JP7440717B2

JP7440717B2 - 高炉冷却装置および高炉冷却方法

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Publication number: JP7440717B2
Application number: JP2019215041A
Authority: JP
Inventors: 健大山本
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2019-11-28
Filing date: 2019-11-28
Publication date: 2024-02-29
Anticipated expiration: 2039-11-28
Also published as: JP2021085070A

Description

本発明は高炉冷却装置および高炉冷却方法に関する。

高炉は、外殻である鉄皮の内側に耐火物層が張られるとともに、耐火物層と鉄皮との間にステーブが設置される。
ステーブは、銅または鋳鉄などで形成されたパネル状の部材とされ、鉄皮の内側に沿って配列される。ステーブには、内部に冷却水路が形成され、各ステーブの冷却通路にはそれぞれ鉄皮の外側から冷却水が循環され、所期の冷却能力を確保している。

ステーブの冷却水路は、ステーブの下部に給水管を有し、上部に排水管を有する。これらの給水管および排水管は、それぞれ鉄皮の外側へ引き出され、上下に隣接するものどうしが連結管で連結される。複数段のステーブのうち最下段に設置されたステーブの給水管、および最上段に設置されたステーブの排水管には、冷却水の循環装置が接続される。
循環装置は、貯水用のタンク、放熱用の熱交換器、および圧送用のポンプを有し、タンク内の冷却水を、熱交換器で冷却したのち、ポンプで最下段のステーブに圧送する。供給された冷却水は、各段のステーブを通過しながら吸熱し、最上段のステーブからタンクへ戻される。これらのステーブおよび循環装置により、高炉冷却装置が構成される。

前述のようなステーブは、高炉の稼働に伴って損耗し、冷却水路からの冷却水漏れを生じることがある。このような炉内漏水があると、高炉の運転状態が乱れる原因になるほか、冷却性能の低下に伴って鉄皮にまで損傷が生じる可能性もある。
従って、ステーブからの漏水を回避することは重要であり、そのために冷却水路の破損を事前に検知する方法が提案されている（特許文献１参照）。

特開平６－３４７３６１号公報

前述した特許文献１のように、冷却水路における冷却水の圧力を炉内圧力よりも下げた場合、冷却水路が破損しても炉内ガスで押し戻され、漏水しにくい。ただし、冷却水の圧力を低くすると、ステーブへの冷却水の供給が十分でなくなり、冷却能力が低下し、ステーブないし鉄皮の破損に至る可能性がある。
一方、十分な圧力で冷却水を供給する場合、ステーブの一部、特に下段のステーブにおいて、冷却水路の圧力が炉内圧力より高くなり、炉内への漏水の可能性がある。
このように、従来のステーブおよび循環装置では、冷却水の圧力を抑制しつつ冷却能力を十分にすることが難しく、その改善が求められていた。

本発明の目的は、冷却水の圧力を抑制しつつ十分な冷却能力が得られる高炉冷却装置および高炉冷却方法を提供することにある。

本発明の高炉冷却装置は、高炉の内側に張られた複数のステーブと、前記ステーブに冷却水を循環させる循環装置を有する高炉冷却装置であって、前記ステーブは高さ別に複数段のステーブ群に区分され、前記循環装置は前記ステーブ群に対応した複数系統が設置されていることを特徴とする。

このような本発明では、複数段のステーブ群は、それぞれ所定の高さ範囲の複数のステーブで構成され、各々には対応する循環装置から冷却水が循環される。各系統の循環装置は、それぞれ対応するステーブ群に属するステーブに対して十分な圧力で送水できればよく、各ステーブ群において冷却水の圧力を抑制しつつ十分な冷却能力が得られる。その結果、高炉冷却装置全体として、冷却水の圧力を抑制しつつ十分な冷却能力を得ることができる。

