JP5256376B2 - 乾式冶金反応炉用冷却要素の製造方法および冷却要素 - Google Patents

Description

詳細な説明

本発明は、金属または金属合金の製造、製錬に使用する 高炉やそれに類する炉などの乾式冶金反応炉の冷却要素に関するものである。このような反応炉は、鋼鉄の製造分野に広く使用される。

乾式冶金反応炉は、通常鋼鉄で作られた反応器と、反応器内にその壁を背にして配設された冷却要素と、反応炉の内側面を形成する耐火層とからなる。耐火層はレンガ、あるいは冷却要素の表面に塗布された流動性の耐火材で構成されるか、またはその両方で構成される。流動性耐火材を使用する場合、冷却要素は炭素材中に埋め込まれ、さらに保護用に炭化ケイ素を使用してもよい。レンガを使用する場合は、冷却要素は溶鉱炉の内側に面した平たくて幅の広い板でよい。このような冷却要素は、レンガを要素に取り付けるための横溝を備えている。冷却要素を反応器に取り付けると、これらの溝はレンガ層と同様に水平に延伸する。上述の要素のほかに反応器は、流路と、金属材料、燃料、空気、酸素、またはシールドガスおよび添加剤を反応炉に投入する手段とを含んでいて、これらはすべて、反応炉を使用する工程に応じたものである。

乾式冶金処理において反応炉の耐火層は水冷式冷却要素で保護され、冷却の結果、耐火面に到達する熱が冷却要素を通じて水に伝えられる。そのため、ライニングの摩耗は、冷却されていない反応炉に比べ、大幅に低減する。摩耗の低減は冷却効果によるものであり、これがいわゆる自溶ライニングの形成を引き起こし、自溶ライニングが耐熱ライニングの表面に定着する。このライニングは、溶融相から析出されたスラグや他の物質で形成されている。

従来、冷却要素は２通りの方法で製造されてきた。主として、要素を砂型鋳造法によって製造し、この場合、銅などの高熱伝導性材料からなる冷却パイプを砂で作られた鋳型内に取り付け、要素は、鋳造中にパイプの周りの空気または水によって冷却される。パイプの周囲に鋳造された要素も高熱伝導性材料、好ましくは銅からなる。この種の製造方法は、例えばイギリス特許第1386645号に述べられている。この方法における問題点の１つは、冷却導路の役割を果たす配管の、配管周りの鋳込材料への取付けが不均一なことである。そのため、何本かのパイプがその周りに鋳造される要素から離れてしまうことがあり、またパイプの一部が完全に溶けてしまって損傷することがある。冷却パイプとその周囲に鋳造される要素の他の部分との間に金属結合が形成されないと、熱伝導の効率が悪くなる。さらに、配管が完全に溶解してしまうと、冷却水の流れを妨げてしまう。鋳込材料の鋳造特性は、例えばリンを銅と混ぜ合わせて配管と鋳込材料の間の金属接結合を向上させることで改善できる。ただしこの場合、銅の伝熱性(熱伝導率)は、何かを少し加えただけでも著しく鈍くなる。この方法で言及に値する利点は、製造費用が比較的安く、規模に左右されないことである。

別の製造方法を用いて、導路形状のガラス管を冷却要素の鋳型に取り付ける。鋳造成形後、ガラスを破砕して、導路を要素内に形成する。砂型鋳造法を用いた場合、鋳造品を１つ１つX線写真撮影で確認して、気体または液漏れに対する密閉度を保証しなければならない。冷却水が溶鉱炉内に漏れると酷い損傷を負うこともあるため、この確認が義務付けられている。しかしながら、100％の品質管理とX線写真撮影はかなりの費用増加となる。

米国特許第4,382,585号には、別のよく使われる冷却要素の製造方法が記載され、それによれば冷却要素は、例えば圧延銅板から、必要な導路をそれに機械加工することで製造される。この方法で製造された要素の利点は、高密度で丈夫な構造を有し、冷却要素から水などの冷却媒体への熱伝達が良好なことである。欠点は、寸法上の制限があり、かつコスト高なため、大きさが限られてしまうことである。

従来技術における公知の方法は、中空異形材を連続鋳造物として鋳造し、すなわち鋳型からスリップキャスト成形することで、乾式冶金反応炉用冷却要素を製造するものであった。長さ方向の穴を冷却要素に心金によって設けてもよい。要素は、銅などの熱伝導率の高い金属から製造する。この方法には、高密度の鋳造構体と、表面品質の高さ、そして成形された冷却導路によって要素から冷却媒体への熱伝達が良好になるという利点があり、よって熱伝達を妨げるような作用は起こらず、それどころか、反応炉から冷却要素に達する熱がなんら過度の熱伝達抵抗を受けることなく導路の表面に直接伝えられ、さらに冷却水へと伝わる。冷却導路の断面は、全体として円形または楕円形であり、心金の表面は滑らかである。このタイプの冷却導路は、米国特許第5,772,955号に記載されている。

