(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
平均粒径が０．２〜１０μｍのα−アルミナ粒子を６０〜９６％ｗｔ．％含有し、残部がＡｌ−Ｓｉ−Ｏ系酸化物および不可避不純物からなることを特徴とするハニカム構造体。
【請求項２】
平均粒径が０．２〜１０μｍのα−アルミナ粒子を６０〜９６％ｗｔ．％含有し、残部がムライトおよび不可避不純物からなることを特徴とするハニカム構造体。
【請求項３】
気孔率が５０％以下であることを特徴とする、請求項１または２記載のハニカム構造体。
【請求項４】
請求項１〜３の内の何れか１つに記載のハニカム構造体を少なくとも１個具備し、前記ハニカム構造体には、加熱排ガスと被加熱ガスとが交互に通過することを特徴とするハニカム蓄熱体。
【請求項５】
請求項４に記載のハニカム蓄熱体を具備することを特徴とする、燃焼と蓄熱とを交互に繰り返す切替式蓄熱バーナ。
【請求項６】
請求項５に記載の蓄熱バーナを具備することを特徴とする加熱炉。
【請求項７】
請求項６に記載の加熱炉を使用し、被加熱物を加熱することを特徴とする被加熱物の加熱方法。
【請求項８】
請求項５に記載の蓄熱バーナを具備することを特徴とする鉄鋼加熱炉。
【請求項９】
請求項８に記載の鉄鋼加熱炉を使用し、鋼材を加熱することを特徴とする鋼材の加熱方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ハニカム構造体、ハニカム蓄熱体、蓄熱バーナおよび加熱炉、特に、加熱排ガスと被加熱ガスとを交互に通過させて、排ガス中の廃熱を高効率で回収可能なハニカム構造体、このハニカム構造体を使用したハニカム蓄熱体、このハニカム蓄熱体を使用した蓄熱バーナおよびこの蓄熱バーナを使用した加熱炉に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
蓄熱式バーナによる加熱方式は、蓄熱体を内蔵したバーナを少なくともｌ対設け、燃料燃焼と燃焼排ガス排出とを交互に行い、排ガスの保有する廃熱によって蓄熱体を介して燃焼用空気を予熱することにより、高い効率で廃熱回収を行うものである。
【０００３】
蓄熱体としては、特開昭５８−８６０３６号公報等に開示されるボール状のもの、特開平４−２５１１９０号公報等に開示されるハニカム状のもの等が使用されるが、伝熱面積の広さ、圧損の少なさ、付着物防止等の観点からハニカム状蓄熱体が特に優れている。
【０００４】
ハニカム構造体は、薄い板面を有する複雑な形状であることから、蓄熱体として使用する際には、耐腐食性および耐熱衝撃性が特に求められる。通常使用される蓄熱体の材質は様々で、特開平８−６１８７４号公報に開示されるように、アルミナ、ジルコニア、ムライト、シリコンカーバイト等が提案されてきた。そして、このような蓄熱体を用いた切替式蓄熱バーナを利用した加熱炉により、鉄鋼、アルミニウム、ガラス等、様々な被加熱物の熱処理が行われている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の材質をハニカム蓄熱体として用いた場合、アルカリ成分および／または鉄系元素等が存在する高温雰囲気下では、表１に示すような耐腐食性や耐熱衝撃性に問題が生じる。これは、アルカリ成分および／または鉄系元素等がハニカム蓄熱体に付着して蓄熱体材質と反応し、その結果として、ハニカム蓄熱体の粉化や融解につながるからである。
【０００６】
【表１】
0003612013.tif 000002
【０００７】
ここで、粉化とは、蓄熱体を構成する化合物粒子、あるいは構成化合物が鉄系元素等と反応することによって生成した化合物の粒子が、蓄熱体から脱離することを言う。粉化が発生すると、ハニカム蓄熱体の薄肉化による崩壊や粉化物が目詰りすることによる閉塞につながり、最悪の場合、ハニカム蓄熱体が使用不能となる。
