JPH11351758A - アーク式電気炉用水冷ジャケット - Google Patents
アーク式電気炉用水冷ジャケットInfo
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Abstract
衝撃、摩耗が共存する極めて厳しい環境下にあっても長
時間安定的に用いることができるアーク式電気炉用水冷
ジャケットを提供することを目的とする。 【解決手段】 専ら普通鋼で製作された上記水冷ジャケ
ットにカロライジング処理をすることにより、表面に、
最表面のAl濃度が10〜50wt%、厚さ200〜8
00μmのAl拡散浸透層を設けることにより上記目的
を達成する。上記の如き構成に係る本発明の水冷ジャケ
ットによれば耐熱性、耐腐食性、耐摩耗性が向上し、更
に熱衝撃に起因する割れの発生がなくなり、寿命を著し
く延長することができ、経済的効果は甚だ顕著である。
Description
ク式電気炉に使用される新規な水冷ジャケットに関する
ものである。
電気炉内はその高熱に耐える為、溶鋼と直接接触する炉
底内側、下部側壁、出鋼樋、排滓口等耐火物で構築され
た部位を除き、内壁、天井、集塵口は全て水冷されてお
り、その構造や形状から、水冷ジャケット、水冷パネ
ル、水冷箱、水冷管等様々な名称で呼ばれているが、本
発明では、呼称を水冷ジャケットに統一し以下に説明す
る。
す内壁用水冷ジャケットは普通鋼鋼板の溶接構造体1で
40〜70℃の温度の冷却水が満遍なく行きわたる様に
内部には給水口3と排水口4を含む冷却水路が設けら
れ、外部表面には厚さ25mm、幅50mm、長さ13
0mmの鋼板からなるスラグキャッチャー2が多数溶接
固定されている。このスラグキャッチャーは炉内で飛散
するスラグを水冷ジャケット表面に積極的に捕捉する目
的で取り付けられたもので、耐火物を被覆する場合によ
く用いられるスタッドの役割を持っている。
の普通鋼鋼管5を同心円状に配設し、この水冷管5の表
面を耐火性キャスタブル6で被覆しており、水冷管5に
は上記の温度の冷却水が給水口3から供給され、排水口
4へ流されるようになっている。図3に示す集塵口用水
冷ジャケットは、普通鋼鋼管をほぼ円筒状に配設し、こ
の水冷管7の表面にはスタッド8を溶接固定してあり、
外周を耐火性キャスタブル6で被覆している。又図4
(a)(b)に示す天井用水冷ジャケットは図1に示す
内壁用水冷ジャケットと基本構造、板厚は同じである
が、付着したスラグが剥離、落下し易いので本体9の外
部に設けたスラグキャッチャー10は鋼板ではなく直径
25mmの異形棒鋼を長さ30mmに切断した小片を約
75mm間隔で多数溶接固定してつくられている。3は
給水口、4は排水口を示す。
製作費用が最も安価な普通鋼が採用されており、一部に
内壁下部の熱負荷が特に高い部分に於いては普通鋼より
熱伝導性の優れた銅鋳物製の水冷ジャケットが用いられ
ている。実際は高価な銅鋳物よりもJIS規格SS40
0で代表される安価な普通鋼が専ら用いられる。
ラップの溶解、精錬の過程でアーク熱、助燃バーナーに
よる燃料の燃焼熱、及び炉内又は溶鋼中へ添加される炭
素粉、アルミ灰等の燃焼熱、そしてスクラップに混入し
ている塩化ビニール等の燃焼ガスによって、1300℃
を越える高温酸化性且つ腐食性雰囲気に長時間晒されな
がら、更に1500℃を越える溶鋼とスラグの飛沫が表
面に付着、脱落を繰り返す為、表面が急加熱された後、
直ちに冷却水で冷やされるという、急加熱急冷却現象が
表面の至る所で発生している。そして又内壁に配設され
た水冷ジャケットの場合にはスクラップ投入時の機械的
