JP7255530B2 - 溶銑鍋運搬台車、溶銑鍋運搬編成車両、および溶銑運搬方法 - Google Patents

Description

本発明は、溶銑鍋運搬台車に関し、特に、溶銑鍋に保持された溶銑の熱を利用して発電を行うことが可能な溶銑鍋運搬台車に関する。また、本発明は、溶銑鍋運搬編成車両および溶銑運搬方法に関する。

異種の導体または半導体に温度差を与えると高温部と低温部との間に起電力が生じる現象が、ゼーベック効果として古くから知られている。前記効果を利用すれば熱を電力に直接変換できるため、従来は活用することが困難であった熱源からの熱を発電に利用することが行われている。

例えば、製鉄所の製造設備では、連続鋳造工程におけるスラブや熱間圧延工程における粗バー、熱延鋼帯など、様々な高温の熱源が存在しているが、従来、その熱は廃熱として捨てられてきた。しかし、近年、それら熱源からの輻射による熱エネルギーを、熱電発電素子を用いた発電に利用する取組みが推進されている。

例えば、特許文献１では、連続鋳造設備で使用される切断機に熱電発電装置を取り付けて、鋼スラブの熱を電力に変換し、回収する方法が提案されている。

また、特許文献２では、溶銑樋や溶銑鍋などの容器の開口部に熱電発電装置を蓋状に設置することにより、前記溶銑鍋に保持されている溶融金属の熱を利用して熱電発電を行うとともに、前記溶融金属の温度低下を抑制する方法が提案されている。

国際公開第２０１８／０６６３８９号 特開２０１５－１９０７３２号公報

しかし、特許文献１では、連続鋳造ラインにおける鋼スラブのみが熱源として想定されており、他の熱源の熱を活用することについては考慮されていなかった。

一方、特許文献２では、溶銑などの溶融金属を熱源として利用することが考慮されている。しかし、特許文献２では、溶融金属の放熱を抑制することが目的の一つとされているため、当該目的を達成するために熱電発電装置を容器の開口部に取り付ける必要があった。製鉄所では溶銑の運搬に多数の溶銑鍋が使用されているため、特許文献２の技術を利用するためには、溶銑鍋ごとに熱電発電装置を設置する必要があるため、費用がかさむという問題があった。また、一つの熱電発電装置を複数の溶銑鍋で兼用しようとすると、熱電発電装置を鍋に対して着脱可能な構造とする必要があることに加え、該熱電発電装置およびそれに付帯する送電ケーブルなどを移動させる必要があるため、設備構造が複雑化してしまう。

本発明は、上述した課題を解決することを目的としたものであり、溶銑鍋に収容された溶銑の熱エネルギーを有効に活用することができ、かつ、低コストで導入可能な手法を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その要旨構成は次のとおりである。

１．車体、
軌道上を走行するための車輪、
溶銑鍋を支持するための溶銑鍋支持部、および
前記車体上に設置された熱電発電装置を備える溶銑鍋運搬台車。

２．前記熱電発電装置が、前記溶銑鍋支持部に支持された溶銑鍋の底部と対向するように配置されている、上記１に記載の溶銑鍋運搬台車。

３．上記１または２に記載の溶銑鍋運搬台車と、
前記溶銑鍋運搬台車に連結された機関車とを有する溶銑運搬編成車両であって、
前記機関車がディーゼルエンジンと電動機とを備え、前記電動機は前記溶銑鍋運搬台車の熱電発電装置と電気的に接続されている、溶銑鍋運搬編成車両。

４．前記機関車が、前記熱電発電装置および前記電動機と電気的に接続された蓄電池をさらに備える、上記３に記載の溶銑鍋運搬編成車両。

５．上記３または４に記載の溶銑鍋運搬編成車両を用いて溶銑を運搬する溶銑運搬方法であって、
前記溶銑を内部に保持した溶銑鍋を前記溶銑運搬台車の溶銑鍋支持部に載置し、
前記熱電発電装置により前記溶銑鍋からの熱を電力に変換し、
前記電力の少なくとも一部を用いて前記電動機を駆動する、溶銑運搬方法。

