JP2004012020A

JP2004012020A - ステーブクーラおよびこれを用いた金属精錬方法

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Publication number: JP2004012020A
Application number: JP2002165829A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Yamazaki; 山▲崎▼　比呂志; Takatomo Katagishi; 片岸　敬朋; Norihisa Kadota; 門田　典央
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2002-06-06
Filing date: 2002-06-06
Publication date: 2004-01-15
Anticipated expiration: 2022-06-06
Also published as: JP3702866B2

Abstract

【課題】安価でしかも圧力損失が少ない、銅または銅合金製のステーブクーラと、これを用いた金属精錬方法とを提供する。
【解決手段】銅または銅合金製の鋳造体により構成されるとともに内部に冷媒用流路３ａ〜３ｄを有する本体２を備えるステーブクーラ１である。冷媒用流路３ａ〜３ｄが、本体２の鋳造により形成される第１の部分４−１、４−２と、鋳造を行われた後の本体２に対する穿孔により第１の部分４−１、４−２に接続して形成される第２の部分５とを有するステーブクーラである。第１の部分４−１、４−２が曲線状に形成されるとともに、第２の部分５が直線状に形成される。さらに、第１の部分４−１、４−２は、第２の部分５の両端部にそれぞれ接続して、二つ形成される。
【選択図】　　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ステーブクーラおよびこれを用いた金属精錬方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、冶金炉（以下、「高炉」を例にとる）の炉体を構成する炉壁は、一般的に、鉄皮と、炉体を冷却および保護するために例えば冷却流路等の冷却機構を内蔵し鉄皮の内面側に配置されるステーブクーラと、ステーブクーラの内面側に配置された耐火物とにより構成される。
【０００３】
この種のステーブクーラとして鋳鉄製のステーブクーラが知られている（例えば特開平８−８５８０８号公報参照）。しかし、鋳鉄製ステーブクーラは、一般的に、高炉の炉内における熱負荷によって摩耗、損耗さらには本体の熱膨張や反り等を生じ易く、冷却パイプの破損等により比較的早期に寿命をきたしてしまう。
【０００４】
そこで、材質の変更や冷却配管の高密度化などの改良を図ったステーブクーラが既に開示されている。
しかしながら、このように、冷却配管の高密度化を図ると炉外配管の引回しが複雑化し、またステーブクーラ自体の大型化や給水設備の大容量化を図る必要も生じる。このため、このステーブクーラは、操業の途中で短時間で取替を行う必要がある補修用のステーブクーラとしては適当でない。
【０００５】
近年、冶金炉の新規建設時にステーブクーラを設置する場合や、長期間の操業中断時にステーブクーラを交換する場合等にも対応するため、冶金炉の稼働年数の延長に伴うステーブクーラ自体のよりいっそうの長寿命化や、設置コストのよりいっそうの低下等に対する要請が高まっている。そこで、鋳鉄製ステーブクーラよりもさらに長寿命であって、構造が簡素でかつ安価なステーブクーラが要望されている。
【０００６】
そこで、本体の摩耗、損耗、熱膨張さらには反りが少なく、長寿命であり、さらに構造が簡素なステーブクーラとして、銅または銅合金製のステーブクーラが開発され、既に実用化されている。
【０００７】
