(57)【要約】【課題】従来のファイバーよりも引張強度、耐酸化性および高温耐久性に優れた耐火物混入用のステンレスファイバーとその有利な製造方法を提案する。【解決手段】Ｃ：０．１ｗｔ％以下、Ｓｉ：１．５０ｗｔ％以下、Ｍｎ：１．０ｗｔ％以下、Ｃｒ：１５〜２５ｗｔ％、Ｔｉ：０．０５〜０．２５ｗｔ％、Ｐ：０．０４ｗｔ％以下、Ｓ：０．０３ｗｔ％以下、Ａｌ：１．４〜６．０ｗｔ％、Ｎ：０．０５ｗｔ％以下、Ｏ：０．００５０ｍａｓｓ％以下、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる薄板素材を、せん断法により波形ファイバーに成形加工する。【選択図】　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：０．１ｗｔ％以下、Ｓｉ：１．５０ｗｔ％以下、
Ｍｎ：１．０ｗｔ％以下、Ｃｒ：１５〜２５ｗｔ％、
Ｔｉ：０．０５〜０．２５ｗｔ％、Ｐ：０．０４ｗｔ％以下、
Ｓ：０．０３ｗｔ％以下、Ａｌ：１．４〜６．０ｗｔ％、
Ｎ：０．０５ｗｔ％以下、Ｏ：０．００５０ｍａｓｓ％以下、
残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする耐火物用ステンレスファイバー。
【請求項２】
上記成分組成に加えてさらに、
Ｍｏ：０．１ｗｔ％以下、Ｎｂ：０．１ｗｔ％以下、
Ｃｕ：０．１ｗｔ％以下、Ｃａ：０．０１ｗｔ％以下、
Ｍｇ：０．０１ｗｔ％以下、ＲＥＭ：０．１ｗｔ％以下
の中から選ばれる１種または２種以上を含有したことを特徴とする請求項１に記載のステンレスファイバー。
【請求項３】
上記ステンレスファイバーは、不定形耐火物原料または不焼成耐火物原料に混入させて用いるものであることを特徴とする請求項１または２に記載のステンレスファイバー。
【請求項４】
上記ステンレスファイバーの形状が波形であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のステンレスファイバー。
【請求項５】
Ｃ：０．１ｗｔ％以下、Ｓｉ：１．５０ｗｔ％以下、
Ｍｎ：１．０ｗｔ％以下、Ｃｒ：１５〜２５ｗｔ％、
Ｔｉ：０．０５〜０．２５ｗｔ％、Ｐ：０．０４ｗｔ％以下、
Ｓ：０．０３ｗｔ％以下、Ａｌ：１．４〜６．０ｗｔ％、
Ｎ：０．０５ｗｔ％以下、Ｏ：０．００５０ｍａｓｓ％以下、
残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる薄板素材を、せん断法によりファイバーに成形加工することを特徴とする耐火物用ステンレスファイバーの製造方法。
【請求項６】
上記成分組成に加えてさらに、
Ｍｏ：０．１ｗｔ％以下、Ｎｂ：０．１ｗｔ％以下、
Ｃｕ：０．１ｗｔ％以下、Ｃａ：０．０１ｗｔ％以下、
Ｍｇ：０．０１ｗｔ％以下、ＲＥＭ：０．１ｗｔ％以下
の中から選ばれる１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項５に記載のステンレスファイバーの製造方法。
【請求項７】
上記ファイバーを波形に成形加工することを特徴とする請求項５または６に記載のステンレスファイバーの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐火物の割れ防止や剥離防止の目的で耐火物中に混入されるステンレスファイバーに関し、特に、高温強度が高くかつ耐酸化性、耐熱性に優れるステンレスファイバーとその製造方法を提案するものである。
【０００２】
【従来の技術】
