JP2000505773A - 流動床塩素化炉での使用に適する改善された耐火性組成物 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、セラミックス体（特に、レンガ）を作製するために使用することができるシリカおよびチタニアを含む新規な耐火性バインダー組成物を提供する。このような耐火性バインダー組成物は、約７０重量％から約９２重量％のシリカ（ＳｉＯ₂）および約８重量％から約３０重量％のチタニア（ＴｉＯ₂）を含む。このような耐火性バインダー組成物はさらに、アルミナと酸化カルシウム、酸化ストロンチウム、酸化ナトリウムおよびそれらの混合物からなる群から選択される金属酸化物とを含むことができる。このような耐火性セラミックス体は、二酸化チタンを製造するときの流動床塩素化炉の場合などの高温で腐食性／浸食性の環境で使用することができる。

Description

【発明の詳細な説明】 流動床塩素化炉での使用に適する改善された耐火性組成物 関連出願の相互参照 本出願は、１９９６年１２月２０日出願の米国特許出願第０８／７７１，５６ ４号（現在、放棄）の一部継続出願である。 発明の背景 発明の分野 本発明は、セラミックス体、特に、レンガを作製するために使用することがで きるシリカ（ＳｉＯ₂）およびチタニア（ＴｉＯ₂）を含む耐火性バインダー組成 物を含む新規な耐火性セラミックス材料に関する。このような耐火性セラミック ス体は、二酸化チタンを製造する際の流動床塩素化炉など高温で腐食性／浸食性 な環境で使用することができる。関連技術の説明 チタン含有物質などの金属含有物質を流動床塩素化反応炉で塩素化する方法は よく知られている。このような方法では、粒子状のコークス、粒子状のチタン含 有物質、塩素、および必要に応じて酸素または空気が反応室に送り込まれる。適 切な反応温度、圧力および流速は、流動床が反応室内で持続されるように維持さ れる。この流動床内で、チタン含有物質、塩素および炭素は化学反応を行い、本 質的にガス状四塩化チタンおよび他の金属塩化物ならびにいくつかのガス（主と して、硫化カルボニル、二酸化イオウ、二酸化炭素および一酸化炭素）を生成す る。このガス状四塩化チタンおよび他の金属塩化物ならびにいくつかのガスは、 反応室から排出される。次いで、ガス状四塩化チタンは、他の金属塩化物および 排出ガスから分離することができ、二酸化チタンまたは金属チタンを製造するた めに使用することができる。 反応室内の条件は、行われている化学反応、反応物および生成物のために腐食 性が高く、そして物質が反応室内で移動するために浸食性が高い。したがって、 反応室を構築するために使用される材料は、これらの条件に耐え得ることが必要 であり、そして腐食速度／浸食速度は小さくなければならない。反応室の内表面 は、通常、腐食／浸食に対する耐性を有する耐火性レンガで内張りされている。 レンガは断熱材であり、その結果、外側（典型的には、金属）の外殻は過剰に加 熱されることなく、反応室内は高温が維持される。レンガはまた、反応物質が、 反応槽の外殻、したがって外部環境と接触することを妨げるためのバリアでもあ る。 このようなレンガは、典型的には、耐火性のフィラー材料および耐火性のバイ ンダー材料から調製される。塩素化槽を内張りするためのレンガを調製するため に使用されている耐火性フィラーには、例えば、金属酸化物、金属窒化物、金属 グ）、ムライトおよび菫青石）、ケイ酸塩、アルミン酸塩、リン酸アルミニウム 類、リン酸希土類の混合物、およびそれらの混合物が挙げられる。レンガに使用 されるバインダー材には、例えば、粘土、コロイド性物質（コロイダルシリカ、 コロイダルアルミナなど）、金属窒化物、金属酸化物などが挙げられる。例えば 、下記のレンガおよび耐火性組成物がこの分野で公知である。 Ｃｏｏｋの米国特許第３，９４２，２９３号および同第３，８１３，２２５号 には、５１％から５３．３％のシリカ、１．５％から２．５％のチタニア、４２ ．５％から４６．５％のアルミナ、ならびに少量の酸化第一鉄、酸化カルシウム 、酸化マグネシウムおよびアルカリ金属類からなる耐火性レンガ組成物が、開示 されている。このレンガは、二酸化チタンを製造するときに使用される塩素化槽 の内表面を内張りするために有用であると記載されている。