しかし、冷却要素の熱伝達能力を向上させるには、要素の熱伝達表面積を大きくすることが好ましい。これは、直径を大きくしたり長さを延ばしたりすることなく導路の壁の表面積を広げることで実現できる。冷却要素の導路の壁表面積は、鋳造時に導路壁に溝を形成するか、または鋳造後に導路に溝やネジ状面を機械加工で設けて導路の断面が実質的に円形または楕円形を保つことで増加する。その結果、同じ熱量でも、水と導路壁との間の温度差が少なくてすみ、より冷却要素温度が低くもなる。この方法は、国際公開第WO/2000/037870号に記載されている。

本発明は、乾式冶金反応炉用冷却要素の新たな製造方法、ならびに本方法に基づいて製造される新しい冷却要素を提示することを目的とする。

また本発明は、製造費用効率がより高い冷却要素を作成することを目的とする。

さらに、本発明に係る一実施形態は、公知の冷却要素よりも少ない材料で冷却要素を製造することを目的とする。

本発明に係る一実施形態は、冷却要素の製造に必要な機械加工処理を削減することを目的とする。

本発明によれば基本的に、冷却要素の少なくとも１本の冷却導路は開ループ状に湾曲した管材形状をなし、管の各端部は、冷却媒体用接続部およびこの接続部を乾式冶金反応炉の壁に取り付ける手段を備えている。

本発明に係る好適な一実施形態では、冷却要素は１本の冷却導路を含んでいる。

本発明に係る好適な一実施形態では、冷却要素は平行に配設された２本の冷却導路を含んでいて、そのうちの１本の導路は外側導路を構成し、もう１本の導路は外側導路のループ内に収められている。

本発明に係る好適な一実施形態では、少なくとも１本の冷却導路の各端部は鋼鉄製の留め具で互いに接続されている。

具体的に言うと、本発明に係る冷却要素およびその製造方法は、独立請求項に示す事項に特徴付けられている。

本発明の実施形態は、本質的な利点をもたらすものである。

本冷却要素は製造がたいへん容易であり、鋳造または余計な機械加工も不要である。本要素は管状に形成されているため、材料をかなり節約できる。砂型鋳造または機械加工した冷却要素の場合、要素は板状をなし、冷却導路間の空間は冷却導路の形成材料と同じ材料が充填されている。本発明に係る要素では、冷却導路の壁を構成する高価な材料は、冷却導路にとって十分頑丈な壁を形成することのみに必要となる。冷却導路のループ内に残る空間は、溶鉱炉の内張りに使用したのと同じ黒鉛材料で埋めてよい。単ループ型の冷却要素に必要な材料の量は、鋳造成形または機械加工した冷却要素の場合に比べて半分に削減できるので、二重ループ型冷却要素においても大幅に節約できる。冷却要素は通常、かなり高価な銅から作られるため、材料費の節約はどのようなものであれ、競争上の優位性をもたらす。

本発明に係る冷却要素はかなり短時間で製造できるため、受注から短い納期で要素を製造できる。納期は半分に短縮できる。これにより、製造業者および使用者の双方において要素の必要在庫量を削減でき、注文が来てもすばやく対応できる。冷却要素は管材からなり、管材自体が気密性を有しているため、品質管理が簡単であり、品質が所定の基準を満たしていることを確認するのに必要なのはサンプルテストのみである。製造工程は、例えば砂型鋳造に比べて予測がつきやすく、また簡単に実行できるため、品質はより高くなり、ばらつきも小さい。

次に、以下に挙げる例および添付図面に基づいて、本発明について詳細に述べる。
本発明に係る冷却要素の一実施形態を示す図である。 本発明の別の実施形態を示す図である。 および 本発明の第２および第３の代替実施形態を示す図である。

以下では、説明を簡単にするために、乾式冶金式反応炉の例として溶鉱炉を用いる。

本発明は、溶鉱炉の壁に設けられた溝穴から溶鉱炉内に挿入される冷却要素に関するものである。このような要素は、通常銅製のプレート状本体、プレート内に形成された少なくとも１つの冷却導路、および冷却要素を溶鉱炉の壁に取り付ける手段を含んでいる。冷却要素の取付け手段と反対側の端部は、溶鉱炉の中心部に向いている。この端部すなわち先端部は、ライニング材の表面に達していて、主伝熱面を形成している。冷却要素はライニング面から溶鉱炉のある程度内側まで延びていていてもよいが、ライニング材でしかるべく覆われていて、銅製材料を腐食および摩耗から保護する。溶鉱炉の内側面に形成される自溶ライニングが冷却要素をさらに保護する。

