JP7140270B2 - 高炉の炉壁冷却用ステーブ - Google Patents

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Description

本発明は、高温に曝される高炉などの炉壁を冷却して保護するために用いられる炉壁冷却用ステーブに関する。
従来、高炉炉体を炉内熱負荷から保護するために炉壁冷却用ステーブ(以下、ステーブとも記載する)が使用されている。ステーブは、鋳鉄や圧延銅、鋳物銅などで製作されたステーブ本体を有し、ステーブ本体には冷却用の水路を有している。ステーブにはステーブを高炉に取り付けるための部材や、ステーブ本体の表面にステーブ本体とは異なる種類の金属や耐火物製の部材が取り付けられることもあり、ステーブ本体、水路、ステーブ本体に取り付けられた部材などを合わせた総体がステーブと呼ばれている。近年、高炉炉体の高熱負荷に対応すべく、より冷却能力が高く耐久性のあるステーブが要求されてきている。
その理由は、高炉の主たる還元材となるコークスの製造に適した原料炭の資源枯渇が進行し、そのコークスに代わって高炉の羽口から燃料炭を吹き込む微粉炭吹込み量を増やしていることがあげられる。微粉炭吹込み量を増大させると、炉内の通気抵抗が増大して、炉壁に沿って上昇する気流が増加する結果、ステーブの熱負荷が大きくなり、寿命も短くなるためであった。
このような炉壁冷却用ステーブは、高炉炉体の内側に炉体鉄皮とボルトとを使用して固定取付けされている。すなわち、図5にその一例を示すように、ステーブ本体51は、高炉炉体の鉄皮61にボルト52とナット53とを使用してねじ止めにより固定されている。そして、ステーブ本体51の給排水用配管54-1、54-2は、高炉炉体の鉄皮61に開けられた穴62を貫通して設けられており、給排水用配管54-1、54-2を介して炉体外側より給水、排水される。
炉壁冷却用ステーブを改良する技術として、従来、高炉の熱負荷の高い箇所に長期間使用して炉内側の耐火物が損傷した場合でも、高炉内容物から生成する安定したスラグ固着層の形成により断熱されて、寿命を延ばすために、ステーブ本体の炉内側に高炉の内容物が堆積しやすい溝状の構造を設けることが知られている。また、熱によるステーブの変形を抑制するためにステーブ本体の表面に冷却剤管路の方向に延在する溝を設けることが知られている(特許文献1)。また、ステーブを保護する効果を高めるために、ステーブ本体の水平溝に勘合する耐熱金属材料によるライナを設けることが知られている(特許文献2)。
特開2003-269867号公報 特開2000-119713号公報
しかし、上記特許文献1のように、炉内からの受熱による伸びを逃がし変形を防止する複数の溝のうち垂直溝を設けた場合には、垂直溝に沿って上昇する気流が存在する。その結果、気流によってスラグ固着層を排除され、垂直溝が存在する箇所では、その部分にスラグ固着層が形成されず、当該箇所からステーブへの入熱が大きくなる。したがって、垂直に貫通する溝によって熱による歪を吸収する構造をとったとしても、その溝の内面から受熱するためむしろ温度が上昇して、歪吸収の効果が薄れてしまう問題があった。
また、上記特許文献2のように、ステーブの炉内側にステーブに直接熱が伝わらないよう、ライナを設けたとしても、そのライナ表面が平滑であった場合には、炉内側にスラグ固着層が形成されず、ライナ表面が直接高温の炉内気流にさらされる。そのため、ライナの温度が上昇するために、ライナの寿命が短くなり、ステーブの保護の効果は限定的である問題があった。特に、ライナを炉内側からボルトで固定した場合には、ボルトの温度がライナ温度よりもさらに高くなり、ボルトの寿命が短くなるためライナを固定できる期間も短くなる問題もあった。
本発明の目的は、高温に曝される高炉などの炉壁を冷却して保護するために用いられる炉壁冷却用ステーブであって、炉内側にライナを設けた炉壁冷却用ステーブにおいて、ライナの温度上昇を防止し、ライナの寿命を延ばすことのできる、高炉の炉壁冷却用ステーブを提供することにある。
