JP2004503736A

JP2004503736A - 炉壁冷却ブロック

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Publication number: JP2004503736A
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Inventors: マックレイ，アラン，ジェイ．
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Abstract

炉壁ブロック（１００）が、鋳造プロセスの間に脱酸素されているまたは不活性雰囲気中で溶融されてＵＮＳタイプＣ８１１００に近い高銅となるＵＮＳタイプＣ１１０００の電解銅鋳込みの内部に鋳造される、ＵＮＳタイプＣ７１５００のＳｃｈｅｄｕｌｅ−４０水パイプ（１０２）を含む。得られる銅パイプ（１０２）の鋳物（１０４）との融合は、関与する２つの銅合金の膨張係数の差が熱サイクル運転中に鋳銅の降伏強さを超えないようになっている。パイプ（１０２）に使用される銅合金の融点は、溶融の間に砂を充填して、比較的薄い壁のパイプ（１０２）が使用できるようになっている。

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は炉坩堝に関し、より詳細には坩堝壁の耐火層の後部に用いられる銅製冷却ブロックに関する。
【０００２】
（背景技術）
金属炉に用いられる高い温度は煉瓦ライニング炉ですら容易に腐蝕する。従来、坩堝内部のライニングに耐火材が使用され、従来技術ではそのライニングの後部に冷却ブロックが使用されてきた。その操作によって壁面に溶融スラグ、かわおよび／または金属の薄い層を凝固させ、それらが脱落しないように安定させる。また、この冷却ブロックは、バーナーブロック、樋、羽口、樽板、鋳型、電極クランプ、注ぎ口ブロック、炉床陽極にも使用される。
【０００３】
現代の乾式冶金法炉の多くは冷却システムを用い、壁、天井、炉床の耐火材の避けることのできない腐蝕を安定化する。冷却ブロックは一般に多くの異なった方法で配置される。冷却ブロックを含む壁、天井、炉床は、円筒炉、楕円炉、熱風炉、ミツビシ型フラッシュ溶解炉及び転炉、Ｉｓａ溶解炉、ＡＣおよびＤＣ電気アーク炉、塩基性酸素炉、電気スラグクリーニング炉、縦型炉、Ｏｕｔｏｋｕｍｐｕフラッシュ溶解炉及び転炉、Ｉｎｃｏフラッシュ溶解炉、電気アーク炉、スラグクリーニング炉、及び反射炉に使用される。
【０００４】
また、冷却ブロックは耐火材の段と交互に層状に構成することもできる。時には耐火煉瓦および／または鋳造可能な耐火材がブロックの熱面に使用され、また、これは平滑であったり、又は、機械加工または鋳込まれたポケットおよび／または溝を有している場合もある。
【０００５】
冷却パイプと金属鋳物とが完全に同一材料でない場合には問題が発生する。異なる材料は異なる熱膨張係数を有し、パイプと鋳物との間の接合強度も変化する。恒常的な熱サイクルによってパイプが鋳造物から緩み、これにより熱効率が著しく低下する。
【０００６】
しかし、パイプは、溶融した鋳造金属よりも高い融点を有する材料から形成することが望ましいが、その理由は、これにより、鋳込みの間の軟化または破損に対して耐えることができるからである。この問題に対処する従来技術のひとつはパイプに砂を固く充填して、パイプの崩壊に対して補強することである。この砂は鋳造物が冷却された後、洗い出される。
【０００７】
少なくとも受入れ可能な使用寿命を提供できる、冷却パイプと金属鋳物材料との幾つかの組み合わせが従来技術において知られている。例えば、Ｆａｌｃｏｎ　Ｆｏｕｎｄｒｙ（Ｌｏｗｅｌｌｖｉｌｌｅ，Ｏｈｉｏ）は、銅製冷却ブロックに鋳込んだモネル−４００製パイプを１９６０年以来製造してきた。（モネル−４００は、ニッケル約６３％と銅３１％との合金の商品名である。）他の会社、ＥｌｅｃｔｒｏＭｅｌｔ（現存しない）およびＡｍｅｒｉｃａｎ　Ｂｒｉｄｇｅ（Ｕ．Ｓ．Ｓｔｅｅｌの前事業部）は、冷却室を良好に形成することのできる、モネル−４００製Ｓｃｈｅｄｕｌｅ−４０またはＳｃｈｅｄｕｌｅ−８０パイプコイル組み立て品を使用した冷却ブロックを設計している。通常、純銅パイプの場合にそうであるように、銅の鋳込みの間、パイプを冷却する必要がない。
