JP2010235366A - セメント製造装置の耐火構造およびその使用方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
耐火物が剥離や落下を起こすことなく耐火物を確実に保持するためのセメント製造装置の耐火構造およびその使用方法を提供する。
【解決手段】
セメント製造装置の高温雰囲気となる箇所の内壁面に一端が固定され、他端が高温雰囲気に向かって延出したスタッドと、前記内壁面に沿って断熱ボードが敷設された断熱層と、
前記断熱ボート層に接して耐火物が敷設された耐火層と、を備えるセメント製造装置の耐火構造であって、前記断熱層の層厚は２５〜５０ｍｍの範囲であり、前記耐火層の層厚は２００〜３００ｍｍの範囲であり、前記スタッドは前記断熱層と前記耐火層に没入され、前記断熱ボードと前記耐火物を保持する構造である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、耐火物が敷設されたセメント製造装置の耐火構造およびその耐火構造を有するセメント製造装置の使用方法に関する。

図２に通常のセメント焼成装置の概略図を示す。予熱塔１０の最下段サイクロン１１の天井部１２の内部には耐火物が施工されている。図３に従来の該内張り耐火物の断面図を示す。この２層の耐火物の構造は、キャスタブルの断熱層２と、キャスタブルの耐火層４から成っている。各耐火物を固定する金属製であるスタッド５，６は、最下段サイクロン１１の鉄皮１に溶接されている。ここに、スタッドとは、現地で流し込み固化するキャスタブル耐火物を炉壁の内側に強固に固定するための一種の埋め込み用の鋲であって、キャスタブルの内部に多数埋設される。スタッドは、スタッドの先端部が分岐したＹ字型スタッド５や、スタッドの途中と先端が分岐したＹＹ字型スタッド６のいずれかでそれぞれ交互に混成され、耐火物の落下を防止する目的で設置されている。

しかし、近年の廃棄物をセメント原料に有効利用する状況において、その廃棄物の使用量が徐々に増加するにしたがって、耐火物の剥落が見られるようになった。この結果、耐火物の全体的な厚さが薄くなって、鉄皮１の温度が上昇してしまう。そのため、セメント焼成装置を停止して補修せざるをえなかった。

特許文献１には、２層または３層の耐火物の施工方法が示されている。しかし、廃棄物の使用量が徐々に増加することに起因すると思われる上記の問題点について記載されておらず、耐火物の剥落を防止する対策が待望されていた。断熱層と耐火層の厚さは耐火断熱性能のみを基準としているため、該耐火物の各層の境界部１３の温度が７００〜８００℃になるような使用条件では、スタッドが腐食しやすく、炉内の内張り耐火物の剥離と落下は避けられない状態であった。

特開平１１−１３０４８５号公報

本発明は、耐火物が剥離や落下を起こすことなく耐火物を確実に保持するためのセメント製造装置の耐火構造およびその使用方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、内張り耐火物である断熱層２と耐火層４の状況を注意深く観察するとともに、種々の検討の結果、以下のような知見を得るに至った。
まず、近年の廃棄物をセメント原燃料に有効利用する状況において、その廃棄物の使用量が徐々に増加するにしたがって、耐火物の剥落が見られるようになった。剥落の原因を調査した結果、耐火物を固定して支えているスタッド５，６が腐食・切断し、耐火物を保持できなくなることが判った。また、切断部は、この内張り耐火物の断熱層２と耐火層４の境界部１３で見られており、切断部を分析したところ金属腐食によるものが主因ということが判った。図３に示す断熱層２と耐火層４の境界部１３の温度は、熱計算を行うと７９０℃になった。この温度近辺の領域では、セメント原料中の化学成分の塩化カリウム（ＫＣｌ）と塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）とが液体の状態で存在していることが推測された。温度域が７００〜８００℃の範囲内であると、断熱層２と耐火層４の境界部１３にできた間隙より炉内７から侵入した気相のアルカリ塩であるＫＣｌとＮａＣｌが液相になる。この液相が凝縮し、断熱層２や耐火層４を保持している境界部１３部分の金属製のスタッド５，６を腐食させ、さらに場合によっては境界部１３付近において切断１５を起しやすくしていたと推測された。この範囲の温度域を腐食温度領域９と呼ぶ。近年の廃棄物には塩素を多く含むものが増加しており、図２に示す最下段サイクロン１１でのガス中の塩素濃度が高くなっており、このような腐食が増加していると考えた。

