JPH0518775B2 - - Google Patents
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- Resistance Heating (AREA)
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Description
〔産業上の利用分野〕
この発明は、セラミツクス発熱体より詳細には
ジルコニアフアイバーで補強された高温用ジルコ
ニア質耐火発熱体の製造方法に関する。
〔従来の技術〕
酸化雰囲気で用いられる発熱体としては、従
来、使用温度により使い分けられて、1400℃程度
まではSiC発熱体が一般に用いられ、1700℃程度
まではMoSi2が用いられている。それ以上の温度
まで使用できる発熱体は一般に使用に供し得るも
のはない。一部に、La2O3−Cr2O3系の発熱体が
用いられているが、La2O3が高価なこと、大きな
焼結体の製造が難しいこと、また、発熱体として
使用する際に、Cr2O3が蒸発して炉内部を汚染す
ることなどから、一般には普及していない。
他方、ジルコニア(ZrO2)またはトリア
(ThO2)に、カルシア(CaO)またはイツトリ
ア(Y2O3)その他の添加物を加えた磁器質材料
を加熱することによつて1000℃付近で電気の導電
性を示す負特性素子の抵抗発熱体が開発され(特
公昭38−12330号公報など)、この抵抗発熱体を用
いた超高温炉も既に一部実用化され、高融点短結
晶の製造、特殊高温材料の製造その他の高温下の
物性研究用として幅広い応用が期待されている。
そのうち、ジルコニア発熱体は、酸化ジルコニ
ウム(ZrO2)に少量の他の酸化物を添加し、高
温で焼結して発熱材料としたものであり、ジルコ
ニア(ZrO2)の融点が2690℃であることから、
このジルコニア発熱体は、2400℃までの高温を得
ることができる。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかしながら、従来のジルコニア発熱体は、局
部的に電流が流れることによる破損が多く、ま
た、熱伝導度が低くかつ膨脹係数が大きいことか
ら熱衝撃に弱く、その衝撃により損傷する恐れが
あつた。したがつて、殆ど製造されていないのが
現状である。
この発明は上述の背景に基づきなされたもので
あり、その目的とするところは、優れた通電発熱
特性または誘導加熱特性、および熱的衝撃に対す
る抵抗性を有すると共に、万一損傷があつた場合
にもこれらの特性の変化の少ない、製造の容易な
ジルコニア質発熱体の製造方法を提供することで
ある。
〔課題を解決するための手段〕
本発明者らは、耐火発熱体の特性改良を試みた
結果、ジルコニアフアイバーで補強された可撓性
の耐火シートを素材として、これをロール状また
は段状に積層して、ジルコニア質発熱体を製造す
れば、発明の目的達成に有効であることを見出
し、この発明を完成するに至つた。
すなわち、この発明のジルコニア質耐火発熱体
の製造方法は、ジルコニアフアイバー5〜80重量
部と、ジルコニア安定化剤を添加したジルコニア
粉末20〜95重量部から成る骨材100重量部に対し
て、可撓性バインダー20〜50重量部を添加配合し
て常温で可撓性を有する耐火シートを形成し、該
耐火シートをロール状に巻回積層するか段状に積
層して焼成することを含むものである。
この発明による製造方法の好ましい態様におい
て、上記耐火シートを積層する際、通電用リード
線の取付側を耐火シートに固定し、然る後該シー
トを積層形成するようにすることができる。
この発明による製造方法の好ましい別の態様に
おいて、上記可撓性バインダーとして、酢酸ビニ
ル樹脂またはアクリル酸エステルのエマルジヨ
ン、およびエチレングリコール、グリセリン、ジ
ブチルフタレインから選ばれた少なくとも1種の
可塑剤を使用することができる。
〔作 用〕
請求項1による発熱体の製造方法において、ジ
ルコニアフアイバーと、ジルコニア安定化剤を添
加したジルコニア粉末から成る骨材に可撓性バイ
ンダーを添加配合した原料を使用し、この原料を
延ばしてシート状に形成することにより、室温で
可撓性を有する強度の大きい耐火シートが得られ
る。
可撓性バインダーとして、酢酸ビニル樹脂また
はアクリル酸エステルのエマルジヨン、およびエ
チレングリコール、グリセリン、ジブチルフタレ
インから選ばれた少なくとも1種の可塑剤を使用
することにより、好ましい耐火シートが得られ
る。
次に、この耐火シートをロール状に巻回するこ
とにより、外形略円柱状の積層体が形成される。
また、耐火シートを1回折り返すか、複数回ジグ
ザグに折り返して重ねることにより、段状の積層
体が形成される。また、予め所定のサイズにカツ
トした耐火シートを重ねても同様に段状の積層体
が形成される。
この積層体を焼成することにより、この形状の
状態で硬化し、本発明のジルコニア質耐火発熱体
が得られる。
この発熱体において、ジルコニアフアイバー
は、機械的強度に優れていると共に熱衝撃性に優
れるので、発熱体の機械的特性を著しく高め、ま
た、ジルコニア粉末に対して補強材の働きをな
す。更に、ジルコニアフアイバーは約2600℃以上
の高融点を有しているので、ジルコニアフアイバ
ー以外の耐火フアイバーでよく起こる分解や溶融
などの現象が生じない。そして、発熱体シートが
ロール状に巻回積層されるか段状に積層された構
造により、発熱体に万一傷が入つてもそれは発熱
体シートの1層だけにとどまり、全体として、発
熱体の特性、例えば電気抵抗値の変化が僅少の範
囲に抑制される。
この発熱体は、例えば誘導加熱用コイルを流れ
る高周波電流によつて生ずる磁場の中に入れる
か、直接通電することにより、温度が上昇する。
請求項2の製造方法において、耐火シートを積
層形成する際、通電用のリード線の取付側を耐火
シートに固定し、然る後該耐火シートを上述の如
く積層形成して焼成することにより、通電用リー
ド線を有する発熱体が得られる。
この発熱体において、通電用リード線に電流を
流すと、発熱体に直接通電し、該発熱体の抵抗に
よるジユール熱により発熱する。
〔発明の詳細な説明〕
本発明によるジルコニア質耐火発熱体の製造方
法においては、先ず常温で可撓性を有する耐火シ
ートを作製する。
耐火シートは、ジルコニアフアイバー5〜80重
量部と、ジルコニア安定化剤を添加したジルコニ
ア粉末20〜95重量部とから成る骨材100重量部に
対して、可撓性バインダーを20〜50重量部添加し
た配合を有するものである。
ジルコニアフアイバーは、化学式ZrO2で表さ
れる酸化ジルコニウムから実質的になるものであ
り、その他、必要に応じて炭酸ジルコニウム、水
酸化ジルコニウムなどのジルコニウム化合物やそ
れらにY2O3、MgO、CaOなどの安定化剤を添加
したものであり、これらの少なくとも1種からな
る。この発明において使用できるジルコニアフア
イバーとして、例えば、純ジルコニアフアイバ
ー、ライム安定化ジルコニアフアイバー、マグネ
シア添加ジルコニアフアイバー、イツトリア安定
化ジルコニアフアイバー、セリア安定化ジルコニ
アフアイバー、ガドリア安定化ジルコニアフアイ
バーおよびこれらの混合物などがあり、好ましく
は、イツトリア安定化ジルコニアフアイバーがあ
る。
このジルコニアフアイバーは、種々の方法によ
り製造することができ、例えば、ジルコニウム化
合物の水溶液を出発原料(紡糸液)としてこれを
フアイバー化して、フアイバー前駆体(プリカー
サー)を形成し、フアイバー前駆体を焼成して製
造することができ、ジルコニア耐火物の用途、形
状などに応じて適宜選択することができる。
この発明で用いられるジルコニアフアイバーの
フアイバー長およびフアイバー径は各々、例え
ば、0.1〜50mmおよび0.1〜20μmである。
ジルコニアフアイバーの添加配合量は、ジルコ
ニア粉末20〜95重量部に対して5〜80重量部であ
り、10〜50重量部がより好ましい。このフアイバ
ーの配合量が5重量部未満では補助効果が少な
く、また80重量部を超えると耐火シートに成形す
ることが困難となる。
ジルコニア粉末は、酸化ジルコニウムから実質
的になるものであり、その他、目的に応じて炭酸
ジルコニウム、水酸化ジルコニウムなどのジルコ
ニウム化合物やそれらにY2O3、MgO、CaOなど
の安定化剤を添加したものであり、これらの少な
くとも1種からなる。この粉末は、例えば、噴霧
乾燥による微細粉体の製造法により得ることがで
きる。このジルコニア粉末の粒度は、この発明に
おいて特に制限されず、本発明にかかる発熱体の
形状や大きさに応じて適宜選択することができ、
