JP7380634B2

JP7380634B2 - 粒銑製造装置及び粒銑の冷却方法

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Publication number: JP7380634B2
Application number: JP2021064010A
Authority: JP
Inventors: 雄大土田; 廉 ▲高▼橋; 俊介森; 聡志川畑
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2021-04-05
Filing date: 2021-04-05
Publication date: 2023-11-15
Anticipated expiration: 2041-04-05
Also published as: JP2022159667A

Description

本発明は、溶銑から粒銑を製造する粒銑製造装置に関する。

粒銑とは、溶銑を分散せしめた後に粒状に凝固させたもので、その平均粒径は数ｍｍから数十ｍｍ程度である。銑鋼一貫製鉄所において、製鋼以下の工程においてトラブル等が発生し、高炉で製造された溶銑が突発的に過剰になった場合に、これを粒銑として一時的に保管している。近年は高炉が大型化されており、一時的に大量の溶銑を処理できなければ高炉の減風に繋がる。このため、製鋼以下の工程でトラブル等が発生した場合に備え、バッファーとなる設備が要求されている。

溶銑を粒化する方法として、特許文献１には溶銑に圧力水を吹き付けることにより粒化する方法が開示されている。しかしながら、特許文献１に開示の方法では粒銑が中空になるものが多く、この中空部に水が溜まり、再溶解時に水蒸気爆発を引き起こす危険があった。特許文献２には、溶銑を固定板上に落下させ、液滴が固定板上に跳ね返って下の冷却浴に落ちて冷却され、これにより、粒銑が製造される粒状金属製造方法が開示されている。また、特許文献３には、水流で溶銑を粒化させ、液状の粒銑を水中に投下することで冷却、凝固させ、大量の粒銑を製造する装置が開示されている。

水中に投入される時の粒銑は高温である。粒銑の温度は、１２００～１５００℃程度なので、このような高温の粒銑が水に接触すると高温物体表面上に蒸気膜が生じる膜沸騰状態となって水が蒸発し、粒銑の熱を奪っていく。この膜沸騰は冷却能力が低く、例えば、蒸気膜が生じない核沸騰の数１００分の１程度の熱伝達率しかない。このため、膜沸騰が長く続くと、粒銑が十分に冷却されず、冷却水内で粒銑同士が融着し、合体することがある。

また、冷却水温が高いと水が沸騰しやすくなるので、高温物体周囲に蒸気膜が維持されやすく膜沸騰になりやすい。したがって、冷却水の水温が高くなると、粒銑の冷却能力が著しく低下し、粒銑同士の合体が発生しやすくなる。このような問題に対し、特許文献３には、２次冷却水の冷却水量を調整してピット内の冷却水温を６８℃以下に維持し、これによりピット内に堆積した粒銑の合体を抑制できることが開示されている。

特開２０１８－１１５３６３号公報特公昭５２－２０９４８号公報特開平９－２０９０２号公報

溶銑から粒銑を製造する時に溶銑の液滴が水平方向にある程度広がることと、凝固した粒銑の搬送装置の設置スペースとを考慮すると、粒銑の冷却にはかなりの大きさの冷却水槽が必要になる。冷却水槽には、冷却水を供給する吐出口と、温度が上昇した冷却水を冷却設備に搬送する排水口とを設け、これにより冷却水を水槽と冷却設備とに循環させている。

しかしながら、広い水槽全体に冷たい冷却水を行き渡らせるように制御することは難しい。特許文献３には、２次冷却水の冷却水量を調整してピット内の冷却水温を６８℃以下に維持することが記載されているが、冷却水槽内の流れを制御する方法については何ら記載されておらず、冷却水の流れによっては水槽内によどみ領域が生じることがある。このよどみ領域に粒銑の冷却に使用された暖かい冷却水が滞留すると、局所的に水温が高い領域ができる場合がある。この領域に粒銑が大量に投入された場合には、膜沸騰状態が長い間維持されて十分に冷却されず、粒銑同士が融着し、合体する。粒銑同士が合体すると、搬送しにくい大きさの粒銑が増えて搬送が困難になる。また、粒銑同士が合体する際に冷却水が内含されると水蒸気爆発を引き起こす原因になる、という課題があった。本発明は上記課題を解決するためになされた発明であって、その目的は、粒銑を効率的に冷却して、粒銑同士の合体を抑制できる粒銑製造装置を提供することである。

