JP7225883B2

JP7225883B2 - 高炉用羽口

Info

Publication number: JP7225883B2
Application number: JP2019024183A
Authority: JP
Inventors: 経尊吉田; 泰隆野口; 展久大本
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2019-02-14
Filing date: 2019-02-14
Publication date: 2023-02-21
Anticipated expiration: 2039-02-14
Also published as: JP2020132908A

Description

本発明は、高炉用羽口に関する。

高炉用羽口（以下、単に「羽口」ともいう。）は、高炉の炉内に突き出ており、この突き出た先端部は高温雰囲気に曝されているため、優れた耐熱性が求められる。また、羽口の先端には、炉内の鉱石またはコークスが衝突することがあるので、優れた耐摩耗性も求められる。

羽口本体部の内部には水路が設けられ、その水路に冷却水を流すことによって高炉内に突き出た羽口先端付近の温度が低減される。羽口本体部の材質は、通常、熱伝導性に優れた銅または銅合金である。しかしながら、羽口の内部を水冷するだけでは先端の温度を十分には低減できないこと、および、銅は硬度が低く、耐摩耗性の点では劣ることから、羽口先端には耐熱性および耐摩耗性を高めるための保護層が設けられる。保護層を設けることによって羽口の寿命は延長されるものの、それでもなお、長期間使用すると先端が損傷し、羽口の交換が必要になる。羽口を交換するためには高炉を休風する必要があるため、羽口が損傷するとその交換費用のみならず、溶銑の生産量も低下してしまう。

羽口の保護層には、ニッケル系の材質が用いられることが多い。ニッケル合金は高温における強度、耐食性に優れ、また、マトリックス中に硬質の金属間化合部を析出させたり、炭化物、窒化物などを混合させることによって硬度を増したりできるのがその理由である。例えば、特許文献１には、羽口本体である銅との接合性が高いニッケル合金またはステンレス鋼を素材とする溶射層を、羽口本体の表面に形成することで、耐久性を高めた羽口が開示されている。

また、特許文献２には、羽口本体表面に溶着された、ニッケル系、クロム系またはニッケル－クロム系の金属中間層上に、ニッケルなどの金属マトリックスにセラミックス粒子を散在状態で含む硬化肉盛材を溶着させた保護層が記載されている。特許文献２の発明のように、溶接肉盛層を重ねることで、羽口の耐熱性および耐摩耗性を向上できる。

特開昭５８－１９９８５５号公報特開平１１－２１７６１０号公報

しかし、特許文献２の構成にて耐熱性と耐摩耗性が確保されるが、炉内の温度変動または溶融物からの熱衝撃を受けて、最外層には繰り返し応力が加わるため、疲労特性にも注目する必要がある。実際に、使用後の最外層には亀甲状のき裂が発生し、さらにこれらが進行することによって、き裂が、羽口本体表面の保護層と、その保護層表面の保護層との界面に達し、その後、界面に沿ってき裂が進行することになる。界面のき裂が、保護層の剥離につながり、さらに損傷が促進され、その結果、保護層が脱落し、羽口表面が炉内に曝されることになる。最終的に羽口本体の損傷が進行することになり、最悪の場合、羽口を交換せざるを得なくなる。羽口本体の損傷を回避するためには、保護層の剥離を抑制する必要がある。

そこで、本発明は、上記課題を鑑み、長寿命化を実現できる高炉用羽口を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の高炉用羽口は、銅または銅合金を母材とする羽口本体部と、前記羽口本体部の表面の少なくとも一部を覆う第１保護層と、前記第１保護層の表面の少なくとも一部を覆う第２保護層と、を備え、前記第２保護層に覆われた前記第１保護層の表面の少なくとも一部の領域には凹凸が形成され、前記凹凸の隣接する凹部と凸部とにおいて、前記凸部の頂部を基準とする前記凹部の深さは、前記凸部の前記頂部から前記羽口本体部の表面までの高さに対して、１０％以上５０％未満であり、前記第１保護層の表面に形成された凹凸において、隣接する凸部の間に位置する凹部の深さを、前記隣接する凸部の間の距離で除した値が、０．１以上２．０未満である。

この構成によると、第１保護層と第２保護層との界面に沿ったき裂の進行を抑制できる。このため、保護層の脱落につながる剥離を防止し、保護性能を維持できることで、高炉用羽口の長寿命化を実現できる。

