JP6102472B2 - ステーブおよび高炉 - Google Patents

Description

本発明はステーブおよび高炉に関し、高炉内壁に設置されて炉体を保護するステーブおよびステーブを備えた高炉に関する。

既存の高炉では、鉄皮の内側にステーブが設置され、その内側に耐火レンガが設置された構造が多用される。従来は鋳鉄製のステーブが多用されていたが、近年では伝熱性能が高い銅ステーブが多用されるようになっている。
高炉の内面は、炉内の高熱を受けつつ炉内を下降する装入物に曝されて機械的な損耗を受ける。そして、一定期間で耐火レンガが損耗した後は、ステーブの表面が損耗される。このような損耗に対応するために、ステーブの炉内側の表面に凹部を配列し、この凹部に耐火物を嵌め込む等したものが開発されている。

高炉のうち、シャフト部（シャフト中部〜上部）では、装入物は層状をなした粒状のコークスおよび鉄原料（焼結鉱、塊鉱石等）であり、当該部位のステーブは、装入物粒子による機械的な摩耗を受ける。
一方、朝顔部および炉腹部では、以下の２種類の損傷形態が考えられている。第１は上記の鉄原料による機械的な摩耗による損傷、第２としては、高温の融着帯（装入物中の鉱石の軟化溶融が開始し、半溶融状態の鉱石が相互に融着し板状に繋がっている領域）の根部がステーブに接触し、特に高温溶融物による損傷を受ける。以上のような２種類の損傷形態によることが知られている。
このような装入物による高温下での機械的な摩耗あるいは高温の融着帯による溶損損耗に対し、前述した嵌め込み耐火物を有するステーブでも十分な耐久性が得られていなかった。

このような問題に対し、高炉の炉内表面となる基準面を有するステーブ本体と、基準面から炉内側に突出する突起部とを有するステーブが開発されている（特許文献１，２参照）。ここに、突起部は、通常ステーブ本体と同じく銅製とされ、本体と一体の削り出しあるいは別体のものを本体に固定したものとされる。また、突起部をステーブ上端から配置する構成は、鋳鉄ステーブの頃から適宜採用される慣習的な構成である。このような突起部つきのステーブは、俗に「Г（ゲー）型ステーブ」と称される（特許文献３参照）。
このような突起部を有するステーブでは、突起部により炉内を降下する装入物粒子を減速し、停滞層を形成することで摩耗を大幅に緩和し、ステーブ表面を保護することができる。

特許第５０９３４２０号公報 特許第４８９７１１５号公報 実開昭６３−２７５６号公報

ところで、前述した特許文献１，２では、ステーブ基準面を冷却するために本来形成される冷却用水路に加えて、突起部を冷却するための専用の冷却用水路を形成し、各々を内側から冷却している。
これは、ステーブ本体および突起部を形成する銅などの金属材料が、一般に高温になると硬度が低下し、耐摩耗性が急激に低下することを考慮したものである。摩耗に曝されるステーブ本体および突起部の表面は、前述した冷却用水路により冷却され、所定の温度領域（通常は摂氏５００度程度）以下に維持され、その耐久性が確保されている。
従って、ステーブ本体および突起部に対して、前述した冷却用水路による冷却が確実に行われていれば、ステーブ本体および突起部の表面は長期間にわたってその耐久性を維持することができる。

しかし、前述のようなステーブ本体の冷却用水路（ステーブ本体の辺縁部よりも内側の領域に設置される）とともに突起部の冷却用水路を設置しようとすると、ステーブ本体の内部の水路構造およびステーブに接続される配管類の複雑化が避けられない。
また、突起部の冷却用水路を設置するためにステーブ内にスペースを確保することが必要であり、とくに周辺部においては水路以外の構造との干渉等により水路を設置できないことがある。

例えば、前述した特許文献１，２では、突起部がステーブの上端にも設置されている。そして、特許文献１，２において、他の突起部には冷却用水路が通されるが、ステーブ上端の突起部には冷却用水路が通されていない。これは、ステーブ上端には、上方に隣接する他のステーブとの接続構造等が必要であり、これらの構成との干渉を避けるため、ステーブ上端の突起部には冷却用水路が設置できない、という理由による。

