JP6252294B2 - ステーブクーラの冷却装置および冷却方法 - Google Patents

Description

本発明は、ステーブクーラの冷却装置および冷却方法に関し、具体的には、高炉冷却装置であるステーブクーラの管路が損傷した場合においても、ステーブクーラによる冷却を行うことができるステーブクーラの冷却装置および冷却方法に関する。

高炉は、炉上部から原料である鉱石、焼結鉱や石灰石、還元材および熱源であるコークスなどの固体を装入し、炉下部に設置される羽口から１２００℃程度の空気を送る向流反応装置である。送られる空気は、湿分や酸素量を調整されることもあり、さらに、微粉炭等の補助還元材を随伴させることもある。

炉内では、羽口先の燃焼により生じた還元性の高温気体が炉内を上昇して、炉上部からの装入物と熱交換および反応を生じる。高炉内は上部から徐々に昇温し、溶銑の温度は、炉下部では約１５００℃に達し、羽口先の燃焼部では約２０００℃に達する。

高炉本体は中空の反応器であり、外部は鉄皮で構成され、内部は耐火物構造を有することが基本である。上述したように、炉内は高温になることに対して、各種の冷却方法や冷却装置がある。現在の高炉の冷却装置としては、ステーブクーラが主流である。

図２は、高炉炉壁の内部近傍に設置されるステーブクーラ１００ａの概略を示す縦断面図である。

同図に示すように、ステーブクーラ１００ａはステーブクーラ本体１００ｂを有する。ステーブクーラ本体１００ｂは、鋳鉄製または銅，銅合金製の冷却板である。ステーブクーラ本体１００ｂは、冷却水路１００ｃとしてパイプを内蔵する。あるいは銅，銅合金に穿孔加工を行い、冷却水路を形成する。図２では、図面を簡略化するために冷却水路１００ｃが１本しか図示されていないが、通常、１個のステーブクーラ１００ａに冷却水路１００ｃが４本程度設けられる。ステーブクーラ本体１００ｂの炉内面側（図２における左方側）には凹凸部が設けられている。耐火物１００ｄは凹部に埋設される。耐火物１００ｄは、炉内からの抜熱を低減するとともに、ステーブクーラ本体１００ｂへの炉内の急激な熱負荷を回避する。

ステーブクーラ１００ａは、おおよそ、縦２ｍ、横１ｍ、厚さ０．１５ｍ程度の寸法を有する。ステーブクーラ１００ａは、炉体への設置の際には、通常、炉体の円周方向に複数列、上下方向に複数段設置される。

図３は、炉体の上下方向へ５段、円周方向へ１列設置されたステーブクーラ１００ａの設置状況の概略を示す説明図である。

同図に示すように、給水本管１０１から最下段のステーブクーラ冷却水路の下部を介して給水された冷却水は、最下段のステーブクーラ１００ａの冷却水路の上部から、一つ上の段のステーブクーラ１００ａ（実線で示す）の冷却水路１００ｃの下部に流れ、この冷却水路１００ｃの上部から、さらに一つ上の段のステーブクーラ１００ａの下部から給水される。このようにして、最上段のステーブクーラ１００ａの冷却水路を介して、排水本管１０２に回収される。

図３は、上下方向へ５段、円周方向へ１列設置されたステーブクーラにおいて、１系統の給排水系統を示しており、他の３系統については図示していないが、同様な給排水系統を有している。本明細書では、ステーブクーラの冷却水路を「ステーブクーラ管路」または単に「管路」と称する。

ステーブクーラは、長年の使用により損傷する場合がある。損傷が管路に及ぶと、冷却水が炉内へ漏水して炉況に悪影響を及ぼす。炉内漏水が多い場合、操業に影響をきたし、突発休風入りの危険性もある。また、ステーブクーラの冷却が十分でない場合、ステーブクーラが溶損し、鉄皮損傷に致る危険性がある。

ステーブクーラの補修方法として、損傷したステーブクーラ自体を新しいステーブクーラに交換する方法がある。この方法は高炉を減尺休風してステーブクーラの交換作業を行い、交換作業完了後には、高炉内を操業休止前の状態まで埋め戻して、その後徐々に操業度を上げて通常操業に戻してゆく方法である。

