JP6035094B2

JP6035094B2 - 燃焼機器用内張り材及び燃焼炉

Info

Publication number: JP6035094B2
Application number: JP2012212530A
Authority: JP
Inventors: 福田　啓一; 啓一福田; 芳之本吉; 佐々木　章; 章佐々木
Original assignee: Nichias Corp
Current assignee: Nichias Corp
Priority date: 2012-09-26
Filing date: 2012-09-26
Publication date: 2016-11-30
Anticipated expiration: 2032-09-26
Also published as: JP2014066450A

Description

本発明は、燃焼機器の内張り材、並びに燃焼炉に関する。

燃焼炉では、燃焼時に高温に曝され、燃焼が終わると大幅に温度が下がるため、内張り材には熱衝撃に強いこと〈耐熱衝撃性〉が要求される。また、焼却に伴って各種ガスが発生するため、内張り材にはガスに対する耐性（耐腐食性）も要求される。

このような要求に対して本出願人も、特許文献１においてアルミナシリカ繊維の織布に、アルミナ粒子やシリカ粒子、ムライト粒子を配合したセラミックス複合材料、特許文献２において酸化膨張する粒子を更に配合して気密性を高めた複合セラミックス材料を提案している。これらの複合セラミックス材料は、構成材料も無機質であるため、耐熱性を有し、各種のガスに対する耐性にも優れる。

特開２００１−８９２５４号公報特開２００３−３２１２７８号公報

しかしながら、更なる検討の結果、特許文献１、２に記載されたセラミックス複合材料でも、ガスによっては、改良の余地があることが判明した。

例えば、１０００℃〜１５００℃といった高温のフッ化水素ガスなどのフッ素系ガスや、塩化水素ガスなどの塩素系ガス、ヨウ化水素ガス、臭化水素ガスといったハロゲン化ガス（腐食性ガス）に曝されると、特許文献１、２に記載された複合セラミックス材料でも、高濃度になると、アルミナシリカ繊維中の酸化ケイ素成分が劣化することがある。

そこで本発明は、ガスの種類によらず、耐久性を高めた焼却炉等の燃焼装置に使用される内張り材を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は下記の燃焼機器用内張り材及び燃焼炉を提供する。
（１）無機質断熱材からなる基材の表面に、面積が０．５〜２５ｃｍ^２であり、厚さが０．１〜３．０ｍｍであるセラミックスチップが複数、０．０１〜１．０ｍｍの間隔にて接着していることを特徴とする燃焼機器用内張り材。
（２）前記セラミックスチップが、Ａｌ_２Ｏ_３を全量の７０質量％以上含有することを特徴とする上記（１）記載の燃焼機器用内張り材。
（３）加熱源と、加熱源近傍に配置される内張り材とを備える燃焼炉であって、内張り材が、無機質断熱材からなる基材の表面に、面積が０．５〜２５ｃｍ^２であり、厚さが０．１〜３．０ｍｍであるセラミックスチップが複数、０．０１〜１．０ｍｍの間隔にて接着していることを特徴とする燃焼炉。
（４）前記セラミックスチップが、Ａｌ_２Ｏ_３を全量の７０質量％以上含有することを特徴とする上記（３）記載の燃焼炉。

本発明の燃焼機器用内張り材は、セラミックスチップが耐腐食性に優れ、高温の腐食性ガスに曝されても劣化を抑えることができ、内部の基材がガスによって劣化するのを防ぐことができる。しかも、セラミックスチップは薄く（０．１〜３．０ｍｍ）、小面積（０．５〜２５ｃｍ^２）であることから、熱衝撃により割れや亀裂の発生が無く、長期間効果が維持する。

また、本発明の燃焼炉は、上記内張り材を備えるため、耐久性に優れたものとなる。

本発明の燃焼機器用内張り材の一部を示す斜視図である。本発明の燃焼機器用内張り材を製造する方法を説明するための図である。

以下、本発明に関して詳細に説明する。

図１は本発明の燃焼機器用内張り材（以下、単に「内張り材」）の一部を示す斜視図であるが、図示されるように、内張り材１は、無機質断熱材からなる基材２の表面に、複数のセラミックスチップ３を碁盤状に敷き詰めたものである。

基材２は、断熱性を有するものであれば制限はないが、無機繊維をバインダーで結着した無機繊維質成形体や、無機繊維からなる織布または不織布に無機粉末を分散させたセラミックス複合材料等を使用できる。ここで、基材２のかさ密度は、所望する断熱性を得るために０．１〜２．３ｇ／ｃｍ^３であればよい。

