JPWO2014208620A1 - 酸化スズ質不定形耐火物用紛体組成物、酸化スズ質不定形耐火物の製造方法、ガラス溶解炉および廃棄物溶融炉 - Google Patents

酸化スズ質不定形耐火物用紛体組成物、酸化スズ質不定形耐火物の製造方法、ガラス溶解炉および廃棄物溶融炉 Download PDF

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Abstract

高温場におけるSnO2の揮散を早期の段階から抑制し、かつ、スラグに対する高耐侵食性を併せて保有する酸化スズ質不定形耐火物が得られる紛体組成物を提供する。耐火性配合物としてSnO2、ZrO2およびSiO2を必須成分として含有する酸化スズ質不定形耐火物用紛体組成物であって、耐火性配合物中におけるSnO2、ZrO2およびSiO2の含有量の合量が70質量%以上であり、かつ、SnO2、ZrO2およびSiO2の含有量の合量に対して、SnO2の含有割合が55〜98モル%、ZrO2の含有割合が1〜30モル%、SiO2の含有割合が1〜15モル%、である酸化スズ質不定形耐火物用紛体組成物。

Description

本発明は、酸化スズ質不定形耐火物用紛体組成物、酸化スズ質不定形耐火物の製造方法、ガラス溶解炉および廃棄物溶融炉に係り、特に、SnO、ZrOおよびSiOを必須成分として含有し、これらを所定量含有させてスラグに対する耐侵食性を大きく低下させることなく、SnOの揮散を効果的に抑制する酸化スズ質不定形耐火物が得られる紛体組成物ならびにそれを利用した不定形耐火物の製造方法、ガラス溶解炉および廃棄物溶融炉に関する。
ガラス溶解炉や廃棄物溶融炉に使用される耐火物は、定形耐火物と不定形耐火物に大別される。定形耐火物の施工は、れんが積み作業であり、重労働でしかも高度な技術を要するため、近年は不定形耐火物による内張りが汎用されつつある。
溶融炉用の不定形耐火物として従来使用されている材質は、ガラス製造用においてはジルコニア質やクロミア質の不定形耐火物、廃棄物溶融炉ではアルミナ−酸化クロム質不定形耐火物である。しかし、これらの材質は、ジルコニア質不定形耐火物では耐食性が低く、クロミア質の不定形耐火物では耐食性は高いが六価クロムを生成し、スラグおよび使用後、耐火物の廃棄物が環境汚染を招く問題があった。
こうした背景の中、SnOを主成分とする耐火組成物を焼結してなる酸化スズ質耐火物は、一般に使用される耐火物と比較し、スラグに対する耐食性が非常に高く、ガラス溶解炉や廃棄物溶融炉用の耐火物としての使用が検討されている。
たとえば、特許文献1には、SnOを85〜99重量%含有する緻密質なガラス溶融炉用酸化スズ耐火物が提案されている。しかし、このような耐火物は、ガラス製造装置におけるガラス接触部の耐火物として実際に再利用されている例は知られていない。また、特許文献2にはSnOを0.5〜40重量%含有する廃棄物溶融炉用の不定形耐火物が提案されているが、40重量%を超えるSnOを含有する不定形耐火物はこれまでに提案されていない。
その理由としては、基本的な特性として、SnOは高温場、特に1200℃以上の高温場においてはSnOとして揮散する性質がある。この揮散により、耐火物の組織が多孔質化して脆化し、耐火物が剥離したり、あるいはガラスの製造においては、揮散したSnO成分がガラス製造装置中の低温部において濃縮・凝固したりして、SnO成分がガラス中に異物として落下、混入し、ガラス成形体の製造における歩留まりを低下させるという問題が考えられる。また、SnOを不定形耐火物の耐火材料として使用した場合には、スラグが浸潤する前から酸化スズ粒子が揮散により脆化し、スラグに対する耐食性が大幅に低下する。
一方、酸化スズ焼結体は、高温場においてはガラス溶融用の電極材料として使用されており、一般的にこのような酸化スズ電極材料は、90〜98質量%以上のSnOと、0.1〜2.0質量%程度の焼結助剤および低抵抗化剤から作製されており、溶融ガラスに対する高耐侵食性と、通電に充分な低抵抗性の両方の特性を有する材料として利用されている。しかし、このような一般的な酸化スズ電極材料は、高温場、特に1200℃以上の高温場においてはSnOとして徐々に揮散してしまうため、劣化が避けられなかった。
SnOの高温場での揮散問題を解決するための既存技術として、非特許文献1には、酸化スズ粉末に焼結助剤CoOを0.5モル%、揮散抑制成分としてZrOを、ZrOおよびSnOの含有量の合量に対して0〜10モル%含有せしめ、SnOの揮散を抑制する酸化スズ焼結体が報告されている。
また、特許文献3には、焼結助剤、低抵抗化剤とともに、揮散抑制剤としてZrO、HfO、TiO、Ta、CeOなどの酸化物であるY成分を、YおよびSnOの含有量の合量に対して0〜8質量%となるように含有せしめ、SnOの揮散を抑制したガラス溶融用電極材料が提案されている。
また、特許文献2には、SnOを不定形耐火物の耐火材料として使用した例として、SnOを0.5〜40重量%含有する廃棄物溶融炉用の不定形耐火物が提案されている。
これら揮散抑制成分を含有した酸化スズ焼結体は、酸化スズ粒子内部に揮散抑制成分が固溶した組織を有しており、高温場でSnOが揮散していくと、酸化スズ粒子内部に固溶していた揮散抑制成分が濃縮され、酸化スズ粒子表面に析出し、酸化スズ粒子表面を被覆していくため、SnOの揮散の抑制を可能としている。
