JP2016061464A - 無機繊維質断熱材ブロック、その製造方法及び炉 - Google Patents

Abstract

【課題】水蒸気などのガス成分に対し高バリア性を有していると共に、耐熱性に優れ、また機械的および熱衝撃性に優れた無機繊維質断熱材ブロックと、その製造方法と、この無機繊維成形体を備えた炉を提供することを目的とする。【解決手段】炉内被加熱面のライニング施工に用いられる無機繊維質断熱材ブロック４であって、少なくとも第１の無機繊維集合体層１、第２の無機繊維集合体層２及びそれらの間に設けられたガスバリア層３を有する。該第１の無機繊維集合体層１のガスバリア層３と反対側の面が炉内に向けて配置されるように無機繊維質断熱材ブロック１が炉体内面にライニングされる。【選択図】図１

Description

本発明は、炉内のライニングに用いられる無機繊維質断熱材ブロックおよびその製造方法に関する。また、本発明は、この無機繊維質断熱材ブロックを備えた炉に関する。

従来、炉内の炉壁ライニングには、鋼板、レンガなどの重質な耐火物が多く用いられてきた。近年では、高断熱性、高耐熱衝撃性、急速降昇温が可能など、操業性および省エネルギー性に優れた無機繊維断熱材の使用が拡大している。

一例として、亜鉛やアルミニウム等の取鍋など溶融金属と直接接する部材へのライニング材として使用することが検討されている。無機繊維質断熱材ブロックは、断熱性に優れるため、取鍋ライニングに用いると、取鍋の温度低下を防止できる。また、無機繊維質断熱材ブロックは軽量であるため、取鍋を構成する鉄皮および耐火材の構造を簡素化できる。

各種焼鈍炉などにおいても無機繊維断熱材の使用は拡大している。焼鈍炉に無機繊維質断熱材ブロックを用いる場合、炉内に酸素や水分の混入が防止される構成を有することが望まれる。特に連続亜鉛メッキ用焼鈍炉などでは、無機繊維断熱材が含む空気や水分を窒素などの不活性ガスへの置換にかかる時間が長くかかるため、ガス置換にかかる時間が低減できる無機繊維断熱材が、操業停止時間を短縮できるメリットが非常に大きいために求められてきた。

特許文献１には、セラミックファイバを有機および無機バインダーにより結合して成形された成形体であって、該成形体の炉内ライニング方向に対し直角な少なくとも一面にガス難浸透性コーティングを施した繊維質成形体が記載されている。このコーティング材は、珪石等の耐火骨材粉末と、ガラス材粉末と、アルコキシドゾルとを含む組成物を吹付け等により塗布し、乾燥後、１０００〜１２００℃で熱処理することにより形成される。

特許文献２には、溶融亜鉛メッキ設備のメッキポットの内張の耐火材として、セラミックファイバーブロックを５０〜３５０ｋｇ／ｃｍ^３に圧縮成形したものが記載されている。

特許文献３には、無機繊維質成形体表面からの繊維飛散を低減する目的で、シリカアルミナ繊維を無機バインダーおよび有機バインダーで成形し、その表面を無機繊維、無機粒子及び有機バインダーを含むコート材でコーティングした無機繊維成形体が記載されている。

特開平８−２３９２５７ 特開２００２−１２１６５８ 特開２００１−２７８６８０

特許文献１および３にあっては、炉内温度が高い場合、または長期使用する場合、表面のコーティング層が溶融し剥がれ落ちてしまう可能性が高い。また、溶融金属を受ける底面のブロックとして該ブロックを使用した場合、機械的衝撃や熱衝撃によりコーティング層に亀裂が発生するおそれがある。

特許文献２にあっては、セラミックファイバーブロックの空隙内やセラミックファイバーブロック同士の当接部分（目地部分）に、溶融金属が浸透し、鉄皮などを侵食することが懸念される。また、セラミックファイバーブロックは、空隙率が高いため、セラミックファイバーブロック内部の酸素や水蒸気を窒素などの安定化ガスに置換するのに多大な労力がかかる課題がある。

本発明は、水蒸気などのガス成分に対し高バリア性を有していると共に、耐熱性に優れ、また機械的および熱衝撃性に優れた無機繊維質断熱材ブロックと、その製造方法と、この無機繊維成形体を備えた炉を提供することを目的とするものである。

