JP2005256176A - 冶金炉用ステーブ - Google Patents

Abstract

【課題】 炉の高熱負荷領域に適用された場合でも長期間に亘って適正な機能を維持することができる冶金炉用ステーブを提供する。
【解決手段】 銅または銅合金製のステーブ本体を一体的に鋳造し、この鋳造時に中子によって冷媒用通路を同時形成して得られるステーブが、炉の高熱負荷領域に適用した際に優れた性能を発揮できることを見出しなされたもので、ステーブ本体が一体的に鋳造された銅または銅合金製の鋳造体で構成され、該ステーブ本体内部に鋳造時に形成された冷媒用通路を有することを特徴とし、特に好ましくは、冷媒用通路が、主通路部とこの主通路部の各端部に曲率をもったコーナー部を介して連成され若しくは曲率をもって連成された入側通路部及び出側通路部とからなり、これら入側通路部及び出側通路部の各端部が冷媒の入口と出口をそれぞれ構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は高炉等の冶金炉に用いられるステーブに関する。

高炉の炉壁構造は、鉄皮の内側に内部冷却機構を備えたステーブ（クーリングステーブ）を設け、このステーブの内側に炉内耐火物が保持される構造となっているが、高炉を一定期間操業すると炉内耐火物が破損等によりステーブから脱落し、ステーブが炉内部に直接曝されるケースが多くなる。したがって、ステーブはこのような炉内耐火物の脱落後も炉内部の熱負荷に耐え得るものでなければならない。

従来、高炉用のステーブとしては鋳鉄製のものが広く用いられており、またその中でも冷却パイプを鋳鉄で鋳包んだ構造のものが一般的である。しかし、このような鋳鉄製ステーブは鋳鉄の熱伝導度が小さいために冷却能が低い。このため特に溶融スラグが存在する高炉下部（朝顔部、切立部、シャフト下部）の高熱負荷領域ではステーブ本体内に高い熱応力が発生して亀裂を生じ易く、この亀裂が冷却パイプに伝播して漏水事故を起こし易い。

このような冷却パイプの破損を防止するため、冷却パイプと鋳物部とを非融着にすることが一般化しているが、このような構造ではステーブの冷却能がさらに低下してしまう。これを補うためにステーブに対する冷却水量の増加、冷却パイプ本数の増加、ステーブ本体の２重化等の対応が考えられるが、ステーブ構造の複雑化、高コスト化をもたらすため好ましくない。また、このような対応をしても高炉下部の高熱負荷領域に適用した場合の冷却効果は十分でなく、高炉の長寿命化、微粉炭多量吹込みなどによる操業条件の苛酷化に伴い、その問題が顕在化してきた。

一方、冶金炉用ステーブとしては銅製（または銅合金製）ステーブが知られている。銅は鋳鉄に較べて熱伝導度が大きいため、銅製ステーブは本体内部の温度が常に低く維持される利点があるが、特に、その高い冷却能のために高炉下部の高熱負荷領域において以下のような作用が得られる。すなわち、高炉下部の高熱負荷領域においてステーブ本体から炉内側耐火物が脱落した場合でも、ステーブ表面に溶融スラグが接触するとすぐに凝固してステーブ表面に難剥離性の凝固スラグ層が生成する。この難剥離性の凝固スラグ層は熱伝導度が非常に小さいため、炉の高熱負荷から銅製ステーブを保護し、且つステーブによる炉内からの抜熱も適切に抑制される。

したがって、高炉の長寿命化、高熱負荷領域での過冷却によるエネルギー損失の低減化、炉壁構造の簡素化とこれによるコスト低減を図るためには、高炉用ステーブ、特に高炉の高熱負荷領域に適用するステーブとしては銅製ステーブが最適であると言える。
従来、高炉用に単体で使用される銅製ステーブとしては、圧延材または鍛造材を機械加工して得られるタイプのもの（特許文献１）と冷却パイプを鋳銅で鋳包んだタイプのものが知られ、また、鋳鉄製ステーブと組み合わせて使用される銅製ステーブとしてジャケット式のものも知られている。
特公昭６３−５６２８３号公報

しかし、これら従来の銅製ステーブには以下のような問題がある。
まず、圧延材または鍛造材を機械加工して得られる銅製ステーブは、機械加工が複雑で製造コストが高く、しかも形状の自由度が小さい等の欠点がある。具体的には、例えば以下のような問題点を挙げることができる。

（1）ステーブ本体には炉内径に応じた曲率を付けることが必要であるが、圧延材等を機械加工してステーブを製造する際にこのような曲率を付けることは、製造コスト等の面で極めて難しい。このためにステーブ本体は平板状の設計にせざるを得ず、その結果、炉の稼動内容積が小さくなる。
（2）ステーブの背面に鉄皮に固定するためのボスやリブを設ける必要があるが、これらは別部品を加工して溶接しなければならず、その分コスト高となる。
（3）炉内側の冷却稼働面に耐火物や凝固スラグを保持するための突起や溝を設ける場合には、厚い板材から削り出す必要があるため製造コストが高くなる。

