JP2014173095A - ステーブクーラーおよびこのステーブクーラーを備えた高炉 - Google Patents

Abstract

【課題】コストが上昇することなく、製品寿命を長くすることができるステーブクーラーおよび高炉を提供する。
【解決手段】ステーブクーラー１００は、高炉の炉壁６ａの内周面に間隙を維持して配置される銅または銅合金の圧延板製の本体１０２を有し、本体１０２の内部に冷却媒体が流通する冷却流路１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄが形成される。炉壁６ａの内周面に本体１０２が配置された設置状態にあるときに、両側面１０２ｃ側にある冷却流路１１２ａ、１１２ｄよりも、中央側にある冷却流路１１２ｂ、１１２ｃの方が、炉壁６ａに近接する位置関係を有する。
【選択図】図４

Description

本発明は、炉壁を冷却するステーブクーラーおよびこのステーブクーラーを備えた高炉に関する。

高炉の炉体内部は極めて高温となるため、炉体内部には、炉体の壁面すなわち炉壁を冷却して保護するステーブクーラーが、炉体の内周面に沿って多数設置される。こうしたステーブクーラーは、冷却媒体が流通する冷却流路が本体に複数本形成されており、冷却流路に冷却媒体を流通させることで炉壁を冷却する。一般的に、ステーブクーラーは、鋳鉄、鋳鋼、鋼板等の鉄系の材質で構成される鉄系ステーブクーラーと、銅または銅合金材で構成される銅系ステーブクーラーとに大別される。

従来、ステーブクーラーは、鋳鉄へ鋳込まれた管により冷却流路を形成した鋳鉄製のものが一般的であった。しかしながら、近年主流となっている高微粉炭吹き込み操業では、炉内の熱変動が繰り返されるため炉内熱負荷が大きく、鋳鉄製のステーブクーラーでは十分に冷却性能を確保できなくなっている。ステーブクーラーの冷却性能が不足すると、炉壁の炉内側表層が高温になり、ステーブクーラーの材質劣化や損耗が進行したり、あるいは熱応力によって反りが発生し、炉内プロフィールに支障を来たしたりする。さらには、ステーブクーラー自体に亀裂が発生して破損することにより、ステーブクーラーの取替頻度が高くなり、炉命が短くなってしまうという問題があった。

そこで、近年では、例えば特許文献１に示されるように、銅系ステーブクーラーが広く採用されている。銅系ステーブクーラーは、鉄系ステーブクーラーよりも熱伝導率や延性などの物性に優位であるため、低温で均一な温度分布となり、発生熱応力を抑制でき、変形量も減少するため、ステーブクーラーの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。

特公昭６３−５６２８３号公報

一般的に、高炉においては、炉体の内周面が円形断面であるため、ステーブクーラーの本体も、炉体の内周面曲率に沿うように湾曲させることが望ましい。しかしながら、銅系ステーブクーラーは、鍛造材や圧延材等の平板状の部材で構成され、その重量も数ｔｏｎ程度となる。そのため、こうした重量物をこのような曲率にプレス等で曲げ加工するとなれば、製造コストが極めて高くなることから、現実的には銅系ステーブクーラーを平板状に設計せざるを得ず、炉内の設置状態では、平板状のステーブクーラーが炉体の内周面に沿って多角面状に配設されることとなる。

ここで、高炉では、炉体の上部から鉄鉱石やコークス等の炉内充填物が投入、降下されるが、例えば炉腹部等、ステーブクーラーの設置位置によっては、炉内充填物としてまだ固体状態の硬い焼結鉱粒が、炉体の中心に臨むステーブクーラーの本体表面に接触する。このように、炉内充填物の接触摩耗により、ステーブクーラーの本体表面が損耗すると、ステーブクーラーの本体が表面側から徐々に削られていき、最終的には本体内部に形成された冷却流路が破壊される。

こうしたステーブクーラーの損耗は、炉内プロフィールに沿って、換言すれば、炉壁の内周面と同心円状に進行するという実態がある。したがって、上記のように、平板状のステーブクーラーを炉体の内周面に沿って多角面状に配設した場合、ステーブクーラーの本体に形成された複数の冷却流路のうち、幅方向の中央側に位置する冷却流路が、幅方向の両端側に位置する冷却流路に先行して破壊されることが多い。