衝撃を直接受ける為、スラグキャッチャーの脱落、表面
鋼板の摩耗減肉、水冷ジャケットの変形が更に加速され
る。
天井とは異なり内側には1000℃を越えるダストを含
んだ高温排ガスが高速で大量に通過している為内面は常
時高温酸化性、腐食性、且つ摩耗性雰囲気下にある。
部位に用いられるものであっても高温酸化及び腐食、熱
衝撃、機械的衝撃、高温摩耗が共存する極めて厳しい環
境下で使用されているのである。
0〜40個に分割して組み込まれる大型構造物で製作費
用は勿論のこと交換には多くの手間と時間を要する為多
大の出費を余儀なくされ、製鋼コスト上昇の要因となる
為極力長寿命であることが望ましい。
い環境下では時間の経過と共にスラグキャッチャーの脱
落と被覆している耐火物の脱落が避けられない為、遂に
は水冷ジャケット本体の表面が露出した状態で使用され
ることになる。スラグキャッチャー脱落の原因は加熱冷
却に起因する溶接部の割れと、内壁用ジャケットの場合
には更にスクラップ投入時の衝撃が加わることによるも
のであるが、耐火物脱落の原因は、スラグの付着により
剥離が生じることと脱落防止用のスタッドの高温酸化と
腐食による減肉で耐火物を保持出来なくなるからであ
る。この様にしてジャケット本体の表面が露出すると高
温に晒される為、水冷シャケット製作時に鋼板を溶接組
立する事により生じる歪みエネルギーが部分的に解放さ
れ、全体が変形し始めると共に、摩耗と熱衝撃の繰り返
しによって溶接部に割れが生じ、更には鋼板自体に割れ
が発生し水漏れが始まる。
流れを乱す為、冷却不充分な高熱部分が発生し更なる割
れを誘発すると共に炉内に流出した水は水蒸気爆発の原
因となるので早めの補修が極めて重要であり、出鋼後一
旦操業を中断し炉内を冷却した後、水漏れ個所を溶接補
修しなければならない。そして操業の中断は即製鋼コス
トを高める事になるので極力短時間で補修を済ませる必
要があり、勢い高熱作業を余儀なくされるので安全、衛
生上の観点からも好ましくない。
溶接補修するが、せいぜい板厚の1/3程度しか溶接部
が溶け込まず残り2/3程は割れが残存する為、他の未
補修の部分より脆弱となる。従って一度割れが入った部
分は補修後も割れが再発し易く、再補修と新たに割れが
入った部分の補修を繰り返しながら使用を続け極力交換
予定日である定期補修日まで延命させる。しかしながら
予定日まで使用に耐えないと判断すれば定期補修日を早
めたり、水漏れしている水冷ジャケットだけを早めに交
換する等の処置が講じられるが、何れの場合であっても
予定外の補修である為、生産計画を狂わせると共に無駄
な出費を余儀なくされる。水冷ジャケットの寿命は炉内
構造や使用条件により大きく変動し一定ではなく凡そ6
〜24ケ月であり、経験に基づき定期交換日を設定して
いるが、予定日前の水漏れ補修や早期取り替えを行って
いるのが実情であり、多額の費用と時間を要するばかり
か劣悪環境下での作業を余儀なくされており、当該水冷
ジャケットの寿命延長が安定操業の維持、補修費低減、
高熱作業の撲滅に極めて重要な課題となっているにも関
わらずその効果的な方法が講じられていないのが現状で
ある。
機械的衝撃、摩耗が共存する極めて厳しい環境下にあっ
て長時間安定的に用いる事が出来るアーク式電気炉用水
冷ジャケットを提供する事を目的とするものである。
努力するにあたって従来から耐高温腐食処理として知ら
れているカロライジング処理に着目した。このカロライ
ジング処理と呼ばれるアルミニウム拡散浸透処理には次
の様な特性がある。
れるAl2O3保護被膜が極めて安定で剥離し難いこ
と。
って耐摩耗性に優れていること。
