JPS58128262A - 熱交換体鋳物ならびにその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、熱交換体鋳物ならびにその製造方法に係り、
詳しくは、鋳物内部に冷却用パイプ管鋳ぐるんだ耐熱性
の高い二層構造の炉体冷却用熱交換体鋳物ならびにその
製造方法に関するものである。

近年、各種加熱炉、溶解炉炉体の大型化にと本ない、炉
寿命延長全目的として鋳鉄内部に冷却用パイプ全問ぐる
んだ熱交換体鋳物？炉体の炉壁内面＠に配置し、前記冷
却用パイプ内に通水して水冷あるいは蒸発冷却全行なう
炉体冷却方式が採用芒れるようになってきた。炉体の冷
却効率向上は、炉内耐火物の寿命延長をはかる上でも極
めて重要であシ、従来から種々の設備が開発され笑施さ
れている。

従前の冷却用熱交換鋳物の構造は、冷却パイプと母材鋳
鉄間の熱伝導全長くするためと両者間の融着性を向上さ
せるために予め冷却パイプにメッキなどを施して溶融鋳
鉄を注入することが行なわれている。しかし、母材全鋳
物で形成する場合、冷却パイプと続物材質間の鋳込み時
の膨張・収縮量の差によシ、冷却パイプに亀裂を生じた
り、炉内に設置後、炉内の熱応力により鋳物に亀裂が発
生した場合、母材と冷却パイプが融着しているため母材
のクラックが冷却パイプに伝播してパイプに亀裂が入シ
水漏れ、通水不能となる事故が生じていた。その後、か
かる欠点ケ除くために１冷却パイプと母材鋳物は非溶着
として鋳物に生じたクラックが冷却パイプの破損につな
がらないようＫした非溶着型の炉体冷却用熱交換体鋳物
が開発嘔れ使用式れるようＫなっている。この非溶着型
熱交換体鋳物は、冷却パイプ表面を耐熱材料でコーティ
ングするとともに母材鋳鉄に熱伝導性が良く、冷却効率
向上がはかれる鋳物材料ケ用いて前記パイプとの溶着會
防止しパイプ強度の低下を防いでいる。この母材鋳物と
して用いられているのは、凝固温度が低いにもかかわら
す溶湯の流動性圧すぐれ、しかも、熱伝導性にすぐれた
普通鋳鉄が主であるが、この材質は、粗大な片状黒鉛ケ
凝固組織中に有するため機械的強度が劣り、耐熱性にも
欠けるため操業中に＠物に熱亀裂音生じやすく損耗がい
ちじるしく炉の寿命を短かくすることがわかった。

また、耐熱性に富み強靭な鋳物材料としてに、＠鋼、球
状黒鉛鋳鉄などがあるが、ｍ−は、炭素（Ｎ下、単にＣ
という。）含有量が低いために１鋳物母材として鋳込む
場合、その鋳込み温度は鋳ぐるむ冷却パイプの融点旬上
にもなシ、冷却パイプの溶融ケ生じるため、その防止手
段が複雑となり生産コスト増全招く。

球状黒鉛鋳鉄は、普通鋳鉄と同様に高Ｃ１高ケイ素（Ｊ
Ａ下単にＳＩという）材であるが、その黒鉛形状が球形
であるため、引張強芒、伸びなどの機械的性質にすぐｎ
１耐熱性に富むことが知られている。第１図に、普通鋳
鉄とダクタイル鋳鉄の室温から高温にわたる機械的性質
を測定した結果である。第１図において、符号１は従来
から熱交換体鋳物材質として用いられている熱伝導性の
よい普通鋳鉄についての測定値、符号２は強靭材質とし
ての球状黒鉛鋳鉄の測定値？示している。第１図かられ
かるように球状黒鉛鋳鉄は室温のみならず６００Ｃの高
温におい千も普通鋳鉄の約３倍の強度を有しており、高
熱に−Ｑら嘔れる熱交換体鋳物材質としてに、貢通鋳鉄
よりもすぐれていることがわかる。

