JP3843129B2 - 切断耐火性材料 - Google Patents

Description

本発明は耐火体を切断する方法に関し、特に限定されないが、ジルコニア含有耐火体を切断する方法に関する。また本発明はかかる方法に使用するための粉末混合物に関する。
冶金炉、コークス炉及びガラス製造炉の如き各種のタイプの耐火性構造体はそれらの使用寿命の進行中に損傷を受ける傾向がある。
かかる損傷は例えば不規則な表面状態を生じる主要構造体に関する１以上の耐火性ブロックの滑りとして又は耐火性構造体の亀裂として現れる。一般に耐火性構造体の所望の表面状態を再確立することが望ましく、また問題のブロックのさらなる滑りを防止すること及びブロックの変位又は亀裂によって生じた間隙を満たすことが望ましい。これらの目的を達成するために、耐火性構造体の突出した部分を切り取ることも必要だろう。代わりに、又はさらに、キー(key)がキー溝(keyway)中に形成又は挿入されてさらなる滑りを防止するように滑ったブロック及び／又は隣接するブロック中にキー溝を割り込むことが望ましいか、または必要だろう。代わりに、又はさらに、好適なプラグの形成又は挿入のためにかかる滑り又は亀裂によって生じた間隙を拡大又は造形することが望ましいか、または必要だろう。また、かかる損傷は耐火性構造体の材料の浸蝕に原因があるだろう。かかる浸蝕は構造体に不規則な表面状態を与える傾向があり、しばしば構造体に対する修復を実施する前にその表面状態を修正することが望ましい。
他の目的のため、例えば炉の外側から炉の壁に開口を作るために穴を形成すること又はそうでなければ耐火性構造体を切断することが望ましいか又は必要だろう。
ここで使用されるような“切断(cutting)”という言葉は工具による耐火性材料の除去に関し、材料の一部に穴又はキー溝を形成し、穴又はキー溝を拡大し、又はそれを通して開口を作る、材料の一部の切り取り(cutting away)を包含する。この言葉は“孔あけ(drilling)”、即ち材料中の丸い穴の形成を含む。
耐火性構造体は例えばカッティングホイール、ドリル又は他の刃の付いた工具を使用して機械的に切断することができるが、これは耐火体修復に対して一定の欠点を与える。耐火体を切断し修復のために好適な表面を残すために、オペレーターは通常切断部位に極めて密接して近づかなければならない。これは切断部位が、オペレーターが切断を実施するために必要な時間耐えうる温度でなければならないことを意味する。またこれは耐火性構造体をその通常の運転温度、又は運転温度の作業サイクル内の温度から冷却しなければならないことを意味する。そして切断及び修復の後に再加熱しなければならないだろう。様々なタイプの工業炉の場合には、耐火性材料が収縮又は膨張するときの炉への損傷を避けるために、かかる冷却及び再加熱を数日間、あるいはさらに２，３週間にわたって予定しなければならない。これはそのような炉からの生産量のかなりの損失を表わす。
“セラミック溶接(ceramic welding)”技術の使用によって耐火体を修復することが提案されている。この技術では、耐火体は酸素と結合することによって発熱的に燃焼して耐火性酸化物を形成する燃料粒子及び耐火性金属酸化物粒子を含む粉末混合物と、酸素の存在下で接触される。酸素は通常単独で修復部位に粉末混合物を運搬するためのキャリヤーガスとして作用する。この方法によって耐火性物質が修復部位に形成される。かかるセラミック溶接の特別な利点は耐火体が熱い間に修復を実行できることである。
