JP4472846B2

JP4472846B2 - アルミナ繊維ブロック

Info

Publication number: JP4472846B2
Application number: JP2000288409A
Authority: JP
Inventors: 安雄三須; 孝司根本; 英男柳; 洋行能勢
Original assignee: Saint Gobain TM KK
Current assignee: Saint Gobain TM KK
Priority date: 2000-09-22
Filing date: 2000-09-22
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2020-09-22
Also published as: JP2002105823A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、復元性に優れたアルミナ繊維ブロックに関し、さらに炉内を汚染しにくいアルミナ繊維ブロックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、無機繊維で形成したマット、ブランケット又はフェルトを積層して作られた無機繊維ブロックが、工業炉の炉壁材として広く使用されている。
【０００３】
このようなブロックを構成する無機繊維としては、アルミナシリカ繊維が多く用いられている。最近では、より高温で使用できるアルミナ繊維の使用が増加している。
【０００４】
この種のブロックは、主に次の方法で製造される。
【０００５】
まず、ブランケットを同じ大きさに切断して小片とし、これらの小片を積層して、積層体とする。また、細長いブランケットを葛折りに積層して積層体とする。このようにして得られた積層体を圧縮しつつ、バンド締めや縫製によって所定の形状に固定してブロックとする。
【０００６】
このブロックを炉壁材として用いる際には、ブランケットの切断面あるいは折り曲げられた部分の端面が炉の内面側にくるように、炉の側壁や天井に取り付けられる。
【０００７】
しかし、無機繊維ブロックは、長時間高温で使用されると、徐々に復元性、耐熱性が低下し、その結果、無機繊維ブロックの目地が開いて、炉壁材としての性能が低下する。また、長時間の使用により結晶が成長して繊維が脆くなり、粉塵となって炉内を汚染する。
【０００８】
この目地開きを防ぐ対策の一つとして、無機繊維ブロックの復元性を大きくすることが提案されている。例えば、特開平８−１７４６８７号公報は、圧縮したアルミナ繊維の集積体に有機バインダーが均一に含有されており、有機バインダーの分解後、元の厚さの１．０５倍以上に復元する無機繊維成形体を開示している。
【０００９】
また、特開昭６２−６９８７０号公報には、アルミナ繊維が三次元ランダムに配向し、緊張した状態で結合した復元性に優れたマットが開示されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、これらの従来技術には、次のような課題があった。
【００１１】
特開平８−１７４６８７号公報に示された無機繊維成形体では、バインダーを含浸する工程が必要であり、そのため生産性が劣るとともに、有機物を嫌う炉には使用できない。
【００１２】
また、特開昭６２−６９８７０号公報に示されたマットは、緊張した状態で結合しているため、３００％以上に圧縮すると繊維が折れて復元性が低下してしまう。
【００１３】
さらに、従来のアルミナ繊維は、長時間高温で使用すると、不純物の影響により、繊維の結晶が成長し、強度や耐熱性が低下したり、繊維が粉塵となって炉内を汚染する。
【００１４】
本発明は、復元性に優れているアルミナ繊維ブロックを提供することを目的としている。さらに、本発明は、炉内を汚染しにくいアルミナ繊維ブロックを提供することを目的としている。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の解決手段は、好ましくは、次に示す特徴を有するアルミナ繊維ブロックである。
【００１６】
（１）アルミナ繊維からなるマットによって形成されたアルミナ繊維ブロックにおいて、アルミナ繊維が、三次元ランダムに配向し、かつ、相互に絡み合う状態にある。
【００１７】
（２）アルミナ繊維からなるマットによって形成されたアルミナ繊維ブロックにおいて、圧縮前の嵩密度が２０〜６０ｋｇ／ｍ³であるマットが、積層されて３００〜５００％圧縮されており、圧縮後のブロックの嵩密度が６０〜２００ｋｇ／ｍ³である。
【００１８】
（３）アルミナ繊維の一部は、平面に投影した形が、環状になる。
【００１９】
（４）１２００℃で８時間加熱後の復元率が１５０％以上である。
【００２０】
（５）不純物であるＮａ、Ｋ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｎｉの含有量は、Ｎａ＋Ｋの合計が３００ｐｐｍ以下であり、Ｆｅが２００ｐｐｍ以下であり、Ｃｕが２ｐｐｍ以下であり、Ｎｉが２ｐｐｍ以下である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明のアルミナ繊維は、所謂ゾルゲル法で製作することができる。この方法は、まず、一定の温度及び湿度に制御した雰囲気中で、粘度を調整した紡糸液を繊維化し、前駆体繊維を得る。次に、この前駆体繊維を焼成し、繊維に含まれる有機物、水分などを分解し、それぞれの組成に応じた結晶質繊維を得る。アルミナ繊維は、アルミナの含有量が７０％以上であり残部がシリカである、主にムライト結晶またはコランダム結晶からなる。
【００２２】
繊維化方法は、メルトブロー法やスピニング法が採用できる。
【００２３】
メルトブロー法は、紡糸液を小穴から押し出して、これに高圧のエアーを吹き付けて繊維化する。
