JPS591655A - 高強度熱交換体 - 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】 この発明は鋳鉄中に冷却媒体流通用のバイブを薩ぐるん
だ熱交換体に関するものである。

周知のように高炉等の大型溶解炉や各種大型加熱炉にお
いては、炉体寿命延長のため、炉壁の強制冷却を行うこ
とが多い。このような冷却手段としては、鋳鉄中に冷却
媒体流通用のバイブ（以下冷却用バイブと記す）を鋳ぐ
るんでなる熱交換体を炉壁の外面（鉄皮）と内側の耐火
物との間に配設しておき、その冷却用バイブに冷却水を
通水して水冷あるいは蒸発冷却する方法が知られている
。

ところで上述のような炉体冷却用の熱交換体は相当な高
温に曝されるから、鋳ぐるみ材の耐熱性、機械的強度が
低い場合には、熱変形を生じたり、あるいは熱応カヤ熱
衝撃により亀裂や破損を生じることがある。このように
熱交換体鋳物（ＡＩぐるみ材）が変形したり破損したり
すれば、冷却ｌｉＨとしての機能が低下し、ひいては溶
解炉や加熱炉の操業に重大な支障を来たす。

しかるに従来のこの種の熱交換体における鋳ぐるみ材材
質としては、粗大な片状黒鉛を有する普通鋳鉄を使用す
るのが通常であったが、片状黒鉛を有する普通鋳鉄は例
えば引張り強さが１０〜１５向／−１伸び１％以下と機
械的強度が低（、しかも耐熱性にも劣るため、操業中に
鋳ぐるみ材が変形したり熱亀裂を生じたりし易く、その
ため炉体の寿命延長にも限度があるのが実情であった。

一方、普通鋳鉄よりも耐熱性に富みかつ強靭な鋳物材料
とて、球状黒鉛を有すφいわゆる球状黒鉛鋳鉄が知られ
ている。球状黒鉛鋳鉄はその黒鉛形状が球状であるため
、引張り強さや伸びなどの機械的特性に優れ、耐熱性も
良好であり、したがって前述のような熱交換体の鋳ぐる
み材に適当と考えられる。しかしながら球状黒鉛鋳鉄の
溶湯は流動性が悪くしかも高温の鋳込み温度を必要とし
、それに加えて凝固時の体積収縮が大きいため、内ひけ
巣が生じ易いから、鋳造にはひけ栄による欠陥防止のた
め巨大な押凋が必要となり、さらには鋳込み時に球状黒
鉛鋳鉄溶湯から発生するドロスが残留して内部欠陥を発
生し易いから、ドロスの浮上および除去対策が必要とな
る。したがって球状黒鉛鋳鉄を熱交換体の鋳ぐるみ材に
使用した場合には、その製造工程が極めて複雑となり、
製品歩留りも低下するから、熱交換体の製造コストを著
しく上昇させてしまい、そのため材質的には侵れている
ものの、実際に熱交換体に使用することはコスト面で不
利となる。さらに球状黒鉛鋳鉄の場合、前述の如＜＊ｍ
の鋳込み温度を必要とするため、冷却用パイプ（通常は
鋼管）を鋳くるむ際にその球状黒鉛鋳鉄と冷却用パイプ
とが溶着してしまうおそれがあるが、このように両者が
溶着してしまえば、冷却用パイプの強度低下を招き、ま
た両者の熱膨張率の差によって亀裂が生じたり、さらに
は鋳ぐるみ材に亀裂が生じた際にその亀裂が直接的に冷
却用パイプに伝播してしまう等の問題があり、ざらにＣ
含有量の高い球状黒鉛鋳鉄溶湯によって高温で冷却用パ
イプを鋳ぐるめば、冷却用パイプが浸炭されて脆化して
しまうおそれがあり、これらの点からも球状黒鉛鋳鉄を
熱交換体の鋳ぐるみ材として使用することは好ましくな
い。

