JP3389424B2 - 耐熱耐食性保護管 - Google Patents
耐熱耐食性保護管Info
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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、ゴミ焼却炉や、ゴ
ミ焼却灰再処理溶融炉等の溶融炉、その他の各種炉等に
於いて、ヒーターやセンサー等を保護するための保護管
に関する。 【０００２】 【従来の技術】家庭、会社から捨てられたゴミは地方自
治体の焼却炉で燃やされ、その未燃分の焼却灰及び煙に
含まれる飛灰（含有元素；Ｓｉ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃａ、Ｍ
ｇ、Ｋ、Ｍｎ、Ｃｌ、Ｓ、Ｎａ、Ｐｂ、Ｚｎ）は廃棄物
処理法改正によりその処理基準に基づいて、再処理溶融
炉で無害化され最終処分または有効利用される。 【０００３】この再処理工程を図２に示すように、溶融
炉１２内に焼却灰１１を入れ、電熱源である加熱用ヒー
ター２で１３００〜１６００℃に加熱すると、焼却灰１
１が溶融して金属元素１３が蒸発する。この金属元素１
３を取り出して冷却装置（不図示）で急冷し凝縮させて
微粒子とし、これをバグフィルタ１５で回収して重金属
濃縮物１６を回収する。一方無害化されたガス１７はガ
ス処理装置を経て大気中へ放出される。また、溶融炉１
２内の残存物はガラス顆粒１８として取り出され、有効
利用または処分されるようになっている。 【０００４】この溶融炉１２には、加熱用ヒーター２と
温度管理のための熱電対３が必要であるが、溶融した焼
却灰１１は溶融炉１２内で溶融スラグ、溶融塩、あるい
はその蒸気成分として存在するため、これらの物質から
加熱用ヒーター２または熱電対３を保護する必要があ
る。 【０００５】そこで、耐熱性・耐食性に優れたセラミッ
クス製の保護管１で加熱用ヒーター２や熱電対３を覆う
ことが行われている。上記保護管１の材質としては例え
ば特開昭５１−７１３１２号公報に示されるように、Ｍ
ｇＯ−ＺｒＳｉＯ2−Ａｌ2Ｏ3の複合セラミックスが使
用されている。 【０００６】 【発明が解決しようとする課題】ところで、ゴミ焼却に
より発生する灰分を再加熱処理する際、灰に含まれるＣ
ｄ、Ｐｂ、Ｚｎ等の金属元素類やダイオキシン、フラン
等の有害汚染物質を分解するため、電熱により１３００
〜１６００℃で加熱溶融処理を行い無害化するが、溶融
炉１２で使用する保護管１は、焼却灰１１が溶けてでき
る溶融塩、溶融スラグ、あるいは蒸気等にさらされるこ
とになる。そのため、これら成分中のＳｉ、Ａｌ、Ｆ
ｅ、Ｃａ、Ｎａは保護管１を成すセラミックス中に徐々
に浸透し、次第にセラミックスが変質して強度劣化を起
こすことから、クラックを生じたり、破損が生じやすく
なったりして、長期にわたり使用できるものではなかっ
た。 【０００７】また、長時間高温下で使用しているうちに
自重の影響で変形してしまい、ヒーターや熱電対と接触
して溶融炉システムに悪影響を与えるという問題もあっ
た。一方、溶融炉１２はメンテナンスのため定期的に昇
降温されるが、この際のヒートショックで保護管１が破
壊するという問題もあった。 【０００８】 【課題を解決するための手段】上記に鑑みて本発明は、
大気雰囲気中での軟化点１７００℃以上、水中投下法に
よる耐熱衝撃性△Ｔ１５０℃以上、３点曲げ強度１５０
ＭＰａ以上、平均結晶粒径２μｍ以上、気孔率が０．１
％以下で純度が９５重量％以上のＭｇＯスピネルを主成
分とするセラミックスにより、先端を封止した管状の耐
熱耐食性保護管を形成したものである。 【０００９】ここで、セラミックスの特性を上記範囲に
限定した理由は以下の通りである。 【００１０】まず、溶融炉等における保護管は１３００
〜１６００℃という非常に高い温度環境で長時間にわた
り使用されるため、使用時の変形等が生じないことが重
要である。このため本発明では、最低１７００℃以上ま
での軟化が生じないセラミックスを保護管の材料とし
た。 【００１１】なお、軟化点とは、セラミックスを３×３
×１５ｍｍ程度のテストピース形状とし、ＴＭＡ（熱機
械分析）試験装置内で加熱していったとき、熱膨張によ
って温度とともに長さが長くなっていくが、ある温度で
長さが減少傾向に転じることになり、この温度を軟化点
という。したがって、軟化点が１７００℃以上であれ
ば、１７００℃未満の温度では変形することがなく、保
護管として好適に使用できる。 【００１２】また溶融炉は通常一度稼働させればそのま
ま連続運転となるが、炉材の補修等のメンテナンスを実
施する必要上、数週間〜数カ月程度の間隔で昇降温を行
う。その際の昇降温に要する時間は短い方がシステム全
体の稼働率を高めることになる。昇降温速度を決定する
