JP6743614B2 - 高炉朝顔部構造および高炉の設計方法 - Google Patents

Description

本発明は、高炉朝顔部構造および高炉の設計方法に関する。

従来、高炉の朝顔部は、鉄皮と、この鉄皮の内側に設けられた冷却用ステーブ（以下、単にステーブと称する）と、このステーブの内側に設けられて同ステーブを保護する耐火レンガと、を備えている。鉄皮とステーブとの間には、キャスタブル等が適宜充填されている。
高炉の操業に伴い、前述した朝顔部では、内部構造の損耗が生じる。先ず耐火レンガが損耗し、続いてステーブまでが侵蝕される。ステーブの損耗が進むと、鉄皮の保護ができなくなり、鉄皮の温度が上昇することによる変形や亀裂で、高炉の朝顔部が寿命を迎える。

高炉では、膨大なパラメータを考慮しつつ、適切な運転状態が得られるように操業管理が行われる。しかし、多くの高炉において、一炉代つまり寿命となる約１５年の間には大きな操業実績の変動が生じる。特に、高炉の火入れ後の操業開始から数年の時期には、操業実績が大きく低下する期間が現れることが知られている。
このような高炉の操業実績の低下は、火入れ後の操業に伴って高炉の炉内表面の耐火煉瓦等の構造物が損耗し、炉内表面のプロフィルが変化するためと考えられている。
すなわち、高炉の火入れ直後の操業初期状態において、炉内表面の形状は炉内側に積まれた耐火レンガの表面で規定される。高炉の操業開始から時間が経過すると、耐火レンガの局所的な損耗が進む。これにより、炉内表面のプロフィル（縦断面に表れる輪郭形状）が適切でなくなり、円周バランス（水平断面に表れる周方向の形状）が不均一となることがある。このような高炉内の表面形状が不適切な状態では、炉内のガス流れや内容物の分布等が不安定となり、操業実績の低下を招く原因となる。

このような不安定な期間が過ぎると、高炉の操業が安定する時期が続く。これは、大部分の耐火レンガが消滅し、ステーブ炉内表面に生成した付着物層により、火入れ初期に近い略適正なプロフィルあるいは円周バランスが得られるためと考えられている。
高炉の火入れから操業安定期までに、高炉炉内側に設置した耐火レンガの大部分が熱衝撃や損耗により消失する。しかしながら、炉内側のステーブ表面には、装入物に起因する付着物層が生成し、この付着物層が炉内表面の損耗部分を補填している（セルフライニング効果）と考えられている。
高炉のうち、特に朝顔部および炉腹部の炉内側の表面は、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）の根部に接触するため、高熱による損耗を受ける。すなわち、融着帯の根部がステーブ本体に接触することにより、ステーブ本体に熱的負荷及び損耗が生じる。前述した高炉の操業安定期に、高炉内のステーブ表面に生成する付着物は、前記熱的負荷及び損耗に対して保護作用を有し、炉内の耐火煉瓦の損失部分を補修する。この補修により、適切な付着物層の厚みや炉内プロフィルを維持できれば、高炉の更なる長期安定操業および寿命向上が可能になると考えられている。

前述のような高炉の耐火レンガの損傷による炉内表面のプロフィルあるいは円周バランスの不適切さを回避する技術として、特許文献１が知られている。特許文献１には、ステーブの内面に耐火レンガを設置せず、ステーブの内面自体で炉体内壁とすることで、耐火レンガの損耗に起因する炉内表面形状の変化が生じないようにすることが記載されている。
また、特許文献２には、ステーブ表面に生じる付着物を積極的に誘導するために、羽口近くに冷却部材を設置することが記載されている。
これらの技術によれば、ステーブ内側の耐火レンガを省略することで、高炉の火入れ後から操業安定期までにおける耐火煉瓦の損耗による炉内表面形状の急激な変化を回避できる。そして、付着物の誘導により耐火レンガがなくてもステーブの損耗を抑制することができる。

しかし、特許文献１，２において、ステーブ表面の付着物層により形成される炉内表面形状は、高炉の高さ方向および炉周方向において長期に安定的に生成させることは難しい。また、高炉操業時の装入物および操業条件の変化により高炉内のプロフィルは変化する。特に高炉の炉周方向の炉内表面プロフィルの円周バランスが変化した場合は、高炉の安定操業を阻害し、生産性低下の原因となる。
また、特許文献１に記載の構造のように、ステーブ内側に耐火レンガを設置しない高炉の構造では、高炉の火入れ時にステーブや鉄皮が常温から約１５００℃〜２０００℃の高温に急速加熱される。このため、ヒートショックつまり急な熱変動によりステーブに損傷を受ける可能性がある。従って、高炉の構築時にはステーブの炉内表面を耐火レンガで覆っておくことが望ましい。このような耐火レンガを備えた場合においても、火入れ後の操業初期に急激な炉内表面プロフィル変化がなく、長期にわたって適切な炉内表面プロフィルが安定的に維持できる高炉が望まれていた。

