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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024166552
(43)【公開日】2024-11-29
(54)【発明の名称】高炉冷却装置
(51)【国際特許分類】
C21B 7/10 20060101AFI20241122BHJP
F27D 1/12 20060101ALI20241122BHJP
F27B 1/24 20060101ALI20241122BHJP
F27D 9/00 20060101ALI20241122BHJP
【ＦＩ】
C21B7/10 301
C21B7/10 304
F27D1/12 A
F27B1/24
F27D9/00
【審査請求】未請求
【請求項の数】5
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023082724
(22)【出願日】2023-05-19
(71)【出願人】
【識別番号】000006655
【氏名又は名称】日本製鉄株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000637
【氏名又は名称】弁理士法人樹之下知的財産事務所
(72)【発明者】
【氏名】梶原 夕聖
(72)【発明者】
【氏名】古舘 昭二
(72)【発明者】
【氏名】古谷 俊治
(72)【発明者】
【氏名】国重 直樹
【テーマコード（参考）】
4K015
4K045
4K051
4K063
【Ｆターム（参考）】
4K015CA04
4K015CA09
4K045AA02
4K045BA02
4K045DA09
4K045MA02
4K051AA01
4K051AB03
4K051HA01
4K051HA08
4K063AA02
4K063BA02
4K063CA04
4K063EA02
(57)【要約】
【課題】高さ別に複数段のステーブ群を設置しつつ設備の簡素化が図れる高炉冷却装置を提供する。
【解決手段】高炉冷却装置１は、高炉２の内側に張られた複数のステーブ４と、ステーブ４に冷却水を循環させる循環装置３０を有し、ステーブ４は、所定の高さ範囲に設置された上段ステーブ１０と、上段ステーブ１０よりも低い範囲に設置された下段ステーブ２０と、を有し、上段ステーブ１０および下段ステーブ２０は、冷却水路１１，２１、給水口１２，２２、排水口１３，２３を有し、循環装置３０は、上段ステーブ１０より高い位置に設置されたヘッドタンク３１と、ヘッドタンク３１から下段ステーブ２０の給水口２２に至る下降配管３２と、下段ステーブ２０の排水口２３から上段ステーブ１０の給水口１２に至る中間配管３３と、上段ステーブ１０の排水口１３からヘッドタンク３１に至る回収配管３４と、中間配管３３の途中に設置されたポンプ３５と、を有する。
【選択図】図１
【解決手段】高炉冷却装置１は、高炉２の内側に張られた複数のステーブ４と、ステーブ４に冷却水を循環させる循環装置３０を有し、ステーブ４は、所定の高さ範囲に設置された上段ステーブ１０と、上段ステーブ１０よりも低い範囲に設置された下段ステーブ２０と、を有し、上段ステーブ１０および下段ステーブ２０は、冷却水路１１，２１、給水口１２，２２、排水口１３，２３を有し、循環装置３０は、上段ステーブ１０より高い位置に設置されたヘッドタンク３１と、ヘッドタンク３１から下段ステーブ２０の給水口２２に至る下降配管３２と、下段ステーブ２０の排水口２３から上段ステーブ１０の給水口１２に至る中間配管３３と、上段ステーブ１０の排水口１３からヘッドタンク３１に至る回収配管３４と、中間配管３３の途中に設置されたポンプ３５と、を有する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
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、所定の高さ範囲に設置された上段ステーブと、前記上段ステーブよりも低い範囲に設置された下段ステーブと、を有し、
前記上段ステーブおよび前記下段ステーブは、それぞれ給水口、排水口、および前記給水口から前記排水口に至る冷却水路を有し、
前記循環装置は、
前記上段ステーブより高い位置に設置されたヘッドタンクと、
前記ヘッドタンクから前記下段ステーブの前記給水口に至る下降配管と、
前記下段ステーブの前記排水口から前記上段ステーブの前記給水口に至る中間配管と、
前記上段ステーブの前記排水口から前記ヘッドタンクに至る回収配管と、
前記中間配管の途中に設置されたポンプと、を有する高炉冷却装置。
前記ステーブは、所定の高さ範囲に設置された上段ステーブと、前記上段ステーブよりも低い範囲に設置された下段ステーブと、を有し、
前記上段ステーブおよび前記下段ステーブは、それぞれ給水口、排水口、および前記給水口から前記排水口に至る冷却水路を有し、
前記循環装置は、
前記上段ステーブより高い位置に設置されたヘッドタンクと、
前記ヘッドタンクから前記下段ステーブの前記給水口に至る下降配管と、