の成分と合金化することによってAl拡散浸透層が形成
されている為、熱衝撃に強く、剥離し難いこと。
て、高温に加熱保持し徐冷される為に溶接のHAZ(熱
影響部)が消失し、溶接ビードと母材が均一な組成とな
り、且つ連続的にAl拡散浸透層で覆われる為、溶接部
からの劣化、破断が起き難いこと。
被処理物自体が持っている歪エネルギーが殆ど除去され
る為、使用時の加熱によって変形し難いこと。
するカロライジング処理をアーク式電気炉用水冷ジャケ
ットに施して表面にのみ剥離しない高Al濃度のAl拡
散浸透層を形成させるにとにより、母材の機械的性質を
損ねることなく、耐酸化性、耐腐食性、耐摩耗性を向上
せしめ、更に熱衝撃による歪みを軽減せしめると同時
に、溶接部の割れ発生を防止し、大幅な寿命延長が可能
であることを見いだして本発明をなすに至ったのであ
る。
イジング処理を施すことにより、表面に、最表面のAl
濃度が10〜50wt%で厚さ200〜800μmの剥
離し難い堅固なAl拡散浸透層を形成してなる金属製の
アーク式電気炉用水冷ジャケットに関するものである。
を10〜50wt%に限定したのはAl濃度が10wt
%未満の場合、高温耐酸化、耐腐食性の向上が期待出来
ず、一方50wt%を越えると堅くなり過ぎ且つ脆くな
るため、割れ、剥離が起き易くなるからであり、厚さを
200〜800μmに限定したのは本発明が、詳述した
ように極めて厳しい環境下で使用されるため、200μ
m未満では層厚が不足し殆ど効果が得られず、一方80
0μmを越える層厚を得る為には1100℃を越える加
熱温度と20〜30時間の長時間の加熱が必要でカロラ
イジング処理費用が急騰する為、費用対効果の観点から
好ましくないからである。かかるAl拡散浸透層の最表
面の硬度は350〜1000mHVで、母材の3〜7倍
に達しており、高温下に於いても極めて優れた耐摩耗性
を有している。
度20〜60%の鉄アルミニウム合金粉、若しくはアル
ミニウム粉10〜80wt%とアルミナ粉20〜90w
t%及び浸透促進剤たる塩化アンモニウム粉0.1〜2
wt%を混合してなる浸透剤と被処理物、即ち、上述の
ように専ら普通鋼でつくられた水冷ジャケットを半密閉
容器内に充填し、非酸化性又は還元性雰囲気に維持した
まま、加熱炉内にて600〜1100℃の温度に5〜2
0時間加熱保持することによって行われる。
アーク式電気炉用水冷ジャケットは耐酸化性、耐腐食
性、耐摩耗性が向上すると共に、熱衝撃による歪みの発
生が軽減され、更に溶接部に割れが発生しない為、長時
間使用しても水漏れが発生し難くその寿命を著しく延長
する事が出来る。
に詳しく説明する。 〈実施例1>図1に示す本発明の炉内壁用水冷ジャケッ
トを公称溶解量80トンの製鋼用アーク式電気炉の内
壁、それも特に寿命の短い部位に組み込み従来品との比
較テストを行った。本体は板厚16mmの普通鋼鋼板S
S400材を溶接して箱形に組み立てられており、図に
は示していないが、内部は小室に細分化され、40〜7
0℃の冷却水が満遍なく通過していく様工夫されてい
る。そしてこの水冷ジャケットの外部即ち炉内側表面に
は材質SS400の厚さ25mm、幅50mm、長さ1
30mmの板状のスラグキャッチャー2が45枚溶接固
定されており、この表面には耐火物を被覆しないまま使
用し、スクラップ溶解、精錬過程で発生するスラグ飛沫
を積極的に表面に固着させ、以て水冷ジャケットの保護
層を形成させんとしている。即ちスラグキャッチャーは
スラグ固着を促進するので寿命延長の効果は有るが、そ
れでも形成された保護層は操業時の熱衝撃の繰り返しと
スクラップ投入時の機械的衝撃により部分的に脱落し水
