JP2007278590A

JP2007278590A - セラミックファイバーブロック

Info

Publication number: JP2007278590A
Application number: JP2006105384A
Authority: JP
Inventors: Masakuni Taguchi; 昌邦田口
Original assignee: Nippon Steel Corp; Nippon Steel Engineering Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp; Nippon Steel Engineering Co Ltd
Priority date: 2006-04-06
Filing date: 2006-04-06
Publication date: 2007-10-25

Abstract

【課題】炉壁への取付け時に破損しない、一辺の長さが６０ｃｍ以下の短尺で、軽量、かつ耐熱性の良好なセラミックファイバーブロックを提供すること。
【解決手段】セラミックファイバーを葛折り状に折りたたんでなる一辺の長さが６０ｃｍ以下の直方体のブロック体９と、このブロック体に装着された取付金具８とを有するセラミックスファイバーブロックであって、ブロック体９が、結晶アルミナファイバーブランケットである外層体１と、アルミナ繊維が三次元ランダムに配向し、かつ相互に絡み合う状態にある結晶アルミナファイバーマットである内層体２との二層構造になっており、外層体１が内層体２の折り目部７に挟み込まれた状態で内層体２の外表面を覆い、さらに外層体１の外側に、セラミックスファイバーブロックを取付金具を介して炉壁にボルト・ナットで締結する際の締結力によって破損しない強度を有するクロス１３を張り付けたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、主として工業炉用の内部ライニング材である高温用セラミックファイバーブロックに関するものである。

セラミックファイバーブロックは、軽量性、低蓄熱性、断熱性に優れているため、炉の耐火断熱用内張材として、従来の耐火レンガ、耐火断熱レンガ、耐火キャスタブルに代わり、数多く用いられるようになっている。一方、このセラミックファイバーブロックの内張り工法としてモジュール工法が知られている。この工法は、セラミックファイバーブランケットを幾重にも折りたたみ一体化してセラミックファイバーブロックを構成し、これを取付金具を介して多数、炉壁に取り付けていくものである。

図３は、従来のセラミックファイバーブロックの説明図である。具体的には、この図３に示すように、セラミックファイバーブランケット２１を葛折り状に折りたたみ、これとチャンネル２２、ビーム２３などで１つのセラミックファイバーブロック２０を構成する。セラミックファイバーブランケット２１は、折り目２４の複数箇所に差し込んだビーム２３によって支持され、このビーム２３は高温に強い金属または合金あるいは他の適当な板材料を折り曲げ、棒状に形成される。また、ビーム２３は、図４に示すように、ビーム２３の中央部分２７において、ビーム２３と同様の材質の板からなるタブ２６の下端接合部に形成された輪２８内に装着され、タブ２６の直角方向に固定される。

さらに、ビーム２３はタブ２６の尖ったタブ上端２９をセラミックファイバーブランケット２１の折り目２４とチャンネル２２の開口部２５を貫通し、チャンネル２２の上面に突き抜けたタブ上端２９の部分を下方に折り曲げることによりチャンネル２２に支持される。チャンネル２２は葛折りしたセラミックファイバーブランケット２１の折り目２４のある側の外側に葛折り方向にブランケットの中央部に設けられる。

そして、図５に示すように、カードボード３０でセラミックファイバーブロック２０の反発方向二面を補強し、セラミックファイバーブランケット２１からなるブロック体を圧縮し、ＰＰバンド３１を巻きつけて固定する。

このセラミックファイバーブロック２０を炉壁に取り付ける際には、図６に示すように、ボルト３２・ナット３３を使用する。ボルト３２は炉壁４０に固定されており、このボルト３２にチャンネル２２の中央の開口部２５とセラミックファイバーブランケット２１の折り目２４とを貫通し、その下方からボックスレンチ３４にてナット３３をボルト３２の先端に締結する。これによって、セラミックファイバーブランケット２１の折り目２４部分がボルト３２・ナット３３によって挟持され、セラミックファイバーブロック２０が炉壁４０に取り付けられる。

