(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高炉炉底に埋設された冷却管の基端部に冷却媒体を供給して、前記基端部から前記冷却媒体のシール部までの前記冷却管内に前記冷却媒体の往復流動する冷却領域が設けられると共に、前記シール部から先の前記冷却管内に非冷却領域が設けられて前記高炉炉底を冷却する高炉炉底の冷却装置において、
前記シール部には、前記冷却管内を管径方向に拡大、縮小して、内管壁に接離する拡縮径機構が備えられていることを特徴とする高炉炉底の冷却装置。
【請求項２】
前記シール部及び前記冷却領域には、前記非冷却領域から前記基端部の外気に抜ける圧抜き管が設けられていることを特徴とする請求項１記載の高炉炉底の冷却装置。
【請求項３】
前記シール部の拡縮径機構が、前記冷却管の内壁に配置されるゴム部材と、該ゴム部材を管径方向に弾性変形させる変形手段を有していることを特徴とする請求項１又は２記載の高炉炉底の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高炉の炉底における冷却領域を決定して、この冷却領域を容易に変更し、設定することのできる高炉炉底の冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、高炉の炉底に内張りされた炉底れんがを保護するために、その側壁や底盤の下部に配置された冷却管によって炉底の水冷がなされている。
しかし、この冷却管による抜熱が過剰になる部分が生じると、溶銑の高融点成分が析出し、炉底れんがの稼働表面に付着物を形成して、炉底における溶銑の流れが変化し、炉底れんがの溶損が不均一となって炉底れんがの異常溶損の原因となることがある。
従って、このような付着物の形成、消長を制御して、高炉炉底の局部的な熱負荷の変動に応じて適正な冷却条件の下で冷却を行うことが必要となる。
例えば、特開平２−１０４６０３号公報には、高炉の炉底部の冷却法において、円形である前記炉底部の冷却範囲を中心部分と周辺部分に分け、炉底れんがに埋設された温度センサの指示により、それぞれ独立に冷却水の流量を調節する高炉の炉底冷却方法が記載されている。
また、特開昭６３−１０５９１３号公報には、冷却管を埋設してなる高炉炉底において、冷却管内の一部に伝熱抵抗体を設け、冷却管長手方向の冷却能を変更し、底盤冷却能の異なる領域を形成する高炉炉底の冷却方法が示されている。
さらに、特開昭６３−１０５３９９号公報には、冷却管である伝熱管に伝熱抵抗を有するチューブを伸縮若しくは移動自在に内挿することにより伝熱量を調整する方法が記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記特開平２−１０４６０３号公報に示される方法では、所定の冷却範囲を設定するために、冷却配管を屈曲させて高炉炉底に埋設させているが、一度設定した冷却管の配置を変更することは容易でなく、使用中に冷却管が破損して冷却水が漏洩した場合の修復が困難であるという問題があった。
【０００４】
また、前記特開昭６３−１０５９１３号公報の方法では、炉底れんが中に埋設された温度計の指示値により付着物の層厚を計算あるいは推定して、緩冷却部と通常冷却部の部位の決定がなされる。
ところが、付着物の層厚分布は経時的に変化するため、その設定時点における温度計の指示値を指標にして、緩冷却部と通常冷却部との境界を厳密に決定することが容易ではなく、操業履歴、原料成分等の炉体条件に応じて変化する冷却の最適条件を設定することが困難であるという問題点があった。
このように境界を厳密に設定することができない場合には、境界線が中心に近すぎるときに高炉炉底の中心付近の抜熱量が多くなって、中央部の付着物が消失することなくそのまま維持される。
一方、境界線が外周部に近すぎると、通常冷却による冷却効果が不十分となって底盤方向への抜熱量が減少するため、側壁への熱負荷が増して、側壁の溶損が激化する等の弊害を生じる。
さらに、底盤冷却能を制御するために、冷却管を底盤から抜き出して、断熱材等を冷却管の所定の位置に配置し直して、所定の冷却効率となるように調整するか、又は冷却管の内側の必要な箇所にノズルを内挿して断熱材料の吹き付けを行い、被膜形成により伝熱抵抗体を取り付ける等が必要であり、このような配置の変更、又は伝熱抵抗体の取り付けには非常な労力と時間を要するという問題点があった。
【０００５】
