JP4756482B2 - 耐火断熱材 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に工業炉の炉壁材として使用されるのに適した、耐熱性および断熱性に優れた耐火断熱材に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、環境保全や省エネルギーのために、工業材料として優れた断熱性を有する耐火断熱材の要求が非常に高まっている。断熱材の使用温度域は広範囲であり、それぞれの使用温度域での優れた断熱性が要求される。例えば、建材用の断熱材は常温であり、燃料電池や工業炉などに使用される断熱材は中高温域において優れた断熱性が要求される。
【0003】
中高温域で使用される断熱材として、無機繊維と無機粉体と結合材からなり、かつ湿式成形により成形された断熱材が知られている。例えば、特開平5−9083号公報には、無機繊維と酸化チタンと結合材より構成され、湿式成形法により成形された断熱材が開示されている。ここに使用される酸化チタンは、赤外線散乱効果を持ち、優れた断熱性を発現するとされている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
工業材料として使用される、特開平5−9083号公報に示された断熱材は、1000℃以下の中温度域では優れた断熱性を発現する。
【0005】
しかしながら、ここに使用する酸化チタンは、平均粒径が0.4μm以下と微細粒であり、1000℃以上の高温域では焼結による断熱材の収縮や撓みが顕著である。このため、高温域では、この断熱材は優れた断熱性を発現することが困難である。また、湿式成形法により成形する際には、濾過抵抗が大きく、成形に長時間を要し、厚い成形体を得ることが困難である。
【0006】
本発明は、1000℃以上の高温域においても優れた耐熱性および断熱性を発現する耐火断熱材を提供するものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明の解決手段は、前掲の請求項1〜7に記載の耐火断熱材である。
【0008】
【発明の実施の形態】
本発明者は、1000℃以上の高温域においても優れた断熱性を発現する断熱材を開発するために鋭意研究した結果、特に優れた断熱性の発現を可能とする無機繊維の径、ショットの含有量及び無機粉末を見いだし、本発明を完成した。本発明は、無機繊維と無機粉体と結合材から成形した耐火断熱材である。
【0009】
まず、本発明に使用する無機繊維について説明する。
【0010】
本発明の耐火断熱材には、平均繊維径が1〜3.5μm(好ましくは1〜3μm)の無機繊維が30重量%以上含まれるのが好ましい。
【0011】
無機繊維は断熱材の中で微細なネットを形成する。この際、繊維径が小さいと、このネットの気孔が小さくなり、断熱材の気体の対流による伝熱、および気体分子の衝突による伝熱を抑制する。また、繊維径が小さいと、繊維同士および繊維と粉体との接触面磧が小さくなって、固体の伝導伝熱を抑制する。さらに、繊維径が小さいと、断熱材中の繊維数の割合が大きくなり、輻射を遮蔽する隔壁が多くなって、断熱性を向上させる効果をもたらす。
【0012】
これらの理由により、繊維径は小さい方が好ましい。繊維径が3.5μm(好ましくは3μm)以下になると断熱材の断熱性が特に向上する。しかし、繊維径が1μmより小さくなると、湿式成形の際に濾過抵抗が増大し、厚い断熱材を得るのが困難になる。この理由から、平均繊維径1〜3.5μm(好ましくは1〜3μm)の無機繊維を含むものが好ましい。
【0013】
平均繊維径が1〜3.5μm(好ましくは1〜3μm)の無機繊維は、30重量%以上含まれるのが好ましい。30重量%未満では前述の効果が少ない。
【0014】
次に、ショット含有率について説明する。
【0015】
無機繊維に含まれるショットは、無機繊維を製造する際の副産物である。このショットは、無機繊維のネットによって保持されたまま、断熱材に含有される。粒径が45μm以上の大きなショットは、断熱材に大きな気孔を生じ、気体の対流伝熱、気体分子の衝突による伝熱を促進する。この理由により、粒径が45μm以上のショットは少ない方が好ましい。無機繊維に含まれる粒径45μm以上のショットの含有率が10重量%以下になると、断熱材の断熱性が特に向上する。したがって、無機繊維に含まれる粒径45μm以上のショット含有率は10重量%以下が好ましい。
【0016】