因子はいくつか上げられるが、特に保護管を成すセラミ
ックス材料の耐熱衝撃性が高いとシステム稼働率を高く
できる。 【００１３】さらに、溶融炉用の保護管はその内外の温
度差が１００℃程度有り、耐熱衝撃性が低い材料では破
損する恐れもある。これらの問題を回避するためには、
△Ｔ１５０℃以上の耐熱衝撃性を持つセラミックスを使
用すればよい。 【００１４】ここで、耐熱衝撃性?Ｔとは、セラミック
スをＪＩＳ試験片（３×３×４０ｍｍ）形状とし、ある
温度に保持した状態から水中に投下して急冷した後の強
度が急激に低下するような温度差のことである。 【００１５】また、溶融炉保護管はその用途に応じ、溶
融炉側面や天井部等に設けられた穴から炉内に挿入され
る。通常ヒーター用の保護管は大型で重量もあるため、
保護管にフランジが設けられており、天井部からつり下
げて保持される。またフランジ部だけで保護管の全重量
を支えるため、３点曲げ強度１５０ＭＰａ以上の材料強
度が必要である。 【００１６】また、セラミックス材料の一般論として、
同材質材料間で低強度の材料は材料中に多数の気孔、ボ
イドを持つものが多い。材料中にボイドが存在すると、
浸食元素が著しく侵入して変質を促しやすく、結果的に
耐スラグ性を著しく低下させる原因となる。この為本発
明では保護管を成すセラミックスの３点曲げ強度を１５
０ＭＰａ以上に限定している。 【００１７】ここで、３点曲げ強度は、セラミックスを
ＪＩＳ試験片（３×３×４０ｍｍ）形状とし、ＪＩＳに
規定する方法で測定することができる。 【００１８】さらに、本発明では、保護管を成すセラミ
ックスの平均結晶粒径を２μｍ以上としたことを特徴と
するが、これは平均結晶粒径が２μｍ未満であると浸食
元素が著しく侵入して変質を促しやすくなるためであ
る。即ち、本発明では結晶粒径を大きくすることによっ
て、浸食元素の侵入を防止するようにしたものである。 【００１９】なお、セラミックスの平均結晶粒径は、テ
ストピースを焼成温度より１００℃低い温度でサーマル
エッチングするか、腐食性薬品に一定時間浸食させるケ
ミカルエッチングを施した後、ＳＥＭ写真を基にしてコ
ード法で測定する。具体的には、１０００倍のＳＥＭ写
真を２枚用意し、それぞれ任意の３本の線を引いたと
き、この線に横切る粒子の数で線の長さを割った値によ
って求める。また、ボイドや平均結晶粒径は、原料の成
形・焼成条件等によって自由に調整することができる。 【００２０】以上のような特性を満足するセラミックス
としては、ＭｇＯスピネルを主成分とするセラミックス
が好適である。なお、ＭｇＯスピネルとは、ＭｇＡｌ2
Ｏ4で表され、ＭｇＯとＡｌ2Ｏ3がモル比１：１で結合
した化合物のことである。 【００２１】そして、本発明では、主成分を成すＭｇＯ
スピネルの含有量（以下純度という）を９５重量％以上
とし、残部を成すＳｉＯ2、ＣａＯ、Ｎａ2Ｏ等のガラス
成分の合計量を５重量％以下としたことを特徴とする。
このようにすることによって、軟化点を１７００℃以上
とし、耐熱衝撃性?Ｔを１５０℃以上とできる。 【００２２】また、これらのセラミックスの曲げ強度や
平均粒径については、原料の粒径や焼成条件等によって
調整することができ、曲げ強度１５０ＭＰａ以上、平均
粒径２μｍ以上、となるように調整して製造すれば良
い。 【００２３】なお、上記以外のセラミックスとしてムラ
イト、ジルコンを添加したムライト、ジルコニア分散ア
ルミナ等のセラミックスを用いることもできる。 【００２４】 【発明の実施の形態】以下本発明の実施形態を説明す
る。 【００２５】図１に示すように、本発明の保護管１は、
先端を封止した管状体であり、全体が大気雰囲気中での
軟化点１７００℃以上、水中投下法による耐熱衝撃性△
Ｔ１５０℃以上、３点曲げ強度１５０ＭＰａ以上、平均
結晶粒径２μｍ以上、気孔率が０．１％以下で純度が９
５重量％以上のＭｇＯスピネルを主成分とするセラミッ
クスからなっている。 【００２６】この保護管１は、図２に示すように、ゴミ
焼却灰再処理用の溶融炉１２中にて加熱用ヒーター２や
熱電対３を覆うように設置し、これらを保護することが
できる。この時、保護管１を成す前述のセラミックス
は、耐熱性、耐熱衝撃性、強度、耐食性が高いことから
長期間安心して使用することができる。 【００２７】なお、本発明の保護管１は、上述したゴミ
焼却灰再処理用の溶融炉１２に限らず、金属溶融炉等の
さまざまな溶融炉において、ヒーターや各種センサー等
を保護するための保護管として用いることができる。あ
るいはゴミ焼却炉、セラミックス等の焼成炉等の各種炉
や、その他の高温腐食性雰囲気となるような装置にも好
適に用いることができる。 【００２８】 【実施例】以下、本発明の実験例及び本発明を説明する
