JP7401761B2 - 銅又は銅合金製ステーブ - Google Patents

Description

本発明は、銅又は銅合金製のステーブに関する。より具体的には、本発明は、シンプルな配置の冷却水路を有するコーミング構造式ステーブに関する。

近年の高炉においては、高炉内の高温ガス等から高炉鉄皮を保護するために、ステーブクーラー（以下、単にステーブと称する）が多く用いられている。ステーブには内部に冷媒（例えば、水）を流すための冷却水路が形成されており、その冷媒で冷却されたステーブにより、炉内の高温ガス等から高炉鉄皮が保護される。

ステーブの内部に冷媒を流すための給排水管は高炉鉄皮の開口部を貫通しており、高炉鉄皮と給排水管との間には隙間が存在する。炉内ガスは非常に高温（例えば約１２００℃）であるため、炉内ガスがこの隙間を通じて炉外に放出されないように、当該隙間を塞ぐ炉内ガス用シール部材が高炉鉄皮の炉外側面に設けられる。当該部材には、炉内ガスのシール機能に加え、高温ガスに曝されることで起こり得るステーブの熱変形を吸収する機能が求められる。

炉内ガスのシール及びステーブの熱変形吸収のための部材として、図１に示されるような伸縮管１２（「コンペンセーター」とも称される）を備えた、伸縮管式ステーブ１が知られている（例えば特許文献１及び２）。伸縮管１２は、図１に示されるように、高炉鉄皮５の炉外側面に接合され、その蛇腹構造によりステーブ本体２の熱変形に伴う給排水管４の変位を吸収することが可能である。また、多くの場合、ステーブ本体２の熱変形を抑制するために、図１に示されるような固定部材１４（例えばボルト）を用いて高炉鉄皮５にステーブ本体２を固定する方法が採用される。

炉内ガスのシール及びステーブの熱変形吸収のための別の部材として、図２に示されるようなコーミング構造１０（「コーミングボックス」とも称される）を備えた、コーミング構造式ステーブ１１が知られている（例えば特許文献３）。コーミング構造１０は、側板８及びシールプレート９を備え、高炉鉄皮５の炉外側面に接合される。そして、当該コーミング構造１０により、ステーブ本体２の熱変形に伴う給排水管４の変位を吸収することが可能となる。また、コーミング構造式ステーブ１１では、通常、給排水管４を包囲するように保護管７が設置され、その上にコーミング構造１０が設置される。また、コーミング構造式ステーブ１１においても、ステーブ本体２の熱変形を抑制するために、固定部材１４を用いて高炉鉄皮５にステーブ本体２を固定する方法が採用される場合がある。

上記に関連して、コーミング構造を採用せずにラッパ状のシール部材を用いたステーブ（特許文献４）や、保護管を二重構造にしたステーブ（特許文献５）なども開示されている。

特開２０１４－１７３０９５号公報 特開２０１６－１０８６０７号公報 特開２００７－３０８７４７号公報 特開２００２－６０８１８号公報 特開２０１７－６６４８２号公報

例えば図１に示されるような伸縮管式ステーブ１は、複数の固定部材１４でステーブ本体２の熱変形を拘束しきれなくなると、給排水管４に負荷がかかり、結果として伸縮管１２の破損を招き、炉内ガスが漏洩するおそれや、給排水管４自体が破損し冷却機能を失うおそれがある。特に、銅又は銅合金製であってステーブ本体２の長さ寸法が大きいものは熱変形の影響が顕著であり、熱負荷がかかり易く、結果的に伸縮管１２が破損するおそれが増す。伸縮管１２の損傷が進めば給排水管４まで破損してステーブ本体２の冷却が不可能になり、ステーブ本体２の溶損、摩耗が進展して高炉鉄皮５が高温加熱されると、貫通亀裂を生じて操業そのものが継続できなくなる場合も生じ得る。

これに対し、例えば図２に示すコーミング構造式ステーブ１１では、給排水管４と保護管７との二重管構造を採用しており、保護管７の一端がステーブ本体２に接合されるため、固定部材１４でステーブ本体２の熱変形を拘束しきれなくなった場合でも、給排水管４と保護管７でステーブ本体２を支えることができ、保護管７の破損や給排水管４の破損の可能性を大きく下げることができる。さらに、炉外にある補修作業が容易なコーミング構造１０のシールプレート９を、炉内にある給排水管４及び保護管７に対して優先的に破損するようにすることで、給排水管４及び保護管７の破損を防止することができる。よって、コーミング構造式ステーブ１１は、伸縮管式ステーブ１に比べて、給排水管４の破損防止の観点で優れる機構である。

