JP2007302529A

JP2007302529A - セラミックス焼結体、ロールクリーニング装置、および、ロールクリーニング方法

Info

Publication number: JP2007302529A
Application number: JP2006134098A
Authority: JP
Inventors: Shigeharu Matsubayashi; 重治松林; Tetsuo Nishiyama; 鉄生西山; Yoshihiro Suemune; 義広末宗; Tateo Ito; 健郎伊藤
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2006-05-12
Filing date: 2006-05-12
Publication date: 2007-11-22

Abstract

【課題】本発明は、高温腐食ガス雰囲気下にあって、耐熱性・耐摩耗性・耐腐食性に優れたセラミックス焼結体、および、この焼結体をブレードに用い安定かつ長期の使用が可能なロールクリーニング装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明のセラミックス焼結体は、Ｘｖｏｌ％のＳｉ_３Ｎ_４と、(１００−Ｘ)ｖｏｌ％のＴｉ_０．９Ｍｅ_０．１Ｃ_２（Ｍｅ＝Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｒ、Ｎｉの少なくとも１種以上）とからなり、Ｘ＝５〜３５となる組成を有することを特徴とする。本発明のロールクリーニング装置は、４００〜１５００℃の高温腐食性ガス雰囲気下で使用されるロールクリーニング装置において、前記セラミックス焼結体が耐熱鋼中に埋め込まれて構成されたブレードと、該ブレードを支持する支持体とを備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、耐熱・耐摩耗性に優れたセラミックス焼結体、および、この焼結体をブレードに用いたロールクリーニング装置、すなわち先端が高温腐食性ガス雰囲気で使用されるロールに直接接触し、操業中のロールを連続クリーニングするブレードを備えたロールクリーニング装置に関するものである。

例えば、製鉄圧延工程の連続生産ラインにおいて、鋼板を搬送するロール等には、通常、ロール表面の異物(金属のスケールや耐火物屑など)を除去するロールクリーニング装置が付設される。ここで、ロール表面に異物が付着すると、この異物のために鋼板表面に疵が付きやすくなる。そして、当該表面疵が形成された製品は不良品となり商品価値を失う。そこで、上記ロールに対してロールクリーニング装置を設置し、該装置に設けられたブレードにてロールの外周面を連続的に払拭することで、上記問題の発生を防止できる。

このようなロールクリーニング装置として、従来、先端部がロールに接触可能な耐熱性の金属ブレードと、このブレードを交換可能に保持する保持手段と、この保持手段を支持する支持体を備えたロールクリーニング装置が知られている（例えば特許文献１参照）。この特許文献１に記載の構成では、支持体は中空部を有しており、その中空部を通じて冷却媒体が連続供給できるようになっている。これにより、加熱炉等の４００〜１０００℃の高温雰囲気下でも使用可能とされている。
また、従来、金属ブレードの接触圧補正装置を、ロール長手方向に分割して設置した構造のロールクリーニング装置も知られている（例えば特許文献２参照）。

ところで、焼鈍や溶融金属めっきラインなどの加熱炉中においては、鋼板を上下に搬送する複数のロールのうち上側のロールは、４００℃〜１５００℃の高温腐食性ガス雰囲気に曝される。このため、当該ロールに対して設置されるロールクリーニング装置にあっては、当該ロールの外周面に接するブレードの先端に、特に高度な耐熱性・耐摩耗性・耐腐食性が要求される。

特開２０００−２１８３１１号公報特開２０００−８２９２号公報

しかしながら、上記特許文献１および２には、ロールクリーニング装置が４００℃〜１５００℃の高温腐食性ガス雰囲気で使用される場合について示されておらず、また、ブレードに使用される具体的な材料も示されていない。つまり、高温腐食性ガス雰囲気下での使用時にはブレードに高耐熱性・高耐摩耗性・耐腐食性が要求される点について十分な検討がなされていない。このため、これら従来のロールクリーニング装置を高温腐食性ガス雰囲気下で使用した場合、ブレードの状態を安定に維持できず、長期使用に耐えられないおそれがある。