この発明は以上の事情に鑑みてなされたもので、鋳ぐる
み材として従来の片状黒鉛鋳鉄（普通鋳鉄）を用いた場
合よりも鋳ぐるみ材の機械的強度や耐熱性を優れたもの
とし、これによって使用時における変形や亀裂、破損の
発生を可及的に少なくし、しかも球状黒鉛鋳鉄を鋳ぐる
み材に使用する場合のごとき複雑な製造工程を要さずに
内部健全性の優れた鋳ぐるみ部分を得ることができかつ
製品歩留りも良好となるようにし、かつまた冷却用パイ
プと鋳ぐるみ材との間で溶着が生じたり冷却用パイプが
極端に浸炭されたりすることがないようにした熱交換体
を提供することを目的とするものである。

すなわち本発明者等は上述の目的を達成するべく、熱交
換体の鋳ぐるみ材に適した鋳物について種々実験・検討
を重ねた結果、黒鉛形状を片状と球状との中間の芋虫状
（バーミキュラー状）としたバーミキュラー鋳鉄を鋳ぐ
るみ材に使用することによって上述の目的を達成し得る
ことを見出し、この発明をなすに至ったのである。

バーミキュラー鋳鉄は前述のように黒鉛形状を片状と球
状の中間にしたものであって、その強度、耐熱性は片状
黒鉛を有する普通鋳鉄よりも格段に優れ、球状黒鉛鋳鉄
に近い。すなわち本発明者等が従来から熱交換体の鋳ぐ
るみ材に使用されている普通鋳鉄とバーミキュラー鋳鉄
について、室温から高温にわたる機械的強度、特に引張
り強さについて調べたところ、第１図に示す結果が得ら
れた。第１図から明らかなようにバーミキュラー鋳鉄は
室温のみならず、６００℃程度の高温においても普通鋳
鉄の約２倍の強度を有しており、したがって高温に曝さ
れる熱交換体の鋳ぐるみ材として普通鋳鉄よりも格段に
優れていることが明らかである。

また本発明者等は普通鋳鉄とバーミキュラー鋳鉄を高温
に繰返し加熱した場合の変形量を調べたところ、第２図
、第３図に示す結果が得られた。

第２図は普通鋳鉄の場合に３００〜９００’Ｃに９回に
わたって繰返し加熱した場合の変形量と濃度との関係を
示すものであって、図中の符＠１．８．９はそれぞれ１
回目の加熱−冷却サイクル、８回目のサイクル、９回目
のサイクルを示す。なお２回目〜７回のサイクルは図面
の簡明化のため省略したが実際には１回目のサイクルと
８回目のサイクルとの間において変化した。一方第３図
はバーミキュラー鋳鉄の場合に前記同様に３００〜９０
０℃に１０回にわたって加熱−冷却した場合の変形量と
温度との関係を示すものであり、１回目の加熱−冷却サ
イクルから１０回目の加熱冷却サイクルまでの各サイク
ルはいずれも図の斜線領域内で変化した。第２図と第３
図を比較すれば明らかなように、バーミキュラー鋳鉄（
第３図）は普通鋳鉄（第２図）と比べて変形量が少なく
、しかも普通鋳鉄の場合には繰返し加熱回数が増加する
にしたがって変形量が増加するのに対し、バーミキュラ
ー鋳鉄の場合には変形量の増加がほとんど認められない
。したがって繰返し＾温に曝される各種溶解炉や加熱炉
の炉体に使用される熱交換器における鋳ぐるみ材として
バーミキュラー鋳鉄が適していることが明らかである。

