JP4638932B2 - ストッパ - Google Patents

Description

本発明は、鋳造時に取鍋等の容器から排出する溶融金属の流量を調整すると共に、溶融金属にガスの吹き込みを行うストッパに関するものである。

鋳造には、取鍋で移送された溶融金属を取鍋から排出して鋳型へ直接注入する場合や、取鍋から排出した溶融金属をタンディッシュ等の中間容器を介して鋳型へ注入する場合があるが、取鍋やタンディッシュ等の容器から溶融金属を排出する際に、容器の底部に設けられたノズルを塞いで溶融金属の流量を調整するストッパが用いられている。このストッパには、中空のガス流通路を有し、アルゴン等の不活性ガスや窒素ガスを溶融金属に吹き込むタイプがある。このようにアルゴン等のガスを吹き込むことにより、溶融金属をノズルに流入する際に発生する負圧によって空気が巻き込まれ、溶融金属が酸化することが防止される。また、鋳型が設置された槽を減圧し、この減圧槽内に溶融金属を注入する際にガス吹き込みタイプのストッパを用いることにより、吹き込んだガスによって溶融金属の粒滴を微細化し、効果的に脱炭素、脱窒素等の脱ガスを行う製錬も行われている（例えば、特許文献１，２参照）。

これらの特許文献ではストッパの構造についての詳細な記載はないが、従来のガス吹き込みタイプのストッパは、一般的にノズルの孔部を閉塞するストッパヘッド部とスリーブ状煉瓦との組立式である。より具体的に図３を用いて説明すると、従来のストッパ１００は、ガス流通経路を構成する管状の芯金１０１と、芯金の外周面を被覆する耐火物層１１０とを主な構成とし、耐火物層１１０は、耐火煉瓦で形成されたストッパヘッド部１１１と、複数のスリーブ状耐火煉瓦１１２とが、モルタル１１５で接合されて形成されている。また、ストッパヘッド部１１１及びスリーブ状耐火煉瓦１１２が接合されて形成された耐火物層１１０と芯金１０１の外周面との間には、断熱材及び膨張代として砂等の粉末状耐火物が充填された充填材層１１７が設けられている。

特公昭５４−３０８８７号公報 特開昭６１−１９５９１５号公報

ストッパは極めて高温の溶融金属に浸漬された際に膨張するが、金属製の芯金の熱膨張率は耐火物に比べて極めて大きい。そのため、上記の従来のストッパ１００では、芯金１０１の熱膨張によってモルタル１１５で接合された耐火煉瓦間の目地部に開きが生じる。そして、開いた目地部を介して溶融金属が浸入し、充填材層１１７をも通過して芯金１０１に達すると、金属製の芯金１０１は容易に溶損してしまう。そうすると、管状の芯金１０１を流通するガスが溶損部から噴出し、噴出するガスに伴い溶融金属の飛沫が周囲に撒き散らされて、鋳造作業を困難にすると共に危険を招くおそれがある。そのため、従来のストッパは、その使用が短時間で行われる小規模の鋳造に制限されるという問題があった。

そこで、本発明は、上記の実情に鑑み、鋳造時に取鍋等の容器から排出する溶融金属の流量を調整すると共にガスの吹き込みを行うストッパであって、芯金の溶損が抑止され、長時間にわたる大規模な鋳造にも使用可能なストッパの提供を課題とするものである。

上記の課題を解決するため、本発明にかかるストッパは、「鋳造に際して溶融金属を収容する容器から排出する溶融金属の流量を調整すると共に、溶融金属にガスの吹き込みを行うストッパであって、ガスを流通させる管状の芯金と、該芯金の外周面を被覆する耐火物層とを具備し、該耐火物層は、少なくとも溶融金属に浸漬される浸漬部がキャスタブル耐火材料によって一体的に形成された不定形耐火物層により構成されている」ものである。

「溶融金属を収容する容器」は、取鍋、或いはタンディッシュ等の中間容器を指している。

「芯金」は、鋼や合金鋼等の金属で構成される管状の部材であり、その内部空間にガスを流通させることができる。また、芯金は、断面形状を略円形や楕円形とすることができる。なお、芯金に流通させる「ガス」としては、アルゴン等の不活性ガスや窒素ガスを例示することができる。

