JP2015196623A - 圧入材 - Google Patents

Abstract

【課題】窯炉における隙間の密封性を向上させることができる圧入材を提供すること。【解決手段】窯炉に適用される圧入材において、８０℃〜５００℃の雰囲気温度環境下で加熱した時に、加熱前よりも１．３倍以上の体積膨張を伴うように配合組成を調整する。例えば、合量１００質量％中に、液化ガスを内包した熱可塑性プラスチック体を０．５質量％以上３質量％以下、珪酸塩を３質量％以上１０質量％以下配合する。【選択図】なし

Description

本発明は、コークス炉等の窯炉に適用される圧入材に関する。

圧入材が適用される窯炉の一例であるコークス炉の一般的な構成を図１に示す。コークス炉では、並設された多数の炭化室１内に石炭を装入し、この石炭を、燃焼室２からの熱により乾留してコークスを製造する。そして、製造されたコークスは、炭化室の炉蓋３を外し、各炭化室間を移動する押出機により、炭化室内から外部へ押し出される。

かかるコークス炉において、経年劣化によって、耐火れんがを抑えている金属製のプロテクター４や耐火れんがに損傷や変形が生じて炭化室１内の密閉性が保てなくなると、図１中矢印で示すように炉内ガスが外へ漏れて燃焼し、プロテクター４を損傷させる悪循環を生じる。また、炭化室内の圧力が負圧となった場合は炭化室内に大気が吸い込まれ、この大気により耐火れんがが冷却されて熱スポールにより耐火れんがが損傷する。耐火れんがが損傷すると、損傷部に炭化室内のコークスが噛み込んでしまい、押出機による押し出しの際、押し詰りが発生する。押し詰まりが発生すると、耐火れんがに噛み込んだコークスを除去する作業が発生し、コークス炉の稼働が停止してしまう。したがって、炉内ガスがコークス炉の外へ漏れないようにする必要がある。

そこで、炉内ガスがコークス炉の外へ漏れないようにするため、圧入材を耐火れんがとプロテクターとの間の隙間に圧入する作業が行われている。すなわち、圧入材を隙間に充填して当該隙間を密封しようというものである。

この隙間の密封性を向上させるため、従来、圧入材の流動性を向上させる試みがなされてきた。例えば特許文献１には、圧入材に中空球状アルミナを配合することで流動性を向上させる技術が開示されている。

しかし、圧入材の流動性を向上させるだけでは密封性の向上には限界がある。すなわち、上述のコークス炉の窯口のように狭小で複雑形状の隙間の場合、どうしても未充填部が生じやすく、また、圧入材は施工後、脱水等により収縮するからである。

特開平１０−１０１４４２号公報

本発明が解決しようする課題は、窯炉における隙間の密封性を向上させることができる圧入材を提供することにある。

上記課題を解決するため本発明は、圧入材に施工時における顕著な体積膨張性を付与したものである。すなわち、本発明の一観点によれば、窯炉に適用される圧入材であって、８０℃〜５００℃の雰囲気温度環境下で加熱した時に、加熱前よりも１．３倍以上の体積膨張を伴う圧入材が提供される。

本発明の圧入材は、窯炉における施工時の温度である８０℃〜５００℃の雰囲気温度環境下で加熱した時に、加熱前よりも１．３倍以上の体積膨張を伴うことから、脱水等による圧入材の収縮や圧入材の未充填部を補うことが可能となり、窯炉における隙間の密封性を向上させることができる。

コークス炉の一般的な構成を示す横断面図である。

本発明の圧入材は、８０℃〜５００℃の雰囲気温度環境下で加熱した時に、加熱前よりも１．３倍以上の体積膨張を伴うことを特徴とする。この体積膨張性（体積膨張率）は、圧入材に、８０℃〜５００℃で膨張する物質を内包した熱膨張体を配合することで得ることができる。熱膨張体は、液化ガスを内包した熱可塑性プラスチック体である。すなわち常温常圧下で液体状態の液化ガスが、８０℃〜５００℃に加熱されると気化して急激に膨張する。これにより、加熱前よりも１．３倍以上という体積膨張率を得ることができる。なお、体積膨張率の上限は特に限定されないが、現実の圧入材として達成しうる体積膨張性には自ずと上限はあり、例えば４倍以下である。