英国特許明細書ＧＢ １３３０８９４(Glaverbel)において、酸素と結合することによって燃焼して耐火性酸化物を形成する燃料粒子及び耐火性材料粒子を含む粉末混合物を、酸素の存在下でかつ高温で表面に対して投射することによって表面上に耐火体物質を形成することが知られている。燃料粒子はその組成及び粒度が耐火性酸化物を形成しながら、かつ投射された耐火性粒子を少なくとも表面的に溶融するために必要な熱を放出しながら強く発熱する方法で反応するような粒子である。特に、シリカ、ジルコニア及びアルミナからなる付着性被覆は耐火性材料粒子としてジルコン、ジルコニア、及びアルミナを、燃料粒子としてシリコン及びアルミニウムの混合物を含む粉末混合物を使用することによってジルコニア含有耐火体の表面上に形成することができる。
本発明は耐火物修復作業に先立つ調製段階の側面に関連する。最も広い意味では調製段階は“仕上げ(dressing)”、即ち修復のために好適な耐火性表面を作ることとして知られ、単なる表面洗浄、平滑化又は掻取り及び本発明で要求されるさらに強い切断及び孔あけ行為を含む。セラミック溶接と同種の方法の耐火体表面仕上げにおける使用が燃料粒子と酸素の間の強い発熱反応から及びその運動温度付近での耐火性構造体への適用からの両方の利益を得るために考えられている。
英国特許明細書ＧＢ ２２１３９１９−Ａ(Glaverbel)において、燃料粒子、耐火性酸化物粒子及びフラックスを含む粉末混合物と耐火体を接触することによって耐火体を仕上げることが提案されている。特に、ジルコニア含有耐火体は燃料粒子としてシリコン及びアルミニウム、耐火性酸化物粒子としてジルコニア及びアルミナ、及びフラックスとして炭酸ナトリウムを含む粉末混合物との接触によって仕上げられてもよい。他の提案されるフラックスはアルミノシリケート耐火体で作業するときの炭酸カルシウム及びマグネシウムを含有するもの以外の耐火体で作業するときの炭酸マグネシウムを含む。
ＵＳ特許５１００５９４(Glaverbel及びFosbel Inc.)では、耐火体を仕上げるため又はその上に耐火性溶接物質を形成するために、耐火体に対して投射された燃焼性粒子の酸化によって、充分な熱を発生する方法によって耐火体を修復することが提案されている。その方法が修復されるべき表面上に溶接物質を形成するために使用されるとき（例えば物質がCorhart ZAC(商標)上にジルコニア及びアルミナを使用することによって形成され、シリカがシリカブロックにおける亀裂を満たすために使用され、酸化マグネシウムが基本的な耐火ブロック上に被覆を形成するために使用されるとき）、追加の耐火性粒子が投射された粉末に存在する。
本発明の目的は耐火体を切断するための改良された方法及び改良された粉末混合物を提供することである。
本発明の第１の側面によれば、酸素と結合することによって発熱的に燃焼して耐火性酸化物を形成する燃料粒子及び耐火性金属酸化物粒子を含む粉末混合物を、酸素の存在下で、耐火体の表面に対して投射することによって耐火体を切断する方法において、粉末混合物の耐火性金属酸化物が酸化カルシウム及び酸化マグネシウムを含むことを特徴とする方法が提供される。
本発明の第２の側面によれば耐火体を切断するための粉末混合物であって、粉末混合物が酸素と結合することによって発熱的に燃焼して耐火性酸化物を形成する燃料粒子及び耐火性金属酸化物粒子を含む場合において、粉末混合物の耐火性金属酸化物が酸化カルシウム及び酸化マグネシウムを含むことを特徴とする粉末混合物が提供される。
燃料粒子は発熱的な方法で燃焼する。この反応によって与えられる熱は耐火体の表面を溶融させる。理論によって拘束されることは望まないが、我々は酸化カルシウム及び／又は酸化マグネシウムの混合物中の存在が切断される表面から流すことによって除去を可能にする溶融材料を流動化すると考えている。これは化学的効果によるものと思われる：塩基である酸化カルシウム及び／又は酸化マグネシウムは処理される耐火性材料中に見出される酸相と反応する。
酸化カルシウム及び／又は酸化マグネシウムの存在は高温での耐火性材料の迅速な切断を可能にする利点を有し、例えば運転中の炉の外面又は室温の耐火性材料の如き、低温の耐火性材料を一層容易に切断することができる。
