金属・製鉄・鋼業業界業界におけるロータリーバルブの選び方

鉄鋼や非鉄金属の製造現場では、例えば酸化鉄やオイルコークス、けい砂など硬度が高く高温となる原料を大量に扱っています。もし一般的なバルブを使用すると数週間でボロボロになるような過酷な環境で、メンテナンス頻度を下げてラインの稼働率を維持するためには、強靭な仕様のバルブを選定する必要があります。

本記事では、重工業の心臓部を支えるロータリーバルブを選定する際のポイントを解説しています。

金属・製鉄・鋼業業界業界に向いているロータリーバルブとは

金属・製鉄業界で取り扱う亜鉛やコバルト、鉄粒などの原料は、比重が極めて重く、粒子が鋭利で硬いといった特徴を持っているため、バルブの内部に衝撃と摩擦を与えます。この時に標準的なバルブを使用すると、原料の重みによって軸のたわみや、粒子の衝突による金属疲労の影響で短期間に破損してしまいます。

これらの理由で金属・製鉄・鉱業業界においては、筐体そのものが構造物として強固な、重金属専用設計が必要となります。

高剛性・肉厚設計

金属・製鉄・鋼業業界業界に向いているロータリーバルブと標準機との大きな違いは、鋳物の肉厚と軸の径の2点が挙げられます。

まず原料の衝突音を抑えつつ、内側からの摩耗に対し十分に「削られる代（しろ）」を確保した重肉厚構造が求められます。またバケットに対して鉄粒やコバルトといった重量物を大量に乗せても、軸がしならない強度を持った高剛性シャフトが必要です。これは、軸がたわんでしまった場合、羽根の先端が本体内部を削ってしまう「カジリ」の原因となるためです。

耐熱仕様

製鉄所の高炉周りや原料を乾燥させる工程では、バルブ内を通過する粉体が数百℃に達するケースも珍しくありません。そのため、熱膨張を計算したクリアランス（隙間）が求められます。

金属は熱で膨張する性質を持っています。常温でピッタリとなるクリアランスでは、熱を持った際にローターが膨らみ本体をロックしてしまうので、高温になった場合を見越して、あらかじめ広めの隙間を開けるよう設計します。

また、軸受（ベアリング）は通常では本体に内蔵されていますが、これを耐熱仕様とする場合は本体から突き出す形で外側に配置します。このような仕様にすることで内部の熱がベアリングに直接伝わるのを防げるので、グリスの焼き付けやベアリングの破損を回避できます。もし粉体がシールを突き抜けても、そのまま外に落ちていくのでベアリングを痛めずに済みます。

金属・製鉄・鋼業業界業界の現場を悩ませる課題と対策

酸化鉄・けい砂等による「極度の摩耗」対策

酸化鉄やけい砂は非常に硬い性質を持ち、バルブ内部を常にサンドブラストしているような状態になります。そのためケーシングやローターでは急激な摩耗が発生し、気密性が失われて粉塵の吹き上げ・輸送トラブルなどにつながる可能性があります。また金属粉が原料に混入することで、製品の純度や品質の低下につながります。

上記のような問題には、例えばローターの先端や内部に「ステライト肉盛」や「タングステンカーバイド」を施した超硬度な表面の形成や、セラミックを内張にした半永久的な耐摩耗性の追求などの対策があります。

オイルコークス・炭酸ニッケル等の「付着・ブリッジ」対策

オイルコークスなどは粘性を持ち、また炭酸ニッケルなどの微粉は水分を吸うと強く固着します。これらの現象が発生すると、バルブ内部に原料が堆積して有効容積が減少するため、計画に沿った供給量の確保が難しくなります。また固着した原料がローターをロックするために過負荷がかかり、駆動系の破損につながります。

上記の対策としては、特殊コーティングによる付着の防止、回転しながら壁面を掃除するスクレイパー付きローターの使用、内部に圧縮空気や窒素を吹き込む粉体の停滞排除などの方法があります。

硫酸ニッケル・フラックス等による「腐食と化学反応」対策

硫酸ニッケルなど科学的に活性な原料や、吸湿して酸やアルカリ性を示す原料は金属を腐食させます。例えば、バルブ本体の肉厚が腐食によって減少した場合には強度低下を招き、ケーシングが破損してしまい原料が飛散します。また、シール部の劣化によって有毒な粉塵やガスが漏洩するなど、安全上のリスクが生じる可能性が考えられます。

この場合、耐食材料の選定を行うことが対策として挙げられます。例えばSUS316Lや、さらに過酷な環境の場合にはハステロイやチタンなどの高級耐食合金の採用を検討します。また、フッ素樹脂（PTFE）や特殊合成ゴムを使用して、薬品の影響による膨潤や劣化の防止が必要となります。

メンテナンスと設備選定のポイント

部品交換を容易にする

ロータリーバルブのメンテナンスにおいては、容易に部品交換できる設計とするのもポイントのひとつです。

例えば酸化鉄や鉄粒などの硬い原料を扱う場合、金属による摩耗をゼロにすることは不可能です。そのため、バルブ全体を消耗品と考えるのではなく、摩耗する部分のみを分割し交換しやすい設計にします。例えばローターの羽先や、ボディーの内側をボルト留めして別パーツ構成にすることを「セグメント構造」や「チップ交換式」と呼びます。

数トン規模のバルブ本体をクレーンで吊り下げて交換を行う場合、多くの工数と費用がかかりますが、セグメント構造にすることにより、摩耗した羽根の先だけを現場で交換できます。また、メンテナンスにかかる時間も数日から数時間に短縮され、ライフサイクルコストを抑えることもできます。

異常予兆の検知

最新の重工業プラントの場合、IoTを活用した予知保全の導入が行われています。これは、ロータリーバルブの駆動モーターにかかる負荷をリアルタイムで監視するシステムです。例えば、もし硬い原料が隙間に詰まり始めた場合、瞬間的にトルクのスパイク（急上昇）が発生します。また内部に原料がこびり付くと回転抵抗が徐々に増え、ベースとなる平均トルクが右肩上がりに上昇します。

このように、完全にロックしてモーターが焼損したり軸が折れたりする前にアラートを出し、自動で逆転・停止させる機能を搭載することで、致命的な故障の回避につながります。この仕組みによって、計画外の突発的な停止をゼロに近づけることができます。

まとめ

金属・製鉄・鋼業業界業界で使用されるロータリーバルブは、本記事で解説してきたように過酷な状況にも耐えられる強靭な設計が必要です。高剛性・肉厚設計や耐熱仕様に加えて、摩耗や付着・ブリッジ、腐食・化学反応などへの対策も求められます。また、部品を容易に交換できる仕様など、メンテナンスも非常に重要なポイントです。以下の記事では、ロータリーバルブのメンテナンスやよくあるトラブルの原因についてまとめていますので、ぜひ参考にしてください。

ロータリーバルブのメンテナンス

ロータリーバルブでよくあるトラブルの原因