本発明によれば、溶銑鍋に収容された溶銑の熱エネルギーを有効に活用することができる。また、本発明では、溶銑鍋運搬台車に熱電発電装置を設けるため、１つの熱電発電装置で、複数の溶銑鍋に対応することができる。さらに、本発明の溶銑鍋運搬台車で発電された電力を該溶銑鍋運搬台車を牽引する機関車の動力源として利用することもできる。

本発明の一実施形態における溶銑鍋運搬台車の構造を示す正面模式図である。 本発明の一実施形態における溶銑鍋運搬台車の構造を示す側面模式図である。 本発明の一実施形態における溶銑鍋運搬編成車両の構造を示す模式図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。なお、以下の説明は、本発明の好適な一実施態様を示すものであり、本発明は、以下の説明によって何ら限定されるものではない。

［溶銑鍋運搬台車］
図１は、本発明の一実施形態における溶銑鍋運搬台車１０の構造を示す正面模式図である。溶銑鍋運搬台車１０は、車体１と、車体１の下部に取り付けられた車輪２を備えており、車輪２により軌道（レール）上を走行することができる。車輪２としては、一般的な鉄道用車輪などを用いることができる。

車体１の上部には、溶銑鍋Ｐを支持するための溶銑鍋支持部３が備えられており、溶銑鍋を運搬する際には、溶銑鍋支持部３により溶銑鍋を支持した状態で運搬する。例えば、図１に示したように溶銑鍋Ｐの左右に、外方へ突出する支持用の円筒状突起が設けられている場合には、溶銑鍋支持部３の上部先端に前記円筒状突起と係合する凹部を設け、溶銑鍋を軸支することができる。

そして、車体１の上には熱電発電装置４が設置されている。熱電発電装置４により、溶銑鍋Ｐから放射される熱エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。熱電発電装置４の設置位置はとくに限定されず、溶銑鍋Ｐからの熱エネルギーを受けることができる位置であれば任意の位置に設置することができる。

しかし、溶銑鍋運搬台車１への溶銑鍋Ｐの設置や取り外し作業を阻害しないという観点からは、図１に示すように熱電発電装置４を溶銑鍋支持部３に支持された溶銑鍋Ｐの底部と対向するように配置することが好ましい。また、一般的な溶銑鍋の底部は略平坦であるため、底部と対向する配置であれば、熱電発電装置４を１つの平面上に配置するだけでも高い発電効率を得ることができる。ただし、熱電発電装置４を溶銑鍋支持部３に支持された溶銑鍋Ｐの底部と対向するように配置する場合であっても、それ以外の位置にも任意に熱電発電装置を設置してよい。熱エネルギーの回収効率を高めるという観点からは、さらに溶銑鍋Ｐの側面と対向するように追加の熱電発電装置を設けることも好ましい。

溶銑鍋Ｐが熱電発電装置４と接触することで熱電発電装置４が破損することを防止するという観点からは、溶銑鍋支持部３に支持された溶銑鍋Ｐと熱電発電装置４とが接触しない構造とすることが好ましい。例えば、図１に示したように、溶銑鍋支持部３に支持された溶銑鍋Ｐの底面と熱電発電装置４とが離間した状態となる構造とすることが好ましい。

なお、一般的な溶銑鍋は略円形の開口を備え、図１に示したように前記開口から底部に向かって漸次縮径する構造を有している。しかし、本発明の溶銑鍋運搬台車は、前記構造を有する溶銑鍋に限らず、任意の構造の溶銑鍋の運搬に利用することができる。

