JPH08247667A - 複合管および粉粒体吹き込みノズル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 形状記憶合金製金属管とセラミックス管から
なる粉粒体輸送用複合管の耐熱性向上。 【構成】 一方向性形状記憶合金製金属管の内側に緩衝
層を介して、セラミックス管を金属管の形状回復力で固
着する際に、金属管内周およびセラミックス管外周に円
周方向あるいは螺旋状の凹溝を穿設し、緩衝層を凹溝内
に充満させる。 【効果】 形状記憶効果による固着力が消滅する温度に
曝されてもセラミックス管の抜け落ちやチッピングが防
止でき、複合管の補修・新規作成の頻度減少や稼働率向
上が可能。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、耐磨耗性、耐熱性に加
えて耐衝撃性、耐熱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管とから
なる複合管と、前記複合管を利用して冶金炉などへの効
果的な粉粒体吹き込みを可能ならしめる粉粒体吹き込み
ノズルに関するものである。

【０００２】

【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利用されている。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磨耗する。このため磨耗
部分の補修や配管等の取り替え頻度が高く、それらに費
やす労力，時間および費用は莫大である。

【０００３】近年これらの問題を解決するため、耐磨耗
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衝撃力
に弱く、かつ加工性に乏しい欠点を有している。

【０００４】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。

【０００５】図９〜１１は従来一般的に使用されている
複合管の例を示すもので、図９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
剤で貼り付けて構成された複合管である。

【０００６】この複合管では金属管１１の内径が小さく
なるとセラミックス小片１２の貼り付けが困難なこと
と、接着剤の耐熱温度は一般に低く、このため使用温度
が高くなると接着力が低下して、セラミックス小片１２
が脱落する問題があった。

【０００７】図１０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であり、
金属管１１とセラミックス管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が採用されることが
多い。

【０００８】また、最近では、例えば特開昭６３―４３
０８９号公報にみられるように、金属管１１として２方
向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の径が小さくなってセラミックス管１２
ａに密着し、非使用温度域では逆に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も開示されてい
る。

【０００９】しかしながらこのような複合管において
も、セラミックスの真円度が不良の場合、その程度が軽
度でも金属管１１から受けるセラミックス管１２ａの負
荷が円周方向で不均一となり、セラミックス管１２ａが
破壊することがあった。

【００１０】特に、熱衝撃を受ける使用環境では破壊が
頻発していた。このため、セラミックス管の真円度を確
保するため、セラミックス管を焼き放し状態では、寸法
精度が良好であっても使用できず、多くの場合、高精度
加工を必要とするが、このセラミックスの加工は高価で
あり、省略したい工程である。

【００１１】更に二方向性形状記憶合金を用いる手段で
も、セラミックス管の破壊の問題は前記焼嵌めの手段と
同様であり、やはりセラミックスの真円度を必要とし、
多くの場合、高精度加工が必要である。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】前述した従来の複合管
における問題点の抜本的な解決を図る手段として本発明
者等は、図１１に示すように金属管として１方向性形状
記憶合金を用い、該金属管１１とセラミックス管１２ａ
の間に軟質材からなる緩衝層１３を介装して、形状記憶
合金の形状記憶効果により固着する技術を発明し、特願
平１―２７１５１１として先に出願した。

【００１３】この図１１に示す複合管では金属管１１と
セラミックス管１２ａの間に介装される緩衝層１３とし
ての軟質材の効果で、セラミックス管の真円度が十分で
はなくても金属管から受けるセラミックス管の円周方向
の負荷は一様になり、従って、焼き放し状態のセラミッ
クス管の高精度の加工は不要となる。

【００１４】また、緩衝層は熱衝撃発生時の金属管から
の衝撃を緩和することができ、緩衝層を持たない前記図
１０の手段にくらべて、高温で熱衝撃の大きい環境にも
使用可能であるなどの優れた効果が確認された。

