JP2002020171A

JP2002020171A - バタフライ弁

Info

Publication number: JP2002020171A
Application number: JP2000195802A
Authority: JP
Inventors: Shigeharu Matsubayashi; 重治松林; Tetsuo Nose; 哲郎野瀬; Akira Tsuyuki; 明露木
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2000-06-29
Filing date: 2000-06-29
Publication date: 2002-01-23

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、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を提供することを
目的とする。【解決手段】 1 種類以上の希土類酸化物3 〜12質量%
、酸窒化アルミニウムポリタイプおよび/ または21R
型サイアロン4 〜10質量% 及び残部が実質的に窒化珪素
からなる混合粉末を成形し、該成形体を0.1 〜0.2MPaの
窒素ガス雰囲気中において1700〜1800℃の温度で焼結し
た窒化珪素質セラミックス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。バタフライ弁は、このような構造となっているた
め、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大き
な負荷が掛かり、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
いう静的疲労に長時間曝されるなど、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30
kg/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、実際に製鉄用高炉の羽
口のバタフライ弁に使用したところ、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
解決されていないことが判明した。

【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53-14717号公報、特開昭62
-207766 号公報および特開平2-296769号公報に開示され
ている酸化イットリウム＋酸化アルミニウム＋窒化アル
ミニウムを添加した系、特開昭62-207765 号公報に開示
されている酸化イットリウム＋酸化セリウム＋酸化マグ
ネシウムを添加した系などが試みられており、高温強度
の向上等に効果があることが知られている。また、1MPa
以上の窒素ガス雰囲気中にてガス圧焼結する方法が、靭
性の改善に効果があることが知られている。

【０００５】しかしながら、上記材料では、耐熱衝撃
性、耐熱性は優れるものの、機械的強度及び靭性を同時
に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、高炉支管風量調整用バタフライ弁や
ガスタービン部品のように、1200〜1300℃以上の高温環
境下で、高い高温強度と靭性が必要である構造部材へ適
用するにあたっては、信頼性に欠ける等の問題点があっ
た。従って、1200℃以上の高温における機械的強度及び
靭性の両方を同時に向上したものが望まれている。窒素
ガス圧焼結を利用する方法については、このことにより
特性の改善は認めれるものの、生産性に劣るなどの問題
点があった。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】また、窒化アルミニウムは窒化珪素の焼結
過程で焼結を促進するとともに、窒化珪素に固溶し、安
定なSi-Al-O-N 相を形成するため、高温特性の向上に寄
与することが知られている。しかし、窒化珪素との均一
混合粉末を作製する際、窒化アルミニウムの酸化を抑制
するため混練用の溶媒として、アセトン、エタノール等
の有機溶媒を用いる必要があり、安価もしくは装置購入
により自給可能な精製水を用いることができない等、工
業的生産性に劣る問題点があった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このように、実際のバ
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、回転駆動
時の捻りや風量変動時の振動に対する耐久性、ハンドリ
ング時の耐欠損性等の熱疲労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。

【０００８】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、1200℃以上の熱
的安定性、機械的安定性に優れ、長期耐久性を有するバ
タフライ弁を提供することを目的とする。

【０００９】

【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の
組成に関する検討を鋭意行った結果、前記組成から構成
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。

【００１０】即ち、本発明は、(1) 1 種類以上の希土類
酸化物3 〜12質量% 、酸窒化アルミニウムポリタイプ4
〜10質量% 及び残部が実質的に窒化珪素からなる混合粉
末の成形体を成形し、該成形体を0.1 〜0.2MPaの窒素ガ
ス雰囲気中において1700〜1800℃の温度で焼結した窒化
珪素質セラミックス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) 1 種類以上の希土類酸化物
3 〜12質量% 、21R 型サイアロン4 〜10質量% 及び残部
が実質的に窒化珪素からなる混合粉末の成形体を成形
し、該成形体を0.1〜0.2MPaの窒素ガス雰囲気中におい
て1700〜1800℃の温度で焼結した窒化珪素質セラミック
ス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、(3) 1 種類以上の希土類酸化物3 〜12質量% 、酸
窒化アルミニウムポリタイプ4〜10質量% 、21R 型サイ
アロン4 〜10質量% 及び残部が実質的に窒化珪素からな
る混合粉末の成形体を成形し、該成形体を0.1 〜0.2MPa
の窒素ガス雰囲気中において1700〜1800℃の温度で焼結
した窒化珪素質セラミックス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、(4) 前記酸窒化アルミ
ニウムポリタイプがAl₉O₃N₇、Al₇O₃N₅及びAl₆O₃N₄か
ら選ばれる少なくとも1 種のAl-O-N化合物である(1) ま
たは(3) 記載のバタフライ弁、(5) 前記窒化珪素質セラ
ミックス焼結体の相対密度が95% 以上である(1) 〜(4)
のいずれかに記載のバタフライ弁、である。

