JP2013522467A - 冶金設備用熱風制御弁 - Google Patents

Abstract

本発明においては、冶金設備用、特に高炉における熱風流を制御するための熱風制御弁（１０）が提案されている。熱風制御弁（１０）は、耐火性ライニング（２０）が施され、内部にガス路（２２）が画定された金属弁ハウジング（１２）と、開位置と閉位置の間において回転軸を中心として弁部材（２４）を回転させることによってガス路（２２）中の自由通路を変更できるようにガス路中に回転可能に配置される弁部材（２４）から構成される。弁部材（２４）には回転軸（２６）を中心として回転対称となる覆いが備えられ、さらに貫通路（２８）が、該弁部材（２４）の回転軸（２６）に対して横方向となるように弁部材中に設けられる。貫通路（２８）はガス路（２２）の断面とほぼ同一な断面を有する。さらに、貫通路（２８）は、弁部材（２４）がその開位置にある時に、ガス路（２２）と一列に並ぶように弁部材（２４）中に配置される。

Description

本発明は概略冶金設備に用いられる熱風制御弁に関し、さらに詳細には高炉へ吹き込まれる熱風の流れ制御に関する。

高炉では、溶鉱炉中における鉄鉱石の還元を補助するために、一般的に熱風（ホットブラスト）と呼ばれる加熱空気が溶鉱炉中へ吹き込まれる。

空気は熱風として炉へ送り込まれる前に１２５０℃まで加熱される。還元ガス及び加熱空気を熱風中へ混入され、炉中の鉄鉱石の還元がさらに促進される。熱風の流れを制御するためのいずれの弁も、極めて高温であって、かつ侵蝕性でもあるガスが伴われる過酷な条件に曝される。

熱風の送り込み導管中にバタフライ弁を取り付けて炉への熱風の流れを制御する方法は公知である。このようなバタフライ弁の１種がＪＰ０９０９５７２０において既公知であり、このバタフライ弁は熱風通路の中心に位置する回転軸上へ取り付けられるディスク形状の制御部材から成っている。前記ディスク状制御部材は、閉位置にある時、熱風の流れに対して垂直となって熱風の流れを遮断する。次いで前記制御部材を開位置へ向けて９０°回転させることができ、この開位置において前記制御部材は熱風の流れに対してほぼ平行となるため、該弁を通して熱風を流すことが可能となる。実際には、熱風は該制御部材の２つの側面上を通過して流れる。かかるバタフライ弁の欠点は、回転軸が導管中の中心に配置されているため、制御部材が全開位置にあっても制御部材が猶熱風通路中にあることである。実際、開位置において、制御部材による流れ制限が最小限に抑えられても、制御部材は該弁中を通る熱風の自由な流れに対して障害となって作用する。また、制御部材は極めて高温に曝されるため、ディスク状制御部材を冷却するための冷却チャネルが設けられる。しかしながら、このような冷却は制御部材への損傷を防止するには十分でない場合が多い。その結果、制御部材は一定期間の経過後に取り替えが必要とされる。しかしながら、制御部材の取り替えは、制御部材へのアクセスが可能となるのは、制御弁が取り外されて導管外へ取り出されている時だけであるため、特に困難な作業となる。保守に要する時間やコストも多大である。

上記説明から理解されるように、バタフライ型熱風制御弁の信頼性及び耐久性は上記極端な条件への曝露によって低下される。かかる制御弁には熱風通路において障害となる欠点があるだけでなく、製造コストの上昇や、より強化された、多頻度かつコストを要する保守管理作業が必要とされる。それゆえ、より性能が高く、好ましくはコスト低減が為される熱風制御弁の提供が必要とされている。