また、特開昭６３−１０５３９９号公報に記載されているような、伝熱抵抗を有するチューブを伝熱管（冷却管）に内挿する方法では、チューブを伸縮若しくは移動して所定の位置に正確に固定することが難しく、該チューブを引っ張って保持するためのチューブ伸縮用ワイヤが必要となり、構造が複雑となる上に伝熱抵抗がチューブ自身の材質に依存し、このようなチューブの伝熱抵抗をそれ程大きくできず、充分な断熱効果を発揮しえないという欠点を有していた。
さらに、冷却管の一部が異常に過熱された場合には、圧力の逃げ道がないために水蒸気爆発を引き起こす恐れがある等の問題点があった。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、高炉炉底の状況に応じて適切な冷却条件を精度よく設定でき、しかも簡単に冷却条件の変更が可能であると共に、安全に高炉の操業を維持できる高炉炉底の冷却装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的に沿う請求項１記載の高炉炉底の冷却装置は、高炉炉底に埋設された冷却管の基端部に冷却媒体を供給して、前記基端部から前記冷却媒体のシール部までの前記冷却管内に前記冷却媒体の往復流動する冷却領域が設けられると共に、前記シール部から先の前記冷却管内に非冷却領域が設けられて前記高炉炉底を冷却する高炉炉底の冷却装置において、前記シール部には、前記冷却管内を管径方向に拡大、縮小して、内管壁に接離する拡縮径機構が備えられている。
【０００７】
請求項２記載の高炉炉底の冷却装置は、請求項１記載の高炉炉底の冷却装置において、前記シール部及び前記冷却領域には、前記非冷却領域から前記基端部の外気に抜ける圧抜き管が設けられている。
請求項３記載の高炉炉底の冷却装置は、請求項１又は２記載の高炉炉底の冷却装置において、前記シール部の拡縮径機構が、前記冷却管の内壁に配置されるゴム部材と、該ゴム部材を管径方向に弾性変形させる変形手段を有している。
【０００８】
シール部とは、冷却管の基端部側から供給される冷却媒体を密封して、冷却管を冷却媒体により冷却される冷却領域と、冷却媒体の流れない非冷却領域とに分かつ部分をいう。
【０００９】
【発明の実施の形態】
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。
まず、本発明の一実施の形態に係る高炉炉底の冷却装置を適用する高炉炉底の構造について、図１、図２にそれぞれ示す高炉炉底１０の側断面図、及び平断面図に基づいて説明する。
図１、図２に示されるように、高炉炉底１０は、高炉の外殻を構成する鉄皮１１ａと、鉄皮１１ａの内部に内張りされた炉底れんが１１と、炉底れんが１１を支持する底盤１２と、底盤１２と基盤１３との間に配置される冷却管１４と、底盤１２を支えて冷却管１４の挿入間隙を形成する図示しないビームとを有している。
冷却管１４は、ほぼ直線状のパイプ配管よりなり、冷却媒体の一例である冷却水により冷却される冷却領域２０と、冷却水の流入が規制された非冷却領域２１とに区画されている。
ここで冷却領域とは、冷却効率が高く設定される炉底れんがの部分をいう。また、冷却効率とは、冷却される領域内における抜熱量の時間当たりの変化量をいい、冷却管内を流れる冷却水の流量、冷却管の伝熱抵抗、伝熱面積等により調整される。なお、冷却管の中の冷却水の流量を減らしていき、この流量が零となるような状態においても冷却効率を定義することができる。
そして、このような冷却領域２０と非冷却領域２１との位置調整は、冷却管１４に挿入される冷却装置１８のシール部１９を移動させて、該シール部１９を所定の位置に固定することによりそれぞれの冷却領域２０及び非冷却領域２１の設定を行うことができるようになっている。
【００１０】
図３は冷却管１４に挿入配置される冷却装置１８の側断面図である。
同図に示すように冷却装置１８は、拡縮径機構４６を備えたシール部１９と、該シール部１９を支持する圧抜き管２３と、該圧抜き管２３の外側に配置され前記シール部１９に接続して軸方向に摺動可能に設けられた摺動管２２と、該摺動管２２をグランドパッキン３３を介して摺動自在に支持して、必要によりグランドパッキン３３を締め付けて固定することのできる冷却管１４の基端部に設けられた冷却管基端部フランジ３０と、前記摺動管２２の基端部に取り付けられた冷却水の供給孔２７を有するＴ型接続具２９と、該Ｔ型接続具２９に取り付けられ圧抜き管２３を支持する冷却装置基端フランジ３１とを備えている。
