(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周が応力腐食割れによる亀裂発生部を含む旧鉄皮で覆われ既設のフランジで長手方向に区分された熱風管の補修構造であって、亀裂発生部を含む区間両端のフランジに両側縁を夫々全周にわたり溶接されて該区間を全周被覆する新鉄皮と、新旧両鉄皮間に設けられた間隙層とを有し、前記溶接部が残留応力除去焼鈍を施されてなることを特徴とする熱風管の補修構造。
【請求項２】
外周が応力腐食割れによる亀裂発生部を含む旧鉄皮で覆われ既設のフランジで長手方向に区分された熱風管の補修構造であって、亀裂発生部を含む区間両端のフランジに両側縁を夫々全周にわたり溶接されて該区間を全周被覆する新鉄皮と、新旧両鉄皮間に設けられた間隙層とを有し、該間隙層が耐酸キャスタブルを充填されてなることを特徴とする熱風管の補修構造。
【請求項３】
外周が応力腐食割れによる亀裂発生部を含む旧鉄皮で覆われ既設のフランジで長手方向に区分された熱風管の補修構造であって、亀裂発生部を含む区間両端のフランジに両側縁を夫々全周にわたり溶接されて該区間を全周被覆する新鉄皮と、新旧両鉄皮間に設けられた間隙層とを有し、該間隙層が熱風管内部の高温空気と同圧もしくはそれ以上の圧力を持つ空気を常に供給されてなることを特徴とする熱風管の補修構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱風管の補修構造に関し、詳しくは、高炉用熱風炉に接続され応力腐食割れにより外周の鉄皮に亀裂が発生している熱風管の補修構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高炉用熱風炉は通常 800℃から1400℃でかつ最高７kg/cm2程度の高温・高圧空気を高炉へ供給するための設備であり、図４に示すように、基本的には一対の竪型の燃焼室６と蓄熱室７とが互いの頂部を連結管30で連結されて単体をなし、この単体を燃焼室６に接続される熱風管１で複数並列に結合して全体が構成されている。この熱風炉で生成された高温・高圧空気は熱風管１から混冷管８に導かれ、別途図示しない送風機から冷風管10を経て供給される冷風と混合されて温度調節された後、水平管９を通って高炉に届けられる。
【０００３】
熱風炉単体についてみると、図５に示すように、燃焼室６下部に燃料ガス弁33および燃焼空気弁34が、中段に熱風管１に通じる熱風弁32が、また蓄熱室７下部に冷風弁35および煙道弁36が、夫々接続され、蓄熱室７の大部分がチェッカーレンガ31で内張りされている。
そこでは、まず燃料ガス弁33を介して燃料ガスを、また燃焼空気弁34を介して空気を燃焼室６へ導入してガスを燃焼し、熱風を発生させ、その熱風を蓄熱室７のチェッカーレンガ31の隙間へ通して熱風の顕熱をチェッカーレンガ31へ伝熱させながら煙道弁36を介して排気し（燃焼過程）、次いで、蓄熱室７のチェッカーレンガ31へ十分に熱が蓄熱完了したところで、図示のない送風機から冷風弁35を介して蓄熱室７へ冷風を圧送導入し、チェッカーレンガ31に蓄熱された熱を冷風へ伝えて高温空気とし、この高温空気を熱風弁32を介して熱風管１へ圧送する（送風過程）というサイクルで運転がなされる。
【０００４】
熱風炉は図４に示したように、かかる単体が複数並列に結合されて全体をなすので、前記燃焼・送風のサイクルを各単体間で適当にずらして運転することにより、全体として常時高温・高圧空気を熱風管１に送り込むことができる。
熱風管１には上述のように通常 800〜1400℃の高温空気が流されているが、この高温空気は燃焼室６および蓄熱室７を経由して流れるために、これら室内で燃焼中に発生し滞留していたＮＯx ガスを含んでいる。
【０００５】
