JP2003279265A - 電気炉用水冷パネル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 水冷パネルを鋳鋼で製作する。 【解決手段】 下記の構造を備えたことを特徴とする電
気炉用の水冷パネルである、すなわち、該水冷パネルは
鋳鋼製の鋳造品であって、該水冷パネルの外側は箱型形
状で、該水冷パネルの内側には冷却水を通過させる冷却
水流路を備え、前記水冷パネルの外側と前記内側の湾曲
部において半径１５ｍｍ以上の曲率を備え、該パネルの
肉厚が１５ｍｍ以下である。また、前記水冷パネルの外
側が波型状に成形されている。さらに、前記水冷パネル
の内側の端部に設けられる冷却水流路は、他の冷却水流
路に較べて流路の断面積が小さくなるように形成されて
いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、金属材料の溶解炉
に設ける水冷パネルに関する。より詳しくは、溶解炉の
炉壁、天井等に取付けて使用する鋳鋼製の水冷パネルに
関する。

【０００２】

【従来の技術】電気炉には、パイプ組立て品である鋼製
配管構造の冷却パネル、製缶でジャケット式、またはボ
ックス式と言われる鋼板溶接構造の冷却パネルなど、い
わゆる水冷パネルが使用されている。図４には、水冷パ
ネルを電気炉に用いた例の模式図を示した。水冷パネル
５３は、外周が鉄皮５４に覆われた電気炉５０の溶鋼５
２を保持する炉底５１上の周囲に取付けられている。水
冷パネルのうち、パイプ組み立て品は、水冷効果に優
れ、使用期間が数年から十数年と使用寿命が長いことに
特徴がある。

【０００３】図３には、溶接構造品の電気炉天井の水冷
パネルの1例を示した。図３（ａ）は、水冷パネルの平
面図であり、図３（ｂ）は正面図である。図３（ｂ）で
は、図面下側が炉の高温部に接する面である。図３に示
した水冷パネル４０は、全面溶接加工して製作したもの
である。ここで、水冷パネル４０を冷却するための冷却
水４２は、冷却水入口４３から流入し、矢印で示すよう
に設けた仕切板４１とパネルの側板との間を通過して冷
却水出口４４に向う。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前記説明のパイプ組立
品の場合には、Ｕ管部の構造や組立てが緻密なため製作
に手間がかかり高価な設備となる。そのため、トランス
が高負荷の炉や、稼動率の高い炉などの特定の炉で使用
されている。ところで、前記説明の溶接構造品の場合に
は、以下で説明するような問題点がある。

【０００５】第１の問題点は、溶接施工時の溶接欠陥が
存在することである。その理由として、水冷パネルが複
雑なため、溶接作業性が悪く溶接欠陥が発生しやすいこ
とがある。また、母材と溶接部の境界線は割れが発生し
やすいということもある。さらに、溶接構造品を製造す
る際に通常用いられるＪＩＳＧ３１０１に規定されるＳ
Ｓ４００材は、割れ易さに関係の深いＣ、ＭｎやＣ．Ｅ
（炭素当量）の量を規定しておらず、割れの発生しにく
い材料に好適であるとは言えないものである。

【０００６】第２の問題点は、溶接構造品は溶接部を曲
面状に加工できないことである。そのため、溶接部を含
め、水冷パネルの板材の肉厚が大きく変化した箇所がそ
のまま残る。また、溶接ビート部はミクロ的には鋭角状
となっている。そのような箇所には、機械的応力や熱応
力が集中し、割れ発生の原因となる可能性がある。

【０００７】第３の問題点は、溶接構造品の水冷パネル
には、例えば、ＪＩＳＧ３１０１に規定されるＳＳ４０
０材で厚さ１６ｍｍ〜１９ｍｍの鋼材が用いられている
ことである。このように、厚肉の鋼材を使用して水冷パ
ネルを作製した場合には、肉厚が厚いため表面部が冷却
されにくく、表面温度が相対的に高くなる。

