JP6805673B2 - 耐火物の溶射補修方法 - Google Patents

Description

本発明は、耐火物の溶射補修方法に関し、特に、熱風炉やコークス炉の炉壁などに使用される珪石レンガ耐火物の溶射補修方法に関する。

高炉に供給する空気を加熱する熱風炉の炉壁や石炭を乾留してコークスを製造するコークス炉の炉壁などには珪石レンガ耐火物が使用されている。熱風炉やコークス炉の炉壁などを構成する珪石レンガ耐火物は長年の使用によって損傷するため、適宜、補修される。

上記補修方法の一つとして溶射補修方法がある。この方法は、燃焼熱又は金属酸化熱により溶融させた補修材を珪石レンガの損傷した部位に吹き付け、硬化した補修材で当該部位を充填する補修方法であり、燃焼熱による補修方法を火炎溶射法、金属酸化熱による補修方法をテルミット溶射法と呼んでいる。

例えば、特許文献１には、被補修部（損傷部）に緻密質の第１の溶射施工体を施した後、第１層と同質の緻密質溶射材に低溶融点の粉末を混合して多孔質の溶射材とした第２の溶射施工体を第１の溶射施工体上に施す技術が開示されている。
また、特許文献２には、溶射補修材中の易被酸化性金属粒子の配合率の増加、溶融補修直前の基体炉壁温度を溶射補修材中に配合する易被酸化性金属の融点より高くすること、炉壁側近傍の溶射補修層形成時の火炎温度を高めることなどにより、炉壁面と溶射補修層の間に溶融固化層を存在させ、炉壁への溶射補修層の接着性を向上させる技術が開示されている。

特開昭５９−２２５２８６号公報 特開２００７−３３０２３号公報

しかしながら、特許文献１記載の技術の場合、第２層の溶融点が低く多孔質であるため、耐スケール性や接着強度が低く、短命となる。また、第２層を低溶融点化するため、溶射材の厚さ確保が困難となる。なお、特許文献１には第１層の溶射材に関する記載が無く、第１層が損傷部から剥離しやすいと推察される。

また、特許文献２記載の技術の場合、寿命延長効果はあると考えられるが、燃焼熱（壁面温度）が一定となるように管理することが難しいため、溶射補修材を均一に溶融させることが困難である。また、第１層の温度が高いほど、第２層の溶射補修材の厚さ確保、即ち断熱性確保が難しくなる。さらにまた、炉壁温度を上昇させるまでに時間が掛かることに加えて、炉壁温度及び火炎温度を上昇させるため可燃性ガス及び支燃性ガスが必要となり、溶射機器の構造が複雑となる。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、耐火物の損傷部から補修耐火物が剥離しないようにして補修耐火物の長寿命化を図ると共に、鉄皮温度の急激な上昇を防止することが可能な耐火物の溶射補修方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、珪石レンガ耐火物の損傷部に、溶射前組成としてＳｉＯ_２を５０質量％以上含有する（金属Ｓｉを含む場合はＳｉＯ_２に換算する）第１の補修耐火物を溶射施工する耐火物の溶射補修方法であって、
前記第１の補修耐火物を溶射する前に、溶射前組成としてＳｉＯ_２を５０質量％以上含有し（金属Ｓｉを含む場合はＳｉＯ_２に換算する）、前記第１の補修耐火物に対する、下記（１）〜（５）の手順で測定される溶融点の降下代が１０℃〜１００℃である第２の補修耐火物を溶射施工することを特徴としている。
（１）補修耐火物を５００ｇ取り出し、大気雰囲気の電気炉内で、炉温１０００℃未満は６℃／ｍｉｎ、１０００℃以上は４℃／ｍｉｎで昇温し、１２００℃を４時間維持する。
（２）炉冷して外気温度まで補修耐火物を低下させた後、補修耐火物の粒径が１ｍｍ以下となるまで粉砕する。
（３）上記（１）、（２）の工程を３回繰り返す。
（４）粉砕した補修耐火物を直径１０ｍｍ×高さ１０ｍｍの円筒容器に投入した後、当該円筒容器を反転し、直径１０ｍｍ×高さ１０ｍｍの補修材成形物を作製する。
（５）大気雰囲気の電気炉内で、炉温１０００℃未満は６℃／ｍｉｎ、１０００℃以上は４℃／ｍｉｎで昇温し、補修材成形物の状態を目視観察し、補修材成形物の角が溶け始めた温度をその補修耐火物の溶融点とする。