本発明は、上述した欠点が解消され、及び性能が改善された熱風制御弁を提供することを目的とする。本目的は請求項１項に記載された熱風制御弁によって達成される。

本発明は冶金設備に用いられる熱風制御弁、特に高炉へ吹き込まれる熱風の流れを制御する熱風制御弁を提案するものである。本発明に係る熱風制御弁は、内部にガス路が画成され、耐火性ライニングが施された金属弁ハウジングと、前記ガス路中において回転軸を中心に開位置と閉位置の間で弁部材を回転させることによって自由通路を変えられるように回転可能に取り付けられる弁部材から構成される。前記弁部材には回転軸を中心に回転対称となる覆いが備えられ、また弁部材中には弁部材の回転軸に対して横方向に延びる貫通路が設けられる。前記貫通路はガス路の断面とほぼ同一な断面を有する。さらに、該貫通路は、弁部材がその開位置にある時、ガス路と一列に並ぶように弁部材中に配置される。

本発明の重要な観点によれば、前記弁部材には、弁部材をシャフトへ接続するための接続手段が備えられた第一基部と対向第二基部を有し、かつガス路の直径よりも大きい直径を有する円筒体部が構成部分として含められる。該弁部材にはさらに、前記円筒体部の第二基部上へ配置される基部を有する半球体部が構成部分として含められる。

このような熱風制御弁には、制御部材がその開位置にある時、熱風が制御部材の貫通路を通って自由に流れる利点がある。実際には、制御部材は熱風の流れに対して障害とはならない。開位置にある時に２０％まで圧力降下を起こすバタフライ型制御弁とは異なり、開位置にある本発明に従った制御弁を通しての圧力降下は無視しうるレベルである。さらに、閉位置にある場合においても、バタフライ型制御弁は概して多量の漏れを生ずる（４０％まで）。本発明に従った熱風制御弁は特殊な形状（円筒体部及び半球体部）をしているため、漏出は大幅に低減される。従って、熱風の流れ制御を向上させることが可能である。

好ましくは、前記ガス路及び前記貫通路の断面は円形であり、さらに貫通路の直径はガス路の直径とほぼ一致する直径とされる。

有利な態様として、前記貫通路の軸は弁部材の回転軸に対して垂直とされる。

好ましくは、前記半球体部の基部の直径は円筒体部の第二基部の直径にほぼ一致する直径とされる。

前記半球体部の基部はガス路の軸上に位置するように配置するのが有利である。

本発明の重要な観点によれば、前記接続手段は好ましくは円筒体部の第一基部上の接続シューから構成され、この接続シューによって溝内部にあって円筒体部の第一基部に面している連結フランジで周辺溝が形成される。前記連結フランジは円筒体部の第一基部に対して平行であってもよい。しかしながら、連結フランジは好ましくは第一基部の外側周辺へ向かって第一基部から離れるにつれて先細になるように形状化される。

本発明の一実施態様によれば、前記シャフトには、接続シュー中の周辺溝に噛み合うクランプ手段が含められ、該クランプ手段は、シャフトのクランプ手段の回転運動が弁部材へ伝達されるように、クランプ手段の接触面が接続シューの連結フランジに対してきつく接触する状態となる。好ましくは、クランプ手段の接触面と接続シューの連結フランジとの間に耐火性断熱紙が取り付けられる。

前記クランプ手段には好ましくは周辺溝に噛み合う少なくとも２個のクランプ素子が含められ、これらクランプ素子はシャフトの拡張ヘッド部へ接続される。前記少なくとも２個のクランプ素子に噛み合うための固定リングがさらに備えられ、これによってクランプ素子が接続シューから半径方向へ離れる移動が防止される。

前記少なくとも２個のクランプ素子はスクリューを用いて拡張ヘッド部へ接続可能であり、該スクリューには好ましくはクランプ素子を拡張ヘッド部の方へ引っ張るスプリング手段が付与され、また該スクリューには好ましくはスクリューの移動を制限するためのスリーブが備えられる。

シャフト及び接続手段を冷却するため、シャフトには、有利な態様として、シャフトの拡張ヘッド部へ冷媒を送り込むための冷却路が設けられる。

前記少なくとも２個のクランプ素子とシャフトの拡張ヘッド部の間に中間プレートを取り付けることが可能である。かかる中間プレートに弁部材の接続シュー中に設けられた適合溝に噛み合う補助シャフトを付与して形状適合接続を形成することも可能である。このような構成は、前記接触面と連結フランジ間の摩擦接続が不具合となる好ましくない事態においも、弁部材を補助シャフトによって与えられる形状適合接続によって接続されることを確実にするために有益である。

