(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高炉を吹き止め、該高炉炉内の装入物を減尺した後、該高炉の炉頂から冷却水を注水して、該高炉の炉下部に残存する残留物を冷却する方法において、
前記炉下部の空間を、前記高炉の出銑口を境として下側の領域Ａと上側の領域とに分割し、更に該上側の領域を、前記高炉の炉芯部の領域Ｂと、該領域Ｂを取り囲む領域Ｃとに分割して、前記各領域Ａ〜Ｃの高さ方向で一次元の伝熱解析を行い、前記残留物を予め設定した温度以下に冷却するために必要な水量と冷却時間を予め求め、該得られた結果に基づいて、冷却水を前記高炉炉内へ注水することを特徴とする高炉の炉内冷却方法。
【請求項２】
請求項１記載の高炉の炉内冷却方法において、前記一次元の伝熱解析は、前記領域Ａに存在する溶銑、前記領域Ｂに存在する炉芯コークス、及び前記領域Ｃに存在するコークス塊を用いて行うことを特徴とする高炉の炉内冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高炉の吹卸し操業後に行う炉内冷却方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、高炉炉内の装入物（炉内に層状に装入された鉱石とコークス）の高さレベルを低減（減尺）させる吹卸し操業後の高炉では、作業者が炉内残留物を掻き出すため、水冷や空冷による冷却を行っているが、炉内作業の安全確保の観点から、大量の冷却水と長い冷却時間を要している。
特に、上記した冷却水は、炉内に残留させるわけにはいかないため、炉外に排出して処理する必要があるが、その処理に費用がかかると共に、処理期間も長期（１ヶ月程度）にわたるため、冷却水量の低減が望ましかった。更に、高炉炉下部の溶銑の冷却が不十分な場合には、解体作業環境の問題から、冷却状況の把握も必要であった。
【０００３】
そこで、例えば、特許文献１には、過去の実績から求めた冷却水量（＝炉内容積×１．７）を用い、注水冷却における期間を、１）水と残留物（主にコークスとスラグ）との化学反応（コークス＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ２）量から冷却水の抜熱量を求める期間（注水前期）と、２）化学反応が終了して水による冷却のみが行われる期間（注水後期）とにわけ、熱バランスから冷却時間を推定して、高炉に冷却水を注水する方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６２−９９４０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記従来の方法は、水バランスを用いて、炉内残留物の温度を推定する方法ではないため、残留物（特に、溶銑）を確実に冷却するために必要な冷却時間や冷却水量を算定することができず、また冷却履歴に応じた最適注水量（炉内の残留水量のミニマム化）を求めることもできなかった。
【０００６】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、炉内作業の安全を確保しながら、炉下部の残留物の冷却に必要な水量と冷却時間の低減が図れる高炉の炉内冷却方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するためになされた本発明の要旨は、以下の通りである。
（１）高炉を吹き止め、該高炉炉内の装入物を減尺した後、該高炉の炉頂から冷却水を注水して、該高炉の炉下部に残存する残留物を冷却する方法において、
