JPH05212508A - 複合材料ノズル組立体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】金属鋳造用電磁弁内に用いられ、ジルコニアの
耐腐食性をそのまま保持し、溶融金属が最初にノズルの
内部を通る際に生じる熱衝撃による亀裂が生じにくい複
合材料ノズル組立体を提供する。 【構成】複合ノズル組立体５０は、耐腐食性が高いジル
コニアから作られているが耐熱衝撃性に難がある内側ノ
ズルシェル５２と、優れた耐熱衝撃性を有する窒化硼素
から作られた外側ノズルシェル６６とを組合わせて構成
する。外側ノズルシェルは、熱により生じた引張り応力
を相殺し、それにより亀裂の発生を防止するために、溶
融金属が内側ノズルシェル内を最初に通ると、内側ノズ
ルシェルに圧縮荷重を及ぼすよう内側ノズルシェルを密
着状態で収納している。外側シェルの相対厚さは内側シ
ェルの相対厚さの３〜１０倍にする。熱安定状態の達成
後に内・外側シェルの境界部に生じる応力を最小にする
ため、内・外側シェルは、ほぼ等しい熱膨張率のセラミ
ック材料で構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、一般にセラミック製ノ
ズル組立体に関し、特に、電磁弁内の液状の鋼の流れを
案内するための複合材料セラミックノズルに関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】金属鋳
造法において溶融金属の流れを制御するための計量型ノ
ズルは従来周知である。かかる計量型ノズルは典型的に
は、一定サイズの開口端部を備えたセラミック材料から
成るノズルを有する。ノズルを通る溶融金属の流量は、
開口部の口径及びその上方に位置する溶融金属の高さの
関数である。かかるノズルを鋼鋳造法で用いるとき、ノ
ズルを通る金属の流量の制御を銅製チルプラグ（chill
plug）を用いて行う。具体的には、ノズル操作員がノズ
ルを通る金属の流れを止めようとしたとき、銅チルプラ
グをノズル開口端に密着させる。銅チルプラグはノズル
開口部内で溶融金属を局所的に「凍結」させ、固体状の
金属プラグがノズル内に形成されて、これがノズル上部
の溶融金属柱を有効に支持するようにさせる。流れを再
開させるためには、操作員は計量型ノズルの開口端部を
ランスで突き刺す。その目的は、銅チルプラグの取付け
により生じた固体状金属プラグを溶融させることにあ
る。残念なことに、かかるランスを使用すると、ノズル
を形成しているセラミック材料を腐食させ、それにより
セラミック材料を損傷させる場合がある。

【０００３】溶融金属の流量制御法における最近の技術
進歩の一例として、セラミック製ノズルの周りに電磁コ
イルを形成使用する手法が挙げられる。かかる手法は電
磁弁として当該技術分野において知られており、損傷の
恐れのあるランスを使用せず、誘導加熱によって溶融金
属の流れを再開させることができる。損傷を生じない再
開特性に加えて、かかる電磁弁は、オープン注入法と金
属を大気中の汚染物から保護するために鋳造中溶融金属
の上方に不活性ガスを用いる高品質鋳造法の両方法にお
いて溶融金属の流れを調節するのに好適である。

【０００４】残念なことに、本発明者は、かかる電磁弁
内のノズルの構成に一般的に用いられているセラミック
材料の熱的性質がかかる電磁弁の有効性を著しく制限し
ていることに気付いた。かかる電磁弁内の計量型ノズル
の好ましい構成材料は、耐腐食性が極めて高いジルコニ
アである。しかしながら、ジルコニアはノズルを通る液
体金属の流れを停止させたり開始させることに関連して
生じる熱応力により亀裂を生じる傾向があることに鑑み
て、ジルコニアの有利な耐腐食性は実質的に打ち消され
る。本発明者の所見によれば、かかる熱応力状態の下で
ジルコニアが亀裂を生じやすい望ましくない傾向の生じ
る原因は、溶融金属がノズルの内壁上を流れる時に計量
型ノズルの壁の受ける熱勾配の範囲内の温度では、ジル
コニアの熱膨脹率が急変する（即ち、減少する）という
ことにある。熱膨脹率のこの急激な変化は、ノズルの環
状壁中に引張りフープ応力を生じさせ、かかる引張りフ
ープ応力は、ノズルの表面に伝播し、それによりノズル
の壁の構造的健全性を損なう恐れのあるノズルの壁内の
亀裂を発生させるに十分な大きさのものである。

【０００５】ノズルの壁の最も外側の部分の引張り強さ
が熱勾配によって生じる引張りフープ応力を相殺するに
十分な程度までノズルの壁の厚さを増大させれば亀裂発
生の問題を解決できるかもしれないが、このように壁を
厚くすれば、流れ再開作業中、ノズル内の金属プラグと
相互作用してこれを溶融させる際の誘導コイルの効力が
対数的に小さくなってしまう。その理由は、磁界の強さ
が誘導コイルと金属プラグの半径方向における離隔距離
の二乗の関数として減少するからである。

