JP4150080B2 - 高炉炉壁の冷却用ステーブの製造方法 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、高炉の炉壁特に炉底側壁部の冷却において、高熱負荷部の冷却強化を行うことにより高炉炉壁の長寿命化を図る高炉炉壁の冷却用ステーブの製造方法に関し、特に、炉壁が炉底炉床に対して傾斜している高炉に使用されるステーブの製造方法に関する。
背景技術
高炉炉壁の内特に炉底側壁部は高炉寿命を律する部位であり、炉底側壁を構成するカーボンレンガの損耗防止は、高炉寿命延長のための最重要項目である。炉底側壁部のカーボンレンガの損耗原因は、溶銑による浸食、熱応力による脆化等が挙げられるが、カーボンレンガの損耗防止には高熱負荷部の冷却強化が最も有効である。
高炉の炉底側壁部の冷却方法については、ステーブによる冷却と鉄皮散水による冷却とに大別される。
ここで一般の冷却用ステーブを装備した炉底側壁部の構造を説明すると、第１図に示すように、高炉の炉内側にカーボンレンガ４が積層され、鉄皮１との間に、スタンプ材３、ステーブ５、キャスタブル２が充填されている。また、炉底炉床部Ｔには耐火レンガ12が積層され、炉底炉床部冷却配管13が設けられて、ステーブ５とともに炉底側壁部Ｒ及び炉床部Ｔを冷却している。10は出銑口である。
従来のステーブ５は第２図Ａ及びＢで示すような鋳鉄製ステーブ６が主に用いられている。このステーブ６は冷却水流路15を有するステーブパイプ７が所定のピッチで鋳込まれて構成されている。ステーブパイプ７には、鋳込みの際に生ずる侵炭を防止するためと熱衝撃緩和のために、その表面に断熱層としてマーシャライト８が塗布されている。ステーブパイプ７には冷却水の給水パイプ14ａと排水パイプ14ｂがそれぞれ設けられている。
冷却はステーブパイプ７内を流れる冷却水および鉄皮１からの熱放散により行われるが、抜熱量の95％以上がステーブパイプ７内を流れる冷却水によるもので、炉底側壁の冷却能力を向上させるためには、カーボンレンガ４からステーブ６の冷却水間の熱抵抗を低減させることが有効である。
このため、カーボンレンガ４とスタンプ材３の熱伝導率（熱抵抗の逆数）を向上させる改善が行われ、炉底側壁の冷却能力は向上してきた。
しかしながら鋳鉄製ステーブ６のステーブパイブ７表面に塗布されているマーシャライト８の熱抵抗が大きいため、鋳鉄製ステーブ６における熱抵抗の増大が問題となっていた。
この対策として、特開平6-158131号公報のように、冷却パイプをスタンプ材３あるいはカーボンレンガ４に直接接触させる発明も提案されている。この方法では、鋳鉄製ステーブ６の熱抵抗を省略しているためにカーボンレンガ４から冷却パイプの冷却水間の熱抵抗を低減できるとされている。
しかし、この方式では、冷却パイプが従来の鋳鉄製ステーブ６のようにスタンプ材を介してカーボンレンガ４と面で接触していないために、操業時にカーボンレンガ４が膨張すると、カーボンレンガ４と鉄皮１との熱膨張差により、冷却パイプが圧縮され冷却パイプやカーボンレンガ４が破損するか、あるいは冷却パイプとカーボンレンガ４との間に空隙を生じ、却って熱抵抗を増大させる等、設備上の信頼性に問題があった。
すなわち、高炉操業時は、建設時と比較して、カーボンレンガ４と鉄皮１との熱膨張差が数十mm以上生じ、この熱膨張差をスタンプ材３の収縮により吸収していたが、特開平6-158131号公報の発明ではこの点が考慮されておらず、冷却配管やカーボンレンガ４の破損、および熱抵抗増大等の問題があった。
また、冷却強化のためステーブ本体として熱伝導性の優れた銅または銅合金製の板を使用し、板の長手方向に複数の穿孔を行って端部開孔部を密閉した後、板の裏面に冷却水の接続口を設けた発明（特開昭55-122810号公報）も提案され、高炉シャフト部に採用されている。
