JP3844422B2

JP3844422B2 - プレキャストブロックの乾燥方法

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Publication number: JP3844422B2
Application number: JP2001117335A
Authority: JP
Inventors: 吉俊齋藤; 康志筒井; 初雄平; 哲男嶋; 泰次郎松井; 誠二麻生; 広治合田; 敬西; 浩二井手; 利弘礒部; 均西脇
Original assignee: Nippon Steel Corp; Krosaki Harima Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp; Krosaki Harima Corp
Priority date: 2000-05-16
Filing date: 2001-04-16
Publication date: 2006-11-15
Anticipated expiration: 2021-04-16
Also published as: JP2002039690A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、所定形状に流し込み施工してプレキャストブロック化した不定形耐火物のマイクロ波乾燥方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、溶融金属を取り扱う容器には、不定形耐火物が使用されている。一般的には、溶融金属用容器内部に中子をセットし、不定形耐火物を流し込み施工し、一体の状態で、養生、脱枠、乾燥、予熱した後、溶融金属を受けている。
一方、直近では、溶融金属用容器の種類毎に、耐火物整備機械類を建設するのではなく、成形、養生、乾燥という単位操作を共通設備で行うことによる省力化、並びに、プレキャストブロック製造の一元管理化と超音波や打音検査などで築炉前のプレキャストブロックの品質向上とバラツキ削減による稼働寿命延長を期待した大型プレキャストブロックによる築炉工法が発展している。
【０００３】
各単位操作に対するプレキャストブロックの品質への影響は、乾燥が最も大きい。一般的な乾燥方法としては、炉の中にセットして、ガスバーナー加熱や電気炉加熱など、伝導加熱による。しかし、この乾燥方法によると、耐火物表面からの熱伝導によって、内部が加熱されるので、必然と温度勾配が発生する。温度勾配が生じると、背面側ほど発生蒸気圧が大きくなり、それによって耐火物組織が粗くなる傾向がある。
【０００４】
それにより、一体状態で施工した場合に比べ、大差ない品質のブロックしか確保することはできない。特に、大型、厚肉ブロックの場合は、爆裂の危険も大きく、高耐用化を狙った緻密質のブロックも爆裂の危険性をはらんだままである。また、伝導加熱の場合、炉内の温度を均一に保つことは困難であり、必然と品質のバラツキが発生しやすい傾向にある。
【０００５】
一方、不定形耐火物の乾燥方法として、特公昭５４−３２１７５号公報に開示されるように、マイクロ波加熱を利用した乾燥方法があり、熱風を同時に供給しながらマイクロ波加熱することも記載されている。
しかしながら、マイクロ波加熱単独では、一度気化した水蒸気が、プレキャストブロック表面や加熱炉の炉壁にて、再凝結し、それがマイクロ波を吸収するため、加熱効率が極端に低下し、無駄なマイクロ波エネルギーを消費してしまう。
【０００６】
また、プレキャストブロック表面からの抜熱により、ブロック内部より、表面ほど温度が低く、大きな温度勾配を生成し、耐火物品質の劣化を招くこともある。これを防ぐために、熱風を同時に送り込むことが提案されている。熱風からプレキャストブロックへ伝導される熱量は、以下の（２）式で表される。
Ｑ＝ｈ×△Ｔ×Ａ …（２）
Ｑ：熱風からブロックへ供給する単位時間当たりの熱量（kcal／hr）
ｈ：熱風〜ブロック間の熱伝達係数(kcal／m²・hr・ ℃)
△Ｔ：熱風とブロック表面の温度差（℃）
Ａ：ブロックの表面積（m²）
