JP2020001992A - 乾式吹付け施工用不定形耐火物 - Google Patents

Abstract

【課題】結合剤（バインダー）としてセメントを添加しない（以下、セメントフリーと表記する）耐火材料を乾式吹付け施工用不定形耐火物として用いた場合において、吹付け施工体の施工厚みの調整等に必要な作業可使時間の確保を実現すること。【解決手段】セメントフリーの耐火材料と、シリカ固形分の濃度が20質量％〜50質量％のシリカゾル又はシリカゾルを水で希釈したシリカゾルを混合する乾式吹付け施工用不定形耐火物である。前記耐火材料は、硬化剤として粒径1mm以下のMg又はCaの化合物、凝集剤として金属硫酸塩又は金属ハロゲン化物塩を含有する。【選択図】なし

Description

本発明は、シリカゾルの硬化剤としてMg又はCaの化合物を用いた場合の、凝集剤として硬化剤とは異なる化合物を添加することにより、充分な付着性及び作業可使時間を持つセメントフリー乾式吹付け施工用不定形耐火物に関する。尚，本発明においては、結合剤（バインダー）としてセメントが添加されていないことをセメントフリーと表記する。

近年、耐火物の施工においては、れんが張り施工に対し不定形耐火物の流し込み施工、塗り込み施工及び吹付け施工等が普及し、中でも流し込み施工が主体を占めている。しかし、不定形耐火物の流し込み施工では、施工現場での大型ミキサーによる混練作業、枠掛け作業及び脱枠作業が必要となる。その点を考慮した場合、吹付け施工は上述した煩雑さが少なく有利である。また、流し込み施工では枠掛け作業等が困難な複雑な形状の施工箇所や天井部であっても、吹付け施工では容易に施工でき、炉の補修に留まらず、新張りにおいても有効である。施工を可能にするためである。これまでに、炉の新張りにおける吹付け施工の適用を行ってきたが、吹付け施工の場合、ノズル内の混練状態が吹付け作業性に大きく影響する。

特許第３５６３３８５号公報 特許第６２９６６３５号公報 特許第５８９６５１５号公報

特許文献1に記載されたノズル装置を用いることにより、ノズル内の混練性能を高め、粉塵やリバウンドロスを低減させることができる。また、特許文献2に記載された流し込み不定形耐火物は、シリカゾルを添加したセメントフリー不定形耐火物の一例である。本発明者は、流し込み不定形耐火物を元に、吹付け施工用不定形耐火物に適した製品配合を目指し、検討を進めてきた。

吹付け施工を行うに当たり、付着及び硬化することは必要不可欠であるが、炉を補修又は新張りにて施工する際、施工厚みを管理する必要があり、作業可使時間の確保も重要な点の一つである。
上記耐火材料はシリカゾルとの硬化反応速度に起因し、作業性が大きく変わる可能性がある。施工箇所に混練材料が付着してから硬化反応が速く進んだ場合は、作業可使時間が短くなり、施工厚みの管理が困難である。施工厚みの管理が疎かになった場合、施工範囲内の特定箇所で凹凸が見られ、操業中に内部の流動物が接触し、本来流し込み施工であればかかることの無い応力がその箇所に集中し、亀裂の発生及び伸展、長期的には脱落等に発展し、補修又は再施工せざるを得ない状況となり、流し込み施工と比較し不利となる可能性がある。

また、硬化反応が著しく速く進んだ場合、充分に付着せず、リバウンドロスの増加、ノズル閉塞を引き起こす。
逆に硬化反応が遅い場合は、混練材料が流動し付着し難くなる可能性がある。いずれにせよ、元々設計された施工体にならず、施工不良や耐用の低下に繋がる。
特許文献3に記載されているMg又はCaの化合物とシリカゾルの反応による急結性を利用したシリカゾル添加吹付け施工用不定形耐火物では、作業可使時間が充分に確保できない可能性が高い。本発明の課題はシリカゾルと耐火材料を混練した際の硬化反応と吹付け施工時の作業性を個別で考え、それぞれの性質を別の添加剤で補うことで、充分な付着性及び作業可使時間の確保が可能となり、結果として施工の効率化、耐用性に優れた乾式吹付け施工用不定形耐火材を得ることにある。