なお、本発明の要件である１．３倍以上の体積膨張率は、熱膨張体を配合する以外の方法、例えばグリセリンなどの多価アルコールを配合することによっても得ることができる。

熱可塑性プラスチック体に内包させる液化ガスとしては、イソブタン、イソペンタン、トリメチルペンタン等が挙げられる。また、熱可塑性プラスチック体の外殻を構成する熱可塑性プラスチックとしては、塩化ビニリデンやアクリロニトリル、メタクリル酸メチル、メタルリロニトリルの共重合体等が挙げられる。熱可塑性プラスチック体の形状は特に限定されないが、圧入作業性の点から球体であることが好ましい。

本発明の圧入材の好ましい配合例は、以下のとおりである。
（１）圧入材の合量１００質量％中に、熱可塑性プラスチック体を０．５質量％以上３質量％以下、珪酸塩を３質量％以上１０質量％以下配合する。
（２）圧入材の合量１００質量％中に、熱可塑性プラスチック体を２質量％以上７質量％以下、無機質の繊維を６０質量％以上、増粘剤を１質量％以上１０質量％以下配合する。
ここで、「圧入材の合量」とは、施工の以前に添加される水分を除いたものをいう。

上記配合例（１）では、結合剤として珪酸塩を配合している。珪酸塩を配合することで、密閉性を保持しうる施工体強度を確保することができる。上記配合例（１）において、珪酸塩が３質量％未満であると、密封性を保持しうる施工体強度が十分でなくなる。また、珪酸塩が１０質量％を超えると、耐熱性が低下する。

上記配合例（１）では、耐熱性を得るために耐火原料を配合している。耐火原料としては、電融又は焼結のアルミナ、ムライト、合成ムライト、ムライトアルミナ、マグネシア−ライム、マグネシア、スピネル、ジルコニア、ジルコニア−ムライト、また、ボーキサイト、シリマナイト、アンダリューサイト、カイヤナイト、バン土頁岩、シャモット、蝋石、珪石、溶融シリカ、仮焼アルミナ、超微粉シリカ、ジルコン、クロム鉱、炭化珪素、窒化珪素、天然黒鉛、人造黒鉛、無煙炭等や粘土、ベントナイトから選択される1種以上の組み合わせが挙げられる。なお、これらを原料としてなる耐火物の加工屑や使用後屑も使用してもよい。

さらに必要によっては、有機繊維、無機繊維等の繊維類、あるいは、消泡剤、空気連行剤やカルボキシルメチルセルロース、メチルセルロース、デキストリン、アルギン酸ソーダ、アルギン酸アンモン、ウェランガム、キサンタンガム、デンプン等の増粘剤等を添加してもよい。

上記配合例（２）では、無機質の繊維とともに増粘剤を配合している。無機質の繊維を配合することで熱間での圧入材の可塑性を向上させることができ、これにより密封性を確保することができる。例えば、操業時の熱によって炉が変形した場合であっても、配合例(２)は可塑性を有するので、炉の変形に対する順応性が高く、炉の変形による密封性の低下を防ぐことができる。無機質の繊維が６０質量％未満であると、十分な可塑性向上効果が得られない。無機質の繊維としては、セラミックファイバー、ガラス繊維、ロックウール、炭素繊維、ウォラストナイト繊維、セピオライト等が挙げられる。

