JP5364988B2 - 高炉用羽口 - Google Patents

Description

本発明は、断熱性の高い高炉用羽口に関する。

大量のエネルギー消費型の操業を行なう製鉄業では各種の省エネルギー技術の開発に取り組んでいる。製鉄所の主要設備である高炉については、多くの冷却部位があり、効率良く冷却することで、省エネルギーに取り組む必要がある。中でも、高炉に熱風を吹込むために用いる羽口部分からの熱ロスは大きく、羽口部分での冷却水による熱ロスを低減する試みがなされている。そのため、羽口の熱風流路である羽口の内周部分にセラミックスや不定形耐火物のスリーブ（断熱リング）を内装することが一般的であり、熱風との熱交換を抑制することで、省エネルギーに貢献している（例えば、特許文献１参照。）。
特開平３−１３０３１２号公報

上記のように、羽口の内周部分では断熱リング等の内装による断熱処理が行われている。ところが、高炉内部に装入される羽口の外周部分については、断熱のためにセラミックスや不定形耐火物を配置したとしても、炉内の落下物にさらされ、ヒートショック等で割れてしまうため、断熱処置がなされておらず、耐磨耗性向上のために、羽口外周上部に硬化肉盛りなどの処理がなされているだけである。

以上のように、高炉用羽口の外周部に関しては、耐用性のある断熱処理がなされていないのが現状である。

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、耐磨耗性を維持しながら、外周部の断熱性を改善できる高炉用羽口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）高炉用羽口の外周部に、複数の帯状の凸部からなる補強材と、前記凸部と凸部との間に形成される凹部に充填された耐火断熱材とを有することを特徴とする高炉用羽口。
（２）補強材が、羽口外周部の最上部から両側に形成され、円周方向で片側１５〜９０度の範囲に形成されていることを特徴とする（１）に記載の高炉用羽口。
（３）補強材を有していない羽口の外周部に、耐火断熱材を有することを特徴とする（１）または（２）に記載の高炉用羽口。
（４）耐火断熱材がキャスタブルまたはセラミッククロスであることを特徴とする（１）ないし（３）のいずれかに記載の高炉用羽口。

本発明によれば、耐磨耗性を維持しながら、断熱性が改善された外周を持つ高炉用羽口を提供できる。これにより羽口の耐久性を維持しながら、冷却水によるエネルギーロスを大幅に低減でき、省エネルギーに貢献できる。

本発明の高炉用羽口は、高炉用羽口の外周部に、複数の帯状の凸部からなる補強材と、凸部と凸部との間に形成される凹部に充填された耐火断熱材とを有するものである。凸部と凹部の形状については、後述する実施例に示すように、羽口の円周方向で円環状に交互に配置するのが施工上も容易であり、一般的に使用できる。その他にも、本発明の効果を奏するためには、凸部と凹部を長手方向に交互に配置しても良いし、斜め方向に交互に配置しても良い。

帯状の凸部からなる補強材を、上記のように、羽口の外周面において羽口の軸に垂直な方向に並んだ、同心円状の帯として形成した場合、複数の帯状の凸部からなる補強材と、凸部と凸部との間に形成される凹部に充填された耐火断熱材とを羽口の軸方向に平行な断面から観察すると、凸部が櫛歯状に並んでいる状態であるので、「複数の帯状の凸部からなる補強材と、凸部と凸部との間に形成される凹部に充填された耐火断熱材」を、以下「櫛歯部」と記載する。

櫛歯部は、羽口外周部の上部に形成すれば十分に効果がある。羽口外周部の最上部から両側に形成され、円周方向で片側１５〜９０度（円周方向全体で３０〜１８０度）の範囲に櫛歯部を形成することが好ましい。この場合、通常は最上部を中心として左右対称に櫛歯部を形成するが、上記範囲であれば左右対称でなくても、本発明の好ましい効果を発揮することができる。

