JP4358109B2 - 冶金炉用冷却プレート - Google Patents

Description

本発明は、外側炉ケーシングプレートを備えた冶金炉用の冷却プレート（銅または低合金銅合金(low-alloy copper alloy)からなる）に関し、このものは少なくとも１条の、好ましくは少なくとも２条の、冷却プレート内で延在するクーラント流路を有し、クーラントが流入および流出するためのクーラントパイプセクションが炉ケーシングプレートを貫通して外部に延在している。

このタイプの冷却プレートはシェルとライニングとの間に配置され、そして冷却システムに接続される。炉の内部に面する側に関しては、冷却プレートに部分的に耐熱材が設けられる。

特許文献１には、冷却流路が鋳鉄に鋳込まれたパイプからなる冷却プレートが開示されている。支持ラグもまた冷却システムに連結される。これらプレートからの熱の放散は、鋳鉄の低い熱伝導性のため、そして酸化物またはエアギャップの層によって生じる冷却パイプとプレート本体との間の抵抗のために低い。

ある稼働期間の後、ブラスト炉耐熱ライニングが消失した場合、冷却プレートの内面は炉の温度に直接さらされる。炉温度は完全に鋳鉄の融点以上であり、しかも冷却プレートの内部熱伝導抵抗はプレートの高温側を十分に冷却しないので、鋳鉄プレートの加速度的損耗が不可避であり、しかもこれに関連して耐用年数が制限される。

特許文献２には銅冷却プレートが開示されており、これは、上部クーラントパイプセクションの近傍において、固定式ポイント取付要素によって炉ケーシングに固定的に連結されている。さらに、上側クーラントパイプセクションは同様に炉ケーシングに固定的に接合されている。さらに取付要素は可動式ポイント取付要素として設計されており、これは水平方向（ｘ）と鉛直方向（ｙ）両方の移動を可能にする。下部クーラントパイプセクションは、標準的な補償装置によってのみ炉ケーシングに気密状態で接続されている。それゆえこの領域では、冷却プレートは三つの空間方向のいずれにも固定されていない。

炉の内部に面する冷却プレートの側面が３００℃以上の温度に達し、かつ炉ケーシングに面する側はクーラント温度すなわち概ね周囲温度のままであるという事実によって、冷却プレートは非常に高い熱誘起応力にさらされる。特許文献２に言及された冷却プレートにおいて、これは、プレート（これはもちろん多くの位置で完全に固定されている）が熱の影響下で塑性的に変形させられ、そして冷却中に炉の内部へと突き出し、皿形になるということを意味する。これによってクーラントパイプセクションにひびが入り、クーラント漏れに至る。
DE 39 25 280 DE 199 43 287 A1

従来技術に鑑みると、本発明は、このタイプの皿形変形がもはや起こり得ず、したがってクーラントパイプセクションに応力誘起クラックがもはや生じない冷却プレートの提供という目的に基づくものである。

本発明によれば、この目的は、本冷却プレートが、炉ケーシングプレートを貫通して外側に延在しかつ炉ケーシングプレートを通過してしまった後に取付要素、特に保持プレートまたは保持ディスクを備える保持パイプを具備し、この保持パイプおよび取付要素が、銅または低合金銅合金に比べて強度の高い材料から形成されているという事実によって達成される。

本発明による冷却プレートは、保持パイプの位置において鉛直方向（ｙ）および水平方向（ｘ）のいずれにも動くことができるのに対して、ｚ方向の動き、すなわち炉の内部方向の「わん状変形(dishing)」は、保持パイプに配置されるとともに炉ケーシングの外側でこの炉ケーシングに対して支持された取付要素によって抑止される。

従来技術とは異なり、それにもかかわらずｚ方向に生じる応力は、銅製クーラントパイプセクション（これはこの目的のためには好適ではない）によって担持されず、むしろ、非常に好適な材料からなる保持パイプおよび取付要素によって担持される。

保持パイプおよび取付要素に関して、とりわけ好ましい材料は鋼であり、可能ならば、むらのない(even)特殊鋼である。しかしながら、原則として、銅または低合金銅合金よりもかなり高い強度を持つという要求を満たすのであれば、鋼を用いた場合と同様、どのような材料でも適用できる。特に好ましい材料である鋼を用いた場合と同様、少なくともそれ自身に対して、そして好ましくはさらに銅または低合金銅合金に対して溶接可能な材料もまた好ましい。

