JP4291802B2 - 粉体吹き込みノズル - Google Patents

Description

本発明は、粉体吹き込みノズルに関する。さらに詳しくは、溶融金属中に、磨耗性粉体を含む非酸化性流体を吹き込むための粉体吹き込みノズルに関する。

従来、溶融金属中に、磨耗性粉体を含む非酸化性流体を吹き込む際には、粉体吹き込みノズルが用いられているが、その内管には磨耗性粉体が高速で流れるため、該内管の内面が磨耗するという問題がある。

そこで、かかる問題を解決するために、粉体吹き込みノズルとして、内管の内面にセラミック皮膜を溶射によって形成させたノズル（特許文献１）、内管の内面にセラミックパイプが嵌挿されたノズル（特許文献２）などが提案されている。

しかしながら、前者のノズルの内管の内面に溶射によって形成されたセラミック皮膜は、機械的強度に劣るため、剥離しやすく、長期耐久性に劣るという問題がある。

また、後者のノズルは、内管を構成している金属パイプの熱膨張率がセラミックパイプの熱膨張率よりも大きいため、使用中に金属パイプがセラミックパイプの保持力を失い、ガスおよび粉体の搬送時に発生するセラミックパイプを押し出す力がセラミックパイプと金属パイプの界面に生じる摩擦力を上回り、セラミックパイプの抜け現象が発生し、耐磨耗材であるセラミックパイプを失ったノズルは、磨耗により長期間にわたって使用することができなくなるという問題がある。

前記ノズルが有する問題点を解決するノズルとして、一方向性形状記憶合金からなる金属管の内側に、緩衝層を介装してセラミックス管を挿入し、金属管の形状回復力でセラミックス管が固着された複合管からなる粉粒体吹込みノズルが提案されている（特許文献３）。

前記粉粒体吹込みノズルは、確かに、内管の内面が耐磨耗性にすぐれ、しかも機械的強度が大きいものであるが、使用中に金属管が高温に過熱され、金属管の形状記憶性が失われ、セラミックス管が金属管によって保持されなくなり、セラミックス管の抜けが生じ、長期間にわたって使用することができなくなるという問題がある。

特開昭５８−１００６１３号公報 特開昭５８−１００６１６号公報 特開平３−１３７０６８号公報

本発明は、前記従来技術に鑑みてなされたものであり、内面が耐磨耗性にすぐれ、機械的強度が大きく、しかもノズルを構成している各層が使用中においても強固に固着している粉体吹き込みノズルを提供することを目的とする。

本発明は、(1)その内面側から順に、焼成セラミックからなる内層、緩衝材からなる中間層および難燃性金属からなる外層が積層された三層構造を有するノズルであって、前記内層の外面に設けられた外周溝および前記外層の内面に設けられた内周溝にそれぞれ中間層の一部が埋め込まれていることを特徴とする粉体吹き込みノズル（以下、第１発明という）、ならびに(2)その内面側から順に、焼成セラミックからなる内層、緩衝材からなる中間層および難燃性金属からなる外層が積層された三層構造を有するノズルであって、前記外層および中間層を貫通し、前記内層の内面にまでは貫通していない取付孔に、前記外層と同一材質の取付ピンが挿入固定されていることを特徴とする粉体吹き込みノズル（以下、第２発明という）に関する。

第１発明および第２発明の粉体吹き込みノズルは、内管の内面が耐磨耗性にすぐれ、機械的強度が大きく、しかもノズルを構成している内管の各層が使用時においても強固に固着しているので、耐久性にすぐれ、長寿命化が図られたものである。

とくに、第２発明においては、取付ピンによって内層、中間層および外層が一体化されており、従来の焼嵌めによって作製されたノズルと対比して、ノズルの温度変化による影響をほとんど受けず、各層の保持力の低下による層間剥離が防止されるので、内層の焼成セラミックの圧縮破損を防止することができるという効果が奏される。

前記第１発明および第２発明には、内面側から順に、焼成セラミックからなる内層、緩衝材からなる中間層および難燃性金属からなる外層が積層された三層構造を有するノズルが用いられる。

