JP2016104899A

JP2016104899A - プレキャストブロック構造体

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Publication number: JP2016104899A
Application number: JP2014243362A
Authority: JP
Inventors: 石松　宏之; Hiroyuki Ishimatsu; 宏之石松; 哲則池部; Tetsunori Ikebe
Original assignee: Krosaki Harima Corp
Current assignee: Krosaki Harima Corp
Priority date: 2014-12-01
Filing date: 2014-12-01
Publication date: 2016-06-09
Anticipated expiration: 2034-12-01
Also published as: JP6438283B2

Abstract

【課題】加熱炉の水冷スキッドパイプ等の金属製の被覆対象物へのスタッドを介した損失熱を低減し、かつ、耐火被覆の施工時間を短縮する簡便な施工を可能とし、さらに、熱膨張によるセラミックスタッドの損傷を低減できるプレキャストブロック構造体を提供すること。
【解決手段】金属製の被覆対象物１０の外周を被覆可能な金属板１１と、この金属板に連結されたセラミック製のスタッド１２と、このスタッドに保持された不定形耐火物材料からなるプレキャストブロック１３とを備えたプレキャストブロック構造体において、スタッド１２は、金属板１１に対して動きうるように連結した。
【選択図】図２

Description

本発明は、加熱炉などの熱設備において、特に抜熱損失の顕著な部位、例えば、水冷スキッドパイプ、炉殻内壁等の金属製の被覆対象物を耐火被覆するためのプレキャストブロック構造体に関する。

金属製の被覆対象物として、加熱炉のウォーキングビームを構成する水冷スキッドパイプを例に説明すると、従来、水冷スキッドパイプは不定形耐火物で覆われ、耐熱性及び断熱性が確保されてきた。しかし、不定形耐火物施工に際し、耐火物を保持するために金属製のスキッドパイプに金属製のスタッド（金属スタッド）を施工することに伴ういくつかの欠点を有していた。すなわち、熱伝導率の高い金属スタッドを介しての熱損失が大きいこと、労力と時間を要する施工が必要であること（耐火物の解体→スタッド除去→スキッドのケレン→スタッド溶接→不定形耐火物の枠掛け、流し込み→養生→脱枠などの工程の多さ、スタッド本数の多さ（一般には２０〜３０本／ｍであるから数千本／炉））といった問題があった。つまり、操業についてはエネルギー損失、工事に関しては、期間の増大と施工工数の多さである。

これを解決するために、これまでいくつかの対策が試みられてきた。例えば、特許文献１のように金属板に金属スタッドを設けてプレキャストブロック化した断熱ブロックを事前成形し、溶接によってスキッドパイプに現地施工する方法など、事前成形したプレキャストブロック構造体を施工する方法がある。しかし、いずれも金属スタッドを使用しており、これを保持する金属板がスキッドパイプに設置されるため、金属スタッドを介する熱損失を防げず、施工性のために省エネ効果を犠牲にせざるを得なかった。また、金属スタッドの熱膨張率と母材耐火物の熱膨張率が大きく異なるため、スタッド付近が割れの起点となって損傷を引き起こしていた。

一方、金属スタッドを介した熱損失を低減するための工夫として、スタッドを熱伝導率の小さい材料に替えることが試みられ、代表的にはセラミック製のスタッド（セラミックスタッド）の採用が試行されてきたが、セラミックスタッドをスキッドパイプに接合又は保持することが難しい。すなわち、鋳鋼などの耐熱鋼材質のスキッドパイプに金属を溶接などしてセラミックスタッドを保持できる現地施工をすることが難しく、先に述べた膨大な数の接合を要するため、結果として多大な施工時間を要することになっていた。

また、スキッドパイプとセラミックスタッドとを接合する構造については、セラミックスタッドの根元端部にメネジを切り、スキッドパイプに溶接されたボルトにねじ込んで接合する構造も知られている（例えば、特許文献２参照）。しかし、この場合、セラミックスタッドとスキッドパイプとに隙間がない接合構造となる。このため、加熱炉の加熱時又は冷却時において、セラミックスタッドの熱膨張の吸収代がないため、熱膨張によりセラミックスタッドに割れや亀裂が発生するという問題がある。