前記炉下部の空間を、前記高炉の出銑口を境として下側の領域Ａと上側の領域とに分割し、更に該上側の領域を、前記高炉の炉芯部の領域Ｂと、該領域Ｂを取り囲む領域Ｃとに分割して、前記各領域Ａ〜Ｃの高さ方向で一次元の伝熱解析を行い、前記残留物を予め設定した温度以下に冷却するために必要な水量と冷却時間を予め求め、該得られた結果に基づいて、冷却水を前記高炉炉内へ注水することを特徴とする高炉の炉内冷却方法。
【０００８】
（２）前記一次元の伝熱解析は、前記領域Ａに存在する溶銑、前記領域Ｂに存在する炉芯コークス、及び前記領域Ｃに存在するコークス塊を用いて行うことを特徴とする（１）記載の高炉の炉内冷却方法。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る高炉の炉内冷却方法は、炉下部の空間を、残留物の種類ごと、即ち高炉の出銑口を境として下側の領域Ａと、この領域Ａ上の高炉の炉芯部の領域Ｂと、この領域Ｂを取り囲む領域Ｃとに分割するので、各領域Ａ〜Ｃにおいて、高炉の高さ方向で一次元の伝熱解析を行うことができ、複雑な三次元の伝熱解析を行うことなく、各領域Ａ〜Ｃで残留物の温度を精度よく推定できる。
従って、残留物の冷却に必要な水量と冷却時間を、短時間に、かつ精度よく求めることができ、この得られた結果に基づいて、冷却水を高炉炉内へ注水することで、炉内残留物を確実に冷却することは勿論、冷却水量が低減可能となって水処理費用を軽減でき、更には冷却時間の低減が図れる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施の形態に係る高炉の炉内冷却方法の説明図である。
【図２】同高炉の炉内冷却方法のフローチャートである。
【図３】残留物中のコークス温度を推定した結果と炉内のガス成分値を分析した結果との対応を示す説明図である。
【図４】炉内に注水する冷却水の注水パターンと炉内に残存する冷却水量の推移を示す説明図である。
【図５】高炉の炉内容積と炉内冷却に使用した総注水量との関係を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
図１に示すように、本発明の一実施の形態に係る高炉の炉内冷却方法は、高炉の操業を停止し（吹き止め）、高炉の羽口から空気を送風して、高炉炉内の装入物、即ち層状に装入された鉱石とコークスの高さレベルを低減（減尺）した後、高炉の炉頂から冷却水を注水して、高炉の炉下部１０に残存するコークス及び溶銑を含む残留物１１を冷却する方法であり、炉下部１０の空間を領域Ａ〜Ｃに分割して伝熱解析を行い、残留物１１の冷却に必要な水量（冷却水量）と冷却時間を予め求め、得られた結果に基づいて冷却水を高炉炉内へ注水する方法である。以下、詳しく説明する。
【００１２】
高炉の改修や工事などを行う場合、まず、吹卸し操業を行い、高炉のレースウェイにコークスが供給されなくなるまで減尺した後、高炉の炉頂から冷却水を注水する。なお、吹卸し操業終了後から、冷却水の注水開始までの間（例えば、１〜１０日程度）は、高炉が空冷されるため、残留物１１の温度は、コークスが６５０〜９００℃程度、溶銑が９００〜１４００℃程度（厚み２〜３ｍ程度）まで低下している。
しかし、残留物１１の温度は、作業者が残留物を掻き出すことができる程度に、十分に低下していないため、以下の方法で求めた冷却水量を、高炉へ注水する必要がある。
【００１３】
まず、図１に示すように、炉下部１０の空間を領域Ａ〜Ｃに分割したモデルを設定する。
領域Ａは、高炉の出銑口の高さ位置を境として下側に位置する領域であり、主として溶銑が残存した残銑層を構成している。
一方、出銑口の高さ位置を境として上側、即ち領域Ａの上側の領域は、炉芯コークスが残存する高炉の炉芯部の領域Ｂと、この領域Ｂを取り囲み、コークス塊が残存するレースウェイを含む領域Ｃに分割される。この領域Ｂと領域Ｃは、共にコークスが存在するコークス層を構成している。