本発明の高炉冷却装置において、複数段の前記ステーブ群は、前記ステーブ群に属する前記ステーブの冷却水路どうしが連結管で連結され、前記ステーブ群の最上段の前記ステーブの排水管と、前記ステーブ群の最下段の前記ステーブの給水管との間に、対応する前記循環装置が接続されている構成とすることができる。
このような本発明では、各々のステーブ群にそれぞれ循環装置が接続され、各ステーブ群に属するステーブに各々の循環装置からの冷却水を循環できる。

本発明の高炉冷却装置において、複数系統の前記循環装置は、それぞれ貯水用のタンク、放熱用の熱交換器、および圧送用のポンプを有し、前記タンクは対応する前記ステーブ群の最上段の前記ステーブの前記排水管の高さ以上に配置されることが好ましい。
このような本発明では、タンクにより冷却水を貯水しておき、熱交換器により冷却水の放熱を行い、ポンプにより冷却水を対応するステーブ群に圧送することができる。ステーブ群から戻る冷却水はタンクに貯水される。
この際、タンクの高さがステーブ群の最上段のステーブの排水管の高さ以上に配置されていることで、タンクにおいて対応するステーブ群を含む循環系統内のガス抜き機能も兼ねることができる。

本発明の高炉冷却装置において、複数系統の前記循環装置の前記ポンプおよび前記熱交換器が同じ高さ領域に配置される構成としてもよい。
このような本発明では、複数系統の循環装置のポンプおよび熱交換器を同じ高さ範囲に集合設置することができ、設置スペースを確保しやすいとともに、保守点検も容易にできる。

本発明の高炉冷却方法は、高炉の内側に張られた複数のステーブを、高さ方向に複数段のステーブ群に区画し、前記ステーブ群ごとに冷却水を循環させることを特徴とする。
このような本発明では、前述した本発明の高炉冷却装置で説明した通りの効果を得ることができる。

本発明によれば、冷却水の圧力を抑制しつつ十分な冷却能力が得られる高炉冷却装置および高炉冷却方法を提供することができる。

本発明の第１実施形態の高炉冷却装置を示すブロック図。第１実施形態における設備高さと圧力の関係を示すグラフ。従来の高炉冷却装置を示すブロック図。従来の高炉冷却装置における設備高さと圧力の関係を示すグラフ。本発明の第２実施形態の高炉冷却装置を示すブロック図。第２実施形態における設備高さと圧力の関係を示すグラフ。

〔第１実施形態〕
図１には、本発明の第１実施形態の高炉冷却装置１が示されている。
図１において、高炉２は鉄皮３を有し、鉄皮３の内側には複数のステーブ４が張られている。ステーブ４の一部の内側には、さらに耐火レンガなどの耐火材５が張られている。

複数のステーブ４は、それぞれ銅または鋳鉄の板材であり、内部には冷却水路が形成されている。各ステーブ４において、冷却水路の一端はステーブ４の下部から引き出されて給水管とされ、他端はステーブ４の上部から引き出されて排水管とされている。

複数のステーブ４は、それぞれ高さ別に区分され、高さＨｔ１から高さＨｂ１までの範囲にあるものが第１のステーブ群４１とされ、高さＨｔ２から高さＨｂ２までの範囲にあるものが第２のステーブ群４２とされている。第１のステーブ群４１の最下段の給水管の高さは高さＨｂ１、最上段の排水管の高さは高さＨｔ１とする。第２のステーブ群４２の最下段の給水管の高さは高さＨｂ２、最上段の排水管の高さは高さＨｔ２である。
各ステーブ群４１，４２においては、それぞれステーブ４の冷却水路どうしが連結管１１，２１で連結され、最下段のステーブ４の給水管から最上段のステーブ４の排水管までが一連の水路とされている。

高炉冷却装置１は、前述したステーブ群４１，４２を含むとともに、第１のステーブ群４１に対応する第１の循環装置１０と、第２のステーブ群４２に対応する第２の循環装置２０と、の２系統を備えている。