本発明の乾式吹付け用不定形耐火物は、耐火材料とシリカ固形分の濃度が20質量％〜50質量％のシリカゾル又はシリカゾルを水で希釈したシリカゾルを混合したものを言う。前記耐火材料は、硬化剤として粒径1mm以下のMg又はCaの化合物を外掛けで0.05〜1.0質量％、凝集剤として金属硫酸塩又は金属ハロゲン化物塩を外掛けで0.01質量％〜1.0質量％添加したことを特徴とするものである。

本発明によれば、耐火材料に対して硬化剤とは別に、凝集剤として金属硫酸塩又は金属ハロゲン化物塩を添加することにより、充分な付着性及び作業可使時間を持つ乾式吹付け施工用不定形耐火物を得ることができる。

本発明の耐火材料は、吹付け施工に適した粒度構成になるように粒度調整された耐火性骨材が用いられる。
耐火性骨材の種類としては、例えば焼結アルミナ、電融アルミナ、ボーキサイト、バンド頁岩、ムライト、カイヤナイト、アンダルサイト、シャモット、ロー石、珪石、焼結スピネル、電融スピネル、クロム鉱、酸化クロム、ジルコン、ジルコニア、炭化珪素、黒鉛、ピッチ等の1種又は2種以上を組み合わせて用いることができる。また、耐火性粘土、仮焼アルミナ、シリカフラワー、カーボンブラック等の超微粉を併用することもできる。

シリカゾルは、シリカ固形分の濃度が20質量％〜50質量％の市販のものを用いることができる。
本発明のシリカゾルは水で希釈することも可能だが、シリカゾルを水で希釈した場合のシリカゾル中に含まれる固形分の濃度が20質量％未満だと、吹付け施工は可能だが、シリカゾルの硬化反応が不充分で硬化不良の発生や、充分な養生後圧縮強度が得られない。また固形分の濃度が20質量％〜30質量％の際、吹付け施工が可能であり硬化反応も問題無いが、養生後圧縮強度を考慮した場合、30質量％以上が好ましい。

シリカゾルを水で希釈した場合のシリカゾルの固形分濃度Nを下式（式1）で表す。
N=（A/（A+B+C））×100 （式1）
A=計量したシリカゾル中のシリカ固形分の質量
B=計量したシリカゾル中の水分の質量
C=加えた水分の質量
本発明におけるシリカゾルの硬化剤は、粒径1mm以下のMg又はCaの化合物を使用する。添加量は耐火材料100質量％に対して外掛けで0.05質量％〜1.0質量％とする。Mgの化合物として海水マグネシア、電融マグネシア、重焼マグネシア、軽焼マグネシア、炭酸マグネシウム及び水酸化マグネシウム等、Caの化合物として消石灰、炭酸カルシウム及び生石灰等を用いることができる。Mg又はCaの化合物の添加量が外掛けで0.05質量％未満である場合、硬化反応が不十分で充分な養生後圧縮強度が得られず、1.0質量％より多い場合、硬化反応が著しく速く、適切な作業可使時間が得られない。粒径が1mmより大きいMg又はCaの化合物を用いて硬化させることも可能だが、添加量が大幅に増えてしまう。Mg又はCaが多量に含まれることは、上述の耐火材料には好ましくない。
通常、吹付け作業に必要な作業可使時間は、少なくとも15分以上、好ましくは30分以上必要である。また、硬化時間は長くとも24時間以内であることから、養生後圧縮強度は24時間後に測定した。側壁、天井などに吹付け施工した場合の必要な養生後圧縮強度としては、1.0MPa以上が目安とされる。

