(57)【要約】  一端が他端を越えてのびる１８０度パイプエルボと、この１８０度パイプエルボを、ある長さの冷却管に接合して、冷却パネルで補助すると利点のある炉、ボイラーまたは他の工業用加熱装置で使用するための冷却パネルを作製する方法。エルボの一端をエルボの他端よりものばすことにより、その一端をある長さの管に溶接で接合することが可能になり、それによって自動溶接による接合が可能になり、そのことが製造コストを削減し、質の高い溶接を可能にすることになる。
2019536971.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の端と第２の端との間で波形に巻いた配管系を備える、製鋼炉の内壁に連結される冷却パネルであって、前記配管系は、
互いにほぼ平行に整列された複数のセクションパイプと、
前記配管系の前記第１の端に形成され、前記製鋼炉を冷却するための流体を受けるように構成された入口と、
前記配管系の前記第２の端に形成され、前記入口と流体連通した出口と、
前記配管系を前記内壁に連結するように構成されたベース部材と、
複数の折り返しエルボであって、各々前記複数のセクションパイプのうちの２本を互いに連結する前記複数の折り返しエルボと、を含み、
前記複数の折り返しエルボは各々、第１のレッグと第２のレッグとを含み、前記第１のレッグは前記２本のセクションパイプのうちの第１のセクションパイプに溶接され、前記第２のレッグは、前記２本のセクションパイプのうちの第２のセクションパイプに溶接され、
前記第１のレッグは第１の長さを有し、前記第２のレッグは第２の長さを有し、前記第１の長さは前記第２の長さよりも長い、冷却パネル。
【請求項２】
前記複数の折り返しエルボは各々、ほぼ半円形の断面を有する、請求項１に記載の冷却パネル。
【請求項３】
前記第１のレッグは、前記入口に流体的に連結され、前記第２のレッグは、前記出口に流体的に連結されている、請求項１に記載の冷却パネル。
【請求項４】
前記第１のレッグは、第１の軸に沿って配置され、
前記第２のレッグは、第２の軸に沿って配置され、
前記第１の軸と前記第２の軸とは、ずれており、かつ互いに平行である、請求項１に記載の冷却パネル。
【請求項５】
前記第１のレッグは、傾斜した端を有する、請求項１に記載の冷却パネル。
【請求項６】
前記第１の長さは、前記第２の長さよりも少なくとも０．１インチ長い、請求項１に記載の冷却パネル。
【請求項７】
前記第１の長さは、前記第２の長さよりも少なくとも０．５インチ長い、請求項１に記載の冷却パネル。
【請求項８】
前記第１の長さは、前記第２の長さよりも０．１インチから１インチ長い、請求項１に記載の冷却パネル。
【請求項９】
前記第１の端は、前記第１のセクションパイプに自動的に溶接される、請求項１に記載の冷却パネル。
【請求項１０】
前記第２のレッグは、傾斜した端を有する、請求項１に記載の冷却パネル。
【請求項１１】
前記複数の折り返しエルボは、流体の搬送に使用されると前記複数の折り返しエルボの機能を妨げることにもなる変形を生じることなく、３，０００°Ｆから３，５００°Ｆである前記炉内の温度に耐えるように構成された材料を含む、請求項１に記載の冷却パネル。
【請求項１２】
前記材料は、鋼、青銅、銅、ステンレス鋼、ニッケル合金、シームレスカーボンパイプ、特定の用途に適した他の材料から選択される、請求項１１に記載の冷却パネル。
【請求項１３】
傾斜機構の上に移動可能に配置された炉殻であって、炉床と、側壁と、炉蓋とを含む炉殻と、
前記炉から出るガスを排気するための排気システムと、
第１の端と第２の端との間で波形に巻いた配管系を備える、前記側壁の内面に取り付けられた水冷式パネルと、を備える製鋼炉であって、
前記配管系は、
互いにほぼ平行に整列された複数のセクションパイプと、
前記配管系の前記第１の端に形成され、前記炉を冷却するための流体を受けるように構成された入口と、
前記配管系の前記第２の端に形成され、前記入口と流体連通した出口と、
前記配管系を前記内壁に連結するように構成されたベース部材と、