なお、上記した溶銑、炉芯コークス、及びコークス塊が、残留物１１を構成する。
【００１４】
ここで、残留物１１を冷却するに際しては、高炉の炉頂から冷却水を注水するため、領域Ｂにおいては、炉芯コークスの上面が冷却水（又は空気）に接触することになる。これは、炉芯コークスが塊状となって、冷却水が浸透しないことによる。なお、冷却水の浸透がないため、側面からの冷却もない。
ここで、領域Ｂの炉径方向の半径をＬＢとすると、領域Ｂでは、半径がＬＢの円柱状の炉芯コークスを、上方から冷却水で冷却することになる。
【００１５】
また、領域Ｃも、高炉の炉頂から冷却水が注水されるため、コークス塊の上方から、各コークス塊の間に冷却水（又は空気）が浸透し、コークス塊の表面周囲が冷却水に接触することになる。これは、領域Ｃに残存するコークス塊が、密に充填された状態ではなく、コークス塊が自由に動けるフリースペースが存在することによる。
ここで、領域Ｃの炉径方向の幅をＬＣとすると、領域Ｃでは、厚みがＬＣの中空円柱状の空間内に存在する半径ＬＣ／２のコークス塊を、上方から下方へかけて冷却水で冷却することになる。
【００１６】
そして、領域Ａは、その上側に領域Ｂ、Ｃが存在するため、この領域Ｂ、Ｃの加熱により蒸発した冷却水の水蒸気（又は空気）が、溶銑の上面に接触することになる。これは、溶銑中へ水蒸気が浸透しないことによる。なお、領域Ａには、溶銑が存在するため、その側面からの冷却もない。
ここで、領域Ａでは、半径が（ＬＢ＋ＬＣ）の円柱状の溶銑を、上方から水蒸気で冷却することになる。
なお、上記した領域Ｂの半径ＬＢ、領域Ｃの幅ＬＣ、また残銑層（領域Ａ）の高さＨｐやコークス層（炉芯コークスとコークス塊の層、即ち領域Ｂと領域Ｃ）の高さＨｃは、高炉の操業条件に応じて、例えば、領域Ｃの幅ＬＣを通常操業時のレースウェイの長さ、領域Ｂの半径ＬＢを炉半径から上記した幅ＬＣを差し引いた長さ、残銑層の高さＨｐを炉内底から出銑口までの距離、コークス層の高さＨｃを炉内に設置した垂下式のレベル計での測定値を基にして、それぞれ設定する。
【００１７】
上記したように、各領域Ａ〜Ｃについては、高炉の高さ（上下）方向で熱の移動が生じると考えることができるため、高炉の高さ方向で一次元の伝熱解析を行うことができる。この各領域Ａ〜Ｃで使用する一次元の伝熱解析の式は、それぞれ式（１）〜式（３）である。なお、式（１）〜式（３）中のｋは熱伝導率（ｋｃａｌ／℃／ｍ）、ρは密度（ｋｇ／ｍ３）、Ｃｐは比熱（ｋｃａｌ／℃／ｋｇ）、Ｔは温度（℃）、ｔは時間（ｈｒ）、ｘは高さ方向の位置、ｒは高さ方向の半径内での位置である。
【００１８】
【数１】
0005381698.tif 000002
【００１９】
【数２】
0005381698.tif 000003
【００２０】
【数３】
0005381698.tif 000004
【００２１】
続いて、上記した式（１）〜式（３）を用いて、冷却水量を求めるフローを、図２を参照しながら説明する。
まず、ステップ１（ＳＴ１）で、冷却水量Ｗｉを設定する。なお、初回は、Ｗｉ＝Ｗａに設定する。ここで、Ｗａとは、過去の実績から得た値に余裕代を加味した冷却水量、例えば、高炉の容積の１〜１．７倍程度の冷却水量である（図２中の※１）。
そして、ステップ２（ＳＴ２）で、炉下部の各領域Ａ〜Ｃついて、上記した式（１）〜式（３）を用い、同時に伝熱計算を行う。これにより、各領域Ａ〜Ｃについて、高炉の高さ方向の任意の位置における温度が、一定時間経過した後に何℃になっているのかの算出ができる。
【００２２】
