JP3389424B2 - 耐熱耐食性保護管 - Google Patents
耐熱耐食性保護管Info
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Description
【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、ゴミ焼却炉や、ゴ
ミ焼却灰再処理溶融炉等の溶融炉、その他の各種炉等に
於いて、ヒーターやセンサー等を保護するための保護管
に関する。 【0002】 【従来の技術】家庭、会社から捨てられたゴミは地方自
治体の焼却炉で燃やされ、その未燃分の焼却灰及び煙に
含まれる飛灰(含有元素;Si、Al、Fe、Ca、M
g、K、Mn、Cl、S、Na、Pb、Zn)は廃棄物
処理法改正によりその処理基準に基づいて、再処理溶融
炉で無害化され最終処分または有効利用される。 【0003】この再処理工程を図2に示すように、溶融
炉12内に焼却灰11を入れ、電熱源である加熱用ヒー
ター2で1300〜1600℃に加熱すると、焼却灰1
1が溶融して金属元素13が蒸発する。この金属元素1
3を取り出して冷却装置(不図示)で急冷し凝縮させて
微粒子とし、これをバグフィルタ15で回収して重金属
濃縮物16を回収する。一方無害化されたガス17はガ
ス処理装置を経て大気中へ放出される。また、溶融炉1
2内の残存物はガラス顆粒18として取り出され、有効
利用または処分されるようになっている。 【0004】この溶融炉12には、加熱用ヒーター2と
温度管理のための熱電対3が必要であるが、溶融した焼
却灰11は溶融炉12内で溶融スラグ、溶融塩、あるい
はその蒸気成分として存在するため、これらの物質から
加熱用ヒーター2または熱電対3を保護する必要があ
る。 【0005】そこで、耐熱性・耐食性に優れたセラミッ
クス製の保護管1で加熱用ヒーター2や熱電対3を覆う
ことが行われている。上記保護管1の材質としては例え
ば特開昭51−71312号公報に示されるように、M
gO−ZrSiO2−Al2O3の複合セラミックスが使
用されている。 【0006】 【発明が解決しようとする課題】ところで、ゴミ焼却に
より発生する灰分を再加熱処理する際、灰に含まれるC
d、Pb、Zn等の金属元素類やダイオキシン、フラン
等の有害汚染物質を分解するため、電熱により1300
〜1600℃で加熱溶融処理を行い無害化するが、溶融
炉12で使用する保護管1は、焼却灰11が溶けてでき
る溶融塩、溶融スラグ、あるいは蒸気等にさらされるこ
とになる。そのため、これら成分中のSi、Al、F
e、Ca、Naは保護管1を成すセラミックス中に徐々
に浸透し、次第にセラミックスが変質して強度劣化を起
こすことから、クラックを生じたり、破損が生じやすく
なったりして、長期にわたり使用できるものではなかっ
た。 【0007】また、長時間高温下で使用しているうちに
自重の影響で変形してしまい、ヒーターや熱電対と接触
して溶融炉システムに悪影響を与えるという問題もあっ
た。一方、溶融炉12はメンテナンスのため定期的に昇
降温されるが、この際のヒートショックで保護管1が破
壊するという問題もあった。 【0008】 【課題を解決するための手段】上記に鑑みて本発明は、
大気雰囲気中での軟化点1700℃以上、水中投下法に
よる耐熱衝撃性△T150℃以上、3点曲げ強度150
MPa以上、平均結晶粒径2μm以上、気孔率が0.1
%以下で純度が95重量%以上のMgOスピネルを主成
分とするセラミックスにより、先端を封止した管状の耐
熱耐食性保護管を形成したものである。 【0009】ここで、セラミックスの特性を上記範囲に
限定した理由は以下の通りである。 【0010】まず、溶融炉等における保護管は1300
〜1600℃という非常に高い温度環境で長時間にわた
り使用されるため、使用時の変形等が生じないことが重
要である。このため本発明では、最低1700℃以上ま
での軟化が生じないセラミックスを保護管の材料とし
た。 【0011】なお、軟化点とは、セラミックスを3×3
×15mm程度のテストピース形状とし、TMA(熱機
械分析)試験装置内で加熱していったとき、熱膨張によ
って温度とともに長さが長くなっていくが、ある温度で
長さが減少傾向に転じることになり、この温度を軟化点
という。したがって、軟化点が1700℃以上であれ
ば、1700℃未満の温度では変形することがなく、保
護管として好適に使用できる。 【0012】また溶融炉は通常一度稼働させればそのま
ま連続運転となるが、炉材の補修等のメンテナンスを実
施する必要上、数週間〜数カ月程度の間隔で昇降温を行
う。その際の昇降温に要する時間は短い方がシステム全
体の稼働率を高めることになる。昇降温速度を決定する
因子はいくつか上げられるが、特に保護管を成すセラミ
