JP2001311474A - バタフライ弁及びその製造方法 - Google Patents

バタフライ弁及びその製造方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、従来のセラミックス製バタフライ
弁の問題点を解決し、熱的安定性、機械的安定性に優
れ、長期耐久性を有するバタフライ弁及びその製造方法
を提供することを目的とする。 【解決手段】 実質的にβ- Ｓｉ3 Ｎ4 相、Ｓｉ2 Ｎ2
Ｏ相及びＹ2 Ｓｉ2 Ｏ7相からなる窒化珪素質焼結体を
成形加工してなることを特徴とするバタフライ弁及びそ
の製造方法である。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、高温の熱風の流量
を制御するためのバタフライ弁に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来から、1200℃以上の高温に熱せられ
た製鉄用高炉の羽口から吹き込む熱風ガスの流量調整等
の弁として、バタフライ弁が使用されている。このバタ
フライ弁は、一般的には円板状の弁板とこの円周部に対
向するように配置された2 本の回転軸からなる弁体であ
り、耐火断熱材で構成されるケーシングの流体流路内に
おいて弁板を回転軸により回動自在に支持し、弁板の回
動により流路の開放度を調節して流量制御を行うもので
ある。このような構造となっているため、バタフライ弁
は、高温に加え、高圧・高速のガス流体に常時曝される
と共に、風量調整のために弁体を回転させる際には回転
負荷が掛かる。さらには熱風の流路と回転軸の軸受部と
の温度差が大きい上に、不規則な振動を常時受けるとい
う様に、その使用環境は極めて厳しいものである。この
ため、バタフライ弁の材質としては、金属では実用に耐
えないため、セラミックスの適用が検討されている。
【０００３】実公平2-32944 号公報には、窒化珪素質、
サイアロン質、炭化珪素質、ジルコニア質、アルミナ質
又はムライト質のセラミックスで弁板と軸とを一体に成
形したバタフライ弁の弁体が提案されている。また、特
開平9-42472 号公報には、1200℃における曲げ強度が29
4N/mm2(30kg/mm2)以上のセラミックスで弁板と軸部を一
体的に形成し、軸部の端部に金属軸を焼き嵌めにより嵌
着したバタフライ弁が提案され、セラミックスとして窒
化珪素系又は炭化珪素系の緻密質セラミックスが開示さ
れている。このように耐熱性、抗折強度に優れたセラミ
ックスを適用することが試みられているが、製鉄用高炉
羽口のバタフライ弁に使用するにあたり、寿命が短く、
短期間の内に破損するという耐久性に関して基本的な問
題が解決されていない。
【０００４】これまで、窒化珪素質焼結体は破壊靭性に
優れるものの、高温強度、耐熱衝撃性、耐熱疲労性や硬
度が低かった。例えば、酸化イットリウムと酸化アルミ
ニウムを添加した系では、耐熱衝撃性においては優れた
ものが得られているが、耐熱性、靭性、高温での機械的
強度に劣っている場合があった。そこで、高温下での特
性改善を図る目的で、特開昭56-59674号公報に開示され
ている焼結体中にメリライト鉱物相(Y2O3 ・Si3N4 化合
物) を生成させた窒化珪素焼結体、および特開昭62-202
864 号公報に開示されている酸化ジルコニウム＋酸化イ
ットリウム＋酸化珪素を添加し、焼結体中に酸化ジルコ
ニウムを析出させた窒化珪素焼結体が試みられており、
高温強度の向上等に効果が認められることが知られてい
