JPS593435B2 - 球状セラミック材 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はセラミック多孔質体用骨材および高温用耐火材
として有用なＡ１２０３−８ ｉ ０２系溶融体から直
接得られた球状セラミック材料に関するものである。

現在、各種セラミックフィルターや製鋼用ポーラスプラ
グおよびノズル等のセラミック多孔質体用骨材として次
にあげるようなものが使用されている。

（１）電融または焼結コランダム塊を破砕、粉砕した粒
子を用いるもの。

（２）電融ムライトビーズな用いるもの。

（３） 電融スピネルビーズを用いるもの。

などがあるが、それぞれ次に示すような欠点を有してい
る。

（１）の電融コランダムまたは焼結アルミナ塊の破砕粒
子を使用するものは最も一般的であり、素材価格も比較
的安価であるが、溶融インゴットまたは焼結塊を破砕、
粉砕して得られる不定形な破砕粒子である。

このような破砕骨材は、その粒形が不定形であるばかり
でなく鋭角な形状、または扁平な形状を示し、更には破
砕の衝撃による微小なりラックを内蔵する。

そのため該骨材を用いて多孔体を成形した場合、充填性
が悪く、骨材容積率を大きくしようとして成形圧を高く
すると骨材破壊を生じたり、また骨材分布が不均一にな
り、気孔の存在も不均一となるため、多孔体としての気
孔の微細な調整が困難で、通気量のコントロールが難し
い等の欠点がある。

このような問題点に対し、最近ビーズ状セラミック骨材
が使用されはじめている。

ビーズ状セラミック骨材はその形態が球体であるため充
填性が良く、またある程度の強度を有するため加圧成形
時の骨材破壊が起らない。

更には成形物における骨材相互の接触は点で結合される
ため、気孔の均一化、微細化が図れ、通気量のコントロ
ールも容易となるなど、優れた特性を示し注目されてい
る。

しかしながら、従来のビーズ状セラミック骨材には、そ
れぞれ次に示す欠点を有する。

（２）の電融ムライトビーズな使用するものはコランダ
ムに比較して融点が低く、耐火度に劣るという短所があ
るため、高温条件下で使用される、例えば製鋼用ポーラ
スプラグの場合、酸素洗浄による溶損が太きい等の問題
があり、用途に制限がある欠点を持つ。

（３）の電融スピネルビーズを使用するものは、（２）
の電融ムライトビーズに比較して融点が高いため耐火度
に勝る長所はあるものの、反面、スピネルは熱膨張が大
きいことから耐熱衝撃性（スポーリング抵抗）に劣ると
いう弱点を持つため、耐用回数が極端に悪いという欠点
がある。

本発明者等は従来の技術における上記の問題点に鑑みて
種々、研究を行った結果、耐火性多孔質体用骨材として
要求される特性を具備した球状セラミック材を見い出し
た。

即ち、本発明は電融コランダムに近い高耐火性を有し、
各種球状骨材と同等の真球形状を備えながら、かつ電融
ムライトビーズに匹敵する強度、および耐熱衝撃性を有
する球状セラミック材を提供するものである。

次に本発明について具体的に説明する。

本発明者等は、従来の電融ムライト質ビーズ（３Ａ１２
０３・２Ｓｉ０２）をＡｌ２Ｏ３側に移行することによ
り従来より高耐火度な球状セラミック材を得る研究を行
った。

しかし、ＳｉＯ□量を徐々に少な（し、Ａｌ２Ｏ３側に
移行すれば耐火度は次第に上昇するが、一定以上Ａｌ２
Ｏ３量を多（すれば、球状物の構造は次第に中空化を示
していくため強度は急激に低下し、このため多孔質体用
骨材として要求される特性の一つである、成形圧に十分
耐え得る強度を持つものが得られないというのが従来の
技術における通常の概念となっていた。

しかし、本発明者等はＡ ｚ２ｏ３− Ｓ ｉ Ｏ２二
成分系の球状溶融急冷物について更に深（研究を進め、
ＳｉＯ２とＡｌ２Ｏ３の配合重量を変化させることによ
り、球状物の種々の特性とＳｉＯ２とＡｌ２Ｏ３の重量
比率（以下ＳｉＯ□／Ａシ０３と記ス）との関係につい
て調べていたところ、単粒圧壊強度についてＳ ｉ ０
２／Ａ＃２０３が０．２１と０．１６において特異点が
存在することをつきとめた。

