(57)【要約】  蓋支持梁よりも低い位置で支持され、蓋支持梁の裏側の高温面を保護するように配置された少なくとも１つのパイ形水冷式パネルを準備し、少なくとも１つのパイ形水冷式パネルを給水部に接続するための少なくとも1つのクイック水切断部を準備し、少なくとも1つのパイ形水冷式蓋パネルを上にあげて取り外し、少なくとも１つのパイ形水冷式蓋パネルを別のパイ形水冷式パネルと交換するか少なくとも１つのパイ形水冷式蓋パネルを修理し、炉の運転を継続することを含む、炉頂装入蓋システムを有する電気アーク炉の蓋の一部をすみやかに変更する方法。
2020514662.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冶金炉または精錬炉の炉蓋の損傷を受けた部分を交換する方法であって、
複数の蓋支持梁と、前記複数の梁に連結されるとともに前記複数の梁に支持された複数のパネルと、を含む炉頂装入蓋構造体を有する炉頂装入蓋パネルシステムを含む前記冶金炉または精錬炉を準備し、
前記複数のパネルのうちの第１のパネルを前記蓋構造体から上にあげることによって、前記第１のパネルを前記複数の蓋支持梁から取り外し、
前記第１のパネルを第２のパネルと交換し、
前記第２のパネルが前記複数の蓋支持梁の頂部よりも低い位置で支持され、前記蓋支持梁の前記裏側の高温面を保護する位置にくるように前記第２のパネルを前記蓋構造体に連結することを含む、方法。
【請求項２】
前記炉頂装入水冷式蓋パネルは、パイ形である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記炉頂装入水冷式蓋パネルは、パイ形水冷式パネルを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記炉頂装入水冷式蓋パネルは、前記梁の基部から前記複数の蓋支持梁の頂部までの高さで、複数の蓋支持梁の頂部よりも低い位置で支持される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記少なくとも１つの炉頂装入水冷式蓋パネルを給水部に接続するための少なくとも１つのクイック水切断部を準備することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記少なくとも１つの炉頂装入水冷式蓋パネルを水戻りに接続するための別のクイック水切断部を準備することをさらに含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記少なくとも１つの炉頂装入水冷式蓋パネルを取り外す工程は、前記少なくとも１つの炉頂装入水冷式蓋パネルを前記炉頂装入蓋構造体から取り外すために、前記少なくとも１つの炉頂装入水冷式蓋パネルを上にあげることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記炉頂装入水冷式蓋パネルが前記複数の蓋支持梁間の空間を通ってはまるように、前記炉頂装入水冷式蓋パネルの大きさを決めることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記炉頂装入水冷式蓋パネルは、前記蓋支持梁の底から離れて前記蓋支持梁の頂部まで上にあげられている、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
冶金炉または精錬炉用の炉蓋の損傷を受けた部分を交換する方法であって、
半径方向、水平方向、垂直方向のうちの少なくとも１つの方向にのびる複数の蓋支持梁を含む炉頂装入蓋構造体を有する炉頂装入蓋パネルシステムを含む冶金炉または精錬炉を準備し、
前記複数の蓋パネルの各々が前記蓋支持梁の頂部よりも低い位置で支持されるとともに前記蓋支持梁の前記裏側の高温面を保護する位置にくるように、前記蓋構造体に連結された複数の蓋パネルを準備し、
第１の炉頂装入水冷式蓋パネルを前記蓋構造体から取り外し、
前記第１の炉頂装入水冷式蓋パネルを修理し、
前記修理後の第１の装入水冷式蓋パネルを前記蓋構造体に交換することを含む、方法。
【請求項１１】
冶金炉または精錬炉用の蓋アセンブリであって、
内側の支持梁と、外側の支持梁と、前記内側の支持梁と前記外側の支持梁との間に連結された、半径方向にのびる複数の支持梁と、によって形成された蓋構造体と、
前記蓋構造体に連結されるとともに前記複数の支持梁よりも低い位置で支持された複数のパネルと、
前記複数のパネルのうちの少なくとも１つの裏側に連結された水冷用構造体と、を備え、
前記複数のパネルは、前記蓋構造体の前記裏側を保護する位置に配置され、
前記水冷用構造体は、前記パネルに連結された少なくとも１つのクイック水切断部と流体連通し、前記水切断部および水冷用構造体は、前記蓋構造体を保護するように配置されるとともに前記炉内の溶湯浴槽から離れた位置にある給水部および水戻りとさらに流体連結される、蓋アセンブリ。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの水冷式パネルに連結された少なくとも１つのクイック電気的切断具をさらに含む、請求項１１に記載の蓋アセンブリ。
【請求項１３】
温度検知装置と、前記温度データを水冷式ジャンクションボックスに伝達する配線と、を保護するための水冷式電線管をさらに含む、請求項１１に記載の蓋アセンブリ。
【請求項１４】