図１は、実施形態に係る高炉用羽口の一例を示した断面図である。図２は、羽口本体部と、第１保護層と、第２保護層との積層断面を示す図である。図３は、ｈｉ／Ｈｉと、き裂の有無との関係を調査した実験結果を示す図である。図４は、ｈｉ／Ｗｉと、き裂の有無との関係を調査した実験結果を示す図である。

図１は、本実施形態に係る高炉用羽口１０の一例を示した断面図である。図１に示す丸印は、第１保護層３と第２保護層４との界面の一部を拡大した図である。

＜１．１．羽口本体部について＞
高炉用羽口１０は羽口本体部１を備える。羽口本体部１は略円筒状である。羽口本体部１は、熱伝導性に優れた銅または銅合金からなる。羽口本体部１は、その先端部１ｂが高炉の内壁から内側に向かって突出した状態で高炉内に配置される。高炉の操業時には、羽口本体部１を介して高炉内へ高温（例えば１２００℃程度）の熱風が供給される。

羽口本体部１の内部には、周方向に沿った水路２が設けられている。水路２に冷却水を流すことによって、羽口本体部１の先端部１ｂ付近の温度を低減している。

＜１．２．第１保護層について＞
高炉用羽口１０は、羽口本体部１の外表面１ａを覆う第１保護層３を備える。第１保護層３は、外表面１ａの一部を覆っていてもよいし、全部を覆っていてもよい。第１保護層３は、少なくとも、高炉の内壁から内側に向かって突出した羽口本体部１の先端部１ｂを覆っていればよい。

第１保護層３は、外表面１ａに肉盛溶接により設けられる。第１保護層３の材質は、羽口本体部１との密着性に優れるとともに、熱伝導率が高い材料を選択することができる。第１保護層３の材質には、羽口本体部１との密着性の観点からは、羽口本体部１に用いられる銅または銅合金の熱膨張率に近い材料、具体的には、熱膨張率（線膨張率）が１３～１６×１０^-６／℃の範囲である材料を選択することができる。また、熱伝導率が高い材料とは、例えば、熱伝導率が１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の範囲にある材料である。第１保護層３の材質としては、例えば、純ニッケルまたはニッケル合金（例えばニッケルクロム合金）からなるものを選択できる。

より具体的には、質量％で、Ｃｒ：０～４０．０％、Ｍｎ：０～４．０％、Ｔｉ：０～３．０％、Ａｌ：０～３．０％、Ｎｂ：０～３．０％、Ｆｅ：０～９．０％を含み、残部がＮｉおよび不純物からなる材料である。不純物とは、ニッケルまたはニッケル合金を工業的に製造する際に、鉱石、スクラップ等の原料その他の要因により混入し、本発明の効果を阻害しない範囲で許容される成分を意味する。

Ｃｒ（クロム）は、耐食性を向上させるので、第１保護層３の材料中に含まれていてもよい。その含有量が過剰な場合には、溶接時に割れが発生するので、その上限は４０．０％とする。上記の効果を発揮させるためには、その含有量を５．０％以上とするのが好ましく、１０．０％以上とするのがより好ましい。さらに好ましいのは、１４．０％以上である。また、上限は、３５．０％とするのが好ましく、３０．０％とするのがより好ましく、２５．０％とするのがさらに好ましい。

Ｍｎ（マンガン）は、溶接時の湯流れ性を高め溶接欠陥の発生を抑制するので、第１保護層３の材料中に含まれていてもよい。その含有量が過剰な場合には、延性およびじん性が低下して割れ易くなるので、その上限は４．０％とする。上記の効果を発揮させるためには、その含有量を０．５％以上とするのが好ましく、１．０％以上とするのがより好ましく、１．５％以上とするのがさらに好ましい。また、上限は、３．５％とするのが好ましく、３．０％とするのがより好ましく、２．５％とするのがさらに好ましい。

Ｔｉ（チタン）は、ニッケルと金属間化合物を形成して保護層の硬さを高め、耐摩耗性を向上させるので、第１保護層３の材料中に含まれていてもよい。その含有量が過剰な場合には、延性およびじん性が低下して割れ易くなるので、その上限は３．０％とする。上記の効果を発揮させるためには、その含有量を０．５％以上とするのが好ましく、１．０％以上とするのがより好ましく、１．５％以上とするのがさらに好ましい。また、上限は、２．５％とするのが好ましく、２．０％とするのがより好ましく、１．５％とするのがさらに好ましい。