特開昭54−132611号公報 特開2004−196637号公報 国際公開第2006/124742号パンフレット
Maitre, D.Beyssen, R.Podor、「Effect of ZrO2 additions on sintering of SnO2-based ceramics」、Journal of the European Ceramic Society、2004年、第24巻、p.3111-3118
しかしながら、上記のようなSnOの揮散抑制成分は、SnOの揮散により、酸化スズ粒子内で濃縮され、固溶限界濃度を超えた時点で、初めて酸化スズ粒子表面へ析出してくるため、SnOの揮散開始後の初期段階においては、酸化スズ粒子表面へ揮散抑制成分は十分に析出しておらず、揮散開始後の初期の段階からは、優れた揮散抑制効果が発現されない。このため、酸化スズ質耐火物を部材として長期に使用した際には、SnOの揮散による部材の劣化が避けられない。
したがって、このような酸化スズ質耐火物を高温場で使用した場合には、耐火物組織の脆化により、耐火物が剥離したり、あるいはガラスの製造においては、揮散したSnO成分がガラス溶融装置中の低温部において濃縮・凝固することにより、SnO成分がガラス中に異物として落下、混入したりして、ガラス成形体の製造における歩留まりを低下させるという問題が発生すると考えられる。また、SnOを不定形耐火物の耐火材料として使用した場合には、スラグが浸潤する前から酸化スズ粒子が揮散により脆化し、スラグに対する耐食性が大幅に低下する。
そこで、本発明は、上記した従来技術が抱える課題を解決して、高温場におけるSnOの揮散を早期の段階から抑制し、かつ、スラグに対する高耐侵食性を併せて有し、ガラス溶解炉や廃棄物溶融炉用の耐火物として好適な酸化スズ質不定形耐火物を得られる紛体組成物、酸化スズ質不定形耐火物の製造方法、ガラス溶解炉および廃棄物溶融炉の提供を目的とする。
[1]SnO、ZrOおよびSiOを必須成分とする耐火性配合物を含有する酸化スズ質不定形耐火物用紛体組成物であって、前記耐火性配合物中におけるSnO、ZrOおよびSiOの含有量の合量が70質量%以上であり、かつ、前記SnO、ZrOおよびSiOの含有量の合量に対して、SnOの含有割合が55〜98モル%、ZrOの含有割合が1〜30モル%、SiOの含有割合が1〜15モル%、であることを特徴とする酸化スズ質不定形耐火物用紛体組成物。
[2]前記耐火性配合物中におけるSnO、ZrOおよびSiOの含有量の合量が、95質量%以上である[1]に記載の酸化スズ質不定形耐火物用紛体組成物。
[3]前記SnO、ZrOおよびSiOの含有量の合量に対して、SnOの含有割合が70〜98モル%、ZrOの含有割合が1〜20モル%、SiOの含有割合が1〜10モル%、である[1]または[2]に記載の酸化スズ質不定形耐火物用紛体組成物。
[4]前記SnO、ZrOおよびSiOの含有量の合量に対して、SnOの含有割合が83〜98モル%、ZrOの含有割合が1〜12モル%、SiOの含有割合が1〜5モル%、である[3]に記載の酸化スズ質不定形耐火物用紛体組成物。
[5]前記耐火性配合物中に、10μm以下の、酸化スズ粒子、ジルコン粒子および酸化スズとジルコニアの固溶体粒子からなる群から選ばれる1種類以上を含んでなる微細粉を含む微粉を1〜10質量%含有する[1]乃至[4]のいずれかに記載の酸化スズ質不定形耐火物用紛体組成物。
[6]前記耐火性配合物中に、3μm以下の、酸化スズ粒子、ジルコン粒子および酸化スズとジルコニアの固溶体粒子からなる群から選ばれる1種類以上を含んでなる微細粉を1〜10質量%含有する[1]乃至[5]のいずれかに記載の酸化スズ質不定形耐火物用紛体組成物。
[7]前記耐火性配合物中に、CuO、ZnO、MnO、CoOおよびLiOの酸化物からなる群から選ばれる少なくとも1種類以上の成分を、さらに含む[1]乃至[6]のいずれかに記載の酸化スズ質不定形耐火物。
[8]前記耐火性配合物に対し、分散剤を外掛けで0.01〜2質量%含有する請求項[1]乃至[7]のいずれかに記載の酸化スズ質不定形耐火物用紛体組成物。
[9]結合剤として、アルミナセメントおよびコロイダルアルミナからなる群から選ばれる1種類以上を含有し、前記耐火性配合物中における前記結合剤の含有量が5質量%以下である[1]乃至[8]のいずれかに記載の酸化スズ質不定形耐火物用紛体組成物。
[10]前記耐火性配合物として、ZrOが1〜25モル%固溶している酸化スズ粒子を使用することを特徴とする[1]乃至[9]のいずれかに記載の酸化スズ質不定形耐火物用紛体組成物。
[11]前記酸化スズ質不定形耐火物用紛体組成物が、施工後、1300℃、350時間の熱処理したとき、酸化スズ粒子の表面に、ジルコン相およびジルコニア相が形成されることを特徴とする[1]乃至[10]のいずれかに記載の酸化スズ質不定形耐火物用紛体組成物。
[12][1]乃至[11]のいずれかに記載の酸化スズ質不定形耐火物用紛体組成物を、水と混練し、施工してなることを特徴とする酸化スズ質不定形耐火物の製造方法。
[13]前記施工後、1200℃以上で熱処理することを特徴とする[12]に記載の酸化スズ質不定形耐火物の製造方法。
