JP2002303491A

JP2002303491A - 不定形耐火物の乾燥制御方法

Info

Publication number: JP2002303491A
Application number: JP2001103483A
Authority: JP
Inventors: Yoshitoshi Saito; 吉俊齋藤; Hatsuo Taira; 初雄平; Koji Aida; 広治合田; Akihiro Shinpo; 章弘新保; Kazutoshi Iwashita; 和俊岩下; Takashi Nishi; 敬西; Koji Ide; 浩二井手
Original assignee: Nippon Steel Corp; Krosaki Harima Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp; Krosaki Harima Corp
Priority date: 2001-04-02
Filing date: 2001-04-02
Publication date: 2002-10-18

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、マイクロ波を使用した不定形耐火
物の乾燥制御に際して、電界や磁界の影響を抑制する、
乾燥中の雰囲気及び不定形耐火物の温度測定を可能に
し、不定形耐火物の乾燥制御方法を提供するものであ
る。【解決手段】不定形耐火物を金属製の囲い内部に載置
し、該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乾燥制御方法において、乾燥中の
炉内雰囲気、耐火物表面、耐火物内部のいずれか1又は2
以上の温度を光ファイバー式温度センサーを用いて測定
することを特徴とする不定形耐火物の乾燥制御方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロ波を用い
て不定形耐火物を乾燥する技術において、乾燥中の雰囲
気及び耐火物の温度を測定し、高効率に乾燥させる技術
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】不定形耐火物は、れんがと比べて、製造
上のエネルギー消費が少ないこと、技能にさほどの熟練
度を必要としないこと、さらに短時間施工が可能などの
利点を有することから、現在、窯炉の内張り耐火物に広
く使用され、窯炉の長寿命化に貢献している。この材質
は、コスト削減を目的として、さらに高耐用化が望まれ
ている。不定形耐火物で構築された炉壁は、施工用ある
いは結合反応用として加えられた水分を含んでいる。こ
の水分を、最初に乾燥させるために昇温し、蒸気化して
脱水する。この操作で、脱水時に蒸気化が急激に起こる
と、炉壁内に大きな蒸気圧が発生し、そのエネルギーに
よって爆裂現象が発生し、炉壁を破損することがある。
施工体内部の温度勾配の発生により、施工体内部に大き
な蒸気圧が発生しやすくなる。したがって、乾燥中の炉
内の雰囲気及び不定形耐火物表面及び内部の温度や圧力
を高精度に計測し、施工した材料に合った乾燥制御を行
うことは極めて重要である。一般的に、昇温速度を遅く
すれば脱水も徐々に進行するため、爆裂を回避するうえ
で好ましいといえる。しかしながら、乾燥時間の延長に
伴うエネルギーコストの増加などの問題が発生してく
る。そのため、乾燥時間の短縮化や爆裂防止を目的に、
乾燥制御技術が開発されており、例えば、耐火物手帳’
99，pl89には、典型的な乾燥昇温パターン及び連続乾燥
昇温パターンが示されている。熱伝導率が低い非カーボ
ン系の不定形耐火物では、炉壁の表面と内部では温度勾
配が大きくなることが予想されることから、爆裂を防止
しかつ熱効率に優れた最適な乾燥条件を得るためには、
特に、耐火物内部まで含めた温度計測が必須である。炉
内の雰囲気や耐火物の温度は、通常、 C/A(クロメル／
アルメル)などの熱電対式温度センサーを使用すれば、
常温から高温域までの連続的な測定が可能である。

