JP4350551B2 - 固形加熱材、固形加熱材の製造方法及び固形加熱材を使用した加熱方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋼材等の加熱対象部材を加熱する際に使用する固形加熱材に関し、特に酸化金属とアルミニウムとの化学反応で生成させた熱を加熱対象に伝達させることにより、短時間で加熱対象部材を所定の温度に加熱することができる固形加熱材に関する。更に本発明は、この固形加熱材の製造方法及び固形加熱材を使用した加熱方法に関するものである。

従来、鋼材等の加熱対象部材の表面を加熱する場合は、鋼材表面をガス火炎や電気ヒーターなどで加熱することが行われていた。例えば、ガス火炎を使用する場合は、図７に示すように、ガスボンベ２３及び酸素ボンベ２４からそれぞれガスホース２２，２２を介して加熱バーナー２１にガスを供給し、加熱バーナー２１に導かれた可燃性ガスが加熱バーナー２１の火口出口で燃焼して火炎２０を発生させ、この火炎２０を鋼材１の表面に当てることにより鋼材表面を加熱して熱処理を行う。

上述した加熱方法であると、ガスバーナー２１、ガスホース２２、ガスボンベ２３や酸素ボンベ２４等の大掛かりな設備が必要となるという問題点があった。
また、電気ヒーターを使用する加熱方法の場合には、ヒーターと電源設備が必要となる。
すなわち、ガスや電気を使用する加熱方法の場合には、ガスや電気に関する種々の設備を必要とするとともに、その取り扱いに十分注意する必要があった。
このため、取り扱いが容易でガスや電気を必要としない加熱材料の開発が望まれていた。

本発明は上記実情に鑑みてなされたもので、簡単な構造で容易且つ短時間で加熱対象部材の加熱を行うことができる固形加熱材、この固形加熱材の製造方法及び固形加熱材を使用した加熱方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため請求項１の固形加熱材は、耐火材料で構成され内部に立方体状の空間部が形成された固形加熱材であって、前記固形加熱材における任意位置の二面に前記空間部から外部に連通する開口窓をそれぞれ設け、一方の開口窓を塞ぐ位置に熱溶融性の閉塞体を装着し、該閉塞体で塞がれた前記空間部に固形テルミット剤を配置し、前記固形テルミット剤に接触するとともに他方の開口窓を塞ぐ位置に平板状の点火剤を装着して成ることを特徴としている。閉塞体は、平板状の金属板やセラミックぺーパーで構成されている。

上記固形加熱材における固形テルミット剤は、例えば、不活性ガス中で、８〜１００メッシュの酸化金属とアルミニウムの混合紛を単位平方センチメートル当り５０ＭＰａ〜２００ＭＰａの圧力を２つ以上の方向から負荷して成形することで比重２．５〜４ｇ／ｃｃとし、単位立方センチメートル当りの発熱量が１，５〜３．２ｋJのものを使用する。

上記固形加熱材における固形テルミット剤は、例えば、大気中で、８〜１００メッシュの酸化金属とアルミニウムの混合紛を単位平方センチメートル当り５０ＭＰａ〜２００ＭＰａの圧力を２つ以上の方向から負荷して成形することで比重２．５〜４ｇ／ｃｃとし、単位立方センチメートル当りの発熱量が１．５〜３．２ｋJであることを特徴としている。

請求項２の固形加熱材の製造方法は、立方体状の固形テルミット剤の上面に平面状の点火剤を配置するとともに任意の平面に熱溶融性の閉塞体を配置し、前記点火剤及び閉塞体の各面が露出するように固形テルミット材に対して耐火材料で覆って形成された形状を保持して炭酸ガスを吹き込むことにより前記耐火材料を固化して所定の形状の固形加熱材とすることを特徴としている。

請求項３の固形加熱材を使用した加熱方法は、加熱対象部材の加熱対象面に保護塗料を塗布し、請求項１に記載の固形加熱材の閉塞体が前記保護塗料に接触した状態で固形加熱材を固定し、点火剤により固形テルミット剤にテルミット反応を発生させ、該反応により生成された熱が前記保護塗料を介して前記加熱対象面に伝達されることを特徴としている。

本発明の固形加熱材によれば、耐火材で構成された内部に固形テルミット剤を配置し、固形テルミット剤の発熱化学反応（テルミット反応）で生成された溶融金属を熱源として使用するので、ガスや電気設備を必要とすることなく、２０００℃以上の高温の熱を２０〜３０秒の短時間で発生させることができる。

したがって、加熱対象面に固形加熱材の閉塞体が接触した状態で固形テルミット剤に発熱化学反応を起こすようにすれば、溶融金属の熱が加熱対象面に伝達されて熱処理を行うことができる。

