JP4654304B2 - 高炉送風機 - Google Patents
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Description
本発明は、酸素富化された空気を高炉に送風する高炉送風機に係り、特にこのような高炉送風機として使用される軸流圧縮機の構造に関するものである。
高炉に送風される空気は、従来、高炉送風機から吐出される空気に酸素圧縮機から酸素を供給することで作製されていた。しかし、高炉送風機から吐出される空気に酸素を供給すると、高炉送風機の吐出圧力以上に酸素圧縮機から吐出する酸素の圧力を上げる必要があり、エネルギー量の増加とともに安全性に関わるメンテナンスに対して大きな労力を必要としていた。現在、このような問題点を解決するために、高炉送風機が吸入する空気に空気分離装置より酸素を供給し、酸素富化された空気を高炉送風機内で圧縮して吐出側から高炉に送風する方法が採られている。
ここで、高炉送風機は、酸素富化された空気を高炉に送風するために、ケーシング内で回転するロータに設けられた動翼と、ケーシング内に設けられた静翼とにより、酸素富化された空気を圧縮する必要がある。しかし、酸素富化率が５％を超える空気を高炉送風機内で圧縮すると、発火現象が生じるおそれがあるとされており、酸素富化率が５％を超える空気を高炉に送風することができなかった。このため、酸素富化率が５％を超える空気を安全に高炉に供給する高炉送風機が要求されている。
ここで、従来、高炉送風機の吸入側と吐出側の両方に酸素供給ラインを備えることで、酸素富化率が５％を超える空気を高炉に供給することが提案されている（特許文献１）。
しかしながら、高炉送風機の吐出側に高圧酸素が要求されていることに変わりはなく、これを改善するために高炉送風機の吸入側の酸素富化率を高めると、高炉送風機内に使用される鋼製部材、特に低合金鋼製部材は酸素富化された空気に暴露されて強度の低下を引き起こすおそれがある。図３に、低合金鋼製部材を４００度で酸素濃度２１％〜５０％の雰囲気下に１００時間暴露した時の硬さを測定した結果を示した。この図から明らかなように、低合金鋼製部材の内部（図中、○印）は強度に目立った変化がないものの、低合金鋼製部材の表面部（図中、◆印）は酸素濃度に応じてその強度が大きく低下する傾向があることから、低合金鋼製部材の強度低下を防ぐために酸素濃度の影響を低減することが重要であることがわかる。
この発明は、このような従来の問題点を解消するためになされたもので、酸素富化された空気中で使用される低合金鋼製部材の酸化を抑制し、これに伴う強度低下を抑制した高炉送風機を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明は、酸素富化した空気を吸入して高炉に送風する高炉送風機であって、前記酸素富化した空気が流れるケーシング内において複数の動翼が回転軸部材の周方向に固定されて回転するロータと、前記酸素富化した空気中に露出する前記回転軸部材の表面上に形成された非鉄金属およびセラミックスのうち少なくとも１つから成る酸化・発火抑制層とを有することを特徴とする高炉送風機を提供するものである。
さらに、前記酸化・発火抑制層は、六方晶系の層状結晶構造から成る潤滑材を含むことが好ましい。
本発明によれば、酸素富化された空気中で使用される低合金鋼製部材の酸化を抑制し、これに伴う強度低下を抑制することができる。
以下に、添付の図面に示す好適な実施形態に基づいて、この発明を詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る高炉送風機１０の構成を示す。高炉送風機１０は、酸素富化した空気を吸入して高炉に送風する軸流圧縮機であって、内部を酸素富化した空気が流れるケーシング１２と、ケーシング１２の内部に回転可能に設けられたロータ１４とを有している。
ケーシング１２は、筒状の形状を有するケーシング本体１６と、ケーシング本体１６の内周面上に固定された複数の静翼１８とを有する。
ケーシング本体１６は、軸方向に向かって縮径される内周面を有しており、その内部を酸素富化された空気が流れる（矢印ｘ方向）ものである。静翼１８は、飛行機の翼と同様の断面形状を有し、複数の静翼１８がケーシング本体１６の内周面上に全周にわたって配置されており、各静翼１８は一定間隔でケーシング本体１６の中心軸に向かって固定されている。このような周方向に沿って固定された複数の静翼１８がケーシング本体１６の軸方向に複数段配列されている。
