(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶湯に酸素ガスを上吹きし、又は溶湯温度を測定し、又は溶湯をサンプリングするための金属精錬炉用ランスにおいて、
溶射によりランス基材上に形成されたサーメット被膜を有し、
前記サーメット被膜は、ランス基材境界部を１００％金属成分とし、漸進的または段階的に表面に近づくにつれてＴｉＮ成分が増加していく構造を有し、表面が面積比で２０％未満の金属成分とＴｉＮの分散組織からなり、前記金属成分は５重量％以上５０重量％以下のＣｒ及び１５重量％以下のＡｌを含み、残部がＣｏまたはＮｉのいずれか一方および不可避不純物からなり、かつ表面サーメットのＴｉＮを８０体積％以上含有する部分の膜厚が１００μｍ以上であることを特徴とする金属精錬炉用ランス。
【請求項２】
前記サーメット被膜の表面粗度Ｒａを１．５μｍより小さくすることを特徴とする請求項１記載の金属精錬炉用ランス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、転炉などの金属精錬炉に使用される上吹き酸素ランス及び測温・サンプリングランスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属精錬過程においてランスは純酸素ガスの上吹き、あるいは測温及びサンプリング等に用いられている。ランスは炉内の湯面近傍で使用され、かつ昇降機能を有するため、次の諸機能が要求される。
【０００３】
（イ）耐熱性を有すること、
（ロ）溶融金属が付着しにくいこと、
上記（イ）は高温環境下においてはランスがもつべき基本的な機能であり、上記（ロ）はランス表面に溶融金属が付着凝固するとランスが昇降不能に陥るので連続操業においては重要な機能である。このため、さらに上記（ロ）の機能をランスに付加するための方策としてランス表面にコ―ティングを施す場合、コ―ティング層には以下の性能が要求される。
【０００４】
（ハ）溶融金属との接触において容易に摩耗せず、かつ溶融金属が付着しにくいこと、
（ニ）耐熱、耐酸化性を有すること、
（ホ）耐熱衝撃性を有すること、
（ヘ）粉塵を含む高温ガスによるエロ―ジョンに耐久性を有すること、
これら（ハ）乃至（ヘ）の諸要求性能をランスに付加するため従来から種々の提案がなされている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
例えば、実開平０３−１２０５４１号公報には外筒の表面に平滑なクロムめっきを施したすランスが記載されている。しかし、このランスにおいてはクロムめっき層が基材との熱膨張率差により剥離しやすい。
【０００６】
特開昭６１−２９５３１３号公報にはＴｉＮ、ＴｉＣ、もしくは（ＴｉＮ、Ｃ）で被覆されたランスが記載されている。しかし、このランスにおいてはＴｉＮ等の被膜が数μｍと薄膜であるため、エロ―ジョンによって短期間で損耗し、短寿命である。
【０００７】
特開平４−１２４２１３号公報には内外面の少なくとも一方にセラミックス系繊維からなる断熱層を設けたランスが記載されている。しかし、このランスを繰し返し使用すると、外表面に多量の溶融金属が付着し、昇降動作ができなくなるという不都合がある。
【０００８】
本発明は上記のような問題点を解決するためになされたものであり、ランス表面への溶融金属の付着を防止することができ、母材境界部に剥離を生じない長期間にわたり安定して使用することができる長寿命の金属精錬炉用ランス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】