本発明では、溶融点（溶融温度）の異なる２種類の補修耐火物を準備する。そして、１層目に溶融点の低い第２の補修耐火物を溶射施工することにより、珪石レンガ耐火物の損傷部の凹凸や亀裂に第２の補修耐火物が浸透し、損傷部に第２の補修耐火物が強固に接着する。次いで、溶融点の高い第１の補修耐火物を、第２の補修耐火物の表面を溶融させながら溶射施工し、補修耐火物の厚さを確保する。

また、本発明に係る耐火物の溶射補修方法では、前記第２の補修耐火物の溶射前組成におけるＳｉＯ_２含有量には、ＳｉＯ_２換算した金属Ｓｉを１０質量％〜４０質量％（金属ＳｉをＳｉＯ_２に換算したうえで前記第２の補修耐火物の溶射前組成全体を１００質量％とする）含み、
前記第２の補修耐火物の溶射に酸素ガス又は酸素含有ガスを使用し、前記金属Ｓｉを酸化発熱させて前記第２の補修耐火物を溶融させるようにしてもよい。

当該構成は、第２の補修耐火物に含まれる金属Ｓｉを用いたテルミット溶射法による耐火物の補修方法について規定する。テルミット溶射法では、溶射施工した後も酸化発熱が続くので、第２の補修耐火物が施工面になじみやすく、第１の補修耐火物と第２の補修耐火物間の接着強度が高くなる。

本発明に係る耐火物の溶射補修方法では、１層目に溶融点の低い第２の補修耐火物を溶射施工することにより、珪石レンガ耐火物の損傷部の凹凸や亀裂に第２の補修耐火物が浸透し、損傷部の界面から補修耐火物が剥離するのを防止して補修耐火物の長寿命化を図ることができる。また、第２の補修耐火物の溶射施工後に、第１の補修耐火物を、第２の補修耐火物の表面を溶融させながら溶射施工するので、第１の補修耐火物と第２の補修耐火物間の接着強度が高くなる。仮に第１の補修耐火物が剥離した場合でも、接着強度の高い第２の補修耐火物が剥離せずに残存し、補修耐火物の脱落による鉄皮温度の急激な温度上昇を防止することができる。その結果、施工前に炉壁温度を上昇させる必要がなく、補修時間が短縮されると共に、溶射機器の構造を簡略化することができる。

（Ａ）〜（Ｃ）は本発明の第１の実施の形態に係る耐火物の溶射補修方法の手順を説明するための模式図である。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。

［第１の実施の形態］
図１を用いて、本発明の第１の実施の形態に係る耐火物の溶射補修方法の手順について説明する。
本実施の形態が対象とする耐火物は、熱風炉やコークス炉の炉壁などに使用される珪石レンガ耐火物１０である。珪石レンガ耐火物１０の組成はＳｉＯ_２が８５質量％以上であり、ＳｉＯ_２が９３質量％以上のものが一般に使用されている。熱風炉やコークス炉の炉壁などを構成する珪石レンガ耐火物１０は長年の使用によって、図１（Ａ）に示すように、凹凸状の損傷部１１が発生する。

本実施の形態では、溶融点の高い第１の補修耐火物１３と溶融点の低い第２の補修耐火物１２を準備し、珪石レンガ耐火物１０の損傷部１１に、第１の補修耐火物１３よりも溶融点が１０℃〜１００℃低い第２の補修耐火物１２を溶射施工した（図１（Ｂ）参照）後、第１の補修耐火物１３を、第２の補修耐火物１２の表面１２ａを溶融させながら溶射施工する（図１（Ｃ）参照）。
なお、溶射方法は、燃焼熱による火炎溶射法、金属酸化熱によるテルミット溶射法のいずれでもよい。