前記炉蓋の上に配置されたプロセスモニター用機器をさらに含む、請求項１１に記載の蓋アセンブリ。
【請求項１５】
前記複数のパネルはパイ形パネルを含む、請求項１１に記載の蓋アセンブリ。
【請求項１６】
前記複数のパネルを前記給水部に接続するための少なくとも１つのクイック水切断部をさらに含む、請求項１１に記載の蓋アセンブリ。 
【請求項１７】
前記複数のパネルは各々、前記パネルを前記蓋構造体から上にあげるための１つ以上のラグを含む、請求項１１に記載の蓋アセンブリ。
【請求項１８】
前記水冷用構造体は、水が通るサイナソイダルパイプを備え、前記パイプは、少なくとも１つの９０°エルボまたは１８０°エルボを含む、請求項１１に記載の蓋アセンブリ。
【請求項１９】
前記複数のパネルは各々、頂部と側部とを含み、前記側部は、前記外側の支持梁と整列配置されている、請求項１１に記載の蓋アセンブリ。
【請求項２０】
前記蓋構造体は、前記内側の支持梁と、前記外側の支持梁と、前記半径方向にのびる複数の支持梁のうちの少なくとも２つとの間に開口部を設け、前記開口部は、前記複数のパネルのうちの１つがはまるように構成されている、請求項１１に記載の蓋アセンブリ。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０１７年１月３０日に出願された米国特許仮出願第６２／４５２，０６１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、広義には電気アーク炉、金属製錬炉を含む冶金炉、精錬炉の耐用寿命をのばすための方法および装置に関する。特に、本開示は、炉の蓋に、蓋を炉から取り外すことなく短時間で交換できるような方法で取り付け可能な水冷式パネルに関する。本開示は、蓋パネルが落下して蓋構造体の中に入ってしまうのを回避するものであり、困難で安全ではない従来の方法に対する改良である。
【背景技術】
【０００３】
電気アーク炉（ＥＡＦ）は、ほとんどの冶金炉と同様に、装入された材料を電気アークに直接曝露して材料を最大で約１，８００℃（華氏３，２７２度）まで加熱することにより、装入された材料を加熱する炉である。図１は、（鋳鉄製品を製造する鋳物工場で使用される）容量約１トンから一次製鋼に使用される約４００トン単位までの範囲になり得る大きさの一般的な工業用アーク炉を示す。図２は、装入用に蓋を外した蓋パネル炉頂装入システムの一例を示し、図３は、溶融、材料の追加、除滓、出銑を再開できるように、蓋パネルが交換されていることを示す。説明のために、以下ではＥＡＦを基準として使用するが、以下の説明は他のあらゆる種類の冶金炉および精錬炉にも同様に適用可能である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
炉蓋には、熱応力、アーキング、操業に伴う一般的な損傷が生じないようにしなければならない。冷却用パネルを用いると、これらの有害な状態を、ある程度は避けられる場合がある。水冷用パネルが摩損すると、炉内に水が漏れ出し、水が分解して水素元素と酸素元素になり得る。これらの水素分子と酸素分子とが再結合すると、ラジカル発熱反応や爆発につながる可能性がある。万が一こうした損傷が生じると、炉の運転を中止して、修理のために数時間ほど予定外に炉のダウンタイムが必要になる。
【０００５】
電気アーク炉運転用の水冷式蓋を修理する方法には、大きくわけていくつかある。すでに知られている蓋のデザインには、蓋を修理または保守管理し、蓋パネルを交換するのに炉を止めなければならないという欠点がある。現状では時間のかかる修理／交換が必要であり、これは溶鋼の生産にあてる作業者の貴重な時間が無駄になることを意味する。ボトムラインの収益損失は、ダウンタイム１時間あたり数十万米ドルにもなり得る。
【０００６】
たとえば、水冷式蓋の設計には、ユニットを継ぎ目のない一体構造で構築する方法がある。この方法ではパネルを保持する構造をなくせるため、蓋が安価になるという利点がある。欠点は、どこかの部分または管が損傷を受けた場合に、蓋全体を交換しなければならないことである。
【０００７】
蓋を設計する別の方法は、継ぎ目のない一体構造を作り、水をスプレーして冷却することである。この蓋の利点としては、注水系が加圧されていないことだとされている。漏れが発生した場合、加圧下では稼働している炉に水がスプレーされない。しかしながら、水が炉内に進入し得るため、管設計の蓋パネルと同じ爆発の問題が伴う。この蓋の欠点としては、蓋が高い熱負荷に耐えられるため高温の面板に過剰な応力亀裂が生じ、定期的に補修をしなければならないことがある。高温炉では、スプレー冷却された蓋に早い段階で亀裂が生じて蓋が破損しやすい。そうすると、蓋を取り外すか修理するかのいずれかが必要になり、予定外の大幅なダウンタイムが発生する。
【０００８】