【００１１】

【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。

【００１２】そこで、これらの特性を同時に向上させる
ために、各種窒化珪素質セラミックス焼結体を作製し、
その特性を評価した結果、1 種類以上の希土類酸化物3
〜12質量% 、酸窒化アルミニウムポリタイプおよび/ ま
たは21R 型サイアロン4 〜10質量% 及び残部が実質的に
窒化珪素からなる混合粉末を成形し、該成形体を0.1〜
0.2MPaの窒素ガス雰囲気中において1700〜1800℃の温度
で焼結した窒化珪素質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。本発明の窒化珪素質焼結体を
成形加工したバタフライ弁は、従来の低融点ガラス相を
有する窒化珪素製バタフライ弁に比べて、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。

【００１３】本発明の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、700 〜1400℃の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。本発
明において、希土類酸化物、酸窒化アルミニウムポリタ
イプや21R 型サイアロンは焼結助剤として用いるが、こ
れらはSi₃N₄の焼結時にその融液中でα-Si₃N₄相からβ
-Si₃N₄相への結晶相転移を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作用もあり、高温
強度および靭性を向上させる。

【００１４】本発明の希土類酸化物としては、例えば、
酸化イットリウム、酸化エルビウム、酸化イッテルビウ
ム、酸化スカンジウム、酸化セリウム等が挙げられる。
これら希土類酸化物の合計が12質量% を越えると得られ
た焼結体の高温での耐酸化性が低下するので、12質量%
以下であることが必要である。また、3 質量% より少な
いと液相が十分生成せず、十分緻密化がなされないため
好ましくない。従って、これらの添加量としては、3 〜
12質量% の範囲とし、特に十分に高い高温強度および靭
性を得るためには、4 〜8 質量% の範囲であることが好
ましい。

【００１５】酸窒化アルミニウムポリタイプとしては、
Al-O-Nの化合物であり、窒化アルミニウムに所定量の酸
化アルミニウムを予め固溶させることにより形成された
ものである。酸窒化アルミニウムのポリタイプとして
は、酸化アルミニウムの窒化アルミニウムへの固溶量に
応じて、32H 、27R 、21R 、12H 、15R 型など、数多く
の形態( 多形) が存在する。27R 型酸窒化アルミニウム
ポリタイプはAl₉O₃N₇であり、21R 型酸窒化アルミニウ
ムポリタイプはAl₇O₃N₅であり、12H 型酸窒化アルミニ
ウムポリタイプはAl₆O₃N₄である。

【００１６】本発明に用いられる焼結助剤は、Al₉O
₃N₇、Al₇O₃N₅及びAl₆O₃N₄から選ばれる少なくとも1
種のAl-O-N化合物である。これらAl-O-N化合物は、他の
酸窒化アルミニウムポリタイプに比べて、化合物中のAl
N モル比が高く、かつ水中でも安定である特徴を有して
おり、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。また、21R 型サイアロンは、Si₆-xAl₈
＋xOxN₁₆-x(xの範囲3.75≦x ≦5.00) で表わされるSi-A
l-O-N 化合物である。

【００１７】これらの酸窒化アルミニウムポリタイプお
よび／または21R 型サイアロンは、単相の窒化アルミニ
ウムもしくは他の型の酸窒化アルミニウムポリタイプと
比べて、焼結過程において、窒化珪素に固溶し易く、焼
結後に窒化珪素の結晶粒界に残存しにくいため、均質か
つ高温まで高い強度を示す焼結体を得ることができる。
本発明においては、焼結助剤として、酸窒化アルミニウ
ムポリタイプのAl₉O₃N ₇、Al₇O₃N₅及びAl₆O₃N₄から選
ばれる少なくとも1 種のAl-O-N化合物および/または21R
型サイアロンを合計で4 〜10質量% 含むが、4 質量%
より少ないと十分緻密な焼結体が得られない。また、10
質量% を越えると耐酸化性が劣化する。特に、高い高温
強度および高い靭性の焼結体を得るためには、6 〜8 質
量% の範囲であることがより望ましい。

【００１８】本発明の焼結助剤である希土類酸化物、酸
窒化アルミニウムポリタイプ及び21R 型サイアロンは、
均質かつ高密度の焼結体を得るために、平均粒径が2 μ
m 以下の微粒子であることが好ましい。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。本発明の窒化珪素質
セラミックス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。

