JP2009228047A - マッド材熱間圧入試験装置、及びマッド材熱間圧入試験方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 マッド材の拡がり特性を的確に評価することができるマッド材熱間圧入試験装置を提供する。
【解決手段】 本発明のマッド材熱間圧入試験装置は、炉内に粒状の被燃焼物４が詰め込まれ、炉壁に開口２が形成された焼成炉１と、マッド材Ｍが充填される充填筒７と、充填筒７と焼成炉１の開口２とを接続する中空筒５と、中空筒５を加熱する加熱器６と、充填筒７内のマッド材Ｍを、加熱器６によって加熱された中空筒５を通じて、焼成炉１内に押し出すピストン８とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、炉内にコークス粒等の粒状の被燃焼物が詰め込まれた焼成炉内にマッド材を圧入するマッド材熱間圧入試験技術に関する。

マッド材は、耐火性粉体を液状のバインダで錬り込んでなる錬り土状の耐火物である。以下、高炉の操業を例にとってマッド材の使用態様を説明する。

まず、マッド材は、出銑を終えた出銑孔に圧入充填されてこれを閉塞する（圧入工程）。このとき、マッド材の圧入は炉壁の内側にも及ぶ。即ち、マッド材は、高炉内のコークス粒や溶銑等の内容物を押し退けながら炉内に拡がる。

次回の出銑時期が到来すると、それまでの期間に炉熱で焼結したマッド材をドリルで掘り、再び出銑孔を開ける（開孔工程）。この出銑孔を通じて溶銑が排出される。以上の圧入工程と開孔工程とが交互に繰り返される。

圧入工程でマッド材が炉芯に向かう方向（以下、奥方向という。）に深く拡がる程、開孔工程で開ける出銑孔の深さ（以下、孔深度という。）が深くなる。孔深度を深めることは、長時間の安定した出銑に寄与する。また、マッド材が炉の内面に沿う方向（以下、内面方向という。）にも拡がれば、マッド材によって炉壁を保護する効果も得られる。このため、マッド材には、奥方向及び内面方向への良好な拡がり特性が求められる。

また、圧入工程で圧入されたマッド材が、前回の圧入工程で圧入され、既に炉内で焼結しているマッド材（以下、旧マッド材という。）とよく接着する程、両者の境界で崩落が生じて出銑が不安定化する現象を防止する効果が高い。このため、マッド材には、旧マッド材との良好な接着特性も求められる。

従来、こういったマッド材の具備特性を評価するものとして、以下に示すマッド材熱間圧入試験装置が提案されている。

図２に、特許文献１〜３に共通して開示されたマッド材熱間圧入試験装置の主要部を再現する。この試験装置は、内部にコークス粒２０が詰め込まれ、炉壁に開口２１が形成された焼成炉２２と、この焼成炉２２の開口２１に接続され、内部にマッド材Ｍが充填される充填筒２３と、この充填筒２３内のマッド材Ｍを、焼成炉２２内に押し出すピストン２４とを備える。

焼成炉２２は、実炉を模擬したもので、稼働中はコークス粒２０を燃焼させることで炉内温度が１２００℃以上に達する。稼動中の焼成炉２２にマッド材Ｍを圧入すると、実炉の場合と同様、赤熱したコークス粒２０を押し退けながらマッド材Ｍが炉内に拡がり、炉熱で焼結する。自然冷却ののち、焼成炉２２を解体し、目視観察により、マッド材Ｍの、奥方向及び内面方向への拡がり特性を評価することができる。

図３には、特許文献４に開示されたマッド材熱間圧入試験装置の主要部を再現する。この試験装置は、マッド材Ｍが充填される充填筒３０と、この充填筒３０に接続される中空筒３１と、この中空筒３１を加熱する加熱炉３３と、充填筒３０内のマッド材Ｍを中空筒３１内に押し出すピストン３２とを備える。

この試験装置においては、まず、中空筒３１にマッド材Ｍを押し出し、マッド材Ｍを中空筒３１内で焼結させたのち、その焼結物にドリルで孔を開ける。次に、その孔に再びマッド材Ｍを充填し、焼結させる。自然冷却ののち、中空筒３１を解体し、１回目に充填したマッド材と２回目に充填したマッド材との接着特性を評価することができる。
特開昭６２−１７９６３４号公報（第１図参照） 特開平４−２８０８７８号公報（図１参照） 特開平９−１９４９１７号公報（図１参照） 特開平１１−３４９３８３号公報（図３参照）