ところで、連続式熱処理炉などにおいては、炉内容積が大きくなると共に炉長も長くなり、鋼材を予熱・加熱・均熱・冷却と段階的に熱処理するために、熱風の炉内滞留時間を長く取って熱効率を高めるためなど、さまざまな目的で仕切り壁を設置することがある。この仕切り壁に前記セラミックファイバーブロックを適用する場合、ブロック高さが仕切り壁高さとなり、底辺に対して高さが高い長直方体形状のブロックとなり、引張強度が不足する。この対策として、特許文献１には、図７に示すように、連続して折りたたんで積層したセラミックファイバーブランケット５１積層物と、その層間に挟み込まれたセラミックファイバークロス等の耐熱性クロス５２とを、アルミナファイバー製紐状体５３で縫い合わせて一体化し耐熱ブロック５０を成形する技術が開示されている。特許文献１には、従来の短尺物であれば、耐熱ブロック５０の強度上の問題は生じないこと、および、仕切り壁のような長尺物では、耐熱性クロス５０を挟み込まないと、工業炉に設置したときに耐熱ブロック５０の自重を支えきれず、破損することが記載されている。

また、セラミックファイバーは使用温度によって数種のものが使いわけられている。耐熱温度が１３００℃以下の場合は、低温用の非結晶質セラミックファイバーでも問題ないが、高い炉内温度にも対応するためには１３００℃以上の耐熱温度を有するアルミナ繊維を多く含有した高温用の結晶質セラミックファイバーを使用する必要がある。しかしながら、当然耐熱温度が高いもの程、価格も高価になるという問題がある。そこで、特許文献２には、この高温用のセラミックファイバーの使用量を減らすために、図８に示すように、外層体とする結晶アルミナファイバーブランケット１と内層体とする結晶アルミナファイバーマット２をそれぞれ連続的なアコーディオン（葛折り）状に折り曲げるセラミックファイバーブロック１０が記載されている。

このセラミックファイバーブロック１０では、最終的な成形時には、内層体の結晶アルミナファイバーマット２と外層体の結晶アルミナファイバーブランケット１は圧縮成形される。ここで、内層体に結晶アルミナファイバーマット２を使用することにより、小さい嵩密度でありながら、全体としては大きな復元力を有する。また、内外層共に、結晶質アルミナファイバーを使用しているため、耐熱性も高い。
特開平９−１４５２６０特開２００４−１９０８６４

従来、特許文献１にも記載されているように、１辺が３０〜６０ｃｍ程度の短尺耐熱ブロックでは、自重を支える引張り強度はあるため、強度上の問題はないと考えられていた。

しかし、上述の特許文献２のように、外層体にのみ、嵩密度が高く強度の高い結晶アルミナファイバーブランケットを用いると、その強度不足から別の問題が発生する。すなわち、図６で説明したように、炉壁にボルト・ナットで締結する際に、外層体の結晶アルミナファイバーブランケットの折り目部がビームで押し潰されて破損してしまうのである。なお、特許文献２では、図８に示すように外層体の結晶アルミナファイバーブランケットの外側にガーゼ３を張り付けているが、これは葛折り状に折りたたむ作業中の繊維飛散や折り山部の腰折れを防ぐためのもので、外層体の強度向上に寄与するものではない。

特許文献１は、高温の工業炉内で長期間の使用に耐える、長辺の長さが６０ｃｍを超える長尺の仕切り壁用セラミックファイバーブロックを提供するものであるが、本発明は、特許文献２の技術を応用して、炉壁への取付け時に破損しない、一辺の長さが６０ｃｍ以下の短尺で、軽量、かつ耐熱性の良好なセラミックファイバーブロックを提供するものである。

本発明に係るセラミックファイバーブロックは、セラミックファイバーを葛折り状に折りたたんでなる一辺の長さが６０ｃｍ以下の直方体のブロック体と、このブロック体に装着された取付金具とを有するセラミックファイバーブロックであって、前記ブロック体が、結晶アルミナファイバーブランケットである外層体と、アルミナ繊維が三次元ランダムに配向し、かつ相互に絡み合う状態にある結晶アルミナファイバーマットである内層体との二層構造になっており、前記外層体が内層体の折り目部に挟み込まれた状態で内層体の外表面を覆い、さらに前記外層体の外側に、セラミックスファイバーブロックを取付金具を介して炉壁にボルト・ナットで締結する際の締結力によって破損しない強度を有するクロスを張り付けたものである。

本発明において、結晶アルミナファイバーブランケットは、葛折り状に折りたたむ前の状態において、嵩密度が１００〜１３０ｋｇ／ｍ^３で、厚さが６〜１２．５ｍｍであり、結晶アルミナファイバーマットは、葛折り状に折りたたむ前の状態において、嵩密度が５０〜８０ｋｇ／ｍ^３で、厚さが３０〜５０ｍｍであることが好ましい。