このようにして一部の冷却流路が先行して破壊されると、残りの冷却流路の負荷が大きくなり、要求される冷却性能を維持できなくなって、ステーブクーラーを交換しなければならなくなる。つまり、ステーブクーラーの幅方向の両端側に位置する冷却流路は十分に冷却性能を維持しているにも拘わらず、幅方向の中央側に位置する冷却流路が早期に先行破壊されてしまい、結果として早晩ステーブクーラーの取替が必要となる。

本発明の目的は、コストが上昇することなく、製品寿命を長くすることができるステーブクーラーおよび高炉を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明のステーブクーラーは、高炉の炉壁の内周面に間隙を維持して配置される銅または銅合金の圧延板製の本体を有し、該本体内部に冷却媒体が流通する冷却流路が形成されたステーブクーラーであって、冷却流路は、炉壁の内周面に本体が配置された設置状態にあるときに、該炉壁の周方向に位置する該本体の両側端部側よりも中央側の方が、該炉壁に近接することを特徴とする。

また、本体には、該本体が設置状態にあるときに炉壁の高さ方向の上部側から下部側へと延在する冷却流路が、該本体の両側端部を結ぶ幅方向に複数形成されており、本体の幅方向の中央側に位置する冷却流路は、該本体の両側端部側に位置する該冷却流路よりも炉壁に近接して形成されているとよい。

また、複数の冷却流路は、炉壁の内周面と同心円の仮想円上に位置するとよい。

また、上記課題を解決するために、本発明の高炉は、炉壁の内周面に間隙を維持して配置される銅または銅合金の圧延板製の本体を有し、該本体内部に冷却媒体が流通する冷却流路が形成されたステーブクーラーを備えた高炉であって、ステーブクーラーの冷却流路は、炉壁の内周面に本体が配置された設置状態にあるときに、該炉壁の周方向に位置する該本体の両側端部側よりも中央側の方が、該炉壁に近接することを特徴とする。

本発明によれば、ステーブクーラーのコストが上昇することなく、製品寿命を長くすることができる。

高炉を説明するための概念図である。 ステーブクーラーの概略断面図である。 ステーブクーラーの平面図である。 図２のＩＶ−ＩＶ線断面図である。 炉内プロフィールラインおよび損耗プロフィールラインについて説明する図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、高炉１を説明するための概念図である。図１に示す高炉１は、金属原料である鉄鉱石を溶融して銑鉄を生成するものであり、鉄鉱石、コークス等の燃料となる還元剤、不純物を除去する石灰石等（以下、鉄鉱石、還元剤、石灰石等の混合物を単に「炉内充填物」と称する）を貯留する原料槽２を備えている。原料槽２に貯留された炉内充填物は、装入コンベア４によって炉体６の炉頂部に搬送され、炉頂部から炉体６上部に設けられたホッパー８に装入される。

ホッパー８の下方には、当該ホッパー８から落下する炉内充填物を傾斜面上で滑らせながら下方に落下させる分配シュート１０が設けられている。この分配シュート１０は、一端がホッパー８の中心部の真下に位置するように配置されており、一端側を中心軸として図中破線で示す矢印方向に回転する。これにより、ホッパー８から落下した炉内充填物は、分配シュート１０の傾斜面上を滑りながら落下するとともに、炉体６の全周囲に分散して装入されることとなる。

炉体６の下部には羽口１２が設けられており、この羽口１２から炉体６の内部に熱風が導入される。炉体６に導入された熱風は、炉体６を上昇するが、分配シュート１０から落下する炉内充填物中のコークスが熱風によって燃焼すると、一酸化炭素（還元剤）が生じ、コークスの炭素が鉄から酸素を奪うとともに、二酸化炭素および熱を生じて、この反応が熱源となって鉄鉱石を溶融する。炉内充填物の落下過程では、こうした反応が連続的に行われ、炉体６の下部に到達するころに燃焼温度が最高となり、炉体６の底部で高温液体状の銑鉄が得られる。なお、炉体６の炉頂部にはガス導管１４が接続されており、高温の高炉ガスが炉体６からガス導管１４に排出される。

炉体６の内部は極めて高温となることから、炉体６の内部には、所謂「鉄皮」と呼ばれる炉壁６ａを冷却して保護するステーブクーラー１００が設置される。このステーブクーラー１００は、炉壁６ａの内周面に沿って多数設置される。以下に、ステーブクーラー１００の構成について図２〜図４を用いて詳述する。

