JPWO2020189393A1 - 開孔ビットおよびそれを用いた出銑口の開孔方法 - Google Patents

Abstract

高炉炉底部を効率よく昇温することで、比較的短時間に長時間休風からの立上げや炉冷事故からの立上げを可能とする、炉底部昇温用のバーナーランス設置用の出銑口の開孔作業を簡易化することができる開孔ビットおよびそれを用いた出銑口の開孔方法を提案する。高炉の炉底の出銑口を開孔するために用いる開孔ビット１であって、開孔ビットの炉内掘削面１ａの背面１ｂ、１ｃにチップ２を有し、チップは、チップの最も外側の端が開孔ビットの最も外側の端よりも内側に位置する。

Description

本発明は、高炉の出銑口などを開孔するための開孔ビットであって、特に、休風立ち上げ時などに用いるバーナーランスを出銑口に設置するための孔を開けるために用いる開孔ビットおよびそれを用いた出銑口の開孔方法に関する。

高炉は、羽口部から吹き込んだ高温空気及び酸素とコークスおよび微粉炭の反応によって生成した高温還元ガスによって、鉄鉱石の昇温、還元、溶解を行い羽口下部に設置した出銑口から銑鉄とスラグを生産する設備である。高炉の通常操業時においては、炉内の反応熱と羽口からの熱供給がバランスしているため、高炉の安定的な操業が可能である。しかしながら、高炉の操業トラブルや設備トラブル、生産調整に起因して、高炉への送風を止める必要が発生する場合がある。また、高炉の老朽化に伴う補修工事のため、高炉を長時間休風させることが必要となる場合もある。休風中、炉体・炉底からの抜熱、羽口からの空気の吸込み等により、炉内の装入物と溶融物の温度（以下、炉熱とする。）が低下する。

炉熱が低下すると、スラグの粘性が増大し、羽口レベル以下に設置された出銑口からの溶銑滓の排出が困難となる。そのような状態で送風すると、羽口前で発生した高温ガスによって生成される溶銑とスラグにより、炉下部の溶銑滓（溶銑または溶融スラグまたはそれらの混合物）の液面レベルが上昇する。羽口上部から供給される溶銑滓により、炉底に滞留していた溶銑滓が昇温され、徐々に適切な炉熱レベルまで回復すれば問題無い。しかしながら、炉熱が回復せず溶銑滓の液面レベルが羽口レベルに到達し、羽口を閉塞してしまうと、炉内への熱供給手段が絶たれ炉冷事故に至り、多大な経済的損失をもたらしてしまう。

炉冷事故に至った場合、高炉への熱供給手段である羽口部から送風しても、生成された溶融物で再度羽口部が閉塞されてしまう問題が発生する。炉冷事故からの回復方法として、従来は、以下のような方法をとっていた。すなわち、まず、休風中に出銑口上の１−２本の羽口以外を耐火物等により閉塞させ、出銑口と閉塞していない羽口から酸素を吹き込む。これにより、出銑口と羽口間の半溶融物を出銑口から排出した後、炉内にできた空間にコークスを充填してから送風を開始する。そして、出銑口と羽口の間を流れる高温ガスによる炉底の昇温と、送風に伴って生成する溶銑滓の円滑な排出のサイクルを確立した後、隣接部の羽口を開孔し、徐々に開孔羽口本数を増やし通常の操業まで回復させる方法をとってきた。しかしながら、この工程は長くて１−２ヵ月を要する。また、酸素の吹込み等は人力で行う為、安全上のリスクも高い作業となっている。

休風からの立上げは炉熱が低下しているため、上述した炉冷事故に至るリスクが高い状態である。炉冷事故を起こさずに休風などからの立ち上げを行うために、従来は、炉内のコークス比を上げて休風に入り、送風後に直ちに微粉炭を吹き込むことはせず、微粉炭の吹込みが開始できるまでの昇温（熱補償）を行っていた。この方法を用いる場合、溶銑滓の安定的な排出を確認した後、装入コークス比を低減させるため、高炉を休風すると微粉炭に比べ値段の高いコークスの使用比率が上がる為溶銑１ｔ当たりの製造原価が高くなる問題があった。

