JP5896148B2

JP5896148B2 - 高炉用送風羽口

Info

Publication number: JP5896148B2
Application number: JP2012152140A
Authority: JP
Inventors: 雄太日野; 明紀村尾; 山口　公治; 公治山口
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2011-07-07
Filing date: 2012-07-06
Publication date: 2016-03-30
Anticipated expiration: 2032-07-06
Also published as: JP2013032585A

Description

本発明は、高炉内に熱風を送り込むための羽口、特に、この羽口内に断熱スリーブを装着してなる送風羽口に関する。

高炉用送風羽口は、水冷構造となっていることから、熱風の熱ロスが激しいことで知られている。このことから近年の送風羽口は、その内部に主として耐火物からなる断熱スリーブを嵌め入れて固定（装着）することにより、羽口内面の保護を図ると共に、熱風の熱ロスを低減するようにした構造のものが広く用いられている。
例えば、
（１）送風羽口の内側に、ＳｉＣ製セラミックス管を挿入すると共に、このセラミックス管と羽口内面との間に、熱伝導率：５Ｋｃａｌ／ｍＨ℃以下のＡｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２の不定形耐火物を介在させてなる送風羽口（特許文献１）、
（２）出銑口の直上の部位にある羽口にはＣｒ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３系断熱スリーブを取付ける一方、その他の部位のものについては、Ａｌ_２Ｏ_３系断熱スリーブを取付けてなる送風羽口（特許文献２）、
（３）羽口内面と無機物の層からなる断熱スリーブとの間に、熱伝導率０．１Ｗ／ｍＫ以下のＳｉＯ_２を主成分とする断熱材層を設置した送風羽口（特許文献３）
（４）羽口内面と高温耐火性、耐スポーリング性を有する羽口スリーブとの中間に、Ａｌ_２Ｏ_３４０〜５５ｍａｓｓ％、ＳｉＯ_２４０〜５５ｍａｓｓ％の耐火繊維物質を挿入して接着し、Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系の接着モルタルで、羽口スリーブおよび耐火繊維物質を羽口に接着して固定した送風羽口（特許文献４）
などの送風羽口がある。

特開平２−２４０２０６号公報特開平３−１３０３１２号公報特開２００９−３５７５４号公報特開昭５２−３３８０８号公報

前記特許文献１、２に記載の送風羽口は、羽口と断熱スリーブ等との間に介在させている耐火物層の熱伝導率が比較的大きく、断熱効果が小さいという問題があった。ところで、これら文献に記載された羽口の断熱効果を上げるためには、どうしても耐火物層（低熱伝導層）の厚みを大きくする必要がある。しかし、そうすると羽口が相対的に大型化するため羽口外面からの抜熱が増大し、熱ロスの大幅な低減を期待できなくなるという問題がある。

次に、特許文献３、４に記載の送風羽口については、初期のうちは高い断熱効果が得られているものの、長期的には、断熱材自体が高気孔率、低強度で耐風性が低いことなどから劣化が激しく、断熱効果を長く維持することが困難であった。また、一般に羽口や耐火物製スリーブは形状精度が低く、断熱層が物理的、化学的に侵食されやすいため、該スリーブの固定が不安定になって、微粉炭の灰分の付着や羽口の損傷を招きやすいという問題もあった。

そこで、本発明の目的は、熱ロスを少なくすることができると共に、長期に亘って高い断熱効果を示す断熱スリーブつき送風羽口を提供することにある。

本発明は、従来技術が抱えている上述した技術的課題を克服し、上記目的を実現することのできる送風羽口の構成について鋭意研究した結果、内側に、円筒状の耐火物製断熱スリーブを装着してなる羽口において、この断熱スリーブの外周面には、有機系接着剤にて接着されているアルミナファイバーペーパー層を有すると共に、該断熱スリーブの前・後端部をそれぞれ、無機系固定材料にて羽口に直接固定してなる構成としたことを特徴とする高炉用送風羽口を開発するに到った。

