JP4751238B2 - 高炉用ステーブクーラ - Google Patents

Description

本発明は、ステーブ本体と鉄皮との熱膨張により生じる応力を吸収し、特に、給排水取出管とステーブ本体との溶接部などに作用する応力を極力小さくし、長期間の使用に耐え得る高炉用ステーブクーラに関する。

現在の高炉操業では、炉壁を冷却するための手段として、ステーブクーラ（以下、単にステーブいうこともある）が広く用いられている。

近年、出銑量の増加および出銑効率の向上を指向した高炉操業に伴って、従来よりも高炉炉体の熱負荷は高まってきており、より効率的に炉体を冷却できるステーブクーラが求められるようになった。このような中で、最近、従来の鋳鉄ステーブよりも熱伝導性が優れた銅または銅合金製のステーブクーラが開発され、適用されるようになった。

しかし、銅または銅合金製のステーブクーラを高炉に適用する場合には、従来の鋳鉄ステーブでは存在しなかった新たな課題が顕在化するようになった。つまり、従来の鋳鉄ステーブでは、予め冷却管をステーブ本体型枠内に配置した後、鋳造して冷却管とステーブ本体とを一体化した構造とするため、鉄皮の外側までステーブ本体の給排水口と給排水管との接合部がない構造とすることができる。

一方、銅または銅合金製のステーブクーラは、ステーブ本体内に冷却管を形成した後、ステーブ本体の給排水口と給排水管とを溶接して接合する必要があるため、ステーブ本体近傍に溶接部を有する構造となる。

この銅または銅合金製のステーブクーラにおけるステーブ本体近傍の溶接部は、高炉操業において、高温にさらされるステーブ本体の炉内側と、冷却放熱されるステーブ本体の鉄皮側との間での熱膨張差・熱収縮差による変位に起因して応力が発生する際に、応力集中部となり、この部位で疲労亀裂が発生し、ステーブクーラの寿命の短縮を招くことになる。

通常のステーブの取付けは、図６に示すように、ステーブ本体１を取付けボルト８と鉄皮ナット９により鉄皮６に固定し、給排水取出管２にステーブ本体１の荷重が直接作用しないように荷重を分散している。

また、銅または銅合金製のステーブクーラの給排水取出管２は、図３に示すように、ステーブ本体１の給排水口と溶接され、この給排水取出管２を通すための鉄皮６の開口部は、シールプレート５を介して給排水取出管２と鉄皮６を溶接することで、高炉の炉内ガスが鉄皮の外側に漏れないようにしている。

図３および図６に示す従来ステーブでは、高炉操業において、ステーブ本体の炉内側と鉄皮側との熱膨張差、さらには、ステーブ本体の鉄皮側と鉄皮との熱膨張差による変位により、応力変動が生じるが、この際に、取付けボルト８は、ステーブ本体の荷重を分担することはできるが、熱膨張差による応力変動を吸収することはできない。

このため、銅または銅合金製のステーブクーラでは、高炉操業における熱膨張差に起因する応力変動により、特に応力集中部となるステーブ本体近傍の給排水取出管との溶接部が疲労亀裂の発生部位となっていた。

また、給排水取出管２と鉄皮６を接続する上記シールプレート５は、ステーブ本体と鉄皮とに熱膨張差による変位が生じた場合に変形しやすく、ステーブ本体近傍の給排水取出管との溶接部の応力を軽減する効果があるが、シールプレート５自体が繰り返し応力による変形で破損し、炉内ガスが外に漏れ出すトラブルを引き起こす恐れがある。

上記技術的課題に対して、従来から、給排水取出管と鉄皮とを可縮性のある伸縮管を介して接合させる方法がある（例えば、特許文献１、参照）。この方法は、図４に示すように、給排水取出管２を包囲するように伸縮管７を配置し、この伸縮管７を介して前記給排水取出管２を鉄皮６に溶接するものである。