本発明における凝集剤は、金属硫酸塩又は金属ハロゲン化物塩を耐火材料100質量％に対して外掛けで0.01質量％〜1.0質量％添加する。金属硫酸塩として硫酸ナトリウム、硫酸マグネシウム、硫酸アルミニウム及び硫酸カリウム等、金属ハロゲン化物塩として塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化カルシウム、臭化ナトリウム、臭化カリウム及び臭化カルシウム等を用いることができる。添加量が外掛けで0.01質量％未満である場合、吹付け施工の際凝集力が不十分のため流落してしまう。添加量が外掛けで1.0質量％を超えると過度な凝集が起こり、作業可使時間が短くなる。また、本来のシリカゾルの強固なゲル化反応を阻害し、充分な養生後圧縮強度が得られない。

本発明における硬化調整剤は、縮合リン酸塩、有機酸又は有機酸塩を耐火材料100質量％に対して外掛けで0.01質量％〜0.3質量％添加する。縮合リン酸塩として、トリポリリン酸ナトリウム、テトラポリリン酸ナトリウム、ピロリン酸ナトリウム及びヘキサメタリン酸ナトリウム等、有機酸としてカルボン酸、ポリカルボン酸等、有機酸塩としてカルボン酸ナトリウム、ポリカルボン酸ナトリウム等を用いることができる。硬化調整剤は適切な添加範囲があり、添加量が外掛けで0.01質量％未満の場合、0.3質量％を超える場合、どちらの場合も適切な作業可使時間が得られない。

本発明における増粘剤は、有機系又は無機系ともに用いることができ、耐火材料100質量％に対して外掛けで0.01質量％〜3.0質量％添加する。有機系の増粘剤としてMC、CMC及びバイオガム等、無機系の増粘剤として耐火粘土及びベントナイト等を用いることができる。増粘剤は混練材料に可塑性を付与することが可能であり、また保水性を有しているため、吹付け施工の際の付着性を補填することが可能である。添加量が0.01％未満だと効果が無く、添加量が外掛けで3.0質量％を超えると、比重が低くなり、施工体強度が低下する点で好ましくない。

また、シリカゾルを添加することで硬化反応させる耐火材料においてシリカゾルのゲル化反応とともに硬化し、その際に収縮の影響で亀裂が発生する可能性が考えられる。本発明においては有機繊維又は無機繊維を耐火材料100質量％に対して外掛けで0.05質量％〜3.0質量％添加することで収縮を抑制することが可能である。有機繊維としては、ポリビニルアルコール、ポリプロピレン、ポリエステル及びナイロン等を、無機繊維としてはガラス繊維等を用いることができる。添加量が外掛けで0.05質量％未満であると収縮抑制の効果が不十分であり、3.0質量％を超えると、増粘剤の場合と同様に、施工体強度が低下する点で好ましくない。

実施例及び比較例の配合をプレミックスした耐火材料とシリカゾル又はシリカゾルを水で希釈したシリカゾルを添加して吹付けた。
凝集性及び付着性は、高さ1000mm×幅1000mmの木板に前記耐火材料を垂直壁として吹付けて確認した。表中の○印は凝集性及び付着性ともに充分な場合、△印は凝集性は充分だが付着性に劣る場合、×印は凝集性が不充分で流落した場合を表す。
作業可使時間は、吹付けて採取した混練材料をビニール袋に入れ、10分毎に指でビニール袋側面を押し、触感と目視で確認した。ビニール袋側面から混練材料を押した際、変形させることができなくなった時点を終点とし、ビニール袋採取後から終点までを作業可使時間とした。3時間を越えても終点が見られない場合は、作業可使時間を3時間以上（＞180分）とした。

養生後圧縮強度の測定は、約50ｍｍ×50mm×50mmの金枠に前記耐火材料を吹付けて室内で24時間保持した後、脱枠し、JIS R-2553の規定に準じて圧縮強度を測定した。表中×印は作業可使時間不足又は凝集性不足により吹付け不可能の場合、又は翌日未硬化であることによる圧縮強度測定不可能の場合を表す。
養生後収縮亀裂は、高さ500mm×幅500mm×厚み80mmの金枠に前記耐火材料を吹付けて室内で24時間保持した後確認した。吹付け後から24時間養生後に発生した亀裂の最大幅を隙間ゲージを用いて測定した。表中の×印は作業可使時間不足又は凝集性不足により吹付け不可能の場合、又は翌日未硬化であることによる最大亀裂幅測定不可能の場合を表す。
添加液量は、吹付けた混練材料の含水率及びシリカゾル又はシリカゾルを水で希釈したシリカゾルのシリカ固形分の濃度から算出した。

