特開 2025-39190 堰、高炉樋および溶銑除去方法

(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】P2025039190

(43)【公開日】2025-03-21

(54)【発明の名称】堰、高炉樋および溶銑除去方法

(51)【国際特許分類】

   C21B 7/14 20060101AFI20250313BHJP

【ＦＩ】

C21B7/14 306

【審査請求】有

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023146094

(22)【出願日】2023-09-08

(71)【出願人】

【識別番号】000001971

【氏名又は名称】品川リフラクトリーズ株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】000001258

【氏名又は名称】ＪＦＥスチール株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001818

【氏名又は名称】弁理士法人Ｒ＆Ｃ

(72)【発明者】

【氏名】荻上 栞奈

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 建司

(72)【発明者】

【氏名】西尾 奏恵

(72)【発明者】

【氏名】田中 稔

(72)【発明者】

【氏名】西元 祐司

(72)【発明者】

【氏名】加藤 智瑛

(57)【要約】

【課題】堰の裏側の渦流の発生を抑制し、スラグ流Ｓへの溶銑の混入を低減しうる堰、高炉樋、および溶銑除去方法を提供する。
【解決手段】高炉樋２０のスラグ樋３０の入り口より上流に設置される堰１であって、スラグ流の流れの方向の下流側の下方に向く下流側斜面を有する堰。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

高炉樋のスラグ樋の入り口より上流に設置される堰であって、
スラグ流の流れの方向の下流側の下方に向く下流側斜面を有する、
堰。

【請求項2】

前記下流側斜面の下端と連設され下方に凸の湾曲面を有する、
請求項１に記載の堰。

【請求項3】

スラグ流の流れの方向の上流側の下方に向く上流側斜面を有する、
請求項１に記載の堰。

【請求項4】

前記下流側斜面は、凹部および凸部の少なくとも一方を有する、請求項１～３のいずれか一項に記載の堰。

【請求項5】

スラグ樋の入り口より上流に設置される堰を備える高炉樋であって、
前記堰はスラグ流の流れの方向の下流側の下方に向く下流側斜面を有する、
高炉樋。

【請求項6】

前記堰の上面は、スラグライン以上の高さに位置する、請求項５に記載の高炉樋。

【請求項7】

前記堰の下端は、メタルラインより高い位置にある、請求項５または６に記載の高炉樋。

【請求項8】

高炉樋を流通する出銑流のスラグ流から溶銑を除去する溶銑除去方法であって、
前記高炉樋のスラグ樋の入り口より上流の部分において、
前記スラグ流の少なくとも一部を堰に沿って流通させることを含み、
前記堰はスラグ流の流れの方向の下流側の下方に向く下流側斜面を有する、
溶銑除去方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、製鉄分野における堰、高炉樋および溶銑除去方法に関する。

【背景技術】

【0002】

高炉で製銑した銑鉄は、出銑流として高炉の出銑口から高炉樋へ流出する。このとき出銑流は、スラグ流Ｓおよび溶銑流Ｐを含む。スラグ流Ｓの比重は溶銑流Ｐの比重より小さいため、出銑口から流出した溶銑流Ｐとスラグ流Ｓとは、溶銑流Ｐを下層とし、スラグ流Ｓを上層とする二層に分離する。

【0003】

高炉樋の高炉から水平方向に離間した位置に、溶銑流Ｐおよびスラグ流Ｓを堰き止めることができるスキンマーダンパーが設けられている。比重の高い溶銑流Ｐのみがスキンマーダンパーの下側を通過して高炉樋の下流側に流出し、比重の低いスラグ流Ｓはスキンマーダンパーにより堰き止められ、スキンマーダンパーの上流にあるスラグ樋に流出する。

【0004】

ここで、溶銑流Ｐとスラグ流Ｓとの分離が完全なものではなく、溶銑流Ｐの一部が溶銑としてスラグ流Ｓに混入する場合がある。スラグ樋から流出したスラグ流Ｓの多くは水冷却により水砕されてセメント原料となるため、スラグ流Ｓに溶銑が混入する場合、セメント原料への鉄分混入による品質低下の懸念がある。また、スラグ流Ｓへの溶銑の混入はスラグ樋の耐用性を低下させる。さらに、本来は製品原料となるべき溶銑がスラグ流Ｓとして流出することによる歩留まりの低下も問題になる。よって、高炉操業を行う上で、スラグ流Ｓからの溶銑の除去は重要である。

【0005】

高炉樋中においてスラグ流Ｓと溶銑流Ｐと二層の流体の分離を促進するために、例えば特開平１０－２７３７０６号公報、実公平４－０４４３５０号公報および特開平８－１７６６２８号公報において、スラグ樋の上流に堰を設けることが開示されている。堰が設けられることにより、堰に沿って流れる流体の流動エネルギーが減少し、流速が緩やかになると共に波動も静められ、スラグ流Ｓと溶銑流Ｐの分離が促進される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開平１０－２７３７０６号公報

【特許文献2】実公平４－０４４３５０号公報

【特許文献3】特開平８－１７６６２８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかし、上記の先行技術文献で開示されているような堰がスラグ流Ｓに置かれる場合、堰の裏側（下流側）に大きな渦流が生じ、生じた渦流が溶銑流Ｐを巻き上げ、スラグ流Ｓ中の溶銑の混入量を増やす恐れがある。