本発明の目的は、高温腐食ガス雰囲気下にあって、耐熱性・耐摩耗性・耐腐食性に優れたセラミックス焼結体、この焼結体をブレードに用い安定かつ長期の使用が可能なロールクリーニング装置、および、このロールクリーニング装置を用いたロールクリーニング方法を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明は、高温腐食ガス雰囲気下で使用されるロールのクリーニング装置として、ロールに先端部が接触するブレードを高温に耐えることができる耐熱性材料とし、そして簡便に交換可能なように本体を保持できるようにした。また、装置の本体部分に大掛かりな冷却機能を必要とする構造を必要としない耐熱・高耐摩耗・耐腐食セラミックス材質とした。
すなわち、本発明の要旨は、以下の通りである。
（１）Ｘｖｏｌ％のＳｉ_３Ｎ_４と、(１００−Ｘ)ｖｏｌ％のＴｉ_０．９Ｍｅ_０．１Ｃ_２（Ｍｅ＝Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｒ、Ｎｉの少なくとも１種以上）とからなり、Ｘ＝５〜３５となる組成を有することを特徴とする耐熱・耐摩耗性に優れたセラミックス焼結体。
（２）４００〜１５００℃の高温腐食性ガス雰囲気下で使用されるロールクリーニング装置において、上記（１）に記載された組成のセラミックス焼結体が耐熱鋼中に埋め込まれて構成されたブレードと、該ブレードを支持する支持体とを備えることを特徴とするロールクリーニング装置。
（３）前記ブレードが、ロールの幅方向において複数に分割されていることを特徴とする上記（２）に記載のロールクリーニング装置。
（４）上記（２）または（３）に記載のロールクリーニング装置を用いて、４００〜１５００℃の高温腐食性ガス雰囲気下で、前記ブレードをロールに押し付けることにより、ロール表面に付着した異物を除去することを特徴とするロールクリーニング方法。

本発明のセラミックス焼結体は、１５００℃程度の使用温度での硬度(Ｈｖ)が２００以上で、かつ、常温強度の維持温度も１５００℃以上と高く、耐熱性、耐摩耗性、耐腐食性に優れている。このため、当該セラミックス焼結体を例えばロールクリーニング装置のブレード等に用い、高温腐食ガス雰囲気下に曝した場合でも、安定かつ長期の使用が実現できる。
また、ブレードが、ロールの幅方向において複数に分割しているため、摩耗、損傷の度合いに応じて、分割された各区間単位で部分的な交換補修が容易に行うことができるので、それだけ補修費の節約ができる。
さらに、大掛かりな冷却機能を必要としない簡単な構成とすることができるため、省スペース化及び低コスト化が図れ、高温雰囲気下で安定に長期使用が可能なロールクリーニング装置を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
本発明者は、例えば、ロールクリーニング装置のブレード等が曝される様な４００〜１５００℃の高温腐食性ガス雰囲気下においても、優れた耐熱性・耐摩耗性・耐腐食性を示すセラミックス焼結体について鋭意研究したところ、Ｘｖｏｌ％のＳｉ_３Ｎ_４と、(１００−Ｘ)ｖｏｌ％のＴｉ_０．９Ｍｅ_０．１Ｃ_２（Ｍｅ＝Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｒ、Ｎｉの少なくとも１種以上）とからなり、Ｘ＝５〜３５となる組成を有するセラミックス焼結体が、上記各特性に優れていることを新たに見出し、本発明に至った。

ここで、当該セラミックス焼結体は、Ｘが５ｖｏｌ％未満である場合、硬度が高過ぎてＳｉ_３Ｎ_４の組成割合が低いため、ブレードに適用した場合、ロールに疵が発生する場合があり好ましくない。また、Ｘが３５ｖｏｌ％を超える場合、強度が低く構造部材として耐久性に劣るため好適ではない。
Ｔｉ_０．９Ｍｅ_０．１Ｃ_２は、ＴｉＣにＺｒ、Ｈｆ、Ｃｒ、Ｎｉの少なくとも１種以上の金属炭化物を固溶させた固溶体であり、ＴｉＣ単体に比べて硬度や破壊靭性値が上昇する。しかしＴｉ_０．９Ｍｅ_０．１Ｃ_２において、Ｔｉが０．９、Ｍｅが０．１の組成から大きく外れると、その総合的な強度の上昇効果が減少する傾向が認められる。

このような本発明のセラミックス焼結体は、９８％以上の高い対理論密度、２００以上のビッカース硬度、５ＭＰａ・ｍ^１／２以上の破壊靭性値という優れた特徴を有する。また、ＪＩＳ−Ｒ１６０１に準拠する抗折曲げ強さは、常温で５００ＭＰａ以上と高く、４００〜１５００℃でも常温の場合と同程度である。また、耐腐食性においても、高い対理論密度を有しているため、腐食の進行が極めて起こり難い。
従って、本発明のセラミックス焼結体は、例えば４００〜１５００℃の高温腐食性ガス雰囲気下においても優れた耐熱性・耐摩耗性・耐腐食性を示し、特に、９００〜１５００℃でも適用できる点で、他の材料系に比して優れた効果を奏することができる。

