JP2008247720A

JP2008247720A - 不定形耐火物成形材料および不定形耐火物成形体

Info

Publication number: JP2008247720A
Application number: JP2007094859A
Authority: JP
Inventors: Akishi Sakamoto; 晃史坂本; Satoru Doi; 哲土肥; Kiko Kihara; 規浩木原
Original assignee: Nichias Corp
Current assignee: Nichias Corp
Priority date: 2007-03-30
Filing date: 2007-03-30
Publication date: 2008-10-16

Abstract

【課題】断熱性及び機械的強度の両方に優れ、更に耐熱性や機械的加工性も良好な不定形耐火物、並びにその成形材料を提供する。
【解決手段】モンモリロナイトを０．１〜１０質量％、非晶質シリカおよびワラストナイトの少なくとも一方を２０〜８５質量％、アルミナセメントを５〜７０質量％の割合で含むことを特徴とする不定形耐火物成形材料、並びに前記不定形耐火物成形材料に水を加えた混練物の成形体を硬化させてなり、かつ、密度が０．８〜２．０ｇ／ｃｍ³で、曲げ強度が１〜２０MPaで、熱膨張係数が０．１〜７×１０^−６／℃であることを特徴とする不定形耐火物成形体。
【選択図】なし

Description

本発明は、耐火性及び機械的強度の両方に優れ、更に断熱性や機械的加工性も良好で、耐火材や断熱材として好適な不定形耐火物成形体を与える水硬性の成形材料に関する。また、本発明は、前記成形材料からなり、アルミニウム、亜鉛、スズ、鉛、マグネシウムあるいはこれらの合金等のように概ね融点が８００℃以下である比較的低融点の金属を鋳造する鋳造装置において、これら低融点金属の融点と接触する部位に使用される不定形耐火部成形体に関する。

上記に挙げた低融点金属の鋳造装置において、溶湯と接触する部材、例えば樋、溶湯保持炉、取鍋等を製造、構築もしくは補修するための内張材として、不定形耐火物材料（キャスタブル耐火物）が広く利用されている。不定形耐火物材料は適量の水と混練してから型枠に流し込んで硬化させ、乾燥後、焼成して、付着水および結晶水を除くことにより、使用中の水蒸気の発生が無く、耐火性も良い内張材を形成させるものである。

上述のような鋳造装置の内張り用の不定形耐火物材料として、溶湯に濡れ難く、耐食性も比較的良好なことから、アルミナセメントやワラストナイト系のものが従来使用されている（例えば、特許文献１参照）。

特開昭６２−２６５１５１号公報

しかしながら、従来のアルミナセメントやワラストナイト系不定形耐火物材料は、耐食性は優れているものの、溶湯の保温性を重視し断熱性に優れた製品にする場合は、密度を低くする必要があるため、曲げ強度等の機械的強度が不足して、施工時や、溶湯が激しく接触し大きな応力が発生するような使用箇所では、亀裂や割れが発生しやすいという問題があった。一方で、密度を高めて機械的強度を増すと、断熱性能が低下するようになる。このように従来の不定形耐火物材料は、断熱性と機械的強度がトレードオフの関係にあり、両立することは困難であった。

本発明の目的は、断熱性及び機械的強度の両方に優れ、更に耐熱性や機械加工性も良好な不定形耐火物成形体、並びにその成形材料を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は以下の不定形耐火物成形材料及び不定形耐火物成形体を提供する。
（１）モンモリロナイトを０．１〜１０質量％、非晶質シリカおよびワラストナイトの少なくとも一方を２０〜８５質量％、アルミナセメントを５〜７０質量％の割合で含むことを特徴とする不定形耐火物成形材料。
（２）上記（１）に記載の不定形耐火物成形材料に水を加えた混練物の成形体を硬化させてなり、かつ、密度が０．８〜２．０ｇ／ｃｍ³で、曲げ強度が１〜２０ＭＰａで、熱膨張係数が０．１〜７×１０^−６／℃であることを特徴とする不定形耐火物成形体。
（３）融点が８００℃以下の低融点金属の溶湯と接触する部位に使用されることを特徴とする上記（２）に記載の不定形耐火物成形体。

本発明による不定形耐火物成形体は、優れた断熱性と機械的強度とを兼ね備え、更に耐熱性や機械加工性も良好であり、従来品と比較して溶湯が激しく接触し大きな応力が発生する箇所に使用した場合でも、亀裂や割れの発生が少なくなり、材料の交換、補修をする頻度は従来と比較して大幅に少なくて済む。そのため、交換や補修の所要時間と成形体購入コストで、従来と比較してトータル的に非常に安価で低融点金属の鋳造が可能となる。

