JP3907707B2 - 製鉄及び製鋼炉用の冷却プレートの製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、製鉄及び製鋼炉、例えば、溶鉱炉用の冷却プレートの製造方法に関する。
このような溶鉱炉用の冷却プレートは「ステーブ(staves)」とも呼ばれる。これらの冷却プレートは炉の外殻(armour)の内部に配置されるもので、高炉の冷却システムに接続された内部冷却ダクトを有する。炉の内部に面する冷却プレートの表面は反射性の材料でコーティングされている。
これらほとんどのステーブは未だに鋳鉄で形成されている。しかしながら、銅は鋳鉄に比べて熱伝導性が著しく高いので、銅製のステーブを使用することが望ましい。銅製のステーブの製造方法が数多く提案されてきた。
最初に、型を用いた鋳造によって銅製の冷却プレートを製造する試みがなされた。その場合において、内部冷却ダクトは鋳型内のサンドコアによって形成されている。しかしながら、この方法は実用性に乏しいものであった。なぜなら、鋳造された銅製のプレートはキャビティ及び孔を有することが多く、その寿命が極めて短いからである。また、サンドを除去して冷却ダクトを形成することが困難であり、さらには、銅内に形成される冷却ダクトは好ましいものとは言えない。
イギリス特許出願公開公報第1571789号には、冷却プレートを型内で鋳造するに際して、サンドコアを予め成形された銅又は高品位鋼製のパイプコイルで置換する方法が開示されている。コイルは鋳型内の冷却プレート本体内に一体状に鋳造され、螺旋状の冷却ダクトが形成される。この方法も実用性を実証するものではない。銅製の冷却プレートと一体的に鋳造されたパイプコイルとの間には種々の理由から高い熱伝導遮断性が存在するため、冷却プレートの冷却特性が相対的に低下する。さらに、この方法では、銅内のキャビティ及び孔の発生を効果的に抑制することができない。
ドイツ特許出願公開公報第2907511号には、鍛造又は圧延された銅のインゴットから形成された冷却プレートが開示されている。冷却ダクトは圧延された銅のインゴットに対する機械的穿孔によって形成されためくら穴である。これらの冷却プレートにおいては、上記の鋳造の欠点は回避されている。特に、プレートに形成されるキャビティ及び孔は事実上排除されている。しかしながら、残念なことに、このような冷却プレートの製造コストが比較的高い。これは、特に、冷却ダクトの穿孔作業が複雑であるため、時間がかかる上、費用も嵩むからである。
したがって、この発明の目的は銅製の高品位冷却プレートをより安価に製造することのできる方法を開発することである。この目的は請求項１に記載の方法によって達成される。
本願発明によれば、冷却プレートのプレフォームが連続鋳造鋳型によって連続的に鋳造され、連続鋳造鋳型の成形空間内のインサートによって連続鋳造方向に走るダクトがこのプレフォームに形成され、これらダクトによって完成冷却プレート内に冷却ダクトが形成される。使用のための長い冷却プレートはこの連続鋳造されたプレフォームから比較的容易に製造することができ、その際、時間のかかる穿孔操作は不要である。これに関して注目されるべき点は、連続鋳造ではキャビティや孔の発生が通常の鋳造の場合に比べて効果的に抑制されることである。さらに、連続鋳造によって得られた冷却プレートの機械的強度は通常の鋳造によって得られたものに比べて格段に高い。熱伝導性は最適である。これは、連続鋳造中に形成されたダクトが鋳造品本体に直接形成されるためである。連続鋳造されたダクトの断面は円形である必要がないので、冷却ダクト設計及び配置に関する新たな有用な可能性が拡がる。また、連続鋳造された冷却プレートの面が特有の性質を有しており、耐火化合物コーティングの接着に適した良好な条件を備えてる。
連続鋳造時において、連続鋳造鋳型の成形空間内に設けられた突出部によって、鋳造方向に走る溝がプレフォームの面に形成され得る。これらの溝は完成冷却プレートの冷却された面を増大させるとともに、耐火物ライニングを設ける際の係止部材としても機能する。しかしながら、このような溝は連続鋳造されたプレフォームの面を鋳造後に処理、たとえば、切り込みによって形成することも可能である。この手法は、例えば、溝を鋳造方向に対して直角に走らせる場合には必要である。
特に薄い冷却プレートが製造される場合には、連続鋳造されたプレフォームの厚さは圧延によって縮減されるのが好都合である。圧延は銅の結晶構造を微細にし、この微細な構造が完成冷却プレートの機械的及び熱的特性の好ましい効果を与える。圧延による縮減は冷却プレートの製造コストを増大させるけれども、厚い冷却プレート用に連続鋳造されたプレフォームを圧延することはこのように利点がある。これに関して強調されるべき点は、プレフォームに一体状に鋳造されたダクトは意外なことにプレフォームに対するその後の圧延処理において重大な障害とならないということである。このことは、特に、一体状に鋳造されたダクトが細長い断面形状、たとえば、楕円形の断面形状を有する場合に当てはまる。