これらの要望に対して、高炉の火入れ後の操業初期に、ステーブの炉内表面側の耐火レンガが熱衝撃や損耗により消失した後、ステーブの炉内表面に付着物層を速やかに生成することで、炉内表面プロフィルの急激な変化を抑制しつつ、操業安定期の良好な炉内表面プロフィルを形成できる高炉朝顔部構造およびその設計方法が開発されている（特許文献３参照）。
特許文献３の高炉朝顔部は、高炉の羽口部と炉腹部との間に設けられ、鉛直方向上方に向かって拡径する筒状の朝顔部の構造であって、朝顔部が、環状の鉄皮と、この鉄皮の内周に設けられた銅または銅合金の朝顔部用ステーブと、この朝顔部用ステーブの内周に設けられた耐火レンガと、を有し；朝顔部の上縁位置における耐火レンガの水平方向の厚みが５０〜２５０ｍｍであり；朝顔部の下縁位置における耐火レンガの水平方向の厚みが２００〜５００ｍｍであり；朝顔部をその軸線を含む断面で見た場合に、朝顔部用ステーブの表面と水平面とのなす狭角が７５〜８２°としている。
この構成により、高炉の火入れ後の操業初期において、耐火レンガ消失後にステーブの炉内表面で自然発生する付着物層の傾斜角度を上記の高炉操業安定期の傾斜角度（約７５°）と近くなるようにすることができる。これにより、高炉の火入れ後の操業初期から操業安定期までに生じる炉内表面プロフィルの急激な変化を抑制できるため、操業不安定化及び生産性低下を回避することができる。

特開２００２−１１５００７号公報 特開２００５−１９４５６７号公報 特許第４７５７９６０号公報

特許文献３により、高炉の操業安定化および生産性向上が可能となったが、実際に運用してみると、更なる問題があることが解った。
とくに、羽口の直上部においては、初期レンガまたは付着物生成の脱落ないし再形成の変動が想定以上に顕著であり、その影響により、操業安定化および生産性向上が妨げられることが解った。
すなわち、特許文献３に基づく高炉の朝顔部では、朝顔部用ステーブの表面と水平面とのなす狭角を７５〜８２°とすることで、朝顔部ステーブに適切な付着物層が形成され、これにより炉内表面プロフィルの急激な変化を抑制しつつ、操業安定期の良好な炉内表面プロフィルを形成できる。
これに対し、朝顔部の下部においては、朝顔部ステーブと羽口との間に従来型の厚みを有する耐火レンガが積まれている。
このような耐火レンガ部分があるため、羽口の直上部では、耐火レンガの厚み分だけ、稼働中に生成される付着物の厚みの変動が大きく、円周バランスを含む炉内表面プロフィルの変化による影響が生じやすくなると考えられる。

特許文献３に基づく高炉においても、朝顔部の下部に厚みの大きな耐火レンガが必要になる理由として、羽口付近は特に高温になる部分であること、また、朝顔部用ステーブの表面の角度を浅くしたことで、この表面が羽口に近くなり、耐火レンガが損耗しやすくなったことが考えられる
そして、羽口部ステーブの上部は、その上側にある朝顔部ステーブと冷却水配管を接続する関係で、所定高さだけ羽口部よりも上側に延長する必要がある。このために、羽口の直上部には羽口部ステーブが設置され、これを保護するために、羽口の直上部の朝顔部ステーブと羽口との間に、所定高さにわたって、厚みの大きな耐火レンガを設置する必要があった。

しかし、厚みのある耐火レンガの脱落ないし再形成による炉内面の変動により、操業安定化および生産性向上が妨げられることは前述の通りである。
そこで、朝顔部ステーブと羽口との間に厚みを有する耐火レンガを用いる構造であっても、円周バランスを含む炉内表面プロフィルの安定化が図れるようにすることが求められている。

本発明の目的は、朝顔部ステーブと羽口との間に厚みを有する耐火レンガを用いる構造であっても、円周バランスを含む炉内表面プロフィルの安定化が図れる高炉朝顔部構造および高炉の設計方法を提供することにある。

