JPH09503445A - 気体不透過性の層を形成することのできる外層を有する鋳造物及びその製法 - Google Patents

気体不透過性の層を形成することのできる外層を有する鋳造物及びその製法

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JPH09503445A JP8501739A JP50173996A JPH09503445A JP H09503445 A JPH09503445 A JP H09503445A JP 8501739 A JP8501739 A JP 8501739A JP 50173996 A JP50173996 A JP 50173996A JP H09503445 A JPH09503445 A JP H09503445A
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Abstract

(57)【要約】 本発明は、炭素を含む耐火材料の本体(2)を有する鋼の注入のための部材に関する。これは、部分的もしくは完全に本体を被覆する層(10)を有し、この層は1000℃以上の温度に加熱された場合に、酸化され、緻密化し、気体不透過性の層(10a)を形成することのできるものである。層(10)は、焼成アルミナ、活性焼成アルミナ、シリカ気体及び粘土からなる群より選択される焼成前駆体を含む耐火材料からなる。

Description

【発明の詳細な説明】 気体不透過性の層を形成することのできる外層を有する鋳造物 及びその製法 鋼の連続的な鋳造では、液体の鋼の流れを送って制御し、レードルから分配器 、また分配器から連続鋳型へ送る際にこれを再酸化から保護するために、耐火材 料の部材が使用されている。耐火材料は厳しい使用条件にさらされる。耐火材料 は、熱応力、鋼による侵食、酸化及び一般に耐火材料の成分と鋼との間の相互作 用により生じる全ての反応を受ける。 使用される耐火材料は一般的に炭素を含む。これらはしばしば炭素結合を利用 し、アルミナ、ジルコニア、粘土、マグネシア、シリカ、炭化ケイ素もしくは他 の高密度の粒子等のいくつかの耐火性酸化物からなる。これらの耐火物はまた一 般に、グラファイト、非晶質グラファイト、カーボンブラック及び使用される結 合剤由来の付加的な量の炭素の形態で、著しい量の炭素を含む。 本発明は、鋼を注入するための鋳造物(キャスティング)に関し、この鋳造物 は炭素を含む耐火材料の本体を有する。これは特にレードルと連続分配器鋳造物 との間に鋼を注ぐため及び分配器と連続する鋳型との間に鋼を注ぐために適用す ることができる。 これはまた、本発明による鋳造物のための熱処理方法にも関する。 溶融した金属のための流路が作られた、耐火材料の本体を有する金属注入スパ ウト(管体)は既に知られている(EP 2 695 848)。該スパウトは 、路を囲んでこの路の外周に隣接して配された環状チャンバを有し、実際にその 全長に渡って伸びる。チャンバは、真空を作り出すための手段に接続されている 。これは、流路への気体生成物の侵入に対するシールドを形成する。スパウトは また、路の外周と排気したチャンバとの間に炭素の入らない耐火材料の外被を有 する。 得られる真空は、環状チャンバの周囲に位置する区域において最大である。し かし、このチャンバからの距離が増すにつれて、多孔性の複雑な網組織のために 相当なチャージの損失が生じる。したがって、低気圧が減少し、これは作り出し た気体排気をかなり制限する。したがって、耐火物の液体鋼との接触区域の直近 で、気体を除去することは非常に困難である。 注入停止ロッドもまた知られている(GB−A−2 095 612)。これ は、本体及び本体の端をなし、本体とは異なる材料の強化ノーズ部を有する。本 体の材料とノーズ部のそれは、単一操作で共プレスされる。言い換えれば、例え ば本体用のグラファイトアルミナと、ノーズ部用のジルコニアもしくはマグネシ ア等の異なる組成の二つの粉末を、同時に一つの型に導入した後加圧し、同時に 点火する。 しかしながら、このタイプの停止ロッドにおいては、アルミナ、ジルコニア及 び/またはマグネシアの粒子の凝集が、炭素タイプの結合、すなわち、混合物中 に含まれる炭素が、熱重合によって様々な粒子を含む格子を構成する結合によっ て得られる。 