JP2014173164A - ステーブクーラーおよびこのステーブクーラーを備えた高炉 - Google Patents

Abstract

【課題】製品寿命を長くすることができるステーブクーラーおよび高炉を提供する。
【解決手段】本体１０２の内部に冷却媒体が流通する冷却流路１０８が形成され、高炉の炉壁に設置された設置状態において、本体の表面１０２ａが、炉壁によって囲繞された空間の中心側に臨み、本体の背面１０２ｂが、炉壁の内周面に臨むステーブクーラー１００であって、本体は、表面に開口する開口部１２０ａ、および、開口部よりも背面側に位置する底部１２０ｂを有し、表面と背面とを結ぶ本体の厚さ方向に深さを有する第１の溝１２０と、第１の溝よりも背面側に位置し、第１の溝の底部に開口する第２の溝１２２と、を備え、第１の溝および第２の溝には前面耐火物１２８および後面耐火物１３０が嵌合される。本体は、銅または銅合金の圧延板材で構成されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、炉壁を冷却するステーブクーラーおよびこのステーブクーラーを備えた高炉に関する。

高炉の炉体内部は極めて高温となるため、炉体内部には、炉体の壁面すなわち炉壁を冷却して保護するステーブクーラーが、炉体の内周面に沿って多数設置される。こうしたステーブクーラーは、冷却媒体が流通する冷却流路が本体に形成されており、冷却流路に冷却媒体を流通させることで炉壁を冷却する。

高炉においては、炉体の上部から鉄鉱石やコークス等の炉内充填物が投入、降下されるが、例えば炉腹部等、ステーブクーラーの設置位置によっては、炉内充填物としてまだ固体状態の硬い焼結鉱粒が、炉体の中心に臨むステーブクーラーの本体表面に接触する。このように、炉内充填物の接触摩耗により、ステーブクーラーの本体表面が損耗すると、ステーブクーラーの本体が表面側から徐々に削られていき、最終的には本体内部に形成された冷却流路が破壊される。

そこで、特許文献１に示されるステーブクーラーにおいては、本体の表面側に第１の溝と、この第１の溝よりも背面側に位置する第２の溝とを形成し、これら第１の溝および第２の溝に煉瓦等の耐火物を嵌合することで、炉内充填物から本体を保護するようにしている。このステーブクーラーによれば、炉内充填物との接触摩耗で、表面側に位置する第１の溝に嵌合された耐火物が削られても、本体の背面側に位置する第２の溝に嵌合された耐火物が残存することから、ステーブクーラーの長寿命化を図ることができる。

特開２０００−８７１２３号公報

上記のステーブクーラーにおいては、本体の高さ方向に隣り合う第１の溝の間に位置するリブによって、当該第１の溝内に耐火物が強固に挟持されている。しかしながら、上記特許文献１に示されるステーブクーラーは、鋳鉄、鋳鋼、鋼板等の鉄系の材質で本体が構成されている。こうした鋳鉄製の本体は、その温度が４００℃を超えると熱間強度が急激に低下し、熱応力による変形が起こりやすくなるといった課題がある。

そのため、もっとも高温に曝されるリブにクラックが発生しやすく、リブの損傷によって耐火物が脱落してしまい、結果的にステーブクーラーひいては高炉が短命となってしまう。

本発明の目的は、製品寿命を長くすることができるステーブクーラーおよび高炉を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明のステーブクーラーは、本体内部に冷却媒体が流通する冷却流路が形成され、高炉の炉壁に設置された設置状態において、該本体の表面が、該炉壁によって囲繞された空間の中心側に臨み、該本体の背面が、該炉壁の内周面に臨むステーブクーラーであって、本体は、表面に開口する開口部、および、該開口部よりも背面側に位置する底部を有し、該表面と背面とを結ぶ該本体の厚さ方向に深さを有する第１の溝と、第１の溝よりも背面側に位置し、該第１の溝の底部に開口する第２の溝と、を備え、第１の溝および第２の溝には耐火物が嵌合され、本体は、銅または銅合金の圧延板材で構成されていることを特徴とする。

また、第１の溝および第２の溝は、本体の設置状態において炉壁の周方向に位置する該本体の両側端部を結ぶ本体幅方向に延在し、かつ、該炉壁の高さ方向の上端および下端を結ぶ本体高さ方向に、間隔を維持して複数形成されているとよい。