例えばその粒径を0.1〜1000μm、好ましくは0.5〜
500μmに設定することができる。
ジルコニア安定化剤は、ジルコニアに対する結
晶安定化剤または加熱によりその結晶安定化剤に
変化する前駆体である。すなわち、その結晶安定
化剤は、ジルコニアの結晶安定化作用を示す金属
酸化物および/または加熱により金属酸化物を形
成する金属塩である。その安定化剤の例として
は、マグネシウム、イツトリウム、カルシウム、
ガドリニウム、セリウム、サマリウム、ガドミウ
ム、ランタン、ネオジムなどの酸化物、炭酸塩、
塩基性炭酸塩、酢酸塩、シユウ酸塩、硝酸塩、塩
化物、硫酸塩などがあり、マグネシウム、カルシ
ウム、イツトリウムの酸化物、塩化物、炭酸塩、
塩基性炭酸塩の粉末が経済的観点から好ましい。
金属酸化物および金属塩の安定化剤の粒度は、
0.01μm〜1mm、好ましくは0.1μm〜0.3mmである。
この0.01μm未満では乾燥時にマイグレーシヨン
現象が起こる恐れがあり、1mmを超えると安定化
剤としての働きが低下し、強度が劣化するからで
ある。
その結晶安定化剤の添加量は、ジルコニア100
重量部に対して酸化物換算で0.5〜30重量部、好
ましくは1〜20重量部である。これは、1重量部
未満であるとジルコニア成形体の結晶化、安定化
作用が小で、強度が発現せず、逆に20重量部を超
えると、それ以上の効果はあらわれず、蒸気圧の
高いものは電気炉の雰囲気を汚染することがある
のでジルコニア質耐火発熱体の特性が損なわれ
る。
可撓性バインダーは、酢酸ビニル樹脂やアクリ
ル酸エステル等の適宜な合成樹脂のエマルジヨ
ン、およびエチレングリコール、グリセリン、ジ
ブチルフタレイン等の可塑剤の1種以上からなる
ものである。
可塑剤の添加量は、上記合成樹脂エマルジヨン
100重量部に対して5〜25重量部が好ましい。
この様な可撓性バインダーの配合量は、前記骨
材100重量部に対して、20〜50重量部が好ましい。
この配合量が20重量部未満では耐火シートの可撓
性が充分でなく、耐火シートを積層形成する際に
き裂が生じやすい。また50重量部を超えると、可
撓性バインダーが加熱消失した後に、耐火発熱体
組織が脆弱化するという欠点がある。
耐火シートには、必要に応じて補強バインダー
を添加することができる。この補強バインダーと
しては焼成によりジルコニアまたはこの類似化合
物となるゾルや水溶液が好ましい。補強バインダ
ーの例としては、酢酸ジルコニル、酢酸ジルコニ
ウム、酢酸イツトリウム、塩化ジルコニウム、塩
化イツトリウムなどの水溶性塩の水溶液、ジルコ
ニアゾルなどがあげられ、0〜30重量部程度の配
合範囲で使用される。
この補強バインダーの使用により、耐火シート
が自硬性になり、また強度が高くなるために、乾
燥や焼成の際に耐火シートの操作が良好となる。
上述の様な配合の耐火シート用原料を、ロール
で引き延ばすか、押出成形によつて押し出すなど
してシート状に形成することにより、室温で可撓
性を有する耐火シートが得られる。この耐火シー
トの厚さは0.1〜1mm程度のものが好ましい。
次に、この耐火シートを、竹ひごのような細い
棒状の芯材を中心にしてこれを巻き付けるか、芯
材を用いずに該シートの一端を基部として巻回す
ることにより、略円柱状の積層体を形成すること
ができる。芯材として、必要な径の金属パイプ、
プラスチツクパイプなどを使用すれば、円筒状の
積層体を形成することができる。上記芯材は、乾
燥後に引き抜くか、木製やプラスチツク製等の場
合には焼成時に焼失することにより取り除かれる
が、乾燥時の耐火シートの変形防止に役立つと共
に、取り除いた後に耐火シートに貫通孔を形成し
て発熱体中心部の過熱を防止するという役割をも
果たす。
また、耐火シートを1回折り返すか、複数回ジ
グザグに折り返して重ねることにより、段状の積
層体を形成することができる。また予め所定のサ
イズにカツトした耐火シートを積み重ねてもよ
い。
上述の積層体における巻き付け端部は、押さえ
つけて下層に固着させるか、後述する様なモルタ
ル(ジルコニア質硬化組成物)を塗布して固定し
てもよい。
耐火シートによつて上述の様な積層体を形成さ
せる際、通電用のリード線を取り付けておくこと
ができる。円柱状または円筒状の積層体の場合、
耐火シートのリード線取付部にリード線の端部を
短く折り曲げて差し込んだ状態で圧着固定し、こ
のまま耐火シートを巻回積層するか、または耐火
シートをカツテイングしてより幅の狭いリード線
取付用シートを作成し、この取付用シートのリー
ド線取付部に上述の如くリード線の端部を差し込
んで圧着固定するか、リード線取付部にリード線
を巻き付けて固定し、この取付用シートを積層体
本体の両端に巻回積層してリード線を取り付ける
などの方法がある。
段状の積層体の場合には、耐火シートのリード
線取付部に、上述と同様短く折り曲げたリード線
の端部を差し込み状に圧着固定し、こうした耐火
シートを段状に折り返して積層すればよい。
上述のリード線の取付部位や取付用シートに予
めジルコニア質硬化組成物を塗布しておき、より
強く接着するようにしておいてもよい。ジルコニ
ア質硬化組成物としては、水溶液が酸性を呈する
水溶性ジルコニウム塩をバインダーとして使用し
且つイツトリアまたは非水溶性イツトリウム化合
物を硬化剤として使用することにより常温で自硬
性を呈するジルコニア質硬化組成物が挙げられ
る。
このジルコニア質硬化組成物に使用する水溶液
が酸性を呈する水溶性ジルコニウム塩としては、
酢酸ジルコニウム、酢酸ジルコニル、酸塩化ジル
コニウム、硝酸ジルコニウム、硫酸ジルコニウム
等が挙げられるが、通常硬化によつて得られる成
形体を焼成する時にバインダー成分の分解により
有毒ガスが発生する点等を考慮すると酢酸ジルコ
ニウム又は酢酸ジルコニルを使用することが好ま
しい。
なお、水溶液の濃度は5%以上であることが必
要であり、濃度が5%未満の場合には硬化後の強
度が不十分となり、硬化体の取り扱いが困難とな
る。
該ジルコニウム質硬化組成物のもう1つの必須
成分はイツトリアまたは非水溶性イツトリウム化
合物である。イツトリアは90重量%以上の純度を
有することが必要である。なお、イツトリアの粒
度は1mm以下であることが望ましい。イツトリア
の純度が90重量%未満であつたり、粒度が1mmを
超える場合には、イツトリアが硬化剤としての作
用効果を発現しにくくなるために好ましくない。
非水溶性イツトリウム化合物としては炭酸イツ
トリウムや水酸化イツトリウム等が挙げられる。
通常、これらの非水溶性イツトリウム化合物は
0.1mm以下の微粉形態で製造・販売されており、
特に、粒度に関しては考慮する必要はないが、加
熱により形成されるイツトリアの純度が90重量%
以上であることが必要である。
水溶性ジルコニウム塩に対するイツトリアまた
は非水溶性イツトリア化合物の添加割合は、水溶
性ジルコニウム塩より形成される酸化ジルコニウ
ムの重量1に対し、イツトリア(非水溶性イツト
リウム化合物を使用する場合には、加熱により形
成されるイツトリアとして)0.5〜5の範囲が好
ましく、この範囲内で比率を調節することによ
り、硬化時間を10分〜10時間の範囲に調整するこ
とができる。イツトリアの添加量が0.5未満の場
合には硬化時間が長くなり過ぎるために、実用的
ではなく、また、添加量が5を超える場合には硬
化時間が早くなり過ぎて混練中に硬化することが
あるため好ましくない。
上述の成分からなる組成物に、耐火原料粉末、
有機物質、繊維原料等を適宜添加混合して本発明
に使用するジルコニア質硬化組成物とすることが
できる。
この硬化組成物は、上述の如く積層体の巻付け
端部に塗布する方法の他に、耐火シートの全面に
塗布してからこれを積層体に形成することによつ
て重合している層同士を強く接着させるのに用い
てもよい。
この様にして構成された積層体を乾燥処理後に
焼成することにより、本発明によるジルコニア質
耐火発熱体が得られる。焼成温度は例えば800℃
以上で可能であるが、1400℃以上が好ましく、よ
り好適には1500〜2400℃である。この温度下限未
満では焼結強度が弱い。また、焼成は乾燥処理後
の積層体を誘導加熱することによつて行うことも
できる。
積層体の焼成時の変形を防止するために、該積
層体の一端側に孔を開穿し、これにアルミナパイ
プなどを通して吊下げるか、または積層体の外側
を形状保持用の保持具で保護し、この状態で焼成
処理を行なうなどの方法をとることができる。こ
の場合、芯材は焼失するものを用いればよい。
焼成温度が1700℃を超える場合には、例えば予
め白金リード線を取付けたり、吊下げたりして焼
成することは強度の点から困難である。そこでこ
