JP2010523820A - ワイヤ注入用ランス・ノズル挿入部 - Google Patents

Abstract

溶融金属の表面の下にある或る量または大量の溶融金属に添加物ワイヤを供給するための耐火性ランス用のランス・ノズル挿入部は、挿入部の耐腐食性を実質的に増大させる安定化酸化ジルコニウムおよびグラファイトで形成される。
【選択図】図３

Description

本発明は、金属を製造する方法および装置に関する。

スチール（steel：鋼、鋼材）の製造において、典型的には、適当な炉の中で鉄の溶融物（melt：溶解物）が生成され、次いでレードル（ladle：取鍋、柄杓）に注ぎ込まれまたは引き出され、そこで精錬または合金化のために１種以上の材料（ingredients：成分）と共に処理される。この時点で酸化物包有物浮遊選鉱（oxide inclusion flotation：酸化物包接物浮遊選鉱）、酸化物包有物形態修正（oxide inclusion morphology modification）、脱硫（desulfurization）、等のための精錬剤としてカルシウムがその溶融鉄材料に加えられることは、周知である。残念ながら、カルシウムの（スチールに比して）低い密度（比重）、カルシウムの揮発性（揮発度）および反応性によって、レードル中のその溶融材料にカルシウムを加えるための充分に満足できる処理を行う作業は著しく複雑なものになっている。

製鉄用レードル中の溶融材料にカルシウムを添加するために種々様々な技法が用いられてきた。カルシウム含有粒子状材料をバルク形態（大きい体積）で加える技法は、これが溶融材料中に充分な時間滞留まることなく急速にその表面に上昇する（浮かび上がる）ので、満足できるものではなかった。炉からの波打つような流れの中に直接その粒子状材料を注ぎ込むことによって、その粒子状材料の溶融材料中での滞留時間を長くするよう努力しても、カルシウムと雰囲気中の酸素との過剰な反応を生じさせる。クラッド発射体（clad projectile：クラッド弾丸）をその溶融物中に沈める（plunge：浸す）または注入（injection：発射）することによってカルシウム含有物質（材料）を導入する技法は、一般的に充分な滞留時間を実現するが、複雑で、高価で、時間のかかる手順である。耐火性ランス（lance：やり状の道具）を通して不活性ガスを注入することによって溶融材料中にカルシウム含有粉体を注入することも提案された。溶融鉄材料中でその粉体を前進（推進）させるには、相当な大きさのガス流が必要なので、そのガスが放出されるときにその溶融物の表面において高レベルの乱流が生じ、それによってその溶融鉄材料を大気（雰囲気）中の酸素および窒素に過度に曝すことになる。さらに、そのランスから出た後、このランスを取囲む不活性ガスのプルーム（plume：一筋の上昇流、煙）中の溶融物を通ってまたはそのプルームに隣接する膨張（upswelling：上昇）する溶融材料中で、カルシウムが急速に上昇する傾向がある。このように、カルシウムが浴槽（bath）中に滞留する時間は受け入れ難いほど短い。

上述の問題を克服する試みとして、溶融物の上表面を通って連続的に供給（給送）されるカルシウム金属含有ワイヤ（クラッド（被覆）またはアンクラッド（非被覆））の形態でカルシウムを製鉄用のレードルの中の金属に加えられた。ワイヤを供給（給送）する主な利点は、粉体を注入するときのように、カルシウム含有物質を溶融鉄材料中で前進（推進）させるための大きなガス流を必要としない点である。しかし、カルシウムの高い揮発性によって、表面ワイヤ供給において加えられるカルシウムの効率的利用の実現（達成）が妨げられる。そのワイヤ中のカルシウムが溶解（desolidify：分解、溶融、ディゾリディリファイ）する前にそのワイヤがその表面より下の充分に深い位置に侵入しなければ、そのカルシウムの滞留時間が短くなり、カルシウムの回収（回復）が少なくなり、その溶融物の処理が不均一になる。鋼鉄静圧（ferrostatic pressure：フェロスタティック圧力、鋼欣制圧）がカルシウムの蒸気圧に等しくなる深さより下にカルシウムが下降するまで、殆どまたは全ての添加（入力）カルシウムが未反応状態を維持することが、特に重要である。この目的を達成するのは、たとえクラッド・カルシウム金属含有ワイヤを使用しても、困難である。カルシウムがその蒸気圧よりも低い鋼鉄静圧で溶解（分解）すると、溶融物の表面へと急速に上昇する大きなカルシウムのガス・バブル（気泡）が形成される。その結果、溶融鉄材料の処理が不効率で不均一になり、溶融物の表面において大量の乱流が発生する。

