JP6429317B2

JP6429317B2 - 炉壁の溶射補修方法

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Publication number: JP6429317B2
Application number: JP2014251890A
Authority: JP
Inventors: 久宏松永; 英邦西口; 飯田　正和; 正和飯田; 洋一笹井
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2013-12-25
Filing date: 2014-12-12
Publication date: 2018-11-28
Anticipated expiration: 2034-12-12
Also published as: JP2015143393A

Description

本発明は、コークス炉の炭化室のような工業窯炉等の炉壁の溶射補修方法に関し、具体的には、溶射材料に含まれる金属粉末の酸化反応熱で耐火性粉末を溶融して補修面に溶着させるテルミット反応を利用した溶射を用いた炉壁の溶射補修方法に関するものである。

工業窯炉や溶融金属用容器等は、その使用に伴って、内張りされた耐火物等に損傷が生ずる。このような損傷に対しては、適宜、補修が施される。例えば、製鉄所のコークス炉は、建設してから２０年以上のものが多く、特に、炭化室の内壁は補修を繰り返しながら操業を継続している。

操業を継続しながら補修を施す技術の一つとして、溶射補修法がある。この溶射補修法としては、プラズマ溶射法やレーザー溶射法、火炎溶射法等があるが、これらの溶射方法には、大掛かりな設備装置が必要となるという問題がある。そのため、近年では、比較的簡易な装置で実施可能な、金属粉末の酸化発熱反応を利用した溶射方法が開発されている（例えば、特許文献１〜５参照）。

上記溶射方法は、金属粉末（燃焼剤）と、耐火性粉末の混合物を酸素ガスで搬送して高熱の補修面に吹き付けることによって、混合物中の金属粉末が補修面からの受熱により酸化発熱反応（テルミット反応）を起こして耐火性粉末が溶融し、補修面に付着することを利用した技術であり、火炎溶射法のようにプロパン等の可燃性ガスを必要としないのが特徴である。したがって、火炎を発生させるようなバーナーが不要である。

この溶射方法で使用するノズルの構造については、特許文献１に開示されているように、酸素含有ガスを供給する中心孔と、その中心孔の周囲に燃料ガスと金属粉末、吹付材（耐火物粉末）を供給する供給孔を設けたものもあるが、現在のところ、特許文献２〜５に開示されたような単管構造のものが一般的であると考えられる。また、溶射材料の噴出速度（単位時間当たりに噴出量）については、特許文献２，３および５には、ともに５０ｋｇ／ｈｒと記載されていることから、５０ｋｇ／ｈｒ前後が一般的であると推察される。

特開平０７−２１８１４７号公報特開２００６−０９８０２９号公報特開２００６−１５１７７１号公報特開２００９−１２０４０６号公報特開２０００−１５９５７９号公報

ところで、テルミット反応方式の溶射方法において、補修能率を向上させるためには、溶射材料の噴出速度、すなわち、単位時間当たりの溶射材料の噴出量を大きくする必要がある。しかし、溶射材料の噴出速度を６０ｋｇ／ｈｒ以上にすると、溶射材料が溶融・固化して形成された溶射体表面の凹凸が大きくなるという問題がある。そのため、コークス炉の場合、コークス押出し時にコークスが溶射体表面の凹凸に引っ掛かり、押し詰まりを起こすおそれがある。

また、発明者らの知見では、溶射材料の噴出速度を大きくしたときの溶射体表面の凹凸は、噴出速度が同じ場合には、ノズルの駆動速度が遅いほど大きくなる傾向にあり、それを防止するために、ノズル駆動速度を速くすると失火を起こし、却って補修が滞ってしまうという問題がある。さらに、溶射材料の噴出速度を大きくするためにノズル径を大きくしても、溶射体の圧縮強度が同等程度となるような溶射条件では、溶射体表面の凹凸は殆ど変化がない。

本発明は、従来技術が抱える上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、溶射材料の噴射速度が大きい場合でも、溶射体表面の凹凸が小さく、かつ、高効率で炉壁の補修を行うことができるテルミット反応方式の溶射を用いた炉壁の溶射補修方法を提案することにある。

発明者らは、上記課題の解決に向け、テルミット反応方式の溶射に用いるノズル仕様が溶射体表面の凹凸に及ぼす影響に着目して鋭意検討を重ねた。その結果、溶射体表面の凹凸を低減し、かつ、高能率で炉壁の補修を行うためには、２本以上の単位ノズルからなる複合ノズルを用いることが有効であることを見出し、本発明を開発するに至った。