の場合には、先ず積層体を1400〜1700℃にて予備
焼成を行ない、これによつて発熱体として炉にセ
ツトするのに充分な強度にした後、これを炉に取
り付け、通電または誘導加熱して自らを焼成する
方法が好ましい。
なお、通電用のリード線の取付けは、焼成後に
行なつてもよい。
次に、本発明を、第1図〜第3図を参照しなが
ら、実施例および比較例によつて更に具体的に説
明する。
実施例 1
イツトリア安定化ジルコニアフアイバー(品川
白煉瓦社製Y7Zフアイバー)50重量部、イツトリ
ア安定化ジルコニア粉末(Y2O3 7%、ZrO2 92
%)50重量部に、可撓性バインダーとしてポリ酢
酸ビニルエマルジヨンと可塑剤(ジブチルフタレ
イン)を33重量部添加配合して十分混練し、これ
を平板上に移してローラーを用いて延ばし、0.5
mmの厚さの可撓性シート1を作製した(第1図参
照)。次にこの可撓性シート1を2φのステンレス
棒3を芯材としてこれに巻き付けて積層体本体
1′を形成し、一方可撓性シートを用いて予め焼
成による変化率を見込んだ寸法にカツテイングし
てリード線取付用シート1aを作製し、これを第
1図aの如く先端を折り曲げたリード線2を差し
込んで圧着固定しながら、積層体本体1′の両端
に層状に巻き付け、そのまま150℃で10時間乾燥
を行なつた。その後ステンレス棒3を引き抜き、
1500℃にて予備焼成を行なつた後電気炉にセツト
し、通電によつて2000℃で焼成した。この焼成物
の使用結果を第1表に示す。
実施例 2
実施例1で用いたイツトリア安定化ジルコニア
フアイバー50重量部、イツトリア安定化ジルコニ
ア粉末45重量部、マグネシア安定化ジルコニア粉
末(MgO 4%、ZrO2 96%)5重量部に、実施
例1で用いた可撓性バインダーを添加配合して同
様に可撓性シートを作製した。このシートを第2
図aの如く、一端側にテーパを有する凹部ができ
るようにカツテイングして、この両側にリード線
取付用シート部1aを形成し、可撓性シート1を
ステンレス棒3を中心として本体側より外形円柱
状に巻回積層した後、上記取付用シート部1a
を、実施例1と同様にしてリード線2を取り付け
ながら、積層体本体1′の両端に内側方向へテー
パを有する層状に巻き付け、これを1600℃で予備
焼成した。その後酢酸ジルコニウムと酢酸イツト
リウムを溶解した水溶液にこの予備焼成物を浸漬
し、乾燥してから電気炉に取り付け、3℃/分の
昇温速度で1500℃までは電気炉により予熱し、そ
の後は本体に2000℃になるまで通電して焼成し
た。この焼成物の使用結果を第1表に示す。
実施例 3
実施例1で用いたイツトリア安定化ジルコニア
フアイバー20重量部、イツトリア安定化ジルコニ
ア粉末65重量部、未安定化ジルコニア粉末15重量
部に、イツトリア3%を配合し、これに、可塑剤
(エチレングリコール)を18%添加したポリ酢酸
ビニルエマルジヨン28重量部および酢酸ジルコニ
ル水溶液(ZrO2として20%濃度)8重量部を添
加配合して混練し、1mm厚の可撓性シートを作製
した。このシートを100φの紙製パイプに3ター
ン巻き付け、巻き終わりと巻き始めの部分に、ジ
ルコニアフアイバーを配合した自硬性組成物、即
ち前記ジルコニア質硬化組成物を2mm程度の幅で
塗布し、隣接する層に貼り合わせた。この積層体
をそのままの状態で12時間静置後、150℃で6時
間乾燥させて可撓性を低下させ、第3図に示す如
くこの積層体1″をジルコニア煉瓦製の保持具4
に入れてその外周を保持させ、1600℃で予備焼成
した。この予備焼成物を誘導炉にセツトし、予熱
の後2.5℃/分の昇温速度で2200℃になるまで誘
導加熱して焼成した。この焼成物の使用結果を第
1表に示す。
比較例 1
イツトリア安定化ジルコニア粉末95%に麻糸5
%を配合し、実施例1のバインダーと成形方法を
用いて可撓性シートを作製し、外形略円柱状の積
層体を形成した。この積層体は1500℃の予備焼成
の際に数本のクラツクが生じた。この焼成物の使
用結果を第1表に示す。
比較例 2
イツトリア安定化ジルコニア粉末のみを、実施
例1と同様のバインダー、成形方法を用いて、シ
ートから積層体状に成形しようと試みたが、シー
トを巻回する段階でわずかのクラツクが発生した
ため、その後の工程を中止した。
[Industrial Field of Application] The present invention relates to a ceramic heating element, and more particularly to a method for manufacturing a high-temperature zirconia refractory heating element reinforced with zirconia fibers. [Prior Art] Conventionally, heating elements used in an oxidizing atmosphere are used depending on the operating temperature; SiC heating elements are generally used up to about 1400°C, and MoSi 2 is used up to about 1700°C. There is generally no heating element that can be used up to temperatures higher than that. La 2 O 3 −Cr 2 O 3 type heating elements are used in some cases, but La 2 O 3 is expensive, it is difficult to manufacture large sintered bodies, and it is difficult to use it as a heating element. However, Cr 2 O 3 evaporates and contaminates the inside of the furnace, so it is not widely used. On the other hand, electricity can be generated at around 1000℃ by heating a porcelain material made of zirconia (ZrO 2 ) or thoria (ThO 2 ) with calcia (CaO) or yttoria (Y 2 O 3 ) or other additives. A resistance heating element with a negative characteristic that exhibits electrical conductivity has been developed (Japanese Patent Publication No. 38-12330, etc.), and some ultra-high temperature furnaces using this resistance heating element have already been put into practical use. It is expected to have a wide range of applications in the production of special high-temperature materials and other research on physical properties at high temperatures. Among these, zirconia heating elements are made by adding small amounts of other oxides to zirconium oxide (ZrO 2 ) and sintering them at high temperatures to create a heat generating material, and the melting point of zirconia (ZrO 2 ) is 2690°C. Therefore,