従って、ステップ３（ＳＴ３）で、高炉の高さ方向別におけるコークス（炉芯コークス及びコークス塊）及び溶銑の経時的な温度変化を導出できる。
まず、コークスの経時的な温度変化を、領域Ｂと領域Ｃの伝熱計算結果から得る方法について説明する。
領域Ｂについて、高さ方向にｎ個に分割したときの各高さレベルをＨｉとする。なお、Ｈ０を出銑口（＝０）とし、Ｈｎを頂部（＝Ｈｃ）とする。ここで、ｉは０〜ｎであり、ｎは任意の数値に設定できるが、好ましくは、Ｈｃを０．５〜１．０ｍ間隔に区切る数値に設定する。
このとき、各高さレベルのコークス温度をＴｉ（ｉ＝０〜ｎ）とすることで、このＴｉとＨｉを用いた体積加重平均の式（４）により、領域Ｂの炉芯コークスの代表温度Ｔｂが得られる。
【００２３】
【数４】
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【００２４】
また、領域Ｃについて、半径方向にｎ個に分割したときの各半径レベルをｒｉとする。なお、ｒ０を真中心（＝０）とし、ｒｎを表面（＝Ｌｃ／２）とする。ここで、ｉは０〜ｎであり、ｎは任意の数値に設定できるが、好ましくは、Ｌｃ／２を０．５〜１．０ｍ間隔に区切る数値に設定する。
このとき、各半径レベルのコークス温度をＴｉ（ｉ＝０〜ｎ）とすることで、このＴｉとｒｉを用いた体積加重平均の式（５）により、領域Ｃの炉芯コークスの代表温度Ｔｃが得られる。
【００２５】
【数５】
0005381698.tif 000006
【００２６】
そして、得られた領域Ｂの炉芯コークスの代表温度Ｔｂと領域Ｃのコークス塊の代表温度Ｔｃ、及び領域Ｂの体積Ｖｂと領域Ｃの体積Ｖｃを、以下の式にそれぞれ代入することで、全コークスの温度Ｔａが求まる。
Ｔａ＝（Ｔｂ×Ｖｂ＋Ｔｃ×Ｖｃ）／（Ｖｂ＋Ｖｃ）
【００２７】
続いて、溶銑の経時的な温度変化を、領域Ａの伝熱計算結果から得る方法について説明する。
領域Ａを、高さ方向にｎ個に分割したときの各高さレベルをＨｉとする。なお、Ｈ０を炉底れんが表面（＝０）とし、Ｈｎを出銑口レベル（＝Ｈｐ、なおＨｐは残銑厚みを指す）とする。ここで、ｉは０〜ｎであり、ｎは任意の数値に設定できるが、好ましくは、Ｈｐを０．５〜１．０ｍ間隔に区切る数値に設定する。
このとき、各高さレベルの溶銑温度をＴｉ（ｉ＝０〜ｎ）とすることで、このＴｉとＨｉを用いた体積加重平均の式（６）により、領域Ａ（例えば、溶銑の高さの中間位置）の溶銑温度Ｔｐが得られる。
【００２８】
【数６】
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【００２９】
次に、ステップ４（ＳＴ４）で、設定時間ｔ時間後のコークス温度及び溶銑温度が、予め設定した設定温度Ｔ℃以下か否かを判定する。
この設定時間ｔとは、その後に行う高炉の工事を勘案して、高炉ごとに決定される時間（冷却に割くことができる時間）であり、通常は、２０〜４０時間程度である（図２中の※２）。また、設定温度Ｔは、炉内作業が可能な雰囲気温度を満たすコークス温度と溶銑温度のことであり、例えば、（コークス温度）＜６００℃（更に好ましくは５００℃）、（溶銑温度）＜８５０℃（更に好ましくは７００℃）、である（図２中の※３）。
ここで、設定時間ｔ時間後のコークス温度及び溶銑温度が、設定温度Ｔ℃以下であれば、ステップ５（ＳＴ５）へ進み、設定温度Ｔ℃超であれば、ステップ６（ＳＴ６）へ進む。
【００３０】
このステップ４で、コークス温度及び溶銑温度が設定温度Ｔ℃を超えると判定された場合、残留物を冷却する冷却水量が不足していることを意味するため、ステップ６で、ステップ１で設定した冷却水量Ｗｉを、Ｗｂだけ増やした新たな冷却水量Ｗｉ＋Ｗｂに変更する。
