JP2002030315A - ステーブクーラおよびそれに用いる二重管の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】冷却能と冷却管からの水漏れ防止を両立させた
ステーブクーラおよびそれに用いる二重管を製造する方
法を提供する。 【解決手段】内管と外管との界面に酸化物、窒化物ある
いはそれらの混合物からなる厚さ100μｍ以下の介在物
層が存在する炭素鋼二重管を鋳鉄製冷却板の内部に鋳合
わせてなる炉体冷却用ステーブクーラであって、介在物
層が窒化ホウ素であることが望ましい。このステーブク
ーラは、炭素鋼からなる内管の外表面、外管の内表面、
または内管の外表面および外管の内表面に平均粒径が10
μｍ以下の酸化物、窒化物あるいはそれらの混合物から
なる被膜層を形成させた後、外管に内管を挿入して引き
抜き加工を施して製造される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高炉の炉壁などに
設置される冷却用二重管を備えたステーブクーラおよび
その冷却用二重管を製造する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】製鉄用の高炉は、炉体を冷却するため種
々の方法が採られている。その１つに、ステーブクーラ
と呼ばれる冷却体を炉壁に設置することが行われてい
る。

【０００３】図１は、ステーブクーラの縦断面を示す図
である。図１に示すように、ステーブクーラ1は、鋳鉄
製の冷却板2の中に冷却管3および耐火物4を鋳合わせて
製作される。

【０００４】ステーブクーラは、耐火物と鉄皮とからな
る高炉炉壁の鉄皮内部に設置され、炉内の熱負荷から鉄
皮を保護する。このため、ステーブクーラには、高い冷
却能力と熱負荷に対する耐久性が要求される。

【０００５】ステーブクーラには、高炉の操業中に発生
する炉内の熱変動によって熱負荷を受けるとともに、熱
変動による繰り返し熱応力が発生する。このため、ステ
ーブクーラの冷却板2の炉内側（図１の耐火物4が挿入さ
れている側）にクラックが発生し、伝播して冷却管3を
破損することがある。これは、冷却溶媒（冷却水）の漏
洩を招き、高炉操業にとって深刻な障害となる。このた
め、冷却板2の炉内側に発生したクラックが冷却管3に伝
播することを防止する技術が下記のとおり種々提案され
ている。

【０００６】(1)冷却管の外表面に溶鉄との溶着防止剤
を塗布して、鋳鉄鋳込み時に冷却管への浸炭および溶着
を防止したステーブクーラ（特公昭50-21420号公報、参
照）。

【０００７】(2)冷却管を二重管とし、その外管を冷却
板と溶着せしめて一体に鋳込んだステーブクーラ。この
二重冷却管は、軟鋼鋼管を内管とし、これに同質の鋼管
（単管または多層に密に嵌合されたもの）を外管として
互に間隙なく嵌合せしめて製造される。また、通常のシ
ームレスパイプを内管とし、これに鋼帯をスパイラル状
に密に隙間なく一重または多重に巻きつけて製作しても
よい（実公昭48-34882号公報、参照）。

【０００８】(3)内管のＣ当量が0.20〜0.38質量％、外
管のＣ当量が0.15〜0.25質量％の引き抜き二重鋼管の外
側に厚さ0.08〜0.25mmの酸化物被覆を設け、次いで球状
黒鉛鋳鉄と鋳合せてなる非融着型二重冷却管を備えたス
テーブクーラ（特公昭58-49607号公報、参照）。

【０００９】(4)冷却水を通す内管が良伝熱物体層で被
覆され、さらにこれを被覆する外管からなる冷却管を鋳
ぐるんでなるステーブクーラ。その良伝熱物体層は、ア
ルミ、錫、亜鉛、アンチモン、鉛、銅等の非鉄金属、ま
たはそれらの合金もしくは炭素あるいはカーボンランダ
ム等の炭化物などの粉、粒状物である（特開昭50-25405
号公報、参照）。

【００１０】(5)内管の外表面に耐火断熱層（酸化物）
を形成させ、それを外管内に挿入し、内外管を引抜いて
三層二重管とした冷却管を鋳鉄と鋳合わせてなるステー
ブクーラ。その耐火断熱層は、アルミナを主成分とする
セラミック耐火物、またはアルミナに強化材としてSiC
粒子を添加したもの、あるいはZrO₂、MoSi₂などであ
る。（特許2778348号公報(特開平5-306405号公報)、参
照）。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】前記(1)の冷却管の外
表面に溶鉄との溶着防止剤を塗布する方法では、溶着防
止剤の塗布量の変動によって溶着防止効果およびステー
ブクーラの冷却能が変動する。