レンガ表面は、槽の 操業温度よりも高い融点を有する耐火性金属酸化物の微砕粉が十分な量でコーテ ィングされて、レンガの表面孔の実質的にすべてが充填される。色素性の二酸化 チタンは、レンガ表面をコーティングするための適切な金属酸化物であると記載 されている。 Ｍａｎｉｇａｕｌｔの米国特許第３，８０８，０１３号には、７６％から９６ ． と、ルチル型二酸化チタンおよびチタン酸バリウムからなる群から選択される０ ． ５％から４％のチタン化合物とを含む耐火性組成物が、開示されている。この耐 火性組成物は、低い空隙度および吸収ならびに大きな嵩密度を有する耐火セラミ ックス体を製造するために有用であると、記載されている。 Ｈｕ等の米国特許第５，０９６，５８７号には、シリカ、アルミナと、酸化ナ トリウム、酸化カルシウムおよび酸化ストロンチウムからなる群から選択される 金属酸化物とを含むシリカのいわゆる高クリストバライト形態と本質的に同じＸ 線回折パターンを有する結晶性組成物が、開示されている。この組成物はガラス コンポジットのフィラーとして主に有用であり得ると、記載されている。 Ｂｏｒｏｄａｉ等のＳＵ６１４０７３には、石英ガラスを含有するセラミック ス材料を製造するための方法が開示されている。この方法は、石英ガラスを粉砕 し、そのガラスを二酸化チタン（１０重量％から３０重量％）と混合し、次いで 材料を成形して１１００℃〜１１５０℃の温度で焼成することを、含む。このセ ラミックス材料では、より高温で焼成される物質に対して、誘電率および機械的 強度が増大したと、記載されている。 さらに、多くの市販レンガは、シリカおよびアルミナを含む組成であり、特に 、Ｔｈｅｒｍａｌ Ｃｅｒａｍｉｃｓ、Ｈａｒｂｉｓｏｎ Ｗａｌｋｅｒ、Ａ． ＰＧｒｅｅｎ、Ｃｏｈａｒｔ Ｒｅｆｒａｃｔｏｒｉｅｓ、Ｈｏｌｌａｎｄ Ｍ ａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ、Ｉｗａｏ Ｊｉｋｉ Ｋｉｇｙｏ Ｃｏ．，Ｌｔｄ ．、Ｍｉｎｏ Ｙｏｇｙｏ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．、Ｋｒｏｓａｋｉ、およびＦｕ Ｓｈｉｎｇ Ｃｅｒａｍｉｃ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓから得られるレンガが含ま れる。 しかし、塩素化反応炉内で使用される市販レンガの中には、時間の割には腐食 ／浸食に対して依然と弱いものがある。 市販レンガの問題として、さらに、剥落することおよび亀裂がレンガ内に生じ る熱ショックが挙げられる。すなわち、レンガ構造が完全に破壊されることがあ る。耐火性のフィラー材およびバインダー材の多くは、塩素化槽内での長期間の 能力が不十分である。例えば、アルカリ金属およびアルカリ土類金属を含有する フィラーおよびバインダーは腐食され、金属塩化物として溶出される。シリカベ ースのバインダーは失透し、レンガの構造的な一体性が低下し得る。アルミナ、 ジルコンおよび金属リン酸塩などの耐火性フィラーの中には、腐食／浸食に対す る望ましい耐性より劣るものがあり、したがって反応室内での寿命が短い。さら に他のレンガは、腐食／浸食をより受けやすいかなり大きな粒界を有する。 一部の市販レンガ製品の欠点を考慮して、塩素化反応炉の場合などの高温で腐 食性／浸食性の環境で使用するのに適する改善されたレンガ製品が望まれる。こ のようなレンガ製品を使用して、反応炉の内部のレンガを交換するために必要と される期間を延ばすことによって、反応炉の有効寿命を延長することができる。 内部のレンガを交換することは、それによって反応炉を運転停止にしなければな らないために、費用と時間がかかる。 本発明は、耐火性セラミックス材料、特に耐火性レンガを作製するために使用 することができる新規な耐火性バインダー組成物を提供する。このような耐火性 バインダー組成物は、いくつかの公知な耐火性組成物よりも塩素化に対する耐性 が改善されている。 発明の概要 本発明は、レンガで使用することに適し、塩素化反応炉に存在する環境などの 高温で腐食性／浸食性の環境に対してより大きな耐性をレンガに付与するための 新規な耐火性バインダー組成物を含む耐火性セラミックス材料を提供する。