「キャスタブル耐火材料」の種類は特に限定されないが、例えば、アルミナ−シリカ質、アルミナ−マグネシア質、アルミナ−カーボン質、アルミナ−マグネシア−カーボン質、アルミナ−スピネル質のキャスタブル耐火材料を使用することができる。また、「不定形耐火物層」は、キャスタブル耐火材料の粉末に、水、結合剤、硬化剤、分散剤等の調整剤を混合して調製した泥しょうを固化、乾燥させることによって形成することができる。

「耐火物層」がキャスタブル耐火材料により一体的に形成された不定形耐火物層とされる部分は、「少なくとも溶融金属に浸漬される浸漬部」であれば良く、浸漬部以外の部分は、プレキャストブロックや耐火煉瓦をモルタルで接合して構成させても良い。もちろん、浸漬部以外の部分を含めて、耐火物層の全体がキャスタブル耐火材料により一体的に形成された不定形耐火物層であっても良い。なお、ストッパの下端部（ヘッド部）の耐火物層は、溶融金属を排出するノズルの孔部を閉塞させるべく、半球形状や紡錘形状に形成することができる。

「浸漬部」は耐火物層のうち溶融金属中に浸漬させる部分であり、例えば、耐火物層の全長の１／４〜２／３の長さに相当する部分とすることができる。

上記の構成により、溶融金属に浸漬される浸漬部には、耐火物層に目地部が存在しない。これにより、高温の溶融金属に浸漬された際の芯金の熱膨張によって目地部に開きが生じ、開いた目地部を介して浸入した溶融金属によって芯金が溶損するという、従来のストッパの問題を回避することができる。また、キャスタブル耐火材料による不定形耐火物は、一般的に相当する材質の耐火煉瓦より熱伝導率が低いため、高温の溶融金属に浸漬された場合の芯金の熱膨張を低減し、芯金の熱膨張に起因して耐火物層に亀裂等が生じるおそれを低減することができる。従って、本発明によれば、溶融金属による芯金の溶損が抑止され、長時間にわたる大規模な鋳造にストッパを使用することが可能となる。

加えて、ストッパには、ヘッド部がノズルの孔部を閉塞した状態で脱落すると、溶融金属の流量調整ができなくなるという問題があるが、ヘッド部の耐火煉瓦が他の耐火煉瓦とモルタルで接合された従来のストッパでは、このようなヘッド部の脱落は生じ易いものであった。これに対し、本発明のストッパでは、耐火物層はヘッド部も含めて浸漬部において一体的に形成されているため、ヘッド部が脱落するおそれが低減されている。

本発明にかかるストッパは、上記構成に加え、「セラミック繊維を含有し、前記芯金の外周面の少なくとも一部と前記耐火物層との間に介在する繊維含有層を」具備するものとすることができる。

「セラミック繊維」としては、アルミナ質繊維、シリカ質繊維等の酸化物系セラミック繊維や、炭化ケイ素質繊維、窒化ケイ素質繊維等の非酸化物系セラミック繊維を使用することができる。また、「繊維含有層」は、セラミック繊維を主な構成として、ガラス繊維等のセラミック以外の繊維材料や有機成分を含有するものとすることができる。また、「繊維含有層」は後述するテープ状、ロープ状等のセラミック繊維紡織材料を用いて構成させるほか、セラミック繊維を含有する泥しょうを芯金の外周面に吹き付けて構成させることができる。

上記の構成により、耐火物層と芯金との間に断熱性に優れる繊維含有層が介在することによって、高温の溶融金属に浸漬された際の芯金の熱膨張が低減され、芯金の熱膨張に起因して耐火物層に亀裂等が生じるおそれを低減することができる。また、セラミック繊維は耐熱性にも優れるため、仮に耐火物層に亀裂等が発生して溶融金属が浸入した場合にも、繊維含有層が溶融金属に浸食され難い。これにより、溶融金属が芯金に達するおそれを低減し、芯金の溶損を抑止することができる。加えて、繊維含有層と不定形耐火物層との境界付近では、キャスタブル耐火材料がセラミック繊維と絡まり合うことにより、芯金からの不定形耐火物層の剥離を抑制することができる。

