(57)【要約】【課題】マイクロ波の照射によって炭素を有するバインダーで成形された耐火物を加熱するにあたり、従来よりも効率よく加熱する。【解決手段】熱処理炉本体３内の通気性のある断熱ボックス２内に、炭素含有耐火物２１が収容され、炭素含有耐火物２１と断熱ボックス２との間の空間には、断熱材料粉末４が充填される。マイクロ波発振機１１からのマイクロ波を断熱ボックス２に照射すると、炭素含有耐火物２１は発熱して加熱処理される。加熱によって炭素含有耐火物２１から放出された炭素を含む揮発成分は、断熱材料粉末４にカーボンとなって付着するが、マイクロ波のエネルギーを吸収して発熱、燃焼して除去される。【選択図】  図１
2008266097.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素を含有するバインダーで成形された炭素含有耐火物を熱処理する方法であって、
通気性を有する断熱材によって構成された処理容器内に断熱材料粉末を充填し、この断熱材料粉末内に前記炭素含有耐火物を配置した状態で、前記処理容器に対してマイクロ波を照射することを特徴とする、炭素含有耐火物の熱処理方法。
【請求項２】
前記断熱材は、ＳｉＯ２質、ムライト質、アルミナ質、マグネシア質またはスピネル質が主要組成である断熱材であることを特徴とする、請求項１に記載の炭素含有耐火物の熱処理方法。
【請求項３】
前記断熱材料粉末は、粒径が３ｍｍ以下であり、かつ石英ガラス粉末、川砂、珪石、珪石煉瓦使用後屑粉砕品、マグネシア粉末、Ｓｉ３Ｎ４粉末、またはｈ−ＢＮ粉末から選択される１種以上のものを、９５質量％以上有するものであることを特徴とする、請求項１または２に記載の炭素含有耐火物の熱処理方法。
【請求項４】
前記断熱材料粉末に、カーボン粉末、黒鉛粉末、活性炭粉末、ＳｉＣ粉末、ＺｒＢ２粉末又はＴｉＣ粉末から選択される１種以上の粉末からなるマイクロ波吸収能力を有するサセプター粉末が、５質量％以下の割合で混合されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の炭素含有耐火物の熱処理方法。
【請求項５】
炭素を含有するバインダーで成形された炭素含有耐火物を熱処理する熱処理炉であって、
通気性を有する断熱材によって構成された処理容器と、
前記処理容器内に充填された断熱材料粉末と、
前記処理容器を収容する熱処理炉本体と、
前記熱処理炉本体内の処理容器に対してマイクロ波を照射するマイクロ波照射装置と、
を有することを特徴とする、炭素含有耐火物用の熱処理炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、現在製鋼分野で主に用いられている、不焼成耐火物である混銑車用Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＣ−Ｃ煉瓦、転炉等で用いられているＭｇＯ−Ｃ煉瓦、さらには焼成品である連続鋳造用Ａｌ２Ｏ３−Ｃ質のノズル、ＳＮプレート等、炭素を含有するバインダーで成形された炭素含有耐火物の熱処理方法、及びその装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
炭素を含有するバインダー、たとえば有機バインダーで成形された耐火物は通常、次のように製造される。まず、マグネシア、ジルコニア、アルミナ、スピネルなどの耐火物原料及び鱗状黒鉛、粉末ピッチ、カーボンブラックなどの粉末炭素原料に炭素を含有している有機バインダーを加える。この炭素含有有機バインダーとしては、フェノール樹脂や液状ピッチ、タールなどが使用される。これらをニーダーなどで混錬し、混錬物は、一軸オイルプレス、フリクションプレス、または等方加圧成形される。製造された圧粉体は、有機バインダーを硬化するための硬化工程として、１５０℃〜３００℃で熱処理され、製品としての不焼成耐火物となる。またさらにこの不焼成耐火物を６００℃以上にまで加熱処理して、有機バインダーからの揮発分を除去する炭化工程が行なわれた後、焼成耐火物製品となる。
【０００３】