【０００６】かくして、溶融流れを再開させるよう金属
プラグを溶融させるためには、かなり大きな電力が電磁
弁で必要になり、それにより一層厚く且つ高価なコイル
巻線を必要とする。しかしながら、電磁的効果の下降の
問題が生じない場合には、ノズルのジルコニア製の壁を
厚くしただけでは完全な問題の解決にはならない。とい
うのは、肉厚を増した壁を横切って生じる温度勾配によ
り、少なくとも微少亀裂が、材料の熱膨脹率の変化する
壁内の境界部に生じる場合が依然として考えられるから
である。ノズルを形成するジルコニアの結晶粒構造に何
等かの欠陥があると、これら微少亀裂は裂け目を形成す
る恐れがあり、この裂け目はノズルの壁の厚さ全体に亘
って伝播し、それによりノズルの健全性を損なわせる。

【０００７】ノズルを耐衝撃性の良好なセラミック材料
（例えば、窒化硼素）から形成しても良いが、溶融鋼の
環境に曝されたときにジルコニアの耐腐食性に近いセラ
ミック材料は全く存在しない。かかるノズルの内面の腐
食が一層早く進展すると、作動中に弁を通過する流れを
正確に調節することは不可能でなくても困難であり、ま
たノズルをしばしば交換しなければならず、しかもこの
ノズルは高価である。

【０００８】明らかに、金属鋳造用電磁弁内に用いら
れ、ジルコニアの耐腐食性をそのまま保持するが、溶融
金属が最初にノズルの内部を通って案内される際に生じ
る熱衝撃の作用を受けた時に亀裂を生じにくいノズル組
立体が要望されている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、今日用いられ
ている公知のノズルと関連のある欠点を解決し、電磁弁
内の溶融金属、たとえば鋼の流れを案内するための複合
材料ノズル組立体に関する。複合材料ノズル組立体は、
耐腐食性のセラミック材料、例えばジルコニアから形成
された内側ノズルシェルを有し、この内側ノズルシェル
は、液体金属の流れを最初に案内するときの熱衝撃を受
けると、内部亀裂の発生を促進するに十分な大きさの引
張り応力を生じる。本発明では、熱衝撃によって生じた
内部引張り応力を減少させるための圧縮荷重を内側ノズ
ルシェルに加えるための手段が組み合わせて用いられ
る。圧縮荷重付与手段は内側ノズルシェルの外部の周り
に配置された非導電性の材料の層を有し、この非導電性
材料層は、好ましくは、ノズルシェルが最初に液体金属
の流れを案内する時に周方向と軸方向の両方向の圧縮力
を加えることができるが、この場合、ノズル組立体を通
る溶融金属の流れを制御するために電磁弁によって用い
られる電磁界を著しくは妨害しない。

【００１０】好ましい実施例では、圧縮荷重付与手段は
外側ノズルシェルを有し、外側ノズルシェルは、内側ノ
ズルシェルを密着状態で収納すると共に、第１のセラミ
ック材料よりも優れた耐熱衝撃性を有し、しかも、第１
のセラミック材料と関連のある熱膨脹率とほぼ同じ熱膨
脹率を有する第２のセラミック材料で形成されている。
そのようにする目的は、熱安定状態の達成後、内側シェ
ルと外側シェルの境界部における応力を最少限に抑える
ことにある。外側ノズルシェルの構成材料の一例とし
て、窒化硼素が挙げられる。

【００１１】また、その結果得られた複合材料ノズル組
立体に、溶融金属が最初にこのシェルを通って流れると
きにジルコニア製の内側ノズルシェルに生じる引張り応
力を相殺する引張り強度の最大量を与えるためには、外
側ノズルシェルの厚さは内側ノズルシェルの３〜１０倍
である。外側シェルと内側シェルの壁の厚さの相対的な
寸法決めは、さらに、内側ノズルシェルによって生じる
熱勾配を最少限に抑える有利な効果を有する。その理由
は、内側ノズルシェルの内径と外径の差が少なくなるに
つれて、熱が一層早くノズルを通って伝わるからであ
る。

【００１２】本発明の変形例では、圧縮荷重付与手段
は、１５〜３０ｋｓｉの圧縮荷重を加えるために内側ノ
ズルシェルの外部の周りに張力を受けた状態で巻き付け
られた可撓性且つ耐熱性のストリップである。この材料
のストリップは好ましくは、周方向と軸方向の両方向に
おいて圧縮荷重が加えられるよう内側ノズルシェルの外
部の周りに螺旋状に巻き付けられる。本発明のこの特定
の実施例では、耐熱性モルタル層が好ましくは、可撓性
で耐熱性の織物の層（ガラス繊維または鉱物繊維から形
成されるのがよい）上に塗布される。その目的は、張力
を受けた状態で巻き付けられた材料のストリップを、内
側ノズルシェルの表面の周りの定位置に保つことにあ
る。

【００１３】本発明の複合材料ノズル組立体は、弁の動
作に必要な電力を減少させるだけではなく、ノズル表面
を形成する材料中にもし万一破断が生じても、溶融金属
が不慮にこぼれないようにする堅固な二重壁構造の保護
手段となる、電磁弁に用いられるのが最適な耐久性があ
り、薄肉であり且つ耐腐食性のノズルを含む。

