JP2023121002A

JP2023121002A - ノズルおよびノズルの製造方法

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Publication number: JP2023121002A
Application number: JP2022024187A
Authority: JP
Inventors: 浩樹馬場; Hiroki Baba; 恵輔犬飼; Keisuke Inukai
Original assignee: Shinagawa Refractories Co Ltd
Current assignee: Shinagawa Refractories Co Ltd
Priority date: 2022-02-18
Filing date: 2022-02-18
Publication date: 2023-08-30
Anticipated expiration: 2042-02-18
Also published as: JP7364944B2

Abstract

【課題】従来技術に比べて耐火物の酸化を一層抑制できるノズルを実現する。【解決手段】筒状体２と、筒状体２を少なくとも部分的に収容するメタルケース３と、筒状体２とメタルケース３との間の耐火モルタル層４と、を備え、筒状体２が、耐火物製の筒状部材２１と、筒状部材２１のメタルケース３に収容されている部分の少なくとも一部を被覆する酸化防止剤層２２と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、金属の鋳造に供されるノズル、および当該ノズルの製造方法に関する。

溶融金属の鋳造においては、取鍋やタンディッシュなどの容器から溶融金属鋳造ノズル（以下、単に「ノズル」という。）を通してモールド等に溶融金属を注入する。この用途で用いられるノズルは、耐スポーリング性を有するカーボン含有耐火物により形成されることが多い。たとえば特開平１１－２７７１９６号公報（特許文献１）には、耐火物の亀裂を抑止するとともに外気からのシール性を向上することを目的として、耐火物製の筒状部材をメタルケースで被覆し、筒状部材とメタルケースとの間隙に耐火モルタルを充填してあるノズルが開示されている。

一方、ノズル内孔は溶融金属の流れに伴って急加熱されるため、ノズル内孔の周方向には圧縮応力が生じ、ノズル外周の周方向には引張応力が生じる。内孔側と外周側とで反対方向の応力が生じることから、外周から内孔に向かう径方向の亀裂が発生することがある。また、溶融金属の流れに伴ってノズル内孔が陰圧になるため、亀裂を通じて空気が吸引される場合がある。この空気は筒状部材の耐火物が酸化する原因になり、ノズルを劣化させるおそれがある。このような課題に鑑み、特開２０１０－０２３０５７号公報（特許文献２）には、筒状部材のメタルケースに被覆されていない部分に亀裂閉塞材が塗布されている溶融金属鋳造ノズルが開示されている。

特開平１１－２７７１９６号公報特開２０１０－０２３０５７号公報

しかし、特許文献２の技術によっても、筒状部材の耐火物の酸化を十分に抑制できない場合があった。特に、筒状部材がメタルケースに被覆されている箇所であっても、酸化が見られる場合があった。

そこで、従来技術に比べて耐火物の酸化を一層抑制できるノズルの実現が求められる。

本発明に係るノズルは、筒状体と、前記筒状体を少なくとも部分的に収容するメタルケースと、前記筒状体と前記メタルケースとの間の耐火モルタル層と、を備え、前記筒状体が、耐火物製の筒状部材と、前記筒状部材の前記メタルケースに収容されている部分の少なくとも一部を被覆する酸化防止剤層と、を有することを特徴とする。

また、本発明に係るノズルの製造方法は、耐火物製の筒状部材と、前記筒状部材の少なくとも一部を被覆する酸化防止剤層と、を有する筒状体を形成する工程と、前記酸化防止剤層を少なくとも部分的に包囲する耐火モルタル層を形成する工程と、前記筒状体をメタルケースに収容する工程と、を備え、前記筒状体を形成する工程において、前記筒状体の前記メタルケースに収容される部分の少なくとも一部を被覆するように前記酸化防止剤層を形成することを特徴とする。

