JP2013537613A - 耐火性構造要素 - Google Patents

Abstract

代表的にはキルン又は他の高温システムとして用いられる構造物の内面を内張りするのに有用な耐火性構造要素が提供される。この要素は、末広がり端ブロック部分と関連したステム部分を有し、末広がり端ブロック部分は、複数個の耐火性構造要素が互いに隣接して敷設されたときに実質的に連続したタイル張り表面を形成するよう他の構造要素と適合可能である。ステム部分は、選択的に、その外面に装飾的に設けられていて、耐火性構造要素からの熱放散量を調節するのに役立ち得る複数個の突出部を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、耐火性材料、特に、炉、キルン及び他の高温型を構成する注型構造要素に関する。

〔関連出願の説明〕
本願は、２０１０年７月８日に出願された米国特許仮出願第６１／３６２，４８９号に依拠してこれに基づく優先権を主張する出願であり、この米国特許仮出願を参照により引用し、その記載内容全体を本明細書の一部とする。

従来の耐熱構造物、例えば炉又はキルンは、所望の構造物を形成するために直線から成る煉瓦を互いに噛み合わせたものに基づいている。煉瓦の側部は、噛み合わせを容易にすると共にかかる煉瓦の側部に沿う材料及び熱の伝達を制限するために起伏部を備える場合が多い。かかる従来型煉瓦の特殊な変形例は、キルン又は炉の表面を構成するフェースに対して後方に向いた端部を有し、この後方端部は、かかる構造物のための屋根部分を形成するようハンガに係合する。

これら従来型煉瓦には、耐熱構造物を構成する費用及びその保守費を増加させる多くの欠点がある。これら欠点としては、耐熱構造物の表面を構成するフェースと後方フェースとの間における煉瓦の側部に沿う材料の使用が非効率的であること並びにかかる煉瓦で作られた構造物の特性を構造物の意図した使用と関連した温度及び腐食条件に合わせて調整する能力が制限されていることが挙げられる。

かくして、耐熱構造物の一部分をより効率的に形成する耐火性構造要素が要望されている。また、構造物が稼働中に受ける熱的及び組成的条件に適合するよう容易に調製される耐火性構造要素が要望されている。

以下に述べる本発明の概要は、本発明に特有の革新的な特徴のうちの幾つかの理解を容認するために提供されており、完全な説明であることを意図していない。本発明の種々の観点の完全な理解は、明細書全体、特許請求の範囲の記載、図面及び要約書を全体として参照することによって得られる。

高い内部温度又は他の極端な条件にさらされる構造物を内張りするのに有用な種々のセメント系材料で作ることができる耐火性構造要素が提供される。耐火性構造要素がステム部分を備えた形状に形成され、ステム部分は、第１の端部及び第２の端部を有し、第２の端部は、末広がり端ブロック部分と関連しており、末広がり端ブロック部分は、フェースを有し、このフェースは、ステム部分の断面寸法よりも大きい断面寸法を有する。これにより、空間充填端部及びこの空間充填端部の後に位置する空間を作る要素が提供される。

ステム部分は選択的に、末広がり端ブロック部分と連続であり又は末広がり端ブロック部分と固定的か取り外し可能かのいずれかの状態で物理的に関連した別個の材料（同種又は異種材料）で作られる。ステム部分は、断面形状を有する。ステム断面形状は、選択的に、円形、楕円形又は多角形である。ステム部分の側部には、選択的に、突出部が装飾的に設けられる。これら突出部は、滑らかな筒体の表面積と比較してステム部分の表面積を増大させる。かかる突出部は、起伏部、螺旋状部、隆起部、不規則形状刻み目（score）又はこれらの組み合わせを含む種々の形状をしていて良い。ステム部分は、選択的に、基材、例えば構造物の内面への要素の固定のための締結具に係合することができるフランジを更に有する。

一要素の形状により作られる空間は、選択的に、ステム部分を包囲した充填材料を収容する。充填材料は、選択的に、セラミック繊維、パーライト、バーミキュライト又はこれらの組み合わせである。

末広がり端ブロック部分のフェースは、構造物の内部に差し向けられるようになっている。このフェースの形状は、選択的に、平坦であり又は弧状である。弧状フェースは、選択的に、凸形状、凹形状、不規則形状又は他の形状である。末広がり端ブロック部分は、選択的に、輪郭特徴部を備えた第１の縁部を有し、輪郭特徴部は、耐火性構造要素に隣接して配置されるよう相補形の耐火性物品の相補形特徴部と噛み合うよう形作られている。末広がり端ブロック部分の第２の縁部は、選択的に、相補形輪郭特徴部を有する。相補形輪郭特徴部は、選択的に、輪郭特徴部と相補する形状を有する。輪郭特徴部又は相補形輪郭特徴部の形状は、選択的に、舌部、溝、ピン、ソケット又はこれらの組み合わせである。

