JP3143731B2

JP3143731B2 - 軽量耐火キャスタブル

Info

Publication number: JP3143731B2
Application number: JP07072388A
Authority: JP
Inventors: 和昭松尾; 智之椙山; 英雄上本; 圭介山崎
Original assignee: 東芝セラミックス株式会社
Priority date: 1995-03-06
Filing date: 1995-03-06
Publication date: 2001-03-07
Anticipated expiration: 2016-03-07
Also published as: JPH08245271A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、加熱炉等の工業炉、都
市ゴミや一般ゴミの焼却場又は一般窯炉の築炉、あるい
はタンディッシュや溶鋼鍋等の製鋼連続鋳造容器の内張
り等に使用される軽量耐火キャスタブルに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の軽量耐火キャスタブルと
しては、アルミナ中空原料やパーライト等の断熱骨材
（含む耐火骨材）にアルミナセメントを結合剤として大
量に添加したもの、セラミックファイバーを骨材として
これにアルミナセメントを結合剤として添加したもの、
又は耐熱性を向上させるため、骨材としてのセラミック
ファイバーに水硬性アルミナを結合剤として添加したも
のが知られている。上記断熱骨材とアルミナセメントの
組み合わせによるものは、キャスタブル耐火物とほぼ同
時期から開発されており、上記３種の軽量耐火キャスタ
ブルの中、最もポピュラーな製品である。又、セラミッ
クファイバーとアルミナセメントの組み合わせによるも
のも、上記断熱骨材を用いるもの程ではないが、工業炉
にセラミックファイバーが使用されるようになった時点
から開発されているもので、補修材の色彩が強い製品で
ある。更に、セラミックファイバーと水硬性アルミナセ
メントの組み合わせによるものは、耐熱性を考慮して開
発されたものであるが、その歴史は浅く、現在盛んに改
良が試みられている製品である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかして、従来の断熱
骨材とアルミナセメントからなる軽量耐火キャスタブル
では、熱伝導率（嵩比重）を下げるために骨材に軽量材
が使用されている。この軽量材は、製品のランク別に使
用するものが異なり、高温用軽量耐火キャスタブルに
は、アルミナ中空原料が主として使用され、低温用軽量
耐火キャスタブルには、パーライトや人工軽量骨材が一
般的に使用されている。しかし、上記骨材は、大部分が
多孔質であるので、他の原料と混合して流動化させるた
めに大量の混練水量を必要とする一方、施工体強度を補
うためにアルミナセメントの添加を増加させる必要があ
る。そのため、断熱骨材とアルミナセメント中のＣａＯ
とが使用中に反応して低融物化し、製品の耐熱性を著し
く低下させる不具合がある。従って、１０００℃以下の
低温部はともかく、高温部においては内張り材としての
使用は困難であり、ほとんどのケースが裏張り材として
使用されているにすぎない。一方、高温度用（１６００
℃以上の耐用品）の場合は、アルミナ中空原料の他に電
融アルミナや焼結アルミナ等の耐火性原料が同時に添加
されることから、製品全体としてＡｌ₂Ｏ₃含有量が多
くなり、断熱性低下の一因となっている。

