JP3633519B2 - 冶金炉用ステーブクーラおよびその取付け方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば高炉等の冶金炉の炉体を冷却して保護するための冶金炉用ステーブクーラおよびその取付け方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、高炉は、高いシャフトおよび炉底の湯溜まり部を備え、鉱石とコークスとを炉頂から装入するとともに湯溜まり部にある羽口から熱風を炉内に送風することにより、コークスを燃焼させて鉱石を還元溶解する冶金炉であり、最も高能率の銑鉄製造装置として広く用いられている。現在、わが国における高炉の炉体は、高炉の大型化に伴って、炉胸部に鉄皮を用い、その荷重を数本の柱で支持し、炉頂部の荷重は櫓鉄骨で支持するという、いわゆる鉄骨鉄皮式が採用されている。この鉄皮は、主に溶接構造用鋼（ＳＭ材）からなり、板厚が６０〜１２０ｍｍ程度の小片を多数溶接することによって構築される。鉄皮の内面側には、熱負荷の低減を図るために耐熱レンガが積み上げられて配置される。
【０００３】
このように鉄皮と多数の耐熱レンガとにより構成される炉体の側壁は、側壁れんが積の寿命延長および鉄皮保護の観点から、▲１▼炉の高さ方向に３０〜５０段程度、各段３６〜５２段程度の冷却盤を千鳥状に配置する冷却盤方式、▲２▼炉体に散水する散水冷却方式、▲３▼炉体周囲に配置した冷却水流路を用いるジャケット冷却式、さらには▲４▼内部に冷却水流路を有するステーブクーラを鉄皮と耐熱レンガとの間に多数配置するステーブクーラ方式等により、冷却される。
【０００４】
これらの冷却方式のうちステーブクーラ方式に用いられるステーブクーラは、一般的に、直接高熱雰囲気による熱負荷によって摩耗、損耗、本体の熱膨張や反りによる冷却パイプの破損等により早期に寿命をきたすため、これまでにもステーブクーラの耐久性を向上するための発明が多数開示されている。
【０００５】
図４は、パンフレット「新日鉄式ステーブクーラー」により第３世代型ステーブクーラとして開示された鋳鉄製のステーブクーラ１を示す説明図であり、図４（ａ）は正面図、図４（ｂ）は側面図である。図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、このステーブクーラ１の本体２は、鋳鉄により構成され、その内部には、事前に曲げ加工された合計１０本もの冷却配管３が鋳込まれて配置される。このステーブクーラ１は、本体２の材質変更や冷却配管３の高密度化等の改良により、１０年以上の寿命を有するようになっている。
【０００６】
一方、図５は、特開平８−８５８０８号公報により開示された鋳鉄製のステーブクーラ４の鉄皮６への取付け構造を示す説明図である。図５に例示するように、事前に曲げ加工された冷却配管７を冷却水供給および排出水路として内部に鋳込まれた本体５が、鉄皮６の内部に配置される。冷却配管７の端部は、鉄皮６に設けられた貫通孔を貫通して鉄皮６の外部へ導かれ、露出した冷却配管７の端部は、その周囲に配置された保護管８により保護される。保護管８はガスシールプレート９を介して、鉄皮６に取り付けられる。ステーブクーラ４の本体５は、角形の頭部を有して本体５に埋設された取付けボルト１０ａ、１０ｂと、座金１１ａ、１１ｂと、ナット１２ａ、１２ｂとによって鉄皮６に固定される。一般的に、鋳鉄製のステーブクーラ４は、高炉の高さ方向への異なる二つの高さ位置で鉄皮６に取り付けられる。
【０００７】
しかし、図４や図５により示す冷却配管３、７を用いると、炉外における配管の引き回しが複雑となり、また本体２、５の大型化や図示しない給水設備の大容量化も必要となる。このため、操業途中に短時間で取り替える必要が生じる補修用ステーブクーラとしては、用いることができない。