（4）鋳鉄製ステーブを備えた既設の炉に対して銅製ステーブを新たに取り付け、既設の鋳鉄製ステーブと併用する場合には、炉内側のプロファイルを維持する必要から銅製ステーブの厚みを鋳鉄製ステーブの厚みに合せる必要があるが、この場合には銅製ステーブの厚みは２５０ｍｍにもなり、圧延材等からの削り出しではコスト高となり、場合によっては材料の入手が不可能な場合もある。
（5）ステーブを炉腹（切立）からシャフトにかけての部位に適用する場合、ステーブの形状を縦方向で“くの字”状とする必要があり、このための切削加工や曲げ加工が必要になり、製造コストが高くなる。

さらに、圧延材または鍛造材を機械加工して得られる銅製ステーブでは、ステーブ内部の冷媒用通路は孔開け加工により形成する必要があり、この冷媒用通路のコーナー部を形成するには、通路を直交するように孔開け加工した後、それらの一端を栓溶接する必要があるが、このようにして設けられる通路のコーナー部はＬ型となるため、通路を流れる冷媒（通常、冷却水）の圧力損失が大きくなり、エネルギーロスが大きいという問題がある。また、このようなＬ型のコーナー部では冷却水の淀みを生じるため、この部分の通路内面に付着物が生じやすく、このような付着物が経時的に成長すると冷却水の圧力損失の原因となり、また冷却水とステーブ間での伝熱効率が低下し、冷却水による冷却作用が低下してしまう。さらに、上記のような冷却水の淀みを生じると冷却水流の乱れによって気泡が発生し、この気泡も冷却水による冷却作用を低下させる。そして、上記のような圧力損失が著しくなると冷却水流速にも影響を与え、この影響や上記冷却作用の低下はステーブの機能を低下させる原因にもなる。

また、冷却パイプを鋳包む鋳銅製のステーブには以下のような問題があり、特に下記(1)〜(3)の問題を生じるため、その実際上の使用は困難である。
（1）冷却パイプとこれを鋳包む鋳物部とは溶着せず、せいぜい密着程度の状態であるため、通常は両者間に隙間が形成される。この隙間の存在ために冷却パイプと鋳物部との間の熱伝導が十分でなく、炉内側からの熱負荷により鋳物部が破損を生じ易い。そして、この鋳物部の破損により剥き出しとなった冷却パイプが変形、摩耗を生じ、遂には破損して漏水を生じてしまう。
（2）鋳込み時の熱により冷却パイプが再結晶し、冷却パイプの強度が低下して破損の原因となる場合がある。

（3）銅製の冷却パイプの融点と銅鋳物の融点が同じであるため、鋳込み温度によっては冷却パイプを溶損させてしまう場合がある。これを避けるために鋳込み温度を下げるとガス欠陥が生じ易い。また、このような問題を回避するために冷却パイプだけを鉄製にした場合には、鉄の熱伝導度が小さいためステーブ全体の冷却能が低下してしまう。
（4）ステーブ内部の冷媒用通路を形成するためには、冷却パイプを高精度に曲げ加工する必要があり、また時に複雑な形状に曲げ加工する必要もあることから、製造コストが高い。
（5）冷却パイプを鋳包む際にパイプを正確に位置決めすることが難しく、設計通りの製品が得られない場合がある。特に、冷却パイプの曲げ部においては鋳込み前の曲率寸法が伸び、寸法精度が悪化する場合がある。

また、鋳鉄製ステーブと組み合わせて使用されているジャケット式の鋳銅製ステーブを、仮に単体で用いた場合にも以下のような問題がある。
（1）各ステーブに供給できる冷却水量にはポンプ能力の制約から一定の限度があるが、ジャケット式の鋳銅製ステーブは冷媒用通路の断面積が大きいため、必然的に冷却水流速が小さくなる。一般に炉内からの熱負荷に耐えるためには冷媒用通路内の冷却水は１〜３ｍ／ｓｅｃ程度の流速が必要であるが、ジャケット式の鋳銅製ステーブでは１ｍ／ｓｅｃ未満（一般に０．３ｍ／ｓｅｃ以上、１ｍ／ｓｅｃ未満）の冷却水流速しか得られず、このため炉内からの熱負荷により溶損する恐れがある。

（2）ジャケット式の鋳銅製ステーブでは独立した冷媒用通路を多系統設けようとすると構造が複雑化し、また、上述したように冷媒用通路の１本当りの断面積が大きいため、通常は２系統程度の冷媒用通路しか設けることができない。このためステーブが部分的に溶損した場合でも冷媒用通路の機能が全面的に失われてしまう危険がある。また、部分的な溶損により冷媒用通路からの漏水を生じたような場合でも、点検や補修のために冷却水の供給を停止或いは減少させるとステーブが全面的に溶損してしまう恐れがあり、漏水の点検や補修さえも行うことができない。

