JP5791778B1 - セラミックファイバーブロックモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 長期間の加熱によりセラミックファイバーブランケット等が積層方向に収縮して目地開きを生じた場合でも、目地開き箇所から炉内への非繊維状物の脱落を防止することが可能なセラミックファイバーモジュールを提供する。【解決手段】 断熱炉壁に用いるセラミックファイバーブロックモジュールであって、矩形板状の非晶質セラミックファイバー材１ａを所要枚数積層してなる直方体状の積層ブロック１と、炉内面に施工したとき該積層ブロック１の炉壁に当接する面を除く全ての面を覆うように配置した、結晶質セラミックファイバー材２及びそのコ字状体３あるいは箱状体等で構成されている。【選択図】 図１

Description

本発明は、加熱炉、熱処理炉、鍛造炉等の各種工業炉における断熱炉壁に用いるセラミックファイバー製のブロックモジュールに関する。

従来から、各種工業炉における断熱炉壁構造として、例えばアルミナ−シリカやアルミナ−シリカ−ジルコニア等の安価な非晶質セラミックファイバーを炉壁内面に施工していた。しかし、非晶質セラミックファイバーには非繊維状物（ショットとも称される）が５０〜６０重量％程度含まれているため、この非繊維状物が非晶質セラミックファイバーから脱落し、炉内で加熱処理されている被加熱物表面に付着することで被加熱物の品質に悪影響を及ぼすことがある。

このような非繊維状物の炉内への脱落を防ぐために、最近では、炉壁内面にアルミナ等の非繊維状物を殆ど含有しない結晶質セラミックファイバーを施工するか、あるいはステンレス製薄板を施工する方法が行われている。しかしながら、これらの断熱炉壁の施工方法は、特許文献１に開示されているようにセラミックファイバーブランケットやバックアップボードを積層するペーパーライニング工法には容易に適用が可能であるが、セラミックファイバーブランケット等を小型ブロック化したモジュールを使用する、施工時間の短いブロックライニング工法には殆ど適用されていない。

ブロックライニング工法において非繊維状物の脱落を防ぐ場合には、小型ブロック化したモジュール全体を結晶質セラミックファイバーで構成する方法が考えられるが、安価な非晶質セラミックファイバーのみを用いるよりも大幅にコストが上昇してしまうという欠点がある。そのため、コストの上昇を抑えながら非繊維状物の脱落を防ぐ方法として、例えば特許文献２及び特許文献３等に記載されているように、非晶質と結晶質のセラミックファイバーを組み合わせ、高温となる炉内面側に結晶質セラミックファイバーを配置する方法が考案されている。

特開２０１３−１７４３６９号公報 特許第２７０７１９５号公報 特許第４５３５７３４号公報

上記特許文献２及び特許文献３等に記載された非晶質セラミックファイバーと結晶質セラミックファイバーを組み合わせた断熱炉壁構造によれば、コストの上昇を抑えながら炉内への非繊維状物の脱落を防ぐことができる。しかし、断熱炉壁に用いるセラミックファイバーのブランケットやフェルト等は長期間加熱を受けると、折り畳まれ又は短冊状に切断されたブランケット等の積層方向に収縮して目地開きを生じやすい。そのため、非晶質セラミックファイバーと結晶質セラミックファイバーを組み合わせた従来のセラミックファイバーモジュールを用いた断熱炉壁構造であっても、目地開き箇所を通じての炉内への非繊維状物の脱落を防ぐことはできなかった。

本発明は、このような従来の事情に鑑み、非晶質セラミックファイバーと結晶質セラミックファイバーを組み合わせた断熱炉壁構造において、長期間の加熱によりセラミックファイバーのブランケットやフェルト等が積層方向に収縮して目地開きを生じた場合でも、目地開き箇所から炉内への非繊維状物の脱落を防止することが可能なセラミックファイバーモジュールを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明が提供するセラミックファイバーモジュールは、断熱炉壁に用いるセラミックファイバーブロックモジュールであって、矩形板状の非晶質セラミックファイバー材を所要枚数積層してなる直方体状の積層ブロックと、炉内面に施工したとき該積層ブロックの炉壁に当接する面を除く全ての面を覆うように配置した結晶質セラミックファイバー材とで構成されていることを特徴とする。

上記本発明のセラミックファイバーモジュールにおける第１の形態は、前記非晶質セラミックファイバー材の積層ブロックが、その積層方向の両端に最外層として矩形板状の結晶質セラミックファイバー材を備えると共に、該積層ブロックの非晶質セラミックファイバー材が露出している４面のうち３面を覆うようにコ字状に形成された結晶質セラミックファイバー材が配置されていることを特徴とする。

