JP7468820B1

JP7468820B1 - 粒鉄製造装置及び粒鉄製造方法

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Publication number: JP7468820B1
Application number: JP2023578819A
Authority: JP
Inventors: 雄大土田; 俊介森; 聡志川畑; 有仁松永
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2022-07-19
Filing date: 2023-07-06
Publication date: 2024-04-16
Anticipated expiration: 2043-07-06
Also published as: WO2024018916A1

Abstract

粒鉄を効率的に冷却して、粒鉄同士の合体を抑制できる粒鉄製造装置及び粒鉄製造方法を提供する。粒鉄製造装置７０であって、水流制御容器３０と、水流制御容器内に冷却水２４を供給する冷却水管群４０とを有し、水流制御容器３０は、傾斜面３４を有する仕切筒体３２と、仕切筒体３２の下方に接続されるダクト筒体３５とを有し、冷却水管群４０は、仕切筒体３２に接続する上段冷却水管群４４、中段冷却水管群４６及び下段冷却水管群４８とを有し、中段冷却水管群４６及び上段冷却水管群４４から供給される冷却水２４によって仕切筒体３２内を循環する第１の循環流を生じさせ、下段冷却水管群４８から供給される冷却水２４と仕切筒体３２からの排水によって、ダクト筒体３５内を循環する第２の循環流を生じさせる。

Description

本発明は、溶鉄から粒鉄を製造する粒鉄製造装置及び粒鉄製造方法に関する。

粒鉄とは、溶銑や溶鋼などの溶鉄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。

また、近年の製鉄業におけるＣＯ_２排出量削減の需要から、コークス（炭素源）ではなく、還元剤として水素または天然ガス等の炭化水素ガス系ガスを使用して生産される還元鉄のニーズが高まっている。脈石（主にＳｉＯ_２やＡｌ_２Ｏ_３）やＰ濃度の高い還元鉄から鉄鋼製品を製造するには、還元鉄の製造以降に脈石除去や脱りん処理が不可欠である。このため、鉄鋼製品を製造する前処理として、還元鉄を一旦溶解して溶鉄にした後、脈石除去や脱りん等の処理を行い、処理後の溶鉄を輸送可能な粒鉄として保管する場合がある。

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としている。

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冷却水槽と冷却設備とに循環させている。

しかしながら、広い冷却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冷却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ことで、局所的に水温が高い領域ができる場合がある。この水温が高い領域に粒銑が大量に投入されると、膜沸騰状態が長い間維持されて粒銑が十分に冷却されず、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、溶鉄を効率的に冷却して、粒鉄同士の合体を抑制できる粒鉄製造装置及び粒鉄製造方法を提供することである。

上記課題を解決できる本発明の要旨は以下の通りである。
［１］溶鉄を液滴とする粒化装置と、前記液滴を冷却水に落下させて冷却する冷却水槽とを有する粒鉄製造装置であって、前記冷却水槽内に設けられ、上下端が開口する水流制御容器と、前記水流制御容器内に冷却水を供給する冷却水管群とを有し、前記水流制御容器は、水平断面積が下方に向けて狭くなるように傾斜した傾斜面を有する仕切筒体と、前記仕切筒体の下方に接続されるダクト筒体とを有し、前記冷却水管群は、前記仕切筒体に接続する上段冷却水管群及び中段冷却水管群と、前記ダクト筒体に接続する下段冷却水管群とを有し、前記上段冷却水管群は、前記仕切筒体の上端を含む傾斜面の上段に接続され、前記上段冷却水管群から供給される冷却水によって、上方から下方に傾斜面に沿った冷却水流を生じさせ、前記中段冷却水管群は、前記仕切筒体の傾斜面の中段に、前記仕切筒体の筒芯に向けて水平に接続され、前記中段冷却水管群から供給される冷却水によって、前記仕切筒体の筒芯に向かい、前記筒芯で合流して上昇し、前記上方から下方に傾斜面に沿った冷却水流を伴い、前記仕切筒体内を循環する第１の循環流を生じさせ、前記下段冷却水管群は、前記ダクト筒体の側面に接続され、前記下段冷却水管群から供給される冷却水と前記仕切筒体からの排水によって、前記ダクト筒体内を循環する第２の循環流を生じさせる、粒鉄製造装置。
［２］前記水流制御容器の下方に設けられ、
前記水流制御容器内で冷却された粒鉄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、［１］に記載の粒鉄製造装置。
［３］前記冷却水管群から前記水流制御容器に供給される冷却水量を制御する制御装置を有し、前記制御装置は、前記冷却水管群から供給される冷却水量が、前記中段冷却水管群、前記上段冷却水管群、前記下段冷却水管群の順に少なくなるように制御する、［１］又は［２］に記載の粒鉄製造装置。
［４］前記上段冷却水管群及び／又は前記中段冷却水管群が前記傾斜面に接続する接続部の上側を覆う突出部を有する、［１］から［３］のいずれかに記載の粒鉄製造装置。
［５］前記突出部の断面形状は、上方から下方に向けて広がる逆Ｖ字形状又は逆Ｕ字形状である、［４］に記載の粒鉄製造装置。
［６］前記上段冷却水管群が前記傾斜面に接続する接続部の上側を覆う保護カバーを有し、前記保護カバーの上端部は閉じられている、［１］から［５］のいずれかに記載の粒鉄製造装置。
［７］前記保護カバーの断面形状は、上方から下方に向けて広がる半円又は半楕円形状である、［６］に記載の粒鉄製造装置。
［８］［１］から［７］のいずれかに記載の粒鉄製造装置を用いた粒鉄の製造方法であって、前記冷却水管群から供給される冷却水量が、中段冷却水管群、上段冷却水管群、下段冷却水管群の順に少なくする、粒鉄の製造方法。