他方で、伸縮管式ステーブ１では、図１から理解されるように、高炉鉄皮５の開口部６は、給排水管４のみが貫通可能であればよい。よって、伸縮管式ステーブ１の場合、開口部６のサイズを比較的小さくでき、例えば特許文献１及び２に記載のステーブのように、高炉鉄皮５の強度を維持したまま、当該給排水管４と接合するステーブ本体２の給排水口１３を、ステーブ本体２の上下端部近傍に、幅方向に一列に配置することが可能となる。高炉鉄皮５の強度は、高炉鉄皮５の開口部６の大きさ及び配置に大きく影響を受けるものであり、したがって、その大きさ及び配置は高炉鉄皮５の強度を考慮して決定しなければならない。

これに対し、コーミング構造式ステーブ１１では、上述したように二重管構造を有するため、伸縮管式ステーブ１と同一の外径の給排水管４を用いようとすると、保護管７を通すために伸縮管式ステーブ１に比べて高炉鉄皮５の開口部６を大きくせざるを得ない。そのため、高炉鉄皮５の強度確保の観点から、伸縮管式ステーブ１を用いた場合のように、高炉鉄皮５の開口部６を一列に配置することが困難となり、したがって、ステーブ本体２の給排水口１３も一列に配置することが困難となる。隣接する開口部６の距離を大きくとることで高炉鉄皮５の強度は確保できるが、それに応じて隣接するステーブ本体２の給排水口１３の距離も大きくなり、冷却水路３が複雑な配置になったり、ステーブ本体２を均一に冷却できなくなったりするおそれがある。よって、コーミング構造式ステーブ１１の場合、高炉鉄皮５の強度を確保しつつ、十分なステーブ本体２の冷却能力を有するように、給排水口１３をステーブ本体２の幅方向に一列に設けることは難しく、コーミング構造式ステーブ１１ではシンプルな配置の冷却水路３を構築することは困難であるという問題があった。

本発明は、このような実情に鑑み、給排水管の保護に好適なコーミング構造を用い、十分な鉄皮強度を確保しつつ、十分なステーブの冷却能力を有するように、ステーブ本体にシンプルな配置の冷却水路を構築することが可能である銅又は銅合金製ステーブを提供することを課題とする。

本発明の主旨は以下のとおりである。
（１）
高さ方向に沿って延在する冷却水路を内部に備える銅又は銅合金製のステーブ本体と、
前記ステーブ本体の給排水口に接合され、高炉鉄皮の開口部を貫通して延在する給排水管と、
前記給排水管を包囲するように、一端が前記ステーブ本体に、他端が前記給排水管に接合された保護管と、
側板及びシールプレートを備えるコーミング構造であって、前記保護管を包囲するように、前記側板の一端が前記高炉鉄皮に接合され、前記シールプレートが前記側板の他端及び前記保護管に接合された、少なくとも１つのコーミング構造とを備える銅又は銅合金製ステーブにおいて、
前記給排水口が、前記ステーブ本体の上下端部近傍に、前記ステーブ本体の幅方向に沿って一列に配置され、前記給排水管の外径が６０ｍｍ以下であり、前記保護管の外径が７５ｍｍ以下であり、
炉内ガス温度がＴ _high （℃）からＴ _low （℃）まで変化する際の相当塑性歪増分を繰り返し前記シールプレート及び前記給排水管にそれぞれ与え、
前記シールプレートが破断したときの繰り返し回数：Ｎ _p1 （回）；
前記給排水管が破断したときの繰り返し回数：Ｎ _p2 （回）；並びに、
炉内ガス温度がＴ _high （℃）からＴ _low （℃）まで変化する熱負荷変動が炉内で生じる回数：ｎ（回／年）とした場合に、
前記給排水管の破断寿命Ｎ _p2 ／ｎ（年）が、前記シールプレートの破断寿命Ｎ _p1 ／ｎ（年）に比べて長くなるように前記シールプレートの板厚を設定した、ことを特徴とする、銅又は銅合金製ステーブ。
（２）
前記給排水管の外径が５５ｍｍ以下であり、前記保護管の外径が６５ｍｍ以下であることを特徴とする、（１）に記載の銅又は銅合金製ステーブ。
（３）
前記シールプレートの板厚が５ｍｍ未満であることを特徴とする、（１）又は（２）に記載の銅又は銅合金製ステーブ。
（４）
前記給排水管及び前記保護管を複数備え、当該複数の保護管の全てが、前記コーミング構造により包囲されたことを特徴とする、（１）～（３）のいずれか１つに記載の銅又は銅合金製ステーブ。
（５）
前記ステーブ本体が、８個以上の固定部材により前記高炉鉄皮に固定されたことを特徴とする、（１）～（４）のいずれか１つに記載の銅又は銅合金製ステーブ。

本発明によれば、給排水管の保護の点で有利なコーミング構造式ステーブにおいて、ステーブ本体の上下端部近傍に、幅方向に一列に給排水口を設けることができる。よって、十分に給排水管を保護することと、十分な鉄皮強度の確保しつつ、十分なステーブの冷却能力を有するようにステーブ本体内部にシンプルな配置の冷却水路を構築することとが同時に達成可能となる。