ための参考例について詳細に述べる。 参考例１ ゴミ焼却灰再処理溶融炉内環境にて、試験片の耐熱性を
評価した。 【００２９】まず、表１に示す純度の異なるセラミック
ス材料で、図１に示す保護管１の形状をした小型の試験
片（外径４０ｍｍ×内径３４ｍｍ×１５０ｍｍ）を作製
した。この試験片をゴミ焼却灰再処理用の溶融炉１２内
にて、１４５０℃×５０時間熱処理を行った。その後、
試験片の反りを測定し、熱処理試験前後で反りが５０％
以上悪化しているものは変形していると判断し、変形し
ているものを×、変形していないものを○とした。ま
た、それぞれの材料を３×３×１５ｍｍのテストピース
形状とし、ＴＭＡ試験装置を用いて軟化温度を測定し
た。結果は表１に示す通りである。 【００３０】これらの結果より、低純度のアルミナやＳ
ｉＯ2の様に軟化点の低い材料は熱処理により変形（一
部溶融）しており、保護管１の材料として不適であるこ
とが確認された。これに対し、軟化点１７００℃以上の
材料では変形も見られず、保護管１の材料として適して
いることが確認された。 【００３１】 【表１】 【００３２】参考例２ ゴミ焼却灰再処理溶融炉内環境にてメンテナンスのため
昇降温を行う状況を想定し、試験片をいくつかの昇降温
条件で熱処理した。 【００３３】まず、表２に示すようないくつかのセラミ
ックスで外径１８０ｍｍ、内径１６０ｍｍ、長さ８００
ｍｍの保護管１を作製し、試験片とした。 【００３４】次に各試験片をゴミ焼却灰再処理用の溶融
炉１２で表２に示すような種々の昇降温条件で１４５０
℃×２時間熱処理を３サイクル行った。その後、各試験
片について外観を目視で観察しクラックの有無を調べ
た。また、各試験片を切断した断面について、ＳＥＭで
クラックの有無を調べた。 【００３５】これらの結果は表２に示す通りである。表
中、破損、クラックがあるものは×、無いものは○で表
した。 【００３６】同時に、ＪＩＳ抗折試験片形状（３×４×
４０Ｌ）での水中投下試験による耐熱衝撃性△Ｔを測定
した。耐熱衝撃試験方法は次の通りである。高温（Ｔ
１）に保たれた試験片を室温（Ｔ０）の水中に落とし急
冷する。急冷後の試料の曲げ強度を測定し、強度と冷却
温度差（Ｔ１−Ｔ０）の特性曲線を作り、強度が急激に
低下する温度を△Ｔで表す。 【００３７】これらの結果から、ＳｉＯ2のような△Ｔ
の小さい材料でも昇降温時間を長くすれば実環境でも使
用不可能ではないことが確認された。しかし、実環境下
では突然の電源停止による急激な降温等も想定されるた
め、本実験で降温時に自然放冷で破壊したＳｉＯ2は不
適当である。やはり実用的には少なくとも△Ｔ１５０以
上の耐熱衝撃性の高い材料が望ましく、Ａｌ2Ｏ3、Ｍｇ
Ｏスピネル、ＭｇＯを用いれば良いことがわかる。 【００３８】 【表２】 【００３９】実験例１ 材料強度の異なるＭｇＯスピネルセラミックスの試験片
とゴミ焼却灰との反応試験を行った。 【００４０】まず焼却灰として、主成分がＳｉ、Ａｌ、
Ｆｅ、Ｃａ、Ｋ、Ｍｎ、Ｃｌ、Ｓ、Ｎａ、Ｐｂ、Ｚｎ等
からなる焼却灰を焼却炉より回収し、乾式加圧成形によ
り直径１２ｍｍ×１ｍｍで重さ０．３ｇのタブレットを
作製した。 【００４１】次に、平均粒径の異なる２種類のＭｇＯス
ピネルセラミックス一次原料を粒配して得た材料強度の
異なるいくつかのＭｇＯスピネルセラミックスで、直径
３０ｍｍ×厚み１０ｍｍの試験片を作製した。そしてそ
れぞれの試験片の上に焼却灰タブレットを置き、大気中
１４５０℃で５０時間の熱処理を行った。 【００４２】その後、試験前後の試験片の外径を測定し
膨潤の有無を調査した。また、各試験片を切断した断面
について、ＥＰＭＡ分析でＳｉ、Ｆｅ、Ｃａ、Ｎａの各
元素の検出を行い、これらの元素の反応層の有無を調べ
た。これらの結果は表３に示す通りである。 【００４３】膨潤については、０．１％以上外径が大き
くなっているものは膨潤していると判断し×で表した。
またＥＰＭＡ結果で前述の４元素中一つでも０．５ｍｍ
以上の反応層が見られるものを×で表した。 【００４４】これらの結果から、材料Ｃ、Ｄ、Ｅに示す
材料強度の低い試験片、即ちボイドの多い試験片では焼
却灰に含まれる上記元素による浸食が認められ、試験片
が膨潤するという結果が得られ、保護管材料としては不
適であることが確認された。材料Ｅは膨潤していない
が、これはボイドが多すぎ焼却灰成分が全てボイドに浸
透してしまい、膨潤原因となるような粒界相への浸食が
なかったためと思われる。 【００４５】これに対し、材料Ａ、Ｂに示すように曲げ
強度が１５０ＭＰａ以上と高い材料、即ち、気孔率が
０．１％以下のボイドの少ない試験片では焼却灰成分の
浸食によると見られる膨潤も見られず、反応層も認めら
れないことから、保護管材料として問題なく使用できる
ことが分かる。 【００４６】 【表３】【００４７】実験例２ ゴミ焼却灰再処理溶融炉内環境を想定し、平均結晶粒径