【0008】

よって、堰の裏側の渦流の発生を抑制し、スラグ流Ｓへの溶銑の混入を低減しうる堰、高炉樋、および溶銑除去方法が必要である。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明に係る堰は、高炉樋のスラグ樋の入り口より上流に設置される堰であって、スラグ流の流れの方向の下流側の下方に向く下流側斜面を有することを特徴とする。

【0010】

また、本発明に係る高炉樋は、スラグ樋の入り口より上流に設置される堰を備える高炉樋であって、前記堰はスラグ流の流れの方向の下流側の下方に向く下流側斜面を有することを特徴とする。

【0011】

さらに、本発明に係る溶銑除去方法は、高炉樋を流通する出銑流のスラグ流から溶銑を除去する溶銑除去方法であって、前記高炉樋のスラグ樋の入り口より上流の部分において、前記スラグ流の少なくとも一部を堰に沿って流通させることを含み、前記堰はスラグ流の流れの方向の下流側の下方に向く下流側斜面を有することを特徴とする。

【0012】

これらの構成によれば、堰の裏側での渦流の発生を軽減でき、スラグ流への溶銑の混入を軽減できる。

【0013】

以下、本発明の好適な態様について説明する。ただし、以下に記載する好適な態様例によって、本発明の範囲が限定されるわけではない。

【0014】

本発明に係る堰は、前記下流側斜面の下端と連設され下方に凸の湾曲面を有することが好ましい。

【0015】

この構成によれば、堰の裏側での渦流の発生を一層軽減でき、スラグ流の中の溶銑の混入を一層軽減できる。

【0016】

本発明に係る堰は、スラグ流の流れの方向の上流側の下方に向く上流側斜面を有することが好ましい。

【0017】

この構成によれば、上流側斜面に当接した溶銑が下方に案内され、慣性により下方の溶銑流に向かうため、スラグ流の中の溶銑の混入を一層軽減できる。

【0018】

本発明に係る堰において、前記下流側斜面は、凹部および凸部の少なくとも一方を有することが好ましい。

【0019】

この構成によれば、堰の裏側での渦流の発生を一層軽減でき、スラグ流への溶銑の混入を一層軽減できる。

【0020】

本発明に係る高炉樋において、前記堰の上面は、スラグライン以上の高さに位置することが好ましい。

【0021】

この構成によれば、スラグ流の大部分を、堰の下流側斜面に沿う経路で案内できるので、スラグ流における溶銑の混入を一層軽減できる。

【0022】

本発明に係る高炉樋において、前記堰の下端は、メタルラインより高い位置にあることが好ましい。

【0023】

この構成によれば、渦流によって溶銑流からスラグ流に溶銑が巻き上げられる現象が生じにくい。

【0024】

本発明のさらなる特徴と利点は、図面を参照して記述する以下の例示的かつ非限定的な実施形態の説明によってより明確になるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】高炉樋の斜視図である。

【図2】高炉樋の断面図（図１のＩＩ－ＩＩ線における断面図）である。

【図3】堰の正面図である。

【図4】堰の上面図である。

【図5】堰の側面図である。

【図6】第１実施形態に係る堰の断面形状を示す図（図３のＶＩ－ＶＩ線における端面図）である。

【図7】第２実施形態に係る堰の断面形状を示す図である。

【図8】第２実施形態に係る堰の正面図である。

【図9】第３実施形態に係る堰の断面形状を示す図である。

【図10】第４実施形態に係る堰の断面形状を示す図である。

【図11】ディンプルの他の実施形態を示す図である。

【図12】堰の他の実施形態を示す図である。

【図13】実施形態に係る堰の設置位置を示す図である。

【図14】従来技術に係る堰で起きる渦流の発生原因を示す図である。

【図15】実施例１のＣＦＤシミュレーション結果の模式図である。

【図16】比較例１のＣＦＤシミュレーション結果の模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0026】

〔高炉樋の構成〕
高炉樋２０は、高炉ＢＦの出銑口Ｆｏから流出する出銑流を流通できるように設けられた樋状の部材である。図１には、高炉樋２０の斜視図を示し、図２には、高炉樋２０が高炉ＢＦの側から延出する方向に沿った垂直断面図を示している。なお、高炉樋２０において、流れ方向、幅方向および下方は、図１に示す通りである。

【0027】

高炉ＢＦで製銑した銑鉄は、出銑流として高炉ＢＦの出銑口Ｆｏから流出する。このとき出銑流は、スラグ流Ｓおよび溶銑流Ｐを含む。スラグ流Ｓの比重は溶銑流Ｐの比重より小さいため、出銑口Ｆｏから流出した溶銑流Ｐとスラグ流Ｓとは、溶銑流Ｐを下層とし、スラグ流Ｓを上層とする二層に分離する。したがって高炉樋２０では、溶銑流Ｐとスラグ流Ｓとの二層の流れが形成される（図２）。

【0028】

図１および図２に示すように、スキンマーダンパーＳＤは、高炉樋２０を流れる溶銑流Ｐおよびスラグ流Ｓを堰き止めることができるように設けられている。ここで、スキンマーダンパーＳＤの下端は、比重の違いによって二層に分離した溶銑流Ｐとスラグ流Ｓとの界面であるメタルラインＭＬより低い位置に設けられている。これによって、溶銑流ＰのみがスキンマーダンパーＳＤの下側を通過する。

【0029】

一方、スキンマーダンパーＳＤにより堰き止められたスラグ流Ｓは、高炉樋２０が延出する方向（出銑流の流れ方向）の側方に延びるスラグ樋３０に流出する。かかる流出が可能になるように、スラグ樋３０のスラグ樋３０の入り口３１の下端は、高炉樋２０の上流側に形成される二層の流れの最上面であるスラグラインＳＬより低い位置に設けられている。