図１に示す実施形態では冷却導路1を１本備えていて、冷却導路は外側断面が矩形で、内側断面が円形の管からなるものである。この管はＵ字型開ループに曲げられて、これは約90度に曲がった２本の湾曲部を有する。ループの脚部8、9の長さは同じである。

脚部の各端部は鋼鉄製留め具3に取り付けられている。鋼鉄製留め具3は、気密性継ぎ目を施すなんらかの手段によって、冷却導路1に接続もしくは取付けされている。好適な接続方法は溶接であるが、プレス成形、鍛造、はんだ付けといった別の方法をとってもよく、あるいはネジ付連結部品さえも使用できる。留め具3は図１に示すような中央部分が開口したリングでよく、または冷却導路の脚部8、9用の開口部を有するプレートでもよい。冷却導路1のループの内部域には黒鉛5が充填されていて、黒鉛はリング型留め具を使用する場合に留め具3内の空間を埋めるためにも用いられる。この領域も気密封止することで、冷却要素を使用する高炉または他のいかなる乾式冶金反応炉においても漏出が起きるのを防止する。中央部への充填は、冷却要素の製造時またはその設置時のどちらかにおいて行うことができる。充填物5は黒鉛でよく、または反応器または溶鉱炉の内層の形成に用いられる適切な物質であれば、ヒートシールをしないかぎりどのようなものでもよい。黒鉛またはほかの充填物は、公知の冷却要素に用いられている銅材に取って代わるものである。これらの充填物は軽量で、熱伝導が良好であり、比較的安価であり、この特性が材料の節約を可能にし、軽量化を実現し、より優れた、あるいは少なくとも高い熱伝導率をもたらす。

留め具4は、穴を備えた柄が、例えば溶接によってその中央に取り付けられている。柄は、組立て時および搬送時に冷却要素を支持するために使用するほかに、冷却要素を溶鉱炉の壁から抜き取るのにも使用できる。

冷却要素を溶鉱炉に取り付ける場合、まず、Ｕ字型ループの底部を溶鉱炉壁の穴から押し込む。穴を通した設置をたやすくするために、冷却要素1の留め具3側の厚さ(S1)は、ループの底部における厚さ(S2)より大きい。またループは、ループの底部よりも留め具3側のほうが広くなっている。こうして、２方向に向かうくさび形状を形成すると、冷却要素の設置が容易になる。この特徴は冷却要素の動作に必要なものではないが、取付けが簡単で迅速なため、利用者からは高い評価が得られるだろう。交差方向(s)のくさび形状を形成することは、機械加工によって簡単に行える。

冷却要素は、溶接によって溶鉱炉の壁に取り付けられる。冷却要素を取り付けるには、本願に述べる留め具3を使用する場合、基本的には２つの方法がある。留め具3は溶鉱炉壁の穴をまたぐ鍔の形状として、留め具をこの穴の縁部にわたって溶接してもよく、あるいは、留め具の外面を穴に適合する大きさにして、穴の縁部を留め具3の周りに溶接してもよい。図１(および図３)に示す留め具はどちらの用途にも適しているが、1番目の選択肢に用いるほうが好ましい。壁面に溶接することで壁に対する設置は非常に正確になるものの、奥行き方向における冷却要素の位置の調整が不可能になる。

本冷却要素およびその取付け方法は、新設の溶鉱炉用に冷却システムを構築したり、冷却システム全体の交換および再構築または修理のために活用できる。類似した型の冷却要素を交換したり、発見された高温箇所の冷却能力を補ったり、または破損した板状冷却器を交換したりするのに適している。

冷却導路1は、数通りの方法で製造できる。好適な方法の１つとして、所望の外側断面および内側断面を持つ連鋳異形材を用いる。そのような断面自体は本発明によって制限されるものではなく、顧客の選択および要求に応じたものにできる。さらに、異形材の内側面に熱伝達率を高めるリブまたはその他の拡張部分を持たせることすら考えてもよい。ただし、リブは異形材の屈曲を困難にすることがある。連鋳異形材は本質的に気密性があり、材料特性が良好で不変である。そのため、冷却導路に適した材料であり、漏出検査が不要である。冷却導路1を製造するためには、所期形状の鋳造異形材を一定の長さに切断し、湾曲させて所望の形状の開ループを形成する。上に示したＵ字型は、既存の冷却要素の交換に適している。くさび形を望む場合は、導路をそれに応じて機械加工する。くさび形にするために、場合によっては圧延または加圧成形を検討するとよいであろう。交差方向面で湾曲部6、7の角度を調整することで、くさび形状を容易に形成できる。異形材の湾曲は、冷間または熱間で行うことができる。