この方法は、費用や時間を要する対応であり、ひとたび実施されると、炉内の広範囲において交換作業が行われる根本的な補修方法である。それだけに、個々のステーブクーラが損傷した場合に、その都度ステーブクーラの交換作業が実施できるものではないので、交換作業が行われるまでの間の対処方法が求められている。

ステーブクーラの管路が損傷した場合には、炉内への漏水防止のために止水せざるを得ないが、止水されたステーブクーラは炉内の熱負荷のために損傷が進み、ステーブクーラの溶損から鉄皮損傷に至るおそれをある。このため、管路の損傷に対しては、ステーブクーラ本体の損傷を回避するためにも、ステーブクーラの交換を待つことなく、より迅速に対応する必要がある。

特許文献１には、高炉や電炉の冷却装置の冷却管路の補修方法が開示される。この方法では、管路の内側の全領域にわたってフレキシブルホースを挿入し、フレキシブルホースの両端を炉外へ出して、損傷した管路に替えてフレキシブルホースに対して冷却水を通水するに際して、管路とフレキシブルホースの間に空隙があると冷却効果が小さくなるので、当該空隙部に不定形耐火物を圧入して硬化させた上で、フレキシブルホースに通水する。

特許文献１により開示された方法は、空隙部をそのままにしておくことに比較すると冷却効果があり、特許文献１に例示されるような、耐火物中に冷却管路を有する冷却構造であれば、管路破損前と同程度の冷却機能を確保できる。

特許文献２には、ステーブクーラの管路損傷等の理由で高炉炉壁が十分に冷却できなくなった場合の炉壁保護方法として、高炉炉壁に貫通孔を穿設し、炉内に水と冷却ガスを吹き込む技術が開示されている。

特開昭６１−１０７０９０号公報 特開昭６３−２１９５１３号公報

ステーブクーラの管路内を流れる冷却水と金属であるステーブクーラ本体との間に介在物はない。したがって、ステーブクーラの管路損傷に対して、特許文献１により開示された方法を適用しても、新しい管路であるフレキシブルホースとステーブクーラ本体との間に耐火物が圧入されることになるので、損傷前のステーブクーラと比較すると、冷却能力が低下して不足する。また、損傷前後でステーブクーラが変形すると、フレキシブルホースが変形に追随できず破損して通水することができなくなり、結局ステーブクーラを冷却できなくなり損傷が進んでしまう。

特許文献２により開示された発明は、水をミスト状で吹込むことにより広い範囲を冷却対象とすることができ、また水の蒸発熱を利用して高い冷却効果を得ているものの、水は貫通孔から炉内側で蒸発し、その際に雰囲気ガスを冷却することで炉壁温度を低下させる。そのため、ステーブクーラの冷却能力が十分でなく、ステーブクーラが溶損のおそれがある。

本発明は、従来の技術が有するこのような課題に鑑みてなされたものであり、ステーブクーラの管路、特に管路の屈曲部分が損傷した場合や、補修後のステーブクーラが変形した場合においても、損傷したステーブクーラを冷却することができ、これにより、ステーブクーラによる冷却を維持することができるステーブクーラの冷却装置および冷却方法を提供することを目的とする。

本発明は、以下に列記の通りである。
（１）損傷したステーブクーラの管路の内部に挿入されて配置され、内部を冷却水が流れるとともに、該冷却水をミスト状に噴霧する噴霧孔を有するフレキシブルホースと、
前記フレキシブルホースの外面と前記管路の内面との間隙に酸素濃度が１質量％以下の不活性気体を供給する気体供給系と
を備えることを特徴とするステーブクーラの冷却装置。
（２）損傷したステーブクーラの管路の内部に、内部を冷却水が流れるとともに該冷却水をミスト状に噴霧する噴霧孔を有するフレキシブルホースを、挿入して配置し、
前記噴霧孔から前記冷却水をミスト状に噴霧するとともに、前記フレキシブルホースの外面とステーブクーラの管路の内面との間隙に、酸素濃度が１質量％以下の不活性気体を供給すること
を特徴とするステーブクーラの冷却方法。

本発明により、ステーブクーラの管路、特に管路の屈曲部分が損傷した場合や、補修後のステーブクーラが変形した場合においても、損傷したステーブクーラを冷却することができ、これにより、ステーブクーラによる冷却を維持することができる。このため、本発明によれば、ステーブクーラの冷却能力を、損傷前の健全時と同等に維持できるため、ステーブクーラが損傷しても早急にステーブクーラの交換作業を行う必要がなくなり、ステーブクーラの交換工事を計画的かつ円滑に行うことができるようになる。

