(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上側の第１高さ位置および下側の第２高さ位置に配置される固定部材により、冶金炉の外壁部に固定された銅製または銅合金製ステーブクーラの取り付け構造を更新する方法であって、
当該更新方法は、
第３高さ位置、第４高さ位置、第５高さ位置、および、第６高さ位置に配置される固定部材により、前記ステーブクーラを固定するステップを含み、
前記ステーブクーラを固定するステップでは、
前記第３高さ位置を、前記第１高さ位置に一致するように、または、前記ステーブクーラの上端と前記第１高さ位置の間に設け、
前記第４高さ位置を、前記ステーブクーラの上端と前記第３高さ位置の間に設け、
前記第５高さ位置を、前記第２高さ位置に一致するように、または、前記ステーブクーラの下端と前記第２高さ位置の間に設け、
前記第６高さ位置を、前記ステーブクーラの下端と前記第５高さ位置の間に設ける、ステーブクーラの取り付け構造の更新方法。
【請求項２】
請求項１に記載のステーブクーラの取り付け構造の更新方法であって、
前記ステーブクーラを固定するステップでは、前記第３高さ位置を、前記第１高さ位置に一致するように設けるとともに、前記第５高さ位置を、前記第２高さ位置に一致するように設ける、ステーブクーラの取り付け構造の更新方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載のステーブクーラの取り付け構造の更新方法であって、
当該更新方法は、
前記外壁部に固定された第１のステーブクーラを取り外して第２のステーブクーラに入れ替えるステップを、さらに含み、
前記ステーブクーラを固定するステップでは、前記第２のステーブクーラを固定して取り付ける、ステーブクーラの取り付け構造の更新方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、銅製または銅合金製ステーブクーラの取り付け構造を更新する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
冶金炉である高炉では、出銑量の増加および出銑効率の向上を指向した操業が行われることが多く、これに伴って高炉炉体への熱負荷が高まっている。このため、炉体冷却装置であるステーブクーラでは、鋳鉄製ステーブクーラに代え、銅製または銅合金製ステーブクーラ（以下、これらを総称して単に「銅製ステーブクーラ」ともいう）が使用されるようになった。これは、銅製ステーブクーラは、鋳鉄製ステーブクーラと比べ、熱伝導率が高く、冷却能力に優れることによる。
【０００３】
一方、銅および銅合金は、鋳鉄と比べ、熱膨張率が高いので、銅製ステーブクーラは、鋳鉄製ステーブクーラと比べ、温度上昇時の熱膨張量が大きくなる。このため、温度上昇時に熱膨張を拘束すると、熱応力によってステーブクーラが塑性変形（永久変形）する場合がある。銅および銅合金は鋳鉄と比べて強度が低いことによっても、熱応力発生時に銅製ステーブクーラは、鋳鉄製ステーブクーラと比べて塑性変形しやすい。また、周期的な温度上昇と下降を繰り返して付与すると、銅製ステーブクーラに疲労亀裂が発生する場合もある。したがって、銅製ステーブクーラでは、ある程度の熱膨張を許容する取り付け構造が採用される。
【０００４】
図１Ａおよび図１Ｂは、従来のステーブクーラの取り付け構造例を示す模式図であり、図１Ａは側面図、図１Ｂはステーブクーラの背面図である。図１Ａには、高炉炉体１０を示し、その炉体１０は、外壁部である鉄皮１２と、炉体１０を冷却するためのステーブクーラ１１と、炉体１０とステーブクーラ１１の間に配置される不定形耐火物１３とを備える。図１Ａには、炉の内側に符号Ｉを記すとともに、炉の外側に符号Ｏを記す。
【０００５】
図１Ａおよび図１Ｂに示すステーブクーラ１１は、鉄皮１２の内側に配置され、ボルト１４（固定部材）によって鉄皮１２に固定される。ボルト１４は、ステーブクーラ１１の長手方向（高炉の高さ方向、図１Ｂの太線矢印参照）に沿って並べて配置され、具体的には、上側の第１高さ位置９１と、下側の第２高さ位置９２に配置される。また、ボルト１４は、各高さ位置でステーブクーラ１１の幅方向（高炉の周方向、図１Ｂの破線矢印参照）に沿って並べて配置される。このようにステーブクーラ１１の固定を第１および第２高さ位置（９１、９２）に留める。これにより、ステーブクーラ１１を確実に鉄皮１２（外壁部）に取り付けながら、ステーブクーラ１１の熱膨張をある程度許容できる。
【０００６】
