JP2010235978A

JP2010235978A - 冷却構造体の製作方法

Info

Publication number: JP2010235978A
Application number: JP2009082752A
Authority: JP
Inventors: Toshihisa Sasaki; 俊久佐々木; Norio Nitta; 法生新田; Kazushi Akagi; 一志赤木; Toshiyuki Nakauma; 俊之中馬
Original assignee: Nippon Steel Corp; Krosaki Harima Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp; Krosaki Harima Corp
Priority date: 2009-03-30
Filing date: 2009-03-30
Publication date: 2010-10-21
Anticipated expiration: 2029-03-30
Also published as: JP5446382B2

Abstract

【課題】受熱盤と冷却パイプとの間の熱抵抗を充分に低減することで冷却能力の改善を図ることができる冷却構造体の製作方法を提供する。
【解決手段】内部を冷却媒体が流れる冷却パイプ（１１）と、冷却対象物に取り付けられる受熱盤であって、冷却パイプ外面との間に微小間隙を確保して冷却パイプを覆う受熱盤（１０）とを準備する。微小間隙に、粉体組成物を水及び／又はアルコールで練り込んだ混練物（１２）を封入する。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷却対象物に取り付けられる受熱盤と、この受熱盤内に挿通され、内部を冷却媒体が流れる冷却パイプとを備えた冷却構造体に関し、特に高炉その他の工業炉の炉体を冷却するために用いられる冷却構造体の製作方法に関する。

例えば、高炉においては、炉内で生じる熱による炉体の劣化を抑えるために、冷却構造体としてのステーブクーラを用いて、炉体を冷却しながら操業が行われる。

図２は、高炉の炉壁の断面図である。ステーブクーラ１は、不定形耐火物２を介して鉄皮３に取り付けられた受熱盤１ａと、この受熱盤１ａ内に挿通され、内部を冷却水が流れる冷却パイプ１ｂとを備える。冷却パイプ１ｂの内部を流れる冷却水により、冷却パイプ１ｂ及び受熱盤１ａを通じて炉体が冷却される。

高炉内の苛酷な熱環境下においては、熱負荷が原因して受熱盤１ａに亀裂が生じることがあり得る。仮に受熱盤１ａに亀裂が生じた場合、それが冷却パイプ１ｂにまで伝播すると水漏れが発生し、高炉の操業に支障をきたすこととなる。そこで、受熱盤１ａから冷却パイプ１ｂへの亀裂の伝播を防止するために、両者間に微小間隙Ｇを確保している（例えば、特許文献１参照）。

しかし、微小間隙Ｇの存在は、受熱盤１ａから冷却パイプ１ｂへの熱の移動を妨げ、ひいてはステーブクーラ１の冷却能力を低下させる原因となる。

そこで、図２の微小間隙Ｇの部分に、薄銅板（特許文献２）、あるいは低融点金属粉をピッチで練り込んだ混練物（特許文献３）を介在させることで、受熱盤１ａから冷却パイプ１ｂへの亀裂の伝播を防止する効果は残しつつ、受熱盤１ａと冷却パイプ１ｂとの間の熱抵抗を低減し、ステーブクーラ１の冷却能力の低下を防止する提案がなされている。

特公昭５０−２１４２０号公報特開２００２−１４６４１８号公報実公昭４８−３６０８６号公報特開２００８−１５６１３３号公報特開昭５３−１３３２１７号公報

特許文献２の薄銅板だと、微小間隙Ｇを隙間なく埋めることができず、どうしても空隙が残ってしまう。このため、受熱盤１ａと冷却パイプ１ｂとの間の熱抵抗を充分に低減することができない。

特許文献３の非水系混練物だと、微小間隙Ｇを隙間なく埋めることはできるが、混練に熱伝導性の悪いピッチを用いているため、受熱盤１ａと冷却パイプ１ｂとの間の熱抵抗を充分に低減することができない。

なお、ピッチに限らず、液状レジンやタール等も含めたいわゆる非水系バインダは、熱伝導性が悪いため、これを混練液に用いると、如何に粉体に熱伝導性に優れたものを用いても、それによる熱伝導性の向上効果が減殺されることとなる。

本発明の目的は、受熱盤と冷却パイプとの間の熱抵抗を充分に低減することで冷却能力の改善を図ることができる冷却構造体の製作方法を提供することである。

本発明の一観点によれば、（ａ）内部を冷却媒体が流れる冷却パイプと、冷却対象物に取り付けられ、前記冷却パイプ外面との間に微小間隙を確保して前記冷却パイプを覆う受熱盤とを準備する工程、並びに（ｂ）前記微小間隙に、粉体組成物を水及び／又はアルコールで練り込んだ混練物を封入する工程を有する冷却構造体の製作方法が提供される。