る。また、特開昭62-246865 号公報に開示されている希
土類酸化物、酸化ジルコニウムを含む焼結体で粒界相に
J 相(Si2N2O ・2Y2O3)固溶体が存在する窒化珪素焼結体
が試みられており、耐熱性、耐酸化性、静的疲労特性の
向上に効果が認められることが知られている。また、特
開平3-153574号公報では、より高温強度特性を向上させ
る目的で、サイアロンの焼結助剤としてHfO2を添加し、
粒界相としてY2Hf2O 7 を生成させたα'-β' サイアロン
を開示している。
【０００５】ところが、上記材料では、高温即時破断強
度は優れるものの、高温強度を維持したまま靭性および
耐酸化性を飛躍的に改善するには至っていないため、よ
り厳しい使用環境下、特に高温燃焼炎中において粒子の
衝突等の生じる構造部材へ適用するに当たっては信頼性
に欠ける等の問題点があり、実用化を阻害している。従
って、高温強度の向上に加えて耐酸化性、耐熱衝撃性お
よび靭性の向上した材料が要望されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】このようにバタフライ
弁の使用環境では、単なる耐熱性や高温強度のみなら
ず、ガス流体中に含まれる塵埃や耐火物の剥離粒子等の
粉粒体による粒子衝突損傷や耐酸化性、熱的疲労特性、
回転駆動時の捻りや風量変動時の振動に対する機械的耐
久性、ハンドリング時の耐欠損性等の物理・化学的安定
性や機械的安定性にも優れている必要があり、このよう
な特性に優れている材質を有するバタフライ弁の提供が
望まれていた。
【０００７】そこで、本発明は、上述の従来のセラミッ
クス製バタフライ弁の問題点を解決し、物理・化学的安
定性、熱的安定性、機械的安定性に優れ、長期耐久性を
有するバタフライ弁及びその製造方法を提供することを
目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明者等は、上記問題
点を解決するために、窒化珪素質セラミックス焼結体を
構成する結晶相に関する検討を鋭意行った結果、前記β
-Si3N4相、Si2N2O相およびY2Si2O7 相の3 種の結晶相か
ら構成される場合にバタフライ弁として優れた特性を有
する焼結体が得られることを見出し、本発明を完成させ
るに至った。
【０００９】即ち、本発明は、（１）実質的にβ-Si3N4
相、 Si2N2O 相およびY2Si2O7 相からなる窒化珪素質焼
結体を成形加工してなることを特徴とするバタフライ
弁、（２）前記窒化珪素質焼結体の組成が0.1 〜3 質量
% のSi2N2O相、4.9 〜12質量% のY2Si2O7 相及び残部が
β- Si3N4 相からなる(1) 記載のバタフライ弁、（３）
前記窒化珪素質焼結体の相対密度が95% 以上である(1)
又は(2) に記載のバタフライ弁、（４）酸化イットリウ
ム(Y2O3)3 〜10質量% 、酸化珪素(SiO2)1 〜5 質量% 及
び残部が窒化珪素(Si3N4) からなる混合粉末を成形し、
該成形体を窒素ガス雰囲気中にて1700〜2000℃の温度範
囲で焼結し、（ａ）焼結の降温過程における降温速度を
5 ℃/ 分以下とすること、（ｂ）焼結の降温過程におい
て、1350〜1650℃の温度範囲で2 時間以上保持するこ
と、（ｃ）焼結後、窒素雰囲気中、1350〜1650℃の温度
範囲で2 時間以上保持の再加熱処理を行うこと、の少な
くとも一つにより粒界相としてSi2N2O相及びY2Si2O7 相
を生成させた窒化珪素質焼結体を成形加工することを特