この ような耐火性バインダー組成物を含む耐火性セラミックス材料は、典型的には、 １４００℃〜１７００℃の温度で焼成され、その腐食速度は６００ミル／年以下 でなければならない。腐食速度は、好ましくは４００ミル／年以下であり、より 好ましくは１００ミル／年以下である。 本発明の耐火性セラミックス材料は、下記のようなバインダー組成物を含む。 例えば、組成物の重量に対して、約７０重量％から約９２重量％のシリカ（Ｓｉ Ｏ₂）および約８重量％から約３０重量％のチタニア（ＴｉＯ₂）を含むバインダ ー組成物。好ましくは、シリカの量は約７５重量％から約９０重量％の範囲内で あり、チタニアの量は約１０重量％から約２５重量％の範囲内である。 本発明の別の耐火性セラミックス材料は、バインダー組成物の重量に対して、 約３５重量％から約８３重量％のシリカ（ＳｉＯ₂）、約４重量％から約２７重 量％のチタニア（ＴｉＯ₂）、および約１０重量％から約４６重量％のアルミナ （Ａｌ₂Ｏ₃）を含むバインダー組成物を含む。好ましくは、シリカの量は約４０ 重量％から約７３重量％の範囲内であり、チタニアの量は約５重量％から約２４ 重量％の範囲内であり、アルミナの量は約２０重量％から約４４重量％の範囲内 である。 本発明の第３の耐火性セラミックス材料は、バインダー組成物の重量に対して 、約３５重量％から約８３重量％のシリカ（ＳｉＯ₂）、約４重量％から約２７ 重量％のチタニア（ＴｉＯ₂）、約１０重量％から約４６重量％のアルミナ（Ａ ｌ₂Ｏ₃）と、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化ストロンチウム（ＳｒＯ）、酸化 ナトリウム（Ｎａ₂Ｏ）およびその混合物からなる群から選択される約１重量％ から約８重量％の金属酸化物とを含むバインダー組成物を含む。好ましくは、シ リカの量は約４０重量％から約７３重量％の範囲内であり、チタニアの量は約５ 重量％から約２４重量％の範囲内であり、アルミナの量は約２０重量％から約４ ４重量％の範囲内であり、酸化カルシウム、酸化ストロンチウム、酸化ナトリウ ムおよびその混合物からなる群から選択される金属酸化物は約３重量％から約６ 重量％の範囲内である。 耐火性セラミックス材料の耐火性バインダー組成物は、約４５重量％のアルミ ナおよび約５５重量％のシリカを脱水後に含有するカオリン粘土を含むことがあ る。上記のように、耐火性バインダー組成物を使用して、レンガなどの耐火性セ ラミックス体を作製することができる。レンガはさらに、金属酸化物、金属窒化 物、金属炭化物、ケイ酸塩、アルミン酸塩およびそれらの混合物からなる群から 選択される耐火性フィラー組成物を含む。 本発明はまた、上記の新規な耐火性セラミックス材料を使用するための方法を 包含する。特に、これらの方法は、チタン含有物質を塩素化することを含む。こ れらの方法において、粒子状のコークス、粒子状のチタン含有物質および塩素が 、９００℃から１３００℃の温度で、１気圧から３気圧の圧力の反応炉内で反応 する（ただし、この反応炉は、上記のセラミックス材料を含む内張りを有する） 。発明の詳細な説明 本発明は、耐火性バインダー組成物を含む耐火性セラミックス材料を提供する もので、この耐火性バインダー組成物は、流動床塩素化炉などの腐食性／浸食性 の環境の中で使用される耐火性セラミックス体（特に、レンガ）を製造するため に使用することができる。本明細書中で使用される用語「耐火性バインダー組成 物」は、高温耐性のセラミックス材料の粘着性を促進する熱耐性物質を意味する 。このような耐火性バインダー組成物を含む耐火性セラミックス材料は、１４０ ０℃〜１７００℃の温度に焼成して焼結しなければならず、腐食速度は６００ミ ル／年以下であり、好ましくは４００ミル／年以下であり、最も好ましくは１０ ０ミル／年以下でなければならない。 本発明の耐火性セラミックス材料の１つは、バインダー組成物の重量に対して 、約７０重量％から約９２重量％のシリカ（ＳｉＯ₂）および約８重量％から約 ３０重量％のチタニア（ＴｉＯ₂）を含む耐火性バインダー組成物を含む。好ま しくは、シリカの量は約７５重量％から約９０重量％の範囲内であり、チタニア の量は約１０重量％から約２５重量％の範囲内である。