以下、本発明に関し詳細に説明する。

本発明の不定形耐火物材料はモンモリロナイトと、非晶質シリカ及びワラストナイトの少なくとも一方と、アルミナセメントとを含む粉状混合物である。

モンモリロナイトは、保水性が高いことから、不定形耐火物成形体製造時の混練水を多くすることができ、得られる不定形耐火物成形体の低密度化（断熱性の向上）に寄与する。また、乾燥、焼成後にバインダー的性質があるため機械的強度向上にも寄与する。

また、モンモリロナイトは膨潤力が高い方が望ましく、２５ｍｌ／２ｇ以上が好ましく、４０ｍｌ／２ｇ以上のものがより好ましい。尚、膨潤力は、メスシリンダー１００ｍｌの水に試料２ｇを加え、膨潤した界面の高さをｍｌで読んだ値とした。

さらに、モンモリロナイトは純度が高いものが好ましく、９０％以上に精製されたもの、さらには、９５％以上に精製されたものを好適に使用できる。尚、こうした精製されたモンモリロナイトとしては、精製ベントナイトが挙げられる。

非晶質シリカ及びワラストナイトは、共に耐熱性を付与する成分である。非晶質シリカとしては、各種溶融シリカを好適に使用できる。非晶質シリカの粒径は、０．５〜５００μmであることが好ましく、１〜５００μmであることがより好ましい。一方、ワラストナイトは針状結晶鉱物であり、その平均繊維長は３５μm以上のものが好ましく、６０〜１００μmのものがより好ましい。

また、非晶質シリカは、平均粒径１００〜４００μｍの粗粒と、平均粒径１〜１０μｍの微粒とを組み合わせると、成形性、強度、熱膨張率のバランスといった観点から好ましい。この場合、粗粒と微粒との配合比率は、（粗粒：微粒）比で９９：１〜８５：１５、好ましくは９８：２〜９０：１０であり、熱膨張率を優先する場合は３０：７０〜７０：３０、好ましくは４０：６０〜６０：４０である。

さらに、平均粒径０．１〜１μｍ未満の超微粉の非晶質シリカ（マイクロシリカ）を添加することにより焼結性が向上するため、得られる不定形耐火物成形体の強度が向上する。このマイクロシリカの添加量は、全体の０．１〜１０質量％あればよい。

アルミナセメントは、耐熱性の結合材として寄与する。アルミナセメントの種類には制限は無く、従来から耐火物等に使用されるものを使用することができる。中でも、得られる不定形耐火物成形体の外観に優れることから、Ａｌ_２Ｏ_３成分が５５質量％以上を占めるハイアルミナセメントが好ましい。

不定形耐火物成形材料の材料の配合は、断熱性と機械的強度を両立するために、何れも成形材料全体量に対し、モンモリロナイトを０．１〜１０質量％、好ましくは０．２〜５質量％、さらに好ましくは０．５〜２質量％とし、非晶質シリカ及びワラストナイトの少なくとも一方を２０〜８５質量％、好ましくは５３〜７３質量、さらに好ましくは５８〜６８質量％とし、アルミナセメントを５〜７０質量％、好ましくは２３〜４３質量％、３０〜４０質量％とする。

尚、耐熱衝撃性を重視する場合は、熱衝撃性に優れた低熱膨張率の非晶質シリカと、アルミナセメントと、モンモリロナイトとを含む配合が望ましく、耐食性を重視する場合は耐食性に優れるワラストナイトと、アルミナセメントと、モンモリロナイトとを含む配合が望ましい。また、その中間的な性能を重視する場合は非晶質シリカと、ワラストナイトと、アルミナセメントと、モンモリロナイトとを含む配合が望ましく、この場合、不定形耐火物成形材料の全体量に対し、非晶質シリカを１０〜６０質量％、好ましくは３０〜４０質量％とし、ワラストナイトを１０〜７０質量％、好ましくは２３〜３３質量％とする。

また、不定形耐火物成形材料には、必要に応じて、従来からキャスタブル材料に使用されている耐火材料を適量配合することもできる。但し、本発明ではアルミニウム、亜鉛、スズ、鉛、マグネシウムあるいはこれらの合金等のように概ね融点が８００℃以下の低融点金属の溶湯と接触する部材を対象としていることから、融点が８００℃以上のものを使用する。具体的には、ムライト、ジルコニア、マグネシア、ジルコン等の酸化物系耐火物、窒化ホウ素、窒化珪素、窒化アルミニウム、サイアロン等の窒化物系耐火物、炭化珪素等の炭化物系耐火物、グラファイトや黒鉛等のカーボン系耐火物が挙げられる。これらの添加量は、全体の０．１〜１０質量％が好ましい。

