断熱耐火物とは、多孔質でかさ密度が低く、熱伝導率が低い耐火物を指し、軽量耐火物とも呼ばれます。断熱耐火物製品、耐火繊維、耐火繊維製品が含まれます。使用温度に応じて、低温断熱耐火物（使用温度が900℃未満、珪藻土断熱レンガ、膨張シリカ製品、珪酸カルシウム板、膨張パーライト製品など）、中温断熱耐火物（使用温度が900～1200℃、粘土断熱耐火レンガ、ケイ酸アルミニウム耐火繊維など）に分類されます。高温断熱耐火材料、使用温度が 1200℃ を超えるもの。例えば、高アルミニウム断熱耐火レンガ、アルミナ断熱耐火レンガ、珪質断熱耐火レンガ、アルミナ中空球レンガ、ジルコニア中空球レンガ、高アルミナ耐火繊維、多結晶耐火繊維 (多結晶アルミナ繊維、多結晶ジルコニア繊維、多結晶ムライト繊維) など。
断熱耐火物の製造には、主に軽量原料法、焼成法、発泡法、化学法など、多孔質構造を形成できるプロセス方法が用いられる。アルミニウムケイ酸塩耐火繊維、高アルミナ耐火繊維などの非晶質耐火繊維は、通常、溶融法で製造される。ムライト繊維、アルミナ繊維などの多結晶耐火繊維は、コロイド法で製造される。
断熱耐火物の主な特徴は、一般的に45%以上の高い多孔性、一般的に1.5g/cm3以下の低いかさ密度、そしてほとんどが1.0W/(m·K)以下の低い熱伝導率です。主に工業炉の断熱材として使用され、炉の熱損失を減らすだけでなく、炉の蓄熱量も減らし、最高の省エネルギー効果を得ることができ、熱機器の重量も軽減できます。一般的な耐火レンガと比較すると、断熱耐火物はスラグ腐食耐性、機械的強度、耐摩耗性が劣ります。そのため、窯の耐荷重構造や、スラグ、装入物、溶融金属などと直接接触する部分には適していません。
断熱耐火製品の分類方法
断熱耐火物とは、気孔率が45%以上の耐火物を指します。断熱耐火物の主な特徴は、気孔率が高く体積密度が低いことです。熱伝導率が低く、熱容量が小さいため、断熱性能に優れています。蓄熱性と耐熱性にも優れており、各種熱機器の断熱層として使用できるほか、作業層としても使用できます。各種窯の建設における省エネルギー材料です。炉の建材として、一般的な高密度耐火物の代わりに断熱耐火物を使用することで、特に断続的な熱機器において、蓄熱損失と放熱損失を40%～50%削減できます。
断熱材や耐火材には多くの種類があり、一般的に使用温度、かさ密度、製品形状に基づいて3つのカテゴリーに分類されます。
（１）体積密度によって分類される。体積密度が0.4～1.3g/cm3のものは軽量レンガ、体積密度が0.4g/cm3未満のものは超軽量レンガである。
（２）使用温度による分類。低温絶縁材は使用温度６００〜９００℃、中温絶縁材は９００〜１２００℃、高温絶縁材は１２００℃以上。
（３）製品の形状による分類：一つは粘土、高アルミナ、シリコン、および一部の純酸化物軽量レンガを含む成形軽量耐火レンガであり、もう一つは軽量耐火コンクリートなどの非成形軽量耐火レンガである。
断熱耐火製品の製造方法は、一般的な高密度材料の製造方法とは異なります。主な方法としては、焼却法、発泡法、化学法、多孔質材料法などがあります。
1) 焼成および材料添加法。可燃物添加法とも呼ばれる。木炭、おがくずなど、燃えやすい可燃物をレンガ製造用の粘土に添加し、焼成後に製品に一定の気孔を持たせる。
2) 浸漬法。レンガ製造用の粘土にロジン石鹸などの発泡剤を添加し、機械的に発泡させる。焼成後、多孔質の製品が得られる。
3) 化学的方法。レンガ製造工程において、適切なガス発生が可能な化学反応を利用して多孔質の製品を得る。通常はドロマイトまたはペリクレースと石膏、そして発泡剤として硫酸を用いる。
4) 多孔質材料法。天然珪藻土または人工粘土発泡クリンカー、アルミナまたはジルコニア中空球、その他の多孔質原料を使用して軽量耐火レンガを製造する。
熱伝導率が低く熱容量の小さい断熱耐火製品を炉本体構造材として使用することで、燃料消費量を削減し、設備の生産効率を向上させることができます。また、炉本体の重量を軽減し、炉の構造を簡素化し、製品の品質を向上させ、周囲温度を下げ、作業環境を改善することもできます。断熱耐火製品は、主に窯の断熱層、ライニング、または断熱層として使用されます。
1. アルミナ断熱耐火レンガ