【0030】

ここで、スラグ流Ｓおよび溶銑流Ｐの二層の分離を促進するため、スラグ樋３０の入り口より上流に、堰１が設けられている。本実施形態に係る高炉樋２０では、独特の形状を有する堰１を設置することによって堰１の裏側（下流側）における渦流を抑制し、層分離効果を高めている。以下では堰１が取りうる形状について四つの実施形態を示す。それぞれの実施形態に係る堰１は、主として出銑流の流れ方向に沿う断面の形状によって特徴づけられる。以下の説明において堰１の断面形状について言及する場合、特記しない限りは出銑流の流れ方向に沿う断面の形状をいうものとする。

【0031】

〔堰の構成〕
（共通事項）
まず、四つの実施形態に係る堰１に共通する事項について説明する。図３～図６で示すように、堰１は二つの支柱２に支えられて高炉樋２０に設置される。なお、四つの実施形態に係る堰１はいずれも、高炉樋２０の幅方向のいずれの位置においても略同一の断面形状を有する。

【0032】

堰１は主にスラグと接触するため、堰１の材質は、当業者に公知のスラグへの耐食性の高い耐火物である。例えば、ＳｉＣ系の耐火物などが例示される。

【0033】

支柱２は、板形状であり、堰１の両端にそれぞれ一つ設けられている。二つの支柱２は、それぞれ高炉樋２０の両側の側面に沿うように設けられており、堰１がこれらの二つの支柱２の上部どうしに亘って設けられている。すなわち、堰１と二つの支柱２とによって門状の構造体が形成されており、スラグ流Ｓおよび溶銑流Ｐはこの門をくぐる形で流通する。板形状の支柱２の流れ方向に沿った長さＬＰは、堰１の流れ方向に沿った長さＬと同じである。支柱２の上下方向の高さＨＰは、高炉樋２０に設けられた堰１がスラグ流Ｓと接触する高さである。支柱２の流れに面する方向の幅ＷＰは、流れに対する抵抗と堰１を支持する強度を両方考慮して設定され、片方の支柱の幅ＷＰは、例えば高炉樋２０の幅の約１／９であってよい。さらに、支柱２の水平断面の形状は矩形に限らず、例えば出銑流の抵抗を考慮して流線形の断面形状にしてもよい。なお、支柱２の材質は、設置する高炉樋２０の側面と同一もしくは同系統の材質が好ましい。

【0034】

以下、堰１の高炉樋２０の幅方向における中心部分の断面構造（ＶＩ－ＶＩ端面図）に基づいて、本発明の実施形態を説明する。

【0035】

（第１実施形態）
堰１ａは、上面１１、前面１３、湾曲面１４、下流側斜面１５、および後面１６を有する（図６）。上面１１は、上方に向く水平面であり、前面１３は上面１１の前端から下方に延び流れ方向上流側に向く垂直面である。前面１３の下端から後方に湾曲する湾曲面１４が設けられており、湾曲面１４は下流側斜面１５と連続的に接続されている。上面１１の後端と下流側斜面１５の後端とが、流れ方向の下方に向かって凸の曲面である後面１６によって接続されている。なお、前面１３と湾曲面１４とは接続部ａにおいて接続され、湾曲面１４と下流側斜面１５とは接続部ｂにおいて接続され、下流側斜面１５と後面１６とは接続部ｃにおいて接続され、後面１６と上面１１とは接続部ｄにおいて接続されている。

【0036】

下流側斜面１５は、流れの方向の下流側の下方に向く平坦な斜面である。すなわち、下流側斜面１５の法線の水平方向成分は流れ方向と同じ方向を向き、当該法線の垂直方向成分は下方を向く。

【0037】

湾曲面１４は、所定の曲率半径を有する円柱面の一部であり、下方に向かって凸となる。

【0038】

続く他の実施形態の説明において、第１実施形態と同様の構成要素については、第１の実施形態と同じ符号を付して示し、説明を省略または簡略化する。また、特記していない事項については、第１実施形態の説明が適用される。

【0039】

（第２実施形態）
堰１ｂは、第１実施形態に係る堰１ａの湾曲面１４、下流側斜面１５および後面１６の表面に、凹部の一例であるディンプル３が設けられた構造を有する（図７、図８）。

【0040】

ディンプル３は堰１ｂの表面から陥没する半径ｒ０の半球状の凹部である。湾曲面１４、下流側斜面１５および後面１６において、流れ方向と直交するディンプル３の列がほぼ等間隔に複数設けられている（本実施形態では１０列）。それぞれの列においてディンプル３が等間隔に設けられており、隣接する２列のディンプル３の位置は互いからオフセットされる。

【0041】

（第３実施形態）
堰１ｃは、上面１１、前面１３、下流側斜面１５、底面１８、上流側斜面１７および後面１６を有する（図９）。第１実施形態に係る堰１ａの湾曲面１４に替えて、上流側斜面１７および底面１８を有する。また、第１実施形態では後面１６が流れ方向の下方に向かって凸の曲面であるのに対し、本実施形態における後面１６は下流側に向く垂直面である。

【0042】

上流側斜面１７は、流れの方向の上流側の下方に向く平坦な斜面である。すなわち、上流側斜面１７の法線の水平方向成分は流れ方向と逆方向を向き、当該法線の垂直方向成分は下方を向く。