図２は、ステーブクーラー１００の概略断面図であり、図３は、ステーブクーラー１００の平面図であり、図４は、図２のＩＶ−ＩＶ線断面図である。図２〜図４に示すように、本実施形態のステーブクーラー１００は、高炉１の炉壁６ａの内周面に間隙を維持して配置される銅または銅合金の圧延板製の本体１０２を備えている。以下では、炉壁６ａの内周面に本体１０２が配置された設置状態において、炉体６の中心に臨む面を表面１０２ａとし、炉壁６ａに間隙を維持して対面する面を背面１０２ｂとする。また、図４に示すように、ステーブクーラー１００の設置状態において、炉壁６ａの周方向に位置する本体１０２の両側端部を側面１０２ｃとする。そして、両側面１０２ｃを結ぶ方向を本体１０２の幅方向（図中ｘ方向）とし、ステーブクーラー１００の設置状態において、炉体６の炉頂部側に位置する上面と、炉体６の下部側に位置する下面とを結ぶ方向を本体１０２の高さ方向（図中ｙ方向）とし、表面１０２ａと背面１０２ｂとを結ぶ方向を本体１０２の厚さ方向（図中ｚ方向）として説明する。

図２に示すように、本体１０２の背面１０２ｂには、ボルト部スペーサー１０４を介してボルト１０６が固定されており、このボルト１０６によってステーブクーラー１００が炉壁６ａ内に設置される。

また、本体１０２の表面１０２ａには、本体１０２の幅方向（ｘ方向）に延在する水平溝１０８が複数形成されている。これら複数の水平溝１０８は、本体１０２の高さ方向（ｙ方向）に所定の間隔を維持して平行に整列配置されており、本体１０２の表面１０２ａには、高さ方向（ｙ方向）に隣り合う水平溝１０８の間にリブ１１０が形成されている。水平溝１０８には、炉体６の内部の熱からステーブクーラー１００を保護する不図示の耐火物が嵌め込まれる。

リブ１１０は、背面１０２ｂ側から表面１０２ａ側に向かうにつれて、すなわち、突出方向の先端側に向かうにつれて、本体１０２の高さ方向（ｙ方向）の長さ（幅）が漸増する先端幅広のテーパ状、所謂あり溝状に形成されている。そのため、水平溝１０８は、背面１０２ｂ側に位置する底部から、表面１０２ａ側に位置する開口に向かうにつれて、本体１０２の高さ方向（ｙ方向）における開口幅が漸減する。したがって、水平溝１０８に嵌め込む耐火物を、水平溝１０８の形状に大凡一致させれば、耐火物の脱落を抑制することができる。

そして、図２〜図４からも明らかなように、本体１０２の内部には、冷却媒体が流通する複数の冷却流路１１２（本実施形態では冷却流路１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄの４つ）が形成されている。各冷却流路１１２は、本体１０２の上面側から下面側へと本体１０２の高さ方向（ｙ方向）に直線状に延在しており、各冷却流路１１２は、本体１０２の幅方向（ｘ方向）に所定の間隔を隔てて平行に配列されている。各冷却流路１１２の上端側には給水管１１４が接続され、各冷却流路１１２の下端側には排水管１１６が接続されている。このとき、本体１０２と給水管１１４および排水管１１６との接続部位であって、本体１０２の背面１０２ｂと炉壁６ａとの間には、配管部スペーサー１１８が設けられている。また、炉壁６ａの炉外側には、本体１０２の熱変形時に給水管１１４や排水管１１６にストレスがかからない様に、ガスシール機能を有するコンペンセーター１２０が設けられている。

上記の構成により、給水管１１４から冷却流路１１２に冷却媒体が供給されると、本体１０２の内部において、炉壁６ａの高さ方向（ｙ方向）の上部側から下部側へと冷却媒体が流通し、排水管１１６から炉体６の外部へと冷却媒体が排出される。これにより、本体１０２の内部を冷却媒体が流通する過程で、炉体６の炉壁６ａが冷却されることとなる。