上記課題を解決するための手段は、以下の通りである。
（１）溶銑を液滴とする粒化装置と、前記液滴を受ける位置に設けられ、前記液滴を冷却する冷却水を収容し、前記冷却水により液滴が冷却されて粒銑となる水流制御容器と、前記水流制御容器に接続され、前記水流制御容器に冷却水を供給する複数の冷却水管と、を有し、前記水流制御容器は、前記液滴を受ける投入口と、前記粒銑を排出する排出口と、前記投入口と前記排出口とを接続し、水平断面が円形であって下方に向けて前記水流制御容器の水平断面積が狭くなるように傾斜した傾斜面と、有し、前記複数の冷却水管は、前記傾斜面の上下方向の高さが同じであって前記水流制御容器の水平断面の中心に対して点対称となる位置の前記傾斜面に、それぞれの冷却水管の中心軸が平行になるように接続される２本の冷却水管からなる冷却水管群から構成され、前記傾斜面の上下方向の中央よりも下方に前記冷却水管群が１組以上設けられ、前記傾斜面の上下方向の中央よりも上方に２組以上であって、前記下方に設けられた前記冷却水管群よりも多い組数の前記冷却水管群が設けられ、前記冷却水管群は、前記中心軸と平行で前記水流制御容器の水平断面の中心を通る中心線の向きがそれぞれ異なるように設けられる、粒銑製造装置。
（２）前記冷却水管に供給される冷却水量を制御する制御装置をさらに有し、前記制御装置は、前記上方の前記傾斜面に設けられる冷却水管群から供給される冷却水の全水量と、前記下方の前記傾斜面に設けられる冷却水管群から供給される冷却水の全水量とが同量になるように冷却水量を制御する、（１）に記載の粒銑製造装置。
（３）冷却水を収容する冷却水槽をさらに有し、前記冷却水槽は、前記水流制御容器を収容する、（１）または（２）に記載の粒銑製造装置。
（４）前記水流制御容器の下方には、冷却された粒銑を前記冷却水槽の外に搬送する搬送装置をさらに有する、（３）に記載の粒銑製造装置。
（５）（１）から（４）の何れか１つに記載の粒銑製造装置を用いた粒銑の冷却方法であって、前記上方の傾斜面に設けられる複数の冷却水管群から供給される冷却水の全水量を、前記下方の前記傾斜面に設けられる冷却水管群から供給される冷却水の全水量と同量とする、粒銑の冷却方法。

本発明の粒銑製造装置では、水流制御容器内に冷却水の下方から上方に向かう旋回流を生じさせて水流制御容器内の粒銑の冷却効率を高め、これにより、粒銑冷却時に粒銑同士が融着し、合体することを抑制できる。さらに、粒銑の冷却効率が高められることで、粒銑の冷却能を同じにしたとしたらよりコンパクトな設備となり、設備の大きさを同じとしたらより多くの粒銑を製造できる設備となる。

実施形態に係る粒銑製造装置１０の一例を示す断面模式図である水流制御容器２０の上面模式図である。水流制御容器２０内に生じる旋回流を説明する断面模式図である。シミュレーションにより水流制御容器内および周囲の水温分布を確認した結果を示す図である。シミュレーションにより水流制御容器内および周囲の水温分布を確認した結果を示す図である。シミュレーションにより水流制御容器内および周囲の水温分布を確認した結果を示す図である。

以下、本発明を発明の実施形態を通じて説明する。図１は、本実施形態に係る粒銑製造装置１０の一例を示す断面模式図である。また、図２は、水流制御容器２０の上面模式図である。粒銑製造装置１０は、溶銑１８から粒銑を製造する装置である。溶銑１８は、高炉で製造された溶銑であっても、スクラップを電気炉で溶解して製造された溶銑であってもよい。本実施形態に係る粒銑製造装置１０で用いられる溶銑１８は、鉄を主成分とするものであれば、いずれの製造方法で製造された溶銑であっても用いることができる。

粒銑製造装置１０は、溶銑１８を液滴とする粒化装置１２と、冷却水を収容する水流制御容器２０と、冷却水５０を水流制御容器２０に供給する６本の冷却水管３０～３５と、搬送装置３８と、冷却水槽５２とを有する。溶銑１８は、粒化装置１２で液滴とされ、水流制御容器２０で冷却されて粒銑となる。