Ａｌ（アルミニウム）は、ニッケルと金属間化合物を形成して第１保護層３の硬さを高め、耐摩耗性を向上させるので、第１保護層３の材料中に含まれていてもよい。その含有量が過剰な場合には、延性およびじん性が低下して割れ易くなるので、その上限は３．０％とする。上記の効果を発揮させるためには、その含有量を０．５％以上とするのが好ましく、１．０％以上とするのがより好ましく、１．５％以上とするのがさらに好ましい。また、上限は、２．５％とするのが好ましく、２．０％とするのがより好ましく、１．５％とするのがさらに好ましい。

Ｎｂ（ニオブ）は、ニッケルと金属間化合物を形成して保護層の硬さを高め、耐摩耗性を向上させるので、第１保護層３の材料中に含まれていてもよい。その含有量が過剰な場合には、延性およびじん性が低下して割れ易くなるので、その上限は３．０％とする。上記の効果を発揮させるためには、その含有量を０．５％以上とするのが好ましく、１．０％以上とするのがより好ましく、１．５％以上とするのがさらに好ましい。また、上限は、２．５％とするのが好ましく、２．０％とするのがより好ましく、１．５％とするのがさらに好ましい。

Ｆｅ（鉄）は、ニッケル合金中に固溶することで第１保護層３の強度を向上させ、耐摩耗性を向上させるので、第１保護層３の材料中に含まれていてもよい。また、Ｎｂと複合添加した場合には、Ｎｂと金属間化合物を形成して第１保護層３の硬さを高め、耐摩耗性を向上させる。その含有量が過剰な場合には、延性およびじん性が低下して割れ易くなるという問題があるので、その上限は９．０％とする。上記の効果を発揮させるためには、その含有量を０．５％以上とするのが好ましく、１．０％以上とするのがより好ましく、１．５％以上とするのがさらに好ましい。また、上限は、８．５％とするのが好ましく、８．０％とするのがより好ましく、７．５％とするのがさらに好ましい。

第１保護層３の厚さ（平均厚さ）は、１．５～６．０ｍｍとするのが好ましい。１．５ｍｍ未満では、耐摩耗性などの保護層としての機能を維持することが困難となる場合があり、６．０ｍｍを超えると、羽口本体部１の先端部１ｂを十分に冷却することが困難となる場合があるからである。

肉盛溶接方法は、公知の方法を採用することができ、例えば、被覆アーク溶接法、ＭＡＧ溶接法、炭酸ガスアーク溶接法、ＭＩＧ溶接法、ＴＩＧ溶接法、サブマージアーク溶接法などが挙げられる。中でも、三次元的に曲面形状である羽口先端へのニッケルまたはニッケル合金の溶接作業性を高めるためには、ＴＩＧ溶接法を採用するのが好ましい。

第１保護層３が形成される際、第１保護層３の表面、少なくとも、後述の第２保護層４が形成される第１保護層３の表面の少なくとも一部に、凹凸が形成されるように、肉盛溶接される。凹凸は、略円筒状である羽口本体部１の中心軸Ｐに沿った断面の表面に沿う方向に形成されている。凹凸の深さについては、後に詳述する。なお、凹凸は、中心軸Ｐの周方向に沿って形成されてもよい。

＜１．３．第２保護層について＞
高炉用羽口１０は、第１保護層３の表面に設けられた第２保護層４を備える。第２保護層４は、第１保護層３の表面の少なくとも一部に肉盛溶接により設けられた肉盛溶接層である。上記のように、第１保護層３の表面には凹凸が形成されている。このため、第１保護層３と、第２保護層４との界面は、少なくとも一部が凹凸状となる。

第２保護層４の材質は、高炉の操業時に、炉内の鉱石またはコークスとの衝突に耐えうる耐摩耗性（具体的には、ビッカース硬さで１８０Ｈｖ以上）に優れるとともに、熱伝導率が高い材料（具体的には１０Ｗ／ｍＫ以上）を選択することができる。例えば、第２保護層４の材質には、硬質の炭化物、窒化物、酸化物、ほう化物から選択される一種以上を含有させたニッケル合金を用いることができる。炭化物としては、ＴｉＣ、ＷＣ、ＮｂＣ、ＶＣなどが例示されるが、中でもＴｉＣが好ましい。これは、ＴｉＣが、硬さが大きく、耐摩耗性の向上に極めて有効な材料だからである。