本発明にかかるストッパは、「前記繊維含有層は、前記芯金に巻回されたセラミック繊維紡織材料によって構成されている」ものとすることができる。

「セラミック繊維紡織材料」としては、セラミック繊維を用いてテープ状、ロープ状、布状に紡織された材料を使用することができる。このような材料は可撓性を有するため、芯金の外周面に沿って巻き回して用いることができる。なお、布状の場合は、適宜の幅に断裁して用いることができる。

上記の構成より、セラミック繊維紡織材料が巻回されることによって芯金の外周面に凹凸ができ、凹部の中にキャスタブル耐火材料が入り込むことになる。これにより、セラミック繊維紡織材料を介して、不定形耐火物層が芯金により強固に支持され、不定形耐火物層の芯金からの剥離を抑制することができる。加えて、可撓性を有するセラミック繊維紡織材料を芯金に巻き回す作業は非常に容易であるため、繊維含有層を有するストッパを、極めて簡易に製造することができる。

以上のように、本発明の効果として、鋳造時に取鍋等の容器から排出する溶融金属の流量を調整すると共にガスの吹き込みを行うストッパであって、芯金の溶損が抑止され、長時間にわたる大規模な鋳造にも使用可能なストッパを提供することができる。

以下、本発明の第一実施形態であるストッパについて、図１及び図２（ａ）に基づいて説明する。ここで、図１はストッパの使用状態の説明図であり、図２（ａ）は第一実施形態のストッパの縦断面図である。なお、概略図による図示であり、ストッパの形状や寸法比を正確に表したものではない。

第一実施形態のストッパ１は、図１に示すように、取鍋５１から溶融金属Ｍを中間容器５２に排出し、更に中間容器５２の底部のノズル５８から減圧槽５３内の鋳型５４に溶融金属Ｍを注入する場合に、中間容器５２のノズル５８から排出する溶融金属Ｍの流量を調整すると共に溶融金属Ｍにガスを吹き込むストッパである。すなわち、ストッパ１は、いわゆる「真空上注ぎ鋳造」を行う場合に、中間容器において使用されるストッパである。

ストッパ１は、図２（ａ）に示すように、ガスを流通させる管状の芯金５と、芯金５の外周面を被覆する耐火物層１０とを具備し、溶融金属Ｍに浸漬される長さＬに相当する部分である浸漬部１６を含め（図１参照）、耐火物層１０の全体がキャスタブル耐火材料によって一体的に形成された不定形耐火物層１１で構成されている。

より詳細に説明すると、芯金５は、鋼や合金鋼等の耐熱性を有する金属で、断面が略円形の長尺の管状に形成されている。また、耐火物層１０は芯金５と同心の略円筒状に形成され、ノズル５８の孔部５９を閉塞させるヘッド部１８は略半球形状を呈している。

このような構成のストッパ１は、キャスタブル耐火材料を水、結合剤、硬化剤、分散剤等の調整剤と混合した泥しょうを、芯金５を中央に配した成形型に流し込んで成形し、固化させた後乾燥させることにより製造することができる。

上記構成のストッパ１は、例えば、次のように使用することができる。まず、ストッパ１のヘッド部１８でノズル５８の孔部５９を閉塞した状態で、取鍋５１から溶融金属Ｍを排出して中間容器５２内に受鋼する。そして、ストッパ１を上昇させて孔部５９を開放すると、ノズル５８を介して溶融金属Ｍが減圧槽５３内の鋳型５４に注入される。このとき、孔部５９を完全に開放せず、ヘッド部１８によって部分的に孔部５９を閉塞し、その閉塞の度合いを調整することにより、中間容器５２から排出される溶融金属Ｍの流量を調整することができる。

また、管状の芯金５を流通させたアルゴン等のガスを、ヘッド部１８で開口する芯金５の端部から溶融金属Ｍ中に吹き込むことにより、溶融金属Ｍがノズル５８に流入する際に発生する負圧によって空気が巻き込まれて溶融金属Ｍが酸化されることが防止される。また、鋳型５４が設置された減圧槽５３内に溶融金属Ｍが注入される際に、吹き込まれたガスによって溶融金属Ｍの粒滴が微細化されるため、脱炭素、脱窒素等による製錬効果が高められる。

