JP6665743B2 - 高炉朝顔部構造および高炉の設計方法 - Google Patents

Description

本発明は、高炉朝顔部構造および高炉の設計方法に関する。

従来、高炉の朝顔部は、鉄皮と、この鉄皮の内側に設けられた冷却用ステーブ（以下、単にステーブと称する）と、このステーブの内側に設けられて同ステーブを保護する耐火レンガと、を備えている。鉄皮とステーブとの間には、キャスタブル等が適宜充填されている。
高炉の操業に伴い、前述した朝顔部では、内部構造の損耗が生じる。先ず耐火レンガが損耗し、続いてステーブまでが侵蝕される。ステーブの損耗が進むと、鉄皮の保護ができなくなり、鉄皮の温度が上昇することによる変形や亀裂で、高炉の朝顔部が寿命を迎える。

高炉では、膨大なパラメータを考慮しつつ、適切な運転状態が得られるように操業管理が行われる。しかし、多くの高炉において、一炉代つまり寿命となる約１５年の間には大きな操業実績の変動が生じる。特に、高炉の火入れ後の操業開始から数年の時期には、操業実績が大きく低下する期間が現れることが知られている。
このような高炉の操業実績の低下は、火入れ後の操業に伴って高炉の炉内表面の耐火煉瓦等の構造物が損耗し、炉内表面のプロフィルが変化するためと考えられている。
すなわち、高炉の火入れ直後の操業初期状態において、炉内表面の形状は炉内側に積まれた耐火レンガの表面で規定される。高炉の操業開始から時間が経過すると、耐火レンガの局所的な損耗が進む。これにより、炉内表面のプロフィル（縦断面に表れる輪郭形状）が適切でなくなり、円周バランス（水平断面に表れる周方向の形状）が不均一となることがある。このような高炉内の表面形状が不適切な状態では、炉内のガス流れや内容物の分布等が不安定となり、操業実績の低下を招く原因となる。

このような不安定な期間が過ぎると、高炉の操業が安定する時期が続く。これは、大部分の耐火レンガが消滅し、ステーブ炉内表面に生成した付着物層により、火入れ初期に近い略適正なプロフィルあるいは円周バランスが得られるためと考えられている。
高炉の火入れから操業安定期までに、高炉炉内側に設置した耐火レンガの大部分が熱衝撃や損耗により消失する。しかしながら、炉内側のステーブ表面には、装入物に起因する付着物層が生成し、この付着物層が炉内表面の損耗部分を補填している（セルフライニング効果）と考えられている。
高炉のうち、特に朝顔部および炉腹部の炉内側の表面は、高温の融着帯（装入物中の鉱石の軟化溶融が開始し、半溶融状態の鉱石が相互に融着し板状に繋がっている領域）の根部に接触するため、高熱による損耗を受ける。すなわち、融着帯の根部がステーブ本体に接触することにより、ステーブ本体に熱的負荷及び損耗が生じる。前述した高炉の操業安定期に、高炉内のステーブ表面に生成する付着物は、前記熱的負荷及び損耗に対して保護作用を有し、炉内の耐火煉瓦の損失部分を補修する。この補修により、適切な付着物層の厚みや炉内プロフィルを維持できれば、高炉の更なる長期安定操業および寿命向上が可能になると考えられている。

前述のような高炉の耐火レンガの損傷による炉内表面のプロフィルあるいは円周バランスの不適切さを回避する技術として、特許文献１が知られている。特許文献１には、ステーブの内面に耐火レンガを設置せず、ステーブの内面自体で炉体内壁とすることで、耐火レンガの損耗に起因する炉内表面形状の変化が生じないようにすることが記載されている。
また、特許文献２には、ステーブ表面に生じる付着物を積極的に誘導するために、羽口近くに冷却部材を設置することが記載されている。
これらの技術によれば、ステーブ内側の耐火レンガを省略することで、高炉の火入れ後から操業安定期までにおける耐火煉瓦の損耗による炉内表面形状の急激な変化を回避できる。そして、付着物の誘導により耐火レンガがなくてもステーブの損耗を抑制することができる。

しかし、特許文献１、２において、ステーブ表面の付着物層により形成される炉内表面形状は、高炉の高さ方向および炉周方向において長期に安定的に生成させることは難しい。また、高炉操業時の装入物および操業条件の変化により高炉内のプロフィルは変化する。特に高炉の炉周方向の炉内表面プロフィルの円周バランスが変化した場合は、高炉の安定操業を阻害し、生産性低下の原因となる。
また、特許文献１に記載の構造のように、ステーブ内側に耐火レンガを設置しない高炉の構造では、高炉の火入れ時にステーブや鉄皮が常温から約１５００℃〜２０００℃の高温に急速加熱される。このため、ヒートショックつまり急な熱変動によりステーブに損傷を受ける可能性がある。従って、高炉の構築時にはステーブの炉内表面を耐火レンガで覆っておくことが望ましい。このような耐火レンガを備えた場合においても、火入れ後の操業初期に急激な炉内表面プロフィル変化がなく、長期にわたって適切な炉内表面プロフィルが安定的に維持できる高炉が望まれていた。

