JP2002357523A - 耐火物の熱スポーリング試験方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 試験耐火物に対し、実炉使用環境と同じよう
な条件、即ち耐火物厚み方向に所定の温度勾配を付与し
た上で、耐火物熱スポーリング特性の試験を行い、正確
な評価を与えるための試験方法およびその装置を提案す
ること。 【解決手段】耐火物の熱スポーリング試験に当たり、耐
火物の背中合わせの２面のうち、一方の面は所定の加熱
温度に保持し、他方の面は加熱温度を変化させることに
より、該耐火物の厚み方向に温度勾配をもたせた状態で
試験すること、さらに、上記試験を行なう装置におい
て、耐火物の背中合わせとなる２面のうち、一方の面に
は、固定加熱源を配設し、他方の面には移動加熱源を配
設すること。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、耐火物の熱スポー
リング試験方法およびその装置に関し、とくに耐火物を
使用環境に近い条件下で熱スポーリング試験を行なう方
法、およびこの方法の実施に用いられる装置について提
案する。

【０００２】

【従来の技術】工業炉、とくに鉄鋼設備としてのコーク
ス炉や高炉、製鋼炉などの築炉構造物に使用される炉壁
れんが等の耐火物は、高温の乾留石炭や、溶銑、溶鋼あ
るいはスラグなどの溶融物に接することから、高温域に
おいて高い機械的強度を有することの他、体積変化が少
なくかつ、侵食、溶解、酸化などの損耗が少ないなどの
諸特性が求められる。

【０００３】とくに、炉壁れんが、例えばコークス炉の
炉壁れんがについては、コークスの押し出し作業時、ま
た製鋼炉の炉壁れんがについては、溶銑・溶鋼の注湯、
貯留、排出などの作業時には、激しい温度変動下に曝さ
れるのが普通である。即ち、コークス炉の炉壁れんがの
例で説明すると、炭化室に面している側の炉壁れんがの
面は、乾留時の高温期間と排出後の低温期間との間で著
しい温度変動を繰返す環境下に置かれる。一方で、蓄熱
室側に面している側の炉壁れんがの面は、火炎バーナー
による加熱によって高温酸化性雰囲気に曝され、常に一
定の高温に維持された環境下に置かれる。そのため、か
かる炉壁れんがは、温度変動の激しい面と常に一定の高
温に維持される面との間で厚み方向に温度勾配が生じ、
それ故に、熱スポーリングに起因する亀裂や剥離などの
損傷が頻繁に発生する。

【０００４】このため、従来から耐火物の熱スポーリン
グ性を評価する有効な方法の開発が強く求められてき
た。これまでに提案されている評価方法としては、次の
ような方法が知られている。 耐火れんがに対するパネルスポーリング試験方法（AS
TM C38-58） アコースティックエミッション(AE)による測定 （窯
業協会誌93[11] 1985 P692〜699など） 上記の方法は、れんがの片面（パネル）のみを加熱冷
却し、このときに剥離した重量を測定したり、外観観察
によって熱スポーリング特性を評価する方法である。し
かしながら、この方法は、片面だけを加熱して他方の面
は低温のままにして測定するため、実炉使用時と同じよ
うな環境での試験ができるわけではない。また、上記
の方法は、上部に位置する高温炉（Max.1300℃）と下部
に位置する低温炉（Max.800℃）との間で試料を昇降さ
せて加熱／冷却し、熱サイクルを付与して試料の特性を
測定する方法である。しかしながら、この方法では、試
料をそのまま高温炉または低温炉に装入するため、試料
内の温度が均一となり、温度勾配がつかず、実炉使用環
境と同じにならないという問題がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
の耐火物熱スポーリング特性の評価試験方法では、使用
環境（実炉使用時）に近い条件（温度勾配）で試験する
ことができないという問題があった。そこで、本発明の
目的は、試験耐火物に対し、実炉使用環境と同じような
条件、即ち耐火物厚み方向に所定の温度勾配を付与した
上で、耐火物熱スポーリング特性の試験を行い、正確な
評価を与えるための試験方法およびその装置を提案する
ことにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的の実現に向けた
研究の中で、発明者らは、耐火物の背中合わせとなる2
面のうち、一方の面を所定の加熱温度に保持し、他方の
面は加熱の温度を変化させるようにすれば、使用環境に
近い条件で試験でき、いわゆる該耐火物の厚み方向に温
度勾配を付与できることをつき止め、本発明を開発する
に到った。

【０００７】すなわち、本発明は、耐火物の熱スポーリ
ング試験に当たり、耐火物の背中合わせの２面のうち、
一方の面は所定の加熱温度に保持し、他方の面は加熱温
度を変化させることにより、該耐火物の厚み方向に温度
勾配をもたせた状態で試験することを特徴とする、耐火
物の熱スポーリング試験方法を提案する。