ここで、本実施形態においては、図４に示すように、４つの冷却流路１１２のうち、本体１０２の幅方向（ｘ方向）の中央側に位置する冷却流路１１２ｂ、１１２ｃが、本体１０２の両側面１０２ｃ側に位置する冷却流路１１２ａ、１１２ｄよりも、背面１０２ｂ側に位置するように形成されている。より詳細には、本体１０２に形成された４つの冷却流路１１２は、炉壁６ａの内周面と同心円の仮想円（図４中一点鎖線で示す）上に位置している。したがって、炉壁６ａの内周面に本体１０２が配置されたステーブクーラー１００の設置状態においては、本体１０２の幅方向の中央側に位置する冷却流路１１２ｂ、１１２ｃが、本体１０２の両側面１０２ｃ側に位置する冷却流路１１２ａ、１１２ｄよりも、炉壁６ａに近接して位置することとなる。

図５は、炉内プロフィールラインＬ１および損耗プロフィールラインＬ２について説明する図であり、図５（ａ）に本実施形態のステーブクーラー１００を示し、図５（ｂ）に比較例のステーブクーラーＸを示している。高炉１の炉体６内には、銑鉄の生成に寄与する領域（空間）としての炉内プロフィールが形成される。この炉内プロフィールは、炉体６の水平断面の形状が円形であり、炉体６（炉壁６ａ）の中心から水平方向に放射状に広がっている。ここで、本実施形態のステーブクーラー１００は、本体１０２が矩形状であることから、ステーブクーラー１００の設置状態では、図５（ａ）に示すように、炉壁６ａの周方向に配置された複数の本体１０２の表面１０２ａ間に所定の角度が生じる。つまり、平板状のステーブクーラー１００は、炉体６における炉壁６ａの内周面に沿って、多角面状に配設されることとなる。

この場合、炉内プロフィールの外周、すなわち、炉内プロフィールの境界線ともいえる炉内プロフィールラインＬ１は、炉壁６ａの周方向に整列配置された本体１０２の表面１０２ａによって形成される多角形の内接円となる。換言すれば、本体１０２の表面１０２ａは、炉内プロフィールラインＬ１に外接すると言える。しかしながら、高炉１を稼働すると、炉体６の炉頂部から炉内充填物が投入、降下され、ステーブクーラー１００の設置位置によっては、炉内充填物としてまだ固体状態の硬い焼結鉱粒が、本体１０２の表面１０２ａに接触する。このように、炉内充填物の接触摩耗により、本体１０２の表面１０２ａが損耗すると、本体１０２が表面１０２ａ側から徐々に削られていく。

こうしたステーブクーラー１００の損耗は、炉内プロフィールに沿って同心円状に進行することが調査の結果判明している。つまり、高炉１の初期状態において、炉内プロフィールラインＬ１が図５（ａ）に示す位置にあるとすると、高炉１の稼動による経年劣化に伴い、本体１０２の表面１０２ａを削るようにして、炉内プロフィールラインＬ１が徐々に炉体６の炉壁６ａ側へと広がっていく。つまり、経年劣化後の炉内プロフィールラインＬ１を損耗プロフィールラインＬ２とすると、損耗プロフィールラインＬ２は、高炉１の初期状態における炉内プロフィールラインＬ１よりも、同心円状に炉壁６ａ側に移行する。したがって、ステーブクーラー１００の本体１０２は、幅方向の中央側が両側面１０２ｃ側よりも、厚さ方向に深く削られることとなる。

ここで、図５（ｂ）に示す比較例のステーブクーラーＸは、本実施形態のステーブクーラー１００と同様、４つの冷却流路Ｘ１１２（図５（ｂ）において、Ｘ１１２ａ、Ｘ１１２ｂ、Ｘ１１２ｃ、Ｘ１１２ｄで示す）を備えているが、これら４つの冷却流路Ｘ１１２は、本体Ｘ１０２の幅方向に一直線上に整列配置されている。そのため、高炉１の稼動により、損耗プロフィールラインＬ２が徐々に炉体６の炉壁６ａ側に近づいていくと、まず、冷却流路Ｘ１１２ｂ、Ｘ１１２ｃが先行して破壊される。この状態では、冷却流路Ｘ１１２ａ、Ｘ１１２ｄが正常に機能しているものの、これら冷却流路Ｘ１１２ａ、Ｘ１１２ｄの負荷が大きくなり、ステーブクーラーＸ全体としての冷却性能が維持できなくなってしまう。

