(57)【要約】【課題】  混練時の撹拌抵抗が小さく、均一な分散性が得られる強化向上効果の高い金属短繊維、その製造方法、及びこの金属短繊維で強化した不定形耐火物を提供する。【解決手段】  不定形耐火物に混錬される金属短繊維であって、厚さが０．２ｍｍ未満、長さが５〜４０ｍｍ、軸方向に垂直な断面の扁平比が５以上、かつ軸方向に捻れを有する。また、この金属短繊維を、好適にはフライス切削により製造するものである。また、この金属短繊維を０．５〜１０重量％添加した金属短繊維強化不定形耐火物である。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
不定形耐火物に混錬される金属短繊維であって、厚さが０．２ｍｍ未満、長さが５〜４０ｍｍ、軸方向に垂直な断面の扁平比が５以上、かつ軸方向に捻れを有することを特徴とする不定形耐火物強化用金属短繊維。
【請求項２】
前記軸方向の捻れが９０゜以上であることを特徴とする請求項１に記載の不定形耐火物強化用金属短繊維。
【請求項３】
金属短繊維がステンレス鋼からなることを特徴とする請求項１または２に記載の不定形耐火物強化用金属短繊維。
【請求項４】
金属材料をサイドカッター或いはエンドミルで切削することにより請求項１〜３のいずれか１つに記載の不定形耐火物強化用金属短繊維とすることを特徴とする不定形耐火物強化用金属短繊維の製造方法。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の不定形耐火物強化用金属短繊維を、不定形耐火物に重量比率で０．５〜１０％混合したことを特徴とする金属短繊維強化不定形耐火物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶融金属容器、溶融金属処理炉、セメントキルン、焼却炉等に使用される不定形耐火物の耐熱スポーリング性、耐衝撃性、耐剥離性などを強化、向上させるために混合される金属繊維に関し、さらにその製造方法およびこの金属繊維を混合した金属繊維強化不定形耐火物に関する。
【背景技術】
【０００２】
建築や構造物用のコンクリートや、工業用窯炉の炉壁、溶融金属容器のライニングに用いる不定形耐火物などを強化するため、これに金属繊維を混合した材料が、繊維強化コンクリート或いは繊維強化セラミックスなどとして広く使用されており、
例えば、ライニング用の不定形耐火物では、繊維を添加することによって材料強度の向上や靱性の付与を図り、使用中の熱的スポーリングや機械的スポーリングによって生じる亀裂の伸展を防ぐ、すなわち、耐熱スポーリング性、耐衝撃性、耐剥離性などを強化、向上させる、様々な技術が提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、不定形耐火物中にファイバーを均一に分散させるために、長さが20〜35mm、断面積が0.07〜0.5mm2の金属ファイバーを特定量添加した金属ファイバー添加不定形耐火物が、特許文献２には、キャスタブル中のファイバーの数を増やすために線径を0.2〜0.3mmと小さくした金属ファイバーを添加し、粒径1mm以上のSiC原料を特定量含有し、残部がアルミナ系耐火物と高アルミナセメントとからなる高炉吹付け補修用キャスタブルが提案されている。
【０００４】
また、特許文献３には、断面最大径が0.2〜1.5mm、長さが20〜50mmの金属ファイバーＩと、断面最大径が0.2〜1.5mm、長さが10〜20mmの金属ファイバーＡと長さが1〜10mmの金属ファイバーＢとをそれぞれ特定の比率で添加して強化した金属ファイバー強化不定形耐火物が提案され、長さの異なる金属ファイバーを特定比率で混合することにより、作業性を維持しつつ靭性を向上させ、使用時の亀裂、剥離の防止に優れた不定形耐火物とすることが開示されている。
【０００５】
また、混錬方法として、特許文献４には、耐火骨材と結合材を混練してスラリーとし、これに、例えばステンレスファイバー(直径1mm、長さ20mm)などの耐熱性ファイバーを添加し、陰イオン性の起泡性を有する界面活性剤を特定量添加する断熱性ファイバー含有不定形耐火物の混練方法が開示されている。
【０００６】
一方、これらの不定形耐火物やコンクリートの混合される金属繊維（金属ファイバー）については、添加、混合時に不定形耐火物やコンクリート中での分散性や付着性に優れたものとするための開発がなされ、例えば、特許文献５には、鋼製の線または扁平帯からなる補強繊維であって、直線状の中央部、かぎ状の終端部、中央部から終端部に至る移行部とからなり、移行部を2つの波として伸びたS字状とした補強繊維が提案されている。この補強繊維は押し型により製造することも開示されており、変形部分がゆるやかで、角張った移行部がないので、混入がスムーズな補強繊維であるとされている。
