JPH0941032A - 加熱炉用スキッドライダー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は加熱炉におけるスキッドライダーの
性能を改善することにより寿命を延長させることを目的
とするものである。 【解決手段】 本発明のスキッドライダーは母材Ｃｒに
０．０５体積％以上０．５体積％以下の酸化物を分散し
た焼結材またはＣｒ焼結材に対し塑性加工を施した素材
によりスキッドライダーの高さ方向の平均結晶粒径を連
続的に変化させ、ライダー下部において６０μｍ以下、
上部が６０μｍを超える平均結晶粒径を有する組織で構
成される加熱炉スキッドライダー。 【効果】 本発明材は優れたクリープ変形抵抗性、耐高
温腐食性および耐衝撃性を有するため耐用寿命を従来品
より長くすることができるとともに、加熱炉内の輻射熱
をむらなく被加熱体に供給できることからスキッドマー
クの低減が図れ熱間圧延コイルの品質向上が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱間圧延用または
鋼材熱処理用等の加熱炉における被加熱体支持部材であ
るスキッドライダーに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に加熱炉内でスラブ等被加熱体を保
持するための被加熱体支持部材はスキッドパイプと呼ば
れる冷却管上に配置され、さらに周囲を耐熱キャスタブ
ルで覆われた構造となっているため、被加熱体支持部材
のうちの上部は加熱炉操業温度近傍の高温に曝され、冷
却管上のライダー下部は数十度から数百度程度の低温と
なり、一つの部材において高さ方向に大きな温度分布を
有している。このような過酷な使用環境下において、安
定した炉の操業を行うため、加熱炉用支持部材はその上
部において高温での圧縮クリープ変形抵抗性、耐高温腐
食（酸化・炭化）性等の耐熱特性が要求されるととも
に、下部においては使用中の割損を生じないための耐衝
撃性等の機械的特性が要求される。

【０００３】これらの機能要求に対して、主にＳＣＨ１
２耐熱合金やＣｏ耐熱合金等のオーステナイト系耐熱鋳
造材が使用されてきたが、１１５０℃以上の高温操業の
中では従来の耐熱鋳造合金ではクリープ変形による大き
な頭部へたりを起こしてしまう。このため加熱炉支持部
材高さが低下し、被加熱体と加熱炉支持部材との接触面
温度を低下させることによりスキッドマークと呼ばれる
低温スポットができ、被加熱材の均一加熱を困難なもの
にしている。

【０００４】近年、かかる問題を解決するため金属Ｃｒ
中にＦｅ，Ｍｏ等を添加したフェライト系のＣｒ合金を
加熱炉における被加熱体支持部材として適用する研究が
なされている（たとえば、特開平３−４７９１２号公
報）。これら合金は耐熱材料としての優れた高温圧縮ク
リープ特性、腐食特性を発現するため鋳造法あるいは焼
結材の高温熱処理により素材結晶粒を粗大化した製法を
一般的に使用しているが、フェライト系材料の結晶粒径
の粗大化は一方において耐衝撃性等の機械的特性を低下
させ、現状によっては使用中に部材下部において割損を
おこし、被加熱材の表面に疵をつける場合がある。従っ
て、高温雰囲気で使用される被加熱体支持部材の耐熱特
性を一層向上し、低温部での耐割損性を向上させること
は工業的に極めて重大な意義を有する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、前述した従
来の加熱炉用被加熱体支持部材の有する問題点、即ちオ
ーステナイト系材料であるＦｅ耐熱合金、Ｃｏ耐熱合金
製のスキッドライダーの欠点である高温圧縮クリープ変
形とフェライト系材料であるＣｒ合金でみられる、被加
熱体が与える衝撃荷重に起因するライダー下部の低温域
でみられる割損等の問題点を一挙に解決しようとするも
のである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、加熱炉用被加
熱体支持部材における前述の問題を解決するためフェラ
イト系材料の高温耐熱特性と衝撃値をはじめとする機械
的特性を向上させるための素材成分および製造方法を見
いだしたものである。即ち、金属Ｃｒ中に酸化物が０．
０５体積％以上、０．５体積％以下となるよう均一混合
した粉末、または金属Ｃｒ粉末の焼結体に熱間加工を加
えた平均粒径が６０μｍ以下の素材を、操業温度が１１
５０℃以上の加熱炉で使用することにより、スキッドラ
イダー上部を平均結晶粒径６０μｍを超える素材とし、
ライダー下部は平均結晶粒径６０μｍ以下のままとする
ことを特徴とする加熱炉におけるスキッドライダーを要
旨とするものである。

