JP4801222B1 - スライディングノズルプレート - Google Patents

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Abstract

【課題】高耐食性で高熱膨張の耐火物を用いて大型化が可能なＳＮプレートを提供すること。
【解決手段】アルミニウムなどを添加することで耐食性を向上させ、１５００℃における熱膨張率が１．１５％以上２．５０％以下の特定耐火物１ａを、少なくとも使用重要部をカバーするように部分的に配置した。特定耐火物１ａの厚みは１５ｍｍ以上２５ｍｍ以下とする。特定耐火物１ａを配置した以外の部分は、アルミナカーボンを主成分とする不焼成耐火物又は焼成耐火物で形成する。
【選択図】図３

Description

本発明は、溶鋼の流量を制御するスライディングノズル装置（以下「ＳＮ装置」という。）に用いられるプレートれんがである、スライディングノズルプレート（以下「ＳＮプレート」という。）に関する。
鋼の製造において、取鍋やタンディッシュ等の溶融金属容器から排出される溶鋼の流量を制御するために、ＳＮ装置が使用される。このＳＮ装置には２枚又は３枚の耐火物製のノズル孔を持つＳＮプレートが使用される。このＳＮプレートは拘束された条件下、重ね合わせられ、さらに面圧が負荷された状態で摺動され、ノズル孔の開度を調整することで溶鋼の流量が調整される。
このことから、ＳＮプレートには、溶鋼中の成分やスラグなどに対する耐食性はもちろんのこと、鋳造時の熱応力に対する耐スポーリング性も求められる。
従来、ＳＮプレートの耐食性を向上させる手段として、アルミニウムやシリコンなどの金属を添加することが知られている（例えば特許文献１参照）。
特開昭５７−０２７９６８号公報
しかしながら、耐食性向上のために金属を多量に添加すると、ＳＮプレートが高熱膨張となり、耐スポーリング性が低下する。とくに、溶鋼が通過するノズル孔の孔径が５０ｍｍを超えるような大型のＳＮプレート（例えば、Ａ寸（長さ）＝５５０ｍｍ，Ｂ寸（幅）＝２５０ｍｍ，Ｃ寸（厚み）＝４５ｍｍ）では、耐スポーリング性の問題が顕著となる。つまり、大型のＳＮプレートでは、高熱膨張になると焼成亀裂（焼成時の亀裂）が生じる可能性が高く、仮に焼成亀裂が生じなくとも、初期亀裂（溶鋼が通過した際にスポーリングによって生じる亀裂）が生じるおそれが高く、使用困難であった。
そこで、本発明は、高耐食性で高熱膨張の耐火物を用いて大型化が可能なＳＮプレートを提供することを目的とする。
本発明のＳＮプレートは、金属アルミニウムが添加され、１５００℃における熱膨張率が１．１５％以上２．５０％以下の特定耐火物を、少なくとも使用重要部をカバーするように部分的に配置したスライディングノズルプレートであって、前記特定耐火物は、当該特定耐火物を配置する以外の部分を構成する母材の耐火物にモルタルを介して嵌め込まれ、かつ、その厚みが１５ｍｍ以上２５ｍｍ以下であることを特徴とするものである。
なお、「使用重要部」とは、概念的にはＳＮプレートの摺動面（稼働面）においてとくに耐食性が要求される部分のことであるが、詳しくは後で定義する。
本発明では、ＳＮプレートの耐食性を向上させるためにアルミニウムなどを添加することで１５００℃における熱膨張率が１．１５％以上の高熱膨張となった特定耐火物を、使用重要部をカバーするように配置する。ただし、この特定耐火物によってＳＮプレートの全体を形成すると、耐スポーリング性の低下の影響が顕著となるので、本発明では、特定耐火物を、少なくとも使用重要部をカバーするように「部分的」に配置する。すなわち、本発明では、とくに耐食性の要求される使用重要部あるいはその周辺には特定耐火物を配置し、それ以外の部分は他の耐火物で形成することで、高熱膨張の特定耐火物によって形成される部分を小型化する。これによって、特定耐火物を使用して大型のＳＮプレートを形成することができる。