本発明の無機繊維質断熱材ブロックは、炉内被加熱面のライニング施工に用いられる無機繊維質断熱材ブロックにおいて、少なくとも第１の無機繊維集合体層、第２の無機繊維集合体層及びそれらの間に設けられたガスバリア層を有し、該第１の無機繊維集合体層のガスバリア層の反対側の面が炉内に向けて配置されることを特徴とするものである。

このガスバリア層は、釉薬焼成物よりなることが好ましい。

本発明の無機繊維質断熱材ブロックの製造方法は、第１の無機繊維集合体層及び第２の無機繊維集合体層の一方の面に釉薬を塗布する工程と、第１の無機繊維集合体層及び第２の無機繊維集合体層の該一方の面同士を当接させ、焼成して第１の無機繊維集合体層と第２の無機繊維集合体層との間にガスバリア層を形成する工程とを有するものである。

本発明の炉は、炉内ライニングとして本発明の無機繊維質断熱材ブロックを備えたものである。

本発明の無機繊維質断熱材ブロックは、ガスバリア層を有しており、ガスバリア性に優れる。本発明では、ガスバリア層を第１の無機繊維集合体層と第２の無機繊維集合体層との間に設けているので、ガスバリア層が炉内雰囲気に直接には接触しない。そのため、ガスバリア層の耐久性が良好である。

この第１及び第２の無機繊維集合体層は、その大部分が無機繊維材料よりなるので、本発明の無機繊維質断熱材ブロックは、軽量でハンドリング性が良く、昇温時の予備加熱も不要である。

本発明の製造方法によれば、種々のサイズ、形状の無機繊維質断熱材ブロックを容易に製造することができる。

実施の形態に係る無機繊維質断熱材ブロックの断面図である。 無機繊維質断熱材ブロックの製造方法の一例を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態について説明するが、本発明は以下の記載に限定されない。図１は本発明の無機繊維質断熱材ブロックの一例を示す断面図である。この無機繊維質断熱材ブロック４は、無機繊維集合体層として少なくとも第１の無機繊維集合体層１と第２の無機繊維集合体層２を有し、第１の無機繊維集合体層１と第２の無機繊維集合体層２との間にガスバリア層３が設けられている。この無機繊維質断熱材ブロック４は、第１の無機繊維集合体層１が炉内側となり、第２の無機繊維集合体層が炉壁側となるように、炉内被加熱面のライニング施工に用いられる。

第１の無機繊維集合体層１と第２の無機繊維集合体層２の材料は、特に限定されるものではないが、好ましくは第１の無機繊維集合体層１が、耐熱性に優れるアルミナ／シリカ系繊維ブランケットよりなる。第２の無機繊維集合体層２はセラミックス繊維ブランケットでもアルミナ／シリカ繊維系ブランケットでもよいが、均一なガスバリア層３を形成するには第１の無機繊維集合体層１と同一の材料が好ましい。無機繊維集合体層１，２はそれぞれ１枚のブランケットにて構成されてもよく、複数枚のブランケットを積層したものであってもよい。

アルミナ／シリカ系繊維のアルミナ／シリカの組成比（質量比）は６５〜９８／３５〜２のムライト組成、又はハイアルミナ組成と呼ばれる範囲にあることが好ましく、さらに好ましくは７０〜９５／３０〜５、特に好ましくは７０〜７４／３０〜２６の範囲である。

無機繊維集合体を構成する無機繊維は、その８０質量％以上、中でも９０質量％以上、特にその全量が、上記ムライト組成の多結晶アルミナ／シリカ系繊維であることが好ましい。

無機繊維集合体における無機繊維は、繊維径３μｍ以下の繊維を実質的に含まないものが好ましい。ここで繊維径３μｍ以下の繊維を実質的に含まないとは、繊維径３μｍ以下の繊維が、全無機繊維質量の０．１質量％以下であることを表す。

また、無機繊維の平均繊維径は、５〜７μｍであることが好ましい。無機繊維の平均繊維径が太すぎると、マット状無機繊維集合体の反発力や靭性が低下し、逆に細すぎても空気中に浮遊する発塵量が多くなり、また繊維径３μｍ以下の無機繊維が含有される確率が高くなる。

上述の好適な平均繊維径を有し、かつ、繊維径３μｍ以下の無機繊維を実質的に含まない無機繊維集合体は、ゾルーゲル法による無機繊維集合体の製造において、紡糸液粘度の制御、紡糸ノズルに用いる空気流の制御、延伸糸の乾燥の制御により得ることができる。