本発明の粒鉄製造装置では、仕切筒体内に下方から上方に向かう冷却水の第１の循環流を生じさせ、さらに、ダクト筒体内に冷却水の下方から上方に向かう第２の循環流を生じさせ、当該循環流で粒鉄を冷却する。これにより、仕切筒体内の粒鉄の冷却効率が高まり、粒鉄冷却時に粒鉄同士が融着し、合体することが抑制される。さらに、粒鉄の冷却効率が高められることで、粒鉄の冷却能を同じにしたとしたらよりコンパクトな装置となり、装置の大きさを同じとしたらより多くの粒鉄を製造できる装置となる。

図１は、本実施形態に係る粒鉄製造装置の断面模式図である。図２は、冷却水管群が接続している部分の水流制御容器の断面模式図である。図３は、仕切筒体及びダクト筒体内に生じる循環流を説明する断面模式図である。図４は、本実施形態に係る粒鉄製造装置に用いられる別の水流制御容器を示す断面模式図である。図５は、突出部が設けられた給水口を水平方向から見た模式図である。図６は、本実施形態に係る粒鉄製造装置に用いられる別の水流制御容器を示す断面模式図である。図７は、保護カバーが設けられた給水口を水平方向から見た模式図である。図８は、発明例１及び発明例２のシミュレーション条件を示す図である。図９は、比較例１及び比較例２のシミュレーション条件を示す図である。図１０は、発明例１及び発明例２のシミュレーション結果を示す図である。図１１は、発明例１における各冷却水管群から供給された冷却水の水流を示す斜視模式図である。図１２は、比較例１及び比較例２のシミュレーション結果を示す図である。図１３は、給水口への粒鉄の侵入の有無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鉄製造装置７０の断面模式図である。粒鉄製造装置７０は、溶銑や溶鋼などの溶鉄を液滴化させた状態で冷却して凝固させて、粒状の鉄材である粒鉄を製造する装置である。粒鉄製造装置７０は、溶鉄を液滴とする粒化装置１０と、冷却水槽２０と、水流制御容器３０と、冷却水管群４０と、搬送装置５０とを有する。

粒化装置１０は、溶鉄６０を収容し、底部に溶鉄吐出用のノズル１６を備えたタンディッシュ１２（溶銑桶など）と、ノズル１６から吐出されて流下する溶鉄の液柱６２を衝突させる溶鉄受け盤１４とを有する。溶鉄受け盤１４は、円盤状の耐火物で構成され、支持体１８に支持される。ノズル１６から流下した溶鉄の液柱６２は溶鉄受け盤１４に衝突してその周囲に溶鉄６０の液滴６４が飛散する。

溶鉄６０の液滴６４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、高温のまま溶鉄６０が水流制御容器３０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１０は、溶鉄６０を冷却後の粒鉄６６の最大長さが５０ｍｍ以下になる液滴６４にすることが好ましい。溶鉄６０は、粒化装置１０で液滴６４とされ、冷却水２４に落下する。さらに、粒化装置１０では、水流制御容器３０が設けられた領域に液滴６４が落下するようにタンディッシュ１２からの溶鉄６０の流下量が制御される。

冷却水槽２０は、冷却水２４と水流制御容器３０を収容する。水流制御容器３０は、冷却水槽２０に収容される冷却水２４の中に設置される。冷却水槽２０内に収容される冷却水２４は、水流制御容器３０から排水された冷却水２４が含まれてよい。冷却水槽２０内に収容される冷却水２４は、冷却水槽２０の冷却水面が一定になるように、供給される冷却水量と同じ量の冷却水２４が排水口２２から排水される。なお、大容量の冷却水槽２０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り、粒鉄製造装置７０による粒鉄の製造が安定する。

水流制御容器３０は、冷却水槽２０に設けられ、粒化装置１０で液滴とされた溶鉄を受け入れる位置に設けられる。水流制御容器３０は、内部に収容した冷却水２４で液滴を冷却、凝固させて粒鉄６６とする。