前記クランプ素子、及び又は前記固定リング、及び又は前記中間プレート、及び又は前記補助シャフトは、好ましくは耐熱性スチールから作製される。クランプ手段の種々部分間の隙間には断熱材を取り付けることが可能である。前記弁部材は有利な態様として耐火性材料またはセラミック材料を用いて一体に作製される。

金属弁ハウジングには、好ましくはシャフトを介して弁部材を操作するための側方開口部が設けられ、該側方開口部の直径は弁部材の円筒体部の直径よりも少なくとも若干大きくされる。かかる側方開口部により、管理目的で弁ハウジングから弁部材を容易に引っ込めることが可能となる。点検対象となる弁部材へアクセスするために弁ハウジングを取り除く必要がなくなる。

シャフトに用いられるいずれのベアリングも金属弁の外側に位置しているため、ベアリングが金属弁ハウジング中を支配する極端な過酷条件に曝されることはない。従ってベアリングの耐用期間が延長される。

弁部材の第一基部の周辺部分に環状溝を設け、該環状溝に環状シートを噛み合わせてラビリンスシールを形成することが可能である。かかるラビリンスシールにより、大量の熱風が接続配列へ入り込み、また主密閉配列の方へ移動することを防止可能である。これにより、主密閉配列の耐用期間を延ばすことが可能となる。

図１は本発明に従った熱風制御弁の断面図である。 図２は弁部材と図１のシャフトとの接続の拡大図である。 図３は図１の好ましい実施態様に従った弁部材の透視図である。

発明を実施するための手段

以下、本発明の好ましい実施態様について添付図面を参照しながら説明する。
図１は熱風導管中に設置される熱風制御弁を模式的に示した図である。熱風制御弁１０は、入口端部１４及び出口端部１６を有する金属弁ハウジング１２から成り、各端部は導管（図示せず）へ接続するための接続フランジ１８を有している。内部に関して、弁ハウジング１２には耐火性ライニング２０が施され、このライニング中には熱風を前記入口端部１４から前記出口端部１６へ送り出すためのガス路２２が画成されている。

開位置と閉位置の間において回転軸２６を中心に弁部材２４を回転させることによってガス路２２中の自由通路を変更するため弁部材２４がガス路２２中に回転可能に配置される。弁部材２４には回転軸２６を中心に回転対称となる覆いが備えられる。この弁部材の覆いについては後でさらに詳細に説明する。

弁部材２４にはガス路２２の断面とほぼ同一の断面をもつ貫通路２８が含まれている。この貫通路２８は、弁部材が図１に示す開位置にある時に、貫通路２８がガス路２２と一列に並び、及び熱風が熱風制御弁１０の入口端部１４から出口端部１６へ自由に流れるようにガス路２２の延長を形成するように配置される。

弁部材２４には、弁部材２４をシャフト３６へ接続するための接続シュー３４を伴う第一基部３２を備える円筒体部３０が含まれる。シャフト３６と弁部材２４との接続については後に図２を参照しながらより詳細に説明する。

弁ハウジング１２には、シャフト３６が弁ハウジング外側から弁ハウジング中へ入り込んで弁部材２４へ接続することを可能にする側方開口部３８が設けられる。側方開口部３８は、弁部材２４がこの側方開口部３８を通して弁ハウジング１２から引っ込められるように寸法化される。これにより、弁部材２４の保守あるいは取り替えが容易かつ素早く実施可能となる。弁部材２４へアクセスするために接続フランジ部１８の導管から熱風制御弁１０を取り外す必要はない。弁部材２４とシャフト３６から成る結合体は、シャフト支持集合体４０を接続フランジ４２へ接続することによって適性位置に保持される。

