JP2002544374A - シャフト炉、特に高炉または熱風キュポラ用の羽口 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、シャフト炉、特に高炉または熱風キュポラ用の羽口であって、内皮および外皮を備えて円錐状に形成される中空体と、内皮および外皮を結合する正面部とからなり、シャフト炉に供給されるべき熱風が羽口の内皮を通して送られ、内皮と外皮との間に形成される羽口の空洞に操業時冷却材流が通され、この空洞がそれぞれ正面部領域内にある前室とこれに続く主室とに仕切られており、前室と主室とが液圧上相互に完全に分離され、それぞれ１つの独立した冷却材回路と独自の接続口とを有する。外皮２は横断面で見て垂直軸対称な一体の基体１によって形成され、この基体が正面側で段差なしに正面部５に移行しており、内皮３は円錐状に形成される溶接部４によって形成され、正面部５に冷却材を供給して排出する通路１１，１３が羽口の１２時位置領域内で羽口長手軸を基準にして羽口主室１０の原横断面の外側に配置されており、溶接部４は主室１０の螺旋状に形成される冷却通路１５の内側覆いを形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明は、請求項１の前文に記載された、シャフト炉、特に高炉または熱風キ
ュポラ用の羽口に関する。

【０００２】 このような水冷式羽口は、大部分が銅もしくは銅合金で鋳造された部品を用い
て製造されており、シャフト炉の効率的操業を確保するために熱風を供給するの
に広く利用されている。高炉における混合熱風の温度は、圧力が２．５〜５．５
バールの場合、摂氏約７００度から１３００度超の範囲内である。羽口の内皮、
この場合特に正面部が強く負荷されるだけでなく、シャフト炉の耐火ライニング
の摩耗進展に伴い、従って羽口正面領域が露出するのに伴って、例えば銑鉄、ス
ラグ、部分還元装入物、亜鉛等の溶融相によって、またコークスおよび／または
風で侵食されることにより、皮領域がますます強く負荷される。こうした極端な
負荷のもとでは、十分な寿命を達成するために、羽口内に通される冷却材、大抵
は冷却水、による強力冷却によって羽口を耐え得る温度に保つ必要がある。さら
に、溶融相や侵食の腐食作用による羽口の表面摩耗を好適な措置によって最少に
する必要がある。

【０００３】 ＤＥ−ＯＳ ３５０５９６８により、シャフト炉用羽口は公知である。この構
造では、内皮および外皮とこれらに結合された正面部とからなる二重壁中空体が
基部に固着されている。内皮と外皮との間に形成される空洞は、正面部領域内に
配置される中間壁によって前室とこれに続く主室とに仕切られている。基部内に
配置される冷却材供給管路は、管として主室と中間壁とを通過して前室内にまで
延びている。中間壁は複数の孔を有し、冷却材は前室から主室内に流れて戻るこ
とができる。そこから冷却材は、基部に設けられた孔を介して環状室内に流れる
ようになっている。この環状室は戻り接続口を備えている。この構造の欠点とし
ては、羽口が単に１つの冷却回路系で冷却され、冷却の故障時、もしくは羽口に
漏れを生じ、従って一般に不可避的に必要となる冷却水量の絞り時、羽口が強く
負荷されて短期間のうちに破壊され、そのことからあらゆる副次的障害や危険が
生じてしまうということである。他の欠点としては、幾つもの個所に冷却水が通
されておらず、こうして乱流が起きて蒸気泡の生成を促進し、これらの個所で熱
排出が著しく低減していることに見ることができる。極端な場合、そのことから
羽口の局所的融解、従って破壊を生じることがある。

