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、加熱炉内部
に載置したプレキャストブロックの乾燥方法に関するも
のであり、ガスバーナー乾燥など従来の伝導加熱による
乾燥に比べ、耐火物品質を向上させるには、ブロック表
面から背面まで均質な耐火物組織にすることが重要課題
であり、それには、ブロックの厚み方向の温度勾配を大
幅に縮小することが必要である。

【００１０】そこで、本発明では、気化した水蒸気を迅
速に系外に排出し、高い加熱効率を維持しつつ、ブロッ
ク表面と炉内雰囲気の熱の出入りを抑制し、ブロック表
面から背面まで均質な耐火物組織を得ることができるマ
イクロ波乾燥方法を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するものであるが、その要旨とするところは、次の
（１）〜（３）のとおりである。 （１）施工水分量３．５〜８質量％の不定形耐火物を、
予め所定形状に流し込み施工し、養生、脱枠しプレキャ
ストブロックとした後、該プレキャストブロックを金属
製の囲い内部に載置し、該プレキャストブロックの表面
を断熱材で接触させて覆い、１００℃以上の熱風を供給
しながら、囲い内部の空間を空洞共振器として、マイク
ロ波による誘電体加熱を行うことを特徴とするプレキャ
ストブロックの乾燥方法。

【００１２】（２）プレキャストブロック単位重量当り
の熱風流量が、最大時にて、下記（１）式から求めた計
算値以上の流量を連続的に供給することを特徴とする前
記（１）記載のプレキャストブロックの乾燥方法。

【００１３】

【数２】

【００１４】（３）乾燥中、プレキャストブロックの表
面及び内部の温度を連続的に測定し、プレキャストブロ
ックの厚み方向の温度勾配が１００ｍｍあたり６０℃以
下になるように、マイクロ波出力を制御しながら、マイ
クロ波による誘電体加熱を行うことを特徴とする（１）
又は（２）記載のプレキャストブロックの乾燥方法。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明について詳細に説明
する。プレキャストブロックの表面を断熱材で接触させ
て覆うことによって、ブロック表面から炉内雰囲気への
抜熱、逆に、炉内雰囲気からブロックへの蓄熱が最小限
に抑えられる。

【００１６】プレキャストブロック表面に接触させて覆
う断熱材の材質は、特に制限するものではないが、低熱
伝導性と耐熱性が要求されるため、アルミナ、シリカ等
を使用することができ、また０．２kcal/m²・hr・℃以
下の熱伝導率を有するものが、マイクロ波の吸収能が小
さいので好ましい。断熱材はウール状、又は、ボード状
などのものが好ましく、断熱材の厚みは、断熱の効果を
発揮させるため３ｍｍ以上とし、弱いながらも吸収によ
るマイクロ波の損失を防止するため、２５０ｍｍ以下と
することが好ましい。

【００１７】プレキャストブロックの表面を耐火断熱材
で覆うだけでは、気化した水蒸気が断熱材内部にてトラ
ップされ、再凝結して、それが再度マイクロ波を吸収す
るので、加熱効率が極端に低下する。それを避けるため
に、１００℃以上の熱風を供給する。断熱材は通気性が
高いので、熱風が断熱材内部の空間を流れ、断熱材にト
ラップされることなく、水蒸気を断熱材の外に速やかに
運び出すことができる。一方、断熱材を接触させてブロ
ック表面を覆うことにより、ブロック表面からの抜熱、
炉内雰囲気からの入熱を最小限にすることができる。１
００℃以上の熱風としたのは、折角、気化した水蒸気を
乾燥炉の壁面などで、再凝結することなく、速やかに系
外に排出させるためである。

【００１８】なお、熱風の供給タイミングは、乾燥開始
時からでも構わないし、水蒸気の発生が顕著となるプレ
キャストブロック温度６０℃からでも構わない。ブロッ
ク表面を断熱材で覆っているので、ブロックの温度勾配
には寄与しないからである。しかしながら、１００℃以
上の熱風を供給すれば、全ての機能を満足するという訳
ではない。ブロックから発生した水蒸気を迅速に排出す
るだけの熱風流量が必要となる。

