JPH029747A - セラミックチューブの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野］ 本発明はセラミックチューブ、特に鋼材加熱炉等におけ
るラジアントチューブとして有用な耐割れ性・耐スポー
リング性にすぐれたセラミックチューブの製造方法に関
する。

〔従来の技術〕

高温用管材料としてセラミックを利用するこころみは多
くの分野で行われている。例えば、鋼材の加熱処理を行
うラジアントチューブ式加熱炉では、従来の耐熱鋼製ラ
ジアントチューブの耐久性改善を目的として、Ｓ　ｉ　
ＯｚまたはＳｉＯアーＳｉＣ系等のセラミックチューブ
実用化試験についての報告もなされている（日本鉄鋼協
会“鉄と鋼”６９　（１３）Ｐ、１１０．１９８３．同
７０（１３）Ｐ、１６７、１９８４）。

〔発明が解決しようとする課題〕

セラミックは耐熱性が高く、高温強度にすぐれた材料で
あるが、鋼材熱処理炉のラジアントチューブのように急
速加熱をうける使用条件においては、熱応力等による割
れやスポーリングが生じ易いという問題があり、大部分
のラジアントチューブはいまだに耐熱鋼材が使用され、
セラミックチューブが実用されている例は極めて少ない
。

セラミックチューブを、鋼材加熱炉用ラジアントチュー
ブのように急速加熱を受ける用途に供して、割れやスポ
ーリングのない安定な使用を可能とするためには、その
セラミックチューブ゛が、組織や成分組成の均質性にす
ぐれ、高い機械的強度および高密度を有していると共に
、熱膨張係数が小さく、かつその熱膨張曲線が直線性を
もち、異常膨張収縮を生しないものであることが必要で
ある。

本発明は上記に鑑み、鋼材加熱炉用ラジアントチューブ
等の急速加熱をうける高温用管材として必要な耐割れ性
や耐スポーリング性等を備えたセラミックチューブの製
造方法を提供しようとするものである。

〔課題を解決するための手段および作用〕本発明のセラ
ミックチューブの製造方法は、チタニア、アルミナ、お
よびカオリンを素地原料とするものであって、 チタニアとアルミナのモル比１／１の混合粉末を１５５
０〜１６５０°Ｃで仮焼してチタン酸アルミニウムを生
成させ、その仮焼物を粉砕して得た粉末１００重量部に
、カオリン粉末５〜１５重量部、アルミナ粉末５〜１０
重量部、水、および必要な泥しよう調整剤を加えて泥し
ようとなし、これを吸水モールドに鋳込み、重力倍数５
〜３０Ｇの遠心力の作用下に着肉させて円筒状成形体を
得、乾燥後、１４００〜１６５０゛Ｃで焼結処理するこ
とを特徴としている。

本発明方法について詳しく説明すると、まずチタニア（
ＴｉＯｚ）とアルミナ（Ａ２□０．）とを、モル比１：
１の割合で混合し、その混合粉末を仮焼してチタン酸ア
ルミニウム（Ａ　Ｅ　２Ｔ　ｉ　Ｏｓ）を生成させ、そ
の仮焼物を粉砕して微細粉末とする。チタニアとアルミ
ナの混合物は、仮焼処理の反応促進、および反応生成物
の均質性を高めるために、平均粒径約５μｍ以下の微細
粉末として仮焼するのが好ましい。

仮焼処理は、１５５０〜１６５０°Ｃの温度範囲で行う
。

１５５０℃を下限とするのは、チタニアとアルミナの反
応を効率よく達成するためであり、その処理温度を高め
るに伴って短時間で所定の反応を完結する。他方、１６
５０°Ｃを上限とするのは、溶融相の生成を防止するた
めである。すなわち、仮焼処理で溶融相が生成すると、
その仮焼物の粉末を用いて得られる最終製品であるセラ
ミックチューブ焼結晶の強度が低下する。このため、１
６５０°Ｃを仮焼温度の上限として溶融相の生成を防止
しているのである。仮焼処理は上記温度範囲に１〜３時
間保持することにより達成される。

仮焼物の粉砕は、ボールミル、アトライター等の適宜の
機械粉砕により行えばよい。その粉砕物は泥しよう調製
における均−分散性等の点から、平均粒径工μｍ以下に
微粉砕されることが望ましい。

上記仮焼物を粉砕したのち、その粉末に、カオリン粉末
、アルミナ粉末、分散媒としての水、および必要な泥し
よう調整剤を加えて泥しようを得る。泥しよう調製にお
いてカオリンとアルミナを添加するのは、泥しよう鋳込
み成形により得られるセラミック成形体のグリーン強度
、およびその焼結晶であるセラミックチューブの強度を
高めるためであり、また、その添加により焼結晶の熱膨
張係数を小さくする効果が得られるからである。