不定形耐火物は、施工にあまり熟練を必要とせず、また目地無しの一体構造物も容易に施工できることから、近年、その適用範囲が急速に普及している。しかしその反面、不定形耐火物は、繰返しの加熱・冷却による物理的スポーリングおよびスラグ等との反応による化学的スポーリングによって、クラックが発生し易く、角欠け、剥離および脱落などの恐れがあるという欠点がある。
【０００３】
そのため、従来から、耐火物に発生した割れの進展を抑制し、アンカー効果による剥離や脱落の防止を目的として、耐火物中にステンレスファイバーや耐熱性の金属ファイバーなどを混入させる対策がとられている。これらのファイバーは、高強度で延性にも優れるため、硬くて脆い耐火物中に混入することによりいわゆる繊維強化機能が発揮され、耐火物のクラックの発生、進行等を効果的に抑制する。また、耐火物中に混入されたファイバーは、上記亀裂や剥離の発生を抑制する他、熱間での引張強度や曲げ強度をも向上するという効果を奏する。
【０００４】
また、上記耐火物に混入されるファイバー素材は、その特性が耐火物の性能に与える影響が大きいため、耐火物の使用される温度や雰囲気条件等に応じて適宜選定されており、ステンレスファイバー素材としては、一般にフェライト系ステンレス鋼であるＳＵＳ４３０やオーステナイト系ステンレス鋼であるＳＵＳ３０４などが用いられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記対策により、不定形耐火物の特性は大幅に改善された。その結果、現在では、鉄鋼や非鉄分野のほか、各種分野で使用されている。具体的な適用例を表１に示す。
【０００６】
【表１】
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【０００７】
ところで、耐火物にステンレスファイバーを混入した技術としては、例えば、特開昭５２−４５６１０号公報には、塩基性耐火坏土にステンレス繊維などの繊維状物質を添加して亀裂の発生や剥離を抑えた取鍋用塩基性不焼成煉瓦の製造方法が開示されている。また、特開平１０−３１０４７８号公報には、１０〜３０ｍｍ長のステンレスファイバーを２〜５ｗｔ％含有させ、熱間強度を大幅に向上させて操業時の亀裂発生を抑制したアンカーれんがが開示されている。
【０００８】
しかしながら、従来のステンレスファイバーを混入した耐火物を、上記表１に示した用途に使用した場合には、ステンレスファイバーを混入させていない耐火物よりは、長時間に亘って利用することができるものの、要求されている寿命にはほど遠いという問題点があった。そのため、耐火物に混入するファイバーには、従来のＳＵＳ４３０およびＳＵＳ３０４などを素材としたものよりもさらに高温強度に優れるとともに、耐酸化性、高温耐久性などにも優れた特性が要求されるようになった。
【０００９】
本発明の目的は、従来のファイバーよりも引張強度、耐酸化性および高温耐久性に優れた耐火物混入用のステンレスファイバーとその有利な製造方法を提案することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、耐火物の更なる性能向上を目指し、耐火物の補強用添加材としてのスチールファイバーの特性に着目して鋭意研究を行った。その結果、スチールファイバーの素材となるステンレス鋼の成分組成を適正化することにより高温強度、耐酸化性等を改善することができることを見出し、本発明に想到した。
【００１１】
すなわち、本発明は、Ｃ：０．１ｗｔ％以下、Ｓｉ：１．５０ｗｔ％以下、Ｍｎ：１．０ｗｔ％以下、Ｃｒ：１５〜２５ｗｔ％、Ｔｉ：０．０５〜０．２５ｗｔ％、Ｐ：０．０４ｗｔ％以下、Ｓ：０．０３ｗｔ％以下、Ａｌ：１．４〜６．０ｗｔ％、Ｎ：０．０５ｗｔ％以下、Ｏ：０．００５０ｍａｓｓ％以下、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする耐火物用ステンレスファイバーである。
