JP2011252696A - 複合耐火物 - Google Patents

Abstract

【課題】１３００℃以上の高温環境で使用される場合に最適な耐食性を備えた耐火層と、熱損失の低減に最適な断熱層の２層を有し、かつ、該２層間の固着力の向上と耐食性の向上を図った、複合耐火物を提供すること。
【解決手段】耐火層２と断熱層４とを焼成によらず一体化した複合耐火物１であって、該耐火層２が塩基性耐火物からなり、該断熱層４が０．２〜１Ｗ/ｍ・ｋの低熱伝導性を有する不定形材料からなり、両層の熱膨張係数差が０〜６×１０^−６／Ｋである。
【選択図】図１

Description

本発明はロータリーキルンの内張りなどに使用される複合耐火物に関するものである。

セメント工場やパルプ工場で使用されるロータリーキルンは、円筒状のシェルの内面に耐火壁を内張した構造を有する。従来から、ロータリーキルンの熱損失を低減する技術として、シェルの内面に内張される耐火壁を、耐火層と低熱伝導性の断熱層の２層構造とする手段が採用されている。

このような２層構造を採用した場合、ロータリーキルン内において被焼成物はシェル内を軸方向に移動するから、内張レンガにはその方向に応力が生じやすく、キルンの操業時に被焼成物から耐火壁の２層構造部に作用する摩擦力によって、両層が剥離して耐火層が脱落してしまう問題があったが、当該問題を解決する技術として、本願出願人は、両層の境界面を、波形形態とする技術を開示している（特許文献１）。また、その製造方法について、まず耐火物の外周形状に相当する型枠内に断熱材のキャスタブル材料を流し込み、波形形状の押し型でその上面に波形を付け、断熱材の層がある程度固化した後、その上に耐火材のキャスタブル材料を流し込み、固化させて後脱型を行うプレキャスト技術を開示している。また、特許文献１には、耐火層と断熱層とを、同一圧力で同時にプレス成形するレンガ製品の場合には、両層の材料として、かさ比重の大きく異なるものは使用できないのに対し、プレキャスト技術によれば、両層の材料のかさ比重差を、レンガ製品よりは大きくとることも可能となるため、断熱層の熱伝導率を小さくして、良好な省エネルギー効果が得られることが記載されている。

しかし、特許文献１の耐火層と断熱層は、化学成分の観点からは、共に同一の組み合わせ（両層が中性耐火物、あるいは、両層が塩基性耐火物）からなるものであるのに対し、ロータリーキルンが、例えば１３００℃以上の高温環境で使用される場合、耐火層は、耐食性の観点から、塩基性耐火物（例えば、ＭｇＯやＭｇＯ・Ａｌ_２Ｏ_３原料）から構成することが好まく、かつ、断熱層は、省エネルギーの観点から、１Ｗ/ｍ・ｋ以下の低熱伝導性とすることが望まれ、主に酸性または中性原料（例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２原料）から構成することが好ましい。

耐火層と断熱層との接着強さに影響を及ぼす熱膨張係数が塩基性耐火物と、酸性または中性原料とで大きく異なるため亀裂が入りやすく、また、耐火層を塩基性耐火物から構成し、断熱層を酸性または中性原料から構成しようとする場合、塩基性耐火物の焼き締めに必要となる高温条件下では、酸性または中性原料との境界面に溶解を生じてしまい、両層を高温焼成により一体化することは技術的に困難であった。

これに対し、塩基性耐火物からなる耐火層と、酸性または中性原料からなる断熱層との間に、低熱伝導断熱材（いわゆる、ゲタばきレンガ）を貼り付ける技術も知られているが、ゲタばきレンガによる接合では両層間の固着力が弱く、ロータリーキルンの内張り材として使用される複合耐火物に求められる固着力が得られない問題があった。

特公平６−１０３１５３号公報

本発明の目的は前記問題を解決し、１３００℃以上の高温環境で使用される場合に最適な耐食性を備えた耐火層と、熱損失の低減に最適な断熱層の２層を有し、かつ、該２層間の固着力の向上と耐食性の向上を図った、複合耐火物を提供することである。

上記課題を解決するためになされた本発明の複合耐火物は、耐火層と断熱層とを、プレキャスト技術により、または、接着原料での貼り付けにより一体化した複合耐火物であって、
該耐火層が塩基性耐火物からなり、該断熱層が０．２〜１Ｗ/ｍ・ｋの低熱伝導性を有する不定形材料からなり、
耐火層と断熱層との熱膨張係数差が０〜６×１０^−６／Ｋであることを特徴とするものである。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の複合耐火物において、断熱層は、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＭｇＯの何れかを構成成分としたものであることを特徴とするものである。