【０００８】そのため、水冷パネル外側の高温面と水冷
パネル内側の冷却水接触面との間に温度差が生じて、水
冷パネル全体が変形したり、水冷パネルに割れが発生し
たりする。また、操業による高温と低温が繰返されるた
め、鋼材は膨張、収縮が繰返されて割れが発生しやすく
なる。

【０００９】パイプ組立て品、溶接構造品の水冷パネル
にはそれぞれ一長一短がある。とりわけ、溶接構造品の
水冷パネルは寿命が短いという問題点がある。本発明者
は、これらの問題点を鋭意検討した結果、水冷パネルを
鋳鋼で製作することにより解決できることを見出した。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明の第１の態様は、下記の構造を備えたことを
特徴とする電気炉用の水冷パネルである。 （ａ）該水冷パネルは鋳鋼製の鋳造品であって、 （ｂ）該水冷パネルの外側は箱型形状で、該水冷パネル
の内側には冷却水を通過させる冷却水流路を備え、 （ｃ）前記水冷パネルの外側と前記内側の湾曲部におい
て半径１５ｍｍ以上の曲率を備え、 （ｄ）該パネルの肉厚が１５ｍｍ以下である。

【００１１】本発明の第２の態様は、前記水冷パネルの
外側が波型状に成形されていることを特徴とする電気炉
用の水冷パネルである。

【００１２】本発明の第３の態様は、前記水冷パネルの
内側の端部に設けられる冷却水流路は、他の冷却水流路
に較べて流路の断面積が小さくなるように形成されてい
ることを特徴とする電気炉用の水冷パネルである。

【００１３】本発明の第４の態様は、前記水冷パネルの
内側の、高温に接する側の冷却水流路に凹凸が設けられ
ていることを特徴とする電気炉用の水冷パネルである。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について図１
（ａ）〜図１（ｃ）を用いて説明する。図１（ａ）は、
本発明に係る鋳鋼製水冷パネルの正面図の略図である。
図１（ｂ）は、平面図の略図である。図１（ｃ）は、側
面図の略図である。

【００１５】本実施の形態では、水冷パネルは鋳鋼製の
鋳造品であって、水冷パネルの外形は箱型形状である。
水冷パネルの内側には冷却水を通過させるための冷却水
流路を備えている。水冷パネルの外側と内側の全ての湾
曲部では半径１５ｍｍ以上の曲率半径を備えている。水
冷パネルの肉厚は１５ｍｍ以下となっている。

【００１６】本実施の形態では、水冷パネルは鋳鋼鋳造
品である。鋳鋼は、例えば、ＪＩＳＧ５１０１、ＪＩＳ
Ｇ５１０２に規定するものを用いることができる。本発
明では、熱伝導率が低い、融点が低い等の特性を備えた
ダクタイル鋳鉄を用いることもできるが、本願発明の目
的とする水冷パネルは、以下に説明する特性を得るため
に、鋳鋼鋳造品とすることが望ましい。

【００１７】なお、本実施の形態では鋳鋼は、前記ＪＩ
ＳＧ５１０１、ＪＩＳＧ５１０２に規定するもののほか
に、ＪＩＳＧ３１０１に規定するＳＳ４００よりもＣの
含有率、Ｃ．Ｅ（炭素当量）を低くした鋼、すなわち、
割れにくい材質としたものを用いることが望ましい。

【００１８】例えば、ＪＩＳＧ３１０１の一般構造用圧
延鋼材にはＳＳ４００、ＳＳ４９０があり、化学成分と
して（化学成分値は以下重量％で示すものである。）、
Ｐの含有率が０．０５０％以下、Ｓの含有率が０．０５
０％以下、が示されている。

【００１９】本発明では、割れ感受性を低くするため
に、Ｃの含有率が０．０５〜０．２０％、Ｍｎの含有率
が０．５０〜１．００％、Ｐの含有率が０．０２５％以
下、Ｓの含有率が０．０２５％以下、Ｃ．Ｅ（炭素当
量：Ｃ＋Ｍｎ／６＋Ｓｉ／２４＋Ｎｉ／４０＋Ｃｒ／５
＋Ｍｏ／４＋Ｖ／１４）が０．２０〜０．４０％である
鋼を用いることが望ましい。