前記下段ステーブの前記排水口から前記上段ステーブの前記給水口に至る中間配管と、
前記上段ステーブの前記排水口から前記ヘッドタンクに至る回収配管と、
前記中間配管の途中に設置されたポンプと、を有する高炉冷却装置。
【請求項2】
前記中間配管は、両端が前記下段ステーブの前記排水口および前記上段ステーブの前記給水口に接続されるとともに、前記ポンプが設置された中間部が下方に引き回され、前記中間部の前記下段ステーブとの間の立下り開始点における前記ヘッドタンクのヘッド圧が、前記下降配管の圧力損失、前記下段ステーブの前記冷却水路の圧力損失、および前記中間配管の前記下段ステーブから前記立下り開始点までの圧力損失の合計より大きい、請求項１に記載した高炉冷却装置。
【請求項3】
前記ポンプの入口側に熱交換器を備える、請求項１または請求項２に記載した高炉冷却装置。
【請求項4】
前記下段ステーブおよび前記上段ステーブは、それぞれ銅ステーブである、請求項１または請求項２に記載した高炉冷却装置。
【請求項5】
前記回収配管の前記上段ステーブの前記排水口に接続される端部および前記中間配管の前記下段ステーブの前記排水口に接続される端部の少なくともいずれかにフロートスイッチを有する、請求項１または請求項２に記載した高炉冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は高炉冷却装置に関する。
【背景技術】
【0002】
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、耐火物層の内側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。
【0003】
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。
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。
【0004】
既存の高炉冷却装置においては、炉内への漏水防止を目的として、冷却水路における冷却水の圧力を炉内圧力よりも低くすることが行われていた。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。
とくに、近年、操業条件の変化による高熱負荷に対応するため、シャフト部に銅ステーブが採用されている。銅ステーブを採用して奪熱量が増加した際には、冷却水路での蒸気発生を抑制するため、冷却水の流速が高く設定され、これに伴ってステーブ内の冷却水路における圧力損失が増加し、シャフト下部で冷却水路の圧力が炉内圧力より高くなる状況が生じている。
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。
とくに、近年、操業条件の変化による高熱負荷に対応するため、シャフト部に銅ステーブが採用されている。銅ステーブを採用して奪熱量が増加した際には、冷却水路での蒸気発生を抑制するため、冷却水の流速が高く設定され、これに伴ってステーブ内の冷却水路における圧力損失が増加し、シャフト下部で冷却水路の圧力が炉内圧力より高くなる状況が生じている。
【0005】
このような状況に対し、本願出願人により、高炉の内側に張られた複数のステーブと、各ステーブに冷却水を循環させる循環装置を有し、各ステーブは高さ別に複数段（例えば上下２段）のステーブ群に区分され、循環装置としてステーブ群に対応した複数系統が設置されている高炉冷却装置が開発されている（特許文献１参照）。
特許文献１の高炉冷却装置では、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。
特許文献１の高炉冷却装置では、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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開２０２１－０８５０７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
前述した特許文献１の高炉冷却装置では、ステーブ内の冷却水圧を炉内圧より下げるために、例えばシャフト部を高さ別に複数段に分割し、分割されたステーブ群のそれぞれにポンプおよびタンク等の循環装置を設けることで、冷却水の圧力を抑制しつつ十分な冷却能力を得ている。
ところが、複数のステーブ群ごとに多数のポンプおよびタンクを増設することは設備の複雑化およびコスト増という問題があるとともに、高炉の周辺には機器や配管類が多数設置されており、追加で複数のポンプおよびタンクを増設することは難しいという問題があった。
ところが、複数のステーブ群ごとに多数のポンプおよびタンクを増設することは設備の複雑化およびコスト増という問題があるとともに、高炉の周辺には機器や配管類が多数設置されており、追加で複数のポンプおよびタンクを増設することは難しいという問題があった。
【0008】
本発明の目的は、高さ別に複数段のステーブ群を設置しつつ設備の簡素化が図れる高炉冷却装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0009】
