JP5764095B2

JP5764095B2 - 不定形耐火物の熱間接着強度の測定方法

Info

Publication number: JP5764095B2
Application number: JP2012132017A
Authority: JP
Inventors: 智史石川; 敏寛渡邊
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2012-06-11
Filing date: 2012-06-11
Publication date: 2015-08-12
Anticipated expiration: 2032-06-11
Also published as: JP2013257169A

Description

本発明は、不定形耐火物の熱間接着強度の測定方法に関する。

剥離，欠損等の損傷を受けた耐火物や、耐火物構造体の亀裂の補修においては、耐火物そのものを取り替える方法があるが、簡易かつ安価に補修する方法として、不定形耐火物を吹付け装置で損傷部に吹付け、耐火物の欠落部や亀裂部に不定形耐火物を充填，肉盛りする補修方法が多用される。本発明においては、吹付け補修に使用される不定形耐火物を「吹付材」とも称する。

例えば、特許文献１には、加熱装置を有する箱状体の前壁または横壁に吹付孔を有し、吹付孔にほぼ対向して後壁に装入孔を穿設するとともに、装入孔の軸線方向に引張り力を加え得る引張装置を具備し、吹付材の接着強度を、熱間において簡便かつ正確に測定できる吹付材の接着強度測定装置に係る発明が開示されている。

また、特許文献２には、加熱装置を有する箱状体の前壁または横壁に吹付孔を有し、吹付孔にほぼ対向して脱着可能な被接着体装入孔を有するパネルを配設し、被接着体の軸方向にロードセルを介して引張り機構を設けた、耐火物の熱間接着強度測定装置に係る発明が開示されている。

吹付け補修の従来の評価方法は、吹付材自身の強度や気孔率等の品質評価や、特許文献１，２に開示されるように耐火物と不定形耐火物との接着性を評価する方法が採られていた。

実開昭５６−５８５４９号公報実開昭６２−１５０６５４号公報

特許文献１，２により開示される接着強度測定装置では、耐火物と吹付材との接着強度を定量評価できるものの、吹付材の吹付け条件が、耐火物面と吹付材の吐出方向が垂直かつ、吹付面積が十分確保された状態であることとされており、補修する耐火物の損傷条件が異なった場合には吹付け条件も変わるため、評価の信頼性に問題がある。

例えば、複数の煉瓦で構成された煉瓦構築物において、経年劣化による煉瓦間の目地開きや亀裂に対しての吹付補修では、目地や亀裂に対して吹付材の吹付けを行うが、吹付材が目地や亀裂に十分に侵入して煉瓦同士を接着しなければ、劣化した煉瓦構築物は補強されない。

このため、損傷を受けた耐火物の吹付け補修における接着強度を評価する際には、耐火物と吹付材との接着性だけではなくて、例えば、接着しようとする隙間への吹付材の侵入性といった、被吹付け面の状態を加味して吹付材の接着強度を評価したうえで、損傷の種類に応じた吹付材を使用して補修する必要がある。

特許文献１、２により開示された方法では、吹付け方向と被吹付け面が垂直に配置され、一定の面積の被吹付け面に吹付材を接触させることを前提とする。しかし、損傷状況によっては煉瓦目地，亀裂等の隙間に向けて吹付材の吹き付けを行うなど、吹付け方向と被吹付け面が垂直でないことがあり、このような場合には特許文献１、２により開示された方法では吹付材の接着強度を正確に評価することができない。

また、被吹付け面積が十分に確保されている場合であっても、吹付材の侵入性が悪ければ、被吹付け面と吹付材との接着面積が不十分となり、吹付材の性能を十分に発揮できないこともある。このため、被吹付け面の状態によっては、単なる接着強度のみの評価では、吹付材の接着強度を適切に評価することはできない。

本発明は、従来の技術が有するこのような課題に鑑みてなされたものであり、損傷を想定した耐火物構造体に吹付けを行なうことで吹付材の接着強度を正確に測定，評価することができる方法を提供することを目的とする。

