(57)【要約】【課題】設計変更などの形状の変更に対しても効果的に応力腐食割れを防止することができる高炉炉頂圧回収タービンの操業方法を提供する。【解決手段】高炉炉頂圧回収タービンに備えられるロータの端面、ケーシング、軸封部材、及び回転軸に囲まれた空間を空間Ａとし、空間Ａの圧力をＰＡ、高炉ガスがロータの外周に配置された動翼に接するように流れる高炉ガスの圧力をＰＴとしたとき、ＰＡがＰＴよりも大きくなるように監視し、必要に応じて圧力を調整する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高炉から供給される高炉ガスにより回転する高炉炉頂圧回収タービンの操業方法であって、
前記高炉炉頂圧回収タービンに備えられるロータの端面、ケーシング、軸封部材、及び回転軸に囲まれた空間を空間Ａとし、前記空間Ａの圧力をＰＡ、前記高炉ガスがロータの外周に配置された動翼に接するように流れる高炉ガスの圧力をＰＴとしたとき、ＰＡがＰＴよりも大きくなるように監視し、必要に応じて圧力を調整する、高炉炉頂圧回収タービンの操業方法。
【請求項２】
前記軸封部材は前記回転軸の軸線方向に沿って所定の間隔で複数設けられており、隣り合う軸封部材、前記ケーシング及び前記回転軸で囲まれる空間を空間Ｂとし、前記空間Ａの圧力をＰＡ、前記空間Ｂの圧力をＰＢとしたとき、前記ＰＢが前記ＰＡよりも大きくなるように調整する請求項１に記載の高炉炉頂圧回収タービンの操業方法。
【請求項３】
前記空間ＡにおいてＣＯガスが０．１％以下となるように調整する請求項１又は２に記載の高炉炉頂圧回収タービンの操業方法。
【請求項４】
高炉から供給される高炉ガスにより回転する高炉炉頂圧回収タービンであって、
回転軸と、
前記回転軸の外周の一部に、前記回転軸より太く形成され、その外周面に動翼が配置されたロータと、
前記回転軸のうち前記ロータ以外の部分の外周部の少なくとも一部を覆うように配置されたケーシングと、
前記ケーシングと前記回転軸との間隔のうち一部に配置された軸封部材と、
前記ロータの端面、前記ケーシング、前記軸封部材、及び前記回転軸に囲まれた空間を空間Ａとしたとき、前記空間Ａに気体を流入可能に設けられた流路と、
前記空間Ａの圧力を測定する圧力計と、
前記高炉ガスが前記動翼に接するように流れる高炉ガス流路の圧力を測定する圧力計と、を備える、高炉炉頂圧回収タービン。
【請求項５】
前記軸封部材は前記回転軸の軸線方向に沿って所定の間隔で複数設けられており、隣り合う軸封部材、前記ケーシング及び前記回転軸で囲まれる空間を空間Ｂとしたとき、前記空間Ｂに気体を流入可能に設けられた空間Ｂのための流路と、
前記空間Ｂの圧力を測定する圧力計と、を備える、請求項４に記載の高炉炉頂圧回収タービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高炉の炉頂圧回収タービンの操業方法、及びそのための高炉の炉頂圧回収タービンに関し、詳しくは、応力腐食割れを防止することができる高炉の炉頂圧回収タービンの操業方法、及びそのための高炉の炉頂圧回収タービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
製鉄所の高炉では、炉頂部からは原料である酸化鉄と還元材であるコークスとを装入するとともに、炉下部の羽口からは高温の空気が吹き込まれる。吹き込まれた空気中の酸素はコークスと反応して還元ガス（ＣＯガス）となり、ガスの顕熱で炉頂部から下降する酸化鉄及びコークスを加熱し、また還元ガスは酸化鉄を還元しながら高炉内を上昇する。すなわち、高炉は向流反応装置である。この反応を効率的に行うために高炉内は加圧されており、炉頂部において０．２５ＭＰａ以上０．３０ＭＰａ以下程度の圧力が保たれている。
【０００３】
