JP5976931B2 - 溶解炉のための冷却要素 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念の特徴による溶解炉のための冷却要素に関する。

溶解炉は一般的に鋼でできた容器から成る。鋼の容器を保護するために、水冷要素が容器の壁に内部で固定されている。水冷要素間の中間空間は、不燃性の材料、例えば予め形成された煉瓦あるいは鋳造材料により充填される。冷却要素の前面もこようにして保護される。

水冷の冷却要素の従来技術は、二つの代替え物において大雑把に形成できる。一つには基本的に炉の完全な内側を覆い隠す平坦な冷却部がある。これらの冷却要素は一般的に銅製であり、かつ冷却水を通すために深堀されている加熱混和組織から成る。接合された管を備えたネズミ鋳鉄から成る冷却要素も知られている。この構成の冷却要素は一般にステイブ（Ｓｔａｖｅ）と呼ばれる（特許文献１）。

他には、冷却ボックスとも呼ばれる特殊な冷却要素がある。このような冷却ボックスは、一般に銅の鋳造品（インゴット鋳物）から製造されている。冷却ボックスは炉壁を完全に覆い隠さず、ただ一部を覆い隠すにすぎない。冷却ボックスは、少なくとも長方形もしくは長円形である開口部により、外部から炉殻内に挿入され、かつ修理が必要な場合には、開口部を通って外部へと再度引抜くことができる。この目的で、これらの要素は一般的に炉の内部に向かって台形状に先細になっている（特許文献２、特許文献３）。これとはことなり、ステイブは、炉内部に向かって張り出すことができ、これは炉の停止を前提としている。

外部から挿入される冷却要素の場合、一般に一つあるいは二つの互いに独立して延びている冷却管路が設けられている。冷却要素は炉殻内にガス密に溶接される。銅と鋼は大きな手間をかけないと溶接できないので、銅要素は壁の開口部の領域に鋼製のビードリングを備えている。その代りに末端プレートが設けられていてもよい。この末端プレートには、炉壁からの要素の引き抜きを単純化するために、例えば組立用の受金が溶接されていてもよい。

構成のため熱変形をもはや行えない鋳造された銅製冷却要素は、その大雑把な構造のために、熱による交番応力がかかる際にクラックを起こしやすい傾向がある。これにより溶解炉内への水流出に至ることがある。故障の循環は中断されねばならず、故障の要素は撤去せねばならない。

最後ではないが上記の理由から、以下に挙げた従来技術では、冷却要素の銅部分は加熱混和組織から製造される。

特許文献２には、一つあるいは複数の曲げられた管から成り、かつ管が底部及びカバープレートと爆発的に溶接される冷却要素が記載されている。この方法において、管とカバープレートは高圧の下で短時間押付けられ、部材はそれらの粒界で互いに接続する。

特許文献３には、底部とカバープレートが無い、冷却管から成る冷却要素の実施形態が記載されている。この実施形態における特徴は解体を単純化するために、冷却管が少なくとも垂直方向に台形状に形成されていることである。鋳造される銅製冷却要素における別の欠点は、砂鋳造法では空洞が生じる可能性があることである。管底部により取囲まれた領域は、不燃性の材料で充填される。しかしこれは熱伝達抵抗が比較的高いという欠点を有する。特許文献３の冷却要素とは異なり、冷却要素の表面はわずかな熱伝達抵抗を有しているが、不燃性材料で充填された内部領域無は無い。この領域は銅部材よりも著しくわずかな伝導率を有しており、従って冷却機能を引き受けない。炉殻を溶解工程の熱放射から保護するという冷却要素の主たる目的は、不十分でしか満たされない。

しかし特許文献２に記載された冷却ボックスの実施例も短所を有する。その理由は、カバープレートと冷却管の爆発的接合により溶解が起こらず、従って熱伝達が損なわれているからである。

