(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉内に隔壁を有する隔壁型窯炉の炉壁補修方法において、隔壁の一方の側に四塩化珪素を含有するガスを供給して雰囲気ガス中の四塩化珪素の濃度を１８％以上とし、かつ、前記隔壁の他方の側に水蒸気を含有するガスを供給して雰囲気ガス中の水蒸気の濃度を２２０ｍｇ／Ｎｌ（ノルマルリットル）以上として、前記隔壁の双方の側の雰囲気ガスの圧力を交互に加圧および減圧することにより、前記隔壁内で四塩化珪素と水蒸気を反応させて二酸化珪素を析出させることを特徴とする隔壁型窯炉の炉壁補修方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、隔壁型熱交換器等、炉内に隔壁を有する隔壁型窯炉の炉壁補修方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
炉内に隔壁を有する炉は、一般に隔壁型熱交換器として知られているが、その中で代表的な炉にコークス炉がある。コークス炉は、石炭を乾留してコークスを製造する炉であり、石炭を収容する炭化室と、加熱ガスを発生させる燃焼室が耐火物製の隔壁を介して交互に配置されている。炉内では、燃焼室の加熱ガスにより隔壁が加熱され、その熱が隔壁の反対側の炭化室に伝達される。炭化室内の石炭は加熱により熱分解し、コークス炉ガスを発生し乾留が進行する。
【０００３】
一般に、耐火物の補修方法としては、ドライシーリング法と溶射法が開発されており、隔壁型窯炉の隔壁の補修にも適用されている。ドライシーリング法は、焼結性を有する耐火物粉末を隔壁の亀裂を生じた部分に送り込み、亀裂内で焼結させて補修する方法である。
【０００４】
溶射法は、耐火物の粉末を、酸素および燃料ガスからなる火炎中またはアルミニウムや珪素の燃焼によって、半溶融または溶融状態にして、耐火物の損傷部位に接着させるものである。例えば、特公昭６２−１５５０８号公報には、このような目的に適用される火炎溶射材料が提案されている。
【０００５】
また、特開平６−８１１１９号公報には、溶射作業中の着火不良や補修中の消火等を防止するための溶射方法が提案されている。この技術では、純酸素気流と粉体搬送ガスとを別ラインで溶射ノズルに供給し、ノズル吐出口前で混合する方式の溶射機を用いている。
【０００６】
これらの方法とは全く別の新しい原理による補修方法として、気相析出反応（以下ＣＶＤと略す）を用いた方法が提案されている。特開平９−７１７８１号公報には、隔壁型熱交換器の隔壁の補修方法が開示されている。この技術では、隔壁の一方の空間に、四塩化珪素を含有するガスを供給し、他方の空間に水蒸気を含有するガスを供給する。
【０００７】
この技術では、ガス中の四塩化珪素と水蒸気が反応することにより、二酸化珪素ＳｉＯ２  を析出する。この原理により、隔壁の耐火物の亀裂等の中で四塩化珪素を含有するガスと水蒸気を含有するガスが接触すると、両者の反応によりＳｉＯ２  、即ち耐火物が亀裂等の内部に析出し、亀裂部が補修される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来技術の補修方法には以下のような問題がある。先ず、ドライシーリング法による補修作業では、補修用材料の供給が粉末吹込みによるため、亀裂の内部に進入しにくいという問題がある。さらに、耐火物粉末の焼結を利用しているので、補修後の空窯での昇温中あるいは稼動中に、焼結が進行すると亀裂内で収縮するため、再び亀裂が発生するという問題もある。
【０００９】
特公昭６２−１５５０８号公報あるいは特開平６−８１１１９号公報記載のように溶射を用いた技術では、炉の窯口から溶射機のノズルを炉内に挿入して作業を行うため、作業性が悪い。特にコークス炉のように、ノズルを装入口から挿入するのでは、ノズルが炉内の奥までは到達せず、補修できる範囲が制限されるという問題がある。
【００１０】
