JP6518161B2 - 溶射施工方法 - Google Patents

Description

本発明は、テルミット溶射法による溶射施工方法に関する。

工業用窯炉の炉壁を補修する技術の一つとして、耐火原料粉及び金属粉を主材として含む溶射材を、酸素又は酸素を含有するガスを搬送ガスとしてノズル先端から被施工面（被補修面）に吹き付け、金属粉の燃焼発熱を利用して耐火原料を溶融付着させるテルミット溶射法が知られている。

このようにテルミット溶射法に使用する溶射材は金属粉を含むことから、必然的に発火が生じやすいという問題がある。一般的に発火現象は、以下の３条件が揃った際に発生する。
１）適用金属粉の粉塵濃度が爆発下限界濃度以上であること。
２）発火するに必要な着火源（スパーク）が存在すること。
３）酸素が存在していること。

ここで、テルミット溶射方法では、３）の条件は原理上回避できないため、１）又は２）のいずれか又は双方を回避しておく必要がある。また、２）に関しては、適用する金属粉によって最小着火エネルギーがあることが知られているが、テルミット溶射法では溶射材の搬送時に発生するスパークや配管内静電気といった着火源が生じやすく、さらに金属粉の燃焼発熱によりノズル先端が加熱されることから、２）の条件を回避することは非常に難しい。したがって、テルミット溶射法において発火現象を抑制するには、１）の条件を回避することが基本となる。従来技術も１）の条件に関連するものが多く、例えば特許文献１には、金属粉（金属Ｓｉ粉）のメジアン径が小さいと、微細な金属Ｓｉ粉が凝集して擬似粒子を形成することで、金属Ｓｉ粉の活性が低下し、爆発下限界濃度が急激に高くなって発火しにくくなるこという知見に基づき、金属Ｓｉ粉のメジアン径を１０μｍ以下にする技術が開示されている。

一方、テルミット溶射法においては、上述した発火現象の他に、金属粉の燃焼発熱による燃焼火焔がノズル先端を経て材料切り出しホッパーまで逆流する逆火現象が発生することが知られている。したがってテルミット溶射法においては、発火現象と逆火現象の双方を抑制する対策を講じることが求められる。この点、特許文献２には、吐出導管の流路を形成する少なくとも一部を樹脂又はゴムで構成することで発火現象を抑制するとともに、吐出導管のストレート部の内径及び噴出ノズルのノズル孔径を限定することで逆火現象を抑制する技術が開示されている。

しかし、この特許文献２の技術は、噴出ノズル内及び吐出導管内における逆火現象の進展の抑制には効果があるものの、ノズル先端から吐出された金属粉の燃焼発熱による燃焼火焔が逆流するという逆火現象の根本的な発生原因を解消することはできず、実際の溶射施工の現場においては、依然として逆火現象を散見する。

特許第５６６３６８０号公報 特開２０１３−４３１４１号公報

本発明が解決しようとする第１の課題は、テルミット溶射法による溶射施工方法において逆火現象を抑制することにあり、第２の課題は、逆火現象とともに発火事象を抑制することにある。

本発明の一観点によれば、次の溶射施工方法が提供される。
酸素又は酸素を含有するガスを搬送ガスとして金属粉を含む溶射材をノズル先端から被施工面に吹き付け、金属粉の燃焼発熱で被施工面に溶融付着させる溶射施工方法において、
ノズル先端からの酸素又は酸素を含有するガスの吐出線流速を（１）式で表される速度Ｖmin（ｍ/ｓ）以上とすることを特徴とする溶射施工方法。
ここで、
λ：酸素と金属粉との平均熱伝導率（ｋｃａｌ／ｍ・℃・ｈｒ）
ρ：酸素と金属粉との平均密度（ｋｇ／Ｎｍ^３）
Ｃ：酸素と金属粉との平均比熱（ｋｃａｌ／ｋｇ・℃）
ｂ：燃焼帯長さ（ｍ）
Ｔｂ：燃焼時の最高温度（℃）
Ｔｚ：予熱帯の温度（℃）
Ｔｕ：粉塵雲の初期温度（℃）
ｋ：輻射伝熱の効果を補正する係数でｋ＝１．１