他の理由として、ステーブ上端に突起部を配しても、近傍にあるステーブ本体の冷却用水路からステーブ上端突起部を十分に冷却できるとの伝統的な見解があり、特許文献１，２はこのような見解に基づいていると推定される。
しかし、実際には、特許文献１，２の構成では、高炉内部の温度変動などによる局所的な高温化までは吸収しきれず、このようなステーブ上端突起部において、許容できない摩耗が進行していることが分かった。

本発明の主な目的は、構造が簡略化できるとともに、全面にわたって十分な耐久性が得られるステーブおよび高炉を提供することである。

本発明のステーブは、高炉の内面に配置されるステーブであって、前記高炉の炉内表面となる基準面を有するステーブ本体と、前記基準面から炉内側に突出する突起部と、前記ステーブ本体の内部に形成された冷却用水路とを有し、前記突起部は、前記ステーブ本体の上端から離れて設置されていることを特徴とする。
このような本発明では、最上段の突起部もステーブ本体の上端から離れて設置され、ステーブ本体の冷却用水路（ステーブ本体の辺縁部よりも内側の領域に設置される）に近づくことになる。このため、最上段の突起部は、ステーブ本体の冷却用水路により冷却される領域内となり、内部に冷却用水路を形成しなくとも冷却不足を解消することができる。
これにより、ステーブとして、構造が簡略化できるとともに、全面にわたって十分な耐久性が得られる。

本発明のステーブにおいて、前記突起部の最上段は、前記冷却用水路の最上端よりも下方に設置されていることが望ましい。
このような本発明では、最上段の突起部が、ステーブ本体の冷却用水路により冷却される領域内に配置され、最上段の突起部の冷却不足を確実に解消することができる。

本発明のステーブにおいて、前記突起部の最上段は、前記ステーブ本体の上端から所定の第１距離で設置され、前記冷却用水路の最上端は、前記ステーブ本体の上端から所定の第２距離で設置され、前記第１距離は前記第２距離の５０％よりも大きいことが望ましい。
このような本発明では、最上段の突起部が、ステーブ本体の冷却用水路により冷却される領域よりも外側に配置されるが、第１距離を第２距離の５０％より大きくすること、つまり、突起部の最上段を、ステーブ本体の上端よりも冷却用水路の最上端に近く配置することで、最上段の突起部の冷却不足を解消することができる。そして、最上段の突起部は、ステーブ本体の冷却用水路により冷却される領域内に限定されないため、設計自由度を高めることができる。

本発明のステーブにおいて、前記突起部の最上段は、温度４００℃以下になる位置より下方に設置されていることが望ましい。
このような本発明では、突起部の最上段は、ステーブ本体の冷却用水路により冷却される領域の内側か外側かに拘わらず、ステーブ本体の冷却用水路により冷却されて温度４００℃以下に維持されるため、内部に冷却用水路を形成しなくとも冷却不足を解消することができる。

本発明の高炉は、前述した本発明のステーブを備えたことを特徴とする。
このような本発明の高炉によれば、前述した本発明のステーブと同様な作用効果を得ることができ、高炉として、構造が簡略化できるとともに、全面にわたって十分な耐久性が得られる。

本発明によれば、最上段の突起部についてもステーブ本体の冷却用水路により冷却することができ、内部に冷却用水路を形成しなくとも冷却不足を解消することができるため、構造が簡略化できるとともに、全面にわたって十分な耐久性が得られるステーブおよび高炉を提供することができる。

本発明の第１実施形態における高炉を示す断面図。 前記第１実施形態におけるステーブを示す断面図。 本発明の第２実施形態におけるステーブを示す断面図。 本発明の第３実施形態におけるステーブを示す断面図。

〔第１実施形態〕
図１において、高炉１は、基礎地盤上に構築された筒状の炉体２を有する。
炉体２は、筒状であり、上部のガス捕集マンテル３から順次炉口部Ｓ１、シャフト部Ｓ２、炉腹部Ｓ３、朝顔部Ｓ４、羽口部Ｓ５、炉底部Ｓ６に区分される。一般的に、シャフト部Ｓ２の内径は下方に向かって拡張し、炉腹部Ｓ３の内径は最大径であり、朝顔部Ｓ４の内径は下方に向かって縮小する。

