WO2009063573A1 - 高炉用ステーブクーラ - Google Patents

Abstract

銅または銅合金製ステーブ本体に給排水取出管が溶接され、該ステーブ本体と高炉鉄皮とが複数の鋼製取付けボルトにより固定された高炉用ステーブクーラにおいて、前記ステーブ本体に給排水取出管を包囲するように保護管が溶接され、前記鉄皮に形成された開口部の外周の鉄皮面に前記保護管を包囲するようにコーミングボックスが設けられ、該コーミングボックスの側板端部の一方が鉄皮に溶接され、該側板端部の他方がシールプレートを介して前記保護管の外周面に溶接された高炉用ステーブクーラ。

Description

高炉用ステ一ブクーラ

技術分野

本発明は、 ステープ本体と鉄皮との熱膨張に Ό生じる it、力を吸 収し、 特に、 給排水取出管とステープ本体との溶接部などに作用す 明

る応力を極力小さ く し、 長期間の使用に耐え ί 1旦

寸るように構成した高 炉用ステープクーラに関する。

書

背景技術

現在の高炉操業では、 炉壁を冷却するための手段として、 ステー ブクーラ （以下 、 単にステープという こと ある ) が広く用いられ ている。

近年、 高炉操業においては、 出銑量の増加および出銑効率の向上 を指向することに伴って、 従来より も、 高炉炉体の熱負荷が高まつ てきており、 より効率的に炉体を冷却することができるステープク ーラが求められるようになった。 このような中で、 最近、 従来の铸 鉄ステープより も熱伝導性が優れた銅または銅合金製のステーブク ーラが開発され、 適用されるようになった。

しかし、 銅または銅合金製のステ一ブクーラを高炉に適用する場 合には、 従来の铸鉄ステープでは存在しなかった新たな課題が顕在 化するようになった。 つまり、 従来の铸鉄ステープでは、 予め冷却 管をステ一ブ本体型枠内に配置した後、 铸造して冷却 ¾とステーフ 本体とを一体化した構造とするため、 鉄皮の外側まで 、 ステープ本 体の給排水口と給排水管との接合部がない構造とすることができる 一方、 銅または銅合金製のステ一ブクーラは、 ステープ本体内に 冷却管を形成した後、 ステープ本体の給排水口と給排水管とを溶接 して接合する必要があるため 、 ステープ本体近傍に溶接部を有する 構造となる。

この銅または銅合金製のステ一ブクーラにおけるステ —ブ本体近 傍の溶接部は、 高炉操業において 、 高温にさ らされるステープ本体 の炉内側と、 冷却放熱されるステ一ブ本体の鉄皮側との間での熱膨 張差 · 熱収縮差による変位に起因して応力が発生する際に、 応力集 中部となり、 この部位で疲労亀裂が発生し、 ステープクーラの寿命 の短縮を招く ことになる。

通常のステープの取付けにおいては、 図 6 に示すよ Όに、 ステー ブ本体 1 を取付けボルト 8 と鉄皮ナッ ト 9 により鉄皮 6 に固定し、 給排水取出管 2 にステ一ブ本体 1 の荷重が直接作用しないように荷 重を分散している。

銅または銅合金製のステープクーラの給排水取出管 2 は、 図 3 に 示すように、 ステ一ブ本体 1 の給排水口に溶接されている。 この給 排水取出管 2 を通すための鉄皮 6の開口部は、 シールプレー 卜 5 を 介して給排水取出管 2 と鉄皮 6 を溶接することで、 高炉の炉内ガス が鉄皮の外側に漏れないように封止されている。

図 3および図 6 に示す従来ステープでは、 高炉操業において、 ス テ一ブ本体の炉内側と鉄皮側との熱膨張差、 さらには、 ステープ本 体の鉄皮側と鉄皮との熱膨張差による変位により、 応力亦

义動が生じ るが 、 この際に 、 取付けボル卜 8は、 ステ一ブ本体の荷重を分担す ることはできてち 、 熱膨張差による応力変動を吸収するしとはでき ない

ごのため、 銅または銅合金製のステ一ブクーラでは、 高炉操業に おける熱膨張差に起因する応力変動により、 特に応力集中部となる ステープ本体近傍の給排水取出管との溶接部が、 疲労亀裂の発生部 位となっていた。

