JP2694028B2 - 複合管及び粉粒体吹込みノズル - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、耐摩耗性、耐熱性に加えて耐衝撃性等の高
性能を要求される粉粒体輸送管等に適用可能な金属管と
セラミックスとからなる複合管に関し、また、前記複合
管構造を利用して冶金炉などへの効果的な粉粒体吹込み
を可能ならしめる粉粒体吹込みノズルに関するものであ
る。

〔従来の技術〕

粉コークス，粉鉱石あるいは金属粉末等が各種の産業
分野に使用されている。これらの粉粒体の輸送には鋼管
やステンレス管などが多用されるが、粉粒体と接触する
管の内面が激しく摩耗する。このため摩耗部分の補修や
配管等の取替頻度が高く、それらに費やす労力，時間お
よび費用は莫大である。

近年、これらの問題を解決するため、耐摩耗性、耐熱
性に優れたセラミックスが積極的に活用されるようにな
ってきている。ところで、セラミックスは前述したよう
に耐摩耗性、耐熱性には極めて優れるが、衝撃力に弱
く、かつ加工性に乏しい欠点を有している。而してセラ
ミックスを単体の管として使用することは少なく、多く
の場合、鋼管やステンレス管等の金属管と組み合わせた
複合管として使用されることが一般的である。

第９図は従来一般的に使用されている複合管の一例を
示すもので、第９図（ａ）は前述した金属管11の内面に
セラミックスの小片12を有機あるいは無機接着剤で貼付
けて構成された複合管13である。第９図（ｂ）は前記金
属管11の内側にセラミックス管12aを挿入固着して構成
された複合管13aであり、金属管11とセラミックス管12a
の固着には接着剤による接着手段や金属管の焼嵌め手段
等が多く採用されている。また近年前記金属管11とセラ
ミックス管12aの固着手段として、形状記憶合金の形状
回復力を利用する試みも一部でなされている。例えば特
開昭63−43089号公報では、前記金属管11として２方向
性の形状記憶合金を用い、複合管の使用温度域において
は金属管11の内径が小さくなってセラミックス管12aに
密着し、非使用温度域では逆に金属管11の径が大きくな
って密着状態が解かれるよう構成することにより、セラ
ミックス管12aの損耗状態の点検や交換を容易にする技
術手段が開示されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

前記第９図（ａ）に示すセラミックス小片12を金属管
11の内面に貼付ける手段は、金属管11の内径が小さくな
ると貼付作業が容易に行えず、特に小径で長尺のものに
ついては実質的に貼付が不可能であった。また、接着剤
の耐熱温度は一般に低く、このため複合管13,13aの使用
温度が高くなると接着力が低下して、セラミックス小片
12やセラミックス管12a等が脱落するなどの問題もあっ
た。

一方、第９図（ｂ）に示す金属管11の内側にセラミッ
クス管12aを挿入固着する手段において、焼嵌め、及び
形状記憶合金製金属管による固着手段では、金属管11の
セラミックス管12aを締めつける力が過大になるとセラ
ミックス管12aが破壊する問題がある。このため金属管
内径とセラミックス管外径を高精度に加工する必要があ
る。このセラミックスの高精度機械加工は高価であり、
省略したい工程である。

また、二方向性の形状記憶合金は内径が小さくなる形
状回復では、長さ方向の伸びを伴うためセラミックス管
12aの長さ方向に張力が負荷される。この張力によりセ
ラミックスの破壊がより生じ易くなるので、複合管13a
が長尺になるほど製造が難しくなる。係る問題は、短尺
のセラミックス管を多数使用して解決することが考えら
れるが、それぞれのセラミックス管の外径が異なれば、
締めつけ力が外径の大きなセラミックス管に集中するこ
とになり、かえって破壊に対して不利になる。従って、
従来の二方向性の形状記憶合金を用いる手段ではセラミ
ックス管の外径の高精度加工が一層重要となる。