【０００８】
上記ハニカム蓄熱体を蓄熱バーナに使用した場合、蓄熱体の劣化（粉化、融解）により、廃熱回収率の低下が生じる。また、蓄熱体が短寿命となり蓄熱体コスト・交換コストが上昇する。このことは、特に、１２００℃以上の高温にさらされる場合に顕著である。また、熱交換率に特に優れた切替え周期の短い（例えば、６０秒以下）高速切替式蓄熟バーナに前記ハニカム蓄熱体が使用された場合、蓄熱体表面に高流速による自己クリーニング機構が作用する反面、高速温度変化により蓄熱体の劣化が助長されやすい問題がある。
【０００９】
蓄熱バーナを用いた加熱炉では、ハニカム蓄熱体の劣化によりトータルコストが上昇して、工業的に不利である。このことは、被加熱物の製造コスト上昇にもつながる。
【００１０】
上記加熱炉あるいは加熱方法を鉄鋼に適用した場合、被加熱体である鋼材から発生するスケールが排ガスにより運ばれて蓄熱体に付着するため、アルカリ成分が同時に存在する場合において、ハニカム蓄熱体が劣化しやすいという問題があった。
【００１１】
具体的には、一貫製鉄所で発生する高炉ガス（ＢＦＧ）、コークス炉ガス（ＣＯＧ）、転炉ガス（ＬＤＧ）等の副生ガス中には微量ではあるが、アルカリ成分が含まれており、これらの副生ガスを燃料とした鉄鋼加熱炉において、特に、１２００℃の高温にさらされる部分で上記ハニカムの劣化が顕著であった。
【００１２】
従って、この発明の目的は、上述した課題を解消して、腐食性雰囲気下でも効率良く熱交換できるハニカム構造体、それを使用した蓄熱体、それを利用した蓄熱バーナ、それを利用した切替式蓄熱バーナおよびそれを利用した加熱炉を提供するものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、平均粒径が０．２〜１０μｍのα−アルミナ粒子を６０〜９６％ｗｔ．％含有し、残部がＡｌ−Ｓｉ−Ｏ系酸化物および不可避不純物からなることに特徴を有するものである。
【００１４】
請求項２記載の発明は、平均粒径が０．２〜１０μｍのα−アルミナ粒子を６０〜９６％ｗｔ．％含有し、残部がムライトおよび不可避不純物からなることに特徴を有するものである。
【００１５】
請求項３記載の発明は、気孔率が５０％以下であることに特徴を有するものである。
【００１６】
請求項４記載の発明は、請求項１〜３の内の何れか１つ記載のハニカム構造体を少なくとも１個具備し、前記ハニカム構造体には、加熱排ガスと被加熱ガスとが交互に通過することに特徴を有するものである。
【００１７】
請求項５記載の発明は、請求項４に記載のハニカム蓄熱体を具備することに特徴を有するものである。
【００１８】
請求項６記載の発明は、請求項５に記載される蓄熱バーナを具備することに特徴を有するものである。
【００１９】
請求項７記載の発明は、請求項６に記載の加熱炉を使用し、被加熱物を加熱することに特徴を有するものである。
【００２０】
請求項８記載の発明は、請求項５に記載の蓄熱バーナを具備する鉄鋼加熱炉に特徴を有するものである。
【００２１】
請求項９記載の発明は、請求項８に記載の鉄鋼加熱炉を使用し、鋼材を加熱することに特徴を有するものである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本願発明者等は、ハニカム蓄熱体の従来材質の欠点を補うために、α−アルミナの耐腐食性とＡｌ−Ｓｉ−Ｏ系酸化物あるいはムライトの耐熱衝撃性に着目し、これらを主成分とし、高耐久性化を目指して、α−アルミナ粒子比率、アルミナ粒子径、気孔率を詳細に検討した。その結果、以下の知見を得た。
