JPH05305416A - 低圧鋳造用ストーク - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 基材表面にセラミックコーティング層を施し
た金属製ストークにおける内筒側表面での温度低下を防
止し、長期的に湯づまりを防止できる高耐用のストーク
を提供する。 【構成】 セラミックコーティング層を被覆したストー
ク基材の内筒側長手方向に、ストーク本体に焼着した４
００〜８００℃までの熱処理により残存膨張特性を持っ
た不定形耐火材からなる耐火物層を形成する。これによ
って、耐火物層をセラミック層を介してストーク本体に
焼着させることができ、優れた断熱機能をストーク本体
に付与できると同時に長期間使用した場合でも湯づまり
を防止でき高耐用を実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、アルミニウム，マグネ
シウム，亜鉛，錫等の低融点金属及びそれらの合金の溶
解鋳造に用いられる低圧鋳造用ストークに関する。

【０００２】

【従来の技術】かかる低圧鋳造用ストークとして、従来
から、鋳鉄製のものが広く使用されてきた。しかし、鋳
鉄製のものは、形状変更の自由度、価格面，靭性面で優
れているが、アルミニウム溶湯に接するとその部分が浸
食されて、基材の損傷が激しく耐用性がなくなる。ま
た、鉄分がアルミニウム溶湯中に溶込み、アルミニウム
溶湯中に不純物として混入するためにアルミニウム製品
の品質が著しく劣化するという問題もある。

【０００３】その対策として、溶湯によって浸食するこ
とのないセラミックス製ストークの使用が試みられた
り、鋳鉄表面にセラミックスのコーティングや耐火性被
覆材を施すことが提案されている。

【０００４】たとえば、特開昭６０−１８０６５７号公
報には、金属珪素又は金属珪素と耐火性骨材を原料とし
て窒化反応焼結によって得られたセラミックスから作ら
れた低圧鋳造用ストークが開示されている。しかし、セ
ラミックス製にしたことによって製品中への不純物の混
入は避けられるものの、鋳鉄に比べ価格が１０倍以上に
なり、荷重，熱負荷等の作業条件により損傷し易く、コ
ストの割りには耐用が延びないという欠点がある。ま
た、複雑な鋳造用部材のセラミック化には成形上の制限
を受けるという問題点がある。

【０００５】また特開昭５８−１４５３５８号公報に
は、鉄製ストークの内筒の内壁に軸方向に滑り可能なセ
ラミックライニング層を施し、外筒及び下端面に着脱で
きるセラミックファイバー製ジャケットを被せたストー
クが提案されている。しかしながら、鉄製ストークと内
筒側のセラミックス層に隙間が存在するために、長期間
使用した場合、溶湯圧により溶湯が間隙に差し込み易
く、母材の溶損現象が発生したり、気密性不良により鋳
造欠陥が発生したりするという問題がある。

【０００６】また、この欠点を改良したものとして、本
願出願人は、先に特願平３−２６２３５８号として、鉄
系基材に接着性と耐食性に優れた多層からなるセラミッ
クコーティングを施したものを開示した。このストーク
は、製造に際しての形状の自由度が大きく、価格面、靭
性面等でも優れ、母材が浸食されずにメンテナンスフリ
ーで稼動できる長期間の高耐用性を有するという特長を
有する。

【０００７】しかしながら、このセラミックコーティン
グを施したストークは、セラミックス層が薄くならざる
を得ず、また、ストーク本体が熱伝導度のよい金属母材
であるために、溶湯の熱がフランジを通して放散してし
まう。このため、フランジ近くの内筒側表面での温度低
下によって溶湯が凝固し、長期間使用した場合、フラン
ジ近くに溶湯とその酸化物によるシェルが形成され、管
径が細くなり、湯づまりを起こすという新たな問題が生
じた。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、基材表面に
セラミックコーティング層を施した金属製ストークの改
良に係るもので、かかるセラミックコーティング層を施
した金属製ストークにおいて、湯づまりを防止できる高
耐用のストークを提供するものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、ストーク内筒
側に、セラミックコーティング層を介してストーク本体
に焼着した耐火物系パイプを形成したことによってその
目的を達成した。

