JP6032235B2 - 熱電発電設備を備えた連続鋳造設備およびそれを用いた熱電発電方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱間スラブを連続鋳造するとともに、熱間スラブに対峙して配置された熱電発電設備を備える連続鋳造設備およびそれを用いた熱電発電方法に関する。

異種の導体または半導体に温度差を与えると、高温部と低温部との間に起電力が生じることは、ゼーベック効果として古くから知られており、このような性質を利用し、熱電発電素子を用いて熱を直接電力に変換することも知られている。

近年、製鉄工場等の製造設備では、例えば、上記のような熱電発電素子を用いた発電により、これまで廃熱として棄ててきたエネルギー、例えば、熱間スラブなどの鋼材の輻射による熱エネルギーを利用する取組みが推進されている。

熱エネルギーを利用する方法としては、例えば、特許文献１には、熱電素子を集合して形成される受熱装置（熱電発電装置）を高温物体に対峙して配置し、高温物体の熱エネルギーを電気エネルギーに変換し、回収する方法が記載されている。

特許文献２には、廃熱として処理されている熱エネルギーに、熱電素子モジュールを接触させて電気エネルギーに変換し、回収する方法が記載されている。

特開昭５９−１９８８８３号公報 特開昭６０−３４０８４号公報

ところで、特許文献１では、熱電素子を集合して形成される受熱装置を板状のスラブ連続鋳造ラインに適用できる旨の記載があるものの、特許文献１にはスラブの上方に配置する例が記載されているのみであり、より多くの輻射熱を利用して大きな発電出力を得るために有効であるスラブの下方に設置することについては検討されていない。

実際には、スラブの下方に熱電発電装置を配置すると以下のような問題が生じる。すなわち、スラブの下方に設置すると、スケールなどの異物が落下して熱電発電装置の性能を劣化させる可能性があったり、スラブ下方には十分な空間がないため、スラブから十分な距離をとって熱電発電装置を配置できず、耐熱温度を超えるおそれがある。

一方、特許文献２の技術は、モジュールを、熱源に対して固定する必要があるため、連続鋳造設備のように、移動する熱源に対しては適用することができないという問題がある。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、熱源が移動（流動）する連続鋳造設備において、熱電発電設備を構成する熱電発電装置を熱間スラブの下方に設けた場合に、熱電発電装置の耐熱性の問題や性能劣化の問題を抑制しつつ、熱間スラブから輻射される熱エネルギーを効率よく熱電発電装置に供給して、より多くの電気エネルギーを回収することができる、熱電発電設備を備えた連続鋳造設備およびそれを用いた熱電発電方法を提供することを課題とする。

本発明者らは、上記従来技術の課題を解決すべく検討を重ねた結果、連続鋳造設備において、熱間スラブの下方に熱電発電装置を設ける場合に、熱電発電装置を熱間スラブと正対せずに角度をつけることとで、通過する熱流束を抑制して熱電発電装置の温度をその耐熱温度を超えないように保つことができるとともに、スケールなどの異物が付きにくくなることを見出した。

本発明は、このような知見に基づくものであり、その要旨は以下のとおりである。
（１）熱間スラブを連続鋳造するとともに、熱間スラブの熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電発電設備を備えた連続鋳造設備であって、
前記熱電発電設備は、熱間スラブの下方に前記熱間スラブに対峙するように設けられた熱電発電装置を有し、前記熱電発電装置は、前記熱間スラブの進行方向に対して、前記熱間スラブ下面と４５°以上の角度をなすように配置されていることを特徴とする熱電発電設備を備えた連続鋳造設備。
（２）前記熱電発電装置は、前記熱間スラブの進行方向に複数配列されていることを特徴とする（１）に記載の熱電発電設備を備えた連続鋳造設備。
（３）前記熱間スラブの進行方向に隣接する熱電発電装置は、谷形または山形をなすように配置され、前記隣接する熱電発電装置が谷形をなす場合に、前記隣接する熱電発電装置の間に隙間が設けられていることを特徴とする（２）に記載の熱電発電設備を備えた連続鋳造設備。
（４）前記熱電発電設備は、前記熱電発電装置の側方から熱電発電装置の上面に沿ってエアパージを行うエアパージ機構を有することを特徴とする（１）から（３）のいずれかに記載の熱電発電設備を備えた連続鋳造設備。
（５）上記（１）から（４）のいずれかに記載の連続鋳造設備の熱電発電設備により、熱間スラブの熱を受熱して熱電発電を行うことを特徴とする熱電発電方法。