[14][1]乃至[11]のいずれかに記載の酸化スズ質不定形耐火物用紛体組成物を施工して得られる酸化スズ質不定形耐火物を具備してなるガラス溶解炉。
[15][1]乃至[11]のいずれかに記載の酸化スズ質不定形耐火物用紛体組成物を施工して得られる不定形耐火物を具備してなる廃棄物溶融炉。
本発明の酸化スズ質不定形耐火物用紛体組成物および酸化スズ質不定形耐火物の製造方法によれば、スラグに対する耐侵食性の高いSnOと、高温場におけるSnOの揮散を抑制する効果が高いZrOとSiOとをバランスよく含有する耐火物が得られるため、ガラスに対する耐侵食性を大きく低下させずに、SnOの揮散開始後の初期の段階から、優れた揮散抑制効果を発揮することが可能な高耐食性の不定形耐火物を提供できる。さらに、この不定形耐火物は、施工対象物の形状に合わせて施工できるため、対象が限定されず広く適用できる。
また、本発明のガラス溶解炉および廃棄物溶融炉によれば、上記酸化スズ質不定形耐火物用紛体組成物を施工して得られる不定形耐火物を具備するため、炉壁等に隙間なく形成でき、優れた耐火性を発揮すると共に、SnOの揮散抑制効果を発揮させ、スラグに対する耐侵食性に優れた酸化スズ質不定形耐火物を有するため、炉の製品寿命を長くすることができる。
本発明の酸化スズ質不定形耐火物用紛体組成物は、酸化スズ質耐火物中のSnO、ZrOおよびSiOの含有量が所定の量になるように耐火性配合物を含有する点に特徴を有するものである。以下、本発明について詳細に説明する。
本発明の酸化スズ質不定形耐火物用紛体組成物は、骨材として、SnOおよびZrOを必須成分として含有する耐火性配合物を含有するものである。
本発明に用いられるSnOは、スラグの侵食に対する抵抗力が強く、耐熱性が高いため不定形耐火物の主要成分として含有される。
本発明に用いられるZrOは、溶融スラグの侵食に対する抵抗力が強く、さらに、不定形耐火物の主成分であるSnOの揮散を抑制する作用を有する成分である。
本発明に用いられるSiOは、マトリックスガラスを形成し、応力緩和の働きをする成分である。また、不定形耐火物中の主成分であるSnOの揮散を抑制する作用も有する成分である。
本発明の酸化スズ質不定形耐火物用紛体組成物には、耐火性配合物に加え、結合剤を含有することが好ましい。結合剤は、不定形耐火物の施工性向上のために用いられる結合剤成分である。この成分を含有していると施工後の成形体強度が向上するため、施工性が向上する。一方で、スラグに対する耐食性は低く、また、酸化スズ、ジルコニア粒子のネックの形成を阻害する。
本発明に用いられる結合剤の種類、添加量は、従来の不定形耐火物に用いられるものと特に変わらない。例えば、アルミナセメント、コロイダルアルミナ、コロイダルシリカ、マグネシアセメント、リン酸塩、ケイ酸塩などが使用できる。これらの中でもアルミナセメント、コロイダルアルミナ、コロイダルシリカが好ましく、アルミナセメントがより好ましい。結合剤の使用量は、耐火性配合物中に0〜10質量%が好ましく、0〜5質量%がより好ましい。ここで、コロイダルアルミナ、コロイダルシリカ等は水溶液であるが、本発明において使用量は、固形物換算で表記した。
また、上記酸化スズ質耐火物用紛体組成物には、耐火性配合物に加え分散剤を含有することが好ましい。分散剤は、不定形耐火物の施工時の流動性を付与する。具体例な種類は何ら限定されるものではなく、例えばトリポリリン酸ソーダ、ヘキサメタリン酸ソーダ、ウルトラポリリン酸ソーダ、酸性ヘキサメタリン酸ソーダ、ホウ酸ソーダ、炭酸ソーダ、ポリメタリン酸塩などの無機塩、クエン酸ソーダ、酒石酸ソーダ、ポリアクリル酸ソーダ、スルホン酸ソーダ、ポリカルボン酸塩、β−ナフタレンスルホン酸塩類、ナフタリンスルフォン酸、カルボキシル基含有ポリエーテル系分散剤等である。
添加量は耐火性配合物100質量%に対し、外掛けで好ましくは0.01〜2質量%、さらに好ましくは0.03〜1質量%である。
本発明の酸化スズ質不定形耐火物用紛体組成物においては、前記耐火性配合物中に含有されるSnO、ZrOおよびSiOの含有量の合量を70質量%以上とする。これは、耐火物中に他の成分があまりに多量に含まれてしまうと、SnOが有しているガラスに対する優れた耐侵食性が損なわれてしまうためである。耐侵食性を良好なものとするには、SnO、ZrOおよびSiOの含有量の合量は、85質量%以上が好ましく、95質量%以上がより好ましい。特に、SnO、ZrOおよびSiOの含有量の合量としては、97〜99.5質量%が好ましい。
また、本発明においては、これら必須成分であるSnO、ZrOおよびSiOの含有量の合量を100モル%としたとき、SnOを55〜98モル%、ZrOを1〜30モル%、SiOを1〜15モル%含有する。これらの好ましい範囲については、後述する。
耐火性配合物として用いる骨材は、粒子として適用されるのが好ましく、その粒子の粒子径は、例えば最大粒子径を1〜3mmとし、粗粒、中粒、細粒、微粒と粒径の異なる粒子を組み合わせて適宜調整するのが好ましい。
また、不定形耐火物の耐スポーリング性の付与を目的として、前記の粗粒、中粒、細粒、微粒に加え、例えば粒径3〜50mmの粗大粒径の耐火骨材を組み合わせてもよい。