【００２０】なお、Ｃの含有率が０．０５％未満の場合
は、強度不足により変形しやすくなり、Ｃの含有率が
２．０％を超える場合には、割れ感受性が高まり割れが
発生しやすくなる。Ｍｎの含有率が０．５０％未満の場
合には、強度不足により変形しやすくなり、Ｍｎの含有
率が１．００％を超える場合には、割れ感受性が高まり
割れが発生しやすくなる。Ｐの含有率が０．０２５％を
超える場合には、非金属介在物の生成により割れが発生
しやすくなる。

【００２１】Ｓの含有率が０．０２５％を超える場合に
は、非金属介在物の生成により割れが発生しやすくな
る。Ｃ．Ｅ（炭素当量）が０．２０％未満の場合には、
強度不足により割れが発生しやすくなり、０．４０％を
超える場合には、割れ感受性が高まり割れが発生しやす
くなる。

【００２２】本実施の形態では、水冷パネルを鋳鋼品と
したので、例えば、鋳鋼を鋳造して一体に形成すること
ができる。また、鋳鋼品であるため、炉内にさらされる
面５には溶接施工箇所がない。そのため、溶接施工によ
る不具合をなくすことができる。鋳鋼品であるため、電
気炉操業時や電気炉に材料を装入するときに、水冷パネ
ル表面等に損傷（割れ、溶損）が生じた場合、損傷箇所
を溶接により簡単に補修できる。従って、補修のために
操業を停止する必要がなくなる。

【００２３】通常、水冷パネルの炉内にさらされる面５
には、溶融金属表面から飛散したスラグ等が５〜１０ｍ
ｍの厚みに付着する。水冷パネルにスラグが付着するこ
とにより、あらたに溶融金属が飛び跳ねて水冷パネルに
付着した場合の温度急上昇による熱衝撃を緩和できる。
さらに、水冷パネルに付着したスラグは、水冷パネルを
高温の炉内雰囲気から保護する断熱効果もある。

【００２４】従って、本実施の形態では、付着したスラ
グが剥離しにくいように、表面を波型状に形成する。ス
ラグを水冷パネルから剥離しにくくするには、水冷パネ
ルの炉内にさらされる面５を、本実施の形態のように波
型に形成したり、任意な形状のデインプルを設ける、あ
るいは任意な形状のこぶ状の突起を設ける等自在に表面
形状を形成すれば良い。

【００２５】本実施の形態では鋳型に砂を用いるので、
水冷パネルの外側面は梨地にできる。なお、炉内にさら
される面５は、砂の粒度等適宜選ぶことにより、好適な
梨地肌に形成することができるので、さらに、スラグを
剥離しにくくできる。

【００２６】本実施の形態では、複雑な形状の水冷パネ
ルを鋳造により製作することができる。図２を用いて説
明する。例えば、水冷パネル外側角部６に湾曲を持たせ
るため、円弧状、または曲面状に形成して製作すること
が望ましい。曲面状とは、楕円の円弧状等の突起を有さ
ない弧を示すものである。角部を円弧状または曲面状に
形成することにより、鋭角部、突起部に発生しやすい熱
応力の集中を緩和でき、割れ等の発生を抑えることがで
きる。

【００２７】例えば、水冷パネル外側角部６は円弧状に
形成することができる。その場合、円弧の半径をＲ（単
位：ｍｍ）で表わすと、半径は任意の値に選ぶことがで
きる。本実施の形態では、Ｒ＝１５ｍｍ以上であること
が望ましい。Ｒ＝１５ｍｍ以下になると応力が集中し
て、割れが発生し易くなるからである。

【００２８】本実施の形態では、炉内にさらされる面５
側に温度差が少なくなるようにした。すなわち、水冷パ
ネル内の冷却水の流速をあげて冷却効率を高めるため、
従来の溶接構造にくらべ、冷却水流路２の高さ１１及び
冷却水流路幅１２寸法をそれぞれ狭め、冷却水流路２の
断面積を狭めることとした。