櫛歯部が形成されていない羽口の外周部には、耐火断熱材を配置することが好ましく、耐火断熱材としては、キャスタブルまたはセラミッククロスを用いることが好ましい。

従来の羽口は、銅製の外周部に耐磨耗性改良のために硬化肉盛り処理するのが通常である。本発明の一実施形態として、従来、硬化肉盛り処理していた部分を櫛歯部とするために、硬化肉盛り処理で帯状の凸部を形成し、帯状の凸部と凸部の間の凹部に断熱材を配置することができる。凸部を硬化肉盛り処理で形成することで、凸部が補強材となり、耐磨耗性を維持しながら、凹部の断熱材により、この凸部の熱伝達面積を大幅に低減することができる。

従来硬化肉盛りしていた羽口の外周部分は、高炉内の下降物による羽口磨耗の防止を目的とするもので、本発明の羽口を用いる場合でもこの部位の耐磨耗性を維持する必要がある。この範囲は高炉羽口の外周部の最上部から両側に、円周方向で片側１５〜９０度（円周方向全体で３０〜１８０度）とすることが好ましい。片側１５度より小さいと磨耗を十分に防止できない。また、片側９０度より大きいと、高炉内の下降物との接触がない部分まで耐磨耗処理をすることになるので、コスト高となる。従って、高炉用羽口の外周部の最上部から両側に、円周方向で片側１５〜９０度の範囲に櫛歯部を形成するのが好ましい。片側３０〜６０度とするのが最も効率が良く、特に好ましい。

櫛歯部の凹部の幅は、３〜３０ｍｍとすることが好ましい。

高炉内では羽口の磨耗原因となるのはコークスや鉱石などの塊状物質（通常粒径が数十ｍｍ以上）であるため、耐磨耗性維持のための高硬度部分は連続である必要はなく、隙間を有することが許される。帯状の凸部からなる補強材を高硬度とすることで、羽口の磨耗を防ぐことができる。粒径の小さい塊状物質による磨耗を防ぐためには、この隙間、即ち、凸部と凸部との間に形成される凹部の幅は３０ｍｍ以下であることが好ましい。また、凹部に断熱材を装入するためには、その幅は３ｍｍ以上あることが好ましい。

櫛歯部の凹部の深さは、５〜２０ｍｍが好ましい。

櫛歯部の凹部の深さが５ｍｍより浅いと有効な断熱ができず、断熱材の固定も困難になるので好ましくない。一方で、２０ｍｍを超えると、櫛歯部の凸部の先端が冷却水により冷却される部分から遠くなることになり、冷却が困難となるので好ましくない。従って、櫛歯部の凹部の深さは、５〜２０ｍｍとすることが好ましい。なお、凹部の深さは、帯状の凸部の高さに対応するが、硬化肉盛り等で凸部を形成する場合に凹部の深さが不足する際には、予め羽口表面に帯状の溝部を形成し、該溝部の両側に硬化肉盛りを行うことで、凹部を深く形成することが可能である。

櫛歯部の凸部の幅は、５〜３０ｍｍとすることが好ましい。

櫛歯部の凸部の幅は、櫛歯部の凹部の深さと関連して、凸部の強度を決める。さらに、凸部の冷却性とも関連がある。櫛歯部の凹部の深さを５〜２０ｍｍとした場合、櫛歯部の凸部の幅が５ｍｍを下回ると、凸部の強度が不十分でしかも冷却が不十分となる場合がある。一方で、３０ｍｍを超えると、凸部が必要以上の強度となり、十分な断熱効率が得られない場合がある。

櫛歯部の面積に対する凸部面積比率は、２５〜７５％の範囲とすることが好ましい。

櫛歯部の面積に対する凸部面積比率（以下、「凸部面積比率」と記載する。）は、櫛歯部材を配置した部分の熱伝達率を決め、櫛歯部材がない場合に比べた熱伝達率の比率を決める。同時に、櫛歯部材を配置した部分の耐磨耗性を決定する。凸部面積比率が大きいほど、耐磨耗性に優れるが、熱伝達が大きくなる。一方で、凸部面積比率が小さいほど、熱伝達は小さくなるが、耐磨耗性が損なわれる。凸部面積比率が２５％を下回ると耐磨耗性が著しく劣化し、７５％を上回ると断熱性が十分でなくなる場合がある。従って、凸部面積比率は２５〜７５％の範囲とすることが好ましい。