前記した硬化工程では、従来一般的に、バーナーなどを用いる雰囲気加熱方式が一般的であった。また６００℃以上の加熱処理による炭化工程では、トンネル窯、リードハンマー炉等の同じくバーナーを用いた雰囲気加熱方式が採用されていた。しかしながらこのように外部から加熱する方法では、昇降温中の焼成物外部と内部との温度差が大きくなり、耐火物に亀裂が生ずるおそれがあり、特に大型の耐火物では、その危険性が大きかった。
【０００４】
これを改善するため、そのようないわゆる外部加熱方式に対して、マイクロ波を利用した焼成方法が知られている。すなわち特許文献1には、炭素を含有する有機バインダーを他の装置で別途硬化焼成処理を行い、この硬化焼成を経た耐火物で、少なくとも１０質量％以上の炭素を含有する耐火物に対して、５０Ｗ〜１００ｋＷのマイクロ波を照射し、これによって少なくとも耐火物を５００℃以上に加熱して含有樹脂分を炭化させ、カーボンボンドを生成する技術が開示されている。
しかしながらこの方法では、ファンによってオーブン内の雰囲気を強制排気しているため耐火物表面からの抜熱が大きく、目標温度である６００℃に焼成するには、膨大なマイクロ波を照射する必要があった。
【０００５】
また特許文献２には、特許文献１と同様に、炭素を含有する有機バインダーの硬化焼成を経た後の耐火物を用い、断熱材の囲いの中に耐火物を設置し、この囲いの中に、窒素ガスなどの不活性ガスを導入、排出させる条件下で、耐火物重量１ｋｇ当たり０．２ｋＷ〜２ｋＷのマイクロ波を照射し、６５０℃〜１５００℃に加熱することで、耐火物に含有された有機バインダーを分解して炭化させ、カーボンボンドを生成する焼成方法が提案されている。
しかしながらこの場合では、焼成処理用に別途不活性ガスを用いる必要があり、またそれに伴うガス供給装置、排出装置等の付帯設備も必要となる。さらにはガスの流入・排出により、耐火物は常時低温のガス雰囲気に晒される事から、その分加熱用に投入したマイクロ波エネルギーがロスし、所定の焼成温度にまで加熱するには多量のマイクロ波を照射する必要があった。
【０００６】
【特許文献１】特開平７−１０１７７９号公報
【特許文献２】特開２０００−２７２９７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前記した従来技術において、マイクロ波のエネルギー効率が低いのはいずれもオーブン内を強制排気したり、断熱材の囲いの内部に対して不活性ガスの流入、排出を行っているためである。これは、そのように強制排気したり、不活性ガスの流入、排出を行わないと、炭素を含有する有機バインダーであるフェノール樹脂、ピッチ、タールから、６００℃以上に加熱されたときに生成する揮発分が耐火物から放出されて、オーブンや囲いを構成する壁面にカーボンとして炭化付着してしまい、その結果壁面全体がマイクロ波エネルギーを吸収するようになり、耐火物にマイクロ波のエネルギーが照射されなくなって高温まで昇温することができなくなるからである。
【０００８】
発明者らの知見によれば、そのように強制排気や不活性ガスの流入、排出を行っても、耐火物から放出される炭素の量が多いため、オーブンや囲いを構成する壁面に当該放出炭素によるカーボンの付着を完全には防止できず、依然としてこれら壁面に付着したカーボンによってマイクロ波が吸収されている。このこともマイクロ波のエネルギー効率の低下の原因であると考えられる。
【０００９】
また前記した従来技術では炭素を含むバインダーの硬化焼成と、炭化処理とは別の装置で行っており、その結果、硬化焼成と炭化焼成とを別々に行わなければならなかった。そのため各々の専用の加熱装置をそれぞれ用意したり、最終製品化までに時間を要するという点もあった。
【００１０】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、マイクロ波の照射によって炭素を含有するバインダーで成形された耐火物を加熱するにあたり、従来よりも効率よく加熱でき、しかもバインダーの硬化処理、炭化処理を連続して行うことを可能にして、前記問題の解決を図ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的を達成するため、発明者らは炭素を含有するバインダーで成形された炭素含有耐火物を、マイクロ波によって熱処理する方法について鋭意研究を行い以下の知見を得た。