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、所定の高さ範囲に設置された上段ステーブと、前記上段ステーブよりも低い範囲に設置された下段ステーブと、を有し、前記上段ステーブおよび前記下段ステーブは、それぞれ給水口、排水口、および前記給水口から前記排水口に至る冷却水路を有し、前記循環装置は、前記上段ステーブより高い位置に設置されたヘッドタンクと、前記ヘッドタンクから前記下段ステーブの前記給水口に至る下降配管と、前記下段ステーブの前記排水口から前記上段ステーブの前記給水口に至る中間配管と、前記上段ステーブの前記排水口から前記ヘッドタンクに至る回収配管と、前記中間配管の途中に設置されたポンプと、を有する。
【0010】
このような本発明では、循環装置により高さが異なる上段ステーブおよび下段ステーブの冷却水路が直列に接続され、冷却水はヘッドタンクから下降配管を経て下段ステーブへ送られ、下段ステーブから中間配管を経て上段ステーブに送られ、上段ステーブから回収配管を経てヘッドタンクに戻される。
循環装置において、上段ステーブの冷却水路における圧力損失は、中間配管に設置されたポンプによって負担される。下段ステーブの冷却水路における圧力損失は、ヘッドタンクから下段ステーブまでのヘッド圧、つまり上段ステーブの設置高さ範囲に相当するヘッド圧によって負担される。従って、１系統分のポンプだけで、上段ステーブおよび下段ステーブへの冷却水の循環を確保できる。
循環装置において、ポンプは中間配管に設置され、下降配管からの高いヘッド圧がかかる下段ステーブにポンプによる昇圧が及ぶことはなく、下段ステーブおよび上段ステーブのいずれにおいても冷却水の圧力が炉内圧を超えるような状況は回避できる。
従って、本発明では、高さが異なる上段ステーブおよび下段ステーブに区分しつつ、ポンプは１系統分だけでよく、設備の簡素化ができる。また、上段ステーブおよび下段ステーブの冷却水路が直列に接続されることから、上段ステーブおよび下段ステーブに区分する前の既存の配管をそのまま利用できる。
なお、本発明において、上段ステーブおよび下段ステーブは、それぞれ高さ方向に一段分のステーブであってもよく、高さ方向に複数段のステーブを含むステーブ群であってもよい。上段ステーブあるいは下段ステーブを複数段のステーブとする際には、各ステーブの内部の冷却水路を順次直列に接続すればよい。
循環装置において、上段ステーブの冷却水路における圧力損失は、中間配管に設置されたポンプによって負担される。下段ステーブの冷却水路における圧力損失は、ヘッドタンクから下段ステーブまでのヘッド圧、つまり上段ステーブの設置高さ範囲に相当するヘッド圧によって負担される。従って、１系統分のポンプだけで、上段ステーブおよび下段ステーブへの冷却水の循環を確保できる。
循環装置において、ポンプは中間配管に設置され、下降配管からの高いヘッド圧がかかる下段ステーブにポンプによる昇圧が及ぶことはなく、下段ステーブおよび上段ステーブのいずれにおいても冷却水の圧力が炉内圧を超えるような状況は回避できる。
従って、本発明では、高さが異なる上段ステーブおよび下段ステーブに区分しつつ、ポンプは１系統分だけでよく、設備の簡素化ができる。また、上段ステーブおよび下段ステーブの冷却水路が直列に接続されることから、上段ステーブおよび下段ステーブに区分する前の既存の配管をそのまま利用できる。
なお、本発明において、上段ステーブおよび下段ステーブは、それぞれ高さ方向に一段分のステーブであってもよく、高さ方向に複数段のステーブを含むステーブ群であってもよい。上段ステーブあるいは下段ステーブを複数段のステーブとする際には、各ステーブの内部の冷却水路を順次直列に接続すればよい。
【0011】
本発明の高炉冷却装置において、前記中間配管は、両端が前記下段ステーブの前記排水口および前記上段ステーブの前記給水口に接続されるとともに、前記ポンプが設置された中間部が下方に引き回され、前記中間部の前記下段ステーブとの間の立下り開始点における前記ヘッドタンクのヘッド圧が、前記下降配管の圧力損失、前記下段ステーブの前記冷却水路の圧力損失、および前記中間配管の前記下段ステーブから前記立下り開始点までの圧力損失の合計より大きいことが好ましい。
このような本発明では、ヘッドタンクのヘッド圧によって、下降配管、下段ステーブの冷却水路および中間配管における圧力損失に抗して冷却水を各々に通すことができ、他のポンプを用いずに下段ステーブを通過した冷却水を中間配管のポンプまで送ることができる。ポンプまで送られた冷却水は、ポンプにより中間配管から上段ステーブへと送ることができる。
このような本発明では、ヘッドタンクのヘッド圧によって、下降配管、下段ステーブの冷却水路および中間配管における圧力損失に抗して冷却水を各々に通すことができ、他のポンプを用いずに下段ステーブを通過した冷却水を中間配管のポンプまで送ることができる。ポンプまで送られた冷却水は、ポンプにより中間配管から上段ステーブへと送ることができる。
【0012】
