JP3781363B2

JP3781363B2 - 無機繊維からなる棒状成形体を用いた窯炉開口部の閉塞方法

Info

Publication number: JP3781363B2
Application number: JP2002101759A
Authority: JP
Inventors: 潔後藤; 清志澤野; 政紀島田
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2002-04-03
Filing date: 2002-04-03
Publication date: 2006-05-31
Anticipated expiration: 2022-04-03
Also published as: JP2003293015A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄鋼をはじめとする金属の溶解精錬、廃棄物処理、ガラスやセメントの製造、高温処理などのために用いられる窯炉開口部の閉塞方法、とりわけ高炉の出銑孔の充填方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鉄鋼をはじめ金属の溶解と精錬には様々な窯炉が使用されている。これらの窯炉に溶融金属を出し入れするために、いずれの窯炉にも開口部が設けられている。溶融金属の流通量を制御するために、開口部は必要に応じて様々な方法で開閉される。
鉄鉱石を還元して溶銑を製造する設備である高炉では、炉底に溶銑が溜まる度に、出銑孔と呼ばれる側壁下部の横孔状の開口部から溶銑と溶滓を定期的に排出する。排出が終了すると充填材あるいはマッドと呼ばれる粘土状の材料を充填して出銑孔を塞ぐ。この充填材は出銑孔を閉塞すると同時に炉内の側壁に盛り上がりながら周囲にも広がり、出銑孔周囲を補修し保護する働きもする。しかし場合によっては盛り上がった部分が欠損し、補修保護効果が得られない場合がある。
【０００３】
耐火物の欠損や熱応力による破壊の抑制策の一つとして、炭素繊維のような無機繊維を耐火物中あるいはその外部に配する方法がある。たとえば、耐火物マトリックスに炭素繊維収束体を配置した溶融金属用高耐熱高強度パイプが特開昭５９−１５６９７１号公報に、また内部に貫通孔を有する耐火物に炭素繊維の束又は網状物を巻きつける方法が特開平２−１３３１６６号公報に記載されている。また、繊維どうしあるいは繊維と耐火物を強固に結合させるために、炭素繊維に熱硬化性樹脂を含浸あるいは塗布する方法が特開昭５９−３５０６９号公報に記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
これらの方法はいずれも炭素繊維の糸、紐、テープ、トウ、束やこれらからなる網、布、フェルト、ペーパー、マットを使用する。以下ではこれらを炭素繊維の収束体と呼ぶ。これらの収束体はそれ自体に保形性がないか、あるいは乏しく、耐火物表面や内部に思うような形で設置するのが難しいという欠点がある。またこれに派生して、このような保形性がないか、あるいは乏しいものは耐火物表面や内部に直線的に設置することが難しいため、たるみが生じがちである。このため高強度で高弾性率の炭素繊維を使用しても、これを設置した耐火物にプレストレスを掛けることができず、従って十分な破壊防止機能が得られない。また、炭素繊維収束体は炭素繊維がほつれやすいので、耐火物や充填材の製造過程や施工過程でばらばらになって用をなさない場合がある。
【０００５】
また、これらの収束体は一本一本の繊維の間に大きな空隙があるため、樹脂などを含浸あるいは塗布すると多くの樹脂が吸収されやすく、さながら樹脂の塊の所々に繊維が存在するような組織となる。このようなものは耐火物の使用温度に当たる高温では樹脂中の揮発分がなって非常に多孔質となり、強度が低いばかりでなく、また繊維も樹脂起源の炭素も酸化しやすい。
【０００６】
本発明は、窯炉開口部の充填を確実にし、充填材による炉内補修効果を飛躍的に向上させることができ、窯炉等の寿命延長と耐火物コスト削減に寄与することができる窯炉開口部の閉塞方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
係る課題を解決するため、本発明の要旨とするところは以下のとおりである。
（１）窯炉開口部に充填材を充填してから無機繊維からなる棒状成形体を前記耐火物中に装入することを特徴とする窯炉開口部の閉塞方法。
