この章では、次の製品セクターについて説明します。

• ガラス
• 合成ガラス繊維
• 陶器
• セラミックタイル
• 工業用セラミックス
• レンガとタイル
• 耐火物
• 合成宝石
• 光ファイバー。

 

興味深いことに、これらの分野のほとんどは古代にルーツを持っているだけでなく、多くの共通の一般的なプロセスを共有しています. 例えば、すべては基本的に、熱によって所望の製品に変換される粉末または微粒子状の天然由来の原材料の使用に基づいています。 したがって、このグループに含まれるプロセスと製品の範囲にもかかわらず、これらの一般的なプロセスにより、これらの産業に関連する潜在的な健康被害の共通の概要が可能になります。 さまざまな製造部門は、小規模で断片化されたセグメント (レンガ製造など) と、何千人もの労働者を雇用する大規模で技術的に洗練された製造工場の両方で構成されているため、各部門は個別に説明されています。

一般的なプロセスと危険

これらのビジネス部門で製品を製造する際に遭遇する一般的な安全上および健康上の危険があります。 ハザードと制御手段については、本書の他のセクションで説明します。 百科事典. プロセス固有の危険性については、この章の個々のセクションで説明しています。

バッチ原料プロセス

工業生産プロセスのほとんどは、乾燥した固体原料をバルクまたは個々の袋で受け取ります。 大量の固形原材料は、重力、空気圧移送ライン、スクリューコンベヤ、バケットコンベヤ、またはその他の機械的移送によって、ホッパー鉄道車両または長距離トラックからビン、ホッパー、またはミキサーに降ろされます。 袋詰めされた原材料 (20 ～ 50 kg) のパレットまたは大型バルク ファブリック バッグ コンテナー (0.5 ～ 1.0 トン) は、動力付きの産業リフト トラック、クレーン、またはホイストによって、トラック トレーラーまたはレール ボックスカーから降ろされます。 個々のバッグまたは原材料は、手動または電動リフトアシストを使用してパレットから取り出されます。 袋詰めされた原材料は、通常、袋のダンプ ステーションに投入されるか、貯蔵ホッパーまたはスケール ホッパーに直接投入されます。

固体原材料の荷降ろし、取り扱い、および移送プロセスに関連する潜在的な安全および健康上の危険には、次のものがあります。

• 騒音暴露 85 から 100 dBA の範囲で。 空気圧バイブレータ、コンプレッサー、バルブ アクチュエーター、混合駆動モーター、送風機、および集塵機は、いくつかの主要な騒音源です。

• 呼吸性浮遊微粒子への曝露 粒状固体原料の移送と混合から。 暴露は原材料の組成に依存しますが、一般的にシリカ (SiO₂)、粘土、アルミナ、石灰岩、アルカリ性粉塵、金属酸化物、重金属、有害な微粒子。

• 人間工学的危険 原材料バッグ、バイブレータ、または移送ラインの手作業による持ち上げまたは取り扱い、およびシステム保守活動に関連する

• 物理的な危険 鉄道車両やトラックの操縦、動力付き産業用トラックの交通、高所での作業、限られたスペースへの侵入、および電気、空気圧、または機械的エネルギー源 (ニップ ポイント、回転部品、駆動ギア、シャフト、ベルト、プーリーなど) との接触から。

 

焼成または溶融プロセス

これらの事業分野での製品の製造には、キルンまたは炉での乾燥、溶解、または焼成プロセスが含まれます。 これらのプロセスの熱は、プロパン、天然ガス (メタン) または燃料油の燃焼、電気アーク溶融、マイクロ波、誘電乾燥、および/または電気による抵抗加熱によって生成されます。 焼成または溶融プロセスから生じる潜在的な危険には、次のものがあります。

• 燃焼生成物への暴露 一酸化炭素、窒素酸化物（NO_x）および二酸化硫黄

• 煙と微粒子 空気中の原材料（例、シリカ、金属、アルカリ粉塵）または副産物（例、フッ化水素、クリストバライト、重金属煙）から

• 火災または爆発 リフトトラックのプロセス熱または燃料に使用される燃料システムに関連する; 可燃性燃料貯蔵タンク、配管分配システム、および気化器に関連する潜在的な火災または爆発の危険。 天然ガスの削減に頻繁に使用されないバックアップまたはスタンバイ燃料システムは、同様の火災または爆発の問題を引き起こす可能性があります。

• 赤外線暴露 熱性白内障または皮膚火傷のリスクを高める可能性がある溶融材料から

• 放射エネルギーと熱ストレス. 炉やキルン周辺の作業環境は非常に高温になることがあります。 焼成または溶融プロセスの近くまたはその上で緊急修理作業または定期メンテナンスが実行されると、重大な熱ストレスの問題が発生する可能性があります。 皮膚が高温面や溶融物に直接触れると、重度の熱傷を負う可能性があります (図 1 を参照)。

 

図 1. 品質管理技術者

• 電気エネルギーの危険. 抵抗加熱に使用される高電圧電気エネルギーとの直接接触は、燃料燃焼プロセスを補うために感電死の危険をもたらし、電磁場 (EMF) への曝露による健康上の懸念を引き起こす可能性があります。 強力な磁場と電場は、ペースメーカーやその他の埋め込み型医療機器に干渉する可能性があります。

• 騒音暴露 燃焼ブロワー、バッチ ホッパーまたはミキサー、供給プロセス、およびコンベヤーからの 85 ～ 90 dBA 以上。

 

生産、製造、梱包、倉庫保管における取り扱い

この業界では、製品のサイズ、形状、重量と同様に、材料の取り扱い、製造、梱包のプロセスが大きく異なります。 このセクターの高密度の材料またはかさばる構成は、一般的な材料取り扱いの危険をもたらします。 この業界の生産、製造、梱包、倉庫保管における手作業による持ち上げと資材の取り扱いは、多くの身体障害の原因となっています。 (以下の「怪我と病気のプロファイル」セクションを参照してください。) 怪我を減らす努力は、手作業による持ち上げと物資の取り扱いを減らすことに重点を置いています。 たとえば、革新的なパッケージ デザイン、完成品を積み重ねてパレタイジングするためのロボット工学、倉庫保管用の無人搬送車が、手作業によるマテリアル ハンドリングと関連する怪我をなくすために、このビジネス セクターの一部で使用され始めています。 コンベヤ、有人リフトアシスト (真空ホイストなど)、および製品の取り扱いとパレタイジング用のはさみプラットフォームの使用は、現在一般的なマテリアルハンドリング慣行です (図 2 を参照)。

図 2. バキューム リフト アシストの使用

手作業による材料の取り扱いをなくすためのロボット工学の使用は、人間工学的損傷の防止に大きな役割を果たしています。 ロボティクスは、歴史的に生産労働者のマテリアルハンドリング (板ガラスなど) に関連していた人間工学的ストレスと重度の裂傷を軽減しました (図 3 を参照)。 ただし、ロボット工学とプロセス自動化の利用が増えると、移動する機械や電力の危険が生じ、危険の種類が変化し、他の作業員 (生産から保守作業員まで) にもリスクが移ります。 電子制御とロジック シーケンスの適切な設計、マシン ガード、全エネルギー ロックアウトの実践、および安全な運用と保守手順の確立は、保守および生産作業員の負傷を制御するための基本的な方法です。

図 3. 板ガラスで使用されるロボット工学

再建・復興活動

炉やキルンの定期的な大規模な再構築や冷間修理の際には、健康と安全を脅かす可能性のある多くの危険に遭遇します。 建設作業に関連するさまざまな危険に遭遇する可能性があります。 例には以下が含まれます。 解体中のシリカ、アスベスト、耐火性セラミック繊維、または重金属を含む粒子状物質への空中暴露、または切断および溶接の副産物; 熱応力; 高所での作業; スリップ、つまずき、または落下の危険。 密閉空間の危険 (図 4 を参照)。 危険なエネルギー源との接触。

図 4. 密閉空間への侵入

ガラス

概要プロフィール

ガラスは、誰もがその組成を実験したり、その形状を成形したり、今日楽しんでいる無数の用途に使用したりすることを考えるずっと前に、地球の地殻の一般的な要素から自然に形成されました. たとえば、黒曜石は、激しい火山の熱によって融合し、急激な空冷によってガラス化（ガラス化）した酸化物の自然発生的な組み合わせです。 その不透明な黒色は、含まれる酸化鉄の量が比較的多いためです。 その化学的耐久性と硬度は、多くの市販のガラスに匹敵します。

ガラス技術は 6,000 年にわたって進化してきましたが、現代の原理の一部は古代にさかのぼります。 最初の合成ガラスの起源は、古代と伝説で失われています。 ファイエンス 砂からフィギュアを成形したエジプト人によって作られました (SiO₂)、最も一般的なガラス形成酸化物です。 それは、主に炭酸カルシウム (CaCO₃)、ソーダ灰(Na₂CO₃）、塩（NaCl）および酸化銅（CuO）。 1,000 °C 未満に加熱すると、フラックス、CaO および Na の拡散によってガラス状のコーティングが生成されました。₂砂とその後の砂との固相反応へのO。 酸化銅は物品に魅力的な青色を与えた.

Morey の定義によると、「ガラスは、その物質の液体状態と連続し、それに類似した状態にある無機物質ですが、冷却中の粘度の可逆的変化の結果として、粘性が非常に高いため、すべての実用的な目的で剛性があります。」 ASTM は、ガラスを「結晶化することなく固い状態に冷却された溶融の無機生成物」と定義しています。 有機材料と無機材料の両方が、その構造が非結晶性である場合、つまり長距離秩序を欠いている場合、ガラスを形成する可能性があります。

ガラス技術の最も重要な発展はブロー パイプの使用であり (図 5 を参照)、これは紀元前約 100 年間に初めて使用されました。 それ以降、ガラスの製造技術は急速に発展しました。

図 5. ブロー パイプ

最初のガラスは、鉄やクロムの酸化物などのさまざまな不純物が存在するために着色されていました。 ほぼ無色のガラスが最初に作られたのは、約 1,500 年前です。

当時、ガラス製造はローマで発展し、そこからヨーロッパの他の多くの国に移動しました。 ヴェネツィアでは多くのガラス作品が作られ、そこで重要な発展が起こりました。 13 世紀には、多くのガラス工場がベニスから近くのムラーノ島に移されました。 ムラーノは今でもイタリアの手作りガラス生産の中心地です。

16世紀までに、ガラスはヨーロッパ中で作られました。 現在、チェコ共和国のボヘミアン ガラスはその美しさで有名であり、英国とアイルランドのガラス工場は高品質の鉛クリスタル ガラスの食器を生産しています。 スウェーデンは、芸術的なガラス製クリスタル製品の生産地のもう XNUMX つの国です。

北米では、あらゆる種類の最初の製造施設はガラス工場でした。 17 世紀初頭、バージニア州ジェームズタウンでイギリス人入植者がガラスの生産を開始しました。

今日、ガラスは世界中のほとんどの国で製造されています。 多くのガラス製品は全自動加工ラインで製造されています。 ガラスは最も古い材料の XNUMX つですが、その特性は独特であり、まだ完全には理解されていません。

今日のガラス産業は、板ガラス市場、家庭用品市場、ガラス容器市場、光学ガラス産業、科学ガラス製品市場セグメントなど、いくつかの主要な市場セグメントで構成されています。 光学および科学ガラス市場は非常に秩序立っている傾向があり、ほとんどの国で 1900 つまたは 1960 つのサプライヤーが支配しています。 これらの市場は、消費者ベースの市場よりも規模がはるかに小さいです。 これらの各市場は、特定のガラス技術の革新や製造の進歩によって長年にわたって発展してきました。 たとえば、コンテナ産業は、XNUMX 年代初頭に開発された高速ボトル製造機の開発によって牽引されました。 板ガラス産業は、XNUMX 年代初頭のフロート ガラス プロセスの開発によって大幅に進歩しました。 これらのセグメントは両方とも、今日、世界中で数十億ドル規模のビジネスになっています。

ガラスの家庭用品は、次の XNUMX つの一般的なカテゴリに分類されます。

1. 食器（食器、カップ、マグを含む）
2. ドリンクウェア
3. 耐熱皿（またはオーブン皿）
4. レンジ調理器具。

 

世界的な見積もりを入手するのは困難ですが、ガラス製家庭用品の市場は、米国だけで間違いなく 1 億米ドルのオーダーです。 特定のカテゴリに応じて、セラミック、金属、プラスチックなど、さまざまな他の材料が市場シェアを争っています。

