JP2006523599A - ガラス炉の蓄熱室のチェッカーワーク要素用耐火製品 - Google Patents

ガラス炉の蓄熱室のチェッカーワーク要素用耐火製品 Download PDF

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Abstract

本発明は、酸化物含有量を基準とする重量百分率で、以下の重量平均化学組成:0.4%<MgO<2.5%;0.2%<SiO2<2%;CaO<0.4%;不純物<0.5%;Al23:残部を有する、例えば、ガラス炉の蓄熱室のチェッカーワーク要素用の、溶融鋳込み耐火製品に関する。

Description

本発明は、高アルミナ質の溶融鋳込み耐火製品およびガラス炉の蓄熱室におけるチェッカーワーク建設用の要素としてこの製品を使用することに関する。
しばしば電鋳製品と呼ばれる溶融鋳込み製品は、電気アーク炉において適切な原料の混合物を溶融することによって、またはそのような製品に適切な、その他のいずれの技法によっても得られる。次いで、融液は鋳型に鋳込まれ、次いで、得られた製品は、制御された冷却サイクルを受ける。
大部分の燃焼加熱されるガラス炉、つまり、エネルギー源としてガスまたは燃料油バーナーを有する窯には、蓄熱室が装備されている。これらの蓄熱室は、チェッカーワークを形成し、サイクルに従って熱が回収され、再生利用される、セラミックの要素が中に詰まっている一連の部屋を備えている。操業中に窯から出てくる高温ガスと煙道ガスは、通常、蓄熱室の最上部を経てチェッカーワークに入り、その熱エネルギーをチェッカーワーク内に解放する。この間に、熱エネルギーを回収するために、前のサイクルの間に加熱された別のチェッカーワークの底部に、冷たい空気が引き込まれる。この空気は、高温の空気としてチェッカーワークの最上部から離れ、燃料が確実に最適条件下で燃焼されるようにするために、窯のバーナーに導かれる。チェッカーワークを構成している要素は、この交互に変わる操作を受けるので、非常に良好な耐熱衝撃性を有していなければならない。
チェッカーワークを構成しているセラミック要素の形状は変化しうるものであり、例えば、特許、FR2142624、FR2248748、FR2635372に記載されている。
チェッカーワークを製造するのに使用される溶融鋳込み製品の組成は、通常、AZS(アルミナ−ジルコニア−シリカ)類またはアルミナ質類である。
アルミナ含有量の高い製品または「アルミナ質」の製品は、より良好な高温耐久性を有することが知られており、従って、主としてチェッカーワークの最上部において使用される。現在、ガラス炉の操業方法には、著しい変化が観察されつつある。例えば、特に、テレビジョン・スクリーン用ガラスを製造する融解炉においては、燃料油タイプの液体燃料の代替品として気体燃料を使用することが多くなりつつあると言うことができる。さらに、ソーダ石灰ガラス用の融解炉における傾向は、より還元性の操業条件に向かっている。操業におけるこれらの変化により、煙道ガスは、蓄熱室内の耐火製品に関して一層侵食性を増している。特に、アルカリ性化学種(特に、NaOH、KOHなど)が凝縮して析出する結果、チェッカーワークの底部の侵食が観察される。この種の攻撃に直面した場合、現在のアルミナ質またはAZS耐火製品は、十分な耐久性をもたらすことはない(試料1の結果を参照されたい)。
さらに、1933年12月16日付けで出願された米国特許第2019208号には、2〜10%のマグネシウムを含有し、熱変動に対して良好な耐久性を示すアルミナ−マグネシア耐火製品が開示されている。しかし、これらの製品には、工業的に実行することが可能か否かの問題がある。さらに、SEPR社は、約87.5%のAl23、4.5%のNa2O、8%のMgOを含有する製品、ER5312RXを製造し、販売している。ER5312RXを結晶学的に分析することにより、主として3番目のベータ−アルミナが明らかにされる。この製品は、アルカリ金属蒸気による侵食に対して優れた耐久性を示すが、アルカリ化学種の凝縮物に関するその挙動は、良好とはいえない。
従って、主としてアルカリ金属元素からなる液体化学種による侵食に対してより優れた耐久性を有し、良好な耐熱衝撃性を示す、新しい溶融鋳込み耐火製品が必要である。
本発明は、この必要性を満足させることを目ざすものである。
さらに詳しくは、本発明は、以下の重量平均化学組成:
0.4%<MgO<2.5%、
0.2%<SiO2<2.0%、
CaO<0.4%、
不純物:<0.5%、
Al23:残部(balance)
を有し、重量百分率は酸化物を基準としている、溶融鋳込み耐火製品に関する。
「残部」という用語は、合計を100%にするために必要とされる量を意味すると解釈される。通常通り、不純物はNa2OとFe23からなる。
この記述の残りの部分において、より詳細に見られるように、本発明による耐火製品は、良好な耐アルカリ侵食性と良好な耐熱衝撃性を有する。