【００１５】しかしながらこの複合管においても例えば
操業条件が何らかの理由で大きく変動し、温度が異常に
上昇した場合にセラミックス管１２ａが粉粒体の輸送力
によって抜け落ちと言う問題のあることが判った。

【００１６】これは、形状記憶合金とセラミックスの熱
膨張係数差によるもので、一般的に形状記憶合金の線膨
張係数はセラミックスより大きいため、形状記憶効果に
よって両者を固着した温度より、使用環境温度を高めて
いくに従い、固着力は弱まり、ついには固着力が消滅し
てしまうものと判断される。

【００１７】係る問題を解決するために例えば図１２に
示すように金属管１１の端部に抜け落ち防止用の金具１
４を溶接固定１５するなどの機械構造的な抜け落ち防止
方策を講ずる手段も考えられる。

【００１８】しかしながらかかる抜け落ち防止機構を設
けても金属管１１とセラミックス管１２ａとの固着力が
低下すると粉粒体の高速移動に共振してセラミックス管
が振動し、金属管と高速で接触し、チッピングを起こす
問題がある。

【００１９】従って、通常の使用限界温度は固着力が消
滅しない温度条件ということになるが、操業に異常を来
した場合に上述の問題が発生することになる。

【００２０】セラミックスの抜け落ちや、抜け落ちが防
止できる構造の場合のセラミックスの共振によるチッピ
ングなどを起こした場合、複合管の作り替え，補修，交
換は操業休止を要することが多く、多大の時間，労力，
費用を要する。セラミックスおよび形状記憶合金はとも
に素材費，加工費とも高価である。

【００２１】本発明は前記図１１に示す複合管の更なる
改良を図り、使用環境温度が異常に上昇し、金属管とセ
ラミックス管の緩衝層を介しての固着力が消滅した場合
にも、セラミックスの抜け落ちや共振によるセラミック
スのチッピングが防止できる金属とセラミックスの複合
管の提供と前記複合管の特性をさらに有効に利用した粉
粒体吹き込みノズルの提供を課題とするものである。

【００２２】

【課題を解決するための手段】前記問題を解決する本発
明は、一方向性形状記憶合金からなる金属管の内側に、
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す
る金属とセラミックスの複合管において、前記金属管の
内周およびセラミックス管の外周に、円周方向もしくは
螺旋状の凹溝を設け、前記緩衝層を前記凹溝内に充満さ
せたことを特徴とする金属とセラミックスの複合管を提
供し、さらに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き込
みノズルにおいて、前記内管が、内周に円周方向もしく
は螺旋状の凹溝を穿設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、外周に円
周方向もしくは螺旋状の凹溝を穿設したセラミックス管
を挿入し、前記緩衝層を前記凹溝に充満させた前記複合
管であることを特徴とする粉粒体吹き込みノズルを提供
する。

【００２３】

【作用】図１は本発明に基づく複合管の一実施例を、図
２は図１のＡの部分を拡大して示したものである。この
図１および図２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、および金属管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。

【００２４】セラミックス管３および緩衝層４は長さ方
向に分割された短尺のものを用いてもよい。

【００２５】この金属管１の内周には一条以上の円周方
向あるいは螺旋状の溝５が穿設されており、一方セラミ
ックス管の外周にも、一条以上の円周方向あるいは螺旋
状の溝が穿設されている。

【００２６】緩衝層４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
ックス管外周に所定厚みになるよう巻き付けて緩衝層４
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
衝層を形成することでもよい。

【００２７】一方向性形状記憶合金からなる金属管２
は、加熱することによってその径が縮小するように形状
記憶処理が施されている。

【００２８】而してこの金属管の内側に、前述した緩衝
層４を介装してセラミックス管を挿入したあと、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
が縮径し、その形状回復力で緩衝層４を介して、セラミ
ックス管締め付け、固着する。

【００２９】この際、緩衝層４は金属管２の形状回復力
により、該金属管２とセラミックス管３に強く板厚方向
に圧縮力を受けて変形し、金属管２に穿設された溝５お
よびセラミックス管３に穿設された溝６に充満し、山形
状の突起４ａ，４ｂを形成する。

