JP7225928B2

JP7225928B2 - セラミックファイバーブロックへの不定形耐火物被覆方法

Info

Publication number: JP7225928B2
Application number: JP2019039490A
Authority: JP
Inventors: 佳津弥鈴村; 尚巳高橋; 元邦板楠; 浩志今川; 拓也松本; 智宏荒木; 稜平小松; 直奈藤松
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2019-03-05
Filing date: 2019-03-05
Publication date: 2023-02-21
Anticipated expiration: 2039-03-05
Also published as: JP2020143822A

Description

本発明は、加熱炉の炉壁の内張りに用いたセラミックファイバーブロックの稼働面を不定形耐火物で被覆する方法に関する。

鉄鋼業では、鋼片を加熱する加熱炉の断熱性を向上させるため、加熱炉の側壁や天井の内面にセラミックファイバーブロックを碁盤目状に並べて設置することが一般的に行われている。しかし、セラミックファイバーブロックは、長期間の使用に伴い、炉内で発生するスケール（ＦｅＯ、Ｆｅ_２Ｏ_３）と反応して低融点化し損耗する。損耗が進行すると、セラミックファイバーブロックの断熱性能が劣化する。

セラミックファイバーブロックの損耗を抑制する方法として、セラミックファイバーブロックの表面を被覆材でコーティングする技術が知られているが、被覆材が剥落するため、セラミックファイバーブロックを保護する効果が十分に発揮されないという問題があった。

そこで、例えば特許文献１では、無機質断熱ファイバー（セラミックファイバー）の表面に表面硬化材の塗膜を介して耐火セラミックスの溶射皮膜を有する高耐用性断熱材が開示されている。特許文献１には、表面硬化材塗膜がファイバーと溶射皮膜とのボンド（バインダー）的な役割を果たし、それぞれに対し高接着性を有するため、強固な溶射皮膜にできると記載されている。

また、特許文献２では、無機繊維質断熱材（セラミックファイバー）を内張に用いた炉壁構造体の補修方法において、補修箇所にある既設の無機繊維質断熱材に防塵材を吹付け、その後で無機繊維質接着材を吹付け、さらに補修用の無機繊維質湿式吹付材を吹付ける技術が開示されている。特許文献２には、強度の劣化した既設の無機繊維質断熱材を大幅に除去することなく、その表面に新規の無機繊維質断熱材を新設できるので、施工が容易となり、工期も短縮でき、さらに作業環境を改善する効果もあると記載されている。

特開２００１－２４８９７２号公報特開平９－３１８２７７号公報

しかしながら、特許文献１記載の技術は、溶射皮膜を採用しているため、セラミックファイバーが過度に加熱（セラミックファーバーブロックを設置した炉の温度を超える温度、例えば１２００℃を超える温度）されて劣化しやすく破断を招き易いという課題がある。

また、特許文献２記載の技術によれば、セラミックファイバーブロックを無機繊維質湿式吹付材で被覆することにより断熱性能が向上するが、耐火材と比較して強度が低く、バーナー噴流によって無機繊維質湿式吹付材が剥落するという課題がある。
そこで、無機繊維質湿式吹付材による被覆に代えて、単位面積当たりの被覆質量が増大する不定形耐火物を吹付けたところ、セラミックファイバーが破断して耐火物層が剥落する場合があることが判明した。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、セラミックファイバーブロックを保護する不定形耐火物がセラミックファイバーから剥落するのを抑制してセラミックファイバーの損耗量を低減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、加熱炉の炉壁の内張りに用いたセラミックファイバーブロックの稼働面を不定形耐火物で被覆する方法であって、
コロイダルシリカ及び／又はケイ酸塩水溶液からなり、シリカ含有量が１０質量％以上、且つ粘度が常温で４ｍＰａ・ｓ～２０００ｍＰａ・ｓである補強材を前記セラミックファイバーブロックの稼働面へ塗布量０．２５リットル／ｍ ^２～１．０リットル／ｍ ^２で吹付けた後、該吹付け面に不定形耐火物を塗布して１ｍｍ～１０ｍｍの耐火物層を形成することを特徴としている。