「アルカリ侵食」という用語は、アルカリ金属の気体が凝縮することから生じる侵食を意味する。一例をあげれば、煙道ガス中の硫黄含有量が低く、かつ/または条件が還元性条件の場合は、チェッカーワークの底部にNaOH、KOHなどの化学種の凝縮を引き起こすソーダ・カリ・ガラスを溶融することから生じる煙道ガスの場合について述べることができる。これは、硫黄または還元性条件が存在しないことにより、Na2SO4またはK2SO4などの化学種の形成が妨げられるからである。次いで、耐火物の液相侵食が観察される。
これと反対の記述がない限り、本出願において使用される百分率は、常に、酸化物を基準とする重量百分率を指す。
本発明による耐火製品の好ましい他の特徴によれば、
MgO含有量は、0.7%<MgOおよび/またはMgO<2.0%、
SiO2含有量は、0.5%<SiO2および/またはSiO2<1%、
CaO含有量は、CaO<0.1%であり、
本発明による耐火製品は、さらに、酸化物を基準とする重量百分率で、
0.1%<Na2Oおよび/またはNa2O<0.6%であるNa2O含有量、および/または
ZrO2<4.0%、好ましくはZrO2<0.1%であるZrO2含有量を含む。
好ましくは、フッ素が、0.1〜0.6%の量で原料混合物に対して添加される。従って、製品は、酸化物を基準とする重量百分率で、0.1%<Fおよび/またはF<0.6%のF含有量を有することが好ましい。
また、本発明は、本発明による耐火製品を、ガラス炉の蓄熱室のチェッカーワークの要素として、好ましくは、蓄熱室のチェッカーワークの底部の要素として使用することに関する。有利には、本発明による製品は、還元性条件下で操業されるソーダ石灰ガラス用の融解炉において使用される。
下記の表1には、さまざまな試料について実施された試験の結果が要約されている。試験された非制限的製品が、本発明を説明する目的のために示されている。
以下の原料が使用された:
平均で99.5%のAl23(Na2O:3700ppm、SiO2:100ppm、CaO:160ppm、Fe23:120ppm)を含有する、Pechineyにより販売されている、AC44型のアルミナ;
平均で99.4%のAl23(Na2O:2700ppm、SiO2:100ppm、CaO:160ppm、Fe23:110ppm)を含有する、Pechineyにより販売されている、AR75型のアルミナ;
99%を超えるMgOおよび99.5%を超えるMgOをそれぞれ含有する、Nedmag Industriesから発売されている、NEDMAG99またはNEDMAG99.5マグネシア;および
AlF3の形態のフッ素。
原料の混合物は、例えば、FR1208577またはFR2058527に記載されているように、アーク炉において従来の溶融方法を使用して溶融され、次いで、蓄熱室の要素として使用されるX3型の部品を得るために、(例えば、FR2088185に記載の方法によって)鋳型に鋳込まれた。これらの部品は、4つに分岐した十字形の形状をしており、それぞれの分岐は、420mmの高さ、130mmの長さおよび30mmの厚さを有している。
実施例のそれぞれに関して、部品の製造歩留まり、すなわち、砕かれてもいず、横割れも示されなかった部品の百分率、が示されている。歩留まりは、60%を超える場合は、「許容しうる(acceptable)」であり、70%を超える場合は、「良好(good)」であると見なされる。
得られた製品の平均化学組成は、酸化物を基準とする重量百分率で、表1に記載されている。
Figure 2006523599
不純物は、MgO、Na2O、CaO、ZrO2を含んでいない。
ガラス炉における煙道ガスから生じる水酸化ナトリウムの凝縮をシミュレートするために、製造されたさまざまな部品の1つの分岐の中心部から採取された試料の、液体水酸化ナトリウムに対する耐久性を試験した(試験A)。液体水酸化ナトリウムは、材料を脆くし、アルミナの一部をアルミン酸ナトリウムに変換する。この変換に伴う膨張によって、変換されたアルミナ粒子内に微小亀裂が発生し、材料を脆くする。さらに、アルミン酸ナトリウムは、水に非常によく溶解する特性を有する。試験Aにおいては、試料は、ジルコニウムるつぼ中に置かれ、水酸化ナトリウムによって覆われた。次いで、るつぼは900℃で1時間加熱された。次に、試料は、蒸留水に浸漬され、溶解されたアルミナが検定された。試験Aについて示された数字は、溶解されたアルミナの百分率に一致する。数値は、2.5未満であれば良好、1.5未満であれば非常に良好と見なされる。
部品全体を熱サイクルに掛けることに重点が置かれている試験Bを用いて、熱変動に耐えうる試料の能力が測定された。それぞれのサイクルは、1250℃における15分間の浸漬段階と、それに続く周囲空気における15分間の冷却段階からなった。示された数値は、部品が破壊したり、砕けたりする前のサイクルの数に一致する。試験された部品は、破壊以前のサイクル数が20を超えるか20に等しい場合は、蓄熱室内のチェッカーワークにおいて使用するのに適していると見なされる。
表1の実施例1の試料は、SEPRによって製造され、販売されている製品、ER1682RXである。それは、約50%のAl23、32%のZrO2、16%のSiO2を含有している。結晶学的に分析することにより、約47%のコランダム、21%のガラス相、32%のジルコニアの存在が明らかになった。表1の実施例36の試料は、この説明の前文において引用されている製品ER5312RXである。
