JP6960158B2 - 自己伸長性を有する成型物 - Google Patents

Description

本発明は、自己伸長性を有する成型物に関する。

高温に耐える構造物を構築する際には耐火物が使用される。例えば、種々の物質を加熱するために窯炉が用いられる。窯炉の内部は、高温となるため、高温に曝される部分は、各種の耐火物で構築される。別の例を挙げると、鉄鉱石を溶かして銑鉄を取り出す際には高炉が利用される。高炉の内部は、高温の銑鉄に曝されるため、耐火物から構成される。さらに別の例を挙げると、鋳造の際には溶融した金属をすくって型に流し込むために取鍋が使用される。取鍋の内壁は、溶融した高温の金属に曝されるため、耐火物から構成される。

経年劣化、加熱と放熱による温度変化、応力による負荷などによって、窯炉、高炉、取鍋等において高温の物質に曝される面を構成する耐火物が破損することがある。そのような耐火物が破損すると、加熱すべき物質、加熱媒体、原料から副生するガスなどの副産物、又は加熱された物質が破損部から漏れ出す原因となるなどの問題が生じる。このため、耐火物が破損している場合は補修が必要になる。耐火物の補修に関しては、例えば、以下のような先行技術が知られている。

特許文献１には、窯炉の一つであるコークス炉の炉壁にできた貫通孔を補修する方法が記載されている。この方法では、コークス炉の燃焼室の上部に設けられた点検口から先端にセラミックファイバーボード等からなる耐熱性の当て板を取り付けた棹状の冶具を挿入する。そして、棹状の冶具を用いて、当て板を炉壁にできた貫通孔に押し付ける。次いで、当て板で閉塞された貫通孔に対してセラミック溶射材を吹き付ける。これによって、炉壁の損傷部を補修する方法である。

特許文献２にも、窯炉の一つであるコークス炉の炉壁にできた貫通孔を補修する方法が記載されている。この方法では、コークス炉の点検口から先端に耐熱性の当て板を取り付けた棹状の冶具を挿入する。そして、溶射によって当て板を炉壁にできた損傷部に固定し、棹状の冶具を当て板から離脱させる。その後、当て板の反対側から当て板にめがけて溶射することによって、炉壁の損傷部を補修する。

特開平１０−２３２０９０号公報 特開２０１４−４０５０２号公報

特許文献１や特許文献２の方法では、耐火物で構成された構造物の破損個所に対して、当て板の位置を固定した状態を維持しながら、耐火物で構成された構造物の損傷個所を補修しなければならない。つまり、作業員は、耐火物で構成された構造物の損傷個所に対して当て板の位置を固定する作業と、耐火物で構成された構造物の損傷個所を補修する作業との両方が必要になる。

本発明は、耐火物で構成された構造物の損傷個所をより簡単な作業で補修することを可能にする成型物を提供することを目的とする。

耐火物又はカーボンを主成分とする素材で構成された作動体と、加熱によって膨張する膨張材と、作動体及び膨張材を内蔵し耐火物又はカーボンを主成分とする素材で構成された本体とを含む成型物であって、本体を加熱すると本体に収納された膨張材が膨張し、作動体は、膨張した膨張材の圧力を受けて、本体から突出するように作動する自己伸長性を有する成型物によって、上記の課題を解決する。この成型物では、本体の内部に収納された膨張材が熱によって膨張し、それによって作動体が突出するように作動する。例えば、耐火物等で構成された構造物の補修箇所に対してこの成型物を配置すれば、突出した作動体によって、成型物を補修箇所に対して固定することが可能になる。これにより、例えば、耐火物等で構成された構造物の損傷個所に対して成型物を押し付け続けたり、成型物を所望の位置に維持し続ける作業が不要になる。また、作動体によって、耐火物等で構成された構造物の内部に形成された損傷個所周辺の構造物に圧力を加えることが可能になる。

上記の成型物において、本体をコークス炉の内部に形成された損傷個所を塞ぐのに適した形状にすることによって、コークス炉補修用成型物を提供することが可能になる。

上記の成型物及びコークス炉補修用成型物において、本体又は作動体は、内圧を低減するための孔を有するものとすることが好ましい。孔を介して本体の内部の圧力を適度に逃がすことによって、本体に過剰な圧力が掛かることを防止することが可能になる。これによって、本体が内圧によって破損することを防止することが可能になる。

上記の成型物及びコークス炉補修用成型物において、本体は、穴を備えており、穴に膨張材と作動体とが内蔵されたものとすることが好ましい。このような構成よれば、膨張材が膨張する際の圧力を作動体に効率的に伝えて、圧力を運動エネルギーに効率的に変換することが可能になる。