水流制御容器３０は、水平断面積が下方に向けて狭くなるように傾斜した傾斜面３４を有する仕切筒体３２と、仕切筒体３２の下方に接続されるダクト筒体３５とを有する。仕切筒体３２の上端部には液滴６４を受ける投入口３３が設けられ、ダクト筒体３５の下端部には粒鉄を排出する排出口３６が設けられる。すなわち、水流制御容器３０は、上下端が開口されている。傾斜面３４は、水流制御容器３０の内側に形成されればよく、水流制御容器３０の外側の形状は特に限定しない。傾斜面３４の傾斜角度は粒鉄６６を滞留させないなどの観点から４０～６０°の範囲内の角度にすることが好ましい。また、図１に示した例では、水流制御容器３０の上端側に円筒部分を有さない例を示したが、水流制御容器３０の上端側に円筒部分を有してもよい。

本実施形態では、水流制御容器３０によって形成される粒鉄６６の冷却領域を冷却領域Ａとする。このように水流制御容器３０によって形成される冷却領域Ａを設ける理由は、以下の２つの効果を得るためである。
（１）冷却領域Ａに冷却水２４を集中して導入することで、粒鉄６６を効率的に冷却できる。
（２）仕切筒体３２内で生成させた粒鉄６６を傾斜面３４で１箇所所に集められるので、粒鉄６６の回収が容易になる。

冷却水管群４０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２４が通る水管群である。冷却水管群４０から水流制御容器３０の仕切筒体３２内に冷却水２４を供給すると、冷却水２４は、開口が大きい上方に向かって流れようとする。したがって、仕切筒体３２の下方から筒芯に向けて冷却水を供給すると、仕切筒体３２内の筒芯で合流して上昇する。一方、仕切筒体３２の上方から下方に向けて傾斜面３４に沿うように冷却水を供給すると、仕切筒体３２内の筒芯で合流して上昇した冷却水２４は、仕切筒体３２の投入口３３から冷却水槽２０内に流出せず、投入口３３付近で周方向に広がり、仕切筒体３２の傾斜面３４を下降する冷却水流を伴う第１の循環流が生じる。この第１の循環流を生じさせることで、粒鉄６６を向流で冷却できるとともに、仕切筒体３２内のよどみ領域を少なくすることができる。冷却水管群４０は、仕切筒体に接続する上段冷却水管群４４及び中段冷却水管群４６と、ダクト筒体３５に接続する下段冷却水管群４８とを有する。

中段冷却水管群４６は、仕切筒体３２の上下方向の中央から下方６５０ｍｍまでの範囲の傾斜面３４の中段に、仕切筒体３２の筒芯に向けて水平に接続される。中段冷却水管群４６から仕切筒体３２内に冷却水２４を供給すると、冷却水２４は、仕切筒体３２の筒芯に向かい、当該筒芯で合流して上昇する。当該筒芯で合流して上昇した冷却水２４は、仕切筒体３２の上端で周方向に広がり、傾斜面３４に沿って下降するように流れ、第１の循環流が形成される。中段冷却水管群４６から供給される冷却水２４は第１の循環流の一部を形成する。

中段冷却水管群４６から供給される冷却水量は、１５００ｍ^３／ｈ以上３９００ｍ^３／ｈ以下であることが好ましい。冷却水量が１５００ｍ^３／ｈよりも少ないと、仕切筒体３２の筒芯での強く安定した上昇流が生じにくくなるので好ましくない。また、冷却水量が３９００ｍ^３／ｈよりも多いと、第１の循環流から外れて、仕切筒体３２の投入口３３から冷却水槽２０に流出する冷却水２４が発生するので好ましくない。

中段冷却水管群４６から供給される冷却水２４の流速は、１．８ｍ／ｓ以上２．２ｍ／ｓ以下であることが好ましい。中段冷却水管群４６から供給される冷却水２４の流速が１．８ｍ／ｓよりも遅いと、冷却水２４が仕切筒体３２の筒芯に到達するまでに減速してしまい、強く安定した上昇流が生じにくくなるので好ましくない。また、中段冷却水管群４６から供給される冷却水２４の流速が２．２ｍ／ｓよりも速いと、冷却水管４１での圧力損失が高くなり、ポンプ等の大規模な送水設備が必要となるので好ましくない。

上段冷却水管群４４は、仕切筒体３２の上端を含む傾斜面３４の上段に接続される。上段冷却水管群４４は、仕切筒体３２の上端の周縁に所定の間隙を有するスリット４２と、仕切筒体３２の上段の傾斜面３４に給水口４３とを含む仕切筒体３２の上段部分を覆い、スリット４２および給水口４３に冷却水を供給する給水ジャケット４５に接続される。上段冷却水管群４４は、仕切筒体３２の上端から下方１０００ｍまでの範囲の仕切筒体３２の上端を含む傾斜面３４に接続される。

