(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄皮で構築された炉腹部から朝顔部の高炉炉下部プロフィルにおいて、鉄皮の炉内側の壁面に鉄皮を冷却するために設置した銅ステーブの内面を基準に朝顔角度および朝顔下端位置と羽口先端との水平距離を規定し、該朝顔角度が７０〜８０度の範囲を満たし、かつ該朝顔下端位置と羽口先端との水平距離が５００〜１０００ｍｍの範囲を満たすように前記銅ステーブを設置したことを特徴とする高炉炉下部内壁面構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高炉の安定操業を維持するための高炉炉下部内壁面構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高炉の朝顔部の炉体内壁面プロフィルは、火入れ以降、レンガの脱落や摩耗・浸食により変化するが、特に、朝顔上部から中部でのレンガの脱落や浸食による朝顔下部での炉体断面積の急激な変化（縮小）が生じる可能性が大きい。この炉体断面積の急激な変化（縮小）は、朝顔下部の炉壁近傍での降下速度の遅い擬停滞層や付着物形成の要因となる。このように擬停滞層や付着物が形成されると、スリップ、装入物の降下不順やそれに伴うガス流変動が発生しやすい。
【０００３】
シャフト部や炉腹部の炉体内壁面プロフィルが大幅に変化した場合には、その炉体内壁面プロフィルを補修する技術が開発されている。例えば、特公昭５９−４７００５号公報に開示されている技術は、高炉の休風時に炉内に向けて旋回式の吹き付けノズルを挿入し、この吹き付けノズルから炉体内壁面に不定形耐火物を吹き付け、炉体内壁面をレンガの脱落や浸食前の状態に、できるだけ近ずけた状態へ復旧させようとするものである。
また、シャフト部や炉腹部の炉体内壁面プロフィルを急激に変化をさせない高炉炉体構造が開発されている。例えば、特開平９−４１００８号公報に開示されている技術は、鉄皮で構築された高炉炉体構造において、鉄皮の炉内側の壁面に鉄皮を冷却するステーブを設置して高炉の内壁とする高炉炉体構造である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記の特公昭５９−４７００５号公報に開示されている技術は、炉体内壁面プロフィルの補修には有効な方法であるが、吹き付け不定形耐火物強度の制約から補修後のプロフィル保持期間は１ヶ月前後が限度であるものと思われる。したがって休風毎にプロフィルの再補修が必要となる。
また、この技術を適用するに当たっては、補修を行う都度、補修部位直下の朝顔下端近傍まで装入物のレベルを低下させて休風（以後、減尺休風と呼ぶ）に入る必要があるため、休風時の熱補償のための燃料比を上昇させねばならず燃料の量が大幅に増加する。さらに、この減尺休風の送風立ち上げには、数日間を必要とするため、その間、高炉の生産性の低下を避けることはできない。また、溶銑の品質の面においても大きな影響を受ける可能性が大きい。
【０００５】
また、特開平９−４１００８号公報に開示されている技術は、炉体内壁面プロフィル変化の小さい炉体構造であり、装入物の安定降下に必要な炉下部プロフィル、具体的には朝顔角や朝顔下端位置の適正範囲についての提示がなされていないため、実際の高炉炉体設計に反映できるまでの手段を開示しているとは解することはできない。
【０００６】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑み、朝顔部の炉体内壁面プロフィルに急激な変化をさせず、かつ炉下部での装入物の降下とガス流れのスムースな向流現象を可能にする炉下部内壁面構造を設計することにより、上記問題点の解決を図ることを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨とするところは、下記手段にある。
