JP5068303B2 - 不焼成れんがの製造方法及び不焼成れんが - Google Patents

Description

本発明は、不焼成れんがの製造方法及び不焼成れんがに関し、詳細には、フェノール樹脂をバインダーとする不焼成れんがの製造方法及びその製造方法によって製造されたフェノール樹脂をバインダーとする不焼成れんがに関する。

電気炉製鋼法における取鍋精錬やその他の各種精錬に用いられる取鍋には、従来から、マグネシアカーボン系、又はアルミナマグネシアカーボン系の不焼成れんがが用いられている。これらの不焼成れんがは、マグネシア又はアルミナなどの耐火物原料と、黒鉛等の炭素質材料とを、フェノール樹脂をバインダーとして混練し、加圧成形した後、フェノール樹脂の硬化温度の関係から、１００〜２５０℃で乾燥硬化することによって製造されている（特許文献１〜３参照）。

しかし、これらフェノール樹脂をバインダーとする従来の不焼成れんがは、取鍋に施工後、１０００℃程度まで予熱昇温すると、バインダーであるフェノール樹脂が分解し、フェノールを含む刺激性のガスが発生する。また、フェノール樹脂の硬化剤を使用している場合には、その硬化剤も分解して、フェノールを含む刺激性のガスに加えて、窒素を含む悪臭のあるアミン系のガスが発生する。これら刺激性のあるガスや悪臭ガスは、作業現場はもとより、その周辺近隣の環境を汚染するので、フェノール樹脂をバインダーとする不焼成れんがの予熱昇温には、作業環境や周辺環境への多大の配慮が必要とされている。

特開平７−１８７８１１号公報 特開平１０−２１２１５９号公報 特開２００２−６８８５０号公報

本発明はフェノール樹脂をバインダーとする従来の不焼成れんがが有する上記の問題点を解決するために為されたもので、使用時に予熱昇温しても、刺激性のガスや悪臭ガスが発生することが少ない、フェノール樹脂をバインダーとする不焼成れんがとその製造方法を提供することを課題とする。

本発明者らは、上記の課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、使用時の予熱昇温時における刺激性ガスや悪臭ガスの発生は、主として３００〜７００℃の温度範囲で起こることを見出した。そして、フェノール樹脂をバインダーとする不焼成れんがの成形体を、外部からの酸素の供給を遮断した環境下で、従来よりも高温の３５０℃以上で乾燥すると、成形体自体の酸化を防止しつつ、フェノール樹脂及びその硬化剤からの分解ガスの発生を促進させて、従来の不焼成れんがとほぼ同等の強度を保ちつつ、予熱昇温時における刺激性ガスや悪臭ガスの発生が少ない不焼成れんがを製造できることを見出して、本発明を完成した。

すなわち、本発明は、フェノール樹脂と、耐火性骨材と、炭素質材料とを含む混合物を混練し、成形後、成形体を、外部からの酸素の供給を遮断した環境下で、３５０℃以上の温度で乾燥する工程を含む、フェノール樹脂をバインダーとする不焼成れんがの製造方法を提供するとともに、当該製造方法によって製造されたフェノール樹脂をバインダーとする不焼成れんがを提供することによって、上記の課題を解決するものである。

上述のとおり、本発明の製造方法においては、成形体の高温乾燥が外部からの酸素の供給を遮断した環境下で行われる。これにより、本発明によれば、成形体の高温乾燥を通常の空気雰囲気炉を用いて行うことができるという利点が得られる。すなわち、フェノール樹脂をバインダーとして含む不焼成れんがの成形体を空気雰囲気炉内で高温乾燥温度まで加熱すると、成形体中の炭素の酸化により、表面の脱炭や脆化が起こり、成形体の強度が低下してしまう。ところが、本発明の製造方法においては、成形体の高温乾燥が外部からの酸素の供給を遮断した環境下で行われるので、分解ガス及び揮発したガスが発生しても、それらのガスに着火燃焼したり、成形体中の炭素が酸化したりすることがなく、成形体の表面酸化や脱炭、脆化も生じない。

外部からの酸素の供給を遮断した環境は、例えば、ガス不透過性の板状部材で成形体の周囲を囲むことによって容易に形成することができる。ガス不透過性の板状部材としては、例えば、鉄板等の薄い金属板を用いることができ、この薄い金属板によって一方が開口した箱を作り、この箱を例えば台車やパレット等の上に載置乃至は積み上げられた成形体に上から被せることにより、成形体を当該箱の内部に収容して外部からの酸素の供給を遮断することができる。箱の内部の成形体で占められていない空間には空気が残存するが、その量はわずかであり、高温乾燥時には、成形体から発生する分解ガスが箱内に充満してしまうので、成形体の周囲は還元性雰囲気に保たれる。このため、成形体中の炭素が酸化して成形体の表面が酸化してぼろぼろになったり、成形体の強度が使用に耐えない程度にまで低下してしまうようなことはない。このように金属製の箱を用いる場合には、単にその箱を成形体の上から被せるだけで、粉塵等の発生もなく、容易に、外部から酸素の供給を遮断した環境を作り出すことができるので極めて便利である。