熱風管１の鉄皮内面には通常、耐火物（レンガあるいはキャスタブル）によるライニングが施されているのであるが、経時的にレンガ目地あるいはキャスタブル本体に亀裂等が生じ、かかる亀裂等を通じてＮＯx ガスを含んだ空気が鉄皮内面に接触するようになる。鉄皮内面は鉄皮外面の大気温度の影響を受けて 100℃以下となるため不可避的に結露が生じ、これにＮＯx ガスが溶解して結露が強酸性水と化す。一方、鉄皮には製作時の曲げ、溶接などにより残留応力が発生しており、また送風内圧もかかっているため、強酸性結露水による腐食環境下で応力腐食割れによる亀裂が発生し、高温空気の漏風などのトラブルの原因となっている。
【０００６】
通常の鉄皮亀裂の補修は、亀裂部をガウジング・溶接肉盛りする、あるいは当て板を溶接する、等により行われるが、これらの方法では溶接部に残留応力が発生するため、通常よりも腐食されやすい状況にある熱風管では、補修箇所から新たな応力腐食割れが発生するといった問題があり、補修後１年程度で再補修が必要となる。
【０００７】
このような応力腐食割れによる亀裂を生じた鉄皮の補修技術、とくにその再発生防止を企図した補修技術に関し、特開平８−3715号公報では、応力腐食割れにより発生した亀裂を溶接補修した後に当て板で補強する際の補修構造として、鉄皮と当て板との間に耐酸性塗膜層あるいは耐酸性充填層を介在させてなる構造が提案されている。
【０００８】
一方において、応力腐食割れの原因の一つである、鉄皮内面での結露を防ぐ方法として、鉄皮を外面から保温する、という方法も考えられている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
鉄皮と当て板との間に耐酸性塗膜層あるいは耐酸性充填層を介在させた前記補修構造によれば、鉄皮亀裂部に再度応力腐食割れで亀裂が発生したときに、当て板に強酸性結露水が接触することを防止できるので、当て板の応力腐食割れが阻止されて、補強部材としての寿命が延長するという長所があるが、当て板と鉄皮との溶接による内部応力の発生は防ぐことができず、当て板の周縁部での応力腐食割れによる亀裂が発生し、補強後１年から数年程度で再補修が必要になるという欠点がある。
【００１０】
また、鉄皮を外面から保温して鉄皮内面での結露を防ぐ前記方法によれば、実際の鉄皮内面での結露状態および亀裂の進展状況を確認できないため、万が一亀裂が進行していたときに、内圧による鉄皮の噴破等の重大なトラブルが発生するまで気がつかないといった危険性がある。
本発明は、このような従来技術の問題に鑑み、当て板と鉄皮との溶接残留応力起因の応力腐食割れによる再度の亀裂発生を好適に防止でき、さらには亀裂の潜在進展による鉄皮噴破等の危険性を伴わない形態で鉄皮を保温し鉄皮内部の結露を防止できる熱風管の補修構造を提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らの経験では、既設の高炉用熱風炉の熱風管の中で、使用開始以来10年以上経過しても鉄皮に応力腐食割れによる亀裂が発生していない例もある。この亀裂未発生の熱風管の製作条件を詳細に検討した結果、
１．鉄皮内面に耐酸キャスタブルがコーティングされている。
【００１２】
２．製作当時、鉄皮の溶接部に残留応力除去焼鈍が施されている。
という点で亀裂既発生の熱風管とは異なっていることを知見した。
鉄材に応力腐食割れが発生するには、その鉄材が、(1) 腐食環境にある、(2) 引張応力を受けている、(3) 硝酸塩中での割れ感受性が高い、という３条件が全て重なることが必要であるが、上記亀裂未発生の熱風管は、このうち(1) および(2) の条件を除去されていたといえる。
【００１３】
本発明は、かかる貴重な知見に基づき、鋭意検討を重ねて完成されたものであり、その特徴とするところは以下の通りである。
