JPS6049834B2 - 複合ク−ラ− - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は冶金炉の炉壁構造体あるいは炉体冷却装置に
関し、特に、冷却機構を内設した金属ブ泪ツクと耐火物
ブロックとを一体とした複合クーラ−に関するものてあ
る。

例えば、鉄鉱石等の溶解精錬、溶融金属の精錬等に使
用される冶金炉はその炉体鉄皮を耐火物で内張している
。

そして、この耐火物層を保護すると共に耐火物層の消失
時の鉄皮保護のために冷却手段が付加されている。この
耐火物層の冷却手段としては種々の態様か知られており
、それらの中て、近年多用されている冷却手段としてス
テーブがある。 例えは高炉の耐火壁は第１図に示すよ
うに、冷却用パイプ（図示せず）を鋳ぐるんだ鋳造物で
あるステーブ１を炉体鉄皮２の内側に配設固定し、該ス
テーブ１の内側に耐火レンガ３を築造して構成されてい
る。

上記したような構成の耐火壁の一般的な築造はステーブ
１の築造と耐火レンガ３の築造という形態になる。又、
上記耐火壁の築造において、ステーブ１の冷却稼動面の
形状が平担面である場合はそれ程でないが、Ｐ型とかπ
型というように冷却稼動面に突出部を有するステーブで
あると、該ステーブの内面になる寸法の耐火レンガ３を
配設しなければならす、又、間隙とか空所のない築造に
は高度の技術が要求される。 上記した冷却機能を備え
た耐火壁の築造上の問題を解消する手段として、ステー
ブを鋳造した後、その冷却稼動面に不定形耐火物て耐火
物層を形成したステーブとか、あるいはステーブの稼動
面に穿設した凹部に耐火レンガを嵌装したステーブがあ
る。

しかし、前者のステーブてあると上記耐火物層の乾燥
は可能であるが、焼成は極めて困難となる。

従つて、未焼成の状態で耐火壁として築造し操業の立上
り段階において炉熱によつて焼成しながら使用すること
になるものであるが、その耐火物層に適した焼成雰囲気
、温度条件がしはしは満足されない。例えば、ＳｉＣ系
のキャスタブルを使用していると還元雰囲気下での焼成
が望まれるが、実炉操業過程ての上記条件管理は極めて
難かしい。又、後者のステーブであると、ステーブの冷
却稼動面は、ステーブの鋳造金属面と耐火レンガ面とが
交互に形成されるので、冶金炉の耐火壁の築造は、第１
図と同様にステーブの築造と耐火レンガの築造という形
態になる。 また、前記両ステーブの問題点を解決すべ
く、特開昭５５−７９９８６号公報には、第２図に示す
ような焼成耐火物４の上に溶融鋳鉄を鋳込み、焼成耐火
物４の表面６と冷却パイプ９を鋳ぐるんだステーブ１の
冷却稼動面５を密着させ、金属ブロックと、耐火物ブロ
ックからなるスタット８で強固に接合した冶金炉用ステ
ーブ７（以下複合ク−ラー７と称す。）も提案されてい
る。なお上記耐火物フロック４は、薄肉部においても炉
壁として使用するに必要な、最低の厚みを有するように
、不定形耐火物を成形し、焼成した耐火物ブロックであ
る。このような複合ク−ラー７によれば前記ステーブの
問題点を解消できるが、その製造時に、耐火物ブロック
にクラック、損傷が生じやすく、複合ク−ラーの製品歩
留が低下する欠点があつた。