このステーブは、特に炉内ガスによる熱負荷変動が直接ステーブにかかるシャフト部のステーブとして用いる場合、冷却能力が大きく、かつ、銅への炉内ガス内炭素の侵炭が無いので有効である。
しかし、炉内側のカーボンレンガ４の残存が前提になる高炉炉底側壁部では、前面のカーボンレンガ４および、スタンプ３を介して冷却を行うため、この部分の熱抵抗により、銅母材の熱伝導率が良くても全体としての熱伝導率向上効果がそれ程大きくならず、冷却能力向上の割合に対してコストが高くなりすぎることが問題となる。また、この公報のステーブ構造では、板の長手方向の冷却水流路の１本毎に冷却水の給水口、排水口を設ける必要があり、冷却水接続口の連絡管取付部が多くなるので、設置の際に鉄皮１の開孔部が大幅に増加するため、鉄皮板厚の増大、開孔部のガスシール箇所の増加等の欠点があった。
このような課題を解決するステーブとして、鋼板、例えば圧延鋼板を機械加工して冷却水流路を設け、この冷却水流路に連結させて冷却水の供給口および排出口を設けたステーブを、高炉炉底側壁部のカーボンレンガと鉄皮間に設けたことを特徴とする高炉炉底側壁部の冷却構造がある。
そのような鋼板製穿孔ステーブを用いた冷却構造の一例として、鋼板製穿孔ステーブ16を炉底側壁Ｒに組込んだ状態を第３図で示し、鋼板製穿孔ステーブ16の詳細を第４図に示す。
ステーブ16は鋼板製ステーブ母材９内部を穿孔して形成した孔を冷却水流路15とし、その両端部に冷却水の給水パイプ14ａと排水パイプ14ｂを設け、鉄皮１及びキャスタブル２を貫通して外部の水源と接続して構成されている。
第４図Ａは鋼板製ステーブ16の正面図で、ステーブ母材９は長方形の形状を有し、冷却水路は第４図Ｄで示すように、３本の冷却水流路15がコ字型に組合わされて形成されている。この冷却水流路（以下水路という）の両端部15−1，15−２に給水パイプ14ａ、排水パイプ14ｂが連結される。
このように水路をコ宇型にするのは、ステーブ内の水路の水の流れを均一にするために各水路を独立した水路に形成するためであり、また、鉄皮の開口部を少なくするためである。
第５図に鋼板製ステーブの他の例を示す。このステーブ16は同図Ｂ及びＣで示すようにステーブ母材９を２分割し、厚手鋼板９−１の表面に機械加工などで溝を形成して４本の水路15を設け、この加工面上に薄手鋼板９−２を重ね合わせ、２枚の鋼板の接合部全周を溶接（Ｍ）（同図Ｄ参照）して、更に中央部をボルト17で締め付けて構成したものである。
水路15の両端部15−１，15−２に相当する薄手鋼板９−２の各箇所を穿孔して給水口及び排水口を設け、この口に給水パイプ14ａ、排水パイプ14ｂを挿入し、水路15と連結する。
このタイプのステーブは、水路を自由な形に形成できるので、冷却水の給排水口は第４図のステーブより更に少なくでき、鉄皮の開孔部も更に少なくできる。
次に、鋼板穿孔ステーブを製造する方法を第６図に基づいて説明する。この例はコ字型水路を４組組合せて設けたものである。
先ず、ステーブ母材９の上部長手方向に、ステーブ母材９の左側短辺側面Ｓより２本の袋孔15ａ，15ａ、右側短辺側面Ｓより２本の袋孔15ｅ，15ｅをそれぞれ穿孔し、次いでステーブ母材９の上側長辺側面Ｌより上記袋孔15ｅ，15ｅの閉鎖端部に向って袋孔15ｅ，15ｅに交差するように穿孔して袋孔15ｂを形成し、袋孔15ｅ，15ｅの連結孔とする。更に、同様に前記上側長辺側面Ｌより上記袋孔15ａ，15ａの閉鎖端部に向って穿孔して袋孔15ｃを形成し、袋孔15ａ，15ａの連結孔とする。