【０００４】又、セラミックファイバーとアルミナセメ
ントからなる軽量耐火キャスタブルでは、セラミックフ
ァイバーが、耐アルカリ性に劣り、アルミナセメント中
のＣａＯと反応して極端に耐熱性を低下させるので、製
品の最高使用温度が１０００〜１２００℃どまりとなっ
ている一方、セラミックファイバーが機械的強度特性に
劣るので、製品の機械的強度特性が低下する不具合があ
る。この機械的強度特性を高めるに、セラミックファイ
バー単独使用の場合は、その表面へのコート剤の塗布や
耐熱性に悪影響を及ぼさない無機バインダーを添加し、
製品としての機械的強度を高めることが行われている。
更に、セラミックファイバーと水硬性アルミナからなる
軽量耐火キャスタブルでは、水硬性アルミナが、Ａｌ₂
Ｏ₃純度９８％以上と高く、アルミナセメントと異なり
セラミックファイバーを溶かすこともないから、耐熱性
に優れた製品が得られるものの、水硬性アルミナの硬化
性が温度により大きく異なるので、次のような不具合が
ある。例えば、３０℃以上の温度での混練時には、注水
後直ちに蒸気を発して発熱し、作業可使時間が著しく短
くなったり、混練中にミキサー内で硬化したという例も
多数ある。逆に、気温が１５℃以下になると硬化不良を
招き、打設後から脱型までに２日間を要することも決し
て珍しくなく、更に気温が下廻ると（５℃程度）脱型ま
でに７日間程度の日数が必要となる。現在、水硬性アル
ミナの製造メーカーや不定形耐火物製造メーカーでは、
上記の温度依存性の問題を解消すべく、硬化遅延剤や硬
化促進剤の添加による方法を開発中であるが、いずれも
効果的に作用するものが得られていないのが実情であ
る。又、水硬性アルミナがアルミナセメントに比べ約４
〜５倍高価であるという点も上記キャスタブルが普及し
ない理由の一つとなっている。そこで、本発明は、水硬
性アルミナを結合剤として用いるものと同等の耐熱性が
得られると共に、作業性に優れた軽量耐火キャスタブル
を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、本発明の第１の軽量耐火キャスタブルは、アルミナ
質骨材、耐火性原料に結合剤として５〜５０重量％の焼
石膏と更に粘土、ベントナイト及びシリカ超微粉の少な
くとも１種以上０．５〜１０重量％含有することを特徴
とする。又、第２の軽量耐火キャスタブルは、第１のも
のにおいて、前記アルミナ質骨材が１〜４０重量％のセ
ラミックファイバーを含み、耐火性原料が２０〜６０重
量％のアルミナ及び／又はムライトを含むことを特徴と
する。

【０００６】

【作用】本発明の第１の軽量耐火キャスタブルにおいて
は、アルミナ質骨材と結合剤としての焼石膏との反応が
起こらず、かつモース硬度２と軟らかい焼石膏が潤滑剤
として機能すると共に、粘土、ベントナイト及びシリカ
超微粉の少なくとも１種以上が接着性、施工体表面の仕
上がり性等の向上に寄与し、かつその固結時の収縮性に
より、焼石膏の固結時の膨張を相殺することが可能とな
る。又、第２の軽量耐火キャスタブルにおいては、第１
のものの作用の他、断熱性、機械的強度特性及び耐熱性
が向上する。

【０００７】焼石膏が５重量％未満であると、内張り施
工体として機械的強度特性が欠如するばかりでなく、打
設体の硬化時間が著しく長くなるという結果を招き、特
性に優れた施工体が得られにくくなる。一方、５０重量
％を超えると、焼石膏の特徴の１つである凝結膨張特性
が災いして、膨張による反りや亀裂を誘発する原因とな
る。又、焼石膏を５〜５０重量％とすることにより、後
述する粘土、ベントナイト及びシリカ超微粉の固結時の
収縮性と相俟って製品の線膨張率を零にすることが可能
となる。焼石膏（ＣａＳＯ₄・０．５Ｈ₂Ｏ）の添加水
との硬化反応は、次式で表わされる。

【０００８】

【化１】

【０００９】焼石膏としては、陶磁器型材用として広く
使用されているものが一般的に使用されるが、状況に応
じていずれの型材に使用される焼石膏の使用が可能であ
る。焼石膏の代表的特性例を表１に示す。

【００１０】

【表１】

【００１１】又、焼石膏には、α，β型があることが知
られており、両者の性質は混水量、凝結時間、凝結線膨
張率、強度等において大きく異なる（表２参照）。

【００１２】

【表２】

【００１３】焼石膏としては、両型の使用が可能である
が、α型使用の場合は、凝結時間の関係から、凝結遅延
剤の添加が必要となる。凝結遅延剤には、有機質のもの
にゼラチン、でんぷん、無機質のものにほう砂、酒石酸
アルカリ、くえん酸アルカリ、リン酸ソーダ等がある
が、いずれも使用可能である。一方、β型使用の場合
は、夏季に使用されたり、あるいは作業条件上混練土の
可使時間を長く保つ必要がある際には、上記凝結遅延剤
の添加が有効な対策となる。なお、焼石膏もＣａＯを含
むことから、その混合添加を疑問視する声もあろうかと
思うが、実際の物性は、後述する実施例で述べているよ
うに、耐熱性の点において優れていることが判明してい
る。但し、硫酸カルシウム自体の融点が１４５０℃であ
ることから、最高使用温度は、１４００℃止まりとなる
が、鋼片加熱炉、均熱炉等の工業炉の築炉や補修材とし
ての使用において十分過ぎる耐熱性を有しているといえ
る。