【０００７】
また、特許文献６には、繊維の軸方向に直角な断面の形状が、中心部と翼部を有し、中心部の幅と翼部の幅とを特定範囲とし、かつ軸方向にも幅広部と幅狭部とを特定ピッチで配した金属短繊維材が開示されており、金属短繊維材の断面に異形状を形成することにより、コンクリートの混練時の分散性、コンクリートとの付着性のよいものとすることが提案されている。
【０００８】
また、補強繊維の製造技術に関しては、例えば、特許文献７に、金属線材を長さ方向を搬送方向に直交した横向き状態で搬送し、波型ローラーなどで所定の加工を施すコンクリート補強用金属繊維の製造方法及びその装置が提案されている。
【０００９】
非特許文献１には、コンクリート補強用の金属短繊維の製造法が報告されており、金属短繊維を切削により製造することが紹介されている。この切削によって製造された金属短繊維は、コンクリートとの混練に際してファイバーボールが生じ難く補強効果も良好であることが記載されている。
【００１０】
【特許文献１】特開平11-157948号公報
【特許文献２】特開平7-267744号公報
【特許文献３】特開平8-268767号公報
【特許文献４】特開平11-292641号公報
【特許文献５】特開平6-192927号公報
【特許文献６】特開平5-141043号公報
【特許文献７】特開2003-2707号公報
【非特許文献１】中川、「切削による金属短繊維製造法の開発−その開発の経過−」生産研究  １９９０．８  第４２巻、第８号、ｐ４５３−４５８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、従来の金属短繊維は、金属線を切断するワイヤカット法や金属薄板を薄片に切り刻む剪断法によって製造されたものが主流であり、特許文献１〜４に示された技術においても、耐火物或いはコンクリートに混合した際、繊維が硬く、折れやすいため、繊維の折れ込みや、絡み合いが生じやすく、十分に均一な分散性は得られず、混合により得られた物の流動性が損なわれる。このため強化効率を上げることや混入率を増やすことも困難であり、繊維強化にも限界がある。また、特許文献５、６に示された金属繊維は、従来のものと比べて付着性は改善されるものの、その改善代は十分とはいえない。また、その製造のためには成形型などが必要であり、製造コストが高くなることが考えられる。
【００１２】
また、非特許文献１には、切削による金属短繊維の製造法が開示されているが、不定形耐火物強化用としての最適な金属短繊維の性状、およびその使用方法については具体的に示されていない。本発明は、このような問題点を解決し、不定形耐火物に金属短繊維を混練して強化するに際して、短繊維の絡みが少なく均一な分散性が得られ、また、混錬時の撹拌抵抗が小さく、また混合物の流動性を損なわず、従って、体積混入率が上げられ、強化向上効果の高い金属繊維を低コストで提供することを課題とし、また、その金属繊維を製造方法、およびこの金属繊維で強化した耐衝撃特性、耐熱スポーリング性に優れた不定形耐火物を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
（１）不定形耐火物に混錬される金属短繊維であって、厚さが０．２ｍｍ未満、長さが５〜４０ｍｍ、軸方向に垂直な断面の扁平比が５以上、かつ軸方向に捻れを有することを特徴とする不定形耐火物強化用金属短繊維。
（２）前記軸方向の捻れが９０゜以上であることを特徴とする（１）に記載の不定形耐火物強化用金属短繊維。
（３）金属短繊維がステンレス鋼からなることを特徴とする（１）または（２）に記載の不定形耐火物強化用金属短繊維。
（４）金属材料をサイドカッター或いはエンドミルで切削することにより（１）〜（３）のいずれか１つに記載の不定形耐火物強化用金属短繊維とすることを特徴とする不定形耐火物強化用金属短繊維の製造方法。
（５）（１）〜（３）のいずれか１項に記載の不定形耐火物強化用金属短繊維を、不定形耐火物に重量比率で０．５〜１０％混合したことを特徴とする金属短繊維強化不定形耐火物。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の金属短繊維は、扁平であってかつ、捩れを有しており、柔軟性に富んで折れにくい特性をもっている。また、切削によって好適に製造された金属短繊維は、その表裏に粗面と光沢面とをもっており互いに滑りやすい特性がある。このため、不定形耐火物に混練した際には、折れたり、繊維同士が絡んだりしてファイバーボールが形成されにくく、均一かつ迅速な混練が可能である。