なお、冷却水量の増分Ｗｂは、繰り返し計算が１回目の場合、高炉の容積の０．０１〜０．１倍程度の冷却水量（冷却水量が過剰となる量）を代入する。なお、冷却水量Ｗｉを新たな冷却水量Ｗｉ＋Ｗｂに変更することで、冷却水量は過剰になるため、２回目以降は、ステップ６を通過しないことになるが、２回目以降で不足する場合は、更に上記した増分Ｗｂだけ、冷却水量を増やす（図２中の※４）。
そして、ステップ２へ戻り、ステップ２〜ステップ４を、順次繰り返し行う。
【００３１】
一方、ステップ４で、コークス温度及び溶銑温度が設定温度Ｔ℃以下と判定された場合、残留物を冷却する冷却水量が同等又は過剰であることを意味するため、ステップ５で、過剰な冷却水量Ｗｂが「０」であるか否かの判定を行う。ここで、過剰な冷却水量Ｗｂが、「０」であれば、ステップ７（ＳＴ７）へ進み、「０」でなければ、ステップ８（ＳＴ８）へ進む。
このステップ５で、過剰な冷却水量Ｗｂが「０」でないと判定された場合、冷却水量を低減できることを意味するため、ステップ８で、過剰な冷却水量Ｗｂが「０」となるように、冷却水量ＷｉからＷｃだけ減らした新たな冷却水量Ｗｉ−Ｗｃに変更する。
そして、ステップ２へ戻り、ステップ２〜ステップ５を、順次繰り返し行う。
【００３２】
一方、ステップ５で、過剰な冷却水量Ｗｂが「０」であると判定された場合、この冷却水量を、炉内冷却に必要な最小の冷却水量（ミニマム水量）とする。
そして、ステップ９（ＳＴ９）で、設定時間ｔ時間後までの冷却水の累計蒸発量Ｗｄを算出する。これは、炉内残留物の温度変化分が、冷却水の昇温及び蒸発に要する熱量と等しいことから求まる。
以上の方法により、ステップ１０（ＳＴ１０）で、炉内に残留する冷却水量がわかる。
【００３３】
以上に示した冷却水量の算出は、ＲＡＭ、ＣＰＵ、ＲＯＭ、Ｉ／Ｏ、及びこれらの要素を接続するバスを備えた従来公知の演算器（即ち、コンピュータ）を用い、プログラムにより行うが、これに限定されるものではない。
以上の方法により、残留物１１を予め設定した温度以下に冷却するために必要な水量が決まり、またこの水量から冷却時間も決まるため、この予め求めた結果に基づいて、冷却水を高炉の炉頂から炉内へ注水する。なお、高炉へ冷却水を注水するに際しては、注水開始から、例えば１２時間（好ましくは８時間）までの間に、予め設定した間隔（例えば、１０〜３０分間）ごとに、２０〜４０トン／時間のペースで高炉への注水量を増加する。
【００３４】
この冷却水の注水は、残留した炉芯コークスが冠水するレベル（例えば、羽口の上端位置から上方へ１ｍ〜３ｍ程度）まで行った後、停止する。そして、残留物１１の冷却が終了した後は、羽口の高さ位置よりも上方に位置する冷却水を羽口から排水した後、出銑口からの排水を行う。
これにより、残留物１１の冷却が終了するため、作業者が炉内の残留物１１を掻き出すことができる。
【実施例】
【００３５】
次に、本発明の作用効果を確認するために行った実施例について説明する。
ここでは、前記した方法を用い、炉内の残留物の温度推移と、炉内の残水量推移をそれぞれ推定し、得られた冷却水量に基づいて、実際に高炉炉内へ冷却水を注水した結果について説明する。
なお、各領域Ａ〜Ｃの一次元の伝熱解析には、コークスの熱伝導率：２０（ｋｃａｌ／℃／ｍ）、溶銑の熱伝導率：２５（ｋｃａｌ／℃／ｍ）、コークスの密度：７００（ｋｇ／ｍ３）、溶銑の密度：７３００（ｋｇ／ｍ３）、コークスの比熱：０．３０（ｋｃａｌ／℃／ｋｇ）、溶銑の比熱：０．１６（ｋｃａｌ／℃／ｋｇ）を、それぞれ使用した。
【００３６】
まず、炉内残留物の温度を推定した結果について、図３を参照しながら説明する。なお、図３の上図は、冷却時間の経過と共に、高炉炉内のガス成分値をガスクロマトグラフィーで実際に測定した結果であり、下図は、前記したステップ３で行う段落（００２２）〜段落（００２６）に記載の方法により推定したコークス温度の推移を示している。