本発明のセラミックファイバーブロックは、上記特許文献２のものと同様に、そのブロック体を、結晶アルミナファイバーブランケットからなる外層体と、結晶アルミナファイバーマットからなる内層体との二層構造としているので、軽量であり、取付けも容易で、高価な結晶アルミナファイバーブランケットの使用量が少ないため、安価でもある。また、ブロック体全体の嵩密度を小さくしても、結晶アルミナファイバーマットの復元力が大きいため、ブロック体全体の復元力を大きくでき、操業中の脱落を防ぐことができる。さらに、内外層ともに結晶アルミナファイバーを使用しているため、耐熱性も優れる。

そして、本発明では、ブロック体を構成する外層体の外側にクロスを張り付け、このクロスを、セラミックスファイバーブロックを取付金具を介して炉壁にボルト・ナットで締結する際の締結力によって破損しない強度のものとすることで、上述の効果は維持しつつ、セラミックファイバーブロックの炉壁への取付け時の強度不足を解消することができ、炉壁への取付け時に外層体が破損することを防止できる。

以下、本発明の構成について図面に従って説明する。

図１は、本発明のセラミックファイバーブロックの製作説明図、図２は、セラミックファイバーブロックの斜視説明図である。図１に示すように、本発明のセラミックファイバーブロックのブロック体９は、結晶アルミナファイバーブランケット１と結晶アルミナファイバーマット２を重ねた状態で葛折り状（アコーディオン状）に連続的に折りたたんで製作される。

この結晶アルミナファイバーマット２のアルミナ繊維は、三次元ランダムに配向し、かつ相互に絡み合う状態になっている。この結晶アルミナファイバーマット２の製作にあたっては、特開２００２−１０５８２３号公報に記載されているように、一定の温度および湿度に制御した雰囲気中で、粘度を調整した紡糸液を繊維化し、前駆体繊維にし、これを焼成して繊維に含まれる有機物、水分などを分解し、結晶質繊維を得る。アルミナ繊維は、アルミナの含有量が７０質量％以上であり残部がシリカである、主にムライト結晶またはコランダム結晶からなる。

繊維化方法は、メルトブロー法やスピニング法がある。メルトブロー法は、紡糸液を小穴から押し出し、高圧エアーを吹き付けて繊維化する。一方、スピニング法は、小穴を有するカップを回転させ、その遠心力で紡糸液を押し出し、これに高圧エアーを吹き付け繊維化する。スピニング法は環状の繊維を製作する場合に好ましい。環状とは、輪が完全に閉じているものや半円弧状のようなカール状のものも含む。繊維が環状やカール状になることでバネのような働きをし、圧縮された時の反発力を大きくすることができる。このような環状やカール状の繊維は、小さな嵩密度で大きな復元力を得ることができる。

アルミナ繊維が三次元ランダムに配向する状態とは、アルミナ繊維が特定の方向のみに配向するのではなく、三次元のあらゆる方向にランダムに、即ち秩序ない状態で配向する状態をいう。例えば、繊維化直後の前駆体繊維を集綿する際に、金網を通して吸引すると、繊維は繊維単位で落下し、金網と平行に二次元に配向するが、吸引力を調整して堆積させることで前駆体は三次元ランダムに配向する。また、アルミナ繊維が相互に絡み合う状態とは、繊維同士が交点で接着することなく互いに絡んでいる状態である。このような状態のアルミナ繊維を積層し、これを焼成したものを結晶アルミナファイバーマット２として使用している。

一方、結晶アルミナファイバーブランケット１は、繊維化した前駆体繊維を集綿する時にアルミナ繊維の方向をほぼ揃えた状態で積層し、これにニードリングしたものや糸で縫製したものである。

本発明のセラミックファイバーブロックのブロック体９は、上記のような結晶アルミナファイバーブランケット１からなる外層体と、低密度の結晶アルミナファイバーマット２からなる内層体の二層構造となっており、外層体である結晶アルミナファイバーブランケット１が、内層体である結晶アルミナファイバーマット２の折り目部７に挟み込まれた状態で内層体の外表面を覆って葛折り状に折りたたまれている。このように、結晶アルミナファイバーマット２からなる内層体を、結晶アルミナファイバーブランケット１からなる外層体で覆った二層構造にするのは、結晶アルミナファイバーマット２のみで葛折り状に連続的に折りたたもうとすると、繊維の剥離や飛散、腰折れが生じるためブロック化が難しいからである。