上記配合例（２）において増粘剤は、無機質の繊維の分散性を向上させるために配合する。増粘剤としては、カルボキシルメチルセルロース、メチルセルロース、デキストリン、アルギン酸ソーダ、アルギン酸アンモン、ウェランガム、キサンタンガム、デンプン等が挙げられるが、無機繊維の分散性の点からカルボキシルメチルセルロースが最も好ましい。上記配合例（２）において増粘剤が１質量％未満であると、無機質の繊維の分散性が悪くなり、施工不良となる。増粘剤が１０質量％を超えると、粘着性が高くなりすぎて作業性が低下する。

また、さらに分散性を向上させるために、縮合リン酸、ポリエチレングリコール、ポリエーテル、ポリカルボン酸、ポリアクリル酸、メラミンスルホン酸系高分子、フミン酸、アルキルスルホン酸、ホスホン酸、芳香族スルホン酸等の分散剤、あるいは、合成ポリマー、スターチエーテル等の低粘性ダレ防止剤、あるいはこれらと同様な効果が得られる物質から１種又は２種以上を選択して使用できる。

なお、上記配合例（２）においても耐熱性を得るために配合例（１）と同様の耐火原料を配合することができる。

また、上記配合例（１）（２）は、熱可塑性プラスチック体が熱により膨張することで保形性を保つことができる。このため、保形性確保のためにアルミナセメント等の水硬性の結合剤を添加しなくてよい。すなわち、配合例（１）（２）は、水硬性の結合剤を含まないので、水を添加しても硬化しない。よって、水分を添加して混練後、常温下密閉容器内で２４時間以上、保形性を確保することが可能となる。また、上記配合例（１）（２）は、水硬性の結合剤を使用した場合よりも、硬化した部分の掃除の手間を軽減できる。

本発明の圧入材は、従来の圧入材と同様に適量の水分を添加して混練後、窯炉の隙間（施工対象部分）に圧入される。本発明の圧入材は優れた密封性を有することから、施工対象部分としては従来の圧入材では密封が困難な部分、具体的には３０ｍｍ幅以下の隙間又は亀裂であって使用時の温度が８０℃以上となる部分に適用する場合に特に有効である。

（実施例１）
表１に示す配合組成からなる各例の圧入材について、線変化率、圧縮強さ及び体積膨張率を測定するとともに、密封性を評価して総合評価を行った。

表１に示すように、耐火原料としてシャモット原料及び粘土、結合剤として珪酸塩、増粘剤としてカルボキシルメチルセルロース、熱可塑性プラスチック球体としてイソペンタンを内包したものを用いた。

線変化率及び圧縮強さは、各例の配合組成を所定の添加水量にて混練後、４０×４０×１６０ｍｍの型枠に鋳込み、拘束した状態で１１０°Ｃ×２４時間乾燥後脱枠を行い、１０００℃×３時間焼成して得られた試料片について測定した。

体積膨張率は、各例の配合組成を所定の添加水量にて混練後、２０ｍｍ×２０ｍｍ×８０ｍｍの型枠に鋳込み、型枠ごと３００℃の電気炉で２時間加熱した後に取り出して冷却を行い、型枠から脱枠し、試験片の長さと高さと幅の外径寸法を測定して容積を算出し、算出した加熱冷却後の容積（ｍｍ^３）から、２０ｍｍ×２０ｍｍ×８０ｍｍ＝３２，０００（ｍｍ^３）の鋳込み寸法を割って計算した。

密封性の評価は、１０００℃に加熱した実験バーナー炉に１０ｍｍの隙間を開けて、その隙間から強制的に火炎を噴出させた状態を作り出し、各例の配合組成を所定の添加水量にて混練後、圧送機でその隙間に試料を充填し、火炎の漏れがなくなった場合を○、わずかに火炎の漏れが認められる場合を△、火炎の漏れが認められた場合を×とした。

総合評価は、○、△、×の３段階で評価した（○、△、×の順に評価が悪いことを示す。）。具体的には、本発明が課題とする密封性が×の場合、総合評価は×とした。また、密封性が△の場合は総合評価も△とした。更に、線変化率及び圧縮強さの値を相対評価して、総合評価の○、△を評価した。具体的には、実施例９は、圧縮強さの値が低いので総合評価は△とした。実施例１０は、線変化率の値が大きいので総合評価は△とした。