ここで、「塗布」は、スプレーなどによる吹付け、鏝塗り、刷毛塗り、手塗りなど従来から知られている塗布技術の総称である。

セラミックファイバーブロックの表面を保護する不定形耐火物（以下、「耐火材」と呼ぶことがある。）は、接着面での剥離が課題とされていた。

本発明者らは上記課題について詳細な検討を行い以下の知見を得た。
セラミックファイバーは高温にさらされると硬化し、引張強度が低下して折れやすくなる。そのため、接着面の強度を上げても、接着面近傍のセラミックファイバーが破断し、耐火材と耐火材近傍のセラミックファイバーが剥落する場合がある。

上記知見に基づき、本発明者らは、耐火材近傍のセラミックファイバーを強化することにより耐火材の剥落を防止する本発明に想到した。即ち、シリカ（ＳｉＯ_２）を含有する補強材をセラミックファイバーブロックの稼働面へ吹付けて、セラミックファイバー層にシリカを浸透させる。加熱炉の稼働に伴って、セラミックファイバー層に浸透したシリカがガラス化してセラミックファイバー間に架橋を形成してセラミックファイバー層を強化する。これにより、耐火材近傍のセラミックファイバーが折れにくくなり、耐火材と耐火材近傍のセラミックファイバーが剥落しにくくなる。

本発明に係るセラミックファイバーブロックへの不定形耐火物被覆方法では、加熱炉の稼働に伴って、セラミックファイバー層に浸透したシリカがガラス化してセラミックファイバー間に架橋を形成するので、耐火材近傍のセラミックファイバーが折れにくくなり、耐火材と耐火材近傍のセラミックファイバーが剥落しにくくなる。その結果、耐火材によるセラミックファイバーブロックの保護効果が充分発揮され、セラミックファイバーの損耗量を低減することができる。

本発明が実施されたセラミックファイバーブロックの側面図である。セラミックファイバーブロックに吹付けた補強材の粘度が常温で５０００ｍＰａ・ｓの場合におけるセラミックファイバー層の状態を示したイメージ図である。セラミックファイバーブロックに吹付けた補強材の粘度が常温で１．３ｍＰａ・ｓの場合に、加熱炉の稼働に伴って、セラミックファイバー層に浸透したシリカがガラス化してセラミックファイバー同士が固着したときのイメージ図である。セラミックファイバーブロックに吹付けた補強材の粘度が常温で４ｍＰａ・ｓ以上９０ｍＰａ・ｓ以下の場合に、加熱炉の稼働に伴って、セラミックファイバー層に浸透したシリカがガラス化してセラミックファイバー同士が固着したときのイメージ図である。セラミックファイバーブロックに吹付けた補強材の粘度が常温で９０ｍＰａ・ｓ超２０００ｍＰａ・ｓ以下の場合に、加熱炉の稼働に伴って、セラミックファイバー層に浸透したシリカがガラス化してセラミックファイバー同士が固着したときのイメージ図である。

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。

加熱炉の側壁や天井といった炉壁の内面（炉内壁）には、セラミックファイバーブロックが碁盤目状に並べて設置（内張り）されている。セラミックファイバーブロック１０は、図１に示すように、セラミックファイバーからなるブロック体１１と、ブロック体１１を炉殻１３の内面に固定するための支持金物１２と、支持金物１２をブロック体１１に装着するためのビーム材（図示省略）とから概略構成されている。

ブロック体１１は、シート状のセラミックファイバーブランケットを積層して直方体状としたものであり、ブロック体１１の一辺の長さは１００ｍｍ～６００ｍｍ程度とされている。本実施の形態では、帯状のセラミックファイバーブランケットを葛折り状に折りたたんでブロック体１１としている。

セラミックファイバーブロック１０を炉殻１３の内面に固定する際は、支持金物１２から突出するボルト１４を、炉殻１３に形成したボルト孔（図示省略）に挿入し、炉殻１３の外面に露出しているボルト１４にワッシャー１５及びナット１６を取付け、炉殻１３の内面にセラミックファイバーブロック１０を固定する。

