JP2019510878A - 耐摩耗性複合材料、冶金用炉の冷却素子へのその適用、及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

第１の金属を含む本体を有するスタブ冷却器又は羽口冷却器などの冶金炉冷却素子の当り面のための耐磨耗性材料。この耐摩耗性材料は、耐摩耗性粒子を含むマクロ複合材料を含み、この耐摩耗性粒子は、第２の金属のマトリクスに浸入される実質的に繰り返される設計された配置に並べられ、かつ第２の金属より高い硬度を有する。冶金炉用の冷却素子は、第１の金属で構成される本体を有し、この本体は、上記耐摩耗性材料を含む対面層を有する。方法は、耐摩耗性粒子の設計された配置を型穴内にて、対面層を画定する型穴の領域に配置し、溶融金属を型穴内に導入することを含み、この溶融金属は、冷却素子本体の第1の金属を含む。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１６年２月１８日に出願された米国仮特許出願第６２／２９６９４４号の優先権及び利益を主張し、その内容は参照により本明細書に組み込まれる。

本発明は、概して高炉用ステーブ冷却器及び羽口冷却器などの冶金用炉のための冷却素子に関し、特に、熱的導電性金属のマトリクスに配置された耐摩耗性粒子を含む複合材料の層が設けられた当り面(working face)を有する冷却素子に関する。

様々なタイプの冶金用炉が金属の生産に使用されている。そのプロセスは、通常、高温を伴い、生成物は溶融金属及びプロセス副生成物、一般にはスラグ及びガスである。炉壁は、典型的には銅又は鋳鉄を含む冷却素子で裏打ちすることができ、冷却剤、典型的には水を循環させるための内部流路を備えることができる。例えば、高炉の壁は、典型的にはステーブ冷却器及び／又は羽口冷却器などの水冷冷却素子で裏打ちされる。

ステーブ冷却器は、炉内部に存在する高温の研磨材と接触することにより起こる摩耗を受ける。例えば、高炉においてステーブ冷却器は、コークス、石灰石フラックス、及び鉄鉱石を含む下降装入原料と接触している。下降してくる原料は熱く、様々なサイズ、重量及び形状の粒子を含有し、その硬度は、ステーブを製造するために典型的に使用される材料の硬度よりも高い。結果として、ステーブ冷却器は摩耗し易く、摩耗したステーブ冷却器は典型的には運転停止する。これはつまり、冷却が行われず、ステーブが完全に劣化することを意味する。これにより炉の外殻がオーバーヒートの状態になり、次には炉の外殻が破裂するに至り得る。

羽口冷却器は、ガス混入炭素系固体に起因する内壁の侵食を受け、そして、未燃焼の炭素系固体及び溶融金属滴との接触による外壁の摩耗及び侵食も受ける。その結果、羽口冷却器は非常に摩耗の影響を受けやすく、ひいては水漏れを招くこととなる。羽口冷却器が破損すると炉の生産性を低下させ、高温空気噴射の円周対称性を歪ませるので、磨耗した羽口冷却器は運転停止し、交換しなければならない。これによって、生産損失及び他の羽口冷却器を使用する処理量の増加が引き起こされ、これらも故障する可能性を増大させ、生産低下による財政的損失が生じやすくなる。

これまで、ステーブ冷却器の摩耗特性を改善する試みがなされてきた。例えば、回転摩擦溶接によって耐摩耗性素子を銅製ステーブの当り面に取り付ける、又は当り面に耐摩耗性コーティングをかけることが提案されてきた。

冷却器の全容積のあらゆる箇所に、硬化した粒子を分散させることも提案されてきた（例えば、ＪＰ２００１−１０２７１５Ａ）。しかし、このアプローチでは耐摩耗性粒子の大部分を摩耗の対象にならない冷却器の領域に配置し、硬化粒子のコストが比較的高いため、非経済的となりかねない。また、この粒子は小さく、冷却素子全体に亘って分散させられるため、それらが十分な密度で当り面に存在しているか否かを非破壊な方法で診断することは困難である。

また、ステーブ冷却器を鋳造する前に、耐摩耗性材料をマトリクスの底部に挿入することも提案されてきた（ＷＯ７９／００４３１Ａ１）。提案された材料には、超硬炭化タングステンなどの硬質骨材、又はステンレス鋼エキスパンドメタルメッシュが含まれる。

しかし、耐摩耗性材料を金型の底部に単に配置するだけでは、十分な密度で冷却器の当り面に確実に配置されることが保証されないため、当り面全体に亘って均一に耐摩耗性を有する冷却素子を製造することは困難である。これは、高炉の外部から容易に交換できるプレート冷却器では許容し得るが、停止時間を延長せずに交換することができないステーブ冷却器では許容できることではない。

冷却素子の低コスト化及び製造性を維持しながら、炉の運転効率を改善し、停止時間を最小限にするために改善された磨耗特性を有する炉冷却素子が依然として必要とされている。

一態様では、冶金用炉のための冷却素子が提供される。この冷却素子は、第１の金属を含む本体を有し、本体は少なくとも１つの表面を有し、この表面に沿って対面層(facing layer)が設けられる。対面層は複合材料を含み、この複合材料は、第２の金属のマトリクスに配置された耐摩耗性粒子を含み、耐摩耗性粒子は、第１の金属の硬度よりも高く、第２の金属の硬度よりも高い硬度を有する。

別の態様では、本明細書に開示される冷却素子の製造方法が提供される。この方法は、
（ａ）前記耐磨耗性粒子の設計された配置を準備することと、（ｂ）前記耐摩耗性粒子の設計された配置を、型穴内で、前記冷却素子の前記対面層を画定する前記型穴の領域に配置することと、（ｃ）前記型穴内に溶融金属を導入することであって、前記溶融金属が、前記冷却素子の前記本体の前記第１の金属と前記複合材料の前記第２の金属とを含むこと、
を含む。

ここで添付の図面を参照し、単なる実施例として本発明について説明する。
高炉の構造を示す図。 第１の実施形態によるステーブ冷却器の前面斜視図。 図２に示された種々の対面層構成を例示する図であり、図２Ａ〜２Ｈの各々は、耐摩耗性粒子の形状をより明確に示すために丸で囲まれた領域の拡大図を含む。 第２の実施形態によるステーブ冷却器の前面斜視図。 羽口冷却器の前面斜視図。 様々な形状の耐磨耗性粒子を例示する図。 複合材料における球状耐摩耗性粒子の正方形領域パッキング及び六角形領域パッキングを示す説明図である。 図２に示すステーブ冷却器のための対面層構成の代替一実施形態を示し、粒子の形状をより明確に示すために丸で囲まれた領域の拡大図を含む。

図１は、一般的な高炉を示す説明図である。高炉は、耐火レンガ及び冷却素子を含む内側ライニングを取り囲んだ鋼殻１０を有する高層構造物の形態で構築される。

高炉は、対向流交換原理に従って作動する。コークス、石灰石フラックス及び鉄鉱石のカラム６を含む装入原料は、炉の頂部から装入され、炉の下部に位置する羽口冷却器１からの多孔質装入原料を通って上方に流れる高温ガスによって還元される。降下する装入原料は、スロートセクション５において予熱され、次いで２つの酸素還元ゾーン、すなわち酸化第二鉄の還元ゾーン又は「スタック」４の中を進み、酸化鉄の還元ゾーン又は「炉腹」３に達する。その後、熔融ゾーン又は「ボッシュ」２を介して炉床９に落ちるが、ここには羽口冷却器１が配置されている。そして、溶融金属（銑鉄）及びスラグは、穿孔された開口部８及び７からタップされる。

