JPH0514150U - 加熱炉用スキツドボタン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 スキッドボタンの高温強度、耐酸化性を高め
てボタン頂部に対する強制冷却を緩和することにより、
被加熱鋼材の加熱ムラ（スキッドマーク）の軽減、およ
び炉の熱経済性の改善を図る。 【構成】 スキッドボタンを、上部層１１、中間層１
２、および下部層の三層積層体とし、上部層１１を、Ｃ
ｒ−Ｆｅ系合金（Ｃｒ：６０〜９５％，第３元素として
Ｗ，Ｍｏ，Ｎｂ，その他の諸元素の１種ないし２種以上
を一定量含有。融点：１６００℃以上，平均結晶粒径：
５０μｍ以上）のマトリックスにセラミックが分散相と
して混在した混相組織を有する複合体、中間層をセラミ
ック焼結体、下部層を耐熱合金で形成する。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、加熱炉内の被加熱鋼材支持部材であるスキッドボタンの改良に関す る。

【０００２】

【従来の技術】

加熱炉内の被加熱鋼材移送手段であるスキッドビームは、スキッドパイプ（炭 素鋼管等）の周面頂部に、管軸方向に一定の間隔をおいてスキッドボタンを取付 けた構造を有している。図４において、Ｐはスキッドパイプ、１０はパイプＰに 溶接Ｗ１により取付けられているスキッドボタンである。スキッドボタン１０は ニッケル・クロム系合金鋼（ＳＣＨ １２等）に代表される耐熱合金鋼からなる 円柱・円錐台形状ないし角柱・角錐台形状を有するブロックであり、その頂面に 被加熱鋼材Ｓが接触載置される。 スキッドパイプＰ内には冷却水が流送され、その冷却作用によりスキッドボタ ン１０に対する炉内高温酸化性雰囲気の熱影響を緩和し、被加熱鋼材の荷重に耐 える強度を保持させると共に、その表面の酸化損傷を防止するようにしている。 なお、スキッドボタン１０の側周面には、炉内高温酸化雰囲気との接触を遮断す るための不定形耐火物層Ｒが塗設されるのが通常である。

【０００３】

【考案が解決しようとする課題】

近時は加熱炉操業効率の向上等を目的として、１３００℃ないしはそれを越え る高温操業が一般化しつつある。これに伴ってスキッドボタンは、被加熱鋼材の 荷重による圧縮変形や、表面の酸化損傷が加速され、耐用寿命の低下、メンテナ ンス負担の増大等が著しくなっている。 この高温操業下のスキッドボタンの強度低下や酸化損傷は、スキッドパイプ内 の冷却水による強制冷却作用を強化することによってある程度抑制緩和すること も可能ではあるが、強制冷却を強化することは、それだけ冷却水により炉外に持 出される炉内熱量の損失増大を余儀なくされることであり、また被加熱鋼材の加 熱ムラ（スキッドボタンとの接触面に生じる局所的低温部である所謂スキッドマ ーク）の発生が助長され、その後の鋼材の圧延品質の低下を免れない。

【０００４】 その対策として、セラミックの焼結体ブロックをスキッドボタンとして使用す る試みもなされている。しかし、セラミックは脆性材料であるので、被加熱鋼材 の搬送操作過程で繰返し衝撃が加わることによる割れや欠損を生じ易く、安定な 使用は期し難い。 本考案は上記問題点を解決するための改良されたスキッドボタンを提供する。

【０００５】

【課題を解決するための手段および作用】

本考案は、頂面を被加熱鋼材支持面としてスキッドパイプに取付けられるスキ ッドボタンにおいて、 頂面側の上部層と、スキッドパイプ側の下部層と、これらの層間の中間層とか らなり、 上部層は、Ｃｒ含有量が６０〜９５％で、Ｗ：１０％以下、Ｍｏ：１０％以下 、Ｎｂ：１０％以下、Ｔａ：１０％以下、Ｈｆ：１０％以下、Ｃｏ：１０％以下 、Ｎｉ：１０％以下、Ｔｉ：１０％以下、希土類元素：１０％以下、Ａｌ：１０ ％以下、Ｖ：１０％以下、Ｍｎ：１０％以下の群から選ばれる１種ないし２種以 上の元素を含有し、０．８％以下のＣおよび５％以下のＳｉの混在が許容され、 残部は実質的にＦｅである化学組成を有し、融点１６００℃以上、平均結晶粒径 ５０μｍ以上であるＣｒ−Ｆｅ系合金のマトリックスと、４０容積％以下のセラ ミック分散相とからなる複合体、 中間層は、セラミック焼結体、 下部層は、耐熱合金鋼からなる三層積層体であることを特徴としている。