高温乾燥するにあたって、前述した金属製の箱を用いる場合には、金属製の箱が均熱板の役割を果たし、熱源からの輻射線による成形体の局部過熱を避け、金属製の箱内の成形体を均一に加熱することができるので、不焼成れんがの高温加熱乾燥がムラなく行えるという利点も得られる。

本発明の製造方法における成形体の乾燥温度は、３５０℃以上であれば良いが、４００℃以上が好ましく、５００℃以上がさらに好ましい。また、乾燥温度に特段の上限はないが、余りに高温にしても効果に比してエネルギー消費が大となるので好ましくなく、通常は７００℃以下、より好ましくは６００℃以下である。

本発明の製造方法によれば、空気雰囲気炉を用いて、予熱昇温時に刺激性のガスや悪臭ガスの発生が少なく、作業現場やその周辺地域の環境を悪化させることの少ない不焼成れんがを、空気雰囲気炉を用いて容易に製造することができるという利点が得られる。また、本発明の製造方法によって製造されたフェノール樹脂をバインダーとする不焼成れんがは、従来品と遜色のない強度を備え、かつ、予熱昇温時の分解ガスの発生が少なく、環境に及ぼす影響が少ないという利点を備えている。

台車の棚板上に並べられた成形体とその上に被せられる箱の一例を示す図である。 台車の棚板上に並べられた成形体を空気雰囲気炉内に入れた状態を示す図である。

本発明の製造方法は、成形体を外部からの酸素の供給を遮断した環境下で、３５０℃以上の温度で乾燥する工程以外は、通常のフェノール樹脂をバインダーとする不焼成れんがの製造方法と何ら変わるところがない。したがって、耐火性骨材や、炭素質材料、及びバインダーとして用いられるフェノール樹脂は、従来からフェノール樹脂をバインダーとする不焼成れんがの製造に用いられているものを用いることができ、それらの配合割合も通常のフェノール樹脂をバインダーとする不焼成れんがにおける配合割合と何ら変わるところがない。

すなわち、本発明の製造方法において使用される耐火性骨材としては、その耐火性骨材を用いて製造された不焼成れんがが、電気炉製鋼法における取鍋精錬やその他の各種精錬において用いられる取鍋に施工できるものであれば特に制限はなく、例えば、マグネシア、アルミナ、スピネル、ドロマイト、シリカ、ジルコニア等の酸化物や、炭化ケイ素、炭化ホウ素等の炭化物などを用いることができるが、中でも、マグネシア又はアルミナ、若しくはその双方が好適に用いられる。

また、本発明の製造方法において使用される炭素質材料としては、その炭素質材料を、上述した耐火性骨材とともに用いて製造された不焼成れんがが、電気炉製鋼法における取鍋精錬やその他の各種精錬において用いられる取鍋に施工できるものであれば特に制限はないが、例えば、黒鉛、カーボンブラック、ピッチ、コークス、電極屑などを用いることができ、これらの中では、鱗状黒鉛が最も好ましい。

さらに、本発明の製造方法においてバインダーとして使用されるフェノール樹脂は、ノボラックタイプ、レゾールタイプのいずれであっても良い。３００〜７００℃に加熱すると、いずれのタイプのフェノール樹脂からもフェノールやホルムアルデヒドなどを含む刺激性ガスが発生し、特に、ノボラックタイプのフェノール樹脂を用いる場合は、共に用いられる硬化剤から窒素を含む悪臭ガス、例えばアミン系のガスなどが発生する。

上記耐火性骨材、炭素質材料、及びフェノール樹脂は、混合され、混練される。この混合物には、上述した材料以外に、例えば、アルミニウム、マグネシウム、シリコンなどの金属粉を配合することができる。混練された混合物は加圧成形され、通常は直方体の成形体とされる。

成形された成形体は、例えば図１に示すように、棚付き台車に並べられる。すなわち、図１において、１は台車であり、２、２、２・・・は台車１に設けられている棚板、３は空気遮断用の底板、４、４、４・・・は成形体、５は箱である。底板３は、台車１の上面に張るか、或いは載置され、台車１の底部からの空気の浸入を遮断するためのものである。なお、台車１の上面が既に鉄板等で覆われており、空気の通過を許さないものである場合には、底板３は特に設けなくても良い。箱５は、図１の上部に示すとおり、下方が開口しており、この開口を台車１の棚板２、２、２・・・上に並べられている成形体４、４、４・・・の上に被せることにより、成形体４、４、４・・・の上方と四方は箱５によって、また、下方は底板３によって閉鎖され、箱５の内部は外部からの酸素の供給が遮断された環境となる。