本発明の高炉朝顔部構造は、高炉の羽口部と炉腹部との間に設けられ、鉛直方向上方に向かって拡径する筒状の朝顔部を構成する高炉朝顔部構造であって、前記朝顔部は、鉄皮の炉内側に設置された銅または銅合金製の朝顔部用ステーブを有し、前記羽口部は、鉄皮の炉内側に設置された羽口部用ステーブと、前記羽口部用ステーブの炉内側に設置された羽口部用耐火レンガとを有し、前記羽口部用ステーブの上端は、前記朝顔部用ステーブの下端より炉外側に配置されていることを特徴とする。

本発明において、朝顔部は、朝顔部用ステーブの炉内側に設置された朝顔部用耐火レンガを有するとしてもよい。
このような本発明では、羽口部用ステーブの上端が朝顔部用ステーブの下端より炉外側に配置されるため、朝顔部用ステーブの下側には、厚みの大きな羽口部用耐火レンガが設置される。この羽口部用耐火レンガは、高炉の火入れ後の操業初期に、熱衝撃や損耗により消失するが、この羽口部用耐火レンガが設置されていたスペースには付着物層が生成される。このスペースでは、前述の通り羽口部用ステーブの上端が、朝顔部用ステーブの下端より炉外側に配置される。このため、生成される付着物層の炉内側面は緩やかな傾斜となることができる。そして、脱落および再生成が比較的少ない安定した付着物層を形成することができる。

このように、本発明によれば、羽口の直上部においても、安定した付着物層が形成され、円周バランスを含む炉内表面プロフィルの安定化を図ることができる。そして、上方の朝顔部においては、前述した特許文献３に準じた適切な炉内付着物が生成できるから、円周バランスを含む炉内表面プロフィルの安定化を図ることができる。
これにより、朝顔部ステーブと羽口との間に厚みを有する耐火レンガを用いる構造であっても、朝顔部から羽口部にかけての領域で、円周バランスを含む炉内表面プロフィルの安定化を図ることができる。そして、安定した高炉の操業を達成することができる。

本発明の高炉朝顔部構造において、前記羽口部は、炉外側から羽口ノズルを挿入可能な羽口冷却函を有し、前記羽口部用ステーブの炉内側上端は、前記羽口冷却函の炉内側先端の上端からの仰ぎ角度が水平面に対して８０°〜３０°となる位置に配置されていることが望ましい。

このような本発明では、羽口の直上部において、安定した状態で付着物層を生成できる構造とすることができる。すなわち、朝顔部用ステーブの下側のスペースにおいては、羽口部用ステーブが炉外側に配置されていることで、付着物層の炉内側面の傾斜が緩やかになり、安定した状態を維持することができる。生成される付着物層は、羽口冷却函の上面に支えられるため、この羽口冷却函を基準として羽口部用ステーブの上端の配置を指定することで、付着物層を安定させるのに適した傾斜とすることができる。

本発明の高炉朝顔部構造において、前記朝顔部用ステーブの下部には、炉外側へ延びる水平部が形成され、前記羽口部用ステーブの上端は、前記水平部の下面に臨んで配置されていることが望ましい。

このような本発明では、羽口部用ステーブの上端が朝顔部用ステーブの下端よりも炉外側に控えた配置となっても、羽口部用ステーブの上端と朝顔部用ステーブの下端との間は水平部で塞がれ、隙間を封止することができる。この間の部分が開いたままだと、炉内側から高温高圧の炉内ガスが、当該隙間から朝顔部用ステーブの裏面側つまり炉外面側に吹き抜け、鉄皮の過熱を招くことがある。しかし、本発明では、水平部によって炉内ガスを遮断することができる。

本発明の高炉朝顔部構造において、前記羽口部用耐火レンガには、炉外側から炉内側へと冷却体が挿入されていることが望ましい。
本発明において、冷却体としては、短冊状の本体を有する既存の冷却板など、棒状の本体の内部に炉外側端から冷却水が導入されるものが利用できる。
本発明において、冷却体としては、棒状の本体が所定の剛性を有することが望ましい。

このような本発明では、冷却棒により羽口部用耐火レンガを内部から冷却することで、羽口部用耐火レンガの損耗を抑制することができる。また、羽口部用耐火レンガが損耗した後は、付着物層を内部から冷却することで、付着物層を安定した状態で生成させることができる。
さらに、冷却棒の剛性により、羽口部用耐火レンガあるいは付着物層を支持することができ、各々の損耗防止あるいは安定生成を補助することができる。