【0043】

（第４実施形態）
堰１ｄは、上面１１、前面１３、湾曲面１４、および後面１６有する（図１０）。後面１６の構成は第３実施形態と同様である。なお、堰１ｄの断面形状は、中心線Ｘに関して線対称である。前面１３と湾曲面１４とが接続部ｉにおいて、連続的であっても、非連続的であってもよい。後面１６と湾曲面１４との接続部ｌについても同様である。

【0044】

（その他の実施形態）
上記の実施形態では、堰１は二つの支柱２に支えられて高炉樋２０に設置される態様を説明した。しかし、堰１は二つの支柱２に支えられなくてもよい。例えば、支柱２を用いず、堰１を高炉樋２０中において高炉樋２０の幅方向を亘るように配置し、堰１の高炉樋２０の側面と接している部位の周囲を吹付材やモルタルなどの不定形耐火物で固定してもよい。なお、前記不定形耐火物の材質は、設置する高炉樋２０の側面と同一もしくは同系統の材質が好ましい。また、堰１は、一つ、三つ、または任意の数の支柱に支えられてもよい。さらに、堰１は、吊り下げられる態様で高炉樋２０に設置されてもよい。

【0045】

上記の実施形態では、上流側斜面１７が設けられる場合について、下流側斜面１５と上流側斜面１７の間に、平坦な底面１８が設けられる構成（第３実施形態）を説明した。しかし、下流側斜面１５と上流側斜面１７の間に湾曲面１４が設けられてもよく（図１２）、また、下流側斜面１５と上流側斜面１７とが連設されてもよい。

【0046】

上記の実施形態では、上面１１から下方に延びる垂直面である前面１３を有する構成を説明した。しかし、堰１は、湾曲面１４または上流側斜面１７を有する場合、前面１３を有しなくてもよい。この場合、湾曲面１４または上流側斜面１７の上端が、上面１１の前端に連設される。

【0047】

上記の実施形態では、後面１６を有する堰１を説明した。しかし、堰１は、後面１６を有しなくてもよい。この場合、下流側斜面１５の後端が、上面１１の後端と連設される。

【0048】

上記の実施形態では、湾曲面１４が一定の曲率半径ｒを有する堰１を説明した。しかし、湾曲面１４の曲率半径は場所によって異なっていてもよい。例えば、湾曲面１４の曲率半径が下流側斜面１５に近づくに連れて徐々に大きくなる構成とし、湾曲面１４を下流側斜面１５とを滑らかに接続してもよい。また、湾曲面１４と下流側斜面１５とが連続的な曲面であってもよい。すなわち、湾曲面１４と下流側斜面１５との間に明確な接続部がなくてもよい。湾曲面１４と上流側斜面１７とが接続する場合についても同様である。

【0049】

上記の第２実施形態では、凹部の一例であるディンプル３が、湾曲面１４、下流側斜面１５、および後面１６の表面に設けられる堰１を説明した。しかし、凹部を設ける場合について、凹部が設置される場所は限定されない。ただし、下流側斜面１５に凹部を設けると、渦流発生を抑制する効果を得やすい点で好ましい。

【0050】

上記の第２実施形態では、ディンプル３が堰１の表面から陥没する半球状の凹部である構成を説明した。しかし、ディンプル３の形状は限定されない。例えば堰１の表面が摩耗されることを考慮し、ディンプル３を、半球状部分３ａと円筒状部分３ｂとを有する構成としてもよい（図１１）。さらに、ディンプル３は、堰１の表面から陥没する楕円体状、円錐状、多角錘状、涙滴形状、流れ方向に沿って陥没する溝などであってもよい。

【0051】

上記の第２実施形態では、堰１の表面に近い部分での整流効果を得るため、凹部の一例としてディンプル３を設けた堰１を説明した。しかし、整流効果を得るためには、凸部を設けてもよい。凸部は、湾曲面１４、底面１８または下流側斜面１５の表面に設けられうる。また、凸部の具体的な形状としては、半球状、楕円体状、円錐状、多角錘状、涙滴形状、流れ方向に沿って突出するリブなどが例示される。また、凹部と凸部の双方を設けてもよい。

【0052】

上記の第４実施形態では、前面１３と湾曲面１４とが直接接続され、かつ、湾曲面１４と後面１６とが直接接続される堰１を説明した。しかし、堰１では、前面１３と湾曲面１４との間に上流側斜面１７が存在し、かつ、湾曲面１４と後面１６の間に下流側斜面１５が存在してもよい（図１２）。また、第１実施形態と第３実施形態では下流側斜面１５および上流側斜面１７を平坦面として説明したが、図１２に示すように下流側斜面１５および上流側斜面１７がいずれも湾曲面であってもよい。これらの湾曲面の曲率半径は一定であってもよいし、部分的に異なっていてもよい。下流側斜面１５上の位置によって法線の向きが異なるが、いずれの位置においても、法線の水平方向成分は流れ方向と同じ方向を向き、当該法線の垂直方向成分は下方を向く。上流側斜面１７上の位置によって法線の向きが異なるが、いずれの位置においても、法線の水平方向成分は流れ方向と逆方向を向き、当該法線の垂直方向成分は下方を向く。さらに、下流側斜面１５と湾曲面１４とが接続部ｋにおいて共通の接線を有してもよく、すなわち、下流側斜面１５と湾曲面１４とが連続する曲面を構成してもよい。上流側斜面１７と湾曲面１４との接続部ｊについても同様である。