従来技術が抱えている前述の課題を解決し、前記の目的を実現するために鋭意研究した結果、発明者らは、以下に述べる新規な高炉の炉壁冷却用ステーブを開発するに到った。即ち、本発明は、高炉の炉壁を内面から冷却する炉壁冷却用ステーブであって、その内部に冷却水を通す水路を設けると共に銅または銅合金からなるステーブ本体と、ステーブ本体の炉内側表面に水平に複数設けられた水平溝であって、複数の水平溝で構成された凹部および複数の水平溝間に構成された凸部を構成する水平溝と、水平溝間の凸部に垂直方向に複数設けられた垂直溝と、ステーブ本体の水平溝に嵌合して設けられてその先端が炉内に突出する複数のライナと、を備えており、複数のライナ間の垂直方向の隙間が垂直溝と水平方向に異なる位置にあることを特徴とする、高炉の炉壁冷却用ステーブである。
なお、前記のように構成される本発明に係る高炉の炉壁冷却用ステーブにおいては、
(1)前記ライナの炉内側からざぐり穴およびざぐり穴内に貫通するボルト穴を設けると共に、前記ステーブ本体の水平溝の底部の前記ボルト穴に対応する位置にめねじ穴を設け、前記ざぐり穴および前記ボルト穴を介してボルトを炉内側から挿通して前記ボルトを前記めねじ穴に固定することにより、前記ライナを前記水平溝内に嵌合して設けたこと、
(2)前記凹部の垂直方向の幅が前記凸部の垂直方向の幅より大きくなるよう構成したこと、
(3)前記ライナの材質が前記ステーブ本体の材質よりも高温強度が高い材質からなること、
(4)上下に隣接する前記ライナの隙間は水平方向に位置を異ならせること、
(5)上下に隣接する前記垂直溝は水平方向に位置を異ならせること、
(6)上下に隣接する前記ライナの隙間は水平方向に位置を異ならせると共に、上下に隣接する前記垂直溝は水平方向に位置を異ならせること、
がより好ましい解決手段となるものと考えられる。
本発明の高炉の炉壁冷却用ステーブによれば、ライナが炉内に突出しているのでライナの間である水平溝間の凸部先端部およびライナの基部(ライナがステーブ本体の凹部に嵌合されている部分の付近)にも、熱伝導率の低いスラグ固着層が形成され維持される。これにより、ライナの温度上昇を妨げ、ライナの寿命を延ばすことができる。また、ライナ間の垂直方向の隙間をステーブ本体の凸部に設けた垂直溝と異なる位置にし、溝が上下方向に連通しないようにしたので、垂直溝に沿って上昇する気流を妨げスラグ固着層を維持するとともに、ライナ同士の隙間及び垂直溝内面からの受熱を妨げ、ライナおよびステーブの寿命を延ばすことができる。
また、本発明の好適例によれば、ライナの炉内側からざぐり穴およびざぐり穴内に貫通するボルト穴を設けると共に、ステーブ本体の水平溝の底部のボルト穴に対応する位置にめねじ穴を設け、ざぐり穴およびボルト穴を介してボルトを炉内側から挿通してボルトをめねじ穴に固定している。そのため、使用中にライナの位置の水平方向に移動を妨げて、ライナ間の垂直方向の隙間が垂直溝の位置になることを防止するとともに、ライナ間の隙間を一定に保持できる。また、ざぐり穴の中にスラグ固着層が形成されるとともに、ライナと上面下面底面の三面で嵌合するステーブ本体によって効果的に冷却されるため、長期の使用によってもボルトが損耗することはない。
さらに、本発明の他の好適例によれば、上下に隣接するライナ間の水平方向の隙間の位置を異ならせることにより、ライナ間の隙間を貫通して気流が通り抜けることを防止して、気流によるスラグ固着層の排除を防止するとともに、ライナ間の垂直方向の隙間及び垂直溝内面からの受熱を防止することにより、ライナの寿命を延ばすことができる。さらにまた、本発明のさらに他の好適例によれば、上下に隣接する垂直溝の位置を異ならせることにより、垂直溝が貫通して気流が通り抜けることを防止して、気流によるスラグ固着層の排除を防止するとともに、垂直溝内面からの受熱を防止でき、ステーブの寿命を延ばすことができる。また、上記隣接するライナ間の垂直方向の隙間の位置を異ならせると共に、上記上下に隣接する垂直溝の位置を異ならせた場合は、上記ステーブの寿命を延ばす効果をさらに向上させることができる。