さらに、バーミキュラー鋳鉄はその凝固時における体積
収縮による内部ひけ巣の発生は普通鋳鉄の場合と同程度
に少ない。例えばバーミキュラー鋳鉄の球形鋳物を中央
部で切断した断面状況を第４図（Ａ）に示し、普通鋳鉄
の同様な断面を第４図（Ｂ）に示し、球状黒鉛鋳鉄の同
様な断面を第４図（Ｃ）に示す。これらの断面組織写真
から明らかなように第４図（Ｃ）の球状黒鉛鋳鉄鋳物は
ひけ巣が極めて大きいのに対し、第４図（Ａ）のバーミ
キュラー鋳鉄はひけ巣が極めて少なく、第４（Ｂ）の普
通鋳鉄と同程度である。したがってバーミキュラー鋳鉄
を熱交換体の鋳ぐるみ材に使用すれば、鋳ぐるみ時に巨
大な押湯を用いることなく内部健全性の良好な鋳物部分
が得られることが明らかである。

さらにバーミキュラー鋳鉄はその溶湯の流動性が良好で
鋳造性が良く、その鋳込温度も普通鋳鉄と同程度の低温
で良いため、鋳ぐるみにより冷却用バイブが溶着するお
それが少なくまた冷却用パイプの浸炭も少ない等、熱交
換体用鋳ぐるみ材に好適な特性を有する。

したがってこの発明の熱交換体は、冷却用媒体が流通す
る冷却用パイプを、バーミキュラー鋳鉄によって鋳くる
んだことを特徴とするものである。

より詳しくは、冷却用パイプの外側を、ｃ３．１〜３．
９％、９ｉ　２．２〜２．６％の範囲内でしかも炭素飽
和度ＳＣが０．９〜１．１の範囲内の値となるようにＣ
およびＳｉを含有するとともにＭＯ０，０１０〜０．０
２５％、Ｃａ　Ｏ，００２〜０．００５％、Ｏｅ　００
０１０．　、０．０２０％のうちから選ばれた１種また
は２種以上を総量で０．０２５％以下含有するバーミキ
ュラー鋳鉄によって鋳くるんだことを特徴とするもので
ある。

以下この発明の熱交換体をさらに詳細に説明する。

第５図にこの発明が適用される熱交換体の一例として、
高炉等の炉体冷却用の板状の熱交換体を示す。第５図に
おいて１０は鋼管等、比較的熱伝導が良好でしかも高強
度を有する材質の冷却用バイブであり、この冷却用バイ
ブ１０はバーミキュラー鋳鉄からなる肉厚板状の鋳物１
２によって鋳くるまれている。冷却用バイブ１０の両端
部１０Ａ、１０　Ｂ　ｔ：を鋳物１２の一方の面すなわ
ち例えば８炉の鉄皮に取付けられる銅の面に引出されて
いる。

また鋳物１２の他方の面には複数の耐火レンガ１３が１
１１隔を四いて鋳ぐるまれでいる。この耐火レンガ１３
は例えば高炉の炉壁レンガの一部を構成するものである
が、必ずしも耐火レンガ１３を鋳ぐるむ必要はない。

上述のようにこの発明では冷却用パイプ１を鋳ぐるむ鋳
物として、黒鉛を芋虫状としたバーミキュラー鋳鉄を用
いる。ここで使用されるバーミキュラー鋳鉄は前述のよ
うな特定範囲のＣ，Ｓｉを含有する溶湯にＭｌ、Ｃａ、
０１１のうち１種または２種以上をその残留最が所定の
範囲となるように添加することにより黒鉛を芋虫状（バ
ーミキュラー状）にＩＩＪｗシたものであり、以下にそ
のバーミキュラー鋳鉄の成分限定理について述べる。

Ｃ；Ｃは鋳鉄組織を決定する主要元素であり、Ｃ含有量
が３．１％未満では凝固後の鋳鉄中の黒鉛最が少なく、
その形状も片状のものが多くなるため強度が低下する。

一方Ｃ含有量が３．９％を越える場合には、黒鉛形状が
粗大化するとともに、溶湯組成が過共晶側に移行し、そ
のためＭｌｌ、Ｃａ、０８などの合金を添加するとバー
ミキュラー状黒鉛の量が減少し球状黒鉛の量が増大して
球状黒鉛鋳鉄に近い組織となり、その結果凝固時の内部
ひけ巣量が増大してこの発明の目的にそわなくなる。し
たがってＣ含有量は３．１〜３．９％の範囲内とする必
要がある。