製造プロセス

ガラスは、結晶化することなく固い状態に冷却された溶融の無機製品です。 ガラスは通常、硬くてもろく、コンコイド骨折があります。 ガラスは、存在する溶解非晶質または結晶質材料を変化させることによって、着色、半透明、または不透明になるように製造することができます。

ガラスが高温の溶融状態から冷却されると、広い温度範囲で結晶化することなく徐々に粘性が増し、その特徴である硬く脆い形状になります。 冷却は、結晶化または高歪みを防ぐために制御されます。

これらの物理的特性を持つ化合物は理論的にはガラスですが、ほとんどの市販のガラスは XNUMX つの主なタイプに分類され、幅広い化学組成を持っています。

1. ソーダライムシリカグラス ほとんどすべての板ガラス、容器、安価な大量生産の家庭用ガラス製品、および電球を含む、生産量と用途の点で最も重要なガラスです。
2. 鉛カリシリカガラス さまざまですが、多くの場合、酸化鉛の割合が高くなります。 光学ガラスの製造では、このタイプのガラスの高い屈折率を利用しています。 手吹きの家庭用および装飾用ガラス製品は、切断と研磨の容易さを利用しています。 電気および電子アプリケーションは、その高い電気抵抗率と放射線保護を利用しています。
3. ホウケイ酸ガラス 熱膨張が小さく、熱衝撃に強いため、家庭用オーブンや実験用ガラス器具、プラスチック補強用のガラス繊維に最適です。

市販のガラス バッチは、いくつかの成分の混合物で構成されています。 ただし、バッチの大部分は、砂、石灰岩、ドロマイト、ソーダ灰、ホウ砂、ホウ酸、長石材料、鉛およびバリウム化合物などの材料から選択された 4 ～ 6 の成分で構成されています。 バッチの残りは、一般に微量成分と呼ばれる 15 ～ 20 種類の材料のグループから選択された、いくつかの追加成分で構成されます。 これらの後者の添加物は、ガラスの製造プロセス中に実現される色などの特定の機能または品質を提供する目的で追加されます。

図 6 は、ガラス製造の基本原理を示しています。 原料を秤量・混合し、ガラスの破片（カレット）を加えて溶解炉に投入します。 容量 2 トンまでの小さなポットは、手吹きのクリスタル製品や少量で必要な特殊なグラス用のガラスを溶かすために今でも使用されています。 いくつかの鍋が燃焼室で一緒に加熱されます。

図 6. 関連するプロセスと材料

現代のほとんどの製造では、溶解は、耐火材料で構築され、石油、天然ガス、または電気によって加熱される大型の再生炉、回復炉、または電気炉で行われます。 1960 年代後半から 1970 年代にかけて、電気ブースティングとコールド トップ電気溶解が商品化され、世界中で広く利用されるようになりました。 コールドトップ電気溶解の原動力は排出制御でしたが、ガラスの品質を向上させ、スループットを向上させるために電気ブースティングが一般的に使用されました。

ガラス炉溶融のための電力使用に関する最も重要な経済的要因は、化石燃料のコスト、さまざまな燃料の入手可能性、電力コスト、設備の資本コストなどに関連しています。 しかし、多くの場合、電気溶解またはブースティングを使用する主な理由は環境制御です。 世界中のさまざまな場所で、さまざまな酸化物や一般的な粒子状物質の排出を厳しく制限する環境規制がすでに実施されているか、間もなく実施される予定です。 したがって、多くの場所の製造業者は、ガラス溶融処理量を減らすか、廃棄煙道ガスを処理するためにバグハウスまたは集塵機を設置するか、または溶融プロセスを変更して電気溶融またはブーストを含める必要がある可能性に直面しています。 そのような変更の代替手段は、場合によってはプラントのシャットダウンかもしれません。

炉の最も高温の部分（上部構造）は、1,600 ～ 2,800°C になる場合があります。 制御された冷却により、ガラスが炉を出る時点でガラスの温度が 1,000 ～ 1,200°C に下がります。 さらに、すべてのタイプのガラスは、特別なオーブンまたは徐冷炉でさらに制御された冷却 (アニール) を受けます。 その後の処理は、製造プロセスの種類によって異なります。

自動吹きガラスは、従来の手吹きガラスに加えて、ボトルやランプ電球の製造機械で使用されています。 絶縁体、ガラスレンガ、レンズブランクなどの単純な形状は、吹き飛ばすのではなくプレス加工されます。 一部の製造工程では、機械ブローとプレスを組み合わせて使用​​します。 ワイヤー入りガラスと型押しガラスが巻かれています。 板ガラスは、火仕上げの表面を与える垂直プロセスによって炉から引き出されます。 描画と重力の複合効果により、多少の歪みは避けられません。

板ガラスは、水冷ローラーを通過して徐冷炉にかけられます。 歪みがありません。 表面の損傷は、製造後に研削および研磨することで除去できます。 このプロセスは、近年導入されたフロート ガラス プロセスに大部分が置き換えられました (図 7 を参照)。 フロート製法により、板と板の長所を併せ持つガラスの製造が可能になりました。 フロートガラスは表面が火仕上げで歪みがありません。

図 7. 連続フロート プロセス

フロート プロセスでは、ガラスの連続したリボンが溶融炉から出て、溶融スズの槽の表面に沿って浮かびます。 ガラスは溶融スズの完全な表面に適合します。 ガラスがスズの上を通過する際に、ガラスが下面に傷を付けずに徐冷炉のローラーに供給できるほど十分に固くなるまで、温度を下げます。 浴中の不活性雰囲気が錫の酸化を防ぎます。 アニーリング後のガラスは、それ以上の処理を必要とせず、自動切断および梱包によってさらに処理することができます (図 8 を参照)。

図 8. 徐冷炉から出るフロート ガラスのリボン

より多くのガラス面積を含む新しい住宅および商業建築の傾向と、エネルギー消費を削減する必要性により、窓のエネルギー効率の改善がますます重視されています。 ガラスの表面に蒸着された薄膜は、低放射率または太陽光制御特性を提供します。 このような汎用コーティング製品の商品化には、低コストで大面積の堆積技術が必要です。 その結果、洗練されたオンライン コーティング プロセスを備えたフロート ガラス製造ラインの数が増えています。

一般的に使用される化学蒸着 (CVD) プロセスでは、複雑なガス混合物が高温の基板と接触し、そこで熱分解反応してガラスの表面にコーティングを形成します。 一般に、コーティング装置は、ガラスリボンの幅全体に渡って吊り下げられた熱制御構造で構成されています。 それらは、スズ浴、徐冷炉のギャップ、または徐冷炉に位置している可能性があります。 コーターの機能は、温度制御された方法でリボン幅全体に前駆体ガスを均一に供給し、堆積領域から排気ガス副生成物を安全に抽出することです。 複数のコーティング スタックの場合、複数のコーターがガラス リボンに沿って連続して使用されます。

このような大規模なプロセスによって生成される排気ガス副生成物の処理には、通常、従来のフィルター プレスを使用したウェット スクラビング技術で十分です。 流出ガスが水溶液で容易に反応または湿潤しない場合、焼却が主な選択肢です。

一部の光学ガラスは、典型的には硝酸リチウムと硝酸カリウムの溶融塩を含む高温浴にガラスを数時間浸漬することを含むプロセスによって化学的に強化されています。

安全ガラス 次の XNUMX つの主要なタイプがあります。

1. 強化ガラス 加熱によってプレストレスを加え、特殊なオーブンで目的の形状とサイズの板ガラスを急速に冷却することによって作られます。
2. 合わせガラス XNUMX 枚の薄い板ガラスの間にプラスチック (通常はポリビニルブチラール) のシートを接着することによって形成されます。

 

合成ガラス繊維

概要プロフィール

合成ガラス繊維は、多種多様な素材から製造されます。 それらは、ガラス、岩、スラグ、またはその他の鉱物から製造された非晶質ケイ酸塩です。 生成される繊維は、連続繊維と不連続繊維の両方です。 一般に、連続繊維はノズルを通して引き出されたガラス繊維であり、プラスチックなどの他の材料を強化して、独自の特性を持つ複合材料を製造するために使用されます。 不連続繊維 (一般にウールとして知られている) は、多くの目的で使用されますが、最も一般的なのは断熱および防音です。 この議論の目的のために、合成ガラス繊維は連続ガラス繊維に分けられ、絶縁ウールはガラス、岩石またはスラグ繊維でできており、耐火性セラミック繊維は一般にケイ酸アルミニウムです。

熱で軟化したガラスを細い繊維に引き抜く可能性は、古代からガラス製造業者に知られており、実際には吹きガラスの技術よりも古い. 初期のエジプトの器の多くは、適切な形状の粘土のマンドレルに粗いガラス繊維を巻き付け、ガラス繊維が互いに流れ込むまでアセンブリを加熱し、冷却後に粘土のコアを除去することによって作られました。 西暦 1 世紀に吹きガラスが出現した後も、グラスファイバー技術は依然として採用されていました。 16 世紀と 17 世紀のベネチアのガラス職人は、ガラス製品の装飾に使用しました。 この場合、不透明な白い繊維の束を無地の透明な吹きガラス容器（例えば、ゴブレット）の表面に巻き付け、加熱によって融合させた。

グラスファイバーは一般的に装飾的または芸術的に使用されてきた長い歴史にもかかわらず、20 世紀になるまで広く使用されることはありませんでした。 グラスファイバーの米国での最初の商業生産は 1930 年代に行われましたが、ヨーロッパでは数年前に最初の使用が行われました。 ロックウールとスラグウールはそれより数年前に生産されました。

合成ガラス繊維の製造と使用は、これらの有用な材料が現代社会の重要な構成要素になっているため、世界的な数十億ドル規模の産業です。 断熱材としての使用により、建物の冷暖房に必要なエネルギーが大幅に削減され、このエネルギーの節約により、エネルギー生産に関連する地球規模の汚染が大幅に削減されました。 スポーツ用品からコンピューターチップ、航空宇宙用途まで、多くの製品の補強材としての連続ガラスフィラメントの用途は、30,000 を超えると推定されています。 耐火セラミック繊維の開発と広範な商業化は 1970 年代に行われ、これらの繊維は、さまざまな高温製造プロセスで労働者と機器を保護する上で重要な役割を果たし続けています。

製造プロセス

連続ガラスフィラメント

ガラス フィラメントは、溶融ガラスを貴金属ブッシングを通してほぼ均一な直径の細いフィラメントに引き抜くことによって形成されます。 繊維を強化材として使用する場合の物理的要件により、繊維の直径は断熱ウールの直径に比べて比較的大きくなります。 ほとんどすべての連続ガラスフィラメントは、直径が 5 ～ 15 μm 以上です。 繊維が大きすぎて下気道に吸入できないため、これらの大きな直径は、製造中に生成される狭い範囲の直径と相まって、潜在的な慢性呼吸器への影響を排除します。

連続ガラス繊維は、重力下でノズルから滲出する溶融ガラスの滴を急速に減衰させ、ノズルから浮遊させることによって作られます。 表面張力の力と機械的減衰の力との間の動的なバランスにより、ガラスの滴は、ノズルの環状開口部に保持され、引き出されるファイバーの直径に合わせて先細りになるメニスカスの形状をとります。 ファイバーの線引きを成功させるには、ガラスの粘度を狭い範囲 (つまり、500 ～ 1,000 ポイズ) にする必要があります。 粘度が低いと、ガラスは流動的になりすぎて、滴としてノズルから落ちます。 この場合、表面張力が支配的です。 より高い粘度では、減衰中のファイバーの張力が高すぎます。 ノズルを通過するガラスの流量も、メニスカスを維持するには遅すぎる可能性があります。

ブッシングの機能は、均一な温度で数百のノズルを含むプレートを提供し、ガラスをこの均一な温度に調整して、線引きされたファイバーの直径が均一になるようにすることです。 図９は、ガラスがノズルを通過する温度に非常に近い溶融ガラスの供給を受ける前炉に取り付けられた直接溶融ブッシングの主な特徴の概略図を示す。 したがって、この場合、ブッシングの基本機能は、その唯一の機能でもあります。

図 9. ダイレクトメルト ブッシングの回路図

ビー玉で動作するブッシングの場合、10 番目の機能が必要です。つまり、最初にビー玉を溶かしてから、ガラスを適切な繊維延伸温度に調整します。 典型的な大理石ブッシングを図 XNUMX に示します。ブッシング内の破線は、溶けていない大理石を保持する穴あきプレートです。