【００１４】本発明の以下の詳細な説明において、以下
の図面を参照されたい。

【００１５】

【実施例】図１は、本発明の複合材料ノズル組立体を用
いるのに最適な形式の連続鋳造設備を概略的に示す図で
ある。かかる鋳造設備１は、タンディッシュ５の上方に
位置する溶融鋼を収容するための杓形容器３を有する。
杓形容器３の底部に配置された摺動式ゲート組立体７に
より、杓形容器３はタンディッシュ５を溶融鋼で間歇的
に満たすことができる。タンディッシュ５は、その底部
に設けられた多くの計量型ノズル１１（一つだけ図示）
により溶融鋼を型９内へ連続的に注ぎ込む。計量型ノズ
ル１１の目的は、連続鋳造設備１が溶融鋼を冷却してこ
れを図１に示す鋼棒１２の状態にすることができるよう
全く同一の速度で溶融鋼を型９内へ注ぎ込むことにあ
る。したがって、各計量型ノズル１１の口径は一定であ
ることが必要である。タンディッシュ５内の溶融鋼の高
さは、計量型ノズル１１を通る溶融鋼の流量を調節する
のに利用される。鋳造設備１は、矯正装置組立体だけで
なく、型９の底から連続的に流出している鋳造したての
鋼棒１２を冷却するためのスプレー組立体１５を更に有
する。

【００１６】図２を参照すると、従来型計量型ノズル１
１は一般に、低密度アルミナ製のウェルブロック２０で
包囲した高密度ジルコニア製のノズルシェル１８を有し
ている。計量型ノズルのノズルシェル１８を通る溶融鋼
の流量制御は、上述の方法で銅製冷却用プラグ１３を動
かすことにより達成される。図２に示す形式の計量型ノ
ズルは、連続鋳造設備１で必要な質の一定流量を提供す
るが、欠点が無いわけではない。特に、かかる計量型ノ
ズル１１を通る溶融鋼の流れを完全に遮断することが必
要な時、銅製冷却用プラグ１３をノズルのボアの底部内
へ差し込むと、溶融鋼が局部的に凍結して、やがてはシ
ェル１８内で鋼の固体プラグになる。流通の再開のため
には、ノズルシェル１８の内径部内の固体鋼プラグをラ
ンスによって手作業で取り除き、ついにはこのプラグを
形成している鋼が溶融状態に戻るようにする。かかるラ
ンスによる方法は、時間がかかるだけでなく（それ故、
生産時間が無駄になるという観点からもコスト高であ
る）、計量型ノズル１１のボアを形成するセラミック材
料を腐食により損傷させ、かくして、連続鋳造設備１の
運転中、金属の連続した一定流れを損なわせる。

【００１７】図２に示す従来の計量型ノズル１１の欠点
に鑑みて、図３に横断面で示す電磁弁２５の開発意欲が
刺激されて完成した。かかる電磁弁は、異なる形状に鋳
造されたノズルシェル２６（ただし、ノズルシェル２６
の構成材料は、従来の計量型ノズル１１の構成材料であ
るジルコニアと同じである）を有する。特に、ノズルシ
ェル２６は、漏斗状のウェルブロック２８にモルタルで
密着したテーパ付きの頂部２７を有する。ノズルシェル
２６は更に、その内周部内に嵌め込まれたトーピード構
造部材３０だけでなく、テーパ付き底部２９をも有す
る。このトーピード構造部材３０は４つのフィン３１
（２つしか図示せず）により内周部内に支持され、これ
らフィン３１は、トーピード構造部材の本体とノズルシ
ェル２６の内周部との間に４つの弧状流路を形成してい
る。ノズルシェル２６の出口３３の周りには図示のよう
にテーパ付き底部２９が配置されている。ノズルシェル
２６の外壁は円筒形アルミナ製安全ライナー３５で包囲
され、シェル２６のテーパ付き本体２９は、ノズルシェ
ル２６を電磁弁２５内に支持するよう働く鋼製支持板３
７に設けた孔を貫通している。

【００１８】従来型の計量型ノズル１１を通る溶融鋼の
流量を調節するのに用いられるタンディッシュ５内の困
難を伴う溶融鋼レベル調節に代えて、電磁弁２５は、ノ
ズルシェル２６を包囲するアルミナ製安全ライナー３５
の周りに密接して配置された螺旋形部分４１を備えた誘
導コイル３９を有する。螺旋形部分４１は、最終的には
電源（図示せず）に接続された一対の導線４３で終わっ
ている。電磁弁全体はバケット形アルミナ製ハウジング
４５内に収納され、このハウジング４５は３つの支持ク
ランプ４７（一つしか図示せず）によりタンディッシュ
５の底壁に取り付けられている。運転中、トーピード構
造部材３０のフィン３１とノズルシェル２６の内周部の
間に形成されている４つの弧状流路を通る溶融鋼の流量
は、誘導コイル３９により生じる磁界によって制御され
る。理論的には、コイル３９はノズル２６を通る溶融鋼
の流れの完全停止を可能にする磁界を発生させるに足る
ほど強力な電流を生じさせることができる。しかしなが
ら、発生したエネルギは鋼を蒸発させることになりそう
である。したがって、銅製冷却用プラグ１３を用いて溶
融金属の流れを停止させる上述の方式は、電磁弁２５に
適用される。流れの再開は誘導加熱により数秒で行わ
れ、この場合、螺旋形部分作業による損傷は生じない。
したがって、かかる電磁弁２５は、ノズルシェル２６を
通る溶融鋼の流れを停止させるのに必要な場合は何時で
もランス作業を用いる必要を無くすことができる。加え
て、タンディッシュ５内の溶融金属のレベルを制御する
手法に代えて磁界を利用する方法を用いると、ノズルシ
ェル２６を通る溶融鋼の流量を一層正確に調節できるこ
とになり、かくして、連続鋳造設備１全体の運転状態を
改善することができる。