アルミナ断熱耐火レンガは、溶融コランダム、焼結アルミナ、工業用アルミナを主原料として製造され、強酸性・強アルカリ性雰囲気に対する耐性、還元性、優れた耐熱衝撃性を備えた断熱耐火製品です。1700℃以下の温度で長期間使用できます。製造工程は、発泡法と焼却添加剤法の2種類を採用しています。発泡法で製造された製品は、均一な構造、低い熱伝導率、優れた断熱性能といった特徴を備えています。
アルミナ断熱耐火レンガは、軽量で圧縮強度が高く、熱伝導率が低く、再焼成後の体積収縮が少なく、耐熱衝撃性に優れています。高温熱機器や炎と直接接触する炉の断熱層、精密熱機器の作業内張りなどに使用できますが、炉液や溶融スラグと直接接触する腐食箇所には適していません。また、還元雰囲気下での使用において高い安定性を示します。使用温度は製品の純度によって異なりますが、一般的に1650～1800℃までです。代表的な物理化学指標については、表3-105を参照してください。
2. 高アルミニウム断熱耐火レンガ
高アルミナ断熱耐火レンガは、主原料中のアルミナ含有量が48%以上の断熱耐火製品です。高アルミナ断熱耐火レンガは、主にボーキサイトを原料とし、粘土を原料として、結合剤と木屑を混合して製造されます。製品性能を向上させるため、工業用アルミナ、コランダム、珪線石、藍晶石、シリカが添加されます。微粉末から、かさ密度や最高使用温度が異なる製品を作ることができます。通常、使用温度は1250～1350℃ですが、1550℃に達するものもあります。
高アルミニウム断熱レンガは主に発泡法で製造され、製品の体積密度は0.4～1.0g/cm3です。また、焼却添加剤法で製造することも可能です。高アルミニウム断熱耐火レンガの物理化学指標を表3-106に示します。
高アルミニウム断熱耐火レンガは、高温の溶融材料による腐食や浸食を受けない断熱層や部品の構築に使用できます。炎に直接接触する場合、一般的な高アルミニウム断熱耐火レンガの表面接触温度は1350℃を超えてはなりません。ムライト断熱耐火レンガは炎に直接接触でき、耐高温性、高強度、および顕著な省エネルギー効果という特徴があります。熱分解炉、熱風炉、セラミックローラーキルン、電気磁器引き出し窯、および各種抵抗炉の内張りに適しています。Al2O3含有量82.4%のコランダムムライト断熱耐火レンガは、1550℃の炉の内張りとして使用できます。
3. 粘土系断熱耐火レンガ
粘土系断熱耐火レンガは、耐火粘土を主原料とし、Al2O3含有量が30～48%の断熱耐火製品です。耐火粘土、浮遊ビーズ、耐火粘土クリンカーを原料とし、結合剤と木屑を添加して製造されます。混合、成形、乾燥、焼成の工程を経て、嵩密度0.3～1.5g/cm3の製品が得られ、その生産量は断熱耐火レンガ全体の半分以上を占めています。
粘土系断熱耐火レンガの一般的な製造方法は、浮遊ビーズを用いた焼却添加法であり、発泡法も用いられる。粘土系断熱耐火レンガの物性値については、表3-107を参照のこと。
粘土系断熱耐火レンガは幅広い用途があります。主に熱設備や工業用窯で使用されます。高温の溶融物質による腐食や洗浄を受けない部品に使用できます。炎に直接触れる表面には耐火コーティングを施し、スラグや炉ガス粉塵による侵食を軽減し、損傷を減らします。製品の使用温度は、戻りラインの試験温度を超えません。粘土断熱レンガは、多孔性軽量断熱材の一種です。この材料は気孔率が30%～50%で、断熱性は劣りますが、機械的強度と耐食性に優れています。
4. シリコーン断熱耐火レンガ
珪質断熱耐火レンガは、シリカを主原料とし、SiO2含有量が91%未満の断熱耐火製品です。断熱性に加えて、珪質耐火レンガは、珪質レンガの特性を大部分維持しています。荷重軟化開始温度が高く、加熱プロセス中に体積膨張がわずかであるため、窯の健全性が向上します。
中国冶金工業規格YB386-1994に規定されている工業炉用珪質断熱耐火レンガGGR-1.20グレードの性能は、かさ密度が1.2g/cm3以下、室温での圧縮強度が5MPa以上、0.1MPaの荷重下での軟化開始温度が1520℃以上、SiO2含有量が91%以上である。
本製品は、高温溶融物と直接接触せず、腐食性ガスに直接さらされない工業用窯の内張りや断熱層に適しています。使用温度は1550℃を超えません。