なお、ケーシング本体１６と静翼１８の素材は、空気抵抗による応力に耐え得る強度を有し、耐熱性を有するものであれば特に限定されず、例えばケーシング本体１６には炭素鋼が用いられ、静翼１８にはステンレス鋼が用いられる。
ケーシング本体１６は、軸方向に向かって縮径される内周面を有しており、その内部を酸素富化された空気が流れる（矢印ｘ方向）ものである。静翼１８は、飛行機の翼と同様の断面形状を有し、複数の静翼１８がケーシング本体１６の内周面上に全周にわたって配置されており、各静翼１８は一定間隔でケーシング本体１６の中心軸に向かって固定されている。このような周方向に沿って固定された複数の静翼１８がケーシング本体１６の軸方向に複数段配列されている。
なお、ケーシング本体１６と静翼１８の素材は、空気抵抗による応力に耐え得る強度を有し、耐熱性を有するものであれば特に限定されず、例えばケーシング本体１６には炭素鋼が用いられ、静翼１８にはステンレス鋼が用いられる。
ロータ１４は、ケーシング１２内において回転可能に設けられた回転軸部材２０と、回転軸部材２０に固定された複数の動翼２２とを有する。
回転軸部材２０は、低合金鋼で製作された低合金鋼製部材であり、軸方向に向かって拡径する円柱状の形状を有し、ケーシング１２内においてケーシング本体１６の中心軸上に延在し、図示しない駆動手段により自らの軸周りに回転する。
動翼２２は、飛行機の翼と同様の断面形状を有し、複数の動翼２２が回転軸部材２０の外周面上に全周にわたって配置されており、各動翼２２は一定間隔で放射状に固定されている。このような周方向に沿って固定された複数の動翼２２が回転軸部材２０の軸方向に複数段配列されている。複数の動翼２２の回転軸部材２０の軸方向への配列と複数の静翼１８のケーシング本体１６の軸方向への配列は、交互に何段も並べられており、酸素富化された空気を連続的に圧縮して下流方向へ流すように構成されている。
なお、複数の静翼１８および複数の動翼２２の形状および向きは、酸素富化された空気を下流方向へ流すことができれば特に限定されない。また、動翼２２の素材は、空気抵抗による応力に耐え得る強度を有し、耐熱性を有するものであれば特に限定されず、例えばステンレス鋼が用いられる。
回転軸部材２０は、低合金鋼で製作された低合金鋼製部材であり、軸方向に向かって拡径する円柱状の形状を有し、ケーシング１２内においてケーシング本体１６の中心軸上に延在し、図示しない駆動手段により自らの軸周りに回転する。
動翼２２は、飛行機の翼と同様の断面形状を有し、複数の動翼２２が回転軸部材２０の外周面上に全周にわたって配置されており、各動翼２２は一定間隔で放射状に固定されている。このような周方向に沿って固定された複数の動翼２２が回転軸部材２０の軸方向に複数段配列されている。複数の動翼２２の回転軸部材２０の軸方向への配列と複数の静翼１８のケーシング本体１６の軸方向への配列は、交互に何段も並べられており、酸素富化された空気を連続的に圧縮して下流方向へ流すように構成されている。
なお、複数の静翼１８および複数の動翼２２の形状および向きは、酸素富化された空気を下流方向へ流すことができれば特に限定されない。また、動翼２２の素材は、空気抵抗による応力に耐え得る強度を有し、耐熱性を有するものであれば特に限定されず、例えばステンレス鋼が用いられる。
図２の断面図（空気の流れに直交する方向からの断面図）に示すように、回転軸部材２０の表面上に酸化・発火抑制層２４が形成されている。酸化・発火抑制層２４は、非鉄金属およびセラミックスのうち少なくとも１つから成り、回転軸部材２０を酸素富化された空気から遮断して酸化を抑制すると同時に他の部材（静翼１８等）との接触による火花も抑制する。
ここで、酸化・発火抑制層２４は、非鉄金属およびセラミックスのうち少なくとも１つから成り、酸化および発火を抑制して耐熱性を有するものであれば特に限定されず、市販の皮膜材を用いることができる。なお、非鉄金属としては、例えばアルミニウム、タングステン、鉛、亜鉛、金、銀、銅、ニッケル、コバルトなどが利用できる。また、セラミックスとしては、例えばシリカ、アルミナ、ジルコニア、炭化ケイ素などが利用できる。
ここで、酸化・発火抑制層２４は、非鉄金属およびセラミックスのうち少なくとも１つから成り、酸化および発火を抑制して耐熱性を有するものであれば特に限定されず、市販の皮膜材を用いることができる。なお、非鉄金属としては、例えばアルミニウム、タングステン、鉛、亜鉛、金、銀、銅、ニッケル、コバルトなどが利用できる。また、セラミックスとしては、例えばシリカ、アルミナ、ジルコニア、炭化ケイ素などが利用できる。
