説明

アルミナークロミア質不定形耐火物

【課題】溶融炉の内張り用不定形耐火物として、高い体積安定性と同時に耐スポーリング性も向上したアルミナ−クロミア不定形耐火物を提供する。
【解決手段】アルミナ粒子と、クロミア粒子と、ガラス質を含有しかつ安定化されていないジルコニアを含有するジルコニア系電融粒子と、を含むことを特徴とするアルミナークロミア質不定形耐火物。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は廃棄物などの溶融炉の内張りに好適なアルミナークロミア質不定形耐火物に関する。
【背景技術】
【0002】
廃棄物などの溶融炉の内張耐火物としては、耐食性に優れることからアルミナークロミア質耐火物が知られている。従来は、耐火物特性の安定性の点から、成形、焼成した定形耐火物が使用されてきたが、施工性などに優れた不定形耐火物も広く使用されるようになっている。
【0003】
アルミナークロミア質不定形耐火物においては、耐食性を改善するため粒子直径(以下、単に粒径と略す)の小さいクロミア粒子を多く添加することが特許文献1に提案されている。しかし、この場合には、耐熱衝撃性(耐スポーリング性ともいう)が低下する欠点があり、その対策としてジルコニア、ジルコン、マグネシア、ドロマイト、スピネル、炭素等を組み合わせることが提案されているが、それ以上の具体的な記載はない。
【0004】
同様に、アルミナークロミア質不定形耐火物の耐食性と耐熱衝撃性の両方を改善するため、ジルコン(ZrSiO)を添加することが特許文献2に提案されているが、その効果は必ずしも充分なものではない。
【0005】
一方、アルミナークロミア質不定形耐火物には、高温下で使用後に低温まで温度を下げたときに、体積が当初より増えるという現象(以下、残存膨張性という)により溶融炉内面の不定形耐火物が剥離して最悪の場合は、脱落等するという問題点がある。この残存膨張性は、不定形耐火物中のアルミナとクロミアが高温下で固溶反応することによるものと考えられるが、溶融炉内の不定形耐火物の耐用を決める重要な因子である。しかし、この残存膨張性を実用的なレベルまで小さくした体積安定性に優れ、しかも、耐食性、耐熱衝撃性に優れたアルミナークロミア質不定形耐火物はいまだ知られていない。
【特許文献1】特開平6−293570号公報(発明の詳細な説明)
【特許文献2】特開2004−149340号公報(発明の詳細な説明)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
本発明は、耐食性、耐熱衝撃性および体積安定性に優れた、高耐用のアルミナ−クロミア質不定形耐火物の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明者は、上記目的を達成するために鋭意研究を進めたところ、アルミナ粒子とクロミア粒子とを含むアルミナークロミア質不定形耐火物において、ガラス質を含有しかつ安定化されていないジルコニアを含有する特定のジルコニア系電融粒子を含ませることにより、高温下で使用後に低温まで温度を下げたときに見られる、上記した残存膨張性が顕著に抑制され、耐食性、耐熱衝撃性以外に、特に体積安定性に優れたアルミナークロミア質不定形耐火物が得られることを見出した。
【0008】
本発明は、かかる新規な知見に基づくものであり、下記の要旨を有するものである。
(1)アルミナ粒子と、クロミア粒子と、ガラス質を含有しかつ安定化されていないジルコニアを含有するジルコニア系電融粒子と、を含むことを特徴とするアルミナークロミア質不定形耐火物。
(2)前記ジルコニア系電融粒子の少なくとも一部として、化学成分がZrO90質量%以上である電融粒子を含む上記(1)に記載のアルミナ−クロミア質不定形耐火物。
(3)前記ジルコニア系電融粒子の少なくとも一部として、化学成分がZrO30〜45質量%、Al45〜54質量%、SiO9〜15質量%である電融粒子を含む上記(1)または(2)に記載のアルミナークロミア質不定形耐火物。
