(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一部又は全部が曲面からなる鋼構造物の被溶接領域に、鉄製又はステンレス製の網材を仮止めする第１工程と、前記網材の上から肉盛溶接を行う第２工程とを有する曲面の肉盛溶接方法であって、前記鋼構造物は炭素鋼であって、前記肉盛溶接を行う溶材は、耐熱耐摩耗性を有する高クロム鋳鉄系のワイヤであることを特徴とする曲面の肉盛溶接方法。
【請求項２】
請求項１記載の曲面の肉盛溶接方法において、前記網材は、鋼製のエキスパンドメタルであることを特徴とする曲面の肉盛溶接方法。
【請求項４】
請求項１又は２記載の曲面の肉盛溶接方法において、前記鋼構造物は鋼管であって、前記被溶接領域は該鋼管の内側面であることを特徴とする曲面の肉盛溶接方法。
【請求項５】
請求項４記載の曲面の肉盛溶接方法において、前記鋼管は製鉄所で用いる溶融金属に添加材を吹き込むランスであって、前記被溶接領域は前記ランスの屈曲部分の半径方向外側領域であることを特徴とする曲面の肉盛溶接方法。
【請求項６】
請求項５記載の曲面の肉盛溶接方法において、前記被溶接領域は前記ランスの屈曲部分の半径方向外側稜線を中心にして１８０度以上の範囲であることを特徴とする曲面の肉盛溶接方法。
【請求項７】
請求項５又は６記載の曲面の肉盛溶接方法において、前記ランスの屈曲部分は、曲がり管と該曲がり管の端部に溶接される第１、第２の直管の一部からなって、前記被溶接領域は、前記第１、第２の直管と前記曲がり管との溶接部を除く、前記曲がり管と前記第１、第２の直管の前記溶接部近傍の領域であることを特徴とする曲面の肉盛溶接方法。
【請求項８】
請求項５〜７のいずれか１項に記載の曲面の肉盛溶接方法を適用したことを特徴とするランスの製造方法。
【請求項９】
請求項８記載のランスの製造方法において、前記肉盛溶接の表面を更に不定形耐火材で覆うことを特徴とするランスの製造方法。
【請求項１０】
一部又は全部が曲面からなる鋼構造物の被溶接領域に、鉄製又はステンレス製の網材を仮止めする第１工程と、前記網材の上から肉盛溶接を行う第２工程とを有する曲面の肉盛溶接方法において、前記鋼構造物は鋼管であって、前記鋼管は製鉄所で用いる溶融金属に添加材を吹き込むランスであり、前記被溶接領域は前記ランスの屈曲部分の内側面の半径方向外側領域で、前記ランスの屈曲部分は、曲がり管と該曲がり管の端部に溶接される第１、第２の直管の一部からなって、前記被溶接領域は、前記第１、第２の直管と前記曲がり管との溶接部を除く前記曲がり管と前記第１、第２の直管の前記溶接部近傍の領域であることを特徴とする曲面の肉盛溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、製鉄所で使用するランス(詳細には、「インジェクションランス」という)等の曲面を有する鋼構造物の一部に耐摩耗性を向上するために行う肉盛溶接の方法及びそれを用いたランスの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に示すように、例えば、高炉から排出された溶銑をトピードカー等で溶銑予備処理を行う場合には、先側が折れ曲がったランスが使用され、通常はこの折れ曲がった部分に曲がり管（ベント管）が使用され、前後の直管に溶接されている。そして、特許文献１においては、曲がり部分の内面に曲がり管の内径の１／２０〜１／２の高さを有する金属性の突片を設け、この突片の隙間部分に積極的に処理剤を溜めて、この部分の耐摩耗性を高めている。【０００３】
一方、特許文献２には、鋼管の内側に高炭素鋼よりなるクラッドメタルを肉盛溶接する方法が提案され、これにより鋼管の内側の耐摩耗性を確保している。