これらの要望に対して、高炉の火入れ後の操業初期に、ステーブの炉内表面側の耐火レンガが熱衝撃や損耗により消失した後、ステーブの炉内表面に付着物層を速やかに生成することで、炉内表面プロフィルの急激な変化を抑制しつつ、操業安定期の良好な炉内表面プロフィルを形成できる高炉朝顔部構造およびその設計方法が開発されている。
特許文献３の高炉朝顔部は、高炉の羽口部と炉腹部との間に設けられ、鉛直方向上方に向かって拡径する筒状の朝顔部の構造であって、朝顔部が、環状の鉄皮と、この鉄皮の内周に設けられた銅または銅合金の朝顔部用ステーブと、この朝顔部用ステーブの内周に設けられた耐火レンガと、を有し；朝顔部の上縁位置における耐火レンガの水平方向の厚みが５０〜２５０ｍｍであり；朝顔部の下縁位置における耐火レンガの水平方向の厚みが２００〜５００ｍｍであり；朝顔部をその軸線を含む断面で見た場合に、朝顔部用ステーブの表面と水平面とのなす狭角が７５〜８２°としている。
この構成により、高炉の火入れ後の操業初期において、耐火レンガ消失後にステーブの炉内表面で自然発生する付着物層の傾斜角度を上記の高炉操業安定期の傾斜角度（約７５°）と近くなるようにすることができる。これにより、高炉の火入れ後の操業初期から操業安定期までに生じる炉内表面プロフィルの急激な変化を抑制できるため、操業不安定化及び生産性低下を回避することができる。

特開２００２−１１５００７号公報 特開２００５−１９４５６７号公報 特許第４７５７９６０号公報

特許文献３により、高炉の操業安定化および生産性向上が可能となったが、実際に運用してみると、更なる問題があることが解った。
とくに、羽口の直上部においては、初期レンガまたは付着物生成の脱落ないし再形成の変動が想定以上に顕著であり、その影響により、操業安定化および生産性向上が妨げられることが解った。

すなわち、特許文献３に基づく高炉の朝顔部では、朝顔部用ステーブの表面と水平面とのなす狭角を７５〜８２°とすることで、朝顔部ステーブに適切な付着物層が形成され、これにより炉内表面プロフィルの急激な変化を抑制しつつ、操業安定期の良好な炉内表面プロフィルを形成できる。
これに対し、朝顔部の下部においては、朝顔部ステーブと羽口との間に従来型の厚みを有する耐火レンガが積まれている。

このような耐火レンガ部分があるため、羽口の直上部では、耐火レンガの厚み分だけ、稼働中に生成される付着物の厚みの変動が大きく、円周バランスを含む炉内表面プロフィルの変化による影響が生じやすくなると考えられる。
しかし、朝顔部の下部における、前述の従来型の厚みを有する耐火レンガは、炉内を落下する高粘度の溶銑塊による羽口の損傷（溶銑アタック）を回避する目的で設置されており、省略することが難しい。
従って、特許文献３の高炉において、羽口の保護を図りつつ、羽口の直上部においても円周バランスを含む炉内表面プロフィルの安定化を図れるようにすることが求められる。

本発明の目的は、羽口の保護を図りつつ、羽口の直上部においても円周バランスを含む炉内表面プロフィルの安定化が図れる高炉朝顔部構造および高炉の設計方法を提供することにある。

本発明の高炉朝顔部構造は、高炉の羽口部と炉腹部との間に設けられ、鉛直方向上方に向かって拡径する筒状の朝顔部を構成する高炉朝顔部構造であって、前記朝顔部が、環状の鉄皮と、この鉄皮の内周に設けられた銅または銅合金の朝顔部用ステーブと、この朝顔部用ステーブの内周に設けられた耐火レンガと、を有し、前記朝顔部の下方に、羽口ノズルを炉外側から挿入可能な羽口冷却函が設置され、前記朝顔部用ステーブの炉内側の表面に、上側炉内表面および下側炉内表面が形成され、前記上側炉内表面は、水平面に対する傾斜角度が７５〜８２°であり、前記下側炉内表面は、水平面に対する傾斜角度が前記上側炉内表面の水平面に対する傾斜角度より２〜１５°小さいことを特徴とする。