成分がこの重量パーセン トの範囲内で、シリカおよびチタニアは、融点が１６００℃より低い共融混合物 を生成する。 本発明の第２の耐火性セラミックス材料は、バインダー組成物の重量に対して 、約３５重量％から約８３重量％のシリカ、約４重量％から約２７重量％のチタ ニア、および約１０重量％から約４６重量％のアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）を含む耐火 性バインダー組成物を含む。好ましくは、シリカの量は約４０重量％から約７３ 重量％の範囲内であり、チタニアの量は約５重量％から約２４重量％の範囲内で あり、アルミナの量は約２０重量％から約４４重量％の範囲内である。成分がこ の重量パーセントの範囲内で、シリカ、アルミナおよびチタニアは、同様に、融 点が１６００℃より低く、好ましくは１５００℃より低い共融混合物を生成する であろう。 本発明の第３の耐火性セラミックス材料は、バインダー組成物の重量に対して 、約３５重量％から約８３重量％のシリカ、約４重量％から約２７重量％のチタ ニア、約１０重量％から約４６重量％のアルミナと、酸化カルシウム（ＣａＯ） 、酸化ストロンチウム（ＳｒＯ）、酸化ナトリウム（Ｎａ₂Ｏ）およびその混合 物からなる群から選択される約１重量％から約８重量％の金属酸化物とを含む耐 火 性バインダー組成物を含む。好ましくは、シリカの量は約４０重量％から約７３ 重量％の範囲内であり、チタニアの量は約５重量％から約２４重量％の範囲内で あり、アルミナの量は約２０重量％から約４４重量％の範囲内であり、酸化カル シウム、酸化ストロンチウム、酸化ナトリウムおよびその混合物からなる群から 選択される金属酸化物は約３重量％から約６重量％の範囲内である。 ケイ酸アルミニウム類（特に、カオリン粘土）を、バインダーに必要なシリカ およびアルミナの両方を提供する供給源として使用することができる。カオリン 粘土は、典型的には、約４０重量％のアルミナ、約４６重量％のシリカおよび約 １４重量％の水和水を含有する。ケイ酸アルミニウム類を使用してバインダーを 製造する場合、シリカまたはアルミナをさらに添加して、腐食／浸食に対する耐 性を改善するような方法でそのバインダーの組成を調節しなければならないこと がある。本発明の耐火性セラミックス材料のバインダー組成物は、組成物の耐火 性を妨げない、低コストの界面活性剤としてのタンニンまたは石油廃棄物および 粘着性成分としてのセルロースまたは樹脂などの添加剤を含有し得ることも理解 される。 バインダー組成物を含む本発明のセラミックス材料は、従来の方法で調製する ことができる。ボールミルまたはムラー（ｍｕｌｌｅｒ）ミルなどを使って予備 的な粉砕工程を行なうことができる原料成分（シリカ、チタニア、アルミナ、酸 化カルシウム、酸化ストロンチウム、酸化ナトリウムおよびそれらの混合物）を 、典型的には、それらの個々の割合でバッチ混合する。ウエット混合またはドラ イ混合のいずれかを行うことができるが、ムラーでのウエット混合が好ましい。 必要に応じて、粉砕は、混合して、その後、分粒した後に行うことができる。 本発明の耐火性セラミックス材料の耐火性バインダー組成物は、比較的低い融 点および／または低い焼結温度を含むいくつかの有利な特性を有する。バインダ ーが比較的低い融点および／または低い焼結温度を有するために、レンガを焼成 して十分な密度にすることができる温度は、より実用的な温度に下げることがで き、これによってレンガ製造でのコストを節約することができる。同様に、いく つかの実施形態では、バインダー組成物は、容易に塩素化され得るアルカリ土類 金属または他の融剤を含有しない。アルカリ土類金属（例えば、ＣａＯ、Ｓｒ ＯおよびＮａ₂Ｏ）が、いくつかの実施形態の場合のように存在する場合、それ らは、腐食、溶出および塩素化に対する耐性を有する安定化された形態の状態で 存在する。同様に、バインダー組成物は、一定した品質を有するレンガの製造を 可能にする予想可能な融点範囲を提供する。さらに、バインダー組成物を製造す るためのコストは比較的低く、バインダー組成物は、流動床塩素化反応炉の操業 に対して有害な添加成分を含有しない。さらに、以下の実施例に示すように、本 発明の耐火性セラミックス材料のバインダー組成物は、いくつかの公知な耐火性 組成物よりも、塩素化に対する耐性が改善されている。 