また、特許文献３に示すように、出願人は基材の表面にニッケル基合金やステンレス合金等を肉盛溶接して、基材の耐摩耗性を高めることを提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２２２５９２号公報
【特許文献２】特開平１０−８１９１号公報
【特許文献３】特開２００８−９３７３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１記載の技術では、突片の隙間に溜まった処理剤が成長し、時間の経過と共に、ランスの有効径が小さくなり、場合によってはランスが閉塞するという問題があった。
そこで、本出願人はこのランスの内部に耐摩耗性金属を肉盛溶接して、処理剤の詰まりを防止することを鋭意研究した。【０００６】
ところが、ランスの内側に使用される管（芯金）は通常直径が１００ｍｍ以下の小径管となって、直管の場合は、溶接トーチを下向きにして管を回転させれば、ある程度の肉盛溶接は可能であるが、途中で折れ曲がった部分を肉盛溶接する場合、溶接トーチを溶接場所の凹凸に対応させて行う以外はなく、この場合、溶接箇所が必ずしも平面又は近似平面とはならず、このため、肉盛部となる溶融金属が傾斜面を流れ、安定した溶接が行えないという問題があった。【０００７】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、曲面を有する被溶接物（例えば、ベント部を有する鋼管）であって、その内側表面に円滑に耐摩耗性の肉盛溶接を行うことが可能な曲面の肉盛溶接方法及びそれを用いたランスの製造方法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】
【０００８】
前記目的に沿う第１の発明に係る曲面の肉盛溶接方法は、一部又は全部が曲面からなる鋼構造物の被溶接領域に、鉄製又はステンレス製の網材を仮止めする第１工程と、前記網材の上から肉盛溶接を行う第２工程とを有する。ここで、前記鋼構造物は、例えば鋼管（炭素鋼鋼管、ステンレス鋼鋼管のいずれも含む）であって、被溶接領域はその内側面であってもよい。【０００９】
第１の発明に係る曲面の肉盛溶接方法において、前記網材は、鋼製のエキスパンドメタルであるのが好ましいが、肉盛する溶湯の流れを邪魔するのであれば、他の金網材であっても使用できる。【００１０】
第２の発明に係る曲面の肉盛溶接方法は、第１の発明に係る曲面の肉盛溶接方法において、前記鋼構造物は炭素鋼であって、前記肉盛溶接を行う溶材は、耐熱耐摩耗性を有する高クロム鋳鉄系のワイヤであるとしている。ここで、前記溶材は、高温で耐摩耗性を有する溶接可能な金属であれば、他の金属であってもよい。【００１１】
また、第３の発明に係る曲面の肉盛溶接方法は、前記鋼構造物を鋼管とした第１、第２の発明に係る曲面の肉盛溶接方法において、前記鋼管は製鉄所で用いる溶融金属に添加材を吹き込むランスであって、前記被溶接領域は前記ランスの屈曲部分の半径方向外側領域である。この場合、前記被溶接領域は前記ランスの屈曲部分の半径方向外側稜線を中心にして１８０度以上の範囲（例えば、１８０〜２８０度）であるのがよい。【００１２】
第３の発明に係る曲面の肉盛溶接方法において、前記ランスの屈曲部分は、曲がり管と該曲がり管の端部に溶接される第１、第２の直管の一部からなって、前記被溶接領域は、前記第１、第２の直管と前記曲がり管との溶接部を除く、前記曲がり管と前記第１、第２の直管の前記溶接部近傍の領域であるとするのが好ましい。【００１３】
