JP3173336B2 - 高強度ロックウール及びその製造方法 - Google Patents

高強度ロックウール及びその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、断熱材、吸音材及
び各種補強繊維などに利用するのに良好な、不純物含有
量が少なく、柔軟性・引張強度に優れた高強度を有する
ロックウール及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】ロックウールの製造方法には塊状の高炉
スラグや天然石に成分調整材を加えキュポラに投入し、
コークスを熱源として溶融、繊維化する方法と高炉で発
生した溶融スラグを電気炉にホットチャージし溶融調
整、繊維化するダイレクト法が知られている。キュポラ
で溶融する方法は、不安定なキュポラ内を重力にそって
１５〜２０分という短時間に通過するため、溶融が不十
分で溶湯の品質は極めて悪く、繊維化されたロックウー
ルの強度は小さい。ダイレクト法によるロックウールも
製品で見る限り、キュポラによる製品と大差はない。ロ
ックウールを高強度化して、断熱材の曲げ強さの向上、
圧縮復元率の増大及び低密度化、複合材として利用する
際の補強効果を増大させる試みは、特開平３−１２３４
２号あるいは特開平５−４３２６５号に見られるよう
に、溶融スラグに、調整用原料を添加して電気炉で溶融
した後、炉内に１５分以上滞留させ、脱泡を進め、その
後繊維化する方法が知られている。しかしこのようにし
て得られたロックウールは単繊維の引張強度が１００ｋ
ｇ／ｍｍ2 程度と依然低い上、炉内に長時間滞留させる
ことはエネルギーコストの増大を招き得策とはいえな
い。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、前記の従来
技術の問題点を解決し、断熱材、吸音材及び各種補強繊
維などに利用するのに良好な、不純物含有量が少なく、
柔軟性、引張強度に優れた高強度を有するロックウール
及びその製造方法を提供することを課題とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、現行のロ
ックウール中に存在する非酸化物系の微細な不純物がロ
ックウールを脆弱にしていること、また従来のコークス
を使用したキュポラあるいはカーボン電極及び炭素系耐
火材を内張り用炉材として使用した電気炉では強い還元
性雰囲気下で溶融されるため非酸化物系の不純物は酸化
されない状態でロックウールに含有されることを見出だ
し、ロックウールを高強度にするにはこれら非酸化物系
の不純物を迅速に酸化させ、溶湯中に溶解させるか、ガ
スとして散出させることがことが必要と考えた。非酸化
物系の不純物としては、特に金属鉄、リン化鉄、硫化
鉄、硫黄、炭素であり、従来のキュポラより生産された
ロックウール繊維には金属鉄（リン化鉄、硫化鉄を含
む）０．０５〜０．２０重量％、全硫黄分０．２０〜
０．５０重量％、全炭素分０．０８〜０．２０重量％程
度含まれていることがわかった。そこで各種の実験と追
及を誠意試み、本発明を完成した。即ち、前記課題は、
ロックウール製造工程で発生するショット屑（ショット
屑とはロックウールを製造するに際し、繊維にならず分
離・落下し集められたガラス質の０．５ｍｍ程度の粒状
物）などの産廃物を主体とする原料を酸化性雰囲気下、
１０００〜１２５０℃の焼成温度域で１分以上６０分以
内の時間予備焼成してなる塊状（本願では最大寸法がお
よそ４０ｍｍ程度以上のものを示す）の焼成物を直ちに
圧壊・粉砕し、その粒状（本願では最大寸法がおよそ４
０ｍｍ程度以下のものを示す）の焼成物を電気炉に投
入、溶融し、高速回転体で繊維化することを特徴とする
高強度ロックウール及びその製造方法によって解決され
る。
【０００５】