出願人に譲渡された米国特許第４，５１２，８００号には、溶融材料の表面のすぐ下に配置可能な出口を有する耐熱性ランスを使用して、大量の溶融材料中で例えばカルシウム含有ワイヤのようなワイヤ形態の添加物を直接処理して、溶融鉄材料を処理する装置および方法が開示されている。このようなランス装置では、そのワイヤは、ランス中を通る通路中に供給され、その通路中にそのワイヤと一緒に不活性ガスを同時に注入して、ガス・バブル（気泡）による攪拌によって溶融材料を攪拌している間に溶融材料の凝固によってそのランスが詰まることが防止される。

そのランスの使用によって、カルシウム含有ワイヤは溶融槽（molten bath）の表面より下の或る深さで溶解して溶融鉄材料と反応することができ、そこ（その深さ）では、鋼鉄静圧（鋼欣静圧）はその溶融鉄材料の温度でカルシウムの蒸気圧よりも高くなる。そのワイヤの密度（比重）が溶融物の密度より小さいことによってワイヤに浮力が生じるので、カルシウム・ワイヤは曲がる。

カルシウムの蒸気圧よりも高い鋼鉄静圧でカルシウムが溶解（desolidification：分解）することによって、溶融によって液状（流動性）カルシウム小球粒が生成され、その小球粒は、カルシウムのガス・バブルが上昇するときに比して溶融物中を遥かに低速で上昇する（従って遙かに長い滞留時間を実現する）。この液状小球粒が溶融鉄材料中をゆっくりと上昇するので、包有物と反応しない流動性小球粒は、最終的には極めて大量の小さなガス・バブルに変換され、これらのガス・バブルは溶融物の表面に到達するときに過剰な乱流を生じさせることはない。さらに、そのランスは、一般的に、これらの液状カルシウムの小球粒が溶融鉄材料の沈降流（downwelling）の領域を通って上昇してカルシウム添加物の効率的利用を促進するように、配置される。

米国特許第４，５１２，８００号 米国特許第４，２３５，３６２号

実施形態によれば、溶融金属の表面の下にある或る量または大量の溶融金属に添加物ワイヤ（ワイヤ型の添加物）を供給するための耐火性ランス用のランス・ノズル挿入部が開示されている。ランス・ノズル挿入部は、入口および出口と、そのランスを通して供給されるその添加物ワイヤ用のその入口と出口との間に設けられた通路とを含んでいる。ランス・ノズル挿入部は、安定化酸化ジルコニウム、グラファイトおよび樹脂を含む材料で形成されている。グラファイトは、天然グラファイトまたは合成グラファイトであってもよいが、天然の鱗片状またはフレーク状（flake）グラファイトであることが好ましい。

他の実施形態によれば、溶融金属の表面の下にある或る量または大量の溶融金属に添加物ワイヤを供給または注入するためのランスが開示されている。このランスは、そのワイヤを出口に移送する（運ぶ、搬送する）ための通路を内部に設けた（形成する）導管を有する耐火ケーシング（外皮、覆い、鞘）を含み、そのワイヤはその出口を通ってそのランスから出て行く。その出口はそのランスの端部に設けられており、溶融金属の表面の下に沈められる（浸される）。ランス・ノズル挿入部が、その導管と連通してその耐火ケーシング内に配置されており、その出口を形成する。そのランス・ノズル挿入部は、安定化酸化ジルコニウム、グラファイトおよび樹脂を含む材料で形成されている。そのグラファイトは、天然グラファイトまたは合成グラファイトであってもよいが、天然鱗片状グラファイトであることが好ましい。

そのランスのノズル・チップ端部（先端部）は、溶融金属が処理される充分な長さの時間だけその溶融金属中に沈められる（浸漬される）ので、そのランス・ノズル挿入部はその溶融金属によって与えられる過酷な状態に曝される。その安定化（安定化された）酸化ジルコニウムとグラファイトの組成物は、ランス注入部で現在使用されている純粋なカーボンと比べてより良好な耐温度特性および耐腐食性を発揮することができ、この過酷な環境でのランス・ノズル挿入部の耐久性を高める（改善する）ことができる。その結果、本発明のランス・ノズル挿入部は、通常のランス・ノズル挿入部と比べて充分または実質的に長い動作寿命を有する。

そのランスの耐火ケーシングは、主要部分とランス・チップ部分の２つの部分（部品）で形成することができる。この構成では、主要部分は導管の主要部分を含み、ランス・チップ（tip：先端）部分はその導管の第２の部分とそのランス・ノズル挿入部とを含んでいる。その導管のその主要部分および第２の部分は、互いに取り外し可能な形態で係合または嵌合するように構成され且つ適合化されており、それによってそのランス・チップ部分は必要に応じてそのランスの主要部分から取り外すことができるようになっている。これによって、そのランス・ノズル挿入部が、溶融金属の環境における腐食効果、またはそのランス・ノズル挿入部中を通過する添加物ワイヤによる機械的摩耗のいずれかによって過剰に摩耗した（worn：損耗を生じた）場合には、そのランス・チップ部分を新しいものと交換することができるであろう。