【００１０】耐食性コーティングスラリーを使用する湿
式のコーティング法では、通常作業性の点から水分を多
量に含有している。これらのコーティング材を処理する
場合一般に、薄くコーティングし、膨れや亀裂を発生さ
せないようにゆっくりとした熱処理を加える操作を数回
行なって所定の厚みとし、見かけ上の欠陥を防止すると
同時に組織を緻密化させている。これにより期待通りの
薄い被膜が得られる。ところが、湯づまりを防止するた
めにこのスラリーを使い耐火物層を前記手法で形成する
場合、何度も処理を繰り返す必要があり、効率が悪くま
たコスト面で実用的でなく不適当である。また、耐食性
コーティングスラリーを使い鋳込み法で耐火物層を形成
する場合には、耐火物層に欠陥が発生し、母材に焼着し
た健全なパイプ状耐火物層を形成するのは困難である。
これは、コーティングスラリー中に多量の水分を含有
し、この水分が熱処理によって体積収縮現象が起きるた
めである。

【００１１】このような現象を解消するために種々検討
を加えた結果、４００℃乃至８００℃の温度範囲の熱処
理により体積が増加する不定型耐火物が有効に使用でき
ることを知見したものである。この場合、体積膨張を起
こし始める温度は、熱処理上限温度に近い程好ましい。
また、本発明に適用可能な耐火物層の残存膨張率は、未
拘束下で０〜１０％、好ましくは１〜５％である。

【００１２】ここでいう残存膨張率とは、基本的には未
拘束下で、 ｛（熱処理後の寸法−鋳型寸法）／鋳型寸法｝×１００
（％） であることを意味する。

【００１３】ここで、熱処理の過程で収縮するものは、
内筒側セラミック層と耐火物パイプとの間に間隙がで
き、焼着不良となったり耐火物層に亀裂が発生したりし
て、溶湯の差し込みやガスリーク等のトラブルの原因に
なるために適当でない。

【００１４】また、著しく膨張する耐火物は、組織が多
孔質となり、強度が小さく亀裂が入り易いことと、所望
の形状を得るのが困難であるために不適当である。

【００１５】不定形耐火物で適用可能な骨材としては、
耐食性コーティング材で使用する骨材が使用できる。す
なわち、融点が７００℃以上の弗素化合物骨材と、窒化
珪素，炭化珪素，アルミナ等の耐食性骨材が使用でき
る。しかし使用する結合材に制限があり、加熱により収
縮する結合剤、例えばアルミナゾルやシリカゾルといっ
た拘束水を持っていない結合剤は単独で使用することは
困難である。

【００１６】熱処理により所定の残存線膨張特性を不定
型材料に与えるためには、前述したように拘束水を含有
した結合剤を使用することが必要である。適用可能な結
合剤としては、燐酸、燐酸塩が最も好ましく、長期的な
寿命はやや劣るが珪酸塩も使用可能である。このような
拘束水を含有した無機質結合剤は、熱処理過程で脱水，
発泡し、体積を増加させる作用を基本的に備えている。
通常の耐火物では、硬化剤等を使用して拘束水を遊離水
に化学的に変換し発泡を押さえているが、この遊離水と
拘束水のバランスを調整することで、適当な残存膨張特
性を不定形耐火物に付与することができる。適用可能な
硬化剤としては、燐酸、燐酸塩結合剤に対しては、通常
使用されるマグネシア、カルシア、酸化亜鉛、酸化チタ
ン、酸化鉄、ジルコニア、アルミナセメント、タルク等
の金属酸化物や水酸化物、或いは複合酸化物が使用でき
る。また、珪酸塩結合剤に対しては、酸化亜鉛、酸化マ
グネシウムのような金属酸化物、珪弗化ソーダ等の珪化
物、珪弗化物、または燐酸アルミニウム、燐酸亜鉛等の
燐酸塩化合物が使用できる。