粉末混合物は酸化カルシウム及び酸化マグネシウムの両方を含有することが好ましい。粉末混合物における酸化カルシウム対酸化マグネシウムの重量比は好ましくは５：１〜０．４：１、最も好ましくは２．５：１〜０．７５：１であることが好ましい。酸化カルシウム及び酸化マグネシウムの混合物の特に有用な源はドロマ(doloma)であり、その製造物は２炭酸ドロマイト(double carbonate dolomite)を焼成することによって得られ、ほぼＣａＯＭｇＯ（Ｃｇ：Ｍｇのモル比は約１：１（即ち約１．３９：１の重量比））の化学式を有する。ドロマの使用はガラス炉壁の処理に特に有利である。なぜならばガラス組成は通常、例えばソーダライムガラスの場合には既に酸化カルシウム及び酸化マグネシウムの両方を含んでいるため、この材料が炉内のガラス組成を汚染させることは全くないからである。
キャリヤーガスは気体の燃焼性物質を含まないことが好ましい。燃料粒子はアルミニウム、マグネシウム、シリコン、ジルコニウム及びそれらの混合物、特にアルミニウム及びシリコンの混合物の粒子から選択することができる。
酸化カルシウム及び酸化マグネシウムの両方を含有する好適な組成はさらにアルミナ、シリカ、ジルコニア及びそれらの混合物から選択されたさらなる耐火性材料の粒子を含有してもよい。しかしながら、粉末混合物は酸化カルシウム、酸化マグネシウム、アルミニウム及びシリコンから本質的になることが最も好ましい。
粉末混合物は耐火性金属酸化物粒子を７０重量％〜９０重量％、燃料粒子を１０重量％〜３０重量％含むことができる。
好ましくは粉末混合物中の燃料粒子は５０μｍ以下の平均寸法を有する。ここで使用される“平均寸法(average dimension)”は粒子の５０重量％がこの平均より小さな寸法を有するような寸法を意味する。
切断されるべき耐火体と粉末混合物を接触させるために有用な技術は切断されるべき耐火体の表面に対して粉末混合物をキャリヤーガスとともに投射することである。一般に例えばキャリヤーガスとして工業品質の酸素を使用することによって高濃度の酸素の存在下で粒子の投射を行うことが推奨される。燃料粒子の燃料が到達しうる極めて高い温度のため、それは処理される耐火体の表面上に存在する不純物を透過することができ、それは表面を軟化又は溶融することができる。酸化カルシウム及び／又は酸化マグネシウムの存在は表面の材料又はそれに付着する材料で容易に除去される液相を作る。
本発明によれば切断を実施する工具は粉末混合物及び酸素を切断部位に運搬する手段である。この手段はランス(lance)であることが都合が良い。好適なランスは所望により追加のガスのための１以上の出口とともに、粉末流の放出のための１以上の出口を含む。工程が熱い環境で実施されるとき、ガス流は循環する流体によって冷却されるランスから放出されてもよい。かかる冷却はウォータージャケットをランスに与えることによって容易に達成することができる。
粉末の規則的な噴射の形成を容易にするため、耐火性粒子は４ｍｍより大きな粒径を有する粒子を実質的に全く含まないことが好ましく、最も好ましくは２．５ｍｍ以下の粒径である。
本発明は用途がどのようなものであれ、いかなる耐火体にも等しく適用できるが、切断されるべき耐火体はガラス製造炉の壁の部分を形成するジルコニア含有耐火体であることができる。特に、本発明はシリカベースの耐火性材料に、アルミナに又はムライト及び耐火粘土材料に穴を切断又は開孔するために有用である。
本発明の方法に使用する所定の材料に穴を形成するとき、材料表面への粉末材料の必要な送出量は穴から追い出さなければならない溶融材料の粘度及び温度に依存する。一般に必要な送出量はセラミック溶接修復を実施するために必要な量より少なく、典型的には約１０〜３０ｋｇ／ｈの範囲である。
本発明を以下の限定されない実施例においてより詳細に説明する。
実施例 １
下記組成（重量％）を有する二つの粉末混合物を製造した：