本発明のＳＮプレートの使用重要部を示す図である。 本発明のＳＮプレートにおいて特定耐火物を配置する部分の例を示す図である。 本発明のＳＮプレートの一例を示し、（ａ）は摺動面を示す底面図、（ｂ）は断面図である。 ＦＥＭ計算した各モデルのＣＡＤモデルを示す。 ＳＮプレートのノズル孔のエッジ部に発生する最大応力をＦＥＭ計算した結果を示す。
本発明では、例えばアルミニウムなどの耐食性付与効果の高い金属を添加することで得られた１５００℃における熱膨張率が１．１５％以上２．５０％以下の特定耐火物を、少なくともＳＮプレートの使用重要部をカバーするように部分的に配置する。特定耐火物を配置した以外の部分（母材）は、ＳＮプレートの耐火物として汎用されているアルミナカーボンを主成分とする不焼成耐火物又は焼成耐火物などで構成することができる。
ここで「使用重要部」とは、ＳＮプレートの摺動面においてとくに耐食性が要求される部分であり、より具体的には、図１に示すように、ＳＮプレート１の摺動面において、ストローク部Ｓ（実操業時に溶鋼と直接接触する部分）に、ノズル孔周辺部Ｈを加えた部分が使用重要部Ｄである。なお、図１においてＳ１は、全開位置と全閉位置におけるノズル孔の中心間距離、αは、ノズル孔周辺部Ｈの幅を示す。Ｓ１はＳＮ装置の仕様によって決まる。αは、いわゆる安全代であり、１０ｍｍ以上３０ｍｍ以下であることが好ましい。αが１０ｍｍ未満であると、ノズル孔のエッジ欠けによって母材が溶鋼に曝されるおそれがあり、構造的にも製造が困難で、製造できたとしても歩留まりが著しく悪い。一方、αが３０ｍｍを超えると、耐スポーリング性の低下の影響が顕著となる。
本発明では、少なくとも図１に示す使用重要部Ｄをカバーするように上述の特定耐火物を部分的に配置する。例えば、図１に示す使用重要部Ｄにのみ特定耐火物を配置してもよいし、図２に示すように、図１に示す使用重要部ＤをカバーするＤ１ないしＤ３の部分に特定耐火物を配置してもよい。
本発明のＳＮプレートに使用する特定耐火物は、耐食性付与効果の高い原料を含有する。耐食性付与効果の高い原料としては、金属アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化クロムなどが挙げられる。このような原料はＳＮプレートの高熱膨張化を招き、耐スポーリング性の弊害となる。例えば、アルミナカーボン系のＳＮプレートに金属アルミニウムを５質量％添加すると耐食性は向上するが、熱膨張率は１．１５％となり高熱膨張化に伴った耐火物使用時の亀裂が懸念される。耐食性付与効果の高い原料は熱膨張率２．５０％までは耐食性付与効果を奏するが、それ以上は耐食性付与効果は見込めない。いずれにしろ熱膨張率１．１５％以上２．５０％以下のＳＮプレートは高耐食性となるが、製造時の焼成亀裂や使用時のスポーリングによる亀裂（初期亀裂）の問題により、とくに大型のＳＮプレートには適用できなかった。本発明は１５００℃における熱膨張率が１．１５％以上２．５０％以下の特定耐火物の適用を、使用重要部をカバーする部分に限定することで上記問題点の改善を図っている。
特定耐火物の厚みは１５ｍｍ以上２５ｍｍ以下とする。特定耐火物の厚みが１５ｍｍ未満あるいは２５ｍｍ超であると、ＦＥＭを用いた計算結果からノズル孔のエッジ部に発生する最大応力が大きくなり、エッジ欠けや亀裂の問題が懸念される。
また、特定耐火物は、その底部外周がカットされていることが好ましい。特定耐火物の底部外周をカットすることで、特定耐火物を、使用重要部をカバーする部分にセットする際の作業性が向上する。このような作用効果を顕著に奏するには、特定耐火物の底部外周はＲ５以上又はＣ５以上でカットすることがより好ましい。
本発明の実施例として、特定耐火物を、使用重要部をカバーするように部分的に配置してＳＮプレートを製造した。また、比較例として、実施例と同じ特定耐火物を全体に適用してＳＮプレートを製造した。
（実施例１−１）
