ガス炉の耐火ライニングは、1000℃を超える燃焼環境と、構造的完全性を維持し作業員を保護するために約80℃以下に保たれなければならない鋼製シェルとの間の障壁です。セラミック繊維（耐火セラミック繊維（RCF）またはアルミノケイ酸塩繊維とも呼ばれる）は、熱伝導率が低く、蓄熱性が低く、設置が比較的容易であることから、工業用熱処理炉の主要なライニング材となっています。
モンテ・インテリジェンス社は、ガス炉製品にセラミックファイバーライニングを採用し、設置しています。この記事では、ライニングの性能と耐用年数を左右する設計上の決定事項、設置方法、および熱計算について解説します。
セラミック繊維は、アルミナ（Al2O3）とシリカ（SiO2）の混合物を電気アーク炉で溶融し、溶融した流れを圧縮空気で吹き付けるか、回転するホイールで紡糸することによって製造されます。得られた繊維は、通常直径2～4マイクロメートル、長さ最大250mmで、ブランケット、ボード、または真空成形された形状に成形されます。繊維の化学組成によって最高使用温度が決まります。標準繊維（Al2O3 45～50%、SiO2 50～55%）は1260℃、高アルミナ繊維（Al2O3 55～60%）は1400℃、ジルコニア含有繊維は1430℃まで対応可能です。
セラミックファイバーブランケットは、原材料の形態であり、柔軟性のあるニードルパンチ加工された繊維マットで、通常は長さ7.2メートル、幅0.6メートルのロール状で供給され、厚さは13mmから50mm、密度は64kg/m³から128kg/m³です。ブランケットは、セラミックファイバー断熱材の中で最も低コストな形態です。必要な総厚を得るために複数層に重ねて設置され、隣接するピース間の継ぎ目が一直線にならないように層をずらして配置します。これにより、熱が外壁に直接放射されるような隙間が生じるのを防ぎます。
セラミックファイバーモジュールは、折り畳まれたブランケットを高密度（通常160～220 kg/m³）に圧縮したプレアセンブリブロックで、金属フレームまたは設置後に切断されるバンドストラップによって圧縮された状態で保持されます。ストラップを切断すると、圧縮されたブランケットが膨張してモジュール間の接合部を埋め、積層ブランケット設置で問題となる貫通接合部のない密閉状態を作り出します。モジュールは、通常304または310ステンレス鋼製のステンレス鋼アンカーを使用して鋼製シェルに取り付けられます。アンカーは、モジュールの寸法（通常300 mm × 300 mm）に合わせたグリッドパターンでシェルにスタッド溶接されます。
ライニングの設計は、熱流計算から始まります。平面壁を通過する熱流は、Q = k × A × (T_hot - T_cold) / t で表されます。ここで、k は熱伝導率 (W/m·K)、A は面積、T_hot と T_cold は高温面と低温面の温度、t は厚さです。平均温度 1000 °C のセラミック繊維の場合、k は密度に応じて約 0.15～0.25 W/m·K です。厚さ 300 mm のライニングで、T_hot = 1000 °C、T_cold = 80 °C の場合、熱流束は約 0.2 × 920 / 0.3 ≈ 613 W/m2 となり、これは炉のエネルギーバランスで考慮しなければならない設計上の熱損失です。
炉内張りは通常、コストと性能のバランスを取るために、異なる材料の複数の層を使用します。最も高温にさらされる高温面層には、炉の最高温度に適した最高級の繊維を使用します。高温面層の背後には、低温繊維またはミネラルウールの低コストのバックアップ層を使用できます。これは、高温面層によって温度が大幅に低下するためです。層間の界面温度は、熱抵抗から計算されます。高温面が1260℃の繊維（k = 0.18）200 mm、バックアップがミネラルウール（k = 0.08）100 mmの場合、界面温度は T_interface = T_hot - Q × (t_hotface / k_hotface) で計算されます。バックアップ層の温度定格は、この界面温度を超える必要があります。
取り付けシステムの設計においては、熱膨張を考慮する必要があります。鋼製のシェルは加熱されると膨張し、温度が100℃上昇するごとに約1.2mm/m膨張します。一方、セラミックファイバーライニングの膨張率ははるかに小さく、100℃上昇するごとに約0.5mm/m膨張します。シェルとライニングの膨張率の差により、取り付け箇所にせん断応力が発生します。アンカーシステムは、ファイバーモジュールを破損することなく、この膨張率の差に対応できる構造でなければなりません。この目的のために、スロット付きアンカー穴やフレキシブルアンカー設計が用いられます。
設置品質は、計算された熱性能が実際に稼働時に達成されるかどうかを左右します。モジュール間の隙間（取り付け不良、設置中の損傷、アンカーの破損などによる）は、炉殻のホットスポットの最も一般的な原因です。1平方メートルのライニングに3mmの隙間があると、局所的な熱損失が5～10倍に増加する可能性があります。設置時の品質管理には、モジュールの取り付け状態の確認（許容最大隙間は通常2～3mm）、アンカー溶接部の健全性の確認（アンカーのサンプルを引張試験する）、加熱時に適切に膨張しない圧縮または損傷したモジュールの検査が含まれます。
炉の運転中の炉内張りメンテナンスは、炉殻外面の定期的な目視点検によって行われます。高温箇所は、塗装の変色、赤外線温度計で測定した表面温度が80℃を超える場合、または夜間に目視で確認できる発光によって示されます。高温箇所はマッピングして監視する必要があります。100～120℃で安定している高温箇所は、次回の定期停止まで運転を継続しても問題ない場合があります。温度が上昇している、または150℃を超える高温箇所は、調査の上、次の機会に修理する必要があります。
MONTE INTELLIGENCE社の炉内張りは、通常の運転条件下で5～8年の耐用年数となるように設計されています。当社では、設置監督、熱計算、内張り検査サービスを提供しています。
セラミックファイバーライニングの設計、または既存の炉のライニング交換については、helenxu@cnlymonte.comまでお問い合わせください。