本発明の高炉冷却装置において、前記ポンプの入口側に熱交換器を備えることが好ましい。
このような本発明では、熱交換器がポンプの入口側にある既存の一般的構成に準じた配置とすることができ、既存の高炉冷却装置を利用して本発明を実施することが容易であるほか、新たに本発明の高炉冷却装置を設計する場合でも既存の設計を利用できる。
このような本発明では、熱交換器がポンプの入口側にある既存の一般的構成に準じた配置とすることができ、既存の高炉冷却装置を利用して本発明を実施することが容易であるほか、新たに本発明の高炉冷却装置を設計する場合でも既存の設計を利用できる。
【0013】
本発明の高炉冷却装置において、前記下段ステーブおよび前記上段ステーブは、それぞれ銅ステーブであることが好ましい。
このような本発明では、銅ステーブを利用して奪熱量を増加させるべく流速を高めた場合でも、冷却水の圧力が炉内圧を超えるような状況を回避できる。
このような本発明では、銅ステーブを利用して奪熱量を増加させるべく流速を高めた場合でも、冷却水の圧力が炉内圧を超えるような状況を回避できる。
【0014】
本発明の高炉冷却装置において、前記回収配管の前記上段ステーブの前記排水口に接続される端部および前記中間配管の前記下段ステーブの前記排水口に接続される端部の少なくともいずれかにフロートスイッチを有することが好ましい。
このような本発明では、冷却水圧を炉内圧よりも低くできるため、下段ステーブあるいは上段ステーブの冷却水路が破損した際には、炉内ガスが各々の冷却水路に侵入する。冷却水路から排出される冷却水に混入した炉内ガスはフロートスイッチにより検知でき、ステーブの破損を簡単な構成で適切に検知できる。
このような本発明では、冷却水圧を炉内圧よりも低くできるため、下段ステーブあるいは上段ステーブの冷却水路が破損した際には、炉内ガスが各々の冷却水路に侵入する。冷却水路から排出される冷却水に混入した炉内ガスはフロートスイッチにより検知でき、ステーブの破損を簡単な構成で適切に検知できる。
【発明の効果】
【0015】
本発明によれば、高さ別に複数段のステーブ群を設置しつつ設備の簡素化が図れる高炉冷却装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【発明を実施するための形態】
【0017】
図１には、本発明の一実施形態の高炉冷却装置１が示されている。
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は、それぞれ銅製の板材の内部に冷却水路が形成された銅ステーブである。ステーブ４の一部の炉内側には、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のうち、所定の高さ範囲に設置された複数のステーブ４Ｕにより上段ステーブ１０が構成され、上段ステーブ１０よりも低い範囲に設置された複数のステーブ４Ｌにより下段ステーブ２０が構成されている。
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は、それぞれ銅製の板材の内部に冷却水路が形成された銅ステーブである。ステーブ４の一部の炉内側には、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のうち、所定の高さ範囲に設置された複数のステーブ４Ｕにより上段ステーブ１０が構成され、上段ステーブ１０よりも低い範囲に設置された複数のステーブ４Ｌにより下段ステーブ２０が構成されている。
【0018】
上段ステーブ１０において、複数のステーブ４Ｕは隣接するものどうしの冷却水路４１が連結管４２で連結されている。これにより、上段ステーブ１０の最下段のステーブ４Ｕの給水口１２から最上段のステーブ４Ｕの排水口１３に至る一連の冷却水路１１が形成されている。
下段ステーブ２０において、複数のステーブ４Ｌは隣接するものどうしの冷却水路４１が連結管４２で連結されている。これにより、下段ステーブ２０の最下段のステーブ４Ｌの給水口２２から最上段のステーブ４Ｌの排水口２３に至る一連の冷却水路１１が形成されている。
下段ステーブ２０において、複数のステーブ４Ｌは隣接するものどうしの冷却水路４１が連結管４２で連結されている。これにより、下段ステーブ２０の最下段のステーブ４Ｌの給水口２２から最上段のステーブ４Ｌの排水口２３に至る一連の冷却水路１１が形成されている。
【0019】
高炉冷却装置１は、前述した上段ステーブ１０および下段ステーブ２０を含むとともに、各々に冷却水を循環させる循環装置３０を備えている。
循環装置３０は、上段ステーブ１０より高い位置に設置されたヘッドタンク３１と、ヘッドタンク３１から下段ステーブ２０の給水口２２に至る下降配管３２と、下段ステーブ２０の排水口２３から上段ステーブ１０の給水口１２に至る中間配管３３と、上段ステーブ１０の排水口１３からヘッドタンク３１に至る回収配管３４と、を備えている。
さらに、循環装置３０は、中間配管３３の途中に設置されたポンプ３５と、ポンプ３５の入口側に設置された熱交換器３６と、を備えている。