【００１２】前記(2)の冷却二重管を冷却板と溶着せし
めて一体に鋳込んだステーブクーラでは、冷却板に発生
したクラックが冷却管の内管まで伝播することがある。

【００１３】前記(3)の材質の異なる二重管の外面に酸
化物被覆層を設けて鋳込んだステーブクーラでは、冷却
能力が低下する。

【００１４】前記(4)の界面に良伝熱物体層を介在させ
た二重管を鋳合わせたステーブクーラでは、界面の良伝
熱物体層が安定に形成されないことがあり、冷却板のク
ラックが内管にまで伝播することがある。

【００１５】前記(5)の内管の外表面に耐火断熱層を形
成させた三層二重管を鋳鉄と鋳合わせてなるステーブク
ーラは、耐火断熱層の厚さを大きくして緩冷却機能を持
たせ、ステーブクーラが高炉内で露出したときでも高炉
内を異常に冷却させないことを狙ったものである。

【００１６】ステーブクーラには、優れた冷却能と冷却
管からの水漏れのないことが要求されるが、上記に提案
されたステーブクーラは、これらを両立させることは困
難である。

【００１７】本発明の目的は、これらを両立させること
ができるステーブクーラおよびそれに用いる二重管を製
造する方法を提供することにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、冷却能と
冷却管からの水漏れ防止を両立させるため、種々のステ
ーブクーラについて調査を行い、下記の知見を得ること
ができた。

【００１９】前記(2)に示すようなステーブクーラ、お
よびこれと同等の製法で製作したステーブクーラを解体
し、鋳込まれた二重管の外管と内管の界面部などを調査
した。

【００２０】その結果、内管と外管との界面部は、その
色調が銀白色を呈し、鋼管の黒皮が存在せず、界面が部
分的に結合（金属結合）していることがわかった。これ
は、鋳合わせの高い温度によって鋼管表面の酸化スケー
ルが一酸化炭素などで還元され、清浄な金属面が露出し
た結果と推定される。また、酸洗処理によって黒皮を除
去した鋼管を用いた場合は、より顕著に清浄金属面が露
出することからも上記の推定が裏付けられる。さらに、
二重管が溶鉄に曝されて熱膨張し、その状態から冷却さ
れると、内管と外管とで収縮に差が生じ、界面の面圧が
高い部分で金属結合が生じる。

【００２１】本発明は、上記の知見によって完成され、
その要旨は下記のステーブクーラおよびそれに用いる二
重管を製造する方法にある。

【００２２】鋳鉄製冷却板の内部に炭素鋼二重管を鋳
合わせてなる炉体冷却用ステーブクーラであって、二重
管の内管と外管との界面に酸化物、窒化物あるいはそれ
らの混合物からなる厚さ100μｍ以下の層が介在してい
るステーブクーラ。

【００２３】上記の窒化物は、窒化ホウ素であることが
望ましい。

【００２４】炭素鋼からなる二重管を構成する内管の
外径が外管の内径よりも小さく、内管の外表面、外管の
内表面、または内管の外表面および外管の内表面に平均
粒径が10μｍ以下の酸化物、窒化物あるいはそれらの混
合物からなる被膜層を形成させた後、外管に内管を挿入
して引き抜き加工を施すステーブクーラ用冷却二重管の
製造方法。

【００２５】

【発明の実施の形態】本発明のステーブクーラは、冷却
能力を高めるため冷却板と二重管の外管との界面では金
属結合（溶着）を生じさせ、他方、クラックの進展を防
止するため内管と外管との界面に厚さ100μｍ以下の層
を介在させて金属結合を生じさせないものである。

【００２６】二重管界面の金属結合は、二重管を冷却板
に鋳合わせしたとき発生する。これは、二重管が冷却板
となる溶鉄（1200〜1320℃）で鋳合わされたとき、瞬間
的に加熱され、界面の酸化スケールが還元反応で消失し
て清浄金属面が露出するからである。また、二重管が熱
膨張で変形し、その冷却過程で内管と外管とが収縮の差
によって界面の面圧が部分的に変動する。すなわち、二
重管の界面には、清浄金属面が生じ、面圧の高い部分に
金属結合が生じる。