炉体２には、通常はガス捕集マンテル３に装入装置が設置され、この装入装置から高炉１内に粒状の装入物４が装入される。装入物４としては、８〜２５ｍｍ程度の粒度の鉱石系装入物と、２０〜５５ｍｍ程度の粒度のコークス系の装入物とが交互に装入される。その結果、炉内の炉口部Ｓ１及びシャフト部Ｓ２には、鉄鉱石とコークスとが交互に成層した塊状帯４Ａが形成される。
炉体２には、炉底部Ｓ６の上部に羽口５が設置され、ここから熱風５Ａが吹き込まれる。この熱風５Ａにより、塊状帯４Ａ中のコークスが炉内を降下するとともに順次昇温され、羽口５近傍には高温ガスによるレースウェイ５Ｂ（羽口５から高速のガスを吹き込んで羽口５前のコークスを流動化させた空隙率の高い空間）が形成される。レースウェイ５Ｂの高熱により、塊状帯４Ａ中の鉄鉱石が溶融する。

これらのコークス燃焼および鉄鉱石の溶融は、塊状帯４Ａの下部で順次進行し、高炉１内には朝顔部Ｓ４からシャフト部Ｓ２の下部に向かって略円錐形の融着帯４Ｂが形成される。
融着帯４Ｂで溶融した鉄分６Ａは滴下帯４Ｃを通過し、炉底部Ｓ６に向かって滴下し、溶銑６Ｂとして炉底部Ｓ６に溜まる。コークス等は滴下帯４Ｃを通過して降下し、炉底部Ｓ６に積み上がり、溶銑６Ｂの上に円錐形の炉芯４Ｄを形成する。
炉体２には、炉底部Ｓ６に出銑口６が設置され、出銑口６により炉底部Ｓ６に溜まった溶銑６Ｂが高炉１の外部に取り出される。

炉体２は、最外周に鉄皮２Ａを有し、鉄皮２Ａの内側に冷却用のステーブや耐熱レンガ２Ｄが貼られている。
シャフト部Ｓ２の上部から中部の塊状帯４Ａに面する領域Ｓ７にはシャフト用のステーブ２Ｂが張られる。この領域Ｓ７では、塊状帯４Ａに含まれる粒状の装入物４がステーブ２Ｂの表面に接触しながら順次降下するため、ステーブ２Ｂの表面には機械的な摩耗を生じることがある。
シャフト部Ｓ２の下部から炉腹部Ｓ３及び朝顔部Ｓ４を含む領域Ｓ８の内周には朝顔部および炉腹部用のステーブ２Ｃが貼られる。この領域Ｓ８では、融着帯４Ｂに含まれる高温の装入物４（融着帯根部）がステーブ２Ｃの表面に接触しながら順次降下するため、ステーブ２Ｃの表面には高温による摩耗を生じることがある。
これらのステーブ２Ｂ，２Ｃの高炉１の内側表面には必要に応じて耐熱レンガ２Ｄが張られる。また、高温の溶融鉄が貯留される炉底部には耐熱レンガ２Ｅが厚く積み上げられる。

本実施形態においては、図１に示すシャフト用のステーブ２Ｂとして、図２に示すシャフト用ステーブ１０が採用されている。
図２において、シャフト用ステーブ１０は、高炉１の内部空間に面する基準面Ｒを有するステーブ本体１１と、基準面Ｒより高炉１の内側に向かって突出した複数の突起部１２とを備えている。これらの突起部１２の間には一段低い平面１３が基準面Ｒに沿って形成されている。平面１３には突起部１２に沿って水平に連続した溝が形成され、この溝には耐火レンガ１５が嵌め込まれている。

ステーブ本体１１の裏面側には、高炉１に装着するためのボルト受け部１１Ａが形成されているとともに、冷却用の管路の接続口１６Ａが形成され、ステーブ本体１１の内部には冷却用の管路１６が形成されている。
管路１６は、平面１３に沿って配置され、接続口１６Ａから供給される冷却水により基準面Ｒである平面１３を冷却することが可能である。
なお、ステーブ本体１１には、突起部１２に沿って配置され、あるいは一部が突起部１２内を通過するような冷却用の管路は設置されていない。

