JP2020084227A

JP2020084227A - 高炉用羽口

Info

Publication number: JP2020084227A
Application number: JP2018216418A
Authority: JP
Inventors: 経尊吉田; Tsunetaka Yoshida; 野口　泰隆; Yasutaka Noguchi; 泰隆野口; 展久大本; Nobuhisa Omoto
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2018-11-19
Filing date: 2018-11-19
Publication date: 2020-06-04
Anticipated expiration: 2038-11-19
Also published as: JP7172490B2

Abstract

【課題】界面での剥離発生の可能性を低減して、長寿命化を実現できる高炉用羽口を提供する。【解決手段】高炉用羽口１０であって、銅または銅合金を母材とする羽口本体部１と、羽口本体部１の外表面１ａに設けられた第１保護層３と、を備える。第１保護層３の少なくとも一部または全部は、純ニッケルを羽口本体部１に拡散接合することによって得られ、第１保護層３の他の部分は、ニッケルまたはニッケル合金を羽口本体部１に肉盛溶接することによって得られる。かつ、羽口本体部１と第１保護層３との界面に形成された拡散層４の厚さは、５０μｍ〜３５０μｍである。【選択図】図１

Description

本発明は、高炉用羽口に関する。

高炉用羽口（以下、単に「羽口」ともいう。）は、高炉の炉内に突き出ており、この突き出た先端部は高温雰囲気に曝されているため、優れた耐熱性が求められる。また、羽口の先端には、炉内の鉱石やコークスが衝突することがあるので、優れた耐摩耗性も求められる。

羽口本体部には、内部に水路が設けられ、その水路に冷却水を流すことによって高炉内に突き出た先端付近の温度が低減される。羽口本体部の材質は、通常、熱伝導性に優れた銅または銅合金である。しかしながら、羽口の内部を水冷するだけでは先端の温度を十分には低減できないこと、および、銅は硬度が低く、耐摩耗性の点では劣ることから、羽口先端には耐熱性および耐摩耗性を高めるための保護層が設けられる。保護層を設けることによって羽口の寿命は延長されるものの、それでもなお、長期間使用すると先端が損傷し、羽口の交換が必要になる。羽口を交換するためには高炉を休風する必要があるため、羽口が損傷するとその交換費用のみならず、溶銑の生産量も低下してしまう。

羽口の保護層には、ニッケル系の材質が用いられることが多い。ニッケル合金は高温における強度、耐食性に優れ、また、マトリックス中に硬質の金属間化合部を析出させたり、炭化物、窒化物などを混合させることによって硬度を増したりできるのがその理由である。保護層に高硬度のニッケル合金を適用する場合には、例えば、特許文献１に記載されるように、羽口本体である銅との接合性が高いニッケル合金またはステンレス鋼を素材とする薄板材を拡散接合することで、強固な密着性を有する被膜層を形成させている。

特開昭５９−１５３５７４号公報

しかしながら、単に銅にニッケル合金を拡散接合しただけでは、繰り返される温度変化による熱負荷が与えられる環境下では、銅とニッケル合金との界面が剥離することがある。本発明者らは、鋭意検討の結果、剥離の原因が、過度な熱負荷を受けた際、銅とニッケルとの強度または熱膨張率などの物性値が界面で急激に変化するため、歪が集中しやすいことにあることの知見を得た。

本発明は、界面での剥離発生の可能性を低減して、長寿命化を実現できる高炉用羽口を提供することにある。

本発明は、銅または銅合金を母材とする羽口本体部と、前記羽口本体部の表面に設けられた、第１保護層と、を備え、前記第１保護層の少なくとも一部または全部は純ニッケルを前記羽口本体部に拡散接合することによって得られ、前記第１保護層の他の部分は、ニッケルまたはニッケル合金を前記羽口本体部に肉盛溶接することによって得られ、かつ、前記羽口本体部と前記第１保護層との界面に形成された拡散層の厚さは、５０μｍ〜３５０μｍである。

