JP6468565B2 - モルタルおよびモジュールブロック - Google Patents
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Description
このため、コークス炉には、操業温度において熱膨張および熱収縮がほとんど無い特性を有する珪石(SiO2)を主成分とするモルタル(珪石モルタル)を用いる。これにより、強度が低下したり、れんがとの間に隙間が生じたりすることを防止する。
そこで、従来、モジュールブロック工法と呼ばれる工法が提案されている(例えば、特許文献1を参照)。モジュールブロック工法は、炉外で事前にれんがを所定サイズのブロック(モジュールブロック)に組み立てた後、このモジュールブロックを、コークス炉へ運搬し、現地でモジュールブロックを設置する工法である。
このようなモジュールブロック工法を採用することで、築炉期間の短縮が期待される。
(i)まず、大型のモジュールブロックを炉外の作製場所からコークス炉の据付場所へ運搬する際の常温環境では、モジュールブロック自体の強度が大きいこと、すなわち、珪石れんがとモルタルとの接着強度が大きいことが必要である。
(ii)一方で、珪石れんがは、図1のグラフに示すように、約200℃から約400℃までの膨張が大きいことが特徴である。このため、約200℃から約400℃の環境では、珪石れんがとモルタルとの接着強度が小さい必要がある。これは、接着強度が大きいモルタルを使用して珪石れんが同士が強固に接合されると、珪石れんがが膨張する際に自由に膨張できなくなり、モジュールブロックに亀裂を生じ得るためである。
(iii)もっとも、珪石れんがが膨張しきった更に高温(コークス炉稼動温度)の環境では、珪石れんが同士を強固に接着し、目地からのガス漏れを防止する必要がある。
しかしながら、一般的な珪石モルタルは、常温から1000℃程度までの強度が極めて低いことから、珪石れんがを使用した大型モジュールブロック用のモルタルとして適さない。
[1]珪石れんが同士の接合に使用されるモルタルであって、80質量%以上97.5質量%以下のSiO2と、0.05質量%以上1.5質量%以下のMgOと、2質量%以上10質量%以下の澱粉とを含有する、モルタル。
[2]常温、湿度60%の条件で7日間乾燥した後に常温で測定される接着曲げ強度が、1.0MPa以上である、上記[1]に記載のモルタル。
[3]0.1MPaの圧縮荷重下において1℃/分で昇温し200℃で5時間保持した後に1℃/分で降温する熱処理を行なった後に常温で測定される接着曲げ強度が、0.3MPa以下である、上記[1]または[2]に記載のモルタル。
[4]上記[1]〜[3]のいずれかに記載のモルタルを用いて珪石れんがを接合してなるモジュールブロック。
本発明のモルタルは、珪石れんが同士の接合に使用されるモルタルであって、80質量%以上97.5質量%以下のSiO2と、0.05質量%以上1.5質量%以下のMgOと、2質量%以上10質量%以下の澱粉とを含有する、モルタルである。
本発明によれば、常温では高強度、約200℃から約400℃では低強度、更に高温のコークス炉稼動温度では再び高強度となるモルタルが得られる。
本発明のモルタルは、結合材として、2質量%以上の澱粉を含有する。これにより、常温で十分な強度が得られる。
より詳細には、本発明のモルタルは、常温および湿度60%の条件で7日間乾燥した後に常温で測定される接着曲げ強度(以下、「接着曲げ強度(常温)」とも表記する)が、1.0MPa以上であることが好ましい。その理由は、次の通りである。
コークス炉の燃焼室をモジュールブロック工法で作製する際に、モジュールブロックのサイズを例えば長さ4m、高さ1mとする場合は、1.0MPaの接着曲げ強度があれば、把持方法にもよるがモジュールブロックを壊さずに運搬および据付することができる。
モジュールブロックのサイズを例えば長さ8m、高さ1mとする場合には、接着曲げ強度(常温)は、1.5MPa以上であることが好ましい。