ここで、ステーブクーラ１１の長さＬは、例えば、１５００〜３２００ｍｍである。この場合、ステーブクーラ１１の上端１１ｄから第１高さ位置９１までの距離Ｄ１（ｍｍ）は、ステーブクーラ１１の長さＬ（ｍｍ）に対する割合（Ｄ１／Ｌ）で、１６〜３３％である。また、ステーブクーラ１１の下端１１ｅから第２高さ位置９２までの距離Ｄ２（ｍｍ）は、ステーブクーラ１１の長さＬ（ｍｍ）に対する割合（Ｄ２／Ｌ）で、１６〜３３％である。
【０００７】
同図に示すステーブクーラ１１は、内部に４本の冷却路１１ａを有する。その冷却路１１ａは、長手方向に沿って伸びるとともに、幅方向に並べて配置される。その冷却路１１ａに冷却水を給排するため、冷却路１１ａの下端には冷却水の供給口１１ｂが設けられ、その供給口１１ｂには冷却水の供給配管１５が接続される。また、冷却路１１ａの上端には冷却水の排出口１１ｃが設けられ、その排出口１１ｃには排出配管１６が接続される。炉外から冷却水を供給するとともに、冷却水を炉外に排出するため、供給配管１５および排出配管１６は、いずれも、鉄皮１２を貫通する。
【０００８】
冷却水の供給配管１５および排出配管１６は、いずれも、配管のうちで鉄皮１２の外側の部位の一部が伸縮管１７で覆われる。伸縮管１７の一方の端部は、鉄皮１２に溶接され、他方の端部にはシール部材１８が配置される。そのシール部材１８によって配管（１５、１６）と伸縮管１７の隙間が封止される。このように伸縮管１７およびシール部材１８を設けることにより、ステーブクーラ１１の熱変形による配管（１５、１６）の変位を吸収しながら、炉内ガスの漏洩を防止する。
【０００９】
不定形耐火物１３は、炉内ガスとの接触による鉄皮１２の温度上昇を防止し、鉄皮１２の内面を覆うように配置され、ステーブクーラ１１の背面は、不定形耐火物１３と接触する。同図に示すステーブクーラ１１の正面には、幅方向に伸びる溝が長手方向に並べて設けられ、その溝には不定形耐火物（図示なし）が充填される。装入原料（図示なし）はステーブクーラ１１の正面側（内側）を降下するので、ステーブクーラ１１の正面が装入原料や炉内ガスと接触する。
【００１０】
ところで、特許文献１および２では、熱膨張をさらに許容するステーブクーラの取り付け構造が提案されている。特許文献１で提案される取り付け構造では、銅冷却板（ステーブクーラ）が不動点−固定部材によって炉装甲板（鉄皮）と結合され、その不動点−固定部材は炉装甲板と溶接される。また、銅冷却板を可動点−固定部材によって炉装甲板と付加的に結合し、その可動点−固定部材が銅冷却板の熱的な膨張運動を水平および垂直の方向に許容することが提案されている。
【００１１】
特許文献２には、冶金炉の高さ方向への一つの高さ位置に、ステーブクーラを冶金炉の外壁部に固定する部材を配置することが提案されている。これにより、ステーブクーラにおいて、高炉の稼働時の温度上昇による熱膨張に起因する圧縮応力を略解消できるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特表２００３−５０９５８８号公報
【特許文献２】特開２００３−０１３１２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
前述の通り、銅製または銅合金製ステーブクーラでは、温度上昇時に熱膨張を拘束すると、熱応力によってステーブクーラが塑性変形（永久変形）する場合がある。温度上昇と下降を繰り返すと、ステーブクーラに疲労亀裂が発生する場合もある。このため、前記図１Ａおよび図１Ｂに示すような従来の取り付け構造では、ステーブクーラの熱膨張がある程度許容されるものの、後述の変形挙動により、ステーブクーラが第１高さ位置および第２高さ位置で折れ曲がり、冷却水の供給配管および排出配管等が損傷する場合がある。
【００１４】
図２Ａ〜図２Ｃは、従来の取り付け構造におけるステーブクーラの変形挙動を模式的に示す側面図であり、図２Ａは、不定形耐火物がない場合の高熱負荷時、図２Ｂは不定形耐火物がある場合の高熱負荷時、図２Ｃは不定形耐火物がある場合の炉内温度下降時をそれぞれ示す。図２Ａ〜図２Ｃには、ステーブクーラ１１と、鉄皮１２と、冷却水の供給配管１５および排出配管１６と、ステーブクーラ１１を鉄皮１２に固定するボルト１４とを示す。図２Ｂおよび図２Ｃには、不定形耐火物１３をさらに示す。
【００１５】
不定形耐火物がないと仮定すると、ステーブクーラ１１の背面が自由に変形可能であるため、図２Ａに示すように、ステーブクーラ１１が弓なりに反って凸状に変形する。これは、ステーブクーラの内側（正面側）と外側（背面側）で温度差が生じることから、内側の熱膨張量が外側より大きくなることによる。ステーブクーラの温度差は、内側が高温の炉内ガスと接触するのに対し、外側が冷却水によって冷却されることによって発生する。熱負荷が高くなると、例えば急激な温度上昇によって炉内が高温となると、温度差が大きくなることから、凸状の変形も大きくなる。
【００１６】
