JP5556043B2 - 耐スポーリング性に優れた耐火物及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、溶鋼などの高温溶融物を取り扱う、耐スポーリング性に優れた耐火物及びその製造方法に関し、詳しくは、炭素質繊維、ガラス質繊維、セラミック質繊維の１種以上からなる耐熱性繊維により補強された耐火物及びその製造方法に関するものである。

鉄やアルミニウムなどの高温溶融金属を精錬する或いは保持するための容器には、種々の耐火物が内張りされている。前記容器に高温溶融金属を供給するまたは容器から高温溶融金属を排出する毎に、内張りされた耐火物の温度は急激に変化して熱応力が発生し、この熱衝撃によってスポーリングを起こすことが多々発生する。このスポーリング対策としては亀裂の発生を抑えることが有効であり、この亀裂の発生を抑えるために、耐火物の弾性率を低くし且つ強度を高くすることが要求されている。

ところが、一般的な耐火物の材質改良手段では、強度を高くすると、同時に、弾性率も上がってしまい、満足な結果は得られない。例えば、粒度配合の見直しや（例えば、特許文献１を参照）、煉瓦成形時の成形圧力を上昇させることによって、緻密な耐火物が得られるが、こうした材料は、高い強度を持つものの、同時に高い弾性率を持つことから、高い耐スポーリング性は期待できない。

また、近年多く使用される炭素含有耐火物では、強度を上げるために、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇなどの金属が添加されるが（例えば、特許文献２を参照）、こうした材料は、高強度であるが、同時に高弾性率であるために、耐スポーリング性が要求される使用環境では、金属の添加量は自ずと制限される。

また更に、積極的に強度を高める目的で、補強物質を耐火物原料に加える方法も提案されている。例えば、特許文献３には、耐火原料に、最長辺が０．５〜６０ｍｍ、その曲げ強度が３００〜５０００ｋｇ／ｃｍ²、融点が１５００℃以上であるセラミック製の板状片を添加した耐火物が提案されている。

特許文献３によれば、耐火物の内部に板状片をくさび状に存在させ、耐火原料と板状片とが反応した複合組成物を板状片の表面に形成させることで、耐火原料の粒子間を強固に結合することができ、それにより、急熱・急冷の過酷な熱変化が生じた際に、耐火物の表面に発生する亀裂を板状片でくい止め、内部への亀裂の伝播が抑制されて、スポーリングを防止することができるとしている。しかしながら、板状片と耐火原料との境界に間隙が形成されて、却って耐火物そのものの強度が低下する恐れがあり、また、板状片と耐火原料との境界で剥離が生じて耐火物の寿命が大幅に低下するなどの問題点がある。

特開平１１−２６３６６４号公報 特開平３−２７９２５７号公報 特開２０００−３５１６７８号公報

以上説明したように、高温溶融物を取り扱う耐火物において、耐スポーリング性に優れた耐火物が切望されているにも拘わらず、従来、有効な手段はなく、耐火物寿命の低下による製造コストの上昇を余儀なくされていたのが現状である。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、炭素質繊維、ガラス質繊維、セラミック質繊維の１種以上からなる耐熱性繊維を用いて耐火物を補強することにより、耐火物の弾性率を高くすることなく強度を高くし、これにより、スポーリングを安定して抑制することができる、耐スポーリング性に優れた耐火物を提供することであり、また、その製造方法を提供することである。

上記課題を解決するための第１の発明に係る耐スポーリング性に優れた耐火物は、炭素繊維、ＳｉＣ繊維、ガラス質繊維、セラミック質繊維のうちの１種以上から構成される耐熱性繊維の紡織品に、高温で強度を維持できる成分を含浸したものが、その表面に、接着または巻きつけられていることを特徴とするものである。
また、第２の発明に係る耐スポーリング性に優れた耐火物は、第１の発明において、前記耐熱性繊維が炭素繊維であり、前記高温で強度を維持できる成分がフェノール樹脂及び／またはコールタールピッチであることを特徴とするものである。

第３の発明に係る耐スポーリング性に優れた耐火物の製造方法は、炭素繊維、ＳｉＣ繊維、ガラス質繊維、セラミック質繊維のうちの１種以上から構成される耐熱性繊維の紡織品に高温で強度を維持できる成分を含浸し、その後、前記紡織品を耐火物に複数回巻きつけ、該耐火物と前記紡織品とを接着するとともに、前記紡織品同士を接着することを特徴とするものである。