徴とするバタフライ弁の製造方法、である。
【００１０】
【発明の実施の形態】以下に、本発明を詳細に説明す
る。本発明者等は、従来使用されていたセラミックス製
バタフライ弁について、その損耗状況を鋭意解析した結
果、高温高圧のガス流体が高速で流通される場合、耐酸
化性に劣る材料では、表面に耐摩耗性に劣る酸化層を形
成し、その酸化層が容易に摩耗し、消耗していくことを
見出した。また、摩耗部周囲には、チッピングや割れ等
の欠損が認められることが多く、この欠損は熱疲労や流
体中の粒子の衝突に伴う機械的衝撃により生成、進展
し、バタフライ弁の破損に至ることも見出した。これら
の摩耗と欠損は、バタフライ弁の材質が耐酸化性に劣
り、靭性や耐熱衝撃性の特性が低い場合に特に顕著に認
められた。したがって、バタフライ弁を長期間安定して
使用するためには、耐摩耗性と耐欠損性を同時に向上さ
せることが必要で、そのためには耐酸化性や耐熱衝撃性
に優れ、高靭性な材質のセラミックスを用いることが必
要不可欠である。窒化珪素質焼結体は、アルミナやジル
コニア等を主成分とするセラミックス焼結体と異なり、
耐熱性に優れると共に、高温下における機械強度も保持
できることから、高温高圧環境下で使用されるバタフラ
イ弁の材質として最適である。
【００１１】そこで、これらの特性を同時に向上させる
ために、各種結晶相より構成される窒化珪素質焼結体を
作製し、その特性を評価した。従来の低融点ガラス相を
有する窒化珪素焼結体では、高温下における耐酸化性、
耐熱衝撃性に劣る。特性評価の結果、β-Si3N4相および
粒界相としてSi2N2O相、Y2Si2O7 相から構成される緻密
なセラミックス焼結体が優れた特性を有することを見出
した。特に、β- Si3N 4 相、 Si2N2O 相およびY2Si2O7
相からなる窒化珪素質焼結体を成形加工したバタフライ
弁は、耐酸化性、耐熱衝撃性に優れ、使用環境下で弁体
中に生じる温度勾配に起因する静疲労特性、また休風時
の急冷に伴う熱応力破壊抵抗特性を高めるなどの特徴を
有する。粒界相としてSi2N2O相及びY2Si2O7 相を結晶化
させるためには、焼結の降温過程で5 ℃/ 分以下の降温
速度で冷却するか、降温過程で1350〜1650℃、2 時間以
上保持の熱処理するか、あるいは焼結後窒素雰囲気中に
て1350〜1650℃、2 時間以上保持の再加熱処理の少なく
とも一つを行うようにする。降温過程でSi2N2O相及びY2
Si2O7 相を析出させる場合の降温速度は5 ℃/ 分以下が
好ましいが、より望ましくは2 ℃/ 分以下である。降温
速度が5 ℃/ 分より速い場合はSi2N2O相及びY2Si2O7 相
が十分生成しない。また、降温過程の際の保持温度、お
よび、再加熱処理の際の保持温度が1350℃未満、1650℃
超の場合も同様にSi2N2O相及びY2Si2O7 相が十分に生成
しない。また、各々の保持時間が2 時間未満の場合もSi
2N2O相及びY2Si2O7 相は生成しない。 Si2N2O 相とY2Si
2O7 相がそれぞれ質量比で0.1%、4.9%未満では焼結体中
の気孔率が高くなり好ましくなく、それぞれ3%、12% を
越えるとβ- Si3N4 結晶粒が十分に絡み合わず強度や靭
性が低下し好ましくない。また、 Si2N2O 相とY2Si2O7
相に関し、 Si2N2O 相の質量比が全体の0.1%未満では機
械的強度に寄与する効果が少なく、3%を越えるとβ- Si
3N4 結晶粒が十分に絡み合わず強度や靭性が低下するた
め好ましくない。同様にY2Si2O7 相の質量比が全体の4.
