JP5346150B2

JP5346150B2 - 耐火壁面の補修方法

Info

Publication number: JP5346150B2
Application number: JP2006193020A
Authority: JP
Inventors: 裕修稲益; 信輝高山; 和広小嶋
Original assignee: Kansai Coke and Chemicals Co Ltd
Current assignee: Kansai Coke and Chemicals Co Ltd
Priority date: 2006-07-13
Filing date: 2006-07-13
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2026-07-13
Also published as: JP2008020143A

Description

本発明は、欠損した耐火壁面の補修方法に関し、特に、補修後の耐火壁面の平滑度が高い耐火壁面の補修方法に関するものである。

コークス炉の炭化室への石炭充填、石炭の乾留、および乾留により生成したコークスのコークス炉外への排出を経てコークスが製造されており、これら充填等の繰り返しによりコークスが量産されている。炭化室に充填された石炭の乾留には、例えば１０００℃、２０時間の条件が必要とされる。このような高温の乾留が内部で行われるコークス炉炭化室の壁面には、亀裂や剥離等の欠損が発生することがある。

コークス炉炭化室の壁面が欠損した場合、新たなコークス炉の導入には高額の費用が発生するため、欠損部の溶射補修が行われる。ここで、溶射補修の方法としては、（１）粉体耐火物等の溶射材を、プロパンと酸素との混合ガス等の燃焼炎を通じて、ノズルから欠損部に吹き付けて溶着させる火炎溶射法や、（２）欠損部に吹き付けた溶射材を、テルミット反応熱により、欠損部に溶着させるテルミット溶射法、が知られている。

火炎溶射法やテルミット溶射法で欠損部を補修可能であるが、溶射材の一構成である骨材が補修過程で溶融しなかったこと等が原因となって、欠損部に形成した溶射材層の表面に無数の凹凸が生じる。この凹凸にはカーボンが付着し易く、時には、突起状のカーボン塊に成長する。そして、付着した突起状のカーボンがコークスをコークス炉外に押し出すときに要する押し出し力を上昇させ、その結果、コークスが押し詰まる問題や補修箇所が再度欠損する問題が起こる。そのため、溶射材層表面の凹凸を低減して、その表面の平滑度を高めることが望まれる。

形成した溶射材層表面を平滑にするための方法としては、その表面をコテやハツリで平滑にする方法がある（例えば、特許文献１、２参照）。これらの方法は、コークス炉炭化室内壁を構成する耐火煉瓦の表面と溶射材層の表面を略面一にし、耐火煉瓦の表面と溶射材層の表面を同程度の平滑度にしているだけである。

また、溶射材層表面を平滑にする方法として、出願人は、溶射材層表面を燃焼炎で１３００℃以上に加熱する方法を提案している（特許文献３参照）。この方法は、溶射材層に溶融することなく含まれた骨材等の溶射材成分を溶融させることができるので、溶射材層表面の平滑度を高めることが可能となる。その反面、燃焼炎で急激に加熱された溶射材層に微細亀裂が発生し、その結果、外部衝撃を受けた溶射材層が欠損し易い問題が生じる。
特開平９−３０２３５４号公報特開２０００−２１２５６６号公報特開２００６−５６９９３号公報

本発明は、上記事情に鑑み、溶射材層を形成して耐火壁面の欠損部を補修する方法であって、表面平滑度が高く、かつ、耐外部衝撃性に優れた溶射材層を形成することができる耐火壁面の補修方法の提供を目的とする。

本発明は、耐火壁面の欠損部に溶射材層を形成し、該溶射材層の表面にレーザ光を照射する耐火壁面の補修方法である。この方法で補修対象となる耐火壁面には、例えば、コークス炉炭化室の壁面がある。

上記構成の本発明によれば、形成した溶射材層の表面にレーザ光を照射してその表面を平滑化するので、平滑度が高い上に、耐外部衝撃性に優れた溶射材層が耐火壁面の欠損部に形成される。

