JP2003524143A - 冷却エレメントおよび冷却エレメントの製造方法 - Google Patents

冷却エレメントおよび冷却エレメントの製造方法

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JP2003524143A JP2001562118A JP2001562118A JP2003524143A JP 2003524143 A JP2003524143 A JP 2003524143A JP 2001562118 A JP2001562118 A JP 2001562118A JP 2001562118 A JP2001562118 A JP 2001562118A JP 2003524143 A JP2003524143 A JP 2003524143A
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Abstract

(57)【要約】 とくに炉用に構成された冷却エレメント。このエレメントは、主として銅からなるハウジング(1)と、ハウジング内に設けられた冷却媒体循環用の流路系(6)とを含む。エレメントハウジング(1)の表面の少なくとも一部には、拡散接合によって、腐食耐性表面層(2)が配設されている。本発明はまた、この表面層を冷却エレメントに配設する方法にも関する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は請求項１の前段に記載の冷却エレメントに関する。本発明はまた、冷
却エレメントの製造方法にも関する。
【０００２】 フラッシュ溶鉱炉、高炉および電気炉などの工業炉に関連して、典型的には銅
からなる大きな冷却エレメントが使用されている。これらは、極限の作業条件で
使用され、炉雰囲気や溶融材料との接触さえ原因となる強い腐食歪みを受けやす
い。たとえば、SO2雰囲気では、とりわけ、酸化反応および硫酸塩化反応によっ
て銅腐食が発生し、これは、最悪の場合、腐食面に数10ミリメートルの材料損失
さえももたらすことがある。
【０００３】 本発明の目的は、従来技術で公知の諸問題点を避けることができる冷却エレメ
ントを実現することにある。したがって本発明の目的は、従来技術で公知のもの
より長い寿命を有する冷却エレメントを達成することでもある。本発明の他の目
的は、従来技術で公知のものより強い耐性の冷却エレメントを製造する方法を実
現することにある。
【０００４】 本発明は、主として銅からなる冷却されたエレメントの表面に拡散接合によっ
て良好な腐食耐性を有する鋼表面を設ける発想に基づいている。
【０００５】 本発明は添付の請求の範囲に明記した事項を特徴とする。
【０００６】 本発明はいくつかの顕著な利点を有する。表面層を拡散接合によって敷設する
方法によれば、優れた熱伝達が接合部に可能となる。提案した接合方法によれば
、銅の溶融温度より低い数100度の温度でさえ表面層を冷却エレメントハウジン
グに接合することができる。本発明による冷却エレメントは、従来技術の冷却エ
レメントよりかなり良好な腐食耐性を有する。
【０００７】 本出願において、用語「銅」とは、銅で作られた物体の他に、実質的に銅を少な
くとも50%含有する銅含有合金材料のことも言う。本出願において用語「ステンレ
ス鋼」とは、主としてステンレス鋼および耐酸鋼などのオーステナイト質の合金
鋼のことを言う。
【０００８】 次に、添付図面を参照して、本発明をさらに詳細に説明する。
【０００９】 図１は、とくに炉に用いられる冷却エレメントを断面図で示す。このエレメン
トはハウジング１を有し、これは、主として銅または銅合金からなり、冷媒循環
用の冷却流路系６が設けられている。本発明によれば、冷却エレメントハウジン
グ１の表面の少なくとも一部には、拡散接合によって腐食耐性表面層２が配設さ
れている。この表面層２は鋼、とくに精錬鋼からなる。標準的にはこの鋼は、た
とえば耐酸鋼である。表面層２は、エレメントハウジング１の表面の一部にのみ
敷設されている。図１に示す冷却エレメントは、フラッシュ溶鉱炉の冷却エレメ
ントである。勿論、この冷却エレメントは、他のタイプの炉、とくに金属の製造
または精錬に用いる炉に属するものでもよい。冷却エレメントの形状および大き
さは、個々の場合における用途の特定の目標に依存する。本発明による好適な実
施例では、冷却エレメントは、とくに溶融物の導路に用いられる冷却されたエレ
メント、いわゆるシュートエレメントである。その場合、表面層は、たとえばこ
の表面の溶融物と接触する部分に配設することができる。
【００１０】 本発明の方法によれば、表面層２は、拡散接合によってエレメントハウジング
１に敷設される。表面層２とハウジング１の接合面の間には、接合の形成に先立