本発明によれば、界面での剥離発生の可能性を低減して、長寿命化を実現できる高炉用羽口が得られる。

図１は、実施形態に係る高炉用羽口の一例を示した断面図である。図２は、３００℃の温度下で熱膨張率を示す図である。図３は、常温での引張強度を示す図である。図４は、８００℃、９００℃、９５０℃それぞれで拡散接合を行った場合を想定した計算による接合時間とニッケル拡散層厚さとの関係を示す図である。図５は、８００℃、９００℃、９５０℃それぞれで拡散接合を行った場合を想定した計算による接合時間と銅拡散層厚さとの関係を示す図である。図６は、８００℃、９００℃、９５０℃それぞれで拡散接合を行った場合を想定した計算による接合時間と拡散層厚さとの関係を示す図である。図７は、第２保護層を備えた高炉用羽口の一例を示した断面図である。

図１は、本実施形態に係る高炉用羽口１０の一例を示した断面図である。図１に示す丸印は、羽口本体部１と、第１保護層３との界面の一部を拡大した図である。

＜１．１．羽口本体部について＞
高炉用羽口１０は羽口本体部１を備える。羽口本体部１は略円筒状である。羽口本体部１は、熱伝導性に優れた銅または銅合金からなる。羽口本体部１は、その先端部１ｂが高炉の内壁から内側に向かって突出した状態で高炉内に配置される。高炉の操業時には、羽口本体部１を介して高炉内へ高温（例えば１２００℃程度）の熱風が供給される。

羽口本体部１の内部には、周方向に沿った水路２が設けられている。水路２に冷却水を流すことによって、羽口本体部１の先端部１ｂ付近の温度を低減している。

＜１．２．第１保護層について＞
高炉用羽口１０は、羽口本体部１の外表面１ａの一部を覆う第１保護層３を備える。第１保護層３の一部は、純ニッケルを羽口本体部１の外表面１ａに拡散接合することによって得られる。第１保護層３の他の部分は、ニッケルまたはニッケル合金を羽口本体部１の外表面１ａに肉盛溶接することによって得られる。詳しくは、第１保護層３のうちの一部、例えば高温溶融物に曝される可能性が高い羽口本体部１の上部は、純ニッケルを使用している。そして、先端部１ｂの外表面１ａには、その純ニッケルを拡散接合し、先端部１ｂ以外の外表面１ａには、ニッケルまたはニッケル合金を肉盛溶接している。拡散接合は、羽口本体部１の形状に沿った形状に加工した板材を羽口本体部１に載置し、その状態で加熱することで行われる。この拡散接合では、後に詳述するが、第１保護層３と羽口本体部１との界面に形成されるニッケル拡散層４１と銅拡散層４２とを合わせた拡散層４の厚さが５０μｍ〜３５０μｍとなるように行われる。

上述したニッケル拡散接合部以外の第１保護層３の材質は、羽口本体部１との密着性に優れるとともに、熱伝導率が高い材料を選択することができる。羽口本体部１との密着性の観点からは、羽口本体部１に用いられる銅または銅合金の熱膨張率に近い材料、具体的には、熱膨張率（線膨張率）が１３〜１６×１０^-６／℃の範囲である材料を選択することができる。また、熱伝導率が高い材料とは、例えば、熱伝導率が１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の範囲にある材料である。第１保護層３の材質としては、例えば、ニッケルまたはニッケル合金（例えばニッケルクロム合金）からなるものを選択できる。

より具体的には、質量％で、Ｃｒ：０〜４０．０％、Ｍｎ：０〜４．０％、Ｔｉ：０〜３．０％、Ａｌ：０〜３．０％、Ｎｂ：０〜３．０％、Ｆｅ：０〜９．０％を含み、残部がＮｉおよび不純物からなる材料である。不純物とは、ニッケルまたはニッケル合金を工業的に製造する際に、鉱石、スクラップ等の原料その他の要因により混入し、本発明の効果を阻害しない範囲で許容される成分を意味する。