表1の分析から、以下の結論が導かれる。
実施例1〜4から、試験A、Bに合格することのできる製品を得るためには、マグネシア(MgO)を少なくとも0.4%添加することが必要であることが分かる。従って、マグネシアをほとんど、または全く含まないアルミナ質の製品は、蓄熱室のチェッカーワークの要素として使用される場合は、熱衝撃に耐えられないことになる。
実施例4と実施例5を比較することにより、耐熱サイクル性を改善するためには、0.7%を超えるMgO含有量が好ましいことが示される。MgOの上限は、コランダムとスピネルの間の共晶点によって決まるように見える。
しかし、実施例33〜35によって、MgOが2%を超えると、製品の熱サイクルに対する耐久性は、一層低くなることが立証された。この耐久性の劣化は、恐らく、製品の密度の上昇と多孔度の制御不良、つまり、細孔容積分布が劣悪であることによるものであり、これらの製品を意図された用途に使用できなくさせている。従って、好ましくは、MgO含有量は2.5%未満であり、さらによいのは、2%未満である。
実施例36は、8%のMgOを含有し、従来技術の典型を示すものである。それには、SiO2が含まれず、試験Aによって定義されたアルカリ侵食に対する耐久性は低い。しかし、それは、非常に良好な熱衝撃挙動を示す。
本発明者らは、本発明による製品に含まれるMgOの含有量によって、部品が温度の変動による容積の変動を受け入れることができるような、細孔容積と細孔容積分布が部品に生じるものと考える。これは、本発明の製品が、通常、10〜20%の多孔度を有し、この多孔度が部品全体を通してほぼ一様に分布されているためである。
本発明によれば、製品のNa2O含有量を増やすと(実施例36)、試験Aに合格しないので、Na2O含有量を増やすことなく、適切な工業的実行可能性、つまり、70%またはそれを超える歩留まりを有するためには、実施例9、16、21、26に示されているように、シリカが存在することが必要である。
目に見える効果を得るためには、最小量として0.2%のSiO2が必要とされる。好ましくは、0.4%を超える、より好ましくは0.5%を超えるSiO2含有量が、特に耐熱衝撃性を改善するためには、望ましい。
しかし、1%を超えると(実施例7、11、18)、製品の耐アルカリ侵食性が減少する。従って、SiO2含有量は、好ましくは2%未満、より好ましくは1%未満であることである。2%を超えると、アルカリ金属蒸気に曝された場合に脆さが増す珪酸塩相が、あまりにも大量に形成されすぎる。
また、Na2Oが存在すると、耐アルカリ侵食性に劣るベータ−アルミナの形成をもたらす。0.6%を超えると、実施例1と36に示されるように、耐アルカリ侵食性は不十分になる。
Na2Oはシリカやその他の化合物と化合してガラス相を形成し、そのガラス相が粒子間に存在すると、高温における材料の機械的強度を改善するのに好都合であるので、著しい効果を得るためには、好ましくは0.1%を超える量のNa2Oを添加することが、有利である。従って、温度が変化する間に生じる応力形成が避けられる。
フッ素が少なくとも0.1%存在すると、細孔分布の均一性を改善するのに有利である。実際、製品の目視検査により、フッ素が存在すると製品内部の「ポケット(pocket)」の存在が避けられることを示している。しかし、試験A、Bの結果に及ぼすフッ素の影響は、容易には判断できない。
しかし、フッ素は、設備に対する侵食性の大きな元素であり、従って、その含有量を0.6%未満に制限する必要がある。
ジルコニアを意図的に制限して添加しても、本発明の製品の有利な性質を減じることはない。4%未満の含有量でジルコニアが存在しても許容される。しかし、ジルコニアが多量に存在すると、熱サイクルにおける性能の低下をもたらし、工業的に使用することをより困難にする。従って、実施例23は、許容限界上にある歩留まりを有する。これらの理由から、ジルコニア含有量は、4%未満、好ましくは1%未満、より好ましくはゼロである。
CaOを添加することは望ましくない。これを添加しても、アルカリ金属蒸気に対する耐久性に有利な効果を及ぼすことはない(実施例3)。さらに、熱サイクル挙動は、大きく低下させられる(実施例3、19および20)。
従って、本発明による製品のCaO含有量は、0.4%未満、好ましくは0.1%未満およびより好ましくは実質的にゼロである。これは、CaOが存在すると、ベータ−アルミナに類似の構造を有し、アルカリ性の環境に対する耐侵食性が劣るアルミン酸石灰塩、特にCaO・6Al23が形成されることになるからである。従って、すべてのアルカリ土類が、MgOと同じ有利さをもたらすわけではない。
避けがたい不純物以外の化合物が存在することは望ましくない。特に、B23とK2Oは避けなければならない。両者のそれぞれの含有量は、好ましくは、0.05%未満でなければならない。
通常、本発明による製品を結晶学的に分析することにより、コランダムの形態をした97%を超えるアルミナ、2%を超えるAl23−MgOスピネル、1%未満のシリカ相またはガラス相が明らかにされる。化学組成の中にジルコニアが存在することが明らかになっている製品は、結晶学的分析によれば、単斜晶系のジルコニアを最大4%まで有し、それに比例してコランダムの含有量は減少する。

