説明

耐熱保護管の性能向上方法及び耐熱保護管

【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は溶融金属等の試料採取並びに測温、成分測定といった場合に使用されるプローブの耐熱保護管の改良に関し、更に詳しくはその耐熱性能、遮熱性能といった諸性能を向上させる方法及びそのような耐熱性能、遮熱性能を著しく向上させた耐熱保護管に関する。
〔従来の技術〕
従来、前記のような耐熱保護管としては石綿管、又はセラミックファイバー管等が用いられてきた。しかし、石綿については発癌性があることが指摘されてその使用が禁止される傾向にある。又、セラミックファイバー管については、本出願人は先の出願に係る特開昭63−190992号に示されるセラミックシートを焼成せずこれに加熱発泡材を介在せしめる方法や、多孔質粉体である珪藻土の熱遮断効率の高さを利用した耐熱保護管を提案している。
上記のような耐熱保護管は耐スプラッシュ性に優れ、安定して使用でき、且つ相当時間の耐火、断熱性能が知見されている反面、断熱性に優れる材料、即ち耐火層を構成する材料の導熱が悪いということは、言い変えるとそれだけ保熱性がよいということであり、溶銑、溶鋼への浸漬時は何ら問題はないが、使用後これを放置しておくと、保温性がよいだけに保護管は冷却されにくく、高温状態が続くことによる二次加熱により、特に紙管を内在する場合には該紙管表面を炭化させ、耐火層部材を紙管から剥落せしめてしまい再使用は不可能となる。又、スプラッシュ防止のために耐火層自体を不活性にしているため、使用後溶融金属から引き抜く時にスラグや溶融金属等を付着させたまま取り出されてくるので、これら付着物により保護管の重量が増大して引き抜き時の作業負荷が増大するだけでなく、前記付着物により保護管の外径が極端に大きくなったりして作業性や危険性にも問題があるうえに、これらの付着物の熱容量により保温性が更に高められ、内部の紙管の炭化をより助長せしめてしまう結果となる。又、経済的にも1300℃〜1500℃程度の比較的低温度の範囲で使用される場合、複数回の使用に対応できることが要望されるが、前記のような理由により反復使用は不可能であった。
〔発明が解決しようとする課題〕
本発明は上記のような問題点に鑑み、高耐熱性であり高温条件下での使用に充分耐えうるとともに、高断熱性に基づく保温作用による二次加熱及び内部への熱の伝播を防止し、且つスラグや溶融金属等が付着し難くすることにより、紙管を内在させたときにも該紙管の炭化を防止して反復使用可能とした経済的な耐熱保護管を提供せんとするものである。
〔課題を解決するための手段〕
上記の如く、従来においては溶融金属の破壊的な高温に対し、これら溶融金属と耐火層を構成する耐火断熱材料との間の諸反応、特に耐火断熱材料と溶融金属との界面におけるスプラッシュ現象を抑制させ、耐火断熱材料の断熱傾斜角を大きくすることに保護管改良の主眼が置かれていた。しかし、多くの場合、前述の如く断熱材の断熱傾斜角を大きくする程、耐火断熱材料の保温性が高められ、相当量の高熱が二次加熱として耐火層内部に伝播され、紙管を耐火層に内在する場合、紙の層が燃損してしまう程の乾留温度が伝播されている。ところが、石綿管では内在紙管には乾留温度が伝播されず耐火層表面の剥落のみが知見されており、溶銑等の比較的溶融温度の低い場合には複数回の使用が可能である。このように石綿の場合、物性破壊温度をはるかに超越する温度雰囲気のなかで実際使用に対応しうるのに対し、石綿よりも耐火度の高いセラミックファイバー等が対応できていない。この原因としては、石綿の加熱減量(17〜20%)が考えられる。即ち、石綿の結晶構造中には多量の結晶水及び水酸基を含有しており、そのうえシート抄造時の分散媒体としての水、石綿管造管時の吸湿等の様々な水の関与により成りたっている。そしてこの石綿管は、その使用時においては抄紙等、造管時等の一次、二次加工の水は発散されているものの、結晶構造中の結晶水等は脱水されず使用にあたっても保持されたままであり、この結晶水が使用時における溶融金属等の高温雰囲気下で始めて脱水される。