冷ジャケット表面が露出する。そして引き続き使用され
る間にスラグが表面に固着し、再度脱落するという、固
着脱落を繰り返す間にスラグキャッチャーは腐食減肉し
スラグ捕捉効果が低下していくと共に、1500℃を超
える高熱のスラグ飛沫による強烈な熱衝撃によりスラグ
キャッチャー溶接部、本体溶接部、更には表面の鋼板に
亀裂が入り水漏れが始まる。かかる従来品の場合使用開
始後3〜5ケ月経過すると、特にスラグキャッチャー溶
接部を起点とした亀裂が多数発生し、水漏れが始まる
が、補修を繰り返しながら所定の交換周期で8カ月間耐
用している。
ジャケットにカロライジング処理を行なう。カロライジ
ング処理は、Al濃度50wt%の鉄アルミニウム合金
粉70wt%、アルミナ粉29wt%、及び塩化アンモ
ニウム1wt%を混合してなる浸透剤と水冷ジャケット
を半密閉容器に充填し非酸化性雰囲気で1000℃で1
0時間加熱して行い、最表面のAl濃度35wt%、表
面硬度450mHV、厚さ400μmのAl拡散浸透層
を得た。この本発明の水冷ジャケットを従来品と同じ部
位に取り付け使用したところ、8ケ月後の交換時期まで
全く水漏れは発生しなかった。本発明品を炉内より取り
外し全てのスラグキャッチャーの溶接部を調査したとこ
ろ、亀裂の発生は皆無であり、他の部分にも割れは発生
していない事が確認できた。又スラグキャッチャー45
個の中から任意に6個を取り外し、それぞれ切断してそ
の断面を検鏡したところ、Al拡散浸透層の厚みは部分
によりばらつきは有るが200〜400μmであり、本
発明品は未だ十分な寿命が残っている事が確認出来た。
水冷ジャケットを公称溶解量50トンの製鋼用アーク式
電気炉に取り付け従来品との比較テストを行った。
パイプをほぼ螺旋状に巻いてあり、その両端の内方側が
給水口、他方が排水口に接続され、常時40〜70℃の
冷却水が流れている。又水冷管の内側の表面には耐火物
落下防止の為スタッドとして普通鋼の全長25mm、外
径12mmのM12ボルトを100mmピッチで溶接固
定している。水冷管は圧力配管用炭素鋼鋼管JIS規格
STPG 40A sch(スケジュール)80、肉厚
5.1mmを用いており、その全周を厚さ110〜13
0mmの耐火性キャスタブル6で被覆している。電気炉
排ガスは図中下方より上方へ向かって流れ、集塵口ジャ
ケットは炉の天井とほぼ同じ高さに取り付けられており
スラグ面より離れているが、それでも尚スプラッシュの
固着が避けられない。このスラグは始めの間は水冷管を
保護しているキャスタブルに固着するが、固着量が増加
するとその重量を保持出来なくなり、キャスタブル被覆
層が中間から剥離し、固着したスラグと共に炉内へ落下
する。そしてスラグ固着、脱落を繰り返すが、その結果
キャスタブルを保持する為のスタッドが露出し、以後排
ガスに常時晒される事になり、急速に減肉してその機能
が低下する。更に、キャスタブルの脱落が進むにつれ水
冷ジャケットが高温に晒される事になり、溶接組立時に
残留した歪みエネルギーが解放されてジャケット自体が
大きく変形する事がキャスタブルの脱落に拍車をかけ、
遂には水冷管の大部分が常に露出したままになり、以後
急速に腐食と摩耗による減肉が進む。かかる従来品の場
合、使用開始後5〜6ヶ月経過すると減肉の激しい部分
に穴が開き水漏れが始まり、水漏れ個所は使用につれ増
加していき、補修を繰り返しながら10ヶ月間使用し新
しい水冷ジャケットと交換するが、交換前の1ヶ月程前
からは連日補修しながら操業を続けることを余儀なくさ
れている。
なり、まだ耐火物被覆されていない水冷ジャケットにつ