【０００８】
残念ながら、故障解析により、銅製冷却ブロックがモネル−４００製パイプと完全には接触していないことが明らかになった。ブロックを破壊試験して、モネル−銅接合を評価すると、多くの欠陥が存在することが判明する。この接合欠陥は熱伝導効率を低下させ、炉冷却パターン全体に未知の問題を導入することになる。
【０００９】
また、従来技術の鋳銅および低銅合金製冷却ブロック、並びに、設計技術が、Ｈａｔｃｈ（Ｍｉｓｓｉｓｓａｕｇａ，Ｃａｎａｄａ）、Ｏｕｔｏｋｕｍｐｕ　ＯＹ（Ｆｉｎｌａｎｄ）、Ｋｖａｅｒｎｅｒ（Ｓｔｏｃｋｔｏｎ，Ｅｎｇｌａｎｄ）、Ｄｅｎａｇ（Ｇｅｒｍａｎｙ）、Ｈｕｎｄｔ　＆　Ｗｅｂｅｒ（Ｓｉｅｇｅｎ，Ｇｅｒｍａｎｙ）、Ｔｕｃｓｏｎ　Ｆｏｕｎｄｒｙ（Ｔｕｃｓｏｎ，Ａｒｉｚｏｎａ）、Ｔｈｏｍａｓ　Ｂｅｇｂｉｅ（Ｓｏｕｔｈ　Ａｆｒｉｃａ）、Ａｌａｂａｍａ　Ｃｏｐｐｅｒ（Ａｌａｂａｍａ）、Ｎｉａｇａｒａ　Ｂｒｏｎｚｅ（Ｎｉａｇａｒａ　Ｆａｌｌｓ、Ｃａｎａｄａ）、Ｈｏｏｇｏｖｅｎｓ（Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ）他によって市場に供給、および／または設計されてきた。
【００１０】
Ｏｕｔｏｋｕｍｐｕ他は水路用に長手方向に穿孔した銅ビレットから銅製冷却ブロックを設計し、製造している。また、水路として押し出し成型した孔も用いられてきたが、これらには幾つかの欠点があった。内部冷却水回路の形成には、内部プラグを有する横断穿孔も含まれている。
【００１１】
穿孔または押し出し成型の設計は全て、ビレットブロックの端部周囲に開いた穿孔端部にプラグを装着することが必要になる。半田付け、溶接、ねじパイプ型プラグが全て試みられた。しかし、それでもなお、それらのブロックの多くは漏れ、その漏れは冶金炉において非常に危険である。
【００１２】
この種のブロックの寸法及び形状は、銅ビレットの鋳造性または鍛造性によって制限される。内部水路のレイアウトは、相互接続した穿孔の組み合わせから通路を構成しなければならず、しばしば非常に制約される。
【００１３】
これに対して、鋳造ブロックは多様なブロック形状と寸法で作ることが可能であり、ほとんどすべての内部配管のレイアウトも可能である。鋳造ブロックは、穿孔およびプラグによるブロックに比べてはるかに大きな熱負荷で使用することができる。
【００１４】
穿孔ブロックおよび鋳造ブロックの製造は、各々独自の問題を提示する。鋳造においては、水パイプは前後において流れと圧力の試験に供される。パイプの壁が水を含んでいるので、製造中の空隙による銅製冷却ブロックを通過する漏れの危険性は非常に少ない。
【００１５】
一般に、従来の鋳造冷却ブロックは、水パイプを所望の形状に形成し、前後に設計値の運転水圧の１５０％で少なくとも１５分間試験することによって製造される。鋳込みの前にパイプの外部を洗浄して、ガス気泡の発生を最小限に抑制し、もって、パイプコイルと鋳込まれた銅との境界に多孔質の鋳造部分が形成される。しばしばパイプの内部に砂を充填して、その軟化に対して堅固化を図るが、銅の鋳造温度よりも著しく高い融点を持たないパイプコイル材料を使用する場合に限る。例えば、通常モネル−４００製パイプは鋳造の前に砂を充填する必要はない。
【００１６】
鋳造鋳型は、多孔質部分、ゲート、押湯、縮みを機械加工で除去できるような特別の許容値をもって作られる。この鋳型は、一般に、結合剤を混合した砂から作られる。砂に押しつけられる原形状は木材および他の成形の容易な材料から作られる。
【００１７】
パイプコイルを、砂鋳型の中の適切な位置にしっかり配置する。溶融炉からの銅を取鍋に注ぐ。銅を不活性ではない雰囲気の中で溶解する場合は、脱酸素剤が必要であろう。酸化物のスラグをすくい取る。取り扱い中または鋳込み中に、銅が早期に固化するのを防ぐために、銅を融点よりも十分高い温度に過熱する。取鍋からの液化した銅は鋳型を満たし、パイプコイルを覆い、押湯の上部に流れるよう十分流動性がなければならない。ガスの気泡は押湯の表面まで上昇するであろう。
【００１８】