また、 給排水取出管 2 と鉄皮 6 を接続するシールプレー ト 5 は、 ステープ本体と鉄皮とに熱膨張差による変位が生じた場合に変形し やすく、 ステープ本体近傍の給排水取出管との溶接部の応力を軽減 する効果を有するが、 シールプレー ト 5 自体が繰り返し応力による 変形で破損し、 炉内ガスが外に漏れ出すトラブルを引き起こす恐れ がある。

上記技術的課題に対して、 従来から、 給排水取出管と鉄皮とを可 縮性のある伸縮管を介して接合する方法がある （例えば、 特開昭 5 2 — 8 5 5 3号公報、 参照） 。 この方法は、 図 4に示すように、 給 排水取出管 2 を包囲するように伸縮管 7 を配置し、 この伸縮管 7 を 介して前記給排水取出管 2 を鉄皮 6 に溶接するものである。

この場合、 伸縮管 7端部と給排水取出管 2外周とに溶接されたシ ールプレー ト 5 により、 高炉炉内ガスが鉄皮の外側に漏れないよう にシールされている。

この方法によれば、 ステ一ブ本体と鉄皮との熱膨張差による変位 が生じた場合に、 熱膨張または熱収縮する方向に伸縮管 7が変形す ることにより、 応力を吸収することができるので、 熱膨張差に起因 する応力によるステープ本体近傍の給排水取出管との溶接部や、 シ —ルプレー 卜 5 における疲労破壊を抑制する効果が得られる。

しかし、 伸縮管 7 は、 図 4に示すように、 蛇腹構造などの伸縮が 容易な構造である反面、 長年の使用によるダス トの付着による腐食 の進行が早く、 疲労破壊し易い構造であり、 耐久性の面で問題があ る。

このため、 伸縮管 7 に破孔ゃ亀裂が生じて炉内ガスが外に漏れな いように定期的に伸縮管 7 を取替るか、 または、 伸縮管 7 に生じた 破孔ゃ亀裂の部位を簡易補修する必要があり、 そのため、 多大の労 力を必要とするという問題、 また、 高炉の休止などにより生産性が 低下するという問題があつた。

また、 ステープ取付けボルトの変形等により、 ステープ本体と給 排水取出管との溶接部にステープ荷重が作用した場合、 ステープ本 体と給排水取出管との溶接部が疲労破壊を起こ し、 その箇所から冷 却水が漏れだし、 炉内に浸水するといぅ大 トラブルを引き起こす危 険性がある。

また、 従来の铸鉄ステープを鉄皮に取付ける方法として、 ステー ブ本体 1 の取付けボルト 8 とナツ ト 9 を省略し、 迅速なステープ取 替えを行う ことを目的とし、 図 5および図 7 に示すように、 铸鉄ス テープ本体に給排水取出管 2 を包囲するように保護管 3 を配置し、 さらに、 鉄皮開口部の廻り に、 保護管 3 を包囲するようにコ一ミ ン グボックス 4を配置し、 給排水取出管 2 と保護管 3、 および、 コー ミ ングボックス 4 と保護管 3の間を、 それぞれ、 充填物 1 0や固定 ブロック 1 1 により固着する方法が知られている （例えば、 特開平 8 - 2 2 5 8 1 3号公報、 参照） 。

この方法によれば、 給排水取出管 2 と保護管 3 とを、 充填物 1 0 などにより固着することで、 給排水取出管 2の剛性を向上させ、 さ らに、 保護管 3 とコーミ ングボックス 4 とを、 充填物 1 0などによ り固着することで、 ステ一ブ本体の荷重を支持することにより、 図 7 に示すように、 ステープ本体 1 の取付けボルト 8 とナツ 卜 9 を省 略することができる。

本法は、 銅または銅合金製のステープでも適用可能である。 しか し、 この方法では、 給排水取出管 2 と保護管 3 とコーミ ングボック ス 4 とが一体化した構造であるため、 ステープ本体 1 と鉄皮 6の熱 膨張差より変位する応力を吸収することができず、 ステ一ブ本体 1 と給排水取出管 2 との溶接部に応力集中が生じ、 疲労破壊が発生す る可能性が、 逆に高くなる。