（3）ジャケット構造では、冷媒用通路のターン部が多くなるため冷却水の圧力損失が高くなり、エネルギーロスが大きい。また、ステーブの背面に鉄皮に固定するための取付用ボス（取付孔）を設ける必要があるが、ジャケット構造ではこのボスの一部が冷媒用流路に張り出し、これが冷却水の抵抗となるため、冷却水の圧力損失を生じる要因となる。さらに、ジャケット構造のコーナー部では冷却水の淀みを生じるため、この部分の通路内面に付着物が生じやすく、このような付着物が経時的に成長すると冷却水とステーブ間での伝熱効率が低下してしまう。また、上記のような冷却水の淀みを生じると冷却水流の乱れによって気泡が発生し、この気泡が冷却水による冷却作用を低下させる。そして、これらの問題はステーブの機能を低下させる原因にもなる。

したがって本発明の目的は、このような従来技術の課題を解決し、特に高炉下部の高熱負荷領域に適用された場合でも長期間に亘って適正な機能を維持することができ、しかも上述したような従来の銅製ステーブの問題も生じない冶金炉用ステーブを提供することにある。

本発明者らは、高熱負荷領域に適用された銅製ステーブが、炉内側耐火物の脱落後でもステーブ表面に凝固スラグ層が生成されることにより適正な機能を維持することができ、特に高炉の高熱負荷領域に適用されるステーブとして最適であるという観点から、上記従来技術のような問題を生じない銅製ステーブを得るために種々の検討を重ねた結果、銅または銅合金製のステーブ本体を一体的に鋳造し、この鋳造時に中子によって冷媒用通路を同時形成して得られる鋳銅製ステーブが、従来技術のような問題を生じることなく、しかも予想を上回る極めて優れた性能を発揮できることを見出した。

本発明はこのような知見に基づきなされたもので、その特徴は以下の通りである。
（1）ステーブ本体が一体的に鋳造された銅または銅合金製の鋳造体で構成され、該ステーブ本体内部に鋳造時に形成された冷媒用通路を有することを特徴とする冶金炉用ステーブ。
（2）上記（1）のステーブにおいて、冷媒用通路の屈曲部に曲率が付されていることを特徴とする冶金炉用ステーブ。
（3）上記（2）のステーブにおいて、屈曲部の曲率が冷媒用通路の代表内径の３倍以上であることを特徴とする冶金炉用ステーブ。

（4）上記（2）または（3）のステーブにおいて、冷媒用通路が、主通路部と、この主通路部の各端部に曲率をもったコーナー部を介して連成され若しくは曲率をもって連成された入側通路部及び出側通路部とからなり、これら入側通路部及び出側通路部の各端部が冷媒の入口と出口をそれぞれ構成していることを特徴とする冶金炉用ステーブ。
（5）上記（1）〜（4）のいずれかのステーブにおいて、ステーブ本体内部に、鋳造時に形成された２系統以上の独立した冷媒用通路を有することを特徴とする冶金炉用ステーブ。

（6）上記（1）〜（5）のいずれかのステーブにおいて、冷媒用通路の断面積が２５００ｍｍ^２以下であることを特徴とする冶金炉用ステーブ。
（7）上記（1）〜（6）のいずれかのステーブにおいて、ステーブ本体の略中心またはその近傍を通る断面であって、冷媒用通路の複数の主通路部の軸方向と直交する方向でのステーブ本体の断面において、冷媒用通路の合計断面積ｓとステーブ本体（但し、ステーブ本体の前面および／または背面に突起および／または溝が形成されている場合には、当該突起および／または溝が形成された部分の厚みを除いたステーブ本体部分）の断面積Ｓとの比ｓ／Ｓが、０．０５〜０．１５であることを特徴とする冶金炉用ステーブ。

（8）上記（1）〜（7）のいずれかのステーブにおいて、ステーブ本体の冷却稼働面の略全面に突起および／または溝が形成されていることを特徴とする冶金炉用ステーブ。
（9）上記（1）〜（8）のいずれかのステーブにおいて、ステーブ本体の冷却稼働面に炉内側耐火物が固定されていることを特徴とする冶金炉用ステーブ。

以上述べたように本発明の冶金炉用ステーブは、高炉下部の高熱負荷領域に適用された場合でも溶損や割れ等を生じることなく長期間に亘って適正な機能を維持することができ、しかも炉内側耐火物が脱落した場合でも、その優れた冷却能により冷却稼働面に難剥離性で且つ低熱伝導度の凝固スラグ層が形成されるため、炉の高熱負荷に適切に耐えることができ、且つ炉内からの抜熱も適切に防止することできる。加えて、本発明のステーブは、冷媒用通路を含めてステーブ本体が鋳造により一体的に製作されるものであるため、簡易且つ低コストに製造することができるという利点がある。

また、本願の請求項２、３に係る発明では、冷媒用通路の屈曲部に曲率が付されているため、通路内を流れる冷却水の圧力損失を最小限に抑えて冷却水の適正流速を確保することができ、しかも冷却水の淀みも生じないため、この淀みに起因した圧力損失や気泡発生による冷却作用の低下等を生じることがない。