スリット４２と給水口４３から供給される冷却水２４の流速は０．１ｍ／ｓ以上０．７ｍ／ｓ以下であることが好ましい。この範囲内の流速で、スリット４２と給水口４３から仕切筒体３２内に冷却水２４を供給すると、冷却水２４は、仕切筒体３２の筒芯に向けて流れずに、傾斜面３４の上端から下方に向かって傾斜面３４に沿って流れる。これにより、上段冷却水管群４４から供給される冷却水２４は、第１の循環流の１部を形成するようになり、第１の循環流が安定化される。上段冷却水管群４４から供給される冷却水量は、７００ｍ^３／ｈ以上３０００ｍ^３／ｈ以下であることが好ましい。上段冷却水管群４４から供給される冷却水量が７００ｍ^３／ｈよりも少ないと、第１の循環流を安定化できなくなるおそれが生じるので好ましくない。また、上段冷却水管群４４から供給される冷却水量が３０００ｍ^３／ｈより多いと、第１の循環流を安定化する効果は飽和し、粒鉄６６の冷却にも寄与せずに、傾斜面３４に沿って下降し、仕切筒体３２の下端の排水口２２から排水されるだけなので好ましくない。また、スリット４２と給水口４３から供給される冷却水量の配分は、６：４であることが好ましい。

下段冷却水管群４８は、ダクト筒体３５の側面に少なくとも１組の水管がダクト筒体３５の筒芯にむけて対向して水平に接続される。下段冷却水管群４８からダクト筒体３５内に冷却水２４を供給すると、冷却水２４は、ダクト筒体３５の筒芯に向かい、当該筒芯で合流して上昇し、ダクト筒体３５内を循環する第２の循環流を生じさせる。

下段冷却水管群４８から供給される冷却水量は、２５０ｍ^３／ｈ以上７５０ｍ^３／ｈ以下であることが好ましい。下段冷却水管群４８から供給される冷却水量が２５０ｍ^３／ｈよりも少ないと、ダクト筒体３５内の第２の循環流が生じにくく、水温の高いよどみ領域を生じさせるおそれが生じるので好ましくない。また、下段冷却水管群４８から供給される冷却水量が７５０ｍ^３／ｈより多いと、仕切筒体３２の下端からの排水を阻害してしまうので好ましくない。

下段冷却水管群４８から供給される冷却水２４の流速は０．５ｍ／ｓ以上１．０ｍ／ｓ以下であることが好ましい。ダクト筒体３５内に供給される冷却水２４の流速が０．５ｍ／ｓよりも遅いと、ダクト筒体３５内を攪拌する効果が低くなるので好ましくない。また、ダクト筒体３５内に供給される冷却水２４の流速が１．０ｍ／ｓよりも速いと、ダクト筒体３５の下端と搬送装置５０との隙間からの漏水が増加するので好ましくない。

図２は、冷却水管群が接続している部分の水流制御容器３０の断面模式図である。図２（ａ）は、上段冷却水管群４４が接続している部分の水流制御容器３０の断面模式図であり、図２（ｂ）は中段冷却水管群４６が接続している部分の水流制御容器３０の断面模式図である。図２（ｃ）は、下段冷却水管群４８が接続している部分の水流制御容器３０の断面模式図である。

上段冷却水管群４４は、図２（ａ）に示すように、２本の冷却水管４１で構成される。冷却水２４は、２本の冷却水管４１から給水ジャケット４５に供給され、給水ジャケット４５で環状のスリット４２及び仕切筒体３２の傾斜面３４に放射状に配置された１６個の給水口４３に分配される。冷却水２４は、環状のスリット４２及び１６個の給水口４３から仕切筒体３２内に供給される。中段冷却水管群４６は、仕切筒体３２の筒芯に向けて水平に配置される４本の冷却水管４１によって構成される。冷却水２４は、４本の冷却水管４１から仕切筒体３２内に供給される。下段冷却水管群４８は、４本の冷却水管４１によって構成される。４本のうち、２本の冷却水管４１がダクト筒体３５の筒芯に向けて対向して水平に配置され、他の２本の冷却水管４１はダクト筒体の側面に配置される。冷却水２４は、４本の冷却水管４１からダクト筒体３５内に供給される。このように、本実施形態に係る粒鉄製造装置７０では、計１０本の冷却水管４１によって、仕切筒体３２内及びダクト筒体３５内に冷却水が供給される。なお、図２に示した例ではダクト筒体３５の断面形状が４角形である例を示したが、これに限らず、ダクト筒体３５の断面形状は円形であってもよい。

図３は、仕切筒体３２及びダクト筒体３５内に生じる循環流を説明する断面模式図である。第１の循環流Ｂ１は、仕切筒体３２内を循環する循環流である。中段冷却水管群４６から供給された冷却水２４が筒芯で合流し、強い上昇流が形成される。この強い上昇流は、投入口３３付近で周縁部へと広がる。周縁部に広がった水流は、傾斜面３４に沿って下降する下降流となる。当該下降流は、スリット４２及び給水口４３からの冷却水流と合流し、これら冷却水流による整流作用により、傾斜面３４に沿って下方に流れ、ダクト筒体３５と接続する下端より排出される。仕切筒体３２内の第１の循環流Ｂ１により、冷却領域Ａにおける中段から上段に渡る領域の水温を５０℃前後の適切な水温に維持できる。また、仕切筒体３２の筒芯部に生じる強い上昇流は、投入口３３から投入されて下降する粒鉄６６に対して向流になるので、高い冷却効率で粒鉄６６を冷却できる。