Ｃｒ（クロム）は、耐食性を向上させるので、第１保護層３の材料中に含まれていてもよい。その含有量が過剰な場合には、溶接時に割れが発生するので、その上限は４０．０％とする。上記の効果を発揮させるためには、その含有量を５．０％以上とするのが好ましく、１０．０％以上とするのがより好ましい。さらに好ましいのは、１４．０％以上である。また、上限は、３５．０％とするのが好ましく、３０．０％とするのがより好ましく、２５．０％とするのがさらに好ましい。

Ｍｎ（マンガン）は、溶接時の湯流れ性を高め溶接欠陥の発生を抑制するので、第１保護層３の材料中に含まれていてもよい。その含有量が過剰な場合には、延性およびじん性が低下して割れ易くなるので、その上限は４．０％とする。上記の効果を発揮させるためには、その含有量を０．５％以上とするのが好ましく、１．０％以上とするのがより好ましく、１．５％以上とするのがさらに好ましい。また、上限は、３．５％とするのが好ましく、３．０％とするのがより好ましく、２．５％とするのがさらに好ましい。

Ｔｉ（チタン）は、ニッケルと金属間化合物を形成して保護層の硬さを高め、耐摩耗性を向上させるので、第１保護層３の材料中に含まれていてもよい。その含有量が過剰な場合には、延性およびじん性が低下して割れ易くなるので、その上限は３．０％とする。上記の効果を発揮させるためには、その含有量を０．５％以上とするのが好ましく、１．０％以上とするのがより好ましく、１．５％以上とするのがさらに好ましい。また、上限は、２．５％とするのが好ましく、２．０％とするのがより好ましく、１．５％とするのがさらに好ましい。

Ａｌ（アルミニウム）は、ニッケルと金属間化合物を形成して第１保護層３の硬さを高め、耐摩耗性を向上させるので、第１保護層３の材料中に含まれていてもよい。その含有量が過剰な場合には、延性およびじん性が低下して割れ易くなるので、その上限は３．０％とする。上記の効果を発揮させるためには、その含有量を０．５％以上とするのが好ましく、１．０％以上とするのがより好ましく、１．５％以上とするのがさらに好ましい。また、上限は、２．５％とするのが好ましく、２．０％とするのがより好ましく、１．５％とするのがさらに好ましい。

Ｎｂ（ニオブ）は、ニッケルと金属間化合物を形成して保護層の硬さを高め、耐摩耗性を向上させるので、第１保護層３の材料中に含まれていてもよい。その含有量が過剰な場合には、延性およびじん性が低下して割れ易くなるので、その上限は３．０％とする。上記の効果を発揮させるためには、その含有量を０．５％以上とするのが好ましく、１．０％以上とするのがより好ましく、１．５％以上とするのがさらに好ましい。また、上限は、２．５％とするのが好ましく、２．０％とするのがより好ましく、１．５％とするのがさらに好ましい。

Ｆｅ（鉄）は、ニッケル合金中に固溶することで第１保護層３の強度を向上させ、耐摩耗性を向上させるので、第１保護層３の材料中に含まれていてもよい。また、Ｎｂと複合添加した場合には、Ｎｂと金属間化合物を形成して第１保護層３の硬さを高め、耐摩耗性を向上させる。その含有量が過剰な場合には、延性およびじん性が低下して割れ易くなるという問題があるので、その上限は９．０％とする。上記の効果を発揮させるためには、その含有量を０．５％以上とするのが好ましく、１．０％以上とするのがより好ましく、１．５％以上とするのがさらに好ましい。また、上限は、８．５％とするのが好ましく、８．０％とするのがより好ましく、７．５％とするのがさらに好ましい。

第１保護層３の厚さ（平均厚さ）は、２．０〜６．０ｍｍとするのが好ましい。２．０ｍｍ未満では、十分な耐磨耗性を維持することが困難となる場合があり、６．０ｍｍを超えると、羽口本体部１の先端部１ｂを十分に冷却することが困難となる場合があるからである。