本発明は以下の通りである。
（１）蓋を有する開口部を壁面に備える箱状の加熱装置の内部に、一対の支柱状耐火物を固定して配置するとともに、該一対の支柱状耐火物の間に、該支柱状耐火物との間に隙間を形成して、複数の耐火物を積み上げた構造体を配置し、
前記開口部から前記隙間へ向けて不定形耐火物を熱間で吹き付けた後に、
前記開口部から前記構造体に荷重を負荷して、該構造体の耐圧荷重を求めることにより、前記不定形耐火物の接着強度を評価すること
を特徴とする不定形耐火物の熱間接着強度の測定方法。

（２）前記不定形耐火物の接着強度を評価した後に、前記一対の支柱状耐火物の設置間隔、および、積み上げられた前記耐火物の位置のうちの一方または双方を変更することにより、前記支柱状耐火物と前記積上げられた耐火物との隙間または段差を変更して、前記不定形耐火物の接着強度をさらに評価する（１）項に記載された不定形耐火物の熱間接着強度の測定方法。

上記（１）項に記載の本発明によれば、実際の耐火物構造体の損傷を模擬した耐火物に対し、熱間で吹付けを行い、吹付材の評価として、吹付材自身の強度だけでなく、隙間への侵入性を加味した、吹付材の評価を正確に行うことが可能になる。このため、亀裂が発生した煉瓦面において、本発明により接着強度が良いと評価された補修材を使用することによって、煉瓦面の耐圧荷重を上げることが可能となる。

上記（２）項に記載の本発明によれば、補修しようとする耐火物の損傷条件を変更したより多くの条件で不定形耐火物の接着強度を評価することができ、この発明を１回又は２回以上繰り返して行うことにより、一定条件での接着強度の観点のみならず、程度の異なる損傷条件が併存する場合のような総合的な観点から最良な吹付け材を高精度で選定できるようになる。

図１は、正面から見た加熱炉内部の状況（吹付前）を示す説明図である。図２は、水平断面の上方から見た加熱炉内部の状況（蓋閉時）を示す説明図である。図３は、加熱炉外側上面の開口状況を示す説明図である。図４は、水平断面の上方から見た加熱炉内部の状況（吹付時）を示す説明図である。図５は、正面から見た加熱炉内部の状況（吹付後）を示す説明図である。図６は、水平断面の上方から見た加熱炉内部の状況（加圧時）を示す説明図である。図７は、目地切れが発生した炉壁を示す水平断面図である図８は、亀裂が発生した炉壁を示す水平断面図である。図９は、段差が発生した炉壁を示す水平断面図である。図１０は、亀裂，目地切れが発生した炉壁を示す側面図である。図１１は、水平断面の上方から見た加熱炉内部の状況（段差模擬時）を示す説明図である。図１２は、本発明による試験結果を示すグラフである。図１３は、吹付材の剪断接着強度を示すグラフである。

以下、本発明を実施するための形態を説明する。
図１は、正面から見た加熱炉１の内部２の状況（吹付前）を示す説明図である。
図１は、加熱炉１において、加熱炉１の内部２に対となった支柱状耐火物３と、その間に耐火物４が配置された状態を示している。支柱状耐火物３は、加熱炉１の上面の開口部より一部が炉外に露出しており、受天井５と支柱固定用ジャッキ６によって固定され、耐火物４は非固定の状態となっている。

支柱状耐火物３と耐火物４の間の隙間７は、耐火物構造体の目地開きまたは亀裂を模擬しており、耐火物４は耐火物構造体からの拘束力を失った状態となっている。
図２は、水平断面の上方から見た加熱炉１の内部２の状況（蓋閉時）を示す説明図であり、図１の加熱炉１の水平断面図である。

図２に示すように、加熱炉１の前面には開口部および開口部を塞ぐ加熱炉蓋８が備わっており、加熱炉１の内部２を昇温する際は加熱炉蓋８を閉塞することで、加熱炉１の内部の温度を均一化することができる。

図３は、加熱炉１の外側上面の開口状況を示す説明図であり、加熱炉１の上面開口部と支柱状耐火物３の位置関係を示している。
図３に示すように、加熱炉１の上面開口部は支柱状耐火物３の水平断面積よりも大きくし、隙間９を設けている。そのため、支柱状耐火物３は水平方向に対し前後左右に動かし、任意に設置位置を変更することができる。