また、上記本発明のセラミックファイバーモジュールにおける第２の形態は、前記非晶質セラミックファイバー材の積層ブロックが、結晶質セラミックファイバー材で作製され且つ一面が解放された箱状体の内側に挿入され、積層ブロックの非晶質セラミックファイバー材の積層面が露出するように配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、長期間の加熱によりセラミックファイバーが積層方向に収縮して生じた目地開き箇所からの非繊維状物の脱落を含め、炉内への非繊維状物の脱落をほぼ完全になくすことが可能なセラミックファイバーモジュールを提供することができる。また、本発明のセラミックファイバーモジュールは、取付用のスタットボルトを結晶質セラミックファイバーで覆うことができるため、スタットボルトを通じて炉外への熱の放散を防ぎ、信頼性の高い断熱炉壁構造を得ることができる。

本発明のセラミックファイバーモジュールの一具体例を分解して示す概略の斜視図であり、(ａ)は矩形板状の非晶質セラミックファイバー材を所要枚数積層してなる積層ブロックを示し、(ｂ)は該積層ブロックの積層方向の両端に最外層として矩形板状の結晶質セラミックファイバー材を備えた状態の積層ブロックを示し、（ｃ）は積層ブロックを覆う結晶質セラミックファイバー材のコ字状体を示す。

本発明のセラミックファイバーモジュールの他の一具体例を分解して示す概略の斜視図であり、(ａ)は積層ブロックを示し、(ｂ)は積層ブロックを覆う結晶質セラミックファイバー材の箱状体を示す。

本発明のセラミックファイバーモジュールにおいては、矩形板状の非晶質セラミックファイバー材を所要枚数積層してなる直方体状の積層ブロックを主要部とし、その積層ブロック（６面体）の１面、具体的には施工時に炉壁に当接する１面（冷面とも称する）を除き、他の５面全てを覆うように結晶質セラミックファイバー材が配置されている。

尚、本発明において「セラミックファイバー材」の用語は、溶融繊維化法や化学精製法により得られるセラミックファイバーを集綿した後、ニードリング処理して得られるブランケット；水中に分散させて有機バインダーを加え、吸引成形して得られるフェルト；あるいは、ローラープレスして得られるマットなどを含む、セラミックファイバーからなるシート状あるいは板状の素材を意味する。

従って、本発明のセラミックファイバーモジュールによれば、ブロックライニング工法により断熱炉壁を施工したとき、積層ブロックが結晶質セラミックファイバーで覆われているため、非繊維状物を含む非晶質セラミックファイバーが炉内に露出することがなく、且つ積層ブロックに積層方向での収縮が発生しても目開き箇所が炉内に露出することがない。その結果、炉内への非繊維状物の脱落をほぼ完全になくすことが可能である。

また、通常のブロックライニング工法においては、積層ブロックの積層方向と直交する方向のブロックとブロックの間にスペーサーと呼ばれる収縮代を配置することが普通である。例えば上記特許文献２の断熱炉壁構造においては、炉内への非繊維状物の脱落を防ぐためにスペーサーとして高価な結晶質セラミックファイバーを使用しなければならず、コストアップを招く結果となっていた。一方、本発明においては、別途スペーサーを使用しなくても、積層方向と直交する面に最外層として配置された非繊維状物の少ない結晶質セラミックファイバー材が存在しているので、この結晶質セラミックファイバー材にスペーサーとしての機能を期待することができる。

非晶質セラミックファイバーとしては、シリカ−アルミナ（アルミナ含有量４０〜６０重量％）、シリカ−アルミナ−ジルコニア、シリカ−アルミナ−クロミア等があり、例えば、イソライト工業（株）製のイソウール（商品名）があり、１０００、１２００、１４００、１５００の各種温度グレードのものを所望の耐熱温度に合わせて選択することができる。また、生体溶解性繊維（ＢＳＦ）も非晶質セラミックファイバーとして好ましい。一方、結晶質セラミックファイバーとしては、アルミナ−シリカ（アルミナ含有量６５重量％以上）、シリカ−アルミナ−ジルコニア、シリカ−アルミナ−クロミアなどがあり、例えばＩＴＭ社製のＦＭＸ１６（商品名）及びＳａｆｆｉｌ社製のＳａｆｆｉｌ（商品名）等を用いることができる。