【００１５】
また、金属繊維の捩れや、粗面によるフック効果によって、不定形耐火物との接触がよく、金属短繊維の間に不定形耐火物が十分に充填される。
【００１６】
また、加工度の低い素材から扁平な繊維を製造できるため、安価に繊維１本当りの比表面積が大きい繊維を供給できる。このため、同じ添加率では、強度向上効果が大きく、また、混入率を上げることができる。従って、金属繊維強化の設計範囲が広くなり、極めて有利である。
【００１７】
また、本発明の金属短繊維を混入した不定形耐火物は、流動性が損なわれないので、流入時の施工性は良好で、またホース或いは配管内の輸送においても定量供給が安定して行なえるので、流し込みや吹付の施工体の品質を安定させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
発明者らは、切削工具を用い、切削条件を種々に変えて炭素鋼、ステンレス鋼などの金属材料を切削し、各種の金属短繊維を製作した。図1は、本発明の金属短繊維の各種の形状を示す模式図であり、図2は、本発明の金属短繊維の形状を説明する模式図で（ａ）は正面図、（ｂ）は上面図である。
【００１９】
製作した金属短繊維の形状を測定すると共に、この金属短繊維を不定形耐火物に添加、混練し、混練状況を確認した。また、得られた金属繊維強化不定形耐火物の機械的性質を評価した。
【００２０】
その結果、以下の形状を有する金属短繊維が、好適であることを知見した。すなわち、金属繊維は、厚さが０．２ｍｍ未満、長さが５〜４０ｍｍ、軸方向に垂直な断面の扁平比ａ／ｂが５以上であり、軸方向に捩れを有するものである。
【００２１】
厚さが０．２ｍｍ以上となると、繊維の強度が高くなりすぎ、混練時の抵抗が大きくなって混練に時間を要するようになるので、厚さは０．２ｍｍ未満とする。下限は特に限定しないがと、あまり薄くしすぎると金属繊維の混練による不定形耐火物の強化効率が小さくなるので０．０５ｍｍ以上とすることが好ましい。また、繊維の長さが、４０ｍｍを超えるとファイバーボールが形成されやすくなり、また、５ｍｍ未満では、金属繊維の混練による不定形耐火物の強化効率が小さくなるので、繊維の長さは、５ｍｍ以上、４０ｍｍ以下とする。好ましくは、１５〜３０ｍｍである。
【００２２】
また、図２（ｂ）に示すように、繊維の軸方向に垂直な断面における長辺と短辺の比（ａ／ｂ）で表す扁平比は、5以上とする。扁平比が5未満であると、繊維の変形能が小さくなり、混練時にファイバーボールが形成されやすく、均一に混練しにくくなるからである。また、扁平比が小さくなると、重量当りの比表面積が小さくなり、優れた付着特性を生かせなくなり、本形状を特徴とする補強効果を活用し難くなるからである。扁平比の上限は、特に限定しないが、大きくなりすぎると繊維の製造が困難になるばかりか、繊維に後述する捩れを付与しにくくなるので、４０以下とすることが好ましい。
【００２３】
さらに、本発明の繊維は、図２（ａ），（ｂ）に示すように、軸方向に捩れを有している。この捩れは、繊維の軸方向に垂直な面で見たときに、繊維の下端に対して上端が角度（捩れ角θ）を有していることを意味する。捩れ角θは、９０°以上とすることが好ましく、さらに好ましくは９０°以上１８０°以下である。軸方向に捩れを有することによってフック効果が生じ、繊維の間に不定形耐火物が十分に充填されるので、同じ混入率でも、従来に比べて、強化効率を向上させることができる。
【００２４】
なお、捩れは1回以上の回転を伴ってもよいが、捩れ回数が多くなると、捩れによって内側に形成された空間部へ不定形耐火物が充填されにくくなるので、捩れ数は１〜２回以下にすることが好ましい。
【００２５】
本発明の短繊維は、通常、強化繊維として使用される金属材料、例えば、炭素鋼、耐熱鋼、ステンレス鋼などを使用することができるが、金属繊維強化不定形耐火物が使用される対象は、高温で使用されることが多いため、耐熱性を有する金属材料、すなわち耐熱鋼或いはステンレス鋼の短繊維であることが好ましい。
【００２６】
さらに、本発明の形状の金属短繊維を得るには、その製造性を勘案してステンレス鋼とすることがさらに好ましい。
【００２７】
本発明の金属短繊維の製造方法は、上述の形状が得られるものであれば、特に限定するものではないが、金属材料をフライス切削して製造することが好ましい。
【００２８】