また上記ク−ラー７は、高炉鉄皮に内設する場合、金属
ブロックが耐火物ブロックを支持することになるから、
その支持力を増すために、第２図に示すように、耐火物
ブロックに凹凸を形成し、鋳造に際しては上記凹凸面を
上にして鋳型内に配置してから鋳造し、金属ブロックに
上記耐火物ブロックの凹凸と係合する凸凹を形成するが
、その鋳造時に、特に耐火物ブロックの突起部の付根部
に、クラックが発生しやすい。ところて高炉は、一般に
、６〜７年間使用されるが、例えば、第１図に示したよ
うな冷却バイブ（図示せず）を鋳ぐるんだ鋳造物である
ステーブ１を炉体鉄皮２の内側に配設固定し、該ステー
ブ１の内側に耐火レンガ３を築造して構成されている。
炉壁構造では、内張り耐火物寿命が６ケ月〜１２ケ月で
、ステーブでの炉体鉄皮の耐用年数が５〜６年となつて
いる。従つて高炉の長寿命化を図るため、内張り耐火物
の寿命を延ばすことについて従来から考えられている。
その従来の考え方は、高炉用内張り耐火物の損傷原因が
、炉内が高温（シャフト中部から朝顔部では約１０００
〜１５００′Ｃ）てあり、原料による摩耗、炉内生成物
との化学的反応等であり、それらの損傷原因の内、特に
高温状態でアルカリ浸食による損傷が主体（主要因）て
あると考え、耐火物の冷却を強化することによつてアル
カリ反応を生じさせにくくすることや、耐アルカリ性に
優れた、カーボン系、ＳｉＣ系耐火物の採用が行なわれ
ている。

耐火物の冷却を強化するためには、ステーブと耐火物と
を密着せしめて耐火物からステーブに内設された冷却機
構によつて十分抜熱すればよく、前記ステーブ、複合ク
−ラーは、前記第１図の炉壁構造の築造上の手間を省く
だけでなく、前記耐火物の冷却の強化により損傷を軽減
するという従来の考え方にもとづくものであると考えら
れる。

本発明者らは、本発明をなす過程において、前記ステー
ブ及び複合ク−ラーにおける耐火物の寿命を決定する耐
火物の損傷原因について検討した。即ち、本発明者等が
前記ステーブ及び前記第２図の複合ク−ラーを使用した
、高炉炉体解体・炉壁ポーリング・埋込み実験等の調査
を行つてきた結果、高温状態でのアルカリ浸食による損
傷が主要因であるとする、従来の考え方が誤りであり、
下記の現象（要因）１，２が、耐火物の損傷速度を律速
していることが判明した。即ち、１耐火物に層状クラッ
クが生じ剥離する。２耐火物が脱落する。

特に薄くなると脱落しやすい。ことなどである。

本発明者らは、上記現象並びに複合ク−ラー７の鋳造時
の耐火物ブロック発生現象について、”種々検討した結
果、下記の理論で説明できることが判明した。

即ち、第２図に示した耐火物を備えたステーブを、炉内
温度１２００′Ｃの高炉壁に使用した場合の該炉壁層の
温度分布を第３図に示す。

横軸は炉内稼動表面からの距離を示す。炉内側は耐火物
層で、炉外側はステーブ部である。図中、式は、炉内稼
動表面、Ｘ１は、ステーブ外表面を示す。縦軸は温度を
示す。ちはＸ。での耐火物温度、Ｔ２は耐火物表面温度
、Ｔ３はステーブの冷却稼動面温度、Ｔ４はＸ１・のス
テーブ温度を示す。第３図て分るように、耐火物内には
Ｉｔｌ−Ｔ２ｌの温度差が生じる。

Ｉｔｌ−Ｔ２ｌの温度差は、使用する耐火物物性および
耐火物とステーブの接着状態によつて変わることは周知
の事実である。また、物体内に温度差をつけると、物体
内に熱応力が作用することも一般によく知られている。
温度差と熱応力との関係を簡単に示す式として次の示す
式がよく知られている。Ｔａ：平均温度 Ｔ：温度 耐火物に、このような熱応力が生じると、熱応力に起因
するクラックが生じる可能性がある。

さらに、高炉の炉内では、原料の移動、炉内高温ガスの
変動により急激な温度変化が起りやすい。このため、耐
火物内の温度分布も変化し、変動熱応力が耐火物に作用
し、よりクラックを発生させやすい条件となる。また、
第２図に示される耐火物を備えたステーブを製作するに
あたつては、耐火物上に溶融金属を鋳込む方法がある。

