(57)【要約】【課題】熱処理炉の天井及び壁面のセラミックファイバーブロックの脱落、欠落を抑止することが可能なセラミックファイバーブロックの固定冶具及び固定構造を提供する【解決手段】熱処理炉の炉殻内側に複数個並べられて断熱壁を形成するセラミックファイバーブロックのそれぞれに取り付けられ、セラミックファイバーブロックを炉殻へ固定するための金属製チャンネル１３が、金属製チャンネル１３の長手方向のセンター軸に関して面対称とされ、且つ金属製チャンネル１３の幅方向両端部２４の断面形状が、長手方向の全長に亘ってコの字状とされ、幅方向両端部２４に、金属製チャンネル１３の長手方向の６０％の長さに亘って、所定の窒化珪素質ファインセラミックス製の棒状の補強材１９が挿入されている。【選択図】図５
2015175527.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱処理炉の炉殻内側に複数個並べられて断熱壁を形成するセラミックファイバーブロックのそれぞれに取り付けられ、前記セラミックファイバーブロックを前記炉殻へ固定するための金属製チャンネルが、該金属製チャンネルの長手方向のセンター軸に関して面対称とされ、且つ該金属製チャンネルの幅方向両端部の断面形状が、前記長手方向の全長に亘ってコの字状とされ、
前記幅方向両端部に、前記金属製チャンネルの長手方向の６０％以上の長さに亘って、８８〜９３．５質量％のβ-Ｓｉ３Ｎ４相、０．５〜２質量％のＳｉ２Ｎ２Ｏ相、５〜７質量％のＹ２Ｓｉ２Ｏ７相、及び０．５〜３質量％の平均粒径０．０２μｍ以下の微細ＳｉＣからなる窒化珪素質ファインセラミックス製の棒状の補強材が挿入されていることを特徴とするセラミックファイバーブロックの固定冶具。
【請求項２】
前記金属製チャンネルは、ステンレス製であることを特徴とする請求項１記載のセラミックファイバーブロックの固定冶具。
【請求項３】
請求項１又は２記載のセラミックファイバーブロックの固定冶具を使用したセラミックファイバーブロックの固定構造であって、
前記固定冶具をセラミックファイバーブロックに固定すると共に、前記固定冶具を熱処理炉の炉殻へ、ボルト、ナット、及びワッシャーを用いてネジ止め固定することで、前記セラミックファイバーブロックを前記炉殻へ固定することを特徴とするセラミックファイバーブロックの固定構造。
【請求項４】
前記ワッシャーがセラミックス製であることを特徴とする請求項３記載のセラミックファイバーブロックの固定構造。
【請求項５】
前記ボルトがセラミックス製であることを特徴とする請求項３又は４記載のセラミックファイバーブロックの固定構造。
【請求項６】
前記ナットがセラミックス製であることを特徴とする請求項３〜５のいずれか1項に記載のセラミックファイバーブロックの固定構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱処理炉の天井及び壁面に設置されるセラミックファイバーブロックの脱落、欠落を抑止することが可能なセラミックファイバーブロックの固定冶具及び固定構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、製鉄プラント、化学プラント等の各種加熱炉、焼鈍炉等の熱処理炉の断熱壁にセラミックファイバーブロックが使用されるようになっている。例えば、特許文献１には、セラミックファイバーブランケットを連続的に折り重ねて形成したセラミックファイバーブロックが開示されている。当該発明では、熱処理炉の炉殻内面に取り付けられたボルトを、セラミックファイバーブロックの外側に装着されたステンレス製チャンネルのボルト孔に貫通させ、ボックスレンチでナットを締め込むことでセラミックファイバーブロックを鉄皮内面に固定する方法が示されている。
【０００３】
セラミックファイバーブランケットをモジュール化したセラミックファイバーブロックなどのセラミックファイバーモジュールは、不定形耐火物や耐火煉瓦をモジュール材料とするライニングに比べ、蓄熱量が小さく低熱慣性（温度変化に対する抵抗の度合いが低い性質）であるため、加熱温度変更時の温度コントロールが容易である。また、セラミックファイバーモジュールは熱伝導率が低いため、炉外への放散熱量も小さいという有利性がある。
【０００４】
セラミックファイバーには、主として１２５０℃以下で使用されるアルミナ−シリカ系の非晶質セラミックファイバーと、主として１２５０℃超の高温で使用されるアルミナ（ムライトを含む）系の結晶質セラミックファイバーが使用される。それらセラミックファイバーのブランケット品をさらに積層圧縮したものや、ブランケット品を折り重ねて固定冶具と一体化したもの等のブロック状モジュールが炉壁や天井の炉殻に固定されて用いられている。
【０００５】