そこで、スタッドのないオールセラミックファイバーによる断熱ライニングなども試みられたが（例えば、特許文献３参照）、セラミックファイバーは、加熱炉で加熱・酸化された鋼材表面より脱落する酸化スケールにより浸食され損傷することから、耐用が短いという欠点があった。

さらには、スタッドを備えず、かつプレキャストブロックを備えたスキッドポストも知られている（例えば、特許文献４参照）。しかし、特許文献４の第１の実施形態には、水冷パイプと分割ブロックとの接合方法については記載されていない。このため、水冷パイプと分割ブロックとの間に空隙が発生し、分割ブロックが落下等により損傷してしまう問題がある。また、特許文献４の第２の実施形態には、引張治具による接合法が記載されている（「００６０」〜「００６４」）。具体的には、引張治具を水冷パイプに溶接する旨が記載されているが、予め引張治具を水冷パイプに溶接し、その後に分割ブロックを水冷パイプに接合しようとすると、分割ブロックに引張冶具を埋め込む必要があり、現実的ではない。

韓国公開特許第２００１−００４８０８７号公報実開昭６０−１１３３６３号公報実開昭６０−１５６３９８号公報特開２０１３−１１２８３２号公報

本発明は上記のような従来の問題を解決するために、加熱炉の水冷スキッドパイプ等の金属製の被覆対象物へのスタッドを介した損失熱を低減し、かつ、耐火被覆の施工時間を短縮する簡便な施工を可能とし、さらに、熱膨張によるセラミックスタッドの損傷（割れ、亀裂）を低減できるプレキャストブロック構造体を提供することを目的とする。

本発明の一観点によれば、「金属製の被覆対象物の外周を被覆可能な金属板と、この金属板に連結されたセラミック製のスタッドと、このスタッドに保持された不定形耐火物材料からなるプレキャストブロックとを備えたプレキャストブロック構造体において、前記スタッドは、前記金属板に対して動きうるように連結されていることを特徴とするプレキャストブロック構造体」が提供される。

本発明においてスタッドは、Ａｌ_２Ｏ_３を３０質量％以上含有するセラミックからなり、かつ当該セラミックのＳｉＯ_２含有量は２０質量％以下であり、また、プレキャストブロックを構成する不定形耐火物材料は、ＣａＯ・６Ａｌ_２Ｏ_３（カルシウムヘキサアルミネート、以下ＣＡ６という。）を主たる鉱物組成（化合物）とした断熱性骨材を使用した軽量キャスタブル（以下、本願明細書では「ＣＡ６軽量キャスタブル」という。）であることが好ましい。

さらに本発明においてスタッドは、その圧縮強さが６ＭＰａ以上のものであることが好ましい。

本発明では、金属製の被覆対象物の外周を被覆可能な金属板と、スタッドと、不定形耐火物材料（プレキャストブロック）とがプレキャストブロック構造体として一体化（モジュール化）されているので、金属板を被覆対象物の外周に溶接するだけで、当該被覆対象物を耐火被覆することができる。すなわち、耐火被覆の施工が簡便となり、施工時間を短縮することができる。

また、スタッドがセラミック製であるため、金属スタッドに比べ、スタッドを介した損失熱を低減することができる。

さらに、セラミックスタッドが金属板に対して動きうるように連結されているので、熱膨張によるセラミックスタッドの損傷を低減できる。

本発明に係るプレキャストブロック構造体を適用した水冷スキッドパイプにより構成された加熱炉のウォーキングビームを示す正面図である。図１のＡ−Ａ拡大断面図である。（ａ）は図２のＢ−Ｂ断面図、（ｂ）は平面図である。本発明に係るプレキャストブロック構造体の他の例を示し、（ａ）は図１のＡ−Ａ断面に相当する図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。本発明に係るプレキャストブロック構造体の他の例を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。セラミックスタッドの他の形状例を示す。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明に係るプレキャストブロック構造体を適用した水冷スキッドパイプにより構成された加熱炉のウォーキングビームを示す正面図である。