以下、本発明の種々の実施形態について図を参照して説明する。図面において、同じ参照番号は同様の構成要素を示す。

図１は、ワイヤ形態の添加物で或る量または大量の溶融金属を処理するために使用されるランス装置の斜視図である。 図２は、図１のランス装置の部分切欠き斜視図である。 図３は、図１および図２のランスに設けられたランス・ノズル挿入部の側面図である。 図４は、線３−３（図２）に沿った図３のランスの出口端部の断面図である。 図５は、図１のランスの別の実施形態の出口端の断面図である。

全ての図面は構成を概略的に例示したもので、ここに示された構成は所定の縮尺で示そうとしたものではない。本発明は、これらの図面に示された構成、配置および手段に限定されるものではなく、請求の範囲によって定められるものである、と理解すべきである。

図１は、ワイヤ２０の形態で設けられた１つ以上の処理要素（processing elements）を使用して溶融金属生成物（製品）を処理するためのワイヤ注入ランス装置の概要を示している。このような装置の典型的な適用例では、カルシウム含有ワイヤでレードル（ladle）中の鉄溶融金属を処理する。ワイヤ２０はリール２２から容器５２（例えば、鉄溶融金属のレードル）中の或る量または大量の溶融金属５６まで移送される（運ばれる、搬送される）。このような供給（給送）作業を行うために、供給装置（供給（給送）機構（メカニズム））２４は、リール２２からワイヤを引き出し、そのワイヤを供給路に沿って移送する（運ぶ、搬送する）。出口部分に隣接して、特に耐火性ランス６０の近傍で、ワイヤ２０は気密性の（gas-tight）導管４４内へと導かれる（搬送される）。この気密性導管に不活性ガスが供給され、また不活性ガスの入口のすぐ上流に配置された封止機構（シール・メカニズム）３０によって、その供給路に沿う後方向にワイヤ２０を取囲む不活性ガスの損失が防止される。導管４４は、ランス６０内にまで伸びており、ランス６０中を通るワイヤ２０に対する通路を形成している。

適切なワイヤ供給装置２４の詳細な説明は、米国特許第４，２３５，３６２号から取得することができる。ここで、米国特許第４，２３５，３６２号の記載内容を参照により組み込む。被覆（seathed：シース入り、鞘入り）ワイヤと非被覆（unseathed：シースなし、鞘なし）ワイヤの双方を含めて広範囲にわたる寸法および組成のワイヤを使用することができる。溶融金属を処理するために使用される、例えばカルシウム含有ワイヤのようなワイヤは、一般的に、かなり硬い（曲がりにくい）ワイヤとなる寸法および組成（構成）を有する。従って、供給装置およびワイヤ給送（carrying：担持、搬送）部材は激しい摩耗に耐えることができるものでなければならない。さらに、供給している期間中においてその比較的硬い（曲がりにくい）ワイヤは、そのワイヤ供給路に沿う種々の不連続性およびそのワイヤ中に存在し得る突出物および曲がりのせいで、或る量の振動および横方向の変位が生じる傾向がある。

実施形態による図２に詳細に示されたランス６０は、導管７８を取り囲む耐火セラミック・ケーシング６２を含んでいる。耐火ケーシング６２の部分は、アルミナシリカ耐火材料、またはキルン（kiln：焼成炉）等をライニングする（line：内側を覆う）のに使用されるようなその他の任意の適当な耐火材料で形成することができる。導管７８には通路８６が設けられており、この通路８６を通ってワイヤ２０が移送され（搬送され）、そのワイヤは出口８４を通って出る。出口８４はランス・ノズル挿入部７０によって形成されている。ランス・ノズル挿入部７０は、これを長手方向（縦方向）に貫通して伸びる通路８０を有し、導管７８の通路８６を出口８４にまで伸ばしている。

図３は、実施形態によるランス・ノズル挿入部７０の詳細な平面図を示している。ランス・ノズル挿入部７０は、ワイヤ２０を移送する（運ぶ、搬送する）ための、内部を貫通して長手方向に伸びる通路８０を有する概ね細長い形状を有する。図示されたランス・ノズル挿入部７０は、この実施形態では、概ね円筒（円柱）形状の外形を有するが、ランス・ノズル挿入部７０はこのような形状に限定される必要はない。例えば、ランス・ノズル挿入部は、四辺形の細長い形状を有するか、またはワイヤ２０を移送する（運ぶ）ための（内部を貫通する）通路８０を有するものである限り、製造に適したその他の任意の形状を有するものでもよい。通路８０の一端は出口８４になっており、ワイヤ２０はこの出口８４から溶融金属中に出て行く。ランス・ノズル挿入部７０の反対側の端部は導管７８と係合または嵌合する（engage with）ように構成され適合化されている。例えば、この例では、ランス・ノズル挿入部７０はその入口端にネック部分７４を有し、そのネック部分７４は（図４に示すように）導管７８の凹所７７内に嵌入する（嵌合する、入り込んで係合する）ようにランス・ノズル挿入部７０の他の部分よりも小さい外径を有する。通路８０の入口８３は、じょうご状の（funnel）入口を形成するようにじょうご状に拡がっている。この拡大した開口によって、ワイヤが導管７８の部分からランス・ノズル挿入部７０に移行（transitioned：移送）されるときに、ワイヤにねじれ（kinks）または引っかかり（jam）を生じさせることなく滑らかに前進させることができる。これは、ランス６０を通してワイヤ２０を最初に供給するときに、特に有効である（役立つ）。