脱酸素銅が取鍋から鋳型に注がれると、それが完全に固化するまで鋳物を冷却する。押湯とゲートシステムは機械的に取り除かれる。余剰の材料は、機械加工または切断して除去され、熱面の溝および／またはポケットの形成または仕上げが行なわれる。外側の面には、位置決め、装着またはブロックの持ち上げのために穴を開け、タップを付ける。ブロック間の嵌め合い面に対しては、通常機械加工を行う。必要な機械加工の量はブロックの最終用途に依存する。
【００１９】
表面の欠陥については、最終顧客の要求次第により修理してもよく、また、または修理しなくてもよい。これらの欠陥は研削して除去され、溶接で埋められ、平滑に機械加工される。完成したブロックは、１以上のｘ線検査、目視検査、赤外線熱検査、静水力学的または空気式圧力試験による漏れテストで検査される。熱的および／または電気的試験を用いて、ブロックが最低限の熱的および電気的伝導率を満足するかをチェックする。また、寸法公差もチェックする。サンプルは破壊試験プログラムに使用することができ、製造される同一品または類似品のブロックを、総数に対して予め定めた割合で切り開いて検査する。
【００２０】
銅の内部に鋳込まれた、スチールおよび／または鉄のパイプやチューブを有する冷却ブロックにはいくつかの利点がある。パイプコイルは安価であり、製造、曲げ、溶接、取り付け部品による結合が非常に簡単である。スチールおよび鉄のパイプコイルは、溶融銅を鋳型に注いだ時に溶融しない。得られたブロックは、適切に形成された水路を有する。
【００２１】
しかし、ガス気泡、多孔性、空隙、およびパイプ−鋳物間の融合性の悪さを含む不都合が存在する。このような欠陥は、ｘ線および破壊試験で検出可能である。鋳込まれた銅は、スチールおよび鉄パイプの外部と良好な冶金的接合を形成しない。破壊試験においては、このパイプは鋳込まれた銅から容易に分離する。サンプルは、通常６．３５〜２５．４ｍｍ（０．２５〜１．０インチ）の厚さに切断されて、パイプの断面を露出する。パイプが機械的にロックされないように、切片を横断して切断することにより、スチール−銅の接合の悪さが通常確認できる。このようなパイプは空圧チゼルを使用する前にしばしば脱落する。
【００２２】
銅からパイプへの熱伝導は、融合性の欠如と、パイプ−銅境界の多数の欠陥とによって低下する。したがって、この冷却ブロックは、銅パイプを使用するタイプよりも熱くなる。パイプにおけるスチール及び鉄の非常に低い熱伝導率は、この不十分な問題を更に悪化させる。スチールの熱伝導率は、電解銅が２２６ＢＴＵ／時／°Ｆであるのに比べて、約３３ＢＴＵ／時／°Ｆであり、７倍もの違いがある。
【００２３】
また、パイプ中のスチールと鋳込まれた銅との間には、熱膨張係数における大きな相違がある。パイプ−銅境界の応力は、容易に銅の降伏応力を超え、ブロックの銅は熱サイクルによって亀裂を生じるであろう。熱膨張係数はスチールで約３．８×１０^−６ｃｍ／ｃｍ／℃（６．９×１０^−６ｉｎ／ｉｎ／°Ｆ）、ＵＮＳ　Ｃ８１１００鋳銅で５．４×１０^−６ｃｍ／ｃｍ／℃（９．８×１０^−６ｉｎ／ｉｎ／°Ｆ）である。
【００２４】
周囲を鋳込まれた銅で覆ったステンレススチール製パイプまたはチューブは、更に利点を有する。ステンレススチール製パイプコイルは、スチールまたはカーボンパイプよりもわずかに高価なだけで、ほとんど同じように製造、曲げ、溶接、取り付けが容易である。ステンレススチール製パイプコイルは、溶融銅を鋳型に注ぐ時に溶融しない。得られたブロックには適切に形成された水路を有する。欠点には際立ったものは少ないが、ガス気泡、孔隙、空隙および銅との境界における融合性の欠如は共通である。
【００２５】
ここでも鋳銅は、ステンレススチールパイプの外部と良好な冶金的接合を形成しない。破壊試験によって、ステンレススチール製パイプが鋳銅から容易に分離することが確認される。ステンレススチールの熱伝導率は、スチールよりも更に悪く、例えば、約９．４ＢＴＵ／時／°Ｆにすぎない。ステンレススチールの熱膨張係数は、ＵＮＳ　Ｃ８１１００鋳銅の５．４×１０^−６ｃｍ／ｃｍ／℃（９．８×１０^−６／ｉｎ／ｉｎ／°Ｆ）と比べて、約５．３×１０^−６ｃｍ／ｃｍ／℃（９．６×１０^−６／ｉｎ／ｉｎ／°Ｆ）である。
【００２６】