第２の循環流Ｂ２は、ダクト筒体３５内に生じる循環流である。仕切筒体３２の下端からの排水は下段冷却水管群４８からの水温の低い吐出流と合流して撹拌され、これによりダクト筒体３５内に循環流が生じる。これにより、仕切筒体３２により集められた粒鉄を効率的に冷却できる。

このように、仕切筒体３２内の第１の循環流Ｂ１とダクト筒体３５内の第２の循環流Ｂ２を生じさせることで、仕切筒体３２及びダクト筒体３５内の冷却水が撹拌され、仕切筒体３２内及びダクト筒体３５内におけるよどみ領域の生成が抑制される。これにより、仕切筒体３２及びダクト筒体３５内の冷却水２４の局所的な温度上昇が抑制されて粒鉄６６を効率的に冷却できるようになる。この結果、粒鉄６６が十分に冷却されずに粒鉄同士が融着し、合体することが抑制される。

仕切筒体３２の筒芯に生じる上昇流は、投入口３３から投入されて落下する粒鉄６６に対向する冷却水流となるので高い冷却効率が得られる。この上昇流を好適に形成させるため、中段冷却水管群４６から供給される全冷却水量は、上段冷却水管群４４から供給される全冷却水量よりも多くすることが好ましい。

また、仕切筒体３２の傾斜面３４の上段に接続される上段冷却水管群４４から供給される冷却水流は、傾斜面３４に沿って下降するので、仕切筒体３２の傾斜面３４の中段に接続される中段冷却水管群４６からの吐出流と衝突する。このため、中段冷却水管群４６から供給される冷却水量よりも上段冷却水管群４４から供給される冷却水量の方が多いと、当該冷却水の水流によって中段冷却水管群４６からの吐出される水流が弱まり、第１の循環流Ｂ１が形成されにくくなる懸念が生じる。よって、中段冷却水管群４６から供給される全冷却水量は、上段冷却水管群４４から供給される全冷却水量よりも多くすることが好ましい。さらに、中段冷却水管群４６から供給される全冷却水量は、上段冷却水管群４４から供給される全冷却水量の約４倍であることがより好ましい。

ダクト筒体３５に接続する下段冷却水管群４８から供給される全冷却水量は、上段冷却水管群４４から供給される全冷却水量よりも少量であることが好ましい。下段冷却水管群４８から供給される全冷却水量が上段冷却水管群４４から供給される全冷却水量よりも多くなると、仕切筒体３２の下端からのダクト筒体３５への排水が阻害され、仕切筒体３２内の温度を逆に上昇させてしまう懸念が生じる。したがって、下段冷却水管群４８から供給される全冷却水量は、上段冷却水管群４４から供給される全冷却水量よりも少量であることが好ましい。さらに、下段冷却水管群４８から供給される全冷却水量は、上段冷却水管群４４から供給される全冷却水量の約１／２であることがより好ましい。

第１の循環流Ｂ１を好適に生成させ、且つ、仕切筒体３２内の温度を逆に上昇させてしまうことを抑制するために、各冷却水管群から供給される全冷却水量を、中段冷却水管群４６、上段冷却水管群４４、下段冷却水管群４８の順に少なくすることが好ましい。各冷却水管群から供給される全冷却水量を上記の通り制御することが好ましいことから、本実施形態に係る粒鉄製造装置７０は、上段冷却水管群４４、中段冷却水管群４６及び下段冷却水管群４８から供給される全冷却水量を制御する制御装置をさらに有することが好ましい。当該制御装置は、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各冷却水管群に送りこむ冷却水２４の供給水量を制御する。

また、水流制御容器３０内で冷却された粒鉄６６は、水流制御容器３０の下部に設けられた排出口３６から排出される。排出された粒鉄６６は、ベルトコンベア等の搬送装置５０によって冷却水槽２０の外に搬送される。搬送装置５０は、粒鉄６６を冷却水槽２０の外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２４が冷却水槽２０の外に搬出されないように、搬送装置５０としてメッシュコンベアを用いることが好ましい。

図４は、本実施形態に係る粒鉄製造装置に用いられる別の水流制御容器８０を示す断面模式図である。図４に示した水流制御容器８０おいて、図１に示した水流制御容器３０と同じ構成には同じ参照番号を付し、その説明を省略する。図４に示した水流制御容器８０は、突出部９０を有する点において図１に示した水流制御容器３０と異なる。

仕切筒体３２の傾斜面３４に冷却水２４を供給する給水口４３を設けると、傾斜面３４に沿って落下する粒鉄６６が給水口４３に侵入し、給水口４３を閉塞させてしまう懸念が生じる。このため、給水口４３及び／又は中段冷却水管群４６の傾斜面との接続部の上側を覆う突出部９０を設けることが好ましい。ここで、給水口４３及び中段冷却水管群４６の接続部の上側を覆うとは、上面視において給水口４３や中段冷却水管群４６の接続部が隠れる位置まで突出部９０を設けることを意味する。また、突出部９０は、供給される冷却水２４の流れを阻害しないように、仕切筒体３２内に向けて傾斜面３４から水平方向に突出するように設けることが好ましい。