ックス材料の耐熱衝撃性が高いとシステム稼働率を高く
できる。 【0013】さらに、溶融炉用の保護管はその内外の温
度差が100℃程度有り、耐熱衝撃性が低い材料では破
損する恐れもある。これらの問題を回避するためには、
△T150℃以上の耐熱衝撃性を持つセラミックスを使
用すればよい。 【0014】ここで、耐熱衝撃性?Tとは、セラミック
スをJIS試験片(3×3×40mm)形状とし、ある
温度に保持した状態から水中に投下して急冷した後の強
度が急激に低下するような温度差のことである。 【0015】また、溶融炉保護管はその用途に応じ、溶
融炉側面や天井部等に設けられた穴から炉内に挿入され
る。通常ヒーター用の保護管は大型で重量もあるため、
保護管にフランジが設けられており、天井部からつり下
げて保持される。またフランジ部だけで保護管の全重量
を支えるため、3点曲げ強度150MPa以上の材料強
度が必要である。 【0016】また、セラミックス材料の一般論として、
同材質材料間で低強度の材料は材料中に多数の気孔、ボ
イドを持つものが多い。材料中にボイドが存在すると、
浸食元素が著しく侵入して変質を促しやすく、結果的に
耐スラグ性を著しく低下させる原因となる。この為本発
明では保護管を成すセラミックスの3点曲げ強度を15
0MPa以上に限定している。 【0017】ここで、3点曲げ強度は、セラミックスを
JIS試験片(3×3×40mm)形状とし、JISに
規定する方法で測定することができる。 【0018】さらに、本発明では、保護管を成すセラミ
ックスの平均結晶粒径を2μm以上としたことを特徴と
するが、これは平均結晶粒径が2μm未満であると浸食
元素が著しく侵入して変質を促しやすくなるためであ
る。即ち、本発明では結晶粒径を大きくすることによっ
て、浸食元素の侵入を防止するようにしたものである。 【0019】なお、セラミックスの平均結晶粒径は、テ
ストピースを焼成温度より100℃低い温度でサーマル
エッチングするか、腐食性薬品に一定時間浸食させるケ
ミカルエッチングを施した後、SEM写真を基にしてコ
ード法で測定する。具体的には、1000倍のSEM写
真を2枚用意し、それぞれ任意の3本の線を引いたと
き、この線に横切る粒子の数で線の長さを割った値によ
って求める。また、ボイドや平均結晶粒径は、原料の成
形・焼成条件等によって自由に調整することができる。 【0020】以上のような特性を満足するセラミックス
としては、MgOスピネルを主成分とするセラミックス
が好適である。なお、MgOスピネルとは、MgAl2
O4で表され、MgOとAl2O3がモル比1:1で結合
した化合物のことである。 【0021】そして、本発明では、主成分を成すMgO
スピネルの含有量(以下純度という)を95重量%以上
とし、残部を成すSiO2、CaO、Na2O等のガラス
成分の合計量を5重量%以下としたことを特徴とする。
このようにすることによって、軟化点を1700℃以上
とし、耐熱衝撃性?Tを150℃以上とできる。 【0022】また、これらのセラミックスの曲げ強度や
平均粒径については、原料の粒径や焼成条件等によって
調整することができ、曲げ強度150MPa以上、平均
粒径2μm以上、となるように調整して製造すれば良
い。 【0023】なお、上記以外のセラミックスとしてムラ
イト、ジルコンを添加したムライト、ジルコニア分散ア
ルミナ等のセラミックスを用いることもできる。 【0024】 【発明の実施の形態】以下本発明の実施形態を説明す
る。 【0025】図1に示すように、本発明の保護管1は、
先端を封止した管状体であり、全体が大気雰囲気中での
軟化点1700℃以上、水中投下法による耐熱衝撃性△
T150℃以上、3点曲げ強度150MPa以上、平均
結晶粒径2μm以上、気孔率が0.1%以下で純度が9
5重量%以上のMgOスピネルを主成分とするセラミッ
クスからなっている。 【0026】この保護管1は、図2に示すように、ゴミ
焼却灰再処理用の溶融炉12中にて加熱用ヒーター2や
熱電対3を覆うように設置し、これらを保護することが
できる。この時、保護管1を成す前述のセラミックス
は、耐熱性、耐熱衝撃性、強度、耐食性が高いことから
長期間安心して使用することができる。 【0027】なお、本発明の保護管1は、上述したゴミ
焼却灰再処理用の溶融炉12に限らず、金属溶融炉等の
さまざまな溶融炉において、ヒーターや各種センサー等
を保護するための保護管として用いることができる。あ
るいはゴミ焼却炉、セラミックス等の焼成炉等の各種炉
や、その他の高温腐食性雰囲気となるような装置にも好
適に用いることができる。 【0028】 【実施例】以下、本発明の実験例及び本発明を説明する
ための参考例について詳細に述べる。 参考例1 ゴミ焼却灰再処理溶融炉内環境にて、試験片の耐熱性を