なお、本発明のセラミックス焼結体は、４００℃未満でも使用は可能であるが、コストの点で、従来の耐熱鋼材だけで十分なため、使用温度範囲には含めていない。また、１５００℃超の温度領域ではロールクリーニング装置等の使用温度範囲を超えているため、本発明のロールクリーニング装置への用途としては考え難い。
また、腐食性ガス雰囲気とは、例えば、Ｈ_２ガスやＣＯガスが過半数を占め、残分はＮ_２ガスや水蒸気等のガス雰囲気を意味している。

ここで、本発明のセラミックス焼結体の製造方法を説明する。
原料として、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＴｉＣおよびＺｒ、Ｈｆ、Ｃｒ、Ｎｉの少なくとも１種以上の金属炭化物を用いて、所定の配合量で混合し、成形後、焼成することで得ることができる。

焼結原料としてのＳｉ_３Ｎ_４、ＴｉＣおよびＺｒ、Ｈｆ、Ｃｒ、Ｎｉの少なくとも１種以上の金属炭化物には、平均粒径が１〜１０μｍ、より好ましくは３〜７μｍのセラミックス粉体を使用することができる。平均粒径が１μｍ未満では靭性が増大する効果が得られ難くなり、また１０μｍを越えると緻密化が進行せず、硬さや靭性の低下を招くばかりでなく、空孔が増え、耐腐食性も損なうことになる。

焼結温度は１９５０℃以上２１５０℃以下が好ましく、保持時間は２時間以上が好適である。焼結時の雰囲気は、窒素やアルゴンなどの不活性ガス雰囲気、もしくは真空雰囲気とすることが好ましく、これにより焼結体を高純度化することができる。焼結方法は、例えば無加圧雰囲気焼結、雰囲気ガス加圧焼結、ホットプレス焼結など、いずれの焼結方法をも採用できる。また、複数の焼結方法を組み合わせることも可能である。
さらに、上述の一次焼結後に、熱間静水圧加圧(ＨＩＰ)処理を行うことが好ましく、これにより、より一層の高密度化が可能である。なお、焼結後は、粒界相の結晶化制御等を目的とした降温過程での温度制御は特に必要ない。

次に、上記セラミックス焼結体をブレードに適用した本発明のロールクリーニング装置について詳細に説明する。図１に、本発明の一実施形態に係るロールクリーニング装置の模式的構成を示す。

図１において、ロールクリーニング装置の本体１は、中空部または貫通孔を有する軸状の支持体２を備えており、支持体２の端部は軸受により回動可能に支持されている。支持体２の下面には、ブレード４の保持手段としてのベースプレート３が、ロール７に向けて取り付けられている。このベースプレート３の支持体２への取り付けは、例えば溶接やネジ、ボルト等による機械的な接合手法によって行うことができる。そして、ベースプレート３の先端側には、ブレードホルダ５がボルト６を介して取り付けられている。さらに、このブレードホルダ５の先端部には、例えばボルトなどの固定手段（図示しない）により、ロール７の表面に付着した異物を除去するための耐熱性のブレード４が取り付けられている。なお、このブレード４の具体的な構成については後述する。

ロール７とブレード４との接触について説明する。支持体２には、支持体２を回動させることができるレバー８が取り付けられていて、このレバー８を上方あるいは下方に動かすことにより、支持体２を回動させることができる。この支持体２の回動に応じて、ブレード４の先端が上方あるいは下方に移動し、ブレード４の先端とロール７とが接触状態あるいは非接触状態となる。クリーニングを可能とするため、通常は、ベースプレート３及びブレード４の自重等により、ブレード４の先端部がロール７を圧下するように装置各部材の重さを調整してある。
さらに、レバー８の中間部には、重り９がレバー８に沿って移動可能に取り付けられており、この重り９の位置を移動させることによりロール７に対するブレード４の先端部の接触圧を制御することができる。なお、レバー８に加える力（即ち、ブレード４のロール７に対する圧下あるいは開放）を油圧や空気圧を利用して制御することやモーターを用いて電気的に制御することも可能である。これらは重り９と同じ作用を有するものである。