末広がり端ブロック部分は、選択的に、フェースと反対側の側部が末広がり端部分の縁部からステム部分の第２の端部まで延びる１つ又は２つ以上の壁を有するよう形作られている。これら壁は、選択的に、フェースの平面に対して角度が付けられており、平面は、フェースの外側縁部により構成される。末広がり端ブロック部分は、選択的にフェースの平面全体にわたって一様である厚さを有する。選択的に、中心点のところの末広がり端ブロック部分の厚さは、末広がり端ブロック部分の縁部のところの厚さよりも大きい。

耐熱セメント系材料は、選択的に、耐火性構造要素を形成するために用いられる。セメント系材料は、選択的に、ホスフェート結合セメントである。

締結具（図１Ｂ）と関連して使用可能なフランジを備えた本発明の耐火性構造要素を示す図である。 締結具の部分切除図である。 本発明の構造要素の変形実施形態の斜視図である。 本発明の耐火性構造要素の例示の端ブロック部分を示す図である。 本発明の耐火性構造要素の例示の端ブロック部分を示す図である。 本発明の耐火性構造要素の例示の端ブロック部分を示す図である。 本発明の耐火性構造要素のステム部分の例示の縁部輪郭形状を示す図である。 本発明の耐火性構造要素のステム部分の例示の縁部輪郭形状を示す図である。 本発明の耐火性構造要素のステム部分の例示の縁部輪郭形状を示す図である。

特定の実施形態の以下の説明は、性質上例示に過ぎず、本発明の範囲、その用途又は使用を何ら制限するものではなく、本発明の範囲、その用途又は使用は、当然のことながら様々な場合がある。本発明を本明細書に記載されている非限定的な定義及び用語を用いて説明する。これら定義及び用語は、本発明の範囲又は実施に対する制限として働くようになっておらず、例示及び説明の目的にのみ提供されている。

本発明は、耐火性構造物、例えば焼却炉、キルン、オーブン若しくは炉又はかかる構造物と熱的連絡関係にある導管若しくは他の構造体の構成のための構造要素として利用される。本発明の要素は、基部、側壁、屋根（ルーフ）又は管状構造体を含む構造物の種々の表面材を形成するのに有用である。

今図１Ａを参照すると、本発明の耐火性構造要素が全体を符号１０で示されている。要素１０は、第１の端部１４及び第２の端部１６を備えたステム部分１２を有する。ステム部分は、長さ及び断面寸法を有する。長さは、選択的に、５〜５０ｃｍ、又はこれら相互間の任意の値又は範囲である。断面寸法は、選択的に、０．５〜１０ｃｍである。ステム部分は、選択的に、円形、楕円形若しくは他の不規則に湾曲した形状又は多角形、例えば三角形、正方形、五角形、六角形若しくは任意の数の辺の他の多角形である断面領域を有する。

末広がり端ブロック部分１８が一例として第２の端部１６と連続し又はこれに接合された状態で第２の端部１６と関連している。要素１０の一体形接合バージョンが図１に示されているが、多部品要素１０の選択的な接合部を示すために破線２０が示されている。末広がり端ブロック部分１８は、ステム部分１２と同じ材料又はこれとは異なる材料で作られる。末広がり端ブロック部分は、フェース２２を有する。フェース２２は、熱源の近くに位置するようになっており又は違ったやり方で構造物の封じ込め表面を構成する。選択的に、フェース２２は、空間充填可能であるように形作られている。本明細書で用いられる「空間充填材」という用語は、フェース形状の並進によるだけで空間中を伝わってこれを覆うことができるものとして定義される。多数の要素１０の接合により、フェース２２及びこれらの複製又は相補形のフェースは、構造物の床、側壁又は屋根を形成するよう構造物との関連で有効な平坦な又は湾曲した空間を容易にタイル張りする。

フェースは、選択的に、１０〜５０ｃｍ又はこれらの間の任意の値若しくは範囲である断面寸法を有する。断面寸法は、選択的に、縁部の長さ、対角線寸法、直径又は１つの縁部から別の縁部までのフェースを横切る他の寸法である。