その関係を第１図に示す。第１図は、横軸にＳｉＯ□重
量係重量式重量式法分析値）およびＳｉＯ□／Ａｌ２Ｏ
３をとり、縦軸に単粒圧壊強度をとって、ＳｉＯ□が１
０〜２５重量係の領域において、ＳｉＯ□、の変化と単
粒圧壊強度の関係および、その関連する組成点での結晶
組織を模式的に説明したものである。

なお、第１図に示す単粒圧壊強度とは、平均粒子径がそ
れぞれ３０９５μ、１８４０μ、９２０μの三種に調整
された試料の中から、おのおの無作為に２０個採取し、
その試料を個々に荷重をかげ、試料が圧壊された重量（
Ｋ７）をその試料の最大面積（Ｏ４）で除した値の平均
値である。

これらの関係をＸ線回折、電子顕微鏡および偏光顕微鏡
により、マクロおよびミクロ組織について究明したとこ
ろ次のことが判明した。

その結果を第１図に基づき説明する。

（Ａ）のムライト組成では放射状に発達したムライト結
晶が相互に絡み合って構成され、強度の高いことが理解
される。

ＳｉＯ２の減少とともに放射状のムライト結晶とムライ
ト結晶を接合しているガラス相が減少しはじめ、コラン
ダム相が現われ、次第に増加し、（Ｂ）ではムライト結
晶が粒大化し、結晶中に大きなパーティングが現われる
ため強度は低下する。

しかし、ＳｉＯ□／Ａｌ２Ｏ３が０．２１以下になると
ムライト相の一部はコランダム結晶のまわりを取り囲む
ようになり、強度は増加シ、Ｓ ｉ ０２ ／ＡＡ２０
３が０．１６ となるｓ：、）ｆはコランダム微結晶が
緻密化し、その粒界を微量のムライト相が埋め小さな気
孔のみを残すため強度は最大となる。

また、それより更にＳｉＯ２／Ａｌ２Ｏ３の値が小さく
なると、結合相であるムライト相の減少と気孔の増加と
の相乗作用により、強度は急激に減少しはじめ、（Ｄ）
ではコランダム結晶の粒大化がみられ、大きな気孔が存
在することから強度は低下している。

このことは第２図に示すＸ線回折の結果からも十分理解
される。

以上の説明で明らかなごとく、本発明に従った実質的に
コランダム結晶もしくはコランダム結晶とムライト結晶
からなり、かつＳ ｉ ０２／ＡＡ２０ｓの値が０．１
３〜０．１９の範囲の球状物はＡｌ２Ｏ８含有量が高い
にもかかわらず、従来の電融ムライト質ビーズと同等以
上という強度を示し、更に第３図に示す、Ａ １２０．
−３ ｉ Ｏ□系状態図より明らかなどと（、Ａｌ２Ｏ
３含有量が高（なれば耐火度も高くなる。

次に本発明による球状セラミック材の耐熱衝撃性を調べ
るため、従来品である電融ムライトビーズ及び電融スピ
ネルビーズとの比較試験を下記の方法で行った。

試験方法として、３３６０〜２８３０μの粒度に調整さ
れたそれぞれの試料を１００グラム採取し、１４００℃
に昇温されたエレマ炉で１０分間加熱した後、炉より取
り出し水中へ投入し急冷却する。

次に試料を乾燥後２８３０μの篩にかげ、篩下重量を測
定する。

この操作を５回繰返した。その結果を第４図に示す。

第４図は、元試料１００ダラムに対する２８３０μ篩下
重量（累積）の割合を示したものである。

この結果より明らかなごとく、本発明による球状セラミ
ック材は電融スピネルビーズより遥かに高い耐熱衝撃性
を示しまた電融ムライトビーズとほぼ同等の耐熱衝撃特
性を有することが確認された。

以上の如く本発明品は従来の球状セラミック骨材が持つ
それぞれの欠点を改善したもので、耐火性、耐熱衝撃性
に優れた強度ある多孔質体用骨材として利用価値の高い
ものであるといえる。

次に本発明の球状セラミック材の製造方法について、そ
の一例を示す。

原料として第１表に示す高純度なアルミナおよび珪砂を
用い、これを溶融体のＳ ｉ ０２／Ａ１２ｏｓが０．
１３〜０．１９の範囲となるよう配合し、１５００ｋＶ
Ａ傾注式単相電気炉を使用して、下記の条件にて溶融し
た。