評価した。 【0029】まず、表1に示す純度の異なるセラミック
ス材料で、図1に示す保護管1の形状をした小型の試験
片(外径40mm×内径34mm×150mm)を作製
した。この試験片をゴミ焼却灰再処理用の溶融炉12内
にて、1450℃×50時間熱処理を行った。その後、
試験片の反りを測定し、熱処理試験前後で反りが50%
以上悪化しているものは変形していると判断し、変形し
ているものを×、変形していないものを○とした。ま
た、それぞれの材料を3×3×15mmのテストピース
形状とし、TMA試験装置を用いて軟化温度を測定し
た。結果は表1に示す通りである。 【0030】これらの結果より、低純度のアルミナやS
iO2の様に軟化点の低い材料は熱処理により変形(一
部溶融)しており、保護管1の材料として不適であるこ
とが確認された。これに対し、軟化点1700℃以上の
材料では変形も見られず、保護管1の材料として適して
いることが確認された。 【0031】 【表1】 【0032】参考例2 ゴミ焼却灰再処理溶融炉内環境にてメンテナンスのため
昇降温を行う状況を想定し、試験片をいくつかの昇降温
条件で熱処理した。 【0033】まず、表2に示すようないくつかのセラミ
ックスで外径180mm、内径160mm、長さ800
mmの保護管1を作製し、試験片とした。 【0034】次に各試験片をゴミ焼却灰再処理用の溶融
炉12で表2に示すような種々の昇降温条件で1450
℃×2時間熱処理を3サイクル行った。その後、各試験
片について外観を目視で観察しクラックの有無を調べ
た。また、各試験片を切断した断面について、SEMで
クラックの有無を調べた。 【0035】これらの結果は表2に示す通りである。表
中、破損、クラックがあるものは×、無いものは○で表
した。 【0036】同時に、JIS抗折試験片形状(3×4×
40L)での水中投下試験による耐熱衝撃性△Tを測定
した。耐熱衝撃試験方法は次の通りである。高温(T
1)に保たれた試験片を室温(T0)の水中に落とし急
冷する。急冷後の試料の曲げ強度を測定し、強度と冷却
温度差(T1−T0)の特性曲線を作り、強度が急激に
低下する温度を△Tで表す。 【0037】これらの結果から、SiO2のような△T
の小さい材料でも昇降温時間を長くすれば実環境でも使
用不可能ではないことが確認された。しかし、実環境下
では突然の電源停止による急激な降温等も想定されるた
め、本実験で降温時に自然放冷で破壊したSiO2は不
適当である。やはり実用的には少なくとも△T150以
上の耐熱衝撃性の高い材料が望ましく、Al2O3、Mg
Oスピネル、MgOを用いれば良いことがわかる。 【0038】 【表2】 【0039】実験例1 材料強度の異なるMgOスピネルセラミックスの試験片
とゴミ焼却灰との反応試験を行った。 【0040】まず焼却灰として、主成分がSi、Al、
Fe、Ca、K、Mn、Cl、S、Na、Pb、Zn等
からなる焼却灰を焼却炉より回収し、乾式加圧成形によ
り直径12mm×1mmで重さ0.3gのタブレットを
作製した。 【0041】次に、平均粒径の異なる2種類のMgOス
ピネルセラミックス一次原料を粒配して得た材料強度の
異なるいくつかのMgOスピネルセラミックスで、直径
30mm×厚み10mmの試験片を作製した。そしてそ
れぞれの試験片の上に焼却灰タブレットを置き、大気中
1450℃で50時間の熱処理を行った。 【0042】その後、試験前後の試験片の外径を測定し
膨潤の有無を調査した。また、各試験片を切断した断面
について、EPMA分析でSi、Fe、Ca、Naの各
元素の検出を行い、これらの元素の反応層の有無を調べ
た。これらの結果は表3に示す通りである。 【0043】膨潤については、0.1%以上外径が大き
くなっているものは膨潤していると判断し×で表した。
またEPMA結果で前述の4元素中一つでも0.5mm
以上の反応層が見られるものを×で表した。 【0044】これらの結果から、材料C、D、Eに示す
材料強度の低い試験片、即ちボイドの多い試験片では焼
却灰に含まれる上記元素による浸食が認められ、試験片
が膨潤するという結果が得られ、保護管材料としては不
適であることが確認された。材料Eは膨潤していない
が、これはボイドが多すぎ焼却灰成分が全てボイドに浸
透してしまい、膨潤原因となるような粒界相への浸食が
なかったためと思われる。 【0045】これに対し、材料A、Bに示すように曲げ
強度が150MPa以上と高い材料、即ち、気孔率が
0.1%以下のボイドの少ない試験片では焼却灰成分の
浸食によると見られる膨潤も見られず、反応層も認めら
れないことから、保護管材料として問題なく使用できる
ことが分かる。 【0046】 【表3】【0047】実験例2 ゴミ焼却灰再処理溶融炉内環境を想定し、平均結晶粒径
を何点か振ったMgOスピネルセラミックスとゴミ焼却