末広がり端ブロック部分は、フレア状端ブロック部分の断面寸法を横切って一様であるか不規則であるか勾配をもっているかのいずれかの厚さを有する。厚さは、最も幅の狭い寸法に関し、稼働するのに十分な耐熱性を提供するのに十分であると考えられる。一例として、厚さは、１〜１０ｃｍ又はこれらの間の任意の値若しくは範囲である。

幾つかの実施形態では、要素は、縁部２３から第２の端部１６まで延びる１つ又は２つ以上の壁を有する。壁は、選択的に、末広がり端ブロック部分がその中央に縁部のところよりも大きい厚さを有するよう傾けられている。末広がり端ブロック部分の中央部の厚さと縁部の厚さの比は、選択的に、０．１：１〜１：０．１である。したがって、末広がり端ブロック部分の中央箇所は、選択的に、縁部のところの厚さよりも厚い又は薄い。壁の数は、選択的に、末広がり端ブロック部分の縁部の数と同じである。例を挙げると、壁の数は、３、４、５、６、７、８又は９以上である。壁は、選択的に、末広がり端ブロック部分のフェースの平面に対して所与の角度をなして傾いている。かかる角度は、末広がり端ブロック部分及びステム部分の相対寸法に応じて、選択的に、−２０°〜６０°又はこれら相互間の任意の値若しくは範囲である。壁の傾斜は、選択的に、実質的に平坦な壁を提供するよう一様であり又は湾曲している。湾曲した壁は、選択的に、縁部からステム部分への角度を増大させ又は縁部からステム部分への角度を減少させる。幾つかの実施形態では、末広がり端ブロック部分の外側縁部と連続した単一の壁、例えば円錐形又は球形の壁が設けられる。図１Ａの壁は、形状が実質的にピラミッド形であるが、末広がり端ブロック部分は、ピラミッド形に傾斜した壁２４又は平らなフェース２２を備える必要はない。末広がり端ブロック部分１８に変わる末広がり端ブロック部分が図３Ａ〜図３Ｃに提供されている。

ステム部分１２は、選択的に全体が参照符号３４で示された突出部を備えた側部３２を有する。突出部３４は、側部３２に装飾的に設けられ又は側部３２と一体である。これら突出部は、例示として起伏部、螺旋状部、隆起部、規則形状又は不規則形状の刻み目又はこれらの組み合わせを含む種々の形態を取ることができる。突出部は、形態とは無関係に、側部３２の表面積を増大させるよう働く。側部３２のこの表面積の追加により、放射による追加の熱放散が生じると共に他の接合部品及び／又はモルタルとの要素１０の噛み合いのための追加の表面領域が得られる。突出部３４に加えて、かかる突出部に関する例示の側部輪郭形状が図２及び図４Ａ〜図４Ｃに示されている。選択的に、その形状の存在により滑らかな筒体と比較して側部の表面積が増大する限り、突出部に与えられる任意の形状が実施可能である。

図１Ｂに示されているように、ステム部分１２は、選択的に、第１の端部１４を有し、この第１の端部１４は、従来のものであるか或いは第１の端部１４に特有の締結具２８と相補するよう形作られている。締結具２８が選択的に構造物の内面を形成する耐火性煉瓦で作られた固定材と固定的に又は取り外し可能に関連している。図１Ｂに示されているように、第１の端部１４は、選択的に、締結具２８に対する要素１０の固定的又は取り外し可能な関連をもたらすよう締結具２８と相補形状をなすフランジ２６を有する。図１Ｂは、円形又は楕円形の形態のフランジを示しているが、理解されるように、他の形状、例えば任意の五角形又は不規則な形状は、同様に有効である。

選択的に、末広がり端ブロック部分１８は、本発明の要素を隣りの要素に良好に接合し、それにより頑丈な耐火性構造物を形成するために別の耐火性物品（図示せず）の相補形特徴部と噛み合う輪郭特徴部２５を備えた縁部２３を有し、この別の耐火性物品は、選択的に、別の要素１０又は要素１０の端ブロック部分と相補する形状を備えた要素である。末広がり端ブロック部分は、選択的に、３つ、４つ、５つ、６つ、７つ、８つ又は９つ以上の縁部を有する。第１の縁部に設けられた末広がり端ブロック部分の輪郭部分は、選択的に、別の縁部の輪郭部分と相補形状をなす特徴部である。

