JPH093520A - 二重管式粉体吹き込みノズル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 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。 【構成】 粉体含有流体を吹き込むための内管と、該内
管を冷却させるための冷却ガスの流路を該内管の外周に
形成するための外管とからなり、前記内管がその内面側
から順に焼成セラミックからなる内層、緩衝材からなる
中間層および一方向性形状記憶合金からなる外層が積層
され、該外層に用いられた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、中間層および外層
が一体化された三層構造を有することを特徴とする二重
管式粉体吹き込みノズル。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、二重管式粉体吹き込み
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二重管式粉
体吹き込みノズルに関する。

【０００２】

【従来の技術】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。

【０００３】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（特開昭５８−１００
６１３号公報）、内管の内面にセラミックパイプが嵌挿
されたノズル（特開昭５８−１００６１６号公報）など
が提案されている。

【０００４】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。

【０００５】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。

【０００６】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（特開平３−
１３７０６８号公報）。

【０００７】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、前記と同様に、セラミックス管
の抜けが生じるため、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。また、前記セラミック
パイプは、工業的に長尺のものを製造することが困難な
ため、短尺のものを多数本連結させる必要があるが、パ
イプ同士の接合部は、軸中心側面方向からの力に弱いた
め、補強をしなければならないという欠点がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、前記従来技
術に鑑みてなされたものであり、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。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、粉体含有流体
を吹き込むための内管と、該内管を冷却させるための冷
却ガスの流路を該内管の外周に形成するための外管とか
らなり、前記内管が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一方向性形
状記憶合金からなる外層が積層され、該外層に用いられ
た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、中間層および外層が一体化された三層構造
を有することを特徴とする二重管式粉体吹き込みノズル
に関する。

【００１０】

【作用および実施例】本発明の二重管式粉体吹き込みノ
ズルは、前記したように、粉体含有流体を吹き込むため
の内管と、該内管を冷却させるための冷却ガスの流路を
該内管の外周に形成するための外管とからなり、前記内
管が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一方向性形状記憶合金から
なる外層が積層され、該外層に用いられた一方向性形状
記憶合金の形状記憶による締めつけ力により、内層、中
間層および外層が一体化された三層構造を有することを
特徴とするものである。

【００１１】本発明の二重管式粉体吹き込みノズルにお
いては、内管として、前記した三層構造を有するので、
内管の内面が耐磨耗性にすぐれ、機械的強度が大きく、
しかも内管を構成している各層が使用中においても強固
に固着しているという利点がある。

【００１２】前記内管は、粉体含有流体を吹き込むため
に用いられたものであり、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一
方向性形状記憶合金からなる外層で構成される。

【００１３】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。

【００１４】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。

【００１５】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。

【００１６】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。

【００１７】前記焼成セラミックからなる内層と後述す
る一方向性形状記憶合金からなる外層とを強固に固定す
るためには、両者の接合面を密着させて接触面積ができ
るだけ大きくなるようにしなければならない。

【００１８】前記内層は、焼成セラミックで構成されて
いるため、その表面は非常に粗い。前記内層と外層との
接触面積を大きくするためには、（イ）前記外層に用い
られた一方向性形状記憶合金の収縮率を高める方法、お
よび（ロ）前記内層の外面および外層の内面を高精度に
仕上げる方法がある。これらの方法のうち、前記（イ）
の方法では、前記外層の一方向性形状記憶合金の収縮率
が過大になると前記内層に破損が生じるおそれがあり、
また前記（ロ）の方法では、表面を高精度に仕上げるこ
とが困難であるのみならず、その仕上げに長時間を要す
るので、不利である。

【００１９】これに対して、本発明において、内層と外
層との間に緩衝材からなる中間層が用いられており、前
記内層の外面および前記外層の内面の精度を高めなくて
も、前記外層に用いられた一方向性形状記憶合金の圧縮
力により、前記中間層が前記内層の外面形状および前記
外層の内面形状にならうため、前記中間層は、前記内層
と前記外層との間で、密着界面を形成する。

【００２０】また、前記緩衝材からなる中間層は、前記
外層に用いられた一方向性形状記憶合金の形状記憶によ
る締めつけが行なわれる際に、変形し、前記内層に加わ
る過剰な応力を吸収するため、前記内層の圧壊を防止す
る。

【００２１】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。

【００２２】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。

【００２３】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。

【００２４】前記一方向性形状記憶合金からなる外層
は、分割成形された内層を固定するために用いられる。

【００２５】従来、外層として金属パイプを用い、また
内層としてセラミックパイプを機械的に結合させるため
に、焼き嵌めが行なわれているが、ノズルの使用環境に
温度変化があるばあい、金属パイプとセラミックパイプ
の熱膨張率の差により、金属パイプの内径がセラミック
パイプの外径よりも大きくなり、分割成形されたセラミ
ックパイプが搬送ガスの圧力によって位置ずれを起こ
し、該セラミックパイプの抜けが生じるという問題があ
る。

