JP2010230194A

JP2010230194A - 耐火物の施工方法および施工された加熱炉

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Publication number: JP2010230194A
Application number: JP2009075629A
Authority: JP
Inventors: Tomomichi Yasumatsu; 知道安松; Keisuke Takenaga; 計介武永; Yoshiyuki Yoneyama; 佳行米山
Original assignee: Ube Industries Ltd
Current assignee: Ube Corp
Priority date: 2009-03-26
Filing date: 2009-03-26
Publication date: 2010-10-14
Anticipated expiration: 2029-03-26
Also published as: JP5488785B2

Abstract

【課題】
本発明は、耐火物が剥離や落下を起こすことなく耐火物を確実に保持するための耐火物の施工方法およびその耐火物が施工された加熱炉を提供する。
【解決手段】
スタッドを加熱炉の内壁面に固定し、加熱炉の壁面に開口部を設け、開口部から加熱炉内に向かってアンカーレンガを挿入し、アンカーレンガは加熱炉の内部に向かって延出する延出部と、延出部に設けられ延出方向に交差する方向に突出したアンカー部を有しており、アンカーレンガの先端部を前記開口部で固定し、加熱炉内に耐火物を敷設するための型枠を設けた後に型枠に耐火物を敷設し、その後型枠を除去することにより、スタッドとアンカーレンガにより耐火物を保持することを特徴とする加熱炉への耐火物の施工方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、耐火物を確実に保持するための耐火物の施工方法およびその耐火物が施工された加熱炉に関する。

図２に通常のセメント焼成装置の概略図を示す。予熱塔１０の最下段サイクロン１１の天井部１２の内部には耐火物が施工されている。図３に従来の該内張り耐火物の断面図を示す。この２層の耐火物の構造は、キャスタブルの断熱層２と、キャスタブルの耐火層４から成っている。各耐火物を固定する金属製であるスタッド５，６は、最下段サイクロン１１の鉄皮１に溶接されている。ここに、スタッドとは、現地で流し込み固化するキャスタブル耐火物を炉壁の内側に強固に固定するための一種の埋め込み用の鋲であって、キャスタブルの内部に多数埋設される。スタッドは、スタッドの先端部が分岐したＹ字型スタッド５や、スタッドの途中と先端が分岐したＹＹ字型スタッド６のいずれかでそれぞれ交互に混成され、耐火物の落下を防止する目的で設置されている。

しかし、近年の廃棄物をセメント原料に有効利用する状況において、その廃棄物の使用量が徐々に増加するにしたがって、耐火物の剥落が見られるようになった。この結果、耐火物の全体的な厚さが薄くなって、鉄皮１の温度が上昇してしまう。そのため、セメント焼成装置を停止して補修せざるをえなかった。

特許文献１には、２層または３層の耐火物の施工方法が示されている。しかし、廃棄物の使用量が徐々に増加することに起因すると思われる上記の問題点について記載されておらず、耐火物の剥落を防止する対策が待望されていた。

特開平１１−１３０４８５号公報

本発明は、耐火物が剥離や落下を起こすことなく耐火物を確実に保持するための耐火物の施工方法およびその耐火物が施工された加熱炉を提供することを目的とする。

本発明者らは、内張り耐火物である断熱層２と耐火層４の状況を注意深く観察するとともに、種々の検討の結果、以下のような知見を得るに至った。
まず、図３に示す断熱層２と耐火層４の境界部１３の温度は、熱計算を行うと７９０℃になった。この温度近辺の領域では、セメント原料中の化学成分の塩化カリウム（ＫＣｌ）と塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）とが液体の状態で存在していることが推測された。温度域が７００〜８００℃の範囲内であると、断熱層２と耐火層４の境界部１３にできた間隙より炉内７から侵入した気相のアルカリ塩であるＫＣｌとＮａＣｌが液相になる。この液相が凝縮し、断熱層２や耐火層４を保持している境界部１３部分の金属製のスタッド５，６を腐食させ、さらに場合によっては境界部１３付近において切断１５を起しやすくしていたと推測された。この範囲の温度域を腐食温度領域９と呼ぶ。