【０００６】 以下、本考案について詳しく説明する。明細書中の「％」は特記なき限り、重 量％である。 本考案のスキッドボタンは、上部層と、中間層と、下部層とからなる三層積層 体である。図１において、１１は上部層、１２は中間層、１３は下部層である。

【０００７】 上部層は１１、Ｃｒ含有量を６０〜９５％とする前記化学組成を有し、融点は １６００℃以上、結晶粒径（平均）は、５０μｍ以上であるＣｒ−Ｆｅ系合金を マトリックスとし、これに分散相としてセラミックを均一に混在させた混相組織 を有する複合体（以下、「複合合金」）で形成されている。マトリックスのＣｒ −Ｆｅ系合金は、１６００℃以上の融点が確保される範囲内でＣ，Ｓｉ等の混在 が許容され、Ｃは約０．５％以下、Ｓｉは約５％以下混在してさしつかえない。

【０００８】 上部層１１を形成する複合合金のマトリックスを、前記化学組成と結晶組織を 有するＣｒ−Ｆｅ系合金としたのは、このものが、１３００℃を越える高温度の 酸化雰囲気において、被加熱鋼材の高荷重が反復作用しても殆んど変形を生じな い高い圧縮変形強度と、長期に亘り殆んど酸化損傷をうけない耐酸化性を有して いるからである。その耐酸化性は、上記の高Ｃｒ含有（６０％以上）と高融点（ １６００℃以上）であることにより、また圧縮変形強度は、高Ｃｒ含有および高 融点と、平均粒径５０μｍ以上の粗粒結晶組織であることの効果として与えられ る。更に、Ｗ，Ｍｏ，Ｎｂ等の諸元素は、固溶硬化や、粒子分散もしくは繊維分 散による強化作用、あるいは金属間化合物（Ｃｒ₂ Ｎｂ，Ｃｒ₂ Ｚｒ，Ｃｒ₂ Ｔ ａ，Ｃｒ₂ Ｔｉ等）による粒子もしくは繊維分散強化作用をもたらし合金強度を 高める。希土類元素（Ｙ，Ｓｃ等）やＡｌ等は強化作用のほか、耐酸化性の向上 に奏効する。これらの元素の含有量を前記のように規定しているのは、合金の融 点低下を抑え、１６００℃以上の融点、および耐酸化性、更には加工性が確保さ れる範囲内においてそれぞれの添加効果を得るためである。また、Ｃｒ含有量の 上限を９５％としているのは、マトリックスの靱性を確保するためである。

【０００９】 上記Ｃｒ−Ｆｅ系合金マトリックスに分散相として混在するセラミックは、酸 化物系（Ｃｒ₂ Ｏ₃ ，ＺｒＯ，Ａｌ₂ Ｏ₃ ，ＳｉＯ₂ ，Ｙ₂ Ｏ₃ 等）、窒化物系 （Ｓｉ₃ Ｎ₄ ，ＴｉＮ，ＢＮ，ＡｌＮ等）、炭化物系（Ｃｒ₃ Ｃ₂ ，ＷＣ，Ｓｉ Ｃ，Ｂ₄ Ｃ等）、硅化物系（Ｍｏ₂ Ｓｉ，Ｃｒ₂ Ｓｉ等）、あるいは硼化物系（ ＣｒＢ₂ ，ＴｉＢ₂ 等）などであり、その１種または２種以上のセラミック（粒 径は例えば０．１〜５μｍ）の混在による分散強化作用により、上部層１１の高 温強度が高められる。その混相組織に占める分散相の割合は、容積率で約４０％ までで十分である。