図７に示すように、耐火層４とスタッド５，６の熱膨張差の熱応力による亀裂や、最下段サイクロン１１のサイクロンガス出口１９の下端部である内筒部１７において、耐火物を設置しない付近の部分などを経由して、炉内７で気化したＫＣｌやＮａＣｌなどが境界部１３に侵入すると推定できた。これは、炉内７に含有するアルカリ塩の腐食性ガスによって腐食し穴が開いた状態でのスリーブ１８と内筒部１７との間隙や、スリーブ１８と耐火層４の間隙などを経由して液相温度領域の境界部１３で液化して侵入してくると考えられた。
これらの検討から、腐食温度領域９に境界部１３が存在していればスタッド５，６が腐食し切断に至る可能性が高いものと推定した。その結果、耐火層４が剥落し、耐火物の全体的な厚さが薄くなって、鉄皮１の温度が上昇し、セメント焼成装置を停止して補修せざるを得なくなっているものと推定した。

本発明者らは、セメント焼成装置の予熱塔１０における内張り耐火物について、腐食温度領域９に境界部１３が存在しない耐火構造を見出した。
すなわち、本発明は以下のとおりである。
（１）セメント製造装置の高温雰囲気となる箇所の内壁面に一端が固定され、他端が高温雰囲気に向かって延出したスタッドと、前記内壁面に沿って断熱ボードが敷設された断熱層と、前記断熱ボート層に接して耐火物が敷設された耐火層と、を備えるセメント製造装置の耐火構造であって、
前記断熱層の層厚は２５〜５０ｍｍの範囲であり、前記耐火層の層厚は２００〜３００ｍｍの範囲であり、前記スタッドは前記断熱層と前記耐火層に没入され、前記断熱ボードと前記耐火物を保持する構造であることを特徴とするセメント製造装置の耐火構造。
（２）前記高温雰囲気となる箇所は、セメント製造装置における予熱塔の最下段サイクロン、仮焼炉、ライジングダクト、またはロータリーキルンの窯尻部のうちの少なくとも１つである前記（１）記載のセメント製造装置の耐火構造。
（３）塩化物を含む高温物質が前記高温雰囲気に存在し
前記塩化物を含む高温物質の一部が気体状となり前記耐火層と前記断熱層との境界部に到達した際の温度が、前記塩化物を含む高温物質の凝固温度以下の温度である前記（１）記載の耐火構造を有するセメント製造装置を使用する方法。
（４）前記凝固温度は７００℃以下である前記（３）記載の耐火構造を有するセメント製造装置を使用する方法。

本発明によれば、化学成分ＫＣｌとＮａＣｌが液体状態で存在する耐火物層の位置に境界部１３の間隙を作らないので、スタッド５，６の腐食を大幅に低減させることができる。この結果、スタッド５，６の腐食切断１５が低減され、耐火物の炉内７への落下を防止することができる。これにより、耐火物を補修する頻度が大幅に低下することができ、セメント焼成装置の操業度を向上させることができる。

本発明における耐火物の構造の概略図を示す。 通常のセメント焼成装置の一例の概略図を示す。 従来の耐火物の構造の概略図を示す。 本発明におけるＹ字型スタッドの構造の概略図を示す。 本発明におけるＹＹ字型スタッドの構造の概略図を示す。 本発明における断熱ボードの目地構造の一部を示す。 アルカリ塩が、耐火物の境界部へ侵入する間隙の概略図を示す。 本発明の実施例における断熱ボードとスタッドの敷設図を示す。

