JP6049213B2 - コークス炉目地補修用吹付け材 - Google Patents

Description

本発明は、吹付け用耐火物に関し、更に詳細には、施工性を大きく改良し、さらに良好な目地充填性と付着性を有するコークス炉目地補修用吹付け材に関する。

コークス炉は石炭を乾留してコークスとするための工業用炉であり、耐火れんが製の炭化室と加熱室とが交互に配置された構成となっており、炭化室に投入された石炭は加熱室の側面から加熱されて乾留されてコークスとなり、得られたコークスは炭化室の一端から挿入された押出機により他端から取り出される。炭化室や加熱室を構成する耐火れんがとしては一般に珪石れんがが使用されているが、れんが表面が損傷すると、コークスを押出す際の摩擦抵抗が増加する。

コークス炉の熱間補修方法として、溶射補修方法と吹付け補修方法が採用されている。溶射補修方法は、溶射材料粒子を補修部に溶融付着させる方法であり、溶射材料粒子が溶融することで、炉壁への付着量を増加し、また、溶射皮膜体自体の強度を向上させることができ、耐用性が高い補修方法として近年多用されるようになってきている。しかしながら、溶射時の高熱によって窯口付近の金物が損傷したり、溶射皮膜特有の多孔質体に起因するガス漏れなどの問題が残っている。従って、コークス炉窯口付近における小目地切れ塞ぎ、あるいは鉄製フレームとれんがとの間隙充填のようなガス漏れ起因となる部分の補修には、溶射補修方法は余り適しているとは言えない。

吹付け補修方法は、無機バインダーと水とからなる結合材と、シャモット、ハイアルミナ等の耐火物粒子とを混合して吹付ける補修方法である。
溶射補修方法は、材料が溶融することで、炉壁との付着量の強化や溶射材材料自身の強度アップ等につながり、耐用性も高い場合が多く、有効な補修法として近年多用されるようになってきている。しかしながら、溶射時の高熱によって窯口付近の金物が損傷したり、溶射皮膜特有の多孔質体に起因するガス漏れなどの問題が残っている。
この意味において、コークス炉窯口付近における小目地切れ塞ぎ、あるいは鉄製フレームとれんがとの間隙充填のようなガス漏れ起因となる部分の補修には、むしろ上記吹き付け補修方法が好ましいと言える。
上記コークス炉吹き付け補修に用いられる吹付け材は、主に低融点のバインダーからなる補修材や耐火骨材に分散剤及び結合剤などのバインダーや液体バインダーを水と混練することで用いるものが使用されてきた。

例えば、特許文献１には、コークス製造炉（コークス炉）、窯業用炉、セメント焼成炉、発電用ボイラ等の高温に曝される耐火材の表面処理方法として、ＳｉＯ_２／Ｎａ_２Ｏのモル比が３．２〜３．８であるケイ酸ナトリウムを３５．０〜５０．０％、水酸化リチウムを１．０〜１０．０％、硼酸ナトリウムを１．０〜１０．０％、Ｒ−Ｓｉ（ＯＨ）_２ＯＮａ（但し、Ｒは炭素数１〜１２のアルキル基）で示される有機シリコーン化合物を１．０〜１０．０％、及び水よりなり、その粘度が１００ｃｐｓ（２０℃）以下である処理剤を、表面温度が５００〜１２００℃の耐火材表面にスプレーノズルを用いて０．０５〜４．０ｋｇ／ｍ^２（対耐火材表面）塗布することにより、耐火材表面に溶融塗着層を形成させ、その後の昇温により、耐火材表面層と溶融塗着層との反応並びにナトリウムの蒸散が生じ、シリカ純度が高く、表面が平滑で、強度が高い処理層を得るようにしたことを特徴とする高温耐火材表面処理方法が開示されている。この高温耐火材表面処理方法は、低融点ガラスを利用したガラスコーティング方法である。