【００１０】 上部層１１である前記複合合金は、高周波溶解等による所定組成のＣｒ−Ｆｅ 系合金溶湯に分散相となるセラミック粉末を混合して鋳型に注入し凝固させて得 られる鋳造体ブロック、あるいは所定組成のＣｒ−Ｆｅ系合金粉末とセラミック 粉末との混合物を焼結原料とし、熱間静水等方圧加圧焼結法等により製造される 焼結体ブロックである。その複合合金ブロックにおけるマトリックス金属の粗粒 結晶組織（平均粒径：５０μｍ以上）は、鋳造体ブロックでは、例えばその鋳造 に砂型鋳型を用いて比較的緩徐の冷却速度で凝固させることにより形成すること ができ、また焼結体ブロックの場合は、焼結原料におけるＣｒ−Ｆｅ系合金粉末 として粗粒のもの（平均粒子径：約２００μｍ以上）を使用するか、または焼結 の後、焼結処理温度（約１０００〜１５００℃）より高い適当な温度（例えば１ ３００〜１６００℃）に適当時間（例えば１０〜２０Ｈｒ）保持する熱処理を施 すことにより、その結晶組織を平均粒径５０μｍ以上の粗粒組織とすることがで きる。

【００１１】 上部層１１を形成する前記複合合金は、１３００℃ないしそれ以上の高温に耐 える強度と耐酸化性を有するので、従来の耐熱合金製スキッドボタンの場合のよ うな強い強制冷却を必要としない。その複合合金層の下面側に、中間層として介 在させたセラミック焼結体は、複合合金層の過度の冷却降温を回避するべく、複 合合金層に対するスキッドパイプからの強制冷却を抑制するための断熱層の役目 を有している。

【００１２】 すなわち、上部層１１を形成する複合合金は、そのＣｒ−Ｆｅ系合金マトリッ クスの熱伝導率κが、約３０〜４０ｋｃａｌ／ｍ・ｈｒ・℃と高熱伝導性（これ は、従来のスキッドボタン材料であるＳＣＨ１２等の耐熱合金の熱伝導率 約２ ０〜３０ｋｃａｌ／ｍ・ｈｒ・℃よりも高い）であるため、スキッドパイプから の強制冷却効果が大きく、高温状態に保持することが困難である。これに対し、 セラミックのそれは、材種にもよるが、概ね２〜８ｋｃａｌ／ｍ・ｈｒ・℃と、 低熱伝導性である。 上部層が、セラミックの混在する複合合金であることは、Ｃｒ−Ｆｅ系合金単 相に比し、熱伝導率が低く、高温保持に有利であるが、それだけでは十分でない 。そこで本考案では、上部層１１の下面側にセラミック焼結体を中間層として介 装している。このセラミックを中間層とする断熱効果により、スキッドパイプか ら上部層のＣｒ−Ｆｅ系合金層に対する冷却作用が効果的に緩和され、上部層を １３００℃ないしそれ以上の高温状態に保持することが可能となる。

【００１３】 中間層１２を形成するセラミックは、酸化物系、窒化物系、または炭化物系等 であり、材種の選択は任意であるが、その焼結体は、熱間静水等方圧焼結法等の ように高加圧力（例えば１０００〜２０００ｋｇｆ／ｃｍ² ）の均一な作用下に 製造された高緻密質のものが機械強度等の点から好ましく用いられる。

【００１４】 セラミックからなる中間層１２の下面側に、下部層１３として耐熱合金の層を 設けているのは、これによりスキッドパイプに対するスキッドボタンの取付けに 溶接を適用することができ、強固で安定した固定状態を確保することが容易とな るからである。 なお、下部層１３はスキッドパイプからの強制冷却作用が十分に加わるので、 その耐熱合金の材質の選択に困難はなく、従来のスキッドボタン材料として使用 されているニッケル−クロム系耐熱鋳鋼等で十分である。

【００１５】 上部層１１である複合合金ブロックと、中間層１２であるセラミック焼結体ブ ロックとの接合、およびセラミック焼結体ブロックと下部層１３の耐熱合金ブロ ックとの接合は、例えば熱間静水等方圧加圧法を適用し、加圧・加熱下に処理（ 例えば、１２００〜１３００℃×１０００〜１１００ｋｇｆ／ｃｍ² ×２〜８Ｈ ｒ）することにより十分に達成することができる。

【００１６】 別法として、遷移金属もしくはその合金（Ｃｒ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒ−Ｆｅ，Ｃ ｒ−Ｎｉ，Ｆｅ−Ｎｉ，Ｃｒ−Ｎｉ−Ｆｅ等）の粉末を接着剤としてブロックの 重ね合せ面に塗布して重ね合せたうえ、酸化雰囲気（大気）炉中、接合剤金属の 融点より低い温度（例えば、融点−３０〜４００℃）に適当時間（例えば１〜３ Ｈｒ）加熱保持する方法を適用することもできる。その接合剤金属の具体例とし て、１５〜２５％Ｃｒ−１５〜２５％Ｆｅ−Ｎｉ合金等が挙げられる。