このようにして原料の加熱及び還元を終えたガスは炉頂部から排出される。排出されるガスは、高炉ガスあるいはＢＦＧ（Blast furnace Gas）などと称される。高炉ガスは加熱及び還元を終えた時点で高いエネルギーを有しており、高炉ガスの排出経路である配管内にタービンを設置して、高炉ガスが有する圧力エネルギーを発電に利用する技術があり、そのためのタービンが高炉炉頂圧回収タービン（ＴＲＴ（Top pressure Recovery Turbine））である。
【０００４】
高炉ガスは、Ｎ２、ＣＯ、ＣＯ２が主要な成分であるが、ダスト、塩素イオン、硫酸イオン等の不純物を含有する。高炉ガスにはＣＯが含まれることから製鉄所内で燃料として利用される一方、大気中に漏洩することを防止する必要がある。さらに、高炉ガスに含まれる不純物は、高炉ガスが接触する構造体に対して腐食の原因となりうるため、高炉ガスが存在することにより腐食環境を形成してしまう。そして高炉炉頂圧回収タービンはこの腐食環境に晒されるため、特に高炉炉頂圧回収タービンの動翼埋め込み部分等に応力腐食割れが原因と考えられる亀裂が生じる問題がある。
【０００５】
例えば特許文献１、及び特許文献２には、このような応力腐食割れに関連した高炉炉頂圧回収タービンに関する技術が開示されている。
特許文献１に記載の発明は、高炉と高炉炉頂圧回収タービンとの間に湿式、乾式集塵機を並行して配置して、高炉炉頂圧回収タービン出口における分析に応じて集塵比率を変更することを開示している。これにより、腐食性ミスト等の成分量を許容以下にして応力腐食割れを防止する。
また、特許文献２に記載の発明は、高炉炉頂圧回収タービンの動翼植え込み部やロータの翼取り付け部に疲労強度に影響するようなかじり等の損傷を発生させないため、動翼植込み部とロータ翼取付部の間隙に充填されるエポキシ樹脂系ワニスに対して所定時間加熱して動翼を抜き取る方法を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平７−１１９７４号公報
【特許文献２】特開２００７−１３８８５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記した従来技術によっても一定の範囲で応力腐食割れを防止することはできたが、例えば性能向上等の観点から高炉炉頂圧回収タービンの設計を変更した場合に応力腐食割れを防止することができないことがあった。
【０００８】
そこで本発明は上記問題点に鑑み、設計変更などの形状の変更に対しても効果的に応力腐食割れを防止することができる高炉炉頂圧回収タービンの操業方法を提供することを課題とする。また、高炉炉頂圧回収タービンを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
腐食環境に晒された高炉炉頂圧回収タービンにおける応力腐食割れ（Stress Corrosion Cracking)が生じる要因としては、環境要因、応力要因、及び素材要因があり、これら３つの要因が重複して一定の限度を超えると発生するといわれている。これら３つの要因の内でひとつでも排除できれば応力腐食割れは発生しないとされている。すなわち、これら３つのうちの１つの要因を改善することによって、応力腐食割れの発生を抑制することが可能である。
【００１０】
高炉炉頂圧回収タービンの性能を向上するために、構造の設計を変更したとき、応力を集中する方向に設計を変更せざるを得ないことがあり、これにより応力が応力腐食割れを発生させやすくすることがある。このときには設計の変更による性能向上の利益は享受したいので、発明者らは、応力要因以外の要因である環境要因または素材要因で応力腐食割れの発生を抑制することを考えた。
【００１１】
その際、素材要因については、素材の変更は性能及びコストの観点から選択肢が少なく、素材の変更による素材要因の改善は難しいことが多い。
【００１２】
そこで本発明者は環境要因に着目した。そして、高炉炉頂圧回収タービンのロータの動翼取り付け部位において径が太くされている部位の端面と軸封装置との間に形成される空間の環境要因低減に注目して具体化し、本発明を完成させた。以下本発明について説明する。
【００１３】