すなわち、本発明は、金属粉末の酸化反応熱で溶融した耐火性粉末を補修面に溶着させるテルミット反応方式の溶射を用いた炉壁の補修方法において、上記溶射に２本以上の単位ノズルから構成される複合ノズルを用い、かつ、それぞれの単位ノズルから金属粉末を含む耐火性粉末と酸素ガスを噴出させることを特徴とする炉壁の溶射補修方法を提案する。

本発明の炉壁の溶射補修方法は、上記複合ノズルとして、２〜４本の単位ノズルから構成されてなるものを用いることを特徴とする。

また、本発明の炉壁の溶射補修方法は、上記複合ノズルとして、各単位ノズルのノズル孔断面の合計面積が１５４〜５１０ｍｍ^２のものを用いることを特徴とする。

また、本発明の炉壁の溶射補修方法は、上記複合ノズルとして、各単位ノズルのノズル孔断面が、直径が７〜１８ｍｍφの円形のものを用いることを特徴とする。

また、本発明の炉壁の溶射補修方法は、上記複合ノズルとして、各単位ノズルのノズル孔断面が、一辺の長さが６〜１６ｍｍの正方形のものを用いることを特徴とする。

また、本発明の炉壁の溶射補修方法は、上記複合ノズルとして、各単位ノズルの最近接ノズルの中心間距離が、各単位ノズルのノズル孔の直径または一辺の長さに対して＋２〜＋１５ｍｍの範囲内のものを用いることを特徴とする。

また、本発明の炉壁の溶射補修方法は、複合ノズルからの金属粉末を含む耐火性粉末の噴出速度を６０ｋｇ／ｈｒ以上とし、ノズルの駆動速度を２００ｍｍ／ｓ以下として溶射することを特徴とする。

本発明によれば、２本以上の単位ノズルから構成された複合ノズルを用いて、それぞれの単位ノズルから金属粉末を含む耐火性粉末と酸素ガスを噴出させるので、溶射材料の噴出速度が１５０ｋｇ／ｈｒ前後と従来の約３倍で、かつノズル駆動速度が遅い場合でも、材料が溶融・固化して形成された溶射体表面を平滑に仕上げることができる。そのため、本発明をコークス炉に適用した場合には、押し詰まりを効果的に防止することができる。また、ノズル駆動速度を速くする必要がないので、失火による補修能率の低下も防止することができる。

本発明に適合する複合ノズルの横断面を説明する例図である。実施例の溶射実験におけるノズルの駆動パターンを説明する図である。溶射体表面の凹凸の大きさを測定する方法を説明する図である。

以下、本発明について説明する。
先述したように、従来の１本の単管ノズルを用いたテルミット反応方式の溶射補修方法においては、補修能率を向上させるために、溶射材料の噴出速度を大きくすると、溶射材料が溶融・固化して形成された溶射体表面の凹凸が大きくなる。また、噴出速度が同じ場合、ノズルの駆動速度が遅いほど溶射体表面の凹凸が大きくなり、逆に、速くすると失火を起こし、却って補修が滞ってしまう。さらに、ノズル孔を大きくしても、溶射体の圧縮強度が同等程度となるような溶射条件では、溶射体表面の凹凸は殆ど改善されないという問題があった。

そこで、発明者らは、上記問題点を解決するための方策について種々の検討を重ねた結果、２本以上の単位ノズルから構成される複合ノズルを用い、かつ、それぞれの単位ノズルから金属粉末を含む耐火性粉末と酸素ガスを噴出させることで、溶射材料の噴射速度が大きい場合でも、溶射体表面の凹凸を大幅に低減し、平滑化することができることを見出した。

ここで、上記複合ノズルを構成する単位ノズルの本数は、２〜４本であることが好ましい。その理由は、４本を超える場合でも、溶射体表面の凹凸低減効果を得ることができるものの、例えば主とするノズル駆動方向に対して垂直方向にノズルを設置した場合、図２の折返し時にはノズルが重なるため、折返し部位を盛り過ぎることになるからである。なお、ノズルを３本以上用いる場合、ノズル駆動方向で重なるノズルは、２本以下とすることが好ましく、ノズルが重ならない（ノズル駆動方向でのノズルの並びが１本）とすることがより好ましい。ノズル駆動方向で重なるノズルを３本以上とした場合でも、溶射体表面の凹凸低減効果を得ることができるものの、１〜２本目のノズルから噴出した溶射材が溶融し、それがある程度固まらないうちに、３本目のノズルが通過すると、そのノズルから噴出した酸素ガスによって溶融状態の溶射材が押し流されることがあり、凹凸低減効果が弱まるためである。これを解決するには、ノズル間の距離を離せば良いが、狭い範囲を溶射するには不向きとなるため、溶射範囲などを考慮してノズル間距離やノズルの配置を決めることが好ましい。