請求項３記載の発明は、請求項１記載の複合耐火物において、断熱層は、製造原料として中空原料と多孔質原料との一方または双方を合計量で、該製造原料中１０〜６０質量％の範囲で添加して形成されたものであることを特徴とするものである。

請求項４記載の発明は、請求項１または２記載の複合耐火物において、断熱層は、製造原料として、繊維状原料を、該製造原料中１〜２０質量％の範囲で添加して形成されたものであることを特徴とするものである。

請求項５記載の発明は、請求項１に記載の複合耐火物において、耐火層と断熱層の間に、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ・Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、ＳｉＯ_２の何れかを構成成分とする０．１〜２ｍｍの中間コート層を有することを特徴とするものである。

請求項６記載の発明は、請求項１に記載の複合耐火物において、耐火層と断熱層との境界面を凹凸形状としたことを特徴とするものである。

本発明に係る複合耐火物では、耐食性に優れた塩基性耐火物からなる耐火層を有する構成によって１３００℃以上の高温環境で使用される場合に最適な耐食性を実現し、０．２〜１Ｗ/ｍ・ｋ低熱伝導性を有する不定形材料からなる断熱層を有する構成によって熱損失の低減に最適な断熱層を実現している。

塩基性耐火物と酸性または中性原料とでは熱膨張係数が大きく異なるため、従来の技術では、塩基性耐火物から構成される耐火層と主に酸性または中性原料から構成される断熱層の２層間の固着力が弱く、ロータリーキルンの内張り材として使用される耐火壁としては、満足な固着力が得られない問題があったが、本発明では、断熱層を不定形材料とする構成により、耐火層と断熱層とを、焼成によらず一体化すること、具体的には、プレキャスト技術により、または、接着原料での貼り付けにより一体化することを可能とし、該２層間に波形の境界面を有する構成および耐火層と断熱層の熱膨張係数差を0〜６×１０^−６／Ｋとする構成により、該２層間の固着力の向上を図ることができる。

このように耐火層と断熱層とを、焼成によらず一体化したこと、具体的には、プレキャスト技術により、または、接着原料での貼り付けにより一体化したことによって、焼成コストが不要となるので焼成煉瓦に比べ安価に製造することができ、また低熱伝導率の断熱材の適用が可能となり利点がある。

断熱層は、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＭｇＯのうち何れかを構成成分とし、中空原料と多孔質原料との一方または双方を合計量で1０〜６０質量％の範囲で添加して形成されたものとすることが好ましい。またこの中空原料＋多孔質原料とともにあるいは単独で、繊維状原料を1〜２０質量％の範囲で添加して形成することもできる。これにより０．２〜１Ｗ/ｍ・ｋの低熱伝導性を有する断熱層とすることができる。また、耐火層と断熱層の間に、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ・Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、ＳｉＯ_２の何れかを構成成分とする０．１〜２ｍｍの中間コート層を形成することにより、耐食性および各層間の固着力の更なる向上を図ることができる。さらに耐火層と断熱層との境界面を凹凸形状とすることにより、２層間の接合性を一層高めることができる。

実施形態の複合耐火物の側面図である。 ロータリーキルンに内張りされた図１の複合耐火物の正面図である。 耐火層と断熱層との境界面の側面図である。 耐火層と断熱層との境界面の側面図である。

以下に本発明の好ましい実施形態を示す。
図１〜図２において、１は複合耐火物、２は耐火層、３は中間コート層、４は断熱層、５はロータリーキルンの円筒状シェルを示している。図１に示すように、本実施形態の複合耐火物１は略矩形状のブロック形状を有し、被焼成物が移動する炉内側に耐火層２、炉壁側に断熱層４、耐火層２と断熱層４の中間に中間コート層を有する三層構造からなる。耐火層２は塩基性耐火物から構成され、断熱層４は、酸性または中性原料を構成成分とし、かつ、0.2〜１Ｗ/ｍ・ｋの低熱伝導性を有する不定形材料から構成される。