図３の下図から、冷却時間の経過と共にコークス温度が低下していることがわかる。ここで、コークス温度の低下速度は、冷却時間が１０時間経過した後は、緩やかになっている。この１０時間の時点でのガス成分値を上図でみると、Ｈ２、ＣＯ、及びＣＯ２のいずれのガス濃度も、大幅に低下していることがわかる。
従って、炉内残留物の温度推移を推定することで、炉内のガス濃度の推移を把握できる。
【００３７】
次に、炉内の残水量（供給した水量から蒸発量を差し引いた値）を推定した結果について、図４を参照しながら説明する。なお、図４の上図は、冷却水の注水計画を示す説明図であり、下図は、炉内に残存する冷却水量の推定結果を示している。
図４の上図に示すように、冷却水の注水は、３０トン／時間の流量で開始し、流量が３００トン／時間となるまで以降１５分ごとに３０トン／時間ずつ増加させ、３００トン／時間となったところで流量を維持し、注水開始から３時間程度で、注水を中止した。
この計画に基づいて、炉内に残存する冷却水量の推移を推定したところ、下図に示すように、冷却水の反応や蒸発を考慮することで、冷却水の注水を停止した後は、時間経過に伴って炉内に残存する冷却水量も減少することがわかった。なお、下図には、漏水や蒸発を考慮していない場合の結果も記載しているが、この場合は炉内に冷却水が残存している。
【００３８】
以上の結果から、５０００ｍ３級の高炉炉内に６５０トンの冷却水を注水することで、最終的に羽口から排出する冷却水量を０トンにできることがわかった。そこで、この結果に基づいて、冷却水を、１５分ごとに３０トン／時間のペースで増加して高炉へ注水し、コークスが冠水するレベル（例えば、羽口の上端位置から上方へ１．５ｍ程度）に到達したところで、注水を停止した。
その結果、高炉の炉内冷却に、従来３６時間程度要していたが、３３時間程度まで短縮できた。また、使用する冷却水量は、従来３０００〜５０００トン程度必要であったが、８３５トン程度まで、大幅に低減できた。更に、羽口からの排水量は、従来３０００〜４０００トン程度であったが、４５トンまで低減できた。
【００３９】
ここで、高炉の炉内容積と炉内冷却に要した総注水量（総冷却水量）との関係を、図５に示す。なお、図５の●印は、従来例であり、○印は、実施例である。
図５から明らかなように、実施例は、従来例と比較して、総注水量を大幅に低減できた。これにより、羽口からの排水量も、大幅に低減できることがわかる。
以上のことから、本発明の高炉の炉内冷却方法を用いることで、炉内作業の安全を確保しながら、炉下部の残留物の冷却に必要な水量と冷却時間の低減が図れることを確認できた。
【００４０】
以上、本発明を、実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。例えば、前記したそれぞれの実施の形態や変形例の一部又は全部を組合せて本発明の高炉の炉内冷却方法を構成する場合も本発明の権利範囲に含まれる。
また、前記実施の形態においては、一次元の伝熱解析を、領域Ａに存在する溶銑、領域Ｂに存在する炉芯コークス、及び領域Ｃに存在するコークス塊を用いて、それぞれ行った場合について説明したが、これに限定されるものではなく、各領域Ａ〜Ｃに残存する残留物の種類や成分に応じて、溶銑の熱伝導率、コークスの密度や比熱を変更して解析すればよい。
【符号の説明】
【００４１】
１０：炉下部、１１：残留物
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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