また、溶銑鍋運搬台車１０は、発電した電気を後述する機関車のモーターなどへ送電するためのケーブルを備えることが好ましい。

図２は、図１に示した実施形態の溶銑鍋運搬台車の構造を示す側面模式図である。一般的に溶銑鍋は、一度に多量の溶銑を運搬する必要から開口部の直径が４ｍを超えるような大きいサイズを有している。一方、鉄道用のレールの間隔は、最も一般的な標準軌の場合で１４３５ｍｍと、溶銑鍋の直径よりも小さい。したがって、図２に示したように、溶銑鍋Ｐは、溶銑鍋運搬台車１０の車体の幅から左右にはみ出した状態で支持、運搬される。

したがって、溶銑鍋Ｐからの熱エネルギーの回収を高めるという観点からは、図２に示したように、熱電発電装置４を車体１の左右からはみ出した状態で設置することもできる。言い換えると、熱電発電装置４の横幅は、車体１の横幅より大きくすることができる。より具体的には、熱電発電装置４の横幅を、溶銑鍋Ｐの底部の直径の０．８倍以上とすることが好ましく、０．９倍以上とすることがより好ましい。一方、熱電発電装置４の幅を溶銑鍋Ｐの底部の直径よりも過度に大きくしてもエネルギーの回収効率は飽和するため、費用対効果が低下する。そのため、熱電発電装置４の横幅は、溶銑鍋Ｐの底部の横幅の１．４倍以下とすることが好ましく、１．２倍以下とすることがより好ましい。なお、ここで「横幅」とは、溶銑鍋運搬台車１０の長手方向（すなわち、軌道上における走行方向）と直交する方向における幅を指すものとする。

また、上述したように一般的な溶銑鍋は円形断面を有しており、その底部も略円形である。そのため、熱電発電装置４は、溶銑鍋の底部と対応するよう略円形の範囲内に設置することが好ましい。その場合、熱電発電装置４を、溶銑鍋Ｐの底部の直径の０．８倍～１．４倍の直径を有する略円形の領域に設置することが好ましい。

本発明では、溶銑鍋自体ではなく運搬台車側に熱電発電装置を備えているため、溶銑鍋ごとに熱電発電装置を用意する必要がない。また、既存の溶銑鍋運搬台車に熱電発電装置を設置するだけで熱電発電が可能となる。そのため、極めて低コストで導入可能である。

［熱電発電装置］
上記熱電発電装置としては、特に限定されることなく任意のものを用いることができる。熱電発電装置が備える熱電素子としても、特に限定されることなく、熱電発電の機能を持った素子であれば任意のものを使用できる。一般的な熱電素子は、一組のｐ型半導体とｎ型半導体を組み合わせた構造を有している。前記熱電素子としては、例えば、ＢｉＴｅ系、ＰｂＴｅ系、Ｓｉ－Ｇｅ系、シリサイド系、スクッテルダイト系、遷移金属酸化物系、亜鉛アンチモン系、ホウ素化合物、クラスレート化合物、クラスタ固体、酸化亜鉛系、カーボンナノチューブからなる群より選択される少なくとも１つの材料を用いることができる。

熱電素子は、該熱電素子の一方の面と他方の面との間に温度差を形成することにより、熱を電気に変換することができる。したがって、熱電発電装置を熱源としての溶銑鍋に対向して配置することにより、熱電素子の一方の面（溶銑鍋側）が「高温側」となり、該熱電素子の他方の面が「低温側」となる。そして、前記高温側と低温側との間の温度差により起電力が発生する。

熱電発電装置による発電効率は、高温側と低温側との温度差が大きいほど高くなる。そのため、前記熱電発電装置は、熱電素子の低温側の温度を低下させるための放熱手段を備えることが好ましい。放熱手段を用いることにより、熱電素子の低温側を効率的に冷却することができる。

前記放熱手段としては、特に制限されず任意のものを用いることができる。前記放熱手段としては、放熱フィン、ヒートシンク、熱交換器からなる群より選択される少なくとも１つを用いることが好ましい。しかし、軌道上を走行する台車に搭載することを考慮すれば、前記放熱手段としては、放熱フィンおよびヒートシンクの一方または両方を用いることが好ましい。なお、一般的に溶銑鍋運搬台車の車体は金属製であるため、熱電素子の低温側が車体と接触した構造とすることにより、車体をヒートシンクとして機能させることも好ましい。