【０００４】 羽口の１つの改良がＵＳ ２，７３５，４０９により公知になっている。この
公知の実施形態では、中空体が正面部領域内にある前室とこれに続く主室とに仕
切られており、前室と主室とは液圧上相互に完全に分離され、それぞれ１つの独
立した冷却材回路と独自の接続口とを有している。主室の冷却材回路は外皮を形
成する螺旋状に密に巻かれた管からなり、前室の冷却材回路は２つの平行な直管
からなり、これらの管は正面部のＵ字状に形成された環状通路に通じている。第
１実施形態では内皮が平滑な円錐管として形成されており、前室の両方の直管は
内皮と外皮との間に配置されている。第２実施形態では内皮がやはり、螺旋状に
密に巻かれた管で形成されている。正面部は独立した部品として製造され、アン
カーを介して後側接続部に結合され、または正面側で溶接継手を介して内皮およ
び外皮に直接結合されている。この公知の構造の欠点としては、主室領域内で冷
却通路が構造上の理由からごく小さく、不都合な横長形状（長方形）となってお
り、また前室に至る供給管の横断面が構造上の理由からごく小さいことである。
横断面の低減に関連して、また円形横断面形状からますます外れていることに関
連して、前室内でも主室内でも冷却材体積流が過比例的に減少する結果、冷却作
用が相応に著しく低下する。他の欠点としては、前記公報の説明によれば前室冷
却通路の横断面が主室冷却通路の横断面と同様に小さくなければならない。その
ため、きわめて不都合な縦横比とそのことから帰結する乏しい冷却作用とを有す
る長方形の前室冷却通路が横断面形状の方から生じる。前室冷却通路内への供給
通路の合流も欠点である。すなわち、これは当該冷却通路内で強い液圧抵抗を意
味しており、そのことから前室内で冷却材体積流の低下もしくは冷却材速度の低
下を招き、またそのことから冷却作用の低下が生じるからである。構造全体はき
わめて大きな製造支出を要し、危険な密封個所を多数有しており、密封が一部で
は未解決である。高炉内で滴下する溶融相によって、公知の羽口の主室が外部か
ら侵される問題も未解決である。

【０００５】 本発明の課題は、利用可能な冷却水量と差圧を決定的に変更することなく、是
認可能な製造支出において、強い熱負荷を受ける正面部領域内でごく効果的冷却
によってきわめて長い寿命、従ってそれを装備したシャフト炉の少ない操業費お
よび好ましい操業挙動を確保する前記種類の羽口を提供することにある。他の課
題は、利用可能な冷却水量や差圧およびそれらと直接結び付いた冷却水操業費を
決定的に変更することなく、好ましい幾何学形状によってシャフト炉内で滴下す
る溶融相から羽口を極力保護し、一般にそう完全に強い熱負荷を受けてはいない
主（後）室にやはりごく効果的な冷却を備えることにある。

【０００６】 この課題は、請求項１の前文から出発して特徴部分の特徴と合わせて解決され
る。有利な諸構成はそれぞれ従属請求項の対象である。

【０００７】 本発明の核心は、横断面で見て垂直軸対称な一体の基体によって外皮が形成さ
れ、この基体が正面側で段差なしに正面部に移行していることにある。内皮は円
錐状に形成された溶接部によって形成され、この溶接部は主室の螺旋状に形成さ
れた冷却通路の内側覆いを形成している。他の重要な特徴は、正面部に冷却材を
供給する通路が羽口の１２時位置に、詳細には羽口長手軸を基準にして主室の原
横断面の外側に配置されていることにある。前室冷却通路の本提案の配置によっ
て、周方向に見て羽口のさまざまな負荷が考慮される。実証されたように、羽口
は１２時位置において側部領域内でよりも強く負荷されている。この負荷された
領域の集中的冷却によって羽口の寿命は著しく高まる。選択的に、主室の冷却材
回路は２条螺旋状冷却通路として形成しておくことができ、または螺旋状に形成
される冷却通路と羽口の６時位置にある直線状冷却通路とを備えておくことがで
きる。羽口長手軸に平行でリブを備えていない直線状冷却通路は、羽口長手軸を
基準にして羽口主室の原横断面の外側に配置されており、送り部、戻り部用接続
口は前室接続口に隣接して１２時位置領域内にある。羽口の６時位置に直線状冷
却通路を配置することで、周方向において羽口のさまざまな負荷が考慮される。
羽口は、１２時位置の他に、６時位置でも側部領域におけるよりも強く負荷され
ている。この領域も集中的に冷却することによって羽口の寿命はさらに高まる。

