JP2011157565A

JP2011157565A - シャフト炉型冶金炉の炉体冷却用ステーブ

Info

Publication number: JP2011157565A
Application number: JP2010017583A
Authority: JP
Inventors: Yasuhei Nouchi; 泰平野内; Akinori Murao; 明紀村尾; Shigeyuki Hirose; 茂行廣瀬; Kimiharu Yamaguchi; 公治山口
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2010-01-29
Filing date: 2010-01-29
Publication date: 2011-08-18

Abstract

【課題】従来の鋳鉄製ステーブよりも寿命が長く、かつ銅又は銅合金製ステーブよりもヒートロスを低減できる、シャフト炉型冶金炉の炉体冷却用ステーブを提供すること。
【解決手段】シャフト炉型冶金炉の炉体冷却に用いるステーブであって、該ステーブ本体が炉外側部分１と炉内側部分５との２つの部分からなり、炉外側部分１が冷媒通過用の通路を有する銅又は銅合金製であり、炉内側部分５が炉外側部分１よりも高硬度を有し、炉内側部分１と炉外側部分５とが断熱材４を介して接続されていることを特徴とするシャフト炉型冶金炉の炉体冷却用ステーブを用いる。断熱材４の厚さが５ｍｍ以下であることが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は高炉などのシャフト炉型冶金炉の炉体冷却に用いるステーブに関する。

高炉等のシャフト炉型冶金炉の炉壁は、鉄皮の内側に内部冷却機構を備えたステーブ（クーリングステーブ）を設け、このステーブの内側に炉内耐火物が保持される構造となっているが、シャフト炉型冶金炉を一定期間操業すると炉内耐火物が降下する原料（主に焼結鉱や鉄鉱石）による損耗や熱応力による破損などによりステーブから脱落し、ステーブが炉内部に直接曝されるケースが多くなる。

したがって、ステーブは、このような炉内耐火物の脱落後も原料による損耗や炉内部の熱負荷に耐え得るものでなければならない。冶金炉用ステーブとしては、従来は、鋳鉄製のものが一般的であるが、炉内の熱変動が繰り返される条件の下では、鋳鉄という材質であるため冷却能力の不足から炉内側表層が高温になり、材質劣化や損耗が進行する、温度不均一性による熱応力によりステーブ自体に亀裂が発生して破損する、などにより炉命を短くするという問題があった。

そこで、最近では熱伝導率や延性などの物性に優位な銅あるいは銅合金を用いたステーブが開発されている。銅あるいは銅合金を用いることによって、ステーブ本体はより低温で均一な温度分布となり、発生熱応力を抑制でき、変形量も減少する。このためステーブ本体が受けるダメージが軽減され、炉命を延ばすことが可能となる。

この銅又は銅合金製ステーブは、従来の鋳鉄製ステーブと同様、内部の水路に冷却水を通水して冷却されるもので、ステーブの給排水ロには鉄皮外部の連結管に接続するための配管が取付けられ、ステーブ本体は炉体鉄皮に取付ボルトなどで固定される。また、ステーブの炉内側表面は凹凸形状になっており、凹部に充填された耐火物がステーブ本体への熱負荷を緩和している。

従来、ステーブに求められる性能は主に耐久性であったが、近年の高炉等の冶金炉からの二酸化炭素排出量削減要求の高まりから、抜熱量の低減が要求されるようになった。そこで、炉内側面（炉内側表面）に凸部が形成されるとともに、該凸部の形成範囲の面積比率が炉内側面の投影面積の４０％以下であり、炉内側面の凸部間の凹部内に耐火物が保持されている銅又は銅合金製のステーブが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。また、同様に抜熱量を低減するステーブとして、銅又は銅合金製のステーブであって、冷却媒体用通路と炉内側前面との間のみに断熱層（断熱層における銅部の面積比率は、３５％〜４０％）を設けたことを特徴とするステーブが提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

特開２００１−４９３１６号公報特許第３７３８５７８号公報

銅又は銅合金製のステーブはその優れた伝熱特性から、自身の温度上昇と温度分布に伴う熱応力が防止できるが、その熱伝導率の高さから、無用なヒートロスを防ぐために上記の特許文献１、２に記載のような対策が必要となる。しかし上記のような対策をとったとしても、実績として、銅又は銅合金製のステーブでは抜熱量が鋳鉄製ステーブでの倍近くになっている。たとえば、本発明者らの測定によれば、鋳鉄製ステーブを使用する高炉の抜熱量が７０ＧＪ／ｈであるのに対し、銅又は銅合金ステーブを使用する高炉の抜熱量は１５０〜２００ＧＪ／ｈである。むろん、ヒートロスにはステーブ構造だけでなく、各高炉の稼働率、還元材比、炉体の損耗程度など複数の要因が影響するが、それだけではこの抜熱量の差を説明できないため、銅又は銅合金製ステーブと鋳鉄製ステーブの熱伝導率の差は無視できないと推定できる。そこで、本発明者らは数値シミュレーションによるヒートロスの定量化を試みた。