水及び／又はアルコールは、非水系バインダに比べて熱伝導性に優れる。本発明の混練物は受熱盤と冷却パイプとの間に封入状態で使用されるため、冷却構造体の稼動中も混練物中の水及び／又はアルコールが逸散しにくい。このため、水及び／又はアルコールの熱伝導性の良さがいかんなく活かされる。

従って、用いる粉体組成物の構成が同じであっても、非水系バインダを用いる従来よりも冷却パイプと受熱盤との間の熱抵抗を低減することができ、冷却構造体の冷却能力を改善することができる。

なお、混練液に水を用いた水系の混練物そのものは従来からよく知られている。また、その熱伝導性を高める検討も従来からなされている（特許文献４及び５参照）。しかし、従来の水系の混練物はいずれも、乾燥し固化させてから使用することが前提であり、水そのものの熱伝導性の良さを利用しようという技術思想に基づくものではない。

ステーブクーラの断面図である。高炉のシャフト部における炉壁の断面図である。

図１に、高炉の冷却に用いられるステーブクーラの断面図を示す。このステーブクーラは、炉体に取り付けられる受熱盤１０と、受熱盤１０内に挿通され、内部を冷却水が流れる冷却パイプ１１とを備え、冷却パイプ１１内を流れる冷却水により、冷却パイプ１１及び受熱盤１０を通じて炉体を冷却するものである。

受熱盤１０及び冷却パイプ１１の素材としては、慣用のもの、例えば、鉄若しくは銅又はこれらのいずれかを含む合金その他の金属が用いられる。

このステーブクーラは、受熱盤１０の内面と、冷却パイプ１１の外面との間に、混練液に水及び／又はアルコールを用いた混練物１２を封入した点を最大の特徴としている。

混練物１２は封入状態で使用されるため、ステーブクーラの稼動中も、混練物１２中の水及び／又はアルコールが逸散しにくい。このため、水及び／又はアルコールの熱伝導性の良さがいかんなく活かされ、混練物１２が良好な熱伝導性を示すことができる。このことが、ステーブクーラの冷却能力の改善に寄与する。

既述のように、水系の混練物そのものは従来からよく知られている。しかし、水系の混練物は工業炉、特に高炉には通常適用されない。これは、高炉に用いられる内張り耐火物が水蒸気により酸化をきらうためである。この点、本ステーブクーラにおいては、水及び／又はアルコールの逸散を封入により防止したため、混練物１２の使用が上記水蒸気酸化の問題を引き起こすことはない。

なお、図１において、水及び／又はアルコールのみを、受熱盤１０と冷却パイプ１１との間に封入することも考えられるが、水及び／又はアルコールのみを液密に封入することは難しい。仮に、封入ができたとしても、例えば、使用中の熱負荷で受熱盤１０に亀裂が生じた場合、その亀裂を通じて水及び／又はアルコールが外部、即ち高炉内に容易に流出する懸念がある。

水及び／又はアルコールと共に粉体組成物を併用することで、封入を容易に行え、また仮に受熱盤１０に亀裂が生じた場合でも水及び／又はアルコールが外部に流出しにくい。粉体組成物の存在により、水及び／又はアルコールの逸散を防止する効果が高まる。

また、粉体組成物のみを、受熱盤１０と冷却パイプ１１との間に封入することも考えられるが、粉体組成物中の粒子間にどうしても空隙が残るため、受熱盤１０と冷却パイプ１１との間の熱抵抗を充分に低減することができない。

以下、上記ステーブクーラの製作方法について説明する。

〔第１の例〕

まず、冷却パイプ１１を準備し、これを受熱盤１０となる溶融金属、例えば鋳鉄で鋳ぐるむ。但し、鋳ぐるみに際し、冷却パイプ１１と受熱盤１０との間に微小間隙が形成されるようにする。

具体的には、冷却パイプ１１の外面に耐火ペーストを塗布して受熱盤１０の鋳込みを行うことで、微小間隙が形成される。耐火ペーストは、例えば、シリカ粉や粘土を用いて構成される。

なお、このようにして微小間隙を形成する方法は、公知であるため詳細な説明は省略する（例えば、特許文献１参照）。

次に、受熱盤１０と冷却パイプ１１との間の上記微小間隙に、外部から混練物１２を圧入する。

次に、受熱盤１０の表面における混練物１２の露出部分をシール材１３で閉塞する。シール材１３には、例えば、シリコーンを用いることができる。これにより、混練物１２が封入状態となる。