図４を参照して、線３−３に沿った図２のランス６０の詳細な断面図について説明する。ランス・ノズル挿入部７０および導管７８は、適当な形態で互いに係合または嵌合するように構成され且つ適合化されている。例えば、例示した実施形態では、ランス・ノズル挿入部７０は、導管７８の端部に設けられた凹所７７内に嵌入することによって導管７８と係合または嵌合するネック部分７４を有する。ランス・ノズル挿入部７０および導管７８は、これらが耐火ケーシング６２内に収容（挿入）される前に共に組立てられるであろう。従って、導管７８の通路８６とランス・ノズル挿入部７０の通路８０とは、ワイヤ２０に対して連続する通路を形成する。ワイヤ２０は、矢印Ａで示す方向に前進する。ランス・ノズル挿入部７０内の通路８０の直径は、概して、ワイヤ２０の直径に非常に近く、導管７８の通路８６の直径よりも小さい。この構成は、導管７８を通してポンプで送り込まれている不活性ガスの正圧（positive pressure）と共同して、溶融金属の任意の部分が通路８０内に進入する（それによってランスを詰まらせる）のを防止することができる。

ランス・ノズル挿入部７０の外表面には、そのノズル挿入部を取り囲む耐火ケーシング６２とノズル挿入部との機械的なロッキング（mechanical locking：ゆるみ止め）を促進する或る輪郭表面構造（contour surface structure）が形成されていることが好ましい。この実施形態では、ランス・ノズル挿入部７０は、その外表面に、窪んだ溝（凹状チャネル）７２が設けられている。ランス６０は、導管７８およびランス・ノズル挿入部７０の周囲に耐火物（材料）を鋳造（キャスティング）または成型（モールド）することによって形成され、ランス・ノズル挿入部７０の輪郭表面によって、機械的ロッキングによってノズル・チップが耐火ケーシング６２内に確実にしっかりと保持される。

次に、図５を参照すると、これにはランス６０ａの別の実施形態が示されている。この実施形態では、ランス６０ａは、主要部分６６とノズル部分６８の２つの部分の形で設けられている。ノズル部分６８は、その中に設けられたランス・ノズル挿入部７０と第１の導管部分７８ａとを有し、主要部分６６はその中に設けられた第２の導管部分７８ｂを有する。

ランス・ノズル挿入部７０はノズル部分６８の終端部に出口８４を形成し、一方、第１の導管部分７８ａは、主要部分６６と取り外し可能な形態で係合または嵌合するノズル部分６８の入口端を形成する。第１の導管部分７８ａは、その一端においてランス・ノズル挿入部７０と係合または嵌合するように構成され適合化されており、その他端において第２の導管部分７８ｂと取り外し可能な形態で係合または嵌合するように構成され適合化されている。第２の導管部分７８ｂは、第１の導管部分７８ａと係合または嵌合するように構成され適合化されている。例えば、第１の導管部分７８ａにはその延長部分にネジが切られたネック７９ａが設けられ、第２の導管部分７８ｂにはそのネジが切られたネック７９ａと螺合するようにネジが切られた窪んだ部分７９ｂが設けられてもよい。従って、ランス・ノズル部分６８と主要部分６６とは、第１の導管部分７８ａと第２の導管部分７８ｂとを互いに螺合結合させることによって、一緒に組立てられる。図５に示すように、第１の導管部分７８ａと第２の導管部分７８ｂとはノズル部分６８および主要部分６６内でそれぞれ中心に位置していることが好ましく、それによってその２つのランス部分を一緒に組立てたときに、これらは一体的なランス・ノズル６０ａを形成するように構成されている。第１の導管部分７８ａと第２の導管部分７８ｂはワイヤ２０用の通路を形成している。この実施形態は、ランス・ノズル挿入部７０が非常に高い腐食性の環境、および／またはランス・ノズル挿入部７０の交換を必要とするようなワイヤ２０による機械的摩耗が大きい環境、および／または後続するスチール（鋼、鋼材）への浸漬（dipping）による耐火ケーシング６２の熱衝撃（ショック）を受ける環境に曝される場合に有効である。このような状況では、ランス全体を交換する必要はなく、ランス６０ａのノズル部分６８のみを交換する必要があるに過ぎない。これによって、ユーザにとって遙かにより経済的な技術が実現される。