(4)前記ジルコニア系電融粒子の粒子直径が0.15mm以下である上記(1)、(2)または(3)に記載のアルミナークロミア質不定形耐火物。
(5)前記クロミア粒子として、粒子直径0.1mm以下のクロミア粒子を4〜35質量%含む上記(1)〜(4)のいずれかに記載のアルミナークロミア質不定形耐火物。
(6)前記アルミナ粒子を2.9〜94.9質量%、前記クロミア粒子を4〜96質量%、および前記ジルコニア系電融粒子を0.1〜14質量%、それぞれ含む上記(1)〜(5)のいずれかに記載のアルミナ−クロミア質不定形耐火物。
(7)アルミナセメントを含む上記(1)〜(6)のいずれかに記載のアルミナークロミア質不定形耐火物。
(8)前記アルミナ−クロミア質不定形耐火物100質量部に対し、外掛けで、0.01〜0.4質量部のポリカルボン酸塩型共重合体、および0.00001〜0.002質量部の炭酸リチウムをそれぞれ添加した上記(1)〜(7)のいずれかに記載のアルミナ−クロミア質不定形耐火物。
(9)上記(1)〜(8)のいずれかに記載のアルミナ−クロミア質不定形耐火物からなる内張りを有する廃棄物溶融炉。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、高温下で使用後に低温まで温度を下げたときに見られる、残存膨張性が顕著に抑制され、体積安定性に優れるとともに、耐食性および耐熱衝撃性に優れたアルミナークロミア質不定形耐火物が提供される。かかるアルミナークロミア質不定形耐火物は、廃棄物などの溶融炉の内張り用として極めて有用である。
【0010】
本発明でアルミナークロミア質不定形耐火物における上記の残存膨張性が何故に顕著に抑制されるかについては必ずしも明らかではないが、体積安定性を阻害するアルミナとクロミアとの固溶反応による残存膨張性を前記ジルコニア系電融粒子を含むことにより抑制されるものと思われる。詳細なメカニズムは不明であるが、ジルコニアはアルミナと異なりクロミアと反応しても固溶体を形成しないのでその分、残存膨張性が低下することと、前記ジルコニア系電融粒子に含まれるガラス質の存在により、不定形耐火物が高温時に焼成して収縮をもたらすことなどに基因するものと思われる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0011】
本発明のアルミナ−クロミア質不定形耐火物(以下、本不定形耐火物ともいう)は、アルミナ粒子とクロミア粒子以外に、ガラス質を含有しかつ安定化されていないジルコニアを含有するジルコニア系電融粒子を含むことを特徴とする。
【0012】
本明細書において、ジルコニア系電融粒子とは、電気溶融法で製造された粒子(電気溶融法で製造された塊を細かく粉砕したものを含む)であって、化学成分としてZrOが粒子中に30質量%以上含むものをいう。また、ガラス質を含有しかつ安定化されていないジルコニアとは、ZrO結晶とガラス質を含むもので、化学成分として、ZrO結晶以外に、ガラス質を構成するであるSiO、Al等を含み、かつ、ZrO結晶が実質的に単斜晶からなるものをいい、ZrOを単斜晶から立方晶にするための安定化剤(CaO、MgO、Y等)を実質的に含まないものをいう。CaO等で安定化したジルコニアは、CaO等の安定化剤が使用中に拡散して脱安定化し体積膨張をもたらすため本発明の目的を達成しない。
【0013】
本不定形耐火物において、前記ジルコニア系電融粒子としては、上記要件を満たすものであれば特に制限されないが、化学成分としてZrOを90質量%以上含むもの(以下、電融ジルコニア粒子という)、化学成分としてZrO30〜45質量%、Al45〜54質量%、およびSiO9〜15質量%を含む電融粒子(以下、電融AZS粒子という)等が好ましいものとして挙げられる。
【0014】