（１）α−アルミナ粒子比率が高いと、ハニカム蓄熱体の粉化が促進される。
（２）α−アルミナ粒子比率が低い、ハニカム蓄熱体の融解が促進される。
（３）α−アルミナ粒子径が大きいと、ハニカム蓄熱体の粉化が促進される。
（４）α−アルミナ粒子径が小さいと、ハニカム蓄熱体の融解が促進される。
（５）気孔率が高いと、ハニカム蓄熱体の粉化が促進され且つ熱収縮率が高い。
【００２３】
これらの結果を図１に示す。
【００２４】
以上の知見に基づいて、α−アルミナ粒子比率最適化、低気孔率化、α−アルミナ粒子径最適化をすることによって、耐腐食性および耐熱衝撃性のバランスがとれた、この発明の蓄熱体を得るに至った。
【００２５】
この発明の耐腐食性および耐熱衝撃性のメカニズムは、適度のＡｌ−Ｓｉ−Ｏ系酸化物あるいはムライト量と低い気孔率とにより、アルカリ成分、スケール等がハニカム蓄熱体中のＡｌ−Ｓｉ−Ｏ系酸化物あるいはムライト部に取り込まれ、安定化する。そのために、α−アルミナ粒子結合を切り、粉化することがない。またα−アルミナ粒子径が適度の大きさをもっているために、α−アルミナ粒子自体がＡｌ−Ｓｉ−Ｏ系酸化物あるいはムライト部に溶け込んだり脱離することが抑制される。
【００２６】
高い耐腐食性および耐熱衝撃性により前述の目的を達成するために、具体的には、平均粒径が０．２〜１０μｍのα−アルミナ粒子を６０〜９６ｗｔ．％含有し、残部がＡｌ−Ｓｉ−Ｏ系酸化物あるいはムライトおよび不可避不純物とするハニカム構造体であれば良い。
【００２７】
α−アルミナ粒子の平均直径が０．２μｍ未満であると、α−アルミナ粒子がＡｌ−Ｓｉ−Ｏ系酸化物あるいはムライト部に溶け込みやすくなり融解につながる。一方、α−アルミナ粒子の平均直径が１０μｍを超えると、α−アルミナ粒子が解離しやすくなり粉化が促進される。更に、α−アルミナ粒子の含有率が６０ｗｔ．％未満であると融解しやすくなり、９６ｗｔ．％を超えると、Ａｌ−Ｓｉ−Ｏ系酸化物あるいはムライト部の劣化によりα−アルミナ粒子が脱離し粉化が促進される。
【００２８】
この発明の一例を示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を図２に示す。図２中、１は、ムライト部、２は、アルミナ粒子である。
【００２９】
上記ハニカム構造体において、気孔率を５０％以下とすることによって耐反応性が向上して、粉化、融解を抑えることができ且つ収縮率を低減することができる。更に、気孔率を１５％以下にすることによって耐反応性を格段に向上して、粉化、融解を防ぐことができる。
【００３０】
この発明のハニカム構造体の製造方法は、特に限定されるものではないが、例えば、粒度を調整したα−アルミナ粒子とＡｌ−Ｓｉ−Ｏ系の粘土に水および乳化剤等を加え充分に混合し、成形・乾燥後、酸化雰囲気で所定の気孔率に焼成することにより得ることができる。
【００３１】
前記ハニカム構造体を少なくとも１個具備した、加熱排ガスと被加熱ガスとを交互に通過させる蓄熱体は、優れた耐腐食性を有する。特に、排ガスおよび／または被加熱ガス中に遷移金属元素およびＣｕ、ＺｎあるいはＮａ、Ｋ、Ｃａ等が存在する高温環境下で使用される場合に耐腐食性の効果が大きい。
【００３２】
この発明のハニカム蓄熱体は、１２００℃以上の高温部で使用する場合に特に効力を発揮するが、約８００℃以上、１２００℃以下の範囲でも有効である。低温部に使用するハニカム蓄熱体は、特に限定されるものではないが、コージライト等を使用することができる。
【００３３】