図3は、金属材料MをフライスカッターFにより切削する原理を説明した模式図であるが、金属材料に対して、切り込み量ｔ、刃当り送り量ｓを、適切に選択することにより扁平断面でかつ、捩れを有する短繊維を製造することができる。フライス切削により製造した金属短繊維は、切削時において切削刃のすくい面に接触していた表面粗度の小さい光沢面と、すくい面に接触していない表面粗度の比較的大きな粗面を表裏にもつことになる。この金属短繊維を不定形耐火物に混練した際、粗面側では不定形耐火物とのなじみがより良好となり、一方、光沢面側では他の金属短繊維とのすべりがよくなるため、ファイバーボールが形成され難く、均一な混合を図る上でさらに有利である。また、フライス切削により製造された金属短繊維には、捩れが付与されると共に、捩れ回数が多くならないという利点がある。このようなことから、添加量を増やしても混練上の障害となることが少ないので、従来よりも添加量をふやすことができ、配合による強化範囲を広げることが可能となる。
【００２９】
なお、フライス切削装置としては、通常の装置を使用することができるが、サイドカッター（側刃フライス）、或いはエンドミルを使用することが好ましい。
【００３０】
このような形式のフライス切削とする理由は、繊維の長さを刃の幅で制御できること、繊維の断面形状も切削条件により制御しやすいことにある。
【００３１】
次に、本発明の金属短繊維を使用した不定形耐火物について説明する。
【００３２】
本発明の金属短繊維強化不定形耐火物は、不定形耐火物に、厚さが０．２ｍｍ未満、長さが５〜４０ｍｍ、軸方向に垂直な断面の扁平比ａ／ｂが５以上であり、軸方向に捩れを有する本発明の金属短繊維を、重量比率で０．５〜１０％添加したものである。なお、添加量は、金属短繊維および気孔を含む乾燥後の不定形耐火物全体に対する内掛けの値の意味である。
【００３３】
添加量が０．５％未満では、曲げ強度を代表とする機械的特性の強化効果が十分ではなく、また、１０％を超えて添加しても混練作業性や強化効率が劣るので、０．５〜１０％とする。好ましくは、１〜６％である。
【００３４】
不定形耐火物は、耐火性の骨材及び、必要により、結合剤、流動性助材或いは、分散剤などの添加物により構成される。不定形耐火物を構成する骨材としては、溶融金属容器、溶融金属処理炉、セメントキルン、焼却炉等に使用される耐火性材料として適切な材料であればいずれのものであってもよく、例えば、電融または焼結アルミナ、仮焼アルミナ、ボーキサイト、電融または合成ムライト、シリマナイト、アンダリューサイト、カイヤナイト、バン土頁岩、シャモット、ロー石、粘土、珪石、溶融シリカ、電融又は焼結マグネシア、電融又は焼結スピネル、電融又は焼結ジルコニア、ジルコン、クロム鉱、電融又は焼結マグネシア−ライム、電融ジルコニア−ムライト、電融アルミナ−ジルコニア、チタニア、炭化珪素、窒化珪素、および、天然又は人造黒鉛、石油コークス、ピッチコークス、カーボンブラック、ピッチなどの無定形炭素などが挙げられ、これらの1種又は2種以上を使用することができる。
【００３５】
結合材としては、例えば、アルミナセメント等のセメント、マグネシア−シリカ系水硬性組成物、水硬性遷移アルミナ、珪酸アルカリ、燐酸塩、粘土、コロイド粒子などの1種又は2種以上を使用することができる。
【００３６】
流動性助剤としては、例えば、仮焼アルミナ、珪酸質微粒子（蒸発シリカ、無定形珪酸、シリカゾルなど）、チタニア、カーボンブラックなどの粒径１０μｍ以下の超微粒子の1種又は2種以上を使用することができる。
【００３７】
分散剤としては、例えば、不定形耐火材料に通常使用されているものを使用できる。例えば、縮合燐酸、ポリアクリル酸、ポリカルボン酸、ホスホン酸、フミン酸、アルキルスルホン酸など、或いはそれらの塩類の1種又は2種以上を使用することができる。ホウ酸、炭酸リチウムなどの硬化調整剤、有機繊維などの爆裂防止剤、乳酸アルミニウムなどの薬品を使用することもさしつかえない。さらには、アルミナ、ムライト等の大粗粒を使用することも可能である。また、必要であれば、従来からある金属短繊維と併用することも可能であるが、本発明の有効性は、混合比により影響を受けることになるので注意が必要である。
【００３８】
なお、不定形耐火物は、上記の例に限ることなく、公知の不定形耐火物を使用できることは言うまでもない。
【００３９】
本発明の金属短繊維強化不定形耐火物は、上記のような不定形耐火材料と金属短繊維を所定量配合し、ミキサー等により混練することにより、ファイバーボールを形成することなく均一に混練することによって得ることができる。
【実施例】
【００４０】
実施例1
本発明の金属短繊維の形状と混練性について確認を行なった。エンドミルまたは、サイドカッターを使用し、切り込み量、刃当り送り量などを変えて、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）を切削し、種々の形状の金属短繊維を作成した。得られた金属短繊維の形状（厚さ、長さ、幅、扁平度、捩れ回転角度）を確認した。その結果を表１に示す。なお、表１中の形状に関する数値は、繊維１０本の平均値である。
