JP2000241081A - ファイバブロック及びこれを用いた炉壁構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】セラミックファイバとアルミナファイバを組み
合わせたファイバブロックを用いた炉壁構成で目地開き
が小さくなるようにする。 【解決手段】ファイバブロック１をセラミックファイバ
のブランケット３と熱間で高い復元性を有するアルミナ
ファイバのブランケット２との積層体とし、炉内温度に
応じてアルミナファイバの厚さを調整すると共に、アル
ミナファイバのブランケットをブロックの中央部及び両
端部に配設する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、金属工業における
加熱炉や熱処理炉、窯業における焼成炉等の炉壁構成技
術に関し、特に、ファイバブロック及びこれを用いた高
温度に耐える炉壁構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、金属工業における加熱炉や熱処理
炉、窯業における焼成炉等において炉壁にセラミックフ
ァイバを内張り施工（ライニング）することが一般的と
なってきている。この炉壁をセラミックファイバで施工
する方法としてブロック工法が用いられる。ブロック工
法とはセラミックファイバのブランケットを短冊状に切
断して多数重ね合わせてブロックとし、これを取り付け
金具で炉壁のケーシングに固着する方法である。

【０００３】このブロック工法では、セラミックファイ
バのブランケットの本来の平面がブロック体の厚さ方向
に、即ち炉壁面に対して垂直に配置されるので、セラミ
ックファイバの繊維の多くがこの方向に配列しているた
めに炉の過熱によって炉内面側の繊維が幾分劣化して
も、剥離、脱落を生じ難い利点があり、特にセラミック
ファイバの耐用限界温度付近で使用する場合に一般的に
用いられている。

【０００４】また、このブロック工法では、長期の加熱
によるブロックの加熱収縮を、ブロックに予め与えてお
いた圧縮からの復元で補償して目地切れを防止し、ライ
ニングの健全性を保つため施工時にブロックを圧縮し
て、また緊縛などで圧縮状態にあるブロックを取り付け
ることが行われる。これらについては本出願者等は特開
平２−３０６０９２号公報、特開平２−３０６０９３号
公報、実開平４−１１３９７号公報を提案した。

【０００５】ブロックの素材となるセラミックファイバ
のブランケットとしてアルミナファイバとアルミナシリ
カ系ファイバが用いられる。アルミナファイバとしては
Ａｌ ₂Ｏ₃含有率７２％〜９７％のものが知られている。
アルミナシリカ系ファイバは狭義のセラミックファイバ
と言われ、Ａｌ₂Ｏ₃ 、ＳｉＯ₂を主成分としてこれにＺ
ｒＯ₂ 、Ｃｒ₂Ｏ₃等を加えたものを包含する。アルミナ
ファイバは耐熱性に優れるが、価格が高いため高温での
ライニング材としては両者を組み合せて使うのが通常で
ある。アルミナシリカ系ファイバブロックをまずケーシ
ングに取り付けその上に耐熱性の高いアルミナファイバ
のブロックを耐火性接着剤で接着上張りするベニヤリン
グといわれる技術や、最近ではアルミナファイバとセラ
ミックファイバとを予め組み合せたブロック（特開平７
−１９７５４号公報など）を用いる技術などがある。

【０００６】一方、炉のケーシングは一般に鋼板に補強
材となる型鋼を溶接して形成しているが、特に大型の炉
の天井では鋼材の熱膨張による反りなどの歪みを防止す
るため、また簡易な構造で施工を容易にするために、分
割したパネルを用い、パネルとパネルのジョイントはス
ライドして熱膨張を吸収できる目地板で塞ぐなどの手段
がとられている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】パネル構造の炉壁ケー
シング（天井）に従来の一般的なブロック工法によりラ
イニングされた炉壁、即ちアルミナシリカ系ファイバブ
ロックをまず取付金具によりケーシングに取り付けその
上にアルミナファイバのブロックをベニヤリングした炉
壁構造では、高温で使用すると次のような欠陥が生じる
ことが観察された。すなわち、パネルのジョイントに沿
って大きな目地開きが生じ、これはジョイント部ではな
い部分の目地開きより格段に大きかった。これは重大な
欠陥であり単なる熱の放散損失のみならず、炉壁の崩壊
に繋がる危険がある。観察した炉の場合では、概して言
うとジョイント部の目地開きは１０〜２０ｍｍにも達し
ており、他の部分の目地開きが５ｍｍ以下であるのと比
べると１０ｍｍ以上の差が認められた。この差はパネル
の熱間膨張が、計算によっても実測でも２〜３ｍｍであ
るのに比し極めて大きく、従来の知見を超えた作用が生
じているとみられた。本発明はこれらの現象を解消し問
題解決を図った技術を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の発明は、
アルミナファイバのブランケットとセラミックファイバ
のブランケットとを積層して形成したブロックにおい
て、炉内温度Ｔ（℃）に応じてアルミナファイバの厚さ
を次式で規定したことを特徴とするファイバブロックで
ある。