耐火性バインダーからなる耐火性セラミックス材料は、また、腐食／浸食に対 する耐性ならびに熱ショックおよび剥落に対する耐性が改善されたセラミックス 体（たとえば、レンガ）を調製するために、下記のような従来の耐火性フィラー 材を含有する場合がある。例えば、金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物、ケイ よび菫青石）、他のケイ酸塩、アルミン酸塩、リン酸アルミニウム類、リン酸希 土類の混合物、およびそれらの混合物。それらの腐食／浸食に対する優れた耐性 および低コストのために、グロッグなどのケイ酸アルミニウム類を使用すること な天然に存在する物質には、藍晶石、ケイ線石などが含まれる。本発明のセラミ ックス材料は、セラミックス材料を焼成する前に添加され、そしてその材料の耐 火性を妨げない、低コストの界面活性剤としてのタンニンまたは石油廃棄物およ び粘着性成分としてのセルロースまたは樹脂などの添加剤を含有し得ることも理 解される。 耐火性セラミックス体（例えば、レンガ）は、従来の方法でも調製される。例 えば、セラミックス体は、「Ｍｏｄｅｒｎ Ｒｅｆｒａｃｔｏｒｙ Ｐｒａｃｔ ｉｃｅ」、第５版、Ｈａｒｂｉｓｏｎ Ｗａｌｋｅｒ Ｒｅｆｒａｃｔｏｒｉｅ ｓ 、Ｐｉｔｔｓｂｕｒｇｈ、ＰＡ、（１９９２）に記載される手順に従って調製 することができる。この文献を参照することにより、その開示内容を、本明細書 に併合するものとする。ともに予備的な粉砕および／または分粒を施すことがで きるフィラーおよびバインダーの（ウエットまたはドライで）バッチ混合が最初 に行われる。混合は、水分含有量が２〜２０重量％のウエット状態が好ましい。 粉砕および分粒は、ムラーミルによって粉砕し、その後の篩い分け、すなわち篩 いによって分粒することを含むそのような公知技術によって行うことができる。 混合し、そして必要に応じて粉砕および分粒した後に、混合物はペレット化また は押出し成形される。次いで、ペレットまたは押出し成形物は、必要に応じて十 分な密度にするために、典型的には１４００℃〜１７００℃の温度で予備焼成さ れる。 予備焼成された材料は、次いで、ハンマーミル、ジャークラッシャー、ジェッ トミル、ボールミルなどの装置、好ましくはハンマーミルを使って粉砕または粉 末化される。粉砕された材料は、次いで、特定の粒子サイズ範囲を得るために分 粒される。バインダーおよび滑剤（例えば、水）が、必要とされる形状形成に役 立せるために、分粒した材料にさらに添加される。バインダーのフィラーに対す る最終比は、典型的には、０．０５：１から０．３：１（バインダー：フィラー ）である。このバインダー／フィラー混合物は、所望する場合には、ムラーミル によって再度粉砕される。 上記のバインダー／フィラー混合物は、次いで、所望の形状に圧縮成形または 形成されて焼成される。典型的な焼成温度は、１４００℃〜１７００℃の範囲で ある。混合物を焼成することによって、焼結または密度が増大したバインダー／ フィラー混合物が得られ、低い空隙度が得られ、そして機械的強度が成形製品に もたらされる。本発明のバインダーを使用することの利点は、焼成温度が、より 高い融点を有するバインダー組成物が使用される場合に必要される焼成温度より も低いということである。 上記の組成物を有するレンガおよび他のセラミックス体は、流動床塩素化反応 炉の条件下などの反応性環境で、または流動床塩素化反応炉で見出される条件を 模倣する反応性環境で試験されるときの腐食／浸食に対する耐性が改善されてい る。そのような反応炉で見出される典型的な条件には、約９００℃〜１３００℃ の反応温度、および約１気圧〜３気圧の圧力が含まれる。下記のような任意の適 切なチタン源物質であり得るチタン含有物質もまた反応炉内に存在する。ルチル 鉱、チタン鉄鉱またはアナターゼ鉱を含むチタン含有鉱石、それらの選鉱物、チ タン含有副生物またはスラグ、およびそれらの混合物など。通常、チタン含有物 質は、鉄酸化物を約０．５重量％〜５０重量％の量で、好ましくは約２０重量％ まで含有する。塩素化における使用に適するコークスまたはチタン含有物質は、 コークス化処理が施された任意の炭素状物質を含む。好ましくは、石油または石 物である。 