本発明によれば、耐火物の表面に耐熱性繊維の紡織品を接着または巻きつけるので、この紡織品により、耐火物の弾性率自体には影響を及ぼすことなく、耐火物の圧縮強度、引張り強度及びせん断強度が上昇し、その結果、耐火物の弾性率を維持した状態のままで高強度化が可能となり、熱応力による耐火物の割れ発生、つまりスポーリングを安定して抑制することが実現される。

紡織品の巻き数と耐火物の強度との関係を示す図である。

以下、本発明を具体的に説明する。

本発明に係る耐スポーリング性に優れた耐火物は、耐火物の補強材となる、耐熱性繊維からなる紡織品が、その表面に接着または巻きつけられていることを特徴とする。

耐火物は高温域で使用されるものであることから、この耐火物の表面に接着または巻きつけられる紡織品は耐熱性を有することが必要であり、従って、本発明においては、炭素質繊維、ガラス質繊維、セラミック質繊維のうちの１種以上から構成される耐熱性繊維を素材とする紡織品を、補強材として使用する。この耐熱性繊維の具体例としては、炭素繊維、ＳｉＣ繊維などの炭素質繊維、シリカ系のガラス質繊維、及び、アルミナ、シリカ、ジルコニアなどの１種以上で構成されるセラミックス質繊維を挙げることができる。これらのうちで、特に、炭素繊維及びＳｉＣ繊維が、耐熱性の観点から高温用としてより好ましい。

本発明においては、このような耐熱性繊維を織って作製される紡織品を、耐火物の表面に接着させる、または巻きつける、若しくは接着させて巻きつけて、耐火物を補強する。このなかで、紡織品を接着させて巻きつける方法が、最も耐火物の強度が高くなり、好ましいが、単に巻きつけるだけ、或いは、熱応力の作用しやすい面に接着させるだけであっても、耐火物の強度を高めることができる。

用いる紡織品としては、種々の繊維径及び織り方法で織られた、耐熱性繊維からなる紡織品が市販されており、これらを用いることで十分に耐火物の強度を増加させることができる。尚、補強材として予め織られた紡織品を用いるので、繊維を用いた場合に比較して均等且つ迅速に耐火物に接着または巻きつけることができる。

用いる紡織品としては、特に、紡織品に高温で強度を維持できる成分を含浸させることが好ましい。市販品の炭素繊維の紡織品に樹脂が含浸されている炭素繊維プレプリグを利用すればよいが、含浸させる成分は、樹脂に限るものではなく、高温で強度を維持できる成分であればよい。フェノール樹脂やコールタールピッチは高温域で炭化して高温域で強度を維持することができるので好適である。また、高温域でガラス質のネットワークを形成する成分も好適であり、リン酸、リン酸塩、ケイ酸塩、シリカゾル、アルミナゾルなどが挙げられる。

また、含浸した紡織品の耐火物への接着剤としては、一般の熱硬化性樹脂に加え、上記の含浸材料も使用できる。この場合、接着剤と含浸材料とを統一することで、含浸した紡織品を耐火物と均質に接着できる場合もある。接着剤を使用した場合には、接着剤を熱硬化させるために、接着剤を塗布した後に１００℃以上の高温で加熱する。加熱温度は用いる接着剤の熱硬化の特性に応じて決めればよい。

紡織品を耐火物表面に巻きつける場合には、耐火物に複数回巻きつけることが好ましい。１回の巻きつけでも、補強効果はあるが、１回の巻きつけの場合、紡織品の端部では補強効果がなく、耐火物の亀裂発生の危険性がある。従って、耐熱性繊維からなる紡織品を、耐火物に複数回巻きつけるのが好ましい。通常、２〜１０回程度が効果的である。

本発明の対象とする耐火物は、どのような組成の耐火物であっても構わず、例えば、アルミナ質煉瓦、粘土質煉瓦、炭化珪素質煉瓦、マグネシア質煉瓦、マグネシア−クロム質煉瓦、マグネシア−炭素質煉瓦、アルミナ−炭素質煉瓦などの全ての耐火物に適用することができる。また、溶銑、溶鋼、溶融アルミニウムなどの溶融金属の精錬用容器や保持用容器の耐火物のみならず、加熱炉などの耐火物においても、本発明を適用することができる。

また、溶融金属、特に温度が１３００℃以上である溶銑や溶鋼と直接接触する部位に使用する耐火物では、耐熱性繊維からなる紡織品が溶銑や溶鋼と直接接触すると、早期に損耗してしまい耐火物の補強効果を早期に失う恐れが高いので、溶銑や溶鋼と直接接触しない面に貼り付ける或いは前記面を周回するように、前記紡織品を巻きつけるまたは接着することが好ましい。