【００２４】
スピニング法は、小穴を設けたカップに紡糸液を入れて、カップを回転させ、遠心力で紡糸液を押し出し、これに高圧のエアーを吹き付けて繊維化する。スピニング法は、平面に投影した形が環状となる繊維を製作する場合に好ましい方法である。
【００２５】
本発明でいう環状とは、輸のように完全に閉じるている形状のみでなく、輪の一部が欠落した半円弧状のような形状も含む。環状部分は、バネのような働きがあり、圧縮された際に反発力が大きい。環状部分を有する繊維を用いれば、小さな嵩密度でも大きな復元が得られる。
【００２６】
図１は、本発明の１つの実施態様による、複数の環状部分を有する繊維の一例を示す。図２は、本発明の別の実施態様による、環状部分のない繊維の例を示す。
【００２７】
図１から明らかなように、アルミナ繊維の複数部分が、平面に投影した形でみたとき、環状になっている。
【００２８】
三次元ランダムに配向する状態とは、繊維が特定の方向のみに配向するのではなく、三次元のあらゆる方向にランダムに、つまり秩序なく配向している状態である。
【００２９】
例えば、繊維化直後の前駆体繊維を集綿する際に、金網を通して吸引すると、繊維は繊維単体で落下し、金網と平行に二次元に配向する。しかし、吸引力を調整し、外力を受けることなく堆積させると、前駆体繊維は三次元ランダムに配向する。このように繊維が三次元ランダムに配向することにより、嵩密度が小さいマットを製作することが可能になる。
【００３０】
アルミナ繊維が相互に絡み合う状態とは、繊維同士が交点で接着することなく互いに絡んでいる状態である。
【００３１】
前駆体繊維の積層体は、４０％以下の相対湿度中で取り扱うことが好ましい。４０％を越えると、前駆体繊維が水分を吸着して繊維の交点で接着し、焼成の際に繊維同士が融着してしまう可能性が大きくなる。繊維同士が融着すると、繊維が緊張した状態になり、圧縮率を３００％以上に圧縮したとき繊維が折れやすくなる。
【００３２】
このようにして製作した前駆体繊維の積層体を焼成してマットとする。
【００３３】
圧縮前のマットの嵩密度は２０〜６０ｋｇ／ｍ³である。マットの嵩密度は、小さい方が好ましい。嵩密度の小さいマットを大きく圧縮することにより復元率の大きいブロックが得られる。しかし、２０ｋｇ／ｍ³未満では、マットの強度が弱く、取り扱い性が悪くなる。また、６０ｋｇ／ｍ³を越えると、ブロックの嵩密度が上がりすぎる。さらに、繊維が折れやすくなる。
【００３４】
本発明のアルミナ繊維ブロックを成形する方法としては、マットを小片の形で多数枚用意し、それらを積層させ、圧縮した状態で有機あるいは無機の長繊維で縫製する方法や、大きなマットを葛折り状に又はアコーデオン状に積層させ、その後圧縮してバンド等で固定する方法、或は、予め３００ｍｍにマットを切り出して所定の厚さに圧縮してバンドで固定する方法等が採用できる。
【００３５】
本発明のアルミナ繊維ブロックの圧縮率は、３００〜５００％が好ましい。
【００３６】
圧縮率は、｛（圧縮前の厚さ）÷（圧縮後の厚さ）｝×１００（％）で表す。圧縮率が３００％未満では、ブロックの熱伝導率が大きく断熱性に劣るとともに復元性も劣る。圧縮率が５００％を越えると、繊維が折れやすくなり、加熱後の復元性が悪くなる。
【００３７】
復元率は、次のようにして測定する。ブロックの圧縮方向が所定の寸法を維持するように、荷重をかける。この寸法を保持前の厚さとする。荷重をかけたブロックを所定の温度で、所定の時間保持する。その後荷重を取り除き、このときの寸法を保持後の厚さとする。ここで復元率は、｛（保持後の厚さ）÷（保持前の厚さ）｝×１００（％）で表す。
【００３８】
本発明のアルミナ繊維ブロックは、復元率が１５０％以上であるのが好ましい。復元率が大きいほど加熱された際の収縮が小さく、目地開きが生じにくい。本発明のアルミナ繊維ブロックを炉壁材として使用した際に、目地開きを防止するには、復元率が１５０％以上であることが好ましい。
【００３９】
本発明のアルミナ繊維ブロックにおいて、繊維に含まれる不純物としては、Ｎａ、Ｋ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｎｉが重要である。これらの不純物が多いと、繊維の結晶成長が進行しやすく、その結果、繊維の強度が低下し、繊維が粉塵となって炉内に飛散しやすくなる。この理由により、アルミナ繊維ブロックに含まれる不純物としては、好ましくは、ＮａとＫの合計が３００ｐｐｍ以下、Ｆｅが２００ｐｐｍ以下、Ｃｕが２ｐｐｍ以下、Ｎｉが２ｐｐｍ以下である。
【００４０】
【実施例】
以下、本発明の実施例１〜３を説明する。
【００４１】
まず、塩基性塩化アルミニウム溶液とコロイド状シリカをアルミナに換算して７２ｗｔ％となるように混合し、この混合液１００重量部に対し２０重量部の乳酸を加え、加熱濃縮して粘度１５０ポイズの紡糸液を得た。この紡糸液を直径０．３ｍｍのノズル孔を持つカップに一定量供給しながら３０００ｒｐｍで回転させた。カップから流出する紡糸液を相対湿度１０％の高圧エアーで吹精して前駆体繊維を得た。この前駆体繊維は、ゆっくり落下し、三次元ランダムに配向し、嵩高い状態で堆積した。このときの雰囲気は、相対湿度が３０％であった。この堆積した繊維を１２５０℃で４０分加熱してマットを得た。このマットの繊維は、ムライト結晶を析出し、三次元ランダムに配向し、相互に絡み合う状態であった。繊維同士の結合はなかった。
【００４２】
このマットを３００ｍｍ角の小片に切断し、多数枚重ねて圧縮し、バンドで固定して３００×３００×３００ｍｍのブロックを製作した。
【００４３】
このブロックを加熱炉に炉壁材として施工して評価を行った。施工方法は、ブロックの圧縮方向が１個置きに直角になる千鳥施工で行った。
【００４４】
実施例１〜３の特性を表１に示す。
【００４５】
【表１】