ここで、例えば、粗粒は1700μm未満840μm以上、中粒は840μm未満250μm以上、細粒は250μm未満75μm以上、微粒は75μm未満15μm以上、とした場合、これら4種の骨材をそれぞれ調整して配合する。これら4種の骨材についてのみ説明すれば、これらを100質量%としたとき、粗粒を21〜33質量%、中粒を15〜28質量%、細粒を30〜45質量%、微粒を5〜18質量%、の範囲となる含有割合が坏土の充填の点で好ましい。なお、本明細書において、粒度は、JIS R2552に準じて測定された値をいう。この耐火性原料は、耐火物使用後品、耐火物廃材等を粉砕し、粒径を調整したものを使用してもよい。
さらに、骨材として、粒子径が15μm未満の酸化スズ粒子、15μm未満のジルコン粒子および15μm未満の酸化スズとジルコニアの固溶体粒子からなる群から選ばれる1種類以上を含んでなる粉末状の粒子の微粉を配合することが好ましい。ここで使用する微粉の粒子径は、好ましくは10μm以下の微粉、より好ましくは3μm以下の微細粉である。ここで、3μm以下の微粉を特に微細粉と称する。
このような粉末状の粒子として、上記した微細粉を含む微粉を、耐火性配合物中に1〜10質量%含有するように配合させることが好ましい。このように粉末状の粒子の微細粉を含む微粉を所定の範囲で含有することにより、それよりも大きい粒径の酸化スズ粒子同士にネックが形成され、スラグに対する耐食性を向上させることができる。
特に、前記耐火性配合物中に、3μm以下の酸化スズ粒子、3μm以下のジルコン粒子および3μm以下の酸化スズとジルコニアの固溶体粒子からなる群から選ばれる1種類以上を含んでなる微細粉を1〜10質量%含有させるのが好ましく、スラグに対する耐食性をより向上させることができる。
上記のように、耐火性配合物中における、SnO、ZrOおよびSiOの含有量を所定の範囲とし、さらに、これら成分の関係を所定の関係を有するようにすることにより、高温場におけるSnOの揮散を早期の段階から抑制し、かつ、スラグに対する高耐侵食性を併せて有する酸化スズ質不定形耐火物が得られる。
本発明者らは、SnO、ZrOおよびSiOの含有量について検討した結果、SiOを含まずに、SnOおよびZrOの2つを主成分とする場合には、SnOの揮散抑制効果を発揮するZrOが、SnO中に固溶して存在することを発見した。そして、得られる耐火物の特性は、耐火物使用時または使用前の熱処理時の温度および降温速度に影響されるが、例えば、1400℃で5時間熱処理し、300℃/時間で降温させた場合、SnOへのZrOの固溶限界濃度は約20〜25モル%であった。
ところが、本発明のようにSiOを含有する組成とすると、原因は明らかでないが、ZrOのSnOへの固溶限界濃度が約12モル%と大幅に低下する。したがって、SiOを含有する組成範囲においては、SiOを含有せずにZrOだけを含有する場合と比較し、高温場でSnOが揮散した際に、SnO内に固溶していたZrOが、早期の段階で固溶限界に達し、酸化スズ粒子表面へ析出する。そのため、SiOを含有していない場合と比べて、揮散開始後の初期の段階から優れたSnOの揮散抑制効果を発揮可能となる。
また、ZrOの固溶した酸化スズ(以下、酸化スズ−ジルコニア固溶体とも記載する)の粒子間に、非晶質化した状態で存在していたシリカの大部分は、固溶限界を超え析出したジルコニアと反応し、ジルコンとして酸化スズ−ジルコニア固溶体の粒子間に存在し、SnOの相対的な表面積を減少させる。そのため、SiOを含有せずにZrOを含有する場合と比較しても、長期的に優れた揮散抑制効果を発揮する。
また、シリカと反応しないジルコニアも存在し、このジルコニアは単独でも揮散抑制効果を発揮する。ジルコンおよびジルコニアは、SEM−EDX(Scanning Electron Microscope−Energy Dispersive X−ray Detector、日立ハイテクノロジーズ社製、商品名:S−3000H)等の電子顕微鏡装置を用いることで、その存在を確認できる。
なお、ここで固溶限界濃度は、ジルコンの添加量を変えて1400℃で焼成して得られた耐火物において、耐火物組織をSEM−EDXで分析し、SnO中に固溶しているZrOの、おおよその固溶限界濃度として決定した。
本発明における耐火性配合物を上記の組成に限定した理由を以下に説明する。
SnO、ZrOおよびSiOの合量を100モル%としたときの各成分の含有割合が、上記のとおり、SnOが55〜98モル%、ZrOが1〜30モル%、SiOが1〜15モル%、の関係を満たすと、ZrOの固溶限界濃度が低減し、SnOの揮散開始時から、早期にジルコニアが酸化スズ粒子表面に析出する。したがって、SiOを全く含有しない場合と比較して、より早期の段階から優れたSnOの揮散抑制効果を発揮できる。また、シリカの大部分は、固溶限界を超えて析出したジルコニアと反応し、ジルコンとして酸化スズ−ジルコニア固溶体の粒子間に存在し、外部環境に露出しているSnOの表面積を減少させる。そのため、SiOを含有せずにZrOを含有する場合と比較し、長期的に優れたSnOの揮散抑制効果を発揮する。
この組成範囲内においては、ZrOは主にSnO中に固溶した状態であり、固溶限界を超えた分が酸化スズ粒子の表面に析出する。析出したジルコニアは、シリカと反応して、ジルコンとして酸化スズ−ジルコニア固溶体の粒子の表面に存在するが、シリカの存在量によって、一部未反応のものは、ジルコニアとして酸化スズ−ジルコニア固溶体粒子の表面に存在する。