ランス・ノズル６０全体は、溶融金属のリザーバ（貯蔵槽）中に予め選択された深さにまで伸延するのに充分な長さに形成される。ワイヤ形態の添加物は、スラグ／金属の境界面から下に約２フィート乃至約８フィート（約６１ｃｍ乃至約２４４ｃｍ）の位置でノズルから放出されるのが、通常、好ましい。従って、そのスラグ（鉱滓）および金属の高い温度および腐食性を適切に考慮して、耐火ケーシング６２は、一般的に約１０フィート乃至約１５フィート（約３０５ｃｍ乃至約４５７ｃｍ）のオーダ（程度）の長さである。

ランス・ノズル６０は、適切な機械的リンク機構（リンケージ）によって、金属の容器５２に対して上下させることができ、または逆に金属の容器５２をランス・ノズル６０に対して上下させることができる。図１に概略的に示すように、ヨーク・アセンブリ４８を含むウィンチ／運搬システムによって金属の容器５２を運搬することができる。代替形態として、供給メカニズム（供給機構）全体を１つのユニットとして上下させることが好ましいことがある。いずれにしても、導管４４を曲げる（flexing）ことを回避することが有益である。

溶融金属５６の表面から充分に下の位置でその溶融金属５６に対してワイヤ形態の添加物（添加剤）を加えるためには、その溶融金属中のかなりの流体圧力に打ち勝つ（を克服する）必要がある。流体圧力は、勿論、溶融金属の表面の下の深さの関数になる。特定の圧力は、特定の金属に応じて決まる（依存する）が、１〜２メートルの深さでは通常かなりの（充分な）大きさになる。溶融金属５６がノズル内を上昇するのを防止するために、供給される不活性ガスの圧力は、この流体圧力に打ち勝つ大きさでなければならない。もし幾らかの溶融金属がノズル内に入り込むことを許容すると、溶融金属が凝固することによって、ワイヤ２０が直ちに導管壁に捕捉されて導管壁に溶着される可能性がある。

実施形態によれば、ランス・ノズル挿入部７０の有効寿命すなわち耐久性を改善するために、ランス・ノズル挿入部は、より高い耐酸化性（酸化抵抗）および耐スラグ腐食性（スラグ腐食抵抗）を有し、かつ同時にさらにカルシウムのワイヤをランス・ノズル挿入部を通して高速で供給するのを助けるために低摩擦の表面を有する新しい材料、で作られる。より高い耐酸化性とより高い耐スラグ腐食性によって、ランス・ノズル挿入部の有効寿命が遙かにより長くなり、従ってそのランスの有効寿命期間におけるそのノズル挿入部の交換を遙かに少ない頻度で行えば済み、またはその交換が必要でなくなる可能性もある。

ランス・ノズル挿入部用の新しい材料は、安定化酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、グラファイト、およびこれらの材料を互いに保持する（結合する）樹脂バインダを含んでいる。この材料は約６０乃至約８５重量％のＺｒＯ２と、約１０乃至約３６重量％のグラファイトと、約４乃至約１５重量％の樹脂バインダとを含んでいる。この材料は、好ましくは、約６７乃至約７７重量％のＺｒＯ２と、約１９乃至約２６重量％のグラファイトと、約４乃至約８重量％の樹脂バインダとを含んでいる。ＺｒＯ２の粒子は、ノズル・チップ中で、鉄溶融金属中のレードル・スラグに対して高い耐腐食性を示す（与える）。しかし、ＺｒＯ２は、後続する熱サイクルによる相変態（phase transformations：相変換）によって生じる熱的スポーリング（thermal spalling：熱的剥離、熱的破砕）を避けるために安定化されている必要がある。ＺｒＯ２は、幾つかの酸化物、即ちＣａＯ、ＭｇＯ、Ｙ２Ｏ３またはＣｅＯで安定化することができる。典型的なレードル・スラグは、上昇した石灰濃度（lime concentrations）を含んでおり、このような条件下ではＣａＯが好ましい安定化剤である。その理由は、それが、このような環境に対する安定化されたＺｒＯ２の熱力学的に最も安定した形態だからであるからである。

新しい材料では、ＺｒＯ２と組み合わせた（結合した）グラファイトの存在によって、ランス・ノズル挿入部の熱衝撃に対する耐性を高めることができる。そのグラファイト成分は、天然グラファイトまたは合成グラファイトとすることができる。但し、天然鱗片状グラファイト（アモルファス（非晶質、無定形）グラファイトが天然グラファイトのその他の一般的な形態のものである）が好ましい。その理由は、天然鱗片状グラファイトは、高い耐酸化性を有し、ノズル挿入部の耐酸化特性を増大させるからである。そのＺｒＯ２／グラファイト混合物の耐腐食性は、純粋なカーボン（炭素）で形成された現在のランス・ノズル挿入部と比べてかなり（有意に）高い。