このような本発明では、朝顔部用ステーブの炉内表面のうち、上側炉内表面において、水平面に対する傾斜角度が７５〜８２°とすることで、前述した特許文献３に準じた適切な炉内付着物の生成を実現し、円周バランスを含む炉内表面プロフィルの安定化を図ることができる。
一方、下側炉内表面において、水平面に対する傾斜角度を上側炉内表面の水平面に対する傾斜角度より２〜１５°小さくすることで、上側炉内表面よりも更に緩い傾斜となるため、羽口の直上部での付着物の堆積を積極的に誘導できる。これにより、朝顔部用ステーブおよびその表面の付着物で十分な羽口の保護が可能となる。その結果、朝顔部用ステーブと羽口との間に従来型の厚みを有する耐火レンガを設置する必要がなくなり、羽口の直上部においても円周バランスを含む炉内表面プロフィルの安定化が図ることができる。

本発明において、朝顔部用ステーブは、高炉の朝顔部となる領域に、上下方向に複数段設置されてよい。
上側炉内表面および下側炉内表面は、それぞれ上下方向に複数のステーブにわたって形成されてよい。
上側炉内表面および下側炉内表面の境界は、同じステーブの途中に設定されてもよく、ステーブどうしの境界に合わせてもよい。
上側炉内表面の上端は、朝顔部用ステーブの上端縁に合わせる必要はなく、ステーブの途中から下方へ上側炉内表面が形成されてもよい。
朝顔部用ステーブの下端（下側炉内表面の下端）は、羽口冷却函から離れて配置されていてよい。朝顔部用ステーブの下端と羽口冷却函との間隔は、耐火レンガで埋めることが望ましい。この際、耐火レンガの炉内表面は、朝顔部用ステーブに形成される下側炉内表面と連続面とすることが望ましい。
上側炉内表面および下側炉内表面の傾斜角度は、ともに７５°であってもよい。この場合、上側炉内表面および下側炉内表面は同じ面で連続することになる。
ただし、羽口の直上部での付着物の形成促進という機能上、上側炉内表面の傾斜角度よりも下側炉内表面の傾斜角度が小さくなること（緩やかになること）が望ましい。

本発明の高炉朝顔部構造において、前記下側炉内表面は、延長すると前記羽口冷却函の炉内側先端から炉外側へ０〜３００ｍｍの位置と交差する位置であることが望ましい。

このような本発明では、下側炉内表面を有する朝顔部用ステーブおよびその付着物により、羽口冷却函を、羽口の吹込みに影響しない範囲で従来よりも広く覆うことができ、羽口冷却函に対して十分な保護性能を得ることができる。

本発明の高炉朝顔部構造において、前記上側炉内表面は、上端が前記羽口ノズルの中心高さから４３００〜５５００ｍｍに配置されていることが望ましい。

高炉の朝顔部の炉内表面は、炉内を下降する装入物の融着帯の根部を支持し、高炉の安定操業を維持する役割を担っている。
そこで、朝顔部用ステーブの上縁位置の高さを上記範囲とすることで、高炉の操業状態の変化により、装入物の融着帯の根部の高さ位置が変動した場合にも、羽口部の上方に朝顔部用ステーブを適正な傾斜角度（前述した下側炉内表面および上側炉内表面の角度）で配置し、羽口の中心から朝顔部の上縁位置までの鉛直方向の寸法を十分な長さにすることにより、融着帯の根部を安定して支持することができる。

本発明の高炉の設計方法は、羽口部と、炉腹部と、これら羽口部及び炉腹部間に設けられて鉛直方向上方に向かって拡径する筒状の朝顔部とを備え、前記朝顔部が、環状の鉄皮と、この鉄皮の内周に設けられた銅または銅合金の朝顔部用ステーブと、この朝顔部用ステーブの内周に設けられた耐火レンガとを有し、前記羽口部に、羽口ノズルを炉外側から挿入可能な羽口冷却函を有する高炉の設計方法であって、前記朝顔部用ステーブの炉内側の表面に、上側炉内表面および下側炉内表面を配置し、前記羽口ノズルの中心高さから所定高さ上方であって、前記炉腹部に配置されているステーブの炉内表面を下方へ延長した位置に上側基準位置を設定し、前記上側基準位置から下方かつ炉内側へ、水平面に対する傾斜角度が７５〜８２°の上側基準面に沿って前記上側炉内表面を形成し、前記羽口冷却函の炉内側先端から炉外側へ所定距離の位置に下側基準位置を設定し、前記下側基準位置から上方かつ炉外側へ、水平面に対する傾斜角度が前記上側基準面の水平面に対する傾斜角度より２〜１５°小さい下側基準面に沿って前記下側炉内表面を形成する、ことを特徴とする。
このような本発明の高炉の設計方法によれば、前述した本発明の高炉朝顔部構造を適切に設計することができ、高炉朝顔部構造で説明した通りの作用効果を得ることができる。

このような本発明によれば、羽口の保護を図りつつ、羽口の直上部においても円周バランスを含む炉内表面プロフィルの安定化が図れる高炉朝顔部構造および高炉の設計方法を提供することができる。