第１の発明は、外周が応力腐食割れによる亀裂発生部を含む旧鉄皮で覆われ既設のフランジで長手方向に区分された熱風管の補修構造であって、亀裂発生部を含む区間両端のフランジに両側縁を夫々全周にわたり溶接されて該区間を全周被覆する新鉄皮と、新旧両鉄皮間に設けられた間隙層とを有し、前記溶接部が残留応力除去焼鈍を施されてなることを特徴とする熱風管の補修構造である。
【００１４】
第２の発明は、外周が応力腐食割れによる亀裂発生部を含む旧鉄皮で覆われ既設のフランジで長手方向に区分された熱風管の補修構造であって、亀裂発生部を含む区間両端のフランジに両側縁を夫々全周にわたり溶接されて該区間を全周被覆する新鉄皮と、新旧両鉄皮間に設けられた間隙層とを有し、該間隙層が耐酸キャスタブルを充填されてなることを特徴とする熱風管の補修構造である。
【００１５】
第３の発明は、外周が応力腐食割れによる亀裂発生部を含む旧鉄皮で覆われ既設のフランジで長手方向に区分された熱風管の補修構造であって、亀裂発生部を含む区間両端のフランジに両側縁を夫々全周にわたり溶接されて該区間を全周被覆する新鉄皮と、新旧両鉄皮間に設けられた間隙層とを有し、該間隙層が熱風管内部の高温空気と同圧もしくはそれ以上の圧力を持つ空気を常に供給されてなることを特徴とする熱風管の補修構造である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の熱風管の補修構造を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は（ａ）のＡＡ矢視図である。図１において、１は熱風管、２は既設の旧鉄皮、2Aは新しく外殻とした新鉄皮、３は間隙層、４は内部レンガ、５は既設のフランジである。図１に示すように、本発明の熱風管の補修構造は、外周が応力腐食割れによる亀裂発生部を含む旧鉄皮２で覆われ既設のフランジ５で長手方向に区分された熱風管１の補修構造であって、亀裂発生部を含む区間両端のフランジ５に両側縁を夫々全周にわたり溶接されて該区間を全周被覆する新鉄皮2Aと、新旧両鉄皮2A、２間に設けられた間隙層３とを有することを基本の要件とする。
【００１７】
このように、新鉄皮2Aを旧鉄皮２に直にではなく間隙層３を介して既設のフランジ５に溶接接続することにより、旧鉄皮２に溶接残留応力を発生させないでこれを新鉄皮2Aで被覆できるから、応力腐食割れの原因の一つを回避できる。またこれにより、熱風管１の内圧保持のための構造部材としての役割を、亀裂が発生している旧鉄皮２から健全な新鉄皮2Aへと移すことができ、将来的に熱風管１の旧鉄皮２に応力腐食割れが進行して亀裂が拡大したとしても、新鉄皮2Aによってさらに外側を保護されているので、鉄皮噴破が生じる可能性を大幅に低下させることができる。
【００１８】
また、間隙層３は断熱層として働き、旧鉄皮２内面を結露温度以上に維持して旧鉄皮２内部での強酸性水の生成を防ぎ、旧鉄皮２の応力腐食割れのさらなる進行を妨げる効果がある。
新鉄皮2Aとしては、熱風炉の炉内圧に十分耐えうる強度を持つ部材を選定し、この部材が亀裂発生部を含む旧鉄皮２を間隙層３を介して全周被覆する形で、この部材の両側縁を、被覆対象の旧鉄皮２の存在区間両端に既設のフランジ５に夫々全周溶接することにより、前記補修構造を実現できる。
【００１９】
前記間隙層３の間隙は５mm以上とるのが好ましい。これを５mm未満として設計すると、新旧鉄皮2A、２に熱変形などが生じたときに間隙層３がなくなって本発明の効果を得難いためである。この間隙（層の厚み）は機能上からは上限に制約がないが、補修施工上はフランジ５の外径などで制約を受ける。
第１の発明は、上記した基本要件に加えて、フランジ５と新鉄皮2Aとの溶接部が残留応力除去焼鈍されたものであることを要旨とする。
【００２０】
新鉄皮2Aを設けただけでは旧鉄皮２の亀裂から熱風管１内部の高温空気が間隙層３に侵入し、新鉄皮2A内面に強酸性の結露を生じる可能性があるので、フランジ５と新鉄皮2Aとの溶接部を焼鈍により残留応力除去をしておく。これにより新鉄皮2Aの応力腐食割れが回避できる。