【００１７】このような残存膨特性を持った不定型耐火
物を使用し、熱処理を加えることによって、セラミック
コーティング層を介して素材に焼着した健全な耐火物層
を形成させることができる。

【００１８】

【作用】このようなセラミックコーティング層を被覆し
たストークの内筒側に、熱処理の過程で体積が膨張する
不定形耐火物を鋳込み熱処理を加えると、耐火物層を熱
間で外筒側のコーティング層に密着させることができ、
コーティング層を介して基材に焼着させることができ
る。また、同時に熱処理後この耐火物層に残存圧縮応力
を作用させることができる。

【００１９】コーティング層が使用温度以下で軟化特性
を有していることは、鉄系ストーク本体の膨張と耐火物
パイプとの膨張差をこのセラミック層で緩和できること
を意味し、膨張差による耐火物の破損を防止できる。

【００２０】また、耐火物へ作用している残存圧縮応力
及び基材への焼着現象は、耐火物自体の破損，脱落を防
止する作用がある。

【００２１】このようにストークの溶湯通路に形成され
た耐火物層を、セラミックコーティング層を介してスト
ーク本体に焼着させることにより、優れた断熱機能をス
トーク本体に付与できると同時に長期間使用した場合で
も湯づまりを防止でき、高耐用を実現できる。

【００２２】さらに、本発明は、使用されるコーティン
グ層の結合剤として珪酸塩やホウ珪酸ガラス粉末等の低
温域から軟化特性を持った結合剤を使用することで、鉄
系基材に強固に接着させることができ、更に、使用され
る雰囲気以下の温度域でのコーティング層の軟化特性に
より発生する歪みを吸収することができる。

【００２３】

【実施例】

試験例Ａ 図１は本発明の実施例である低圧鋳造ストークの断面
図、図２はその製造途中の断面図で、内径１０５ｍｍ、
外径１１４ｍｍ、長さ３００ｍｍのＪＩＳ鋼管パイプ１
を切出し、ショットブラスト処理した後に、基材である
鋼管パイプ１表面に、接着性コーティング層２を約１０
０μｍ施し、更にその上に耐食性コーティング層３を約
１００μｍ施工し、合計２００μｍのコーティング層を
形成した。なお、内筒側コーティング層は、耐食性コー
ティング層３を設けず、接着性コーティング層２のみで
も構わない。表１及び表２に使用したコーティング材の
化学成分を示す。

【００２４】

【表１】

【表２】 さらに、図３に示すように、内外面にコーティング層
２，３を形成した図２に示す鋼管パイプ１の上下面に蓋
材５を当てがい、管体の筒長手方向に可燃性パイプから
なる中子６を挿入セットした後、種々の不定形耐火物を
鋳込み、耐火物層４を形成した。その際、熱処理により
残存膨張率の変化する数種類の不定形耐火材料を鋳込ん
だ。

【００２５】これによって、図１の断面図に示すよう
に、接着性コーティング層２及び耐蝕性コーティング層
３を被覆した鋼管パイプ１の内筒側長手方向に、耐火物
層４を形成した低圧鋳造用ストークを得た。

【００２６】本試験例では、硬化剤（焼成燐酸アルミニ
ウム）の添加量を変えることで、すなわち、熱処理前の
結合剤中の拘束水の量を変えることで、拘束水の脱水過
程での発泡作用を利用し残存膨張率を変化させた。鋳込
み後上下蓋で固定し、８００℃で熱処理を加えて評価用
試験片とした。評価方法として、以下に示す項目を調査
し総合判定を行った。