復元率の測定は、３００×３００×３００ｍｍのブロックを試料として、室温及び１２００℃でそれぞれ８時間保持して行った。
【００４６】
目地開きは、各条件のブロックを施工した炉で、１４００℃で１ケ月加熱し、加熱後のブロックの目地開きを測定した。目地開きが小さいほど、耐熱性に優れている。
【００４７】
石英ガラス汚染性は、繊維０．３ｇを粉砕して石英ガラス板上の３０ｍｍ角に置いて、１３００℃で６時間加熱し、その後、石英ガラスの失透を観察した。
【００４８】
比較例１および２は、実施例１〜３と同様にしてブロックを製作し、その特性を測定した。その結果を表１に示す。
【００４９】
比較例１は、二次元に配向した、嵩密度１００ｋｇ／ｍ³の素材を１３０％圧縮して製作した従来品の例である。復元率が小さく、目地開きが大きい。
【００５０】
比較例２は、実施例１〜３で作製した前駆体繊維の積層体を、相対湿度５０％の雰囲気中で１０分間保持し、その後焼成してマットとしたものである。このマットを用いてブロックを製作した。マットが三次元に配向し緊張した状態で繊維同士が結合しており、圧縮の際に繊維が折れてブロックの復元性が劣る。
【００５１】
【発明の効果】
本発明のアルミナ繊維ブロックは、復元性に優れており、炉壁材として使用した際に、目地開きが少なく、耐熱性に優れている。従って、本発明のブロックを炉壁材として使用すれば、炉を安全に長時間使用できる。
【００５２】
さらに、不純物の少ないブロックを用いれば、炉内の汚染が少なく、高品質の熱処理が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１つの実施態様による、環状部分を含むアルミナ繊維の一例を示す顕微鏡写真。
【図２】本発明の別の実施態様による、環状部分を含まないアルミナ繊維の一例を示す顕微鏡写真。

Claims

アルミナ繊維からなるマットによって形成されたアルミナ繊維ブロックにおいて、アルミナ繊維が、三次元ランダムに配向し、かつ、相互に絡み合う状態にあり、アルミナ繊維の一部が、平面に投影した形が環状になるものであり、圧縮前の嵩密度が２０〜４０ｋｇ／ｍ ³ であるマットが、積層されて４００を超え５００％以下に圧縮されており、圧縮後のブロックの嵩密度が１００〜１８０ｋｇ／ｍ ³ であり、１２００℃で８時間加熱後の復元率が３００％以上であることを特徴とするアルミナ繊維ブロック。
１４００℃で１ヶ月加熱後の目地開きが１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のアルミナ繊維ブロック。