前記供給孔２７から供給される冷却水が、圧抜き管２３と摺動管２２との間を通ってシール部１９に向かって流入して、シール部１９近傍の摺動管２２上に設けられた通水孔２６を通って反転すると共に、摺動管２２、及び冷却管１４との間隙を通る間に底盤１２を冷却して、冷却管１４の基端部に配置された、冷却水を排出するための排出孔２８から加熱された冷却水が排出されるようになっている。
【００１１】
前記拡縮径機構４６は図３〜図５に示されるように、圧抜き管２３の先端部近傍の外側に固定配置された固定フランジ２５と、該固定フランジ２５より後方位置に圧抜き管２３の外側に摺動自在に配置され摺動管２２に接続する摺動フランジ２４と、前記固定フランジ２５及び摺動フランジ２４間に設けられたゴム部材３２とを有する。
従って、冷却装置基端フランジ３１の基端パッキン締め付けボルト３６を緩めて基端パッキン３４に掛かる押しつけ圧力を解放して、摺動管２２と圧抜き管２３との相対位置を調整することにより、固定フランジ２５と摺動フランジ２４間の距離を増減することができる。
図４は、固定フランジ２５と摺動フランジ２４との間の距離を長く取った時の状態を示しており、ゴム部材３２が冷却管１４の長さ方向に引っ張られることにより縮径して冷却管１４との間に隙間を生じ、シール部１９となる位置を必要に応じて変更可能な状態にすることを示している。
一方、図５は、固定フランジ２５と摺動フランジ２４との間の距離を縮めることにより、ゴム部材３２を圧縮して管径方向に拡大して、冷却管１４の内壁にゴム部材３２を押圧することによりシール部１９を形成させている状態を示している。
【００１２】
冷却管１４内の冷却領域２０の冷却水流量は冷却管１４の基端部に配置された供給弁２７ａ、排出弁２８ａを介して調整することができ、このような冷却管１４を底盤１２と基盤１３との間に複数配置して、それぞれの冷却管１４内に所定流量の冷却水を供給することにより、所定範囲の冷却帯を形成させて底盤１２の冷却が行えるようになっている。
また、炉底れんが１１中の複数箇所には熱電対が配置されており、刻々変化する炉底れんが１１の温度を測定でき、測定温度データが図示しないコンピュータに取り込まれて必要な統計演算処理を行えるようになっている。
【００１３】
続いて、前記説明した高炉炉底１０に配置される本発明の一実施の形態に係る高炉炉底の冷却装置１８を用いる冷却方法について説明する。
まず、高炉炉底１０内の炉底れんが１１に多数配置された熱電対により各部位の温度を測定して、その測定データ等を基にして高炉炉底１０の温度分布を求める。
なお、熱電対等により得られる測定点のデータ数が少ない場合には、冷却管１４の冷却効率、関与する材料の熱伝導率等の熱条件を設定し、炉底プロフィール等の操業データに基づいて必要な有限要素法等の手法を用いて伝熱計算を行って、より精密な温度分布のデータを得ることも可能である。
例えばこのような伝熱計算は以下の手順により行うことができる。
１）直近の操業データより、炉底れんが１１厚みと粘稠層（付着物層）厚みを含む炉底プロフィールを決定する。
２）図６に示すように、前記炉底プロフィールの炉底れんが１１を伝熱計算の要素となるメッシュに分割して、各メッシュ位置に対応する材料の熱伝導率、比熱等の物性値を決定する。
３）現状の炉底れんが１１の温度（底盤温度、側壁温度等）、冷却水温度、溶銑温度、基盤温度の測定値、前記炉底プロフィールデータ、及び物性値のデータとを用いて、各メッシュ間あるいは、マクロな条件で伝熱計算を行って、基盤１３への総括伝熱係数等の基礎となる熱定数を決定する。
４）前記求められた総括伝熱係数を含む熱定数、及び既知の温度データを用いて、炉底れんが１１の各部における未知の温度を逆算して求め、これにより、より詳細な炉底れんが１１の温度分布を求める。
なお、前記伝熱計算に際しては、２つの平行平面間の熱流量がその平行平面間の温度差、面積、及び時間に比例し、距離に反比例するというフーリエの熱伝導方程式を適用して、温度が既知の２点間における任意の点の温度を計算することができる。
【００１４】
そして、刻々変化する前記温度分布のデータから、炉底れんが１１の稼働表面上に堆積する付着物１５の付着分布を以下のようにして推定することができる。
即ち、付着物層の熱定数のデータ、炉底れんが１１のプロフィールデータに基づいて、付着物１５層の厚みによって変動する推定温度分布をシミュレーション計算により求める。