【００１９】本発明者らは、鋭意検討した結果、上述の
（１）式で、熱風発生装置の最低供給流量を、プレキャ
ストブロック単位質量当りのマイクロ波出力、及び、マ
イクロ波の熱変換効率で定義できることを見い出した。
プレキャストブロックがマイクロ波加熱で蓄熱され、水
蒸気が生成する温度に達すると、ブロックに吸収された
マイクロ波のエネルギー全てが、熱に変換して水の蒸発
に費やされる。そのような状況の時が最も水蒸気発生速
度が大きい。したがって、熱風発生装置の流量として
は、単位時間当たりの最大水蒸気発生量を系外に排出す
る能力が必要となる。

【００２０】マイクロ波の投入出力は、耐火物重量１ト
ン当たり０．５kW以上、８kW以下で照射することが好ま
しい。これは、マイクロ波の出力が０．５kW/t-ref未満
では、乾燥に７日間以上の長時間を要し、施工、養生、
検査等の他の単位操作とマッチングせず、実用上、運転
ができなくなり、一方、８kW/t-ref超では、温度勾配が
ついて品質の劣化を招いたり、また、爆裂の危険性が極
端に高まるからである。

【００２１】マイクロ波の熱変換効率は、炉内に載置す
るプレキャストブロックの配置方法、材料、形状などに
も若干影響されるが、主に乾燥炉の形状、及び、マイク
ロ波を運ぶ導波管の投入位置、本数によって決まってし
まう。熱変換効率は、乾燥実験データーから乾燥に必要
な熱量と乾燥終了までに投入した全マイクロ波熱量の比
率から算出でき、一般的には０．５〜０．７の範囲であ
る。

【００２２】前記（１）式は、投入したマイクロ波を単
位時間当たりのカロリー熱量に変換し、単位質量当りの
水の蒸発熱で除して、水蒸気化できる能力を求め、それ
を大気下での水蒸気量に換算した関係である。これ以上
の熱風流量があれば、乾燥炉内に結露することなく、高
効率の乾燥が可能となる。熱風流量は、前記（１）式で
求めた計算値の好ましくは１．０５倍、更には、１．５
倍にすることにより、短時間乾燥が可能となる。

【００２３】乾燥中、プレキャストブロック厚み方向の
温度勾配を１００ｍｍ当たり６０℃以下とする理由は、
厚み方向にも、均質な耐火物組織を形成することであ
る。更に、温度勾配を１００ｍｍ当たり１５℃以下にで
きれば、非常に均質かつ緻密質の高耐用の材料を得るこ
とができるので、好ましい。また、マイクロ波は、誘電
体の中を浸透しながら吸収されて熱に変わって減衰して
いくので、厚い試料になるほど表面と内部の温度差は大
きくなり、均一な乾燥が困難になる。そこで、高耐用の
プレキャストブロックを得るには、厚い試料になるほ
ど、乾燥中の表面及び内部の温度の管理が重要になる。

【００２４】マイクロ波を用いた乾燥において、プレキ
ャストブロックの表面及び内部の温度を高精度に連続的
に測定するには、電磁界の影響を避ける必要がある。通
常、よく用いる熱電対においては、例えば、導線の先端
部分に強い電界が集中し、その近傍に過熱を生じ、断続
的に極めて高い温度に達することがある。これに対し
て、光ファイバー式温度計では、電磁界の影響を避ける
ことができる。光ファイバー式温度計は、通常４００℃
程度に耐えることができる光ファイバーの端面に接着さ
れた半導体結晶の光吸収作用を利用している。