【０００７】本発明の焼結材料は９９％純度以上、粉末
粒径２５０μｍ以下のＣｒ粉末と粉末粒径５μｍ以下の
金属酸化物、好ましくはＹ₂ Ｏ₃ ，Ｌａ₂ Ｏ₃ 等の希土
類酸化物粉末からなる混合粉末、またはＣｒ粉末単体を
原料粉末とする。製造方法は加圧成形及び常圧焼結法、
好ましくは熱間等方圧加圧装置（ＨＩＰ）を用いて金属
容器中に真空封入した粉末を加圧焼結したのち、この焼
結素材に圧延、鍛造または押出し成形等の熱間塑性加工
を加えることにより素材に大きなひずみエネルギーを与
えたものを製品素材とするものである。あるいは、真空
封入された粉末を直接熱間押出し、引抜きすることによ
っても製造することができる。

【０００８】Ｃｒは難焼結材であるため、ＨＩＰ焼結法
を用いる場合には１３００℃〜１４５０℃の超高温下で
１００〜２００ＭＰａの圧力のもと２時間〜５時間保持
して焼結でき、圧延または鍛造は塑性変形が十分可能な
８００℃以上において３０％以上の塑性変形を与える。
この素材を用いることにより加熱炉操業時にライダー上
部が優れた耐クリープ特性を有する粗大結晶粒組織、下
部が機械的特性に優れる微細結晶粒組織を有するスキッ
ドライダーを供給できる。この時、３０％以下の塑性変
形では加工エネルギーが不十分なためスキッドライダー
上部の再結晶による結晶粒の粗大化が十分達成できな
い。

【０００９】

【作用】本発明において金属Ｃｒを母材金属としたのは
元来Ｃｒが有する高温での優れた耐酸化性、圧縮クリー
プ変形抵抗性に着目したとともに、他金属と合金化した
場合しばしばみられるσ相等の脆性金属間化合物の生成
を避けるためである。また、純度を９９％以上としたの
はＣｒ中の不純物が増加することによりＣｒそのものが
脆化することを防止するためである。さらに、２５０μ
ｍ以下の粉末を使用したのは難焼結材であるＣｒの焼結
性を考慮するとともに、本発明の特徴の一つである熱間
塑性加工を容易ならしめるためである。

【００１０】一方、添加材として酸化物を選定したのは
加熱炉操業温度である１１５０℃以上の高温においても
金属Ｃｒあるいは被加熱体である鋼材と反応することな
く、それ自体熱力学的に非常に安定であり、かつ結晶粒
内に均一に分散した場合、金属Ｃｒ結晶粒界面でのすべ
りを起こり難くし、結果としてクリープ抵抗性が向上す
るためである。さらに、これらの酸化物は高温環境下で
生成された表面腐食層と素材の界面に凝集し、表面腐食
層と生地をつなぐ楔の役割をはたすことにより表層剥離
を抑制し、高温腐食による損傷を軽微ならしめるためで
ある。酸化物粉末の粒径を５μｍ以下と限定したのは酸
化物粉末の割損・脱落を防止し、熱間塑性加工により再
結晶粗大化をするために障害とならない粉末粒径を考慮
したことによる。