前記第１発明および第２発明に用いられるノズルは、このような三層構造を有するので、内面が耐磨耗性にすぐれ、機械的強度が大きく、しかも各層が使用中においても強固に固着しているという利点がある。

前記焼成セラミックからなる内層は、その組織が緻密であるため、従来の溶射によって形成されたセラミック皮膜と対比して、耐磨耗性、機械的強度および耐剥離性にすぐれるという利点を有する。

前記内層の内径は、粉体供給量および搬送ガス流量によって決定されるものであり、とくに限定がなく、通常、これら粉体供給量および搬送ガス流量に応じて適宜設定することが好ましい。

前記焼成セラミックとしては、たとえばケイ素およびアルミニウムを主成分とするアルミナ系セラミック、サイアロンなどがあげられる。

前記焼成セラミックからなる内層としては、通常、焼成セラミックパイプが用いられる。前記焼成セラミックパイプのなかでも、たとえばサイアロンなどからなる高耐磨耗性セラミックパイプは、本発明において好適に使用しうるものである。

前記緩衝材からなる中間層は、後述する外層による締めつけが行なわれる際に、変形し、焼成セラミックからなる内層に過剰な応力が加わらないようにするために用いられる。

前記中間層に用いられる緩衝材としては、たとえば銅、鉛、各種樹脂などがあげられる。

前記中間層は、帯状、紐状または糸状の緩衝材を、内層の外周に所定の厚さとなるように巻きつけて形成させてもよく、またあらかじめ緩衝材を筒状に形成させ、その筒状体を内層の外周に挿入することによって形成させてもよい。これらのなかでは、あらかじめ緩衝材を筒状に形成させた中間層は、長さ方向において精度よく製造することができるという利点がある。これらのことから、本発明に用いられる中間層としては、銅、鉛、樹脂などの緩衝材からなるパイプが好ましい。

前記中間層の厚さは、内層が圧壊されるのを防止し、また外層による締めつけ力を充分に発現させるために、０．５〜１ｍｍ程度であることが好ましい。

前記難燃性金属からなる外層は、分割成形された内層および中間層を一体化させ、つなぎ目に間隙が生じないようにして固定するために用いられる。

外層を構成する難燃性金属としては、たとえばステンレス鋼、一方向性形状記憶合金などがあげられる。これらのなかでは、一方向性形状記憶合金は、その形状記憶による締めつけ力を呈するので、内層、中間層および外層を強固に結合させることができるという利点がある。

前記一方向性形状記憶合金からなる外層としては、たとえば一方向性形状記憶合金からなる金属管が用いられる。前記金属管は、加熱することにより、その径が縮小するように形状記憶処理が施されたものである。

前記外層の厚さは、機械的強度および冷却性の点から、３〜５ｍｍ程度であることが好ましい。また、外層の内径と中間層の外径との差（クリアランス）は、外層と中間層との積層時においては、０．２ｍｍ以下であることが好ましい。

前記第１発明においては、前記内層の外面に設けられた外周溝および前記外層の内面に設けられた内周溝にそれぞれ中間層の一部が埋め込まれている。

前記外周溝の深さは、内層と中間層とを強固に一体化させるために、０．２ｍｍ以上であることが好ましく、また中間層を変形させて外周溝に完全に埋め込むのを容易にするために、中間層の厚さの半分以下であることが好ましい。また外周溝の幅は、中間層の変形による噛み込みを容易にするために、０．５〜１．５ｍｍ程度であることが好ましい。外周溝の断面形状については、とくに限定がなく、たとえば四角形状であってもよく、三角形状であってもよく、あるいは半円形状であってもよい。

前記外周溝は、通常、内層の外面の周方向に設けられていることが好ましいが、内層の軸方向に設けられていてもよい。また、前記外周溝が設けられる個数は、とくに限定がないが、たとえば長手方向に５０〜１００ｍｍごとに１カ所の頻度で設けられていることが、先端からの損傷が進行することが予想されるノズルにおいて、常時前記外周溝によって内層が抜け落ちる現象を防止する点で好ましい。

前記内層の外面に外周溝を設ける方法としては、たとえば内層の外面にエッチングを施して外周溝を形成させる方法、内層を鋳造や鍛造によってつくる際に、外周溝を形成させる方法、内層の外面に旋盤などを用いて切削加工を施し、外周溝を形成させる方法などがあげられるが、本発明はかかる方法によって限定されるものではない。