この本発明の溶射施工方法において特徴的な前記（１）式は、本発明者らによる以下のような発想及び知見により導き出されたものである。

まず本発明者らは、逆火現象を抑制する点から、ノズル先端から吐出する、溶射材（金属粉）を含む搬送ガス（酸素又は酸素を含有するガス）の吐出線流速を火焔伝播速度以上にしようという発想を得、さらに、テルミット溶射法における火焔伝搬速度の評価に、可燃混合ガスの火焔伝搬速度Ｖを表すMallard-Chatlierの式を適用しようという発想を得た。

Mallard-Chatlierの式とは次の（２）式である。
ここで、
Ｖ：火焔伝搬速度（ｍ／ｓ）
λ：可燃混合ガスの熱伝導率（ｋｃａｌ／ｍ・℃・ｈｒ）
ρ：可燃混合ガスの密度（ｋｇ／Ｎｍ^３）
Ｃ：可燃混合ガスの比熱（ｋｃａｌ／ｋｇ・℃）
ｂ：燃焼帯長さ（ｍ）
Ｔｂ：燃焼時の最高温度（℃）
Ｔｚ：予熱帯の温度（℃）
Ｔｕ：可燃混合ガスの初期温度（℃）

本発明者らは、このMallard-Chatlierの式をテルミット溶射法に適用するにあたり、これまでのテルミット溶射法に関する種々の知見に基づき検討した結果、Mallard-Chatlierの式におけるλ、ρ及びＣは、テルミット溶射法では、それぞれ、酸素と金属粉との平均熱伝導率、平均密度及び平均比熱に置き換え、かつ、Mallard-Chatlierの式におけるｂ、Ｔｂ、Ｔｚ及びＴｕは、使用条件に則した値を代入してテルミット溶射法における火焔伝搬速度を算出した。

しかし、本発明者らが、搬送ガス（酸素又は酸素を含有するガス）の吐出線流速を前記Mallard-Chatlierの式に基づき算出した火焔伝播速度Ｖとして試験したところ、依然として逆火現象が発生した。その原因について本発明者らが検討したところ、テルミット溶射法では、ノズル先端から吐出される搬送ガスに金属粉が含まれることから、その熱伝達は熱伝導に加え輻射伝熱が加わり、結果として、前記のMallard-Chatlierの式に基づき算出される火焔伝播速度よりも、実際の火焔伝播速度が速くなるためと考えられた。

以上より、本発明者らは、前記のMallard-Chatlierの式をテルミット溶射法に適合するように上述の置き換えを行うとともに、輻射伝熱の効果を補正する係数ｋを導入することに想到した。さらに種々の検討及び試験の結果、係数ｋ＝１．１が適当であることを突き止め、前記（１）式を完成させた。

この（１）式で表される速度Ｖmin（ｍ／ｓ）は、テルミット溶射法における火焔伝搬速度に相当する。したがって、ノズル先端からの酸素又は酸素を含有するガスの吐出線流速を火焔伝搬速度Ｖmin（ｍ／ｓ）以上とすることで、逆火現象を抑制することができる。

以上のとおり本発明の溶射施工方法によれば逆火現象を抑制することができ、安全な溶射施工が可能となる。

前記（１）式により火焔伝搬速度Ｖmin（ｍ／ｓ）を算出した結果の一例をプロットしたものである。

表１は、溶射材に含有する金属粉を金属Ｓｉ粉とし、酸素と金属Ｓｉ粉との固気比、すなわち酸素中の金属Ｓｉ粉分散量（ｋｇ／Ｎｍ^３）を変化させて、前記（１）式により火焔伝搬速度Ｖmin（ｍ／ｓ）を算出した結果を示す。また、図１は、その算出結果をプロットしたものである。

