竖炉用板式冷却器 【技术领域】
本发明涉及为保护炉壳而在用于矿石等的熔解的高炉等冶金炉的炉壁内表面四周设置的竖炉用板式冷却器。
背景技术
在高炉等的竖炉内，由于炉内的高温气体的影响，为了保护炉壳，在炉内表面的四周设置板式冷却器来冷却。过去，板式冷却器用铸铁或铜制造。在板式冷却器内部设置有许多冷却水路，将来自炉内侧的热隔断，以保护炉壳。
近年来，特别是在高炉中，从风口吹入的微细碳粉吹入量有增大的倾向，由此高炉炉壁的热负荷增大，且热负荷在变动。由于这样的热负荷，为了保护高炉的炉壳，一部分采用铜或铜合金制(以下铜或铜合金制统称铜制)的板式冷却器取代铸铁制板式冷却器。例如日本专利特公昭63-56283号公报中公开了这种铜制板式冷却器。
图1是表示过去地铜制板式冷却器构造的剖面图。该过去的铜或铜合金制板式冷却器设置在高炉等的竖炉(冶金炉)炉壳104的炉内侧。在铜制板式冷却器中设置了在内部形成冷却水路109的铜制冷却板(stave)主体101。通过在冷却水路109中流通冷却水，炉壳104被冷却。冷却板主体101由锻造或轧制形成，冷却水路109由在冷却板主体101上钻孔加工而成。冷却水路109的两端由塞焊形成塞焊部110。另外，冷却水配管102被焊接在比炉壳104靠近炉内侧的冷却板主体101上。冷却水配管102的端部被插入在冷却板主体101的供水口108中，并通过形成坡口的V型填角焊接连接在供水口108的外缘部上。这时，在冷却水配管102贯通炉壳104的地方接合伸缩管107。
图1仅示出冷却板主体101的下部，其上部的构造与下部的构造大致对称。冷却水从下部的冷却水配管102经供水口108流入冷却板主体101内，经上部的排水口从冷却水配管流出。
在日本专利特开平11-293312号公报中公开了以下的板式冷却器的制造方法。首先，用型芯进行水路造型，同时铸造铜或铜合金的冷却板主体。凝固后，从多个开口处破坏并除去型芯形成水路。然后，在冷却板主体上焊接冷却水配管。
另外，过去，在板式冷却器的炉内表面如图1所示地将耐火砖等可铸材料105在圆周方向进行多阶铸入或嵌合。另外，有时在板式冷却器的炉内表面还施加喷涂耐火材料。
例如，在日本专利公报实公昭51-82706号中，提出为了使耐火砖难以脱落、炉壳一侧的耐火砖高度比冶金炉内侧的耐火砖高度高的板式冷却器。另外，在日本专利公报实公昭58-65352号中，提出铸入耐火砖的底边朝向水平方向或上方的冷却板。还有，在日本专利公报特开2001-49314号中，提出在耐火砖的各阶之间用母材填充、切槽部上表面相对于水平面的仰角设定在20-30度范围的板式冷却器，以及进一步将切槽部下表面相对于水平面的仰角设定在10-30度范围的板式冷却器。
在进行以水泥为粘合剂的喷涂材料施工的场合，以同样的形状形成从板式冷却器主体突出的突出部，或从冷却板主体立起壁骨来保持喷涂材料。
但是，上述的过去冷却水路的构造和冷却板主体的炉内面一侧的构造存在以下问题。
首先，关于过去冷却水路的构造：
第1.由于在冷却板主体中配置的水路用冷却板主体的母材(铜或铜合金)形成，所以其传热性很好，但如果万一由材质缺陷或使用中产生的细微裂纹发展为龟裂，立即损坏水路的密封性，引起向高炉炉内的漏水。
第2.由于在形成密闭水路时不可避免要进行塞焊，在长期的残酷条件下可靠性存在不安因素。
第3.由于冷却水配管102以与冷却板主体101接近直角的角度被焊接，在焊接部冷却水的流动方向骤变。因此，有压力损失增加和在水路端部产生冷却水滞留的危险。
第4.如上所述，由于冷却水配管102通过V型填角焊接被连接在供水口108或上部的排水口中，所以，对弯曲和拉伸的焊接强度未必足够强。为此，对冷却水配管102贯通炉壳104的部位进行密封连接时，要通过伸缩管107。所以，在炉壳104的炉外侧需要所需空间。