＜２．拡散層について＞
羽口本体部１と第１保護層３の純ニッケルとを拡散接合して、羽口本体部１と第１保護層３との界面には拡散層４が形成される。羽口本体部１と第１保護層３の純ニッケルとを拡散接合すると、羽口本体部１と第１保護層３との界面には、羽口本体部１の銅中へ第１保護層３のニッケルが拡散したニッケル拡散層４１と、第１保護層３のニッケル中へ羽口本体部１の銅が拡散した銅拡散層４２とが形成される。拡散層４は、ニッケル拡散層４１と、銅拡散層４２とを合わせた層である。

拡散層４は、界面から十分離れた距離の第１保護層３のニッケル質量％の平均値よりニッケル質量％が１％減少した位置から、界面から十分離れた距離の羽口本体部１のニッケル質量％が１％増加した位置までの層である。この層の距離を、拡散層４の厚さ（以下、拡散層厚さと言う）と定義する。また、拡散層厚さは、例えば、切り出した表面を電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ：Electron Probe Micro Analyzer）などを用いて測定することができる。そして、拡散層厚さは測定された厚さの最小とする。

本発明者らは、拡散層厚さを５０μｍ〜３５０μｍとすることで、銅とニッケルとの強度および熱膨張率などの物性値が界面で急激に変化せず、ひずみ集中による剥離を抑制できることを見出した。

拡散接合において、銅中へのニッケル原子の拡散が多く、ニッケル中への銅原子の拡散は少ない。このため、銅とニッケルとを長時間密着させると、ニッケル部分に原子が不足してボイドが発生し、このボイドが剥離の原因となる。このため、本実施形態の拡散層厚さは３５０μｍ以下としてある。また、拡散層厚さを５０μｍ以上確保することで、羽口本体部１と第１保護層３との界面でのひずみ集中を緩和でき、接合強度を高めることができる。

以下に、拡散層厚さを５０μｍ以上確保することで、羽口本体部１と第１保護層３との界面でのひずみ集中を緩和でき、接合強度を高めることができることの効果を確認するため物性を調査した。拡散層４として銅とニッケルとの合金（モネルまたはキュプロニッケル）を用いて、合金中のニッケルの質量％を変化させたときの、合金の熱膨張率と引張強度とを調査した。

図２は、３００℃の温度下で熱膨張率を示す図である。図２の横軸はニッケルの質量％、縦軸は合金の熱膨張率である。図２において、ニッケルの質量％が０％のときの熱膨張率は、銅の熱膨張率であり、ニッケルの質量％が１００％のときの熱膨張率は、ニッケルの熱膨張率である。図２から読み取れるように、ニッケルの質量％の変化に対し、合金の熱膨張率の変化はなだらかである。

拡散層が薄い場合の拡散層内のニッケルの質量％の変化量は、拡散層が厚い場合と比べて大きい。この場合、銅とニッケルとの界面近傍では、厚さ方向におけるニッケルの質量％の変化量はより大きくなる。すなわち、銅およびニッケルのそれぞれの熱膨張率と、拡散層４の熱膨張率との差は大きくなる。熱膨張率が急激に変化すると、その変化部分にひずみが集中し、剥離懸念が生じる。

そこで、本実施形態では、拡散層厚さを５０μｍ以上確保して、羽口本体部１の銅と拡散層４との界面近傍での厚さ方向におけるニッケルの質量％の変化をなだらかにしている。これにより、厚さ方向の熱膨張率の変化もなだらかとなり、急激な熱膨張率の変化による歪集中を防止でき、界面での剥離懸念を低減できる。