（２）式から分かるように、熱風温度がブロック表面温度より高く、その温度差が大きい場合ほど、又は、熱風流量が大きい場合ほど、ブロック表面から内部に向かって必然と温度勾配を形成し易い環境となる。それにより、内部加熱というマイクロ波加熱が損なわれ、通常のガスバーナー乾燥に比べ、大差ない耐火物品質のブロックしか製造できない。
【０００７】
熱風による水蒸気の迅速排出という機能を満足しつつ、熱風からプレキャストブロックへの熱伝導を抑制し、ブロック厚み方向の温度勾配をより小さくするには、（２）式から明確であるように、ブロック表面温度に応じて熱風温度を連続的に変化するように制御すればよい。極端な場合、常にブロック表面温度に熱風温度を合わせると温度差がゼロなので、熱風からブロックへ供給する熱量もゼロとなる。
【０００８】
しかし、対象となるブロック材質、重量、形状などによって、ブロック表面温度の経時変化は大きく異なり、このシステムを確立することは、事実上、困難である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、加熱炉内部に載置したプレキャストブロックの乾燥方法に関するものであり、ガスバーナー乾燥など従来の伝導加熱による乾燥に比べ、耐火物品質を向上させるには、ブロック表面から背面まで均質な耐火物組織にすることが重要課題であり、それには、ブロックの厚み方向の温度勾配を大幅に縮小することが必要である。
【００１０】
そこで、本発明では、気化した水蒸気を迅速に系外に排出し、高い加熱効率を維持しつつ、ブロック表面と炉内雰囲気の熱の出入りを抑制し、ブロック表面から背面まで均質な耐火物組織を得ることができるマイクロ波乾燥方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するものであるが、その要旨とするところは、次の（１）のとおりである。
「（１）施工水分量３．５〜８質量％の不定形耐火物を、予め所定形状に流し込み施工し、養生、脱枠しプレキャストブロックとした後、該プレキャストブロックを金属製の囲い内部に載置し、該プレキャストブロックの表面を断熱材で接触させて覆い、１００℃以上の熱風を供給しながら、囲い内部の空間を空洞共振器として、マイクロ波による誘電体加熱を行う際に、プレキャストブロック単位質量当りの熱風流量が、最大時にて、下記（１）式から求めた計算値以上の流量を連続的に供給し、乾燥中、プレキャストブロックの表面及び内部の温度を連続的に測定し、プレキャストブロックの厚み方向の温度勾配が、１００ｍｍあたり６０℃以下になるように、マイクロ波出力を制御しながら、マイクロ波による誘電体加熱を行うことを特徴とするプレキャストブロックの乾燥方法。
【００１３】
【数２】

【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳細に説明する。
プレキャストブロックの表面を断熱材で接触させて覆うことによって、ブロック表面から炉内雰囲気への抜熱、逆に、炉内雰囲気からブロックへの蓄熱が最小限に抑えられる。
【００１６】
プレキャストブロック表面に接触させて覆う断熱材の材質は、特に制限するものではないが、低熱伝導性と耐熱性が要求されるため、アルミナ、シリカ等を使用することができ、また０．２kcal/m²・hr・℃以下の熱伝導率を有するものが、マイクロ波の吸収能が小さいので好ましい。
断熱材はウール状、又は、ボード状などのものが好ましく、断熱材の厚みは、断熱の効果を発揮させるため３ｍｍ以上とし、弱いながらも吸収によるマイクロ波の損失を防止するため、２５０ｍｍ以下とすることが好ましい。
【００１７】
プレキャストブロックの表面を耐火断熱材で覆うだけでは、気化した水蒸気が断熱材内部にてトラップされ、再凝結して、それが再度マイクロ波を吸収するので、加熱効率が極端に低下する。それを避けるために、１００℃以上の熱風を供給する。
断熱材は通気性が高いので、熱風が断熱材内部の空間を流れ、断熱材にトラップされることなく、水蒸気を断熱材の外に速やかに運び出すことができる。一方、断熱材を接触させてブロック表面を覆うことにより、ブロック表面からの抜熱、炉内雰囲気からの入熱を最小限にすることができる。１００℃以上の熱風としたのは、折角、気化した水蒸気を乾燥炉の壁面などで、再凝結することなく、速やかに系外に排出させるためである。