本発明に基づく高炉の一実施形態を示す断面図。 前記実施形態の高炉朝顔部構造を示す断面図。 前記実施形態の高炉朝顔部の設計手順を示す模式図。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
〔高炉の全体構成〕
図１において、高炉１は、基礎地盤上に構築された筒状の炉体２を有する。
炉体２は、上部のガス捕集マンテル３から順次炉口部Ｓ１、シャフト部Ｓ２、炉腹部Ｓ３、朝顔部Ｓ４、羽口部Ｓ５、炉底部Ｓ６に区分される。一般的に、シャフト部Ｓ２の内径は下方に向かって拡張し、炉腹部Ｓ３の内径は最大径であり、朝顔部Ｓ４の内径は下方に向かって縮小する。朝顔部Ｓ４は、筒状であり、羽口部Ｓ５と炉腹部Ｓ３との間に設けられ、鉛直方向上方に向かって拡径する。

炉体２には、通常はガス捕集マンテル３に装入装置が設置され、この装入装置から炉内に粒状の装入物４が装入される。装入物４としては、８〜２５ｍｍ程度の粒度の鉱石系装入物と、２０〜５５ｍｍ程度の粒度のコークス系装入物とが交互に層状に装入される。その結果、炉内の炉口部Ｓ１及びシャフト部Ｓ２には、鉄鉱石とコークスとが交互に成層した塊状帯４Ａが形成される。
炉体２には、炉底部Ｓ６の上部に羽口５が設置され、ここから熱風５Ａが吹き込まれる。この熱風５Ａにより、塊状帯４Ａ中のコークスが燃焼して更に高温となり、羽口５近傍には高温ガスによるレースウェイ５Ｂ（羽口５から高速のガスを吹き込んで羽口５前のコークスを流動化させた空隙率の高い空間）が形成される。レースウェイ５Ｂの高熱により、塊状帯４Ａ中の鉄鉱石が溶融する。

これらのコークス燃焼および鉄鉱石の溶融は、塊状帯４Ａの下部で順次進行し、炉内には朝顔部Ｓ４からシャフト部Ｓ２の下部に向かって略円錐形の融着帯４Ｂが形成される。
融着帯４Ｂで溶融した鉄分６Ａは滴下帯４Ｃを通過し、炉底部Ｓ６に向かって滴下し、溶銑６Ｂとして炉底部Ｓ６に溜まる。融着帯４Ｂで燃焼しきれなかったコークス等は滴下帯４Ｃを通過して降下し、炉底部Ｓ６に積み上がり、溶銑６Ｂの上に円錐形の炉芯４Ｄを形成する。
炉体２には、炉底部Ｓ６に出銑口６が設置され、出銑口６により炉底部Ｓ６に溜まった溶銑６Ｂが高炉１の外部に取り出される。

炉体２は、最外周に鉄皮２Ａを有し、鉄皮２Ａの内側に、冷却用のステーブや耐火レンガ２Ｄが張られている。
シャフト部Ｓ２の上部から中部の塊状帯４Ａに面する領域Ｓ７にはシャフト用のステーブ２Ｂが張られる。この領域Ｓ７では、塊状帯４Ａに含まれる粒状の装入物４がステーブ２Ｂの表面に接触しながら順次降下するため、ステーブ２Ｂの表面には機械的な摩耗を生じることがある。
シャフト部Ｓ２の下部から炉腹部Ｓ３及び朝顔部Ｓ４を含む領域Ｓ８には朝顔部用のステーブ２Ｃが張られる。この領域Ｓ８では、高温の装入物４からなる融着帯４Ｂ（装入物４中の鉱石の軟化溶融が開始し、半溶融状態の鉱石が相互に融着し板状に繋がっている領域）の根部４Ｅが接触しながら順次降下するため、高炉１の内側のステーブ２Ｃの表面には高温による摩耗を生じることがある。
これらのステーブ２Ｂ，２Ｃの炉内表面には必要に応じて耐火レンガ２Ｄが張られる。
また、高温の溶銑６Ｂが貯留される炉底部Ｓ６には耐火レンガ２Ｅが厚く積み上げられる。

〔朝顔部用ステーブの構成〕
図１における炉腹部Ｓ３及び朝顔部Ｓ４を含む領域Ｓ８に設置される朝顔部用のステーブ２Ｃとして、図２に示すような朝顔部用ステーブ１０が用いられている。
図２において、朝顔部用ステーブ１０は、銅または銅合金の板材から削り出された薄板状のステーブ本体１１を有する。ステーブ本体１１の炉内表面には、水平に連続する突起部１２が複数列形成され、その間には、高炉１の炉外側に向かって窪んだ凹部１３が形成されている。凹部１３内には耐火物１３Ａが嵌め込まれている。
朝顔部用ステーブ１０において、突起部１２は、朝顔部用ステーブ１０が炉内に張られた場合に、おなじ高さ位置にあるものどうしが互いに連続し、高炉１においては各々の突起部１２が完全な円環状を形成する。
突起部１２の先端面は、ＴｉＮ，ＴｉＣ，ＷＣ，Ｔｉ−Ａｌ−Ｎ系等の高硬度材料でコーティングされてもよい。
突起部１２の突出量（凹部１３の底面からの高さ）は５０〜１５０ｍｍ（平均粒度の大きいコークス系装入物の最大粒径５５ｍｍの約１〜３倍の突出量）であり、隣接する突起部１２の間隔は３００〜１０００ｍｍ程度であり、より好ましくは４００〜７００ｍｍである。

