【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高炉の炉底構造および高炉操業方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】高炉炉内の炉床部分には、炉芯と呼ばれるコークスの充填領域が存在し、その充填コークスの空隙部分に鉱石の還元・溶融によって生じた溶銑・溶滓が溜まっている。 この溶銑・溶滓は出銑口から排出される。 近年の大型高炉では出銑口は同一水平レベルに通常２〜５箇所程度設けられており、適宜切り換えながら出銑、出滓が行われている。

【０００３】

【発明が解決すべき課題】高炉の炉底・炉床部には炭素飽和溶銑による侵食に強い炉底レンガ、通常カーボンを主成分とする耐火物が使われている。 溶銑の流れは炉体レンガの侵食プロフィルや侵食面上に生成した凝固層の形状、炉芯の下端形状、炉芯内の通液性などによって異なる。 例えば、炉芯全体が浮上してた炉底との間に狭い隙間ができているときはこの空間を溶銑が多く流れ、また、炉芯の中心部が炉底に接触して周辺部が浮いて隙間があるときは、周辺部の隙間を通って出銑口へ向かう環状の流れができる。

【０００４】溶銑が多く流れる部分に相当する炉底あるいは、炉床側壁部の耐火物は熱負荷を多く受ける。 通常の高炉操業においては炉底あるいは、炉床側壁部の耐火物に埋設した温度計により耐火物の温度変化を監視する。 前述のうち、炉芯の中心部が炉底に接触して周辺部が浮いて隙間が形成され、この隙間を通って出銑口へ向かう環状の流れができる状態では炉床コーナー部に熱負荷が集中し、炉床側壁部の耐火物の損耗を早めるため、
望ましくない。 したがって、炉芯の浮沈状態を変化させて全面着床か全面浮上に変えることができれば湯流れ経路が変化し、炉床環状流を緩和することができる。

【０００５】本発明は、炉芯の浮沈状態を全面浮上に変化させて湯流れ経路を変え、炉床環状流を緩和して耐火物の損耗を抑制させることを課題とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、高炉操業時の炉床側壁耐火物の温度変動の解析や、実験室での模型実験による検討を重ねた結果、高炉炉床部における溶銑の流れは、炉芯下端の位置と形状により大きな影響を受けることを見出した。 炉芯が炉底から浮上している場合、炉芯内部に比べて炉芯下端と炉底の間の空隙の方が抵抗が少ないため、溶銑がより多く流れることは以前から知られている（例えば鉄と鋼７０（１９８４），Ｐ．
２２２４）。

【０００７】また、炉芯下端が中央部では炉底に接触して周辺部が浮いて隙間があるときは、この隙間を通って出銑口へ向かう環状の流れができる。 この環状流ができると、炉床コーナー部は熱負荷を多く受ける。 炉芯の浮沈は基本的には上部からの装入物の荷重と、比重の大きい溶銑・溶滓の浮力とのバランスによって支配されており、送風ガスの浮力、炉芯と炉壁との摩擦なども影響していると考えられる。 したがって、溶銑レベルを高くすれば浮力が大きくなり、炉芯はより浮上の方向に向かうと考えられる。 本発明は、高炉炉床側壁部において温度測定から炉床コーナー部の熱負荷が大きいと推定された場合に、溶銑レベルを高く維持して炉芯下端の位置を上方に移動せしめて溶銑流の流路を変化させ、当該部位の熱負荷を軽減せんとするものである。

【０００８】すなわち、本発明の要旨とするところは、 （１）出銑口レベルより１ｍ以上２ｍ以下高い位置に、
１本以上の上部出銑滓口を設けたことを特徴とする高炉の炉底構造。 （２） （１）に記載の炉底構造を持つ高炉の操業において、下部の出銑口レベルより下の炉床側壁部に設けた温度センサが示す温度が上昇傾向を示し、かつ炉底中央部に設けた温度センサが示す温度が下降傾向を示した場合に、下部の出銑口および上部出銑滓口から並行して出銑滓を行い、上部出銑滓口からの出滓が終了した時点で下部の出銑口を閉塞することを特徴とする高炉操業方法。

【０００９】（３） （２）に記載の操業中に、下部の出銑口レベルより下の炉床側壁部に設けた温度センサが示す温度が下降傾向に転じ、かつ炉底中央部に設けた温度センサが示す温度の下降が停止または上昇傾向に転じた場合に、下部の出銑口のみから出銑滓を行うことを特徴とする高炉操業方法にある。