ＺｒＯ２の粒子は非常に硬く且つ鋭い端縁（エッジ、角）を有するので、細かい粒度（微細な粒子サイズ（寸法）、微細粒度）の分布（３２５メッシュ、即ち４４ミクロン以下の粒度）であることが、ＺｒＯ２の機械的摩擦および摩耗特性を最小にするために、好ましい。もし粒度分布がこのような微細なサイズ（粒度）に制御されなければ、ランス・ノズル挿入部７０を通してワイヤを供給することにより、ランス・ノズル挿入部７０の内側ボア（inner bore：内口、穴）にそのランス・ノズル挿入部の寿命を短くするであろう過剰な機械的摩耗が観察されるかもしれない。

ランス・ノズル挿入部の製造プロセス（方法、処理）は、ＺｒＯ２のパウダー（粉末、粉体）とグラファイトを混合する工程を含む（involve：に関係する）。その際、上述の特定された量の樹脂バインダが混合物（ＺｒＯ２のパウダーとグラファイトの混合物）に加えられて可塑性混合物が生成される。以下、これをスラリー（slurry）と称する。樹脂バインダは、液体と固形パウダー（粉末、粉体）形態の組合せ（combination）中に加えられる熱硬化性バインダ材料であることが好ましい。パウダーと液体樹脂は、共にフェノール−ホルムアルデヒドポリマー樹脂である。パウダー樹脂はノボラック（novolak）に分類でき、液体樹脂はレゾール（resole）に分類できる。パウダー樹脂と液体樹脂は、パウダー／液体の重量パーセント比で約６０／４０乃至約４０／６０、好ましくは約５０／５０の比で調製（使用）される。そのスラリーは、そのスラリーが６０°Ｃ（１４０°Ｆ）の温度に達するまで、連続して混合される。機械的混合作用によるスラリー材料の内部摩擦によって、混合処理期間中にスラリーの温度は上昇する。この段階で、そのブレンド（混合）されたスラリーは、液体樹脂によって結合されたその混合材料の小球体（globules）を含む。一般的に、その材料を均一または均質に混合することができるように加えられる液体樹脂の量は、次の成型（モールド）ステップのための（における）最適な量よりも多いので、そのスラリーは次に回転炉中で乾燥される。その乾燥ステップは、成型（モールド）ステップにおける望ましい含水率（moisture content：含水量）を有するスラリーを製造するように、温度と持続時間に関して設計される。次いで、その乾燥したスラリーはランス・ノズル挿入部のための所望の形状に成型されて、熱処理される。

水を使用してスラリーを形成する場合と比較して、有機樹脂を使用してそのスラリーを形成する利点の１つは、次の通りである。水を使用した場合には、後続の熱処理ステップ期間において水が蒸発して気孔（pores：細孔）を後に残し、その結果としてランス・ノズル挿入部７０に許容できないほど高い多孔率（prosity：気孔率、空隙率、孔隙率、間隙率）を生じることである。一方、有機樹脂は、後続の熱処理期間中に部分的に燃えつきて、カーボン（炭素）の残渣を後に残す。このカーボンの残渣物質は、多孔率の低下を促進し、そのランス・ノズル挿入部の特性（性能）を増強する（増大させる）。多孔率は高くないことが望ましい。その理由は、気孔は、そのランス・ノズル挿入部が溶融金属に浸漬されたときに、そのランス・ノズル挿入部に働く（を攻撃する）腐食メカニズムを促進するからである。

純粋なジルコニア（酸化ジルコニウム）は、ランス・ノズル挿入部に現在用いられている純粋なカーボンよりもより良好な耐腐食性を有するが、単斜晶系の正方晶系（monoclinic tetragonal）の結晶構造であることにより熱衝撃に対する耐性が低いので、適していない。しかし、立方晶系（cubic）構造を有する安定化ＺｒＯ２は、熱衝撃に対する耐性に優れ、従ってランス・ノズル挿入部への適用により適している。ＺｒＯ２にグラファイトを混合することによって、熱衝撃に対する耐性と表面摩耗特性（即ち摩擦特性）はさらに改善されて、より耐久性のある（長寿命の）ランス・ノズル挿入部が得られる。試験の結果、通常の純粋なカーボンで作られたランス・ノズル挿入部に比して、ＺｒＯ２ベースの（を基材とする）ランス・ノズル挿入部の有効寿命は、約２乃至約２０倍改善されることが示された（明らかになった）。