【００１９】電磁弁２５は連続鋳造設備における溶融鋼
の流量調節における技術進歩の主要な役割を果たした
が、かかる電磁弁２５は他の作動上の問題を全く生じな
いという訳ではない。具体的に述べると、本発明者は、
溶融鋼をジルコニア製ノズルシェル２６の内周部を通っ
て最初に注入する時に生じる熱衝撃の結果として、ジル
コニア製ノズルシェル２６の比較的薄い壁が亀裂を生じ
がちなことに気づいた。

【００２０】かかる問題に対する一解決策として、ノズ
ルシェル２６の壁を厚くして、壁の厚さが従来の軽量型
ノズル１１と関連のある壁部分と同程度になるようにす
ることが提案された。しかしながら、かかる解決策は、
誘導コイル３９の螺旋部分４１の直径を増大させなけれ
ばならず、それによりコイルによって生じる磁界の強さ
は、コイルの半径の増加分の二乗に比例した量だけ弱く
なる。コイル３９を形成する銅製の導体の横断面を厚く
することにより、さらにより大きな電流をコイルに流す
ことにより比較的弱い磁界を補償することができるが、
かかる解決策は、電磁弁２５の製造費及び運転費をかな
り増大させることになる。

【００２１】かかる軽量型ノズルシェルの構成材料とし
て通常用いられるジルコニアを、熱衝撃を受けても亀裂
を生じにくいセラミック製材料で置き換える別の解決策
が提案された。しかしながら、流動状態にある溶融鋼に
対してジルコニアが持っている耐腐食性を備えたセラミ
ック材料の中で他の実用化されているものは知られてい
ない。したがって、もしノズルシェル２６を耐腐食性の
低い別のセラミック材料で製作しても、鋼の流量の正確
な調整は、トーピードフィン３１とノズルシェル２６の
内周部との間の弧状流路が経時的に広くなるので一層困
難になりそうである。加えて、かかるノズルシェルの耐
腐食性は低いので、しばしば交換の必要があり、これが
交換用シェルの観点からだけでなく、かかる交換を達成
するのに必要な設備の運転停止時間の長さに鑑みても費
用が高くなる。これらすべての理由のために本発明者
は、壁を厚くしたりノズルシェルを異なるセラミック材
料で構成するのではなくて、むしろ亀裂の根本原因を突
き止めて無くすことによってノズルシェルの問題を解決
することを決定した。

【００２２】図４、図５及び図６は、亀裂発生の問題の
原因を示唆するデータを示している。図４は、ノズルシ
ェルを形成するジルコニアの熱膨脹率が温度の関数とし
てどのように変化するかを示すグラフ図である。このグ
ラフ図に示すデータによれば、ジルコニアの熱膨脹率
は、周囲よりも最高約９７２℃（１８００°Ｆ）高い温
度に関しては実質的に一定であるが、溶融鋼の温度であ
る約１５２２℃（２８００°Ｆ）までは実際に減少して
いる。このグラフにおける２つの曲線は、多くの互いに
異なるジルコニア試料を含む多くの試料点から得られて
おり、研究中、本発明者は、検査中のジルコニア試料の
全てについては、約９７２℃（１８００°Ｆ）、或いは
その近傍の温度で熱膨脹率が急激に変化し、また、異種
のジルコニアにおいて熱膨張率が実質的に一段と異なっ
ていたという驚くべき所見を得た。図４のグラフに示す
上側の曲線は、種々の試料で測定した熱膨脹率の上側の
値を全て通る線を引くことによって得られ、下側の曲線
は得られた低い値の全てに関して同様の方法で得られた
ものである。熱膨脹率の偏差は、約１３０２℃（２４０
０°Ｆ）で最も大きく激しいように思われ、最小熱膨脹
率は１．８、最大熱膨脹率は約３．７５であった。図５
に示すデータは、亀裂発生の問題に対する包括的な解決
策を考える上で、ジルコニアの熱膨脹率が１８００°Ｆ
及びそれ以上の温度において著しく変化するということ
だけでなく、この熱膨脹率の絶対値が異なるジルコニア
試料間で実質的にばらつきがあるということも考慮に入
れなければならないということを示している。