まず、図2(a)および図2(b)に示すように、35mm×35mm×70mmの直方体に加工した珪石れんが1における35×35mmの面に、水を加えて混練したモルタル2を塗布し、同じサイズの珪石れんが1を押し付けて接着させる。このときモルタル2の厚さが5mmとなるように塗布する。
次いで、所定の条件で乾燥または熱処理した後、図2(c)に示すように、珪石れんが1を支持用ロール3で支持した状態でモルタル2を圧子4で加圧する3点曲げによる曲げ試験を行なう。支持用ロール3の支点間の距離は、厚さの3倍の105mmとする。
なお、その他の条件については、JIS R 2213に準拠する。
この方法により得られる強度値(単位:MPa)を、接着曲げ強度とする。
しかし、澱粉の含有量を10質量%以下にすることで、高温でのクリープ変形が小さくなり、コークス炉稼動温度で十分な強度が得られる。
より詳細には、本発明のモルタルは、0.1MPaの圧縮荷重下において1℃/分で昇温し200℃で5時間保持した後に1℃/分で降温する熱処理を行なった後に常温で測定される接着曲げ強度(以下、「接着曲げ強度(200℃)」とも表記する)が、0.3MPa以下であることが好ましい。これは、モジュールブロックに使用されている珪石れんがが膨張する際に、モジュールブロックに亀裂が生じないようにするためである。
接着曲げ強度(200℃)は、より好ましくは0.2MPa以下であり、更に好ましくは0.1MPa以下である。
モルタルに澱粉を配合した場合、一般的な珪石モルタルと比較して、高温における接着強度が発現しにくくなる場合がある。
そこで、本発明のモルタルは、澱粉と併用して、0.05質量%以上のMgOを含有する。これにより、MgOがSiO2と反応し、微量の融液が生成することにより、モルタルと珪石れんがとが接着し、コークス炉稼動温度で十分な強度が得られる。
より詳細には、本発明のモルタルは、0.1MPaの圧縮荷重下において1℃/分で昇温し1100℃で5時間保持した後に1℃/分で降温する熱処理を行なった後に常温で測定される接着曲げ強度(以下、「接着曲げ強度(1100℃)」とも表記する)が、0.8MPa以上であることが好ましく、1.2MPa以上であることがより好ましい。
本発明のモルタルは、80質量%以上97.5質量%以下のSiO2を含有する。これにより、コークス炉稼動温度における熱膨張特性が珪石れんがと一致し、日々の操業による珪石れんがとモルタルとの接着強度の低下が抑制され、目地切れの発生が抑制される。
本発明のモルタルをれんがに塗布する際には、本発明のモルタルに水を添加して混練することが好ましい。水の添加量は特に限定されないが、れんがに塗布しやすくなるという理由から、一般的には、JIS R 2506「耐火モルタルのちょう度試験方法」におけるちょう度が350程度になる量が好ましい。ちょう度を350程度にするための水の添加率は、骨材の粒度分布等によって異なるが、例えば、モルタルに対して、約25質量%以上35質量%以下の範囲である。
図3のグラフに示すように、一般的な珪石モルタルは常温ではほとんど強度が発現しないのに対して、本発明のモルタルは、常温における接着曲げ強度は2.5MPaと高いにもかかわらず、200℃以上では一般的な珪石モルタルと同様な強度特性を示す。すなわち、200℃では0.08MPaに強度が低下し、れんがの膨張がほぼ終了する700℃までは0.08MPaと低いままである。そして、1000℃以上では、再び接着強度が増加して、れんがとモルタルとが強固に接着する。
本発明のモジュールブロックは、上述した本発明のモルタルを用いて、珪石れんがを接合してなるモジュールブロックである。
本発明のモルタルを用いることで、常温でのモジュールブロック自体の強度を大きくできるので、大型のモジュールブロックを炉外の作製場所で作製し、コークス炉の据付場所へ運搬できる。すなわち、モジュールブロック工法を、コークス炉の新設またはパドアップにも適用できる。
(モルタルの調製)