上述したすべてのタイプの蓋の欠点は、パネルの変更、蓋全体の変更またはsスプレー蓋のパネルの破損箇所を修理するのに必要な予定外のダウンタイムや計画されたダウンタイムの長さである。また、蓋構造体と蓋構造体用の昇降機構との間のクリアランス制限から生じる問題もある（ガントリーデザインまたはシングルポイントリフトデザイン）。上記のデザインでは、蓋パネルを上にあげて炉内の溶鋼浴の過酷な放射環境から離すことができず、スクラップの溶解時および精鋼時に発生するアーキングを避けることもできない。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本開示は、蓋パネルを「上にあげて」炉内の過酷な環境から離せるように設計することにより、電気アーク炉蓋の損傷を受けた部分をすみやかに変更する開発を改善するための方法を含む。炉頂装入蓋に対するこれらの改善は、蓋パネルの耐用寿命を延ばし、蓋パネルの高温面に損傷を引き起こす炉環境から離す方向に蓋パネルを移動させることになるため重要である。この解決策では、修理をすることになる担当者の安全を考慮している。１つの目的は、この上にあげられた蓋パネルのデザインを炉頂装入蓋システムに追加することである。これにより、蓋パネルの耐用寿命が大幅に長くなり、蓋パネルが損傷を受けた場合、必要があれば、損傷を受けた蓋パネルを１時間以内に交換することができる。
【００１０】
また、炉の運転中に水温の安全で正確かつ一貫した測定を可能にする水冷式ジャンクションボックスおよび密閉水冷式電線管が開示されている。温度測定システムの問題のない動作を保証するために、温度測定装置および関連する配線は、過酷な炉環境による損傷および破壊から保護される。
【００１１】
機器の動作を効率的かつ問題のない状態に維持することができるように、水冷式電線管および隣接する水冷式保護ハウジングは、蓋または蓋構造体上で、激しい熱、放射線および過酷な炉環境から、炉の動作をモニターおよび／または制御および／または調整する付属品、機器または装置を保護することもできる。ほとんどの場合、過酷な環境がゆえに、そのような装置を炉の上に配置することはできず、炉の上に配置されていることもない。より正確なデータを収集して制御できるようにするために、測定位置のより近くに制御装置を配置しできることから、これは劇的な改善である。
【００１２】
本開示の一実施形態では、冶金炉または精錬炉の炉蓋の損傷を受けた部分を交換する方法は、複数の蓋支持梁と、複数の梁に連結されるとともに複数の梁に支持された複数のパネルと、を含む炉頂装入蓋構造体を有する炉頂装入蓋パネルシステムを含む冶金炉または精錬炉を準備し、複数のパネルのうちの第１のパネルを蓋構造体から上にあげることによって、第１のパネルを複数の蓋支持梁から取り外し、第１のパネルを第２のパネルと交換し、第２のパネルが複数の蓋支持梁の頂部よりも低い位置で支持され、蓋支持梁の裏側の高温面を保護する位置にくるように第２のパネルを蓋構造体に連結することを含む
【００１３】
本実施形態の一例では、炉頂装入水冷式蓋パネルはパイ形である。第２の例では、炉頂装入水冷式蓋パネルはパイ形水冷式パネルを含む。第３の例では、炉頂装入水冷式蓋パネルは、梁の基部から複数の蓋支持梁の頂部までの高さで、複数の蓋支持梁の頂部よりも低い位置で支持される。第４の例では、この方法は、少なくとも１つの炉頂装入水冷式蓋パネルを給水部に接続するための少なくとも１つのクイック水切断部を準備することを含む。第５の例では、この方法は、少なくとも１つの炉頂装入水冷式蓋パネルを水戻りに接続するための別のクイック水切断部を準備することを含む。
【００１４】
本実施形態の別の方法では、少なくとも１つの炉頂装入水冷式蓋パネルを取り外す工程は、少なくとも１つの炉頂装入水冷式蓋パネルを炉頂装入蓋構造体から取り外すために、少なくとも１つの炉頂装入水冷式蓋パネルを上にあげることを含む。さらに別の例では、この方法は、炉頂装入水冷式蓋パネルが複数の蓋支持梁間の空間を通ってはまるように、炉頂装入水冷式蓋パネルの大きさを決めることを含む。さらに別の例では、炉頂装入水冷式蓋パネルは、蓋支持梁の底から離れて蓋支持梁の頂部まで上にあげられている。
【００１５】
本開示の別の実施形態では、冶金炉または精錬炉用の炉蓋の損傷を受けた部分を交換する方法は、半径方向、水平方向、垂直方向のうちの少なくとも１つの方向にのびる複数の蓋支持梁を含む炉頂装入蓋構造体を有する炉頂装入蓋パネルシステムを含む冶金炉または精錬炉を準備し、複数の蓋パネルの各々が蓋支持梁の頂部よりも低い位置で支持されるとともに蓋支持梁の裏側の高温面を保護する位置にくるように、蓋構造体に連結された複数の蓋パネルを準備し、第１の炉頂装入水冷式蓋パネルを蓋構造体から取り外し、第１の炉頂装入水冷式蓋パネルを修理し、修理後の第１の装入水冷式蓋パネルを蓋構造体に交換することを含む。
【００１６】
本開示のさらに別の実施形態では、冶金炉または精錬炉用の蓋アセンブリは、内側の支持梁と、外側の支持梁と、内側の支持梁と外側の支持梁との間に連結された、半径方向にのびる複数の支持梁と、によって形成された蓋構造体と、蓋構造体に連結されるとともに複数の支持梁よりも低い位置で支持された複数のパネルと、複数のパネルのうちの少なくとも１つの裏側に連結された水冷用構造体と、を含み、複数のパネルは、蓋構造体の裏側を保護する位置に配置され、水冷用構造体は、パネルに連結された少なくとも１つのクイック水切断部と流体連通し、水切断部および水冷用構造体は、蓋構造体を保護するように配置されるとともに炉内の溶湯浴槽から離れた位置にある給水部および水戻りとさらに流体連結される。
【００１７】
本実施形態の一例では、少なくとも１つのクイック電気的切断具が、少なくとも１つの水冷式パネルに連結される。第２の例では、温度検知装置と、温度データを水冷式ジャンクションボックスに伝達する配線と、を保護するために、水冷式電線管を備えてもよい。第３の例では、プロセスモニター用機器を炉蓋の上に配置する。第４の例では、複数のパネルはパイ形パネルを含む。第５の例では、複数のパネルを給水部に接続するために、少なくとも１つのクイック水切断部が備えられる。