上記結晶質セラミックファイバーは非繊維状物が少ないものが望ましく、ＩＳＯ１０６３５によって測定されるショット含有率において、粒径２１２μｍ以上の非繊維状物の含有率が５重量％以下であることが好ましく、１重量％以下が更に好ましい。また、粒径４５μｍ以上の非繊維状物の含有率は２０重量％以下であることが望ましく、１０重量％以下が更に好ましい。

本発明によるセラミックファイバーブロックモジュールの好ましい形態の一つとして、非繊維状物を含む非晶質セラミックファイバー材を積層した直方体状の積層ブロックの周囲に、非繊維状物の少ない結晶質セラミックファイバー材をコ字状に巻きつけたコ字状体で覆う方法を用いることができる。この場合、モジュールの形状保持等のために、ＰＰ（ポリプロピレン）製等のバンドで締め付けるか又は有機接着剤を用いて接着することが好ましい。

他の好ましい形態としては、非繊維状物の少ない結晶質セラミックファイバー材を少なくとも上部が開放された箱状に成形し、その箱状体の中に非繊維状物を含む非晶質セラミックファイバー材を積層した直方体状の積層ブロックを収納配置してもよい。この方法によれば、非晶質セラミックファイバー材を積層した直方体状の積層ブロックの外周を、非繊維状物の少ない結晶質セラミックファイバー材で簡単に覆うことができる。

また、より完全に非繊維状物の脱落を防ぐためには、非晶質セラミックファイバー材を積層した直方体状の積層ブロックの外周面を覆う結晶質セラミックファイバー材が加熱時にダレに伴う隙間を作らないように、予め処理しておくことが好ましい。そのための方法として、上記した箱状体やコ字状体の結晶質セラミックファイバー材と内部の積層ブロックの最外層の結晶質又は非晶質セラミックファイバー材とを、耐熱性の紐で縫製するか又は耐熱性の無機接着剤で接着することが好ましい。上記耐熱性の紐としては例えば米国Ｈｉｔｃｏ社製のレフラシール（商品名)等があり、無機接着剤としては例えばイソライト工業（株）製のカオスティック（商品名)などがある。

本発明のセラミックファイバーブロックモジュールは、断熱炉壁として施工する際に、ブロックモジュールの非晶質セラミックファイバー材が唯一露出している面（積層ブロックの１面）を炉殻側に当接する面とし、その反対側の面を高温となる炉内側に向けて配置する。従って、低温の炉殻側は短冊状の非晶質セラミックファイバー材を所要枚数積層した積層ブロックによって主に構成される一方、炉殻と反対側の高温雰囲気側となる面は結晶質セラミックファイバー材のみで構成されている。

そのため、炉内に露出した結晶質セラミックファイバー材により十分な耐熱性を確保できると同時に、高価な結晶質セラミックファイバー材は主に非晶質セラミックファイバー材からなる積層ブロックの高温雰囲気側を覆うだけなので、その使用量を削減することができる。しかも、結晶質セラミックファイバー材は積層ブロックの高温雰囲気側を覆うように配置するだけでよいため、ブロックモジュールの製造が極めて簡単であるうえ、高温下での長時間の使用にも耐える十分な耐久性を有している。

次に、本発明のセラミックファイバーブロックモジュールの一具体例を、図面に基づいて説明する。図１は本発明のセラミックファイバーブロックモジュールの一具体例を分解して示した斜視図であり、図１(ａ)に示すように、短冊状の非晶質セラミックファイバー材１ａを所定枚数積層してなる積層ブロック１を主要部としている。この積層ブロック１の積層方向両端面には、図１(ｂ)に示すように、最外層となるように結晶質セラミックファイバー材２をそれぞれ１枚ずつ配置する。

上記のごとく積層方向の最外層に結晶質セラミックファイバー材２がそれぞれ配置された積層ブロック１の周囲には、図１(ｃ)に示す結晶質セラミックファイバー材のコ字状体３が巻き付けられ、断熱炉壁として施工したとき積層ブロック１の炉殻側に当接する面を除く全ての面を覆うように配置される。得られたセラミックファイバーブロックモジュールでは、炉内面に施工したとき積層ブロック１の炉壁に当接する面を除く全ての面を覆うように、結晶質セラミックファイバー材２が配置される。

また、図２は本発明のセラミックファイバーブロックモジュールの他の具体例を分解して示した斜視図であり、図２(ａ)に示すように、短冊状の非晶質セラミックファイバー材１ａを所定枚数積層してなる積層ブロック１を作製するが、この積層ブロック１の積層方向両端面には結晶質セラミックファイバー材を配置しない。また、図２(ｂ)に示すように、結晶質セラミックファイバー材２で作製され、一面が解放された箱状体４を作製する。この箱状体４の内側に、上記積層ブロック１が非晶質セラミックファイバー材１ａの積層面のみが露出するように配置される。

