(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミナファイバのブランケットとセラミックファイバのブランケットとを積層して形成したブロックにおいて、炉内温度Ｔ（℃）に応じて該アルミナファイバの厚さを次式で規定したことを特徴とするファイバブロック。
Ｔ  ＜  １３５０のとき    ｘ≧１０
Ｔ  ≧  １３５０のとき    ｘ≧０．３Ｔ−３９５
ただし
ｘ：アルミナファイバの厚さの比率（％）
Ｔ：炉内温度（℃）
【請求項２】
前記ブロック中央部と前記ブロック両端部にアルミナファイバのブランケットを配設したことを特徴とする請求項１に記載のファイバブロック。
【請求項３】
請求項１又は２記載のファイバブロックを用いてその積層面を壁面に直角に配設し、該ファイバブロック単層で炉壁を構築してなることを特徴とするファイバブロックを用いた炉壁構造。
【請求項４】
ケーシングパネルに鋼材の熱膨張を吸収する機構のジョイントが設けられている炉壁構造において、該ジョイント部分にはアルミナファイバのブランケットのみからなるブロックをその積層方向が熱膨張吸収の方向と一致するように配置したことを特徴とする請求項３記載のファイバブロックを用いた炉壁構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属工業における加熱炉や熱処理炉、窯業における焼成炉等の炉壁構成技術に関し、特に、ファイバブロック及びこれを用いた高温度に耐える炉壁構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、金属工業における加熱炉や熱処理炉、窯業における焼成炉等において炉壁にセラミックファイバを内張り施工（ライニング）することが一般的となってきている。この炉壁をセラミックファイバで施工する方法としてブロック工法が用いられる。ブロック工法とはセラミックファイバのブランケットを短冊状に切断して多数重ね合わせてブロックとし、これを取り付け金具で炉壁のケーシングに固着する方法である。
【０００３】
このブロック工法では、セラミックファイバのブランケットの本来の平面がブロック体の厚さ方向に、即ち炉壁面に対して垂直に配置されるので、セラミックファイバの繊維の多くがこの方向に配列しているために炉の過熱によって炉内面側の繊維が幾分劣化しても、剥離、脱落を生じ難い利点があり、特にセラミックファイバの耐用限界温度付近で使用する場合に一般的に用いられている。
【０００４】
また、このブロック工法では、長期の加熱によるブロックの加熱収縮を、ブロックに予め与えておいた圧縮からの復元で補償して目地切れを防止し、ライニングの健全性を保つため施工時にブロックを圧縮して、また緊縛などで圧縮状態にあるブロックを取り付けることが行われる。これらについては本出願者等は特開平２−３０６０９２号公報、特開平２−３０６０９３号公報、実開平４−１１３９７号公報を提案した。
【０００５】
ブロックの素材となるセラミックファイバのブランケットとしてアルミナファイバとアルミナシリカ系ファイバが用いられる。アルミナファイバとしてはＡｌ2Ｏ3含有率７２％〜９７％のものが知られている。アルミナシリカ系ファイバは狭義のセラミックファイバと言われ、Ａｌ2Ｏ3 、ＳｉＯ2を主成分としてこれにＺｒＯ2 、Ｃｒ2Ｏ3等を加えたものを包含する。アルミナファイバは耐熱性に優れるが、価格が高いため高温でのライニング材としては両者を組み合せて使うのが通常である。アルミナシリカ系ファイバブロックをまずケーシングに取り付けその上に耐熱性の高いアルミナファイバのブロックを耐火性接着剤で接着上張りするベニヤリングといわれる技術や、最近ではアルミナファイバとセラミックファイバとを予め組み合せたブロック（特開平７−１９７５４号公報など）を用いる技術などがある。
【０００６】