朝顔部用ステーブ１０において、ステーブ本体１１の内部には冷却用管路（図示省略）が形成され、ステーブ本体１１の裏面側には冷却用配管１６が接続されている。ステーブ本体１１内部の冷却用管路には、冷却用配管１６からの冷却水が通され、この冷却水の流量調整により朝顔部用ステーブ１０のステーブ本体１１、先端が基準面となる突起部１２、および凹部１３が冷却され、それぞれ適切な温度に調整される。
このような適切な冷却により、装入物４の付着物７層（図３参照）の成長が助長され、朝顔部用ステーブ１０の高炉１内の表面における付着物７層の厚み等を適切な被覆状態に調整することができる。
なお、朝顔部用ステーブ１０は、削り出し品に限らず、ステーブ本体１１、突起部１２および凹部１３が、銅または銅合金で一括鋳造された鋳物であってもよい。

図２において、羽口部Ｓ５には、羽口５を構成する羽口冷却函５１、羽口ノズル５２および羽口配管５３が設置されている。
羽口冷却函５１は、羽口部Ｓ５の鉄皮２Ａの開口に設置され、炉内側へと突出する円錐台状の筒体である。
羽口ノズル５２は、羽口配管５３の先端に形成された円錐形のノズルであり、羽口冷却函５１の炉外側から挿入することで、炉内に露出される。
羽口配管５３は、図示しない環状管を介して熱風炉からの熱風が送られ、この熱風を羽口ノズル５２から炉内に吹き込む。

〔高炉朝顔部構造〕
本実施形態においては、炉腹Ｓ３下部から朝顔部Ｓ４を経て羽口部Ｓ５の羽口５にわたる領域Ｓ９に、本発明に基づく高炉朝顔部構造９が構成されている。
領域Ｓ９において、高炉朝顔部構造９は、高さ方向に複数段の朝顔部用ステーブ１０を備えている。本実施形態では、領域Ｓ９に上下に２段の朝顔部用ステーブ１０Ｕ，１０Ｌが設置されている。
なお、高炉朝顔部構造９に設置される朝顔部用ステーブ１０は２段に限らず、例えば朝顔部用ステーブ１０Ｕ，１０Ｌの間に他の朝顔部用ステーブ１０が配置されて３段以上であってもよい。

領域Ｓ９に配置された朝顔部用ステーブ１０（１０Ｕ，１０Ｌ）の炉内表面には、上側炉内表面１９Ｕおよび下側炉内表面１９Ｌが設定されている。
なお、領域Ｓ９に配置される朝顔部用ステーブ１０が例えば３段の場合、上段の朝顔部用ステーブ１０Ｕから中段の朝顔部用ステーブ１０の中間高さまでの区間を上側炉内表面１９Ｕとし、中段の朝顔部用ステーブ１０の中間高さから下段の朝顔部用ステーブ１０Ｌまでの区間を下側炉内表面１９Ｌとすることができる。
このように、上側炉内表面１９Ｕおよび下側炉内表面１９Ｌは、高炉朝顔部構造９が設置される領域Ｓ９の炉内面側を上下に区分した面とされる。ただし、領域Ｓ９の炉内面側において、上側炉内表面１９Ｕより上側に、上側炉内表面１９Ｕに該当しない余白部分があってもよく、下側炉内表面１９Ｌより下側に、下側炉内表面１９Ｌが該当しない余白部分があってもよく、上側炉内表面１９Ｕおよび下側炉内表面１９Ｌの間に、各々に該当しない余白部分があってもよい。

領域Ｓ９に配置された朝顔部用ステーブ１０のうち、上側の朝顔部用ステーブ１０Ｕには、その炉内表面（突起部１２の先端を包絡した面）の上端よりやや下の位置に、上側炉内表面１９Ｕの基準となる上側基準位置ＰＵが設定されている。
上側基準位置ＰＵは、炉腹部Ｓ３の朝顔部用ステーブ１０の炉内表面を下方に延長した位置であって、羽口ノズル５２の中心高さＨＯから高さＨＵに配置されている。本実施形態において、高さＨＵ＝４３００〜５５００ｍｍとされる。