実施例１〜１０は、体積膨張率が１．３倍以上の要件を満たしており、総合評価は○又は△であった。特に、上述した好ましい配合例（１）の範囲内にある実施例１〜７は総合評価が○であり、良好な結果が得られた。

一方、比較例１、２は、体積膨張率が１．３倍を下回っており、密封性が×となった。

（実施例２）
表２に示す配合組成からなる各例の圧入材について、分散性、粘着性及び可塑性を評価するとともに、実施例１と同様に体積膨張率及び密封性を測定・評価し、総合評価を行った。

表２に示すように、無機質の繊維としてセラミックファイバー、耐火原料としてシャモット原料、増粘剤としてカルボキシルメチルセルロース、低粘性ダレ防止剤として合成ポリマー、熱可塑性プラスチック球体としてイソペンタンを内包したものを用いた。

分散性の評価は、株式会社愛工舎製作所製のケンミックス卓上ミキサーを使用し、各例の配合組成を所定の添加水量にて２分間混練を行い、セラミックファイバーのほぐれ度合いを触感で判定した。１ｃｍ程度の凝集したセラミックファイバーが残っている状態を×、凝集したセラミックファイバーがわずかに残っている状態を△、凝集したセラミックファイバーが残っていない状態を○とした。

粘着性の評価は、混練後の試料を指でつかみ、指に試料が残りべとつく触感であるものを×、わずかにべとつくものを△、べとつきがないものを〇とした。

可塑性の評価は、各例の配合組成を所定の添加水量にて混練後、２０×２０×８０ｍｍの型枠に鋳込み、型枠ごと３００℃の電気炉で２時間加熱した後に取り出して冷却を行い、型枠から脱枠し、試験片に０．１ＭＰａの荷重をかけた時に収縮して、荷重を解放した時に８０％以上の形状復元が認められたものを○、５０％以上８０％未満の形状復元が認められたものを△、５０％未満の形状復元のものを×とした。

総合評価は、○、△、×の３段階で評価した（○、△、×の順に評価が悪いことを示す。）。具体的には、本発明が課題とする密封性が×の場合、総合評価は×とした。それ以外は、分散性、粘着性、可塑性、密封性のいずれの評価のうち最も評価結果の悪いものに合わせた。

実施例１１〜２１は、体積膨張率が１．３倍以上の要件を満たしており、総合評価は○又は△であった。特に、上述した好ましい配合例（２）の範囲内にある実施例１１〜１６は総合評価が○であり、良好な結果が得られた。

一方、比較例３〜６は、体積膨張率が１．３倍を下回っており、密封性が×となった。

Claims (5)

1. 窯炉に適用される圧入材であって、８０℃〜５００℃の雰囲気温度環境下で加熱した時に、加熱前よりも１．３倍以上の体積膨張を伴う圧入材。
2. ８０℃〜５００℃で膨張する物質を内包した熱膨張体が配合され、前記熱膨張体は液化ガスを内含した熱可塑性プラスチック体である請求項１に記載の圧入材。
3. 圧入材の合量１００質量％中に、前記液化ガスを内含した熱可塑性プラスチック体が０．５質量％以上３質量％以下となるように配合され、更に珪酸塩が３質量％以上１０質量％以下となるように配合されている、請求項２に記載の圧入材。
4. 圧入材の合量１００質量％中に、前記液化ガスを内含した熱可塑性プラスチック体が２質量％以上７質量％以下となるように配合され、更に無機質の繊維が６０質量％以上、増粘剤が１質量％以上１０質量％以下となるように配合されている、請求項２に記載の圧入材。
5. 窯炉において、３０ｍｍ幅以下の隙間又は亀裂であって使用時の温度が８０℃以上となる部分に圧入される、請求項１から４のいずれかに記載の圧入材。

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