【００２７】二重管界面の金属結合を防止するには、界
面に薄い介在物層を存在させるのが有効である。介在物
層の厚さは、金属結合を生じさせないためには厚い程良
く、ステーブクーラの冷却能を確保するためには薄い程
良い。しかし、金属結合を生じさせないためには、二重
管を鋳合わせするとき二重管の界面に100μｍまでの介
在物層が存在しておればよいことがわかった。この介在
物層は、鋳合わせたとき熱的に安定な物質である必要が
あり、酸化物、窒化物、またはそれらの混合物が用いら
れる。酸化物にはアルミナ、ジルコニア、マグネシア、
酸化カルシウム等があり、窒化物には窒化アルミニウ
ム、窒化ホウ素等がある。なお、外管内面および内管外
面に酸化スケールが付着している場合は、酸化スケール
は介在物層としてカウントしない。

【００２８】窒化ホウ素は、鋼管に塗布されて潤滑性を
発揮して二重管を製作するとき、内管を外管に挿入する
作業および引き抜き性を高める。また、二重管の界面に
介在物層として存在すると、曲げ加工時にも潤滑性を発
揮して金属結合を防止する働きをする。更に、冷却板に
鋳合わされたとき高温安定性を発揮して金属結合を防止
する。

【００２９】鋳合わせ後の二重管においては、介在物層
の存在は不必要である。すなわち、最終製品たる本発明
のステーブクーラにおいては、その二重管の内管と外管
との界面の介在物層の厚さは0（零）μｍでもよい。し
かし、現実には、鋳合わせの際に存在させた介在物層が
冷却後もほぼそのまま残存するので、上記「100μｍ以
下」を本発明ステーブクーラの二重管における介在物層
とした。

【００３０】次に、介在物層を形成する方法について説
明する。

【００３１】介在物層を形成する酸化物、窒化物あるい
はそれらの混合物を平均粒径が10μｍ以下の粉体とし、
これをシクロヘキサン等の揮発性溶剤に分散させ、鋼管
表面に塗布する。この塗布は、内管の外面、外管の内
面、またはそれぞれの面に行う。その塗布厚さは、界面
の金属結合を防止する必要最小限の厚みで良い。理論的
には、内管外面あるいは外管内面に均一に１粒子厚さの
被覆層が形成できれば効果が確保できる。一方、被覆層
の厚さ（塗布厚さ）の上限は、ステーブクーラの冷却能
を確保するために100μｍとした。塗布方法は、鋼管表
面に塗膜が形成されれば良く、スプレー、手塗り、流し
込み等いずれの方法でもよい。

【００３２】酸化物等の粒子は、小さければ小さいほど
均一な塗布厚さが得られる。しかし、粒子平均粒径が10
μｍを超えると二重管への引き抜き加工時に介在物層が
部分的に欠落してしまい、鋳鉄に鋳合わされてステーブ
クーラとなったとき、界面に金属結合を生じさせる。

【００３３】次いで、被膜層を乾燥し、内管を外管の中
に挿入し、たとえば冷間引き抜き加工によって二重管と
する。この二重管は、所定形状に曲げ加工を施され、外
管外面をショットブラストによって黒皮を除去し、冷却
板となる鋳鉄と鋳合わせてステーブクーラを製作する。
なお、鋳合わせ時に、二重管の内部に冷却媒体を通して
行えば、外管の外面の浸炭深さを浅くできる効果があ
る。

【００３４】

【実施例】冷却管の二重管の鋼管として、表１に示す酸
化スケールを有する内管、外管ともにボイラ・熱交換器
用炭素鋼鋼管（JIS G 3461 STB340、外管鋼管：外径69
mm、厚さ3.55 mm、長さ5 m、および内管鋼管：外径60.5
mm、厚さ6.5 mm、長さ5 m）を用意した。酸化スケール
の調整は、ショットブラストまたは加熱雰囲気を変えて
行った。また、介在物層として、六方晶系グラファイト
型構造に類似した窒化ホウ素（h-BN）の平均粒径が8μ
ｍの粉体を用意した。