溶融金属としては、溶融鋳鉄があるが、溶融鋳鉄は一般
に１２５０゜Ｃ〜１４００′Ｃと高温であり、この高温
溶融鋳鉄を耐火物上に鋳込む際も、耐火物の鋳込み面が
急激に加熱され、耐火物内に温度差が生じ、クラックの
発生に起因する熱応力が発生する。さらに、溶融鋳鉄は
、凝固する際に、一般に収縮することが知られており、
鋳鉄の収縮力により耐火物に損傷を与える原因となる。
このように製造時およびまたは使用時に耐火物にクラッ
クおよび損傷が生じると、使用時に耐火物の脱落、剥離
を招く。

この結果、耐火物寿命が短かくなる。以上の、前記現象
の解析にもとづいて、本発明者らは、冷却機構を内設し
た金属ブロックと耐火物ブロックとを一体とした複合ク
−ラーの使用時における、耐火物の寿命を決定する耐火
物の損傷、クラックの主要因が、１耐火物表面（炉内稼
動面）と、金属ブロックと接触する耐火物表面との間に
大きな温度差があり、この温度差により耐火物内に熱応
力が作用し、この熱応力に起因してクラックが生成する
こと、２高炉炉内では、原料の移動、炉内高温ガスの急
激な変動によつて急激な温度変化が起りやすく、このた
め耐火物内の温度分布が変化し、変動熱応力が耐火物に
作用し、クラックを生成すること。

てあることをつきとめた。

また、前記第２図に示す複合ク−ラーの溶融金属の鋳込
法による製造時の複合ク−ラーの製品歩留を決定づける
耐火物ブロックの損傷クラック発生の要因は、耐火物の
鋳込み面が急激に加熱され耐火物内に、大きな温度差が
生じ、この温度差により耐火物に作用する熱応力である
こと、また、耐火物ブロックの突起部の付根部にクラッ
クが発生する要因は、鋳込金属か凝固する際の収縮てあ
ること等もつきとめた。

本発明者らは、上記冷却機構を内設した金属フロックと
耐火物ブロックとを一体とした複合ク−ラーの使用時に
おける耐火物の寿命を決定する耐火物の損傷、クラック
発生の真の主原因、（並ひ”に、複合ク−ラーの溶融金
属の鋳込法による製造時の歩留を決定づける耐火物ブロ
ックの損傷、クラック発生の真の主原因）をつきとめ、
これに根本対策をこうじて、複合ク−ラーの保有する、
炉壁構造の築造上のメリットを享受することは勿論のこ
と、複合ク−ラーの使用時における耐火物の寿命を、飛
躍的に向上せしめた複合ク−ラーを発明したものである
。

即ち、本発明の複合ク−ラーは、冷却機構を内設した金
属ブロックと耐火物ブロックとを一体とした複合ク−ラ
ーにおいて、金属ブロックと耐火物ブロックの接合面の
間に断熱層を介在させたことを特徴とする複合ク−ラー
にある。

このように金属ブロックと耐火物ブロックとの接合面の
間に断熱層を介在せしめることにより、複合ク−ラーの
使用時に、耐火物ブロック内に、形成される温度分布曲
線の温度勾配が大巾に減少し、温度差も大巾に軽減され
、熱応力が大巾に軽減され、クラック発生が著しく抑制
される。

また原料の移動、炉内高温ガスの変動によつて急激な温
度変化が生じても、耐火物ブロック内の温度分布が、す
みやかに上記温度変化に応答して、上記変化温度に対応
する温度分布曲線に推移するため、変動熱応力も大巾に
軽減され、層状クラックの発生が著しく抑制されるもの
である。以下、本発明を第４図から第６図にもとすいて
具体的に説明する。

