JPH10194854A - 金属粉を熱源とする耐火溶射材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】耐食性、耐熱衝撃性、耐摩耗性に優れた溶射材
料の提供。 【解決手段】金属粉を10〜20重量％含むテルミット反応
溶射耐火性材料であって、上記金属粉に加えて酸化物を
55〜80重量％と、SiCおよびCr₃C₂の中の１種または２種
を10〜25重量％含む耐火溶射材料。上記の耐火性材料
は、「炭化物／酸化物」の比が(1/2.5)〜(1/7.3)である
ことが望ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、炉の補修材料、特
にSiO₂系耐火材料、あるいはSiO₂-Al₂O₃系耐火材料で作
られたコークス炉、トーピドカー等の内壁面の損傷部分
を金属粉を熱源とする溶射法を用いて補修するときに使
用する溶射材料に関する。

【０００２】

【従来の技術】鉄鋼製造設備には、コークス炉、トーピ
ドカー等のほか、種々の加熱炉、反応炉など耐火材料で
構成された設備（これらを総称して「窯炉」ということ
もある）がある。これらの窯炉の中でもコークス炉、ト
ーピドカーは長期間の連続運転を行うため稼動寿命を延
ばす必要があり、炉壁などの補修を定期的に施してい
る。従来、窯炉の内壁面に損傷が発見されると、操業を
停止して、損傷部分に無機バインダーを結合剤として水
に分散させた耐火材料を吹き付けて補修していた。しか
し、これは設備の稼働率を低下させることになり好まし
くない。

【０００３】最近では、耐火材料を炉壁などに溶射する
方法が提案されている。たとえば、金属粉のテルミッ
ト反応熱を利用する方法、燃料ガス燃焼の火炎を利用
する方法、プラズマ熱を利用する方法などがある。

【０００４】上記の方法として、耐火粉末と混合した
金属粉あるいは炭素粉を酸素で気体輸送して赤熱した炉
壁面に噴射し、燃焼させて火炎をつくる一種のテルミッ
ト反応法がある（特公昭49-46364号公報参照）。

【０００５】上記の火炎を利用する方法に使用する溶
射材料として、補修した窯炉壁体の耐食性、耐熱衝撃性
を向上させるために、マグネシア、アルミナ、ジルコニ
ア、クロミアなどの耐火材料を炭素とともに電融した
後、粉砕することによって製造した溶射用耐火材料が提
案されている（特開平7-33537号公報参照）。

【０００６】上記のプラズマ熱を利用する方法には、
コークス炉などで用いられるガスプラズマジェットによ
る溶射法がある（特開昭56-59679号公報参照）。

【０００７】これらの溶射法は、旧来の湿式の吹き付け
補修法とは異なり、水分に起因する弊害がなく、優れた
補修効果を発揮する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記特公昭49-46364号
公報に提案された方法は、酸化物系耐火物の溶射皮膜を
生成するので、耐摩耗性に劣る。また、特開平7-33537
号公報に提案された方法は、耐食性には優れているが、
粒径が小さいため、耐摩耗性に劣る。さらに、炭素粉
（多くはコークス粉）を熱源とする溶射（グナイト法）
では発生する炭酸ガスによる弊害（層中への気泡の形
成）を嫌い、完全燃焼を指向している。つまり、窯炉の
内張り補修という本来目的で高い耐火性の酸化物を使用
しなければならない。

【０００９】これらの補修方法を採用した窯炉は、炉の
使用環境の変化にともない、より苛酷な使用状況に応じ
得る耐食性、耐熱衝撃性あるいは耐摩耗性が要求されて
いる。

【００１０】一般に、溶射技術の分野では、耐食性、耐
熱衝撃性あるいは耐摩耗性を溶射皮膜に付与する方法と
して、溶射材料中に炭素、炭化物あるいは窒化物、とき
には酸化物の粒子を配合する。たとえば、Ｎｉベースの
金属粉末中に、炭化物（ＷＣ）あるいは窒化物（Ｔｉ
Ｎ）などの粉末（粒子径が50μｍ程度）を配合した材料
を溶射して皮膜を形成する方法があり、サーメット溶射
法と呼ばれている。これは、比較的自由な組み合わせで
溶射材料の配合を選定できるので、溶射された皮膜には
いろいろの特性を付与できるが、耐熱性では1000℃未満
の温度範囲でしか使用できない。他方、Ni-Cr-Al合金を
溶射すると微細なAl₂O₃相を溶射皮膜中に形成し、硬度
を高めて耐摩耗性を向上させるが、金属相中の範囲であ
る。

【００１１】本発明の目的は、SiO₂-Al₂O₃系酸化物から
なる窯炉の壁体などをテルミット反応熱を利用する溶射
法によって補修を施す場合において、耐食性、耐熱衝撃
性、および耐摩耗性に優れた溶射皮膜を形成する溶射材
料を提供するにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明者は、SiO₂または
SiO₂-Al₂O₃系酸化物からなる窯炉の耐火物へ、テルミッ
ト反応熱を利用する溶射法によって形成した溶射皮膜の
性能について研究を行い、溶射材料としての酸化物に炭
化物を混合することによって、耐食性、耐熱衝撃性、お
よび耐摩耗性の向上を達成できることを知見した。本発
明は、この知見に基づき完成され、その要旨は下記の溶
射材料にある。