以下、具体的に火焔伝搬速度Ｖmin（ｍ／ｓ）の算出方法について示す。

まず、表１におけるρ、λ、Ｃの算出例を以下に示す。
算出例として、酸素の熱伝導率＝０．０２（ｋｃａｌ／ｍ・℃・ｈｒ）、酸素の密度＝１．１７（ｋｇ／Ｎｍ^３）、酸素の比熱＝０．２２（ｋｃａｌ／ｋｇ・℃）、金属Ｓｉ粉の熱伝導率＝７１．９７（ｋｃａｌ／ｍ・℃・ｈｒ）、金属Ｓｉ粉の比熱＝０．１６（ｋｃａｌ／ｋｇ・℃）、金属Ｓｉ粉分散量＝０．１０（ｋｇ／Ｎｍ^３）の場合について以下に示す。
ρ＝１．１７＋０．１０＝１．２７（ｋｇ／Ｎｍ^３）
λ＝{（１．１７／１．２７）×０．０２}＋{（０．１０／１．２７）×７１．９７}＝５．７０（ｋｃａｌ／ｍ・℃・ｈｒ）
Ｃ＝{（１．１７／１．２７）×０．２２}＋{（０．１０／１．２７）×０．１６}＝０．２２（ｋｃａｌ／ｋｇ・℃）

平均密度ρは酸素の密度と金属Ｓｉ粉分散量の加算値である。
平均熱伝導率λは、質量分率×酸素と金属Ｓｉ粉各々の熱伝導率の総和であり、平均比熱Ｃは質量分率×酸素と金属Ｓｉ粉各々の比熱の総和である。
上記算出方法により、金属Ｓｉ粉分散量（ｋｇ／Ｎｍ^３）の値に応じた平均密度ρ、平均熱伝導率λ、平均比熱Ｃを算出した。

また、ｂ、Ｔｂ、Ｔｚ及びＴｕの値は、ｂ＝１ｍｍ（０．００１ｍ）、Ｔｂ＝１６５０℃、Ｔｚ＝６００℃、Ｔｕ＝２５℃とし、これらの値を定数とした。

上記手法により算出したρ、λ、Ｃ及び上記ｂ、Ｔｂ、Ｔｚ及びＴｕの値を式（１）に代入し、金属Ｓｉ粉分散量（ｋｇ／Ｎｍ^３）の値に応じて火焔伝搬速度Ｖmin（ｍ／ｓ）を算出し、図１に示す関係を求めた。

このようにあらかじめ図１の関係を求めておけば、あとはその溶射施工における金属Ｓｉ粉分散量（ｋｇ／Ｎｍ^３）に応じて、ノズル先端からの酸素又は酸素を含有するガスの吐出線流速（以下、単に「ガスの吐出線流速」という。）を火焔伝搬速度Ｖmin（ｍ／ｓ）以上とすれば良い。これにより、ノズル先端からの溶射材の吐出量が５０（ｋｇ／ｈｒ）以上のような大量吐出を行う場合であっても、逆火事象を抑制できる。

ここで、金属Ｓｉ粉分散量（ｋｇ／Ｎｍ^３）は、発火現象を抑制する点から爆発下限界濃度以下とすることが好ましい。したがって、例えば、爆発下限界濃度が０．３ｋｇ／Ｎｍ^３の金属Ｓｉを使用する場合、金属Ｓｉ粉分散量（ｋｇ／Ｎｍ^３）は０．３ｋｇ／Ｎｍ^３を上限とし、この上限の金属Ｓｉ粉分散量＝０．３ｋｇ／Ｎｍ^３で溶射施工する場合は、ガスの吐出線流速は図１（前記（１）式）に従い、２６．８０（ｍ／ｓ）以上に設定する。

なお、金属Ｓｉ粉以外の金属粉においても、同様に前記（１）式に基づきガスの吐出線流速を火焔伝搬速度Ｖmin（ｍ／ｓ）以上に設定すれば良く、この場合も、金属粉分散量（ｋｇ／Ｎｍ^３）は爆発下限界濃度以下とすることが好ましい。