無機繊維質成形体は、例えば、無機繊維５０〜９５質量％と、バインダー５〜３０質量％と、無機粉末０〜３０質量％、好ましくは５〜３０質量％とを含む無機繊維質成形体であればよい。無機繊維としては、特に制限されず、例えば、ガラス繊維、グラスウール、ロックウール、アルミナ質繊維、ジルコニア質繊維、シリカ・アルミナ質繊維等が挙げられる。こうした無機繊維は、１種又は２種以上の組合わせのいずれでもよい。バインダーとしては、例えばコロイダルシリカ、アルミナゾル、ジルコニアゾル、チタニアゾルといった無機バインダーや、アクリル樹脂、澱粉、ポリアクリルアミドといった有機バインダーが挙げられる。こうしたバインダーは、１種又は２種以上の組合わせのいずれでもよい。

無機繊維質成形体には、必要に応じて無機粉末を添加することができる。無機粉末を添加することにより、耐火性が高くなる。こうした無機粉末としては、例えば、シリカ、アルミナ、ムライト、窒化ケイ素、炭化ケイ素、チタニア、ジルコニア等のセラミックス粉末、カーボンブラック等の炭素粉末等が挙げられ、これらのうち、好ましくはシリカ、アルミナ、窒化ケイ素、炭化ケイ素、ムライト、チタニア、ジルコニア等のセラミックス粉末、カーボンブラック等の炭素粉末であり、特に好ましくはシリカ、アルミナ、窒化ケイ素、炭化ケイ素等のセラミックス粉末である。こうした無機粉末は、１種又は２種以上の組合わせのいずれでもよい。

無機繊維質成形体のかさ密度は、特に制限はないが、０．１〜１．０ｇ／ｃｍ^３であればよく、０．１５〜０．７ｇ／ｃｍ^３、０．２〜０．７ｇ／ｃｍ^３、０．２〜０．４ｇ／ｃｍ^３であってもよい。また、６００℃における熱伝導率が０．３Ｗ／ｍＫ以下であることが好ましく、０．２Ｗ／ｍＫ以下であることがより好ましく、０．１Ｗ／ｍＫ以下であることがさらに好ましい。

こうした無機繊維質成形体は、優れた断熱性を備え、単独で断熱材としても用いられ、例えば、ニチアス株式会社製「ファインフレックス１３００ハードボード」、「ＲＦボード」などを市場から入手して使用することができる。

セラミックス複合材料は、例えば、無機繊維からなる織布（クロス）または不織布（ペーパー）７０〜９４質量％と、無機粉末からなるマトリックス６〜３０質量％とを含むセラミックス複合材料であればよい。ここで、マトリックスは、固形分換算でバインダー２〜１８質量％と、無機粉末８２〜９８質量％とを含んでいればよい。無機繊維としては、特に制限されず、例えば、ガラス繊維、グラスウール、ロックウール、アルミナ質繊維、ジルコニア質繊維、シリカ・アルミナ質繊維等が挙げられる。こうした無機繊維は、１種又は２種以上の組合わせのいずれでもよい。バインダーとしては、例えばコロイダルシリカ、アルミナゾル、ジルコニアゾル、チタニアゾルといった無機バインダーや、アクリル樹脂、澱粉、ポリアクリルアミドといった有機バインダーが挙げられる。こうしたバインダーは、１種又は２種以上の組合わせのいずれでもよい。無機粉末としては、例えば、シリカ、アルミナ、ムライト、窒化ケイ素、炭化ケイ素、チタニア、ジルコニア等のセラミックス粉末、カーボンブラック等の炭素粉末等が挙げられる。こうした無機粉末は、１種又は２種以上の組合わせのいずれでもよい。

こうしたセラミックス複合材料は、無機繊維からなる織布または不織布に、バインダーと無機粉末、水といった溶媒とを含むマトリックス材を塗布含浸させたのち、乾燥することで得ることができる。

セラミックス複合材料のかさ密度は、特に制限はないが、１．０〜３．０ｇ／ｃｍ^３であればよく、１．５〜２．５ｇ／ｃｍ^３、１．６〜２．４ｇ／ｃｍ^３であってもよい。

こうしたセラミックス複合材料は、優れた耐熱性を備え、単独で耐熱部材としても用いられ、例えば、ニチアス株式会社製「ルビコンポ」などを市場から入手して使用することができる。