図１は、本発明に係るステーブクーラの冷却装置および冷却方法を示す説明図である。 図２は、高炉炉壁の内部近傍に設置されるステーブクーラの概略を示す縦断面図である。 図３は、炉体の上下方向へ５段、円周方向へ１列設置されたステーブクーラの設置状況の概略を示す説明図である。

本発明を、添付図面を参照しながら、説明する。はじめに、本発明に係るステーブクーラの冷却装置を説明する。

１．冷却装置
図１は、本発明に係るステーブクーラ２の冷却装置１および冷却方法を示す説明図である。

冷却装置１は、フレキシブルホース３と、気体供給系４とを備えるので、これらを順次説明する。

（１）フレキシブルホース３
フレキシブルホース３は、可撓性を有するホースであり、損傷したステーブクーラ２の管路２−１の内部に挿入されて配置される。図１中の符号２−２は、管路の損傷部を示す。

フレキシブルホース３を管路２−１の内部に挿入するためには、フレキシブルホース３の外径（異径の場合は最大外径である。）は、管路２−１の内径（異径の場合は最大内径である。）より小さい必要がある。また、貫通のためには、フレキシブルホース３は管路長よりも長い必要があり、後述するように両端から水を供給できるだけの長さが必要である。

フレキシブルホース３の内部には、図示しない冷却水供給装置から、冷却水が通水される。

フレキシブルホース３の表面には、多数の噴霧孔３ａが穿設されている。フレキシブルホース３の内部に通水された冷却水は、これらの噴霧孔３ａを介して、ステーブクーラ２の管路２−１の内部にミスト状に噴霧される。

フレキシブルホース３の両端から供給された水は、これらの噴霧孔３ａからフレキシブルホース３の外面とステーブクーラ２の管路２−１の内面との間隙に放出されて、管路２−１を介してステーブクーラ２を冷却する。前述した水の放出は、ミスト状（霧状）に放出され、ステーブクーラ２の管路２−１の内面の全体に行き渡ると、水が昇温して水蒸気となるので気化熱を利用でき、効果的に冷却を行うことができる。

噴霧孔３ａの大きさは、径が１ｍｍ程度（０．５ｍｍから１．５ｍｍ程度）であればよい。噴霧孔３ａの孔径が小さ過ぎると、水の放出に対する圧力損失が大きくなり、冷却水の円滑な供給が妨げられる。噴霧孔３ａの孔径が大き過ぎると、放出される冷却水を十分にミスト状にすることができず、噴霧孔３ａから水が垂れる状態となり、効率的な冷却ができない。噴霧孔３ａの形状は円形であることが、作成が簡便であってかつ水の分散にも適するが、円形には限定されない。

噴霧孔３ａは、例えば、フレキシブルホース３の長手方向に１００ｍｍ程度（８０〜１２０ｍｍ）の間隔で配置することが好ましい。さらに、噴霧孔３ａのフレキシブルホース３の円周方向位置は特に規定しないが、管路２−１の内部により均一に冷却水を分散させるためには、例えば９０°毎に変えることが好ましい。

フレキシブルホース３は、以上のように構成される。

（２）気体供給系４
気体供給系４は、フレキシブルホース３の外面とステーブクーラ２の管路２−１の内面との間隙に気体を供給する。気体を供給することによって、フレキシブルホース３の噴霧孔３ａから放出される冷却水を散乱させる効果がある。

気体を、さらにフレキシブルホース３の内部からも供給すること、すなわち、フレキシブルホースに冷却水とともに気体を供給することとしてもよい。これにより、い。これにより、配管系統を単純化できる利点があるが、同時に供給する水量が限定されることがある。管路２−１とフレキシブルホース３との間隙から供給するほうが冷却水を散乱させるミスト形成効果の観点からは好ましい。

供給される気体が酸素を含有すると、気体がステーブクーラ２の損傷部２−２から高炉内に侵入した場合、侵入した部位近傍で燃焼反応を生じるおそれがある。このため、酸素濃度が１質量％以下の不活性気体を用いることが好ましい。一般に産業用に使用される気体であって高炉設備において調達が容易であり、使用コストが低廉であることから、気体として窒素ガスを用いることが好ましい。

