JPS5919906B2 - 熱的スポ−リングの防止方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は耐火物の熱的スポーリングを適切に防止するた
めの方法に関する。

鉄鋼用各種炉材に使用される耐火レンガ、あるいは種々
のセラミック製品は、急激な湿度変化によって、熱的ス
ポーリングを起すととはよく知られている。

この熱的スポーリングは製品に温度の変化が生じたとき
、製品各部の材質の違いや、湿度差による熱膨帳量の違
いによって、各部の自由な変形が拘束され、それによっ
て発生する熱応力が、製品自身の破壊を引き起こすに十
分な大きさに達したときに生じる割れの現象である。

このような熱的スポーリングに対処するため、従来から
種々の方策が試みられている。

たとえば、製品に与える温度変化を十分に小さくする方
法や、熱衝撃抵抗の高い材質を使用する方法、あるいは
また、強化ガラスの例にみられるように、製品を軟化湿
度に均熱してから表面を強制冷却し、表面に圧縮の残留
応力を形成する方法などがそれである。

しかしながら、調度変化を小さくする方法は操業時間が
長くなったシ、温度コントロールが難しいという問題が
ある。

また熱衝撃抵抗の高い材質を使用する方法は経済的にも
不利であり、他の物理的、！％性に問題があったりして
、必ずしも有効な方法ではない。

さらに、均熱後、表面を強制冷却する方法では、ガラス
以外の焼結体等に対して、残留応力の形成そのものが困
難である。

しかも、この方法によって形成される残留応力分布は、
表面が圧縮、内部がそれに対応する引張りとなるだけで
あり、製品が薄い板の場合には、概して熱的スポーリン
グに対して強くなるが、板場外の他の形状の場合は有効
に作用し々いという問題がある。

本発明は、このような現状に鑑みて種々の実験と検討を
重ねた結果提案されたものである。

捷ず、本発明者等は耐火物に熱的スポーリングが生じる
ためのメカニズムについて種々検討してみた。

第１図は、この実験で使用された粘土質レンガの形状を
示し、各寸法はイー１０Ｃ′ｒＩ′Ｌ、ロー１８Ｃｒｆ
Ｌ、バー３０Ｃｒ／Ｌとした。

このレンガは高炉等冶金用炉のライニングに使用される
もので、通常の操業条件のもとでは、レンガの加熱面Ａ
は約２°Ｃ／分の昇温を受ける。

しかも炉の状況によっては加熱面Ａに５℃／分以上の昇
温を受けると、熱的スポーリングを起すことが確認され
ており、これによって炉の操業に支障をきたすことがあ
る。

なお、第１図でＢは放熱面である。

こうした熱的スポーリングはレンガ内の温度分布が第２
図の■（■は５℃／分の昇温で発生した温度分布である
）のようになったとき、レンガ内部の第３図の１の位置
で引張応力が大きくなることによって生じ、きれつ面は
第３図の２に示した状態となる。

これに対し、加熱面Ａの昇温速度が遅いときは、レンガ
内の温度分布は第２図の０に示すようになり、これを■
と比較すると温度勾配は小さいので、発生する熱応力も
小さく、熱的スポーリングは起きない。

そこで本発明では、レンガ製造の際の焼成後の冷却工程
で、使用時放熱面側となる該レンガの一側面側から冷却
し、若しくは該レンガ製造後その使用前に、使用時加熱
面側となる他面側を加熱し、そのレンガにスポーリング
発生時の湿度勾配の方向と同一方向の温度勾配をレンガ
内部に与えることによりレンガにあらかじめ圧縮の残留
応力を形成せしめ、温度分布が第２図の■のようになっ
てレンガ内に引張応力が生じた場合、との引張応力を前
記残留応力と相殺せしめ、これによって熱的スポーリン
グの発生を適切に防止しようとするものである。

〔実施例 １〕 炉にライニング施工する以前に、粘土質レンガを熱的ス
ポーリングが生じない程度の遅い昇温速度（１〜ｂ −側面側をあらかじめ加熱し、レンガの最高温度が１２
００℃になるように、８時間保持した。

このときのレンガの温度分布の経過は第２図の■→■→
■→■→■のようになる。

レンガの温度が定常状態である■に達した直後は、レン
ガ内には比較的大きな熱応力が作用し７ているが、再焼
結、再焼固が進むに従い、この熱応力は緩和される。

次に、このレンガをスポーリングが発生しない程度（２
°Ｃ／分）で降温した。

レンガの温度が常温に下った時点では、温度勾配を与え
た状態で、焼結、焼固した変形が初期ひずみとして保存
されているので、このような熱処理されたレンガには残
留応力が働いている。