従来の伸縮管式ステーブの概略的な断面図を示す。 本発明に係る銅又は銅合金製ステーブの概略的な断面図を示す。 本発明に係る銅又は銅合金製ステーブの概略的な平面図を示す。

以下、本発明に係る幾つかの実施形態について図を参照しながら説明する。しかしながら、これらの説明は、本発明の好ましい実施形態の単なる例示を意図するものであって、本発明をこのような特定の実施形態に限定することを意図するものではない。

［銅又は銅合金製ステーブ］
本発明に係る銅又は銅合金製ステーブは、図２に示されるように、コーミング構造式ステーブ１１であり、具体的には、銅又は銅合金製のステーブ本体２と、給排水管４と、保護管７と、側板８及びシールプレート９を備える少なくとも１つのコーミング構造１０とを備える。コーミング構造１０を備えるコーミング構造式ステーブ１１は、給排水管４及び保護管７からなる二重管構造を有し、当該保護管７の一端がステーブ本体２に接合されるため、ステーブ本体２との接合部の強度が向上して、引張や曲げに対する強度が向上し、結果として給排水管４の破損を好適に防止することができる。よって、二重管構造を有する本発明に係る銅又は銅合金製ステーブは、図１に示されるような伸縮管式ステーブ１に比べて、給排水管４の破損をより高レベルで防止することが可能となる。

また、図３に例示されるように、本発明に係るコーミング構造式ステーブ１１において、ステーブ本体２の給排水口１３は、ステーブ本体２の上下端部近傍に、ステーブ本体２の幅方向に沿って一列に配置される。これにより、シンプルな冷却水路３をステーブ本体２の内部に構築でき、ステーブ本体２の冷却を均一に行うことができる。従来、このような配置で給排水口１３を構成することは、二重管構造を採用しない伸縮管式ステーブ１では可能であったものの、二重管構造を採用するコーミング構造式ステーブ１１では困難であった。その理由は、ステーブ本体２の冷却能力を担保することと、高炉鉄皮５の強度を確保することとに関係している。

ステーブ本体２の内部の冷却水路３は、ステーブ本体２を十分かつ均一に冷却できるように、ステーブ本体２の高さ方向に沿って、一般的に所定の間隔（例えば２００ｍｍ程度）で配置される。この間隔が大きすぎると冷却ムラが発生し、ステーブ本体２の冷却性能に影響を及ぼし、鉄皮保護の観点から好ましいものではない。よって、ステーブ本体２の冷却を十分かつ均一にするためには、冷却水路３を所定の間隔で、ステーブ本体２の内部に構築することが重要である。また、ステーブ本体２の給排水口１３は、ステーブ本体２の内部の冷却水路３に流れる冷媒の流入口及び排出口であり、当該給排水口１３の幅方向（図３の左右方向）の位置は、図３に示されるように、シンプルな冷却水路３を構築する観点から、ステーブ本体２の高さ方向に沿って延在する冷却水路３の幅方向の位置と同一であるとよい。そうすると、冷却水路３と同様に、給排水口１３を所定の間隔でステーブ本体２上に設けることが要求される。一方、図１及び図２に示されるように、冷却水路３は給排水口１３で給排水管４と流体連通して接続され、当該給排水管４は、高炉鉄皮５の開口部６を貫通して外部の冷媒供給源（図示せず）に接続される。したがって、高炉鉄皮５の開口部６の配置は、ステーブ本体２の給排水口１３の配置と関連しており、より具体的には、開口部６の高さ方向及び幅方向の位置は、給排水口１３の高さ方向及び幅方向の位置と略同一である。

高炉鉄皮５の開口部６のサイズ（典型的には直径）は、伸縮管式ステーブ１においては給排水管４、コーミング構造式ステーブ１１においては給排水管４及び保護管７（以下、併せて「配管」ともいう）が通るように決定される。すなわち、伸縮管式ステーブ１の場合は、開口部６に給排水管４のみを通せばよく、また、伸縮管１２を設置できるスペースがあればよいため、給排水口１３を図３のように一列に配置することが比較的容易であった。一方で、コーミング構造式ステーブ１１では、給排水管４だけでなく保護管７も高炉鉄皮５の開口部６を貫通させる必要があるため、冷却能力を担保する観点から伸縮管式ステーブ１の場合と同じ外径の給排水管４を使用した場合、伸縮管式ステーブ１に比べて高炉鉄皮５の開口部６のサイズを大きくせざるを得ない。しかし、上述のように、開口部６が一列に配置するような場合、開口部６のサイズは、高炉鉄皮５の強度を確保する観点から、容易に大きくできるものではない。よって、二重管構造を採用するコーミング構造式ステーブ１１では、高炉鉄皮５の強度を確保する観点から、ステーブ本体２の冷却能力を担保しつつ、給排水口１３を幅方向に一列に配置することができず、シンプルな冷却水路３を構築することができなかった。よって、例えば、隣り合う冷却水路３に対応する給排水口１３をステーブ本体２の高さ方向にずらして配置したり、ステーブ本体２内部の冷却水路３を湾曲させたりするような対応が必要であった。このような配置にすると、ステーブ本体２の、特にステーブ本体２の上下端部近傍の冷却が十分に行えないおそれがあり、また、冷却水路３の配置が複雑になり好ましいものではない。以上のように、従来においては、二重管構造及びコーミング構造１０を用いることと、給排水口１３をステーブ本体２の幅方向に一列に配置すること（開口部６を高炉鉄皮５上に幅方向に一列に配置すること）とを両立することはできなかった。さらに、高炉鉄皮５の開口部６のサイズが大きくなると、例えば隣接する２つの保護管７の外周にコーミング構造１０を形成する際に、溶接領域を確保できなかったり、コーミング構造１０同士が干渉したりする場合があった。

