JPH03137068A - 複合管及び粉粒体吹込みノズル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、耐摩耗性、耐熱性に加えて耐衝撃性等の高性
能を要求される粉粒体輸送管等に適用可能な金属管とセ
ラミックスとからなる複合管に関し、また、前記複合管
構造を利用して冶金炉などへの効果的な粉粒体吹込みを
可能ならしめる粉粒体吹込みノズルに関するものである
。

〔従来の技術〕

粉コークス、粉鉱石あるいは金属粉末等が各種の産業分
野に使用されている。これらの粉粒体の輸送には鋼管や
ステンレス管などが多用されるが、粉粒体と接触する管
の内面が激しく摩耗する。このため摩耗部分の補修や配
管等の取替頻度が高く、それらに費やす労力１時間およ
び費用は真人である。

近年、これらの問題を解決するため、耐摩耗性、耐熱性
に優れたセラミックスが積極的に活用されるようになっ
てきている。ところで、セラミックスは前述したように
耐摩耗性、耐熱性には極めて優れるが、衝撃力に弱く、
かつ加工性に乏しい欠点を有している。而してセラミッ
クスを単体の管として使用することは少なく、多くの場
合、鋼管やステンレス管等の金属管と組み合わせた複合
管として使用されることが一般的である。

第９図は従来−船釣に使用されている複合管の一例を示
すもので、第９図（ａｌは前述した金属管１１の内面に
セラミックスの小片１２を有機あるいは無機接着剤で貼
付けて構成された複合管１３である。第９図（ｂ）は前
記金属管１１の内側にセラミックス管１２ａを挿入固着
して構成された複合管Ｌ３ａであり、金属管１１とセラ
ミ７クス管１２ａの固着には接着剤による接着手段や金
属管の焼嵌め手段等が多く採用されている。また近年前
記金属管１１とセラミックス管１２ａの固着手段として
、形状記憶合金の形状回復力を利用する試みも一部でな
されている６例えば特開昭６３−４３０８９号公報では
、前記金属管１１として２方同性の形状記憶合金を用い
、複合管の使用温度域においては金属管１１の内径が小
さくなってセラミックス管１２ａに密着し、非使用温度
域では逆に金属管１１の径が大きくなって密着状態が解
かれるよう構成することにより、セラミックス管１２ａ
の損耗状態の点検や交換を容易にする技術手段が開示さ
れている。

〔発明が解決しようとする課題〕

前記第９図（ａ）に示すセラミックス小片１２を金属管
１１の内面に貼付ける手段は、金属管１１の内径が小さ
くなると貼付作業が容易に行えず、特に小径で長尺のも
のについては実質的に貼付が不可能であった。また、接
着剤の耐熱温度は一般に低く、このため複合管１３．１
３ａの使用温度が高くなると接着力が低下して、セラミ
ックス小片１２やセラミックス管１２ａ等が脱落するな
どの問題もあった。

一方、第９図山）に示す金属管１１の内側にセラミック
ス管１２ａを挿入固着する手段において、焼嵌め、及び
形状記憶合金製金属管による固着手段では、金属管１１
のセラミックス管１２ａを締めつける力が過大になると
セラミックス管１２ａが破壊する問題がある。このため
金属管内径とセラミックス管外径を高精度に加工する必
要がある。

このセラミックスの高精度機械加工は高価であり、省略
したい工程である。

また、二方向性の形状記憶合金は内径が小さくなる形状
回復では、長さ方向の伸びを伴うためセラミックス管１
２ａの長さ方向に張力が負荷される。この張力によりセ
ラミックスの破壊がより生じ易くなるので、複合管１３
ａが長尺になるほど製造が難しくなる。係る問題は、短
尺のセラミックス管を多数使用して解決することが考え
られるが、それぞれのセラミックス管の外径が異なれば
、締めつけ力が外径の大きなセラミックス管に集中する
ことになり、かえって破壊に対して不利になる。従って
、従来の二方向性の形状記憶合金を用いる手段ではセラ
ミックス管の外径の高精度加工が一層重要となる。

本発明は、前述した従来手段における問題点の抜本的な
解決を図り、セラミックスの有する耐摩耗性および耐熱
性を効果的に発揮し、しかも充分な耐衝撃性等の機械的
強度を有する金属とセラミックスの複合管、並びに前記
複合管の特性をさらに有効に利用した粉粒体吹込みノズ
ルの提供をその課題とするものである。