ステーブ本体１１は板状の部材である。ステーブ本体１１は、銅製または銅合金製の板材から、突起部１２、平面１３および前述した溝（耐火レンガ１５が嵌め込まれる）とともに一体に削り出される。
突起部１２は、例えば、基準面Ｒからの突出量（突出寸法）Ｅが５０〜１５０ｍｍ（平均粒度の大きいコークス系装入物の最大粒径５５ｍｍの略１〜３倍）であり、高さ方向の厚みＴが５０〜１５０ｍｍであり、隣接する他の突起部１２との間隔Ｄ（平面１３の高さ方向寸法に相当）が２００〜７００ｍｍ、好ましくは２５０〜３５０ｍｍ（３００ｍｍの前後５０ｍｍ）である。
なお、突起部１２は、その先端面がＴｉＮ，ＴｉＣ，ＷＣ，Ｔｉ−Ａｌ−Ｎ系等の高硬度材料でコーティングされている。

突起部１２のうち、最上段に形成されたものは、その上端がステーブ本体１１の上端から第１距離Ｍ１だけ離れて設置されている。
ステーブ本体１１において、冷却用の管路１６のうち最上段のものは、その上端がステーブ本体１１の上端から第２距離Ｍ２だけ離れて設置されている。
ここで、第１距離Ｍ１は第２距離Ｍ２よりも十分に大きく設定され、最上段の突起部１２は、管路１６の最上端より低い位置に設置されている。
従って、最上段の突起部１２は、ステーブ本体１１の表面のうち管路１６が設置された領域内、つまり管路１６により十分に冷却されうる領域内に配置されている。

このような本実施形態では、ステーブ本体１１から炉内側に突出する突起部１２により、炉内を降下する装入物粒子を減速し、停滞層を形成することで摩耗を大幅に緩和し、ステーブ表面を保護することができる。
また、本実施形態では、最上段の突起部１２もステーブ本体１１の上端から第１距離Ｍ１だけ離れて設置され、ステーブ本体１１に設置された最上段の管路１６よりも下方、つまりステーブ本体１１において管路１６で冷却される領域内となり、内部に冷却用水路を形成しなくとも冷却不足を解消することができる。
これにより、本実施形態のシャフト用ステーブ１０は、構造が簡略化できるとともに、全面にわたって十分な耐久性が得られる。

〔第２実施形態〕
図３には、本発明の第２実施形態が示されている。
本実施形態は、基本的に前述した第１実施形態と同様な構成を有する。このため、共通の要素には同じ符号を付して重複する説明は省略する。
本実施形態は、前述した第１実施形態に対して、最上段の突起部１２の第１距離Ｍ１および最上段の管路１６の第２距離Ｍ２の関係が異なるようにしたものである。

前述した第１実施形態では、第１距離Ｍ１が第２距離Ｍ２よりも十分に大きく設定され、従って最上段の突起部１２は最上段の管路１６より下方とされ、ステーブ本体１１の管路１６で冷却される領域内に最上段の突起部１２が設置されていた。
本実施形態では、第１距離Ｍ１は第２距離Ｍ２よりも小さく、最上段の突起部１２は最上段の管路１６より上方とされ、ステーブ本体１１の管路１６で冷却される領域外に最上段の突起部１２が設置されている。
ただし、第１距離Ｍ１は第２距離Ｍ２の５０％よりも大きく設定され、最上段の突起部１２はステーブ本体１１の上端よりも最上段の管路１６の上端の近くに配置されている。

本実施形態においては、最上段の突起部１２が設置されている位置は、ステーブ本体１１において管路１６で冷却される領域外であるが、管路１６による冷却効果が及び、内部に冷却用水路を形成しなくとも冷却不足を解消することができる。
このような配置とする際には、最上段の突起部１２が温度４００℃以下になるように、第１距離Ｍ１および第２距離Ｍ２を設定することが望ましい。
このような本実施形態によっても、突起部１２の内部に冷却用水路を形成しなくとも冷却不足を解消することができ、シャフト用ステーブ１０として、構造が簡略化できるとともに、全面にわたって十分な耐久性が得られる。