本発明の１つの態様は、高炉から供給される高炉ガスにより回転する高炉炉頂圧回収タービンの操業方法であって、高炉炉頂圧回収タービンに備えられるロータの端面、ケーシング、軸封部材、及び回転軸に囲まれた空間を空間Ａとし、空間Ａの圧力をＰＡ、高炉ガスがロータの外周に配置された動翼に接するように流れる高炉ガスの圧力をＰＴとしたとき、ＰＡがＰＴよりも大きくなるように監視し、必要に応じ圧力を調整する高炉炉頂圧回収タービンの操業方法である。
【００１４】
また、上記高炉炉頂圧回収タービンの操業方法において、軸封部材は回転軸の軸線方向に沿って所定の間隔で複数設けられており、隣り合う軸封部材、ケーシング及び回転軸で囲まれる空間を空間Ｂとし、空間Ａの圧力をＰＡ、空間Ｂの圧力をＰＢとしたとき、ＰＢがＰＡよりも大きくなるように調整してもよい。
【００１５】
さらに上記高炉炉頂圧回収タービンの操業方法では、空間ＡにおいてＣＯガスが０．１％以下となるように調整することもできる。
【００１６】
本発明の１つの態様は、高炉から供給される高炉ガスにより回転する高炉炉頂圧回収タービンであって、回転軸と、回転軸の外周の一部に、回転軸より太く形成され、その外周面に動翼が配置されたロータと、回転軸のうちロータ以外の部分の外周部の少なくとも一部を覆うように配置されたケーシングと、ケーシングと回転軸との間隔のうち一部に配置された軸封部材と、ロータの端面、ケーシング、軸封部材、及び回転軸に囲まれた空間を空間Ａとしたとき、空間Ａに気体を流入可能に設けられた流路と、空間Ａの圧力を測定する圧力計と、高炉ガスが動翼に接するように流れる高炉ガス流路の圧力を測定する圧力計と、を備える高炉炉頂圧回収タービンである。
【００１７】
当該高炉炉頂圧回収タービンでは、軸封部材は回転軸の軸線方向に沿って所定の間隔で複数設けられており、隣り合う軸封部材、ケーシング及び回転軸で囲まれる空間を空間Ｂとしたとき、空間Ｂに気体を流入可能に設けられた空間Ｂのための流路と、空間Ｂの圧力を測定する圧力計と、をさらに備えるように構成してもよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明により、設計変更などの形状の変更に対しても効果的に応力腐食割れを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】高炉炉頂圧回収タービン１０の構造を模式的に表した図である。
【図２】図１の一部を拡大するとともに、さらに詳細に高炉炉頂圧回収タービン１０について説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明を図面に示す形態に基づき説明する。ただし本発明はこれら形態に限定されるものではない。
【００２１】
図１には、高炉炉頂圧回収タービン１０の形態を模式的に表した。高炉炉頂圧回収タービン１０は、高炉で発生した高炉ガスの持つ圧力エネルギーを電力として回収すると共に、高炉の炉頂圧制御を行なう。高炉から排出された高炉ガスは、ダストキャッチャ、除塵装置等を通して大気へ排気されると共に、この排気路と並列に設置された高炉炉頂圧回収タービン１０に導かれてこのタービンを回転させ、タービンが発電機を回転駆動させることで発電を行うものである。
【００２２】
図１に示すように、本形態で高炉炉頂圧回収タービン１０は２段タービンからなり、回転軸１１に設けられたロータ１２の外周部に軸線方向に並べられた２列の動翼１３、１４が取り付けられている。そしてこの２列の動翼１３、１４のそれぞれに対して高炉ガスの流入側に、静翼１５、１６が配置されている。この２列の静翼１５、１６は、いずれも不図示の角度可変機構を有しており、必要に応じて角度を変えることができるように構成されている。
本形態では２段タービンを例に説明するが、これに限定されることなく３段等多段タービンであってもよい。
【００２３】
ロータ１２の外周には高炉ガスが流れる流路２０が形成されており、流入口２０ａから流入した高炉ガスが流される。この流路内に動翼１３、１４、及び静翼１５、１６が配置されている。
