JP5775737B2 - 六角形断面耐火れんが用金型、六角形断面耐火れんがの成形方法および溶融金属用容器の製造方法 - Google Patents
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Description
例えば、特許文献1には、六角柱状れんがのみで溶融精錬容器の炉底部内張りを構成する技術が開示されている。断面六角形の柱状の耐火れんがとしては、例えば、外周面と、窯炉の内張り内面に露出する六角形状の内側端面と、この内側端面よりも大きい六角形状の背面側端面としての外側端面とを有するハニカムブロックがある(例えば、特許文献2参照)。
また、断面六角形の柱状の耐火れんがを、従来の直方体のれんがと同様に、金型で成形しようとした場合には、平面視六角形状に組み合わされ、れんが用杯土との接触面が加圧方向に対して垂直である側面金型と、れんが用杯土との接触面が平面視六角形状の水平面である上部金型および下部金型とを使用して、上部金型と下部金型と側面金型とに囲まれた空間にれんが用杯土を投入し、オイルプレス、フリクションプレスなどの一軸プレスを使用して上下方向に加圧して成形する手法が考えられる。
しかし、この製造方法では、四角柱状のれんがを所定の断面六角形の形状にするためにれんがを加工する必要がある。このため、れんが用杯土の無駄が多いことや、加工の手間が掛かることが問題となっていた。
また、本発明は、本発明の六角形断面耐火れんが用金型を用いて成形される六角柱状のれんがが、長さが長いものや、断面形状が長さ方向において変化するものであっても、容易に効率よく均一な品質の六角形断面耐火れんがを成形できる六角形断面耐火れんがの成形方法、および溶融金属用容器の製造方法を提供することを目的とする。
その結果、金型を用いた六角形断面耐火れんがの成形においては、成形後に得られる六角形断面耐火れんがの長さ方向が略水平方向となる面の形成を、金型の側面で行うように金型を配置すればよいことを見出した。そして、金型の空間内のれんが用杯土を上下方向に加圧できるものとするために、金型の空間を、対向する2つの側面型と、前記2つの側面型の間に配置される下面型および上面型とに囲まれた空間とし、2つの側面型の対向面を、水平方向(れんがの長手方向)に延在する第1軸に対して対称に離間して配置された垂直面とし、下面型の前記上面型との対向面および前記上面型の前記下面型との対向面を、第1軸方向に延在する前記空間側が凹である断面視V字型の谷型凹部とした。
なお、直方体状のれんがの形状に対応する空間を有する金型を用いて直方体状のれんがを形成する場合には、下面型および上面型の対向面を水平面とすることができるので、下面型および上面型の対向面を谷型凹部とする必要がなく、下面型および上面型の一部にプレス成形時の応力が集中することはない。そのため、上面型、下面型、および、2つの側面型のいずれも平面で構成されることから、直方体状のれんがの角部は直角に成形される。
しかし、谷底の曲率半径Rを大きくすると、この金型を用いて成形した六角形断面耐火れんがにおいて、谷型凹部の谷底に接していた部分である対向する一対の頂部の曲率半径Rが大きいものとなる。その結果、以下に示すような不都合が生じる。
(1)対向する2つの側面型と、前記2つの側面型の間に配置される下面型および上面型とを有し、前記下面型と前記上面型と前記2つの側面型とに囲まれた断面が六角形状の空間にれんが用杯土が収容される六角形断面耐火れんが用金型であって、前記2つの側面型の対向面が、水平方向に延在する第1軸に対して対称に離間して配置された垂直面であり、前記下面型の前記上面型との対向面および前記上面型の前記下面型との対向面が、前記第1軸方向に延在する前記空間側が凹である断面視V字型の谷型凹部からなり、前記下面型と前記上面型の両方または前記上面型の前記谷型凹部の谷底が、曲率Rを有し、前記谷底の曲率Rが1mm〜5mmの曲率半径であることを特徴とする六角形断面耐火れんが用金型。
(3)前記第1軸方向に長辺が配置された平面視長方形の矩形凹部を備える外型を備え、前記下面型と前記上面型と前記2つの側面型とが、前記矩形凹部内に配置されていることを特徴とする(1)または(2)に記載の六角形断面耐火れんが用金型。
