JP4021948B2 - 高炉炉底の冷却構造 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高炉の炉底側壁部の冷却において、高熱負荷部位の冷却強化を行うことにより高炉炉底の長寿命化を図る高炉炉底の冷却構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高炉炉底は高炉寿命を律する部位であり、炉底を構成するカーボンレンガの損耗防止は、高炉の寿命延長のための最重要項目である。炉底側壁のカーボンレンガの損耗原因は、溶銑による浸食、熱応力による脆化等が挙げられるが、その損耗防止には高熱負荷部の冷却強化が最も有効である。
高炉の炉底側壁部の冷却方法については、ステーブによる冷却と鉄皮散水による冷却とに大別される。図２に従来のステーブ冷却炉底の炉底側壁縦断面図を示す。高炉炉内側よりカーボンレンガ４、スタンプ材３、ステーブ５、キャスタブル２、鉄皮１で構成されている。
【０００３】
冷却はステーブパイプ６内を流れる冷却水および鉄皮１からの熱放散により行われるが、抜熱量の９５％以上がステーブパイプ６内を流れる冷却水によるもので、炉底側壁の冷却能を向上させるためには、カーボンレンガ４からステーブ冷却水間の熱抵抗を低減させることが有効である。
このため、カーボンレンガ４とスタンプ材３の熱伝導率（熱抵抗の逆数）を向上させる改善が行われ、炉底側壁の冷却能は向上してきた。しかし、ステーブ５については、その製造時の鋳込みの際にステーブパイプ６への侵炭を防止するために、ステーブパイプ６の表面にマーシャライト７を塗布しており、その熱抵抗が大きいために、ステーブ５の熱抵抗が増大していた。
【０００４】
この対策として、特開平６−１５８１３１号公報のように、冷却パイプをスタンプ材３あるいはカーボンレンガ４に直接接触させる発明も提案されている。この方法では、鋳物からなるステーブ５の熱抵抗を省略しているために、カーボンレンガ４から冷却水間の熱抵抗を低減できるように思われる。しかし、この方式では、冷却配管が従来のステーブ５のようにカーボンレンガ４と面で接触していないために、操業時にカーボンレンガ４が膨張すると、カーボンレンガ４と鉄皮１との熱膨張差により、冷却配管が圧縮され冷却配管やカーボンレンガ４の破損、あるいは冷却配管とカーボンレンガ４との間に空隙を生じ、却って熱抵抗を増大させる等信頼性に問題がある。
【０００５】
すなわち、高炉操業時は、建設時と比較して、カーボンレンガ４と鉄皮１との熱膨張差が数十ｍｍ以上生じ、この熱膨張差をスタンプ材３の収縮により吸収していたが、特開平６−１５８１３１号公報の発明ではこの点が考慮されておらず、冷却配管やカーボンレンガ４の破損、および熱抵抗増大の問題があった。
一方、炉底側壁部のカーボンレンガ４の浸食は、炉底の溶銑流れの状態との関係も深く、炉底側壁の適正な冷却範囲を選定することが、カーボンレンガ４の損耗を抑制するために有効と考えられている。
【０００６】
図３に炉底側壁と炉底炉床の最小残存厚（カーボンレンガ４の残存厚さ）の推移を示した。図３中のハッチングの部分は、カーボンレンガ４の表面に存在する付着物の厚さを示すが、図３中において、４年目、５年目の時点のように炉底炉床部の付着物が厚い時に、炉底側壁部のカーボンレンガ４の損耗が起こっている。すなわち、炉底炉床部が過度に冷却されると、炉底炉床部に形成される付着物は炉底の溶銑流れを変化させ、炉底側壁部の熱負荷を増加させ、却って炉底側壁部の損耗を招く。