【００２４】
回転軸１１はその軸線方向両端を軸受１１ａで支持されると共に、スラスト軸受１１ｂによって発生するスラストを受けている。回転軸１１は不図示の発電機に連結される。
そして、流路２０内を高炉ガスが流れることによりロータ１２、回転軸１１が回転し、この発電機が回転駆動されて発電が行われる。
【００２５】
回転軸１１及びロータ１２を形成する材料として例えば、ＳＵＳ４０３ステンレス鋼（低Ｃｒマルテンサイト系耐熱ステンレス鋼）があげられる。また、動翼１３、１４の材料として、高炉ガス雰囲気中でも耐腐食疲労強度の優れた例えばＳＵＳ６３０ステンレス鋼（析出硬化型ステンレス鋼）が使用される。
【００２６】
図２には、図１にＩＩで示した部位に注目した説明図を表した。
図２からもわかるように動翼１３、１４が配置されるロータ１２は回転軸１１の外周の一部に、該回転軸と同軸に形成され、回転軸１１よりも大きな径で構成されている。従ってロータ１２は軸線（回転軸）方向の一方と他方に、ロータ１２の外周面（ロータ１２のうち動翼１３、１４が取り付けられる部位）と回転軸１１の外周面とを渡すようなロータ端面１２ａが形成される。
【００２７】
また、前述したように、高炉ガスの存在により流路２０内は腐食環境となるので、接触することがやむを得ない動翼１３、１４、ロータ１２の外周面以外、及び回転軸１１は、高炉ガスから保護するためにケーシング２１が配置されている。ただし、ロータ１２、及び回転軸１１は回転する部材であるので、ケーシング２１はロータ１２及び回転軸１１には密着しておらず、所定の間隙が設けられている。すなわち、ロータ１２、及び回転軸１１はケーシング２１で覆われている部分においても、ケーシング２１で密閉されている状態ではない。
その際、回転軸１１の外周面とケーシング２１とが対向する部位の一部には軸封部材２５が設けられ、流路２０と外気とを遮断して、高炉ガスを外気に漏洩させない機能を有する。この軸封部材２５の具体的態様は特に限定されることはないが、回転軸１１をシールできる可撓性を有する紐状の部材を、回転軸１１の円周方向に巻きつけて構成することができる。
また、本形態において軸封部材２５は、回転軸１１の軸線方向に沿って所定の間隔で複数設けられている。
【００２８】
従って高炉炉頂圧回収タービン１０には、図２に示したように、ロータ端面１２ａ、ケーシング２１、軸封部材２５、及び回転軸１１で囲まれる空間Ａが形成される。
さらに、本形態では、回転軸１１の外周面のうち隣り合う軸封部材２５の間、回転軸１１及びケーシング２１で囲まれた空間Ｂが形成される。
【００２９】
このように、ロータ１２はケーシング２１により密閉されているわけではないので、高炉ガスが空間Ａに侵入する可能性があるところ、仮に高炉ガスが空間Ａに侵入すると以下の問題が生じる。
・ロータ端面１２ａが腐食環境に晒されると、応力腐食割れを生ずる可能性がある。応力腐食割れの発生はロータ１２のうち、動翼１３、１４が取り付けられた部位に亀裂を生じさせ、動翼１３、１４の損傷に結びつく虞がある。
・高炉ガスが、回転軸１１に沿って外部に漏えいする可能性がある。高炉ガスはその成分の観点から当然、外部への漏えいを防止する必要がある。
【００３０】
そのため、本形態の高炉炉頂圧回収タービン１０では、ケーシング２１内、又はケーシング２１とは別体に、流路２２が設けられ、空間Ａ、及び空間Ｂに気体を流入させることができるように構成されている。後述するように、この流路２２を通じて空間Ａ、さらには空間Ｂにも不活性ガスを流入させ、空間Ａ、空間Ｂの圧力を調整することにより空間Ａ、空間Ｂへの高炉ガスの侵入を防止することができ、上記の問題を解決することができる。より具体的には次の通りである。
【００３１】
高炉炉頂圧回収タービン１０には、流路２０内の圧力計３０、空間Ａの圧力計３１、空間Ｂの圧力計３２、不活性ガスを空間Aに送る流路２２、及び、これらを監視する監視機器３４を備えている。監視機器３４は電子回路を備える基盤又はコンピュータにより構成され、特に、圧力計３０の圧力データ、圧力計３１と圧力計３２との差圧データを受信して監視している。