循環装置３０は、上段ステーブ１０より高い位置に設置されたヘッドタンク３１と、ヘッドタンク３１から下段ステーブ２０の給水口２２に至る下降配管３２と、下段ステーブ２０の排水口２３から上段ステーブ１０の給水口１２に至る中間配管３３と、上段ステーブ１０の排水口１３からヘッドタンク３１に至る回収配管３４と、を備えている。
さらに、循環装置３０は、中間配管３３の途中に設置されたポンプ３５と、ポンプ３５の入口側に設置された熱交換器３６と、を備えている。
【0020】
中間配管３３は、両端が下段ステーブ２０の排水口２３および上段ステーブ１０の給水口１２に接続されるとともに、ポンプ３５および熱交換器３６が設置された中間部３３１が下方へ引き回され、高炉２の炉底高さに配置されている。
中間配管３３は、一方の端部が下段ステーブ２０の排水口２３から略水平に引き出されるとともに、立下り開始点３３２で下向きに切り替えられて中間部３３１に至るものとされている。
中間配管３３は、一方の端部が下段ステーブ２０の排水口２３から略水平に引き出されるとともに、立下り開始点３３２で下向きに切り替えられて中間部３３１に至るものとされている。
【0021】
中間配管３３には、下段ステーブ２０の排水口２３に接続される端部にフロートスイッチ３７が設置されている。
回収配管３４には、上段ステーブ１０の排水口１３に接続される端部にフロートスイッチ３８が設置されている。
回収配管３４には、上段ステーブ１０の排水口１３に接続される端部にフロートスイッチ３８が設置されている。
【0022】
高炉冷却装置１においては、上段ステーブ１０、下段ステーブ２０、および循環装置３０の構築にあたって、中間部３３１の下段ステーブ２０との間の立下り開始点３３２におけるヘッドタンク３１のヘッド圧Ｈｔが、下降配管３２の圧力損失ＰＬ１、下段ステーブ２０の冷却水路２１の圧力損失ＰＬ２、および中間配管３３の下段ステーブ２０から立下り開始点３３２までの圧力損失ＰＬ３の合計より大きく設定されている。
すなわち、下降配管３２のヘッドタンク３１から給水口２２までの圧力損失ＰＬ１、下段ステーブ２０の冷却水路２１の給水口２２から排水口２３までの圧力損失ＰＬ２、中間配管３３の排水口２３から立下り開始点３３２までの圧力損失ＰＬ３としたとき、立下り開始点３３２におけるヘッドタンク３１のヘッド圧ＨｔはＨｔ＞ＰＬ１＋ＰＬ２＋ＰＬ３とされている。
下降配管３２、冷却水路２１、および中間配管３３において、圧力損失ＰＬ１～ＰＬ３は各々の管路内径および管路長により調整できる。また、ヘッド圧Ｈｔは、ヘッドタンク３１の高さおよび立下り開始点３３２の位置により調整できる。
すなわち、下降配管３２のヘッドタンク３１から給水口２２までの圧力損失ＰＬ１、下段ステーブ２０の冷却水路２１の給水口２２から排水口２３までの圧力損失ＰＬ２、中間配管３３の排水口２３から立下り開始点３３２までの圧力損失ＰＬ３としたとき、立下り開始点３３２におけるヘッドタンク３１のヘッド圧ＨｔはＨｔ＞ＰＬ１＋ＰＬ２＋ＰＬ３とされている。
下降配管３２、冷却水路２１、および中間配管３３において、圧力損失ＰＬ１～ＰＬ３は各々の管路内径および管路長により調整できる。また、ヘッド圧Ｈｔは、ヘッドタンク３１の高さおよび立下り開始点３３２の位置により調整できる。
【0023】
図２に、循環装置３０を循環する冷却水の圧力変化を示す。
図２の下段は、高炉冷却装置１の冷却水の循環経路を展開表示したものであり、右側半分は炉頂を右側にした高炉２を示し、左側半分は炉頂を左側にした高炉２を示す。各側の高炉２において、右側では下段ステーブ２０の冷却水路２１が循環経路に組み込まれ、左側では上段ステーブ１０の冷却水路１１が循環経路に組み込まれている。
図２の下段は、高炉冷却装置１の冷却水の循環経路を展開表示したものであり、右側半分は炉頂を右側にした高炉２を示し、左側半分は炉頂を左側にした高炉２を示す。各側の高炉２において、右側では下段ステーブ２０の冷却水路２１が循環経路に組み込まれ、左側では上段ステーブ１０の冷却水路１１が循環経路に組み込まれている。
【0024】
冷却水は、図２下段右端のヘッドタンク３１から下降配管３２を下降（図中左向き）し、冷却水路２１を上昇（図中右向き）し、中間配管３３の冷却水路２１側に入って略水平に流れ、立下り開始点３３２から中間部３３１を下降（図中左向き）し、熱交換器３６を経てポンプ３５に導入される。
ポンプ３５に導入された冷却水は、ポンプ３５で昇圧され、中間配管３３から冷却水路１１を経て回収配管３４を上昇（図中左向き）し、図２下段左端のヘッドタンク３１に戻される。
ポンプ３５に導入された冷却水は、ポンプ３５で昇圧され、中間配管３３から冷却水路１１を経て回収配管３４を上昇（図中左向き）し、図２下段左端のヘッドタンク３１に戻される。
【0025】
図２の上段は、循環装置３０を循環する冷却水の圧力変化を示すグラフである。
図２上段のグラフの横軸は図２下段に示す高炉２の高さであり、右側の高炉２の炉頂から炉底へと下がり、左側の高炉２の炉底から炉頂へと上がる。