This zirconia heating element can obtain high temperatures up to 2400°C. [Problems to be Solved by the Invention] However, conventional zirconia heating elements are often damaged due to local current flow, and are susceptible to thermal shock due to their low thermal conductivity and large coefficient of expansion. There was a risk of damage due to impact. Therefore, the current situation is that almost no one is manufactured. This invention has been made based on the above-mentioned background, and its purpose is to have excellent electrical current heating characteristics or induction heating characteristics, resistance to thermal shock, and to provide a structure that is resistant to damage in the event of damage. Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a zirconia heating element that is easy to manufacture and has little change in these properties. [Means for Solving the Problems] As a result of our attempts to improve the characteristics of refractory heating elements, the present inventors have developed a flexible fireproof sheet reinforced with zirconia fibers that is rolled or stepped. The inventors have discovered that manufacturing a zirconia heating element by laminating the layers is effective in achieving the object of the invention, and have completed the invention. That is, in the method for producing a zirconia refractory heating element of the present invention, as much as 100 parts by weight of an aggregate consisting of 5 to 80 parts by weight of zirconia fibers and 20 to 95 parts by weight of zirconia powder to which a zirconia stabilizer is added is used. It involves adding and blending 20 to 50 parts by weight of a flexible binder to form a fireproof sheet that is flexible at room temperature, winding the fireproof sheet into a roll, stacking it in a roll or stacking it in steps, and firing. . In a preferred embodiment of the manufacturing method according to the present invention, when the fireproof sheets are laminated, the attachment side of the current-carrying lead wire can be fixed to the fireproof sheet, and then the sheets can be laminated. In another preferred embodiment of the production method according to the present invention, the flexible binder is an emulsion of vinyl acetate resin or acrylic ester, and at least one plasticizer selected from ethylene glycol, glycerin, and dibutylphthalein. can do. [Function] In the method for producing a heating element according to claim 1, a raw material prepared by adding and blending a flexible binder to an aggregate consisting of zirconia fibers and zirconia powder to which a zirconia stabilizer is added is used, and this raw material is stretched. By forming it into a sheet shape, a high-strength fireproof sheet that is flexible at room temperature can be obtained. A preferred fireproof sheet can be obtained by using as a flexible binder an emulsion of vinyl acetate resin or acrylic ester, and at least one plasticizer selected from ethylene glycol, glycerin, and dibutylphthalein. Next, this fireproof sheet is wound into a roll to form a laminate having a substantially cylindrical outer shape.
Furthermore, a stepped laminate is formed by folding the fireproof sheet once or multiple times in a zigzag manner. Furthermore, even if fireproof sheets cut in advance to a predetermined size are piled up, a stepped laminate is similarly formed. By firing this laminate, it is cured in this shape, and the zirconia refractory heating element of the present invention is obtained. In this heating element, the zirconia fiber has excellent mechanical strength and thermal shock resistance, so it significantly improves the mechanical properties of the heating element and also acts as a reinforcing material for the zirconia powder. Furthermore, since zirconia fiber has a high melting point of about 2600° C. or higher, phenomena such as decomposition and melting that often occur with fire-resistant