【００１２】
なお、本発明のファイバーは、上記成分組成に加えてさらに、Ｍｏ：０．１ｗｔ％以下、Ｎｂ：０．１ｗｔ％以下、Ｃｕ：０．１ｗｔ％以下、Ｃａ：０．０１ｗｔ％以下、Ｍｇ：０．０１ｗｔ％以下、ＲＥＭ：０．１ｗｔ％以下の中から選ばれる１種または２種以上を含有したものであることが好ましい。
【００１３】
また、本発明のファイバーは、不定形耐火物原料または不焼成耐火物原料に混入させて用いるものであることが好ましく、さらにその形状は波形であることが好ましい。
【００１４】
また、本発明は、Ｃ：０．１ｗｔ％以下、Ｓｉ：１．５０ｗｔ％以下、Ｍｎ：１．０ｗｔ％以下、Ｃｒ：１５〜２５ｗｔ％、Ｔｉ：０．０５〜０．２５ｗｔ％、Ｐ：０．０４ｗｔ％以下、Ｓ：０．０３ｗｔ％以下、Ａｌ：１．４〜６．０ｗｔ％、Ｎ：０．０５ｗｔ％以下、Ｏ：０．００５０ｍａｓｓ％以下、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる薄板素材を、せん断法によりファイバーに成形加工することを特徴とする耐火物用ステンレスファイバーの製造方法を提案する。
【００１５】
なお、本発明の製造方法においては、上記成分組成に加えてさらに、Ｍｏ：０．１ｗｔ％以下、Ｎｂ：０．１ｗｔ％以下、Ｃｕ：０．１ｗｔ％以下、Ｃａ：０．０１ｗｔ％以下、Ｍｇ：０．０１ｗｔ％以下、ＲＥＭ：０．１ｗｔ％以下の中から選ばれる１種または２種以上を含有すること好ましい。
【００１６】
また、本発明の製造方法においては、上記ファイバーを波形に成形加工することが好ましい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の具体的実施態様について以下に説明する。
まず、本発明に係るステンレスファイバーは、その成分組成が、Ｃ：０．１ｗｔ％以下、Ｓｉ：１．５０ｗｔ％以下、Ｍｎ：１．０ｗｔ％以下、Ｃｒ：１５〜２５ｗｔ％、Ｔｉ：０．０５〜０．２５ｗｔ％、Ｐ：０．０４ｗｔ％以下、Ｓ：０．０３ｗｔ％以下、Ａｌ：１．４〜６．０ｗｔ％、Ｎ：０．０５ｗｔ％以下、Ｏ：０．００５０ｍａｓｓ％以下であることが必要である。その理由を以下に示す。
【００１８】
Ｃ：０．１ｗｔ％以下、Ｎ：０．０５ｗｔ％以下
ＣおよびＮは、必要以上に含有されると熱延鋼帯の靭性が低下し、耐火物がスポーリングした時に破断しやすいという問題があるため、ＣおよびＮの含有量は、それぞれ０．１ｗｔ％以下、０．０５ｗｔ％以下に制限する。
【００１９】
Ｓｉ：１．５０ｗｔ％以下
Ｓｉは、ステンレス鋼の表面に緻密で成長速度の遅い酸化皮膜を優先的に生成させる特性があり、耐酸化性の向上に有効な元素である。しかしながら、靭性を劣化させる欠点があるため、Ｓｉ含有量は１．５０ｗｔ％以下とする。
【００２０】
Ｍｎ：１．０ｗｔ％以下
Ｍｎは、ステンレス鋼の耐酸化性が低下させるため、１．０ｗｔ％以下とする。
【００２１】
Ｐ：０．０４ｗｔ％以下、Ｓ：０．０３ｗｔ％以下
ＰおよびＳは、ステンレス鋼の熱間加工性および耐酸化性を低下させるため、Ｐ含有量は０．０４ｗｔ％以下、Ｓ含有量は０．０３ｗｔ％以下とする。
【００２２】
Ｃｒ：１５〜２５ｗｔ％
Ｃｒは、ステンレス鋼の耐酸化性および耐食性を確保するために重要な元素である。Ｃｒ含有量が１５ｗｔ％未満では、充分な耐酸化性や耐食性を得ることができず、一方、２５ｗｔ％を超えると、熱延鋼帯の靭性を著しく低下させる。そのため、本発明では、Ｃｒ含有量を１５〜２５ｗｔ％の範囲内とする。より好ましくは、１７〜２２ｗｔ％である。
【００２３】
Ａｌ：１．５〜６．０ｗｔ％
