JPH0772671B2 - 高温炉用ジルコニア質ライニング構造 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は高温炉の耐火ライニング構造、より詳細に
は、断面形状において同一であるジルコニア成形体を互
に嵌合して一体平板状に組合わせて接合面からの熱リー
クを防止しうるようにしたジルコニア質ライニング構造
に関する。

〔従来の技術〕

ジルコニアZrO₂は、約2715℃という高融点をもち、熱伝
導性が非常に低く、高温において低い電気抵抗度を、低
温において高い電気抵抗度を有し、化学的安定性に優れ
て塩基性及び酸性鉱滓に濡れず、揮発性が低く、更にモ
ース硬度が７以上であることなど他のセラミックスにな
い優れた特性を有している。

これらの特性を活かしてジルコニアが研磨、研削材、電
子材料、陶磁器用顔料、ガラス添加剤、センサー用材料
などの用途の他、耐火成形物に使用されている。

一般に高温用の電気炉では最近省エネルギーの見地から
Al₂O₃質ファイバーボードが使われているが、その耐熱
温度は通常1700℃であり1800℃を越えるような場合は塩
基性煉瓦やジルコニア煉瓦を使わざるを得ない。これら
の煉瓦は炉の熱容量を大きくし、昇温に多くのエネルギ
ーを必要とし、また熱スポーリングに弱く、急激な昇降
温は不可能である。またジルコニアファイバーボードで
はジルコニア本来の熱間クリープ性のために撓み易くあ
まり長尺物の天井板はむずかしい。また、従来のライニ
ング材形状は短冊状の部材の組合わせからなるもので、
各部材の接合面からの熱リークが生じやすかった。

かくて本発明は1800℃を越える高温で使用でき煉瓦のよ
うな大きな熱容量をもたず、かつ熱スポーリングに強
く、熱リークを防止できる断熱性ライニング構造を提供
することを目的とするものである。

本発明者は先にジルコニアファイバー成形体とジルコニ
ア質複合耐火物について特許出願した（特開昭62−2607
80号公報と同63−297267号公報）が、そこで得られたジ
ルコニア質材料を改良して用いることによって上記目的
を良好に達成し得ることを見出して本発明に至ったもの
である。

〔発明の概要〕

かくして本発明は、ジルコニア質の受熱面側部材とジル
コニア質の背面側部材とからなり、該受熱面側部材と該
背面側部材が配列方向において同一の断面形状を有し、
該受熱面側部材と該背面側部材を交互に向き合わせて嵌
合させ一体平板状に組合わせてなり、前記受熱面側部材
はジルコニア粉末とジルコニアファイバーとから構成さ
れ、その嵩比重が3.0〜5.5である高密度部材からなり、
前記背面側部材はジルコニアファイバー、またはジルコ
ニアファイバーとジルコニア粉末とから構成され、その
嵩比重が1.0〜4.5である低密度部材からなり高温炉用ジ
ルコニア質ライニング構造を提供するものである。

〔発明の具体的説明〕

以下、本発明について詳しく説明する。

本発明のライニング構造は互に同一の断面形状を有し嵌
合して一体平板状に組合わせうるジルコニア質受熱面側
部材とジルコニア質背面側部材とからなるものであり、
その受熱面側部材としては通常高密度部材が用いられ
る。その高密度部材としてはジルコニアファイバーとジ
ルコニア粉末とから構成され、その嵩比重が3.0〜5.5の
範囲のものを用いるのが好ましい。

ジルコニアファイバーとしては純ジルコニアファイバー
の外に各種安定化剤で安定化されたジルコニアファイバ
ー、たとえばライム安定化ジルコニアファイバー、マグ
ネシア添加ジルコニアファイバー、イットリア安定化ジ
ルコニアファイバーなどを用いることができる。この中
ではイットリア安定化ジルコニアファイバーが好んで用
いられる。その繊維長及び繊維径は各々たとえば0.1〜5
0mmと0.1〜2.0μｍの範囲のものである。

このジルコニアファイバーは、種々の方法により製造す
ることができ、たとえばジルコニウム塩の水溶液を出発
原料（紡糸液）としてこれを繊維化して、繊維前駆体
（プリカーサー）を形成し、繊維前駆体を高温で焼成し
て製造することができ、ジルコニア耐火物の用途、形状
などに応じて適宜選択することができる。

ジルコニア粉末は化学式ZrO₂を有する酸化ジルコニウム
から本質的になるものであり、この他目的に応じて炭酸
ジルコニウム、水酸化ジルコニウム化合物やそれらに酸
化物Y₂O₃、MgO、CaOなどの安定化材を添加したものも含
まれる。このジルコニア粉末の粒度は特に制限されない
が、通常0.1〜1000μｍ、好ましくは0.5〜５μｍの範囲
のものが用いられ、一定粒度のもののみを用いてもよ
く、また粗いものと細かいものなど別異の粒度のものを
混合して用いることもできる。