前記したように、耐火層を塩基性耐火物から構成し、断熱層を酸性または中性原料から構成しようとする場合、塩基性耐火物の焼き締めに必要となる高温条件下では、酸性または中性原料との境界面に溶解を生じてしまい、両層を高温焼成により一体化することは技術的に困難であり、更に、塩基性耐火物からなる耐火層と、酸性または中性原料からなる断熱層との間に、低熱伝導断熱材（いわゆる、ゲタばきレンガ）を貼り付ける技術も知られているが、ゲタばきレンガによる接合では両層間の固着力が弱く、ロータリーキルンの内張り材として使用される複合耐火物に求められる固着力は得られないとの問題があった。これに対し、本発明では、塩基性耐火物からなる耐火層と、酸性または中性原料からなる断熱層とを、焼成によらず一体化する構成を採用した上で、耐火層と断熱層の熱膨張係数差を０〜６×１０^−６/Ｋとし、かつ、断熱層が０．２〜１Ｗ/ｍ・ｋの低熱伝導性を有する不定形材料からなる構成を採用することにより前記問題を解決し、1３００℃以上の高温環境で使用される場合に最適な耐食性を備えた耐火層と、熱損失の低減に最適な断熱層の２層を有し、かつ、該２層間の固着力の向上と耐食性の向上を図った、複合耐火物を実現可能としている。なお、本発明において「焼成によらず一体化する」とは、まず耐火物の外周形状に相当する型枠内に断熱材のキャスタブル材料を流し込み、波形形状の押し型でその上面に波形を付け、断熱材の層がある程度固化した後、その上に耐火材のキャスタブル材料を流し込み、固化させて後脱型を行うプレキャスト技術による一体化のみならず、予め各々成形された耐火層と断熱層とを、接着原料で貼り付けて一体化することをも含むものである。該接着原料としては、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ・Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、ＳｉＯ_２の何れかを構成成分とする原料を使用することができる。

更に、本発明では、各層間の境界面を凹凸形状とする構成によっても、各層間の固着力の向上を図っている。図１のような波形形状とする場合、波の高さが大きいとその基部に応力が集中して層間が剥離する可能性があるため、波の高さは２０ｍｍ以下とすることが好ましい、なお、図３に示すような半波型とし、その高さを１０〜２０ｍｍとすれば層間が剥離することもなく、優れた固着力を得ることができる。このほか、図４に示すように角型の突起を形成することもできるが、その場合には応力集中を避けるために基部を例えば４５°に面取り加工することが好ましい。

図１に示すように、耐火物１の正面1１は等脚台形に近似した形状とされている。

（耐火層）
耐火層２は、プレス施工または流し込み施工された塩基性不定形材料または塩基性煉瓦のいずれであってもよく、波形の境界面の波頭部がシェル方向であっても、軸方向であってもよい。

（断熱層）
断熱層４は、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＭｇＯ、のうち少なくとも何れかを構成成分とする不定形材料である。断熱層４は、０．２〜１Ｗ/ｍ・ｋの低熱伝導性とするために、中空原料と多孔質原料との一方または双方を、合計量で全原料中１０〜６０質量％の範囲で添加するか、この中空原料および多孔質原料とともに、あるいは単独で、繊維状原料を全原料中１〜２０質量％の範囲で添加して形成することが好ましい。ここで中空原料としては例えばムライトバブル、シャモットバブルなどを使用することができ、多孔質原料としては例えば軽量煉瓦屑、パーライトなどを使用することができる。また繊維状原料としては例えばセピオライトなどを使用することができる。添加量が上記の範囲を下回ると０．２〜１Ｗ/ｍ・ｋの低熱伝導性を確保することができにくくなり、逆に多すぎると強度が低下してしまう。

（中間層）
耐火層２と断熱層４の間にＡｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ・Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、ＳｉＯ_２のうち少なくとも何れかを構成成分とする中間コート層３を形成することにより、断熱層４と耐火層２間の熱膨張差を緩和することにより、耐食性および各層間の固着力の更なる向上を図ることが好ましい。中間コート層３の厚さは、０．１〜２ｍｍとすることが好ましい。

評価欄の記号の意味は、次の通りである。
◎ ：優
○ ：良
△ ：可
× ：不可

［実施例１〜１０、１２〜１５、比較例１〜４］
耐火層２の外周形状に相当する型枠内に、表１に示す各組成の断熱キャスタブル材料を流し込み、波形形状の押し型でその上面に波形を形成した。断熱材の層がある程度固化した後、その上に表１に示す中間コート層を設置し、中間コート層がある程度固化した後に、更に、表１に示す各組成の耐火キャスタブル材料を流し込み、固化させて後脱型を行って、焼成によらない一体化により、ＪＩＳＲ２１０３に規定されている寸法の複合耐火物サンプルを作成し、以下の評価項目について評価を行った。表１には、下記項目に関する評価および各層の化学組成の他、断熱層の物性（断熱層の熱伝導率、耐火層と断熱層の熱膨張差) を示している。なお、表１において、耐火層の残部、断熱層の残部、および中間コート層の残部は、バインダー成分である。なお、各キャスタブル材料の組成は、表１に示す各組成とした。
［実施例１１］
予め各々、成形された耐火層と断熱層とを接着原料で貼り付け、焼成によらない一体化により、ＪＩＳＲ２１０３に規定されている寸法の複合耐火物サンプルを作成し、以下の評価項目について評価を行った。表１には、下記項目に関する評価および各層の化学組成の他、断熱層の物性（断熱層の熱伝導率、耐火層と断熱層の熱膨張差) を示している。該接着原料としては、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ・Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、ＳｉＯ_２の何れかを構成成分とする原料を使用した。なお、実施例１１においては、耐火層は焼成により成形したレンガ、断熱層は非焼成により成形したキャスタブルを使用しているが、耐火層と断熱層とを予め各々成形する方法は、特に限定されず、何れも焼成によるものであっても、非焼成によるものであってもよい。