【0053】

上記の実施形態では、堰１の断面形状が高炉樋２０の幅方向のいずれの位置においても略同一の断面形状を有する構成について説明した。しかし、堰１の断面形状は高炉樋２０の幅方向において一定でなくてもよい。

【0054】

〔堰の寸法条件〕
以下、堰１の寸法についての好ましい数値範囲を説明する。以下に言及する高さＨなどの各寸法の定義は、図６～図１０に示す通りである。

【0055】

（堰１）
堰１の上下方向の高さＨは、堰１が高炉樋２０に設置される状態において、堰１が垂直方向における上端から下端までの高さの差として定義される。堰１の流れ方向の長さＬは、堰１が高炉樋２０に設置される状態において、堰１の流れに向かう前端から流れの下流側に向く後端までの水平方向の離間距離として定義される。

【0056】

堰１の上下方向の高さＨは、好ましくはスラグ流Ｓ深さの３０％以上であり、より好ましくは４０％以上である。高さＨがスラグ流Ｓ深さの３０％以上であると、堰に沿って流れる流体の流動エネルギーを減少させやすく、二層の流体の分層を促進しやすい。高さＨは、好ましくはスラグ流Ｓ深さの９０％以下であり、より好ましくは８０％以下であり、さらに好ましくは７０％以下である。高さＨがスラグ流Ｓ深さの９０％以下であると、堰１の上流側で下降したスラグが溶銑に混入することを回避しやすく、また、堰１の下流側のスラグの上昇流に溶銑を巻き込むことも回避しやすい。なお，後述するように，堰２１の上面をスラグラインＳＬの上面より高い位置に設置する場合は，高さＨは堰２１がスラグ流Ｓ内に浸漬している部分の高さとする。

【0057】

堰１の流れ方向の長さＬは、好ましくは３００ｍｍ以上であり、より好ましくは４００ｍｍ以上であり、さらに好ましくは５００ｍｍ以上である。長さＬが３００ｍｍ以上であると、下流側斜面１５の面積を確保しやすく、渦流発生を抑制しやすい。長さＬは、好ましくは１０００ｍｍ以下であり、より好ましくは９００ｍｍ以下であり、さらに好ましくは７５０ｍｍ以下である。長さＬが１０００ｍｍ以下であると、堰１の大型化を回避でき、堰１の製造および設置等をしやすい。

【0058】

（下流側斜面１５）
下流側斜面１５の高さＨ２は、下流側斜面１５の下端と上端との高さの差として定義される。下流側斜面１５の長さＬ２は、下流側斜面１５の下端と上端との水平方向の離間距離として定義される。なお、湾曲面１４と下流側斜面１５とが直接接続する場合、湾曲面１４の下端を下流側斜面１５の下端としてＨ２およびＬ２を計算する。下流側斜面１５と水平方向との角αは、下流側斜面１５の下端と上端とを結ぶ仮想平面が水平方向となす角として定義される。なお、下流側斜面１５が湾曲面であり、かつ、湾曲面１４と下流側斜面１５とが直接接続する場合、湾曲面１４の下端を下流側斜面１５の下端として角αを計算する。

【0059】

下流側斜面１５と水平方向との角αは、好ましくは１５度以上であり、より好ましくは３０度以上である。角αが１５度以上であると、下流側斜面１５の長さＬ２を抑えられるため、堰１の寸法を抑制しやすい。角αは、好ましくは７５度以下であり、より好ましくは６０度以下である。角が７５度以下であると、流れを緩やかに案内しやすく、堰１の裏側の渦流の発生を抑えやすい。

【0060】

下流側斜面１５の高さＨ２は、好ましくはＨの３０％以上であり、より好ましくはＨの４０％以上であり、さらに好ましくはＨの５０％以上である。高さＨ２がＨの３０％以上であると、下流側斜面１５の面積を確保しやすく、渦流抑制の効果が得られやすい。高さＨ２は、好ましくはＨの８０％以下であり、より好ましくはＨの７０％以下であり、さらに好ましくはＨの６０％以下である。高さＨ２がＨの８０％以下であると、湾曲面１４または後面１６等の構造を設ける場所を確保しやすい。

【0061】

（湾曲面１４）
湾曲面１４の曲率半径ｒは、好ましくは５００ｍｍ以下であり、より好ましくは３００ｍｍ以下であり、さらに好ましくは２００ｍｍ以下である。曲率半径ｒが５００ｍｍ以下であると、堰１の下端Ｂ付近の流れが湾曲面１４によって緩やかに案内されやすく、渦流抑制効果を得やすい。曲率半径ｒは、好ましくは５０ｍｍ以上であり、より好ましくは１００ｍｍ以上である。曲率半径ｒが５０ｍｍ以上であると、堰１の下端Ｂの湾曲が滑らかとなり、すり減りにくい。

【0062】

湾曲面１４の曲率半径ｒは、好ましくはＨの８０％以下であり、より好ましくはＨの７０％以下であり、さらに好ましくはＨの６０％以下である。曲率半径ｒがＨの８０％以下であると、堰１の下端Ｂ付近の流れが湾曲面１４によって緩やかに案内されやすく、渦流抑制効果を得やすい。曲率半径ｒは、好ましくはＨの３０％以上であり、より好ましくはＨの４０％以上である。曲率半径ｒがＨの３０％以上であると、堰１の下端Ｂの湾曲が滑らかとなり、すり減りにくい。なお湾曲面１４に凹部または凸部を設ける場合の湾曲面１４の曲率半径ｒは、Ｈとの比率に関係なく５０ｍｍ以上であることが好ましい。