シリカ系断熱耐火レンガは、シリカ粉塵の影響で人体に有害性が高く、粘土系や高アルミニウム系断熱耐火レンガよりも製造工程が複雑であり、断熱耐火材料の総生産量に占める割合も小さい。
5. 珪藻土断熱耐火レンガ
珪藻土断熱レンガは、珪藻土を主原料とする断熱耐火製品です。珪藻土断熱レンガは、微細な閉鎖孔、高い多孔性、優れた断熱性能を有しますが、機械的強度が低く、特に湿気を帯びると強度が著しく低下します。主な化学組成はSiO2で、次いでAl2O3、鉄、カリウム、ナトリウム、カルシウム、マグネシウムの酸化物などの不純物を含みます。
珪藻土断熱レンガの物理的特性は表3-108に示すとおりである。珪藻土断熱レンガは耐熱性が低く、耐火度は約1280℃に過ぎないため、使用温度は高くない。900℃以下の断熱層にのみ使用できる。
6. 膨張パーライト製品
膨張パーライト製品は、パーライトを主成分とする断熱耐火製品です。膨張パーライトを骨材とし、適切なセメント、水ガラス、リン酸塩などを混合、成形、乾燥、焼成または養生した後、断熱製品が作られます。膨張パーライトの密度は比較的小さく、一般的に40～120g/cm³程度です。耐火度は高くなく、一般的に1280～1360℃です。異なる結合剤を使用した製品の最高使用温度は異なり、通常は1000℃以下です。
膨張パーライト製品は、国首页規格における製品の嵩密度に応じて、200、250、300、350kg/m³の4つのカテゴリーに分類されます。また、使用するセメントの種類に応じて、セメント結合膨張パーライト製品、水ガラス結合膨張パーライト製品、リン酸塩結合膨張パーライト製品、アスファルト結合膨張パーライト製品に分けられます。
7. 膨張バーミキュライト製品
膨張バーミキュライト製品は、膨張バーミキュライトを主原料とする断熱耐火製品です。膨張バーミキュライト製品の製造は、一定サイズの膨張バーミキュライトを骨材とし、混和剤と結合剤を添加し、一定の割合で水と混合し、成形、乾燥、焼成または養生して断熱製品を形成する工程に基づいています。かさ密度、混和剤、結合剤が異なる製品は、それぞれ異なる最高使用温度を持ち、通常は1000℃以下の断熱層に使用されます。膨張バーミキュライト製品には多くの種類があり、通常は使用される結合剤の種類と骨材の種類によって分類されます。結合剤の種類によって、有機結合剤製品、無機結合剤製品、有機無機複合結合剤製品に分類できます。使用される骨材の種類によって、単一骨材製品、複数骨材製品、混和剤製品に分類できます。
膨張バーミキュライトは熱伝導率が低く、強度も低く、防水性もないため、用途が大きく制限されます。高強度セメント材を使用して膨張バーミキュライトを結合して完成品にすると、膨張バーミキュライトよりも強度が高くなり、より大きな荷重に耐えることができます。防水セメント材を使用して膨張バーミキュライトを結合すると、結果として得られる製品は防水性能を持ち、水のある場所で使用できます。結合材の熱伝導率は通常、膨張バーミキュライトよりも高いため、結合材を添加すると膨張バーミキュライトに新しい用途が生まれますが、同時に膨張バーミキュライトの断熱効果も低下します。
8. カルシウムシリコンボード
ケイ酸カルシウム板は、珪藻土と石灰を主原料として作られ、強化繊維を添加して作られた断熱耐火製品もケイ酸カルシウム板や微多孔ケイ酸カルシウム板と呼ばれます。ケイ酸カルシウム板は、その組成によって2種類に分けられます。1つは、CaO/SiO2の化学組成が約0.8で、鉱物組成がトベルモライト（トベルモライト、5CaO·6SiO2·5H2O）である普通ケイ酸カルシウム板です。もう1つは、CaO/SiO2の化学組成が約1.0で、鉱物組成がケイ酸カルシウムである硬質ケイ酸カルシウム板です。
ケイ酸カルシウムは、容量が小さく、分離性が強く、熱伝導率が低く、施工が容易で、損失率が低いなど、優れた特性を持っています。ケイ酸カルシウム板の密度は、世界的には主に220kg/m3以下と規定されており、一部はさらに220kg/m3以下、170kg/m3以下、130kg/m以下の33種類に分類されています。中国では、240kg/cm3以下、220kg/cm3以下、170kg/cm3以下の33種類に分類されています。圧縮強度は0.4MPa以上、曲げ強度は0.2MPa以上です。熱伝導率（70℃±5℃）は0.049～0.064W/(m·K)で、最高使用温度は、トルベムライトが650℃、ケイ酸カルシウムが1000℃です。