〔第３実施形態〕
図４には、本発明の第３実施形態が示されている。
本実施形態は、前述した図１に示す朝顔部および炉腹部用のステーブ２Ｃに本発明を適用したものである。
図４において、朝顔部および炉腹部用ステーブ１０Ａは、高炉１の内部空間に面する基準面Ｒを有するステーブ本体１１と、基準面Ｒより高炉１の内側に向かって突出した複数の突起部１２とを備えている。

本実施形態において、ステーブ本体１１の傾斜や寸法、突起部１２の列数等が異なるものの、基本的な構成は前述した第１実施形態のシャフト用ステーブ１０のステーブ本体１１、突起部１２、管路１６、第１距離Ｍ１および第２距離Ｍ２と同様に構成されている。従って、共通の構成には同じ符号を付して重複する説明は省略する。
このような本実施形態によっても、前述した第１実施形態と同様な作用効果を得ることができ、朝顔部および炉腹部用ステーブ１０Ａとして、構造が簡略化できるとともに、全面にわたって十分な耐久性が得られる。

〔変形例〕
なお、本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形は本発明に含まれるものである。
例えば、前記実施形態では、シャフト用ステーブ１０あるいは朝顔部および炉腹部用ステーブ１０Ａの突起部１２の表面に高硬度材料をコーティングするとしたが、突起部１２をそれ自体高硬度材料で成形してもよい。なお、突起部１２の表面に高硬度材料を利用することは必須ではないが、シャフト用ステーブ１０あるいは朝顔部および炉腹部用ステーブ１０Ａとして利用する場合、突起部１２が基準面Ｒから突出して装入物４による摩耗を受けやすいことから、高硬度材料による耐摩耗性を確保することが望ましい。
前記実施形態において、シャフト用ステーブ１０あるいは朝顔部および炉腹部用ステーブ１０Ａを高炉炉内に設置するのに先立って、突起部１２の間に保護用の耐火レンガを張って平面１３の表面を覆い、基準面Ｒを火入れ時の熱ショックから保護するようにしてもよい。
その他、突起部１２の配置、断面形状、管路１６の配置、シャフト用ステーブ１０あるいは朝顔部および炉腹部用ステーブ１０Ａの全体的な形状、寸法等は実施にあたって適宜選択すればよい。

本発明は、高炉内壁に設置されて炉体を保護するステーブおよびステーブを備えた高炉として利用することができる。

１…高炉
２…炉体
２Ａ…鉄皮
２Ｂ，１０…シャフト用ステーブ
２Ｃ，１０Ａ…朝顔部および炉腹部用ステーブ
２Ｄ，２Ｅ…耐熱レンガ
３…ガス捕集マンテル
４…装入物
５…羽口
６…出銑口
Ｒ…基準面
Ｓ７…シャフト用のステーブ領域
Ｓ８…朝顔部および炉腹部用のステーブ領域
１１…ステーブ本体
１２…突起部
１３…平面
１５…耐火レンガ
１６…冷却用水路である管路
１６Ａ…接続口
Ｍ１…第１距離
Ｍ２…第２距離

Claims (5)

1. 高炉の内面に配置されるステーブであって、
   前記高炉の炉内表面となる基準面を有するステーブ本体と、前記基準面から炉内側に突出する突起部と、前記ステーブ本体の内部に形成された冷却用水路とを有し、
   前記突起部は、前記ステーブ本体の上端から離れて設置されていることを特徴とするステーブ。
2. 請求項１に記載のステーブにおいて、
   前記突起部の最上段は、前記冷却用水路の最上端よりも下方に設置されていることを特徴とするステーブ。
3. 請求項１に記載のステーブにおいて、
   前記突起部の最上段は、前記ステーブ本体の上端から所定の第１距離で設置され、
   前記冷却用水路の最上端は、前記ステーブ本体の上端から所定の第２距離で設置され、
   前記第１距離は前記第２距離の５０％よりも大きいことを特徴とするステーブ。
4. 請求項１に記載のステーブにおいて、
   前記突起部の最上段は、温度４００℃以下になる位置より下方に設置されていることを特徴とするステーブ。
5. 請求項１から請求項４の何れかに記載のステーブを備えたことを特徴とする高炉。

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