例えば特開昭５５−１２２８１０号公報には、銅または銅合金製の圧延材または鍛造材を機械的に穿孔して直線状の冷媒用流路を設けたステーブクーラが提案されている。また、特開平１１−２９３３１２号公報には、本体を銅または銅合金により一体的に鋳造したステーブクーラが提案されており、この公報には鋳造用中子を用いて冷媒用流路を直線状かつ曲線状に設けることが開示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特開昭５５−１２２８１０号公報により提案されたステーブクーラは、圧延材または鍛造材を機械的に穿孔して冷媒用流路を形成するものである。このため、このステーブクーラには、（ｉ）冷媒用流路を曲線状に形成することが難しく、流路の方向転換を行なうには冷媒用流路をクランク状に形成せざるを得ず、供給する冷媒の圧力損失が大きくなってエネルギ損失が大きくなり、大規模な冷媒供給装置を用いる必要があること、および（ｉｉ）クランク状に形成された部分では冷媒がよどみ易く、冷媒用流路の内面に付着物が生じ易くなり、この付着物が成長するとさらに圧力損失の増大や伝熱効率の低下を招き、ステーブクーラの性能低下を伴うことといった課題があった。
【０００９】
また、特開平１１−２９３３１２号公報により提案されたステーブクーラには、（ｉｉｉ）鋳造により形成された冷媒用流路の内面は、当然のことながら粗い鋳肌となるため、圧力損失が大きくなること、および（ｉｖ）砂型を用いて一体的に鋳造された鋳造体は砂抜き部分が多く、作業工数が増加して製造コストが嵩んでしまうことという課題があった。
【００１０】
このように、従来の技術では、圧力損失が少なく、しかも安価な、銅または銅合金製のステーブクーラを提供することは事実上不可能であった。このため、本体に生じる摩耗、損耗、熱膨張さらには反りを抑制でき、長寿命であって、しかも構造を簡素化できるという、銅または銅合金製のステーブクーラが本来有する性能を十分に享受することはできなかった。
【００１１】
本発明の目的は、従来の技術が有するかかる課題に鑑みてなされたものであり、安価でしかも圧力損失が少ない、銅または銅合金製のステーブクーラと、これを用いた金属精錬方法とを提供することであり、かかるステーブクーラを用いることにより、銅または銅合金製のステーブクーラが本来有する性能を十分に享受することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、銅または銅合金製の鋳造体により構成されるとともに内部に冷媒用流路を有する本体を備えるステーブクーラであって、冷媒用流路が、本体の鋳造により形成される第１の部分と、鋳造を行われた後の本体に対する機械加工により第１の部分に接続して形成される第２の部分とを有することを特徴とするステーブクーラである。この本発明にかかるステーブクーラにより、安価でしかも圧力損失が少ない、銅または銅合金製のステーブクーラが提供される。
【００１３】
この本発明にかかるステーブクーラでは、第１の部分が曲線状に形成されるとともに、第２の部分が直線状に形成されることが例示される。これにより、さらに圧力損失を低減することができる。
【００１４】
これらの本発明にかかるステーブクーラでは、第１の部分が、第２の部分の両端部にそれぞれ接続して、二つ形成されることが例示される。
これらの本発明にかかるステーブクーラでは、第１の部分の径が、第２の部分の径よりも大きく設定されることが望ましい。これにより、第１の部分と第２の部分との接続部に段差部が形成されることを防止できる。
【００１５】
これらの本発明にかかるステーブクーラでは、第１の部分の径が、第２の部分に接近するにつれて徐々に小さくなるように設定されることが望ましい。これにより、第１の部分と第２の部分との軸ずれを解消または抑制できる。
【００１６】
別の観点からは、本発明は、上述したステーブクーラを装着された冶金炉を用いて精錬を行なうことを特徴とする金属精錬方法である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかるステーブクーラおよびこれを用いた金属精錬方法の実施の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以降の説明では、本実施の形態のステーブクーラを、冶金炉の一例である高炉に用いた場合を例にとる。
【００１８】
図１は、本実施の形態のステーブクーラを簡略化するとともに透視状態で示す説明図である。また、図２は図１における本体２の上面図であり、図３は図２におけるＡ−Ａ断面図である。