そこで、本発明者らは、コーミング構造式ステーブ１１の様々な構成を検討した結果、給排水管４の外径及び保護管７の外径を、従来までに検討されてこなかったより小さい外径にすることで、コーミング構造式ステーブ１１において、十分な高炉鉄皮５の強度を確保しつつ、十分なステーブ本体２の冷却能力を有するように、ステーブ本体２の給排水口１３をステーブ本体２の上下端部近傍に幅方向に一列に配置することができることを見出した。より詳細には、給排水管４の外径を６０ｍｍ以下（例えば呼び径４０Ａ）、保護管７の外径を７５ｍｍ以下（例えば呼び径５０Ａ）にすることにより、二重管構造及びコーミング構造１０を用い、給排水口１３を幅方向に一列に配置することができることを見出した。このように配管の外径を制御することで、従来の伸縮管式ステーブ１の場合と同等サイズの高炉鉄皮５の開口部６のサイズのまま、コーミング構造式ステーブ１１を用いることができるため、本発明に係る銅又は銅合金製ステーブは、炉内配管の保護に優れ、さらに、上下端部近傍にステーブ本体の幅方向に一列に給排水口を設けることができ、十分な鉄皮強度を確保しつつ、十分なステーブの冷却能力を有するように、ステーブ本体内部に極めてシンプルな配置の冷却水路を構築することが可能となる。

（ステーブ本体）
ステーブ本体２は、内部に冷媒（例えば水）を流すための冷却水路３を備える。当該冷却水路３は、ステーブ本体２の高さ方向に沿って延在しており、冷却水路３の出入り口、すなわち給排水管４と接合する位置には、給排水口１３が設けられる。高さ方向に沿って延在する冷却水路３の外径は、ステーブ本体２の冷却能力を担保する観点から、５０ｍｍ以上であることが好ましく、５５ｍｍ以上であるとより好ましく、例えば呼び径５０Ａであるとよい。なお、図２に上下方向に図示される冷却水路３の径は、左右方向に図示される給排水管４（及び冷却水路３）の径と異なっていてよい。

本発明において、ステーブ本体２は、熱伝導率等の観点から銅又は銅合金製である。また、ステーブ本体２の長さ寸法は、特に限定されないが、例えば１．０ｍ超３．０ｍ未満である。ステーブ本体２の長さは、好ましくは２．５ｍ超である。銅又は銅合金製のステーブ本体２の長さ寸法が大きいと、高炉操業時の熱変形がより大きくなり配管のずれが生じやすくなるため、ガスシール構造として、伸縮管１２を用いる場合に比べてコーミング構造１０を用いることが有利になる。ステーブ本体２の幅寸法（図３の左右方向の寸法）は、特に限定されないが、例えば、５００～１０００ｍｍであってもよい。ステーブ本体２の板厚も特に限定されず、高炉のサイズや形状及び所望の冷却能力によって適宜決定すればよく、例えば、１００～３００ｍｍであればよい。

ステーブ本体２は、高炉鉄皮５の開口部６を貫通して延在する給排水管４を接合するための給排水口１３を備える。すなわち、ステーブ本体２の給排水口１３のそれぞれには、１つの給排水管４が接合される。給排水口１３は典型的に円形状であり、その直径は、給排水管４の外径によって決まる。本発明において、給排水管４の外径は、６０ｍｍ以下であるため、典型的に、ステーブ本体２の給排水口１３の孔径も６０ｍｍ以下である。給排水管４は先端にねじ山が切られていてもよく、ステーブ本体２に差し込まれることができる。給排水口１３は、ステーブ本体２の内部の冷却水路３に流れる冷媒の流入口及び排出口であり、当該給排水口１３の幅方向（図３の左右方向）の位置は、図３に示されるように、シンプルな冷却水路３を構築する観点から、ステーブ本体２の高さ方向に沿って延在する冷却水路３の幅方向の位置と典型的に同一である。よって、この場合、給排水口１３の中心間距離（給排水口１３間のピッチ）は、ステーブ本体２を均一に冷却する観点から、３００ｍｍ以下であると好ましく、２５０ｍｍ以下であるとより好ましく、例えば２００ｍｍ程度であるとよい。