【００３５】

【表１】

【００３６】表１に示す試験番号１から６までの発明例
のステーブクーラに用いた二重管は、上記の窒化ホウ素
粉体をシクロヘキサンの溶剤に分散させ、外管鋼管の内
面および内管鋼管の外面に塗布した後、乾燥し、それぞ
れの被膜層厚さを表１に示す範囲となるようにした。塗
布は、外管内面には外管を回転させ管端から溶剤に分散
させた窒化ホウ素を流し込む方法で、内管外面には手塗
りで行った。

【００３７】塗布された内管は、外管内に挿入され、通
常の冷間引き抜き法によって二重管とした。二重管は、
冷却管としての所定形状に曲げ加工を施し、外管外面の
黒皮をショットブラストによって除去した。以下、これ
を冷却管という。

【００３８】冷却管は、所定の鋳型に配置され、管内に
冷却媒体（窒素ガス）を通して溶鉄（球状黒鉛鋳鉄、JI
S G 5502 FCD450）を注入して冷却管を鋳合わせて本発
明のステーブクーラ（厚さ270 mm、幅1000 mm、長さ200
0 mm、）を製造した。

【００３９】比較例として、鋼管の材質を上記の発明例
と同様にして、下記の比較例７および８に示す二重管を
製作し、通常の鋳合わせ方法（内管に冷却媒体を通さな
い方法）によって発明例と同形状のステーブクーラを製
作した。

【００４０】得られたステーブクーラを切断し、二重管
の外管と冷却板との界面部、および外管と内管との界面
部を割断した後、表面を研磨して、光学顕微鏡によって
調べた。それらの結果を表１に示す。

【００４１】発明例１のステーブクーラに使用した二重
管は、管内面に1〜4μｍの酸化スケールが存在する上に
窒化ホウ素粉体を9〜15μｍ被覆した外管用鋼管と、管
外面に1〜16μｍの酸化スケールが存在する上に窒化ホ
ウ素粉体を10〜22μｍ被覆した内管用鋼管とを同心に合
わせ、それを引き抜き加工によって製造した。この二重
管の界面には、粉体の被覆層の厚さ（塗布厚さ）にほぼ
等しい介在物層が認められ、金属結合は観察されなかっ
た。また、外管の外面の最大浸炭深さは、1.5mmと小さ
い。

【００４２】発明例２のステーブクーラに使用した二重
管は、管内面に1〜22μｍの酸化スケールが存在する上
に窒化ホウ素粉体を14〜25μｍ被覆した外管用鋼管と、
管外面に1〜24μｍの酸化スケールが存在する上に窒化
ホウ素粉体を20〜34μｍ被覆した内管用鋼管とを同心に
合わせ、それを引き抜き加工によって製造した。この二
重管の界面には、金属結合が観察されなかった。また、
外管の外面の最大浸炭深さは、1.8mmと小さい。

【００４３】発明例３のステーブクーラに使用した二重
管は、管内面に1〜4μｍの酸化スケールが存在する上に
窒化ホウ素粉体を35〜49μｍ被覆した外管用鋼管と、管
外面に1〜16μｍの酸化スケールを有する内管用鋼管と
を同心に合わせ、それを引き抜き加工によって製造し
た。この二重管の界面には、金属結合が観察されなかっ
た。また、外管の外面の最大浸炭深さは、1.6mmと小さ
い。

【００４４】発明例４のステーブクーラに使用した二重
管は、管内面に1〜4μｍの酸化スケールを有する外管用
鋼管と、管外面に1〜16μｍの酸化スケールが存在する
上に窒化ホウ素粉体を43〜62μｍ被覆した内管用鋼管と
を同心に合わせ、それを引き抜き加工によって製造し
た。この二重管の界面には、金属結合が観察されなかっ
た。また、外管の外面の最大浸炭深さは、1.5mmと小さ
い。

【００４５】発明例５のステーブクーラに使用した二重
管は、管内面に1〜4μｍの酸化スケールを有する外管用
鋼管と、管外面に1〜16μｍの酸化スケールが存在する
上に窒化ホウ素粉体を87〜98μｍ被覆した内管用鋼管と
を同心に合わせ、それを引き抜き加工によって製造し
た。ステーブクーラは、前記二重管を鋳込み温度1320℃
で鋳合わせて製作した。この二重管の界面には、金属結
合が観察されなかった。また、外管の外面の最大浸炭深
さは、2.0mmと小さい。