有利な実施形態によれば、本発明による冷却プレートは、固定式ポイント取付要素によって、中央領域で炉ケーシングプレートに接合される。

このタイプの固定式ポイント取付要素は、たとえば取付ボルトとすることができ、しかもそれは、この位置において三つの空間方向のそれぞれにプレートを固定する。

この方法によれば、本発明による冷却プレートは適所に固定され、そしてとにかく熱誘起応力によってこの位置から移動することはできない。他方、プレートの熱膨張は、この中央固定ポイントから拘束されないままとなる。

さらなる有利な実施形態によれば、冷却プレート（特に冷却プレート高さ／幅比が３以上である場合）は、固定式ポイント取付要素の上方および／または下方に配置されるとともに鉛直方向のみの移動を可能にする、少なくとも一つの可動式ポイント取付要素を備える。

これに代えて、冷却プレート（特に冷却プレート高さ／幅比が３未満、好ましくは２未満である場合）は、固定式ポイント取付要素の左側および／または右側に配置されるとともに水平方向のみの移動を可能にする、少なくとも一つの可動式ポイント取付要素を備える。

このタイプの可動式ポイント取付要素は、たとえばディスクを備えた取付ボルトとすることができ、このディスクは炉ケーシングプレートに溶接されないままとなり、一方向にガイド内をスライドできる。しかも、その向きに応じて、可動式ポイント取付要素は、上記プレートをｘ方向またはｙ方向のいずれかに、そしていずれにしてもｚ方向に固定する。

中央固定ポイントによって実現される固定に加えて、上記変形例はいずれも、冷却プレートが適所に簡単に完全固定されず、むしろ冷却プレートがやはり熱誘起応力によってねじれるのが抑止されることも保証する。さらに、可動式ポイント取付要素によって許される方向へは、プレートは自由に熱膨張できる。

本発明による冷却プレートの特に好ましい実施形態は、炉の内部に面する側に舌部および溝を有する冷却プレートである。この舌部は、その長手方向に分割される。

上記舌部は冷却プレートの一部であり、これはクーラントの冷却作用を最も享受しない。この結果、舌部は、全体として最も高い温度（先に言及した概ね３００℃の温度）に達する冷却プレートの一部分となる。舌部を個々のセクションに分割することによって、舌部の熱膨張によって生じる応力が可能な限り最小限まで低減される。舌部のみをさらに分割することは、従来から公知の冷却プレートにおいて、冷却プレートの「わん状変形」を低減し、かつ冷却プレート、特にクーラントパイプセクションの耐用年数を増大させる好適な方策となる。

全体として冷却プレートの機械的強度に不利な影響を及ぼさないようにするため、このコンテクストでは舌部の分割に関して、舌部に対して実質的に直角に配された切込みとして実現されることが好ましい。

さらに、この切り込みは、それらがクーラント流路の上に配置されないよう、むしろその間に配置されるよう実現されることが好ましい。ひび割れが生じた場合、こうすることで、クーラント流路内へのさらなるひび割れのリスクを低減できる。

舌部（これは通常水平方向に延びる）の耐負荷能力に不利な影響を及ぼさないようにするため、舌部の分割は、個々のセグメントが互いに水平方向にオフセットするように実現されることが好ましい。

さまざまな他の実施形態は、保持パイプ、取付要素およびクーラントパイプセクションの詳細設計に関する。これら特定の実施形態は請求項６ないし請求項１２の主題をなす。

原則として、保持パイプは個々の場合においてクーラントパイプセクションを取り囲むことが好ましい。すなわち保持パイプが炉ケーシングを貫通して外側に延在させられ、クーラントパイプセクションは個々の場合において保持パイプの内部で炉ケーシングを貫通して外側に延在させられることが好ましい。

保持パイプと冷却プレートとの間の接合、あるいはクーラントパイプセクションと冷却プレートとの間の接合、あるいは保持パイプとクーラントパイプセクションとの間の接合の特質は、変更可能な設計事項である。

第１のそして好ましい変形例によれば、ディスク状の接続片が、クーラントパイプセクションを取り囲む保持パイプに溶接され、しかもこの接続片は冷却プレートに螺着される。クーラントパイプセクションは冷却プレートに溶接される。

第２の変形例によれば、クーラントパイプセクションを取り囲む保持パイプは冷却プレートに直接溶接され、そしてクーラントパイプセクションもまた冷却プレートに溶接される。

さらなる変形例によれば、ディスクまたはリング形態の接続片は、クーラントパイプセクションと保持パイプとの間に挿入される。クーラントパイプセクションと保持パイプとはこの接続片上に載る。一方では、接続片と冷却プレートとの間の接続と、他方では接続片とクーラントパイプセクションまたは保持パイプとの間の接続とは、好ましくは溶接によってもたらされる。