複数の折り返しエルボであって、各々前記複数のセクションパイプのうちの２本を互いに連結する前記複数の折り返しエルボと、を含み、
前記複数の折り返しエルボは各々、第１のレッグと第２のレッグとを含み、前記第１のレッグは前記２本のセクションパイプのうちの第１のセクションパイプに溶接され、前記第２のレッグは、前記２本のセクションパイプのうちの第２のセクションパイプに溶接され、
前記第１のレッグは第１の長さを有し、前記第２のレッグは第２の長さを有し、前記第１の長さは前記第２の長さよりも長い、製鋼炉。
【請求項１４】
前記複数の折り返しエルボは各々、ほぼ半円形の断面を有する、請求項１３に記載の炉。
【請求項１５】
前記第１のレッグは、前記入口に流体的に連結され、前記第２のレッグは、前記出口に流体的に連結されている、請求項１３に記載の炉。
【請求項１６】
前記第１のレッグは、第１の軸に沿って配置され、
前記第２のレッグは、第２の軸に沿って配置され、
前記第１の軸と前記第２の軸とは、ずれており、かつ互いに平行である、請求項１３に記載の炉。
【請求項１７】
前記第１のレッグおよび前記第２のレッグは、傾斜した端を有する、請求項１３に記載の炉。
【請求項１８】
製鋼炉の内壁に取り付けるための冷却パネルを作製する方法であって、
長さがほぼ等しい複数の配管系セクションと、１８０度に成形した複数の折り返しエルボであって、各々、第２のレッグよりも長い第１のレッグを有する前記複数の折り返しエルボと、を準備し、
自動溶接工程または半自動溶接工程の間に、前記複数の配管系セクションのうちの１つ目を、溶接工具によって前記複数の折り返しエルボのうちの１つの前記第１のレッグに溶接し、
自動溶接工程、半自動溶接工程、手動での溶接工程の間に、前記複数の配管系セクションのうちの２つ目を、前記１つの折り返しエルボの前記第２のレッグに溶接し、
前記複数の配管系セクションおよび１８０度に成形した複数の折り返しエルボを波形に巻き、前記冷却パネルを作製することを含む、方法。
【請求項１９】
前記複数の配管系セクションのうちの１つの一端に入口を形成し、
前記複数の配管系セクションのうちの異なる１つの一端に出口を形成することをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記複数のセクションのうちの前記１つ目を溶接することは、前記溶接工具が前記第１のレッグを通る長手方向の軸に対してほぼ直交するように、前記溶接工具を前記第１のレッグの傾斜した端の近くに位置決めすることを含み、前記溶接工具は、前記短いほうの第２のレッグによって形成されるクリアランスがゆえに、前記長手方向の軸に対して直交するように位置決めされる、請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０１６年１１月１０日にファイルされた米国特許仮出願第６２／４１９，９９５号の優先権の利益を主張するものであり、その開示内容全体を本明細書に援用する。
【０００２】
本開示は、工業用配管システムおよび冶金炉（たとえば、金属溶融炉／製錬炉および精製炉）、ボイラー、熱交換器、さらには、屋根、配管設備、ダスト排出システムなどのシステム部品、その他熱を取り除く必要があるあらゆる部品などの動作期間内に使用される冷却管を製造および修理するための方法および装置に関する。特に、本発明は、複数の管を互いに溶接して設計されることが多い水冷式装置であって、このような水冷式装置のある配管内で水流を適切に蛇行させるために管の両端に１８０度の折り返しを溶接する必要のある水冷式装置の製造および／または修理に関する。
【背景技術】
【０００３】
ボイラー、金属溶融炉／製錬炉および精錬炉といった冶金炉をはじめとする装置の操作や寿命にとって、工業用加熱装置の冷却は重要である。たとえば、鋼鉄は、電気アーク炉（ＥＡＦ）で屑鉄を溶融および精製して製造される。ＥＡＦは、製鋼業界の当業者には製鋼所または鋳造工場における最も重要なひとつの装置であると考えられている。そのため、ＥＡＦが可能な限り長期にわたって機能しつづけることが、極めて重要である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