製造したＳＮプレートの形状は、図３に示すとおりで、この実施例では、Ａ寸（長さ）＝５００ｍｍ，Ｂ寸（幅）＝２５０ｍｍ，Ｃ寸（厚み）＝４０ｍｍとした。また、本発明の実施例において特定耐火物１ａは、全開位置と全閉位置におけるノズル孔の中心間Ｓ１を２５０ｍｍ、ノズル孔の孔径φを１００ｍｍ、ＳＮプレートの摺動方向の安全代α１を１０ｍｍ、摺動方向と直交する方向の安全代α２を２５ｍｍとして、ＳＮプレートの摺動方向の長さがＳ１+ φ + ２α１＝３７０ｍｍ 、摺動方向と直交する方向の長さがφ + ２α２＝１５０ｍｍで規定される部分Ｄ４に厚み２０ｍｍにて配置した。このＤ４の部分は、図１で説明した使用重要部Ｄをカバーする。
特定耐火物としては、アルミナ粉末：９２質量％、カーボン粉末：３質量％、金属アルミニウム粉末：５質量％の配合物を混合し、乾燥、焼成したものを使用した。この特定耐火物の１５００℃における熱膨張率は１．１５％、音速弾性率は８０ＧＰａであった（表３、４の材質Ａ）。
本発明の実施例では、この特定耐火物を上述の部分Ｄ４に限定して適用し、この部分Ｄ４以外（母材）には、アルミナ粉末：９５質量％、カーボン粉末：３質量％、金属シリコン粉末：３質量％を混合し、乾燥、焼成したアルミナカーボン質の耐火物を適用した。すなわち、本発明の実施例では、部分Ｄ４に対応する形状の特定耐火物を準備し、これを母材の耐火物にモルタルを介して嵌め込むことでＳＮプレートを製作した。一方、比較例では、上述の特定耐火物を、図３に示したＳＮプレートの全体に適用した。つまり、比較例では、上述の特定耐火物の配合物によってＳＮプレート全体を形成し、乾燥、焼成した。
製造の結果、本発明の実施例では、亀裂を生じることなく良好なＳＮプレートが得られた。一方、比較例では、目視で確認できる亀裂が生じており、実使用には供することはできないと判断された。
（実施例１−２）
特定耐火物として、アルミナ粉末：８７質量％、カーボン粉末：３質量％、金属アルミニウム粉末：１０質量％を混合し、乾燥、焼成したものを使用して、実施例１−１と同様にＳＮプレートを製造した。この実施例の特定耐火物の１５００℃における熱膨張率は１．３３％、音速弾性率は１２０ＧＰａであった（表３、４の材質Ｃ）。一方、比較例では、上述の特定耐火物を、図３に示したＳＮプレートの全体に適用した。
製造の結果、部分Ｄ４に限定して特定耐火物を適用した本発明の実施例では、特定耐火物に微小な亀裂が確認されたが、特定耐火物を取り囲む母材の耐火物との亀裂のつながりは確認されなかったため、実使用にはとくに問題はないと考えられた。一方、特定耐火物を全体に適用した比較例では、亀裂が多数生じており、実使用には供することはできないと判断された。
（実施例１−３）
特定耐火物として、マグネシア粉末：９２質量％、カーボン粉末：３質量％、金属アルミニウム粉末：５質量％を混合し、乾燥、焼成したものを使用して、実施例１−１と同様にＳＮプレートを製造した。この実施例の特定耐火物の１５００℃における熱膨張率は２．５０％、音速弾性率は８０ＧＰａであった（表３、４の材質Ｄ）。一方、比較例では、上述の特定耐火物を、図３に示したＳＮプレートの全体に適用した。
製造の結果、部分Ｄ４に限定して特定耐火物を適用した本発明の実施例では、特定耐火物に微小な亀裂が確認されたが、特定耐火物を取り囲む母材の耐火物との亀裂のつながりは確認されなかったため、実使用にはとくに問題はないと考えられた。一方、特定耐火物を全体に適用した比較例では、亀裂が多数生じており、実使用には供することはできないと判断された。
以上のとおり、本発明にしたがい少なくとも使用重要部をカバーするように限定して特定耐火物を適用することで、実使用に問題となるような亀裂を生じることなく、大型のＳＮプレートを製造できることが確認された。
なお、以上の本発明の実施例では、部分Ｄ４以外に適用する母材として焼成耐火物を適用したが、不焼成耐火物を適用してもよい。
