JP4312774B2 - 回転炉床炉 - Google Patents

Description

本発明は、鉄鉱石や製鉄廃棄物などの酸化物と炭材などの還元剤とからなる酸化鉄塊成物を加熱・還元して還元鉄塊成物を製造する回転炉床炉、特にその炉床台車結合構造に関する。

回転炉床炉は、走行装置を有する炉床台車上に炉床耐火物が設置されている。この炉床耐火物の上面に原料を積載し、原料を上方より加熱し、焼結・還元する。この炉床は、製作・運搬の観点で複数の炉床台車を環状に結合した構造となっている。その結合構造は、図１０に示す隣り合う炉床台車の部材１４ａ、１４ｂを溶接する溶接構造５０や、図１１に示す上下２段のボルト５３による多段ボルト締結構造５２により、炉底を一体構造にしていることが特徴であった。

しかしながら、この回転炉床炉の炉床台車は、高温の炉内から熱を受け、上面の温度が下面の温度より高くなる。この結果、図１２（ａ）に示すように各炉床台車１０を一体構造にすると、熱膨張差で炉床台車１０の内周側車輪３２が浮き上がり、外周側車輪３３に過大な重量が集中して走行障害を引き起こすという問題があった。さらに、この内周側車輪３２の浮き上がりは、図１３に示すように炉床耐火物と炉壁耐火物との干渉を引き起こすという問題を有していた。

これらの問題を回避するためには、図１２（ｂ）に示す熱変形後の姿となるように各炉床台車１０が自由に動ける構造とする必要がある。従来、採用されていた図１１に示す多段ボルト結合構造５２は、炉床台車１０の熱変形に応じて徐々にナット５４を緩めることで炉床台車間の結合に自由を与えることができる構造である。しかし、炉が冷却した際にはボルト・ナット間に緩みが発生し、炉床台車１０間にガタが生じることが避けられなかった。したがって、冷間では炉床は円形を保つことはできず、回転に支障をきたすという欠点を有していた。それを防止するためには、操業による加熱や冷却等の温度変化のたびにボルト・ナットの締め付量を調整する必要がある問題があった。

本発明は、各炉床台車が自由に動けるような炉床台車構造とその結合手段を提供し、炉床が熱変形を生じた後も車輪が全て接地して回転することで、過大な荷重による台車破損や事故を回避すると共に、操業による加熱や冷却等の温度変化のたびにボルト・ナットの締め付量を調整することを不要とする炉床台車を提供するものである。

前記課題を解決するために、本発明による回転炉床炉は、炉床を載置している炉床台車がそれぞれ走行装置を有する複数の炉床台車からなり、隣り合う前記炉床台車を、ボルト・ナットでスペーサーを介して水平面上で１列に間隔をおいて結合する構造としたことを特徴としている。

前記炉床台車において、スペーサーの長さδを下記式で導き出す長さとすることが好ましい。
δ≧０．５×α×ΔＴ×Ｗ×ｌ／Ｌ
α ： 台車フレーム主材料の線膨張係数
ΔＴ： 操業時における台車フレームの上面と下面との温度差
Ｗ ： 台車の長さ
ｌ ： 台車上面からスペーサー（結合ボルト）取り付け用孔までの距離
Ｌ ： 台車フレームの高さ

前記炉床台車において、炉床台車の移動用車輪は、当該炉床台車の下部に設けられてお
り、各炉床台車において外周炉壁側に２個、内周炉壁側に１個またはこの逆に配置されていることが好ましい。

前記炉床台車において、炉床の耐火物築造床と炉床台車とを別個に設け、互いに変位可能に結合していることが好ましい。

本発明の炉床台車結合構造では、炉床台車を結合している結合ボルトが水平面上で１列に間隔をおいて配置されているので、各炉床台車が操業時に熱変形しても、湾曲状の変形に対しては相互拘束せずに自由に変形できる構造であるために、各炉床台車は常に個々に安定した状態に保たれる。また、結合ボルトがスペーサーを介して隣り合う炉床台車を結合しているので、操業時に熱変形で隣り合う台車どうしが接触しないように、台車間の隙間がスペーサーにより維持される。さらに、この隙間は台車間の角度が変化した場合に結合部の距離変化を最小にする働きをする。このような構造とすることで、結合ボルトはその曲げ応力および引張応力をボルト母材の許容応力内に抑えることができる。

スペーサーの長さδを、
δ≧０．５×α×ΔＴ×Ｗ×ｌ／Ｌ
で求めれば、熱変形による隣り合う台車どうしの接触を防ぐことができる適正なスペーサー長さδを簡便に求めることができる。

