JP5500682B2 - ステーブクーラ及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、高炉等の炉壁の冷却に用いるステーブクーラに関する。
高炉の炉壁を冷却する高炉用ステーブクーラは、その炉内面側が装入原料と摩耗を生じて損耗し、遂には冷却用の水路の破損を生じるおそれがある。そこで、ステーブクーラの耐摩耗性を向上させるための耐摩耗材の接合方法及び構造として、図４（ａ）に示すように、銅又は銅合金製のステーブ母材１にリブ６を設け、そのリブ部に耐摩耗材の肉盛層７を形成する構造（特許文献１参照）あるいは、図４（ｂ）に示すように、耐摩耗リブ８をステーブ母材１へ鋳ぐるむ構造（特許文献２）が知られている。
しかしながら、前記特許文献１及び２に記載されているステーブ母材リブ部への耐摩耗材の肉盛構造や、耐摩耗リブの鋳ぐるみ構造では、耐摩耗材の肉盛や鋳ぐるみの際に ステーブ母材及び耐摩耗部に過大な熱が掛かることとなり、熱による材質の高温劣化が生じて耐摩耗性の低下やステーブ母材の劣化が生ずる。
ステーブクーラは高炉稼動状態で高温の炉内ガス及び原料に接触しており、リブは最も大きな温度変動を受けることとなり、ステーブに長い耐摩耗リブを設置する場合、熱による膨張・収縮の繰返し塑性変形を受けて熱ラチェットによる破損を招くこととなる。
このようにリブの肉盛構造や鋳ぐるみ構造では、ステーブの耐摩耗性を向上して長寿命化を達成することが困難であった。
そこで、本発明は、耐摩耗性突起をステーブ母材に接合するときの加熱を最小限にして材質の高温劣化を防止し、ステーブクーラに対して耐摩耗性突起を非連続的に回転摩擦によって接合して熱ラチェットの発生を防止し且つ十分な接合強度を有する耐摩耗性突起を有した信頼性の高いステーブクーラ及びその製造方法を提供するものである。
本発明のステーブクーラは、炉壁を冷却するステーブクーラにおいて、銅又は銅合金製のステーブ母材の炉内面側に、ステーブ母材よりも硬度の高い複数の耐摩耗性突起が回転摩擦接合によりステーブ幅及び長さ方向に間隔をおいて配置されていることを特徴とする。
前記耐摩耗性突起は円柱形、円筒形又は炉内側を塞いだ円筒形とし、前記耐摩耗性突起の高さは炉内原料の平均径の２／３〜１とし、耐摩耗性突起が銅製ステーブ母材よりも硬度の高いＣｒ系銅合金又はＣｒ系合金鋼であることを特徴とする。
本発明のステーブクーラの製造方法は、炉壁を冷却するステーブクーラの製造方法において、銅又は銅合金製のステーブ母材に複数の耐摩耗性突起を回転摩擦接合によりステーブ幅及び長さ方向に間隔をおいて接合することを特徴とする。
前記回転摩擦接合において、ステーブ母材接合面を２００℃〜８００℃予熱すること、ステーブ母材と耐摩耗性突起との接合面に、軟化温度が耐摩耗材又はステーブ母材以下の金属を接合材として介在させて回転摩擦接合することを特徴とする。
本発明では、円柱形若しくは炉内側が塞がれた円筒形の複数の耐摩耗突起部がステーブ幅及び長さ方向に短い距離で断続的に配置されることから、温度変動での熱ラチェットによるステーブ母材、耐摩耗突起部の破損が防止できて長寿命となる。
本発明では、ステーブ母材と耐摩耗性突起は、回転摩擦接合であり、摩擦熱で接合面のみを効果的に加熱し、母材及び耐摩耗性突起の摩擦面のみを局部的に流動化して接合するもので、ステーブ母材に直接、耐摩耗材を溶着する場合や、耐摩耗ブロックを鋳込む場合に比べて、ステーブ母材、耐摩耗材に高温を掛ける必要がなくステーブ母材及び耐摩耗材の高温加熱による材質劣化がない。
本発明では、回転摩擦接合の際、母材を予熱することで熱拡散を低減して、発生する摩擦熱で効率的に接合面を昇温させることができる。
本発明では、母材もしくは耐摩耗性突起よりも軟化温度が低い材質を接合材として回転摩擦部の母材と耐摩耗性突起の間に挿入すると、昇温、流動化が早期に達成できて接合の効率化が可能となる。
本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。炉内面側
図１において、ステーブ母材１は従来のステーブクーラと同様に銅又は銅合金からなり、ステーブ母材１内に冷却水配管２が埋め込まれている。
ステーブ母材１の炉内面側には、複数の耐摩耗性突起３がステーブ幅及び長さ方向に短い距離で間隔をおいて断続的に配置されている。耐摩耗性突起３は、図２に示すように、横断面が円柱形、円筒形又は炉内側が塞がれた円筒形である。
ステーブ母材１と耐摩耗性突起３は回転摩擦による摩擦熱で接合する。耐摩耗性突起３は、例えば銅製ステーブ母材よりも硬度の高いＣｒ系銅合金あるいはＣｒ系合金鋼を使用する。
