(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱交換体鋳物の外形を型どった鋳型内に、曲げ加工が施され、冷却媒体を通す金属製の冷却管を配置し、該冷却管の周囲に溶融金属を注ぎ、該溶融金属を凝固させる冷却管の鋳ぐるみ方法において、
前記冷却管の配置前に、該冷却管の長手方向に沿い、その表面に遊嵌する内径を有し、且つ曲り部を通過可能な長さにした多数の金属短管を順次外挿し、該金属短管で冷却管を覆ってから前記溶融金属の注入を開始することを特徴とする冷却管の鋳ぐるみ方法。
【請求項２】
前記溶融金属の注入期間には、前記冷却管内に流体を流すことを特徴とする請求項１記載の冷却管の鋳ぐるみ方法。
【請求項３】
前記流体を空気又は不活性ガスとすることを特徴とする請求項２記載の冷却管の鋳ぐるみ方法。
【請求項４】
前記冷却管と前記金属短管とを同種の鋼管、前記溶融金属を溶鋼とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の冷却管の鋳ぐるみ方法。
【請求項５】
前記溶鋼を鋳鋼とすることを特徴とする請求項４記載の冷却管の鋳ぐるみ方法。
【請求項６】
前記冷却管の表面を耐火物で塗装してから、金属短管を外挿入することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の冷却管の鋳ぐるみ方法。
【請求項７】
前記耐火物がＡｌ2Ｏ3系低融点化合物であることを特徴とする請求項６記載の冷却管の鋳ぐるみ方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷却管の鋳ぐるみ方法に係わり、詳しくは高炉の炉壁に利用するステーブ、冷却箱、羽口フレーム、転炉の炉口金物等、冷却媒体（例えば、水）の通路となる金属管（以下、冷却管という）を鋳ぐるんだ熱交換体鋳物の製造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ステーブを始めとする熱交換体鋳物は、鋳型の型枠内に冷却媒体の通路となる冷却管を配置し、その周囲に溶融金属（例えば、鉄）を鋳込んで、凝固させることで製造される。そして、この熱交換体鋳物は、長期間の使用によって、熱亀裂、溶損、摩耗等を生じて損耗するが、鋳物本体の冷却能が高いと、熱負荷が緩和され、損耗が抑制される。そのため、該鋳物にとっては、鋳ぐるみ冷却管と鋳物本体との界面での伝熱性が重要であり、この部分での熱伝達率の高いことが望ましい。また、鋳物本体に生じた熱亀裂等の冷却管への進展を防止するには、冷却管は本体と溶着していないことが望ましく、特に、鋳込む溶融金属が炭素含有量の高い所謂「鋳鉄」の場合には、冷却管を脆化させないように、浸炭していないことも重要である。
【０００３】
従って、かかる熱交換体鋳物を製造するには、冷却管を鋳ぐるむ際に、冷却管を溶損させないことの他、上記した「高伝熱性」を確保し、「溶着」や「浸炭」を起こさないことに留意しなければならない。そのため、冷却管の鋳ぐるみについては、従来より多くの研究がなされ、公開されている技術も多い。
【０００４】
例えば、特開平３−２２６３４３号公報は、「窒化アルミニウム及びアルミナから選んだ１種以上を合計で２０〜６０重量％含有し、残部が１３００℃以下の融点を有する無機耐火物からなる被覆層を外表面に形成した金属製冷却管を母材に鋳くるんでなる熱交換体鋳物」を提案している。また、特開昭５８−６８４６３号公報に開示されているように、冷却管を耐火物層で覆うに代え、金属箔帯を巻き付けて被覆層を形成させてから鋳くるむ技術もある。さらに、特開平５−３０６４０５号公報は、「内管の外表面に耐火断熱層を形成させ、それに外管を挿入し、内外管を引抜いて３層２重管とした冷却管を鋳鉄と鋳合わせる」技術を提案している。加えて、日本国特許第２７８６８３２号公報は、「冷却パイプの材質の溶融温度と同等、あるいはそれ以上の溶融温度の材質による鋳包みを行う場合において、初期段階として冷却パイプが溶損しない程度の鋳包みを行なった後、最終段階として製品型枠内においける鋳包みを行なう」技術を提案している。つまり、これは、冷却パイプの外形に近い型枠から製品形状まで段階的に大きくした複数の鋳型を予め準備しておき、これら鋳型を順次使用して鋳込みを数回にわけて行い、徐々に製品にする技術である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記特開平３−２２６３４３号公報や特開昭５８−６８４６３号公報に記載された技術は、上記した「浸炭」や「溶着」の防止に対して効果があった。しかしながら、それら技術は、本来炭素含有量が高く、融点の低い鋳鉄で冷却管を鋳ぐるむのに有効であるが、強い鋳物製品が要求される今日では、適用に問題がある。