さらに、上記熱電発電装置は、受熱手段を備えることが好ましい。前記受熱手段を用いることにより、熱源からの熱を効果的に受熱し、発電効率を向上させることができる。

受熱手段を設置する場合、前記受熱手段は熱源からの熱にさらされる。したがって、受熱手段の材質は、耐熱性の観点から、金属（合金を含む）、セラミックス、カーボンからなる群より選択される少なくとも１つとすることが好ましい。前記金属としては、とくに限定されないが、例えば、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、鋼からなる群より選択される少なくとも１つを用いることが好ましい。前記受熱手段は、熱電素子の高温側、すなわち熱源側に設置すればよい。

上記受熱手段と熱電発電モジュールの間、および放熱手段と熱電発電モジュールの間の少なくとも１つに熱伝導シートを設けることができる。熱伝導シートを設けることにより、部材間の熱電動を改善し、熱電発電効率をさらに向上させることができる。前記熱伝導シートとしては、熱電発電モジュールの使用環境下で用いることができるシートであれば特に制限はないが、例えば、グラファイト製のシート等を用いることができる。

［溶銑鍋運搬編成車両］
次に、本発明の一実施形態における溶銑鍋運搬編成車両について、図面を参照して説明する。

本発明の一実施形態における溶銑鍋運搬編成車両１００の構造を示す模式図である。溶銑鍋運搬編成車両１００は、上述した構造を有する溶銑鍋運搬台車１０と、溶銑鍋運搬台車１０に連結された機関車２０とを有している。

一般的に溶銑鍋の運搬に使用されている機関車はディーゼルエンジンによって駆動される。ディーゼルエンジンは、軽油などを燃料として用いるエンジンであり、排気ガスに地球温暖化の原因となるＣＯ₂や、大気汚染の原因となるＳＯ_X、ＮＯ_Xなどが含まれている。

一方、本発明の機関車２０は、ディーゼルエンジン２１に加えて、さらに電動機２２を備えている。電動機２２は溶銑鍋運搬台車１０の熱電発電装置４と電気的に接続されており、熱電発電装置４で発電した電力を用いて機関車２０を駆動することができる。したがって、本発明によれば、ディーゼルエンジン２１における燃料の使用量およびＣＯ₂、ＳＯ_X、ＮＯ_Xなどの排出量を削減することができるため、環境負荷を低減できる。

例えば、一般的な溶銑鍋の底面の面積は２３ｍ²程度である。溶銑鍋の温度を６００～８００℃程度、熱電発電装置の出力密度を０．４５Ｗ／ｃｍ²とすると、１００ｋＷ程度の発電量が見込める。一方、溶銑鍋運搬台車の牽引に使用される機関車のディーゼルエンジンの出力は、通常、３５０ｋＷ程度である。したがって、既存の溶銑鍋運搬編成車両に本発明を適用することにより、ディーゼルエンジンの出力の約３割を熱電発電装置による発電でまかなえることになる。そのため、ディーゼルエンジンとしてより小型のものを使用することも可能となる。

前記モーターとしては、直流モーターと交流モーターのいずれも用いることができるが、直流モーターを用いることが好ましい。直流モーターは、熱電発電装置１００や蓄電池１７から供給される直流電流を、交流へ変換することなく利用できるからである。交流モーターを用いる場合には、直流から交流へ変換するためのインバーターを備えればよい。

溶銑鍋運搬編成車両は、前記ディーゼルエンジンおよびモーターを制御する制御手段を備えることも好ましい。前記制御手段は、例えば、機関車の動力源として使用するディーゼルエンジンおよびモーターの配分を制御することができる。