ジルコニアファイバーとジルコニア粉末の混合割合はジ
ルコニア粉末100重量部に対しジルコニアファイバーを
５〜200重量部、好ましくは10〜100重量部の範囲であ
る。

これら両者の外に各種添加剤、たとえばバインダー、多
孔化剤、界面活性剤、分散剤、凝集剤を添加することが
できる。バインダーとして、例えばポリエチレンオキシ
ド等の合成高分子、メチルセルロース等のセルロース誘
導体、デンプンまたはその誘導体、ペクチンなどの動植
物性粘質物の外にジルコニアゾル、ジルコニウム塩水溶
液を用いることができる。このジルコニアゾルとジルコ
ニウム塩水溶液はジルコニアファイバーとジルコニア粉
末合計量100重量部に対して２〜30重量部の範囲用いる
のが好ましい。

また多孔化剤は成形物の軽量化をはかるためで、たとえ
ば発泡スチロールビーズなどの有機球や各種繊維が上記
合計量100重量部に対して５〜100重量部用いることがで
きる。

このように、ジルコニアファイバーとジルコニア粉末に
必要に応じて加える各種添加剤を加えよく混練したのち
適宜形状に成形し、焼成する。その形状については後で
説明するが、成形には鋳込み、一方向プレス、アイソス
タチックプレス、押出しなどの各種方法を用いることが
できるが、オーガーマシンによる押出し成形が能率的で
ある。焼成温度は1800〜2200℃が好ましく、1800℃未満
では使用時変形を生じ、2200℃を越えると、過焼結とな
り焼成時の変形を生じ易くなる。

高密度部材は自身の重さや上部ライニング材の荷重に耐
え、特に熱間のクリープ変形を実用上問題のない範囲に
抑制させるためにある程度の密度が必要である。発明者
等は種々の実験より本材としては嵩比重3.0〜5.5g/cm³
の複合材が適することを見きわめた。

次に、本発明のライニング構造の背面側部材としては通
常低密度部材が用いられるが、本発明のライニング構造
の低密度部材としては、ジルコニアファイバー、又はジ
ルコニアファイバーとジルコニア粉末とから構成され、
その嵩比重が1.0〜4.5の範囲のものを用いる。

ジルコニアファイバーから構成されるジルコニアファイ
バーボードは通常上述のようなジルコニアファイバーと
その結晶安定化剤または加熱によりこの結晶安定化剤に
なる前駆体からなる結合剤を水やアルコール等に懸濁せ
しめ、その懸濁液から抄造成形して板状成形体を形成
し、乾燥し、焼成してつくられる。

その結合剤はマグネシウム、イットリウム、カルシウ
ム、サマリウム、カドミウム、ランタン、及びネオジム
の酸化物、炭酸塩、塩基性炭酸塩、酢酸塩、シュウ酸
塩、硝酸塩、塩化物、及び硫酸塩から選ばれた少なくと
も１種の結晶安定化剤またはその前駆体である。その結
合剤は、通常0.1μｍ〜0.3mmの粒度をもっている。結合
剤の添加量は、ジルコニアファイバー100重量部に対し
て酸化物換算で１〜30重量部、好ましくは４〜10重量部
である。

ジルコニアファイバー及び結合剤以外に、必要に応じて
種々の添加剤を含めることができる。例えば、アルミ
ナ、ジルコニア、シリカなどの通常の耐火物粉末を添加
して複合材とすることができるとともに、最終製品の成
形体に各種の性能を付与するために種々の補助材を添加
しうる。

抄造成形以外にも、目的とする最終製品の形態に応じて
種々の手法によって実施することができる。

焼成温度は、添加する結合剤の金属塩や金属酸化物の種
類によって適宜変更することが望ましい。例えば、その
温度は1000〜1500℃である。焼成温度に加熱し、所定時
間維持して、ジルコニアファイバー成形体を得る。

または低密度部材は、上述のジルコニアファイバーとジ
ルコニア粉末とから構成される複合体において、軽量化
材を増量して低密度化したものである。具体的には、上
述の多孔化剤をジルコニアファイバーとジルコニア粉末
合計量100重量部に対して５〜100重量部用いることがで
きる。

これらの低密度部材の嵩比重は1.0〜4.5の範囲である。
嵩比重が1.0未満では、使用時収縮が大きく、反り変形
が起き易い。一方、4.5を越える場合には、断熱性不
良、蓄熱量大となり、急昇温炉用ライニング材として不
適となる。