【００１８】
第６の例では、複数のパネルは各々、パネルを蓋構造体から上にあげるための１つ以上のラグを含む。第７の例では、水冷用構造体は、水が通るサイナソイダルパイプを備え、パイプは、少なくとも１つの９０°エルボまたは１８０°エルボを含む。第８の例では、複数のパネルは各々、頂部と側部とを含み、側部は、外側の支持梁と整列配置されている。別の例では、蓋構造体は、内側の支持梁と、外側の支持梁と、半径方向にのびる複数の支持梁のうちの少なくとも２つとの間に開口部を設け、開口部は、複数のパネルのうちの１つがはまるように構成されている。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、冶金炉における溶融プロセスの流れ図を示す。
【図２】図２は、本開示による、ほぼパイ形の蓋パネルセクションが動作位置に下げられた、電気アーク炉の蓋用の支持構造体の一部を示す斜視図である。
【図３】図３は、本開示による、さらに動作位置に向かって下げられた図２のほぼパイ形の蓋セクション用の支持構造体の一部を示す斜視図である。
【図４】図４は、本開示による、動作位置にある図２および図３のほぼパイ形の蓋セクション用の支持構造体の一部を示す斜視図である。
【図５】図５は、本開示による、動作位置にある１つのほぼパイ形の蓋セクションを示す支持構造体の斜視図である。
【図６】図６は、本開示による、蓋支持構造体よりも上にあげられた１つのほぼパイ形の蓋セクションを示す支持構造体の斜視図である。
【図７Ａ】図７Ａは、ほぼパイ形の蓋セクションの裏側に取り付けることのできる冷却用パネル構造体の平面図を示す。
【図７Ｂ】図７Ｂは、図７Ａのほぼパイ形の蓋セクションで使用するための冷却用パネル構造体の一例の平面図を示す。
【図８】図８は、蓋パネルの頂部を示す斜視図である。
【図９】図９は、蓋パネルの底部にある冷却用パネル構造体を示す蓋パネルの斜視図である。
【図１０】図１０は、図２の蓋パネルを含む製鋼炉の断面概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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温から保護しなければならない。ＥＡＦ容器の壁、カバーすなわち炉蓋および配管設備は、特に、鋼鉄の装入によって生じる大きな熱応力、化学応力、機械応力を受ける危険性がある。そのような応力によって、炉の耐用寿命が大幅に制限される。ＥＡＦは一般に、耐火性ライニングパネルと水冷式パネルによって炉容器内の高温から守られる溶接鋼構造体として設計・製造されている。水冷式蓋パネルおよび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部分に配置されている。
【００２１】
また、炉のオフガス用ダクトもその周りを囲む複数の管で構成されており、これらの管によって、炉の運転中に生じる高温および腐食性ガスから配管設備が守られている。既存の水冷式パネルとダクトはいずれも、さまざまな等級およびタイプ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、製鋼業者は各炉の製鋼回数を増やすことができ、炉の側でも出力レベルおよび化学エネルギーの入力レベルを高め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。
【００２２】
炉の通常運転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、スラグ層を水冷式パネルの高温側にとどめておくことが重要である。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の表面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。スラグは管の表面で固化し、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。
【００２３】
図１０を参照すると、炉の一実施形態がＥＡＦタイプの炉１８０として示されている。一例としてＥＡＦを開示するが、本開示の原理および教示内容を、塩基性精錬炉（ＢＯＦ）などにも容易に適用できることを理解されたい。図１０において、ＥＡＦ１８０には、炉殻１１２と、複数の電極１１４と、排気システム１１６と、作業用構台１１８と、ロッカーチルト機構１２０と、チルトシリンダー１２２と、オフガス室とを含むことができる。炉殻１１２は、ロッカーチルト１２０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１２０は、チルトシリンダー１２２によって動力を供給されてもよい。また、ロッカーチルト１２０は、作業用構台１１８上にも固定されてもよい。
【００２４】
炉殻１１２には、皿形炉床１２４と、ほぼ円筒形の側壁１２６と、樋１２８と、樋扉１３０と、ほぼ円筒形の円形蓋１３２と、を含むことができる。樋１２８および樋扉１３０は、円筒形の側壁１２６の片側に配置されている。開放位置では、樋１２８によって、送入空気１３４を炉床１２４に入れ、製錬で生じたガス１３６を部分的に燃焼可能なようにすることができる。炉床１２４は適切な耐火材で作製されている。炉床１２４の一端には、下端に出銑手段１３８を有する掛堰がある。溶融動作時、耐火性プラグまたは摺動可能なゲートで出銑手段１３８を閉じる。その後、炉殻１１２を傾け、出銑手段１３８のプラグを抜くか開放し、必要に応じて溶湯を取鍋、タンディッシュなどの装置に出湯する。