プレートは連続鋳造されたプレフォーム又は鋳造後圧延されたプレフォームを鋳造方向に直交する二つの断面部分で切断することによって切り出される。二つの端面が鋳造方向に対して直角に形成される。それらの間の距離は冷却プレートの必要とされる長さに事実上対応する。注目されるべき点は、同一の長さ又は異なる長さの幾つかの冷却プレートが連続鋳造された一つのプレフォームから支障なく製造できるということである。特に長い冷却プレートでも同様に製造可能であり、追加コストもかからない。プレフォームから切り出されたプレートはいくつかの貫通ダクトを有している。これらのダクトは鋳造方向に延び、二つ終端部を有する。
一体状に鋳造されたダクトの断面は冷却プレートに直交する方向にその最小寸法を有する細長い形状を有することが望ましい。このように、穿孔によって形成されたダクトを有する冷却プレートに比べて薄い厚さの冷却プレートを製造することができるため、銅の使用量の低減につながる。同様に注目される点は、細長い断面を有するダクトを連続鋳造において一層容易に製造することもできるということである。さらに別の利点は、細長い断面を有するダクトの場合、冷却プレートの冷却側においてより大きい交換面が達成され得るということである。細長い（たとえば、楕円形の）断面を有するダクトは、既に述べたように、プレフォームの圧延処理中に際して、円形の断面を有するダクトに比べてずっと好都合な機能を発揮する。
次の製造段階においては、貫通ダクトまで達するフィーダーパイプ及びリターンパイプ用の連結ホールが適宜プレートの背面に直交状に穿孔される。また、ダクトの端部はシールされる。冷却プレートが炉の外殻に取り付けられるときにその外殻の外に引き出される連結片がその後これらの連結ホールに挿入される。
連続鋳造されたダクトにはそれぞれ供給及びリターン連結部を設けることができる。しかしながら、連続鋳造されたダクトのうちのいくつかを横穴によって相互に連結することも可能である。これらの横穴は、たとえば、それぞれの冷却プレートにそれぞれ一つの供給連結部及びリターン連結部を備えた螺旋状の連続ダクトが形成されるように、配置及びシールされる。
冷却プレートははある軸を中心に適宜に湾曲され得る。その場合、その曲率は溶鉱炉の外殻の曲率に合うように設定される。これは、特に、幅の広い冷却プレートが使用される場合に適用される。同様に、これは、冷却プレートが溶鉱炉の炉床において使用される場合にも適用される。炉床用のこうした冷却プレートは、実際、炉床のライニングに作用する圧力を吸収するために、できるだけ外殻に近づけて配置されなくてはならない。
この発明の好ましい実施の形態及び望ましい構成上の変形を添付の図面が参照して詳細に説明される。
図１は本発明による方法のための連続鋳型の縦略断面図である。
図２は図２の連続鋳型の２−２線断面図である。
図３は本発明による方法によって製造された完成冷却プレートの背面図である。
図４は図３の冷却プレートの４−４線断面図である。
図５は図３の冷却プレートの５−５線断面図である。
図６は高炉内に配置された冷却プレートの斜視図である。
図７は本発明の方法によって製造された冷却プレートであって、図６の配置に特に適した冷却プレートの背面図である。
図１及び図２には、この発明による方法の実施に使用される連続鋳型１０の構成が略図で示されている。連続鋳型１０は、例えば、冷却された４つの鋳造パネル１２，１４，１６，１８を有する。これらの鋳造パネルによって、冷却された鋳造空間２０が形成される。この鋳造空間内には溶融状態の成型材料、例えば、溶融低合金銅が流し込まれる。図１における矢印２２は左右の鋳造パネル１２，１４に対する冷却液の供給導管を示し、矢印２４は左右の鋳造パネル１２，１４に対する冷却液の排出導管を示している。また、図１における矢印２５は鋳造方向を示している。
図１に示されるように、三つのロッド状のインサート２８が鋳造空間２０内に導入されている。これらのインサートは、たとえば、鋳造空間２０及び鋳造パネル１２−１８の上方に配されたクーラントコレクタ３０に連結されている。これらロッド状のインサート２８のそれぞれは一端が閉止されたアウターチューブ３２と、一端が開放されたインナーチューブ３４とを適宜に有する。そして、これらアウター及びインナーチューブはそれらの間にクーラント用の環状ギャップ３６が形成されるように配置されている。このため、クーラントはこれら三つのロッド状のインサート２８内を流れる。コレクタ３０内のクーラントは供給チャンバ３８を通って環状ギャップ３６内へと流れる。クーラントはアウターチューブ３２とその全長にわたって冷却し、アウターチューブの下端部において環状ギャップ３６からインナーチューブ３４内に流入する。このインナーチューブ３４はコレクタ３０内のリターンチャンバ４０へとクーラントを戻す。しかしながら、ロッド状のインサート２８は非冷却型のグラファイトロッドとして設計することもできる。