しかしながら、セラミックファイバーブロックの据え付け施工の精度が悪かったり、セラミックファイバーブロックが炉内のスケール等によって劣化するなどして破損し、セラミックファイバーブロック間に隙間が生じた場合、熱処理炉内の熱対流によりセラミックファイバーブロックの裏面側（炉殻側）に８００℃以上の高温の裏風が進入することがある。
セラミックファイバーブロックの裏面側に高温の裏風が進入すると、前記ステンレス製チャンネルが大きくクリープ変形するため、炉内点検の間隔を短くしてセラミックファイバーブロックの一部を付け替えるメインテナンスが必要となったり、更には、セラミックファイバーブロックが脱落するという問題が生じていた。また、上記高温の裏風により、チャンネルと炉殻とをネジ止めする際に使用するステンレス製のボルトが、細く変形してナット止めが効かなくなったり破断したりして、セラミックファイバーブロックが脱落するという問題も生じていた。
【０００６】
そこで、特許文献２では、セラミックファイバーブロックで構成された炉内側の表面をステンレス製の保護板又はセラミックファイバークロス等の保護シートで覆い、セラミックファイバーブロックの固定冶具への裏風進入を防止している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−５５０５６号公報
【特許文献２】特開平６−２２１７７０公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献２に記載された発明の保護板又は保護シートは、セラミックファイバーブランケット表面への取り付け構造が煩雑で、施工期間が長時間化するという問題がある。また、両者の取り付けに使用される取り付けボルトが炉内面側に設置されるため、１０００℃以上の高温に曝されて取り付けボルトが変形したり破断したりするケースが発生し、恒久的な裏風進入防止対策とは言い難い面があった。
【０００９】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、炉壁を構成するセラミックファイバーブロック間に隙間が生じて裏面側に高温の裏風が進入したとしても、チャンネルの変形を抑制して、チャンネルの変形による更なる隙間の拡大を抑止すると共に、セラミックファイバーブロックの脱落、外れを防止可能なセラミックファイバーブロックの固定冶具及び固定構造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】
本発明者等は、上記問題点を解決するため、セラミックファイバーブロックが脱落する現象を解明するための検討を鋭意行った。その結果、以下のことが明らかとなった。
セラミックファイバーブロックの固定構造において、炉内温度の上昇に伴い、セラミックファイバーブロックの炉内側が先ず収縮してブロック（本明細書では、「セラミックファイバーブロック」を単に「ブロック」と呼ぶことがある。）間に隙間が生じる。これによりブロックの裏側へ高温の裏風が流れ込み、裏風に曝された金属製（通常ステンレス）のチャンネルが最初に変形する。当該チャンネルが炉内側に向けて凹型に変形することで、セラミックファイバーの熱収縮によって生じた隙間が益々広がり、ブロック固定部への高温の裏風の進入が増大する。その結果、チャンネルの凹型変形が進行して、遂にはセラミックファイバーブロックが脱落する。
【００１１】
一方、チャンネルの凹型変形による高温の裏風の進入増大が抑えられれば、ボルト部の破断や引き抜けを抑制できることも明らかとなった。そして、裏風進入によって１０００℃以上の高温となったブロック固定部では、金属製（通常ステンレス）チャンネルよりもクリープ変形量が小さいファインセラミックス、特に、８８〜９３．５質量％のβ-Ｓｉ３Ｎ４相、０．５〜２質量％のＳｉ２Ｎ２Ｏ相、５〜７質量％のＹ２Ｓｉ２Ｏ７相、及び０．５〜３質量％の平均粒径０．０２μｍ以下の微細ＳｉＣからなる窒化珪素質のセラミックスをチャンネルの補強材として用いることで、高温の裏風が進入した場合でもチャンネルの変形を大幅に抑制することができることを見出し、本発明を完成させるに至った。
なお、上記窒化珪素には、製造工程において不可避的不純物が混入する場合があるが、これは高々０．５質量％以下程度であり、本発明に係る窒化珪素質ファインセラミックスに必要な高温のクリープ特性等に影響を及ぼすことはない。
【００１２】
本発明の要旨は以下の通りである。
（１）熱処理炉の炉殻内側に複数個並べられて断熱壁を形成するセラミックファイバーブロックのそれぞれに取り付けられ、前記セラミックファイバーブロックを前記炉殻へ固定するための金属製チャンネルが、該金属製チャンネルの長手方向のセンター軸に関して面対称とされ、且つ該金属製チャンネルの幅方向両端部の断面形状が、前記長手方向の全長に亘ってコの字状とされ、