【００１３】金属粉を10〜20重量％含むテルミット反応
溶射耐火性材料であって、上記金属粉に加えて酸化物を
55〜80重量％と、SiCおよびCr₃C₂の中の１種または２種
を10〜25重量％含む耐火溶射材料。

【００１４】上記の耐火性材料は、「炭化物／酸化物」
の比が(1/2.5)〜(1/7.3)であることが望ましい。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明の溶射材料は、酸化物粉、
SiCおよび／またはCr₃C₂の炭化物粉、および金属粉から
なる。

【００１６】酸化物は、ゼーゲル錐融点が26番以上の酸
化物で、金属粉が燃焼するとき発生する火炎温度2000℃
〜3000℃で溶融する酸化物を意味する。SiO₂またはSiO₂
-Al₂O₃系酸化物からなる窯炉の耐火物と同等、またはそ
れ以上の耐火性能を有する。具体的には、Al₂O₃、Si
O₂、Cr₂O₃、TiO₂と、これらを端成分とする複合酸化物
が用いられる。さらに、これらの酸化物にMgOおよび／
またはCaOを30重量％まで含有する酸化物であってもよ
い。酸化物の粒度は、熱源となる金属粉が発生する火炎
を安定して形成する必要から粒径が２mm以下、0.1mm以
上であることが望ましい。また、酸化物の配合量は、全
溶射材料の55〜80重量％とする。

【００１７】金属粉は、酸化による発熱によって酸化物
の表面を溶融させ、酸化物どうし、または酸化物と耐火
物とを溶着させる働きをする。従って、金属粉には、耐
火物の有する温度および酸素の存在下で容易に発火する
材料が望ましく、Al、Mg、Al-Mg、Si、Cr、Ca-Si、の１
種もしくは２種以上を混合した粉末が用いられる。その
平均粒径は10〜100μｍとし、最大粒径は１mmを超えな
い。また、金属粉の配合量は、火炎を発生させるために
全溶射材料の10〜20重量％とする。

【００１８】本発明においては、金属粉を熱源とする溶
射材料にSiCおよび／またはCr₃C₂の炭化物を配合するこ
とに特徴がある。以下、上記の炭化物を添加する理由に
ついて説明する。

【００１９】一般に、酸化物系耐火物は、混合相として
炭化物を含むと、溶銑スラグに対する濡れ性が悪くな
り、熱伝導性が良くなる。濡れ性の改善によりスラグに
よる化学的侵食がおこりにくくなり、耐食性が向上し、
熱伝導性が向上すると熱応力も発生しなくなる。また、
上記の炭化物は、高硬度のため、溶湯（たとえば、溶
銑、溶鋼）や固形物（コークスケーキ）に対する耐摩耗
性を改善する。

【００２０】他方、TiC、WC、SiNおよびTiNなどの炭化
物または窒化物は、SiC、Cr₃C₂と同様の性能を持ってお
り、同様の効果は期待できる。しかし、TiC、WC、SiNお
よびTiNなどは、溶射のとき発生する火炎で酸化される
もの、気化するもの、あるいは酸化物として存在しても
耐火性が低いものとなるので、これらは除外される。

【００２１】SiC、Cr₃C₂炭化物の粒子の大きさを、粒径
で250〜750μｍの範囲とすれば、溶射による酸化反応に
よって粒子表面には酸化物の高粘着性の液相としてとど
まり、表面に酸化物相を有する炭化物粒子が溶射皮膜に
取り込まれて、耐火物全体への添加混合成分としての上
記機能を発揮する。

【００２２】上記炭化物粒子の大きさは、直径250μｍ
未満ではSiC、Cr₃C₂が酸化物になる割合が多くなり、炭
化物としての機能が発揮されない。しかし、750μｍを
超えると、炭化物粒子内への入熱が多く、噴射される溶
射材料の溶融不良、ひいてはリバウンド量の増大をもた
らす。

【００２３】炭化物の配合量は、溶射材料に対して10重
量％未満では溶射皮膜の耐食性、熱伝導性、耐摩耗性を
改善する効果はない。しかし、25重量％を超えると、溶
射時の炭化物粒子への抜熱量が大きくなり、溶射材料全
体の溶融が低下し、リバウンド量が多くなる。従って、
炭化物の配合量は、溶射材料に対して10重量％以上25重
量％以下とする。

【００２４】溶融粒子の付着は、熱源である金属粉を一
定量に定めると、上記の炭化物と残余の酸化物とにある
一定の配合割合で適正量が規定される。炭化物粉と酸化
物粉との相互の配合比率は、１：2.5〜１：7.3の範囲が
適正である。重量比１：2.5未満の比率で炭化物量を多
くすると、熱源の金属粉の発熱は、炭化物の昇温に消費
され、溶射は成立しない。１：7.3超えの比率で炭化物
量を減少させると、添加配合の効果は得られない。