【０００９】 Ｔ ＜ １３５０ のとき ｘ ≧ １０ Ｔ ≧ １３５０ のとき ｘ ≧ ０．３Ｔ−３９５ ただし ｘ：アルミナファイバの厚さの比率（％） Ｔ：炉内温度（℃） このブロックではブランケットの短冊を重ね合わせてブ
ロックとする際、施工時又は使用時に何らかの欠陥が生
じやすい部分に炉内温度に応じて少なくとも全体の１０
％以上の厚さになるようにアルミナファイバのブランケ
ットを配置積層し他の部分にはセラミックファイバのブ
ランケットを積層して形成する。

【００１０】また、本発明の第２の発明は、アルミナフ
ァイバのブランケットとセラミックファイバのブランケ
ットとを積層して形成したブロックにおいて、ブロック
中央部とブロック両端部にアルミナファイバのブランケ
ットを配設したことを特徴とするファイバブロックであ
る。ブロック中央部はブロックを取り付ける金具埋設部
で、耐熱性の高い弾性に富むファイバを用いると、寿命
の延長に効果がある。また、両端部は隣接ブロック同士
の当接部となるので、アルミナファイバを用いて弾性を
高め目開きを生じたりすることがないようにする。な
お、この場合に上記第１の発明を同時に適用したファイ
バブロックはさらに長寿命で好適である。

【００１１】本発明の炉壁構造は、ファイバブロックと
してアルミナファイバのブランケットとセラミックファ
イバのブランケットとを積層して形成した上記第１の発
明または第２の発明のファイバブロックを用い、その積
層面を炉壁に直角に配設し、このファイバブロックを単
層で炉壁を構築して構成し、上張り（ベニヤリング）は
しない。

【００１２】さらに、この炉壁構造は、パネル構成など
によってケーシングパネルの鋼材の熱膨張を吸収する機
構のジョイントが設けられている炉壁構造の場合におい
て、このジョイント部にはアルミナファイバのブランケ
ットのみからなるブロックをその積層方向が熱膨張吸収
の方向と一致するように配置したことを特徴とする炉壁
構造とすれば、アルミナファイバの耐熱性と復元性とを
最も有効に利用して長寿命化することができ好適であ
る。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１は実施例のファイバブロック
１の斜視図である。斜線を施して示したアルミナファイ
バのブランケット２とセラミックファイバのブランケッ
ト３とを積層してファイバブロック１を形成している。
アルミナファイバのブランケット２はファイバブロック
１の中央部及び両端部に配設されている。中央部にはブ
ロック支持用埋設金具４が埋め込まれている。この部分
は支持力がかかると共に耐熱性、耐久性を要する。ま
た、両端部は隣接するファイバブロックと接する部分
で、目開きを生じないように耐熱性、弾力性に富むアル
ミナファイバのブランケット２を配置する。アルミナフ
ァイバのブランケット２の配合量、つまり合計厚さの比
率ｘ(％)は炉内温度Ｔ（℃）に応じて定める。アルミナ
シリカ系ファイバの耐用限界から炉内温度Ｔが１３５０
℃未満では比率ｘは１０％以上、また、耐熱性の点から
炉内温度Ｔが１３５０℃以上では比率ｘは（０．３Ｔ−
３９５）％、例えば炉内温度Ｔが１４００℃では比率ｘ
は２５％以上とするとよい。

【００１４】すなわち Ｔ ＜ １３５０ のとき ｘ ≧ １０ Ｔ ≧ １３５０ のとき ｘ ≧ ０．３Ｔ−３９５ によって計算した比率とすればよい。図４にこの適用可
能範囲をグラフで示した。さらに好適には、図４に示す
ように Ｔ ＜ １３５０ のとき ｘ ≧ １５ Ｔ ≧ １３５０ のとき ｘ ≧ ０．３Ｔ−３９０ とするのが一層よい。

【００１５】また炉内温度Ｔの下限は特に限定しない
が、１２００℃以上で本発明を適用すると好適である。
１２００℃未満では従来技術でも適用可能である。炉内
温度Ｔの上限についても１５００℃までは本発明の有効
性が確認できたが、それ以上の温度は確認していない。