上記の成型物及びコークス炉補修用成型物において、本体は作動体を内蔵する穴を備えており、作動体は穴に対して摺動可能な状態とすることが好ましい。これによって、作動体と本体との間から膨張した膨張材が多量に漏れ出すことを防止することができる。また、膨張材の圧力を作動体により効率的に伝えることができる。

上記のコークス炉補修用成型物において、本体又は作動体は、成型物をコークス炉にできた孔まで送り込む棹状の冶具に係合する部分を備えるものであることが好ましい。これによって、コークス炉の火を完全に落とさない状態、いわゆる熱間でも、コークス炉の内部の奥まった位置にできた損傷個所にコークス炉補修用成型物を配置することが可能になる。

本発明によれば、耐火物で構成された構造物の損傷個所をより簡単な作業で補修することが可能な成型物を提供することが可能になる。

耐火成型物の一実施形態を示す分解斜視図である。 図１の耐火成型物の縦断面図である。 図２の耐火成型物を加熱した状態を示す縦断面図である。 コークス炉の一例を示す斜視図である。 図４のコークス炉の横断面図である。 図５の貫通孔の付近を示す側面図である。 図６の耐火成型物において作動体が動作した状態を示す側面図である。 図６の作動体が動作した状態の耐火成型物に対して溶射を行う様子を示すコークス炉の横断面図である。 図８の耐火成型物に対する溶射を終えた状態を示すコークス炉の横断面図である。 別の実施形態に係る耐火成型物を示す断面図である。 図１０の耐火成型物の作動体が伸長した状態を示す断面図である。

以下、図面を参照しながら、成型物の一実施形態について説明する。以下で説明する実施形態は一例に過ぎず、本発明はこれに限定されるものではない。

本実施形態の耐火成型物１は、図１に示したように、耐火物で構成された作動体１１と、加熱によって膨張する膨張材１２と、作動体１１及び膨張材１２を内蔵し耐火物で構成された本体１３を含む。図２及び図３に示したように、本体１３又は作動体１１を加熱すると本体１３に収納された膨張材１２が膨張する。作動体１１は、膨張した膨張材１２の圧力を受けて、本体１３から突出するように作動する。このように本実施形態の耐火成型物１は、自己伸長性を有する。

本実施形態の耐火成型物１は、コークス炉の損傷個所を補修する際に好適に使用することができるコークス炉補修用の耐火成型物である。その他、例えば、コークス炉以外の工業炉、溶湯容器などにおいて耐火物で構成された構造物を補修する際にも好適に使用することができる。本実施形態の耐火成型物１は、中でも、火を完全に落とすと炉内の耐火物にスポーリングが生じるため、火を落とすことが忌避されている炉の熱間補修に好適に使用することが可能である。

図４及び図５に示したように、コークス炉５は、燃焼室５１と炭化室５２とが幅方向に交互に連続する。個々の炭化室５２は、短冊状の開口が奥行方向に連続する長大な部屋になっている。炭化室５２の両端部は、開口となっており、窯口５２１と呼ばれる。窯口５２１には、炉蓋（図示略）が配されている。炉蓋を脱着することにより窯口５２１を開閉することができる。コークス炉５の上部には、炭化室５２と連通する装炭口５２２と呼ばれる複数の貫通孔が配されている。

燃焼室５１は、両端部及び上部及び下部が閉鎖された密閉された部屋となっている。燃焼室５１の下部は壁によって小部屋に仕切られている。各小部屋は燃焼室５１の上部で連通する。燃焼室５１の底面には、燃焼用の空気を供給する空気孔と、可燃性のガスを供給するガス孔が配される。燃焼室５１の上部には、燃焼室５１と連通するメンテナンス用の点検口５１１と呼ばれる貫通孔が配されている。点検口５１１の内径は、装炭口５２２の内径よりも小さい。

燃焼室５１と炭化室５２とは、複数の耐火煉瓦を積み上げて構成された炉壁５３で隔てられている。炭化室５２で乾留されたコークスは、一方の窯口５２１から他方の窯口５２１に向かって押出機で押し出される。このときに、炉壁５３に応力が作用して炉壁５３に貫通孔が形成されやすくなる。図５に示したように、炉壁５３に貫通孔５３１が形成されるとコークスや原料である石炭が燃焼室５１の底に落下して空気孔やガス孔が閉塞する原因となる。