第４の発明に係るランスの製造方法は、以上の第１〜第３の発明に係る曲面の肉盛溶接方法を適用する。なお、ランスの内管の曲面（屈曲部分）以外の部分については、周知の方法を用いてランスを製造することが可能である。【００１４】
第４の発明に係るランスの製造方法において、前記肉盛溶接の表面を更に不定形耐火材で覆うこともできる。この場合、不定形耐火材は吹き付け又は溶射、場合によっては塗布によって行うことができる。不定形耐火材の厚みは１〜４ｍｍ程度が好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る曲面の肉盛溶接方法は、一部又は全部が曲面となる鋼構造物の被溶接領域に、鉄製又はステンレス製の網材を仮止めした後、肉盛溶接を行うので、溶湯が網材によって堰止められて、肉盛溶接位置に残る。従って、耐摩耗性金属の肉盛溶接が支障なく行える。【００１６】
特に、鋼構造物の被溶接領域が例えば、製鉄所で用いるランスの内管の屈曲部分の半径方向外側の内面である場合には、その部分に耐熱耐磨耗性の金属を肉盛溶接することによって、その部分の硬質化が図られ、通過する粉又は粒状物による摩耗の進行度が遅れ、長期の寿命を有するランスとなる。
肉盛溶接を行う溶材として、耐熱耐摩耗性を有する金属の一例である高クロム鋳鉄系のワイヤを使用することによって溶接がより簡単になり、更に硬質の肉盛面が形成される。【００１７】
更に、網材として鋼製のエキスパンドメタルを用いることによって、材料入手が容易となり、溶接も容易となる。なお、このエキスパンドメタルが溶けて、肉盛金属の成分を希釈することになるが、母材も鋼であることもあって、鋼製のエキスパンドメタルを使用しても特に支障はない。【００１８】
更に、本発明に係る曲面の肉盛溶接方法を適用したランスの製造方法においては、ランス内面の屈曲部分に施工の容易な方法によって肉盛溶接がなされているので、溶接作業が安定し、肉盛溶接部の信頼性も向上する。
また、その肉盛金属の表面を不定形耐火材で覆うと、更にランスの寿命が延びる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】（Ａ）は本発明の第１の実施例に係る曲面の肉盛溶接方法を適用するランス（内管）の説明図、（Ｂ）は同図（Ａ）のＰ−Ｐ’断面図である。
【図２】（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ同曲面の肉盛溶接方法に用いるエキスパンドメタルの平面図である。
【図３】ランスの側面図である。
【図４】摩耗試験の試験装置の概略説明図である。
【図５】摩耗試験の結果を示すグラフである。
【図６】本発明の第２の実施例に係る曲面の肉盛溶接方法を適用するランスの説明図である。
【図７】（Ａ）は図６における矢視Ｑ−Ｑ’及びＲ−Ｒ’断面図で、（Ｂ）は図６における矢視Ｓ−Ｓ’断面図である（但し、外側の耐火物は省略している）。
【図８】（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ本発明の第２の実施例に係る曲面の肉盛溶接方法に用いるエキスパンドメタルの平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
続いて、添付した図面を参照しながら、本発明の第１の実施例に係る曲面の肉盛溶接方法及びランスの製造方法について説明する。
図３に、製鉄所で使用するトピードカー等で溶鋼（溶融金属）中に燃料ガスや添加材（例えば、酸化鉄粉や石灰粉）を吹き込むのに使用するランス１０を示すが、ランス１０は直管領域１１と先部の折れ曲がり領域１２を有して、各直線領域１１及び折れ曲がり領域１２は、外側が耐火物１３で覆われ、内部は内管１４（一部又は全部が曲面からなる鋼構造物である鋼管の一例）と外管１５の二重管構造となっている。
