JP4558442B2 - バーナータイル - Google Patents

Description

本発明は加熱炉、均熱炉、熱処理炉等の天井や側壁に設置するバーナータイルに関するものである。

加熱炉や熱処理炉における加熱手段としては、バーナーが一般的である。これには、加熱炉等の設置箇所に開口部を設け、その周囲を高温から保護する耐火材で構築し、ここにバーナーを挿入する。この耐火材はバーナータイルと称され、従来、一般にアルミナ−シリカ系の不定形耐火物の現地流し込み成形やプレキャスト成形品を用いたり、耐火れんが等で内張りしたりするのが一般的である。

一方、加熱炉や熱処理炉の天井や側壁のライニング耐火物としては、セラミックファイバー（無機繊維）が用いられることが多くなった。セラミックファイバーによるライニングは、熱衝撃による割れの発生がないため、昇降温の速度を従来ほど慎重にする必要がなくなるという利点がある。

しかしながら、従来通りの不定形耐火物や耐火れんがで構築されたバーナータイルは、熱衝撃によって割れ・亀裂の発生や層状の剥離が起こり易いという問題があった。

これを解決するために、特許文献１や特許文献２に開示されるようなセラミックファイバー製のバーナータイルが用いられるようになった。

しかしながら、これらセラミックファイバー製バーナータイルは、バーナー火炎の流速によってセラミックファイバーの繊維が吹き飛ばされ、局部的に損傷する問題が生じる。

これを解決するために、特許文献３には、セラミックファイバーブランケットを十文字または放射状あるいはモザイク状に積層し、バーナータイルの中央部に形成する炉内面側で拡開するラッパ状または円筒状のバーナー挿入孔に、セラミックファイバーブランケットの繊維先端を位置せしめてなる、セラミックファイバー製バーナータイルが開示されている。

このバーナータイルは、セラミックファイバーブランケットの加熱線収縮率が最大となるブランケットの厚み方向が、バーナー火炎軸の方向に対して垂直となるため、長期間の使用中に少なくともバーナータイルの外周が火炎軸方向に収縮し、バーナータイルと周辺ライニング耐火物との間、あるいは積層したブランケットの間に隙間が生じ、バーナータイルを保持しているスタッドや支持片、補強部材が熱変形してバーナータイルを保持できなくなるだけでなく、背面鉄皮をも損傷させてしまう問題が生じる。
実開平６−１８２２４号公報 特開平７−６９０５１号公報 特開平６−２８１１３２号公報

本発明は、熱衝撃によって割れ・亀裂の発生や層状剥離の発生がなく、バーナー火炎の流速によって局部的に損傷することもなく、かつ、熱収縮によって周辺ライニング耐火物との間、あるいはバーナータイル内に隙間が生じることのないバーナータイルを提供することを目的とする。

本発明者らは種々検討を行った結果、バーナータイルの加熱線収縮率が最大となる方向と、その収縮率を特定することによって、前記目的を達成できるとの結論を得た。

すなわち本発明の要旨は、以下の通りである。

（１） 無機繊維を一方向に積層または堆積させて成形した成形体からなるバーナータイルであって、隣接するバーナーの中心軸方向に対して、該バーナータイルにおける加熱線収縮の最大となる方向が３０°以内となる様に設置されたことを特徴とするバーナータイル。

（２） 嵩比重が０．１〜０．５であり、１５００℃で８時間加熱される条件下における最大加熱線収縮率が６％以下であり、最大加熱線収縮率を最小加熱線収縮率で除した値が２以上であることを特徴とする（１）に記載のバーナータイル。

（３） 前記バーナータイルが一方向湿式成形により得られたことを特徴とする（１）または（２）に記載のバーナータイル。

本発明によれば、バーナー火炎の流速によって局部的に損傷することがなく、かつ、熱収縮によって周辺ライニング耐火物との間、あるいはバーナータイル内に隙間を生じることのない無機繊維製のバーナータイルを得ることができる。

本発明におけるバーナータイルは、無機繊維を一方向に積層または堆積させた成形体を用いる。無機繊維が一方向に積層または堆積させることによって、成形体の加熱線収縮率が方向によって異なり、加熱した際に、繊維の積層方向あるいは堆積方向の線収縮率が最大となり、これに垂直な任意の方向の線収縮率が最小となる。これは、成形体内で無機繊維の方向が積層方向あるいは堆積方向と垂直に並びやすいことに関係している。