無機繊維集合体のショット率は、特段の制限はないが、通常７％以下であり、好ましくは５％以下、より好ましくは３％以下、特に好ましくは１％以下である。

ガスバリア層３としては、特に限定はないが、釉薬焼成物よりなることが好ましい。

この無機繊維質断熱材ブロック１を製造するには、第１及び第２の無機繊維集合体層１，２それぞれの一方の面、若しくは無機繊維集合体層１，２のどちらか一方の片面のみに釉薬スラリーを塗布し、乾燥させて釉薬スラリー乾燥物層３ａを形成した後、無機繊維集合体層１，２の釉薬塗布面同士もしくは釉薬塗布層と無機繊維集合体層表面を当接させ、焼成するのが望ましく、図２に記載の通り、第１及び第２の無機繊維集合体層１，２それぞれの一方の面に釉薬スラリーを塗布し、乾燥させて釉薬スラリー乾燥物層３ａを形成した後、無機繊維集合体層１，２の釉薬塗布面同士を当接させ、焼成するのがより望ましい。

釉薬スラリーとしては、耐火骨材粉末、ガラス材粉末、水、及び増粘剤を混合して調製したものが好ましい。

耐火骨材粉末としては、珪石、ロー石、シャモット、ムライト、アルミナ等の１種又は２種以上を用いることができる。耐火骨材粉末の粒度は、好ましくは１００μｍ以下であり、４４μｍ以下のものを多く含むことがより好ましい。また、耐火骨材粉末の粒度分布ピークが５μm以上３０μｍ以下であることが好ましい。

ガラス材粉末としては、フリット、ホウ珪酸ガラス等を用いることができる。ガラス材粉末の粒度は、３００μｍ以下であることが望ましく、コーティング材の施工性よりみて４４μｍ以上であることが好ましい。また、ガラス材粉末の粒度分布ピークが６０μｍ以上２００μｍ以下であることが好ましい。

増粘剤としては、カルボキシルメチルセルロース、デキストリンなどの有機系増粘剤であってもよく、ベントナイト等の無機系増粘剤であってもよい。

耐火骨材粉末とガラス材粉末との配合比は、耐火骨材粉末９０〜６０重量％、ガラス材粉末１０〜４０重量％であることが好ましい。ガラス材粉末が１０重量％未満であると、ガス難浸透性の緻密な組織が得られず、また４０重量％を超えると耐熱性が得られない。

耐火度の異なる複数の釉薬粉を用いることで耐火度が調整されてもよい。また、釉薬中のアルカリ金属およびアルカリ土類金属の割合を変えることで耐火度を調整してもよい。耐火度の高い釉薬は、アルカリ金属およびアルカリ土類の混合割合は低く、結晶性物質であることが多い。釉薬の化学組成をａＲ_２Ｏ・ｂＡＯ・ｘＡｌ_２Ｏ_３・ｙＳｉＯ_２（Ｒ：アルカリ金属、Ａ：アルカリ土類金属）として表した場合、Ｒ_２Ｏ及びＡＯが多いと溶融した釉薬の流動性が高くなる。Ｒ_２ＯとＡＯと流動性に与える影響は、Ｒ_２Ｏの方が大きい。
また、耐火骨材の成分としては、Ａｌ_２Ｏ_３及びＳｉＯ_２の合計が６０重量％以下であり、上記Ｒ_２Ｏが５重量%以下かつ上記ＡＯが９重量%以下であること、及びガラス材の成分としては、Ａｌ_２Ｏ_３及びＳｉＯ_２の合計が６５重量％以下であり、上記Ｒ_２Ｏが１０重量％以下かつ上記ＡＯが１０重量％以下であることが、上記耐火骨材及びガラス材を用いることで、アルミナ繊維層との間の中間層に釉薬層を形成する際に、釉薬層厚みを均一に形成することができる点で、好ましい。

釉薬スラリーは、刷毛塗り、スプレーなどにより、上記無機繊維成形体に塗布することが好ましい。釉薬スラリーを塗布後、１１０℃で３０分程度又はそれ以上乾燥することが望ましい。このように乾燥することにより、加熱中に起きる水分の移動に伴うガスバリア層の構造の破壊を抑制することができる。

この乾燥後、第１及び第２の無機繊維成形体１，２塗布面同士を当接させ（例えば重ね合わせ）焼成する。この焼成条件は、８００〜１３００℃特に９００〜１２００℃で１〜５ｈｒ特に２〜４ｈｒ程度保持することが好ましい。この焼成により、ガスバリア層３が、無機繊維集合体層１，２間に挟まれた構造の無機繊維質断熱材ブロック４が得られる。

