JP4455908B2

JP4455908B2 - セラミックライニングおよび微粉炭バーナー

Info

Publication number: JP4455908B2
Application number: JP2004081833A
Authority: JP
Inventors: 達司柏木; 啓治脇所; 静馬新谷; 真仁井口; 守石井
Original assignee: Chugoku Electric Power Co Inc; Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Chugoku Electric Power Co Inc; Chichibu Onoda Cement Corp
Priority date: 2004-03-22
Filing date: 2004-03-22
Publication date: 2010-04-21
Anticipated expiration: 2024-03-22
Also published as: JP2005265354A

Description

本発明はセラミックライニングおよびこれを備えた微粉炭バーナーに関する。

いわゆる微粉炭バーナーは、高炉精錬設備や石炭燃料を用いた発電設備等で使用されている。この微粉炭バーナーにおいて、微粉炭の噴出方向を制御するための整流板は、バーナー火炎による高温にさらされた状態で微粉炭粒子が高速で衝突するという、極めて厳しい摩耗環境にさらされる。このため、従来より、整流板に耐摩耗性の高い高クロム鋼等の耐摩耗鋳鋼を適用しているが、満足のいく耐摩耗性は得られておらず、摩耗による肉厚減少により頻繁に修理・交換が必要となっている。

そこで、この整流板をはじめとして微粉炭バーナーにおいて摩耗環境にさらされる各種のバーナー部品に、セラミックスやサーメット等の硬質材料をライニングすることにより延命化を図る検討がなされている。ここで、このようなバーナー部品には数百度〜６００℃程度の温度が加わるため、有機接着剤を使用することはできない。また、セラミックスやサーメットとライニングする金属基材とではその熱膨張率が大きく異なるなため、無機接着剤を使用したとしても熱膨張差より、容易に剥離、脱落してしまうという問題がある。

そこで、一般的には、セラミックタイルの略中央部にザグリ穴を設け、また、基材に貫通穴（ボルト穴）を設け、これらの穴部を通してセラミックタイルを基材にボルト止めした上、セラミックタイルのザグリ穴にセラミック製の蓋部材を被せて、ボルトの摩耗を防ぐ方法が広く採用されている（例えば、非特許文献１参照）。

しかしながらこの方法では、予め、基材の所定位置にセラミックタイルを取り付けるためのボルト穴を形成するためのネジ穴加工を行う必要があり、このネジ穴加工位置および固定するセラミックタイルの形状寸法、セラミックタイルに形成するザグリ穴の位置の精度を高めなければ、セラミックタイルの施工時に、穴位置ずれにより所定位置にセラミックタイルを取り付けることができない等の問題が生じるおそれがある。また、基材に設けるネジ穴の長さを十分に確保しないとバーナー運転に起因する振動によりボルトが緩むおそれがあるために、基材厚さを厚くしなければならない。
火原協会講座１４，「燃料および燃焼」，社団法人火力原子力発電技術協会，平成元年５月発行

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、セラミック部材を基材に簡便かつ容易に取り付けることができるセラミックライニングを提供することを目的とする。また本発明は、このようなセラミックライニングを備えた微粉炭バーナーを提供することを目的とする。

本発明によれば、金属製の基材と、
段差を有する孔部を備え、前記孔部の短径側が前記基材側となるように前記基材上に配置されるセラミック部材と、
前記セラミック部材における前記孔部内の段差部を前記基材側に押さえるための鍔部および前記基材と溶接により固定される筒状部を有し、前記セラミック部材を前記基材に係止させるための金具と、
前記鍔部と前記段差部との間に設けられ、前記セラミック部材と前記金具の熱膨張に対して緩衝作用を示す無機繊維シートまたは無機繊維綿からなる緩衝材と、
前記孔部を埋めるように前記孔部の長径部分に嵌挿されるセラミック製の蓋部材と、
前記セラミック部材と前記蓋部材との隙間に充填され、前記蓋部材を固定する充填材と、
を具備することを特徴とするセラミックライニング、が提供される。

このセラミックライニングにおいては、金具の基材への溶接時およびセラミックライニングの使用時における金具とセラミック部材の熱膨張よる破損が防止されるように、これら金具とセラミック部材との間に所定の間隙が設けられていることが好ましい。なお、緩衝材としては、無機繊維シートが好適に用いられる。また、充填材としては、耐熱セメントまたは耐熱性無機接着剤が好適に用いられる。セラミック部材と蓋部材とは同じ材質で構成されていることが好ましく、セラミック部材としては、窒化珪素、サイアロン、炭化珪素、アルミナ、ムライトまたはこれらの複合材が好適に用いられる。