【００２６】これに対して、本発明においては、金属パ
イプとセラミックパイプとの一体化には、焼き嵌めとい
う手段を用いるのではなく、一方向性形状記憶合金から
なる外層の形状記憶による締めつけを用いているので、
常温から設計温度（形状記憶合金の形状保持力が維持さ
れるときの最高温度）までの温度範囲内で温度変化が生
じたばあいであっても、殆ど変化のない一定した締めつ
け力がえられる。

【００２７】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。

【００２８】前記一方向性形状記憶合金からなる外層の
厚さは、機械的強度および冷却性の点から、２〜３．５
ｍｍ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、１〜２ｍｍ程度であることが好ま
しい。

【００２９】本発明に用いられる内管は、たとえば一方
向性形状記憶合金からなる円筒形状の外層の内側に緩衝
材からなる中間層を挿入し、該中間層の内側に焼成セラ
ミックからなる内層を挿入することにより、内層、中間
層および外層を積層し、これら全体または外層を加熱す
ることにより、外層に用いられた一方向性形状記憶合金
の形状記憶による締めつけ力を発現させて、内層、中間
層および外層を一体化させることによってえられる。

【００３０】前記内管を冷却させるための冷却ガスの流
路を形成するために、該内管の外周には外管が設けられ
る。

【００３１】本発明においては、内管の外周に外管が設
けられた点に、１つの特徴がある。

【００３２】内管の外周に外管が設けられていないばあ
い、内管の内層、中間層および外層の一体化は、該外層
に用いられた一方向性形状記憶合金の形状記憶による締
めつけ力によって行なわれているため、該内管、とくに
その外層が一方向性形状記憶合金の設計温度よりも高い
温度に使用中に加熱されたばあい、該外層による締めつ
け力が低下し、その結果、従来の焼き嵌めのみを行なっ
たばあいと同様に、分割成形された内層の位置ずれや抜
けが生じる。

【００３３】これに対して、本発明のノズルにおいて
は、内管の外周に外管が設けられ、両者のあいだに内管
を冷却させるための冷却ガスの流路が形成されているの
で、該流路に冷却ガスを導通させることにより、内管の
過熱を防止することができる。

【００３４】前記内管と外管との間に設けられる冷却ガ
スの流路は、たとえば内管の外周、すなわち外層に、あ
らかじめフライスなどによって長手方向に溝を形成させ
ておき、ついで内管を外管の内側に挿入することによっ
て形成された通路であってもよく、また外管の内周と内
管の外周とのあいだに空隙を設け、該空隙にスペーサー
を挿入して該空隙を保持し、その空隙を冷却ガスの流路
としてもよい。

【００３５】前記外管としては、たとえばＳＵＳ３０
４、ＳＵＳ３１０Ｓ、ＳＵＳ４３０などのステンレス鋼
などの難燃性金属からなるパイプがあげられる。前記パ
イプの肉厚は、機械的強度の向上および冷却性の点か
ら、１．５〜２．５ｍｍ程度であることが好ましい。

【００３６】前記冷却ガスの流路に通気させることがで
きる冷却ガスとしては、接触冷却能力が高い冷却ガスを
用いることが好ましい。かかる冷却ガスの代表例として
は、たとえばＬＰＧ、チッ素ガス、二酸化炭素ガス、炭
化水素ガスなどのガスがあげられる。

【００３７】本発明のノズルは、前記したように、外管
が設けられており、該外管と内管とのあいだに冷却ガス
の流路が形成されているので、該冷却ガスの流路に冷却
ガスを通気させることにより、内管の外層が過熱される
のを防止することができる。また、一般に短尺のセラミ
ックパイプを繋いで内管の内層を形成させたばあいに
は、接合部の機械的強度が低いため、側面方向からの応
力に対して弱いが、本発明においては、内管の外周に外
管が設けられているので、前記応力に対しても充分に耐
えうるだけの機械的強度を有する。

【００３８】以下、本発明の二重管式粉体吹き込みノズ
ルを図面にもとづいて説明する。

【００３９】図１は、本発明の二重管式粉体吹き込みノ
ズル１の概略斜視図であり、図２は、図１のＡ−Ａ部に
おける拡大断面図である。

【００４０】図２において、焼成セラミックからなる内
層２、緩衝材からなる中間層３および一方向性形状記憶
合金からなる外層４が順に積層された内管５の外周に
は、外管６が設けられている。内層２、中間層３および
外層４は、外層４に用いられた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一体化されている。内
層２の内側には、粉体含有流体を吹き込むための通路７
が設けられており、また内管５と外管６とのあいだに
は、内管５を冷却するための冷却ガスの流路８が設けら
れている。かかる流路８は、図２に示されるように、内
管５の外層４にフライスなどを用いた機械加工によって
縦溝を形成させることにより、設けることができる。

【００４１】つぎに、本発明の二重管式粉体吹き込みノ
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。

【００４２】実施例１ 図１に示されたノズルを用いた。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２として用い、該焼成セラミックパイ
プを緩衝材として厚さ０．５ｍｍの銅パイプ内に挿入す
ることにより、中間層３を形成させた。中間層３の外径
は２０．５ｍｍであった。