次に、袋孔15ａ，15ａの水路端部となる位置15−１，15−２までの開孔端部をプラグ18ａ，18ａで塞ぎ、プラグ18ｂを袋孔15ｂまで挿入できるようにするために再度プラグ18ａ，18ａを穿孔した後袋孔15ｅまでの袋孔15ｂの開孔端部をプラグ18ｂで塞ぐ。同様に、袋孔15ａまでの袋孔15ｃの開孔端部をプラグ18ｄで塞ぐ。また、袋孔15ｅ，15ｅの水路端部となる位置15−１，15−２までの開孔端部をプラグ18ｃで塞ぐ。
このようにして、ステーブ母材９の上部に２組のコ字型水路15，15を形成する。
同様の方法により、ステーブ母材９の下部にも２組のコ字型水路15，15を形成する。
なお、最初に穿孔した袋孔を塞ぐプラグ18ａは、袋孔15ｂを穿孔する際の移動を防止するためにテーパーをつけておくことが望ましい。
高炉炉底水平断面は円形となっており、ステーブと鉄皮の間隔が一定となるように上記のコ宇型水路を形成した圧延鋼板を鉄皮内面曲率に合わせて湾曲させる必要がある。
第７図Ａ，Ｂは第６図で示した方法で形成した袋孔を有するステーブを示したもので、ステーブ母材表面の袋孔端部15−１，15−２に相当する位置に、紙面に垂直な方向から穿孔して給水口19、排水口20をそれぞれ設けた後にステーブ本体16に、鉄皮内面曲率に合わせ第７図Ａに示すように曲げ加工を与える。このように構成したステーブ本体の給水口、排水口に、給排水パイプ座21を介して給排水パイプ14ａ，14ｂを設置する。
以上のような鋼板製ステーブによって、前記のような問題は解決され、ステーブの冷却効率を増大せしめるとともに熱抵抗を減少させ、しかも、構造が単純で高熱負荷部における寿命を高めることが可能となる。
ところで、高炉の炉底側壁は第８図に示すように傾斜を持っている場合がある。炉壁の傾斜角θが垂直に近い場合は、第６図に示した製造方法が適用できるが、傾斜角θが小さくなるとステーブの平面展開は扇形となり、第６図の製造方法では長手方向水路の寸法精度が確保できなくなる。
発明の開示
本発明は、鋼板を機械加工して冷却水流路を設け、この冷却水流路に連結させて冷却水の供給口および排出口を設けたステーブであって、炉壁が炉底炉床に対して傾斜している高炉に使用されるステーブに関し、長手方向の冷却水路の寸法精度が確保でき、均一に冷却できるステーブを製造することができるようにすることを目的とする。
本発明は、前記課題を解決するために、
炉底炉床に対して傾斜している高炉炉壁に使用される冷却用ステーブの製造方法において、
ステーブを平面展開した時の展開形状に基づき湾曲した底辺を決定し、底辺の端部からの距離と底辺の中心線部からの距離が同じ距離になるように仮想線を引き、この仮想線に垂直になるように側辺を決定し、この側辺と前記展開形状に基づいて底辺に対向する湾曲した頂辺を決定し、決定した底辺、側辺、頂辺に沿ってステーブ母材となる扇形の鋼板を切出し、次いで、前記鋼板の両側辺より、鋼板側面に垂直方向に穿孔して中央部で貫通させて複数の貫通孔を形成し、かつ該貫通孔の両端部をプラグで閉塞し、前記貫通孔の両端部近傍に、貫通孔同士を継ぐ連結溝を前記鋼板表面より溝切りして形成し、かつ該連結溝の上面を蓋で覆うことにより連結孔を形成して、前記鋼板内部に複数のコ字型冷却水流路を形成し、さらに、前記貫通孔を形成した後、前記扇形の鋼板の側辺を前記展開形状に一致するよう切断する、ことを特徴とする。
本発明は、このような製造方法によって、長手方向の冷却水路の寸法精度が確保でき、かつ、均一に冷却できるステーブを製造することができるので、炉壁の傾きを持つ高炉に対しても、垂直炉壁の高炉と同様に高熱負荷部の冷却能力を向上し、かつ安価で信頼性のある鋼板製ステーブを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は従来の高炉の炉底近傍の側壁の一部縦断面図である。
第２図Ａ，Ｂは第１図の一部拡大図で、鋳物製ステーブの例を示す図で、図Ａは側壁の一部縦断面図、図Ｂは冷却パイプの拡大断面図である。