（２）窯炉開口部に充填材を充填しながら無機繊維からなる棒状成形体を装入することを特徴とする窯炉開口部の閉塞方法。
（３）窯炉開口部に無機繊維からなる棒状成形体を装入してから充填材を充填することを特徴とする窯炉開口部の閉塞方法。
（４）棒状成形体として、無機繊維を束ねて若しくは撚り合わせて、又はこれをさらに無機繊維若しくは有機繊維で結束して束ねた成形体を使用することを特徴とする（１）〜（３）の何れか１項に記載の窯炉開口部の閉塞方法。
（５）棒状成形体として、結合剤で無機繊維を束ねて若しくは撚り合わせて、又はこれをさらに無機繊維若しくは有機繊維で結束して束ねた成形体を使用することを特徴とする（１）〜（３）の何れか１項に記載の窯炉開口部の閉塞方法。
（６）結合剤が樹脂であることを特徴とする（５）に記載の窯炉開口部の閉塞方法。
（７）樹脂がフェノール樹脂であることを特徴とする（６）に記載の窯炉開口部の閉塞方法。
（８）無機繊維が炭素繊維であることを特徴とする（１）〜（７）の何れか１項に記載の窯炉開口部の閉塞方法。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明では従来の収束体に代えて、無機繊維からなる棒状成形体を使用する。
【０００９】
前記（１）に係る発明では、窯炉開口部に充填材を充填してから棒状成形体を挿入し、前記（２）に係る発明では、充填材と共に棒状成形体を開口部に挿入し、前記（３）に係る発明では、棒状成形体を開口部に挿入してから充填材を充填する。これらを模式的に図示したのが図２で、高炉出銑孔に充填された充填材２の中に棒状成形体１が存在している。
【００１０】
棒状成形体は保形性があるため、これを含む充填材を充填しても、また棒状成形体を充填材と共に施工しても施工体内部でたるむことがなく、狙いどおりの形状で配置することができる。また、棒状成形体を構成する繊維がほつれることもない。なおここで言う棒状成形体とは、長さ３００mm程度の試料を、張力を加えることなくスパン２００mm程度で水平にさし渡しても変形して落ちない程度のものである。
【００１１】
棒状成形体の直径は１mmから５０mmとする。１mm未満では棒としての強度が不足し、５０mm超では棒の酸化や溶損により耐火物全体の耐用性が低下する恐れがある。断面形状には特に制限はなく、たとえば円、楕円、多角形、星型、花形などでも良い。
【００１２】
棒状成形体の長さは、棒状成形体が内在した充填材を製造する場合は、最も短い場合で概ね１０mm、最も長い場合で充填装置のノズル直径の概ね３分の２程度までとする。１０mm未満では棒状成形体による補強効果と架橋効果が不十分で、最小寸法の３分の２を超えると充填装置のノズルに材料が詰まる可能性がある。充填後に装入する場合、棒状成形体の長さは出銑孔深度と同程度が望ましい。出銑孔深度とは開孔機の錐が貫通するまでに進んだ距離で、出銑孔の長さである。
【００１３】
本発明の方法により充填すると、棒状成形体が耐火物に内在しているので、まず棒状成形体によって耐火物全体を強化することができ、熱応力やその他の外力によって破壊し難くなる。さらに、もし亀裂が生じても棒状成形体の引き抜き抵抗による架橋効果で、亀裂の進展とより大きな破壊や欠損を効果的に抑制することができる。棒状成形体が内在する材料は、通常の閉塞材と同様に閉塞装置で圧入施工する。
【００１４】
充填材を充填してから棒状耐火物を装入する場合、棒状耐火物自身には強度が必要なので、１０mm程度以上の太いものが望ましい。充填材の硬化前に押し込んで装入する。充填材を充填しながら棒を装入することもできる。この場合、棒状耐火物と充填装置の位置的な取り合いが問題になるので、装置に工夫が必要である。棒状耐火物を装入してから充填することもできる。なお棒状耐火物の装入方向は、開口部の軸すなわち出銑孔であれば孔の長手に平行としてよい。開口部が広く広範囲に充填して閉塞したい場合は棒状耐火物を開口軸に対して斜め、あるいは平行に近い状態で設置して材料を充填してもよい。また、棒状耐火物が内在する耐火物とこれらの方法を併用してもよく、棒は一回の閉塞について１本でも、あるいは２本以上使用してもよい。
【００１５】
前記（４）に係る発明では、棒状成形体は、無機繊維を束ねて若しくは撚り合わせて、又はこれをさらに無機繊維若しくは有機繊維で結束して束ねた成形体を使用する。