【００１１】また、本発明の焼結材料に占める酸化物添
加量の上限は、粉末粒界における酸化物凝集により塑性
加工が困難にならず、１１５０℃以上の操業温度でも再
結晶粗大化が可能である０．５体積％以下とした。ま
た、下限は酸化物分散効果が得られる０．０５体積％以
上とした。これらの機能は高温で安定な金属酸化物であ
れば効果がみられるが、特に希土類酸化物において顕著
な効果をもたらす。一方、酸化物を添加しない場合は分
散効果がないため若干クリープ特性は劣るがコスト的に
有利であるとともに結晶粒粗大化傾向が大きくなること
により従来技術以上の性能を確保できる。

【００１２】本発明者らはこれらＣｒ粉末と酸化物との
混合粉末またはＣｒ粉末のみを焼結した素材、さらには
熱間塑性加工した素材の再結晶特性、耐熱特性、機械的
特性を詳細に検討した結果、スキッドライダーの上部と
下部での結晶粒を変化させる制御を容易に可能ならしめ
る方法を見いだした。即ちこれらＣｒ粉末と酸化物との
混合粉末またはＣｒ粉末を焼結し、熱間塑性加工しただ
けでは結晶粒の粗大化は起こらないが、本素材を１１５
０℃以上の高温に数時間保持することにより、塑性加工
によるひずみエネルギーが駆動力となり、素材の再結晶
化が急速に進むことを見いだした。

【００１３】一方、加熱炉の操業は通常数時間から十数
時間かけて操業温度まで昇温する方法がとられているた
め、本素材により製作されたスキッドライダーを取り付
けておくことにより１１５０℃以上の操業温度に達した
後、キャスタブル上に露出しているスキッドライダー上
部は容易に再結晶化される。即ち、上部は再結晶粗大化
により結晶粒界面積が減少し、クリープ性、酸化性が向
上するとともに、微細酸化物を添加した場合これらが結
晶粒内に多数分布することにより素材変形抵抗をたか
め、優れた圧縮クリープ抵抗性を得る。さらに酸化物、
特に希土類酸化物は表層酸化膜下で生地との間に楔効果
をもたらし表層剥離を抑制し、高温腐食による表面損傷
を軽微ならしめる。割損の危険性が最も高いライダー下
部の低温部では結晶粒径の粗大化はおこらず、結晶粒径
が小さいまま維持されるため優れた機械的特性が得ら
れ、衝撃による割損抵抗は大きく改善されるものであ
る。

【００１４】

【実施例】本発明の加熱炉用被加熱体支持部材の製造及
び材料特性について実施例により説明する。 （１）素材の製造 表１に示すように９９％純度以上、粉末粒径２５０μｍ
以下のＣｒ粉末および酸化物として粉末粒径５μｍ以下
のＹ₂ Ｏ₃ 粉末を使用した。酸化物分散材については事
前に十分混合した後、Ｃｒ単体粉については原料粉末を
それぞれ軟鋼製容器に真空封入してＨＩＰ処理を施すこ
とにより焼結材とした。ＨＩＰ処理は高融点材料である
Ｃｒおよび酸化物が十分焼結するよう１４００℃×１５
０ＭＰａ×２時間なる条件で実施した。また、熱間塑性
加工は８００℃〜１２００℃の温度範囲で鍛造により実
施し平均結晶粒径５８μｍの素材を製作した。このとき
の鍛造による塑性加工率は３３％とした。