【００２５】
炉殻１１２の内壁１２６には、波形巻き配管系１５０からなる水冷式パネル１４０を取り付けることができる。これらのパネルは事実上、炉１８０内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１４０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１４４と同様の方法で周囲に配置される。
【００２６】
熱交換器システム１１０は、ＥＡＦ炉１１０の運転効率を高めるとともに、耐用寿命をのばす。例示的な一実施形態では、パネル１４０を、波形巻き配管系がほぼ水平の向きになるように組み立ててもよい。配管系１５０を連結具に接続してもよいし、配管系１５０をその基部で壁に取り付けられるようにしてもよい。あるいは、波形巻き配管系１５０がほぼ垂直の向きになるように、パネル１４０を取り付けることもできる。炉１８０の側壁１２６部分の上縁部で、パネル１４０の上端によって円形の縁の形状が決まってもよい。
【００２７】
熱交換器システム１１０を炉１８０の蓋１３２に取り付けることができ、この場合、水冷式パネル１４０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１１０を、炉１８０の側壁１２６の内側、蓋１３２、排気システム１１６の入口ならびに排気システム１１６全体に設けるようにしてもよい。熱交換器システム１１０は、それ自体で炉を保護することができ、煤塵を回収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１３６が送られると、そのガスを冷却する。
【００２８】
運転時、高温の廃ガス１３６、煤塵、煙霧は、炉殻１１２の通気口１４６を通って炉床１２４から除去される。通気口１４６は、排気システムと連通していてもよい。
【００２９】
パネル１４０には、複数の管１５０を軸方向に配置することができる。Ｕ字形エルボによって、ある長さごとに区分されて隣接する配管系または管１５０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１５０の間には、スペーサとしても機能する連結具などがあってもよく、それらによってパネル１４０が構造的に完全な状態となり、パネル１４０の湾曲具合が決まる。
【００３０】
熱交換システムまたは熱交換器１１０には、入口（図示せず）および出口（図示せず）を有する波形巻き配管系１５０からなる少なくとも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つのパネルの出口と流体連通する出力マニホールドと、配管系１５０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１１０は、高温の煙霧ガス１３６や冶金炉１８０およびその支持構成要素から排出されてくる煤塵を冷却する。配管系は、ある長さごとに区分して並べたチューブを接続したチューブの集合であり、接続されたチューブ同士が連結具で固定され、中に少なくとも１つのパネル１５０が形成されている。
【００３１】
配管系１５０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ことがわかっている。したがって、熱交換器の耐用寿命が長くなる。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、耐火材料や他の金属合金で作られた炉よりも効率が高く、耐用寿命が長い。
【００３２】
また、配管系１５０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されている。
【００３３】
図１０の実施形態では、波形巻き配管系１５０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エルボに組み付け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。
【００３４】
図１を参照すると、図１０に示すような炉内での溶融プロセスの概要が示されている。溶融プロセス１００には、処理を実行するための複数のブロックすなわち工程を含むことができる。ここでは、スクラップを装入することができる第１のブロック１０２を示す。スクラップを装入するには、装入バケットがスクラップを炉に投入することができるように、炉蓋を引いたり移動させて離したりする。第２のブロック１０４では、蓋を閉じ、電極を炉内に配置してスクラップを加熱溶融し、溶鋼にすることができる。第３のブロック１０６では、溶融プロセス１００を補助するために、添加物を炉に追加することができる。たとえば、溶融を補助すべく酸素吹精または炭素吹精を行うか炉に酸素または炭素を加えることができるように、炉の側面扉を開いてもよい。
【００３５】
