(57)【要約】【課題】強度が高く、耐摩耗性に優れ、かつ低コストで製造可能なステーブ用素材を提供する。【解決手段】Ａｌ、Ｓｎ、Ｎｉ、Ｍｎのうち、少なくとも１種または２種以上の元素を合計で０．２質量％以上４．０質量％以下含有し、残部がＣｕ及び不可避不純物からなることを特徴としている。Ａｌ、Ｓｎ、Ｎｉ、Ｍｎの添加元素量の合計が０．２質量％以上４．０質量％以下の範囲の銅合金で構成されているので、これらの添加元素がＣｕの母相中に固溶し、固溶強化によって強度が向上し、耐摩耗性を良好にすることができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａｌ、Ｓｎ、Ｎｉ、Ｍｎのうち、少なくとも１種または２種以上の元素を合計で０．２質量％以上４．０質量％以下含有し、残部がＣｕ及び不可避不純物からなることを特徴とするステーブ用素材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高炉などの炉壁に用いられるステーブ用素材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、高炉の炉壁は、内部に冷却用の流体を流す流路を有するステーブと、ステーブの外側に配置される鉄皮と、ステーブの内側に配置される耐火物と、を備えている。通常、高炉を長期間にわたって操業すると、高炉内容物との物理的な摩擦や熱負荷により、炉内の耐火物が劣化し、破損する。そして、ステーブから耐火物が脱落し、ステーブが高炉内容物と直接接触することが多くなる。このような場合のために、ステーブには、耐火物が脱落後も、高炉内容物との摩擦や熱負荷に耐えることが求められる。
【０００３】
従来、ステーブ用素材として、鋳鉄が用いられてきた。高炉の炉壁に鋳鉄製のステーブを用いた場合、熱伝導率が悪いために冷却能が不足し、ステーブの炉壁内面側が高温となる。そのため、熱応力によるステーブの反りの発生やステーブ自体に亀裂の発生など、ステーブの劣化が生じ、鉄皮を十分に保護できず、高炉の寿命が短くなるという問題があった。
【０００４】
そこで、最近では、熱伝導率が鋳鉄製のステーブよりも良好で、冷却能が高い、銅及び銅合金を用いたステーブが開発されてきている。ここで、銅は、鉄と比べて強度が低く耐摩耗性が劣るので、実際の高炉内では、銅及び銅合金製のステーブは、その表面にアルカリやスラグなどによる付着物を生成させて、ステーブ表面を保護しながら使用されている。
【０００５】
ところで、高炉のシャフト上部などでは、上述のアルカリやスラグなどによる付着物が生成しないので、銅及び銅合金製のステーブは使用することが困難であった。また、アルカリやスラグなどの付着物が生成する領域でも、付着物がステーブに安定して付着されないことがあり、高炉の操業を安定して行うことができなかった。
そこで、特許文献１では、銅及び銅合金製のステーブ用素材の表層に、Ｎｉ−Ｃｒ合金などの硬化肉盛層を形成し、耐摩耗性を改善することを提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−１９２７１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、高炉は巨大な構造物であるため、その高炉の炉壁においてステーブが多く使用されている。そのため、ステーブは低コストで製造されることが要求されるが、特許文献１で開示されているステーブ用素材は、その表層に硬化肉盛層が形成されるので、ステーブの製造コストが高くなる問題がある。
また、高炉の操業では、高温ガスが突発的に通過し、ステーブが想定外に高温となる場合があり、ステーブの強度などの特性が変化してしまう恐れがあった。
【０００８】
この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、強度が高く、耐摩耗性に優れ、かつ低コストで製造可能なステーブ用素材を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前述の課題を解決するために、本発明のステーブ用素材は、Ａｌ、Ｓｎ、Ｎｉ、Ｍｎのうち、少なくとも１種または２種以上の元素を合計で０．２質量％以上４．０質量％以下含有し、残部がＣｕ及び不可避不純物からなることを特徴としている。
【００１０】
本発明のステーブ用素材によれば、Ａｌ、Ｓｎ、Ｎｉ、Ｍｎの添加元素量の合計が０．２質量％以上４．０質量％以下の範囲の銅合金で構成されているので、これらの添加元素がＣｕの母相中に固溶し、固溶強化によって強度が向上し、耐摩耗性を良好にすることができる。
【００１１】
すなわち、本発明のステーブ用素材は、Ａｌ、Ｓｎ、Ｎｉ、Ｍｎが固溶した固溶強化型の銅合金とされているのである。このような固溶強化型の銅合金は、析出強化型の銅合金に比べて、熱に対する特性の安定性に優れている。詳述すると、析出強化型の銅合金は高温で使用された場合に、析出物が成長して強度が低下することがあるが、本発明のステーブ用素材は、Ａｌ、Ｓｎ、Ｎｉ、Ｍｎが固溶した固溶強化型の銅合金であるので、高温で使用された時の特性の変化が小さく、ステーブとして高温環境下で使用されても耐摩耗性の劣化が小さい。
