JP5833650B2 - セラミック製耐火衝撃パッド - Google Patents

Description

本発明は、セラミック製耐火衝撃パッドに関する。

当該分野に係る衝撃パッドは、たとえば特許文献１、特許文献２、特許文献３から知られている。

いずれの場合にも重要となっているのが、溶融金属が硬い基底に当たると発生する、冶金用容器内の乱流を低減することである。これはたとえば、溶融金属が数メートルの溶鋼静的高さを有する鍋（取鍋）からディストリビュータ（タンディッシュ）の底部に当たる場合である。

特許文献３に記載の衝撃パッドは古典的な鍋型をしており、壁の上部自由端部セクションは、内側に向かって方向転換している。溶融金属は、衝撃パッドの底部に衝突した後、まずは底部に沿って流れ、それから壁の内面に沿って上方へ流れ、最終的に、上部が狭くなっている衝撃パッドの開口部の周りを回って、上に向かってディストリビュータ容器へと流れる。

特許文献１に記載のバリエーションでは、衝撃パッドは、その上部開口端部に、いわゆるディフューザを有して形成されており、すなわち衝撃パッドの断面は、流出する溶融物の動的エネルギーを減少させるために、上部の出口端部に向かって大きくなる。

特許文献２に記載の提案は、壁に、縁部（壁の上部自由端部）から底部まで連続して延在する少なくとも１つのスリットを備える衝撃パッドを意図しており、最も幅の広い箇所のスリット幅は、幅の方向に存在する平面図寸法の１０％よりも小さくなる。

通常、衝撃パッドは円形あるいは長方形の底面を有する。それに応じて壁は、エンドレスであるか、もしくは４つの壁セクションから成る。底面（平面図）は、別の形状、たとえば楕円形あるいは卵形であってもよい。本発明は、特に、垂直平面に関して鏡像的に（鏡面対称に）形成されている衝撃パッドに関する。

以下の記載は、それぞれ、衝撃パッドの通常の機能位置（機能場所）に関連しており、衝撃パッドの底部は、冶金用容器の底部上あるいは底部内にあり、衝撃パッドの壁は底部からほぼ垂直に、ひいては冶金用容器の底部からほぼ垂直に上に向かって延在する。

特許文献２に記載の衝撃パッドによって、衝撃パッド内に達する溶融金属は、少なくとも部分的に、壁側のスリットを通って側部から流出するに至る。比較的狭いスリット幅によって、スリットを通って流れる溶融物は著しい流速を備え得る。これによって、流れのさらなる乱流が引き起こされる。

非特許文献１はいわゆる栓流（プラグフロー）を定義しており、当該栓流では、あらゆる流体要素が、タンディッシュ内において同じ滞留時間（滞在時間、レジデンスタイム）といわゆる死容積（デッドボリューム）とを有する。死容積は、滞留時間がタンディッシュ内の溶融物の平均滞留時間の２倍以上長い流体の割合を特徴付ける。

以下では、この特徴は、現象学的に本発明に係る衝撃パッド（インパクトパッド、インパクトポット）が取り付けられているタンディッシュ内の溶融金属の流れに転換される。

独国特許第１０２３５８６７号明細書 独国特許第１０２０２５３７号明細書 米国特許第５３５８５５１号明細書

「連続鋳造タンディッシュにおける溶融流の特性化」、ＩＳＩＪインターナショナル、第３６巻第６号（１９９６年）、６６７−６７２ページ

本発明の課題は、以下の最適化を可能にする衝撃パッドを提供することである。
‐衝撃パッド及びタンディッシュ内の溶融金属を意図的に誘導すること、
‐タンディッシュ内の流れの乱流を最小限に抑えること、
‐衝撃パッドの摩耗を小さくすること、
‐タンディッシュ内の栓流を有する流体の割合を高くすること、
‐タンディッシュ内の死容積を小さくすること、
‐衝撃パッドの製造コストを安価にすること。

これら要求をできるだけ多く満たす衝撃パッドを提供するために、特に溶融金属の流れ特性の改善に関して、広範囲にわたる実験と調査とが行われた。その際調査されたのは以下である。
‐衝撃パッドの底部に衝突した後の溶融物の流れ特性
‐衝撃パッド内での溶融物の流れの経過
‐衝撃パッドから出る際の溶融物の流れ特性
‐衝撃パッドから出た後の、対応する冶金用容器の溶融槽内の溶融物の流れ特性