冷却導路を曲げたら、導路を留め具3に連結し、必要に応じて冷却導路ループ内には黒鉛または目的に適したほかの充填材を充填する。

冷却導路は、冷却媒体の循環系に連結可能にする必要がある。そのためには、望ましい種類の継手を冷却導路の各端部に機械加工または形成する。これは、導路の曲げ処理前か、または曲げ処理後のなんらかの段階において実行できる。使用する継手は、ねじ込み継手、ファスト・カップリング、任意の種類のチューブ型継手、または最も簡単なものとして溶接した継ぎ目でもよい。この結合手段は参照符号17で示す。導路1の各端部は、ここでは例えば被溶接継ぎ目を表していてもよい。

連鋳異形材の代わりとして、押出し成形による異形材または穿孔で穴が設けられた異形材でもよい。穿孔に関連する問題として、大量の原材料を除去しなければならないことが挙げられる。しかしながら、この原材料は別の組立物へのリサイクルが容易である。その一方で、上述のような穿孔した異形材を製造するために使用できるブランク材が数多くあり、ブランク材は、例えば連続鋳造または別の方法で製造されたもっと大きなブランク材から切り出すことができる。

図２に示す実施形態では、冷却導路1の脚部8、9を接続する留め具3は別のタイプの留め具3で連結されている。この留め具は図１に示すとめ具より幅が広くて、薄くもある。このタイプの留め具は、溶鉱炉の壁に設けられた穴に取り付ける場合に好まれる。留め具3の幅によって、接続溶接を行う箇所を調節することができる。留め具3の幅内のどこにでも溶接を施せるので、冷却要素の取付け深さを調節できる。

上述の要素の冷却効果は、図３および図４に示すように２本の冷却導路を用いることで向上できる。外側導路11は上述のように形成して留め具3に取り付ける。内側導路12も同様の方法で形成するが、この導路を湾曲させて、外部導路11内で外部導路11の脚部間にはめ込む。ここでは、内側(第２)導路12の脚部15、16および湾曲部の寸法は、内側導路12の脚部15、16の外面およびＵ字形状の曲状部がそれらに対応する外側導路の内面に接するようにする。湾曲部には、充填材を充填できる空き領域がいくつかある。導路11、12は、ここに示すように相互に接するように配設してもよく、あるいは互いから離して配設してもよい。最適な配置は高い冷却効果が得られる方法に応じて決まり、さらには、使用する充填材の種類で決まる。これらの導路は、一箇所以上で接触していてもよいし、全長にわたって接するように配設したり、内側導路が外側導路に接触しないように配設したりしてもよい。図３に示す実施形態では図１に係る留め具を使用し、図４の実施形態では図２の留め具を使用している。

冷却要素は所望の冷却効果に応じた大きさにし、それによって冷却水(まれな例では他の媒体)の体積流量が決まり、それによりさらに冷却導路の断面の大きさをどの程度にすべきかが決まる。２本の導路を使用することで冷却効果が高まるが、導路を３本以上使用するのは好ましくない。これは、冷却効果の増大が材料消費の増大の割には小さいためである。むしろ、使用する冷却要素の数を増やすのが好ましい。例えば、本発明に係る冷却要素の標準的な大きさが500×500mmであるとすれば、外側冷却要素の溶鉱炉に面する壁の厚さは約25mmである。

上の記載では、Ｕ字型の冷却導路を用いて本発明について述べた。本発明は何らかの特定の形状に限定されるものではない。唯一限定されるのは、使用する異形材をどのような形状に湾曲できるかという点である。当然のことながら、高炉および他の種類の乾式冶金反応炉の製造業者は独自の冷却システム設計を持っているし、冷却要素の形状および寸法はそのシステム設計に応じて計画される。

冷却導路に好適な材料は銅およびその合金であり、留め具に好適な材料は環境条件に応じて選択した鋼鉄である。

このように、本発明の重要な新しい特徴を好適な実施形態に適用して図示して説明し、指摘したが、当業者であれば、本発明の意図から逸脱することなく本発明の形式および細部をいろいろ省略したり、別のものに置き換えたり、変更したりできることを理解されたい。例えば、実質的に同じ成果をなすような各要素の組合せ、および／または方法工程の組合せがすべて本発明の範囲内であることは、明確に意図したものである。また、上述の各実施形態の間で各要素を互に置き換えることも、十分に意図し検討したものである。なお、図面は必ずしも縮尺どおりに描かれているとは限らず、その性質上、単に概念的に描かれていることを理解されたい。したがって、本発明は本願特許請求の範囲に示す事項のみに限定される。