本発明でいうセメント製造装置の高温雰囲気となる箇所とは、セメント製造装置における予熱塔１０の最下段サイクロン１１の天井部１２、最下段サイクロン１１、仮焼炉２５、ライジングダクト２６、ロータリーキルンの窯尻部２７などの少なくとも１箇所において、炉壁のキャスタブルが重力によって、鉄皮から剥がれる可能性がある炉の天井部や傾斜部分などが挙げられる。
一例として、セメント製造装置における予熱塔１０の最下段サイクロン１１の天井部１２に施工する内張り耐火物について２つの例を詳細に説明する。図１に本発明の該内張り耐火物の断面図を示す。この２層の耐火物の構造は、厚さが２５〜５０ｍｍの熱伝導率の低い断熱ボード３と、厚さが２００〜３００ｍｍのキャスタブルの耐火層４から成っている。このような断熱ボード３と耐火層４との厚さで施工することのよって、境界部１３の温度を７００℃以下にすることができる。温度が７００℃以下であれば、金属腐食性物質が固相となり、境界部１３の間隙からスタッド５，６の位置へ侵入し難くなる。

［断熱ボード］
従来のキャスタブルで施工する断熱層の代わりに、本発明において使用する断熱ボード３の厚さは、２５〜５０ｍｍが好ましい。２５ｍｍ未満であると、鉄皮１（内壁面）の温度上昇を抑える為、耐火層４の厚くなりすぎ、コスト的に有利とは言えない。また、５０ｍｍを越えると、耐火層４が薄くなり耐火の機能を発揮できないおそれがある。また、断熱ボード３の形状は、一辺が長さ５００〜１０００ｍｍの正方角または長方角のボードであることが好ましい。しかし、各辺の縁と角について隣接する断熱ボードと接触させるように並べて、目地１６をつくらないようにし、厚さが一定であれば、どんな不定形の形であってもよい。

図８に示すように、目地１６については、断熱ボード３がスタッド５，６に当たる部分をカットし、全ての目地１６の幅が０〜５ｍｍ程度になるように断熱ボード３の大きさを決めてもよい。この場合は断熱ボード３の一辺の寸法がスタッド５，６の直径の長さ分の程度、長くなる。なお、断熱ボード３は、小刻みに切断した小片の断熱ボード２１であれはどんな形状のものを併用してもよい。このようにすれば、元来廃棄してしまう小片の断熱ボードを有効利用することができる。

断熱ボード３の材質は、シリカ、アルミナを主成分としたセラミックファイバーボードが好ましい。この断熱性能としては、熱伝導率が０．１〜０．２Ｗ／（ｍ・Ｋ）が好ましい。例えば、新日化サーマルセラミック（株）製の型番：ＳＣボード１２６０相当品（ＳｉＯ_２＝５４質量％、Ａｌ_２Ｏ_３＝４６質量％）である。この断熱ボード３は従来のキャスタブル断熱層より断熱効果が高く、厚さが２５ｍｍの時、温度が２５０〜３００℃低下し、または厚さが５０ｍｍの時、温度が４００〜５００℃低下する。すなわち、断熱ボード３の断熱性能は、キャスタブルに比べて良好であるので、厚みを薄くすることができる。このため、境界部１３付近の温度を腐食温度領域９から低温部に離すことが可能となり、アルカリ塩の液相が侵入し難くなる。これによって、スタッド５，６の腐食の防止ができる。

なお、このときの、炉外８の外気温度が３０℃で、外気の風速が１．０ｍ／秒とし、炉内７の温度を９００℃としている。断熱ボード３を使用することによって、耐火層４は高アルミナ質キャスタブルで施工することができる。また、断熱ボード３は乾燥収縮がほとんどないので、断熱層２の内部での亀裂が起こりにくい。
断熱ボード３を内表面の鉄皮１に敷設する方法としては、断熱ボードを鉄皮に接着剤で貼り付ける方法が簡便である。

［スタッドと断熱ボード］
図４と図５に一例を示すように、各耐火物を固定するスタッド５，６は、最下段サイクロン１１の鉄皮１に溶接部１４で盛り付け溶接された丸鋼２２からできており、先端部のＹ字型スタッド5またはＹＹ字型スタッド６のいずれかのみで構成されるか、または、前記2種類の形状のスタッド５，６が交互に配置され混成されている。好ましくは、ＹＹ字型スタッド６のみで構成される方が強度的にはよい。

Ｙ字の開き角度は、５５〜８０度であり、スタッド５，６の材質はステンレス鋼の規格がＳＵＳ３０４，ＳＵＳ３０９Ｓ，ＳＵＳ３１０Ｓなどであって、外径寸法がφ１０〜２０ｍｍである。なお、外径がφ１０mm未満であると、耐火物の自重やスタッド５，６の腐食による切断によって、キャスタブルが落下しやすくなる。外径がφ２０ｍｍを越えると熱性能のスペックが過剰となり経済性に劣る。