即ち、石綿は常温から物性破壊温度まで非常に効率よく脱水し、溶融金属との界面で発水によるスプラッシュ現象も誘発し、このスプラッシュのつくる空気層により効果的に断熱するとともに、耐火層内部に対しては脱水吸熱作用を奏していると理解される。前記石綿における結晶水の脱水は、石綿のグラス転位温度に近く約900℃以上においても前述の如き機能を有する。そして脱水完了後の石綿結晶体は、破壊的雰囲気にさらされてバライカに転位して飛散してしまう。このことは使用後の石綿耐火層の痩せを観察しても理解される。このような現象はセラミックファイバー或いは珪藻土等の耐火物では認められず、石綿におけるスプラッシュ等の活性な反応による界面断熱効果が、これらセラミックファイバー等と石綿との間の断熱性能における差異を生じしめていると理解できる。そのうえ、高温溶融金属より引き上げたセラミックファイバー管或いは珪藻土管にはスラグ等の不純物が附着し、前述の如く二次的に加熱時間が延長され、紙管を内在させた時には紙の層を炭化させてしまうが、石綿においては前記の如きスプラッシュによる界面のクリーニング効果があり、スラグの附着がみられず、従って二次加熱による紙管の炭化といった問題も起こらない。
このように石綿の場合は脱水された結晶水の水蒸気が、外に向かっては溶融金属の強熱に反応してスプラッシュ現象として発現する膨張気体によって溶融金属と耐火層との界を遮断する間隙を形成し、この界面に発生した間隙で溶融金属の保持している破壊的な強熱が断層的に遮断され、耐火層内部への伝熱を遮断する。一方、耐火層内部に向かった水蒸気は、石綿の孔質繊維状結晶体の間隙、或いは孔質部分にとり込まれて再蒸発することにより吸熱効果を招来して石綿本体の破壊より保護し、更に紙管部分を内在する場合は紙管の有機質繊維の乾留を妨げる原因ともなっている。
本発明は上記のような石綿の有する優れた長所の機構を知見したことに基づき、これらの長所を安全、且つ無害なセラミックファイバー管又は珪藻土管等の耐火材に応用しようとするものである。即ち、不活性で耐火断熱性が高く、且つ石綿のように健康上の問題もなく安全なセラミックファイバー、グラスァイバー或いは珪藻土等の耐火材に、上記石綿において知見される脱水吸熱作用、並びにスプラッシュ現象による界面断熱効果、及び阻スラグ性を付与することにより、これらセラミックファイバー、グラスファイバー、或いは珪藻土等の本来有する高不反応性、高傾斜断熱性を合わせ持つ、高性能の耐熱保護管を提供せんとするものであり、その要旨とするところは、上記のような耐熱保護管における耐火層、又は該耐火層を構成するセラミックファイバー、グラスファイバー或いは珪藻土等の耐火断熱材料に、紙の乾留温度以下の低温度で脱水する加熱脱水材を介在せしめることにより、該耐熱保護管を高温状態下においたときに生ずる加熱脱水材の脱水吸熱作用、並びに耐火材表面における溶融金属との界面のスプラッシュ現象による界面断熱効果及びクリーニング効果により、耐熱保護管の耐熱性能及び遮熱性能を向上させてなることを特徴とする耐熱保護管の性能向上方法である。
そして、前記低温度で脱水する加熱脱水材としては、水酸化アルミニウム、沸石等が用いられる。更に、この低温度で脱水する加熱脱水材に加えて、紙の乾留温度以上の高温度で脱水開始する加熱脱水材を組み合わせることで、加熱脱水材による脱水吸熱時間、及びスプラッシュ現象を調節することができる。この高温度で脱水する加熱脱水材としては、非焼成カオリン、生タルク等の結晶水及び水酸基を有する無機粉体等が用いられる。
又、前記方法において、耐火層を構成する耐火断熱材料に、前記加熱脱水材とともに不活性な多孔質粉体又は無機発泡体を介在させることにより、この多孔質粉体又は無機発泡材の気泡による断熱効果を利用して加熱脱水材の急激な脱水を抑制し、継続した脱水吸熱作用と耐熱保護管表面における溶融金属との界面で適度のスプラッシュ現象を誘発させることも有効である。