Claims (17)

1. 外側断面および内側断面を有する少なくとも１本の管を形成し、
   該少なくとも１本の管を開ループ状に湾曲させて少なくとも１本の冷却導路を形成し、該冷却導路の端部は、該冷却導路を乾式冶金反応炉の壁に接続する手段に連結可能であり、２つの端部を有する少なくとも１本の冷却導路を形成し、
   該冷却導路の各端部に冷却媒体用接続手段を設け、
   少なくとも１本の冷却導路を、該導路を乾式冶金反応炉の壁に接続する手段に連結することを含む乾式冶金反応炉用冷却要素の製造方法において、該方法は、
   前記冷却導路の開ループをくさび形状に形成し、前記冷却要素の厚さは、前記乾式冶金反応炉の壁に接続する手段の側のほうが該ループの底部におけるより大きく、
   前記冷却導路の開ループの内部域を、鋳造によらずに充填可能な黒鉛で充填することを特徴とする乾式冶金反応炉用冷却要素の製造方法。
2. 請求項１に記載の方法において、該方法は少なくとも１本の管を連続鋳造によって形成することを特徴とする方法。
3. 請求項１に記載の方法において、該方法は少なくとも１本の管をブランク材を穿孔して形成することを特徴とする方法。
4. 請求項１に記載の方法において、該方法は少なくとも１本の管を押出し成形によって形成することを特徴とする方法。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の方法において、少なくとも１本の冷却導路の端部を鋼鉄製の留め具で互いに連結し、該留め具は前記冷却導路を乾式冶金反応炉の壁に接続する手段を構成することを特徴とする方法。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の方法において、前記冷却導路は銅または銅合金から作られていることを特徴とする方法。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載の方法において、前記黒鉛を前記冷却要素の設置時に充填することを特徴とする方法。
8. ２つの端部を有する少なくとも１本の冷却導路を含み、該少なくとも１本の冷却導路は、湾曲して開ループを形成する管であり、
   該冷却導路の各端部に設けられた冷却媒体用接続手段と、
   該冷却導路を乾式冶金反応炉に接続する手段とを含み、該冷却導路の端部は該冷却導路を乾式冶金反応炉の壁に接続する手段に取り付けられた乾式冶金反応炉用冷却要素において、
   前記冷却導路の開ループはくさび形状を有し、該冷却要素の厚さは、前記乾式冶金反応炉の壁に接続する手段の側のほうが該ループの底部におけるより大きく、
   前記冷却導路の開ループの内部域は鋳造によらずに充填可能な黒鉛で充填されることを特徴とする乾式冶金反応炉用冷却要素。
9. 請求項８に記載の冷却要素において、前記冷却導路は銅製または銅合金製であることを特徴とする冷却要素。
10. 請求項８または９に記載の冷却要素において、少なくとも１本の冷却導路は連鋳銅製であることを特徴とする冷却要素。
11. 請求項８ないし10のいずれかに記載の冷却要素において、少なくとも１本の冷却導路はブランク材を穿孔して形成した管からなることを特徴とする冷却要素。
12. 請求項８ないし11のいずれかに記載の冷却要素において、少なくとも１本の冷却導路は押出し成形された管からなることを特徴とする冷却要素。
13. 請求項８ないし12のいずれかに記載の冷却要素において、少なくとも１本の冷却導路はその内部に例えばリブなどの拡張部分を有することを特徴とする冷却要素。
14. 請求項８ないし13のいずれかに記載の冷却要素において、該要素は１本の冷却導路を含むことを特徴とする冷却要素。
15. 請求項８ないし13のいずれかに記載の冷却要素において、該要素は平行に配設された２本の冷却導路を含み、該導路の一方が外側導路を構成し、該導路の第2のものが該外側導路のループの内側に収められていることを特徴とする冷却要素。
16. 請求項８ないし15のいずれかに記載の冷却要素において、少なくとも１本の冷却導路の端部は鋼鉄製の留め具で互いに連結され、該留め具は前記冷却導路を乾式冶金反応炉の壁に接続する手段を構成することを特徴とする冷却要素。
17. 請求項８ないし16のいずれかに記載の冷却要素において、前記黒鉛は該冷却要素の設置時に充填されることを特徴とする冷却要素。

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