さらには、固溶強化型の銅合金の製造方法は、析出強化型の銅合金の製造方法と比べて熱処理などの工程が少ないので、製造にかかるコストを低減することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、強度が高く、耐摩耗性に優れ、かつ低コストで製造可能なステーブ用素材を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態であるステーブ用素材が用いられる高炉の概略説明図である。
【図２】本発明の一実施形態であるステーブ用素材が用いられるステーブの概略説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、本発明の一実施形態であるステーブ用素材３１について説明する。
まず、本実施形態であるステーブ用素材３１が使用される高炉１について説明する。
高炉１は、図１で示すように、鉄鉱石から銑鉄を製造するための竪型円筒状の構造物である。高炉１は、高炉１の頂部の挿入口１０から鉄鉱石などの金属原料とコークスなどの還元剤、不純物除去のための石灰石を入れ、下部表面から加熱されたガスを入れてコークスを燃焼させ、金属原料を還元することで、高炉１の下部から銑鉄が取り出されるようになっている。
【００１５】
その高炉１の炉壁２０は、図１で示すように、ステーブ３０と、ステーブ３０の外側に配置される鉄皮２１と、ステーブ３０の内側に配置される耐火物２２と、を備えている。
鉄皮２１は、ステーブ３０を支持するためのものである。
耐火物２２は、高炉１内の高温の内容物からステーブ３０を保護するために配置されている。耐火物２２には、例えば、アルミナやシリコンカーバイドなどが用いられる。
【００１６】
ステーブ３０は、図２で示すように、内部に冷却用の流体を流す流路３２が設けられたステーブ用素材３１で構成されており、鉄皮２１を冷却し保護するために配置されている。冷却用の流体として、例えば、冷却水などが使用される。
【００１７】
本実施形態であるステーブ用素材３１は、Ａｌ、Ｓｎ、Ｎｉ、Ｍｎのうち、少なくとも１種または２種以上の元素を合計で０．２質量％以上４．０質量％以下含有し、残部がＣｕ及び不可避不純物からなる組成を有している。
【００１８】
Ａｌ、Ｓｎ、Ｎｉ、Ｍｎは、Ｃｕの母相中に溶質原子として固溶し、固溶強化により、強度を向上させる効果がある。なお、固溶強化とは、合金中の固溶原子により母相の結晶格子が歪みを生じるために、合金中の弾性歪エネルギーが増加し、変形時の転位運動が抑制されることによって、材料の強度が上昇する材料の強化機構である。
銅合金中のＡｌ、Ｓｎ、Ｎｉ、Ｍｎの含有量が合計で０．２質量％未満の時、強度の向上の効果が見られず、耐摩耗性が劣化する。また、Ａｌ、Ｓｎ、Ｎｉ、Ｍｎの含有量が合計で４．０質量％を超えるとき、熱間加工性が悪くなり、ステーブの成形能が低下する。そのため、Ａｌ、Ｓｎ、Ｎｉ、Ｍｎの合計の含有量を０．２質量％以上４．０質量％以下としている。
【００１９】
ステーブ用素材３１は、高炉１の炉壁２０のステーブ３０に使用され、高温環境下にさらされるために強度が低下するが、Ａｌ、Ｓｎ、Ｎｉ、ＭｎはＣｕの母相中に固溶し、母相の耐熱性が向上し、ステーブ３０に使用するときでも強度を維持できるようになっている。
【００２０】
次に、本実施形態のステーブ用素材３１の製造方法を説明する。
本実施形態のステーブ用素材３１は、（１）鋳造工程と、（２）熱間加工工程と、（３）仕上げ工程、の工程を経て製造される。以下に、各工程に関して詳細に説明する。
【００２１】
（１）鋳造工程
鋳造工程とは、銅および添加元素となる金属材料を所定の組成となるように配合し、融点よりも高い温度で熱して液体にしたのち、型に流し込み、所定の形状をもつ鋳塊を得る工程である。本実施形態では、Ａｌ、Ｓｎ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｕを所定の組成となるように、高周波溶解炉などにより溶解し、所定のサイズの鋳型に流し込み、鋳造して鋳塊を作製する。
【００２２】
（２）熱間加工工程
熱間加工工程は、鋳造工程で得られた鋳塊を所定の板厚へと、高温で加工する工程である。ここで、熱間加工とは、例えば、熱間圧延や熱間鍛造などの加工のことである。
本実施形態において、熱間加工の温度は、６００℃以上９００℃以下とされている。
熱間加工の加工率は、１０％以上９０％以下とされている。また、加工率は、３０％以上９０％以下とされることがより好ましい。加工率が１０％以下の時は、熱間加工時における動的再結晶が不十分となり、鋳造組織が残存し、強度が向上しない場合があるので、加工率は上述の範囲とされている。
【００２３】
（３）仕上げ工程
熱間加工後の銅合金は、所望の板厚、幅、長さとなるように面削と切断が行われる。また、必要に応じて酸洗や研磨などの表面処理を施しても良い。また、レベラーなどを用いて矯正することもできる。