灰との反応試験を行った。 【0048】先ず焼却灰として、主成分がSi、Al、
Fe、Ca、K、Mn、Cl、S、Na、Pb、Zn等
からなる焼却灰を焼却炉より回収し、乾式加圧成形によ
り直径12mm×1mmで重さ0.3gのタブレットを
作製した。 【0049】次に、表4に示すように、焼成条件を変え
ることによって得た平均結晶粒径の異なるMgOスピネ
ルセラミックスで直径30mm×厚み10mmの試験片
を作製した。そしてそれぞれの試験片の上に焼却灰タブ
レットを置き、大気中1450℃で50時間の熱処理を
行った。 【0050】その後、試験前後の試験片の外径を測定し
膨潤の有無を調査した。また、各試験片を切断した断面
について、EPMA分析でSi、Fe、Ca、Naの各
元素の検出を行い、これらの元素の反応層の有無を調べ
た。 【0051】これらの結果は表4に示す通りである。本
実験についても実験例3と同等の判断基準で判定し、○
×で表した。 【0052】これらの結果から、材料A、Bに示す平均
結晶粒径の小さい試験片では焼却灰に含まれる上記元素
による浸食が認められ、試験片が膨潤するという結果が
得られ、保護管材料としては不適であることが確認され
た。これに対し、材料C、D、Eに示す平均結晶粒径が
2μm以上の試験片では焼却灰成分の浸食によると見ら
れる膨潤等も見られず、反応層も認められないことか
ら、保護管材料として問題なく使用できることが分か
る。 【0053】 【表4】 【0054】実験例3 本発明の範囲内のセラミックスとしてのMgOスピネル
及び比較例として本発明の範囲外である結晶粒径が2μ
m未満のMgOスピネルの合計2種類のセラミックスを
用いて、外径180mm、内径160mm、長さ800
mmのヒーター用保護管を作製し、ゴミ焼却灰再処理溶
融炉で実際に試験運転を行い、再処理温度1450℃に
おける寿命を確認した。 【0055】結果を表5に示す。比較例のMgOスピネ
ルは500時間の確認時点で破損していたが、本発明実
施例のMgOスピネルは1000時間の確認時点でも腐
食等も非常に少なく問題なく稼働していた。このように
本発明の保護管を用いれば、ゴミ焼却灰再処理溶融炉に
おいて本発明外の保護管の少なくとも2倍以上の寿命を
持つことが実証された。 【0056】 【表5】 【0057】 【発明の効果】以上のように本発明によれば、大気雰囲
気中での軟化点1700℃以上、水中投下法による耐熱
衝撃性△T150℃以上、3点曲げ強度150MPa以
上、平均結晶粒径2μm以上、気孔率が0.1%以下で
純度が95重量%以上のMgOスピネルを主成分とする
セラミックスから耐熱耐食性保護管を形成したことによ
って、耐熱性、耐熱衝撃性、強度、耐食性に優れること
から長期間良好に使用することが出来る。特に、ゴミ焼
却灰再処理用の溶融炉に用いれば、焼却灰中に含まれる
金属元素の浸食を防止し、寿命を長くすることが出来
る。
ミ焼却灰再処理溶融炉等の溶融炉、その他の各種炉等に
於いて、ヒーターやセンサー等を保護するための保護管
に関する。 【0002】 【従来の技術】家庭、会社から捨てられたゴミは地方自
治体の焼却炉で燃やされ、その未燃分の焼却灰及び煙に
含まれる飛灰(含有元素;Si、Al、Fe、Ca、M
g、K、Mn、Cl、S、Na、Pb、Zn)は廃棄物
処理法改正によりその処理基準に基づいて、再処理溶融
炉で無害化され最終処分または有効利用される。 【0003】この再処理工程を図2に示すように、溶融
炉12内に焼却灰11を入れ、電熱源である加熱用ヒー
ター2で1300〜1600℃に加熱すると、焼却灰1
1が溶融して金属元素13が蒸発する。この金属元素1
3を取り出して冷却装置(不図示)で急冷し凝縮させて
微粒子とし、これをバグフィルタ15で回収して重金属
濃縮物16を回収する。一方無害化されたガス17はガ
ス処理装置を経て大気中へ放出される。また、溶融炉1
2内の残存物はガラス顆粒18として取り出され、有効
利用または処分されるようになっている。 【0004】この溶融炉12には、加熱用ヒーター2と
温度管理のための熱電対3が必要であるが、溶融した焼
却灰11は溶融炉12内で溶融スラグ、溶融塩、あるい
はその蒸気成分として存在するため、これらの物質から
加熱用ヒーター2または熱電対3を保護する必要があ
る。 【0005】そこで、耐熱性・耐食性に優れたセラミッ
クス製の保護管1で加熱用ヒーター2や熱電対3を覆う
ことが行われている。上記保護管1の材質としては例え
ば特開昭51−71312号公報に示されるように、M
gO−ZrSiO2−Al2O3の複合セラミックスが使
用されている。 【0006】 【発明が解決しようとする課題】ところで、ゴミ焼却に
より発生する灰分を再加熱処理する際、灰に含まれるC
d、Pb、Zn等の金属元素類やダイオキシン、フラン