上述した通り、 近年、 高出銑高炉操業における高炉炉体の熱負荷 の増大に伴って、 ステープ本体の炉内側と鉄皮側、 さ らに、 ステー ブ本体の鉄皮側と鉄皮との熱膨張差が拡大し、 これに起因して、 ス テープ本体と給排水取出管の溶接部、 さ らに、 給排水取出管と鉄皮 との溶接部での疲労破壊が発生する可能性が高まっているが、 従来 のステープでは、 ステープの寿命を向上するための十分な効果は得 られていないのが現状である。 発明の開示

上記従来技術の現状に鑑みて、 本発明は、 高出銑高炉操業におけ る高炉炉体の熱負荷の増大に伴って生じるステープ本体と鉄皮との 熱膨張差に起因する応力を吸収し、 ステープ本体と給排水取出管と の溶接部や、 鉄皮と給排水取出管との溶接部における疲労破壊の発 生を抑制し、 長期間の使用に耐え得る信頼性の高い構造を有する高 炉用ステープクーラを提供することを目的とする。

本発明は、 上記技術的課題を解決するものであり、 その発明の要 旨とするところは、 銅または銅合金製ステープ本体に給排水取出管 が溶接され、 該ステープ本体と高炉鉄皮とが複獰の鋼製取付けポル トにより固定された高炉用ステープクーラにおいて、 前記ステ一ブ 本体に給排水取出管を包囲するように保護管が溶接され、 前記鉄皮 に形成された開口部の外周の鉄皮面に前記保護管を包囲するように コーミ ングボックスが設けられ、 該コ一ミ ングボックスの側板端部 の一方が鉄皮に溶接され、 該側板端部の他方がシールプレー トを介 して前記保護管の外周面に溶接されたことを特徴とする高炉用ステ ーブクーラである。 本発明の高炉用ステープクーラによれば、 高炉の炉体または炉底 に冷却能力の優れた、 銅または銅合金製ステープクーラを採用する にあたり、 高出銑高炉操業における高炉炉体の熱負荷の増大に伴つ て生じるステープ本体と鉄皮との熱膨張差に起因する応力を吸収し 、 ステープ本体と給排水取出管との溶接部や、 鉄皮と給排水取出管 との溶接部における疲労破壊の発生を抑制し、 長期間の使用に耐え 得る信頼性の高い構造を有する高炉炉体冷却用ステープを提供する ことができる。 図面の簡単な説明

図 1 は、 本発明によるステープを高炉炉壁に配置した態様を示す 図である。

図 2 は、 本発明によるステ一ブ給排水取出管の保護管、 コーミ ン グボックスを介するステ一ブ本体と鉄皮との接合状況を示す図であ る。

図 3 は、 従来のステープ伸縮管を介さないステープ本体と鉄皮と の接合状況を示す図である。

図 4は、 従来のステープ伸縮管を介するステープ本体と鉄皮との 接合状況を示す図である。

図 5 は、 従来のステ一ブ給排水取出管の保護管、 コーミングボッ クス、 および、 充填物を介するステープ本体と鉄皮との接合状況を 示す図である。

図 6 は、 従来の取付けボルトを介するステープを高炉炉壁に配置 した態様を示す図である。

図 7 は、 従来の取付けボルトを介さずステープを高炉炉壁に配置 した態様を示す図である。 発明を実施するための最良の形態

図 1 に、 本発明の高炉炉体冷却用ステープと鉄皮との接合状態、 図 2 に、 本発明のステープ本体、 給排水取出管、 保護管、 コ一ミ ン グボックス、 および、 鉄皮とのそれぞれの接合状態を、 模式的に示 す。

本発明における高炉用ステープクーラは、 図 1および図 2 に示す ように、 銅または銅合金製ステープ本体 1 に給排水取出管 2が溶接 され、 該ステープ本体 1 と高炉鉄皮 6 とが複数の鋼製取付けポルト 9 により固定されている。 ステープ本体を銅または銅合金製とする ことで、 従来の铸鉄製ステープ本体に比べて、 熱伝導性を高め、 ス テープ本体内の冷却水配管中を循環する冷却水により、 ステープ本 体の炉内側からの熱を効率的に抜熱することができる。

また、 ステ一ブ本体 1 の荷重は、 複数の鋼製取付けポルト 9で支 持されている。 鋼製取付けポルト 9 は、 ステープ本体 1 の荷重を分 担することはできるが、 ステープ本体 1 と鉄皮 6 との熱膨張差によ る応力変動を吸収することはできない。