耐火層４とスタッド５，６の熱膨張差の熱応力による亀裂や、最下段サイクロン１１のサイクロンガス出口１９の下端部である内筒部１７において、耐火物を設置しない付近の部分などを経由して、炉内７で気化したＫＣｌやＮａＣｌなどが境界部１３に侵入すると推定できた。炉内７に含有するアルカリ塩の腐食性ガスによって腐食し穴が開いた状態でのスリーブ１８と内筒部１７との間隙や、スリーブ１８と耐火層４の間隙などを経由して液相温度領域の境界部１３で液化して侵入してくると考えられた。セメント原料としての各種廃棄物のうち塩素化合物の多い廃棄物が増えることが、ＫＣｌ、ＮａＣｌをさらに増加させている理由であることを特定するに至った。

本発明者らは、セメント焼成装置の予熱塔１０における内張り耐火物について、スタッドの他にアンカーレンガを使用することにより耐火層４や断熱層２などのキャスタブル耐火物を保持することを見出した。
すなわち、本発明は以下のとおりである。
（１）スタッドを加熱炉の内壁面に固定し、加熱炉の壁面に開口部を設け、開口部から加熱炉内に向かってアンカーレンガを挿入し、アンカーレンガは加熱炉の内部に向かって延出する延出部と、延出部に設けられ延出方向に交差する方向に突出したアンカー部を有しており、アンカーレンガの先端部を前記開口部で固定し、加熱炉内に耐火物を敷設するための型枠を設けた後に型枠に耐火物を敷設し、その後型枠を除去することにより、スタッドとアンカーレンガにより耐火物を保持することを特徴とする加熱炉への耐火物の施工方法。
（２）前記耐火物の敷設は、耐火層のキャスタブルを型枠に流し込み乾燥した後に、断熱層のキャスタブルを耐火層の上に流し込み乾燥させる前記（１）記載の加熱炉への耐火物の施工方法。
（３）耐火物が内壁面に施工された加熱炉において、加熱炉の内壁面に一端が固定され、他端が加熱炉内に向かって延出したスタッドと、加熱炉の壁面に設けられた開口部と、開口部から加熱炉内に向かって延出するアンカーレンガを有しており、前記アンカーレンガは加熱炉の内部に向かって延出する延出部と、延出部に設けられ延出方向に交差する方向に突出したアンカー部を有しており、前記アンカーレンガの先端部は開口部で固定され、スタッドとアンカーレンガが耐火物を保持することを特徴とする加熱炉。
（４）耐火物の施工部分における単位面積あたりのアンカーレンガとスタッドの設置数の比率が、１：４〜１：８の範囲である前記（３）記載の加熱炉。
（５）前記加熱炉は、セメント製造装置における予熱塔の最下段サイクロン、仮焼炉、ライジングダクト、またはロータリーキルンの窯尻部のうちの少なくとも１つである前記（３）または（４）に記載の加熱炉。

本発明によれば、スタッド５、６が腐食し、切断した場合においても、アンカーレンガによって、耐火物が保持され、炉内７への剥離や落下を低減することが可能となる。この結果、耐火物を補修する頻度を大幅に低下することができ、セメント焼成装置の操業度を向上させることができる。

本発明における耐火物施工方法の一例目の構造の概略図である。通常のセメント焼成装置の概略図である。従来の耐火物施工方法の構造の概略図である。本発明におけるＹ字型スタッドの構造の概略図である。本発明におけるＹＹ字型スタッドの構造の概略図である。本発明における耐火物施工方法の二層の構造で、キャスタブルの１層目の流し込みの概略図である。本発明における耐火物施工方法の二層の構造で、キャスタブルの２層目の流し込みの概略図である。アルカリ塩が耐火物の境界部へ侵入する間隙の想定概略図である。本発明のアンカーレンガを固定する方法の概略図で、左が側面図、右が正面図である。