図 10. 大理石のブッシングの回路図

ブッシングの設計は、大部分が経験に基づいています。 溶融ガラスによる攻撃への耐性とファイバー線引きに必要な温度での安定性の理由から、ブッシングはプラチナ合金で作られています。 10% のロジウム-プラチナと 20% のロジウム-プラチナの両方が使用されており、後者は高温での歪みに対してより耐性があります。

ブッシングから引き出された個々のファイバーが集められてストランドまたは複数のストランドに統合される前に、それらはファイバーサイズでコーティングされます。 これらの繊維サイズには、基本的に XNUMX つのタイプがあります。

1. でんぷん油サイズ:通常、細かい布地または同様の操作に織り込むことを目的とした繊維に適用されるサイズ
2. プラスチックとゴムの直接強化を目的とした繊維に適用されるキーイング剤とフィルム形成剤サイズ。

 

繊維が形成された後、有機サイジングの保護コーティングがアプリケーターで適用され、連続フィラメントがマルチフィラメント ストランドに集められ (図 11 を参照)、巻き管に巻き付けられます。 アプリケータは、幅が約 25 ～ 45 mm で、アプリケータの下の収集シューに向かう途中の繊維のファンが、繊維サイズのフィルムで覆われた移動面を通過できるようにすることによって機能します。

図 11. テキスタイル ガラス フィラメント

アプリケーションには、基本的に次の XNUMX 種類があります。

1. 繊維サイズのフィルムでコーティングされたローラーの表面上を繊維が走行する，ゴム，セラミック又はグラファイト製のローラーアプリケーター。
2. ベルト アプリケーターでは、一方の端でベルトが従動ローラーの上を通過し、ベルトが繊維サイズに浸され、もう一方の端で固定された硬質クロム鋼バーの上を通過します。この位置で繊維がベルトに接触してサイズをピックアップします。

 

保護コーティングと繊維収集プロセスは、生産される繊維または強化繊維の種類によって異なります。 基本的な目的は、ファイバーをサイズでコーティングし、ストランドに集め、必要最小限の張力でコレットの取り外し可能なチューブに配置することです。

図 12 に連続ガラス製造のプロセスを示します。

図 12. 連続フィラメント ガラスの製造

断熱ウール製造

連続フィラメントとは対照的に、絶縁ウールと耐火セラミック繊維の繊維は、溶融材料が回転ディスクまたは一連の回転ホイールに落下する非常に高エネルギーのプロセスで作られます。 これらの方法により、連続フィラメントで見られるよりもはるかに広い直径範囲の繊維が製造されます。 したがって、すべての絶縁ウールとセラミック繊維は、直径が 3.0 μm 未満の繊維の一部を含んでいます。 これらは、比較的短い長さ (200 ～ 250 μm 未満) に破砕すると、呼吸可能になる可能性があります。 職場での呼吸性合成ガラス繊維への曝露に関する広範なデータが入手可能です。

製造にはいくつかのプロセスが使用されます グラスウール、蒸気吹きプロセスと火炎吹きプロセスを含む; しかし、最も人気があるのは、1950 年代半ばに開発されたロータリー フォーミング プロセスです。 回転式プロセスは、ガラス繊維断熱材製品の商業生産のための直接吹き込みプロセスに大きく取って代わりました。 これらの回転プロセスはすべて、軸が垂直に取り付けられた中空のドラムまたはスピナーを使用しています。 スピナーの垂直壁には、数千個の穴が円周に均一に配置されています。 溶融ガラスは制御された速度でスピナーの中心に落下し、そこから適切なディストリビューターが垂直の穴の開いた壁の内側にガラスを押し込みます。 その位置から、遠心力がガラスを放射状に外側に押し出し、すべての穿孔から個別のガラス フィラメントの形で出てきます。 これらの一次フィラメントをさらに細くすることは、スピナーの周りに同心円状に配置されたノズルまたは複数のノズルから出てくる適切なブロー流体によって達成される。 最終的な結果として、平均繊維直径が 6 ～ 7 mm の繊維が製造されます。 吹き込む流体は下向きに作用するため、最終的な減衰を提供するだけでなく、スピナーの下にある収集面に向かって繊維を偏向させます。 この収集面に向かう途中で、繊維は、収集面全体に均一に分散される前に、適切な結合剤が噴霧されます (図 13 を参照)。

図 13. グラスウールを製造するための回転プロセス

回転プロセスでは、溶融ガラスを回転スピナーに配置された一連の小さな開口部に流し、空気または蒸気の吹き込みによって一次フィラメントを細くすることによって、グラスウール繊維が作られます。

ミネラルウールただし、ロータリー スピナー プロセスでは製造できず、歴史的に一連の水平スピニング マンドレルを使用してプロセスで製造されてきました。 ミネラル ウール プロセスは、一連のローター (マンドレル) がカスケード構造に取り付けられ、非常に高速で回転することで構成されます (図 14 を参照)。 溶融石の流れは、上部ローターの XNUMX つに連続的に転送され、このローターから XNUMX 番目のローターに分配されます。 溶融物はすべてのローターの外面に均一に広がります。 ローターからは、遠心力により液滴が飛散します。 液滴は、細長いネックによってローター表面に付着し、さらに伸長し、同時に冷却すると繊維になります。 もちろん、伸びに続いて直径が減少し、冷却が加速されます。 したがって、この工程で製造される繊維には直径の下限がある。 したがって、平均値付近の繊維径の正規分布は予想されません。

図 14. ミネラル ウール プロセス (ロック & スラグ)

耐火セラミック繊維

セラミック繊維は主に、絶縁ウールで説明した方法と同様の方法でブローと紡績によって製造されます。 スチーム ブロー プロセスでは、アルミナやシリカなどの原材料を電気炉で溶融し、溶融した材料を取り出して、加圧スチームまたはその他の高温ガスで吹き飛ばします。 生成された繊維は、スクリーン上に収集されます。

ロック繊維やスラグ繊維の紡績プロセスと同様に、セラミック繊維の紡績プロセスでは、長い絹のような繊維が高い割合で生成されます。 この方法では、溶融した材料の流れが急速に回転するディスクに落とされ、接線方向に投げ出されて繊維が形成されます。

陶器産業

概要プロフィール

陶器の製作は、人類の最も古い工芸品の 18 つです。 何世紀にもわたって、世界のさまざまな地域でさまざまなスタイルや技法が開発されてきました。 400 世紀、ヨーロッパの多くの地域で盛んに行われていた産業は、極東から輸入された洗練された高度に装飾された陶器の影響を強く受けました。 日本は約XNUMX年前に中国から陶芸を学びました。 産業革命と西ヨーロッパの状況の一般的な変化により、生産は急速に成長しました。 現在、ほぼすべての国が家庭用の陶器を製造しており、陶器は一部の国からの重要な輸出品です。 生産は現在、世界の多くの地域で工場規模になっています。 製造の基本原則は変わっていませんが、製造方法はかなり進歩しています。 これは特に、製品の形成や造形、焼成、装飾技術において顕著です。 マイクロプロセッサとロボットの使用が増加した結果、生産分野で高レベルの自動化が導入されました。 しかし、小規模な工芸陶器も各地に残っています。

形成方法

陶器を作る最も初期の方法には、手で作る方法が含まれていました。 とぐろ状の粘土を重ねて巻き、手で押してくっつけます。 粘土は、まず水を加えてやわらかい状態にします。 コイルを貼り付けた後、手作業で形を整えていきます。

ろくろは陶器を作るための道具になりました。 回転する円板の上に粘土を積み上げ、ぬれた手で形を作っていく成形法です。 水は陶工の手が粘土にくっつくのを防ぎ、粘土を湿らせて作業しやすくします. 回転する粘土からのハンドル、スパウト、およびその他の突起は、オブジェクトが焼成される直前に配置されます。

鋳造 高品質の陶器が必要な場合や、容器の壁が非常に薄い場合に、今日よく使用されます。 スリップと呼ばれる粘土と水の混合物は、パリの石膏型に注がれます。 石膏が水を吸収し、型の内側全体に粘土の薄い層が堆積します。 粘土の堆積物が花瓶の壁を形成するのに十分な厚さになると、残りのスリップが注ぎ出され、型の内側に湿った陶器が残ります. 乾くと少し縮み、型から外せます。 通常、金型は分解できるように作られています。

作品が完全に乾くと、滑らかになり、焼成プロセスの準備が整います。 と呼ばれる耐火粘土の箱に入れられます。 サガー、オーブンが焼かれているパンを保護するのと同じように、プロセス中に放出される炎やガスからピースを保護します. サガーは別の上に置かれます 窯. 窯は、火の炎が皿を完全に取り囲み、実際には皿に触れることがないように、耐火レンガで作られ、煙道に囲まれた大きな構造です。 このような方法で保護されていないと、煙で作品が変色してしまいます。

ほとんどのピースは少なくとも XNUMX 回発射されます。 初めて窯を通過することを「窯出し」と呼びます ビスク 焼き、そして陶器はaと呼ばれます ビスケット or ビスクピース. 焼成後、釉薬をかけます。 釉薬はガラス質で光沢のあるコーティングで、陶器をより魅力的で使いやすいものにします。 グレーズには、シリカ、溶融温度を下げるためのフラックス（鉛、バリウムなど）、および着色剤としての金属酸化物が含まれています。 釉薬を陶器に塗り、完全に乾燥させたら、再び窯に戻し、高温で焼成して釉薬を溶かし、陶器の表面全体を覆います。

陶器の種類

• ストーンウエア 明るい粘土または暗い粘土から作られた陶器です。 窯に入れる前、または焼成過程で塩を使って未焼成の体に釉薬をかけ、緻密で硬い状態に焼き上げます。

• 磁器 白いガラス化した陶器です。 半透明です。 磁器では、本体と釉薬は、非常に高い温度で同時に行われる焼成で完成し、成熟します。

• 中国 磁器に似た器です。 本体と釉薬は、非常に高い温度で同時に焼成して完成させ、熟成させます。

• 骨灰磁器 焼き骨を原料とした焼き物で、全体の約40％を占めます。

• 土器 白色または白色に近い体色。 陶磁器のように二回焼成で作られますが、本体は多孔質のままです。 釉薬は陶磁器に似ていますが、より安価な素材で作られています。

• ファイエンス 装飾用や装飾用に使用される細かいガラス張りの陶器です。 通常、ボディを白くしようとする試みはなく、釉薬はしばしば着色されます。

 

製造プロセス

陶器の物性は、素地の組成や焼成条件によって変化します。 ボディは主に物性で選ばれますが、食器用としては白いボディが選ばれることが多いです。

工業製品（耐火物、電気絶縁体、触媒担体など）は、用途によってさまざまな特性を持っています。

原材料. 陶器本体の基本的な成分を表 1 に示します。これは、サンプル本体タイプの典型的な比率も示しています。

表 1. 代表的な体の成分 (%)

 

ネフェリン閃長岩はフラックスとして使用されることもあり、アルミナは一部の磁器タイプのボディの石英フィラーの一部またはすべてを置き換えることができます。 クリストバライト (焼成砂) は、一部の陶器本体、特に壁タイル業界でフィラーとして使用されます。

ボディの組成は、一部は最終製品に必要な特性によって、一部は製造方法によって決まります。 プラスチック製のベースは、湿った状態で成形される製品には不可欠ですが、ダスト プレスなどの非プラスチック成形プロセスには必要ありません。 プラスチック製のベースは必須ではありませんが、粘土は、ダストプレスによって準備されたものを含むほとんどのセラミック製品の主要な成分です.