【０００３】一方、不定形耐火物では、マイクロ波を使
用した乾燥方法が採用されているケースもある。マイク
ロ波は、波長の短い電磁波であり、不定形耐火物のよう
な低電気伝導性で水分を含む誘電体に対しては、内部か
ら加熱することができ、熱伝導に依存するガス乾燥法と
比べて、耐火物内部の温度勾配が付きにくく、水蒸気に
よる爆裂現象が生じにくい特徴を有している。例えば、
耐火物，33，365-370(1981) では、マイクロ波による
乾燥曲線の典型例が提示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】マイクロ波を使用した
不定形耐火物の乾燥を制御する技術を開発するうえで不
可欠である乾燥中の温度測定に際して、マイクロ波照射
の条件下では、C-Aなどの熱電対式温度センサーが、電
界や磁界の影響を受けるために、正確な測定が困難であ
ることが明らかになった。また、熱電対式温度センサー
の存在が、炉内の電磁場分布に影響を及ぼすために、所
定の目的通りに、マイクロ波加熱で不定形耐火物の乾燥
を十分に制御できないことが明らかになった。

【０００５】本発明は、上記のような点を鑑みて、マイ
クロ波を使用した不定形耐火物の乾燥制御に際して、電
磁場の悪影響の問題を解決するために、光ファイバー式
温度センサーを使用することで、電界や磁界の影響を抑
制する、乾燥中の雰囲気及び不定形耐火物の温度測定を
可能にし、不定形耐火物の乾燥制御方法を提供すること
を目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は下記(1)
〜(6)のとおりである。 (1)不定形耐火物を金属製の囲い内部に載置し、該囲い
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
加熱を行う乾燥制御方法において、乾燥中の炉内雰囲
気、耐火物表面、耐火物内部のいずれか1又は2以上の温
度を光ファイバー式温度センサーを用いて測定すること
を特徴とする不定形耐火物の乾燥制御方法。

【０００７】(2)水分を3質量%以上8質量%未満含有する
不定形耐火物を、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(1)記載の
不定形耐火物の乾燥制御方法。 (3)プレキャストブロックの表面温度が50℃以上に達し
たのちに、100℃以上の空気を供給して、マイクロ波に
よる誘電体加熱と共に乾燥を行うことを特徴とする(1)
又は(2)記載の不定形耐火物の乾燥制御方法。

【０００８】(4)不定形耐火物又はプレキャストブロッ
クの耐火物質量1トンあたり0.5kW以上8kW以下のマイク
ロ波出力で照射を行い、乾燥中、自由水の脱水が終了す
るまで、不定形耐火物又は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)〜(3)のいずれか1項に
記載の不定形耐火物の乾燥制御方法。

【０００９】(5)単位時間当たりのマイクロ波エネルギ
ーの熱量に対して、前記空気の熱量が0を超えて1倍以下
で、少なくとも不定形耐火物又はプレキャストブロック
の表面温度以上の空気を供給することを特徴とする(3)
又は(4)記載の不定形耐火物の乾燥制御方法。 (6)不定形耐火物を予め流し込み成形されたプレキャス
トブロックとすることを特徴とする(3)〜(5)のいずれか
1項に記載の不定形耐火物の乾燥制御方法。

【００１０】

【発明の実施の形態】光ファイバー式温度計は、通常40
0℃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。具体
的に、使用する光ファイバー式温度計としては、例え
ば、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などを
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。

【００１１】本発明の対象とする不定形耐火物は、珪酸
質、シリカ−アルミナ質、マグネシア-ライム質、アル
ミナ−マグネシア質、アルミナ−スピネル質、粘土質、
クロム質、ろう石質、ジルコン及びジルコニア質、高ア
ルミナ質、炭素質、炭化珪素質、クロム質、マグネシア
質、マグネシア・クロム質、ドロマイト質、マグネシア
・カーボン質、アルミナ・カーボン質、アルミナ・炭化
珪素・カーボン質、アルミナ・マグネシア・カーボン
質、ジルコニア-カーボン質など、特に限定するもので
はない。また、硬化法も、アルミナセメントのように水
和反応を用いる水硬性に限らず、化学硬化性、熱硬性、
気硬性のいずれでもよく特に限定するものではない。施
工法も流し込み、こて塗り、吹き付け、振動施工、打ち
込み、圧入等のいずれでも構わない。化学組成や形状も
特に規定しない。