現在注入され、例えばアルミニウムもしくはケイ素によって常に脱酸されてい るわけではない、もしくは十分に脱酸されてはいない酸素含有量の高いアグレッ シブな鋼は、このタイプの停止ロッドのノーズ部を侵食する。この結果として停 止ロッドは寿命が短く、頻繁に取り替えが必要である。 一方、高温において、停止ロッドのノーズ部を構成する耐火材料中及び、溶融 した鋼中で生成する化合物、特に気体等の化合物の間で反応が起きる。例えば、 一酸化炭素はノーズ部の表面で液体鋼中に存在する元素を還元し、特に酸化アル ミニウム等の酸化物の沈殿物をこの表面に生成させる。該酸化物堆積物は、次第 に注入路の完全な閉止を妨げる。 本発明の目的は、従来技術のこれらの欠点を解消する鋼を注入するための鋳造 物である。この鋳造物は、鋳造物の本体を構成する耐火材料中と液体鋼中とに、 高温で形成され得る、特に気体等の化合物間の反応を阻止することを可能にする ものであるべきである。 さらにこれは、低コストで製造することが容易であるべきである。 これらの目標は、鋳造物が部分的もしくは全体的に本体を被覆し、気体不透過 性で、1000℃より高い温度にしたときに酸化され、緻密化した層を形成する ことができる層を有する本発明により達成される。 気体不透過性の層の存在によって、鋳造物の本体を構成する耐火材料中と液体 鋼中とに高温で生成し得る、特に気体等の化合物はもはや直接接触せず、反応は 起こり得ない。この方法で従来技術の注入鋳造物の数多くの短所が改善される。 例えば、スパウトの場合には、耐火物中に生成する一酸化炭素が鋼流路の表面 の液体鋼中に存在する元素を還元し、特に酸化アルミニウム等の酸化物の沈殿を この面で誘発するときに生じるプラグ現象は、改善される。酸化沈殿物は、やが てスパウトの路を塞ぎ、これは調整を乱してその耐用期間を著しく短縮する。こ の沈殿物はまた、折悪しく分離して固形化した鋼の内部への混入物となる。スパ ウトの耐火性の本体と鋼との間の気体交換が本発明によって避けられるという事 実により、以前経験したプラグ現象は、かなり減少し、注いだ鋼の品質は向上す る。鋼は、より清浄で混在物はほとんどない。 高密度で、不透過性の層の存在にはまた、別の利点もある。これは、腐食現象 を減少させる。 実際は、酸素含有量の多い鋼では、耐火材料の腐食は、通常かなりの量溶融し ている酸素による炭素結合の攻撃によって促進される。これはまた、耐火材料中 の空気の通過による窒素の取り上げを通じて通常起こる、鋼の純度の低下を軽減 する。 炭素を含まない硬質で高密度の層では、このような現象を避けられる。 停止ロッドの場合は、脱酸されていないかもしくは、十分には脱酸されていな い鋼へのノーズ部の耐性は、かなり増大する。停止ロッドの耐用期間は延び、使 用者にはかなりの節約となる。ノーズ部の表面上の酸化堆積物もまた避けられる ので、鋼の調整は乱されない。長い鋳込み工程の後でも、湯出口を強固に閉じる ことは永遠に可能である。 スパウトの外層は、好ましくは焼結前駆体を含む耐火材料からなる。これら前 駆体は、焼結現象に有利に、すなわち、粒子−粒子結合に有利に設計される。こ のため焼結がより低温で起こり、より短時間で完結する。 これら焼結前駆体は、か焼アルミナ、活性焼結アルミナ、ケイ素フューム、粘 土及び酸化物の細粒(<50ミクロン)からなる群より特に選択される。 外層は、用いた結合剤中に含まれる炭素を含めて4重量%以上9重量%以下の 炭素を含む物質であり、この炭素の1.5〜6%がグラファイトの形態の炭素で あることが好ましい。総炭素量が、全重量の5%を超えないことが理想的である 。 外層は、本体とは別に製造された後、この本体に取り付ける挿入物からなるも のでもよい。これはまた、同時にスパウトの本体として共プレスされてもよい。 鋳造物の本体を構成する物質と外層を構成する物質を結合させるために、同一 の結合剤が用いられることが好ましい。同一の結合剤の使用は、特に鋳造物が共 プレスされる場合に、よりよい制作設備を提供する。実際には、後者の場合は非 常に困難であり、おそらくは2つの異なる結合剤が用いられる場合に部材を共プ レスすることは不可能である。 