予め乾燥されたスラリーをランス・ノズル挿入部の形に形成するための成型（モールド）工程は、このような特定の材料の混合（ブレンド）およびその挿入部の最終成形（形状）のために働くであろう利用可能な種々の成型処理プロセスのうちの任意の１つとすることができる。このような成型処理プロセスの一例は、等静圧圧縮成型法（isostatic molding：静水圧成型法）である。等静圧圧縮成型法は、成型圧力が一方向のみに加えられる圧縮成型（compression molding）とは違って、製造中のパーツ（部品）の周囲の全ての方向から成型圧力が均等に加えられるプロセスである。等静圧圧縮成型されたパーツは最終製品に近い形状（near net shape：ニア・ネット・シェイプ）に作られ、従ってその他の成型方法に比して無駄に消費される材料の発生がかなり（有意に）減少する。等静圧圧縮成型されたパーツは、一般的に、高コンシステント（consistent：均質な、調和した）材料特性を有する。等静圧圧縮成型法は、水性液体（hydraulic fluid）が満たされた高圧容器中に鋳型（モールド）を配置することによって、その鋳型に圧力を加える。５０００乃至２００００ｐｓｉ（ポンド／平方インチ）（約３５２ｋｇ／１平方センチメートル乃至約１４０７ｋｇ／１平方センチメートル）またはそれより高い水圧を使用してもよい。このような高い静水圧では、成型パーツにおける多孔率がより低く、また成型パーツにおける細孔径（サイズ）分布がより好ましいものとなる。

次に、等静圧圧縮成型されたランス・ノズル挿入部は、ポリーマー樹脂から有機性蒸気を蒸発させるために約１８０°Ｃの温度で硬化される。次いで、ランス・ノズル挿入部は、還元性雰囲気（reducing atmosphere）中で好ましくは約８００°Ｃ乃至約１２００°Ｃの温度で焼成される。必要に応じて、寸法（dimensions）をプリント（print：刻印）するために、ランス・ノズル挿入部をさらに機械加工してもよい。

ワイヤ２０が供給されるに従って、そのワイヤは通路８０内の許容された空間の周りで振動しまたはガタガタ動くことと予期される。しかし、そのワイヤは、たとえ通路８０の側壁に寄りかかったとしても、排出通路８０中で概ね中心に配置された状態を維持する。ワイヤ２０と通路８０の側壁との間に開いたままに残された間隔（スペース）は、置換された溶融金属の流体圧にガス圧が打ち勝つのに充分な程度に小さい。そうしないと、それ（その溶融金属）はノズルを上昇する（flow up：上向きに流動する）傾向がある。ワイヤと不活性ガスの相互作用的な動きによって、詰まりそうになるのに耐える（抗する）ノズルの能力（耐閉塞性）を高くすることができる。

ワイヤ供給システムには不活性ガスの逆流を防止するためのシール機構３０が設けられている。シール機構３０は、少なくとも１対の対向する（両側の）ピストン３２を有するハウジングを含み、これらのピストンは、その間を移動するワイヤ２０と摺動的に（スライド可能形態で、滑動的に）係合または嵌合する輪郭形状の（contoured）シール面を有し、それ（ピストンのシール面）は前進する添加物ワイヤ２０を気密状態で捕まえる（clasp：捕捉して握り締める）。対向するピストン３２の下流で、不活性ガス源３１から導管３３を通してワイヤ２０の領域に不活性ガスが供給され、このとき、ワイヤはシール機構３０からランス６０に至る気密性導管４４内に包み込まれる（enclose：包囲される、封入される、封止される）。対向するピストン３２をワイヤ２０に向けて駆動するために、圧縮空気源３４を使用するのが好ましい。スプリング・バイアス（スプリングによる偏位）、水圧またはこれに類似するものも使用可能である。多岐管（manifold：連結間、マニホールド）３６を用いて圧縮機３４または他の供給源の空気圧を均等に分配してもよい。シール機構３０の個々の構成の詳細は、出願人に譲渡された米国特許第４，５１２，８００号中に開示されている。ここで、その記載内容を参照により組み込む。

適当な制御機構を、ピンチローラ式のワイヤ供給装置２４および不活性ガス圧制御装置４２に同時に結合してもよい。不活性ガスの浪費を防止するために、ワイヤがシール機構３０の対向するピストン３２によって捕らえられるまでガス圧制御装置４２は閉鎖（閉じた）状態を保つべきである。いずれにしても、ワイヤ注入用ランス６０が溶融金属５６またはその上のスラグ５４の近傍に移動して来るまでは、特にガス圧は必要でない。この時点で、供給装置および不活性ガス圧制御装置は同時に付勢され、そのノズルは溶融金属中に突っ込まれる。溶融添加物および不活性ガスは、ノズルのオリフィスから（において）スラグ／金属の境界面の充分に下に放出（供給）される。

本発明の基本的な特徴について説明したが、更なる変更または変形は当業者には明らかである。このような全ての変更または変形も請求の範囲に含まれると考えられるものである。本発明の真の範囲を示すには、明細書の上述の説明ではなく請求の範囲を参照するべきである。

Claims (23)