本発明の高炉の設計方法は、羽口部と、炉腹部と、これら羽口部及び炉腹部間に設けられて鉛直方向上方に向かって拡径する筒状の朝顔部とを備え、前記朝顔部は、鉄皮の炉内側に設置された銅または銅合金製の朝顔部用ステーブを有し、前記羽口部は、鉄皮の炉内側に設置された羽口部用ステーブと、前記羽口部用ステーブの炉内側に設置された羽口部用耐火レンガとを有し、さらに、前記羽口部に、羽口ノズルを炉外側から挿入可能な羽口冷却函を有する高炉の設計方法であって、前記羽口部用ステーブの上端を、前記朝顔部用ステーブの下端より炉外側に配置するとともに、前記羽口部用ステーブの上端を、前記羽口冷却函の炉内側先端の上端からの仰ぎ角度が水平面に対して８０°〜３０°となる位置に配置することを特徴とする。
このような本発明の高炉の設計方法によれば、本発明の高炉朝顔部構造で説明した作用効果を得ることができる。

このような本発明によれば、朝顔部ステーブと羽口との間に厚みを有する耐火レンガを用いる構造であっても、円周バランスを含む炉内表面プロフィルの安定化が図れる高炉朝顔部構造および高炉の設計方法を提供することができる。

本発明に基づく高炉の一実施形態を示す断面図。 前記実施形態の高炉朝顔部構造を示す断面図。 前記実施形態の高炉朝顔部構造の要部を示す拡大断面図。 前記実施形態の高炉朝顔部構造の稼動状態を示す拡大断面図。 本発明の他の実施形態の要部を示す拡大断面図。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
〔高炉の全体構成〕
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、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。朝顔部Ｓ４は、筒状であり、羽口部Ｓ５と炉腹部Ｓ３との間に設けられ、鉛直方向上方に向かって拡径する。

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、この装入装置から炉内に粒状の装入物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装入物とが交互に層状に装入される。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中のコークスが燃焼して更に高温となり、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、炉内には朝顔部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。融着帯４Ｂで燃焼しきれなかった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火レンガ２Ｄが張られている。
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には朝顔部用のステーブ２Ｃが張られる。この領域Ｓ８では、高温の装入物４からなる融着帯４Ｂ（装入物４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４Ｅが接触しながら順次降下するため、高炉１の内側のステーブ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の炉内表面には必要に応じて耐火レンガ２Ｄが張られる。
また、高温の溶銑６Ｂが貯留される炉底部Ｓ６には耐火レンガ２Ｅが厚く積み上げられる。

〔朝顔部用ステーブの構成〕
図１における炉腹部Ｓ３及び朝顔部Ｓ４を含む領域Ｓ８に設置される朝顔部用のステーブ２Ｃとして、図２に示すような朝顔部用ステーブ１０が用いられている。
図２において、朝顔部用ステーブ１０は、銅または銅合金の板材から削り出された薄板状のステーブ本体１１を有する。ステーブ本体１１の炉内表面には、水平に連続する突起部１２が複数列形成され、その間には、高炉１の炉外側に向かって窪んだ凹部１３が形成されている。凹部１３内には耐火物１３Ａが嵌め込まれている。
朝顔部用ステーブ１０において、突起部１２は、朝顔部用ステーブ１０が炉内に張られた場合に、おなじ高さ位置にあるものどうしが互いに連続し、高炉１においては各々の突起部１２が完全な円環状を形成する。
突起部１２の先端面は、ＴｉＮ，ＴｉＣ，ＷＣ，Ｔｉ−Ａｌ−Ｎ系等の高硬度材料でコーティングされてもよい。
突起部１２の突出量（凹部１３の底面からの高さ）は５０〜１５０ｍｍ（平均粒度の大きいコークス系装入物の最大粒径５５ｍｍの約１〜３倍の突出量）であり、隣接する突起部１２の間隔は３００〜１０００ｍｍ程度であり、より好ましくは４００〜７００ｍｍである。

朝顔部用ステーブ１０において、ステーブ本体１１の内部には冷却用管路（図示省略）が形成され、ステーブ本体１１の裏面側には冷却用配管１６が接続されている。ステーブ本体１１内部の冷却用管路には、冷却用配管１６からの冷却水が通され、この冷却水の流量調整により朝顔部用ステーブ１０のステーブ本体１１、先端が基準面となる突起部１２、および凹部１３が冷却され、それぞれ適切な温度に調整される。
このような適切な冷却により、装入物４の付着物７層（図３参照）の成長が助長され、朝顔部用ステーブ１０の高炉１内の表面における付着物７層の厚み等を適切な被覆状態に調整することができる。
なお、朝顔部用ステーブ１０は、削り出し品に限らず、ステーブ本体１１、突起部１２および凹部１３が、銅または銅合金で一括鋳造された鋳物であってもよい。