従来、耐火物製の筒状部材がメタルケースに収容されている部分では、メタルケースによって空気が遮られることによって耐火物の酸化が抑制されると考えられており、筒状部材のメタルケースに収容されている部分には酸化防止剤の被覆を要しないとする考え方が一般的だった。本発明者らは、筒状部材がメタルケースに被覆されている箇所であっても酸化が見られる場合について詳細に観察し、筒状部材とメタルケースとの間に耐火モルタル層が充填されている場合に、耐火モルタル層中の気孔が空気の通り道として作用して空気が筒状部材に到達し、耐火物の酸化に至ると考えた。この着想に基づいて、筒状部材のメタルケースに収容されている部分の少なくとも一部を被覆する酸化防止剤層を設けることに想到し、本発明を完成した。上記の構成によれば、従来のノズルに比べて耐火物の酸化を一層抑制できる。特にメタルケースで被覆されている部分について、酸化による劣化が生じにくい。

以下、本発明の好適な態様について説明する。ただし、以下に記載する好適な態様例によって、本発明の範囲が限定されるわけではない。

本発明に係るノズルは、一態様として、前記筒状体が、前記酸化防止剤層の少なくとも一部を被覆する撥水剤層をさらに有することが好ましい。

特許文献２などの従来の技術では、酸化防止剤を塗布した箇所であっても耐火物の酸化が見られる場合があった。本発明者らはこの態様の酸化について詳細に観察し、酸化防止剤が塗布された筒状部材の表面に耐火モルタルが接触した際に、耐火モルタルが酸化防止剤を吸収してしまい、筒状部材に対する酸化防止作用が損なわれると考えた。この着想に基づいて、酸化防止剤層の少なくとも一部を被覆する撥水剤層設けることに着想し、本発明を完成した。この構成によれば、耐火モルタル層を形成する際に酸化防止剤の酸化防止作用が損なわれにくいため、より一層の酸化防止作用が得られる。

本発明に係るノズルは、一態様として、前記撥水剤層が、黒鉛、カーボンブラック、および炭化ケイ素の少なくとも一つを含むことが好ましい。

この構成によれば、撥水剤層が他の成分を含む場合に比べて一層高い酸化防止作用を実現できる。

本発明のさらなる特徴と利点は、図面を参照して記述する以下の例示的かつ非限定的な実施形態の説明によってより明確になるであろう。

実施形態に係るノズルの断面図である。

本発明に係るノズルおよびノズルの製造方法の実施形態について、図面を参照して説明する。以下では、本発明に係るノズルを、金属の鋳造に供されるノズル１に適用した例について説明する。

〔ノズルの構成〕
本実施形態に係るノズル１は、耐火物製の筒状体２と、メタルケース３と、耐火モルタル層４と、を備える（図１）。メタルケース３は筒状体２を少なくとも部分的に収容しており、筒状体２とメタルケース３との間に耐火モルタル層４が充填されている。本実施形態では、筒状体２の全体がメタルケース３に収容されており、筒状体２の側面の全体がメタルケース３で覆われている。これに対応して、筒状体２の全長とメタルケース３の全長とが実質的に等しい。

筒状体２は、耐火物製の筒状部材２１と、筒状部材２１を被覆する酸化防止剤層２２と、酸化防止剤層２２を被覆する撥水剤層２３と、を有する。筒状部材２１を形成する耐火物は、当分野で通常使用される耐火物である限度で特に限定されない。筒状部材２１を形成する耐火物は、たとえば、カーボン含有耐火物であってよく、アルミナ、マグネシア、スピネル、ジルコニアなどの酸化物原料、炭化ケイ素などの非酸化物原料、黒鉛、コークス、カーボンブラック、コルタールピッチなどのカーボン原料、などが当該耐火物に含まれうる。