【００１９】成形法としては、公知の成形法により行う
ことができる。例えば、板状体では1 軸成形圧10〜100M
Paで成形した後、2 次静水圧成形圧150 〜700MPaで成形
する。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、一般に窒素ガス圧を
焼結温度におけるSi₃N₄の臨界分解圧力以上に設定する
ことが知られている。

【００２０】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
結を行うことが好ましい。無加圧または0.1 〜0.2MPaの
窒素ガス圧焼結条件としては、焼結温度が1700〜1800℃
であることが望ましい。1700℃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、1800℃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、焼結の際には1550〜1650℃で、希土
類酸化物および酸窒化アルミニウムポリタイプの液相を
均一に分布させるために、30分以上保持する。さらに、
1700〜1800℃で、上記液相中に窒化珪素が溶解し、再析
出することで、結晶相転移が生じるとともに、緻密化
し、焼結する。

【００２１】本発明により得られる焼結体は、Si₃N₄の
平均結晶粒径が1 〜3 μm 程度と大きく、かつ柱状結晶
粒が絡み合った組織を呈し、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1300℃にて
700MPa以上の高強度で、かつ靭性値KIC が6MPam^1/2の高
靭性を有する。

【００２２】

【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１〜４）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)、27R 型酸窒化アルミニ
ウムポリタイプ(Al₉O₃N₇) 粉末( 平均粒径1.5 μｍ) 、
21R 型酸窒化アルミニウムポリタイプ(Al₇O₃N₅) 粉末(
平均粒径2.2 μm)、12H 型酸窒化アルミニウムポリタイ
プ(Al₆O₃N₄) 粉末( 平均粒径1.2 μm)、21R 型サイアロ
ン(SiAl₆O₃N₅) 粉末( 平均粒径1.8 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。

【００２３】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、0.15MPa の窒素ガス密閉中にて、昇温時に1600℃で
表１中に示す時間保持を行い、続いてさらに昇温し、同
じく表１記載の最高温度で8 時間保持の焼結を行った。
得られた焼結体から、弁体径φ160mm ×厚さ20mm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φ40mm
×長さ170mm を研削加工し、熱風ガスの通風中での耐久
試験に供した。

【００２４】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1300℃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KIC 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。

【００２５】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 体
積% 、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、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。（比較例５〜６）比較例5 〜6 は、実施例1 〜4 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、それぞれ焼結助剤の添加割合が不適である比較例で
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 〜4 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。

【００２６】

【表１】

【００２７】

【表２】

【００２８】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。

【００２９】

【発明の効果】以上述べたように、本発明の窒化珪素質
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
の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 3 …バタフライ弁

───────────────────────────────────────────────────── 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 BA22 BA23 BA24 CA16 CC06 CD09 EA03 4G001 BA09 BA32 BA51 BA52 BB09 BB32 BB51 BB52 BC12 BC13 BC54 BD01 BD11 BE33

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】１種類以上の希土類酸化物３〜１２質量
% 、酸窒化アルミニウムポリタイプ４〜１０質量% 及び
残部が実質的に窒化珪素からなる混合粉末の成形体を成
形し、該成形体を０．１〜０．２MPa の窒素ガス雰囲気
中において１７００〜１８００℃の温度で焼結した窒化
珪素質セラミックス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。
【請求項２】１種類以上の希土類酸化物３〜１２質量
% 、２１R 型サイアロン４〜１０質量% 及び残部が実質
的に窒化珪素からなる混合粉末の成形体を成形し、該成
形体を０．１〜０．２MPa の窒素ガス雰囲気中において
１７００〜１８００℃の温度で焼結した窒化珪素質セラ
ミックス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。
【請求項３】１種類以上の希土類酸化物３〜１２質量
% 、酸窒化アルミニウムポリタイプ４〜１０質量% 、２
１R 型サイアロン４〜１０質量% 及び残部が実質的に窒
化珪素からなる混合粉末の成形体を成形し、該成形体を
０．１〜０．２MPa の窒素ガス雰囲気中において１７０
０〜１８００℃の温度で焼結した窒化珪素質セラミック
ス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。
【請求項４】前記酸窒化アルミニウムポリタイプが、
Al₉O₃N₇、Al₇O₃N₅及びAl₆O₃N₄から選ばれる少なくと
も１種のAl-O-N化合物であることを特徴とする請求項１
または３記載のバタフライ弁。
【請求項５】前記窒化珪素質セラミックス焼結体の相
対密度が９５% 以上であることを特徴とする請求項１〜
４のいずれかに記載のバタフライ弁。