本発明は、前述した従来手段における問題点の抜本的
な解決を図り、セラミックスの有する耐摩耗性および耐
熱性を効果的に発揮し、しかも充分な耐衝撃性等の機械
的強度を有する金属とセラミックスの複合管、並びに前
記複合管の特性をさらに有効に利用した粉粒体吹込みノ
ズルの提供をその課題とするものである。

〔課題を解決するための手段〕

前記課題を解決する本発明は、金属管の内側にセラミ
ックス管を挿入固着してなる金属とセラミックスの複合
管において、前記金属管を一方向性形状記憶合金で構成
するとともに、前記金属管の内側に銅，鉛，プラスチッ
クなどの軟質材で筒状に構成された緩衝層を介装してセ
ラミックス管を挿入し、前記金属管の形状回復力でセラ
ミックス管を固着したことを特徴とするものである。ま
た前記筒状に構成された緩衝層に任意数のスリットが穿
設されていることを他の特徴とするものである。

さらにまた、前述した一方向性形状記憶合金製金属管
の内側に銅，鉛，プラスチックなどの軟質材で筒状に構
成された緩衝層を介装してセラミックス管を挿入し、前
記金属管の形状回復力でセラミックス管が固着された複
合管を、内管と外管からなる二重管、もしくは内管、中
管および外管からなる三重管構造の粉粒体吹込みノズル
の前記内容管に適用したことを特徴とするものである。

〔作用〕

第１図は本発明に基づく複合管の一実施例を示したも
のである。この第１図において、１が複合管であり、一
方向性形状記憶合金からなる金属管２と、この金属管２
の内側に挿入固着されたセラミックス管３、及び金属管
２とセラミックス管３の間に介装された緩衝層４とから
構成されている。緩衝層４としては銅や鉛あるいはプラ
スチック、超塑性材料等の軟質の材料を用いることがで
き、前記軟質材を予め筒状に形成し、この筒状体をセラ
ミックス管３の外周に挿入して緩衝層４を形成すればよ
い。

一方向性形状記憶合金からなる金属管２は、加熱する
ことによりその径が縮小するような形状記憶処理が施さ
れている。而してこの金属管２の内側に、前述した緩衝
層４を介装してセラミックス管３を挿入した後、複合管
１を全体的に、もしくは金属管２のみを加熱すれば金属
管２が縮径し、その形状回復力で緩衝層４を介してセラ
ミックス管３を締め付け、固着する。緩衝層４は前述し
た金属管２の径縮小に容易に追従して変形し、セラミッ
クス管３に過剰な形状回復力が作用することを防止する
緩衝機能を発揮する。このため、例えば金属管２の内面
あるいはセラミックス管３の外面の横断面が真円でなか
ったり、金属管２の内径あるいはセラミックス管３の外
径が長さ方向において変化しているときなどに、セラミ
ックス管３に応力集中が生じることを緩和することがで
き、複合管としての製作性を著しく向上させ、しかも製
品としての信頼性を飛躍的に高めることができた。

緩衝層４の形態は前述したように特に限定するもので
はないが、予め筒状に形成された緩衝層は、長さ方向に
おいて高精度の製造が可能であり、前述した緩衝機能と
固着機能を同時に、しかも効率的に発揮することがで
き、効果的な手段である。また、前記筒状に構成された
緩衝層４に、例えば第２図に示すようなスリット５を穿
設すると後述する如き種々の優れた効果があり、前述し
た緩衝層４の機能をさらに高めることが可能となる。

スリット５としては、第２図（ａ）に示すように緩衝
層４の内面から外面まで貫通したスリット5aとすると、
第２図（ｂ）に示すように緩衝層４の内面側から穿設し
た凹溝状のスリット5bとすること、あるいは第２図
（ｃ）に示すように緩衝層４の外面から穿設した凹溝状
のスリット5cとすることのいずれでもよい。