第１の循環装置１０は、第１のステーブ群４１の最下段の給水管に接続される給水配管１２と、第１のステーブ群４１の最上段の排水管に接続される排水配管１３とを有する。給水配管１２と排水配管１３との間には、貯水用のタンク１４、放熱用の熱交換器１５、および圧送用のポンプ１６が設置されている。タンク１４は、対応する第１のステーブ群４１の最上段の排水管の高さに配置されている。

第２の循環装置２０は、第２のステーブ群４２の最下段の給水管に接続される給水配管２２と、第２のステーブ群４２の最上段の排水管に接続される排水配管２３とを有する。給水配管２２と排水配管２３との間には、貯水用のタンク２４、放熱用の熱交換器２５、および圧送用のポンプ２６が設置されている。タンク２４は、対応する第２のステーブ群４２の最上段の排水管の高さに配置されている。

第２の循環装置２０の熱交換器２５およびポンプ２６は、対応するステーブ群４２の最下段の給水管の高さＨｂ２に配置されている。一方、第１の循環装置１０の熱交換器１５およびポンプ１６は、第２の循環装置２０の熱交換器２５およびポンプ２６と略同じ高さＨｐ１に配置されている。
そのために、タンク１４から熱交換器１５に至る配管は、高さＨｂ１より更に下方へ延長されており、ポンプ１６からの給水配管１２には、高さＨｐ１から高さＨｂ１まで上向きに延びる区間が形成されている。

本実施形態においては、高さが異なる２段のステーブ群４１，４２と、各々に対応する循環装置１０，２０とにより、高炉２の冷却が行われる。
高炉２のうち、高さＨｔ１～Ｈｂ１の範囲については、ステーブ群４１および対応する循環装置１０により、冷却が行われる。
すなわち、タンク１４から送出された冷却水は、熱交換器１５で冷却されたうえ、ポンプ１６で圧送されて給水配管１２から第１のステーブ群４１に入り、連結管１１で連結された各ステーブ４を通る間に、高さＨｔ１から高さＨｂ１の区間の炉内を冷却し、排水配管１３からタンク１４へと戻される。

高炉２のうち、高さＨｔ２～Ｈｂ２の範囲については、ステーブ群４２および対応する循環装置２０により、冷却が行われる。
すなわち、タンク２４から送出された冷却水は、熱交換器２５で冷却されたうえ、ポンプ２６で圧送されて給水配管２２から第２のステーブ群４２に入り、連結管２１で連結された各ステーブ４を通る間に、高さＨｔ２から高さＨｂ２の区間の炉内を冷却し、排水配管２３からタンク２４へと戻される。

このように、高さが異なる２段のステーブ群４１，４２と、各々に対応する循環装置１０，２０とにより、高炉２の冷却部分を２つの高さ区画に分割して個々に冷却することで、各区画における冷却水の圧力が抑制される。
図２には、本実施形態のステーブ群４１，４２および循環装置１０，２０における冷却水および炉内の圧力分布が示されている。

ステーブ群４１は、高炉２の高さＨｔ１～Ｈｂ１の範囲に配置されており、ステーブ群４１を通る冷却水の水圧Ｐ１は、最下段の高さＨｂ１で例えば２．０ｋｇ／ｃｍ^２であり、最上段の高さＨｔ１で０ｋｇ／ｃｍ^２となる。水圧Ｐ１において、最下段の高さＨｂ１での水圧はポンプ１６による冷却水の送水圧に相当し、最上段の高さＨｔ１での水圧は冷却水がタンク１４に戻る圧力である。
ステーブ群４１の内部の冷却水路にかかる圧力は、実際には水圧Ｐ１から圧損分を減じた水圧Ｐ１ａとなり、水圧Ｐ１の最大値である２．０ｋｇ／ｃｍ^２を超えることはない。