モネル−４００製パイプまたはチューブは、銅の冷却ブロックの中に鋳込まれる場合、鋳型の中に溶融銅を注いでも、モネル−４００が溶融しないという利点がある。そのため、得られた冷却ブロックは適切に形成された水路を有する。溶融銅はモネル−４００に非常に良く濡れる。そのため、パイプコイルと銅鋳物とは、堅固で完全な境界を形成する。しかし、モネル−４００製パイプコイルは、鋳銅と共に市場で使用される最も高価なパイプコイルである。この製造は非常に難しい。
【００２７】
そうであっても、鋳銅は、通常、モネル−４００製パイプの外部と良好な冶金的接合を形成しない。破壊試験において、空圧チゼルは容易に２つを分離することができる。分離すると、銅粒子は、モネル−４００製パイプ全面積の１０％未満しか被覆していない。典型的なモネル−４００製パイプの表面積の少なくとも９０％は、機械的または冶金的に接合されない。
【００２８】
モネル−４００製パイプで形成された冷却ブロックは、鋳物のコストの約３０％を占める。モネル−４００による標準的な返しベンドや管継手を得ることは、ステンレススチール、カーボンスチール、または鉄パイプ製の相手部材よりも困難である。一般に、モネル−４００製パイプは、鋳造中にいくらか変形するが、重大なものではない。モネル−４００製パイプコイルを砂混合物で堅くすることは、通常は必要ではない。パイプの銅との境界におけるガス気泡、孔隙、空隙および融合性欠如の他の徴候は、パイプコイルの表面洗浄の工程を十分実施すれば通常認められない。
【００２９】
銅からモネル−４００への熱伝導は、パイプ−銅境界の金属融合の欠如によって制限される。熱膨張係数の差は、モネル−４００製パイプコイルと鋳銅間でまだ大きすぎる。モネル−４００と銅境界の応力状態は、緩やかな温度負荷であっても、銅の降伏応力を超えるであろう。熱サイクルでは欠陥が進展する。モネル−４００の熱膨張係数は、ＵＮＳ　Ｃ８１１００鋳銅が５．４×１０^−６ｃｍ／ｃｍ／℃（９．８×１０^−６／ｉｎ／ｉｎ／°Ｆ）であるのに比べて、約４．３×１０^−６ｃｍ／ｃｍ／℃（７．７×１０^−６／ｉｎ／ｉｎ／°Ｆ）である。鋳銅冷却ブロックのモネル−４００製パイプはほとんど安定した動作で良好に使用することができる。
【００３０】
純銅パイプコイルはモネル−４００よりも高価ではないが、カーボンスチールまたは鉄パイプよりも高価である。これは比較的に製造、折り曲げ等が容易である。得られる冷却ブロックは明確な水路を有し、銅パイプへの鋳銅の接合はかなり良い。
【００３１】
得られた銅製冷却ブロックは、鋳銅が純銅製パイプコイルの外部に接合されると、特に低い温度を伝達する傾向がある。鋳銅とのパイプコイルの境界は非常に良好で、従来技術では通常このような冶金的接合は得られない。
【００３２】
しかし、純銅製パイプコイルは、大きな鋳物に使用する場合、軟化または溶融する。パイプコイルは中間ないし大きな寸法のブロックを製作する時には、鋳込みの間冷却しなければならない。パイプのメルトスルーは、特に全てのコーナーで起きる可能性が高い。鋳造中の不均一な冷却とパイプ折り曲げ部の外側の壁が薄いことがメルトスルーの要因である。純銅製パイプコイルは、他の如何なる種類のパイプコイルよりも厚い壁を持たなければならない。他の種類のパイプコイルにはＳｃｈｅｄｕｌｅ−４０以下が使用されるのに比べ、通常は、Ｓｃｈｅｄｕｌｅ−１２０またはＳｃｈｅｄｕｌｅ−１６０の均等物が上記パイプコイルに使用される。
【００３３】
厚い壁の不利な点は、水路の中心間の間隔が大きくなければならないことである。ブロック内部の水の表面積が減少する。モネル−４００およびスチール合金パイプ材料と比べて、熱平衡の熱移動容量が減少する。鋳造の間に必要な冷却量は鋳造所の多くの経験に基づくものである。
【００３４】
ガス気泡、孔隙、空隙、および金属融合性欠如の他の徴候は、パイプの銅との境界に依然として発生するが、スチールまたは鉄パイプの何れよりも著しく少ない。鋳込みの間にパイプを過度に冷却し過ぎると、パイプ外部への良好な冶金的接合が得られない。しかし、冷却量が極端に少ないと、銅パイプの壁にメルトスルーが起こる場合がある。このメルトスルーは水の流れを妨げ、冷却ブロックは使用できなくなる。溶融銅が、鋳込みの間にパイプをメルトスルーして冷却媒体に接触すると危険な爆発が起きる場合がある。
【００３５】