また、球状黒鉛鋳物は、凝固温度がｍ−よりも低いため
、その＠込みによシ冷却パイプの溶融が生じる恐れｕ′
／にい。しかし、球状黒鉛鋳鉄溶湯に、強脱酸・ＩＩＧ
Ｉ＋、比処理が行なわれているために＃湯の流動性か悪
く、普通鋳鉄と同様な鋳込み温度で注湯した場合にａ湯
境いなどの鋳造欠陥ケ生ずる欠点がある。ｌた、その＃
固形態が普通鋳鉄のごとく外周から順次凝固するものと
異なシ、全体が＃１は同時に凝固するため、内部ひけ巣
が生じやすく、鋳物内部の健全注會保つためには、巨大
な押湯の設置が必賛となるなど、製造歩留りの低下が避
けられない。

本究明に、上記欠点の解決全目的とし、具体的には、普
通鋳鉄および球状黒鉛鋳鉄の両材質の利点ケいかし九ま
た、その欠点ケ補なってとくに耐熱性と高温強度の要求
ちｊ、る炉内側に球状黒鉛鋳鉄を適用し、熱伝導性か要
求逼れる水冷パイプ周囲には、普通鋳鉄ケ適用してこの
二薯構造から成る熱交換体鋳物ならひにその製造方法ケ
提案する。

ｖ下、本発明方法について詳しく駿明する。

ｌず、従来ｆｆ１ｌＫ係る熱交換体鋳物に供せられる普
通鋳鉄は溶湯の流動性がよく冷却用パイプとの溶着性が
防止できるが、耐熱性ならびに熱間強度に劣る。こｎに
対し、球状黒鉛鋳鉄は熱間強度にすぐれるが、流動性が
悪いため鋳込み温度ケ高くとることになシ、冷却用パイ
プへの浸炭が大となり、パイプ強度の低下ケ招米する。

この点につき、本発明は、上記の２種の溶湯を鋳型内に
注入して互いにその利点全活用し、併せて欠点全補光し
合う本のである。

すなわち、第２図に示す如く、低温側に対応するところ
は、普通鋳鉄から成る第２層６と高温炉内側に対応する
球状黒鉛鋳鉄から成る第１噛５から構成し、第２壱６會
成す普通鋳鉄によって冷却用パイプ３會鋳ぐるむ。更に
詳しく説明すると、第２図に示す如く、第２層６の外壁
餓取付は部に相当する面からは、冷却用パイプ３が突出
しているために鋳造時には、下型側に設＊−ｇれ、第１
蒼５の炉内側に相当する面は、下型側に配置ちれて、２
稀の溶融鋳鉄の鋳込みが行なわれている。Ｉた、第２図
において符号４は耐火レンガ會示すが、本発明に件る熱
交換体鋳物では耐火レンガ４會鋳ぐるんでも鋳ぐる１な
くても何１の形式にも適用できる。また、下型面から水
冷パイプ下方１での第１陽５は、球状黒鉛鋳鉄から成り
、パイプ下部から上型面１での第２層６は普通鋳鉄から
成っている。

従って、この２層構造の熱交換体鋳物會鋳造する場合に
は、１ず、第１ｉ５となる耐熱性に富む球状黒鉛鋳鉄全
その流動性の損なわれない温度で注入し下型面からの凝
固を待ってその上面が凝固直前あるいは、Ｉだ溶融状態
にある時点で第２１ｊ６となる流動性のよい普通鋳鉄を
静かに注入し、第１）曽５との境界において完全圧融Ｎ
芒ぜると同時に水冷パイプとの敵本分生することなく鋳
型的空隙ケ光満芒せる。この際、第１層として注入する
球状黒鉛鋳鉄と第２層として注入する普通鋳鉄の境ｎｓ
における混合領域の巾は、第１Ｆ−とじて注入した球状
黒鉛鋳鉄溶湯の凝固進行状況によって異なってくる。し
かし、このところを実験的に測定すると、第３図に示す
結果が得られた。第３図において符号７は球状黒鉛鋳鉄
の上面が凝固した状態、符号８は球状黒鉛鋳鉄の上面が
未凝固の溶融状態においてその上部に晋通鋳鉄會注入し
た場合の混合割合を示している。この結果から、両材質
の混合する範囲は、接合面からそれぞｔ′Ｌ、２０〜４
０■の範囲が好ましいことがわかる。萱た、耐火レンガ
４の上面から水冷パイプ３１での距離は、熱交換体の設
置逼れる条件によって異なるが、一般に４０〜６０■程
度であシ、耐火レンガケ鋳ぐるＩない場合の下型面、す
なわち、炉内側表面から水冷パイプ１での距離汀あ〜１
２０１０１程度が好ましい。したがって、第３図に示し
た混合領域の巾の測定結果と鋳物大きさ、水冷パイプの
配置位置など、鋳造方案で定する空隙の太き芒から鋳物
下型側に第１壕５として注入する球状黒鉛鋳鉄の上面と
水冷パイプ３１での間隔ａ２０■〜５０■とすることが
望ましいことがわかる。