【００２３】図５及び図６は、ノズルシェル内部におけ
る熱的安定状態の達成後、図６のＡ−Ａ線におけるノズ
ルシェルの内壁から外壁への温度勾配を示している。具
体的には、グラフの右側に示すところによれば、ノズル
シェルの内壁はノズルを通って流れる溶融金属とほぼ同
じ温度（即ち、１５２２℃（２８００°Ｆ））の状態に
あるが、ノズルシェルの外壁は熱平行状態においては約
６４２℃（１２００°Ｆ）の温度に達する。運転開始時
においては、熱勾配は当然のことながらその最も激しい
状態にある。その理由は、ノズルシェルの内壁は、溶融
鋼が最初にその内壁を流れる時に１５２２℃（２８００
°Ｆ）の温度を直ぐに受けることになるが、外壁は周囲
温度に非常に近いからである。すべての場合において、
電磁弁２５で用いられるシェルの寸法形状を備えたノズ
ルシェルの壁中の熱勾配がジルコニアの熱膨脹率の変化
点である９７２℃（１８００°Ｆ）の転移点を通るであ
ろうことは注目されるべきである。

【００２４】図７は、図４のグラフで確かめた熱膨脹率
の上側の値と下側の値の両方について溶融鋼が１５２２
℃（２８００°Ｆ）の温度でジルコニア製ノズル２６を
通って流れている状態で動作している電磁弁２５で熱的
安定状態が達成された後、図６に示すノズル２６で生じ
るフープ応力と軸方向応力の両方を示している。このグ
ループの縦軸は、応力をｋｓｉの単位で表わし、横軸は
図６のＡ−Ａ線に沿った応力の半径方向位置を示してい
る。菱形のデータ点によって得られる曲線は、熱膨脹率
の最も低い値について図６に示すように形づくられたノ
ズルシェル内で存在するフープ応力を示し、正方形のデ
ータ点から得られる曲線は、熱膨脹率の上側の値につい
て同一のフープ応力を示している。同様に、三角形のデ
ータ点によって得られる曲線は、熱膨脹率の低いの値に
ついて縦軸に沿って図６に示すノズルシェルの応力を示
し、これに対し、×印によって得られる曲線は熱膨脹率
の上側の値についてこれら軸方向応力を示している。熱
膨脹率の特定の値の何れを用いるかにかかわらず、約９
７０℃（１８００°Ｆ）の状態ですべてのジルコニアに
存在する熱膨脹率の急激な変化は、応力曲線において激
しい転移点を生じさせ、さらにそれに伴って熱安定状態
におけるノズルシェルの壁内のある個所に少なくとも約
１７ｋｓｉオーダーの値を生じさせる。

【００２５】当然のことながら、これらの応力は溶融鋼
が初期においてノズルシェルの内周部を通って流れる時
に大きく、これら一層大きな応力は図８及び図９に示さ
れている。

【００２６】具体的に述べると、図８では、下側の熱膨
脹率のデータに関して、ノズルシェルの外壁を５３２℃
（１０００°Ｆ）、７３６℃（１３７０°Ｆ）、１０８
２℃（２０００°Ｆ）、１３０２℃（２４００°Ｆ）ま
で加熱した時に存在する勾配を含む（それぞれ、正方形
データ点、×印データ点、菱形のデータ点及び三角形デ
ータ点）４つの異なる勾配についてフープ応力（単位ｋ
ｓｉ）がプロットされている。当然のことながら、ノズ
ルシェルの内壁の温度は常時、溶融鋼の温度の１５２２
℃（２８００°Ｆ）である。正方形のデータ点（この点
では、ノズルの外側の温度は５３２℃（１０００°Ｆ）
に過ぎない）からプロットされた曲線から明らかなよう
に、フープ応力は図６のＡ−Ａ線に沿って約０．７及び
０．９インチのところの点で非常に激しく、それぞれ引
張り応力が約１９ｋｓｉ、圧縮応力が約２８ｋｓｉのオ
ーダーである。これらフープ応力は、もしノズルの外壁
の温度が１０８２℃（２０００°Ｆ）以上の温度になる
と実質的に低下するが、このような温度にするには補助
加熱が必要不可欠である。その理由は、安定状態におけ
る外壁の温度は約８０７℃（１５００°Ｆ）の最大温度
まで上昇するからである。それゆえ、フープ応力は非常
に高いレベルを維持し、熱安定状態の達成後であって
も、取るに足りない程のレベルまでは決して減少しな
い。

【００２７】図９は、熱膨脹率に関するデータについて
の図８の同一の４つの熱勾配（即ち、正方形、×印、菱
形、三角形によってそれぞれ示された外壁の温度である
５３２℃、７３７℃、１０８２℃、１５２２℃（１００
０°Ｆ、１３７３°Ｆ、２０００°Ｆ、２４００°Ｆ）
について、半径方向の位置の関数としてのノズルシェル
の壁内のフープ応力を示している。おもしろいことに
は、フープ応力の半径方向位置は、外壁の温度が５３２
℃（１０００°Ｆ）に過ぎない場合は、一層激しい熱勾
配についての情報の熱膨脹率データにつき異なっている
が、フープ応力の絶対値はこれらの値（即ち、３２ｋｓ
ｉ対１９ｋｓｉ引張り）について幾分高い。図８及び図
９は、図４から熱膨脹率のどの値を選ぼうとも、ジルコ
ニア製ノズルシェルの壁内のフープ応力は、溶融鋼がノ
ズルの内周部を通って最初に流れる時に極めて高いとい
うことを明瞭に示している。それゆえ、高いフープ応力
または軸方向応力は、９７０℃（１８００°Ｆ）におけ
る材料特性の基本的な変化の強い関数であり、特別大き
な、或いは小さな熱膨張率を備えたジルコニア材料を選
択することによっては回避できない。