ブロック１０６の後、溶融プロセス１００を、除滓工程を実行するブロック１０８に進めることができる。ここでは、溶湯の上から廃棄物を除去してスラグをスラグポットに集めるために、炉を一方向に傾けることができる。ここで、炭素を除去したり、炉内の炭素量を減らしたりするために、脱炭プロセスを実施してもよい。第５のブロック１１０では、除滓工程とは逆方向に炉を傾ける出銑工程を実行することができる。ここで溶湯を取鍋に出湯することができ、この溶湯が後に加工される。
【００３６】
本開示の第１の実施形態では、複数の管および／またはプレートからなる冷却用構造体を構成し、そのような冷却用構造体を炉蓋構造体に取り付ける方法が開示されている。炉蓋構造体は、それぞれ迅速に取り外して交換できることから、蓋構造体の修理または交換のための保守管理時間を最低限に抑えられる、複数のほぼパイ形の蓋パネルセグメントまたはパネル１を含むことができる。たとえば長方形、楕円形またはそれらの組み合わせの形状を有する冶金炉および精錬炉には、正方形、パイ形または任意の適切な形状のパネルを備えることができる。
【００３７】
冶金炉の従来の蓋構造体では、炉内から蓋構造体が構成され、組み立てるには蓋構造体を炉頂まで上げる。ボルトによる固定システムまたは他の組み立て手段によって、蓋構造体を所定の位置に保持することができる。この配置には、蓋パネルまたはその裏側に連結された冷却管に問題が生じた場合、蓋を修理できるように炉を停止させなければならないという欠点がある。蓋を交換する必要がある場合、さらにダウンタイムが長くなる。
【００３８】
しかしながら、本開示では、このような事態は回避される。蓋構造体が別々のセグメントまたはパネルに分割されるためである。図２に示すように、蓋パネル１は各々他のパネルから分離されており、独立に蓋から取り外すことが可能である。言い換えると、セグメントまたはパネルを１つだけ取り外し、蓋の残りの部分についてはそのままにすることができる。これにより、ダウンタイムを短縮し、炉を一層効率的かつ生産的に使用することが可能になる。
【００３９】
ＥＡＦ蓋パネルは、本開示の目的のために、収束している２本のまっすぐな辺と、収束しているまっすぐな辺の両端を閉じる複数の弧とを有する、ほぼ平坦な部分として形状が決まるパイ形のパネルセグメントとすることができる。
【００４０】
本開示において、改良された炉蓋構造体は少なくとも１つのパネル１を含み、パネル１は、炉蓋の残りの部分よりも高い位置にあげられ、修理または交換され、蓋を閉じて炉の動作を再開するために蓋の所定の場所に戻される。本開示によれば、蓋支持体６を取り外すか分離するために時間を無駄にすることなく、炉蓋からパネル１を取り外すことができる。たとえば図２から図６に示すように、炉の蓋２００は、ほぼパイ形の１つ以上の蓋パネル１の取り外しを容易にするように設計された蓋支持構造体６を含む。炉蓋構造体は、（蓋構造体のデザインと蓋構造体スポークの奥行きに応じて）炉浴から６インチ以上離れて上にあげられるパネル１を含む。
【００４１】
蓋パネルは、蓋構造体の頂部から引き上げて取り外すことができる。図８では、たとえば、ラグ８０６を蓋パネル８００の上面８０２に取り付けることができ、チェーンまたは他の機構をラグに固定して、蓋構造体からパネル８００を上にあげることができる。蓋パネル８００は、上面８０２に対して角度をなした側部８０４をさらに含んでもよい。一例では、側部８０４は、上面８０２に対して約９０°の角度をなしていてもよい。図８に示すように、ヘッドパイプなどを設けることで、蓋パネル８００の裏側に位置する冷却管７００への水の移動をしやすくしてもよい。これを、たとえば図９に示す。図７Ａおよび図７Ｂには、冷却管７００を詳細に示す。冷却管７００は、図１０の管１４０と同様に形成されてもよい。
【００４２】
パイ形の蓋パネルは、蓋構造体６のスポーク１４（放射状の梁）に合うような大きさになっている。蓋構造体の外側リング６、蓋構造体のスポーク、デルタヘッダー構造を保護するために、パイ形の蓋パネル１は平らになるように設計されるか、平らに上にあげられたパネルから下にまっすぐな側壁がのびた箱形のデザインになっている。炉の設計に（リフトクリアランスの制限により）平らな蓋パネルが必要な場合、炉頂装入蓋システムで使用するスポーク保護パネルがスポーク１４の周りに上向きにのび、平らに上にあげられたパネルに合う。これらのパネルでは、水接続の設定と除去のプロセスを高速化するために、自動圧力封入式のクイック水切断部４、５が用いられる。水クイック切断部４、５によって、給水部からパネル１の裏側にある冷却用パネル７００に水を送ることが可能になる。これは、都合のよいことに、接続と切断を手作業で行う必要のある標準的な管継手を用いる手動接続に匹敵する。
【００４３】
言い換えると、図２において、蓋パネル１は各々、冷却水供給用にクイック接続／切断構造体を含むように設計されてもよい。ほぼパイ形のセグメントは各々、第１のまっすぐな辺１０、第２のまっすぐな辺１１、収束しているまっすぐな辺の内周側の端を閉じる内側の弧１２、広がっているまっすぐな辺の外周側の端を閉じる外側の弧１３を含む。辺１０および１１は内側の弧１２に向かって収束し、辺１０および１２は外側の弧１３に向かって広がっている。外側の弧は、蓋構造体の外側リングを保護し、炉蓋内のオフガスと炎を遮断するために、下に向かってのびている。
【００４４】