セラミックスチップ３は、基材２よりも耐熱性や耐火性、耐腐食性に優れる材料が好ましく、Ａｌ_２Ｏ_３含有量が７０質量％以上である材料が好ましく、Ａｌ_２Ｏ_３含有量が８０質量％以上である材料がより好ましく、９０質量％以上である材料が特に好ましい。Ａｌ_２Ｏ_３含有量が１００質量％、即ちＡｌ_２Ｏ_３のみであってもよい。尚、Ａｌ_２Ｏ_３と併用可能な材料としてはＳｉＯ_２、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＺｒＯ_２等が挙げられる。

また、セラミックスチップ３は、耐熱衝撃性に優れるように、薄く、小面積であることが好ましい。具体的には、厚さは０．１〜３．０ｍｍであればよく、０．５〜２．５ｍｍ、１．０〜２．３ｍｍであってもよく、面積は０．５〜２５ｃｍ^２であればよく、０．８〜１６ｃｍ^２、１．０〜９．０ｃｍ^２であってもよい。例えば、こうしたセラミックスチップ３は一辺が０．７１〜５．０ｃｍの正方形の小片であってもよく、一辺が０．９〜４．０ｃｍ、１．０〜３．０ｃｍの正方形の小片であってもよい。また、正方形に限られず、長方形であってもよい。厚くなるほど、また大面積になるほど、熱衝撃による割れや亀裂が発生しやすくなる。また、内張り材１は、湾曲面に適用されたり、円筒状に加工される場合もあることから、大面積であると、これらの形状に追従できなくなる。

さらに、セラミックスチップ３は、ガスの透過性を低くするために、緻密質なことが好ましく、基材よりかさ密度が高いほうがよい。具体的には、かさ密度が２．０〜７．０ｇ／ｃｍ^３であることが好ましく、２．５〜５．０ｇ／ｃｍ^３、３．５〜４．５ｇ／ｃｍ^３であってもよい。

セラミックスチップ３は、基材２に敷き詰められるが、セラミックスチップ３同士は接触しないことが好ましい。すなわち、セラミックスチップ間の間隔（以下「目地１０」）は１．０ｍｍ以下が好ましく、０．７ｍｍ以下がより好ましい。目地の下限値については特に制限はないが、例えば０．０１ｍｍ以上、０．０５ｍｍ以上であればよい。この目地１０は、後述する製造方法に示すように、基材２とセラミックスチップ３とを接着する接着剤が硬化したものであり、幅広すぎると接着剤が起点となって内張り材１が劣化するようになる。

ここで、セラミックスチップ３は、基材２の全面に敷き詰められてもよいし、基材２の一部に敷き詰められてもよい。特に高温のガスに曝される箇所に敷き詰められてもよい。

内張り材１は、基材２にセラミックスチップ３を敷き詰め、接着して製造されるが、生産性を考慮すると下記の方法が好ましい。

先ず、図２（ａ）に示すように、セラミックスチップ３の基となる一枚のセラミック板３０を基台１００に載置して固定し、上記した面積となるように、ダイヤモンドカッター（図示せず）で縦横に切れ目３１ａ，３１ｂを入れて碁盤状に分割する。また、こうしたセラミックスチップ３は、成形型にセラミックス材料を充填したのちに、プレス加工により成形してもよい。

次いで、図２（ｂ）に示すように、碁盤状にリブ２０１が設けられた整列冶具２００に分割片３ａを敷き詰め、全ての分割片３ａを覆うように粘着シート３００を載置する。そして、整列冶具２００を取り外すことにより、粘着シート３００に、複数の分割片３ａが碁盤状に整列したシートが得られる。

次いで、図２（ｃ）に示すように、分割片３ａの上に接着剤５０を塗布し、接着剤５０が硬化する前に基材２を載置する。接着剤５０は、分割片同士の隙間に流入し、硬化して目地１０となる。

そして、接着剤５０が硬化した後、粘着シート３００を剥離することにより、図１に示すような、基材２の上に、複数のセラミックスチップ３が碁盤状に整列して敷き詰められ、チップ間に接着剤からなる目地１０が形成された内張り材１が作製される。ここで、粘着シート３００は剥離せずとも加熱処理により焼飛ばしてもよい。

尚、接着剤５０としては、耐熱性に優れ、高温でもセラミックスチップ３が剥離せず、更には耐腐食性に優れることから、アルミナーシリカ系の接着剤が好ましい。こうした接着剤は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を７０〜９９質量％、シリカ（ＳｉＯ_２）を１〜３０質量％含有することが好ましく、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を８０〜９９質量％、シリカ（ＳｉＯ_２）を１〜２０質量％、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を９０〜９９質量％、シリカ（ＳｉＯ_２）を１〜１０質量％含有することが好ましい。