【００１０】

【発明の実施の形態】高炉の炉内は上部から、炉頂から装入された鉱石・コークスの充填層が積み重なった塊状帯、鉱石が半溶融状態となった融着帯、鉱石が還元溶融してコークスの間を滴下する炉芯というように分けることができ、このうち炉芯部分には上部からの荷重がかかっている。 ただし、融着帯より上部の荷重の大部分と融着帯以下の荷重の一部分は、羽口から吹き込まれた熱風ガスによる浮力と、内側側面の壁によって支えられている。

【００１１】一方、炉底部には鉱石が還元溶融して滴下した溶銑とスラグが液体になって溜まっている。 炉芯コークスはこの溶銑とスラグのプールに漬かっている状態となり、溶銑や溶融スラグはコークスに比べて遥かに比重が大きく、溶銑は約７倍、溶融スラグは約３倍あるため、炉芯コークスは炉床に溜まっている溶銑と溶融スラグから浮力を受けている。 炉芯部分にかかる力のバランスは上部からかかる荷重と浮力によって決まるが、浮力の方が大きくなると、炉芯の下端部は炉底より浮上する。 浮力は炉底に溜まっている溶銑やスラグが多いほど大きくなり、炉芯が浮上し易くなる。

【００１２】また、溶銑およびスラグは、鉱石の還元溶融により滴下して炉底部に溜まる一方で、炉床部に設けられた出銑口より断続的に排出される。 そこで炉底部には出銑口に向かう溶銑およびスラグの流れができる。 溶銑はスラグより比重が大きいため普通は下側に存在し、
この溶銑の流れが炉底または炉床側壁部の耐火物に熱負荷を与える。 溶銑の流れは炉芯下端の浮沈状態によって大きく影響される。

【００１３】図１〜３はこれらの状況を示したもので、
炉芯のコークス充填領域に比べて炉芯が浮上した時にできる炉芯と炉底との間の空隙は通液抵抗が小さいため、
図１のように炉芯が完全に沈下して炉底に接しているときに比べ、図２のように炉芯全体が浮上して炉底との間に狭い隙間ができているときは、この空間を溶銑が多く流れ、また、図３のように炉芯の中心部が炉底に接して周辺部が浮いて隙間があるときは、この隙間を通って出銑口へ向かう環状の流れができる。 なお、図中１は高炉炉体、２は出銑口、３は送風羽口、４はレースウェイ、
５は炉芯、６は溶銑レベル、７はスラグレベル、８は高炉炉内を示す。

【００１４】同一高さ位置の出銑口を適宜切り換えながら出銑している通常の高炉操業では、炉芯下端の位置がほぼ一定領域に定着し易く、この炉芯下端の直下部に相当する炉床側壁部に溶銑の流れが集中して熱負荷を多く受ける。 炉芯の半径方向では、中心部に比べて外周部の方が送風ガスの浮力と壁からの力を受けるのでより浮上し易い。 上記図３のように、炉芯の中心部が炉底に着き、周辺部が浮いて隙間がある状態になったときは上述したように、この隙間を通って出銑口へ向かう環状流によってコーナー部の熱負荷が大きくなる。

【００１５】本発明では、炉床コーナー部の耐火物温度に上昇傾向がみられた場合に、溶銑レベルを高く保って溶銑の浮力を増加させることによって炉芯下端の位置を上昇せしめて、炉床コーナー部への溶銑流の集中を緩和して熱負荷を小さくし、当該部位の耐火物が集中的に侵食されることを防ごうとするものである。

【００１６】本発明は、その手段として、通常の出銑口のほかに上部出銑滓口を少なくとも１本備えた高炉を用いて、下部出銑口から銑滓が出尽くすまで出銑滓を行わず、下部出銑口より高いレベルに溶銑を溜めた状態を継続しようとするものであり、その場合、溶銑より軽く溶銑の上に溜まる溶融スラグを下の出銑口から排出できなくなるため、スラグは上部出銑滓口から排出する。 上部出銑滓口はスラグの排出を目的とするため必要数は最低１本であるが、下の出銑口の使用位置に合わせて上部出銑滓口の位置も変えて出銑滓の作業性を改善することも考慮するならば２本以上備えることも可能である。