確認されたのは、既知の衝撃パッドの幾何学形状を、特に、衝撃パッドから出る際と、それに続いて、属する冶金用容器の溶融槽に流入する際との溶融物の流れ特性に関して改善する必要があるということである。

溶融物の一部が、比較的大きな断面積の体積流で、衝撃パッドの側部から排出されれば有利である。その際の流れ方向は、ほぼ水平あるいは水平に対して７０度よりも小さい角度、特に４５度よりも小さい角度である。さらに、側部から出る体積流が上に向かって（衝撃パッドの上部自由端部セクションに向かって）広がるように、衝撃パッドを構成することが有利であることが明らかになった。

結果的に、このことが、衝撃パッドの壁が特定の断面プロファイルを有する少なくとも１つの開口部（たとえばスリット）を備える衝撃パッド幾何学形状をもたらした。衝撃パッドの底部から上に向かって壁の自由端部セクションまで見ると、開口部の幅（衝撃パッドの周方向において）が大きくなっている。すなわち、スリット状の開口部においては、スリットを側部で画定する側面の間隔が大きくなる。

この方法によって、比較的遅い流速の比較的幅広の体積流が、衝撃パッドの上部セクションで衝撃パッドの側部から排出される。同様に、衝撃パッド底部近くの側部から出る体積流はより幅が狭く、より早い流速を備える。この流れプロファイルによって、冶金用容器内の溶融金属への流入時の乱流が低減される。

これによって、特に開口部の側面の領域（境界部）における衝撃パッドの耐火材の浸食がより少なくなる。それにともなって、タンディッシュ内の溶融金属に入る汚染物質（不純物）がより少なくなる。

体積流のさらなる一部は、周知のように、上に向かって衝撃パッドから出る。

開口部の特定の幾何学形状と、それによって引き起こされる、衝撃パッド壁の開口部を通る側部からの溶融物の特定の流れとは、以下の表が示すように、タンディッシュ内の死容積の望ましい削減をももたらし、かつより高い割合の栓流をもたらす。

衝撃パッドの壁領域に、比較的大きな断面を有する開口部を形成すると、より少ない耐火材を用いるだけでよくなる。これにより、製造コストが削減される。

本発明は、その最も一般的な実施形態において、機能位置で以下の特徴を有するセラミック製耐火衝撃パッドに関する。
‐下部底面と上部衝撃面とを有する底部
‐底部から上に向かって自由端部セクションまで延在する、複数のセクションから成る壁であって、内面を有する壁と衝撃面とは、底部に向かい合う上部端部で開口している空間を画定する
‐壁の少なくとも１つのセクションが、少なくとも１つの開口部を備え、当該開口部は、壁の内面から外面まで貫いて延在し、向かい合う側面によって画定される
‐開口部は、以下の断面プロファイルを有する
‐壁の周方向で見て、開口部はその最大幅を、自由端部セクションに隣接して備える
‐壁の周方向で見て、開口部はその最小幅を、底部に隣接して有する
‐開口部の最大幅は、衝撃パッドの壁の周全体の５％より大きい
‐その断面の７０％より多くが上半分で壁の自由端部セクションに隣接して延在するプロファイルを有する開口部が、長手方向に、つまり壁の上部自由端部セクションから垂直に下に向かって底部の方向に延在する

側面図には通常は開口部の幾何学形状が示され、そこでは、開口部の側面間の間隔が下部より上部で明らかに大きい。考えられ得る断面プロファイルは、以下の図の記述において表わされかつ説明されている。

開口部は上に向かって貫通してよく、その結果壁の自由端部は中断される。しかし開口部は、不連続の開口部として壁に延在してもよく、全面で壁セクションによって取り囲まれていてよい。最適化された流れと流れ分配とのために、壁の内面から垂直に張り出している平面に対して鏡面対称に形成されている断面プロファイルが好ましい。別の表現をすると、壁が円筒状の周面を備える円形の平面図（底部）を有する衝撃パッドでは、対称平面が半径方向に延在する。