工業用セラミックスは、表 1 には示されていません。その組成は、追加のフラックスやフィラーを含まないすべてのボール クレーまたは耐火粘土から、最小限の量の粘土を使用し、フラックスを追加しないほぼすべてのアルミナまでさまざまです。

焼成中、フラックスが溶けてガラスになり、成分が結合します。 フラックスの量が増加すると、ガラス化温度が低下します。 フィラーは、焼成前および焼成中の土器の機械的強度に影響を与えます。 食器を作る際には、伝統的に石英（砂または焼成フリントとして）が使用されますが、ボーンチャイナの製造には骨灰が使用されます. すでに工業用セラミックスの製造に使用されているアルミナまたはその他の非珪質フィラーの使用は、国産品を含む他の製品の製造にまで拡大されています。

処理. 陶器の生産における基本的なプロセスは次のとおりです。

• 体の成分の準備

• 形成と整形

• ビスケット焼成

• 釉薬の塗布

• 本焼き

• 装飾。

 

フリントや石の焼成、破砕、粉砕の準備工程は別の施設で行われることがありますが、その後のすべての工程は同じ工場で行われるのが一般的です。 スリップハウスでは、ボディ成分が水にブレンドされています。 プラスチック粘土は、ろ過とプラグインによって生成されます。 次に、クリーミーな粘稠度になるまで泡立てることによって、キャスティング スリップを準備します。 プレス用のダストは、乾燥と粉砕によって調製されます。

成形プロセスの従来の分類を表 2 に示します。キャスティングでは、ボディの水懸濁液を吸収型に流し込み、部分的に乾燥させた後、キャストを取り外します。 投げることによるプラスチック粘土の成形は、工業生産では現在ではまれです。 乾燥後に石膏型から離して石膏型の上または中で機械的に広げる（ジガーとジョリー）ことは、食器を作るのにほとんど一般的です. プラスチック粘土のプレスまたは押し出しは、主に工業用セラミックスに限定されます。 ダストプレス製品は、事前に乾燥させたボディダストを手作業または機械プレスで圧縮することによって製造されます。

表 2. 製造プロセス

 

形を整えた後、製品を乾燥させ、フェトリング、トーイング、またはスポンジングによって仕上げることができます。 その後、ビスケット焼成の準備が整います。

素焼きした後、釉薬をディッピングまたはスプレーで塗布します。 浸漬は手または機械で行うことができます。 釉薬をかけた陶器は、再び焼成されます。 場合によっては、衛生陶器のように、乾燥した粘土製品に釉薬を塗り、XNUMX 回だけ焼成します。

装飾は、釉薬の下または上に適用でき、手塗り、機械印刷、または転写によって行うことができます。 釉薬の装飾にはXNUMX回目の焼成が含まれます。 また、色ごとに別々の焼成が必要になる場合もあります。

最終段階で、製品は選別され、出荷用に梱包されます。 図 15 は、さまざまな種類の陶器とセラミックスが製造中にたどるさまざまな経路を示しています。

図 15. セラミックの種類別フローチャート

セラミックタイル

概要プロフィール

セラミック かつては、陶器を製造する芸術または技術のみを指すと考えられていた用語です。 この用語の語源は、ギリシャ語に由来することを示しています。 ケラモス、「陶工」または「陶器」を意味します。 ただし、ギリシャ語は、「燃やす」を意味する古いサンスクリット語の語根に関連しています。 ギリシャ人自身が使用していたように、その主な意味は単に「焼けたもの」または「焼けた地球」でした. この用語に含まれる基本的な概念は、土の材料に火を作用させることによって得られる製品の概念でした。

この記事の文脈では、伝統的なセラミックは、建築材料として、または家庭や産業で一般的に使用される製品を指します. 伝統的なセラミックスを低技術と同一視する傾向がありますが、この業界では高度な製造技術がしばしば使用されます。 生産者間の熾烈な競争により、コンピューター支援のプロセス制御と組み合わせて、複雑なツールと機械を利用することで、技術がより効率的で費用対効果の高いものになりました。

最も古いセラミック製品は、粘土を含む材料から生まれました。 初期の陶芸家は、粘土の可塑性が形を形成するのに役立つことを発見しました。 大量の収縮を示す傾向があるため、粘土体は粗い砂と石を追加して修正され、収縮と亀裂が減少しました。 現代の粘土ベースのボディでは、典型的な非粘土添加物は、フラックスとして添加されるシリカ粉とアルカリ鉱物です。 従来のセラミック配合では、粘土は可塑剤および他の成分の結合剤として機能します。

産業の発展

乾燥および焼成された粘土タイルの生産は、中東の人口にさかのぼる非常に古い起源を持っています. タイル白物産業はヨーロッパで大きく発展し、20 世紀の初めまでに床と壁のタイルの生産は工業規模に達しました。 この分野のさらなる発展は、第二次世界大戦後に起こりました。 ヨーロッパ（特にイタリアとスペイン）、ラテンアメリカ、極東は現在、工業用タイル生産の最も重要な地域です。

白物製品産業の床および壁タイル部門は、1980 年代半ば以降、新技術の導入、自動化、および生産フローの製造プロセスへの統合により、大きな発展を遂げてきました。 その後、生産性と効率が向上し、エネルギー消費とコストが削減されました。 タイル製造は現在、湿式および乾式タイル生産の両方で継続的に行われており、今日の多くの工場はほぼ 100% 自動化されています。 過去 XNUMX 年間のタイル業界の主な革新には、湿式粉砕、噴霧乾燥、高圧乾式プレス、ローラー乾燥、高速焼成技術が含まれます。

米国のセラミック タイル市場の供給額 (米国の工場出荷額と輸入額) は、9.2 年から 1992 年にかけて年平均 1994% 増加したと推定されています。 % は毎年 1.3 億平方フィートに増加します。 これは、1994 年から 11.9 年までのドル販売に基づく市場成長率が 1.3%、量販売に基づく市場成長率が 7.6% であるのと比較されます。

セラミックタイルの分類

レッドウェアとホワイトウェア

多くの種類のセラミック タイルが市場に出回っています。 それらは、表面の状態、体の色（白または赤）、製造技術、原材料、および最終用途によって異なります。 「赤」と「白」のタイルの違いは、体内に含まれる鉄ミネラルの量にあります。 他の体の構成要素と反応することにより、それらは多かれ少なかれ着色を与え、焼成中の体の挙動を変更することができます.

タイル製品、その処理、およびその後の特性の極端な不均一性のため、完全かつ網羅的な分類は非常に困難です。 この章では、欧州 (EN) および ASTM 規格について説明します。

EN 規格では、セラミック タイルを、吸水率 (気孔率に直接相関する) と成形方法 (押出またはプレス) の関数として排他的に分類しています。 成形方法は次のように分類されます。

• 成形工程A (押し出し床タイル)。 このプロセスには、分割タイルと個別に押し出されたタイルが含まれます。

• 成形工程B (乾燥プレスされた床と壁のタイル)。

 

87 年 1981 月に承認された欧州規格 EN XNUMX は、「セラミック製の壁と床のタイルは、形状やサイズに関係なく、屋内と屋外の両方で床と壁の敷物として使用するために一般的に設計された建築材料である」と指定しています。

セラミック タイルの米国規格協会 (ANSI) 仕様 (ANSI A 137.1) には、次の定義が含まれています。

• セラミックモザイクタイル ダストプレスまたはプラスチックのいずれかの方法で形成され、通常は 6.4 ～ 9.5 mm (1/4 ～ 1/8 インチ) の厚さで、顔の面積は 39 cm 未満です。² （6 in² ）。 セラミック モザイク タイルは、磁器または天然の粘土組成のいずれかであり、無地または全体に研磨剤の混合物が含まれている場合があります。

• 装飾壁タイル 通常は非ガラス質で、破壊強度が必要とされない室内装飾住宅の壁の使用に適した薄いボディの艶をかけられたタイルです。

• 舗装タイル 39cmのダストプレス法で形成された釉薬または素焼きの磁器または天然粘土タイル² （6 in² ) 以上の顔の領域。

• 陶製タイル 一般にダストプレス法で作られる陶器製のモザイクタイルまたはペーバータイルで、緻密で不浸透性、きめが細かく滑らかで、表面がシャープに形成されたタイル構成になっています。

• 採石場のタイル 天然の粘土または頁岩からの押し出しプロセスによって作られた、艶をかけられたまたは艶をかけられていないタイルで、通常は 39 cm です。² （6 in²) 以上の顔の領域。

• 壁タイル 内部での使用に適しており、通常は非ガラス質で、過度の衝撃に耐える必要がなく、凍結および解凍条件にさらされる必要のない本体を備えた艶をかけられたタイルです。

• 個々のタイル白物グレード 素焼きタイル (セラミック モザイク タイル、採石場タイル、敷石タイル) と艶出しタイル (艶出し壁タイル、艶出しセラミック モザイク タイル、艶出し採石場タイル、艶出し敷石タイル) が含まれます (ANSI 1988)。

 

タイルは、標準的なセラミック プロセスによって製造されます。 セラミック製の壁と床のタイルは、ボール粘土、砂、フラックス、着色剤、その他の鉱物原料の混合物から製造され、粉砕、ふるい分け、混合、湿潤などの処理が行われます。 それらは、通常は室温で、プレス、押出、鋳造、またはその他のプロセスによって成形され、その後乾燥され、最後に高温で焼成されます。 タイルは、艶をかけられた、艶をかけられていない、またはエンゴブされている場合があります。 釉薬はガラスのような不浸透性のコーティングであり、エンゴベはつや消しの粘土ベースのコーティングであり、多孔性でもあります. 艶をかけられた壁と床のタイルは、XNUMX 段階または XNUMX 段階の焼成によって製造されます。

従来のセラミック体は、さまざまな技法を使用して成形されます。 特定の成形プロセスは、材料特性、部品のサイズと形状、部品の仕様、生産歩留まり、地理的地域内で受け入れられている慣行など、多くの要因によって決定されます。

粘土ベースの物体は、17 つまたは複数の粘土と XNUMX つまたは複数の非粘土粉末の異種混合物です。 最終的な形状に達する前に、これらの粉末は一連の単位操作、焼成、および焼成後の操作を受けます (図 XNUMX を参照)。

ほとんどの従来のボディの成形技術は、軟質プラスチック成形、硬質プラスチック成形、プレスおよび鋳造に分類できます。

加えられた圧力は、原材料をよりよく詰め込まれた構成に再配置および再分配するために使用されます。 粘土ベースの物体のレオロジー挙動は、粘土鉱物と水との相互作用に起因し、バッチに可塑性を与えます。 非粘土体では、可塑剤を追加することで、これと同じタイプの動作を実現できます。

産業用セラミックス

概要プロフィール

セラミックスは、他のエンジニアリング材料 (金属、プラスチック、木製品、織物) とは多くの個別の特性が異なります。 おそらく、陶磁器のデザイナーや潜在的なユーザーにとって最も際立った違いは、個々の陶磁器のユニークな形状とサイズです。 陶器は、非常に費用のかかる研磨を除いて、焼成後に容易に成形または加工することはできません。 したがって、通常はそのまま使用する必要があります。 限られたサイズのいくつかの単純なタイル、ロッド、およびチューブ形状を除いて、陶器はフィートまたはヤードで販売することも、仕事に合わせてカットすることもできません.

セラミック加工のごく初期の段階から、形状やサイズなどのすべての有用な特性を事前に提供する必要があります。 各部品の構造的完全性は、処理中および部品が最終的に設置されて使用されるまで、さまざまな熱的および機械的応力にさらされても維持されなければなりません。 さまざまな原因 (衝撃による脆性破壊、熱衝撃、絶縁破壊、摩耗、または溶融スラグの腐食) の結果としてセラミックが機能しなくなった場合、修復できない可能性が高く、通常は交換する必要があります。

セラミックスの特性の基本的な理解と技術的制御、および多くの新しい要求の高い高度に技術的なアプリケーションでのそれらの利用において、大きな進歩がありました。 業界全体、特にその技術的および電子セラミック部分は、慎重に制御された電気的、磁気的、および/または機械的特性を備えたボディで複雑な形状を大量生産するための生産および制御技術を考案しました。他のコンポーネントとの比較的簡単な組み立てを可能にします。

多くのセラミックスは定番品として大量生産されています。 耐火煉瓦および形材、るつぼ、マッフル、炉管、絶縁体、熱電対保護管、コンデンサ誘電体、ハーメチック シール、およびファイバー ボードは、さまざまな組成とサイズで多数のセラミック メーカーによって定期的に在庫されています。 通常、可能な限り在庫品を使用する方が迅速かつ安価です。 在庫品目がニーズを満たさない場合、ほとんどの製造業者は品目をカスタム生産する用意があります。 セラミックの特定の特性に対する要件が厳しくなればなるほど、または特性、サイズ、形状の特定の組み合わせに対する要件が厳しくなればなるほど、セラミックの許容される組成、微細構造、および構成パラメータはより制限されます。 したがって、コストと製造の難易度が高くなります。 ほとんどの陶磁器メーカーには、潜在的な顧客と陶磁器の設計の詳細について作業するのに適した経験豊富なスタッフ エンジニアとデザイナーがいます。