〔第２の例〕

まず、冷却パイプ１１と、微小間隙を確保して冷却パイプ１１を挟み込むように組み合わされる複数の部材に分割して構成された受熱盤１０とを準備する。

次に、上記複数の部材及び冷却パイプ１１の少なくともいずれか一方の他方との対向面に混練物１２を塗布する。

次に、上記複数の部材で冷却パイプ１１を挟み込み、この状態で上記複数の部材をボルト等で連結して受熱盤１０と成す。

なお、このように複数の部材の連結によって受熱盤１０を構成する手法は、公知であるため詳細な説明は省略する（例えば、特許文献２参照）。

上述した第１の例では、受熱盤１０の表面の位置における上記微小間隙の開口面積を、混練物１２を外部から圧入できる程度に広く確保する必要があったが、本第２の例によると、外部から混練物１２を圧入する必要がないので、上記微小間隙の開口面積を可能な限り小さくすることができる。

このため、上記微小隙間の開口面積を、混練物１２中の水及び／又はアルコールが受熱盤１０の外部に殆ど逸散しない程度に狭くすることで、必ずしもシール材１３を用いなくても、上記複数の部材の連結と同時に混練物１２の封入状態が得られる。

具体的には、混練物１２を構成する粉体組成物の最大粒径をｄとしたとき、上記微小間隙の最大の開口幅が１２ｄ以下であれば、シール材１３を用いなくても、上記複数の部材の連結と同時に混練物１２の封入状態が得られる。上記微小間隙の最大の開口幅は６ｄ以下であることが好ましい。

例えば、粉体組成物の最大粒径が１５０μｍのとき、上記微小間隙の最大の開口幅は１．８ｍｍ以下、好ましくは、０．９ｍｍ以下であれば、上記複数の部材の連結と同時に混練物１２の封入状態が得られる。

但し、微小間隙の開口幅を大きくし、上記複数の部材の連結の後に、外部から混練物１２を追加的に圧入してもよい。その場合は、第１の例の場合と同様、受熱盤１０の表面における混練物１２の露出部分をシール材１３で塞ぐ。

以下、混練物１２の構成について具体的に説明する。

混練物１２は、粉体組成物を水及び／又はアルコールで練り込んでなる。

粉体組成物には、例えば、炭素質原料、炭化珪素質原料、アルミナ質原料、シリカ質原料、アルミナ‐シリカ質原料、その他の耐火性粉体、及び金属粉から選択される一種以上を用いることができる。

粉体組成物としては水及びアルコールよりも熱伝導性に優れたものが好ましい。これにより、水及び／又はアルコールのみを受熱盤１０と冷却パイプ１１との間に封入する場合に比べて、両者間の熱抵抗を低減することができる。

粉体組成物としては、良好な熱伝導性だけでなく、耐酸及び耐アルカリ性も兼ね備える点で炭素質原料、特に黒鉛が好ましい。粉体組成物に占める炭素質原料の割合は６０質量％以上が好ましく、９０質量％以上がより好ましい。

また、粉体組成物に水溶性高分子を含めることが好ましい。水溶性高分子としては、例えば、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ポリエチレンオキサイド、及びポリアクリルアミド等が挙げられる。

水溶性高分子は、以下の（ア）〜（エ）の効果をもつ。

（ア）粉体組成物に水及び／又はアルコールに対する濡れ性の悪い材料、例えば炭素質原料を多く用いた場合でも、これを水及び／又はアルコールと分離させることなく容易に練り込むことを可能とする効果。

（イ）水溶性高分子がもつ保水性によって混練物からの水及び／又はアルコールの逸散を防止する効果。

（ウ）仮に混練物中の水及び／又はアルコールが多少逸散したとしても、粉体組成物を構成する粒子どうしを隔離させることなく繋ぎ止めることで、混練物の熱伝導性の低下を抑制する効果。

（エ）混練物に、平滑な面にもだれ落ちることなく付着させることができる塗布容易性や、狭い空隙にも粉体組成物を水及び／又はアルコールと分離させることなく行き渡らせることができる圧入容易性を付与する効果。

上記（ア）〜（エ）の効果を得る観点から、水溶性高分子の配合量は、粉体組成物に占める割合で、例えば、０．５質量％以上が好ましい。

以上の他、粉体組成物は、βナフタレンスルホン酸ソーダ等の分散剤や、アルミナセメント等の硬化剤といった添加剤を含んでもよい。但し、硬化剤は含まないことが好ましい。混練物１２に硬化剤を含めないことで、受熱盤１０から冷却パイプ１１への亀裂の伝播を防止する効果をより確実なものとすることができる。

水及び／又はアルコールの添加量は、特に限定されない。例えば、粉体組成物１００体積％に対する外かけで５〜８０体積％程度とすることで、混練物に圧入や塗布が可能な作業性を付与することができる。なお、アルコールとしては、メタノールやエタノール等の１価アルコールが好ましい。