【発明の実施の形態】以下、これら手段たる構成並びに
その作用を図面により詳しく説明すると、次の通りであ
る。図１はショット屑などの原料が粒度調整された後、
ロータリーキルンに投入、焼成され、塊状焼成物が水冷
式圧延ロールにより圧壊・粉砕されて粒状物となり、電
気炉に落とされ、溶融された溶湯が高速回転体により繊
維化される工程の流れを示す説明図である。
【０００６】図において、ショット屑などの原料１と塊
状物（原料）２（溶湯がそのまま冷え固まったもの）と
は粉砕機３で粉砕され１０ｍｍ以下の粒状（原料）４と
なり、磁選５により除鉄され、必要な成分調整原料を添
加された後、ロータリーキルン６に投入される。ロータ
リーキルン６はガスないし重油バーナー７で加熱され所
定の温度に維持されている。粒状（原料）４は投入口８
より投入され、ロータリーキルン内で乾燥・焼成され塊
状の焼成物９となり、水冷式圧延ロール１０で圧壊・粉
砕されて、粒状の焼成物１１となる。これら粒状焼成物
１１は電気炉１２の溶湯表面に山状１３に堆積し、炉壁
の上部より傾斜可能に挿入・取り付けられているモリブ
デン電極１４により通電・加熱され、溶融し、溶湯１５
となり、溶湯出口１６を通り、二次炉１７で温度及び流
れを調整されて出湯１８となり、高速回転体１９により
繊維化されてロックウール２０が形成される。ロータリ
ーキルンの焼成過程で、その内壁に形成されるリング状
付着物２１は、水冷式回転羽根付スクレーパー２２ない
しその他の方法で連続的に除去される。電気炉１２は耐
火材製の炉蓋２４と耐火材及び水冷構造の炉窯２３とか
らなり、３本のモリブデン電極１４は酸化されて消耗す
ることを防ぐために、水冷式ホルダー２５が取り付けら
れている。水冷式圧延ロール１０はロータリーキルンで
焼成されて出てくる塊状の焼成物９を４０ｍｍ以下の粒
状焼成物１１に圧壊・粉砕することによって、電気炉ま
での落差約３ｍを落下する際の衝撃による電極やホルダ
ーなどの支持体への損傷を防ぐ上、１２００℃前後に加
熱されている電気炉表面での原料の酸化を補充・促進す
る効果を持つ。
【０００７】本発明のロックウールは、主成分がＳｉＯ
2 ３５〜４５重量％、Ａｉ2 Ｏ2 １０〜１５重量％、Ｃ
ａＯ３０〜４０重量％、ＭｇＯ５〜１０重量％、と従来
通りの組成であるが、非酸化物系の不純物である金属
鉄、リン化鉄、硫化鉄、硫黄、炭素の含有量が従来のロ
ックウールに比べ極端に少なく、単繊維の引張強度が１
００ｋｇ／ｍｍ2 以上の高強度を有するウール状の繊維
である。
【０００８】酸化性ガスの酸素濃度は１％以上が必要で
あり、２〜１０％の範囲で焼成するのが酸化の面及び経
済的な面から好ましい。１％より低いと酸化に要する時
間が極端に長くなったり酸化が不十分な部分が生じる。
酸素濃度は高いほうが良いが、酸素濃度が高すぎるの
は、燃焼効率から不経済であるし、酸素富化設備など高
価な設備が必要となる。焼成設備としては、原料と雰囲
気がキルンの回転によって接触する機会が大きく、従っ
て酸化速度の早いロータリーキルン方式が望ましいが、
これに限定されるものではない。
【０００９】焼成温度は使用する原料により異なるが、
ショット屑を使用する場合は焼成温度域が１１００〜１
２５０℃、高炉の水砕スラグを使用する場合は同じく１
０００〜１２５０℃が望ましい。これらの温度より低い
と酸化反応が行われず、一方、越えると原料が溶流を起
こし、酸化反応が迅速に行われないのみならず、ロータ
リーキルンの内張り耐火物の溶損など焼成設備に重大な
損害を及ぼす。
【００１０】焼成時間もまた、原料の種類、粒径、焼成
温度及び焼成雰囲気により異なるが、例えば粒径５ｍｍ
以下のショット屑及び高炉水砕スラグを使用し、焼成温
度を１２００℃、雰囲気の酸素濃度を２％二酸化炭素濃
度１２％とした場合、保持時間は５分間で原料が白色と
なり、塊状化した。分析の結果、金属鉄は酸化鉄とな