また、溶射法では溶射体の組成が母材と異なることが多く、溶射体と母材との結合が不十分である。さらに、母材が変質して強度が低下している場合には、母材側から亀裂が進展して溶射補修体が脱落することになる。
【００１１】
以上の溶射法においては、適用するに当たり、予め補修すべき損傷箇所を特定する必要がある。しかしながら、損傷箇所は外部から観察が可能な部位ばかりとは限らず、コークス炉の装入口のような広い開口部が無い場合は、炉内を観察し損傷箇所を特定することは困難である。また、これらの方法では炉温を低下させずに作業を行うので、補修作業は高温環境で行われ作業環境がよくない。
【００１２】
一方、特開平９−７１７８１号公報記載の技術では、ＣＶＤを用いた方法であり、金属蒸気と水蒸気等の反応性ガスを含有するガスを供給することにより、亀裂の内部に進入する。従って、亀裂位置等の損傷箇所を特定することなく、隔壁の内部でガスが流通する部分、即ち亀裂等に対して、補修材料を確実に供給することができる。
【００１３】
このようにこの技術は、原理的に優れた方法であるが、補修層の厚さが薄いという問題があり、条件によっては気密性が向上するまでの時間が長くなる等の問題があった。また、隔壁内でのＣＶＤによる補修層の形成が、不均一となることもあった。
【００１４】
この発明は、以上の問題を解決するためになされたものであり、熱間で補修可能であり、損傷箇所を特定することなく簡便に実施でき、また、均一な補修層を効率よく形成することができる隔壁型窯炉の炉壁補修方法を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
この発明は、炉内に隔壁を有する隔壁型窯炉の炉壁補修方法において、隔壁の一方の側に四塩化珪素を含有するガスを供給して雰囲気ガス中の四塩化珪素の濃度を１８％以上とし、かつ、前記隔壁の他方の側に水蒸気を含有するガスを供給して雰囲気ガス中の水蒸気の濃度を２２０ｍｇ／Ｎｌ（ノルマルリットル）以上として、前記隔壁の双方の側の雰囲気ガスの圧力を交互に加圧および減圧することにより、前記隔壁内で四塩化珪素と水蒸気を反応させて二酸化珪素を析出させることを特徴とする隔壁型窯炉の炉壁補修方法である。
【００１６】
この発明は、ＣＶＤを用いてガス反応により耐火物を析出させる方法である。まず、隔壁の一方の側から四塩化珪素を含有するガスを、他方の側から水蒸気を含有するガスを、それぞれ供給することにより、これらのガスが隔壁の双方の側から亀裂の内部に進入する。従って、亀裂位置等の損傷箇所を特定することなく、隔壁の内部でガスが流通する部分、即ち亀裂等に対して、補修材料を確実に供給することができる。隔壁の耐火物の亀裂等の中で四塩化珪素と水蒸気等が接触すると、両者の反応によりＳｉＯ２  が亀裂等の内部に析出し、亀裂部が補修される。
【００１７】
四塩化珪素を含有するガス（希釈ガス）の中に含まれる四塩化珪素の濃度は、この発明では１８％以上とする。これは、四塩化珪素の濃度がこれ未満では、反応速度が遅すぎるからである。ここで、四塩化珪素ＳｉＣｌ４  は、四塩化珪素のガスのみで使用してもよく、あるいはこれら四塩化珪素と反応しないガスで希釈して使用してもよい。希釈ガスとしては、例えば、Ｎ２  又はＡｒを使用すればよい。
【００１８】
水蒸気を含有するガス（希釈ガス）の中に含まれる水蒸気の濃度は、２２０ｍｇ／Ｎｌ（ノルマルリットル）以上とする。これは、水蒸気の濃度がこれ未満では、反応速度が遅すぎるからである。水蒸気を含有するガス（希釈ガス）としては、Ｈ２ＯおよびＮ２  の純ガスを混合してもよいが、各種の燃焼ガスを利用してもよい。燃焼ガスとしては、天然ガス、液化石油ガス、灯油、重油、石炭、コークス炉ガス、高炉ガス、および転炉ガス等を空気又は酸素で燃焼させて得られるガスは、いずれも利用できる。また、各種の加熱炉の排ガスを必要に応じて使用してもよい。
【００１９】
四塩化珪素を含有するガスは、水蒸気を含有するガスと反応し、二酸化珪素を析出する。この反応を下記の式（１）に示す。
ＳｉＣｌ４  ＋２Ｈ２Ｏ→ＳｉＯ２  ＋４ＨＣｌ    （１）
【００２０】