本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意研究を進めた結果、ランス外面の溶融金属に対する濡れ性と表面粗度とが重要な因子であるという知見を得た。これら２つの因子に着目して発明者らは種々のセラミックスコ―ティングにつき検討を重ねたところ、セラミックス単独のコ―ティング層では基本的な耐熱特性は満たすものの、溶鋼の付着を十分に防止できないことが判明した。
【００１０】
以上の知見に基づきさらに研究を進めた結果、コ―ティング材の熱伝導率を高くし、溶融金属付着時のランス表面への入熱をすみやかに分散させることが有効であることが判明した。
【００１１】
本発明に係る金属精錬炉用ランスは、溶湯に酸素ガスを上吹きし、又は溶湯温度を測定し、又は溶湯をサンプリングするための金属精錬炉用ランスにおいて、溶射によりランス基材上に形成されたサーメット被膜を有し、前記サーメット被膜は、ランス基材境界部を１００％金属成分とし、漸進的または段階的に表面に近づくにつれてＴｉＮ成分が増加していく構造を有し、表面が面積比で２０％未満の金属成分とＴｉＮの分散組織からなり、前記金属成分は５重量％以上５０重量％以下のＣｒ及び１５重量％以下のＡｌを含み、残部がＣｏまたはＮｉのいずれか一方および不可避不純物からなり、かつ表面サーメットのＴｉＮを８０体積％以上含有する部分の膜厚が１００μｍ以上であることを特徴とする。
本発明において、前記サーメット被膜の表面粗度Ｒａを１．５μｍより小さくすることが望ましい。被膜の表面粗度Ｒａがこれより粗くなると、溶鋼付着量が過剰になるからである（表２）。
【００１４】
【作用】
一般にセラミックスは金属に比べて溶融金属によって濡らされにくいので、溶鋼付着量が少ない。また、セラミックスは付着した溶融金属との間で容易に化学反応を生じない。このような特性をもつため、セラミック耐火物は金属精錬炉の容器に広く用いられている。反面、セラミックスは高強度の構造部材としては信頼性が低く、コスト面からも未だ用いられることが少ない。こうした欠点を補うために使用されているものとしては、ライニング、コ―ティングを含むセラミックス−金属複合材料があげられる。しかし、ランスのように厳しい熱サイクルが繰り返される使用条件下で用いられるものにおいては、基材金属との熱膨張差を緩和するために、多孔質化したセラミックスコ―ティング層を形成することが一般的である。
【００１５】
本発明者らは、当初、８体積％のＹ2 Ｃ3 −ＺｒＯ2 系セラミックスをプラズマ溶射法にて約３００μｍ厚さになるまでコ―ティングしたランスを製作し、これを実操業に用いて性能評価してみたが、操業条件によっては溶融金属の付着が顕著になることが判明した。さらに研究を進めた結果、溶融金属付着対策としては、溶射被膜の熱伝導率を向上させて、ランスの表面温度を低下させることが有効であるとの知見を得るに至った。
【００１６】
そこで、溶射被膜の熱伝導率を向上させるため、ランス表面を種々の割合でサーメット化したサンプルをつくり、これらに対する溶鋼の付着状態につき調べた。その結果、Ｃｏ基合金又はＮｉ基合金からなる金属成分に対して見掛け上の表面面積比率で８０％体積以上のＴｉＮを含むサーメットが耐溶鋼付着特性の点では最適であることが判明した。
【００１７】
しかし、この成分系のサ―メット被膜は繰り返しの熱サイクルにより母材との境界部に剥離が発生することが確認された。このため、母材境界部を１００％合金成分とし、表面に近くなるにしたがって漸進的もしくは段階的にＴｉＮ成分を増加させてゆくと、剥離を生じなくなることが判明した。
【００１８】
次に、サ―メットの金属部分をなすＣｏ基又はＮｉ基合金成分中のＣｒ含有量を５〜５０重量％とした理由について説明する。
Ｃｒ含有量の下限値を５重量％としたのは、５重量％未満の含有量では被膜の耐酸化性が著しく劣化し、溶融金属によって濡らされ易くなるからである。
【００１９】
一方、Ｃｒ含有量の上限値を５０重量％としたのは、５０重量％を超える含有量では被膜の耐熱衝撃性が大幅に低下するからである。