この残留応力分布は、再焼結、再焼固を行なったときと
同じような温度勾配を与えたときに、レンガ各部の応力
が小さくなるように働く。

すなわち、第３図の１点には圧縮の残留応力が働いてお
シ、この残留応力は、昇温過程に発生する引張応力と相
殺する。

したがって、このように熱処理されたレンガは５°Ｃ／
分で一方向熱処理の施された側から加熱して第２図の■
のような温度分布になっても、レンガ内に発生する応力
は、熱処理をしていないレンガに働く応力よりも小さく
、熱的スポーリングは発生しないことになる。

これらの関係を第８図によって、さらに仔細に検討して
みると、まず■は５℃／分の昇温を行ない、きれつが発
生するときの温度分布（第２図−■）によって加熱面と
直交する中心線に発生する中心線方向の応力値を計算し
たものであシ、最大引張応力が１３０ｋｇ／ｃ１？Ｌと
なっている。

この実験で使用した粘土質レンガは引張応力が１２０ｋ
ｇ／ｉ以上になるときれつが発生するものと考えられる
ので、この計算からも５°Ｃ／分で昇温するときれつの
発生が確認できる。

■は第２図−■の熱処理時の温度勾配で、再焼結が起き
ていないと仮定した場合に発生する応力であるが、実際
には再焼結が起きるので、この応力は時間がたつにつれ
て０に近づくことになる。

またｅは熱処理が終って、常温に下がったレンガに生じ
ている残留応力である。

■は、熱処理をしたレンガを５°Ｃ／分で熱処理時の加
熱面を再加熱し、第２図−〇の温度分布のときに発生す
る応力であシ、■とｅをカロえたものである。

このときの最大引張応力は５７ｋｇ／ｃｒ？Ｌとなり、
１２０ｋｇ／ｃｒｉＬ以下なのできれつは発生しないこ
とになる。

なお、前記熱処理されたレンガで炉のライニングを施工
した（熱処理時の加熱面をライニング面とした）場合も
、レンガのスポーリングは皆無となり、上記の方法が有
効であることが確認された。

〔実施例 ２〕 本実施例では、試供材として第４図に示すごとき粘土質
レンガ製の溶鋼用ノズルを使用した。

このノズルは、使用開始直後に割れることがある。

その原因は、ノズル内面を流れる溶鋼によって、急速に
加熱され、ノズル内部に、いわゆる熱的スポーリングが
発生するからである。

この熱的スポーリングを起すときのノズル温度分布は同
図の［Ｆ］のようになっている。

そこで、こうした熱的スポーリングを防止するために、
ノズルに次のような熱処理を行なった。

すなわち、第５図のように、ノズル３の中空部に発熱体
４を挿入し、使用時加熱面側となる内面５から加熱する
と共に、外面６は送風により冷却を行ない、第４図の■
の温度分布で温度を保持した。

ノズルの昇温は熱的スポーリングが生じない程度の速度
で、しかも再焼結、再焼固が進行するのに十分な高い温
度を与える必要があり、本実施例では、上記実施例１と
同様、昇温速度を１〜ｂ分とし、２００°Ｃ〜１２００
°Ｃの範囲で８時間保持した。

また降温速度も熱的スポーリングが生じない程度の速度
で行なう必要があシ、本実施例の場合、３℃／分の速度
で降温させた。

こうして、常湿まで下ったノズルには残留応力が働いて
おり、この残留応力は、ノズルの温度勾配が第４図の■
のようになったときに、ノズル各部の応力値が小さくな
るように働く。

したがって、ノズルの湿度分布が第４図の■になった場
合も、熱処理を行なったノズルは、熱処理をしていない
ものと比較すると、発生する応力は小さくなり、熱的ス
ポーリングは生じない。

〔実施例 ３〕 上記実施例１，２では出来上った製品に、熱処理を行な
ったが、実施例３では製品の製造過程で必要な残留応力
を形成させた。

この実施例で対象となる製品とその使用条件は、実施例
１と同じである。

すなわち、本実施例ではレンガを製造する際、焼成後の
冷却工程で、第６図のように炉床板７の下に冷風を送っ
た。

これによ虱炉床板７は炉内の雰囲気温度より低くなり、
レンガ８の下面から熱が逃げるので、そのレンガ８の温
度は上面が高く下面が低くなる。

この冷却過程におけるレンガの上面と下面の湿度を示し
たものが第７図であり、レンガ上面がｉ、レンガ４面が
ｊの温度分布となる。

こうして出来上った製品には、実施例１で熱処理して得
られたのと同等の残留応力が生じておシ、したがって、
レンガ上面を炉ライニング面として使用すれば実施例１
の場合と同等の耐スポーリング性が得られる。