ちなみに、加熱線収縮率とは、加熱前の任意の線方向の長さに対する、加熱後の同じ線方向の長さの比率（または百分率）を意味しており、加熱温度および加熱時間は特に規定するものではなく、適宜設定される。

本発明者らは、加熱線収縮率が最大となる方向を、隣接するバーナーの中心軸方向（火炎方向）と同じにすることで、バーナーの中心軸方向に対して垂直な任意の方向へのバーナータイルの線収縮率を最小とすることができるため、これによりバーナータイルの損傷が抑えられ、かつバーナータイル周辺あるいはバーナータイル内に隙間を生じさせないことを可能とすることを見出した。

また、バーナーの中心軸方向と、バーナータイルの加熱線収縮率とが最大となる方向は、まったく同じであることが好ましいが、加熱炉内でのバーナーの取り付け位置や施工上の取り付け精度などの諸事情からずれることがあり、この場合、バーナー中心軸とバーナータイルの加熱線収縮率が最大となる方向が、おおむね３０°以内であれば、本発明の効果が得られ、好ましくは２０°以内、さらに好ましくは１０°以内であれば、その効果はより大きくなる。

次に、本発明のバーナータイルの好ましい性状について説明する。

まず、嵩比重については、０．１〜０．５であることが好ましい。嵩比重が０．５を超える場合、熱衝撃による亀裂や割れが発生しやすくなる。また、嵩比重が０．１未満の場合、成形体としての形状が保持できなくなる。

さらに、本発明のバーナータイルにおいて、１５００℃で８時間加熱される条件下における最大加熱線収縮率が６％以下であることが好ましく、下限値として０％を含む。ここで、最大加熱線収縮率とは、前記加熱線収縮率が最大となる方向の線収縮率である。最大線収縮率が６％を超える場合、急激な体積変化によりバーナータイルに亀裂や割れが発生しやすくなる。

測定条件の１５００℃の温度は、各種バーナータイルが耐え得る上限付近の温度であることから設定し、また８時間の加熱時間は、セラミックファイバーブランケットの加熱線収縮の測定条件（ＪＩＳ Ｒ３３１１）に準じて設定した。

また、最大加熱線収縮率を最小加熱線収縮率で除した値は、２以上であることが好ましい。この値が２未満の場合、繊維の積層方向または堆積方向と同じ方向を向いて存在する繊維の割合が多くなり、バーナー火炎の風速により損傷しやすくなる。一方、最大加熱線収縮率を最小加熱線収縮率で除した値の上限値は特に規定されるものではない。

無機繊維を一方向に積層または堆積させた成形体を得る方法としては、一般に知られている無機繊維の成形方法の中から選択できる。例えば、特公平７−６９０５１号公報（特許文献２）に示されているようにセラミックファイバーのブランケットを積層して組み合わせて一定の形状にする方法もあるが、この場合、ブランケットの厚み方向が加熱収縮率の最大となる方向となる。

また、無機繊維をシリカゾル、アルミナゾル、アルミナセメント等の無機バインダーとともに水中に分散させたものを金枠に注入し、加圧または真空吸引して脱水後、乾燥・焼成して成形体とする湿式成形法において、加圧の方向または吸引の方向を一方向に限定した一方向湿式成形がある。本発明におけるバーナータイルは、製造のし易さ、生産性や品質の安定性の理由から、一方向湿式成形で得ることが好ましい。

無機繊維の種類としては、アルミナ−シリカ質、ムライト質、アルミナ−シリカ−ジルコニア質、アルミナ−シリカ−クロミア質のうち、１種類あるいは２種類以上を組み合わせたものが使用できる。

無機バインダーは、上記の他にリン酸塩、珪酸塩等など一般に知られているもののいずれもが使用でき、また、これに酢酸ビニル、ラテックスなどの有機バインダーを加えても良い。

さらに、成形体の強度を補強するために、成形体表面にアルミナ−シリカ質のスラリーやアルミナゾル、シリカゾル溶液などを塗布しても良い。

表１に加熱試験に用いた各種バーナータイル用耐火材の嵩比重、１５００℃で８時間加熱される条件下における加熱線収縮率、および加熱試験結果を示す。

また、図１は加熱試験の方法を示す模式図である。図に示す加熱試験に用いるバーナー１は、ＬＰＧ＋酸素バーナーであり、バーナー１を、バーナータイル２の図に示す背面に隣接させるように設置した。そして、各種バーナータイル２の試料表面におけるガス流速が室温換算で１０ｍ／秒、表面温度が１５００℃となるように、ガス流量や、バーナーとバーナータイル２との距離を調整しながら１時間加熱した。加熱した後、直ちに消火し、室温で１時間放置した。この各１時間の加熱と放置とを合わせて１サイクルとし、これを５サイクル繰り返してバーナータイル２の損傷状況を観察した。なお、図に示す符号４、５、および６は、バーナータイル２の厚み方向、幅方向、および高さ方向を示している。