本発明によれば、熱電発電装置を熱間スラブと正対せずに、熱間スラブの進行方向に対して、熱間スラブ下面と４５°以上の角度をなすように配置したため、正対した場合に熱電発電装置の温度がその許容温度を超える場合でも、通過する熱流束を抑制して熱電発電装置の温度をその耐熱温度を超えないように保つことができるとともに、スケールなどの異物を角度のついた表面に沿って落下させることができ、熱電発電装置の表面に異物が付きにくくなる。

本発明の一実施形態に係る連続鋳造設備を示す模式図である。 図１の連続鋳造設備の熱電発電設備の一例を示す図である。 図１の連続鋳造設備の熱電発電設備の他の例を示す図である。 図３の例において、隣接する熱電発電装置の間に隙間を設けた例を示す図である。 図１の連続鋳造設備の熱電発電設備のさらに他の例を示す図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る連続鋳造設備の概略構成を示す模式図である。

図１に示すように、連続鋳造設備１は、取鍋（図示せず）からの溶鋼Ｌを一旦貯留する中間容器であるタンディッシュ２と、タンディッシュ２から溶鋼が供給されて溶鋼を凝固させる鋳型（モールド）３と、鋳型３の下方に設けられた複数のセグメント４と、熱間スラブを切断する切断機５と、熱電発電設備６とを有している。

鋳型３は水冷構造を有しており、鋳型３内に注入された溶鋼Ｌは鋳型３の壁部で冷却されて凝固シェル１１を形成し、内部が未凝固のスラブ１２が得られ、そのスラブ１２が下方に引き抜かれる。

セグメント４は、スラブ１２を支持するように対向して設けられたサポートロール１３と冷却水をスプレーするスプレーノズル１４からなり、複数のセグメント４の対向するサポートロール１３の間に前段の湾曲部と後段の水平部を有する鋳片通路が形成される。サポートロール１３のうちいくつかは駆動ロールとなっており、鋳型３で形成された内部が未凝固のスラブ１２は、スプレーノズル１４から供給された冷却水により冷却されつつ駆動ロールによって連続的に引き抜かれ、その際に内部の未凝固部分が徐々に固化され、位置Ａで完全に凝固する。

最終のセグメント４から搬出された熱間スラブ１５は、搬送用ロール１６上を搬送され、切断機５により切断される。切断機５は、例えばトーチカッターからなる。切断機５で切断された熱間スラブ１５は圧延工程へ搬送される。また、最終のセグメント４の後段側には、熱間スラブ１５の表面温度を測定するための温度計１７が設けられている。熱間スラブ１５の表面温度は通常８００〜１０００°程度である。

熱電発電設備６は、搬送用ロール１６上を搬送されている熱間スラブ１５の下方に設けられている。

図２に示すように、熱電発電設備６は、熱間スラブ１５の下方に、熱間スラブ１５に対峙するように設けられた熱電発電装置２０を有している。熱電発電装置２０は、特に限定されず、従来から用いられているものを用いることができる。熱電発電装置２０は、両側に電極を備えたＰ型およびＮ型の半導体を接合した半導体である熱電素子を、複数対接合してなる熱電発電モジュールを用い、一または複数の熱電発電モジュールと、それら熱電発電モジュールの熱源側に設けられた受熱板と、受熱板と反対側に設けられた冷却板とで構成してもよいし、このような構成をユニット化した熱電発電ユニットを複数有するものであってもよい。熱電発電装置２０は、例えば板状に構成される。

熱電発電装置２０は、熱間スラブ１５の下方に、熱間スラブ１５の進行方向に対して、熱間スラブ下面と４５°以上の角度θをなすように配置されている。熱電発電装置２０は、一枚であっても、熱間スラブ１５の幅方向に複数枚配列していてもよい。