第１の補修耐火物１３及び第２の補修耐火物１２は、溶射前組成としてＳｉＯ_２を５０質量％以上含有する。ただし、第１の補修耐火物１３及び第２の補修耐火物１２が金属Ｓｉを含む場合は、金属ＳｉをＳｉＯ_２に換算する。
第２の補修耐火物１２の溶射前組成としてＳｉＯ_２を５０質量％以上含有していると、ＳｉＯ_２組成の多い珪石レンガ耐火物１０との接着性が良い。また、第１の補修耐火物１３の溶射前組成としてＳｉＯ_２を５０質量％以上含有していると、ＳｉＯ_２組成の多い第２の補修耐火物１２との接着性が良い。

第１の補修耐火物１３の溶融点は一般に１５００℃〜２０００℃である。
また、第２の補修耐火物１２に融点調整用酸化物を添加することにより、第１の補修耐火物１３に対する第２の補修耐火物１２の溶融点降下代を１０℃〜１００℃に調整する。融点調整用酸化物には、ＭｇＯ、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏ、Ｆｅ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３などが用いられる。

なお、第１の補修耐火物１３に対する第２の補修耐火物１２の溶融点降下代が１０℃〜１００℃の範囲外である場合、以下のような課題がある。
第２の補修耐火物１２の溶融点降下代が１０℃未満である場合、第１の補修耐火物１３とほぼ同じ溶融点を第２の補修耐火物１２が有するため、損傷部１１の凹凸や亀裂への第２の補修耐火物１２の浸透効果に関して、第１の補修耐火物１３よりも高い効果を得ることができない。また、第１の補修耐火物１３の溶射施工時に、十分に溶融した第２の補修耐火物１２の表面１２ａを形成することができず、第１の補修耐火物１３と第２の補修耐火物１３の接着性が低下する。

一方、第２の補修耐火物１２の溶融点降下代が１００℃超である場合、第１の補修耐火物１３溶射時に第２の補修耐火物１２の溶融が著しく進み、第１の補修耐火物１３の粒子が損傷部１１に衝突した際に、溶融した第２の補修耐火物１２を排除し、第２の補修耐火物１２の施工部が薄肉化あるいは無くなる場合がある。その結果、第１の補修耐火物１３と損傷部１１が直接接触する場合があり、補修後の稼働時に第１の補修耐火物１３が損傷部１１の界面から剥離する場合がある。

なお、第１の補修耐火物１３及び第２の補修耐火物１２の溶融点は以下の方法により測定する。
（１）補修耐火物を５００ｇ取り出し、大気雰囲気の電気炉内で、炉温１０００℃未満は６℃／ｍｉｎ、１０００℃以上は４℃／ｍｉｎで昇温し、１２００℃を４時間維持する。
（２）炉冷して外気温度まで補修耐火物を低下させた後、補修耐火物の粒径が１ｍｍ以下となるまで粉砕する。
（３）上記（１）、（２）の工程を３回繰り返す。これにより、補修耐火物中の金属Ｓｉは酸化して全てＳｉＯ_２となる。
（４）粉砕した補修耐火物を直径１０ｍｍ×高さ１０ｍｍの円筒容器に投入した後、当該円筒容器を反転し、直径１０ｍｍ×高さ１０ｍｍの補修材成形物を作製する。
（５）大気雰囲気の電気炉内で、炉温１０００℃未満は６℃／ｍｉｎ、１０００℃以上は４℃／ｍｉｎで昇温し、補修材成形物の状態を目視観察し、補修材成形物の角が溶け始めた温度をその補修耐火物の溶融点とする。

［第２の実施の形態］
本実施の形態は、基本的な補修手順は第１の実施の形態と同様であるが、溶射方法をテルミット溶射法に特定している。
第２の補修耐火物１２の溶射時に、第２の補修耐火物１２に含まれる金属Ｓｉの酸化発熱を用いて第２の補修耐火物１２の温度を上昇させ、第２の補修耐火物１２を溶融する。本実施の形態では、損傷部１１に第２の補修耐火物１２が付着した後も金属Ｓｉの酸化発熱が続くため、損傷部１１の凹凸や亀裂への第２の補修耐火物１２の浸透効果がより得やすくなる。