【００１７】本発明の操業を実施する場合、溶銑レベルは下の出銑口と上部出銑滓口の間にあることになり、炉芯を十分浮かせて溶銑流を変化させる効果を得るためには上部出銑滓口の位置は下の出銑口より１ｍ以上上部にあることが必要である。 一方、上部出銑滓口は下の出銑口と羽口の間に位置することになるが、上部出銑口があまり高い位置にあると羽口との間隔が狭まり、溶融スラグのレベルが羽口に迫ることになり、操業上危険である。 上部出銑滓口の設置に合わせて羽口レベルを上方に移動することも、下の出銑口と羽口の距離が大きくなって炉下部の熱の確保が困難になるなど操業が難しくなり、また高炉の高さがより必要となって設備コストが増大して好ましくない。 この観点から上部出銑滓口の位置は下の出銑口の上部２ｍが上限である。

【００１８】次に、本発明を実施または終了する判断基準を述べる。 図３のように炉芯の中心部が炉底に着き、
周辺部が浮いて隙間ができ、この隙間を通って出銑口へ向かう環状流が生成すると、ここを流れる溶銑流量が増加し炉芯内部を流れる溶銑流量が減少するため、出銑口レベルより下部の炉床側壁部の温度が上昇し、炉芯の中央部の下に位置する炉底中央部の温度が低下する。 したがって出銑口レベルより下部の炉床側壁部に設けた温度センサが示す温度が上昇傾向を示し、炉底中央部に設けた温度が下降傾向を示した場合に環状流が生成したと判断して本発明の操業を実施する。

【００１９】逆に本発明の操業を終了して下部の出銑口からのみ出銑滓を行う操業に戻すのは、本発明の操業を実施中に出銑口レベルより下部の炉床側壁部に設けた温度センサが示す温度が下降傾向に転じ、炉底中央部に設けた温度の下降が停止または上昇傾向に転じた場合、本発明の操業の効果により炉芯下端の位置が上昇して環状流が解消したと判断する。

【００２０】

【実施例】図４は本発明の請求項１に記載されたごとき同一高さ位置の４本下部出銑口の他に、これらの出銑口より１．５ｍ高いレベルに２本の上部出銑滓口を有する炉底構造を持つ高炉を示す。 ２本の上部出銑滓口は対角の位置に設置されている。 すなわちこの高炉において、
４本の下部出銑口９〜１２は火入れ時の炉底面上３ｍの高さに、２本の上部出銑滓口１３、１４は火入れ時の炉底面上４．５ｍの高さにある。

【００２１】また、水平方向の位置関係は、１号出銑口９を基準として２号出銑口１０、３号出銑口１１、４号下部出銑口１２はそれぞれ８０°、１８０°、２６０°
の位置に存在し、２本の上部出銑滓口は１３０°、３１
０°の位置にある。 なお、この高炉の内容積は４１００
ｍ ³である。 この高炉の炉床側壁耐火物内には、温度センサ１５が埋め込まれている。 埋め込み位置は、高さ方向に０．８ｍの間隔で、各高さ周方向に１５ないし２０
点ずつ設置されている。 埋め込み深さは外側鉄皮より０．１ｍ内部、一部箇所では０．１ｍおよび０．２ｍ内部の両方に設置されている。

【００２２】以下に述べる操業の状況を図５に示す。 この高炉において、通常の下部出銑口９〜１２を切り換えて使用する操業を行っていたところ、初期の炉底面より０．２ｍ上方に相当する炉床側壁部の耐火物温度が周方向の各位置で上昇傾向を示した。 鉄皮より０．１ｍ内部に埋め込んである温度センサの指示する温度θ ₁が平均１℃／日上昇する傾向が１週間継続した。 同時に、炉底中心の底盤内の温度は同時に平均０．３℃／日下降した。 そこでこの原因は炉内周辺部の炉芯が炉底より浮上し、一方中心部では炉芯が炉底に着床して、炉底コーナー部の環状領域に該当する部位に溶銑の流れが集中したことにあるものと判断し、本発明の方法を適用した。

【００２３】 すなわち、まず出銑口の開孔を計画より３０分遅らせて約２００ｔの溶銑を炉内に蓄積した、
続いて上部の出銑滓口１３、下部の出銑口９を相次いで開孔し、１３からの出滓と９からの出銑を並行して行った。 上部１３からの出滓が止まった後間もなく下部出銑口９を強制的に閉塞した。 この後同様にして上部の出銑滓口１３、１４と下部の出銑口９〜１２を並行して使用した。 すなわち、上部の出銑滓口、下部の出銑口を相次いで開孔し、上部の出銑滓口からは主にスラグを、下部の出銑口からは主に溶銑を排出した。 上部からスラグの流出が停止したところで下部の出銑口を強制的に閉塞した。 出銑口、出滓口の使用状況を図７に示す。