図２の装置は、マッド材の拡がり特性をより的確に評価することに関して改善の余地を残している。本願発明者らの研究によると、図２の装置のように、未焼成のマッド材を直ちに焼成炉内に圧入するのではなく、加熱した中空筒を通じて焼成炉内に圧入した方が、マッド材の拡がり特性をより的確に評価できることが判った。

図３に示したように、中空筒３１を加熱する構成は公知であるが、図３の装置は専ら旧マッド材との接着特性を評価するためのものであり、中空筒３１内でマッド材Ｍを焼結させることが必須であるため、マッド材Ｍを、中空筒３１を通じてコークス粒間へ押し込むことが想定できない。

本発明の目的は、マッド材の特性、特に拡がり特性を従来よりも的確に評価することができるマッド材熱間圧入試験技術を提供することである。

本発明の一観点によれば、炉内に粒状の被燃焼物が詰め込まれ、炉壁に開口が形成された焼成炉と、マッド材が充填される充填筒と、前記充填筒と前記焼成炉の開口とを接続する中空筒と、前記中空筒を加熱する加熱器と、前記充填筒内のマッド材を、前記加熱器によって加熱された中空筒を通じて、前記焼成炉内に押し出すピストンとを備えたマッド材熱間圧入試験装置が提供される。

本発明の他の観点によれば、（ａ）炉内に粒状の被燃焼物を収容し、炉壁に開口が形成された焼成炉の該開口に接続される中空筒を準備する工程と、（ｂ）該中空筒の長さ方向に関する温度分布の少なくとも一部分が、該中空筒を稼働中の前記焼成炉の開口に接続して両者が熱平衡に達したときの、該中空筒の長さ方向に関する温度分布の対応する部分を上回るように、該中空筒を加熱する工程と、（ｃ）その加熱状態の中空筒を通じて、前記焼成炉内にマッド材を圧入する工程とを有するマッド材熱間圧入試験方法も提供される。

予め加熱した中空筒を通じてマッド材を焼成炉内に圧入することにより、マッド材の特性、特に拡がり特性を従来よりも的確に評価することができる。

図１（Ａ）は、本発明の実施例によるマッド材熱間圧入試験装置の概略図を示す。

焼成炉１は、炉壁にマッド材Ｍを受け入れる開口２が形成され、かつ炉底に空気供給管３を有してなる。焼成炉１内には、粒径３０〜７０ｍｍのコークス粒４が詰め込まれている。空気供給管３から焼成炉１内に空気を供給し、コークス粒４を燃焼させることで、稼働中、炉内温度は１０００℃以上、具体的には１０００〜１５００℃に達する。

中空筒５が、焼成炉１の開口２に着脱可能に接続されている。中空筒５は鉄よりなる。中空筒５の長さをＬ、内径をｄとしたとき、Ｌ／ｄの値は、３０以上であることが好ましい。例えば、内径ｄが３０〜２００ｍｍのとき、長さＬは９００〜６０００ｍｍである。一具体例として、中空筒５の内径ｄを５０ｍｍとし、長さＬを２５００ｍｍとした。

加熱器６が、中空筒５に設けられている。加熱器６は、中空筒５を３００℃以上に加熱する。具体的には、加熱器６は、中空筒５の長さ方向に間隔をおいて配置された第１及び第２の電気ヒータ６ａ及び６ｂよりなり、第１の電気ヒータ６ａが中空筒５を３００℃に加熱し、第２の電気ヒータ６ｂが中空筒５を６００℃に加熱する。

充填筒７が、中空筒５に接続されている。充填筒７内には、マッド材Ｍが充填されている。充填筒７の容積は、中空筒５の容積よりも大きい。充填筒７の胴部の内径は中空筒５の内径よりも大きく、充填筒７の中空筒５との接続部は先絞り状となっている。

ピストン８が、充填筒７に嵌まっている。ピストン８は、充填筒７内のマッド材Ｍを焼成炉１に向けて押し出す。押し出されたマッド材Ｍは、加熱器６によって加熱された中空筒５を通じて、稼働中の焼成炉１内に圧入される。マッド材Ｍの圧入速度は、中空筒５の位置において２００００〜３００００ｍｍ／分であることが好ましい。本実施例では２３０００ｍｍ／分とした。

