JPH093521A - 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】 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難燃性金属からな
る外層が積層された三層構造を有するノズルであって、
前記内層の外面に設けられた外周溝および前記外層の内
面に設けられた内周溝にそれぞれ中間層の一部が埋め込
まれていることを特徴とする粉体吹き込みノズル、なら
びに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難燃性金属からなる外
層が積層された三層構造を有するノズルであって、前記
外層および中間層を貫通し、前記内層の内面にまでは貫
通していない取付孔に、前記外層と同一材質の取付ピン
が挿入固定されていることを特徴とする粉体吹き込みノ
ズル。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、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、セラミックス管の抜けが生じ、
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。

【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
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、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
る中間層および難燃性金属からなる外層が積層された三
層構造を有するノズルであって、前記内層の外面に設け
られた外周溝および前記外層の内面に設けられた内周溝
にそれぞれ中間層の一部が埋め込まれていることを特徴
とする粉体吹き込みノズル（以下、第１発明という）、
ならびに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難燃性金属からな
る外層が積層された三層構造を有するノズルであって、
前記外層および中間層を貫通し、前記内層の内面にまで
は貫通していない取付孔に、前記外層と同一材質の取付
ピンが挿入固定されていることを特徴とする粉体吹き込
みノズル（以下、第２発明という）に関する。

【００１０】

【作用および実施例】前記第１発明および第２発明に
は、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難燃性金属からなる外層が積
層された三層構造を有するノズルが用いられる。

【００１１】前記第１発明および第２発明に用いられる
ノズルは、このような三層構造を有するので、内面が耐
磨耗性にすぐれ、機械的強度が大きく、しかも各層が使
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。

【００１３】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。

【００１４】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。

【００１５】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。

【００１６】前記緩衝材からなる中間層は、後述する外
層による締めつけが行なわれる際に、変形し、焼成セラ
ミックからなる内層に過剰な応力が加わらないようにす
るために用いられる。

【００１７】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。

【００１８】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。

【００１９】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。

【００２０】前記難燃性金属からなる外層は、分割成形
された内層および中間層を一体化させ、つなぎ目に間隙
が生じないようにして固定するために用いられる。

【００２１】外層を構成する難燃性金属としては、たと
えばステンレス鋼、一方向性形状記憶合金などがあげら
れる。これらのなかでは、一方向性形状記憶合金は、そ
の形状記憶による締めつけ力を呈するので、内層、中間
層および外層を強固に結合させることができるという利
点がある。

【００２２】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。

【００２３】前記外層の厚さは、機械的強度および冷却
性の点から、３〜５ｍｍ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、０．２ｍｍ以
下であることが好ましい。

【００２４】前記第１発明においては、前記内層の外面
に設けられた外周溝および前記外層の内面に設けられた
内周溝にそれぞれ中間層の一部が埋め込まれている。

【００２５】前記外周溝の深さは、内層と中間層とを強
固に一体化させるために、０．２ｍｍ以上であることが
好ましく、また中間層を変形させて外周溝に完全に埋め
込むのを容易にするために、中間層の厚さの半分以下で
あることが好ましい。また外周溝の幅は、中間層の変形
による噛み込みを容易にするために、０．５〜１．５ｍ
ｍ程度であることが好ましい。外周溝の断面形状につい
ては、とくに限定がなく、たとえば四角形状であっても
よく、三角形状であってもよく、あるいは半円形状であ
ってもよい。

【００２６】前記外周溝は、通常、内層の外面の周方向
に設けられていることが好ましいが、内層の軸方向に設
けられていてもよい。また、前記外周溝が設けられる個
数は、とくに限定がないが、たとえば長手方向に５０〜
１００ｍｍごとに１カ所の頻度で設けられていること
が、先端からの損傷が進行することが予想されるノズル
において、常時前記外周溝によって内層が抜け落ちる現
象を防止する点で好ましい。

【００２７】前記内層の外面に外周溝を設ける方法とし
ては、たとえば内層の外面にエッチングを施して外周溝
を形成させる方法、内層を鋳造や鍛造によってつくる際
に、外周溝を形成させる方法、内層の外面に旋盤などを
用いて切削加工を施し、外周溝を形成させる方法などが
あげられるが、本発明はかかる方法によって限定される
ものではない。