なお、本発明に係る羽口において、
（１）前記断熱スリーブは、炭化けい素質、窒化珪素質、アルミナ・クロミア質、高アルミナ質、スピネル質、粘土質の１種または２種以上の複合耐火物からなる定形耐火物、あるいはアルミナ、酸化ケイ素を含有するキャスタブル（不定形耐火物）を成型加工して作製されたものであること、
（２）前記アルミナファイバーペーパー層は、アルミナ含有量７０ｍａｓｓ％以上のアルミナファイバーシートからなるものであること、
（３）前記有機系接着剤は、ボリビニルアルコール、メチルセルロース、エチルセルロースおよびカルボメトキシセルロースから選ばれるいずれか少なくとも１種以上の多糖類、またはアクリルゴム、アラビアゴム、スチレンブタジエンラバーなどから選ばれるゴム系接着剤であること、
（４）前記無機系固定材料は、耐火モルタルあるいはキャスタブル耐火物から選ばれるいずれか少なくとも１種であること、
が、上記の課題解決のためのより有効な解決手段となり得る。

上記のように構成された本発明によれば、
（１）抜熱の小さい、即ち、断熱効果の高い送風羽口が得られ、熱ロスが少なくなるため、高炉操業に当たっての還元材使用量や使用燃料の低減に寄与する。
（２）しかも、本発明に係る送風羽口によれば、上記（１）の効果を長期に亘って安定して維持させることができる。
（３）さらに、該送風羽口内への断熱スリーブの固定に当たって、特に端部については、キャスタブル耐火物や耐火モルタルのような無機系固定材料を使用して羽口に直接固定しているため、該断熱スリーブの取付状態が堅固で羽口寿命の向上に寄与する効果がある。

本発明に係る高炉送風用羽口の断面図である。実施例における抜熱低減効果を示すグラフである。

一般に、高炉用送風羽口は、この羽口からの抜熱、即ち、熱ロスを小さくするために、羽口内面に設けている断熱層の熱抵抗をできるだけ大きくする一方で、先端部の受熱面積をできるだけ小さくしたものが有効とされている。また、羽口は、その内面が最高１２００℃程度の高温、１５０ｍ／ｓ以上の速いガス流に曝されると共に、微粉炭吹込みなどに伴う熱エロージョン作用を受けやすいため、ある程度の強度や耐火性が求められる。しかし、従来の羽口の多くは、これらの要求に十分に応えられるものは少なく、そのため、羽口の内側に高強度で耐火性の高い耐火物製の断熱スリーブと低熱伝導率で低強度の断熱材（層）とを組み合わせて設置することが行われている。

こうした断熱材としては、例えば、ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３系繊維質の断熱材などが一般的であるが、この断熱材の耐用温度は、一般的には１２６０℃と称せられている。しかし、実際には、使用条件によっては短期間で性能が劣化する場合があり、断熱効果を羽口交換周期である１年以上にわたって持続させるのは困難であった。

そこで、本発明では、上記の断熱材（層）として、高温での化学的安定性の高い高アルミナ質セラミックファイバーのシート、即ち、アルミナファイバーペーパーに着目し、しかもこのアルミナファイバーペーパーを断熱スリーブの外表面に取付けるに際しては、好ましくは高温下では焼失してアルミナファイバーを侵食しない有機系接着剤を用いて接着（貼着）することにした。なお、アルミナファイバーペーパーを断熱スリーブに取り付けるのに無機系接着剤を使用しないので、高温下ではアルミナファイバー同士の接着力が著しく低下するが、この断熱スリーブの前・後端をモルタルで封止するので、耐風性の問題は無い。

図１は、本発明に係る高炉用送風羽口の一例を示すものであって、水冷構造の羽口本体１の内側に、円筒状の断熱スリーブ２を装着する前（ａ）と装着した後（ｂ）の状態の断面図である。この施工例では、まず、断熱スリーブ２の外表面にアルミナファイバーペーパーを貼り付け、次いで、その断熱スリーブ２を羽口本体１内に挿入し、該断熱スリーブ２の前・後端の羽口との隙間をモルタルで封止するように充填して、断熱スリーブ２を羽口本体１の内側に固定する。なお、アルミナファイバーペーパーはアルミナ系繊維と有機物繊維を混合して成形したもので、有機物繊維が焼失した後はアルミナ系繊維の不定形体となるものである。このアルミナファイバーペーパーは可撓性が大きく、その他のセラミックファイバーペーパーに比べて、羽口本体１と断熱スリーブ２の隙間を小さくしても施工することができ、設計変更なしで利用することができるので、羽口を小型にするのに有利である。