第２の補修耐火物１２の溶射前組成におけるＳｉＯ_２含有量には、ＳｉＯ_２換算した金属Ｓｉを１０質量％〜４０質量％含んでいる。ただし、第２の補修耐火物１２の溶射前組成全体を１００質量％とする。
また、テルミット溶射では金属Ｓｉが酸化発熱反応を起こすため、キャリアガスには酸素ガス又は酸素含有ガスを使用する。

なお、第２の補修耐火物１２の溶射前組成に含まれる金属Ｓｉの含有量が１０質量％〜４０質量％の範囲外である場合、以下のような課題がある。
金属Ｓｉの含有量が１０質量％未満である場合、溶射後の酸化発熱量が少ないため、溶射後において第２の補修耐火物１２の温度低下が起こる。その結果、第２の補修耐火物１２の亀裂への侵入が十分ではなく、補修部位の寿命向上効果は得られるものの十分とはいえない。

一方、金属Ｓｉの含有量が４０質量％超である場合、溶射後の酸化発熱量が多いため、第２の補修耐火物１２の溶融が過剰となり、溶射材の厚さを確保することができない。第２の補修耐火物１２の溶射材厚さが確保ができないと、第１の補修耐火物１３の溶射時に第２の補修耐火物１２の溶融が著しく進み、第１の補修耐火物１３の粒子が損傷部１１に衝突した際に、溶融した第２の補修耐火物１２が流下して無くなったり、第２の補修耐火物１２の施工部が薄肉化することがある。その結果、損傷部１１へ第２の補修耐火物１２が十分浸透することができない、第１の補修耐火物１３を損傷部１１に接合するバインダーとしての機能を第２の補修耐火物１２が十分に発揮することができない等の問題が生じ、補修部位の寿命向上効果は得られるものの十分ではない。

また、第１の補修耐火物１３の溶射時にテルミット溶射を用いて、第２の補修耐火物１２に第１の補修耐火物１３を溶射すると、十分に溶融した第２の補修耐火物１２の表面１２ａを形成することができる。その後も第１の補修耐火物１３の溶射を続けると、第１の補修耐火物１３が付着した後も金属Ｓiの酸化発熱が続き、第２の補修耐火物１２の再溶融が促進され、第１の補修耐火物１３と第２の補修耐火物１２の接着性が向上する。

以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。

本発明の効果を検証するために実施した検証試験について説明する。
検証試験では、第２の補修耐火物の溶射前ＳｉＯ_２の含有量（金属Ｓｉを含む場合はＳｉＯ_２に換算する。）、溶射前ＳｉＯ_２中の金属Ｓｉの含有量（ただし、金属ＳｉをＳｉＯ_２に換算したうえで第２の補修耐火物の溶射前組成全体を１００質量％とする。）、及び第１の補修耐火物に対する第２の補修耐火物の溶融点降下代、並びに、キャリアガスの種類、第１の補修耐火物の溶射前ＳｉＯ_２の含有量（金属Ｓｉを含む場合はＳｉＯ_２に換算する。）をパラメータとして本発明の効果について検証した。補修対象は熱風炉の炉壁とした。試験結果の一覧を表１に示す。

実施例３を除く全ての実施例と全ての比較例はテルミット溶射法により、実施例３は火炎溶射法により損傷部の補修を行った。従来例１及び２は、第１の補修耐火物に対する第２の補修耐火物の溶融点降下代をゼロとし、特許文献２記載の方法に従って火炎溶射法により損傷部の補修を行った。
なお、比較例５は、第２の補修耐火物がなく第１の補修耐火物のみとした。

第１の補修耐火物の溶射前ＳｉＯ_２中の金属Ｓｉの含有量は、従来例１を除いて、第２の補修耐火物の溶射前ＳｉＯ_２中の金属Ｓｉの含有量と同じである。
第１の補修耐火物の溶融点は１６７５℃である。また、第２の補修耐火物の溶融点は補修材中にＭｇＯを添加して調整した。