使用重要部に配置する特定耐火物の厚みとノズル孔のエッジ部に発生する最大応力との関係をＦＥＭにより計算した。
ＦＥＭの計算条件は、以下のとおりである。
＜使用ソフト＞
CosmosWorks2007
MSC. Marc 2008
＜モデリング＞
１／２のＣＡＤモデルを作成。ＣＡＤモデルから四節点四角形要素を使用してＦＥＭモデルを作成。メッシュ分割の基準長さは５ｍｍ。
＜熱解析＞
初期温度：
ノズル孔、開度５０％：１５５０℃、１．１６×１０−３Ｗ／ｍｍ２・Ｋ
外周側：２５℃、１．１６×１０−５Ｗ／ｍｍ２・Ｋ
時間ステップ：１秒／ステップ、２０秒間
＜応力解析＞
初期温度：２５℃
対称性を考慮した変位拘束を付与。
回転抑制のためのＹ方向の拘束を付与。
Ｘ方向の変位拘束を付与。
熱解析の結果から熱応力を計算。
表１にモデル番号と条件を示し、図４に表１に示したmodel１〜５のＣＡＤモデルを示す。表１及び図４に示すように、model１〜５では、ＳＮプレートの使用重要部をカバーする部分（図３の部分Ｄ４）に配置する特定耐火物１ａの厚みを５〜２５ｍｍも範囲で変化させた。Model６は、特定耐火物を配置しなかった例である。
Figure 0004801222
ＦＥＭ計算において、加熱部位はノズル孔とし、外周は冷却する条件とした。また、ＦＥＭ計算に使用した物性値は表２のとおりである。
Figure 0004801222
以上の条件の下、ＦＥＭにより、ノズル孔のエッジ部（特定耐火物を配置した側のエッジ部）に発生する最大応力を計算した。その結果を図５に示す。同図より、特定耐火物の厚みが１５〜２５ｍｍの範囲で発生応力の低下が見られた。
特定耐火物の材質と耐食性の関係について調査した。表３に使用材質を示す。
Figure 0004801222
材質Ａ〜Ｃについては、その配合物を混合、乾燥後、非酸化雰囲気で焼成することで焼成体とした。材質Ｄについては、その配合物を混合、乾燥することで不焼成体とした。各材質のサンプルを高周波誘導炉のるつぼに内張りし、そのるつぼに溶鋼を入れミルスケールを添加し、２時間撹拌した。試験後、各サンプルの溶損速度から耐食性を評価した。また、各材質のサンプルにつき、音速弾性率と１５００℃における熱膨張率を評価した。音速弾性率は、ＪＩＳ規格により定められたＪＩＳ Ｒ １６０２の弾性率試験法により評価し、熱膨張率は、ＪＩＳ Ｒ ２２０７−１の熱膨張の試験方法により評価した。その結果を表４に示す。
Figure 0004801222
表４では各材質の耐食性は、材質Ａの溶損速度を１００として指数で表記した。数値が小さいほど耐食性は良好である。表４から、音速弾性率が高くなると耐食性が向上する傾向にあり、高弾性率化に伴った耐火物組織の緻密化によって耐食性が向上することが分かる。
１ ＳＮプレート
１ａ 特定耐火物
Ｄ 使用重要部
Ｄ１〜Ｄ４ 使用重要部をカバーする部分
Ｓ ストローク部
Ｈ ノズル孔周辺部

Claims (4)

  1. 金属アルミニウムが添加され、１５００℃における熱膨張率が１．１５％以上２．５０％以下の特定耐火物を、少なくとも使用重要部をカバーするように部分的に配置したスライディングノズルプレートであって、前記特定耐火物は、当該特定耐火物を配置する以外の部分を構成する母材の耐火物にモルタルを介して嵌め込まれ、かつ、その厚みが１５ｍｍ以上２５ｍｍ以下であるスライディングノズルプレート。
  2. 前記特定耐火物は、底部外周がカットされている請求項１に記載のスライディングノズルプレート。
  3. 前記特定耐火物の底部外周は、Ｒ５以上又はＣ５以上である請求項２に記載のスライディングノズルプレート。
  4. 前記母材は、アルミナカーボンを主成分とする不焼成耐火物又は焼成耐火物で形成されている請求項１〜３のいずれかに記載のスライディングノズルプレート。
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