生産量が増加するにつれて、炉をどれだけ利用できるかがますます重要になってきている。耐火煉瓦に取って代わった水冷式パネルは、耐火煉瓦よりも長持ちするが、磨耗して破損する可能性があるという重大な問題がある。現在、製鋼業界では、炉が稼働してから数ヶ月以内に１枚以上のパネルが重大な故障を起こすことが予想される。
【０００５】
故障が発生した場合、破損した水冷式パネルはできるだけ早く交換しなければならない。ＥＡＦでこの修理を行うには、予定外の保守管理のためにＥＡＦを生産ラインから外さなければならない。この予定外のダウンタイムは製鋼所全体に深刻な影響をおよぼしかねない。たとえば、炉が停止しているとき、製鋼所では溶鋼が生産されておらず、鋼の種類によっては、その生産に対して１分あたり５０００ドルもの損失が生じることになり得る。また、このような中断があれば生産量も低下し、営業経費が大幅に増加する。また、炉のパネルに対する予定外の修理は、保守管理費用のかなりの割合を占めている。したがって、炉がすぐに稼働状態に戻ることができるように、炉の水冷式パネルを速やかに修理する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示の実施形態は、第１の端と第２の端との間で波形に巻いた配管系を含む、製鋼炉の内壁に連結される冷却パネルであって、配管系は、互いにほぼ平行に整列された複数のセクションパイプと、配管系の第１の端に形成され、製鋼炉を冷却するための流体を受けるように構成された入口と、配管系の第２の端に形成され、入口と流体連通した出口と、配管系を内壁に連結するように構成されたベース部材と、複数の折り返しエルボであって、各々複数のセクションパイプのうちの２本を互いに連結する複数の折り返しエルボと、を含み、複数の折り返しエルボは各々、第１のレッグと第２のレッグとを含み、第１のレッグは２本のセクションパイプのうちの第１のセクションパイプに溶接され、第２のレッグは、２本のセクションパイプのうちの第２のセクションパイプに溶接され、第１のレッグは第１の長さを有し、第２のレッグは第２の長さを有し、第１の長さは第２の長さよりも長い。
【０００７】
この実施形態の一例では、複数の折り返しエルボは各々、ほぼ半円形の断面を有する。第２の例では、第１のレッグは、入口に流体的に連結され、第２のレッグは、出口に流体的に連結されている。第３の例では、第１のレッグは、第１の軸に沿って配置され、第２のレッグは、第２の軸に沿って配置され、第１の軸と第２の軸とは、ずれており、かつ互いに平行である。第４の例では、第１のレッグは、傾斜した端を有する。
【０００８】
本実施形態の第５の例では、第１の長さは、第２の長さよりも少なくとも０．１インチ長い。第６の例では、第１の長さは、第２の長さよりも少なくとも０．５インチ長い。第７の例では、第１の長さは、第２の長さよりも０．１インチから１インチ長い。第８の例では、第１の端は、第１のセクションパイプに自動的に溶接される。第９の例では、第２のレッグは、傾斜した端を有する。
【０００９】
本実施形態の別の例では、複数の折り返しエルボは、流体の搬送に使用されると複数の折り返しエルボの機能を妨げることにもなる変形を生じることなく、３，０００°Ｆから３，５００°Ｆである炉内の温度に耐えるように構成された材料を含む。ここで、材料は、鋼、青銅、銅、ステンレス鋼、ニッケル合金、シームレスカーボンパイプ、特定の用途に適した他の材料から選択されてもよい。
【００１０】