図２に示されるように、前方の鋳造パネル１６には幾つかの突出部２６が形成されている。突出部２６は鋳造パネル１６のほぼ全長にわたって延びており、鋳造方向に対して直交するように鋳造空間内に突出している。
本発明によれば、製造されるべき冷却プレートのプレフォームを形成するビレットが上記の連続鋳造鋳型１０で鋳造される。ロッド状のインサート２８によってダクトが形成される。ダクトの断面は連続鋳造されるプレフォームの連続鋳造方向におけるそのロッド状のインサート２８の断面によって決まる。鋳造パネル１８の突出部２６によって、連続鋳造されるプレフォームの連続鋳造方向に長手溝が形成される。
図３及び４は連続鋳造されたプレフォームから形成された完成冷却プレート５０を示している。しかしながら、留意されるべき点は、冷却プレート５０のプレフォームは突出部２６のない連続鋳造鋳型で鋳造されたもので、元のプレフォームは溝のないほぼ長方形の断面を有する。図３において、三つのダクト５２が破線で示されている。これらのダクトは連続鋳造鋳型内に配置された本発明のインサートによって連続鋳造中に形成されたものである。図５に示されるように、これらのインサートは楕円形である。それらは、図４及び５に示されるように、プレフォームの長方形の断面において偏心させた状態で連続鋳造鋳型内に配置されている。すなわち、それらは完成冷却プレート５０の背面を最終的に形成するプレフォームの面の近くに配置されている。
完成冷却プレートに必要とされる厚さよりも厚いプレフォームを鋳造しておき、その後、圧延によってそのプレフォーム厚さを完成冷却プレートの厚さまで薄くすることは有用であることが証明されている。このようなプレフォームの圧延においては、銅は微細な結晶構造を有するようになり、この微細な結晶構造によって完成冷却プレートの機械的及び熱的特性に好ましい影響が与えられる。これに関して、さらに言えることは、冷却ダクトは最初から細長い断面形状を有しており、このような断面形状は円形の断面形状に比べて圧延中の変形性がよい。
その後、圧延されたプレフォームを鋳造方向に直交する二つの切断部分で切断することによって、長方形の粗製プレートが切り出される。完成冷却プレートの二つの端面５４，５６がこのようにして形成される。この粗製プレートにおいては、結果的に、ダクト５２が二つの端面５４，５６間を貫通ダクトとして延び、その中に開放端部５８が形成される。つづいて、偏心状のダクト５２から最も遠いこの粗製プレートの面内において、鋳造方向に直角に溝５８が切られる。プレートの機械的強度をさらに向上させるために、ショットピーニング処理を施すこともできる。
次の製造段階において、ダクト５２まで達するフィーダーパイプ６４及びリターンパイプ６６用の連結ホール６２がプレートの背面６８に直交状に穿孔される。ダクト５２の開放端５８が最終的にプラグ７０によって閉止される前に、必要に応じて、ダクトを機械的に処理してもよい。冷却プレート５０を最終的に完成させるためには、固定ピン７２及びスペーサー連結片７４の外にフィーダー及びリターンパイプ６４，６６のみがプレートに取り付けられる必要がある。
図５には、完成された冷却プレート５０がスペーサー連結片７４によって炉の外殻プレート７６上にどのように載置されるかが示されている。留意すべき点は、図３から５の冷却プレート５０は炉内に縦に配置される意図をもって構成されている。すなわち、冷却プレートが炉内に設置された状態では、冷却ダクト５２が縦に走り、横溝６０が水平となる。鋳造方向に直角に走る横溝６０の代わりに、冷却プレート５０には鋳造方向に平行に走る縦溝を設けることも可能である。後者は、図２に示されるように、突起部を有する鋳造鋳型を用いて連続鋳造時に直接的に都合良く形成することができる。
図６は冷却プレート８０の配置を示している。この冷却プレートにおける溝８２はこのようにして連続鋳造中に直接的に形成されたものである。冷却プレート８２内においては、連続鋳造時に形成された冷却ダクト８４（図７参照）が溝８２と平行に延びている。ここで注目すべきは、冷却プレート８０は炉内に水平に配置されている。換言すれば、冷却ダクト８４及び溝８２は設置状態の冷却プレート８０を水平に走っている。冷却プレート８０はある軸を中心に湾曲されており、その曲率は溶鉱炉の外殻（図示せず）の曲率に合うように設定されている。
図７はある冷却プレート８０内の冷却ダクトの好ましい配置を破線で示している。三つの連続鋳造されたダクト８４₁，８４₂，８４₃及び二つの短い横穴８６，８８が示されている。穴８６はダクト８４₁，８４₂をプレート８０の一端において連結し、プラグ９０によって閉止されている。穴８８はダクト８４₂，８４₃をプレート８０の他端において連結し、プラグ９２によって閉止されている。プレート５０内のダクト５２と同様に、ダクト８４₁，８４₂，８４₃はプレート８０の端面５４，５６においてプラグ７０によって閉止されている。参照番号９４はダクト８４₁に連結される供給連結部を示し、参照番号９６はダクト８４₃に連結されるリターン連結部を示している。供給連結部９４を通ってプレート８０内へ入るクーラントは後者を通って螺旋状に流れ、その後、再びリターン連結部９６から排出されなくてはならない。図６においては、それぞれの冷却プレート８０の供給及びリターン連結部９４，９６がパイプブリッジ９８を通じて相互に連結された様子が斜視図で示されている。もちろん、冷却プレート５０と同様に、冷却プレート８０には、冷却ダクト８４₁，８４₂，８４₃にそれぞれ供給及びリターン連結部を設けることができる。