熱処理を行うに際して、閉塞体が溶融されるように設置することにより、加熱温度及び溶融金属量を調整することができる。

また、保護塗料を介して熱を伝達することにより、保護塗料の膜厚により加熱温度を調整することができる。

本発明に係る固形加熱材の実施の形態の一例について、図１乃至図４を参照しながら説明する。
固形加熱材１０は、鋼材（加熱対象部材）１において加熱する面積に応じた大きさの立方体で構成されている。すなわち、耐火材料１１で構成され内部に空間部１１ａが形成された立方体における任意位置の二面に外部に連通する開口窓１１ｂ，１１ｃをそれぞれ設けている。そして、一方の開口窓１１ｃは熱伝達面となるもので、この面を塞ぐ位置に閉塞体１２を装着し、該閉塞体１２で塞がれた前記空間部１１ａに固形テルミット剤１３を配置する。開口窓１１ｃは点火面となるもので、前記固形テルミット剤１３に接触するように開口窓１１ｃを塞ぐ位置に、平板状の点火剤１４を装着している。
閉塞体１２は、平板状の薄い金属板やセラミックぺーパーで構成されている。

固形テルミット剤１３は、酸化鉄粉とアルミニウム粉の混合物を圧縮して固形化したもので、固形テルミット剤全体を１２００℃以上の温度に加熱するとテルミット反応と呼ばれる化学反応を開始し、約２２００℃の温度を有する溶融金属を生成することができる。

具体的な固形テルミット剤１３としては、不活性ガス中で、８〜１００メッシュの酸化金属とアルミニウムの混合紛を単位平方センチメートル当り５０ＭＰａ〜２００ＭＰａの圧力を２つ以上の方向から負荷して成形することで比重２．５〜４ｇ／ｃｃとし、単位立方センチメートル当りの発熱量が１．５〜３．２ｋJとしている。
また、不活性ガス中に代えて大気中で成形するものであってもよい。

耐火材料１１は、珪砂等の耐火材と炭酸ソーダを混合したもので、この混合剤中に固形テルミット剤１３及、閉塞体１２及び点火剤１４を配置した後、炭酸ガスを混合剤中に吹き込むことにより固化して所定の形状の固形加熱剤１０を成形する。
耐火材料１１は所望の形状に成形できるので、例えば鉄道レール頭部を加熱対象部材とする場合に、レール頭部に合致する形状とすることにより、加熱対象部材の加熱に適した形状を有する固形加熱材とすることができる。

閉塞体（金属板又はセラミックペーパー）１２は、テルミット反応で発生した溶融金属に直接接触することで、閉塞体１２自体が溶融するために必要な熱を溶融金属から奪うことにより、溶融金属の温度を下げることができる。そして、閉塞体１２の大きさや厚さを変化させることで、溶融金属の温度の低下の割合を調整するとともに、全体の溶融金属量を調整することができる。

点火剤１４は、固形テルミット剤１３全体を１２００℃以上の温度に加熱できるもので、例えば市販の玩具煙火等を使用することができる。

固形加熱材１０の耐火材料１１に形成される開口窓１１ｂの位置は、熱伝達面を下方向にするか横方向にするかで異なるものとなる。すなわち、固形加熱材１０の底面が熱伝達面となる場合（下型）には、図１及び図２に示すように、上面に形成される開口窓１１ｃの対面位置（底面）に開口窓１１ｂを形成する。
固形加熱材１０の側面が熱伝達面となる場合（横型）には、図３に示すように、上面に形成される開口窓１１ｃに対して側面位置となる部位に開口窓１１ｂを形成する。図３において、図２と同様の構成をとる部分については図２と同一符合を付している。

次に、上述した固形加熱材１０の製造方法について説明する。
先ず、立方体状の固形テルミット剤１３の上面に平面状の点火剤１４を配置するとともに任意の平面（例えば、底面位置）に閉塞体１２を配置する。
次に、この点火剤１４及び閉塞体１２の各面が露出するように固形テルミット材１３に対して耐火性を有する混合剤（耐火材料１１）で覆った状態で炭酸ガスを吹き込むことにより前記混合剤を固化して立方体形状の固形加熱材１０とする。

固形加熱材１０で生成される溶融金属の総量は、テルミット反応で溶融する固形テルミット剤１３の重量と、テルミット反応による熱を受けて溶融する閉塞体１２の大きさにより事前に決めることができる。

続いて固形加熱材１０を使用した加熱方法について説明する。
先ず、鋼材（加熱対象部材）１の熱処理を行う部位について、ゴミや油等を除去し、表面保護塗料２を塗布する。
この表面保護塗料２は、鋳物用の水性耐火ペイントに、粒度５メッシュ以下の珪砂と水を混合して作成されるもので、水性耐火ペイント：珪砂：水の割合は、４：４：１から４：４：４としている。この表面保護塗料２は、刷毛で鋼剤表面に容易に塗布することができ、また水分乾燥後であればワイヤーブラシ等で擦ることで容易に取り除くことができる。