SiOは、SnO、ZrOおよび他の成分と反応し、非晶質化した状態で酸化スズ−ジルコニア固溶体の粒子間に存在した組織となっており、粒子表面にジルコニアが析出してくると、ジルコニアと反応してジルコンとなる。
上記のように、本発明の酸化スズ質不定形耐火物は、SnOが揮散した早期の段階から、ZrOのSnOへの固溶量が固溶限界濃度に達し、ジルコンおよびジルコニアが酸化スズに形成されていくため、優れたSnOの揮散抑制効果を発揮する。
また、酸化スズ表面に析出するジルコンは、その一部は酸化スズ粒子同士をつなぐネックとしての役割も果たし、またジルコンは溶融スラグの侵食に対する抵抗力が強いことから、スラグに対する耐食性の向上にも寄与する。
本発明の酸化スズ質不定形耐火物用紛体組成物は、このような所定量の成分を含有させる構成とすることで、施工して得られる不定形耐火物に対して、例えば、1300℃、350時間の熱処理をすると、酸化スズ表面にはジルコン相、およびジルコニア相が形成される。また、SnO、ZrOおよびSiOの合量に対してSiO含有量が、3モル%以上の場合には、シリカ相も残存している。したがって、使用前に高温処理をしておけば、使用直後から優れた揮散抑制効果を発現できる耐火物を製造し、使用することも可能である。
このとき、SnO、ZrOおよびSiOの含有量の合量に対して、SiOの含有割合が1モル%未満と少なくなると、ZrOのSnOへの固溶限界濃度の低下現象が見られず、SnOの揮散開始後の初期段階における揮散抑制効果の発現が若干遅くなり、また、SiO含有量が少ないため、ジルコニアが析出しても、ジルコンがごく少量生成するだけで揮散抑制効果の向上が小さい。
また、SnO、ZrOおよびSiOの含有量の合量に対して、ZrOの含有割合が1モル%未満と少なくなると、ジルコニアおよびジルコンによる揮散抑制効果が極めて小さくなる。
さらに、SnO、ZrOおよびSiOの含有量の合量に対して、SiOの含有割合が15モル%超と多くなると、SiOの含有量が多すぎてSnOの含有量が少なくなり、スラグに対する耐侵食性が低下してしまう。一方、SnO、ZrOおよびSiOの含有量の合量に対して、SiOの含有割合が1モル%未満と少なくなると、酸化スズ−ジルコニア固溶体の粒子間に存在し、SnOの相対的な表面積を減少させる効果が小さくなり、好ましくない。
また、SnO、ZrOおよびSiOの含有量の合量に対して、ZrOの含有割合が30モル%超と多くなると、ZrOの含有量が多すぎてSnOの含有量が少なくなり、スラグに対する耐侵食性が低下してしまう。
ここで、本発明の酸化スズ質不定形耐火物は、SnO、ZrOおよびSiOの含有量の合量に対して、ZrOの含有割合が1〜12モル%の範囲が好ましい。また、SnO、ZrOおよびSiOの含有量の合量に対して、SiOの含有割合も1〜12モル%の範囲が好ましい。したがって、SnO、ZrOおよびSiOの含有量の合量に対して、SnOの含有割合は、76〜98モル%の範囲が好ましい。
なお、使用前に行う場合の熱処理の条件は、上記条件によらず、一般に、1200〜1600℃、3〜5時間の加熱処理で行われるため、実際に処理する熱処理条件によって、耐火組成物中のSnO、ZrOとSiOの配合量を調整すればよい。
なお、上記の耐火性配合物には、本発明の耐火物としての特性を損なわない範囲で他の成分を含有させることができる。この他の成分としては、酸化スズ質不定形耐火物に使用される公知の成分が挙げられる。
この他の成分としては、例えば、CuO、CuO、ZnO、MnO、CoO、LiO、Al、TiO、Ta、CeO、CaO、Sb、Nb、Bi、UO、HfO2、Cr、MgO、SiOなどの酸化物が挙げられる。
これら酸化物のなかでも、CuO、ZnO、MnO、CoOおよびLiOからなる群から選ばれる少なくとも1種以上の酸化物を含有することが好ましい。また、CuO、ZnO、MnO、CoO、LiOなどは、焼結助剤として有効に作用する。これら焼結助剤を含有させると、例えば1400℃、5時間の焼成で酸化スズ粒子同士にネックが形成され、耐火物の耐食性をより向上できる。したがって、CuO、ZnO、MnO、CoO、およびLiOからなる群から選ばれる少なくとも1種以上の酸化物を含有することがより好ましく、CuOを含有することが特に好ましい。
なお、本発明の好ましい酸化スズ質不定形耐火物用紛体組成物は、例えば、施工して得られた不定形耐火物が、1300℃、−700mmHg、350時間の熱処理後において、SnO含有量99モル%以上の酸化スズ質不定形耐火物と比較した揮散速度が1/5以下となる耐火物が好ましい。なお、このとき、互いに開気孔率差を2%以下として比較する。ここで、開気孔率は、公知のアルキメデス法により算出する。
次に、本発明の酸化スズ質不定形耐火物の製造方法を説明する。
まず、上記説明したように粒度配合された骨材を所要量秤取し均質に混合し、耐火性配合物を得、この耐火性配合物に所定量の結合剤(粉末原料)および/または分散剤を所要量秤取し均質に混合し、さらに水分を添加混合して、再び均質に混合することで坏土とする。次いで、得られた坏土を所望の形状に成形、塗布するなどし、これを乾燥させることで施工され、酸化スズ質不定形耐火物が得られる。所望の形状に成形するには、例えば、振動機を使用するなどして行えばよく、乾燥は40℃の温度下に24時間放置して行うことができる。また、揮散抑制効果を使用前の段階から高めるためには、予め1200℃以上、好ましくは1300〜1450℃となるような高温で熱処理すればよい。
