JP6603747B2 - ランスノズル - Google Patents

Description

本発明は，ランスノズルに関するものである。

ランスノズルは酸素を噴射して鋼を製造する電炉に使用されて溶鋼を攪拌し，約１，６００℃の温度を維持する電炉内の溶鋼に近接した状態で酸素を噴出する。このような作動条件の下，ランスノズルの表面温度は一次的に４００℃以上まで速く上昇し，ランスノズルが上部に後退する際に２０℃まで急激に冷却される。よって，ランスは非常に優れた熱伝導体材料（例えば，銅）で製造され，内部の壁に沿って高速で流動する冷却流体と効果的な熱交換が行われる。

しかし，ランスノズルは，酸素を排出する過程で排出管の先端側が磨耗するか破損するため，一定の使用回数を設定しておき，設定した使用回数に到達するとこれを交換する方式を採用している。

本発明の目的は，耐久性が改善されたランスノズルを提供することにある。

本発明は，製造の際に必要とされる時間及びコストを節減することのできるランスノズル及び該ランスノズルの製造方法，そして前記ランスノズルの製造装置を開示する。

本発明は更に，以下の詳細な説明と添付した図面からより明確にされる。

本発明の一実施形態によるランスノズルは，入口側を介して供給されたガスを出口側に排出する，前記出口側に徐々に拡径する複数の排出管と，該排出管の出口側がそれぞれ連通する複数の排出孔を有する前方壁とを含み，該排出管は，閉鎖部材の切削部から成り，該前方壁は，鋳造組織と，該鋳造組織の一部が変化して成る鍛造組織を備え，該鍛造組織は，前記排出孔の外周に位置して予め設定された深さを有することを特徴とする。

[関連事項]
本発明に係るランスノズルの製造方法は，入口側を介して供給されたガスを出口側に排出する複数の排出管と，該排出管の出口側がそれぞれ連結される複数の排出孔を有する前方壁を含むランスノズルを鋳造加工で１次製造する鋳造ステップと，前記排出管と反対側に位置する前記前方壁の前方面のうち前記排出孔の外周を鍛造加工して鍛造組織を形成する鍛造ステップとを含む。

前記鋳造ステップの際，前記排出管の内部に閉鎖部材が形成されて該閉鎖部材によって前記排出管の内部のうち前端部を除く残りの部分が閉鎖され，前記鍛造ステップは，前記閉鎖部材が形成された状態で前記鍛造加工が行われる。

前記ランスノズルの製造方法は，前記鍛造ステップの後，前記閉鎖部材を除去して前記排出管を開放するステップを更に含む。

前記ランスノズルの製造方法は，前記鋳造ステップと前記鍛造ステップとの間に，前記ランスノズルの前記前方面を荒削り加工する荒削りステップを更に含む。

前記ランスノズルの製造方法は，前記鍛造ステップの後，仕上げ削り加工を介して前記前方面のうち，前記鍛造組織と該鍛造組織以外の部分との間の段差を除去する仕上げ削りステップを更に含む。

前記仕上げ削りステップの前に，前記鍛造組織の高さは前記前方面の高さに比べ低い。

前記鍛造ステップは，前記排出孔の直径より大きい外径を有するハンマーを利用して前記鍛造組織を形成する。

本発明のランスノズルの製造装置は，入口側を介して供給されたガスを出口側に排出する複数の排出管と，該排出管の出口側がそれぞれ連結される複数の排出孔を有する前方壁を含み，前記ランスノズルが載置され，前記前方壁の前方面が水平を維持した状態で上部を向くように支持するベッドと，該ベッドの上部に設置されて前記排出孔の直径より大きい外径を有するハンマーと，該ハンマーを駆動して前記前方面のうち前記排出孔の外周を鍛造加工するハンマー駆動部材を含む。

前記ランスノズルの製造装置は，前記ハンマーの下部面から突出されて前記排出孔の直径より小さい外径を有し，前記ハンマーの下部面が前記前方面と接触すると前記排出孔内に位置するガイドチップを更に含む。

本発明のランスノズルの他の製造方法は，複数の開口が形成された内側前方壁と，該内側前方壁によって前端が閉鎖される中心管と，該中心管の外周に同軸方向に配列されて,前記中心管との間に冷却水が供給される内部環状空洞が形成される内部管と，該内部管の外周に同軸方向に配列されて前記内部管との間に,前記第１環状空洞内に供給された前記冷却水を排出する外部環状空洞が形成される外部管と，前記中心管の前方に位置し，前記開口とそれぞれ一列に配列される複数の排出孔を有し，前記外部管の前端を閉鎖する外側前方壁と，一列に配列された前記開口及び前記排出孔にそれぞれ連結されて,前記開口を介して供給されたガスを前記排出孔を介して排出する複数の排出管を含むランスノズルを,鋳造加工で１次製造する鋳造ステップと，前記排出孔の直径より大きい外径を有するハンマーの下部面を利用し，前記排出管と反対側に位置する前記外側前方壁の前方面のうち前記排出孔の外周を鍛造加工して鍛造組織を形成する鍛造ステップを含む。