【００４３】つぎに、外層４として鉄系一方向性形状記
憶合金からなるパイプ（マンガン２８重量％、ケイ素６
重量％、クロム６重量％、残部鉄、内径２２．５ｍｍ、
推定回復後の内径２０．５ｍｍ、内面のスリットの凸部
の高さ０．９ｍｍ）を用い、該パイプを加熱してその径
を拡大させたのち、前記内層２と中間層３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２、中間層３および外層４を一体化さ
せて内管５を形成させた。

【００４４】外管６としてステンレス鋼製パイプ（ＳＵ
Ｓ３０４、内径２６．７ｍｍ）を用い、該パイプ内に前
記内管５を挿入して二重管式粉体吹き込みノズル１をえ
た。

【００４５】えられたノズル１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２０〜１
２０ｋｇ／ｍｉｍの搬送速度で通路７から吹き込み、こ
れと同時に流路８にＬＰＧを流速１０〜４０Ｎｍ³／ｈ
ｒで流し、ノズル１の後端から先端まで冷却した。

【００４６】稼働後５分間経過時に、ノズル１の先端温
度を熱電対で測定したところ、約３００℃であった。こ
れは形状記憶保持温度の上限（５５０〜６００℃）より
も格段に低く、稼働中に、支障がまったく認められなか
った。

【００４７】また、内管５の通路７から多量の微粉炭含
有ガスを流したが、ノズル１の先端には、溶鉄凝固物
（いわゆるマッシュルーム）の生成が少なく、ガス流量
は、ほとんど変化しなかった。

【００４８】比較例１ 実施例１において、内管５と外管６とのあいだの流路８
を閉塞させてＬＰＧの通気を行なわなかったほかは、実
施例１と同様にしてノズル１を稼働させた。

【００４９】稼働後５分間経過時に、ノズル１の先端温
度を実施例１と同様にして熱電対で測定したところ、約
９００℃であり、外層の形状記憶保持温度の上限よりも
はるかに高く、その後数回使用したのち、内視鏡にてセ
ラミックパイプの離脱を確認した。

【００５０】実施例２ 実施例１で用いられたものと同じノズル１を用意し、実
施例１と同様にしてノズル１を稼働させ、該ノズル１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。

【００５１】（Ａ）平均ノズル寿命 ノズル１を稼働させ、定期的にノズル１内に検寸棒を挿
入し、ノズル１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。

【００５２】（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１を輪切りにし、
その内径と初期の内径との差を調べる。

【００５３】（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１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。

【００５４】なお、内層２が離脱したばあい、ノズル１
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。

【００５５】比較例２ 実施例２において、外層４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、従来のステンレス鋼
（ＳＵＳ３０４）製パイプ（内径２１ｍｍ、外径２５ｍ
ｍ）を用い、該パイプを加熱したのち、内層２と中間層
３との積層物を挿入して冷却し、内層２、中間層３およ
び外層４を一体化させたほかは、実施例２と同様にして
二重管式粉体吹き込みノズルをえた。

【００５６】えられたノズルの特性を実施例２と同様に
して調べた。その結果を表１に示す。

【００５７】

【表１】

【００５８】表１に示された結果から、実施例２でえら
れたノズルは、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。

【００５９】

【発明の効果】本発明の二重管式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。

【００６０】また、本発明の二重管式粉体吹き込みノズ
ルは、二重管構造を有するので、径方向からの応力に対
する耐久性にすぐれ、しかも厚肉化されているにもかか
わらず、耐溶損性にすぐれたものである。

【００６１】したがって、本発明の二重管式粉体吹き込
みノズルは、その運搬時および施工時の利便性にすぐ
れ、また温度上昇を嫌う一方向性形状記憶合金からなる
外層に対し、内管および外管の２系統による冷却が可能
であるという利点を有するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の二重管式粉体吹き込みノズルの概略斜
視図である。

【図２】図１に示された二重管式粉体吹き込みノズルの
Ａ−Ａ部における拡大断面図である。

【符号の説明】

１ 二重管式粉体吹き込みノズル ２ 内層 ３ 中間層 ４ 外層 ５ 内管 ６ 外管 ８ 冷却ガスの流路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 熊澤 宏之 兵庫県姫路市広畑区富士町１番地 新日本 製鐵株式会社広畑製鐵所内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 粉体含有流体を吹き込むための内管と、
   該内管を冷却させるための冷却ガスの流路を該内管の外
   周に形成するための外管とからなり、前記内管がその内
   面側から順に焼成セラミックからなる内層、緩衝材から
   なる中間層および一方向性形状記憶合金からなる外層が
   積層され、該外層に用いられた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、中間層および
   外層が一体化された三層構造を有することを特徴とする
   二重管式粉体吹き込みノズル。
2. 【請求項２】 焼成セラミックからなる内層が高耐磨耗
   性セラミックパイプである請求項１記載の二重管式粉体
   吹き込みノズル。
3. 【請求項３】 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記載の二重管式粉体吹き込みノズル。
4. 【請求項４】 外管が難燃性金属からなるパイプである
   請求項１記載の二重管式粉体吹き込みノズル。