輪郭特徴部２５が突出部として示されているが、相補形の輪郭特徴部、例えば凹部（例えば溝）が参照符号２５′で示されている。図１Ａに示されている目違い継ぎ形輪郭特徴部に加えて、例示として蟻継ぎ（ダブテール）形、ピンアンドソケット（pin and socket）形及び接合技術において従来方式である他のかかる相補形特徴部を含む他の輪郭特徴部が、本発明において有効であることが理解される。したがって、輪郭特徴部は、選択的に、舌部（選択的に直線状又は湾曲している）であり、溝（選択的に直線状又は湾曲している）であり又はダブテール形継手、例えばほぞ形若しくは円筒形突出部のようなピン形状、又は例えばほぞ穴の形状（長方形又は湾曲している）のようなソケット形、を形成するよう斜めになっている。

縁部は、選択的に、複数の輪郭特徴部、相補形特徴部又はこれら両方を含む。輪郭特徴部及び相補形特徴部は、選択的に別の耐火性構造要素又は他の表面と噛み合う起伏した表面を形成するよう選択的に点在する。輪郭特徴部又は相補形特徴部の数は、選択的に、１つ、２つ、３つ、４つ、５つ、６つ又は７つ以上である。

図２は、全体が参照符号４０で示された変形実施形態としての構造要素の斜視図である。要素４０は、要素１０と同じ材料で且つ同一の形成技術で容易に形成できる。加うるに、要素４０は、要素１０に関する上述の説明と一致した一体又は接合部分としてステム部分４２と末広がり端ブロック部分４８の形成にも適している。要素４０のフェース５２は、形状が正六角形であり更に平坦な又は他の輪郭表面をタイル張りするよう空間充填に適していることが注目される。端ブロック部分４８は、選択的に、この実施形態又は他の実施形態においてフェース５２にほぼ平行に延びる壁５４を有している。ステム４２は、螺旋突出部により構成される側部６２を有するものとして図示されている。ステム部分４２の第１の端部４４が選択的に当該技術分野において従来の固定締結具と同様の固定締結具に固定的に又は取り外し可能に係合するようになったフランジ５６を有する。円形断面を有するステム部分４２に加えて、この断面は、楕円形断面を形成するよう容易に変形される。加うるに、フェース５２は、平坦であることに加えて、選択的に図３Ａ〜図３Ｃの例示の形態で示されているように凹状の表面か凸状の表面かのいずれかを形成するよう弧状であるようにも形成される。

１０００℃を超える高い温度での強度特性及び溶融金属に対する非湿潤特性により、ホスフェート結合セメントを要素を構成するための物質として使用できる。理解されるように、要素の最終的な露出要件に応じて耐火性構造要素を形成するのに他のセメント系材料を用いることができる。

幾つかの実施形態では、耐火性構造要素は、例えば米国特許第７，５０３，９７４号明細書に記載されているホスフェートを基剤とする成分及びアルカリ土類成分で形成されるホスフェート結合セメント系材料で作られる。アルカリ土類イオン成分は、ヘプタアルミン酸十二カルシウム又はアルミン酸三カルシウムのカルシウムイオン源を主要源として有する。また、アルカリ土類イオン成分として、溶解されて２００ミクロン未満のサイズに粉砕された酸化マグネシウムが単独で又はアルミン酸カルシウムカルシウムイオン源と組み合わせて提供される。

例示のホスフェートを基剤とする成分としては、リン酸、リン酸カルシウム、リン酸カリウム、リン酸マグネシウム、リン酸ナトリウム、リン酸アルミニウム、リン酸アンモニウム、リン酸亜鉛、リン酸ホウ素及びこれらの組み合わせが挙げられる。

アルカリ土類イオン成分としては、選択的に、酸化マグネシウム、ドロマイト、酸化亜鉛、酸化アルミニウム、酸化カルシウム、炭酸リチウム、炭酸バリウム、硫酸バリウム、酸化モリブデン、水酸化カルシウム、水酸化アルミニウム、酸化錫、酸化ニッケル、水酸化ニッケル、酸化コバルト、水酸化コバルト、酸化バナジウム、水酸化マグネシウム、酸化鉄、酸化チタン、酸化クロム、水酸化クロム、ドロマイト、酸化マンガン、酸化ジルコニウム、水酸化ジルコニウム、ＮａＯＨ、ＫＯＨ、炭酸ナトリウム及び炭酸カリウムが挙げられる。