【０００８】
また、図５に示す取付け方法では、取付けボルト１０ａ、１０ｂが炉内面まで貫通することから、長期間の使用により、摩耗や損耗等に起因した本体５の冷却機能の喪失よりも先に、取付けボルト１０ａ、１０ｂの支持機能が喪失してしまう。これにより、本体５の熱膨張や反り等による荷重が全て冷却配管７の保護管８に負荷されるため、冷却配管７にも多大な応力が作用し、亀裂損傷を与えてしまい、しばしば高炉内に冷却水が漏水するといった重大な事故になるおそれがある。
【０００９】
さらに、図６は、ステーブクーラ１３の鉄皮１４への他の周知の取付け構造を示す説明図である。この図６に示す取付け構造では、冷却配管１６はガスシール用金物である伸縮管１７を介して、鉄皮１４に取り付けられる。この取付け構造によれば、確かに、ステーブクーラ１３の本体１５に鋳込まれた冷却配管１６が移動可能となるものの、図５に示す取付け構造と同様に、本体１５を鉄皮１４に取り付ける取付けボルト１８が炉内まで貫通するため、本体１５の冷却機能の喪失よりも先に取付けボルト１８の支持機能が喪失してしまい、伸縮管１７を残して本体１５の支持機能がほとんど喪失されてしまい、最悪の場合には、伸縮管１７の破損や本体１５の脱落等を招来してしまう。
【００１０】
そこで、特開昭５２−８５５３号公報には、図７に示すように、冷却管１９から供給される冷却水によって本体１５の内部に埋設された取付けボルト１８を冷却する構造が開示されている。しかし、この取付け構造では、冷却管１９やその給排水設備等が必要となる。通常、一基の冶金炉には４００〜５００個程度のステーブクーラが設置されるため、冷却管１９や付帯設備の設置コストは莫大なものになってしまう。
【００１１】
なお、図８に示すように、ステーブクーラ１３の本体１５にタップ孔２０を加工することにより取付けボルト１８を取り付ける構造も考えられる。しかし、一般的に、鋳鉄製の本体１５は熱応力に起因して亀裂が生じ易く、しかも、ボルト孔では特に応力集中が発生し易いために亀裂の起点となり易い。このため、図８に示す取付け構造は採用できない。
【００１２】
一方、新規に高炉を建設する際や長期間の操業中断時にステーブクーラを交換する際にも、高炉稼働年数の延長に伴うステーブクーラ自体の更なる寿命延長や設置コスト削減に対する要請が大きくなり、このような要請に対しては鋳鉄製のステーブクーラでは対応できなくなってきた。このため、鋳鉄製のステーブクーラよりも、本体の摩耗、損耗、熱膨張さらには反りが少ないために長寿命であって構造が簡素化された銅および銅合金製のステーブクーラが、特開昭５５−１２２８１０号公報や特開平１１−２９３３１２号公報により開示されている。
【００１３】
図９は、特開昭５５−１２２８１０号公報により開示された、銅および銅合金製のステーブクーラー２１の平面図である。このステーブクーラー２１の本体２２の内部には、機械加工によって冷却水水路２３が設けられる。また、本体２２に冷却水を導入および導出する管材２４は本体２２に溶接固定される。
【００１４】
図１０は特開平１１−２９３３１２号公報により開示された、銅および銅合金製のステーブクーラー２５の平面図である。このステーブクーラー２５の本体２６の内部における冷却水水路２７は、本体２６の製造時に中子を使用して一体的に鋳造される。また、本体２６に冷却水を導入および導出する管材２８は、図９に示すステーブクーラー２１と同様に、本体２６に溶接固定されている。
【００１５】
図９および図１０に示す、銅および銅合金製のステーブクーラー２１、２５は、本体の亀裂、損耗、反り等による変形の発生が少なく、寿命が長い。また、本体に冷却水を導入および導出する管材２４、２８の材質は、ガルバニック腐食 （異種金属間腐食） の発生防止を考慮すると、本体２２、２６と同等の銅および銅合金であることが望ましい。また、管材２４、２８を銅および銅合金製とすると、炭素鋼に比較して強度的に劣るため、本体２２、２６の固定支持は取付ボルトを用いて行い、管材２４、２８の鉄皮への取付けは図６に例示した伸縮管１７を用いて、管材２４、２８に応力を負担させない方法が広く採用される。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