耐火性バインダー組成物を含む本発明の耐火性セラミックス材料は、１気圧の Ｃｌ₂／ＣＯ／Ｈｅを１１００℃の鉄の金属粉末に通すことによって得られるＦ ｅＣｌ₃／Ｃｌ₂／ＣＯの雰囲気に暴露したときの腐食速度が６００ミル／年以下 であり、好ましくは４００ミル／年以下であり、最も好ましくは１００ミル／年 以下でなければならない。この試験方法を、下記の「腐食試験」の表題のところ でさらに詳細に説明する。腐食速度が低いほど、塩素化反応室に存在し得る条件 のような条件下でのバインダーおよび材料の性能が良好であることを理解しなけ ればならない。 本発明を以下の実施例によってさらに説明するが、これらの実施例は、本発明 の範囲を限定すると解釈されない。 実施例 実施例１ 約８８重量％のシリカおよび１２重量％のチタニアを含むシリカ−チタニアの 耐火性バインダー組成物を、従来の手順に従って調製した。下記の試験に必要な 試験標本を調製するために、上記のバインダー組成物を１７００℃の温度に対し て焼成し、冷却した。試験片は、ダイヤモンドソーを使用して固体から切断した 。塩素化試験 Ｃａｈｎ Ｂａｌａｎｃｅ熱重量測定アナライザー（カリフォルニア州セトリ ス在のＣａｈｎ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，Ｉｎｃ．から入手可能）で、上記の シリカ−チタニアバインダー組成物を塩素化条件に曝した。条件は下記の通りで あった。温度＝１３００℃、ＣＯ圧＝Ｃｌ₂圧＝０．１７６ａｔｍで、全圧＝１ ａｔｍとなるように残りはＨｅであった。バインダーの塩素化速度を、定常状態 に達した後、典型的には塩素導入の４５〜２００分後に、１秒あたり、暴露表面 １ｃｍ²あたりのグラム重量減少（ｇ／ｓ／ｃｍ²）によって、下記の表１に示す ように測定した。いくつかの従来のレンガおよびバインダー組成物もまた、上記 のように塩素化について試験した。その結果を下記の表１に記す。 表１ １３００℃のＣＯ／Ｃｌ₂におけるサンプル組成物の塩素化速度 材料 塩素化速度 （ｇ／ｓ／ｃｍ²） （１）ＳｉＯ₂−ＴｉＯ₂バインダー組成物 （シリカ−８８重量％／チタニア ０．６から１．４×１０^-7 −１２重量％） （２）耐火粘土レンガ １．２×１０^-7 （３）クリストバライトシリカレンガ （ケイ酸カルシウムバインダー ２．２×１０^-7 を含むシリカ） （４）アモルファスシリカの耐火性バインダー ５×１０^-7 表１の結果は、本発明の耐火性バインダー組成物によって示される塩素化に対 する耐性が他の組成物よりも改善されていることを示す。本発明の材料（１）は 、流動床塩素化炉を内張りするために一般的に使用される耐火性材料の代表例で ある材料（２）、（３）および（４）よりも良好な塩素化耐性を示す（より低い 塩素化速度を有する）。実施例２ ｌ₂Ｏ₃、４６重量％−ＳｉＯ₂、１４重量％−水和水）とチタニアとの混合物を 比でドライ混合し、直径が４０ｍｍの円柱状ペレットに圧縮成形した。ペレット デス法によって測定した焼成後のペレットの密度を示す。アルキメデス法では、 密度は、（空気中の重量と水中の重量との）差と測定温度の水の密度との積で除 された（空気中の重量）に等しい。 表２ 焼成後のペレット（セラミックス材料）の密度 サンプル バインダー組成^*** 密度（ｇ／ｃｃ） １^*（比較） カオリン粘土 （アルミナ−４６重量％、 ２．５４^** シリカ−５４重量％） ２ （２３：１）カオリン粘土：チタニア アルミナ−４４．３重量％ ２．５５^** シリカ−５０．９重量％ チタニア−４．８重量％ ３ （１１：１）カオリン粘土：チタニア アルミナ−４２．１重量％ ２．５８ シリカ−４８．４重量％ チタニア−９．６重量％ ４ （１５：１）カオリン粘土：チタニア アルミナ−４３．２重量％ ２．５７ シリカ−４９．６重量％ チタニア−７．２重量％^* 比較例^** ２回の測定の基づく平均^*** 水和水がない場合の計算によるバインダー組成 表２の結果は、サンプルペレット（１）の密度との比較において、サンプルペ レット（２）、（３）および（４）、すなわち、本発明の耐火性セラミックス材 料のより大きな密度を示す。実施例３ 一連のＳｉＯ₂／ＴｉＯ₂およびＳｉＯ₂／ＴｉＯ₂／Ａｌ₂Ｏ₃の組成物を従来の 手順で調製した。