原料は、上記粉末の組み合わせに限定されるものではなく、揮散抑制成分であるZrOおよびSiOの原料として、例えばジルコン粉末が使用できる。ジルコンは、SnO内にZrOが固溶限界濃度まで固溶していた場合には、酸化スズ粒子同士をつなぐネックとしての役割を果たす。また、SnOおよびZrOの原料としては、例えばZrOが固溶した酸化スズ粒子を使用できる。ZrOが固溶した酸化スズ粒子としては、例えばZrOが固溶した酸化スズ焼結体を所望の粒度に粉砕した粒子や、不定形耐火物を粉砕し再利用した粒子が使用できる。また、Zr、Si、Cu等の単体金属の粉末、これら金属を含んだ金属塩化合物、水酸化ジルコニウム(Zr(OH))、ジルコニウム酸銅(CuZrO)、炭酸銅(CuCO)、または水酸化銅(Cu(OH))などが使用できる。中でも、ジルコニウム酸銅(CuZrO)または炭酸銅(CuCO)が好ましい。
揮散抑制成分であるZrOおよびSiOの原料として、ジルコン粉末を使用した場合には、SnOへのZrOの固溶量が、12モル%以下である範囲においては、SnOがジルコンの解離促進剤として働くため、例えば1400℃、5時間の熱処理により、ジルコンをジルコニアとシリカへ解離させ、本発明の酸化スズ質不定形耐火物を製造できる。
さらに、原料としてジルコン粉末を使用した場合には、例えばZrOとSiOの原料粉末を分けて混合装置に投入する必要がなく、製造プロセスを簡略化できる。また、原料粉末の混合が容易となり、均一な混合物が得られるため製造プロセスの短縮や製品の品質安定性に寄与する。
本発明の酸化スズ質不定形耐火物の製造方法は、上記の成形、塗布以外にも、流し込み、圧入、吹付け等によって施工することもできる。吹付けでは、骨材、結合剤および分散剤の混合紛体組成物をノズルで気流搬送し、ノズル部で施工水を添加して壁面等に吹き付けて施工するのが一般的であるが、これは公知の施工法にアレンジできる。例えば、骨材、分散剤をノズルで気流搬送し、これらの搬送された粒子に対して、結合剤の一部または全部あるいは急結剤等をノズル部で添加して施工してもよい。施工水分は、不定形耐火物全体に対して例えば2〜11質量%、さらに好ましくは3〜7質量%とする。また、この施工は、炉壁等の新規な施工に限らず、補修のための継ぎ足し施工がある。なお、ここで急結剤とは、粉体組成物の凝結を著しく速めるための混和剤である。具体的な種類は、何ら限定されるものではなく、例えば、亜硝酸塩、硫酸塩、アルミン酸塩、炭酸塩などが使用できる。添加量は耐火性配合物100質量%に対し、外掛けで好ましくは1〜15質量%、さらに好ましくは2〜8質量%である。
流し込み施工では、耐火性配合物に分散剤、施工水を混合して坏土を得ておき、この坏土を型枠を使用して施工する。施工水分は不定形耐火物全体に対して例えば3〜7質量%が好ましい。施工時には振動を付与して充填化を促進させることが好ましい。施工後は養生および乾燥を行う。
施工は、ガラス溶融炉または廃棄物溶融炉に対し直接施工する他、予め施工して作製したプレキャスト品を使用してもよい。また、直接の施工とプレキャスト品の両者を組み合わせてもよい。このように、本発明の不定形耐火物を壁面または天井に施工して得られたガラス溶解炉または廃棄物溶融炉は、上記不定形耐火物の効果が得られる炉が得られ、好ましい。特に、溶融ガラスや溶融スラグと直接接触する炉の内壁に本発明の不定形耐火物を具備するものが好ましい。
ガラス溶融炉または廃棄物溶融炉において、内張りが不定形耐火物で施工される場合においても、部分的には耐火煉瓦が使用されることがある。また、不定形耐火物の種類もスラグと直接接触しない場所には断熱不定形耐火物等の異なる材質の不定形耐火物が使用されることもある。本発明により得られる不定形耐火物は、このようなゾーン毎に異なる材質の耐火物が使用される廃棄物溶融炉においては、最も使用条件の厳しい部位の内張りとしてその優れた耐食性の効果を発揮する。
以下、本発明を実施例および比較例によって具体的に説明するが、本発明はこれらの記載によって何ら限定して解釈されるものではない。
(例1〜28)
まず、酸化スズ質不定形耐火物用紛体組成物を製造するための原料として、表1に示した平均粒子径と化学成分および純度を有する粉末原料を準備した。
Figure 2014208620
次に、酸化スズ、ジルコニア、シリカ、ジルコン、アルミナ、酸化銅、酸化亜鉛等の各粉末を、表2に示した割合で調合した。表2中の「ジルコニア−酸化スズ」とは、表1に示した「12モル%ジルコニア−酸化スズ」のことであり、12モル%のZrOが固溶した酸化スズ粒子であることを示している。この粒子は、12モル%のZrOが固溶した酸化スズ焼結体を作製し、ジョークラッシャ(レッチェ社製、BB51WC/WC)にて粉砕し、篩により分級した粒子を用いた。ここで、ZrOが固溶した酸化スズ焼結体は、88モル%の酸化スズ粉末と12モル%のジルコニア粉末およびSnOとZrOの合量に対し0.5質量%の酸化銅粉末を、回転ボールミルを使用し、エタノールを媒体として48時間混合、粉砕した後、得られたスラリーを減圧乾燥し、147MPaで静水圧プレスして成形体とし、得られた成形体を大気雰囲気中で1400℃で5時間焼成することで得た。