また本発明によれば、上記セラミックライニングを整流板および／またはバーナーノズルとして備えていることを特徴とする微粉炭バーナー、が提供される。

本発明のセラミックライニングによれば、セラミック部材に高い寸法精度や加工精度が要求されず、また予め基材に穴加工を施すことなく任意の位置にセラミック部材を係止させることができるために、ライニング施工が容易であり、製造コストも抑えられる。また、このようなセラミックライニングを備えた本発明の微粉炭バーナーは優れた耐久性を有するため、メンテナンスおよび部品交換の頻度を減らすことができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、セラミックライニング１０の概略構造を示す断面図であり、図２は図１に示すセラミックライニング１０の構成部品（基材を除く）を示す説明図である。

セラミックライニング１０は、金属製の基材１１と、段差を有する孔部１２′（図２参照）を備えたセラミック部材（セラミックタイル）１２と、鍔部１３ａと円筒部１３ｂとを有し、セラミック部材１２を基材１１に係止させるための金具１３と、鍔部１３ａと段差部１２ａとの間に設けられた緩衝材１５と、孔部１２′を埋めるように孔部１２′の長径部分に嵌挿されるセラミック製の蓋部材１４と、セラミック部材１２と蓋部材１４との隙間に充填され、蓋部材１４を固定する充填材（シール材）１７と、を備えている。基材１１と金具１３とは、溶接により溶接部１６を形成することにより接合される。

基材１１は、金具１３と溶接接合できるものであればその材質は問われないが、微粉炭バーナー用途の場合には、耐熱性、耐食性、機械的強度等に優れたステンレス、鋳鋼等が好適に用いられる。

セラミック部材１２としては、窒化珪素、サイアロン、炭化珪素、アルミナ、ムライトまたはこれらの複合材が好適に用いられる。セラミック部材１２は、公知の製造方法、例えば、所定のバインダが添加され、造粒処理されて得られた原料粉末をプレス成形（一軸プレス成形、ＣＩＰ成形）し、焼成収縮を見込んで最終的に孔部１２′が形成されるように得られた成形体に機械加工を施し、所定の条件で焼成し、必要に応じて研削処理することにより、製造することができる。また、鋳込み成形法や射出成形法によっても、セラミック部材１２を製造することができる。

緩衝材１５としては、セラミック部材１２と同じ材料からなり、予め所定の厚さに成形されている無機繊維シートを用いることが好ましい。また、緩衝材１５として、このようなドーナツ型のシートを用いる場合、金具１３の鍔部１３ａとセラミック部材１２の段差部１２ａとの間が全体的に緩衝材１５で占有される形状とすることが好ましい。これにより緩衝材１５の厚みばらつきを小さくすることができるので、セラミック部材１２を均等な力で保持することができる。緩衝材１５の厚みは、セラミックライニング１０の使用時においてセラミック部材１２と金具１３の熱膨張に対して緩衝作用を示す範囲で、適宜、セラミック部材１２の段差部１２ａの厚さも考慮して、定められる。

なお、後述するように、セラミック部材１２を基材１１に係止する作業、つまり金具１３を基材１１に溶接する作業の際に、セラミック部材１２の段差部１２ａの表面に無機繊維綿等を適量配置し、これを金具１３で挟み込むことによって、緩衝材の層を形成することができるが、この場合には、緩衝材の層の厚さがばらつかないように、注意する必要がある。

金具１３の鍔部１３ａは、セラミック部材１２における孔部１２′内の段差部１２ａを基材１１側に押さえ、円筒部１３ｂは基材１１と溶接により固定される。こうして金具１３によりセラミック部材１２は基材１１に係止される。金具１３としては、耐熱性、機械的強度に優れたステンレス等が好適に用いられる。