【００２９】断面積を狭めることにより、冷却水流路２
内での流速を上げて水冷パネルの冷却効率を高めること
ができる。また、断面積を狭めることにより、熱伝達が
大きくなり、水冷パネルの外側面と内側面との温度差が
小さくなるので、水冷パネルに割れが発生する可能性を
下げることができる。

【００３０】また、水冷パネルの内側に設けられる冷却
水流路について、パネル端部の冷却水流路端部１６は、
冷却水の流速を高めて冷却効率が増すように、他の冷却
水流路に較べて流路の断面積が小さくなるように形成し
た。特に、電気炉内の溶融金属に近い側に配置される冷
却水流路は、冷却水の流速を高めて冷却効率が増すよう
に、他の冷却水流路に較べて流路の断面積が小さくなる
ように形成することが望ましい。断面積を小さくする割
合は、炉の操業状況やパネルの大きさ等の要因により変
化するので製作時に適宜選定することができる。

【００３１】また、炉内にさらされる面５の冷却水流路
２については、冷却流路凹凸部１４を設けることにし
た。この冷却水流路凹凸部１４を設けたことにより、冷
却水流路２の鋼材と冷却水との接触面積が広がり、より
冷却効率を高めることができ、水冷パネルに割れが発生
する可能性を下げることができる。

【００３２】本実施の形態では、水冷パネル１内側の冷
却水流路角部１５に湾曲を持たせるため、円弧状、また
は曲面状に形成して製作することが望ましい。曲面状と
は、楕円の円弧状等の突起を有さない弧を示すものであ
る。角部を円弧状または曲面状に形成することにより、
冷却水流路２を通過するさいの抵抗が少なくなり、冷却
水流路角部１５での乱流発生を下げることができるの
で、圧力損失を低減できる。

【００３３】例えば、冷却水流路角部１５は円弧状に形
成することができる。その場合、円弧の半径をＲ（単
位：ｍｍ）で表わすと、半径は任意の値に選ぶことがで
きる。本実施の形態では、Ｒ＝１５ｍｍ以上であること
が望ましい。

【００３４】本実施の形態では、冷却パネルの肉厚２
１、例えば、冷却水流路仕切１３も含めた肉厚は１５ｍ
ｍ以下の厚みとし、冷却パネルの内外での温度差が少な
くなるようにした。これにより、水冷パネル表面の温度
上昇が抑えられ、水冷パネル受熱面側の膨張収縮が少な
くなり、割れが減少する。水冷パネルの肉厚は、１０〜
１５ｍｍが望ましい。より、好ましくは１０〜１２ｍｍ
が望ましいが、さらに薄くすることも可能である。

【００３５】

【実施例】以下に本発明の実施例を示した。図１に示し
た水冷式パネルを以下のように作製した。水冷パネルの
大きさは、ほぼ縦１ｍ、横１ｍの大きさである。

【００３６】冷却水流路の形状や寸法は、ほぼ図１に示
したとおりである。溶接構造では、幅１５０ｍｍ×縦７
８ｍｍの冷却水流路を、本発明では、幅９７．５ｍｍ×
縦６０ｍｍの冷却水流路とした。このため、断面積は、
ほぼ１／２にできた。なお、本願発明では、幅９０ｍｍ
×高さ６０ｍｍとできる。図２で示した、冷却パネル外
側角部のＲ寸法は４５ｍｍとした。その他のＲ部分は、
Ｒ＝１５ｍｍ以上とした。また、肉厚寸法は１５ｍｍと
した。

【００３７】まず、鋳型をハイアルミナ系のセラビーズ
に、焼結材として炭酸硬化性樹脂を添加し、炭酸ガス法
により製造した。中子は支えのために芯金（直径が１２
ｍｍの鋼線）を用いた。その鋳型に高周波電気炉により
溶解した成分組成がＣの含有率が０．１２％、Ｍｎの含
有率が０．６５％、Ｓｉの含有率が０．３５％、Ｐの含
有率が０．０２０％、Ｓの含有率が０．００５％、Ｃ．
Ｅ（炭素当量）が０．３２％の溶鋼を、鋳込み温度が１
５３０℃で鋳込み、鋳造した。なお、湯口は湯流れ不良
を発生させないために４ヶ所設けた。