其次，关于冷却板主体的炉内面一侧的构造：
第1.耐火砖或喷涂材料(可铸材料)禁不住炉内的温度变动，从表层起慢慢的剥离损坏，不久消失掉。其结果，冷却板主体的母材的突出部分残存下来。然后，由于冶金炉竖炉部的冷却板主体倾斜，突出部的上表面朝向炉内侧并与水平稍成俯角，难以稳定地堆积炉内原料。
第2.突出部分的下表面也朝向炉内侧与水平成俯角，与炉内气体的接触面积增大，板式冷却器的吸热有增大的倾向。
第3.由于上述第1和第2个问题，耐火转或喷涂材料消失后的冷却板的突出部，更易于受到炉内气体温度变动的影响。其结果，突出部的根部附近由于反复的热应力易于产生龟裂，在长期使用的场合，该龟裂使冷却板主体存在断裂的危险。
第4.特别是近年来，在高炉中伴随着从风口吹入的微细碳粉吹入量的增大，炉体的高热负荷有达到竖炉部分的倾向。为此，即使高热负荷部达到竖炉部，可能产生达不到原料熔融温度的状态。这样的场合，由熔融物的附着引起的板式冷却器表面的保护不进行，易于产生上述的第1至第3的问题。
第5.近年来，与上述热负荷的增加相对应，铜冷却板的使用正在扩大，但希望更轻更经济的铜冷却板。
第6.希望形成在冷却板前表面的不定形耐火材料的寿命更长。
第7.由于板式冷却器的吸热量增加，有必要增加循环冷却系统的水量。因此，有必要增强循环泵和热交换器的能力。
【发明内容】
本发明的第1个目的是提供在冷却水路线上无焊接处、漏水的危险性极低、冷却水的压力损失低、没有滞留、可省去伸缩管、可缩短冷却水配管长度的竖炉用板式冷却器。
本发明的第2个目的是提供一种竖炉用板式冷却器，进一步提高不定形耐火材料的保持性能，耐火材料消除后可抑制板式冷却器的突出部与炉内气体的接触面积，同时突出部的根部附近很少发生龟裂，寿命长，可减少循环冷却水量，经济性好的。
本发明涉及的第一个竖炉用板式冷却器，设置在竖炉的炉内壁面四周，具有：铜或铜合金的铸件，含99.9％以上质量的铜；以及1或2根以上的钢管，被铸入到上述铸件中，在其中可流通冷却水。
【附图说明】
图1是表示现有的铜制竖炉用板式冷却器的构造的剖面图。
图2是表示本发明第1实施例涉及的设置高炉用板式冷却器的高炉炉壁附近的纵剖面图。
图3是图2下部的放大图。
图4A是表示不定形耐火材料厚度t的模式图，图4B是表示无形耐火材料厚度t与冷却板吸收热量关系的曲线图。
图5A是表示本发明第2实施例涉及的设置竖炉用板式冷却器的冶金炉炉壁附近的纵剖面图，图5B是其一部分的放大图，图5C是沿图5A中的I-I线的剖面图。
图6是表示本发明第2实施例的变换例的剖面图。
图7是表示本发明第2实施例的另一变换例的剖面图。
图8是表示配管的配置例子的模式图。
图9是表示外管一种形态的模式图。
图10是表示铸入在冷却板主体中的盖形螺母的一种形态的模式图。
【具体实施方式】
以下，参照附图具体说明本发明的实施例涉及的竖炉用板式冷却器。
第1实施例
首先，说明本发明的第1实施例。图2是表示本发明第1实施例涉及的设置高炉用板式冷却器的高炉炉壁附近的纵剖面图。另外，图3是图2下部的放大图。
关于第1实施例，冷却板主体(冷却构件)1例如用铜或铜合金铸成。在该铸件中铸入钢管2作为冷却水配管，形成冷却水的水路7。作为冷却水配管的钢管2，被铸入在作为冷却板主体1的铜或铜合金的铸件中，其两端突出。因而，钢管2两端的突出部分别构成供水口和排水口。钢管2贯通炉壳4，炉壳4的钢管2贯通的孔，从炉壳4的外侧被密封构件6密封。因此，高炉被密封。在密封构件6的外部，可将钢管2的伸出部的前端与冷却水供水配管、排水配管连接。在铸件中铸入的钢管2有1根以上。
在铸入钢管2时，如下所述情况是理想的。首先，将钢管2的表面进行喷丸处理后，以保持清洁的状态设置在用于铸造冷却板主体1的铸型内。接着，通过在该铸型内注入铜或铜合金熔液将钢管2铸入在冷却板主体1的铸件中。