従来例１では、第１の補修耐火物の溶射前ＳｉＯ_２中の金属Ｓｉの含有量は１５質量％とし、従来例２では、第１の補修耐火物に比べて第２の補修耐火物の溶射火炎温度を２５０℃上昇させた。

耐用性の評価については、補修部位中の１ｍ^２の領域について補修耐火物が剥離するまでの期間を調査し、補修耐火物が剥離するまでの期間が１．５年を超える場合を◎、１．０年以上１．５年以下の場合を〇、１．０年未満の場合を×とした。

同表より以下のことがわかる。
・全ての実施例は、補修耐火物が剥離するまでの期間が１．０年以上であった。特に、溶射前ＳｉＯ_２中の金属Ｓｉの含有量が１０質量％〜４０質量％であると、補修耐火物が剥離するまでの期間は１．５年超であった。
・全ての比較例は、補修耐火物が剥離するまでの期間が１．０年未満であった。
・従来例１及び２では、第２の補修耐火物の溶融性は上がるが、第１の補修耐火物と第２の補修耐火物の溶融点が同じであるため、第２の補修耐火物の溶融点を低下させることによる亀裂浸透効果が発揮できず耐用性が悪くなると共に、第１の補修耐火物溶射時に第２の補修耐火物の表面を十分に溶融させることができず、第１の補修耐火物と第２の補修耐火物との間で剥離が生じ耐用性が悪くなる。

１０：珪石レンガ耐火物、１１：損傷部、１２：第２の補修耐火物、１２ａ：表面、１３：第１の補修耐火物

Claims (2)

1. 珪石レンガ耐火物の損傷部に、溶射前組成としてＳｉＯ_２を５０質量％以上含有する（金属Ｓｉを含む場合はＳｉＯ_２に換算する）第１の補修耐火物を溶射施工する耐火物の溶射補修方法であって、
   前記第１の補修耐火物を溶射する前に、溶射前組成としてＳｉＯ_２を５０質量％以上含有し（金属Ｓｉを含む場合はＳｉＯ_２に換算する）、前記第１の補修耐火物に対する、下記（１）〜（５）の手順で測定される溶融点の降下代が１０℃〜１００℃である第２の補修耐火物を溶射施工することを特徴とする耐火物の溶射補修方法。
   （１）補修耐火物を５００ｇ取り出し、大気雰囲気の電気炉内で、炉温１０００℃未満は６℃／ｍｉｎ、１０００℃以上は４℃／ｍｉｎで昇温し、１２００℃を４時間維持する。
   （２）炉冷して外気温度まで補修耐火物を低下させた後、補修耐火物の粒径が１ｍｍ以下となるまで粉砕する。
   （３）上記（１）、（２）の工程を３回繰り返す。
   （４）粉砕した補修耐火物を直径１０ｍｍ×高さ１０ｍｍの円筒容器に投入した後、当該円筒容器を反転し、直径１０ｍｍ×高さ１０ｍｍの補修材成形物を作製する。
   （５）大気雰囲気の電気炉内で、炉温１０００℃未満は６℃／ｍｉｎ、１０００℃以上は４℃／ｍｉｎで昇温し、補修材成形物の状態を目視観察し、補修材成形物の角が溶け始めた温度をその補修耐火物の溶融点とする。
2. 請求項１記載の耐火物の溶射補修方法において、前記第２の補修耐火物の溶射前組成におけるＳｉＯ_２含有量には、ＳｉＯ_２換算した金属Ｓｉを１０質量％〜４０質量％（金属ＳｉをＳｉＯ_２に換算したうえで前記第２の補修耐火物の溶射前組成全体を１００質量％とする）含み、
   前記第２の補修耐火物の溶射に酸素ガス又は酸素含有ガスを使用し、前記金属Ｓｉを酸化発熱させて前記第２の補修耐火物を溶融させることを特徴とする耐火物の溶射補修方法。

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