少量のＡｌを合金中に加えることは耐酸化性の面からは望ましい。しかし、Ａｌ含有量が１５重量％を超えると、粒界へＡｌの酸化物が集中して脆化するとともに、被膜の熱伝導率が低下してしまう。このため、Ａｌ含有量の上限値を１５重量％とした。
【００２０】
さらに、いずれの成分系においてもランス表面をＲａ１．５μｍ以下の面粗度とすることが望ましい。Ｒａ１．５μｍ以下の表面に対しては溶鋼が付着しにくくなるからである。
【００２１】
さらに、ＴｉＮを８０体積％以上含む層の厚さを１００μｍ以上とした理由は、ＴｉＮリッチ層の厚みが１００μｍ未満になるとエロ―ジョンにより被膜が急速に損耗してしまい十分な効果を上げられないからである。
【００２２】
【実施例】
以下、添付の図面を参照しながら本発明の実施例について説明する。
図１に示すように、酸素上吹き転炉１内に溶鋼２が収容され、ランス３から溶鋼２に向けて純酸素ガスを吹き付けつつ溶鋼２が吹錬されるようになっている。ランス３は巻上機を有する上部昇降装置（図示せず）によって昇降可能に支持されている。また、サンプリング用及び温度測定用としてサブランス４がランス３とは別の昇降装置（図示せず）によって昇降可能に支持され、転炉１内に出し入れされ得るようになっている。
【００２３】
次に、ランス３の詳細について説明する。
ランス３は鋼管を外筒とし内部に冷却水通路を有する水冷３重管構造であり、外筒の外表面がサーメットで被覆されている。図２に示すように、サーメットコーティングはメタルリッチ層６とセラミックスリッチ層７とで構成されている。メタルリッチ層６は鋼管母材５を覆い、さらにセラミックスリッチ層７がメタルリッチ層６を覆っている。
【００２４】
表１は、表面のセラミックス体積含有率を種々変えて各種のセラミックスを母材表面に溶射してコーティング層を形成し、それぞれにつき溶鋼付着試験した結果を示したものである。母材鋼管としてＳＴＰＧ４００Ａｓｃｈ４０を用い、溶射材料のセラミックス成分としてＹ2 Ｏ3 −ＺｒＯ2 ，Ａｌ2 Ｏ3 ，Ｃｒ2 Ｏ3 ，ＴｉＮの４種類を用い、溶射材料の金属成分としてＣｒ含有量５〜５０重量％のＮｉ基合金又はＣｏ基合金を用いた。溶射コーティング層の表面におけるセラミックスの見掛け上の面積比率をそれぞれ０％，２０％，４０％，６０％，８０％，１００％とした。また、いずれの場合も溶射表面粗さＲａを１．０μｍとした。  ランス表面の溶鋼付着がランスの円周方向全周にわたるものでなく、かつ、付着機構が付着物とランスの鋼管との合金化による“溶着”でないこと、即ち、酸素パイプによる付着物の切断が必要でないことを合否の判定基準とした。
【００２５】
表１に各種の溶射材料につき溶鋼付着試験した結果を示した。表中にて丸印は合格を表わし、バツ印は不合格を表わす。この表１から明らかなように、Ｙ2 Ｏ3 −ＺｒＯ2 ，Ａｌ2 Ｏ3 及びＣｒ2 Ｏ3 の三者はいずれも溶鋼付着量が多くなるので不合格であったが、ＴｉＮを含むサ―メットは溶鋼付着量が漸次減少する傾向にあり、表面面積比で８０体積％以上のＴｉＮを含むサ―メットが最も優れていることが判明した。
【００２６】
しかしながら、このＴｉＮ含有サ―メット被膜は繰り返しの熱サイクルによって母材との境界部に剥離が生じることが確認された。このため、母材境界部を１００％合金成分とし、表面に近づくにつれて漸進的もしくは段階的にＴｉＮ成分を増やしメタル成分を減らしてゆくサ―メット被膜を形成することとした。このようなＴｉＮ含有サ―メット被膜は、溶鋼の表面付着が少なくなるばかりでなく、母材との境界部における剥離が実質的にみられなくなる。
【００２７】
次に、サ―メットに含有させるメタル成分について説明する。