耐火骨材を含む熱間補修用材料として、例えば、特許文献２には、固形分換算で１００重量％の水ガラスに対し、骨材として、けい石れんが、ハイアルミナれんが及びシャモットれんがのうちから選ばれる１種以上の、１０００μｍ以下に粉砕したれんが屑からなる結晶質二酸化けい素含有化合物を２０〜６０重量％添加混合してなる、コークス炉の熱間補修用材料（請求項１）；上記水ガラスはけい酸ソーダを主とする固形分の比率が２０〜６５重量％のアルカリ−けい酸系ガラスの濃厚水溶液である前記熱間補修用材料（請求項２）；コークス炉の炉壁の熱間補修に当たり、目地切れ部、れんが角割れ部または金物とれんがの間隙部に前記熱間補修用材料を熱間で吹付けることからなるコークス炉の熱間補修方法（請求項４）が開示されている。

特許文献２と同様に、耐火骨材およびバインダーからなる吹き付け補修材として、特許文献３には、耐火骨材、超微粉末、分散剤及び結合剤より基本的になる組成物に、さらに塩基性乳酸アルミニウムを外掛で０．２〜１０重量％併用することを特徴とする吹付用耐火組成物が開示されている。

特開平８−１１９７７５号公報 特許第３７８５７２４号 特公平７−１１５９５４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の高温耐火材表面処理方法では、窯口部のガス漏れ部位の補修が、金物と、耐火れんがとの隙間を充填する場合や、目地切れ塞ぎの場合にあっては、処理剤が耐火骨材を含まないため、耐火材表面と、処理剤との付着力不足、目地切れ部内部への処理剤の充填不足等の問題があり、ガス漏れ対策として十分なものではなかった。また、処理剤は低融点化合物を多量に含むため、低融点化合物の灰分やカーボン、微粒コークスなどの接着作用が促進され、平滑さを失い、押し出し時の摩擦抵抗が増加する。
また、特許文献２に開示されているコークス炉の熱間補修用材料にあっては、バインダー成分として低融点の水ガラスが多量に存在するため、過焼結を起こし易く、接着部と熱間補修用材料の強度差による剥離が起こり易いといった問題点があると共に、骨材成分に比べて水ガラスは一般的に高価であるため、多量の水ガラスを使用する熱間補修用材料は、慣用の吹付け補修材に比べ、経済的に不利であるという問題点がある。
更に、特許文献３に開示されている吹付用耐火組成物にあっては、結合剤として塩基性乳酸アルミニウムを使用しているため、得られる施工体には微細な亀裂が発生し、ガス漏れを十分に防止することはできない。

従って、本発明の目的は、コークス炉を吹付け補修する際に、吹付け施工体の剥離の少なく、良好な目地充填性と付着性を有するコークス炉目地補修用吹付け材を得ることにある。

即ち、本発明は、粒子径が１０００μｍ以下の粒子で構成された珪石れんが粉または珪石れんが粉と珪石粉の混合物からなるシリカ質耐火骨材及び粘土１〜５質量％から構成される耐火原料に、珪酸ナトリウムを外掛けで１〜１０質量％配合してなることを特徴とするコークス炉目地補修用吹付け材を提供することにある。

本発明によれば、吹付け施工体の剥離の少なく、かつ良好な目地充填性と付着性を有するコークス炉目地補修用吹付け材を得ることができ、このコークス炉目地補修用吹付け材をコークス炉の目地部に適用することにより、亀裂充填とガスリークを効率よく防止することが可能となる。

本発明のコークス炉目地補修用吹付け材でコークス炉の珪石れんが目地部を吹付け施工した場合の模式図。 粒子径が１０００μｍを超えるシリカ質耐火骨材を含む吹付け材をコークス炉の珪石れんが目地部に吹付け施工した場合の模式図。

本発明のコークス炉目地補修用吹付け材は、シリカ質耐火骨材及び粘土から構成される耐火原料と、珪酸ナトリウムとから構成される。

耐火原料を構成するシリカ質耐火骨材としては、珪石れんが粉または珪石れんが粉と珪石粉との混合物を使用することができる。ここで、本明細書に使用する「珪石れんが粉」は、未使用または使用後の珪石れんがを粉砕した粉を指すものとする。珪石れんが粉は、コークス炉で主に使用されている珪石れんがと膨張が近いため多量に使用することで、吹付け材の施工体が剥離しにくいという利点を持つ。

