JPH0565563B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、鋼片等を加熱するウオーキングビー
ム炉に使用するスキツドボタンに関し、特に、炉
内最高温度が1000℃を超えるような高温の加熱炉
のスキツドボタンの改良に関する。

〔従来の技術〕

鋼片加熱炉においては、製品品質を向上させる
ためにスキツドマークと呼ばれる鋼片等の被加熱
材（以下鋼材という）の加熱温度むらを極小にす
ることが要求されている。

従来は鋼片加熱炉にプツシヤー式加熱炉が採用
されていたが、鋼材と材料支持装置で同じ部位を
滑つて搬送し常に材料支持装置と接しているため
に、スキツドマークが大きく、これを避けるため
に近年はウオーキングビーム式加熱炉へ変換しつ
つある。

ウオーキングビーム式加熱炉の材料支持装置は
スキツドビームとその上部にスキツドボタンを装
備したもので、移動ビームと固定ビームにより構
成され、高温の炉内で矩形波繰返し運動によつて
材料を搬送している。

一方炉内は通常1000℃以上の高温であり、ウオ
ーキングビームは内部を水冷し、その外周を耐火
材で覆つている。スキツドボタンは、スキツドビ
ームの上面に固着されている。

スキツドボタンはスキツドビームの水冷の影響
を受けるために、鋼材と接する先端は炉内温度よ
り低温になり、その状態で材料と接するので、ウ
オーキングビーム炉においてもスキツドマークが
生ずる。スキツドボタンの材料はコバルト系の耐
熱鋳鋼またはニツケルクロム系の耐熱鋳鋼で、ス
キツドビームの水冷の影響を小さくするために、
ボタンの高さを高くして鋼材と接する先端の温度
を炉内温度に近づけるようにしているが、逆にボ
タンがより高温になるため、ボタン材料の圧縮強
度が不足して圧縮変形（通称へたり）が発生し、
短期間でスキツドボタンの取換えが必要になる問
題がある。

なお一般の耐熱鋳鋼の圧縮強度は、使用される
温度が高くなれば低下する。従つてボタン高さを
高くすればする程、単位面積当りの圧縮負荷を小
さくしなければ対応できないが、それだけ鋼材と
スキツドボタンの接触面積が大きくなり、鋼材の
非接触部からの入熱が不足し、同様にスキツドマ
ークが発生する。

以上のことから、スキツドボタンは、高温での
圧縮変形抵抗が大きく、スキツドマーク低減のた
めに、鋼材との接触面積が小さく、高さの高いも
のが要求されている。なお炉内最高温度が1000℃
に達しないような加熱炉においては従来の耐熱合
金を用いて十分にスキツドマークの低減を図るこ
とができるので本発明の対象とするのは炉内最高
温度が1000℃以上となる炉である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ウオーキングビーム炉の材料支持装置は、鋼材
を載荷する際に、大きな動的負荷が作用するの
で、靭性を有した材料が望ましい。フアインセラ
ミツクス等の脆性材料製のスキツドボタンはこの
動的負荷に対しては非常に不安定で、割れが生じ
やすい。また、セラミツクス製ボタンはスキツド
ビームに直接取付けることが困難で、箱状のケー
スの中におさめる必要があり（例えば特開昭60−
26615号）、特にボタンの高さが高くなると、非常
に不安定となり脱落の原因となる。

本発明が解決しようとする問題点は、 (1) 高温で要求される圧縮強度と靭性を兼ね備え
た材料を要すること。

(2) スキツドボタンを一体に製造すること。

(3) スキツドマーク低減の効果が得られる迄ボタ
ンの高さを高めること。

である。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は炉内最高温度が1000℃を超えるウオー
キングビーム炉に用いるスキツドボタンであつ
て、その特徴的技術手段は、次の通りである。

(a) 被加熱材と接する上側部分を、耐熱金属とク
ロムカーバイド系のセラミツクスの複合材と
し、スキツドビームに固定する下側部分を耐熱
合金で構成したこと。

(b) 前記上側部分の複合材は、セラミツクス含有
率を30〜70重量％としたこと。

(c) 下側部分の耐熱合金はその高さを100〜130mm
の範囲にしたこと。

(d) 全高さを150〜200mmとしたこと。

〔作用〕

本発明者らは、コバルト系耐熱鋳鋼（Co含有
量40〜50重量％程度で種々のものがある）または
ニツケルクロム系耐熱鋳鋼（Ni50、Cr35重量％
程度で各種のものがある）の材料に対して、高温
での圧縮負荷に耐える強度を有し、ウオーキング
ビーム炉のスキツドボタンに要求される高温靭性
を兼ね備えた材料として、セラミツクスと耐熱金
属との複合材料をかねて開発した（特開昭60−
54295）。この複合材はセラミツクスとして、クロ
ムカーバイド系のセラミツクス、すなわちCr₃C₂
又はCr₇C₃を用いるものである。これらのクロム
カーバイド系のセラミツクスは、高温における耐
酸化性に富み、高温硬度が高く、高温安定性に優
れたものである。従つて、このセラミツクスを耐
熱金属と組合わせると高温強度、靭性の高い複合
材料となる。