この場合、伸縮管７端部と給排水取出管２外周とに溶接されたシールプレート５により、高炉炉内ガスが鉄皮の外側に漏れないようにシールしている。

この方法によれば、ステーブ本体と鉄皮との熱膨張差による変位が生じた場合に、熱膨張または熱収縮する方向に伸縮管７が変形することにより、応力を吸収することができるので、熱膨張差に起因する応力によるステーブ本体近傍の給排水取出管との溶接部や、シールプレート５の疲労破壊を抑制する効果が得られる。

しかし、伸縮管７は、図４に示すように、蛇腹構造などの伸縮が容易な構造である反面、長年の使用によるダストの付着による腐食の進行が早く、疲労破壊し易い構造であり、耐久性の面で問題がある。

このため、伸縮管７に破孔や亀裂により炉内ガスが外に漏れないように定期的に伸縮管７を取替るか、あるいは、伸縮管７の破孔や亀裂の部位を簡易補修する必要があり、そのため多大の労力を必要とする、また、高炉の休止などにより生産性が低下するという問題があった。

また、ステーブ取付けボルトの変形等により、ステーブ本体と給排水取出管との溶接部にステーブ荷重が作用した場合、ステーブ本体と給排水取出管との溶接部が疲労破壊を起こし、その箇所から冷却水が漏れだし、炉内に浸水するという大トラブルを引き起こす危険性がある。

また、従来の鋳鉄ステーブを鉄皮に取付ける方法として、ステーブ本体１の取付けボルト８とナット９を省略し、迅速なステーブ取替えを行うことを目的とし、図５および図７に示すように、鋳鉄ステーブ本体に給排水取出管２を包囲するように保護管３を配置し、さらに、鉄皮開口部の廻りに保護管３を包囲するようにコーミングボックスを配置し、給排水取出管２と保護管３、および、コーミングボックスと保護管３の間を、それぞれ充填物１０や固定ブロック１１により固着する方法が知られている（例えば、特許文献２、参照）。

この方法によれば、給排水取出管２と保護管３とを充填物１０などにより固着することで給排水取出管２の剛性を向上させ、さらに、保護管３とコーミングボックスとを充填物１０などにより固着することで、ステーブ本体の荷重を支持することにより、図７に示すように、ステーブ本体１の取付けボルト８とナット９を省略するものである。

本法は、銅または銅合金製のステーブでも適用可能である。しかし、この方法では、給排水取出管２と保護管３とコーミングボックスとは一体化した構造であるため、ステーブ本体と鉄皮６の熱膨張差により変位する応力を吸収することができず、ステーブ本体１と給排水取出管２との溶接部に応力集中が生じ、疲労破壊が発生する可能性が、逆に高くなる。

上述した通り、近年、高出銑高炉操業における高炉炉体の熱負荷の増大に伴って、ステーブ本体の炉内側と鉄皮側、さらに、ステーブ本体の鉄皮側と鉄皮との熱膨張差が拡大し、これに起因して、ステーブ本体と給排水取出管の溶接部、さらに、給排水取出管と鉄皮との溶接部での疲労破壊が発生する可能性が高まっているが、従来のステーブでは、ステーブの寿命を向上するための十分な効果は得られていないのが現状である。

特開昭５２−８５５３号公報 特開平８−２２５８１３号公報

上記従来技術の現状に鑑みて、本発明は、高出銑高炉操業における高炉炉体の熱負荷の増大に伴って生じるステーブ本体と鉄皮との熱膨張差に起因する応力を吸収し、ステーブ本体と給排水取出管との溶接部や、鉄皮と給排水取出管との溶接部における疲労破壊の発生を抑制し、長期間の使用に耐え得る信頼性の高い構造を有する高炉用ステーブクーラを提供することを目的とする。