(4)前記2つの側面型の対向面が、平行に配置されていることを特徴とする(1)〜(3)のいずれか一項に記載の六角形断面耐火れんが用金型。
(6)前記下面型と前記上面型との間隔が、一定であることを特徴とする(1)〜(4)のいずれか一項に記載の六角形断面耐火れんが用金型。
(8)前記空間に収容された前記れんが用杯土を、前記垂直面間に稜線を有する山型状に形成してからプレス成形することを特徴とする(7)に記載の六角形断面耐火れんがの成形方法。
(9)前記上面型の前記谷型凹部の深さの平均をcとし、山型状の前記れんが用杯土の斜面の最下部から頂上までの垂直方向の平均距離をdとしたとき、d/cが1以上となるように、前記れんが用杯土を山型状に形成することを特徴とする(8)に記載の六角形断面耐火れんがの成形方法。
また、本発明の六角形断面耐火れんがの成形方法によれば、成形する六角柱状のれんがが、長さの長いものや、断面形状が長さ方向において変化するものであっても、切削や研磨などの加工を行うことなく、容易に効率よく均一な品質の六角形断面耐火れんがを成形できる。
また、本発明の溶融金属用容器の製造方法によれば、六角形断面耐火れんがをハニカム状に並べて配設するので、耐火れんがの熱膨張による迫り応力を分散させることができ、耐火れんがの耐用に優れた溶融金属用容器が得られる。
図1は、本発明の六角形断面耐火れんが用金型の一例を説明するための概略断面図である。図2は、図1に示す六角形断面耐火れんが用金型の上面型の谷型凹部の谷底を拡大して示した拡大断面図である。図3は、図1に示す六角形断面耐火れんが用金型の下面型(上面型)を拡大して示した拡大断面図である。なお、図1に示す六角形断面耐火れんが用金型1においては、上面型13と下面型12との形状が同じであるので、図3および図2を用いて上面型13および下面型12の形状を説明する。
六角形断面耐火れんが用金型1の材料としては、例えば、合金工具鋼鋼材(JIS G 4404:2006)であるSKD4(熱間金型用鋼)、SKD12、SKD61、SUS420、SUS440Cなどを用いることができる。
したがって、六角形断面耐火れんが用金型1を用いて成形した六角形断面耐火れんがは、垂直面14a、14bに接していた対向する垂直面領域と、谷型凹部の谷底12a、13aに接していた部分である対向する一対の頂部とを有するものとされる。
谷型凹部の谷底12a、13aの曲率Rは、1mm〜5mmの曲率半径であることが好ましく、2mm〜3mmであることがより好ましい。谷型凹部の谷底12a、13aの曲率半径Rが1mm以上であると、プレス成形することによって谷底12a、13aに発生する亀裂をより効果的に抑制できる。また、谷型凹部の谷底12a、13aの曲率半径Rが5mm以下であると、プレス成形してなる六角形断面耐火れんがをハニカム状に並べて溶融金属用容器の容器内面と容器外面の両方または容器内面に配設した場合に、六角形断面耐火れんがの頂部に沿って溶融金属が差し込むことを十分に防止できる。
また、本実施形態の六角形断面耐火れんが用金型1においては、図3に示すように、谷底12a、13aから外面までの最小厚み寸法a1および最大厚み寸法b1が、第1軸A方向に沿う一端Bから他端Cに向かって徐々に大きくなっている。したがって、上記のb/aは第1軸A方向に沿う一端Bから他端Cに向かって徐々に小さくなっている。また、下面型12と上面型13との間隔が、空間15の第1軸A方向に沿う一端から他端に向かって徐々に狭くなっている。
なお、本実施形態の六角形断面耐火れんが用金型1では、断面における六角形状の全ての角度は略等しく略120°となっているが、角度の異なるものが含まれていてもよいし、全ての角度が異なっていてもよい。
本実施形態の六角形断面耐火れんがの成形方法では、まず、図1に示す六角形断面耐火れんが用金型1の空間15に、図4に示すように、れんが用杯土16を収容し、下面型12および上面型13によってれんが用杯土16を上下方向に加圧して、プレス成形する。プレス成形には、従来から使用されているオイルプレスやフリクションプレスなどを用いることができる。プレス成形における圧力は、例えば、100〜300MPaとすることができ、この圧力を3〜10分間保持することが好ましい。