本発明の一実施形態によると，鋳造加工を介して１次製造されたランスノズルを鍛造加工して攪拌ガス（例えば，酸素）が噴出される排出管の先端側が容易に磨耗するか破損することを防止し，これによってランスノズルの交換周期を延長することができる。また，鋳造加工を介してランスノズルを１次的に製造した後，重要部位のみ鍛造加工を経るため，２つ以上の鍛造加工された部品をブレージング（brazing）加工して製造するランスノズルに比べ製造に必要とされる時間及びコストを節減することができる。また，ランスノズルのブレージング加工の際に発生し得る欠陥などの短所を解決することができる。

本発明の一実施形態によるランスノズルを概略的に示す図である。 図２〜図４は，図１に示すランスノズルを製造する本発明方法を連続して示す図で，図２は，鍛造加工工程までを示し， 本発明の図１に示すランスノズルを製造する方法における鍛造工程による段差ｄの形成までを示す。 本発明の図１に示すランスノズルを製造する方法における仕上げ削り工程を示す図である。 鋳造加工の後，鍛造加工の実施の有無によるランスノズルを比較した写真である。 図５に示す排出孔の外周を拡大した写真である。 鍛造加工の実施の有無による排出孔外周の金属組織を示す顕微鏡写真である。 鍛造加工の実施の有無による排出孔の外周の磨耗試験の結果を示すグラフである。 図１に示すランスノズルを製造する装置を概略的に示す図である。

以下，本発明の好ましい実施形態を，添付した図１乃至図９を参照して，より詳細に説明する。本発明の実施形態は様々な形に変形されてもよく，本発明の範囲が後述する実施形態に限定されると解釈してはならない。本実施形態は，当該発明の属する技術分野の通常の知識を有する者に，本発明を，より詳細に説明するために提供されるものである。よって，図面に示す各要素の形状はより明確な説明を強調するために誇張されている可能性がある。

図１は，本発明の一実施形態によるランスノズルを概略的に示す断面図である。ランスノズル１は，攪拌ガス(例えば，酸素)を供給する中心管２を含む。中心管２は，開口４が形成された前方壁３によって閉鎖され，開口４は，軸１９を基準に外周に等角を成して配置される。

内部管５は，中心管２の外周に同軸方向に配列されており，環状空洞６が内部管５と中心管２との間に形成され，矢印Ｆ１方向に冷却水が供給される。

外部管１０は，中心管２の外周に同軸方向に配列されており，環状空洞１１が，内部管５と外部管１０との間に形成されて，矢印Ｆ２方向に冷却水を排出する。外部管１０は，攪拌される前炉に対向し，臨界熱応力を受ける前方壁１２によって閉鎖される。冷却水は，前方壁３と前方壁１２との間に形成された熱交換空間１３を流れ（Ｆ３，Ｆ４），冷却水と加熱された前方壁１２との間の十分な熱交換のために，前方壁１２を高い熱伝達係数を有する熱伝導体材料，例えば銅で製造することが好ましい。すなわち，空洞６から出る冷却水が排出管１５を迂回して通路８（Ｆ４）を介して熱交換空間１３に流入されＦ３，空洞１１に向かって矢印（Ｆ４）の方向に流動する。

また，前方壁１２は，前方壁３に形成された開口４と一列に配列される排出孔１４を有し，排出管１５が，開口４及び排出孔１４を連通して攪拌ガス(例えば，酸素)をランスノズル１の外部に噴出する。排出管１５は，軸１９を基準に前方に向かって外側に傾斜するように配置され，ランスノズル１の前方面は，排出管１５の中心軸と略直交する。よって，前方壁１２の前方面はランスノズル１の軸１９を中心に外側に向かって下向き傾斜する形状を有する。また，前方壁１２は，中心部に通路８に向かって窪んだ沈下部１６を有し，冷却水噴出口９が排出管１５と内部管５との間に形成される。