【００２８】図１０及び図１１は、従来型のジルコニア
製ノズルと関連のある上述の応力誘起による亀裂発生の
問題を解決する本発明の複合材料ノズル組立体５０の２
つの実施例を示している。特に図１０を参照すると、本
発明の好ましい実施例としての複合材料ノズル組立体５
０は、電磁弁２５に関連して説明したジルコニア製ノズ
ルシェル２６よりも実質的に薄い壁を有するジルコニア
製内側ノズルシェル５２を有する。この内側ノズルシェ
ル５２はその底部にテーパ付き底部分５６によって包囲
されたノズル出口５４を有する。この内側ノズルシェル
５２はその頂部に、テーパ付き頂部分６０によって包囲
されたノズル入口５８を有する。シェル５２の内壁６２
は、溶融鋼のための実質的に円筒形の流路を形成してい
る。シェル５２の外壁６４は、好ましくは、すぐ後で説
明する目的のために、ざらざらにされている。図１０に
示す複合材料ノズル組立体５０の実施例は、好ましくは
ジルコニアよりも比較的大きな引張り強さを有し、且つ
図４に示す温度の関数としての熱膨張率における同一の
大幅な変化では悪影響を受けないセラミック材料から形
成された外側ノズルシェル６６をさらに有する。外側ノ
ズルシェル６６を形成するセラミック材料はまた、内側
ノズルシェル５２と外側ノズルシェル６６との間の境界
部における応力を最小にするためにジルコニアとほぼ同
じ熱膨張率を有している。この例では、外側ノズルシェ
ル６６は窒化硼素から形成されている。ただし、上述の
条件を満足するセラミック材料であれば任意のものを使
用してもよい。

【００２９】外側ノズルシェル６６は、内側ノズルシェ
ル５２の外壁６４と相互形状の内壁６８を有する。好ま
しくは、内側ノズルシェル５２を外側ノズルシェル６６
の内部に組み込むと、耐熱性のモルタルの薄い層が内側
ノズルシェルの外壁６４と外側ノズルシェル６６の内壁
６８との間におかれる。加えて、外側ノズルシェル６６
の内壁６８は、内側ノズルシェル５２の外壁６４と同一
の方法でざらざらにすべきである。この薄いモルタル層
は、外壁６４及び内壁６８のざらざらにされた表面と相
俟って、ノズル組立体５０を通る溶融金属の流れが熱勾
配を生じさせ、これにより２つのシェル５２，６６に熱
膨脹差が生じると、２つの壁を互いにしっかりと固定す
る。かかる堅固な固定法により、外側ノズルシェル６６
は、内側ノズルシェル５２の応力除去作用を有する圧縮
支持体となる。複合材料ノズル組立体５０の頂部近傍に
は、テーパ付き頂部６０と外側ノズルシェル６６の内壁
６８との間に形成された環状空間７２が設けられてい
る。この空間７２は好ましくは、内側ノズル５２の外壁
６４と外側ノズル６６の内壁６８との間の薄い被膜の形
態として存在する同種類の耐熱性モルタル７４で満たさ
れている。

【００３０】内側ノズルシェル５２の相対厚さは、外側
ノズルシェル６６の壁の厚さＴの１００％までのいずれ
の厚さにもすることができるが、この厚さｔは、２つの
理由により外側ノズルシェル６６の厚さＴの１５％以下
であるのが好ましい。第１の理由として、内側ノズルシ
ェル５２の比較的薄い壁は、溶融鋼がノズル組立体５０
を通って当初注ぎ込まれると結果的に生じる著しい温度
勾配にこのシェルがさらされる時間を最少限に抑える。
第２の理由として、外側ノズルシェル６６を形成する窒
化硼素の引張り強さは内側ノズルシェル５２を形成する
ジルコニアの引張り強さよりも実質的に大きいので、ノ
ズル組立体５０の総引張り強さは、外側ノズルシェルの
厚さＴを内側ノズルシェル５２が壁の厚さｔとできるだ
け同程度にすることにより大きくなる。好ましくは、複
合材料ノズル組立体５０の全直径は、従来型ノズルシェ
ル２６の直径以下である。