本発明を実施形態に基づき説明する。本実施形態に係る方法は、コークス炉炭化室の壁面に発生した欠損部に溶射材層を形成し、この溶射材層の表面を平滑化するコークス炉炭化室壁面の補修方法である。図１は、本実施形態に係る補修方法を説明するための図であり、図１（ａ）〜（ｅ）に示す手順で炭化室壁面の欠損が補修される。以下、図１を参照しつつ、本実施形態に係る方法を説明する。

図１（ａ）は、石炭を乾留してコークスが製造される炭化室壁を表す断面模式図である。炭化室壁１は、石炭乾留を行うための温度に耐えうる耐火煉瓦で構成されており、その表面には欠損部２が存在している。

図１（ｂ）は、溶射材を欠損部２に吹き付け、欠損部２に溶射材層３を形成する過程を表す模式図である。

溶射材層３の形成で使用する溶射材としては、通常、欠損部を補修するために用いられる材料であれば、いかなる材料であっても良い。例えばテルミット反応熱を利用する欠損部の補修を行う場合、骨材と発熱材の粉体混合物が溶射材として用いられる。このときの溶射材としては、骨材が９０質量％以上の二酸化珪素（ＳｉＯ₂）、発熱材が金属珪素（Ｓｉ）粉体であって、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）、酸化カリウム（Ｋ₂Ｏ）、酸化ナトリウム（Ｎａ₂Ｏ）などの金属酸化物の一種または二種以上が１０質量％以下の割合で配合されている粉体混合物を挙げることができる。

溶射方法としては、テルミット溶射法、火炎溶射法、プラズマ溶射法等、その方法が特に限定されるものではない。

図１（ｃ）は、溶射材層３の形成が終了した炭化室壁１を表す図である。溶射材層３が欠損部２に充填形成されており、炭化室壁１の非欠損面と溶射材層３の表面は略面一となっているが、溶射材層３の表面には、その平滑度を低くする凹凸が存在する。

図１（ｄ）は、図１（ｃ）の溶射材層３の表面における凹凸を平滑化する状態を表す図である。本実施形態では、溶射材層３の表面にレーザ光４を照射して、その表面の凹凸を減少させる。ここで使用されるレーザは、ＣＯ_２レーザである。

ＣＯ_２レーザを照射する場合、連続形式で出力されたレーザ光を溶射材層３に照射すると良い。このとき、炭化室壁１の壁面温度が６００〜８００℃である場合、レーザ光の走査速度が１〜４ｍ／ｍｉｎ程度、レーザ光の出力密度が１．１ｋＷ／Φ２０ｍｍ程度、であると良い。なお、壁面温度が低いほど、レーザ光の出力を高密度に設定する必要がある。

図１（ｅ）は、レーザ光４によって溶射材層３の表面が平滑化した状態を表す図であり、炭化室壁１の欠損部補修が終了した状態を表している。図示の通り、レーザ光４の照射により、表面の凹凸が低減された溶射材層３の表面の平滑度が高まっている。

（実験例）
以下に、本発明を実験例によって説明する。
テルミット溶射法により、耐火煉瓦の一表面に縦が１００ｍｍ、横が１００ｍｍ、厚みが６０ｍｍの溶射材層を吹き付け形成し、この溶射材層の表面にレーザ光を照射した。そして、レーザ光照射した溶射材層を対象として、表面粗さ測定、カーボン付着強度測定、および耐摩耗性試験を行った。なお、使用した溶射材、溶射材の吹きつけ条件、およびレーザ光照射条件、並びに、表面粗さ測定、カーボン付着強度測定、および耐摩耗性試験の詳細は、以下の通りである。

（溶射材）
次の組成である日本特殊炉材株式会社製「ＦＧ−５１２Ｄ（２）」を使用した。
９４質量％の二酸化珪素（ＳｉＯ₂）に６質量％の金属酸化物（Ｆｅ₂Ｏ₃、Ａｌ₂Ｏ₃、ＣａＯ、ＭｇＯ）を配合した最大粒子径１．５ｍｍの粉体混合物である骨材と、金属珪素（Ｓｉ）粉体である発熱材とからなる溶射材。