本発明に係る送風羽口の特徴は、羽口本体１と、その内側に装着する断熱スリーブ２との間に、断熱層として、断熱性に優れかつ可撓性の高い高アルミナ質ファイバー材の例であるアルミナファイバーペーパー層３を介在させること、そして、このアルミナファイバーペーパー層３を断熱スリーブ２の外表面に、焼成によっていずれ除去ないし消滅する有機系接着剤５を用いて接着すること、そして、第３に、そのアルミナファイバーペーパー層３を貼着してなる断熱スリーブ２の羽口本体１内への固定に際して、この断熱スリーブの前・後端部（アルミナファイバーペーパー層３のない部分）をそれぞれ、モルタル等の無機系固定材料にて羽口に直接固定するようにしたこと、にある。

即ち、本発明に係る送風羽口の特徴を要約すると、断熱スリーブ２の外面（羽口内面側）へのアルミナファイバーペーパー層３の接着を有機系接着剤にて行い、一方、羽口本体１内部への該断熱スリーブ２の固定を、キャスタブル耐火物や耐火モルタルの如き無機系固定材料にて行う点にある。

また、羽口を高炉本体に設置する場合、通常、専用の治具を用いて打設する方法がとられる。このとき、アルミナファイバーペーパー層３が断熱スリーブの周囲に貼着されていると、それ自身が緩衝材の役割を果たし、羽口打設時の断熱スリーブの打撃によって生じやすい断熱スリーブの損傷を防ぐ上で効果がある。断熱スリーブとアルミナファイバーペーパー層３が、もし接着剤によって固定されていないと、アルミナファイバーペーパー層３が装着時に外れ、羽口打設時に断熱スリーブの損傷を招いたり、所定の熱ロス抑制効果が得られなかったり、外れたアルミナファイバーペーパーが折り重なって邪魔となり断熱スリーブの装着に支障をきたしたりしてしまう。一方、従来技術のように耐火モルタルのような無機系接着剤を用いてアルミナファイバーペーパー層３を固定すると、長期間使用する間にアルミナファイバーペーパー層３が劣化して断熱効果が低下する問題がある。このことから、断熱スリーブを羽口本体に装着する際、有機系接着剤と無機系固定材料とを使い分けることが重要となる。

即ち、このような有機系接着剤、無機系固定材料の使い分けは、低温時において行われる断熱スリーブ２外表面へのアルミナファイバーペーパー層３の接着と、主として高温時（送風羽口の使用状態）における羽口本体１と断熱スリーブ２との接着という異なる役割を考慮して行わねばならない。例えば、高温でのアルミナファイバーペーパーの接着強度を確保しようとして無機系接着剤を用いると、これを長期に亘って使用すると、アルミナ繊維体が化学的損傷を受けて断熱性能が劣化するという問題があるので、この場合は高温では消失して無害となる有機系接着剤を用いることが有利である。

しかも、有機系接着剤を用いると、アルミナファイバーペーパー層３中のファイバー（無機繊維）と前記有機接着剤とは相互に絡み合うようになり、シート組織への均一浸透性と低温域での接合性、施工性が改善され、ひていは断熱スリーブ２の耐久性向上に寄与する。つまり、有機接着剤を採用することによって、絡み合うファイバーどうしの三次元的な結合の維持が確保され、これによって、該アルミナファイバーペーパー層３と断熱スリーブ２との常温時における接着性と組織均一性とが向上し、強度、施工性に優れた断熱スリーブ２とすることができる。なお、アルミナファイバーペーパー層３は、羽口本体とスリーブ２との間隙が小さい部分では圧縮され、間隙が大きい部分では有機繊維の消失により膨張するが、断熱性能は変形による影響を受けないことから、安定した断熱構造を維持できる。