そして、この推定温度分布と前記温度分布とを対比して、最も適合度の高い推定温度分布に対応する付着物１５の層厚の分布、即ち付着分布を設定することができる。
次に、この付着分布を予め求めてある付着物１５の最適分布と比較して、重点的に冷却する炉底れんが１１の冷却領域２０を定める。
付着物１５の付着分布とは、炉底れんが１１の温度測定時点における炉底れんが稼働表面上の高融点成分からなる堆積物の量あるいは堆積層のプロフィールをいう。
付着物の最適分布とは、高炉における稼働期間、生産量、原料成分の履歴、及び炉底れんがの損耗状況等に基づいて計算、推定されるような、温度測定時点における付着物層に異常のない標準的なプロフィールをいう。
図７はこのようにして求められた付着分布の一例である炉底れんが１１の稼働表面上に堆積する付着分布であり、図８はこの時点における付着物１５の平均的な最適分布を示す分布図である。
このような付着分布と最適分布とを比較対照することにより、図７の左上の斜線で示す部分で特に付着物１５の厚みが不足していることが分かり、この斜線部分の冷却が必要であると判断される。
なお、このような冷却領域２０の設定には、前記付着分布と最適分布との差が予め定めてある閾値を超えるような領域としてコンピュータを用いて計算することもできる。
【００１５】
この冷却の必要部分を冷却領域２０として、それぞれの冷却管１４に挿入される冷却装置１８を、前記冷却領域２０の対応位置にそれぞれ以下のようにして設定する。
まず、図３、図４に示すように冷却装置基端フランジ３１に設けられた基端パッキン締め付けボルト３６を緩めて、基端パッキン３４に掛かる押圧力を解放して、摺動管２２を圧抜き管２３に対して基端部側に移動させることによりゴム部材３２を縮径させておく。
そして、冷却管基端部フランジ３０に設けられたグランドパッキン締め付けボルト３５を緩めた状態で、前記冷却装置１８を冷却管１４の中に挿入、移動させて、図２に示すようにそれぞれの冷却装置１８のシール部１９が前記冷却領域２０の境界位置に配置されるようにする。
次に、冷却管基端部フランジ３０のグランドパッキン締め付けボルト３５を締めて摺動管２２を固定した後、圧抜き管２３をシール部１９の方向に伸延させるこのような変形手段により、図５に示すように、摺動フランジ２４と固定フランジ２５との間の距離を縮めることにより、ゴム部材３２を変形させて、冷却管１４の内壁に圧着させることができる。
そして、この状態で冷却装置基端フランジ３１の基端パッキン締め付けボルト３６を締めて冷却装置１８の全体を固定させる。
【００１６】
このような操作を全ての必要な冷却管１４毎に行って、前記冷却装置１８のシール部１９の位置によって決まる冷却領域２０が、前記必要な所定の冷却領域２０となるようにする。
Ｔ型接続具２９の供給孔２７から供給される冷却媒体の量は炉底の温度状況によって０〜２０Ｔ／Ｈｒであり、冷却を必要とする場合には冷却媒体の一例である約１５℃の冷却水を１〜２０Ｔ／Ｈｒ・本の供給流量で供給する。
この冷却水が、圧抜き管２３と摺動管２２間の流路を通って前方のシール部１９に向かって流入する。
次に、この冷却水がシール部１９近傍の摺動管２２に設けられた通水孔２６を通って、冷却水の流動方向が基端部に向けて反転すると共に、摺動管２２及び冷却管１４間の流路を通る間に底盤１２と熱交換して加熱され、冷却管１４の基端部に配置された排出孔２８から加熱された冷却水が排出される。
【００１７】
なお、この間、シール部１９より前方の非冷却領域２１には冷却水が供給されることなく維持されるが、非冷却領域２１が圧抜き管２３を介して外気に連通しているために、仮にシール部１９のシール効果が不完全となって、冷却水が非冷却領域２１に漏洩したとしても、圧力が抜けるために水蒸気爆発等の危険がなく、安全に炉底の冷却を行うことができる。
また、必要に応じて、この非冷却領域２１に圧抜き管２３を介して、前記冷却水とは冷却能の異なる冷却媒体、例えば空気、水蒸気あるいはそれらの混合ガス等を流通させて、それぞれの領域毎に冷却能を調整して、より精密な付着分布の管理を行うこともできる。
さらに、同じ冷却管１４に２つの冷却装置１８を対向するように挿入して、冷却管１４の両端部を冷却領域２０とし、中間部を非冷却領域２１として設定することもできる。
そして、前記冷却領域２０に前記冷却水を所定期間、例えば１カ月にわたり送入して、高炉炉底１０の冷却を行った。