従って、炉底側壁部高さ方向の適正な冷却能の設定が必要となる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、高炉の炉底側壁の冷却において、高熱負荷部の冷却能を向上し、かつ、その範囲を適正化することによって、損耗の少ない高炉炉底の冷却構造を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題の解決を図ったものでその要旨とするところは、大型高炉のカーボンレンガをステーブを用いて冷却する炉底側壁の冷却構造において、出銑口から出銑口の下４ｍの高さの範囲における高炉炉底側壁部のカーボンレンガと鉄皮間に配置するステーブを銅製とし、出銑口の上および出銑口の４ｍより下の高さの範囲における高炉炉底側壁部のカーボンレンガと鉄皮間に配置するステーブを鋳鉄製とすることを特徴とするものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図７（ａ〜ｃ）に銅製ステーブの構造を正面図、側面図、断面図として示す。冷却の方法は従来の鋳鉄製ステーブと同様である。給排水パイプ１４により供給される冷却水は、銅製ステーブ母材９の内部（同図（ｂ）のＡ−Ａからみた矢視図（同図（ｃ）））に示す水路１５を通り、母材９を冷却する。
図５に銅製ステーブ５ｂを炉底側壁に使用した場合の伝熱計算結果を、図４に従来の鋳鉄ステーブ５ａを同様に使用した結果を示す。
銅製ステーブ５ｂは、銅母材９を直接穿孔して製造するため鋳鉄ステーブ５ａのように熱抵抗の大きいマーシャライト層７がなく、かつ銅母材９の熱伝導率が鋳鉄母材８に比べて大きいため、ステーブ全体の熱伝達係数を高くできる。カーボンレンガ４の残存厚が０．５ｍの条件では、冷却能力（抜熱量）は、鋳鉄ステーブ５ａの２１４００ｋｃａｌ／ｍ² ｈに対して、銅製ステーブ５ｂでは２３６７０ｋｃａｌ／ｍ² ｈと１１％も向上している。
【００１０】
銅製ステーブ５ｂの配置位置については、その冷却能が高いことから、炉底側壁の高熱負荷部に配置する。図３で示したように炉底炉床部の過度の冷却は炉底側壁部の損耗を招くために、冷却能の高い銅製ステーブ５ｂを炉底側壁下部に使用すると炉底炉床を過度に冷却することとなり好ましくない。
高炉では炉底側壁の高熱負荷部は出銑口から２ｍ下の位置が実績的に一番多く、高炉の炉底解体調査結果でも、最大浸食部は、出銑口下０．５〜４ｍの範囲にあり、この部位の熱負荷が特に高いことが判る。従って、銅製ステーブを配置する範囲は出銑口の下０〜４ｍの範囲が好ましい。
最大熱負荷部が出銑口下０．５〜４ｍの範囲となる理由を解明するために、高炉炉底をシミュレートする水モデル実験を行った。
【００１１】
一般に、高炉の炉底にはコークスが存在するが、このコークスは溶銑中に存在し、溶銑の浮力を受けて炉底底面より浮上している。その浮上高さは、溶銑の上面が出銑口１０の位置となるため、出銑口１０の下の一定のレベルとなる。浮上するコークス層が存在する条件下で溶銑流れがどのような分布をとるかを、シミュレートする水モデル実験を行った。
図６にその実験結果を示す。高炉炉底のように充填層（コークス）が浮上して存在する状態では、溶銑は抵抗の低い充填層下の空隙部を優先的に流れるが、空隙部の高さ方向に溶銑流速は変化し、下に行く程流速は低下し、底部は溶銑流れの緩慢なデッドゾーンが形成されることが判明した。
【００１２】
すなわち、溶銑流れの激しい部位は、出銑口下の距離で決定され、かつ、炉底炉床部を過度に冷却すると、溶銑流の供給、従って熱の供給の少ない炉底炉床部への付着物の形成が促進されるという上記の実績と一致した。
従って、高熱負荷部位である出銑口の下０〜４ｍの範囲に冷却能の優れた銅製ステーブを採用し、その下部に従来の鋳鉄ステーブを配置すれば、炉底炉床部の過度の冷却を起こすことなく、高熱負荷部の冷却強化を行うことができ、炉底側壁の損耗を防止することができる。
【００１３】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面に基づき説明する。