等の有害汚染物質を分解するため、電熱により1300
〜1600℃で加熱溶融処理を行い無害化するが、溶融
炉12で使用する保護管1は、焼却灰11が溶けてでき
る溶融塩、溶融スラグ、あるいは蒸気等にさらされるこ
とになる。そのため、これら成分中のSi、Al、F
e、Ca、Naは保護管1を成すセラミックス中に徐々
に浸透し、次第にセラミックスが変質して強度劣化を起
こすことから、クラックを生じたり、破損が生じやすく
なったりして、長期にわたり使用できるものではなかっ
た。 【0007】また、長時間高温下で使用しているうちに
自重の影響で変形してしまい、ヒーターや熱電対と接触
して溶融炉システムに悪影響を与えるという問題もあっ
た。一方、溶融炉12はメンテナンスのため定期的に昇
降温されるが、この際のヒートショックで保護管1が破
壊するという問題もあった。 【0008】 【課題を解決するための手段】上記に鑑みて本発明は、
大気雰囲気中での軟化点1700℃以上、水中投下法に
よる耐熱衝撃性△T150℃以上、3点曲げ強度150
MPa以上、平均結晶粒径2μm以上、気孔率が0.1
%以下で純度が95重量%以上のMgOスピネルを主成
分とするセラミックスにより、先端を封止した管状の耐
熱耐食性保護管を形成したものである。 【0009】ここで、セラミックスの特性を上記範囲に
限定した理由は以下の通りである。 【0010】まず、溶融炉等における保護管は1300
〜1600℃という非常に高い温度環境で長時間にわた
り使用されるため、使用時の変形等が生じないことが重
要である。このため本発明では、最低1700℃以上ま
での軟化が生じないセラミックスを保護管の材料とし
た。 【0011】なお、軟化点とは、セラミックスを3×3
×15mm程度のテストピース形状とし、TMA(熱機
械分析)試験装置内で加熱していったとき、熱膨張によ
って温度とともに長さが長くなっていくが、ある温度で
長さが減少傾向に転じることになり、この温度を軟化点
という。したがって、軟化点が1700℃以上であれ
ば、1700℃未満の温度では変形することがなく、保
護管として好適に使用できる。 【0012】また溶融炉は通常一度稼働させればそのま
ま連続運転となるが、炉材の補修等のメンテナンスを実
施する必要上、数週間〜数カ月程度の間隔で昇降温を行
う。その際の昇降温に要する時間は短い方がシステム全
体の稼働率を高めることになる。昇降温速度を決定する
因子はいくつか上げられるが、特に保護管を成すセラミ
ックス材料の耐熱衝撃性が高いとシステム稼働率を高く
できる。 【0013】さらに、溶融炉用の保護管はその内外の温
度差が100℃程度有り、耐熱衝撃性が低い材料では破
損する恐れもある。これらの問題を回避するためには、
△T150℃以上の耐熱衝撃性を持つセラミックスを使
用すればよい。 【0014】ここで、耐熱衝撃性?Tとは、セラミック
スをJIS試験片(3×3×40mm)形状とし、ある
温度に保持した状態から水中に投下して急冷した後の強
度が急激に低下するような温度差のことである。 【0015】また、溶融炉保護管はその用途に応じ、溶
融炉側面や天井部等に設けられた穴から炉内に挿入され
る。通常ヒーター用の保護管は大型で重量もあるため、
保護管にフランジが設けられており、天井部からつり下
げて保持される。またフランジ部だけで保護管の全重量
を支えるため、3点曲げ強度150MPa以上の材料強
度が必要である。 【0016】また、セラミックス材料の一般論として、
同材質材料間で低強度の材料は材料中に多数の気孔、ボ
イドを持つものが多い。材料中にボイドが存在すると、
浸食元素が著しく侵入して変質を促しやすく、結果的に
耐スラグ性を著しく低下させる原因となる。この為本発
明では保護管を成すセラミックスの3点曲げ強度を15
0MPa以上に限定している。 【0017】ここで、3点曲げ強度は、セラミックスを
JIS試験片(3×3×40mm)形状とし、JISに
規定する方法で測定することができる。 【0018】さらに、本発明では、保護管を成すセラミ
ックスの平均結晶粒径を2μm以上としたことを特徴と
するが、これは平均結晶粒径が2μm未満であると浸食
元素が著しく侵入して変質を促しやすくなるためであ
る。即ち、本発明では結晶粒径を大きくすることによっ
て、浸食元素の侵入を防止するようにしたものである。 【0019】なお、セラミックスの平均結晶粒径は、テ
ストピースを焼成温度より100℃低い温度でサーマル
エッチングするか、腐食性薬品に一定時間浸食させるケ
ミカルエッチングを施した後、SEM写真を基にしてコ
ード法で測定する。具体的には、1000倍のSEM写
真を2枚用意し、それぞれ任意の3本の線を引いたと
き、この線に横切る粒子の数で線の長さを割った値によ
って求める。また、ボイドや平均結晶粒径は、原料の成