［！ＩＨを解決かるための手段〕 前記課題を解決する本発明は、金属管の内側にセラミッ
クス管を挿入固着してなる金属とセラミックスの複合管
において、前記金属管を一方向性形状記憶合金で構成す
るとともに、前記金属管の内側に、軟質材からなる緩衝
層を介装してセラミックス管を挿入し、前記金属管の形
状回復力でセラミックス管を固着したことを特徴とする
ものである。また前記緩衝層が、銅、鉛、プラスチック
等の軟質材で、しかも筒状に構成されていることを他の
特徴とするものである。また、前記筒状に構成された緩
衝層に任意数のスリットが穿設されていることを他の特
徴とするものである。

さらにまた、前述した一方向性形状記憶合金製金属管の
内側に軟質材からなる緩衝層を介装してセラミックス管
を挿入し、前記金属管の形状回復力でセラミックス管が
固着された複合管を、内管と外管からなる二重管、もし
くは内管、中管および外管からなる三重管構造の粉粒体
吹込みノズルの前記内管に適用したことを特徴とするも
のである。

〔作用〕

第１図は本発明に基づく複合管の一実施例を示したもの
である。この第１図において、１が複合管であり、一方
向性形状記憶合金からなる金属管２と、この金属管２の
内側に挿入固着されたセラミックス管３、及び金属管２
とセラミックス管３の間に介装された緩衝層４とから構
成されている。

緩衝Ｎ４としては銅や鉛あるいはプラスチック、超塑性
材料等の軟質の材料を用いることができ、帯状、紐状あ
るいは糸状をした前記軟質材を、予めセラミックス管３
の外周に所定厚みになるよう巻きつけて緩衝Ｎ４を形成
すること、あるいは前記軟質材を予め筒状に形成し、こ
の筒状体をセラミックス管３の外周に挿入して緩衝Ｎ４
を形成することでもよい。

一方向性形状記憶合金からなる金属管２は、加熱するこ
とによりその径が縮小するような形状記憶処理が施され
ている。而してこの金属管２の内側に、前述した緩衝層
４を介装してセラミックス管３を挿入した後、複合管１
を全体的に、もしくは金属管２のみを加熱すれば金属管
２が縮径し、その形状回復力で緩衝層４を介してセラミ
ックス管３を締め付け、固着する。緩衝層４は前述した
金属管２の径縮小に容易に追従して変形し、セラミック
ス管３に過剰な形状回復力が作用することを防止する緩
衝機能を発揮する。このため、例えば金属管２の内面あ
るいはセラミックス管３の外面の横断面が真円でなかっ
たり、金属管２の内径あるいはセラミックス管３の外径
が長さ方向において変化しているときなどに、セラミッ
クス管３に応力集中が生じることを緩和することができ
、複合管としての製作性を著しく向上させ、しかも製品
としての信穎性を飛躍的に高めることができた。

緩衝層４の形態は前述したように特に限定するものでは
ないが、予め筒状に形成された緩衝層は、長さ方向にお
いて高精度の製造が可能であり、前述した緩衝機能と固
着機能を同時に、しかも効率的に発揮させることができ
、効果的な手段である。

また、前記筒状に構成された緩衝層４に、例えば第２図
に示すようなスリット５を穿設すると後述する如き種々
の優れた効果があり、前述した緩衝層４の機能をさらに
高めることが可能となる。

スリット５としては、第２図（ａｌに示すように緩衝層
４の内面から外面まで貫通したスリット５ａとすること
、第２図（′ｂ）に示すように緩衝層４の内面側から穿
設した凹溝状のスリット５ｂとすること、あるいは第２
図（Ｃ）に示すように緩衝Ｎ４の外面から穿設した凹溝
状のスリット５ｃとすることのいずれでもよい。