【００３１】動作原理を説明すると、溶融鋼が最初に内
側ノズルシェル５２の内壁６２を通過するとると、内側
シェル５２の壁を構成しているジルコニアは、シェル５
２を構成するジルコニアの特定の種類と関連した特定の
熱膨脹率がどのような値であっても、その熱膨張率にし
たがって膨脹する。この熱膨脹により、内側ノズルシェ
ルは半径方向と軸方向の両方向に膨脹して外側ノズルシ
ェル６６の内壁６８に当接する。相互にざらざらにされ
た表面及び内側ノズルシェル５２の外壁６４と外側ノズ
ルシェル６６の内壁６８との間の薄いモルタル層が設け
られているので、外側ノズルシェル６６は、本発明者に
よる計算によれば、半径方向と軸方向の両方向において
約２５ｋｓｉのオーダーの圧縮荷重を直ちに及ぼす。か
かる圧縮荷重の付与により、内側ノズルシェル５２への
壁内の引張り応力は除去される。それにより内側ノズル
シェルの亀裂発生が防止される。

【００３２】これら引張り応力の除去により、あらゆる
環境下における内側ノズルシェル５２の亀裂発生が防止
されることになる。しかしながら、たとえそうならなく
ても、窒化硼素製の外側ノズルシェル６６は、溶融鋼が
複合材料ノズル組立体５０から漏れ出ることを防止する
であろう。したがって、外側ノズルシェル６６は内側ノ
ズルシェル５２に作用する半径方向と軸方向の両方向に
おける応力を除去する作用を持つ圧縮荷重を生じさせる
だけでなく、たとえ内側シェル５２に亀裂が生じたとし
ても、内側ノズルシェル５２を通って流れる溶融鋼と電
磁弁の残部との間の安全障壁にもなる。外側ノズルシェ
ル６６によって得られる安全障壁は有利には、アルミナ
製安全ライナー３５を不要にし、それにより誘導コイル
３９の直径を小さく製作することができ、その結果、電
磁弁２５の動作に必要な電力を減少させることができ
る。

【００３３】図１１に示す複合材料ノズル組立体５０の
変形例では、上述のセラミック製外側ノズルシェル６６
に代えて、耐熱性織物ストリップ７７で形成された外側
ノズル被覆７６が設けられている。本発明のこの変形例
では、織物ストリップ７７は張力を受けない状態で螺旋
パターンに巻き付けられており、したがって内側ノズル
シェル５２に半径方向と軸方向の両方向の荷重を同時に
加えるようになる。さらに、織物ストリップ７７は、内
側ノズルシェル５２の外壁の周りに十分に張力が加えら
れ、したがって約２５ｋｓｉの軸方向／半径方向荷重が
達成されるようになる。織物ストリップ７７の適当な素
材としては、ガラス繊維、或いは鉱物繊維から織って作
った織物ストリップが挙げられ、その一例として、ミネ
ソタ州セントポールに所在のミネソタ・マイニング・ア
ンド・マニファクチュアリング・カンパニー（Minnesot
a Mining and Manufacturing Company）から入手できる
ネクストレル（Ｎｅｘｔｒｅｌ：登録商標）がある。こ
の場合もまた、この実施例の全直径は、電磁弁２５内に
内部で用いられている従来型ノズルシェル２６の直径と
ほぼ同じである。この場合もまた、外側ノズル被覆７６
が内側ノズルシェル５２内に生じるべき亀裂を通って流
れる恐れのある溶融金属に対する障壁となることによ
り、かかる電磁弁２５内のアルミナ製安全ライナー３５
の除去が可能になり、しかも有利には、小さな半径を備
えた螺旋部分４１を備えた誘導コイル３９を用いること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】連続鋳造設備の略図であり、計量型ノズルがか
かる設備で用いられている状態を示す図である。

【図２】図１の円で囲んだ領域の拡大図であり、従来型
の計量型ノズルの横断面側面図を示す図である。

【図３】本発明の計量型ノズルを用いるのに最適な電磁
弁の形式の横断面側面図である。

【図４】ノズル組立体の内側ノズルシェルを構成するジ
ルコニアの熱膨脹率が温度変化によりどのように変化す
るかを示すと共に、異なるジルコニア試料において熱膨
脹率の変化の度合を示す図である。

【図５】図６に示す内側ノズルシェルの肉厚を横切って
引いたＡ−Ａ線における半径方向位置の変化につれ温度
がどのように変化するかを示す図である。

【図６】電磁弁で用いられる最新式（単一材料）ノズル
シェルの図であり、ノズルを用いて溶融鋼を案内すると
き、ノズルシェルの壁中の温度分布を等温線で示す図で
ある。

【図７】図４に示す上側の熱膨脹率と下側の熱膨脹率に
つき図６に示すノズルシェルのＡ−Ａ線におけるフープ
応力と軸方向応力の分布状態を示すグラフ図である。

【図８】ノズルシェルの内側壁面と外側壁面の間の４つ
の異なる温度差についての下側熱膨脹率のデータにつき
図６に示すシェルの壁のＡ−Ａ線における半径方向位置
の変化につれフープ応力がどのように変化するかを示す
グラフ図である。

【図９】図８で参照した４つの同じ温度差についての図
４に示す上方熱膨脹率のデータについての図６における
Ａ−Ａ線に沿った半径方向位置の変化につれフープ応力
がどのように変化をするかを示す図である。

【図１０】本発明の複合材料ノズル組立体の好ましい実
施例の概略横断面側面図であり、ジルコニア製の内側ノ
ズルシェルが例えば窒化硼素のような優れた耐熱衝撃性
を備えたセラミック材料性の外側ノズルシェル内にどの
ように密接的に収納されているかを示す図である。