また、第２の溝は、第１の溝よりも、本体高さ方向の溝幅が小さいとよい。

また、第１の溝および第２の溝は、本体高さ方向における断面積が、該本体の背面側から表面側に向かうにしたがって漸減する、所謂あり溝形状であるとよい。

また、第１の溝には前面耐火物が嵌合され、第２の溝には、前面耐火物とは別体で構成された後面耐火物が嵌合されるとよい。

また、前面耐火物は、本体高さ方向に複数に分割されているとよい。

また、後面耐火物は、前面耐火物よりも伝熱性が高いとよい。

また、上記課題を解決するために、本発明の高炉は、本体内部に冷却媒体が流通する冷却流路が形成され、炉壁に設置された設置状態において、該本体の表面が、該炉壁によって囲繞された空間の中心側に臨み、該本体の背面が、該炉壁の内周面に臨むステーブクーラーを備えた高炉であって、ステーブクーラーは、表面に開口する開口部、および、該開口部よりも背面側に位置する底部を有し、該表面と背面とを結ぶ該本体の厚さ方向に深さを有する第１の溝と、該第１の溝よりも該背面側に位置し、該第１の溝の底部に開口する第２の溝とが本体に形成され、第１の溝および第２の溝には耐火物が嵌合され、本体は、銅または銅合金の圧延板材で構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、ステーブクーラーの長寿命化を図ることで高炉の寿命を長くすることができる。

高炉を説明するための概念図である。 ステーブクーラーの設置状態を示す概略断面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。 （ａ）は、ステーブクーラーの正面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＩＶ（ｂ）−ＩＶ（ｂ）線断面図である。 図４（ｂ）の部分拡大図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、高炉１を説明するための概念図である。図１に示す高炉１は、金属原料である鉄鉱石を溶融して銑鉄を生成するものであり、鉄鉱石、コークス等の燃料となる還元剤、不純物を除去する石灰石等（以下、鉄鉱石、還元剤、石灰石等の混合物を単に「炉内充填物」と称する）を貯留する原料槽２を備えている。原料槽２に貯留された炉内充填物は、装入コンベア４によって炉体６の炉頂部に搬送され、炉頂部から炉体６上部に設けられたホッパー８に装入される。

ホッパー８の下方には、当該ホッパー８から落下する炉内充填物を傾斜面上で滑らせながら下方に落下させる分配シュート１０が設けられている。この分配シュート１０は、一端がホッパー８の中心部の真下に位置するように配置されており、一端側を中心軸として図中破線で示す矢印方向に回転する。これにより、ホッパー８から落下した炉内充填物は、分配シュート１０の傾斜面上を滑りながら落下するとともに、炉体６の全周囲に分散して装入されることとなる。

炉体６の下部には羽口１２が設けられており、この羽口１２から炉体６の内部に熱風が導入される。炉体６に導入された熱風は、炉体６を上昇するが、分配シュート１０から落下する炉内充填物中のコークスが熱風によって燃焼すると、一酸化炭素（還元剤）が生じ、コークスの炭素成分が鉄から酸素を奪うとともに、二酸化炭素および熱を生じて、この反応が熱源となって鉄鉱石を溶融する。炉内充填物の落下過程では、こうした反応が連続的に行われ、炉体６の下部に到達するころに燃焼温度が最高となり、炉体６の底部で高温液体状の銑鉄が得られる。なお、炉体６の炉頂部にはガス導管１４が接続されており、高温の高炉ガスが炉体６からガス導管１４に排出される。

また、炉体６の内部は極めて高温となることから、炉体６の内部には、所謂「鉄皮」と呼ばれる炉壁６ａを冷却して保護するステーブクーラー１００が設置される。このステーブクーラー１００は、炉壁６ａの内周面に沿って多数設置される。以下に、ステーブクーラー１００の構成について図２〜図５を用いて詳述する。

図２は、ステーブクーラー１００の設置状態を示す概略断面図であり、図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。図２および図３に示すように、本実施形態のステーブクーラー１００は、高炉１の炉壁６ａの内周面に間隙を維持して配置される銅または銅合金の圧延板製の本体１０２を備えている。

以下では、炉壁６ａの内周面に本体１０２が配置された設置状態において、炉壁６ａによって囲繞された空間の中心側に臨む面を表面１０２ａとし、炉壁６ａに間隙を維持して対面する面、換言すれば、炉壁６ａに臨む面を背面１０２ｂとする。また、図３に示すように、ステーブクーラー１００の設置状態において、炉壁６ａの周方向に位置する本体１０２の両側端部を側面１０２ｃとする。そして、両側面１０２ｃを結ぶ方向を本体１０２の幅方向（図中ｘ方向）とし、ステーブクーラー１００の設置状態において、炉体６の炉頂部側に位置する上面と、炉体６の下部側に位置する下面とを結ぶ方向を本体１０２の高さ方向（図中ｙ方向）とし、表面１０２ａと背面１０２ｂとを結ぶ方向を本体１０２の厚さ方向（図中ｚ方向）として説明する。