つまり、高強度の鋳物にするには、融点が高い、つまり冷却管の融点に近い溶融金属、例えば鋳鋼を鋳込む必要があるので、前記「溶損」や「融着」が生じる恐れがあるからである。また、特開平５−３０６４０５号公報記載の技術のように、冷却管を二重管にして鋳込むものは、該冷却管を曲げ加工した際に、内外管の接合面間に隙間が生じる傾向があり、しかもこの傾向は、曲り部の曲率が小さいほど著しい。この間隙が生じると、そこには空気が入り込み、所謂「エアギャップ」として作用して伝熱性を損ねるので、好ましくない熱交換体鋳物が得られる。さらに、日本国特許第２７８６８３２号公報記載の技術は、高融点の鋳鋼にも適用できるが、段階的に鋳造を進めるので、最終製品の鋳物には、各段階での鋳込み終了時に形成した表面が非溶着境界となって存在するようになる。この非溶着境界は、一種の鋳造欠陥とみなされ、製品強度は低下するし、伝熱性も損なわれるので、該技術は実用し難い。
【０００６】
本発明は、かかる事情に鑑み、高融点の鋳鋼で鋳ぐるんでも、冷却管と鋳物本体間で高熱伝達率及び非溶着が維持できる熱交換体鋳物になり、且つ作業性にも優れた冷却管の鋳ぐるみ方法を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
発明者は、上記目的を達成するため、従来技術を見直し、その問題点を解消すべく鋭意研究し、その成果を本発明に具現化した。
【０００８】
すなわち、本発明は、熱交換体鋳物の外形を型どった鋳型内に、曲げ加工が施され、冷却媒体を通す金属製の冷却管を配置し、該冷却管の周囲に溶融金属を注ぎ、該溶融金属を凝固させる冷却管の鋳ぐるみ方法において、前記冷却管の配置前に、該冷却管の長手方向に沿い、その表面に遊嵌する内径を有し、且つ曲り部を通過可能な長さにした多数の金属短管を順次外挿し、該金属短管で冷却管を覆ってから前記溶融金属の注入を開始することを特徴とする冷却管の鋳ぐるみ方法である。その際、前記溶融金属の注入期間には、前記冷却管内に流体を流すのが好ましく、該流体を空気又は不活性ガスとすると一層良い。
【０００９】
また、本発明は、前記冷却管と前記金属短管とを同種の鋼管、前記溶融金属を溶鋼とすることを特徴とする冷却管の鋳ぐるみ方法であり、この場合、前記溶鋼を鋳鋼とするのが好ましい。
【００１０】
さらに、本発明は、前記冷却管の表面を耐火物で塗装してから、金属短管を外挿入することを特徴とする冷却管の鋳ぐるみ方法である。そして、該耐火物がＡｌ2Ｏ3系低融点化合物であるのが好ましい。
【００１１】
本発明によれば、曲げ加工後に別の金属短管を外挿するので、前記「エアギャップ」になるような隙間が従来より小さく、且つ安定している。その結果、得られた熱交換体鋳物の冷却能は高く維持できる。また、金属短管は、鋳物本体に溶着しても冷却管には非溶着なので、鋳物本体に亀裂が生じても、その伝播は遅い。さらに、鋳込時には、冷却管内に不活性ガスを流して、冷却管の昇温を抑制するので、冷却管は、溶損したり、その内面で脱炭が生じて劣化することもない。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照し、鋳鋼製水冷ジャケットを製造する場合を例にして、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１３】
本発明に係る冷却管の鋳ぐるみ方法では、まず、冷却管を鋳ぐるむ前に、鋳物内に収める形状に曲げ加工する。加工手段は、特に限定するものではなく、通常の金属管に施される公知の手段で良い。図１の例は、冷却管１を、鋳物の高温に晒される面に近い側をループ状２に加工して、その面での冷却媒体量が多くなるようにし、そこから沿直方向に曲げて冷却媒体の入口３と出口４とを形成させたものである。
【００１４】
この曲げ加工された冷却管１へ、その長手方向に沿い、図３に示すように、融点（１４７０℃程度）が高い多数の金属短管８を順次外挿し、冷却管１の全体を覆うようにする。従って、金属短管８の材質を適切に選択すれば、高温の溶融金属を注いでも、前記耐火物５の被膜と該金属短管８とで保護しているので、冷却管１が溶損することがなく、金属短管８と鋳込んだ金属とが溶着しても冷却管１と鋳物本体との溶着が生じない。また、金属短管８の内径は、冷却管の表面上に遊嵌（従って、極く薄い隙間がある）程度の大きさとすることが必要である。そこに大きな隙間があると、前記「エア・ギャップ」が形成されるので、遊嵌する程度にとどめる。さらに、この多数の金属短管８の内径はすべて同一であることが好ましい。該金属短管８の長さは、冷却管の曲り部９の曲率によって異なるので、本発明では特に限定しないが、いかなる曲率であっても曲り部９を容易に通過可能な長さである必要がある。曲がり部９を通過できないと、先行及び後行の金属短管同士が接触できず、覆いのない部分が生じるからである。