また、上記複合ノズルを構成する単位ノズルのノズル孔断面は円形または正方形であることが好ましい。その理由は、ノズルの断面積が同じ場合、溶射材料の付着率は、ノズル孔の周囲長と相関があり、それが短いほど向上するためである。

また、上記複合ノズルを構成する単位ノズルのノズル孔断面の合計面積は、溶射材料の噴出速度（単位時間当たりの噴出量）にもよるが、噴出速度が６０〜２００ｋｇ／ｈｒである場合には、１５４〜５１０ｍｍ^２となるように、単位ノズルのノズル孔寸法や本数を決定するのが好ましい。各単位ノズルのノズル孔断面の合計面積が１５４ｍｍ^２よりも小さいと、溶射体が局所的に盛られやすいため、溶射体表面の凹凸低減効果が小さくなり、一方、５１０ｍｍ^２を超えると、所定の強度の溶射体を得るために必要な酸素ガスの流量が増大し、経済的に不利となるからである。より好ましい単位ノズルのノズル孔断面の合計面積は、１７０〜３７０ｍｍ^２の範囲である。

したがって、単位ノズルのノズル孔断面の合計面積を、単位ノズルの本数が好ましい範囲の下限である２本または上限である４本としたときに、１５４〜５１０ｍｍ^２の範囲となるようにするには、次のようにするのが好ましい。単位ノズルのノズル孔断面形状が円形である場合において、単位ノズル本数が好ましい範囲の下限である２本のときには、その内径（直径）を１０〜１８ｍｍφの範囲とし、単位ノズル本数が好ましい範囲の上限である４本のときには、その内径（直径）を７〜１２．７ｍｍφの範囲とする。一方、単位ノズルのノズル孔断面形状が正方形である場合において、単位ノズル本数が好ましい範囲の下限である２本のときには、その一辺の長さを８．８〜１５．９ｍｍの範囲とし、単位ノズル本数が好ましい範囲の上限である４本のときには、その一辺の長さを６．２〜１１．２ｍｍの範囲とする。これらの範囲を外れると、溶射体表面の凹凸低減効果や溶射体の圧縮強度が低下する傾向がある。

また、上記複合ノズルを構成する単位ノズルは、最も近い位置で隣り合うノズルとの中心間距離、すなわち、最近接ノズル間距離を、ノズル孔の直径または一辺の長さに対して＋２〜＋１５ｍｍの範囲内とすることが好ましい。単位ノズルから噴射された溶射材料は、噴射後、幅方向（溶射流の流れに対して垂直方向）に広がるため、１つの単位ノズルとそれに隣接した単位ノズルとの間は、両ノズルから溶射されることになる。そのため、上記最近接ノズル間距離が小さ過ぎると、上記単位ノズル間に溶射される溶射材料の量が多くなり過ぎ、他の部分よりも盛り上がってしまい、一方、上記最近接ノズル間距離が大き過ぎると、上記単位ノズル間に溶射される溶射材料の量が少なくなり、他の部分よりも薄くなってしまうため、溶射体表面を平滑に仕上げることが難しくなるからである。

また、前述したように、本発明は、金属粉末を含む耐火性粉末（溶射材料）の噴出速度が大きいほど、また、ノズルの駆動速度が遅いほど、溶射体表面の凹凸が大きくなるという単管ノズルの問題点を解決するべく開発した技術である。したがって、本発明の効果は、溶射速度が６０ｋｇ／ｈｒ以上、ノズル駆動速度が２００ｍｍ／ｓ以下で得られる。よって、本発明を適用する場合には、溶射材料の噴出速度およびノズル駆動速度を上記範囲として実施するのが好ましい。特に、本発明の効果は、溶射材料の噴出速度が１００ｋｇ／ｈｒ以上、ノズル駆動速度が１００ｍｍ／ｓ以下の場合に顕著となる。

なお、上記の説明では、複合ノズルを構成する単位ノズルとして、単管ノズルを例にとって説明しているが、本発明の単位ノズルは、上記例に限定されるものではなく、例えば、金属粉末と耐火性粉末を噴出する内管と、その内管を取り囲んで設けられた酸素ガスを噴出する外管からなる二重管ノズル等の二重構造のノズルであってもよい。この二重構造のノズルから構成される複合ノズルは、溶射材料が溶融して被施工体に付着する割合である付着率の向上や、被施工体から跳ね返った溶射材料に起因するノズル閉塞の防止に極めて有効である。