シャフト支持集合体４０には、とりわけシャフトベアリング４４及び主密閉装置４６（好ましくは包装箱形状）が含まれている。これらの部品はすべて弁ハウジング１２の外側、すなわち弁ハウジング内部を支配する侵蝕的条件から離れるように配置されることに注意すべきである。

次に図２を参照しながら、シャフト３６と弁部材２４との接続についてさらに詳細に説明する。第一基部３２の中心部において、弁部材２４は溝５０内部で、斜めになった連結フランジ５２と共に周辺溝５０を形成する接続シュー３４を有している。シャフト３６には該周辺溝５０と噛み合うクランプ手段が含まれている。このクランプ手段は周辺溝５０に噛み合うための鼻部５６を備える少なくとも２つのクランプ素子５４によって形成されている。クランプ素子５４の鼻部５６は接続シュー３４の溝５０の断面にほぼ一致する断面を有している。鼻部５６の接触面５８は、シャフト３６へ回転可能に固定されているクランプ素子５４の回転運動が該接触面５８及び連結フランジ５２を介して弁部材２４へ伝達されるように、接続シュー３４の連結フランジ５２ときつい接触状態にある。前記接触面５８と連結フランジ５２との間に耐火性断熱紙６０を挟み込んでシャフト３６から弁部材２４へ伝達される応力をさらに高めることが可能である。

クランプ素子５４中に配置された周辺溝６４に噛み合う固定リング６２を用いて、少なくとも２つのクランプ素子５４が半径方向外側へ移動することが防止される。

クランプ素子５４は、スクリュー６８を用いてシャフト３６の拡張ヘッド部６６へ連結される。クランプ素子５４はスクリュー６８によって拡張ヘッド部６６の方へ引っ張られる。このように作用させることにより、スクリュー６８によってさらに接触面５８が連結フランジ５２に対してきつく接するように引っ張られるため、クランプ素子５４と弁部材２４の接続シュー３４との良好な接触が確保される。前記拡張ヘッド部６６はシャフト３６と一体に作製可能である。しかしながら、拡張ヘッド部６６は、好ましくは別個に作製され、溶接によってシャフト３６へ固定される。

さらに、中間プレート７０がクランプ素子５４と拡張ヘッド部６６との間に取り付けられる。中間プレート７０と弁部材２４との間において、補助シャフト、例えば中間プレート７０上へ設けられる多角形シャフト７２によって、形状適合接続が、シャフト３６の回転軸２６及び弁部材２４の接続シュー３４中の対応する多角形の窪みと一列に整列するように与えられる。接触面５８と連結フランジ５２との摩擦接続が不具合となる好ましくない事態においても、多角形シャフト７２によって与えられる形状適合接続を用いて弁部材２４を接続することが可能である。

拡張ヘッド部６６及び中間プレート７０において、スクリュー６８は、クランプ素子５４に接触することによってスクリュー６８の移動を制限するスリーブ７６中へ好ましくガイドされる。スリーブ７６はスクリュー６８がきつくなり過ぎないように防止して、クランプ素子５４あるいは接続シュー３４の損傷を防止している。好ましくは、中間プレート７０とスクリューヘッド８０の間に予めストレスの与えられた（pretensioned）スプリング手段７８がさらに設けられる。ディスクスプリングの形状可能であるスプリング手段７８によって、接触ゾーン（連結フランジ５２及び接触面）に対する負荷が所定の張力までに制限される。実際、温度変動によって、接触ゾーンに対する負荷が変動する可能性がある。スプリング手段７８及びスリーブ７６があることにより、この負荷が所定の閾値を超えることはない。

シャフト３６自体を通してシャフト３６の拡張ヘッド部６６へ冷却水を供給することが可能である。シャフトのヘッド部において冷却水は放射状に拡散され、及び公知の方法によって集められる。