特許文献４は、冷却剤を通すための冷却管を備えた溶解炉のための冷却要素を開示している。板状の支持要素には、均一な直径の圧延鋼管の両端部が固定されている。冷却剤により貫流される要素は、外筒から注ぎ出た銅により取囲まれている。溶接されたカバープレートを介して、Ｕ字状に延びる冷却要素間の中間空間が閉鎖されているので、それにより形成される中空空間内には内側の冷却要素があり、これは同様に冷却材により貫流されている。

特許文献５は曲げられた鋼管がＵ字形状で板状の支持要素と接続されている冷却要素を開示している。上側でかつ下側で、支持要素は溶接されたプレートで閉鎖されている。冷却管はその全長にわたり一定の横断面を備えている。

独国特許第２９０７５１１号明細書 独国特許第４０３５８９４号明細書 国際特許出願公開第２０１０／１２８１９７号明細書 独国特許出願公開第２１２０４４４号明細書 米国特許出願公開第３６２８５０９号明細書

ここから出発して、本発明の根底を成す課題は、先に挙げた短所を回避し、従って熱伝達抵抗が軽減されている冷却要素を提示することである。さらにこのような冷却要素を製造するための方法を提示せねばならない。

この課題は請求項１の特徴を備えた冷却要素において解決される。

本発明による方法は請求項１０の対象である。

本発明の有利な他の構成は各々従属請求項の対象である。

溶解炉、特に高炉のための本発明による冷却要素は、冷却剤を通すための冷却剤通路を備えた少なくとも一つの冷却管を有する。冷却剤は一般的に水である。さらに冷却要素は支持要素を備えており、この支持要素には少なくとも一つの冷却管が固定されている。付加本的に、少なくとも一つの冷却管と少なくとも一つのカバープレートが溶接されている。本発明によれば、少なくとも一つの冷却管が、少なくとも一つの冷却管の長手方向に延びる少なくとも一つのビードを備えており、このビードと少なくとも一つのカバープレートが溶接されていることが考慮されている。従って冷却管は、カバープレートを特別な方式で冷却管と溶接することを可能にする特別な輪郭形状を備えている。カバープレートを冷却管に溶接することにより、冷却管の管壁の領域における組織構造は維持されたままである。溶接工程の熱的な影響領域を移動することにより制約されて、冷却管の領域における材料の弱体化は小さくなる。

さらに、管の曲げられた表面とは対照的に、溶接の際に生じる溶接継目は、より堅牢にかつ工程的により確実にビードの平らな表面に作られる。

従って爆発的溶接をやめることができることにより、本発明による冷却要素の形成は、製造方法の最適化を伴う。

本発明の趣旨の溶接は溶融溶接であり、この溶融溶接において、互いに溶接すべき両方の部材は溶接継目の領域で溶融され、場合によっては溶接材料を添加しながら互いに接続される。

ビードは冷却管の長手方向にのびる肉厚部分であり、肉厚部分はビードの形態でもっぱらカバープレートのための溶接相手として使用される機能を有する。

しかし本発明の範囲内では、冷却管が二つのビードを備えているので、互いに向き合っているカバープレートをビードと溶接することができる。従ってビードは向い合っている。

カバープレートも銅あるいは銅合金から成るのが好ましいので、溶接工程は銅と鋼の組合せのような完全に異なる材料には適合できない。従って本発明によれば、銅あるいは銅合金から成る冷却管は、銅または銅系材料から成るカバープレートと溶接される。

本発明による冷却要素の別の長所は、カバープレートが熱伝達に関与しているだけでなく、各カバープレートが当接するビードも熱伝達にも関与していることである。それに加えて、ビードによって熱伝達に関与する冷却要素の表面が拡大される。

