(57)【要約】【課題】ロータリーキルンの生産性を維持しつつ、遊離生石灰を成長させることで、生石灰系膨張材料の膨張性能を更に向上させる技術を提供する。【解決手段】ロータリーキルン１は、内熱バーナ５を有する内熱式キルンと、その後段に連続して設けられ、外熱バーナ６を有する外熱式キルンとから構成される。この構成により、シェル４内の温度分布は、急昇温し、１５００℃のピークを形成した後、緩やかに降温し、１２５０℃以上に保持され、急速に降温する。この様な温度分布により、焼成工程は、原料内部の粘性を低下させる粘性低下ステップと、粘性低下状態を保持させつつ遊離生石灰の成長を促進させる成長促進ステップを実現できる。その結果、焼成帯域通過時間が１時間以上確保され、熱接触頻度が増える。熱接触頻度が増えることにより、遊離生石灰は成長し、生石灰系膨張材料の膨張性能は向上する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
焼成工程を含む生石灰系膨張材料の製造方法であって、
前記焼成工程では、ロータリーキルンを用い、
前記焼成工程は、
原料内部の粘性を低下させる粘性低下ステップと、
粘性低下状態を保持させつつ遊離生石灰の成長を促進させる成長促進ステップと
を有することを特徴とする生石灰系膨張材料の製造方法。
【請求項２】
前記粘性低下ステップでは、ロータリーキルン入口側から内熱バーナの直接加熱により、被焼成物を昇温させ、
前記成長促進ステップでは、ロータリーキルン出口側に設けられた外熱バーナの間接加熱により、被焼成物の温度を保持することを含む
ことを特徴とする請求項１記載の生石灰系膨張材料の製造方法。
【請求項３】
前記粘性低下ステップでは、被焼成物を最高温度１３５０〜１５５０℃まで昇温させ、
前記成長促進ステップでは、被焼成物を保持温度１２５０℃以上となるようにする
ことを特徴とする請求項１または請求項２記載の生石灰系膨張材料の製造方法。
【請求項４】
前記粘性低下ステップでは、被焼成物を１００〜２００℃／分の温度勾配で急昇温させる
ことを特徴とする請求項１〜３記載の生石灰系膨張材料の製造方法。
【請求項５】
前記焼成工程において、
焼成帯域通過時間が１時間以上である
ことを特徴とする請求項１〜４記載の生石灰系膨張材料の製造方法。
【請求項６】
前記焼成工程において、
ロータリーキルンの回転による撹拌に加えて、原料進行を阻害するように被焼成物を撹拌させる
ことを特徴とする請求項１〜５記載の生石灰系膨張材料の製造方法。
【請求項７】
前記焼成工程において、
ロータリーキルン内壁の表面積を増すことにより、輻射熱を増加させる
ことを特徴とする請求項１〜６記載の生石灰系膨張材料の製造方法。
【請求項８】
焼成により生石灰系膨張材料を製造するロータリーキルンにおいて、
入口側から、直接加熱により、被焼成物を昇温させる内熱バーナと、
出口側に設けられ、間接加熱により、被焼成物の温度を保持する外熱バーナと
を備えることを特徴とするロータリーキルン。
【請求項９】
前記ロータリーキルンの内壁であって前記内熱バーナの温度影響範囲に均一に設けられた耐火部材と、
前記耐火煉瓦上に突起状に複数設けられた撹拌増進部材と
を更に備えることを特徴とするロータリーキルン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は遊離生石灰を有効成分とする生石灰系膨張材料の製造方法および生石灰系膨張材料の製造に用いるロータリーキルンに関する。
【背景技術】
【０００２】
コンクリート構造物の耐久性を向上する上で、耐久性低下の主要原因であるひび割れを抑制することが有効であり、そのための方策のひとつとして、コンクリート用膨張材料を用いてひび割れ発生に繋がる収縮を抑制することが注目されている。また、爆破解体ができないような場所で、コンクリート構造物や岩盤の静的破砕剤としての利用も注目されている。