9%未満ではSi3N4 のα→β転移時の液相が少なく相転移
を円滑に進行させず、12% を越えるとβ- Si3N4 結晶粒
が十分に絡み合わず強度や靭性が低下するため好ましく
ない。本発明により得られる窒化珪素質焼結体は、β-
Si3N4 の平均結晶粒径が1 〜3 μm 程度、アスペクト比
が1.5 〜10程度と大きく、かつβ- Si3N4 の柱状結晶粒
が絡み合った組織を呈し、また粒界に高融点のSi2N2O相
及びY2Si2O7 相が析出しているため、高温まで高い強度
を維持したまま高い靭性を有し、抗折強さが大気中1400
℃にて500MPa以上の高強度でかつ靭性値K ICが5MPam1/2
の高靭性を有するため、高温環境下での特性を要求され
るバタフライ弁に好適に用いることができる。ここで、
Si2N2O 相は粉末X 線回折法により同定されるSi2N2O結
晶と同じ型のX 線回折パターンを持ち、Si3N4とSiO2と
からなる化合物の中で高温酸化雰囲気中にて最も安定な
化合物である。同様に、 Y2Si2O7結晶相は粉末X 線回折
法により同定されるY2Si2O7 結晶と同じ型のX 線回折パ
ターンを持ち、 Y2O3 とSiO2とからなる化合物の中で高
温酸化雰囲気中にて最も安定な化合物である。また、β
- Si3N4 結晶相は、JCPDSカード333-1160で示されるβ-
Si3N4 結晶と同じ型のX 線回折パターンを持つ。さら
に、前記β- Si3N4 相、 Si2N2O 相及びY2Si2O7 相によ
り構成される窒化珪素質焼結体の相対密度は理論密度に
対して95% 以上であることが望ましい。相対密度が95%
未満では、熱的安定性、機械的安定性が不充分になり易
く、長期耐久性の向上効果が見られない恐れが高くな
る。
【００１２】本発明において使用される窒化珪素粉末
は、α型の結晶構造をもつSi3N4 粉末が焼結性の点から
好適であるが、β型あるいは非晶質Si3N4 粉末が含まれ
ていても構わない。焼結時に十分に高い密度とするため
には、平均粒径1 μm 以下の微粒子であることが望まし
い。窒化珪素は共有結合性の強い物質であり、単独では
焼結が困難であることが多いため、一般に緻密化するた
めに焼結助剤を添加する。本発明においては、焼結助剤
としては、酸化珪素、酸化イットリウムを用いる。ここ
で、酸化イットリウムはSi3N4 の焼結時にα- Si3N4 相
からβ- Si3N4 相への結晶相転移をその融液中で促進さ
せる機能を持ち、さらにβ- Si3N4 の柱状相の成長を助
長することにより、高温強度および靭性を向上させるこ
とが知られている。それぞれの添加量は、酸化珪素が1
〜5 質量% 、酸化イットリウムが3〜10質量% が好まし
い。酸化珪素が1 質量% 未満の場合、焼結昇温時の液相
生成温度が高くなり十分緻密な焼結体が得られず、また
Si2N2O相及びY2Si2O7 相が形成されない。5 質量% を越
えるとY2Si2O7 相が形成されず比較的低融点のSiO2相が
形成され高温での機械的強度が低下するため好ましくな
い。酸化イットリウムの添加量が3 質量% より少ないと
融液形成が不十分で相対密度が95％未満となり緻密化が
進行しない。酸化イットリウムの添加量が10質量% を超
えるとY2Si2O7相が形成されず比較的低融点のY2SiO5相
が形成され、得られた焼結体の高温での機械的強度およ
び耐酸化性が低下する。酸化珪素も酸化イットリウムも
均質かつ高密度の焼結体を得るためには平均粒径が2 μ
m 以下の微粒子であることが好ましい。焼結助剤として
用いるこれら原料粉末は比較的安価であり、水中での混
合工程でも変質せず安定なセラミックス粉末である。焼
結方法としては、窒素ガスを含む雰囲気にて、例えば無
加圧焼結法、ガス圧焼結法、熱間静水圧プレス焼結法、
ホットプレス焼結法、等の各種焼結法を用いることがで
き、さらにこれらの焼結法を複数組合せても良い。窒素
ガスを含む雰囲気で焼結するのは、焼結中でのSi3N4 の
