JPS5920411A - 複合セラミツク羽口 - 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】 本発明は、セラミックスからなる羽目、さらに詳しくは
、水冷することをしない複合セラミックス羽口に関する
ものである。

高炉羽目は、高炉内に熱風を吹込むものであシ、内面は
、高圧かつ高温の流体、外面は高炉からぶつかかる溶銑
や鉱滓による侵蝕、コークスによる摩耗等にさらされる
ので、これらに耐えるものでなければならない。

このため、従来の羽口の多くは、内面を水冷で保護でき
る金属製の本体に、外周面にセラミックスコーティング
を施こして保護しているものが使用されておシ、さらに
、これらに加えて内周面にもセラミックライニング、又
は、セラミックリングを施こしたものも広く使用されて
いる。

このようなセラミックスで保護した羽目は、それな夛に
、大きな利点をもたらしている。特に内面側のセラミッ
クスリング及びライニングは、水冷による大量の熱損損
失、即ち熱効率の低下を著しく緩和することに寄与して
いる。

しかしながら、水冷装置を必要とする以上、これにも限
度があシ、無冷却羽目の実用化が望まれてきている。

さらに、水冷を必要とする羽口のもう一つの大きな問題
点は、羽目の溶損にょシ冷却水が高炉内に侵入し、炉状
況を悪化させる事および、それによる突発休風による炉
況不安定化と、減産を余儀なくされることである。

この丸めには、冷却手段を必要とする金属肩口にかえて
、耐熱性の大きいセラミックス羽目が考えられ、そのよ
うな検討も近年なされてきているが、いまだ十分なもの
が見い出されていないのが実状である。

本発明は、このような点に鑑み、セラミックス羽目の実
用化をもたらすべく、種々研究された結果として見い出
されたものであシ、内外側部を異なるセラミック材とし
て複合化して構成したものでｔｂシ、望ましくは、外側
部材質を、非酸化物系セラミック、内側部材質を、酸化
物系セラミックとし、かつ、これらの接合面に、耐熱フ
ァイバーからなる緩衝層を設けてなることを特徴とした
複合セラミック羽口全提供するものである。

このような本発明による複合セラミック羽目は、高炉用
羽目として開発されたもので、高炉用として最適なもの
であり、以下、高炉用の羽目として説明するが、使用態
様の選択によっては他の炉用羽口として使用することも
可能である０ 図面による詳細説明は次の通シである。

１ｇ１図は、従来の高炉羽目の典型的な実施例を示すも
ので、銅合金で製造された羽目（１）の内部（２）は、
水冷されており、特に冷却強化の目的で先端部（２つを
、高流速冷却できる構造となっているものも多い。さら
に先端部外周は耐摩耗鋼による肉盛シ部（３）を行って
損耗防止をはかっておシ、図示はしないが前述したよう
に、送風側内面に、セラミックからなる断熱ライニング
をすることもある。

第２図は、本発明高炉羽口の典型的な実施例を示すもの
で、本発明による複合セラミック羽目（１１）は、非酸
化物系セラミックからなる外側部（１２）と、酸化物系
セラミックからなる内側部（１３〕および、両者の接合
面に設けた緩衝層（１４）からなる構造のものである。

本発明の望ましい実施態様は、このように構成されてお
シ、非酸化物系セラミックからなる外側部は、操業中に
さらされる還元雰囲気にも十分耐用し、酸化物系セラミ
ックからなる内側部は、操業中にさらされる酸化雰囲気
にも十分耐用し、さらに両者の接合面には、緩衝層が介
在しているので、セラミック間に熱膨張率の差異があっ
ても、その互いの変位全十分吸収しうるものであって、
苛酷な高炉の操業に十伏なる耐久性を有しているととも
に、従来の羽口に用いて来た冷却水が不用となシ、羽口
溶損による高炉内への浸水の問題が皆無とネるため、炉
況安定への寄与が多大となるばかりか、羽目での冷却も
皆無となるため、省エネルギー効果は極めて大きなもの
とすることができるのである。

また、この第２図に示す態様のものは、非酸化物系セラ
ミックからなる外側部Ｃｌ２）　ｋ、酸化物系セラミッ
クからなる内側部（１３）の炉内側ムに面する端面にま
で屈曲延伸せしめて、該端面を包被（１５）　している
例であシ、このようにしておくことによシ、還元雰囲気
にさらされている炉内側に位置することになる内側部セ
ラミック部分も保護しうろことになシ、さらに望ましい
態様といえる。