【0063】

（上流側斜面１７）
上流側斜面１７の高さＨ３は、上流側斜面１７の下端と上端との高さの差として定義される。上流側斜面１７の長さＬ３は、上流側斜面１７の下端と上端との水平方向の離間距離として定義される。なお、湾曲面１４と上流側斜面１７とが直接接続する場合、湾曲面１４の下端を上流側斜面１７の下端としてＨ３およびＬ３を計算する。上流側斜面１７と水平方向との角βは、上流側斜面１７の下端と上端とを結ぶ仮想平面が水平方向となす角として定義される。なお、上流側斜面１７が湾曲面であり、かつ、湾曲面１４と上流側斜面１７とが直接接続する場合、湾曲面１４の下端を上流側斜面１７の下端として角βを計算する。

【0064】

上流側斜面１７と水平方向との角βは、好ましくは１５度以上であり、より好ましくは３０度以上であり、さらに好ましくは４５度以上である。角βが１５度以上であると、上流側斜面１７の長さＬ３を抑えられるため、堰１の寸法を抑制しやすい。角βは、好ましくは７５度以下であり、より好ましくは６０度以下である。角βが７５度以下であると、流れは上流側斜面１７に沿って緩やかに下降しやすく、堰１の下流側の流れをより緩やかにしやすい。

【0065】

上流側斜面１７の高さＨ３は、好ましくはＨの１０％以上であり、より好ましくはＨの２０％以上であり、さらに好ましくはＨの３０％以上である。高さＨ３がＨの１０％以上であると、上流側斜面１７の面積を確保しやすく、溶銑を下方へ案内する効果が得られやすい。高さＨ３は、好ましくはＨの８０％以下であり、より好ましくはＨの７０％以下であり、さらに好ましくはＨの６０％以下である。高さＨ３がＨの８０％以下であると、前面１３または湾曲面１４等の構造を設ける場所を確保しやすい。

【0066】

（ディンプル３）
ディンプル３の半径ｒ０は、好ましくは５０ｍｍ以下であり、より好ましくは３５ｍｍ以下である。半径ｒ０が５０ｍｍ以下であると、堰１の表面付近における乱流の発生を回避しやすい。半径ｒ０は、好ましくは１０ｍｍ以上であり、より好ましくは２５ｍｍ以上である。ｒ０が１０ｍｍ以上であると、堰１の表面がスラグ流Ｓによって一部摩耗した場合や詰まりが生じた場合であっても整流効果を維持しやすい。

【0067】

〔高炉樋における堰の位置〕
堰１は、高炉樋２０内において、少なくとも一部がスラグ流Ｓ内に浸漬するように設置される。堰１のスラグ流Ｓ内に浸漬する垂直方向の高さの好ましい範囲は、堰１の上下方向の高さＨに関する部分で説明した通りである。

【0068】

一態様において、堰１の上面１１は、スラグラインＳＬ以上の高さに位置する。堰１の上面１１をスラグラインＳＬ以上の高さに設置すれば、スラグ流Ｓの大部分を、堰１の下流側斜面１５に沿う経路で案内できるので、スラグ流Ｓにおける溶銑の混入を一層軽減できる。

【0069】

一態様において、堰１の下端Ｂ（堰１が底面１８を有する場合は、底面１８が堰１の下端Ｂである。以下同じ。）は、メタルラインＭＬより高い位置にある。堰１の下端ＢがメタルラインＭＬより高い位置にあって溶銑流Ｐから離れている場合、堰１の裏側の渦流による溶銑の巻き上げを抑制しやすい。

【0070】

一態様において、堰１の下端Ｂは、スラグ樋３０の入り口３１の下端より低い位置にある。図１３の矢印ｑで示すように、堰１の下端ＢとメタルラインＭＬとの間に流れるスラグ流Ｓの一部は堰１と接触することなく堰１の下流へ流れるが、堰１の下端Ｂをスラグ樋３０の入り口３１の下端より低いに設置すれば、スラグに比べて比重が大きい溶銑が堰１の下端Ｂの位置からスラグ樋３０の入り口３１まで浮き上がる可能性が低く、スラグ樋３０へ流出するスラグへの溶銑の混入を防ぎやすい。

【0071】

〔溶銑除去方法〕
本実施形態に係る溶銑除去方法では、高炉樋２０のスラグ樋３０の入り口３１より上流の部分において、スラグ流Ｓの少なくとも一部を、流れの方向の下流側の下方に向く下流側斜面１５を有する堰１に沿って流通させる。

【0072】

スラグ流Ｓがスラグ樋３０の入り口３１へ流入する前に、スラグ流Ｓの少なくとも一部が堰１に沿って流れるようにすることによって、流れる流体の流動エネルギーが減少し、二層の流体の分離が促進され、スラグ流Ｓに含まれる溶銑を除去しやすい。また、堰１が下流側斜面１５を備えることによって、堰１の裏側の渦流が溶銑流Ｐからスラグ流Ｓに溶銑を巻き上げることを防ぎ、スラグ流Ｓに含まれる溶銑を除去しやすい。