り、硫黄やカーボンは酸化されガス状物として散出され
ており、従って酸化は十分であることが実証された。焼
成時間が１分以下であると、酸化反応が不十分であり、
原料の色も部分的に黒く着色されていた。従ってロータ
リーキルン内の１０００〜１２５０℃の焼成温度域に於
ける原料の保持時間は１分以上６０分以内で十分であ
り、それ以上長くすることは設備費及びエネルギーコス
ト面で不経済である。
【００１１】ロータリーキルンで焼成された塊状物は、
通常白色ないし薄黄灰色を呈しており、多孔質でパサパ
サしたさほど硬度が無いボールに近い形状をしており、
キルン内の熱履歴によっては表面が幾分半溶融のものも
ある。その大きさは３０〜３００ｍｍが主体であり、大
きな塊状物の中心部はロータリーキルンでの焼成中、焼
成不足から酸化されない不純物が残る傾向があり、時と
して内部が薄黒く着色されている。この薄黒く着色した
部分は既に記載したように、金属鉄や硫黄、炭素等の高
強度ロックウールの形成に望ましくない不純物が十分酸
化されずに残っていることを示す。これらの大きな塊状
物がなんらかの方法で、粒状の大きさに粉砕されていれ
ば、１２００℃前後の雰囲気温度に保持されている電気
炉に落とされ、堆積し、溶融されるまでの間に酸化が促
進され、完了することになる。また、この大きさの塊状
物が直結する電気炉に投入される際に、約３ｍの落差を
もって、電極及び水冷ホルダーに当たり、装置を破壊・
損傷すること、また電気炉の液面の原料堆積物に落下す
る衝撃により、炉の安定操業を乱す危険がある。 この
ような大きな塊状物の酸化不足傾向と電気炉への落下時
の危険を回避するために、塊状焼成物を水冷式圧延ロー
ルで圧壊・粉砕し、４０ｍｍ以下の粒状物にして電気炉
に投入することが必要である。水冷式圧延ロールは２ケ
の耐熱綱の中空ロールで、内部は水冷され、ロールの表
面には塊状物の捕捉をよくするための螺旋状の突起物を
持ち、ロール間の間隔を調整して圧壊・粉砕することに
より各種大きさの塊状物を容易に４０ｍｍ以下の望まし
い寸法の粒状物にすることができる。
【００１２】従来、ロックウール原料を溶融する電気炉
は、カーボン電極を溶湯内に挿入し、通電・加熱するこ
とが通例で、電気炉内張り用耐火物にも炭素系耐火材を
使用するケースが多い。また、キュポラでの熱源はコー
クスであり、溶融雰囲気は強い還元性となっている。カ
ーボン質電極及び炭素系耐火材はロックウールの溶湯に
対し濡れにくさや耐侵食性があり、特色を持った材質で
はあるが、カーボンを溶出した溶湯は還元性のため、ロ
ックウール原料内に含まれる不純物（金属鉄、リン化
鉄、硫化鉄、硫黄、炭素）を酸化する能力は、酸化性雰
囲気下と比較して、著しく劣り、従って不純物が酸化さ
れ、実質的にロックウールの強度の向上につながる期待
はない。モリブデン電極はガラスの溶融においては、使
用されている素材ではあるが、ロックウールの溶湯に実
用上全く使用されなかった理由は、溶湯中の不純物、特
に金属鉄、硫化鉄、カーボン等により、モリブデンが侵
食されて合金を作り、短時間に損傷・消耗してしまうた
めである。モリブデンは高温において酸化性雰囲気に弱
いというものの、溶湯内における影響は、酸化性雰囲気
における酸化に比べて、問題とするレベルのものではな
いし、また金属鉄を酸化した酸化鉄はモリブデンの侵食
に関与する程度が、金属鉄に比べて無視できるほどに小
さい。この様に、本発明に係わる原料中の不純物を焼成
工程をもって酸化することによって、ロックウール原料
の溶融にモリブデン電極の工業的使用を初めて可能にし
た。図２はモリブデンを、本発明の焼成した原料を溶融
した溶湯と従来の溶湯に１４００〜１６００℃の温度に
７２時間入れて、モリブデンの溶損量を比較した実測値
を示すが、高温でのモリブデンの溶損量は本発明の溶湯