【００２５】具体的には、光ファイバー式温度計として
は、Canada NORTECH FIBRONIC INC.社のモデルNoEMI-TS
シリーズ、USA LUXTRON CORP.社のフロロプチック光フ
ァイバー方式温度計、Canada FISO TECHNOLOGIES INC.
社の白色光ファブリーペローファイバーセンサー等を使
用することができる。センサー部分は、通常、直径１〜
２ｍｍ、長さ５０〜１００ｍｍ程度である。

【００２６】

【実施例】〔実施例1〕本発明例として、ＳＵＳ３０４
で構成された巾６ｍ×長さ１０ｍ×高さ４．５ｍの加熱
炉内に、８００×１２００×３００ｍｍ厚みのアルミナ
−スピネル質不定形材（アルミナ；粒径１ｍｍ以上：２
０質量％、１００μｍ〜１ｍｍ：３０質量％、１０〜１
００μｍ：２０質量％、１０μｍ未満：１０質量％、ス
ピネル；粒径１００μｍ〜１ｍｍ：２０質量％）を流し
込み施工したプレキャストブロック６個、計５．５トン
をセットし、図１に示す加熱炉を用いてマイクロ波加熱
して乾燥した。プレキャストブロック３は線路１３上を
走行する台車２に載せて、開閉扉１４の上下移動により
加熱炉１に出入りさせる構造となっている。

【００２７】プレキャストブロック３は、厚さ２６０ｍ
ｍのアルミナ−シリカ系の断熱煉瓦４の上に載置し、ブ
ロック背面からの抜熱を防止した。プレキャストブロッ
ク３の表面は、直接触れさせて、厚さ２５ｍｍのアルミ
ナ系の耐火断熱材（ウール状）６で覆った。そして、熱
風を供給しながら、マイクロ波を照射して乾燥を行っ
た。マイクロ波の出力は４kW/t-refとし、熱風温度は１
２０℃として熱風流量を１．４〜８．４Nm³／t-refと変
えて、乾燥を行った。（本発明例１、２、及び、比較例
１、２参照） なお、マイクロ波は、クライストロン管を使用した２４
５０ＭＨｚ−６０ＫＷ装置（図中、マイクロ波装置７）
を用い、加熱炉への導波管１５の投入位置は、分岐して
３ｍの間隔を空けて、２箇所から照射した。これによ
り、全てのプレキャストブロック３が均一にマイクロ波
照射され、２本の導波管１５から発せられたマイクロ波
の干渉が無く、共鳴、減衰を避けることができる。

【００２８】比較例３として、マイクロ波乾燥の代わり
に温度３００℃、流量１００Nm³／min（耐火物１トン当
り流量１８Nm³／min）の熱風を連続的に供給した。比較
例１〜３、発明例１および２とも、背面温度が１１０℃
に達した時点で乾燥終了とした。表１に、乾燥条件とと
もに、乾燥時間、ブロック厚み方向の温度勾配、及び、
代表品質としてブロック表面側と背面側の乾燥後見掛け
気孔率差、更に、取鍋敷部に適用した際の実炉耐用性指
数を示す。

【００２９】

【表１】

【００３０】ブロック表面側と背面側の乾燥後見掛け気
孔率差で比較すると、比較例３では、ブロック表面部と
背面部に大きな差が見られたが、マイクロ波乾燥（本発
明例１、２、比較例１、２）では温度勾配が大幅に小さ
くなったことで、いずれも小さい。温度勾配が小さい効
果で、表面から背面まで均質な耐火物組織を形成でき、
それによってマイクロ波乾燥したブロックを適用するこ
とで耐用性の向上が図られる。

【００３１】しかしながら、（１）式で定義した熱風流
量に満たない場合（比較例１、２）、温風乾燥（比較例
３）よりも乾燥時間が長くなってしまい、炉繰りが厳し
く、実用化が難しい。一方、（１）式で定義した熱風流
量を満たす本発明例１、２の場合、温風乾燥よりも大幅
に乾燥時間を短くできる。