同様に、ステーブ群４２は、高炉２の高さＨｔ２～Ｈｂ２の範囲に配置されており、ステーブ群４２を通る冷却水の水圧Ｐ２は、最下段の高さＨｂ２で２．０ｋｇ／ｃｍ^２、最上段の高さＨｔ１で０ｋｇ／ｃｍ^２となる。水圧Ｐ２において、最下段の高さＨｂ２での水圧は、ポンプ２６による冷却水の送水圧に相当し、最上段の高さＨｔ２での水圧は冷却水がタンク２４に戻る圧力である。
ステーブ群４２の内部の冷却水路にかかる圧力は、実際には水圧Ｐ２から圧損分を減じた水圧Ｐ２ａとなり、水圧Ｐ２の最大値である２．０ｋｇ／ｃｍ^２を超えることはない。

これらのステーブ群４１，４２における水圧Ｐ１，Ｐ２に対し、従来の高炉冷却装置におけるステーブ内の水圧は次のようになる。
図３において、高炉冷却装置９では、ステーブ４は、最上段の高さＨｔ１から最下段の高さＨｂ２までの間の各々が、連結管５１で相互に連結されているが、複数段に区画されてはいない。そして、高さＨｔ１から最下段の高さＨｂ２までの各ステーブ４には、一系統の循環装置５０だけが設置されている。なお、循環装置５０を構成する給水配管５２、排水配管５３、ポンプ５４、熱交換器５５、ポンプ５６は、それぞれ循環装置１０，２０と同様である。

図４には、図３に示す従来の高炉冷却装置９におけるステーブ４および循環装置５０の冷却水の圧力分布が示されている。
ステーブ４は、高炉２の高さＨｔ１～Ｈｂ２の範囲に配置されており、ステーブ４を通る冷却水の水圧Ｐ０は、最下段の高さＨｂ２で例えば４．５ｋｇ／ｃｍ^２であり、最上段の高さＨｔ１で０ｋｇ／ｃｍ^２となる。
ステーブ４の内部の冷却水路にかかる圧力は、実際には水圧Ｐ０から圧損分を減じた水圧Ｐ０ａであるが、流速などに応じて水圧Ｐ０に近づく。水圧Ｐ０は、最下段の高さＨｂ２の近傍で、高炉２の炉内圧力Ｐｆを超えており、ステーブ４の冷却水路の水圧Ｐ０が、炉内圧力Ｐｆを超えた状態では、冷却水の炉内への漏水の可能性がある。

図２に戻って、本実施形態では、２段のステーブ群４１，４２に分割することで、冷却水路の最大圧力が大幅に低減されており，図４のような炉内圧力Ｐｆを超える状況を確実に防止することができる。
なお、循環装置１０においては、熱交換器１５およびポンプ１６を高さＨｐ１まで下げているため、該当部分での配管内圧力Ｐｐが炉内圧力Ｐｆを超える状況もありうる。しかし、配管内圧力Ｐｐは循環装置１０における配管の圧力であって、ステーブ群４１の内部での圧力ではないため、冷却水の炉内への漏水の原因にはならない。

このような本実施形態によれば、以下のような効果が得られる。
本実施形態では、所定の高さＨｔ１～Ｈｂ１の範囲，Ｈｔ２～Ｈｂ２にある複数のステーブ４により２段のステーブ群４１，４２が構成され、各々には対応する循環装置１０，２０から冷却水が循環される。各系統の循環装置１０，２０は、それぞれ対応するステーブ群４１，４２に属するステーブ４に対して十分な圧力で送水できればよく、各ステーブ群４１，４２において冷却水の圧力を抑制しつつ十分な冷却能力が得られる。その結果、高炉冷却装置１全体として、冷却水の圧力を抑制しつつ十分な冷却能力が得られる。

本実施形態では、２段のステーブ群４１，４２において、各々に属するステーブ４の冷却水路どうしが連結管１１，２１で連結され、ステーブ群４１，４２の最上段のステーブ４の排水管と、ステーブ群４１，４２の最下段のステーブ４の給水管との間に、対応する循環装置１０，２０が接続されるようにした。このため、各々のステーブ群４１，４２にそれぞれ循環装置１０，２０を接続することができ、各ステーブ群４１，４２に属するステーブ４に各々の循環装置１０，２０からの冷却水を循環できる。