Claims (9)

  1. 以下の重量平均化学組成:
    0.4%<MgO<2.5%; 0≦Na2O<0.6%
    0.2%<SiO2<2.0%; 0≦F<0.6%
    CaO<0.4%; 0≦ZrO2<4%
    不純物:<0.5%; B23<0.05%
    Al23:残部
    を有する溶融鋳込み耐火製品。ただし、重量百分率は酸化物を基準としている。
  2. 酸化物を基準とする重量百分率で、
    0.7%<MgOおよび/またはMgO<2.0%
    であるMgO含有量を含有することを特徴とする請求項1に記載の耐火製品。
  3. 酸化物を基準とする重量百分率で、
    0.5%<SiO2および/またはSiO2<1%
    であるSiO2含有量を含有することを特徴とする請求項1または2に記載の耐火製品。
  4. 酸化物を基準とする重量百分率で、
    0.1%<Na2
    であるNa2O含有量を含有することを特徴とする先行する請求項のいずれか一項に記載の耐火製品。
  5. 酸化物を基準とする重量百分率で、
    0.1%<F
    であるF含有量を含有することを特徴とする先行する請求項のいずれか一項に記載の耐火製品。
  6. 酸化物を基準とする重量百分率で、
    CaO<0.1%
    であるCaO含有量を含有することを特徴とする先行する請求項のいずれか一項に記載の耐火製品。
  7. 酸化物を基準とする重量百分率で、
    ZrO2<0.1%
    であるZrO2含有量を含有することを特徴とする先行する請求項のいずれか一項に記載の耐火製品。
  8. 前記請求項のいずれか一項に記載の耐火製品の、ガラス炉の蓄熱室のチェッカーワーク用要素としての使用。
  9. 請求項1から7のいずれか一項に記載の耐火製品の、ガラス炉の蓄熱室のチェッカーワークの底部の要素としての使用。
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