これに対して、本実施形態のステーブクーラー１００においては、本体１０２に形成された４つの冷却流路１１２が、炉壁６ａの内周面と同心円の仮想円上に位置しており、冷却流路１１２ｂ、１１２ｃが、冷却流路１１２ａ、１１２ｄよりも、背面１０２ｂ側に位置している。これにより、本実施形態のステーブクーラー１００は、冷却流路１１２ｂ、１１２ｃが、冷却流路１１２ａ、１１２ｄに先行して破壊されてしまうことがない。

以上のように、本実施形態のステーブクーラー１００によれば、従来のステーブクーラーＸに比して、長寿命化を図ることが可能となり、ひいては炉体６の長寿命化をも図ることが可能となる。また、圧延板製の本体１０２を、炉壁６ａの曲率に合わせてプレス等で曲げ加工する必要もないため、コストの上昇を招くこともない。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記実施形態では、本体１０２に４つの冷却流路１１２を形成することとしたが、冷却流路１１２の数はこれに限らない。また、上記実施形態では、複数の冷却流路１１２を、炉壁６ａの内周面と同心円の仮想円上、すなわち、炉内プロフィールラインＬ１に沿うように配置することとした。しかしながら、複数の冷却流路１１２は、必ずしも炉内プロフィールラインＬ１に沿って配置しなくともよい。

また、上記実施形態では、本体１０２が設置状態にあるときに、炉壁６ａの高さ方向の上部側から下部側へと延在するように冷却流路１１２を形成することとしたが、冷却流路１１２は、必ずしも炉壁６ａの高さ方向に延在する必要はない。いずれにしても、炉壁６ａの内周面に本体１０２が配置された設置状態にあるときに、本体１０２の幅方向両端側よりも中央側の方が、炉壁６ａに近接していればよく、したがって、例えば、冷却流路１１２を水平方向に延在するように形成してもよい。

なお、本体１０２の寸法は特に限定されるものではないが、上記実施形態のステーブクーラー１００においては、幅方向中央側に位置する冷却流路１１２ｂ、１１２ｃが、幅方向両端側に位置する冷却流路１１２ａ、１１２ｄよりも背面１０２ｂ側に距離ｅだけずれている（図４参照）。そこで、比較例の厚さ（Ｔ）のステーブクーラーＸを基準にして設計する場合には、ステーブクーラー１００の本体１０２の厚さを、比較例のステーブクーラーＸにおける本体Ｘ１０２の厚さＴ＋ｅとして設計するとよい。

本発明は、炉壁を冷却するステーブクーラーおよびこのステーブクーラーを備えた高炉に利用することができる。

１ …高炉
６ａ …炉壁
１００ …ステーブクーラー
１０２ …本体
１０２ａ …表面
１０２ｂ …背面
１０２ｃ …側面
１１２、１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄ …冷却流路

Claims (4)

1. 高炉の炉壁の内周面に間隙を維持して配置される銅または銅合金の圧延板製の本体を有し、該本体内部に冷却媒体が流通する冷却流路が形成されたステーブクーラーであって、
   前記冷却流路は、
   前記炉壁の内周面に前記本体が配置された設置状態にあるときに、該炉壁の周方向に位置する該本体の両側端部側よりも中央側の方が、該炉壁に近接することを特徴とするステーブクーラー。
2. 前記本体には、該本体が前記設置状態にあるときに前記炉壁の高さ方向の上部側から下部側へと延在する前記冷却流路が、該本体の前記両側端部を結ぶ幅方向に複数形成されており、
   前記本体の前記幅方向の中央側に位置する前記冷却流路は、該本体の両側端部側に位置する該冷却流路よりも前記炉壁に近接して形成されていることを特徴とする請求項１に記載のステーブクーラー。
3. 前記複数の冷却流路は、前記炉壁の内周面と同心円の仮想円上に位置することを特徴とする請求項２に記載のステーブクーラー。
4. 炉壁の内周面に間隙を維持して配置される銅または銅合金の圧延板製の本体を有し、該本体内部に冷却媒体が流通する冷却流路が形成されたステーブクーラーを備えた高炉であって、
   前記ステーブクーラーの冷却流路は、
   前記炉壁の内周面に前記本体が配置された設置状態にあるときに、該炉壁の周方向に位置する該本体の両側端部側よりも中央側の方が、該炉壁に近接することを特徴とする高炉。

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