って、少なくとも１つの中間層３、４、５を設ける。用いた表面層２は、鋼、と
くに精錬鋼である。
【００１１】 図２は、熱処理前の本発明による接合方法の実施例を断面で示す。実質的に主
として銅からなるハウジング１と、精錬鋼、たとえばオーステナイト質のステン
レス鋼からなる表面層２とをそれによって互いに接合する。これら２つの物体の
間の接合部には、中間層３、４が配設されている。表面層２に対して配された第
１の中間層３は、主として鋼からのニッケルの損失を防ぐように構成され、典型
的には主としてニッケル(Ni)を含有する。また、接合する際、第２の中間層４、
すなわち、いわゆる活性化剤層も用いるが、これは、本実施例の場合、例えばス
ズ(Sn)である。スズは活性化剤として働いて、温度を降下させることになるが、
これは接合部の生成に必要である。
【００１２】 第１の中間層３は、別の処理によってステンレス鋼表面上に形成することがで
きる。ニッケルを第１の中間層３として用いる場合、上記層をステンレス鋼表面
上に、例えば電気分解によって生成することができる。典型的にはニッケルめっ
きを行なって、ステンレス鋼表面に設けた不活性化層がステンレス鋼とニッケル
との間の接合面における材料転移の障害にならないようにする。第１の中間層３
はフォイルの形で存在させることもできる。
【００１３】 本発明の方法によれば、互いに接合する表面層２および冷却エレメントハウジ
ング１の各接合面の間には、表面層２の接合面に接して、もしくはこの面に対し
て第１の中間層３が配され、ハウジング１の接合面に接して、もしくはこの面に
対して第２の中間層４が配され、それぞれの中間層３、４を含む接合面を押し合
わせて、本方法では、少なくとも接合領域を加熱する。第１の中間層３は、主と
してニッケル(Ni)もしくはクロム(Cr)、またはそれらの合金もしくは混合体を含
んでよい。第２の中間層４は、互いに接合すべき物体より低い溶融温度を有する
活性化剤からなる。第２の中間層４は、主として銀(Ag)および／もしくはスズ(S
n)、または合金もしくは混合体としての銀および銅(Ag+Cu)、アルミニウムおよ
び銅(Al+Cu)、もしくはスズおよび銅(Sn+Cu)を含む。
【００１４】 接合領域を加熱すると、互いに接合される物体の表面に拡散接合が生成される
。これは、一方ではニッケルの拡散の結果として、また他方では銅成分および鋼
成分の拡散の結果として生ずる。拡散接合の生成と、その中に作られる構造部分
は、適用された製造条件および所望の接合に必要な極薄の第２の中間層４、すな
わちハンダ剤層によって、またはニッケルめっきの表面層２とハウジング１との
間の接合面に配されたいくつかの中間層４、５の混合体によって活性化される。
【００１５】 中間層４、５の使用ハンダ剤、ならびに拡散活性剤は、銀銅合金、および純粋
形もしくは特定のサンドイッチ構造のスズにすることができる。機械的に強い接
合は、600〜850oCの温度範囲内で得られる。熱処理時間の選択を行なって、最終
接合部における脆い金属間化合物相の生成を回避することができる。ハンダ剤の
厚さ、ならびに中間層の熱処理温度および時間を選択して、ニッケル含有量の高
い合金をその表面に設ける結果、鋼からのニッケルの損失が防止される。低い接
合温度の利点は、接合領域に発生する熱応力が最小になることである。
【００１６】 図３は、本発明による方法の好適な実施例を示す。少なくとも１つの第２の中
間層４と少なくとも１つの第３の中間層５が設けられ、第２の中間層４の溶融温
度は第３の中間層５のそれより低い。第３の中間層４は、主として銀(Ag)、また
は合金もしくは混合体のいずれかとしての銀(Ag)および銅(Cu)の両方からなる。
好適な実施例では、第３の中間層は有利にはフォイルの形のAg+Cuハンダ剤から
なる。好適な実施例によれば、第２の中間層は、71重量%のAgと29重量%のCuを含
んでいる。有利には、このハンダ剤は、ある合金組成の銅との共晶構造を有する
。接合領域は１段階で加熱される。本発明による方法の好適な実施例によれば、
第２の中間層４は第３の中間層５の表面に接触させる。典型的には、中間層３、
４、５のうちの少なくとも１つは、フォイルの形で接合領域に配するが、必須で
はない。中間層４、５の使用ハンダ剤および拡散活性剤は、銀銅合金、および純
粋形もしくは特定のサンドイッチ構造のスズにすることができる。機械的に強い
接合は、600〜850oCの温度範囲内で得られる。熱処理時間の選択を行なって、最
終接合部における脆い金属間化合物相の生成を回避することができる。ハンダ剤
の厚さ、ならびに中間層の熱処理温度および時間を選択して、ニッケル含有量の
高い合金をその表面に設ける結果、鋼からのニッケルの損失が防止される。低い