図２において、羽口部Ｓ５には、羽口５を構成する羽口冷却函５１、羽口ノズル５２および羽口配管５３が設置されている。
羽口冷却函５１は、羽口部Ｓ５の鉄皮２Ａの開口に設置され、炉内側へと突出する円錐台状の筒体である。
羽口ノズル５２は、羽口配管５３の先端に形成された円錐形のノズルであり、羽口冷却函５１の炉外側から挿入することで、炉内に露出される。
羽口配管５３は、図示しない環状管を介して熱風炉からの熱風が送られ、この熱風を羽口ノズル５２から炉内に吹き込む。
羽口５において、羽口冷却函５１は高炉１の炉体に固定されているが、羽口ノズル５２および羽口配管５３は羽口冷却函５１から抜き出して炉外へ退避可能である。

〔高炉朝顔部構造〕
本実施形態においては、炉腹Ｓ３下部から朝顔部Ｓ４を経て羽口部Ｓ５の羽口５にわたる領域Ｓ９（図１参照）に、本発明に基づく高炉朝顔部構造９が構成されている。
領域Ｓ９において、高炉朝顔部構造９は、高さ方向に複数段の朝顔部用ステーブ１０を備えている。
朝顔部用ステーブ１０の炉内表面（突起部１２の先端を包絡した面）は、前述した特許文献３に記載の発明に基づいて設定され、水平面とのなす角度が７５〜８２°、好ましくは７５〜７８°である。

複数段の朝顔部用ステーブ１０のうち、領域Ｓ９における最下段の朝顔部用ステーブ１０Ｌは、羽口５の直上の所定高さに設置されている。
朝顔部用ステーブ１０Ｌは、鉄皮２Ａから所定間隔をおいて配置され、朝顔部用ステーブ１０Ｌの炉外側の表面と鉄皮２Ａの炉内面との間の空間には、キャスタブル等の不定形耐火材１５が充填されている。
朝顔部用ステーブ１０Ｌの下部には、炉外側へ延びる水平部１４が形成されている。
水平部１４は、炉外側の先端が、鉄皮２Ａの炉内面に近接して配置されている。水平部１４の先端と鉄皮２Ａの炉内面との間隔は、炉内ガスの吹き抜けを抑制できる程度の小さな間隔、例えば３０〜５０ｍｍとされている。

朝顔部用ステーブ１０Ｌと羽口５との間の空間には、耐火レンガ２Ｄおよびステーブ２Ｃの一部として、羽口部用耐火レンガ２ＤＬおよび羽口部用ステーブ２ＣＬが配置されている。
羽口部Ｓ５に設置される羽口部用ステーブ２ＣＬは、鉄皮２Ａの炉内側面に沿って設置され、上端部が朝顔部用ステーブ１０Ｌの水平部１４の下面に近接して配置されている。水平部１４の下面と羽口部用ステーブ２ＣＬの上端との間隔は、炉内ガスの吹き抜けを抑制できる程度の小さな間隔、例えば３０〜５０ｍｍとされている。
羽口部用耐火レンガ２ＤＬは、羽口５の羽口冷却函５１の上面側を覆っているとともに、朝顔部用ステーブ１０Ｌの下端および炉内側の一部を覆っている。なお、朝顔部用ステーブ１０Ｌの炉内側面にも薄い耐火レンガ２Ｄが設置されている。これらの耐火レンガ２Ｄおよび羽口部用耐火レンガ２ＤＬの炉内側面は、一連の表面を形成している。

羽口冷却函５１と朝顔部用ステーブ１０Ｌとの間において、羽口部用耐火レンガ２ＤＬは羽口部用ステーブ２ＣＬの炉内側面を覆っている。
ここで、羽口部用ステーブ２ＣＬは、朝顔部用ステーブ１０Ｌよりも炉外側にずらして設置されている。すなわち、羽口部用ステーブ２ＣＬの上端は、水平部１４の下面に対向されており、朝顔部用ステーブ１０Ｌのステーブ本体１１部分の下面よりも炉外側に配置されている。
このため、当該部分の羽口部用耐火レンガ２ＤＬは、炉内側表面から炉外側表面までの厚みが、朝顔部用ステーブ１０Ｌの炉内側面を覆う薄い耐火レンガ２Ｄよりも、十分大きなものとされている。