図９や図１０に示すような銅および銅合金製のステーブクーラー２１、２５は亀裂発生が少ないため、前述した図８に示すように本体１５にタップ孔２０を設けることは、取付けボルト１８の損耗を防止する意味でも望ましい。しかし、図８に示すような取付けボルト１８では、本体とのガタを意図的に設けることができないため、取付けボルト１８と噛合するナットの締め具合によっては、図９、図１０の本体２１、２５の熱変形を拘束することになり、発生する熱応力によっては金属疲労が進行して本体２１、２５に亀裂が発生してしまう。また、亀裂は疲労性のものであるため、高炉使用期間が長期間化する傾向にある近年の状況では、なおさらこの問題が顕在化してくる可能性がある。
【００１７】
また、高炉に装着されたステーブクーラーの一部（例えば正円錐型のシャフト部に装着されたステーブクーラー）は、操業途中に短時間で取り替えられるものがある。しかし、図９や図１０に示すような銅および銅合金製のステーブクーラー２１、２５を補修交換用のステーブクーラーとして使用する場合、この補修交換用のステーブクーラー本体を既設のステーブクーラーに干渉しない位置で炉口部から炉内略中央部に吊り下げ、これをシャフト部の内壁面まで略水平方向へ引き寄せる必要がある。このため、炉内面に吊具を配置する必要がある。この際、吊り下げられたステーブクーラーと鉄皮との間の傾斜が大きく異なるため、ステーブクーラーを鉄皮に引き寄せ難いという問題があり、作業時間の増加が生じていた。また、本体に接合される管材が銅および銅合金製であれば、さらに問題は深刻となり、強度的に炭素鋼に比較して劣るため、管材を曲げたり損傷したりするおそれがあるという支障をきたすこともある。
【００１８】
本発明の第１の目的は、従来の技術が有するこのような課題、つまり発生する熱応力により金属疲労に起因した亀裂の発生を抑制または解消することができる、例えば高炉等の冶金炉の炉体を冷却して保護するための銅または銅合金製の冶金炉用ステーブクーラと、その取付け方法とを提供することである。
【００１９】
本発明の第２の目的は、第１の目的に加えて、補修交換用のステーブクーラーとして使用する場合にも短時間で交換作業を行うことができ、さらには管材を曲げたり損傷したりするおそれがない、銅または銅合金製の冶金炉用ステーブクーラと、その取付け方法とを提供することである。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、冶金炉の内部に配置される本体を有し、この本体が、冶金炉の高さ方向への一つの高さ位置に、冶金炉を構成する外壁部に固定配置される固定部材を備え、この固定部材の先端が、本体の内部に設けられた冷却液体流路に接続された冷却液体の供給管および排出管それぞれの先端よりも、本体から離れた位置に配置されることを特徴とする冶金炉用ステーブクーラである。
【００２１】
また、この本発明にかかる冶金炉用ステーブクーラの本体は、銅または銅合金からなることが、例示される。
【００２６】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下、本発明にかかる冶金炉用ステーブクーラおよびその取付け方法の実施の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以降の説明では、冶金炉が高炉３０であるとともに、本発明にかかる冶金炉用ステーブクーラをこの高炉のシャフト部に装着する場合を例にとる。