【０００８】また、本発明は、耐火物の熱スポーリング
試験を行なう装置において、耐火物の背中合わせとなる
２面のうち、一方の面には、固定加熱源を配設し、他方
の面には移動加熱源を配設してなることを特徴とする、
耐火物の熱スポーリング試験装置を提案する。

【０００９】なお、本発明の上記試験装置においては、
上記移動加熱源は、耐火物を加熱する位置と非加熱待機
位置との間を移動可能に配設されていること、待機位置
にある移動加熱源には耐火物との間に熱遮蔽板が介挿さ
れること、および移動加熱源が待機位置にある状態にお
いて、耐火物の移動加熱源側の面を冷却可能な冷却器を
有することが好ましい実施の形態となる。この冷却器は
耐火物の移動加熱源側の面に向けて空気などの冷却ガス
を吹付けることで好適に実施できる。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１は、本発明に係る耐火物の熱
スポーリング試験装置の一例を示す略線図である。図示
した符号の１は、試験耐火物すなわち、れんが等であ
る、２は前記れんが１の試験面（加熱面）を解放して、
例えば上下、左右を把持することによって支持すること
のできる固定加熱器、３は移動用の車輪５を具える移動
加熱器であって、前記固定加熱器とほぼ同様の構成を有
するものである。４および６はヒーターであり、前記加
熱器２、３内の耐火物試験面、即ちれんが１の背中合わ
せの両面に対向する位置に取付けられている。そして７
は、ヒーター保護板であって、前記移動加熱器３のヒー
ター６に隣接するれんが１の側に取付けてあり、該ヒー
ター６が、とくに待機状態において外気にふれて劣化す
るのを防止するために、外気を遮断するために設けられ
ている。次に、８は、熱遮蔽板であって、これはワイヤ
９とプーリー１０とを介して前記ヒーター６ならびにヒ
ーター保護板７の前面、即ちれんが１との間にあって、
前記移動加熱器３の移動に合わせて昇降し、該移動加熱
器３が待機状態にあるときに下降して前記ヒーター保護
板７の表面を覆うように位置して、れんが１に無用の輻
射熱が放射されるのを防止する遮熱機能を発揮するもの
である。

【００１１】次に、上記試験装置により、れんがの熱ス
ポーリング試験を行なう方法について説明する。試験に
先立ち、まず試験れんが１を、その背面１ｂ側が固定加
熱器２のヒーター４の前面に対向するように取付ける。
そして、このれんが１の正面１ａ側には、移動加熱器３
を、前記ヒーター保護板７ならびにヒーター６が対向す
るように移動させて、図１に示すような状態にする。こ
のような状態において、熱スポーリング試験に当たって
は、固定加熱器２に取付けたれんが１の背面１ｂ側は、
ヒーター４により常に高温に加熱された状態にする。そ
して、移動加熱器３のヒーター保護板７に対向するれん
が正面１ａ側には、該移動加熱器３を図１に示す加熱状
態の位置と図２に示す待機状態の位置との間を移動し得
るように配置し、れんが１の正面１ａが側を加熱したり
冷却したりして、該れんが１の厚み方向に、使用時と同
じような温度勾配を付与する。

【００１２】この試験時、とくに図２に示すように移動
加熱器３が待機位置に移動してれんが１の正面１ａ側を
冷却するとき、ヒーター６やヒーター保護板７の輻射熱
が、れんが１に放射され、その影響により、実質的に冷
却速度が遅くなるのを防止するため、該れんが１と前記
ヒーター保護板７との間には、上述した熱遮蔽板８を降
下させて、ヒーター６やヒーター保護板７からの輻射熱
を遮断することが有効である。

【００１３】このような試験方法によれば、れんが１の
正面１ａ側は加熱と冷却とが繰返される。一方、れんが
１の背面１ｂ側は、常に一定の高温状態を保持した状態
を創り出すことができ、このことが、いわゆる実炉によ
る使用環境と同じ条件の下での温度勾配を、れんが１内
に再現することができるようになるのである。

【００１４】本発明の他の好適実施形態の１つとして、
れんが１の正面１ａ側の冷却速度を速くするため、移動
加熱器３が待機位置に移動した状態のときに、れんが１
の正面１ａを冷却可能な冷却器を設けることが好まし
い。この冷却器としては、図３および４に示すように、
固定加熱器２の下方位置に、送風器１１を設置してもよ
い。この送風器１１は、図４に示すように移動加熱器３
が待機位置に移動した際、上述のとおり熱遮蔽板８の作
用と相俟って、れんが１の正面１ａ側の温度を迅速に冷
却して、れんが１の温度を降下させる場合に有効であ
り、熱スポーリング特性試験の幅を広げるものとして有
効である。