冷却水の循環経路において、冷却水が停止していれば、各部での圧力はヘッドタンク３１の水位を基準として高さに応じたヘッド圧を示す。図２上段では、両端でヘッド圧が０であり、中央のポンプ３５の位置ではヘッド圧Ｈｂ（図１参照）となり、その途中の各部では高さに応じて変化する直線ＬＨとなる。立下り開始点３３２ではヘッド圧Ｈｔとなる（図１参照）。
図２上段のグラフの横軸は図２下段に示す高炉２の高さであり、右側の高炉２の炉頂から炉底へと下がり、左側の高炉２の炉底から炉頂へと上がる。
冷却水の循環経路において、冷却水が停止していれば、各部での圧力はヘッドタンク３１の水位を基準として高さに応じたヘッド圧を示す。図２上段では、両端でヘッド圧が０であり、中央のポンプ３５の位置ではヘッド圧Ｈｂ（図１参照）となり、その途中の各部では高さに応じて変化する直線ＬＨとなる。立下り開始点３３２ではヘッド圧Ｈｔとなる（図１参照）。
【0026】
循環装置３０で冷却水の循環があると、各部には流抵抗による圧力損失が生じる。
図２右端のヘッドタンク３１から下降配管３２を下降する冷却水は、ヘッドタンク３１では圧力０であり、下降に伴って圧力が上昇する。下降配管３２では圧力損失ＰＬ１が生じるため、下降配管３２における圧力変化を示す直線Ｌ１は、ヘッド圧を示す直線ＬＨよりも低く推移し、冷却水路２１に導入される段階での圧力Ｐ１となる。
冷却水路２１に導入された冷却水は、上昇に伴って圧力が低下するとともに、冷却水路２１の圧力損失ＰＬ２による圧力低下も生じ、冷却水路２１における圧力変化は直線Ｌ２となり、冷却水路２１を出る段階での圧力Ｐ２となる。
図２右端のヘッドタンク３１から下降配管３２を下降する冷却水は、ヘッドタンク３１では圧力０であり、下降に伴って圧力が上昇する。下降配管３２では圧力損失ＰＬ１が生じるため、下降配管３２における圧力変化を示す直線Ｌ１は、ヘッド圧を示す直線ＬＨよりも低く推移し、冷却水路２１に導入される段階での圧力Ｐ１となる。
冷却水路２１に導入された冷却水は、上昇に伴って圧力が低下するとともに、冷却水路２１の圧力損失ＰＬ２による圧力低下も生じ、冷却水路２１における圧力変化は直線Ｌ２となり、冷却水路２１を出る段階での圧力Ｐ２となる。
【0027】
冷却水路２１を出た冷却水は、中間配管３３の冷却水路２１側に入って立下り開始点３３２まで略水平に流れる。この部分では、高さによる圧力変化はないが、中間配管３３の排水口２３から立下り開始点３３２までの圧力損失ＰＬ３による圧力低下が生じる。このため、中間配管３３の排水口２３から立下り開始点３３２までの部分での圧力変化は直線Ｌ３となり、立下り開始点３３２での圧力Ｐ３となる。
冷却水は、立下り開始点３３２から中間部３３１を下降し、下降に伴って圧力が上昇し、立下り開始点３３２から熱交換器３６を経てポンプ３５に至る部分での圧力変化は直線Ｌ４となり、ポンプ３５に導入される段階での圧力Ｐ４となる。
冷却水は、立下り開始点３３２から中間部３３１を下降し、下降に伴って圧力が上昇し、立下り開始点３３２から熱交換器３６を経てポンプ３５に至る部分での圧力変化は直線Ｌ４となり、ポンプ３５に導入される段階での圧力Ｐ４となる。
【0028】
ここで、下段ステーブ２０への冷却水の循環では、下降配管３２から冷却水路２１を経て中間配管３３の立下り開始点３３２までの圧力損失ＰＬ１，ＰＬ２，ＰＬ３の和よりも、立下り開始点３３２におけるヘッドタンク３１によるヘッド圧Ｈｔを大きくすること（Ｈｔ＞ＰＬ１＋ＰＬ２＋ＰＬ３）で、立下り開始点３３２における圧力Ｐ３を正圧に保つことができる。これにより、図２上段右側の一連の直線Ｌ１～Ｌ４は全範囲で０以上となり、ポンプによる昇圧なしに冷却水を循環させることができる。
また、ヘッド圧を利用してポンプによる昇圧なしに冷却水を循環させるので、一連の直線Ｌ１～Ｌ４は全範囲でヘッド圧（直線ＬＨ）を超えることがない。このため、ヘッドタンク３１によるヘッド圧が炉内圧力（図２の直線ＬＦ参照）を超えない設定であれば、下段ステーブ２０の冷却水路２１の冷却水圧は、常に炉内圧力より低くなる。
なお、例えば図２の折れ線Ｌ５のように、立下り開始点３３２における圧力Ｐ３が負圧になる場合、つまりヘッド圧Ｈｔと圧力損失ＰＬ１，ＰＬ２，ＰＬ３に関してＨｔ＞ＰＬ１＋ＰＬ２＋ＰＬ３とならない場合、下降配管３２、冷却水路２１、および中間配管３３の管路内径および管路長により各々の圧力損失ＰＬ１，ＰＬ２，ＰＬ３を調整し、あるいは、ヘッドタンク３１の高さおよび立下り開始点３３２の位置によりヘッド圧Ｈｔを調整できる。
また、ヘッド圧を利用してポンプによる昇圧なしに冷却水を循環させるので、一連の直線Ｌ１～Ｌ４は全範囲でヘッド圧（直線ＬＨ）を超えることがない。このため、ヘッドタンク３１によるヘッド圧が炉内圧力（図２の直線ＬＦ参照）を超えない設定であれば、下段ステーブ２０の冷却水路２１の冷却水圧は、常に炉内圧力より低くなる。
なお、例えば図２の折れ線Ｌ５のように、立下り開始点３３２における圧力Ｐ３が負圧になる場合、つまりヘッド圧Ｈｔと圧力損失ＰＬ１，ＰＬ２，ＰＬ３に関してＨｔ＞ＰＬ１＋ＰＬ２＋ＰＬ３とならない場合、下降配管３２、冷却水路２１、および中間配管３３の管路内径および管路長により各々の圧力損失ＰＬ１，ＰＬ２，ＰＬ３を調整し、あるいは、ヘッドタンク３１の高さおよび立下り開始点３３２の位置によりヘッド圧Ｈｔを調整できる。