朝顔部用ステーブ１０Ｕの上側基準位置ＰＵより上の部分は、炉腹部Ｓ３の領域に配置され、その部分の炉内表面は、炉腹部Ｓ３に設置される朝顔部用ステーブ１０の炉内表面と同一面で形成されている。
朝顔部用ステーブ１０Ｕの上側基準位置ＰＵより下の部分は、朝顔部Ｓ４に配置されるとともに、炉内表面が水平面に対して傾斜した上側炉内表面１９Ｕとされている。
上側炉内表面１９Ｕは、朝顔部用ステーブ１０Ｕの炉内表面により構成され、上側炉内表面１９Ｕと水平面とのなす角度、つまり上側傾斜角度ＡＵは７５〜８２°、好ましくは７５〜７８°である。

領域Ｓ９に配置された朝顔部用ステーブ１０のうち、下側の朝顔部用ステーブ１０Ｌは、上端側が上側炉内表面１９Ｕの一部を構成しているが、残りの部分は下側炉内表面１９Ｌとされている。
下側炉内表面１９Ｌは、朝顔部用ステーブ１０Ｌの炉内表面（突起部１２の先端を包絡した面）により構成され、下側炉内表面１９Ｌと水平面とのなす角度、つまり下側傾斜角度ＡＬは、上側炉内表面１９Ｕより２〜１５°小さい角度、より好ましくは２〜７°小さい角度とされる。ここで、下側傾斜角度ＡＬの具体的な値は６８〜７５°、好ましくは６８〜７２°である。ただし、下側傾斜角度ＡＬが７４〜７５°になるのは、それぞれ上側傾斜角度ＡＵが７６°以上および７７°以上のとき（角度差２〜１５°）である。

下側炉内表面１９Ｌを決定するために、羽口５の羽口冷却函５１に、下側炉内表面１９Ｌの基準となる下側基準位置ＰＬが設定されている。
下側基準位置ＰＬは、羽口冷却函５１の炉内側先端位置ＰＯから炉外側へ距離ＥＬの位置に設定される。距離ＥＬは０〜３００ｍｍの範囲で設定される。
下側炉内表面１９Ｌは、延長すると下側基準位置ＰＬを通る位置に形成される。つまり、下側基準位置ＰＬから前述した下側傾斜角度ＡＬを延長することで、下側炉内表面１９Ｌを決定することができる。

下側の朝顔部用ステーブ１０Ｌの下端は、羽口５の周囲を冷却するステーブ２Ｃの上端位置とされる。羽口５の周囲を冷却するステーブ２Ｃの上端は、羽口５の上側で冷却用配管１６を接続するために、羽口５よりも上方に配置させることが必要である。このため、下側の朝顔部用ステーブ１０Ｌの下端は、羽口５に対して間隔をあけて設置される。
下側の朝顔部用ステーブ１０Ｌと羽口５の羽口冷却函５１との間隔には、耐火レンガ２Ｄが設置されている。この部分に設置された耐火レンガ２Ｄは、表面が下側炉内表面１９Ｌと連続するように形成されている。
なお、耐火レンガ２Ｄの高さ、すなわち、下側の朝顔部用ステーブ１０Ｌと羽口５の羽口冷却函５１との間隔は、小さいことが望ましい。そのため、下側の朝顔部用ステーブ１０Ｌを、羽口冷却函５１に近づくように、下方へ延長してもよい。

〔高炉朝顔部の設計方法〕
前述した本実施形態の高炉朝顔部構造９は、以下に示す手順で簡単に設計することができる。
図３に示すように、高炉朝顔部構造９を構成する朝顔部用ステーブ１０の炉内側の表面に、上側炉内表面１９Ｕおよび下側炉内表面１９Ｌを設定する。

上側炉内表面１９Ｕの基準として、先ず、羽口ノズル５２の中心高さＨＯから所定高さＨＵだけ上方であって、炉腹部Ｓ３に配置されている朝顔部用ステーブ１０の炉内表面の基準面ＲＳを下方へ延長した位置に、上側基準位置ＰＵを設定する。
次に、上側基準位置ＰＵから下方かつ炉内側へ、水平面に対する傾斜角度が７５〜８２°の上側基準面ＲＵを設定する。

下側炉内表面１９Ｌの基準として、先ず、羽口冷却函５１の炉内側先端位置ＰＯから炉外側へ所定距離ＥＬの位置に下側基準位置ＰＬを設定する。
次に、下側基準位置ＰＬから上方かつ炉外側へ、水平面に対する傾斜角度が上側基準面１９Ｕの水平面に対する傾斜角度より２〜１５°小さい角度（例えば６８〜７５°）の下側基準面ＲＬを設定する。