得られる粉末を、ドライ圧縮成形助剤としてＵｎｉｏｎ Ｃａ ｒｂｉｄｅから得られるＣａｒｂｏｗａｘ Ｓｅｎｔｒｙポリエチレングリコー ル８０００フレーク（ＰＥＧ）を３重量％使用してドライ圧縮成形した。ＰＥＧ バインダーを、まず６０℃のホットプレートでメタノールに溶解した。次いで、 鋸歯状の円盤型羽根で混合しながら、粉末を添加した。次いで、得られたスラリ ーを１分間超音波攪拌して、粉末凝塊物を分散させた。攪拌を、メタノールが蒸 発するまでホットプレート上で続けた。次いで、乾燥粉末をアルミナの乳鉢およ び乳棒で手により粉砕して、約４０メッシュに篩い分けした。篩い分けした粉末 を、４ポスト型Ｃａｒｖｅｒ圧縮成形機において、３０００ｐｓｉ（約２１０気 圧）で、二重のスチール製押さえ金具内で、直径が１．５インチ（約３．８ｃｍ ）のペレットに一軸方向に圧縮成形した。 ペレットを、ＣＭ１７００℃ Ｒａｐｉｄ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ箱型炉で 、下記の温度で焼成した。サンプルペレットを、シリカ粉末床で支え、炉内の周 囲環境に曝した。このように置床することによって、ねじれ、亀裂生成または汚 染を伴うことなく、サンプルの自由な収縮を可能にした。サンプルを８℃／ｍｉ ｎで加熱し、焼成温度で１時間保った。表３に、サンプルの組成およびいくつか の焼成温度での見かけ密度を示す。見かけ密度は、サンプルの大きさを計測し、 その重量を計ることによって幾何学的に測定した。 表３ 焼成温度を関数とする密度 組成 焼成温度（℃）での見かけ密度（ｇ／ｃｍ³） 1150 1400 1500 1550 1600 88％SiO₂/12%TiO₂ a a 1.5 2.1 2.1 78％SiO₂/22%TiO₂ a a 1.6 2.3 2.2 80％SiO₂/12％TiO₂/8％Al₂O₃ a a 2.2 2.2 b ａ）サンプルを焼結しなかった。 ｂ）サンプルは融解した。 表３は、焼成体の密度が焼成温度とともに増大することを示す。１５００℃よ り低い温度では、サンプルは焼結せず、密度の増大は見られなかった。サンプル 密度が増大しない温度で焼成することによって、材料は、バインダーとして、あ るいはレンガなどの耐火性セラミックス材料で効果的に使用されないであろう。 焼結しなかったサンプルは、腐食試験用のサンプル材を調製するための十分な機 械的強度を有しなかった。これらのサンプルは、（６００ミル／年を超える）非 常に大きな腐食速度を有することが予想された。焼成中に融解したサンプルｂは 、材料の密度を増大させるために最適な温度を超えて加熱したが、腐食耐性試験 を行わなかった。 実験室腐食試験（腐食試験）を、サンプルの腐食耐性を測定するために使用し た。腐食試験 上記の焼成ペレットを、Ｂｕｅｈｌｅｒ Ｉｓｏｍｅｔダイヤモンドウエーハ ーソーを使用して、長さ１インチ×幅１／２インチ×厚さ１／８インチのサンプ ルに切断した。切断サンプルを水の中で超音波洗浄し、次いで６５０℃で処理し て、切削液に由来する何らかの残渣有機物を焼き尽くした。洗浄サンプルを１０ ０℃の真空炉で２４時間乾燥して、重量を測定した。 サンプルを、３時間、１１００℃で、７００℃の鉄金属粉に通してＦｅＣｌ₃ を雰囲気中に生成させたＣｌ₂−ＣＯ−Ｈｅ雰囲気（Ｃｌ₂圧＝０．４９２ａｔｍ 、ＣＯ圧＝０．０２４ａｔｍ、Ｈｅ圧＝０．４８３ａｔｍ）に曝した。暴露後、 サンプルを水の中で超音波洗浄し、１００℃の真空炉で２４時間乾燥して、重量 を測定した。 この試験での塩素化速度は、重量減少の測定値から計算される腐食速度に等し く、ミル／年の単位で報告されるＤとして表される。Ｄは、下記の式から求めら れる。 Ｄ＝ΔＷ／ρσｔ 上式において、ΔＷ＝Ｗ_o−Ｗ_iであり（Ｗ_oは初期サンプル重量であり、Ｗ_iはそ のときのサンプル重量または時間ｔでのサンプル重量である）、ρは材料の密度 であり、σは試験片の大きさに基づくサンプルの表面積であり、ｔは時間である 。 Ｄはまた、材料が薄くなる速度として、または材料がその暴露表面で一様に腐食 される速度として見ることができる。Ｄは、材料寿命を予測するためにも使用さ れる。 