また、れんが用杯土16を山型状に形成する場合には、下端部から上に向かって所望の山型状の切り込みを入れた板を、第1軸A方向に沿ってれんが用杯土16の表面上で移動させて、れんが用杯土16の表面をならすことによって、れんが用杯土16を山型状に形成することが好ましい。
図5は、本発明の六角形断面耐火れんがの成形方法を用いて得られた六角形断面耐火れんがの一例を示した側面図であり、図1に示す六角形断面耐火れんが用金型1を用いて得られた六角形断面耐火れんがを3方向から見た側面図である。図5(a)は六角形断面耐火れんがを一端側から見た側面図、図5(b)は六角形断面耐火れんがを他端側から見た側面図、図5(c)は六角形断面耐火れんがを、六角形断面耐火れんが用金型1の側面型11aの垂直面14aに接していた垂直面領域側から見た側面図である。
図6は、六角形断面耐火れんが10をハニカム状に並べた状態を説明するための図である。図6に示す六角形断面耐火れんが10は、六角形断面耐火れんが用金型1の垂直面14aに接していた垂直面領域16c同士を接触させ、かつ接触された垂直面領域16c同士の間に形成される目地19の端部に、他の六角形断面耐火れんが10の谷底12a、13aに接していた部分である頂部16d、16dが配置されるようにハニカム状に並べられている。
なお、図6においては、説明を容易とするために、六角形断面耐火れんが10を3つしか記載していないが、溶融金属用容器の容器内面と容器外面の両方または容器内面に配設される六角形断面耐火れんが10の数は3つ以上であればいくつであってもよい。
したがって、本実施形態の六角形断面耐火れんが用金型1は、プレス成形することによって谷底12a、13aに発生する亀裂を抑制できるとともに、成形後に得られた六角形断面耐火れんが10をハニカム状に並べて溶融金属用容器の容器内面と容器外面の両方または容器内面に配設した場合に、頂部16d、16dに沿って溶融金属が差し込まないものとなる。
また、本実施形態の六角形断面耐火れんが10の成形方法によれば、成形する六角柱状のれんが10が、長さの長いものや、断面形状が長さ方向において変化するものであっても、容易に効率よく均一な品質の六角形断面耐火れんが10を成形できる。
また、本発明において、溶融金属用容器に六角形断面耐火れんが10を配設する場合、溶融金属用容器の内面にのみ六角形断面耐火れんが10を配設してもよいが、溶融金属用容器が真空脱ガス炉の浸漬管などである場合には内面および外面に六角形断面耐火れんが10を配設してもよい。また、溶融金属用容器に六角形断面耐火れんが10を配設する場合、溶融金属用容器の容器内面と容器外面の両方または容器内面の全体にライニングしても良いが、一部にのみライニングしても構わない。
なお、上述した実施形態においては、六角形断面耐火れんが10として、図5に示す六角形断面耐火れんが10を例に挙げて説明したが、六角形断面耐火れんがの形状は、図5に示す形状のみに限定されるものではない。
図1〜図3に示す六角形断面耐火れんが用金型1を用いて、以下に示す方法により、六角形断面耐火れんがを製造した。
まず、85質量%の電融マグネシア原料と15質量%の黒鉛とからなる原料に、原料の3質量%のアルミニウムと原料の3質量%の液状フェノールレジンとを添加し、均一に混練してれんが用杯土16とした。その後、れんが用杯土16を六角形断面耐火れんが用金型1の空間15に収容した。
また、下面型12および上面型13の谷底12a、13aのなす角度および、下面型12および上面型13の谷型凹部と、2つの側面型11a、11bの垂直面14a、14bとのなす角度は120°であった。
一端16aから他端16bまでの長さは500mmであり、垂直面領域16cの台形状における一端16a側の辺の長さは150mm、他端16b側の辺の長さは230mmであった。また、六角形断面耐火れんがの下面型12および上面型13に接していた4つの面16eは、縦500mm横150mmの全て同じ長方形状であった。六角形断面耐火れんがの一端16aおよび他端16bの六角形状の全ての角度は全て120°であった。