【００１２】その中でも、不定形耐火物を型枠に流し込
み、養生、脱枠したプレキャストブロックは、強振動下
で流し込みができるため、緻密で強度の高い材料が得ら
れ、長寿命が期待できることや、使用現場ではブロック
を設置するのみで施工時間が短く、作業性が高いなどの
利点を有する。マイクロ波については、電波法でISM周
波数帯として、915MHz，2450MHzを含む4種類が割り与え
られているが、周波数が大きいほど耐火物内部に浸透す
る深さは浅くなるので、厚み方向の均一加熱性を考慮し
て、915MHzと2450MHzを用いることが望ましい。

【００１３】囲いは銅、アルミニウム、ステンレス等の
金属を用いると，マイクロ波は壁反射され、炉内は均一
な電界を形成しやすい環境になるので好ましい。特に、
構造体としての安定性から金属製で構成された加熱炉で
は、マイクロ波は壁反射され、炉内は均一な電界を形成
しやすい環境にあるので好ましい。被加熱物に集中的な
電界が加わるように、例えば、電熱，No.27，p.7〜10(1
986)に記載されているように、工夫することが必要であ
る。

【００１４】炉内雰囲気を測温する場所は、特に限定す
るものではないが、空気(熱風)吹き込み口では、風速の
変化等の影響も受けて温度の変動が激しいことから、空
気(熱風)吹き込み口よりも乾燥対象の試料表面に近い位
置で測温することが好ましい。耐火物表面は凹凸もあ
り、位置によって水の移動及び蒸発速度が異なる場合も
あるので、少なくとも3点以上測温することが好まし
い。耐火物内部は、施工時に表面から少なくとも深さ10
0mおきに、温度センサーを埋め込むことが好ましい。さ
らに、耐火物内部の温度勾配が100mmあたり60℃以下に
なるように管理する観点から、表面から少なくとも100m
mおきに3点以上、背面側まで測温することが好ましい。

【００１５】不定形耐火物又はプレキャストブロックの
施工水分量は、3質量%未満では流動性が不足し施工が困
難である。8質量%を超えると、乾燥後の気孔率が高く、
実炉における耐用性が不十分になるため好ましくない。
不定形耐火物又はプレキャストブロックの表面温度が50
℃を超えてから100℃以上の空気(熱風)の供給を開始す
ることが好ましいのは、ブロック厚み方向の温度勾配が
つき難い環境を形成できるからである。不定形耐火物又
はプレキャストブロックの表面温度が50℃未満では温度
勾配抑制の効果が薄いからである。また、空気の温度が
100℃よりも低いと、水の蒸発速度が著しく低下する可
能性がある。

【００１６】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
査などの他の単位操作とマッチングせず、実用上困難で
ある。一方、8kW/t-refを超えると、温度勾配がついて
品質の劣化を招いたり、また、爆裂の危険性が高まる。
乾燥中、自由水が抜けるまでの不定形耐火物又はプレキ
ャストブロックの厚み方向の温度勾配が100mmあたり60
℃を超えると、表面と背面の温度差で大きな熱応力が発
生し、特に、背面側に大きな応力が乾燥中に生じるた
め、耐用性に悪影響を及ぼす可能性がある。

【００１７】単位時間当たりに供給する熱風の熱量をマ
イクロ波エネルギーの熱量に対して１倍以下とするの
は、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℃以下とし、均質な耐火物組織の
形成するためであり、１倍超ではマイクロ波加熱の内部
加熱の効果が薄れ、ブロック表面からの伝導加熱が優
り、温度勾配が１００ｍｍ当たり６０℃超になってしま
うからである。好ましくは、温度勾配を１００ｍｍ当た
り１５℃以下にするために、単位時間当たりに供給する
熱風の熱量をマイクロ波エネルギーの熱量に対して１／
１０倍以下とする。単位時間当たりのマイクロ波エネル
ギーの熱量は、（１）式により計算する。