【００４６】発明例６のステーブクーラは、管内面に1
〜4μｍの酸化スケールが存在する上に窒化ホウ素粉体
を20〜30μｍ被覆した外管用鋼管と、管外面に1〜16μ
ｍの酸化スケールが存在する上に窒化ホウ素粉体を35〜
57μｍ被覆した内管用鋼管とを同心に合わせ、それを引
き抜き加工によって製造した。ステーブクーラは、前記
二重管を鋳込み温度1320℃で鋳合わせて製作した。この
二重管の界面には、金属結合が観察されなかった。ま
た、外管の外面の最大浸炭深さは、2.0mmと小さい。

【００４７】比較例７のステーブクーラに使用した二重
管は、外管鋼管の内面および内管鋼管の外面にショット
ブラストを施して酸化スケール（黒皮）を除去し、外管
鋼管に内管鋼管を挿入して、引き抜き加工によって製造
した。この二重管の界面には、点状の金属結合と面積を
もった金属結合とが観察された。また、外管の外面の最
大浸炭深さは2.8mmと大きい。

【００４８】比較例８のステーブクーラに使用した二重
管は、管内面に7〜24μｍの酸化スケールを有する外管
用鋼管と管外面に1〜26μｍの酸化スケールを有する内
管用鋼管とを同心に合わせ、それを引き抜き加工によっ
て製造した。この二重管の界面には、点状の金属結合が
観察された。また、外管の外面の最大浸炭深さは、3.0m
mと大きい。

【００４９】上記のとおり、本発明例のステーブクーラ
（試験番号１〜６）は、二重管の界面には金属結合を起
こさず、二重管外管の浸炭層の深さも小さい。発明例５
および６から明らかなように、いずれも鋳込み温度が13
20℃と高いにもかかわらず浸炭層の深さが小さいのは、
鋳合わせするとき二重管の内面に窒素ガスを流し、温度
上昇を防止できたためである。

【００５０】

【発明の効果】本発明のステーブクーラに用いる二重管
は、外管鋼管および内管鋼管に揮発性溶媒に混合した酸
化物、窒化物あるいはそれらの混合物を塗布し、乾燥後
同心に挿入し、冷間引き抜きによって製造される。これ
により、外管と内管との界面に10〜100μｍの介在物層
が形成され、冷却板となる溶鉄を鋳合わせても界面には
金属結合を生じない。これにより、本発明のステーブク
ーラは、冷却能に優れ、冷却板にクラックが発生した場
合でも界面の介在物層で進展を防止することができる。
これを高炉に用いれば、冷却体の初期損耗速度が軽減さ
れ、高炉の安定操業と寿命延長に寄与できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ステーブクーラの縦断面を示す図である。

【符号の説明】

１．ステーブクーラ ２．冷却板 ３．冷却管 ４．耐火物

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 畑 義弘 大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号 住友金属工業株式会社内 (72)発明者 高達 洋 大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号 住友金属工業株式会社内 (72)発明者 濱田 昌彦 大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号 住友金属工業株式会社内 (72)発明者 山崎 比呂志 大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号 住友金属工業株式会社内 (72)発明者 簑輪 隆光 茨城県鹿嶋市大字光３番地 住金鹿島総合 サービス株式会社内 (72)発明者 浦丸 光弘 茨城県鹿嶋市大字光３番地 住金鹿島総合 サービス株式会社内 Ｆターム(参考） 4K015 CA05

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】鋳鉄製冷却板の内部に炭素鋼二重管を鋳合
   わせてなる炉体冷却用ステーブクーラであって、二重管
   の内管と外管との界面に酸化物、窒化物またはそれらの
   混合物からなる厚さ100μｍ以下の介在物層を有するこ
   とを特徴とするステーブクーラ。
2. 【請求項２】上記の窒化物は、窒化ホウ素であることを
   特徴とする請求項１に記載のステーブクーラ。
3. 【請求項３】炭素鋼からなる二重管を構成する内管の外
   径が外管の内径よりも小さく、内管の外表面、外管の内
   表面、または内管の外表面および外管の内表面に平均粒
   径が10μｍ以下の酸化物、窒化物あるいはそれらの混合
   物からなる被膜層を形成させた後、外管に内管を挿入し
   て引き抜き加工を施すことを特徴とするステーブクーラ
   用冷却二重管の製造方法。