平均繊維径が1〜3.5μm(好ましくは1〜3μm)の無機繊維としては、アルミナシリカ繊維またはアルミナシリカジルコニア繊維が好ましく使用できる。無機繊維としては、この他に、耐熱性を向上する目的で、例えばムライト繊維、アルミナ繊維およびジルコニア繊維が好ましく使用できる。
【0017】
本発明において使用する無機粉体は、耐熱性を維持するために配合するものであり、1400℃までの加熱によって大きな体積変化のない結晶質の無機粉体が好ましい。無機粉体が非晶質であると、高温において結晶化して体積変化が生じ耐熱性および断熱性が低下する。
【0018】
例えば、非晶質シリカを無機粉体として使用すると、1000℃以上で結晶化が生じる。その結果、断熱材に顕著な収縮が起こり、耐熱性および断熱性が低下する。
【0019】
また、無機粉体が結晶質であっても、相転移により大きな体積変化を生じると、耐熱性および断熱性の低下を来す。故に、少なくとも1400℃までの加熱において体積変化の少ない結晶質の無機粉体を使用することが好ましい。
【0020】
このような無機粉体の好適な例としては、ムライト、石英、クリストバライト、コーディエライト、ジルコン、コランダム、ルチルなどが挙げられる。本発明にはこれらの結晶質無機粉体を1種類以上使用する。
【0021】
また、カオリンクレーの焼成品は、その構成結晶相がムライトおよびクリストバライトである。このような無機粉体も好ましく使用できる。
【0022】
ムライトやコーディエライトは、単成分酸化物であるアルミナやマグネシアよりも結晶構造が複雑であり、輻射伝熱の抑制だけでなく、フォノン伝導の抑制に極めて大きな役割を果たし、優れた断熱性を発現するので特に好ましい。
【0023】
ルチルは高屈折率を有し、輻射熱の散乱、とくに赤外線の散乱効果があり、優れた断熱性を発現するのに有効である。
【0024】
無機粉体の平均粒径は1〜45μmが好ましい。平均粒径が45μmより大きくなると、ショットと同様に断熱材中に大きな気孔を生じ、断熱性が低下する。また、平均粒径が1μmより小さくなると、湿式成形の際の濾過抵抗が増大し、厚い断熱材を得ることが困難になる。
【0025】
本発明の耐火断熱材の好ましい嵩密度は、0.18〜0.50g/cm3 である。0.18g/cm3 未満では、対流および輻射による伝熱が大きくなり、0.50g/cm3 を越えると、固体伝導による伝熱が大きくなることがある。
【0026】
本発明においては、高温での強度維持を目的として、無機結合材を1〜10重量%使用するのが好ましい。無機結合材としては、例えば、シリカゾル、チタニアゾル、アルミナゾルなどのコロイド溶液が好ましい。使用方法は、スラリーに混合するか、あるいは得られた断熱材に含浸するのが好ましい。さらに、必要に応じて、有機結合材を3〜10重量%の範囲で好ましく使用できる。有機結合材としては、例えば、アクリル樹脂エマルジョンや合成ゴムラテックスなどが挙げられる。
【0027】
本発明の耐火断熱材は、湿式成形法により成形するのが好ましい。特に抄造法により成形するのが好ましい。抄造法は、水に原料を分散させ、これを抄造する。この際、凝集剤を添加するのが好ましい。凝集剤の好ましい例としては、ポリアクリルアミド、澱粉などがある。この抄造法によると、無機繊維および無機粉体の流動性が増大し、無機繊維および無機粉体が均一に充填されて、空隙が小さく均一な成形体が容易に得られる。さらに圧縮して脱水すると、空隙はさらに小さく均一になる。
【0028】
【実施例】
実施例1〜4および比較例1
水に、無機繊維、無機粉体および結合材の所定量を投入し、撹拌混合し、さらに適宜凝集剤を添加してスラリーを調製した。このスラリーを120×120mmの大きさの抄造用モールドにて、厚み25mmに抄造した。その後、100℃で12時間乾燥して成形体を得た。
【0029】
無機繊維、無機粉体および結合材の配合割合(重量部)とそれらの成形体(耐火断熱材)の特性を表1に示す。表1において、繊維の( )内は平均繊維径を示し、粉体の( )内は平均粒径を示す。繊維に含まれる粒径45μm以上のショットは、アルミナシリカ繊維1〜4は1重量%以下である。表1に示す成形体(耐火断熱材)は、アルミナシリカ繊維の平均繊維径が、それぞれ異なっている。
【0030】
【表1】
ムライト繊維は、粒径45μm以上のショットが3重量%であり、平均繊維径は4.9μmである。
【0031】
熱伝導率は、1200℃において非定常熱線法で測定した。熱伝導率が小さいほど断熱性に優れている。
【0032】