接合温度の利点は、接合領域に発生する熱応力が最小になることである。
【００１７】 図４は、表面層およびハウジング接合部を加熱する前の本発明による方法のさ
らに他の実施例を示す。第３の中間層５の両面に接して、もしくはこれらの面に
対して第２の中間層４を設けている。この実施例では、代表的にサンドイッチフ
ォイルを用いることができるが、その場合、フォイルの片面もしくは両面を例え
ばスズで処理する。
【００１８】 本方法に用いる中間層の厚さはさまざまである。第１の中間層３として用いる
Ni層の厚さは代表的には2〜50μmである。電気分解後、フォイルが20〜50μmの
オーダであるので、代表的には2〜10μmになる。第３の中間層５として用いるAg
もしくはAg+Cuフォイルの厚さは、代表的には10〜500μm、好ましくは20〜100μ
mである。第２の中間層４の厚さは、典型的には第３の中間層５の厚さによって
左右され、例えば第３の中間層の厚さの10〜50%である。例えば、5〜10μmのス
ズ層を50μm厚のAg+Cuハンダ剤フォイルの表面に塗工することによって極度に高
質の接合が達成される。このスズ層は、例えばフォイルの形のハンダ剤を溶融ス
ズに侵漬することによって、さらに、必要に応じてその後、フォイルを圧延して
平滑にすることによって形成することができる。
【００１９】 表面層用に選択された材料は、最適なタイプの鋼とすることができる。 実施例１ 耐酸鋼(AlSl 316)と銅(Cu)を互いに接合した。鋼接合面上には、第１の中間層
として７μmの厚さのニッケル層(Ni)を設けた。拡散活性化およびハンダ剤とし
ては、共晶構造を有しAgを71重量%およびCuを29重量%含むAg+Cuハンダ剤を用い
た。このハンダ剤を50μmの厚さのフォイルの形にし、フォイル表面には5〜10μ
mの厚さのスズ(Sn)層も形成した。互いに接合されるこれらの物体を互いに対し
て配して、フォイルがそれらの接合面の間に残るようにした。これらの物体を押
し合わせ、接合領域をハンダ剤の溶融温度以上の約800oCの温度まで加熱した。
保持時間は約10分であった。本実施例による接合は抜群の成功を見た。得られた
結果は、冶金学的にコンパクトな接合であった。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による冷却エレメントの断面図である。
【図２】 加熱前の本発明の方法による接合部を示す単純化した断面図である。
【図３】 加熱前の本発明の方法による他の接合部を示す単純化した断面図である。
【図４】 加熱前の本発明の方法による第３の接合部を示す単純化した断面図である。
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１４年２月２２日（２００２．２．２２）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ２７Ｂ 3/24 Ｆ２７Ｂ 3/24 (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＥＡ(ＡＭ ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ) ，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ， ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＢＺ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，Ｃ Ｒ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ， ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，Ｋ Ｒ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ， ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，Ｓ Ｇ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ Ｆターム(参考） 4E067 AA02 AA07 AB01 AB03 AB04 AB05 AB06 AD03 AD09 BA05 DA17 DC06 EA08 EB00 EC02 4K045 AA03 BA03 MA03 4K063 AA02 BA03 CA05 EA02

Claims (17)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 主として銅からなるハウジング(1)と、該ハウジング内に設