【０００８】
（１）鉄皮で構築された炉腹部から朝顔部の高炉炉下部プロフィルにおいて、鉄皮の炉内側の壁面に鉄皮を冷却するために設置した銅ステーブの内面を基準に朝顔角度および朝顔下端位置と羽口先端との水平距離を規定し、該朝顔角度が７０〜８０度の範囲を満たし、かつ該朝顔下端位置と羽口先端との水平距離が５００〜１０００ｍｍの範囲を満たすように前記銅ステーブを設置したことを特徴とする高炉炉下部内壁面構造。
【０００９】
【発明の実施の形態】
従来の高炉の炉下部構造では、図３に示すように炉下部鉄皮５の内側に鉄皮を冷却するステーブ１５を設置し、さらにステーブの炉内側にレンガ１６を積み上げた内壁面構造になっている。したがって、朝顔部の内壁面プロフィルは、火入れ以降レンガ１６の脱落や摩耗・浸食等により変化し、朝顔下部での炉体断面積の急激な変化（縮小）が生じる。朝顔上部から下部にかけての炉体断面積の縮小が緩やかな場合には、炉頂から装入され融着層となった鉱石とコークスの装入物は、炉壁近傍での降下遅れを伴いながらも擬停滞層や付着物を形成することなく降下する。
しかして、朝顔下部での炉体断面積の急激な変化（縮小）が生じた場合には、朝顔下部の炉壁近傍において降下速度の遅い擬停滞層や付着物が形成するため、スリップ、装入物の降下不順やそれに伴うガス流変動が発生して操業が不安定化する。
なお、図中１０は羽口，１８は大羽口，１７はカーボンレンガ，１４はスタンプ材，２０は冷却パイプを示し、１９はレンガ脱落や摩耗・浸食後の内壁面プロフィルを示す。
【００１０】
本発明における高炉炉下部のプロフィル設計に当たっては、図４に示すようにステーブ１５の内面を高炉炉体内壁面として、炉腹部から朝顔部に取り付けた炉下部内壁面構造、すなわち、炉腹部から朝顔部においてステーブ１５の内面を高炉炉体内壁面の基準として朝顔角度２２や朝顔下端位置２１を特定し、かつ、これらが適正範囲に収まるように設計することが好ましい態様と云える。
ステーブの内面にレンガを積まない高炉炉下部内壁面構造の場合には、レンガの脱落や浸食・摩耗による炉下部内壁面プロフィルの変化はないが、ステーブの摩耗による炉下部内壁面プロフィルの変化が予想される。
しかし、最近の鋳鉄ステーブは冷却能力が格段に向上し、ステーブ面の摩耗速度が年に数十ｍｍ以下と小さい。また、銅ステーブの場合には熱伝導率が大きくステーブ面にスラグコーティングがなされるため、ステーブ面の摩耗速度は鋳鉄ステーブに比し、さらに１／１０程度も遅くなる。
【００１１】
このようにステーブの摩耗による炉下部内壁面プロフィルの変化が極めて小さいため、朝顔角度や朝顔下端位置が適正範囲にはいる炉下部プロフィルの場合には、朝顔下部の炉壁近傍での降下速度の遅い擬停滞層や付着物が形成されることがなくなり、スリップ、装入物の降下不順やそれに伴うガス流変動が発生して操業を不安定化するという大きな要因のひとつを取り除くことができる。
従来の高炉炉下部構造では、ステーブ面の損耗による冷却パイプの破損を懸念して火入れ時に、ステーブ面の前面にレンガを積んでいたが、冷却能力が大幅に強化された最近のステーブにおいては、火入れ時のレンガ積みを必要としない。
【００１２】
以下、図面に示す実験例に基づいて具体的に説明する。
本発明は、以下に説明する実験結果から得られた知見をもとになされた高炉炉下部内壁面構造にある。本発明者らは、図５に示すような縦断面の構造を持ち実高炉の１／２０縮尺の模型装置を使用して実験を行った。
この模型装置の炉床径は６９０ｍｍであり、羽口からシャフト上部までの有効高さは１２１７ｍｍである。また、模型装置の前面には、コークスや焼結鉱を模擬した融点が１２０℃の擬似鉱石の降下挙動を観察できるように耐熱性のガラスが装着されている。
【００１３】