を何点か振ったＭｇＯスピネルセラミックスとゴミ焼却
灰との反応試験を行った。 【００４８】先ず焼却灰として、主成分がＳｉ、Ａｌ、
Ｆｅ、Ｃａ、Ｋ、Ｍｎ、Ｃｌ、Ｓ、Ｎａ、Ｐｂ、Ｚｎ等
からなる焼却灰を焼却炉より回収し、乾式加圧成形によ
り直径１２ｍｍ×１ｍｍで重さ０．３ｇのタブレットを
作製した。 【００４９】次に、表４に示すように、焼成条件を変え
ることによって得た平均結晶粒径の異なるＭｇＯスピネ
ルセラミックスで直径３０ｍｍ×厚み１０ｍｍの試験片
を作製した。そしてそれぞれの試験片の上に焼却灰タブ
レットを置き、大気中１４５０℃で５０時間の熱処理を
行った。 【００５０】その後、試験前後の試験片の外径を測定し
膨潤の有無を調査した。また、各試験片を切断した断面
について、ＥＰＭＡ分析でＳｉ、Ｆｅ、Ｃａ、Ｎａの各
元素の検出を行い、これらの元素の反応層の有無を調べ
た。 【００５１】これらの結果は表４に示す通りである。本
実験についても実験例３と同等の判断基準で判定し、○
×で表した。 【００５２】これらの結果から、材料Ａ、Ｂに示す平均
結晶粒径の小さい試験片では焼却灰に含まれる上記元素
による浸食が認められ、試験片が膨潤するという結果が
得られ、保護管材料としては不適であることが確認され
た。これに対し、材料Ｃ、Ｄ、Ｅに示す平均結晶粒径が
２μｍ以上の試験片では焼却灰成分の浸食によると見ら
れる膨潤等も見られず、反応層も認められないことか
ら、保護管材料として問題なく使用できることが分か
る。 【００５３】 【表４】 【００５４】実験例３ 本発明の範囲内のセラミックスとしてのＭｇＯスピネル
及び比較例として本発明の範囲外である結晶粒径が２μ
ｍ未満のＭｇＯスピネルの合計２種類のセラミックスを
用いて、外径１８０ｍｍ、内径１６０ｍｍ、長さ８００
ｍｍのヒーター用保護管を作製し、ゴミ焼却灰再処理溶
融炉で実際に試験運転を行い、再処理温度１４５０℃に
おける寿命を確認した。 【００５５】結果を表５に示す。比較例のＭｇＯスピネ
ルは５００時間の確認時点で破損していたが、本発明実
施例のＭｇＯスピネルは１０００時間の確認時点でも腐
食等も非常に少なく問題なく稼働していた。このように
本発明の保護管を用いれば、ゴミ焼却灰再処理溶融炉に
おいて本発明外の保護管の少なくとも２倍以上の寿命を
持つことが実証された。 【００５６】 【表５】 【００５７】 【発明の効果】以上のように本発明によれば、大気雰囲
気中での軟化点１７００℃以上、水中投下法による耐熱
衝撃性△Ｔ１５０℃以上、３点曲げ強度１５０ＭＰａ以
上、平均結晶粒径２μｍ以上、気孔率が０．１％以下で
純度が９５重量％以上のＭｇＯスピネルを主成分とする
セラミックスから耐熱耐食性保護管を形成したことによ
って、耐熱性、耐熱衝撃性、強度、耐食性に優れること
から長期間良好に使用することが出来る。特に、ゴミ焼
却灰再処理用の溶融炉に用いれば、焼却灰中に含まれる
金属元素の浸食を防止し、寿命を長くすることが出来
る。
ミ焼却灰再処理溶融炉等の溶融炉、その他の各種炉等に
於いて、ヒーターやセンサー等を保護するための保護管
に関する。 【０００２】 【従来の技術】家庭、会社から捨てられたゴミは地方自
治体の焼却炉で燃やされ、その未燃分の焼却灰及び煙に
含まれる飛灰（含有元素；Ｓｉ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃａ、Ｍ
ｇ、Ｋ、Ｍｎ、Ｃｌ、Ｓ、Ｎａ、Ｐｂ、Ｚｎ）は廃棄物
処理法改正によりその処理基準に基づいて、再処理溶融
炉で無害化され最終処分または有効利用される。 【０００３】この再処理工程を図２に示すように、溶融
炉１２内に焼却灰１１を入れ、電熱源である加熱用ヒー
ター２で１３００〜１６００℃に加熱すると、焼却灰１
１が溶融して金属元素１３が蒸発する。この金属元素１
３を取り出して冷却装置（不図示）で急冷し凝縮させて
微粒子とし、これをバグフィルタ１５で回収して重金属
濃縮物１６を回収する。一方無害化されたガス１７はガ
ス処理装置を経て大気中へ放出される。また、溶融炉１
２内の残存物はガラス顆粒１８として取り出され、有効
利用または処分されるようになっている。 【０００４】この溶融炉１２には、加熱用ヒーター２と
温度管理のための熱電対３が必要であるが、溶融した焼
却灰１１は溶融炉１２内で溶融スラグ、溶融塩、あるい
はその蒸気成分として存在するため、これらの物質から
加熱用ヒーター２または熱電対３を保護する必要があ
る。 【０００５】そこで、耐熱性・耐食性に優れたセラミッ
クス製の保護管１で加熱用ヒーター２や熱電対３を覆う
ことが行われている。上記保護管１の材質としては例え
ば特開昭５１−７１３１２号公報に示されるように、Ｍ
ｇＯ−ＺｒＳｉＯ2−Ａｌ2Ｏ3の複合セラミックスが使