メタル成分には鉄との親和性及び耐熱性を考慮してＣｏ基合金又はＮｉ基合金を採用する。これらの合金中には５〜５０重量％のＣｒを含ませることが必要である。Ｃｒ含有量が５重量％未満になると被膜の耐酸化性が著しく劣化して溶融金属により濡らされやすくなるからであり、Ｃｒ含有量が５０重量％を超えると被膜の耐熱衝撃性が低下するからである。
【００２８】
また、任意の添加元素としてＡｌを１５重量％まで含有させることができる。少量のＡｌを合金中に加えることは耐酸化性の面から望ましいが、その添加量が１５重量％を超えると、粒界へＡｌの酸化物が集中して脆化し、さらに被膜の熱伝導率が低下してしまう。
【００２９】
次に、表２を参照しながら溶鋼付着に対する表面粗度の影響について説明する。
被膜厚さを１００μｍとし、被膜表面におけるＴｉＮ含有量をそれぞれ８０％，９０％，１００％とした条件下で、表面粗度Ｒａを０．１μｍ，０．５μｍ，１．０μｍ，１．５μｍ，２．０μｍと変えた場合について溶鋼付着に対する表面粗度の影響を調べた。ランス表面の溶鋼付着がランスの円周方向全周にわたるものでなく、かつ、付着機構が付着物とランスの鋼管との合金化による“溶着”でないこと、即ち、酸素パイプによる付着物の切断が必要でないことを合否の判定基準とした。
【００３０】
表中にて丸印は合格を表わし、バツ印は不合格を表わす。この表２から明らかなように、表面粗度Ｒａ２．０μｍでは溶鋼付着量が過剰になり不合格であったが、Ｒａ１．５μｍ以下の場合は溶鋼付着量が少なく合格の判定であった。これからいずれの成分においてもＲａ１．５μｍより小さい面粗度とすることが望ましいことが明らかである。
【００３１】
次に、表３を参照しながら溶射被膜の厚さ及び成分がランス寿命に及ぼす影響について説明する。
ＴｉＮ含有量が５０％，６０％，７０％，８０％，９０％，１００％の溶射被膜について被膜厚さを１０μｍ，３０μｍ，５０μｍ，１００μｍ，３００μｍ，５００μｍとそれぞれ変えてランス寿命を測定した。ランス寿命はチャージ数をカウントすることにより評価した。ちなみに、被膜無しのランス寿命は１００〜１２０チャージである。これに対して、多少のばらつきはみられるがＴｉＮ表面面積比が８０体積％以上であり、かつ被膜が１００μｍ以上の溶射被膜については明らかに耐溶鋼付着防止効果寿命が向上している。また、ＴｉＮを８０体積％以上含む層の厚さについては、１００μｍ未満の場合、エロ―ジョンにより被膜が急速に摩耗し十分な効果を上げられないことから１００μｍ以上とする必要がある。
なお、上記実施例では酸素上吹用ランスの場合について説明したが、本発明はこれのみに限られずサブランスの外表面に用いることもできる。
【００３２】
【表１】
0003771292.tif 000002
【００３３】
【表２】
0003771292.tif 000003
【００３４】
【表３】
0003771292.tif 000004
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、金属精錬用ランス外筒に上記漸進的ＴｉＮ溶射被膜を形成することにより、長期間にわたりランス外筒に溶融金属が付着しなくなり、かつ被膜母材境界部において剥離を生じなくなる。これによってランスの寿命を飛躍的に増大させることができ、安定な連続操業が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】金属精錬装置（転炉）の全体概要を示す内部透視図。
【図２】本発明の実施例に係る金属精錬炉用ランスの部分断面図である。
【符号の説明】
１…転炉
２…溶融金属（溶鋼）
３…酸素上吹きランス
４…サブランス（測温、サンプリングランス）
５…母材（水管）鋼管
６…メタルリッチ層
７…セラミックスリッチ層
【図１】
0003771292.tif 000005
【図２】
0003771292.tif 000006