鋳銅製冷却ブロック内の純銅製パイプは、緩やかな熱サイクル負荷では良好に動作するが、ブロックが良好に形成されている場合に限る。
【００３６】
パイプの代わりに砂芯を使用して、例えば、自動車用エンジンブロックを製造する場合におけるように、銅鋳物内部に水路を形成することができる。砂は有機結合剤と混合されるが、この手法は内部に予め形成したパイプコイルを使用するよりも安価である。得られたブロックは適切に形成された水路を有することができ、そして、砂は鋳物が固化した後で容易に除去される。冷却水は鋳銅製冷却ブロックと密に接触し、そして、これにより、熱伝導が最高に高められる。
【００３７】
しかし、鋳造の間に砂の一部が移動して水の閉込めを壊す場合がある。砂芯を機械的に支持しなければならないので、予備パイプコイルを用いた場合よりも、水路の設計において自由度がない。この鋳物を作るには鋳造所の多くの経験が必要である。ガス気泡、孔隙、空隙および融合欠陥が発生する。水路の内部はパイプほど平滑ではなく、これによって水圧勾配が大きくなる。しばしば、大きな供給ポンプと配管が必要になる。砂芯を用いた場合の鋳造ブロックの不良率は、高融点の材料のパイプを用いた場合よりも高い。
【００３８】
内部パイプが無いので漏れの危険性が高い。砂芯用のスチール製通気口／支持パイプは、プラグを用いて、そして／または溶接で封止しなければならない。通気口が無い場合には、鋳物はガス気泡で満たされる。砂芯が落ち込んでしまうため、支持パイプが必要である。また、これらのスチールパイプは孔隙や、厚み全体に広がる欠陥の原因ともなり得る。
【００３９】
砂芯鋳銅製冷却ブロックは、特に低い温度を伝達する。ブロックが良好に作られていれば、これは緩やかな熱サイクル負荷で良好に動作する。
【００４０】
冷却ブロックは、典型的なものとして、スチールまたは銅製水パイプを含み、これは、砂で充填され、そして、スチールまたは銅のブロックの中に鋳込まれる。例えば、１９９９年５月１８日付をもって、Ｕｌｒｉｃｈ　Ｓｔｅｉｎに発行された米国特許第５，９０４，８９３号には、鉄およびスチール工業用の冶金炉、熱風炉、直接還元反応炉、耐火ライニング付きガスユニット用の冷却プレートが記載されている。厚い壁を有する銅製パイプのパターンが鋳型の中に配置され、溶融銅が鋳型に注がれる。いくつかの異なる銅合金の使用についても論じてある。冷却パイプへの鋳銅ブロックの密な接触が冷却ブロックの熱効率を維持するのに必要である。配管の周りに溶融銅を注ぐ間に、厚壁パイプが少量溶融すると言われており、これによってパイプが鋳物に接合する。
【００４１】
Ｎａｎｊｙｏ等による１９７４年８月１３日付き米国特許第３，８２９，５９５号には、壁に冷却ブロックを備える直接電気アーク炉の断面が示されている。本明細書に述べるこの特許および他の特許は全て参照することによって組み込まれている。冷却ブロックはスチール製水冷チューブを有する特別な鋳鉄として記載されている。耐火煉瓦は、冷却ブロックの熱面に切削した水平溝に固定され、それらを機械的に安定させ、熱伝導を向上させる。
【００４２】
１９９７年１０月１４日発行のＡｘｅｌ　Ｋｕｂｂｕｔａｔ等による米国特許第５，６７６，９０８号には、軸型炉の冷却プレートが記載されている。この冷却プレートは、耐火ライニングの後部に使用され、鋳鉄で形成された従来技術の装置よりも改善されている旨述べられている。また、この特許は、鋳銅製冷却プレートが、より密度の高い鍛造または圧延された銅原料に比べて熱の伝導能力が低いことを批判している。実際に、冷却システムと一体化した強化ヘッド端部を備える炉冷却プレートが教示されている。
【００４３】
Ｕｌｒｉｃｈ　Ｓｔｅｉｎは、１９９９年５月１８日付発行の米国特許第５，９０４，８９３号において、プレート冷却器について記述している。低銅合金と共に鋳銅が使用されている。ウェブ付き／溝付きおよび平滑面の冷却プレートが記載されている。純銅製パイプを用いることから、Ｕｌｒｉｃｈ　Ｓｔｅｉｎは市場で入手可能なものよりも厚い壁のパイプを使用するように注意を払っている。第３コラム、６５行から第４コラム、３行。鋳込みの後、パイプ壁の約１〜５ｍｍが融ける。
【００４４】