【0073】

図１４に示すように、先行技術文献で開示されている堰は、その断面が矩形である。スラグ流Ｓは断面が矩形の堰に沿って流れる場合、スラグ流Ｓが堰の下端の下流側の角部を通過する時に、流路の面積が急に広くなる。この時、スラグ流Ｓは慣性によって直進する（矢印ｎ）ため、堰の裏側に向かう流れ（矢印ｍ）が生じにくい。そのため、堰の裏側にスラグ流Ｓが供給されにくい空間が生じ、当該空間の圧力が周囲に比べて低くなる。この圧力差に起因して当該空間に周囲からスラグ流Ｓが流入し、渦流が生じると考えられる。

【0074】

これに対し、本実施形態に係る堰１では、下流側斜面１５を設けることによって、堰１の下端Ｂの下流側の流路面積の増加が緩やかとなり、スラグ流Ｓが堰１に沿って流れやすくなる。これによって、堰１の裏側での圧力の変化が生じにくくなって渦流の発生が生じにくくなり、溶銑の巻き上げを抑制しやすい。

【0075】

本実施形態に係る堰１が上流側斜面１７を有する場合、スラグ流Ｓが上流側斜面１７によって斜め下方へ案内される。スラグ流Ｓに含まれる溶銑は、スラグより比重が高いため、運動時の慣性がスラグより大きい。そのため、スラグ流Ｓが上流側斜面１７に沿って下方へ案内されるときに、溶銑が下方に向かう慣性が、スラグが下方に向かう慣性よりも大きくなる。すなわち溶銑とスラグとの下方への推進力に差が生じ、この差に起因して溶銑のみが溶銑流Ｐに合流する。これによって、スラグ流Ｓに含まれる溶銑を分離しやすい。

【0076】

本実施形態に係る堰１が湾曲面１４を有する場合、堰１の下端Ｂにおけるスラグ流Ｓの下降および上昇が湾曲面１４によって緩やかに案内され、裏側での渦流の発生が一層生じにくく、スラグ流Ｓから溶銑を一層除去しやすい。なお、湾曲面１４の下流側部分は、下流側斜面１５と同じく堰１の裏側での渦流の発生を抑制する効果があり、湾曲面１４の上流側部分は、上流側斜面１７と同じくスラグ流Ｓの中の溶銑を下方へ案内する効果がある。

【0077】

さらに、本実施形態に係る堰１では、下流側斜面１５に凹部および凸部の少なくとも一方を設けることで、下流側斜面１５の表面付近で小さな乱流を発生させることができる。これによって、堰１の裏側での渦流の発生が一層生じにくく、スラグ流Ｓから溶銑を一層除去しやすい。

【0078】

なお、本実施形態に係る堰１では、第１および第２実施形態のように、後面１６を垂直面に替えて斜面とする場合、後面１６においてもスラグ流Ｓを緩やかに上方へ案内する効果が得られる。下流側斜面１５の下流側の一部を角αより大きく上向きに傾斜する後面１６に置き換えることで、堰１の長さＬを抑えられる。

【実施例0079】

以下では実施例を示して本発明をさらに説明する。ただし、以下の実施例は本発明を限定しない。

【0080】

１．ＣＦＤシミュレーションの条件
堰を高炉樋２０のスラグ流Ｓに置いた場合の、堰の付近のスラグ流Ｓの流れをＣＦＤでシミュレーションした。ただし本シミュレーションでは、演算負荷低減のため、溶銑のモデルを設定せず、スラグのモデルをもって溶銑のモデルに替えた。すなわち本シミュレーションでは、溶銑流Ｐに相当する部分においても、スラグと同じ流体物性を有する物体が流通しているモデルを置いている。

【0081】

ＣＦＤの計算条件は以下の通りとした。

【0082】

スラグのモデルとして、密度２８００ｋｇ／ｍ^３、粘度０．２２４Ｐａ・ｓ、流速０．０４ｍ／ｓの流体を設定した。表層はＡｉｒ（２０℃、１ａｔｍ）とし、乱流モデルはＫ－εとし、自由表面モデルはＶＯＦ法とした。メッシュ数について、実施例１、３～５および比較例１、２は約１１万とし、ディンプル３を有する実施例２は約１４万とした。

【0083】

高炉樋２０のうち堰１が設置されている部分の付近のモデルとして、長さ１０９０４ｍｍ（出銑口Ｆｏから７６９９ｍｍから１８６０３ｍｍの間の部分に相当）、幅９００ｍｍ、深さ１０００ｍｍのモデルを設定した。なお、スラグの表層のＡｉｒ層の厚さは３００ｍｍとした。そのうち出銑口Ｆｏから１６０００ｍｍのところに堰１の上流側に向かう前端を設置した。堰１の全体の幅は９００ｍｍとし、支柱２の幅ＷＰを１００ｍｍとした。したがって、堰１の下方においてスラグ流Ｓが通る部分の幅を７００ｍｍとしたことになる。

【0084】

実施例および比較例の各例について上記の条件でシミュレーションを行い、その結果を高炉樋２０の幅方向の中央における縦断面（流れ方向に沿う断面）における流速分布図としてアウトプットした。流速分布図について、縦断面流速をベクトル表示し流速と流れの方向を比較した。なお、シミュレーション結果図の模式図を、図１５および図１６に示した。

【0085】

流速分布図の観察結果に基づいて、実施例および比較例の各例について、堰の裏側の渦流の大きさを以下のＡＡ、Ａ～Ｄの五段階で評価した。
ＡＡ メッシュ数約１４万の計算条件で、堰の裏側に渦流がほとんど見られない。
Ａ メッシュ数約１１万の計算条件で、堰の裏側に渦流がほとんど見られない。
Ｂ 堰の裏側に渦流が見られるが、渦流の発生する範囲が堰の下端を超えていない。
Ｃ 堰の裏側に小さな渦流が見られ、かつ渦流の発生する範囲が堰の下端を超えた。
Ｄ 堰の裏側に大きな渦流が発生している。