マーケット

最先端のセラミックスの主な市場は、これまでもこれからもエレクトロニクス分野ですが、世界中で活発な研究開発プログラムが継続的に新しいアプリケーションを探しており、新しい市場にアクセスできるようにセラミックの特性を改善する方法を特定しています。

高度なセラミックスは、日本、米国、西ヨーロッパで生産されています。 業界で使用される原材料は、主に粉末として国際的に取引されていますが、社内での処理もかなりの量で行われています。

工業用セラミックスの主な用途は次のとおりです。

• 酸化物. 現在使用されている主な酸化物材料は、スパーク プラグ、基板、摩耗用途のアルミナです。 ジルコニア (ZrO₂) 酸素センサー、チタン酸ジルコン酸鉛 (PZT) 圧電素子、摩耗用途、遮熱コーティングの構成要素として。 チタン酸バリウム コンデンサおよび PZT 圧電体のチタン酸塩。 永久磁石、磁気記録ヘッド、メモリデバイス、温度センサー、電気モーター部品のフェライト。

• 炭化物および窒化物. 炭化物 (主に炭化ケイ素と炭化ホウ素) は摩耗用途に使用され、窒化物 (主に窒化ケイ素とサイアロン) は摩耗用途と切削工具に使用されます。 高い熱伝導率を持つ窒化アルミニウムは、現在アルミナが支配しているエレクトロニクス基板市場の一部にとって主要な競合材料です。

• 複合酸化物セラミックス. セラミックスの研究開発の取り組みは、セラミックスの多くの新しい用途に焦点を当てており、そのすべてが大きな可能性を秘めています。 1 つの重要な用途は、(2) セラミック超伝導体、(3) 固体酸化物燃料電池用セラミック、(XNUMX) 熱機関用セラミック部品です。

 

セラミック超伝導体は、イットリウム、バリウム、銅、ストロンチウム、銅 (YBa₂Cu₃O_7-8、Bi₂Sr₂CaCu₂O₈、Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀) 酸化鉛で安定化。 固体酸化物燃料電池セラミックスはイオン伝導体に基づいており、高純度の安定化ジルコニアが現在選択されている材料です。 調査中のセラミック熱機関コンポーネントは、単相セラミック、セラミックセラミック複合材料、または金属マトリックス複合材料 (MMC) のいずれかとして、炭化ケイ素、サイアロン、およびジルコニアで構成されています。

製造プロセス

製造技術開発

処理の革新. 研究開発活動は、セラミック材料の製造のための新しい技術を生み出しています。 前駆体由来のセラミックスは、2 年に 1989 万米ドルの市場価値があると推定され、その大部分は CVD でした (市場価値全体の 86%)。 この成長市場の他のセグメントには、化学気相浸透 (CVI)、ゾルゲル、およびポリマー熱分解が含まれます。 これらの方法で成功裏に生産されている製品には、連続セラミック繊維、複合材料、膜、超高純度/高活性粉末が含まれます。

これらの原材料を最終製品に変換するために使用されるプロセスには、制御された条件下で焼成される生の形状を形成する前に、追加の粉末処理 (例えば、粉砕および噴霧乾燥) が含まれます。 成形プロセスには、ダイ プレス、静水圧プレス、スリップ キャスティング、テープ キャスティング、押出成形、射出成形、ホット プレス、熱間静水圧プレス (HIP)、CVD などがあります。

セラミック加工を補助する化学添加剤. 製造プロセスの各ステップは、最終製品の特性が最大の生産効率で得られるように慎重に制御する必要があり、粉末処理とグリーンフォーミングを最適化するために主要な効果化学物質が使用されます。 効果のある化学物質には、粉砕助剤、凝集剤と結合剤、プレス中に製品をリリースし、金型部品の摩耗を最小限に抑えるための潤滑剤、および押出と射出成形を支援する可塑剤が含まれます。 そのような化学物質のリストを表 3 に示します。これらの材料は生産において重要な経済的役割を果たしますが、焼成中に燃え尽きてしまい、最終製品の化学的性質には関与しません。 最終製品に炭素が残留しないように、バーンアウト プロセスを慎重に制御する必要があります。プロセスの研究開発では、使用される影響化学物質のレベルを最小限に抑える方法を継続的に調査しています。

表 3. 粉末処理とセラミックのグリーン フォーミングを最適化するために使用される選択された化学添加剤

 

新しいアプリケーションのためのセラミック製品とセラミック製造技術の産卵に加えて、伝統的なセラミック産業に対する高度なセラミック産業の影響を見逃してはなりません。 製造コストの削減、品質の向上、およびエンドユーザーへのサービスの価値向上を目指して努力する伝統的なセラミック産業では、多くのハイテク材料とプロセスが適用されることが期待されています。

原材料

セラミック産業で直接使用されるか、付加価値材料の生産の出発点となる重要な材料があります。

• シリカ

• 粘土

• アルミナ

• マグネシア

• チタニア

• 酸化鉄

• ジルコン/ジルコニア。

 

この説明では、シリカ、アルミナ、およびジルコン/ジルコニアの特性に焦点を当てます。

Silica、耐火物や白物家電での使用に加えて、元素シリコン、炭化ケイ素、四塩化ケイ素の製造の出発点でもあります。 次に、シリコンは窒化シリコンの出発点であり、四塩化シリコンは、制御された条件下で高品質の炭化シリコンと窒化シリコンに熱分解できる幅広いシリコン有機物の前駆体です。

窒化ケイ素とそのサイアロン誘導体、および炭化ケイ素は、酸化する傾向があるにもかかわらず、熱機関市場によって設定された多くの特性目標を満たす可能性があります。 シリカおよびシリカ由来のセラミック材料の特徴は、すべての元素が地殻で容易に入手できることです。 この点で、これらの材料は、世界のあらゆる地域で容易に供給できる可能性を提供します。 しかしながら、実際には、シリコンおよび炭化ケイ素を製造するためにはかなりのエネルギー投入が必要である。 その結果、これらの材料の製造は概して、安価で容易に電力を利用できる国に限定されます。

アルミナ アルミノケイ酸塩鉱物の成分として地球の地殻全体に見られます。 経済的な理由から、バイエル法を使用してボーキサイトからアルミナを抽出する必要があります。 ボーキサイトは、さまざまな純度の状態で赤道帯に広く分布しており、耐火グレードの鉱石と冶金鉱石の XNUMX つの分類に分けられます。

耐火グレードのボーキサイトは、中国とガイアナから、天然に存在する鉱物であるダイアスポア (Al) の高温焼成物として供給されています。₂O₃・H₂O) 中国とギブサイト (Al₂O₃・3H₂O) ガイアナで。 焼成中、コランダム (Al₂O₃)、ムライト、シリカガラス、少量のチタン酸アルミニウムが形成されます。 耐火グレードのボーキサイトの消費量は、世界中で年間 700,000 トンを超えています。

冶金グレードのボーキサイトは、オーストラリア、ジャマイカ、西アフリカで採掘され、酸化鉄やシリカなどの主要な不純物とともにさまざまなアルミナ レベルを持っています。 冶金鉱石中のアルミナは、水酸化ナトリウムによって溶解されると鉱石から抽出され、酸化鉄とシリカから分離されるアルミン酸ナトリウム溶液が生成され、赤泥の形で廃棄物として廃棄されます。 本質的に、純粋な水酸化アルミニウムがアルミン酸ナトリウムから沈殿し、その後焼成されて多くのグレードのアルミナになります。

セラミックス産業で使用され、バイエル プロセスによって生成される高純度アルミナは、板状アルミナ、溶融アルミナ、特殊焼成アルミナに分類されます。

板状アルミナは、大型の石油燃焼ロータリー キルンで低温焼成アルミナを高温 (~2,000°C または 3,630°F) 焼成することによって生成されます。 溶融アルミナは、焼成アルミナの電気溶融によって生成されます。 板状および溶融アルミナは、連続鋳造耐火物（片刃ノッチまたは SEN/スライド ゲートなど）、モノリシック耐火物など、幅広い高品質製品に使用するために、破砕および傾斜した形で耐火物業界に販売されています。溶鉱炉および石油化学産業での用途向け。

特殊焼成アルミナ粉末は、先端セラミックス産業で電子およびエンジニアリング用途の両方に使用される主要な原材料です。 粉末は、幅広い最終製品用途に適合するように、化学、粒子サイズ、および結晶タイプの厳密な仕様に従って、幅広いグレードで製造されます。

高品質のアルミナの確立された国際取引があります。 セラミック製造業者の多くは、社内に粉砕および噴霧乾燥設備を持っています。 噴霧乾燥システムの供給量の増加には明らかに限界があり、顧客のプラントに適合するアルミナを供給して、顧客のプラントの使用を許容できる価格で最適化できるようにする継続的な必要性があります。 アルミナは、高純度で入手できる重要なセラミック材料です。 セラミック原料としてのアルミナの支配的な地位は、比較的低コストで望ましい特性を備えているためです。 この費用対効果は、アルミニウム産業によるアルミナの大きな需要から生じるビジネスのコモディティの性質に起因します。

ジルコンとジルコニア. ジルコニアの主な供給源は鉱物ジルコン (ZrO₂  SiO₂）、主にオーストラリア、南アフリカ、米国の砂浜に存在します。 浜の砂から抽出されたジルコンには、約 2% の酸化ハフニウムと微量の Al が含まれています。₂O₃ (0.5%)、鉄₂O₃ (0.1%) および TiO₂ (0.1%)。 さらに、すべてのジルコンには微量のウランとトリウムが含まれています。 ジルコンは微粉砕によって処理され、定義された粒子サイズのさまざまな粉砕製品が製造されます。 これらの製品は、インベストメント キャスティング、ファウンドリー、耐火製品、および白物製品の釉薬の乳白剤として使用されています。

ジルコンはジルコニアの主な供給源でもあります。 ジルコンは、炭素の存在下で塩素化され、ジルコニウムと四塩化ケイ素が得られ、蒸留によって分離されます。 生成された四塩化ジルコニウムは、ジルコニアを直接調製するために、または他のジルコニウム化学物質の原料として使用できます。 アルカリまたはアルカリ土類酸化物による焼結も、ジルコンを分解するために使用されます。 シリカは分解生成物から水で浸出され、水酸化ジルコニウムは酸溶解と再沈殿によってさらに精製されます。 次いで、水酸化物をか焼することによってジルコニアが得られる。 ジルコンは、1,800°C (3,270°F) のプラズマ内でジルコニアとシリカに変換され、再結合を防ぐために急速に冷却されます。 水酸化ナトリウムに溶解することにより、遊離シリカを除去する。 溶融ジルコニアは、バデライトまたはジルコン/炭素原料から電気アーク炉で製造されます。 後者のプロセスでは、ジルコンのシリカ成分が炭素熱で一酸化ケイ素に還元され、残留ジルコニアが溶融する前に揮発します。

まとめ

工業用セラミック産業は非常に多様で、多くの社内処理があります。 最終的な製造工程の多くは、ファウンドリー タイプの環境で行われます。 これらの操作におけるマテリアル ハンドリング システムは、粉塵が問題になる細かい原料を搬送します。 その後、材料は非常に高温に加熱され、最終部品に必要な形状に溶融または融合されます。 したがって、あらゆる高温産業に存在する安全上の問題の多くは、工業用セラミックス産業にも存在します。

レンガとタイル

概要プロフィール

粘土から作られたレンガやタイルは、世界の多くの地域で古くから建築材料として使用されてきました。 適切に作られ、焼成された場合、それらはいくつかの石よりも耐久性があり、天候や温度と湿気の大きな変化に耐性があります. レンガは標準サイズの長方形で、地域によって若干異なりますが、基本的にレンガ職人が片手で扱うのに便利です。 屋根瓦は、平らまたは湾曲した薄いスラブです。 粘土タイルは床にも使用できます。

レンガ産業は非常に細分化されています。 世界中に小規模なサプライヤーが多数あります。 レンガ製造は、完成品の輸送コストのために、地元のサプライヤーと地元の市場を巻き込む傾向があります。 たとえば、1994 年には、米国には 218 のレンガ製造工場があり、1992 年には、英国の構造用粘土製品の生産者の数は 182 に達しました。 レンガ製造業者は、原材料の輸送コストを削減するために、一般的に粘土鉱床の近くに位置しています。

米国では、レンガは主に住宅建設で耐荷重材料またはファサード材料として使用されています。 レンガ産業は住宅産業と密接に結びついているため、製造活動は住宅建設産業に大きく依存しており、住宅建設産業と非住宅建設産業を合わせたものにほぼ完全に依存しています。