【００１６】
無機繊維としては炭素繊維、ガラス繊維、たとえばアルミナ質、アルミナ−シリカ質、アルミナ質、ムライト質、ジルコニア質、マグネシア−シリカ質、マグネシア−シリカ−カルシア質などの無機繊維が使用可能である。前述のように炭素繊維は強度と耐熱性が高く、さらに溶銑や溶滓に侵され難いため、出銑孔閉塞用として優れている。他方、アルミナ−シリカ質、アルミナ質、ムライト質、ジルコニア質、マグネシア−シリカ質などの無機繊維は酸化消失することがないので、酸化が懸念されるような場合には有効である。結束にはポリウレタン等の有機繊維を使用することも可能である。なお、これらの繊維を二種以上組み合わせて使用することも可能である。
【００１７】
また、前記（５）に係る発明では、結合剤で無機繊維を束ねて若しくは撚り合わせて、又はこれをさらに無機繊維若しくは有機繊維で結束して束ねた成形体を使用する。
【００１８】
結合剤としては種々の樹脂などの有機物、セメント、水ガラス、粘土などの無機物が使用可能で、前述のようにフェノール樹脂は好ましい結合剤の一つである。結合剤とともに適当な溶媒を用いても良い。また、結合剤にはＢ₄Ｃ、ＳｉＣ、ガラス、金属などの粉末が含まれていても良い。これらは棒の高温での強度を高めたり、炭素繊維や残炭の酸化を抑制する効果を発揮する。
結合剤中の揮発分は耐火物の受熱時に気体となり、耐火物を破損させる可能性もある。これを避けるために、必要に応じて棒の熱処理などを行い、揮発分を除去してもよい。
【００１９】
前記（６）に係る発明で結合剤として樹脂を使用する場合、まず樹脂を繊維間に含浸させ、これを別の繊維で外側から結束するか、ダイス等を通して引き抜く。このため余分の樹脂は繊維間から押し出されて取り除かれ、樹脂の量の少ない棒状成形体を得ることができる。このため棒状成形体の強度は高く、酸化しにくい。
また、繊維に張力を印加しながら樹脂で束ねた棒状成形体を作成すると、プリテンションの掛かった棒状成形体を作成することができる。これを使用して耐火物を作成すると、前述のようにたわみがないことと相俟って、プレストレスの掛かった充填施工体を得ることができ、破壊や欠損の抑制に非常に大きな効果を発揮する。
【００２０】
前記（７）に係る発明で使用するフェノール樹脂は、非酸化雰囲気で熱処理すると炭素が残留する。この炭素すなわち残炭が耐火物を構成する他の耐火骨材等の粒子を結合させ、またそれ自身も一種の耐火材として機能するので、耐火物に使用するには好適な樹脂である。このため無機繊維を束ねる樹脂としても非常に好適である。
【００２１】
前記（８）に係る発明で無機繊維として使用する炭素繊維は強度が高く耐熱性も高い。欠点は酸化により消失することである。炭素繊維をフェノール樹脂で束ねると、樹脂起源の炭素により繊維が一体化し、比表面積を小さくすることができる。このため耐酸化性を高めることができる。
【００２２】
棒状成形体は直線状でも、またそうでなくてもよく、波形や両端が屈曲したもの、太さが一定でないものでもよい。棒状成形体には枝、突起、凹凸があると引き抜けにくくなる。棒状成形体の作成の際、無機繊維を撚り合わせる、あるいは無機繊維で結束すると、表面に凹凸ができるので、引き抜き抵抗が大きくなり有利である。撚り合わせの方法を工夫する、あるいは太い束状の繊維で結束するなどの手段を講じることで、より表面の凹凸の大きな棒を作成することができる。また短い棒を撚り込んだり繊維で結束したりすることで、枝のある棒を作成することもできる。
【００２３】
母材となる耐火物である充填材は通常知られている耐火物すべてが可能である。たとえばマグネシア、カルシア、スピネル、クロム鉱、クロミア、アルミナ、ムライト、シリカ、硅石、シャモット、ばん土頁岩、ボーキサイト、粘土、アンダリューサイト、シリマナイト、カヤナイトなどの各種のアルミナ−シリカ系原料、ジルコン、ジルコニア、ＳｉＣ、Ｂ₄Ｃなどの炭化物やほう化物、Ｓｉ₃Ｎ₄のような窒化物、ファイアレン、Ｓｉなどの各種の金属、鱗状黒鉛、コークス、土状黒鉛、人造黒鉛、ピッチなどの各種炭素源を骨材とし、これら必要に応じてピッチ、タールや樹脂バインダーや各種添加剤を加え、必要に応じて混練した耐火物である。なお、棒状成形体の素材として炭素繊維を用いる場合は、その酸化を抑制する観点から炭素を含有する耐火物とした方が良い。
【００２４】
以上、本発明の方法を高炉の出銑孔充填方法の例で説明してきたが、本方法は高炉に限らず、すべての窯炉開口部の充填閉塞に適用できる。