【0086】

そのうち、評価ＡＡ、ＡおよびＢを溶銑の混入防止に有効とし、評価ＣおよびＤを溶銑の混入防止に有効でないとした。

【0087】

以下の実施例および比較例について、堰の端面を構成する各面の符号は、上記の各実施形態の説明と同じである。また、各実施例について、上記の四つの実施形態のうちの一つの実施形態を、対応する実施形態として示している。

【0088】

２．各実施例のモデル形状および評価結果
（実施例１）
第１実施形態に即した堰のモデルを設定した（図６、図１５）。本実施例では、堰１の高さＨを３００ｍｍとし、長さＬを６００ｍｍとした。前面１３の高さＨ１を１５０ｍｍとし、湾曲面１４の曲率半径ｒを１５０ｍｍとし、湾曲面１４の下端Ｂより下流側のθ＝３０度の場所を接続部ｂとした。下流側斜面１５の角αを３０度とし、高さＨ２を１８０ｍｍとした。また、接続部ｃと接続部ｄとを接続する後面１６の曲率半径Ｒを３００ｍｍとした。

【0089】

実施例１の評価はＡだった。

【0090】

（実施例２）
第２実施形態に即した堰のモデルを設定した（図７、図８）。実施例２では、実施例１の堰１にディンプル３を設けた堰のモデルを設定した。ディンプル３の半径ｒ０を２５ｍｍとした。湾曲面１４、下流側斜面１５および後面１６において１０列のディンプル３を設けた。このうち、下流側斜面１５におけるディンプル３の列の水平方向の距離Ｌ０を７５ｍｍとした。それぞれの列の中において、隣接するディンプル３の間の最小距離Ｈ０を５０ｍｍとした。隣接する２列のディンプル３のオフセットＨ００を５０ｍｍとした。

【0091】

実施例２の評価はＡＡだった。

【0092】

（実施例３）
第１実施形態に即した堰のモデルを設定した（図６、図１５）。堰１の長さＬを実施例１と同じく６００ｍｍとしたが、高さＨは実施例１より高く、５５０ｍｍとした。前面１３の高さＨ１を４００ｍｍとし、湾曲面１４の曲率半径ｒを１５０ｍｍとし、湾曲面１４の下端Ｂより下流側のθ＝６０度の場所を接続部ｂとした。下流側斜面１５の角αを６０度とし、高さＨ２を３８０ｍｍとした。また、接続部ｃと接続部ｄとを接続する後面１６の曲率半径Ｒを３００ｍｍとした。

【0093】

実施例３の評価はＢだった。

【0094】

（実施例４）
第３実施形態に即した堰のモデルを設定した（図９）。堰１の高さＨを５５０ｍｍとし、長さＬを４００ｍｍとした。下流側斜面１５の角αを３４度とし、高さＨ２を１００ｍｍとし、長さＬ２を１５０ｍｍとした。上流側斜面１７の角βを４０度とし、高さＨ３を１５０ｍｍとし、長さＬ３を３００ｍｍとした。

【0095】

実施例４の評価はＢだった。

【0096】

（実施例５）
第３実施形態に即した堰のモデルを設定した（図９）。堰１の高さＨを５５０ｍｍとし、長さＬを６００ｍｍとした。下流側斜面１５の角αを４０度とし、高さＨ２を２５０ｍｍとし、長さＬ２を３００ｍｍとした。上流側斜面１７の角βを３４度とし、高さＨ３を１００ｍｍとし、長さＬ３を１５０ｍｍとした。

【0097】

実施例５の評価はＢだった。

【0098】

（実施例６）
第４実施形態に即した堰のモデルを設定した（図１０）。堰１の高さＨを５５０ｍｍとし、長さＬを６００ｍｍとした。湾曲面１４の曲率半径ｒを３０５ｍｍとし、湾曲面１４の円心ｏから上面１１までの距離Ｈ４を２４５ｍｍとして設定した。

【0099】

実施例６の評価はＢだった。

【0100】

（比較例１）
断面が矩形である堰のモデルを設定した（図１６）。堰を、上面、前面、底面および後面を有するものとした。上面から底面までの距離、すなわち堰の上下方向の高さＨを５５０ｍｍとし、前面から後面までの距離、すなわち堰の流れ方向の長さＬを６００ｍｍとした。

【0101】

比較例１の評価はＤだった。

【0102】

（比較例２）
断面が矩形である堰のモデルを設定した（図１６）。堰の上下方向の高さＨを３００ｍｍとしたことを除き、比較例１と同じ設定とした。

【0103】

比較例２の評価はＣだった。

【産業上の利用可能性】

【0104】

本発明は、たとえば高炉から流出する溶銑を流通するための高炉樋に利用できる。

【符号の説明】

【0105】

２０ 高炉樋
３０ スラグ樋
３１ スラグ樋の入り口
ＢＦ 高炉
Ｆｏ 出銑口
Ｐ 溶銑流
Ｓ スラグ流
ＳＤ スキンマーダンパー
ＭＬ メタルライン
ＳＬ スラグライン
１ 堰
２ 支柱
３ ディンプル
１４ 湾曲面
１５ 下流側斜面
１７ 上流側斜面
１３ 前面
１６ 後面
１１ 上面
１８ 底面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】