ところで、実際の高炉では、不定形耐火物１３がステーブクーラ１１の背面と鉄皮１２の間に配置される。このため、図２Ｂに示すように、ステーブクーラ１１のうちで上端１１ｄと第１高さ位置９１の間の部位（以下、「上部」ともいう）と、下端１１ｅと第２高さ位置９２の間の部位（以下、「下部」ともいう）は、不定形耐火物１３がない場合と異なり、不定形耐火物１３によって凸状の変形が制限される。一方、第１高さ位置９１と第２高さ位置９２の間の部位（以下、「中間部」ともいう）は、不定形耐火物がない場合と同様に、熱負荷時に凸状に変形しようとするが、不定形耐火物１３によって抑えられるため、第１高さ位置９１および第２高さ位置９２の近傍では、図２Ｂの太線矢印で示すように圧縮応力が発生し、熱負荷が高くなると、塑性変形に至る場合がある。
【００１７】
炉内温度が下降すると、内側と外側で温度差が小さくなり、ステーブクーラ１１の中間部は、図２Ｃに示すように、凸状の変形が小さくなり、不定形耐火物１３に沿う形状に戻る。高熱負荷時に前述の塑性変形が発生した場合、温度が下降しても、第１高さ位置９１および第２高さ位置９２の近傍での圧縮ひずみが残留する。このため、ステーブクーラ１１が第１高さ位置９１および第２高さ位置９２で折れ曲がり、ステーブクーラ１１の上部および下部が、それぞれ内側に傾くこととなる。
【００１８】
炉内温度の上昇と下降を繰り返すと、高い熱負荷を受ける度に第１高さ位置９１および第２高さ位置９２の近傍で塑性変形が発生して圧縮ひずみが蓄積する。これに伴い、ステーブクーラの上部および下部の傾きも大きくなる。その結果、冷却水の供給配管１５および排出配管１６が炉内（鉄皮１２内）に引き込まれる。この場合、前述の伸縮管で吸収できる範囲を超えて配管（１５、１６）が変位し、伸縮管や配管（１５、１６）が損傷する可能性がある。
【００１９】
したがって、高炉のメンテナンス時には、折れ曲がったステーブクーラ１１を入れ替えることにより、ステーブクーラ１１を交換することとなる。その際、第１高さ位置９１および第２高さ位置９２の近傍での変形を抑制する対策を施すことが望まれていた。また、折れ曲がっていないステーブクーラに対しては、折れ曲がりを予防する対策を施すことが望まれていた。
【００２０】
ステーブクーラ１１の折れ曲がりを抑制するため、前記図１Ａに示す取り付け構造から伸縮管１７を外し、冷却水の供給配管１５および排出配管１６を鉄皮１２に溶接によって固定することが考えられる。この場合、配管（１５、１６）は、伸縮管１７を介することなく、鉄皮１２に直接固定されるが、鉄皮１２のうちの配管（１５、１６）が通される部分は、開口が多く強度が低い。このため、鉄皮１２の損傷を招くおそれがあり、配管（１５、１６）を損傷させる可能性もある。したがって、配管（１５、１６）を鉄皮に直接固定する取り付け構造は、不適である。
【００２１】
前述の特許文献１では、銅冷却板（ステーブクーラ）を不動点−固定部材によって炉装甲板（鉄皮）と結合することが提案される。また、付加的に、銅冷却板を可動点−固定部材によって炉装甲板と結合し、熱膨張を許容する。しかしながら、可動点−固定部材を用いても、熱負荷が高くなると、銅冷却板の内側と外側の温度差により、不動点−固定部材の近傍で変形が発生して折れ曲がる。
【００２２】
前述の特許文献２では、冶金炉の高さ方向への一つの高さ位置に、ステーブクーラを冶金炉の外壁部に固定する部材を配置することが提案されている。しかしながら、ステーブクーラを固定する高さ位置を減らして一つにしても、熱負荷が高くなると、銅冷却板の内側と外側の温度差により、一つの高さ位置の近傍で変形が発生して折れ曲がる。
【００２３】
本発明の目的は、上側の第１高さ位置および下側の第２高さ位置で固定されたステーブクーラの取り付け構造において、それらの高さ位置の近傍で変形を抑制でき、折れ曲がりを抑制できるステーブクーラの取り付け構造の更新方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明の一実施形態によるステーブクーラの取り付け構造の更新方法は、上側の第１高さ位置および下側の第２高さ位置に配置される固定部材により、冶金炉の外壁部に固定された銅製または銅合金製ステーブクーラの取り付け構造を更新する方法である。当該更新方法は、第３高さ位置、第４高さ位置、第５高さ位置、および、第６高さ位置に配置される固定部材により、前記ステーブクーラを固定するステップを含む。前記ステーブクーラを固定するステップでは、前記第３高さ位置を、前記第１高さ位置に一致するように、または、前記ステーブクーラの上端と前記第１高さ位置の間に設け、前記第４高さ位置を、前記ステーブクーラの上端と前記第３高さ位置の間に設け、前記第５高さ位置を、前記第２高さ位置に一致するように、または、前記ステーブクーラの下端と前記第２高さ位置の間に設け、前記第６高さ位置を、前記ステーブクーラの下端と前記第５高さ位置の間に設ける。