前記幅方向両端部に、前記金属製チャンネルの長手方向の６０％以上の長さに亘って、８８〜９３．５質量％のβ-Ｓｉ３Ｎ４相、０．５〜２質量％のＳｉ２Ｎ２Ｏ相、５〜７質量％のＹ２Ｓｉ２Ｏ７相、及び０．５〜３質量％の平均粒径０．０２μｍ以下の微細ＳｉＣからなる窒化珪素質ファインセラミックス製の棒状の補強材が挿入されていることを特徴とするセラミックファイバーブロックの固定冶具、
（２）前記金属製チャンネルは、ステンレス製であることを特徴とする（１）に記載のセラミックファイバーブロックの固定冶具、
（３）上記（１）又は（２）に記載のセラミックファイバーブロックの固定冶具を使用したセラミックファイバーブロックの固定構造であって、
前記固定冶具をセラミックファイバーブロックに固定すると共に、前記固定冶具を熱処理炉の炉殻へ、ボルト、ナット、及びワッシャーを用いてネジ止め固定することで、前記セラミックファイバーブロックを前記炉殻へ固定することを特徴とするセラミックファイバーブロックの固定構造、
（４）前記ワッシャーがセラミックス製であることを特徴とする（３）に記載のセラミックファイバーブロックの固定構造、
（５）前記ボルトがセラミックス製であることを特徴とする（３）又は（４）に記載のセラミックファイバーブロックの固定構造、
（６）前記ナットがセラミックス製であることを特徴とする（３）〜（５）のいずれか1項に記載のセラミックファイバーブロックの固定構造、
である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係るセラミックファイバーブロックの固定冶具や固定構造を用いれば、炉壁を構成するセラミックファイバーブロック間に隙間が生じて裏面側に高温の裏風が進入したとしても、チャンネルの変形を抑制して、チャンネルの変形による更なる隙間の拡大を抑止することができる。加えて、セラミックファイバーブロックの脱落、外れを防止して、炉壁のメインテナンス期間が短縮されると共に資材費の減縮が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】熱処理炉内におけるセラミックファイバーブロックのパーケットパターン配置を示し、（Ａ）はセラミックファイバーブロック群を側面から見た模式図、（Ｂ）はセラミックファイバーブロック群を正面から見た模式図である。
【図２】セラミックファイバーブロック(炉内ナット)固定方式の斜視図である。
【図３】セラミックファイバーブロック(炉外ナット)固定方式の斜視図であり、（Ａ）はクリップを金属製チャンネルに装着する方法を示した説明図、（Ｂ）はセラミックファイバーブロックを炉殻へ固定する方法を示した説明図である。
【図４】セラミックファイバーブロック(□300×t300)を固定する金属製チャンネルの形状を示した模式図である。
【図５】棒状の補強材を有する金属製チャンネルの形状を示した模式図である。
【図６】金属製チャンネルのみ及び棒状の補強材(２本／チャンネル)を有する金属製チャンネルに対するクリープ試験のセッティング図であり、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）は立面図である。
【図７】各焼成温度で１００時間保持後、放冷して、室温に戻した後の金属製チャンネルのクリープ変形量を比較したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。
【００１６】
セラミックファイバーブロック１０は、熱処理炉の炉殻１１の内側に並べて配置され（図１参照）、炉殻１１の内側に固定されて熱処理炉の断熱壁を形成する（図２、図３参照）。以下、詳細に説明する。
【００１７】
図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、熱処理炉の炉殻１１の内側に、複数個のセラミックファイバーブロック１０を隙間なく並べ、炉内側においてＣ面の向きが隣同士交互となるように配置する。なお、Ａ面はセラミックファイバーブランケットの表裏面からなる面、Ｂ面はセラミックファイバーブランケットの側面が積層されて形成された面、Ｃ面はセラミックファイバーブランケットの山折り部が積層されて形成された面である。
【００１８】
セラミックファイバーブロック１０を炉殻１１に固定する、本発明の一実施の形態に係るセラミックファイバーブロックの固定冶具は、金属製チャンネル１３と、後述する特徴を有する所定の窒化珪素質ファインセラミックス製の棒状の補強材１９（図５参照）とから構成されている。
【００１９】
金属製チャンネル１３は平面視して矩形状とされ（図４参照）、セラミックファイバーブロック１０のＣ面に、折り目部の折り目方向と直交する方向が金属製チャンネル１３の長手方向となるように装着される（図２、図３参照）。