耐熱金属とセラミツクスの溶融体を混合、急冷
すると、耐熱金属のマトリツクスに0.01〜0.1μｍ
の微細なセラミツクスの分散粒子が均一に分布さ
れる。この分散粒子と耐熱金属のマトリツクスと
の複合により、高温での圧縮強度と靭性を兼ね備
えた材料特性が発揮される。この複合材料はフア
インセラミツクスの脆性材料と金属の延性材料と
の中間に位置づけされた材料であり、セラミツク
スの複合率を変えることよつて特性を変化させる
ことができる特徴をもつている。この複合材はタ
ングステン不活性ガスアーク源を利用して溶融体
を作ることができ、容易に耐熱鋳鋼と一体化して
目的としたスキツドボタンの形状を製造すること
ができる。

本発明はこの技術を応用して開発されたもの
で、セラミツクスとしてはクロムカーバイド系セ
ラミツクスを用いる。

本発明によるスキツドボタンの構成を第１図に
示す。図において１はセラミツクス複合材で、２
はコバルト合金等の耐熱合金であり、前述の如
く、一体化させてある。３はスキツドビームであ
り、その内部に冷却水４を通水することにより冷
却されている。ここでセラミツクス複合材の高さ
をａ、耐熱合金の高さをｂとし、スキツドボタン
の全高さをｈになるように構成する。

セラミツクスを分散粒子にして、コバルト系合
金の耐熱金属をマトリツクスにしたセラミツクス
複合材の高温靭性値を第２図に示した。一方ウオ
ーキングビーム炉のスキツドボタンとして性能を
発揮するのに必要な靭性について実加熱炉で評価
テストを行つた結果、セラミツクス含有率が30〜
70重量％（1100℃における靭性値100〜30Kg−cm）
の範囲内であれば、割れや圧縮変形（へたり）が
なく、長期間使用に耐えることを発見した。この
実験結果を第３図に示す。第３図は、炉の雰囲気
温度1280℃の炉内において、ボタンの大きさが幅
50mm×長さ130mm×高さ200mmのものを用い、220
〜260mm厚の加熱スラブをランダムに装入し、ウ
オーキングビームの動作回数約10⁵回の条件でセ
ラミツクス含有率が10、15、25、35、50、65、
75、85、90重量％のボタンを各２ケづつ取付けて
行つた試験結果を示したものである。第３図は横
軸にセラミツクス含有率（重量％）をとり、縦軸
に割れ、正常、変形の三水準を表示したものであ
る。図中の記号は ×：変形大のもの（３〜10mm） △：変形発生し、かつ進行するもの（0.5〜３mm） ○：正常（変形は使用上問題にならない） ●：ボタン上側縁部に欠損または割れ等が生じた
もの を示している。第３図からセラミツクス含有量が
30〜70重量％のとき好成績であることが知られ
る。なお、横軸に（ ）内に示した数字は1100℃
における衝撃値（Kg−cm）である。

次に、第４図に実験で得られた、耐熱合金とセ
ラミツクス複合材の高温許容圧縮変形抵抗値の比
較を示す。許容圧縮変形抵抗値は、上記実炉のテ
スト実績から、圧縮変形（へたり）の評価方法に
ついて１時間当りの厚み方向変位が0.025％発生
する時の単位面積当りの荷重で評価すればよいこ
とも判明し、第４図はその評価に従つている。そ
の結果、従来の耐熱鋳鋼より非常に高い強度を有
していることが確認された。

一方、スキツドボタンの高さ方向位置（以下単
に高さという）ｙにおける温度と炉内温度の関係
を調査した結果を第５図に示す。図からわかるよ
うに、スキツドボタンの高さｙが200mmで炉内温
度とはほぼ等しくなつている。またボタン高さｙ
が120mm近辺で温度差は急増している。このこと
かたボタンの高さｙを200mmより高くしても余り
意味はなく、また耐熱合金の高さａを100mmより
低くしてセラミツクス複合材をその上に継ぎ足す
こともそれ程効果の向上がないことがわかる。