【００３０】本発明によれば、先に述べた使用限界温度
以上に温度が上昇し、セラミックスと形状記憶合金の線
膨張係数差により金属管２のセラミックス管３を固着す
る力が減少した場合においても、金属管２と緩衝層４は
金属管２に穿設された溝５と緩衝層４に生じた突起４ａ
により固定され、またセラミックス管３と緩衝層４はセ
ラミックス管３に穿設された溝６および緩衝層に生じた
突起４ｂにより固定され、この結果、金属管２とセラミ
ックス管３は緩衝層４を介して固定される。

【００３１】この固定は緩衝層４の線膨張係数が金属管
２，セラミックス管３のそれと差があるため、長さ方向
にも固定する力が発生する。

【００３２】このため、セラミックス管の抜け落ちが防
止されるだけでなく、振動も防止でき、セラミックスの
チッピングによる損傷の著しい軽減あるいは防止が図れ
る。

【００３３】以上のように、本発明によれば、使用時温
度に異常をきたした場合、従来問題とされていた複合管
の損傷を軽減あるいは防止ができ、この結果、操業停止
や、複合管の補修あるいは更新などの頻度を低くでき、
設備稼働率の向上や、コスト削減に多大の効果が得られ
る。

【００３４】金属管２の内周およびセラミックス管３の
外周に穿設する凹溝の形状は矩形，円弧状等任意でよ
い。凹溝を複数条穿設する場合の凹溝の間隔は金属管内
周に関しては内径の１０倍以下，セラミックス管外周に
関してはセラミックス管外径の１０倍以下、また、凹溝
の幅は凹溝の幅×本数が複合管長さの２％以上，かつ凹
溝の深さが金属管内径の０．２％以上あれば大きな固着
力が得られる。

【００３５】ただし、金属管の長さに対して、短尺のセ
ラミックス管を複数用いる場合のセラミックス管外面の
凹溝の本数は各セラミックス管について２本以上とする
のが望ましい。

【００３６】異常高温になった時に金属管のセラミック
スを固着する力が消滅しても金属管２と緩衝層４の隙間
とセラミックス管３と緩衝層４の隙間は極く小さいもの
であるから、緩衝層４に生じる突起４ａおよび４ｂは金
属管２の内径の０．１％以上の高さがあれば大きな固着
力が得られる。前記凹溝の深さは該突起高さが得られる
値を設定すればよい。

【００３７】緩衝層４の形態については、高精度の加工
が可能で、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る予め筒状に形成されたもの
や、図３〜６に示すようにスリット７ａ〜７ｄを穿設し
た予め筒状態に形成されたものが適切である。

【００３８】スリットの作用として、前記図１の金属管
２の形状回復による内径の縮小に対して、緩衝層４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
よくセラミックス管３に伝達できることが知られてい
る。

【００３９】また、緩衝層の別の形態として、帯状，紐
状あるいは糸状の銅や鉛あるいはプラスチック，超塑性
材料等の軟質材を予め所定厚みになるように、セラミッ
クス管外面に巻き付けてもよい。

【００４０】図７は前述した構成の複合管を粉体吹き込
みノズル（以下単にノズルと言う）に適用した一例を示
す断面図であり、図８は前記図７のＡ―Ａ断面図であ
る。

【００４１】本例は、精錬容器内へ炭素質粉末および精
錬ガスを吹き込むためのノズル１００に関するもので、
前記炭素質粉末をキャリア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１０２ａ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。

【００４２】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。

【００４３】ここで、一方向性形状記憶合金からなる金
属管２の内面およびセラミックス管３の内面には一条以
上の円周方向のあるいは螺旋条の溝が穿設されている。

【００４４】金属管２の外側には、間隔保持材１０２ｂ
を介して中管１０２が装着され、この金属管２と中管１
０２とで流路１０２ａを形成している。中管１０２の外
周には適宜間隔で凹溝が設けられ、前記外管１０３との
間で流路１０３ａを形成している。