ケイ酸カルシウム板は、のこぎりで切断したり釘で留めたりして、板、ブロック、またはケーシングに加工できます。電力、化学工業、冶金、船舶などの熱パイプラインや工業炉の断熱材として使用できます。建物、計器、設備の防火・断熱材としても使用できます。高温乾燥窯やトンネル窯台車の断熱層としても使用できます。ケイ酸カルシウム板の両面にプラスチックベニヤ、合板、アスベストセメント板などを貼り付けて断熱材として使用できます。世界の断熱工事材料のほとんどがケイ酸カルシウム板を使用しており、一部の国ではケイ酸カルシウム板が業界の断熱材の70～80％を占めています。
9. 浮遊粒子ブロック（セノスフィアブロック）
セノスフィアレンガは、セノスフィアを主原料とする断熱耐火製品です。1970年代初頭、我が国はフライアッシュセノスフィアを用いて粘土系断熱耐火レンガの製造を開始しました。製造工程が簡便で資源も豊富であったため、製品の品質は良好でした。1980年代以降は、多孔質クリンカー法、あるいはフライアッシュセノスフィアの焼成添加法を用いてセノスフィアレンガが製造されています。
セノスフィアレンガは、火力発電所のフライアッシュから浮遊させたケイ酸アルミニウムガラス製の空洞球です。軽量で薄肉、中空構造、滑らかな表面、低い熱伝導率、優れた断熱性能、高い耐火性、高い圧縮強度などの特性を備えています。これらのセノスフィアの特性を利用して、優れた保温性能を持つ断熱耐火材料を製造することができます。セノスフィアレンガは、工程が簡単で仕上げ工程を必要としない半乾式法で製造できます。
セノスフィアレンガは、機械的強度、耐高温性、熱伝導率、使用性能において、既存の中型ブロック断熱材よりも優れており、ケイ酸塩繊維に匹敵します。この材料は、1200℃の高温工業炉で広く使用されており、熱効率の向上とエネルギー消費量の削減を目的としています。セノスフィアレンガは、冶金、機械、化学、石油、建材、軽工業、電力などの分野の工業炉や高温設備で使用されています。一般的に、15%から40%のエネルギーを節約できます。軽量間仕切り断熱材として優れた新タイプです。
10. 中空球形レンガ
アルミナ製の中空球状レンガ
アルミナ中空球レンガは、アルミナ中空球を主原料とする断熱耐火製品です。アルミナ中空球レンガの代表的な技術指標は、Al2O3含有量が98%以上、SiO2含有量が0.5%以下、Fe2O3含有量が0.2%以下、かさ密度が1.3～1.4g/cm3、見かけ気孔率が60～80%、圧縮強度が9.8MPa以上、荷重(0.2MPa)の軟化温度が1700℃以上、熱伝導率が0.7～0.8W/(m·K)です。
一般的な断熱材や耐火材と比較して、アルミナ中空球状レンガは製品中に多数の閉鎖気孔を有するという特徴があります。そのため、高強度で安定した気孔構造を持ち、低密度で熱伝導率も低くなっています。主に、耐火物、電子、セラミック産業における高温窯内張りレンガなど、1800℃以下の高温工業用窯内張り材、石油化学産業におけるガス化炉、ガス炉、石炭工業用反応炉などの高温熱機器の断熱層、冶金産業における誘導炉の断熱レンガなどに使用されます。
B ジルコニア中空球状レンガ
ジルコニア中空球レンガは、ジルコニア中空球を主原料とする断熱耐火製品です。このレンガの主結晶相は立方晶ジルコニア（鉱物組成の約70～80％）であり、その代表的な性能は、耐火度が2400℃以上、見かけ気孔率が55～60％、体積密度が2.5～3.0g/cm3、圧縮強度が4.9MPa以上、熱伝導率が0.23～0.35W/(m·K)です。
ジルコニア中空球は、優れた性能を持つ断熱耐火製品です。安全使用温度の上限は2200℃です。ジルコニア中空球レンガは、比較的高い高温強度と安定した気孔構造を有するため、2200℃の高温でも安全に使用できます。ジルコニア中空球レンガは、密度が低く熱伝導率も低いため、熱損失を低減するだけでなく、蓄熱も低減できます。したがって、冶金、石油、化学工業、電子機器などの熱機器において、炎に直接接触する高温ライニング材として、エネルギー消費量を削減し、高温炉の重量を軽減できるため、使用効果は良好です。
投稿日時：2021年11月26日