表面保護塗料２の混合割合が４：４：１で一度塗りの場合、塗布による厚みは約１ｍｍとなる。二度塗りする場合には、一度塗りした表面保護塗料が乾燥した後に重ね塗りをすればよい。三度塗りの場合も同様である。なお、水分の割合が増すと一度に塗った時の厚みが薄くなる。
表面保護塗料２の乾燥には、自然乾燥の他、火炎により５０〜１００℃までの加熱で乾燥させることもできる。

表面保護塗料２の厚さと鋼材１の温度との関係を図５に示す。すなわち、水性耐火ペイント：珪砂：水の割合を４：４：１とした表面保護塗料を、板厚１５ｍｍの引張強さ８００Ｎ／平方ミリメートルの鋼材の表面に一度から三度塗りした後、表面保護塗料２に接する形状が３０ｍｍ×５０ｍｍで厚み３０ｍｍ、重さ１５０ｇで総発熱量１１０ｋJの固形テルミット剤１３を使用し、閉塞板１２として板厚１ｍｍのアルミニウム板（金属板）を使用した際に、鋼材表面からの距離と鋼材に伝わる温度との関係を示したものである。
なお、鋼材の温度測定は、鋼材の表面下５ｍｍの位置に熱電対を装着して行った。この例の場合、固形テルミット剤１３及び閉塞板１２の溶融により生成された溶融金属の厚さｔ（図４）は２０ｍｍであった。

図から表面保護塗料２の厚さが増加するにしたがい鋼材１に伝達される温度は低くなることが確認できた。したがって、表面保護塗料２の塗布回数を調整することで表面保護塗料２の膜厚を変化させ、鋼材（加熱対象部材）１に対する加熱温度を調整することが可能となる。
また、テルミット反応終了後、固形加熱材１０を鋼材１の上に保持する時間により、鋼材内の温度分布が異なる。これは、反応終了後、早い時期に取り外せば鋼材への熱供給がなくなるためである。

次に、上述した固形加熱材１０の閉塞体１２が前記表面保護塗料２に接触した状態で固形加熱材１０を固定する。固形加熱材１０を鋼材１に装着するに際しては、表面保護塗料に固形加熱材の閉塞体が接触するように配置すればよく、図２に示した下型の場合には、表面保護塗料２の上に置くだけで鋼材１の加熱が可能となる。また、図３に示した横型の場合には、クランプ冶具（図示せず）等を使用することで、固形加熱材１０の側面部分が鋼材１に接触するように配置することで鋼材１を加熱することが可能となる。

次に、固形加熱材１０の点火剤１４に点火する。点火とともに固形テルミット剤１３にテルミット反応が開始されて固形テルミット剤１３が溶融し、更に金属板やセラミックペーパーから構成される閉塞体１２が溶融して短時間に高温となる。高温の溶融金属は下側に溜まり、熱は表面保護塗料２を介して鋼材１の表面に伝達して鋼材１を加熱する（図４）。

図６に生成された溶融金属厚と加熱時間との関係を示す。この例は、水性耐火ペイント：珪砂：水の割合を４：４：１とした表面保護塗料を、板厚１５ｍｍの引張強さ８００Ｎ／平方ミリメートル級の鋼材の表面に一度塗りした後、表面保護塗料に接する形状が３０ｍｍ×５０ｍｍにした１ｇ当りの発熱量０．８ｋJの固形テルミット剤を使用し、閉塞体１２として板厚１ｍｍのアルミニウム板（金属板）を使用したものである。鋼材の温度測定は、前記例と同様に、鋼材の表面下５ｍｍの位置に熱電対を装着して行った。
図より、生成された溶融金属厚ｔが厚いほど鋼材に長い時間に亘って温度を伝達することができ、生成された溶融金属厚ｔが薄いほど加熱時間が短くなる。鋼材１の深い位置まで加熱する場合には、生成される溶融金属厚ｔを大きくし、表面だけ加熱するような場合には生成される溶融金属厚ｔを小さくするように固形テルミット剤１３及び閉塞体１２の大きさを調整すればよい。

所定の加熱が終了した時点で固形加熱材１０が取り外され、空気焼き入れ等の次工程の作業が行われる。鋼材１への加熱温度は、鋼材の種類と熱処理方法により異なる。例えば、引張強さ８００Ｎ／平方ミリメートル級の鋼材の表面を硬化空気焼入れする場合には、鋼材表面を約９００℃まで加熱した後、圧縮空気を加熱した箇所に吹き付けて強制冷却することで達成される。