また、加熱炉１の内部２の加熱の際には、隙間９に断熱板１０を設置することで、加熱炉１を完全に密閉させることができる。
図４は、水平断面の上方から見た加熱炉１の内部２の状況（吹付時）を示す説明図であり、加熱炉蓋８を開け、隙間７に向けて吹付けを行なっている状態を示している。

図４に示すように、吹付装置のノズル１１より吐出した不定形耐火物１２は、吹付材１３のように隙間７に充填され、支柱状耐火物３と耐火物４は接着した状態となる。
図５は、正面から見た加熱炉１の内部２の状況（吹付後）を示す説明図であり、吹付け後の加熱炉１の内部２の正面を示している。

図５に示すように、拘束力を失っていた耐火物４は、吹付材１３を介して、固定された支柱状耐火物３と一体となり、拘束された状態となっている。
このとき、耐火物４の拘束力を決定しているものは、吹付材１３自身の強度と、吹付材１３と耐火物３，４との接着性であるが、隙間７への吹付材１３の侵入性が低ければ、吹付材と耐火物の接着面積が狭くなるため、自ずと接着強度も低いものとなる。

図６は、水平断面の上方から見た加熱炉内部の状況（加圧時）を示す説明図であり、加熱炉蓋８を開け、耐火物４に対し加圧用耐火物１４を介して加圧装置１５で荷重を与えている状況を示す。

図６に示すように、隙間７への侵入性が低い材料で吹付けを行なった状態で、耐火物４に荷重を与えた場合、吹付材１３が耐火物４を拘束する力は低いため、耐火物４は支柱状耐火物３から、外れ易いものとなる。

一方、隙間７への侵入性が高い材料で吹付けを行なった状態で、耐火物４に荷重を与えた場合、吹付材１３の拘束力が高くなり、耐火物４は支柱状耐火物３から、外れ難いものとなる。

以上説明した通り、本発明によれば、実際の耐火物構造体の損傷を模擬した耐火物に対し、熱間で吹付けを行い、吹付材の評価として、吹付材自身の強度だけでなく、隙間への侵入性を加味した、吹付材の評価を行なうことが可能となる。

本発明を用いて、ここではコークス炉炭化室の炉壁損傷部の吹付け補修を前提とした測定方法の一例を以下に記載する。
コークス炉の炭化室は、耐火煉瓦で構築されており、燃料ガスが燃焼する燃焼室と、石炭が装入され、燃焼室より発生する熱によって加熱，乾留しコークスとなる炭化室とが交互に配置された構造となっている。

特にコークス炉の場合、数十年に亘って長期間連続稼働し、炉壁煉瓦の欠損や亀裂，煉瓦間の目地開きや段差等の、稼働年数によって損傷した部位の状況が変化するため、その損傷に適合した吹付け方法を選定しなければならない。

図７〜９は、コークス炉の損傷の一例を示す水平断面図であり、図７は、目地切れが発生した炉壁を示し、図８は、亀裂が発生した炉壁を示し、さらに、図９は、段差が発生した炉壁を示す。

図７は、複数の煉瓦で構築された煉瓦壁の水平断面を示しており、稼働当初、煉瓦１６同士はモルタル１７で接着されているが、長期間の使用によりモルタル１７が煉瓦１６から剥離し、目地切れ１８のようになる。

図８は、煉瓦１６自体が割れ、亀裂１９の発生を示している。
さらに、図９は、目地切れ１８または亀裂１９を境に、煉瓦面２０に段差２１が生じたところを示している。

図１０は、亀裂，目地切れが発生した炉壁を示す側面図であり、コークス炉炭化室の炉壁面を示す。
図１０に示すように、特に損傷が進んだものは、目地切れや亀裂が繋がり、炉壁面に発生した縦亀裂（Ａ）２２と縦亀裂（Ｂ）２３、および水平目地切れ２４に挟まれた炉壁が、煉瓦面２５から独立し、底面２６上で煉瓦のみで自立している状態のものがある。

以上のような損傷を想定して、化学成分組成の異なる吹付材Ａおよび吹付材Ｂの２種類の吹付け材を使用して、以下の試験を実施した。
図１３は、吹付材Ａ，Ｂの剪断接着強度を示すグラフである。