Ｖ上の通り、混合領域の巾１適正に設定すると、２種類
の異なる羽質の溶鉄が混合した組成の鋳鉄に、耐火レン
ガ表面あるいに、炉１’ｌ　０４１１表面にも水冷パイ
プ胸囲にも出現することなく、鋳物の下型面から溶湯接
合面ケ経て上型面←ち゛　　−−へと連続的に材質が変 化する。

更に１両溶湯の＆台面付近においてに、後記の実Ｍｉ向
にも示す通り溶層不良や鋳造欠陥の発生はなく、また、
組織のチル化による強度低下も生じない。

笑施例について説明する。

１ず、第２図に示す構造の如く、冷却用熱交換鋳物に、
炉内側に相当する鋳造時の下型面には、耐火レンガ４會
鋳ぐるんで２層の鋳鉄から成るものを製造した。この際
、鋳物本体太き芒に、巾９００ｍ、長δ１８００踊、厚
８３００■、重ｔ２８５０ｋｙ−、鋳ぐる１れる冷却用
パイプの径６０５簡、耐火レンガと冷却用パイプの間隙
は６０町トした。２層構造の第１Ｆ＠５として注入した
球状黒鉛鋳鉄の化学組成はＣ３，４８％、Ｓ　ｉ　２．
２９、ＭｎＯ，３７％、Ｐ　Ｏ，０２６％、８０．００
６％、Ｍｇ００４９％、残りｐｅであ！０、第２１１６
として注入した普通鋳鉄の化学組成は０３．８１％、Ｓ
ｉｌ、７５％、ＭｎＯ，５０％、Ｐ　Ｏ，０６２９＆、
　Ｓ　Ｏ，０１３％、残りＦｅであった。また、第１層
の球状黒鉛鋳鉄溶湯ａ１鋳込み前にｐ　ｅ　−Ｓｉ　−
Ｍｇ合金ケ桧加して球状什処理を行ない黒鉛形状會球形
にして強度向上ケにかった。第１階となる球状黒鉛鋳鉄
溶湯ケ耐火レンガ上面から冷却用パイプ１での間隔の手
分、すなわち、冷却用パイプ下方３゜腿に相当する位置
にその溶湯上面が運する１で鋳込み分桁ない、下方から
の凝固が進行するのを待った。この第１層となる球状黒
鉛鋳鉄の鋳込み温就は１３００１Ｚ’−１３３０Ｃとし
た。

次いで、第１Ｉｍとして注入した球状黒鉛鋳鉄の上面が
未凝固の状態で第２−となる普通鋳鉄溶湯ケ球状黒鉛鋳
鉄の上に注入し、両溶湯の結合ｉｆｆかるとともに冷却
用パイプの周囲を満したのち、鋳型内上面１での空隙に
充填して凝固ケ行なわせた。第２層とした普通鋳鉄溶湯
の鋳込み温度は、その流動注會損なわない範囲で可能な
限シ低温とした。

このようにして製造した２層構造の炉体冷却用交換体続
物につき、各部の間借における！ＩＡ微鏡組織の例會示
すと次の通りである。

すなわち、第４図に示す鵡ａ鐘写真に第１階として注入
した炉内面側付近の球状黒鉛鋳鉄の凝固後の組織？示し
、黒鉛は球形をしており、内部ひけ巣などの鋳造欠陥も
形成きれておらす、機械的強度のすぐ力、た鋳物全形成
している。第５図に示すＩＩＩ徽鏡耳鏡写真第１層と第
２智の接合面に相当する冷却用パイプの下方３０簡にお
ける鋳物の組織を示し、化学分析の結果、化学紐取に両
浴湯が５０％ずつ混合していることが判明した位置のも
のである。この球状黒鉛鋳鉄溶湯と普通鋳鉄溶湯の境界
に相当する部分の黒鉛形状は球形の吃のも存在するが、
その外周に凹凸が生じた形状の黒鉛あるいは片状に近い
形状のものも１ざシ、黒鉛形状はくずれていることがわ
かった。第６図に示す顕微鏡写真は鋳ぐるみ冷却用パイ
プ周辺の鋳物の組織ケ示し粗大な片状黒鉛鋳鉄組織が得
られている。