表４ 焼成温度を関数とする ＣＯ／Ｃｌ₂／ＦｅＣｌ₃中の１１００℃での腐食速度 組成 焼成温度（℃）での塩素化速度（ミル／年） 1500 1550 1600 88％SiO₂/12％TiO₂ 472 120 65 78％SiO₂/22％TiO₂ 281 165 13.6 80%SiO₂/12％TiO₂/8％Al₂O₃ 6.6 3.6 - 表４から明らかなように、腐食速度は、焼成温度の増大および密度の増大とと もに減少している。この挙動により、塩素化雰囲気に曝されるときの良好な性能 およびより少ない材料損失が得られる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） // Ｃ２２Ｂ 9/02 Ｃ２２Ｂ 9/02 (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＵ，ＣＡ，ＪＰ，Ｓ Ｇ (72)発明者 ディアズ，アナ，エステラ. アメリカ合衆国 19317 ペンシルベニア 州 チャズ フォード ブロウズ ラン ロード 820

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．約７０重量％から約９２重量％のシリカ、および約８重量％から約３０重量 ％のチタニアを含む耐火性バインダー組成物を含む耐火性セラミックス材料であ って、１４００℃〜１７００℃の範囲の温度に焼成され、６００ミル／年以下の 腐食速度を有する耐火性セラミックス材料。 ２．約３５重量％から約８３重量％のシリカ、約４重量％から約２７重量％のチ タニア、および約１０重量％から約４６重量％のアルミナを含む耐火性バインダ ー組成物を含む耐火性セラミックス材料であって、１４００℃〜１７００℃の範 囲の温度に焼成され、６００ミル／年以下の腐食速度を有する耐火性セラミック ス材料。 ３．約３５重量％から約８３重量％のシリカ、約４重量％から約２７重量％のチ タニア、約１０重量％から約４６重量％のアルミナと、酸化カルシウム、酸化ス トロンチウム、酸化ナトリウムおよびそれらの混合物からなる群から選択される 約１重量％から約８重量％の金属酸化物とを含む耐火性バインダー組成物を含む 耐火性セラミックス材料であって、１４００℃〜１７００℃の範囲の温度に焼成 され、６００ミル／年以下の腐食速度を有する耐火性セラミックス材料。 ４．前記材料が４００ミル／年以下の腐食速度を有する、請求項１、請求項２ま たは請求項３に記載の耐火性セラミックス材料。 ５．前記材料が１００ミル／年以下の腐食速度を有する、請求項１、請求項２ま たは請求項３に記載の耐火性セラミックス材料。 ６．シリカの量が約７５重量％から約９０重量％の範囲内であり、かつチタニア の量が約１０重量％から約２５重量％の範囲内である請求項１に記載の耐火性セ ラミックス材料。 ７．シリカの量が約４０重量％から約７３重量％の範囲内であり、チタニアの量 が約５重量％から約２４重量％の範囲内であり、かつアルミナの量が約２０重量 ％から約４４重量％の範囲内である請求項２に記載の耐火性セラミックス材料。 ８．シリカの量が約４０重量％から約７３重量％の範囲内であり、チタニアの量 が約５重量％から約２４重量％の範囲内であり、アルミナの量が約２０重量％か ら約４４重量％の範囲内であり、かつ酸化カルシウム、酸化ストロンチウム、酸 化ナトリウムおよびそれらの混合物からなる群から選択される金属酸化物の量が 約３重量％から約６重量％の範囲内である請求項３に記載の耐火性セラミックス 材料。 ９．前記組成物がカオリン粘土を含む、請求項２または請求項３に記載の耐火性 セラミックス材料。 １０．前記材料がレンガである、請求項１、請求項２または請求項３に記載の耐 火性セラミックス材料。 １１．金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物、ケイ酸塩、アルミン酸塩およびそ れらの混合物からなる群から選択される耐火性フィラー組成物をさらに含む、請 求項１０に記載の耐火性レンガ材料。 １２．チタン含有物質を塩素化するための方法であって、該方法は、粒子状のコ ークス、粒子状のチタン含有物質および塩素を、温度が９００℃〜１３００℃で 、かつ圧力が１気圧から３気圧の反応炉内で反応させるものであり、前記反応炉 は、請求項１、請求項２または請求項３に記載の耐火性セラミックス材料を含む 内張りを有することを特徴とする方法。