さらに第４図から耐熱合金は、高温になるに従
いその許容圧縮変形抵抗の低下がセラミツクス複
合材の許容圧縮変形抵抗の低下よりも次第に大き
く低下することがわかる。

一方、第５図でスキツドボタン高さｙが130mm
を超えると、高さｙが増加しても炉内温度との差
の増加割合が小さくなるため、耐熱合金の許容圧
縮変形抵抗による制約から、耐熱合金の断面積を
大きくする必要があり、ひいては複合材の断面積
も大きくしなければならないので経済上好ましく
ない。従つて、スキツドボタンの全高さｈは200
mm程度、耐熱合金の高さｂ（第１図）は100mm〜
130mm、好ましくは110mm〜120mm程度とするのが
良い。この第５図の関係は、スキツドビームの水
冷条件、炉内温度等で多少の差異はあるにして
も、ほとんどの炉においては、ほぼ共通の関係を
示すものである。

スキツドマークを小さくするためには、スキツ
ドボタン及び鋼材を許容圧縮変形抵抗の範囲でス
キツドボタンを小さくするのが好ましい。またセ
ラミツクス複合材の体積はできるだけ小さい方が
価格面で有利なことはもちろんである。例えば炉
内最高温度が1280℃の場合に、セラミツクス含有
率30％の複合材を使用したとき、その許容圧縮変
形抵抗は0.10Kg／mm²であるため、コバルト合金も
セラミツクス複合材と接続部の面圧を0.10Kg／mm²
で設計すれば、第１図に示すセラミツクス複合体
の頂面A₁及びセラミツクス複合体１と耐熱合金
２との境目の面A₂の面積をほぼ等しくすること
ができ、セラミツクス複合材を最も小さくするこ
とができ、理想的なスキツドボタンが得られる。

耐熱合金としてコバルト合金を用い、その許容
圧縮変形抵抗を0.10Kg／mm²として計画する場合、
使用可能な最高温度は第４図より1210℃であり、
炉内最高温度との差は70℃となる。従つて第５図
から70℃の温度差を生じる高さｙ＝120mmが求ま
り、これがコバルト合金の高さｂである。一方炉
内最高温度とスキツドボタン上面との温度差がほ
とんどなくなるスキツドボタンの高さｙは前述の
第５図から200mmであるため、これがスキツドボ
タンの全高さｈになるようコバルト合金の上にセ
ラミツクスを30重量％含有する複合材を、ａ＝
200−120＝80mmの高さで継ぎ足せばよいことにな
る。

このようにスキツドボタンを構成することによ
り、コバルト合金は許容圧縮変形抵抗の範囲で使
用することができ、かつセラミツクス複合材も割
れや変形の発生しない状態で最も体積を小さくす
ることができる。

以上の説明は炉内最高温度1280℃の場合につい
て行つたが、例えば炉内最高温度が、1320℃の場
合は、30％セラミツクス含有複合材の許容圧縮変
形抵抗は0.07Kg／mm²であるから、スキツドボタン
受圧面積は0.07Kg／mm²にもとづいて決定する。一
方コバルト合金の圧縮変形抵抗0.07Kg／mm²に対す
る許容温度は1250℃で、炉内最高温度1320℃との
差は70℃となり、第５図からコバルト合金の高さ
ｂ＝120mmが求まる。

従つて前述同様に120mmの高さのコバルト合金
の上部にａ＝80mmの高さの30％セラミツクス含有
複合材を継ぎ足し、全高さｈを200mmにすればス
キツドマークを大幅に低減することができる。

さらに従来からコバルト合金の面圧を小さくし
て、スキツドボタンの全高さを高くして使用する
例もあつた。例えば炉内最高温度が1280℃のとき
コバルト合金のみを使用し、その高さｈを150mm
にすれば第５図より、炉内温度との差は20℃とな
り、コバルト合金上面の温度は1260℃となる。こ
のときのコバルト合金の許容圧縮変形抵抗は第４
図より0.06Kg／mm²で、この圧縮変形抵抗を維持す
るための受圧面積が必要となる。ところが、コバ
ルト合金の高さｂを120mmにし、その上部にａ＝
30mmの30％セラミツクス含有複合材を継ぎ足し
て、全高さｈは従来通りの150mmのスキツドボタ
ンを構成した場合、第５図からコバルト合金の上
面温度は1280℃−70℃＝1210℃、セラミツクス複
合材の上面温度は従来同様1280℃−20℃＝1260℃
となる。

従つて、第４図からコバルト合金の1210℃にお
ける許容圧縮変形抵抗は0.1Kg／mm²、30％セラミ
ツクス複合材の1260℃における許容圧縮変形抵抗
は0.12Kg／mm²を適用してよいことがわかる。そこ
で第６図におけるスキツドボタン上面A₁の面積
と、接合部A₂の面積を、 A₂／A₁＝0.12／0.1の比で求め、セラミツクス複合材
を 第６図にように台形状に形成する。このようにス
キツドボタンを構成すれば従来の許容圧縮変形抵
抗0.06Kg／mm²が0.12Kg／mm²に倍加されるので、受
圧面積が半分で良いことになり、スキツドマーク
の減少効果は大きい。さらにこの場合、コバルト
合金の許容圧縮変形抵抗をセラミツクス複合材と
等しく0.12Kg／mm²とすれば許容される温度は1190
℃となり、炉内最高温度1280℃との差は90℃にな
る。