製造プロセス

材料と処理

基本的な材料は、現地の供給とニーズに応じてローム、頁岩、砂を混合したさまざまな種類の粘土で、テクスチャ、可塑性、規則性と収縮、および色の必要な特性を与えます。

粘土の抽出は現在、完全に機械化されていることがよくあります。 製造は通常、抽出孔に沿って行われますが、大規模な作品では、粘土はロープウェイのスキッドで運ばれることがあります. 粘土のその後の処理は、その構成と最終製品によって異なりますが、一般的には、破砕、粉砕、ふるい分け、混合が含まれます。 典型的なレンガ製造作業については、図 16 を参照してください。

図 16. レンガとタイルの製造

ワイヤーカットレンガの粘土はローラーで砕かれます。 ミキサーに水を加えます。 混合物は再び転がされ、水平パグミルに供給されます。 押し出されたプラスチック粘土は、ワイヤーカットテーブルでサイズに合わせてカットされます。 セミドライで硬いプラスチック材料は、圧延と選別によって製造され、機械プレスに供給されます。 一部のレンガはまだ手作業で成形されています。

プラスチック材料が使用されている場合、レンガは、焼成前に太陽と空気で乾燥させるか、より頻繁に調整されたキルンで乾燥させる必要があります。 半乾燥または硬いプラスチック製のレンガは、すぐに焼成できます。 焼成はリング キルンで行われることが多く、手作業で行われる場合もあれば、トンネル キルンで機械的に行われる場合もあります。 使用される燃料は、地域の入手可能性に応じて異なります。 一部の装飾レンガには仕上げ釉薬が適用されます。

耐火物

概要プロフィール

耐火材料は伝統的に、高温での腐食性ガス、液体、または固体による劣化に抵抗する非金属と考えられています。 これらの材料は、急速な加熱または冷却によって引き起こされる熱衝撃、熱応力に起因する故障、耐火物自体に接触する他の材料による機械的疲労、および高温環境によって活性化される化学攻撃に耐えなければなりません。 これらの材料は、ほとんどのセラミック製品の製造に必要であり、オーブン、乾燥機、炉、および高温ベアリング エンジン部品で特に必要とされます。

耐火物は、20 世紀に至るまで、ほぼ完全に鉱物ベースのままでした。 それでも、鉱物学に熟練した技術者は注意を払っていました。 冶金学者は、中世以来、酸性および基本的なスラッギングの実践を実験しており、それぞれの利点のいくつかをカタログ化していました. 耐火職人は、ガニスター、他のほぼ純粋なシリカ鉱物、マグネサイト、主にMgCO で実験しました。₃ MgOにか焼されたミネラル。 ベッセマー製鋼転炉が 1856 年に発明されたとき、1,600ºC を超える作業温度と腐食性の酸スラグを組み合わせたとき、「酸」シリカ耐火物はほとんど準備ができていました。 シーメンスの平炉が 1857 年にさらに高温で続き、どちらの場合も製鋼が腐食性の基本的なスラグに移行したとき、「基本的な」マグネサイト ライニングがすぐに導入されました。 ドロマイト (MgO-CaO) から作られた塩基性耐火物は、ヨーロッパのマグネサイトの供給が連合国から遮断された第一次世界大戦中に開発されました。 その後、世界中で他の鉱物資源が開発されるにつれて、マグネサイトは再びその地位を確立しました。

表 4. 米国における業界別の耐火物の使用

 

一方、1863 年に英国でボンデッド カーボン レンガが生産され、作業温度がさらに上昇するにつれて、最終的には鉄精錬の溶鉱炉に使われるようになりました。 彼らはまた、アルミニウムを生産するためのHall-Eroultセルにもすぐに行きました（1886）。

石灰は約 5,000 年間、粘土と耐火レンガ窯を使用して作られていました。 ポートランドのセメント製造では、1877 年以降にロータリー キルンが導入されたときに、革新的な耐火物が最初に必要とされました。最初の耐火ライニングは、セメント結合セメント クリンカーでできていました。 後に、より耐久性のある業務用耐火物がこの業界に戻ってきました。

再生炉と再生炉は、1850 年代の鉄鋼の新生製造に端を発し、19 世紀後半に非鉄冶金とガラス製造に導入されました。 そこでも、耐火物に取って代わらなければなりませんでした。 マグネサイトのライニングは、1909 年から銅転炉で使用され、約 10 年後に最初の近代的なガラス タンクで使用されました。 電気アーク炉は、1853 年に製鋼用に最初に試行され、1990 年以降に一般的になりました。100 年に米国に設置された約 1927 トンのユニットは、マグネサイト ライニングを採用していました。

三相アーク炉は 1950 年以前に設置されていました。 より洗練された耐火物に対する深刻な要求が生じたのはその時だけでした。 同じ時期に、1940 年代にベッセマー炉と平炉に酸素吹き込みが導入されました。 塩基性酸素炉 (BOF) は、1950 年代後半に文字通り鉄鋼製造を引き継いだ. 酸素吹き込みは、その経済的重要性から、耐火物業界に初めて合成材料を大規模に製品に導入するよう促しました。

耐火物の性能を理解するために不可欠なもう XNUMX つの要素は、寸法安定性です。 工業用途では、耐火材料は加熱/冷却サイクルにさらされ、耐火ユニットは膨張または収縮します。 寸法の大きな変化は安定性を低下させ、最終的には耐火物ベースの構造の破損につながる可能性があります。

耐火材料で一般的に観察される関連現象はスポーリングです。 スポーリングは、一般に、耐火物の破砕、分裂、またはフレーキングと見なされ、材料の内部塊が露出します。 スポーリングは通常、材料内の温度勾配、大量の充填による構造内の圧縮、およびレンガ内の熱膨張係数の変動によって引き起こされます。 耐火物の製造では、耐火物の有効性が低下するため、スポーリングを回避するためにあらゆる努力が払われています。

耐火物は、鉄鋼業界での広範な使用から、セメントおよび公共事業業界での少量使用まで、さまざまな産業用途に適用されます。 基本的に、耐火物は、高温を使用して材料を加熱および乾燥または焼却するあらゆる業界で使用されています。 表 4 は、米国内での耐火物使用の業界別の現在の内訳を示しています。

表 4 に示すように、鉄鋼業は、米国で生産される耐火物の 50% 以上が利用されている分野です。 したがって、鉄鋼産業の必要性は、発生した耐火物の開発を大幅に推進してきました。

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現代の耐火物

セラミックスは工芸から応用科学へと大きく成長しました。 米国セラミック協会は 1899 年に設立され、英国セラミック協会は 1901 年に設立されました。酸化物相図は 1920 年代に文献に登場し始めました。 岩石学の技術は十分に発達し、耐火物の劣化と摩耗の詳細なメカニズムが理解され始めました。 アメリカの耐火物の生産者は、大部分が再編成され、統合され、独自の研究を行うことができるようになりました. 難治性合成のツールと調査の道具は両方とも急成長していました。

もちろん、工業用合成炭素は新しいものではありませんでした。 コークスは 1860 年代に最初に石炭から商業的に製造され、その後まもなく石油から製造されました。 合成グラファイトと炭化ケイ素は、1896 年に Acheson が自己抵抗加熱式電気炉を発明した後、XNUMX 世紀の変わり目にほぼ同時に登場しました。これらの製品は、酸化物とはまったく異なる特性を持ち、急速に独自の用途と市場を刺激しました。

合成アルミナ、Al₂O₃バイエル法が 1888 年頃にアルミニウム生産への供給を開始して以来、合成マグネシア (MgO) は、1937 年に英国で、1942 年に米国で、戦時中のマグネシウムの必要性に刺激されて海水から初めて製造されました。 ジルコニアが入手可能になったのも、軍の刺激によるものでした。 石灰は長い間主要な商品でした。 他の多くの化学物質が、耐火成分として、または少量の添加剤や結合剤として検討されていました。 ほとんどの場合、合成物による置き換えに抵抗している酸化物耐火物の唯一の重要な成分は、シリカ (SiO₂) 高純度のシリカの岩石や砂が豊富にあり、この業界やガラスの配合に使用されています。

耐火物製造における合成物の使用は非常に役に立ちました。 しかし、鉱物原料は決して置き換えられていません。 合成繊維のコストは高く、そのコストは正当化されなければなりません。 一部の合成材料は、耐火処理で深刻な問題を引き起こします。これらを克服するための新しい方法を見つける必要があります。 最適な結果は、多くの場合、合成原料と鉱物原料の組み合わせと、それらの処理への創造的な投入によって達成されています.

粘土と炭素の混合物は、鉄が最初に注がれて以来、坩堝とひしゃくを裏打ちするために使用されていました。 1860年代にフランスで炭素を含む珪石レンガが作られました. 1960年以降、技法と構成の両方が劇的に変化しました。 炭素含有酸化物耐火物の使用は、MgO+C から始まって急増しています。 最初の本当の推進力は、BOF によって提供された可能性があります。 しかし、今日では、特定の用途で優れた性能を発揮するために、炭素または炭素前駆体を追加してもしなくても持つことができない高度な酸化物耐火物タイプはほとんどありません。

アーク溶融耐火粒子または骨材は 1900 年代初頭から作られ、いくつかの組成の溶融鋳造耐火れんがが XNUMX 年代と XNUMX 年代に続き、特にムライト、アルミナ、マグネシア-アルミナ-シリカ、およびアルミナ-ジルコニア-シリカでした。 多くの場合、これらの製品はすべて鉱物原料から作られていました。

実際、全鉱物ベースの耐火物は、今日でも製品メニューの重要な構成要素となっています。 それらは全体的に安価であり、多くの場合見事な性能を発揮し、需要の少ない用途だけでなく、最高レベルの耐火性と耐食性に対する重要な需要のある用途がまだ多くあります.

耐火物産業

耐火物は、あらゆる種類のボイラー、キルン、炉のライニングに多くの産業で使用されていますが、最大の割合は金属の製造に使用されています。 鉄鋼業では、典型的な溶鉱炉または平炉は、多くの異なる種類の耐火物を使用する場合があり、一部はシリカ製、一部はクロムおよび/またはマグネサイト製、その他は耐火粘土製です。

ガス、コークス、副産物などの産業では、はるかに少量が使用されます。 発電所; 化学薬品; オーブンやストーブを焼く; セメントと石灰; セラミック; ガラス; エナメルと釉薬; 機関車と船; 原子炉; 石油精製所; ごみ処理（焼却炉）。

製造プロセス

特定の用途で使用される耐火物の種類は、プロセスの重要な要件によって異なります。 たとえば、気体または液体の腐食に対する耐性が要求されるプロセスでは、気孔率が低く、物理的強度が高く、耐摩耗性が高いことが必要です。 低い熱伝導率が要求される条件では、まったく異なる耐火物が必要になる場合があります。 実際、いくつかの耐火物を組み合わせて使用​​するのが一般的です。 1,100°C を超える温度に軟化することなく耐える能力は、工業用耐火材料の実際の要件として挙げられていますが、耐火性がある材料と耐火性でない材料の間に確立された境界線はありません。

特定の耐火物の製造の技術的目標は、意図した用途におけるその特性と性能に具体化されています。 製造ツールは、原材料の選択、および処理方法とパラメータの選択から構成されます。 製造の要件は、相組成と微細構造の特徴 (まとめて材料特性と呼ばれる) と関係があり、それらは処理によって開発され、それ自体が製品の特性と挙動に影響を与えます。

原材料

かつては、さまざまな鉱床から耐火原料を選び出し、採掘した鉱物として利用していました。 選択的な採掘により、必要な特性の材料が得られました。マグネサイトなどの高価な原材料の場合にのみ、選鉱プロセスが必要でした。 しかし今日では、高純度の選鉱された原材料の組み合わせから作られた合成的に調製された耐火穀物と同様に、高純度の天然原材料の需要がますます高まっています。 採掘されたままの未加工の鉱物または合成混合物を焼成して生成される材料は、グレイン、クリンカー、コクリンカー、またはグロッグと呼ばれます。