本発明において、給排水口１３は、ステーブ本体２の上下端部近傍に、ステーブ本体２の幅方向に沿って一列に配置される。ここで、「上下端部近傍」とは、ステーブ本体２の長さ寸法に対する、ステーブ本体２上端部又は下端部と給排水口１３の中心軸との間の長さの比が０．０５以下であることを意味し、典型的に、ステーブ本体２の上端部又は下端部から給排水口１３の中心までの距離が１００ｍｍ以下であることをいう。給排水口１３がステーブ本体２の上下端部近傍に幅方向に沿って一列に配置されることで、全ての冷却水路３をステーブ本体２の内部で上下端部近傍まで延在させることが可能となり、極めてシンプルな水路配置を構築でき、ステーブ本体２全体をより均一に冷却することができる。

（給排水管）
給排水管４は、ステーブ本体２の給排水口１３に接合され、高炉鉄皮５の開口部６を貫通して延在している。本発明において、典型的には、複数の給排水管４のそれぞれが、複数の給排水口１３のそれぞれに１本ずつ接合され、すなわち、給排水管４の数と給排水口１３の数は同一である。給排水管４は、外部の冷媒供給源（図示せず）から供給される冷媒を、給排水口１３を通じてステーブ本体２の内部の冷却水路３に送る役割を有する。冷媒は典型的に水であるが、他の冷媒を用いてもよい。また、給排水管４は、図２に示されるように、後述する保護管７に包囲されている。

本発明において、給排水管４の外径は６０ｍｍ以下であり、好ましくは５５ｍｍ以下であり、より好ましくは５０ｍｍ以下である。例えば、給排水管４として呼び径４０Ａのものを用いることができる。給排水管４の外径は、開口部６を貫通する位置での外径とする。従来の給排水管４は、ステーブ本体２の冷却能力を担保するために外径が６０ｍｍ超（例えば、呼び径５０Ａ）のものが使用されており、それに伴って保護管７の外径も大きくなり、結果的に高炉鉄皮５の開口部６のサイズも大きくなっていた。しかし、本発明によれば、給排水管４の外径を上記のようにすることで、それを包囲するように設置される保護管７の外径も小さくすることができ、それにより高炉鉄皮５の開口部６のサイズも小さくすることが可能となる。給排水管４の外径を従来のものより小さくすることで、圧損が大きくなりステーブ本体２への冷媒の供給量が低下するが、この点は、給排水管４に冷媒を供給するポンプの出力を増加させるなどして、冷媒の供給量を確保すればよい。なお、給排水口１３に接続する位置での給排水管４の外径は、開口部６を貫通する位置での給排水管４の外径と異なっていてもよく、例えば、ステーブ本体２と高炉鉄皮５の炉内側面との間で、ステーブ本体２から高炉鉄皮５の炉内側面に向けて（図１及び図２においては右方向に向けて）縮径（高炉鉄皮５の炉内側面からステーブ本体２に向けて拡径）していてもよい。この場合、給排水管４の内部を流れる冷媒のステーブ本体２との接合部での圧損を低減することができる。

１つのステーブ本体２に接合される給排水管４の数は特に限定されないが、例えば図３に示されるように４本程度が好ましい。あるいは、ステーブ本体２の幅寸法に応じて、一定間隔（例えば２００ｍｍ程度）で配置するように給排水管４の数を決定することもできる。一定間隔で給排水管４を配置することで、ステーブ本体２全体を均一に冷却することが可能となる。給排水管４の材質は、特に限定されないが、腐食防止のためステンレス鋼からなることが好ましい。

（保護管）
保護管７は、給排水管４を包囲するように設置され、その一端がステーブ本体２に接合され、他端が給排水管４に接合される。本発明において、典型的には、複数の保護管７のそれぞれが、複数の給排水管４のそれぞれを１本ずつ包囲するように設置され、すなわち、給排水管４の数と保護管７の数は同一である。保護管７は、炉内の高温ガスに給排水管４が直接曝されるのを防止するために機能することができる。したがって、保護管７は、典型的に、炉内においては給排水管４の全てを包囲するように設置されるとよい。ここで、「包囲する」とは、保護管７が、給排水管４の少なくとも一部の外周全体を一定の隙間を有した状態で囲っていることを意味する。なお、「包囲する」という用語は、他の部材間において使用される場合も同様である。また、保護管７は、図２に示されるように、後述するコーミング構造１０に包囲されている。保護管７の材質は、特に限定されないが、ステンレス鋼又は高温配管用の炭素鋼からなることが好ましい。また、熱膨張差を低減するために、給排水管４と保護管７の材質が同一であるとより好ましい。