【００１９】
図１〜図３に示すように、本実施の形態のステーブクーラ１は、本体２を有するとともに、この本体２には４つの冷媒用流路３ａ〜３ｄが設けられている。そこで、まず、ステーブクーラ１のこれらの構成要素について説明する。
【００２０】
本実施の形態におけるステーブクーラ１の本体２は、銅合金製　（ＪＩＳ　Ｈ　５１００銅鋳物で規定されるＣｕＣｌ合金）の鋳造体として、略直方体型に構成される。なお、本体２は、本実施の形態のように銅合金製ではなく、銅製としてもよい。
【００２１】
本体２の内部には、本実施の形態では４本の冷媒用流路３ａ〜３ｄが設けられる。なお、これら４本の冷媒用流路３ａ〜３ｄは、いずれも、例えば冷却水等の冷媒を流すための流路であり、さらに、冷媒用流路３ａ、３ｃと冷媒用流路３ｂ、３ｄとは同一の形状に構成される。そこで、以降の説明では、これらの冷媒用流路３ａ〜３ｄのうち冷媒用流路３ｂを例にとることとし、冷媒用流路３ｂ以外の他の冷媒用流路３ａ、３ｄおよび３ｄについては重複する説明を省略する。
【００２２】
図１〜図３に示すように、冷媒用流路３ｂは、第１の部分４−１、４−２と、第２の部分５とを有しており、これが本実施の形態のステーブクーラ１の大きな特徴となっている。そこで、以降の説明では、この第１の部分４−１、４−２および第２の部分５を順次詳細に説明することとする。
【００２３】
（第１の部分４）
第１の部分４−１、４−２は、本実施の形態では、本体２の鋳造の際に砂中子を用いて鋳造に伴って形成される部分であり、図１に示すように、円弧状に屈曲させて形成される。鋳造完了後に形成された第１の部分４−１、４−２の内部に残存する砂中子は、冷却媒体の出入り口となる口６、７から排出される。
【００２４】
このように、本実施の形態では、鋳造により形成される第１の部分４−１、４−２が、第２の部分５の両端部にそれぞれ接続して二つ形成される。したがって、冷媒用流路を方向転換させる場合にも、冷媒用流路３ｂはクランク状に屈曲して形成されることはなく、直線状および曲線状に形成される。このため、この第１の部分４−１、４−２を有する冷媒用流路は、供給される冷媒に生じる圧力損失をできる限り抑制することができ、冷媒供給時のエネルギ損失を小さくすることができる。このため、大規模な冷媒供給装置を用いることなく、冷媒を冷媒用流路に供給することができる。
【００２５】
また、冷媒用流路３ｂがクランク状に屈曲して形成された部分を有さないため、冷媒用流路の内面に付着物を生じ難くなり、この付着物の成長に伴う圧力損失の増大や伝熱効率の低下をできる限り防止できる。このため、このステーブクーラ１は、その当初の性能を長期間にわたって維持することもできる。
【００２６】
（第２の部分５）
第２の部分５は、鋳造を行われた後の本体２に対する機械加工　（穿孔）によって、上述した二つの第１の部分４−１、４−２に接続して形成される部分である。
【００２７】
図４（ａ）〜図４（ｃ）は、本実施の形態における冷媒用流路３ｂの形成工程の一例を経時的に示す説明図である。
図４（ａ）に示すように、本体２の鋳造の際に砂中子を用いることにより、上述したように、第１の部分４−１、４−２が形成される。
【００２８】
次に、図４（ｂ）に示すように、穿孔加工機８の先端に装着された穿孔工具を第１の部分４−１、４−２を介して挿入し、第１の部分４−１、４−２を形成された本体２に機械的な穿孔を行なう。これにより、第２の部分５を第１の部分４−１、４−２に連通させて、形成する。ここで、用いる穿孔加工機８としては、ソリッドカッタが取り付けられたボーリングマシン（深孔加工機）を用い、本体２を掘削することにより、直線状に第２の部分５を穿孔することが例示される。
【００２９】
また、本実施の形態では、図４（ｃ）に示すように、上述した第１の部分４−１、４−２の径は、第２の部分５の径よりも大きくなるように設定される。これにより、第２の部分５の穿孔時に第１の部分４−１、４−２と第２の部分５との接続部に段差が生じても、この段差部を平滑にならす研削補正作業を確実に行い、発生した段差を解消することができる。
【００３０】