【００２７】
図１は、高炉３０のシャフト部を、一部簡略化・省略するとともに破断状態で示す斜視図である。また、図２は、図１におけるＡ−Ａ断面図である。
図１に示すように、シャフト部は、正円錐型の斜面の一部をなす鉄皮３１と、鉄皮３１の内面側に円周状に配置された本実施の形態の冶金炉用ステーブクーラ本体３２と、この本体３２の内面に装着された耐火物３３とにより構成される。
【００２８】
シャフト部を構成する鉄皮３１は、主に溶接構造用鋼（ＳＭ材）からなり、板厚が３０〜１００ｍｍ 程度の小片を多数溶接することによって、正円錐型に構築される。また、本体３２は、銅または銅合金からなり、内部に図示しない冷却水流路を設けられている。冷却水流路の配置や構成は、周知慣用の手段によればよい。この本体３２は、鉄皮３１の内面から一定距離だけ離れて配置される。
【００２９】
さらに、図１および図２に示すように、本体３２側の平面には、凹凸部３４に耐火物３３が装着されている。
このようにして、本実施の形態では、耐火物３３を装着された本体３２が多数積み上げられて、シャフト部の内壁面が構成される。
【００３０】
本実施の形態では、本体３２が、高炉３０の高さ方向への一つの高さ位置Ｂに、鉄皮３１に固定配置される固定部材３６ａ、３６ｂを備えている。固定部材３６ａ、３６ｂは、棒状部材であって、後述するように、装着時に鉄皮３１の内面に衝突することにより発生する大きな外力に充分に耐え得る強度を有しており、本体３２を充分に支持することができる。また、固定部材３６ａ、３６ｂの先端には牽引用の金具３７ａ、３７ｂが固定されている。本実施の形態では、本体３２にタップ孔３８を設け、このタップ孔３８に固定部材３６ａ、３６ｂの先端に設けたねじ部を螺合させることによって、固定部材３６ａ、３６ｂを本体３２に固定したが、かかる形態に限定されるものではなく、例えば溶接することにより固定してもよい。
【００３１】
固定部材３６は、鉄皮３１に設けられた貫通孔３９ａ、３９ｂを介して、金具３７ａ、３７ｂが固定された端部が、高炉３０の外部に露出している。なお、図１では図面の煩雑化を防ぐために省略してあるが、図２に示すように、貫通孔３９ｃには環状の固定用ワッシャ４０が装着されており、固定部材３６ａ、３６ｂを支持するとともに貫通孔３９ａ、３９ｂを封止する。
【００３２】
なお、本実施の形態では、図１および図２に示すように、高さ位置Ｂに２本の固定部材３６ａ、３６ｂを設けたが、本実施の形態とは異なり、高さ位置Ｂにおいて高炉３０の周方向に固定部材３６ｃを１本または２本以上設けてもよい。
【００３３】
さらに、本体３２の上部には４本の冷却水排出管４１、４２、４５、４６が装着され、本体３２の下部には４本の冷却水供給管４３、４４、４７、４８が装着される。冷却水排出管４１、４２、４５、４６および冷却水供給管４３、４４、４７、４８は、いずれも、本体３２の内部に設けられた図示しない冷却水流路に接続される。冷却水供給管４３、４４、４７、４８から供給された冷却水は、本体３２の内部に設けられた図示しない冷却水流路を流通することにより本体３２を冷却し、冷却水排出管４１、４２、４５、４６から排出される。
【００３４】
図２に示すように、冷却水排出管４１、４２、４５、４６は、鉄皮３１に設けられた貫通孔４９を貫通して、高炉３０の外部に露出する。また、冷却水供給管４３、４４、４７、４８は、鉄皮３１に設けられた貫通孔５０を貫通して、高炉３０の外部に露出する。
【００３５】
貫通孔４９には、二つの貫通孔を設けられた円板状のシール部材５１が溶接されており、これら二つの貫通孔の内縁部にはそれぞれ伸縮管５２が装着されている。これら伸縮管５２の端部は、冷却水排出管４１、４２、４５、４６の端部に設けられたシール部材５３に固定されている。これにより、本体３２の熱膨張または熱収縮に起因して冷却水排出管４１、４２、４５、４６が変位しても、本体３２に熱膨張に起因する応力を略解消しながら、換言すれば、高炉３０の稼働時の温度上昇による熱膨張に起因する反りを略吸収しながら、貫通孔４９の封止性を維持することができる。