本実施形態では、２系統の循環装置１０，２０は、それぞれ貯水用のタンク１４，２４、放熱用の熱交換器１５，２５、および圧送用のポンプ１６，２６を有する構成としたので、タンク１４，２４により冷却水を貯水しておき、熱交換器１５，２５により冷却水の放熱を行い、ポンプ１６，２６により冷却水を対応するステーブ群４１，４２に圧送することができる。
とくに、タンク１４，２４は、対応するステーブ群４１，４２の最上段のステーブ４の排水管の高さＨｔ１，Ｈｔ２に配置したので、タンク１４，２４において、対応するステーブ群４１，４２を含む循環装置１０，２０内のガス抜き機能も兼ねることができる。

本実施形態の循環装置２０では、ポンプ２６が、対応するステーブ群４２の最下段のステーブ４の給水管の高さＨｂ２に配置されるようにしたので、対応するステーブ群４２と対応する循環装置２０とが、互いに同じ高さＨｔ２～Ｈｂ２の範囲に設置され、循環装置２０の系統内配管水圧および対応するステーブ群４２の水圧をともに所定範囲内に収めることができ、漏水の可能性を低減できるとともに、送水時の損失も低減できる。

本実施形態では、２系統の循環装置１０，２０のポンプ１６，２６および熱交換器１５，２５が同じ高さＨｂ２の近傍領域に集合配置されるようにしたので、設置スペースを確保しやすいとともに、保守点検も容易にできる。

〔第２実施形態〕
図５には、本発明の第２実施形態の高炉冷却装置１Ａが示されている。
高炉冷却装置１Ａは、基本的に前述した第１実施形態と同様な構成を備え、高炉２の内側のステーブ４は、２段のステーブ群４１，４２に区分されている。このうち、下段のステーブ群４２に対応する循環装置２０は、前述した第１実施形態と同一であるが、上段のステーブ群４１に対応する循環装置１０Ａは、熱交換器１５およびポンプ１６の設置高さが異なる。

前述した第１実施形態では、循環装置１０の熱交換器１５およびポンプ１６は高さＨｐ１に設置され、高さＨｂ１にある循環装置２０の熱交換器２５およびポンプ２６と集合設置されていた。
これに対し、本実施形態では、循環装置１０Ａの熱交換器１５およびポンプ１６は、高さＨｂ１つまり対応するステーブ群４１の最下段の給水管の高さに設置されている。

その結果、本実施形態では、循環装置１０Ａ，２０のいずれにおいても、熱交換器１５，２５およびポンプ１６，２６が、対応するステーブ群４１，４２の最下段の給水管の高さＨｂ１，Ｈｂ２に設置され、それ以上の水圧となる箇所が解消されている。
図６に示すように、循環装置１０Ａ，２０に対応するステーブ群４１，４２では、各々の冷却水路の水圧Ｐ１，Ｐ２が、それぞれ炉内圧力Ｐｆを超えることがない。
従って、循環装置１０Ａ，２０のいずれにおいても、漏水の可能性を低減できるとともに、送水時の損失も低減できる。
さらに、循環装置１０Ａの熱交換器１５およびポンプ１６は、対応するステーブ群４１の最下段の給水管に最寄りの配置にでき、前述した第１実施形態よりも配管を短縮し、簡素化することができる。

〔他の実施形態〕
なお、本発明は前述した実施形態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。
前記実施形態では、ステーブ４を２段に区分してステーブ群４１，４２としたが、３段以上に区分してもよい。
前記実施形態では、各ステーブ群４１，４２に属するステーブ４の数を６枚および５枚として近い数としたが、例えば４枚と７枚のように差をつけてもよい。この場合でも、各ステーブ群における最大水圧を抑制することが好ましいため、各ステーブ群に区画される高さ範囲をなるべく均等に揃えること、つまり高さが他より大きいステーブ群がないほうが望ましい。