次に前記スリット５（前記スリット5a〜5cを総称し
て、スリット５と言う）の作用について説明する。前記
第１図の金属管２の形状回復による内径の縮小に対して
スリット５を穿設していない緩衝層の場合、円周方向の
圧縮変形のみで追従しようとする。このため厚みの厚い
緩衝層や、比較的硬い材質で形成された緩衝層では、金
属管２の形状回復力が緩衝層４の変形に消費されてセラ
ミックス管３の固着力不足を来す恐れがある。これに対
し第２図（ａ）に示すような緩衝層４に、その内面から
外面まで貫通したスリット5aを穿設すると、金属管２の
形状回復に対して緩衝層４は円周方向の圧縮変形よりも
小さな力で進行する縮径方向の曲げ変形が先行するた
め、金属管２の形状回復力を効率よくセラミックス管３
に伝達できる。また第２図（ｂ）や第２図（ｃ）に示す
ような緩衝層４内面側あるいは外面側から穿設した凹溝
状のスリット5b,5cの場合は、スリットを穿設しない場
合と同様に金属管２の形状回復に対して円周方向の圧縮
変形で追随する。しかしながらこの圧縮変形を薄肉の連
結部5b₁,5c₁に小さな力で集中させることができること
からこの場合も金属管２の形状回復力を効率よくセラミ
ックス管３に伝達できる。以上のように筒状に構成され
た緩衝層４にスリット５を穿設すると、金属管形状回復
力の緩衝層による費消を小さくでき、セラミックス管３
を強固に固着することが可能となる。さらに緩衝層の厚
みが厚い場合、緩衝層の材質が比較的硬い場合、緩衝層
の径が大きい場合等には複数条のスリットを穿設すると
セラミックス管の固着を一層強固にでき、かつ固着力を
均等にすることができる。尚、複数条のスリットを穿設
するには第２図（ｂ）や第２図（ｃ）に示す如き凹溝が
適するが、緩衝層４の内面から外面まで貫通したスリッ
ト5aでも例えば第２図（ｄ）に示すように緩衝層４の長
さ方向に若干の連結部5a₁を残し、これを千鳥配列する
ことなどの手段で可能となる。

さて次に、緩衝層の径方向の寸法について説明する。

第３図はスリットの穿設されていない筒状緩衝層を介
装させる場合、及び前記第２図（ｂ），（ｃ）に示すス
リット5b,5cを穿設した緩衝層を介装させる場合の緩衝
層の寸法の基本的な考え方を示したもので、金属管２の
形状回復前の内径をdm、セラミックス管３の外径をDcと
すると、緩衝層４の外径Dpと内径dpを次式を満足するよ
うに加工する。

Dc＜dp≦Dc×（１＋0.01） ……（１） dm×（１−εｒ＋0.015）≦Dp≦dm ……（２） ここでεｒは形状記憶合金の回復ひずみであり、外力
がない場合の回復後の内径はdm×（１−εｒ）となる。
形状記憶合金の形状回復力による固着力を充分に引き出
すには、前記（１）式における緩衝層の内径dpをできる
だけセラミックス管３の外径Dcに近い値とし、かつ
（２）式における緩衝層の外径Dpをできるだけ金属管２
の内径dmに近い値とするのが望ましい。

一方、前記第２図（ａ）に示す内面から外面に貫通し
たスリット5aを穿設した筒状体を用いる場合は下記
（３）及び（４）式を満足するように緩衝層４の外径Dp
と内径dpを穿設すればよい。

dp≒Dc ……（３） Dp−dp＞dm×（１−εｒ）−Dc ……（４） 前述したごとく、スリット加工を施した緩衝層４の管
の場合は、スリット加工を施さない場合に比べて金属管
の縮径の変化に容易に追随するので、比較的硬い緩衝層
や厚みの大きな緩衝層の管を使用するときは、係るスリ
ット加工を施すと強固に一体化される。