典型的な鋳込みは、不純物が浮かび出るように鋳型に過剰に注ぐことによって行われる。形成される多孔質の上層部を、必要とする最終寸法まで削り落とすことができる。内部に鋳込まれたパイプは、前後に試験される。典型的な冷却ブロックは、炉の用途に応じて、軽いもので９００グラム（２ポンド）から重いもので数トン程の重さにすることができる。
【００４５】
冷却ブロックに必要なことは、入手が容易で比較的安価な市場の材料から製造が可能であり、しかも、配管と鋳物との間に強い融合が得られることである。膨張係数の差は、作用寿命中に亀裂または他の材料欠陥を起こすことなく、高い熱負荷と熱サイクルに耐えるものでなければならない。
【００４６】
（発明の開示）
本発明の目的は、その作用寿命中、高い熱負荷と恒常的な熱サイクルに耐える冷却ブロックを提供することである。
【００４７】
本発明の他の目的は、入手が容易で比較的安価な市場の材料から製造することのできる冷却ブロックを提供することである。
【００４８】
更に本発明の他の目的は、鋳造中に欠陥を生じがちな、リバースキャップ、内部プラグ、エルボ、または、鋭角な角部を有する他の継手に頼ることなく、強固で平滑なベンド部を内部配管が有するところの冷却ブロックを提供することである。
【００４９】
簡潔に述べれば、本発明の炉冷却ブロックの実施形態は、鋳造プロセスの間に脱酸素を行って、ＵＮＳタイプ８１２００に近い高銅（ｈｉｇｈ−ｃｏｐｐｅｒ）となるＵＮＳタイプＣ１１０００の電解銅の中に鋳込んだ、ＵＮＳタイプＣ７１５００のＳｃｈｅｄｕｌｅ−４０水パイプを含む。得られた鋳物へのパイプの融合は、関与する２つの銅合金の膨張係数の差が、熱サイクル動作中に鋳銅の降伏強さを超えないようになっている。パイプに使用される銅合金の融点は、溶融中に砂を充填した比較的薄い壁のパイプを使用できるように設定されている。
【００５０】
本発明の利点は、熱面と、作用中に配管内を循環する冷却水との間の低い熱抵抗を有する炉冷却ブロックが提供されることである。
【００５１】
本発明の他の利点は、高い熱負荷および熱サイクルの用途に使用できる炉冷却ブロックが提供されることである。
【００５２】
更に本発明の他の利点は、製造が安価な冷却ブロックが提供されることである。
【００５３】
本発明の、上述したこと、および更に他の目的、特徴、および利点は、その特定の実施形態の詳細な以下の説明を、特に付随する図面と結びつけて考察することによって明らかになろう。
【００５４】
（発明の最良の実施形態および工業的用途）
図１Ａ〜１Ｃは、本発明の炉冷却システムの実施形態を示し、本明細書では全体的な符号１００で表す。炉冷却システム１００は、環状に曲げ、冷却ブロック１０４中に鋳込まれたパイプ１０２を含む。一対のフランジ１０６および１０８によって、炉冷却システム１００を鋳造炉坩堝に搭載することが可能である。円錐形の孔１１０は、この坩堝の内部壁を内張りする耐火鋳物または煉瓦に搭載する確実な方法を提供する。一対のパイプ取り付け部品１１２および１１４は水冷循環システムとの結合を提供する。
【００５５】
パイプ１０２は、ＵＮＳタイプＣ７１５００の銅−ニッケル合金を含むことが好ましく、ブロック１０４を鋳造する間に崩壊しないよう砂が充填される。（ＵＮＳタイプＣ７１５００銅−ニッケル合金は銅開発協会（ｔｈｅ　Ｃｏｐｐｅｒ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）では７１５番とも呼ばれる。）冷却ブロックはＵＮＳタイプＣ１１０００の電解銅で鋳造するのが好ましく、これは鋳造プロセスの間に脱酸素される。これは、最終的にＵＮＳタイプ８１２００に等しい高銅合金の鋳物を作り出す。他の実施形態では、ＵＮＳタイプ８１１００に等しい高銅合金の鋳物が製造される。
【００５６】
図２は、冷却ブロック内部に鋳込まれる前の、ＵＮＳタイプＣ７１５００の銅−ニッケル合金製パイプ環２００を示す。これは、鋳造プロセスの前に完全に脱脂、脱酸素を行って良好な融合と接合を確実にする。純銅は約１０８２℃（１９８０°Ｆ）で融け、溶接の場合には通常予備加熱が必要であるので、パイプ環２００は、ブロックの内部に鋳込まれる直前に予備加熱するのが有利であろう。また、予備加熱は鋳型およびパイプコイルから水分が蒸発するのを助ける。
【００５７】