いて、まずカロライジング処理を実施例1と同条件で実
施し、水冷管及びスタッド外表面にAl濃度35wt
%、表面硬度450mHV、厚さ400μmのAl拡散
浸透層を得た。次にこの管にキャスタブル被覆処理を行
なう。即ち耐火物とバインダーの粉末を水により混練し
てこの液と被処理材をともに枠の中に入れ放置乾燥し、
硬化せしめ、これを剥離して被処理材の表面に100〜
130mmの厚さを有するキャスタブルの層を形成し
た。この水冷ジャケットを従来品と同じ部位に取り付け
使用したところ、10ケ月後の交換時期まで全く水漏れ
は発生しなかった。調査のため従来品同様10ケ月経過
後取り外したところ、スタッドの約半数は先端が露出し
ていたものの、水冷管はごく一部が露出しているだけで
ほぼ全周にわたりキャスタブルで被覆されていた。そし
て最も損傷の激しい水冷管の露出部を切断検鏡したとこ
ろ、Al拡散浸透層は100〜200μmに減耗してい
たが全周にわたり残存しており、母材は全く損傷してお
らず健全な状態が維持されていた。又キャスタブルで被
覆されていた部分を任意に2ケ所選び水冷管を切断し断
面を検鏡したところ、Al拡散浸透層は380〜420
μmで、全く消耗していなかった。かくて本発明の水冷
ジャケットは少なくとも更に10ケ月程の寿命が有った
事が確認出来た。
部に棒鋼を一定間隔毎に溶接して形成された円柱状スラ
グキャッチャー10を有する天井用水冷ジャケットを板
厚16mmの普通鋼鋼板SS400材より製作し、これ
を公称溶解量60トンの製鋼用アーク式電気炉の最も損
傷が激しく寿命の短い部位に組み込み従来品と比較し
た。この天井用水冷ジャケットの場合内壁用等と異な
り、溶接補修作業が困難な為、水漏れを始めると軽微な
内に早めに交換することにしており、交換時期は7〜1
0ケ月である。
ついてカロライジング処理を実施例1と同じ浸透剤を用
いて1080℃で20時間加熱して行い、スラグキャツ
チャー及び本体表面にAl濃度40wt%、表面硬度5
00mHV、厚さ700μmのAl拡散浸透層を得た。
この本発明の水冷ジャケットを従来品と同じ部位に取り
付けて使用中であり現在15ケ月を経過したところであ
るが全く水漏れは発生していない。10ヶ月経過した時
点で外観調査を行ったところ、全面にスラグが固着して
水冷ジャケットは全く露出しておらず、スラグキャッチ
ャーが脱落することなく有効に機能していることが確認
出来、少なくとも従来品の2倍以上の寿命を保有してい
るものと判断できる。
面に所定のアルミニウム拡散浸透層を設けてなる本発明
の水冷ジャケットは耐熱性、耐腐食性、耐摩耗性に優
れ、更に熱衝撃に起因する割れの発生が無く、寿命を著
しく延長することが出来るので高熱下の補修作業を軽減
すると共に作業コストを軽減することができ経済的効果
は甚だ顕著である。
の平面図。bはaのX−X線断面図。
図。
平面図。bはaのY−Y線断面図。
Claims (1)
- 【請求項1】カロライジング処理をすることにより、表
面に、最表面のAl濃度が10〜50wt%、厚さ20
0〜800μmのAl拡散浸透層を設けてなることを特
徴とする金属製のアーク式電気炉用水冷ジャケット。
Priority Applications (7)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP15760598A JP3447563B2 (ja) | 1998-06-05 | 1998-06-05 | アーク式電気炉用水冷ジャケット |
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