本願の請求項４に係る発明では、冷媒用通路が、主通路部と、この主通路部の各端部に曲率をもったコーナー部を介して連成され若しくは曲率をもって連成された入側通路部及び出側通路部とからなり、且つこれら入側通路部及び出側通路部の各端部が冷媒の入口と出口をそれぞれ構成しているため、冷却水によるステーブ内の冷却を効率的に行なうことができるとともに、冷媒用通路内を流れる冷却水の圧力損失を最小限に抑えて冷却水の適正流速を確保することができ、しかも冷却水の淀みも生じないため、この淀みに起因した圧力損失や気泡発生による冷却作用の低下等を生じることがない。

本願の請求項５に係る発明では、ステーブ本体内部に鋳造時に形成された２系統以上の独立した冷媒用通路を有しているため、ステーブが部分的に溶損した場合でも冷媒用通路の機能が全面的に失われてしまう危険が小さく、また、部分的な溶損により冷媒用通路からの漏水を生じたような場合でも、一部の冷媒用通路の冷却水の供給を停止或いは減少させことにより、定常的な操業を継続しつつ容易に漏水等の点検・補修を行うことができる。

本願の請求項６に係る発明では、冷媒用通路の断面積が２５００ｍｍ^２以下であるため通路内を流れる冷却水の流速を高めることができ、これにより炉からの高熱負荷に耐えることができる高い冷却能が得られる。また、この高い冷却能によって、突発的な熱衝撃等によって冷却稼動面に付着していた凝固スラグ層が剥離した場合でも、凝固スラグ層を速かに再生成させることができ、炉内の高熱負荷によるステーブの破損を適切に防止できる。
本願の請求項７に係る発明では、ステーブ本体の断面における冷媒用通路の断面積の割合を所定の範囲にすることにより、ステーブ本体のより適正な冷却能を確保することができる。

本願の請求項８に係る発明では、ステーブ本体の冷却稼働面に突起および／または溝が形成されているため、炉内側耐火物が脱落した場合でも冷却稼働面に凝固スラグ（冷却稼働面に接触して凝固したスラグ）を確実に付着、保持することができ、この低熱伝導度の凝固スラグ層によって高熱負荷に適切に耐えることができるとともに、炉内からの抜熱も適切に抑制することできる。

図１〜図４は本発明の冶金炉用ステーブの一実施形態を示すもので、図１は平面図、図２は側面図、図３は図２図中のＩＩＩ−ＩＩＩに沿う断面図、図４はステーブＡを鉄皮Ｂに取り付けた状態で示す断面図である。
図において、１はステーブ本体、２ａ〜２ｄはステーブ本体１の内部に形成された冷媒用通路である。通常、ステーブ本体１の冷却稼動面ａには、図２〜図４に仮想線で示すような炉内耐火物３が適宜な固定手段により固定される。この固定手段は任意であるが、例えば、ステーブ本体１の冷却稼動面ａに複数の棒状の支持金具を突設し、この支持金具を炉内耐火物３を構成する各耐火物煉瓦に形成された取付孔に挿入することで、炉内耐火物３をステーブ本体１に支持、固定する構造等が採用できる。

本発明の冶金炉用ステーブは、ステーブ本体１が一体的に鋳造された銅または銅合金製の鋳造体で構成されるとともに、前記冷媒用通路２ａ〜２ｄがステーブ本体鋳造時に形成された冷媒用通路であることを特徴とするものである。このような構造のステーブでは、ステーブ本体１の鋳造時において断面積の小さい中子を用いて冷媒用通路２を同時形成する。
先に述べたように従来の鋳銅製ステーブとしては、冷却パイプを鋳包んだ鋳銅製ステーブとジャケット式の鋳銅製ステーブが知られているだけであり、本発明のようにステーブ本体１が一体的に鋳造された鋳造体で構成され、且つ冷媒用通路２が断面積の小さい中子によってステーブ本体鋳造時に同時形成された構造のものは全く知られていない。

本発明の冶金炉用ステーブでは、ステーブ本体１の内部に形成する冷媒用通路２の本数は任意であるが、冷媒用通路の一部が損傷した場合でも冷却機能を維持することを考慮した場合、ステーブ本体１の内部には２系統以上の独立した冷媒用通路を形成することが好ましく、本実施形態では４系統の独立した冷媒用通路２ａ〜２ｄが形成されている。これらの冷媒用通路２にはその一端側から冷却水等の冷媒（以下、冷却水を例に説明する）が導入され、この冷却水はステーブ本体内部を冷却した後、冷媒用通路の他端側から排出される。