棚板２、底板３及び箱５は、耐熱性があり、ガス不透過性の材料であれば、どのような材料を用いて構成しても良いが、例えば鉄などの金属性の板状部材を用いるのが好ましい。成形体４、４、４・・・は、後述するとおり、台車１ごと炉内に入れられるので、台車１も耐熱性材料で構成されているのが望ましい。

図２は、成形体４、４、４・・・を台車１ごと炉内に入れた状態を示している。図２において、６は通常の空気雰囲気炉、７はその熱源である。このように、炉の熱源７と成形体４、４、４・・・との間には箱５が介在し、箱５が鉄などの金属性の板状部材で形成されている場合には、箱５が均熱板の役割を果たすので、熱源７からの輻射線は、成形体４、４、４・・・に直接当たるのが遮られ、箱５を介して、均等に成形体４、４、４・・・に伝えられることになる。これにより、成形体４、４、４・・・の局部過熱が避けられ、箱５内の成形体４、４、４・・・を均一に加熱することができるので、成形体４、４、４・・・、すなわち、不焼成れんがの高温加熱乾燥がムラなく行えるという利点が得られる。なお、熱源７が、空気雰囲気炉６の上部に位置している場合には、箱５の上面板が、均熱板として機能することはいうまでもない。

このようにして、成形体４、４、４・・・を３５０℃以上、好ましくは４００℃以上、より好ましくは５００℃以上で高温乾燥する。高温乾燥中、成形体４、４、４・・・に含まれるフェノール樹脂や硬化剤等からは分解ガスが発生し、発生した分解ガスは箱５内に充満する。このため、箱５内の成形体４、４、４・・・の周囲は還元性雰囲気に保たれ、発生した分解ガスが着火燃焼することもなく、成形体４、４、４・・・の表面酸化や、表面の脱炭、脆化も起こらない。箱５内に充満した分解ガスは、乾燥終了後、台車１を空気雰囲気炉６から引きだし、自然放冷後、箱５を開放する際に適宜処理すれば良い。

乾燥時間に特段の制限はないが、短すぎると成形体４、４、４・・・に含まれるフェノール樹脂等からの分解ガスの発生が十分ではなく、逆に長すぎると、エネルギーコストが高まる上に、成形体４、４、４・・・の表面酸化や脆化が進行してしまうので好ましくない。したがって、乾燥温度保持時間は、１〜６時間程度、好ましくは２〜５時間程度である。

以上のようにして製造された不焼成れんがは、フェノール樹脂をバインダーとして用いているにも係わらず、取鍋に施工し、電気製鋼施設等を有するユーザにおいて、使用時の予熱昇温を行っても、刺激性ガスや悪臭ガスの発生が極めて少なく、作業環境や周囲環境に与える影響はほとんどないという優れた特徴を有している。

なお、以上の説明では、成形体４、４、４・・・を台車１の棚２の上に並べ、箱５を被せた状態で空気雰囲気炉６内に入れたが、台車１の代わりに、例えば、上面に空気遮断用の底板を張った、鉄などの耐熱性のある金属製のパレット上に成形体４、４、４・・・を並べ、その上に箱５を被せて、空気雰囲気炉６内に入れて乾燥するようにしても良い。

以下、実験を基に本発明をさらに詳細に説明する。

〈実験〉
以下の材料を用い、フェノール樹脂をバインダーとする不焼成れんがの成形体を作成し、種々の温度で乾燥し、その後、実際の予熱昇温時と同様に加熱して、発生する刺激性ガスの濃度及び臭気の有無を調べた。乾燥は、図１に示すような棚付き台車を用い、この台車の棚上に各乾燥温度ごとに４個の被験成形体を並べ、図２に示すような空気雰囲気炉内に入れて下記表１に示す各乾燥温度でそれぞれ４時間乾燥した。乾燥後、被験成形体を室温まで自然冷却し、被験成形体の表面酸化の程度を肉眼で調べるとともに、各乾燥温度ごとに４個の被験成形体のうちの１個を圧縮試験機に掛けてその圧縮強度を測定し、併せて、その被験成形体を切断して断面を観察することにより、脆化の程度を調べた。その後、残る各乾燥温度ごとに３個の被験成形体を１個ずつ耐熱性の密閉容器に入れて、８００℃まで１００℃／３０分の速度で加熱し、各温度に到達後、速やかに密閉容器内のガスをサンプリングし、含まれるフェノール及びホルムアルデヒドの濃度をガス検知管を用いて測定するとともに、官能試験により、臭気の有無を判定した。なお、フェノール及びホルムアルデヒドの濃度は３個の被験成形体について求められた濃度の平均値を採用した。詳細は以下のとおりである。