図１は、炉下部「ボッシュ」２の領域内に配置された複数の羽口冷却器１を示す。羽口冷却器１は、円周方向に他と近接して間隔をあけて配置されていてリングを形成する。間隔は、典型的には、対称的である。羽口冷却器１は、炉内への熱風インジェクタの保護殻として機能し、それにより、持続的な軸対称燃料噴射を行い高炉の動作寿命を延命させる。

ステーブ冷却器は一般に、高炉の炉腹３、スタック４及びスロート５の中に互いに隣接して配置され、炉の冷却された内面を形成する。ステーブ冷却器は、蓄積された装入原料をためることによって炉殻１０のための熱保護媒体として機能し、それにより炉壁の構造統合性を維持し、破裂を阻止する。冷却には、一般にステーブ本体の内部に埋め込まれた冷却流路内を流れる冷却流体（通常は水）間における対流熱交換が必要である。

第１の実施形態による冷却素子は、図２に示すような一般構造を有するステーブ冷却器１２を備える。ステーブ冷却器１２は、第１の金属からなる本体１４からなり、本体１４には、１つ以上の内部冷却剤流路１６（図２の切り欠きを参照）を画定する１つ以上の内部キャビティが設けられ、流路１６は、炉殻１０（図１）を通って延在するのに十分な長さを有する複数の冷却剤導管１８を介して、炉の外側に配置された冷却剤循環システム（図示せず）と連通している。

ステーブ冷却器１２の本体１４は、少なくとも１つの表面２０を有し、それに沿って対面層２２が設けられている。図２に示す実施形態では、表面２０は、「ホットフェイス」とも呼ばれる冷却器１２の当り面２４を備え、これらは炉の内部に向けられ、装入原料の降下カラム６と接触するため露出している（図１）。図２のステーブ冷却器１２の当り面２４は、当り面２４に沿って交互に配置された複数の水平リブ２６及び複数の水平な谷部２８によって画定された波形構造を有するものとして示されている。この波形構造は、当り面２４に装入原料の保護層を維持する補助となっている。

図２は、高炉用のステーブ冷却器１２の形態をした冷却素子を示しているが、本明細書に開示された実施形態は、冶金用炉内で硬質の粒子状研磨材との接触により摩耗される様々な構成の冷却素子に概して適用可能であることが理解されよう。

図３は、ステーブ冷却器１２’を含む、第２の実施形態による冷却素子の概略構造を示しており、前述の実施形態と関連して使用されたものと同様の参照番号は、該当する場合、同様の機能を識別するために使用されている。

ステーブ冷却器１２’は、第１の金属からなる本体１４を備え、本体１４には、１つ以上の内部冷却剤流路１６（図３の切り欠きを参照）を画定する１つ以上の内部キャビティが設けられ、流路１６は、炉殻１０（図１）を通って延在するのに十分な長さを有する複数の冷却剤導管１８を介して、炉の外側に配置された冷却剤循環システム（図示せず）と連通する。

ステーブ冷却器１２’の本体１４は、少なくとも１つの表面２０を有し、それに沿って対面層２２が設けられている。図３に示す実施形態では、表面２０は、「ホットフェイス」とも呼ばれる冷却器１２’の当り面２４を備え、これは炉の内部に向けられ、装入原料の降下カラム６と接触するため露出している。図２に示すステーブ冷却器１２とは対照的に、図２のステーブ冷却器１２’の当り面２４は、比較的低い高さ又は深さを有する実質的に平らな平坦面を有するものとして示されている。従って、本実施形態では、ステーブ冷却器１２’の当り面２４のほぼ全体が、装入原料の降下カラム６と接触するように露出されている。

図４は、羽口冷却器４２を備えた第３の実施形態による冷却素子の概略構造を示しており、前述の実施形態と関連して使用されたものと同様の参照番号は、該当する場合、同様の機能を識別するために使用されている。

羽口冷却器４２は、両端が開放された切頭円錐形の中空シェルを含む本体４４を備えていてもよい。本体４４は、本体４４の切頭円錐形を画定する側壁５０を備え、側壁５０は、外面５１及び内面６０を有する。側壁５０内において、外面５１と内面６０との間には複数の内部冷却剤流路４６が設けられていて（図４の切欠きを参照）、冷却剤流路４６は、炉殻１０（図１）を通って延在するのに十分な長さを有する複数の冷却剤導管４８を介して、炉の外側に配置された冷却剤循環システム（図示せず）と連通する。

図４に示すように、側壁５０の外面５１の一部上に外面対面層５２が設けられ、外面対面層５２はステーブ冷却器４２の第１の当り面５４上に設けられている。第１の当り面５４は、ステーブ冷却器４２の外面上に存在し、上方に向けられている。第１の当り面５４上に外面対面層５２を適用することは、炉内の降下する装入原料との接触、未燃焼炭素系固体及び溶融金属滴との接触に起因する冷却器４２の頂部対向部分の摩耗及び侵食を減少させる目的である。

外面対面層５２はまた、ステーブ冷却器４２の内向きの端面５８上に設けられ、第２の当り面５９を画定する。端面５８は、ステーブ冷却器４２が炉のボッシュ２（図１）内に空気を注入する中心開口を取り囲む側壁５０の環状端面を含む。端面５８はまた、降下する装入原料、未燃焼炭素系固体及び溶融金属滴と接触するように露出されている。

側壁５０の内面６０は、冷却素子４２の第３の当り面６２を画定し、その上に内側対面層６４が設けられていて、炭素系固体などの同伴研磨固体を含む熱風ブラストの研磨効果に起因する側壁５０の内面６０に沿った摩耗を低減する。

上述した冷却素子１２、１２’、４２の本体１４、４４は、十分な熱伝導率と冶金用炉内での使用を可能とするのに十分高い融点を有する第１の金属からなる。第１の金属は、鋳鉄、ステンレス鋼を含む鋼、銅、モネル（登録商標）合金などの銅−ニッケル合金を含む冶金用炉の冷却素子に慣用的に使用されている任意の金属を含むことができる。本体１４、４４は、鋳造用砂型又は永久黒鉛マトリクスで鋳造することによって形成してもよく、鋳造後に１回以上の機械加工を施してもよい。本体内の冷却剤流路１６、４６は、鋳造中又は鋳造後に形成してもよい。

以下の表１は、冷却材の第１の金属の硬度と、炉の装入原料の種々の成分の硬度とを比較している。表１から、原料成分の硬度は概して金属の硬度よりも大きいことが分かる。冷却素子１２、１２’、４２の当り面２４、５４、５９で保護されないままになっていると、本体１４、４４の第１の金属は、当り面２４、５４、５９、６２において以下の２つのメカニズム、すなわち直接磨耗及びガス駆動粒子ブラスト／侵食のうち少なくとも１つによって磨耗されることになる。直接摩耗は、下方に移動する装入原料粒子によって、特に、冷却素子１２、１２’、４２の外面上の装入原料と当り面２４、５４、５９の少なくとも１つとの間の直接的な摩擦摺接によって引き起こされる。ガス駆動侵食は、羽口１から上向きに流れるガスによって駆動される粒子に起因するブラストによって引き起こされる。ガスは、細い流路を通過する際に高速となり、外側の当り面２４、５４、５９をこすり落とす装入原料の小さな粒子を運搬する。さらに、ステーブ冷却器４２の第３の（内部）当り表面６２は、吹付けコークスなどの小さな砥粒を運搬するステーブ冷却器４２の中空内部を流れる高速ガスによって擦過され摩耗する。