本発明のライニング構造はジルコニア質の受熱面側部材
と背面側部材として上述のジルコニア質の高密度部材と
ジルコニア質の低密度部材とを組合わせてなる複合体で
ある。すなわち、受熱面側部材と背面側部材が同一断面
形状を有し、該受熱面側部材と該背面側部材を交互に向
き合わせて嵌合させ一体平板状に組合わせてなるもので
ある。その組合わせの数例を示せば第１図〜第７図に示
すような組合わせが挙げられる（各図中、下方を受熱面
側、上方を背面側とする）が、これらに限定されるもの
ではない。第８図は断面長方形をなす従来例のライニン
グ材を短冊状に配列した状態を示している。

以下各図について順次説明する。まず第１図には、配列
方向の断面が「工」の字状で同一形状の受熱面側部材１
と背面側部材２を交互に向き合わせて嵌合させ一体平板
状に組合わせたライニング構造を示す。ここで配列方向
とは、図中で左右の方向をいう。

第２図（ａ）、（ｂ）は第１図に示した各部材をさらに
詳しく説明する分解斜視図で、第２図（ａ）において
「工」字形の断面を有する受熱面側部材１は下方長辺状
の受熱部３と上方短辺状の係合部４とそれぞれをその中
央部で垂直方向に結ぶ接続部５とからなり、一方第２図
（ｂ）において逆「工」字形の断面の背面側部材２は上
方長辺状の背面部６と下方短辺状の係合部７とそれぞれ
を中央部で垂直方向に結ぶ接続部８とからなる。受熱部
３と背面部６、部材１の係合部４と部材２の係合部７、
部材１の接続部５と部材２の接続部８とは夫々互に同一
の寸法を有しており、部材１と部材２は全体に同一の寸
法形状を有するようにつくられている。しかも部材１の
接続部５において形成される凹部９に部材２の係合部７
が嵌合され、部材２の接続部８において形成される凹部
10において部材１の係合部４が嵌合されるようにつくら
れている。

両部材はこのように形成されているので、つぎつぎと受
熱面側部材１と背面側部材２とが交互に対向して嵌合さ
れて一体平板状に組合わすことができる。

なお、部材１と部材２は互に嵌合できる範囲で互に一部
寸法を変えることができる。たとえば図に示したものは
受熱部３と背面部６とが同一形状で同じ厚さ（図中の上
下方向）のものを示してあるが、その厚さを適宜変える
ことができる。

第３図は受熱面側部材１の受熱部３と係合部４の水平方
向の辺（但し受熱面を成す辺を除く）にある角度のテー
パー11をつけ係合部４を略六角形状に形成し、背面側部
材２をこれと対応するような寸法形状に形成した例を示
すものである。又第４図は上記第３図のテーパー11の方
向をそれと反対の方向12とした形状をなし、係合部４は
あたかも蝶がはねを拡げた如き形状をなしている例を示
している。

第５図は受熱面側部材１と背面側部材２が断面凸の字状
乃至はＴの字状のものを、第６図は第５図の凸の字状の
ものを２つ並べた形状のものを、第７図は断面凹の字状
のものを、それぞれ示す。これら第３図〜第７図に示し
たものも、第１図および第２図において説明したよう
に、受熱面側部材１と背面側部材２とを交互に向き合わ
せて嵌合させ一体平板状に組合わされる。

第１図〜第７図に示すような組合わせによれば、受熱面
側部材と背面側部材の接合面は第８図に示すように短冊
状に組合わされた従来のものとは異なり単純な平面では
ないので、接合面に沿って起こる熱リークを小さく押え
ることができる。また、受熱面側の接合面からリークし
た熱は断熱性の良好な背面側部材に接して熱の伝導が妨
げられるため背面側への熱の伝導を小さく押さえること
ができる。

ジルコニア質高密度部材は蓄熱量が多くかつ断熱性に劣
るが、撓み変形し難い。一方、ジルコニア質低密度部材
は断熱性は良好であるが、撓み変形し易い。このような
撓み変形し易いが断熱性の良い低密度部材と断熱性に劣
るが撓み変形し難い高密度部材とを、受熱面側には高密
度部材を、背面側に低密度部材を組合わせ複合化するこ
とにより、両部材の欠点が相殺され利点を併せ持つ、す
なわち、断熱性が良好であって撓み変形し難く、しかも
熱リークを防止できるライニング構造を得ることができ
る。各部材の形状は断面形状において縦長とすると撓み
変形を軽減させることができるので好ましい。