冷媒用通路２は、冷却水の圧力損失をできるだけ少なくし且つ冷却水に淀みを生じることを防止するため、コーナー部等の屈曲部には全て曲率を持たせることが好ましい。
本実施形態の冷媒用通路２ａ〜２ｄは、ステーブ長手方向または幅方向に沿った直線状の主通路部２０と、この主通路部２０の各端部に所定の曲率をもったコーナー部２３を介して連成され若しくは所定の曲率をもって連成された入側通路部２１及び出側通路部２２とからなり、これら入側通路部２１及び出側通路部２２の各端部が冷却水の入口４と出口５をそれぞれ構成している。これら入口４と出口５には、図示しない配管が溶接等により接続される。

冷媒用通路２ａ〜２ｄの各コーナー部２３や入側通路部２１及び出側通路部２２自体の曲率Ｒ（屈曲部の曲率Ｒ）は、冷却水の圧力損失を極力少なくし、且つ冷却水の淀みを生じさせないという観点から、代表内径の３倍以上とすることが好ましい。これらの曲率Ｒが代表内径の３倍未満では、通路を流れる冷却水の圧力損失によるエネルギーロスが大きくなるため好ましくない。また、屈曲部の曲率Ｒが小さいと冷却水の淀みを生じやすくなるため、この部分の通路内面に付着物が生じやすく、このような付着物が経時的に成長すると冷却水の圧力損失の原因となり、また冷却水とステーブ間での伝熱効率が低下し、冷却水による冷却作用が低下してしまう。さらに、上記のような冷却水の淀みを生じると冷却水流の乱れによって気泡が発生しやすくなり、この気泡も冷却水による冷却作用を低下させる。そして、上記のような圧力損失が著しくなると冷却水流速にも影響を与え、この影響や上記冷却作用の低下はステーブの機能を低下させる原因にもなる。

なお、冷媒用通路２の主通路部２０は本実施形態のような直線状以外に適宜な形態を採ることができ、例えば、湾曲状やＳ字状であってもよいし、また、途中のコーナー部に上記のような曲率を持たせることにより２以上の直線状を有する主通路部としてもよい。
冷媒用通路２ａ〜２ｄの断面形状に特別な制限はなく、円形、四角形、楕円形、多角形等、任意の断面形状を採用し得る。

また、冷媒用通路２内での冷却水流速を確保するために、冷媒用通路２ａ〜２ｄの断面積（径方向断面積）は２５００ｍｍ^２以下（より望ましくは、２０００ｍｍ^２以下）とすることが好ましい。先に述べたように通路内での冷却水流速（冷却水線速度）が１ｍ／ｓｅｃ未満であると、ステーブの冷却能が低下するため炉内からの熱負荷によりステーブが溶損する恐れがあるが、冷媒用通路２に冷却水を供給するための一般的なポンプ能力からして、冷媒用通路２の断面積が２５００ｍｍ^２を超えると冷却水流速１ｍ／ｓｅｃ以上を確保できなくなる恐れがある。

炉体に適用されるステーブは、ステーブ本体１から炉内側耐火物３が脱落した場合でも、その冷却能によって冷却稼働面に難剥離性で低熱伝導度の凝固スラグ層を生成させ、この凝固スラグ層によって炉内からの高熱負荷に耐え得るようにすることが必要であり、これによって高炉下部の高熱負荷領域に適用された場合でも溶損や割れ等を生じることなく長期間に亘って適正な機能を維持することができる。しかし、ステーブ本体１の冷却稼働面に生成した凝固スラグ層は、難剥離性ではあるものの、例えば突発的な熱衝撃が加えられたような場合には剥離を生じることがある。このような場合、ステーブ本体１の冷却稼働面にスラグを付着させて凝固スラグ層を速やかに再生成させる必要があり、この凝固スラグ層の再生成が遅れるとステーブ本体が炉内側からの高熱負荷に耐えることができなくなり、溶損や割れを生じやすくなる。

図６は、ステーブ本体１の冷却稼働面に形成された凝固スラグ層が剥離を生じた場合について、剥離前後におけるステーブ本体内部の温度の推移と、凝固スラグ層が剥離後、再生成（再付着）するまでの再生成時間ｔを示している。これによれば、凝固スラグ層の剥離が生じた直後にはステーブ本体１の温度は８０℃前後から一挙に２００℃まで上昇し、この温度からスラグが再付着し始めるに従って温度が徐々に低下し、一定時間（再生成時間ｔ）が経過後、８０℃前後の定常的な温度に戻る。

そして、このように凝固スラグ層が剥離した際の炉内側からの高熱負荷によるステーブ本体の破損（溶損や割れ）を防止するためには、凝固スラグ層の再生成時間ｔをなるべく短くする必要があり、そのためには冷媒用通路２内を流れる冷却水流速を一定レベル以上に維持することが不可欠である。図７は、冷媒用通路２内を流れる冷却水流速と剥離を生じた後の凝固スラグ層の再生成時間ｔとの関係を示したもので、冷却水流速が１ｍ／ｓｅｃ未満では、凝固スラグ層の再生成時間ｔが長すぎるためステーブ本体１に高熱負荷による破損を生じるケースがあることが判る。これに対して、冷却水流速が１ｍ／ｓｅｃ以上ではステーブ本体１に高熱負荷による破損を生じることは殆どない。なお、冷却水流速が４ｍ／ｓｅｃを超えてもそれ以上の効果は期待できないため、経済性の面から冷却水流速は４ｍ／ｓｅｃ以下とすることが好ましい。