本発明でいう加熱炉とは、セメントの仮焼炉のような微粉炭を燃焼させ高温となるため炉壁に耐火物を敷設することが必要である炉をいうが、これに限るものではなく、例えば高温のガスが導通されるような耐火物を敷設する必要がある箇所を含む概念である。加熱炉の一例として、セメント製造装置における予熱塔１０の最下段サイクロン１１の天井部１２に施工する内張り耐火物について２つの例を詳細に説明する。本発明の該内張り耐火物の断面図について、図１にキャスタブルの１層打ち施工方法を、図６と図７にキャスタブルの２層打ちの施工方法を示す。内張り耐火物の全体の厚さは、２５０〜３００ｍｍである。鉄皮１（内壁面）を貫通し施工しているアンカーレンガ３の形状は、施工されたキャスタブルを保持する形状であれば特に問わない。一例を示すと、アンカーレンガ３の全体の形状は図９に示すように該直方体であり、鉛直方向に施工される。アンカーレンガ３は鉛直方向に延在する延出部３ａと、この延出部３ａから水平方向に突出するアンカー部２３とを有する。アンカー部２３はキャスタブルを保持し、延出部３ａの長手方向に複数設けられている。延出部３ａは鉛直方向の高さが３５０〜４００ｍｍで、切断面の１辺が１００〜１３０ｍｍ長方角柱の形状が好ましいが、同じ断面積相当の円形断面であってもよい。なお、アンカーレンガ３の材質は、高アルミナ質系耐火レンガが好ましい。具体的には、コンバレントマテリアル株式会社の製品名：ＳＰＡＬＺＩＴ−Ａ相当品を使用することができる。アンカーレンガ３は、所定の材質の配合素材を、規定の寸法の型枠に入れて焼結したものを使用する。

図９に一例を示すように、アンカー部２３の個数はアンカーレンガ３の１本の１側面に対して２〜６個である。この範囲以外になるとアンカー部２３にキャスタブルの重量の力が掛かかった際に折れやすくなる。アンカーレンガ３の周囲形状は外周１周りから４半周の範囲で断面が山型のひだ形状の山脈であるが、螺旋形状であってもよい。複数のアンカー部２３の凸凹形状の断面で１つの山型の形状は、台形、半円、長方形などが好ましいが、これらいずれの組み合わせた形状であってもよい。なお、アンカー部２３の突出量は、配置が可能な限り長くすることで、キャスタブルとの摩擦抵抗を大きくさせることができ、キャスタブルを確実に保持するために有効である。

なおアンカー部２３の山型の高さは、７〜３０ｍｍであるが、好ましくは１０〜２０ｍｍである。７ｍｍ未満であったら、アンカー部２３にキャスタブルの重量の力が掛かかった際に滑りやすくなるし、３０ｍｍを越えるとアンカー部２３が折れやすくなる。複数のアンカー部２３の最適な凸凹形状によって、キャスタブルの剥離や落下がし難い構造となる。なお、アンカーレンガの長さは、炉内の耐火物層の厚さから先端が炉内に出ない程度で、また、鉄皮に炉外部から固定できる程度の長さが最適である。一般的には、予熱塔の下部における炉内の内張り耐火物の層厚は、２５０〜３００ｍｍである。

なお、本発明の適用は、耐火物の境界部１３の温度が７００〜８００℃の範囲である場合、予熱塔１０におけるどこの場所であってもよく、最下段サイクロン１１の天井部１２に限るものではない。本発明が適用できる場所は、最下段サイクロン１１、仮焼炉２５、ライジングダクト２６、ロータリーキルンの窯尻部２７などにおいて、炉壁のキャスタブルが重力によって、それぞれの鉄皮から剥がれる可能性がある天井部や傾斜部分などであって、炉内部の雰囲気温度が７００℃以上の位置である。

耐火物を固定するものは、耐食性・耐熱性のあるアンカーレンガ３のみでもよいが、良好な施工性と経済性から見て、耐食性・耐熱性には弱いがスタッド５，６を併用した方が好ましい。スタッド５，６は、最下段サイクロン１１の鉄皮１に溶接部１４で盛り付け溶接された丸鋼からできており、Ｙ字型スタッド5やＹＹ字型スタッド６のいずれかで交互に配置され混成されている。

なお、先端部のＹ字の開き角度は、５５〜８０度であり、スタッド５，６の材質がステンレス鋼の丸鋼で、直径が１０〜２０ｍｍである。なお、１０mm未満であると、耐火物の自重やスタッド５，６の腐食による切断によって、キャスタブルが落下しやすくなる。２０ｍｍを越えると熱的性能のスペックが過剰となり経済性に劣る。また、スタッド５とスタッド６はそれぞれが千鳥配列であって、同形状のスタッド同士の距離は４００〜５００ｍｍであることが好ましく、耐火物の落下防止と経済性の観点から、最適な範囲である。