【００１６】なお上記炉内温度に応じてアルミナファイ
バの厚さの比率を決定する技術とアルミナファイバをブ
ロックの中央部と両端部に配設する技術とを組合わせる
と好適である。アルミナファイバブランケットの１ヶ所
の厚さは少なくとも１０ｍｍが必要であり１０ｍｍ未満
では復元性の点で効果が明確でなくなる。通常、工業炉
に使用されるファイバブロックは熱面側で３００ｍｍ×
３００ｍｍでありその両端と中央に少なくとも１０ｍｍ
のアルミナファイバのブランケットを配置するとその比
率は１０％となる。この構成のファイバブロックは、セ
ラミックファイバブロックが使用される１２００℃以上
からアルミナシリカ系ファイバの耐用限界である１３５
０℃未満まで有効である。１３５０℃以上では耐熱性の
点からさらにアルミナファイバの比率を増加させればよ
い。

【００１７】図２は実施例の炉壁構造１０の（ａ）側面
図、（ｂ）正面図である。パネル５に図１に示したファ
イバブロック１を貼着し、このパネル５はジョイント金
物６でパネル５の熱膨張収縮を吸収するようにした炉壁
構造１０である。この場合、パネル５に貼着したファイ
バブロック１のブランケットの面方向が直交するように
アルミナファイバのブランケット２を積層した積層体７
をパネルジョイント６の部分に配設する。

【００１８】図３は従来のパネル５にファイバブロック
１１を貼着し、その炉内側にアルミナファイバからなる
ベニヤリング層１２を設けたベニヤリング構造である。
この構造では炉内側が耐熱性、耐久性に富むアルミナフ
ァイバであるがパネルジョイント６に対応する部分のフ
ァイバブロック１１の目地が大きく開く問題があった。

【００１９】次に、本発明に係る炉壁構造と、従来のア
ルミナファイバのブロックをベニヤリングする構造とを
対比して説明する。図２に示す実施例のファイバブロッ
ク工法では、前記のように長期の加熱によるブロックの
加熱収縮を、ブロックに予め与えておいた圧縮からの復
元で補償して目地切れを防止し、ライニングの健全性を
保つことを期待している。これに対して図３に示す従来
のベニヤリングを行う工法では温度が高い炉内に露出す
る部分には耐熱性の高いアルミナファイバブロックのベ
ニヤリング層１２を施工し、その下のパネル間にはファ
イバブロック１１を使用している。本発明の開発過程で
得られた知見では、一般に１４００℃の温度条件で長期
使用に耐えるとされるアルミナファイバでも圧縮からの
復元性を十分に保持するのは１１００℃くらいまでで、
１２００℃では１年程度の使用で復元性は著しく減衰す
ることが判った。セラミックファイバはその中では最も
耐熱性の高いＡｌ₂Ｏ₃：４０％、ＳｉＯ₂：４８％、Ｃ
ｒ₂Ｏ₃：１．８％の組成で部分結晶化処理をしてあるフ
ァイバ（イソライト工業（株）製、イソウール１５００
ブランケット）でも９００℃では１年程度で復元性をな
くし、最も一般的なＡｌ₂Ｏ₃：４７％、ＳｉＯ₂：５３
％の組成のファイバ（イソライト工業（株）製、イソウ
ール１２６０ブランケット）では５００℃程度で復元性
を喪失する。

【００２０】一方、通常許容される放散熱量に押さえた
場合、炉内温度が１２５０℃の時には炉壁厚さは３００
ｍｍ程度を要し、ベニヤリング層を熱面から５０ｍｍと
した場合のその界面温度は１１８０℃程度となる。この
ためアルミナファイバのベニヤリングでも十分な復元性
は期待できず、さらにその下部のブロックも熱面に近い
側では復元性がない。このため深くまで目地開きが進行
することとなる。炉内温度が１３００℃の時には炉壁厚
さは３５０ｍｍ程度を要し、ベニヤリング層１２を熱面
から５０ｍｍとした場合のその界面温度は１２３０℃程
度となりアルミナファイバのベニヤリングでも復元性は
ほとんど期待できない。ベニヤリングの厚さを若干増し
ても大きな効果はない。

【００２１】さらに本発明の開発過程で得られた重要な
知見としては、ブロック工法においては目地開きが熱面
では幾らか起きるのは許容するとしても、それはブロッ
クごとに分散して起きると期待しているのに反して、実
際には数ブロックごとに集中して大きな目地開きが生じ
やすい。これは何らかの欠陥や不利な条件のあるとこ
ろ、例えば僅かな寸法誤差により隣接するブロックとの
馴染みが悪かったところ等に先ず目地開きが生じると付
近のストレスがその部分に集中するためと解釈された。