耐火物は通常、アルミノケイ酸塩、シリカ（または酸）、塩基性およびその他の XNUMX つのタイプに分類されます。

XNUMX種類の耐火物に一般的に使用される材料は次のとおりです。

1. アルミノケイ酸塩耐火物. 耐火粘土は、主に鉱物カオリナイト [CAS 1318-74-7] (Al₂0₃  2SiO₂ 2H₂O) 少量の他の粘土鉱物、珪岩、酸化鉄、チタニア、アルカリ不純物を含む。 粘土は、生の状態でも、焼成して使用することもできます。 生の粘土は、耐火混合物に組み込むために、粗いサイズにするか、細かく粉砕することができます。 一部の高純度カオリンは、一貫した高品質を実現するために、スラリー化、分級、乾燥、空気浮遊されます。 分級された粘土はまた、ブレンドされ、押し出され、またはペレット化され、その後か焼されて焼成された合成カオリナイトグロッグを生成するか、または粗く粉砕された生のカオリナイトが焼成されてグロッグを生成する. か焼または燃焼すると、カオリナイトはムライトと、粘土堆積物に関連する鉱物不純物 (例えば、珪岩、酸化鉄、チタニア、アルカリ) を含む珪質ガラスに分解し、高温で緻密で硬い粒状のグロッグに固化します。
2. シリカまたは酸耐火物 主に、石灰 (CaO) などの適切な結合物質が添加された、粉砕および粉砕された珪岩 (ガニスター) (92 ～ 98%) の形のシリカを使用します。 珪石れんがは、加熱すると膨張するため（耐火れんがは収縮する）、一般的にXNUMX回加熱するが、壁や内張りを施工する前に膨張を完了することが望ましい。
3. 塩基性耐火物 ドロマイト、マグネサイト (MgO)、酸化クロム、鉄、アルミニウムを使用します。
4. その他の耐火物. 現在使用されている多種多様な材料のうち、より一般的なものは、炭化ケイ素、グラファイト、アルミナ、ベリリア、トリア、酸化ウラン、アスベスト、酸化ジルコニウムなどの炭化物です。

 

業界ではいくつかの革命が起こりました。 これらの革命には、トン数の固体を処理するためのさらなる機械化された方法、処理装置の能力の向上と自動化、および処理中の制御データの迅速な取得と分析のための技術が含まれています。 これらの進歩は、耐火物の製造方法を変えました。

図 17 は、さまざまな種類の耐火物がどのように作られるかを示しています。 図は「決定木」スタイルで描かれており、分岐する枝は識別のために数字でキー付けされています。 さまざまなパスがあり、それぞれが特定のタイプの耐火物を作ります。

図 17. 耐火物の製造フロー図

これらの一般的なフロー図は、何千もの特定のプロセスを表しており、たとえば、原材料リスト、準備の方法、それぞれのサイジングとバッチ処理 (秤量された量を意味する)、混合の順序と方法などによって区別されます。 省略は許されます。たとえば、一部の未成形耐火物は乾式混合され、設置まで決して湿らせません。

耐火物または製品は、予備成形（成形）または成形して現場で設置することができますが、一般的には次の形状で提供されます。

レンガ。 耐火れんがの標準的な寸法は、長さ 23 cm、幅 11.4 cm、厚さ 6.4 cm (直れんが) です。 レンガは、機械プレスまたは油圧プレスで押し出すか乾式プレスすることができます。 成形された形は使用前に焼かれるか、ピッチの場合は樹脂または化学的に結合されたレンガ（硬化）です。

フュージョンキャストシェイプ. 耐火組成物は、アーク溶融され、成形されて成形されます (たとえば、0.33、0.66、1.33 m の大きさのガラスタンク フラックス ブロック)。 鋳造とアニーリングの後、ブロックは正確に研磨され、正確な適合が保証されます。

鋳造および手成形耐火物. バーナーブロックやフラックスブロックなどの大きな形状、およびガラスフィーダー部品やサガーなどの複雑な形状は、スリップまたは水圧セメント鋳造または手成形技術によって製造されます。 これらの技術は労働集約的であるため、他の方法では十分に形成できない物品のために予約されています。

絶縁耐火物. れんがの形態の断熱耐火物は、れんがの気孔率のおかげで、同じ組成の従来のれんがよりもはるかに軽量です。

キャスタブルとガンニングミックス. キャスタブルは、水硬性結合剤が添加された耐火粒子で構成されています。 水と混合すると、水硬性剤が反応し、塊を結合します。 ガンニング ミックスは、水圧と空気圧でノズルから噴霧するように設計されています。 混合物は、ガンを通して発射する前にスラリーにするか、ノズルで水と混合することができます。

プラスチック耐火物およびラミングミックス. プラスチック耐火物は、耐火物粒子とプラスチック粘土または可塑剤と水との混合物です。 ラミング混合物は、粘土を含む場合と含まない場合があり、一般に型枠で使用されます。 これらの製品で使用される水の量はさまざまですが、最小限に抑えられています。

労働災害と注意事項

表 5 は、この産業部門で見られる潜在的な危険の多くに関する情報を提供します。

表 5. ガラス、セラミック、および関連材料の製造中に見られる潜在的な健康および安全上の危険

 

安全衛生上の問題と疾病パターン

このセクションでは、業界全体で記録されている、または疑われる安全衛生上の問題の概要を説明します。 このビジネス部門の怪我や病気に関する国際的なデータは、文献検索やインターネットでの検索では見つかりませんでした (1997 年)。 米国労働省、労働安全衛生局 (OSHA)、および労働統計局 (BLS) によってまとめられた情報は、職場での一般的な危険を特定し、怪我や病気の特徴を説明するために使用されました。 これらのデータは、世界の状況を代表するものでなければなりません。

検査中に検出された危険

石材、粘土、ガラス、およびコンクリート製品 (ISIC コード 32 に相当する標準産業分類 (SIC) コード 36) の製造における企業の規制順守検査は、この分野での一般的な危険のいくつかを明らかにします。 OSHA によって発行された規制遵守の引用は、一般的な健康と安全の問題を次のようにグループ化できることを示しています。

• ハザードコミュニケーション 職場における化学物質の物理的および健康上の危険の

• 危険なエネルギーの制御—予期せぬ通電や蓄えられたエネルギーの放出が傷害を引き起こす可能性がある機械や機器の周りの活動を制御するためのロックアウトおよびタグアウト手順。 危険なエネルギーには、電気、機械、油圧、空圧、化学、熱放射、およびその他の発生源が含まれます。

• 電気安全、電気機器またはシステム設計、配線方法、安全な作業慣行およびトレーニングを含む

• 必要な限られたスペースへの立ち入りを許可する—識別、評価、および安全な入国手順

• 個人用保護具—目、顔、手、足、頭の保護具の評価、選択、使用

• 警備機械、設備、ツール オペレータと隣接する作業者を、操作点、侵入ニップ点、および回転部品、飛び散る切粉または火花から危険から保護します。 固定機械、可搬型機械、可搬型電動工具、砥石車機械 (グラインダー) のガードとワークレストの調整が含まれます (図 18 を参照)。

 

図 18. マシン ガードがオペレータを保護

• 呼吸保護— レスピレーターの選択、使用、メンテナンス、トレーニング、医療クリアランス、フィットテスト

• 職業騒音暴露—工学的、管理的または聴覚保護による曝露の制御、および聴覚保護プログラムの実施

• 防火および緊急時の準備と対応、消火器、避難経路、計画、可燃性/可燃物の保管または使用を含む

• 歩行面と作業面、床と壁の開口部と穴の保護を含む。 ハウスキーピング; 通路や通路を滑ったり、つまずいたり、転んだりする危険がないようにします (図 19 を参照)。

 

図 19. つまずきと滑りの危険

• 動力産業用トラック— 電気モーターまたは内燃モーターを動力源とするフォークリフト トラック、プラットフォーム トラック、トラクター、電動ハンド トラック、またはその他の特殊な産業用トラックの設計、保守、使用、およびその他の安全要件

• 固定式および携帯式のはしご、階段、足場— 設計、検査または保守および安全な使用

• 落下保護— 高所作業のための落下防止装置および拘束装置の使用

• 切断と溶接—酸素/アセチレンまたは燃料ガスまたはアーク切断または溶接装置の安全な使用と手順

• マテリアルハンドリング機器—オーバーヘッドクレーン、ガントリークレーン、ホイスト、チェーン、スリングを含む

• 有毒または有害物質への暴露の管理これには、空気汚染物質や特別に規制されている化学物質 (シリカ、鉛、アスベスト、ホルムアルデヒド、カドミウム、ヒ素など) が含まれます。

 

怪我と病気のプロフィール

傷害疾病発生率

米国労働省の記録によると、石材、粘土、ガラス製品 (SIC 32) の製造業者は、年間フルタイム労働者 13.2 人あたり 100 件の、致命的ではない職業上の傷害および疾病の合計「記録可能な」発生率を持っています。 この発生率は、すべての製造業 (12.2) およびすべての民間産業 (8.4) の対応する率よりも高くなっています。 石材、粘土、ガラス製品の製造部門における「記録可能な傷害」事例の約 51% は、休業日 (仕事を休む時間) につながりません。

フルタイム労働者 100 人あたりの労働者の欠勤日数につながる障害を引き起こす怪我や病気の数に基づく「総休業日ケース」の発生率も、米国労働省から入手できます。 総休業発生率には、休業し、労働者が業務の全範囲を遂行することができない場合（限定または軽作業）が含まれます。 石材、粘土、ガラス製品の製造業者では、労働者 6.5 人あたり年間 100 件の休業発生率があります。 これは、すべての製造業 (5.5) およびすべての民間産業 (3.8) の対応する率よりも高くなっています。 石材、粘土、ガラス製品の製造部門における休業の約 93% は、職業上の病気ではなく怪我が原因です。

表 6 は、石材、粘土、およびガラス製品の製造部門 (SIC コード 32) 内のさまざまな種類の製造プロセスにおける負傷および疾病 (複合) または負傷 (単独) の発生率に関するより詳細な情報を示しています。 発生率と人口統計は、世界的な情報を代表するものではないかもしれませんが、入手可能な最も完全な情報です。

 

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表 6. 致命的でない労働災害および疾病の発生率¹ SIC コード 100 の米国企業のフルタイム労働者 32 人当たり、民間産業および製造業、1994 年

 

nec = 他に分類されていない
- = データがありません

¹ 発生率は、フルタイム労働者 100 人あたりのけがと病気の数を表しており、暦年の全従業員の労働時間で割ったけがと病気の数に 200,000 を掛けて計算されました (週 100 時間で 40 人の労働者に相当する基本値)。年間52週間）。

² 標準産業分類マニュアル 1987 年版。

³ 雇用は年間平均として表され、主に BLS 州の現在の雇用統計プログラムから導き出されました。

⁴ 合計ケースには、制限された作業活動のみを含むケースと、制限された作業活動の有無にかかわらず、休業日数が含まれます。

⁵ 休業日の事例には、業務活動の制限の有無にかかわらず、休業した結果として生じる事例が含まれます。

出典 = 出典: 米国労働省労働統計局による、民間産業における労働関連の傷害および疾病に関する全国調査に基づく。

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怪我や病気の症例の人口統計

25 歳から 44 歳の労働者は、米国の石材、粘土、ガラス製品の製造部門における 59 件の休業損害または疾病のケースの約 23,203% を占めています。 45 番目に大きな影響を受けたグループは 54 歳から 18 歳の労働者で、休業災害や病気のケースの 20% を占めていました (図 XNUMX を参照)。

図 20. 年齢別の休業損害と疾病。 私たち

SIC コード 85 の休業災害の負傷および疾病の約 32% が男性でした。 休業事例の 24% (男女とも) では、労働者の勤続年数は 1 年未満でした。 勤続年数が 1 年から 5 年である労働者は、ケースの 32% を占めていました。 勤続 5 年以上の経験豊富な従業員は、休業事例の 35% を占めていました。

自然. 休業事故プロファイルの分析は、障害を引き起こす怪我や病気の性質を特徴付け、原因または寄与要因を説明するのに役立ちます。 筋肉痛や捻挫は、石材、粘土、ガラス製品の製造部門における怪我や病気の主な原因です。 図 23 に示すように、打撲と捻挫は全休業件数の約 42% を占めています。 切り傷や刺し傷 (10%) は、けがや病気の原因として 9 番目に多いものでした。 その他の主な怪我の種類は打撲傷 (7%)、骨折 (5%)、背中/その他の痛み (1%) でした。 熱傷、化学熱傷、および切断はあまり一般的ではありませんでした (XNUMX% 以下)。