分解を抑制するためである。 Si3N4は、窒素ガス1 気圧
下では約1850℃以上で分解が生じるため、1850℃以上に
て焼結を行う場合は、窒素ガス圧を焼結温度におけるSi
3N4 の臨界分解圧力以上に設定するようにする。また、
大型厚肉形状のバタフライ弁を製造する場合には、十分
な緻密化を図るために、無加圧焼結後に、さらに窒素ガ
ス雰囲気中での熱間静水圧プレス焼結を行うことがより
好ましい。無加圧及び熱間静水圧プレス焼結条件として
は、焼結温度が1700〜2000℃であることが望ましい。17
00℃未満では、緻密な焼結体が得られず、固溶体粒子近
傍に残留応力を十分に発生させることが困難となり、高
靭性の焼結体とすることができない。一方、2000℃を越
える高温では、β- Si3N4 結晶粒が粗大化し強度低下を
起こし、高硬度と耐熱衝撃性が得られない。また、保持
時間が8 時間未満では、成形体の肉厚にも依存するが緻
密化が十分に進行しない。
【００１３】
【実施例】次に、本発明の実施例を比較例と共に説明す
る。 ( 実施例1 〜3)窒化珪素(Si3N4) 粉末( α化率97% 以
上、純度99.7% 、平均粒径0.3 μm)に酸化イットリウム
(Y2O3)粉末( 平均粒径1.5 μm)、酸化珪素(SiO2)粉末(
平均粒径0.3 μm)を表1 に示す所定量( 質量%)添加し、
分散媒として精製水またはアセトンを用い、炭化珪素セ
ラミックスを内貼りしたボールミルで24時間混練した。
精製水またはアセトンの添加量は、セラミックス全粉末
原料100gに対し120gとした。
【００１４】次いで得られた混合粉末を成形後、焼結し
た。成形条件としては冷間静水圧による加圧150MPaと
し、250mm ×700mm ×厚さ65mmの平板を成形した。これ
を素地加工し、弁体径φ220mm ×厚さ28mmの外周部に対
向するように配置された2 本の等長軸部径φ55mm×長さ
220mm の形状を有する成形体を得た。焼結条件として
は、窒素ガス流通中にて、表1 中に示す温度で8 時間保
持の無加圧焼結を行い、降温時に1500℃で同じく表1 記
載の時間だけ保持と降温速度にて炉冷を行った。実施例
3 については、降温時放冷を行った後に1500℃まで再加
熱し表1 記載の保持を行った。得られた焼結体から、図
1 に示すように、径φ160mm ×厚さ20mmの弁板2 の外周
部に対向するように配置された径φ40mm×長さ170mm の
2本の等長軸部1 を研削加工し、熱風ガスの通風中での
耐久試験に供した。
【００１５】得られた焼結体から各種形状の試験片を切
り出し、機械的特性を評価した。抗折強さは、JIS R160
1 により、大気中室温および1400℃にて測定した。硬さ
は、押込荷重98N にてビッカース硬さとして測定した。
靭性についてはJIS R1607 のSEPB法により室温にて破壊
靭性値K ICを測定した。また、耐熱衝撃性としては、曲
げ試験片を大気中にて所定の温度に加熱後、水中急冷
し、抗折強さの劣化が始まる急冷温度差ΔＴで評価し
た。焼結体密度は、アルキメデス法により相対密度とし
て測定した。各種結晶相の比率に関して、予めX 線回折
ピーク高さから求めた検量線に従って求め、表1 に示し
た。
【００１６】得られた各焼結体の諸特性を表2 に示す。
熱風ガス通風試験としては、ガス成分は空気＋酸素3%、
ガス圧力0.3MPa、ガス温度1200℃、羽口通風速度120m/
秒の条件にて行った。弁体は、図2 に示すように、通風
方向に対して45°になるような向き( 弁= 半開) に固定
し、2 ヶ月の通風後、弁体の外周部に発生した摩耗痕跡
の深さh を投影型顕微鏡にて測定した。また、摩耗痕跡
周囲の損傷有無、チッピング深さ、および割れ深さを蛍
光探傷法および断面研磨面の光学顕微鏡観察により評価
した。
【００１７】( 比較例4 〜5)比較例4 〜5 は、実施例1
〜3 と同一原料を用い、同じく精製水またはアセトンで
調製したが、それぞれ、降温時の焼結条件が不適で相対