【００１７】 上部層１１、中間層１２、および下部層１３の各ブロック間の重ね合せ面の形 状について、図１では、その重ね合せ面が平坦な水平面である例を示しているが 、それに限定されず、例えば円錐形状等の斜面を有する上向きもしくは下向に凸 の重ね合せ面とすることにより、実使用時に水平方向の外力が加わった場合の接 合面の損傷剥離に対する抵抗性を強化することもできる。

【００１８】 本考案のスキッドボタンは三層積層形態を有する点を除いて、その外観形態は 通常のスキッドボタンのそれと特に異ならず、高さ寸法 約１００〜２００ｍｍ 程度の柱状体であり、また、各層の層厚は特に限定されないが、例えばＣｒ−Ｆ ｅ系合金の上部層１１は４０〜６０ｍｍ、セラミック焼結体の中間層１２は２０ 〜６０ｍｍ、耐熱合金の下部層１３は６０〜１５０ｍｍである。

【００１９】

【作用】

本考案のスキッドボタンの複合合金からなる上部層１１は、１３００℃前後の 高温状態での使用に十分に耐える。使用時の温度が１３００〜１３５０℃程度で あれば実質的に強制冷却の付加は必要としない。この高温保持により被加熱鋼材 のスキッドマークの緩和、および冷却水による熱量損失が減少する。 セラミック焼結体からなる中間層１２は、その断熱効果により、上部層１１に 対するスキッドパイプからの強制冷却の作用を抑制し、上部層１１を高温状態に 保持することを可能とする。 耐熱合金からなる下部層１３は、スキッドパイプＰに対するスキッドボタン１ ０の取付けに溶接の適用を可能とし、また被加熱鋼材支持面部材として必要な強 固な取付け状態を容易に確保することができる。

【００２０】

【実施例】

（１）スキッドボタンの構成部材上部層 Ｃｒ−Ｆｅ系合金の溶湯にセラミック粉末を添加した固液混合物の鋳造体ブロ ック（砂型鋳造による）。 マトリックス（Ｃｒ−Ｆｅ系合金）：Ｃｒ８４．５％，Ｃ０．０２％，Ｓｉ２ ．５％，Ｃｏ５％以下，Ｍｎ２％以下，Ｔａ２％以下，Ｂａｌ Ｆｅ。融点１６ ７０℃。平均結晶粒径１８０μｍ。 分散相（セラミック）：アルミナ。平均粒子径 １μｍ。体積率 ５％。中間層 下記のａ，ｂ２種のセラミック焼結体ブロック（熱間静水等方圧焼結品） ａ：ジルコニア（焼結処理：１５００℃×１１００ｋｇｆ／ｃｍ² ×２Ｈｒ） ｂ：アルミナ（焼結処理：１６００℃×１１００ｋｇｆ／ｃｍ² ×２Ｈｒ）下部層 ２７％Ｃｒ−２０％Ｎｉ−４０％Ｃｏ−Ｆｅ系耐熱鋳鋼の鋳造体ブロック

【００２１】 （２）上部層（複合合金ブロック）の材料特性 高温圧縮変形強度： ０．５ｋｇｆ／ｍｍ² の荷重を反復作用させる高温圧縮変形試験（負荷４秒間 −無負荷４秒間の繰返し・試験温度：１３５０℃）における反復回数１０⁴ 回後 の圧縮変形量を、従来のスキッドボタン材料である耐熱鋳鋼ＳＣＨ１２と比較す ると、ＳＣＨ１２の変形量が約４．５％であるのに対し、約１．５％（以下）と 、約１／３以下である。

【００２２】 耐酸化性： １３５０℃の大気雰囲気中に１００時間保持したときの酸化減量は、ＳＣＨ１ ２の約７０ｇ／ｍ² ・Ｈｒに対し、約４ｇ／ｍ² ・Ｈｒ以下と、１／１０以下で ある。