【００２８】また外層の内面に設けられた内周溝の深
さ、幅および断面形状は、前記内層の外面に設けられた
外周溝のそれらと同様であればよい。

【００２９】すなわち、前記内周溝の深さは、外層と中
間層とを強固に一体化させるために、０．２ｍｍ以上で
あることが好ましく、また中間層を該内周溝に完全に埋
め、密着性を高めるために、中間層の厚さの半分以下で
あることが好ましい。また内周溝の幅は、中間層の外周
溝への密着性の確保と、加工性の点から、１〜２ｍｍ程
度であることが好ましい。内周溝の断面形状について
は、とくに限定がなく、たとえば四角形状であってもよ
く、三角形状であってもよく、あるいは半円形状であっ
てもよい。

【００３０】前記内周溝は、外周溝と同様に、通常、外
層の周方向に設けられていることが好ましいが、外層の
軸方向に設けられていてもよい。また、前記内周溝が設
けられている個数は、とくに限定がないが、たとえば長
さ５０〜１００ｍｍごとに１カ所の頻度で設けられてい
ることが、ノズルの長手方向に均一な固定力がえられる
ので好ましい。

【００３１】前記外層の内面に内周溝を設ける方法とし
ては、たとえば外層の内面にエッチングを施して内周溝
を形成させる方法、外層を鋳造や鍛造によってつくる際
に、内周溝を形成させる方法などがあげられるが、本発
明はかかる方法によって限定されるものではない。

【００３２】前記内層の外面に設けられた外周溝および
前記外層の内面に設けられた内周溝にそれぞれ中間層の
一部を埋め込む方法としては、たとえば図１に示される
ように、外層として、一方向性形状記憶合金からなる金
属管１を用い、外層（金属管）１、中間層２および内層
３を重ね合わせたのち、前記外層（金属管）１を加熱す
ることにより、その径を縮小させ、そのときに発生する
締めつけ力によって中間層２を圧縮させ、図２に示され
るように、内層３の外面に設けられた外周溝５および外
層（金属管）１の内面に設けられた内周溝４に中間層２
を埋め込む方法などがあげられる。

【００３３】前記したように、内層の外面に設けられた
外周溝および外層の内面に設けられた内周溝にそれぞれ
中間層の一部が埋め込まれた三層構造を有する第１発明
の粉体吹き込みノズルは、内層、中間層および外層が強
固に固着したものとなる。

【００３４】前記第２発明においては、前記外層および
中間層を貫通し、前記内層の内面にまでは貫通していな
い取付孔に、前記外層と同一材質の取付ピンが挿入固定
されている。

【００３５】前記取付孔の深さは、浅すぎるばあいに
は、外層が熱膨張したばあい、取付ピンの引っかかりが
充分でなくなって充分に固定されがたくなる傾向がある
ので、外層の厚さと中間層の厚さと内層の厚さ×０．５
との和以上であることが好ましく、また深すぎるばあい
には、内層にまで届く貫通孔が形成されてしまい、粉体
の吹き込み時に取付ピンに磨耗が生じ、また靭性が低い
セラミックを薄く削るのに高度な加工精度が要求される
ことから、外層の厚さと中間層の厚さと内層の厚さ×
０．８との和以下であることが好ましい。

【００３６】また取付孔の孔径は、式： ［取付孔の孔径］＝（Ｄ×Ｔ−Ｔ²）^0.5／Ｋ （式中、Ｄは内層の外径（ｍｍ）、Ｔは取付孔の深さ
（ｍｍ）、Ｋは２〜４の係数を示す）を満足することが
好ましい。前記係数Ｋは、ノズルの大きさによって異な
り、ノズルの直径が小さいときには２となり、また大き
いときには４となる。

【００３７】前記取付孔を設ける方法としては、たとえ
ば内層、中間層および外層を重ね合わせたのち、所定の
位置に、たとえばドリルなどの加工装置を用いて形成さ
せる方法、内層、中間層および外層を作製する際に、あ
らかじめ取付孔を形成させる方法などがあげられるが、
本発明はかかる方法によって限定されるものではない。