用されている。 【０００６】 【発明が解決しようとする課題】ところで、ゴミ焼却に
より発生する灰分を再加熱処理する際、灰に含まれるＣ
ｄ、Ｐｂ、Ｚｎ等の金属元素類やダイオキシン、フラン
等の有害汚染物質を分解するため、電熱により１３００
〜１６００℃で加熱溶融処理を行い無害化するが、溶融
炉１２で使用する保護管１は、焼却灰１１が溶けてでき
る溶融塩、溶融スラグ、あるいは蒸気等にさらされるこ
とになる。そのため、これら成分中のＳｉ、Ａｌ、Ｆ
ｅ、Ｃａ、Ｎａは保護管１を成すセラミックス中に徐々
に浸透し、次第にセラミックスが変質して強度劣化を起
こすことから、クラックを生じたり、破損が生じやすく
なったりして、長期にわたり使用できるものではなかっ
た。 【０００７】また、長時間高温下で使用しているうちに
自重の影響で変形してしまい、ヒーターや熱電対と接触
して溶融炉システムに悪影響を与えるという問題もあっ
た。一方、溶融炉１２はメンテナンスのため定期的に昇
降温されるが、この際のヒートショックで保護管１が破
壊するという問題もあった。 【０００８】 【課題を解決するための手段】上記に鑑みて本発明は、
大気雰囲気中での軟化点１７００℃以上、水中投下法に
よる耐熱衝撃性△Ｔ１５０℃以上、３点曲げ強度１５０
ＭＰａ以上、平均結晶粒径２μｍ以上、気孔率が０．１
％以下で純度が９５重量％以上のＭｇＯスピネルを主成
分とするセラミックスにより、先端を封止した管状の耐
熱耐食性保護管を形成したものである。 【０００９】ここで、セラミックスの特性を上記範囲に
限定した理由は以下の通りである。 【００１０】まず、溶融炉等における保護管は１３００
〜１６００℃という非常に高い温度環境で長時間にわた
り使用されるため、使用時の変形等が生じないことが重
要である。このため本発明では、最低１７００℃以上ま
での軟化が生じないセラミックスを保護管の材料とし
た。 【００１１】なお、軟化点とは、セラミックスを３×３
×１５ｍｍ程度のテストピース形状とし、ＴＭＡ（熱機
械分析）試験装置内で加熱していったとき、熱膨張によ
って温度とともに長さが長くなっていくが、ある温度で
長さが減少傾向に転じることになり、この温度を軟化点
という。したがって、軟化点が１７００℃以上であれ
ば、１７００℃未満の温度では変形することがなく、保
護管として好適に使用できる。 【００１２】また溶融炉は通常一度稼働させればそのま
ま連続運転となるが、炉材の補修等のメンテナンスを実
施する必要上、数週間〜数カ月程度の間隔で昇降温を行
う。その際の昇降温に要する時間は短い方がシステム全
体の稼働率を高めることになる。昇降温速度を決定する
因子はいくつか上げられるが、特に保護管を成すセラミ
ックス材料の耐熱衝撃性が高いとシステム稼働率を高く
できる。 【００１３】さらに、溶融炉用の保護管はその内外の温
度差が１００℃程度有り、耐熱衝撃性が低い材料では破
損する恐れもある。これらの問題を回避するためには、
△Ｔ１５０℃以上の耐熱衝撃性を持つセラミックスを使
用すればよい。 【００１４】ここで、耐熱衝撃性?Ｔとは、セラミック
スをＪＩＳ試験片（３×３×４０ｍｍ）形状とし、ある
温度に保持した状態から水中に投下して急冷した後の強
度が急激に低下するような温度差のことである。 【００１５】また、溶融炉保護管はその用途に応じ、溶
融炉側面や天井部等に設けられた穴から炉内に挿入され
る。通常ヒーター用の保護管は大型で重量もあるため、
保護管にフランジが設けられており、天井部からつり下
げて保持される。またフランジ部だけで保護管の全重量
を支えるため、３点曲げ強度１５０ＭＰａ以上の材料強
度が必要である。 【００１６】また、セラミックス材料の一般論として、
同材質材料間で低強度の材料は材料中に多数の気孔、ボ
イドを持つものが多い。材料中にボイドが存在すると、
浸食元素が著しく侵入して変質を促しやすく、結果的に
耐スラグ性を著しく低下させる原因となる。この為本発
明では保護管を成すセラミックスの３点曲げ強度を１５
０ＭＰａ以上に限定している。 【００１７】ここで、３点曲げ強度は、セラミックスを
ＪＩＳ試験片（３×３×４０ｍｍ）形状とし、ＪＩＳに
規定する方法で測定することができる。 【００１８】さらに、本発明では、保護管を成すセラミ
ックスの平均結晶粒径を２μｍ以上としたことを特徴と
するが、これは平均結晶粒径が２μｍ未満であると浸食
元素が著しく侵入して変質を促しやすくなるためであ
る。即ち、本発明では結晶粒径を大きくすることによっ
て、浸食元素の侵入を防止するようにしたものである。 【００１９】なお、セラミックスの平均結晶粒径は、テ
ストピースを焼成温度より１００℃低い温度でサーマル
エッチングするか、腐食性薬品に一定時間浸食させるケ
ミカルエッチングを施した後、ＳＥＭ写真を基にしてコ