本開示のさらに別の実施形態では、製鋼炉が、傾斜機構の上に移動可能に配置された炉殻であって、炉床と、側壁と、炉蓋とを含む炉殻と、炉から出るガスを排気するための排気システムと、第１の端と第２の端との間で波形に巻いた配管系を含む、側壁の内面に取り付けられた水冷式パネルと、を含み、配管系は、互いにほぼ平行に整列された複数のセクションパイプと、配管系の第１の端に形成され、炉を冷却するための流体を受けるように構成された入口と、配管系の第２の端に形成され、入口と流体連通した出口と、配管系を内壁に連結するように構成されたベース部材と、複数の折り返しエルボであって、各々複数のセクションパイプのうちの２本を互いに連結する複数の折り返しエルボと、を含み、複数の折り返しエルボは各々、第１のレッグと第２のレッグとを含み、第１のレッグは２本のセクションパイプのうちの第１のセクションパイプに溶接され、第２のレッグは、２本のセクションパイプのうちの第２のセクションパイプに溶接され、第１のレッグは第１の長さを有し、第２のレッグは第２の長さを有し、第１の長さは第２の長さよりも長い。
【００１１】
この実施形態の第１の例では、複数の折り返しエルボは各々、ほぼ半円形の断面を有する。第２の例では、第１のレッグは、入口に流体的に連結され、第２のレッグは、出口に流体的に連結されている。第３の例では、第１のレッグは、第１の軸に沿って配置され、第２のレッグは、第２の軸に沿って配置され、第１の軸と第２の軸とは、ずれており、かつ互いに平行である。第４の例では、第１のレッグおよび第２のレッグは、傾斜した端を有する。
【００１２】
本開示の別の実施形態では、製鋼炉の内壁に取り付けるための冷却パネルを作製する方法が、長さがほぼ等しい複数の配管系セクションと、１８０度に成形した複数の折り返しエルボであって、各々、第２のレッグよりも長い第１のレッグを有する複数の折り返しエルボと、を準備し、自動溶接工程または半自動溶接工程の間に、複数の配管系セクションのうちの１つ目を、溶接工具によって複数の折り返しエルボのうちの１つの第１のレッグに溶接し、自動溶接工程、半自動溶接工程、手動での溶接工程の間に、複数の配管系セクションのうちの２つ目を、１つの折り返しエルボの第２のレッグに溶接し、複数の配管系セクションおよび１８０度に成形した複数の折り返しエルボを波形に巻き、冷却パネルを作製することを含む。
【００１３】
本実施形態の一例では、この方法は、複数の配管系セクションのうちの１つの一端に入口を形成し、複数の配管系セクションのうちの異なる１つの一端に出口を形成することをさらに含んでもよい。第２の例では、複数のセクションのうちの１つ目を溶接することは、溶接工具が第１のレッグを通る長手方向の軸に対してほぼ直交するように、溶接工具を第１のレッグの傾斜した端の近くに位置決めすることを含んでもよく、溶接工具は、短いほうの第２のレッグによって形成されるクリアランスがゆえに、長手方向の軸に対して直交するように位置決めされる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明による液冷式パネルの１８０度エルボ折り返しと一方のレッグの側面図である。
【図２】図２は、図１の１８０度エルボの断面図である。
【図３】図３は、図１および図２のエルボ折り返しを有する冷却パネルを含む製鋼炉の概略断面図である。
【図４】図４は、図１および図２の波形巻き配管系およびエルボ折り返しの冷却パネルの側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
電気アーク炉（ＥＡＦ）では、炉床または製錬領域よりも上の部分を炉内の高い温度から保護しなければならない。ＥＡＦ容器の壁、炉蓋および配管設備は、特に、鋼鉄を装填することで生じる熱的、化学的、機械的な多大なるストレスを受けやすい。そのようなストレスは、炉の動作寿命を大幅に制限する。ＥＡＦは一般に、耐火性ライニングパネルと水冷式のパネルによって炉容器内の高温から保護される溶接鋼構造として設計・製造されている。水冷式蓋パネルと水冷式側壁パネルは、炉の溶融／製錬領域よりも上の炉容器の部分に配置されている。
【００１６】
さらに、炉のオフガス用ダクトも、周囲にある複数の管で構成されており、これらの管が炉の運転中に発生する高温と腐食性の気体から配管設備を保護している。既存の水冷式パネルとダクトはいずれも、さまざまな等級と種類のプレートや管で製造されている。水冷式パネルを使用すれば、耐火コストが削減され、製鋼業者は炉ごとの製鋼回数を増やすことができ、炉も、出力および化学エネルギー入力のレベルを上げて稼働できるようになる。このようなパネルは、複数の管を蛇行させて組み込み、炉床よりも上の電気アーク炉内壁に吊り下げることで、炉内と炉壁との間に冷却面を形成するように設計されている。