本発明のさらに別の重要な観点として、弁部材２４からシャフト３６への緩慢な熱伝達がある。実際、熱風に直接接するように配置される弁部材２４は容易に１２００℃の温度域に到達する。このような高温に耐えられるように、弁部材２４は好ましくは耐火性材料あるいはセラミック材料から作製される。弁部材２４とシャフト３６との間にある種々素子、すなわちクランプ素子５４、固定リング６２、中間プレート７０及び多角形シャフト７２は耐熱スチールから作製されるためシャフト３６への熱伝達は減じられる。熱伝達をさらに減ずるため、種々素子の間へ隙間８２が設けられ、断熱フェルト等の断熱材がこれら隙間８２中へ取り付けられる。種々素子と断熱材との相互作用によってシャフト３６の温度を４０℃程度にすることが可能である。

先に示したように、熱風制御弁１０の密閉は主として弁ハウジング１２の外側に配置される主密閉装置４６によって行われる。しかしながら、回転軸２６に対して平行かつ共軸に配置される環状シート８４によって補完的密閉を行うことも可能である。環状シート８４には環状溝８８に噛み合う突出部８６が含まれ、この突出部８６は弁部材２４の第一基部３２の周辺部に配置される。環状溝８８に噛み合う突出部８６によって、大量の熱風が接続装置中へ入り込み、さらに主密閉装置４６の方へ移動することを防止するラビリンスシールが形成される。

図３に弁部材２４の好ましい実施態様を示す。図示された弁部材２４には、第一基部３２及び対向第二基部９０を有する円筒体部３０と、円筒体部３０の第二基部９０へその基部が接続される半球体部９２によって形成される外側覆いが設けられている。半球体部９２の基部と前記第二基部９０の直径は同一である。第一基部３２にはシャフトと接続するための接続シュー３４が含まれている。好ましくは、半球体部９２、円筒体部３０、及び接続シュー３４は一体に形成される。前記貫通路２８は、その中心軸９４が第二基部９０の含まれる平面中にあるように配置される。

10 熱風制御弁
12 弁ハウジング
14 入口端部
16 出口端部
18 接続フランジ
20 耐火性ライニング
22 ガス路
24 弁部材
26 回転軸
28 貫通路
30 円筒体部
32 第一基部
34 接続シュー
36 シャフト
38 側方開口部
40 シャフト支持集合体
42 接続フランジ
44 シャフトベアリング
46 主密閉装置
50 周辺溝
52 連結フランジ
54 クランプ素子
56 鼻部
58 接触面
60 耐火性断熱紙
62 固定リング
64 周辺窪み
66 拡張ヘッド部
68 スクリュー
70 中間プレート
72 多角形シャフト
74 多角形窪み
76 スリーブ
78 スプリング手段
80 スクリューヘッド
82 隙間
84 環状シート
86 突出部
88 環状溝
90 第二基部
92 半球体部スリーブ
94 中心軸

Claims (20)