前記電融ジルコニア粒子としては、なかでも、化学成分としてZrOを80質量%以上含むガラス熔解窯用などの電鋳耐火物と同一の組成を有するものが好ましい。一例としては、ZrOを約94質量%含み、そのジルコニアの結晶相(単斜晶)の周囲をSiO、Al等からなるガラス質が被覆しているものが挙げられる。上記の電鋳耐火物を破砕・粉砕等して適当な粒径に調整したものを使用してもよい。
【0015】
前記電融AZS粒子としては、なかでも、化学成分としてZrO30〜45質量%、Al45〜54質量%、およびSiO9〜15質量%を含むガラス熔解窯用などの電鋳耐火物と同一の組成を有するものが好ましい。同一組成の電鋳耐火物を破砕・粉砕などして適当な粒径に調整したものを使用してもよい。なお、電融ジルコニア粒子に比べて、電融AZS粒子はガラス質の含有量が多いので体積安定性の点では好ましい。また、本不定形耐火物において、電融ジルコニア粒子と電融AZS粒子とを併用してもよい。
【0016】
電融ジルコニア粒子、電融AZS粒子などの前記ジルコニア系電融粒子の粒径としては、0.15mm以下であると、体積安定性に優れるため好ましい。前記ジルコニア系電融粒子の粒径が、0.1mm以下であるとさらに好ましい。なお、本明細書において、粒径とは、その大きさの目開きのふるいを通過した粒子をいう。例えば、0.15mm以下の粒子とは、0.15mmの大きさの目開きのふるいを通過した粒子をいう。
【0017】
本不定形耐火物において、アルミナ粒子としては、化学成分としてAlを50質量%以上、好ましくは70質量%以上含むものであれば特に制限されず、通常の耐火物分野で使用されるアルミナ質の粒子が適宜用いられる。その例としては、電融アルミナ粒子、焼結アルミナ粒子、仮焼アルミナ粒子、ボーキサイト粒子、バン頁粒子、ムライト質粒子、などが好ましいものとして挙げられる。なお、本明細書において、不定形耐火物における各成分の含有量は、施工するための水を算入しない量を表すものとする。
【0018】
本不定形耐火物において、クロミア粒子としては化学成分としてCrを50質量%以上含むものであれば特に制限されず、通常の耐火物分野で使用されるクロミア質の粒子が適宜用いられる。クロミア粒子中のCrが98質量%以上、特には99質量%以上であると耐食性などの点で好ましい。バイヤー法やその類似法により製造されたクロミア超微粉、これを元原料として電融後、粒度調整した電融クロミア粒子、前記元原料を焼成後、粒度調整した焼結クロミア粒子などが好ましいものとして挙げられる。
【0019】
本不定形耐火物中、ジルコニア系電融粒子の添加量は、0.1〜14質量%であると好ましく、0.5〜12質量%であると特に好ましい。ジルコニア系電融粒子の添加量が0.1質量%未満の場合は、体積安定性の効果が不充分となるおそれがあり、一方、14質量%を超えると、ガラス質の影響が大きくなり、耐食性を低下させるおそれがある。
【0020】
本不定形耐火物中、クロミア粒子の添加量は、4〜96質量%であると好ましく、特に5〜92質量%であると特に好ましい。本不定形耐火物中のクロミア粒子の添加量が4質量%未満であると、耐食性が不充分となるおそれがある。一方、クロミア粒子の添加量が96質量%を超えると、耐食性以外の特性が不充分となるおそれがあり好ましくない。
【0021】
なお、本不定形耐火物において、クロミア粒子としては、粒径が0.1mm以下であると耐食性がよくなるので好ましい。本不定形耐火物中、粒径0.1mm以下のクロミア粒子を4〜35質量%、特に5〜32質量%添加すると、施工時の添加水量を少なくして緻密な施工体が得られるため好ましい。
【0022】
本不定形耐火物中、アルミナ粒子の含有量は、2.9〜94.9質量%であると好ましく、特に3〜90質量%であると好ましい。アルミナ粒子が94.9質量%を超えると、耐食性が低下するおそれがある。アルミナ粒子として仮焼アルミナを使用すると、不定形耐火物の施工性が向上し、緻密な施工体が得られ、熱間強度を向上させる効果もあるので好ましい。仮焼アルミナを使用する場合は、粒径0.05mm以下であると好ましく、粒径が0.015mm以下であるとさらに好ましい。