櫛歯部の凸部を形成する補強材として、従来の硬化肉盛り材料であるＣｒ等を用いることが好ましい。羽口の従来材料であるＣｕの硬さ（ＨＶ）が１００前後であるのに対し、Ｃｒを用いることで４００前後の硬度が得られる。補強材の硬度はＨＶで３００以上あれば好適に使用できるが、高温での耐食性やコストを考慮するとＣｒ系材料を使用することが最も好ましい。セラミック溶射、コーティングなどを適用して、補強材とすることもできる。上記したように、羽口表面への硬化肉盛りを、複数の帯状の凸部を形成するように行うことで、羽口の表面に容易に複数の帯状の凸部からなる補強材を形成することができる。

櫛歯部の凹部に充填する耐火断熱材としては、アルミナ、シリカ、マグネシア、ジルコニアなどの無機材質の耐火断熱材が使用できる。断熱材の形態としては、流し込み材、粉末成形体、繊維状物質の成形体、クロスなどが使用できる。キャスタブルが簡便に使用できるので好ましい。セラミッククロスは断熱性が高く好ましい。

また、櫛歯部を形成しない外周部分に配置する耐火断熱材としては、櫛歯部の凹部に充填するものと同様のものが使用できる。凸部の高さと同じになるように耐火断熱材を配置することが、強度上好ましい。但し、この部分には凸部が存在しないため、耐割れ性を考慮した材料が好ましい。耐割れ性を心配する必要が無いセラミッククロスなどを用いることが好ましい。

本発明の効果を調べるために、本発明羽口と、比較用羽口とを準備し、比較実験を行った。各羽口に形成した櫛歯部の構造と、用いた断熱材とを表１に示す。表中の取付け範囲の角度は、羽口の最上部から片側での範囲を示しているが、最上部を中心として両側に取り付けているので実際にはその２倍の範囲となっている。羽口Ｎｏ．１〜３が本発明の羽口であり、櫛歯部が外周部に配置されている。羽口Ｎｏ．４は、羽口本体のＣｕ面に硬化肉盛り（羽口先端上部、片側６０度、両側で１２０度の範囲）がなされている従来の羽口であり、羽口Ｎｏ．５は外周部に断熱材としてキャスタブルのみが配置されている比較のための羽口である。

図１に、羽口Ｎｏ．１〜４の断面構造の概略を示す。羽口１は先端部で外径（ａ）２７０ｍｍ、内径（ｂ）１３０ｍｍであり、後部では外径（ｃ）３３０ｍｍ、内径（ｄ）１４０ｍｍである。長さ（ｅ）は２８０ｍｍであり、上部の硬化肉盛り２部分の長さ（ｆ）は１４０ｍｍである。３は冷却水入口、４は冷却水出口である。羽口は下向き８度で設置した。

図２〜４は、図１の点線で囲んだ部分の一部の拡大図であり、図２は羽口Ｎｏ．１、Ｎｏ．２の櫛歯部の構造を示す。櫛歯部の凸部は硬化肉盛り２で形成されている。凸部の幅（ｇ）は２０ｍｍである。凹部５の深さ（ｈ）は５ｍｍであり、幅（ｉ）は１０ｍｍである。凹部５の深さ（ｈ）を深くするために、羽口本体６のＣｕ部分にも予め凹部を形成した上で該羽口を製作した。凹部５にはキャスタブルまたはアルミナクロスを充填した。

図３は羽口Ｎｏ．３の櫛歯部の構造を示す。凸部の幅（ｊ）は２０ｍｍである。凹部７の深さ（ｋ）は７ｍｍであり、幅（ｌ）は２０ｍｍである。凹部７の深さ（ｋ）を深くするために、羽口本体６のＣｕ部分にも予め凹部を施した上で該羽口を製作した。凹部７にはキャスタブルを充填した。