他の方法として、高炉の炉底に設けられた出銑口にバーナーを設置して燃料を燃焼させ、炉底を効率よく昇温し、長時間休風から短時間のうちに立ち上げることができる高炉の送風開始方法と炉底昇温用バーナーが提案されている（特許文献１）。また、高炉内の溶銑を外部に排出するため、出銑口に孔を開けるための開孔ビットが提案されている（特許文献２、特許文献３）。

特開２０１６−３０８３３号公報 特開２００６−３０７２５８号公報 実開平５−１４１４０号公報

上述した特許文献２および特許文献３に開示されたような開孔ビットを使用する通常操業時の開孔においては、開孔ビット先端は炉内から流出する溶銑の高温により溶かされる。また、炉内圧がかかっていることから、開孔ビットを外側に押し出そうとする力が加わるため開孔ビットの引き抜きに手間取ることは少ない。しかし、炉底を昇温するためのバーナーや炉底を昇温するための支燃性ガスを吹き込む機能を有するランス（以下、バーナーランスと総称する）を設置する出銑口を開孔するタイミングは休風中である。休風中は、炉内温度が低く、流出物が出てくる場合も溶銑では無くスラグが多くなる為、開孔ビットを溶解する熱量が不足する。そのため、特許文献２や特許文献３に開示されたような開孔ビットを用いてバーナーランス設置用の出銑口を開孔する場合、出銑口の貫通後に出銑口と開孔ビットの隙間にコークスが入り込み抵抗になる問題があった。そのため、開孔ビットの引き戻しが出来なくなる問題や、コークスとともに炉内のスラグを中心とした溶融物が出銑孔内に潜り込むことで、開孔ビットの引き戻しを不可能とする状況が頻発する問題があった。

開孔ビットが引き戻せなくなった場合、これまでは開孔ビットをさらに押し込み、炉内の高温なコークス充填層に挿入し、開孔ビットを溶解したのちロッドを引き戻していた。この場合、溶融物が出銑孔内を埋めている可能性があるため、再度開孔を実施しなければならず、開孔作業に時間がかかっていた。さらに、開孔ビットを炉外に戻すことを試みた際にロッドから切り離されてしまった場合は、酸素を使用して溶解させる必要がある。この場合、酸素洗浄の作業と再開孔の手順が加わるため、さらに作業時間が長くなる問題があった。

本発明の目的は、羽口高さよりも低い位置の高炉炉底部を効率よく昇温することで、比較的短時間に長時間休風からの立上げや炉冷事故からの立上げを可能とする、炉底部昇温用のバーナーランス設置用の出銑口の開孔作業を簡易化することができる開孔ビットおよびそれを用いた出銑口の開孔方法を提案することにある。

従来技術が抱えている前述の課題を解決し、前記の目的を実現するために鋭意研究した結果、発明者らは、以下に述べる新規な開孔ビットを開発するに到った。即ち、本発明は、高炉の炉底の出銑口を開孔するために用いる開孔ビットであって、前記開孔ビットの炉内掘削面の背面にチップを有し、前記チップは、前記チップの最も外側の端が前記開孔ビットの最も外側の端よりも内側に位置する、開孔ビットである。

なお、前記のように構成される本発明に係る開孔ビットにおいては、
（１）炉底昇温用のバーナーランスを設置するための孔を出銑口に開孔するために用いること、がより好ましい解決手段となるものと考えられる。

また、本発明は、高炉の炉底の出銑口に炉底昇温用のバーナーランスを設置するための孔を開孔する方法であって、上述した開孔ビットを備える開孔機を用いて出銑口を開孔する、出銑口の開孔方法である。

本発明の開孔ビットによれば、炉内掘削面の背面にチップを取付けているため、開孔時に逆流した溶融物が開孔ビットの炉外側に流入した場合でも、開孔ビットを炉外へ引き戻す際、背面に設けたチップにより開孔ビットの炉外側に流入した溶融物を掘削できるため、開孔ビットを炉外に排出することができる。

本発明の開孔ビットの一例の構成を説明するための模式図である。

以下、本発明の開孔ビットについて説明する。
図１は、本発明の開孔ビットの一例の構成を説明するための模式図である。図１に示す例において、開孔ビット１は、炉内側の掘削面１ａにチップ２を取付けるとともに、掘削面１ａの背面１ｂ、１ｃにもチップ２を取付けている。このチップ２は、掘削する対象の物質よりも硬い材料で作られており、掘削する対象の物質と接触することで、対象物を切削する。その材料としては一般に超硬合金が用いられ、超硬チップ、あるいは刃体などの名称で呼ばれることもある。チップ２の取り付けは溶接などの方法で実施することができる。なお、３は開孔ビット１を支持するための開孔ロッドである。