【００１７】
炉の通常稼働時にパネルを熱劣化およびアーク劣化から保護するには、水冷式パネルの高温側にスラグ層を維持することが重要である。スラグカップ、スラグバー、スラグピン、さらには管の高温側面上にスプラインを有する特別に設計された押出管を使用して、飛び散ったスラグをパネルの高温側の表面に保持することができる。スラグは管上で固化し、溶融した鉄材料と冷却管との間、よって炉壁との間に断熱バリアを形成する。
【００１８】
図３を参照すると、炉の一実施形態がＥＡＦタイプの炉８０として示されている。ＥＡＦは一例として開示されているが、本開示の原理および教示内容を、基本的な酸素炉（ＢＯＦ）などにも容易に適用できることを理解されたい。図３において、ＥＡＦ８０には、炉殻１２と、複数の電極１４と、排気システム１６と、作業プラットフォーム１８と、ロッカーチルト機構２０と、チルトシリンダー２２と、オフガス室ｂとを含むことができる。炉殻１２は、ロッカーチルト２０または他のチルト機構上に移動可能に配置されてもよい。さらに、ロッカーチルト２０は、チルトシリンダー２２によって動力を供給されてもよい。また、ロッカーチルト２０は、作業プラットフォーム１８上にも固定されてもよい。
【００１９】
炉殻１２には、皿形炉床２４と、ほぼ円筒形の側壁２６と、樋２８と、樋扉３０と、ほぼ円筒形の円形蓋３２と、を含むことができる。樋２８および樋扉３０は、円筒形の側壁２６の片側に配置されている。開放位置では、樋２８によって、装入空気３４を炉床２４に入れて製錬で生じたガス３６を部分的に燃焼可能にすることができる。炉床２４は適切な耐火材料で作製されている。炉床２４の一端には、下端にタップ手段３８を有する注入箱がある。溶融動作時、タップ手段３８は耐火性プラグまたはスライド可能なゲートで閉じられる。その後、炉殻１２を傾け、タップ手段３８のプラグを抜くか開放して、必要に応じて溶湯を取鍋、タンディッシュなどの装置に注ぐ。
【００２０】
炉殻１２の内壁２６には、波形巻き配管系５０の水冷式パネル４０を取り付けることができる（図４参照）。これらのパネルは、事実上、炉８０の内壁として機能する。冷水と戻り水を供給するマニホールドが、パネル４０と流体連通している。一般に、マニホールドは、図示の排気ダクト４４と同様の方法で周囲に配置される。
【００２１】
熱交換器システム１０は、稼働効率を高め、ＥＡＦ炉１０の稼働寿命をのばす。例示的な一実施形態では、パネル４０を、波形巻き配管系がほぼ水平方向を向くように組み立ててもよい。配管系５０を連結具につなぐことができ、あるいは、壁に取り付けられるベースのある配管系５０とすることもできる。あるいは、図４に示すように、波形巻き配管系５０がほぼ垂直方向を向くように、パネル４０を取り付けることもできる。パネル４０の上端は、炉８０の側壁２６部分の上縁部に円形の縁を画定することができる。
【００２２】
熱交換器システム１０を炉８０の蓋３２に取り付けることができ、この場合、水冷式パネル４０は、その湾曲具合が蓋３２のドーム形の輪郭にほぼ合うようになっている。また、熱交換器システム１０を、炉８０の側壁２６の内側、蓋３２、排気システム１６の入口ならびに排気システム１６全体に設けるようにしてもよい。熱交換器システム１０は、それ自体で炉を保護することができ、ダストを集塵してガスを大気に放出する場であるバグハウスまたは他の濾過および空気処理施設に高温の廃ガス３６が送られると、そのガスを冷却する。
【００２３】
稼働時、高温の廃ガス３６、ダスト、煙霧は、炉殻１２の通気口４６を通って炉床２４から除去される。通気口４６は排気システムと連通していてもよい。
【００２４】
図４を参照すると、パネル４０には、複数の管５０を軸方向に配置することができる。Ｕ字形エルボ５３によって、ある長さごとに区分されて隣接する配管系または管５０を互いに接続し、連続配管システムを形成することができる。隣接する管５０の間には、スペーサとしても機能する連結具８２があってもよく、それらによってパネル４０の構造的完全性が提供され、パネル４０の湾曲具合が決まる。