また、スタッド５，６は正方配列または千鳥配列であって、このスタッド同士の距離は２５０〜５００ｍｍであるが、図８の例のように、スタッド５，６を取り付ける位置に断熱ボード３の間隙である目地１６が交差する位置となるような断熱ボード３の寸法とすることが構造上よい。このため、断熱ボード３の寸法はスタッド同士の距離によって影響され決定されるので、スタッド５，６の太さなどによって、断熱ボード３の実際の寸法を決定することが好ましい。

図９に示すように、丸鋼２２などを寝かせて断熱ボード３の表面を押さえつけ、スタッド５，６に溶接すると一段と断熱ボード３の固定性が向上する。小刻みに切断した小片の断熱ボード２１を利用する場合は、該押さえつけ用の丸鋼２２で押さえつけることが好ましい。

［キャスタブル耐火物］
耐火層４は高アルミナ質キャスタブルである。まず、図６に示すように、型枠２３を固定する直径がφ５．５〜６．５ｍｍの型枠止めボルト２５をスタッド５，６に溶接し、最後に型枠２３を組み立て、型枠止めボルト２５にナットで固定する。その後、上部の流し込み口２４から型枠２３にキャスタブル耐火物が流し込まれ、耐火物としての耐火層４として施工される。耐火物を流し込んだ後、夏季では２４時間以上の養生を、また、冬季では４８時間以上の養生をして、耐火層４の高アルミナ質キャスタブルが凝結して固化したら、型枠２３を解体して取り除き耐火物の施工は完了する。なお、型枠２３の厚みは１２ｍｍであって、材質は木質系のものが好ましいが、耐火物の重量に耐えうる強度をもった厚みの軽金属系・樹脂系のものであってもよい。

断熱ボード３の厚みと後述するキャスタブル耐火物の厚みについては、層の境界部付近に金属腐食性物質の液相が生じないようにしつつ、炉内の温度に応じて、耐火物により内壁面を保護し、かつ炉外との断熱を考慮し決定される。断熱ボード３の厚みとキャスタブル耐火物の厚みの比率は、１：４〜１：１２の範囲が好ましい。この範囲を外れると、コストや施工の面で必ずしも有利な方法とは言えない。セメント製造装置の高温雰囲気となる箇所の大きさや温度によって異なるが、好ましいキャスタブル耐火物の厚みは、２００〜３００ｍｍ、また、断熱ボート３の厚みは２５〜５０ｍｍである。

予熱塔１０における内張り耐火物について、鉄皮１側を断熱ボード３で、炉内７側をキャスタブルの耐火物とで構成した２層構造で施工する、すなわち断熱ボード３を炉内７の天井部１２の鉄皮１に固定し、キャスタブルの施工作業は、耐火層４の一層のみでの打ち込みの作業で行う。耐火層４のキャスタブルを従来よりも厚めにして、一層での打ち込み作業を行うため、スタッド５，６の腐食する危険のある腐食温度領域９にキャスタブルの境界部１３の間隙ができない。そのため、金属腐食性物質である塩化物としてのＫＣｌ、ＮａＣｌなどのアルカリ塩の液相が出来にくい構造とすることができる。
本発明のような、耐火構造とすることによって、２種の耐火物の間隙である境界部１３に金属腐食性物質の液相が出来にくくなってスタッドの腐食切断１５を大幅に低減することができる。

上記の耐火構造を有するセメント製造装置を使用してセメント製造装置を操業する。ＫＣｌ、ＮａＣｌなどの塩化物を含む高温物質が前記高温雰囲気に存在する。塩化物を含む高温物質が気体状となって断熱層２と耐火層４の境界部１３到達しスタッドを腐食させる機構については、揮発した塩化物が気体状となり耐火物の端部のすきまを通って境界部１３に到達し、ここで液体状態となり、毛細管現象で広がって金属のスタッドに到達し腐食させているものと推測される。