１．使用材料
耐火性骨材：電融マグネシア ８５質量部
炭素質材料：鱗状黒鉛 １５質量部
フェノール樹脂：ノボラックタイプフェノール樹脂 ３質量部
硬化剤：ヘキサミン ０．３質量部
アルミニウム粉末 ３質量部
シリコン粉末 １質量部

２．使用機器
ガス検知管：北川式ガス検知管（光明理化学工業株式会社製）
真空法ガス採取器：「ＡＰ−１」（光明理化学工業株式会社製）

３．臭気の判定
通常の嗅覚を備えた３名の判定員によって、各乾燥温度につき３個の被験成形体について、悪臭なし：○、弱い悪臭あり：△、強い悪臭あり：×の３段階で評価してもらい、３名のうち２名以上が同じ評価となった評価を個々の被験成形体の評価とし、３個の被験成形体の中で２個以上が同じ評価結果となった評価を採用した。なお、３名の判定員による評価が３名とも異なる結果となることも、３個の被験成形体の評価が３個とも異なる結果となることはなかった。

測定結果及び臭気の判定結果は表１に示すとおりであった。

表１に示されるとおり、乾燥温度が従来と同じ２５０℃である被験群１では、昇温温度が５００℃を超えるあたりからフェノールガス及びホルムアルデヒドガスの発生量が増し、臭気判定の結果も、昇温温度が４００〜６００℃の範囲で、「強い悪臭あり：×」という結果になった。

これに対し、乾燥温度が３５０℃である被験群２では、フェノールガス及びホルムアルデヒドガスの発生量は減少し、臭気判定の結果にも若干の改善が見られた。この傾向は、乾燥温度が高くなるにつれて明瞭になり、乾燥温度が４００℃である被験群３になると、「強い悪臭あり：×」と判定されるのは、昇温温度が６００℃のときだけとなり、乾燥温度が４５０℃である被験群４では、フェノールガス及びホルムアルデヒドガスの発生量に顕著な減少が見られた。さらに、乾燥温度が５００℃である被験群５では、実験を行った全昇温温度においてフェノールガスの発生量は、検出限界以下の「０」となり、ホルムアルデヒドガスも極微量しか検出されなかった。また、臭気判定の結果は、昇温温度が７００℃の場合に、「弱い悪臭あり：△」となっただけで、他の昇温温度では「悪臭なし：○」という結果が得られた。なお、いずれの乾燥温度においても、被験成形体の表面に表面酸化や脆化は認められず、また、被験群１〜５間で圧縮強度に有意な差異は認められなかった。

以上の結果から、乾燥温度は３５０℃以上が好ましく、より好ましくは４００℃以上であり、さらに好ましいのは５００℃以上であると判断された。

以上説明したように、本発明によれば、例えば取鍋等に施工した後の予熱昇温時に刺激性ガスや悪臭ガスの発生を極めて少ない、フェノール樹脂をバインダーとする不焼成れんがを製造することができる。本発明の製造方法によって製造されるフェノール樹脂をバインダーとする不焼成れんがは、作業現場の環境はもとより、周辺地域の環境に与える影響もほとんどなく、本発明が、取鍋精錬などを行う電気炉製鋼の分野に与える影響は大きく、その産業上の利用可能性には多大のものがある。

１ 台車
２ 棚板
３ 底板
４ 成形体
５ 箱
６ 空気雰囲気炉
７ 熱源

Claims (4)

1. フェノール樹脂と、マグネシア又はマグネシアとアルミナの混合物である耐火性骨材と、炭素質材料と、アルミニウムとを含む混合物を混練し、成形後、成形体を、外部からの酸素の供給を遮断した環境下で、４００℃以上６００℃以下の乾燥温度で１〜６時間保持乾燥する工程を含み、タール又はピッチの含浸工程を含まない、フェノール樹脂をバインダーとする取鍋施工用マグネシアカーボン系又はアルミナマグネシアカーボン系不焼成れんがの製造方法。
2. 乾燥が空気雰囲気炉内で行われる請求項１記載のフェノール樹脂をバインダーとする取鍋施工用マグネシアカーボン系又はアルミナマグネシアカーボン系不焼成れんがの製造方法。
3. 外部からの酸素の供給を遮断した環境が、ガス不透過性の板状部材で成形体の周囲を囲むことによって形成される請求項１又は２に記載のフェノール樹脂をバインダーとする取鍋施工用マグネシアカーボン系又はアルミナマグネシアカーボン系不焼成れんがの製造方法。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の製造方法によって製造されたフェノール樹脂をバインダーとする取鍋施工用マグネシアカーボン系又はアルミナマグネシアカーボン系不焼成れんが。

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