Ｓｉ　：　ＳｉはＣと関連して鋳鉄材質に大きな影響を
及ぼす元素であり、Ｓｉ含有量が２．２％未満では炭素
の黒鉛化が不充分となってセメンタイトが析出し組織中
に混在するため、強度特に靭性の低下を招く。一方Ｓｉ
含有量が２．６％を越えた場合には、黒鉛晶出饅が多く
なるとともに基地組織がフェライトとなり、強度低下を
招く。したがってＳｉ含有量は２．２〜２．６％の範囲
内とする必要がある。

ざらにＣ，Ｓｉの含有量は、鋳鉄の共晶程度をあられす
炭素飽和度ＳＣ１すなわち ５ｏ−Ｃ（％）　／　（４，２３−８ｉ　（％）／３．
２）で表わされる値が０．９０〜１．１０の範囲内とな
るように規制する。炭素飽和度ＳＧが０．９０未満の場
合には、凝固時の内部ひけ乗置は極めて低い値となって
内部健全性が保たれる反面、片状黒鉛量が増加して機械
的性質特に引張り強さが低下し、高強度が得られなくな
る。一方炭素飽和度が１．１０を越えれば、鋳鉄組織中
のバーミキュラー状黒鉛の量よりも球状黒鉛の量が多く
なるため、機械的強度は著しく高くなる反面、内部ひけ
乗置が多くなって内部健全性が失われる。したがって熱
交換体の鋳ぐるみ材鋳物として、高強度と内部健全性と
の両者を満足させるためには、Ｃ１５ｉｌｌをそれぞれ
前述の含有量範囲内でしかも炭素飽和度が０．９０〜１
．１０の範囲内となるように調整する必要がある。なお
本発明者等の実験によれば、炭素飽和度６Ｃは前述の０
．９０〜１．１０の範囲内のうちでも特に０．９８〜１
．０２の範囲内が好ましいことが判明した。

Ｍｇ、Ｃａ、Ｃｅは鋳込み前の鋳鉄溶湯に通常はｒｅや
Ｓｉとの合金の形態でいずれか１種または２種以上を添
加して、鋳ぐるみ材鋳物中に片状と球状の中間のバーミ
キュラー状黒鉛を晶出させるためのものである。これら
を添加しない場合には黒鉛形状がバーミキュラー状とな
らず片状で晶出するため、黒鉛が切欠きとなって高強度
が得られないが、これらはいずれも黒鉛球状化能を有す
るものであるから、溶鉄中にこれらの元素が過剰に残留
した場合には球状黒鉛の晶出を招く。そこでこれらの元
素の添加ｔ１１理後の残留量、すなわち鋳鉄中の含有量
はそれぞれの黒鉛球状化能の大きさに応じて定める。す
なわち、ν９の場合には０．０１０〜０．０２５％、Ｃ
ａの場合には０．００２〜０．００５％、Ｏｅの場合に
は０．０１０〜０．０２０％の範囲の含有量とする。こ
のような範囲内の含有量とすることによって鋳鉄組織に
おける全黒鉛粒中の約７０％以上をバーミキュラー状と
することができるのである。含有量が上記範囲に不足す
る場合には片状の黒鉛が多くなるため強度向上を図るこ
とができず、逆に上記範囲を越える場合には球状の黒鉛
の量が増加して、凝固時の膨張に伴う内部ひけ巣が増大
する。

なお＆Ｊｇ、Ｃａ、Ｃｅ、はこれらのうちの１種を単独
添加しても良いし、あるいは２種以上を複合添加しても
良い。但し複合添加の場合には各元素のそれぞれの含有
ｌが上述の範囲内にあり、しかもそれらの合計量が０．
０２５％以下となるように定める必要がある。合計量が
０．０２５％を越えれば球状黒鉛の量が増加して内部ひ
け乗置が太き（なる。