ここで、具体的には、第２の部分５の内径Ｄ１と、第１の部分４−１、４−２の内径Ｄ２との関係は、（１）式および（２）式の関係、すなわち
Ｄ２−Ｄ１≧２×Ｌ／１０００　・・・・・（１）
Ｄ１／Ｄ２≧０．５　　・・・・・（２）
にあることが望ましい。
【００３１】
すなわち、（１）式は、第２の部分５の穿孔加工を行なう穿孔加工機の機械的な芯ズレの誤差により決定される式である。Ｄ２−Ｄ１＜２×Ｌ／１０００であると、第２の部分５と第１の部分４−１、４−２との間に切り欠き状の目違いが発生するおそれがあるからである。図５は、第２の部分５と第１の部分４−１との接続部に発生した切り欠き状の目違いの状況を示す説明図である。このような切り欠き状の目違いが発生すると、冷媒供給時に応力集中源となり、本体２の早期の破壊の起点となる恐れがある。
【００３２】
一方、（２）式は、冷媒供給時の圧力損失により規定される式である。すなわち、第２の部分５の内径Ｄ１に比較して、第１の部分４−１、４−２の第２の部分５側の端部の径Ｄ２を小さくし過ぎると、第２の部分５における冷媒の流速が極めて高くなり、これにより、圧力損失が増大する。
【００３３】
また、図６には、ベルヌーイの定理から計算により求めたＤ１／Ｄ２と圧力損失との関係の一例をグラフで示す。なお、冷媒の流速が低い第１の部分４−１、４−２では、溶損防止の観点から流速１ｍ／ｓｅｃ以上を確保することが望ましいため、図６に示す関係を求める計算では、流速を前提とした。
【００３４】
図６にグラフで示すように、径Ｄ１と径Ｄ２の比（Ｄ１／Ｄ２）が０．５を下回ると、圧力損失が如実に増加し始め、経済性を損なわれることがわかる。
さらに、本実施の形態では、第１の部分４−１、４−２の径が、第２の部分５に接近するにつれて徐々に小さくなるように設定される。図７は、第１の部分４−１、４−２の径が、第２の部分５に接近するにつれて徐々に小さくなるように、換言すれば、第１の部分４−１、４−２の第２の部分５側の末端における外径が、第１の部分４−１、４−２の長手方向の平均外径よりも小さくなるように設定された状況を示す説明図であって、図７（ａ）は第２の部分５を穿孔する前の状態を示し、図７（ｂ）は、第２の部分５を穿孔した後に、第１の部分４−１、４−２と第２の部分とが芯ズレしない状態を示し、さらに図７（ｃ）は、第２の部分５を穿孔された後に芯ズレが生じていても切り欠き状の目違いは発生していない状態を示す。
【００３５】
図７（ａ）および図７（ｂ）に示すように、本実施の形態では、第１の部分４−１、４−２の先端の径ｄは、第２の部分５の内径Ｄ１より小さく設定されており、また、第１の部分４−１、４−２のコーナ部の径Ｄ２は、第２の部分５の内径Ｄ１よりも大きく設定されている。同じ外径の曲率があるコーナー部を鋳造時に一体形成し、直線部を穿孔加工すると穿孔加工の芯ズレが生じ、上述した図５や図７（ｃ）に示すように、流路に目違いを生じる。このような芯ズレが生じると、圧力損失や亀裂発生の原因となるおそれがあるため、図７（ａ）および図７（ｂ）に示すように、本実施の形態では、第１の部分４−１、４−２の先端の径ｄは、第２の部分５の内径Ｄ１より小さく設定している。
【００３６】
本実施の形態では、このようにして、図５や図７（ｃ）に示すような穿孔過程での穿孔加工機の芯ズレが生じることが防止される。
このように、本実施の形態によれば、第１の部分４−１、４−２の径が、第２の部分５に接近するにつれて徐々に小さくなるように設定されるため、第１の部分４−１、４−２に穿孔加工機８の先端に装着された穿孔工具を挿入して第２の部分５を穿孔する際に、第１の部分４−１、４−２と第２の部分５との軸ずれを解消または抑制できる。
【００３７】
このようにして、第２の部分５を穿孔した後に、穿孔工具を挿入するために穿孔した作業穴は、閉塞プラグ９等を挿設および溶接することによって閉塞される。閉塞プラグ９としては、本体２の鋳造材と同材質のもの、さらに同純度の高い材質のもの等を用いることができる。具体的には、本実施の形態では、プラグとしては、ＪＩＳ　Ｈ　３２５０銅及び銅合金棒で規定されるＣ１０２０ＢＤの銅棒を、第２の部分５の内径に合わせて機械加工して用いることが、例示される。
【００３８】