このようにして第１＠とじて球状黒鉛鋳鉄、第２階とし
て普通鋳鉄ケ相次いで鋳込み鋳型内にて結合８ぜて熱交
換体鋳物？製造すると、その鋳物の組織は、耐熱強度の
要求８れる炉内側から冷却用パイプ周辺へと連続的蹟変
化しており、結合不良やチル発生などの欠陥も生じてお
らず、また、従来の一体鋳物から成る熱交換体鋳物と同
様に鋳物本体と冷却用パイプの間の溶着は生じていない
ことが確認芒−１′Ｌだ。

１だ、上記構造の熱交換体鋳物の各部の１ｅ椋的強度會
求めると次の通シでおった。炉内側に相当する球状黒鉛
鋳鉄の材質部分の引張シ強さに４２．３ｋｊＬ／關２、
伸びに１２，９チ、冷却用パイプ周囲の普通鋳鉄の材質
に引張り強芒１１．３　ｋｌ／ＮＩｍ”、伸び０．８％
の値が得られ、炉内側鋳物の強度向上が十分に達成−ｇ
ｎだ。なお、第１溶湯と第２溶湯の境界に相当する位置
の機械的性質は、引’５！　９％　Ｉ　Ｕ　ａ８．９　
ｋＰ／ＩＫｍ”　、伸びは２．０チが測定場れ、両材質
の中間的強度となっていることも判明した。

９上の通り、炉内側の鋳物Ｋに、耐熱強度？付与するこ
とができ、炉体冷却用熱交換体鋳物の耐熱性向上かにか
九るとともに、冷却用パイプに従来品と同様に鋳物と非
溶層であり、強度低下もないため、操業中の水漏れ事故
などの心配のない炉体冷却用熱交換体鋳物が製造できる
ようになった。また、鋳物形状は、従来品と同様に巨大
な押湯を設置することがないため、造型、型ばらし仕上
作業が容易であシ、製品歩留りの低下も生じないなど、
炉体冷却用熱交換体鋳物の２ｗＩ構造化は１工業上のメ
リットが大であることがわかった。

なお、本発明は、上記しｔｌＪ２ｊ外に高炉炉体冷却用
＠物あるいは冷却用配管を鋳ぐるんだ溶解炉や加熱炉な
どにおける冷却用鋳物などの熱交換体の製造に適用でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は各種鋳鉄材質の高温における強度変什ケ示すグ
ラフ、第２図は本発明の一つの実施レリに係る平板状炉
体冷却用鋳物、第３図は４１層上に異種の第２層の溶湯
を注入した場合の混合割合変化？示すグラフ、ＩＢ４図
は第１層として注入した球状黒鉛鋳鉄材質の凝固組織の
写真、第５図は球状黒鉛鋳鉄と普通鋳鉄の混合部の凝固
組織写真、第６図１に第２層として注入した普通鋳鉄材
質の凝固写真である。 符　号ｌ・・・・・・普通鋳鉄についての測定値２・・
・・・・球状黒鉛鋳鉄の測定値 ３・・・・・・冷却用パイプ　４・・・・・・耐火レン
ガ５・・・・・・第１層　　　６・・・・・・第２層特
許出願人　出ｌ１ｌｆＩ製鉄株式会社代理人弁理士松下
義勝 弁理土鈴木　均 第３図 一３２９− 第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ｌ）球状黒鉛鋳鉄から成る高温炉内側の第１層とこの第
   １６と溶着結合しかつ冷却用バイブ管鋳ぐるんだ普通鋳
   鉄から成る第２ＮＩ′ｆｒ具えて成ること全特徴とする
   冷却用熱交換体鋳物。 ２）冷却用パイプを具える冷却用熱交換体鋳物？製造す
   るに当たり、鋳造時の下型面から＠型内に配置さｔｌた
   冷却用パイプの下方２０〜５０ｍｍ１でのところに球状
   黒鉛鋳鉄溶湯を注入し、その後、この球状黒鉛鋳鉄溶湯
   が凝固完了あるいは、未凝固の時点で前記球状黒鉛鋳鉄
   の上に前記冷却用パイプが鋳ぐ１れるよう普通鋳鉄溶湯
   管注入することｔ％徴とする冷却用熱交換体飾物の製造
   方法。