本発明の高炉の炉壁冷却用ステーブの一例を炉内側から見た図である。 図1に示す本発明の高炉の炉壁冷却用ステーブのA-A線に沿った断面図である。 本発明の高炉の炉壁冷却用ステーブにおいて、ライナを取付ける前のステーブの一例を炉内側から見た図である。 図3に示すライナを取付ける前のステーブのA-A線に沿った断面図である。 従来例における炉壁冷却用ステーブを炉体鉄皮に固定する方法を説明するための図である。
以下、本発明の高炉の炉壁冷却用ステーブについて説明する。
本発明の高炉の炉壁冷却用ステーブは:その内部に冷却水を通す水路を設けると共に銅または銅合金からなるステーブ本体と;ステーブ本体の炉内側表面に水平に延在するように複数設けられた水平溝であって、複数の水平溝で構成された凹部および複数の水平溝間に構成された凸部を構成する水平溝と;水平溝間の凸部に垂直方向に延在するように複数設けられた垂直溝と;ステーブ本体の水平溝に嵌合して設けられてその先端が炉内に突出する複数のライナと;を備えており、複数のライナ間の垂直方向に延在する隙間が垂直溝と水平方向において異なる位置になるように、すなわち複数のライナ間の垂直方向に延在する隙間が垂直溝と連通しないように構成されている。
隙間が溝と連通しないようにする、とは、溝の上端または下端のどちらかまたは両方がライナによって上下方向に閉止されており、溝を構成する空間は炉内面方向にのみ開口している状態を指す。本発明においては、ステーブ本体に存在する溝の上下端のうちの70%以上が閉止されていることが好ましい。溝の上下端の90%以上がライナによって閉止されている状態がさらに好ましく、すべての位置で閉止されていることが最も好ましい。
高炉の下部から高温の送風を行い上部より発生ガスを取り出す高炉の炉壁を内面から冷却するステーブにおいては、ステーブ表面に沿った上方へ向かう気体の流れの速度が大きくなった場合に、ステーブ内面の熱伝達率が大きくなってステーブの温度が上昇しやすくなる。上述した構成の本発明の高炉の炉壁冷却用ステーブでは、ステーブを熱伝導率の高い銅または銅合金性としたので、ステーブの炉内側表面に炉内側スラグが冷却されて固着層が形成する。これにより、ステーブ自体を長期にわたり保護できる。また、本発明の高炉の炉壁冷却用ステーブでは、ステーブ本体に設けた冷却水通路に水を流してステーブを冷却する。
ステーブ本体の炉内側表面には、水平に複数の水平溝を設ける。そして、複数の水平溝で凹部を構成し、複数の水平溝間または、水平溝とステーブ本体の上または下の端部の間に凸部を構成する。ステーブ本体の水平溝には、その上面下面底面に嵌合し先端が炉内に突出するライナを設ける。ライナの材質はステーブの材質よりも硬度と高温強度が高く熱伝導率が小さいことが好ましい。そのため、ステーブ本体よりも温度が上昇しても耐えることができるとともに、ステーブ本体に伝える熱を低減できる。ライナが炉内に突出しているのでライナの間である水平溝間の凸部先端部およびライナの基部にも、熱伝導率の低いスラグ固着層が形成され維持される。ライナがステーブの水平溝と嵌合している付け根部はステーブに冷却されて低温に維持されるが、炉内に突出した先端部は炉内の熱を受けて高温になる。
ステーブ本体の水平溝に隣接して存在する凸部には、凸部の延在方向と交わるように、溝が設けられる。この溝は、凸部の上端と下端に存在する水平溝またはステーブの端部につながる開口部を有し、その開口部同士をつなぐように設けられる。本発明においては、凸部に設けられる溝を垂直溝と称するが、凸部の延在方向に90°の方向に限定されない。この溝が存在することによって、温度変化によってステーブ本体に発生する熱応力による変形を緩和することができる。垂直溝の幅は1mm以上、50mm以下が好適である。より好ましくは8mm以上、30mm以下である。垂直溝の深さは、水平溝と同じ深さとすることができるが、それよりも浅い溝でも効果を発揮する。凸部の突出高さ(凸部上端と溝の底面との距離)の1/2以上の深さの溝であることが好ましい。より好ましい溝の深さは凸部の突出高さの3/4倍~1倍程度である。また、凸部に設けられる垂直溝は、水平方向に100mm~500mmの間隔で設けられることが好ましい。さらに、冷却水路のピッチに合わせて垂直溝の間隔は、150mm~300mmで設けることがさらに好ましい。