図５は、突出部が設けられた給水口４３を水平方向から見た模式図である。図５（ａ）は、逆Ｖ字形の突出部９０を示し、図５（ｂ）は、逆Ｕ字形の突出部９１を示す。図５（ａ）に示すように突出部９０の断面形状は上方に突き出し、下方に向けて広がるように傾斜した逆Ｖ字形状であることが好ましい。突出部９０の断面形状を逆Ｖ字形状にすることで、突出部９０の上面に粒鉄６６が堆積することを抑制しながら、給水口４３への粒鉄６６の侵入を抑制できる。

突出部９０に変えて、断面形状が逆Ｕ字形状の突出部９１を設けてもよい。このように断面形状が逆Ｕ字形状の突出部９１を設けることで、突出部９１の上面に粒鉄６６が堆積することを抑制しながら、給水口４３への粒鉄６６の侵入を抑制できる。

図６は、本実施形態に係る粒鉄製造装置に用いられる別の水流制御容器８２を示す断面模式図である。図６に示した水流制御容器８２おいて、図４に示した水流制御容器８０と同じ構成には同じ参照番号を付し、その説明を省略する。図６に示した水流制御容器８２は、保護カバー９２を有する点において図４に示した水流制御容器８０と異なる。

上述したように、給水口４３を設けると、傾斜面３４に沿って落下する粒鉄６６が給水口４３に侵入し、給水口４３を閉塞させてしまう懸念が生じる。特に、仕切筒体３２の上段の粒鉄６６は、まだ溶融状態であるため、給水口４３の内側に凝着すると、排除が困難となる。このため、給水口４３の上側を覆う保護カバー９２を設けることがより好ましい。ここで、給水口４３の上側を覆うとは、上面視において給水口４３が隠れる位置まで保護カバー９２を設けることを意味する。また、保護カバー９２は、給水口４３から供給される冷却水２４の流れを阻害しないように、給水口４３を水平方向から見たときに、給水口４３が隠れない位置に保護カバー９２を設けることが好ましい。さらに、保護カバー９２は、給水口４３上方の傾斜面３４も、傾斜面３４の傾斜方向に沿って覆っている。保護カバー９２の上側端部は飛散した液滴６４が保護カバー９２内に入らないように閉じた構造にすることが好ましく、保護カバー９２の傾斜角度は、傾斜面３４と同じ角度にすることが好ましい。

図７は、保護カバー９２が設けられた給水口４３を水平方向から見た模式図である。図７に示すように、保護カバー９２の断面形状は下方に向けて広がる半円又は半楕円形状であることが好ましい。保護カバー９２の断面形状を半円又は半楕円形状にすることで、保護カバー９２の上面に粒鉄６６が堆積することを抑制しながら、給水口４３への粒鉄６６の侵入を抑制できる。

なお、水流制御容器８０、８２では、給水口４３に対し突出部９０又は保護カバー９２を設けた例を示したがこれに限らず、給水口４３に対し、突出部９０及び保護カバー９２を設けてもよい。このような構成であっても、給水口４３への粒鉄６６の侵入を抑制できる。

以上説明したように、本実施形態に係る粒鉄製造装置７０では、仕切筒体３２内を下方から上方に向かう冷却水２４の第１の循環流Ｂ１を生じさせ、さらに、ダクト筒体３５内を下方から上方に向かう冷却水２４の第２の循環流Ｂ２を生じさせ、これらの２つの循環流で粒鉄６６を冷却して、溶鉄６０から粒鉄６６を製造する。第１の循環流Ｂ１は、粒鉄６６の降下方向に対して向流となるので、第１の循環流Ｂ１によって粒鉄６６を効率的に冷却できる。さらに、循環流Ｂ１、Ｂ２によって仕切筒体３２内及びダクト筒体３５内が撹拌されるので、仕切筒体３２及びダクト筒体３５内におけるよどみ領域の生成が抑制される。これらの結果、粒鉄の冷却効果が高まり、粒鉄冷却時に粒鉄同士が融着し、合体することが抑制される。

次に、本実施形態に係る粒鉄製造装置による粒鉄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１に示した冷却水槽２０内に配置される水流制御容器３０と同じ構成の冷却水供給モデルを作製し、当該モデルを用いて水流制御容器内及びその周囲の冷却水の水温分布をシミュレートした。なお、仕切筒体内の水中及び傾斜面上における粒鉄の落下速度及び熱量は、事前に実施した実験により実測して、仕切筒体内及びダクト筒体内における粒鉄の位置分布及び発熱量をモデル化した。

シミュレーション結果において、仕切筒体内、ダクト筒体内及び周囲の冷却水温が７０℃以下であり、さらに粒鉄が搬送装置上に堆積したとき温度が６５０℃以下まで冷却されていれば、粒鉄を効果的に冷却できていると判断した。

図８は、発明例１及び発明例２のシミュレーション条件を示す図である。また、図９は、比較例１及び比較例２のシミュレーション条件を示す図である。発明例１、発明例２、比較例１及び比較例２の冷却水供給モデルを、図８及び図９に示す配管レイアウト、配管本数、冷却水の流量配分及び配管径（呼び径（Ａ））に設定してシミュレーションを実施した。なお、発明例１の冷却水管レイアウトは、図２に示した水流制御容器３０の冷却水管レイアウトと同じである。