【０００３】
コンクリート用の膨張材料としては、様々な膨張成分のものが提唱されているが、昨今ではカルシウムサルホアルミネート等のエトリンガイト生成物質を有効成分とするエトリンガイト系膨張材料と遊離生石灰を有効成分とする生石灰系膨張材料の二種類が実用性の高い代表的なものとして使用されている。特に、遊離生石灰を有効成分とする石灰系膨張材は水和反応活性が高いため、コンクリートに発生する自己収縮、乾燥収縮、温度応力に対する抑制効果が大きいとされている。
【０００４】
石灰系膨張材の製造は焼成工程を含む。焼成工程は、一般に、竪炉またはロータリーキルンで行われる(特許文献１)。
【０００５】
竪炉にはメルツ炉、ベッケンバッハ炉などがあり、上方から原料と燃料が供給され、炉内部で長時間焼成され、下方から製品が排出される。竪炉は、熱接触の時間が充分確保できるため、高品質の製品が得られる。一方、工業的生産性に限界がある。具体的には、竪炉の生産性は内熱式ロータリーキルンの生産性の１割程度である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−２２８９７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、内熱式ロータリーキルンでの製造が一般的である。しかし、現在，市場に提供されている生石灰系膨張材料はその膨張性能に限界があり、用途或いは使用条件等が制限されている。
【０００８】
膨張性材料の用途が拡大するのに伴って、生石灰系膨張材料の膨張性能の更なる向上が求められている。
【０００９】
本発明は上記課題を解決するものであり、ロータリーキルンの生産性を維持しつつ、生石灰系膨張材料の膨張性能を更に向上させる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本願発明者は、従来の内熱式ロータリーキルンにより製造された生石灰系膨張材料の膨張性能向上に限界があることについて、種々の検討を行った。
【００１１】
まず、竪炉により製造された生石灰系膨張材料の遊離性生石灰結晶径と内熱式ロータリーキルンにより製造された生石灰系膨張材料の遊離性生石灰結晶径を比較観察すると、後者の方が小さいことが判った。このことから、生石灰系膨張材料の膨張性能の向上には、材料に内在する遊離生石灰の成長により結晶径を大きくする必要があると考えた。
【００１２】
次に、遊離生石灰の成長メカニズムに着目した。遊離生石灰の成長メカニズムとして、先ず、原料を加熱することにより、マトリックスの粘性低下が発生し、さらに加熱を継続することで、内在している遊離生石灰が合流して成長すると考えた。一方で、内熱式ロータリーキルンでは、焼成帯域(後述)および焼成帯通過時間(後述)が短いため、遊離生石灰の成長が充分でないと考えた。そこで、従来の内熱式ロータリーキルンを改良し、熱接触頻度を増やすことを思い付いた。
【００１３】
上記検討に基づき、本願発明をするに至った。
【００１４】
上記課題を解決する本発明は、焼成工程を含む生石灰系膨張材料の製造方法であって、前記焼成工程では、ロータリーキルンを用い、前記焼成工程は、原料内部の粘性を低下させる粘性低下ステップと、粘性低下状態を保持させつつ遊離生石灰の成長を促進させる成長促進ステップとを有する。
【００１５】
粘性低下ステップにより、遊離生石灰は流動化しやすくなる。成長促進ステップにて、遊離生石灰は流動化しやすい状態を保持することにより、遊離生石灰同士が合流し、成長する。遊離生石灰を成長させることで、生石灰系膨張材料の膨張性能を更に向上させることができる。ロータリーキルンを用いるため生産性を維持できる。