実施例1〜4について、アルミナシリカ繊維の平均繊維径と、1200℃における熱伝導率との関係を図1に示す。
【0033】
図1より、平均繊維径が3.5μmとくに3μm以下になると、熱伝導率が急激に小さくなることが明らかである。
【0034】
比較例1は、平均繊維径1〜3.5μmの無機繊維を含まない例であり、熱伝導率が大きい。
【0035】
実施例5〜7および比較例2
実施例1と同様にして成形体(耐火断熱材)を作製して、実施例5〜7および比較例2を得た。
【0036】
これらの配合割合(重量部)および特性を表2に示す。表2において、繊維の( )内は、繊維に含まれる粒径45μm以上のショット含有率(重量%)を示す。また、アルミナシリカ繊維5〜8の平均繊維径は3μmである。表2に示す成形体(耐火断熱材)は、繊維に含まれる粒径45μm以上のショット含有率が、それぞれ異なっている。
【0037】
【表2】
実施例5〜7および比較例2について、アルミナシリカ繊維の粒径45μm以上のショット含有率と、1200℃における熱伝導率との関係を図2に示す。
【0038】
図2より、使用するアルミナシリカ繊維の、粒径45μm以上のショット含有率が10重量%以下になると、得られる断熱材の熱伝導率は急激に小さくなることが明らかである。
【0039】
実施例8〜16および比較例3
実施例1と同様にして、実施例8〜16および比較例3を作製した。これらの配合割合(重量部)および特性を表3に示す。表3において粉体の( )内は平均粒径を示す。
【0040】
【表3】
実施例1および比較例3の温度と熱伝導率の関係を図3に示す。
【0041】
図3より次のことが明らかである。すなわち、比較例3は、非晶質シリカ粉体を使用したために、1000℃以上では熱伝導率が急激に上昇した。これに対して、実施例1は、ムライト粉体を使用しているため、1000℃以上においても熱伝導率の上昇が少ない。
【0042】
【発明の効果】
本発明によれば、1000℃以上の高温域でも断熱性に優れた耐火断熱材を容易に得ることができる。
【0043】
本発明の耐火断熱材を使用すれば、その優れた断熱性によって、加熱炉の放散熱量を削減することができる。また、断熱材の厚みを、従来に比較して薄くすることが可能であり、結果として、加熱炉が軽量化され、サイズをコンパクトにすることができる。さらに、1000℃以上の高温域においても優れた断熱性を発現するので、断熱性の向上によって生じる断熱材の温度上昇に対しても、優れた断熱性を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1〜4におけるアルミナシリカ繊維の平均繊維径と1200℃での熱伝導率との関係を示す。
【図2】実施例5〜8におけるアルミナシリカ繊維のショット含有率と1200℃での熱伝導率との関係を示す。
【図3】実施例1および比較例3における熱伝導率と温度との関係を示す。
【符号の説明】
1 実施例1
2 実施例2
3 実施例3
4 実施例4
5 実施例5
6 実施例6
7 実施例7
8 比較例2
Claims (5)
- 無機繊維と無機粉体と結合材から成形された耐火断熱材において、平均繊維径1〜3.5μmの無機繊維が30重量%以上であり、無機繊維に含まれる粒径45μm以上のショットが10重量%以下であり、無機粉体は結晶質であり、断熱材の熱伝導率が1200℃において0.20W/mK以下であり、工業炉の炉壁材として使用され、無機粉体は、平均粒径が1〜45μmであり、無機粉体が、ムライト、石英、クリストバライト、コーディエライト、ジルコン、コランダム、ルチルの中から選ばれる1種類以上であることを特徴とする耐火断熱材。
- 嵩密度が、0.18〜0.50g/cm3 であることを特徴とする請求項1に記載の耐火断熱材。
- 平均繊維径1〜3.5μmの無機繊維が、アルミナシリカ繊維またはアルミナシリカジルコニア繊維から選ばれる1種類以上であることを特徴とする請求項1又は2に記載の耐火断熱材。
- 耐火断熱材が湿式成形法により成形されたものであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の耐火断熱材。
- 請求項1又は3に記載の平均繊維径1〜3.5μmの無機繊維が平均繊維径1〜3μmの無機繊維であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の耐火断熱材。
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