円筒部１３ｂの外径はセラミック部材１２の孔部１２′の短径よりも短くなっており、かつ、鍔部１３ａの外径はセラミック部材１２の孔部１２′の長径よりも短くなっている。つまり、金具１３とセラミック部材１２との間には、金具１３の径方向において、間隙１８が形成されている。この間隙１８によって、金具１３の基材１１への溶接取り付け時およびセラミックライニング１０の加熱環境下での使用時における、金具１３とセラミック部材１２の熱膨張によるセラミック部材１２の破壊や、金具１３の疲労が抑制される。

例えば、セラミック部材１２が窒化珪素からなる場合、その熱膨張係数は約３×１０^−６／℃であり、金具１３がステンレス（ＳＵＳ−３１０Ｓ）の場合、そのその熱膨張係数は約１３×１０^−６／℃である。ここで、孔部１２′の短径をφ２１ｍｍとすると、孔部１２′の短径は１０００℃で約φ２１．０６ｍｍとなる。金具１３が１０００℃でセラミック部材１２に接しないためには、金具室温での外径は約φ２０．７８ｍｍ以下であればよいこととなり、例えば、φ１９ｍｍ、φ２０ｍｍ等に設定することができる。

蓋部材１４には、セラミック部材１２に用いられる材料と同じ材料を用いることができる。また、充填材１７としては、耐熱セメントまたは耐熱性無機接着剤が好適に用いられる。充填材１７の蓋部材１４の周囲への充填を容易とするために、孔部１２′の長径よりも蓋部材１４の外径は短くなっている。但し、充填材１７は耐久性の観点から蓋部材１４よりも劣るために、充填材１７を充填するスペースは、極端に広くしないことが好ましい。蓋部材１４がセラミック部材１２の孔部１２′内に配設された状態で、その表面全体が平坦となることが好ましく、このため、蓋部材１４の厚さはセラミック部材１２の厚さおよび金具１３の長さに基づいて定められる。

次に、セラミック部材１２の基材１１へのライニング工程について、これを模式的に示す図３を参照しながら、説明する。最初に、図３（ａ）に示すように、セラミック部材１２を基材１１上の配設位置に載置する。このとき、粘着材等を用いてセラミック部材１２が動かないように仮止めすることも好ましい。

次に、図３（ｂ）に示すように、セラミック部材１２の段差部１２ａ上に緩衝材１５を配置する。続いてセラミック部材１２の孔部１２′に金具１３を挿入し、金具１３がセラミック部材１２と接しないように、好ましくは孔部１２′のほぼ中央に位置するように位置決めする。その後、図３（ｃ）に示すように、金具１３の円筒部１３ｂの内周面と基材１１との間を、複数カ所（例えば、４カ所）で溶接して溶接部１６を形成し、金具１３を基材１１に堅固に固定する。これにより、セラミック部材１２が基材１１に係止された状態となる。

続いて、図３（ｄ）に示すように、金具１３の鍔部１３ａ上に蓋部材１４を配置し、次いで図３（ｅ）に示すように、蓋部材１４の周囲に充填材１７を充填し、充填材１７を固化させる。これにより、蓋部材１４が固定される。別のセラミック部材１２をこうして基材１１に取り付けられたセラミック部材１２に隣接させて、上述した工程を繰り返し行うことにより、基材１１上に所定数のセラミック部材１２がライニングされたセラミックライニング１０を製造することができる。

このようなセラミックライニング１０によれば、金具１３が堅固に基材１１に取り付けられているために、高温雰囲気、摩耗雰囲気で用いた場合にもセラミック部材１２の緩み等が起こり難く、優れた耐久性が発揮される。また、セラミック部材１２のライニング施工の際に、従来のように基材等にボルト穴形成加工等を行う必要がなく、金具１３の基材１１への固定に精密な位置決めも必要とされることがないので、施工が容易である。さらに、セラミック部材１２の寸法も厳密に制御する必要はないので、製造コストを低く抑えることができる。

上記説明においては、セラミック部材に形成する孔部として、その段差を有する円柱形状のものを示したが、これに限定されず、例えば、段差を有する四角柱等の多角柱状であってもよく、この場合、金具の形状はこのような孔部の形状に合わせればよい。また、セラミック部材としてその外形が四角形のものを示したが、これに限定されず、例えば、セラミック部材どうしの間に実質的に隙間がないように配置することができる形状、例えば、六角形の形状や、その六角形を二等分した台形形状等であってもかまわない。さらに、基材にライニングすることができるセラミック部材は平板形状に限定されるものではない。