【００４１】
また、この金属短繊維を不定形耐火物に、添加量を２重量％と一定として一括添加し、ミキサーで３分間混練し、混練後のファイバーボールの形成の有無の状況により混練性を評価した。
【００４２】
なお、金属短繊維の混練性の評価に用いた耐火性材料はスピネルを２０重量％配合したアルミナスピネル質キャスタブルを用いた。
【００４３】
【表１】
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【００４４】
表１から判るように、厚さ、長さ、幅、扁平度および捩れが本発明の範囲である金属短繊維では、いずれもファイバーボールが形成されず、均一な混練が可能であった（表中、◎で示す）。
【００４５】
厚みが０．２ｍｍと比較的大きいＮｏ．１及びＮｏ．２の金属短繊維では、金属短繊維が硬く、混練はできたものの抵抗が大きい傾向がみられた（表中○で示す）。
【００４６】
なお、捩れが１８０°を超えて回転したＮｏ．８の金属短繊維では、ファイバーボールはできなかったが、捩れの中心部への耐火物の充填が悪くなる傾向が見られた（表中△で示す）。
【００４７】
実施例2
実施例1で得られた本発明の金属短繊維を、代表的組成の不定形耐火物に、添加、混練し、金属短繊維強化不定形耐火物を製作した。製作した金属短繊維強化不定形耐火物について、比重、見掛け気孔率及び常温曲げ強度を評価した。
【００４８】
金属短繊維は、不定形耐火物に、添加量を２重量％を一定として分散させながら一括添加し、ミキサーで３分間混練し、振動鋳込みで成形した。
【００４９】
また、比較例として、従来の金属繊維（ファイバー）（ステンレス鋼製、長さ２０ｍｍ、断面およそ０．７ｍｍ×０．７ｍｍ）を使用した。
【００５０】
金属短繊維強化不定形耐火物に使用した耐火性材料は、市販の代表的な材料からスピネルを２０重量％配合したアルミナスピネル質キャスタブルを用いた。
【００５１】
添加水分は、キャスタブルファイバーあるいは箔（金属短繊維）を加えた材料１００重量部に対して、６．５重量部である。
【００５２】
金属短繊維強化不定形耐火物の不定形耐火物および、これに添加した金属短繊維、添加量、および混練時の状況、得られた金属短繊維強化不定形耐火物の諸特性などを表２に示す。なお、特性は、試料を１１０℃で２４時間乾燥した後の値を用いた。
【００５３】
【表２】
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【００５４】
表２から判るように、本発明の金属短繊維を２重量％の範囲で添加した金属短繊維強化不定形耐火物は、見掛け気孔率が殆ど増加しないにもかかわらず、常温曲げ強度が大きく向上する。金属繊維による不定形耐火物の強化において、耐食性の低下などにつながる気孔率の上昇なしに高強度化が図れる本発明は非常に有用である。
【００５５】
気孔率が殆ど上昇せずに比較的緻密なのは、本発明の金属短繊維（箔）が適度のしなやかさを有するため、混練時並びに成形時に障害とならないためと考えられる。また、常温曲げ強度がファイバー添加の場合を超えて大きく増加したのは、上記の特徴を有する本発明の金属短繊維（箔）形状であることによる補強効果に加えて、優れた混練性により母材が比較的緻密で高強度であるためと考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明の金属短繊維は、不定形耐火物と混練しやすく、均一かつ迅速な混練が可能である。また、同じ混入率では、従来のものと比べて強度向上効果が大きく、さらに混入率を増やすことも可能であり、強化設計の範囲が広くすることができる。また、溶融金属容器や焼却炉などの内壁のライニングに使用した際に、耐スポーリング性、耐衝撃性などの優れたライニングを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の金属短繊維の形状の各例を示す模式図である。
【図２】本発明の金属短繊維の形状を説明する模式図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は上面図である。
【図３】フライス切削の概要を示す模式図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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