本明細書で開示されているステーブ冷却器１２、１２’では、本体１４の第１の金属は、本体１４の少なくとも１つの表面２０に沿って設けられた対面層２２によって保護されており、ここでは少なくとも１つの表面２０が、全ての冷却素子１２、１２’の当り面２４の一部を含んでいてもよい。例えば、いくつかの実施形態では、少なくとも１つの表面２０は、図２に示すステーブ冷却器１２内の当り面２４を部分的に画定する水平リブ２６の垂直面に限定してもよい。図３に示すステーブ冷却器１２’において、対面層２２が設けられている少なくとも１つの表面２０は、冷却器１２’の当り面２４全体を含んでもよい。

羽口冷却器４２において、外面対面層５２は、本体４４の外面に位置する第１及び第２の当り面５４、５８の一部又は全面に沿って設けられている。内面対面層６４は、側壁５０の内面６０の少なくとも一部に沿って設けられ、第３の当り面６２を画定している。

対面層２２、５２、６４は複合材料からなり、複合材料は第２の金属複合材料中に配置された耐磨耗性粒子を含む。耐摩耗性粒子は、本体１４、４４を構成する第１の金属の硬度よりも高い硬度を有し、望ましくは少なくとも約６．５モース（Ｍｏｈｓ）の硬度を有することができ、この値は、表１から見て取れるように、装入原料の成分の最大硬度以上である。

例えば、対面層２２、５２、６４の耐磨耗性粒子は、炭化物、窒化物、ホウ化物及び／又は酸化物を含むセラミックスから選択される１つ又は複数の耐磨耗性材料を含むことができる。複合材料に組み込むことができる炭化物の具体例には、炭化タングステン、炭化ニオブ、炭化クロム及び炭化ケイ素が含まれる。複合材料に組み込むことができる窒化物の具体例には、窒化アルミニウム及び窒化ケイ素が含まれる。複合材料に組み込むことができる酸化物の具体例としては、酸化アルミニウム及び酸化チタンが挙げられる。複合材料に組み込むことができるホウ化物の具体例には、ホウ化ケイ素が含まれる。

上記に列挙した耐磨耗性粒子及び材料は、強度が高く且つ硬度は６．５モース（Ｍｏｈｓ）を超える。例えば、上記に列挙した炭化物の各々は、８〜９モース（Ｍｏｈｓ）の硬度を有する。上記に列挙した耐摩耗性粒子及び材料は、高炉で装入原料を構成する成分を含めて、冶金用炉で一般に遭遇する任意の材料と比較して少なくとも同等の硬さである。さらに、タングステンカーバイドなどの耐摩耗性粒子及び材料の少なくとも一部は、比較的高い熱伝導率を有しており、これについては以下でより詳細に説明する。

対面層２２、５２、６４のマトリクスからなる第２の金属は、冷却素子１２、１２’、４２の本体１４、４４からなる第１の金属と任意に組成が同じであってもよい。例えば、第２の金属は鋳鉄、ステンレス鋼を含む鋼、銅、モネル（登録商標）合金などの銅−ニッケル合金を含む銅合金からなっていてもよい。

一実施形態では、対面層２２、５２、６４のマトリクスからなる第２の金属は、９６重量％以上の銅含量を有する高銅合金を含む。本発明者らは、多くの理由により、純銅が適切な複合材料であることを発見した。例えば、高銅合金は高靱性を有し、これによって複合材料は伸張及びせん断に対して耐性を示すようになり、且つ熱変形に対しても弾力性がある。また、高銅合金は、多くの材料と冶金学的に相性がよく、銅はよく理解されている。最後に、高銅合金は、妥当なコストで優れた熱伝導特性を有する。従って、コスト、製造可能性、靭性及び熱伝導率を考慮すると、本発明者らは、高銅合金が有効なマトリクス材であることを発見した。

上記の説明から、対面層２２、５２、６４の複合材料は、著しく異なる物理的及び化学的特性を有する２つの別個の成分（すなわち、耐磨耗性粒子及び第２の金属）からなることが分かる。組み合わされると、これらの個々の成分は、複合材料に各成分とは異なる特性をもたらし、冶金用炉の冷却素子の製造に適するいかなる単一材料よりも優れたものとなる。例えば、この複合材料は、ＡＳＴＭＧ６５に従って判定される研磨摩耗率が、同じ条件下でのねずみ鋳鉄の研磨摩耗率の０．６倍以下の研磨摩耗率を有することができる。有利にも、この複合材料が有する特性の組み合わせには、鋳鉄ステーブを含めて従来から使用されている冷却素子によって達成されるものよりも高い耐磨耗性と鋳鉄よりも高い熱伝導率とが含まれる。

対面層２２、５２、６４の厚さは可変であり、約３ｍｍ〜約５０ｍｍであってもよく、冷却素子１２、１２’、４２の本体１４、４４の残りの部分は第１の金属からなっていてもよい。耐磨耗性粒子は、第１の金属よりも数倍高価であり得るので、耐磨耗性粒子を必要とされる対面層２２、５２、６４に閉じ込めることが効果的である。さらに、この複合材料は第１の金属よりも低い熱伝導率を有するので、冷却素子１２、５２、６４の総厚の一部分にそれを閉じ込めることによって、冷却素子１２、５２、６４の冷却性能への複合材料の影響を最小にすることができる。

粒子及び第２の金属の組成に加えて、この複合材料の全体的な熱伝導率及び耐摩耗性は、粒子と複合材料との間の相互作用に依存することになり、これらは以下に説明する多数の要因に依存する。従って、対面層２２、５２、６４の複合材料は、一連の用途に適した特異性を有するように調整することができる。

この関連で、本明細書に記載の複合材料はマクロ複合材料金属を含むことができ、ここでは耐摩耗性粒子が、第２の金属複合材料に浸入されて最適な耐磨耗性を生じるように設計された設計であって、実質的に設計された配置に従って並べられる。

マクロ複合材料の実質的に繰り返される設計された配置は、エッジの長さ「ａ」及び体積「ａ³」を有する立方体形状であると推測される単位体積を有する。立方体のエッジの長さは、繰り返される設計された配置の外装サイズを画定し、約３ｍｍ〜約５０ｍｍであってもよい。エッジの長さ「ａ」は、単一の耐磨耗性粒子が、その形状及び配向性にかかわらず、繰り返される設計された配置の外装サイズ内に収まるように決められる。従って、このマクロ複合材料は、約３ｍｍ〜約５０ｍｍ、例えば約３ｍｍ〜約１０ｍｍのサイズを有する耐磨耗性粒子を含むものとして本明細書では定義する。球状又は実質的に球状の粒子の場合、粒子サイズは粒子直径によって決められる。全ての粒子の場合、形状にかかわらず、粒子サイズは耐磨耗性粒子の最小外装寸法として定義される。

比較的大きいサイズの耐磨耗性粒子であれば、鋳造銅冷却素子の品質管理に使用される従来の超音波試験装置によって検出できるため、ステーブ冷却器１２、１２’の当り面２４、及び羽口冷却器４２の当り面５４、５８、６２に十分な濃度の耐摩耗性粒子が存在するか否かの診断を非破壊試験で行うことが可能となる。