在冷却板主体1的高炉的内侧面，形成凹凸形状的沟8。通过例如在铸型中形成凹凸，因此在铸造时形成沟8。形成沟8的面构成高炉的里面即冷却板的前面。另外，在高炉运转前，在沟8中喷涂可铸材料5，对于开炉初的高热负荷具有缓冲效果。
另一方面，在冷却板主体1的炉壳侧的面、即背面设置了将冷却板主体1固定在炉壳4上的安装螺栓(没有图示)。
另外，在本实施例中，如图3所示，在钢管2从冷却板主体1突出的部分，配置了比钢管2直径大的外管3，构成2重管。外管3例如为钢制。外管3例如比密封构件6更延伸到高炉的外侧。
按照该第1实施例，作为冷却水配管的钢管2被铸入在冷却板主体1中，万一因冷却板主体1的材质缺陷或在炉中使用时产生的细微裂纹使龟裂要发展到冷却板主体1时，钢管2的外面可阻止该龟裂的发展。因此，水路7的密封性可以被维持。
另外，由于从冷却板主体1突出的部分的管构造构成2重管，可提高补强效果。具体地说，通过使供排水配管与钢管2为一体、同时钢管2从冷却板主体1突出的部分构成2重管，不需要特别考虑使供排水配管不受外力。由此，炉壳2的贯通部的密封简单，没有必要使用过去使用的伸缩管。因此，可缩短冷却水配管的炉壳4外侧的长度，可缩小该空间。
即使本实施例涉及的板式冷却器因热而产生变形，从冷却板主体1突出的供排水配管，与铸入在冷却板主体中的钢管2成为一体。因此，板式冷却器对弯曲与拉伸的强度增强。同将供排水口焊接在冷却板主体上的现有技术相比，可获得较高的强度。
再者，作为冷却水配管的钢管2，是将一根钢管从供水侧到排水侧适当弯曲、并在炉壳4的外侧同供水配管和排水配管连接而形成的。因此，没有必要在高炉炉内设置焊接处。因此，它可长时间使用。另外，钢管2的曲率半径可选适当的值，在可弯曲加工时使钢管2的截面形状不发生急剧变化。由此，可防止冷却水压力损失的增加和滞留部的发生。
在探测器用开口或出铁口开口附近设置本发明涉及的板式冷却器的场合，也可以设计和制作成任意的形状。另外，在挪用冷却盘的炉壳来设置本发明涉及的板式冷却器的场合，也可以根据原有的开口形状来设计与制作。
关于铜或铜合金制冷却板，在冷却板主体直接形成冷却水水路的原因是，为了得到更高的传热性能。但是，如本实施例那样在铜和铜合金制铸件中铸入钢管制的冷却水配管的情况下，试验表明，通过钢管损失的传热性能很小，在实际的冶金炉中使用时完全没有影响。其理由是，在铸入钢管时，没有必要施行防止钢管的渗碳的涂敷，钢管的外表面与冷却板主体的内表面之间的附着性高，传热阻力小。
还有，在本实施例中，在高炉运转前，在沟8中喷涂可铸材料5，喷涂的可铸材料5不久后脱落。但是，炉内的熔融物等马上粘着在沟8中，覆盖了冷却板主体1的前面。为了保持该熔融物等的粘着物层，也要形成冷却板主体1前面的凹凸形状的沟8，这样形成是理想的。
在铜铸件中，为了不产生铸造缺陷，多使用例如JISH5120的CAC101的相当材质(Cu 99.5％以上，Sn 0.4％，P 0.07％)，在日本专利公报特开平11-293312号中记载的板式冷却器中，实际上热传导性也多少有些牺牲，通过含少量锡和磷提高铸造性。通过添加锡和磷，可提高金属熔液的流动性、减少铸造缺陷。另一方面，使用这样的材质，存在热传导率降低的缺点。
对此，在本发明中，利用在铜制铸件中铸入的钢管确保了冷却水路，即使在由铜制铸件构成的冷却板主体中多少存在一些缺陷，也完全没有漏水的危险。因而，作为板式冷却器的原材料，可使用热传导率高的铜纯度99.9％以上的材质，例如JISH5120的CAC103的相当材质(Cu 99.9％以上，P 0.04％)。因此，通过使用这样的材质，可完全不引起冷却水的漏水而改善板式冷却器的热传导特性。
第2实施例
下面说明本发明的第2实施例。