【図１１】本発明の第２の実施例の側面図であり、ガラ
ス繊維または鉱物繊維から形成されている耐熱性の織物
のストリップが圧縮荷重をジルコニア製シェルの周りに
加えるために張力下でジルコニア製の内側ノズルシェル
の周りに螺旋状に巻き付けられていることを示す図であ
る。

【符号の説明】

５０ 複合材料ノズル組立体 ５２ 内側ノズルシェル ６６ 外側ノズルシェル ７７ 可撓性且つ耐熱製材料のストリップ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｂ２２Ｄ 41/60 7511−4Ｅ Ｃ０４Ｂ 35/48 Ａ 7310−4Ｇ 35/58 １０３ Ｙ 8821−4Ｇ (72)発明者 チャールズ ピーター ニイラス アメリカ合衆国 ペンシルベニア州 モン ロービル ユーリック レーン 170

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電磁弁内の溶融金属の流れを案内するた
   めの複合材料ノズル組立体において、内側ノズルシェル
   が第１のセラミック材料から形成され、第１のセラミッ
   ク材料は、内側ノズルシェルを通る溶融金属の流れに対
   して耐腐食性を持つが、熱膨張率が或る温度以上では小
   さくなって、内側ノズルシェルが、複合材料ノズル組立
   体を通る溶融金属の初期の流れに関連のある熱衝撃を受
   けたときに亀裂発生を促進するに十分な大きさの引張り
   応力を受けるようになり、複合材料ノズル組立体は、内
   部引張り応力を内部亀裂発生の防止に十分なレベルまで
   減少させるために圧縮荷重を内側ノズルシェルに加える
   ための手段をさらに有することを特徴とする複合材料ノ
   ズル組立体。
2. 【請求項２】 セラミック材料は実質的にジルコニアか
   ら成ることを特徴とする請求項１の複合材料ノズル組立
   体。
3. 【請求項３】 セラミック材料は一部がＭｇＯで安定化
   されたジルコニアであることを特徴とする請求項２の複
   合材料ノズル組立体。
4. 【請求項４】 圧縮荷重を及ぼすための手段は、内側ノ
   ズルシェルを密着状態で収納する外側ノズルシェルを含
   み、外側ノズルシェルは、第１のセラミック材料よりも
   優れた耐熱衝撃性を備え、しかも熱安定状態の達成後に
   内側シェルと外側シェルの境界部に生じる応力を最小に
   するため、第１のセラミック材料と関連のある熱膨脹率
   とほぼ同じ熱膨脹率を備えた第２のセラミック材料から
   形成されていることを特徴とする請求項１の複合材料ノ
   ズル組立体。
5. 【請求項５】 複合材料ノズル組立体の横断面は環状で
   あり、外側ノズルシェルの厚さは内側ノズルシェルの厚
   さの少なくとも２倍であることを特徴とする請求項４の
   複合材料ノズル組立体。
6. 【請求項６】 内側ノズルシェルの厚さは、内側ノズル
   シェルに対して外側ノズルシェルの引張り強さを大きく
   するだけでなく、内側シェルの内周部と外周部との間に
   存在する温度勾配を減少させるために外側ノズルシェル
   の厚さの１５％未満であることを特徴とする請求項５の
   複合材料ノズル組立体。
7. 【請求項７】 内側ノズルシェルは実質的にジルコニア
   から形成され、外側ノズルシェルは実質的に窒化硼素か
   ら形成されていることを特徴とする請求項５の複合材料
   ノズル組立体。
8. 【請求項８】 圧縮荷重を加えるための手段は、内側ノ
   ズルシェルの外部に張力を受けた状態で巻き付けられた
   可撓性耐熱材料のストリップであることを特徴とする請
   求項１の複合材料ノズル組立体。
9. 【請求項９】 可撓性且つ耐熱性材料のストリップは、
   円周方向と軸方向の両方向の圧縮力をノズルシェルに加
   えるために内側ノズルシェルの外部の周りに螺旋状に巻
   き付けられていることを特徴とする請求項８の複合材料
   ノズル組立体。
10. 【請求項１０】 温度約１５２２℃（２８００°Ｆ）ま
    で加熱された電磁弁内の溶融鋼の流れを成形し制御する
    ための複合材料ノズル組立体において、一部がＭｇＯで
    安定化されたジルコニアから形成されるノズルシェルを
    有し、ノズルシェルは、これを通る溶融鋼の初期の流れ
    と関連のある温度勾配を受けると亀裂を誘発させるに十
    分な大きさの引張り応力を生じ、前記ノズル組立体は、
    引張り応力を内部亀裂の発生防止に十分なレベルまで減
    少させるために円周方向と軸方向の両方向の圧縮荷重を
    ノズルシェルに加えるための手段をさらに有することを
    特徴とする複合材料ノズル組立体。
11. 【請求項１１】 圧縮荷重付与手段によって加えられる
    荷重の大きさは、内側ノズルシェル内に生じる引張り熱
    応力の一部又は全部を相殺することを特徴とする請求項
    １０の複合材料ノズル組立体。