【0023】
本不定形耐火物において、前記アルミナ粒子を2.9〜94.9質量%、好ましくは3〜90質量%、前記クロミア粒子を4〜96質量%、好ましくは5〜92質量%、および前記ジルコニア系電融粒子を0.1〜14質量%、好ましくは0.5〜12質量%、それぞれ含む場合がさらに好ましい。
【0024】
本不定形耐火物が、前記アルミナ粒子、前記クロミア粒子および前記ジルコニア系電融粒子以外にアルミナセメントを含むと、施工体の機械的強度が向上し、坏土の施工性も向上するため好ましい。本不定形耐火物中、アルミナセメントの含有量が1〜5質量%であると好ましく、2〜4.5質量%であるとさらに好ましい。本不定形耐火物中、アルミナセメントの含有量が1質量%未満であると、アルミナ−クロミア質不定形耐火物の坏土を流し込んだ場合、坏土の硬化が遅延し、施工体の機械的強度も低下するおそれがある。一方、アルミナセメントの含有量が5質量%を超えると、CaO成分が増えることによって耐食性が低下するおそれがある。本不定形耐火物において、アルミナセメントとしては、一般にカルシウムアルミネートを主成分とする種々のアルミナセメントを使用できるが、化学成分としてAlが50質量%以上であると好ましく、70質量%以上であるとさらに好ましい。
【0025】
本不定形耐火物において、耐火性粒子(骨材)としては、アルミナ粒子、クロミア粒子以外に、シリカ質粒子、スピネル質粒子、マグネシア質粒子、アルミナークロミア質固溶体粒子、ムライト質粒子、ジルコン質粒子、アルミナークロミア質固溶体粒子などを添加してもよい。
【0026】
本不定形耐火物において、減水剤を含むと、緻密な施工体が得られるので好ましい。このような減水剤としては、特に制限されないが、ポリカルボン酸塩型共重合体を使用すると、体積安定性を低下させないため好ましい。ポリカルボン酸塩型共重合体の添加量は、本不定形耐火物100質量%に対して外掛けで0.01〜0.4質量%、特に0.05〜0.3質量%添加することが好ましい。前記添加量が0.01質量%未満では減水効果が充分得られず、添加水量が増加して耐火物としての耐用が低下するおそれがある。一方、前記添加量が0.4質量%を超えると、混練時の粘性が増加して施工時の流動性が低下し、さらに、長時間養生しても坏土が固まらない硬化遅延現象がおきて施工上問題となるおそれがある。
【0027】
さらに前記ポリカルボン酸塩型共重合体を、炭酸リチウムと併用すると、ポリカルボン酸塩型共重合体の添加量が多くなる場合に問題となる硬化遅延現象を回避できる。炭酸リチウムの添加量は、気温、練温などによってその最適添加量は変化するが、本不定形耐火物100質量部に対して外掛けで0.00001〜0.002質量部であると好ましい。炭酸リチウムの添加量が0.00001質量部未満では、施工するときの硬化遅延現象を回避できないおそれがあり、一方、炭酸リチウムの添加量が0.002質量部を超えると可使時間が短くなり施工性が低下するおそれがある。硬化速度を調整するための他の硬化促進剤または他の硬化遅延剤を適宜併用してもよい。
【0028】
本不定形耐火物において、シリカ超微粉を添加すると、高温時に焼結収縮作用があるため体積安定性を向上させるため好ましい。シリカ超微粉の添加量としては、過度に添加すると耐食性が低下するおそれがあるので好ましくは2質量部以下であり、さらには1質量部以下であると好ましい。
【0029】
本不定形耐火物において、上記以外の添加剤としては、トリポリリン酸ソーダ、ピロリン酸ソーダ、ヘキサメタリン酸ソーダ、β−ナフタレンスルホン酸ホルマリン縮合物、ポリアクリル酸ソーダ、メタクリル酸系ポリマー、塩基性乳酸アルミニウム、フミン酸などが好ましいものとして挙げられる。これらの添加剤を単独で又は併用して添加してもよい。また、爆裂防止材としてAlなどの金属や有機繊維などを添加してもよい。