【００３２】３００ｍｍ厚ブロックに対して、比較例３
では乾燥後見掛け気孔率１３％以下のブロック乾燥では
爆裂が発生したが、本発明例３では１０μｍ以下の超微
粉量を１０質量％から３０質量％に増加し、施工水分を
６．０質量％から３．９質量％まで減らし、その他の条
件は本発明例１と同一として乾燥したところ、乾燥後見
掛け気孔率８．５％のブロックも爆裂することなく、乾
燥できた。この材料を適用したブロックを適用すると、
前記（１）式を満たしつつマイクロ波乾燥した本発明例
１、２に比べ、更に、耐用性が１．３倍となった。 〔実施例２〕次に、実施例１と同様の条件でマイクロ波
と熱風による乾燥を行い、実施例１と同様のＳＵＳ３０
４で構成された巾６ｍ×長さ１０ｍ×高さ４．５ｍの加
熱炉の中に、実施例１で使用したプレキャストブロック
と比べて厚さが２倍である８００×１２００×６００ｍ
ｍ厚みのアルミナ−スピネル質不定形材（アルミナ；粒
径１ｍｍ以上：２０質量％、１００μｍ〜１ｍｍ：３０
質量％、１０〜１００μｍ：２０質量％、１０μｍ未
満：１０質量％、スピネル；粒径１００μｍ〜１ｍｍ：
２０質量％）を流し込み施工したプレキャストブロック
６個、計５．５トンをセットし、図１に示す加熱炉を用
いてマイクロ波加熱して乾燥した。

【００３３】実施例１よりも厚みが２倍のプレキャスト
ブロックでは、厚み方向の温度勾配が大きくなる可能性
があり、乾燥中の温度管理が非常に重要になる。そこ
で、乾燥中の温度管理を高精度に行うために、プレキャ
ストブロックの表面、表面から１００ｍｍおきに計５
点、センサー部分の長さ１５ｍｍ、直径０．６ｍｍの光
ファイバー式温度センサーを取り付け、この温度の変動
を監視しながら、熱風の投入等の乾燥制御を実施した。

【００３４】このアルミナ−スピネル質不定形材のブロ
ックの品質に関する検討を行った。本発明例３は、乾燥
中、厚み方向の温度勾配を、本発明で規定する範囲の１
００ｍｍあたり１５℃以下になるように、制御しながら
乾燥を行った場合である。本発明例４は、乾燥中、厚み
方向の温度勾配を、本発明で規定する範囲の１００ｍｍ
あたり４０℃以下になるように、制御しながら乾燥を行
った場合である。このときの本発明例３及び４では、温
度管理に光ファイバーセンサーを使用した。

【００３５】本発明例５は、乾燥速度（厚み方向の温度
勾配）は本発明例３と同様であるが、温度管理を、通常
のＣ／Ａ熱電対を用いて行った場合である。これに対し
て、参考例１は、乾燥中、厚み方向の温度勾配を１００
ｍｍあたり６０℃超から１００℃以下になるように、通
常のＣ／Ａ熱電対を用いて制御しながら乾燥を行った場
合であり、前記（１）、（２）の本発明で規定する範囲
内であるが、前記（３）の本発明で規定する範囲の外と
なる例である。乾燥後試料の品質の測定結果を表２に示
す。

【００３６】

【表２】

【００３７】本発明例３及び４では、乾燥後に得られた
ブロックの上部、中央部及び下部の間の気孔率や強度の
差は小さくなり、均質で高耐用なプレキャストブロック
を得ることができた。温度管理にＣ／Ａ熱電対を使用し
た本発明例５では、電界の影響を受け、十分に温度管理
ができなかったため、電界の影響を受けない光ファイバ
ー式温度センサーを用いた本発明例３に比べて、上部、
中央部及び下部の間の気孔率の差がやや大きく、本発明
例３に比較し、十分に均一な乾燥を行うことができなか
った。