このようにして析出した二酸化珪素は、隔壁の耐火物の主要部を構成しており、熱膨張率等が補修対象となる隔壁の耐火物とほぼ等しい。
【００２１】
四塩化珪素を含有するガスと水蒸気を含有するガスの適正な反応温度は、６００℃以上の温度が望ましい。これは、６００℃未満では反応速度が遅すぎるからである。
【００２２】
この発明では、反応速度の確保のためには、隔壁型窯炉の炉温を反応温度にする必要があるが、これは炉の運転後の余熱をそのまま利用すればよい。このことは、むしろ炉温の低下を長時間待つ必要がないということであり、補修作業による炉の運転休止時間の大幅短縮を可能とする。また、運転休止後の炉の昇温に要する時間も大幅に短縮され、炉の稼働率の低下を最小限に止めることができる。
【００２３】
この発明では、四塩化珪素の濃度と水蒸気の濃度の双方について、それぞれ下限値を設けているので、亀裂の内部においても反応が促進され、亀裂が塞がった後の深さ方向のＳｉＯ２  の析出状況が均一となる。従って、亀裂の深さ方向のほぼ全体を補修することが可能となる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、コークス炉についての実施の形態について説明する。コークス炉の炉壁（隔壁）は、通常珪石煉瓦でできており、図１に示すように、炭化室２の両側の燃焼室３の中ではコークス炉ガスあるいはコークス炉ガスに高炉ガス等の製鉄所内で発生するガスを混合したガスを燃焼させている。
【００２５】
ここで、反応性ガスである水蒸気は、燃焼室内３の燃焼排ガス中の水蒸気、あるいは燃焼室内３へ強制的に吹き込む水蒸気の富化分を加えて、適度な水蒸気濃度に調整された燃焼室内雰囲気を供給源とする。この水蒸気は、隣接する炭化室内３を減圧することにより、隔壁１の内部に供給する。また、原料ガスである四塩化珪素は、ガスあるいは霧状にして、適度な濃度となるように、乾燥窒素あるいは乾燥空気等の反応しないガスとともに炭化室内２に吹き込み、炭化室２を加圧することにより隔壁１の内部に供給する。
【００２６】
このようにして、図２に示すように水蒸気と四塩化珪素を交互に隔壁の内部に供給する補修サイクルを繰返し、隔壁を補修する。また、この補修方法を実施する前にドライシールを施し、補修効率を向上させることができる。
【００２７】
【実施例】
図３に示す実験装置を用いて、四塩化珪素濃度と水蒸気濃度の変化に対するＣＶＤ補修効果を調査した。この実験装置は、電気炉内に二重管を挿入し、内管の先端に試料（亀裂入りの珪石煉瓦）を珪石モルタルで固定して用いる。試料１１は、直径２０ｍｍ、長さ１００ｍｍ（実炉隔壁の厚さに相当）の円柱状に加工した後、長手方向に切断して間にドライシール材（焼結温度９５０℃）を挟み、再度円柱状に組立てた物を用いた。
【００２８】
外管と内管の間を水蒸気と窒素の混合ガス雰囲気とし、内管の内側１２を四塩化珪素と窒素の混合ガス雰囲気とした。このようにして、内管の内側１２を交互に減圧および加圧することにより、試料１１の亀裂内に特定濃度の水蒸気および四塩化珪素を供給できる。またこの実験装置では、内管の内側１２が炭化室、内管の外側、即ち外管の内側１３が燃焼室に対応することになる。
【００２９】
反応条件は、雰囲気温度１０００℃、四塩化珪素濃度８〜２６容量％、水蒸気濃度１４０〜３００ｍｇ／Ｎｌ（ノルマルリットル）で、内管を交互に減圧および加圧するＣＶＤ補修サイクルを５０サイクル実施した。その後、四塩化珪素の供給を停止し、内管１２の外管１３に対する差圧が＋１００から＋１０ｍｍＨ２Ｏに低下する時間（以下、降圧時間）を測定し、気密性を比較した。それとともに、試料１１を長手方向に切断し、補修層の状態を顕微鏡により観察し、均一性を調査した。
【００３０】
その結果、水蒸気濃度を２２０ｍｇ／Ｎｌ（ノルマルリットル）以上にすると、図４に示すように、ＣＶＤ補修後の降圧時間が著しく長くなり、試料亀裂部の気密性を高くできることがわかる。また、四塩化珪素濃度を、１８容量％以上にすると、図５に示すように、ＣＶＤ補修後の降圧時間が著しく長くなり、試料亀裂部の気密性を高くできることがわかる。
【００３１】