【００２５】
前記ステーブクーラを固定するステップでは、前記第３高さ位置を、前記第１高さ位置に一致するように設けるとともに、前記第５高さ位置を、前記第２高さ位置に一致するように設けるのが好ましい。
【００２６】
前記更新方法は、前記外壁部に固定された第１のステーブクーラを取り外して第２のステーブクーラに入れ替えるステップを、さらに含んでもよい。この場合、前記ステーブクーラを固定するステップでは、前記第２のステーブクーラを固定して取り付ける。
【発明の効果】
【００２７】
本発明の取り付け構造の更新方法により、ステーブクーラの上部が２つの高さ位置で固定されるとともに、ステーブクーラの下部が２つの高さ位置で固定される。これにより、ステーブクーラの上端および下端で変形量を大幅に低減でき、これに伴い、ステーブクーラの中間部でも変形量を低減できる。このため、それらの高さ位置の近傍で変形を抑制でき、ステーブクーラの折れ曲がりを抑制できる。その結果、冷却水の給排用配管や伸縮管が損傷するのを防止できるとともに、ステーブクーラの耐久性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１Ａ】図１Ａは、従来のステーブクーラの取り付け構造例を模式的に示す側面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、図１Ａに示すステーブクーラの背面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、従来の取り付け構造におけるステーブクーラの変形挙動を模式的に示す側面図であり、不定形耐火物がない場合の高熱負荷時を示す。
【図２Ｂ】図２Ｂは、従来の取り付け構造におけるステーブクーラの変形挙動を模式的に示す側面図であり、不定形耐火物がある場合の高熱負荷時を示す。
【図２Ｃ】図２Ｃは、従来の取り付け構造におけるステーブクーラの変形挙動を模式的に示す側面図であり、不定形耐火物がある場合の炉内温度下降時を示す。
【図３Ａ】図３Ａは、高熱負荷時のステーブクーラの変形状態を模式的に示す側面図であり、従来の取り付け構造の場合を示す。
【図３Ｂ】図３Ｂは、高熱負荷時のステーブクーラの変形状態を模式的に示す側面図であり、中央に固定部材を追加する場合を示す。
【図３Ｃ】図３Ｃは、高熱負荷時のステーブクーラの変形状態を模式的に示す側面図であり、上部および下部に固定部材を追加する場合を示す。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明の更新方法による更新後のステーブクーラの取り付け構造例を模式的に示す側面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、図４Ａに示すステーブクーラの背面図である。
【図５】図５は、高熱負荷時のステーブクーラの変形状態を示す上面図である。
【図６Ａ】図６Ａは、実施例の更新前（従来）の取り付け構造（ケースＡ）を模式的に示す側面図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、図６Ａに示すステーブクーラの背面図である。
【図７Ａ】図７Ａは、実施例の更新後の取り付け構造（ケースＢ）を模式的に示す側面図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、図７Ａに示すステーブクーラの背面図である。
【図８Ａ】図８Ａは、比較例の取り付け構造（ケースＣ）を模式的に示す側面図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、図８Ａに示すステーブクーラの背面図である。
【図９Ａ】図９Ａは、比較例の取り付け構造（ケースＤ）を模式的に示す側面図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、図９Ａに示すステーブクーラの背面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
［基礎解析］
銅製または銅合金製ステーブクーラの取り付け構造では、前述の通り、塑性変形や疲労亀裂を防止するため、ある程度の熱膨張を許容する取り付け構造が採用されていた。しかしながら、熱負荷が高くなると、ステーブクーラの内側と外側の温度差により、第１高さ位置および第２高さ位置の近傍で塑性変形が発生して内側で圧縮ひずみが残留し、ステーブクーラが折れ曲がる。この温度差に起因する折れ曲がりに対し、特許文献１のような可動点−固定部材によって熱膨張を許容する対策は、十分でない。また、特許文献２のようなステーブクーラを固定する高さ位置を減らして一つにする対策も、十分でない。