【００２３】 （３）スキッドボタンの組立 熱間静水等方圧加圧処理（１３００℃×１１００ｋｇｆ／ｃｍ² ×２Ｈｒ）に より各ブロックを互いの重ね合せ面間で接合して供試スキッドボタンＡ，Ｂを製 作した。スキッドボタンＡ ：中間層にジルコニア焼結体ブロックを使用スキッドボタンＢ ：中間層にアルミナ焼結体ブロックを使用 いずれも高さＨ：１６０ｍｍ、上部層厚ｈ₁ ：４０ｍｍ、中間層厚ｈ₂ ：４０ ｍｍ、下部層厚ｈ₃ ：８０ｍｍで、頂面径ｄは９０ｍｍである（図２）。

【００２４】 また比較例として次の２つのスキッドボタンＣおよびＤを用意した。上部層の 複合合金および下部層の耐熱合金は上記と同一組成である。供試スキッドボタンＣ ：複合合金ブロックの上部層と耐熱合金の下部層の二層積 層体。供試スキッドボタンＤ ：上部から下部に亘って全体が複合合金ブロックである単 層体。

【００２５】 （４）加熱試験 各供試スキッドボタンを、図２に示すように溶接によりスキッドパイプＰ上に 溶接により取付け、耐火物被覆層Ｒを塗設し、１３５０℃の雰囲気中における表 面の温度分布を測定する。図中の符号イ〜ヌは測温位置を示している。イ〜ヘは 頂面における中心から半径方向の各位置、ト〜ヌは頂面稜部から中間層との境界 部までの側面に沿う上下方向の各位置である。

【００２６】 上記加熱試験結果を図３に示す。各図中のグラフの符号は、供試スキッドボタ ンの符号である。図示のように、スキッドボタンＣ（複合合金ブロックと耐熱合 金ブロックの二層積層体）およびスキッドボタンＤ（複合合金ブロック単層体） では、頂面中央部付近の温度が１２５０℃以下と、炉内雰囲気に対し１００℃以 上の温度差を呈しているのに対し、考案例の三層構造を有するスキッドボタンＡ （中間層：ジルコニアセラミック）およびスキッドボタンＢ（中間層：アルミナ セラミック）は、中間層の断熱効果により、頂面温度は約１３３０℃以上の高温 状態を有している。

【００２７】

【考案の効果】

本考案のスキッドボタンは、１３００℃ないしそれ以上の高温酸化性雰囲気炉 中において従来のスキッドボタンを凌ぐ安定な使用が可能であり、被加熱鋼材の スキッドマークを軽減し、より均一な加熱を達成することができる。また、スキ ッドボタンの強制冷却抑制効果として、冷却水により炉外に持ち出される熱損失 量が減少する。従って、被加熱鋼材の品質向上、および熱経済性の改善等の効果 が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案のスキッドボタンの実施例を示す縦断面
図

【図２】実施例関係のスキッドボタンの形状および測温
位置説明図

【図３】スキッドボタンの表面の温度分布を示すグラフ

【図４】従来のスキッドボタンを示す縦断面図

【符号の説明】

１０ スキッドボタン，１１：上部層，１２：中間層，
１３：下部層，Ｐ：スキッドパイプ，Ｒ：耐火物被覆
層，Ｓ：被加熱鋼材。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 頂面を被加熱鋼材支持面としてスキッド
   パイプに取付けられるスキッドボタンにおいて、 頂面側の上部層と、スキッドパイプ側の下部層と、これ
   らの層間の中間層とからなり、 上部層は、Ｃｒ含有量が６０〜９５％で、Ｗ：１０％以
   下、Ｍｏ：１０％以下、Ｎｂ：１０％以下、Ｔａ：１０
   ％以下、Ｈｆ：１０％以下、Ｃｏ：１０％以下、Ｎｉ：
   １０％以下、Ｔｉ：１０％以下、希土類元素：１０％以
   下、Ａｌ：１０％以下、Ｖ：１０％以下、Ｍｎ：１０％
   以下の群から選ばれる１種ないし２種以上の元素を含有
   し、０．８％以下のＣおよび５％以下のＳｉの混在が許
   容され、残部は実質的にＦｅである化学組成を有し、融
   点１６００℃以上、平均結晶粒径５０μｍ以上であるＣ
   ｒ−Ｆｅ系合金のマトリックスと、４０容積％以下を占
   めるセラミック分散相とからなる複合体中間層は、セラ
   ミック焼結体、 下部層は、耐熱合金鋼からなる三層積層体であることを
   特徴とする加熱炉用スキッドボタン。