【００１４】粘土、ベントナイト及びシリカ超微粉の少
なくとも１種以上が０．５重量％未満であると、作業性
に欠ける。一方、１０重量％を超えると、製品の耐熱性
に悪影響を与える。製品を流し込み施工用とする場合に
は、球形を呈したシリカ超微粉を主体とし、粘土あるい
はベントナイトが少量添加される。その混合割合は、シ
リカ超微粉７〜８に対して、粘土あるいはベントナイト
３〜２となる（混合総量１０とした場合）。一方、こて
塗り又はパッチング施工用とする場合には、流し込み施
工用とは逆に、粘土やベントナイトを主体とし、シリカ
超微粉が少量添加される。その混合割合は、粘土あるい
はベントナイト５〜８に対してシリカ超微粉２〜５とな
る。こて塗り施工用とする場合、粘土、ベントナイト等
は限界はあるものの、増量するに従って良好な作業性
（接着性、施工体表面の仕上り性等）が得られ易くなる
傾向にある。しかし、粘土等の増量は、硬化時の収縮率
を大きくする結果となり、作業性は良好なものの、硬化
後の施工体に数ｍｍから場合によっては１０ｍｍを超す
亀裂が見られ、現在出回っている軽量耐火キャスタブル
でも数ミリ程度の亀裂の発生の解消は困難である。本発
明者は、粘土、ベントナイト（シリカ超微粉）と後述す
る焼石膏の添加混合量における施工体の線変化率の関係
を詳細に調査した結果、両者の最適混合比率を見出し
た。すなわち、粘土、ベントナイトと焼石膏を適正に混
合添加させることで、収縮と膨張が相殺し合って、硬化
後の施工体の線膨張率が０％となり、亀裂が全く発生し
ないという結果を得るに至った。又、逆に両者の添加量
を適当に調整することにより、土木建築関係で使用され
る無収縮セメントのような機能を兼ね備えさせることも
可能で、複雑な形状の施工体やアンカーボルト等の補強
材を有する施工に好適なものとなる。粘土としては、珪
砂等の不純物の少ない水簸処理されたものや耐火物用と
して一般的に使用されている精製クレイが好ましく、Ｅ
Ｐカオリン、カオペーク、朝鮮カオリン等の商品名で市
販されているものが、その例として挙げられる。ベント
ナイトとしては、鋳物用、土木建築用あるいは一般用の
ものの使用が可能であるが、その中でも不純物が全く混
入されず純粋で優れた耐熱性を有する米国ワイオミング
産の高品質ベントナイトの使用が良好な作業性を付与す
るので好適である。シリカ微粉末としては、Ｆｅ−Ｓｉ
製造の際の副産物であるヒュームシリカや電融シリカ製
造の際のヒュームシリカ等が使用される。ヒュームシリ
カは、球形を呈しているため、コロ的な役割を果たし、
製品に流動性を与えるので非常に好適である。

【００１５】セラミックファイバーが１重量％未満であ
ると、断熱性が低下すると共に、加熱後の施工体の収縮
率が大きくなる。一方、４０重量％を超えると、作業
性、すなわち流動性の低下を招き、強度特性に優れた施
工体が得られにくくなる。セラミックファイバーとして
は、非晶質、結晶質のいずれのものも使用が可能であ
る。Ａｌ₂Ｏ₃成分も３０％以上であれば、粒状（カー
ル状）、バルク状のいずれの形状にもとらわれず使用が
可能である。