結晶アルミナファイバーマット２は、葛折り状に折りたたむ前の状態において厚さ３０〜５０ｍｍ程度にすることが好ましい。結晶アルミナファイバーマット２の厚さを大きくしてブロック体９全体における結晶アルミナファイバーマット２の使用量を多くした方がブロック体９の重量を軽くすることができるが、葛折状のブロックに製作することを考慮すると５０ｍｍ以下であることが好ましい。また、結晶アルミナファイバーブランケット１は、葛折り状に折りたたむ前の状態において厚さ６〜１２．５ｍｍ程度の厚さを有することで、葛折り・圧縮加工に対し、十分必要な引張り強度を保持することができる。

また、外層体である結晶セラミックファイバーブランケット１は、葛折り状に折りたたむ前の状態において嵩密度が１００〜１３０ｋｇ／ｍ^３のものを使用することが好ましい。嵩密度が１００ｋｇ／ｍ^３よりも小さいと、ブランケット自体の引張り強度が弱くなり、葛折りし圧縮する際に山状になったブランケットが切れてしまう。また、嵩密度が１３０ｋｇ／ｍ^３よりも大きいと、ブランケットが硬く葛折りができない。さらに重量が大きくなり軽量化のメリットがない。一方。内層体である結晶アルミナファイバーマット２は、葛折り状に折りたたむ前の状態において嵩密度が５０〜８０ｋｇ／ｍ^３のものを使用することが好ましい。嵩密度が５０ｋｇ／ｍ^３よりも小さいと、復元力が弱くなり高温下で隣接するセラミックファイバーブロック１０間に隙間ができ、その隙間より熱風が取付金具（チャンネル６）の強度を弱め、ブロックの落下の原因となる。また、８０ｋｇ／ｍ^３よりも大きいと復元力が強すぎてブロック体の形成ができない。なお、圧縮成形後のセラミックファイバーブロック１０全体では８０〜１２０ｋｇ／ｍ^３程度の嵩密度となり、引張強度は１００〜３００ｋｇｆである。

さらに、本発明では、図１に示すように、結晶アルミナファイバーブランケット１からなる外層体の外側に、クロス１３を張り付けている。このクロス１３としては、先に図６で説明したように、セラミックファイバーブロックを炉壁にボルト・ナットで締結する際の締結力によって破損しない強度のものを用いる。このように、結晶アルミナファイバーブランケット１からなる外層体の外側にクロス１３を張り付けることで、セラミックファイバーブロックの炉壁への取付け時の強度不足を解消することができる。なお、クロス１３は、セラミックファイバーブロック取付け時に強度があれば良いので、必ずしも耐熱性のクロスでなくても良く、一度取付けが完了すれば、クロス１３は焼失しても、構わない。

以上の構成において、折り目部７の適当箇所（図１では二箇所）にビーム４を挟み、ビーム４に取り付けたタブ５を、結晶アルミナファイバーブランケット１および結晶アルミナファイバーマット２を貫通させ、さらに炉壁への取付金具であるチャンネル６の開口８に固定することで、ブロック体９を取付金具に支持固定する。

次に、図２に示すように、カードボード１１でブロック体９の反発方向二面を補強し、結晶アルミナファイバーブランケット１および結晶アルミナファイバーマット２からなるブロック体９を圧縮し、ＰＰバンド１２を巻きつけて固定する。

本発明で使用する結晶アルミナファイバーマット２のアルミナ繊維は前述したように環状やカール状の短繊維を三次元ランダムに配向し、かつ相互に絡み合う状態にしたものであり、内部にエアーを多く含んだ状態であるため、小さい嵩密度でありながら大きな復元力を有する。よって、従来のように結晶アルミナファイバーブランケットのみでセラミックファイバーブロックを製作した場合、必要な復元力を得るために圧縮成形後の嵩密度を１３０〜１６０ｋｇ／ｍ^３にする必要があるのに対し、本発明のようにこの結晶アルミナファイバーマット２を使うことにより、マット分の嵩密度を５０〜８０ｋｇ／ｍ^３に小さくし、圧縮成形後のセラミックファイバーブロック１０全体の嵩密度を８０〜１２０ｋｇ／ｍ^３程度にしても、結晶アルミナファイバーブランケットのみで製作したセラミックファイバーブロックと比べて、充分高い復元力を保持することが可能となるのである。