発明例２の冷却水管レイアウトは、上段冷却水管群の給水ジャケットに接続される冷却水管が１本となり、下段冷却水管群のダクト筒体の側面に接続される水管が、発明例１よりも１本少ないこと以外は、発明例１の冷却水管レイアウトと同じである。発明例２では、中段冷却水管群から供給する全冷却水量を、発明例１の約４０％とし、上段冷却水管群から供給する冷却水の水量を発明例１の３倍として、冷却水の流量配分を変更したモデルとした。

比較例１では、上段冷却水管群、下段冷却水管群をなくし、中段冷却水管群のみで冷却水を供給するモデルとした。比較例１の配管本数、配置、冷却水の流量及び配管径は発明例１と同様とした。比較例２は、中段冷却水管群、下段冷却水管群の配管本数を発明例１の半分以下として、供給する冷却水の水量を半減させ、上段冷却水管群から供給する冷却水の水量を発明例１の２倍とし、冷却水の流量配分を変更したモデルとした。中段冷却水管群の２本の配管は、仕切筒体の水平断面の中心に対して点対称となる位置の傾斜面に、それぞれの冷却水管の中心軸が平行になるように接続した。

発明例１、発明例２、比較例１、比較例２に共通する他のシミュレーションの条件は以下の通りである。
（１）溶銑の温度：１５００℃
（２）タンディッシュからの溶鉄の流出速度：４５０ｔｏｎ／ｈ
（３）冷却水の水温：３５℃
（４）仕切筒体の傾斜面の傾斜角度：５６°
（５）仕切筒体の排出口径：φ１５６０ｍｍ
（６）仕切筒体の高さ：３３００ｍｍ
（７）仕切筒体の傾斜面の高さ：３２９１ｍｍ（斜面の長さ：３９７０ｍｍ）

図１０は、発明例１及び発明例２のシミュレーション結果を示す図である。図１０の発明例１に示すように、水流制御容器内の冷却水温は５２～６９℃になり、目標とする７０℃以下を達成した。さらに粒鉄が搬送装置上に堆積したときの温度は最大で５５０℃であり、粒鉄温度の目標の６５０℃以下も達成した。

図１１は、発明例１における各冷却水管群から供給された冷却水の水流を示す斜視模式図である。図１１（a）は、上段冷却水管群から供給された冷却水の水流を示す斜視模式図である。図１１（ｂ）は、中段冷却水管群から供給された冷却水の水流を示す斜視模式図である。図１１（ｃ）は、下段冷却水管群から供給された冷却水の水流を示す斜視模式図である。図１１（a）、（ｂ）に示すように、発明例では、仕切り筒体内に第１の循環流が生じていることが確認された。また、図１１（ｃ）から、発明例では、ダクト筒体内に第２の循環流が生じていることが確認された。

再び、図１０を参照すると、発明例２では、中段冷却水管群からの冷却水量を４０％に低減したものの筒芯での上昇流が生じた。そして、上段冷却水管群から仕切筒体の傾斜面に沿って下降する強い水流が、特に給水ジャケットに冷却水管が接続された側（紙面の右側）に生じ、第１の循環流が安定化されて冷却水が撹拌され、水流制御容器内の冷却水温は７０℃以下に維持され、目標とする７０℃以下を達成した。さらに粒鉄が搬送装置上に堆積したときの温度は最大で６４６℃であり、粒鉄温度の目標の６５０℃以下も達成した。なお、発明例１と発明例２の粒鉄が搬送装置上に堆積したときの温度を比較すると、中段冷却水管群から供給される全冷却水量を上段冷却水管群から供給される全冷却水量よりも多くした発明例１の方が約１００℃低くかった。この結果から、中段冷却水管群から供給される全冷却水量を上段冷却水管群から供給される全冷却水量よりも多くすることで、高い冷却効率で粒鉄を冷却できることが確認された。

図１２は、比較例１及び比較例２のシミュレーション結果を示す図である。図１２に示すように、比較例１では、中段冷却水管群から大量の冷却水を供給したので強い上昇流が生じた。当該上昇流によって冷却水が撹拌され、仕切筒体の中央部の冷却水温は７０℃以下に維持された。しかしながら、仕切筒体の上部及び下部では冷却水が撹拌されず、当該領域の冷却水に淀みが生じた。これにより、粒鉄が搬送装置上に堆積したときの温度が６５２℃となり目標の６５０℃以下を僅かに超過した。

比較例２では、中段冷却水管群の２本の配管を仕切筒体の水平断面の中心に対して点対称となる位置の傾斜面に、それぞれの冷却水管の中心軸が平行になるように仕切筒体に冷却水管を接続した。このため、発明例１や比較例１とは異なり、筒芯付近の強い上昇流は発生せず、当該上昇流に代えて、仕切筒体内を旋回しながら上昇する旋回流が生じた。比較例２の仕切筒体内の水温は、発明例１及び比較例１と比較すると低くなったが、これは、粒鉄の熱量を奪えていないことを示しており、粒鉄が搬送装置上に堆積したときの温度は最大で７００℃となり目標の６５０℃以下を大幅に超過し、且つ、粒鉄温度のばらつきも４６０℃～７００℃と大きくなった。以上のシミュレーション結果により、本実施形態に係る粒鉄製造装置によって粒鉄を効率的に冷却できることが確認された。