図２に示すように、本体１０２の背面１０２ｂには、ボルト部スペーサー１０４を介してボルト１０６が固定されており、このボルト１０６によってステーブクーラー１００が炉壁６ａ内に設置される。

また、図２および図３からも明らかなように、本体１０２の内部には、冷却媒体が流通する複数（本実施形態では４つ）の冷却流路１０８が形成されている。各冷却流路１０８は、本体１０２の上面側から下面側へと本体１０２の高さ方向（ｙ方向）に直線状に延在しており、各冷却流路１０８は、本体１０２の幅方向（ｘ方向）に所定の間隔を隔てて平行に配列されている。各冷却流路１０８の下端側には給水管１１０が接続され、各冷却流路１０８の上端側には排水管１１２が接続されている。このとき、本体１０２と給水管１１０および排水管１１２との接続部位であって、本体１０２の背面１０２ｂと炉壁６ａとの間には、配管部スペーサー１１４が設けられている。また、炉壁６ａの炉外側には、本体１０２の熱変形時に給水管１１０や排水管１１２にストレスがかからない様に、ガスシール機能を有するコンペンセーター１１６が設けられている。

上記の構成により、給水管１１０から冷却流路１０８に冷却媒体が供給されると、本体１０２の内部において、炉壁６ａの高さ方向（ｙ方向）の下部側から上部側へと冷却媒体が流通し、排水管１１２から炉体６の外部へと冷却媒体が排出される。これにより、本体１０２の内部を冷却媒体が流通する過程で、炉体６の炉壁６ａが冷却されることとなる。

また、本体１０２の表面１０２ａには、本体１０２の幅方向（ｘ方向）に延在する第１の溝１２０および第２の溝１２２が複数形成されている。これら複数の第１の溝１２０および第２の溝１２２は、本体１０２の高さ方向（ｙ方向）に所定の間隔を維持して平行に整列するように形成されている。本実施形態においては、本体１０２のうち、高さ方向（ｙ方向）に隣り合う第１の溝１２０の間に位置する部位、換言すれば、本体１０２のうち、第１の溝１２０を形成する部位を第１リブ１２４とする。また、本体１０２のうち、高さ方向（ｙ方向）に隣り合う第２の溝１２２の間に位置する部位、換言すれば、本体１０２のうち、第２の溝１２２を形成する部位を第２リブ１２６とする。

そして、第１の溝１２０には前面耐火物１２８が嵌合され、第２の溝１２２には、前面耐火物１２８と別体からなる後面耐火物１３０が嵌合されている。これら前面耐火物１２８および後面耐火物１３０は、本体１０２の幅方向（ｘ方向）に延在する例えば煉瓦等で構成されており、炉体６の内部の熱からステーブクーラー１００を保護する役割を担っている。

図４（ａ）は、ステーブクーラー１００の正面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＩＶ（ｂ）−ＩＶ（ｂ）線断面図であり、図５は、図４（ｂ）の部分拡大図である。ただし、図５においては、説明の都合上、一部の前面耐火物１２８および後面耐火物１３０を省略して示している。図４（ｂ）および図５に示すように、第１の溝１２０および第２の溝１２２は、本体１０２の厚さ方向に深さを有する溝であり、第１の溝１２０は、表面１０２ａに開口する開口部１２０ａ、および、この開口部１２０ａよりも背面１０２ｂ側に位置する底部１２０ｂを有している。また、第２の溝１２２は、第１の溝１２０の底部１２０ｂに開口する開口部１２２ａ、および、この開口部１２２ａよりも背面１０２ｂ側に位置する底部１２２ｂを有している。このことからも明らかなように、第２の溝１２２は、第１の溝１２０よりもさらに深い位置において、第１の溝１２０に対して本体１０２の厚さ方向に連続している。

これら第１の溝１２０および第２の溝１２２は、いずれも本体１０２の高さ方向における断面積が、背面１０２ｂ側から表面１０２ａ側に向かうにしたがって漸減するテーパ状（所謂「あり溝状」）に形成されている。換言すれば、第１リブ１２４および第２リブ１２６は、背面１０２ｂから表面１０２ａに向かうにしたがって、本体１０２の高さ方向の幅が漸増するテーパ状に形成されている。