第３図は、本発明の一つの実施例を示すもので、非酸化
物系の外側部（１２）は、羽口全長がらすれば、部分的
に位置せしめたものである。このような実施態様のもの
は、複合羽口として、使用するには、羽口全体が２層構
造となっている第２図に示す実施態様のものに比べて、
両者間の結合程度が十分でないので、第３図に示す如く
外側部が少くとも、炉壁（１６）或はそれに相幽する部
分に支持される程度にまで延びた長さを有していなけれ
ばならない。また、このようになっていないと、酸化物
系セラミック部分が炉内の還元雰囲気にさらされること
になシ、著しく損耗されることＫなりがねない。

第４図は、本発明の−りの実施態様であ夛、複合セラミ
ック羽口として極めて単純な形状からなるものであり、
第２図に示すものに比べて、内側部セラミック（１３）
の炉内側端面にまで外側部セラミック（１３）が包被し
てぃないが、その使用は十分可能である。何故ならば、
内側部セラミックの炉内側端面は、炉内の還元雰囲気に
さらされ損耗され易いが、部分的に損耗されても、少し
内側即ち羽口の送風路Ｂに至る部分は、酸化性であるた
め、それ以降の損耗は進行しないからである。

これらの実施態様に示す如く、本発明セラミック羽口と
しては、炉内側でかつ外側部管束くとも部分的に、非酸
化物系のセラミックで形成し、残シの部分を酸化物系セ
ラミックで形成せしめた少くとも、セラミックの２層構
造からなるものであれば、有効であることが見い出され
たＯ また、これらの構造において、各々のセラミック部分の
厚みについては、使用に際しての条件や、セラミックの
物性、羽口としての大きさ、形状等にもよるが、一般的
には、その主要部である長手部分の肉厚として、外側部
を厚くしておくのがよく、それぞれ、大体次の程度が有
利である。（％に好ましい範囲） 外側部（ｄｌ）　　　　２０　Ｎ１００ｍ＋＋＋　（３
０〜５０ｍ）内側部（ｄａ）　　　　１０〜６０Ｍ（２
０〜４０ｍ＋＋）なお、図面で（１７）　ｔｊ、、セラ
ミック羽目の炉外側Ｃに従来の羽目と同様に一般的には
、形成されることが多いブローパイプ取付は用の拡経部
分である。又、図示はしていないが、本発明の一つの実
施態様としては、内外側部が異なる材質、即ち、外側部
材質を、非酸化物系セラミック、内側部材質を酸化物系
セラミックとしたもので、両者の接合面に緩衝層を設け
ないものも可能である。しかしながら、このような場合
には、後述するように、内外側部の卆ラミックの材質の
選択がよシ厳しく制限されることになるとともに、使用
に際しての操業条件による制限も多くなることは否めな
い。

つぎに、本発明を構成する内側及び外側部のセラミック
、ならびに耐熱緩衝層について、それぞれ説明する。

ｔ　ｔ”、外側部セラミック？形成する材質は、非酸化
物系のセラミックを用いることであり、これらは金属炭
化物、金属窒化物、金属硼化物および、これらの複合物
から選択することが、よく、さらに具体的に例示すれば
、ＥｌｉＣ（炭化硅素）　、　　ＺｒＣ（炭化ジルコニ
ウム）　、　ＴｉＣ（炭化チタン）＋　ＷＣ（炭化タン
グステン）、Ｂ４Ｃ（炭化硼素）、Ｂｅ２ｅ（炭化ベリ
リウム）、ＺｒＮ　（窒化ジルコニウム）、ＢＮ（窒化
硼素）　、　Ｔ′３−Ｎ（窒化チタン）　＋　ｚｒＢ２
　（硼化ジルコニウム）　、　ＴｉＢ２（硼化チクン）
、サイアロン（日１．Ａｌ−０−Ｎ系各種固溶体および
、化合物例えば、β′サイアロン）が使用しうる。