以上のような構成でなる本発明の複合管の提供により
以下に述べるような利点を得ることができる。即ち緩衝
層を介装することによりセラミックス管を固定する一方
向性形状記憶合金からなる金属管の固着力を緩衝層の変
形により均等化できること、また形状記憶合金管の形状
回復時の長さ変化により発生するセラミックス管の長さ
方向の張力が軽減されるので、従来の焼嵌めや２方向性
形状記憶合金を使用した複合管で問題となるセラミック
ス管の破壊の問題を激減させることができる。また先
に、従来法では金属管の内径、およびセラミックス管の
外径の精密加工の重要さを述べたが、セラミックスの機
械加工は難しく高価であり、それだけ複合管の製造費も
高くなる。しかし、本発明では加工が容易な緩衝層を前
記寸法範囲になるよう加工すればよく、従って、セラミ
ックス管は焼き放し、あるいは粗加工で充分であり、複
合管の製造費用を安価にできる。

また短尺のセラミックス管を多数挿入して長尺の複合
管を製造する場合においても、個々のセラミックス管の
外径を同一に精密加工しなくても、それぞれのセラミッ
クス管の外径に応じて緩衝層の内径および外径を決めれ
ばよく、やはり製造費用を安価にできる。

さらに、長尺のセラミックス管を使用する場合、焼き
放し状態ではセラミックス管の寸法は長さ方向で変動す
るが、この場合は緩衝層を長さ方向で適当な数に分割
し、セラミックス管の長さ方向位置でその外径に応じて
緩衝層の寸法を決めればよい。もし、長さ方向の径が管
端側で大きくて、中央側に装着すべき緩衝層にセラミッ
クス管が通せない場合は緩衝層にスリット加工を施せば
よく、製造上とくに問題とはならない。

第４図は本発明に基づく他の例を示すもので、同一寸
法の金属管２に対して大きさの異なるセラミックス管3
a,3b,3cを挿入固着した複合管1aである。このような複
合管1aにおいても緩衝層4a,4b,4cの厚みを変化させるこ
とにより容易に対応が可能である。尚、緩衝層4cのよう
にその厚みが厚く、金属管２の形状回復力がセラミック
ス管3cに伝達され難い部分については、第５図に示すよ
うに緩衝層4cに複数条の前述したスリット5cを穿設すれ
ばよい。

第６図は前述した構成の複合管を粉粒体吹込みノズル
（以下単にノズルと言う）に適用した一例を示す断面構
造図であり、第７図は前記第６図のＡ−Ａ断面図であ
る。本例は、精錬容器内へ炭素質粉末及び精錬ガスを吹
込むためのノズル100に関するもので、前記炭素質粉末
をキャリヤーガスと共に流通せしめる内管101と、精錬
ガスとしての酸素等の酸化性ガスが流通する流路102aを
形成するための中管102、冷却用の非酸化性ガスの流路1
03aを形成するための外管103とから構成されている。而
して前記内管101には、一方向性形状記憶合金からなる
金属管２と、この金属管２の内側に軟質材からなる緩衝
層４を介装して挿入固着されたセラミックス管３とから
構成された複合管１を用いている。金属管２の外側には
間隔保持材102bを介して中管102が装着され、この金属
管２と中管102とで流路102aを形成している。中管102の
外周には適宜間隔で、凹溝が設けられ、前記外管103と
の間で流路103aを形成している。

以上のように構成されたノズル100では、高熱条件
で、激しい摩耗作用の生じる内管101に、複合管１が用
いられていることから耐用性を飛躍的に向上させること
ができる。

また、図示しないが同様の目的で使用される二重管構
造のノズルにおいても、その内管に前述した複合管１を
用いることにより、耐用性に優れ、しかも製造コストの
低廉なノズルを得ることができる。