なお、金属製チャンネル１３の長手方向中央部にはボルト孔２３が設けられ、ボルト孔２３を挟んでその両側には所定の間隔をあけて複数のスリット２２が設けられている。
【００２０】
セラミックファイバーブロック１０内には、金属製チャンネル１３をセラミックファイバーブロック１０に装着するための概略逆Ｔ字状のビーム材（図示省略）が挿入されており、ビーム材の中央部に設けられた帯板状の二股タブ２１がセラミックファイバーブロック１０から突出している。金属製チャンネル１３に形成されたスリット２２に、セラミックファイバーブロック１０から突出する二股タブ２１を挿入して折り曲げることで、ビーム材を介して金属製チャンネル１３がセラミックファイバーブロック１０に装着される。
【００２１】
図４に示すように、金属製チャンネル１３は、その長手方向のセンター軸２７に関して面対称の形状とされ、幅方向両端部２４は、金属製チャンネル１３の長手方向の全長に亘って、幅方向断面の形状がコの字状とされている。
【００２２】
幅方向両端部２４は補強材挿入部位とされ、金属製チャンネル１３の長手方向の６０％以上の長さに亘って、所定の窒化珪素質ファインセラミックスからなる棒状の補強材１９が挿入されている。これにより、金属製チャンネル１３のクリープ変形を防止する。
棒状の補強材１９の長さが、金属製チャンネル１３の長手方向長さの６０％未満の場合、金属製チャンネル１３に固定された一対の二股タブ２１間に棒状の補強材１９が配置されることになり、高温の裏風によって炉内側に向けて金属製チャンネル１３が凹型に変形するのを抑止する効果が不十分となる。
棒状の補強材１９は、金属製チャンネル１３の中心から等距離に配置されることが好ましく、金属製チャンネル１３の長手方向長さの８０％以上であることがさらに好ましい。
【００２３】
セラミックファイバーブロック１０を炉殻１１に固定する構造としては、図２に示す炉内ナット方式と、図３に示す炉外ナット方式があるが、いずれもボルト１４、ナット１５、ワッシャー１７を用いた固定構造であり、金属製チャンネル１３の長手方向中央部で固定される構造となっている。
【００２４】
炉内ナット方式では、図２に示すように、先ず、炉殻１１の内面に所定の間隔でボルト１４を溶接する。次いで、炉殻１１の内面に厚さ２５ｍｍ程度のセラミックファイバーブランケット１２を貼り付け、セラミックファイバーブロック１０をセラミックファイバーブランケット１２に向けて押込み、セラミックファイバーブロック１０の金属製チャンネル１３に形成されたボルト孔２３にボルト１４を挿入させる。金属製チャンネル１３を貫通するボルト１４にワッシャー１７を取付け、ボックスレンチ１６を用いてナット１５を螺合してセラミックファイバーブロック１０を炉内面に固定する。
【００２５】
また、炉外ナット方式では、先ず、ボルト１４が取付けられたクリップ１８を、セラミックファイバーブロック１０の金属製チャンネル１３に装着する（図３（Ａ）参照）。次いで、炉殻１１の内面に厚さ２５ｍｍ程度のセラミックファイバーブランケット１２を貼り付け、セラミックファイバーブロック１０をセラミックファイバーブランケット１２に向けて押込み、金属製チャンネル１３に装着されたクリップ１８のボルト１４を、炉殻１１に形成されたボルト孔２６に挿入させる（図３（Ｂ）参照）。炉殻１１の外面に露出しているボルト１４にワッシャー１７を取付け、ナット１５を螺合してセラミックファイバーブロック１０を炉内面に固定する。
【００２６】
セラミックファイバーブロック１０を炉殻１１へネジ止め固定する部材であるボルト１４、ナット１５、ワッシャー１７は、その少なくとも１種を、１０００℃以上の環境下においてＳＵＳ３１０Ｓよりクリープ変形が少なく、ヒビや折損の生じない耐熱且つ耐食性に優れたセラミックスとすることが有効である。これにより、これら部材の破断や引き抜けを防止することができる。
【００２７】
ボルト１４やナット１５にはネジ山やネジ溝が設けられている。このネジ山やネジ溝を大きなＲ形状として応力集中しないように改良した場合、費用が高くなり効果的ではない。そのため、単純な形状で安価なワッシャー１７を耐熱セラミックス化することが費用面では最も容易であり、金属製チャンネル１３がクリープ変形した際に生じるボルト孔２３の拡大に伴う引き抜けを防止する効果が得られやすい。
【００２８】
金属製チャンネル１３自体も、耐食性の向上を目的としてコーティングが為されていることが好ましい。さらに、金属製チャンネル１３が、高温耐食性、強度を有する金属材料で形成されていることが好ましい。具体的には、ＳＵＳ３０４、３１０Ｓなどのステンレス製であることが好ましい。
【００２９】