【００２１】
内管１４及び外管１５の間には少しの隙間が形成され、この隙間にはプロパンガスが流れ、内管１４の内部に添加材が、例えば、空気、酸素ガス、窒素ガス、アルゴンガス又はこれらの混合ガスを用いて、気流搬送される構造となっている。
図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、内管１４の屈曲部分１６の内側面１８の半径方向外側領域（被溶接領域となる）には、高クロム鋳鉄による肉盛部１９〜２１が形成されている。以下、この肉盛部１９〜２１について詳細に説明する。
【００２２】
内管１４には、この実施例では、外径が６０．５ｍｍの炭素鋼鋼管（ＳＴＰＧ）が使用されて、第１の直管２３と短尺の第２の直管２４がエルボ（１１５度の曲がり管、ベント）２５を介して溶接にて連結されている。２６、２７はこれらの溶接部を示す。肉盛部１９〜２１は溶接部２６、２７を除く溶接部２６、２７近傍の領域に形成されている。外管１５は内管１４の外側にスペーサ等を介して少しの隙間（例えば５〜１０ｍｍ）を有して設けられているが、構造は周知であるので省略する。なお、屈曲部分１６は、エルボ２５とエルボ２５の端部に溶接される第１、第２の直管２３、２４の一部からなる。
【００２３】
図２（Ａ）、（Ｃ）に示すように、第１、第２の直管２３、２４及びエルボ２４が溶接接合されていない状態で、第１、第２の直管２３、２４の管端から５〜１５ｍｍの位置に幅８〜１５ｍｍの網材の一例である鋼製のエキスパンドメタル２９、３０を１８０度円弧状に曲げた状態で配置し、溶接にて仮止めする。エキスパンドメタル２９、３０としては、メッシュ寸法が１２〜２５ｍｍ、板厚が１．２〜１．６ｍｍのもの（例えば、ＪＩＳＧ３３５１、ＸＳ３１又はＸＳ４１）を使用する。
【００２４】
また、図２（Ｂ）に示すように、エルボ２５の内側面で曲がり半径が大きい部分（即ち、半径方向外側領域）に、両端部から５〜１５ｍｍの隙間を設けて、エルボ２５の内側面半分に合わせて成形したエキスパンドメタル３１を配置し、溶接にて仮止めする。このエキスパンドメタル３１は第１、第２の直管２３、２４に使用したものと同一のものを使用する。
この状態で、エキスパンドメタル２９〜３１の上から耐熱耐摩耗性を有する金属の一例である高クロム鋳鉄系金属の肉盛溶接を行う。なお、図１（Ｂ）において角度αは被溶接領域の角度を示し、半径方向外側の稜線ｆを中心に円周方向にそれぞれ９０度以上（即ち合計で１８０度以上）の領域を肉盛溶接している。
この場合、円周方向全領域を肉盛溶接することも可能であるが、半径方向内側は添加材が衝突しないので、積極的には必要ではない。半径方向内側に非肉盛溶接部を設けることによって、ガスの通過断面積が大きくなるという利点がある（以下の実施例においても同じ）。
【００２５】
高クロム鋳鉄系金属の溶材としては高クロム鋳鉄系のフラックス入りワイヤを用い、炭酸ガスアーク溶接法で肉盛溶接を行う。これによって、内管１４の内側表面が溶融し、エキスパンドメタル２９〜３１も部分的に溶融するが、エキスパンドメタル２９〜３１の各線材が堰を形成し、溶融金属の流れを制止する。勿論、エキスパンドメタル２９〜３１の一部が溶けて高クロム鋳鉄系金属が希釈される。また、エキスパンドメタル２９〜３１の一部は未溶融の状態で残ることがあるが、耐摩耗性には影響はない。
【００２６】
ここで、必要がある場合、高クロム鋳鉄系の金属を２層又は多層盛りしてもよい。盛り数が多くなる程希釈率は高くなるが、手間もかかり厚みも厚くなるので、これらを考慮して行う必要がある。なお、肉盛金属の厚みは例えば３〜５ｍｍ程度である。
【００２７】