【００４５】以上のように構成されたノズル１００で
は、高熱条件で、激しい摩擦作用の生じる内管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が、従来のノズルでは、操業条件
が異常に高温になったとき内管１０１の金属管２のセラ
ミックス管３を固着する力が消滅し、セラミックス管３
の中を流動する粉粒体の摩擦力により、セラミックス管
が抜けてしまう問題が解決された。

【００４６】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
造コストの低廉なノズルを得ることができた。

【００４７】

【実施例】前記図１に示す構造の複合管を本発明に基づ
いて製造し、その性能を比較した。比較例は前述した図
１１に示す手段で製造された複合管で、一方向性形状記
憶合金からなる金属管の内側に、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ものである。

【００４８】表１にその製造条件と性能比較を示す。表
１から明らかなように、使用中に異常に高温の状況が生
じても、本願発明による手段により製作した複合管は、
従来手段で製作下複合管で問題となったセラミックス管
の抜け落ちやチッピングの問題が解消された。

【００４９】

【表１】

【００５０】

【発明の効果】一方向性形状記憶合金からなる金属管の
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
を固着する金属とセラミックスの複合管において、前記
金属管の内周およびセラミックス管の外周に、円周方向
もしくは螺旋状の凹溝を設け、前記緩衝層を前記凹溝内
に充満させたことを特徴とする金属とセラミックスの複
合管の提供により、該溝を穿設しない従来の複合管にお
いて、固着力が消滅するほどの異常高温に曝された時に
生じるセラミックスの抜け落ちやセラミックスの振動に
よるチッピングの問題が解決された。これにより、複合
管の補修・新規作成の頻度減少，稼働率向上が達成でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の金属とセラミックスの複合管を示す部
分断面斜視図。

【図２】図１の部分拡大図。

【図３】筒状に構成された緩衝層に穿設されたスリット
の実施例。

【図４】筒状に構成された緩衝層に穿設されたスリット
の実施例。

【図５】筒状に構成された緩衝層に穿設されたスリット
の実施例。

【図６】筒状に構成された緩衝層に穿設されたスリット
の実施例。

【図７】本発明に基づく粉粒体吹き込みノズルの一実施
例を示す断面構造図。

【図８】前記図７のＡ―Ａ断面図。

【図９】従来一般的に使用されている複合管の異例を示
す部分断面斜視図。

【図１０】従来一般的に使用されている複合管の異例を
示す部分断面斜視図。

【図１１】従来一般的に使用されている複合管の異例を
示す部分断面斜視図。

【図１２】金属管の端部に抜け落ち防止機構を設けた一
例を示す断面構造図。

【符号の説明】

１ 複合管 ２ 金属管 ３ セラミックス管 ４ 緩衝層 ４ａ 突起 ４ｂ 突起 ５ 溝 ６ 溝 ７ａ スリット ７ｂ スリット ７ｃ スリット ７ｄ スリット １１ 金属管 １２ セラミックス小片 １２ａ セラミックス管 １３ 緩衝層 １４ 金具 １００ 粉粒体吹き込みノズル １０１ 内管 １０２ 中管 １０３ 外管

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一方向性形状記憶合金からなる金属管の
   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
   を固着する金属とセラミックスの複合管において、前記
   金属管の内周およびセラミックス管の外周に、円周方向
   もしくは螺旋状の凹溝を設け、前記緩衝層を前記凹溝内
   に充満させたことを特徴とする金属とセラミックスの複
   合管。
2. 【請求項２】 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き込
   みノズルにおいて、前記内管が、内周に円周方向もしく
   は螺旋状の凹溝を穿設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、外周に円
   周方向もしくは螺旋状の凹溝を穿設したセラミックス管
   を挿入し、前記緩衝層を前記凹溝に充満させた第一項記
   載の複合管であることを特徴とする粉粒体吹き込みノズ
   ル。