本発明のセラミックファイバーブロックモジュールでは、最外層となる結晶質セラミックファイバー材の厚さは一定としたうえで、炉内温度からモジュールの温度勾配値を計算し、短冊状の非晶質セラミックファイバー材を複数枚積層してなる積層ブロックの厚み（各非晶質セラミックファイバー材と結晶質セラミックファイバー材の厚さに相当する）を設計する。尚、本発明のセラミックファイバーブロックモジュールは、予め炉殻に固定されたアンカーボルト等の取付金具（図示せず）に対し積層ブロック１の積層方向が直行するよう突き刺すことによって、各種工業炉の炉殻に取り付けて断熱炉壁を構成する。

［実施例１］
非繊維状物を含む非晶質セラミックファイバー材として、イソライト工業(株)製のイソウール１２６０ブランケットＴ２５ｍｍ（商品名：シリカ−アルミナ質、厚さ２５ｍｍ）を用いた。この非晶質セラミックファイバーブランケットを縦２９０×横３００ｍｍに裁断し、得られた短冊板状のブランケットを１０枚積層して直方体の積層ブロックとした。尚、積層した各短冊板状のブランケットの間は、無機接着剤であるイソライト工業（株）製のカオスティック（商品名)を用いて接着した。

一方、非繊維状物の含有量が少ない結晶質セラミックファイバー材として、(株)ＩＴＭ製のＦＭＸ１６ブランケットＴ２５ｍｍ（商品名：アルミナ−シリカ質、厚さ２５ｍｍ）を用いた。尚、この結晶質セラミックファイバーブランケットのショット含有率をＩＳＯ１０６３５の試験法で測定したところ、粒径２１２μｍ以上の非繊維状物の含有率は０.６重量％であった。また、粒径４５μｍ以上の非繊維状物の含有率は７.０重量％であった。

この結晶質セラミックファイバーブランケットを、縦２９０×横３００ｍｍの短冊状に裁断した。得られた短冊板状の結晶質セラミックファイバーブランケットを、上記非晶質セラミックファイバーブランケットを積層した積層ブロックの積層方向両端面に最外層となるように１枚ずつ配置した。上記積層ブロックと最外層をなす各結晶質セラミックファイバーブランケットの間は、上記無機接着剤を用いて接着した。

得られた積層ブロック（２面に最外層として結晶質セラミックファイバーブランケットを有する）に対し、非晶質セラミックファイバーブランケットが露出している４面のうちの３面を覆うように、結晶質セラミックファイバーブランケットのコ字状体を巻き付けた。この結晶質セラミックファイバーブランケットは(株)ＩＴＭ製のＦＭＸ１６ブランケットＴ１２.５ｍｍ（商品名：アルミナ−シリカ質、厚さ１２.５ｍｍ）であり、そのショット含有率をＩＳＯ１０６３５の試験法で測定したところ、粒径２１２μｍ以上の非繊維状物の含有率は０.４重量％、また粒径４５μｍ以上の非繊維状物の含有率は５.０重量％であった。

その後、上記積層ブロック（２面に最外層として結晶質セラミックファイバーブランケットを有する）と結晶質セラミックファイバーブランケットのコ字状体とを上記無機接着剤を用いて接着することにより、１面にのみ非晶質セラミックファイバーブランケットが露出した３００×３００×３００ｍｍのブロックモジュールを製造した。こうして得られたブロックモジュールを、非晶質セラミックファイバーブランケットが露出した１面を炉殻側とし且つ炉殻内壁に予め固定したアンカーボルトと積層方向を直交させて、アンカーボルトに突き刺した。この操作を繰り返すことにより断熱炉壁を構成した。

［実施例２］
非繊維状物を含む非晶質セラミックファイバー材として、イソライト工業(株)製のイソウール１２６０フェルトＴ２５ｍｍ（商品名：シリカ−アルミナ質、厚さ２５ｍｍ）を用いた。この非晶質セラミックファイバーフェルトを縦２９０×横３００ｍｍに裁断し、得られた短冊板状のフェルトを１０枚積層して直方体の積層ブロックとした。

一方、非繊維状物の含有量が少ない結晶質セラミックファイバー材として、イソライト工業(株)製のイソウール１６００フェルトＴ２５ｍｍ（商品名：アルミナ−シリカ質、厚さ２５ｍｍ）を用いた。この結晶質セラミックファイバーフェルトのショット含有率をＩＳＯ１０６３５の試験法で測定したところ、粒径２１２μｍ以上の非繊維状物の含有率は１.０重量％であった。また、粒径４５μｍ以上の非繊維状物の含有率は１２.０重量％であった。