炭化室５２の奥行方向の長さについて一例を挙げると、奥行が１７ｍにも及ぶ。このため、コークス炉５の中ほどの炉壁５３が損傷すると、損傷個所を目視で確認することはできない。このような場合に損傷個所を補修するには、従来技術では、損傷個所の内径が溶射で完全にふさぐことができる程度の大きさであれば、当て板を使わずに溶射材を吹き付けて損傷個所を塞ぐ。損傷個所の内径が大きく溶射材だけでは埋めることができないと判断した場合は、棹状の補修冶具の先端部に当て板を取り付けて、棹状の補修冶具を操作して損傷個所まで当て板を運ぶ。

当て板を補修箇所に固定する際には棹状の補修冶具を通じて作業者の手に伝わる感覚を頼りにして、当て板が補修箇所の適切な位置に配置されたかどうかを判断しなければならない。当て板の状態が適切であると判断した場合は、当て板を棹状の冶具でそのままの状態で保持し、作業者の手に伝わる感覚を頼りにして、当て板に対して溶射を行うことにより、当て板を損傷個所に仮止めする。この仮止めの溶射を行う際に棹状の冶具が邪魔になる。作業者の手に伝わる感覚を頼りにして仮止めが終わったと判断した場合は、棹状の冶具を外してコークス炉の外に棹状の冶具を抜き出す。そして、作業者の手に伝わる感覚を頼りにして、当て板に対して溶射により肉盛りを行い、損傷個所を埋める。このような方法は、不確実である。

本実施形態の耐火成型物１の本体１３は、図２及び図３に示したように、加熱によって本体１３に内蔵された膨張材１２が膨張して、作動体１１が本体１３から突出するように作動する。この作動体１１の動作を利用して、コークス炉５の補修箇所（貫通孔５３１）を補修することができる。

具体的には、図５に示したように、先端部に耐火成型物１を固定した棹状の冶具６を作業員が操作して、損傷個所（貫通孔５３１）まで耐火成型物１を移動させて、貫通孔５３１に内包されるように耐火成型物１を配置する。そして、耐火成型物１から冶具６の先端部を抜き取って、耐火成型物１を貫通孔５３１に残した状態でしばらく待つ。若しくは、耐火成型物１を貫通孔５３１に内包させた状態で後述するように作動体１１が伸長するのを待って、冶具６の先端部を耐火成型物１から抜き取る。図５では炭化室５２の窯口５２１から棹状の冶具６を挿入する例を示したが、棹状の冶具６は、装炭口５２２又は点検口５１１から挿入してもよい。

補修作業を熱間で行う場合は、コークス炉５の炉熱によって本体１３に収納された膨張材１２が加熱される。補修作業を冷間で行う場合は、耐火成型物１に対して溶射を行うことにより溶射の熱によって膨張材１２を加熱すればよい。膨張材１２は加熱されると膨張する。図７において矢印で示したように、作動体１１は、膨張材１２の圧力を受けて本体１３から突出するように伸びて、その先端部を既存の炉壁５３を構成する耐火煉瓦５３２に当接させる。これによって、耐火組成物１は炉壁５３に対して固定される。

溶射によって当て板を損傷個所に対して仮止めする場合は、接合強度が低く、棹状の補修冶具から手元に伝わる情報も仮止めが完了したか否か判断するには不確かである。本実施形態の方法では、上述のように、耐火成型物１は、作動体１１に作用する圧力によって損傷個所に対して固定される。耐火成型物１は損傷個所に対して比較的に強く固定される。このため棹状の補修冶具から手元に伝わる情報も明確になり、耐火成型物１を損傷個所に固定する作業が完了したか否かを判断しやすくなる。耐火成型物１は損傷個所に比較的に強く固定されているため、棹状の補修冶具６の先端を多少動かしても耐火成型物１が損傷個所から外れにくい。棹状の補修冶具６を動かすことによって耐火成型物１が損傷個所に対して固定されたか否かを確認することも可能になる。

作動体１１が伸長するのに必要な時間が経過したのを待って、図８に示したように、貫通孔５３１内に仮止めされた耐火成型物１に対して、ランスと呼ばれる中空管７とその先端に取り付けられた溶射ノズルを用いて溶射を行う。これによって、図９に示したように、耐火成型物１と貫通孔５３１の間隙に対して溶射材７１が充填されて、耐火成型物１が貫通孔５３１に対して固定されると共に貫通孔５３１が閉塞される。溶射ノズルをコークス炉５から抜き取って作業完了となる。