以上のような成分のバーミキュラー鋳鉄を鋳ぐるみ材と
するこの発明の熱交換体を製造するにあたっては予め鋳
型内の所定位置に、冷却用パイプとなるべき鋼管を配置
し、前述の如＜　Ｃｓ　Ｓｉ量を調整しかつ鋳込み前に
婦９、Ｃａ、Ｏｅの一種以上の合金を添加したバーミキ
ュラー鋳鉄溶湯を鋳込み、巨大な押湯を用いることなく
常法にしたがって前記冷却用パイプとしての鋼管を鋳く
るめば良い。

ここで、バーミキュラー鋳鉄溶湯はその凝固温度が普通
鋳鉄溶湯とほぼ同一であり、また溶湯の流動性も普通鋳
鉄と同程度に良好であるから、鋳ぐるみのためにバーミ
キュラー鋳鉄を鋳込む温度は、従来の普通鋳鉄を用いた
場合と同様に１２１５℃程度で差し支えない。すなわち
、球状黒鉛鋳鉄を鋳ぐるみ材とする場合の如く高温の鋳
込み温度（球状黒鉛鋳鉄では通常は１３００℃程度以上
）を要さず、したがって鋳ぐるみによって冷却用パイプ
が溶着してしまうおそれがほとんどない。そのため鋳ぐ
るみ材として普通鋳鉄を用いた従来の場合と同様に、溶
着による冷却用バイブの強度低下がなく、また鋳物部分
の変形や亀裂発生に伴って冷却用バイブに亀裂が発生し
たりする事故を有効に防止できる。また低温鋳込みのた
め、冷却用バイブが過剰に浸炭されて脆化してしまうこ
とが防止できる。

前述のようにして得られた熱交換体の鋳ぐるみ材は、そ
の晶出黒船形状がバーミキュラー状となっているため片
状黒鉛の場合の如くその黒鉛部分が切欠きとなって強度
低下を招くことがなく、したがって片状黒鉛を有する普
通鋳鉄の場合と比較して機械的強度、特に常温強度のみ
ならず高温強度が優れ、球状黒鉛鋳鉄に近い値を示す。

また前述のように繰返し加熱した場合の変形量も普通鋳
鉄の場合と比較して少なく、したがって炉壁冷却用の熱
交換体として使用した場合に、変形や亀裂が発生し、破
損することを有効に防止することができるのである。

なおこの発明の熱交換体は、高炉等の炉体冷却のほか、
例えば転炉や電気炉の炉口保護のための冷却等にも使用
できる。

以下にこの発明の熱交換体を製造した実施例を示す。

実施例 対象とした熱交換体は第５図に示した高炉炉壁冷却用の
熱交換体である。すなわちほぼ中央部に外径６０．５ｍ
ｍの鋼管製冷却バイブ１０を鋳ぐるむとともに、鋳造時
の下型面になる箇所に耐火レンガ１３を鋳ぐるみ、最終
的に幅９００１１ｍ、長さ１８ＱＱｍｍ、厚さ３００１
ｍで重量が２８５０ｋｇの熱交換体を製造した。鋳ぐる
み材の鋳鉄溶Ｉは鋳込み前に溶Ｉ処理剤としてｃａ　−
Ｓｉ合金を添加してバーミキュラー化処理を行ったもの
を用い、注鴇ｔｉｉｘは流動性を損わない範囲内で可及
的に低い温度、すなわち従来の普通鋳鉄を用いた場合と
同等の１２１５℃とした。最終的な鋳ぐるみ材バーミキ
ュラー鋳鉄の化学組成はＣ３，４５％、９ｉ　２．４２
％、１ｉ　０．３６％、Ｐ　０８０３３％、Ｃ，ｌ　０
０００２８％、残部実質的に「ｅであった。