の場合従来の溶湯に比べ１／３程度と小さい。モリブデ
ン電極は、通常ガラス溶融炉に使われている純度９９．
９５％以上のものを使用し、溶湯の電気抵抗値及び電流
密度、投入電力、炉の熱損失等に基づき、電極径、電極
間距離、電極の挿入長さなどを設計する。電気炉の内張
り用耐火物は炭素系耐火材は避け、酸化物系耐火材、例
えば溶湯に対して耐食性に優れたマグネシア・クロム系
乃至マグネシア系耐火材と水冷装置を組み合わせて使用
する。
【００１３】ロックウールの製造過程で出る産廃物は、
未繊維物であるショット屑を主体として、ロックウール
屑や不良品、工事現場で出るロックウール廃材・切り屑
及びロックウール加工製品（例えば天井吸音材）の屑や
廃材であり、これらは従来、一部再利用されているもの
の多くは廃棄されていた。また、高炉水砕スラグは細か
い粒状であるためキュポラに直接投入できず、セメント
やバインダーあるいは焼成によって塊状化して使用して
いるものの、キュポラの持つ本質的な課題、いわゆる強
い還元性溶融のために従来程度の弱い強度のロックウー
ルしかできないことは、既に記載した通りである。
【００１４】
【実施例】本発明に係わる高強度ロックウールの効果を
確認するために実用規模の約２０分の１のミニプラント
を設置し、各種実験と検討を繰り返し、以下の実施例の
結果を得た。 ［実施例１］原料としてショット屑を使用し、これをク
ラッシャーで粒径を１０ｍｍ以下とし、除鉄後、ロータ
リーキルンに投入した。キルンの最高温度を１２００℃
とし、焼成温度域１０００〜１２００℃を原料が約１０
分間で通過するようにキルンの傾斜、回転数を設定し
た。キルンから排出されるガスの酸素濃度は２％、二酸
化炭素濃度は１２％であった。焼成された塊状物は大き
さが３０〜２５０ｍｍの塊状物が主体で、２００〜２５
０ｍｍの大物の中心部は、ものによっては幾分薄黒く着
色されていた。この塊状物を直ちに水冷式圧延ロールで
４０ｍｍ以下の粒状に圧壊・粉砕し、それを電気炉に送
り込み、溶湯の温度を１４５０℃以上に保持しながら、
滞留時間を１５分、３０分、６０分として出湯口から排
出し、高速回転体で繊維化し、平均繊維径４μｍの本発
明の高強度ロックウールを得た。全長約６ｍのロータリ
ーキルンの中央近くの内壁にリング状の付着物が形成さ
れたが、第１図に示したような水冷式回転羽根付スクレ
ーパーを１０〜５０ｒｐｍで回転させて掻き取った。電
気炉は３本のモリブデン電極を炉の上部構造より斜めに
挿入し、通電して加熱した。電気炉の上部雰囲気はガス
の補助加熱によって１２００℃前後の温度に保持され、
この場所でのモリブデンの酸化・消耗を防ぐためにモリ
ブデンは水冷ホルダーにより保護された。
【００１５】［実施例２］原料として、高炉の水砕スラ
グ９０重量部およびケイ砂１０重量部を使用した以外
は、実施例１と同様にして平均繊維径４μｍの本発明の
高強度ロックウールを得た。
【００１６】［比較例１］ロータリーキルンによる予備
焼成を行わない以外は、実施例１と同様にして平均繊維
径４μｍの比較用のロックウールを得た。なお、電気炉
における溶湯の平均滞留時間を新たに、２時間、６時間
のものを追加し、繊維化してロックウールを得た。
【００１７】［比較例２］予備焼成の条件を最高焼成温
度８５０℃、保持時間を３０分とした以外は実施例１と
同様にして比較用のロックウールを得た。
【００１８】［試験１］実施例１，２及び比較例１，２
における滞留時間１５分のロックウールの化学組成を測
定して表１に示した。
【００１９】［試験２］実施例１，２及び比較例１，２
の溶融炉におけるそれぞれの滞留時間のロックウールに
ついて単繊維の引張強度を測定し表２に示した。単繊維
の引張強度の測定はＪＩＳ Ｒ ７６０１-1986 に基づ
き測定したが、繊維長のみは２０ｍｍとした。
【００２０】［試験３］実施例１，２及び比較例１，２