このような釉薬スラリーを塗布して乾燥及び焼成して形成されるガスバリア層３を緻密なものとするために、無機繊維集合体層１，２は、アルミナゾルなど無機質ゾルが含浸担持されたものが好ましい。無機質ゾルが無機繊維集合体に含浸されていないと、焼成時に、溶融した釉薬中のガラス成分が無機繊維集合体の繊維間隙（４５μｍ程度）に、毛細管現象により移動してしまい、ガスバリア層に凹凸が生じ、場合によってはガスバリア層に小孔が形成されるおそれがある。

無機質ゾルの担持量は、無機繊維成形体１００重量部当り、固形分として１０〜３０ｇ特に１５〜２５ｇ程度が好ましい。無機質ゾルを無機繊維集合体に担持させるには、無機繊維集合体を無機質ゾルに浸漬した後、次いで乾燥すればよいが、これに限定されない。

この無機繊維質断熱材ブロック４は、工業炉内のライニング材として利用した場合、ガスバリア層３に負荷される熱負荷が低いため、ガスバリア層３が溶融しづらく、裏面との温度差も小さくなり、割れづらいものとなる。

以下に本発明の実施の形態を詳細に説明する。以下の記載は、本発明の実施形態の代表例であり、本発明はその要旨を超えない限り、これらの内容に限定されない。なお、以下の実施例等において得られた無機繊維質断熱材ブロックの物性測定及び評価方法は、以下の通りである。

［水蒸気透過度］
５０ｍｍ×５０ｍｍのサイズにサンプルを切出し、その重量Ｗ_１（ｇ）を測定する。５０ｍｍ×５０ｍｍの開口部を有する深さ１０ｍｍのアルミニウム製の容器内に、乾燥した塩化カルシウム１０ｇを入れ、前記サンプルを開口部に設置する。その後、サンプルと容器側面の接合部をアルミニウムテープにより完全に封入し、試験体とする。この試験体を温度２３．０℃、相対湿度７５％の恒温恒湿チャンバ内に設置する。４０時間後にサンプルを容器から取り出し、その重量Ｗ_２（ｇ）を測定する。水蒸気透過度Ｔ（ｇ／ｍ^２／４０ｈｒ）を下記式により算出する。

Ｔ＝（Ｗ_２−Ｗ_１）／（０．０５＊０．０５）
Ｔが１００ｇ／ｍ^２（ただし、厚さ２１ｍｍで４０ｈｒ当り）未満であれば良好であると判定される。

［耐熱衝撃性］
５０ｍｍ×５０ｍｍのサイズにサンプルを切出す。次に炉内温度を釉薬焼成温度＋１００℃とした電気炉内にサンプルを設置する。１５分間加熱した後取出し、１５分間空冷する。この加熱・空冷のサイクルを３回繰り返し、目視により亀裂発生有無を観察する。

また、この加熱・空冷（３サイクル）処理後のサンプルについて、水蒸気透過度を測定し、加熱・空冷（３サイクル）処理前後の水蒸気透過度の変化量により、耐熱衝撃性を評価する。ここで、Ｔ＝１００ｇ／ｍ^２未満、かつ、加熱・空冷処理後の水蒸気透過度と加熱・空冷処理前の水蒸気透過度との比が１．２未満である場合、耐熱衝撃性良好と判定される。

［実施例１］
アルミナ繊維ブランケット（三菱樹脂株式会社製 マフテック（登録商標） ＭＬＳ−２、厚さ１０ｍｍ）を５０ｍｍ×５０ｍｍのサイズに２枚切出した。その後、各切出ブランケットにアルミナゾル（日産化学株式会社 ＡＳ２００）を浸漬法で含浸した。その後、ブロワにより２０ｋＰａの圧力で５分間脱水し、吸引しながら１１０℃で３０分間乾燥し、無機繊維集合体とした。担持量は、ブランケット１００ｇ当たり固形分として２０ｇとした。

また、耐火骨材（福島釉薬株式会社 石灰釉１号）１００重量部、ガラス成分（福島釉薬株式会社 無鉛フリット）７０重量部、化学のり（福島釉薬株式会社 カルボキシメチルセルロース）１．４重量部を混合し、さらに水１１０重量部を添加し、釉薬スラリーを調製した。