そして、このようにして製造された本体２の冷却媒体の出入り口となる口６、７に、冷却媒体の供給及び排出用のパイプ１０を溶接により取り付ける。この冷却媒体の供給及び排出用のパイプ１０としては、ＪＩＳ　Ｈ　１２２０銅及び銅合金継ぎ目無し管に規定されるＣ１２２０Ｔの銅管が例示される。
【００３９】
このように、本実施の形態では、第２の部分５が機械加工により直線状に形成されるため、この部分を鋳造により製造した場合に比較すると、流れる冷媒の圧力損失を顕著に低減することができる。
【００４０】
すなわち、本実施の形態では、冷媒用流路３ｂの全てを本体２の鋳造に伴って形成するのではなく、直線状の部分は機械加工により第２の部分５として形成する。このため、本実施の形態のステーブクーラ１では、この第２の部分５の内面が鋳肌に比べて極めて平滑に形成されるため、第２の部分５を冷媒が流れる際の圧力損失を低減することができる。
【００４１】
また、本実施の形態では、冷媒用流路３ｂの全てを本体２の鋳造の際にこれに伴って形成するのではなく、端部に位置する第１の部分４−１、４−２だけを鋳造により形成するため、砂を抜く部分が局部的に限定されて砂抜き作業が容易となるため、鋳造コストを低減することができる。
【００４２】
さらに、本実施の形態では、冷媒用流路３ｂの全てを本体２の鋳造の際にこれに伴って形成するのではなく、端部に位置する第１の部分４−１、４−２の流路曲がり部を鋳造により曲線状になめらかに形成することができるため、冷媒の圧力損失をできるだけ抑制することができる。
【００４３】
このため、本実施の形態によれば、安価でしかも圧力損失が少ない、銅または銅合金製のステーブクーラ１を提供することができる。
以上のように構成された本実施の形態のステーブクーラ１は、高炉の炉体を構成する鉄皮の内面側に装着され、このステーブクーラの内面側に耐火物を装着されることにより、炉壁を構成する。そして、かかる高炉の操業を行なうことにより、精錬が行なわれる。
【００４４】
このようにして、本実施の形態によれば、安価でしかも圧力損失が少ない、銅または銅合金製のステーブクーラと、これを用いた金属精錬方法とが提供される。このため、本実施の形態によれば、本体に生じる摩耗、損耗、熱膨張さらには反りを抑制でき、長寿命であって、しかも構造を簡素化できるという、銅または銅合金製のステーブクーラが本来有する性能を十分に享受することができる。
【００４５】
【実施例】
さらに、本発明を実施例を参照しながらより詳細に説明する。
▲１▼上述した図１〜図７に示す実施例１と、▲２▼第１の部分４−１、４−２および第２の部分５それぞれの径が同じであること以外は実施例１と同じ条件である実施例２と、▲３▼第１の部分４−１、４−２のみならず第２の部分５も本体の鋳造時に砂中子を用いて一体的に形成したこと以外は実施例１と同じ条件である比較例１と、▲４▼ＪＩＳ　Ｈ　３１００銅及び銅合金の板及び条で規定されるＣ１０２０Ｐ銅板に本実施例で用いたボーリングマシン（深孔加工機）により冷却流路１系統当たり直交する２方向から穿孔した本体を用いた比較例２とにより、ステーブクーラの本体を製造し、砂抜き口に棒状プラグを差込んで溶接固定してから、冷却媒体の供給及び排出用パイプを取り付けことにより、最終的にステーブクーラを組立てた。
【００４６】
なお、比較例１では、形成された冷媒用流路の内部に残存する砂中子は、冷却媒体の出入り口となる口（図１における６、７に相当する口）だけでは、砂抜きできなかったため、ステーブの背面側から冷媒用流路に連通する口を３００ｍｍピッチで穿孔し、この開口から砂抜きを行った。また、比較例２では、冷却媒体の出入り口となる口は、本体の背面からドリルにより穿孔した。
【００４７】
これら４種のステーブクーラを用いて、以下に列記する（ｉ）冷却媒体の圧力損失確認試験と、（ｉｉ）流路の加工状況を確認するための割断調査とを行なった。
（ｉ）圧力損失確認試験
冷却媒体圧力損失の測定試験では冷却媒体として水を用い、冷却媒体の入口圧力と出口圧力との差により圧力損失を測定した。なお、冷却媒体の入側流路内流速は全て２ｍ／ｓｅｃ一定という条件とした。
【００４８】