図２は本発明の実施例１の模式図である。

実施例１において、図に示すように、ムライト質のセラミックファイバーブランケット３を一方向に圧縮積層して作成した成形体を用い、バーナータイル２の厚み方向４に積層方向を一致させて設定した。すなわち、加熱線収縮が最大となる方向は、バーナータイル２の厚み方向４であり、バーナー１の中心軸と同じ方向（＝０°）になる様に設定した。また、図に示す符号７および８は、固定金物および支持ピンを示している。

また、実施例２として、ムライト質のセラミックファイバーを一方向湿式成形で堆積させて作成した成形体を用い、バーナータイルの厚み方向に堆積方向を一致させて設定した。すなわち、実施例１と同様に、加熱線収縮が最大となる方向は、バーナータイルの厚み方向であり、バーナーの中心軸と同じ方向（＝０°）となる様に設定した。

これに対し、比較例１および比較例２として、アルミナ−シリカ系の不定形耐火物（キャスタブル）の成型品を用い、比較例３として、セラミックファイバーを主原料としたキャスタブルの流し込み成形品を用いた。比較例１〜３では、いずれも加熱線収縮率はどの方向においても同じ値であり、最大加熱線収縮率を最小加熱線収縮率で除した値は１である。

比較例４として、ムライト質のセラミックファイバーブランケットを一方向に積層して作成した成形体を用い、バーナータイルの高さ方向に積層方向を設定した。すなわち、加熱線収縮が最大となる方向は、バーナータイルの高さ方向であり、バーナーの中心軸と直交する方向（＝９０°）となる様に設定した。

比較例５として、ムライト質のセラミックファイバーを一方向湿式成形で堆積させて作成した成形体を用い、バーナータイルの高さ方向に堆積方向を一致させて設定した。すなわち、比較例４と同様に、加熱線収縮が最大となる方向は、バーナータイルの高さ方向であり、バーナーの中心軸と直交する方向（＝９０°）となる様に設定した。

その結果、実施例１および実施例２ともに、バーナータイル自身は加熱試験後も損傷は見られなかった
これに対し、比較例１および比較例２は、加熱試験で亀裂が発生し、その亀裂は実際の加熱炉で使用した場合と同様であった。比較例３は、加熱試験において網目状の亀裂が発生した。比較例４および比較例５は、バーナー孔内面の上端および下端側が火炎流束によって削られた。

また、比較例６として特開平６−２８１１３２号公報（特許文献３）に開示されている、セラミックファイバーブランケットを十文字に積層したバーナータイルと、実施例２のバーナータイルを実際に加熱炉に設置し、６ヶ月後に点検した。

その結果、比較例６のバーナータイルは、バーナータイルの周囲に５〜１０ｍｍの隙間が生じ、当該隙間にセラミックファイバーを充填したが、１年後の点検時に再び隙間が生じたため、使用を中止した。これに対し、実施例２のバーナータイルは、６ヶ月後および１年後の点検においても健全であった。

加熱試験の方法を示す模式図である。 実施例１の模式図である。

符号の説明

１ バーナー、
２ バーナータイル、
３ セラミックファイバーブランケット、
４ 厚み方向、
５ 幅方向、
６ 高さ方向、
７ 固定金物、
８ 支持ピン。

Claims (3)

1. 無機繊維を一方向に積層または堆積させて成形した成形体からなるバーナータイルであって、隣接するバーナーの中心軸方向に対して、該バーナータイルにおける加熱線収縮の最大となる方向が３０°以内となる様に設置されたことを特徴とするバーナータイル。
2. 嵩比重が０．１〜０．５であり、１５００℃で８時間加熱される条件下における最大加熱線収縮率が６％以下であり、最大加熱線収縮率を最小加熱線収縮率で除した値が２以上であることを特徴とする請求項１に記載のバーナータイル。
3. 前記バーナータイルが一方向湿式成形により得られたことを特徴とする請求項１または２に記載のバーナータイル。