一方、炉のケーシングは一般に鋼板に補強材となる型鋼を溶接して形成しているが、特に大型の炉の天井では鋼材の熱膨張による反りなどの歪みを防止するため、また簡易な構造で施工を容易にするために、分割したパネルを用い、パネルとパネルのジョイントはスライドして熱膨張を吸収できる目地板で塞ぐなどの手段がとられている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
パネル構造の炉壁ケーシング（天井）に従来の一般的なブロック工法によりライニングされた炉壁、即ちアルミナシリカ系ファイバブロックをまず取付金具によりケーシングに取り付けその上にアルミナファイバのブロックをベニヤリングした炉壁構造では、高温で使用すると次のような欠陥が生じることが観察された。すなわち、パネルのジョイントに沿って大きな目地開きが生じ、これはジョイント部ではない部分の目地開きより格段に大きかった。これは重大な欠陥であり単なる熱の放散損失のみならず、炉壁の崩壊に繋がる危険がある。観察した炉の場合では、概して言うとジョイント部の目地開きは１０〜２０ｍｍにも達しており、他の部分の目地開きが５ｍｍ以下であるのと比べると１０ｍｍ以上の差が認められた。この差はパネルの熱間膨張が、計算によっても実測でも２〜３ｍｍであるのに比し極めて大きく、従来の知見を超えた作用が生じているとみられた。本発明はこれらの現象を解消し問題解決を図った技術を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の発明は、アルミナファイバのブランケットとセラミックファイバのブランケットとを積層して形成したブロックにおいて、炉内温度Ｔ（℃）に応じてアルミナファイバの厚さを次式で規定したことを特徴とするファイバブロックである。
【０００９】
Ｔ  ＜  １３５０  のとき      ｘ  ≧  １０
Ｔ  ≧  １３５０  のとき      ｘ  ≧  ０．３Ｔ−３９５
ただし
ｘ：アルミナファイバの厚さの比率（％）
Ｔ：炉内温度（℃）
このブロックではブランケットの短冊を重ね合わせてブロックとする際、施工時又は使用時に何らかの欠陥が生じやすい部分に炉内温度に応じて少なくとも全体の１０％以上の厚さになるようにアルミナファイバのブランケットを配置積層し他の部分にはセラミックファイバのブランケットを積層して形成する。
【００１０】
また、この場合、前記ブロック中央部と前記ブロック両端部にアルミナファイバのブランケットを配設するのが好ましい。ブロック中央部はブロックを取り付ける金具埋設部で、耐熱性の高い弾性に富むファイバを用いると、寿命の延長に効果がある。また、両端部は隣接ブロック同士の当接部となるので、アルミナファイバを用いて弾性を高め目開きを生じたりすることがないようにする。なお、この場合、ファイバブロックはさらに長寿命となる。
【００１１】
本発明の炉壁構造は、ファイバブロックとしてアルミナファイバのブランケットとセラミックファイバのブランケットとを積層して形成した上記のファイバブロックを用い、その積層面を炉壁に直角に配設し、このファイバブロックを単層で炉壁を構築して構成し、上張り（ベニヤリング）はしない。
【００１２】
さらに、この炉壁構造は、パネル構成などによってケーシングパネルの鋼材の熱膨張を吸収する機構のジョイントが設けられている炉壁構造の場合において、このジョイント部にはアルミナファイバのブランケットのみからなるブロックをその積層方向が熱膨張吸収の方向と一致するように配置したことを特徴とする炉壁構造とすれば、アルミナファイバの耐熱性と復元性とを最も有効に利用して長寿命化することができ好適である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は実施例のファイバブロック１の斜視図である。斜線を施して示したアルミナファイバのブランケット２とセラミックファイバのブランケット３とを積層してファイバブロック１を形成している。アルミナファイバのブランケット２はファイバブロック１の中央部及び両端部に配設されている。中央部にはブロック支持用埋設金具４が埋め込まれている。この部分は支持力がかかると共に耐熱性、耐久性を要する。また、両端部は隣接するファイバブロックと接する部分で、目開きを生じないように耐熱性、弾力性に富むアルミナファイバのブランケット２を配置する。アルミナファイバのブランケット２の配合量、つまり合計厚さの比率ｘ(％)は炉内温度Ｔ（℃）に応じて定める。アルミナシリカ系ファイバの耐用限界から炉内温度Ｔが１３５０℃未満では比率ｘは１０％以上、また、耐熱性の点から炉内温度Ｔが１３５０℃以上では比率ｘは（０．３Ｔ−３９５）％、例えば炉内温度Ｔが１４００℃では比率ｘは２５％以上とするとよい。