上側基準面ＲＵおよび下側基準面ＲＬが得られたら、これら２つの面が交差する位置を交差位置ＰＣとする。
そして、上側基準面ＲＵに沿った上側基準面ＲＵから交差位置ＰＣの範囲で、朝顔部用ステーブ１０Ｕないし朝顔部用ステーブ１０Ｌの上部に上側炉内表面１９Ｕを形成する。
さらに、下側基準面ＲＬに沿った下側基準面ＲＬから交差位置ＰＣの範囲で、朝顔部用ステーブ１０Ｌに下側炉内表面１９Ｌを形成する。
以上により、所定の傾斜を有する上側炉内表面１９Ｕおよび下側炉内表面１９Ｌを簡単に形成することができる。

〔高炉朝顔部構造の作用効果〕
本実施形態の高炉朝顔部構造９によれば、朝顔部用ステーブ１０Ｕ，１０Ｌの炉内表面のうち、上側炉内表面１９Ｕにおいて、水平面に対する傾斜角度が７５〜８２°とすることで、適切な炉内付着物の生成を実現し、円周バランスを含む炉内表面プロフィルの安定化を図ることができる。
一方、下側炉内表面１９Ｌにおいて、水平面に対する傾斜角度を上側炉内表面１９Ｕの水平面に対する傾斜角度より２〜１５°小さい角度とすることで、上側炉内表面１９Ｕよりも更に緩い傾斜となるため、羽口５の直上部での付着物の堆積を積極的に誘導できる。

これにより、朝顔部用ステーブ１０Ｌおよびその表面の付着物で十分な羽口５の保護が可能となる。その結果、朝顔部用ステーブ１０Ｌと羽口５との間に従来型の厚みを有する耐火レンガを設置する必要がなくなり、羽口５の直上部においても円周バランスを含む炉内表面プロフィルの安定化を図ることができる。

本実施形態では、下側炉内表面１９Ｌを有する朝顔部用ステーブ１０Ｌおよびその付着物により、羽口５の羽口冷却函５１に対して、十分な保護性能を得ることができる。
とくに、羽口冷却函５１に下側基準位置ＰＬを設定したので、羽口５の吹込みに影響しない範囲で羽口冷却函５１を広く覆うことができ、羽口冷却函５１に対する保護を確実にすることができる。

本実施形態では、朝顔部用ステーブ１０Ｕの上縁位置の高さＨＵを前述した範囲とすることで、高炉１の操業状態の変化により、装入物の融着帯の根部の高さ位置が変動した場合にも、羽口部Ｓ５の上方に朝顔部用ステーブ１０Ｕ，１０Ｌを適正な傾斜角度（前述した下側炉内表面１９Ｌおよび上側炉内表面１９Ｕの傾斜角度ＡＬ，ＡＵ）で配置し、羽口５の中心ＨＯから朝顔部Ｓ４の上縁位置までの鉛直方向の寸法を十分な長さにすることにより、融着帯の根部を安定して支持することができる。

〔変形例〕
なお、本発明は、前述した実施形態の構成に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形などは本発明に含まれる。
前述した通り、高炉朝顔部構造９を構成するべく領域Ｓ９に配置される朝顔部用ステーブ１０は、上下に２段のほか、３段以上の複数段で設置されてもよい。通常は領域Ｓ９つまり朝顔部Ｓ４を含みかつ羽口５の中心までを含む領域をカバーするためには複数段が必要であるが、ステーブが一段だけでもよい。

前述した通り、上側炉内表面１９Ｕおよび下側炉内表面１９Ｌは、朝顔部用ステーブ１０Ｕ，１０Ｌの各々に固定的に設定されるものではなく、領域Ｓ９に配置される朝顔部用ステーブ１０の境界とは別に設定することができる。
また、上側炉内表面１９Ｕおよび下側炉内表面１９Ｌの上下および中間には、適宜余白領域つまり上側炉内表面１９Ｕおよび下側炉内表面１９Ｌの条件から外れる形状の炉内表面を設定してもよい。
要するに、高炉朝顔部構造９となる領域Ｓ９に上側炉内表面１９Ｕおよび下側炉内表面１９Ｌが上下に配置され、かつ上側炉内表面１９Ｕおよび下側炉内表面１９Ｌの合計面積が領域Ｓ９全体の面積の８０％以上であればよい。

上側炉内表面１９Ｕおよび下側炉内表面１９Ｌの傾斜角度ＡＵ，ＡＬは、ともに７５°であってもよい。この場合、上側炉内表面１９Ｕおよび下側炉内表面１９Ｌは同じ面で連続することになる。
ただし、羽口５の直上部での付着物の形成促進という機能上、上側炉内表面１９Ｕの傾斜角度ＡＵよりも、下側炉内表面１９Ｌの傾斜角度ＡＬが小さくなること（緩やかになること）が望ましい。

