JP2010058155A

JP2010058155A - セラミック複合部材

Info

Publication number: JP2010058155A
Application number: JP2008228208A
Authority: JP
Inventors: Yasunari Mitsui; 康徳三井
Original assignee: Kurimoto Mec Ltd
Current assignee: Kurimoto Mec Ltd
Priority date: 2008-09-05
Filing date: 2008-09-05
Publication date: 2010-03-18

Abstract

【課題】セラミック素材を金属に対して確実に固定できるようにする。
【解決手段】窒化珪素セラミックからなる耐摩耗部材２を、その耐摩耗部材２が表面に露出するように高Ｃｒ合金からなる金属４に鋳ぐるみで固定してライナ１を構成した。窒化珪素セラミックは、アルミナ系セラミック等の他のセラミック素材と比較してその機械的性質が高く、高温下でも強度も高いことから、所定の耐摩耗性が期待できるとともに、線膨張係数が低く、また、耐熱衝撃性が高いため、鋳造時の溶湯の熱に耐え得るので、金属に対して確実に固定できる。
【選択図】図１

Description

この発明は、高炉や転炉等の製鋼設備や、あるいは各種分野の製造設備、処理設備等において、落下する原料が当たる位置等に設けられるセラミック複合部材に関するものである。

例えば、高炉などの製鋼設備において、その工程の途中に、鉄鉱石や石炭等の原料を誘導するためのシュートが設けられる。

これらのシュートでは、落下してきた原料が当たる位置、及びその周辺にライナが取付けられる。ライナは、高硬度な部材で構成されており、落下してきた原料との衝突と、その後の原料との摺動によって、シュート内の部材が摩耗することを防止する機能を発揮している。

ライナの例としては、一般的に高Ｃｒ鋼で製造されたプレート状のものが使用されているが、耐摩耗性を高めるために、例えば、特許文献１に示すように、タングステンカーバイド粗粒を高Ｃｒ鋼等の耐摩耗金属で鋳ぐるみで固定したものがある。

また、セラミック素材を、耐摩耗金属からなるライナの表面に固定し、そのセラミック材料により、原料との衝突、摺動に対するライナの耐摩耗性を、さらに向上させたものもある。

セラミック素材の固定方法としては、例えば、ロー付け、焼き嵌め等のほか、接着固定を採用する場合もある。接着固定の場合、例えば、鋳造品のライナに孔を明けて、その孔にピン状のセラミック素材を嵌めて接着固定する手法などがある。接着剤としては、エポキシ接着剤等が用いられている。

さらに、特許文献２に示すように、特定のセラミック素材を、ライナの表層部に露出するように耐摩耗金属で鋳ぐるみで固定したものもある。

特開平１１−１３１１１４号公報特開２００４−３０７８９３号公報

セラミック素材は、耐摩耗性を向上させるために有効な素材であるが、それをライナ等の金属に対して接着等により固定とすると、使用中にライナに作用する衝撃によって、セラミック素材が金属から外れてしまう可能性がある。

また、特に高炉等において使用するライナの場合は、そのライナが熱を受けて高温となるため、接着固定とする場合は、その高温下においても接着強度を低下させない接着剤が求められる。しかし、高温下で使用できる接着剤は非常に限られており、必ずしも、所望の接着強度を発揮できないのが現状である。

さらに、特許文献２に示す技術では、炭化珪素質セラミック又は金属ホウ化物固溶体セラミックを耐摩耗金属で鋳ぐるみ固定しているが、この鋳ぐるみの際に、セラミック素材は割れてしまうことがある。
これは、セラミック素材が金属などと比較して線膨張係数は低いが、靱性が低いため耐熱衝撃性が低くなり、鋳造時の溶湯の熱衝撃で素材が損傷するものと考えられる。

そこで、この発明は、セラミック素材を金属に対して確実に固定し、且つ割れないようにすることを課題とする。

上記の課題を解決するために、この発明は、セラミック素材として窒化珪素セラミックを採用し、その窒化珪素セラミックからなる部材を鋳型に固定し、金属に鋳ぐるみで固定するようにしたのである。

窒化珪素セラミックは、Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化珪素）を主成分とするセラミック素材であり、アルミナ系セラミック等の他のセラミック素材と比較して靱性が高く、高温下でも硬度が高いことから、所定の耐摩耗性が期待できるとともに、アルミナ系セラミック等の他のセラミック素材と比較して靱性が高く、また、線膨張係数が低く熱伝導率も高いことから、耐熱衝撃性に優れていると考えられ、鋳造時の溶湯の熱に耐え得ることを発見した。
すなわち、セラミック素材として窒化珪素セラミックを採用し、それを金属に鋳ぐるみで固定することにより、セラミック素材を金属に対して確実に固定できる。