アルカリ土類イオン成分は、主として、ヘプタアルミン酸十二カルシウム（Ｃ₁Ａ₇又はマイエナイト）、アルミン酸三カルシウム（Ｃ₃Ａ）又はこれらの組み合わせであるのが良い。アルミン酸カルシウムは、選択的に、１００ミクロン未満、選択的に６０ミクロン以下の平均粒径を有する。骨材を含めて十分に処方されたセメント系材料へのＣ₁₂Ａ₇の代表的な添加量は、０．５〜５全重量パーセントであり、Ｃ₁₂Ａ₇は、代表的には、他のセメント系材料で用いられるＣＡ及び／又はＣＡ₂アルミン酸カルシウムの重量パーセントの約１／４の割合で存在する。Ｃ₃Ａは、代表的には、耐火性構造要素を形成するために用いられるセメント系材料の０．３〜４重量を加えた全乾燥重量パーセントの割合で存在する。

他の材料をセメント系材料中に添加することができ、かかる他の材料としては、例示として、１種類又は２種類以上の粘着剤、例えば、炭水化物、例えば糖類及び多糖類、でんぷん及びアルファ化でんぷん、デキストリン及びコーンシロップ、ナフタレンスルフォネートホルムアルデヒド凝縮体ポリマー、メラミンスルフォネートホルムアルデヒド凝縮体ポリマー、ポリヒドロキシポリカルボン酸化合物、例えば酒石酸及び粘液酸、リグノスルホン酸及び粘着剤の上述の酸成分のうちの任意のものの塩が挙げられる。粘着剤は、選択的に、０．０１〜６全乾燥重量パーセントで存在する。可塑剤及び強度促進剤、例えば不溶性ホスフェートが選択的に添加される。幾つかの実施形態は、１種類又は２種類以上の分散剤、例えばポリカルボキシレート及び当該技術分野において従来の界面活性剤を含む。選択的に、セメント系材料は、１種類又は２種類以上の解膠剤、例えば選択的に０．０５〜１重量パーセントのポリアルキレングリコールを含む。

耐火性構造要素は、選択的に、内部加熱ユニットを備えたドラム形ヒータ内で硬化される。通常、７５°Ｆ（２３℃）〜１５０°Ｆ（６６℃）の加熱温度がこの目的のために用いられる。加熱は又、粘性材料の流動性を促進する。ヒータの例示の形式としては、バンドヒータ、浸漬ヒータ及び加熱キャビネットが挙げられる。バンドヒータは、６０°Ｆ（７５℃）〜４００°Ｆ（２０５℃）の動作加熱温度で最高３，０００ワットの加熱電力を送り出すアルミニウム蒸着鋼シェルを備えている。加うるに、エリアブランケット又はキルトがドラム形ヒータを断熱するために用いられる。選択的に、温度遮断装置がホスフェート基剤成分の過熱を阻止する目的でヒータに設けられる。

他の実施形態では、耐火性構造要素は、複数種類の骨材セラミック粒子及び複数の骨材セラミック粒子に焼結された結合剤を含むセメント系材料で形成され、この場合、結合剤は、メタリン酸アルミニウムとアルミナの反応の結果として結合剤中に分布した結晶性オルトリン酸アルミニウムを含む。複数の骨材セラミック粒子は、選択的に、ボーキサイト粒子を含む。幾つかの実施形態では、複数の骨材セラミック粒子は、炭化ケイ素、ヒュームドシリカ又はムライトのうちの少なくとも１つを含む。

メタリン酸アルミニウムは、アルミナＡｌ₂Ｏ₃を含む耐火性骨材と反応して結晶性オルトリン酸アルミニウムＡｌＰＯ₄を生じる。オルトリン酸アルミニウムは、約１６５０℃の分解温度で約５８０℃を超える温度までの加熱時の熱力学的生成物である。結果的に得られるセメント系材料は、補強材料、例えばスチール繊維の混入に適しており、かかるセメント系材料は、炭化ケイ素、ムライト、アルミナ、チタニア及びこれらの組み合わせを含む骨材粒子と共に働く。かかるセメント系材料は、９０％を超える密度、理論密度及び１平方ミリメートル当たり８８ニュートンを超える常温破砕強度を備えるよう容易に形成される。水分及び従来の添加剤の制御により、耐火性構造要素の注型形態は、焼成に先立って取り扱うのに、且つ、選択的に機械加工するのに十分な生強度（未焼成強度）を有し、従来材料と比較して、優れた強度及びアルカリ耐性を持つ耐火性構造要素を提供する。