吹付け材Ａ，Ｂは、特許文献１，２により開示されるように、耐火物との接着性を評価すると、図１３にグラフで示すように、せん断接着強度がそれぞれ、１．２ＭＰａと４．６Ｍｐａであり、当該耐火物との接着性では４倍程度の差を有する。

図１に示すように、加熱炉内２には、固定された２本の支柱状耐火物３の間に耐火物４を５段積み、支柱状耐火物３と耐火物４の間には左右に隙間７を設けた。また、耐火物４の配置の仕方として、図７の目地切れ１８，図８の亀裂１９を想定し、表１に示すようなパラメータを設定した。

まず、加熱炉蓋８を閉じた状態で、加熱炉内２を１０００℃前後に昇温・保持した後、加熱炉蓋８を開け、左右２か所の隙間７に対して、吹付材Ａの吹付けを行った。吹付け範囲については、図５に示すように、５段ある耐火物４のうち、中３段とし、吹付機の条件は表２の通りとした。

このように、コークス炉炭化室の損傷状況を再現した耐火物に吹付けを実施した後、図６に示すように、加圧用耐火物１４を介して、加圧装置１５で耐火物４に荷重を与え、荷重変化を測定した。同様の試験を吹付材Ｂでも実施した。

各試験構造体とも、耐火物４が支柱状煉瓦３から外れる直前に最大荷重を示し、その最大荷重を吹付け材の接着強度として評価した。
図１２は、本発明による試験結果（荷重測定結果）を示すグラフである。

図１２にグラフで示すように、本試験における炉壁損傷パラメータでは、吹付材Ａの最大荷重よりも吹付材Ｂの最大荷重が大きくなり、吹付け材Ｂのほうがより適した補修材であることが確認できた。

また、図１２，１３のグラフから明らかなように、吹付け材Ａのせん断接着強度は吹付け材Ｂのせん断接着強度の２５％程度であるにも関わらず、吹付け材Ａの最大荷重は吹付け材Ｂの最大荷重の８０％程度にまで達している。

特許文献１，２により開示されるように、耐火物との接着性だけで評価すると、図１３にグラフで示すように、せん断接着強度がそれぞれ、１．２ＭＰａと４．６Ｍｐａであり、当該耐火物との接着性では４倍程度従来性能が劣ると判断されていた吹付け材Ａの使用可能性を示唆するものであり、安価製品の使用につながる可能性も見出すことができた。

１．加熱炉
２．加熱炉内
３．支柱状耐火物
４．耐火物
５．支柱固定用ジャッキ受天井
６．支柱固定用ジャッキ
７．耐火物との隙間
８．加熱炉蓋
９．支柱状耐火物と開口部の隙間
１０．断熱板
１１．吹付装置のノズル
１２．吐出吹付材
１３．吹付材
１４．加圧用耐火物
１５．加圧装置
１６．煉瓦
１７．モルタル
１８．目地切れ
１９．亀裂
２０．煉瓦面
２１．段差（Ａ）
２２．縦亀裂（Ａ）
２３．縦亀裂（Ｂ）
２４．水平目地切れ
２５．炉壁面
２６．底面
２７．段差（Ｂ）

Claims

蓋を有する開口部を壁面に備える箱状の加熱装置の内部に、一対の支柱状耐火物を固定して配置するとともに、該一対の支柱状耐火物の間に、該支柱状耐火物との間に隙間を形成して、複数の耐火物を積み上げた構造体を配置し、
前記開口部から前記隙間へ向けて不定形耐火物を熱間で吹き付けた後に、
前記開口部から前記構造体に荷重を負荷して、該構造体の耐圧荷重を求めることにより、前記不定形耐火物の接着強度を評価すること
を特徴とする不定形耐火物の熱間接着強度の測定方法。
前記不定形耐火物の接着強度を評価した後に、前記一対の支柱状耐火物の設置間隔、および、積み上げられた前記耐火物の位置のうちの一方または双方を変更することにより、前記支柱状耐火物と前記積上げられた耐火物との隙間または段差を変更して、前記不定形耐火物の接着強度をさらに評価する請求項１に記載された不定形耐火物の熱間接着強度の測定方法。