密度が95% を下回った場合( 比較例4)、焼結助剤(Y2O3)
の添加割合が不適で相対密度が95% を下回った場合( 比
較例5)の各比較例である。これらを併せて表1 に示す。
また、これら比較例の材料も実施例1 〜3 と同様の条件
で通風試験を行い、その結果を表2 に示した。
【００１８】
【表１】
【００１９】
【表２】
【００２０】表2 に示すように、本発明の実施例による
ものは、摩耗痕跡深さが２０μｍ以下と非常に少なく、
かつ摩耗痕跡周囲には割れ・チッピングの欠損が何れの
場合も認められず、耐摩耗性、耐欠損性共に優れるが、
比較例の各弁体は本発明の実施例に比べて、破損や破断
が発生するまでの短期間の摩耗痕跡深さ８０μｍ以上と
大きく、その上、ヒビ等の欠損が発生しており、耐摩耗
性、耐欠損性が不充分であることが確認された。
【００２１】
【発明の効果】以上述べたように、本発明のβ- Ｓｉ3
Ｎ4 相、Ｓｉ2 Ｎ2 Ｏ相及びＹ2 Ｓｉ 2 Ｏ7 相により構
成される窒化珪素質セラミックス焼結体を成形加工して
なるバタフライ弁は、熱的安定性、機械的安定性に優
れ、長期耐久性を有することから、高温高圧環境下での
長期信頼性の非常に優れたバタフライ弁である。そし
て、例えば製鉄用高炉羽口から吹き込む熱風ガスの流量
調整等の弁として、本発明のバタフライ弁を使用すれ
ば、長期間熱風流量調整に供することができ、高炉等の
安定操業による生産性向上と共に製造コスト低減に寄与
すること大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例の高炉熱風ガスの支管風量調節用バタフ
ライ弁( 全長500mm)の模式図。
【図２】実施例におけるバタフライ弁の設置状況を示す
模式図。
【符号の説明】
1 …バタフライ弁の軸部 2 …バタフライ弁の弁板
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 露木 明 千葉県君津市君津１番地 新日本製鐵株式 会社君津製鐵所内 Ｆターム(参考） 3H052 AA02 BA24 CA15 CA16 EA03 EA12 4G001 BA04 BA09 BA32 BB04 BB09 BB32 BB53 BC46 BC52 BC54 BC57 BD01 BD02 BD07 BD11 BD37

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 実質的にβ-Si3N4相、Si2N2O相及びY2Si
    2O7 相からなる窒化珪素質焼結体を成形加工してなるこ
    とを特徴とするバタフライ弁。
  2. 【請求項２】 前記窒化珪素質焼結体の組成が0.1 〜3
    質量% のSi2N2O相、4.9 〜12質量% のY2Si2O7 相及び残
    部がβ-Si3N4相からなる請求項1 記載のバタフライ弁。
  3. 【請求項３】 前記窒化珪素質焼結体の相対密度が95%
    以上である請求項1記載のバタフライ弁。
  4. 【請求項４】 酸化イットリウム(Y2O3)3 〜10質量% 、
    酸化珪素(SiO2)1 〜5 質量% および残部が窒化珪素(Si3
    N4) からなる混合粉末を成形し、該成形体を窒素ガス雰
    囲気中にて1700〜2000℃の温度範囲で焼結し、（ａ）焼
    結の降温過程における降温速度を5 ℃/ 分以下とするこ
    と、（ｂ）焼結の降温過程において、1350〜1650℃の温
    度範囲で2 時間以上保持すること、（ｃ）焼結後、窒素
    雰囲気中、1350〜1650℃の温度範囲で2 時間以上保持の
    再加熱処理を行うことの少なくとも一つにより粒界相と
    してSi2N2O相及びY2Si2O7 相を生成させた窒化珪素質焼
    結体を成形加工することを特徴とするバタフライ弁の製
    造方法。
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