１０００℃以上の高温環境下で長期間安定使用するためには、棒状の補強材１９の耐クリープ性及び耐酸化性を同時に向上させることが必要である。そのためには粒界層がＳｉ２Ｎ２Ｏ相及びＹ２Ｓｉ２Ｏ７相に結晶化されたＳｉ３Ｎ４セラミックスを用いることが好適である。
【００３０】
８８〜９３．５質量％のβ-Ｓｉ３Ｎ４相、０．５〜２質量％のＳｉ２Ｎ２Ｏ相、５〜７質量％のＹ２Ｓｉ２Ｏ７相、及び０．５〜３質量％の平均粒径０．０２μｍの微細ＳｉＣにより構成される窒化珪素質焼結体は、アルミナやジルコニア等を主成分とするセラミックスに比べて耐クリープ性に優れると共に、高温下における機械強度も高く、長期間その特性を保持できることから、高温、高腐食環境下で使用されるセラミックファイバーブロック１０の固定冶具を構成する棒状の補強材１９の材質として最適である。
【００３１】
本発明者等はセラミックスの特性評価試験を実施し、β-Ｓｉ３Ｎ４相及び粒界相としてＳｉ２Ｎ２Ｏ相、Ｙ２Ｓｉ２Ｏ７相から構成される緻密なセラミックス焼結体が優れた特性を有することを見出した。特に、β-Ｓｉ３Ｎ４相、Ｓｉ２Ｎ２Ｏ相、及びＹ２Ｓｉ２Ｏ７相からなる窒化珪素質焼結体を成形加工した棒状の補強材１９は、高温での耐クリープ性、耐酸化性に優れ、使用環境下で生じる熱応力破壊抵抗特性を高めるなどの特徴を有している。具体的には、１０００〜１２００℃でも耐クリープ強度が４００ＭＰａ以上である、β-Ｓｉ３Ｎ４相、Ｓｉ２Ｎ２Ｏ相、及びＹ２Ｓｉ２Ｏ７相からなる窒化珪素質焼結体を成形加工したファインセラミックスを棒状の補強材１９に用いることにより金属製チャンネル１３の変形を防止することができる。
【００３２】
Ｓｉ２Ｎ２Ｏ相とＹ２Ｓｉ２Ｏ７相がそれぞれ質量比で０．５質量％、５質量％未満では焼結体中の気孔率が高くなり好ましくなく、それぞれ２質量％、７質量％を超えると、β-Ｓｉ３Ｎ４結晶粒が十分に絡み合わず、強度や靭性が低下し好ましくない。
【００３３】
Ｓｉ２Ｎ２Ｏ相の質量比が全体の０．５質量％未満では機械的強度に寄与する効果が少なく、２質量％を超えると、β-Ｓｉ３Ｎ４結晶粒が十分に絡み合わず、強度や靭性が低下する。
【００３４】
同様に、Ｙ２Ｓｉ２Ｏ７相の質量比が全体の５質量％未満では、Ｓｉ３Ｎ４のα→β転移時の液相が少なく相転移を円滑に進行させず、７質量％を超えると、β-Ｓｉ３Ｎ４結晶粒が十分に絡み合わず、強度や靭性が低下する。
【００３５】
ここで、Ｓｉ２Ｎ２Ｏ相は、粉末Ｘ線回折法により同定されるＳｉ２Ｎ２Ｏ結晶と同じ型のＸ線回折パターンを持ち、Ｓｉ３Ｎ４とＳｉＯ２とからなる化合物の中で高温酸化雰囲気中にて最も安定な化合物である。
【００３６】
同様に、Ｙ２Ｓｉ２Ｏ７結晶相は、粉末Ｘ線回折法により同定されるＹ２Ｓｉ２Ｏ７結晶と同じ型のＸ線回折パターンを持ち、Ｙ２Ｏ３とＳｉＯ２とからなる化合物の中で高温酸化雰囲気中にて最も安定な化合物である。
【００３７】
また、β-Ｓｉ３Ｎ４結晶相は、ＪＣＰＤＳカード３３−１１６０で示されるβ-Ｓｉ３Ｎ４結晶と同じ型のＸ線回折パターンを持つ。
【００３８】
微細ＳｉＣは、平均粒径が０．０２μｍを超えると、介在物と同じ影響を与え、物性低下の原因となることから、平均粒径は０．０２μｍ以下とする必要がある。そのためには、平均粒径０．０２μｍ以下のＳｉＣ原料を使用すればよいが、焼結過程での粒径アップを考慮して適宜原料粒径を調整すればよい。
微細ＳｉＣの存在形態は、主相であるβ-Ｓｉ３Ｎ４の粒界層でも、β-Ｓｉ３Ｎ４結晶内に取り込まれていても構わない。
【００３９】
微細ＳｉＣの含有量は、０．５〜３質量％とする。
微細ＳｉＣの質量比が全体の０．５質量％未満では粒成長抑制に寄与する効果が少なく、３質量％を超えると粒成長抑制効果が過大となるため、β-Ｓｉ３Ｎ４結晶粒が十分に絡み合わず、強度や靭性が低下する。
【００４０】
さらに、β-Ｓｉ３Ｎ４相、Ｓｉ２Ｎ２Ｏ相、Ｙ２Ｓｉ２Ｏ７相、微細なＳｉＣ相により構成される窒化珪素質焼結体の相対密度は９５％以上であることが望ましい。相対密度が９５％未満では、熱的安定性、機械的安定性が不充分になり易く、長期耐久性の向上効果が見られないおそれが高くなる。
なお、各成分系ごとの理論密度から求めることが可能な焼結体の理論密度、即ち、空隙の全くない理想的な焼結体の密度に対する実際の焼結体の密度のことを相対密度と呼ぶ。
【００４１】
本実施の形態により得られる窒化珪素質焼結体は、β-Ｓｉ３Ｎ４の平均結晶粒径が１〜３μｍ程度、アスペクト比が２〜８程度と大きく、且つβ-Ｓｉ３Ｎ４の柱状結晶粒が絡み合った組織を呈し、また粒界に高融点のＳｉ２Ｎ２Ｏ相及びＹ２Ｓｉ２Ｏ７相が析出しているため、高温まで高い強度を維持したまま高い靭性を示す。また、抗折強さが大気中１５００℃にて５００ＭＰａ以上の高強度で、靭性値ＫICが５ＭＰａ・ｍ1/2の高靭性を有するため、高温環境下での特性を要求されるセラミックファイバーブロック１０の固定冶具を構成する棒状の補強材１９に好適に用いることができる。