【００１５】かかる送風器１１は、先端にガス吹き出し
ノズル１２ａを有する伸縮する送風管１２を主体とする
ものであり、そのガス吹き出しノズル１２ａは、移動加
熱器３が、れんが１から離隔移動して待機状態にあると
きに、れんが１の正面１ａ側に臨む位置まで繰り出し、
れんがの正面１ａ側に冷却ガスを吹き付けてこれを急速
冷却し、前記温度勾配の付与を容易にする。そして、該
移動加熱器３が加熱位置に復帰するときは、該ガス吹き
出しノズル１２ａは、下方に収縮して格納された状態に
おかれるものである。

【００１６】なお、本発明に係る試験の対象となる耐火
物としては、例えばSiO₂質耐火物（珪石れんが：コーク
ス炉の炉壁れんがとして使用）、Al₂O₃質耐火物（Al
₂O₃、Al ₂O₃-SiO₂、Al₂O₃-MgO、Al₂O₃-SiCなど）、SiO₂-
ZrO₂耐火物、SiC質耐火物、C質耐火物（Al₂O₃-SiC-C、M
gO-Cなど）、MgO質耐火物（MgO-Spinel、MgO-Cr₂O₃な
ど）が挙げられる。

【００１７】また、れんがのリアルタイムでの亀裂発生
観察のため、本発明の装置にAE計測装置を具備させても
よい。このAE計測装置は、れんがにAEセンサーを直接設
置し、増幅器を介してAE計測するが、れんがが高温とな
り、AEセンサーが焼き付く可能性もあるため、れんがと
AEセンサーにセラミック製またはステンレス製の導波棒
を介してAE計測するものが好ましい。

【００１８】

【実施例】（実施例１）図１に示す試験装置を使用し、
下記条件に基いてれんが１内の温度勾配を付与した。れ
んが１には定形のSiO₂（珪石れんが、寸法80×150×460
mm）を使用した。れんが１を中心として固定加熱器２お
よび移動加熱器３を接触させた状態で、固定加熱器２を
１℃/minの速さで1000℃まで昇温させ、移動加熱器３は
同じく1℃/minの速さで900℃まで昇温させた。なお、れ
んが１の正面1a側から5mm、10mm、25mm、70mmの位置
に、穴を穿け、それぞれ熱電対を埋設して測定に供し
た。

【００１９】次に、移動加熱器３を図２に示すような待
機位置まで移動させ、熱遮蔽板８がヒーター保護板７に
覆い被さった時点から、1200秒後までの温度を測定し
た。その結果を図５に示す。この図に示す結果からわか
るように、時間経過と共にれんがの正面１ａと背面１ｂ
との間には温度差が生じ、れんがの厚み方向に温度勾配
が発生することが確かめられた。とくに、れんが表面よ
り5mmと70mmの位置での測定温度を比較すると、測定開
始時にはいずれも950℃程度であったが、測定開始から1
200秒後には、れんがから70mmの位置では950℃を保持し
ているのに対し、れんが表面から5mmの位置では500℃ま
で降下しており、温度差が約450℃にも達していること
がわかった。

【００２０】そこで、上述した温度勾配をもつ上記珪石
れんがについて、各種の諸物性値を測定した。 （測定結果） 密度：1850kg/m³ 熱伝導率：0.002×温度（℃）＋1.315W/(m・K) 比熱：0.159×温度（℃）＋1122J/(kg・K) 上記物性値とれんがの熱伝達係数を15W/(m²・K)として非
定常熱伝導を計算した。その結果を図６に示す。

【００２１】図５の実験結果と図６の計算結果を比較す
ると、両図がよく一致していることがわかる。上記結果
によれば、図１に示す装置を用いて熱スポーリング評価
試験を実施すれば、実炉運転時のれんが内の温度勾配を
比較的正確に予測でき、耐火物の品質を正確に評価する
ことができることがわかった。

【００２２】（実施例２）この実施例では、図３に示す
装置を使用し、下記条件に基いてれんが内の温度勾配を
付与した。れんが１には、定形の珪石れんが（寸法：80
×150×460mm）を使用した。れんが１を中心として固定
加熱器２および移動加熱器３を接触させた状態で、固定
加熱器２は1℃/minの速さで1000℃まで昇温させ、移動
加熱器３は同様に1℃/minの速さで900℃まで昇温させ
た。なお、れんが１正面1ａ側から5mm、10mm、25mm、70
mmの位置に穴を穿け、それぞれ熱電対を埋設して測定に
供した。