そして具体的な耐熱保護管の構成としては、サンプラー又は熱電対等を内装する紙管の外周面に、上記の如き加熱発泡材を介在せしめてなる耐火断熱材料を一体に形成したり、又はこの耐火断熱材料としてシート材を用い、これを前記紙管に巻回する等の方法がある。そして、前記シート状耐火材に加熱脱水材を介在させる方法としては、シート材に加熱脱水材を適宜含浸してシート材繊維間に加熱脱水材を介在させたり、又はシート材の抄造時に加熱脱水材を同時に抄き込んだり、或いはシート材表面に適宜加熱脱水材を塗布等の方法により附着させる、更には耐火断熱材料にて構成される耐火層と該耐火層に内在させた紙管との間に加熱脱水材層を形成する等、各種の方法が採用されうる。
〔作 用〕
前記の如き加熱脱水材としての水酸化アルミニウム(Al2O3・3H2O)は、これを耐熱保護管の耐火層に介在させて強熱雰囲気におくと、約300℃で脱水開始して耐火層内部で激しい吸熱現象をひき起こす。次に脱水の完了した水酸化アルミニウムはアルミン酸塩等に転換するが、耐熱保護管における耐火層を構成する耐火断熱材料としてセラミックファイバー(Al2O3・SiO2)又は珪藻土を用い、これら耐火材のバインダーとしてコロイダルシリカ、ケイ酸ソーダ等を用いると、前記脱水完了後の水酸化アルミニウムはこれらバインダー成分のケイ素(Si)分と結合し、かなりの部分がケイ酸アルミニウムに転換することにより、前記セラミックフィイバー、珪藻土等の高不活性な耐火断熱材料とともに、この生成されたケイ酸アルミニウムが耐火層における溶融金属との界面直下での高耐熱性に貢献することとなる。この事は、このものが、石綿のように脱水後不活性な物質に転移し、界面でのスプラッシュ反応により飛散して外径が減退するといった現象がみられず、又、珪藻土単体で用いた場合に起こる耐火層表面のかなりのガラス質化よりもはるかに程度が低い、といったことからも、このものの耐火性能が優れていることがわかる。
上記の如く耐火断熱材料としてのセラミックファイバー、グラスァイバー等の無機繊維あるいは珪藻土等の無機粉体等の不活性な耐火材料の繊維・粉体の担体あるいはこれらの混合体に、前記の如き加熱することにより脱水する機能を有する物質を配合し、これを溶融金属等の高温雰囲気下におくと、例えば水酸化アルミニウムは前記の如く膨大な量の水を脱水し、又、沸石は結晶構造中の沸石水を発水し、吸熱効果をもたらす。そして、これら脱水された水分子は耐火断熱材料としての無機繊維の繊維間あるいは無機粉体の粒子間、多孔質繊維状結晶体、又は板状結晶体、珪藻土のような石化多孔質体の場合であればその細孔部分に捕捉されることにより、急激な脱水による大スプラッシュを誘発することを防止して再蒸散によるこれら無機耐火材料の吸熱をすることで本来ガラス質に転移すべき破壊的温度到達を飛躍的に遅延せしめることとなるのである。
又、前記の如き加熱脱水材料と、高温域で脱水開始する物質を適宜配合することによって、更に前記諸反応を調節し、これを長時間持続させることが可能となる。
石綿の場合は前述の如く常温より物性破壊温度まで効率よく脱水し、界面断熱効果、紙管部分の吸熱といった結果を表しているが、比較的低温度では結晶水の脱水によってその効果を保存しているがガラス転移点を通過する温度になると分子レベルでの水酸基の脱水により前記諸反応が引き継がれることになる。水酸化アルミニウムの水分子にしても、又、沸石の水にしても比較的低温度にて脱水完了してしまうので、石綿のように長時間の脱水効果はない。そこで高温にて脱水開始する非焼成無機物質等を配合することで広い領域の温度の範囲でこれら諸反応を発揮することができるものであり、本発明においてはこのような高温脱水材として非焼成カオリン、生タルク等を用いている。
又、更に耐火断熱材料に、上記した加熱脱水材とともに珪藻土等の不活性な多孔質粉体を同時に介在させることにより、その気孔による断熱効果により、又は珪酸ソーダの如き無機発泡材を介在させたときにはこれを高温条件下におくことでこれら無機発泡材が加熱発泡されて発生する気泡の断熱効果により、耐火層における断熱効果を向上させるとともに、加熱脱水材の急激な脱水を防止して適当なスプラッシュ現象と脱水吸熱効果とを効果的に持続させうるものである。
〔実施例〕
以下、実施例を説明するが、本発明はこれら実施例に何ら限定されるものではない。
配合例 下記に示すものは、本発明に係る耐熱保護管の耐火層の構成成分の配合例である。
