(57)【要約】【課題】冷却部材による冷却効率を従来よりも向上でき、しかも経済的に製造可能なステーブクーラを提供する。【解決手段】幅方向に並設された複数の冷却水路１１を備える冷却部材１２と、各冷却水路１１の下部に接続された冷却水供給部１３と、各冷却水路１１の上部に接続された冷却水排出部１４とを有し、冷却部材１２を高炉の鉄皮１５内面側に設置して炉壁を冷却するステーブクーラ１０において、各冷却水路１１は上下で連通して幅方向に並べて形成された複数の小径水路１６で構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
幅方向に並設された複数の冷却水路を備える冷却部材と、該各冷却水路の下部に接続された冷却水供給部と、前記各冷却水路の上部に接続された冷却水排出部とを有し、前記冷却部材を高炉の鉄皮内面側に設置して炉壁を冷却するステーブクーラにおいて、
前記各冷却水路は上下で連通して幅方向に並べて形成された複数の小径水路で構成されていることを特徴とするステーブクーラ。
【請求項２】
請求項１記載のステーブクーラにおいて、前記冷却部材の厚みは８０ｍｍ以上１３０ｍｍ以下であることを特徴とするステーブクーラ。
【請求項３】
請求項１及び２のいずれか１項に記載のステーブクーラにおいて、前記小径水路は断面円形であって、その内径が２０ｍｍ以上４０ｍｍ以下であることを特徴とするステーブクーラ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のステーブクーラにおいて、前記各冷却水路を構成する隣り合う前記小径水路の間隔は、５ｍｍ以上２０ｍｍ以下であることを特徴とするステーブクーラ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のステーブクーラにおいて、前記冷却部材は、銅又は銅合金で構成されていることを特徴とするステーブクーラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高炉の鉄皮に設置して炉壁を冷却するステーブクーラに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、高炉の炉体を冷却する方法として、高炉を構成する鉄皮の内面側に冷却部材を設置するステーブクーラが使用されている（例えば、特許文献１参照）。
図５に示すように、ステーブクーラ９０は、幅方向に間隔を有して並設された複数の冷却水路９１を備える冷却部材９２と、各冷却水路９１の下部に接続された冷却水供給部９３と、各冷却水路９１の上部に接続された冷却水排出部９４とを有している。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−３２４９８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記従来のステーブクーラを使用して、冷却部材による冷却効率を現状よりも向上させるには、各冷却水路に流す冷却水の流量を増加させる必要がある。このため、例えば、送液能力の高いポンプが必要となって設備コストの増大を招いたり、また圧力損失が大きくなる問題もある。
また、冷却効率を現状よりも向上させるため、冷却部材の厚みを薄くすることも考えられるが、各冷却水路の内径は、例えば、５０ｍｍ程度と大径であるため、冷却部材の強度を維持しながらその厚みを薄くするには限界がある。なお、冷却部材の厚みが厚ければ、冷却部材の製造に必要な原材料費がかかって経済的でない。
【０００５】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、冷却部材による冷却効率を従来よりも向上でき、しかも経済的に製造可能なステーブクーラを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的に沿う本発明に係るステーブクーラは、幅方向に並設された複数の冷却水路を備える冷却部材と、該各冷却水路の下部に接続された冷却水供給部と、前記各冷却水路の上部に接続された冷却水排出部とを有し、前記冷却部材を高炉の鉄皮内面側に設置して炉壁を冷却するステーブクーラにおいて、
前記各冷却水路は上下で連通して幅方向に並べて形成された複数の小径水路で構成されている。
【０００７】
本発明に係るステーブクーラにおいて、前記冷却部材の厚みは８０ｍｍ以上１３０ｍｍ以下であることが好ましい。
本発明に係るステーブクーラにおいて、前記小径水路は断面円形であって、その内径が２０ｍｍ以上４０ｍｍ以下であることが好ましい。
【０００８】
本発明に係るステーブクーラにおいて、前記各冷却水路を構成する隣り合う前記小径水路の間隔は、５ｍｍ以上２０ｍｍ以下であることが好ましい。