fibers other than zirconia fiber do not occur. Because the heating element sheet is wound in a roll and laminated or layered in steps, even if the heating element is damaged, it will only be in one layer of the heating element sheet, and the heating element as a whole will be damaged. Characteristics such as changes in electrical resistance are suppressed to a small range. The temperature of this heating element is increased by, for example, placing it in a magnetic field generated by a high-frequency current flowing through an induction heating coil, or by directly energizing it. In the manufacturing method according to claim 2, when forming the fireproof sheets in a laminated manner, the mounting side of the electrical lead wire is fixed to the fireproof sheet, and then the fireproof sheets are laminated as described above and fired. A heating element having a current-carrying lead wire is obtained. In this heating element, when a current is passed through the current-carrying lead wire, the heating element is directly energized and generates heat due to Joule heat due to the resistance of the heating element. [Detailed Description of the Invention] In the method for producing a zirconia refractory heating element according to the present invention, first, a refractory sheet having flexibility at room temperature is produced. The fireproof sheet is made by adding 20 to 50 parts by weight of a flexible binder to 100 parts by weight of aggregate consisting of 5 to 80 parts by weight of zirconia fibers and 20 to 95 parts by weight of zirconia powder added with a zirconia stabilizer. It has the following formulation. Zirconia fibers are essentially made of zirconium oxide represented by the chemical formula ZrO 2 , and may also contain other zirconium compounds such as zirconium carbonate and zirconium hydroxide, as well as Y 2 O 3 , MgO, CaO, etc. This stabilizer is added and consists of at least one of these stabilizers. Examples of the zirconia fibers that can be used in the present invention include pure zirconia fibers, lime-stabilized zirconia fibers, magnesia-doped zirconia fibers, ittria-stabilized zirconia fibers, ceria-stabilized zirconia fibers, gadolia-stabilized zirconia fibers, and mixtures thereof. , preferably ittria-stabilized zirconia fibers. This zirconia fiber can be manufactured by various methods. For example, an aqueous solution of a zirconium compound is used as a starting material (spinning solution) to form a fiber, a fiber precursor is formed, and the fiber precursor is fired. The zirconia refractory can be manufactured as appropriate and can be selected depending on the use, shape, etc. of the zirconia refractory. The fiber length and fiber diameter of the zirconia fiber used in this invention are, for example, 0.1 to 50 mm and 0.1 to 20 μm, respectively. The amount of zirconia fiber added is 5 to 80 parts by weight, more preferably 10 to 50 parts by weight, based on 20 to 95 parts by weight of zirconia powder. If the amount of fiber added is less than 5 parts by weight, the auxiliary effect will be small, and if it exceeds 80 parts by weight, it will be difficult to form it into a fireproof sheet. Zirconia powder consists essentially of zirconium oxide, and may also include zirconium compounds such as zirconium carbonate and zirconium hydroxide, or stabilizers such as Y 2 O 3 , MgO, and CaO added thereto, depending on the purpose. and consists of at least one of these. This powder can be obtained, for example, by a method for producing fine powder by spray drying. The particle size of this zirconia powder is not particularly limited in the present invention, and can be appropriately selected depending on the shape and size of the heating element according to the present invention.