図 21. 労働災害と疾病

イベントまたは露出. 図 22 は、物を持ち上げる際の過度の運動が、他のすべての身体障害の原因となる傷害または曝露につながることを示しています。 身体障害者の約 17% では、物を持ち上げている間の過度の運動が原因でした。 反復運動は、身体障害のケースの追加の 5% での露出でした。 物に打たれたことが次に多いイベントで、16% のケースにつながりました。 オブジェクト イベントへの攻撃が 10% のケースを引き起こしました。 その他の重要なイベントは、オブジェクトに引っかかる (9%)、同じレベルでの落下 (9%)、より低いレベルへの落下 (6%)、落下せずにスリップ/トリップ (6%) でした。 有害物質または環境への曝露が原因となったのは、症例のわずか 5% でした。

図 22. 労働災害における事象または曝露

体の部分. 最も頻繁に影響を受けた体の部分は背中でした (症例の 24%) (図 23 を参照)。 上肢（指、手、手首、腕を合わせたもの）の損傷は 23% の症例で発生し、指の損傷は 7% の症例で発生しました。 下肢の損傷は類似しており (症例の 22%)、膝は症例の 9% で影響を受けていました。

図 23. 休業災害の身体部位

ソース. 障害を負った怪我や病気のケースの最も一般的な原因は次のとおりです。部品と材料（20％）。 労働者の位置または動き (16%); 床、通路または地面 (15%); コンテナ (10%); 機械 (9%); 車両 (9%); ハンドツール (4%); 家具や備品 (2%); 化学製品および化学製品 (2%) (図 24 を参照)。

図 24. 労働災害の発生源

病気の予防と管理

反復運動、過度の運動、過剰な力に関連する累積的な外傷は、この製造部門でよく見られる発見です。 場合によってはロボット装置を利用できますが、手作業による取り扱いが依然として主流です。 コンプレッサー、送風機、スピナー、空気式バイブレータ、および包装機器は、90 ～ 95 dBA を超える騒音を発生させる可能性があります。 聴覚保護と健全な聴覚保護プログラムにより、聴覚の永続的な変化を防ぐことができます。

この産業は、大量の結晶シリカを消費します。 取り扱い、メンテナンス、およびクリーニング中は、暴露を制限する必要があります。 適切な真空システムまたは湿式洗浄方法を使用した適切なハウスキーピングにより、曝露の可能性が減少します。 シリカへの過度の暴露が発生した場合は、肺機能検査と胸部フィルムを利用して定期的なスクリーニングを実施する必要があります。 原材料、釉薬、または顔料として見つかった重金属への曝露も最小限に抑える必要があります。 釉薬に含まれる重金属の代替品を使用することで、食品や飲料への金属の浸出に関する健康上の懸念も解消されます。 悪影響を防ぐために、適切なハウスキーピングと呼吸保護が使用されます。 生物学的モニタリングを含む医学的監視が必要になる場合があります。

ガラス繊維の製造では、ホルムアルデヒド、エポキシ、およびシランを含む結合剤の使用が一般的です。 皮膚や呼吸器への刺激を最小限に抑えるための措置を講じる必要があります。 ホルムアルデヒドは、多くの国で発がん物質として規制されています。 呼吸に適した繊維は、ガラス、岩石、スラグ、耐火セラミック繊維製品の製造、加工、切断、設置の際に生成されます。 これらの材料のほとんどについて、空気中の繊維への暴露は一般に非常に低い (1 立方センチメートルあたり XNUMX 繊維未満) ですが、ルーズ フィル ブロー用途では、はるかに高くなる傾向があります。

岩石、スラグ、ガラスは、今日使用されている商用断熱材の中で最も広く研究されています。 疫学的研究により、たばこの喫煙が製造業の従業員の肺がん死亡率に大きな影響を与えていることが明らかになりました。 適切に実施された横断研究では、繊維が過剰な肺死亡率または罹患率を生み出すことは示されていません。 ラットにおける最近の慢性吸入研究は、硝子体繊維の耐久性がこれらの繊維の生物学的可能性の重要な決定要因であることを示しています。 これらの繊維の耐久性を決定する組成は、かなり異なる場合があります。 公衆衛生上の懸念を回避するために、欧州委員会の技術委員会は最近、短期間の吸入を使用してガラス繊維の生体持続性を試験することを提案しました。 ラットの慢性吸入による最大許容用量で徹底的にテストされ、不可逆的な病気を引き起こさないことが判明した断熱ウール組成物は、参照繊維として提案されています。

環境と公衆衛生の問題

ガラス、セラミック、陶器、レンガの製造中に放出される主な大気汚染物質は粒子状物質です。 必要に応じて、排出量を削減するために、バグハウスと湿式電気集塵機で構成された達成可能な最大の制御技術を利用できます。 バインダーの混合、塗布、硬化プロセス中に発生する有害な大気汚染物質が精査されています。 これらの物質には、連続ガラス フィラメントに使用されるスチレン、シラン、エポキシ、および岩石、スラグ、ガラスの製造時に使用されるホルムアルデヒド、メタノール、フェノールが含まれます。 ホルムアルデヒドは、後者の製造ラインの管理基準を推進している有害な大気汚染物質です。 クロムなどの重金属の有害な大気汚染物質は、ガラス溶融炉の基準を推進していますが、NO_x など_x 一部の国では問題が残っています。 フッ化物とホウ素の放出は、ガラスフィラメントの連続生産における懸念事項です。 一部の国で溶解性の高いグラスウール繊維が必要な場合、ホウ素も環境問題になる可能性があります。

空気の排出量が多く、成形およびガラス溶融の性質により、業界ではかなりの量の水が蒸発します。 米国などの多くの施設では、廃水の排出はゼロです。 有機物質を含むリサイクルされた廃水は、生物学的増殖を防止するための処理が実施されていない場合、職場で生物学的危険を引き起こす可能性があります (図 25 を参照)。 この産業部門で発生する廃棄物には、重金属、腐食剤、一部の結合剤、使用済み溶剤が含まれます。 ガラス繊維産業は、ガラスびんや板ガラスのリサイクルの大きなポイントとなっています。 たとえば、現在のグラスウール製品には、再生ガラスが 30 ～ 60% 含まれています。 使用済み耐火物も回収され、有益に再利用されます。

図 25. 再利用された廃水のエアロゾル

謝辞： 写真を提供してくれた Libbey-Owens-Ford の CSP、Dan Dimas と、ガラスに関するセクションの化学蒸着に関する情報を提供してくれた Michel Soubeyrand、Libbey-Owens-Ford に特に感謝します。

 

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光ファイバーは、軸に沿って光線を伝送するように設計された髪の毛のように細いガラスのストランドです。 発光ダイオード（LED） or レーザーダイオード 電気信号を光信号に変換し、光ファイバー ケーブルの内側の円筒形コアを介して伝送します。 外部クラッドの低屈折特性により、光信号は内部反射によって内部の円筒形コアに沿って伝搬されます。 光ファイバーは、単一の光ビームとして、またはコアに沿って同時に伝送される複数の光ビームとして伝播するように設計および製造されています。 (図 1 を参照してください。)

図 1. シングルモードとマルチモードの光ファイバー

シングルモード ファイバは、主に電話、ケーブル テレビ アプリケーション、およびキャンパス バックボーンに使用されます。 マルチモード ファイバーは、一般的にデータ通信や構内ネットワークで使用されます。

光ファイバー製造

基本的な設計基準を満たす光ファイバーを製造するには、特別な材料とプロセスが必要です。(1) 屈折率の高いコアと屈折率の低いクラッド、(2) 信号減衰または電力損失が低い、(3)光ビームの低分散または広がり。

他のガラス材料 (すなわち、重金属フッ化物ガラス、カルコゲナイド ガラス) を含む高純度シリカ ガラスは、現在、光ファイバーの製造に使用される主要な材料です。 多結晶材料、単結晶材料、中空導波管、高分子プラスチック材料も使用されます。 原材料は、遷移金属とヒドロキシル形成基の濃度が非常に低く (XNUMX 億分の XNUMX レベル未満)、比較的純粋でなければなりません。 処理方法は、成形ガラスを製造環境の不純物から保護する必要があります。

光ファイバは、従来とは異なるガラス プリフォームの気相準備を使用して製造され、その後ファイバに引き抜かれます。 揮発性シリカ化合物はSiOに変換されます₂ 火炎加水分解、化学蒸着 (CVD) または高温酸化による。 次に、ガラスの特性を変更するために、他のドーパントがガラスに追加されます。 蒸着プロセスのバリエーションは同じ材料から始まりますが、この材料をシリカに変換する方法が異なります。

シリカベースの光ファイバーを製造するために、次の気相堆積方法の 1 つが使用されます。 (2) 気相軸方向堆積 (VAD) (図 3 参照)。 四塩化ケイ素 (SiCl₄）、四塩化ゲルマニウム（GeCI₄）または他の揮発性液体ハロゲン化物は、蒸気圧が高いため、わずかに加熱するとガスに変わります。 ガス状のハロゲン化物が反応ゾーンに送られ、ガラス粒子に変換されます (次の章も参照)。 マイクロエレクトロニクスと半導体。)

図 2. 光ファイバー製造のフローチャート

MCVD & PCVD ラボレーション. 高品質の溶融石英チューブが、その長さを横切る水素/酸素トーチを備えたガラス加工旋盤に取り付けられています。 ガラス管の一端にはハロゲン化物供給源が取り付けられ、反対側の端には余分なハロゲン化物を除去するためのスクラバーが取り付けられています。 ガラス管の表面は、トーチが管の長さを横切るときに、最初にファイヤー ポリッシングによってきれいにされます。 製造される製品に応じて、さまざまな試薬が蒸気システムに追加されます。 ハロゲン化物が加熱されているチューブのセクションを通過すると、化学反応が発生します。 ハロゲン化物はシリカの「すす」粒子に変化し、トーチの下流でガラス管の内壁に堆積します。 堆積した粒子はガラス層に焼結されます。 PCVD プロセスは、ハロゲン化物がバブラー システムによって供給され、ハロゲン化物材料をガラスに変換するためにトーチの代わりにマイクロ波が使用されることを除いて、MCVD と似ています。

OVD およびVAD ラボレーション. 繊維製造プロセスの最初の段階では、 & 被覆 回転するターゲット ロッドの周りにガラスが蒸着され、「すす」プリフォームが形成されます。 コア材料が最初に堆積され、続いてクラッドが堆積されます。 コアとクラッドの両方が蒸着されるため、プリフォーム全体が非常に純粋でなければなりません。 繊維の形状は、製造のレイダウン段階で決定されます。 ターゲット ロッドを取り外した後、プリフォームを炉に入れ、固く透明なガラスに固め、中央の穴を閉じます。 プリフォームにガスを通過させて、ファイバーの減衰 (光がファイバー軸に沿って伝送される際の光信号の損失) に悪影響を与える残留水分を除去します。 次にプリフォームをフッ化水素酸で洗浄して、ガラスの純度を確保し、汚染物質を除去します。

固結したガラスプリフォームをドロータワーに入れ、ガラス繊維の連続ストランドを形成します。 最初に、プリフォームがドロー炉の上部にロードされます。 次に、プリフォームの先端が加熱され、溶融したガラス片が落下し始めます。 この部分が引き抜かれる (引っ張られる) ときに、ファイバーが正確な指定された直径 (通常はミクロン単位で測定) を満たしていることを保証するために、インライン直径モニターを通過します。 . 外側のクラッド径は、最終使用時にファイバ コアを整列させるためのガイドとして使用されます。 光の伝達が効率的に行われるように、コアを一列に並べる必要があります。

アクリル樹脂などの塗料を塗布し、紫外線ランプで硬化させます。 コーティングは、最終使用時に光ファイバーを環境から保護することを目的としています。 光ファイバは、強度、減衰、およびジオメトリの製造基準に適合することを保証するためにテストされています。 お客様の仕様に従って、特定の長さのファイバーがリールに巻き取られます。

光ファイバーの製造中には、多くの潜在的な危険に遭遇します。 これらには、(1) フッ化水素酸への暴露 (ガラス プリフォームのクリーニング時)、(2) 旋盤および蒸着プロセスの近くの作業環境に関連する放射エネルギーおよび熱応力、(3) 高温面または溶融材料 (ガラス プリフォーム) との直接接触が含まれます。 )、(4) アクリル ポリマー コーティング (皮膚感作物質) への暴露、(5) ファイバーの取り扱い中の皮膚の穿刺および裂傷、および (6) 前述のさまざまな物理的危険。

 

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