本実施形態では、筒状部材２１の側面の全体が、酸化防止剤を含む酸化防止剤層２２によって被覆されている。酸化防止剤層２２に含まれる酸化防止剤は、当分野で通常使用される酸化防止剤である限度で特に限定されない。かかる酸化防止剤は、たとえば、Ａｌ_２Ｏ_３２０質量％以上３０質量％以下、ＳｉＯ_２５質量％以上１５質量％以下、Ｎａ_２ＯおよびＫ_２Ｏ合計１５質量％以上２５質量％以下、Ｐ_２Ｏ_５２０質量％以上４０質量％以下、の組成を有する酸化防止剤でありうる。酸化防止剤は、ノズル１の使用温度帯において溶融して流動状態になり、筒状体２に生じた亀裂を充填する、という作用機序で酸化防止作用を発現する。そのため酸化防止剤の組成は、ノズル１の使用温度帯を考慮して決定されうる。

酸化防止剤層２２の厚さが０．１ｍｍ以上であると、酸化防止作用が特に発現しやすいため、好ましい。酸化防止剤層２２の厚さは、０．５ｍｍ以上であることがより好ましい。また、酸化防止剤層２２の厚さが５ｍｍ以下であると、均一な酸化防止剤層２２が得られやすいため、好ましい。酸化防止剤層２２の厚さは、３ｍｍ以下であることがより好ましく、１ｍｍ以下であることがさらに好ましい。

本実施形態では、酸化防止剤層２２の全体が、撥水剤を含む撥水剤層２３によってさらに被覆されている。撥水剤層２３に含まれる撥水剤は、当分野で通常使用される撥水剤である限度で特に限定されない。かかる撥水剤は、たとえば、黒鉛、カーボンブラック、炭化ホウ素、炭化ケイ素、アルミナ、およびシリカ、から選択される一種類または複数種類をケイ酸アルカリ溶液などでスラリー化したもの、石油系撥水剤、フッ素樹脂系撥水剤、シリコーン樹脂系撥水剤などでありうる。撥水剤層２３は、黒鉛、カーボンブラック、および炭化ケイ素の少なくとも一つを含むことが好ましい。

酸化防止剤層２２を撥水剤層２３で被覆することによって、耐火モルタル層４に含まれる水分と酸化防止剤層２２の酸化防止剤との反応を抑制でき、これによって酸化防止作用が損なわれにくくなる。撥水剤層２３の厚さが０．１ｍｍ以上であると、撥水効果が特に発現しやすく、酸化防止剤層２２の酸化防止作用が維持されやすいため好ましい。撥水剤層２３の厚さは、０．５ｍｍ以上であることが好ましい。また、撥水剤層２３の厚さが５ｍｍ以下であると、均一な撥水剤層２３が得られやすいため、好ましい。撥水剤層２３の厚さは、３ｍｍ以下であることがより好ましく、１ｍｍ以下であることがさらに好ましい。

メタルケース３は、筒状体２を収容する金属製のケースである。メタルケース３を構成する金属材料は、メタルケースを構成する金属材料として当分野で通常使用される限度で特に限定されず、たとえば鉄、ステンレス、アルミニウム、銅、などでありうる。また、メタルケース３は、公知の金属加工技術（プレス成型など）によって形成されうる。

耐火モルタル層４は、充填性を向上する目的で、筒状体２とメタルケース３との間に耐火モルタルが充填された層である。耐火モルタル層４を構成する耐火モルタルは、当分野で通常使用される耐火モルタルである限度で限定されず、たとえば、アルミナやシリカなどの酸化物を主成分とする耐火モルタルでありうる。特に、従来技術では、気孔率が比較的高い耐火モルタルを用いた場合に、気孔を通じて空気が耐火物に到達し、これによって耐火物が酸化して損傷する不具合が知られていたが、本実施形態では筒状部材２１が酸化防止剤層２２で被覆されているので、耐火モルタル層４の気孔率にかかわらず、筒状部材２１を構成する耐火物の損傷が抑制されている。