次に、高炉送風機１０を用いて行われる、酸素富化された空気を高炉に送風する時の動作を説明する。
まず、高炉への送風が開始されると、回転軸部材２０がケーシング本体１６の周方向に回転し、それに伴い回転軸部材２０の軸方向に配列された複数の動翼２２も回転することで、高炉送風機１０内のケーシング１２とロータ１４との間に空気の流れが形成される（矢印ｘ方向）。
この状態で、図示しない空気分離装置より導かれた酸素により酸素を富化された空気が、ケーシング本体１６の空気吸入口２６から吸入され、回転軸部材２０に固定された動翼２２の揚力による圧縮とケーシング本体１６に固定された静翼１８による整流（後方の動翼２２の流入角度方向に転向）とを繰り返しながら連続的に圧縮されて下流方向へと流れていく。
この状態で、図示しない空気分離装置より導かれた酸素により酸素を富化された空気が、ケーシング本体１６の空気吸入口２６から吸入され、回転軸部材２０に固定された動翼２２の揚力による圧縮とケーシング本体１６に固定された静翼１８による整流（後方の動翼２２の流入角度方向に転向）とを繰り返しながら連続的に圧縮されて下流方向へと流れていく。
ここで、低合金鋼製部材である回転軸部材２０には、その表面上に非鉄金属およびセラミックスのうち少なくとも１つから成る酸化・発火抑制層２４が形成されている。これにより、高酸素雰囲気下においても酸化・発火抑制層２４が酸素を遮断し、回転軸部材２０の酸化を抑制することができる。特に、回転軸部材２０は、動翼２２を伴って回転しているため遠心力による応力が常に結合部に印加される状態にあり、酸化による表面強度の低下の影響を受けやすい部材であるが、酸化・発火抑制層２４により回転軸部材２０の酸化を表面で防ぐことで強度の低下の広がりを防ぐことができる。
高炉送風機１０内では、酸素富化された空気を連続的に圧縮する必要があるため、それぞれの部材が互いに接近して設置されており、何らかの不具合により接近した部材の接触により火花が生じ、高酸素雰囲気下では発火するおそれがある。ところが、酸化・発火抑制層２４が、回転軸部材２０と他の部材との接触による火花の発生や摩擦熱を低減するので、発火を抑制することができる。
酸素富化された空気は、連続的に圧縮されて下流方向へ流れていき、ケーシング本体１６の空気排出口２８から高炉へ送風される。
このように、低合金鋼製部材である回転軸部材２０の表面に非鉄金属およびセラミックスのうち少なくとも１つから成る酸化・発火抑制層２４を形成することで、酸化に伴う強度の低下を抑制することができる。また、酸化・発火抑制層２４により、回転軸部材２０と他の部材との接触に伴う発火を抑制することができ、高酸素雰囲気下における高炉送風機の運転を安全に行うことができる。
なお、低合金鋼製部材は、回転軸部材２０に限定されず、その他の部材においても低合金鋼を用いたものがあればその表面上に酸化・発火抑制層を形成することが好ましい。
また、酸化・発火抑制層２４には、非鉄金属およびセラミックスから成る成分に加え、六方晶系の層状結晶構造から成る潤滑材を含んでもよい。これにより、回転軸部材２０と他の鋼製部材との接触による発火を抑制すると共に、摩擦に伴う発熱を低減することができ、酸素濃度の高い環境であっても安全に高炉への送風を行うことができる。なお、六方晶系の層状結晶構造から成る潤滑材とは、例えば二硫化モリブデンや六方晶窒化ホウ素などが利用できる。
１０ 高炉送風機
１２ ケーシング
１４ ロータ
１６ ケーシング本体
１８ 静翼
２０ 回転軸部材
２２ 動翼
２４ 酸化・発火抑制層
２６ 空気吸入口
２８ 空気排出口
１２ ケーシング
１４ ロータ
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２４ 酸化・発火抑制層
２６ 空気吸入口
２８ 空気排出口
Claims (2)
- 酸素富化した空気を吸入して高炉に送風する高炉送風機であって、
前記酸素富化した空気が流れるケーシング内において複数の動翼が回転軸部材の周方向に固定されて回転するロータと、前記酸素富化した空気中に露出する前記回転軸部材の表面上に形成された非鉄金属およびセラミックスのうち少なくとも１つから成る酸化・発火抑制層とを有することを特徴とする高炉送風機。 - さらに、前記酸化・発火抑制層は、六方晶系の層状結晶構造から成る潤滑材を含むことを特徴とする請求項１に記載の高炉送風機。
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