この結果、炉底れんが１１の温度分布が変化し、この温度分布により推定、計算される付着物１５の付着分布を、当初の目標である図８に一致するような、ほぼ一様な付着物１５の分布状態に変化させることができた。
【００１８】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない条件の変更等は全て本発明の適用範囲である。
例えば、本実施の形態においてはシール部に適用する拡縮径機構にゴム部材からなる機構を使用したが、拡縮径機構を有する金属製の傘状体とすることも可能である。
さらに、ゴム部材を複数のひだ状となるようにして冷却管の内壁に圧入して、ゴム部材が拡大する際の弾性力により、内壁に圧着させてシール部を形成させることもできる。
【００１９】
【発明の効果】
請求項１〜３記載の高炉炉底の冷却装置においては、冷却装置が冷却管に該冷却管の基端部から送入される冷却媒体のシール部を有し、前記基端部から前記シール部までの前記冷却管内に冷却媒体の往復流動する冷却領域が設けられると共に、前記シール部から先の前記冷却管内に非冷却領域が設けられているので、冷却管内を必要な冷却領域と非冷却領域とに分かち、該冷却領域を重点的に冷却できる。
このため、高炉炉底れんがの冷却必要部位を効率的に冷却することが可能となり、冷却に際して既設の冷却管の大幅な改造を要することなく簡単かつ容易に冷却領域の設定あるいは変更が可能である。
また、シール部には冷却管内を管径方向に拡大、縮小して、内管壁に接離する拡縮径機構が備えられているので、前記シール部を冷却管内の所定の位置に固定し、あるいは移動させる操作が簡単に行える。
【００２０】
特に、請求項２記載の高炉炉底の冷却装置においては、シール部及び冷却領域には、非冷却領域から基端部の外気に抜ける圧抜き管が設けられているので、前記シール部が不完全となって冷却領域から非冷却領域に冷却水が漏洩しても、非冷却領域が密閉されることなく、内部の圧力が上昇せず、安全に高炉の操業を行うことができる。
請求項３記載の高炉炉底の冷却装置においては、シール部の拡縮径機構が、冷却管の内壁に配置されるゴム部材と、該ゴム部材を管径方向に弾性変形させる変形手段を有しているので、冷却管内にシール部を簡単かつ確実に形成させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】高炉炉底の構造を示す側断面図である。
【図２】高炉炉底の構造を示す平断面図である。
【図３】本発明の一実施の形態に係る高炉炉底の冷却装置の側断面図である。
【図４】同冷却装置における拡縮径機構の詳細断面図である。
【図５】同冷却装置における拡縮径機構のシール状態を示す詳細断面図である。
【図６】炉底プロフィールにおけるメッシュ分割図である。
【図７】炉底れんがの稼働面における付着物の付着分布を示す図である。
【図８】炉底れんがの稼働面における付着物の最適分布を示す図である。
【符号の説明】
１０  高炉炉底                      １１  炉底れんが
１１ａ  鉄皮                        １２  底盤
１３  基盤                          １４  冷却管
１５  付着物                        １８  冷却装置
１９  シール部                      ２０  冷却領域
２１  非冷却領域                    ２２  摺動管
２３  圧抜き管                      ２４  摺動フランジ
２５  固定フランジ                  ２６  通水孔
２７  供給孔                        ２７ａ  供給弁
２８  排出孔                        ２８ａ  排出弁
２９  Ｔ型接続具                    ３０  冷却管基端部フランジ
３１  冷却装置基端フランジ          ３２  ゴム部材
３３  グランドパッキン              ３４  基端パッキン
３５  グランドパッキン締め付けボルト
３６  基端パッキン締め付けボルト    ４６  拡縮径機構
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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