図２は、所望の形状に曲げた、単一部品から形成された平滑な壁のパイプ環２００を示す。所望のパターンをこのように作ることができない場合には、パイプ取り付け部品が必要である。この取り付け部品は、全ての鋭角な角部を研磨して溶接する。このようにしない場合には、接合部が鋳物の中の吸蔵物を集め、あるいは空隙を生じる。
【００５８】
炉冷却システム１００の試作品に実施した破壊試験では、ブロック１０４をパイプコイル１０２の円周の約２５％が露出するように切断し、約１６ｍｍ（５／８インチ）の長さに切り分けた。空圧チゼルを用いて銅からパイプを取り外す試みを行った。パイプは鋳銅に融合したままだった。以前試みた、パイプコイルに他のニッケル−銅合金またはモネル−４００を使用した従来技術の装置では、しばしばパイプコイル部分をチゼルのみを用いて鋳銅から取り外すことができた。
【００５９】
Ｃｏｍｉｎｃｏ研究所（Ｔｒａｉｌ，Ｂｒｉｔｉｓｈ　Ｃｏｌｕｍｂｉａ，Ｃａｎａｄａ）で用いた走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により、鋳銅の粒子がパイプの銅と冶金的に接合していることが見出された。このような溶接では、ＵＮＳタイプＣ７１５００の銅−ニッケル合金製パイプを鋳銅から取り外すことができなかった。このように良好な冶金的接合は、通常いかなる従来技術のコイル材料、例えば銅パイプ、モネル−４００製パイプ等にも観察されない。
【００６０】
ＵＮＳタイプ　Ｃ７１５００の概略の組成を表Ｉに示す。
【００６１】
【表１】

【００６２】
ＵＮＳタイプＣ７１５００の銅合金は、モネル−４００よりも取り扱いおよび貯蔵によって汚染され難いとはいえ、本発明を実施するには、モネル−４００で通常行われる予防と洗浄手順を実施することが好ましい。例えば、パイプは素手で取り扱ってはならず、厚紙の上に置くべきである。モネル−４００は容易に鉄を捕集する。鋳造の間にパイプの上に残った汚染物はガスに変化し、固化の後に銅鋳物の孔隙となる。
【００６３】
図３は銅−ニッケル相図であり、そして、ＵＮＳタイプＣ７１５００合金が約１１２５℃（２１５０°Ｆ）で融け始めることを示している。モネル−４００の融点はそれよりもわずかに高いだけである。したがって、あまり融点を犠牲にすることなく良好な境界の融合が得られる。
【００６４】
本発明の実施形態において、パイプと鋳銅との境界における通常の応力は、三次元有限要素熱機械応力解析に基づく鋳銅の降伏応力を超えない。したがってサイクル負荷の使用が許される。ＵＮＳタイプＣ７１５００銅−ニッケル合金の熱膨張係数は約５．０×１０^−６ｃｍ／ｃｍ／℃（９．０×１０^−６ｉｎ／ｉｎ／°Ｆ）であり、ＵＮＳタイプ　Ｃ８１１００鋳銅は５．４×１０^−６ｃｍ／ｃｍ／℃（９．８×１０^−６ｉｎ／ｉｎ／°）である。したがって、その差は０．４×１０^−６ｃｍ／ｃｍ／℃（０．８×１０^−６ｉｎ／ｉｎ／°Ｆ）だけである。鋳銅の降伏強さは約９．０ｋｓｉであり、モネル−４００は３０〜４０ｋｓｉである。
【００６５】
したがって、ＡＳＴＭ　スケジュール−４０パイプまたはより薄いパイプを、ＵＮＳタイプＣ７１５００の銅−ニッケル合金パイプコイルに使用することができる。より密な水路間隔が実現可能である。市場の価格は、モネル−４００製パイプよりも安い。完成した銅鋳物は、新合金の熱伝導率が高いので、モネル−４００と比較してより低い温度を伝達するであろう。
【００６６】
モネル−４００と比較して、ＵＮＳタイプＣ７１５００銅−ニッケル合金の融点が低いことは、予備成形したパイプに砂混合物と有機結合剤との混合物を充填して、鋳造プロセスの間パイプを堅くする必要があることを意味する。しかし、冷却は必ずしも必要ではない。パイプコイルを砂で強化しないと、パイプが弛み、あるいは一部分が折れ曲がってブロック熱面に過度に近接して移動するであろう。どちらが起きても冷却ブロックは使用できなくなる。砂混合物は、鋳物が固化した後取り除かれる。
【００６７】
一般に、本発明の実施形態は、融点の差およびパイプと鋳造材料の熱膨張係数の差の間に均衡点を見出すものである。パイプが鋳造の間に溶融または軟化せず、成形の容易な薄い壁を使用できるよう、融点は大きく異なることが必要である。しかし、熱サイクル運転中に材料の降伏強さを超えないように、パイプと鋳造材料の熱膨張係数の差は小さくなければならない。一般に、銅合金は、材料のコストと比較して優れた熱伝導性を有しているので、パイプおよび鋳造材料として好まれる。