【０００８】 すでに述べたように、本提案では、前室用供給通路、戻り通路と主室の戻り通
路が羽口主室の原横断面領域の外側に、詳細には羽口長手軸を基準にしてそれぞ
れ半径方向で主室の外側に設けられている。これにより、主室の冷却通路内で供
給通路および戻り通路による横断面縮減の生じないことが達成される。そのこと
に起因して、最大の冷却材速度で流体工学上最適な条件が主室内に生じる。さら
に、前記通路はすべて全長にわたって見てほぼ一定した横断面を有し、接続口領
域内で必要な横断面変更と小半径の方向変更は角を丸くして急変部なしで行われ
る。

【０００９】 こうした措置でもって、主室内で達成される冷却材流速は公知の実施に比べて
少なくとも２倍高い。死域、乱流個所、絞り個所、堰領域を避けることによって
、また冷却通路横断面形状（円形、台形）および個々の通路部分の横断面寸法の
最適形状によって、これは達成される。前室用供給通路および戻り通路の最適設
計は、差圧に変化がない場合に、前室内でもかなり高い流速を生じる。さらに、
ポンプ出力と通路横断面との均衡のとれた比によって求める高い流速が達成され
るようにすると、そのことによっても蒸気泡発生が殆ど抑制される。利用可能な
差圧が例えば２バールと低い場合にも、強く負荷される前室の冷却用に≧１０ｍ
／ｓｅｃの流速が、また主室用には≧６ｍ／ｓｅｃの流速が要求される。提案さ
れた羽口の実施は、単に１つの環状通路を有する前室用にも、あるいは螺旋状通
路を有する長い前室用にも適している。

【００１０】 しかし羽口は、すでに冒頭で触れたように、純粋に熱負荷を受けるだけでなく
、特にシャフト炉の耐火ライニングの摩耗が特定程度に達すると、付加的に化学
的負荷や機械的負荷も受ける。このため、羽口の横断面を１２時位置領域内で屋
根として構成することが提案される。そのことの利点として、羽口上に落下また
は滴下する物質は一層容易に滑り落としもしくは流れ落とすことができる。この
構成は、特に、銅もしくは銅合金から製造される羽口が望ましくないことに液体
亜鉛、銑鉄またはスラグに接触するのを減らすはずである。周知の如く、亜鉛は
銅と反応し、銅壁が化学的に除去されて減少する。

【００１１】 本発明により形成された羽口が図面において１実施例について詳しく説明され
る。

【００１２】 本発明により構成された羽口は、外皮２を形成する基体１と内皮３を形成する
溶接部４とからなる。外皮２と内皮３との間に形成される中空体は、強い熱負荷
を受ける正面部５によって前側が密閉されている。入口側で基体は二重円錐状入
口部分６を有し、図示しないノズル接続部のノズル先端がこの入口部分に差し込
まれる。内皮３上に配置される耐火層７が内皮３の上部内に示唆されている。正
面部５を機械的破損や摩耗から保護するために、正面部５の正面領域は装甲８を
備えている。冷却材を通す中空体は、周知の如く、前室９と主室１０とに仕切ら
れている。両方の室９，１０は液圧上相互に完全に分離されており、独立した冷
却回路に接続されている。

【００１３】 図２のＡ−Ａ断面の位置による図１では、羽口の上部内に前室９用の供給通路
１１を認めることができる。入口側で供給通路１１はねじ部の態様の接続口１２
を備えており、図示しない供給管がこの接続口にねじ込可能となっている。次に
、供給通路１１は前室９に移行しており、この前室は供給通路１１に対して横向
きの環状通路２２によって形成されている。環状通路の代わりに、複数の巻き数
を有する螺旋状に形成される通路を配置することも可能である。

【００１４】 図２に示すように、羽口の１２時位置領域内で供給通路１１と平行に前室９用
の戻り通路１３が配置されている。この戻り通路は、ねじ部の態様の正面側に配
置される接続口１４をやはり備えており、図示しない排出管がこの接続口にねじ
込可能となっている。両方の通路１１，１３の位置は、図３において特別良好に
認めることができる。