For example, the particle size is 0.1 to 1000μm, preferably 0.5 to 1000μm.
Can be set to 500μm. The zirconia stabilizer is a crystal stabilizer for zirconia or a precursor that is converted into the crystal stabilizer by heating. That is, the crystal stabilizer is a metal oxide that exhibits a crystal stabilizing effect on zirconia and/or a metal salt that forms a metal oxide upon heating. Examples of such stabilizers include magnesium, yttrium, calcium,
Oxides and carbonates of gadolinium, cerium, samarium, gadmium, lanthanum, neodymium, etc.
Basic carbonates, acetates, oxalates, nitrates, chlorides, sulfates, etc., and oxides, chlorides, carbonates of magnesium, calcium, and ythtrium.
Basic carbonate powders are preferred from an economical point of view. The particle size of metal oxide and metal salt stabilizers is
It is 0.01 μm to 1 mm, preferably 0.1 μm to 0.3 mm.
This is because if the thickness is less than 0.01 μm, a migration phenomenon may occur during drying, and if it exceeds 1 mm, the function as a stabilizer will decrease and the strength will deteriorate. The amount of crystal stabilizer added is zirconia 100
The amount is 0.5 to 30 parts by weight, preferably 1 to 20 parts by weight in terms of oxide. If the amount is less than 1 part by weight, the crystallization and stabilizing effect of the zirconia molded body will be small, and the strength will not be developed.If it exceeds 20 parts by weight, no further effect will be obtained, and the vapor pressure will decrease. If the content is too high, it may contaminate the atmosphere of the electric furnace, thereby impairing the properties of the zirconia refractory heating element. The flexible binder is composed of an emulsion of a suitable synthetic resin such as vinyl acetate resin or acrylic ester, and one or more plasticizers such as ethylene glycol, glycerin, and dibutylphthalein. The amount of plasticizer added is based on the above synthetic resin emulsion.
It is preferably 5 to 25 parts by weight per 100 parts by weight. The blending amount of such a flexible binder is preferably 20 to 50 parts by weight based on 100 parts by weight of the aggregate.
If this amount is less than 20 parts by weight, the fireproof sheet will not have sufficient flexibility, and cracks will easily occur when the fireproof sheet is laminated. Moreover, if it exceeds 50 parts by weight, there is a drawback that the structure of the refractory heating element becomes brittle after the flexible binder disappears by heating. A reinforcing binder can be added to the fireproof sheet if necessary. The reinforcing binder is preferably a sol or an aqueous solution that becomes zirconia or a similar compound thereof upon firing. Examples of reinforcing binders include aqueous solutions of water-soluble salts such as zirconyl acetate, zirconium acetate, yttrium acetate, zirconium chloride, and yttrium chloride, and zirconia sol, which are used in a blending range of about 0 to 30 parts by weight. By using this reinforcing binder, the fireproof sheet becomes self-hardening and has high strength, so that the fireproof sheet can be easily manipulated during drying and firing. A fireproof sheet having flexibility at room temperature can be obtained by forming a raw material for a fireproof sheet having the above-mentioned composition into a sheet by rolling it with a roll or extruding it by extrusion molding. The thickness of this fireproof sheet is preferably about 0.1 to 1 mm. Next, this fireproof sheet is wrapped around a thin rod-shaped core material such as a bamboo strip, or by winding one end of the sheet as a base without using a core material, a substantially cylindrical shape is formed. A laminate can be formed. A metal pipe of the required diameter as the core material,
If a plastic pipe or the like is used, a cylindrical laminate can be formed. The above-mentioned core material is removed by pulling it out after drying, or if it is made of wood or plastic, it is burned away during firing, but it is useful for preventing deformation of the fireproof sheet during drying, and it also helps to prevent through holes in the fireproof sheet after it is removed. It also plays the role of preventing overheating in the center of the heating element. Furthermore, a stepped laminate can be formed by folding the fireproof sheet once or multiple times in a zigzag manner. Alternatively, fireproof sheets cut in advance to a predetermined size may be stacked. The wrapped ends of the above-mentioned laminate may be fixed to the lower layer by pressing, or may be fixed by applying mortar (zirconia hardening composition) as described below. When forming a laminate as described above using a fireproof sheet, a lead wire for conducting electricity can be attached. For columnar or cylindrical laminates,
Bend the end of the lead wire short and insert it into the lead wire attachment part of the fireproof sheet, then crimp and fix it, then wrap and laminate the fireproof sheet as it is, or cut the fireproof sheet to attach a narrower lead wire. Create a sheet, insert the end of the lead wire into the lead wire attachment part of this installation sheet as described above and secure it by crimping, or wrap the lead wire around the lead wire attachment part and secure it, and then stack this installation sheet. There are ways to attach lead wires by winding and stacking them at both ends of the main body. In the case of a tiered laminate, the end of the lead wire bent short as described above is inserted and crimped into the lead wire attachment part of the fireproof sheet, and these fireproof sheets are folded back into a tiered shape and stacked. good. A zirconia-based curing composition may be applied in advance to the above-mentioned lead wire attachment site or attachment sheet to further strengthen the adhesion. Examples of the zirconia hardening composition include a zirconia hardening composition that exhibits self-hardening properties at room temperature by using a water-soluble zirconium salt whose aqueous solution is acidic as a binder and using yttria or a water-insoluble yttrium compound as a hardening agent. Can be mentioned. The water-soluble zirconium salt whose aqueous solution is acidic to be used in this cured zirconia composition includes:
Examples include zirconium acetate, zirconyl acetate, zirconium acid chloride, zirconium nitrate, zirconium sulfate, etc. However, considering the fact that toxic gas is generated due to decomposition of the binder component when the molded product obtained by normal curing is fired, acetic acid is used. Preference is given to using zirconium or zirconyl acetate. Note that the concentration of the aqueous solution must be 5% or more; if the concentration is less than 5%, the strength after curing will be insufficient and the cured product will be difficult to handle. Another essential component of the zirconium-based hardening composition is yttrium or a water-insoluble yttrium compound. Ittria needs to have a purity of 90% by weight or more. Note that it is desirable that the particle size of ittria is 1 mm or less. If the purity of ittria is less than 90% by weight or if the particle size exceeds 1 mm, it is not preferable because it becomes difficult for ittria to function as a curing agent. Examples of water-insoluble yttrium compounds include yttrium carbonate and yttrium hydroxide.