各水平溝に嵌合されるライナは複数に分割されており、ライナ間の垂直方向の隙間によって熱膨張を吸収している。ライナ間の隙間がステーブ本体の垂直溝と同じ垂直位置にあると、隙間と垂直溝とが貫通して気流が通り抜ける。そのため、気流によってスラグ固着層を排除するとともに、ライナ間の隙間及び垂直溝内面から受熱するため温度が上昇する。しかしながら、ライナ間の隙間の位置および垂直溝の位置を水平方向に異なる位置にしたことで、気流の通り抜けを防止して、効果的に熱膨張を吸収させることができる。
次に、本発明の高炉の炉壁冷却用ステーブの好適例について説明する。
まず、ライナがステーブ本体の水平溝に嵌合しているだけでは、使用中にライナの位置が水平方向に移動することにより、ライナ間の垂直方向の隙間の位置が垂直溝の位置になることがある。それを防止するとともに、ライナ間の隙間を一定に保持するために、ライナの炉内側にざぐり穴をあけ、ざぐり穴の底にボルト穴をあけ、ボルト穴にボルトを貫通させて、ステーブ本体の水平溝に設けためねじ穴に固定することで、ライナが水平方向に移動することを妨げることができる。ボルト自体はステーブ本体のめねじ穴によって冷やされ、ざぐり穴の中には熱伝導率の低いスラグ固着層が形成されるので、ボルトの温度上昇を避けることができる。さらに、ライナにあけるざぐり穴は、ステーブの水平溝間の凸部先端よりも炉外側に深くあけており、ボルトの位置はライナと上面下面底面の三面で嵌合するステーブ本体によって効果的に冷却されるため、ボルトの温度上昇を避けることができ、長期の使用によってもボルトが損耗することはない。本発明のライナの固定方法によれば、従来のライナの固定方法に比較して、ライナの脱落や破損を効果的に防ぐことができ、ライナの寿命を大幅に延ばすことができる。それにより、ステーブの寿命も大幅に延ばすことができる。
次に、ステーブ本体の凹部の垂直方向の幅が前記凸部の垂直方向の幅より大きくなるよう構成することが好ましい。このように構成することで、水平溝間の凸部は炉内の熱を直接受けて水平溝の温度よりも高温になるのでその幅を凹部よりも小さくして凸部の受熱量を低減することができる。また、ライナはステーブの水平溝間の凸部の先端よりも炉内に突出しているので、上下に隣接するライナの間隙にも熱伝導率の低いスラグ固着層が形成される。
また、ライナの材質はステーブ本体の材質よりも高温強度が高い材質から構成することが好ましい。銅または銅合金からなるステーブ本体よりも高温強度が高いライナの材質の一例としては、ステンレススチール、SS鋼などを好適に用いることができる。
さらに、上下に隣接するライナ間の隙間の水平方向の位置を異ならせることにより、ライナ間の隙間が貫通して気流が通り抜けることを防止して、気流によるスラグ固着層の排除を防止するとともに、ライナ同士の隙間及び垂直溝内面からの受熱を防止することができる。ライナ間の隙間は5mm以上、500mm以下とすることが好ましい。ライナ間の隙間の水平方向の位置を異ならせるということは、ある高さのライナ間の隙間の直上部および/または直下部に、隣接するライナの突出部が位置するようにライナを配置することである。そのため、ライナ間に設ける隙間の間隔は、溝に配置するライナの長さよりも短いことが好ましい。ライナ間の隙間の数の70%以上の隙間において、その隙間が上下に隣接するライナの隙間と水平方向の位置が異なっていることが好ましい。
また、長期の使用によってライナが磨滅または脱落した場合には、ステーブ本体の水平溝に熱伝導率の低いスラグ固着層が形成される。その場合、上下に隣接する垂直溝の水平方向の位置を異ならせることにより、垂直溝が貫通して気流が通り抜けることを防止して、気流によるスラグ固着層の排除を防止するとともに、垂直溝内面からの受熱を防止することができる。