【００１６】
本発明の生石灰系膨張材料の製造方法では、好ましくは、前記粘性低下ステップでは、ロータリーキルン入口側から内熱バーナの直接加熱により、被焼成物を昇温させ、前記成長促進ステップでは、ロータリーキルン出口側に設けられた外熱バーナの間接加熱により、被焼成物の温度を保持することを含む。
【００１７】
更に、好ましくは、前記粘性低下ステップでは、被焼成物を最高温度１３５０〜１５５０℃まで昇温させ、前記成長促進ステップでは、被焼成物を保持温度１２５０℃以上となるようにする。
【００１８】
更に、好ましくは、前記粘性低下ステップでは、被焼成物を１００〜２００℃／分の温度勾配で急昇温させる。
【００１９】
この様な温度分布により、焼成工程は、粘性低下ステップと、成長促進ステップを実現できる。
【００２０】
更に好ましくは、前記焼成工程において、焼成帯域通過時間が１時間以上である。
【００２１】
これにより、熱接触頻度が増え、その結果、遊離生石灰は成長し、生石灰系膨張材料の膨張性能は向上する。
【００２２】
本発明の生石灰系膨張材料の製造方法では、好ましくは、前記焼成工程において、ロータリーキルンの回転による撹拌に加えて、原料進行を阻害するように被焼成物を撹拌させる。
【００２３】
更に好ましくは、ロータリーキルン内壁の表面積を増すことにより、輻射熱を増加させる。
【００２４】
これにより、熱接触頻度が増え、遊離生石灰は更に成長し、生石灰系膨張材料の膨張性能は更に向上する。
【００２５】
上記課題を解決する本発明は、焼成により生石灰系膨張材料を製造するロータリーキルンにおいて、入口側から、直接加熱により、被焼成物を昇温させる内熱バーナと、出口側に設けられ、間接加熱により、被焼成物の温度を保持する外熱バーナとを備える。
【００２６】
これにより、上記温度分布を得ることができる。
【００２７】
本発明のロータリーキルンは、好ましくは、前記ロータリーキルンの内壁であって前記内熱バーナの温度影響範囲に均一に設けられた耐火部材と、前記耐火煉瓦上に突起状に複数設けられた撹拌増進部材とを更に備える。
【００２８】
撹拌増進部材により、熱接触頻度が更に増える。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、ロータリーキルンの生産性を維持しつつ、遊離生石灰を成長させることで、生石灰系膨張材料の膨張性能を更に向上させる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本実施形態に係るロータリーキルンの構成図
【図２】撹拌煉瓦詳細図
【図３】本実施形態に係る温度分布と焼成帯域の概念図
【図４】比較例１（竪炉）に係る温度分布と焼成帯域の概念図
【図５】比較例２（内熱式ロータリーキルン）に係る温度分布と焼成帯域の概念図
【図６】比較例２（内熱式ロータリーキルン）による遊離生石灰結晶
【図７】本実施形態による遊離生石灰結晶
【発明を実施するための形態】
【００３１】
〜構成〜
図１は本実施形態に係るロータリーキルンの構成を示す図である。
【００３２】
ロータリーキルン１は、原料を供給する供給口２と、焼成工程を経た被焼成物を排出する排出口３と、ステンレス鋼などからなるシェル４と、シェル入口側から挿入される内熱バーナ５と、シェル出口側に設けられ、シェル外側面を加熱する外熱バーナ６を収納する外熱炉７とを備える。
【００３３】
シェル４は、例えば、内径３ｍ、長さ３５ｍの円筒形をしており、横方向に、軸線が出口側に僅かに下がるように傾斜（勾配数％）して設置されている。シェル４の両端付近には環状の駆動機構（図示せず）がシェル４の外周面に一体的に付設されており、シェル４は回転自在に支持されており、これにより、軸心周りに緩やかに回転することができる。
【００３４】