第２保護層４の材料中の炭化物は、均一に分散している状態が好ましい。炭化物の粒径が大きすぎると、均一に分散させることが困難となるので、炭化物の粒径の最大値は、２００μｍ以下とするのが好ましい。また、炭化物の平均粒径は４０～１００μｍの範囲するのが好ましい。また、炭化物の体積率が高すぎても均一に分散させることが困難となるので、第２保護層４の材料中の炭化物の体積率の最大値は３０％以下とするのが好ましく、５～２５％とするのがさらに好ましい。

第２保護層４は、第１保護層３の表面の少なくとも一部、詳しくは、炉内の鉱石またはコークスが衝突しやすい個所に設けられていればよい。特に、高炉内に配置された高炉用羽口１０において、上側半分を構成する部分の表面に第２保護層４が設けられていることが好ましい。このとき、第２保護層４が設けられていない部分の第１保護層３の厚さと、第２保護層４が設けられている部分の第１保護層３および第２保護層４の合計厚さとが実質的に同一であることが好ましい。なお、高炉の操業時に、炉内の鉱石またはコークスが衝突しにくい箇所である高炉用羽口１０の下部にも第２保護層４を設けてもよい。

第２保護層４の厚さ（平均厚さ）は、３．０～６．０ｍｍとするのが好ましい。３．０ｍｍ未満では、十分な耐摩耗性を維持することが困難となる場合があり、６．０ｍｍを超えると、羽口本体部１の先端部１ｂを十分に冷却することが困難となる場合があるからである。

第２保護層４が設けられている箇所について、第１保護層３の厚さＴａと第２保護層４の厚さＴｂとの和（Ｔａ＋Ｔｂ）は、４．５～９．０ｍｍとするのが好ましい。４．５ｍｍ未満では、十分な耐摩耗性を確保できないという問題が生じるおそれがあり、９．０ｍｍを超えると、羽口本体部１の先端部１ｂを十分に冷却できないという問題が生じるおそれがあるからである。

＜２．第１保護層３の凹凸について＞
第２保護層４が形成される第１保護層３の表面には、所定条件の凹凸が形成されるように、肉盛溶接により第１保護層３が形成される。以下に、形成する凹凸の条件について説明する。

図２は、羽口本体部１と、第１保護層３と、第２保護層４との積層断面を示す図である。

本実施形態では、第１保護層３の表面の凹凸は、中心軸Ｐに沿った断面の表面に沿う方向に形成されている。以下では、図２で示す凹凸が前記断面の表面上で、羽口送風口側から高炉内壁側に向かう方向に沿って形成されているものとして説明する。この凹凸のうち、いずれか一つの凸部を１番目の凸部と規定する。その凸部と、高炉内壁側に向かう方向に隣接する凸部を２番目の凸部とし、以下順に、３番目、４番目、・・・、ｉ番目の凸部とする。また、１番目の凸部に隣接する凹部を１番目の凹部とし、以下順に、２番目、３番目、４番目、・・・、ｉ番目の凹部とする。

ｉ番目の凸部の高さをＨｉ（ｉ＝１、２、３・・・）で表す。凸部の高さとは、凸部の頂部から、羽口本体部１の表面までの高さである。また、ｉ番目の凹部の深さをｈｉ（ｉ＝１、２、３・・・）で表す。凹部の深さとは、ｉ番目の凸部の頂部を基準とし、その頂部からｉ番目の凹部の底部までの距離である。この場合、凹部の深さｈｉは、凸部の高さＨｉに対して１０％以上５０％未満である。

つまり、第１保護層３は、形成後に０．１≦ｈｉ／Ｈｉ＜０．５の関係が満たされるよう、隣り合う肉盛の重ねを調整して形成される。なお、第１保護層３の表面を機械加工（例えば、旋盤、フライス盤、マシニングセンタなど）で削り、上記条件を満たす凹凸を形成するようにしてもよい。機械加工で凹凸を形成する場合、第１保護層３は拡散接合により形成してもよい。

０．１≦ｈｉ／Ｈｉ＜０．５の関係を満たす凹凸を、第１保護層３と第２保護層４との界面に形成することで、第２保護層４に生じたき裂が、界面に沿って進行することを抑制することができる。本発明者らは、この理由として、界面に沿ってき裂が進行する場合、凹部から凸部へ向かう際に凸部が抵抗となり、き裂の進行が抑えられる、と考えた。そして、これを確認するために、本発明者らは、ｈｉ／Ｈｉと、き裂の有無との関係を調査する実験を行った。