前記実施形態では、循環装置１０，１０Ａ，２０として、同様なタンク１４，２４、熱交換器１５，２５、およびポンプ１６，２６を設置したが、各々は異なる機器を用いてもよい。ポンプ１６，２６がタンク１４，２４より下流側つまり給水配管１２，２２の側とすることは必須であるが、熱交換器１５，２５の設置位置は適宜変更してもよい。例えば、ポンプ１６，２６よりも下流側、あるいはタンク１４，２４よりも上流側つまり排水配管１３，２３に続く位置としてもよい。

循環装置１０，１０Ａ，２０のタンク１４，２４は、対応するステーブ群４１，４２のうち最上段のステーブの排水管の高さＨｔ１，Ｈｔ２に限らず、それぞれ同高さＨｔ１，Ｈｔ２より上方に設置してもよい。このような配置により、タンク１４，２４において対応する循環装置１０，２０内のガス抜き機能も兼ねることができる。
循環装置１０，１０Ａ，２０のポンプ１６，２６は、その両方をステーブ群４１，４２の最下段のステーブの給水管の高さＨｂ１，Ｈｂ２より下方に設置してもよい。ただし、漏水の可能性を低減できるとともに、送水時の損失も低減できるように、系統内の圧力を配慮した高さとすることが好ましい。

前記実施形態では、循環装置１０，１０Ａ，２０を構成するタンク１４，２４、熱交換器１５，２５、およびポンプ１６，２６を独立させたが、一部の要素を循環装置１０，１０Ａ，２０で共用してもよい。例えば、循環装置１０，１０Ａ，２０でタンク２４および熱交換器２５を共用し、個別のポンプ１６，２６で各ステーブ群４１，４２に圧送してもよい。あるいは、ポンプ２６を共用し、上段のステーブ群４１には直接供給し、下段のステーブ群４２には減圧弁を介して供給するようにしてもよい。

本発明は高炉冷却装置および高炉冷却方法に利用できる。

１，１Ａ…高炉冷却装置、２…高炉、３…鉄皮、４…ステーブ、５…耐火材、１０，１０Ａ，２０…循環装置、１１，２１…連結管、１２，２２…給水配管、１３，２３…排水配管、１４，２４…タンク、１５，２５…熱交換器、１６，２６…ポンプ、４１，４２…ステーブ群。

Claims

高炉の内側に張られた複数のステーブと、前記ステーブに冷却水を循環させる循環装置を有する高炉冷却装置であって、前記ステーブは高さ別に複数段のステーブ群に区分され、前記循環装置は前記ステーブ群に対応した複数系統が設置され、前記複数段のステーブ群のうち最下段の前記ステーブ群の冷却水圧が、前記ステーブ群に対応する高さにおける前記高炉の炉内圧力よりも低いことを特徴とする高炉冷却装置。
請求項１に記載した高炉冷却装置において、複数段の前記ステーブ群は、前記ステーブ群に属する前記ステーブの冷却水路どうしが連結管で連結され、前記ステーブ群の最上段の前記ステーブの排水管と、前記ステーブ群の最下段の前記ステーブの給水管との間に、対応する前記循環装置が接続されている構成とすることを特徴とする高炉冷却装置。
請求項２に記載した高炉冷却装置において、複数系統の前記循環装置は、それぞれ貯水用のタンク、放熱用の熱交換器、および圧送用のポンプを有し、前記タンクは対応する前記ステーブ群の最上段の前記ステーブの前記排水管の高さ以上に配置されることを特徴とする高炉冷却装置。
請求項３に記載した高炉冷却装置において、複数系統の前記循環装置の前記ポンプおよび前記熱交換器が同じ高さ領域に配置されることを特徴とする高炉冷却装置。
高炉の内側に張られた複数のステーブを、高さ方向に複数段のステーブ群に区画し、前記ステーブ群ごとに冷却水を循環させ、前記複数段のステーブ群のうち最下段の前記ステーブ群の冷却水圧を、前記ステーブ群に対応する高さにおける前記高炉の炉内圧力よりも低くすることを特徴とする高炉冷却方法。