同図に示すウォーキングビーム１００は、スキッドビーム１１０（垂直の支柱）とスキッドパイプ１２０とから構成され、スキッドパイプ１２０上には金属製のスキッドボタン１３０が設置されて、被加熱物である鋼材はこのスキッドボタン１３０に支持され、加熱炉内を挿入側から抽出側へ移動する。

スキッドビーム１１０とスキッドパイプ１２０は、いずれも金属製のパイプからなり、内部は水冷されている。以下では、スキッドビーム１１０とスキッドパイプ１２０とを区別することなく、水冷スキッドパイプ２０として説明する。

図２は、図１のＡ−Ａ拡大断面図である。水冷スキッドパイプ２０が本発明に係るプレキャストブロック構造体１０によって耐火被覆されている。

図２に示すプレキャストブロック構造体１０は、水冷スキッドパイプ２０を被覆する形状(円筒形)の金属パイプを半割りにした金属板１１に、セラミックスタッド１２を連結し、これに不定形耐火物材料を鋳込んでプレキャストブロックとしたものである。すなわち、プレキャストブロック構造体１０は、金属板１１と、この金属板１１に連結されたセラミックスタッド１２と、このセラミックスタッド１２に保持された不定形耐火物材料からなるプレキャストブロック１３とを一体化（モジュール化）したものである。

このプレキャストブロック構造体１０において、セラミックスタッド１２は、金属板１１に対して動きうるように連結されている。図２の場合、金属板１１に連結座１１ａを設け、この連結座１１ａにセラミックスタッド１２の基端を、間隔（遊び）をもって連結している。これによって、セラミックスタッド１２は、間隔（遊び）の分だけ可動であり、しかも金属板１１（連結座１１ａ）から抜けないように連結されている。

このようにセラミックスタッド１２を金属板１１に対して動きうるように連結する、いわゆる遊嵌構造（可動構造）とすることで、プレキャストブロック１３や金属板１１との熱膨張差、あるいは熱膨張に伴う変形等に起因するセラミックスタッド１２の損傷を低減できる。なお、間隔（空隙）の大きさは、セラミックスタッド１２の熱膨張量等を考慮して適宜設定すればよく、例えば長手方向に１ｍｍ程度とする。

また、セラミックスタッド１２はセラミック製であるため、プレキャストブロック１３と同等の熱膨張率を有する。すなわち、プレキャストブロック構造体１０においてセラミックスタッド１２とプレキャストブロック１３は、熱による膨張収縮時に同等の挙動をするため、スタッドを起点とする亀裂や割れが生じにくい。これは従来の金属スタッドに対する大きな利点であり、亀裂、割れに起因する寿命低下を大幅に防ぐことができる。従来の金属スタッドでは加熱により熱膨張が０．５〜１．０ｍｍ程度生じ、かつ酸化膨張も加わり施工体における亀裂、割れという損傷原因となっていた。一方、スタッドは水冷スキッドパイプと耐火物施工体の接合・保持に不可欠であるため、この損傷は必要悪と考えられていた。本発明ではセラミックスタッド１２を使用しているから、熱によるプレキャストブロック構造体１０（プレキャストブロック１３）の損傷を防ぐことができ、かつ金属スタッドを導体とする熱移動（熱損失）の大幅に低減することができる。しかも、上述のとおり、セラミックスタッド１２は遊嵌構造によって金属板１１に連結されているため、セラミックスタッド１２自体の損傷も低減できる。

上述のとおり、スタッドの材質を金属からセラミックに替えることにより、スタッドを介した損失熱が低減され、大幅な省エネが図られるが、さらに省エネ効果を発現するためには、プレキャストブロック１３の材質は、断熱性の高い、ＣＡ６軽量キャスタブルとすることが好ましい。ＣＡ６軽量キャスタブルは軽量でかつ熱伝導率が低く、耐スケール溶損性に優れるという特徴を有しており、プレキャストブロック構造体１０の断熱効果をさらに向上させることができる。