【0029】
図２左側において、ポンプ３５に導入された冷却水は、ポンプ３５で昇圧されて圧力Ｐ５とされたのち、中間配管３３を上昇することで圧力が低下する。中間配管３３の上昇部分での冷却水の圧力変化は直線Ｌ５となり、冷却水路１１に導入される段階での圧力Ｐ６となる。
冷却水路１１に導入された冷却水は、上昇に伴って圧力が低下し、冷却水路１１における冷却水の圧力変化は直線Ｌ６となる。
冷却水路１１から排出された冷却水は、回収配管３４を上昇し、図２下段左端のヘッドタンク３１に戻される。回収配管３４における冷却水の圧力変化は直線Ｌ７となる。
冷却水路１１に導入された冷却水は、上昇に伴って圧力が低下し、冷却水路１１における冷却水の圧力変化は直線Ｌ６となる。
冷却水路１１から排出された冷却水は、回収配管３４を上昇し、図２下段左端のヘッドタンク３１に戻される。回収配管３４における冷却水の圧力変化は直線Ｌ７となる。
【0030】
ここで、ポンプ３５より下流の中間配管３３における冷却水の圧力（直線Ｌ５）、冷却水路１１における冷却水の圧力（直線Ｌ６）、および回収配管３４における冷却水の圧力（直線Ｌ７）は、ポンプ３５で昇圧されているため、いずれもヘッド圧（直線ＬＨ）を超えている。しかし、冷却水路１１は上段ステーブ１０として下段ステーブ２０よりも高く配置されているため、ヘッド圧（直線ＬＨ）に近い値となっており、ポンプ３５の昇圧を調整することで、炉内圧力（直線ＬＦ）を超えないように設定できる。
【0031】
以上説明した本実施形態によれば下記の効果が得られる。
本実施形態では、循環装置３０により、高さが異なる上段ステーブ１０および下段ステーブ２０の冷却水路１１，２１が直列に接続され、冷却水はヘッドタンク３１から下降配管３２を経て下段ステーブ２０へ送られ、下段ステーブ２０から中間配管３３を経て上段ステーブ１０に送られ、上段ステーブ１０から回収配管３４を経てヘッドタンク３１に戻される。
循環装置３０において、上段ステーブ１０の冷却水路１１における圧力損失は、中間配管３３に設置されたポンプ３５によって負担される。下段ステーブ２０の冷却水路２１における圧力損失は、ヘッドタンク３１から下段ステーブ２０までのヘッド圧、つまり上段ステーブ１０の設置高さ範囲に相当するヘッド圧によって負担される。従って、１系統分のポンプ３５だけで、上段ステーブ１０および下段ステーブ２０への冷却水の循環を確保できる。
循環装置３０において、ポンプ３５は中間配管３３に設置され、下降配管３２からの高いヘッド圧がかかる下段ステーブ２０にポンプ３５による昇圧が及ぶことはなく、下段ステーブ２０および上段ステーブ１０のいずれにおいても冷却水の圧力が炉内圧を超えるような状況は回避できる。
従って、本実施形態では、高さが異なる上段ステーブ１０および下段ステーブ２０に区分しつつ、ポンプ３５は１系統分だけでよく、設備の簡素化ができる。また、上段ステーブ１０および下段ステーブ２０の冷却水路１１，２１が直列に接続されることから、上段ステーブ１０および下段ステーブ２０に区分する前の既存の配管をそのまま利用できる。
本実施形態では、循環装置３０により、高さが異なる上段ステーブ１０および下段ステーブ２０の冷却水路１１，２１が直列に接続され、冷却水はヘッドタンク３１から下降配管３２を経て下段ステーブ２０へ送られ、下段ステーブ２０から中間配管３３を経て上段ステーブ１０に送られ、上段ステーブ１０から回収配管３４を経てヘッドタンク３１に戻される。
循環装置３０において、上段ステーブ１０の冷却水路１１における圧力損失は、中間配管３３に設置されたポンプ３５によって負担される。下段ステーブ２０の冷却水路２１における圧力損失は、ヘッドタンク３１から下段ステーブ２０までのヘッド圧、つまり上段ステーブ１０の設置高さ範囲に相当するヘッド圧によって負担される。従って、１系統分のポンプ３５だけで、上段ステーブ１０および下段ステーブ２０への冷却水の循環を確保できる。
循環装置３０において、ポンプ３５は中間配管３３に設置され、下降配管３２からの高いヘッド圧がかかる下段ステーブ２０にポンプ３５による昇圧が及ぶことはなく、下段ステーブ２０および上段ステーブ１０のいずれにおいても冷却水の圧力が炉内圧を超えるような状況は回避できる。
従って、本実施形態では、高さが異なる上段ステーブ１０および下段ステーブ２０に区分しつつ、ポンプ３５は１系統分だけでよく、設備の簡素化ができる。また、上段ステーブ１０および下段ステーブ２０の冷却水路１１，２１が直列に接続されることから、上段ステーブ１０および下段ステーブ２０に区分する前の既存の配管をそのまま利用できる。
【0032】
本実施形態において、中間配管３３は、両端が下段ステーブ２０の排水口２３および上段ステーブ１０の給水口２２に接続されるとともに、ポンプ３５が設置された中間部３３１が下方に引き回され、中間部３３１の下段ステーブ２０との間の立下り開始点３３２におけるヘッドタンク３１のヘッド圧Ｈｔが、下降配管３２の圧力損失ＰＬ１、下段ステーブ２０の冷却水路２１の圧力損失ＰＬ２、および中間配管３３の下段ステーブ２０から立下り開始点３３２までの圧力損失ＰＬ３の合計より大きい設定としたので、ヘッドタンク３１のヘッド圧Ｈｔによって、下降配管３２、下段ステーブ２０の冷却水路２１および中間配管３３における圧力損失に抗して冷却水を各々に通すことができ、他のポンプを用いずに下段ステーブ２０を通過した冷却水を中間配管３３の途中のポンプ３５まで送ることができる。ポンプ３５まで送られた冷却水は、ポンプ３５により中間配管３３から上段ステーブ１０へと送ることができる。