上下に隣接する垂直溝の水平方向の位置を異ならせるとは、ある高さのステーブ本体凸部においてその垂直溝の開口部の直上部および/または直下部に隣接するステーブ本体凸部が位置するように垂直溝を配置することである。この場合でも、70%以上の垂直溝において、その垂直溝の水平方向の位置が隣接する凸部の垂直溝の位置と異なっていることが好ましい。
なお、上述した上下に隣接するライナ間の隙間の水平方向の位置を異ならせること、および、上述した上下に隣接する垂直溝の水平方向の位置を異ならせること、の両者を設けることで、スラグ固着層の排除の防止を、より効果的に行うことができる。
本発明の実施例を図に基づいて説明する。
図1は、本発明の高炉の炉壁冷却用ステーブの一例を炉内側から見た図であり、図2は、図1に示す本発明の高炉の炉壁冷却用ステーブのA-A線に沿った断面図である。以下、図1および図2を参照して、本発明の高炉の炉壁冷却用ステーブの構成について説明する。
図1および図2に示す例において、ステーブ本体1は、高炉の周方向に多数並べられ、その材質には一例として無酸素銅が使われている。ステーブ本体1に切削加工により掘られた水平溝13には、複数のライナ2がライナ2間に垂直方向(図中上下方向)の隙間5をあけて嵌合されており、六角穴付きボルト3によって締結されている。その水平溝13の寸法の一例は、深さ13aは55mm、垂直方向の幅は、底部13bで75mm、開口部13cで70mmと、奥に広い台形形状である。そのため、水平溝13に嵌合したライナ2が抜けることはない。また、水平溝13にライナ2を嵌合したのちボルト3によって水平方向に固定されているため、ライナ2間の垂直方向の隙間5の幅は外力によって変ることがなく、一例として初期の10mmを維持できる。
水平溝13によって凹部21が形成され、上下の水平溝13間に凸部22が形成される。本例において、形成された凸部22には、複数の垂直溝4が切削加工によって、一例として、幅10mmで深さ55mmに形成されている。複数の垂直溝4は、いずれもライナ2間の垂直方向の隙間5とは水平方向にずれた位置に配置する。そのため、高炉の炉内において、垂直に上昇する気流が通り抜けることはなく、炉内面に形成されたスラグ固着層がライナ2に維持される。
また、本発明では、上下に隣接するライナ2の垂直方向の隙間5の水平方向の位置、および、上下に隣接する垂直溝4の水平方向の位置、は特に限定しない。しかしながら、好適例として、図1および図2に示すように、上下に隣接するライナ2の垂直方向の隙間5は水平方向に位置を異ならせるよう構成することが好ましい。このようにライナ2の垂直方向の隙間5を構成した場合は、ライナ2が存在する場合における垂直に上昇する気流の通り抜けをより好適に防止することができる。また、好適例として、図1および図2に示すように、上下に隣接する垂直溝4の水平方向の位置を異ならせるよう構成することが好ましい。このように垂直溝4を構成した場合は、長期使用により、ライナ2が磨滅ないし外れ落ちた場合でも、上下の垂直溝4同士は水平方向にずれた位置にあるので、垂直に上昇する気流が通り抜けることはなく、炉内面に形成されたスラグ固着層が維持される。
図2は、図1に示す本発明の高炉の炉壁冷却用ステーブのA-A線に沿った断面図である。図2に示す例において、所定の厚さの伸銅品の板であるステーブ本体1には、底のほうが広い水平溝13を掘っている。ステーブの垂直方向に配置されている冷却水通路6は、板の下端面からガンドリルによって上方に穴をあけられ、貫通せずに止める。その状態で、冷却水通路6には、ステーブの炉外側に当たる背面から給水口7と排水口8とが冷却水通路6と同径で開けられている。給水口7には高炉の鉄皮を貫通して炉外から冷却水を供給する給水管9を、排水口8には高炉の鉄皮を貫通して炉外に冷却水を排出する排水管10を、それぞれすみ肉溶接によりステーブ本体1に取り付けている。冷却水通路6の下方の穴は、プラグ11をV形開先溶接することにより封止する。