耐磨耗性粒子とマトリクスとの間の相互作用を支配する要因を以下に記載する。

１．マクロ複合材料の単位体積内における耐磨耗性粒子の体積充填率(volumetric packing factor)

マクロ複合材料の単位体積内における耐磨耗性粒子の体積充填率は、０〜１００％の間でいずれも変えることができ、単位体積ａ³に対する耐摩耗性粒子の体積Ｖの比として定義される。

体積充填率＝Ｖ／ａ³

耐磨耗性粒子の体積充填率が高いほど、耐摩耗性粒子のマトリクスに対する割合が高くなる。実質的に繰り返されるマクロ複合材料の設計された配置では、十分な熱伝導率と十分な耐磨耗性のために適切な体積バランスが必要である。この点に関して、マクロ複合材料内において耐磨耗性粒子が占める割合が高いと、当り面２４、５４、５８、６２及び対面層２２、５２、６４全体に亘ってより多くの耐磨耗性材料が存在するため、より高い耐摩耗性が得られる。反対に、耐摩耗性粒子は第１の金属よりも導電性が低いので、マクロ複合材料内の耐磨耗性粒子の割合が高いほど、マクロ複合材料の熱伝導率は低下する。

２．前面面積充填率

単位体積ａ³内における耐摩耗性粒子の前面面積充填率は、ユークリッド平面上で０〜１００％の範囲で変えることができるが、実際には約２０〜１００％の範囲となる。前面面積充填率は、単位体積の投影面積(projected area)に対する耐摩耗性粒子（Ｐ．Ａ．）の投影面積の比として定義される。

面積充填率＝Ｐ．Ａ．／ａ²

耐磨耗性粒子の面積充填率(area packing factor)が高いと、マクロ複合材料のより高い耐摩耗性及びより低い熱伝導率につながる。従って、繰り返しマクロ複合材料内で十分な熱伝導率及び適切な耐摩耗性を得るためには、適当な面積充填率が必要となる。

３．マクロ複合材料の体積に対する、耐磨耗性粒子とマトリクスの界面の面積の割合

耐摩耗性粒子とマトリクスの第２の金属との間の接触界面領域すなわち接触表面積は、耐磨耗性粒子とマトリクスとの間の結合領域を表し、Ｓ．Ａ．として示される。耐摩耗性粒子とマトリクスとの間に熱伝導する多くの領域があるため、そしてマトリクス内に耐摩耗性粒子を保持する強力な冶金学的結合を形成するより多くの領域があるため、より多くの結合領域が存在することが有益である。耐磨耗性粒子の形状と体積との間の関係は、表面積と体積の比によって支配される。

体積に対する表面積の比＝Ｓ．Ａ．／ａ³

Ｓ．Ａ．の値は、集合体とマトリクスとの間に接触がない場合には、０とすることができるほど小さく、接触面積が多く存在する場合には実質的に上限をもたない。耐磨耗性粒子がなくなってしまうのを阻止するため、冶金学的結合が適切であること、耐磨耗性粒子の保持及び耐摩耗性増強の要である。本発明者らは、マクロ複合材料の適切な性能のためには、０．２５ａ²の最小界面表面積（Ｓ．Ａ．）及び／又は０．１の最小表面積対体積比（Ｓ．Ａ．／ａ³）が存在すべきであることを発見した。

４．耐摩耗性粒子を取り囲む連続的な銅テンドリルの存在

マクロ複合材料の内部においては、大部分の熱伝達は、第２の金属からなる金属マトリクスを通過する伝導によって行われる。従って、金属マトリクスは、耐磨耗性粒子を取り囲み、対面層２２、５２、６４の当り面２４、５４、５８、６２に向かって「平行に」延在する金属製テンドリル(metal tendril)を含むことが望ましい。これらのテンドリルがあれば、マクロ複合材料の冷却が改善され、溶融、及び結果として生じる複合材料の崩壊が阻止される。

上記の原理を説明するために、並列および直列に接続された抵抗を有する電気回路を用いて類推することができる。直列に接続された抵抗は、並列に接続された抵抗よりも高い電流抵抗を生じさせる。熱は類似した挙動を示す。従って、比較的低い熱抵抗率を有する金属テンドリルは、比較的高い耐熱性を有する耐磨耗性粒子間の当り面２４、５４、５８、６２にそれぞれが連続して延在していなければならず、さらに、対面層２２、５２、６４の全体の厚みに亘って当り面２４、５４、５８、６２から連続して延在していなければならない。これは並列に接続された抵抗に類似しており、ここでは総抵抗は全体的に低くなっている。一方、金属テンドリルが耐摩耗性粒子の層の間で当り面２４、５４、５８、６２と平行に延在する場合、総熱抵抗率は相加的であり、熱伝達は比較的不良となる。

５．マクロ複合材料内における耐磨耗性粒子の形状及びそれらの相対的な空間配向性(orientation)

耐磨耗性粒子の形状は、上記に列挙した各要因に影響を与える。さらに、耐磨耗性粒子の形状及び配向性は、後述するように、当り面２４、５４、５８、６２と対向面（すなわち、装入原料）との間の摩擦学的な相互作用に影響を及ぼす。

当り面２４、５４、５８、６２と対向面との間の接触が少なくなれば、摩擦が小さくなり、従って、当り面２４、５４、５８、６２の摩耗、擦過、摩損及び浸食が少なくなる。球形、円筒形、湾曲又は他の偏向形状を有する耐磨耗性粒子を使用することは、この点で有益な結果をもたらす。耐磨耗性粒子の形状及び配向性が最適化されると、対向面は当り面２４、５４、５８、６２への実質的に損傷を与えることなくそこから偏向される。これにより、当り面２４、５４、５８、６２での摩耗と侵食の両方の起こる確率が低減される。

耐摩耗性粒子は、滑り、転がり、回転などの１つ以上の運動によって誘発される剪断及び曲げ荷重に抵抗するために、マトリクス内で適切に定着されるべきである。従って、当り面に位置する耐摩耗性粒子はいずれも、それらの全長又は直径の少なくとも０．２５分だけマトリクス内に延在すべきである。

材料選択、及び上述の全ての要因が考慮され、使用環境に応じた最適値が選択されると、本明細書で定義されるマクロ複合材料は、良好な耐摩耗性及び熱伝導率特性値を達成する。マクロ複合材料の耐摩耗性は、標準化されたＡＳＴＭＧ６５試験を用いて摩耗率によって測定され、この複合材料の熱伝導率は％ＩＡＳＣスケール及びＷ／ｍＫ単位で測定される。鋳鉄及び銅は、冷却素子１２、１２’、４２の本体１４、４４の第１の金属に最も広く使用される２つの材料選択肢である。以下の表２は、鋳鉄又は銅で全体的に構成された従来のステーブ冷却器と、本明細書に記載するマクロ複合材料を用いて製造され、且つ銅を含んだ本体１４、４４を備えたステーブ冷却器の熱伝導率及び耐摩耗性とを比較している。表２は、本明細書で定義されるマクロ複合材料を含んだ対面層２２、５２、６４を有する冷却素子１２、１２’、４２が、従来から構成されてきた冷却素子よりも優れた熱伝導率及び耐摩耗性を有することを明確に示している。

マクロ複合材料の特性に及ぼす前述の要因の影響を説明するために、マクロ複合材料のいくつかのサンプルを考案した。表３及び図２、図２Ａ〜図２Ｈ、図５−１、図５−８及び図７は、これらの実施例を示す。例示を目的として、図２は、ステーブ冷却器１２のいくつかのリブ上に設けられたいくつかの異なるタイプのマクロ複合材料を示す。これらの様々なマクロ複合材料を有するリブには、図２において２６−１〜２６−８を付している。