また、内側部セラミックを形成する拐質は、酸化物系の
セラミックを用いることであり、これらを具体的に例示
すれば、ＺｒＯ，（ジルコニア〕。

Ａｌ、０３（アルミナ）　、　３Ａ１２０３・２Ｓｉ、
Ｏ，（ムライ）−）　、　ＡＩ、Ｏｌ、ＴｉＯ，（アル
ミニウム・チタネート）。

２Ｍｇ０．２ＡＩ、０３・５ＳｉＯ２（コージェライト
）ＩＺｒＯ，・Ｓｉｎ、　（ジルコン）が有利に使用し
得る。

本発明による複合セラミック羽口とするには、これらの
材質からなる原料を目的に応じて選択し、調合した原料
を、内外側部それぞれ別々に、所足形状に成形し、焼成
して得た中空体を予め製造しておき、これら全接合面に
緩衝層を介在せしめ、稀には介在せしめず、両者をそれ
ぞれ間接或は直接接合するように内側部となる酸化物系
セラミック体を外側部となる非酸化物系セラミック体に
嵌挿せしめることで製造することが望ましい。

これは、非酸化物系セラミック焼成と酸化物系セラミッ
クの焼成は、それぞれ還元性雰囲気下と酸化性雰囲気下
で行うのが好ましいため、別々に製造しておくことが有
利であることや、不活性雰囲気下での同時一体化焼成が
可能であっても、この方法は両羽質の選択、緩衝層との
関係、寸法精度などの面からの制限が種々あるなどのた
めである。

予め別々に成形、焼成して得た内外側部のセラミックの
接合は、それぞれ管寸法精度よくつくυうるしく必要表
ら部分的に研磨することも有効）接合面の一部又は全部
をテーパー面としておくこと、さらには、接合面に介在
せしめる緩衝層による調整も可能であシ、嵌挿方式によ
り容易に可能である。

なお、必要に応じて両者の接合面一に、セラミックペー
ストなどの接合材を介在せしめることもできるし、ａ！
、たけ、接合後抜けないよう表何らかの手段を付加する
こともできるが、多くの場合、このような付加的手段は
必要としない。

このような本発明で使用するに適した内外側部會、それ
ぞれ構成するセラミックの成形法としては、中空体であ
ることおよび形状としても異形部分を有することも多い
こと、さらには、緻密なものが望ましいことなどからし
て、鋳込み成形又はラバープレス（アイソスタチッグレ
ス）により行うことが望ましい。

焼成条件としては、非酸化物系のものについては、前述
した如く、雰囲気として還元性又は不活性が必要であシ
、温度は材質にもよるが、１７００℃以上であることが
、ｔた酸化物系のものについては、雰囲気として酸化性
又は不活性が必要であシ、温度はやはシ材質の選択にも
よるが、１３００℃以上であることが望ましい。

本発明で、このような内外側部にそれぞれ使用可能なセ
ラミック？、一つの複合体とする組合せについては、種
々の選択が可能であシ、特に緩衝層を接合面に設ける場
合については、大きな障害はないが、使用状況によって
の望ましい組合せは、特に有利である。即ち、緩衝層の
存在によシ内外側部の異種材質からなるセラミックの熱
膨張率の差異は多くの場合、どのような材質の組合わせ
でも、それらの変位を吸収しうるので、あまり問題は少
ないが、緩衝層を介在せしめないときには、両者のセラ
ミックの熱膨張率を使用温度範囲で熱歪が発生しない程
度の範囲内になるよう、同程度に選択もしくは調整して
おく必要がある。ただ、いずれにしても、高炉の操業条
件を考慮した場合の望ましい組合せの実施態様のいくつ
かは、次の通りである。

望ましい組合せ （１）　　　　　　（Ｉｔ）　　　　　　（社）非酸化
物　　炭−化硅素　　硼化ジルコニウム　炭化ジルコニ
ウムここで組合せ（１）ｔ；ｊ、、耐久性、製造の容易
さ。

コストなどの点で最良であり、組合せ（ＩＩ）及び回）
は、長期耐久性などの点で有利である。

また、本発明で使用されるこれらの焼結されたセラミッ
クの物性としての望ましい態様は次の通ｐである。

非酸化物　　　酸化物 見掛気孔率（チ）　　　５％以下　　　１０％以下圧縮
強度（峡傷常温）　　　１０．０００以上　　１．００
０以上曲げ強度（〜ａｔ　１２ＢＯｃ）　　１．　ＯＯ
０以上　　　１００以上軟化点（’Ｃ）　　　　　　還
元雰囲気１２＋ｏｏｏ℃以上　１．６００以上 なお、これらの物性のうち、よシ重要なのは熱膨張係数
と強度である。熱膨張係数は、羽目としての使用中に苛
酷な熱衝撃にさらされることが多いためであり、この条
件は内外側部とも、同様である。さらに、但膨張セラミ
ック同士の組合せであれば、緩衝層を特に接合面に設け
なくても、或は設けるとしても、その厚みや、使用態様
に特別な配慮もあえて必要としないことなどのためであ
る。