    けられた冷却媒体循環用の流路系(6)とを含み、とくに炉用に構成された冷却エ
    レメントにおいて、該エレメントは、前記エレメントハウジング(1)の表面の少
    なくとも一部において、拡散接合によって、腐食耐性表面層(2)が配設されてい
    ることを特徴とする冷却エレメント。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の冷却エレメントにおいて、前記表面層(2)
    は鋼、とくに精錬鋼からなることを特徴とする冷却エレメント。
  3. 【請求項３】 請求項１または２に記載の冷却エレメントにおいて、前記表
    面層(2)は、前記エレメントハウジング(1)の表面の一部にのみ設けられているこ
    とを特徴とする冷却エレメント。
  4. 【請求項４】 請求項１ないし３のいずれかに記載の冷却エレメントにおい
    て、該冷却エレメントはフラッシュ溶鉱炉冷却エレメントであることを特徴とす
    る冷却エレメント。
  5. 【請求項５】 請求項１ないし３のいずれかに記載の冷却エレメントにおい
    て、該冷却エレメントは、とくに溶融物の誘導に用いられる、冷却された、いわ
    ゆるシュートエレメントであることを特徴とする冷却エレメント。
  6. 【請求項６】 主として銅からなる冷却エレメントに腐食耐性表面層を配設
    する方法において、該表面層(2)は、エレメントハウジング(1)に拡散接合によっ
    て取り付けられることを特徴とする冷却エレメントへの腐食耐性表面層の配設方
    法。
  7. 【請求項７】 請求項６に記載の方法において、該方法は、接合に先立って
    、前記表面層(2)と前記ハウジング(1)の接合表面との間に、少なくとも１つの中
    間層(3、4、5)を配設することを特徴とする方法。
  8. 【請求項８】 請求項６または７に記載の方法において、前記用いる表面層
    (2)は鋼、とくに精錬鋼からなることを特徴とする方法。
  9. 【請求項９】 請求項６ないし８のいずれかに記載の方法において、互いに
    接合すべき前記表面層(2)と前記冷却エレメントハウジング(1)の接合表面との間
    には、該表面層(2)の接合表面に接して、または該表面に対して第１の中間層(3)
    を配設し、前記ハウジング(1)の接合表面に接して、または該表面に対して第２
    の中間層(4)を配設し、それぞれの中間層を含む接合表面を互いに押圧し、少な
    くとも接合領域を加熱することを特徴とする方法。
  10. 【請求項１０】 請求項６ないし９のいずれかに記載の方法において、第１
    の中間層(3)は、主としてニッケル(Ni)もしくはクロム(Cr)、またはそれらの合
    金もしくは混合体からなることを特徴とする方法。
  11. 【請求項１１】 請求項６ないし10のいずれかに記載の方法において、第２
    の中間層(4)は、互いに接合すべき物体の溶融温度より低い溶融温度を有する活
    性化剤からなることを特徴とする方法。
  12. 【請求項１２】 請求項６ないし11のいずれかに記載の方法において、第２
    の中間層(4)は主として、銀(Ag)および／もしくはスズ(Sn)、または合金もしく
    は混合体としての銀および銅(Ag+Cu)、アルミニウムおよび銅(Al+Cu)、もしくは
    スズおよび銅(Sn+Cu)からなることを特徴とする方法。
  13. 【請求項１３】 請求項６ないし12のいずれかに記載の方法において、少な
    くとも１つの第２の中間層(4)および少なくとも１つの第３の中間層(5)を配し、
    第２の中間層(4)の溶融温度が第３の中間層(5)のそれより低いことを特徴とする
    方法。
  14. 【請求項１４】 請求項６ないし13のいずれかに記載の方法において、第３
    の中間層(5)は主として、銀(Ag)、または合金もしくは混合体のいずれかとして
    の銀(Ag)および銅(Cu)からなることを特徴とする方法。
  15. 【請求項１５】 請求項６ないし14のいずれかに記載の方法において、前記
    接合領域を１段階で加熱することを特徴とする方法。
  16. 【請求項１６】 請求項６ないし15のいずれかに記載の方法において、第２
    の中間層(4)を第３の中間層(5)の表面に配することを特徴とする方法。
  17. 【請求項１７】 請求項６ないし16のいずれかに記載の方法において、前記
    中間層(3、4、5)のうちの少なくとも１つをフォイルの形で前記接合領域へ配す
    ることを特徴とする方法。
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