内熱バーナ５は、入口側からシェル４内部に向かってフレームを出力し、燃焼ガスを発生させるとともに、シェル４内部を加熱する。これにより、被焼成物を急昇温させることができる。
【００３５】
また、シェル４は外熱炉７を貫くように設置されている。すなわち、外熱炉７はシェル４出口側を収容する。外熱炉７内部であって、シェル４外部かつ下部には、
被焼成物の進行方向に沿って、複数の外熱バーナ６が配置されている。外熱バーナ６の出力を調整することにより、間接的にシェル４を加熱し、シェル４の温度を調整することが可能である。これにより、被焼成物を所定温度に保持することができる。外熱炉７の内部で発生した燃焼ガスは、排気口から炉外へ排出される。
【００３６】
すなわち、本実施形態のロータリーキルン１は、内熱式キルンとその後段に連続して設けられた外熱式キルンとから構成されることを特徴とする。
【００３７】
シェル４内壁であって、内熱バーナ５の温度影響範囲には、シェル保護のための耐火煉瓦８が均一に設けられる。耐火煉瓦８上には、撹拌増進煉瓦９が突起状に複数設けられている。
【００３８】
なお、後述の通り、シェル４内の被焼成物の温度分布は、内熱バーナ５により急昇温し、１５００℃のピークを形成した後、その余熱の影響を残しながら緩やかに降温し、外熱炉７により１２５０℃以上に保持される。このとき内熱バーナ５の余熱の影響が残る範囲を内熱バーナ５の温度影響範囲とした。すなわち、外熱炉７対応位置のシェル４内壁には、耐火煉瓦８は設けられていない。
【００３９】
図２は、撹拌増進煉瓦９の詳細構成である。撹拌増進煉瓦９は、耐火煉瓦８と同じ部材であり、例えば200mm×300mm×500mmのブロック形状をしている。周方向に４か所、長手方向に１５００ｍｍ間隔に、千鳥配置されている。撹拌増進煉瓦９は原料進行を阻害するように被焼成物を撹拌させる。
【００４０】
なお、耐火煉瓦８および撹拌増進煉瓦９に替えて、煉瓦と熱膨張率が同じくらいの金属やセラミクスを用いてもよい。
【００４１】
〜装置動作〜
ロータリーキリン１の動作について説明する。
【００４２】
供給口２に原料が供給される。シェル４の傾斜および回転により、被焼成物はシェル４内を約１時間１５分程度かけて通過する。
【００４３】
内熱バーナ５の直接加熱により、被焼成物は急昇温する。例えば、通過時間１０分で１５００℃まで上昇する。このときの温度勾配は１５０℃／分である。内熱バーナ５は直接加熱するため、被焼成物の急昇温が可能である。１５００℃で最高温度となった後、内熱バーナ５の余熱の影響を受けながら、内熱バーナ５から遠ざかるにしたがって、被焼成物は緩やかに降温する。
【００４４】
外熱炉７の間接加熱により、被焼成物は１２５０℃以上となるように保持される。温度降下から温度一定へ移るとき、温度分布が緩やかに連続するようにする。外熱炉７は、内熱バーナ５に比べて温度制御が容易である。
【００４５】
焼成工程を経て、製品が被焼成物を排出口３より排出される。外熱炉７による加熱がなくなり、被焼成物は急速に降温する。
【００４６】
図３は、本実施形態に係る温度分布と焼成帯域の概念図である。
【００４７】
ロータリーキリン１の動作により、シェル４内の被焼成物は、図３に示すような温度分布となる。すなわち、急昇温し、１５００℃のピークを形成した後、緩やかに降温し、１２５０℃以上に保持され、急速に降温する。その結果、１２５０℃以上の領域、すなわち、焼成帯域（後述）を通過する時間が１時間以上確保され、熱接触頻度が増える。
【００４８】
なお、上記温度分布は一例であり、ピーク温度は１３５０〜１５５０℃であることが好ましい。一方、保持温度は、１２５０〜１３５０℃であることが好ましい。なお、１３５０℃はピーク温度下限値である。
【００４９】