セメント系材料の結合剤としては、選択的に、骨材セラミック粒子と混合され、結晶性結合剤としてオルトリン酸アルミニウムを生じさせる条件下において処理されるメタリン酸アルミニウムが挙げられる。結合剤としてのオルトリン酸アルミニウムは、選択的に、ベルリナイトを主要相として有する。理解されるように、結合剤前駆物質としてのメタリン酸アルミニウムは、メタリン酸アルミニウムがリン酸と比較して吸湿性が極めて低く、よりｐＨ中性（約ｐＨ５）であるので、キット内に混入するのに適しており、種々の粒子メッシュサイズで市販されている。オルトリン酸アルミニウム（同義として本明細書ではベルリナイトと呼ぶ）の結晶性結合剤相を形成するようメタリン酸アルミニウムとアルミナ（同義として本明細書ではボーキサイトと呼ぶ）の反応については、以下の反応式に詳細に示されている。
〔化１〕
Ａｌ（ＰＯ₃）₃＋Ａｌ₂Ｏ₃→３ＡｌＰＯ₄ （Ｉ）

オルトリン酸アルミニウムは、試薬を約５８０℃を超える温度まで加熱したときに生じる熱力学的に安定した相であるように思われる。オルトリン酸アルミニウムは、周囲圧力で約１６５０℃の分解温度を有することが注目される。理解されるように、オルトリン酸アルミニウムの生成温度は、反応が大気圧以外の圧力で進む際に予想可能な熱力学的関係に従って変化する。理解されるように、本発明の耐火性組成物の形成は、ホットアイソスタティック成形（ＨＩＰ）により物品の生（未焼成）形態を焼成することによって容易に起こる。理解されるように、混合オルトリン酸金属は、次の反応式に従って容易に形成される。
〔化２〕
Ａｌ（ＰＯ₃）₃＋Ａｌ_2-xＭＯ₃→ＡｌＡｌ_2-xＭＰＯ₄ （ＩＩ）
上式において、Ｍは、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｂ、Ｃｒ（ＩＩＩ）、Ｅｒ、Ｇｄ（ＩＩＩ）、Ｉｎ（ＩＩＩ）、Ｎｉ（ＩＩＩ）、Ｒｈ（ＩＩＩ）、Ｓｍ（ＩＩＩ）、Ｓｃ（ＩＩＩ）、Ｔｂ（ＩＩＩ）、Ｔｉ（ＩＩＩ）、Ｗ（ＩＩＩ）、Ｖ（ＩＩＩ）、Ｙｂ（ＩＩＩ）又はＹ（ＩＩＩ）であり、ｘは、０、１又は２である。

耐火性セラミック粒子の周りに母材を形成するために存在するメタリン酸アルミニウムの量は、セラミック粒子の粒径、所望の粒子間離隔距離、形態学的特徴、主結晶のサイズ及び酸化物状態を含む要因で決まる。選択的に、メタリン酸アルミニウムは、十分に調合されたセメント系材料注型スラリの２〜２０全重量パーセントで存在する。アルミナは、選択的に、メタリン酸アルミニウムのモル化学量論的量を超えて存在する。理解されるように、理解されるように、アルミナは、骨材セラミック粒子として存在し、又は変形例として、メタリン酸アルミニウムとの反応のために少量のセラミック粒子として添加される。

セラミック粒子骨材と結合剤前駆物質としてのメタリン酸アルミニウムの混合を容易にするため、所望の粘度のスラリを提供するよう所与の量の水又は有機溶剤が添加される。かかる有機溶剤としては、例を挙げると、アルコール、ケトン、エステル、エーテル、アミド、アミン、グリコール、アルカン等が挙げられる。選択的に、かかる有機溶剤は、２００℃未満の液体であり、選択的に、２０℃の液体である。水又は溶剤の添加量は、十分に処方されたセメント系材料スラリの２〜２０全重量パーセントである。選択的に、ベルリナイト生成中に消費される添加剤が添加され、これら添加剤は、取り扱いの容易性を促進するために使用される。かかる添加剤としては、例を挙げると、表面活性剤、重合性有機モノマー又はオリゴマー、解膠剤、ポリマー及び例えばクエン酸及びシュウ酸のような有機酸が挙げられる。当業者であればかかる添加剤の添加によりスラリ粘度及び生強度を容易に調整することができるが、代表的には、各かかる添加剤は、十分に処方された耐火性組成物スラリの０．０１〜５全重量パーセントで存在する。理解されるように、有機モノマー又はオリゴマー重合性材料の添加は、硬化時、反応式（Ｉ）又は（ＩＩ）による焼成又は反応前に組成物の生強度を向上させることができる。生じたポリマーは、分解され、従って、結果として得られる耐火性組成物中には存在しない。かかる有機ポリマーの例は、アクリル酸、アクリレート、ポリエチレングリコール及びポリカルボキシレートエーテルであり、これらは、ポリマー前駆物質又はスラリ可溶性予備成形ポリマーとして添加される。