上記の構成により、本実施形態の耐火物層１０には目地部が存在しないため、高温の溶融金属Ｍに浸漬された際の芯金５の熱膨張によって目地部に開きが生じ、開いた目地部を介して浸入した溶融金属Ｍによって芯金５が溶損するという、従来のストッパ１の問題を回避することができる。また、一般的に相当する材質の耐火煉瓦より熱伝導率が低い不定形耐火物層１１によって、高温の溶融金属Ｍに浸漬された場合の芯金５の熱膨張が低減されるため、芯金５の熱膨張に起因して耐火物層１０に亀裂等が生じるおそれを低減することができる。

加えて、ヘッド部１８を含めて耐火物層１０の全体が一体的に形成された不定形耐火物層１１であるため、ヘッド部の耐火煉瓦がモルタルで接合されている従来のストッパとは異なり、ヘッド部１８が脱落して流量調整に支障をきたすおそれが低減されている。

次に、第二実施形態のストッパについて、図２（ｂ）を用いて説明する。ここで、図２（ｂ）は第二実施形態のストッパの縦断面図である。

第二実施形態のストッパ２は、第一実施形態と同様に、「真空上注ぎ鋳造」を行う場合に中間容器５２において使用されるストッパである。以下、第一実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

ストッパ２は、ガスを流通させる管状の芯金５と、芯金５の外周面を被覆する耐火物層１０とを具備し、溶融金属Ｍに浸漬される浸漬部１６を含め、耐火物層１０の全体がキャスタブル耐火材料によって一体的に形成された不定形耐火物層１１で構成されている。加えて、ストッパ２は、セラミック繊維を含有し、芯金５の外周面の少なくとも一部と耐火物層１０との間に介在する繊維含有層２０を更に具備し、繊維含有層２０は芯金５に巻回されたセラミック繊維紡織材料によって構成されている。

このような構成のストッパ２は、予め芯金５にセラミック繊維紡織材料を巻き回した上で、成形型の中央に芯金５を配し、上述のように調製したキャスタブル耐火材料の泥しょうを流し込んで成形し、固化させた後乾燥させることにより製造することができる。

上記の構成により、ストッパ２では、耐火物層１０と芯金５との間に断熱性に優れる繊維含有層２０が介在することによって、高温の溶融金属Ｍに浸漬された際の芯金５の熱膨張が低減され、芯金５の熱膨張に起因して耐火物層１０に亀裂等が生じるおそれを低減することができる。また、セラミック繊維は耐熱性にも優れるため、仮に耐火物層１０に亀裂等が発生して溶融金属Ｍが浸入した場合に、溶融金属Ｍが芯金５に達するおそれを低減し、芯金５の溶損を抑止することができる。

加えて、セラミック繊維紡織材料を芯金５に巻回した上で、キャスタブル耐火材料の泥しょうを流し込んで不定形耐火物層１１を成形する際、キャスタブル耐火材料がセラミック繊維と絡まり合う。これにより、芯金５からの不定形耐火物層１１の剥離を抑制することができる。

また、セラミック繊維紡織材料が巻回されることによって芯金５の外周面に凹凸ができるため、キャスタブル耐火材料の泥しょうを流し込んで不定形耐火物層１１を成形する際、凹部の中にキャスタブル耐火材料が入り込む。これにより、セラミック繊維紡織材料を介して、不定形耐火物層１１が芯金５により強固に支持され、不定形耐火物層１１の芯金５からの剥離を抑制することができる。加えて、可撓性を有するセラミック繊維紡織材料を芯金５に巻き回す作業は非常に容易であるため、繊維含有層２０を有するストッパ２を、極めて簡易に製造することができる。