この実験では、ニッケルクロム合金を材質とする狙い厚さ３ｍｍの第１保護層３と、チタンカーバイドを含有させたニッケル合金を材質とする狙い厚さ３ｍｍの第２保護層４とを有する試験片を用いて、熱サイクル試験を行った。そして、試験後の試験片の切断面から、凹凸に対するき裂の有無を調査した。その結果を、図３に示す。図３は、ｈｉ／Ｈｉと、き裂の有無との関係を調査した実験結果を示す図である。図３に示すように、ｈｉ／Ｈｉが０．１未満では、き裂が視られるが、ｈｉ／Ｈｉが０．１以上では、き裂は視られない。このように、ｈｉ／Ｈｉは０．１以上となるように凹凸を付けることが望ましいことが分かる。また、ｈｉ／Ｈｉが大きすぎると、ひずみの集中を過度に招き、界面方向でなく、積層方向にき裂が発生しやすくなるおそれがあるため、ｈｉ／Ｈｉは０．５未満とする。以上から、０．１≦ｈｉ／Ｈｉ＜０．５の関係を満たす凹凸を形成することで、第１保護層３と、第２保護層４との界面に沿ったき裂の進行を抑えられることが分かる。これにより、第１保護層３と、第２保護層４との剥離を抑制できる。

なお、凹凸形成方法を考慮すると、ｈｉ／Ｈｉは０．２以上が好ましい。また、第１保護層３と、第２保護層４との剥離を抑制するために形成する凹凸は、０．１≦ｈｉ／Ｈｉ＜０．５を満たすと説明したが、ｉ番目の凸部の高さと、（ｉ－１）番目の凹部の深さとが、０．１≦ｈ（ｉ－１）／Ｈｉ＜０．５の関係も満たすことが、より好ましい。

さらに、凸部と隣り合う凸部の距離について、図２に示すように、ｉ番目の凸部の頂部とｉ＋１番目の凸部の頂部間の距離を凸部間距離と定義し、Ｗｉ（ｉ＝１、２、３・・・）で表す。凸部間距離と凹部深さの関係を凸部高さと凹部深さの関係と同様の調査を行った結果を図４に示す。図４は、ｈｉ／Ｗｉと、き裂の有無との関係を調査した実験結果を示す図である。凸部間距離Ｗｉと凹部深さｈｉの関係は０．１≦ｈｉ／Ｗｉ＜２．０であることが望まれる。これは、図４に示すように、ｈｉ／Ｗｉが０．１未満であると、界面が平坦に近づくため、凸部での抵抗が小さくなり、界面に沿ったき裂の進行を抑制することができなくなるからである。また、ｈｉ／Ｗｉが２．０以上であると凹凸の形成の工数が増大するのに加え、凹部底に過度な応力集中が発生し、厚さ方向のき裂が発生しやすくなるためである。

なお、上記第１保護層３の表面の凹凸は第２保護層４に覆われた部分の一部であっても良い。特に熱負荷が高くなる個所に適宜設ければ良いが、第２保護層４に覆われた部分の５０％以上が好ましい。

本発明によれば、界面での剥離発生の可能性を低減して、長寿命化を実現できる高炉用羽口が得られる。

１羽口本体部
１ａ外表面
１ｂ先端部
２水路
３第１保護層
４第２保護層
１０高炉用羽口

Claims

銅または銅合金を母材とする羽口本体部と、
前記羽口本体部の表面の少なくとも一部を覆う第１保護層と、
前記第１保護層の表面の少なくとも一部を覆う第２保護層と、
を備え、
前記第２保護層に覆われた前記第１保護層の表面の少なくとも一部の領域には凹凸が形成され、
前記凹凸の隣接する凹部と凸部とにおいて、前記凸部の頂部を基準とする前記凹部の深さは、前記凸部の前記頂部から前記羽口本体部の表面までの高さに対して、１０％以上５０％未満であり、
前記第１保護層の表面に形成された凹凸において、隣接する凸部の間に位置する凹部の深さを、前記隣接する凸部の間の距離で除した値が、０．１以上２．０未満である、
高炉用羽口。
前記第１保護層は、純ニッケルまたはニッケル合金を肉盛り溶接して形成されている、
請求項１に記載の高炉用羽口。
前記第２保護層は、硬質の炭化物、窒化物、酸化物、ほう化物から選択される一種以上を含有させたニッケル合金を、肉盛り溶接して形成されている、
請求項１または請求項２に記載の高炉用羽口。
前記凹凸は、前記第２保護層に覆われた前記第１保護層の表面の５０％以上に形成されている、
請求項１から請求項３のいずれか一つに記載の高炉用羽口。