Ａｌは、ステンレス鋼の耐酸化性を向上させる重要な元素である。耐酸化性を確保するためには、Ａｌ含有量は、１．５ｗｔ％以上とすることが必要であり、一方、６．０ｗｔ％を超えて含有すると、熱延鋼帯の靭性が劣化し、製造できなくなる。そのため、本発明のファイバーのＡｌ含有量は、１．５〜６．０ｗｔ％の範囲内とする。より好ましくは、２．５〜５．５ｗｔ％である。
【００２４】
Ｔｉ：０．０５〜０．２５ｗｔ％
Ｔｉは、フェライト系ステンレス鋼の耐酸化性を向上させると共に、熱延鋼帯の靭性を向上させる特性があり、極めて重要な元素である。すなわち、このＴｉは、高温酸化により生じたＡｌ２Ｏ３皮膜の密着性を改善することにより耐酸化性を向上させ、また、炭化物および窒化物を形成して固溶Ｃ，Ｎを減少させることにより熱延鋼帯の靭性を向上させる作用がある。このような効果を得るためには、Ｔｉ含有量は、０．０５ｗｔ％以上であることが必要である。しかしながら、過剰なＴｉの添加は、却って熱延鋼帯の靭性を劣化させるため、Ｔｉの上限は０．２５ｗｔ％とする。よって、本発明のファイバーのＴｉ含有量は、０．０５〜０．２５ｗｔ％の範囲とする。より好ましくは、０．１０〜０．２０ｗｔ％である。
【００２５】
Ｏ：０．００５０ｍａｓｓ％以下
Ｏは、ステンレス鋼の耐酸化性を低下させるため、その含有量は０．００５０ｍａｓｓ％以下に制限する。
【００２６】
なお、本発明においては、上記必須成分のほかに、必要に応じて、Ｍｏ：０．１ｗｔ％以下、Ｃｕ：０．１ｗｔ％以下、Ｎｂ：０．１ｗｔ％以下、Ｃａ：０．０１ｍａｓｓ％以下、Ｍｇ：０．０１ｍａｓｓ％以下およびＲＥＭ（Ｌａ，Ｃｅなど）：０．１ｗｔ％以下を添加することができる。これらの成分の添加により、耐酸化性を向上ことができる。
【００２７】
次に、本発明に係るステンレスファイバーの素材となるステンレス鋼板の特性について説明する。
まず、耐火物の耐久性を左右する、ファイバー素材であるステンレス鋼板の高温強度特性についての調査結果を説明する。実験では、本発明例として、Ｃ：０．０２０ｍａｓｓ％、Ｓｉ：０．３３ｍａｓｓ％、Ｍｎ：０．２９ｍａｓｓ％、Ｃｒ：１７．７２ｍａｓｓ％、Ｔｉ：０．１７ｍａｓｓ％、Ｐ：０．０２６ｍａｓｓ％、Ｓ：０．００１ｍａｓｓ％、Ａｌ：３．０７ｍａｓｓ％、Ｎ：０．００４ｍａｓｓ％、Ｏ：０．０００６ｍａｓｓ％からなるステンレス鋼板を用い、比較材として、ＳＵＳ４３０の鋼板を用い、これらの鋼板について、室温から８００℃までの温度範囲における引張強度を測定した。
【００２８】
測定結果を図１に示す。この図より、引張強度は、５００℃程度以下の温度域においては、従来材であるＳＵＳ４３０の方が優れているものの、５００℃以上の温度域においては、本発明のステンレス鋼板の方が優れていることがわかる。したがって、耐火物に混入するステンレスファイバーとしては、本発明のステンレス鋼板を素材としたものの方が好ましく、耐火物の耐久性の向上が大いに期待できる。
【００２９】
次に、ファイバー素材の耐酸化性について調査した。実験には、本発明のステンレス鋼板として、Ｃ：０．００９ｍａｓｓ％、Ｓｉ：０．４ｍａｓｓ％、Ｍｎ：０．２８ｍａｓｓ％、Ｃｒ：１７．９ｍａｓｓ％、Ｔｉ：０．１５ｍａｓｓ％、Ｐ：０．０１９ｍａｓｓ％、Ｓ：０．０００７ｍａｓｓ％、Ａｌ：２．８ｍａｓｓ％、Ｎ：０．００９ｍａｓｓ％、Ｏ：０．０００６１ｍａｓｓ％からなる鋼板を用い、比較材として、ＳＵＳ４３０の他、ＳＵＳ３０４も用いた。耐酸化性の評価は、下記の２つの方法で行った。
【００３０】
（耐酸化試験▲１▼）
上記鋼板から採取した試験片を、１０００℃に加熱保持した大気雰囲気下の炉中で、３０分加熱後、１０分冷却する工程を１サイクルとし、これを５００サイクル繰返す熱処理を行ない、その際の試験片の酸化増量を測定した。結果を図２に示す。この図から、本発明のステンレス鋼板の１０００℃における酸化増量は、従来のＳＵＳ４３０やＳＵＳ３０４と比較して１／１００以下であり、優れた耐酸化性を示していることが判る。