炉床台車がその下部に移動用車輪を有し、各炉床台車において外周炉壁側に２個、内周炉壁側に１個またはこの逆に配置されている構造のものでは、操業に伴い台車フレームが熱変形した場合でも、すべての車輪は常時かつ確実にレールと接触し、レールおよび車輪に加わる負荷を一定にすることが可能で、レールおよび車輪の寿命を延ばすことができる。

炉床の耐火物築造床と炉床台車とを別個に設け、互いに変位可能に結合した構造のものでは、操業に伴い炉床台車の台車フレームが熱変形しても、耐火物築造床に変形や外力等の影響が及ぶことがない。したがって、炉床台車の台車フレームが熱変形しても、炉床耐火物が破損することはない。

図１〜４は、本発明の実施の一形態を示している。この実施の形態では、回転炉床炉１の炉床５は、複数台の炉床台車１０を結合装置２０により環状に結合して構成されている。炉床５は、耐火物築造床６および炉床材７で築造されている。耐火物築造床６は、台車上面鉄板８の上に配置されている。炉床台車１０は、主として台車フレーム１２、走行装置３０および台車上面鉄板支持金物４０からなっている。

結合装置２０は、図３に示すようにスペーサー２１、結合ボルト２４、ナット２５，２６からなっている。複数の結合装置２０は、炉床台車１０の幅方向に沿い間隔をおいて配置されている。複数の結合装置２０は同一水平面上に整列する１列だけであり、上下複数段に配置されてはいない。炉床台車１０は、隣り合うもの例えば１０ａ、１０ｂどうしが、結合装置２０で結合されている。すなわち、操業停止（常温）状態では、図３に示すように後端縦部材１４ａｒのウエブ１５ａおよび前端縦部材１４ｂｆのウエブ１５ｂが鉛直かつ互いに平行となっている。隙間δに短管からなるスペーサー２１が挿入されている。隙間δは、操業実績または熱変形量の計算に基づいて操業時に熱変形で隣り合う台車どうしが接触しない大きさに設定されている。

結合ボルト２４が、隣り合うウエブ１５ａ、１５ｂおよび座金２８のボルト孔２９、ならびにスペーサー２１の軸穴２２を貫通している。ウエブ１５ａ、１５ｂをスペーサー２１を介して結合ボルト２４のナット２５で締め付けて、炉床台車１０ａと炉床台車１０ｂとを結合している。この状態では、スペーサー２１の両端全面がそれぞれウエブ１５ａ、１５ｂ面に接している。縦部材１４とボルト２４の頭部およびナット２５との間にそれぞれ座金２８が挿入されている。スペーサー２１は、短管に代えて環状のディスクであってもよい。なお、スペーサー２１の材質としては、操業に伴う台車の熱変形時にスペーサー２１にかかる圧縮応力に耐える強度と、２００〜２５０℃以上の耐熱温度を有するものであればよく、一般的な鋼製のもので十分に使用に耐える。

上記のように構成された炉床台車結合構造において、炉床台車間に挟まれたスペーサー２１は、図４に示すように操業時に熱変形で隣り合う台車どうしが接触しないように炉床台車の隙間を保持する。この隙間は、炉床台車の熱変形により後端縦部材１４ａｒおよび前端縦部材１４ｂｆの相対する２面の間の角度θが変化した場合、結合部の距離変化を最小にする働きを持つ。この構造により、炉床台車を結合する結合ボルト２４の伸びを最小にするため、台車相互の結合面変位のほとんどを結合ボルト２４の曲げと伸びで吸収することができ、台車の結合には僅かのガタしか生じない。この結果、個々の台車フレームは比較的自由に変形することができる。また、ナット２５により結合ボルト２４を初期に締め付け調整するだけで、予熱、冷却等の温度変化のたびに締付け量を再調整する必要はない。

この結合装置２０を水平面上に複数用いることにより、結合ボルト２４の曲げおよび引張応力を結合ボルト母材の許容応力内に抑えることができる。

上記結合装置において、実際の隙間δ（＝スペーサーの長さ）は、次のように設定するとよい。図１および図２に示すように、炉床台車１０の上部には耐火物築造床６を介して炉床材７が載置され、該炉床材７の上部には還元用の原料（図示しない）が積載され、該原料が上から順次下に向かって加熱・焼結・還元される。この時、図５に示すように操業前（常温時）の台車１０の長手方向距離Ｗは加熱されることでその上部が長く伸びてＷ′となる。一方、当該台車の下面は、上面ほど温度が高くならない。このことから、台車１０は図のように上方に向かって凸に湾曲する。図５に示す状態は、前記両台車の伸びＷ′により、隣り合う台車の上端部が接触している状態であり、これが変形の許容限界である。