また、上述した接着剤を用いなくとも、基材２にセラミックスチップ３を敷き詰め、接着してもよい。具体的には、無機繊維からなる織布または不織布に、バインダーと無機粉末、水といった溶媒とを含むマトリックス材を塗布含浸させたのち、粘着シート３００に、複数の分割片３ａが碁盤状に整列したシートを積層させて、マトリックス材を分割片同士の隙間に流入させる。その後、乾燥して、マトリックス材を硬化させて目地１０としてもよい。

本発明の内張り材１は、セラミックスチップ３が耐熱性及び耐腐食性に優れ、更には熱衝撃性にも優れるため、基材２が熱やガスにより劣化するのを抑え、耐久性に優れたものとなる。

また、本発明は上記の内張り材１を、内壁や加熱源としてのバーナー取り付け部に用いた焼却炉を提供するが、ガスに対する耐性にも優れるため、高温の腐食性ガスに曝される燃焼機器や燃焼炉に特に好適である。具体的には、９００〜１５００℃、１０００〜１５００℃といった高温の腐食性ガスを含む雰囲気に曝される燃焼機器や燃焼炉に好適に用いられる。さらに、内張り材で囲まれる雰囲気が急上昇または急冷却される燃焼機器や燃焼炉に好適に用いられる。ここで、急上昇とは、一瞬(例えば０．１秒)から数分間で室温（２５℃）から９００〜１５００℃まで温度が上昇することをいい、急冷却とは、一瞬(例えば０．１秒)から数分間で９００〜１５００℃から室温（２５℃）まで温度が下降することをいう。

（予備試験）
ニチアス（株）製「ルビコンポＥＳ（Ａｌ_２Ｏ_３：８５質量％、ＳｉＯ_２：８質量％：残部：７質量％）」の円筒体を基材とし、基材の内周面に、セラミックスチップとしてのアルミナチップ（１０ｍｍ×１０ｍｍ×１ｍｍ、Ａｌ_２Ｏ_３：９６質量％、残部：４質量％）を敷き詰め、下記の接着剤Ａ〜Ｃで接着して試験体を作製した。尚、アルミナチップ同士の隙間（目地）は０．２〜０．３ｍｍの範囲である。
・接着剤Ａ：Ａｌ_２Ｏ_３：８６質量％、ＳｉＯ_２：４質量％、残部：１０質量％
・接着剤Ｂ：東亜合成（株）製「アロンセラミックスＤ」
・接着剤Ｃ：Ａｌ_２Ｏ_３：５７質量％、ＳｉＯ_２：４３質量％

そして、試験体の内周面（アルミナチップ接着面）に、バーナーの火炎を所定時間当てて加熱した後、室温で放置した。尚、加熱時のアルミナチップの表面温度は１０５０〜１１８０℃であった。

放冷後、試験体を軽く手で叩いてアルミナチップが剥離するかを確認した。結果を表１に示すが、接着剤Ａ及び接着剤Ｂではアルミナチップの剥離がなく、好ましい接着剤であることが確認された。

（本試験）
接着剤Ａまたは接着剤Ｂでアルミナチップを接着した試験体を、１２００℃に保持した電気炉に入れ、２０分加熱した後、電気炉から取り出して室温で２０以上放置するサイクルを１０回繰り返した。

その結果、接着剤Ｂでアルミナチップを接着した試験体では、アルミナチップに亀裂等がなく、剥離も見られなかったが、アルミナチップを指で押すと基材が割れるような音を発した。これらに対し接着剤Ａでアルミナチップを接着した試験体では、アルミナチップに亀裂等がなく、剥離も見られず、更には指で押しても基材が割れるような音は無かった。

１内張り材
２基材
３セラミックスチップ
１０目地

Claims

無機質断熱材からなる基材の表面に、面積が０．５〜２５ｃｍ^２であり、厚さが０．１〜３．０ｍｍであるセラミックスチップが複数、０．０１〜１．０ｍｍの間隔にて接着していることを特徴とする燃焼機器用内張り材。
前記セラミックスチップが、Ａｌ_２Ｏ_３を全量の７０質量％以上含有することを特徴とする請求項１記載の燃焼機器用内張り材。
加熱源と、加熱源近傍に配置される内張り材とを備える燃焼炉であって、内張り材が、無機質断熱材からなる基材の表面に、面積が０．５〜２５ｃｍ^２であり、厚さが０．１〜３．０ｍｍであるセラミックスチップが複数、０．０１〜１．０ｍｍの間隔にて接着していることを特徴とする燃焼炉。
前記セラミックスチップが、Ａｌ_２Ｏ_３を全量の７０質量％以上含有することを特徴とする請求項３記載の燃焼炉。