【００１８】ｑ＝Ｐ×（０．２４×η）×３６００…（１）ここで、ｑ：単位時間当たりのマイクロ波エネルギーの
熱量（kcal/t-ref・hr）Ｐ：投入マイクロ波出力（ｋＷ／t-ref ） η：マイクロ波の変換効率（−）なお、マイクロ波の変換効率η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。上
記変換効率η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。

【００１９】単位時間当たりのマイクロ波エネルギーの
熱量に対して、供給する熱風の熱量の下限値は、特に限
定することなく、本発明の効果を得ることができる。熱
風からプレキャストブロックに伝導される単位時間当た
りの熱量は、（２）式で示されるように、熱風温度がブ
ロック表面温度と同一の場合は、計算上ゼロとなるが、
気化した水蒸気の排出の機能は満たすため、熱風からブ
ロックへ供給する熱量はゼロでも構わない。

【００２０】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）なお、熱風の供給は、温度、流量を一定とするパターン
の他に、特定の時間間隔で、段階的に温度、流量を変え
るパターンでも、ブロック表面温度に応じて熱風温度を
連続的に変化させるパターンでも構わない。

【００２１】

【実施例】［実施例1］以下に本発明を実施例によって
説明する。ただし、本発明はこれらの実施例に限定され
るものではない。大きさ600×1000×500mmでステンレス
鋼(SUS304)製の囲いで構成された加熱炉に、アルミナ95
質量%、アルミナセメント5質量%、施工水分として外掛
けで5%の水を添加し、予め200×200×200mmの所定形状
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。この200×200×200mmのアルミナ質プレキャス
トブロックを4個、合計100kgを鋼製の囲い内部にセット
した。ブロックの周囲をシリカ系断熱材で接触させて覆
い、熱放散を抑制した。プレキャストブロックを載置し
た鋼製の囲いと開口部を覆う金属蓋で形成した空間を空
洞共振器として、周波数2450MHzに対して±50MHzの範囲
で誘電加熱を行った。プレキャストブロックの表面，表
面から100mm及び背面の計3点に、センサー部分の長さ15
mm，直径0.6mmの光ファイバー式温度センサーを取り付
け、この温度を監視しながら、熱風の投入等の乾燥制御
を実施した。比較例として、光ファイバー式温度センサ
ーと同じ場所にC/A熱電対を設置した。マイクロ波を照
射して、表面温度が200℃になるまで加熱し、乾燥させ
た。

【００２２】最初に、従来の熱電対式温度センサーと本
発明の光ファイバー式温度センサーの特性の比較の試験
を実施した。マイクロ波を図1に示すように断続的に印
加した場合、比較例1に示す熱電対式温度センサーで
は、電界の影響により加熱時には高い温度を示している
が、実施例1の光ファイバー式温度センサーでは、全く
電界の影響を受けないことが明瞭に示された。その結
果、図１に示すように、マイクロ波のON／OFFの引加の
影響を受けずに、乾燥中の試料及び雰囲気の温度を連続
的に測定することができた。従来の熱電対を用いた測定
では、乾燥制御を十分に行うことができなかったのに対
して、本発明では、いずれも目的通りの制御を行うこと
ができた。［実施例2］表１は、熱風の投入開始時期に関する検討
を行った結果である。本発明例2は、本発明例1の試験に
加え、熱風投入開始温度を本発明の範囲である60℃にし
た場合である。本発明例3は、熱風投入開始温度を本発
明の範囲である80℃にした場合である。比較例2は、乾
燥開始から熱風を供給した場合である。本発明例2及び3
は、比較例2に比べて、乾燥中ブロック厚み方向の温度
勾配が小さくなった。温度は、光ファイバー温度センサ
ーにより、高精度に連続的に測定することができた。こ
れにより、乾燥後に得られたブロックの表面と背面の気
孔率の差は小さくなり、より均一で高耐用なプレキャス
トブロックを得ることができた。