補修層の顕微鏡による観察結果では、ドライシール材の個々の粒子が互いに連結しており、気孔は見られるものの連続した通路は減少している傾向が見られる。これに対して、ドライシール材を焼結させただけの場合は、ドライシール材の個々の粒子が明瞭に見られ、互いに連結している様子が見られない。また、試料煉瓦の長手方向全域（コークス炉隔壁の厚さに相当）にわたって均一に補修できることも確認された。
【００３２】
以上の調査結果に基づき、試験コークス炉（２５０ｋｇ型、炭化室内容積：約０．５ｍ３  ）を用いて、ＣＶＤ補修を実施した。
【００３３】
まず、ドライシーリング材（溶融石英微粉末を主成分とした８００〜９５０℃で焼結する無機粉末）を炭化室内に吹込み、隔壁の亀裂の内部を予備充填した。
【００３４】
その後、炭化室内を水蒸気エジェクタで吸引して、大気との差圧で−４０ｍｍＨ２Ｏまで減圧することにより、燃焼排ガス中の水蒸気を隔壁の亀裂内部に供給した。次いで、炭化室の排気ラインを水封により閉鎖し、四塩化珪素を窒素ガスで希釈して（８〜１３ｖｏｌ．％）炭化室内に吹込み、大気との差圧で最大１５０ｍｍＨ２Ｏまで加圧した。このようにして、前述の式（１）に示す反応を生じさせ、二酸化珪素を発生させる一連の操作（サイクル）を繰返した。
【００３５】
ＣＶＤ補修の効果は、炭化室の排気ラインを水封により閉鎖し、窒素ガスを５０Ｎｌ／ｍｉｎの流量で炭化室内に吹込み、大気との差圧を測定してガスシール性の変化で評価した。ＣＶＤ補修サイクルを繰返すと、図６に示すように、ガスシール性が向上する、即ち窒素ガス吹込みによる炭化室内の大気に対する差圧が高くなり、炭化室の気密性を向上できる。
【００３６】
補修効果の耐久性については、図７に示すように、補修後の空炉状態で測定した炭化室内圧の経時変化（気密性）から、ドライシールのみ（従来技術）の場合、数時間から１日程度で気密性が半減するのに対して、ＣＶＤ補修の場合はほとんど気密性の低下はない。
【００３７】
また、ＣＶＤ補修の実稼動（石炭乾留）時の耐久性を評価するため、炭化室ガス漏れ耐用圧を測定した。ここで、炭化室ガス漏れ耐用圧とは、乾留時に炭化室を加圧し燃焼室側に火炎が吹き出す限界圧力のことを言う。ＣＶＤ補修の条件としては、水蒸気濃度を２５０ｍｇ／Ｎｌに富化した場合と、比較として富化しなかった場合（燃焼排ガスのみ）について測定した。
【００３８】
測定結果は図８に示すように、水蒸気濃度を２５０ｍｇ／Ｎｌに富化したことによるＣＶＤ補修の耐久性向上が確認された。
【００３９】
【発明の効果】
この発明の方法により、隔壁を介して加熱する形式の窯炉を補修することにより、従来の方法に比べて補修効果が増大し、同じ補修時間で気密性をよく出きるため補修効率が向上し、かつ、隔壁内の補修部位全体にわたって均一に補修できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】コークス炉の構造を示す断面図である。
【図２】補修サイクルの説明図である。
【図３】ＣＶＤ補修効果を調査するための実験装置の断面図である。
【図４】ＣＶＤ補修後の気密性（降圧時間）に及ぼす水蒸気濃度の影響を示す図である。
【図５】ＣＶＤ補修後の気密性（降圧時間）に及ぼす四塩化珪素濃度の影響を示す図である。
【図６】ＣＶＤ補修サイクルの繰返しに伴うガスシール性の変化を示す図である。
【図７】補修効果の耐久性（空炉状態での気密性）を示す図である。
【図８】補修効果の耐久性（乾留時の炭化室ガス漏れ）を示す図である。
【符号の説明】
１  隔壁
２  炭化室
３  燃焼室
【図１】
0003613006.tif 000002
【図２】
0003613006.tif 000003
【図３】
0003613006.tif 000004
【図４】
0003613006.tif 000005
【図５】
0003613006.tif 000006
【図６】
0003613006.tif 000007
【図７】
0003613006.tif 000008
【図８】
0003613006.tif 000009