また、溶銑鍋運搬編成車両は通常、製鉄所の構内に敷設された軌道上を走行するが、該軌道には給電用の架線などが整備されていないことが一般的である。したがって、熱電発電装置で発電された電力の一部を、機関車の駆動以外のその他の用途、例えば、照明や機関車の制御装置への給電などに用いることも好ましい。

さらに、前記機関車が、前記熱電発電装置および前記電動機と電気的に接続された蓄電池をさらに備えることも好ましい。機関車が蓄電池を備えていれば、熱電発電装置によって発電された電力を一時的に蓄えておき、任意のタイミングで使用することができる。例えば、溶銑鍋運搬台車に溶銑鍋を載置していないときや、空の溶銑鍋を運搬しているときなどにも電力を使用することが可能となる。蓄電池を使用する場合には、蓄電池から放電された直流を交流に変換するためのインバータを合わせて備えることが好ましい。

溶銑鍋運搬台車１０と機関車２０とは、連結器によって連結することが好ましい。また、溶銑鍋運搬台車１０の熱電発電装置４と機関車２０の電動機２２との間の電気的接続に使用するケーブル２３についても、溶銑鍋運搬台車側のケーブルと機関車側のケーブルとに切り離し可能な構造とすることが好ましい。

なお、図３においては、１台の機関車２０で１つの溶銑鍋運搬台車１０を牽引しているが、複数の溶銑鍋運搬台車１０を牽引することも可能である。その場合には、機関車のモーターを各溶銑鍋運搬台車の熱電発電装置と電気的に接続することが好ましい。

［溶銑運搬方法］
本発明の一実施形態における溶銑運搬方法においては、上記溶銑鍋運搬編成車両を用いて溶銑を運搬する際に、溶銑を内部に保持した溶銑鍋を前記溶銑運搬台車の溶銑鍋支持部に載置し、前記熱電発電装置により前記溶銑鍋からの熱を電力に変換し、前記電力の少なくとも一部を用いて前記電動機を駆動する。

１ 車体
２ 車輪
３ 溶銑鍋支持部
４ 熱電発電装置
１０ 溶銑鍋運搬台車
２０ 機関車
２１ ディーゼルエンジン
２２ モーター
２３ ケーブル
１００ 溶銑鍋運搬編成車両
Ｐ 溶銑鍋

Claims (4)

1. 溶銑鍋運搬台車と、
   前記溶銑鍋運搬台車に連結された機関車と、
   制御手段とを有する溶銑運搬編成車両であって、
   前記溶銑鍋運搬台車は、
   車体、
   軌道上を走行するための車輪、
   溶銑鍋を支持するための溶銑鍋支持部、
   前記車体上に設置された熱電発電装置、および
   前記熱電発電装置で発電された電力を前記機関車へ送電するケーブルを備え、
   前記機関車がディーゼルエンジンと電動機とを備え、前記電動機は前記溶銑鍋運搬台車の熱電発電装置と前記ケーブルにより電気的に接続されており、
   前記制御手段は、前記機関車の動力源として使用する前記ディーゼルエンジンおよび前記電動機の配分を制御する、溶銑鍋運搬編成車両。
2. 前記熱電発電装置が、前記溶銑鍋支持部に支持された溶銑鍋の底部と対向するように配置されている、請求項１に記載の溶銑鍋運搬編成車両。
3. 前記機関車が、前記熱電発電装置および前記電動機と電気的に接続された蓄電池をさらに備える、請求項１または２に記載の溶銑鍋運搬編成車両。
4. 請求項１～３のいずれか一項に記載の溶銑鍋運搬編成車両を用いて溶銑を運搬する溶銑運搬方法であって、
   前記溶銑を内部に保持した溶銑鍋を前記溶銑運搬台車の溶銑鍋支持部に載置し、
   前記熱電発電装置により前記溶銑鍋からの熱を電力に変換し、
   前記電力の少なくとも一部を用いて前記電動機を駆動する、溶銑運搬方法。

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