【００４２】
粒界相としてＳｉ２Ｎ２Ｏ相及びＹ２Ｓｉ２Ｏ７相を結晶化させるための製法としては、例えば、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）３〜１０質量％、酸化珪素（ＳｉＯ２）１〜５質量％及び残部が窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）からなる混合粉末を成形し、該成形体を窒素ガス雰囲気中にて１８００〜１８５０℃の温度範囲で焼結し、以下の（i）〜（iii）の少なくとも一つの手段により粒界相としてＳｉ２Ｎ２Ｏ相及びＹ２Ｓｉ２Ｏ７相を生成させた後で、窒化珪素質焼結体を成形加工する。
（i）焼結の降温過程における降温速度を５℃／分以下とする。
（ii）焼結の降温過程において、１３５０〜１５５０℃の温度範囲を２時間以上保持する。
（iii）焼結後、窒素雰囲気中、１３５０〜１５５０℃の温度範囲を２時間以上保持の再加熱処理を行う。
【００４３】
降温過程でＳｉ２Ｎ２Ｏ相及びＹ２Ｓｉ２Ｏ７相を析出させる場合の降温速度は５℃／分以下が好ましいが、より望ましくは２℃／分以下である。降温速度が５℃／分より速い場合はＳｉ２Ｎ２Ｏ相及びＹ２Ｓｉ２Ｏ７相が十分生成しない。また、降温過程の際の保持温度及び再加熱処理の際の保持温度が１３５０℃未満、１５５０℃超の場合も、同様にＳｉ２Ｎ２Ｏ相及びＹ２Ｓｉ２Ｏ７相が十分に生成しない。さらにまた、各々の保持時間が２時間未満の場合もＳｉ２Ｎ２Ｏ相及びＹ２Ｓｉ２Ｏ７相は生成しない。
【００４４】
本実施の形態において使用される窒化珪素粉末は、α型の結晶構造をもつＳｉ３Ｎ４粉末が焼結性の点から好適であるが、β型あるいは非晶質Ｓｉ３Ｎ４粉末が含まれていても構わない。焼結時に十分に高い密度とするためには、平均粒径１μｍ以下の微粒子であることが望ましい。
【００４５】
窒化珪素は共有結合性の強い物質であり、単独では焼結が困難である。そのため、緻密化するため焼結助剤を一般に添加する。本実施の形態では、焼結助剤として酸化珪素、酸化イットリウムを用いる。酸化イットリウムは、Ｓｉ３Ｎ４の焼結時にα-Ｓｉ３Ｎ４相からβ-Ｓｉ３Ｎ４相への結晶相転移をその融液中で促進させる機能を持ち、さらにβ-Ｓｉ３Ｎ４の柱状相の成長を助長することにより高温強度及び靭性を向上させることが知られている。
【００４６】
焼結助剤の添加量は、酸化珪素が１〜５質量％、酸化イットリウムが３〜１０質量％であるのが好ましい。
酸化珪素の添加量が１質量％未満の場合、焼結昇温時の液相生成温度が高くなり十分緻密な焼結体が得られず、またＳｉ２Ｎ２Ｏ相及びＹ２Ｓｉ２Ｏ７相が形成されない。一方、酸化珪素の添加量が５質量％を超えるとＹ２Ｓｉ２Ｏ７相が形成されず、比較的低融点のＳｉＯ２相が形成され、高温での機械的強度が低下するため好ましくない。
酸化イットリウムの添加量が３質量％より少ないと融液形成が不十分で相対密度が９５％未満となり緻密化が進行しない。一方、酸化イットリウムの添加量が１０質量％を超えるとＹ２Ｓｉ２Ｏ７相が形成されず、比較的低融点のＹ２ＳｉＯ５相が形成され、得られた焼結体の高温での機械的強度及び耐酸化性が低下する。
【００４７】
均質かつ高密度の焼結体を得るためには、酸化珪素及び酸化イットリウムの平均粒径が２μｍ以下の微粒子であることが好ましい。焼結助剤として用いるこれら原料粉末は比較的安価であり、水中での混合工程において変質せず安定なセラミックス粉末である。
【００４８】
焼結方法としては、窒素ガスを含む雰囲気にて、例えば無加圧焼結法、ガス圧焼結法、熱間静水圧プレス焼結法、ホットプレス焼結法、等の各種焼結法を用いることができ、さらにこれらの焼結法を複数組合せても良い。窒素ガスを含む雰囲気で焼結するのは、焼結中でのＳｉ３Ｎ４の分解を抑制するためである。
【００４９】
Ｓｉ３Ｎ４は、窒素ガス１気圧下において約１８３０℃以上で分解が生じる。そのため、１８３０℃以上にて焼結を行う場合は、窒素ガス圧を焼結温度におけるＳｉ３Ｎ４の臨界分解圧力以上に設定するようにする。
【００５０】
また、十分な緻密化を図るためには、無加圧での一次焼結後に、さらに窒素ガス雰囲気中での熱間静水圧プレス焼結を行うことがより好ましい。
無加圧及び熱間静水圧プレス焼結条件としては、焼結温度が１８００〜１８５０℃であることが望ましい。１８００℃未満では、緻密な焼結体が得られず、固溶体粒子近傍に残留応力を十分に発生させることが困難となり、高靭性の焼結体とすることができない。一方、１８５０℃を超える高温では、β-Ｓｉ３Ｎ４結晶粒が粗大化し強度低下を起こし、耐クリープ性と耐酸化性が得られない。また、保持時間が８時間未満では、成形体の肉厚にも依存するが緻密化が十分に進行しない。
