JP6646160B2 - 耐摩耗性複合材料、冶金用炉の冷却素子へのその適用、及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本出願は、2016年2月18日に出願された米国仮特許出願第62/296944号の優先権及び利益を主張し、その内容は参照により本明細書に組み込まれる。
(a)前記耐磨耗性粒子の設計された配置を準備することと、(b)前記耐摩耗性粒子の設計された配置を、型穴内で、前記冷却素子の前記対面層を画定する前記型穴の領域に配置することと、(c)前記型穴内に溶融金属を導入することであって、前記溶融金属が、前記冷却素子の前記本体の前記第1の金属と前記複合材料の前記第2の金属とを含むこと、
を含む。
図2、図2A及び図5−1に示すように、この球体は、本質的に、ノッチと溝がなく単一の接点を有するため、有利な摩擦学的形状を有する。従って、球状耐磨耗性粒子66を組み込んだマクロ複合材料からなる対面層22、52、64を備える冷却素子12、12’、42は、装入原料と冷却素子12、12’、42の当り面24、54、58、62との間の摩擦滑り接触が減少するために、使用時に低い摩耗率を示すと期待される。
当り面24、54、58、62に垂直な長手方向軸を有するように配向した円筒形ロッドは、磨耗による剪断荷重に耐える梁として作用するため、有利な形状である。従って、表面20に対して垂直に配向した棒状耐摩耗性粒子66を組み込んだマクロ複合材料からなる対面層22、52、64を備えた冷却素子12、12’、42は、使用時には低い摩耗率を示すと期待される。
当り面24、54、58、62に平行な長手軸を有するように配向した円筒形ロッドは、磨耗する間、円筒形ロッドの全長が対向面(装入原料)の偏向器として作用するため、有利な摩擦学的形状を有する。従って、表面20に平行に配向した棒状耐摩耗性粒子66を組み込んだマクロ複合材料からなる対面層22、52、64を備えた冷却素子12、12’、42は、装入原料と冷却素子12、12’、42の当り面24、54、58、62との間の摩擦滑り接触が減少するために、使用時に低い摩耗率を示すと期待される。
当り面24、54、58、62に垂直な長手方向軸を有するように配向した円筒形リング(すなわち、中空シリンダ)は、リングが磨耗による剪断荷重に耐える梁として作用するため、有利な形状である。従って、垂直に配向したリング形状の耐摩耗性粒子66を組み込んだマクロ複合材料からなる対面層22、52、64を備えた冷却素子12、12’、42は、使用時に低い摩耗率を示すと期待される。内径を有するリング形状は、金属マトリクスの付加的なテンドリル68の形成と、耐磨耗性粒子66と金属マトリクス70との間の付加的な浸入(接触表面積)をもたらす。
冷却素子12、12’、42の当り面24、54、58、62上に配置される、単一部品又は互いに近接する複数のより小さい断片からなるプレートは、全面保護の利点を有しており、これによりマトリクス材料に対する研磨攻撃が制限される。熱膨張係数に大きな差がある場合、互いに近接する断片が小さいほど、集合体(aggregate)とマトリクスとの間における接合部の熱疲労は小さくなる。従って、プレート状の耐磨耗性粒子66を組み込んだマクロ複合材料からなる対面層22、52、64を備えた冷却素子12、12’、42は、使用時に低い摩耗率を示すと期待される。
当り面24、54、58、62上に配置された発泡体、具体的には連続気泡発泡体は、無限大の界面面積、軽量化、強固な結合、多数のテンドリル及び多孔度による特性調整の容易さと言った利点を有する。従って、発泡体66の形態をしたマクロ複合材料からなる対面層22、52、64を備えた冷却素子12、12’、42は、有利な摩耗特性及び特性調節の容易さを提供する。