本発明は、上記技術的課題を解決するものであり、その発明の要旨とするところは、
（１）銅または銅合金製ステーブ本体に給排水取出管が溶接され、該ステーブ本体と高炉鉄皮とが複数の鋼製取付けボルトにより固定された高炉用ステーブクーラにおいて、前記ステーブ本体に給排水取出管を包囲するように保護管が溶接され、前記鉄皮に形成された開口部の外周の鉄皮面に前記保護管を包囲するようにコーミングボックスが設けられ、該コーミングボックスの側板およびシールプレートは熱膨張差による変位方向に収縮が可能で、かつ、シールに要する十分な強度を有する板厚とし、該側板端部の一方が鉄皮に溶接され、該側板端部の他方がシールプレートを介して前記保護管の外周面に溶接されたことを特徴とする高炉用ステーブクーラ、
（２）銅または銅合金製ステーブ本体に給排水取出管が溶接され、該ステーブ本体と高炉鉄皮とが複数の鋼製取付ボルトにより固定された高炉用ステーブクーラにおいて、前記ステーブ本体に給排水管を包囲するように保護管が溶接され、前記鉄皮に形成された開口部の外周の鉄皮面に前記保護管を包囲するように板厚８〜１０ｍｍの側板と板厚５〜７ｍｍのシールプレートからなるコーミングボックスが設けられ、該コーミングボックスの前記側板端部の一方が鉄皮に溶接され、該側板端部の他方が前記シールプレートを介して前記保護管の外周面に溶接されたことを特徴とする高炉用ステーブクーラである。

本発明の高炉用ステーブクーラによれば、高炉の炉体または炉底に冷却能力の優れた、銅または銅合金製ステーブクーラを採用するにあたり、高出銑高炉操業における高炉炉体の熱負荷の増大に伴って生じるステーブ本体と鉄皮との熱膨張差に起因する応力を吸収し、ステーブ本体と給排水取出管との溶接部や、鉄皮と給排水取出管との溶接部における疲労破壊の発生を抑制し、長期間の使用に耐え得る信頼性の高い構造を有する高炉炉体冷却用ステーブを提供することができる。

図１に、本発明の高炉炉体冷却用ステーブと鉄皮との接合状態、図２に、本発明のステーブ本体、給排水取出管、保護管、コーミングボックス、および、鉄皮とのそれぞれの接合状態を、模式的に示す。

本発明における高炉用ステーブクーラは、図１および図２に示すように、銅または銅合金製ステーブ本体１に給排水取出管２が溶接され、該ステーブ本体１と高炉鉄皮６とが複数の鋼製取付けボルト９により固定されている。ステーブ本体を銅または銅合金製とすることで、従来の鋳鉄製ステーブ本体に比べて熱伝導性を高め、ステーブ本体内の冷却水配管中を循環する冷却水により、ステーブ本体の炉内側からの熱を効率的に抜熱することができる。

また、ステーブ本体１の荷重は、複数の鋼製取付けボルト９で支持されている。鋼製取付けボルト９は、ステーブ本体１の荷重を分担することはできるが、ステーブ本体１と鉄皮６との熱膨張差による応力変動を吸収することはできない。

そこで、本発明では、図１および図２に示すように、高炉用ステーブクーラにおいて、ステーブ本体１に、給排水取出管２を包囲するように保護管３を溶接し、鉄皮に形成された開口部の外周の鉄皮面に、保護管３を包囲するようにコーミングボックスを設け、該コーミングボックスの側板４端部の一方を鉄皮６に溶接し、該側板４端部の他方シールプレート５を介して前記給排水管２外周に溶接した構造とする。

上記ステーブ構造においては、ステーブ本体１に、給排水取出管２を包囲するように保護管３が溶接されているため、応力集中部位であるステーブ本体１の給排水口と給排水取出管２との溶接部近傍の断面積が拡大し、この部位の荷重を保護管により分担することにより、熱膨張差による変位が生じた場合に、給排水取出管２の溶接部の応力を軽減することができる。