【００２２】本発明のブロックでは、ブランケットの面
が熱の流れ方向に平行しているので、アルミナファイバ
のブランケットが熱面から冷面に至るまで配置されてい
る。従って、その間にアルミナファイバの復元性が十分
に発揮される温度のところに至ればそれ以上深く目地開
きは生じることがない。それはアルミナファイバの比率
を熱面温度（炉内温度）に応じて定めておけばよい。例
えば、熱面温度が１３５０℃以下ではアルミナファイバ
の比率（厚さ％）を１０％以上としておけば十分に許容
される深さである。この比率を２５％とすれば１４００
℃でも問題がないことが分かった。

【００２３】また、アルミナファイバブランケットの配
置をブロック支持用埋設金具取り付け部と両側部とし、
等間隔配置にすることにより目地開きが特定の箇所に集
中するのを防止する効果が認められた。これは欠陥が生
じやすい部位に復元性の優れたアルミナファイバのブラ
ンケットを配置したことと、相対的に復元性の劣るセラ
ミックファイバ部をある程度纏めて与えることによって
弱点を多数、等間隔に設定し微小な目地開きを多数作り
出しこれにより目地開きの集中を防止するものである。

【００２４】この主旨から本発明の炉壁構造では、ブロ
ック構成の上にさらにアルミナファイバブロックのベニ
ヤリングを施すことは経済性の点からのみでなく、作用
において排除した目地開き集中の危険を呼び戻すことに
なり有害である。

【００２５】次にパネルジョイント部の問題点の解決に
ついて説明する。パネルのジョイント部に生じた大きな
目地開きは上記した弱点部位の顕著な例である。ここで
はまず冷間でブロックが施工された後、炉の加熱によっ
てケーシングが熱膨張するとスライド機構のある目地板
を介して隣り合うパネルは押し合ってくる。その結果そ
れぞれのパネルに取り付けられたブロックは相互に押し
合い、圧縮される。圧縮状態で高温に曝されるとブロッ
クは復元力を徐々に失い圧縮力を保つ状態ではなくな
る。その後に炉の停止で冷却されパネルの押し合い状態
が元に戻ると、それぞれのパネルに取り付けられたブロ
ックは引き離され目地開きを生じることとなる。パネル
の押し合い引き戻しの動きはさほど大きくなくても最初
に目地開きを生じると周囲のストレスがそこに集中する
結果、ブロック間には許容できない大きさの目地開きと
なると解釈される。

【００２６】本発明のアルミナファイバを配設した構成
のブロックといえども、このように明確な目地開きの弱
点をカバーすることはできないことがある。そのために
ジョイント部に沿ってアルミナファイバブロックをその
積層方向を熱膨張吸収の方向に合わせるように配置して
取り付け、これを補償するようにした。パネルの寸法に
もよるがアルミナファイバブロックのこの方向の寸法は
少なくとも５０ｍｍ、望ましくは１００ｍｍ以上が必要
である。

【００２７】

【実施例】（１）表１に示す試験炉の天井部に、ファイ
バブロック３００ｍｍ×３００ｍｍ×３００ｍｍの両端
と中央埋設金具の両側にアルミナファイバブランケット
（イソライト工業（株）製、イソウール１６００ブラン
ケット）厚さ１２．５ｍｍを配置し、他の部分をセラミ
ックファイバブランケット（イソライト工業（株）製、
イソウール１５００ブランケット）厚さ２５ｍｍを配置
積層したもの（アルミナファイバブランケット厚さ１
６．７％）を使用し、パネルジョイント部にはイソライ
ト工業（株）製、イソウール１６００ブランケットを配
置積層してなるアルミナファイバブロックをその積層方
向をパネルの熱膨張吸収の方向に合わせるように１５０
ｍｍの寸法で配置して取り付けた。

【００２８】１３５０℃×１０００時間の加熱試験を行
い、冷却後炉内点検を行ったところ３ｍｍ以下の亀裂の
みで、ファイバブロック部、パネルジョイント部のいず
れにも補修を必要とする幅５ｍｍ以上の亀裂は全く認め
られなかった。また、アルミナファイバを１０％とした
場合にも４．５ｍｍ以下の亀裂で充分に使用可能であっ
た。