ライナ2は、ステーブ本体1に掘られた水平溝13に沿って水平に挿入され、所定の位置でボルト3によって締結される。ボルト3は、ざぐり穴12の底にあるため、六角穴付きボルトを使用して六角レンチで締め付ける。炉の中では、ざぐり穴12の中にもスラグ固着層が形成されるので、ボルト3の頭を保護することができる。ざぐり穴12はボルト3の温度が上昇しないように、水平溝13間の凸部22の先端部よりも深くあけている。
図3は、本発明の高炉の炉壁冷却用ステーブにおいて、ライナを取付ける前のステーブの一例を炉内側から見た図であり、図4は、図3に示すライナを取付ける前のステーブのA-A線に沿った断面図である。図3および図4に示す例において、ステーブ本体1には、フライス加工により水平溝13を掘っている。水平溝13の底には、ライナ2をボルト3でボルト止めするためのめねじ穴14をタップ加工により開ける。このめねじ穴14は、冷却水通路6に貫通しないように、冷却水通路6を水平方向によけた位置に設けている。切削加工と溶接加工が終わったのちに、水平溝13に嵌合する複数のライナ2を順次側方から差し込む。めねじ穴14とざぐり穴12と同心のボルト穴23の中心が一致したところで、ボルト3によって締め付け、水平溝13に沿って摺動することを止める。
本発明に係る高炉の炉壁冷却用ステーブは、炉の下部から高温の送風を行い上部より発生ガスを取り出す高炉の炉壁を内面から冷却するステーブとして特に有効であるが、高炉以外のシャフト炉などにおいても、高温に曝される炉壁内部を冷却して保護する用途として有効である。
1 ステーブ本体
2 ライナ
3 六角穴付きボルト
4 垂直溝
5 隙間
6 冷却水通路
7 給水口
8 排水口
10 排水管
11 プラグ
12 ざぐり穴
13 水平溝
13a 深さ
13b 底部
13c 開口部
14 めねじ穴
21 凹部
22 凸部
23 ボルト穴

Claims (7)

  1. 高炉の炉壁を内面から冷却する炉壁冷却用ステーブであって、
    その内部に冷却水を通す水路を設けると共に銅または銅合金からなるステーブ本体と、
    ステーブ本体の炉内側表面に水平に複数設けられた水平溝であって、複数の水平溝で構成された凹部および複数の水平溝間に構成された凸部を構成する水平溝と、
    水平溝間の凸部に垂直方向に複数設けられた垂直溝と、
    ステーブ本体の水平溝に嵌合して設けられてその先端が炉内に突出する複数のライナと、を備えており、
    直溝の上端または下端のどちらかまたは両方がライナによって上下方向に閉止される位置に、複数のライナ間の垂直方向の隙間があることを特徴とする、高炉の炉壁冷却用ステーブ。
  2. 前記ライナの炉内側からざぐり穴およびざぐり穴内に貫通するボルト穴を設けると共に、前記ステーブ本体の水平溝の底部の前記ボルト穴に対応する位置にめねじ穴を設け、前記ざぐり穴および前記ボルト穴を介してボルトを炉内側から挿通して前記ボルトを前記めねじ穴に固定することにより、前記ライナを前記水平溝内に嵌合して設けたことを特徴とする、請求項1に記載の高炉の炉壁冷却用ステーブ。
  3. 前記凹部の垂直方向の幅が前記凸部の垂直方向の幅より大きくなるよう構成したことを特徴とする、請求項1または2に記載の高炉の炉壁冷却用ステーブ。
  4. 前記ライナの材質が前記ステーブ本体の材質よりも高温強度が高い材質からなることを特徴とする、請求項1~3のいずれか1項に記載の高炉の炉壁冷却用ステーブ。
  5. 上下に隣接する前記ライナの隙間は水平方向に位置を異ならせることを特徴とする、請求項1~4のいずれか1項に記載の高炉の炉壁冷却用ステーブ。
  6. 上下に隣接する前記垂直溝は水平方向に位置を異ならせることを特徴とする、請求項1~4のいずれか1項に記載の高炉の炉壁冷却用ステーブ。
  7. 上下に隣接する前記ライナの隙間は水平方向に位置を異ならせると共に、上下に隣接する前記垂直溝は水平方向に位置を異ならせることを特徴とする、請求項1~4のいずれか1項に記載の高炉の炉壁冷却用ステーブ。
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