図２乃至図４は，図１に示すランスノズルを製造する方法を順に示す図である。上述した図１に示すランスノズルは，以下で説明する方法を介して製造される。

まず，ランスノズル１は鋳造加工を介して一体に製造されるか，２つ以上に製造されてから溶接を介して連結される。鋳造加工は同じ模型で鋳型を製造するため形状寸法が同じものが多く得られ，特に，複雑な形状の製品を容易に製作することができるため加工コストを節減する長所がある。

次に，図２に示すように荒削り（rough machining）加工を経て，この荒削り加工を完了した状態で，ランスノズル１の仕上げ削り加工までの余裕部分Ｃ（厚さ＝約１０mm）を有する。このような状態で，トーチを利用してランスノズル１を５００℃乃至７５０℃まで予熱した後，ハンマー２２を介して排出孔１４の外周に鍛造加工を実施する。ハンマー２２は排出孔１４の直径より大きい外径を有し，ハンマー２２は，衝撃を加える方式（例えば，駆動シリンダを介してハンマー２２を持ち上げてから自由落下するか，駆動シリンダを介して持ち上げられたハンマー２２を強制落下する方式）で前方面１２ａに圧縮荷重（又は衝撃荷重）を加える。ハンマー２２は，前方壁３の前方面のうち排出孔１４の外周を鍛造加工するためのものであるため，ハンマー２２は鍛造加工が完了するまで排出孔１４の内周面と接触せず，排出孔１４の内部に挿入されない。

このとき，閉鎖部材１５ａは，鋳造加工を介して排出管１５の内部に形成されて排出管１５の内部のうちの一部を閉鎖し，鍛造加工に際して閉鎖部材１５ａは，排出管１５または排出孔１４が変形（例えば，直径の増減）することを防止する。すなわち，ランスノズルの鋳造加工の際，排出管１５は前端部の一部のみ前方面１２ａから陥没して形成されて排出管１５の内部のうち一部が閉鎖された状態になり，鍛造加工が完了されてから閉鎖部材１５ａを除去して排出管１５を図１に示すように開放することで，完全な排出管１５を形成する。

ガイドチップ２４はハンマー２２の下部面から突出され，鍛造加工が完了された状態で排出孔１４の直径より小さい外形を有する。ガイドチップ２４は上部直径が下部直径より大きい台形の断面積を有する。ハンマー２２が，前方面１２ａと接触するとガイドチップ２４は排出孔１４内に挿入され，ハンマー２２が排出孔１４の外周に正確に圧縮加重を加えるようにガイドする。但し，本実施形態とは異なって，ガイドチップは省略されてもよい。

図３に示すように，鍛造加工が完了されると排出孔１４の外周に鍛造組織Ｆが形成され，鍛造組織Ｆはリング状に一定厚さ及び深さで形成される。この際，鍛造加工を介して組織が粗密になる過程で鍛造組織Ｆと前方面１２ａとの間に段差ｄが形成され，段差の厚さｄは上述した余裕部分Ｃの厚さと一致する。よって，図４に示すように，仕上げ削りを介して余裕部分Ｃ（または段差）を除去し閉鎖部材１５ａを除去すると最終的なランスノズル１が完成される。

一方，本実施形態は鋳造加工の長所と鍛造加工の長所を活用すると共に，鋳造加工の短所を鍛造加工を介して補完し，鍛造加工の短所を鋳造加工を介して補完する。すなわち，鋳造は金属を溶解してそれを冷却，凝固して製品を得る工程であって，この際に生じる鋳物の組織はいわゆる鋳造組織という荒い結晶組織となり，同じ材料で他の加工によって製作した製品より機械的性質が落ちる短所がある。よって，上述したランスノズル１の場合，攪拌ガスを噴出する排出管１５の先端側（または排出孔１４の周辺）が容易に磨耗するか破損する問題が発生する。

一方，鍛造は素材に圧縮荷重を加えるため，鋳造に比べ金属組織が粗密になって強度などの機械的性質を増大することができ，ランスノズル１の寿命を大幅に延長することができる一方，製造の際に多くの時間及びコストを要する問題点がある。

よって，鋳造加工を介してランスノズルを１次的に製造し，製造の際に必要とされる時間及びコストを節減すると共に，鍛造加工を介して機械的性質を増大することで，容易に磨耗ないし破損する排出管１５の先端側（または排出孔１４の周辺）を補強する。

図５は，鋳造加工の後，鍛造加工の実施の有無によるランスノズルを比較した写真であり，図６は，図５に示す排出孔の外周を拡大した写真である。図５及び図６は，約１５０回程度使用したランスノズルを示すが，同図紙面左側は鍛造加工を実施していない場合であって，右側は鍛造加工を実施している場合である。図５及び図６に示すように，鍛造加工を実施していない場合には排出管１５の先端側（または排出管１４の周辺）に発生した亀裂を確認することができるが，鍛造加工を実施している場合には排出管１５の先端側（または排出孔１４の周辺）にいかなる亀裂も発生していないことが分かる。