本発明の範囲内では、少なくとも一つのカバープレートが外側の冷却管の外側のビードと溶接されており、かつ外側の冷却管に隣接して配置された内側の冷却管を覆うことが可能である。このことは、冷却要素が少なくとも二つの冷却管、すなわち外側の冷却管と少なくとも一つの内側の冷却管を有していることを意味する。内側の冷却管によりカバープレートは付加的に冷却できるので、全体として冷却効率は高められる。

内側の冷却管はビードを有しているのが好ましく、従ってカバープレートは二つの部分から組立てられている。カバープレートの第一の部分は、内側および外側の冷却管の互いにほぼ平行に延びている両方のビードの間で溶接される。カバープレートの内側の部分は、もっぱら内側の冷却管のビードと溶接される。この場合、内側の冷却管のビードは、カバープレートにより覆われるのではなく、互いに隣接する、カバープレートの内側および外側の部分の間で突出しているので、ビードは熱伝達に直接関与し、かつ冷却要素の表面の拡張に再度寄与する。熱は溶接継目を介して溶接されたカバープレート内に導入される。溶接継目も冷却要素の外側の表面を拡張し、かつ熱伝達に寄与する。

少なくとも一つのビードがほぼ台形状に構成されていると、特に有利とみなされる。台形状とは、この関連においては、ビードが互いに角度をなして起立している側面を有しており、これらの側面が好ましくは冷却管の丸みを付された外側に接線方向に移行することを意味する。しかし両側面は先端で出合うのではなく、上側のあるいは冷却管に対して外側の、台形の端面を切断する。台形の幅の広い底辺は曲げられた管壁部により形成される。台形のより短い外側の端面は、カバープレートを溶接した後、好ましくは少なくとも一部がカバープレートの外側と同じ平面にある。台形と特に斜めに立てられた側面の長所は、溶接に有利なＶ状の継目が作られることである。ビードの側面だけが斜めに立っているだけでなく、同時に溶接すべきカバープレートも面取りされていると、理想的な溶接継手の準備ができる。

カバープレートは各ビードの背後に隠れていないのが好ましい。冷却管により取囲まれる領域がアンダーカットを形成することは回避すべきである。その理由は、これが冷却要素を引き抜く際に極めて妨げになるからである。従って本発明の範囲内において、カバープレートを平行であるが、十分大きな間隔をおいて向き合って配設することが可能である。しかしカバープレートのわずかに円錐形の配設も考えられる。すなわち、カバープレートは冷却要素の差込み方向に角度をとって向き合って起立している。従ってカバープレートの少なくとも一つは、差込み方向に対して角度をとって配置されていてもよい。向き合っているカバープレートは差込み方向に対して平行に配置されていてもよい。従ってカバープレートの少なくとも一つは、差込み方向に対して５°までの角度で傾斜して配置されている。カバープレートの外側の少なくとも一部は、端面の背後に隠れることなく、少なくとも一つの台形状のビードの側面により区画された端面と同じ平面にある。カバープレートは平らなプレートとして構成されているのが好ましい。しかし本発明の範囲内においては、曲げられているか、あるいは少なくとも冷却要素の外側を考慮してアンダーカットの無い推移を有するカバープレートを使用することも可能である。

このような冷却要素を製造するための本発明による方法は、引き抜かれた中空形材から成る少なくとも一つの冷却管は、銅あるいは銅合金から製造されていることを考慮している。

付加的に中空形材はプレスにより作られていてもよい。

引き抜かれた中空形材は低コストで製造でき、さらにビードの十分に思うがままの形状を実現することが可能である。

別の実施形態では、少なくとも一つの冷却管が棒状体から製造され、この棒状体の横断面が、棒状体の長手方向に延びている少なくとも一つのビードを備えていることも考えられ、長手方向に延びている冷却剤通路は穴開けにより製造される。引き抜かれた中空形材において、内側の中空空間の製造は穴開けよりも容易であるが、穴開けは最初から高い精度で行われ、かつ銅系材料が比較的軟質な場合、高い送り速度によっても実施できる。次いで、長手方向に穴開けされた棒状体あるいは引き抜かれた中空形材は所望の形状に曲げられる。