【0030】
本不定形耐火物の施工に際しては、本不定形耐火物100質量部に対して、水分を外掛けで、好ましくは3〜12質量部、特には3〜8質量部添加し、混練して坏土を調製し、常法にしたがって行われる。施工は、好ましくは型枠を使用し、必要に応じて振動を付与し、充填するなどにより行われる。施工は、炉に直接流し込み施工するほか、施工後は、通常、養生、乾燥される。また、予め、別の場所で型枠に流し込み施工し、乾燥したプレキャスト物を炉の内張りしてもよい。
【実施例】
【0031】
以下に本発明の実施例を挙げてさらに具体的に説明する。
[原料]
表1は本発明で使用した耐火性原料粒子の化学成分を示す、表1中、電融PSZ粒子とは、CaOを添加して安定化させ、立方晶を主体とする、ジルコニア系電融粒子のことをいう。
【0032】
また、各表中の粒子の粒径は以下のとおりである。電融AZS粒子、電融ジルコニア粒子、電融PSZ粒子は、いずれも粒径は0.15mm以下である。クロミア粒子Aの粒径は1〜8mm、クロミア粒子Bの粒径は、0.1〜1mm、クロミア粒子Cの粒径は、0.1mm未満である。電融アルミナ粒子Aの粒径は1〜8mm、電融アルミナ粒子Bの粒径は、0.1〜1mm、電融アルミナ粒子Cの粒径は、0.1mm未満である。
【0033】
焼結アルミナ粒子Aの粒径は1〜8mm、焼結アルミナ粒子Bの粒径は、0.1〜1mm、焼結アルミナ粒子Cの粒径は、0.1mm未満である。合成ムライト粒子Aの粒径は1〜8mm、合成ムライト粒子Bの粒径は、0.1〜1mmである。スピネル粒子の粒径は、0.1mm以下、仮焼アルミナ粒子およびシリカ超微粉粒子の粒径は、いずれも、0.015mm以下である。
【0034】
また、減水剤としてポリカルボン酸塩型共重合体を、硬化促進剤としては炭酸リチウムを、爆裂防止剤としては、有機繊維を、それぞれ使用した。また、減水剤、硬化促進剤および爆裂防止剤の添加量は、上記原料粒子の合計100質量部に対する質量部で表す。
【0035】
[評価方法]
施工性評価:表2〜表4中の配合割合となるように各原料を秤量し、室温(20℃)で万能ミキサで混合しながら坏土に調製した。調製した坏土をバイブレータで振動をかけながら、直方体形状の型(縦40mm×横40mm×長さ160mm)に鋳込み、20℃×24時間の養生後、脱型し、110℃で24時間乾燥して試験用施工体を得た。可使時間は、混練後の坏土をバイブレータ振動をかけながら型に鋳込むことができる時間で評価した。表中、1時間を超えて鋳込むことができる場合を60分超とした。1時間以内に鋳込むことができなくなる場合には、そこまでの時間(分)を示す。また、硬化時間は、型から脱枠できるまでの室温での養生時間を示す。室温で24時間養生後に脱枠できた場合は、1日以内として記載した。
【0036】
特性評価:見掛気孔率および嵩比重は、JIS R2205に、曲げ強度は、JIS R2553に、それぞれ準拠して測定した。縦40mm×横40mm×長さ160mmの直方体形状の型枠を使用して作製した前記試験用施工体を1500℃で24時間熱処理(焼成)し、体積安定性評価サンプルとした。体積安定性は、焼成後の残存膨張線変化率(JIS R2554準拠)を測定して評価した。
【0037】
耐熱衝撃性は、縦65mm×横114mm×長さ230mmの直方体形状(並形とも称される)の型枠を使用して作製した前記試験用施工体を、さらに、400℃で3時間乾燥して耐熱衝撃性評価サンプルとした。これを、電気炉にて1200℃で15分間保持後、炉外に取り出して3分間水中で急冷し、さらに12分間強制空冷する一連のサイクル試験を繰り返した。熱衝撃によりサンプル本体から剥落した部分の質量がサンプルの最初の全質量の5質量%以上となるまでのサイクル数で評価し、耐熱衝撃性に優れるほどそのサイクル数が多い。20サイクルまで実施しても剥落した部分の質量がサンプルの最初の全質量の5質量%未満である場合は、20超として記載した。
【0038】