図２Ａ〜図２Ｈは、リブ２６−１〜２６−８の各々の対面層２２をより詳細に示す。図２Ａ〜図２Ｈに示された対面層２２のそれぞれは、異なる形状の耐磨耗性粒子６６を有するマクロ複合材料の工学的構成を示し、これらの図面の各々における耐磨耗性粒子６６は、実質的に繰り返される設計された配置に並べられている。粒子６６の実質的に繰り返される設計された配置には、第２の金属からなるマトリクス７０が浸入していることが理解されよう。明瞭にするために、マトリクス７０は、図２Ａ〜図２Ｈには示されていない。

図５−１〜図５−８はそれぞれ、図２及び図２Ａ〜２Ｈに示されたマクロ複合材料の１つの単位体積を示しており、上述のようにテンドリル６８を形成する第２の金属のマトリクス７０の一部も示している。図５−１〜図５−８のそれぞれにおいて、矢印７４は、テンドリル６８がマトリクス７０を通って対面層２２の表面２０まで延在する第１の方向を規定し、テンドリルによっては図５−８に示すように表面２０と平行に延在する。

実施例１−球状の耐摩耗性粒子
図２、図２Ａ及び図５−１に示すように、この球体は、本質的に、ノッチと溝がなく単一の接点を有するため、有利な摩擦学的形状を有する。従って、球状耐磨耗性粒子６６を組み込んだマクロ複合材料からなる対面層２２、５２、６４を備える冷却素子１２、１２’、４２は、装入原料と冷却素子１２、１２’、４２の当り面２４、５４、５８、６２との間の摩擦滑り接触が減少するために、使用時に低い摩耗率を示すと期待される。

図５−１は、銅マトリクス７０と直径ａを有する球状耐磨耗性粒子６６とを含むマクロ複合材料の単位体積７２を示す。直径ａは、複合単位セルの外装サイズ(envelope size)を規定し、直径３〜５０ｍｍ、例えば３〜１０ｍｍである。このサイズのマクロ複合材料の単位体積７２は、表３に定義された特性を有する材料となる。一例として、図２は冷却素子１２を示しており、ここでは水平リブ２６の１つ（図２における符号２６−１）に示された対面層２２が、図５−１の銅マトリクス７０及び球状耐摩耗性粒子６６を含むマクロ複合材料を含む。対面層２２は、図２Ａ及び図６に示すように、六角形領域のパッキング配列に充填された球状耐磨耗性粒子６６の単一層を含んでいてもよい。代わりに、図６に示すように、球形の粒子６６を正方形の領域パッキング配列に充填してもよいことが理解されよう。冷却素子１２’、４２の対面層２２、５２、６４は、同一又は類似の組成及び構造を有してもよい。

実施例２−垂直な棒状耐摩耗性粒子
当り面２４、５４、５８、６２に垂直な長手方向軸を有するように配向した円筒形ロッドは、磨耗による剪断荷重に耐える梁として作用するため、有利な形状である。従って、表面２０に対して垂直に配向した棒状耐摩耗性粒子６６を組み込んだマクロ複合材料からなる対面層２２、５２、６４を備えた冷却素子１２、１２’、４２は、使用時には低い摩耗率を示すと期待される。

図５−２は、銅マトリクス７０と、直径ａ及び長さａを有し、且つ対面層２２の表面２０を画定する単位体積７２の前面に対して垂直に配向した円筒形の棒状耐磨耗性粒子６６を含むマクロ複合材料の単位体積７２とを示し、当り面２４、５４、５８、６２の一部を形成している。寸法ａは、複合材料単位セルの外装サイズを規定し、３〜５０ｍｍ、たとえば３〜１０ｍｍである。このサイズのマクロ複合材料の単位体積は、表３に定義された特性を有する材料となる。図２は冷却素子１２を示しており、ここでは水平リブ２６の１つ（図２における符号２６−２）に示された対面層２２が、銅マトリクス７０と図５−２に示す円筒形の棒状耐摩耗性粒子６６とを含むマクロ複合材料を含む。冷却素子１２’、４２の対面層２２、５２、６４は、同一又は類似の組成及び構造を有してもよい。

実施例３−平行な棒状耐摩耗性粒子
当り面２４、５４、５８、６２に平行な長手軸を有するように配向した円筒形ロッドは、磨耗する間、円筒形ロッドの全長が対向面（装入原料）の偏向器として作用するため、有利な摩擦学的形状を有する。従って、表面２０に平行に配向した棒状耐摩耗性粒子６６を組み込んだマクロ複合材料からなる対面層２２、５２、６４を備えた冷却素子１２、１２’、４２は、装入原料と冷却素子１２、１２’、４２の当り面２４、５４、５８、６２との間の摩擦滑り接触が減少するために、使用時に低い摩耗率を示すと期待される。

図５−３は、銅マトリクス７０と、直径ａ及び長さａを有し、且つ対面層２２の表面２０を画定する単位体積７２の前面に対して平行に配向した円筒形の棒状耐磨耗粒子６６とを含むマクロ複合材料の単位体積７２を示し、当り面２４、５４、５８、６２の一部を形成している。寸法ａは、複合材料単位セル７２の外装サイズを規定し、３〜５０ｍｍのサイズ、たとえば３〜１０ｍｍである。このサイズのマクロ複合材料の単位体積７２は、表３に定義された特性を有する材料となる。図２は冷却素子１２を示しており、ここでは水平リブ２６の１つ（図２における符号２６−３）に示された対面層２２が、銅マトリクス７０と図５−３の円筒形の棒状耐摩耗性粒子６６とを含むマクロ複合材料とを含む。冷却素子１２’、４２の対面層２２、５２、６４は、同一又は類似の組成及び構造を有してもよい。

実施例４−垂直なリング形状の耐摩耗性粒子
当り面２４、５４、５８、６２に垂直な長手方向軸を有するように配向した円筒形リング（すなわち、中空シリンダ）は、リングが磨耗による剪断荷重に耐える梁として作用するため、有利な形状である。従って、垂直に配向したリング形状の耐摩耗性粒子６６を組み込んだマクロ複合材料からなる対面層２２、５２、６４を備えた冷却素子１２、１２’、４２は、使用時に低い摩耗率を示すと期待される。内径を有するリング形状は、金属マトリクスの付加的なテンドリル６８の形成と、耐磨耗性粒子６６と金属マトリクス７０との間の付加的な浸入（接触表面積）をもたらす。

図５−４は、銅マトリクス７０と、直径ａ及び長さａを有し、且つ対面層２２の表面２０を画定する単位体積７２の前面に対して垂直に配向した円筒形リング状耐磨耗性粒子６６とを含み、当り面２４、５４、５８、６２の一部を形成しているマクロ複合材料の単位体積７２を示す。寸法ａは、複合材料単位セル７２の外装サイズを規定し、３〜５０ｍｍのサイズ、たとえば３〜１０ｍｍである。このサイズのマクロ複合材料の単位体積７２は、表３に定義された特性を有する材料となる。図２は冷却素子１２を示しており、ここでは水平リブ２６の１つ（図２における符号２６−４）に示された対面層２２が、図５−４の銅マトリクス７０と円筒形の棒状耐摩耗性粒子６６とを含むマクロ複合材料を含む。冷却素子１２’、４２の対面層２２、５２、６４は、同一又は類似の組成及び構造を有してもよい。