図２から図４は、ほぼパイ形のパネル１を有する水冷式蓋のデザインを示す。パイ形の蓋パネル１は、蓋パネルの裏側に冷却用構造体７００を備える。管２によって、蓋構造体を通って蓋パネル１の裏側（炉内側）の冷却用構造体まで流れる冷却水が提供される。水は、蓋パネル１の裏側（炉内側）の冷却用構造体から管３を通って外方向に流れる。蓋パネル１の裏側（炉内側）の冷却用構造体（たとえば、図７Ａに示す構造体を参照）によって、上述した熱応力、アーキングおよび運転に伴う一般的な損傷から蓋構造体を保護することができるようになる。
【００４５】
上述したように、蓋パネル１のデザインがゆえ、日常の保守管理用に、あるいは損傷を受けて修理が必要なときに、蓋パネル１を取り外すことができる。パネル１を炉蓋から取り外すには、炉蓋構造体の頂部から上にあげ、その後（図２から図４に示す流れで）蓋構造体の動作位置に新たなまたは修理後のパネル１を下げる。パネルの重量により、給水と戻り接続が確実になされることになる。加えて、パネルの装着を確実にするために、天井クレーンまたは他の機器を使用してさらに下向き６００にパネル１を押してもよい。パネルが定位置に保持されている間、炉の運転時にパネルを所定の位置に保つためにウェッジ／ピン取り付けアセンブリ（たとえば、図２から図６で左端のスポーク１４の上に示す）をはめてもよい。これは、オフラインで蓋アセンブリ全体を炉から外して損傷を受けたパネルを蓋構造体から降ろさなければならず、交換用パネルをオフラインで設置し、地面において、蓋構造体をパネルの上に乗せなければならず、その上でパネルを手作業で引き上げて、蓋構造体のスポークに固定する作業に匹敵する。
【００４６】
上述したように、水冷用構造体（たとえば、図７Ａに示す構造体）は、ほぼパイ形のパネル１各々の裏側に配置される。そのような冷却用構造体の詳細の一例を、図７Ｂに示す。図中、冷却チューブはハーフチューブまたは管２２を備え、これらのハーフチューブまたは管２２をプレート２４に取り付けてもよいし、複数の管で構成して接続し、たとえば閉ループ冷却回路を形成するように接続してもよく、この閉ループ冷却回路は、例として、図７Ｂに示すような単一の平行流構成で構成されてもよい。図７Ａおよび図７Ｂに示す冷却回路は、折り返し構成を含む。これによって、１８０度の折り返しエルボおよび／または９０度のエルボ３０などであるがこれらに限定されるものではない接続部品で冷却チューブ２２が相互に接続される。エルボ３０は、図７Ｂに示すように丸みのある形状でもよいし、留め継ぎ構造（図示せず）などであってもよい。チューブ／要素は、管２、３およびクイック切断部４、５と流体接続された冷却流体供給戻り源３３と流体連通することになる。
【００４７】
図２において、給水管２はその下にある冷却用パネル構造体７００に水を供給し、管３は、下にある冷却用構造体７００から水が流れることができるようにする。給水は、炉支持構造体６を通ってなされ、管２に接続されるクイック切断具４に流れる。水は、下にある冷却用パネル構造体から炉支持構造体６を通って除去される。すなわち、水は、下にある冷却用パネル構造体７００から出て、管３を通ってクイック切断部５まで流れ、炉支持構造体６の配管に流入する。したがって、冷却水は、炉蓋支持構造体６に付随する配管から、クイック接続／切断具４を介して、ほぼパイ形の蓋パネル１の下にある冷却用パネル構造体（複数の管、バッフルなど）に冷却水を供給する配管２まで流れる。そのような冷却水は、炉支持構造体６の配管を介した除去用にクイック接続／切断具５を通って使用済み冷却水を通す配管３までの流れを介して除去される。
【００４８】
クイック切断部４、５を、図２から図４に示す。ここでは、たとえば剛性のアーチ型または直角の管接続アセンブリを示す。図から明らかなように、管２の端はほぼ円錐台形で、スライドして補助形のクイック切断部４にはまるようになっている。管２の円錐台形の端またはクイック切断部４の補助表面のいずれかに円周スロットを設けることで、クイック切断部４と管２の円錐台形の端の補助表面同士の連結を容易にしてもよい。これにより、部品同士を連結する際、部品のうち一方のＯリングが他方の補助部品のスロットに嵌まり、連結される部品同士が密着する。連結される部品を、ネオプレン、青銅または他の同様の材料などの高温材料で作製すると都合がよい。クイック切断部４（または５）は、一方の補助形部分が他方の補助形部分から離れて分断されるように上にあげるだけで、切断を可能にする。上述したように、炉蓋２００の所定の位置まで下げられて給水と戻り接続を確実にするパネルの重量により、補助形部分の再連結が起こり得る。水流システムの温度および／または圧力の過負荷を回避するために、各パネル３の出口側に圧力逃がし弁と温度センサーを設けてもよい。
【００４９】
今日の近代的な製鉄所では、ダウンタイムがほとんどないか皆無の状態で、可能なかぎり一次製鋼炉を稼働させなければならない。壊滅的な設備故障や炉内への水の進入を防ぐために、運転中でも予防措置を講じることができるように、それぞれのパネルと回路の温度を測定することが重要である。
【００５０】
上述の炉および蓋パネル１では、蓋パネルの適切な冷却を維持するために、各回路またはパネル１の流入水温度および流出水温度をモニターする必要がある。炉蓋上の高温かつ極めて汚れた環境がゆえ、適切な冷却水流と水温を維持することは非常に困難である。炉蓋２００は、運転時にスクラップおよび煤塵から損傷を受け、炉心で動作する電極からの高熱輻射に曝露され、パネル１間および水冷式蓋を含む炉蓋構造体周囲の様々な開口部を抜けてくる高温のガスにも曝露される。通常の運転時に、蓋構造体の頂部にある配線および温度検知装置が損傷を受けるおよび／または破壊される。