ここで、珪石れんが粉の配合割合は、４０〜９９質量％、好ましくは５０〜８０質量％の範囲内である。珪石れんが粉の配合割合が４０質量％未満では、得られるコークス炉目地補修用吹付け材と、珪石れんがの熱膨張差が大きくなり、吹付け施工体が剥離し易くなるために好ましくなく、一方、９９質量％を超えると、コークス炉目地補修用吹付け材に十分な可塑性が付与することができず、吹付け施工体の接着性が悪くなることがあるために好ましくない。

また、シリカ質耐火骨材として、上述の珪石れんが粉と共に珪石粉を併用することもできる。珪石粉としては、白珪石、炉材珪石、天然珪砂、人工珪砂などの粉末を使用することができる。なお、珪石粉は、珪石れんがに近い化学組成を有するため、コークス炉を構成する珪石れんがとの反応生成物を形成し難いという特徴がある。

珪石粉を併用する場合、その含有割合は、珪石れんがとの熱膨張差を考慮して、５９質量％以下、好ましくは４９質量％以下とする。ここで、珪石粉の配合割合が５９質量％を超えると、吹付けによってコークス炉炭化室内面に施工された材料と、コークス炉炭化室壁を形成する珪石れんがとの熱膨張差が大きくなるため、剥離が発生する可能性が高くなるために好ましくない。なお、コークス炉目地補修用吹付け材を目地内部に充填してシールすることのみを考慮する場合には、上記珪石れんが粉は５９質量％以下でも問題ない。なぜなら、目地内部に入った微量の補修材は耐火骨材が目地内部に詰まるような状態になり、目地内部に詰まった耐火骨材が膨張をしてもシール効果に影響はないからである。

なお、シリカ質耐火骨材は、粒子径が１０００μｍ以下、好ましくは５００μｍ以下の粒子から構成する。このようなシリカ質耐火骨材を使用することにより、図１に示すように、コークス炉を構成する珪石れんが（４）の目地部（１）へ吹付け材（２）を吹付け施工すると、シリカ質耐火骨材（３）を構成する粒子の粒子径が全て１０００μｍ以下であると、充分に充填することができる。ここで、シリカ質耐火骨材（３）として、粒子径が１０００μｍより大きい粒子が含まれると、図２に示すように、目地部（１）への吹付け材（２）の充填性に劣るようになるため好ましくない。なお、本明細書に使用する「粒子径」は、ＪＩＳ Ｒ ８８０１−２のふるいを用い、ＪＩＳ Ｒ ８８１５に従ってふるい分け作業を行ったものである。

シリカ質耐火骨材の粒度配合は、特に限定されるものではないが、好ましくは、粒子径が１００μｍ〜１０００μｍの粒子５〜１０質量％、粒子径が４５〜１００μｍ未満の粒子が２５〜５０質量％、４５μｍ未満の粒子４５〜６０質量％となるように調整する。

また、耐火原料として、上記シリカ質耐火骨材に加えて粘土を使用する。粘土としては、カオリン、ボールクレー、水簸粘土などを使用することができる。粘土を適量添加することで、コークス炉目地補修用吹付け材に可塑性を付与することができ、それによって接着性が向上することができる。粘土の配合割合は１〜５質量％、好ましくは２〜４質量％の範囲内である。粘土の配合割合が１質量％未満では、可塑性付与による接着性向上効果が十分ではないため好ましくなく、また、５質量％を超えると、コークス炉を使用中に粘土に含まれるアルミナ成分とシリカ成分が反応してムライトが生成し、珪石れんがとの熱膨張差が大きくなり、剥離し易くなり好ましくない。