擬似鉱石６およびコークス７は、模型装置上部のベル８からムーバブルアーマー９を介して交互に層状に装入される。他方、最高１８０℃の加熱空気を装置下部の１８本の羽口１０から吹き込み、粒径が２〜４ｍｍのコークス７および粒径が１〜５ｍｍの擬似鉱石６は、レースウェイ１１直下に設けた６台のロータリーフィーダー１２によって下部ホッパーに運ばれ、さらにチューブラーコンベアー１３によって密閉庫内に排出される。
この高炉模型装置において、炉内の通気性、炉壁近傍の応力状態、ガス流れを検出するため、圧力計および熱線風速計が設置されている。また、装入物粒子の降下挙動を検出するため通常のコークス（無着色）に１０％程度混合した着色コークスを使用した。
【００１４】
本発明では、図４に示したようにステーブの内面下端部を基準として特定の角度を付与するのが望ましい。すなわちステーブの内面と水平面のなす角である朝顔角２２を好ましくは７０〜８１度の範囲内に入るように規定するものである。
これは以下の理由によるもので、朝顔角が７０度未満の場合には、炉壁近傍での降下速度の遅れが顕著となって擬停滞層や付着物が形成されやすく、スリップ、装入物の降下不順やそれに伴うガス流変動が発生しやすいためである。朝顔角が８１度超の場合には、炉壁近傍での装入物の降下速度が速くなりすぎて、装入物が未溶融でレースウェイ１１に降下してレースウェイ近傍の熱レベルを低下させてしまうので、常に燃料比を上昇せざるをえないためである。
【００１５】
また本発明では、図４に示すようにステーブの内面が基準となる朝顔下端位置２１と羽口先端との水平距離２３が好ましくは５００〜１０００ｍｍの範囲内になるように規定するものである。朝顔下端位置と羽口先端との水平距離が５００ｍｍ未満の場合には、朝顔下端と羽口先端上部を結ぶ直線と水平線とのなす角が大きく、しかも上記直線の距離が短すぎて、装入物が未溶融でレースウェイ１１に降下してレースウェイ近傍の熱レベルを低下させてしまうためである。
朝顔下端位置と羽口先端の水平距離が実炉換算値１０００ｍｍ超の場合には、朝顔下端と羽口先端上部を結ぶ直線と水平線とのなす角が小さくしかも上記直線の距離が長すぎて、炉壁近傍での降下速度の遅れが顕著となって擬停滞層や付着物が形成されやすく、スリップ、装入物の降下不順やそれに伴うガス流変動が発生しやすいためである。
【００１６】
さらに、本発明において上記に述べたステーブの内面と水平面のなす角である朝顔角度および、朝顔下端位置と羽口先端との水平距離を規定した値を併用することによって、安定した高炉操業を実施することができ、より好ましい効果が得られる。
【００１７】
【実施例】
以下、本発明を高炉模型に適用した実施例について説明する。
（実施例１）
図６に示した高炉模型、具体的には、シャフト１の下方炉腹部２から朝顔部３にステーブの内面を炉体内壁面として取り付けた炉下部内壁面構造を想定して、炉下部の炉体内壁面４を鉄製とした高炉模型で、朝顔角度を８６度、８２度、８０度、７８度、７５度、７１度、６９度、６７度に変更したときに、実験時の朝顔角度とガス圧力変動の関係がどのように変化するかを図１に示した。
【００１８】
図１に示すように、朝顔角度が８０度、７８度、７５度、７１度の場合のガス圧力変動は小さくほぼ一定であるが、朝顔角度が８６度、８２度および６９度、６７度の場合にはガス圧力変動が大幅に上昇している。朝顔角度が８６度、８２度の場合のガス圧力変動は、炉壁近傍での装入物の降下速度が速くなりすぎて、装入物が未溶融でレースウェイに流入するときに生じるガス圧力変動である。朝顔角度が６９度、６７度の場合のガス圧力変動は、炉壁近傍での降下速度の遅れが顕著となって形成された擬停滞層や付着物に起因して生じるガス圧力変動である。
【００１９】
（実施例２）