第３図は鋼板製ステーブを設置した炉底側壁の一部縦断面図である。
第４図Ａ〜Ｄは鋼板製ステーブの一例を示す図で、図Ａは正面図、図Ｂは図ＡのＣ−Ｃ断面図、図Ｃは図ＡのＢ−Ｂ断面図、図Ｄは図ＣのＡ−Ａ断面図である。
第５図Ａ〜Ｄは鋼板製ステーブの他の例を示す図で、図Ａは正面図、図Ｂは図ＡのＣ−Ｃ断面図、図Ｃは図ＡのＢ−Ｂ断面図、図Ｄは図ＣのＡ−Ａ断面図である。
第６図は第４図Ａ〜Ｄで示すステーブ構造の製造方法の一例を示す水平断面図である。
第７図Ａは第６図で示すステーブの平面図であり、第７図Ｂはその正面図である。
第８図は傾斜した炉壁で構成された高炉の炉底近傍の側壁の一部縦断面図である。
第９図Ａ〜Ｃは第８図の炉壁に使用するステーブの長手方向への穿孔方法を示す図である。
第10図は第９図Ｃの方法で穿孔して形成したステーブの正面図である。
発明を実施するための最良の形態
そこで、本発明者は、炉壁の傾斜角θが小さい場合に適用できるステーブの製造方法について検討した。
第９図Ａ〜Ｃにθ＝75°の時の長手方向の穿孔方法の違いによる長手方向水路の形成状況の比較を示す。各図において、辺Ａの長さを100cmとし、辺Ａの下端より10cmの位置に長手方向水路を形成する場合の扇形底辺Ｃと長手方向水路との距離をそれぞれ示す。扇形の底辺Ｃと長手方向水路の距離がとの位置でも一定である程、均一な冷却ができるので望ましい。
第９図ＡとＢは、製造しようとするステーブを平面展開した形状に基づいて切り出したステーブ母材を用いた製造方法を示す。
同図Ａは、第６図に示した製造方法で長手方向水路を形成しようとしたもので、水平に袋孔を穿孔する方法である。この方法では理想的に穿孔できたとしても扇形中央部と周辺部の距離の差が（12.55−10）＝2.55（cm）と大きくなる。さらに実際には、この例では穿孔の方向と辺Ａのなす角が92.33°となり、垂直でないためにドリルの刃先が狙った方向から外れ、精度の良い穿孔は事実上不可能である。
同図Ｂは、このドリル加工時の穿孔方向の精度の問題を解消するための方法で、両側端面より辺Ａに垂直となるように穿孔する方法である。この場合、穿孔方向が不安定となる問題はないが、扇形中央部と周辺部の距離の差は（7.45−10）＝−2.55（cm）で、図Ａの方法と同程度である。
第９図Ｃは、長手方向水路を形成する場合の扇形底辺Ｃと長手方向水路との距離の各位置の差を最小にした方法である。
まず、製造しようとするステーブを平面展開した時の展開形状に基づき湾曲した底辺Ｃを決定し、底辺Ｃの端部からの距離と底辺Ｃの中心線部からの距離が同じ距離（図では１０ｃｍ）になるように仮想線を引き、この仮想線に垂直になるように左右の側辺Ａ′，Ａ′を決定し、この側辺と前記展開形状に基づいて底辺に対向する湾曲した頂辺Ｂを決定し、側辺Ａ′，頂辺Ｂ，側辺Ａ′，底辺Ｃに沿ってステーブ母材となる扇形の鋼板を切り出す。
そして、両側端面より側辺Ａ′，Ａ′に垂直に穿孔して中央部で貫通させ、長手方向水路を形成させる。この後、余分部分の辺Ａ′を除去して、ステーブ母材の形状をステーブの展開形状に一致させるために、辺Ａ，Ａに沿って再度切断し、貫通孔の両端をプラグにて閉塞する。
この方法では、扇形底辺Ｃと長手方向水路との距離の差は最大（10.85−10）＝0.85cmで、図Ｂの方法に比べて大幅に改善されている。
次に、炉壁の傾斜角θ＝75°を持つ高炉用鋼板製ステーブを第９図Ｃで示す方法によって製造する場合の具体的な例を第10図で示す。
先ず、ステーブ母材９を、前記のようにして決定した第９図Ｃで示す辺Ａ′，Ａ′，Ｂ及びＣに沿って扇形に切出し、次いで辺Ａ′，Ａ′に対し直角方向に、辺Ａ′，Ａ′より第９図Ｃに示す穿孔方法で中央部に向けて穿孔し、左右の孔を中央部で貫通させて長手方向の貫通孔15ｆを形成する。この穿孔方法をステーブ母材全体に施し、９本の長手方向貫通孔を設ける。