【００３０】
そこで、本発明者らは、固定部材（ボルト）を配置する高さ位置を増加させることにより、ステーブクーラの折れ曲がりを抑制することを検討した。
【００３１】
図３Ａ〜図３Ｃは、高熱負荷時のステーブクーラの変形状態を模式的に示す側面図であり、図３Ａは従来の取り付け構造の場合、図３Ｂは中央（中間部）に固定部材（ボルト）を追加する場合、図３Ｃは上部および下部に固定部材を追加する場合をそれぞれ示す。図３Ａ〜３Ｃには、変形後のステーブクーラ１１と、ステーブクーラ１１を鉄皮１２に固定するボルト１４とを示す。また、変形前のステーブクーラを破線で示す。
【００３２】
図３Ａ〜３Ｃは、不定形耐火物がないと仮定した場合の熱応力解析の結果を示す。その熱応力解析では、高熱負荷時を模擬した温度分布をステーブクーラ１１に適用することにより、ステーブクーラの内側と外側に温度差を設けた。高熱負荷時を模擬した温度分布は伝熱解析によって求め、その伝熱解析では、ステーブクーラの背面温度の測定結果を用いた。
【００３３】
図３Ａに示すように、従来の取り付け構造では、上側の第１高さ位置９１と、下側の第２高さ位置９２でステーブクーラ１１が固定される。この場合、ステーブクーラ１１の内側と外側の温度差により、ステーブクーラ１１が弓なりに反って凸状に変形する。
【００３４】
図３Ｂに示すように、従来の取り付け構造において、ステーブクーラ１１の長手方向の中央、換言すると、中間部（第１高さ位置と第２高さ位置９２の間）にボルト１４を追加する。この場合、ステーブクーラ１１の上端１１ｄおよび下端１１ｅで変形量を低減できる。これは、ステーブクーラ１１の長手方向の中央を固定するのに伴い、高熱負荷時にステーブクーラ１１の長手方向の中央が外側に引っ張られることによる。その結果、中間部の変形量も低減できる。
【００３５】
図３Ｃに示すように、従来の取り付け構造において、ステーブクーラの上部（上端１１ｄと第１高さ位置９１の間）、および、下部（下端１１ｅと第２高さ位置９２の間）にボルト１４を追加する。これにより、ステーブクーラの上端１１ｄおよび下端１１ｅで変形量を大幅に低減できる。これは、追加したボルトにより、ステーブクーラ１１の上部および下部が内側に押し込まれることによる。その結果、中間部の変形量も低減できる。
【００３６】
これらから、ステーブクーラの上部および下部に固定部材を追加すれば、ステーブクーラの上端および下端で変形量を大幅に低減でき、中間部の変形量も低減できることを知見した。この知見に基づき、本発明は完成し、前述の構成を採用した。
【００３７】
［取り付け構造の更新方法］
本実施形態の更新方法について、図面を参照しながら以下に説明する。
【００３８】
図４Ａおよび図４Ｂは、本発明の更新方法による更新後のステーブクーラの取り付け構造例を示す模式図であり、図４Ａは側面図、図４Ｂはステーブクーラの背面図である。図４Ａには、高炉炉体１０を示す。その炉体１０は、前記図１Ａに示す炉体１０と基本構成が同じであり、ボルト１４を配置する高さ位置を変更したものである。同図に示すステーブクーラ１１は固定部材であるボルト１４によって鉄皮１２（外壁部）に固定されるが、例えば、固定部材として、ピン等を採用してもよい。
【００３９】
本実施形態の更新方法は、冶金炉の外壁部（例えば高炉の鉄皮）に、上側の第１高さ位置９１、および、下側の第２高さ位置９２で固定された銅製または銅合金製ステーブクーラ１１を対象とする。例えば、前記図１Ａおよび図１Ｂに示す取り付け構造を対象とすることができる。本実施形態の更新方法は、ステーブクーラ１１を入れ替えることなく、固定部材の配置のみを変更する方式（以下、「第１実施形態」という）を採用できる。あるいは、固定部材の配置を変更する際に、ステーブクーラ１１を取り外して入れ替る方式（以下、「第２実施形態」という）も採用できる。
【００４０】
第１実施形態では、上側の第１高さ位置９１、および、下側の第２高さ位置９２で固定されたステーブクーラ１１を、第３高さ位置９３、第４高さ位置９４、第５高さ位置９５、および、第６高さ位置９６で固定する。例えば、上側の第１高さ位置９１、および、下側の第２高さ位置９２でボルト１４を外して固定を解除するとともに、第３高さ位置９３、第４高さ位置９４、第５高さ位置９５、および、第６高さ位置９６に配置されるボルト１４によって固定すればよい。第３〜第６高さ位置（９３〜９６）については、後で詳述する。
【００４１】