この発明は、セラミック素材として窒化珪素セラミックを採用し、その窒化珪素セラミックからなる部材を、金属に鋳ぐるみで固定するようにしたので、セラミック素材を金属に対して確実に固定できる。

この発明の実施形態を以下に説明する。この実施形態のライナ１は、窒化珪素セラミックからなる耐摩耗部材２を、高Ｃｒ合金（金属４）で鋳ぐるみで固定し、プレート状のライナ（セラミック複合部材）１を構成したものである。

耐摩耗部材２は円柱状を成すものであり、図１に示すように、多数の耐摩耗部材２が１枚のライナ１に固定されている。
また、各耐摩耗部材２は、その円柱の筒軸方向一端が金属４内に入り込んでおり、筒軸方向他端がライナ１の表面に露出するように固定されている。

なお、金属４の構成としては、所定の強度、耐摩耗性等を有する限りにおいて、適宜決定することができるが、この実施形態では、その金属４を高Ｃｒ合金としている。
また、その高Ｃｒ合金の構成としては、一般的な高Ｃｒ合金を採用することができ、例えば、Ｃ：１〜３（ｍａｓｓ％）、Ｃr：１８〜２８（ｍａｓｓ％）とすることができる。なお、硬度は、例えば、４５ＨＳ以上とすることができる。

また、耐摩耗部材２として採用する窒化珪素セラミックの構成は、例えば、Ｓｉ_３Ｎ_４の含有率９２％とすることができる。

この実施形態では、窒化珪素セラミックからなる円柱部材として、φ１３．７Ｘ１３．７Ｌを用いた。

なお、実験により、熱衝撃による割れ回避の観点から、φ（直径）８〜φ２０までの円柱素材が最適であることが確認できた。これは、円柱素材である耐摩耗部材２の直径が小さすぎると、溶湯の熱衝撃に耐えきれず折れてしまうことがあり、また、直径が大きすぎると、円柱素材の軸心付近と外周面付近とで温度差が大きくなって、その温度差による熱応力により部材が折れてしまうことが考えられる。
このφ８〜φ２０という数値は、耐摩耗部材２が窒化珪素セラミックである場合においては、その耐摩耗部材２の前記金属４への埋め込み深さ等、ライナ１内における耐摩耗部材２の鋳ぐるみ位置や向きに関わらず、割れ等の防止に有効である。

また、前記金属４に鋳ぐるみで固定された隣り合う前記耐摩耗部材２同士の対向面間の最短距離を５ｍｍ以上とすれば、溶湯が耐摩耗部材２の間を円滑に流れて欠陥が発生しにくいため、耐摩耗部材２の固定が良好であることが確認できた。
この最短距離５ｍｍ以上という数値は、耐摩耗部材２が窒化珪素セラミックである場合においては、その耐摩耗部材２の形状、寸法、大きさ、ライナ１内における耐摩耗部材２の鋳ぐるみ位置や向きに関わらず、耐摩耗部材２の固定が良好である。

なお、鋳造の際には、例えば、鋳型に深さ３ｍｍの凹部を多数作り、その各凹部に円柱素材である耐摩耗部材２を固定する（塗型固定）。この状態で鋳型に溶湯を流し込む。なお、砂型に耐摩耗部材２を直接埋め込んで固定してもよい。溶湯を流し込む際は、通常よりも鋳湯速度を落とすことが、耐摩耗部材２の割れ防止に効果的である。

また、例えば、図３に示すように、耐摩耗部材２の断面を、下方に向かうにつれて（ライナ１の表面から遠ざかるにつれて）徐々に広くなる形状とすることもできる。このようにすれば、耐摩耗部材２が金属４から抜け出ることを防止することができる。なお、図３では、耐摩耗部材２の断面を円錐台状にしているが、この形状に限定されず、下方に向かうにつれて徐々に広くなる形状であれば、例えば、角錐台状などとすることもできる。
また、その断面は等脚台形状の断面に限定されず、耐摩耗部材２の側面の少なくとも一部が、上方から下方に向かうにつれて拡がるテーパ面となっていれば、前記抜け止めの効果を発揮し得る。

また、耐摩耗部材２は、図１や図３に示すように、ライナ１の表面に縦横（あるいは斜め方向）に一定の間隔で多数露出するように固定してもよいが、例えば、図４に示すように、軸状あるいは長手状の耐摩耗部材２’をライナ１’の面方向に対して並行に、複数本並列して金属４’内に固定したものを採用してもよい。耐摩耗部材２’は、当初はライナ１’の表面に露出していないが、金属４’の摩耗に伴って露出し、その後は、高い耐摩耗性能を発揮し得る。
なお、図４では、耐摩耗部材２’の長さ方向両端部が金属４’の側面から突出しているが、鋳造時にはこの突出部分が型枠に保持されるようになっており、鋳造後は、その突出部分が図中のラインｃで切断された上で使用される。