次に、図４及び図６に示した水流制御容器８０、８２について、給水口４３への粒鉄の侵入の有無を確認した結果を説明する。図１３は、給水口４３への粒鉄の侵入の有無を確認した結果を示す図である。発明例３は、図４に示した水流制御容器８０であり、発明例４は、図６に示した水流制御容器８２である。

発明例３では、給水口４３の上側を覆う突出部９０を設けたので、当該突出部９０によって給水口４３への粒鉄の侵入が抑制された。これにより、粒鉄に閉塞されることなく、給水口４３から冷却水２４を供給することができ、水流制御容器８０を用いて高い冷却効率で粒鉄を冷却し、粒鉄を製造できることが確認された。

発明例４では、給水口４３の上側を覆う保護カバー９２を設けたので、当該保護カバー９２によって給水口４３への粒鉄の侵入が抑制された。これにより、粒鉄に閉塞されることなく、給水口４３から冷却水２４を供給することができ、水流制御容器８２を用いて高い冷却効率で粒鉄を冷却し、粒鉄を製造できることが確認された。

１０粒化装置
１２タンディッシュ
１４溶鉄受け盤
１６ノズル
１８支持体
２０冷却水槽
２２排水口
２４冷却水
３０水流制御容器
３２仕切筒体
３３投入口
３４傾斜面
３５ダクト筒体
３６排出口
４０冷却水管群
４１冷却水管
４２スリット
４３給水口
４４上段冷却水管群
４５給水ジャケット
４６中段冷却水管群
４８下段冷却水管群
５０搬送装置
６０溶鉄
６２液柱
６４液滴
６６粒鉄
７０粒鉄製造装置
８０水流制御容器
８２水流制御容器
９０突出部
９１突出部
９２保護カバー

Claims

溶鉄を液滴とする粒化装置と、前記液滴を冷却水に落下させて冷却する冷却水槽とを有する粒鉄製造装置であって、
前記冷却水槽内に設けられ、上下端が開口する水流制御容器と、前記水流制御容器内に冷却水を供給する冷却水管群とを有し、
前記水流制御容器は、水平断面積が下方に向けて狭くなるように傾斜した傾斜面を有する仕切筒体と、前記仕切筒体の下方に接続されるダクト筒体とを有し、
前記冷却水管群は、前記仕切筒体に接続する上段冷却水管群及び中段冷却水管群と、前記ダクト筒体に接続する下段冷却水管群とを有し、
前記上段冷却水管群は、前記仕切筒体の上端を含む傾斜面の上段に接続され、前記上段冷却水管群から供給される冷却水によって、上方から下方に傾斜面に沿った冷却水流を生じさせ、
前記中段冷却水管群は、前記仕切筒体の傾斜面の中段に、前記仕切筒体の筒芯に向けて水平に接続され、前記中段冷却水管群から供給される冷却水によって、前記仕切筒体の筒芯に向かい、前記筒芯で合流して上昇し、前記上方から下方に傾斜面に沿った冷却水流を伴い、前記仕切筒体内を循環する第１の循環流を生じさせ、
前記下段冷却水管群は、前記ダクト筒体の側面に接続され、前記下段冷却水管群から供給される冷却水と前記仕切筒体からの排水によって、前記ダクト筒体内を循環する第２の循環流を生じさせる、粒鉄製造装置。
前記水流制御容器の下方に設けられ、
前記水流制御容器内で冷却された粒鉄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１に記載の粒鉄製造装置。
前記冷却水管群から前記水流制御容器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、前記冷却水管群から供給される冷却水量が、前記中段冷却水管群、前記上段冷却水管群、前記下段冷却水管群の順に少なくなるように制御する、請求項１又は請求項２に記載の粒鉄製造装置。
前記上段冷却水管群及び／又は前記中段冷却水管群が前記傾斜面に接続する接続部の上側を覆う突出部を有する、請求項１に記載の粒鉄製造装置。
前記突出部の断面形状は、上方から下方に向けて広がる逆Ｖ字形状又は逆Ｕ字形状である、請求項４に記載の粒鉄製造装置。
前記上段冷却水管群が前記傾斜面に接続する接続部の上側を覆う保護カバーを有し、前記保護カバーの上端部は閉じられている、請求項１、請求項４及び請求項５のいずれか一項に記載の粒鉄製造装置。
前記保護カバーの断面形状は、上方から下方に向けて広がる半円又は半楕円形状である、請求項６に記載の粒鉄製造装置。
請求項１又は請求項２に記載の粒鉄製造装置を用いた粒鉄の製造方法であって、前記冷却水管群から供給される冷却水量が、中段冷却水管群、上段冷却水管群、下段冷却水管群の順に少なくする、粒鉄の製造方法。