また、基材およびセラミック部材部材として平板状のものからなるセラミックライニングについて説明したが、基材は曲面を有するものであってもよく、この場合には、セラミック部材として基材の曲面に沿って配置することができる曲面を備えたものを用いればよい。さらに、本発明によれば、上述したように、基材の片面にのみセラミック部材がライニングされた構造を有するセラミックライニングのみでなく、基材の両面や全面にセラミック部材がライニングされた構造を有するセラミックライニングも容易に製造することができる。

本発明に係るセラミックライニングは、微粉炭バーナーの整流板やバーナーノズルとして好適に用いられる。図４は一般的な角形の微粉炭バーナー２０の概略構造を示す断面図であり、微粉炭バーナー２０は、バーナーノズル２１と、バーナーノズル２１内に配置され、微粉炭と１次空気との混合気を整流するための整流板２２と、バーナーノズル２１へこの混合気を送る微粉炭管２３と、を備えており、通常、バーナーノズル２１および整流板２２は一体的に微粉炭管２３に対して所定角度傾けることができるようになっている。

整流板２２としては、基材の両面にセラミック部材がライニングされたセラミックライニングを用いることが好ましい。一方、バーナーノズル２１としては、その内壁にセラミック部材をライニングすれば十分である。

整流板２２として、図５（ａ）〜（ｃ）の各図に示す寸法（基準値であって、所定の公差、例えば、（＋０．５ｍｍ、−０ｍｍ）が許容される）を有する窒化珪素製の平板タイル（ａ）、窒化珪素製の蓋部材（ｂ）、ステンレス（ＳＵＳ−３１０Ｓ）製の金具（ｃ）を用い、平板タイルをステンレス（ＳＵＳ−３１０Ｓ）製の基材１１の両面に所定枚数ライニングしたセラミックライニングを製造し、整流板２２として微粉炭バーナー２０に装着した。また、バーナーノズル２１の形状にしたがった所定の形状を有する窒化珪素製の平板タイル等を別途準備し、これをバーナーノズル２１の内周面に取り付けた。

このような微粉炭バーナー２０をボイラにて使用し、平板タイルの摩耗、基材の取り付け状態を調べた結果、１年後もタイルは十分な肉厚を有しており、またタイルは緩みなく基材に取り付けられていることが確認された。

本発明は、耐熱性、耐摩耗性が要求される微粉炭バーナーに好適である。また、これに限定されず、粉体搬送チューブ等としても好適である。

セラミックライニングの概略構造を示す断面図。セラミックライニングの構成部品（基材を除く）を示す説明図。セラミックライニングの製造工程を模式的に示す説明図一般的な微粉炭バーナーの概略構造を示す断面図。整流板に用いられるタイル、蓋部材、金具の形状寸法図。

符号の説明

１０；セラミックライニング
１１；基材
１２；セラミック部材
１２ａ；段差部
１２′；孔部
１３；金具
１３ａ；鍔部
１３ｂ；円筒部
１４；蓋部材
１５；緩衝材
１６；溶接部
１７；充填材
１８；間隙
２０；微粉炭バーナー
２１；バーナーノズル
２２；整流板
２３；微粉炭管

Claims

金属製の基材と、
段差を有する孔部を備え、前記孔部の短径側が前記基材側となるように前記基材上に配置されるセラミック部材と、
前記セラミック部材における前記孔部内の段差部を前記基材側に押さえるための鍔部および前記基材と溶接により固定される筒状部を有し、前記セラミック部材を前記基材に係止させるための金具と、
前記鍔部と前記段差部との間に設けられ、前記セラミック部材と前記金具の熱膨張に対して緩衝作用を示す無機繊維シートまたは無機繊維綿からなる緩衝材と、
前記孔部を埋めるように前記孔部の長径部分に嵌挿されるセラミック製の蓋部材と、
前記セラミック部材と前記蓋部材との隙間に充填され、前記蓋部材を固定する充填材と、
を具備することを特徴とするセラミックライニング。
前記金具の前記基材への溶接時およびセラミックライニングの使用時における前記金具と前記セラミック部材の熱膨張による破損が防止されるように、前記金具と前記セラミック部材との間に所定の間隙が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のセラミックライニング。
請求項１または請求項２に記載のセラミックライニングを整流板および／またはバーナーノズルとして備えていることを特徴とする微粉炭バーナー。