図１は、本発明を示す大型高炉の炉底の縦断面である。
出銑口１０から出銑口１０の下４ｍの範囲まで銅製ステーブ５ｂを配置し、出銑口１０の上および出銑口１０の４ｍより下には従来の鋳鉄ステーブ５ａを配置した。
尚、本発明は大型高炉を対象としているが、参考までに、本発明に関連する小型高炉では、炉床径が小さい分、高熱負荷部が大型高炉に比べて上部になる。このことは、炉床底部の溶銑の流れの相似を考えれば理解できることであり、１０００ｍ^３級の高炉では、銅製ステーブの配置位置は、出銑口１０から出銑口１０の下２ｍの範囲となる。
【００１４】
炉底側壁部のステーブ５ａ，５ｂの鉄皮１への固定方法、鉄皮１と炉底側壁部のステーブ５ａ，５ｂ間のキャスタブル２の充填方法、炉底側壁部のステーブ５ａ，５ｂとカーボンレンガ４とのスタンプ材３の充填方法、カーボンレンガ４および炉底炉床部の耐火レンガ１２のレンガ積み構造および炉底炉床部冷却配管１３については、従来からの方法で行うことができる。
操業時のカーボンレンガ４の熱膨張分はスタンプ材３が吸収し、かつ、発生する力はステーブ面全体で受けるため、特開平６−１５８１３１号公報のような集中的な力の発生はなく、ステーブパイプ６やカーボンレンガ４の破損はない。また、炉底側壁部のステーブ５ａ，５ｂは、スタンプ材３と面接触をしており、ステーブ５とスタンプ材３との間の空隙発生による熱抵抗の増加はなく、従来の炉底構造と同様な信頼性が得られる。
【００１５】
【発明の効果】
以上述べたように本発明の効果を列挙すると、以下のようになる。
高炉の炉底側壁の高熱負荷部に、冷却能力の優れた銅製ステーブを配置位置することにより、炉底炉床部の過度の冷却を起こすことなく、高炉の炉底側壁の高熱負荷部の冷却強化が可能となり、高炉炉底寿命延長ができる。
本構造は、従来の冷却構造と同様に、カーボンレンガ４の熱膨張をスタンプ材３で吸収するので、ステーブ５に過度の力が加わらないことから、ステーブパイプ６やカーボンレンガ４の破損の心配がなく、かつ、ステーブ５とスタンプ材３との間の空隙発生による熱抵抗の増加はなく、信頼性の高い炉底冷却構造が得られた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を示す高炉の炉底の縦断面図
【図２】従来のステーブ冷却炉底の炉底側壁縦断面図
【図３】高炉の炉底側壁と炉底炉床の最小残存厚の推移図
【図４】従来の鋳鉄ステーブを炉底側壁に使用した場合の伝熱計算結果の計算例を示す図
【図５】本発明の銅製ステーブを炉底側壁に使用した場合の伝熱計算結果の計算例を示す図
【図６】高炉炉底をシミュレートした高炉炉底部溶銑流れの水モデル実験結果を示す図
【図７】（ａ）（ｂ）（ｃ）は、銅製ステーブの構造を示す図
【符号の説明】
１ 鉄皮
２ キャスタブル
３ スタンプ材
４ カーボンレンガ
５ ステーブ
５ａ 鋳鉄製ステーブ
５ｂ 銅製ステーブ
６ ステーブパイプ
７ マーシャライト層
８ 鋳鉄製ステーブ母材
９ 銅製ステーブ母材
１０ 出銑口
１２ 炉底炉床部の耐火レンガ
１３ 炉底炉床部冷却配管
１４ 冷却水の給排水パイプ
１５ 銅製ステーブ母材内に穿孔された冷却水の水路

Claims (1)

1. 大型高炉のカーボンレンガをステーブを用いて冷却する炉底側壁の冷却構造において、
   出銑口から出銑口の下４ｍの高さの範囲における高炉炉底側壁部のカーボンレンガと鉄皮間に配置するステーブを銅製とし、
   出銑口の上および出銑口の４ｍより下の高さの範囲における高炉炉底側壁部のカーボンレンガと鉄皮間に配置するステーブを鋳鉄製とすることを特徴とする炉底側壁の冷却構造。

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