少なくとも一つの冷却管をカバープレートと溶接することは、アーク溶接法を用いて行うことができる。カバープレートを少なくとも一つの冷却管と接続するためには、摩擦撹拌接合も適当な方法である。同様に電子ビーム溶接が考慮の対象になる。

カバープレートは溶接方法に応じて、互いに隣接した冷却管部分のビードの間で溶接することができる。互いにほぼ平行に延びている複数の冷却管の場合、カバープレートを外側の冷却管のビードとだけ溶接することも考えられ、その際カバープレートは外側の冷却管に対して隣接して配置された内側の冷却管を覆う。

互いに向かい合っているカバープレートの間の自由空間は、不燃性の材料、特に鋳造材料で充填されてもよい。

本発明の真髄をなす長所は、溶接工程あるいは溶接工程により接続される熱の影響領域が、冷却管の壁厚の領域の組織を劣化させることなく、カバープレートがビードと溶接されることである。別の長所は、生じた溶接継目を介してもカバープレートは直接冷却されることである。

本発明を以下に図において概略的に示した実施例に基づいて詳しく説明する。

冷却要素の第一の実施形態の斜視図である。 図１の冷却要素の平面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。 図２のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。 図４の部分Ｖの拡大図である。 冷却要素の別の実施形態の斜視図である。 図６の冷却要素の平面図である。 図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿った断面図である。

図１は溶解炉の壁部に組込まれるために設けられている冷却要素１を示す。冷却要素１はＵ字状に曲がった冷却管２を備え、この冷却管は図示していない方法で炉殻を貫通しており、かつ溶解炉の内部に突出している。冷却管２は共通の板状の支持要素５と接続されている二つの端部を備えている。図２と３からは、冷却管２がその端部３に支持要素５を貫通しているのではなく、支持要素５の開口部に単に固定されているにすぎない。支持要素５の開口部には管継手６が溶接技術で固定されている。管継手６は詳しくは図示していない方法で導管部分を接続するために使用される。

管継手６はこの実施形態では鋼から成るが、それに反して冷却管２は銅材から成る。まず第一に、管継手６は冷却管２と溶接技術で接続されている。これは特に摩擦溶接を用いて行われる。その理由は摩擦溶接により特に簡単な方法で異なる材料の結合部を作ることができることにある。このように冷却管と接続された管継手６は、開口部を通して支持要素５に差込まれる。支持要素５それ自体は、同様に鋼から成るので、描かれた溶接継目を介して、管継手６は冷却管２とは反対の側で支持要素５に製造技術的に簡単に有利に溶接できる。ここには材料対鋼−鋼がある。代替え案としては、管継手６を別の部材として構成せず、冷却管２を支持要素５の開口部に完全に案内することが可能である。管継手６はこの場合、冷却管２の画一的に一体の構成要素であり、かつ溶接法を介して支持要素５に溶接される。

図２は冷却要素１の縦断面図を示しており、Ｕ字状に湾曲した冷却管２は、各々支持要素５に対してある角度Ｗで起立する二つの脚部７，８を備えていることが認められる。各脚部７と支持要素５の間の角度Ｗは、９１°と９７°の間の範囲にあり、かつ特に９５°である。それにより冷却要素１は円錐形の形状を有する。冷却要素はこれにより容易に組立てることができ、かつ分解できる。

冷却管２の両脚部７，８は、冷却管２の底部分９に通じており、この底部分は支持要素５から隔たった状態で支持要素５に対して平行に延びている。脚部７，８と底部分９の間の移行部は丸みを付されている。

冷却管２と支持要素５の間にはカバープレート１０，１１が配置されていることが、図４から認められる。カバープレート１０，１１は、上側および下側のカバープレートと呼ばれ、かつこの実施例では互いに平行に延びている。カバープレート１０，１１は、末端プレート５あるいは冷却管２と溶接され、このことは溶接継目１２，１３において識別でき、これらの溶接継目は上側のカバープレート１０においては下側のカバープレート１１と同一に延びている。