そこで、 本発明では、 図 1および図 2 に示すように、 高炉用ステ ーブクーラにおいて、 ステープ本体 1 に、 給排水取出管 2 を包囲す るように保護管 3 を溶接し、 鉄皮に形成された開口部の外周の鉄皮 面に、 保護管 3 を包囲するようにコーミ ングボックス 4を設け、 該 コーミ ングボックス 4の側板端部の一方を鉄皮 6 に溶接し、 該側板 端部の他方をシールプレー ト 5 を介して前記給排水管 2外周に溶接 した構造とする。

上記ステープ構造においては、 ステープ本体 1 に、 給排水取出管 2 を包囲するように保護管 3が溶接されているため、 応力集中部位 であるステープ本体 1 の給排水口と給排水取出管 2 との溶接部近傍 の断面積が拡大し、 この部位の荷重を保護管により分担することに より、 熱膨張差による変位が生じた場合に、 給排水取出管 2の溶接 部の応力を軽減することができる。

保護管の肉厚は、 5 m m未満になると十分な強度が得られず、 7 m mを超えると給排水管との間隔が狭くなり溶接が困難となるので 、 十分な強度をもち、 かつ、 容易に溶接できるという理由から、 5 〜 7 m mが好ましい。 また、 保護管の材質は、 高温にさ らされても 強度を保ち、 かつ、 容易に溶接できるという理由から、 高温配管用 炭素鋼が好ましい。

また、 前記鉄皮に形成された開口部において、 保護管 3 を包囲す るようにコーミ ングボックス 4を配置し、 給排水取出管 2および保 護管 3 は、 鉄皮と直接溶接せずに、 熱膨張による変位が可能な状態 にし、 コーミ ングボックス 4を介して給排水取出管 2および保護管 3 を鉄皮と溶接し、 熱膨張差による変位が生じた場合に、 コーミン グボックス 4が変位方向に変形することにより、 給排水取出管 2の 溶接部の応力を軽減することができる。

また、 コ一ミ ングボックス 4の側板端部の一方と開口部外周の鉄 皮面とが溶接され、 コーミ ングボックス 4の側板端部の他方と保護 管 3外周面とは、 シールプレー ト 5 を介して溶接されているため、 高炉炉内ガスは、 コーミ ングボックス 4の側板およびシールプレー 卜 5 によってシールドされ、 鉄皮の外に漏洩することが防止されて いる。

なお、 上記鉄皮 6の開口部は、 高炉操業における熱膨張差による 変位が生じた場合に、 給排水取出管 2および保護管 3が多少変形し ても、 鉄皮と接触せずに自由に変位が可能な状態とするために、 保 護管 3 の外径に比べて十分大きな開口径を有することが好ましい。

また、 コーミ ングボックス 4 を構成する側板およびシールプレー ト 5は、 高炉操業における熱膨張差による変位が生じた場合に、 変 位方向に収縮が可能なよつに、 板厚が薄い鋼板などの金属板が好ま しい。

前記側板の長さは、 4 0 m m未満になると短すぎて熱膨張差によ る変位を吸収するのに不十分であり、 1 2 0 m mを超えると長すぎ て周りの設備と干渉するという理由から、 側板の長さは 4 0〜 ： 1 2

0 m mが望ましレ

前記側板の板厚は、 8 m m未満になると薄すぎて溶接が困難とな り、 1 0 m mを超えると容易に変形せず熱膨張差を吸収できなくな るので、 十分な強度を維持し、 かつ、 容易に溶接できるという理由 から、 側板の板厚は 8〜 1 0 m mが好ましい。

また、 前記シールプレ一卜 5の板厚は、 5 m m未満になると薄す ぎて溶接が困難となり、 7 m mを超えると容易に変形せず熱膨張差 を吸収できなくなるので 、 十分な強度を維持し、 かつ、 容易に溶接 できるという理由力、ら、 シールプレー ト 5の板厚は 5〜 7 m mと" g るのが好ましい。

また、 これら側板およびシールプレー トの材質は、 十分な強度を もち、 かつ、 容易に溶接できるという理由から、 普通炭素鋼が好ま しい。

そして、 コーミ ングボックスおよびシールプレー 卜の内側の空間 は、 コ一ミ ングボックスおよびシールプレー トが容易に変形して熱 膨張差を吸収できるように、 充填铸物ゃ耐火物等で充填されていな いことが好ましい。