保護管の肉厚は、５ｍｍ未満になると十分な強度が得られず、７ｍｍを超えると給排水管との間隔が狭くなり溶接が困難となるので、十分な強度をもち、かつ、容易に溶接できるという理由から、５〜７ｍｍが好ましい。また、保護管の材質は、高温にさらされても強度を保ち、かつ、容易に溶接できるという理由から、高温配管用炭素鋼が好ましい。

また、前記鉄皮に形成された開口部において、保護管３を包囲するようにコーミングボックスを配置し、給排水取出管２および保護管３は、鉄皮と直接溶接せずに、熱膨張による変位が可能な状態にし、コーミングボックスを介して給排水取出管２および保護管３を鉄皮と溶接し、熱膨張差による変位が生じた場合に、コーミングボックスが変位方向に変形することにより、給排水取出管２の溶接部の応力を軽減することができる。

また、コーミングボックスの側板４端部の一方と開口部外周の鉄皮面とが溶接され、コーミングボックスの側板４端部の他方と保護管３外周面とは、シールプレート５を介して溶接されているため、高炉炉内ガスは、コーミングボックスの側板４およびシールプレート５によってシールドされ、鉄皮の外に漏洩することが防止されている。

なお、上記鉄皮６の開口部は、高炉操業における熱膨張差による変位が生じた場合に、給排水取出管２および保護管３が多少変形しても、鉄皮と接触せずに自由に変位が可能な状態とするために、保護管３の外径に比べて十分大きな開口径を有することが好ましい。

また、コーミングボックスを構成する側板４およびシールプレート５は、高炉操業における熱膨張差による変位が生じた場合に、変位方向に収縮が可能なように、板厚が薄い鋼板などの金属板が好ましい。

なお、前記側板４の板厚は、８ｍｍ未満になると薄すぎて溶接が困難となり、１０ｍｍを超えると容易に変形せず熱膨張差を吸収できなくなるので、十分な強度を維持し、かつ、容易に溶接できるという理由から、側板４の板厚は８〜１０ｍｍが好ましい。

また、前記シールプレート５の板厚は、５ｍｍ未満になると薄すぎて溶接が困難となり、７ｍｍを超えると容易に変形せず熱膨張差を吸収できなくなるので、十分な強度を維持し、かつ、容易に溶接できるという理由から、シールプレート５の板厚は５〜７ｍｍとするのが好ましい。

また、これら側板およびシールプレートの材質は、十分な強度をもち、かつ、容易に溶接できるという理由から、普通炭素鋼が好ましい。

また、本発明の銅または銅合金製ステーブの製造方法は、特に限定する必要はないが、一般に、以下のように製造することが可能である。第一に、ステーブと同じ形状の木型を炉内側と炉外側で、１個ずつ製作する。第二に、ステーブの炉内側と炉外側に相当する各々の金枠に、該木型を設置し、その後、砂を入れる。第三に、砂を固めた後、木型を抜いて砂型を製作する。水路は、砂を固めた砂型を別途製作し、該砂型の定位置に設置する。

第四に、炉内側と炉外側の砂型を上下に合わせて、注入口から銅または銅合金の溶湯を注入する。第五に、凝固後に砂型を取り除き、砂抜き穴は銅ステーブ本体と同一材質のプラグをはめ込み溶接する。給排水口に給排水取出管を溶接し、給排水取出管を取り囲むように保護管を溶接する。

また、ステーブと同じ形状の圧延銅板または圧延銅合金板に水路を穿孔し、不要な穴はステーブ本体と同一材質のプラグをはめ込み溶接し、給排水口に給排水取出管を溶接し、給排水取出管を取り囲むように保護管を溶接する製造法もある。