前記塩化物を含む高温物質の一部が気体状となり前記耐火層と前記断熱層との境界部に到達した際の温度が、前記塩化物を含む高温物質の凝固温度以下の温度である。これにより、ＫＣｌ、ＮａＣｌなどの腐食物質が液相でスタッドを接触することを防止することができる。腐食物質はＫＣｌを主成分である場合、前記凝固温度は７００℃以下の温度とすることにより腐食することを効果的に防止することができる。

［耐火構造の箇所］
セメント焼成の予熱塔１０における最下段サイクロン１１の天井部１２の内張り耐火物として、図１に示す本発明におけるキャスタブルの耐火層４の１層の打ち込みでの施工方法で実施した。最下段サイクロン１１の天井部１２のガス温度は、平均９００℃であって、最下段サイクロン１１のシュート部２０での塩素濃度が２質量％であった。

［腐食温度領域の特定］
上記最下段サイクロン１１のシュート２０でサンプル採取した塩素濃度が２質量％の原料を、実験用回転電気炉にて昇温加熱テストを行った。その結果、７００℃を超えた温度で回転電気炉中のサンプルの動息角が変化し始め、７５０℃付近でサンプル中の塩化物の溶解が盛んになって炉壁に付着し始めた。そこで、本サンプルにおける炉壁への付着の開始温度（液相の開始温度）、すなわち固相と液相の境界温度は、７００℃であり、７００℃を超える温度を腐食温度領域と特定した。これにより、境界部を７００℃以下に設定できれば、腐食を防止することが期待される。

［断熱ボードおよび耐火物の厚みの特定］
熱伝導計算を行った結果、断熱ボード３と耐火層４の厚さを以下のように決定した。断熱ボード３と耐火層４を合わせた厚さは、炉内ガスの流れに影響を与えないため、従来通りサイクロン１１の設計値である２７５ｍｍとした。次に内部温度９００℃、鉄皮１（内壁面）温度を１５０℃、断熱ボード３と耐火層４の境界部の温度が６００℃以下になるように、定常熱伝導の計算式を用いて計算した。前記腐食温度領域の特定において決定した７００℃から１００℃余裕を見て６００℃とした。また、断熱ボード３は、セラミックファイバーボード（新日化サーマルセラミック（株）製の型番：ＳＣボード１２６０）で主成分はＡｌ_２Ｏ_３＝４６質量％，ＳｉＯ_２＝５４質量％、嵩比重が０．２５ｔ／ｍ^３、耐熱最高温度が１２６０℃、熱伝導率が０．１７Ｗ／（ｍ・Ｋ）を使用した。耐火層４は、高アルミナ質キャスタブルで、主成分はＡｌ_２Ｏ_３＝５０質量％、ＳｉＯ_２＝４２質量％、圧縮強さは４８ＭＰａ、曲げ強さは１１．２ＭＰａ、耐熱最高温度が１５００℃、熱伝導率は０．９３Ｗ／（ｍ・Ｋ）を使用した。これらの熱伝導率から断熱ボード３の厚さは５０ｍｍ、耐火層４の厚さは２２５ｍｍとなった。

断熱ボード３の寸法は、６１６×９００ｍｍの長方角を基準寸法とし、一部の施工においては、長方形の小片の断熱ボード２１を利用した。断熱ボード３の鉄皮１への内張りとＹＹ字型スタッド６の配置は、図９に示すように配置した。このとき、断熱ボード３同士は縁に間隙ができないように互いに接触させて配列させた。なお、断熱ボード３と鉄皮１との接着剤は合成樹脂ボンドを使用した。

スタッドの寸法については、高さが２５０ｍｍであり、その形状はＹＹ字型スタッド６を使用した。このスタッドの太さは、直径がφ１６ｍｍで、先端部と中間部のＹ字の開き角度を６０度とし、材質は、ＳＵＳ３０４の丸鋼２２とした。スタッド同士の間隔の距離は、断熱ボード３の長辺方向で４５０ｍｍであり、短辺方向で６１６ｍｍの間隔とした。

図９に断熱ボード３，２１の押さえ用の丸鋼２２の配置の一例を示す。断熱ボード３，２１の押さえは、丸鋼２２をＹＹ字型スタッド６に溶接して使用し、全ての断熱ボード３，２１を押さえているように施工した。丸鋼２２の直径は、φ５．５ｍｍの寸法のものを使用した。目地１６の幅は、０〜３ｍｍであって、キャスタブル耐火物の打ち込み時に、耐火層４の１層の打ち込みを行って施工処理をした。この際の、目地１６の部分の材質は、高アルミナ質キャスタブルである。