溶銑１８は、溶銑鍋やトピードカー等により、粒銑製造装置１０が設けられている場所に輸送される。輸送された溶銑１８は、粒化装置１２により液滴にされる。粒化装置１２は、例えば、タンディッシュ１４および耐火物１６を有し、タンディッシュ１４に収容された溶銑１８を流出させ、流出された溶銑１８を耐火物１６に衝突させて液滴にする装置である。なお、粒化装置１２はこれに限らず、タンディッシュ１４から流出された溶銑１８に水を衝突させて液滴にする装置であってもよい。これらの粒化装置１２を用いることで、溶銑１８を所定の粒径の粒銑となる液滴に調整する。

液滴が大きくなると、熱容量が大きくなって凝固に時間がかかり、高温のまま粒銑が水流制御容器２０内で互いに融着して合体し、大きな塊となり搬送しにくくなるおそれがある。このため、粒化装置１２は、溶銑１８を冷却後の粒銑の最大長さが５０ｍｍ以下になる液滴にすることが好ましい。溶銑１８は、粒化装置１２で液滴とされ、水流制御容器２０内に落下する。さらに、粒化装置１２では、水流制御容器２０が設けられた領域に液滴が落下するように溶銑１８の流出量が制御される。

水流制御容器２０は、冷却水５０を収容し、冷却水槽５２内であって液滴を受ける位置に設けられる。水流制御容器２０は、内部に収容した冷却水５０で液滴を冷却、固化して粒銑とする。水流制御容器２０は、液滴を受ける投入口２１と、粒銑を排出する排出口２４と、投入口２１と排出口２４とを接続し、水平断面が円形であり、下方に向けて水流制御容器２０の水平断面積が小さくなるように傾斜した傾斜面２２を有する。傾斜面２２は、水流制御容器２０の内側に形成されればよく、水流制御容器２０の外側の形状は特に限定しない。また、図１に示した例では、水流制御容器２０の上方端に円筒部分を有する例を示したが、当該円筒部分は無くてもよい。

水流制御容器２０の傾斜面２２には、６本の冷却水管３０～３５が接続している。冷却水管３０～３５は、不図示の熱交換機やクーリングタワー等の冷却設備によって０℃以上３５℃以下に冷却された冷却水５０が通る水管である。冷却された冷却水５０は、６本の冷却水管３０～３５を通り、水流制御容器２０内に吐出される。

図３は、水流制御容器２０内に生じる旋回流を説明する断面模式図である。冷却水管３０～３５から水流制御容器２０内に吐出された冷却水５０は、傾斜面２２に衝突することでその流れ方向が変化される。水流制御容器２０の水平断面が円形であって傾斜面２２が下方に向けて水平断面積が狭くなるように傾斜しているので、傾斜面２２との衝突により、水流制御容器２０内で水平方向に旋回しながら下方から上方へと向かう旋回流が生じる。水流制御容器２０内に旋回流を生じさせることで、水流制御容器２０内の冷却水が撹拌され、水流制御容器２０内におけるよどみ領域の生成が抑制される。これにより、水流制御容器２０内の冷却水５０の局所的な温度上昇が抑制されて粒銑を効率的に冷却できるようになり、この結果、粒銑が十分に冷却されずに粒銑同士が融着し、合体することが抑制される。

水流制御容器２０の傾斜面２２の水平面に対する傾斜角度は３０°以上であることが好ましい。傾斜面２２の水平面に対する傾斜角度を３０°以上とすることで、冷却された粒銑を傾斜面２２に滞留させることなく排出口２４に案内できる。さらに、当該傾斜角度を３０°以上にすることで、効率的に冷却水管３０～３５から吐出された冷却水５０の流れ方向を変化させ、上方へと向かう旋回流を生じさせることができる。上方に向かう旋回流を生じさせることで、冷却水５０を、水流制御容器２０内を降下する粒銑に対して対向させて流すことができ、これにより、粒銑の冷却効果が高められる。

一方、傾斜面２２の水平面に対する傾斜角度を大きくし過ぎると、所定の大きさの排出口２４に案内するための傾斜面の長さが長くなるので好ましくない。このため、傾斜面２２の水平面に対する傾斜角度は６０°以下であることが好ましい。傾斜面２２の水平面に対する傾斜角度を６０°以下にすることで、排出口２４に案内するための傾斜面が長くなり、水流制御容器２０の深さが深くなって粒銑製造装置１０が大きくなることを抑制できる。さらに、当該傾斜角度を６０°以下にすることで、効率的に冷却水管３０～３５から吐出された冷却水５０の流れ方向を変化させ、上方へと向かう旋回流を生じさせることができる。