図３は、常温での引張強度を示す図である。図３の横軸はニッケルの質量％、縦軸は合金の引張強度である。図３において、ニッケルの質量％が０％のときは純銅の引張強度であり、ニッケルの質量％が１００％は純ニッケルの引張強度である。図３から読み取れるように、純銅の引張強度は純ニッケルよりも小さいが、ニッケルを少量でも含むと強度が高くなる。また、ニッケルの質量％が小さい場合より、合金にニッケルがある程度（例えば、４０〜６０％）含有されている場合の方が、引張強度は高い。したがって、拡散層厚さを５０μｍ以上確保して、拡散層４のニッケルの質量％を大きくすることで、拡散層４自体の強度は高くなり、かつ、銅とニッケルとの界面近傍での厚さ方向の強度差をなだらかになり、さらにひずみの集中を抑制できる。

このように、拡散層厚さを５０μｍ〜３５０μｍとすることで、羽口本体部１と第１保護層３との界面での剥離懸念を低下させ、強度を高めることができる。

＜３．拡散層の形成方法について＞
厚さ５０μｍ〜３５０μｍとなる拡散層４は、約８００℃〜９５０℃の温度下で、羽口本体部１と第１保護層３とを密着させることで、形成することができる。以下に、図４〜図６を参照して、銅とニッケルとを約８００℃〜９５０℃の温度下で拡散接合した場合の、羽口本体部１と第１保護層３との接合時間と拡散層厚さとの関係を説明する。

図４は、８００℃、９００℃、９５０℃でそれぞれ拡散接合を行った場合を想定した計算による接合時間とニッケル拡散層厚さとの関係を示す図である。図４のニッケル拡散層厚さは、銅とニッケルとの界面から銅側へ形成されたニッケル拡散層４１の厚さであり、ニッケル質量％が１％となるまでの厚さである。図５は、８００℃、９００℃、９５０℃でそれぞれ拡散接合を行った場合を想定した計算による接合時間と銅拡散層４２の厚さである。図５の銅拡散層厚さは、銅とニッケルとの界面から、ニッケル側へ形成された銅拡散層４２の厚さであり、銅質量％が１％となるまでの厚さである。図６は、８００℃、９００℃、９５０℃で拡散接合を行った場合を想定した計算による接合時間と拡散層厚さとの関係を示す図である。図６の拡散層厚さは、ニッケル拡散層４１と銅拡散層４２とを合わせた拡散層４の厚さであり、ニッケル拡散層厚さと銅拡散層厚さとを合計した厚さである。

図６から読み取れるように、８００℃の温度下で拡散接合した場合、約３５時間で、厚さ５０μｍの拡散層４が形成される。また、９００℃の温度下で拡散接合した場合、約３．５時間で、９５０℃の温度下で拡散接合した場合、約１．５時間で、厚さ５０μｍの拡散層４が形成される。

なお、図６から読み取れるように、３５０μｍ超の厚さの拡散層を得るためには、９５０℃の温度下であっても長時間（例えば、１００時間以上）の接合時間が必要となり、生産性が低下する。また、銅の融点温度は約１０８５℃であるため、さらに高温で拡散接合することはできない。さらに、例えば、図４と図５とを対比から読み取れるように、長時間（例えば、１００時間）銅とニッケルとを密着させると、銅中へのニッケル原子の拡散が多く、ニッケル中への銅原子の拡散は少ない。このため、ニッケル部分に原子が不足してボイドが発生し、このボイドが剥離の原因となる。これらの理由から、本実施形態の拡散層厚さは３５０μｍ以下としてある。

＜４．第２保護層について＞
なお、本実施形態に係る高炉用羽口１０は、第１保護層３に設けられた第２保護層５をさらに備えていてもよい。図７は、第２保護層５を備えた高炉用羽口１０の一例を示した断面図である。