【００３１】
（耐酸化試験▲２▼）
上記鋼板から採取した試験片を、加熱した大気雰囲気下の炉中に連続５０時間保持し、その際の酸化増量を測定した。なお、この際の炉温は７００〜１３００℃まで１００℃単位で変化させた。図３にその結果を示したが、本発明のステンレス鋼板は、従来材と比較して優れた耐酸化性を示していることが判る。
【００３２】
以上の耐酸化試験結果から、本発明のステンレス鋼板は、従来のＳＵＳ４３０やＳＵＳ３０４と比較して、非常に優れた耐酸化性を有しており、耐火物に混入する強化繊維として好適であることが確認できた。
【００３３】
なお、参考として、本発明のファイバーの素材となるステンレス鋼の物理的特性、機械的特性について、従来材であるＳＵＳ４３０と比較して表２に示す
【００３４】
【表２】
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【００３５】
次に、本発明に係るステンレスファイバーを製造する方法について説明する。本発明のステンレスファイバーは、薄板せん断法により成形加工する。この方法は、その一例を図４に示したが、ファイバーの長さに相当する幅にスリットした厚さ０．３〜０．５ｍｍの素材鋼板５を、送りローラー４で剪断機に一定速度で装入しつつ、回転ドラム１に取り付けられたせん断刃（カッター）２で連続的に剪断する方法である。この方法により製造されたファイバー７は、剪断時に、ばり、ねじれ、わん曲等の変形が起こるので、耐火物とファイバーとの付着強度を大幅に増大できる効果があり、耐火物の補強材として好ましい特徴を有している。
【００３６】
さらに、本発明では、意図的にファイバーの形状を波形とすることにより更に付着強度を増大させることが好ましい。ファイバーを波形に加工する方法としては、素材を剪断機に送るローラーで鋼板に凹凸を付けたり、ダイス３表面に溝６を形成したり（図４参照）、あるいは、せん断刃２を工夫して剪断したりする方法などを用いることができる。
【００３７】
なお、本発明にかかるステンレスファイバーの切断長さは、板厚と同程度とすることが好ましく、具体的には０．３〜０．５ｍｍとするのが好ましい。また、ファイバーの長さは、耐火物の補強効果と分散特性の点から１５〜２５ｍｍ程度とするのが好ましい。
【００３８】
【実施例】
以下、本発明のステンレスファイバーの具体的な適用例について説明する。
（実施例１）　連続鋳造タンディッシュカバーへの適用
タンディッシュカバーに使用されたキャスタブルにクラックが発生して剥離が生じると、その破片が溶鋼中に落下して鋼片中に取り込まれ、内部品質や表面品質に悪影響を及ぼす。そこでこのカバーに、本発明のファイバーを３ｗｔ％添加したキャスタブル材を用いたところ、剥離の発生をほぼ完全に無くすことができた。その結果、本発明を適用したキャスタブルの耐用回数は、従来のＳＵＳ４３０を混入させた場合と比較して、約３倍にも向上させることができ、キャスタブルの打設費用を含めたトータルコストも３０〜４０％低減することができた。
【００３９】
（実施例２）　製鋼工場でのスターラーと溶鋼差し物容器への適用
１４００〜１５００℃の溶鋼の脱硫用に使用されるファイバー補強キャスタブル容器は、溶鋼中への浸漬を繰返されるため、熱衝撃が大きい。この容器に、本発明のファイバーで補強したキャスタブルを適用することにより、充分な耐熱衝撃性が発揮され、従来のＳＵＳ４３０混入品と比較して約２倍に容器寿命を延長することができた。
【００４０】
（実施例３）　加熱炉の炉床への適用