また、このＣＡ６軽量キャスタブルとの組合せにおいて、セラミックスタッド１２の材質は、Ａｌ_２Ｏ_３を３０質量％以上含有し、かつＳｉＯ_２含有量が２０質量％以下のセラミック材料であることが好ましい。その理由は以下のとおりである。

プレキャストブロック構造体１０においてプレキャストブロック１３の内部では、稼働面側が高温で冷却側が低温となる温度分布となるところ、セラミックスタッド１２は稼働面の付近、すなわち高温側ではプレキャストブロック１３（ＣＡ６軽量キャスタブル）と反応、あるいは焼結して結合をつくる場合がある。セラミックスタッド１２の一部がプレキャストブロック１３と結合すると、熱膨張や水冷スキッドパイプ２０上の鋼材移動に伴う衝撃を受けたときにセラミックスタッド１２の損傷が顕著になる場合がある。セラミックスタッド１２とプレキャストブロック１３に結合がなければ、熱膨張や衝撃による応力を緩和することができるので、セラミックスタッド１２の材質は、プレキャストブロック１３（ＣＡ６軽量キャスタブル）とは親和性のない、あるいは焼結しにくい材質であることが好ましい。この観点から本発明者らがセラミックスタッドの材質に関して組成を検討したところ、Ａｌ_２Ｏ_３を主体とする材質、具体的にはＡｌ_２Ｏ_３を３０質量％以上含有する材質とすることによって、高温部での親和性（焼結の進行）を回避できる効果を得ることが判明した。Ａｌ_２Ｏ_３の含有量は５０質量％以上であることがより好ましい。

さらに、ＳｉＯ_２はＣＡ６軽量キャスタブルと反応して低融点組成物となりやすいため、その含有量は少ないことが好ましいこともわかった。そして本発明者らによる実験の結果、ＳｉＯ_２含有量は２０質量％以下とすることで、セラミックスタッドの損傷を低減できる効果を得ることがわかった。一方、冷却側では、熱影響を受けずに冷間に近い強度、靱性を保持しており、構造体として温度に影響を受けにくいプレキャストブロック構造体、及び耐火断熱施工体を実現できる。ＳｉＯ_２の含有量は１５質量％以下であることがより好ましい。

なお、セラミックスタッド１２において、Ａｌ_２Ｏ_３及びＳｉＯ_２以外の化学成分としては、ＣａＯ、ＭｇＯ、Ｆｅ_２Ｏ_３、Ｃｒ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏなどから選択される１種又は２種以上が含まれる。

また、セラミックスタッド１２の強度は、プレキャストブロック１３の熱膨張、衝撃による応力に十分耐えうるように、圧縮強さとして６ＭＰａ以上であることが好ましい。

なお、上述のセラミックスタッド１２の材質及び強度、並びにプレキャストブロック１３の材質は、あくまで好ましい例であって、これらに限定されるものではない。例えば、プレキャストブロック１３の材質は、ＣＡ６軽量キャスタブル以外に他の断熱性を有する不定形耐火物とすることもできる。また、セラミックスタッド１２は、成形されたセラミックファイバーやセラミック成形体、あるいはキーれんが、アンカーれんがと称される耐火物であってもよい。

また、プレキャストブロック構造体１０において、プレキャストブロック１３同士の膨張による損傷を回避するため、プレキャストブロック１３の間（図２に示すプレキャストブロック１３の間）に数ミリの膨張代を確保する構成としてもよい。

また、プレキャストブロック１３は、多層構造としてもよい。例えば、プレキャストブロック１３の低温側にシート状の断熱材を配置し、シート状の断熱材とＣＡ６軽量キャスタブルの多層構造としてもよい。これにより、断熱効果を向上させることができる。