また、ステーブ本体１の適正な冷却能を確保するためには、ステーブ本体の断面における冷媒用通路２の断面積（合計断面積）の割合を所定の範囲にすることが好ましい。すなわち、図８に示すようにステーブ本体１の略中心またはその近傍を通る断面であって、冷媒用通路２の複数の主通路部２０の軸方向と直交する方向でのステーブ本体１の断面Ａ−Ａにおいて、冷媒用通路２の合計断面積ｓとステーブ本体１の断面積Ｓとの比ｓ／Ｓが０．０５〜０．１５であることが好ましい。

なお、図８に示すようにステーブ本体１の前面（冷却稼働面ａ）および／または背面（冷却稼働面ａの反対面）に突起および／または溝（図８の場合は溝６）が形成されている場合は、ステーブ本体１の前記断面積Ｓは、その突起および／または溝が形成された部分の厚みｘを除いたステーブ本体部分の断面積とする。したがって、例えば後述する図５に示すようにステーブ本体１の背面（冷却稼働面の反対面）に突起および／または溝が形成されている場合には、ステーブ本体１の断面積Ｓはこの部分の厚みも除いたステーブ本体部分の断面積とする。

上記の比ｓ／Ｓが０．０５未満では、ステーブの冷却能が低いため炉内側からの熱負荷によりステーブが溶損する恐れがある。一方、比ｓ／Ｓが０．１５を超えてもそれ以上の効果は期待できず、またステーブ本体の強度を低下させるおそれもある。

ステーブ本体１の冷却稼働面ａの略全面には、炉内側耐火物３が脱落した後の冷却稼働面ａに先に述べたような凝固スラグ（冷却稼働面ａに接触して凝固したスラグ）を付着させ、これを保持するための溝６が形成されている。この溝６の形成の態様（溝の深さや形成密度等）は任意であり、また、この溝６に代えて或いは溝６とともに突起を設けることもできる。
また、本実施形態では前記溝６の内部に耐火物７が充填されることにより冷却稼働面側が平坦化され、この面に炉内側耐火物２が取り付け固定されている。

本発明のステーブは、ステーブ本体１の内部に形成された冷媒用通路２の内面が鋳造体としての比較的粗い表面（鋳肌面）を有している。そして、このように冷媒用通路２の内面が粗い表面を有することが、ステーブ本体が銅または銅合金製であることと相俟って、ステーブの冷却能の面で以下に述べるような大きな利点となることが判った。

すなわち、先に述べたような圧延材または鍛造材を機械加工して得られる従来タイプのステーブは、機械加工による穿孔によって冷媒用通路を設けるものであるため、冷媒用通路の内面は粗さの小さい平滑な加工面となる。ところで、ステーブに対して非定常的な極めて高い熱負荷が作用した場合（例えば、先に述べたように冷却稼動面の凝固スラグ層が剥離した場合）には、冷媒用通路内を流れる冷却水の核沸騰現象を利用して熱を奪い、ステーブ本体１を速かに冷却することが好ましい。そして、この冷却水の核沸騰現象は、伝熱面（この場合は、冷媒用通路の内面）が粗であるほうが生じ易い。

したがって、冷媒用通路の内面が平滑な加工面である上記従来タイプのステーブ本体では核沸騰現象が生じにくく、このため高い熱負荷が作用した場合にステーブ本体が高温になりやすく、また、温度の降下速度も小さい。これに対して、冷媒用通路２の内面が粗い鋳肌面である本発明のステーブ本体では、冷媒用通路内で核沸騰現象が容易に生じ、これにより瞬時に多量の熱を奪い、ステーブ本体１の温度を速かに低下させることができる。そして、このような作用効果の違いは、ステーブ本体の素材が熱伝導度が高い銅または銅合金である場合に特に顕著であり、したがって、本発明のステーブは圧延材または鍛造材を機械加工して得られる従来タイプのステーブに較べて、優れた冷却能を有していると言える。

ステーブ本体１を銅合金により構成する場合、例えばＪＩＳ
Ｈ ５１００に規定されたＣｕＣ１、ＣｕＣ２、ＣｕＣ３等が用いられ、また、ステーブ本体１を銅合金により構成する場合、例えばクロームジルコン銅、ベリリウム銅等の低合金銅が用いられる。
その他図面において、８はステーブ本体１の背面の複数箇所に形成された取付孔であり、この取付孔８は鋳造時に或いは鋳造後の孔開け加工により形成することができる。
本発明のステーブＡは、例えば、図４に示すように耐火物９を介して鉄皮Ｂの内側に配され、前記取付孔８に嵌挿される固定金具１０により鉄皮Ｂに固定される。