特許文献２に記載のような、ステーブ内に断熱層（断熱耐火材）を設けたタイプ（銅又は銅合金ステーブでレンガを包み込むタイプ）の銅又は銅合金製のステーブは、実際の製作が困難であり高コストであることから、実績のある特許文献１に記載されている型式の銅ステーブと、該銅ステーブと同形状の鋳鉄製ステーブの伝熱シミュレーションを行った。伝熱シミュレーションに用いた銅ステーブを図２に、鋳鉄製ステーブを図３に示す。図２において銅製のステーブ本体１の炉内側面の凹部内に耐火物であるレンガ２が保持されている。冷却水３はステーブ本体１の内部に形成された水路を流れている。図３においては、鋳鉄製のステーブ本体５内に冷却管が鋳込まれており、冷却管内を冷却水３が流れている。冷却管の外側に非溶着材６を巻くことで、冷却管とステーブ本体５とが融着しないようにしている。

伝熱シミュレーションの結果、銅ステーブの抜熱量が２０．３ＧＪ／ｈ（５０００ｍ³級高炉でシャフト周方向一列分）であるのに対し、同じ条件の鋳鉄製ステーブの抜熱量は１４．３ＧＪ／ｈであった。

このように銅又は銅合金製ステーブの抜熱量は鋳鉄製ステーブに比べて大きいものであり、さらなる抜熱量の低減が望まれる。

一方で、鋳鉄は銅よりも硬いため、原料からの耐摩耗の観点からは銅ステーブより鋳鉄製ステーブの方が長寿命であるはずである。しかし実際には、ステーブが均一冷却されていないため、銅よりも低い熱伝導率を有する鋳鉄には温度分布が形成されて応力が発生し、鋳鉄製ステーブは最終的には熱応力割れで破壊される。

上記についての対策として、鋳鉄製ステーブ内にできるだけ多数の冷却配管（その形状の複雑さから蛇管と呼ばれている。）を鋳込むようにしているが、それでもコーナー部などの熱応力発生を防止することは困難であり、鋳鉄製ステーブの寿命は銅ステーブに及ばないとされている。

したがって本発明の目的は、このような従来技術の課題を解決し、従来の鋳鉄製ステーブよりも寿命が長く、かつ銅又は銅合金製ステーブよりもヒートロスを低減できる、シャフト炉型冶金炉の炉体冷却用ステーブを提供することにある。

このような課題を解決するための本発明の特徴は以下の通りである。
（１）シャフト炉型冶金炉の炉体冷却に用いるステーブであって、該ステーブ本体が炉外側部分と炉内側部分との２つの部分からなり、前記炉外側部分が冷媒通過用の通路を有する銅又は銅合金製であり、前記炉内側部分が前記炉外側部分よりも高硬度を有し、前記炉内側部分と前記炉外側部分とが断熱材を介して接続されていることを特徴とするシャフト炉型冶金炉の炉体冷却用ステーブ。
（２）断熱材の厚さが５ｍｍ以下であることを特徴とする（１）に記載のシャフト炉型冶金炉の炉体冷却用ステーブ。

本発明によれば、従来の鋳鉄製ステーブよりも寿命が長く、かつ銅又は銅合金製ステーブよりもヒートロスを低減させることが可能となる。これにより、シャフト炉型冶金炉が必要とするエネルギーが少なくなるので、コークスなどの還元材を削減可能であり、シャフト炉型冶金炉からの二酸化炭素排出量を削減することができる。

本発明の一実施形態を示すステーブの断面の概略図。伝熱シミュレーションに用いた従来の銅ステーブの断面の概略図。伝熱シミュレーションに用いた従来の鋳鉄製ステーブの断面の概略図。

本発明者らは銅又は銅合金製ステーブ（以下、「銅製ステーブ」と省略して記載する。）を用いる際に、ヒートロスを低減させる方法について検討した。銅製ステーブと鋳鉄製ステーブとを比較すると、鋳鉄製ステーブでは製作時に冷却水配管と鋳鉄とが融着しないようにアルミナ系の非溶着材が冷却水配管に巻かれているが、銅製ステーブでは通常冷却水配管は冷却性能を上げるため銅又は銅合金製のステーブ本体をくりぬいて製造されているため、このような非溶着材は使用されていない。鋳鉄製ステーブのヒートロスが小さい原因は、銅より鋳鉄の熱伝導率が低いことの他に、この非溶着層の熱抵抗が無視できないことに、本発明者らは着目した。

また一方で、本発明者らは銅の高熱伝導率を利用して、鋳鉄の均一冷却を行うことを検討した。鋳鉄製ステーブの背面全面に銅を密着させることにより、均一冷却が担保されると考えられる。しかし、このままでは抜熱量が大きすぎる点が問題である。