アンカーレンガ３とスタッド５，６の単位面積あたりの設置数の比率は、これまでのスタッド５，６の耐久実績とアンカーレンガ３とスタッド５，６の価格等を考慮して、１：４〜１：８の範囲が好ましい。１：８を越えスタッド５，６の比率が大きくなると、アンカーレンガ３を配置した効果が減少し、１：４を下回りアンカーレンガ３が多くなると施工費用が増大する。いずれの場合も、アンカーレンガ３やスタッド５，６などが均等な位置に分布していることが大切である。

次にアンカーレンガ３の鉄皮１への固定方法について説明する。アンカーレンガ３の鉄皮１への吊り方は、どんな方法や手段であってもよく、長期的に耐久性のあるものであればよい。例えば、図９に示すように、アンカーレンガ３の頭部を鉄皮１の貫通孔２９（開口部）から貫通させ、弾力性のある吊り金具２２でアンカーレンガ３の首を引っ掛けて、炉外８の鉄皮１に溶接した支持部２８で固定した吊り棒２１から吊るして、アンカーレンガ３を固定することができる。吊り金具２２や吊り棒２１は、特に形状や材質を規定するものではない。

次に、図６と図７によって耐火物の施工例を説明する。キャスタブルについて、２層打ちの場合の１層目の耐火層４は高アルミナ質キャスタブルであって、アンカーレンガ３を前記のように、鉄皮１に固定した後、アンカーレンガ３を埋め込むように型枠２４を作る。型枠２４を固定するために、まず、型枠止めボルト３０のナット用座金が型枠２４の板が所定の位置に来るように該座金の位置を決め、型枠止めボルト３０が垂直になるようにしながら、スタッド５，６のＹ字型部分に型枠止めボルト３０を溶接し固定する。付近にスタッド５，６がない場合は、鉄皮１に溶接し固定する。型枠止めボルト３０を固定する間隔は、基本的にはスタッド５．６のＹ字の位置と同じ位置に設置することが好ましい。型枠止めボルト３０の直径は、必要な耐久強度からφ５〜７ｍｍの直径のボルトである。型枠止めボルト３０の取り付けが終わったら、型枠２４の板を型枠止めボルト３０に通してナットで締め付けながら、所定の位置に固定する。なお、型枠２４の厚みは、１２ｍｍの寸法である。型枠２４の取り付けが完了したら、図６に示すように、上部の貫通孔２９から型枠２４の上に１層目の耐火層４としてキャスタブルが流し込まれ、１層目の耐火物として施工される。

この際の耐火層４の厚さは、１２５〜２２５ｍｍであり、この材質は高いアルミナ質である。1層目が乾燥したら、次に、図７に示すように、２層目の断熱層２は軽量粘土質キャスタブルであって、鉄皮１と耐火層４とに接して、５０〜１５０ｍｍの厚みを、上部の貫通孔２９から流し込む。２層目も乾燥し固化したら、型枠２４を剥がし取り除いて施工は完了する。このように施工すると、鉄皮１は操業時においても赤熱しない。

次に、図１の施工例においては、1層打ち施工の耐火層４は高アルミナ質キャスタブルであって、アンカーレンガ３を鉄皮１に固定した後、アンカーレンガ３を埋め込むように型枠２４を作り、上部の貫通孔２９から型枠２４に流し込まれ耐火物として鉄皮１に接して施工される。耐火層４の厚さは、２５０〜３００ｍｍであり、この材質は高いアルミナ質である。乾燥し固化したら、型枠２４を剥がし取り除いて施工は完了する。なお、型枠の材質は、木質系・樹脂系であれば、そのまま、操業することができるが、金属製の場合には、操業の直前に型枠２４を除去する。このような施工によっても、鉄皮１は操業時においても赤熱しない。