従つてコバルト合金の高さを第５図より、117
mmにすればコバルト合金、セラミツクス複合材共
に同面積のものを使用することができる。

なお、セラミツクス複合材として、例えば70％
セラミツクス含有率のものを使用すれば炉温1280
℃程度において0.4Kg／mm²前後の圧縮変形抵抗が
許容され、図圧面積をさらに小さくすることが可
能であるが、前記したようにスラブ側の許容圧縮
変形抵抗により制限されることがある。一般に炉
内温度が1280℃程度の場合、スラブの許容圧縮変
形抵抗は0.20Kg／mm²を採用することが多い。従つ
て、スキツドボタンの設計圧縮抵抗も0.2Kg／mm²
を超えることができない。従つてこのような場合
はセラミツクス含有率が50％〜55％のものを使用
すれば炉内最高温度が1280℃程度であれば許容圧
縮変形抵抗のみからみれば十分であるが、保守上
の問題その他で長寿命化等の観点から敢えてセラ
ミツクスの含有率の高い例えば70％セラミツクス
含有率のものを使用する場合もある。さらに炉内
最高温度が例えば1200℃の場合、一般的にNi、
Cr合金は使用不可能である。然しその高さｂを
100mmにすれば、炉内温度との差が約200℃以上と
なるので、その上部にスキツドマークの許容度に
応じて、例えばスキツドマークをほとんど零にし
たい場合はａ＝100mmの30％セラミツクス複合材
を継ぎ足す。このときNi、Cr合金の上面の温度
は約1000℃、その圧縮変形抵抗は0.12Kg／mm²、そ
して30％セラミツクス複合材の圧縮変形抵抗は
0.17Kg／mm²となり、セラミツクス複合材の上面A₁
の面積は0.17Kg／mm²を、Ni、Cr合金との接合A₂
の面積は0.12Kg／mm²を確保できるようにする。

〔実施例〕

スラブ厚みｔ＝250mm、スラブ載荷長さｌ＝
4000mmで炉内最高温度が1280℃の実例を述べる。

セラミツクス複合材のセラミツクス含有率30％
を採用したので、許容される圧縮変形抵抗ｐ＝
0.1Kg／mm²である。スキツドボタンの幅をＷ、ボ
タン長さをＬ、取付ピツチをＰとすれば、 Ｗ×Ｌ＝ｔ×ｌ×Ｐ×7.75×10^-6／ｐ （但し7.75は熱間鋼の比重） の関係を満足するようにスキツドボタンの幅と長
さの積を設定し、幅と長さを決定した。炉内温度
が1280℃であり、圧縮強度0.1Kg／mm²に耐えるコ
バルト合金の許容高さは前述のように120mmであ
るためボタンの下部は従来のコバルト合金120mm、
上部はセラミツクス30％の複合材で80mmに構成し
た。

その結果、従来はスラブに30℃〜50℃の温度差
（低温部）が発生していたが、これを10℃以下に
減少させることができた。

なお、以上はボタンの断面形状を角形とした例
について述べたが、丸形ボタンでも同様の設計が
できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、スキツドマークの顕著な低減
により製品品質の向上に大きく寄与していた。ま
た本発明のスキツドボタンは長期間経過後も大き
な変形もなく良好な耐久性を発揮した。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のスキツドボタンの構成を示す
側面図、第２図はセラミツクス含有率と靭性値の
関係を示すグラフ、第３図はセラミツクス含有率
による使用限界の実験結果を示す図表、第４図は
圧縮変形抵抗の比較を示すグラフ、第５図はボタ
ン高さ方向位置の温度と炉内温度との関係を示す
グラフ、第６図はスキツドボタンの他の例の側面
図である。 １……セラミツクス複合材、２……耐熱合金、
３……スキツドビーム、４……冷却水。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 炉内最高温度が1000℃を超えるウオーキング
   ビーム炉に用いるスキツドボタンであつて、被加
   熱材と接する上側部分を、耐熱金属とクロムカー
   バイド系のセラミツクスとの複合材とし、スキツ
   ドビームに固定する下側部分を耐熱合金で構成す
   るとともに、前記上側部分の複合材は前記セラミ
   ツクス含有率を30〜70重量％とし、かつ、下側部
   分の耐熱合金の高さを100〜130mmとし、全高さを
   150〜200mmとしたことを特徴とするウオーキング
   ビーム炉用スキツドボタン。