図５の拡大図からは、冷却管２の断面が円形ではなく、直径上に配置されたビード１４，１５を有することが認められる。ビード１４，１５は、図の平面では上または下に向かっており、従って末端プレート５とは反対を向いている。ビード１４，１５の断面は、台形状に構成されている。ビード１４，１５は壁厚をビードの領域で増大させる。図５では、冷却剤通路２５の内径Ｄ１がこの実施例では４０ｍｍで全周にわたり一定のままである。外径Ｄａは冷却管２の円筒形の領域では同じく一定であり、かつこの実施例では６０ｍｍである。壁厚は円筒形の領域では同じく一定であり、かつビード１４，１５の領域では約２倍まで増大する。すなわち、外径Ｄａ１は、ビード１４，１５の領域では約８０ｍｍである。その際に、台形状のビード１４，１５は、脚部１６，１７を有しており、これらの脚部は冷却管２の円筒形の領域から台形状のビード１４，１５に移行する。ビード１４，１５の外側の端面は、ほぼ壁厚に相当し、従って範囲内では１０ｍｍである幅Ｂを有している。

ビード１４，１５の著しい寸法に基づいて、溶接継目１３は、冷却管２の円筒形の周囲部分を備えた接触領域にはなく、もっぱらビード１４，１５と接触状態にある。脚部１６，１７は全体的に見て７０°〜７５°の角度で向き合っている。

カバープレート１０，１１の厚さＳは全体的に見て冷却管２の管壁の厚さに、従って約１０ｍｍに相当する。溶接継目１３がＶ字状に延びており、下および上に向かってビード１４，１５の高さから全く突出しないかあるいはほぼ突出しないことが認められる。カバープレート１０，１１も、溶接継目１３の配設に基づいて、ビード１４，１５と並んで高さにおいてビードから突出しないので、カバープレート１０，１１はいわば冷却管の内部空間と末端プレート５により包含される空間にある。この内部空間１９は付加的に不燃性材料で充填されていてもよい。

図６〜８の実施形態は、外側の冷却管２に加えて別の冷却管２０が設けられている点が図１〜６の実施形態と異なる。第二の冷却管２０はいわば支持要素２１を備えた第一の冷却管２により包含された内部空間１９内にある。第二の冷却管２０は同じ横断面構成を有しているので、前述のように図５の説明を引き合いに出す。第二の冷却管２０は第一の冷却管２に対して間隔をおいて延びているが、第一の冷却管に対してはほぼ平行に延びている。従って第二の冷却管は同様にＵ字状に構成されており、その両端部はこれまた同様に共通の支持要素２１に固定されている。従って支持要素２１では全部で四つの同一に構成された管継手６が配置されていることが図６から認められる。この関係においては図３の説明を引き合いに出す。

第一の実施形態との相違点において、この変形は以下に内側および外側のカバープレート２２，２３と呼ばれる、二つの部分から成るカバープレートを有する。内側のカバープレート２２は、内側の冷却管２０により取囲まれている内部空間２４を覆っている。外側のカバープレート２２はいわばＵ字状に構成されており、かつ両方の隣接した冷却管２，２２の間に延在している。各カバープレート２２，２３は、先に図５に関して述べたように、冷却要素１ａの下側および上側に同一にあり、かつ同じやり方で固定されている。しかしカバープレート２３は、いまは二つの冷却管２，２０と溶接されており、図１の実施形態におけるように、一つの冷却管２だけとは溶接されていない。