【００３８】前記取付孔に挿入される取付ピンの大きさ
は、その直径が前記取付孔の孔径よりも０〜０．５ｍｍ
程度小さいことが好ましい。

【００３９】前記取付ピンの材質は、外層の熱膨張に対
して変形が追従する必要があることから、外層と同一と
される。

【００４０】また、前記取付ピンの取付位置は、とくに
限定がないが、内層、中間層および外層を強固に固着さ
せるために、均一に分散した状態であることが好まし
い。その一例として、たとえば取付ピンの取付位置は、
長手方向に５０〜１５０ｍｍごとに１カ所の頻度で設け
られていることが好ましい。なお、前記取付ピンの配列
は、１列であってもよく、また２列以上の複数列であっ
てもよい。

【００４１】取付ピンは、取付孔に挿入したのち、固定
されるが、かかる固定の方法としては、たとえば溶接に
よる方法などがあげられる。

【００４２】かくして前記第２発明の粉体吹き込みノズ
ルがえられるが、前記粉体吹き込みノズルは、図３に示
されるように、外層１および中間層２を貫通し、内層３
の内面にまでは貫通していない取付孔に前記外層１と同
一材質の取付ピン６が挿入固定されているので、内層
３、中間層２および外層１が強固に固着されている。

【００４３】なお、第２発明においては、図４に示され
るように、内層３、中間層２および外層１を取付ピン６
で挿入固定するのみならず、第１発明におけるように、
内層３の外面に外周溝５を設け、また外層１の内面に内
周溝４を設け、外周溝５および内周溝４それぞれに中間
層２の一部が埋め込まれるように構成されていてもよ
い。このような構成をとるばあい、取付ピン６のみなら
ず、内周溝４および外周溝５に埋め込まれた中間層２に
より、内層３、中間層２および外層１がより一層強固に
固着されるという利点がある。

【００４４】図５は、本発明の粉体吹き込みノズル７で
あり、該ノズル７は、前記第１発明または第２発明のよ
うに構成されている。

【００４５】つぎに本発明の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。

【００４６】実施例１ 図２に示されたノズルを作製した。すなわち、内径１
５．５ｍｍ、厚さ２ｍｍの焼成セラミックパイプ（材
質：サイアロン、外周面：深さ０．２ｍｍ、幅１ｍｍの
外周溝５が５０ｍｍピッチで配設）を内層３として用
い、該焼成セラミックパイプの外周に、緩衝材として厚
さ０．５ｍｍの銅板を加工し、パイプ状にすることによ
り、中間層２を形成させた。中間層２の外径は２０．５
ｍｍであった。

【００４７】つぎに、外層１として鉄系一方向性形状記
憶合金からなるパイプ（材質：マンガン２８重量％、ケ
イ素６重量％、クロム６重量％、残部鉄、内径：２０．
５ｍｍ、外径：２４．５ｍｍ、形状記憶保持上限温度：
約５５０〜６００℃、内周面：深さ０．２ｍｍ、幅１ｍ
ｍの内周溝４が５０ｍｍピッチで配設）を用い、該パイ
プを加熱してその径を拡大させたのち、該パイプ内に前
記内層３と中間層２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３、
中間層２および外層１を一体化させてノズルをえた。

【００４８】えられたノズル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２０〜１２
０ｋｇ／ｍｉｎの搬送速度で内層３の内側の通路から吹
き込み、ノズルを稼働させ、該ノズルの特性を以下の方
法にしたがって調べた。その結果を表１に示す。

【００４９】（Ａ）平均ノズル寿命 ノズルを稼働させ、定期的にノズル内に検寸棒を挿入
し、ノズルの使用限界（初期長さの２０％）に達するま
でに要する時間を測定する。

【００５０】（Ｂ）ノズルの内面の磨耗状況 ３０００時間稼働させたのち、ノズルを輪切りにし、そ
の内径と初期の内径との差を調べる。

【００５１】（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。

【００５２】なお、内層が離脱したばあい、ノズルの直
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。

【００５３】実施例２ 図３に示されたノズルを作製した。すなわち、内径１
５．５ｍｍ、厚さ２ｍｍの焼成セラミックパイプ（材
質：サイアロン）を内層３として用い、該焼成セラミッ
クパイプの外周に、緩衝材として厚さ０．５ｍｍの銅パ
イプを中間層２として用いた。中間層２の外径は２０．
５ｍｍであった。