さらなる変形例によれば、クーラントパイプセクションは単一部品として設計され、そしてフランジを備え、このフランジは冷却プレートに固定される。この場合、クーラントパイプセクションを取り囲む保持パイプは、このフランジの上に載り、そして溶接によってそれに固定される。

さらなる変形例によれば、保持パイプはまたクーラントパイプセクションとして設計され、この場合には、両方の機能、すなわちクーラントの供給および排出、ならびに保持機能が、この一つのパイプセクションによって実現される。

最後に言及した変形例を除いて、全ての実施形態において、クーラントパイプセクションは冷却プレートと同じベース材料または異なる材料のいずれかから、好ましくは保持パイプを構成する材料から形成可能である。

最後に言及した変形例に関して、この選択の範囲は存在しない。なぜなら、この場合、クーラントパイプは同時にまた保持パイプであり、それゆえいかなる場合でも保持パイプを構成する材料から形成されなければならないからである。

以下、図１ないし図９に関して本発明をさらに詳しく説明する。

図１は、炉ケーシングプレート２に取り付けられた二流路冷却プレート１を示す。この冷却プレートは銅からなり、しかも炉の内部に面する側面に舌部３を有する。冷却プレート１と炉ケーシングプレート２との間の空間は、耐熱材料４で裏込めされている。さらに冷却プレート１’が、冷却プレート１の上方および下方ならびに側方（図示せず）に配置されている。冷却プレート１は鉛直に延在する冷却流路５を備え、これは鋳造または圧延プレート本体にめくら穴として形成されている。クーラント（普通は水）を供給するとともに排除するためのクーラントパイプセクション６は、各冷却流路５の上側および下側端部において炉ケーシング２を貫通して延在している。各クーラントパイプセクション６において、保持パイプ７（クーラントパイプセクション６を取り囲む）も同様に、炉ケーシングを貫通して外側に延びている。保持パイプ７はディスク状接続片８に螺着されており、このディスク状接続片８は、その一部について、ネジ接続子９を用いて冷却プレート１に取り付けられている。炉ケーシング２の外側においては、保持パイプ７は溶接取付保持ディスク１０を備え、このディスク１０は、炉の内部方向への冷却プレート１の移動を制限する。保持パイプ７およびクーラントパイプセクション６は、標準補償器１１によって、炉ケーシングプレート２に対し気密状態で接続されている。冷却プレート１の中央において、それは、取付ボルトとして構成された固定式ポイント取付要素１２によって炉ケーシングプレート２に固定的に接合されている。固定式ポイント取付要素１２は、炉ケーシングプレート２に対して気密状態となるよう溶接されている。可動式ポイント取付要素１３は、固定式ポイント取付要素１２の上方および下方に配置されている。この可動式ポイント取付要素１３も同様に取付ボルトとして構成されているが、炉ケーシングプレート２に対して気密状態で溶接されてはおらず、むしろガイド１４内で上方および下方にスライドできる。炉の内部に対するシールを提供するため、密閉フード１５が可動式ポイント取付要素１３の上に配されている。

図２は、二倍の条数の冷却流路５を持つことは別にして、図１に示す冷却プレート１と実質的に同一である四流路冷却プレート１６を示す。しかしながら、異なる高さ／幅比のために、可動式ポイント取付要素１３は固定式ポイント取付要素１２の上方および下方には配置されておらず、むしろ個々の場合について固定式ポイント取付要素１２に対して横方向に配置されている。可動式ポイント取付要素１３用のガイド１４は、それらが水平方向にスライドできるよう配置されている。

図３は、炉内での、二流路冷却プレート１および四流路冷却プレート１６の配置を概略的に示す。同図はまた、文中で繰り返し言及するｘ，ｙおよびｚ方向を示す座標系を図示する。

図４は冷却プレート１６の舌部３を示し、この舌部３は水平方向に分割されている。個々のセグメントは個々の場合において概ね等しい長さを有し、しかも概ねその長さの半分だけ水平方向にオフセットしている。

図５は、本発明に従った保持パイプ７、クーラントパイプセクション６の構造の好ましい変形例の拡大図、およびさらに接続片８がネジ接続子９によって冷却プレート１に取り付けられる方法を示す。