一方、後者（無機系固定材料）については、キャスタブル耐火物の粒子や耐火モルタルの粒子が、焼成によって強度を増し、高温域（高炉での使用時）での接着強度が維持できる。その理由は、高温域では、有機系接着剤は焼成除去されるものの無機系固定材料の方は、加熱によってセラミック化し、羽口本体１と断熱スリーブ２との結合力を一層高める作用を発揮する。即ち、この無機系固定材料は、接着剤としても機能するものである。従って、断熱スリーブ２の前後端部で、羽口本体と断熱スリーブ２の間隙を、この無機系固定材料で封止した場合、有機系接着剤が消失しても間隙部のアルミナファイバーペーパー層３は、長期にわたって健全に維持される。

上記のように構成される本発明の送風羽口において用いられる断熱スリーブ２としては、好ましくは、炭化けい素質耐火物やアルミナ・クロミア質耐火物、窒化珪素質耐火物、高アルミナ質耐火物、スピネル質、粘土質およびこれらの複合耐火物（ＳｉＣ−Ｓｉ３Ｎ４耐火れんが等）が好適に用いられるが、必ずしもこれらだけに限定されるのではなく、十分な耐火度と耐熱衝撃性を有する他の材質でであってもよい。

また、本発明の送風羽口において用いられる断熱スリーブ２としては、キャスタブル耐火物を混練、成型したものを用いることもできる。通常、キャスタブル製断熱スリーブは、乾燥後の不焼成の状態のものを羽口に設置すると、スリーブ外面が接着用の薄いモルタル層を通じ、水冷羽口によって冷却されるため、高温送風時でもスリーブ内部までの焼成は進まず、逆に不十分な温度上昇によってキャスタブル中の結合材の水和反応生成物が分解することから、強度が部分的に著しく低下してしまう。

しかも、キャスタブル耐火物製スリーブには大きな温度勾配が生じることによって大きな熱応力が生じる他、高炉の定期点検毎の急冷却と急加熱による熱衝撃をも受けるので、不焼成キャスタブル製スリーブを断熱層なしで設置した場合、羽口の耐用期間中に高い頻度でスリーブの破損や、脱落が起こり、熱ロスを著しく増大させる。

このキャスタブル製スリーブの外面にアルミナファイバーペーパーを設置していると、加熱状態に曝されたとき（操業状態）、スリーブの外表面の温度がアルミナファイバーペーパーの存在により、ない場合と比べて高くなり、キャスタブルの焼成が進行して強度が向上する。そのため、断熱層の存在によって熱応力や冷却時の熱衝撃が緩和されることとあいまって、耐用性が向上し長期に亘る断熱効果が維持される。

なお、キャスタブル耐火物は、定形れんがなどと比較すると一般に安価であり、スリーブコストの低減も期待できる。また、このキャスタブルに係るスリーブは、成形乾燥後のスリーブでも、焼成後のスリーブのいずれの状態のものについても使用が可能である。しかし、成形乾燥後のスリーブである程度の強度を有しているので、打設時の破損を招くことなく設置でき、コストの低減に寄与できる。

前記断熱スリーブ２の外面側に接着されるアルミナファイバーペーパー層３としては、アルミナを６５ｍａｓｓ％以上、より好ましくは７０ｍａｓｓ％以上含み、他にシリカや少量の酸化鉄を含む高アルミナ質のファイバーを用いたペーパー製品、ブランケット製品等（以下、これらを「アルミナファイバーペーパー」という）が好適に用いられる。

前記有機系接着剤としては、親水性の有機高分子が望ましく、特に、ポリビニルアルコール、メチルセルロース、エチルセルロースおよびカルボメトキシセルロースなどから選ばれるいずれか少なくとも１種以上の多糖類、またはアクリルゴム、アラビアゴム、スチレンブタジエンラバーなどから選ばれるゴム系接着剤を用いることが好ましい。適当な形状に切り出したアルミナファイバーペーパーに、これらの有機系接着剤を水あるいは有機系の溶媒に溶解させたものを噴霧し、断熱スリーブに接着することにより、簡便な作業で羽口への装着に耐える十分な強度の接着が可能である。