前記両台車間の端面部の傾きをスペーサー２１を中心として互いに角度θで傾いているとした時に、隣り合う台車端部の上部が接触することを防止するための前記スペーサー２１の理論上に必要な長さδは、
δ≧ｌ×ｔａｎθ ……（１）
ｌは、台車上面からスペーサー（結合ボルト）取り付け用孔までの距離である。
一方、前記と同じ状態時の、両台車端部における下部の隙間は、
Ｗ′−Ｗ＝Ｌ×ｔａｎθ ……（２）
Ｌは、台車フレームの高さである。また、同様に
α×ΔＴ×Ｗ＝Ｌ×ｔａｎθ ……（３）
ここで、αは台車フレーム主材料の線膨張係数であり、ΔＴは操業時における台車フレームの上面と下面との温度差である。前記（３）式と前記（１）式とから、
δ≧α×ΔＴ×Ｗ×l／Ｌ ……（４）
が得られる。

本発明者らの実機の調査と解析結果によると、実際の操業においては台車フレームの塑性変形や水封装置の冷却効果などにより、前記傾きθは、約半分に減じられることが判明した。それにより、実際の設定にあたっては、上記δの計算結果に係数０．５を乗じた下記（５）式のスペーサー長さ（隙間）を使用するとよい。
δ≧０．５×α×ΔＴ×Ｗ×ｌ／Ｌ ……（５）
また、その上限については、両台車間上に載置する耐火物等の落下防止の点から５０ｍｍとすればよい。

走行装置３０は、図２に示すように内周炉壁２側に車輪３２が、外周炉壁３側に車輪３３がそれぞれ台車フレーム１２の底部に取り付けられている。台車フレーム１２の下方の基礎３６上に車輪３２、３３が転動するレール３４が、炉中心周りに環状に敷設されている。

炉床台車はスムースにレール上を走行することが求められるが、図６（ａ）に示すように、車輪３８が軸受台３７を介して基礎３６に取り付けられ、レール３９が炉床台車１０の底部に設けられた場合、熱変形によって拡大する台車間の隙間により、車輪３８とレール３９の接触に不連続部が生じてしまう。これは車輪３８およびレール３９の間に恒常的な段差による衝撃が生じることを示しており、長期的にはそれぞれが疲労破壊することとなる。これを回避するために、本発明では図６（ｂ）に示すように車輪３２、３３は炉床台車１０の底部に設けている。

また、各炉床台車１０において、図７に示すように車輪３２、３３は外周炉壁側に２個、内周炉壁側に１個、またはこの逆にそれぞれ配置されている。このように車輪３２、３３を配置することで、すべての車輪は常時、確実にレール３４と接触する。この結果、炉床台車１０は車輪３２、３３により安定して支持され、走行がスムースとなるので、炉床台車１０、車輪３２、３３およびレール３４が疲労破壊することはない。

図８は、台車上面鉄板支持金物４０の一例を示している。台車上面鉄板支持金物４０は、細長の板からなり、その複数が板面を鉛直にして炉床台車１０の上面に固定されている。台車上面鉄板支持金物４０は炉床台車１０の長手方向（円周方向）に沿い台車全長にわたって延びており、隣り合う台車上面鉄板支持金物４０との間に適正な膨張代４９が設けられている。台車上面鉄板支持金物４０の高さは２５〜１５０ｍｍ、幅は９〜３２ｍｍ程度である。台車上面鉄板８が台車上面鉄板支持金物４０の上面４１に載っており、台車上面鉄板８は台車上面鉄板支持金物４０に対し変位可能である。また、炉床台車１０の上面に保持ボルト４５が固定されている。保持ボルト径より大きい複数のボルト孔（図示しない）が台車上面鉄板８に設けられており、このボルト孔を保持ボルト４５の上端部が貫通している。保持ボルト４５の上端部にナット４６がはめ合っており、台車上面鉄板８とナット４６との間に座金４８が挿入されている。台車上面鉄板８と台車上面鉄板支持金物４０とが相互に変位可能なように、ナット４６は緩く締められている。台車上面鉄板８の上面から突出する保持ボルト４５の上端部とナット４６とが入り込む空間が、耐火物築造床６の炉床耐火物の底部（図示しない）に設けられている。耐火物床支持金物４０は、材質においては２００〜２５０℃以上の耐熱温度を有し、機械的性質に優れたものが適しており、一般的には鋼鉄製のものが望ましい。