溶射を行う際には、溶射ノズル７の先端部を必ずしも目視によって確認できるとは限らない。このため、当て板の場合は、溶射材を吹き付ける圧力又は溶射ノズルの先端が意図せず当て板に接触するなどして、当て板が脱落することがある。一方、耐火成型物１は、作動体１１が伸長することによって、貫通孔５３１に対して仮止めされている。このため、溶射材７１を吹き付ける際に耐火成型物１が貫通孔５３１から脱落して、燃焼室５１の底面に配されたガス孔や空気孔が閉塞されることを防止することが可能になる。また、耐火成型物１を貫通孔５３１に対して溶射で仮止めするために、耐火成型物１の位置を維持し続ける必要がなくなる。

次に、本実施形態に係る耐火成型物１の具体的な構成についてより詳細に説明する。

本実施形態に係る耐火成型物１は、コークス炉５の損傷個所を塞ぐのに適した形状を有する。図５ないし図６の例では、損傷個所は、貫通孔５３１である。そのため、耐火成型物１の外形は、貫通孔５３１に挿入し設置できる程度に、貫通孔の内径よりも小さく構成されている。図５に示したように、溶射による肉盛りを行うので、炉壁５３の厚みよりも耐火成型物の厚みが小さくなる形状としている。耐火成型物１の形状としては、例えば、立方体、直方体、四角錐台、球体、又は楕円体など任意の立体的形状が挙げられる。本実施形態の耐火成型物１は、横長のブロック状である。

耐火成型物１の本体は、図１に示したように、本体１３を貫通しない穴１３１を備えている。穴の数、穴を設ける位置、及び穴の形状は特に限定されない。穴の形状としては、例えば、円柱、又は多角柱などが挙げられる。図１の例では、本体の上面から底面に向けて複数の円形の穴が設けられている。この穴１３１に対して、膨張材１２と作動体１１が記載した順に挿入されている。このため、膨張材１１が膨張するとその圧力が作動体１１に伝達されて作動体が本体１３から突出するように伸長する。

作動体は、膨張材の圧力を受けて、耐火成型物１に隣接する耐火煉瓦などの他の部材に圧力を掛けることができる構造であればよい。作動体の数、及び作動体の形状は特に限定されない。作動体の形状としては、例えば、円柱、又は多角柱などが挙げられる。図１の例では、作動体１１は、上記の穴に挿入することができる棒状である。作動体１１は、その外周部が穴１３１の内周部に対して摺動可能な形状とすることが好ましい。これによって、作動体１１と穴１３１との間から、膨張した膨張材１２が多量に漏出したり、膨張材１２から発生した気体などが多量に漏出することを防ぐことができる。

本体１３又は作動体１１は、図１ないし図３に示したように、膨張材１２が膨張した際に生じる内圧を低減するために孔１３２を設けることが好ましい。孔は、上記の穴１３１を本体１３１の外部の空間と連通させることができる形状であればよい。図１ないし図３の例では、本体１３の穴１３１の底部に、穴１３１と本体の外部の空間とを連通させる円形の孔１３２を設けている。孔１３２の内径は、穴１３１の内径よりも小さくなるように構成されている。孔１３２を設けることによって、過剰な内圧の高まりを防いで、膨張材１２が過剰に膨張した際に、耐火成型物１が内圧によって破損することを防止することができる。孔は、作動体１１に設けても破損を防止することができる。

本実施形態の耐火成型物１では、本体１３に、耐火成型物１をコークス炉の損傷個所まで送り込むための棹状の冶具６に係合する部分１３３を備える。当該部分は、棹状の冶具６に係合することによって、棹状の冶具６を用いて補修箇所まで耐火成型物１を運搬することができる形状と数であればよい。係合する部分の形状としては、耐火成型物１を貫通しない穴、耐火成型物を貫通する孔、又はフックなどが挙げられる。係合する部分は、複数個設けることによって、棹状の冶具６に対して、耐火成型物が意図せず回転することを防止することが可能になる。本実施形態の耐火成型物１では、図１に示したように、耐火成型物の正面から背面を貫通する２つの貫通孔を、係合する部分１３３としている。棹状の冶具は、前記の係合する部分１３３に係合することができる先端部の形状を有するものとすることが好ましい。

作動体１１と本体１３とは、耐火物から構成される。耐火物を構成する素材は、想定される加熱温度に対して耐え得るものとすればよい。例えば、耐火煉瓦、又は耐火性を有するキャスタブル組成物を使用した成形体が挙げられる。耐火煉瓦としては、例えば、珪石煉瓦、シャモット煉瓦などが挙げられる。キャスタブル組成物としては、アルミナセメント若しくはポルトランドセメントなどのセメントと骨材とを含有するものが挙げられる。