【００２５】
図４の実施形態に示すように、熱交換システムまたは熱交換器１０には、入口５６および出口５８を有する波形巻き管５０の少なくとも１つのパネルと、少なくとも１つのパネルの入口５６と流体連通する入力マニホールドと、少なくとも１つのパネルの出口５８と流体連通する出力マニホールドと、配管系５０を流れる冷却用流体と、を含むことができる。熱交換器システム１０は、冶金炉８０およびその支持構成要素から排出されてくる高温の煙霧ガス３６やダストを冷却する。配管系は、ある長さごとに区分して並べた管を接続した管の集合であり、接続された管同士が連結具８２で固定され、中に少なくとも１つのパネル５０を形成している。
【００２６】
配管系５０を製造するのに望ましい組成の一例に、アルミニウム青銅合金があることが判明している。アルミニウム青銅合金は、熱伝導率、高温ガス流によるエッチングに対する耐性（弾性率）が予想よりも高く、酸化に対する耐性も良好であるがわかっている。したがって、熱交換器の動作寿命が長くなる。熱交換器やこれに付随する部品の製造にアルミニウム青銅を使用すると、腐食や浸食が低減される。アルミニウム青銅は、熱伝導率がＰ２２（Ｆｅ約９６％、Ｃ０．１％、Ｍｎ０．４５％、Ｃｒ２．６５％、Ｍｏ０．９３％）よりも４１％高く、炭素鋼（Ａ１０６Ｂ）よりも３０．４％高い。アルミニウム青銅およびその合金を使用して製造された熱交換器は、耐火煉瓦や他の金属合金で作られた炉よりも効率が高く、動作寿命が長い。
【００２７】
また、配管系５０は押出成形することができ、押出成形は配管系が腐食や浸食、圧力、熱応力に抗する一助となり得ることも判明している。必要があれば、配管系が取り付けられている壁の湾曲具合に合わせて配管系を湾曲または屈曲させることも可能である。さらに一般には、配管系の個々のセクション同士を角度のついた連結具で固定して、得られるパネルの湾曲具合が壁の湾曲具合に合うようになっている。
【００２８】
図３および図４の実施形態では、波形巻き配管系５０を、配管系の２つのセクションをエルボで接続した複数の長手方向配管セクションによって形成してもよい。これらのセクションを組み立ててエルボにするのは困難な場合が多く、本開示では、溶接工程を一層容易にして改善するための、そのような配置の１つを提供する。
【００２９】
特に、本開示は、上述したあらゆる用途のために、製造効率を大幅に高めるとともに高品質の溶接継手を提供し、かつ、水冷式パネルおよびダクトを提供するコストを削減する方法で、溶接継手を提供することに関する。冷却装置は、冶金炉、ボイラー、熱交換器、ダクトシステムにおいて、少なくとも定期的な保守管理が予定されるまでそのような装置を稼働状態に保つために装置の動作寿命を延ばし、それによって費用のかかるダウンタイムを回避する一助となる。本開示の原理および教示内容は、ほとんどの冶金炉で使用することができるが、本明細書では、電気アーク製鋼炉（すなわち、ＥＡＦ）に関して本開示について説明する。
【００３０】
本開示は、一端が他端を越えてのびる１８０度パイプエルボと、この１８０度パイプエルボを、ある長さごとに区分された冷却管に接合して、冷却パネルで補助すると利点のある炉、ボイラーまたは他の工業用加熱装置で使用するための、サーペンタイン形または波形に巻いた冷却パネルを作製する方法をさらに含む。エルボの一端をエルボの他端よりものばすことにより、その一端をある長さの管に溶接で接合することが可能になり、それによってオフラインの手動および／または自動溶接による接合が可能になり、そのことが製造コストを削減し、質の高い溶接を可能にすることになる。
【００３１】