開口部がアーチ状の側面を、特に最大幅のセクションと最小幅のセクションとの間に備えれば、流れの経過が最適化される。その際側面図では、漏斗あるいはノズルに似た開口部のプロファイルがもたらされる。

さらなる実施形態は、開口部が、最大幅と最小幅との間の領域において、開口部の中心長手軸に対して凸形あるいは凹形にアーチ状になった側面を備えることを意図されている。これは、開口部の幅が、最大幅のセクションと最小幅のセクションとの間で減少し続けることを意味する。

一実施形態に従えば、開口部は底部に対して所定の距離で終端する。したがって、衝撃パッドの内部には、鋳造プロセス時に定期的に溶融金属が存在する底部溜りが形成されることが結論付けられる。

開口部は、壁の高さの少なくとも２０％にわたって延在することになる。このような実施形態であれば、衝撃パッドの高さの８０％までには、側部の壁開口部がないことになるであろう。そうすれば溶融物は、壁の上部端部セクションの領域においてのみ、少なくとも１つの開口部を介して衝撃パッドの側部から流出することになるであろう。

開口部が、壁の高さの大部分にわたって、たとえば４０％より多く、あるいは５０％より多く、あるいは６０％より多く、あるいは７０％より多くにわたって延在すれば、この流れのプロファイルは最適化される。側部開口部のない衝撃パッド壁の領域は、底部から計算して壁の高さの少なくとも２０％に相当してよい。これは、上部端部から計算して、壁の高さの８０％にわたる開口部の最大拡張に相当する。

溶融物を衝撃パッドの内部から開口部へ意図的に誘導するために、本発明の一実施形態は、底部の衝撃面と開口部との間の壁の内面を、水平に対して９０度より小さい傾きで形成するように意図している。一種の「上り傾斜」が生じ、溶融物は、衝撃面に当たった後、当該上り傾斜に沿って横方向だけでなく横方向かつ上方に向かって導かれて、対応する開口部へ意図的に排出される。この実施形態も、以下の図の記述においてより詳細に表わされている。

最後に挙げられた実施形態は、開口部が衝撃パッドの底部から距離をおいて終端することを前提としている。

しかし、開口部は自由端部から底部まで連続的に延在してもよい。これは原則的に、特許文献２に記載の実施形態に対応する。周知の衝撃パッドとの決定的な違いは、衝撃パッドの壁のスリット（開口部）が、本発明に従えば明らかに大きいことであり、かつ特に、開口部の断面が、壁の上部縁部（自由角部）の方向に明らかに大きくなることを特徴としていることである。

開口部の最大幅は、本発明に従えば、衝撃パッドの壁の周全体の５％より大きくなる。正方形の底面とそれに対応して４つの同じ壁セクションとを有する衝撃パッドにとっては、開口部の最大幅は、対応する壁セクションの幅の２０％より大きくなることを意味する。この値は、本発明に従えば、長方形の平面図を有する衝撃パッドにも当てはまり、それも、開口部の幅の値はそれぞれ、開口部が配置される壁セクションに関連するという条件付きで当てはまる。

円形の底部とそれに対応して円筒形の壁面とを有する衝撃パッドでは、次のことが当てはまる。すなわち、開口部の最大幅は衝撃パッドの壁の周全体の５％より大きくなる。壁を４つの同じセクションに分割すると、各セクションに関して、開口部の最大幅の値は、ここでもまた２０％よりも大きくなる。

これは同様に、楕円形の平面図を有する衝撃パッドの実施形態にも当てはまる。

別の幾何学形状には、開口部の最大幅が壁の周全体の５％より大きくなるという条件の他に、以下の追加条件が当てはまる。すなわち、開口部の最大幅は、壁の周全体の４分の１の２０％より大きくなくてはならない。最大幅は合理的には、衝撃パッド壁の周全体の２５％に限定されている。

開口部の最小幅（衝撃パッド底部に隣接している、開口部／スリットの端部にある）は、たとえば、壁の周全体の４％未満、２．５％未満、１．５％未満、１．０％未満、かつ、たとえばＶ字型のスリットの場合には、ほとんどゼロになってもよい。最大値は合理的には、最大５％である。