膨張材は、加熱されることによって、膨張し作動体を加圧できるものであればよい。具体的な膨張材は、想定される加熱温度によって選択すればよい。膨張材は、加熱された後も作動体を支える機能を維持するために、膨張後において一定の期間又は永続的に固体の状態を維持するものを使用することが好ましい。加熱された後も作動体が膨張材によって支えられた状態を維持することによって、作動体に荷重が作用した際に反発力を発揮させて、加熱後すぐに作動体が縮むことを防ぐことが可能になる。膨張材としては、例えば、熱膨張性黒鉛を含有する組成物を使用することが好ましい。熱膨張性黒鉛は、層状に積層された黒鉛の層の間に所定の物質を入れたものである。熱膨張性黒鉛を加熱すると、層間に入れられた物質が気化することにより、体積を膨張させる。熱膨張性黒鉛は、難燃性を示し、膨張した後も固形分が残存する。

上記の実施形態に係る補修方法において、溶射の方法は特に限定されない。例えば、セラミック溶射法、火炎溶射法、プラズマ溶射法、又はテルミット溶射法を利用することができる。

上記の実施形態に係る耐火成型物１では、本体１３を貫通しない穴１３１に膨張材１２と作動体１１とを内蔵させる構成とした。図１０に示す別の実施形態に係る耐火成型物２のように変更してもよい。

図１０の耐火成型物２では、膨張材２２が本体２３を貫通する穴２３１に内蔵されている。そして、穴２３１の両端の開口部から棒状の作動体２２が膨張材２２を挟み込むようにして本体２３に挿入された構成となっている。穴２３１に内蔵された膨張材２２は、加熱されると、図１１に示したように、本体２３から突出する方向に伸長する。

このように膨張材は、加熱膨張時の圧力を作動体に伝えることができるように、配置されていればよい。膨張材を内蔵する穴の形態は、例えば、本体を貫通する形状であってもよいし、本体を貫通しない形状であってもよいし、複数の一文字状の穴が交差する形状であってもよい。

上記の耐火成型物２では、作動体２１は、耐火成型物２の側方に突出するように伸長する。穴２３１には、内圧を低減するための孔２３２を備える。

上記の実施形態に係る耐火成型物１、２では、本体及び作動体を共に耐火物で構成した。耐火成型物を補修箇所である貫通孔５３１に対して設置する際に耐火成型物１が脱落する可能性があると判断したときは、作動体１１及び本体１３をカーボンを主成分とする素材で構成してもよい。カーボンはやがては炉熱で燃え尽きて二酸化炭素となるため、仮に本体や作動体を誤って冶具から落下させてしまっても、ガス孔や空気孔を閉塞することが防止される。一方で、炉壁にできた貫通孔は、溶射材によって閉塞されているため、作動体及び本体が燃え尽きてしまっても問題ない。

１１ 作動体
１２ 膨張材
１３ 本体
１ 耐火成型物
１３２ 内圧を低減するための孔
１３１ 本体を貫通しない穴
６ 棹状の冶具

Claims (6)

1. 耐火物又はカーボンを主成分とする素材で構成された作動体と、加熱によって膨張する膨張材と、作動体及び膨張材を内蔵し耐火物又はカーボンを主成分とする素材で構成された本体とを含む成型物であって、
   本体を加熱すると本体に収納された膨張材が膨張し、
   作動体は、膨張した膨張材の圧力を受けて、本体から突出するように作動する、炉又は溶湯容器の補修用の自己伸長性を有する成型物。
2. 本体又は作動体は、内圧を低減するための孔を有する請求項１に記載の成型物。
3. 本体は、穴を備えており、
   穴に膨張材と作動体とが内蔵された請求項１又は２に記載の成型物。
4. 本体は、作動体を内蔵する穴を備えており、
   作動体は穴に対して摺動可能な状態である請求項1ないし３のいずれかに記載の成型物。
5. 耐火物又はカーボンを主成分とする素材で構成された作動体と、加熱によって膨張する膨張材と、作動体及び膨張材を内蔵し耐火物又はカーボンを主成分とする素材で構成された本体とを含む成型物であって、
   本体は、コークス炉の内部に形成された損傷個所を塞ぐのに適した形状を有しており、
   本体を加熱すると本体に収納された膨張材が膨張し、
   作動体は、膨張した膨張材の圧力を受けて、本体から突出するように作動する自己伸長性を有するコークス炉補修用成型物。
6. 本体は、成型物をコークス炉にできた孔まで送り込む棹状の冶具に係合する部分を備える請求項５に記載のコークス炉補修用成型物。

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