この新たなエルボデザインによって、ダクトを形成する２つの隣接する管端に１８０度折り返し部のレッグを両方とも溶接する際に生じる問題の大半が排除される。このデザインは、折り返し部のレッグの長さが２本とも同じデザインの改良である。隣接する２本の管が交わる領域に溶接ノズルを入れるには空間の大きさが不十分であるか非常に限られるため、１８０度の折り返し部のあるエルボの内側を溶接するのは困難である。１８０度の折り返しがあるエルボの両端で溶接をするには、溶接ガスの適切な流れと方向が得られる溶接ノズルおよび装置が必要である。このようなスペースの問題がゆえ、１８０度の折り返し領域の溶接には非常に時間がかかり、不完全かつ妥協を許した溶接となる可能性があり、修復しなければならない水漏れがほどなくして生じたり、水冷式装置の高温動作時に早い段階で溶接部が破損する可能性が生じたりといったことにつながる。本開示は、従来技術における多くの欠点を克服するための改良された構成を提供する。
【００３２】
本開示の一実施形態では、複数の長さの管をＵ字形または１８０度の管折り返し部によって接合して設けることによって、サーペンタイン型の冷却管を形成する。図１から明らかなように、１８０度の管折り返し部（エルボ）１には、約１８０度曲がった、ある長さの管が含まれる。折り返し部１には第１の端２と第２の端３があり、両端２、３が実質的に平行な軸に沿ってのびるようになっている。図２では、たとえば、第１の端２は第１の軸６と軸方向に整列配置され、第２の端３は第２の軸７と軸方向に整列配置されている。第１の軸６と第２の軸７は、互いに離れており、かつ、互いに平行である。
【００３３】
さらに、折り返し部１の外径ＯＤを図２に示す。非限定的な一例では、ＯＤは約３．５インチであってもよい。さらに、内径ＩＤも示されており、非限定的な一例では、約２。７５インチであってもよい。軸６および７は、同一の管軸の異なる端にあたる。
【００３４】
図２にも示されるように、１８０度管折り返し部の一端２は、１８０度管折り返し部の他端３（エルボ）よりも長い。一例では、第１の端２が第２の端３より少なくとも０．１インチ長くてもよい。別の例では、第１の端２のほうが少なくとも０．２５インチ長くてもよい。さらに別の例では、第１の端２のほうが０．５インチ長くてもよい。また、さらに別の例では、第１の端が第２の端３より少なくとも１インチ長くてもよい。さらに別の例では、第１の端２が第２の端３よりも０．１〜６インチ長くてもよい。
【００３５】
折り返しエルボ１の第１の端２に長さを加えることで、たとえば電極４を使用して自動溶接または半自動溶接を可能にするのに十分なスペースを提供することができる。また、空間が増えることで、１８０度エルボ１とそれぞれの接続管５との接合部を手作業で溶接することもできるようになる。図１に示す接合部では、第２の端３が邪魔にならずに第１の端２の傾斜した縁に沿って一貫して高品質の溶接をすることができるように、傾斜した縁の近くに電極４などの溶接工具を配置することができる。図示のように、電極４などの溶接工具を、第１の軸６に対してほぼ直交するように配置することができる。短い側の第２の端３は、電極４を図１に示すように配置できるようにするための空間すなわちクリアランスを生む。これは、冷却パネルの配管系の取り付け、組み立てまたは修理が困難な可能性があるＥＡＦなどの製鋼炉の狭い空間または限られた領域で、特に重要となる可能性がある。
【００３６】
ここでは接続管５を１本しか図示していないが、折り返しエルボ１の第１の端２と第２の端３の両方に接続管５を接続してもよいことを理解されたい。接続管５は、図３および図４の配管５０に対応するものであってもよい。
【００３７】
第２の端３を異なる接続管５（図示せず）に接合することができ、第２の端３を異なる接続管５に接合することは、たとえば、溶接の一部を自動溶接で行い、溶接の残りの部分を（溶接装置を人間が手で操作して）手動で行う溶接によって行うことができる。
【００３８】
本開示の目的で、自動溶接は、特注の機械または一連の機械が加工物を装填し、部品および溶接ヘッドを定位置に割り出し、溶接を達成し、接合部の品質をモニターし、完成品を取り出す場合と定義される。動作によっては、機械の操作者が必要になる場合もある。
【００３９】
半自動溶接は、作業員が手作業で部品を溶接固定具に装填し、溶接機側で、溶接工程、トーチの動き、部品の静止度が予め定められたパラメータになるように制御する場合と定義される。溶接完了後、完成したアセンブリを作業員が取り出し、こうした工程が再び開始される。