【００２４】この変更の結果、上昇傾向を示していた部位の側壁部耐火物温度θ ₁は４日後に上昇傾向が停止し、６日後より下降傾向に転じた。 これは溶銑レベルを高い位置にキープして溶銑の浮力が大きい状態を保つことによって炉芯を浮上させ、コークフリーゾーンを炉底コーナー部の環状領域から炉底全域に拡大させることにより、炉底コーナー部の環状領域に溶銑の流れが集中しなくなった効果があったものと推定される。 炉床側壁温度の下降傾向の継続を確認して最初のアクションから９
日後に出銑滓方法を元に戻した（）。 これによる側壁温度の再上昇は見られなかった。

【００２５】一方、本発明に示す構造の高炉を用いず、
同一高さ位置に４本の出銑口を持ち、異なる高さ位置に出滓口を持たない高炉を用いて従来法で操業した比較例を図６に示す。 出銑口は適宜切り換えて操業を行っていたが、ある時初期の炉底面より約０．５ｍ上方に相当する炉床側壁部の耐火物温度が周方向の各位置で上昇傾向を示した。 鉄皮より０．１ｍ内部に埋め込んである温度センサの指示する温度θ ₁が平均１℃／日上昇する傾向が１週間継続した。

【００２６】そこで羽口からＴｉを含む鉄鉱石を１０ｋ
ｇ／ｔ−ｐｉｇ吹き込み、チタンベアを生成させて炉床側壁部の耐火物を保護することを試みた（）。 このＴ
ｉ吹き込みを開始してからθ ₁の上昇傾向が収まるまでに２０日を要し（）、溶銑の品質確保のためこの時点でＴｉ投入量を６ｋｇ／ｔ−ｐｉｇに減じ、さらに温度θ ₁の下降傾向が１５日間継続したところでＴｉ投入を打ち切り（）、θ ₁がほぼ元の温度レベルまで低下するのにはＴｉ投入開始から数えて６０日を要した。

【００２７】

【発明の効果】本発明によれば、高炉炉床コーナー部の耐火物温度が上昇傾向を示した場合に、出銑方法を変えて溶銑レベルを高く保つことによって炉内の貯銑量を増加させ、この結果として溶銑の浮力の増加により炉芯下端の位置を上昇させ、炉床コーナー部への溶銑流の集中を防いで当該位置の耐火物の侵食を防止することができる。 この方法は、従来の種々の方法に比べてより直接的に溶銑流を抑制することができるため効果が早く現れる。 したがって、従来法では耐火物の温度上昇を検知して対策を開始してから効果が出るまでに長期間を要し、
この間に耐火物の侵食が進んでしまうことがあるが、これを防ぐことができる。 これにより高炉の寿命を延ばし、設備コストを削減することができる。

【００２８】加えて、従来法で耐火物の保護を試みる場合、冷却制御では熱損失が増えて燃料比が増加する、Ｔ
ｉ吹き込みでは溶銑の成分が変化して溶銑品質が低下する、装入物や送風の制御では生産性が低下するなど、制御の副作用として負の影響を現れることがあるが、本発明の方法では原燃料側の操業条件を特に変える必要がなく、コスト増や品質・生産性の低下を伴わない。 したがって本発明は、高炉の生産性と溶銑品質・安定操業を確保しつつ設備コストを低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】高炉炉床部模式図（炉芯が沈下している場合）

【図２】高炉炉床部模式図（炉芯全体が浮上している場合）

【図３】高炉炉床部模式図（炉芯の周辺部のみが浮上している場合）

【図４】本発明の高炉炉底構造を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図

【図５】本発明を用いた操業の一例を示す図

【図６】従来法による操業の一例を示す図

【図７】本発明を用いた操業例（出銑口、出滓口の使用状態）を示す図

【符号の説明】

１ 高炉炉体（耐火物） ２ 出銑口 ３ 送風羽口 ４ レースウェイ ５ 炉芯 ６ 溶銑レベル ７ スラグレベル ８ 高炉炉内 ９ １号出銑口 １０ ２号出銑口 １１ ３号出銑口 １２ ４号出銑口 １３ 出銑滓口 １４ 出銑滓口 １５ 温度センサ