好ましい実施形態によれば、外層の物質は透過性を減少させるための薬剤を含 む。これらの薬剤は、ホウ砂、炭化ケイ素、炭化ホウ素、窒化ホウ素及び、特に ケイ素等の金属添加物からなる群より選択されることが好ましい。これらの透過 性減少剤を、透過性を減少させた層を作る目的で、注入路の壁を焼結して形成さ れる気体不透過性の酸化された高密度の層に加える。 好ましい実施化によれば、外層は少なくとも80%のアルミナを含み、エナメ ルにより被覆されてはいない。これは10mm未満の厚さを有し、気体不透過性の 焼結した高密度の層の厚さは、5mm未満である。 本発明はまた、本発明による部材を与えるための方法にも関する。 この目的により、熱処理段階の間に注入路の表面に気体不透過性の焼結した高 密度の層を形成する。 熱処理段階は、20分未満の間に部材を1000℃の温度に加熱することによ り行われることが好ましい。 詳説のために与えられ、何ら限定するものではない以下の説明を読むこと及び 実施例から、添付の図面も参照して、本発明の他の特徴及び利点は明らかになる であろう。 図1は、本発明による注入スパウトの縦断面図である。 図2及び図3は、図1に示されるスパウトの一部の拡大部分図である。 図4は、本発明による気体不透過性の焼結した高密度の層をスパウトに作るた めに用いられる好ましい予熱方法を示す。 図5は、本発明による注入スパウトの変形実施例の縦から見た図である。 図6は、本発明による停止ロッドの縦断面図である。 図1に示される注入スパウトは、分配器の下方に配置されるように設計されて いる。これは、例えばシートブリック中に固定もしくは差込機構等によってこの 分配器の下方の定位置に固定することができる。これを、チューブを迅速に他の チューブに置き換えるチューブ交換機中に既知の方法で配置することもできる。 スパウトは、番号2で示される本体と、液体鋼がこれを通ってスパウトの一端か ら他端へ横切る流路9へ浸透してゆく上部とを有する。示した例では、液体金属 は本体に対して横に並べられたルーバー6を通って流れる。最終的に注入スパウ トは、既知の方法にて、注入型を覆う粉末による耐腐食性物質のカラー8を得る 。このカラーは、被覆用粉末が液体鋼の上に浮いている連続鋳造型中で、鋼の水 準面に配される。二つのルーバー6は、空気と触れることを避けるために金属水 準の下を空にしている。 スパウトの本体2は、例えば20〜30%の炭素及び、アルミナ、ジルコニア 、シリカ、マグネシアのような一以上の耐火性の酸化物を含む物質等の従来の耐 火材料からなる。本体2は、予熱及び使用の間に耐火材料の酸化を避ける目的で エナメル3の層で外部被覆されている。注入路4の内側は、グラファイトを少量 含む耐火材料で構成されている。この物質の総熱損失は、9%未満である。これ は、この物質がスパウトの予熱段階中に酸化される場合、その含むグラファイト と、バインダー中に含まれる炭素とが耐火物重量の9%以下を占めることを意味 する。さらに、外被10はアルミナのような耐火材料をかなりの量含む。この量 は、少なくとも80%に等しい。最後に、層10を構成する物質は、特にか焼ア ルミナ、活性か焼アルミナ、ケイ素フュームもしくは粘土等の焼結前駆体を含む 。焼結前駆体は小サイズの粒子、すなわちその比表面積が大きい粒子である。従 って、粒子間の接触面積が増加している。か焼アルミナはかなりの比表面積を与 え、活性か焼アルミナはさらに大きい比表面積を与える。ケイ素フュームはアル ミナ−シリカ反応を起こしてムライトを生成する。この後、ムライト処理(ムラ イティゼーション)により外被の緻密化が起きる。粘土タイプの系はまた、10 00〜1100℃の比較的に低い温度でセラミック結合を生成する。 一以上のこれらの焼結前駆体の存在によって、例えば1000℃の、比較的に 低い温度でアルミナ粒子間に粒子−粒子タイプの結合を生成することができる( セラミック結合)。この層は、高密度で硬質であり、小直径の孔を有する。した がって、これは気体不透過性である。この層は、スパウトの予熱の間に形成され ることが好ましい。予熱操作により外被10に含まれる炭素を酸化することがで き、したがってこれを除くことができる。こうして炭素を含まない層がスパウト の流路9の表面に得られる。