【００１４】
すなわち
Ｔ  ＜  １３５０  のとき    ｘ  ≧  １０
Ｔ  ≧  １３５０  のとき    ｘ  ≧  ０．３Ｔ−３９５
によって計算した比率とすればよい。図４にこの適用可能範囲をグラフで示した。さらに好適には、図４に示すように
Ｔ  ＜  １３５０  のとき    ｘ  ≧  １５
Ｔ  ≧  １３５０  のとき    ｘ  ≧  ０．３Ｔ−３９０
とするのが一層よい。
【００１５】
また炉内温度Ｔの下限は特に限定しないが、１２００℃以上で本発明を適用すると好適である。１２００℃未満では従来技術でも適用可能である。炉内温度Ｔの上限についても１５００℃までは本発明の有効性が確認できたが、それ以上の温度は確認していない。
【００１６】
なお上記炉内温度に応じてアルミナファイバの厚さの比率を決定する技術とアルミナファイバをブロックの中央部と両端部に配設する技術とを組合わせると好適である。アルミナファイバブランケットの１ヶ所の厚さは少なくとも１０ｍｍが必要であり１０ｍｍ未満では復元性の点で効果が明確でなくなる。通常、工業炉に使用されるファイバブロックは熱面側で３００ｍｍ×３００ｍｍでありその両端と中央に少なくとも１０ｍｍのアルミナファイバのブランケットを配置するとその比率は１０％となる。この構成のファイバブロックは、セラミックファイバブロックが使用される１２００℃以上からアルミナシリカ系ファイバの耐用限界である１３５０℃未満まで有効である。１３５０℃以上では耐熱性の点からさらにアルミナファイバの比率を増加させればよい。
【００１７】
図２は実施例の炉壁構造１０の（ａ）側面図、（ｂ）正面図である。パネル５に図１に示したファイバブロック１を貼着し、このパネル５はジョイント金物６でパネル５の熱膨張収縮を吸収するようにした炉壁構造１０である。この場合、パネル５に貼着したファイバブロック１のブランケットの面方向が直交するようにアルミナファイバのブランケット２を積層した積層体７をパネルジョイント６の部分に配設する。
【００１８】
図３は従来のパネル５にファイバブロック１１を貼着し、その炉内側にアルミナファイバからなるベニヤリング層１２を設けたベニヤリング構造である。この構造では炉内側が耐熱性、耐久性に富むアルミナファイバであるがパネルジョイント６に対応する部分のファイバブロック１１の目地が大きく開く問題があった。
【００１９】
次に、本発明に係る炉壁構造と、従来のアルミナファイバのブロックをベニヤリングする構造とを対比して説明する。図２に示す実施例のファイバブロック工法では、前記のように長期の加熱によるブロックの加熱収縮を、ブロックに予め与えておいた圧縮からの復元で補償して目地切れを防止し、ライニングの健全性を保つことを期待している。これに対して図３に示す従来のベニヤリングを行う工法では温度が高い炉内に露出する部分には耐熱性の高いアルミナファイバブロックのベニヤリング層１２を施工し、その下のパネル間にはファイバブロック１１を使用している。本発明の開発過程で得られた知見では、一般に１４００℃の温度条件で長期使用に耐えるとされるアルミナファイバでも圧縮からの復元性を十分に保持するのは１１００℃くらいまでで、１２００℃では１年程度の使用で復元性は著しく減衰することが判った。セラミックファイバはその中では最も耐熱性の高いＡｌ2Ｏ3：４０％、ＳｉＯ2：４８％、Ｃｒ2Ｏ3：１．８％の組成で部分結晶化処理をしてあるファイバ（イソライト工業（株）製、イソウール１５００ブランケット）でも９００℃では１年程度で復元性をなくし、最も一般的なＡｌ2Ｏ3：４７％、ＳｉＯ2：５３％の組成のファイバ（イソライト工業（株）製、イソウール１２６０ブランケット）では５００℃程度で復元性を喪失する。