急昇温の温度勾配は、１００〜２００℃／分であることが好ましい。１００℃／分未満であると、短時間で１５００℃まで急昇温できない。一方、２００℃／分を超える急昇温は、既存の一般的な内熱バーナ５の能力を超えている。
【００５０】
また、本実施形態のロータリーキリンは既存のロータリーキルンと同程度の大きさを想定しており、その前提に基づいて、焼成帯域通過時間が１時間以上となるようにしている。ロータリーキルンの大きさを大きく（シェル長さを長く）すれば、焼成帯域通過時間も長くなるが、実用上は３時間が限界である。
【００５１】
次に、撹拌増進煉瓦９の動作について説明する。
【００５２】
上述の通り、シェル４の傾斜および回転により撹拌されながら、被焼成物はシェル入口側から出口側へ進行する。その際、撹拌増進煉瓦９は、被焼成物の進行を阻害する。すなわち、被焼成物は撹拌増進煉瓦９により堰き止められる。内熱バーナ５による加熱は撹拌増進煉瓦９にも伝達され、撹拌増進煉瓦９を介して被焼成物は加熱される。この結果、撹拌増進煉瓦９によりロータリーキルン内壁の表面積が増えた分、輻射熱が増加し、熱接触頻度が増える。
【００５３】
撹拌増進煉瓦９手前にさらに被焼成物が溜まると、山が崩れて、進行方向に対し反転するように撹拌される。これにより、均一性が向上するとともに、撹拌時の被焼成物は、内熱バーナ５による燃焼ガスに晒され、加熱される。撹拌が増進される結果、熱接触頻度が増える。
【００５４】
〜遊離生石灰成長〜
ロータリーキリン１において図３に示す温度分布が形成された場合の遊離生石灰の成長について説明する。
【００５５】
原料が１５００℃まで急昇温することにより、エーライト（３ＣａＯ・ＳｉＯ２）と間隙相（カルシウムアルミネート：３ＣａＯ・Ａｌ２Ｏ３  カルシウムアルミノフェライト：４ＣａＯ・Ａｌ２Ｏ３・Ｆｅ２Ｏ）と遊離生石灰（ｆ．ＣａＯ）が生成する。ところで、間隙相は１２５０℃を超えると液相となり、マトリックスの粘性が低下する。これにより、遊離生石灰は流動化しやすくなる。
【００５６】
なお、急昇温でない場合、間隙相が液相とならず、遊離生石灰は流動化しにくく、その後の成長が制限される。また、急昇温でない場合、ビーライト（２ＣａＯ・ＳｉＯ２）が生成する。ビーライトはさらに高温加熱すると遊離生石灰と反応してエーライトとなる。これにより、遊離生石灰が消費されるため、遊離生石灰の成長が制限される。したがって、本実施形態のような、急昇温によりマトリックスの粘性を低下させるステップが重要である。
【００５７】
本実施形態では、被焼成物は１５００℃のピークを形成した後、緩やかに降温し、１２５０℃以上に保持される。すなわち、間隙相が液相であり、マトリックスの粘性が低下し、遊離生石灰が流動化しやすく状態が維持される。この状態を維持している間、遊離生石灰同士が合流し結晶径が大きくなるように成長する。
【００５８】
このとき、エーライトが既に生成しているため、ビーライトからエーライトに変化する際に、遊離生石灰が消費され、遊離生石灰の成長が制限されるおそれがない。
【００５９】
なお、１２５０℃未満となると、間隙相が液相でなくなり、遊離生石灰は流動化しにくくなり、その後の成長が制限される。一方、１５００℃に保持すると、被焼成物が壁面に焦げ付く恐れがある。したがって、本実施形態のような、１２５０℃以上に保持し、遊離生石灰の成長を促進させるステップが重要である。
【００６０】
以上のように、温度分布において１２５０℃以上の領域が、焼成工程に重要な領域となる。本実施形態ではこの領域を焼成帯域と呼ぶ。
【００６１】
〜従来技術との比較〜
従来技術の焼成帯域について検討する。図４は比較例１（竪炉）に係る温度分布と焼成帯域の概念図である。図５は比較例２（内熱式ロータリーキルン）に係る温度分布と焼成帯域の概念図である。一般的な内熱式ロータリーキルンは、シェル出口側から内熱バーナが挿入される。