曲げ強度は、羽口としての使用中にやはり苛酷な機械的
応力を受けることがあシうるがらであシ、これらに十分
耐用しうるものは、耐圧・強度も十分なものである。

尚、前記に例示した異体的なセラミックの材質の多くは
、このような物性を十分満足し易いものであシ、このよ
うな物性を満足するものとして、製造することは、十分
可能である。

次に緩衝層について説明する。

本発明で使用するに適した緩衝層は、耐熱性があって、
セラミック間の熱膨張差にょ夛生ずる応力を吸収しうる
ことか必要であシ、無機質の繊維層、特ｅこ１２００℃
以上の融点をもつセラミックファイバーで形成されてい
ることが望ましい。

このようなセラミックファイバーとしては、アルミナフ
ァイバー、ジルコニア、ファイバー。

シリカファイバー、アルミナシリカファイバーなどの酸
化物ファイバーならびに、カーボンファイバー、炭化硅
素ファイバーなどの非酸化物ファイバーなどが適当であ
る。

ファイバーの中間層として介在せしめる形態としては、
長繊維状、短繊維状のいずれでもよいし、モノフイラメ
ジト状、ストランド状、コーピング状のいずれでもよい
し、また不織布状。

織布状のいずれでも差支えない。このように本発明のセ
ラミック羽口は、高炉の操業条件でさらされる還元雰囲
気および酸化雰囲気のいずれにも耐用しうるように濁質
を複合化し、かつ冷却水を不必要とすることに成功した
もので、前述した如く、種々の大きな利点をもたらすも
のであって、その工業的な価値は多大なものである。

本発明のセラミック羽目について、さらに詳しい実施例
を示す。

実施例 内側部に和尚する酸化物系セラミックスの製造例は、次
の通シである。

１、ジルコニア質セラミック （ａｏ　ｆ　３．２ｉ％（重量％、以下同じ）を含有す
る部分安定化ジルコニア１００部（４〜１６メツシユ５
０部、１６メツシユ通過２０部＋１５０メツシュ通過３
０部）に対して、酢酸ジルコニューム溶液１０部を加え
て、十分混合した坏土を所定形状に組んだ、聾に振動を
加え力から充填し成形した。

乾燥脱型後、最高温度１８００℃で８時間焼成゛シ、略
第２図（１３）に示すような形状で次に例示するような
性質をもつ、中空管が得られた。

主要部の略寸法 内　　経　　　　　１７０〜１９０頗 外経　２００〜２２５朋 肉　　厚　　　　　　　３０〜　３５ＷｔＩＲ耐火度　
　２４５０℃ 熱膨張率　　　１．１％（ａｔ　１ｏｏｏｃ）強　　度
　　　常温圧縮　１４５０酎／／Ｃ−１２６０℃曲げ　
　２ｏｏｋｙ／ａ４ λ　高アルミナ質セラミック 電融アルミナ８０部（４〜１６メツシユ４０部、１６メ
ツシユ１Ｊｚｏ部、１５０メツシュ通過４０部〕に、高
アルミナセメント２０部を加え、適当量の水とともに十
分混練して得た材料を、型に振動を加えながら鋳込み成
形した。硬化後、脱型して得た前記と同様形状のセラミ
ック中空管の性質は次の通シであった。

耐火度　　ＢＫ　３７ 熱膨張率　　　α６％　（ａｔ　１０００℃〕強　度　
　常温圧縮　　１２００　ｈ／ｃｒＡ１２６０℃曲げ　
　１５０卸／− このように、これらの２つのセラミックからなる中空管
は、熱風炉からくる１２００℃〜１３００℃の高温、か
つ２５０〜３００ｍ／Ｂｅａという高速の熱風のもとに
さらされても、十分なる耐用が得られること全話してい
る。

外側部に相当する非酸化物系セラミックの製造例は次の
通りである。

炭化硅素質セラミック １μ以下の炭化硅素微粉末（純度９９％以上）１００部
に対し、アルミナ微粉少量部を加えた粉末原料を、スプ
レードライ処理して、ラバープレスによシ所定形状に成
形し、成形体を還元雰囲気下で最高温度１９００℃以上
で焼成し、略第２図（１２）に示すような形状で次に示
すような性質？もつ中空管が得られた。