【００２７】焼成後の外観状態の観察 浸漬スポーリング試験；７５０℃の溶融アルミに２０
分間浸漬した後、室温で３０分間保持するサイクルを繰
り返し耐火層の状態を観察 連続浸漬試験；７５０℃のアルミ溶湯に１２週間連続
浸漬し溶損の有無を観察 なお、アルミニウム材質はＪＩＳ ＡＤＣ１２のものを
使用した。

【００２８】表３にその結果を示す。

【００２９】

【表３】 実施例１〜３は残存膨張率が＋０．５から＋１０．５％
までの不定形材料を使用した場合で、熱処理後は実施例
１の材料の表面にわずかに微亀裂が発生していた程度で
あった。また実施例２，３の耐火物層には亀裂は発生し
ておらず、外観上も異常は認められなかった。また、焼
成品を長手方向に垂直に切断し、断面を観察したとこ
ろ、耐火物層とセラミックコーティング層界面、並びに
セラミック層と基材界面にはいずれも隙間等の異常は認
められなかった。また、浸漬スポーリングテスト及び浸
漬テストでも異常は認められず、良好な結果が得られ
た。

【００３０】一方、残存膨張率がマイナスを示す比較例
１，２は、焼成後耐火物層表面に大きな貫入亀裂が発生
し、また断面状態も耐火物層とセラミックコーティング
層に隙間が発生し、浸漬スポーリング試験及び浸漬試験
でも良好な結果が得られなかった。また、異常膨張を示
した比較例３も、耐火物層内部がポーラスになり耐火層
不足により浸漬スポーリング試験で一部剥離現象を起こ
し、良好な結果を得るに至らなかった。

【００３１】試験例Ｂ 次にコーティング層の効果を確認すべく、試験例Ａで使
用した同一基材を用意し、内面のみ接着性コーティング
層を２００μｍ施し、その他の部分は接着性及び耐食性
コーティング層を合計２００μｍ形成したものと、比較
例として内面はまったくコーティング処理を施さず、外
周面にのみ接着性及び耐食性コーティング層を形成した
基材の２種類を準備した。これらの試験片に試験例Ａと
まったく同様の方法で、実施例２で使用した不定形材料
を鋳込み、同様に熱処理を加え評価試験を行った。その
結果を表４に示す。

【００３２】

【表４】 耐火物層と基材との間にセラミック層を設けていない比
較例４は、浸漬スポーリング試験３回目までは異常は認
められなかったものの、５回目以降で耐火層に亀裂が進
展し、１０回目で基材から耐火物層と基材との間にアル
ミ溶湯が差し込み、基材の溶損現象が発生した。一方、
試験例Ａの様に内面の耐食性コーティング層を施工せ
ず、接着性コーティング層のみ２００μｍ施工した実施
例４は、評価試験の結果全く問題は発生しておらず、内
面は接着性コーティング材のみでも構わないことが判明
した。

【００３３】実施例 以上の試験結果をもとに、ＪＩＳ鋼管（１００Ａ４”；
内径１０５、外径１１４ｍｍ）から長さ８００ｍｍを切
出し、溶接によりフランジを取付け、鋼管製ストークを
作製した。これを試験例Ａと同様の方法でコーティング
処理を施した後、実施例２で使用した不定形耐火物を外
径７５ｍｍの可燃性中子をセットして鋳込み、溶融通路
側に約１５ｍｍの厚さの耐火物層を形成した。これを実
機にセットし実炉評価試験を行った。

【００３４】結果は、鋳鉄製ストークに約４００μｍの
コーティング層のみを施した従来のストークでは、約１
ケ月間でフランジ近くに溶湯酸化物層が形成され、約２
ケ月経過後に湯づまりを起こした。これに対し、本実施
例のストークでは、３ケ月経過後もフランジ近くに全く
溶湯酸化物の生成もなく、長期間にわたり湯づまりの発
生がみられなかった。

【００３５】なお、本実施例では珪酸ソーダ結合材を使
用したものについて説明したが、特に限定されるもので
はなく、耐食性，耐火性に優れた燐酸，燐酸塩等の結合
材も当然使用できる。