■第1配合例珪藻土 37.5%水酸化アルミニウム 23.0%非焼成カオリン 23.0%コロイダルシリカ 11.0%セラミックファイバー 4.2%グラスァイバー 1.7%■第2配合例沸石(ゼオライト) 70%セラミックファイバー 10%グラスファイバー 3%コロイダルシリカ 15%アタバルジャイト(コロイダルウィスカー) 2%■第3配合例沸石 60%グラスファイバー 10%コロイダルシリカ 20%アタパルジャイト 3%■第4配合例珪藻土 70%コロイダルシリカ 15%セラミックファイバー 10%グラスファイバー 3%アタパルジャイト 2%■第5配合例珪藻土 60%セラミックファイバー 10%グラスファイバー 3%ケイ酸ソーダ 23%アタパルジャイト 3% そして第1図〜第5図は上記の如き配合で構成される耐火層を紙管に外装した状態の実施例説明図である。
第1図、第2図は、水酸化アルミニウム、沸石、又は非焼成カオリン等の加熱脱水材1を含浸又は混抄したセラミックシート等の耐火シート材2を紙管3に巻回したものであり、第6図はその断面説明図である。第3図、第4図は同じく紙管3とセラミックシート等の耐火シート材2との間に、加熱脱水材1を混抄等してなるシート材等にて加熱脱水材層5を形成してなるものであり、第7図7図はその断面説明図である。そして第5図に示したものは、加熱脱水材1を混合した耐火断熱材層6を射出成形により紙管3外周面に一体成形したものであり、第8図R>図がその断面説明図である。
上記の如くして製作した耐熱保護管を、1640℃の溶鋼に浸漬したところ石綿と同程度のスプラッシュが誘発され、6秒経過後、観察したところ、表面輝度の減退も従来のセラミックファイバー管及び珪藻土管より遥かに迅速であり、且つ耐火層表面へのスラグ等の不純物の付着もなく、又、石綿管のように耐火断熱層の痩せも観察されなかった。
〔発明の効果〕
以上のように、本発明によれば、耐熱保護管の耐火層、又はこれを構成する耐火断熱材料に、加熱脱水材を介在させ、従来より極力回避されて来た溶融金属と耐火層との間の諸反応、特にスプラッシュ現象を制御しながら発現させることにより、これを高温条件下においたときに耐火層内部における前記加熱脱水材の脱水吸熱作用、並びに耐火層と溶融金属等との界面における適度のスプラッシュ現象により発生する空気層による断熱効果及び該スプラッシュによる耐火層表面のクリーニング作用による阻スラグ性により、耐熱性能及び遮熱性能といった諸性能を高度に向上させた耐熱保護管を提供しうるものである。
【図面の簡単な説明】
第1図〜第5図は本発明に係る耐熱保護管の実施例説明用斜視図、第6図は第1図又は第2図に示した耐熱保護管の縦断面説明図、第7図は第3図又は第4図に示した耐熱保護管の縦断面説明図、第8図は第5図に示した耐熱保護管の縦断面説明図である。
1:加熱脱水材、2:耐火シート材
3:紙管、5:加熱脱水材層
5:耐火断熱材層

【特許請求の範囲】
【請求項1】耐熱保護管の耐火層又は該耐火層を構成する耐火断熱材料に、紙の乾留温度以下の低温度で脱水する加熱脱水材を介在させることにより、該耐熱保護管を高温状態下においたときに生ずる前記加熱脱水材の耐火層内部における脱水吸熱作用及び耐火層表面における溶融金属との界面のスプラッシュ現象による界面断熱効果及びクリーニング効果を利用してなる耐熱保護管の性能向上方法。
【請求項2】加熱脱水材として、水酸化アルミニウム、又は沸石を用いてなる特許請求の範囲第1項記載の耐熱保護管の性能向上方法。
【請求項3】前記低温度で脱水する加熱脱水材に加えて、紙の乾留温度以上の高温度で脱水開始する加熱脱水材を組み合わせることにより、脱水吸熱時間及びスプラッシュ現象を調節することを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の耐熱保護管の性能向上方法。
【請求項4】前記高温度で脱水開始する加熱脱水材として、非焼成カオリン、又は生タルクを用いてなる特許請求の範囲第3項記載の耐熱保護管の性能向上方法。
【請求項5】耐火層を構成する耐火断熱材料に加熱脱水材とともに不活性な多孔質粉体又は無機発泡材を介在させることにより、前記多孔質粉体又は無機発泡材の気泡による断熱効果を利用して加熱脱水材の急激な脱水を抑制し、加熱脱水材による耐火層内部における継続した脱水吸熱作用と耐火層表面における溶融金属との界面で適度のスプラッシュ現象を誘発することを特徴とする特許請求の範囲第1項〜第4項のいずれかに記載の耐熱保護管の性能向上方法。