ここで、開孔ビット１の掘削面の背面とは、チップ２が取り付けられている面１ａ、１ｂ、１ｃのうち、最大径を有する取り付け面の位置よりも開孔ロッド３に近い面１ｂ、１ｃを指す。すなわち、掘削面の背面とは、開孔ビットの炉外側に溶融物が流入した場合に、開孔ビットを引き戻す際にその溶融物と接触する面である。また、背面に取り付けられるチップは、開孔ビットを引き戻す場合に、開孔ビットの炉外側に流入した溶融物やその固化体と接触する位置に取り付けることが好ましい。あるいは、開孔ビットを前進させる際に掘削対象物に接触しない位置にチップを取り付けることが好ましいということもできる。

一般に出銑口の開孔に用いられる開孔ビットは、開孔ビットを前進させる際に掘削対象物が切削できるように、開孔ビットの前面すなわち、開孔ビットを前進させる際に掘削対象物を接触する位置にチップを取り付けている（例えば、特許文献２、３を参照）。しかし、炉底部昇温用のバーナーランスを設置する必要がある場合は、開孔とともに炉内溶融物が逆流してくる可能性が高いことを発明者らは知見した。すなわち、開孔ビットの前進時に掘削できる機能のみでは不十分であり、開孔ビットの背面１ｂ、１ｃにもチップ２を取り付けることが有効であることを見出した。

特許文献３においては、本発明のチップに相当する硬質刃体が、開孔ビットの前面だけでなく、開孔ビットの最大径を有する取り付け面の位置よりも開孔ロッドに近い背面に、硬質刃体の最も外側の端が開孔ビットの最も外側の端よりも外側になるように取り付けされている。しかし、特許文献３の硬質刃体は、ブローホールの閉塞を抑制するために、ブローホールの前部を覆うように設置されているものであって、ビットを引き戻す際に開孔ビットの炉外側に流入した溶融物を掘削するものではない。すなわち本発明のチップとは機能が異なる。また、特許文献３においては、よりロッドに近い径方向内側の位置すなわち、前記チップの最も外側の端が前記開孔ビットの最も外側の端よりも内側の位置にはチップが取り付けられていない。すなわち、本発明で必要とされる、ビットを引き戻す際に開孔ビットの炉外側に流入した溶融物を掘削する機能を実現させるためには、特許文献３の開孔ビットでは本発明の目的を達成することができない。

本発明の目的を達成するためには、前記チップの最も外側の端が前記開孔ビットの最も外側の端よりも内側の位置にチップを取り付けることが有効である。より具体的には、径方向で、ロッドの外周位置と、開孔ビットの最も外側の位置との中点よりも内側の位置にチップの最も内側の点が位置するように設置されたチップを有することが好ましい。

上述のように、本発明の開孔ビット１は、設備トラブル・操業トラブル・設備補修等で長時間の休風を実施し、炉熱が低下している高炉の立上げ直前に出銑口から支燃性ガスと流体燃料または不活性ガス若しくは、支燃性ガスのみを吹込み炉内の溶融物と装入物を昇温する方法において、出銑口を開孔しバーナーランスを設置し吹込みを開始する過程の開孔作業の時間短縮に寄与することができる。

すなわち、休風に入る際に十分に溶融物を炉外に排出できなかった場合や、休風中の羽口部等からの空気吸込みにより、休風中に溶融物が生成してしまい炉底部の溶融物レベルが上昇している時は、開孔時に溶融物が出銑口内に逆流する。このような時には、一旦逆流を止めて再度開孔しても同じように溶融物が出銑口内に逆流するため、バーナーランスの設置が出来ない状態になる。この様な時は、開孔ビットを引き戻して出銑口を一旦閉塞し、再度開孔深度より浅く開孔し、水若しくは空気またはその両方を吹き込むことで、一時的に孔の奥を冷却しながら溶融物の逆流を防止し、出銑口深度まで開孔することが可能となる。