具体的な値を例示すれば、以下である。
‐最大幅には、１００ｍｍより大、１５０ｍｍより大、２００ｍｍより大、２５０ｍｍより大、３００ｍｍより大
‐最小幅には、１００ｍｍ未満、７５ｍｍ未満、５０ｍｍ未満、２５ｍｍ未満、１０ｍｍ未満。

本発明の実施形態に従えば、開口部の対応する側面は、壁の内面と壁の対応する外面との間に、間隔がより大きくなりつつ設けられている。それによって一種の「ディフューザ」が生じ、衝撃パッドの壁の内面と外面との間の開口部の断面積が大きくなる（扇型に拡大する）結果となる。この方法によって、バルーン状の体積流が、冶金用容器の金属槽に供給され、冶金用容器内での乱流を低減させることになる。

この実施形態では、側面は外部周囲に向かってアーチ状であってよく、それによって効果は促進される。

本発明のさらなる特徴は、従属請求項の特徴およびその他の出願書類からもたらされる。その際、挙げられた特徴は、個々にあるいは任意に組み合わせて、本発明の実現にとって重要であり得る。明確に排除されない限りは、個々の実施形態の特徴は、技術的に原則的に可能な限り、互いに組み合わせられ得る。

それぞれ概略的な描写で、以下が図に示される。

衝撃パッドの斜視図である。 衝撃パッドの壁の開口部の、考えられ得る断面形状である。 衝撃パッドのさらなる実施形態の斜視図である。 衝撃パッドの第３実施形態の、上面図と縦断面図と側面図である。

図１に記載の衝撃パッドは、以下のように構成されている。すなわち、当該衝撃パッドは、下部の底面１０ｇと上部の衝撃面１０ｐとを有する長方形の底部１０を有する。底部１０の縁部領域から、対応して４つの壁セクション２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄを備える壁２０が延在する。

内面２０ｉを有する壁２０と衝撃面１０ｐとは、上に向かってすなわち底部に向かい合って開口している空間３０を画定する。

壁セクション２０ａから２０ｄの自由端部２０ｋは内側に向かって延ばされており、その結果、壁セクション２０ａから２０ｄの垂直領域と自由端部２０ｋ（端部セクション）との間に、対応するアンダーカット部２０ｈが生じる。

壁セクション２０ａには、自由端部２０ｋから壁セクション２０ａの高さＨの半分を超えて延在する開口部４０が形成されている。開口部４０の垂直方向の高さｈは、約０．６Ｈに相当する。開口部は、最大幅Ｂｇがその上部端部にあり、最小幅Ｂｋが下部端部にある。その間には、開口部４０の側面４０ｆが、開口部４０の中心長手軸Ｍ−Ｍに関して鏡像的に、互いに対してアーチ状になり、その結果開口部の上部端部から下部端部まで、連続して小さくなる断面幾何学形状が生じる。側面４０ｆは、壁２０の内面２０ｉに対して９０度で延在する。

開口部４０の最大幅Ｂｇは、属する壁セクション２０ａの平均長さＬの約３５％であり、壁２０の周全体のおよそ９％に相当する。衝撃パッドに流入する溶融金属（概略的に矢印Ｓで示されている）は、まず衝撃面１０ｐに当り、それから衝撃面１０ｐに沿って分散して、その後壁２０の内面２０ｉに沿って上に向かって進む。溶融物が、壁セクション２０ｂ、２０ｃ、２０ｄの領域において、続いてアンダーカット部を有して形成されている自由端部２０ｋの領域において方向転換され、衝撃パッドから上に向かって排出される間（同じことが、開口部４０の横の壁２０ａに沿って流れる溶融物に当てはまる）、多量の体積割合の溶融物が開口部４０を通って空間３０から出る。流速は、開口部４０の幅が増すにつれて低減する。流れ方向は、開口部４０の幅狭の端部ではほとんど水平に、上部の幅広の端部では上に向かって傾斜して方向付けられる。このように、溶融物は衝撃パッドから対応する冶金用容器もしくはその中に存在する溶融物内へ有利に供給される。