の溶融炉におけるそれぞれの滞留時間の溶湯を急冷し、
顕微鏡で生地中の不純物、気泡、透明さについて観察し
表３に示した。なお、実施例１，２の観察結果はほぼ同
じであったので、表では纏めて実施例とした。また、比
較例１，２の観察結果もほぼ同じであったので表では纏
めて比較例とした。
【００２１】［比較例４］実施例１及び実施例２におい
ては、溶融炉における滞留時間１５分のロックウール製
造時に、ロックウール１００重量部に対しフェノール樹
脂を２重量部の割合で吹き付け、乾燥固化し、密度１０
０ｋｇ／ｍ3 、厚さ５０ｍｍのロックウール断熱材を得
た。また比較例１および比較例２においては溶融炉にお
ける滞留時間３０分のロックウール製造時に、ロックウ
ール１００重量部に対してフェノール樹脂を２重量部の
割合で吹き付け、乾燥固化し、密度１００ｋｇ／ｍ3 、
厚さ５０ｍｍのロックウール断熱材を得た。このロック
ウールを使用した断熱材の曲げ強度を測定し表４に示し
た。断熱材の曲げ強度はＪＩＳ Ａ ０５０４-1989 に
基づき測定した。
【００２２】
【表１】
【００２３】
【表２】
【００２４】
【表３】
【００２５】
【表４】
【００２６】
【発明の効果】本発明の高強度ロックウールは表１に示
されるように、その組成は金属鉄、全硫黄、全炭素の含
有量が従来のロックウールである比較例１に較べ１／８
〜１／３と極めて少なく、その繊維強度は表２に示され
るように滞留時間１５〜３０分で比較例１に較べ１．７
〜３．０倍の２００ｋｇ／ｍｍ2 を越える今までに得ら
れなかった高い引張強度を有する。また、本発明の高強
度ロックウールを使用して製造した断熱材は表４に示さ
れるように比較例１に較べ２．５〜２．８倍の高い曲げ
強度を有し、且つグラスウールに近い柔軟性、圧縮復元
率、低密度化を可能にした。また、本発明の高強度ロッ
クウールの製造方法は原料の焼成という簡単な予備処理
によって、今迄に得られなかった高強度ロックウールが
短い製造時間で得られ、もしこの高強度を従来の方法で
得ようとするならば、表２の滞留時間と引張強度が示す
通り６時間もの全く採算に合わない滞留時間を必要とす
る。本発明の製造方法に係わる予備焼成工程により、原
料中の非酸化物系の不純物が短時間に酸化・消失し、そ
の焼成原料を溶融した溶湯が短時間で均質に清澄される
かは表３に示される通りである。更に、本発明の高強度
ロックウールの製造方法は従来廃棄していたショット屑
などの産廃物を、焼成し、その焼成塊状物を水冷式圧延
ロールによって圧壊・粉砕し、モリブデン電極を熱源と
する電気炉で溶融し、短時間に均質に清澄された溶湯と
し、その溶湯を繊維化するというシステム技術によっ
て、高強度ロックウールの原料として再生させた。ま
た、高炉の水砕スラグのように粒が細かく、そのままで
はキュポラに使用できず、やむをえずセメントやバイン
ダーで塊状化したり、焼成して塊状化してキュポラに使
用してもカーボン加熱による強い還元性のために従来程
度のロックウールしかできなかったものが、本発明に係
わる予備焼成と、モリブデン電極を使用する電気炉の技
術により、高強度ロックウールに再生することが可能と
なった。さらに、ロータリーキルンで焼成した塊状物を
直ちに圧壊・粉砕して、高温状態のまま電気炉に投入
し、溶融・繊維化するという省エネ型の製造システムで
あることも本発明の特徴の１つである。以上のように、
本発明の高強度ロックウールは従来のロックウールでは
考えられなかった強度と柔軟性を有し、従って耐火断熱
材、各種断熱材、吸音材及び各種補強用繊維として使用
すると補強効果が従来のロックウールより増大するなど
性能上及び経済上極めて有益な効果が得られる。また、
本発明の製造方法は高強度ロックウールの効率的な製造
を可能にし、且つ資源再利用型並びに省エネ型と時代の