【００３６】
なお、図２では図示を省略してあるが、冷却水供給管４３、４４、４７、４８と貫通孔５０との封止も、同様の手段によりなされている。
また、本実施の形態では、図２に示すように、固定部材３６ａ、３６ｂの先端が、本体３２の内部に設けられた冷却水流路（図示しない）に接続された冷却水排出管４１、４２、４５、４６および冷却水給水管４３、４４、４７、４８それぞれの先端よりも、本体３２から離れた位置に配置されている。
【００３７】
このように、本実施の形態の冶金炉用ステーブクーラ３２は、高炉３０のシャフト部３０ａの内部に配置され、高炉３０の稼働時の温度上昇による熱膨張に起因する応力を略解消することができるように、換言すれば、高炉３０の稼働時の温度上昇による熱膨張に起因する反りを略吸収することができるように、高炉３０を構成する外壁部である鉄皮３１へ取付けられている。
【００３８】
本実施の形態の冶金炉用ステーブクーラ３２は、以上のように構成される。次に、この冶金炉用ステーブクーラ３２の取付け方法を説明する。
図３は、本実施の形態により冶金炉用ステーブクーラ３２の取付け方法を模式的に示す説明図である。図３を用いて、高炉３０の操業途中において短時間でステーブクーラ３２の取替えを行う状況を説明する。
【００３９】
まず、交換作業を開始する前に、予め、３２のタップ孔３８へ固定部材３６ａ、３６ｂを螺合させて装着しておく。固定部材３６ａ、３６ｂは、高さ位置Ｂに２本設け、冷却水排出管４１、４２、４５、４６および冷却水供給管４３、４４、４７、４８と略平行に取り付けられている。
【００４０】
また、固定部材３６ａ、３６ｂは、冷却水排出管４１、４２、４５、４６および冷却水供給管４３、４４、４７、４８よりも先に鉄皮３１に接触する長さとしている。
【００４１】
このようにして、固定部材３６ａ、３６ｂを本体３２に装着した後、本体３２を、ワイヤ５４により吊り下げた後に高炉３０の炉口を介して炉内に吊り下げる。この後、固定部材３６ａ、３６ｂが貫通孔３９ａ、３９ｂと略一致する高さに達した後、牽引ワイヤ５５を貫通孔３９ａ、３９ｂから炉内から引き出し、そして、牽引ワイヤ５５により金具３７ａ、３７ｂを介して、固定部材３６ａ、３６ｂを牽引し、本体３２を鉄皮３１の内部の所定位置に配置する。
【００４２】
この際、本実施の形態では、固定部材３６ａ、３６ｂが冷却水排出管４１、４２、４５、４６および冷却水供給管４３、４４、４７、４８よりも先に鉄皮３１に衝突するため、冷却水排出管４１、４２、４５、４６および冷却水供給管４３、４４、４７、４８が損傷するという事故を防止することができ、徐々に固定部材３６ａ、３６ｂへの荷重を負荷するように本体３２の位置を下ろしていけば、自然に鉄皮３１の傾斜角度と本体３２の傾斜角度とが近づく。このため、冷却水排出管４１、４２、４５、４６および冷却水供給管４３、４４、４７、４８と鉄皮３１とが接触することなく、本体３２を鉄皮３１に引き寄せて取り付けることが可能である。
【００４３】
このように、本実施の形態では、冶金炉用ステーブクーラ３２を、高炉３０の内部に、稼働時の温度上昇による熱膨張に起因する応力を略解消することができるように、または、熱膨張に起因する反りを略吸収することができるように、高炉３０を構成する鉄皮３１へ取付ける。
【００４４】
このように、本実施の形態によれば、発生する熱応力による金属疲労に起因した亀裂の発生を抑制または解消することができる、高炉の炉体を冷却して保護するための銅または銅合金製の冶金炉用ステーブクーラ３２と、その取付け方法とを提供することができた。
【００４５】