次に、ブレード４の具体的な構成について説明する。
ブレード４の形状としては、図１に示すように、ロール７の幅方向に略沿う長手板状のものを用いることが一般的である。ブレード４の厚みは特に規定するものではなく、適宜、設定すれば良いが、例えば、製造時の歩留りや一般的な使用条件からの目安から、厚みは約０．２〜１０ｍｍとすることが好ましい。但し、この厚みは、使用するロール径や通板速度に応じて柔軟に変更することができ、例えば０．１ｍｍ厚さでも１５〜５０ｍｍ厚さでも本発明の効果を損なうものではない。
また、ブレード４の先端部の断面形状は、ロール７の全体形状や表面形状、温度等の使用環境に合わせて、例えば直角形状や刃形状等とすることができるが、これに限らず、ロール７表面の異物を好適に除去できるいずれの形状をも採用できる。

ブレード４は、本発明のセラミックス焼結体を耐熱鋼中に埋め込んで構成されている。このようにセラミックス焼結体を耐熱鋼中に埋め込むことにより、所定形状に加工することが困難な当該セラミックス焼結体を、耐熱鋼を介してブレードホルダ５で容易に支持することが可能とされている。この場合、当該セラミックス焼結体は、ブレード４のうち少なくともロール７と接触する先端部において露出した状態で、耐熱鋼中に埋め込まれることが好ましい。これにより、ブレード４の先端部がロール７表面に当接した際、当該セラミックス焼結体が優れた耐熱性等を発揮するので、ブレード４の状態を安定に維持でき、かつ、長期使用に耐え得る強度をブレード４に付与することができる。
ここで、耐熱鋼としては、Ｎｉ−Ｃｒ系が代表例として挙げられるが、他の系としてＨｉ−Ｃｒ系、Ｎｉ系、ＳＵＳ３１０Ｓ系などであっても構わない。
また、埋め込みの方法としては、鋳込み時の砂型に、本発明のセラミックス焼結体を固定しておき、砂型へ溶融状態の耐熱鋼を流し込むことによって、鋳包み構造化することなどが挙げられる。

そして、ブレード４は、ロール７の幅方向において複数に分割された構造とすることが好ましい。例えば、板状の耐熱鋼の一端から本発明のセラミックス焼結体を露出させた状態の複数のブレード片（図示しない）を、ロール７の幅方向に沿って並列させて、ブレードホルダ５の先端部に取り付けた構造などが例示できる。
このように、ブレード４をロール７の幅方向に分割した構造とすることにより、異物付着が顕著な部分や、著しく損耗した部分のみを交換することができ、その他の比較的摩耗の進み難い部分等はそのまま再度利用に供することができる。したがって、効率的な使用が可能で、製造面でも大型設備が不要なだけでなく、交換時の低コスト化にも有効である。

さらに、ブレード４のブレードホルダ５への取り付けは、熱膨張による幅方向の伸びを許容できる取り付け方法が望ましい。すなわち、例えばブレード４に設けられるボルトの貫通孔を、直円形状ではなく、長手方向がブレード４の幅方向に略沿う楕円形または長穴形とした方が良い。なお、取付手段としてボルトを使用することにより、ブレード４の交換を容易に行うことができる。

次に、上記したロールクリーニング装置を用いたロールクリーニング方法について説明する。
ロールクリーニング装置は、製鉄圧延工程の連続生産ラインにおけるロールや、焼鈍や溶融金属めっきラインなどの加熱炉中における上側のロール等に対して設けられる。そして、ブレード４の先端部をロール７に押し付けることにより、ロール７の表面に付着した異物を除去する。
この際、当該ロールに接触するブレード４は、４００℃〜１５００℃の高温腐食性ガス雰囲気下に曝される。この点、本発明のセラミックス焼結体は、耐熱性、耐摩耗性、耐腐食性に優れていることから、この様な環境で用いても損耗が少なく、ブレード４の安定かつ長期の使用が実現できる。