【請求項6】耐火層を構成する耐火断熱材料に、紙の乾留温度以下の低温度で脱水する加熱脱水材を介在させてなることを特徴とする耐熱保護管。
【請求項7】加熱脱水材として、水酸化アルミニウム、又は沸石を用いてなる特許請求の範囲第6項記載の耐熱保護管。
【請求項8】加熱脱水材として、前記低温度で脱水する加熱脱水材に加えて、紙の乾留温度以上の高温度で脱水開始する加熱脱水材を組み合わせて用いてなる特許請求の範囲第6項記載の耐熱保護管。
【請求項9】前記高温度で脱水開始する加熱脱水材として、非焼成カオリン、又は生タルクを用いてなる特許請求の範囲第8項記載の耐熱保護管。
【請求項10】耐火断熱材料に、加熱脱水材とともに不活性な多孔質粉体又は無機発泡材を介在させてなる特許請求の範囲第6項〜第10項のいずれかに記載の耐熱保護管。
【請求項11】加熱脱水材を介在させた耐火断熱材料を紙管外周面に一体成形してなることを特徴とする特許請求の範囲第6項〜第10項のいずれかに記載の耐熱保護管。
【請求項12】耐火断熱材料として、セラミックファイバーシート又はグラスファイバーシートの耐火シート材を用い、これに適宜加熱脱水材を含浸してシート材繊維間に加熱脱水材を介在させ、該耐火シート材繊維間に加熱脱水材を介在させ、該耐火シート材を紙管に巻回してなることを特徴とする特許請求の範囲第6項〜第10項のいずれかに記載の耐熱保護管。
【請求項13】耐火断熱材料として、セラミックファイバーシート又はグラスファイバーシートの耐火シート材を用い、該セラミックファイバー又はグラスファイバーを抄造する際に加熱脱水材を抄き込んでシート材繊維間に加熱脱水材を介在させ、これを紙管に巻回してなることを特徴とする特許請求の範囲第6項〜第10項のいずれかに記載の耐熱保護管。
【請求項14】耐火断熱材として、セラミックファイバーシート又はグラスファイバーシートの耐火シート材を用い、その表面に適宜液状とした加熱脱水材を塗布により附着させ、これを紙管に巻回してなることを特徴とする特許請求の範囲第6項〜第10項のいずれかに記載の耐熱保護管。
【請求項15】耐火断熱材料にて構成される耐火層と該耐火層に内在させた紙管との間に、加熱脱水材層を形成してなる特許請求の範囲第6項〜第10項のいずれかに記載の耐熱保護管。

【第1図】
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【第2図】
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【第3図】
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【第4図】
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【第5図】
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【第6図】
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【第7図】
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【第8図】
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【特許番号】第2525250号
【登録日】平成8年(1996)5月31日
【発行日】平成8年(1996)8月14日
【国際特許分類】
【出願番号】特願平1−212418
【出願日】平成1年(1989)8月17日
【公開番号】特開平3−75560
【公開日】平成3年(1991)3月29日
【出願人】(999999999)金剛紙工株式会社
【出願人】(999999999)株式会社佐田洋紙店
【出願人】(999999999)ヘレウス・エレクトロナイト株式会社
【参考文献】
【文献】特開平1−126486(JP,A)
【文献】特開昭63−81264(JP,A)