（成形性評価）
キャスタブル材において流動性が悪いと、成形を型通りに行うことができず、例えば「キレ」のような問題を生じる。そこで、所定の施工水分を各キャスタブル材料に添加して、型に流し込み、その後離形型を取り外したあとの外観確認により各層の成形性を評価した。なお、実施例１１における成形性評価は、断熱層の成形性を評価したものである。

（強度評価）
一体化した複合耐火物サンプルの断熱層を切り出し、ＪＩＳＲ２５５３に準拠して強度を評価した。

（耐火／断熱接着性）
一体化した複合耐火物サンプルの耐火/断熱層の接着部を切り出し、ＪＩＳＲ２５５３に準拠して強度を評価した。

(耐反応性)
一体化した複合耐火物サンプルの耐火/断熱層の接着部を切り出し、1300℃にて焼成後接着部の反応状況を評価した。
一体化した複合耐火物サンプルの断熱層を切り出し、ＪＩＳＲ２２１４に準拠して侵食試験を行い評価した。

（実施例１〜１１）
中間コート層に関する考察：
実施例１、実施例２、実施例５、実施例８、実施例１０はいずれも中間コート層を有さず、他の実施例は中間コート層を有している。これらの比較から、中間コート層を有することにより、耐火／断熱接着性および耐反応性の向上効果が確認される。

（実施例１〜１１）
中空原料および多孔質原料または繊維状原料の添加量に関する考察：
実施例２は中空原料および多孔質原料を上限量添加した例であり、成形性および強度の観点から他の実施例に比べて劣ることが確認される。

（比較例１、比較例３）
比較例１は中空原料・多孔質原料、および、繊維状原料の添加量が少ない例であり、比較例３は中空原料・多孔質原料、および、繊維状原料の何れも添加しない例である。この場合、本発明の断熱層の熱膨張係数差（「耐火層と断熱層の熱膨張係数差が0〜６×１０^−６/Ｋ」）および熱伝導性（「０．２〜１Ｗ/ｍ・ｋの低熱伝導性」）が得られない。比較例３のように、熱膨張係数差が６×１０^−６/Ｋを超過すると、充分な耐火／断熱接着性が得られない。
（比較例２）
熱膨張係数差が６×１０^−６/Ｋを超過する例であり、充分な耐火／断熱接着性が得られない。
（比較例４）
断熱層の熱伝導性が１Ｗ/ｍ・ｋを超過する例であり、充分な耐火／断熱接着性が得られない。

(実施例１２)
中空原料・多孔質原料を過剰に添加した例であり、使用には耐えうるが、耐火／断熱接着性が低レベルに留まる。
（実施例１３、実施例１４）
中間コート層の厚さが２ｍｍを超過する例であり、使用には耐えうるが、耐火／断熱接着性が低レベルに留まる。
（実施例１５）
繊維状原料を過剰に添加した例であり、使用には耐えうるが、耐火／断熱接着性が低レベルに留まる。

１ 複合耐火物
２ 耐火層
３ 中間コート層
４ 断熱層
５ シェル
１１ 正面

Claims (6)

1. 耐火層と断熱層とを、プレキャスト技術により、または、接着原料での貼り付けにより一体化した複合耐火物であって、
   該耐火層が塩基性耐火物からなり、該断熱層が０．２〜１Ｗ/ｍ・ｋの低熱伝導性を有する不定形材料からなり、
   耐火層と断熱層との熱膨張係数差が０〜６×１０^−６／Ｋであることを特徴とする複合耐火物。
2. 断熱層は、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＭｇＯの何れかを構成成分としたものであることを特徴とする請求項１記載の複合耐火物。
3. 断熱層は、製造原料として中空原料と多孔質原料との一方または双方を合計量で、該製造原料中１０〜６０質量％の範囲で添加して形成されたものであることを特徴とする請求項１記載の複合耐火物。
4. 断熱層は、製造原料として、繊維状原料を、該製造原料中１〜２０質量％の範囲で添加して形成されたものであることを特徴とする請求項１または２記載の複合耐火物。
5. 耐火層と断熱層の間に、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ・Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、ＳｉＯ_２の何れかを構成成分とする０．１〜２ｍｍの中間コート層を有することを特徴とする請求項１に記載の複合耐火物。
6. 耐火層と断熱層との境界面を凹凸形状としたことを特徴とする請求項１に記載の複合耐火物。