主要部の略寸法 内経　２０５〜２３０Ｍ 外経　２５０−２８０Ｍ 肉厚　４５〜゛５０Ｍ 耐火度（還元性雰囲気中）　　２１００℃熱膨張率　０
．４２％（ａｔ　１０００℃）圧縮強度　　常温　　２
００００　ｋｙ／ｃｄ曲げ強度　１２６０℃　　４００
０　ｋｖ／ｃｄ前記して得たジルコニア質およびアルミ
ナ質セラミックの外周部に、シリカファイバー、カーボ
ンファイバー、炭化硅素ファイバーの、いずれかからな
るクロスを、テープ状にして、厚みが該セラミック管の
外経の２％以内程度となるように巻きつけ、炭化硅素管
の中空部に挿入したところ、外側管の内面形状と、内側
管の外面形状が適合し、一体化した本発明に係るセラミ
ック複合体が得られた。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の銅製羽口の実施例を示す縦断面図、第
２図乃至第４図は、いずれも、本発明の複合セラミック
羽口の実施例を示す縦断面図を示す。 図面にて、（１１）は複合セラミック羽目、（１２）は
非酸化物系セラミックからなる外側部分、（１３）　＃
′ｉ酸化物系セラミックからなる内側部分、（１４）は
耐熱緩衝層を、それぞれ示す。 （２２） 才　ｌ　目 才２聞 ２３用 身　４　図 ／ｌ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　材質の異なるセラミックからなる、少くとも部分
   的に２層構造を有することを特徴とする複合書ラミック
   羽口。 Ｚ＼　材質の異なるセラミックを非酸化物系セラミック
   および酸化物系セラミックとしてなる特許請求の範囲第
   １項記載のセラミック羽目。 λ　炉内側でかつ外側部分を、少くとも部分的に非酸化
   物系セラミックとした特許請求の範囲第２項記載のセラ
   ミック羽目。 ζ　全体として、はｔ！外側部が、非酸化物系セラミッ
   クで、内側部が酸化物系セラミックの少くとも２層セラ
   ミック構造となっている特許請求の範囲第３項記載のセ
   ラミック羽口。 ５、　外側部非酸化物系セラミックが、内側部酸化物系
   セラミックの炉内側端面にまで屈曲延伸して該端面を包
   被してなる特許請求の範囲第３項又は第４項記載のセラ
   ミック羽口。 ６、　材質の異なるセラミツ・りの接合面に耐熱緩衝層
   を設けてなる特許請求の範囲第１項乃至第５項いずれか
   記載のセラミック羽口。 ７、　耐熱緩衝層が、セラミックファイバーかうなるも
   のである特許請求の範囲第６項記載のセラミック羽口。 ＆　セラミックファイバーは、１４００℃以上の融点を
   もつものである特許請求の範囲第７項記載のセラミック
   羽口。 ９、　非酸化物系セラミックが、金属炭化物、金属窒化
   物、金属硼化物およびこれらの複合物から選ばれたもの
   である特許請求の範囲第２項乃至第８項いずれか記載の
   セラミック羽口。 １０、酸化物系セラミックが、ジルコニア、アルミナ、
   ムライト、アルミニウムチタネート。 コージェライト、ジルコンおよびこれらの複合物から選
   ばれたものである特許請求の範囲第２項乃至第４項いず
   れか記載のセラミック羽目。 １１．　　内外側部のセラミックスのいずれもの熱膨張
   係数が０−１２００℃の範囲で５　Ｘ　１０−’／℃以
   下である特許請求の範囲第１Ｏ項記載のセラミック羽口
   。 １２、、外側部セラミックの材質が炭化硅素であり、内
   側部セラミックの材質が、ジルコニアである特許請求の
   範囲第１０項又は第１Ｉ項記載のセラミック羽口。 １３、内側部セラミックの主要部肉厚が１０〜６０間、
   外側部セラミックの主要部肉厚が２０〜１１００ａｔで
   ある特許請求の範囲第１項乃至第１２項いずれか記載の
   セラミック羽口。 １４　　冷却を必要としない高炉への熱風送風用として
   使用される特許請求の範囲第１項乃至第１１項いずれか
   記載のセラミック羽目。