【００２５】このように、炭化物粉末をある一定の制約
の下で酸化物系耐火物に配合すると、溶射補修層中に一
部は酸化された皮膜をつくるが、炭化物粒子が埋め込ま
れた溶射皮膜を形成することができる。

【００２６】

【実施例】

（実施例１）平均粒径を20〜30μｍの範囲に調整した金
属粉と、粒径を250〜750μｍの範囲に調整した炭化物粉
末とを混合し、さらに粒径を0.1〜2.0mmの範囲に調整し
た酸化物粉末を表１に示す配合比に配合して、それぞれ
20Kgの溶射材料（試験体符号Ａ〜Ｈ）を製作した。シャ
モット質の基材煉瓦を用意し、それを800℃に予熱して
前記溶射材料を用いて溶射を施し、試験体を製作した。

【００２７】

【表１】

【００２８】溶射条件は、溶射距離：60mm、ノズル移動
速度：1.0m/min、粉末供給速度：1.0kg/min、酸素量：20
リットル/minとし、溶射を行った。

【００２９】試験体符号Ａ〜Ｆは発明例、ＧおよびＨは
比較例である。また、Ａ〜ＥおよびＧは溶銑を収容する
トーピドカーの補修を対象とするもの、ＦおよびＨはコ
ークス炉の補修を対象とするものである。

【００３０】溶射皮膜の耐食性試験は、試験体を1500℃
で溶融したスラグ中に60分浸漬し、スラグとの反応によ
る溶損量を測定した。評価として、炭化物を添加してい
ない溶射材料を溶射した試験体Ｇの溶損量を100とする
指数で表示した。

【００３１】耐熱衝撃性試験は、試験体に1500℃から50
0℃までの温度範囲を約20分間で急熱急冷する熱サイク
ルを与え、試験体が破壊するまでの回数を求めた。その
回数を試験体Ｇよりも２倍以上の回数で破壊したものを
ａ、1.5倍以上2.0倍未満をｂ、1.5倍未満をｃとして表
示した。

【００３２】耐摩耗試験は、室温において平均粒径0.15
mmの鉄粒子を用いてショットブラスト試験を行い、摩耗
減量を測定し、試験体Ｇの摩耗量を100とする指数で表
示した。これらの結果を表１に示す。

【００３３】本発明の溶射材料を使用した試験体Ａ〜Ｆ
は、耐食性、耐熱衝撃性、耐摩耗性に優れている。比較
例の試験体は、耐食性、耐熱衝撃性、耐摩耗性に劣るも
のである。

【００３４】（実施例２）実施例１の表１で得た結果
（ＡおよびＤ）を元にして、SiとSi-Alの金属粉の組み
合わせ(17％)と、シャモット粉とアルミナ粉とを重量比
1:2で組み合わせた酸化物粉（73％）に、SiC10％を配合
し、高炉の出銑樋の湯当たり部を中間修理した。

【００３５】施工量は、長さ３ｍ、幅400mm、平均深さ12
5mmの凹部で、なお、事前に残銑抜きと地金取りを行
い、実施例１と同様な溶射条件で、補修を行った。従来
の補修方法は、タールピッチで混練したSiCを20％配合
したＣ−Al₂O₃系スタンプ材を用いて、約10日ごとにス
タンピング施工法で補修していた。

【００３６】本発明による溶射材料を使用した補修部の
寿命は、30〜40日に延長でき、補修回数が半減するとと
もに、補修間隔を高炉の定期休風時期に合わすことがで
き、工事工数の削減の点で大幅なコスト改善が得られ
た。

【００３７】（実施例３）コークス炉（炉高：７ｍ）の
炭化室壁面の肌荒れ部（広さが約4.5ｍ²、深さが５〜13m
m）を、表１に示す本発明の溶射材料Ｆを用いて補修を
行った。

【００３８】本発明による溶射材料を使用した補修部で
は、摩耗が少なく、補修後約2.5年経過した後でも、コ
ークスの押しづまり現象も発生せず順調に稼働してい
る。これによりコークス炉の補修費用が大幅に削減でき
た。なお、従来は、表１に示す比較例の溶射材料Ｈを用
いて、ほぼ同様な補修を１年ごとに繰り返していた。

【００３９】

【発明の効果】本発明の方法は、溶射補修材料に炭化物
を添加することによって、耐食性、耐熱衝撃性、耐摩耗
性に優れた溶射施工体が得られる。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】金属粉を10〜20重量％含むテルミット反応
   溶射耐火性材料であって、上記金属粉に加えて酸化物を
   55〜80重量％と、SiCおよびCr₃C₂の中の１種または２種
   を10〜25重量％含むことを特徴とする金属粉を熱源とす
   る耐火溶射材料。
2. 【請求項２】前記耐火性材料粉の「炭化物／酸化物」の
   比が(1/2.5)〜(1/7.3)であることを特徴とする請求項１
   に記載の金属粉を熱源とする耐火溶射材料。