Figure 2014208620
表2に示すように、耐火性配合物として用いる原料は、粗粒(840μm以上、1700μm未満)、中粒(250μm以上、840μm未満)、細粒(75μm以上、250μm未満)、微粒(15μm以上、75μm未満)、微粉(3μm超、10μm以下)、微細粉(0.1μm以上、3μm以下)を組み合わせて用いた。
なお、表1および表2においては、それぞれの粒径として、(1700−840μm)、(840−250μm)、(250−75μm)、(75−15μm)、(10−3μm)、(3−0.1μm)と表記しているが、この表記は、上記した通りの意味である。
調合された各原料粉末を均質に混合した後、所定量の水分、分散剤を添加し、再び均質に混合し、振動機(シンフォニアテクノロジー株式会社製、商品名:バイブレートリパッカVP−40)を使用して成形体を作製した。得られた成形体を、大気雰囲気中40℃で24時間乾燥させた後、1400℃で5時間保持して焼成後、300℃/時間で降温して酸化スズ質不定形耐火物を得た。
得られた酸化スズ質不定形耐火物の一部から、φ15mm、高さ5mmの試験片を切り取って、1300℃、−700mmHgの環境下で、10時間から400時間熱処理した後の質量減少量を、それぞれ測定し(エー・アンド・デイ社製、商品名:GH−252を使用)、揮散量(単位:mg)および揮散速度(単位:mg/hr)を算出した。
また、得られた酸化スズ質不定形耐火物から切り取った15mm×25mm×50mm(縦×横×長さ)の試験片を、ソーダライムガラス(旭硝子社製、商品名:サングリーンVFL)に、大気雰囲気中1300℃で100時間浸漬処理し、その後、侵食量を測定し、耐侵食性を調べた。
上記で得られた揮散速度および侵食量のデータを表3にまとめて示した。
Figure 2014208620
表2および3において、例1〜20は本発明の実施例であり、例21〜28は比較例である。
実施例および比較例のそれぞれのガラスに対する耐侵食性は、1300℃の温度域において、ガラス製造装置に広く利用されているアルミナ質不定形耐火物の例22と比較し、アルミナ質不定形耐火物の侵食試験後の侵食部の最大侵食深さを100として、相対的な侵食量を示した。
また、例1〜20および例21〜28のそれぞれの揮散速度は、例23の試験片を1300℃、−700mmHgの環境下で、10時間および400時間熱処理した後の揮散速度を100とし、相対的な揮散速度を示した。ここで10時間および350時間熱処理した後のそれぞれの揮散速度は、熱処理時間0時間から10時間までの質量減少量から算出される単位表面積当たりの平均的な揮散速度、および熱処理時間350時間から400時間までの質量減少量から算出される単位表面積当たりの平均的な揮散速度を相対的に示した。
なお、各サンプルの開気孔率はアルキメデス法により測定し、いずれも開気孔率差が2.0%以下であるサンプルを用いた。
例21は、ジルコニア質不定形耐火物であり、揮散は起こらないがガラスに対する耐侵食性が例1〜20よりも低い。
例22は、アルミナ質不定形耐火物であり、揮散は起こらないがガラスに対する耐侵食性が例1〜20よりも低い。
例23は、ZrOおよびSiOを除いた組成の酸化スズ質不定形耐火物であり、ガラスに対する耐侵食性が例1〜20とほぼ同等であるが、揮散抑制成分を含有していないために、SnOの揮散速度が非常に速い。
例24は、SiOを増量した組成の酸化スズ質不定形耐火物であり、揮散速度は実施例1〜20とほぼ同等であるが、SnOの含有量が少ないために、ガラスに対する耐侵食性が例1〜20よりも低い。
例25は、ZrOを増量した組成の酸化スズ質不定形耐火物であり、揮散速度は例1〜20とほぼ同等であるが、SnOの含有量が少ないために、ガラスに対する耐侵食性が例1〜20よりも低い。
例26は、ZrOを除いた組成の酸化スズ質不定形耐火物であり、ガラスに対する耐侵食性が例1〜20とほぼ同等であるが、揮散抑制成分であるZrOを含有していないために、SnOの揮散速度が非常に速い。
例27は、SiOを除いた組成の酸化スズ質不定形耐火物であり、ガラスに対する耐侵食性が例1〜20とほぼ同等であるが、SiOを含有していないために、SnOへのZrOの固溶限界濃度が高い。また、揮散抑制成分であるZrOの含有量が少ないため、SnOの揮散により、ZrOが固溶限界濃度に達するまでに時間を要し、SnOの熱処理10時間後の揮散速度が例1〜20よりも速い。また、SiOを含有していないために、熱処理350時間後においても、例1〜20と比較しSnOの揮散速度が速い。
例28は、Alをその他の成分として含有せしめた組成の酸化スズ質不定形耐火物であり、揮散速度は例1〜20とほぼ同等であるが、SnOの含有量が少ないために、ガラスに対する耐侵食性が例1〜20よりも低い。
一方、本発明の実施例である例1〜20は、例21〜28と比較し、揮散速度およびガラスに対する耐侵食性が良好な結果となっている。
例3〜20は、アルミナセメントおよび/またはコロイダルアルミナからなる結合剤の含有量を5質量%以下にした組成の酸化スズ質不定形耐火物であり、ガラスに対する耐侵食性が例1および例2よりも高い。
例9〜14は、それぞれ10μm以下の酸化スズ粒子(例9〜12)、ZrOを12モル%固溶している酸化スズ粒子(例13、14)、ジルコン粒子(例9〜14)を使用した酸化スズ質不定形耐火物であり、酸化スズ粒子同士のネックが形成されやすいため、ガラスに対する耐侵食性が例1〜8よりも高い。