Typically, these water-insoluble yttrium compounds are
It is manufactured and sold in the form of a fine powder of 0.1 mm or less.
In particular, there is no need to consider particle size, but the purity of ittria formed by heating is 90% by weight.
It is necessary that it is above. The ratio of addition of yttria or water-insoluble yttria compound to the water-soluble zirconium salt is 1 part by weight of zirconium oxide formed from the water-soluble zirconium salt, and 1 part by weight of yttria (formed by heating when using a water-insoluble yttria compound). The ratio is preferably from 0.5 to 5. By adjusting the ratio within this range, the curing time can be adjusted from 10 minutes to 10 hours. If the amount of ittria added is less than 0.5, the curing time will be too long, which is not practical.If the amount added is more than 5, the curing time will be too fast, and it may harden during kneading. I don't like it because of this. A composition consisting of the above-mentioned components includes refractory raw material powder,
The zirconia cured composition used in the present invention can be prepared by appropriately adding and mixing organic substances, fiber raw materials, and the like. In addition to applying the cured composition to the wrapped ends of the laminate as described above, the cured composition can also be applied to the entire surface of the fireproof sheet and then formed into a laminate so that the layers are polymerized. It can also be used to strongly adhere materials. The zirconia refractory heating element of the present invention can be obtained by drying and then firing the laminate constructed in this manner. Firing temperature is e.g. 800℃
The temperature above is possible, but the temperature is preferably 1400°C or higher, more preferably 1500 to 2400°C. Below this lower temperature limit, the sintering strength is weak. Moreover, baking can also be performed by induction heating the laminate after drying treatment. In order to prevent the laminate from deforming during firing, a hole is drilled in one end of the laminate and the laminate is hung through an alumina pipe, or the outside of the laminate is protected with a holder to maintain its shape. However, a method such as performing a firing treatment in this state can be used. In this case, the core material may be one that is burnt out. When the firing temperature exceeds 1700° C., it is difficult to attach a platinum lead wire in advance or to fire it by suspending it from the viewpoint of strength. Therefore, in this case, the laminate is first pre-fired at 1,400 to 1,700°C to make it strong enough to be set in the furnace as a heating element, and then installed in the furnace and energized or induced. A method of firing itself by heating is preferred. Note that the lead wire for energization may be attached after firing. Next, the present invention will be explained in more detail by Examples and Comparative Examples with reference to FIGS. 1 to 3. Example 1 50 parts by weight of Ittria stabilized zirconia fiber (Y7Z fiber manufactured by Shinagawa Shirorenga Co., Ltd.), Ittria stabilized zirconia powder (Y 2 O 3 7%, ZrO 2 92
%), add polyvinyl acetate emulsion as a flexible binder and 33 parts by weight of a plasticizer (dibutyl phthalein), mix thoroughly, transfer this onto a flat plate, and roll it out using a roller. 0.5
A flexible sheet 1 with a thickness of mm was produced (see FIG. 1). Next, this flexible sheet 1 is wound around a 2φ stainless steel rod 3 as a core material to form a laminate body 1', and the flexible sheet is cut into dimensions that take into account the rate of change due to firing. Then, a lead wire attachment sheet 1a was prepared, and the lead wire 2 with the tip bent as shown in FIG. It was dried for 10 hours. After that, pull out the stainless steel rod 3,
After preliminary firing at 1500°C, it was set in an electric furnace and fired at 2000°C by applying electricity. Table 1 shows the results of using this fired product. Example 2 Example 1 was added to 50 parts by weight of the ittria-stabilized zirconia fiber used in Example 1, 45 parts by weight of the ittria-stabilized zirconia powder, and 5 parts by weight of the magnesia-stabilized zirconia powder (MgO 4%, ZrO 2 96%). A flexible sheet was prepared in the same manner by adding the flexible binder used in . This sheet is the second sheet.
As shown in Figure a, cutting is performed so that a tapered recess is formed on one end side, and sheet parts 1a for attaching lead wires are formed on both sides of the cut, and the flexible sheet 1 is After winding and laminating in a cylindrical shape, the above mounting sheet part 1a
was wound inwardly tapered layers around both ends of the laminate main body 1' while attaching lead wires 2 in the same manner as in Example 1, and this was preliminarily fired at 1600°C. After that, this pre-fired product is immersed in an aqueous solution containing zirconium acetate and yttrium acetate, dried, and then installed in an electric furnace.It is preheated in the electric furnace at a heating rate of 3℃/min up to 1500℃, and then the main body It was fired by applying electricity until it reached 2000℃. Table 1 shows the results of using this fired product. Example 3 20 parts by weight of ittria-stabilized zirconia fiber, 65 parts by weight of ittria-stabilized zirconia powder, and 15 parts by weight of unstabilized zirconia powder used in Example 1 were blended with 3% ittria, and a plasticizer ( 28 parts by weight of a polyvinyl acetate emulsion containing 18% (ethylene glycol) and 8 parts by weight of an aqueous zirconyl acetate solution (20% concentration as ZrO 2 ) were added and kneaded to prepare a 1 mm thick flexible sheet. This sheet is wound around a 100φ paper pipe for 3 turns, and a self-hardening composition containing zirconia fibers, that is, the above-mentioned zirconia hardening composition, is applied to the end and the beginning of the winding in a width of about 2 mm. pasted in layers. This laminate was allowed to stand as it was for 12 hours, then dried at 150°C for 6 hours to reduce its flexibility, and the laminate 1'' was placed in a zirconia brick holder as shown in Figure 3.