実施例５−プレート状の耐摩耗性粒子
冷却素子１２、１２’、４２の当り面２４、５４、５８、６２上に配置される、単一部品又は互いに近接する複数のより小さい断片からなるプレートは、全面保護の利点を有しており、これによりマトリクス材料に対する研磨攻撃が制限される。熱膨張係数に大きな差がある場合、互いに近接する断片が小さいほど、集合体(aggregate)とマトリクスとの間における接合部の熱疲労は小さくなる。従って、プレート状の耐磨耗性粒子６６を組み込んだマクロ複合材料からなる対面層２２、５２、６４を備えた冷却素子１２、１２’、４２は、使用時に低い摩耗率を示すと期待される。

図５−５は、マクロ複合材料の単位体積７２であって、銅マトリクス７０と、長さａの側部を有し、且つ対面層２２の表面２０を画定する単位体積７２の前面に沿って配向したプレート状耐磨耗性粒子６６とを含み、当り面２４、５４、５８、６２の一部を形成する単位体積７２を示している。寸法ａは、複合材料単位セル７２の外装サイズを規定し、３〜５０ｍｍ、例えば３〜１０ｍｍである。このサイズのマクロ複合材料の単位体積７２は、表３に定義された特性を有する材料となる。図２は冷却素子１２を示しており、ここでは水平リブ２６の１つ（図２における符号２６−５）に示された対面層２２が、図５−５の銅マトリクス７０とプレート状棒状耐摩耗性粒子６６とを含むマクロ複合材料を含む。単一又は複数のプレート状粒子６６を当り面２４に沿って設けてもよい。図示された実施形態では、複数のプレート状粒子６６が水平リブ２６−５に設けられ、プレート状粒子間の空間が金属マトリクス７０のテンドリル６８を画定する。冷却素子１２’、４２の対面層２２、５２、６４は、同一又は類似の組成及び構造を有してもよい。

実施例６−耐磨耗性粒子を含む発泡体
当り面２４、５４、５８、６２上に配置された発泡体、具体的には連続気泡発泡体は、無限大の界面面積、軽量化、強固な結合、多数のテンドリル及び多孔度による特性調整の容易さと言った利点を有する。従って、発泡体６６の形態をしたマクロ複合材料からなる対面層２２、５２、６４を備えた冷却素子１２、１２’、４２は、有利な摩耗特性及び特性調節の容易さを提供する。

図５−６は、銅マトリクス７０及び耐磨耗性粒子６６を含む発泡体の形態をしたマクロ複合材料の単位体積７２を示す。寸法ａは、複合材料単位セルの外装サイズを規定し、３〜５０ｍｍのサイズ、たとえば３〜１０ｍｍである。このサイズのマクロ複合材料の単位体積は、表３に定義された特性を有する材料となる。図２は冷却素子１２を示しており、ここでは水平リブ２６の１つ（図２における符号２６−６）に示された対面層２２が、銅マトリクス７０及び図５−６の発泡体の形態をした耐摩耗性粒子６６を含むマクロ複合材料を含む。冷却素子１２’、４２の対面層２２、５２、６４は、同一又は類似の組成及び構造を有してもよい。

実施例７−耐磨耗性粒子からなるメッシュ
当り面２４、５４、５８、６２上に配置されたメッシュは、変化するメッシュの配向性に起因して、大きな界面面積、軽量、及び可変な摩擦学的特性という利点を有する。従って、メッシュ６６の形態をしたマクロ複合材料からなる対面層２２、５２、６４を備えた冷却素子１２、１２’、４２は、有利な磨耗特性を提供する。

図５−７は、銅マトリクス７０と耐磨耗性粒子６６とをメッシュの形態で含むマクロ複合材料の単位体積７２を示す。寸法ａは、複合材料単位セル７２の外装サイズを規定し、３〜５０ｍｍ、例えば３〜１０ｍｍである。このサイズのマクロ複合材料の単位体積は、表３に定義された特性を有する材料となる。図２は冷却素子１２を示し、ここでは水平リブ２６の１つ（図２の符号２６−７）に示された対面層２２が、銅マトリクス７０及び図５−７にあるメッシュの形態をした耐磨耗性粒子６６を含むマクロ複合材料を含む。冷却素子１２’、４２の対面層２２、５２、６４は、同一又は類似の組成及び構造を有してもよい。

実施例８−平行ビーズ形状の耐摩耗性粒子
当り面２４、５４、５８、６２に平行な長手方向軸線を有するように配向した円筒形ビーズ（中空円筒形ロッド）は、摩耗していく間に、円筒形ビーズの全長が対向面（装入原料）の偏向器として動作するため、有利な摩擦学的形状である。従って、当り面２４、５４、５８、６２と平行に配向したビーズ形状耐摩耗性粒子６６を組み込んだマクロ複合材料からなる対面層２２、５２、６４を備えた冷却素子１２、１２’、４２は、装入原料と冷却素子１２、１２’、４２の当り面２４、５４、５８、６２との間の摩擦滑り接触が減少するため、使用時には低い摩耗率を示すと期待される。内径を有するため、このビーズ形状は、金属マトリクスの付加的なテンドリル６８の形成と、耐磨耗性粒子６６と金属マトリクス７０との間の付加的な浸入（接触表面積）とをもたらす。

図５−８は、銅マトリクス７０と、直径ａ及び長さａを有する円筒形のビーズ形状耐磨耗性粒子６６とを含み、且つ対面層２２の表面２０を画定する単位体積７２の前面と平行に配向し、当り面２４、５４、５８、６２の一部を形成するマクロ複合材料の単位体積７２を示している。寸法ａは、複合材料単位セル７２の外装サイズを規定し、３〜５０ｍｍ、例えば３〜１０ｍｍである。このサイズのマクロ複合材料の単位体積７２は、表３に定義された特性を有する材料となる。図２は冷却素子１２を示しており、ここでは水平リブ２６の１つ（図２の符号２６−８）に示された対面層２２が、銅マトリクス７０及び図５−３の円筒形のビーズ形状耐磨耗性粒子６６を含むマクロ複合材料を含む。冷却素子１２’、４２の対面層２２、５２、６４は、同一又は類似の組成及び構造を有してもよい。

上述したように、対面層２２、５２、６４の厚さ（又は深さ）は、約３ｍｍ〜約５０ｍｍでよい。十分な厚さを設けるため、対面層２２、５２、６４は、対面層２２、５２、６４内に耐摩耗性粒子の単一層又は上下に積み重ねた複数層のいずれかを含むことができる。

別の態様によれば、冷却素子のネガ型(negative 型)を使用し、型穴内に耐磨耗性粒子の設計された配置に並べ、その型穴に溶融金属を導入することによって、本明細書に記載の冷却素子を経済的に製造する方法が提供される。

この型は、従来の砂鋳型又は永久黒鉛鋳型でよい。永久型を使用すれば型の複数回に亘る再使用を可能にし、より良好な寸法公差を有する鋳物を生産することができるので有利である。永久型のこれらの特性は、型製造コスト及び機械加工コストをそれぞれ低減し、それによって冷却素子の製造コストが低減される。

設計された配置における耐磨耗性粒子の位置決めは、現場で、又は型内に配置され予め組み立てられた集合体のアセンブリを使用することによって行うことができる。後者は、より良好な製造及び品質管理、耐磨耗性粒子との金属の結合、熱伝導率、及び鋳造準備時間の短縮を可能にするので有利である。