〔ノズルの製造方法〕
本実施形態に係るノズル１の製造方法は、筒状体２を形成する工程と、筒状体２の酸化防止剤層２２を包囲する耐火モルタル層４を形成する工程と、筒状体２をメタルケース３に収容する工程と、を備える。筒状体２を形成する工程は、耐火物製の筒状部材２１を形成するステップと、筒状部材２１を酸化防止剤で被覆して酸化防止剤層２２を形成するステップと、酸化防止剤層２２を撥水剤で被覆して撥水剤層２３を形成するステップと、を含む。

耐火物製の筒状部材２１を形成するステップとしては、耐火物製の部材を形成する公知の方法を適用できる。すなわち、上記の原料をバインダーとともに混練するステップ、圧縮成形などの方法で混練された原料を所望の形状に成形して予備成形体を得るステップ、予備成形体を乾燥するステップ、乾燥後の予備成形体を焼成するステップ、などを含む工程により、筒状部材２１が形成されうる。

酸化防止剤層２２を形成するステップは、たとえば、筒状部材２１の表面に酸化防止剤を塗布する方法によって形成できる。酸化防止剤を塗布する方法としては、酸化防止剤に水などの助剤を加えてスラリーを形成し、刷毛やスプレーなどの公知の器具を用いて筒状体２の表面に当該スラリーを塗布する方法が例示される。このとき形成されるスラリー中の酸化防止剤の濃度は特に限定されないが、たとえば５０質量％以上９０質量％以下でありうる。また、酸化防止剤を塗布した後の筒状部材２１を加熱処理してもよい。この場合の加熱処理の温度は、たとえば５００℃以上でありうる。

撥水剤層２３を形成するステップは、酸化防止剤層２２を形成する工程と同様の方法により実施されうる。すなわち、刷毛やスプレーなどの公知の器具を用いて酸化防止剤層２２の表面に撥水剤を含むスラリーを塗布する方法が例示される。このとき形成されるスラリー中の撥水剤の濃度は特に限定されないが、たとえば５０質量％以上９０質量％以下でありうる。

耐火モルタル層４を形成する工程は、たとえば筒状体２の表面（すなわち撥水剤層２３）に耐火モルタルを塗布する方法によって実施されうる。また、筒状体２をメタルケース３に収容する工程は、たとえば、あらかじめ所定の形状に形成されているメタルケース３に、筒状体２を挿入する方法で実施されうる。この手順で実施される場合、筒状体２の外側に耐火モルタル層４を形成したのちに、筒状体２と耐火モルタル層４とを一体としてメタルケース３に挿入することになる。

〔その他の実施形態〕
最後に、本発明に係るノズルおよびノズルの製造方法のその他の実施形態について説明する。なお、以下のそれぞれの実施形態で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することも可能である。

上記の実施形態では、筒状体２の全体がメタルケース３に収容されている構成を例として説明した。しかし、本発明に係るノズルにおいて、筒状体が少なくとも部分的にメタルケースに収容されていればよい。筒状体のどの部分をメタルケースに収容するかは、ノズルの用途に鑑みて決定される。

上記の実施形態では、筒状部材２１の側面の全体が酸化防止剤層２２によって被覆されている構成を例として説明した。しかし、本発明に係るノズルにおいて、筒状部材の側面の全体が酸化防止剤層によって被覆されている必要はなく、筒状部材のメタルケースに収容されている部分の少なくとも一部が酸化防止剤層によって被覆されていればよい。

上記の実施形態では、酸化防止剤層２２の全体が撥水剤層２３によってさらに被覆されている構成を例として説明した。しかし、本発明に係るノズルにおいて、撥水剤層を設けなくてもよい。また、撥水剤層を設ける場合であっても、酸化防止剤層の全体が撥水剤層によって被覆されている必要はなく、酸化防止剤層の少なくとも一部が撥水剤層によって被覆されていればよい。

なお、撥水剤層を設けない態様のノズルを製造する場合、筒状体を形成する工程において、撥水剤層を形成するステップが省略される。

その他の構成に関しても、本明細書において開示された実施形態は全ての点で例示であって、本発明の範囲はそれらによって限定されることはないと理解されるべきである。当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜改変が可能であることを容易に理解できるであろう。したがって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で改変された別の実施形態も、当然、本発明の範囲に含まれる。