ここで、図５に示すように、第１の溝１２０、第２の溝１２２および第１リブ１２４の寸法関係について説明すると、第２の溝１２２の底部１２２ｂにおける高さ方向の溝幅Ｗ２は、第１の溝１２０の開口部１２０ａにおける高さ方向の溝幅Ｗ１よりも小さい。また、第１リブ１２４における高さ方向の幅Ｗ３は、第１の溝１２０の開口部１２０ａにおける高さ方向の溝幅Ｗ１よりも小さく形成されている。なお、第１の溝１２０における本体１０２の厚さ方向の深さＬ１と、第２の溝１２２における本体１０２の厚さ方向の深さＬ２は大凡等しく形成されている。

そして、上記したように、第１の溝１２０には前面耐火物１２８が嵌合され、第２の溝１２２には後面耐火物１３０が嵌合されている。これら前面耐火物１２８および後面耐火物１３０は、それぞれ第１の溝１２０および第２の溝１２２に対し、本体１０２の側面１０２ｃから幅方向に挿入される。前面耐火物１２８は、第１の溝１２０に嵌合された状態において、第１の溝１２０の内面との間に僅かな間隙が形成される寸法関係を維持しており、後面耐火物１３０は、第２の溝１２２に嵌合された状態において、第２の溝１２２の内面との間に僅かな間隙が形成される寸法関係を維持している。したがって、前面耐火物１２８および後面耐火物１３０は、それぞれ第１の溝１２０および第２の溝１２２に容易に挿入することが可能となっている。なお、前面耐火物１２８および後面耐火物１３０の挿入行程においては、本体１０２との間のクッション代として、間隙にモルタルを塗布するとよい。

上記のようにして第１の溝１２０に挿入、嵌合された前面耐火物１２８、および、第２の溝１２２に挿入、嵌合された後面耐火物１３０は、これら第１の溝１２０および第２の溝１２２のテーパ形状により、本体１０２から脱落することなく、強固に保持されることとなる。

また、本実施形態では、前面耐火物１２８と後面耐火物１３０とが別体で構成されており、しかも、前面耐火物１２８は、本体１０２の高さ方向に複数（本実施形態では、１２８ａ、１２８ｂの２つ）に分割されている。前面耐火物１２８および後面耐火物１３０は一体成形しても構わないが、この場合、炉体６の内面側の高温域における熱的アタックで耐火物にクラックが発生した際に、このクラックが一気に伸展し、早期に耐火物が本体１０２から脱落するおそれがある。本実施形態のように、前面耐火物１２８と後面耐火物１３０とを別体で構成し、しかも、前面耐火物１２８を複数に分割すれば、クラックの伸展が抑制され、前面耐火物１２８および後面耐火物１３０の脱落を長期に亘って抑制することができる。

また、本実施形態では、炉体６の内側に位置し、高温域かつ炉内充填物として硬い焼結鉱粒が接触する前面耐火物１２８を、例えば、超高耐熱性であり、耐摩耗性、耐食性、熱間特性にも優れているハイアルミナ質煉瓦で構成する。これに対して、前面耐火物１２８よりも冷却流路１０８に近接して位置する後面耐火物１３０を、高伝熱性であり、高温域での機械的強度が高く、かつ、溶融金属にも濡れにくい炭化珪素質ＳｉＣ煉瓦（Silicon Carbide Refractories）で構成する。つまり、前面耐火物１２８は、後面耐火物１３０よりも耐熱性、耐摩耗性、耐食性、熱間特性が高く、後面耐火物１３０は、前面耐火物１２８よりも伝熱性が高い材質で構成する。

このように、本実施形態のステーブクーラー１００によれば、伝熱性の高い銅または銅合金の圧延板材で本体１０２が構成されており、しかも、後面耐火物１３０が前面耐火物１２８よりも伝熱性の高い材質で構成されているので、前面耐火物１２８や、前面耐火物１２８を保持する第１リブ１２４の熱を、冷却流路１０８に速やかに逃がすことができる。また、後面耐火物１３０は前面耐火物１２８よりも伝熱性が高いことから、本体１０２は、背面１０２ｂ側から表面１０２ａ側へと、傾斜的に温度が上昇することとなり、特に高温域に曝される第１リブ１２４の熱的アタックによる局部的な変形に起因する損耗を抑制することができる。

さらに、上記のように、第１の溝１２０の溝幅Ｗ１が、第１リブ１２４の幅Ｗ３よりも大きく、本体１０２の表面１０２ａにおける前面耐火物１２８の占有面積が大きいので、炉内の高熱から本体１０２を保護する機能が高い。一方で、高炉１を長期に亘って稼動していれば、本体１０２の表面１０２ａ、すなわち、第１リブ１２４や前面耐火物１２８は、炉内充填物との接触摩耗により徐々に削られ、いずれは消失に至る。こうして第１リブ１２４や前面耐火物１２８が消失すると、第２リブ１２６や後面耐火物１３０が炉内に臨む。