上側炉内表面１９Ｕと下側炉内表面１９Ｌとの交差位置ＰＣの高さ、あるいは、下側基準位置ＰＬと上側基準位置ＰＵとの水平方向の位置などは、本発明の構成が確保できる範囲内であれば特に限定されるものではなく、羽口冷却函５１の炉内側先端位置ＰＯ、上側炉内表面１９Ｕの上側基準位置ＰＵ、高炉の各部の位置関係などに基づいて、適宜設定することができる。
その他、高炉朝顔部構造９ないしは高炉１における、各部材質や細部形状などは、実施にあたって適宜選択しうるものである。

本発明は、高炉朝顔部構造および高炉の設計方法に利用できる。

１…高炉、１０，１０Ｌ，１０Ｕ…朝顔部用ステーブ、１１…ステーブ本体、１２…突起部、１３…凹部、１３Ａ…耐火物、１６…冷却用配管、１９Ｌ…下側炉内表面、１９Ｕ…上側炉内表面、２…炉体、２Ａ…鉄皮、２Ｂ…ステーブ、２Ｃ…ステーブ、２Ｄ…耐火レンガ、２Ｅ…耐火レンガ、３…ガス捕集マンテル、４…装入物、４Ａ…塊状帯、４Ｂ…融着帯、４Ｃ…滴下帯、４Ｄ…炉芯、４Ｅ…根部、５…羽口、５１…羽口冷却函、５２…羽口ノズル、５３…羽口配管、５Ａ…熱風、５Ｂ…レースウェイ、６…出銑口、６Ａ…鉄分、６Ｂ…溶銑、９…高炉朝顔部構造、ＡＬ…下側傾斜角度、ＡＵ…下側傾斜角度、ＥＬ…羽口冷却函先端からの距離、ＨＯ…羽口中心、ＰＣ…交差位置、ＰＬ…下側基準位置、ＰＯ…炉内側先端位置、ＰＵ…上側基準位置、ＲＬ…下側基準面、ＲＵ…上側基準面、ＲＳ…炉腹部の炉内表面の基準面、Ｓ１…炉口部、Ｓ２…シャフト部、Ｓ３…炉腹部、Ｓ４…朝顔部、Ｓ５…羽口部、Ｓ６…炉底部、Ｓ７，Ｓ８…領域、Ｓ９…高炉朝顔部構造の設置領域。

Claims (4)

1. 高炉の羽口部と炉腹部との間に設けられ、鉛直方向上方に向かって拡径する筒状の朝顔部を構成する高炉朝顔部構造であって、
   前記朝顔部が、環状の鉄皮と、この鉄皮の内周に設けられた銅または銅合金の朝顔部用ステーブと、この朝顔部用ステーブの内周に設けられた耐火レンガと、を有し、
   前記朝顔部の下方に、羽口ノズルを炉外側から挿入可能な羽口冷却函が設置され、
   前記朝顔部用ステーブの炉内側の表面に、上側炉内表面および下側炉内表面が形成され、
   前記上側炉内表面は、水平面に対する傾斜角度が７５〜８２°であり、
   前記下側炉内表面は、水平面に対する傾斜角度が前記上側炉内表面の水平面に対する傾斜角度より２〜１５°小さいことを特徴とする高炉朝顔部構造。
2. 請求項１に記載の高炉朝顔部構造において、
   前記下側炉内表面は、延長すると前記羽口冷却函の炉内側先端から炉外側へ０〜３００ｍｍの位置と交差する位置であることを特徴とする高炉朝顔部構造。
3. 請求項１または請求項２に記載の高炉朝顔部構造において、
   前記上側炉内表面は、上端が前記羽口ノズルの中心高さから４３００〜５５００ｍｍに配置されていることを特徴とする高炉朝顔部構造。
4. 羽口部と、炉腹部と、これら羽口部及び炉腹部間に設けられて鉛直方向上方に向かって拡径する筒状の朝顔部とを備え、前記朝顔部が、環状の鉄皮と、この鉄皮の内周に設けられた銅または銅合金の朝顔部用ステーブと、この朝顔部用ステーブの内周に設けられた耐火レンガとを有し、前記羽口部に、羽口ノズルを炉外側から挿入可能な羽口冷却函を有する高炉の設計方法であって、
   前記朝顔部用ステーブの炉内側の表面に、上側炉内表面および下側炉内表面を配置し、
   前記羽口ノズルの中心高さから所定高さ上方であって、前記炉腹部に配置されているステーブの炉内表面を下方へ延長した位置に上側基準位置を設定し、
   前記上側基準位置から下方かつ炉内側へ、水平面に対する傾斜角度が７５〜８２°の上側基準面に沿って前記上側炉内表面を形成し、
   前記羽口冷却函の炉内側先端から炉外側へ所定距離の位置に下側基準位置を設定し、
   前記下側基準位置から上方かつ炉外側へ、水平面に対する傾斜角度が前記上側基準面の水平面に対する傾斜角度より２〜１５°小さい下側基準面に沿って前記下側炉内表面を形成する、ことを特徴とする高炉の設計方法。

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