動向にマッチした技術的特徴を持っている。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係わる方法を実施するのに用いられ
る装置の一例のフローシート
【図２】 モリブデンの溶損量を示す実測値
【符号の説明】
１：原料 ２：塊状物（原料） ３：粉砕機 ４：粒状（原料） ５：磁選 ６：ロータリーキルン ７：重油バーナー ８：投入口 ９：塊状焼成物 １０：水冷式圧延ロール １１：粒状焼成物 １２：電気炉 １３：山状 １４：モリブデン電極 １５：溶湯 １６：溶湯出口 １７：二次炉 １８：出湯 １９：高速回転体 ２０：ロックウール ２１：リング状付着物 ２２：水冷式回転羽根付スクレーパー ２３：炉窯 ２４：炉蓋 ２５：水冷ホルダー
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−171979（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−290934（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−295526（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C03B 37/00 - 37/16

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ロックウールの製造工程で発生するショ
    ット屑等の産廃物を主体とする原料を酸化性雰囲気下、
    １０００〜１２５０℃の焼成温度域で１分以上６０分以
    内の時間予備焼成してなる塊状物を直ちに圧壊・粉砕
    し、その粒状焼成物を電気炉に投入、溶融し、高速回転
    体で繊維化したことを特徴とする高強度ロックウール。
  2. 【請求項２】 ロックウール繊維の全組成成分中、 金属鉄分 ０．０５重量％以下 全硫黄分 ０．１０重量％以下 全炭素分 ０．１０重量％以下 で、単繊維の平均強度が１００ｋｇ／ｍｍ2 以上である
    ことを特徴とする請求項１記載の高強度ロックウール。
  3. 【請求項３】 ロックウールの製造工程で発生するショ
    ット屑等の産廃物を主体とする原料を酸化性雰囲気下、
    １０００〜１２５０℃の焼成温度域で１分以上６０分以
    内の時間予備焼成してなる塊状の焼成物を直ちに圧壊・
    粉砕し、その粒状焼成物を電気炉に投入、溶融し、高速
    回転体で繊維化することを特徴とする高強度ロックウー
    ルの製造方法。
  4. 【請求項４】 予備焼成が原料中の不純物である金属
    鉄、リン化鉄、硫化鉄、硫黄、炭素を酸化することを目
    的とし、焼成装置としてロータリーキルンを使用し、焼
    成され塊状となった焼成物を水冷式圧延ロールで圧壊・
    粉砕し粒状物とすることを特徴とする請求項３記載の高
    強度ロックウールの製造方法。
  5. 【請求項５】 電気炉の電極がモリブデンであり、且つ
    電気炉の内張りが炭素系耐火物を除く、耐食性のある酸
    化物系耐火材及び水冷装置で構成されていることを特徴
    とする請求項３または４記載の高強度ロックウールの製
    造方法。
  6. 【請求項６】 ショット屑等の産廃物を主体とする原料
    がショット屑、ロックウール屑及び廃材、ロックウール
    加工製品の屑及び廃材、高炉の水砕スラグであることを
    特徴とする請求項３または４または５記載の高強度ロッ
    クウールの製造方法。
  7. 【請求項７】 請求項１または２記載の高強度ロックウ
    ールを使用することを特徴とする断熱材または吸音材。
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