回転炉床式加熱炉の炉床外縁キャスタブルは、内側部レンガの膨張張り出しによる接触や炉の回転に伴う加熱・冷却により生じる熱応力等によって角欠けが多発し、従来品（ＳＵＳ４３０添加品）では、その耐用年数は１年程度であった。このキャスタブルに本発明のファイバーを添加したところ、２年以上使用後も原形を保つことができた。
【００４１】
（実施例４）　ステンレス鋼薄板連続熱処理炉の防熱板への適用
ステンレス鋼板の連続熱処理炉は、高温室と水冷室とが隣接しており、両室の境に配設されるキャスタブルの防熱板は、片側が１１００℃の高温に加熱される一方、その反対側が水冷室の水滴がかかる状態で使用される。そのため、従来品（ＳＵＳ４３０添加品）では、約３ヶ月でキャスタブルを交換する必要があったが、本発明のファイバーを４ｗｔ％添加したキャスタブルの適用により、剥離も少なく、６ヶ月以上寿命を延長することができた。
【００４２】
（実施例５）　トンネル窯台車のカートップへの適用
トンネル窯台車は、１３００〜１３５０℃に加熱された窯業炉の中を通される。この際、窯台車のカートップは、約１０００℃の温度に約３０時間加熱された後、約３００℃まで冷却されて炉外に出される。そのため、膨張・収縮によりスポーリングが激しく、従来品（ＳＵＳ３０４添加品）では、耐用回数が１５〜１６回であった。この部位に、本発明のファイバーを２．０ｗｔ％添加したキャスタブルを適用したところ、２９回もの使用が可能となり、寿命を延長させることができた。
【００４３】
（実施例６）　加熱炉の天井アーチへの適用
炉内温度が１３７０℃の条件下で使用される加熱炉において、炉内天井アーチ部の耐火物の寿命は、従来品（ＳＵＳ４３０添加品）では約１年であった。このアーチ部に、本発明のファイバーで補強したキャスタブルを適用したところ、寿命を２年半以上にも延長させることができた。また、補修費、煉瓦の築炉費等を含めたトータルコストも大幅に低減することができた。
【００４４】
（実施例７）　ヒートシールドへの適用
スラブ加熱炉の出口に設置されるトンネルカバー型のヒートシールドは、その内部が加熱されたスラブの移動により高温に曝される一方、その外部が熱延ロールの冷却水の水滴がかかる状態で使用される。さらに、機械的振動も激しい。そのため、ヒートシールドは、クラックや角欠け、剥離が進行し易く、従来品（ＳＵＳ４３０）を用いた場合の寿命は約６ヶ月であった。一方、本発明のファイバーを５．０ｗｔ％添加したものでは、無補修で１１ヶ月使用することができ、トータルコストも５０％に低減することができた。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、従来よりも引張強度に優れかつ耐酸化性および高温耐久性に優れたファイバー合金を提供することができる。また、本発明のステンレスファイバーを耐火物に混入させることにより、耐火物の寿命の大幅な向上とコストの低減が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のファイバー素材であるステンレス鋼の高温強度を示す図である。
【図２】本発明のファイバー素材であるステンレス鋼の耐酸化性を示す図である。
【図３】本発明のファイバー素材であるステンレス鋼の耐酸化性を示す図である。
【図４】薄板剪断法によるステンレスファイバーの製造方法を模式的に示す図である。
【符号の説明】
１：回転ドラム
２：せん断刃
３：ダイス
４：送りローラー
５ａ：ステンレス薄鋼板（ファイバー素材）
５ｂ：ステンレス薄鋼板（ファイバー素材）
６：ダイス溝
７：ファイバー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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