〔実施例〕

以下に実施例と比較例と、それらについて試験を行って
得られた結果を示す。勿論、本発明がこの実施例に限定
されるものではない。

実施例１ （ａ）受熱面側部材（高密度部材） 平均径１〜0.3mmのイットリア安定化ジルコニア粉末（Y
₂O₃ ７％、ZrO₂ 93％）50重量部、−0.3m/mのイット
リア安定化ジルコニア粉末50重量部、平均径５μ、平均
長20〜30m/mのイットリア安定化ジルコニアファイバー
（品川白煉瓦社製）100重量部、メチルセルロース５重
量部、水70重量部を添加配合し、押出し成形機にて第１
図受熱面側部材１の如き断面形状に成形した。受熱部の
長さと厚みは夫々30mm、10mm、係合部の長さと厚みは夫
々20mm、10mm、接続部の長さと幅は夫々10mm、10mmであ
った。また、部材１の奥行は250mmであった。成形後100
℃にて２時間乾燥後、1800℃で焼成した。得られた焼成
品の嵩比重は3.5であった。

（ｂ）背面側部材（低密度部材） 前記特開昭62−260780号公報の実施例１に従ってジルコ
ニアファイバーボードを製造した。すなわち、平均径５
μｍ、平均長20〜30μｍのジルコニア100％ファイバー
（品川白煉瓦社製）100重量部に対し、平均粒度１〜５
μｍの炭酸マグネシウム粉末10重量部を媒液である水に
添加して抄造用懸濁液を調製した。この懸濁液から抄造
成形して板状成形体を形成した。成形後100℃で24時間
乾燥し、次いで1600℃で焼成して嵩比重1.5のジルコニ
アファイバーボードを製造し、上記受熱面側部材と対応
する形状、寸法を有する背面側部材に加工した。

（ｃ）これらの高密度部材及び低密度部材を互に第１図
の如く嵌合し一体平板状に組合わせた。

これらを炉内の温度が1800℃の電気炉（発熱体：二珪化
モリブデン）及び2000℃の電気炉（発熱体：品川白煉瓦
社製ジルコニア発熱体）内壁にライニングしその耐用性
を調査し、結果を第１表に示した。

比較例１ 材質として実施例１の（ａ）（高密度部材、嵩比重3.
5）又は（ｂ）（低密度部材、嵩比重1.5）を第８図の如
く短冊状に施工し（各部材の形状20×40×250mm）、実
施例１におけると同一の条件でその耐用性を比較した。
結果を第１表に示した。

なお、耐熱リーク性の比較は、それぞれ実施例１及び比
較例１のライニング構造の背面側接合部（図中のＡ及び
Ｂ部）における温度を比較することにより行った。

尚、実施例１に示す材料を用いて第３図〜第７図に示す
形状のライニング構造をつくり同様なテストを行なった
ところほぼ同様な結果が得られた。

〔発明の効果〕

本発明によれば、受熱面側部材と背面側部材が配列方向
において同一の断面形状を有し、該受熱面側部材と背面
側部材を交互に向き合わせて嵌合させ一体状に組合せた
ので、熱リーク防止効果の大きいライニング構造を得る
ことができる。

また、本発明のライニング構造は、特にライニング構造
の受熱面側にはジルコニア粉末とジルコニアファイバー
とから構成された高密度部材を、背面側にはジルコニア
ファイバー、またはジルコニアファイバーとジルコニア
粉末とから構成された高密度部材を組合せて一体化した
ので、断熱性が良好であって撓み変形し難く、高温炉の
天井板に用いてもよく長期の使用に耐え高温炉用ライニ
ング構造として好適に使用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のライニング構造の実施例の断面を示す
斜視図、第２図（ａ）、（ｂ）は第１図に示したライニ
ング構造の各部材を説明する分解斜視図、第３図〜第７
図は本発明のライニング構造の他の実施例の断面を示す
斜視図、第８図は比較例のライニング構造の断面を示す
斜視図である。 １……受熱面側部材、２……背面側部材、Ａ、Ｂ……背
面側接合部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ジルコニア質の受熱面側部材とジルコニア
   質の背面側部材とからなり、該受熱面側部材と該背面側
   部材が配列方向において同一の断面形状を有し、該受熱
   面側部材と該背面側部材を交互に向き合わせて嵌合させ
   一体平板状に組合わせてなり、前記受熱面側部材はジル
   コニア粉末とジルコニアファイバーとから構成され、そ
   の嵩比重が3.0〜5.5である高密度部材からなり、前記背
   面側部材はジルコニアファイバー、またはジルコニアフ
   ァイバーとジルコニア粉末とから構成され、その嵩比重
   が1.0〜4.5である低密度部材からなる高温炉用ジルコニ
   ア質ライニング構造。