また、本発明のステーブを鋳鉄製ステーブを備えた既設の炉に対して設置し、既設の鋳鉄製ステーブと併用する場合には、炉内側のプロファイルを維持する必要から本発明のステーブの厚みを既設の鋳鉄製ステーブの厚みに合せる必要がある。この場合、図５に示すようにステーブ本体１の背面にリブ１１を突設し、このリブ１１で既設の鋳鉄製ステーブと同等の厚みを出すようにすればよい。このような構造を採ることにより、炉内側のプロファイルが維持されて所謂裏風の発生を防止できるとともに、銅または銅合金製のステーブの軽量化と材料コストの低減化を図ることができる。

本発明のステーブは、銅または銅合金を素材としてステーブ本体１を一体的に鋳造し、この鋳造時に中子によって冷媒用通路２を同時形成することにより製造されるもので、一般には中子としては砂中子が用いられる。
また、本発明のステーブは冷却水の流速を高めるために冷媒用通路２の断面積を比較的小さくするため、鋳造の際に砂中子に熱が部分的に集中すると砂中子の形状が保てなくなる恐れがあり、従来からあるような中子砂（ＳｉＯ_２を主体とする砂）を用いる製造方法では、断面積の小さい冷媒用通路２を確実に形成することは殆ど不可能である。

断面積の小さい冷媒用通路２を確実に形成するためには、高熱伝導率で且つ熱容量が大きく、しかも耐火性がある砂中子を用いる必要があり、これによってはじめて本発明のステーブを製造することが可能となる。そのような中子砂としては、熱伝導率：０．５〜１．５ｋｃａｌ／ｍ・ｈｒ・℃、耐火度ゼーゲルコーン（ＳＫ）：１７〜３７、熱膨張率（５００℃）：０．５〜１．５％、融解点１７５０〜２０００℃程度の物性を有するＺｒＯ_２を主体とした砂（所謂ジルコンサンド）を用いることが好ましい。また、鋳造方法としては、中子砂内に金属パイプを挿通させ、このパイプ内に空気等の冷媒を吹き込んで中子を冷却しつつ鋳造を行うことが好ましい。そして、このような特別な材質の砂中子を採用することと上記の特別な鋳造方式を採用することの組み合せにより、断面積：２５００ｍｍ^２以下という小断面積の冷媒用通路を有する本発明のステーブを製造することが可能となる。

以上のような本発明の冶金炉用ステーブは、従来の銅製ステーブに較べて以下のような利点を有している。
（1）高炉下部の高熱負荷領域に適用された場合でも溶損や割れ等を生じることなく長期間に亘って適正な機能を維持することができ、しかも炉内側耐火物３が脱落した場合でも、その優れた冷却能によって冷却稼働面に難剥離性で低熱伝導度の凝固スラグ層が形成されるため炉内からの高熱負荷に耐えることができ、且つ炉内からの抜熱も適切に抑制される。

（2）ステーブ本体１の内部に形成された冷媒用通路２の内面が鋳造体としての比較的粗い表面（鋳肌面）を有しているため、非定常的に高い熱負荷が作用した場合でも冷媒用通路内で核沸騰現象が容易に生じ、これにより瞬時に多量の熱を奪い、ステーブ本体１の温度を速かに低下させることができ、ステーブ本体の素材が熱伝導度が高い銅または銅合金であることと相俟って、優れた冷却効果を発揮できる。

（3）ステーブ本体１が一体的に鋳造された鋳造体で構成され、その内部の冷媒用通路２もステーブ本体鋳造時に形成されものであるため、従来の圧延材または鍛造材を機械加工して得られる銅製ステーブのような複雑な機械加工を全く行う必要がなく、しかも鋳造体であるため機械加工により得られるステーブのように製造コスト上の問題を生じることなく、ステーブ本体１の形状、構造を任意に選択できる。また、冷媒用通路２のコーナー部２３等の屈曲部にも任意の曲率Ｒを付けることができ、冷媒用通路２を流れる冷却水の圧力損失を適切に防止することができるとともに、通路内での冷却水の淀みの発生も防止できる。

（4）鋳造により冷媒用通路２がステーブ本体１の内部に直接形成されるため、冷却パイプを鋳包む従来の鋳銅製ステーブのような問題、すなわち、冷却パイプと鋳物部間の隙間に起因した鋳物部や冷却パイプの破損、冷却パイプを曲げ加工する際の加工精度の確保、鋳造時のパイプ曲げ部の伸びによる寸法精度の悪化、鋳造時の熱による冷却パイプの強度低下や溶損等の問題を全く生じる恐れがない。

（5）冷媒用通路２をステーブ本体１の鋳造により小断面積に構成するので、従来のジャケット式の鋳銅製ステーブに較べて冷媒用通路２内での冷却水流速を高めること（冷却水流速１ｍ／ｓ以上）ができ、炉内からの高熱負荷に耐えることができる高い冷却能が得られる。また、この高い冷却能によって、突発的な熱衝撃等によって冷却稼動面に付着していた凝固スラグ層が剥離した場合でも、凝固スラグ層を速かに再生成させることができ、炉内の高熱負荷によるステーブの破損を適切に防止できる。