【００１５】

【表１】

【００１６】（２）素材の再結晶特性 図１は２時間保定での熱処理温度と結晶粒径との関係を
示す図である。この図１に示す様に本発明成分における
熱間塑性加工後の素材は１１５０℃以上の温度で数時間
の保持により再結晶粗大化が起こり、１１５０℃以上の
温度で操業している加熱炉においてライダー上部が十分
再結晶されることを示したものである。図２に１６０ｍ
ｍ高さのスキッドライダーを加熱炉で使用した場合のラ
イダー高さ方向の温度分布についての有限要素法解析結
果を示すが、ライダー下部温度は２００℃から６００℃
となり、上部温度は高さ１２０ｍｍ以上で１１５０℃を
越えるものである。従って、スキッドパイプ上のスキッ
ドライダーは図３に示すように同一素材のなかで高さ方
向での異なった結晶粒を有するもとなる。すなわち、図
３はスキッドライダー断面の組織変化を示す図であり、
ライダー上部は結晶粒粗大部分、ライダー下部は結晶粒
微細部分を示している。符号１はＣｒ系スキッドライダ
ー、２はライダーホルダー、３は冷却管、４はキャスタ
ブルである。

【００１７】（３）素材の材料特性 高さ方向において結晶粒径が異なることは同一素材にお
いて異なる特性を有することを意味する。即ち、高さ方
向において表１及び表２に示すような異なる材料特性を
有したスキッドライダーを供給できる。本発明である塑
性加工を加えた表２に示す素材（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．３）
は１１５０℃以上の熱履歴を加えることにより結晶粒径
が６０μｍを越える大きさに成長し、圧縮クリープ特性
は従来材に比べ大幅に改善される（試料位置／上部
材）。一方、熱履歴温度が１１５０℃以下の場合（試料
位置／下部材）は圧縮クリープ特性はあまり改善されな
いが、４００℃での機械的特性に優れ、割損に対する抵
抗性は大きく向上する。また、少量の酸化物を加えるこ
とは圧縮クリープ特性、高温腐食特性が改善される。

【００１８】一方、比較材（Ｎｏ．４）に示すように、
塑性加工を加えていない素材を１１５０℃以上の高温に
加熱しても結晶粒の粗大化はおこらない。また、従来材
のように母材をＣｒ−Ｆｅとした場合は塑性加工による
結晶粒制御が困難であるばかりでなく、合金化作用等に
より著しい硬度上昇が起こるとともに機械的特性が低下
することから割損に対する危険性が増大し、切削性が低
下する（Ｎｏ．５）。また、Ｃｏ鋳造合金の場合、機械
的特性は優れているが、圧縮クリープ変形抵抗性が不十
分であり、使用中に容易に頭部へたりをおこす（Ｎｏ．
６）。

【００１９】

【表２】

【００２０】

【発明の効果】以上述べたように、本発明の焼結材料は
１１５０℃以上の高温雰囲気において優れた圧縮クリー
プ特性、耐高温腐食性及び耐衝撃割損性を有するため加
熱炉内において背丈の高いスキッドライダーを長期間保
持することが可能となった。このことにより耐用寿命を
従来品より長くすることができると共に、加熱炉内の輻
射熱をむらなく被加熱体に供給できることからスキッド
マークの低減が図れ熱間圧延コイルの品質向上が得られ
る。さらに熱間塑性加工により最終製品に近い形状に成
形できることから素材歩留りを向上できるとともに、低
硬度材であることから切削性が良好であり、任意形状の
スキッドライダーを低価格で供給できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】２時間保定での熱処理温度と結晶粒径との関係
を示す図、

【図２】スキッドライダー高さ方向の温度分布変化を示
す図、

【図３】スキッドライダー断面の組織変化を示す図であ
る。

【符号の説明】

１ Ｃｒ系スキッドライダー ２ ライダーホルダー ３ 冷却管 ４ キャスタブル

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 冷却管の外部に配設されたライダーホル
   ダーに装着され、下部周囲を耐熱キャスタブルで覆われ
   た加熱炉用スキッドライダーであって、０．０５体積％
   以上５体積％以下の金属酸化物を有し残部が純度９９％
   以上の金属クロムと不可避不純物からなる焼結体に、熱
   間塑性加工を加えることにより、前記耐熱キャスタブル
   で覆われた部分の平均結晶粒径を６０μｍ以下、それ以
   外の部分を６０μｍ以上とした組織で構成されることを
   特徴とする加熱炉用スキッドライダー。