ード法で測定する。具体的には、１０００倍のＳＥＭ写
真を２枚用意し、それぞれ任意の３本の線を引いたと
き、この線に横切る粒子の数で線の長さを割った値によ
って求める。また、ボイドや平均結晶粒径は、原料の成
形・焼成条件等によって自由に調整することができる。 【００２０】以上のような特性を満足するセラミックス
としては、ＭｇＯスピネルを主成分とするセラミックス
が好適である。なお、ＭｇＯスピネルとは、ＭｇＡｌ2
Ｏ4で表され、ＭｇＯとＡｌ2Ｏ3がモル比１：１で結合
した化合物のことである。 【００２１】そして、本発明では、主成分を成すＭｇＯ
スピネルの含有量（以下純度という）を９５重量％以上
とし、残部を成すＳｉＯ2、ＣａＯ、Ｎａ2Ｏ等のガラス
成分の合計量を５重量％以下としたことを特徴とする。
このようにすることによって、軟化点を１７００℃以上
とし、耐熱衝撃性?Ｔを１５０℃以上とできる。 【００２２】また、これらのセラミックスの曲げ強度や
平均粒径については、原料の粒径や焼成条件等によって
調整することができ、曲げ強度１５０ＭＰａ以上、平均
粒径２μｍ以上、となるように調整して製造すれば良
い。 【００２３】なお、上記以外のセラミックスとしてムラ
イト、ジルコンを添加したムライト、ジルコニア分散ア
ルミナ等のセラミックスを用いることもできる。 【００２４】 【発明の実施の形態】以下本発明の実施形態を説明す
る。 【００２５】図１に示すように、本発明の保護管１は、
先端を封止した管状体であり、全体が大気雰囲気中での
軟化点１７００℃以上、水中投下法による耐熱衝撃性△
Ｔ１５０℃以上、３点曲げ強度１５０ＭＰａ以上、平均
結晶粒径２μｍ以上、気孔率が０．１％以下で純度が９
５重量％以上のＭｇＯスピネルを主成分とするセラミッ
クスからなっている。 【００２６】この保護管１は、図２に示すように、ゴミ
焼却灰再処理用の溶融炉１２中にて加熱用ヒーター２や
熱電対３を覆うように設置し、これらを保護することが
できる。この時、保護管１を成す前述のセラミックス
は、耐熱性、耐熱衝撃性、強度、耐食性が高いことから
長期間安心して使用することができる。 【００２７】なお、本発明の保護管１は、上述したゴミ
焼却灰再処理用の溶融炉１２に限らず、金属溶融炉等の
さまざまな溶融炉において、ヒーターや各種センサー等
を保護するための保護管として用いることができる。あ
るいはゴミ焼却炉、セラミックス等の焼成炉等の各種炉
や、その他の高温腐食性雰囲気となるような装置にも好
適に用いることができる。 【００２８】 【実施例】以下、本発明の実験例及び本発明を説明する
ための参考例について詳細に述べる。 参考例１ ゴミ焼却灰再処理溶融炉内環境にて、試験片の耐熱性を
評価した。 【００２９】まず、表１に示す純度の異なるセラミック
ス材料で、図１に示す保護管１の形状をした小型の試験
片（外径４０ｍｍ×内径３４ｍｍ×１５０ｍｍ）を作製
した。この試験片をゴミ焼却灰再処理用の溶融炉１２内
にて、１４５０℃×５０時間熱処理を行った。その後、
試験片の反りを測定し、熱処理試験前後で反りが５０％
以上悪化しているものは変形していると判断し、変形し
ているものを×、変形していないものを○とした。ま
た、それぞれの材料を３×３×１５ｍｍのテストピース
形状とし、ＴＭＡ試験装置を用いて軟化温度を測定し
た。結果は表１に示す通りである。 【００３０】これらの結果より、低純度のアルミナやＳ
ｉＯ2の様に軟化点の低い材料は熱処理により変形（一
部溶融）しており、保護管１の材料として不適であるこ
とが確認された。これに対し、軟化点１７００℃以上の
材料では変形も見られず、保護管１の材料として適して
いることが確認された。 【００３１】 【表１】 【００３２】参考例２ ゴミ焼却灰再処理溶融炉内環境にてメンテナンスのため
昇降温を行う状況を想定し、試験片をいくつかの昇降温
条件で熱処理した。 【００３３】まず、表２に示すようないくつかのセラミ
ックスで外径１８０ｍｍ、内径１６０ｍｍ、長さ８００
ｍｍの保護管１を作製し、試験片とした。 【００３４】次に各試験片をゴミ焼却灰再処理用の溶融
炉１２で表２に示すような種々の昇降温条件で１４５０
℃×２時間熱処理を３サイクル行った。その後、各試験
片について外観を目視で観察しクラックの有無を調べ
た。また、各試験片を切断した断面について、ＳＥＭで
クラックの有無を調べた。 【００３５】これらの結果は表２に示す通りである。表
中、破損、クラックがあるものは×、無いものは○で表
した。 【００３６】同時に、ＪＩＳ抗折試験片形状（３×４×
４０Ｌ）での水中投下試験による耐熱衝撃性△Ｔを測定
した。耐熱衝撃試験方法は次の通りである。高温（Ｔ
１）に保たれた試験片を室温（Ｔ０）の水中に落とし急
冷する。急冷後の試料の曲げ強度を測定し、強度と冷却
温度差（Ｔ１−Ｔ０）の特性曲線を作り、強度が急激に