本発明のような、耐火物の施工方法を行うことによって、アンカーレンガ３の近くに位置するスタッドが仮に腐食しても、アンカーレンガ３には耐食性があってアンカー部２３とキャスタブルとの接触摩擦抵抗が高いので、耐火物が剥離や落下を起こすことが大幅に低減でき、また炉内の傾斜天井部などの場所によっては耐火物の剥離を防止することができる。

上記においては、加熱炉としてセメント製造装置における予熱塔１０の最下段サイクロン１１の天井部１２に施工する内張り耐火物を例に挙げて説明したが、本発明が適用できる場所は、これに限定されるものではない。例えば、セメント製造装置における最下段サイクロン１１、仮焼炉２５、ライジングダクト２６、ロータリーキルンの窯尻部２７などの少なくとも１箇所において、炉壁のキャスタブルが重力によって、鉄皮から剥がれる可能性がある炉の天井部や傾斜部分などであって、炉内部の雰囲気温度が７００℃以上の位置にも本発明を適用することができる。
また、上記のようなセメント焼成装置の他にも、加熱炉としては炉内で発生したガスが耐火物層の内部で液相となる温度領域が存在する各種の工業炉の炉壁にも適用することができる。

図２に示すセメント焼成の予熱塔１０における最下段サイクロン１１の天井部１２の内張り耐火物として、本発明の図６と図７に示す施工方法で実施した。最下段サイクロン１１内のガス温度は、平均９００℃であって、最下段サイクロン１１のシュート部２０での原料中の塩素濃度が、０．５〜２．５質量％であった。耐火物廻りの温度分布については、炉内７の温度が平均９００℃で、境界部１３の温度が平均７８０℃であって、腐食温度領域９の範囲内であった。

また、アンカーレンガ３は、材質が高アルミナ質の耐火レンガで、寸法は、高さが３５０ｍｍ、切断面が１００ｍｍ×１２５ｍｍの長方角柱であった。アンカー部２３の個数は上下の高さ方向に４個で、周囲の形状は１／４周ごとに長方断面の各辺に独立していて、山型の高さが、１２．５ｍｍであった。なお、アンカー部２３の山形形状は断面が台形の山脈形状であった。また、アンカーレンガ３の材質は、高アルミナ質の耐火レンガとした。

鉄皮１の厚さは、９ｍｍであった。２層の耐火物の構造は、厚さが１００ｍｍのキャスタブルの軽量粘土質キャスタブルの断熱層２と、厚さが１７５ｍｍのキャスタブルの高アルミナ質の耐火層４から成っている。キャスタブル耐火物の全体の厚さ寸法は２７５ｍｍとした。

図９に示すように、アンカーレンガ３の固定方法は、炉外８に固定した吊り棒２１に巻き付けた吊り金具２２でもって、鉄皮１の貫通孔２９から炉外３に露出させたアンカーレンガ３の上部の首に引っ掛ける構造とした。なお、外径がφ６０．５ｍｍ（規格：ＳＧＰ５０Ａ）の鋼管製の吊り棒２１の両端は、最下段サイクロン１１の上面の天井部１２の鉄皮１に溶接で固定した支持部２８としては、Ｉ型鋼に２本のＵボルトを使用して固定した。吊り棒２１は外径がφ６０．５ｍｍの鋼管であり、また吊り金具２２は外径φ９ｍｍの丸鋼を曲げ加工して製作した。

Ｙ字型スタッド５の寸法は、高さが２５０ｍｍで、ＹＹ字型スタッド６の寸法は、高さが２５０ｍｍであって、いずれも太さの直径がφ１６ｍｍで、先端部のＹ字の開き角度は６０度であった。また、スタッド５とスタッド６はそれぞれが千鳥配列であって、同形状のスタッド同士の距離は４５０ｍｍとして鉄皮１に溶接した。アンカーレンガ３とスタッド５，６の単位面積あたりの設置数の比率は、１：８とした。