このようにして、耐熱性繊維からなる紡織品を耐火物に、接着させる、または巻きつける、若しくは接着させて巻きつけることで、紡織品が補強材として機能し、耐火物の圧縮強度、引張り強度、せん断強度が向上する。一方、耐火物の材質自体は変わらないので、耐火物の弾性率自体には影響しない。その結果、耐火物の弾性率を維持したまま、高強度化が実現でき、熱応力による耐火物の割れ発生を抑制することができる。

ここで示した耐熱性繊維からなる紡織品を接着させた、または巻きつけた、若しくは接着させて巻きつけた耐火物は、そのまま単独で使用できるが、更に、他の耐火物に埋め込んで使用することもできる。他の耐火物に埋め込む手段としては、他の耐火物に穴をくりぬき、そこに装入する方法や、型内に耐熱性繊維からなる紡織品を接着させた、または巻きつけた、若しくは接着させて巻きつけた耐火物を置き、周辺に耐火物原料を充填、加圧成形、若しくは流し込み成形する方法などが適用できる。

以下、本発明を実施例により、更に詳細に説明する。

炭素繊維の平織り紡織品にフェノール樹脂を含浸させたプレプリグを用意した。また、ＭｇＯ−１８質量％Ｃ煉瓦を、直径５０ｍｍ、長さ５０ｍｍの円柱形状に切り出し、円柱状の試験片煉瓦を作製した。この試験片煉瓦の円周面にフェノール樹脂接着剤を塗り、前記プレプリグを２回、４回、６回の３水準で巻きつけた。この場合、プレプリグ同士の接触面にも、フェノール樹脂接着剤を塗りつけ、プレプリグの接着力を強化した。また、比較のために、一部の試験片煉瓦では、プレプリグを巻きつけずにフェノール樹脂接着剤のみを塗布した。

次いで、これらの試験片煉瓦を加熱炉に装入し、Ａｒガス雰囲気中、１８０℃の温度で３時間加熱してフェノール樹脂を熱硬化させた。プレプリグを４回巻きつけた試験片煉瓦の一部では、熱硬化時の雰囲気温度の影響を調査するために、Ａｒガス雰囲気中、６００℃の温度で３時間加熱した。加熱処理した後、試験片煉瓦を加熱炉から取り出し、室温まで冷却した。

このようにして作製した試験片煉瓦を使用し、常温にて、底面または側面を圧縮して、圧縮強度及び割裂強度（＝引張強度）を求めた。測定結果を図１に示す。尚、図１では、プレプリグを巻きつけずにフェノール樹脂接着剤のみを塗布した、比較のための試験片煉瓦での圧縮強度及び引張強度を基準（＝１．０）とし、圧縮強度及び引張強度を指数化して表示している。

プレプリグを巻きつけずにフェノール樹脂接着剤のみを塗布した試験片煉瓦の圧縮強度は２９．３ＭＰａ、引張強度は２．６ＭＰａであった。これに対して、プレプリグを巻きつけ且つ接着した試験片煉瓦では、プレプリグの巻き回数の増加に伴って圧縮強度及び引張強度が上昇し、図１に示すように、圧縮強度は約１．４〜２．３倍に、引張強度は１．６〜２．７倍に増大した。６００℃で加熱処理した場合は、１８０℃で加熱処理した場合よりも補強効果の低下が認められたが、プレプリグを巻きつけない比較のための試験片煉瓦と比べれば、補強効果が十分に得られることが確認できた。

Claims (3)

1. 耐火物の表面に、炭素繊維、ＳｉＣ繊維、ガラス質繊維、セラミック質繊維のうちの１種以上から構成される耐熱性繊維の紡織品に、フェノール樹脂、コールタールピッチ、リン酸、リン酸塩、ケイ酸塩、シリカゾル、アルミナゾルのうちの１種以上を含浸したものが、接着または巻きつけられていることを特徴とする、耐スポーリング性に優れた耐火物。
2. 前記紡織品は、炭素繊維から構成され、該炭素繊維にフェノール樹脂及び／またはコールタールピッチが含浸されていることを特徴とする、請求項１に記載の耐スポーリング性に優れた耐火物。
3. 炭素繊維、ＳｉＣ繊維、ガラス質繊維、セラミック質繊維のうちの１種以上から構成される耐熱性繊維の紡織品に、フェノール樹脂、コールタールピッチ、リン酸、リン酸塩、ケイ酸塩、シリカゾル、アルミナゾルのうちの１種以上を含浸し、その後、前記紡織品を耐火物に複数回巻きつけ、該耐火物と前記紡織品とを接着するとともに、前記紡織品同士を接着することを特徴とする、耐スポーリング性に優れた耐火物の製造方法。

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