以下では、実施例を示して本発明をさらに説明する。なお、以下の実施例は本発明を限定しない。

〔試薬〕
（酸化防止剤）
酸化防止剤として、Ａｌ_２Ｏ_３２３質量％、ＳｉＯ_２９質量％、Ｎａ_２ＯおよびＫ_２Ｏ合計２０質量％、Ｐ_２Ｏ_５３０質量％のリン酸ガラス系の釉薬を使用した。

（撥水剤）
実施例２～１０では、各実施例において示す無機物をケイ酸カリウム水溶液に分散させたスラリーを撥水剤として用いた。各実施例において、スラリー中の無機物の濃度を３０質量％とした。実施例１１では、撥水剤として石油系撥水剤を用いた。

（耐火モルタル）
耐火モルタルとして、Ａｌ_２Ｏ_３３質量％、ＳｉＯ_２８６質量％のものを使用した。なお、残部はアルカリ金属、アルカリ土類金属などである。

〔ノズルの作成〕
（実施例１）
撥水剤層を形成するステップを省略した他は上記に説明した実施形態に従い、撥水剤層を有さないノズルを作成した。酸化防止剤層の厚さを１ｍｍとした。なお、ノズルの形状は、全長３０５ｍｍ、外径１５５ｍ、内径５０ｍｍとした。

（実施例２～５）
上記に説明した実施形態に従い、撥水剤層を有するノズルを作成した。ノズルの形状は、実施例１と同様とした。撥水剤中の無機物として黒鉛を用いた。酸化防止剤層の厚さを１ｍｍとした。撥水剤層の厚さを、実施例２では０．５ｍｍ、実施例３では１ｍｍ、実施例４では３ｍｍ、実施例５では５ｍｍとした。

（実施例６）
上記に説明した実施形態に従い、撥水剤層を有するノズルを作成した。ノズルの形状は、実施例１と同様とした。撥水剤中の無機物としてカーボンブラックを用いた。酸化防止剤層の厚さを１ｍｍとし、撥水剤層の厚さを１ｍｍとした。

（実施例７）
上記に説明した実施形態に従い、撥水剤層を有するノズルを作成した。ノズルの形状は、実施例１と同様とした。撥水剤中の無機物として炭化ホウ素を用いた。酸化防止剤層の厚さを１ｍｍとし、撥水剤層の厚さを１ｍｍとした。

（実施例８）
上記に説明した実施形態に従い、撥水剤層を有するノズルを作成した。ノズルの形状は、実施例１と同様とした。撥水剤中の無機物として炭化ケイ素を用いた。酸化防止剤層の厚さを１ｍｍとし、撥水剤層の厚さを１ｍｍとした。

（実施例９）
上記に説明した実施形態に従い、撥水剤層を有するノズルを作成した。ノズルの形状は、実施例１と同様とした。撥水剤中の無機物としてアルミナを用いた。酸化防止剤層の厚さを１ｍｍとし、撥水剤層の厚さを１ｍｍとした。

（実施例１０）
上記に説明した実施形態に従い、撥水剤層を有するノズルを作成した。ノズルの形状は、実施例１と同様とした。撥水剤中の無機物としてシリカを用いた。酸化防止剤層の厚さを１ｍｍとし、撥水剤層の厚さを１ｍｍとした。

（実施例１１）
上記に説明した実施形態に従い、撥水剤層を有するノズルを作成した。ノズルの形状は、実施例１と同様とした。撥水剤として石油系撥水剤を用いた。酸化防止剤層の厚さを１ｍｍとし、撥水剤層の厚さを１ｍｍとした。

（比較例）
酸化防止剤層を形成するステップおよび撥水剤層を形成するステップを省略した他は上記に説明した実施形態に従い、酸化防止剤層および撥水剤層を有さないノズルを作成した。ノズルの形状は、実施例１と同様とした。