なお、この場合の加熱温度は約９００℃程度でよいので、テルミット反応で生成される溶融金属の温度２２００℃はできるだけ低くして、より多くの溶融金属を生成して表面保護塗料２との接触面積を増やした方が加熱効率を高くすることができる。閉塞体１２の設置はこのためのもので、閉塞体１２を固形テルミット剤１３に接触させて配置することで、テルミット反応で発生した熱の一部を閉塞体１２の溶融に使用し、溶融金属の温度を正常なテルミット反応ができる最低温度の１８００℃〜１９００℃に低下させるとともに、閉塞体１２自体の溶融により溶融金属の量を増加させ、より広い面を加熱するようにしている。

溶融金属の温度は、一般に次の式で概略値が計算できるので、図５で述べた表面保護塗料２の塗布厚を勘案すれば、鋼材を所望の温度で加熱することが可能となる。
Ｔ＝（Ｑ−ａＭｋ）／ｂＮｋ
Ｔ：溶融金属の温度（℃）
Ｑ：固形テルミット剤の発熱量
［固形テルミット剤の重量（ｇ）×単位重量当りの発熱量（Ｊ／ｇ）］
Ｍ：閉塞体の重量（ｇ）
Ｎ：溶融金属の重量（ｇ）
ａ：閉塞体の比熱（ｃａｌ／ｇ・℃）
ｂ：溶融金属の比熱（ｃａｌ／ｇ・℃）
ｋ：定数４．１９（J／ｃａｌ）

なお、固形テルミット剤１３の単位重量毎の発熱量は、その比重毎に異なり、比重が大きくなるにしたがって発熱量も大きくなるので、固形テルミット剤１３の比重とその重量に対応した閉塞体１２が固形テルミット剤１３に接触して配置されている。

上述の固形加熱材料１０によれば、鋼材１の一部若しくは全体を熱処理する場合は、その位置に表面保護塗料２を所定の厚さとなるように塗布し、表面保護塗料２が乾燥した後、固形加熱材１０を表面保護塗料２に密着させ、固形加熱材１０の固形テルミット剤１３に点火して発熱反応を起こし高温の溶融金属を生成することにより、溶融金属の熱が表面保護塗料を通して鋼材表面に伝達することことで容易に鋼材の熱処理を行うことができる。

本発明に係る固形加熱材の実施の形態の一例を示す斜視説明図である。 加熱対象部材上に固形加熱材を設置した状態を示す正面説明図である。 固形加熱材の他の実施例を示す正面説明図である。 図２の固形加熱材において溶融金属が生成された状態を示す正面説明図である。 固形加熱材を使用した加熱処理において、表面保護塗料の厚さと鋼材の温度との関係を示すグラフ図である。 固形加熱材を使用した加熱処理において、生成された溶融金属厚と加熱時間との関係を示すグラフ図である。 ガスバーナーを使用して鋼材を加熱する場合の模式図である。

符号の説明

１ 鋼材（加熱対象部材）
２ 表面保護塗料
１０ 固形加熱材
１１ 耐火材料
１１ａ 空間部
１１ｂ，１１ｃ 開口窓
１２ 閉塞体（金属板若しくはセラミックペーパー）
１３ 固形テルミット剤
１４ 点火剤
１５ 溶融金属
２０ ガス火炎
２１ ガスバーナー
２２ ガスホース
２３ ガスボンベ
２４ 酸素ボンベ

Claims (3)

1. 耐火材料で構成され内部に立方体状の空間部が形成された固形加熱材であって、
   前記固形加熱材における任意位置の二面に前記空間部から外部に連通する開口窓をそれぞれ設け、一方の開口窓を塞ぐ位置に熱溶融性の閉塞体を装着し、該閉塞体で塞がれた前記空間部に固形テルミット剤を配置し、前記固形テルミット剤に接触するとともに他方の開口窓を塞ぐ位置に平板状の点火剤を装着して成ることを特徴とする固形加熱材。
2. 立方体状の固形テルミット剤の上面に平面状の点火剤を配置するとともに任意の平面に熱溶融性の閉塞体を配置し、前記点火剤及び閉塞体の各面が露出するように固形テルミット材に対して耐火材料で覆って形成された形状を保持して炭酸ガスを吹き込むことにより前記耐火材料を固化して所定の形状の固形加熱材とすることを特徴とする固形加熱材の製造方法。
3. 加熱させる部材の加熱対象面に保護塗料を塗布し、請求項１に記載の固形加熱材の閉塞体が前記保護塗料に接触した状態で固形加熱材を固定し、点火剤により固形テルミット剤にテルミット反応を発生させ、該反応により生成された熱が前記保護塗料を介して前記加熱対象面に伝達される
   ことを特徴とする固形加熱材を使用した加熱方法。

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