この発明のハニカム蓄熱体を具備した、切替式蓄熱バーナ、あるいは高速切替式蓄熱バーナは、蓄熱体の寿命が長いためにランニングコストの低い優れた省エネルギー性を有する。また、前記切替式蓄熱バーナ、あるいは高速切替式蓄熱バーナを利用した加熱炉は、トータルコストが低く優れた熱交換効率を有しており、この加熱炉を用いて被加熱物を加熱すると、低コストで蓄熱バーナの高熱交換率を達成できる。
【００３４】
上記加熱炉あるいは加熱方法は、蓄熱体の劣化を促進する鉄系元素が排ガス中に含まれる鉄鋼加熱システムとして用いた場合、特に、蓄熱体の長寿命化・コスト低減効果を発揮する。
【００３５】
【実施例】
次に、この発明を実施例により更に説明する。
【００３６】
粒度を目的範囲に調整したα−アルミナ粒子とＡｌ−Ｓｉ−Ｏ粘土鉱物に水を加え混合することにより可塑化し、押出し成形により壁厚０．６６ｍｍ、セルピッチ３．４６ｍｍ、大きさ５０×５０×２５ｍｍのハニカム構造体を成形した。成形したハニカム構造体を乾燥後、１４５０〜１６００℃で焼成して気孔率を変化させ、これらを複数個積み重ねて、気孔率の異なるハニカム蓄熱体を作製した。これらのハニカム蓄熱体のα−アルミナ粒子比率をＸ線回析法により、気孔率を密度測定により、そして、α−アルミナ粒子粒径を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により評価した。
【００３７】
また、作製したハニカム蓄熱体を炉内最高温度が１３５０℃の熱延用連続式スラブ加熱炉に据え付けた高速切替式蓄熱バーナの蓄熱体部（４５０ｍｍ×４５ｍｍ×４００ｍｍ）の最上部（最高温度部）に設置し、約一年間運転した後、ハニカム蓄熱体の劣化状況を評価した。
【００３８】
燃料ガスには、高炉ガス（ＢＦＧ）、コークス炉ガス（ＣＯＧ）、転炉ガス（ＬＤＧ）等の副生ガスを混合したＭガスを使用した。Ｍガス中には微量ではあるが、アルカリ成分が含まれている。目視検査、サイズ測定および開口率の変化測定によりによるハニカム蓄熱体の損傷評価を実施した。その結果を表２に示す。
【００３９】
【表２】
0003612013.tif 000003
【００４０】
α−アルミナ粒子比率およびα一アルミナ粒子・の平均粒径が本発明範囲内であるハニカム状蓄熱体Ｎｏ．１〜４および６〜９は、アルカリ成分、およびスケールが存存する高温酸化雰囲気下においても粉化や融解が起きにくく、高い耐久性を有していることが分かる。また、気孔率が５０％以下、更には、１５％以下であると一層、耐久性が向上していることが分かる。
【００４１】
上記試験の結果が、鉄鋼用の実炉を用いたものであることから、ハニカム構造体のみならず、それを使用したハニカム蓄熱体、それを利用した蓄熱バーナ、それを利用した切替式蓄熱バーナシステムおよびそれを利用した加熱炉、鉄鋼用加熱炉の優位性が明らかであるる。なお、本試験において、蓄熱バーナの熱交換率の低下は見られなかった。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、アルカリ成分、およびスケールが存在する高温酸化雰囲気下においても粉化や融解が起きにくく、高い耐久性を有するハニカム構造体、ハニカム蓄熱体を得ることができ、また、このハニカム蓄熱体を利用した蓄熱バーナおよびそれを利用した切替式蓄熱バーナシステムおよびそれを利用した加熱炉、あるいは鉄鋼用加熱炉では、ハニカム蓄熱体の長寿命化による交換周期の延長により、保全費用の低減と、交換のための設備を止めることによる生産機械損失の低滅効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の概念図である。
【図２】この発明の一例を示す走査電子顕微鏡写真である。
【符号の説明】
１：ムライト部
２：アルミナ粒子
【図１】
0003612013.tif 000004
【図２】
0003612013.tif 000005