形・焼成条件等によって自由に調整することができる。 【0020】以上のような特性を満足するセラミックス
としては、MgOスピネルを主成分とするセラミックス
が好適である。なお、MgOスピネルとは、MgAl2
O4で表され、MgOとAl2O3がモル比1:1で結合
した化合物のことである。 【0021】そして、本発明では、主成分を成すMgO
スピネルの含有量(以下純度という)を95重量%以上
とし、残部を成すSiO2、CaO、Na2O等のガラス
成分の合計量を5重量%以下としたことを特徴とする。
このようにすることによって、軟化点を1700℃以上
とし、耐熱衝撃性?Tを150℃以上とできる。 【0022】また、これらのセラミックスの曲げ強度や
平均粒径については、原料の粒径や焼成条件等によって
調整することができ、曲げ強度150MPa以上、平均
粒径2μm以上、となるように調整して製造すれば良
い。 【0023】なお、上記以外のセラミックスとしてムラ
イト、ジルコンを添加したムライト、ジルコニア分散ア
ルミナ等のセラミックスを用いることもできる。 【0024】 【発明の実施の形態】以下本発明の実施形態を説明す
る。 【0025】図1に示すように、本発明の保護管1は、
先端を封止した管状体であり、全体が大気雰囲気中での
軟化点1700℃以上、水中投下法による耐熱衝撃性△
T150℃以上、3点曲げ強度150MPa以上、平均
結晶粒径2μm以上、気孔率が0.1%以下で純度が9
5重量%以上のMgOスピネルを主成分とするセラミッ
クスからなっている。 【0026】この保護管1は、図2に示すように、ゴミ
焼却灰再処理用の溶融炉12中にて加熱用ヒーター2や
熱電対3を覆うように設置し、これらを保護することが
できる。この時、保護管1を成す前述のセラミックス
は、耐熱性、耐熱衝撃性、強度、耐食性が高いことから
長期間安心して使用することができる。 【0027】なお、本発明の保護管1は、上述したゴミ
焼却灰再処理用の溶融炉12に限らず、金属溶融炉等の
さまざまな溶融炉において、ヒーターや各種センサー等
を保護するための保護管として用いることができる。あ
るいはゴミ焼却炉、セラミックス等の焼成炉等の各種炉
や、その他の高温腐食性雰囲気となるような装置にも好
適に用いることができる。 【0028】 【実施例】以下、本発明の実験例及び本発明を説明する
ための参考例について詳細に述べる。 参考例1 ゴミ焼却灰再処理溶融炉内環境にて、試験片の耐熱性を
評価した。 【0029】まず、表1に示す純度の異なるセラミック
ス材料で、図1に示す保護管1の形状をした小型の試験
片(外径40mm×内径34mm×150mm)を作製
した。この試験片をゴミ焼却灰再処理用の溶融炉12内
にて、1450℃×50時間熱処理を行った。その後、
試験片の反りを測定し、熱処理試験前後で反りが50%
以上悪化しているものは変形していると判断し、変形し
ているものを×、変形していないものを○とした。ま
た、それぞれの材料を3×3×15mmのテストピース
形状とし、TMA試験装置を用いて軟化温度を測定し
た。結果は表1に示す通りである。 【0030】これらの結果より、低純度のアルミナやS
iO2の様に軟化点の低い材料は熱処理により変形(一
部溶融)しており、保護管1の材料として不適であるこ
とが確認された。これに対し、軟化点1700℃以上の
材料では変形も見られず、保護管1の材料として適して
いることが確認された。 【0031】 【表1】 【0032】参考例2 ゴミ焼却灰再処理溶融炉内環境にてメンテナンスのため
昇降温を行う状況を想定し、試験片をいくつかの昇降温
条件で熱処理した。 【0033】まず、表2に示すようないくつかのセラミ
ックスで外径180mm、内径160mm、長さ800
mmの保護管1を作製し、試験片とした。 【0034】次に各試験片をゴミ焼却灰再処理用の溶融
炉12で表2に示すような種々の昇降温条件で1450
℃×2時間熱処理を3サイクル行った。その後、各試験
片について外観を目視で観察しクラックの有無を調べ
た。また、各試験片を切断した断面について、SEMで
クラックの有無を調べた。 【0035】これらの結果は表2に示す通りである。表
中、破損、クラックがあるものは×、無いものは○で表
した。 【0036】同時に、JIS抗折試験片形状(3×4×
40L)での水中投下試験による耐熱衝撃性△Tを測定
した。耐熱衝撃試験方法は次の通りである。高温(T
1)に保たれた試験片を室温(T0)の水中に落とし急
冷する。急冷後の試料の曲げ強度を測定し、強度と冷却
温度差(T1−T0)の特性曲線を作り、強度が急激に
低下する温度を△Tで表す。 【0037】これらの結果から、SiO2のような△T
の小さい材料でも昇降温時間を長くすれば実環境でも使
用不可能ではないことが確認された。しかし、実環境下