以下に、第一実施形態の具体的な実施例である実施例１と、第二実施形態の具体的な実施例である実施例２について、従来のストッパである対照例と対比して示す。

＜実施例１＞ 芯金を中央に配した成形型に、アルミナ９０重量％、シリカ７重量％、その他の成分３重量％のキャスタブル耐火材料を用いた泥しょうを流し込み、固化させた後乾燥させた。
＜実施例２＞ アルミナ繊維を主原料としガラス繊維を補強材として紡織したテープ状のセラミック繊維紡織材料を芯金に巻回し、その芯金を中央に配した成形型に、アルミナ９０重量％、シリカ７重量％、その他の成分３重量％のキャスタブル耐火材料を用いた泥しょうを流し込み、固化させた後乾燥させた。
＜対照例＞ 略半球形状のヘッド部用のシャモット質耐火煉瓦と、円筒状のシャモット質耐火煉瓦の複数を、芯金を挿通させた状態でモルタルで接合して略円筒状の耐火物層を構成させた。耐火物層と芯金の外周面との間に砂を充填した。

実施例１、実施例２、及び、対照例のストッパについて、同一条件で真空上注ぎ鋳造に使用した。その結果を表１にまとめて示す。

表１に示すように、対照例のストッパでは、目地部に開きが生じ、開いた目地部から溶融金属が浸入した。鋳造量が２５０トンの場合はかろうじて鋳造を完了することができたものの、鋳造量が３５０トンの場合は溶融金属による浸食で芯金が溶断し、途中でストッパの使用を停止せざるを得なかった。

これに対し、実施例１及び実施例２のストッパでは、鋳造量２５０トンの場合は耐火物層における亀裂の発生も芯金の溶損も全くなく、良好に鋳造を行うことができた。鋳造量が３５０トンの場合、実施例１では耐火物層に三箇所の亀裂の発生が認められたが、芯金の溶損はなく鋳造は完了することができた。一方、実施例２では、鋳造量が３５０トンであっても鋳造量２５０トンの場合と同じく、耐火物層における亀裂の発生も芯金の溶損も全くなく、良好に鋳造を行うことができた。

以上のように、本発明にかかる実施例１及び実施例２のストッパによれば、溶融金属による芯金の溶損が抑止され、長時間にわたる大規模な鋳造を行うことができた。特に、セラミック繊維紡織材料によって構成された繊維含有層を有する実施例２のストッパは、長時間にわたる大規模な鋳造のために、より優れていた。

以上、本発明について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、以下に示すように、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計の変更が可能である。

例えば、上記の実施例では、真空上注ぎ鋳造の中間容器においてストッパを使用する場合を例示したが、これに限定されない。例えば、取鍋から鋳型に溶融金属を直接注入する場合や、常圧鋳造において、溶融金属の流量調整及びガス吹き込みのために使用されるストッパとして本発明のストッパを使用することができる。

また、セラミック繊維紡織材料としてテープ状の材料を例示したが、これに限定されず、例えば、ロープ状のセラミック繊維紡織材料を使用することもできる。また、テープ状またはロープ状のセラミック繊維紡織材料を編み上げて表面の起伏を大きくし、或いは、網状の構成とすることにより、セラミック繊維紡織材料によるアンカー効果をより高め、不定形耐火物層を芯金に対して安定的に支持させることができる。

ストッパの使用状態の説明図である。 （ａ）第一実施形態のストッパの縦断面図、（ｂ）第二実施形態のストッパの縦断面図である。 従来のストッパの縦断面図である。

符号の説明

１，２ ストッパ
５ 芯金
１０ 耐火物層
１１ 不定形耐火物層
１６ 浸漬部
２０ 繊維含有層
Ｍ 溶融金属

Claims (2)

1. 鋳造に際して溶融金属を収容する容器から、該容器の底部に設けられたノズルを介して排出する溶融金属の流量を調整すると共に、前記ノズルから排出される溶融金属にガスの吹き込みを行うストッパであって、
   ガスを流通させる管状の芯金と、
   該芯金の外周面を被覆し、下端に前記ノズルを閉塞する半球形状または紡錘形状のヘッド部を備える耐火物層とを具備し、
   該耐火物層は、少なくとも溶融金属に浸漬される浸漬部が、前記ヘッド部を含めて、キャスタブル耐火材料によって一体的に形成された不定形耐火物層により構成されている
   ことを特徴とするストッパ。
2. セラミック繊維を用いたテープ状材料、ロープ状材料、または、布状に紡織された材料が前記芯金に巻回されて形成された層が、前記芯金の外周面の少なくとも一部と前記耐火物層との間に介在することを特徴とする請求項１に記載のストッパ。

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