図２は、複数の均一な水平リブ２６及び複数の水平な谷２８を備えた波形構造を有する高炉用ステーブ冷却器の形態をした冷却素子１２を示しているが、本明細書に開示された実施形態は、冶金炉内の硬質な研磨材粒子材料との接触により摩耗を受ける、様々な態様、サイズ及び形状の冷却素子１２に概して適用可能であることを理解されよう。例えば、図３に示すように、ステーブ冷却器１２‘の対面層２２／当り面２４は幅広い平坦面を有するが、高さや深さはほとんどない。これにより、ステーブ冷却器１２の当り面２４全体が装入原料の降下カラム６（図１）と接触するように露出される。

図４は、第１の当り面５４を備えた円錐構造を有する高炉用のステーブ冷却器４２の形態をした冷却素子を示しているが、本明細書に開示された実施形態は概して種々の形態、大きさ及び形状の冷却素子４２であって、コークス又はステーブ冷却器を通過して噴射される別の燃料を介してステーブ冷却器の内壁及び外壁の摩耗と侵食により、そして鉱石原料（焼結、ペレット、塊状鉱石）の交互層からなる炉装入物との直接的な接触に起因する摩耗及び侵食により磨り減っていく素子に適用できることを理解されよう。

図７は、銅マトリクス７０と、図２（リブ２６−３）、図２Ｃ及び図５−３を参照して上述した対面層２２の表面２０に平行に延在する円筒形の棒状耐磨耗性粒子６６とを含むマクロ複合材料の変形例を示す。図７の実施形態では、棒状粒子６６は中空であり、冷却剤が流れるための内部流路７６を有する。棒状粒子６６の両端部は、中央部に対して９０度の角度をなすため、冷却剤マニホールド及び冷却剤導管１８に接続するようにステーブ冷却器１２の縁部を包むようになっている。従って、この実施形態は、冷却器の当り面に水冷を提供する。

本発明を特定の実施形態に関連して記述されてきたが、本発明はこれに限定されない。本発明は、以下の請求項の範囲内となり得る全ての実施形態を含む。

Claims (55)