【００３６】

【発明の効果】本発明によって以下の効果を奏する。

【００３７】（１）コーティング層の外側に施した耐火
物層の断熱効果により、フランジ近くの内筒側表面での
温度低下を抑え、長期に亘って溶湯とその酸化物による
シェルの形成を防止して湯づまりを生じることがない。

【００３８】（２）熱処理の過程で体積が膨張する不定
形耐火物を鋳込むことにより、耐火物層は熱間で外筒側
のコーティング層と密着することができ、基材と耐火物
層の剥離を防止することができる。

【００３９】（３）器具の耐用性が向上したため、使用
期間も長くなり、中間補修作業の手間が大幅に減少す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例の低圧鋳造用ストークの断面図であ
る。

【図２】図１に示す低圧鋳造用ストークの製造途中の断
面図である。

【図３】図１に示す低圧鋳造用ストークの製造途中の断
面図である。

【符号の説明】

１ 鋼管パイプ（基材） ２ 接着性コーティング層 ３ 耐食性コーティング層 ４ 耐火物層 ５ 蓋材 ６ 中子

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【手続補正書】

【提出日】平成４年６月１９日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１６

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１６】熱処理により所定の残存線膨張特性を不定
形材料に与えるためには、拘束水を含有した結合剤を使
用することが最も好ましい。適用可能な結合剤として
は、燐酸、燐酸塩が最も好ましく、長期的な寿命はやや
劣るが珪酸塩も使用可能である。このような拘束水を含
有した無機質結合剤は、熱処理過程で脱水，発泡し、体
積を増加させる作用を基本的に備えている。通常の耐火
物では、硬化剤等を使用して拘束水を遊離水に化学的に
変換し発泡を押さえているが、この遊離水と拘束水のバ
ランスを調整することで、適当な残存膨張特性を不定形
耐火物に付与することができる。また拘束水を含有しな
い結合剤（例えばアルミナゾル，シリカゾル等のコロイ
ド状結合剤）を使用する場合は、ろう石、珪石等の結晶
相の転移現象を起こす骨材を選定したり、酸化現象を起
こす金属粉末を適量添加したりすることで耐火物層に残
存膨張性を付与することができる。適用可能な硬化剤と
しては、燐酸、燐酸塩結合剤に対しては、通常使用され
るマグネシア、カルシア、酸化亜鉛、酸化チタン、酸化
鉄、ジルコニア、アルミナセメント、タルク等の金属酸
化物や水酸化物、或いは複合酸化物が使用できる。ま
た、珪酸塩結合剤に対しては、酸化亜鉛、酸化マグネシ
ウムのような金属酸化物、珪弗化ソーダ等の珪化物、珪
弗化物、または燐酸アルミニウム、燐酸亜鉛等の燐酸塩
化合物が使用できる。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２９

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２９】

【表３】 実施例１〜３は残存膨張率が＋０．５から＋１０．５％
までの不定形材料を使用した場合で、熱処理後は実施例
１の材料の表面にわずかに微亀裂が発生していた程度で
あった。また実施例２，３の耐火物層には亀裂は発生し
ておらず、外観上も異常は認められなかった。また、焼
成品を長手方向に垂直に切断し、断面を観察したとこ
ろ、耐火物層とセラミックコーティング層界面、並びに
セラミック層と基材界面にはいずれも隙間等の異常は認
められなかった。また、浸漬スポーリングテスト及び浸
漬テストでも異常は認められず、良好な結果が得られ
た。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 セラミックコーティング層を被覆したス
   トーク基材の内筒側に、前記セラミックコーティング層
   を介して前記基材に耐火物層を焼着した低圧鋳造用スト
   ーク。
2. 【請求項２】 請求項１記載の耐火物層が、無機質結合
   剤及び硬化剤を用い、４００〜８００℃の熱処理によっ
   て残存膨張特性を示す不定形耐火材であることを特徴と
   する低圧鋳造用ストーク。