この実施例により得られた熱交換体の鋳ぐるみ材部分の
ミクロ組織写真（５０倍）を第６図に示す。第６図から
、組織中に晶出・散在された黒鉛は、そのほとんどが片
状と球状の中間のバーミキュラー状となっていることが
明らかである。また実施例により得られた熱交換体の肉
厚部とレンガ鋳ぐるみ部および冷却用バイブの周辺部の
組織はいずれも異常組織やチル発生、あるいはひけ巣発
生等が生じていないことが確認され、また鋳ぐるみ材と
冷却用バイブとの間も、従来の普通鋳鉄を鋳ぐるみ材に
用いた場合と同様に溶着が生じていないことが確認され
た。さらに、実施例による熱交換体の鋳物部分の各部の
機械的性質を調べたところ、引張り強さ３０〜３５ｋＭ
−１伸び１〜４％の値が得られた。従来の熱交換体にお
いては鋳物部分（普通鋳鉄）の引張り強さ１１〜１３ｋ
ｌＪ／ｊ、伸び０．５〜１．０％の値が得られているか
ら、この発明によれば鋳物部分の強度向上が充分に達成
されていることが明らかである。

以上の説明で明らかなようにこの発明の熱交換体は、従
来のものと比較して強度、耐熱性が著しく優れ、したが
って高炉等の炉壁や転炉の炉口冷却等に使用した際にお
ける変形や亀裂、破損の発生を従来よりも格段に少なく
することができ、したがって熱交換体自身の大幅な寿命
延長はもちろん、各種溶解炉や加熱炉の炉体寿命を大幅
に延長させることができ、かつまた熱交換体の製造時、
特に鋳ぐるみ材溶湯の鋳込み時においては従来のものと
同様に特に巨大な押湯を設置したりする必要がないため
造型、型ばらし、仕上げ作業が容易となるとともに製品
歩留りの低下もなく、しかもドロスの発生も少ないため
その浮上対策や除去作業が不要となり、したがってコス
ト的にも従来の熱交換体と大差ない等、各種の優れた長
所を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は熱交換体の鋳ぐるみ材として使用される各種鋳
鉄の空温から高温に至る強度変化を示すグラフ、第２図
は従来の熱交換体の鋳ぐるみ材として使用されている普
通鋳鉄の繰返し加熱による変形量を示す図、第３図はこ
の発明の熱交換体の鋳ぐるみ材として使用されるバーミ
キユラー鋳鉄の繰返し加熱による変形量を示す図、第４
図（Ａ）〜（Ｃ）は各種鋳鉄の球形鋳物におけるひけ巣
発生状況を示す断面組織写真、第５図はこの発明の熱交
換体の一橋造例を示す側面図、第６図はこの発明の熱交
換体の鋳ぐるみ材部分の断面ミクロ組織写真である。 １０・・・冷却用パイプ、　１２・・・バーミキュラー
鋳鉄からなる鋳物（ｌぐるみ材）。 出願人　　　川　　崎　　製　　鉄　　株　　式　　会
　　社代理人　　弁理士　　豊　１）武　久 （ばか１名） （＼Ｊ　　　　　　　　　　　　　　　　（う６）　　
４１６「　〕珠　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　ｒ（）浮　　　　　　　　　　　　　　　　塚（
％）＋鏝１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 冷却媒体が流通するバイブが、Ｃａ、１〜３．９％（重
   量％、以下同じ）および９ｉ　２．２〜２．６％の範囲
   内でしかも Ｃ（％）　／　（４，２３−３ｉ　（％）／３．２）で
   規定される炭素飽和度ＳＣが０．９〜１．１の範囲内と
   なるようにＣおよびＳｉを含有するとともに　ＭｌｌＯ
   ｏｏｌｏ　〜０．０２５％、　Ｃａ　Ｏ，００２〜０．
   ００５％、　ＣｅＯ，０１０〜０．０２０％のうちから
   選ばれた１種または２種以上を合計量で０．０２５％以
   下含有するバーミキュラー鋳鉄によって鋳くるまれてい
   ることを特徴とする高強度熱交換体。