仮焼物の粉末１００重量部に対し、その添加量を、カオ
リンは５重量部以上、アルミナは５重量部以上としたの
は、上記効果を十分ならしめるためである。添加量を増
す程、成形体のグリーン強度およびそ焼結晶の強度を高
めることができるが、反面焼結晶の熱膨張係数の漸増傾
向を伴う。カオリンの添加量の上限を１５重量部とし、
アルミナのそれを１０重量部としたのは、焼結晶の耐割
れ性、耐スポーリング性の改善に必要な低熱膨張係数を
確保するためであり、また強度向上効果の点で、それを
こえる多量の添加を特に必要としないからである。

分散媒である水の添加量は適宜決定されるが、本発明で
はチタニアとアルミナを仮焼物の粉末として使用するこ
ととしているので、両者を単に混合した粉末を使用する
場合に必要な量（固型分である粉末全量１００重量部に
対し２５〜４０重量部）に比べて、約２０〜３０重量部
と、比較的少ない量の分散媒の添加により、十分な流動
性と均一な分散性を有する泥しようを調製することがで
きる。このように、少量の分散媒で泥しようを調製でき
ることは、泥しよう鋳込み成形工程における着肉効率、
およびその着肉層の緻密性、均質性が高められる点にお
いて好ましいことである。

なお、上記泥しよう調製においては、通常の泥しよう調
製におけるそれと同じように、必要に応じて、泥しよう
調整剤、例えば粉末の分散懸濁を促進するための解膠剤
（ピロリン酸ソーダ、アルミン酸ソーダ、エチルアミン
、ピペリジン等）等が少量（例えば、粉末分に対し、０
．３〜０．７重量％）添加される。

上記のように調製した泥しようを、ついで石こうモール
ド等の吸水性モールドに鋳込み、その軸心のまわりに回
転させて泥しように遠心力を作用させながらモールド内
面に着肉させる。第１図はその遠心鋳込み成形の例を示
している。（１）は石こうモールドであり、金型モール
ド（２）に内嵌され、止め板（３，３）で両端から固定
されたうえ、回転駆動ローラ（４，４）に載置され、該
ローラ（４，４）の回転駆動により、水平軸心を回転中
心とする回転運動が与えられる。泥しよう（Ｓ）はモー
ルドの開口端の鋳込孔を介して鋳込まれ、モールドの回
転による遠心力の作用でモールド内面に押付けられた状
態で着肉することにより、中空筒状のセラミック成形体
ＣＧ）が形成される。

泥しようの着肉をモールドの回転下に行うこととしたの
は遠心力の作用により、泥しようの着肉を促進させると
共に着肉層の緻密・均質性を高めるためであり、これに
より成形体（グリーン）強度、およびその焼結晶の機械
強度が向上する。その泥しように加わる遠心力を重力倍
数で５Ｇ以上としたのは、上記遠心成形効果を十分なら
しめるためであり、回転速度を高める程、その効果は増
大する。しかし、３０Ｇをこえる遠心力のもとで着肉を
行って得られる成形体は焼結工程で割れが生じ易い傾向
がある。このため３０Ｇを上限とする。

遠心成形されたセラミック成形体はモールドから脱型さ
れたのち、風乾、または適当な温度（約１１０°Ｃ以下
）の加熱下に乾燥され、ついで焼結処理される。焼結処
理は、焼結反応促進の点から約１４００°Ｃ以上で行う
とよい。しかし、１６５０°Ｃをこえる高温で行うと、
一部に溶融相が生じ、焼結晶の強度が低下する原因とな
るので、１６５０℃を上限温度とすべきである。

かくして得られるセラミックチューブ焼結晶は、成分組
成・組織の均質性にすぐれ、良好な機械強度を備え、ま
た熱膨張係数は小さく、かつその熱膨張収縮曲線は室温
から高温に到る広い温度範囲に亘って良好な直線性を示
す。

〔実施例〕

（１）泥しよう調製 （１）仮焼処理および粉砕： チタニアとアルミナ（モル比１：１）の混合物を平均粒
径５．ｃｚｍ以下に粉砕し、１６００°Ｃ±１０°Ｃで
２時間を要して仮焼したのち、仮焼物（チタン酸アルミ
ニウム）を粉砕し、平均粒径１μｍの粉末を得た。