図２は、壁開口部４０の考えられ得るいくつかの断面形状を示している。１番は図１の例に似せて形成されているが、開口部は底部領域まで下に向かって延びている。バリエーション２番は、ほとんど漏斗状の断面プロファイルをしている。３番では、開口部の側面が、鉢状に延在する。４番に記載の開口部は、完全に壁２０内に形成されており、その他の点では２番の上部部分に相当する。５番では、側面はアーチ状ではなく、階段状に構成されている。６番に記載の断面幾何学形状は、脚付きグラスの断面幾何学形状に似ている。

図３に記載の実施形態は、開口部４０が底部１０まですなわち衝撃面１０ｐまで延在し、その下部セクションでは、スリット状に一定の幅Ｂｋを有して形成されている点で、図１に記載の実施形態と異なっている。図１の実施形態とのさらなる相違点は、側面４０ｆが壁２０ａの外面２０ｓに向かって開いており、それによって溶融金属が衝撃パッドから流出する際に付加的なディフューザ効果が達成されることである。

図４に記載の実施形態において、その他に表わされた実施形態との根本的な相違点は、壁２０ａの内面２０ｉが、（水平に対して）およそ４５度の角度αで、衝撃面１０ｐから開口部４０への方向に上昇し、それによって、開口部４０に向かって、溶融金属のための一種の上り傾斜が形成されていることである。開口部４０は、側面図が示しているように、図１の実施形態と類似して、衝撃面１０ｐと距離をおいて終端しており、図３と同様に、ディフューザ領域を備える。

すべての実施バリエーションに当てはまるのは、以下である。

衝撃パッドは、たとえばマグネシア、マグネシアクロマイト、ボーキサイト、Ａｌ_２Ｏ_３に基づく、あるいはこれら物質の混合物に基づく耐火性セラミック材料から成る。

壁（壁の一部）の上部自由端部セクションが内側に向かって広がっており、その結果衝撃パッドから上に向かって出てくる溶融物はまず内側に向かって方向転換される衝撃パッドが好都合である。

衝撃パッドの底面は、事実上任意である。しかしながら、円形の底部と円筒形の壁とを有する衝撃パッド、および長方形、特に正方形の底部とそれに応じて直角に互いに延在し合う４つの壁セクションとを有する衝撃パッドが、製造と流れ特性とに鑑みて、明らかに好ましい。

各衝撃パッドには、記述されたような開口部が壁側に少なくとも１つ形成されている。特に、長方形の断面を有する衝撃パッドでは、向かい合う壁セクションに類似する開口部が形成されていてよい。

各開口部は、衝撃パッド壁の上部縁部（上部角部）に隣接しているセクションにおいてよりも、底部に隣接するセクションにおいて、明らかに狭い。それによって、常に側面図において、開口部の幅が上から下に向かって減少する断面プロファイルができる。そうすることによってのみ、望ましい体積流を側部導くことができ、流速の望ましい分配を達成することができる。

また、重要なのは、垂直方向に見て各開口部の断面全体の少なくとも７０％が、壁の上半分を定義するセクションにあるということである。

いずれの場合においても、流出する溶融金属のためにこれらがもたらすことは、溶融流が開口部の領域において下部から上部に向かって幅が広くなり、かつ上部では流速は下部よりも遅いということである。開口部の側面を対応して形成することによって、流れ方向を、特に、衝撃パッドからの間隔が増加するにつれて体積流の断面が大きくなるように流れをガイドするという意味において調整することができる。

１０ 底部
１０ｇ 底面
１０ｐ 衝撃面
２０ 壁
２０ａ 壁セクション
２０ｂ 壁セクション
２０ｃ 壁セクション
２０ｄ 壁セクション
２０ｈ アンダーカット部
２０ｉ 内面
２０ｋ 自由端部
２０ｓ 外面
３０ 空間
４０ 開口部
４０ｆ 側面
Ｂｇ 開口部の最大幅
Ｂｋ 開口部の最小幅
Ｈ 壁セクションの高さ
ｈ 開口部の高さ
Ｌ 壁セクション２０ａの平均の長さ
Ｍ 中心長手軸
Ｓ 溶融金属

Claims (11)