表1の基本配合は耐火材料にムライト質及びアルミナ質の原料を用い、ノズル先端で添加するシリカゾル又はシリカゾルを水で希釈した場合のシリカゾルの固形分濃度Nを変えた一例である。シリカゾル又はシリカゾルを水で希釈した場合のシリカゾルの固形分濃度が50％を超える場合、作業可使時間不足により吹付け不可能であり、20％未満である場合、24時間養生後の養生強度が不充分で脱枠不可能である。

表2の基本配合は表1と同耐火材料を用い、硬化剤の添加量を変えた一例であるが、硬化剤の添加量が外掛けで1.0質量％を超えると作業可使時間が不充分であり、0.05質量％未満だと翌日未硬化である。

表3の基本配合は表1と同耐火材料を用い、凝集剤の添加量を変えた一例であるが、凝集剤の添加量が外掛けで1.0質量％を超えると凝集性は充分であるが、作業可使時間が短くなる。また、0.01質量％未満だと作業可使時間は充分だが、凝集性が不充分で流動性を有している状態となる。

表4の基本配合は表1と同耐火材料を用い、硬化調整剤を変えた一例であるが、硬化調整剤の添加量が外掛けで0.3質量％を超える場合、0.01質量％未満の場合、どちらの場合も充分な作業可使時間が得られない。

有機系増粘剤の添加量が外掛けで1.0質量％を超える場合、養生24時間後の圧縮強度が1.0MPaを下回り、0.1質量％未満の場合、凝集性は充分だが付着性に劣る。

表6の基本配合は表1と同耐火材料を用い、繊維の添加量を変えた一例であるが、繊維の添加量が外掛け3.0質量％を超えると養生後の亀裂発生を抑制できるが、24時間後の圧縮強度が1.0MPaを下回る。また、0.1質量％未満であると養生後に大きい収縮亀裂が発生する。

本発明は、高炉、電気炉、樋、混銑車、転炉、取鍋、2次精錬炉、タンディッシュ、加熱炉、焼鈍炉、アルミニウム溶解炉、アルミニウム保持炉、灰溶融炉、バイオマス発電炉、廃棄物焼却炉、都市ゴミ焼却炉、煙突、ダクト又はセメント製造設備等の各種工業炉及び付帯設備等のあらゆる不定形耐火物を適用できる範囲において新張り及び補修に際しての乾式吹付け用不定形耐火物に関する。

Claims (4)

1. 耐火材料100質量％に対しシリカ固形分の濃度が20質量％〜50質量％のシリカゾル又はシリカゾルを水で希釈したシリカゾルを用い、硬化剤として粒径1mm以下のMg又はCaの化合物を外掛けで0.05〜1.0質量％、凝集剤として金属硫酸塩又は金属ハロゲン化物塩を外掛けで0.01質量％〜1.0質量％添加したことを特徴とするセメントフリー乾式吹付け施工用不定形耐火物。
2. 前記耐火材料100質量％に対し、硬化調整剤として縮合リン酸塩、有機酸又は有機酸塩を外掛けで0.01〜0.3質量％添加したことを特徴とする請求項1に記載のセメントフリー乾式吹付け不定形耐火物。
3. 前記耐火材料100質量％に対し、増粘剤を外掛けで0.01質量％〜3.0質量％添加したことを特徴とする請求項1から2のいずれかに記載のセメントフリー乾式吹付け不定形耐火物。
4. 前記耐火材料100質量％に対し、有機繊維又は無機繊維を0.05質量％〜3.0質量％添加したことを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載のセメントフリー乾式吹付け不定形耐火物