本実施形態において、羽口部用ステーブ２ＣＬの炉内側上端の位置Ｐ１は、羽口冷却函５１の炉内側先端の上端の位置Ｐ０からの仰ぎ角度θが、水平面に対して５５°となる位置に配置されている。この角度θは８０°〜３０°の範囲で選択することができる。
その結果、羽口部用ステーブ２ＣＬの炉内側上端の位置Ｐ１は、最下段の朝顔部用ステーブ１０Ｌのステーブ本体１１の炉内側下端の位置Ｐ２よりも、炉外側に大きくずれた位置とされる。

朝顔部用ステーブ１０Ｌと羽口５との間には、鉄皮２Ａの外側から炉内へと冷却体１７が挿入されている。
冷却体１７は、所定の剛性を有する銅製または銅合金製で、棒状または板状の本体を有し、炉内に挿入された部分は、羽口部用ステーブ２ＣＬの挿通孔に挿通され、さらに先端側が羽口部用耐火レンガ２ＤＬの内部に埋設されている。
冷却体１７は、炉外側から内部へと冷却水が供給されて循環され、これにより羽口部用ステーブ２ＣＬよりも炉内側において、内部から羽口部用耐火レンガ２ＤＬを冷却することができる。

なお、位置Ｐ０，Ｐ１，Ｐ２の具体的な寸法の一例として、例えば、高炉１が容積５０００立法メートル級として、位置Ｐ０に対する位置Ｐ２の高さは１０００ｍｍ、位置Ｐ１と位置Ｐ２との水平距離は２５０ｍｍ、とすることができる。

〔高炉朝顔部構造の作用効果〕
このような本実施形態では、羽口部用ステーブ２ＣＬの上端が、最下段の朝顔部用ステーブ１０Ｌの下端より炉外側に配置されるため、朝顔部用ステーブ１０Ｌの下側には、厚みの大きな羽口部用耐火レンガ２ＤＬが設置される。
この羽口部用耐火レンガ２ＤＬは、高炉１の火入れ後の操業中に、熱衝撃や損耗により徐々に消失する。
そして、羽口部用耐火レンガ２ＤＬが設置されていたスペースには、図４に示すように付着物層ＣＲが生成される。このスペースでは、前述の通り羽口部用ステーブ２ＣＬの上端が朝顔部用ステーブ１０Ｌの下端より炉外側に配置されている。このため、生成される付着物層の炉内側面は緩やかな傾斜となることができる。

付着物層ＣＲは、その炉内側表面が、羽口冷却函５１の先端の位置Ｐ０と、朝顔部用ステーブ１０Ｌの炉内側下端の位置Ｐ２とを結びかつ炉外側へ凹んだ形状の傾斜面となる。付着物層ＣＲの炉内側表面は、その下部では羽口冷却函５１の先端の位置Ｐ０と羽口部用ステーブ２ＣＬの炉内側上端の位置Ｐ２とを結んだ線Ｌｒ（図４参照、正確には円錐面）に沿うが、上部では位置Ｐ２と位置Ｐ１との変位だけ炉内側へ張り出しており、羽口部用ステーブ２ＣＬに対して十分な厚みの付着物層ＣＲとなる。

その結果、羽口部用耐火レンガ２ＤＬの脱落、付着物層ＣＲの脱落および再生成が比較的少ない安定した付着物層を形成できる。
なお、冷却体１７がある部分においては、冷却体１７に応じて突出した部分が生じることがある（図４の一点鎖線表示）。この部分では、冷却体１７による支持が得られるので、他の部分と同様に、羽口部用耐火レンガ２ＤＬの脱落、付着物層ＣＲの脱落および再生成が比較的少ない安定した付着物層を形成できる。

〔実施形態の効果〕
本実施形態では、築炉の際に、朝顔部のステーブ２Ｃと羽口５との間に厚みを有する耐火レンガ２Ｄを用いる。このような構造とすることで、操業初期において、朝顔部Ｓ４から羽口部Ｓ５にかけての領域で、円周バランスを含む炉内表面プロフィルの安定化を図ることができ、安定した高炉１の操業を達成することができる。
そして、操業が進んで耐火レンガ２Ｄが脱落した後は、水平部１４の下部、羽口部用ステーブ２ＣＬ、羽口冷却函５１の上部に囲まれた部分に、安定した付着物層が形成され、円周バランスを含む炉内表面プロフィルの安定化を図ることができる。
一方、上方の朝顔部Ｓ４においては、前述した特許文献３に準じた適切な炉内付着物が生成できるから、円周バランスを含む炉内表面プロフィルの安定化を図ることができる。