常温で強度が発現する結合材として、澱粉(タピオカ澱粉、コーンスターチまたは馬鈴薯澱粉)、フェノールレジンまたはアルミナセメントを選定し、各種原料を混合して、結合剤、SiO2およびMgOを下記表1に示す含有量で含有するモルタルを得た。なお、結合剤、SiO2およびMgOの3成分の合計量が100質量%でないのは、SiO2原料に由来して不可避的にその他の成分が含有されているからである。
得られたモルタル(100質量%)に、28質量%の水を添加して混練し、これを珪石れんが間に塗布して、上述した方法により、接着曲げ強度(常温)、接着曲げ強度(200℃)および接着曲げ強度(1100℃)を測定した(単位:MPa)。結果を下記表1に示す。
得られたモルタル(100質量%)に、28質量%の水を添加して混練し、これを120mm×30mm×30mmの型枠に流し込み、常温で3日後に型枠を取り外し、さらに常温で7日間の乾燥を行なった後、約7mm×7mm×50mmに加工することにより、熱膨張測定用の試験体を作製した。作製した試験体を、大気中で、600℃から1200℃までの線膨張率を測定し、線膨張率の変化量を求めた(単位:%)。この変化量が−0.2%から0.1%の範囲内であれば、コークス炉稼動温度での接着強度を維持できる。結果を下記表1に示す。
上記と同様に水を添加したモルタルを、φ50×47.5mmの珪石れんが間に、5mmの厚さになるように塗布して、珪石れんがとモルタルとの複合体を作製し、0.4MPaの圧縮荷重下において1℃/分で昇温し1500℃で25時間保持し、クリープ変形量を測定した。クリープ値は、珪石れんがと比較し、その変形量の差をΔD25で表した(単位:%)。この値が−0.30%から0%の範囲内であれば、コークス炉稼動温度での強度が十分であると評価できる。結果を下記表1に示す。
具体的には、接着曲げ強度(常温)が1.0MPa以上であった。また、接着曲げ強度(200℃)が0.3MPa以下であった。更に、接着曲げ強度(1100℃)が0.8MPa以上であり、600℃から1200℃における線膨張率の変化量が−0.2%から0.1%の範囲内であり、クリープ変形ΔD25が−0.30%から0%の範囲内であった。
また、澱粉の含有量が15質量%である比較例2は、クリープ変形ΔD25が−0.35%と大きく、コークス炉稼動温度での強度が不十分であることが分かった。
また、SiO2の含有量が78質量%である比較例3は、600℃から1200℃における線膨張率の変化量が、珪石れんが(0.1%)よりも大きい0.2%であり、コークス炉稼動温度での強度が不十分であることが分かった。
また、結合材として、澱粉に代えて、フェノールレジンまたはアルミナセメントを使用した比較例4および5は、接着曲げ強度(200℃)が0.3MPaを超えており、約200℃から約400℃での強度が低下せずに高すぎることが分かった。
また、MgOの含有量が0.02質量%である比較例6は、接着曲げ強度(1100℃)が0.4MPaと低く、コークス炉稼動温度での強度が不十分であることが分かった。
また、MgOの含有量が1.9質量%である比較例7は、クリープ変形ΔD25が−0.41%と大きく、コークス炉稼動温度での強度が不十分であることが分かった。
2:モルタル
3:支持用ロール
4:圧子
Claims (4)
- 珪石れんが同士の接合に使用されるモルタルであって、80質量%以上97.5質量%以下のSiO2と、0.05質量%以上1.5質量%以下のMgOと、2質量%以上10質量%以下の澱粉とを含有する、モルタル。
- 常温および湿度60%の条件で7日間乾燥した後に常温で測定される接着曲げ強度が、1.0MPa以上である、請求項1に記載のモルタル。
- 0.1MPaの圧縮荷重下において1℃/分で昇温し200℃で5時間保持した後に1℃/分で降温する熱処理を行なった後に常温で測定される接着曲げ強度が、0.3MPa以下である、請求項1または2に記載のモルタル。
- 請求項1〜3のいずれか1項に記載のモルタルを用いて珪石れんがを接合してなるモジュールブロック。
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