1. 冶金用炉冷却素子の当り面に使用するための耐摩耗性材料であって、前記耐摩耗性材料は、耐摩耗性粒子を含むマクロ複合材料を含み、
   前記耐磨耗性粒子は、第２の金属の硬度よりも高い硬度を有し、
   前記耐磨耗性粒子は、実質的に繰り返される設計された配置に並べられ、
   前記実質的に繰り返される設計された配置は、前記第２の金属を含むマトリクスに浸入されている、耐摩耗性材料。
2. 前記耐摩耗性粒子が、炭化物、窒化物、ホウ化物及び／又は酸化物を含むセラミックから選択される１つ又は複数の耐磨耗性材料から構成され、前記第２の金属のマトリクスが、実質的に熱伝導性金属からなる、請求項１に記載の耐摩耗性材料。
3. 前記炭化物は、炭化タングステン、炭化ニオブ、炭化クロム及び炭化ケイ素からなる群から選択され、
   前記窒化物は、窒化アルミニウム及び窒化ケイ素からなる群から選択され、
   前記酸化物は、酸化アルミニウム及び酸化チタンからなる群から選択され、
   前記ホウ化物は、ホウ化ケイ素からなる群から選択され、及び／又は
   前記実質的に熱伝導性材料は、ステンレス鋼、銅、及びモネル（登録商標）又はキュプロニッケル合金などの銅−ニッケル合金を含む銅合金からなる群から選択される、請求項１又は２に記載の耐摩耗性材料。
4. 前記マクロ複合材料は、ＡＳＴＭＧ６５に従って測定された研磨摩耗率が、同一条件下でねずみ鋳鉄の研磨摩耗率の０．６倍以下である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の耐摩耗性材料。
5. 前記耐磨耗性粒子が、約３ｍｍ〜約１０ｍｍのサイズを有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の耐摩耗性材料。
6. 前記マクロ複合材料の前記実質的に繰り返される設計された配置が、約３ｍｍ〜約５０ｍｍの外装サイズを有し、前記外装サイズが、前記マクロ複合材料の単位体積を画定する立方体の辺の長さとして定義される、請求項１〜５のいずれか一項に記載の耐磨耗性材料。
7. 前記実質的に繰り返される設計された配置が、約３ｍｍ〜約５０ｍｍの厚さを有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の耐摩耗性材料。
8. 前記マクロ複合材料の前記単位体積内における前記耐摩耗性粒子の前面面積充填率が、約２０〜１００％である、請求項６又は７に記載の耐磨耗性材料。
9. 前記耐摩耗性粒子と前記マトリクスの前記第２の金属との間の界面面積が、少なくとも０．２５ａ²である、請求項５〜８のいずれか一項に記載の耐摩耗性材料。
10. 前記マクロ複合材料の単位体積（ａ³）当たりの、前記耐摩耗性粒子と前記マトリクスの前記第２の金属との間の接触表面積（Ｓ．Ａ．）が、少なくとも０．１である、請求項５〜９のいずれか一項に記載の耐摩耗性材料。
11. 前記第２の金属の前記マトリクスが、前記前面領域層内で前記耐磨耗性粒子を囲む金属テンドリルを含み、前記テンドリルが、前記当り面に向かって平行に延在する、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の耐磨耗性材料。
12. 前記金属テンドリルが、前記耐磨耗性粒子間の隙間に形成されている、請求項１１に記載の耐磨耗性材料。
13. 前記前面に配置された前記耐磨耗性粒子のいずれかが、その長さ又は直径の少なくとも０．２５分だけ前記マトリクス内に延在する、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の耐磨耗性材料。
14. 前記耐磨耗性粒子の各々が、球形及び円筒形からなる群から選択された形状を有する、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の耐摩耗性材料。
15. 前記耐磨耗性粒子が球形であり、
    前記対面層が、六角形領域のパッキング配列に充填された前記球状耐磨耗性粒子の単一層を含む、請求項１４に記載の耐摩耗性材料。
16. 前記耐磨耗性粒子が円筒形であり、前記耐摩耗性粒子の各々が前記前面と垂直に配置された長手方向軸を有する、請求項１４に記載の耐磨耗性材料。
17. 前記耐磨耗性粒子が円筒形であり、前記耐摩耗性粒子の各々が前記前面に平行に配置された長手方向軸を有する、請求項１４に記載の耐磨耗性材料。
18. 前記円筒形耐磨耗性粒子の各々が、前記マトリクスの前記第２の金属によって浸入される中空内部を有する、請求項１６又は１７に記載の耐摩耗性材料。
19. 前記マクロ複合材料がプレート状耐摩耗性粒子を含み、前記プレート状耐摩耗性粒子の各々の表面が、前記前面である前記当り面に沿って配置されている、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の耐摩耗性材料。
20. 前記マクロ複合材料が、空間によって分離された複数の前記プレート状耐摩耗性粒子を含み、前記プレート状粒子の間の空間が前記金属マトリクスのテンドリルを画定する、請求項１９に記載の冷却素子。
21. 前記マクロ複合材料が発泡体又はメッシュから構成される、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の耐摩耗性材料。
22. 前記マクロ複合材料が、前記複合材料の前記第２の金属と同一であってもよく、それによって前記冷却器の実質的に高い硬度をもたらす第１の金属を含む本体を有する冶金炉用ステーブ又は羽口冷却素子の前記対面層内に埋め込まれる、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の耐磨耗材料。
23. 冶金用炉の冷却素子であって、
    前記冷却素子は、第１の金属を含む本体を有し、
    前記本体は、対面層が設けられた少なくとも１つの表面を有し、
    前記対面層は、複合材料からなり、
    前記複合材料は、第２の金属のマトリクス中に配置された耐摩耗性粒子を含み、前記耐摩耗性粒子は、前記第１の金属の硬度よりも高く、前記第２の金属の硬度よりも高い硬度を有する冷却素子。
24. 前記対面層が設けられる前記表面は、前記冷却素子の当り面の少なくとも一部を含む、請求項２３に記載の冷却素子。
25. 前記冷却素子の前記当り面が、前記当り面に沿って交互に配置された複数の水平リブと複数の水平な谷によって画定される波形構造を有する、請求項２４に記載の冷却素子。
26. 前記第１の金属が、鋳鉄、ステンレス鋼を含む鋼、銅、及びモネル（登録商標）合金などの銅ニッケル合金を含む銅合金からなる群から選択される、請求項２３から２５のいずれか一項に記載の冷却素子。
27. 前記耐摩耗性粒子が、少なくとも約６．５モース(Mohs)の硬度を有する、請求項２３〜２６のいずれか一項に記載の冷却素子。
28. 前記対面層の前記耐磨耗性粒子が、炭化物、窒化物、ホウ化物及び／又は酸化物を含むセラミックから選択される１つ又は複数の耐磨耗性材料を含む、請求項２３〜２７のいずれか一項に記載の冷却素子。
29. 前記炭化物が、炭化タングステン、炭化ニオブ、炭化クロム及び炭化ケイ素からなる群から選択され、
    前記窒化物が、窒化アルミニウム及び窒化ケイ素からなる群から選択され、
    前記酸化物が、酸化アルミニウム及び酸化チタンからなる群から選択され、及び／又は
    前記ホウ化物が、ホウ化ケイ素からなる群から選択される、請求項２８に記載の冷却素子。
30. 前記第２の金属が、前記第１の金属と同一である、請求項２３〜２９のいずれか一項に記載の冷却素子。
31. 前記第２の金属が、鋳鉄、ステンレス鋼を含む鋼、銅、及びモネル（登録商標）合金などの銅ニッケル合金を含む銅合金からなる群から選択される、請求項２３〜３０のいずれか一項に記載の冷却素子。
32. 前記第２の金属が、少なくとも約９６重量パーセントの銅含有量を有する高銅合金である、請求項２３〜３１のいずれか一項に記載の冷却素子。
33. 前記複合材料が、のＡＳＴＭＧ６５に従って測定された場合、同一条件下でねずみ鋳鉄の０．６倍以下研磨摩耗率を有する、請求項２３〜３２のいずれか一項に記載の冷却素子。
34. 前記対面層が、約３ｍｍ〜約５０ｍｍの厚さを有する、請求項２３〜３３のいずれか一項に記載の冷却素子。
35. 前記複合材料は、前記耐摩耗性粒子が前記第２の金属の前記マトリクスに浸入され実質的に繰り返される設計された配置に従って並べられるマクロ複合材料を含む、請求項２３〜３４のいずれか一項に記載の冷却素子。
36. 前記耐磨耗性粒子が、約３ｍｍ〜約１０ｍｍのサイズを有する、請求項３５に記載の冷却素子。
37. 前記マクロ複合材料の前記実質的に繰り返される設計された配置が、約３ｍｍ〜約５０ｍｍの外装サイズを有し、前記外装サイズが、前記マクロ複合材料の単位体積を規定する立方体の辺の長さとして規定される、請求項３５又は３６に記載の冷却素子。
38. 前記マクロ複合材料の単位体積内における前記耐摩耗性粒子の前面面積充填率が、約２０〜１００％である、請求項３７に記載の冷却素子。
39. 前記耐摩耗性粒子と前記マトリクスの前記第２の金属との間の界面面積が、少なくとも０．２５ａ²である、請求項３５〜３８のいずれか一項に記載の冷却素子。
40. 前記マクロ複合材料の単位体積（ａ³）当たりの、前記耐摩耗性粒子と前記マトリクスの前記第２の金属との間の接触表面積（Ｓ．Ａ．）が、少なくとも０．１である、請求項３５〜３９のいずれか一項に記載の冷却素子。
41. 前記第２の金属の前記マトリクスが、前記対面層における前記耐磨耗性粒子を取り囲む金属製テンドリルを含み、前記テンドリルが前記当り面に向かって平行に延在する、請求項２４〜４０のいずれか一項に記載の冷却素子。
42. 前記金属製テンドリルが、前記耐磨耗性粒子間の隙間に形成される、請求項４１に記載の冷却素子。
43. 前記当り面に位置する前記耐磨耗性粒子のいずれかが、その長さ又は直径の少なくとも０．２５分だけ前記マトリクス内に延在する、請求項２４〜４２のいずれか一項に記載の冷却素子。
44. 前記耐摩耗性粒子の各々が、球形及び円筒形からなる群から選択される形状を有する、請求項２３〜４３のいずれか一項に記載の冷却素子。
45. 前記耐磨耗性粒子が球形である、請求項４４に記載の冷却素子。
46. 前記対面層が、六角形領域のパッキング配列に充填された前記球状耐磨耗性粒子の単一層を含む、請求項４５に記載の冷却素子。
47. 前記耐磨耗性粒子が円筒形であり、前記耐摩耗性粒子の各々が、前記当り面に対して垂直に配置された長手方向軸を有する、請求項４４に記載の冷却素子。
48. 前記耐磨耗性粒子が円筒形であり、前記耐摩耗性粒子の各々が、前記当り面に平行に配置された長手方向軸を有する、請求項４４に記載の冷却素子。
49. 前記円筒形耐磨耗性粒子の各々が、前記マトリクスの前記第２の金属によって浸入される中空内部を有する、請求項４７又は４８に記載の冷却素子。
50. 前記マクロ複合材料がプレート状耐摩耗性粒子から構成され、前記プレート状耐摩耗性粒子のそれぞれの一面が、前記当り面に沿って配置されている、請求項２４〜４３のいずれか一項に記載の冷却素子。
51. 前記マクロ複合材料が、空間によって分離された複数の前記プレート状耐摩耗性粒子を含み、前記プレート状粒子間の前記空間が、前記金属マトリクスのテンドリルを画定する、請求項５０に記載の冷却素子。
52. 前記マクロ複合材料が発泡体又はメッシュから構成され、請求項２３〜４３のいずれか一項に記載の冷却素子。
53. 前記本体には、１つ以上の内部冷却剤流路を画定する１つ以上の内部キャビティが設けられている、請求項２３〜５２のいずれか一項に記載の冷却素子。
54. 請求項２３〜５３のいずれか１項に記載の冷却素子の製造方法であって、
    （ａ）前記耐磨耗性粒子の設計された配置を準備することと、
    （ｂ）前記耐摩耗性粒子の設計された配置を、型穴内で、前記冷却素子の前記対面層を画定する前記型穴の領域に配置することと、
    （ｃ）前記型穴内に溶融金属を導入することであって、前記溶融金属が、前記冷却素子の前記本体の前記第１の金属と前記複合材料の前記第２の金属とを含むこと、
    を含む方法。
55. 前記耐摩耗性粒子の設計された配置が、工程（ａ）において、予め製造されたアセンブリの形態で提供される、請求項５４に記載の方法。

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