【００３８】鋳造後は放冷し、鋳造物を鋳型から取り出
した。鋳型は、容易に崩すことができた。また中空部の
中子砂及び芯金も、焼付きがなく、簡単に、かつ短時間
に取り出すことができた。その後、通常のサンドブラス
ト処理等を行って水冷パネルを得た。

【００３９】

【発明の効果】水冷パネルを鋳鋼で製作することによ
り、溶接施工時の溶接欠陥をなくし、曲面状に加工して
応力が集中し、割れ発生の原因を少なくした。また、肉
厚寸法を薄くして、水冷パネル全体の変形や、割れの発
生を少なくした。従って、本発明の鋳鋼性の水冷パネル
は、鋼製配管構造及び鋼板溶接構造の水冷パネルと比較
して寿命、コストが優れている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施の形態の水冷パネルの概略図である。

【図２】本実施の形態の水冷パネルの部分拡大概略図で
ある。

【図３】鋼板溶接構造による水冷パネルの１例である。

【図４】水冷パネルを設けた電気炉例である。

【符号の説明】

１ 水冷パネル ２ 冷却水流路 ３ 冷却水入口 ４ 冷却水出口 ５ 炉内にさらされる面 ６ 水冷パネル外側角部 １１ 冷却水流路高さ １２ 冷却水流路幅 １３ 冷却水流路仕切 １４ 冷却流路凹凸部 １５ 冷却水流路角部 １６ 冷却水流路端部 ２１ 冷却パネル肉厚 ４０ 水冷パネル ４１ 仕切板 ４２ 冷却水 ４３ 冷却水入口 ４４ 冷却水出口 ５０ 電気炉 ５１ 炉底 ５２ 溶鋼 ５３ 水冷パネル ５４ 鉄皮

【手続補正書】

【提出日】平成１４年４月３日（２００２．４．３）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２０

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２０】なお、Ｃの含有率が０．０５％未満の場合
は、強度不足により変形しやすくなり、Ｃの含有率が
０．２０％を超える場合には、割れ感受性が高まり割れ
が発生しやすくなる。Ｍｎの含有率が０．５０％未満の
場合には、強度不足により変形しやすくなり、Ｍｎの含
有率が１．００％を超える場合には、割れ感受性が高ま
り割れが発生しやすくなる。Ｐの含有率が０．０２５％
を超える場合には、非金属介在物の生成により割れが発
生しやすくなる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 徹 神奈川県川崎市川崎区白石町２番１号 日 本鋳造株式会社内 (72)発明者 秋元 重喜 神奈川県川崎市川崎区白石町２番１号 日 本鋳造株式会社内 Ｆターム(参考） 4K051 AA05 AB01 AB03 HA03

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 下記の構造を備えたことを特徴とする電
   気炉用の水冷パネル。 （ａ）該水冷パネルは鋳鋼製の鋳造品であって、（ｂ）
   該水冷パネルの外側は箱型形状で、該水冷パネルの内側
   には冷却水を通過させる冷却水流路を備え、（ｃ）前記
   水冷パネルの外側と前記内側の湾曲部において半径１５
   ｍｍ以上の曲率を備え、（ｄ）該パネルの肉厚が１５ｍ
   ｍ以下である。
2. 【請求項２】 前記水冷パネルの外側が波型状に成形さ
   れていることを特徴とする請求項１に記載の電気炉用の
   水冷パネル。
3. 【請求項３】 前記水冷パネルの内側の端部に設けられ
   る冷却水流路は、他の冷却水流路に較べて流路の断面積
   が小さくなるように形成されていることを特徴とする請
   求項１または２に記載の電気炉用の水冷パネル。
4. 【請求項４】 前記水冷パネルの内側の、高温に接する
   側の冷却水流路に凹凸が設けられていることを特徴とす
   る請求項１〜３のいずれか１項に記載の電気炉用の水冷
   パネル。