〔実施例〕

前記第１図に示す構造の複合管を、従来手段と本発明
に基づいて製造し、その性能を比較した。第１表はその
製造条件と性能比較を示すもので、金属管としてはいず
れも鉄系の一方向性形状記憶合金を用いた。第８図
（ａ）は、従来手段におけるセラミックス管の外径
（Ａ）、及び金属管の内径（Ｂ）の長さ方向の寸法変動
状況を示すもので、セラミックス管外径が、金属管の内
径の50.2mmを超える範囲（ｘ），（ｙ）については50mm
に切削加工を行った。第８図（ｂ）は、本発明に基づく
セラミックス管の外径（Ｃ）、緩衝層の内径（Ｅ）、外
径（Ｆ）、及び金属管の内径（Ｄ）の長さ方向の寸法変
動状況を示すものであり、セラミックス管外径の旋削等
による高精度加工は一切行わなかった。

第１表から明らかなように、従来手段による複 合管では、特に旋削加工を行った径の大きい部分に亀裂
が多発した。これに対し本発明の複合管では、亀裂や割
れ発生等のトラブルの発生は皆無であった。

〔発明の効果〕

本発明の金属とセラミックスの複合管の提供により、
焼嵌めや形状記憶合金の形状回復を利用して金属管でセ
ラミックス管を直接締めつけて一体化する従来の問題で
あったセラミックス管の割れや、セラミックス管の外径
の高価な精密度加工が省略できる。また接着剤を用いて
金属管とセラミックス管を一体化する場合での問題であ
った高温での接合化の低下も大幅に改善される。さら
に、複合管の内径を径違いのセラミックス管を組み合わ
せて製造することも極めて容易であり、適用範囲を著し
く広げることができた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に基づく複合管の一実施例を示す部分断
面斜視図、第２図は筒状に構成された緩衝層４に穿設さ
れたスリットの実施例を示す図、第２図（ａ）は内面か
ら外面まで貫通したスリットの図、第２図（ｂ）は内面
側から穿設された凹溝状スリットの図、第２図（ｃ）は
外面側から穿設された凹溝状のスリットの図、第２図
（ｄ）は複数条の貫通スリットの図、第３図は緩衝層の
径方向の寸法を説明するための構造図、第４図は本発明
に基づく他の例を示す複合管の断面図、第５図は前記第
４図の側面図、第６図は本発明に基づく粉粒体吹込みノ
ズルの一実施例を示す断面構造図、第７図は前記第６図
のＡ−Ａ断面図、第８図は具体的実施例における金属
管、セラミックス管等の長さ方向における寸法の変動状
況を示す線図、第９図は従来一般的に使用されている複
合管の一例を示す部分断面斜視図である。 1,1a:複合管、2:金属管、3,3a〜3c:セラミックス管、4,
4a〜4c:緩衝層、5,5a〜5c:スリット、11……金属管、1
2:セラミックス小片、12a:セラミックス管、13,13a:複
合管、100:粉粒体吹込みノズル、101:内管、102:中管、
103:外管。

フロントページの続き (72)発明者 平 初雄 兵庫県姫路市広畑区富士町１番地 新日 本製鐵株式会社広畑製鐵所内 (72)発明者 縫部 ▲つづる▼ 兵庫県姫路市広畑区富士町１番地 新日 本製鐵株式会社広畑製鐵所内 (56)参考文献 特開 昭63−43089（ＪＰ，Ａ) 実開 昭61−14284（ＪＰ，Ｕ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】金属管の内側にセラミックス管を挿入固着
   してなる金属とセラミックスの複合管であって、前記金
   属管が１方向性形状記憶合金からなり、かつ前記金属管
   の内側に銅，鉛，プラスチックなどの軟質材で筒状に構
   成された緩衝層を介装してセラミックス管を挿入し、前
   記金属管の形状回復力でセラミックス管が固着されてい
   ることを特徴とする金属とセラミックスの複合管。
2. 【請求項２】内管と外管からなる二重管、もしくは内
   管、中管および外管からなる三重管構造の粉粒体吹き込
   みノズルであって、前記内管が一方向性形状記憶合金製
   金属管の内側に銅，鉛，プラスチックなどの軟質材で筒
   状に構成された緩衝層を介してセラミックス管を挿入
   し、前記金属管の形状回復力でセラミックス管が固着さ
   れた複合管であることを特徴とする粉粒体吹き込みノズ
   ル。