この後、辺Ａ，Ａに沿って切断して所定のステーブ寸法とし、長手方向貫通孔15ｆの開孔両端の全てをプラグ18にて閉塞する。
次いで、ステーブ母材９の表面より前記長手方向貫通孔閉塞部近傍に溝を機械加工などで切削して２本の長手方向貫通孔15ｆ，15ｆを連結する連結溝15ｇを形成し、しかる後に切削された表面開放部を蓋22で塞ぐ。
このようにして、３本の長手方向貫通孔を連結して１組のコ字型水路15を構成する。図では３組のコ字型水路15が構成されている。
この後は第７図Ａ，Ｂと同様に、給水口19、排水口20の穿孔、鉄皮内面曲率に合わせたステーブ本体の曲げ加工、給排水パイプ14の取り付け、給排水パイプ座21の取り付けを行いステーブを製造する。
これにより、炉壁の傾きを持つ高炉に対しても、垂直炉壁の高炉と同様に高熱負荷部の冷却能力を向上し、かつ安価で信頼性のある鋼板製ステーブを製造することができる。
また、本発明の圧延鋼板製ステーブは、冷却水流路を圧延鋼板に直接機械加工で形成するため、熱抵抗の大きいマーシャライト層が不要である。かつ冷却水流路の加工精度が良いため、鋳造時に問題であったパイプの移動がなく、冷却水流路のピッチの縮小、ステーブ母材厚の減少が可能となり、ステーブ全体の熱抵抗の減少が可能となる。また、安価な圧延鋼板を機械加工するだけですみ、パイプ加工や鋳造作業が不要であるため製造費用が従来ステーブと比べても安価である。
参考例
カーボンレンガ４の残存厚が0.5ｍの条件で、従来の鋳鉄製ステーブ５のステーブ厚さ160mm、パイプピッチ138mmの冷却能力（抜熱量）は、31138kcal/m²・hであったがこれに対して、同一寸法の第４図Ａ〜Ｄで示す構造の圧延鋼板製ステーブ16では33038kcal/m²・hと冷却能力を約６％向上させることができた。さらに圧延鋼板製ステーブは加工精度が良いので、ステーブ厚さ、冷却水流路15のピッチを減少することが可能でステーブ厚さを100mm、冷却水流路15のピッチを100mmに変更したところ冷却能力（抜熱量）は、さらに33851kcal/m²・hとなり、従来の鋳鉄製ステーブの冷却構造に対して、約10％向上した。
産業上の利用可能性
以上述べたように、本発明によれば、炉壁の傾きを持つ高炉に対しても、垂直炉壁の高炉と同様に高熱負荷部の冷却能力を向上し、かつ安価で信頼性のある鋼板製ステーブを製造することができるので、産業上の利用可能性は極めて大きい。

Claims (1)

1. 炉底炉床に対して傾斜している高炉炉壁に使用される冷却用ステーブの製造方法であって、
   ステーブを平面展開した時の展開形状に基づき湾曲した底辺を決定し、底辺の端部からの距離と底辺の中心線部からの距離が同じ距離になるように仮想線を引き、この仮想線に垂直になるように側辺を決定し、この側辺と前記展開形状に基づいて底辺に対向する湾曲した頂辺を決定し、決定した底辺、側辺、頂辺に沿ってステーブ母材となる扇形の鋼板を切出し、
   次いで、前記鋼板の両側辺より、鋼板側面に垂直方向に穿孔して中央部で貫通させて複数の貫通孔を形成し、かつ該貫通孔の両端部をプラグで閉塞し、前記貫通孔の両端部近傍に、貫通孔同士を継ぐ連結溝を前記鋼板表面より溝切りして形成し、かつ該連結溝の上面を蓋で覆うことにより連結孔を形成して、前記鋼板内部に複数のコ字型冷却水流路を形成し、
   さらに、前記貫通孔を形成した後、前記扇形の鋼板の側辺を前記展開形状に一致するよう切断する、
   ことを特徴とする高炉炉壁の冷却用ステーブの製造方法。

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