では突然の電源停止による急激な降温等も想定されるた
め、本実験で降温時に自然放冷で破壊したSiO2は不
適当である。やはり実用的には少なくとも△T150以
上の耐熱衝撃性の高い材料が望ましく、Al2O3、Mg
Oスピネル、MgOを用いれば良いことがわかる。 【0038】 【表2】 【0039】実験例1 材料強度の異なるMgOスピネルセラミックスの試験片
とゴミ焼却灰との反応試験を行った。 【0040】まず焼却灰として、主成分がSi、Al、
Fe、Ca、K、Mn、Cl、S、Na、Pb、Zn等
からなる焼却灰を焼却炉より回収し、乾式加圧成形によ
り直径12mm×1mmで重さ0.3gのタブレットを
作製した。 【0041】次に、平均粒径の異なる2種類のMgOス
ピネルセラミックス一次原料を粒配して得た材料強度の
異なるいくつかのMgOスピネルセラミックスで、直径
30mm×厚み10mmの試験片を作製した。そしてそ
れぞれの試験片の上に焼却灰タブレットを置き、大気中
1450℃で50時間の熱処理を行った。 【0042】その後、試験前後の試験片の外径を測定し
膨潤の有無を調査した。また、各試験片を切断した断面
について、EPMA分析でSi、Fe、Ca、Naの各
元素の検出を行い、これらの元素の反応層の有無を調べ
た。これらの結果は表3に示す通りである。 【0043】膨潤については、0.1%以上外径が大き
くなっているものは膨潤していると判断し×で表した。
またEPMA結果で前述の4元素中一つでも0.5mm
以上の反応層が見られるものを×で表した。 【0044】これらの結果から、材料C、D、Eに示す
材料強度の低い試験片、即ちボイドの多い試験片では焼
却灰に含まれる上記元素による浸食が認められ、試験片
が膨潤するという結果が得られ、保護管材料としては不
適であることが確認された。材料Eは膨潤していない
が、これはボイドが多すぎ焼却灰成分が全てボイドに浸
透してしまい、膨潤原因となるような粒界相への浸食が
なかったためと思われる。 【0045】これに対し、材料A、Bに示すように曲げ
強度が150MPa以上と高い材料、即ち、気孔率が
0.1%以下のボイドの少ない試験片では焼却灰成分の
浸食によると見られる膨潤も見られず、反応層も認めら
れないことから、保護管材料として問題なく使用できる
ことが分かる。 【0046】 【表3】【0047】実験例2 ゴミ焼却灰再処理溶融炉内環境を想定し、平均結晶粒径
を何点か振ったMgOスピネルセラミックスとゴミ焼却
灰との反応試験を行った。 【0048】先ず焼却灰として、主成分がSi、Al、
Fe、Ca、K、Mn、Cl、S、Na、Pb、Zn等
からなる焼却灰を焼却炉より回収し、乾式加圧成形によ
り直径12mm×1mmで重さ0.3gのタブレットを
作製した。 【0049】次に、表4に示すように、焼成条件を変え
ることによって得た平均結晶粒径の異なるMgOスピネ
ルセラミックスで直径30mm×厚み10mmの試験片
を作製した。そしてそれぞれの試験片の上に焼却灰タブ
レットを置き、大気中1450℃で50時間の熱処理を
行った。 【0050】その後、試験前後の試験片の外径を測定し
膨潤の有無を調査した。また、各試験片を切断した断面
について、EPMA分析でSi、Fe、Ca、Naの各
元素の検出を行い、これらの元素の反応層の有無を調べ
た。 【0051】これらの結果は表4に示す通りである。本
実験についても実験例3と同等の判断基準で判定し、○
×で表した。 【0052】これらの結果から、材料A、Bに示す平均
結晶粒径の小さい試験片では焼却灰に含まれる上記元素
による浸食が認められ、試験片が膨潤するという結果が
得られ、保護管材料としては不適であることが確認され
た。これに対し、材料C、D、Eに示す平均結晶粒径が
2μm以上の試験片では焼却灰成分の浸食によると見ら
れる膨潤等も見られず、反応層も認められないことか
ら、保護管材料として問題なく使用できることが分か
る。 【0053】 【表4】 【0054】実験例3 本発明の範囲内のセラミックスとしてのMgOスピネル
及び比較例として本発明の範囲外である結晶粒径が2μ
m未満のMgOスピネルの合計2種類のセラミックスを
用いて、外径180mm、内径160mm、長さ800
mmのヒーター用保護管を作製し、ゴミ焼却灰再処理溶
融炉で実際に試験運転を行い、再処理温度1450℃に
おける寿命を確認した。 【0055】結果を表5に示す。比較例のMgOスピネ
ルは500時間の確認時点で破損していたが、本発明実
施例のMgOスピネルは1000時間の確認時点でも腐
食等も非常に少なく問題なく稼働していた。このように
本発明の保護管を用いれば、ゴミ焼却灰再処理溶融炉に
おいて本発明外の保護管の少なくとも2倍以上の寿命を