在此，首先说明设置在竖炉用板式冷却器的竖炉(冶金炉)的内侧的可铸材料等不定形耐火材料的厚度与冷却板吸热量的关系。图4A是表示不定形耐火材料的厚度t的模式图，图4B是表示不定形耐火材料的厚度t与冷却板吸热量关系的曲线图。
如图4A所示，不定形耐火材料15a的厚度t是从冷却板主体(冷却构件)11的沟12的底部到不定形耐火材料15a的炉内侧表面的距离。在冷却板主体11中设置有冷却水路17。
如图4B所示，不定形耐火材料15a的厚度t在大致100mm以下时，伴随着厚度t的增加，冷却板吸热量降低。因此，在板式冷却器的突出部、即形成沟的部分的凸部表面附着不定形耐火材料15a，可抑制吸热量。但是，当不定形耐火材料15a的厚度t约为50mm，冷却板的吸热量大幅度降低，当厚度t为100mm以上，冷却板的吸热量几乎不变化。
图5A是表示本发明第2实施例涉及的设置有竖炉用板式冷却器的冶金炉炉壁附近的纵剖面图，图5B是其一部分的放大图，图5C是沿图5A中I-I线的剖面图。
在本实施例中，将冷却板主体11通过不定形耐火材料20设置在炉壳14上，且周设在高炉等的竖炉(冶金炉)的里面。冷却板主体11由例如铜或铜合金的铸件形成。另外，在冷却板主体11的内部形成其两端连通到外部的冷却水水路17。例如第1实施例，水路17是通过铸入钢管而形成。而且，设有对钢管贯通炉壳14的孔进行密封的密封构件16。还有，与过去一样，冷却水路也可以穿孔形成。
在冷却板主体11的冶金炉内侧的面上，可形成多阶架子状的突出部19，同时在这些突出部19之间形成沟18。通过例如在铸型内形成凹凸，在铸造时形成沟18。形成沟18的面成为冶金炉的里面、即冷却板的前面。
在此说明突出部19和沟18的形状。在冶金炉的里面安装时，突出部19和沟18沿冶金炉的周向延伸。另外，安装在冶金炉的里面时，突出部19的位于上侧的表面21(上表面21)和位于下侧的表面22(下表面22)都向着冶金炉的中心并以仰角成倾斜的形状。
上表面21的仰角是使炉内原料易于堆积的角度即可，考虑突出部19的根部强度，应为小于10度的仰角。由于上表面21向着炉内侧并与水平成小于10度的仰角，耐火材料消失后，进入多阶架子状的突出部19之间、即沟18内的炉内原料可稳定地堆积。由此，可减小冷却板主体11与伴随炉内高温及温度变动的高流速气体的接触面积，可抑制板式冷却器的吸热量。
炉内原料稳定地进入的静止角为30度以上，所以，下表面22的仰角为超过30度的角度。另外，为可靠地支持不定形耐火材料并堆积炉内原料，该仰角的上限最好为70度以下。由于下表面22向着炉内侧并与水平成超过30度的仰角，炉内原料易于进入，可减小耐火材料消失后与炉内气体接触面积，并可抑制板式冷却器的吸热量。
另外，在上表面21及下表面22与冷却板主体11的基体的各边界部21a、22a处设置曲率，成为曲面。其结果，耐火材料消失后，热应力难以集中在突出部19的根部附近。由此，龟裂难以产生，可长期维持板式冷却器的高性能。
如图5C所示，在沟8内，在相邻2个水路17的中间部分形成凹部23。即沟8的深度，在形成凹部23的部分和设有水路17的部分是不同的。
另外，在本实施例中，架子状的突出部19的上表面21和/或下表面22被粗糙化，在该部分形成细微的凹凸部24。
再者，在本实施例中，含有树脂系或硅酸盐系粘合剂、且以Al2O3和SiO2为主要成分的不定形耐火材料25被牢固地附着在冷却板主体11的表面上。而且，在该不定形耐火材料25上喷涂了可铸材料15，不定形耐火材料25和可铸材料15相当于图4A中的不定形耐火材料15a。
在这样构成的本实施例中，冶金炉运转开始后，可铸材料15慢慢脱落。因此，如果继续下去，板式冷却器的吸热量会变得很大。但是在本实施例中，形成突出部19时其上表面21和下表面22向炉内侧并成仰角，并且适当地规定了仰角的大小，所以，进入突出部19之间的炉内原料稳定地堆积在沟18内。由此，冷却板主体11与伴随炉内高温且温度变动的高流速气体的接触面积减小，可抑制板式冷却器的吸热量。