また外層の内面に設けられた内周溝の深さ、幅および断面形状は、前記内層の外面に設けられた外周溝のそれらと同様であればよい。

すなわち、前記内周溝の深さは、外層と中間層とを強固に一体化させるために、０．２ｍｍ以上であることが好ましく、また中間層を該内周溝に完全に埋め、密着性を高めるために、中間層の厚さの半分以下であることが好ましい。また内周溝の幅は、中間層の外周溝への密着性の確保と、加工性の点から、１〜２ｍｍ程度であることが好ましい。内周溝の断面形状については、とくに限定がなく、たとえば四角形状であってもよく、三角形状であってもよく、あるいは半円形状であってもよい。

前記内周溝は、外周溝と同様に、通常、外層の周方向に設けられていることが好ましいが、外層の軸方向に設けられていてもよい。また、前記内周溝が設けられている個数は、とくに限定がないが、たとえば長さ５０〜１００ｍｍごとに１カ所の頻度で設けられていることが、ノズルの長手方向に均一な固定力がえられるので好ましい。

前記外層の内面に内周溝を設ける方法としては、たとえば外層の内面にエッチングを施して内周溝を形成させる方法、外層を鋳造や鍛造によってつくる際に、内周溝を形成させる方法などがあげられるが、本発明はかかる方法によって限定されるものではない。

前記内層の外面に設けられた外周溝および前記外層の内面に設けられた内周溝にそれぞれ中間層の一部を埋め込む方法としては、たとえば図１に示されるように、外層として、一方向性形状記憶合金からなる金属管１を用い、外層（金属管）１、中間層２および内層３を重ね合わせたのち、前記外層（金属管）１を加熱することにより、その径を縮小させ、そのときに発生する締めつけ力によって中間層２を圧縮させ、図２に示されるように、内層３の外面に設けられた外周溝５および外層（金属管）１の内面に設けられた内周溝４に中間層２を埋め込む方法などがあげられる。

前記したように、内層の外面に設けられた外周溝および外層の内面に設けられた内周溝にそれぞれ中間層の一部が埋め込まれた三層構造を有する第１発明の粉体吹き込みノズルは、内層、中間層および外層が強固に固着したものとなる。

前記第２発明においては、前記外層および中間層を貫通し、前記内層の内面にまでは貫通していない取付孔に、前記外層と同一材質の取付ピンが挿入固定されている。

前記取付孔の深さは、浅すぎるばあいには、外層が熱膨張したばあい、取付ピンの引っかかりが充分でなくなって充分に固定されがたくなる傾向があるので、外層の厚さと中間層の厚さと内層の厚さ×０．５との和以上であることが好ましく、また深すぎるばあいには、内層にまで届く貫通孔が形成されてしまい、粉体の吹き込み時に取付ピンに磨耗が生じ、また靭性が低いセラミックを薄く削るのに高度な加工精度が要求されることから、外層の厚さと中間層の厚さと内層の厚さ×０．８との和以下であることが好ましい。

また取付孔の孔径は、式：
［取付孔の孔径］＝（Ｄ×Ｔ−Ｔ²）^0.5／Ｋ
（式中、Ｄは内層の外径（ｍｍ）、Ｔは取付孔の深さ（ｍｍ）、Ｋは２．４９の係数を示す）を満足することが好ましい。

前記取付孔を設ける方法としては、たとえば内層、中間層および外層を重ね合わせたのち、所定の位置に、たとえばドリルなどの加工装置を用いて形成させる方法、内層、中間層および外層を作製する際に、あらかじめ取付孔を形成させる方法などがあげられるが、本発明はかかる方法によって限定されるものではない。

前記取付孔に挿入される取付ピンの大きさは、その直径が前記取付孔の孔径よりも０〜０．５ｍｍ程度小さいことが好ましい。

前記取付ピンの材質は、外層の熱膨張に対して変形が追従する必要があることから、外層と同一とされる。

また、前記取付ピンの取付位置は、とくに限定がないが、内層、中間層および外層を強固に固着させるために、均一に分散した状態であることが好ましい。その一例として、たとえば取付ピンの取付位置は、長手方向に５０〜１５０ｍｍごとに１カ所の頻度で設けられていることが好ましい。なお、前記取付ピンの配列は、１列であってもよく、また２列以上の複数列であってもよい。