同じく冷媒用通路２をステーブ本体１の鋳造により小断面積に構成するので、独立した多系統の冷媒用通路を設けることができ、ステーブが部分的に溶損した場合でも冷媒用通路２の機能が全面的に失われてしまう危険が小さく、また、ステーブの部分的な溶損により冷媒用通路２からの漏水を生じたような場合でも、一部の冷媒用通路２での冷却水の供給を停止或いは減少させことにより、定常的な操業を継続しつつ容易に漏水等の点検・補修を行うことができる。

（6）また、従来のジャケット式の鋳銅製ステーブのようなターン部の多い複雑な冷媒用通路ではなく、直線状の冷媒用通路２を形成することができ、且つ通路の途中に鉄皮取付用のボスの一部が張り出すようなこともないため、冷却水の圧力損失が少ない。
このように本発明の冶金炉用ステーブは優れた機能を有しているため、高炉において最も熱負荷の高い領域である溶融スラグ存在領域（通常、高炉の朝顔部、切立部、シャフト下部）に適用するステーブとして特に好適である。
また、本発明の冶金炉用ステーブは、スクラップ溶解炉等の高炉以外のシャフト炉型冶金炉、さらには溶融還元炉、電気炉等の種々の冶金炉に適用することができる。

本発明の冶金炉用ステーブの一実施形態を示す平面図 図１に示す冶金炉用ステーブの側面図 図１中のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図 図１に示す冶金炉用ステーブを炉の鉄皮に取付けた状態で示す断面図 本発明の冶金炉用ステーブの他の実施形態を示すもので、ステーブを炉の鉄皮に取付けた状態で示す断面図 ステーブ本体の冷却稼働面に生成した凝固スラグ層が剥離を生じた場合において、剥離前後におけるステーブ本体内部の温度の推移と、凝固スラグ層が剥離後、再生成（再付着）するまでの再生成時間ｔを示すグラフ 冷媒用通路内を流れる冷却水流速と剥離を生じた後の凝固スラグ層の再生成時間ｔとの関係を示すグラフ ステーブ本体の略中心またはその近傍を通る断面であって、冷媒用通路の複数の主通路部の軸方向と直交する方向でのステーブ本体の断面Ａ−Ａを示す説明図

符号の説明

１ ステーブ本体
２，２ａ〜２ｄ 冷媒用通路
３ 炉内側耐火物
４ 入口
５ 出口
６ 溝
７ 耐火物
８ 取付孔
９ 耐火物
２０ 主通路部
２１ 入側通路部
２２ 出側通路部
２３ コーナー部
１０ 固定金具
１１ リブ
Ａ ステーブ
Ｂ 鉄皮
ａ 冷却稼動面

Claims (9)

1. ステーブ本体が一体的に鋳造された銅または銅合金製の鋳造体で構成され、該ステーブ本体内部に鋳造時に形成された冷媒用通路を有することを特徴とする冶金炉用ステーブ。
2. 冷媒用通路の屈曲部に曲率が付されていることを特徴とする請求項１に記載の冶金炉用ステーブ。
3. 屈曲部の曲率が冷媒用通路の代表内径の３倍以上であることを特徴とする請求項２に記載の冶金炉用ステーブ。
4. 冷媒用通路が、主通路部と、この主通路部の各端部に曲率をもったコーナー部を介して連成され若しくは曲率をもって連成された入側通路部及び出側通路部とからなり、これら入側通路部及び出側通路部の各端部が冷媒の入口と出口をそれぞれ構成していることを特徴とする請求項２または３に記載の冶金炉用ステーブ。
5. ステーブ本体内部に、鋳造時に形成された２系統以上の独立した冷媒用通路を有することを特徴とする請求項１、２、３または４に記載の冶金炉用ステーブ。
6. 冷媒用通路の断面積が２５００ｍｍ^２以下であることを特徴とする請求項１、２、３、４または５に記載の冶金炉用ステーブ。
7. ステーブ本体の略中心またはその近傍を通る断面であって、冷媒用通路の複数の主通路部の軸方向と直交する方向でのステーブ本体の断面において、冷媒用通路の合計断面積ｓとステーブ本体（但し、ステーブ本体の前面および／または背面に突起および／または溝が形成されている場合には、当該突起および／または溝が形成された部分の厚みを除いたステーブ本体部分）の断面積Ｓとの比ｓ／Ｓが、０．０５〜０．１５であることを特徴とする請求項１、２、３、４、５または６に記載の冶金炉用ステーブ。
8. ステーブ本体の冷却稼働面の略全面に突起および／または溝が形成されていることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６または７に記載の冶金炉用ステーブ。
9. ステーブ本体の冷却稼働面に炉内側耐火物が固定されていることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７または８に記載の冶金炉用ステーブ。

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