第４図は、本発明に係る複合ク−ラーの一例であり、金
属側から見た正面図をａに、側面図をｂに示す。

ｃはｂの一点鎖線部の拡大図である。主な構成として、
金属ブロック１、このブロック１と一体的に結合した耐
火物ブロック牡金属ブロック１に内設された冷却管体９
、断熱層１０から成る。耐火物ブロック４と金属ブロッ
ク１の接合は、第４図に示されるように、くさび状凹凸
面とし、金属ブロック１と耐火物ブロック４が剥れない
ような形状とする。第４図は、くさび状リブ形式となつ
ている。なお、第４図ｂの１６は耐火物ブロック４−４
間同志の接合面を示している。断熱層１０は、接合面全
体に設けたもので、局部的な伝熱をさけることが大切で
ある。断熱層１０の厚みは、使用条件（炉内温度、金属
ブロックの冷却程度等）、耐火物ブロック４の熱伝導率
および厚み、さらに、断熱層の使用材料などによつて決
定されるべきものである。断熱層１０に用いる材質とし
ては、セラミックファイバーおよびキャスタブル耐火物
等が採用できる。金属ブロック１と耐火物ブロック４の
接合を強化するため断熱層１０は、低熱伝導率の材質で
厚みを薄くすることが好ましい。第４図ｃ及び第６図Ｃ
に示した１１は、耐火物ブロックと金属ブロックの膨張
・収縮代を兼ねた断熱部で、断熱層１０と同じようにセ
ラミックファイバーやキャスタブル耐火物等を用いるこ
とができる。

膨張・収縮代は、製造および使用時の金属ブロック１と
耐火物４の膨張・収縮量および、使用材料から厚みを設
定できる。耐火物ブロック４は、振動成形法とかブレス
成形法て成形することがてき、焼成したものが良好であ
る。

耐火物４の種類は、対象炉および使用部位に適した組成
・配合のものを使用する。第５図は円錐状の凹凸形状て
接合した複合ク−ラーて、冷却体として蛇管９を採用し
ている。

ａに正面図を、ｂにａ（７）Ｙ−Ｙ断面図を示す。第６
図は、耐火物製のスタット８を用いて金属一ブロック１
と耐火物ブロック４を接合したもので、ａに正面図を、
ｂにａ（７）Ｚ−Ｚ断面図を、ｃに接合部の拡大図を示
している。第６図のｃは、耐火物４とスタット８の間に
断熱層１０および膨張・収縮代１１を設けた例を示して
いる。スタン．ドを用いる接合方法の場合、スタットと
しては金属および耐火物を採用することができ、第６図
のｃに示したのとは逆に、断熱層および膨張・収縮代を
、金属とスタット間に配置することもでき、また、適切
な耐火物製スタットを用いると断熱を−兼ねるので、別
に、断熱層は、スタットと金属あるいはスタットと耐火
物間に設ける必要はない。複合ク−ラーの製造方法とし
ては、耐火物に断熱層を設け、該耐火物と冷却管体を鋳
造型内に配設し、溶融金属を鋳込み製造することができ
る。第４〜６図は、鋳込み方法による複合ク−ラーを示
している。また、別な製造方法としては、第７図に示し
たように、金属部の凸部１″を組み込み式にし、耐”火
物ブロック４と金属部凸部１″と冷却体を含む金属部１
″を組み合せることもできる。

尚、組み込み式の場合、断熱層は、事前に、耐火物ブロ
ック側に張り付ける、あるいは、金属ブロック側に張り
付ける、あるいは組み込み時に組み込むこともできる。

また、使用条件によつては、耐火物と金属部の接続部を
多くの点接触とし、耐火物と金属部の間に空隙を作つて
断熱することも可能である。次に本発明の実施例を示す
。

製造方法は、鋳込みによる方法で実施した。

第４図は、その実施形状である。耐火物４は、ＳｉＣ質
の焼成耐火物を用いている。該耐火物ブロック４の接合
表面全体に、断熱層１０として３ＷｆＬ厚セラミックフ
ァイバーでランニングし、凝固収縮代として耐火物ブロ
ックの凹部の両側面に、断熱層１０と同材質で可縮率６
０％のセラミックファイバーを設け、冷却用バイブとと
もに、鋳造型内に配設し、溶融鋳鉄を流し込み製造した
。収縮代は、溶融鋳鉄の理論収縮率とセラミックファイ
バーの可縮率より算出した。

本実施例の場合は、断熱層を兼ねた、膨張・収縮代とし
ては、計算上、４７７０７！厚のセラミックファイバー
が良好であると算出できた。膨張・収縮代と断熱層厚み
を変えて行つた製造実験および加熱炉での比較実験結果
を表−１、第８図に示す。加熱炉での比較実験は、第９
図に示したように加熱炉１３の炉壁１４に複合ク−ラー
１２を取り付け、炉温１５を６００′Ｃ−１２００℃−
６００℃−・・・・・・と６００をＣ−＋１２００℃の
熱負荷サイクルを２０回繰り返した。表−１から分かる
ように、膨張・収縮代が少ないと、製造時に耐火物にク
ラックが生じ、断熱層がない場合、使用時に耐火物にク
ラックが生じることが確認できる。