1. 或る量の溶融金属の表面の下にある前記溶融金属に添加物ワイヤを供給するための耐火性ランス用のランス・ノズル挿入部であって、
   入口および出口と、
   前記ランスを通して供給される前記添加物ワイヤ用の前記入口と前記出口の間に設けられた通路と、
   を含み、
   安定化酸化ジルコニウムおよびグラファイトを含む材料で形成された、ランス・ノズル挿入部。
2. 前記グラファイトは天然グラファイトである、請求項１に記載のランス・ノズル挿入部。
3. 前記グラファイトは天然鱗片状グラファイトである、請求項２に記載のランス・ノズル挿入部。
4. 前記グラファイトは合成グラファイトである、請求項１に記載のランス・ノズル挿入部。
5. 前記ランス・ノズル挿入部用の材料はさらに熱硬化性樹脂バインダを含むものである、請求項１に記載のランス・ノズル挿入部。
6. 前記ランス・ノズル挿入部用の材料は、約６０乃至約８５重量％の安定化酸化ジルコニウムと、約１０乃至約３６重量％のグラファイトとを含むものである、請求項１に記載のランス・ノズル挿入部。
7. 前記ランス・ノズル挿入部用の材料は、約６０乃至約８５重量％の安定化酸化ジルコニウムと、約１０乃至約３６重量％のグラファイトと、約４乃至約１５重量％の熱硬化性樹脂バインダとを含むものである、請求項５に記載のランス・ノズル挿入部。
8. 前記ランス・ノズル挿入部用の材料は、約６７乃至約７７重量％の安定化酸化ジルコニウムと、約１９乃至約２９重量％のグラファイトと、約４乃至約８重量％の熱硬化性樹脂バインダとを含むものである、請求項５に記載のランス・ノズル挿入部。
9. 前記酸化ジルコニウムは、ＣａＯ、ＭｇＯ、Ｙ２Ｏ３、およびＣｅＯからなる群から選ばれた酸化物で安定化されているものである、請求項１に記載のランス・ノズル挿入部。
10. 或る量の溶融金属の表面の下にある前記溶融金属に添加物ワイヤを供給するためのランスであって、
    出口を有する耐火ケーシングと、
    前記耐火ケーシング内に配置され、前記ワイヤを前記出口に移動させるための通路を形成する導管と、
    前記耐火ケーシング内に設けられており、前記導管と連通し、前記出口を形成するランス・ノズル挿入部であって、安定化酸化ジルコニウムおよびグラファイトを含む材料で形成されたランス・ノズル挿入部と、
    を含む、ランス。
11. 前記グラファイトは天然グラファイトである、請求項１０に記載のランス。
12. 前記グラファイトは天然鱗片状グラファイトである、請求項１１に記載のランス。
13. 前記グラファイトは合成グラファイトである、請求項１０に記載のランス。
14. 前記ランス・ノズル挿入部用の材料は、さらに熱硬化性樹脂バインダを含むものである、請求項１０に記載のランス。
15. 前記ランス・ノズル挿入部用の材料は、約６０乃至約８５重量％の安定化酸化ジルコニウムと、約１０乃至約３６重量％のグラファイトとを含むものである、請求項１０に記載のランス。
16. 前記ランス・ノズル挿入部用の材料は、約６０乃至約８５重量％の安定化酸化ジルコニウムと、約１０乃至約３６重量％のグラファイトと、約４乃至約１５重量％の熱硬化性樹脂バインダとを含むものである、請求項１４に記載のランス。
17. 前記ランス・ノズル挿入部用の材料は、約６７乃至約７７重量％の安定化酸化ジルコニウムと、約１９乃至約２９重量％のグラファイトと、約４乃至約８重量％の熱硬化性樹脂バインダとを含むものである、請求項１４に記載のランス。
18. 前記酸化ジルコニウムは、ＣａＯ、ＭｇＯ、Ｙ２Ｏ３、およびＣｅＯからなる群から選ばれた酸化物で安定化されているものである、請求項１０に記載のランス。
19. 前記耐火ケーシングは、
    前記ランス・ノズル挿入部と、前記導管内に設けられた前記導管の第１の部分とを有するノズル部分と、
    前記導管内に設けられた前記導管の第２の部分を有する主要部分と、
    を含み、
    前記導管の前記第１の部分と前記第２の部分は、前記ワイヤを前記出口に移動させるための通路を形成するように係合しているものである、請求項１０に記載のランス。
20. 前記主要部分および前記ノズル部分は、前記ノズル部分を交換することができるように互いに取り外し可能な形態で係合するよう適合化され且つ構成されているものである、請求項１９に記載のランス。
21. 前記導管の前記第１の部分および前記第２の部分には螺合用ネジが設けられており、前記耐火ケーシングの前記主要部分および前記ノズル部分は、前記螺合用ネジの作用によって互いに螺合可能に係合するものである、請求項２０に記載のランス。
22. 前記ランス・ノズル挿入部は、成型によって形成されたものである、請求項１に記載のランス・ノズル挿入部の製造方法。
23. 前記ランス・ノズル挿入部は、等静圧圧縮成型法によって形成されたものである、請求項１に記載のランス・ノズル挿入部の製造方法。

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