（１）炭素を含有するバインダーから発生する炭素を含む揮発成分は、基本的に高温大気中では燃焼し、除去できる。
（２）炭素を含有するバインダーで成形された炭素含有耐火物に対して、９００ＭＨｚ〜２．４５ＧＨｚのマイクロ波を照射すると、バインダーの硬化処理を経ていなくとも、マイクロ波で耐火物は温度上昇し、高温まで連続して熱処理できる。
【００１２】
そこで発明者らは上記の知見を基に以下のような発明を提案する。
すなわち、本発明は、炭素を含有するバインダーで成形された炭素含有耐火物を熱処理する方法であって、通気性を有する断熱材によって構成された処理容器内に断熱材料粉末を充填し、この断熱材料粉末内に前記炭素含有耐火物を配置した状態で、前記処理容器に対してマイクロ波を照射することを特徴としている。
【００１３】
本発明においては、マイクロ波を照射すると、マイクロ波を吸収して発熱した際に放出される揮発分は、耐火物を直接覆っている断熱材料粉末の表面に付着する。かかる場合、処理容器内に充填されている当該断熱材料粉末の総表面積はきわめて大きいので、耐火物から放出される揮発成分が多量であっても、これらは悉く断熱材料粉末の表面にカーボンが付着する。そうすると、処理容器に照射されたマイクロ波は、これら断熱材料粉末の表面に付着したカーボンに吸収される。処理容器自体は、通気性のある断熱材によって構成されているから、処理容器周辺の大気中の酸素は容易に断熱材料粉末内に進入し、断熱材料粉末は酸化雰囲気にある。したがって、断熱材料粉末の表面に付着したカーボンがマイクロ波のエネルギーによって発熱すると、当該酸化雰囲気の中で燃焼し、付着したカーボンはＣＯ２となって、処理容器を構成する断熱材を通過して処理容器外に排出される。したがって断熱材料粉末の表面に付着したカーボンはこのような燃焼によって除去されるのである。
【００１４】
かかる反応過程を通じ、本発明によれば以下の作用効果が得られる。
まず耐火物外面は断熱材料粉末によって直接覆われているから、耐火物中の炭素がマイクロ波の吸収によって発熱した際の、熱の外部への伝導が少なく、効率よく耐火物を加熱することができる。したがってまずかかる点からして、同じ出力のマイクロ波の照射であっても、従来よりも短時間に耐火物の熱処理が可能である。
【００１５】
耐火物から放出された炭素を含む揮発成分は、処理容器自体に達する前に、前記したように耐火物を覆っている断熱材料粉末にカーボンが付着するので、処理容器に照射されたマイクロ波は、従来のように処理容器自体に吸収されることなく、処理容器の内部にまで侵入し、断熱材料粉末に付着したカーボンが当該進入したマイクロ波を吸収して発熱する。したがってこのときの発熱によって、耐火物を外側からも加熱することができる。またかかる観点からすると、耐火物からたとえ多量の炭素が放出されても、耐火物を直接に覆っている断熱材料粉末でこれらを直ちにトラップすることができるから、たとえば加熱時により多量に炭素を放出する、有機バインダーの硬化熱処理もそのまま実施することができる。
もちろん従来のように不活性ガスを供給する必要はないので、そのための専用の付帯設備も不要である。
【００１６】
前記断熱材は、ＳｉＯ２質、ムライト質、アルミナ質、マグネシア質またはスピネル質が主要組成である断熱材であることが好ましい。ここで主要組成というのは、断熱材中における、これらＳｉＯ２質、ムライト質、アルミナ質、マグネシア質またはスピネル質の割合が８０質量％以上のことをいう。
【００１７】
断熱材料粉末は、その粒径が３ｍｍ以下であり、かつ石英ガラス粉末、川砂、珪石、珪石煉瓦の使用後屑粉砕品、マグネシア粉末、Ｓｉ３Ｎ４粉末、またはｈ−ＢＮ粉末から選択される１種以上を、９５質量％以上有するものであることが好ましい。
【００１８】