この問題に対して、本発明者らは、鋳鉄と銅との間に断熱材を挟むことに想到して、本発明を完成した。すなわち、ステーブ本体を炉外側部分と炉内側部分との２つの部分から構成し、炉外側部分が冷媒通過用の通路を有する銅又は銅合金製であり、炉内側部分が炉外側部分よりも高硬度を有する鋳鉄製として、炉内側部分と炉外側部分とが断熱材を介して接続されているシャフト炉型冶金炉の炉体冷却用ステーブである。

炉内側部分は炉外側部分よりも高硬度を有していればよく、炉外側部分の銅または銅合金より硬度の高いものとして、鋳鉄を用いることが好ましいが、鋳鉄より硬くかつ熱伝導率の低いレンガなどを用いることもできる。したがって、炉内側が鋳鉄またはレンガなどの、銅より硬度の高い部分であり、その背面全面に銅製ステーブが配置されるとともに、それらの間に断熱材を有するステーブとなる。なお、銅の硬度はモース硬度で約３．０、鋳鉄の硬度はモース硬度で約４．０である。ここで硬度をモース硬度で定義した場合、炉内側部分と炉外側部分との硬度差は０．５以上であることが好ましく、さらに好ましくは１．０以上である。

図１に、本発明の一実施形態である、ステーブの断面の概略図を示す。炉外側部分である、銅又は銅合金製のステーブ本体１内には冷媒通過用の通路が形成されている。冷媒として通過するのは、通常水又は蒸気である。炉内側部分である、鋳鉄製のステーブ本体５は、銅又は銅合金製のステーブ本体１と断熱材である断熱シート４を介して接続されている。鋳鉄製のステーブ本体５は図１に示すように分割して製作して個々にはめ込むこともできるが、目地の少ない一体物として作製すれば、耐久性が向上するため好ましい。

このように断熱材を介して銅又は銅合金製のステーブ本体１と鋳鉄製のステーブ本体５とを接続することで、熱抵抗を有する層が形成されて、銅製ステーブであってもヒートロスが低減するとともに、銅製ステーブによる均一冷却により鋳鉄製ステーブ部分の長寿命化を同時に達成できる。

断熱材としては、断熱モルタル等の熱伝導率の低い多孔質体や耐火繊維テープなどを用いることが好ましく、上記のようにシート状のものを用いることが好ましい。

断熱材の厚さは、５ｍｍ以下とすることが好ましい。５ｍｍを超える断熱材を用いると、ステーブ全体の剛性を損なうので好ましくない。

本発明のステーブは、シャフト炉型冶金炉の炉体冷却に用いるステーブであって、シャフト炉型冶金炉の炉体のシャフト中部又は上部領域に配置して用いることが好ましい。シャフト炉型冶金炉としては、特に高炉に用いることが好ましく、高炉の他に、焼却炉、ガス化炉にも好適に使用することができる。

図１に示すものと同様の炉外側部分が純銅製で、炉内側部分が鋳鉄製のステーブであって、断熱材として厚さ１ｍｍの断熱シート（０．１２Ｗ／ｍＫ）を用いた場合について、伝熱シミュレーションを行ってヒートロス（抜熱量）を求めた。炉外の大気は２５℃、炉内ガスはＮ₂６０％、ＣＯ４０％、１１００℃、１．１ｍ／ｓ、２．８×１０⁵Ｐａ（ゲージ圧）、配管内冷却水は流速１．７５ｍ／ｓ、４０℃とした。

５０００ｍ³級高炉でシャフト周方向一列分のステーブについての伝熱シミュレーション結果は、抜熱量が１３．６ＧＪ／ｈであった。

上記したように、従来の銅製ステーブでの抜熱量は２０．３ＧＪ／ｈ、従来の鋳鉄製ステーブの抜熱量は１４．３ＧＪ／ｈであった。

本発明のステーブを用いることで、抜熱量は銅製ステーブよりも６．７ＧＪ／ｈ減少した上に、鋳鉄製ステーブの抜熱量未満とすることができた。また、この抜熱量の減少分のエネルギーは３．７ｋｇ／ｔのコークス比に相当するものであり、その分の溶銑コストが削減できることが分かる。

１ステーブ本体（銅製）
２レンガ
３冷却水
４断熱シート
５ステーブ本体（鋳鉄製）
６非溶着材

Claims

シャフト炉型冶金炉の炉体冷却に用いるステーブであって、該ステーブ本体が炉外側部分と炉内側部分との２つの部分からなり、前記炉外側部分が冷媒通過用の通路を有する銅又は銅合金製であり、前記炉内側部分が前記炉外側部分よりも高硬度を有し、前記炉内側部分と前記炉外側部分とが断熱材を介して接続されていることを特徴とするシャフト炉型冶金炉の炉体冷却用ステーブ。
断熱材の厚さが５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のシャフト炉型冶金炉の炉体冷却用ステーブ。