（２）泥しょう： 上記仮焼物の粉末に、カオリンおよびアルミナの粉末（
平均粒径：１μｍ）、水、および解膠剤を添加し均一に
混合した。水の添加量は、固型粉末分に対し２５重量部
とし、解膠剤として、ピロリン酸ソーダ、またはエチル
アミンを０．５重量部を使用した。

（Ｉｆ）泥しようの遠心鋳込み成形 第１図の遠心鋳込み成形モールドに泥しようを鋳込み、
モールドの回転による遠心力の作用下に泥しようを着肉
させて、中空筒状成形体（外径１００閣、長さ５００■
、肉厚７ｍｍ）を得た。なお、モールドの回転速度は、
重力倍数７Ｇの遠心力が泥しように作用するように設定
した。

（ＩＩ［）成形体の乾燥および焼結処理上記成形体を１
１０°Ｃで乾燥したのち、焼結炉中、１５５０°Ｃで１
０時間を要して焼結処理を達成した。

（ＩＶ３焼結品の特性 各供試焼結晶から試験片を切り出し、熱膨張係数（室温
〜１０００℃）　、曲げ強度の測定、および耐久ポーリ
ング試験を行った。曲げ強度は、３点曲げ法（スパン距
離：２０ｍｍ）により行い、温度は常法、および１００
０°Ｃの２通りとした。また、耐スボ−リング試験は、
中空筒状試験片を１０００°Ｃの炉中に３０分間保持し
たのち、大気中で放冷するサイクルを１０回繰り返し、
試験片表面の剥離損傷の有無を目視観察した。

第１表に、泥しよう組成と併せて試験結果を示す。表中
、賦香（Ｎｉ１）　１〜３は発明例、Ｎα工１〜１３は
比較例であり、比較例Ｎα１１〜１３のうち、漱１１は
、素地原料としてシリカガラス（Ｓｔｏｗ）を使用した
例、Ｎα１２は、チタニアとアルミナの仮焼物粉末を使
用しているが、泥しよう調製におけるカオリンとアルミ
ナの添加を省略した例、麹１３はチタニアとアルミナの
仮焼を省略し、混合粉末として使用した例である。

第１表に示したように、発明例（Ｎｌｌｌ−３）は、低
熱膨張係数と高い強度を有し、耐スポーリング性にもす
ぐれている。なお、１０００°Ｃ〜１６５０°Ｃの高温
度域における熱膨張曲線の直線性も良く、異常膨張収縮
を有しないことも確認された。他方、Ｎα１１　（シリ
カガラス使用）は、加熱・冷却の繰返しによりシリカガ
ラス中にクリストバライトや石英が晶出して熱膨張係数
が大きくなり、更にその晶出結晶対応した異常膨張を伴
うため、耐スポーリング性の劣化が生じ、Ｎα１２（カ
オリン、アルミナの添加なし）では、強度が低く、また
熱膨張係数が比較的高く、耐スポーリング性に乏しい。

また、Ｎ１１１３　（チタニアとアルミナの混合粉未使
用）では、原料粉末の反応が十分に完結せず不均質相を
伴っているため、熱膨張係数が大きく、耐スポーリング
性に劣り、いずれも発明例（Ｎｏ、　１〜３）の品質に
及ばない。

〔発明の効果〕

本発明方法により得られるセラミックチューブは、高い
強度を有するものとともに、熱膨張係数が小さく、しか
も異常膨張収縮を生じない均質性を有し、急速加熱下で
の割れやスポーリングに対する抵抗性にすぐれている。

従って、鋼材熱処理炉のラジアントチューブ等として有
用であり、急速加熱が繰り返される使用環境においても
割れやスポーリング等を生じずに、長期に亘る安定した
使用が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の泥しよう遠心鋳込み成形を示す軸方向
断面図である。 １：石こうモールド、２：金型モールド、４：回転駆動
ローラ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．チタニアとアルミナのモル比１／１の混合粉末を１
   ５５０〜１６５０℃で仮焼してチタン酸アルミニウムを
   生成させ、その仮焼物を粉砕して得た粉末１００重量部
   に、カオリン粉末５〜１５重量部、アルミナ粉末５〜１
   ０重量部、水、および必要な泥しょう調整剤を加えて泥
   しょうとなし、これを吸水モールドに鋳込み、重力倍数
   ５〜３０Ｇの遠心力の作用下に泥しょうを着肉させて円
   筒状成形体を得、ついで乾燥し、１４００〜１６５０℃
   で焼結処理することを特徴とする耐割れ性・耐スポーリ
   ング性にすぐれたセラミックチューブの製造方法。