再び、図１、２を参照する。冷却水槽５２は、冷却水５０と水流制御容器２０と搬送装置３８とを収容する。水流制御容器２０は、冷却水槽５２に収容される冷却水５０の中に設置される。冷却水槽５２内に収容される冷却水５０は、水流制御容器２０から排水された冷却水５０である。冷却水槽５２内に収容される冷却水５０は、冷却水槽５２の冷却水面が一定になるように、冷却水管３０～３５から吐出される冷却水量と同じ量の冷却水５０が排水口５４から排水される。なお、大容量の冷却水槽５２を用いることによって、冷却水面を制御することが容易になるので、粒銑製造装置１０による粒銑の製造が安定する。

水流制御容器２０内で冷却された粒銑は、水流制御容器２０の下部に設けられた排出口２４から排出される。排出された粒銑は、ベルトコンベア等の搬送装置３８によって粒銑製造装置１０の外部に輸送される。搬送装置３８は、粒銑を粒銑製造装置１０の外部に搬送できる装置であればベルトコンベアに限らず、他の搬送装置であってもよい。但し、冷却水５０が冷却水槽５２の外に搬出されないように、搬送装置３８としてメッシュコンベアを用いることが好ましい。

次に、冷却水管３０～３５と水流制御容器２０との接続位置について説明する。冷却水管３０および冷却水管３１は、上下方向の高さが同じであって、水流制御容器２０の水平断面の中心に対して点対称となる位置の傾斜面２２に、冷却水管３０および冷却水管３１の中心軸が平行（冷却水管３０および冷却水管３１の中心軸が同軸となる場合は平行に含まない。）になるように接続されている。冷却水管３０と冷却水管３１とで冷却水管群４０が構成される。冷却水管群４０は、傾斜面２２の上下方向の中央より下方６５０ｍｍの位置に設けられる。

また、冷却水管群４０におけるそれぞれの冷却水管３０、３１の中心軸と平行で水流制御容器２０の水平断面の中心を通る線を中心線４６とすると、冷却水管３０、３１は、中心線４６から水平方向にそれぞれ８００ｍｍオフセットした位置に接続されている。このように冷却水管３０および冷却水管３１を傾斜面２２に接続することで、これら冷却水管から吐出される冷却水５０がぶつかって干渉することが抑制されるので、水流制御容器２０内に旋回流を生じさせることができる。
なお、本実施形態では、水流制御容器２０の傾斜面２２の上下方向の中央より下方に１組の冷却水管群４０を設けた例を示したが、これに限らない。傾斜面２２上部の下方に設ける冷却水管群は１組以上であればよく、これにより、より強い旋回流を水流制御容器２０内に生じさせることができる。

一方、水流制御容器２０内に強い旋回流を生じさせると、回転中心部がよどみ領域になりやすく、水流制御容器２０の中心部の温度が上昇する。これに対しては、傾斜面２２の上下方向の中央より上方に冷却水管群４２、４４を設け、これら冷却水管群４２、４４からの冷却水の吐出により、水流制御容器２０の中心部に冷却水５０を供給している。

冷却水管群４２は、冷却水管３２および冷却水管３３で構成される。冷却水管３２および冷却水管３３は、上下方向の高さが同じであって、水流制御容器２０の水平断面の中心に対して点対称となる位置の傾斜面２２に、冷却水管３２および冷却水管３３の中心軸が平行になるように接続されている。冷却水管群４２は、傾斜面２２の上下方向の中央より上方７３４ｍｍの位置に設けられている。また、冷却水管群４２におけるそれぞれの冷却水管３２、３３の中心軸と平行で水流制御容器２０の水平断面の中心を通る線を中心線４７とすると、冷却水管３２、３３は、中心線４７から水平方向にそれぞれ８００ｍｍオフセットした位置に接続されている。

冷却水管群４４は、冷却水管３４および冷却水管３５で構成される。冷却水管３４および冷却水管３５は、上下方向の高さが同じであって、水流制御容器２０の水平断面の中心に対して点対称となる位置の傾斜面２２に、冷却水管３４および冷却水管３５の中心軸が平行になるように接続されている。冷却水管群４４は、冷却水管群４２と同じく、傾斜面２２の上下方向の中央より上方７３４ｍｍの位置に設けられている。また、冷却水管群４４におけるそれぞれの冷却水管３４、３５の中心軸と平行で水流制御容器２０の水平断面の中心を通る線を中心線４８とすると、冷却水管３２、３３は、中心線４８から水平方向にそれぞれ８００ｍｍオフセットした位置に接続されている。このように、冷却水管群４２、４４を傾斜面２２の上下方向の中央より上方に設けることで水流制御容器２０の中心部に冷却水５０を吐出でき、これにより、水流制御容器２０の中心部によどみ領域が生じることが抑制され、局所的な冷却水温の上昇を抑制できる。