本発明に係るステーブクーラにおいて、前記冷却部材は、銅又は銅合金で構成されていることが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１〜５記載のステーブクーラは、各冷却水路が、上下で連通して幅方向に並べて形成された複数の小径水路で構成されているので、従来のように、冷却水路を１本で構成したときの冷却水路の断面積と、複数の小径水路の断面積の総和を同一とした場合、冷却水路の冷却部材に対する冷却表面積を、従来と比較して広くできる。これにより、例えば、従来の冷却水路１本あたりに流す冷却水の流量と同程度の流量の冷却水を、複数の小径水路で構成される冷却水路に流した場合でも、冷却部材の冷却効率の向上を図ることができる。従って、新たな設備投資が必要なく経済的であり、また圧力損失の問題もない。
【００１０】
特に、請求項２記載のステーブクーラは、各冷却水路を複数の小径水路で構成することにより、冷却部材の強度低下を抑制しながら、冷却部材の厚みを従来の冷却部材よりも薄くできる。これにより、冷却効率の更なる向上を図ることができると共に、冷却部材を製造するための原材料費を低減でき経済的である。
請求項３記載のステーブクーラは、小径水路を断面円形に形成しているので、小径水路の内面にかかる水圧を均等に分散でき、例えば、圧力損失を最小にすることができると共に、冷却水の流れをスムーズにできる。また、小径水路の内径を規定するので、例えば、冷却部材の強度低下を抑制しながら、必要な冷却効率を得ることが可能な小径水路を形成できる。
【００１１】
請求項４記載のステーブクーラは、各冷却水路を構成する隣り合う小径水路の間隔を規定することにより、各冷却水路を構成する複数の小径水路と、冷却水供給部及び冷却水排出部との接続部分の距離を設定できる。これにより、小径水路と冷却水供給部及び冷却水排出部とを連結する構成を簡単にできると共に、各冷却水路に接続される冷却水供給部からの冷却水の流入、及び冷却水排出部への冷却水の排出をスムーズにできる。
請求項５記載のステーブクーラは、冷却部材を銅又は銅合金で製造しているので、例えば、冷却部材を鋳鉄で構成した場合と比較して、高い熱伝導を備えることができる。従って、冷却部材の温度上昇を抑制でき、冷却部材の長寿命化に寄与できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
図１〜図３に示すように、本発明の一実施の形態に係るステーブクーラ１０は、幅方向に間隔を有して並設された複数の冷却水路１１を備える冷却部材１２と、該各冷却水路１１の下部に接続された冷却水供給部１３と、各冷却水路１１の上部に接続された冷却水排出部１４とを有し、冷却部材１２を高炉の鉄皮１５内面側に設置して炉壁を冷却するものであり、各冷却水路１１は複数の小径水路１６で構成されている。以下、詳しく説明する。
【００１３】
図１に示すように、冷却部材１２は、銅又は銅合金で構成され、正面視して矩形状（例えば、左右方向の幅Ｗ１が５００ｍｍ以上１５００ｍｍ以下程度、上下方向の長さＬが１０００ｍｍ以上３０００ｍｍ以下程度）となった板状のものである。この冷却部材１２の設置箇所は、例えば高炉の炉腹部である。
なお、冷却部材の形状は、これに限定されるものではなく、冷却部材の設置箇所（例えば、高炉の炉胸部、朝顔部、炉腹部、炉床部、又は出銑口）に応じて、正面視して屈曲させたり、また平断面視して円弧状（即ち、高炉の鉄皮に対応した形状）にしてもよい。
【００１４】
図２に示すように、この冷却部材１２の表面側、即ち冷却部材１２の使用に際して高炉の炉心方向となる側には、凸部１７と凹部１８が冷却部材１２の高さ方向に交互に繰り返され、側断面視して凹凸状となった耐火物取付部１９が設けられている。この凸部１７と凹部１８で、並設された複数の溝を形成している。なお、耐火物取付部１９へ取付ける耐火物は、定形耐火物又は不定形耐火物（例えば、吹き付け）である。
この冷却部材１２の最大厚み（冷却部材１２の裏面から、耐火物取付部１９の凸部１７先端まで）Ｔは、例えば、８０ｍｍ以上１８０ｍｍ以下であるが、冷却効率の更なる向上を図るには、８０ｍｍ以上１３０ｍｍ以下程度とする。なお、隣り合う凸部１７の間隔（溝の縦幅）Ｗ２は、例えば、５０ｍｍ以上８０ｍｍ以下であり、凹部１８の深さ（溝の深さ）Ｄは、冷却部材１２の最大厚みＴの例えば、１／４以上１／２以下である。
【００１５】
ここで、冷却部材の厚みが８０ｍｍ未満の場合、冷却部材の厚みが薄くなり過ぎ、必要な強度を得ることができない。一方、冷却部材の厚みが１３０ｍｍを超える場合、冷却部材による冷却効率の更なる向上を図ることができず、しかも冷却部材を製造するための原材料費がかかり経済的でない。