さらに処理容器中に充填される前記断熱材料粉末に、カーボン粉末、黒鉛粉末、活性炭粉末、ＳｉＣ粉末、ＺｒＢ２粉末又はＴｉＣ粉末から選択される１種以上の粉末からなるマイクロ波吸収能力を有するサセプター粉末を、５質量％以下の割合で混合してもよい。サセプター粉末の混合割合が５質量％を超えると、この断熱材料粉末からの外部加熱が過多となり、マイクロ波加熱の特徴である炭素含有耐火物の内部加熱となりにくいため、サセプター粉末の混合割合は５質量％以下が好ましい。このように前記断熱材料粉末中に積極的にマイクロ波吸収能力を有するサセプター粉末を添加することで、さらにこのサセプター粉末自体の発熱によって、耐火物を外側から加熱することができ、マイクロ波のエネルギーをきわめて効率よく耐火物の加熱に投入することができる。
【００１９】
別な観点によれば、本発明は炭素を含有するバインダーで成形された炭素含有耐火物を熱処理する熱処理炉であって、通気性を有する断熱材によって構成された処理容器と、前記処理容器内に充填された断熱材料粉末と、前記処理容器を収容する熱処理炉本体と、前記熱処理炉本体内の処理容器に対してマイクロ波を照射するマイクロ波照射装置と、を有している。かかる構成を有する本発明の熱処理炉によれば、前記した本発明の炭素含有耐火物の熱処理方法を適切に実施することが可能である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、炭素を有するバインダーで成形された耐火物をマイクロ波の照射によって加熱する際に、従来よりも効率よく加熱でき、しかもバインダーの硬化処理、炭化処理を連続して行うことが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明の好ましい実施の形態について説明すると、図１は、実施の形態にかかる熱処理炉１の構成を模式的に示しており、処理容器としての断熱ボックス２は、電磁波シールドライン、金網、鎖などを用いてマイクロ波漏洩防止処理が施された熱処理炉本体３内に設けられている。断熱ボックス２は、たとえば、ＳｉＯ２質、ムライト質、アルミナ質、マグネシア質またはスピネル質等を主要組成とする断熱ボードによって６面が構成された箱型形状を有している。そしてこの断熱ボックス２内には、断熱材料粉末４が充填されている。断熱材料粉末４は、粒径が３ｍｍ以下であり、かつ石英ガラス粉末、川砂、珪石、珪石煉瓦の使用後屑粉砕品、マグネシア粉末、Ｓｉ３Ｎ４粉末、またはｈ−ＢＮ粉末から選択される１種以上のものを９５質量％以上有するものが用いられている。
【００２２】
熱処理炉本体３内の断熱ボックス２に対しては、マイクロ波発振機１１からのマイクロ波が照射されるようになっている。より詳述すると、マイクロ波発振機１１は、例えば周波数が２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発振するように構成されており、マイクロ波発振機１１から発振されたマイクロ波は、出射、反射のマイクロ波の出力を監視するパワーモニター１３、マイクロ波を断熱ボックス２へと導入させるための導波管１４とのインピーダンス調整を行なうチューナー１５、そして前記導波管１４を経て、熱処理炉本体３内の断熱ボックス２に対して照射される。なおマイクロ波発振機１１から発振されるマイクロ波の周波数９１５ＭＨｚであってもよく、また２．４５ＧＨｚと９１５ＭＨｚの両方の周波数を用いてもよい。
【００２３】
かかる構成を有する熱処理炉１を用いて炭素含有耐火物２１を加熱処理するには、断熱ボックス２内の断熱材料粉末４内に炭素含有耐火物２１を埋没させ、その後はマイクロ波発振機１１からのマイクロ波を、断熱ボックス２に照射すればよい。
【００２４】