【００２０】
一方、通常許容される放散熱量に押さえた場合、炉内温度が１２５０℃の時には炉壁厚さは３００ｍｍ程度を要し、ベニヤリング層を熱面から５０ｍｍとした場合のその界面温度は１１８０℃程度となる。このためアルミナファイバのベニヤリングでも十分な復元性は期待できず、さらにその下部のブロックも熱面に近い側では復元性がない。このため深くまで目地開きが進行することとなる。炉内温度が１３００℃の時には炉壁厚さは３５０ｍｍ程度を要し、ベニヤリング層１２を熱面から５０ｍｍとした場合のその界面温度は１２３０℃程度となりアルミナファイバのベニヤリングでも復元性はほとんど期待できない。ベニヤリングの厚さを若干増しても大きな効果はない。
【００２１】
さらに本発明の開発過程で得られた重要な知見としては、ブロック工法においては目地開きが熱面では幾らか起きるのは許容するとしても、それはブロックごとに分散して起きると期待しているのに反して、実際には数ブロックごとに集中して大きな目地開きが生じやすい。これは何らかの欠陥や不利な条件のあるところ、例えば僅かな寸法誤差により隣接するブロックとの馴染みが悪かったところ等に先ず目地開きが生じると付近のストレスがその部分に集中するためと解釈された。
【００２２】
本発明のブロックでは、ブランケットの面が熱の流れ方向に平行しているので、アルミナファイバのブランケットが熱面から冷面に至るまで配置されている。従って、その間にアルミナファイバの復元性が十分に発揮される温度のところに至ればそれ以上深く目地開きは生じることがない。それはアルミナファイバの比率を熱面温度（炉内温度）に応じて定めておけばよい。例えば、熱面温度が１３５０℃以下ではアルミナファイバの比率（厚さ％）を１０％以上としておけば十分に許容される深さである。この比率を２５％とすれば１４００℃でも問題がないことが分かった。
【００２３】
また、アルミナファイバブランケットの配置をブロック支持用埋設金具取り付け部と両側部とし、等間隔配置にすることにより目地開きが特定の箇所に集中するのを防止する効果が認められた。これは欠陥が生じやすい部位に復元性の優れたアルミナファイバのブランケットを配置したことと、相対的に復元性の劣るセラミックファイバ部をある程度纏めて与えることによって弱点を多数、等間隔に設定し微小な目地開きを多数作り出しこれにより目地開きの集中を防止するものである。
【００２４】
この主旨から本発明の炉壁構造では、ブロック構成の上にさらにアルミナファイバブロックのベニヤリングを施すことは経済性の点からのみでなく、作用において排除した目地開き集中の危険を呼び戻すことになり有害である。
【００２５】
次にパネルジョイント部の問題点の解決について説明する。パネルのジョイント部に生じた大きな目地開きは上記した弱点部位の顕著な例である。ここではまず冷間でブロックが施工された後、炉の加熱によってケーシングが熱膨張するとスライド機構のある目地板を介して隣り合うパネルは押し合ってくる。その結果それぞれのパネルに取り付けられたブロックは相互に押し合い、圧縮される。圧縮状態で高温に曝されるとブロックは復元力を徐々に失い圧縮力を保つ状態ではなくなる。その後に炉の停止で冷却されパネルの押し合い状態が元に戻ると、それぞれのパネルに取り付けられたブロックは引き離され目地開きを生じることとなる。パネルの押し合い引き戻しの動きはさほど大きくなくても最初に目地開きを生じると周囲のストレスがそこに集中する結果、ブロック間には許容できない大きさの目地開きとなると解釈される。
【００２６】
本発明のアルミナファイバを配設した構成のブロックといえども、このように明確な目地開きの弱点をカバーすることはできないことがある。そのためにジョイント部に沿ってアルミナファイバブロックをその積層方向を熱膨張吸収の方向に合わせるように配置して取り付け、これを補償するようにした。パネルの寸法にもよるがアルミナファイバブロックのこの方向の寸法は少なくとも５０ｍｍ、望ましくは１００ｍｍ以上が必要である。