【００５４】つぎに、外層１として鉄系一方向性形状記
憶合金からなるパイプ（形状回復処理後の内径：２０．
５ｍｍ、外径：２４．５ｍｍ、形状記憶保持上限温度：
約５５０〜６００℃）を用い、該パイプを加熱してその
径を拡大させたのち、該パイプ内に前記内層３と中間層
２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３、中間層２および外
層１を一体化させてノズルをえた。

【００５５】つぎに、外層１および中間層２を貫通する
直径３ｍｍの孔を軸中心方向に加工し、内層３のセラミ
ックパイプに深さ１ｍｍ程度の溝を貫通しないように加
工して取付孔を形成させた。そののち、外層１と同一材
料からなる取付ピン６（直径：２．８ｍｍ、長さ：３．
５ｍｍ）を取付孔に挿入し、溶接して固定させた。取付
ピン６は、長手方向１００ｍｍごとに１カ所の割合で１
列に配列させた。

【００５６】えられたノズルを実施例１と同様にして稼
動させ、該ノズルの特性を実施例１と同様にして調べ
た。その結果を表１に示す。

【００５７】実施例３ 実施例１と同様にしてノズルを作製した。

【００５８】つぎに、えられたノズルに実施例２と同様
にして取付ピンを設けた。

【００５９】えられたノズルを実施例１と同様にして稼
動させ、該ノズルの特性を実施例１と同様にして調べ
た。その結果を表１に示す。

【００６０】比較例１ 実施例１において、外層１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、ステンレス鋼（ＳＵ
Ｓ３０４）製パイプ（内径：２０．５ｍｍ、外径：２
２．５ｍｍ）を用い、また内層３として、外周溝が設け
られていないものを用いた。

【００６１】つぎに前記パイプを加熱し、内径を拡大さ
せたのち、中間層２（外径２０．５ｍｍ、厚さ０．５ｍ
ｍの銅パイプ）および内層３を前記パイプに挿入し、冷
却させて焼嵌めにより、内層３、中間層２および外層１
が一体化されたノズルをえた。

【００６２】えられたノズルの特性を実施例１と同様に
して調べた。その結果を表１に示す。

【００６３】

【表１】

【００６４】表１に示された結果から、実施例１〜３で
えられたノズルは、いずれも内層の離脱がなく、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。

【００６５】

【発明の効果】第１発明および第２発明の粉体吹き込み
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。

【００６６】とくに、第２発明においては、取付ピンに
よって内層、中間層および外層が一体化されており、従
来の焼嵌めによって作製されたノズルと対比して、ノズ
ルの温度変化による影響をほとんど受けず、各層の保持
力の低下による層間剥離が防止されるので、内層の焼成
セラミックの圧縮破損を防止することができるという効
果が奏される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の粉体吹き込みノズルに用いられる内
層、中間層および外層が積層された状態における概略断
面図である。

【図２】本発明の粉体吹き込みノズルの概略拡大断面図
である。

【図３】本発明の粉体吹き込みノズルの概略拡大断面図
である。

【図４】本発明の粉体吹き込みノズルの概略拡大断面図
である。

【図５】本発明の粉体吹き込みノズルの概略斜視図であ
る。

【符号の説明】

１ 外層 ２ 中間層 ３ 内層 ４ 内周溝 ５ 外周溝 ６ 取付ピン ７ 粉体吹き込みノズル

───────────────────────────────────────────────────── 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 (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 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難燃性金属か
   らなる外層が積層された三層構造を有するノズルであっ
   て、前記内層の外面に設けられた外周溝および前記外層
   の内面に設けられた内周溝にそれぞれ中間層の一部が埋
   め込まれていることを特徴とする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記載の粉体吹き込みノズル。
4. 【請求項４】 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難燃性金属か
   らなる外層が積層された三層構造を有するノズルであっ
   て、前記外層および中間層を貫通し、前記内層の内面に
   までは貫通していない取付孔に、前記外層と同一材質の
   取付ピンが挿入固定されていることを特徴とする粉体吹
   き込みノズル。
5. 【請求項５】 内層の外面および外層の内面にそれぞれ
   外周溝および内周溝が設けられ、前記外周溝および前記
   内周溝にそれぞれ中間層の一部が埋め込まれている請求
   項４記載の粉体吹き込みノズル。
6. 【請求項６】 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４または５記載の粉体
   吹き込みノズル。
7. 【請求項７】 中間層が銅、鉛または樹脂からなるパイ
   プである請求項４または５記載の粉体吹き込みノズル。