乾燥後におけるセメント系材料スラリの取り扱い特性及びこれから形成される耐火性構造要素の生強度も又、選択的に、非簡易添加剤の添加により改質される。かかる非簡易添加剤の量は、所望の生強度、耐火性組成物、作業環境、温度、腐食度、所望の昇温破砕強度、固定時間、作業時間及び硬化時間を含む要因で制御されるが、代表的には、かかる非簡易添加剤の添加量は、十分に処方されたセメント系材料スラリの０．１〜１０全重量パーセントである。本発明で利用できる代表的な非簡易添加剤としては、アルミン酸カルシウムセメント、ケイ酸ナトリウム、ヒュームドシリカ、アルカリ金属又はアルカリ土類ポリホスフェート、クエン酸、シュウ酸又は硝酸のような有機塩、ケイ酸カルシウムセメント、ケイ酸カリウム、ケイ酸リチウムが挙げられる。選択的に、非簡易添加剤は、オルトリン酸アルミニウムが連続母材相を形成するほどの量で存在する。

オルトリン酸アルミニウム結合剤に埋め込まれるセラミック粒子骨材は、従って、結果として得られるセメント系材料の所望の特性及びオルトリン酸アルミニウム結合剤との適合性によってのみ制限される。有用なセラミック粒子骨材としては、例を挙げると、ボーキサイト、板状アルミナ、ムライト、炭化ケイ素、ヒュームドシリカ、ルチル、アンダルサイト、シリマナイト、マグネサイト、フォルステライト、カイアナイト、Ｍｇスピネル、及び酸化クロムが挙げられる。骨材添加粒子の代表的な添加量は、十分に処方された耐火性組成物スラリの５０〜９５重量パーセントである。代表的な骨材粒径は、０．１〜１０００ミクロンである。理解されるように、骨材粒子は、球形、多面形状、不規則形状及びこれらの組み合わせを含む種々の形態であって良い。

セメント系材料は、選択的に、強化繊維、例えば米国特許第４，３６６，２５５号明細書に詳細に記載されているスチール繊維を含む。追加の例示の強化繊維としては、ニッケル及びクロム繊維及び合成繊維、例えばポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）及びポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）が挙げられる。選択的に、スチール繊維は、高い温度でスチール繊維上にアルミナの保護層を形成するようスチール合金内にアルミニウムを含んだ状態で用いられる。選択的に、スチール繊維は、０．０５〜８原子パーセントアルミニウム成分を有する。本発明において有効な他の強化繊維充填材としては、焼成が還元雰囲気で生じることを認識した上で炭素繊維が挙げられる。繊維の代表的な添加量は、耐火性構造要素を作るために用いられる耐火性組成物の０〜５０全重量パーセントである。

耐火性構造要素を形成するために用いられるセメント系材料は、選択的に、１種類又は２種類以上の骨材成分を含む。骨材成分は、代表的には、５０〜９５全乾燥重量パーセントで存在する。代表的な骨材としては、フリントクレー、ムルコア（Mulcoa）、玄武岩、橄欖石、珪藻石、バーミキュライト、パーライト、モロカイト、ギブサイト、カイアナイト、ムライト、クロマイト、板状アルミナ、酸化ケイ素、シリカ、焼成ボーキサイト、酸化クロム、ジルコニア、燐灰岩及びこれらの混合物が挙げられる。

耐火性構造要素は、選択的に、本明細書において開示したセメント系材料以外の種々のセメント系材料、例えばフロリダ州ボカラトン所在のステラー・マテリアルズ・インコーポレイテッド（Stellar Materials, Inc.）から市販されている種々の材料から注型される。かかる材料及び材料の製造方法の実施例は、米国特許第６，４４７，５９６号明細書及び同第５，８８８，２９２号明細書に見受けられる。