【００１８】
なお、熱風の供給タイミングは、乾燥開始時からでも構わないし、水蒸気の発生が顕著となるプレキャストブロック温度６０℃からでも構わない。ブロック表面を断熱材で覆っているので、ブロックの温度勾配には寄与しないからである。しかしながら、１００℃以上の熱風を供給すれば、全ての機能を満足するという訳ではない。ブロックから発生した水蒸気を迅速に排出するだけの熱風流量が必要となる。
【００１９】
本発明者らは、鋭意検討した結果、上述の（１）式で、熱風発生装置の最低供給流量を、プレキャストブロック単位質量当りのマイクロ波出力、及び、マイクロ波の熱変換効率で定義できることを見い出した。
プレキャストブロックがマイクロ波加熱で蓄熱され、水蒸気が生成する温度に達すると、ブロックに吸収されたマイクロ波のエネルギー全てが、熱に変換して水の蒸発に費やされる。そのような状況の時が最も水蒸気発生速度が大きい。したがって、熱風発生装置の流量としては、単位時間当たりの最大水蒸気発生量を系外に排出する能力が必要となる。
【００２０】
マイクロ波の投入出力は、耐火物重量１トン当たり０．５kW以上、８kW以下で照射することが好ましい。これは、マイクロ波の出力が０．５kW/t-ref未満では、乾燥に７日間以上の長時間を要し、施工、養生、検査等の他の単位操作とマッチングせず、実用上、運転ができなくなり、一方、８kW/t-ref超では、温度勾配がついて品質の劣化を招いたり、また、爆裂の危険性が極端に高まるからである。
【００２１】
マイクロ波の熱変換効率は、炉内に載置するプレキャストブロックの配置方法、材料、形状などにも若干影響されるが、主に乾燥炉の形状、及び、マイクロ波を運ぶ導波管の投入位置、本数によって決まってしまう。
熱変換効率は、乾燥実験データーから乾燥に必要な熱量と乾燥終了までに投入した全マイクロ波熱量の比率から算出でき、一般的には０．５〜０．７の範囲である。
【００２２】
前記（１）式は、投入したマイクロ波を単位時間当たりのカロリー熱量に変換し、単位質量当りの水の蒸発熱で除して、水蒸気化できる能力を求め、それを大気下での水蒸気量に換算した関係である。これ以上の熱風流量があれば、乾燥炉内に結露することなく、高効率の乾燥が可能となる。
熱風流量は、前記（１）式で求めた計算値の好ましくは１．０５倍、更には、１．５倍にすることにより、短時間乾燥が可能となる。
【００２３】
乾燥中、プレキャストブロック厚み方向の温度勾配を１００ｍｍ当たり６０℃以下とする理由は、厚み方向にも、均質な耐火物組織を形成することである。更に、温度勾配を１００ｍｍ当たり１５℃以下にできれば、非常に均質かつ緻密質の高耐用の材料を得ることができるので、好ましい。
また、マイクロ波は、誘電体の中を浸透しながら吸収されて熱に変わって減衰していくので、厚い試料になるほど表面と内部の温度差は大きくなり、均一な乾燥が困難になる。そこで、高耐用のプレキャストブロックを得るには、厚い試料になるほど、乾燥中の表面及び内部の温度の管理が重要になる。
【００２４】
マイクロ波を用いた乾燥において、プレキャストブロックの表面及び内部の温度を高精度に連続的に測定するには、電磁界の影響を避ける必要がある。通常、よく用いる熱電対においては、例えば、導線の先端部分に強い電界が集中し、その近傍に過熱を生じ、断続的に極めて高い温度に達することがある。
これに対して、光ファイバー式温度計では、電磁界の影響を避けることができる。光ファイバー式温度計は、通常４００℃程度に耐えることができる光ファイバーの端面に接着された半導体結晶の光吸収作用を利用している。
【００２５】
具体的には、光ファイバー式温度計としては、Canada NORTECH FIBRONIC INC.社のモデルNoEMI-TSシリーズ、USA LUXTRON CORP.社のフロロプチック光ファイバー方式温度計、Canada FISO TECHNOLOGIES INC.社の白色光ファブリーペローファイバーセンサー等を使用することができる。センサー部分は、通常、直径１〜２ｍｍ、長さ５０〜１００ｍｍ程度である。