また、 本発明の銅または銅合金製ステープの製造方法は、 特に限 定する必要はないが、 一般に、 以下のように製造することが可能で ある。 第一に、 ステープと同じ形状の木型を炉内側と炉外側で、 1 個ずつ製作する。 第二に、 ステープの炉内側と炉外側に相当する各 々の金枠に、 該木型を設置し、 その後、 砂を入れる。 第三に、 砂を 固めた後、 木型を抜いて砂型を製作する。 水路は、 砂を固めた砂型 を別途製作し、 該砂型の定位置に設置する。

第四に、 炉内側と炉外側の砂型を上下に合わせて、 注入口から銅 または銅合金の溶湯を注入する。 第五に、 凝固後に砂型を取り除き 、 砂抜き穴は銅ステ一ブ本体と同一材質のプラグをはめ込み溶接す る。 給排水口に給排水取出管を溶接し、 給排水取出管を取り囲むよ うに保護管を溶接する

また、 ステープと同じ形状の圧延銅板または圧延銅合金板に水路 を穿孔し 、 不要な穴はステ一ブ本体と同一材質のプラグをはめ込み 溶接し、 給排水口に給排水取出管を溶接し、 給排水取出管を取り囲 むように保護管を溶接する製造法もある 実施例

以下、 本発明の実施例を図面に基づき説明する。 図 1 および図 2 に示すように、 本発明による銅製ステープ本体 1 に溶接された給排 水取出管 2の周囲に、 保護管 3およびコーミ ングボックス 4 を配置 した銅製ステープクーラを用い、 ステープ本体の 4箇所を、 鋼製取 付けポルトとナッ トにより、 高炉炉体の鉄皮に固定した。

また、 本発明による銅製ステープの効果を確認するため、 従来の 銅製ステープ本体 1 に溶接された給排水取出管 2 をシールプレー 卜 5 を介して鉄皮に溶接した従来の銅製ステープクーラを、 同じよう に高炉炉体の鉄皮に取付けて、 本発明による銅製ステープクーラと 従来の銅製ステ一ブクーラを用いて高炉操業を行った際におけるス テープ本体と給排水取出管 2の溶接部およびシールプレート 5の損 傷状態をシミュレーショ ンした。

なお、 本発明による銅製ステープクーラにおいて、 コーミ ングポ ックスは厚みが 9 m mの普通炭素鋼を用い、 シールプレー トは厚み が 6 m mの普通炭素鋼を用いた。

シミュレーショ ン結果によると、 本発明による銅製ステープクー ラでは、 ステープ本体 1 と給排水取出管 2の溶接部およびシールプ レー ト 5 における損傷は見られなかった。

一方、 従来の銅製ステープクーラでは、 ステープ本体 1 と給排水 取出管 2の溶接部およびシールプレー ト 5の鉄皮との溶接部に許容 応力の約 2倍の熱応力が働らき、 給排水取出管とシールプレー トが 破損する可能性があることが明らかになった。 産業上の利用可能性

前述したように、 本発明の高炉用ステープクーラによれば、 高炉 の炉体または炉底に冷却能力の優れた、 銅または銅合金製ステープ クーラを採用するにあたり、 高出銑高炉操業における高炉炉体の熱 負荷の増大に伴って生じるステープ本体と鉄皮との熱膨張差に起因 する応力を吸収し、 ステープ本体と給排水取出管との溶接部や、 鉄 皮と給排水取出管との溶接部における疲労破壊の発生を抑制し、 長 期間の使用に耐え得る信頼性の高い構造を有する高炉炉体冷却.用ス テープを提供することができる。 よって、 本発明は、 鉄鋼産業上の 利用可能性が大きいものである。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . 銅または銅合金製ステープ本体に給排水取出管が溶接され、 該ステープ本体と高炉鉄皮とが複数の鋼製取付けボルトにより固 定された高炉用ステープクーラにおいて、

前記ステープ本体に給排水取出管を包囲するように保護管が溶接 され、

前記鉄皮に形成された開口部の外周の鉄皮面に前記保護管を包囲 するようにコーミ ングボックスが設けられ、

該コーミ ングボックスの側板端部の一方が鉄皮に溶接され、 該側板端部の他方がシールプレー トを介して前記保護管の外周面 に溶接された

ことを特徴とする高炉用ステ一ブクーラ。