耐火物等の施工手順は次のとおりである。
アンカーレンガ３の敷設については、加熱炉の鉄皮１を貫通する貫通孔２９について前記の所定の間隔で、貫通孔２９を酸素カス切断器で穴を開けた。次に、鉄皮１の炉内側の内面にスタッド５，６を前記の所定の間隔で溶接し、固定した。
そして、鉄皮１から３００ｍｍのキャスタブルを流し込む空間を形成し、アンカーレンガ３を埋め込むように型枠２４を設けるために、型枠止めボルト３０を近くのスタッド５，６に溶接して固定した。その後、厚さが１２ｍｍの型枠２４を、型枠止めボルト３０に通してナットで締め付けながら、所定の位置に固定した。
型枠３０の設定が全て終わったら、図６に示すように、貫通孔２９から、耐火層４のキャスタブルを流し込む。キャスタブルは、高アルミナ質キャスタブルであって、主成分がＡｌ₂Ｏ₃＝８３％、ＳｉＯ₂＝１２％で、その時の圧縮強さ＝１２３ＭＰａ、曲げ強さ＝１６．７ＭＰａ、最高温度＝１５００℃、線変化率＝０％、熱伝導率＝０．４１Ｗ／（ｍ・Ｋ）などであった。

耐火層４が固まったら、図７に示すように、軽量粘土質キャスタブルの断熱層２を耐火層４の上に鉄皮１に達するまで、貫通孔２９から流し込んだ。厚さは約１００ｍｍで、キャスタブル耐火物の全体の厚さ寸法は２７５ｍｍとした。断熱層２が固まったら、キャスタブルを流し込んだ穴に鉄板でふたをした。その後、型枠３０を解体して炉外に除去した。

約１年間、予熱塔１０の連続操業を行い、1年後、要所のキャスタブルを分解して点検調査を行った結果、スタッド５，６は一部腐食しているものがあったが、アンカーレンガ３の損傷は全くなく、施工した耐火物の剥離や割れなど一切、発生していないことを確認した。

本発明は、セメント焼成装置などの各種の工業炉において耐火物を施工する際に利用することができる。

１鉄皮（内壁面）
２断熱層
３アンカーレンガ
３ａ延出部
４耐火層
５Ｙ字型スタッド
６ＹＹ字型スタッド
７炉内
８炉外
９腐食温度領域
１０予熱塔
１１最下段サイクロン
１２天井部
１３境界部
１４溶接部
１５腐食切断
１６目地
１７内筒部
１８スリーブ
１９サイクロンガス出口
２０シュート部
２１吊り棒
２２吊り金具
２３アンカー部
２４型枠
２５仮焼炉
２６ライジングダクト
２７窯尻部
２８支持部
２９貫通孔（開口部）
３０型枠止めボルト

Claims

スタッドを加熱炉の内壁面に固定し、加熱炉の壁面に開口部を設け、開口部から加熱炉内に向かってアンカーレンガを挿入し、アンカーレンガは加熱炉の内部に向かって延出する延出部と、延出部に設けられ延出方向に交差する方向に突出したアンカー部を有しており、アンカーレンガの先端部を前記開口部で固定し、加熱炉内に耐火物を敷設するための型枠を設けた後に型枠に耐火物を敷設し、その後型枠を除去することにより、スタッドとアンカーレンガにより耐火物を保持することを特徴とする加熱炉への耐火物の施工方法。
前記耐火物の敷設は、耐火層のキャスタブルを型枠に流し込み乾燥した後に、断熱層のキャスタブルを耐火層の上に流し込み乾燥させる請求項１記載の加熱炉への耐火物の施工方法。
耐火物が内壁面に施工された加熱炉において、加熱炉の内壁面に一端が固定され、他端が加熱炉内に向かって延出したスタッドと、加熱炉の壁面に設けられた開口部と、開口部から加熱炉内に向かって延出するアンカーレンガを有しており、前記アンカーレンガは加熱炉の内部に向かって延出する延出部と、延出部に設けられ延出方向に交差する方向に突出したアンカー部を有しており、前記アンカーレンガの先端部は開口部で固定され、スタッドとアンカーレンガが耐火物を保持することを特徴とする加熱炉。
耐火物の施工部分における単位面積あたりのアンカーレンガとスタッドの設置数の比率が、１：４〜１：８の範囲である請求項３記載の加熱炉。
前記加熱炉は、セメント製造装置における予熱塔の最下段サイクロン、仮焼炉、ライジングダクト、またはロータリーキルンの窯尻部のうちの少なくとも１つである請求項３または４に記載の加熱炉。