この後、第１、第２の直管２３、２４の角度方向を合わせて、エルボ２５の両端に仮付けした後、溶接する。この場合の溶接に使用する溶材は通常、鋼板を溶接するワイヤを使用する。これによって、溶接部２６、２７が形成される。内管１４の内周面の溶接部２６、２７には幅約２０ｍｍ程度の溝が形成されていることになるが、この溝内にはこのランス１０を通過する添加材が堆積し、結果としてこの詰まった添加材が半径方向外側に配置される溶接部２６、２７の保護を行う。
【００２８】
この肉盛部１９〜２１の特性について説明する。肉盛部１９〜２１の形成にあっては、溶接金属中に多量のクロム炭化物、及びＮｂ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ等の炭化物を生成し、極めて高い硬度を示す。ロード１０ｋｇのビッカース硬さＨＶの最低硬さは８８２、最高硬さは９６０、平均硬さは９２１である。なお、ＨＶは定数×試験力／くぼみの表面積（定数＝０．１０２）で表される。
【００２９】
次に、図４に示すエンドレスエメリー試験装置３２を用いて、肉盛部１９〜２１の摩耗試験結果を示す。なお、図４において、３３はベルト（ＳｉＣ、＃４０）、３４は試験片、３５はストッパー、３６はホルダーを示す。結果は図５に示す通りであった。即ち、ＳＳ４００の摩耗量を１とすると、肉盛部１９〜２１の摩耗量は０．０１２であった。なお、ＨＣＲは、この肉盛溶接に使用した高クロム鋳鉄系のフィラー入りワイヤを示す。表１には、種々のＨＣＲを用いて溶接した肉盛部１９〜２１の溶着金属の成分を示す。
【００３０】
【表１】
0005951631.tif 000002
【００３１】
この表１から、溶着金属はＣが５〜６．５ｗｔ％、Ｓｉが１．９〜２．３ｗｔ％、Ｍｎが０．３〜０．４５ｗｔ％、Ｃｒが２２〜２６ｗｔ％、Ｍｏが０又は０を超え５ｗｔ％、Ｖが０又は０を超え１．２ｗｔ％、Ｎｂが３〜７ｗｔ％、Ｗが０又は０を超え４．５ｗｔ％の範囲であればよいことが判る。
【００３２】
次に、図６、図７（Ａ）、（Ｂ）を参照しながら、本発明の第２の実施例に係る曲面の肉盛溶接方法について説明する。図１〜図５に示した第１の実施例と同一の構成要素については同一の番号を付して詳しい説明を省略する。
図６に示すように、ランス３８は直管領域１１と先部の折れ曲がり領域１２を有して、各直線領域１１及び折れ曲がり領域１２は、外側が耐火物１３で覆われ、内部は内管１４（一部又は全部が曲面からなる鋼構造物である鋼管の一例）と外管１５の二重管構造となっている。
【００３３】
内管１４及び外管１５の間にプロパンガスが流れ、内管１４の内部に添加材が気流搬送される構造となっていることは第１の実施例と同様である。
図７（Ａ）、（Ｂ）に示すように、内管１４の屈曲部分１６の内側面１８には、内側円筒部の稜線、即ち、屈曲部分１６の半径方向外側稜線４０を中心としてその円周方向両側に例えば、９０〜１３５度（合計で１８０〜２７０度の被溶接領域となる）広がった高クロム鋳鉄による肉盛部４１〜４３が形成されている。この肉盛部４１〜４３の厚みは例えば３〜４ｍｍとなっているが、本発明はこの数字には限定されない。
【００３４】
この肉盛部４１〜４３の形成にあっては、図７（Ａ）に示すように、第１、第２の直管２３、２４及びエルボ２５が溶接接合されていない状態で、第１の直管（内管）２３の管端から５〜１５ｍｍの内側位置に幅８〜１５ｍｍの網材の一例である鋼製のエキスパンドメタル４５（図８（Ａ）参照）を、例えば２１０〜２２０度の角度で円弧状に曲げた状態で配置し、溶接にて仮止めする。この状態で、エキスパンドメタル４５の上からクロム鋳鉄系金属の肉盛溶接を行う。
【００３５】