【００５１】
炉の運転時には蓋の頂部が高温で過酷な状態になるため、蓋または蓋構造体上で炉の動作をモニター、制御および／または調整するための付属品、機器または装置を追加するのは難しい。熱や厳しい条件に耐えられる機器はない。したがって、本開示の水冷式蓋パネルは、電気モニター機器に接続するための適切な電気接続機器を含む。このような電気接続機器には、電線管（回路）、１つまたは複数のジャンクションボックス、熱電対などが含まれる。電気接続機器には、蓋パネル１を取り外して交換する際の電気モニター機器との間の切断と再接続のためのクイック切断装置（クイック切断部４、５と同様）が含まれる。水冷式ジャンクションボックスを備えた水冷式電線管システムは、炉蓋構造体上の過酷な環境による損傷から配線や温度検出装置などの電気システムの構成要素を保護するための新たな開発物である。また、炉の運転中に運転データをモニターして作業員がこれを安全かつ効率的な炉の運転を維持するのに使用できるよう炉の運転状態をモニターするのに必要なプロセス機器を保護するために、水冷式電線管システムに水冷式ハウジングを組み込む。
【００５２】
修理または交換のために蓋パネルを好ましくない炉環境から遠ざけることは、蓋パネルの寿命に劇的なプラスの効果をもたらす。運転時に損傷または摩耗したパネル１を修理することで、予定外のダウンタイムを減らし、利益の損失を大幅に減らすことができる。
【００５３】
パイ形パネル１の大きさを小さくすると、蓋構造体のスポーク１４およびデルタ支持部分６が露出したままになる。損傷に対する耐性が高く、甚だしい輻射熱およびアーキングによる損傷からスポークを守ることのできる装置を、蓋構造体スポークおよびデルタ支持ヘッダーの高温側に設置すること。これは、鉄鋼管、板、銅板、スラグ保持装置のある銅板、銅高速管パネル（ＨＶＣ管）または公称直径２インチ以上の肉厚銅管など、どのようなタイプの材料で製造したパネルを用いて実現してもよい。管内の高速水流は、これを、電気アーク炉の運転時に存在し得る非常に高い熱流束およびアーキングに耐えられるものにする。
【００５４】
別の実施形態では、各パネルは、厚さ０．２５インチ以上の厚肉銅を有する銅高速板パネルを含むことができる。銅板パネル内の高速水流は、これを、電気アーク炉の運転時に存在し得る非常に高い熱流束およびアーキングに耐えられるものにする。スポークが板状設計の構造である場合、この銅板パネルはスポークの高温側の不可欠な部品にもなり得る。
【００５５】
さらに別の実施形態では、銅スプラインパネルは、高熱流束に対処するために適度な水流を有するように設計されてもよい。ただし、管の高温面のスプライン（押し出されて管になるか、管に溶接される）は、スラグ（製鋼作業の副産物）の保護コーティングを維持する。管の高温面のスプラインは、スラグの層を冷却して機械的に保持し、アーキングによる電気的な損傷および熱応力による損傷からパネルの高温面を絶縁する。
【００５６】
さらに別の実施形態では、パネルは、高熱流束に対処するために適度の水流を有するように設計されたＡｍｅｒｉＳｐｌｉｎｅ（登録商標）鋼で形成されてもよい。ただし、管の高温面のスプライン（押し出されて管になるか、管に溶接される）は、スラグ（製鋼作業の副産物）の保護コーティングを維持する。管の高温面のスプラインは、スラグの層を冷却して機械的に保持し、アーキングによる電気的な損傷および熱応力による損傷からパネルの高温面を絶縁する。
【００５７】
蓋構造体スポーク１４およびパネルを保護するデルタヘッダー６は、スポークの裏側（高温面）に取り付けられ、上述した保護を提供する。水の流入口および流出口は、スポークとデルタヘッダーを突き抜けて上に突出し、パイ形の水パネル１とは独立している。上記のスポーク保護パネルはいずれも、熱伝達特性およびアーク抵抗性が非常に高く、電気アーク炉領域の最も過酷な環境でもパネルを維持することができる。
【００５８】
損傷を受けた蓋パネルを１時間以内に交換するという目標を達成する上では、交換パネルの設置および支持が非常に重要である。パネルをすぐに上にあげて炉の環境から離し、炉蓋ですみやかに交換品に入れ替えることができると、パネルの耐用寿命が大幅に長くなる可能性がある。
【００５９】
冶金炉および精製炉は、炉蓋構造体上にプロセスモニター機器（たとえば、オフガス組成測定装置）を配置することから利益を得ることができる。今日まで、これは、高温、炎、煤塵、スクラップによる損傷に起因する炉蓋の厳しい条件がゆえに不可能であった。安全なデータ送信用に水冷式電線管に接続された水冷式の機器エンクロージャーは、大幅な改善物である。これにより、計装設備をプロセス環境の近くに配置できるため、プロセス制御のポテンシャルが増す。
【００６０】
上記の図面および説明において本開示を詳細に例示および説明したが、これは例示的なものであり、特徴を限定するものではないとみなされるべきである。ここでは、例示的な実施形態を図示し、説明しただけであって、本開示の精神の範囲内に包含される変更および修正は保護されることが望まれる点を理解されたい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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