【００２３】

【表１】［実施例3］表2には、本発明例1の条件において、マイ
クロ波の投入エネルギーに関する検討結果を示す。本発
明例4は、耐火物重量1トンあたり2kWのマイクロ波出力
で照射を行いブロック厚み方向の温度勾配を15℃／100m
m以下におさめた場合である。比較例3は、耐火物重量1
トンあたり12kWのマイクロ波出力で照射を行い、ブロッ
ク厚み方向の温度勾配を80℃／100mmとした場合であ
る。ブロック内部の温度分布は、光ファイバー温度セン
サーにより、高精度に連続的に測定することができた。
これにより、乾燥後に得られたブロックの表面と背面の
気孔率の差は小さくなり、より均一で高耐用なプレキャ
ストブロックを得ることができた。

【００２４】

【表２】［実施例4］表3は、本発明例1の試験に加え、マイクロ
波と熱風の熱量に関する検討結果を示す。本発明例5
は、マイクロ波熱量に対する熱風の熱量を本発明の範囲
とすることにより、乾燥中、ブロック厚み方向の温度勾
配を60℃／100mm以下におさめた場合である。比較例4
は、ブロック厚み方向の温度勾配を90℃／100mmとした
場合である。ブロック内部の温度分布は、光ファイバー
温度センサーにより、高精度に連続的に測定することが
できた。これにより、乾燥後に得られたブロックの表面
と背面の気孔率の差は小さくなり、より均一で高耐用な
プレキャストブロックを得ることができた。

【００２５】

【表３】

【００２６】

【発明の効果】本発明により、不定形耐火物のマイクロ
波で乾燥するときに、乾燥中の雰囲気及び耐火物の温度
を高精度に連続的に測定することができるので、目的通
りの乾燥制御が可能となり、表面と背面の気孔率の差の
小さい、より均一で高耐用な耐火物を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】熱電対式温度センサーと光ファイバー式温度セ
ンサーの比較を示す図。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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)発明者新保章弘千葉県富津市新富20−１新日本製鐵株式会社技術開発本部内 (72)発明者岩下和俊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Ｆターム(参考） 4K051 LG03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】不定形耐火物を金属製の囲い内部に載置
し、該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乾燥制御方法において、乾燥中の
炉内雰囲気、耐火物表面、耐火物内部のいずれか1又は2
以上の温度を光ファイバー式温度センサーを用いて測定
することを特徴とする不定形耐火物の乾燥制御方法。
【請求項２】水分を3質量%以上8質量%未満含有する不
定形耐火物を、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請求項1記載
の不定形耐火物の乾燥制御方法。
【請求項３】不定形耐火物の表面温度が50℃以上に達
したのちに、100℃以上の空気を供給して、マイクロ波
による誘電体加熱と共に乾燥を行うことを特徴とする請
求項1又は2記載の不定形耐火物の乾燥制御方法。
【請求項４】不定形耐火物の耐火物質量1トンあたり
0.5kW以上8kW以下のマイクロ波出力で照射を行い、乾燥
中、自由水の脱水が終了するまで、不定形耐火物の厚み
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1〜3のいずれか1項
に記載の不定形耐火物の乾燥制御方法。
【請求項５】単位時間当たりのマイクロ波エネルギー
の熱量に対して、前記空気の熱量が0を超えて1倍以下
で、少なくとも不定形耐火物の表面温度以上の空気を供
給することを特徴とする請求項3又は4記載の不定形耐火
物の乾燥制御方法。
【請求項６】不定形耐火物を予め流し込み成形された
プレキャストブロックとすることを特徴とする請求項3
〜5のいずれか1項に記載の不定形耐火物の乾燥制御方
法。