【００４０】
手動溶接は、溶接中に溶接ヘッド（電極など）が人間の手によって操作される場合と定義される。
【００４１】
１８０度管折り返し部１の第１の端２の接続管５に対する（手動溶接との対比での）自動溶接または半自動溶接を用いることで、溶接品質を高め、出力を増し、スクラップを低減し、変動人件費を大幅に削減し、製造効率を高めることができる。自動溶接と半自動溶接のいずれにおいても、溶接の破損や重要な水冷装置での漏れの原因となる溶接の欠陥を引き起こしかねない溶接の中断や溶接ガスのシュラウド問題を生じる可能性のない状態で、一貫した品質で溶接を行うことができる。自動溶接や半自動溶接による品質は、溶接の完全性と再現性につながる。（人間による）手動溶接は、トーチの誤りを「取り繕い」、溶け込み不足や欠陥かもしれない溶接を隠す原因になり得る。
【００４２】
１８０度管折り返し部１が複数あるサーペンタイン型冷却パネルを、そのような管折り返し部１の端を接続管５に溶接して製造する場合、それぞれの管折り返し部１の一端を、それぞれその管折り返し部１の他端を軸方向に越えてのびるように形成することで、自動溶接機または半自動溶接機の溶接電極（トーチ）４が部品５を部品１の端２に溶接するための空間が得られる。図１から明らかなように、第１の端２に長さＬを加えることで、自動溶接機または半自動溶接機が動作するための動作用空間が増えるのに対し、端２と端３が軸方向に同じ長さである場合、自動溶接機は溶接対象とならない側の端に妨害されることになろう。管折り返し部１をこのような設計にすることで、手動溶接の時間を何時間も削減することができ、高品質の溶接が繰り返し得られる。
【００４３】
長さが延長された１８０度折り返しエルボ１は、図示のように２本のレッグのある形で製造され、そのうちの一方（２）の長さをのばして、手動溶接時ならびに自動溶接または半自動溶接を用いる場合に、よりアクセスしやすくするようになっている。図２から明らかなように、第１の端２は第１の中心軸６に沿って軸方向にのび、第２の端３は第２の中心軸７に沿って軸方向にのびている。軸６と軸７は、離れており、互いにほぼ平行である。端２におけるレッグの長さは、用途および材料に合わせて必要な長さに調整することができる。１８０度折り返しエルボ１は、板から鋳造することも、パイプから曲げて作ることもできる。エルボ１は、鋼、ステンレス鋼、銅、青銅、ニッケル合金などの様々な材料または水冷装置で実際に使用することのできる任意の材料から製造することが可能である。１８０度折り返しエルボ１の各々に選択される材料は、流体の搬送に使用されると管の機能を妨げることにもなる変形を生じることなく、３，０００°Ｆから３，５００°Ｆの範囲の温度に耐えることができなければならない。上述の溶接技術を使用することにより、冷却パネル（サーペンタイン型管構成）をより短時間かつより高品質で構成することが可能になる。これらの冷却パネルは、工業用炉などで新規または交換用の冷却パネルとして使用することができる。
【００４４】
溶接人員に頼ることで、製造業者の人件費が劇的に増す可能性がある。本明細書で説明した方法で提供されるパネルを冷却するための溶接管接続部は、折り返しレッグあたりの溶接時間を５０％以上も削減することが可能でありながら、手作業での溶接よりも溶接品質が一貫したものとなることを意味する。最終的な結果は、水冷式装置の保守管理が減り、経済的な動作寿命が延びることである。
【００４５】
上記の説明および特定の実施形態は、本発明の最良の形態およびその原理についての単なる例示にすぎず、本発明の意図および範囲から逸脱することなく、プロセス、デバイス、装置に対して当業者が様々な修正および追加をすることができる旨ならびに、本発明は添付の特許請求の範囲によってのみ限定される旨を、理解されたい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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