【００５１】
高温での耐クリープ性、耐酸化性の特性を同時に向上させるため、各種結晶相より構成される窒化珪素質焼結体を作製し、その特性を図６（Ａ）、（Ｂ）に示す装置で評価した。重石２５の荷重７．９ｋｇでチャンネル１本当たり３９．１Ｎの力がかかる。３点曲げ試験の時に発生する曲げ応力σはσ＝３Ｐ・Ｌ/（２ｗ・ｔ2）であるので、Ｐ＝３９．１Ｎ、Ｌ＝２１８ｍｍ、ｗ(棒状の補強材１９の幅)＝７ｍｍ、ｔ(棒状の補強材１９の高さ)＝４ｍｍとすると、σ＝１２５．６ＭＰａとなる。
【００５２】
図７に示す高温での試験結果より、焼成温度が１０００〜１２００℃になると、アルミナセラミックスと従来の低融点ガラス相を有する一般的な窒化珪素セラミックス(汎用サイアロン)の耐クリープ強度が約１００ＭＰａであるため、これらで補強された金属製チャンネル１３にクリープ変形が発生した。
なお、この１００ＭＰａは、セラミックファイバーブロックの自重や周囲のセラミックファイバーブロックによる引きずり応力から計算される値であり、実使用条件を想定している。
【００５３】
従来の低融点ガラス相を有する窒化珪素焼結体は、図７に示した通り、高温下における耐酸化性、耐熱衝撃性に劣るが、使用する効果が無い訳ではなく、ブランク（金属製チャンネルのみ）のクリープ変形と比較して一定の抑制効果が認められる。
【００５４】
金属製チャンネル１３の変形量は、炉内の熱風が隙間から裏風として進入するか、無視できるほど小さいかが分岐点となる。図７に示す、金属製チャンネル１３のコの字型の溝とセラ補強材（棒状の補強材１９）とのガタを除いた変形量が０．２ｍｍ以下であることが、技術的な意味でのクリープしない判断基準である。なお、耐クリープ試験の結果については、後述する実施例の項で詳述する。
【００５５】
本実施の形態に係るセラミックファイバーブロック１０の固定冶具及び固定構造の効果として、例えば、熱延スラブの加熱炉に、本実施の形態に係るセラミックファイバーブロック１０の固定冶具及び固定構造を使用すれば、長期間の熱ロス低減による省エネルギーに供することができ、熱延、厚板、形鋼や線材等の安定操業による生産性向上と共に製造コスト低減に寄与すること大である。
【実施例】
【００５６】
本発明の実施例を比較例と共に説明する。
【００５７】
＜固定冶具単独での耐クリープ試験及び機械的特性評価＞
（実施例１〜５）
実施例及び比較例で使用する窒化珪素質ファインセラミックス製の棒状の補強材を以下のように作成した。
窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）粉末（α化率９８％以上、純度９９．８％、平均粒径０．３μｍ）に酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）粉末（平均粒径１．２μｍ）、酸化珪素（ＳｉＯ２）粉末（平均粒径０．２μｍ）、微細ＳｉＣ（平均粒径が異なるものを数種類使用）を表１に示す所定量（質量％）添加し、分散媒として精製水又はアセトンを用い、炭化珪素セラミックスを内貼りしたボールミルで２４時間混練した。精製水又はアセトンの添加量は、セラミックス全粉末原料１００ｇに対し１５０ｇとした。
【００５８】
次いで、得られた混合粉末を成形後、焼結した。成形条件としては冷間静水圧による加圧１３７ＭＰａとし、□３２０ｍｍ×厚さ１２ｍｍの平板に成形した。これを素地加工し、長さ３２０ｍｍ×幅９ｍｍ×厚さ５ｍｍの形状を有する成形体を得た。焼結条件としては、窒素ガス流通中にて、表１に示す温度で８時間保持の無加圧焼結を行い、降温時に１５００℃で同じく表１記載の時間だけ保持と降温速度にて炉冷を行った。実施例３については、降温時放冷を行った後に１５００℃まで再加熱し表１記載の保持を行った。
【００５９】
焼結後、長さ２６０ｍｍ×幅７ｍｍ×厚さ４ｍｍの焼結体が得られた。これを２本／ＳＵＳ３１０Ｓ製のチャンネル×２チャンネル／組で耐クリープ試験に供した。試験条件は、図４、図５に示す形状の金属製チャンネルと棒状の補強材を用い、図６に示すセッティング法で、スパンＬが２１８ｍｍ、重石としたレンガ重量は７．９ｋｇで、幅３０ｍｍの角状レンガ材で上部からの３点曲げ状態とした。昇温速度６℃／分で、７００(棒状の補強材なしのブランクのみ)、７５０(棒状の補強材なしのブランクのみ)、８００、１０００、１２００℃の５水準まで昇温し、到達後１００時間保持後、放冷して、室温に戻した後の金属製チャンネルのクリープ変形量を測定した。それらの結果を表２及び図７に示す。
【００６０】