本明細書において、混練液の添加量（体積％）は、粉体組成物のゆるみ嵩に基づいて定めるものとする。ゆるみ嵩とは、対象粉体を容器に静かにそそぎ込んだときの対象粉体が占める体積をいう。

図１のステーブクーラを用い、以下の実験を行った。

受熱盤１０の下面（以下、受熱面という）１０ａを電気ヒータで加熱する。受熱面１０ａが８００℃に安定したら、電気ヒータの発熱量は維持したまま、冷却パイプ１１の供給口１１ａから冷却水として約２５℃の工業水を供給する。冷却水の流量は一定値に保ち、冷却パイプ１１の排出口１１ｂから排出される冷却水は循環させることなく廃棄する。

このようにしてある期間、冷却水を流し続け、受熱盤１０内部の温度分布が定常状態に達したときの、図１の点Ａの温度、即ち受熱盤１０の内部における冷却パイプ１１との対向面の温度（以下、受熱盤温度という。）Ｔ_Ａと、冷却パイプ１１から排出された冷却水の温度（以下、出水温度という。）Ｔ_Ｂとを測定する。

表１に、受熱盤１０と冷却パイプ１１との間に介在させたもの（以下、介在物という。）の別に、受熱盤温度Ｔ_Ａと出水温度Ｔ_Ｂとを示す。受熱盤温度Ｔ_Ａが低く、出水温度Ｔ_Ｂが高い程、ステーブクーラの冷却能力が高いことを意味する。

実施例１は、鱗状黒鉛：６０質量％と、粘土：４０質量％とよりなる粉体組成物を外かけ３０体積％の量の水で練り込んだ混練物を用いたものであり、受熱盤温度Ｔ_Ａが比較的低く、かつ出水温度Ｔ_Ｂが比較的高いことから、ステーブクーラが良好な冷却能力を発揮できていることが分かる。

実施例２は、鱗状黒鉛：９５質量％と、増粘剤：５質量％とよりなる粉体組成物を外かけ３０体積％の量の水で練り込んだ混練物を用いたもので、粉体組成物に占める鱗状黒鉛の割合が実施例１よりも高いため、実施例１よりも優れた冷却能力を発揮することができている。

実施例３は、実施例２の混練液である水をアルコールに変更したもので、実施例２にはやや劣るが、優れた冷却能力を発揮することができている。なお、実施例２と３の比較から、混練液としてはアルコールよりも水の方が好ましいことが分かる。

比較例１は、実施例１に対する比較例であり、粉体組成物の構成は実施例１と同じであるが、混練液に熱伝導性の悪いピッチを用いたため、実施例１に比べると、ステーブクーラの冷却能力に劣る。

比較例２は、粉体組成物に占める鱗状黒鉛の割合が１００質量％と実施例２及び３よりも高いが、施工液に熱伝導性の悪いピッチを用いたため、実施例２及び３に比べると、ステーブクーラの冷却能力に著しく劣る。

比較例３は、介在物として水のみを用いたもので、実施例１〜３のいずれよりもステーブクーラの冷却能力に劣る。実施例１及び２は、水と共に水よりも熱伝導性に優れた粉体組成物を併用したので、混練物全体としての熱伝導性が水よりも高い。

比較例４は、充填材として薄銅板を用いたもので、上記微小間隙を完全に埋めることができず、隙間ができたためか、受熱盤温度Ｔ_Ａが相対的に高く、出水温度Ｔ_Ｂが相対的に低い。即ち、冷却パイプの冷却能力がステーブクーラの冷却能力にいかんなく反映されていない。

以上、本発明について具体的に説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、種々の組み合わせ及び改良が可能なことは当業者に自明であろう。

１…ステーブクーラ、１ａ…受熱盤、１ｂ…冷却パイプ、２…不定形耐火物、３…鉄皮、Ｇ…微小間隙、１０…受熱盤、１０ａ…受熱面、１１…冷却パイプ、１１ａ…供給口、１１ｂ…排出口、１２…混練物、１３…シール材。

Claims

（ａ）内部を冷却媒体が流れる冷却パイプと、冷却対象物に取り付けられ、前記冷却パイプ外面との間に微小間隙を確保して前記冷却パイプを覆う受熱盤とを準備する工程、並びに（ｂ）前記微小間隙に、粉体組成物を水及び／又はアルコールで練り込んだ混練物を封入する工程を有する冷却構造体の製作方法。
前記粉体組成物が、黒鉛を６０質量％以上含む請求項１に記載の製作方法。
前記粉体組成物が、水溶性高分子を含む請求項１又は２に記載の製作方法。
請求項１〜３のいずれかに記載の製作方法に使用される前記混練物。