低下する温度を△Ｔで表す。 【００３７】これらの結果から、ＳｉＯ2のような△Ｔ
の小さい材料でも昇降温時間を長くすれば実環境でも使
用不可能ではないことが確認された。しかし、実環境下
では突然の電源停止による急激な降温等も想定されるた
め、本実験で降温時に自然放冷で破壊したＳｉＯ2は不
適当である。やはり実用的には少なくとも△Ｔ１５０以
上の耐熱衝撃性の高い材料が望ましく、Ａｌ2Ｏ3、Ｍｇ
Ｏスピネル、ＭｇＯを用いれば良いことがわかる。 【００３８】 【表２】 【００３９】実験例１ 材料強度の異なるＭｇＯスピネルセラミックスの試験片
とゴミ焼却灰との反応試験を行った。 【００４０】まず焼却灰として、主成分がＳｉ、Ａｌ、
Ｆｅ、Ｃａ、Ｋ、Ｍｎ、Ｃｌ、Ｓ、Ｎａ、Ｐｂ、Ｚｎ等
からなる焼却灰を焼却炉より回収し、乾式加圧成形によ
り直径１２ｍｍ×１ｍｍで重さ０．３ｇのタブレットを
作製した。 【００４１】次に、平均粒径の異なる２種類のＭｇＯス
ピネルセラミックス一次原料を粒配して得た材料強度の
異なるいくつかのＭｇＯスピネルセラミックスで、直径
３０ｍｍ×厚み１０ｍｍの試験片を作製した。そしてそ
れぞれの試験片の上に焼却灰タブレットを置き、大気中
１４５０℃で５０時間の熱処理を行った。 【００４２】その後、試験前後の試験片の外径を測定し
膨潤の有無を調査した。また、各試験片を切断した断面
について、ＥＰＭＡ分析でＳｉ、Ｆｅ、Ｃａ、Ｎａの各
元素の検出を行い、これらの元素の反応層の有無を調べ
た。これらの結果は表３に示す通りである。 【００４３】膨潤については、０．１％以上外径が大き
くなっているものは膨潤していると判断し×で表した。
またＥＰＭＡ結果で前述の４元素中一つでも０．５ｍｍ
以上の反応層が見られるものを×で表した。 【００４４】これらの結果から、材料Ｃ、Ｄ、Ｅに示す
材料強度の低い試験片、即ちボイドの多い試験片では焼
却灰に含まれる上記元素による浸食が認められ、試験片
が膨潤するという結果が得られ、保護管材料としては不
適であることが確認された。材料Ｅは膨潤していない
が、これはボイドが多すぎ焼却灰成分が全てボイドに浸
透してしまい、膨潤原因となるような粒界相への浸食が
なかったためと思われる。 【００４５】これに対し、材料Ａ、Ｂに示すように曲げ
強度が１５０ＭＰａ以上と高い材料、即ち、気孔率が
０．１％以下のボイドの少ない試験片では焼却灰成分の
浸食によると見られる膨潤も見られず、反応層も認めら
れないことから、保護管材料として問題なく使用できる
ことが分かる。 【００４６】 【表３】【００４７】実験例２ ゴミ焼却灰再処理溶融炉内環境を想定し、平均結晶粒径
を何点か振ったＭｇＯスピネルセラミックスとゴミ焼却
灰との反応試験を行った。 【００４８】先ず焼却灰として、主成分がＳｉ、Ａｌ、
Ｆｅ、Ｃａ、Ｋ、Ｍｎ、Ｃｌ、Ｓ、Ｎａ、Ｐｂ、Ｚｎ等
からなる焼却灰を焼却炉より回収し、乾式加圧成形によ
り直径１２ｍｍ×１ｍｍで重さ０．３ｇのタブレットを
作製した。 【００４９】次に、表４に示すように、焼成条件を変え
ることによって得た平均結晶粒径の異なるＭｇＯスピネ
ルセラミックスで直径３０ｍｍ×厚み１０ｍｍの試験片
を作製した。そしてそれぞれの試験片の上に焼却灰タブ
レットを置き、大気中１４５０℃で５０時間の熱処理を
行った。 【００５０】その後、試験前後の試験片の外径を測定し
膨潤の有無を調査した。また、各試験片を切断した断面
について、ＥＰＭＡ分析でＳｉ、Ｆｅ、Ｃａ、Ｎａの各
元素の検出を行い、これらの元素の反応層の有無を調べ
た。 【００５１】これらの結果は表４に示す通りである。本
実験についても実験例３と同等の判断基準で判定し、○
×で表した。 【００５２】これらの結果から、材料Ａ、Ｂに示す平均
結晶粒径の小さい試験片では焼却灰に含まれる上記元素
による浸食が認められ、試験片が膨潤するという結果が
得られ、保護管材料としては不適であることが確認され
た。これに対し、材料Ｃ、Ｄ、Ｅに示す平均結晶粒径が
２μｍ以上の試験片では焼却灰成分の浸食によると見ら
れる膨潤等も見られず、反応層も認められないことか
ら、保護管材料として問題なく使用できることが分か
る。 【００５３】 【表４】 【００５４】実験例３ 本発明の範囲内のセラミックスとしてのＭｇＯスピネル
及び比較例として本発明の範囲外である結晶粒径が２μ
ｍ未満のＭｇＯスピネルの合計２種類のセラミックスを
用いて、外径１８０ｍｍ、内径１６０ｍｍ、長さ８００
ｍｍのヒーター用保護管を作製し、ゴミ焼却灰再処理溶
融炉で実際に試験運転を行い、再処理温度１４５０℃に
おける寿命を確認した。 【００５５】結果を表５に示す。比較例のＭｇＯスピネ
ルは５００時間の確認時点で破損していたが、本発明実
施例のＭｇＯスピネルは１０００時間の確認時点でも腐
食等も非常に少なく問題なく稼働していた。このように