【００２７】
【実施例】
（１）表１に示す試験炉の天井部に、ファイバブロック３００ｍｍ×３００ｍｍ×３００ｍｍの両端と中央埋設金具の両側にアルミナファイバブランケット（イソライト工業（株）製、イソウール１６００ブランケット）厚さ１２．５ｍｍを配置し、他の部分をセラミックファイバブランケット（イソライト工業（株）製、イソウール１５００ブランケット）厚さ２５ｍｍを配置積層したもの（アルミナファイバブランケット厚さ１６．７％）を使用し、パネルジョイント部にはイソライト工業（株）製、イソウール１６００ブランケットを配置積層してなるアルミナファイバブロックをその積層方向をパネルの熱膨張吸収の方向に合わせるように１５０ｍｍの寸法で配置して取り付けた。
【００２８】
１３５０℃×１０００時間の加熱試験を行い、冷却後炉内点検を行ったところ３ｍｍ以下の亀裂のみで、ファイバブロック部、パネルジョイント部のいずれにも補修を必要とする幅５ｍｍ以上の亀裂は全く認められなかった。また、アルミナファイバを１０％とした場合にも４．５ｍｍ以下の亀裂で充分に使用可能であった。
【００２９】
（２）熱延ウォーキングビーム式加熱炉の第２加熱帯天井部に、ファイバブロック３００ｍｍ×３００ｍｍ×３００ｍｍの両端と中央埋設金具の両側にアルミナファイバブランケット（イソライト工業（株）製、イソウール１６００ブランケット）厚さ１２．５ｍｍを配置し、他の部分をセラミックファイバブランケット（イソライト工業（株）製、イソウール１５００ブランケット）厚さ２５ｍｍを配置積層したもの（アルミナファイバブランケット厚さ１６．７％）を使用し、パネルジョイント部にはイソライト工業（株）製、イソウール１６００ブランケットを配置積層してなるアルミナファイバブロックをその積層方向をパネルの熱膨張吸収の方向に合わせるように３００ｍｍの寸法で配置して取り付けた。最高温度１３２０℃で操業し、５ヶ月後と１１ヶ月後の２回の炉内点検を行ったところ、ファイバブロック部、パネルジョイント部のいずれにも３ｍｍ以下の亀裂のみで補修を必要とする幅５ｍｍ以上の亀裂は全く認められなかった。また、アルミナファイバ厚さを１０％とした場合も４．５ｍｍ以下の亀裂のみであった。
【００３０】
【表１】
0004037552.tif 000002
【００３１】
【発明の効果】
セラミックファイバによる炉壁ライニングは今や広く知られるところであるが、高温炉への展開は必ずしも容易ではなく、未だ問題を残していた。本発明による炉壁構成では高温の炉のセラミックファイバライニングの健全性、信頼性を改善できる。特に１２００℃以上の炉では従来工法からの改善効果が顕著であり、熱エネルギー節約が益々重要となる今後の高温工業に資するところが大きい。なお、本発明の炉壁構造では炉壁セラミックファイバの寿命が従来のベニヤリングを行う施工方法に比較し、約３倍となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】ファイバブロックの斜視図である。
【図２】実施例のパネルジョイント部のライニングの（a）断面図、（ｂ）Ａ−Ａ矢視図である。
【図３】従来のベニヤリングを行う技術の説明図である。
【図４】温度とアルミナファイバの厚さ比率との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１    ファイバブロック
２    アルミナファイバのブランケット
３    セラミックファイバのブランケット
４    ブロック支持用埋設金具
５    パネル
６    パネルジョイント
７    積層体
１０    炉壁構造
１１    ファイバブロック
１２    ベニヤリング層
【図１】
0004037552.tif 000003
【図２】
0004037552.tif 000004
【図３】
0004037552.tif 000005
【図４】
0004037552.tif 000006