また、図２に示すように、中心線４６、４７および４８の向きが異なるように冷却水管群４０、４２および４４が設けられる。中心線４６、４７および４８の向きは冷却水５０の吐出方向になるので、これら吐出方向を変えることで、一方の冷却水管群からの冷却水５０の吐出が、他方の冷却水管群の冷却水５０の吐出に妨げられることが抑制される。さらに、中心線４７と中心線４８とが直交するように冷却水管群４２および４４を設けることが好ましい。冷却水管群４２および冷却水管群４４は、傾斜面２２の上下方向に対して同じ高さに設けられているので、中心線４７および中心線４８が直交するように冷却水管群４２および冷却水管群４４を配置することで、一方の冷却水管群４２からの冷却水５０の吐出が、他方の冷却水管群４４からの冷却水５０の吐出に妨げられることが抑制される。これにより、水流制御容器２０の上部に生じるよどみ領域を効果的に小さくでき、局所的な冷却水温の上昇をさらに抑制できる。

さらに、水流制御容器２０内に同一方向の旋回流が生じるように冷却水管群４０、４２、４４を構成する冷却水管を配置することが好ましい。図２に示した例では、左周りの旋回流が生じるように、冷却水管群４０の中心線４６に対して右側から水流制御容器２０内に冷却水が吐出されるように冷却水管３０、３１を配置している。同様に、冷却水管群４２の中心線４７に対して右側から冷却水が吐出されるように冷却水管３２、３３を配置しており、冷却水管群４４の中心線４８に対して右側から冷却水が吐出されるに冷却水管３４、３５を配置している。これにより、水流制御容器２０内に旋回流を生じさせることができる。

なお、本実施形態では、水流制御容器２０の傾斜面２２の上下方向の中央より上方に２組の冷却水管群４２、４４を設けた例を示したが、これに限らない。傾斜面２２上部の上方に設ける冷却水管群は下方に設ける冷却水管群よりも多い２組以上であればよく、これにより、水流制御容器２０の上部の中心部に生じるよどみ領域を効果的に小さくできる。さらに、本実施形態では、粒銑製造装置１０が粒化装置１２と、冷却水５０を収容する水流制御容器２０と、冷却水５０を水流制御容器２０に供給する冷却水管３０～３５と、冷却水槽５２と、搬送装置３８とを有する例を示したが、これに限らない。粒銑製造装置１０は、冷却水槽５２と搬送装置３８とを有しなくてもよい。冷却水槽５２を設けない場合、水流制御容器２０の上方および下方から冷却水５０が排水される。水流制御容器２０の下方において粒銑と排水とをメッシュ状部材を用いて分離し、分離後の排水を回収することで、図１に示した粒銑製造装置１０と同様の方法で溶銑１８から粒銑を製造できる。
また、水流制御容器２０の上方の傾斜面２２に設けられる複数の冷却水管群から供給される冷却水の全水量（上方冷却水量）は、下方の傾斜面２２に設けられる冷却水管群から供給される冷却水の全水量（下方冷却水量）と同量であることが好ましい。この場合において、粒銑製造装置１０は、上方供給冷却水量および下方冷却水管から供給される上方冷却水量と下方冷却水量を制御する制御装置をさらに有する。制御装置は、汎用コンピュータによって構成され、不図示の熱交換機やクーリングタワー等の冷却設備を制御して上方冷却水量と下方冷却水量が等しくなるように各冷却水管から水流制御容器２０に供給される冷却水量を制御する。

水流制御容器２０内の上方へと向かう旋回流により生じる回転中心部のよどみ領域を抑制するには、上方の傾斜面２２に設けられる複数の冷却水管群から供給する冷却水に、旋回流と同等以上の運動エネルギーを付与することが好ましい。このため、上方供給冷却水量が、下方供給冷却水量よりも少ないと、旋回流に抗してよどみ領域を抑制することはできなくなる場合があるからである。一方、上方供給冷却水量が下方供給冷却水量よりも多過ぎると、水流制御容器２０の下方から上方へと向かう旋回流を阻害するので好ましくない。さらに、上方供給冷却水量が下方供給冷却水量よりも多過ぎると、上方供給冷却水量の一部が水流制御容器２０の投入口２１から冷却水槽５２に流出してしまって水流制御容器２０内の粒銑冷却に寄与しなくなり、かえって粒銑の冷却効率を弱めることになる場合があるからである。