炉内から溶融物の逆流が観察された場合、そのまま開孔を進めると逆流した溶融物が開孔ビットの炉外側に流入し、開孔ビットが炉外へ引き戻せなくなる場合がある。従来の方法では、開孔ビットをさらに押し込み、炉内のコークス充填層に挿入し、開孔ビットを溶解したのち開孔ロッドを引き戻す。この場合、再度開孔を実施しなければならず、開孔作業に時間がかかってしまう。さらに、開孔ビットを炉外に戻す際に開孔ロッドから切り離されてしまった場合は、酸素を使用して溶解させる必要がある。この場合、酸素洗浄の作業と再開孔の手順に加え、酸素洗浄を実施したことで出銑孔閉塞材が溶損し、開孔深度が不明確となるため、上述した作業を実施することが困難となる場合もある。

図１に示す本発明の開孔ビット１によれば、チップ２が炉内側の掘削面１ａおよび炉外側の背面１ｂ、１ｃの両方に取り付けられているため、チップ２の回転と打撃により出銑口閉塞材やコークス・スラグを削ることで炉内方向および炉外方向の両方に向けて開孔や掘削を行うことができる。したがって、炉内から溶融物が逆流してくる状況下でも、逆流してくる溶融物を冷却しながらバーナーランスを設置するための孔を開孔し、開孔ビットを引き戻すことが可能となる。背面にチップを取り付けた開孔ビットを引き戻す際に、どの程度の負荷がビットやロッドにかかるかは従来知られていなかった。発明者らは、溶融物が逆流してくる状況で固化した溶融物を掘削することが可能かどうかを様々な条件で調査した結果、引き戻す際の掘削に要するビットやロッドへの負荷は、炉内方向への開孔時に比べて過大になることはなく、通常の引き戻し速度で問題なく掘削できることを見出した。掘削時の負荷が大きい場合には、ロッドにかかる負荷をロードセルなどで監視しながら、負荷が大きい場合には引き戻し速度を下げることによって、ビットやロッドの破損を防止しつつ引き戻すことが可能である。

次に、本発明の実施例について説明するが、実施例での条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成しうる限りにおいて、種々の条件を採用しうるものである。

（実施例１）
通常休風の立上げ時にバーナーランスを設置するために出銑口の開孔を実施した。開孔には図１に示す形状であって最大径がφ７０ｍｍの開孔ビットとφ１１０ｍｍの開孔ビットの２種の開孔ビットを利用した。φ７０ｍｍの開孔ビットでの貫通確認後、炉内から開孔ロッドの引き戻しができなくなったため、開孔ビットに逆向きの打撃と回転を与えたところ、開孔ビットが健全な状態のまま引き戻すことが出来た。また、出銑口内部の確認から、開孔ビットが引き抜けなくなった付近にスラグの凝固物が確認された。これまでは、開孔ビットが開孔ロッドからとれるまで逆打を打ち続けるか、酸素による溶解を選択していた状況であったが、本発明の開孔ビットによれば、損傷なく開孔ビットを引き戻せることを確認できた。φ１１０ｍｍの開孔ビットを用いた場合でも同様のケースで開孔とビットの引き戻しを行うことができた。

本発明に係る開孔ビットによれば、出銑口内に溶融物が逆流した場合でも、損傷なく開孔ビットを引き戻せることができる。そのため、開孔対象として、そのような状況が発生することが考えられる、高炉以外の様々の竪型溶解炉においても本発明の開孔ビットを利用することができる。

１ 開孔ビット
１ａ 掘削面
１ｂ、１ｃ 背面
２ チップ
３ 開孔ロッド

Claims (3)

1. 高炉の炉底の出銑口を開孔するために用いる開孔ビットであって、前記開孔ビットの炉内掘削面の背面にチップを有し、前記チップは、前記チップの最も外側の端が前記開孔ビットの最も外側の端よりも内側に位置する、開孔ビット。
2. 高炉の炉底の出銑口を開孔するために用いる開孔ビットであって、炉底昇温用のバーナーランスを設置するための孔を出銑口に開孔するために用いる、請求項１に記載の開孔ビット。
3. 高炉の炉底の出銑口に炉底昇温用のバーナーランスを設置するための孔を開孔する方法であって、請求項２に記載の開孔ビットを備える開孔機を用いて出銑口を開孔する、出銑口の開孔方法。

Images