また、図７（Ａ）に示すように、エルボ（内管）２５の内側面１８で曲がり半径が大きい部分（即ち、半径方向外側領域）に、両端部から５〜１５ｍｍの隙間を設けて、２１０〜２２０度位置に合わせて成形したエキスパンドメタル４６（図８（Ｂ）参照）を配置し、溶接にて仮止めする。この状態で、エキスパンドメタル４６の上からクロム鋳鉄系金属の肉盛溶接を行う。
【００３６】
そして、肉盛部４３の形成にあっては、図７（Ｂ）に示すように、第２の直管２４の管端から５〜１５ｍｍの内側位置に幅８〜１５ｍｍの網材の一例である鋼製のエキスパンドメタル４７（図８（Ｃ）参照）を、例えば２６０〜２７０度の角度で円弧状に曲げた状態で配置し、溶接にて仮止めする。この状態で、エキスパンドメタル４７の上からクロム鋳鉄系金属の肉盛溶接を行う。なお、エキスパンドメタル４５〜４７は前記第１の実施例で説明したものと同一のものを使用する。
【００３７】
肉盛部４３の領域が肉盛部４１、４２の領域より円周方向に広くなっているのは、この部分で添加材の流れが広がり、２２０度を超える非肉盛部の摩耗が激しくなるからである。高クロム鋳鉄系金属の溶材としては高クロム鋳鉄系のフラックス入りワイヤを用い、炭酸ガスアーク溶接法で肉盛溶接を行う。これによって、内管１４の内側表面が溶融し、エキスパンドメタル４５〜４７も部分的に溶融するが、エキスパンドメタル４５〜４７の各線材が堰を形成し、溶融金属の流れを制止する。その他の溶接条件、作用については第１の実施例に係る曲面の肉盛溶接方法と同一である。
【００３８】
この曲面の肉盛溶接方法を用いてランスを製造するが、屈曲部分に上記した方法による肉盛溶接を行う以外は、日本国特許公開２０１１−１７５２９号公報、日本国特許公開２０１０−２２２５９２号公報等でも知られた周知方法であるので、詳しい説明を省略する。
また、肉盛部１９〜２１、４１〜４３の一部（例えば、肉盛部２０、４２）又は全部の表面に不定形耐火材を被覆することもでき、これによってランスの寿命の延長を図ることができる。この場合の不定形耐火材としては、周知のアルミナとシリカの粉体及び必要なバインダーを原料とするのが好ましい。
【００３９】
本発明は前記した実施例に限定されるものではなく、例えば、肉盛部を形成する溶接金属は、耐熱耐摩耗性を有するものであれば、他の溶材を使用することもできる。また、前記実施例は数値を限定して説明したが、本発明は実施例に記載の数値に限定されるものではない。
更に、前記実施例では、ランスの内管に限定して説明したが、パイプ以外の曲面に肉盛をする場合にも本発明は適用できる。また、パイプの内面に肉盛した後で、肉盛表面や、肉盛した部分のパイプの外側又は内側に、耐熱性又は耐摩耗性を有する溶射皮膜を形成することもできる。
そして、前記実施例においては、網材として鋼製のエキスパンドメタルを用いたが、その他の金網、場合によってはステンレス製のエキスパンドメタル、あるいは鉄製又はステンレス製の金網を用いることもできる。
【符号の説明】
【００４０】
１０：ランス、１１：直管領域、１２：折れ曲がり領域、１３：耐火物、１４：内管、１５：外管、１６：屈曲部分、１８：内側面、１９〜２１：肉盛部、２３：第１の直管、２４：第２の直管、２５：エルボ、２６、２７：溶接部、２９〜３１：エキスパンドメタル、３２：エンドレスエメリー試験装置、３３：ベルト、３４：試験片、３５：ストッパー、３６：ホルダー、３８：ランス、４０：半径方向外側稜線、４１〜４３：肉盛部、４５〜４７：エキスパンドメタル
【図１】
0005951631.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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