次に前記スリット５　（前記スリット５３〜５ｃを総称
して、スリット５と言う）の作用について説明する。前
記第１図の金属管２の形状回復による内径の縮小に対し
てスリット５を穿設していない緩衝層の場合、円周方向
の圧縮変形のみで追従しようとする。このため厚みの厚
い緩衝層や、比較的硬い材質で形成された緩衝層では、
金属管２の形状回復力が緩衝層４の変形に消費されてセ
ラミックス管３の固着力不足を来す恐れがある。これに
対し第２図（ａｌに示すような緩衝Ｎ４に、その内面か
ら外面まで貫通したスリ７）５ａを穿設すると、金属管
２の形状回復に対して緩衝Ｎ４は円周方向の圧縮変形よ
りも小さな力で進行する縮径方向の曲げ変形が先行する
ため、金属管２の形状回復力を効率よ（セラミックス管
３に伝達できる。

また、第２図（ト））や第２図（Ｃ）に示すような緩衝
Ｎ４内面側あるいは外面側から穿設した凹溝状のスリッ
ト５ｂ、５ｃの場合は、スリットを穿設しない場合と同
様に金属管２の形状回復に対して円周方向の圧縮変形で
追随する。しかしながらこの圧縮変形を薄肉の連結部５
ｂ＋、５ｃｔに小さな力で集中させることができること
からこの場合も金属管２の形状回復力を効率よくセラミ
ックス管３に伝達できる。以上のように筒状に構成され
た緩衝層４にスリット５を穿設すると、金属管形状回復
力の緩衝層による費消を小さくでき、セラミックス管３
を強固に固着することが可能となる。さらに緩衝層の厚
みが厚い場合、緩衝層の材質が比較的硬い場合、緩衝層
の径が大きい場合等には複数条のスリットを穿設すると
セラミックス管の固着を一層強固にでき、かつ固着力を
均等にすることができる。尚、複数条のスリットを穿設
するには第２図（ｂ）や第２図（Ｃ）に示す如き凹溝が
適するが、緩衝１１４の内面から外面まで貫通したスリ
ット５ａでも例えば第２図（ｄ）に示すように緩衝層４
の長さ方向に若干の連結部５ａ＋を残し、これを千鳥配
列することなどの手段で可能となる。

さて次に、緩衝層の径方向の寸法について説明する。

第３図はスリットの穿設されていない筒状緩衝層を介装
させる場合、及び前記第２図（ｂｌ、　（Ｃ１に示すス
リット５ｂ、５ｃを穿設した緩衝層を介装させる場合の
緩衝層の寸法の基本的な考え方を示したもので、金属管
２の形状回復前の内径をｄｍ、セラミックス管３の外径
をＤＣとすると、緩衝層４の外径Ｄｐと内径ｃｔｐを次
式を満足するように加工する。

Ｄｃ＜ｄｐ≦Ｄ　ｃ　Ｘ　（１＋　０．０１　）　・・
・・・・・・（１）ｄｍ　Ｘ　（１−ｓ　ｒ＋０．０１
５）≦Ｄｐ≦ｄ＋ｍ　　　−”・・・・・（２）ここで
８ｒは形状記憶合金の回復ひずみであり、外力がない場
合の回復後の内径はｄｍｘ（１−εｒ）となる、形状記
憶合金の形状回復力による固着力を充分に引き出すには
、前記（１）弐における緩衝層の内径ａｐをできるだけ
セラミックス管３の外径Ｄｃに近い値とし、かつ（２）
式における緩衝層の外径Ｄｐをできるだけ金属管２の内
径ｄｍに近い値とするのが望ましい。

一方、前記第２図（ａ）に示す内面から外面に貫通した
スリット５ａを穿設した筒状体を用いる場合は下記（３
）及び（４）式を満足するように緩衝層４の外径Ｄｐと
内径ｄｐを設定すればよい。

ｄｐ＃Ｄｃ　　　　　　　　　　　　・・・・・・・・
・（３）Ｄｐ−ｄｐ＞ｄｍＸ　　（１−ｓ　ｒ）−Ｄｃ
・・・（４）前述したごとく、スリット加工を施した緩
衝層の管の場合は、スリット加工を施さない場合に比べ
て金属管の縮径の変化に容易に追随するので、比較的硬
い緩衝層や厚みの大きな緩衝層の管を使用するときは、
係るスリット加工を施すと強固に一体化される。

テープ状や紐条あるいは糸条のものをセラミックス管の
外面に巻きつけて形成された緩衝層の場合、その厚みｔ
を下記（５）式で示す条件にすると強固に一体化が可能
である。