シリコン及びアルミニウム燃料粒子は４５μｍ以下の呼称最大粒径を有していた。
これらの粉末は耐火性材料に穴を形成するために使用するのに良く適している。この実施例では、粉末のそれぞれは（ａ）１０〜１５％シリカ、４０〜５５％アルミナ及び３０〜４５％ジルコニアの組成をほぼ有するＺＡＣ（商標）から形成されたジルコニア含有耐火体で及び（ｂ）シリカれんがで５０ｍｍの深さの穴を形成するために使用された。
キャリヤーガスに分散された粒子の混合物はキャリヤーガスとして酸素を用いて、ランスから約１５ｋｇ／ｈの割合で投射した。ブロックは約１３００℃の温度であった。
穴の形成のためにかかった時間（秒）は下記結果の如く測定された：

実験は室温の耐火体で繰り返した。この場合において充分な流動性を有する材料が形成されなかったので、比較例１の組成でいずれの耐火体にも穴を形成することができなかったが、実施例１の粉末混合物で両方の耐火体に穴を形成することができた。
実施例 ２
実施例１の粉末混合物を、１０００℃の温度で５０ｍｍ厚のムライトのブロックを通して穴を形成するために使用された。その混合物をキャリヤーガスとして酸素を用いて約１５ｋｇ／ｈの割合でランスから再び投射し、光がブロックを貫通するのに９０秒かかった。

Claims (16)

1. 酸素と結合することによって発熱的に燃焼して耐火性酸化物を形成する燃料粒子及び耐火性金属酸化物粒子を含む粉末混合物を、酸素の存在下で、耐火体の表面に対して投射することによって耐火体を切断する方法において、粉末混合物の耐火性金属酸化物が酸化カルシウム及び酸化マグネシウムを含むことを特徴とする方法。
2. 酸化カルシウム対酸化マグネシウムの重量比が５：１〜０．４：１である請求の範囲第１項記載の方法。
3. 酸化カルシウム対酸化マグネシウムの重量比が２．５：１〜０．７５：１である請求の範囲第２項記載の方法。
4. 粉末混合物がドロマ(doloma)を含有する請求の範囲第３項記載の方法。
5. 切断されるべき耐火体が６００℃以上である請求の範囲第１項〜第４項のいずれか記載の方法。
6. 切断されるべき耐火体がガラス製造炉の壁の部分を形成するジルコニア含有耐火体を含む請求の範囲第１項〜第５項のいずれか記載の方法。
7. 耐火体を切断するための粉末混合物であって、粉末混合物が酸素と結合することによって発熱的に燃焼して耐火性酸化物を形成する燃料粒子及び耐火性金属酸化物粒子を含む場合において、粉末混合物の耐火性金属酸化物が酸化カルシウム及び酸化マグネシウムを含むことを特徴とする粉末混合物。
8. 酸化カルシウム対酸化マグネシウムの重量比が５：１〜０．４：１である請求の範囲第７項記載の粉末混合物。
9. 酸化カルシウム対酸化マグネシウムの重量比が２．５：１〜０．７５：１である請求の範囲第８項記載の粉末混合物。
10. 粉末混合物がドロマ(doloma)を含有する請求の範囲第９項記載の粉末混合物。
11. 燃料粒子がアルミニウム、マグネシウム、シリコン、ジルコニウム及びそれらの混合物の粒子から選択される請求の範囲第７項〜第１０項のいずれか記載の粉末混合物。
12. 燃料粒子がアルミニウム及びシリコンの混合物によって構成される請求の範囲第１１項記載の粉末混合物。
13. 粉末混合物が酸化カルシウム及び酸化マグネシウムを含有し、さらにアルミナ、シリカ、ジルコニア及びそれらの混合物から選択されたさらなる耐火性材料の粒子を含有する請求の範囲第７項〜第１２項のいずれか記載の粉末混合物。
14. 粉末混合物が酸化カルシウム、酸化マグネシウム、アルミニウム及びシリコンから本質的になる請求の範囲第７項〜第１２項のいずれか記載の粉末混合物。
15. 粉末混合物が７０〜９０重量％の耐火性金属酸化物粒子及び１０〜３０重量％の燃料粒子を含む請求の範囲第７項〜第１４項のいずれか記載の粉末混合物。
16. 粉末混合物中の燃料粒子が５０μｍ以下の平均寸法を有する請求の範囲第７項〜第１５項のいずれか記載の粉末混合物。