しかしながら、これまで観察された努力に反し、こ の炭素を含まない層はわずかな厚さを有するのみである。例えば、外被の厚さが 10mmである場合に、脱炭した層の厚さは3mmが典型的で、5mmを超えることは ない。このように外被の厚さのかなりの部分は予熱の間に脱炭されていないこと が明らかである。実際、この操作の間に二つの現象が同時に観察される。一方は 炭素の酸化であり、これは外被物質の透過性をさらに増し、炭素含有量をより高 くする。これが外被物質の炭素含有量は一般に高くなってはならず、どのような 場合にも9%を超えてはならない理由である。他方では炭素の酸化と平行して焼 結現象が起こり、これは逆に耐火材料の内部への脱炭の継続を阻む不透過性の層 を形成する。スパウトが充分な働きをするためには表面層の焼結がその酸化に速 さの面で勝ることが必要である。これがこれまでに挙げた焼結前駆体が与えられ た理由であり、これは表面層の焼結を助長し、促進する目的のためのものである 。 外被10をスパウト2の本体と別々に製造した後、この本体に挿入することも 可能である。しかしながら、これは図1に示されるスパウトを実施するために用 いられた方法ではない。後者は、実際にはアイソスタティック共プレスによって 製造された。一方はスパウトの本体2の組成に相当し、他方は外被10のそれに 相当する二つの混合物を同時に、流路9に相当する凹みを形成するために設計さ れた軸性の型を含む分解可能な型に入れた。部品全体をアイソスタティックプレ スした。本体2及び外被10には同一の結合剤を用いた。同一の結合剤を用いる ことは、部材により大きな結合力を与え、本体2と外被10とによりよい結合を 保証することから、非常に有利である。 図2及び3には、予熱操作前(図2)及び予熱操作後(図3)の図1のスパウ トの一部が示される。本体に相当する層2及び予熱前の外被の厚さに相当する層 10が、図2にはっきり見ることができる。本体を形成する層2は、図3におい ても同一である。他方、層10はその後、上述の酸化され焼結された高密度の気 体不透過性の層に構成される10aと、層10aにより酸化から保護されたため 酸化されなかった層10bとに分解する。したがって、その組成は予熱前の開始 時の組成と同一である。したがって、開始時には唯二つの異なる層から構成され ていたスパウトは、今では三つの異なる層から構成されていることが明らかであ る。外被10中に、透過性減少剤も含むことが好ましい。これらの不透過性剤は 、例えば、金属ケイ素、ホウ砂、炭化ホウ素(B4C)、窒化ホウ素(BN)等 である。これらの薬剤の目的は、流路9中を循環する液体鋼と耐火材料2の本体 との間の気体の循環を阻むための障壁をさらに形成するために、層10bの透過 性を減少させることである。 図4は本発明のスパウトを予熱する正しい方法を示すグラフである。曲線Aに よれば、スパウトの温度は少なくとも1000℃に等しい温度にまで素早く上昇 した。この温度は路4の内部の耐火材料中で測定された。これは20分足らずの 間に行われた。実際に上述のように、予熱の間に二つの現象:炭素を含む層の酸 化及び焼結した高密度の層の形成が同時に起きる。 図3に示される焼結した不透過性で高密度の層10aが迅速に形成されなけれ ば、酸化は外被10の全厚さを通して継続し、本体2にも届くことになる。これ を防ぐために、焼結温度、すなわち、図式的に図4に示されるように少なくとも 1000℃に等しい温度に迅速に到達することが必要である。したがって、予熱 のために使用されるバーナーの能力は、この温度に迅速に到達させるものである 必要がある。 曲線Bは、非常に遅い温度上昇を示している。焼結が適当な条件下で行われる ために必要な1000℃の温度は、明らかに20分より長い、非常に長時間後で ないと得られない。このような条件の下では、外被10の過度の脱炭が起き、十 分に不透過性の層を得ることは不可能である。曲線Cでは、温度の上昇は迅速で あるが、到達する最高温度は1000℃未満にとどまる。したがって、この場合 もまた、層10aの焼結はよい条件の下で起きない。 図5は、図1のスパウトの実施例を示す。異なる点は、外被10が完全に注入 路4を覆うものではないという事実である。