製造コストは、本発明例１の製造コストを基に製造コスト比（本発明例１、比較例１または比較例２の製造コスト／本発明例１の製造コスト）により比較した。表１に、本発明例１、本発明例２、比較例１および比較例２の試験方法の要旨とその試験結果を示す。なお、表１における「特徴」の欄の符合は上述した図７（ａ）および図７（ｂ）における符合と同じである。
【００４９】
【表１】

【００５０】
表１に示すように、本発明例１および本発明例２は、いずれも、比較例１および比較例２に比較して、圧力損失が小さくなった。
また、比較例１では、鋳造の際における砂抜き作業の工数が多くなり、本発明例１、本発明例２および比較例２と比較して、製造コストが高くなった。
【００５１】
また、比較例１では、流路内面が穿孔加工したものに比較して平滑では無いため、本発明例１および本発明例２と比較して圧力損失が大きくなった。
さらに、比較例２は、曲率部分が無くクランク状に形成されたため、本発明例１および本発明例２に比較して圧力損失が大幅に増大した。
【００５２】
（変形形態）
以上の説明では、本発明にかかるステーブクーラを高炉に用いた場合を例にとったが、本発明は高炉に限定されるものではなく、例えば電気炉や金属精錬炉等の高炉以外の冶金炉においても冷却装置としても同様に好適に使用することができる。
【００５３】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明により、安価でしかも圧力損失が少ない、銅または銅合金製のステーブクーラと、これを用いた金属精錬方法とを提供することができた。このため、本発明によれば、かかるステーブクーラを用いることにより、銅または銅合金製のステーブクーラが本来有する性能を十分に享受することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態のステーブクーラを簡略化するとともに透視状態で示す説明図である。
【図２】図１における本体の上面図である。
【図３】図２におけるＡ−Ａ断面図である。
【図４】図４（ａ）〜図４（ｃ）は、実施の形態における冷媒用流路の形成工程の一例を経時的に示す説明図である。
【図５】第２の部分と第１の部分との接続部に発生した切り欠き状の目違いの状況を示す説明図である。
【図６】ベルヌーイの定理から計算により求めたＤ１／Ｄ２と圧力損失との関係の一例を示すグラフである。
【図７】第１の部分の径が、第２の部分に接近するにつれて徐々に小さくなるように設定された状況を示す説明図であって、図７（ａ）は第２の部分を穿孔する前の状態を示し、図７（ｂ）は、第２の部分を穿孔した後に、第１の部分と第２の部分とが芯ズレしない状態を示し、さらに図７（ｃ）は、第２の部分を穿孔された後に芯ズレが生じていても切り欠き状の目違いは発生していない状態を示す。
【符号の説明】
１　ステーブクーラ
２　本体
３ａ〜３ｄ　冷媒用流路
４−１　、４−２　　第１の部分
５　第２の部分

Claims

銅または銅合金製の鋳造体により構成されるとともに内部に冷媒用流路を有する本体を備えるステーブクーラであって、
前記冷媒用流路は、前記本体の鋳造により形成される第１の部分と、該鋳造を行われた後の前記本体に対する機械加工により前記第１の部分に接続して形成される第２の部分とを有することを特徴とするステーブクーラ。
前記第１の部分は曲線状に形成されるとともに、前記第２の部分は直線状に形成される請求項１に記載されたステーブクーラ。
前記第１の部分は、前記第２の部分の両端部にそれぞれ接続して、二つ形成される請求項１または請求項２に記載されたステーブクーラ。
前記第１の部分の径は、前記第２の部分の径よりも大きく設定される請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載されたステーブクーラ。
前記第１の部分の径は、前記第２の部分に接近するにつれて徐々に小さくなるように設定される請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載されたステーブクーラ。
請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載されたステーブクーラを装着された冶金炉を用いて精錬を行なうことを特徴とする金属精錬方法。