本発明において、保護管７の外径は７５ｍｍ以下であり、好ましくは７０ｍｍ以下であり、より好ましくは６５ｍｍ以下である。例えば、保護管７として呼び径５０Ａのものを用いることができる。保護管７の外径は、開口部６を貫通する位置での外径とする。従来の保護管７は、前述のように給排水管４に外径６０ｍｍ超（例えば、呼び径５０Ａ）のものが使用されていたため、外径が７５ｍｍ超（例えば、呼び径６５Ａ）のものが使用されていた。しかし、本発明によれば、保護管７の外径を上記のようにすることで、それにより高炉鉄皮５の開口部６のサイズも小さくすることが可能となる。なお、ステーブ本体２に接合される位置での保護管７の外径は、開口部６を貫通する位置での外径と異なっていてもよく、例えば、ステーブ本体２と高炉鉄皮５の炉内側面との間で、ステーブ本体２から高炉鉄皮５の炉内側面に向けて縮径（高炉鉄皮５の炉内側面からステーブ本体２に向けて拡径）していてもよい。保護管７がステーブ本体２との接合部で大きくなっていると、保護管７の当該接合部の外周長さが増えステーブ本体２との接合距離が延びるため、長手方向についての強度が増加する。また、当該接合部での保護管７の径が大きくなることで、より大きな断面二次モーメントを得ることができ、曲げ方向への強度が増加する。よって、保護管７を縮径することで、保護管７の強度を上げ給排水管４の破損をより効果的に防止することが可能となる。高炉鉄皮５の内部においては、配管は比較的自由に配置可能であるため、上述したように、開口部６を貫通する位置での配管の外径に関係なく、保護管７及び／又は給排水管４のステーブ本体２との接合部の外径を比較的自由に決定でき、したがって、配管の強度の確保、圧損低下の防止を達成することができる。

保護管７及び給排水管４を縮径（拡径）する方法は、特に限定されないが、例えば、連結管接続フランジ（レジューサー）を用いることができる。連結管接続フランジは、熱負荷を均一化するために縮径する部材と同一の材質のものを用いるのが好ましい。

（コーミング構造）
本発明において、コーミング構造１０は側板８及びシールプレート９を備える。コーミング構造１０は、側板８及びシールプレート９のみから構成されてもよいが、側板８とシールプレート９の間に、高炉鉄皮５の開口部６と配管との位置ずれを吸収する、例えばドーナツ状のフランジ状板を設けてもよい。本発明に係る銅又は銅合金製ステーブにおいては、少なくとも１つの保護管７が少なくとも１つのコーミング構造１０により包囲されていればよいが、好ましくは、１組又は複数組の隣接する保護管７がそれぞれコーミング構造１０により包囲されているとよく、より好ましくは、複数の保護管７の全てがコーミング構造１０により包囲されているとよい。複数の保護管７の全てがコーミング構造１０により包囲されると、各配管の保護機能を向上させることができ、高炉の安定操業につながる。本発明によれば、高炉鉄皮５の開口部６を従来のように大きくせずに一列に配置できるため、保護管７の全てがコーミング構造１０により包囲されている場合であっても、隣接するコーミング構造１０を干渉することなく設置することが可能となる。

（側板）
側板８は、一般的に筒状の板であり、その一端が高炉鉄皮５に、具体的には高炉鉄皮５の外面であって開口部６の外周部に接合され、他端がシールプレート９に接合される。なお、筒状とは円筒状に限定されず、例えば角筒状であってもよい。側板８の材質は特に限定されないが、鋼であると好ましい。また、側板８の板厚は、特に限定されないが、６～１０ｍｍであると好ましく、例えば９ｍｍである。

（シールプレート）
シールプレート９は、内部に開口を有する板であり、例えばドーナツ状の板であることができる。シールプレート９は、シールプレート９の炉内側面の一部が側板８に接合され、開口の端面が保護管７に接合される。シールプレート９の材質は特に限定されないが、鋼であると好ましい。

本発明において、シールプレート９の板厚は、特に限定されないが、５ｍｍ未満であると好ましく、４．５ｍｍ以下であるとより好ましく、例えば４．５ｍｍであるとよい。シールプレート９の板厚が５ｍｍ未満であると、ステーブ本体２の大きな熱変形に伴う配管の変位、特に、配管の長手方向の変位が発生した場合に、配管のステーブ本体２との接合部で破損が生じる前に、シールプレート９をより破損しやすくしておくことができる。このようにシールプレート９が優先的に破損するようにしておくと、補修が、炉外からアクセス可能なシールプレート９の交換だけでよく、補修作業時間を大きく低減できるだけでなく、炉内の配管の損傷を抑制することが可能となる。

これに関連して、本発明者らは、本発明に係る銅又は銅合金製ステーブにおいて、給排水管４の接合強度（破断寿命）及びシールプレート９の接合強度（破断寿命）へのシールプレート９の板厚の差異の影響について調べるために、（１）シールプレート９の板厚＝６ｍｍの場合と、（２）シールプレート９の板厚＝４．５ｍｍの場合とについて、以下の手順で数値解析シミュレーションを行った。