このように熱電発電装置２０を熱間スラブと正対せずに角度をつけることとで、熱電発電装置２０を十分な空間が存在しない熱間スラブ１５の下方に設ける場合であっても、通過する熱流束を抑制して熱電発電装置の温度をその耐熱温度を超えないように保つことができるとともに、スケールなどの異物を角度のついた表面に沿って落下させることができ、熱電発電装置２０の表面に異物が付きにくくなる。角度θを４５°にした場合、熱間スラブ１５に正対している場合に比べて熱流束を約７０％まで低減させることができ、耐熱温度内に保つことができるようになり、熱電発電装置２０上に異物が落下しても異物が熱電発電装置２０の表面にとどまり難くすることができる。したがって、上記効果を有効に発揮させるために、熱電発電装置２０は、熱間スラブ１５の進行方向に対して、熱間スラブ下面との角度θが４５°以上になるようにする必要がある。

図３は、他の実施形態を示す。この例では、熱間スラブの進行方向に対して角度θとした熱電発電装置２０を熱間スラブ１５の進行方向に複数並べて配置している。図３では熱間スラブ１５の進行方向に２つ並べているが３つ以上であってもよい。また、この場合に、隣接する熱電発電装置２０は、谷形または山形をなすように配置することが好ましい。隣接する熱電発電装置２０が同じ方向を向くと、熱間スラブ１５から受ける熱量が少なくなる。なお、図３は、隣接する熱電発電装置２０を谷形になるように配置した例を示す。

ただし、隣接する熱電発電装置２０を谷形になるように配置した場合、谷底に相当する凹部にスケールなどの異物が溜まるおそれがある。それを防止するためには、図４に示すように、隣接する熱電発電装置２０の間に隙間２１を設けることが好ましい。

図５は、さらに他の実施形態を示す。この例では、熱電発電設備６が、熱電発電装置２０の側方から熱電発電装置２０の上面に沿ってエアパージを行うエアパージ機構２２を有する。これにより、たとえスケール等の異物が熱電発電装置２０の上に溜まってしまっても、異物を容易に除去することが可能である。

なお、本発明は上記実施形態に限定されることなく種々変形可能である。例えば、熱電発電設備の配置位置は、熱間スラブの下方位置であれば特に制限はない。また、熱電発電装置は、熱間スラブの進行方向に対して、熱間スラブ下面と４５°以上の角度をなすように配置されてさえいれば、その配置形態は上記実施形態に限るものではない。

以下、本発明の実施例について説明する。
ここでは、ＢｉＴｅ系熱電素子を用いて構成された熱電発電装置を、図４に示すように熱間スラブの下方に設置した。熱電発電装置として幅２ｍのものを用い、幅方向中心を熱間スラブ下方１ｍの距離として、熱間スラブの進行方向に対して、スラブ下面と６０°の角度をつけて合計２０ｍ^２設置した。熱間スラブの温度は、９００℃であった。その結果、以上のように熱間スラブ下方に配置した熱電発電装置により６０ｋＷの発電に成功した。

１ 連続鋳造設備
２ タンディッシュ
３ 鋳型（モールド）
４ セグメント
５ 切断機
６ 熱電発電設備
１１ 凝固シェル
１２ 内部が未凝固のスラブ
１３ サポートロール
１４ スプレーノズル
１５ 熱間スラブ
２０ 熱電発電装置

Claims (5)

1. 熱間スラブを連続鋳造するとともに、熱間スラブの熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電発電設備を備えた連続鋳造設備であって、
   前記熱電発電設備は、熱間スラブの下方に前記熱間スラブに対峙するように設けられた熱電発電装置を有し、前記熱電発電装置は、前記熱間スラブの進行方向に対して、前記熱間スラブ下面と４５°以上の角度をなすように配置されていることを特徴とする熱電発電設備を備えた連続鋳造設備。
2. 前記熱電発電装置は、前記熱間スラブの進行方向に複数配列されていることを特徴とする請求項１に記載の熱電発電設備を備えた連続鋳造設備。
3. 前記熱間スラブの進行方向に隣接する熱電発電装置は、谷形または山形をなすように配置され、前記隣接する熱電発電装置が谷形をなす場合に、前記隣接する熱電発電装置の間に隙間が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の熱電発電設備を備えた連続鋳造設備。
4. 前記熱電発電設備は、前記熱電発電装置の側方から熱電発電装置の上面に沿ってエアパージを行うエアパージ機構を有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の熱電発電設備を備えた連続鋳造設備。
5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載の連続鋳造設備の熱電発電設備により、熱間スラブの熱を受熱して熱電発電を行うことを特徴とする熱電発電方法。

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