耐火性構造要素は、形状の詳細に応じて、当該技術分野において従来の技術により二部品又は多部品金型から容易に注型される。

作用を説明すると、耐火性構造要素は、ステム部分の小さな寸法及び側部の周りの空間により形成される、末広がり端部分の第１の端部への後方投影により作られる空間を形成する。この空間は、選択的に、例を挙げるとセラミック繊維、パーライト、バーミキュライト及びこれらの組み合わせを単独で含み又は結合母材内に保持された状態で含む充填材料で満たされる。１種類又は２種類以上の充填材料が含まれた空間充填により、ユーザは、１つ又は２つ以上の耐火性構造要素と関連した構造物の放射による熱放散又は断熱特性をユーザの要望に合わせて調節することができる。

当業者であれば理解されるように、耐火性構造要素は、耐火性構造要素を構成するセメント系材料の有効利用を与え、更に、要素フェースに対する比較的小さい寸法のステムの使用により、耐火性構造要素内にキャビティを形成して耐火性構造要素の動作特性の調節を従来型煉瓦と比較して容易に制御するようにする。

耐火性構造要素の形状は、選択的に、多種多様な表面幾何学的形状のうちの１つ又は２つ以上で構造物の表面を内張りするために用いられる。耐火性構造要素は、多数の耐火性構造要素のフェース相互間の所望の密な関連性を保持しながら平坦な又は湾曲した表面領域を形成することができる。

本発明の種々の改造例は、図示すると共に本明細書において説明した改造例に加えて、上述の説明を読んだ当業者には明らかになろう。かかる改造例は又、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲に含まれるものである。

理解されるように、全ての材料は、別段の指定がなければ、当該技術分野において知られている供給源から得ることができる。

本明細書において言及した特許文献及び非特許文献は、本発明に関する当業者の技術レベルを表している。これら特許文献及び非特許文献を参照により個々の特許文献又は非特許文献の記載内容が具体的に且つ個々に本明細書に記載されているかのごとく引用する。

上述の説明は、本発明の特定の実施形態の例示に過ぎず、その実施の際の本発明の限定であることを意味していない。特許請求の範囲の記載及びその均等範囲が、本発明の範囲を定めるものである。

Claims (18)

1. 耐火性構造要素であって、
   ステム部分を備えた形状のセメント系材料を有し、前記ステム部分は、第１の端部及び第２の端部を有し、前記第２の端部は、末広がり端ブロック部分と関連しており、前記末広がり端ブロック部分は、フェースを有し、前記フェースは、前記ステム部分の断面寸法よりも大きい断面寸法を有する、要素。
2. 前記末広がり端ブロック部分は、前記ステム部分と連続している、請求項１記載の要素。
3. 前記ステム部分は、突出部で装飾された側部を有する、請求項１記載の要素。
4. 前記突出部は、起伏部、螺旋状部、隆起部、不規則な刻み目又はこれらの組み合わせである、請求項３記載の要素。
5. 前記ステム部分を包囲する充填材料を更に有する、請求項１又は３記載の要素。
6. 前記充填材料は、セラミック繊維、パーライト、バーミキュライト又はこれらの組み合わせである、請求項５記載の要素。
7. 前記ステム部分の前記第１の端部は、基材への前記要素の固定のための締結具に係合することができるフランジを有する、請求項１又は３記載の要素。
8. 前記フェースは、空間充填材である、請求項１又は３記載の要素。
9. 前記フェースは、平坦であるか又は弧状である、請求項１又は３記載の要素。
10. 前記フェースは、平坦であるか、凸弧状であるか又は凹弧状である、請求項８記載の要素。
11. 前記末広がり端ブロック部分は、輪郭特徴部を備えた第１の縁部を有し、前記輪郭特徴部は、相補形の耐火性構造要素の相補形特徴部と噛み合うよう形作られている、請求項１又は３記載の要素。
12. 前記輪郭特徴部は、舌部、溝、ピン又はソケットとして形作られている、請求項１１記載の要素。
13. 前記要素は、相補形の輪郭特徴部を備えた第２の縁部を有する、請求項１１記載の要素。
14. 前記ステム部分は、円形又は楕円形断面形状を有する、請求項１又は３記載の要素。
15. 前記ステム部分は、多角形断面形状を有する、請求項１又は３記載の要素。
16. 前記末広がり端ブロック部分は、複数個の傾斜壁を有し、各傾斜壁は、前記末広がり端部分の縁部から前記ステム部分の前記第２の端部まで延びている、請求項１又は３記載の要素。
17. 前記フェースは、中央点を有し、前記中央点のところの前記末広がり端ブロック部分の厚さは、前記末広がり端ブロック部分の縁部のところの厚さよりも大きい、請求項１又は３記載の要素。
18. 前記セメント系材料は、ホスフェート結合セメントである、請求項１又は３記載の要素。

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