留意すべきは、羽口の上方の高炉内に取り付けられる冷却プレートには炉の内部に面する側に耐火化合物コーティングが施されていることである。冷却プレートに対する耐火化合物コーティングの付着性を向上させるために、例えば、溝６０，８２をあり溝にすることも可能である。また、溝６０，８２のエッジやコーナーを大きく丸めることも有用である。これにより、耐火化合物にクラックが発生する危険性を低減することができる。
対照的に、高炉の炉床用の冷却プレートは両面とも滑らかな面であることが好ましい。これらは溝を有する冷却プレートに比べて薄く、連続鋳造によって形成されたプレフォームから製造されるのが望ましく、その厚さは圧延処理によって薄くされている。それらは炉床の領域内の外殻の径方向の中心に配置され、それらの滑らかな背面が高炉の外殻に密着した状態で載置される。カーボンで形成された成形レンガでライニングされた炉床は冷却プレートの同様に滑らかな前面に密着した状態で載置される。このようにして、比較的薄い冷却プレートでも炉床のライニングに加えられる高い圧力を高炉の外殻に対して容易に伝達させ得る。
示されている冷却プレートは全て三つの連続鋳造されたダクトを有している。もちろん、四つ以上又は二つ以下の連続鋳造されたダクトを有する冷却プレートもこの発明の方法によって製造することが可能である。

Claims (11)

1. 製鉄及び製鋼炉のための一体型の冷却ダクト（５２，８４）を備えた冷却プレート（５０，８０）を銅のインゴットから製造する方法であって、
   銅のインゴットが連続鋳造鋳型（１０）によって連続的に鋳造され、連続鋳造鋳型（１０）の成形空間（２０）内のロッド状のインサート（２８）によって連続鋳造方向に走るダクト（５２，８４）が形成され、これらダクトによって完成冷却プレート内に冷却ダクトが形成され、連続鋳造された銅のインゴットによって冷却プレート（５０，８０）のプレフォームが形成される方法。
2. 連続鋳造鋳型（１０）が突出部（２６）を有し、これら突出部によって連続鋳造方向に走る溝（８２）がプレフォームの面内に形成される請求項１に記載の方法。
3. 連続鋳造方向に直角に走る溝（６０）が連続鋳造されたプレフォームに形成される請求項１又は２に記載の方法。
4. プレフォームを鋳造方向に直交する二つの切断部分で切断することによってプレートが切り出され、それによって、鋳造方向に直交する二つの端面（５４，５６）が形成され、ダクト（５２，８４）が二つの端面（５４，５６）間においてプレートを貫通する貫通ダクトとして延び、その中に開放端部（５８）が形成される請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. ダクト（５２，８４）まで達するフィーダー及びリターンパイプ（６４，６６）用の連結ホール（６２）がプレートの面に直交するようにプレート（５０，８０）に穿孔され、ダクト（５２，８４）の端部（５８）が閉止される請求項４に記載の方法。
6. 連続鋳造されたダクト（５２，８４）の断面が細長い形状を有し、その幅は冷却プレート（５０，８０）に直交する方向において狭くなっている請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 連続鋳造されたダクト（５２，８４）が横穴（８６，８８）によって相互に連結される請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. 供給連結部（９４）及びリターン連結部（９６）を備えた螺旋状の連続ダクトが形成されるように、横穴（８６，８８）が配置されるとともに閉止されている請求項７に記載の方法。
9. 冷却プレート（８０）はその曲率が高炉の壁の曲率に合うように湾曲されている請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
10. プレフォームが銅合金から連続鋳造されている請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
11. 連続鋳造されたプレフォームの厚さが圧延によって縮小される請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。

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