第２の発明は、上記した基本要件に加えて、間隙層３が、耐酸キャスタブルを充填されていることを要旨とする。
【００２１】
上述したように、熱風管１内部の高温空気雰囲気における耐酸キャスタブルの有用性については実績があり、この構造により、新鉄皮2A自身および新鉄皮2Aと既設のフランジ５との溶接部が腐食環境に曝されない状況をつくることができる。また、同時に旧鉄皮２の外周部も耐酸キャスタブルでライニングされることになるため、これが断熱層となって旧鉄皮２を結露温度以上に維持してそこでの強酸性水の生成が妨げられるので、応力腐食割れによる新たな亀裂の進展が抑制されることが期待される。
【００２２】
第３の発明は、上記した基本要件に加えて、間隙層３が、熱風管１の内部の高温空気と同圧もしくはそれ以上の圧力のガスを常に供給されていることを要旨とする。
これにより、新鉄皮2A内面と炉内ＮＯx を含んだ空気との接触が妨げられ、新鉄皮2Aの応力腐食割れが防止できると共に、間隙層３に供給されるガスが断熱層となって旧鉄皮２を結露温度以上に維持してそこでの強酸性水の生成が妨げられるので、応力腐食割れによる新たな亀裂の進展が抑制されると期待される。
【００２３】
間隙層３に供給するガスとしては空気が使用でき、その供給方法としては、例えば図４の冷風管10等の高炉への送風経路を分岐してその送風ガスの一部を供給する方法、または、別途専用の空気圧縮機を設けてそこから供給する方法のいずれでも採用可能である。後者の場合、熱風管１の内圧を検知しながら流量、圧力を制御するのが好ましい。
【００２４】
第１〜第３の発明は、相互間で鉄皮の応力腐食割れ防止効果の程度に大きな差異はなく、補修工事時の諸条件により適宜選択すればよい。
【００２５】
【実施例】
＜実施例１＞
送風量 6800Nm3/min、熱風管内部温度1400℃、圧力 5.5kg/cm2の高炉操業において、設備仕様として、外径 3.1ｍ、鉄皮厚み14mm、内部レンガ厚み 700mmの熱風管を接続した熱風炉を使用していたが、稼働後１年で熱風管に応力腐食割れによる鉄皮亀裂が発生した。
【００２６】
そこで、図１に示した形態で、炭素鋼（SM400 ）のプレート（厚さ14mm）を、旧鉄皮２の外殻用の新鉄皮2Aとして、新旧両鉄皮間に間隙50mmの間隙層３をとってフランジ５（旧鉄皮２に既設）に溶接固定した後、休風工事にて新鉄皮2Aとフランジ５との溶接部全体にわたり、電気ヒータを用いて 610±30℃×３時間の条件で焼鈍を実施した。
【００２７】
この補修後現在まで２年経過しているが、新鉄皮2Aに応力腐食割れによる鉄皮亀裂は発生していない。
＜実施例２＞
実施例１と同様の設備・操業条件の高炉用熱風炉の熱風管において、実施例１と同様に稼働後１年で熱風管に応力腐食割れによる鉄皮亀裂が発生した。
【００２８】
そこで、図１に示した形態で、炭素鋼（SM400 ）のプレート（厚さ14mm）を、旧鉄皮２の外殻用の新鉄皮2Aとして、新旧両鉄皮間に間隙50mmの間隙層３をとってフランジ５（旧鉄皮２に既設）に溶接固定した後、間隙層３に、アルミナ、シリカを骨材とした水ガラス系の耐酸キャスタブルを、予め新鉄皮2Aに開けておいた注入孔から注入して充填した。
【００２９】
この補修後現在まで２年経過しているが、新鉄皮2Aに応力腐食割れによる亀裂は発生していない。
＜実施例３＞
実施例１と同様の設備・操業条件の高炉用熱風炉の熱風管において、実施例１と同様に稼働後１年で熱風管に応力腐食割れによる鉄皮亀裂が発生した。
【００３０】
そこで、図１に示した形態で、炭素鋼（SM400 ）のプレート（厚さ14mm）を、旧鉄皮２の外殻用の新鉄皮2Aとして、新旧両鉄皮間に間隙50mmの間隙層３をとってフランジ５（旧鉄皮２に既設）に溶接固定し、間隙層３へのガス供給系として、図２に示すように、間隙層３に直通するバルブ13付き分岐管12を植設したヘッダ11を冷風管10より分岐させて設け、冷風管10内の冷風の一部を間隙層３内に供給するようにした。なお、図２において、21はエキスパンションであり、前掲の図４、図５および図１と同一または相当部分にはこれと同じ符号を付し、説明を省略する。