【００２６】
【実施例】
〔実施例1〕
本発明例として、ＳＵＳ３０４で構成された巾６ｍ×長さ１０ｍ×高さ４．５ｍの加熱炉内に、８００×１２００×３００ｍｍ厚みのアルミナ−スピネル質不定形材（アルミナ；粒径１ｍｍ以上：２０質量％、１００μｍ〜１ｍｍ：３０質量％、１０〜１００μｍ：２０質量％、１０μｍ未満：１０質量％、スピネル；粒径１００μｍ〜１ｍｍ：２０質量％）を流し込み施工したプレキャストブロック６個、計５．５トンをセットし、図１に示す加熱炉を用いてマイクロ波加熱して乾燥した。プレキャストブロック３は線路１３上を走行する台車２に載せて、開閉扉１４の上下移動により加熱炉１に出入りさせる構造となっている。
【００２７】
プレキャストブロック３は、厚さ２６０ｍｍのアルミナ−シリカ系の断熱煉瓦４の上に載置し、ブロック背面からの抜熱を防止した。プレキャストブロック３の表面は、直接触れさせて、厚さ２５ｍｍのアルミナ系の耐火断熱材（ウール状）６で覆った。そして、熱風を供給しながら、マイクロ波を照射して乾燥を行った。マイクロ波の出力は４kW/t-refとし、熱風温度は１２０℃として熱風流量を１．４〜８．４Nm³／t-refと変えて、乾燥を行った。（本発明例１、２、及び、比較例１、２参照）
なお、マイクロ波は、クライストロン管を使用した２４５０ＭＨｚ−６０ＫＷ装置（図中、マイクロ波装置７）を用い、加熱炉への導波管１５の投入位置は、分岐して３ｍの間隔を空けて、２箇所から照射した。これにより、全てのプレキャストブロック３が均一にマイクロ波照射され、２本の導波管１５から発せられたマイクロ波の干渉が無く、共鳴、減衰を避けることができる。
【００２８】
比較例３として、マイクロ波乾燥の代わりに温度３００℃、流量１００Nm³／min（耐火物１トン当り流量１８Nm³／min）の熱風を連続的に供給した。
比較例１〜３、発明例１および２とも、背面温度が１１０℃に達した時点で乾燥終了とした。表１に、乾燥条件とともに、乾燥時間、ブロック厚み方向の温度勾配、及び、代表品質としてブロック表面側と背面側の乾燥後見掛け気孔率差、更に、取鍋敷部に適用した際の実炉耐用性指数を示す。
【００２９】
【表１】

【００３０】
ブロック表面側と背面側の乾燥後見掛け気孔率差で比較すると、比較例３では、ブロック表面部と背面部に大きな差が見られたが、マイクロ波乾燥（本発明例１、２、比較例１、２）では温度勾配が大幅に小さくなったことで、いずれも小さい。温度勾配が小さい効果で、表面から背面まで均質な耐火物組織を形成でき、それによってマイクロ波乾燥したブロックを適用することで耐用性の向上が図られる。
【００３１】
しかしながら、（１）式で定義した熱風流量に満たない場合（比較例１、２）、温風乾燥（比較例３）よりも乾燥時間が長くなってしまい、炉繰りが厳しく、実用化が難しい。
一方、（１）式で定義した熱風流量を満たす本発明例１、２の場合、温風乾燥よりも大幅に乾燥時間を短くできる。
【００３２】
３００ｍｍ厚ブロックに対して、比較例３では乾燥後見掛け気孔率１３％以下のブロック乾燥では爆裂が発生したが、本発明例３では１０μｍ以下の超微粉量を１０質量％から３０質量％に増加し、施工水分を６．０質量％から３．９質量％まで減らし、その他の条件は本発明例１と同一として乾燥したところ、乾燥後見掛け気孔率８．５％のブロックも爆裂することなく、乾燥できた。この材料を適用したブロックを適用すると、前記（１）式を満たしつつマイクロ波乾燥した本発明例１、２に比べ、更に、耐用性が１．３倍となった。
〔実施例２〕
次に、実施例１と同様の条件でマイクロ波と熱風による乾燥を行い、実施例１と同様のＳＵＳ３０４で構成された巾６ｍ×長さ１０ｍ×高さ４．５ｍの加熱炉の中に、実施例１で使用したプレキャストブロックと比べて厚さが２倍である８００×１２００×６００ｍｍ厚みのアルミナ−スピネル質不定形材（アルミナ；粒径１ｍｍ以上：２０質量％、１００μｍ〜１ｍｍ：３０質量％、１０〜１００μｍ：２０質量％、１０μｍ未満：１０質量％、スピネル；粒径１００μｍ〜１ｍｍ：２０質量％）を流し込み施工したプレキャストブロック６個、計５．５トンをセットし、図１に示す加熱炉を用いてマイクロ波加熱して乾燥した。