また、本実施の形態によれば、補修交換用のステーブクーラーとして使用する場合にも短時間で交換作業を行うことができ、さらには冷却水排出管４１、４２、４５、４６および冷却水供給管４３、４４、４７、４８を曲げたり損傷したりするおそれがなく、交換作業を円滑に行うことができる、銅または銅合金製の冶金炉用ステーブクーラ３２と、その取付け方法とを提供することができた。
【００４６】
さらに、本実施の形態によれば、ステーブクーラーを長期に亘って安定して鉄皮に固定支持させることができる。
（変形形態）
実施の形態では、冶金炉が高炉である場合を例にとった。しかし、本発明は高炉には限定されず、高炉以外の冶金炉についても同様に適用される。
【００４７】
また、実施の形態では、冶金炉用ステーブクーラをこの高炉のシャフト部に装着する場合を例にとったが、シャフト部以外の他の部位に適用することもできる。
【００４８】
また、実施の形態では、交換用の冶金炉用ステーブクーラに適用した場合を例にとったが、例えば高炉の新設時等にも適用できることはいうまでもない。
【００４９】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、発生する熱応力による金属疲労に起因した亀裂の発生を抑制または解消することができる、例えば高炉等の冶金炉の炉体を冷却して保護するための銅または銅合金製の冶金炉用ステーブクーラと、その取付け方法とを提供することができた。
【００５０】
また、本発明によれば、補修交換用のステーブクーラーとして使用する場合にも短時間で交換作業を行うことができ、さらには管材を曲げたり損傷したりするおそれがない、銅または銅合金製の冶金炉用ステーブクーラと、その取付け方法とを提供することができた。
【００５１】
かかる効果を有する本発明の意義は、著しい。
【図面の簡単な説明】
【図１】高炉のシャフト部を、一部簡略化・省略するとともに破断状態で示す斜視図である。
【図２】図１におけるＡ−Ａ断面図である。
【図３】実施の形態による冶金炉用ステーブクーラの取付け方法を模式的に示す説明図である。
【図４】パンフレット「新日鉄式ステーブクーラー」により第３世代型ステーブクーラとして開示された鋳鉄製のステーブクーラ１を示す説明図であり、図６（ａ）は正面図、図６（ｂ）は側面図である。
【図５】特開平８−８５８０８号公報により開示された鋳鉄製のステーブクーラの鉄皮への取付け構造を示す説明図である。
【図６】ステーブクーラの鉄皮への他の周知の取付け構造を示す説明図である。
【図７】特開昭５２−８５５３号公報により開示されたステーブクーラの鉄皮へ取付け構造を示す説明図である。
【図８】ステーブクーラの本体にタップ孔を加工することにより取付けボルトを取り付ける構造を示す説明図である。
【図９】特開昭５５−１２２８１０号公報により開示された、銅および銅合金製のステーブクーラーの平面図である。
【図１０ 】特開平１１−２９３３１２号公報により開示された、銅および銅合金製のステーブクーラーの平面図である。
【符号の説明】
３０ 高炉
３１ 鉄皮
３２ｃ 冶金炉用ステーブクーラ
３２ｃ’ 本体
３６ｃ 固定部材
Ｂ 一つの高さ位置

Claims (2)

1. 冶金炉の内部に配置される本体を有し、当該本体は、前記冶金炉の高さ方向への一つの高さ位置に、当該冶金炉を構成する外壁部に固定配置される固定部材を備え、該固定部材の先端は、前記本体の内部に設けられた冷却液体流路に接続された冷却液体の供給管および排出管それぞれの先端よりも、前記本体から離れた位置に配置されること
   を特徴とする冶金炉用ステーブクーラ。
2. 前記冶金炉用ステーブクーラの本体は、銅または銅合金からなる請求項１に記載された冶金炉用ステーブクーラ。

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