本実施形態では、羽口部用ステーブ２ＣＬの炉内側上端（位置Ｐ１）は、羽口冷却函５１の炉内側先端（位置Ｐ０）の上端からの仰ぎ角度θが、水平面に対して５５°となる位置（８０°〜３０°の範囲内）に配置した。
このため、耐火レンガ２Ｄが脱落した後、羽口５の直上部から水平部１４の下側において、付着物層は先ず位置Ｐ０と位置Ｐ２とを結ぶ緩やかな傾斜面（線Ｌｒ）より下方に蓄積され、安定した状態で付着物層を生成できる構造とすることができる。
さらに、最下段の朝顔部用ステーブ１０Ｌの下側のスペースにおいては、羽口部用ステーブ２ＣＬが炉外側に配置されていることで、付着物層が傾斜面（線Ｌｒ）より炉内側に付着し、位置Ｐ１から位置Ｐ２に向けて成長し、これにより炉内側表面が位置Ｐ２から位置Ｐ０に至る付着物層が形成され、安定した状態を維持することができる。
設計にあたっては、生成される付着物層が、羽口冷却函５１の上面に支えられることから、この羽口冷却函５１を基準として羽口部用ステーブ２ＣＬの上端の配置を指定することとした。これにより、付着物層を安定させるのに適した傾斜を、簡単かつ確実に得ることができる。

本実施形態では、最下段の朝顔部用ステーブ１０Ｌの下端に、炉外側へ延びる水平部１４を形成し、羽口部用ステーブ２ＣＬの上端は、水平部１４の下面に臨んで配置されるものとした。
これにより、羽口部用ステーブ２ＣＬの上端が、朝顔部用ステーブ１０Ｌの下端よりも炉外側に控えた配置となっても、羽口部用ステーブ２ＣＬの上端と朝顔部用ステーブ１０Ｌの下端との間は水平部１４で塞がれ、隙間を封止することができる。この間の部分が開いたままだと、炉内側から高温高圧の炉内ガスが、当該隙間から朝顔部用ステーブ１０Ｌの裏面側、つまり炉外面側に吹き抜け、鉄皮の過熱を招くことがある。しかし、本実施形態では、水平部１４によって炉内ガスを遮断することができる。

本実施形態では、羽口部用耐火レンガ２ＤＬに、炉外側から炉内側へと棒状の冷却体１７を挿入した。
このような冷却体１７により、羽口部用耐火レンガ２ＤＬを内部から冷却することができ、羽口部用耐火レンガ２ＤＬの損耗を抑制することができる。また、羽口部用耐火レンガ２ＤＬが損耗した後は、付着物層を内部から冷却することで、付着物層を安定した状態で生成させることができる。
さらに、冷却体１７は本体に剛性を有するものとしたので、羽口部用耐火レンガ２ＤＬあるいは付着物層、とくに図４の線Ｌｒより炉内側にある部分を支持することができ、各々の損耗防止あるいは安定生成を補助することができる。

〔変形例〕
なお、本発明は、前述した実施形態の構成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などは本発明に含まれる。
前述した実施形態において、高炉朝顔部構造９として設置される朝顔部用ステーブ１０は、任意の段数で設置されてよく、少なくとも最下段の朝顔部用ステーブ１０Ｌがあればよい。
朝顔部用ステーブ１０Ｌの炉内側面を覆う薄い耐火レンガ２Ｄは省略してもよい。省略する場合、朝顔部用ステーブ１０Ｌの炉内側面の延長上に、羽口部用耐火レンガ２ＤＬの炉内側面を揃えることができる。

最下段の朝顔部用ステーブ１０Ｌの下部に形成した水平部１４の位置は、朝顔部用ステーブ１０Ｌの下端に限らない。
例えば、図５に示すように、水平部１４は、朝顔部用ステーブ１０Ｌの下端よりも上方に接続してもよい。
図５の実施形態では、さらに朝顔部用ステーブ１０Ｌの下端が下方へ延長されており、炉内面側の下端の位置Ｐ２が、羽口部用ステーブ２ＣＬの上端炉内側の位置Ｐ１よりも下方に配置される。その結果、位置Ｐ２から羽口冷却函５１の炉内側先端の位置Ｐ０に至る付着物層の炉内側表面の高さが小さくなり、付着物層を安定化することができる。

朝顔部用ステーブ１０Ｌの下端の水平部１４は、省略してもよい。例えば、羽口部用ステーブ２ＣＬの炉外側へのずらし量が小さく、羽口部用ステーブ２ＣＬの上端炉内側の位置Ｐ１が、朝顔部用ステーブ１０Ｌのステーブ本体１１の炉外側面を延長した位置Ｐ２よりも炉内側にある場合など、朝顔部用ステーブ１０Ｌの下面と羽口部用ステーブ２ＣＬの上面とが近接し、互いの隙間が小さくできる。このような場合、水平部１４を省略することができる。