持つことが実証された。 【0056】 【表5】 【0057】 【発明の効果】以上のように本発明によれば、大気雰囲
気中での軟化点1700℃以上、水中投下法による耐熱
衝撃性△T150℃以上、3点曲げ強度150MPa以
上、平均結晶粒径2μm以上、気孔率が0.1%以下で
純度が95重量%以上のMgOスピネルを主成分とする
セラミックスから耐熱耐食性保護管を形成したことによ
って、耐熱性、耐熱衝撃性、強度、耐食性に優れること
から長期間良好に使用することが出来る。特に、ゴミ焼
却灰再処理用の溶融炉に用いれば、焼却灰中に含まれる
金属元素の浸食を防止し、寿命を長くすることが出来
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の耐熱耐食性保護管を示す断面図であ
る。 【図2】本発明の耐熱耐食性保護管を用いるゴミ焼却灰
再処理装置を示す概略図である。 【符号の説明】 1:保護管 2:加熱用ヒーター 3:熱電対 11:焼却灰 12:溶融炉 13:金属元素 15:バグフィルタ 16:重金属濃縮物 17:ガス 18:ガラス顆粒
る。 【図2】本発明の耐熱耐食性保護管を用いるゴミ焼却灰
再処理装置を示す概略図である。 【符号の説明】 1:保護管 2:加熱用ヒーター 3:熱電対 11:焼却灰 12:溶融炉 13:金属元素 15:バグフィルタ 16:重金属濃縮物 17:ガス 18:ガラス顆粒
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名)
C04B 35/00 - 35/50
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項1】大気雰囲気中での軟化点1700℃以上、
水中投下法による耐熱衝撃性△T150℃以上、3点曲
げ強度150MPa以上、平均結晶粒径2μm以上、気
孔率が0.1%以下で純度が95重量%以上のMgOス
ピネルを主成分とするセラミックスにより、先端を封止
した管状体を形成したことを特徴とする耐熱耐食性保護
管。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP20262696A JP3389424B2 (ja) | 1996-07-31 | 1996-07-31 | 耐熱耐食性保護管 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP20262696A JP3389424B2 (ja) | 1996-07-31 | 1996-07-31 | 耐熱耐食性保護管 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH1045463A JPH1045463A (ja) | 1998-02-17 |
JP3389424B2 true JP3389424B2 (ja) | 2003-03-24 |
Family
ID=16460477
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP20262696A Expired - Fee Related JP3389424B2 (ja) | 1996-07-31 | 1996-07-31 | 耐熱耐食性保護管 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3389424B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0832862B1 (en) * | 1996-09-30 | 2002-11-20 | Kyocera Corporation | Heat- and corrosion-resisting protection tube |
US6227127B1 (en) | 1998-04-28 | 2001-05-08 | Kyocera Corporation | Furnace material, heat resisting protection tube and protective member using the same sintered material |
-
1996
- 1996-07-31 JP JP20262696A patent/JP3389424B2/ja not_active Expired - Fee Related
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Publication number | Publication date |
---|---|
JPH1045463A (ja) | 1998-02-17 |
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