【００３２】
流路２０内の圧力計３０の計測データ、及び、圧力計３１と圧力計３２との差圧データは監視機器３４に送信される。なお、本形態では、空間Ａの圧力計３１、及び空間Ｂの圧力計３２の計測値は現場機器で監視できるようになっている。ただし、これら圧力データも合わせて監視機器３４に送信されるように構成してもよい。
圧力データを受信した監視機器３４、流路２０内の圧力計３０の測定値、及び空間Ａの圧力計３１の測定結果に基づいて、空間Ａの圧力ＰＡが流路２０内の圧力ＰＴよりも大きくなる、すなわちＰＡ＞ＰＴとなるように調整するため、流路２２から空間Ａに不活性ガスを流入させる。
ここで、「不活性ガス」は空間Ａが腐食環境となることを防止でき、及びその他の化学的反応が起こらないガスであればよく、例えば窒素ガスやアルゴンガス等を挙げることができる。
なお、ＰＡ＞ＰＴとなるように調整するために流路２２から空間Ａに不活性ガスを流入させる方法は、特に限定されることはなく、人のバルブ操作や電磁弁を用いた自動制御等を挙げることができる。
【００３３】
このように、ＰＡ＞ＰＴとすることで、空間Ａに高炉ガスが侵入して腐食環境になることが防止できるため、ロータ１２における応力腐食割れも発生しにくくなる。また、これにより高炉ガスが回転軸１１へ向かうことが防止されるため、高炉ガスの外部への流出をさらに確実に防止することができる。
【００３４】
具体的な圧力の差（ＰＡ−ＰＴ）は必要に応じて設定することができるが、例えば空間Ａに存在するガス成分中に、ＣＯガスが好ましくは０．１％以下になるように、より好ましくは検知しなくなる（０％となる）ように、空間Ａへ充填する不活性ガスの流量を調整する。そのため、空間Ａにはガスの成分を検知する機器を配置し、制御機器３４に接続することで制御が可能となる。
これにより、計器の故障や摩耗等による軸封装置の不具合などで、不活性ガスが大気へ流出する際に、高炉ガスの侵入有無を把握することもできる。
【００３５】
さらに、空間Ｂの圧力についても制御されることが好ましい。すなわち、圧力データを受信した監視機器３４、空間Ａの圧力計３１の測定値、及び空間Ｂの圧力計３２の測定結果に基づいて、空間Ｂの圧力ＰＢが、空間Ａの圧力ＰＡよりも大きくなる、すなわちＰＢ＞ＰＡとなるように調整するため、流路２２から空間Ｂに不活性ガスを流入させる。
この調整についても特に限定されることはなく、人のバルブ操作や電磁弁を用いた自動制御等により行うことができる。
【００３６】
これにより、高炉内の圧力変動に由来して、瞬間的に高炉ガスの圧力が高めに変動するような場合でも、空間Ａへの不活性ガス供給を継続することができる。
また、ＰＢ＞ＰＡとすることで、空間Ｂへ高炉ガスが侵入することが防止され、高炉ガスの外部への流出をさらに確実に防止することが可能となる。
【００３７】
本形態では、空間Ａのための流路と空間Ｂに不活性ガスを流入させるための流路を流路２２で共通とした。これにより構造を簡素化することができる。この際には流路２２に弁を設けるなどして空間Ａの圧力、及び空間Ｂの圧力をそれぞれ調整することができる。
ただし、これに限定されることはなく、空間Ａのための流路と空間Ｂのための流路を別に設けてもよい。
【００３８】
以上のような高炉炉頂圧回収タービン１０、及びこれを用いた圧力制御によれば、応力腐食割れが生じる要因のうちの環境要因を改善することができ、他の要因である応力要因や素材要因の設計自由度及び選択自由度を高めることができる。
【符号の説明】
【００３９】
１０  高炉炉頂圧回収タービン
１１  回転軸
１２  ロータ
１３、１４  動翼
１５、１６  静翼
２０  流路
２１  ケーシング
２２  流路
２５  軸封部材
３０、３１、３２  圧力計
３４  監視機器
【図１】
2020023950.tif 000003
【図２】
2020023950.tif 000004