以上のことから、冷却部材１２の好ましい最大厚みＴを８０ｍｍ以上１３０ｍｍ以下としたが、下限を９０ｍｍとし、更に１００ｍｍとすることが好ましく、上限を１２０ｍｍとし、更に上限を１１０ｍｍとすることが好ましい。
【００１６】
冷却部材１２の内部に形成された各冷却水路１１は、幅方向に並べて形成され上下で連通する複数の小径水路１６で構成されており、各冷却水路１１の複数の小径水路１６は、下端部同士、上端部同士が、それぞれ接続孔２０、２１で接続されている。なお、本実施の形態では、小径水路１６が、各冷却水路１１ごとに２本形成されているが、３本以上でもよい。また、各小径水路１６は平行に形成されているが、平行でなくてもよく、また冷却部材１２の表面側から同一位置（例えば、凹部１８の底から１０ｍｍ以上３０ｍｍ以下程度の範囲）に形成されているが、異なる位置でもよい。
各小径水路１６は、冷却部材１２に直線状に形成されているが、例えば、冷却部材の設置場所に応じて、斜め状態又は屈曲状態に形成することもできる。
また、隣り合う冷却水路１１の中心の間隔Ｗ３は、例えば、１５０ｍｍ以上３００ｍｍ以下の範囲で等しくなっているが、部分的に異なった間隔にしてもよい。
【００１７】
各冷却水路１１において、隣り合う小径水路１６の間隔Ｗ４は、５ｍｍ以上２０ｍｍ以下である。
隣り合う小径水路の間隔が５ｍｍ未満の場合、間隔が狭くなり過ぎるため、小径水路を形成する際に、隣り合う小径水路同士が繋がったり、また強度低下によって損傷を受け易くなる。一方、小径水路の間隔が２０ｍｍを超える場合、間隔が広くなり過ぎるため、隣り合う小径水路を接続する部分の距離が長くなり、小径水路内の冷却水の流れをスムーズにできず、また小径水路と冷却水供給部及び冷却水排出部とを連結するための加工が困難になる。
【００１８】
以上のことから、隣り合う小径水路１６の間隔Ｗ４を５ｍｍ以上２０ｍｍ以下としたが、好ましくは下限を８ｍｍとし、一方上限を１５ｍｍ、更に好ましくは１２ｍｍとする。
なお、各小径水路１６は、ガンドリル（穿孔機）を使用して形成するため、加工時に隣り合う小径水路１６同士が繋がり隙間Ｗ４がなくなる場合（５ｍｍよりも狭くなる場合）もあるが、この場合でも本発明の権利範囲に含まれる。従って、冷却部材の上側及び下側のいずれか一方又は双方における隣り合う小径水路の間隔のみが、前記した数値範囲内になる場合もある。
【００１９】
小径水路１６は断面円形であって、その内径が２０ｍｍ以上４０ｍｍ以下である。なお、小径水路は、断面楕円形又は断面卵形であってもよい。この場合、小径水路の大きさは、その最大内幅を２０ｍｍ以上４０ｍｍ以下とする。
小径水路の内径が２０ｍｍ未満の場合、内径が小さくなり過ぎ、小径水路へ冷却水を流すためのポンプの能力を高める必要があり、また内径が小さくなり過ぎ機械加工が難しくなる。一方、小径水路の内径が４０ｍｍを超える場合、内径が大きくなり過ぎ、冷却部材の板厚を薄くできなくなる。
以上のことから、小径水路１６の内径を２０ｍｍ以上４０ｍｍ以下としたが、好ましくは下限を２５ｍｍとし、更に好ましくは下限を３０ｍｍとする。
【００２０】
各冷却水路１１の下部に形成された接続孔２０には、銅製又は鋼製の配管で構成される冷却水供給部１３が設けられ、各冷却水路１１の上部に形成された接続孔２１には、銅製又は鋼製の配管で構成される冷却水排出部１４が取付けられている。なお、図２、図３に示す番号２３、２４は、取付けフランジである。なお、図１において、取付けフランジ２３、２４は省略している。
これにより、外部に設置されたポンプ（図示しない）によって送られる冷却水は、冷却水供給部１３を介して各小径水路１６へ流れ込み（例えば、流量：５ｍ３／時間以上２０ｍ３／時間程度）、冷却部材１２の下側から上側へかけて流れた後、冷却水排出部１４を介して外部へ排出される。
【００２１】
上記した構成の冷却部材１２を製造するに際しては、ガンドリルを使用し、冷却部材１２を製造するための銅板の上端面から下側へ向けて穴をあける。このとき、ガンドリルが銅板を貫通しない（例えば、下端面から５０ｍｍ以上２００ｍｍ以下の範囲）ようにする。これにより、所定長さ（例えば、５００ｍｍ以上３０００ｍｍ以下）の穴が形成される。そして、この穴からガンドリルを引き抜いた後、各穴の上端部に封止栓２５をすることで、小径水路１６が形成される。
なお、銅板の上端面と下端面から冷却部材の中央部へ向けて孔をあけ、貫通孔を形成してもよく、また、銅板の上端面から下端面へかけて、又は銅板の下端面から上端面へかけて、貫通孔を形成してもよい。これらの場合、貫通孔の上端部と下端部に封止栓をすることで、小径水路を形成できる。