第２実施形態では、先ず、例えば、ボルト１４を外すことによって固定を解除し、補修対象の第１ステーブクーラ１１を鉄皮１２（外壁部）から取り外す。取り外した第１ステーブクーラ（使用済み）は、第１ステーブクーラと別の第２ステーブクーラと入れ替える。第２ステーブクーラには、例えば新品のステーブクーラを用いればよい。続いて、入れ替えた第２ステーブクーラ１１を、第３高さ位置９３、第４高さ位置９４、第５高さ位置９５、および、第６高さ位置９６に配置されるボルト１４により、固定して取り付ける。
【００４２】
本実施形態の更新方法は、図４Ａおよび図４Ｂに示すように、第３高さ位置９３、第４高さ位置９４、第５高さ位置９５、および、第６高さ位置９６で固定する。第３高さ位置９３は、第１高さ位置９１に一致するように、または、ステーブクーラ１１の上端１１ｄと第１高さ位置９１の間に設ける。また、第４高さ位置を、ステーブクーラ１１の上端１１ｄと第３高さ位置９３の間に設ける。これにより、ステーブクーラ１１の上部が２つの高さ位置で固定される。
【００４３】
加えて、第５高さ位置９５は、第２高さ位置９２に一致するように、または、ステーブクーラ１１の下端１１ｅと第２高さ位置９２の間に設ける。第６高さ位置９６は、ステーブクーラ１１の下端１１ｅと第５高さ位置９５の間に設ける。これにより、ステーブクーラ１１の下部が２つの高さ位置で固定される。
【００４４】
このような本実施形態の更新方法は、取り付け構造の更新により、ステーブクーラ１１の上部を第３高さ位置９３および第４高さ位置９４で固定するとともに、下部を第５高さ位置９５および第６高さ位置９６で固定する。この場合、第４高さ位置９４を設けることにより、高熱負荷時に第３高さ位置９３の上側が内側に押し込まれ、ステーブクーラ１１の上端で変形量を大幅に低減できる。また、第６高さ位置９６を設けることにより、高熱負荷時に第５高さ位置９５の下側が内側に押し込まれ、ステーブクーラ１１の下端で変形量を大幅に低減できる。その結果、第３高さ位置９３と第５高さ位置９５の間の部位の変形量も低減できる。
【００４５】
これに伴い、第３高さ位置９３および第５高さ位置９５の近傍において、熱負荷によるステーブクーラ内側の圧縮応力を大幅に低減でき、塑性変形を抑制できる。このため、炉内温度の上昇と下降の繰り返しによってステーブクーラ１１が折れ曲がるのを抑制できる。その結果、高熱負荷時の冷却水の配管（１５、１６）の変位が伸縮管１７で吸収できる範囲内となり、配管（１５、１６）や伸縮管１７が損傷するのを防止できる。また、取り付け構造の更新により、ステーブクーラ１１の耐久性を向上できる。
【００４６】
ステーブクーラ１１を固定する際には、第３高さ位置９３を第１高さ位置９１に一致するように設けるとともに、第５高さ位置９５を第２高さ位置９２に一致するように設けるのが好ましい。これにより、鉄皮１２（外壁部）に設けた固定部材用のボルト穴やピン穴を再利用でき、コストや作業効率を向上できる。この場合、第１実施形態では、例えば、上側の第１高さ位置９１および下側の第２高さ位置９２で固定部材を外して固定を解除することなく、そのまま第３高さ位置９３および第５高さ位置９５とし、第４高さ位置９４および第６高さ位置９６で固定部材を追加すればよい。
【００４７】
ここで、高熱負荷時、ステーブクーラ１１は、幅方向においても、内側と外側の温度差により、弓なりに反って凸状に変形する。
【００４８】
図５は、高熱負荷時のステーブクーラの変形状態を示す上面図である。同図には、ステーブクーラ１１と、ボルト１４と、冷却水の排出配管１６とを示し、変形前のステーブクーラ１１の形状を二点鎖線で示す。図５に示すように、高熱負荷時に、ステーブクーラ１１は、内側と外側の温度差により、弓なりに反って凸状に変形する。なお、ステーブクーラ１１の幅が短いので、幅方向に凸状に変形しても、発生する熱応力が小さく、塑性変形に発展しない。
【００４９】
取り付け構造の更新により、第３〜第６高さ位置（９３〜９６）にそれぞれ固定部材を配置する。前記図４Ａおよび図４Ｂに示す取り付け構造例では、その固定部材をステーブクーラ１１の長手方向に沿って直線状に配置する。この場合、ステーブクーラ１１のいずれの位置の横断面でも、一様な変形状態となる。
【００５０】
一方、直線状に配置することなく、固定部材の位置がステーブクーラの幅方向で変化すると、ステーブクーラの一部の横断面で、変形状態が変化する。このようにステーブクーラ１１の横断面形状が長手方向で変化すると、ステーブクーラが長手方向および幅方向にうねりをもつこととなる。この場合、ステーブクーラに突出部が発生するおそれがある。突出部とは、ステーブクーラのうちで局所的に内側に突出する部位である。
【００５１】