次に、セラミックファイバーブロック１０の稼働面を不定形耐火物で被覆する方法（本発明の一実施の形態に係るセラミックファイバーブロックへの不定形耐火物被覆方法）について説明する。
［ＳＴＥＰ－１］
コロイダルシリカ及び／又はケイ酸塩水溶液からなり、シリカ含有量が１０質量％以上、且つ粘度が常温で４ｍＰａ・ｓ～２０００ｍＰａ・ｓである補強材を、スプレー等を用いてセラミックファイバーブロック１０の稼働面へ吹付け、ブロック体１１に補強材浸潤層１７を形成する（図１参照）。

補強材の粘度は、ＪＩＳＺ８８０３：２０１１「液体の粘度測定方法」に記載されている細管粘度計により測定する。

コロイダルシリカは、非晶質シリカ粒子（粒径１μｍ以下）を添加した水溶液で、常温粘度が１．０ｍＰａ・ｓ以上のものが知られている。非晶質シリカ粒子の添加量を増加させると粘度が上昇するが、それ以外に、水の一部を代替する高粘性液体の添加によりコロイダルシリカの粘度を調整することができる。高粘性液体には、有機物系バインダーを使用することができる。

ケイ酸塩水溶液は、シリカを含有する水溶液で、常温粘度１．０ｍＰａ・ｓ以上のものが知られている。シリカの含有量を増加させると粘度が上昇するが、それ以外に、アルカリ金属の添加や、水の一部を代替する高粘性液体の添加によりケイ酸塩水溶液の粘度を調整することができる。

コロイダルシリカ及び／又はケイ酸塩水溶液からなる補強材のシリカ含有量が１０質量％未満の場合、セラミックファイバー２０間にガラス化したシリカ２１からなる架橋を形成することができない（図３参照）。シリカ含有量の上限値は補強材の粘度によって規定される。

また、補強材の粘度が常温で４ｍＰａ・ｓ未満、例えば１．３ｍＰａ・ｓの場合、図３に示すように、補強材の粘度が低すぎるため、セラミックファイバー２０間にガラス化したシリカ２１からなる架橋を形成することができない。一方、補強材の粘度が常温で２０００ｍＰａ・ｓ超、例えば５０００ｍＰａ・ｓの場合、図２に示すように、補強材がセラミックファイバー層に浸透せず補強材浸潤層１７が形成されない。

補強材の粘度が常温で４ｍＰａ・ｓ～２０００ｍＰａ・ｓの場合、図４及び図５に示すように、シリカ成分がセラミックファイバー層に浸透してセラミックファイバー２０間にガラス化したシリカ２１からなる架橋が複数形成される。これにより、セラミックファイバー２０同士が固着し、セラミックファイバー層を強化することができる。特に、補強材の粘度が常温で４ｍＰａ・ｓ～９０ｍＰａ・ｓの場合（図４参照）、ガラス化したシリカ２１がセラミックファイバー２０間に適度な空隙を残して架橋を形成するので、セラミックファイバーブロック１０の高い断熱性を維持することができる。

補強材の塗布量は０．２５リットル／ｍ^２～１．０リットル／ｍ^２とする。
補強材の塗布量が０．２５リットル／ｍ^２未満の場合、セラミックファイバー２０間に架橋が形成されない一方、補強材の塗布量が１．０リットル／ｍ^２超の場合、セラミックファイバー２０間に適度な空隙が形成されずセラミックファイバーブロック１０の断熱性が損なわれる。

［ＳＴＥＰ－２］
補強材を吹付けた面に不定形耐火物を塗布して１ｍｍ～１０ｍｍの耐火物層１８を形成する（図１参照）。

耐火物層１８は、炉内で発生するスケール（ＦｅＯ、Ｆｅ_２Ｏ_３）からセラミックファイバーを保護する機能を有している。
耐火物層１８が１ｍｍ未満の場合、不定形耐火物による被覆化が不十分となる一方、耐火物層１８が１０ｍｍ超であると、自重により耐火物層１８が剥落する。