通过如上所述地适当地设定仰角的大小，增加其效果。
另外，在本实施例中，在沟18的底部，在可铸材料15和冷却板主体11之间设有不定形耐火材料25。还有，在本实施例中，在突出部19的上表面21和下表面22、即沟18的侧面形成了凹凸部24。由此，不定形耐火材料25与冷却板主体11的粘着力极强，不定形耐火材料25对于炉内的高温气体流和温度的大幅度变动，不容易脱落或消失。因此，可维持稳定的绝热层，并可长期抑制冷却板的吸热量。
还有，在本实施例中，由于在沟18内设置了凹部23，冷却效率不降低就可以消减冷却板主体11材料、例如铜的重量。由此，可更降低成本，更经济。另外，由于凹坑23，不定形耐火材料25与冷却板主体11的粘着性提高。从这点出发，可稳定地支持不定形耐火材料25，并可长期抑制板式冷却器的吸热量。
因而，如上所述，由于可抑制板式冷却器的吸热量，可减少循环冷却系统的水量，也可以减小循环泵和热交换器的功率。另外，由于可抑制无谓的热损失，可有效地利用冶金炉内的热量，并有助于减少焦炭量。
还有，如图6所示，由于在冷却板主体11的炉外侧、即炉壳14一侧形成了凹部26，可以削减冷却板主体11的材料、例如铜的重量，成本更降低，更经济。
另外，如图7所示，也可以使突出部19的形状为，越靠近其前端部19a越细，前端部19a的表面成曲面。即，使前端都19a具有曲率而细小。通过使突出部19具有如此形状，可减小受热面积，可抑制吸热量，对于喷涂在炉内面侧的不定形耐火材料，可避免成锐角的凹部的存在，可避免热应力集中，并可减小冷却板主体的重量。
再者，构成冷却水路的钢管的形状和配置没有特别的限定，但最好是如图8所示，在由铜或铜合金的铸件构成的冷却板主体31的中央部位，在安装到冶金炉中时，铸入实质上沿垂直方向延伸的多根钢管32，并在冷却板主体31中铸入围绕这些钢管32、具有例如以“L”字形弯曲的形状的2根钢管33。
还有，在图8所示的例子中，2根钢管33弯曲“L”字形，例如也可以弯曲成“コ”字型。这种场合，当向铜或铜合金的铸件(冷却板主体31)中铸入时，例如使从各弯曲点到各端部的部分，在配置在炉内时实质上沿水平方向延伸即可。这种场合，2根钢管33的端部在冷却板主体31的水平方向的中心附近接近为好。
另外，在钢管的端部采用二重管构造的场合，如图9所示，多根例如3根钢管34的端部可以由1个钢管制成的外管35捆住。
再者，在铜或铜合金制的冷却板主体36的炉壳侧的表面、即埋入到冷却板主体36的钢管37两端突出侧的表面，最好是形成达到炉壳附近的鼓起部，同时，在该鼓起部内埋入具备有内螺纹的盖形螺母38。
另外，最好将钢管配置成，钢管的端部在形成于竖炉炉壳上的冷却水供排水用的开孔部位整合。
还有，第1实施例与第2实施例也可适当组合。例如在由钢管形成冷却水路的冷却板主体上，可形成如图7所示的突出部。
在涉及第1实施例的图2和图3中，炉壳相对于垂直方向被平行配置；在涉及第2实施例的图4A、图5A、图5B至图7中，炉壳相对于垂直方向被倾斜配置；在本发明中炉壳可向着任意方向配置。在第2实施例中，与炉壳没有关系，可基于与水平方向的关系确定突出部的倾斜角度。
发明效果
如上所述，根据本发明，即使冷却板主体的材质缺陷和在炉内使用中产生的细微裂纹发展成龟裂，由于钢管的外面阻止了龟裂发展，因此可维持水路的密封性。另外，由于形成冷却水路的钢管的两端在炉壳的外侧与供水配管、排水配管接合，所以在冶金炉的内部不必设置焊接部。由此，即使长期使用极少劣化。再者，由于适当地确定了钢管的曲率半径，可避免冷却水的压力损失增加和形成滞留部。