耐食性は、回転侵食試験法により評価した。回転侵食試験法は、台形状型(上底45mm×下底103mm×奥行160mm×高さ50mm)を使用して得られた施工体サンプル6個を回転可能な円筒ドラム内にスタンプ材を入れて中央部が空洞(内径約305mm)の六角柱とし、その空洞部分にアセチレンバーナ炎を吹き込み1600℃に保持した。その状態で前記ドラムを回転させながら、焼却灰と飛灰とからなる侵食材(Al16質量%、SiO32質量%、CaO32質量%、Fe8質量%、KO2質量%、NaO2質量%、P6質量%)を30分毎に投入しながら、12時間ドラムを回転させた。ドラムを冷却後、前記施工体のサンプルを取り出して切断し、侵食材との反応による溶損量を前記施工体サンプルの各部で測定し、その平均値を溶損量とした。例7の溶損量を100として相対化した溶損量を各サンプルの耐食性指数とした。
【0039】
[評価結果]
実施例(例2、3、4、5、6、9、11、13、15)は、比較例(例1、7、8、10、12、14)に比べて、体積安定性と耐熱衝撃性が顕著に向上している。
【0040】
【表1】

【0041】
【表2】

【0042】
【表3】

【0043】
【表4】

【産業上の利用可能性】
【0044】
本発明のアルミナ−クロミア質不定形耐火物は、体積安定性と耐スポーリング性が同時に向上する利点を生かし、廃棄物を電融処理する溶融炉の内張り用不定形耐火物としての適用はもちろんのこと、電融スラグと接触するガラス窯や鉄鋼用鍋の内張り用不定形耐火物などの広範な用途にも使用できる。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
アルミナ粒子と、クロミア粒子と、ガラス質を含有しかつ安定化されていないジルコニアを含有するジルコニア系電融粒子と、を含むことを特徴とするアルミナークロミア質不定形耐火物。
【請求項2】
前記ジルコニア系電融粒子の少なくとも一部として、化学成分がZrO90質量%以上である電融粒子を含む請求項1に記載のアルミナ−クロミア質不定形耐火物。
【請求項3】
前記ジルコニア系電融粒子の少なくとも一部として、化学成分がZrO30〜45質量%、Al45〜54質量%、SiO9〜15質量%である電融粒子を含む請求項1または2に記載のアルミナークロミア質不定形耐火物。
【請求項4】
前記ジルコニア系電融粒子の粒子直径が0.15mm以下である請求項1、2または3に記載のアルミナークロミア質不定形耐火物。
【請求項5】
前記クロミア粒子として、粒子直径0.1mm以下のクロミア粒子を4〜35質量%含む請求項1〜4のいずれかに記載のアルミナークロミア質不定形耐火物。
【請求項6】
前記アルミナ粒子を2.9〜94.9質量%、前記クロミア粒子を4〜96質量%、および前記ジルコニア系電融粒子を0.1〜14質量%、それぞれ含む請求項1〜5のいずれかに記載のアルミナ−クロミア質不定形耐火物。
【請求項7】
アルミナセメントを含む請求項1〜6のいずれかに記載のアルミナークロミア質不定形耐火物。
【請求項8】
前記アルミナ−クロミア質不定形耐火物100質量部に対し、外掛けで、0.01〜0.4質量部のポリカルボン酸塩型共重合体、および0.00001〜0.002質量部の炭酸リチウムをそれぞれ添加した請求項1〜7のいずれかに記載のアルミナ−クロミア質不定形耐火物。
【請求項9】
請求項1〜8のいずれかに記載のアルミナ−クロミア質不定形耐火物からなる内張りを有する廃棄物溶融炉。

【公開番号】特開2007−1827(P2007−1827A)
【公開日】平成19年1月11日(2007.1.11)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2005−185573(P2005−185573)
【出願日】平成17年6月24日(2005.6.24)
【出願人】(391040711)旭硝子セラミックス株式会社 (23)
【Fターム(参考)】