次に、本発明の一実施例を比較例と共に説明する。
（実施例１〜５）
原料セラミックス粉体として、窒化ホウ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）粉末（純度９９％、平均粒径４．１μｍ）に、炭化チタン（ＴｉＣ）粉末（平均粒径３．５μｍ）、炭化ジルコニウム（ＺｒＣ）粉末（平均粒径５．４μｍ）、炭化ハフニウム（ＨｆＣ）粉末（平均粒径６．２μｍ）、炭化ニッケル（ＮｉＣ）粉末（平均粒径４．１μｍ）、炭化クロム（ＣｒＣ）粉末（平均粒径４．７μｍ）、炭化チタンと炭化ジルコニウムの複合炭化物（Ｔｉ_０．９Ｚｒ_０．１Ｃ_２）粉末（平均粒径２．９μｍ）を用いた。
所定の上記セラミックス粉体を、全量１００ｇとなるように以下の表１に示す割合（質量％）で調整し、これに分散媒として精製水またはアセトンを１００ｇ添加した。そして、これら原料をＳｉＣタイルを内壁及び蓋に内貼りしたボールミルで４８時間混練した。なお、混練の際、混合用ボールとして直径１０ｍｍのＳｉＣボールを、セラミックス全粉末原料１００ｇに対し２倍の２００ｇの割合で用いた。
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１３０ＭＰａとし、幅８０ｍｍ×長さ２５０ｍｍ×厚さ８ｍｍの板材を成形した。焼結条件としては、アルゴンガスの常圧流通中にて、表１中に示す温度で８時間保持の焼結を行った。
得られた焼結体からＪＩＳ規格の曲げ試験片を切り出し、機械的特性を評価した。抗折強さは、ＪＩＳ-Ｒ１６０１により、大気中、常温および１５００℃にて測定した。硬さも、大気中、常温および１５００℃にて、押込荷重９８Ｎの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法により常温にて破壊靭性値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。得られた各焼結体の諸特性を以下の表２に示す。

（比較例１，２）
比較例１，２は実施例１〜５と同一原料を用いるが、ポットの内壁や蓋もボールもＳｉＣ材を用いずアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）材を用い、同じく精製水またはアセトンで調製したが、それぞれ異常粒成長により相対密度が９８％を下回った場合（比較例１）、Ｓｉ_３Ｎ_４の一部がＡｌ_２Ｏ_３に固溶し、低融点の結晶相が生成した場合（比較例２）の各比較例である。これらを併せて表１に示す。これら比較例１，２の材料も実施例１〜５と同様の条件で特性を評価し、その結果を表２に示した。

その結果、表２に示すように、本発明の実施例１〜５によるものは、比較例１，２よりも、常温及び高温の強度も高く、耐熱衝撃性が極めて優れることが確認された。

次に、実施例１〜５、比較例１，２の板材を用いて、図１に示す、上記実施形態のブレード４を備えたロールクリーニング装置を構成した。この装置を、製鉄圧延工程の連続生産ラインにおけるロールや、焼鈍や溶融金属めっきラインなどの加熱炉中における上側のロールに対して設置した。そして、実際に操業を６ヶ月以上行った後の、耐久性を確認した。
なお、ブレード４については、すべての板材について、Ｎｉ−Ｃｒ鋼中に埋め込んで構成したものを用いた。また、この操業条件でブレード４が曝される環境としては、無酸化条件ではあるが、Ｈ_２ガスやＣＯガスが過半数を占め、残分はＮ_２ガスや水蒸気の９００〜１５００℃の高温雰囲気であった。

その結果、実施例１〜５の板材を用いたものは、質量変化や反応層が確認できなかったため、高い耐熱性、耐摩耗性、耐腐食性を実証することができた。
これに対し、比較例１，２の板材を用いたものは、実機搭載時も２ヶ月以内に破損、摩耗、腐食層の形成による表面の凹凸、スケール等の付着が観測された。

本発明の一実施形態に係るロールクリーニング装置の模式的構成を示す斜視図である。

符号の説明

１…本体
２…支持体
３…ベースプレート
４…ブレード
５…ブレードホルダー
６…ボルト
７…ロール
８…圧下・開放レバー
９…重り

Claims

Ｘｖｏｌ％のＳｉ_３Ｎ_４と、(１００−Ｘ)ｖｏｌ％のＴｉ_０．９Ｍｅ_０．１Ｃ_２（Ｍｅ＝Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｒ、Ｎｉの少なくとも１種以上）とからなり、Ｘ＝５〜３５となる組成を有する
ことを特徴とする耐熱・耐摩耗性に優れたセラミックス焼結体。
４００〜１５００℃の高温腐食性ガス雰囲気下で使用されるロールクリーニング装置において、
請求項１に記載された組成のセラミックス焼結体が耐熱鋼中に埋め込まれて構成されたブレードと、
該ブレードを支持する支持体とを備える
ことを特徴とするロールクリーニング装置。
前記ブレードが、ロールの幅方向において複数に分割されている
ことを特徴とする請求項２に記載のロールクリーニング装置。
請求項２または３に記載のロールクリーニング装置を用いて、
４００〜１５００℃の高温腐食性ガス雰囲気下で、前記ブレードをロールに押し付けることにより、ロール表面に付着した異物を除去する
ことを特徴とするロールクリーニング方法。