（溶射材吹きつけ条件）
溶射材吹き付け量：５０ｋｇ／ｈｒ
酸素流量：２５Ｎｍ^３／ｈｒ

（レーザ光照射条件）
レーザ光：ＣＯ_２レーザ
レーザ光走査速度：１ｍ／ｍｉｎ
レーザ光出力形式：連続
レーザ光平均出力密度：２．０ｋＷ／Φ２０ｍｍ

（表面粗さの測定）
三次元写真計測システム（クラボウ社製、クラヴェス）を使用した画像解析により、溶射材層表面における凹凸高さを数値化し、ＪＩＳＢ０６０１で規定されている算術平均表面粗さＲａを算出した。この算術平均粗さＲａは、粗さ曲線からその平均線の方向に基準長さだけ抜き取り、この抜き取り部分の平均線の方向にＸ軸を、縦倍率の方向にＹ軸を取り、粗さ曲線をｙ＝ｆ(ｘ)で表したときに、平均線から粗さ曲線までの偏差の絶対値を合計して平均した値、すなわち次の式によって求められる値をいう。式中のＬは基準長さであり、Ｌ＝１００ｍｍである。

（カーボン付着強度測定）
溶射材層を上面にして耐火煉瓦を載置し、溶射材層に内径１５ｍｍ、高さ３５ｍｍの円筒形セラミックを立て置いた。次いで、円筒形セラミック内にコールタールを充填した後、１０００℃で３時間焼成した。焼成後、円筒形セラミックが水平状態となるように耐火煉瓦を縦置き固定し、円筒形セラミックの周面を上方から加圧した。このとき測定された最大圧力をカーボン付着強度とした。

（耐摩耗性試験）
８００〜８２０℃の炉内で、溶射材層が縦向き状態となるように耐火煉瓦を固定し、ノズルから溶射材層に向けて平均粒径が１ｍｍ程度の電解アルミナを３ｋｇ吹き付けた。その他の試験条件は、ノズルの直径が７ｍｍ、ノズルと溶射材層との距離が１０ｍｍ、電解アルミナの吹きつけのための空気流量が２３Ｎｍ^３／ｈｒ、空気圧が０．５ＭＰａである。なお、本試験では、次式で算出される摩耗体積を耐摩耗性の評価基準とした。
摩耗体積（ｃｍ^３）＝（（試験前質量）−（試験後質量））／嵩比重

また、上記レーザ光を照射した溶射材の効果を比較するために、レーザ光照射をバーナー炎加熱に替えて溶射材層表面を処理した。このとき、ＬＰＧ使用のガス溶接用バーナーを用いて、１４００、１７００、又は１９００℃のバーナー炎で１０秒間、溶射材層表面を加熱した。そして、このバーナー炎で加熱した溶射材層を対象として、表面粗さ測定、カーボン付着強度測定、および耐摩耗性試験を行った。

表１に表面粗さ測定、カーボン付着強度、および耐摩耗性の結果を示す。なお、表１には、溶射材層表面にレーザ照射やバーナー炎加熱による処理を行わなかった場合の結果も併せて示している。

表１の結果から、次のことを確認することができる。バーナー炎による処理が行われた溶射材層は、バーナー炎温度を高めるほど、表面粗さが良化するが、その反面、摩耗体積が増加する（耐摩耗性が悪化する）。一方、レーザ光による処理が行われた溶射材層は、表面粗さおよび耐摩耗性共に優れ、カーボン付着強度にも優れる。

本発明の実施形態に係る補修方法を説明するための図である。

符号の説明

１炭化室壁
２欠損部
３溶射材層
４レーザ光

Claims

耐火壁面の欠損部に溶射材層を形成し、該溶射材層の表面にレーザ光を照射することを特徴とする耐火壁面の補修方法。
前記耐火壁面がコークス炉炭化室の壁面である請求項１に記載の耐火壁面の補修方法。