図６に示す構成は、図５に示す構成とは、保持パイプ７と冷却プレート１との間の接合が溶接によってなされている点において相違する。

図７は、保持パイプ７および冷却パイプセクション６のいずれもが接続片８に取り付けられた実施形態を示す。

図８は、単一部品として構成されかつフランジを備えたクーラントパイプセクション６を示し、保持パイプ７はやはりこのフランジに取り付けられている。

図９は特別な実施形態を示す。冷却プレート１に溶接された環状接続片８上に、この接続片８に溶接されたパイプセクション１７が取り付けられている。パイプセクション１７は、保持パイプと同じ材料、すなわち例えば鋼からなり、銅に比べてより高い強度を持つため、同時にクーラントパイプセクションおよび保持パイプの両方の役割を果たす。

図５ないし図９の全図に関して、保持ディスク１０（これは炉ケーシング２の外側に直接設けられかつ保持パイプ７，１７に溶接される）は、炉の内部に対してｚ方向に、対応する冷却プレート１を固定する。

二流路冷却プレートの図である。 四流路冷却プレートの図である。 複数の冷却プレートの配置図である。 四流路冷却プレートのセグメント化を示す図である。 保持パイプの各構造を示す図である。 保持パイプの各構造を示す図である。 保持パイプの各構造を示す図である。 保持パイプの各構造を示す図である。 保持パイプの各構造を示す図である。

符号の説明

１ 二流路冷却プレート
２ 炉ケーシングプレート
３ 舌部
４ 耐熱材料
５ 冷却流路
６ クーラントパイプセクション
７ 保持パイプ
８ ディスク状接続片
９ ネジ接続子
１０ 溶接取付保持ディスク
１１ 標準補償器
１２ 固定式ポイント取付要素
１３ 可動式ポイント取付要素
１４ ガイド
１５ 密閉フード
１６ 四流路冷却プレート
１７ パイプセクション

Claims (11)

1. 外側炉ケーシングプレート（２）を備えた冶金炉用の、銅または低合金銅合金からなる冷却プレート（１，１６）であって、少なくとも１条の、前記冷却プレート内で延在するクーラント流路（５）を有し、クーラントが流入および流出するためのクーラントパイプセクション（６）が前記炉ケーシングプレート（２）を貫通して外部に延在させられており、
   前記冷却プレート（１，１６）は、
   前記炉ケーシングプレート（２）を貫通して外部に延在させられるとともに、前記炉ケーシングプレート（２）の外部において、取付要素（１０）を備える、クーラントパイプセクション（６）を取り囲む保持パイプ（７）を具備し、
   かつ前記保持パイプ（７）および前記取付要素（１０）は、銅または低合金銅合金に比べて強度の高い材料から形成され、
   かつ前記冷却プレート（１，１６）は、固定式ポイント取付要素（１２）によって中央領域において前記炉ケーシングプレート（２）に接合されていることを特徴とする冷却プレート（１，１６）。
2. 高さ／幅比が３以上である冷却プレート（１，１６）において、前記固定式ポイント取付要素（１２）の上方および／または下方に配置されかつ鉛直方向にのみ動くことを可能にする、少なくとも一つの可動式ポイント取付要素（１３）を具備することを特徴とする請求項１に記載の冷却プレート（１，１６）。
3. 高さ／幅比が３未満の冷却プレート（１，１６）において、前記固定式ポイント取付要素（１２）の左および／または右に配置されかつ水平方向にのみ動くことを可能にする、少なくとも一つの可動式ポイント取付要素（１３）を具備することを特徴とする請求項１に記載の冷却プレート（１，１６）。
4. 前記炉の内部に面する側に舌部（３）および溝を有し、前記舌部（３）はその長手方向に分割されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の冷却プレート（１，１６）。
5. 前記保持パイプ（７）が前記冷却プレート（１，１６）に取り付けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の冷却プレート（１，１６）。
6. リングまたはディスク形状に形成された接続片（８）が保持パイプ（７）とクーラントパイプセクション（６）との間に配されていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の冷却プレート（１，１６）。
7. クーラントパイプセクション（６）は単一部品として形成されるとともに、前記冷却プレート（１，１６）に取り付けられたフランジを備えることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の冷却プレート（１，１６）。
8. 前記クーラントパイプセクション（６）を取り囲む保持パイプ（７）が前記フランジに取り付けられていることを特徴とする請求項７に記載の冷却プレート（１，１６）。
9. クーラントが流入および流出するための前記パイプセクション（６）は、前記冷却プレート（１，１６）と同じ材料からなることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の冷却プレート（１，１６）。
10. 前記冷却プレート（１，１６）は、前記保持パイプ（７）および前記クーラントパイプセクション（６）の両方として機能するパイプセクション（１７）を具備してなることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の冷却プレート（１，１６）。
11. クーラントが流入および流出するための前記クーラントパイプセクション（６）は、前記保持パイプ（７）と同じ材料からなることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の冷却プレート（１，１６）。

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