図４は、比較例の羽口Ｎｏ．４を示しており、羽口本体６の表面に厚さ３mmの硬化肉盛りを行った。

図５は、比較例の羽口Ｎｏ．５を示しており、羽口本体６の表面全体に、Ｃｕで縁取り８を設け、縁取りの内側にキャスタブル９を５ｍｍ厚さで充填した。

なお、図２〜図５では、羽口の外周側の一部のみ示しており、図示した羽口本体６の下部の冷却水通路等は省略している。

各羽口に冷却水を流した状態で１５００℃の電気炉内に投入し、１時間保持し、冷却水温度から熱ロス指数を求めて比較した。

１時間保持後、羽口を炉内より取り出し、１５分間空冷し、再度、炉内に投入し、１時間保持した。この炉内保持と空冷を５回繰り返し、羽口に熱衝撃を与えて、断熱材の外観を確認した。

また、羽口の耐磨耗性を評価するために、合計２０００ｋｇの焼結鉱（粒径３０〜４０ｍｍ）を、２ｍの高さから落下させ、羽口の表面状況（凹み深さ）を調べ、耐磨耗性外観として評価した。

結果を表１に併せて示す。

表１より明らかなように、本発明の羽口を用いることで、従来の羽口である羽口Ｎｏ．４に比べて熱ロスを２〜３割削減でき、その耐磨耗性においても従来に遜色なく、熱衝撃に断熱材が剥離することも無かった。

本発明の羽口である羽口Ｎｏ．１〜３に使用した断熱材のキャスタブル（骨材：ハイアルミナ材、最大粒径２ｍｍ）は櫛歯部の凹部に使用したので、剥離することはなかったが、櫛歯部のない部分（全周）に施行した場合（羽口Ｎｏ．５）は、剥離が避けられず，最初の１時間保持後の冷却時に剥離落下した。羽口Ｎｏ．１〜３では、図６に示すように、櫛歯部１０以外の外周部には、幅（ｍ）１４５ｍｍのアルミナクロス１１を櫛歯部１０の形状に合わせて切断し、縫合して用いたが、剥離することは無く、アルミナクロスが好ましく使用できることが分かった。

羽口の断面構造の概略図。 羽口の一部の拡大図（Ｎｏ．１、２）。 羽口の一部の拡大図（Ｎｏ．３）。 羽口の一部の拡大図（Ｎｏ．４）。 羽口の一部の拡大図（Ｎｏ．５）。 アルミナクロスの施行状況を示す羽口の外観図。

符号の説明

１ 羽口
２ 硬化肉盛り
３ 冷却水入口
４ 冷却水出口
５ 凹部
６ 羽口本体
７ 凹部
８ 縁取り
９ キャスタブル
１０ 櫛歯部
１１ アルミナクロス
ａ 外径
ｂ 内径
ｃ 外径
ｄ 内径
ｅ 長さ
ｆ 長さ
ｇ 凸部の幅
ｈ 凹部の深さ
ｉ 凹部の幅
ｊ 凸部の幅
ｋ 凹部の深さ
ｌ 凹部の幅
ｍ 幅

Claims (6)

1. 高炉用羽口の外周部に、硬化肉盛りで形成される複数の帯状の凸部である補強材と、
   前記複数の帯状の凸部の凸部と凸部との間に形成される凹部に充填された耐火断熱材と、を有し、
   前記補強材及び前記耐火断熱材が露出していることを特徴とする高炉用羽口。
2. 前記補強材及び前記耐火断熱材の面積の合計に対する、前記補強材の面積比率は２５〜７５％の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の高炉用羽口。
3. 前記補強材及び前記耐火断熱材が、前記高炉用羽口の外周部の最上部から両側に形成され、前記最上部を中心として円周方向で片側１５〜９０度の範囲に形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の高炉用羽口。
4. 前記補強材及び前記耐火断熱材が形成されていない前記高炉用羽口の外周部に、新たな耐火断熱材を有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の高炉用羽口。
5. 前記耐火断熱材及び前記新たな耐火断熱材がキャスタブルまたはセラミッククロスであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の高炉用羽口。
6. 前記補強材の硬度が３００ＨＶ以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の高炉用羽口。

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