このように、本発明は、ガスの吐出線流速を火焔伝搬速度Ｖmin（ｍ／ｓ）以上にすることで逆火現象を抑制するもので、逆火現象を抑制する点からはガスの吐出線流速の上限を規定する必要はない。ただし、溶射施工における付着歩留りを確保するなどの点からは、ガスの吐出線流速は、前記(１)式において係数ｋ＝２としたときの速度Ｖmax（ｍ/ｓ）以下とすることが好ましい。

表２は、本発明の実施例を比較例と共に示す。

金属粉として、酸素雰囲気下で測定した爆発下限界濃度が０．４ｋｇ／Ｎｍ^３又は０．４５ｋｇ／Ｎｍ^３の金属Ｓｉ粉を使用し、金属Ｓｉ粉１５質量％に対し、非金属の耐火材料粉としてシリカ質粉を８５質量％加え、溶射材とした。シリカ質粉としては、天然石英粉、溶融シリカ粉、珪砂、珪石粉、あるいはこれらの成分を主体とした耐火物粉等が挙げられる。
なお、表２における火焔伝搬速度は、金属Ｓｉ粉分散量の値に対応する火焔伝搬速度を図１から読み取った。

各例の溶射材を被施工面であるれんが表面に溶射施工し、その溶射施工時の逆火、発火の有無を評価した。

溶射施工には一般的な溶射装置を用い、タンクの底部に備え付けたテープフィーダをもって溶射材を切り出し、酸素で搬送し、ノズル先端かられんが表面に向けて吹き付けた。れんが表面とノズル先端との距離は８０ｍｍとし、１回あたり３ｋｇの溶射材をれんが表面に吹付けた。

溶射施工時の逆火（発火）の有無は、上述の溶射施工を繰り返し１００回行い、逆火（発火）が１回も発生しなかったものを「無」、逆火（発火）が１回でも発生したものは「有」と評価した。

各例の金属Ｓｉ粉分散量は、「金属Ｓｉ粉分散量（ｋｇ／Ｎｍ^３）＝溶射材吐出量（ｋｇ／ｈｒ）×金属Ｓｉ濃度０．１５÷酸素流量（Ｎｍ^３／ｈｒ）」により算出される。

実施例１〜３は、いずれもノズル先端からのガスの吐出線流速を、前記（１）式（図１）から得た火焔伝搬速度Ｖmin（ｍ／ｓ）以上に設定したもので、逆火も発火も発生しなかった。

一方、比較例１は、ノズル先端からのガスの吐出線流速を、前記（１）式においてｋ＝１として得た速度に設定したもので、逆火が発生した。

Claims (4)

1. 酸素又は酸素を含有するガスを搬送ガスとして金属粉を含む溶射材をノズル先端から被施工面に吹き付け、金属粉の燃焼発熱で被施工面に溶融付着させる溶射施工方法において、
   ノズル先端からの酸素又は酸素を含有するガスの吐出線流速を（１）式で表される速度Ｖmin（ｍ／ｓ）以上とすることを特徴とする溶射施工方法。
   ここで、
   λ：酸素と金属粉との平均熱伝導率（ｋｃａｌ／ｍ・℃・ｈｒ）
   ρ：酸素と金属粉との平均密度（ｋｇ／Ｎｍ^３）
   Ｃ：酸素と金属粉との平均比熱（ｋｃａｌ／ｋｇ・℃）
   ｂ：燃焼帯長さ（ｍ）
   Ｔｂ：燃焼時の最高温度（℃）
   Ｔｚ：予熱帯の温度（℃）
   Ｔｕ：粉塵雲の初期温度（℃）
   ｋ：輻射伝熱の効果を補正する係数でｋ＝１．１
2. 前記ガスの吐出線流速を、前記（１）式で表される速度Ｖmin（ｍ/ｓ）以上、前記(１)式において係数ｋ＝２としたときの速度Ｖmax（ｍ/ｓ）以下の範囲とする請求項１に記載の溶射施工方法。
3. ノズル先端からの溶射材の吐出量を５０（ｋｇ／ｈｒ）以上とする請求項１又は２に記載の溶射施工方法。
4. 金属粉と酸素との固気比を爆発下限界濃度以下とする請求項１から３のいずれかに記載の溶射施工方法。