それによって、効率よく炭素含有耐火物２１を加熱することができる。すなわち、炭素含有耐火物２１の全面は断熱材料粉末４によって直接覆われているから、かかる点だけをとってみても、まず従来よりも加熱効率は向上している。しかもマイクロ波の照射に伴う加熱によって炭素含有耐火物２１から放出された炭素を含む揮発成分は、断熱材料粉末４にカーボンとして付着し、ここでマイクロ波のエネルギーを吸収して発熱し、また断熱ボックス２内に進入してくる酸素と反応し、燃焼する。その結果、炭素含有耐火物２１を内部からだけではなく外部からも加熱することができる。一方燃焼した後は、前記ＣＯ２となって、そのまま断熱ボックス２を透過して外部へと排出されるので、付着したカーボンは除去される。したがって炭素含有耐火物２１に対するマイクロ波エネルギーの投入効率は良好であり、また次の炭素含有耐火物２１の加熱処理も好適に実施できる。もちろん従来のように不活性ガスを供給する必要はないので、そのための専用の付帯設備も不要である。
【実施例１】
【００２５】
図１の熱処理炉１を用いて、１１０×６０×４２ｍｍに成形した炭素（鱗状黒鉛が５質量％、ＭｇＯが９３質量％、Ａｌが１質量％）を含有する有機バインダーで成形された炭素含有耐火物２１を加熱処理した。そして断熱ボックス２としては主成分がアルミナである断熱ボード（商品名：デンカ  アルセンボード  ＢＤ１６００）を用い、さらにこの断熱ボックス２と炭素含有耐火物２１との間に、粒径３ｍｍ以下の川砂を充填し、２．４５ＧＨｚマイクロ波で熱処理を実施した。温度は炭素含有耐火物２１の中央に設置した熱電対によって測定した。この結果を図２に示す。図２は、マイクロ波の照射時間の経過に伴う、サンプルである炭素含有耐火物２１の温度変化（℃）、マイクロ波出力（入射：ｋＷ）を示している。
【００２６】
この結果からわかるように、炭素含有耐火物２１に対して、マイクロ波出力８００Ｗ以下で１０００℃まで熱処理できることを確認した。
【実施例２】
【００２７】
実施例１と同様の状態で、カーボンブラックを２質量％含有する川砂を、断熱ボックス２と炭素含有耐火物２１との間に充填して同様の試験を実施した。この結果を図３に示す。
【００２８】
この結果からわかるように、炭素含有耐火物２１に対しては、実施例１よりさらに低いマイクロ波出力で、かつ短時間で１０００℃まで熱処理できることを確認した。
【００２９】
さらにカーボンブラックを８質量％含有した川砂で、実施例と同様にマイクロ波照射を実施したが、図４に示したように、炭素含有耐火物２１の温度が１０００℃にまで上昇するためには、１．５ｋＷ出力で１０時間以上照射しなければならず、実施例１にくらべると、エネルギーロスとなった。
【００３０】
［比較例］
図１に記載の断熱ボックス２、断熱材料粉末４を取り除いた状態で、試料となる炭素含有耐火物２１を設置し、１．５ｋＷ出力で１０時間、マイクロ波照射を実施しても、図５に示したように、炭素含有耐火物の温度が４６０℃までしか上昇せず、炭化焼成まではできなかった。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】実施の形態にかかる熱処理炉の構成を模式的に示した説明図である。
【図２】実施例１におけるマイクロ波の照射時間に経過に伴う炭素含有耐火物の温度変化とマイクロ波の出力を示すグラフである。
【図３】実施例２におけるマイクロ波の照射時間に経過に伴う炭素含有耐火物の温度変化とマイクロ波の出力を示すグラフである。
【図４】カーボンブラックを８質量％含有した川砂を断熱材料粉末に用いた場合のマイクロ波の照射時間に経過に伴う炭素含有耐火物の温度変化とマイクロ波の出力を示すグラフである。
【図５】断熱ボックスと断熱材料粉末を用いなかった場合のマイクロ波の照射時間に経過に伴う炭素含有耐火物の温度変化とマイクロ波の出力を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３２】
１    熱処理炉
２    断熱ボックス
３    熱処理炉本体
４    断熱材料粉末
１１    マイクロ波発振機
１３    パワーモニター
１４    導波管
１５    チューナー
２１    炭素含有耐火物
【図１】
2008266097.tif 000003
【図２】
2008266097.tif 000004
【図３】
2008266097.tif 000005
【図４】
2008266097.tif 000006
【図５】
2008266097.tif 000007