1. 耐火性ライニングが施され、かつ内部にガス路が画成されている金属弁ハウジング、
   開位置と閉位置間において回転軸を中心として弁部材を回転させることによって前記ガス路中の自由通路を変更することができるように前記ガス路中に回転可能に配置され、さらに前記回転軸を中心として回転対称である覆いを有する弁部材、及び
   前記弁部材の前記回転軸に対して横方向に前記弁部材中に配置される貫通路から構成される、冶金設備用、特に高炉における熱風流制御のための熱風制御弁であって、
   前記貫通路は前記ガス路と実質的に同一な断面を有し、及び前記貫通路は前記弁部材がその開位置にある時に前記ガス路と一列に並ぶように前記弁部材中に配置され、
   前記弁部材は、
   前記弁部材をシャフトへ接続するための接続手段が備えられている第一基部と該第一基部に対向する第二基部を有し、かつ前記ガス路の直径よりも大きい直径を有する円筒体部と、
   前記円筒体部の前記第二基部上に配置される基部を有する半球体部から構成され、前記貫通路が前記弁部材の前記円筒体部及び前記半球体部中を通過するように配置されることを特徴とする前記熱風制御弁。
2. 前記ガス路及び前記貫通路が環状の断面を有し、前記貫通路が前記ガス路の直径とほぼ一致する直径を有することを特徴とする請求項１項記載の熱風制御弁。
3. 前記貫通路の軸が前記弁部材の回転軸に対して垂直であることを特徴とする請求項１項または２項記載の熱風制御弁。
4. 前記半球体部の前記基部が前記円筒体部の前記第二基部の直径に一致する直径を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の熱風制御弁。
5. 前記半球体部の前記基部が前記ガス路の軸上に位置するように配置されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の熱風制御弁。
6. 前記接続手段に前記円筒体部の前記第一基部上に位置する接続シューが含まれ、該接続シューによって前記溝内部にあって、かつ前記円筒体部の前記第一基部に対して向いている連結フランジと共に周辺溝が形成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の熱風制御弁。
7. 前記シャフトに前記接続シュー中の前記周辺溝に噛み合うクランプ手段が備えられ、該クランプ手段が、前記シャフトの前記クランプ手段の回転運動が前記弁部材へ伝達されるように、該クランプ手段の接触面が前記接続シューの前記連結フランジに対してきつく接触されるように該クランプ手段が構成されることを特徴とする請求項６項記載の熱風制御弁。
8. 前記クランプ手段の前記接触面と前記接続シューの前記連結フランジとの間に耐火性断熱紙が配置されることを特徴とする請求項７項記載の熱風制御弁。
9. 前記クランプ手段に前記周辺溝に噛み合う少なくとも２個のクランプ素子が備えられ、該クランプ素子が前記シャフトの拡張ヘッド部へ接続されることを特徴とする請求項７項または８項記載の熱風制御弁。
10. 前記クランプ手段に、前記クランプ素子が前記接続シューから半径方向へ離れる方向に移動することを防止するため、前記少なくとも２個のクランプ素子に噛み合う固定リングが備えられることを特徴とする請求項９項記載の熱風制御弁。
11. 前記少なくとも２個のクランプ素子がスクリューによって前記拡張ヘッド部へ接続され、該スクリューに好ましくは前記クランプ素子を前記拡張ヘッド部の方へ引っ張るためのスプリング手段と、好ましくは前記スクリューの移動を制限するためのスリーブが設けられることを特徴とする請求項９項または１０項記載の熱風制御弁。
12. 前記シャフトに、該シャフトの前記拡張ヘッド部へ冷却液を送り込むための冷却路が設けられることを特徴とする請求項９〜１１のいずれかに記載の熱風制御弁。
13. 前記クランプ手段に中間プレートが含められ、該中間プレートが前記少なくとも２個のクランプ素子と前記シャフトの前記拡張ヘッド部との間に取り付けられることを特徴とする請求項９〜１２のいずれかに記載の熱風制御弁。
14. 形状適合接続を作ることができるように、前記中間プレートに、前記弁部材の前記接続シュー中に配置される整合窪みに噛み合う補助シャフトが備えられることを特徴とする請求項１３項記載の熱風制御弁。
15. 前記クランプ素子及びまたは前記固定リング、及びまたは前記中間プレート、及びまたは前記補助シャフトが耐熱性スチールから作製されることを特徴とする請求項９〜１４のいずれかに記載の熱風制御弁。
16. 前記クランプ手段の種々素子間にある隙間へ断熱材が取り付けられることを特徴とする請求項７〜１５のいずれかに記載の熱風制御弁。
17. 前記弁部材が、耐火性材料またはセラミック材料から一体に作製されることを特徴とする請求項１〜１６のいずれかに記載の熱風制御弁。
18. 前記金属弁ハウジングに前記シャフトを介して前記弁部材を操作するための側方開口部が設けられ、該側方開口部の直径が前記弁部材の前記円筒体部の直径よりも若干大きくされていることを特徴とする請求項１〜１７のいずれかに記載の熱風制御弁。
19. 前記シャフトに用いられるいずれのベアリングも、前記金属弁ハウジングの外側に配置されていることを特徴とする請求項１〜１８のいずれかに記載の熱風制御弁。
20. 前記弁部材の前記第一基部の周辺部分に環状溝が設けられ、環状シートが前記環状溝に噛み合ってラビリンスシールが形成されることを特徴とする請求項１〜１９のいずれかに記載の熱風制御弁。

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