冷却体１７は、必ずしも本体の剛性が高いものに限らない。ただし、本体の剛性が高ければ羽口部用耐火レンガ２ＤＬあるいは付着物層の荷重支持に利用できる。
冷却体１７は省略することができる。例えば、羽口部用ステーブ２ＣＬの冷却性能が高く、羽口部用耐火レンガ２ＤＬの冷却が十分に行える場合など、冷却体１７は設置しなくてもよい。

その他、高炉朝顔部構造９ないしは高炉１における、各部材質や細部形状などは、実施にあたって適宜選択しうるものである。

本発明は、高炉朝顔部構造および高炉の設計方法に利用できる。

１…高炉、１０…朝顔部用ステーブ、１０Ｌ…最下段の朝顔部用ステーブ、１１…ステーブ本体、１２…突起部、１３…凹部、１３Ａ…耐火物、１４…水平部、１５…不定形耐火材、１６…冷却用配管、１７…冷却体、２…炉体、２Ａ…鉄皮、２Ｂ，２Ｃ…ステーブ、２ＣＬ…羽口部用ステーブ、２Ｄ，２Ｅ…耐火レンガ、２ＤＬ…羽口部用耐火レンガ、３…ガス捕集マンテル、４…装入物、４Ａ…塊状帯、４Ｂ…融着帯、４Ｃ…滴下帯、４Ｄ…炉芯、４Ｅ…根部、５…羽口、５１…羽口冷却函、５２…羽口ノズル、５３…羽口配管、５Ａ…熱風、５Ｂ…レースウェイ、６…出銑口、６Ａ…鉄分、６Ｂ…溶銑、９…高炉朝顔部構造、ＣＲ…付着物層、Ｌｒ…仰ぎ角度を示す線、θ…仰ぎ角度、Ｐ０，Ｐ１，Ｐ２…位置、Ｓ１…炉口部、Ｓ２…シャフト部、Ｓ３…炉腹部、Ｓ４…朝顔部、Ｓ５…羽口部、Ｓ６…炉底部、Ｓ７，Ｓ８，Ｓ９…領域。

Claims (4)

1. 高炉の羽口部と炉腹部との間に設けられ、鉛直方向上方に向かって拡径する筒状の朝顔部を構成する高炉朝顔部構造であって、
   前記朝顔部は、鉄皮の炉内側に設置された銅または銅合金製の朝顔部用ステーブを有し、
   前記羽口部は、鉄皮の炉内側に設置された羽口部用ステーブと、前記羽口部用ステーブの炉内側に設置された羽口部用耐火レンガとを有し、
   前記羽口部用ステーブの炉内側上端は、前記朝顔部用ステーブの炉内側下端より炉外側に配置されており、
   前記羽口部は、炉外側から羽口ノズルを挿入可能な羽口冷却函を有し、
   前記羽口部用ステーブの炉内側上端は、前記羽口冷却函の炉内側先端の上端からの仰ぎ角度が水平面に対して８０°〜３０°となる位置に配置されていることを特徴とする高炉朝顔部構造。
2. 請求項１に記載の高炉朝顔部構造において、
   前記朝顔部用ステーブの下部には、炉外側へ延びる水平部が形成され、
   前記羽口部用ステーブの上端は、前記水平部の下面に臨んで配置されていることを特徴とする高炉朝顔部構造。
3. 請求項１または請求項２のいずれか一項に記載の高炉朝顔部構造において、
   前記羽口部用耐火レンガには、炉外側から炉内側へと冷却体が挿入されていることを特徴とする高炉朝顔部構造。
4. 羽口部と、炉腹部と、これら羽口部及び炉腹部間に設けられて鉛直方向上方に向かって拡径する筒状の朝顔部とを備え、前記朝顔部は、鉄皮の炉内側に設置された銅または銅合金製の朝顔部用ステーブを有し、前記羽口部は、鉄皮の炉内側に設置された羽口部用ステーブと、前記羽口部用ステーブの炉内側に設置された羽口部用耐火レンガとを有し、さらに、前記羽口部に、羽口ノズルを炉外側から挿入可能な羽口冷却函を有する高炉の設計方法であって、
   前記羽口部用ステーブの炉内側上端を、前記朝顔部用ステーブの炉内側下端より炉外側に配置するとともに、
   前記羽口部用ステーブの炉内側上端を、前記羽口冷却函の炉内側先端の上端からの仰ぎ角度が水平面に対して８０°〜３０°となる位置に配置することを特徴とする高炉の設計方法。

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