次に、本実施形態に係る粒銑製造装置による粒銑冷却効果を確認したシミュレーションの結果を説明する。図４～６は、シミュレーションにより水流制御容器内および周囲の水温分布を確認した結果を示す図である。図１、２に示した形状の水流制御容器を用い、当該容器に接続する冷却水管の本数、位置、冷却水管から吐出させる冷却水量を変えてシミュレーションを実施し、水流制御容器内および周囲の水温分布を確認した。

図４（a）は発明例１のシミュレーション結果を示す図である。発明例１では、図１、２に示した水流制御容器２０と同じ構成の冷却水供給モデルを作成し、当該モデルを用いて水流制御容器内および周囲の冷却水の水温分布をシミュレートした。シミュレーション結果は、水流制御容器内および周囲の冷却水温が７０℃以下であれば、良好であると判断した。なお、粒銑については、あらかじめ実験により、水流制御容器内の水中および傾斜面２２上における落下速度および熱量を測定して、粒銑の粒銑水流制御容器内における位置分布および発熱量をモデル化した。

発明例１のシミュレーションの条件は以下の通りである。
溶銑の温度：１５００℃
タンディッシュからの溶銑の流出速度：３６０ｔｏｎ／ｈ
冷却水温：３５℃
冷却水管３０、３１からの冷却水吐出量：１０００ｍ^３／ｈ
冷却水管３２～３５からの冷却水吐出量：５００ｍ^３／ｈ
冷却水吐出量合計：４０００ｍ^３／ｈ
冷却水管の配管径：６００Ａ
水流制御容器の傾斜角度：５６°
水流制御容器の排出口径：φ１５６０ｍｍ
水流制御容器の高さ：３３００ｍｍ
水流制御容器の傾斜面の高さ：３２９１ｍｍ（斜面の長さ：３９７０ｍｍ）

発明例１の冷却水供給モデルでは、傾斜面の下方に設けた冷却水管３０、３１から吐出される冷却水の合計量に対し、傾斜面の上方に設けた冷却水管３２～３５から吐出される冷却水の合計量が同量になるように、各冷却水管から吐出される冷却水量を定めた。

発明例１では、冷却水管３０、３１から吐出された冷却水によって水平方向に回転しながら上方に向かう旋回流が生じた。水流制御容器の下部では当該旋回流によって冷却水が十分に撹拌されたので、水流制御容器の下部では局所的な冷却水温の上昇が抑制された。この旋回流は水流制御容器の傾斜面に沿って上昇したが、次第に旋回力が弱まるので、水流制御容器の中央部から上部では水平断面の中心付近によどみ領域が発生する。しかしながら、発明例１の冷却水供給モデルでは、冷却水管３２～３５からも冷却水が吐出されるので、これら冷却水管３２～３５から吐出された冷却水によって、水流制御容器の中央部から上部における水平断面の中心付近にも旋回流が生じる。この旋回流によって水流制御容器の中央部から上部における中心付近の冷却水も十分に撹拌されるので、発明例１の冷却水供給モデルでは、水流制御容器内のほとんどの領域において、冷却水温が管理温度である４５℃以上７０℃以下の範囲内に維持された。

図４（ｂ）は比較例１のシミュレーション結果を示す図である。比較例１は、発明例１から冷却水管３２～３５を除いた冷却水供給モデルを用いており、冷却水管の本数、冷却水管の設置位置および冷却水吐出量以外のシミュレーション条件は発明例１と同じである。比較例１では発明例１と同じ冷却水量で粒銑を冷却するため、それぞれの冷却水管から２０００ｍ^３／ｈの冷却水（合計：４０００ｍ^３／ｈ）を水流制御容器内に吐出させた。