【００１６】アルミナ及び／又はムライトが２０重量％
未満であると、耐熱性の付与に乏しくなる。一方、６０
重量％を超えると、熱伝導率や嵩比重が高くなる。アル
ミナ、ムライトとしては、焼結あるいは電融品のアルミ
ナ微粉、ムライト微粉が使用される。アルミナ微粉は、
粒度的には６０メッシュ程度以下であればよく、又、純
度的には９５％以上のものであれば十分に使用が可能で
ある。ムライト微粉は、粒度的には６０メッシュ程度以
下であれば使用可能である。なお、耐熱性を若干低下さ
せるものの、Ａｌ₂Ｏ₃成分４０〜７０％程度のシャモ
ット質微粉の使用も可能であり、その場合の粒径も６０
メッシュ程度以下であればよい。

【００１７】上述した各混合物に水を添加して得られる
混練土は、こて塗り、パッチング及び流し込み施工用と
してあらゆる施工条件に対応可能であるばかりで無く、
耐熱性、強度特性において優れた特性を有しており、加
熱炉等の工業炉分野での内張り材としてのみならず、土
木建築分野その他の分野において使用が可能となる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の実施例について比較例と共に
説明する。実施例１Ａｌ₂Ｏ₃７０％のセラミックファイバー１５重量％、
−１００ｍｅｓｈの粒径の焼結アルミナ５０重量％、水
簸粘土２重量％及びシリカ超微粉５重量％に、焼石膏２
８重量％を添加して混合物とした。上記混合物に水を外
率で６０重量％添加して混練土を得、型枠に鋳込んで２
４時間後に脱型して、乾燥（１１０℃）と加熱処理（１
０００℃、１４００℃）を施し、それぞれの特性を測定
した。得られた軽量耐火キャスタブルは、表３に示すよ
うに、強度特性及び線変化特性に優れ、かつ嵩比重０．
９２（乾燥後）となった。

【００１９】

【表３】

【００２０】実施例２Ａｌ₂Ｏ₃４８％のセラミックファイバー１５重量％、
−１００ｍｅｓｈの粒径の合成ムライト５０重量％、水
簸粘土２重量％及びシリカ超微粉５重量％に、焼石膏２
８重量％を添加して混合物とした。上記混合物に水を外
率で６０重量％添加して混練土を得、型枠に鋳込んで２
４時間後に脱型して実施例１と同様に乾燥、加熱処理を
施し、乾燥品及び各加熱品の特性を測定した。得られた
軽量耐火キャスタブルは、表３に示すように、強度特性
及び線変化特性に優れ、かつ嵩比重０．９０（乾燥後）
となった。実施例３Ａｌ₂Ｏ₃４８％のセラミックファイバー３０重量％、
−１００ｍｅｓｈの粒径の焼結アルミナ４０重量％、水
簸粘土２重量％及びシリカ超微粉５重量％に、焼石膏２
３重量％を添加して混合物とした。上記混合物に水を外
率で７５重量％添加して混練土を得た後、実施例１，２
と同様にして軽量耐火キャスタブルの乾燥品及び各加熱
品を得、それぞれの特性を測定した。得られた軽量耐火
キャスタブルは、表３に示すように、曲げ強さ１．０Ｍ
Ｐａ（乾燥後）、嵩比重０．８（乾燥後）で、１４００
℃の温度の加熱後においても線変化率−１．８０％であ
った。実施例４Ａｌ₂Ｏ₃４８％のセラミックファイバー３０重量％、
−１００ｍｅｓｈの粒径の焼結アルミナ４０重量％、ワ
イオミング産ベントナイト５重量％及びシリカ超微粉５
重量％に、焼石膏２０重量％を添加して混合物とした。
上記混合物に水を外率で７５重量％添加して混練土を得
た後、実施例１，２と同様にして軽量耐火キャスタブル
の乾燥品及び各加熱品を得、それぞれの特性を測定し
た。得られた軽量耐火キャスタブルは、表３に示すよう
に、曲げ強さ１．０ＭＰａ（乾燥後）、嵩比重０．８
（乾燥後）で、１４００℃の温度の加熱後においても線
変化率−１．９５％であった。実施例５Ａｌ₂Ｏ₃７０％のセラミックファイバー４０重量％、
−１００ｍｅｓｈの粒径の焼結アルミナ２０重量％、水
簸粘土０．２５重量％及びワイオミング産ベントナイト
０．２５重量％に、焼石膏３９．５重量％を添加して混
合物とした。上記混合物に水を外率で９０重量％添加し
て混練土を得た後、実施例１，２と同様にして軽量耐火
キャスタブルの乾燥品及び各加熱品を得、それぞれの特
性を測定した。得られた軽量耐火キャスタブルは、表３
に示すように、曲げ強さ１．０ＭＰａ（乾燥後）嵩比重
０．６５（乾燥後）で、１４００℃の温度の加熱後にお
いても線変化率−１．７５％であった。実施例６Ａｌ₂Ｏ₃４８％のセラミックファイバー１重量％、−
１００ｍｅｓｈの粒径の合成ムライト３９重量％、水簸
粘土１重量％及びシリカ超微粉９重量％に、焼石膏５０
重量％を添加して混合物とした。上記混合物に水を外率
で４０重量％添加して混練土を得た後、実施例１，２と
同様にして軽量耐火キャスタブルの乾燥品及び各加熱品
を得、それぞれの特性を測定した。得られた軽量耐火キ
ャスタブルは、表３に示すように、曲げ強さ３．２ＭＰ
ａ（乾燥後）嵩比重１．３５（乾燥後）で、１４００℃
の温度の加熱後においても線変化率−１．９８％であっ
た。実施例７Ａｌ₂Ｏ₃７８％のセラミックファイバー２５重量％、
−１００ｍｅｓｈの粒径の焼結アルミナ６０重量％、水
簸粘土５重量％及びワイオミング産ベントナイト５重量
％に、焼石膏５重量％を添加して混合物とした。上記混
合物に水を外率で４０重量％添加して混練土を得た後、
実施例１，２と同様にして軽量耐火キャスタブルの乾燥
品及び各加熱品を得、それぞれの特性を測定した。得ら
れた軽量耐火キャスタブルは、表３に示すように、曲げ
強さ０．５ＭＰａ（乾燥後）嵩比重０．９（乾燥後）
で、１４００℃の温度の加熱後においても線変化率−
１．８％であった。