【００１５】 冷却材が主室１０内でも流体工学上効率的に案内されるように、主室は螺旋状
に形成される冷却通路１５を有している。この冷却通路１５の内側は、内皮４に
よって覆われている。主室１０内への冷却材の供給もしくは排出は、１１時位置
領域もしくは１時位置領域で前室９用の接続口１２，１４に隣接して行われる。
時計回り方向に見て１時領域に配置される供給接続口１８の後方で、冷却材は二
重円錐状入口部分６内の（図２に破線で示した）半円形通路２０を通して、下方
に６時位置まで案内され、そこで螺旋状冷却通路１５に流入する。螺旋状冷却通
路１５を通過後、冷却材は前室９の直前で、やはり６時位置に配置される戻り通
路１６に流入する。この戻り通路は螺旋状冷却通路１５の下方にあり、冷却材を
二重円錐状入口部分６内に戻す。二重円錐状入口部分６内で冷却材は再び（図２
に破線で示した）半円形通路２１内を上方に１１時位置の排出接続口１７まで案
内される。主室１０用の両方の冷却通路１５，１６は正面側にやはりねじ部１７
，１８を備えており、供給管もしくは排出管がこのねじ部にねじ込まれるように
なっている。前室用供給接続口１２、戻り接続口１４も主室用供給接続口１７、
戻り接続口１８も交換可能であり、集中的冷却作用の所望する効果に何ら変化は
ない。

【００１６】 本発明によれば前室９用冷却通路１１，１３もしくは環状通路２２は横断面が
ほぼ同じ大きさであるが、主室１０の冷却通路１５，１６の横断面Ｆ１，Ｆ２よ
りも小さい。すなわち、次式が成り立つ： Ｆ４＝Ｆ５＜Ｆ１＝Ｆ２。 通路の横断面移行と小半径の方向変更は強く丸みが付けられており、乱流個所や
死域が生じることはない。

【００１７】 それでも発生する羽口の付加的化学的、機械的負荷は幾何学形状によって強く
影響される。中空体はシャフト炉の方向で円錐状に先細に形成されており、１２
〜１４°範囲内の半円錐角が好ましいことが判明した。本発明によれば、羽口の
１２時位置領域の屋根形状体１９も、同じ方向で作用するものと見ることができ
る。したがって、シャフト炉もしくは装入部の羽口上に落下もしくは滴下する物
質は、簡単に側方へ向けてシャフト炉中心方向に滑り落とし、もしくは流し落と
すことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明により構成された羽口を図２のＡ−Ａ方向に見た縦断面図である。

【図２】 図１のＸ方向に見た側面図である。

【図３】 図１のＢ−Ｂ方向に見た断面図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ )，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ， ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ， ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，Ｃ Ｒ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＫ，ＤＭ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ， ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，Ｌ Ｃ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ， ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，Ｓ Ｌ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 アルトラント，ライナー ドイツ連邦共和国、デー 40668 メール ブッシュ、ライプツィガー・シュトラーセ ８ Ｆターム(参考） 4K015 FC05