比較例１では、水流制御容器の下方から大量の冷却水を吐出させたので、水流制御容器の下部では水平方向に回転しながら上方に向かう旋回流が生じた。当該旋回流によって冷却水が十分に撹拌され、排出口周辺を除き、水流制御容器の下部の水温は管理温度である４５℃以上７０℃以下の範囲内に維持された。一方、水流制御容器の下部で生じた旋回流は上方に行くに従って次第に弱まる。このため、水流制御容器の上部では十分な旋回力が生じず、水流制御容器の上部の水平断面の中心付近によどみ領域が生じた。このため、当該領域の冷却水が撹拌されず、冷却水温は管理温度の上限である７０℃を超えることが確認された。

図５（a）は、比較例２のシミュレーション結果を示す図である。比較例２は、比較例１の２つの冷却水管３０、３１を上下方向の中央の傾斜面に設けた冷却水供給モデルを用いており、冷却水管の本数、冷却水管の設置位置および冷却水吐出量以外のシミュレーション条件は発明例１と同じである。比較例２においても発明例１と同じ冷却水量で粒銑を冷却するために、それぞれの冷却水管から２０００ｍ^３／ｈの冷却水（合計：４０００ｍ^３／ｈ）を水流制御容器内に吐出させた。

比較例２では、水流制御容器の上下方向の中央から大量の冷却水を供給したので強い旋回流が生じた。当該旋回流によって冷却水が撹拌され、水流制御容器の中央部の冷却水温は７０℃以下に維持された。一方、水流制御容器の上部では旋回流が生じず、水流制御容器の上部の水平断面の中心付近によどみ領域が生じた。このため、当該領域の冷却水が撹拌されず、冷却水温は管理温度の上限である７０℃を超えることが確認された。さらに、水流制御容器の下部においても傾斜面に沿って旋回する旋回流が生じないので、傾斜面付近の水温が上昇し、当該領域の冷却水温は管理温度の上限である７０℃を超えることが確認された。

図５（ｂ）は、比較例３のシミュレーション結果を示す図である。比較例３は、水平断面の中心を通る中心線において比較例２の２つの冷却水管の中心軸が同軸となるように対向して冷却水管を設けた冷却水供給モデルを用いており、冷却水管の本数、冷却水管の設置位置および冷却水吐出量以外のシミュレーション条件は発明例１と同じである。比較例３においても発明例１と同じ冷却水量で粒銑を冷却するために、それぞれの冷却水管から２０００ｍ^３／ｈの冷却水（合計：４０００ｍ^３／ｈ）を水流制御容器内に吐出させた。

比較例３では、２つの冷却水管の中心軸が同軸となるように対向して設けられているので、水流制御容器の中央部の水平断面の中心付近で冷却水同士が衝突し、水流制御容器の下方の排出口へ向かう下方流が生じた。このため、水流制御容器の中央部から下部にかけて冷却水が撹拌され、当該位置の冷却水温は７０℃以下に維持された。一方、比較例３では、水平方向に旋回しながら上昇する旋回流が生じないので、水流制御容器の上部全体の冷却水温は管理温度の上限である７０℃を超えることが確認された。

図６（a）は、比較例４のシミュレーション結果を示す図である。比較例４は、比較例１の２つの冷却水管を上下方向の上方の傾斜面に設けた冷却水供給モデルを用いており、冷却水管の本数、冷却水管の設置位置および冷却水吐出量以外のシミュレーション条件は発明例１と同じである。比較例４においても発明例１と同じ冷却水量で粒銑を冷却するために、それぞれの冷却水管から２０００ｍ^３／ｈの冷却水（合計：４０００ｍ^３／ｈ）を水流制御容器内に吐出させた。

比較例４では、２本の冷却水管が水流制御容器上部の開口周辺に対向して互いに離れた位置に設けられているので、これら冷却水管から吐出される冷却水によって強い旋回流が生じなかった。このため、水流制御容器の上部においても水平断面の中心付近によどみ領域が生じた。このため、水流制御容器の上部の中心付近の冷却水が撹拌されず、冷却水温は管理温度の上限である７０℃を超えることが確認された。また、水流制御容器の中央部から下部においても、傾斜面に沿った水平方向の旋回流が生じない。このため、比較例４では、水流制御容器の中央部から下部にわたる傾斜面付近の冷却水温も管理温度の上限である７０℃を超えることが確認された。

図６（ｂ）は、比較例５のシミュレーション結果を示す図である。比較例５は、比較例１と比較例４とを組み合わせた冷却水供給モデルを用いており、冷却水管の本数、冷却水管の設置位置および冷却水吐出量以外のシミュレーション条件は発明例１と同じである。比較例５においても発明例１と同じ冷却水量で粒銑を冷却するために、水流制御容器上部および下部の４つの冷却水管のそれぞれから１０００ｍ^３／ｈの冷却水（合計：４０００ｍ^３／ｈ）を水流制御容器内に吐出させた。