本発明では、このように耐熱性および耐久性に優れ、かつ安価で軽量であるという二層構造のセラミックファイバーブロックの特徴を活かしつつ、炉壁への取付け時に外層体が破損する可能性があったという従来の問題を解消するため、上述のとおり、結晶アルミナファイバーブランケット１からなる外層体の外側にクロス１３を張り付けている。このクロス１３はクロスであるため、セラミックファイバーブロック１０の厚さおよび重量が極端に増加することはない。また、取付け完了後は、炉内で焼失しても構わない。クロスには、安価な材料も使用可能である。

本実施例では、高純度のアルミナとシリカ原料を電気溶融し、スピニング法にて繊維化された、繊維が長くショット含有率の少ないセラミックファイバー（アルミナ４６％、シリカ５４％）に、インコネル６０１で強度を上げたセラミックファイバー紡績品のクロス（厚さ２ｍｍ、平織り）を使用した。実施例の内層体の結晶アルミナファイバーマット２は、葛折り状に折りたたむ前の状態において厚さが３７．５ｍｍで嵩密度が５０ｋｇ／ｍ^３、そして、外層体の結晶アルミナファイバーブランケット１は、葛折り状に折りたたむ前の状態において厚さが１２．５ｍｍで嵩密度が１００ｋｇ／ｍ^３のものにて炉壁への取付け性確認を実施した。一方、比較例として、クロスを用いず、結晶アルミナファイバーブランケットの外側にガーゼを張り付けたものを準備した。ガーゼで覆うことで、葛折り状に折りたたむ作業中の繊維飛散や山部の腰折れは防ぐことができる。しかし、外層体の結晶セラミックファイバーブランケットの切断までの強度は、比較例では、本発明のセラミックファイバーブロックの約半分でしかなかった。また、実炉での適用時に、本発明に係るセラミックファイバーブロックでは、炉壁への取付け時に破損することはなくなった。

なお、結晶アルミナファイバーブランケットの厚みや嵩密度により、炉壁への取付け時の強度は変化するので、事前テストを実施し、結晶アルミナファイバーブランケットの外側を覆うクロスの仕様（厚み、補強線仕様）を調整することはいうまでもない。

本発明のセラミックファイバーブロックの製作説明図である。本発明のセラミックファイバーブロックの説明図である。従来のセラミックファイバーブロックの説明図である。チャンネル、ビームおよびタブの斜視図である。従来のセラミックファイバーブロックの最終形態の斜視図である。セラミックファイバーブロックの炉壁への取付け要領を示す説明図である。仕切り壁に使用される耐熱ブロックの一例を示す斜視図である。従来のセラミックファイバーブロックの説明図である。

符号の説明

１結晶アルミナファイバーブランケット（外層体）
２結晶アルミナファイアーマット（内層体）
３ガーゼ
４ビーム
５タブ
６チャンネル
７折り目部
８開口部
９ブロック体
１０セラミックファイバーブロック
１１カードボード
１２ＰＰバンド
１３クロス
２０セラミックファイバーブロック
２１セラミックファイバーブランケット
２２チャンネル
２３ビーム
２４折り目部
２５開口部
２６タブ
２７中央部分
２８輪
２９タブ上端
３０カードボード
３１ＰＰバンド
３２ボルト
３３ナット
３４ボックスレンチ
４０鉄皮
５０耐熱ブロック
５１セラミックファイバーブランケット
５２耐熱性クロス
５３アルミナファイバー製紐状体

Claims

セラミックファイバーを葛折り状に折りたたんでなる一辺の長さが６０ｃｍ以下の直方体のブロック体と、このブロック体に装着された取付金具とを有するセラミックファイバーブロックであって、前記ブロック体が、結晶アルミナファイバーブランケットである外層体と、アルミナ繊維が三次元ランダムに配向し、かつ相互に絡み合う状態にある結晶アルミナファイバーマットである内層体との二層構造になっており、前記外層体が内層体の折り目部に挟み込まれた状態で内層体の外表面を覆い、さらに前記外層体の外側に、セラミックスファイバーブロックを取付金具を介して炉壁にボルト・ナットで締結する際の締結力によって破損しない強度を有するクロスを張り付けたセラミックファイバーブロック。
前記結晶アルミナファイバーブランケットは、葛折り状に折りたたむ前の状態において、嵩密度が１００〜１３０ｋｇ／ｍ^３で、厚さが６〜１２．５ｍｍであり、前記結晶アルミナファイバーマットは、葛折り状に折りたたむ前の状態において、嵩密度が５０〜８０ｋｇ／ｍ^３で、厚さが３０〜５０ｍｍである請求項１に記載のセラミックファイバーブロック。