【００３８】一方、参考例１では、上部、中央部及び下
部の間の見かけ気孔率及び強度ともに本発明例５よりや
や大きな差を生じ、均一性と品質の面で本発明例５より
若干劣化した。この原因としては、乾燥中のブロック内
部にやや大きな温度差が生じたために、ブロック内の位
置によって、水の蒸発の進行度に差があり、位置によっ
て形成される材料組織に差が生じ、このことが、乾燥終
了後のブロックの材料組織にも影響を与えたと考えられ
る。

【００３９】

【発明の効果】本発明により、爆裂の不安が無く、ま
た、小さな温度勾配で、緻密質、厚肉・大型のプレキャ
ストブロックの高効率乾燥ができる。また、本発明によ
り、施工体品質の安定と向上をもたらし、強いては溶融
金属用容器の寿命延長をもたらす。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施に用いるプレキャストブロックの
加熱炉の一態様を示す図である。

【符号の説明】

１…加熱炉 ２…台車 ３…プレキャストブロック ４…断熱煉瓦 ５…断熱ウール ６…耐火断熱材 ７…マイクロ波装置 ８…反射板 ９…スターラー １０…熱風発生装置 １１…送風ダクト １２…排気ダクト １３…線路 １４…開閉扉 １５…導波管

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 筒井 康志 千葉県富津市新富20−１ 新日本製鐵株式 会社技術開発本部内 (72)発明者 平 初雄 千葉県富津市新富20−１ 新日本製鐵株式 会社技術開発本部内 (72)発明者 嶋 哲男 千葉県富津市新富20−１ 新日本製鐵株式 会社技術開発本部内 (72)発明者 松井 泰次郎 福岡県北九州市戸畑区飛幡町１−１ 新日 本製鐵株式会社八幡製鐵所内 (72)発明者 麻生 誠二 大分県大分市大字西ノ洲１番地 新日本製 鐵株式会社大分製鐵所内 (72)発明者 合田 広治 千葉県富津市新富20−１ 新日本製鐵株式 会社技術開発本部内 (72)発明者 西 敬 千葉県木更津市築地７番地の１ 黒崎播磨 株式会社第二製造事業部木更津不定形工場 内 (72)発明者 井手 浩二 千葉県木更津市築地７番地の１ 黒崎播磨 株式会社第二製造事業部木更津不定形工場 内 (72)発明者 礒部 利弘 福岡県北九州市八幡西区東浜町１番１号 黒崎播磨株式会社第二製造事業部八幡不定 形工場内 (72)発明者 西脇 均 福岡県北九州市八幡西区東浜町１番１号 黒崎播磨株式会社内 Ｆターム(参考） 3L113 AA03 AC08 AC12 AC43 AC64 BA01 DA01 4K051 LG03

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 施工水分量３．５〜８質量％の不定形耐
   火物を、予め所定形状に流し込み施工し、養生、脱枠し
   プレキャストブロックとした後、該プレキャストブロッ
   クを金属製の囲い内部に載置し、該プレキャストブロッ
   クの表面を断熱材で接触させて覆い、１００℃以上の熱
   風を供給しながら、囲い内部の空間を空洞共振器とし
   て、マイクロ波による誘電体加熱を行うことを特徴とす
   るプレキャストブロックの乾燥方法。
2. 【請求項２】 プレキャストブロック単位重量当りの熱
   風流量が、最大時にて、下記（１）式から求めた計算値
   以上の流量を連続的に供給することを特徴とする請求項
   １記載のプレキャストブロックの乾燥方法。 【数１】
3. 【請求項３】 乾燥中、プレキャストブロックの表面及
   び内部の温度を連続的に測定し、プレキャストブロック
   の厚み方向の温度勾配が、１００ｍｍあたり６０℃以下
   になるように、マイクロ波出力を制御しながら、マイク
   ロ波による誘電体加熱を行うことを特徴とする請求項１
   又は２記載のプレキャストブロックの乾燥方法。