【００３１】
冷風管10内の冷風はチェッカーレンガ31（図５参照）を通過しないので、熱風に比べるとわずかながら圧力が高い状態にあるから、本発明を適用するのに好適である。
この補修後現在まで２年経過しているが、新鉄皮２に応力腐食割れによる亀裂は発生していない。
＜実施例４＞
実施例１と同様の設備・操業条件の高炉用熱風炉の熱風管において、実施例１と同様に稼働後１年で熱風管に応力腐食割れによる鉄皮亀裂が発生した。
【００３２】
そこで、図１に示した形態で、炭素鋼（SM400 ）のプレート（厚さ14mm）を、旧鉄皮２の外殻用の新鉄皮2Aとして、新旧両鉄皮間に間隙50mmの間隙層３をとってフランジ５（旧鉄皮２に既設）に溶接固定し、間隙層３へのガス供給系として、図３に示すように、間隙層３に直通するバルブ13付き分岐管12を植設したヘッダ11と該ヘッダ11に専用に送気する空気圧縮機14とを設け、熱風管１内の高温・高圧空気の圧力（Ｐ1 とする）とヘッダ11内の空気圧力（Ｐ2 とする）とを圧力センサ15ａ、圧力計15ｂで夫々測定し、制御装置16を用いてＰ2 がＰ1 〜Ｐ1 ＋0.02kg/cm2の圧力範囲内に収まるように流量調整弁17および空気圧縮機14駆動用のモータ18を制御しながら、ヘッダ11内の空気を間隙層３内に導くようにした。なお、図３において、19はセンサケーブル、20は制御ケーブルであり、図３と同一または相当部分にはこれと同じ符号を付し、説明を省略する。
【００３３】
この補修後現在まで２年経過しているが、新鉄皮2Aに応力腐食割れによる亀裂は発生していない。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、鉄皮に応力腐食割れによる亀裂が発生している高炉用熱風炉付設の熱風管を、応力腐食割れによる再度の亀裂発生や亀裂の潜在進展による鉄皮噴破等の危険性を伴わない形態で補修できると共に、補修後の耐用期間が飛躍的に延長するという格段の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の熱風管の補修構造を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は（ａ）のＡＡ矢視図である。
【図２】実施例３における間隙層へのガス供給系の構成図である。
【図３】実施例４における間隙層へのガス供給系の構成図である。
【図４】高炉用熱風炉の全体図である。
【図５】熱風炉単体の構成図である。
【符号の説明】
１  熱風管
２  旧鉄皮
2A  新鉄皮
３  間隙層
４  内部レンガ
５  フランジ
６  燃焼室
７  蓄熱室
８  混冷管
９  水平管
10  冷風管
11  ヘッダ
12  分岐管
13  バルブ
14  空気圧縮機
15  圧力センサ
16  制御装置
17  流量調整弁
18  モータ
19  センサケーブル
20  制御ケーブル
21  エキスパンション
30  連結管
31  チェッカーレンガ
32  熱風弁
33  燃料ガス弁
34  燃焼空気弁
35  冷風弁
36  煙道弁
【図１】
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【図２】
0003674167.tif 000003
【図３】
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【図４】
0003674167.tif 000005
【図５】
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