【００６２】
比較例１では、焼成帯域は短いように見えるが、進行が遅いため、焼成帯域通過時間は５時間と充分に確保できる。その結果、充分な遊離生石灰の成長が期待できる。
【００６３】
比較例２では、本実施形態と同様に、被焼成物はシェル内を約１時間１５分程度かけて通過する。しかし、焼成帯域が短く、焼成帯域通過時間は１５分と充分に確保できない。その結果、充分な遊離生石灰の成長が期待できない。
【００６４】
実際に製品の結晶径を確認した。
【００６５】
表１は、本実施形態の遊離生石灰結晶径と比較例１及び比較例２の遊離生石灰結晶径とを比較したものである。併せて、生産性と膨張量を記載した。比較のため、本実施形態、比較例１、比較例２の焼成容積は同程度であるものと想定している。ピーク温度を１３５０℃、１４５０℃、１５５０℃と変えて、ピーク温度１３５０〜１５５０℃において、効果が得られることを確認した。
【表１】
2014129194.tif 000003
【００６６】
比較例１（竪炉）と比較例２（内熱式ロータリーキルン）とを比較すると、比較例１の遊離生石灰結晶径の方が大きいことが判る。比較例２の遊離生石灰結晶径は小さく、膨張性能向上に限界がある。一方で、比較例１の生産性は比較例２の生産性の１割程度であり、比較例１は工業的生産に適していない。
【００６７】
図６は比較例２（内熱式ロータリーキルン）による遊離生石灰結晶であり、図７は本実施形態による遊離生石灰結晶である。
【００６８】
比較例２と本実施形態とを比較すると、本実施形態の遊離生石灰結晶径は比較例２の遊離生石灰結晶径の２倍程度になっている。これに伴い、膨張性能も１．４倍程度に向上している。一方で、本実施形態の生産性は比較例２の生産性と同等以上である。
【００６９】
したがって、本実施形態では、生産性を維持しつつ、遊離生石灰を成長させ、生石灰系膨張材料の膨張性能を更に向上させることを確認できた。
【００７０】
さらに、本実施形態において、撹拌増進煉瓦９の有無について比較した。
【００７１】
撹拌増進煉瓦９有と撹拌増進煉瓦９無とを比較すると、撹拌増進煉瓦９有の遊離生石灰結晶径は撹拌増進煉瓦９無の遊離生石灰結晶径と比べてやや大きくなっている。これに伴い、膨張性能もやや向上している。生産性もやや向上している。
【００７２】
したがって、撹拌増進煉瓦９による効果を確認できた。
【００７３】
〜効果〜
本実施形態のロータリーキルン１は、内熱バーナ５を有する内熱式キルンと、その後段に連続して設けられ、外熱バーナ６を有する外熱式キルンとから構成されることを特徴とする。このような構成により、シェル４内の温度分布は、急昇温し、１５００℃のピークを形成した後、緩やかに降温し、１２５０℃以上に保持され、急速に降温する。
【００７４】
この様な温度分布により、焼成工程は、粘性低下ステップと、成長促進ステップを実現できる。その結果、焼成帯域通過時間が１時間以上確保され、熱接触頻度が増える。
【００７５】
熱接触頻度が増えることにより、遊離生石灰は成長し、生石灰系膨張材料の膨張性能は向上する。
【００７６】
なお、本実施形態は、従来の内熱式ロータリーキルンの生産性を維持する。
【００７７】
また、撹拌増進煉瓦９により、熱接触頻度が増え、遊離生石灰は更に成長し、生石灰系膨張材料の膨張性能は更に向上する。
【符号の説明】
【００７８】
１  ロータリーキルン
２  供給口
３  排出口
４  シェル
５  内熱バーナ
６  外熱バーナ
７  外熱炉
８  耐火煉瓦
９  撹拌増進煉瓦
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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