また、前記無機系固定材料としては、耐火れんがの目地材などとして用いられるキャスタブル耐火物や、既知の耐火モルタル、例えば、アルミナ質、粘土質などの使用が可能である。これらは、高温焼成によりＡｌ_２Ｏ_３やＳｉＯ_２のセラミック粒子ともなり、高温域での接着剤としても機能する。

本発明の技術は製鉄プロセスでの高炉の送風羽口への適用が主体であるが、それ以外の溶鉄製造プロセスにも適用することができる。例えば、鉄スクラップと炭素源を装入して溶解する竪型炉（シャフト炉）の送風羽口にも適用することで、同様の抜熱低減効果を生み出すことができる。

以下、本発明の好適実施例について説明する。
この実施例は、５０００ｍ^３級高炉の送風羽口に適用した例であり、平均出銑比２．２ｔ／ｍ^３・ｄａｙの高炉操業を行ったときの結果を示すものである。使用した送風羽口は、断熱スリーブの内径：１５０ｍｍ、肉厚：８ｍｍ、長さ：約３８０ｍｍ、材質：ＳｉＣ−Ｓｉ_３Ｎ_４、断熱材層の厚み：２ｍｍ、断熱スリーブ〜羽口本体内面間間隙：約３ｍｍのものを用いて行った。
そして、その他の条件としては、下記表１に示した内容（断熱材層の材質、断熱スリーブの材質、使用接着剤）で実施した。

図２は、上記の実施例におけるＮｏ．１（本発明例）、Ｎｏ．４（比較例）、Ｎｏ．５（比較例）の送風羽口の抜熱低減効果を１年間に亘って調査した結果を示すものであるが、本発明例については顕著な効果が示された。なお、この抜熱低減効果（Ｍｃａｌ／Ｈ・本）とは、羽口毎の冷却水温と冷却数量から求めた抜熱量の１日平均値を比較して求めたもので、休風等の非定常的な期間は除いている。これはまた、各条件につき出銑孔などの位置特性の影響を除くように配置した羽口５本の平均値のベース条件との差を示すものである。

本発明の送風羽口に適用された技術は、パイプ内などに断熱スリーブを装着して用いるような高温送風パイプなどにも適用することができる。さらに、鉄スクラップ溶解のための竪型炉（シャフト炉）の送風羽口にも同様に本発明の技術を適用することができる。

１羽口本体
２断熱スリーブ
３アルミナファイバーペーパー層
４無機系固定材料
５有機系接着剤

Claims

内側に、円筒状の耐火物製断熱スリーブを装着してなる羽口において、この断熱スリーブの外周面には、有機系接着剤にて接着されているアルミナファイバーペーパー層を有すると共に、該断熱スリーブの前・後端部をそれぞれ、無機系固定材料にて羽口に直接固定してなる構成としたことを特徴とする高炉用送風羽口。
前記断熱スリーブは、炭化けい素質、窒化珪素質、アルミナ・クロミア質、高アルミナ質、スピネル質、粘土質の１種または２種以上の複合耐火物からなる定形耐火物であることを特徴とする請求項１に記載の高炉用送風羽口。
前記アルミナファイバーペーパー層は、アルミナ含有量７０ｍａｓｓ％以上のアルミナファイバーシートからなるものであることを特徴とする請求項１または２に記載の高炉用送風羽口。
前記有機系接着剤は、ボリビニルアルコール、メチルセルロース、エチルセルロースおよびカルボメトキシセルロースから選ばれるいずれか少なくとも１種以上の多糖類、またはアクリルゴム、アラビアゴム、スチレンブタジエンラバーなどから選ばれるゴム系接着剤であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１に記載の高炉用送風羽口。
前記無機系固定材料は、耐火モルタルあるいはキャスタブル耐火物から選ばれるいずれか少なくとも１種であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１に記載の高炉用送風羽口。