次に、図６に示した高炉模型、具体的には、ステーブの内面を炉腹部から朝顔部での炉体内壁面として取り付けた炉下部内壁面構造を想定して、炉下部の炉体内壁面を鉄製とした高炉模型で朝顔下端位置と羽口先端との水平距離を１５ｍｍ（実炉換算値３００ｍｍ）、２０ｍｍ（実炉換算値４００ｍｍ）、２５ｍｍ（実炉換算値５００ｍｍ）、３０ｍｍ（実炉換算値６００ｍｍ）、４０ｍｍ（実炉換算値８００ｍｍ）、５０ｍｍ（実炉換算値１０００ｍｍ）、５５ｍｍ（実炉換算値１１００ｍｍ）、６０ｍｍ（実炉換算値１２００ｍｍ）に変更したときに、実験時の朝顔下端位置と羽口先端との水平距離の変化が、ガス圧力変動にどのような影響を及ぼしているか、両者の関係を図２に示した。
【００２０】
図２に示すように、朝顔下端位置と羽口先端の水平距離が２５ｍｍ（実炉換算値５００ｍｍ）、３０ｍｍ（実炉換算値６００ｍｍ）、４０ｍｍ（実炉換算値８００ｍｍ）、５０ｍｍ（実炉換算値１０００ｍｍ）の場合のガス圧力変動は小さくほぼ一定であるが、朝顔下端位置と羽口先端との水平距離が１５ｍｍ（実炉換算値３００ｍｍ）、２０ｍｍ（実炉換算値４００ｍｍ）および５５ｍｍ（実炉換算値１１００ｍｍ）、６０ｍｍ（実炉換算値１２００ｍｍ）の場合にはガス圧力変動が大幅に上昇している。
朝顔下端位置と羽口先端の水平距離が１５ｍｍ（実炉換算値３００ｍｍ）、２０ｍｍ（実炉換算値４００ｍｍ）の場合のガス圧力変動は、朝顔下端と羽口先端を結ぶ直線と水平線のなす角度が大きく、しかも上記直線距離が短いために、レースウェイ直上での装入物の滞留時間が短すぎて、装入物が未溶融でレースウェイに流入するときに生じるガス圧力変動である。
朝顔下端位置と羽口先端の水平距離が５５ｍｍ（実炉換算値１１００ｍｍ）、６０ｍｍ（実炉換算値１２００ｍｍ）の場合のガス圧力変動は、炉壁近傍での降下速度の遅れが顕著となって形成された擬停滞層や付着物に起因して生じるガス圧力変動である。
【００２１】
以上の実施例は模型実験に基づいた結果であるが、実炉においても高炉寿命の後半期には、レンガが摩耗・脱落してステーブ面が炉体内壁面になっている場合が多い。したがって、直近の鋳鉄ステーブ冷却能力の向上あるいは高熱伝導率の銅ステーブ採用により、ステーブ面を高炉の内壁とする高炉炉下部内壁面構造の実用化は十分可能である。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の高炉炉下部内壁面構造とすることにより、炉壁での擬停滞層・付着物の形成とその形成に起因したガス圧力変動やスリップ等の操業変動を解消することができ、高炉の安定した操業を長期間維持できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】高炉模型で朝顔角を変更した場合の朝顔角度とガス圧力変動の関係を示す図
【図２】高炉模型で朝顔下端位置と羽口先端との水平距離を変更した場合の朝顔下端−羽口先端水平距離とガス圧力変動の関係を示す図
【図３】従来の高炉の炉下部構造を示す図
【図４】本発明の高炉の炉下部構造を示す図
【図５】高炉の１／２０縮尺模型装置の縦断面図を示す図
【図６】炉腹部〜朝顔部についてステーブ内面を炉体内壁面とした高炉模型を示す図
【符号の説明】
１  シャフト部
２  炉腹部
３  朝顔部
４  ステーブの内面を内壁面として取り付けた高炉炉下部壁面構造を想定して鉄製とした炉下部内壁面
５  鉄皮
６  擬似鉱石
７  コークス
８  ベル
９  ムーバブルアーマー
１０  羽口
１１  レースウェイ
１２  ロータリーフィーダー
１３  チューブラーコンベア
１４  スタンプ材
１５  ステーブ
１６  レンガ
１７  カーボンレンガ
１８  大羽口
１９  レンガ脱落や摩耗・浸食後の内壁面プロフィル
２０  冷却パイプ
２１  朝顔下端位置
２２  朝顔角度
２３  朝顔下端位置と羽口先端の水平距離
【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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