本発明のコークス炉目地補修用吹付け材には、珪酸ナトリウムを配合する。珪酸ナトリウムとしては、例えばＪＩＳ Ｋ １４０８に記載の、液状である１号珪酸ナトリウム、２号珪酸ナトリウム、３号珪酸ナトリウム、及び粉末状のメタ珪酸ナトリウム１種、メタ珪酸ナトリウム２種を利用することができる。また、１号珪酸ナトリウム、２号珪酸ナトリウム、３号珪酸ナトリウムから脱水などして粉末状とした珪酸ナトリウムを利用することもできる。更には、メタ珪酸ナトリウム５水和物、メタ珪酸ナトリウム９水和物などの粉末状のものも利用できる。また、上記ＪＩＳの１号から３号に相当するＮａ_２Ｏ／ＳｉＯ_２比を有する粉末状の珪酸ナトリウムも利用できる。珪酸ナトリウムを配合することにより、熱間での接着性を向上させることができる。特に、粉末状の珪酸ナトリウムは、液状の珪酸ナトリウムに比べて、吹付け材の製造、保管、輸送、施工作業に際して簡便であるため、その使用が好ましい。

珪酸ナトリウムの配合割合は、上記耐火原料１００質量％に対して外掛で１〜１０質量％、好ましくは２〜５質量％の範囲内である。珪酸ナトリウムの配合割合が１質量％未満では吹き付けた際の接着力に劣るので好ましくなく、また、１０質量％を超えると、付着効果が飽和してしまうために配合効果がなく、経済的に不利になるために好ましくない。また、珪酸ナトリウムの配合割合が多くなると、低融点物が多く、過焼結を起こして剥離し易くなるために好ましくない。

なお、吹付け材の吹付け施工には、乾式吹付け方法と湿式吹付け方法があり、乾式吹付け方法は、吹付け材に粉末状の珪酸ナトリウムを用い、乾燥した吹付材を圧搾空気で搬送し、ノズル部で水分を供給・混合して吹付ける方法であり、湿式吹付け方法は、吹付け材に粉末状及び／または液状の珪酸ナトリウムを用い、予めミキサーで混練されたスラリーをピストン式あるいはスクイズ式ポンプで圧送し、空気圧で吹付ける方法であり、これら両者を利用することができるが、本発明のコークス炉目地補修用吹付け材の吹付け施工には、珪酸ナトリウムの分散が良好な湿式吹付け方法が特に適している。

実施例１
本発明品のコークス炉目地補修用吹付け材の配合例を表１に、比較品の吹付け材の配合例を表２にそれぞれ示した。

上記表中、
珪酸ナトリウム１号及び３号は、それぞれ珪酸ナトリウム１号、珪酸ナトリウム３号を脱水して粉末状としたものである；
膨張差は、珪石れんがの１４００℃における熱膨張率と，本発明品及び比較品の１４００℃における熱膨張率を比較したものである。膨張差が大きいと、吹付け施工体が珪石れんがから剥離し易くなるために好ましくない。評価は、珪石れんがの熱膨張率との差が０．９％〜１．１％の時を○、０．９％未満の時を◎、１．１％を超える場合を△とした。なお、熱膨張率測定用の試料は２０×１５×８０ｍｍの型枠に、所定の水分量で混練した本発明品及び比較品の試料を鋳込み、２４時間養生した後、１１０℃で２４時間乾燥することによって作成したものである。熱膨張率測定装置は非接触式で、雰囲気は大気雰囲気とした；
コストは、１トンあたりの単価を小さいものから順に◎、○、×として表示したものである；
付着性は、以下のように評価したものである。本発明品及び比較品に所定量の水を加えてモルタルミキサーで混練して混練物を得た。混練物を圧送ポンプを用いて粉体質量換算２ｋｇ／分で吹付けランスに送り、エアー圧０．５ＭＰａの圧縮空気を送り、混合して、先端径１４ｍｍの吹付けランスから、表面温度７５０℃に加熱した珪石れんが表面に吹付けた。吹付け量は粉体質量換算で２０ｋｇとし、付着性の評価は、吹付けた後の施工体の外観を◎、○、×の3段階評価したものである；
剥離性は、上記付着性の評価に用いた施工体を薬さじで引掻いて評価した。引掻いて剥がれたものは×、引掻いても剥がれが少ないものを○、引掻いたときにほぼ剥がれがないものを◎とした；
目地充填性は、幅３ｍｍ，深さ１０ｍｍmの目地を有する珪石れんがに、上記「付着性」評価時と同様の吹付け方法で本発明品及び比較品を吹付けて評価したものである。吹付けた後の珪石れんが断面を観察し、目地に十分充填されているものを◎、充填が不十分なものを×として評価した。