【0033】
本実施形態では、ポンプ３５の入口側に熱交換器３６を備えることで、熱交換器３６がポンプ３５の入口側にある既存の一般的構成に準じた配置とすることができ、既存の高炉冷却装置を利用して本発明を実施することが容易であるほか、新たに本発明の高炉冷却装置を設計する場合でも既存の設計を利用できる。
本実施形態では、下段ステーブ２０および上段ステーブ１０は、それぞれ銅ステーブであるとしたため、銅ステーブを利用して奪熱量を増加させるべく流速を高めた場合でも、冷却水の圧力が炉内圧を超えるような状況を回避できる。
本実施形態では、下段ステーブ２０および上段ステーブ１０は、それぞれ銅ステーブであるとしたため、銅ステーブを利用して奪熱量を増加させるべく流速を高めた場合でも、冷却水の圧力が炉内圧を超えるような状況を回避できる。
【0034】
本実施形態では、回収配管３４の上段ステーブ１０の排水口１３に接続される端部および中間配管３３の下段ステーブ２０の排水口２３に接続される端部にそれぞれフロートスイッチ３７，３８を設けたので、冷却水路１１，２１から排出される冷却水に混入した炉内ガスはフロートスイッチ３７，３８により検知でき、上段ステーブ１０および下段ステーブ２０の破損を簡単な構成で適切に検知できる。
とくに、本実施形態では、循環装置３０における冷却水の循環経路のいずれの部分でも冷却水圧を炉内圧よりも低くできるため、下段ステーブ２０あるいは上段ステーブ１０の冷却水路１１，２１が破損した際に炉内ガスが各々の冷却水路１１，２１に侵入するので、これをフロートスイッチ３７，３８により確実に検知できる。
とくに、本実施形態では、循環装置３０における冷却水の循環経路のいずれの部分でも冷却水圧を炉内圧よりも低くできるため、下段ステーブ２０あるいは上段ステーブ１０の冷却水路１１，２１が破損した際に炉内ガスが各々の冷却水路１１，２１に侵入するので、これをフロートスイッチ３７，３８により確実に検知できる。
【0035】
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、上段ステーブ１０および下段ステーブ２０は、それぞれ高さ方向に複数段のステーブ４Ｕ，４Ｌであるとしたが、ステーブ４Ｕ，４Ｌの段数はそれぞれ任意であり、上段ステーブ１０および下段ステーブ２０は一段分のステーブであってもよい。
前記実施形態では、上段ステーブ１０および下段ステーブ２０は、それぞれ高さ方向に複数段のステーブ４Ｕ，４Ｌであるとしたが、ステーブ４Ｕ，４Ｌの段数はそれぞれ任意であり、上段ステーブ１０および下段ステーブ２０は一段分のステーブであってもよい。
【0036】
前記実施形態では、ポンプ３５の入口側に熱交換器３６を設置したが、その位置は循環装置３０における冷却水の循環経路のいずれの部位であってもよい。
前記実施形態では、下段ステーブ２０および上段ステーブ１０のステーブ４Ｕ，４Ｌは、それぞれ銅ステーブであるとしたが、その一部あるいは全部が銅ステーブ以外、例えば鋳鉄ステーブであってもよい。
前記実施形態では、上段ステーブ１０の排水口１３および下段ステーブ２０の排水口２３にフロートスイッチ３７，３８を設けたが、これらはいずれか一方だけでもよく、あるいは両方を省略してもよい。ただし、下段ステーブ２０および上段ステーブ１０の破損を検知するために、何らかの他の検出手段を用いることが好ましい。
前記実施形態では、下段ステーブ２０および上段ステーブ１０のステーブ４Ｕ，４Ｌは、それぞれ銅ステーブであるとしたが、その一部あるいは全部が銅ステーブ以外、例えば鋳鉄ステーブであってもよい。
前記実施形態では、上段ステーブ１０の排水口１３および下段ステーブ２０の排水口２３にフロートスイッチ３７，３８を設けたが、これらはいずれか一方だけでもよく、あるいは両方を省略してもよい。ただし、下段ステーブ２０および上段ステーブ１０の破損を検知するために、何らかの他の検出手段を用いることが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【0037】
本発明は高炉冷却装置に利用できる。
【符号の説明】
【0038】
１…高炉冷却装置、２…高炉、３…鉄皮、４，４Ｌ，４Ｕ…ステーブ、５…耐火材、１０…上段ステーブ、１１…冷却水路、１２…給水口、１３…排水口、２０…下段ステーブ、２１…冷却水路、２２…給水口、２３…排水口、３０…循環装置、３１…ヘッドタンク、３２…下降配管、３３…中間配管、３４…回収配管、３５…ポンプ、３６…熱交換器、３７…フロートスイッチ、３８…フロートスイッチ、４１…冷却水路、４２…連結管、３３１…中間部、３３２…立下り開始点、Ｈｔ…ヘッド圧、ＰＬ１，ＰＬ２，ＰＬ３…圧力損失。
【図1】
【図2】