【００２４】
ステーブ用素材３１は上述の鋳造工程、熱間加工工程及び仕上げ工程を経て得ることができる。ステーブ用素材３１は、その後、最終機械加工によって冷却用の流体を流すための流路３２が設けられ、必要に応じて、さらに曲げ加工が施されてステーブ３０とされる。そして、このステーブ３０は、高炉１の炉壁２０などに使用される。
【００２５】
上述の実施形態によれば、ステーブ用素材３１は、Ａｌ、Ｓｎ、Ｎｉ、Ｍｎのうち、少なくとも１種または２種以上の元素を合計で０．２質量％以上４．０質量％以下含有し、残部がＣｕ及び不可避不純物からなる組成の銅合金からなる構成とされている。Ａｌ、Ｓｎ、Ｎｉ、Ｍｎは、Ｃｕの母相中に固溶し、固溶強化に寄与する元素であり、これらの元素を含有するステーブ用素材３１は、強度が向上し、耐摩耗性が良好となる。そのため、ステーブ３０に使用した場合に、炉壁２０の耐火物が落下した場合であっても、ステーブ３０の摩耗を少なくすることができ、高炉１の寿命を長くすることが可能となる。
【００２６】
また、Ｃｕの母相中に固溶したＡｌ、Ｓｎ、Ｎｉ、Ｍｎの固溶元素の効果により、耐熱性が高くなっている。そのため、ステーブ３０の使用環境下のような高温環境においても、結晶粒の成長を抑制することができる。そして、結晶粒の成長が抑制されるので、強度の低下を抑え耐摩耗性を維持することができ、純銅（無酸素銅、４ＮＣｕ）をステーブとして用いた場合と比較してステーブ３０の寿命を長くすることができる。
【００２７】
また、本実施形態においては、鋳造工程と、熱間加工工程と、仕上げ工程とによって、ステーブ用素材３１が得られる構成とされており、析出強化型の銅合金の製造方法と比較して熱処理などの工程を少なくすることができ、低コストでステーブ用素材３１を製造することが可能である。
【００２８】
以上、本発明の実施形態であるステーブ用素材３１について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【００２９】
なお、上記実施の形態では、ステーブ用素材３１の製造方法の一例について説明したが、製造方法はこれに限定されることはなく、既存の製造方法を適宜選択して製造しても良い。
【００３０】
また、上記実施の形態では、熱間加工後に仕上げ工程を行い、その後ステーブに加工する場合について説明したが、熱間加工の後に冷間加工を施しても良い。この場合には、冷間加工によって銅合金の強度が高くなるので、耐摩耗性をさらに向上させることが可能である。
【実施例】
【００３１】
以下に、本発明を実施例に基づき、さらに詳細に説明するが、本発明はそれらに限定されるものではない。
【００３２】
表１に示す本発明例、比較例及び従来例の組成の鋳塊を高周波溶解炉にて溶解後に鋳造を行い、厚さ５０ｍｍ、幅１００ｍｍ、長さ２００ｍｍの鋳塊を得た。この鋳塊に対して、８５０℃で圧延率５０％の熱間圧延を行った。このように作製した熱間圧延板を用いて、以下のように試験を行った。
【００３３】
（引張試験）
熱間圧延板の中央部からＪＩＳ  Ｚ２２０１−４号試験片を切り出して、ＪＩＳ  Ｚ２２４１に準じて引張試験を行い、引張強度を測定した。
（ブリネル硬さ試験）
熱間圧延板の中央部に対して、ＪＩＳ  Ｚ２２４３に準拠してブリネル硬さ試験を行い、ブリネル硬さを測定した。
（加工性）
上記熱間圧延時に板材側面に深さ５ｍｍ以上の耳割れが発生するか、または圧延板表面横割れが目視で観察された場合、加工性の評価として「×」とした。また、板材側面に深さ５ｍｍ以上の耳割れ及び圧延板表面での横割れが観察されなかった場合、加工性の評価として「○」とした。
【００３４】
【表１】
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【００３５】
表１に示すように、ＣｕにＡｌ、Ｓｎ、Ｎｉ、Ｍｎのうち、少なくとも１種または２種以上の元素を合計で０．２質量％以上４．０質量％以下を含む本発明例では、従来例に比較して引張強度が２０ＭＰａ以上増加しており、さらに上記元素２種以上の合計添加量が高くなるにつれ、引張強度、硬度とも上昇した。
一方、比較例のうち、ＣｕにＡｌ、Ｓｎ、Ｎｉ、Ｍｎのうち、少なくとも１種または２種以上の元素を合計で０．２質量％未満の例では、引張強度が本発明例より低くなった。また、Ａｌ、Ｓｎ、Ｎｉ、Ｍｎのうち、少なくとも１種または２種以上の元素を合計で４．０質量％超を含む例では、引張強度、硬度は高くなる一方で加工性が悪くなり高炉ステーブ材料としては不適となる。
よって、添加量は、Ａｌ、Ｓｎ、Ｎｉ、Ｍｎのうち、少なくとも１種または２種以上の元素合計で、０．２質量％以上４．０質量％以下が望ましい。
【符号の説明】
【００３６】
３１  ステーブ用素材
【図１】
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【図２】
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