加熱炉内が１２００゜Ｃの場合、断熱層厚みの差による
耐火物内の温度分布を第８図に示す。

表−１、第８図から分かるように、断熱層を設けること
によつて耐火物ブロック内の温度差を著しく軽減し、製
造時のクラック発生を防止すると共に使用時のクラック
発生を防止することができ、良好な複合ク−ラーを得る
ことができる。

尚、本実施例においては、１〜３Ｔ！Ｒｍ厚のセラミッ
クファイバーで断熱層を設けることが良好であつたが、
使用条件および耐火物物性によつて、また、セラミック
ファイバー物性によつて、断熱程度が選べることはいう
までもない。なお本発明による複合ク−ラーを一般の炉
壁構造体あるいは炉体冷却装置として使用すると、断熱
層を設けているので、炉内からの奪熱量を押え、省エネ
効果を得つつさらに炉体冷却もできるものてある。

なお、高炉用複合ク−ラーとしては、接合部近傍での耐
火物ブロックのクラック発生を抑制するために、接合面
全体で耐火ブロックが均一に冷却されることが望ましく
かつ簡単な形状のものが、，製作上好ましい。

また、耐火物ブロック内の温度分布曲線の勾配を大巾に
減少すると共に、炉内温度等の変動に対して、耐火物ブ
ロック内の温度分布が、高応答性で追従するように、耐
火物ブロックは、ＳｊＣ質の３ような高熱伝導率のもの
が好ましい。

さらに、金属ブロックと接合する耐火物ブロックの面に
おいて、例えば第２図におけるリブの溝のようなところ
は丸味をつけることが好ましい。つまり、耐火物ブロッ
クの突起付根部の角隅は、クラック発生３の起点となる
から、Ｒ（アール）をつけることが好ましい。更に突起
部の角隅もカケの原因になるからＲ（アール）をつける
ことが好ましい。また、鋳込み方法において製作する場
合、収縮代は、溶融金属の理論収縮率から算出した値よ
り少し大きくすることが好ましい。以上のように、本発
明の複合ク−ラーによれば、（１） 炉壁および炉体の
築造において、高度な技術を要せずに容易に行なえる。

）（■） 耐火物層はあらかじめ不定形耐火物を成形、
焼成できるので、複合ク−ラーは、各種炉の耐火壁構成
物としてそのまま使用できる。

（■） 耐火物層の熱負荷を軽減することができるので
、耐火物層の損傷を押えることができ、耐火物層の寿命
を延ばすことができる。（■） 耐火物を、金属の凹凸
で強固に保持しているので、耐火物層の脱落を防ぐこと
ができ、耐火壁としてその寿命が延長される。（■）
炉内からの奪熱量を押え、炉体を冷却できる。

等、優れた効果を発揮でき、産業上有用な発明である。
図面の簡単な説明第１図はステーブ式冷却装置を備えた
耐火壁を有する高炉の部分断面説明図を示す。

第２図は従来の冶金炉用ステーブ（複合ク−ラー）の断
面説明図を示す。第３図は第２図の冶金炉用ステーブ（
複合ク−ラー）の使用時の該ステーブ内温度分布の簡略
図てある。第４図，第５図，第６図および第７図は本発
明に係わる種々の態様の複合ク−ラーの説明図である。
第８図は断熱層の有無の差による、使用時の耐火物内温
度分布の簡略図てある。第９図は加熱炉で、本発明品で
ある複合ク−ラーを用いた場合の実施例を示す概略図で
ある。１・・・金属ブロック、４・・・耐火物ブロック
、８・・・スタット、９・・・冷却管体、１０・・・断
熱層、１１・・・断熱層を兼ねた膨張・収縮代。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 冷却機構を内設した金属ブロックと耐火物ブロック
   と一体とした複合クーラーに於いて、金属ブロックと耐
   火物ブロックの接合面の間に断熱層を介在させたことを
   特徴とする複合クーラー。