まず、（１）及び（２）の場合それぞれについて、ステーブ本体２、給排水管４、高炉鉄皮５、保護管７、側板８、及びシールプレート９を本発明に従って（例えば図２のように）配置及び接合し、シールプレート９の板厚が異なる２つの解析モデルを構築した。次いで、その２つの解析モデルを用い、炉内ガス温度がＴ_high（℃）からＴ_low（℃）まで変化する際に給排水管４とステーブ本体２との固定構造ａで生じる相当塑性歪増分Δε_paを算出した。同様に、２つの解析モデルを用い、炉内ガス温度がＴ_high（℃）からＴ_low（℃）まで変化する際にシールプレート９と側板８及び保護管７との固定構造ｂで生じる相当塑性歪増分Δε_pbを算出した。「固定構造ａで生じる相当塑性歪増分Δε_pa」は、ステーブ本体２に対して配管（給排水管４及び保護管７）を曲げた際の、給排水管４の溶接線周りの塑性歪の変化量を意味し、「固定構造ｂで生じる相当塑性歪増分Δε_pb」は、保護管７及び側板８（コーミング構造１０）によって生じるシールプレート９の塑性歪の変化量を意味する。ここで、Ｔ_high（℃）及びＴ_low（℃）は、対象とする高炉に応じて適宜決定することができ、例えば、Ｔ_high（℃）は１０００～１２００℃、Ｔ_low（℃）は５００～６００℃であってもよい。Ｔ_high（℃）及びＴ_low（℃）については、例えば後述するようにリブ温度計の測定値から推定することができる。また、炉内ガス温度の初期温度も特に限定されないが、例えば２００℃であればよい。

上記のように求めた各Δε_pに基づいて、以下の式：Δε_p＝Ａ／Ｎ_p ^mから、それぞれの場合における破断回数（破断したときの繰り返し回数）Ｎ_pを算出した。Ａ及びｍは、使用する解析モデル、すなわち各部材の種類や寸法から決まる実験係数であり、本明細書で開示の数値解析シミュレーションにおいては、Ａ＝０．１４、ｍ＝０．５０２とした。また、炉内ガス温度がＴ_high（℃）からＴ_low（℃）まで変化する熱負荷変動が炉内で生じる回数：ｎ（回／年）を、リブ温度計（いわゆる一般リブ温度計）により推定した。リブ温度計とはステーブクーラーのリブ部に埋め込まれた温度計であり、そのうち耐火物を保持するリブに埋め込まれた温度計を一般リブ温度計という（一般リブよりもさらに炉内側に突出するリブを突出リブということがある）。炉内ガス温度は、ステーブ本体２の一般リブ温度計と正相関しており、一般リブ温度計の測定値から１年間で上記熱負荷変動が炉内で生じる回数、すなわち炉内ガス温度がＴ_high（℃）からＴ_low（℃）まで変化する回数を推定できる。対象とする高炉により変更可能であるが、例えば、Ｔ_high（℃）を１０００～１２００℃とする場合は、一般リブ温度計１５０～２２０℃（例えば２００℃程度）とすればよい。

求めたそれぞれの破断回数Ｎ_p（回）を、炉内ガス温度がＴ_high（℃）からＴ_low（℃）まで変化する熱負荷変動が炉内で生じる回数ｎ（回／年）で除することで、破断寿命Ｎ_p／ｎ（年）を算出した。ここで、本明細書で開示の数値解析シミュレーションにおいては、一般リブ温度＝２００℃を閾値として、実際の高炉の操業における所定の期間のデータからｎ＝３９（回／年）とした。シールプレート９の板厚が６ｍｍ及び４．５ｍｍの場合における固定構造ａ及びｂの破断寿命の結果を表１に示す。

表１を参照すると、シールプレート９の板厚が６ｍｍ及び４．５ｍｍのいずれの場合であっても、破断寿命について固定構造ａ＞固定構造ｂであり、すなわち、シールプレート９の板厚に関係なく、炉内配管に比べシールプレート９を優先的に破損するようにしておくことができることがわかる。また、シールプレート９の板厚が６ｍｍの場合と４．５ｍｍの場合とを比較すると、シールプレート９の板厚４．５ｍｍの場合の方が、固定構造ａの破断寿命が長く、したがって炉内配管の破損をより効果的に防止することができ、より安定した高炉操業が可能となる。一方、シールプレート９の板厚４．５ｍｍの場合の方が、固定構造ｂの破断寿命が短く、したがってシールプレート９の破断寿命が短くなっているものの、上述したように、シールプレート９の補修は炉外から比較的容易に行うことができ、数年程度の寿命を有していれば特に問題とならない。むしろ、高炉の安定操業のためには、シールプレート９の破断寿命を多少犠牲にしてでも、炉内の配管の破損の可能性を低くすることが極めて重要である。