第２保護層５は、第１保護層３の表面の少なくとも一部に肉盛溶接により設けられた肉盛溶接層である。第２保護層５の材質は、高炉の操業時に、炉内の鉱石またはコークスとの衝突に耐えうる耐摩耗性（具体的には、ビッカース硬さで１８０Ｈｖ以上）に優れるとともに、熱伝導率が高い材料（具体的には１０Ｗ／ｍＫ以上）を選択することができる。例えば、第２保護層５の材質には、硬質の炭化物、窒化物、酸化物、ほう化物から選択される一種以上を含有させたニッケル合金を用いることができる。炭化物としては、ＴｉＣ、ＷＣ、ＮｂＣ、ＶＣなどが例示されるが、中でもＴｉＣが好ましい。これは、ＴｉＣが、硬さが大きく、耐摩耗性の向上に極めて有効な材料だからである。

第２保護層５の材料中の炭化物は、均一に分散している状態が好ましい。炭化物の粒径が大きすぎると、均一に分散させることが困難となるので、炭化物の粒径の最大値は、２００μｍ以下とするのが好ましい。また、炭化物の平均粒径は４０〜１００μｍの範囲するのが好ましい。また、炭化物の体積率が高すぎても均一に分散させることが困難となるので、第２保護層５の材料中の炭化物の体積率の最大値は３０％以下とするのが好ましく、５〜２５％とするのがさらに好ましい。

第２保護層５は、第１保護層３の表面の少なくとも一部、詳しくは、炉内の鉱石またはコークスが衝突しやすい個所に設けられておればよい。特に、高炉内に配置された高炉用羽口１０において、上側半分を構成する部分の表面に第２保護層５が設けられていることが好ましい。このとき、第２保護層５が設けられていない部分の第１保護層３の厚さと、第２保護層５が設けられている部分の第１保護層３および第２保護層５の合計厚さとが実質的に同一であることが好ましい。なお、高炉の操業時に、炉内の鉱石またはコークスが衝突しにくい箇所である高炉用羽口１０の下部にも第２保護層５を設けてもよい。

第２保護層５の厚さは、３．０〜６．０ｍｍとするのが好ましい。３．０ｍｍ未満では、十分な耐磨耗性を維持することが困難となる場合があり、６．０ｍｍを超えると、羽口本体部１の先端部１ｂを十分に冷却することが困難となる場合があるからである。

第１保護層３の厚さＴａと第２保護層５の厚さＴｂとの和（Ｔａ＋Ｔｂ）は、６．０〜９．０ｍｍとするのが好ましい。６．０ｍｍ未満では、十分な耐摩耗性を確保できないという問題が生じるおそれがあり、９．０ｍｍを超えると、羽口本体部１の先端部１ｂを十分に冷却できないという問題が生じるおそれがあるからである。

肉盛溶接方法は、公知の方法を採用することができ、例えば、被覆アーク溶接法、ＭＡＧ溶接法、炭酸ガスアーク溶接法、ＭＩＧ溶接法、ＴＩＧ溶接法、サブマージアーク溶接法などが挙げられる。中でも、三次元的に曲面形状である羽口先端へのニッケルまたはニッケル合金の溶接作業性を高めるためには、ＴＩＧ溶接法を採用するのが好ましい。

１羽口本体部
１ａ外表面
１ｂ先端部
２水路
３第１保護層
４拡散層
５第２保護層
１０高炉用羽口
４１ニッケル拡散層
４２銅拡散層

Claims

銅または銅合金を母材とする羽口本体部と、
前記羽口本体部の表面に設けられた、第１保護層と、
を備え、
前記第１保護層の少なくとも一部または全部は、純ニッケルを前記羽口本体部に拡散接合することによって得られ、前記第１保護層の他の部分は、ニッケルまたはニッケル合金を前記羽口本体部に肉盛溶接することによって得られ、かつ、
前記羽口本体部と前記第１保護層との界面に形成された拡散層の厚さは、５０μｍ〜３５０μｍである、
高炉用羽口。
前記第１保護層の表面の少なくとも一部を覆う肉盛溶接層からなる第２保護層、
をさらに備え、
前記第２保護層は、硬質の炭化物、窒化物、酸化物、ほう化物から選択される一種以上を含有させたニッケル合金からなる、
請求項１に記載の高炉用羽口。