これらの評価結果から、本発明の実施例である酸化スズ質不定形耐火物は、比較例の酸化スズ質不定形耐火物と比較し、いずれもSnOの揮散抑制効果およびガラスに対する耐侵食性が高く、両物性のバランスが取れた優れた酸化スズ質不定形耐火物であることが明らかとなった。
また、これらの結果から耐火性配合物の原料として、10μm以下の酸化スズ粒子および10μm以下の酸化スズとジルコニアの固溶体粒子からなる群から選ばれる1種類以上の微細粉を含む微粉を耐火性配合物中に1〜10質量%含有させることで、これらの微小粒子が酸化スズ粒子同士にネックが形成され、スラグに対する耐食性が向上できたことがわかった。さらに、酸化スズ粒子同士でのネックの形成は、不定形耐火物中の気体の流動性を低下させるため、揮散速度の抑制にも寄与すると考えられる。
本発明の酸化スズ質不定形耐火物用紛体組成物により得られる不定形耐火物は、スラグに対する耐侵食性に優れ、SnOの揮散等を有効に防止できるため、ガラス溶解炉用および廃棄物溶融炉用の不定形耐火物として好適である。
なお、2013年6月26日に出願された日本特許出願2013−133688の明細書、特許請求の範囲および要約書の全内容をここに引用し、本発明の明細書の開示として、取り入れるものである。

Claims (15)

  1. SnO、ZrOおよびSiOを必須成分とする耐火性配合物を含有する酸化スズ質不定形耐火物用紛体組成物であって、前記耐火性配合物中におけるSnO、ZrOおよびSiOの含有量の合量が70質量%以上であり、かつ、前記SnO、ZrOおよびSiOの含有量の合量に対して、SnOの含有割合が55〜98モル%、ZrOの含有割合が1〜30モル%、SiOの含有割合が1〜15モル%、であることを特徴とする酸化スズ質不定形耐火物用紛体組成物。
  2. 前記耐火性配合物中におけるSnO、ZrOおよびSiOの含有量の合量が、95質量%以上である請求項1に記載の酸化スズ質不定形耐火物用紛体組成物。
  3. 前記SnO、ZrOおよびSiOの含有量の合量に対して、SnOの含有割合が70〜98モル%、ZrOの含有割合が1〜20モル%、SiOの含有割合が1〜10モル%、である請求項1または2に記載の酸化スズ質不定形耐火物用紛体組成物。
  4. 前記SnO、ZrOおよびSiOの含有量の合量に対して、SnOの含有割合が83〜98モル%、ZrOの含有割合が1〜12モル%、SiOの含有割合が1〜5モル%、である請求項3に記載の酸化スズ質不定形耐火物用紛体組成物。
  5. 前記耐火性配合物中に、10μm以下の、酸化スズ粒子、ジルコン粒子および酸化スズとジルコニアの固溶体粒子からなる群から選ばれる1種類以上を含んでなる微細粉を含む微粉を1〜10質量%含有する請求項1乃至4のいずれか1項に記載の酸化スズ質不定形耐火物用紛体組成物。
  6. 前記耐火性配合物中に、3μm以下の、酸化スズ粒子、ジルコン粒子および酸化スズとジルコニアの固溶体粒子からなる群から選ばれる1種類以上を含んでなる微細粉を1〜10質量%含有する請求項1乃至5のいずれか1項に記載の酸化スズ質不定形耐火物用紛体組成物。
  7. 前記耐火性配合物中に、CuO、ZnO、MnO、CoOおよびLiOの酸化物からなる群から選ばれる少なくとも1種類以上の成分を、さらに含む請求項1乃至6のいずれか1項に記載の酸化スズ質不定形耐火物。
  8. 前記耐火性配合物に対し、分散剤を外掛けで0.01〜2質量%含有する請求項1乃至7のいずれか1項に記載の酸化スズ質不定形耐火物用紛体組成物。
  9. 結合剤として、アルミナセメントおよびコロイダルアルミナからなる群から選ばれる1種類以上を含有し、前記耐火性配合物中における前記結合剤の含有量が5質量%以下である請求項1乃至8のいずれか1項に記載の酸化スズ質不定形耐火物用紛体組成物。
  10. 前記耐火性配合物として、ZrOが1〜25モル%固溶している酸化スズ粒子を使用することを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項に記載の酸化スズ質不定形耐火物用紛体組成物。
  11. 前記酸化スズ質不定形耐火物用紛体組成物が、施工後、1300℃、350時間の熱処理したとき、酸化スズ粒子の表面に、ジルコン相およびジルコニア相が形成されることを特徴とする請求項1乃至10のいずれか1項に記載の酸化スズ質不定形耐火物用紛体組成物。
  12. 請求項1乃至11のいずれか1項に記載の酸化スズ質不定形耐火物用紛体組成物を、水と混練し、施工してなることを特徴とする酸化スズ質不定形耐火物の製造方法。
  13. 前記施工後、1200℃以上で熱処理することを特徴とする請求項12に記載の酸化スズ質不定形耐火物の製造方法。
  14. 請求項1乃至11のいずれか1項に記載の酸化スズ質不定形耐火物用紛体組成物を施工して得られる酸化スズ質不定形耐火物を具備してなるガラス溶解炉。
  15. 請求項1乃至11のいずれか1項に記載の酸化スズ質不定形耐火物用紛体組成物を施工して得られる酸化スズ質不定形耐火物を具備してなる廃棄物溶融炉。
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