上記のように構成された台車上面鉄板支持金物４０を有する炉床台車１０では、炉床台車１０が熱変形を生じた場合、台車上面鉄板８と台車上面鉄板支持金物４０とが相互に変位するので、その熱変形が耐火物築造床６や台車上面鉄板８に変形や外力を及ぼすことはなく、耐火物築造床６上の炉床耐火物の破損を回避することができる。また、保持ボルト４５は、台車上面鉄板８と台車フレーム１２の変位を規制し、両者間の大きなずれを防ぐ。

図９は、台車上面鉄板支持金物の他の例を示している。台車上面鉄板支持金物４２は、短い円柱または角柱からなり、炉床台車１０の上面に鉛直に取り付けられている。台車上面鉄板支持金物４２の複数が、炉床台車１０の長手方向に沿い台車全長にわたって配置されており、高さは１０〜１２５ｍｍ、直径（角形）は５０〜１００ｍｍ程度である。台車上面鉄板８が台車上面鉄板支持金物４２の上面４３に載っており、台車上面鉄板８および台車上面鉄板支持金物４２は相互に変位可能である。保持ボルト４５の構成および台車上面鉄板支持金物４２の作用は、図８に示すものと同じである。

炉床台車１０と炉壁２、３との間に、炉心を中心とする環状の水封装置９が設けられている。水封装置９は、高温の炉内ガスが炉外へ漏出したり、または大気が炉外から炉内へ侵入したりして、炉内の還元雰囲気を損なうことを防ぐ。

本発明の炉床台車の構造を模式的に示す斜視図である。 前記炉床台車の正面図である。 前記炉床台車の結合部の詳細図である。 本発明の炉床台車の結合部の作用説明図である。 本発明のスペーサーの長さと、炉床台車の寸法、台車上下部間の温度差、スペーサー位置などとの関係を説明する図面である。 車輪の取付け位置による走行装置の作用の相違を説明する模式図である。 本発明の炉床台車の熱変形を説明する図である。 本発明の台車上面鉄板支持金物の一例を模式的に示す斜視図である。 本発明の台車上面鉄板支持金物の他の例を模式的に示す斜視図である。 従来の炉床台車の結合構造の例を示す図面である。 従来の炉床台車の結合構造の他の例を示す図面である。 従来の炉床台車の熱変形を説明する図面である。 従来の炉床台車において、内周側車輪浮き上がりによる炉床耐火物と炉壁耐火物との干渉を説明する模式図である。

符号の説明

１ 回転炉床炉 ２、３ 炉壁
５ 炉床 ６ 耐火物築造床
７ 炉床材 ８ 台車上面鉄板
９ 水封装置 １０ 炉床台車
１２ 台車フレーム １４ 台車フレームの縦部材
２０ 結合装置 ２１ スペーサー
２２ スペーサーの軸孔 ２４ 結合ボルト
２５、２６ 結合ボルトのナット ２８ 座金
２９ ボルト孔 ３０ 走行装置
３２、３３ 車輪 ３４ レール
４０、４２ 台車上面鉄板支持金物 ４５ 保持ボルト
４６ 保持ボルトのナット ４８ 座金
４９ 膨張代 ５０ 溶接構造
５２ 多段ボルト締結構造
δ 台車間隙間

Claims (4)

1. 炉床を載置している炉床台車がそれぞれ走行装置を有する複数の炉床台車からなり、隣り合う前記炉床台車を、ボルト・ナットでスペーサーを介して水平面上で１列に間隔をおいて結合する構造としたことを特徴とする回転炉床炉。
2. 前記スペーサーの長さδを下記式で導き出す長さとしたことを特徴とする請求項１記載の回転炉床炉。
   δ≧０．５×α×ΔＴ×Ｗ×ｌ／Ｌ
   α ： 台車フレーム主材料の線膨張係数
   ΔＴ： 操業時における台車フレームの上面と下面との温度差
   Ｗ ： 台車の長さ
   ｌ ： 台車上面からスペーサー（結合ボルト）取り付け用孔までの距離
   Ｌ ： 台車フレームの高さ
3. 前記炉床台車の移動用車輪は、当該炉床台車の下部に設けられており、各炉床台車において外周炉壁側に２個、内周炉壁側に１個またはこの逆に配置されていることを特徴とする請求項１または２記載の回転炉床炉。
4. 炉床の耐火物築造床と炉床台車とを別個に設け、互いに変位可能に結合したことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の回転炉床炉。

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