以上のような構成を有するプレキャストブロック構造体１０は、オフラインで事前に製作することができる。すなわち、金属板１１にセラミックスタッド１２を遊嵌構造をもって連結したうえで、不定形耐火物の枠掛け、流し込み→養生→脱枠の工程によりプレキャストブロック構造体１０が得られる。このプレキャストブロック構造体１０は、水冷スキッドパイプ２０とは金属板１１を介して溶接接合される。そのため、プレキャストブロック構造体１０は、図３に示すように溶接棒を挿入するための貫通孔１４を有している、

以下、本発明に係るプレキャストブロック構造体１０の他の例を示す。

図４は、セラミックスタッド１２を三次元的な網目構造としてプレキャストブロック１３の保持力強化した例を示す。セラミックスタッド１２と金属板１１との連結構造は、図３と同様な遊嵌構造としている。

図５は、セラミックスタッド１２を円錐型にし、鋲１５を使用して金属板１１と連結した例を示す。セラミックスタッド１２の基部と鋲１５との間に間隔（遊び）を設けることで、遊嵌構造としている。

このように、セラミックスタッド１２及び金属板１１との遊嵌構造は様々な形態とすることができる。例えば、セラミックスタッド１２は図６に示すようにＴ字型とすることもでき、このほかＩ字型、Ｙ字型、あるいは三次元構造（網目構造、格子状、逆茂木型等）とすることもできる。いずれも用途、使用条件に応じて選択することができる。すなわち、棒状（Ｔ字型、Ｉ字型、Ｙ字型等）及び円錐型スタッドは圧縮に強い特徴から圧縮荷重の大きい部位に有利であり、引っ張りが働く部位には三次元構造が適している。

表１に本発明の実施例及び比較例を示す。

表１において、「遊嵌構造」とは、図２及び図３に示した連結構造であり、「固定構造」とはネジ止めによる固定である。セラミックスタッド中のその他の成分とは、Ｆｅ_２Ｏ_３、Ｃｒ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏなどの一般的な不純物成分のことである。また、「ＣＡ６」とはＣＡ６軽量キャスタブルのことである。

また、セラミックスタッドの強度はＪＩＳ“Ｒ２２０６（１９９６）耐火れんがの圧縮強さの試験方法”に基づいて評価した値である。

また、セラミックスタッドの損傷評価にあたっては、各実施例及び比較例のプレキャストブロック構造体を実際の加熱炉の水冷スキッドパイプに施工し、加熱条件下で約３カ月使用した後、サンプルを解体後、断面を切断してセラミックスタッドの損傷（割れ、亀裂）の有無を調査した。なお、加熱炉の操業条件は通常操業時の炉内雰囲気で１３００℃の条件であった。表１では、損傷が全くない場合を◎、微細な損傷がわずかにある場合を○、微細な損傷が数箇所ある場合を△、顕著な損傷がある場合を×として表記した。

表１より、本発明の実施例（遊嵌構造）ではいずれも、セラミックスタッドに顕著な損傷は見られず、良好な結果であった。一方、比較例（固定構造）では、セラミックスタッドに顕著な損傷が見られた。

１０プレキャストブロック構造体
１１金属板
１１ａ連結座
１２セラミックスタッド
１３プレキャストブロック
１４貫通孔
１５鋲
２０水冷スキッドパイプ

Claims

金属製の被覆対象物の外周を被覆可能な金属板と、この金属板に連結されたセラミック製のスタッドと、このスタッドに保持された不定形耐火物材料からなるプレキャストブロックとを備えたプレキャストブロック構造体において、
前記スタッドは、前記金属板に対して動きうるように連結されていることを特徴とするプレキャストブロック構造体。
前記スタッドは、Ａｌ_２Ｏ_３を３０質量％以上含有するセラミックからなり、かつ当該セラミックのＳｉＯ_２含有量は２０質量％以下であり、
前記プレキャストブロックを構成する不定形耐火物材料は、ＣＡ６軽量キャスタブルである、請求項１に記載のプレキャストブロック構造体。
前記スタッドは、その圧縮強さが６ＭＰａ以上のものである、請求項１又は２に記載のプレキャストブロック構造体。