また、本発明の溶射補修に用いる溶射材料については、特に制限しないが、例えば、コークス炉の炉壁補修に用いる溶射材料としては、金属粉末としては金属Ｓｉや鉄粉を、また、耐火性粉末としては主にＳｉＯ_２を含有するものが好適である。また、耐火性粉末としてＭｇＯやＡｌ_２Ｏ_３を含有してもよい。さらに、溶融性を高めるため、ＣａＯやＬｉ_２Ｏ等を添加してもよい。また、溶射材料の粒径は、１ｍｍ以下であることが好ましい。

金属粉末として、金属シリコンを１５ｍａｓｓ％、耐火性粉末として、珪石れんが粉を８２．５ｍａｓｓ％、その他の成分として、硫酸リチウムをＬｉ_２Ｏ換算値で０．５ｍａｓｓ％、Ｆｅ_２Ｏ_３を１．０ｍａｓｓ％、および、ＣａＯを１．０ｍａｓｓ％含有する溶射材料を、テルミット反応を利用した溶射方法で、シャモット質れんがの平板パネルに対して溶射を行う実験を行った。

上記溶射実験では、図１に示した２〜５本のノズルから構成された本発明に適合するＡ〜Ｉ、Ｌ〜Ｔの１８種類の複合ノズル（発明例）と、１本のノズルからなる本発明外のＪおよびＫの２種類の単体ノズル（比較例）の合計２０種類のノズルを用いて、図２に示すように１パスの長さを３００ｍｍとし、折り返しのピッチｘを表１に示したように変えて５回折り返す溶射を、溶射体の厚さが４０ｍｍとなるまで繰り返して実施した。この際、ノズル先端と被施工体（平板パネル）までの距離は、溶射体の厚さに合わせて変化させ、常に６０ｍｍとなるようにした。なお、折り返しのピッチｘ（ｍｍ）は、（最近接ノズル間距離（ｍｍ）×ノズル駆動方向に対して垂直に配置されているノズル本数）としたが、溶射体に隙間ができないように設定すればよく、例えば、ノズルを駆動方向に対して４５°の方向に配置した場合には、最近接ノズル間距離（ｍｍ）を、ノズル駆動方向に対して垂直方向の距離として折り返しのピッチを設定すればよい。なお、その他の溶射条件は、表１に示した通りである。

溶射後、レーザー距離計を用いて、溶射体表面の任意の位置の長さ２０ｍｍ間における凹凸の大きさを、溶射体表面の任意の２０ヶ所以上おいて測定し、その平均値を算出した。なお、溶射体表面の凹凸の大きさは、図３に示したように定義する。

表１から２本以上からなる複合ノズルを用いる本発明例では、溶射体表面の凹凸が１．３〜３．５ｍｍであるのに対して、単体ノズルを用いるＮｏ．１６〜１９の比較例では４．１〜６．７ｍｍであり、本発明の複合ノズルを用いることにより、溶射体表面の凹凸を約１／２以下に低減できることがわかる。

本発明の技術は、コークス炉等の工業窯炉の炉壁の補修に適用できるだけでなく、その他の耐火物壁、例えば、製銑分野における溶銑樋、製鋼分野における転炉や取鍋、脱ガス処理炉、連続鋳造設備のタンディッシュ等の耐火物補修にも好適に用いることができる。

Claims

金属粉末の酸化反応熱で溶融した耐火性粉末を補修面に溶着させるテルミット反応方式の溶射を用いた炉壁の補修方法において、
上記溶射に２本以上の単位ノズルから構成される複合ノズルを用い、かつ、それぞれの単位ノズルから金属粉末を含む耐火性粉末と酸素ガスを噴出させ、
ノズル駆動方向で重なる前記単位ノズルを２本以下とし、
前記複合ノズルからの金属粉末を含む耐火性粉末の噴出速度を６０ｋｇ／ｈｒ以上とし、該ノズルの駆動速度を２００ｍｍ／ｓ以下として溶射することを特徴とする炉壁の溶射補修方法。
上記複合ノズルとして、２〜４本の単位ノズルから構成されてなるものを用いることを特徴とする請求項１に記載の炉壁の溶射補修方法。
上記複合ノズルとして、各単位ノズルのノズル孔断面の合計面積が１５４〜５１０ｍｍ^２のものを用いることを特徴とする請求項１または２に記載の炉壁の溶射補修方法。
上記複合ノズルとして、各単位ノズルのノズル孔断面が、直径が７〜１８ｍｍφの円形のものを用いることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の炉壁の溶射補修方法。
上記複合ノズルとして、各単位ノズルのノズル孔断面が、一辺の長さが６〜１６ｍｍの正方形のものを用いることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の炉壁の溶射補修方法。
上記複合ノズルとして、各単位ノズルの最近接ノズルの中心間距離が、各単位ノズルのノズル孔の直径または一辺の長さに対して＋２〜＋１５ｍｍの範囲内のものを用いることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の炉壁の溶射補修方法。