キャスタブル耐火物の打ち込み施工については、図６に示すように、最下段サイクロン１１の天井部１２の鉄皮１に空ける流し込み口２４ついては、前記の所定の間隔で、酸素ガス切断器によって穴を開けた。次に、鉄皮１の炉内側の内面にスタッド５，６を前記の所定の間隔で溶接し、固定した。なお、流し込み口２４の部分は、あらかじめ断熱ボード３を付けないように断熱ボード３を穴加工していた。
そして、断熱ボード３、２１からの厚さが２２５ｍｍのキャスタブルを流し込む空間を形成し、スタッド５，６を埋め込むように型枠２３を設けるために、型枠止めボルト２５を近くのスタッド５，６に溶接して固定した。その後、厚さが１２ｍｍの型枠２３を、型枠止めボルト２５に通してナットで締め付けながら、所定の位置に固定した。
型枠２３の設定が全て終わったら、図に示すように流し込み口２４から、耐火層４のキャスタブル耐火物を流し込んだ。
キャスタブルの養生が完了し硬化したら、型枠２３を撤去し、流し込み口２４にはふたを溶接することによって、耐火物の施工を完了した。

炉内７の温度は平均９００℃に対し、鉄皮１と断熱ボード３の接触部の温度が１３０℃であり、このように施工しても、鉄皮１は操業時においても赤熱しなかった。本発明の本実施例において、約１年間、予熱塔の連続操業を行い、キャスタブルを解体して点検調査を行った結果、ＹＹ字型スタッド６は全く腐食切断１５していなかった。これは、断熱ボード３と耐火層４の境界部の温度が、最下段サイクロン１１のシュート部２０でサンプル採取した原料の固相と液相の境界温度より低い温度である６００℃以下になるように断熱ボードと耐火物の厚みを設定したことに依るものである。

本発明は、スタッドを使用して耐火物を施工しているセメント焼成装置において金属腐食性ガスが存在し、耐火物層の内部で液相となる温度領域が存在する際に利用することができる。

１ 鉄皮（内壁面）
２ 断熱層
３ 断熱ボード
４ 耐火層
５ Ｙ字型スタッド
６ ＹＹ字型スタッド
７ 炉内
８ 炉外
９ 腐食温度領域
１０ 予熱塔
１１ 最下段サイクロン
１２ 天井部
１３ 境界部
１４ 溶接部
１５ 腐食切断
１６ 目地
１７ 内筒部
１８ スリーブ
１９ サイクロンガス出口
２０ シュート部
２１ 小片の断熱ボード
２２ 丸鋼
２３ 型枠
２４ 流し込み口
２５ 型枠止めボルト

Claims (4)

1. セメント製造装置の高温雰囲気となる箇所の内壁面に一端が固定され、他端が高温雰囲気に向かって延出したスタッドと、前記内壁面に沿って断熱ボードが敷設された断熱層と、
   前記断熱ボート層に接して耐火物が敷設された耐火層と、を備えるセメント製造装置の耐火構造であって、
   前記断熱層の層厚は２５〜５０ｍｍの範囲であり、前記耐火層の層厚は２００〜３００ｍｍの範囲であり、前記スタッドは前記断熱層と前記耐火層に没入され、前記断熱ボードと前記耐火物を保持する構造であることを特徴とするセメント製造装置の耐火構造。
2. 前記高温雰囲気となる箇所は、セメント製造装置における予熱塔の最下段サイクロン、仮焼炉、ライジングダクト、またはロータリーキルンの窯尻部のうちの少なくとも１つである請求項１記載のセメント製造装置の耐火構造。
3. 塩化物を含む高温物質が前記高温雰囲気に存在し、前記塩化物を含む高温物質の一部が気体状となり前記耐火層と前記断熱層との境界部に到達した際の温度が、前記塩化物を含む高温物質の凝固温度以下の温度である請求項１記載の耐火構造を有するセメント製造装置を使用する方法。
4. 前記凝固温度は７００℃以下である請求項３記載の耐火構造を有するセメント製造装置を使用する方法。

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