シートゾーンと呼ばれるスパウトの 上部、路4の下部及びルーバーは、外被10に覆われていない。さらに、本発明 のスパウトを、予熱及び使用の間、耐熱性物質の酸化を避けるためにエナメル層 を用いて従来の方法で外部被覆することが可能である。しかしながら、上述のよ うに焼結した高密度の層を形成するための本発明の望ましい効果である、予熱の 間の外被の酸化及びその表面の緻密化を妨げることから、このエナメル層は外被 10上に存在してはならない。 図6においては、停止ロッドは延長した形態の本体2を有する。軸性の路3を 、加圧マンドレルによってこの本体中に入れておく。軸性の路2は、停止ロッド の上端からその下端に近い距離にまで伸びている。本体の上端は、ここには挙げ ない方法によって、液体鋼の流れを制御するためにこれを垂直に置き換えること を促進する、直立装置に接続することができる。その最下端に、停止ロッドは丸 くふくらませたノーズ部5を有する。停止ロッドの本体2は、例えば20〜30 %の炭素及びアルミナ、ジルコニア、シリカ、マグネシア等のような一以上の耐 火性酸化物を含む従来の耐火材料である。 ノーズ部5の外層4は、少量のグラファイトを含む耐火材料からなる。この物 質の総熱損失は9%未満である。これは、この物質が停止ロッドの予熱段階の間 に酸化されるとき、その含むグラファイト及び結合剤中に含まれる炭素は、耐火 物の重量の9%以下を占めることを意味する。さらに外層4は、アルミナのよう な耐火性酸化物をかなりの量含む。最後に、ノーズ部の外層4を構成する物質は 、特にか焼アルミナ、活性か焼アルミナ、ケイ素フュームもしくは粘土等の焼結 前駆体を含む。耐火性酸化物の総量は少なくとも80%である。焼結前駆体は一 般的に小サイズの粒子であり、すなわち、大きい比表面積を有する。従って粒子 の接触面は増大する。か焼アルミナは、かなりの比表面積を与え、活性か焼アル ミナはそれ以上に相当な比表面積を与える。ケイ素フュームは、ムライトを生成 するアルミナ−シリカ反応を与える。その後層4の緻密化は、ムライト処理によ って行われる。粘土タイプの系もまた、1000〜1100℃ののオーダーの比 較的に低い温度にてセラミック結合を形成する。一以上のこれらの焼結前駆体の 存在によって、例えば1000℃等の比較的に低い温度にて、粒子−粒子結合を アルミナ粒子間に形成することができる。この層は、高密度で硬質であり、小径 の孔を有する。したがって、これは気体透過性である。この層は、停止ロッドの 予熱の間に形成されることが好ましいが、これを事前に行うこともまた可能であ る。予熱操作により外層4中に含まれる炭素を酸化させ、したがって除去させる 。こうして炭素を含まない層が、ノーズ部5の外側表面に得られる。この炭素を 含まない層が、わずかな厚みしかもたないことは、注目に値する。例えば、層4 の厚さが10mmであるならば、脱炭した層の厚さは3mmとなるのが典型的であり 、5mmを超えることはない。このように、層4の厚さのかなりの部分が予熱の間 に脱炭されないことは明らかである。実際、この操作の間に、同時に二つの現象 が観察された。一方では外被物質の透過性をより増大させるほど、炭素含有量が 多くなる。これが外被物質の炭素含有量が一般的に高くならず、いかなる場合に も9%を超えてはならない理由である。他方、炭素の酸化と平行して、焼結現象 が起き、これは逆に耐火材料の内部への脱炭の継続を阻害する不透過性の層を形 成するものである。停止ロッドが十分に機能するためには、表層の焼結が迅速に その酸化を止めることが必要である。これが、上述の焼結前駆体が焼結を助長し 促進する目的のために与えられる理由である。 図6に示される停止ロッドは、イソタクチック共プレスの方法によって形成さ れる。一方は、停止ロッドの本体2の組成物に相当し、他方は、外層4のそれに 相当する二つの混合物を、路7に相当する凹みを形成するように設計された軸性 のマンドレルから構成される分解可能な型に同時に入れた。全部品をイソタクチ ック共プレスし、本体2と外層4との間のより優れた結合を確実にすることから 非常に有利な点である。 上記の実施例のように、当初二つの異なる層からなっていたスパウトは、予熱 段階の後には、三つの異なる層から構成される。