ｔ　＞　（ｄｍｘ　（１−ａ　ｒ）−Ｄｃ）／２−（５
）以上のような構成でなる本発明の複合管の提供により
以下に述べるような利点を得ることができる。即ち緩衝
層を介装することによりセラミックス管を固定する一方
向性形状記憶合金からなる金属管の固着力を緩衝層の変
形により均等化できること、また形状記憶合金管の形状
回復時の長さ変化により発生するセラミックス管の長さ
方向の張力が軽減されるので、従来の焼嵌めや２方向性
形状記憶合金を使用した複合管で問題となるセラミック
スの破壊の問題を激減させることができる。

また先に、従来法では金属管の内径、およびセラミック
ス管の外径の精密加工の重要さを述べたが、セラミック
スの機械加工は難しく高価であり、それだけ複合管の製
造費も高くなる。しかし、本発明では加工が容易な緩衝
層を前記寸法範囲になるよう加工すればよく、従って、
セラミックス管は焼き放し、あるいは粗加工で充分であ
り、複合管の製造費用を安価にできる。

また短尺のセラミックス管を多数挿入して長尺の複合管
を製造する場合においても、個々のセラミックス管の外
径を同一に精密加工しなくても、それぞれのセラミック
ス管の外径に応じて緩衝層の内径および外径を決めれば
よく、やはり製造費用を安価にできる。

さらに、長尺のセラミックス管をを使用する場合、焼き
放し状態ではセラミックス管の寸法は長さ方向で変動す
るが、この場合は緩衝層を長さ方向で適当な数に分割し
、セラミックス管の長さ方同位置でその外径に応じて緩
衝層の寸法を決めればよい。もし、長さ方向の径が管端
側で大きくて、中央側に装着すべき緩衝層にセラミック
ス管が通せない場合は緩衝層にスリット加工を施せばよ
く、製造上とくに問題とはならない。

第４図は本発明に基づく他の例を示すもので、同一寸法
の金属管２に対して大きさの異なるセラミックス管３ａ
、３ｂ、３ｃを挿入固着した複合管１ａである。このよ
うな複合管１ａにおいても緩衝層４ａ、４ｂ、４ｃの厚
みを変化させることにより容易に対応が可能である。尚
、緩衝ＪＥＪ　４　Ｃのようにその厚みが厚く、金属管
２の形状回復力がセラミックス管３Ｃに伝達され難い部
分については、第５図に示すように緩衝層４Ｃに複数条
の前述したスリン）５ｃを穿設すればよい。

第６図は前述した構成の複合管を粉粒体吹込みノズル（
以下単にノズルと言う）に適用した一例を示す断面構造
図であり、第７図は前記第６図のＡ−Ａ断面図である。

本例は、精錬容器内へ炭素質粉末及び精錬ガスを吹込む
ためのノズル１００に関するもので、前記炭素質粉末を
キャリヤーガスと共に流通せしめる内管１０１と、精錬
ガスとしての酸素等の酸化性ガスが流通する流路１０２
ａを形成するための中管１０２、冷却用の非酸化性ガス
の流路１０３ａを形成するための外管１０３とから構成
されている。而して前記内管１０１には、一方向性形状
記憶合金からなる金属管２と、この金属管２の内側に軟
質材からなる緩衝層４を介装して挿入固着されたセラミ
ックス管３とから構成された複合管１を用いている。金
属管２の外側には間隔保持材１０２ｂを介して中管１０
２が装着され、この金属管２と中管１０２とで流路１０
２ａを形成している。中管１０２の外周には適宜間隔で
、凹清か設けられ、前記外管１０３との間で流路１０３
ａを形成している。

以上のように構成されたノズル１００では、高熱条件で
、激しい摩耗作用の生じる内管１０１に、複合管１が用
いられていることから耐用性を飛躍的に向上させること
ができる。

また、図示しないが同様の目的で使用される二重管構造
のノズルにおいても、その内管に前述した複合管１を用
いることにより、耐用性に優れ、しかも製造コストの低
度なノズルを得ることができる。