【００２１】比較例１ −１００ｍｅｓｈの粒径の焼結アルミナ７０重量％及び
焼石膏３０重量％を添加して混合物を得た。上記混合物
に水を外率で３５重量％添加して混練土を得た後、実施
例１，２と同様にして軽量耐火キャスタブルの乾燥品及
び各加熱品を得、それぞれの特性を測定した。得られた
軽量耐火キャスタブルは、表３に示すように、曲げ強さ
３．５ＭＰａ（乾燥後）嵩比重１．５５（乾燥後）で、
１４００℃の温度の加熱後の線変化率が−３．５％と非
常に大きかった。比較例２Ａｌ₂Ｏ₃４８％のセラミックファイバー２重量％、ワ
イオミング産ベントナイト５重量％及びシリカ超微粉５
重量％に、焼石膏５重量％を添加して混合物とした。上
記混合物に水を外率で７０重量％添加して混練土を得た
後、実施例１，２と同様にして軽量耐火キャスタブルの
乾燥品及び各加熱品を得、それぞれの特性を測定した。
得られた軽量耐火キャスタブルは、表３に示すように、
曲げ強さ４．５（乾燥後）嵩比重０．７５（乾燥後）
で、１４００℃の温度の加熱後の線変化率が−３．５％
と比較例１と同様に非常に大きかった。比較例３Ａｌ₂Ｏ₃７０％のセラミックファイバー４０重量％、
−１００ｍｅｓｈの粒径の焼結アルミナ４５重量％、水
簸粘土３重量％及びワイオミング産ベントナイト１０重
量％に、焼石膏２重量％を添加して混合物とした。上記
混合物に水を外率で６０重量％添加して混練土を得た
後、実施例１，２と同様にして軽量耐火キャスタブルの
乾燥品及び各加熱品を得、それぞれの特性を測定した。
得られた軽量耐火キャスタブルは、表３に示すように、
曲げ強さ０．２ＭＰａ（乾燥後）、嵩比重０．６（乾燥
後）で、１４００℃の温度の加熱後の線変化率が−３．
０％と非常に大きかった。