電圧 ２００Ｖ 電流 １８００Ａ 平均負荷 ３５３ｋＷ 平均吹製空気圧 ５Ｋｉｉ／ｃｔＡ充分溶融した
融体を流出させながら、平均５〜／ｃ４の圧縮空気を吹
きつげ製造を行った。

その結果、５０００μ〜２０μ程度の粒度範囲で緻密な
球状セラミック材が生成された。

得られた球状セラミック材の主な化学成分および特性を
第２表に示す。

なお、生成物の粒度は吹製空気圧によって左右されるも
のであり、用途に応じて適宜に篩分は使用されるもので
ある。

次に本発明による球状セラミック材の特徴を更に明確に
するため、従来品である各種多孔質体用骨材との比較を
行った。

各者、同じ条件で製鋼用：ポーラスプラグを作製し、取
鍋精錬におけるアルゴンガス吹き込みにより、それぞれ
の性能を比較した。

その結果を第３表に示す。第３表に示すとと（本発明に
よる球状セラミック材を骨材として作製したポーラスプ
ラグは、従来の骨材を用いたものと比較して、高温での
耐用回数におい又も２倍近くの成績を示している。

また均一で非常に微細な気孔が得られるため、微細なガ
ス気泡が得られるばかりでな（、溶鋼の地金への浸透が
起にくいことも確認された。

以上のどと（、本発明はＡＡ２０３−８ ｉ ０２二成
分系の球状溶融急冷物において、Ａｌ２Ｏ３量を一定以
上多（すれば球状物の構造は中空化を示し強度は低下を
たどるという従来からの固定概念を一掃したものであり
、本発明に従った実質的にコランダム結晶もしくはコラ
ンダム結晶とムライト結晶からなり、かつシリカとアル
ミナの重量比率（ＳｉＯ２／Ａ１２０３）が０．１３〜
０．１９の範囲であることを特徴とする球状セラミック
材＆ζ従来の電融コランダムに近似した高耐火性を有し
、各種ビーズ材と同様の真球形状を備えながら、電融ム
ライトビーズと同等の耐熱衝撃性、更には同等以上の強
度を有するもので、セラミック多孔質体用骨材および高
温用耐火材として産業上の利用価値は犬である。

なお本発明で定める特許請求の範囲は、従来量も多く使
用されている電融ムライトビーズの有する単粒圧壊強度
（３０９５μで４．１Ｋｙ／ａｉｒ、１８４０μで６．
２ Ｋｆ／／ｃｒＡ、９２０μで９．０ Ｋｇ／ｃｒｉ
ｉ ）を満足させるものであり、この範囲を外れる組成
では極端に強度が低下し、多孔質体用骨材としての用途
に満足されるものでない。

以上、本発明の球状セラミック材は従来の電融ムライト
ビーズおよび電融スピネルビーズなどと同様に、電気炉
または他の溶融装置で溶融した溶融体を、空気、ガス、
水、または水蒸気等で吹製して製造されるものであるが
、本発明は、該溶融体の組成を極めて制約された、シリ
カとアルミナの重量比率（ＳｉＯ２／Ａ１２０３）が０
．１３〜０．１９であり、かつ実質的にコランダム結晶
もしくはコランダム結晶とムライト結晶からなる純度に
調製することによってその効果を奏するものであり、好
ましくはＳ ｉ ０２ ／ＡＡ２０３が０．１４〜０．
１８の範囲で一層すぐれた特性を発揮しうるものである
。

【図面の簡単な説明】

第１図はＡ １２０３− Ｓ ｉ ０２二成分系球状溶
融急冷物におけるＡｌ２Ｏ８とＳｉＯ□の組成変化によ
る単粒圧壊強度の関係およびその関連する組成点での結
晶組織を模式的に示したものである。 第２図は第１図に示す関係をＸ線回折によるコランダム
およびムライトのピーク高で示したものである。 第３図はＡＡ２０３−８ｉ０２二成分系の状態図である
。 第４゛図は本発明品と、従来品である電融ムライトビー
ズおよび電融スピネルビーズとの耐熱衝撃性比較試験結
果である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. Ｉ ＡＡ２０Ｂ−８ｉ ０２系溶融体から直接得られ
   た球状体であって、実質的にコランダム結晶もしくはコ
   ランダム結晶とムライト結晶からなり、かつシリカとア
   ルミナの重量比率（Ｓ ｉｏ□／Ａ１２０３）が０．１
   ３〜０．１９の範囲であることを特徴とする球状セラミ
   ック材。