比較例５では、比較例１と同様に、水流制御容器の下部では強い旋回流が生じた。このため、冷却水は十分に撹拌され、排出口周辺を除き、冷却水温は管理温度である４５℃以上７０℃以下に維持された。また、水流制御容器の上部に設けられた２本の冷却水管から冷却水が吐出されることで冷却水が撹拌され、比較例１よりも水流制御容器上部における水平方向断面の中心付近のよどみ領域は小さくなったものの冷却水管が２つしか接続されていないため、依然として水流制御容器の上部の中心付近には管理温度の上限である７０℃を超える領域が残存することが確認された。

これら発明例１と比較例１～５の結果から、発明例１の冷却水供給モデルを含む本実施形態に係る粒銑製造装置を用いることで、水流制御容器内の冷却水温を管理温度の範囲内に維持できることがわかる。そして、水流制御容器内の冷却水温が局所的に高くなることを抑制することで、粒銑冷却時に粒銑同士が融着し、合体することを抑制できる。さらに、本実施形態に係る粒銑製造装置は、水流制御容器内の冷却水温を管理温度の範囲内に維持して粒銑の冷却効率が高められるので、粒銑の冷却能が同じであるとした場合にはよりコンパクトな装置となり、設備の大きさが同じであるとした場合にはより多くの粒銑を製造できる装置になることがわかる。

１０粒銑製造装置
１２粒化装置
１４タンディッシュ
１６耐火物
１８溶銑
２０水流制御容器
２１投入口
２２傾斜面
２４排出口
３０冷却水管
３１冷却水管
３２冷却水管
３３冷却水管
３４冷却水管
３５冷却水管
３８搬送装置
４０冷却水管群
４２冷却水管群
４４冷却水管群
４６中心線
４７中心線
４８中心線
５０冷却水
５２冷却水槽
５４排水口

Claims

溶銑を液滴とする粒化装置と、
前記液滴を受ける位置に設けられ、前記液滴を冷却する冷却水を収容し、前記冷却水で液滴を冷却して粒銑とする水流制御容器と、
前記水流制御容器に接続され、前記水流制御容器に冷却水を供給する複数の冷却水管と、
を有し、
前記水流制御容器は、前記液滴を受ける投入口と、前記粒銑を排出する排出口と、前記投入口と前記排出口とを接続し、水平断面が円形であって下方に向けて前記水流制御容器の水平断面積が狭くなるように傾斜した傾斜面と、有し、
前記複数の冷却水管は、前記傾斜面の上下方向の高さが同じであって前記水流制御容器の水平断面の中心に対して点対称となる位置の前記傾斜面に、それぞれの冷却水管の中心軸が平行になるように接続される２本の冷却水管からなる冷却水管群から構成され、
前記傾斜面の上下方向の中央よりも下方に前記冷却水管群が１組以上設けられ、前記傾斜面の上下方向の中央よりも上方に２組以上であって、前記下方に設けられた前記冷却水管群よりも多い組数の前記冷却水管群が設けられ、
前記冷却水管群は、前記中心軸と平行で前記水流制御容器の水平断面の中心を通る中心線の向きがそれぞれ異なるように設けられる、粒銑製造装置。
前記冷却水管に供給される冷却水量を制御する制御装置をさらに有し、
前記制御装置は、前記上方の前記傾斜面に設けられる冷却水管群から供給される冷却水の全水量と、前記下方の前記傾斜面に設けられる冷却水管群から供給される冷却水の全水量とが同量になるように冷却水量を制御する、請求項１に記載の粒銑製造装置。
冷却水を収容する冷却水槽をさらに有し、
前記冷却水槽は、前記水流制御容器を収容する、請求項１または請求項２に記載の粒銑製造装置。
前記水流制御容器の下方には、冷却された粒銑を前記冷却水槽の外に搬送する搬送装置をさらに有する、請求項３に記載の粒銑製造装置。
請求項１から請求項４の何れか一項に記載の粒銑製造装置を用いた粒銑の冷却方法であって、
前記上方の傾斜面に設けられる複数の冷却水管群から供給される冷却水の全水量を、前記下方の前記傾斜面に設けられる冷却水管群から供給される冷却水の全水量と同量とする、粒銑の冷却方法。