【００６８】
したがって、パイプおよび鋳物に使用する銅合金は、それぞれ、融点の差が最大となるような十分異なるもの、また、膨張係数の差が最小となるような十分同じものでなければならない。これらの一般的な制約の中で、実験的に見出した解決は、ＵＮＳタイプＣ７１５００銅−ニッケル合金、および鋳造にＵＮＳＣ８１１００鋳銅を用いる本発明の実施形態であった。銅の熱伝導率は卓越しており、熱サイクル運転によって融合境界の降伏強さを超える応力がかかることはない。他のＵＮＳタイプ合金の組み合わせも満足できることは疑いないが、これらは必ず本明細書に述べた一般的な制約を受けるであろう。
【００６９】
パイプおよび鋳物の降伏強さは、何れも各々の合金の銅含有量が増加すると低下する。例えば、パイプの境界における銅鋳物の最大応力は、３０−ｗ％銅の５６３ｋｇ／ｃｍ^２（８０００ｐｓｉ）から１００−ｗ％銅の１４１ｋｇ／ｃｍ^２（２０００ｐｓｉ）まで殆ど直線的に比例する。パイプの最大応力は、３０−ｗ％銅の９８５ｋｇ／ｃｍ^２（１４０００ｐｓｉ）から１００−ｗ％銅の１４１ｋｇ／ｃｍ^２（２０００ｐｓｉ）まで殆ど直線的に比例する。
【００７０】
【表２】

【００７１】
図４Ａ〜４Ｄは本発明の冷却ブロックの実施形態を示しており、本明細書では一般参照番号４００で表す。冷却ブロック４００は配管面４０４と背中合わせの熱面４０２を含む。一対のＵＮＳＣ７１５００銅−ニッケル合金製パイプ４０６および４０７は、それぞれのパイプカプリング４０８〜４１１で固定される。パイプ４０６および４０７は、固形銅ブロック４１２の内部に鋳込まれる。図４Ａ〜４Ｄは典型的なパターンを示す。垂直溝４１４、水平溝４１６、交差点のポケット４１８が熱面４０２に含まれる。これらは耐火材および／または凝固した浴材料を保持する部位を提供する。垂直溝４１４、水平溝４１６、およびポケット４１８のいずれを使用するかは、その形状および配置と同様に各特別の用途に応じて技術的に選択される。冷却ブロック４００の製造は図１の炉冷却システム１００と類似している。
【００７２】
本発明の特別の実施形態を記述し図示してきたが、これらは本発明の制限を意図するものではない。当業者にとって修正および変更は疑いなく明らかであり、本発明は付随する特許請求項の範囲によってのみ制限されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ〜１Ｃ】本発明の炉冷却システムの実施形態の端面、上面、側面の投影図である。
【図２】図１Ａ〜１Ｃの炉冷却システムに使用されるパイプ環の平面図である。
【図３】銅−ニッケルの相図であって、ＵＮＳタイプＣ７１５００合金が約１１２５℃（２１５０°Ｆ）で融け始めることを示す。
【図４Ａ〜４Ｄ】本発明の冷却ブロックの実施形態の上面図、縦断面図、底部図、横断面図である。

Claims

少なくとも６０重量％の銅を含む銅−ニッケル合金を含み、そして、冷却水路を提供するためのパイプコイルと、
少なくとも５０重量％の銅を含む銅合金を含む炉冷却ブロックとを含む炉冷却システムであって、
前記パイプコイルの回路が、前記炉冷却ブロックの内部に鋳込まれるときに冷却されない炉冷却システム。
前記炉冷却ブロックを鋳造する間、前記パイプコイルを充填する砂状の材料の充填材を更に含む、請求項１に記載の炉冷却システム。
ＵＮＳタイプＣ７１５００銅合金を含み、そして、冷却水路を提供するためのパイプコイルと、
鋳型の内部に鋳込まれるＵＮＳタイプＣ１１０００と同等の高純度銅から、ほぼＵＮＳＣ８１１００までの材料から形成された炉冷却ブロックとを含む炉冷却システムであって、
前記パイプコイルの回路が、前記炉冷却ブロックの内部に鋳込まれるときに冷却されない炉冷却システム。
前記パイプコイルがＡＳＴＭ　スケジュール−４０と同等の最大壁厚さを有する、請求項３に記載の炉冷却システム。
前記パイプコイルの鋳銅製炉冷却ブロックとの境界における応力が、三次元有限要素熱機械応力解析に基づき、設計した熱負荷において鋳銅の降伏応力を超えない、請求項３に記載の炉冷却システム。