突出部が発生すると、装入原料の鉱石が突出部に衝突し、突出部が摩耗する。銅は鉱石と比べて硬度が小さく、鉱石との衝突によって摩耗しやすいので、突出部が発生するのを避けるのが好ましい。また、ステーブクーラ１１の幅方向の端部が内側に変形すると、ステーブクーラ１１の背面に炉内の高温ガスが回り込みやすくなる。この高温ガスの回り込みを防止する観点でも、うねりをもった複雑な変形を抑制することが好ましい。これらから、固定部材は、ステーブクーラ１１の長手方向に沿って直線状に配置するのが好ましい。
【００５２】
前記図４Ａおよび図４Ｂに示す取り付け構造例では、固定部材を幅方向に沿って２つ並べて配置するが、幅方向の固定数はステーブクーラの幅等に応じて適宜設定すればよい。
【００５３】
本実施形態の更新方法は、ステーブクーラの寸法に制限はなく、従来から使用されているステーブクーラに適用できる。例えば、前述の長さＬが１５００〜３２００ｍｍであるステーブクーラに適用できる。この場合、ステーブクーラ１１の上端１１ｄから上側の第１高さ位置９１までの距離Ｄ１（ｍｍ）は、ステーブクーラ１１の長さＬ（ｍｍ）に対する割合（Ｄ１／Ｌ）で、１６〜３３％である。また、ステーブクーラ１１の下端から下側の第２高さ位置９２までの距離Ｄ２（ｍｍ）は、ステーブクーラ１１の長さＬ（ｍｍ）に対する割合（Ｄ２／Ｌ）で、１６〜３３％である。
【００５４】
前述の通り、第４高さ位置９４を設けることにより、第３高さ位置９３の上側が内側に押し込まれ、ステーブクーラ１１の上端で変形量を大幅に低減できる。この効果は、ステーブクーラ１１の上端１１ｄから第４高さ位置９４までの距離Ｄ４（ｍｍ）が短くなるのに従って増大する。このため、その距離Ｄ４は、ステーブクーラ１１の上端１１ｄから第３高さ位置９３までの距離Ｄ３（ｍｍ）に対する割合（Ｄ４／Ｄ３）で、６６％以下とするのが好ましく、５０％以下とするのがより好ましい。一方、距離Ｄ４が短くなり過ぎると、固定部材と冷却水の配管等との干渉が発生する。したがって、距離Ｄ４の下限は、自ずと定まることから、特に規定しない。
【００５５】
また、第６高さ位置９６を設けることにより、第５高さ位置９５の下側が内側に押し込まれ、ステーブクーラ１１の下端で変形量を大幅に低減できる。この効果は、ステーブクーラ１１の下端１１ｅから第６高さ位置９６までの距離Ｄ６（ｍｍ）が短くなるのに従って増大する。このため、その距離Ｄ６は、ステーブクーラ１１の下端１１ｅから第５高さ位置９５までの距離Ｄ５（ｍｍ）に対する割合（Ｄ６／Ｄ５）で、６６％以下とするのが好ましく、５０％以下とするのがより好ましい。一方、距離Ｄ６が短くなり過ぎると、固定部材と冷却水の配管等との干渉が発生する。したがって、距離Ｄ６の下限は、自ずと定まることから、特に規定しない。
【実施例】
【００５６】
本発明の効果を確認するため、ステーブクーラに温度サイクルを繰り返し付与し、ステーブクーラの変形量を評価した。本試験は、熱応力解析によって行った。
【００５７】
事前に、実機において、ステーブクーラの背面中央の温度を測定したところ、急激な温度上昇（約１５℃／分で約１５０℃の温度上昇）の過程が含まれていた。その温度と経過時間の関係を用い、伝熱解析によってステーブクーラの温度分布を求めた。
【００５８】
実機の銅製ステーブクーラから複数の試験片を採取し、温度条件を変化させて引張試験を行うことにより、２０〜４００℃での応力−ひずみ曲線を求めた。その応力−ひずみ曲線を熱応力解析で用いた。引張試験は、ＪＩＳ  Ｇ  ０５６７に準拠して行った。
【００５９】
実機のステーブクーラには、高熱負荷が繰り返し付与されることから、熱応力解析では、硬化則として移動硬化則を用いて、塑性変形の繰り返しの影響を考慮した。実機のステーブクーラは、高温環境下であることから、クリープ変形が発生する。その変形を模擬するため、熱応力解析では、クリープ変形を考慮した。
【００６０】
ステーブクーラの取り付け構造は、更新前（従来）の取り付け構造を模擬するケースＡと、更新後の取り付け構造を模擬するケースＢとを設けた。また、比較例として、ステーブクーラの中間部にボルトを追加するケースＣおよびＤを設けた。ステーブクーラ１１は、いずれのケースでも、長さ３０００ｍｍ、幅８４０ｍｍであった。
【００６１】
図６Ａおよび図６Ｂは、実施例の更新前（従来）の取り付け構造（ケースＡ）を示す模式図であり、図６Ａは側面図、図６Ｂは背面図である。上側の第１高さ位置９１、および、下側の第２高さ位置９２にボルト１４を設けることにより、２本のボルト１４を長手方向に沿って直線状に並べて配置した。上端１１ｄから第１高さ位置９１までの距離Ｄ１は６２０ｍｍ、下端１１ｅから第２高さ位置９２までの距離Ｄ２は９００ｍｍであった。このように長手方向に沿って直線状に並べた２本のボルト１４を、さらに幅方向に沿って並べて配置することにより、合計で４本のボルト１４を設けた。
【００６２】