層4において透過性を減少させ る薬剤も含まれることが好ましい。これらの不透過性薬剤は、例えば、金属ケイ 素、ホウ素、炭化ホウ素(B4C)、窒化ホウ素(BN)である。これらの薬剤 は、レードルもしくは分配器中に入っている液体鋼と、耐火材料の本体との間の 気体の循環を阻むための補足的障壁を形成するために層の透過性を減少させる目 的のためのものである。実施例 本発明による焼結した層の構成のための実施例混合物の組成及び焼結/酸化の 前のこの層の物理特性を以下に与える。組成 重量% 板状アルミナ(Al23) 66 か焼アルミナ(Al23) 21 グラファイト(C) 2 結合剤 6 金属ケイ素 3 粘土 1 ケイ素フューム 100物理特性 常温での破壊係数 10.40 MPa 密度 2.913 多孔率(%) 16.190 比重(g/cm3) 3.475 弾性係数 23.02 GPa 高温での破壊係数 4.34 MPa
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Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1. 炭素を含む耐火材料の本体(2)を具備する鋼の注入用の部材において、 部分的にもしくは完全に本体を被覆し、1000℃より高い温度にしたときに酸 化され、緻密化され、気体不透過性の層(4a,10a)を形成する層(4,1 0)を有することを特徴とする部材。 2. 層(4,10)が、焼成前駆体を含む耐火材料からなることを特徴とする 請求項1に記載の部材。 3. 焼成前駆体が、焼成アルミナ、活性焼成アルミナ、シリカ気体、粘土及び 酸化物の細粒(<50ミクロン)からなる群より選択されることを特徴とする請 求項2に記載の部材。 4. 上記層が、1.5〜6%がグラファイトの形態である、4重量%以上9重 量%以下の炭素を含む物質から製造されることを特徴とする請求項1から3のい ずれか1項に記載の部材。 5. 上記層が、本体(2)とは別に製造され、この本体(2)に組み合わせら れる挿入物から構成されることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記 載の部材。 6. 上記層が、スパウトの本体(2)と共プレスされることを特徴とする請求 項1から4のいずれか1項に記載の部材。 7. スパウトの本体(2)を構成する物質及び層(4,10)を構成する物質 に、同一の結合剤が使用されることを特徴とする請求項1から6のいずれか1項 に記載の部材。 8. 層(4,10)の物質が、透過率を減少させるための薬剤を含有すること を特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載の部材。 9. 上記透過率減少剤が、ホウ酸ナトリウム、炭化ケイ素、炭化ホウ素、窒化 ホウ素及び特にケイ素のような金属添加物からなる群より選択されることを特徴 とする請求項8に記載の部材。 10. 層(10)が、少なくとも80%のアルミナで構成されていることを特 徴とする請求項1から9のいずれか1項に記載の部材。 11. 層(4,10)が、エナメルで被覆されていないことを特徴とする請求 項1から10のいずれか1項に記載の部材。 12. 上記層の厚さが、10mm未満であることを特徴とする請求項1から11 のいずれか1項に記載の部材。 13. 不透過性で緻密化した層(4,10)の厚さが、5mm未満であることを 特徴とする請求項1から12のいずれか1項に記載の部材。 14. 気体不透過性で緻密化した層(4a,10a)が、熱処理段階中に注入 路(4)の表面に形成されることを特徴とする請求項1から13のいずれか1項 に記載のスパウトを製造する方法。 15. 熱処理段階が、上記スパウトを20分未満で1000℃の温度にするこ とからなることを特徴とする請求項14に記載の方法。 16. この部材が、注入スパウトであることを特徴とする請求項1から13の いずれか1項に記載の部材。 17. この部材が、注入停止ロッドであることを特徴とする請求項1から13 のいずれか1項に記載の部材。
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