気体供給系４として、周知の装置を用いればよい。

気体供給系４は、以上のように構成される。

２．冷却方法
本発明では、図１に示すように、ステーブクーラ２の管路２−１が損傷部２−２により損傷した場合に損傷した管路２−１を冷却する。図３において、上下方向へ５段にわたる１系統の給排水系統を示したが、この系統の特定の段における管路が損傷した場合は、当該段の下段の排水口と上段の給水口を短絡して、通常通りの冷却水の通水によるステーブクーラ冷却を継続する。そして、短絡によって、全体の冷却系統から切り離された損傷管路に対して、以下に示す手順で管路２−１を冷却する。

図１に示すように、損傷部２−２が損傷したステーブクーラ２の管路２−１の内部に、フレキシブルホース３を、挿入して配置する。

次に、フレキシブルホース３の内部に図示しない冷却水供給装置から冷却水を通水することにより、噴霧孔３ａから冷却水をミスト状に噴霧するとともに、フレキシブルホース３およびステーブクーラ２の管路２−１の間隙に、気体（Ｎ_２ガス）を供給することにより、ステーブクーラ２を冷却する。

ステーブクーラ２の損傷した管路２−１にフレキシブルホース３から供給する冷却水の量は、毎分１〜４リットルであることが好ましく、窒素ガスは管路２−１とフレキシブルホース３の間隙から毎時２００〜４００Ｎｍ^３を供給することが好ましい。

本発明の効果を説明する。効果の指標として、ステーブクーラ２の背面温度を用いる。ステーブクーラ２の背面温度とは、高炉外部から鉄皮５を貫通させて、ステーブクーラ２に接触するように配置した熱電対により測定した温度である。ステーブクーラ２が健全な場合のステーブクーラ２の背面温度は３０〜５０℃程度であり、高炉内におけるガス流れが乱れる等の不安定な場合でも１００℃を超えることは稀である。

ところが、ステーブクーラ２の管路２−１の損傷により冷却水の通水を停止すると、ステーブクーラ２を冷却することができなくなるので、高炉操業が安定している場合でもステーブクーラ２の背面温度は１００℃を大きく越えてしまい、この状態を放置しておけば、前述したようにステーブクーラ２の全体の損傷に至ることとなる。

これに対し、ステーブクーラ２の管路２−１が損傷した場合に、冷却装置１によりこのステーブクーラ２を冷却すれば、ステーブクーラ２の背面温度は３０〜５０℃程度を維持できており、ステーブクーラ２が健全な場合と略同等の冷却能力を維持できる。

なお、フレキシブルホース３から供給された冷却水は、ステーブクーラ２の管路２−１内で昇温した後、その大部分が水蒸気となってステーブクーラ２の損傷部２−２から高炉内に至る。水蒸気は、羽口からの送風中にも含まれている成分であり、多量でなければ高炉操業には有害ではない。

本発明は、損傷したステーブクーラ２の交換を実施するまでの間に暫定的にステーブクーラ２を冷却する方法であるので、ステーブクーラ２からの水蒸気は高炉内に侵入するものの、少量であることから高炉操業を阻害することはない。

本発明により、ステーブクーラ２の冷却能力を、損傷前の健全時と同等に維持できるため、ステーブクーラ２が損傷しても早急にステーブクーラの交換を行う必要がなくなり、ステーブクーラ２の交換工事を計画的かつ円滑に行うことができるようになる。

１ 冷却装置
２ ステーブクーラ
２−１ 管路
２−２ 損傷部
３ フレキシブルホース
３ａ 噴霧孔
４ 気体供給系
５ 鉄皮

Claims (2)

1. 損傷したステーブクーラの管路の内部に挿入されて配置され、内部を冷却水が流れるとともに、該冷却水をミスト状に噴霧する噴霧孔を有するフレキシブルホースと、
   前記フレキシブルホースの外面と前記管路の内面との間隙に酸素濃度が１質量％以下の不活性気体を供給する気体供給系と
   を備えることを特徴とするステーブクーラの冷却装置。
2. 損傷したステーブクーラの管路の内部に、内部を冷却水が流れるとともに該冷却水をミスト状に噴霧する噴霧孔を有するフレキシブルホースを、挿入して配置し、
   前記噴霧孔から前記冷却水をミスト状に噴霧するとともに、前記フレキシブルホースの外面と前記管路の内面との間隙に、酸素濃度が１質量％以下の不活性気体を供給すること
   を特徴とするステーブクーラの冷却方法。

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