【００３３】
実施例１よりも厚みが２倍のプレキャストブロックでは、厚み方向の温度勾配が大きくなる可能性があり、乾燥中の温度管理が非常に重要になる。
そこで、乾燥中の温度管理を高精度に行うために、プレキャストブロックの表面、表面から１００ｍｍおきに計５点、センサー部分の長さ１５ｍｍ、直径０．６ｍｍの光ファイバー式温度センサーを取り付け、この温度の変動を監視しながら、熱風の投入等の乾燥制御を実施した。
【００３４】
このアルミナ−スピネル質不定形材のブロックの品質に関する検討を行った。本発明例３は、乾燥中、厚み方向の温度勾配を、本発明で規定する範囲の１００ｍｍあたり１５℃以下になるように、制御しながら乾燥を行った場合である。本発明例４は、乾燥中、厚み方向の温度勾配を、本発明で規定する範囲の１００ｍｍあたり４０℃以下になるように、制御しながら乾燥を行った場合である。このときの本発明例３及び４では、温度管理に光ファイバーセンサーを使用した。
【００３５】
本発明例５は、乾燥速度（厚み方向の温度勾配）は本発明例３と同様であるが、温度管理を、通常のＣ／Ａ熱電対を用いて行った場合である。これに対して、参考例１は、乾燥中、厚み方向の温度勾配を１００ｍｍあたり６０℃超から１００℃以下になるように、通常のＣ／Ａ熱電対を用いて制御しながら乾燥を行った場合であり、前記（１）の本発明で規定する範囲の外となる例である。乾燥後試料の品質の測定結果を表２に示す。
【００３６】
【表２】

【００３７】
本発明例３及び４では、乾燥後に得られたブロックの上部、中央部及び下部の間の気孔率や強度の差は小さくなり、均質で高耐用なプレキャストブロックを得ることができた。
温度管理にＣ／Ａ熱電対を使用した本発明例５では、電界の影響を受け、十分に温度管理ができなかったため、電界の影響を受けない光ファイバー式温度センサーを用いた本発明例３に比べて、上部、中央部及び下部の間の気孔率の差がやや大きく、本発明例３に比較し、十分に均一な乾燥を行うことができなかった。
【００３８】
一方、参考例１では、上部、中央部及び下部の間の見かけ気孔率及び強度ともに本発明例５よりやや大きな差を生じ、均一性と品質の面で本発明例５より若干劣化した。
この原因としては、乾燥中のブロック内部にやや大きな温度差が生じたために、ブロック内の位置によって、水の蒸発の進行度に差があり、位置によって形成される材料組織に差が生じ、このことが、乾燥終了後のブロックの材料組織にも影響を与えたと考えられる。
【００３９】
【発明の効果】
本発明により、爆裂の不安が無く、また、小さな温度勾配で、緻密質、厚肉・大型のプレキャストブロックの高効率乾燥ができる。
また、本発明により、施工体品質の安定と向上をもたらし、強いては溶融金属用容器の寿命延長をもたらす。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施に用いるプレキャストブロックの加熱炉の一態様を示す図である。
【符号の説明】
１…加熱炉
２…台車
３…プレキャストブロック
４…断熱煉瓦
５…断熱ウール
６…耐火断熱材
７…マイクロ波装置
８…反射板
９…スターラー
１０…熱風発生装置
１１…送風ダクト
１２…排気ダクト
１３…線路
１４…開閉扉
１５…導波管

Claims

施工水分量３．５〜８質量％の不定形耐火物を、予め所定形状に流し込み施工し、養生、脱枠しプレキャストブロックとした後、該プレキャストブロックを金属製の囲い内部に載置し、該プレキャストブロックの表面を断熱材で接触させて覆い、１００℃以上の熱風を供給しながら、囲い内部の空間を空洞共振器として、マイクロ波による誘電体加熱を行う際に、プレキャストブロック単位質量当りの熱風流量が、最大時にて、下記（１）式から求めた計算値以上の流量を連続的に供給し、乾燥中、プレキャストブロックの表面及び内部の温度を連続的に測定し、プレキャストブロックの厚み方向の温度勾配が、１００ｍｍあたり６０℃以下になるように、マイクロ波出力を制御しながら、マイクロ波による誘電体加熱を行うことを特徴とするプレキャストブロックの乾燥方法。