The outer periphery was held in a container and preliminarily fired at 1600°C. This pre-fired product was set in an induction furnace, and after preheating, induction heating was performed at a temperature increase rate of 2.5°C/min until the temperature reached 2200°C. Table 1 shows the results of using this fired product. Comparative Example 1 95% Ittria stabilized zirconia powder and 5 hemp threads
%, a flexible sheet was produced using the binder and molding method of Example 1, and a laminate having a substantially cylindrical outer shape was formed. Several cracks occurred in this laminate during pre-firing at 1500°C. Table 1 shows the results of using this fired product. Comparative Example 2 An attempt was made to mold only the Ittria-stabilized zirconia powder into a laminate from a sheet using the same binder and molding method as in Example 1, but a slight crack occurred at the stage of winding the sheet. Therefore, the subsequent steps were discontinued.
本発明は上述の様に構成したため、以下の効果
を有する。
(イ) 本発明の製造方法によつて得られるジルコニ
ア質耐火発熱体は、優れた発熱特性を有し、ジ
ルコニアフアイバーによる補強によつて、機械
的強度および熱的衝撃に対する抵抗性に優れて
いると共に、積層構造を有しているために万一
クラツクが入つても1層だけにとどまり、発熱
体全体の特性、例えば電気抵抗値の変化をわず
かなものに抑制することができ、より長期間の
使用に耐え得る。
(ロ) 本発明の製造方法により、(イ)の様な効果を有
するジルコニア耐火発熱体の容易な製造が可能
となる。
(ハ) 本発明の製造方法により、発熱体の形状の自
由度が大きく、予め焼成後の変化率を見込んだ
形状にカツテイングすれば仕上のための機械加
工をする必要がなく、製作工数や製作日数を減
らすことができる。
(ニ) 本発明の製造方法により、材料を可撓性のシ
ート状に延ばす操作の際に材料中に抱き込まれ
た気泡が除去され、より均質な発熱体を容易に
得ることができる。
Since the present invention is configured as described above, it has the following effects. (b) The zirconia refractory heating element obtained by the production method of the present invention has excellent heat generation properties, and due to reinforcement with zirconia fibers, it has excellent mechanical strength and resistance to thermal shock. In addition, because it has a laminated structure, even if a crack occurs, it will only occur in one layer, and changes in the characteristics of the entire heating element, such as electrical resistance, can be suppressed to a small amount, allowing it to last for a longer period of time. Can withstand use. (b) By the manufacturing method of the present invention, it becomes possible to easily manufacture a zirconia refractory heating element having the effects as in (a). (c) With the manufacturing method of the present invention, there is a large degree of freedom in the shape of the heating element, and if it is cut into a shape that takes into account the rate of change after firing, there is no need for machining for finishing, reducing the number of manufacturing man-hours and production. The number of days can be reduced. (d) According to the manufacturing method of the present invention, air bubbles trapped in the material during the operation of stretching the material into a flexible sheet shape are removed, and a more homogeneous heating element can be easily obtained.
第1図および第2図は耐火シートから発熱体を
製造する工程の説明図であり、第3図は発熱体を
保持具にセツトした状態を示す斜視図である。
1…可撓性シート、1′…積層体本体、1a…
リード線取付用シート、2…リード線、3…芯
材。
1 and 2 are explanatory diagrams of the process of manufacturing a heat generating element from a fireproof sheet, and FIG. 3 is a perspective view showing a state in which the heat generating element is set in a holder. 1... Flexible sheet, 1'... Laminate main body, 1a...
Sheet for attaching lead wires, 2...Lead wires, 3...Core material.
Claims (1)
コニア安定化剤を添加したジルコニア粉末20〜95
重量部から成る骨材100重量部に対して、可撓性
バインダー20〜50重量部を添加配合して常温で可
撓性を有する耐火シートを形成し、該耐火シート
をロール状に巻回積層するか段状に積層して焼成
することを含む、通電または誘導加熱により発熱
するジルコニア質耐火発熱体の製造方法。 2 上記耐火シートを積層する際、通電用リード
線の取付側を耐火シートに固定し、然る後該シー
トを積層形成することを特徴とする、請求項1記
載の製造方法。 3 上記可撓性バインダーとして、酢酸ビニル樹
脂またはアクリル酸エステルのエマルジヨン、お
よびエチレングリコール、グリセリン、ジブチル
フタレインから選ばれた少なくとも1種の可塑剤
を使用することを特徴とする、請求項1または2
記載の製造方法。[Claims] 1. Zirconia powder containing 5 to 80 parts by weight of zirconia fibers and 20 to 95 parts by weight of zirconia stabilizer.
20 to 50 parts by weight of a flexible binder is added to 100 parts by weight of aggregate to form a fire-resistant sheet that is flexible at room temperature, and the fire-resistant sheet is rolled and laminated into a roll. A method for producing a zirconia refractory heating element that generates heat by applying electricity or induction heating, the method comprising laminating layers in a stepwise manner and firing. 2. The manufacturing method according to claim 1, wherein when laminating the fireproof sheets, the attachment side of the current-carrying lead wire is fixed to the fireproof sheet, and then the sheets are laminated. 3. As the flexible binder, an emulsion of vinyl acetate resin or acrylic ester, and at least one plasticizer selected from ethylene glycol, glycerin, and dibutylphthalein are used. 2
Manufacturing method described.
Priority Applications (6)
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|---|---|---|---|
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Applications Claiming Priority (1)
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ID=16204390
Family Applications (1)
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Families Citing this family (2)
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| US7572480B2 (en) * | 2006-10-19 | 2009-08-11 | Federal-Mogul World Wide, Inc. | Method of fabricating a multilayer ceramic heating element |
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- 1988-07-27 JP JP63187346A patent/JPH0238371A/en active Granted
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