【００２３】次に、移動加熱器３を図４に示すような待
機位置まで移動させ、熱遮蔽板８がヒーター保護板７に
覆い被さり、送風器１１のガス吹き出しノズル１２ａか
ら冷却ガスを吹き付けてから、360秒後まで温度測定を
実施した。その結果を図７に示す。図７によれば、実施
例１と同様に、時間経過とともに、れんが１正面１ａと
背面１ｂとの間に温度差が生じ、れんが内に温度勾配が
発生していることがわかった。また、れんが正面より5m
mの位置では計測開始から360秒後には、300℃まで降下
しており、実施例１の図５と比較すると送風を行なった
ことにより冷却速度が速くなっていることがわかる。

【００２４】そこで、上述した温度勾配をもつ珪石れん
がの各種物性値を測定した。 （測定結果） 密度：1850kg/m³ 熱伝導率：0.002×温度（℃）＋1.315W/(m・K) 比熱：0.159×温度（℃）＋1122J/(kg・K) 上記物性値とれんがの熱伝達係数を250W/(m²・K)として
非定常熱伝導を計算した。その結果を図８に示す。図７
の実験結果と図８の計算結果を比較すると、実施例１と
同様、結果がよく一致していることがわかる。

【００２５】次に、移動加熱器３の待機位置への移動を
周期的に5回繰返し、れんが内の温度推移を測定した。
その結果を図９に示す。図９によれば、れんが１の正面
１ａ側の加熱／冷却を周期的に繰返した場合において
も、その都度、れんが内に同様な温度勾配を再現できる
ことがわかる。

【００２６】つまり、本発明に係る装置を用いて熱スポ
ーリング特性の評価を行えば、実炉使用時のれんが内の
温度勾配を比較的正確に予想でき、さらに、れんが内に
生じる温度勾配を周期的に再現させることが可能になる
ことから、耐火物の品質を正しく評価することができる
ようになることがわかった。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
試験耐火物に対し、実炉使用時と同じような温度勾配を
再現した上で、耐火物の熱スポーリング特性を試験でき
るため、耐火物の諸性状を正確に予測、評価することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る試験装置の代表的な実施形態を
示す加熱時の略線図である。

【図２】 本発明に係る試験装置の代表的な実施形態を
示す冷却時の略線図である。

【図３】 本発明に係る他の実施形態における試験装置
の加熱時の略線図である。

【図４】 本発明に係る他の実施形態における試験装置
の冷却時の略線図である。

【図５】 冷却時間に対するれんが内の温度勾配特性を
示すグラフである。

【図６】 れんがの物性値に基く非定常熱伝導の計算結
果を示すグラフである。

【図７】 冷却時間に対するれんが内の温度勾配特性を
示すグラフである。

【図８】 れんがの物性値に基く非定常熱伝導の計算結
果を示すグラフである。

【図９】 周期的に加熱／冷却を繰返した時のれんが内
の温度勾配特性を示すグラフである。

【符号の説明】

１ れんが １ａ れんが正面 １ｂ れんが背面 ２ 固定加熱器 ３ 移動加熱器 ４ ヒーター ５ 車輪 ６ ヒーター ７ ヒーター保護板 ８ 熱遮蔽板 ９ ワイヤーロープ １０ プーリー １１ 送風器 １２ 送風管 １２ａ ガス吹き出しノズル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 坂脇 強 千葉県千葉市中央区川崎町１番地 川崎製 鉄株式会社技術研究所内 Ｆターム(参考） 2G061 AB05 AC03 AC04 AC09 BA04 CA05 CB03 DA01

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 耐火物の熱スポーリング試験に当たり、
   耐火物の背中合わせの２面のうち、一方の面は所定の加
   熱温度に保持し、他方の面は加熱温度を変化させること
   により、該耐火物の厚み方向に温度勾配をもたせた状態
   で試験することを特徴とする、耐火物の熱スポーリング
   試験方法。
2. 【請求項２】 耐火物の熱スポーリング試験を行なう装
   置において、耐火物の背中合わせの２面のうち、一方の
   面には固定加熱源を配設し、他方の面には移動加熱源を
   配設してなることを特徴とする、耐火物の熱スポーリン
   グ試験装置。
3. 【請求項３】 上記移動加熱源は、耐火物を加熱する位
   置と非加熱待機位置との間を移動可能に配設されている
   ことを特徴とする請求項２に記載の耐火物の熱スポーリ
   ング試験装置。
4. 【請求項４】 待機位置にある移動加熱源には、耐火物
   との間に熱遮蔽板が介挿されるように構成されているこ
   とを特徴とする請求項２または３に記載の耐火物の熱ス
   ポーリング試験装置。
5. 【請求項５】 移動加熱源が待機位置にある状態におい
   て、耐火物の移動加熱源側の面を冷却可能な冷却器を有
   することを特徴とする請求項２〜４項のいずれか１項に
   記載の耐火物の熱スポーリング試験装置。