本発明の保護管を用いれば、ゴミ焼却灰再処理溶融炉に
おいて本発明外の保護管の少なくとも２倍以上の寿命を
持つことが実証された。 【００５６】 【表５】 【００５７】 【発明の効果】以上のように本発明によれば、大気雰囲
気中での軟化点１７００℃以上、水中投下法による耐熱
衝撃性△Ｔ１５０℃以上、３点曲げ強度１５０ＭＰａ以
上、平均結晶粒径２μｍ以上、気孔率が０．１％以下で
純度が９５重量％以上のＭｇＯスピネルを主成分とする
セラミックスから耐熱耐食性保護管を形成したことによ
って、耐熱性、耐熱衝撃性、強度、耐食性に優れること
から長期間良好に使用することが出来る。特に、ゴミ焼
却灰再処理用の溶融炉に用いれば、焼却灰中に含まれる
金属元素の浸食を防止し、寿命を長くすることが出来
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の耐熱耐食性保護管を示す断面図であ
る。 【図２】本発明の耐熱耐食性保護管を用いるゴミ焼却灰
再処理装置を示す概略図である。 【符号の説明】 １：保護管 ２：加熱用ヒーター ３：熱電対 １１：焼却灰 １２：溶融炉 １３：金属元素 １５：バグフィルタ １６：重金属濃縮物 １７：ガス １８：ガラス顆粒
る。 【図２】本発明の耐熱耐食性保護管を用いるゴミ焼却灰
再処理装置を示す概略図である。 【符号の説明】 １：保護管 ２：加熱用ヒーター ３：熱電対 １１：焼却灰 １２：溶融炉 １３：金属元素 １５：バグフィルタ １６：重金属濃縮物 １７：ガス １８：ガラス顆粒
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
C04B 35/00 - 35/50
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】大気雰囲気中での軟化点１７００℃以上、
水中投下法による耐熱衝撃性△Ｔ１５０℃以上、３点曲
げ強度１５０ＭＰａ以上、平均結晶粒径２μｍ以上、気
孔率が０．１％以下で純度が９５重量％以上のＭｇＯス
ピネルを主成分とするセラミックスにより、先端を封止
した管状体を形成したことを特徴とする耐熱耐食性保護
管。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP20262696A JP3389424B2 (ja) | 1996-07-31 | 1996-07-31 | 耐熱耐食性保護管 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP20262696A JP3389424B2 (ja) | 1996-07-31 | 1996-07-31 | 耐熱耐食性保護管 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1045463A JPH1045463A (ja) | 1998-02-17 |
| JP3389424B2 true JP3389424B2 (ja) | 2003-03-24 |
Family
ID=16460477
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP20262696A Expired - Fee Related JP3389424B2 (ja) | 1996-07-31 | 1996-07-31 | 耐熱耐食性保護管 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3389424B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0832862B1 (en) * | 1996-09-30 | 2002-11-20 | Kyocera Corporation | Heat- and corrosion-resisting protection tube |
| US6227127B1 (en) | 1998-04-28 | 2001-05-08 | Kyocera Corporation | Furnace material, heat resisting protection tube and protective member using the same sintered material |
-
1996
- 1996-07-31 JP JP20262696A patent/JP3389424B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH1045463A (ja) | 1998-02-17 |
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