（固定部材）
本発明に係る銅又は銅合金製ステーブでは、必要に応じて、ステーブ本体２と高炉鉄皮５をより強固に固定するための固定部材１４を設けることができる。したがって、ステーブ本体２を、当該固定部材１４により高炉鉄皮５に固定することができる。固定部材１４は、高炉操業中のステーブ本体２の熱変形を抑制するために機能することができる。図１及び図２には、それぞれ、同様の位置に１つの固定部材１４が示されているが、固定部材１４の位置及び本数については、ステーブ本体２の寸法等に応じて適宜設定することができる。ステーブ本体２が長尺（例えば、長さが２．５ｍ超）である場合、高炉操業時の熱変形が大きいため、固定部材１４の本数を増加させるとよく、例えば、固定部材１４の数を６本以上、好ましくは８本以上とすることができる。

（高炉鉄皮）
高炉鉄皮５は、給排水管４及び保護管７が貫通する開口部６を有する。本発明において、ステーブ本体２の給排水口１３が、ステーブ本体２の上下端部近傍に、ステーブ本体２の幅方向に沿って一列に配置されるため、その給排水口１３の高さ方向及び幅方向の位置と同一の位置に配置される開口部６も、高炉鉄皮５上で幅方向に沿って一列に配置される。また、本発明によれば、給排水管４の外径が６０ｍｍ以下であり、保護管７の外径が７５ｍｍ以下であるため、高炉鉄皮５の開口部６を、従来の伸縮管式ステーブ１と同程度（例えば、±１０％以内の差）にすることができる。そのため、高炉鉄皮５の強度を維持したまま、コーミング構造１０を採用することが可能となる。

本発明において、各部材の接合方法は特に限定されないが、例えば、溶接、ボルト接続などが挙げられ、好ましくは、溶接である。また、各部材の接合において、作業を容易にするために追加の部品を適宜使用してもよい。

本発明は、製鉄用高炉などの高温炉における銅又は銅合金製ステーブに利用することができる。

１ 伸縮管式ステーブ
２ ステーブ本体
３ 冷却水路
４ 給排水管
５ 高炉鉄皮
６ 開口部
７ 保護管
８ 側板
９ シールプレート
１０ コーミング構造
１１ コーミング構造式ステーブ
１２ 伸縮管
１３ 給排水口
１４ 固定部材

Claims (5)

1. 高さ方向に沿って延在する冷却水路を内部に備える銅又は銅合金製のステーブ本体と、
   前記ステーブ本体の給排水口に接合され、高炉鉄皮の開口部を貫通して延在する給排水管と、
   前記給排水管を包囲するように、一端が前記ステーブ本体に、他端が前記給排水管に接合された保護管と、
   側板及びシールプレートを備えるコーミング構造であって、前記保護管を包囲するように、前記側板の一端が前記高炉鉄皮に接合され、前記シールプレートが前記側板の他端及び前記保護管に接合された、少なくとも１つのコーミング構造とを備える銅又は銅合金製ステーブにおいて、
   前記給排水口が、前記ステーブ本体の上下端部近傍に、前記ステーブ本体の幅方向に沿って一列に配置され、前記給排水管の外径が６０ｍｍ以下であり、前記保護管の外径が７５ｍｍ以下であり、
   炉内ガス温度がＴ _high （℃）からＴ _low （℃）まで変化する際の相当塑性歪増分を繰り返し前記シールプレート及び前記給排水管にそれぞれ与え、
   前記シールプレートが破断したときの繰り返し回数：Ｎ _p1 （回）；
   前記給排水管が破断したときの繰り返し回数：Ｎ _p2 （回）；並びに、
   炉内ガス温度がＴ _high （℃）からＴ _low （℃）まで変化する熱負荷変動が炉内で生じる回数：ｎ（回／年）とした場合に、
   前記給排水管の破断寿命Ｎ _p2 ／ｎ（年）が、前記シールプレートの破断寿命Ｎ _p1 ／ｎ（年）に比べて長くなるように前記シールプレートの板厚を設定した、ことを特徴とする、銅又は銅合金製ステーブ。
2. 前記給排水管の外径が５５ｍｍ以下であり、前記保護管の外径が６５ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項１に記載の銅又は銅合金製ステーブ。
3. 前記シールプレートの板厚が５ｍｍ未満であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の銅又は銅合金製ステーブ。
4. 前記給排水管及び前記保護管を複数備え、当該複数の保護管の全てが、前記コーミング構造により包囲されたことを特徴とする、請求項１～３のいずれか１項に記載の銅又は銅合金製ステーブ。
5. 前記ステーブ本体が、８個以上の固定部材により前記高炉鉄皮に固定されたことを特徴とする、請求項１～４のいずれか１項に記載の銅又は銅合金製ステーブ。