〔実施例〕

前記第１図に示す構造の複合管を、従来手段°と本発明
に基づいて製造し、その性能を比較した。

第１表はその製造条件と性能比較を示すもので、金属管
としてはいずれも鉄系の一方向性形状記憶合金を用いた
。第８図（ａ）は、従来手段におけるセラミックス管の
外径（Ａ）、及び金属管の内径（Ｂ）の長さ方向の寸法
変動状況を示すもので、セラミックス管外径が、金属管
の内径の５０ｍｍを超える範囲（Ｘｌ、　（ｙｌについ
ては切削加工を行った。第８図（ｂｌは、本発明に基づ
くセラミックス管の外径（Ｃ）、緩衝層の内径（Ｅ）、
外径（Ｆ）、及び金属管の内径（Ｄ）の長さ方向の寸法
変動状況を示すものであり、セラミックス管外径の旋削
等による高精度加工は一切行わなかった。

第１表から明らかなように、従来手段による複金管では
、特に旋削加工を行った径の大きい部分に亀裂が多発し
た。これに対し本発明の複合管では、亀裂や割れ発生等
のトラブルの発生は皆無であった。

〔発明の効果〕

本発明の金属とセラミックスの複合管の提供により、焼
嵌めや形状記憶合金の形状回復を利用して金属管でセラ
ミックス管を直接締めつけて一体化する従来の問題であ
ったセラミックス管の割れや、セラミックス管の外径の
高価な精密加工が省略できる。また接着剤を用いて金属
管とセラミックス管を一体化する場合での問題であった
高温での接合力の低下も大幅に改善される。さらに、複
合管の内径を径違いのセラミックス管を組み合わせて製
造することも極めて容易であり、適用範囲を著しく広げ
ることができた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に基づく複合管の一実施例を示す部分断
面斜視図、第２図は筒状に構成された緩衝Ｊｉ４に穿設
されたスリ７）の実施例を示す図、第２図ｉａ）は内面
から外面まで貫通したスリットの図、第２図（ｂ）は内
面側から穿設された凹溝状スリ７）の図、第２図（Ｃ１
は外面側から穿設された凹溝状のスリットの図、第２図
（ｄ）は複数条の貫通スリットの図、第３図は緩衝層の
径方向の寸法を説明するための構造図、第４図は本発明
に基づく他の例を示す複合管の断面図、第５図は前記第
４図の側面図、第６図は本発明に基づく粉粒体吹込みノ
ズルの一実施例を示す断面構造図、第７図は前記第６図
のＡ−Ａ断面図、第８図は具体的実施例における金属管
、セラミックス管等の長さ方向における寸法の変動状況
を示す線図、第９図は従来−船釣に使用されている複合
管の一例を示す部分断面斜視図である。 １、ｌａ：複合管、２：金属管、３，３ａ〜３Ｃ：セラ
ミックス管、４．４ａ〜４Ｃ：緩衝層、５．５ａ〜５Ｃ
ニスリツト、１１−・・金属管、１２：セラミックス小
片、１２ａ：セラミックス管、１３．１３ａ：複合管、
１００：粉粒体吹込みノズル、１０１：内管、１０２：
中管、１０３：外管。 第 ２ 図 （Ｃ１） （ｂ） （υ （ｄ） 第６！！＄！！ 第 図 第 図 第５図 第８図 （Ｑ） （ｂ） 長さ方向位置 （ｍ） 富士町１番地 新日本製鐵株式会社広 手続補正書 平成２年６月１３日

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）金属管の内側にセラミックス管を挿入固着してな
   る金属とセラミックスの複合管であって、前記金属管が
   一方向性形状記憶合金からなり、かつ前記金属管の内側
   に、軟質材からなる緩衝層を介装してセラミックス管を
   挿入し、前記金属管の形状回復力でセラミックス管が固
   着されていることを特徴とする金属とセラミックスの複
   合管。
2. （２）緩衝層が、銅、鉛、プラスチック等の軟質材で、
   筒状に構成されている請求項（１）に記載の複合管。
3. （３）筒状に構成された緩衝層に任意数のスリットが穿
   設されている請求項（２）に記載の複合管。
4. （４）内管と外管からなる二重管、もしくは内管、中管
   および外管からなる三重管構造の粉粒体吹込みノズルで
   あって、前記内管が、一方向性形状記憶合金製金属管の
   内側に軟質材からなる緩衝層を介装してセラミックス管
   を挿入し、前記金属管の形状回復力でセラミックス管が
   固着された複合管であることを特徴とする粉粒体吹込み
   ノズル。