1. 機能位置において以下の特徴：を有するセラミック製耐火衝撃パッドであって、
   １．１ 下部底面（１０ｇ）と上部衝撃面（１０ｐ）とを有する底部（１０）と、
   １．２ 前記底部（１０）から上に向かって自由端部（２０ｋ）まで延在する、複数のセクション（２０ａ〜２０ｄ）から成る壁（２０）であって、内面（２０ｉ）を有する前記壁（２０）と前記衝撃面（１０ｐ）とが空間（３０）を画定し、前記空間（３０）が前記底部（１０）に対向する上部端部において開口している、前記壁（２０）と、
   を備え、
   １．３ 前記壁（２０）の少なくとも１つのセクション（２０ａ）が、少なくとも１つの開口部（４０）を備え、該開口部（４０）は、前記壁（２０）の前記内面（２０ｉ）から外面（２０ｓ）まで貫いて延在し、向かい合う側面（４０ｆ）によって画定されており、
   １．４ 前記開口部（４０）は、
   １．４．１ 前記開口部（４０）が、前記壁（２０）の周方向に見て、その最大幅（Ｂｇ）を、前記自由端部（２０ｋ）に隣接して備え、
   １．４．２ 前記開口部（４０）が、前記壁（２０）の周方向に見て、その最小幅（Ｂｋ）を、前記底部（１０）に隣接して備え、
   １．４．３ 前記開口部の最大幅（Ｂｇ）が、前記衝撃パッドの前記壁（２０）の周全体の５％より大きく、
   １．４．４ 前記開口部が、長手方向、すなわち前記壁（２０）の前記上部自由端部（２０ｋ）から鉛直下方に前記底部に向かう方向において、前記開口部の断面の７０％より多くが前記壁（２０）の上半分において該壁（２０）の前記自由端部（２０ｋ）に隣接して存在するプロファイルを有して延在する、
   断面プロファイルを有し、
   前記開口部（４０）が、最大幅（Ｂｇ）と最小幅（Ｂｋ）との間の領域において、アーチ状の側面（４０ｆ）を備える、衝撃パッド。
2. 前記開口部（４０）が、最大幅（Ｂｇ）と最小幅（Ｂｋ）との間の領域において、前記開口部（４０）の鉛直方向中心軸に対してアーチ状の側面（４０ｆ）を備える、請求項１に記載の衝撃パッド。
3. 前記開口部（４０）は、前記底部（１０）に対して距離をおいて終端する、請求項１に記載の衝撃パッド。
4. 前記底部（１０）の前記衝撃面（１０ｐ）と前記開口部（４０）との間の前記壁（２０）の前記内面（２０ｉ）が、水平に対して９０度より小さい傾きで延在する、請求項３に記載の衝撃パッド。
5. 前記開口部（４０）が、前記壁（２０）の高さ（Ｈ）の２０％以上、かつ９０％以下にわたって延在する、請求項３に記載の衝撃パッド。
6. 前記開口部（４０）が、前記自由端部（２０ｋ）から前記底部（１０）まで延在する、請求項１に記載の衝撃パッド。
7. 前記開口部（４０）に対応する側面（４０ｆ）は、前記壁（２０）の内面（２０ｉ）と前記壁（２０）の対応する外面（２０ｓ）との間において、間隔を増加させつつ延在する、請求項１に記載の衝撃パッド。
8. 前記開口部（４０）の対応する前記側面（４０ｆ）は、前記壁（２０）の内面（２０ｉ）と前記壁（２０）の対応する外面（２０ｓ）との間における周囲に向かう方向においてアーチ状である、請求項７に記載の衝撃パッド。
9. 前記壁（２０）の４つのセクション（２０ａ−ｄ）を有する衝撃パッドであって、隣接するセクション（２０ａ−２０ｂ、２０ｂ−２０ｃ、２０ｃ−２０ｄ、２０ｄ−２０ａ）は、ほぼ直角に互いに延在し合う、請求項１に記載の衝撃パッド。
10. 前記開口部（４０）が、前記壁（２０）の前記内面（２０ｉ）から垂直に張り出している平面に対して鏡面対称に形成されている、請求項１に記載の衝撃パッド。
11. 衝撃パッドの前記上部自由端部（２０ｋ）が、内側に向かって前記空間（３０）へ方向転換されているか、あるいは広がっている、請求項１に記載の衝撃パッド。

Images