この釉薬スラリーを上記の各無機繊維集合体の一方の面に固形分量として２．５ｇずつ塗布し（合計で５．０ｇ）、１１０℃で３時間乾燥した。その後、図２のように、２枚の無機繊維集合体の釉薬塗布面同士を重ね合わせ、５℃／分で昇温、１０００℃で３時間保持、５℃/分で降温し、図１に示すようにガスバリア層を内部に有する無機繊維質断熱材ブロックを製造した。

この無機繊維質断熱材ブロックについて、水蒸気透過度及び耐熱衝撃性を上記の通り評価した。結果を表１に示す。

［実施例２］
実施例１において、２枚のアルミナ繊維ブランケットの内、１枚をセラミックス繊維ブランケット（イソライト工業株式会社 イソウール１２６０ブランケット ８Ｐ１２．５Ｔ、厚さ１２．５ｍｍ）としたこと以外は実施例１と同様にして無機繊維質断熱材ブロックを製造した。水蒸気透過度及び耐熱衝撃性を評価した結果を表１に示す。

［比較例１］
実施例１と同様にした作製したアルミナゾル含浸アルミナ繊維ブランケットを５０ｍｍ×５０ｍｍのサイズに２枚切出した。その後、釉薬スラリーを第１のアルミナ繊維ブランケットの一方の面にのみ固形分量として５.０ｇ塗布し、第２のアルミナ繊維ブランケットには釉薬スラリーを全く塗布しなかった。そして、第１のアルミナ繊維ブランケットの他方の面を第２のアルミナ繊維ブランケットに重ね合わせて焼成したこと以外は実施例１と同様にして無機繊維質断熱材ブロックを製造した。水蒸気透過度及び耐熱衝撃性の評価結果を表１に示す。

［比較例２］
アルミナ繊維ブランケット（三菱樹脂株式会社製 マフテック（登録商標） ＭＬＳ−２、厚さ１０ｍｍ）を５０ｍｍ×５０ｍｍのサイズに２枚切出し、釉薬スラリーを塗布することなく重ね合わせ、２個１組で無機繊維質断熱材ブロックとした。水蒸気透過度及び耐熱衝撃性を評価した結果を表１に示す。

［比較例３］
実施例１と同様にして作製したアルミナゾル含浸アルミナ繊維ブランケットを５０ｍｍ×５０ｍｍのサイズに２枚切出し、釉薬スラリーを塗布することなく重ね合わせ、２個１組で無機繊維質断熱材ブロックとした。水蒸気透過度及び耐熱衝撃性を評価した結果を表１に示す。

表１より、本発明の無機繊維質断熱材ブロックは水蒸気透過度が小さく、耐熱衝撃性に優れることが認められる。

１ 第１の無機繊維成形体
２ 第２の無機繊維成形体
３ 釉薬焼成物
３ａ 釉薬スラリー乾燥物層
４ 無機繊維質断熱材ブロック

Claims (6)

1. 炉内被加熱面のライニング施工に用いられる無機繊維質断熱材ブロックにおいて、
   少なくとも第１の無機繊維集合体層、第２の無機繊維集合体層及びそれらの間に設けられたガスバリア層を有し、
   該第１の無機繊維集合体層のガスバリア層と反対側の面が炉内に向けて配置されることを特徴とする無機繊維質断熱材ブロック。
2. 前記ガスバリア層は、釉薬焼成物よりなることを特徴とする請求項１に記載の無機繊維質断熱材ブロック。
3. 前記第１の無機繊維集合体層がアルミナ／シリカ系無機繊維を有し、該アルミナ／シリカ系無機繊維のアルミナ／シリカの組成比が６５〜９８／３５〜２であることを特徴とする請求項１又は２に記載の無機繊維質断熱材ブロック。
4. 第１の無機繊維集合体層及び第２の無機繊維集合体層の一方の面に釉薬を塗布する工程と、
   第１の無機繊維集合体層及び第２の無機繊維集合体層の該一方の面同士を当接させ、焼成して第１の無機繊維集合体層と第２の無機繊維集合体層との間にガスバリア層を形成する工程と
   を有する無機繊維質断熱材ブロックの製造方法。
5. 前記第１及び第２の無機繊維集合体層に無機質ゾルを含浸して担持させておくことを特徴とする請求項４に記載の無機繊維質断熱材ブロックの製造方法。
6. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の無機繊維質断熱材ブロックを備えた炉。

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