図７Ａおよび図７Ｂは、実施例の更新後の取り付け構造（ケースＢ）を示す模式図であり、図７Ａは側面図、図７Ｂは背面図である。第３高さ位置９３〜第６高さ位置９６にボルト１４を設けることにより、４本のボルト１４を長手方向に沿って直線状に並べて配置した。第３高さ位置９３は、ケースＡの第１高さ位置９１に設定し、第４高さ位置９４は、前述のＤ４／Ｄ３が５０％となるように上端１１ｄと第３高さ位置９３の中央に設定した。また、第５高さ位置９５は、ケースＡの第２高さ位置９２に設定し、第６高さ位置９６は、前述のＤ６／Ｄ５が５０％となるように下端１１ｅと第５高さ位置９５の中央に設定した。このように長手方向に沿って直線状に並べた４本のボルト１４を、さらに幅方向に沿って各々２本並べて配置することにより、合計で８本のボルト１４を設けた。
【００６３】
図８Ａおよび図８Ｂは、比較例の取り付け構造（ケースＣ）を示す模式図であり、図８Ａは側面図、図８Ｂは背面図である。ケースＣでは、前述のケースＡにおいて、第１高さ位置９１と第２高さ位置９２の中央にボルトを追加した。これにより、合計で６本のボルトを設けた。
【００６４】
図９Ａおよび図９Ｂは、比較例の取り付け構造（ケースＤ）を示す模式図であり、図９Ａは側面図、図９Ｂは背面図である。ケースＤでは、前述のケースＡにおいて、第１高さ位置９１と第２高さ位置９２の間に等間隔で２つの高さ位置を追加した。これにより、合計で８本のボルトを設けた。
【００６５】
ボルト１４は、いずれのケースでも、ボルトの軸部のみをモデル化した。熱応力解析の境界条件は、軸部の頭部側の端面で変位を拘束するとともに、回転を許容した。また、ステーブクーラ１１の背面には、不定形耐火物を模擬して剛体面を配置した。
【００６６】
熱応力解析では、熱サイクルを２０回繰り返して付与した。その熱サイクル付与後、ステーブクーラの内側（正面側）表面の上端１１ｄおよび下端１１ｅにおける炉内側への水平方向の変形量（変位）を求めた。熱サイクルには、前述の伝熱解析によって所定の時間間隔で求めたステーブクーラの温度分布を用いた。
【００６７】
表１に、ケースの概要、ステーブクーラの上端および下端の炉内側への変形量（ｍｍ）をそれぞれ示す。
【００６８】
【表１】
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【００６９】
更新前（従来）の取り付け構造（ケースＡ）では、上側の第１高さ位置９１および下側の第２高さ位置９２でステーブクーラを固定した。そのケースＡでは、表１より、上端１１ｄの変形量が２．４６ｍｍ、下端１１ｅの変形量が３．８６ｍｍとなった。
【００７０】
比較例の取り付け構造（ケースＣ、Ｄ）では、第１高さ位置９１と第２高さ位置９２の間にボルト１４を追加した。そのケースＣおよびＤでは、ケースＡの変形量を基準に、上端１１ｄの変形量が５０〜５５％、下端１１ｅの変形量が５６〜５９％となり、変形量が低減した。
【００７１】
更新後の取り付け構造（ケースＢ）では、第３〜第６高さ位置（９３〜９６）を固定し、すなわち、ステーブクーラ１１の上部および下部をそれぞれ２つの高さ位置で固定した。そのケースＢでは、ケースＡの変形量を基準に、上端１１ｄの変形量が１１％、下端１１ｅの変形量が１６％となり、変形量が大幅に低減した。また、ケースＢでは、比較例のケースＣおよびＤに対しても、上端１１ｄおよび下端１１ｅの変形量が大幅に低減した。
【００７２】
これらから、本発明の更新方法により、塑性変形を抑制でき、炉内温度の上昇と下降の繰り返しによってステーブクーラが折れ曲がるのを抑制できることが明らかになった。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明の更新方法は、炉内温度の上昇と下降の繰り返しによってステーブクーラが折れ曲がるのを抑制できる。このため、高炉を用いた銑鉄の製造において、有効に利用できる。
【符号の説明】
【００７４】
１０：炉体、  １１：ステーブクーラ、  １１ａ：冷却路、  １１ｂ：供給口、
１１ｃ：排出口、  １１ｄ：上端、  １１ｅ：下端、  １２：鉄皮（外壁部）、
１３：不定形耐火物、  １４：ボルト（固定部材）、  １５：冷却水の供給配管、
１６：冷却水の排出配管、  １７：伸縮管、  １８：シール部材、
９１：第１高さ位置、  ９２：第２高さ位置、  ９３：第３高さ位置、
９４：第４高さ位置、  ９５：第５高さ位置、  ９６：第６高さ位置、
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
0006455347.tif 000009
【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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