耐摩耗性突起３の外径は、耐摩耗性突起３で炉内原料４の側圧を支持してステーブ母材３に掛かる原料側圧を低減するために、少なくとも原料の略平均径（３０〜６０ｍｍ）とすることが望ましい。
図３（ａ）に示すように、耐摩耗性突起３の高さＨは、耐摩耗性突起で原料を堰止めて原料流れを停滞させて母材の摩擦による損耗を防止するには、原料の平均径の２／３〜３／３の範囲とすることが望ましい。原料の平均径の２／３未満の場合は、原料停滞域がないので好ましくない。
耐摩耗性突起の配置横ピッチＰは原料流れを堰止めて原料によるステーブ母材の摩耗を防止するために、隣接する耐摩耗性突起との配置ピッチは、原料が耐摩耗性突起の隙間を流下しない構造とすることが必要であり、隙間の寸法が１０ｍｍ〜原料平均径の１／３程度となるようなピッチとすることが望ましい。
単なる回転摩擦接合とした場合、ステーブ母材の熱容量が接合しようとする耐摩耗性突起に比べて１０００〜３０００倍と大きいために、接合面で発生する回転摩擦熱が母材全体に拡散して接合面温度が、材料の流動化温度まで上昇しない問題があるが、回転摩擦接合の際、母材を予熱することで熱拡散を低減して、発生する摩擦熱で効率的に接合面を昇温させることができる。
予熱温度としてはステーブ母材若しくは耐摩耗材の硬度が常温の２／３〜１／２程度となる２００〜８００℃であればよい。実用上はステーブ母材、耐摩耗材の結晶組織に及ぼす影響の小さい略３００〜５００℃程度が望ましい。
耐摩耗性突起の円柱形のものにおいては、接合面の中央から端部までの距離が長くなりそのままでは、中央部に存在する酸化物など接合強度低下原因となる不純物を含んだバリを排出することが困難である。そこで、図２に示すように、母材もしくは耐摩耗性突起よりも軟化温度が低い材質あるいは熱伝動度の低い材質を接合材５として回転摩擦部の母材と耐摩耗性突起の間に挿入すると、昇温、流動化が早期に達成できて接合の効率化が可能となる。
また、円柱形の回転摩擦接合においては、中央部と外周部を比較すると外周部が回転の周速度が速いことから発生する摩擦熱も外周側が多くなる。このために、摩擦面は外周部から加熱されて外周部の材料の流動化が先に始まり、中央部は温度上昇及び流動化が遅れるために、接合面に存在する酸化物などの不純物がバリとして排出されにくい問題がある。
特に、本発明の耐摩耗性突起では円柱の径が原料の略平均径（３０〜６０ｍｍ）と大きいことから耐摩耗性突起の中央部と周辺部の摩擦速度が異なるために昇温及び流動化開始時間差が大きい。この様な中央部を摩擦による加熱を効果的にするための、種々の実験をした結果、耐摩耗性突起の摩擦接合部を、図２（ｂ）に示すように、中央部６が凸の形状とし、耐摩耗性突起がＣｒ系銅合金の場合は２〜５°、耐摩耗性突起３がＣｒ系合金鋼の場合は１〜３°がバリの排出に適していることを見出した。
１：ステーブ母材
２：冷却水配管
３：耐摩耗性突起
４：炉内原料
５：接合材
６：リブ
７：肉盛層
８：耐摩耗リブ
２：冷却水配管
３：耐摩耗性突起
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６：リブ
７：肉盛層
８：耐摩耗リブ
Claims (7)
- 炉壁を冷却するステーブクーラにおいて、銅又は銅合金製のステーブ母材の炉内面側に、ステーブ母材よりも硬度の高い複数の耐摩耗性突起が回転摩擦接合によりステーブ幅及
び長さ方向に間隔をおいて配置されていることを特徴とするステーブクーラ。 - 前記耐摩耗性突起が円柱形、円筒形又は炉内側を塞いだ円筒形であることを特徴とする
請求項１記載のステーブクーラ。 - 前記耐摩耗性突起の高さが炉内原料の平均径の２／３〜１であることを特徴とする請求
項１記載のステーブクーラ。 - 前記耐摩耗性突起が銅製ステーブ母材よりも硬度の高いＣｒ系銅合金又はＣｒ系合金鋼
であることを特徴とする請求項１記載のステーブクーラ。 - 炉壁を冷却するステーブクーラの製造方法において、銅又は銅合金製のステーブ母材に
複数の耐摩耗性突起を回転摩擦接合によりステーブ幅及び長さ方向に間隔をおいて接合す
ることを特徴とするステーブクーラの製造方法。 - 回転摩擦接合において、ステーブ母材接合面を２００℃〜８００℃予熱することを特徴
とする請求項５記載のステーブクーラの製造方法。 - ステーブ母材と耐摩耗性突起との接合面に、軟化温度が耐摩耗材又はステーブ母材以下の金属を接合材として介在させて回転摩擦接合することを特徴とする請求項５又は６記載のステーブクーラの製造方法。
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