【００１５】
本発明では、この曲げ加工された冷却管１には、その表面全体に耐火物５を塗布し、耐熱被膜を形成させるようにもした。該耐火物が熱伝達媒体として作用し、本発明の効果を一層高めるからである。その塗布は、いかなる手段を用いても良いが、被膜厚さを均一にするため、図２に示すように、耐火物５を懸濁した水スラリ６を噴射する所謂「スプレー・ガン」７を用いるのが好ましい。耐火物５としては、アルミナ系、マグネシア系が多く使用されるが、塗布後に乾燥すると強固な膜（厚み０．３〜１．０ｍｍ程度）となるものが良い。また、その粒子径は、被膜厚みに依存するができるだけ小さいことが望ましい。
【００１６】
次に、このようにして溶融金属に対する保護体の準備が整った冷却管１は、図４に示すように、砂の中に最終製品である熱交換体鋳物の外形を型どった鋳型１０内に配置される。そして、湯口１１から溶融金属１２を流し込み、堰１３を介して該冷却管１の周囲に溶融金属１２を注ぎ、該溶融金属１２を凝固させる。その結果、凝固後に鋳型１０から抜出したものは、従来より冷却能に優れ、強度の強い熱交換体鋳物となる。
【００１７】
さらに、本発明では、前記溶融金属１２の注入期間には、前記冷却管１内に流体を流すようにした。これによって、溶融金属１２の鋳込み時に、冷却管１が高温になったり、内面から脱炭が起きるのを防止できるからである。なお、流体としては、空気又は不活性ガスで十分である。また、その流量は、冷却管の温度によって定めれば良いので、本発明では特に限定しないことにした。また、不活性ガスを流す時間についても同様に定めないことにした。
【００１８】
【実施例】
高温側の面が直径８５０ｍｍの円形をなす図１に示すような熱交換体鋳物（水冷ジャケット）１５を製造し、本発明の効果を確認した。
【００１９】
冷却管１は、固相線温度が１４７０〜１４８０℃、内径１２.３ｍｍ，外径２１.７ｍｍのボイラ用鋼管であり、図２に示したループ状３の形状に曲げ加工したものである。この冷却管１の表面に、「スプレーガン」７を用いて、低融点化合物を含むアルミナ系耐火物を含む水スラリ６を吹きつけ、１５０℃で乾燥して硬化させた。硬化体の膜厚は０．５ｍｍであった。そして、その膜上に、長さ２２ｍｍに切断した金属短管８を順次外挿して覆った。なお、この金属短管８は、固相線温度が１４７０〜１４８０℃、内径２５.０ｍｍ，外径３４.０ｍｍである。このように金属短管８で覆った冷却管１を、砂中に水冷ジャケット１５の外形を模った中に配置し、その周囲に温度１５８０℃に加熱、溶融した鋳鋼１２を鋳込んだ。この鋳鋼１２は、ＳＣ４５０（ＪＩＳ  Ｇ  ５１０１）相当で固相線温度は、１４３０〜１４５０℃である。また、鋳込み中は、冷却管１にアルゴンガスを流量２００リットル／分で流した。
【００２０】
冷却後脱型した鋳物製品は、前記円形面に水平に多数個所で切断し、断面を詳細に観察した。その結果、冷却管１の溶損はなく、冷却管１と鋳物本体の間に大きな隙間も見出さなかった。また、金属短管８は、鋳物本体に完全に溶着し、一体となっていたが、冷却管１と鋳物本体との溶着は生じていなかった。
【００２１】
なお、上記実施例は、溶融金属１２に鋳鋼、冷却管１にボイラ用炭素鋼管、金属短管８に配管用炭素鋼管を採用したが、本発明は、それらに限らず、多くの金属種に適用できることは言うまでもない。
【００２２】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明により、冷却管の融点に近い溶融金属、例えば鋳鋼で鋳ぐるんでも、冷却管が溶損せず、且つ冷却管と鋳物本体間で高熱伝達率が安定して維持できる高強度の熱交換体鋳物が製造できるようになる。また、鋳ぐるみ前の冷却管の準備作業が迅速になり、本発明は、生産性の向上にも貢献する。
【図面の簡単な説明】
【図１】冷却管の曲げ加工を説明する図である。
【図２】冷却管の表面へ耐火物膜を塗布する状況を示す図である。
【図３】金属短管の外挿を説明する図である。
【図４】鋳型内に配置した冷却管の周囲に溶融金属を鋳込む状況を示す図である。
【符号の説明】
１    冷却管
２    ループ状
３    入口
４    出口
５    耐火物
６    水スラリ
７    スプレーガン
８    金属短管
９    曲り部
１０  鋳型
１１  湯口
１２  溶融金属（鋳鋼）
１３  堰
１４  押湯
１５  熱交換体鋳物（水冷ジャケット）
１６  冷却媒体（水等）
【図１】
0003714135.tif 000002
【図２】
0003714135.tif 000003
【図３】
0003714135.tif 000004
【図４】
0003714135.tif 000005