当り面24、54、58、62上に配置されたメッシュは、変化するメッシュの配向性に起因して、大きな界面面積、軽量、及び可変な摩擦学的特性という利点を有する。従って、メッシュ66の形態をしたマクロ複合材料からなる対面層22、52、64を備えた冷却素子12、12’、42は、有利な磨耗特性を提供する。
当り面24、54、58、62に平行な長手方向軸線を有するように配向した円筒形ビーズ(中空円筒形ロッド)は、摩耗していく間に、円筒形ビーズの全長が対向面(装入原料)の偏向器として動作するため、有利な摩擦学的形状である。従って、当り面24、54、58、62と平行に配向したビーズ形状耐摩耗性粒子66を組み込んだマクロ複合材料からなる対面層22、52、64を備えた冷却素子12、12’、42は、装入原料と冷却素子12、12’、42の当り面24、54、58、62との間の摩擦滑り接触が減少するため、使用時には低い摩耗率を示すと期待される。内径を有するため、このビーズ形状は、金属マトリクスの付加的なテンドリル68の形成と、耐磨耗性粒子66と金属マトリクス70との間の付加的な浸入(接触表面積)とをもたらす。
Claims (52)
- 冶金用炉冷却素子の当り面に使用するための耐磨耗性材料であって、前記耐磨耗性材料は、耐磨耗性粒子を含むマクロ複合材料を含み、
前記耐磨耗性粒子は、その間に空間を定義するパターンを繰り返して整列され、
前記空間は、第1の金属を侵入させて、その長さ方向に均一な厚さを有するテンドリルを形成されている、耐磨耗性材料。 - 前記耐磨耗性粒子が、炭化物、窒化物、ホウ化物及び/又は酸化物を含むセラミックから選択される1つ又は複数の耐磨耗性材料から構成され、前記第1の金属が、実質的に熱伝導性金属からなる、請求項1に記載の耐磨耗性材料。
- 前記炭化物は、炭化タングステン、炭化ニオブ、炭化クロム及び炭化ケイ素からなる群から選択され、
前記窒化物は、窒化アルミニウム及び窒化ケイ素からなる群から選択され、
前記酸化物は、酸化アルミニウム及び酸化チタンからなる群から選択され、
前記ホウ化物は、ホウ化ケイ素からなる群から選択され、及び/又は
前記実質的に熱伝導性材料は、ステンレス鋼、銅、及び、キュプロニッケル合金などの銅−ニッケル合金を含む銅合金からなる群から選択される、請求項1又は2に記載の耐磨耗性材料。 - 前記マクロ複合材料は、研磨磨耗率が、同一条件下でねずみ鋳鉄の研磨磨耗率の0.6倍以下である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の耐磨耗性材料。
- 前記耐磨耗性粒子が、3mm〜10mmのサイズを有する、請求項1〜4のいずれか一項に記載の耐磨耗性材料。
- 前記マクロ複合材料が、3mm〜50mmの外装サイズを有し、前記外装サイズが、前記マクロ複合材料の単位体積を画定する立方体の辺の長さとして定義される、請求項1〜5のいずれか一項に記載の耐磨耗性材料。
- 前記耐磨耗性材料が、3mm〜50mmの厚さを有する、請求項1〜6のいずれか一項に記載の耐磨耗性材料。
- 前記マクロ複合材料の前記単位体積内における前記耐磨耗性粒子の前面面積充填率が、20〜100%である、請求項6に記載の耐磨耗性材料。
- 前記耐磨耗性粒子と前記第1の金属との間の界面面積が、前記マクロ複合材料の前記単位体積の表面積の少なくとも0.25倍である、請求項5〜8のいずれか一項に記載の耐磨耗性材料。
- 前記マクロ複合材料の単位体積当たりの、前記耐磨耗性粒子と前記第1の金属との間の接触表面積が、少なくとも0.1である、請求項5〜9のいずれか一項に記載の耐磨耗性材料。