１ 冷却要素
１ａ 冷却要素
２ 冷却管
３ 端部
４ 端部
５ 支持要素
６ 管継手
７ 脚部
８ 脚部
９ 底部分
１０ カバープレート
１１ カバープレート
１２ 溶接継目
１３ 溶接継目
１４ ビード
１５ ビード
１６ 側面
１７ 側面
１８ 端面
１９ 内部空間
２０ 冷却管
２１ 支持要素
２２ カバープレート
２３ カバープレート
２４ 内部空間
２５ 冷却剤通路
Ｂ 幅
Ｄ_ｉ 内径
Ｄ_ａ 外径
Ｄ_ａ１ 外径
Ｓ 厚さ
Ｗ 角度
Ｗ１ 角度

Claims (11)

1. 冷却剤を通すための少なくとも一つの冷却管（２，２０）と、前記少なくとも一つの冷却管（２）の両端部が固定されている板状の支持要素（５，２１）を備えた溶解炉のための冷却要素であって、
   前記少なくとも一つの冷却管（２，２０）に、カバープレート（１０，１１；２２，２３）が溶接されている冷却要素において、
   前記少なくとも一つの冷却管（２，２０）が、少なくとも一つの冷却管（２，２０）の長手方向に延びている向き合った、台形状に構成されたビード（１４，１５）を備えており、このビードに、向き合ったカバープレート（１０，１１；２２，２３）が溶接されており、
   ビード（１４，１５）が、冷却管（２，２０）の半径方向に測定される厚さを有しており、この厚さが溶接されたカバープレート（１０，１１；２２，２３）の少なくとも厚さ（Ｓ）に相当しており、
   カバープレート（１０，１１；２２，２３）が、横断面が台形状のビード（１４，１５）の側面（１６，１７）に溶接されていることを特徴とする冷却要素。
2. カバープレート（１０，１１；２２，２３）が銅あるいは銅合金から成ることを特徴とする請求項１に記載の冷却要素。
3. カバープレートが、外側の冷却管（２）のビードと溶接されており、かつ外側の冷却管（２）に隣接して配置された内側の冷却管（２０）を覆っていることを特徴とする請求項１または２に記載の冷却要素。
4. カバープレート（１０，１１；２２，２３）の外側が、台形状のビード（１４，１５）の側面（１６，１７）により限定される端面（１８）と同じ平面にあることを特徴とする請求項１に記載の冷却要素。
5. 請求項１〜４のいずれか一つに記載の特徴を備えた冷却要素を製造するための方法において、少なくとも一つの冷却管（２，２０）が、銅あるいは銅合金からなる引き抜かれた中空形材から製造されることを特徴とする方法。
6. 請求項１〜４のいずれか一つに記載の特徴を備えた冷却要素を製造するための方法において、少なくとも一つの冷却管（２，２０）が、棒状体から製造され、この棒状体の横断面が棒状体の長手方向に延びているビード（１４，１５）を備えており、長手方向に延びている冷却剤通路が孔開けにより製造されることを特徴とする方法。
7. 少なくとも一つの冷却管（２，２０）が、アーク溶接法を介してカバープレート（１０，１１；２２，２３）と接続されることを特徴とする請求項５または６に記載の方法。
8. 少なくとも一つの冷却管（２，２０）が、摩擦撹拌接合を用いてカバープレート（１０，１１；２２，２３）と接続されることを特徴とする請求項５または６に記載の方法。
9. 少なくとも一つの冷却管（２，２０）が、電子ビーム溶接を用いてカバープレート（１０，１１；２２，２３）と接続されることを特徴とする請求項５または６に記載の方法。
10. カバープレート（２３）が、互いに隣接した冷却管（２，２０）のビード（１４，１５）の間で溶接されることを特徴とする請求項５〜９のいずれか一つに記載の方法。
11. カバープレートが外側の冷却管（２）のビード（１４，１５）に溶接され、かつ外側の冷却管（２）に隣接して配置された内側の冷却管（２０）を覆うことを特徴とする請求項５〜９のいずれか一つに記載の方法。

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