以上、本発明の一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。

本発明の効果について検証するために実施した検証試験について説明する。
試験結果の一覧を表１に示す。

施工対象は、炉内雰囲気が１０５０～１２００℃となる加熱炉の天井部とした。
天井部のライニングは、鉄皮側より、セラミックファイバーブロック、耐火物層（不定形耐火物の厚さは表１参照）とした。なお、セラミックファイバーブロックの厚さは、炉の稼働初期に鉄皮温度が１００～１５０℃の範囲となるよう設定している。

補強材は、表１記載の材料からなる補強材をセラミックファイバーブロックの稼働面へ所定量（０．５リットル／ｍ^２）吹付けた。当該吹付けの後、不定形耐火物を吹付けもしくは鏝塗によって施工した。
不定形耐火物には、かさ密度１．１（ｇ／ｃｍ^３）のアルミナ質不定形耐火物を使用した。
なお、比較例１では、アルミナゾルの１０質量％添加と有機物系バインダー添加量の調整により補強材の粘度を調整した。従来例は補強材を使用しなかった。

試験結果の評価は以下のように行った。
判定１は全試験ケースについて実施した。加熱炉の稼働から半年が経過した時点で、天井部位の９００ｍｍ×９００ｍｍの範囲を目視点検し、セラミックファイバー層の露出が確認できなかった場合を○判定、セラミックファイバー層の露出が確認できた場合（耐火物層の剥落が確認できた場合）は×判定とした。
判定２は実施例のみ実施した。試験を実施した部位について炉の稼働初期の鉄皮温度が１３０℃未満の場合は優判定、１３０℃以上の場合は劣判定とした。

検証試験より判明した事項を以下に列記する。
・実施例１～８では、セラミックファイバー層の露出が確認されず、判定１は○判定、判定２は実施例３を除いて優判定であった。実施例３は、粘度が好ましい範囲の上限である９０ｍＰａ・ｓを超えたため、断熱性が低下し、判定２が劣判定であった。ただし、実用可能である。

・比較例１は、補強材にアルミナゾルを添加したものであり、シリカ含有量が０（ゼロ）質量％であったため、粘度が４ｍＰａ・ｓ（４ｍＰａ・ｓ～２０００ｍＰａ・ｓの範囲内）、不定形耐火物の厚みが３ｍｍ（１～１０ｍｍの範囲内）であったが、判定１が×判定であった。
・比較例２は、補強材としてコロイダルシリカを用い、シリカ含有量が１０質量％、不定形耐火物の厚みが３ｍｍ（１～１０ｍｍの範囲内）であったが、粘度が１．４ｍＰａ・ｓ(４ｍＰａ・ｓ未満)であったため、判定１が×判定であった。
・比較例３は、粘度が３０００ｍＰａ・ｓ（２０００ｍＰａ・ｓ超）であったため、判定１が×判定であった。
・比較例４は、不定形耐火物の厚みが２０ｍｍ（１０ｍｍ超）であったため、判定１が×判定であった。

・従来例は、補強材を用いていなかったため、不定形耐火物の厚みが３ｍｍ（１～１０ｍｍの範囲内）であったが、判定１が×判定であった。

１０：セラミックファイバーブロック、１１：ブロック体、１２：支持金物、１３：炉殻、１４：ボルト、１５：ワッシャー、１６：ナット、１７：補強材浸潤層、１８：耐火物層、２０：セラミックファイバー、２１：ガラス化したシリカ

Claims

加熱炉の炉壁の内張りに用いたセラミックファイバーブロックの稼働面を不定形耐火物で被覆する方法であって、
コロイダルシリカ及び／又はケイ酸塩水溶液からなり、シリカ含有量が１０質量％以上、且つ粘度が常温で４ｍＰａ・ｓ～２０００ｍＰａ・ｓである補強材を前記セラミックファイバーブロックの稼働面へ塗布量０．２５リットル／ｍ ^２～１．０リットル／ｍ ^２で吹付けた後、該吹付け面に不定形耐火物を塗布して１ｍｍ～１０ｍｍの耐火物層を形成することを特徴とするセラミックファイバーブロックへの不定形耐火物被覆方法。