取付ピンは、取付孔に挿入したのち、固定されるが、かかる固定の方法としては、たとえば溶接による方法などがあげられる。

かくして前記第２発明の粉体吹き込みノズルがえられるが、前記粉体吹き込みノズルは、図３に示されるように、外層１および中間層２を貫通し、内層３の内面にまでは貫通していない取付孔に前記外層１と同一材質の取付ピン６が挿入固定されているので、内層３、中間層２および外層１が強固に固着されている。

なお、第２発明においては、図４に示されるように、内層３、中間層２および外層１を取付ピン６で挿入固定するのみならず、第１発明におけるように、内層３の外面に外周溝５を設け、また外層１の内面に内周溝４を設け、外周溝５および内周溝４それぞれに中間層２の一部が埋め込まれるように構成されていてもよい。このような構成をとるばあい、取付ピン６のみならず、内周溝４および外周溝５に埋め込まれた中間層２により、内層３、中間層２および外層１がより一層強固に固着されるという利点がある。

図５は、本発明の粉体吹き込みノズル７であり、該ノズル７は、前記第１発明または第２発明のように構成されている。

つぎに本発明の粉体吹き込みノズルを実施例にもとづいてさらに詳細に説明するが、本発明はかかる実施例のみに限定されるものではない。

実施例１
図２に示されたノズルを作製した。すなわち、内径１５．５ｍｍ、厚さ２ｍｍの焼成セラミックパイプ（材質：サイアロン、外周面：深さ０．２ｍｍ、幅１ｍｍの外周溝５が５０ｍｍピッチで配設）を内層３として用い、該焼成セラミックパイプの外周に、緩衝材として厚さ０．５ｍｍの銅板を加工し、パイプ状にすることにより、中間層２を形成させた。中間層２の外径は２０．５ｍｍであった。

つぎに、外層１として鉄系一方向性形状記憶合金からなるパイプ（材質：マンガン２８重量％、ケイ素６重量％、クロム６重量％、残部鉄、内径：２０．５ｍｍ、外径：２４．５ｍｍ、形状記憶保持上限温度：約５５０〜６００℃、内周面：深さ０．２ｍｍ、幅１ｍｍの内周溝４が５０ｍｍピッチで配設）を用い、該パイプを加熱してその径を拡大させたのち、該パイプ内に前記内層３と中間層２との積層物を挿入し、ついで冷却して前記パイプをもとの径に縮径させて前記一方向性形状記憶合金の形状記憶による締めつけ力により、内層３、中間層２および外層１を一体化させてノズルをえた。

えられたノズルを転炉型溶解炉の炉底に設置し、チッ素ガスを搬送流体として微粉炭を２０〜１２０ｋｇ／ｍｉｎの搬送速度で内層３の内側の通路から吹き込み、ノズルを稼働させ、該ノズルの特性を以下の方法にしたがって調べた。その結果を表１に示す。

（Ａ）平均ノズル寿命
ノズルを稼働させ、定期的にノズル内に検寸棒を挿入し、ノズルの使用限界（初期長さの２０％）に達するまでに要する時間を測定する。

（Ｂ）ノズルの内面の磨耗状況
３０００時間稼働させたのち、ノズルを輪切りにし、その内径と初期の内径との差を調べる。

（Ｃ）ノズルの内層の離脱の有無
３０００時間稼働させているあいだに、ノズルに設置された圧力計に示された圧力に変動がないかどうかを調べる。

なお、内層が離脱したばあい、ノズルの直径が急激に増大するので、急激な圧力の低下が認められる。

実施例２
図３に示されたノズルを作製した。すなわち、内径１５．５ｍｍ、厚さ２ｍｍの焼成セラミックパイプ（材質：サイアロン）を内層３として用い、該焼成セラミックパイプの外周に、緩衝材として厚さ０．５ｍｍの銅パイプを中間層２として用いた。中間層２の外径は２０．５ｍｍであった。