なお、表１及び表２において、粒度配合の欄の「粒度配合Ａ」は、粒子径１００〜１０００μｍが５質量％、４５〜１００μｍ未満が３５質量％、４５μｍ未満が６０質量％としたものである。また、「粒度配合Ｂ」は、粒子径１００〜１０００μmが１０質量％、４５〜１００μｍ未満が４５質量％、４５μｍ未満４５質量％としたものである。「粒度配合Ｃ」は、粒子径１０００μｍ超１０質量％、１００〜１０００μｍが１０質量％、４５〜１００μｍ未満３０質量％、４５μｍ未満５０質量％としたものである。ここで、「粒子径」は、ＪＩＳ Ｒ ８８０１−２のふるいを用い、ＪＩＳ Ｒ ８８１５に従ってふるい分け作業を行ったものである。

表１の結果から、本発明品はいずれも、膨張差が小さく、コストが低く、付着性に優れ、剥離しにくく、目地充填性に優れていることが判る。
それに対し、比較品１は、付着性に劣るものであった。これは、粘土の配合量が少なく、良好な可塑性を付与できなかったためである。比較品２も同様である。
比較品３は、剥離が生じた。これは、ムライトが生成し、珪石れんがとの間に膨張差による空隙ができたためである。
比較品４は、施工体を引掻くとすぐに剥離した。これは、珪酸ナトリウムを配合してないため珪石れんがに付着できなかったためである。
比較品５、６及び７も、珪石れんが表面から施工体が剥離した。これは、低融点物が多いため、施工体が過焼結し、れんがとの強度差が生じたことに起因したためである。更に、比較品５、６及び７は、珪酸ナトリウムの配合量が多く、一般的な耐火骨材に比較して割高となるため、経済性に劣った。なお、比較品７は、特許文献２に相当するものである。

実施例２
実稼働中のコークス炉の珪石れんがに、本発明品１３、１５と、比較品６を吹付けた。それぞれに所定量の水を加えて、モルタルミキサーで混練した。混練物を圧送ポンプを用いて粉体質量換算２ｋｇ／分で吹付けランスに送った。一方、エアー圧０．５ＭＰａの圧縮空気をランスに送り、混練物と混合して、先端径１４ｍｍの吹付けランスから、空になったコークス炉炭化室の目地部に吹付けた。吹付け温度は約８５０℃であった。吹付け量は粉体質量換算２００ｋｇであった。
本発明品１３を用いて得られた施工体にダマが少し見られたが，垂れはなく、作業性は良好であった。本発明品１５を用いて得られた施工体に垂れ・ダマがなく、作業性は非常に良好であった。比較品６を用いて得られた施工体には垂れている部分があり、作業性も本発明品１３及び１５より劣るものであった。
実稼働中のコークス炉を１回乾留させた後に、吹付け箇所をバールで削ったところ、本発明品１３及び１５に剥がれは見られなかったが、比較品６をバールで削ると、施工体は剥離してしまった。

１ 目地部
２ 吹付け材
３ シリカ質耐火骨材
４ 珪石れんが

Claims (2)

1. 粒子径が１０００μｍ以下の粒子で構成された珪石れんが粉または珪石れんが粉と珪石粉の混合物からなるシリカ質耐火骨材及び粘土１〜５質量％から構成される耐火原料に、珪酸ナトリウムを外掛けで１〜１０質量％配合してなることを特徴とするコークス炉目地補修用吹付け材。
2. シリカ質耐火骨材が、粒子径が１００μｍ〜１０００μｍの粒子５〜１０質量％、粒子径が４５〜１００μｍ未満の粒子が２５〜５０質量％、４５μｍ未満の粒子４５〜６０質量％から構成される、請求項１記載のコークス炉目地補修用吹付け材。

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