焼成炉１内に圧入されたマッド材Ｍは、赤熱したコークス粒４を押し退けながら焼成炉１内に拡がり、炉熱で焼結する。焼成炉１の稼動を停止させたのち、焼成炉１を解体し、目視観察により、マッド材Ｍの、奥方向及び内面方向への拡がり特性を評価することができる。

この他、マッド材Ｍよりなる焼結体の見掛け気孔率、かさ比重、曲げ強さ、圧縮強さ等の物性を測定し、組織のしまり具合等を評価することもできる。

また、以下の要領で、旧マッド材との接着特性を評価することもできる。まず、マッド材Ｍを焼成炉１内に圧入する。次に、中空筒５を焼成炉１の開口２から取り外したのち、開口２から焼成炉１内にドリルを挿入し、焼成炉１内で焼結しているマッド材Ｍ及びコークス粒４を掘削し、掘削穴を形成する。次に、中空筒５を焼成炉１の開口２に接続し、上記掘削穴にマッド材Ｍを圧入する。

２回目に圧入したマッド材Ｍが焼結した後、焼成炉１から焼結物を取り出す。その焼成物を試料とし、例えば、２回目に圧入したマッド材を、１回目に圧入したマッド材から剥離させるのに要するせん断力を測定する。そのせん断力の大きさは、旧マッド材との接着特性を評価する指標となる。

図１（Ｂ）は、中空筒の長さ方向に関する温度分布を示すグラフである。縦軸が温度を示し、横軸は中空筒の長さ方向の位置を示す。

曲線Ｐが、図１（Ａ）の中空筒５の温度分布を示す。図１（Ａ）で、充填筒７側の第１の電気ヒータ６ａが中空筒５を３００℃に加熱し、焼成炉１側の第２の電気ヒータ６ｂが中空筒５を６００℃に加熱するため、中空筒５には、曲線Ｐのように、焼成炉１に近づくに従って段階的に温度が高くなった部分を有する温度分布が付与される。

曲線Ｑは、図１（Ａ）の装置から加熱器６を省略した場合の、中空筒５の温度分布を示す。加熱器６が無い場合、中空筒５が、稼働中の焼成炉１と熱平衡に達しても、曲線Ｑが示すように、中空筒５の温度は、高々８０℃程度にしか達しない。中空筒５の焼成炉１側端部の温度も１００℃以下である。

本実施例によると、中空筒５をこれが稼働中の焼成炉１と熱平衡に達したときの温度（曲線Ｑ参照）よりも高い温度（曲線Ｐ参照）に加熱しておき、この加熱状態の中空筒５を通じて、マッド材Ｍを焼成炉１内に圧入するため、マッド材Ｍの上記各特性等を従来よりも的確に評価することができる。

表１は、同じマッド材についての、図１（Ａ）の装置（本発明実施例法）による評価結果と、図１（Ａ）の装置から加熱器６及び中空筒５を省略し、充填筒７を焼成炉１の開口２に直接接続した装置（比較例法）による評価結果とを示す。本発明実施例法と比較例法とで、マッド材の圧入速度等の実験条件は等しくした。

評価対象のマッド材は、耐火性粉体をタール及びレジンの相溶液で錬り込んだものである。かかるマッド材の拡がり特性及び旧マッド材との接着特性を○、△、×の三段階で評価した。

表１に示すように、比較例法による評価で○が得られた項目が、本発明実施例法による評価では、必ずしも○が得られていない。このような評価結果の相違は、マッド材が加熱された中空筒５を通過する過程で、マッド材の中空筒５内面と接する部分の性状が変化することにより現れるものである。

実炉においても、出銑孔に圧入されたマッド材は、出銑孔を通過する過程で受熱してから炉内容物と接触するため、本発明実施例法による評価結果は、比較例法による評価結果よりも、マッド材の実機使用における特性をより的確に表したものといえる。

表１で、本発明実施例法による評価結果を考慮すると、内面方向への拡がり特性、及び旧マッド材との接着特性を改善するために、例えば、バインダに占めるレジンの割合を高めるといった措置を講ずることとなる。

なお、この措置は、比較例法による評価結果を考慮した場合に講ずる措置とは全く逆である。即ち、比較例法による評価結果を考慮した場合、むしろ奥方向への拡がり特性を高めるべく、バインダに占めるタールの割合を高めるといった措置を講ずることとなる。