また、得られた焼結体から各種形状の試験片を切り出し、機械的特性を評価した。抗折強さは、ＪＩＳ  Ｒ１６０１により、大気中室温及び１２００℃にて測定した。硬さは、押込荷重９８Ｎ（１ｋｇ）にてビッカース硬さとして測定した。靭性についてはＪＩＳ  Ｒ１６０７のＳＥＰＢ法により室温にて破壊靭性値ＫＩＣを測定した。焼結体密度は、アルキメデス法により相対密度として測定した。各種結晶相の比率に関して、予めＸ線回折ピーク高さから求めた検量線に従って求め、表１に示した。微細なＳｉＣ粒子のサイズに関しては、ＴＥＭ観察画像の高さ方向に等間隔で、横線を引き、一線破断法で測定した結果、実施例１〜５でいずれも平均０．０２μｍ以下であることを確認した。
【００６１】
実施例４、５は、実施例１〜３と同一原料を用い、同じく精製水又はアセトンで調製し、それぞれ降温時の焼結条件を変更したことにより相対密度が９５％を下回った場合（実施例４）、焼結助剤（Ｙ２Ｏ３）の添加割合を変更したことにより相対密度が９５％を下回った場合（実施例５）である。これらを併せて表１に示す。
【００６２】
（比較例１〜７）
比較例１〜３は、本発明の窒化珪素質ファインセラミックスの組成割合の範囲外であり、相対密度は９５％以上である。
また、他の比較例で使用する各種ファインセラミックス製の棒状の補強材として、一般的な純度９９％アルミナ（比較例４）、従来の低融点ガラス相を有する一般的な窒化珪素セラミックス(汎用サイアロン)（比較例５）、及び純度９８％炭化珪素（比較例６）セラミックス材料について、実施例１〜５と同様の条件で耐クリープ試験及び機械的特性評価を行った。
さらにまた、棒状の補強材なしのＳＵＳ３１０Ｓ製の金属製チャンネルだけのブランク(比較例７)についても、実施例１〜５と同様の条件で耐クリープ試験及び機械的特性評価を行った。
それらの結果を表２及び図７に示す。
【００６３】
【表１】
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【００６４】
【表２】
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【００６５】
表２及び図７に示すように、実施例によるものは、１０００℃における金属製チャンネルのクリープ変形量が０．２ｍｍ未満と非常に少なく、且つ割れやヒビ等の欠損が何れの場合も認められず、耐クリープ性、耐酸化性共に優れている。一方、比較例１〜７は、実施例に比べて１０００℃における金属製チャンネルのクリープ変形量が０．２ｍｍ超と大きいことが確認された。
【００６６】
＜実炉を用いた固定構造別の耐久性評価試験＞
ＳＵＳ３１０Ｓからなる金属製チャンネルの棒状の補強材として実施例１、２のセラミックス材料を用いた固定冶具を使用し、図２に示すワッシャー、ボルト、ナットを用いた固定構造によりセラミックスファイバーブロックを炉殻へ固定して実炉試験を行った。
また、棒状の補強材による補強をせずＳＵＳ３１０Ｓからなる金属製チャンネルだけのブランクの固定冶具を用いた試験も比較例として行った。
各試験では、それぞれワッシャー、ボルト、ナットを、ＳＵＳ３１０Ｓ又は実施例１で使用したセラミックス材料として、１２５０℃の実炉で長期耐久試験を行った。
なお、各試験は、炉内のセラミックスファイバーブロックを図１のようにセットし、そのうちの一部を各試験条件の固定構造とした結果である。
試験結果を表３に示す。
【００６７】
【表３】
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【００６８】
表３に示すように、金属製チャンネルの棒状の補強材として実施例１、２のセラミックス材料を用いた固定冶具では、ワッシャー、ボルト、ナットの少なくとも１種をセラミックス材料に置き換えれば、１００，０００時間(約１１．５年)脱落しないことが確認された。また、ＳＵＳ３１０Ｓ製の金属製チャンネルだけのブランクの固定冶具の場合、ワッシャーとボルト、もしくはワッシャー、ボルト、ナットの全３種をセラミックス材料に置き換えれば、１００，０００時間脱落しないことが確認された。
なお、ナットだけでも耐熱セラミックス化すれば、１０，０００時間脱落が抑えられていたことから、棒状の補強材による補強をしていない金属製チャンネルでもセラミックス製のワッシャー、ボルト、ナットによる脱落防止効果を確認することができた。
【符号の説明】
【００６９】
１０：セラミックファイバーブロック、１１：炉殻、１２：セラミックファイバーブランケット、１３：金属製チャンネル、１４：ボルト、１５：ナット、１６：ボックスレンチ、１７：ワッシャー、１８：クリップ、１９：棒状の補強材、２１：二股タブ、２２：スリット、２３、２６：ボルト孔、２４：幅方向端部、２５：重石、２７：センター軸
【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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