この結晶質セラミックファイバーフェルトを縦２９０×横３００ｍｍの短冊状に裁断し、上記積層ブロックの積層方向両端面に最外層となるように１枚ずつ配置した。尚、上記積層ブロックの各層間及び結晶質セラミックファイバーフェルトの両最外層との間は、耐熱性の紐である米国Ｈｉｔｃｏ社製のレフラシール（商品名)を用いて縫製した。

得られた積層ブロック（２面に最外層として結晶質セラミックファイバーフェルトを有する）に対し、その非晶質セラミックファイバーフェルトが露出している４面のうちの３面を覆うように、上記実施例１と同じ結晶質セラミックファイバーブランケットをコ字状に巻き付けた。その後、結晶質セラミックファイバーブランケットのコ字状体と積層ブロックを耐熱性の紐である米国Ｈｉｔｃｏ社製のレフラシール（商品名)を用いて縫製することにより、１面にのみ非晶質セラミックファイバーが露出した３００×３００×３００ｍｍのブロックモジュールを製造した。

こうして得られたブロックモジュールを、非晶質セラミックファイバーが露出した１面を炉殻側とし且つ炉殻内壁に予め固定したアンカーボルトと積層方向を直交させて、アンカーボルトに突き刺した。この操作を繰り返すことにより断熱炉壁を構成した。

［実施例３］
上記実施例１と同じ非晶質セラミックファイバーブランケットを縦２９０×横２９０ｍｍに裁断し、得られた短冊板状のブランケットを１２枚積層することにより、非晶質セラミックファイバーブランケットのみからなる直方体の積層ブロックとした。

次に、上記実施例１と同じ結晶質セラミックファイバーブランケット（厚み１２.５ｍｍ）を用いて、各結晶質セラミックファイバーブランケットの各接点を耐熱性の紐である米国Ｈｉｔｃｏ社製のレフラシール（商品名)を用いて縫製することにより、１面のみが解放された外周寸法が３００×３００×３００ｍｍの結晶質セラミックファイバーブランケットの箱状体を作製した。

この結晶質セラミックファイバーブランケットの箱状体の中に上記積層ブロックを挿入して収納し、３００×３００×３００ｍｍのブロックモジュールを得た。こうして得られたブロックモジュールを、非晶質セラミックファイバーブランケット１ａが露出した１面を炉壁側とし且つ炉内壁に予め固定したアンカーボルトと積層方向を直交させて、アンカーボルトに突き刺した。この操作を繰り返すことにより断熱炉壁を構成した。

上記した実施例１〜３で得られた各断熱炉壁は、炉内面側が全て非繊維状物の少ない結晶質セラミックファイバーで構成されているため、非繊維状物の炉内への脱落を防止することができる。また、加熱後に目地開きを生じた場合であっても、目地開き箇所は必ず非繊維状物の少ない結晶質セラミックファイバーで構成されているため、スペーサーを用いることなく非繊維状物の脱落飛散を防ぐことが可能である。加えて、最外層に用いた結晶質セラミックファイバーは熱間においても収縮が小さく且つ復元性に富むため、スペーサーを配さない場合でも目地開きを最小にとどめることができる。

１ 積層ブロック
１ａ 非晶質セラミックファイバー材
２ 結晶質セラミックファイバー材
３ 結晶質セラミックファイバー材のコ字状体
４ 結晶質セラミックファイバー材の箱状体

Claims (3)

1. 断熱炉壁に用いるセラミックファイバーブロックモジュールであって、矩形板状の非晶質セラミックファイバー材を所要枚数積層してなる直方体状の積層ブロックと、該積層ブロックの積層方向の両端に最外層として矩形板状の結晶質セラミックファイバー材とを備えると共に、炉内面に施工したとき該積層ブロックの炉壁に当接する面を除く全ての面が結晶質セラミックファイバー材で覆われるように、該積層ブロックの非晶質セラミックファイバー材が露出している４面のうち３面にコ字状に形成された結晶質セラミックファイバー材が配置されていることを特徴とするセラミックファイバーブロックモジュール。
2. 前記非晶質セラミックファイバー材と結晶質セラミックファイバー材との接合部が、耐熱性の紐で縫合されているか又は耐熱性の無機接着剤により接着されることを特徴とする、請求項１に記載のセラミックファイバーブロックモジュール。
3. 請求項１又は２に記載のセラミックファイバーブロックモジュールを用いたことを特徴とする工業炉の断熱炉壁構造。
   
   

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