六角形断面耐火れんが用金型の下面型12および上面型13の谷型凹部の谷底12a、13aを表1に示す曲率半径Rとしたこと以外は、実施例1と同様にして実施例2〜実施例3、比較例1〜比較例3の六角形断面耐火れんがを50個製造した(ただし、曲率半径Rが0mmである比較例1では、金型が割れたため23個しか成形できなかった)。
表1に示すように、実施例1〜実施例3の金型では、下面型および上面型の谷型凹部の谷底に亀裂がなかった(異常なし)。これに対し、比較例1の曲率半径Rが0mmの金型では割れた。また、比較例2の曲率半径Rの小さい金型では微亀裂が生じた。
図8は、高周波炉の一例を示した断面模式図である。図8に示す高周波炉の容器は、平面視略円形を有する凹部からなる容器内面21を有するものであり、容器外面に沿って加熱用のコイル23が配置されている。
以上の結果から、曲率半径Rは1mm〜5mmが好ましいことが分かった。
六角形断面耐火れんが用金型の下面型12および上面型13の谷型凹部を表2および以下に示すb/aとしたこと以外は、実施例1と同様にして実施例4〜実施例6の六角形断面耐火れんがを200個製造した。
なお、実施例4〜実施例6の下面型12の谷型凹部の谷底12aの曲率半径Rは3mmであり、下面型12の断面における谷底12aから外面までの最小厚み寸法の平均aは150mm、下面型12の最大厚み寸法の平均bは225mmであり、表1に示すように、b/aは2.5であった。
実施例6の上面型13上面型13の谷型凹部の谷底13aの曲率半径Rは1mmであり、上面型13の断面における谷底13aから外面までの最小厚み寸法の平均aは150mm、下面型12の最大厚み寸法の平均bは225mmであり、表1に示すように、b/aは1.5であった。
表2に示すように、実施例5、実施例6の金型では、下面型および上面型の谷型凹部の谷底に亀裂がなかった(異常なし)。
切り込みのない板を、れんが用杯土16の表面上で第1軸A方向に沿って移動させて、れんが用杯土16の表面を平滑にならし、山型状のれんが用杯土16の斜面の最下部から頂上までの垂直方向の平均距離dに相当する寸法を表3に示すように0とした。そして、れんが用杯土16の山型状を、谷型凹部の深さを表3に示すcとし、山型状のれんが用杯土16の斜面の最下部から頂上までの垂直方向の平均距離(山の高さ)を表3に示すdとしたときのd/cの平均が、表3に示す数値となるように形成したこと以外は、実施例2と同様にして実施例7の六角形断面耐火れんがを製造した。
れんが用杯土16の山型状を、谷型凹部の深さを表3に示すcとし、山型状のれんが用杯土16の斜面の最下部から頂上までの垂直方向の平均距離(山の高さ)を表3に示すdとしたときのd/cの平均が、表3に示す数値となるように形成したこと以外は、実施例2と同様にして実施例8〜実施例10の六角形断面耐火れんがを製造した。
その後、JISR2205に準じて各試験片20aのかさ比重を測定し、かさ比重のばらつき(各六角形断面耐火れんがから得られた全ての試験片における比重の最大値と最小値との差)を算出した。その結果を表3に示す。
平面視正六角形状に組み合わされ、れんが用杯土との接触面が加圧方向に対して垂直である側面金型と、れんが用杯土との接触面が平面視正六角形状の水平面である上部金型および下部金型とを使用して、上部金型と下部金型と側面金型とに囲まれた空間に、実施例2と同様のれんが用杯土を投入した。その後、れんが用杯土を上下方向に加圧してプレス成形し、一端および他端の形状が一辺の長さ150mmの正六角形である長さ500mmの正六角柱状の参考例の六角形断面耐火れんがを製造した。なお、プレス成形では、オイルプレスを用い、最初の1分間で200MPaまで昇圧し、その後200MPaの圧力で5分間保持してから開放した。
その後、JISR2205に準じて各試験片のかさ比重を測定し、かさ比重のばらつき(参考例の六角形断面耐火れんがから得られた全ての試験片における比重の最大値と最小値との差)を算出した。その結果を表3に示す。