さらに、その軸状あるいは長手状の耐摩耗部材２’は、その一部がライナ１’の表面に露出するように金属４’に固定してもよい。例えば、図５に示すように、長手状の耐摩耗部材２’を複数本並行に配置して、その各耐摩耗部材２’の上部をライナ１’の表面から突出させた状態に固定したものである。この態様においても、耐摩耗部材２’の断面を、下方に向かうにつれて徐々に広くなる形状とすることもできる。

また、図６に示すように、耐摩耗部材２の側面に凹部を形成することによって、その凹部に金属４が入り込むことで、耐摩耗部材２の金属４からの抜け止めを図ることもできる。

また、比較実験として、
１．アランダムセラミック粒（φ５程度）
２．サーメット粒（φ５程度）
３．アルミナ系セラミック φ１２．７Ｘ３５０Ｌの円柱素材
４．アルミナ系セラミック φ１２．７Ｘ１２．７の円柱素材
を用いて同種のライナ１を作成したが、１，２では粒子が流れてしまい金属４に固定できず、３，４については溶湯の熱衝撃により耐摩耗部材２が折れたり砕けたりし、良好な固定はできなかった。

（実験例）
図２は、このライナ１を用いて、高炉設備の原料工程の途中に、原料６の落下を受け止める誘導プレート１０を配置した概念図である。ライナ１は、取付ボルト３によって、図示しない基台に複数枚並列して固定されて、誘導プレート１０を構成する。
コンベヤ５から原料６が継続して落下し、原料６は、誘導プレート１０に当たった後、その斜面に沿って滑り落ちていく。

図では、誘導プレート１０の全域を、前記窒化珪素セラミックからなる耐摩耗部材２を埋め込んだライナ１で構成しているが、実験では、その一部を従来の高Ｃｒ鋳鉄ライナとして、摩耗状況の比較を行った。なお、実験に用いた高Ｃｒ鋳鉄ライナの成分は、Ｃ：２．６（ｍａｓｓ％）、Ｃr：２６（ｍａｓｓ％）としているが、一般的な高Ｃｒ鋳鉄として、例えば、Ｃ：２．４〜３．０（ｍａｓｓ％）、Ｃr：２３〜２８（ｍａｓｓ％）の範囲を採用してもよい。

落下させる原料は、焼結鉱 φ４０〜８０３５０ｔ／ｈｒ、鉄鉱石 φ５０〜７０４００ｔ／ｈｒ、コークス φ３２以下５０ｔ／ｈｒである。
落下高さは１５００ｍｍ、稼働時間は８ｈｒ／日、寿命は、ライナを貫通する孔があくまでとした。

実験の結果、高Ｃｒ鋳鉄ライナが寿命３ケ月であったのに対し、前記窒化珪素セラミックからなる耐摩耗部材２を埋め込んだライナ１は、寿命１０ケ月となって、耐摩耗性の著しい向上が確認できた。

この実施形態では、セラミック複合部材として、高炉などの製鋼設備において、その工程の途中に、鉄鉱石や石炭等の原料や、処理材を誘導するためのシュートのライナ１に採用したが、窒化珪素セラミックを鋳ぐるみで固定した構成からなるこの発明のセラミック複合部材は、その他にも、例えば、破砕機、粉砕機、高炉部品、セメント、電力、環境分野等での一般耐摩耗ライナとして採用することができる。特に、竪型ミルのローラ、テーブルにも採用可能である。

一実施形態を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は要部拡大断面図（ａ）（ｂ）は、ライナを工程上に配置した状態を示す説明図他の実施形態を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は要部拡大断面図さらに他の実施形態を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図さらに他の実施形態を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は要部拡大断面図さらに他の実施形態を示す要部拡大断面図

符号の説明

１ライナ
２耐摩耗部材
３取付ボルト
４金属
５コンベヤ
６原料

Claims

窒化珪素セラミックからなる耐摩耗部材（２）を、金属（４）に鋳ぐるみで固定したことを特徴とするセラミック複合部材。
前記耐摩耗部材（２）は、その一部が表面に露出するように前記金属（４）に固定されていることを特徴とする請求項１に記載のセラミック複合部材。
前記耐摩耗部材（２）は円柱状を成すものであり、その円柱の筒軸方向一端が、前記金属（４）に鋳ぐるみで固定されていることを特徴とする請求項２に記載のセラミック複合部材。
前記金属（４）は、高Ｃｒ合金であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載のセラミック複合部材。