【００２２】上述した実施例１〜７の軽量耐火キャスタ
ブルは、流動性あるいはこて塗り性（接着性）が共に非
常に良好で、施工体の外観にも亀裂等の発生が認められ
ず、表３に示すように、作業性が良好であった。一方、
比較例１の軽量耐火キャスタブルは、こて塗り施工の際
に材料延び性が欠如し、比較例２の軽量耐火キャスタブ
ルは、作業性は良好なものの、施工体の膨れ上がりによ
る亀裂が認められ、又、比較例３の軽量耐火キャスタブ
ルは、打設後から脱型までに１週間を要し、かつ施工体
強度も不足していた。又、実施例１（セラミックファイ
バー＋焼石膏）の軽量耐火キャスタブルと、それぞれセ
ラミックファイバーとアルミナセメント、セラミックフ
ァイバーと水硬性アルミナからなる従来の軽量耐火キャ
スタブルの試料（４０×４０×１６０ｍｍ）を１０００
℃、１２００℃及び１４００℃の温度で３時間焼成した
後の線変化率（％）を測定したところ、表４に示すよう
になった

【００２３】

【表４】

【００２４】従って、本発明に係る軽量耐火キャスタブ
ルは、従来のものより線変化率を格段に小さくし得るこ
とがわかる。更に、ＪＩＳ並形状（２３０×１１４×１
１４ｍｍ）の断熱キャスタブルに、本発明に係る軽量耐
火キャスタブル、それぞれセラミックファイバーとアル
ミナセメント、セラミックファイバーと水硬性アルミナ
からなる従来の軽量耐火キャスタブルを２０ｍｍの厚さ
にこて塗り施工した後、１３００℃の温度で５時間加熱
したところ、従来のものは徐冷後すぐに剥がれて接着が
認められなかったのに対し、本発明に係るものは強固に
接着しており、１．２ＭＰａの接着強度を示した。従っ
て、本発明に係る軽量耐火キャスタブルは、接着性に優
れていることがわかる。なお、上述した各実施例におい
ては、アルミナ質骨材をセラミックファイバーとする場
合について説明したが、これに限定されるものではな
く、アルミナ質骨材をアルミナ中空バルブやパーライト
等としてもよく、ほぼ同様の作用効果を奏する。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の第１の軽
量耐火キャスタブルによれば、アルミナ質骨材と結合剤
としての焼石膏との反応が起こらないので、アルミナ質
骨材の耐熱性を損ねることがなく、水硬性アルミナを結
合剤として用いるものと同等の耐熱性を得ることができ
る。又、モース硬度２と軟かい焼石膏が潤滑剤として機
能するので、キャスタブルの延び性を良好とすることが
でき、ひいては作業性を格段に高めることができる。更
に、粘土、ベントナイト及びシリカ超微粉の少なくとも
１種以上の接着性、施工体表面の仕上がり性等の向上に
寄与するので、作業性を飛躍的に高めることができる。
特に、こて塗り施工に用いる場合の作業性は、接着性や
材料延び性の点において、従来と比較にならない程良好
である。更に又、その固結時の収縮性により焼石膏の固
結時の膨張を相殺することが可能となるので、ひび割れ
や亀裂の発生を防止することができる。又、第２の軽量
耐火キャスタブルによれば、第１のものの作用効果の
他、断熱性、機械的強度及び耐熱性が向上するので、加
熱炉等の工業炉分野での内張り材として使用することが
できる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山崎圭介愛知県刈谷市小垣江南藤１番地東芝セラミックス株式会社刈谷製作所内 (56)参考文献特開昭49−25004（ＪＰ，Ａ) 特開平１−203278（ＪＰ，Ａ) 特開昭53−30613（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−174579（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C04B 35/66

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】アルミナ質骨材、耐火性原料に結合剤と
して５〜５０重量％の焼石膏と更に粘土、ベントナイト
及びシリカ超微粉の少なくとも１種以上０．５〜１０重
量％含有することを特徴とする軽量耐火キャスタブル。
【請求項２】前記アルミナ質骨材が１〜４０重量％の
セラミックファイバーを含み、耐火性原料が２０〜６０
重量％のアルミナ及び／又はムライトを含むことを特徴
とする請求項１記載の軽量耐火キャスタブル。