【００２５】
【実施例】
［実施例１］
炭素繊維（ＰＡＮ系、強度約５０００MPa、弾性率約２４tf/mm²）にフェノール樹脂を塗りながら束ね、さらに同じ繊維の束を周囲に螺旋状に巻きつけて太さ４mmにしたものを熱処理して樹脂を硬化させて棒状成形体を作成した。なお、棒状成形体の炭素繊維とフェノール樹脂の割合は４０：６０（容量比）であった。これを長さ４０mmに切断したものを多数準備した。
フェノール樹脂をバインダーにした高炉出銑孔充填材（マッド材）にこの棒状成形体２質量％を混入して添加し、充填に使用した。同じ高炉の反対側の出銑孔では棒状成形体を添加しない通常品を使用し、成績を比較した。
【００２６】
マッドは出銑孔の閉塞のみならず炉内補修材としての役割も有する。補修として炉壁に付着したマッドの厚さは出銑孔深度（出銑孔の長さ）として評価する。付着したマッドに亀裂が生じ、亀裂からも溶銑が侵入した状態を「孔切れ」と呼ぶ。付着したマッド材が壁から完全に剥離したり、溶損などによりなくなると出銑孔深度は小さくなる。
【００２７】
棒状成形体を添加しない通常材を充填した出銑孔の平均出銑孔深度を１００とすると、棒状成形体を添加したマッド材を半年充填し続けた出銑孔の平均出銑孔深度は１２５だった。また、孔切れの発生頻度は挿入しない場合を１００とすると７０程度に低下したことから、棒状成形体の炭素繊維束によって炉壁に付着したマッドの亀裂発生とその成長が抑制されたため剥離も減少したものと考えられる。
【００２８】
［実施例２］
出銑孔に充填されたマッド材に炭素繊維からなる太い棒状成形体を挿入した。実施例１の場合と同様にしてまず直径６mmの素線を作り、これをさらに１９本より合わせて直径２０mm、長さ５ｍの太い棒を作成した。この棒を出銑孔に充填されたマッド材が硬化しないうちに毎回１本ずつ刺し込んだ。なお、出銑孔深度は平均して５．５ｍだった。この操作を同一出銑孔で約半年間継続し、この操作を行なわなかった同じ高炉の反対側の出銑孔と比較した。
棒状成形体を装入しない場合の平均出銑孔深度を１００とすると、刺し込みを開始して半年後の平均出銑孔深度は１２０となった。また、孔切れの発生頻度は１００から８５に低下したことから、この場合も炉壁に付着したマッドの亀裂発生とその成長が棒を刺し込んだことで抑制されて剥離が減少したものと考えられる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明により窯炉開口部の充填を確実にし、充填材による炉内補修効果を飛躍的に向上させることができ、窯炉等の寿命延長と耐火物コスト削減に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】無機繊維からなる棒が内在した充填材を充填した高炉出銑孔を示す断面概略図。
【図２】無機繊維からなる棒を充填材に刺し込んだ高炉出銑孔を示す断面概略図。
【符号の説明】
１：炭素繊維からなる棒状成形体、
２：充填材

Claims

窯炉開口部に充填材を充填してから無機繊維からなる棒状成形体を前記耐火物中に装入することを特徴とする窯炉開口部の閉塞方法。
窯炉開口部に充填材を充填しながら無機繊維からなる棒状成形体を装入することを特徴とする窯炉開口部の閉塞方法。
窯炉開口部に無機繊維からなる棒状成形体を装入してから充填材を充填することを特徴とする窯炉開口部の閉塞方法。
棒状成形体として、無機繊維を束ねて若しくは撚り合わせて、又はこれをさらに無機繊維若しくは有機繊維で結束して束ねた成形体を使用することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の窯炉開口部の閉塞方法。
棒状成形体として、結合剤で無機繊維を束ねて若しくは撚り合わせて、又はこれをさらに無機繊維若しくは有機繊維で結束して束ねた成形体を使用することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の窯炉開口部の閉塞方法。
結合剤が樹脂であることを特徴とする請求項５に記載の窯炉開口部の閉塞方法。
樹脂がフェノール樹脂であることを特徴とする請求項６に記載の窯炉開口部の閉塞方法。
無機繊維が炭素繊維であることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の窯炉開口部の閉塞方法。