【００２９】（２）熱延ウォーキングビーム式加熱炉の
第２加熱帯天井部に、ファイバブロック３００ｍｍ×３
００ｍｍ×３００ｍｍの両端と中央埋設金具の両側にア
ルミナファイバブランケット（イソライト工業（株）
製、イソウール１６００ブランケット）厚さ１２．５ｍ
ｍを配置し、他の部分をセラミックファイバブランケッ
ト（イソライト工業（株）製、イソウール１５００ブラ
ンケット）厚さ２５ｍｍを配置積層したもの（アルミナ
ファイバブランケット厚さ１６．７％）を使用し、パネ
ルジョイント部にはイソライト工業（株）製、イソウー
ル１６００ブランケットを配置積層してなるアルミナフ
ァイバブロックをその積層方向をパネルの熱膨張吸収の
方向に合わせるように３００ｍｍの寸法で配置して取り
付けた。最高温度１３２０℃で操業し、５ヶ月後と１１
ヶ月後の２回の炉内点検を行ったところ、ファイバブロ
ック部、パネルジョイント部のいずれにも３ｍｍ以下の
亀裂のみで補修を必要とする幅５ｍｍ以上の亀裂は全く
認められなかった。また、アルミナファイバ厚さを１０
％とした場合も４．５ｍｍ以下の亀裂のみであった。

【００３０】

【表１】

【００３１】

【発明の効果】セラミックファイバによる炉壁ライニン
グは今や広く知られるところであるが、高温炉への展開
は必ずしも容易ではなく、未だ問題を残していた。本発
明による炉壁構成では高温の炉のセラミックファイバラ
イニングの健全性、信頼性を改善できる。特に１２００
℃以上の炉では従来工法からの改善効果が顕著であり、
熱エネルギー節約が益々重要となる今後の高温工業に資
するところが大きい。なお、本発明の炉壁構造では炉壁
セラミックファイバの寿命が従来のベニヤリングを行う
施工方法に比較し、約３倍となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】ファイバブロックの斜視図である。

【図２】実施例のパネルジョイント部のライニングの
（a）断面図、（ｂ）Ａ−Ａ矢視図である。

【図３】従来のベニヤリングを行う技術の説明図であ
る。

【図４】温度とアルミナファイバの厚さ比率との関係を
示すグラフである。

【符号の説明】

１ ファイバブロック ２ アルミナファイバのブランケット ３ セラミックファイバのブランケット ４ ブロック支持用埋設金具 ５ パネル ６ パネルジョイント ７ 積層体 １０ 炉壁構造 １１ ファイバブロック １２ ベニヤリング層

フロントページの続き (72)発明者 安達 啓介 岡山県倉敷市水島川崎通１丁目（番地な し） 川崎製鉄株式会社水島製鉄所内 (72)発明者 吉田 雅一 千葉県千葉市中央区川崎町１番地 川崎炉 材株式会社内 (72)発明者 岩井 正 岡山県倉敷市水島川崎通１丁目（番地な し） 川崎炉材株式会社内 (72)発明者 園部 和生 愛知県豊川市穂ノ原３丁目２番地 イソラ イト工業株式会社内 (72)発明者 浅井 勝久 愛知県豊川市穂ノ原３丁目２番地 イソラ イト工業株式会社内 Ｆターム(参考） 4K051 AA03 AA04 AA09 AB03 BB04 BC01 BC04 KA07

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 アルミナファイバのブランケットとセラ
   ミックファイバのブランケットとを積層して形成したブ
   ロックにおいて、炉内温度Ｔ（℃）に応じてアルミナフ
   ァイバの厚さを次式で規定したことを特徴とするファイ
   バブロック。 Ｔ ＜ １３５０ のとき ｘ ≧ １０ Ｔ ≧ １３５０ のとき ｘ ≧ ０．３Ｔ−３９５ ただし ｘ：アルミナファイバの厚さの比率（％） Ｔ：炉内温度（℃）
2. 【請求項２】 アルミナファイバのブランケットとセラ
   ミックファイバのブランケットとを積層して形成したブ
   ロックにおいて、ブロック中央部とブロック両端部にア
   ルミナファイバのブランケットを配設したことを特徴と
   するファイバブロック。
3. 【請求項３】 請求項１又は２記載のファイバブロック
   を用いてその積層面を壁面に直角に配設し、該ファイバ
   ブロック単層で炉壁を構築してなることを特徴とするフ
   ァイバブロックを用いた炉壁構造。
4. 【請求項４】 ケーシングパネルに鋼材の熱膨張を吸収
   する機構のジョイントが設けられている炉壁構造におい
   て、該ジョイント部分にはアルミナファイバのブランケ
   ットのみからなるブロックをその積層方向が熱膨張吸収
   の方向と一致するように配置したことを特徴とする請求
   項３記載のファイバブロックを用いた炉壁構造。