以下、本発明の実施例を図面に基づき説明する。図１および図２に示すように、本発明による銅製ステーブ本体１に溶接された給排水取出管２の周囲に、保護管３およびコーミングボックスを配置した銅製ステーブクーラを用い、ステーブ本体の４箇所を、銅製取付けボルトとナットにより、高炉本体の鉄皮に固定した。

また、本発明による銅製ステーブの効果を確認するため、従来の銅製ステーブ本体１に溶接された給排水取出管２をシールプレート５を介して鉄皮に溶接した従来の銅製ステーブクーラを、同じように高炉炉体の鉄皮に取付けて、本発明による銅製ステーブクーラと従来の銅製ステーブクーラを用いて高炉操業を行った際におけるステーブ本体と給排水取出管２の溶接部およびシールプレート５の損傷状態をシミュレーションした。

なお、本発明による銅製ステーブクーラにおいて、コーミングボックスは厚みが９ｍｍの普通炭素鋼を用い、シールプレートは厚みが６ｍｍの普通炭素鋼を用いた。

シミュレーション結果によると、本発明による銅製ステーブクーラでは、ステーブ本体１と給排水取出管２の溶接部およびシールプレート５における損傷は見られなかった。

一方、従来の銅製ステーブクーラでは、ステーブ本体１と給排水取出管２の溶接部およびシールプレート５の鉄皮との溶接部に許容応力の約２倍の熱応力が働らき、給排水取出管とシールプレートが破損する可能性があることが明らかになった。

本発明によるステーブを高炉炉壁に配置した態様を示す図である。 本発明によるステーブ給排水取出管の保護管、コーミングボックスを介するステーブ本体と鉄皮との接合状況を示す図である。 従来のステーブ伸縮管を介さないステーブ本体と鉄皮との接合状況を示す図である。 従来のステーブ伸縮管を介するステーブ本体と鉄皮との接合状況を示す図である。 従来のステーブ給排水取出管の保護管、コーミングボックス、および、充填物を介するステーブ本体と鉄皮との接合状況を示す図である。 従来の取付けボルトを介するステーブを高炉炉壁に配置した態様を示す図である。 従来の取付けボルトを介さずステーブを高炉炉壁に配置した態様を示す図である。

符号の説明

１ ステーブ本体
２ 給排水取出管
３ 保護管
４ （コーミングボックスの）側板
５ （コーミングボックスの）シールプレート
６ 鉄皮
７ 伸縮管
８ 取付けボルト
９ ナット
１０ 充填物
１１ 固定用ブロック

Claims (2)

1. 銅または銅合金製ステーブ本体に給排水取出管が溶接され、該ステーブ本体と高炉鉄皮とが複数の鋼製取付けボルトにより固定された高炉用ステーブクーラにおいて、前記ステーブ本体に給排水取出管を包囲するように保護管が溶接され、前記鉄皮に形成された開口部の外周の鉄皮面に前記保護管を包囲するようにコーミングボックスが設けられ、該コーミングボックスの側板およびシールプレートは熱膨張差による変位方向に収縮が可能で、かつ、シールに要する十分な強度を有する板厚とし、該側板端部の一方が鉄皮に溶接され、該側板端部の他方がシールプレートを介して前記保護管の外周面に溶接されたことを特徴とする高炉用ステーブクーラ。
2. 銅または銅合金製ステーブ本体に給排水取出管が溶接され、該ステーブ本体と高炉鉄皮とが複数の鋼製取付ボルトにより固定された高炉用ステーブクーラにおいて、前記ステーブ本体に給排水管を包囲するように保護管が溶接され、前記鉄皮に形成された開口部の外周の鉄皮面に前記保護管を包囲するように板厚８〜１０ｍｍの側板と板厚５〜７ｍｍのシールプレートからなるコーミングボックスが設けられ、該コーミングボックスの前記側板端部の一方が鉄皮に溶接され、該側板端部の他方が前記シールプレートを介して前記保護管の外周面に溶接されたことを特徴とする高炉用ステーブクーラ。

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