〔評価方法〕
実施例および比較例の各ノズルを十分に乾燥させた後に、１０００℃の酸化雰囲気下で１０時間加熱した。加熱後の試料を室温まで放冷した後に、試料を切断して断面を光学顕微鏡で観察した。実施例および比較例の各例の耐酸化性を、断面の観察結果に基づいて以下のＡ～Ｄの四水準で評価した。
Ａ：断面に酸化層がほとんど見られない。
Ｂ：注意深く観察すると酸化層を発見できる。
Ｃ：比較例（水準Ｄ）に比べて酸化層が減少している。
Ｄ：断面に明らかに酸化層が見られる。（比較例）

なお、断面における酸化層は、試料の切断面におけるカーボン消失層の厚さを観察する方法で特定した。

〔結果〕
実施例および比較例の評価結果を表１に示す。全ての実施例において、酸化防止剤層が設けられていない比較例に比べて酸化層の減少が見られた。また、撥水剤層が設けられている実施例２～１１において、撥水剤層が設けられていない実施例１に比べて一層の酸化層の減少が見られた。特に、黒鉛、カーボンブラック、炭化ホウ素、または炭化ケイ素を含む撥水剤を使用して、撥水剤層の厚さを１ｍｍ以下にした実施例２、３、６、７、および８において、最も顕著な酸化抑制作用が認められた。

表１：実施例および比較例

本発明は、たとえば金属の鋳造に供されるノズルに利用できる。

１ノズル
２筒状体
２１筒状部材
２２酸化防止剤層
２３撥水剤層
３メタルケース
４耐火モルタル層

本発明に係るノズルは、筒状体と、前記筒状体を少なくとも部分的に収容するメタルケースと、前記筒状体と前記メタルケースとの間の耐火モルタル層と、を備え、前記筒状体が、耐火物製の筒状部材と、前記筒状部材の前記メタルケースに収容されている部分の少なくとも一部を被覆する酸化防止剤層と、を有し、前記酸化防止剤層は、ノズルの使用温度帯において溶融する酸化防止剤を含むことを特徴とする。

また、本発明に係るノズルの製造方法は、耐火物製の筒状部材と、前記筒状部材の少なくとも一部を被覆する酸化防止剤層と、を有する筒状体を形成する工程と、前記酸化防止剤層を少なくとも部分的に包囲する耐火モルタル層を形成する工程と、前記筒状体をメタルケースに収容する工程と、を備え、前記酸化防止剤層は、ノズルの使用温度帯において溶融する酸化防止剤を含み、前記筒状体を形成する工程において、前記筒状体の前記メタルケースに収容される部分の少なくとも一部を被覆するように前記酸化防止剤層を形成することを特徴とする。

Claims

筒状体と、前記筒状体を少なくとも部分的に収容するメタルケースと、前記筒状体と前記メタルケースとの間の耐火モルタル層と、を備え、
前記筒状体が、耐火物製の筒状部材と、前記筒状部材の前記メタルケースに収容されている部分の少なくとも一部を被覆する酸化防止剤層と、を有するノズル。
前記筒状体が、前記酸化防止剤層の少なくとも一部を被覆する撥水剤層をさらに有する請求項１に記載のノズル。
前記撥水剤層が、黒鉛、カーボンブラック、および炭化ケイ素の少なくとも一つを含む請求項２に記載のノズル。
耐火物製の筒状部材と、前記筒状部材の少なくとも一部を被覆する酸化防止剤層と、を有する筒状体を形成する工程と、
前記酸化防止剤層を少なくとも部分的に包囲する耐火モルタル層を形成する工程と、
前記筒状体をメタルケースに収容する工程と、を備え、
前記筒状体を形成する工程において、前記筒状体の前記メタルケースに収容される部分の少なくとも一部を被覆するように前記酸化防止剤層を形成するノズルの製造方法。