- 前記耐磨耗性材料と、その間の前記空間が、それぞれ実質的に同一である、請求項1に記載の耐磨耗性材料。
- 少なくとも一部の前記金属テンドリルが、前記耐磨耗性粒子間の前記空間に形成されている、請求項11に記載の耐磨耗性材料。
- 前記前面に配置された前記耐磨耗性粒子のいずれかが、その長さ又は直径の少なくとも0.25分だけ前記マクロ複合材料内に延在する、請求項1〜12のいずれか一項に記載の耐磨耗性材料。
- 前記耐磨耗性粒子の各々が、円筒形状を有する、請求項1〜13のいずれか一項に記載の耐磨耗性材料。
- 当り面に供される、六角形領域のパッキング配列に充填された前記耐磨耗性粒子の単一層を含む、請求項14に記載の耐磨耗性材料。
- 前記円筒形の耐磨耗性粒子の各々が、前記耐磨耗性粒子によって形成された当り面と垂直に配置された長手方向軸を有する、請求項14に記載の耐磨耗性材料。
- 前記円筒形の耐磨耗性粒子の各々が、前記耐磨耗性粒子によって形成された当り面と平行に配置された長手方向軸を有する、請求項14に記載の耐磨耗性材料。
- 前記円筒形耐磨耗性粒子の各々が、前記第1の金属によって浸入され金属テンドリル部を形成される中空内部を有する、請求項16又は17に記載の耐磨耗性材料。
- 前記マクロ複合材料がプレート状耐磨耗性粒子を含み、前記プレート状耐磨耗性粒子の各々の表面が、前記当り面の一部を構成する、請求項1〜13のいずれか一項に記載の耐磨耗性材料。
- 前記当り面を構成する前記プレート状粒子の表面の間の空間が、前記第1の金属のテンドリルを画定する、請求項19に記載の耐磨耗性材料。
- 前記マクロ複合材料が発泡体又はメッシュの耐磨耗性粒子から構成される、請求項1〜13のいずれか一項に記載の耐磨耗性材料。
- 少なくとも前記テンドリルの一部が前記耐磨耗性粒子を取り囲み、前記耐磨耗性粒子によって確定される前記当り面に対して平行に広がっている、請求項1に記載の耐磨耗性材料。
- 冶金用炉の冷却素子であって、
前記冷却素子は、第1の金属を含む本体と、
前記冷却素子に当り面を供する対面層を有し、
前記対面層は、複合材料からなり、
前記複合材料は、耐磨耗性粒子を含み、
前記耐磨耗性粒子は、その間に空間を定義する、繰り返されたパターンに配置され、前記空間は、第2の金属に侵入され、前記第2の金属は、その長さ方向に均一な厚さを有するテンドリルを形成する、
冷却素子。 - 全ての前記耐磨耗性粒子は実質的に同一である、請求項23に記載の冷却素子。
- 全ての前記耐磨耗性粒子の間の前記空間は実質的に同一である、請求項23に記載の冷却素子。
- 前記耐磨耗性粒子の間の前記空間は、前記第2の金属によって完全に侵入されている、請求項23に記載の冷却素子。
- 前記耐磨耗性粒子が、少なくとも6.5モース(Mohs)の硬度を有する、請求項23〜26のいずれか一項に記載の冷却素子。
- 前記対面層の前記耐磨耗性粒子が、炭化物、窒化物、ホウ化物及び/又は酸化物を含むセラミックから選択される1つ又は複数の耐磨耗性材料を含む、請求項23〜27のいずれか一項に記載の冷却素子。
- 前記炭化物が、炭化タングステン、炭化ニオブ、炭化クロム及び炭化ケイ素からなる群から選択され、
前記窒化物が、窒化アルミニウム及び窒化ケイ素からなる群から選択され、
前記酸化物が、酸化アルミニウム及び酸化チタンからなる群から選択され、及び/又は
前記ホウ化物が、ホウ化ケイ素からなる群から選択される、請求項28に記載の冷却素子。 - 前記第2の金属が、前記第1の金属と同一のタイプの金属である、請求項23〜29のいずれか一項に記載の冷却素子。