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シャフト炉、特に高炉または熱風キュポラ用の羽口であって
   、内皮および外皮を備えて円錐状に形成される中空体と、内皮および外皮を結合
   する正面部とからなり、シャフト炉に供給されるべき熱風が羽口の内皮を通して
   送られ、内皮と外皮との間に形成される羽口の空洞に操業時冷却材流が通され、
   この空洞がそれぞれ正面部領域内にある前室とこれに続く主室とに仕切られてお
   り、前室と主室とが液圧上相互に完全に分離され、それぞれ１つの独立した冷却
   材回路と独自の接続口とを有し、前室用冷却材回路が、羽口長手軸に平行に配置
   されて送り部、戻り部を形成する２つの通路とほぼ一定した横断面を有する１つ
   の通路とからなり、これらの通路が正面部内で、通路に対して横向きに配置され
   る環状通路に通じ、主室（１０）の冷却材回路が、螺旋状に形成されて全長にわ
   たってほぼ一定した横断面を有する冷却通路を備えているものにおいて、 外皮（２）が、横断面で見て垂直軸対称な一体の基体（１）によって形成され
   、この基体が正面側で段差なしに正面部（５）に移行しており、内皮（３）が、
   円錐状に形成される溶接部（４）によって形成され、正面部（５）に冷却材を供
   給して排出する通路（１１，１３）が羽口の１２時位置領域内で羽口長手軸を基
   準にして羽口主室（１０）の原横断面の外側に配置されており、溶接部（４）が
   主室（１０）の螺旋状に形成される冷却通路（１５）の内側覆いを形成すること
   を特徴とする羽口。
2. 【請求項２】 主室（１０）の螺旋状に形成される冷却通路が２条であり、
   一方の螺旋状冷却通路が送り部を形成し、他方の螺旋状冷却通路が戻り部を形成
   し、両方の螺旋状冷却通路が１８０°転向部によって互いに接続されていること
   を特徴とする、請求項１に記載の羽口。
3. 【請求項３】 主室（１０）の冷却材回路が羽口の６時位置に直線状冷却通
   路（１６）を有し、羽口長手軸に平行でリブを備えていない直線状冷却通路（１
   ６）が羽口長手軸を基準に羽口主室（１０）の原横断面の外側に配置されており
   、送り部、戻り部用接続口（１７，１８）が前室（９）用の接続口（１２，１４
   ）に隣接して１２時位置領域内に配置されていることを特徴とする、請求項１に
   記載の羽口。
4. 【請求項４】 前室（９）の通路の長手軸上における横断面形状が円形に形
   成されており、主室（１０）の螺旋状通路（１５）の横断面形状は角を丸くした
   ほぼ台形に形成されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記
   載の羽口。
5. 【請求項５】 前室（９）および主室（１０）の全通路（１１，１３，１５
   ，１６）用に必要な横断面変更が接続口領域内で行われ、小半径の方向変更が丸
   みを付けて急変部なしに行われることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１
   項に記載の羽口。
6. 【請求項６】 接続口（１７，１８）に接続されて半円状に延びる２つの通
   路（２０，２１）が二重円錐状入口部分（６）内に配置されており、これらの通
   路が下方に６時位置領域内にまで通され、１２時位置領域でも６時位置領域でも
   液圧上相互に分離され、主室（１０）の螺旋状冷却通路（１５）との接続を実現
   しており、螺旋状冷却通路（１５）の前端で前室（９）との隔壁に直線状冷却通
   路（１６）が直接続いており、この冷却通路が螺旋状冷却通路（１５）の下方で
   ６時位置領域内にあって、正面側で二重円錐状入口部分（６）に通じていること
   を特徴とする、請求項３に記載の羽口。
7. 【請求項７】 前室（９）用の供給・排出通路（１１，１３）の横断面（Ｆ
   ４）と前室（９）内の環状通路（２２）の横断面（Ｆ５）がほぼ同じ大きさであ
   り、但し主室（１０）の冷却通路（１５，１６）の横断面（Ｆ１，Ｆ２）よりも
   小さいことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の羽口。
8. 【請求項８】 主室（１０）の直線状冷却通路（１６）は、横断面（Ｆ１）
   が主室（１０）の螺旋状に形成される冷却通路（１５）の横断面にほぼ等しい大
   きさであることを特徴とする、請求項１、３〜７のいずれか１項に記載の羽口。
9. 【請求項９】 前室（９）の冷却通路（１１，１３，２２）の横断面（Ｆ４
   ，Ｆ５）は、主室（１０）の冷却通路（１５，１６）の横断面（Ｆ１，Ｆ２）に
   比べて３５％まで小さいことを特徴とする、請求項７および８のいずれか１項に
   記載の羽口。
10. 【請求項１０】 前室（９）および主室（１０）の冷却材供給用のポンプ出
    力がほぼ同じ場合、主室（１０）の冷却通路（１５，１６）内の流速が前室（９
    ）の冷却通路（１１，１３，２２）内の流速の少なくとも６０％であることを特
    徴とする、請求項７〜９のいずれか１項に記載の羽口。
11. 【請求項１１】 羽口での冷却材差圧が２バールの場合、冷却材の速度が前
    室（９）の冷却通路（１１，１３，２２）内では少なくとも１０ｍ／ｓｅｃ、主
    室（１０）の冷却通路（１５，１６）内では少なくとも６ｍ／ｓｅｃであること
    を特徴とする、請求項１０に記載の羽口。
12. 【請求項１２】 横断面で見て羽口が１２時位置では屋根部として、６時位
    置では膨らみ部として形成されており、屋根状に形成された領域内に前室（９）
    の冷却通路（１１，１３）が配置され、膨らませて形成された領域内に主室（１
    ０）の直線状冷却通路（１６）が配置されていることを特徴とする、請求項１〜
    １１のいずれか１項に記載の羽口。