図７は，鍛造加工の実施可否による排出孔の外周の金属組織写真であり，同図紙面左側は鍛造加工を実施している場合であって，右側は鍛造加工を実施していない場合である。図７に示すように，鍛造加工を実施している場合には金属組織が粗密に変わり，鋳造に比べ金属組織が粗密になって強度などの機械的性質が増大する。一方，鍛造加工を実施していない場合には相対的に金属組織が粗密ではなく，少数の結晶粒界（grain boundary）を有する。一方，鋳造加工の後で行われる鍛造加工の程度に応じて鍛造組織と鋳造組織が共存することができ，鍛造加工の回数が増大するほど鍛造組織が増加する。

図８は，鍛造加工の実施可否による排出孔の外周の磨耗試験の結果を示すグラフである。下記表１のような条件で，鍛造加工を実施していないランスノズル１の組織と鍛造加工を実施しているランスノズル１の組織に対する磨耗試験を行った。

その結果，図８に示すように，鍛造加工を実施していないランスノズル１の磨耗量は０．７mgである一方，１０mm鍛造加工を実施したランスノズル１の磨耗量（実施形態の磨耗損失）は０．１mgであったため，鍛造加工を介してランスノズル１の機械的性質が大幅に改善されたことが分かり，特に耐摩耗性が７倍以上増加したことが分かる。

図９は，図１に示すランスノズルを製造する装置を概略的に示す図である。ランスノズルの製造装置は，ベース３２の上部に載置されたベッド３６を含み，ベッド３６はランスノズル１の前方面１２ａが水平状態を維持するようにランスノズル１を固定支持する。

ランスノズルの製造装置は支持フレーム２９を更に含み，支持フレーム２９は本体３０に固定された状態を維持する。支持ロッド２６は，支持フレーム２９を貫通して設置され，ハンマー２２は，支持ロッド２６の下端に固定される。支持ロッド２６は，別途の駆動装置（図示せず）を介して作動し，作動の際にハンマー２２は，ランスノズル１の前方面に圧縮荷重（または衝撃荷重）を加えて鍛造加工を実施する。

詳説すれば，ランスノズル１は，前方面１２ａが上部を向くようにランスノズル１をベッド３６に固定し，トーチを介してランスノズル１を鍛造加工に適した温度（例えば，５００〜７５０℃）に加熱する。次に，ベッド３６を本体３０に向かって移動し，ランスノズル１の鍛造しようとする排出孔１４がハンマー２２の真下に位置するようにベッド３６の位置を調整する。ベッド３６の位置調整が完了すると，駆動装置（例えば，駆動シリンダ）を作動してハンマー２２を介して排出孔１４の外周に鍛造加工を行う。以後，鍛造加工が完了すると，ベッド３６を本体３０の反対側に移動して，ランスノズル１をベッド３６から除去する。

以上，本発明を好ましい実施形態を介して詳細に説明したが，これらとは異なる実施形態ないし実施例も可能である。よって，後述する特許請求の範囲の技術的思想と範囲は好ましい実施形態に限定されない。

本発明は多様な形態のランスノズル及びランスノズルの製造方法，そしてランスノズルの製造装置に応用される。

１ ランスノズル
２ 中心管
３ 前方壁
４ 開口
５ 内部管
６ 環状空洞
８ 通路
９ 冷却水噴出口
１０ 外部管
１１ 環状空洞
１２ 前方壁
１２ａ 前方面
１３ 熱交換空間
１４ 排出孔
１５ 排出管
１５ａ 閉鎖部材
１６ 沈下部
１９ 軸
２２ ハンマー
２４ ガイドチップ
２６ 支持ロッド
２９ 支持フレーム
３０ 本体
３２ ベース
３６ ベッド
Ｆ 鍛造組織
ｄ 段差
Ｃ 余裕部分
Ｆ１〜Ｆ４ 矢印

Claims (1)

1. 入口側を介して供給されたガスを出口側に排出する，前記出口側に徐々に拡径する複数の排出管と，
   該排出管の出口側がそれぞれ連通する複数の排出孔を有する前方壁とを含み，
   該排出管は，閉鎖部材の切削部から成り，
   該前方壁は，鋳造組織と，該鋳造組織の一部が変化して成る鍛造組織を備え，
   該鍛造組織は，前記排出孔の外周に位置して予め設定された深さを有することを特徴とするランスノズル。