このとき、第２リブ１２６は、本体１０２に占める容積（表面１０２ａに占める表面積）が、第１リブ１２４に比して大きく形成されているため、本体１０２のうち、高温に曝される表面１０２ａ側まで、十分に冷却することができる。したがって、第１リブ１２４や前面耐火物１２８が消失した後、第２リブ１２６や後面耐火物１３０が高温に曝される状態に至っても、第２リブ１２６にクラックが発生しにくく、長期に亘って後面耐火物１３０の脱落を防止することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記実施形態では、第１の溝１２０および第２の溝１２２に、それぞれ別体で構成された前面耐火物１２８および後面耐火物１３０が嵌合され、しかも、前面耐火物１２８が複数のブロックに分割されている場合について説明した。しかしながら、第１の溝１２０および第２の溝１２２に嵌合する耐火物は全て一体成形してもよい。

また、上記実施形態における第１の溝１２０、第２の溝１２２、前面耐火物１２８および後面耐火物１３０の形状、数、寸法、材質は一例に過ぎず、適宜設計可能であることは言うまでもない。

本発明は、炉壁を冷却するステーブクーラーおよびこのステーブクーラーを備えた高炉に利用することができる。

１ …高炉
１００ …ステーブクーラー
１０２ …本体
１０２ａ …表面
１０２ｂ …背面
１０８ …冷却流路
１２０ …第１の溝
１２０ａ …開口部
１２０ｂ …底部
１２２ …第２の溝
１２８ …前面耐火物
１３０ …後面耐火物

Claims (8)

1. 本体内部に冷却媒体が流通する冷却流路が形成され、高炉の炉壁に設置された設置状態において、該本体の表面が、該炉壁によって囲繞された空間の中心側に臨み、該本体の背面が、該炉壁の内周面に臨むステーブクーラーであって、
   前記本体は、
   前記表面に開口する開口部、および、該開口部よりも前記背面側に位置する底部を有し、該表面と背面とを結ぶ該本体の厚さ方向に深さを有する第１の溝と、
   前記第１の溝よりも前記背面側に位置し、該第１の溝の底部に開口する第２の溝と、
   を備え、
   前記第１の溝および前記第２の溝には耐火物が嵌合され、
   前記本体は、銅または銅合金の圧延板材で構成されていることを特徴とするステーブクーラー。
2. 前記第１の溝および前記第２の溝は、
   前記本体の設置状態において前記炉壁の周方向に位置する該本体の両側端部を結ぶ本体幅方向に延在し、かつ、該炉壁の高さ方向の上端および下端を結ぶ本体高さ方向に、間隔を維持して複数形成されていることを特徴とする請求項１に記載のステーブクーラー。
3. 前記第２の溝は、前記第１の溝よりも、前記本体高さ方向の溝幅が小さいことを特徴とする請求項２に記載のステーブクーラー。
4. 前記第１の溝および前記第２の溝は、
   前記本体高さ方向における断面積が、該本体の背面側から表面側に向かうにしたがって漸減することを特徴とする請求項２または３に記載のステーブクーラー。
5. 前記第１の溝には前面耐火物が嵌合され、
   前記第２の溝には、前記前面耐火物とは別体で構成された後面耐火物が嵌合されることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載のステーブクーラー。
6. 前記前面耐火物は、前記本体高さ方向に複数に分割されていることを特徴とする請求項５に記載のステーブクーラー。
7. 前記後面耐火物は、前記前面耐火物よりも伝熱性が高いことを特徴とする請求項５または６に記載のステーブクーラー。
8. 本体内部に冷却媒体が流通する冷却流路が形成され、炉壁に設置された設置状態において、該本体の表面が、該炉壁によって囲繞された空間の中心側に臨み、該本体の背面が、該炉壁の内周面に臨むステーブクーラーを備えた高炉であって、
   前記ステーブクーラーは、
   前記表面に開口する開口部、および、該開口部よりも前記背面側に位置する底部を有し、該表面と背面とを結ぶ該本体の厚さ方向に深さを有する第１の溝と、該第１の溝よりも該背面側に位置し、該第１の溝の底部に開口する第２の溝とが前記本体に形成され、
   前記第１の溝および前記第２の溝には耐火物が嵌合され、
   前記本体は、銅または銅合金の圧延板材で構成されていることを特徴とするステーブクーラーを備えた高炉。

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