以上、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれに限られない。

例えば、図１（Ｂ）には、曲線Ｐで示す温度分布が、中空筒５の全長にわたる範囲において、曲線Ｑで示す温度分布を上回る例を示したが、曲線Ｐで示す温度分布の少なくとも一部分が、曲線Ｑで示す温度分布の対応する部分を上回っていれば、マッド材の実機使用における特性を従来よりも的確に評価することができる。

また、図１（Ａ）には、直管状の中空筒５を示したが、中空筒５は湾曲していてもよい。また、中空筒５の内径ｄを、中空筒５の長さ方向の位置によって異ならせてもよい。本明細書において、中空筒の長さＬとは、中空筒の中心軸に沿った管路長をいい、中空筒の内径ｄとは、中空筒の全長にわたっての平均内径をいうものとする。また、中空筒の位置におけるマッド材の圧入速度とは、中空筒の全長にわたってのマッド材の平均圧入速度をいうものとする。

また、図１（Ａ）の例では、中空筒５の素材に鉄を用いたが、加熱器６によって外側から加熱しうる素材であれば特に限定されない。中空筒５を、例えばステンレスや他の合金又は金属を用いて構成してもよい。さらに、中空筒５の少なくとも一部分を、マッド材等の不定形耐火物、耐火れんが、その他のセラミックスで構成してもよい。

また、図１（Ａ）には、加熱器６を２つに分割して構成した例を示したが、加熱器６を３つ以上に分割して構成してもよい。また、加熱器６には、電気ヒータを用いたが、ガスバーナや赤外線ランプ等公知の加熱手段を用いることができる。また、図１（Ａ）で、中空筒５と充填筒７とは一体構造であってもよいし、分割可能な構成であってもよい。

また、図１（Ａ）では、焼成炉１内に詰め込む粒状の被燃焼物としてコークス粒４を用いたが、コークス粒４に代えて、又はコークス粒と共に、銑鉄粒、スラグ粒、鉄鉱石、石炭、焼結鉱、石灰石等を用いてもよい。この他、種々の変更、改良、及び組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

本発明は、例えば、マッド材の開発段階において利用でき、本発明による評価結果を開発にフィードバックすることで、優れたマッド材の実現に貢献できる。また、本発明は、例えばマッド材の製造現場において検定用に利用することもできる。

本発明による評価の対象となるマッド材は、高炉用のマッド材に限られない。本発明は、例えば、電気炉、廃棄物溶融炉、その他の間欠出湯方式の溶解炉における溶湯の出湯口の閉塞に用いられるマッド材の評価にも広く利用されうる。

（Ａ）は実施例によるマッド材熱間圧入試験装置の概略図であり、（Ｂ）は中空筒の長さ方向に関する温度分布を表したグラフである。 従来のマッド材熱間圧入試験装置の概略図である。 従来のマッド材熱間圧入試験装置の概略図である。

符号の説明

１…焼成炉、２…開口、３…空気供給管、４…コークス粒、５…中空筒、６…加熱器、６ａ…第１の電気ヒータ、６ｂ…第２の電気ヒータ、７…充填筒、８…ピストン、Ｍ…マッド材。

Claims (2)

1. 炉内に粒状の被燃焼物が詰め込まれ、炉壁に開口が形成された焼成炉と、
   マッド材が充填される充填筒と、
   前記充填筒と前記焼成炉の開口とを接続する中空筒と、
   前記中空筒を加熱する加熱器と、
   前記充填筒内のマッド材を、前記加熱器によって加熱された中空筒を通じて、前記焼成炉内に押し出すピストンと
   を備えたマッド材熱間圧入試験装置。
2. （ａ）炉内に粒状の被燃焼物を収容し、炉壁に開口が形成された焼成炉の該開口に接続される中空筒を準備する工程と、
   （ｂ）該中空筒の長さ方向に関する温度分布の少なくとも一部分が、該中空筒を稼働中の前記焼成炉の開口に接続して両者が熱平衡に達したときの、該中空筒の長さ方向に関する温度分布の対応する部分を上回るように、該中空筒を加熱する工程と、
   （ｃ）その加熱状態の中空筒を通じて、前記焼成炉内にマッド材を圧入する工程と
   を有するマッド材熱間圧入試験方法。

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