不定形耐火物成形材料は、水と混合され、得られた混練物を所定形状に成形し、硬化させることにより不定形耐火物成形体となる。

また、ヘキサメタ燐酸ナトリウムやトリポリ燐酸ナトリウム、ウルトラポリ燐酸ナトリウム等の分散剤、炭酸リチウムや水酸化カルシウム等の硬化促進剤、ホウ酸やけいフッ化ナトリウム等の硬化遅延剤、あるいは爆裂防止目的でポリプロピレン繊維等の有機繊維を適量配合してもよい。これらの添加量は、全体の０．０５〜０．５質量％が好ましい。

不定形耐火物成形材料と水との混合比率は、混練物を成形したときに形状を保持できればよく、制限はないが、不定形耐火物成形材料１００質量部に対し、水を３０〜７０質量部とすることが好ましい。尚、成形方法は、型枠への流し込みが簡便であり、型枠内で養生、硬化させればよい。養生条件は、特に制限はないが、例えば１５〜２５℃、湿度５０〜９５％ＲＨで２４時間以上行う。

所定形状に成形した後は、乾燥することが好ましく、特に制限はないが、例えば１００〜１２０℃で２４時間以上行う。また、不定形耐火物は乾燥後の成形体中のアルミナセメントの水和物を脱水するため焼成してもよく、特に制限はないが、例えば６００〜８００℃で１〜５時間行う。尚、焼成は必ずしも必要はなく、使用する際に加えられる加熱により焼成してもよい。

このようにして得られる本発明の不定形耐火物成形体は、密度が０．８〜２．０ｇ／ｃｍ^３で、曲げ強度が１〜２０ＭＰａで、熱膨張係数が０．１〜７×１０^−６／℃であり、断熱性と機械的強度の両方に優れ、その他、耐熱性や機械的加工性も良好である。そのため、アルミニウム等の低融点金属を鋳造する鋳造装置の注湯ボックスや樋、保持炉等の内張り材として好適である。

以下に実施例及び比較例を挙げて本発明について更に説明するが、本発明はこれにより制限されるものではない。

（実施例１〜１４、比較例１〜６）
表２〜４に示した配合の成形材料と、水とをプラネタリーミキサーにて５分間混練した混練物を平型用型枠に流し込んで２０℃、８０％ＲＨ、２４時間の条件で養生し、脱型後１０５℃で２４時間乾燥し、更に２００℃／時間の昇温速度で７００℃まで昇温し、この温度に３時間保って焼成することにより、アルミナセメントの水和物の脱水を行い、１６０×４０×４０ｍｍサイズの試験体を作製した。尚、使用材料の詳細は下記表１の通りである。そして、各試験体について下記の物性評価を行った。

（１）線変化率
ＪＩＳＲ２５５４に準拠し、１１０℃または７００℃における線変化率を測定した。
（２）密度の測定
ＪＩＳＲ２６５５に準拠して測定を行った。
（３）曲げ強度及び圧縮強度の測定
ＪＩＳＲ２５５３に準拠して測定を行った。
（４）熱膨張係数の測定
試験体から切出した長さ２０ｍｍ、幅５ｍｍ、厚さ５ｍｍの試験片を、理学電機工業株式会社製熱機械分析装置「ＴＭＡ８３１０」を用いて、空気中で５℃／ｍｉｎの速度で室温から８００℃まで昇温し熱膨張係数を測定した。
（５）熱伝導率
周期加熱法にて測定した。
（６）成形性
キャスティング時の流動性で評価し、良好であるものを○、若干粘るものを△、粘るものを△△とした。

表２〜４から、本発明に従う実施例の試験体は、低密度であり、熱伝導率が小さく、機械的強度も総じて高いことがわかる。実施例の試験体と比較例の試験体とは、モンモリロナイト（精製ベントナイト）の有無で異なっており、モンモリロナイトを配合するこの有意性が確認された。

Claims

モンモリロナイトを０．１〜１０質量％、非晶質シリカおよびワラストナイトの少なくとも一方を２０〜８５質量％、アルミナセメントを５〜７０質量％の割合で含むことを特徴とする不定形耐火物成形材料。
請求項１に記載の不定形耐火物成形材料に水を加えた混練物の成形体を硬化させてなり、かつ、密度が０．８〜２．０ｇ／ｃｍ³で、曲げ強度が１〜２０ＭＰａで、熱膨張係数が０．１〜７×１０^−６／℃であることを特徴とする不定形耐火物成形体。
融点が８００℃以下の低融点金属の溶湯と接触する部位に使用されることを特徴とする請求項２記載の不定形耐火物成形体。