JP6743614B2 - 高炉朝顔部構造および高炉の設計方法 - Google Patents
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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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
〔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、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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
Claims (4)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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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