つぎに、外層１として鉄系一方向性形状記憶合金からなるパイプ（形状回復処理後の内径：２０．５ｍｍ、外径：２４．５ｍｍ、形状記憶保持上限温度：約５５０〜６００℃）を用い、該パイプを加熱してその径を拡大させたのち、該パイプ内に前記内層３と中間層２との積層物を挿入し、ついで冷却して前記パイプをもとの径に縮径させて前記一方向性形状記憶合金の形状記憶による締めつけ力により、内層３、中間層２および外層１を一体化させてノズルをえた。

つぎに、外層１および中間層２を貫通する直径３ｍｍの孔を軸中心方向に加工し、内層３のセラミックパイプに深さ１ｍｍ程度の溝を貫通しないように加工して取付孔を形成させた。そののち、外層１と同一材料からなる取付ピン６（直径：２．８ｍｍ、長さ：３．５ｍｍ）を取付孔に挿入し、溶接して固定させた。取付ピン６は、長手方向１００ｍｍごとに１カ所の割合で１列に配列させた。

えられたノズルを実施例１と同様にして稼動させ、該ノズルの特性を実施例１と同様にして調べた。その結果を表１に示す。

実施例３
実施例１と同様にしてノズルを作製した。

つぎに、えられたノズルに実施例２と同様にして取付ピンを設けた。

えられたノズルを実施例１と同様にして稼動させ、該ノズルの特性を実施例１と同様にして調べた。その結果を表１に示す。

比較例１
実施例１において、外層１として、鉄系一方向性形状記憶合金からなるパイプのかわりに、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）製パイプ（内径：２０．５ｍｍ、外径：２２．５ｍｍ）を用い、また内層３として、外周溝が設けられていないものを用いた。

つぎに前記パイプを加熱し、内径を拡大させたのち、中間層２（外径２０．５ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの銅パイプ）および内層３を前記パイプに挿入し、冷却させて焼嵌めにより、内層３、中間層２および外層１が一体化されたノズルをえた。

えられたノズルの特性を実施例１と同様にして調べた。その結果を表１に示す。

表１に示された結果から、実施例１〜３でえられたノズルは、いずれも内層の離脱がなく、溶損速度が小さく、長寿命を有するものであることがわかる。

本発明の粉体吹き込みノズルに用いられる内層、中間層および外層が積層された状態における概略断面図である。 本発明の粉体吹き込みノズルの概略拡大断面図である。 本発明の粉体吹き込みノズルの概略拡大断面図である。 本発明の粉体吹き込みノズルの概略拡大断面図である。 本発明の粉体吹き込みノズルの概略斜視図である。

符号の説明

１ 外層
２ 中間層
３ 内層
４ 内周溝
５ 外周溝
６ 取付ピン
７ 粉体吹き込みノズル

Claims (4)

1. その内面側から順に、焼成セラミックからなる内層、緩衝材からなる中間層およびステンレス鋼もしくは一方向性形状記憶合金からなる外層が積層された三層構造を有するノズルであって、
   前記外層および中間層を貫通し、前記内層に穿孔されているが、前記内層の内面にまでは貫通していない取付孔に、前記外層と同一材質の取付ピンが挿入固定され、
   前記取付孔の深さが、外層の厚さと中間層の厚さと内層の厚さ×０．８との和以下であり、
   前記取付孔の孔径が、式：［取付孔の孔径］＝（Ｄ×Ｔ−Ｔ²）^0.5／Ｋ（式中、Ｄは内層の外径（ｍｍ）、Ｔは取付孔の深さ（ｍｍ）、Ｋは２．４９の係数を示す）を満たすものである
   ことを特徴とする粉体吹き込みノズル。
2. 内層の外面および外層の内面にそれぞれ外周溝および内周溝が設けられ、前記外周溝および前記内周溝にそれぞれ中間層の一部が埋め込まれている請求項１記載の粉体吹き込みノズル。
3. 焼成セラミックからなる内層が、アルミナ系セラミックまたはサイアロンからなるパイプである請求項１または２記載の粉体吹き込みノズル。
4. 中間層が銅、鉛または樹脂からなるパイプである請求項１または２記載の粉体吹き込みノズル。

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