- 前記第2の金属が、鋳鉄、ステンレス鋼を含む鋼、銅、及び銅ニッケル合金を含む銅合金からなる群から選択される、請求項23〜30のいずれか一項に記載の冷却素子。
- 前記第2の金属が、少なくとも96重量パーセントの銅含有量を有する高銅合金である、請求項23〜31のいずれか一項に記載の冷却素子。
- 前記複合材料が、同一条件下でねずみ鋳鉄の0.6倍以下研磨磨耗率を有する、請求項23〜32のいずれか一項に記載の冷却素子。
- 前記対面層が、3mm〜50mmの厚さを有する、請求項23〜33のいずれか一項に記載の冷却素子。
- 前記耐磨耗性粒子の間の前記空間は、前記第2の金属のテンドリルの少なくとも一部の部分を確定する、請求項23〜34のいずれか一項に記載の冷却素子。
- 前記耐磨耗性粒子が、3mm〜10mmのサイズを有する、請求項35に記載の冷却素子。
- 前記テンドリルは、前記当り面に向かって延びている、請求項23〜36のいずれか一項に記載の冷却素子。
- 前記テンドリルが、前記当り面の一部を構成する、請求項23〜37のいずれか1項に記載の冷却素子。
- 前記当り面に位置する前記耐磨耗性粒子のいずれかが、その長さ又は直径の少なくとも0.25分だけ前記複合材料内に延在する、請求項23〜38のいずれか一項に記載の冷却素子。
- 前記テンドリルの少なくとも一部が前記耐磨耗性粒子を取り囲み、前記当り面に向かって延びている、請求項23〜39のいずれか一項に記載の冷却素子。
- 前記耐磨耗性粒子は、それぞれ独立して配置されている、請求項23〜40のいずれか1項に記載の冷却素子。
- 前記対面層が、六角形領域のパッキング配列に充填された前記耐磨耗性粒子の単一層を含む、請求項23に記載の冷却素子。
- 前記耐磨耗性粒子が円筒形であり、前記耐摩耗性粒子の各々が、前記当り面に対して垂直な長手方向軸を有する、請求項23に記載の冷却素子。
- 前記耐磨耗性粒子が円筒形であり、前記耐摩耗性粒子の各々が、前記当り面に平行な長手方向軸を有する、請求項23に記載の冷却素子。
- 前記円筒形耐磨耗性粒子の各々が、前記第2の金属によって浸入される中空内部を有する、請求項43又は44に記載の冷却素子。
- 前記耐磨耗性粒子は、プレート状耐磨耗性粒子を含み、前記プレート状耐磨耗性粒子の表面が、前記当り面の一部を構成する、請求項23に記載の冷却素子。
- 前記プレート状耐磨耗性粒子の表面のそれぞれの間の空間であって、前記当り面を構成するものが、前記第2の金属の前記テンドリルを定義する、請求項46に記載の冷却素子。
- 前記耐磨耗性粒子が発泡性又はメッシュ状粒子から構成される、請求項23に記載の冷却素子。
- 前記本体には、1つ以上の内部冷却剤流路を画定する1つ以上の内部キャビティが設けられている、請求項23〜48のいずれか一項に記載の冷却素子。
- 冶金用炉の冷却素子の製造方法であって、
(a)前記耐磨耗性粒子をその間に空間を有する繰り返されたパターンに配置するステップと、
(b)前記耐磨耗性粒子を、前記冷却素子の前記対面層を画定する型穴の領域に配置するステップと、
(c)前記型穴内に配置された繰り返しパターンを有する前記耐磨耗性粒子に対応して、前記型穴内に溶融金属を導入し、前記耐磨耗性粒子の間の前記空間に侵入させ、その長さ方向に均一な厚さを有する金属テンドリルを形成するステップと、
を含む方法。 - 前記耐磨耗性粒子の繰り返されたパターンが、工程(a)において、予め製造されたアセンブリの形態で提供される、請求項50に記載の方法。
- 前記耐磨耗性粒子の間の前記空間は、前記第2の金属の前記テンドリルの少なくとも一部を確定する、請求項23に記載の冷却素子。
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