なお、本実施例によると、容易に大量のレンガに本発明
の目的とする熱処理を行なえるという利点がある。

〔実施例 ４〕 本実施例では、レンガを施工した後に、本発明の熱処理
を行なってみた。

すなわち、本実施例は、実験用の電気炉内面に粘土質レ
ンガを施工した後、炉内側を５°Ｃ／分で１３００°Ｃ
まで外淵して２０時間淵度を保持し、次いで５℃／分で
降温した。

１３００℃で湿度を保持している間は、レンガの炉内側
加熱面から外側放熱面にかけて実施例１と同様な温度勾
配が生じて、内部に残留応力が生じることになる。

したがって、このような方法によっても、本発明の所期
の目的が達成されるものである。

第９図は、本発明（実施例１）による熱処理を行なった
場合と、熱処理をしない場合のきれつ発生時点について
比較したものである。

Ａ−Ｃは熱処理をしていないもの。

Ｄ、Ｅは熱処理をしたもので、同図からも理解し得るよ
うに、本発明によれば、耐熱スポーリング性が著るしく
向上していることがわかる。

また、粘土質レンガの場合、本発明が有効に適用される
温度範囲は第１０図に示す通りである。

即ち、加熱面側が最高の１５００°Ｃで且つ放熱面側が
最低の１５０°Ｃの温度勾配の場合（温度差１３５０°
Ｃ）から加熱面側が最低の９００°Ｃで且つ放熱面側が
最高の５００°Ｃの湿度勾配の場合（湿度差４００°Ｃ
）まで本発明を有効に適用することが可能である。

なお、本発明は上記した粘土質レンガに限定されず、使
用中の湿度変化によって、熱的スポーリングの発生する
恐れのある他のセラミック製品にも適用し得ることはい
うまでもない。

この場合、残留応力を生じさせるための湿度勾配等は適
用する材質に応じて変更されることになる。

以上説明した本発明によれば、加熱炉等で使用されるセ
ラミック製品の耐熱スポーリング性が著るしく向上し、
それに伴なって耐用寿命が延長すると共に、操業の長期
安定化を図ることができる。

また本発明は単にセラミック製品に温度勾配を形成して
内部残留応力を生じさせるものであるから、材質を改善
する方法に比較して低コストで実施できるなど、種々の
すぐれた効果が得られるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例で使用された粘土質レンガの斜
視図、第２図は湿度分布図、第３図はレンガのきれつ発
生状況を示す斜視図、第４図及び第５図は本発明を溶鋼
用ノズルに適用した場合の説明図、第６図はレンガ製造
時における本発明の熱処理状況を示す斜視図、第７図は
第６図における冷却過程のレンガ温度分布図、第８図は
本発明の実施例におけるレンガ応力分布図、第９図は本
発明によるレンガのきれつ発生時点を比較例と比較した
グラフ、第１０図は粘土質レンガの場合の本発明が有効
に適用できる温度範囲を示したグラフである。 図中３は溶鋼用ノズル、４は発熱体、５は内面、６は外
面、７は炉床板、８はレンガを各示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 使用中の温度変化によって熱的スポーリングの発生
   する虞れのあるセラミック製品において、該製品製造の
   際の焼成後の冷却工程で、使用時放熱面側となる該セラ
   ミック製品の一側面側から冷却し、若しくは該製品製造
   後その使用前に、使用時加熱面側となる他面側を加熱し
   、該セラミック製品内部にスポーリングが発生するとき
   の温度勾配と同一方向の湿度勾配を与え、焼結、焼固又
   は再焼結、再焼固を生せしめることを特徴とする熱的ス
   ポーリングの防止方法。 ２ 前記セラミック製品が粘土質レンガの場合において
   、この製品内部に与えられる温度勾配を、製品使用時加
   熱面側となる一側面側で９００〜１５００°Ｃとしこれ
   と相対する放熱面側で１５０〜５００℃となるようにし
   て形成することを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の熱的スポーリング防止方法。