【００２２】
上記した構成のステーブクーラ１０の使用にあっては、冷却部材１２の裏側中央部に形成された穴２６に荷重支持部材２７を取付ける（例えば、溶接）。そして、冷却部材１２を鉄皮１５の内面側から鉄皮１５表面へ向けて移動させ、荷重支持部材２７を予め鉄皮１５に形成された貫通孔２８に差し込む。これにより、冷却部材１２は、荷重支持部材２７によって鉄皮１５に支持される。
このとき、各冷却水供給部１３及び各冷却水排出部１４を構成する配管も、予め鉄皮１５に形成された貫通孔２９、３０を介して、鉄皮１５の外側へ突出させる。
このように、冷却部材１２を鉄皮１５に設置した後、鉄皮１５の外側から複数（ここでは４個）の固定用ボルト３１を差込み、冷却部材１２を鉄皮１５に固定する。なお、冷却部材１２と鉄皮１５表面の間には、スペーサ３２が設けられている。
【実施例】
【００２３】
次に、本発明の作用効果を確認するために行った実施例について説明する。
ここでは、冷却部材に形成した冷却水路の構造、及び冷却部材の厚みが、冷却部材の温度変動、即ち冷却効率に及ぼす影響について調査した結果について説明する。なお、この調査は、有限要素法を用いた数値解析に基づいて行った。
この数値解析では、図４に示すように、最大厚みＴが１４５ｍｍ、冷却水路の内径が５０ｍｍ、冷却水路の形成位置を凹部の底から２０ｍｍの位置に設定した冷却部材の一部を取り出し、計算モデルとして用いた。
【００２４】
まず、冷却部材に形成した冷却水路の構造が、冷却部材の冷却効率に及ぼす影響について説明する。
ここでは、比較例として、前記した構成の冷却部材を使用し、実施例として、各冷却水路を２本の小径水路で構成した場合について説明する。なお、比較例である１本の冷却水路（内径：５０ｍｍ）の断面積と、実施例である冷却水路を構成する２本の小径水路（内径：３５ｍｍ）の断面積の合計値とは、同じである。このとき、比較例の冷却水路の周長は１５７ｍｍ、実施例の複数の小径水路の周長の合計は２２０ｍｍであり、実施例の方が周長が長くなっている。
【００２５】
ここで、冷却部材の冷却水路に４０℃の冷却水を１０ｍ３／時間の流量で流し、冷却部材の表面側に１３００℃の熱をかけた状態の数値解析を行った。
その結果、比較例については、冷却部材の温度が２００℃程度であったが、実施例は１７５℃となり、冷却部材の温度を低下できた。
このことから、冷却水路を複数の小径水路で構成することにより、冷却効率を向上できることを確認できた。
【００２６】
続いて、冷却部材の厚みが、冷却部材の冷却効率に及ぼす影響について説明する。
ここでは、比較例として、前記した構成の厚み１４５ｍｍの冷却部材を使用し、実施例として、各冷却水路を２本の小径水路（内径：３５ｍｍ）で構成した厚み１１０ｍｍの冷却部材を使用した場合について説明する。なお、冷却部材の冷却水路に４０℃の冷却水を１０ｍ３／時間の流量で流し、冷却部材の表面側に１３００℃の熱をかけた状態の数値解析を行った。
その結果、比較例については、冷却部材の表面側温度が２００℃程度まで上昇し、冷却部材の冷却効率を充分に高めることができなかった。
一方、実施例では、冷却部材の表面側温度を１５０℃程度にでき、冷却部材の幅方向に渡って略均等に冷却できた。
このことから、冷却部材の板厚を薄くすることで、冷却効率の更なる向上を図ることができることを確認できた。
【００２７】
以上、本発明を、一実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。例えば、前記したそれぞれの実施の形態や変形例の一部又は全部を組合せて本発明のステーブクーラを構成する場合も本発明の権利範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の一実施の形態に係るステーブクーラの背面図である。
【図２】同ステーブクーラの側断面図である。
【図３】同ステーブクーラの平断面図である。
【図４】数値解析に使用した冷却部材の構造を示す説明図である。
【図５】従来例に係るステーブクーラの背面図である。
【符号の説明】
【００２９】
１０：ステーブクーラ、１１：冷却水路、１２：冷却部材、１３：冷却水供給部、１４：冷却水排出部、１５：鉄皮、１６：小径水路、１７：凸部、１８：凹部、１９：耐火物取付部、２０、２１：接続孔、２３、２４：取付けフランジ、２５：封止栓、２６：穴、２７：荷重支持部材、２８〜３０：貫通孔、３１：固定用ボルト、３２：スペーサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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