真空脱ガス炉(RH)の下部槽(容器)の内面に沿って内面全面に、実施例3の六角形断面耐火れんがを隙間無く図6に示すようにハニカム状に並べて配設し、内張りを形成した。この真空脱ガス炉を1ヶ月使用した後に、六角形断面耐火れんがの頂部に沿って侵入した溶融金属の有無を目視にて調べた。その結果、六角形断面耐火れんがの頂部への溶融金属の侵入はなかった。また、1ヶ月使用した真空脱ガス炉を解体して六角形断面耐火れんがを切断して断面を目視にて観察した。その結果、六角形断面耐火れんがに亀裂は見られなかった。
Claims (10)
- 対向する2つの側面型と、前記2つの側面型の間に配置される下面型および上面型とを有し、前記下面型と前記上面型と前記2つの側面型とに囲まれた断面が六角形状の空間にれんが用杯土が収容される六角形断面耐火れんが用金型であって、
前記2つの側面型の対向面が、水平方向に延在する第1軸に対して対称に離間して配置された垂直面であり、
前記下面型の前記上面型との対向面および前記上面型の前記下面型との対向面が、前記第1軸方向に延在する前記空間側が凹である断面視V字型の谷型凹部からなり、
前記下面型と前記上面型の両方または前記上面型の前記谷型凹部の谷底が、曲率Rを有し、前記谷底の曲率Rが1mm〜5mmの曲率半径であることを特徴とする六角形断面耐火れんが用金型。 - 前記下面型および/または前記上面型は、断面における前記谷底から外面までの最小厚み寸法の平均をaとし、最大厚み寸法の平均をbとしたとき、b/aが2以下であることを特徴とする請求項1に記載の六角形断面耐火れんが用金型。
- 前記第1軸方向に長辺が配置された平面視長方形の矩形凹部を備える外型を備え、
前記下面型と前記上面型と前記2つの側面型とが、前記矩形凹部内に配置されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の六角形断面耐火れんが用金型。 - 前記2つの側面型の対向面が、平行に配置されていることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の六角形断面耐火れんが用金型。
- 前記下面型と前記上面型との間隔が、前記空間の前記第1軸方向に沿う一端から他端に向かって徐々に狭くなっていることを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載の六角形断面耐火れんが用金型。
- 前記下面型と前記上面型との間隔が、一定であることを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載の六角形断面耐火れんが用金型。
- 請求項1〜請求項6のいずれか一項に記載の六角形断面耐火れんが用金型の前記空間に、前記れんが用杯土を収容してプレス成形し、少なくとも1つの頂部に曲率Rを有する六角形断面耐火れんがを製造する工程を含むことを特徴とする六角形断面耐火れんがの成形方法。
- 前記空間に収容された前記れんが用杯土を、前記垂直面間に稜線を有する山型状に形成してからプレス成形することを特徴とする請求項7に記載の六角形断面耐火れんがの成形方法。
- 前記上面型の前記谷型凹部の深さの平均をcとし、山型状の前記れんが用杯土の斜面の最下部から頂上までの垂直方向の平均距離をdとしたとき、d/cが1以上となるように、前記れんが用杯土を山型状に形成することを特徴とする請求項8に記載の六角形断面耐火れんがの成形方法。
- 請求項1〜請求項6のいずれか一項に記載の六角形断面耐火れんが用金型の前記空間に、前記れんが用杯土を収容してプレス成形することにより、前記垂直面に接していた対向する垂直面領域と前記谷底に接していた部分である頂部とを有する六角形断面耐火れんがを形成することを繰り返して、少なくとも1つの頂部に曲率Rを有する六角形断面耐火れんがを複数製造する工程と、
前記複数の六角形断面耐火れんがを、前記垂直面領域同士を接触させ、かつ接触された前記垂直面領域同士の間に形成される目地の端部に、他の六角形断面耐火れんがの前記頂部が配置されるように、容器内面と容器外面の両方または容器内面にハニカム状に並べて配設する工程とを備えることを特徴とする溶融金属用容器の製造方法。
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