高炉およびその付帯設備の設計における重要な考慮事項

高炉および付帯設備の設計における重要な側面

高炉（BF）本体およびその直上流・直下流にある関連・付帯設備（図1）の設計は、高炉の効率的な運転に不可欠です。炉本体以外にも、直近の関連設備として（1）ストックハウス、（2）装荷設備、（3）炉頂、（4）冷却システム、（5）鋳造場設備があります。

図1 高炉とその関連・付帯設備

高炉製鉄は、複数のコンポーネントが調和して機能するシステムで構成されています。これらのコンポーネントの適切な適用と運転が製鉄プロセスを支えています。特定コンポーネントの選定は、既存条件、物理的制約、生産要件、コスト、スケジュール、信頼性、保守性などの要因に依存します。コンポーネント間の相互依存関係は、個々の能力と同様にシステムの成功運転にとって重要です。各領域・コンポーネントには主要な要件と「標準的」な慣行があります。また、固有の利点と欠点を持つ代替技術も市販されています。

高炉は鉄鉱石原料を溶銑（ホットメタル）に変換します。高炉に関連して、コークス炉が石炭をコークスに、焼結・ペレット工場が鉄鉱石を高炉用に調製します。高炉はこれらの調製原料をより高付加価値の製品に変換します。一部の高炉からの溶銑は鋳造工場で鋳鉄製品の生産に、別の操業では低ケイ素溶銑が製鋼工場で鋼に変換されます。一部の溶銑は銑鉄鋳造機で銑鉄になります。高炉の副産物はスラグ、高炉ガス、フライダスト、フィルターケーキです。これらは地域の利用可能性によって正または負の経済的影響を持ちます。

高炉の設計または再設計におけるあらゆる考慮事項に影響を与える複数の側面は、（1）利益、（2）従業員の健康と安全、（3）環境保護、（4）法的規制、（5）市場および下流工程のニーズ、（6）利用可能な人的・建設・保守リソース、（7）技術変化と設備の陳腐化、（8）利用可能な原料、ユーティリティ、その他資材、（9）その他です。これらのいずれかに深刻な制約があると、高炉ユニット（甚だしきは製鉄所全体）の存続可能性を脅かし、新高炉の建設を排除または必要とします。

高炉の規模分類

高炉は通常、規模によって分類されます。ミニ高炉は日産1,500トン未満、小型高炉は約2,500〜5,000トン、中型高炉は約6,000〜8,000トン、大型高炉は約9,000〜12,000トンの溶銑を生産します。一体型製鉄所では、必要な溶銑量を供給するために複数のサイズの高炉が必要です。複数の高炉を持つ一体型製鉄所は、一基が再耐火修理中や炉況制御トラブル時でも影響を受けにくいです。小型高炉は再耐火修理期間が短く、操業が容易とされますが、溶銑コストは高くなります。一体型製鉄所は最小限のコスト効率の良い炉数を運転する必要があります。場合によっては稼働炉数を減らすための能力向上が図られます。

高炉はキャンペーン（再耐火修理間の期間）終了後に定期的に再耐火修理されます。従来は内部レンガライニングの交換でしたが、近年は大規模なコンポーネントの再構築・交換、予防保全を同時に実施します。この慣行により、少数の大型高炉を持つ効率的な製鉄所は、多数の小型炉を持つ製鉄所よりも再耐火修理時の生産損失率が高くなります。低運転コストと再耐火修理時の最小干渉を両立するため、業界は高炉キャンペーンの最大化と再耐火修理期間の短縮に取り組んできました。現在の一体型製鉄所の明確な傾向は、より少ない大型炉を運転し、高炉キャンペーンを無期限に延長する技術・設計を活用することです。

同時に、製品変動の低減がより重要になり、プロセスの監視・制御を改善する自動化への投資が進んでいます。高炉オペレーター、保守要員、設計者、研究者は現代技術と分析手法を高炉プロセスに適用し、より良い監視・制御を実現しています。その結果、溶銑品質の標準偏差が減少しました。改善されたデータ収集システムはサプライヤーとメーカーにより多くの情報を提供し、材料選定と高炉および関連設備の設計を改善しました。キャンペーン長は以前の5〜10年から約20年まで延びています。

高炉製鉄は430年以上の歴史を持つ技術ですが、今日でも一体型製鉄所での鋼生産において高炉溶銑の利用が最も一般的な方法です。現代の一体型製鉄所プロセスは、予定通りに予測可能な量の一定品質の溶銑を高炉に依存しています。溶銑供給のあらゆる側面の変動は、他の製鋼プロセスに深刻な影響を与えます。したがって、高炉は現代の一体型製鉄所において依然として鍵となるプロセスです。

高炉プロセス技術はその有用な寿命の終わりにあると主張されることがありますが、そうではありません。典型的な中型高炉2基からの23年間（1970〜1993年）の操業データ研究では、年間平均生産性向上3%（図2a）、年間平均燃料比低減1%（図2b）が示されています。また、設備・材料・設計の改善により、再耐火修理間の生産的時間（キャンペーン）が延長されています。その結果、インフレ補正後の溶銑生産総コストは操業データが示す以上に改善しています。したがって、430年以上の歴史を持つ高炉プロセス技術は死んでおらず、あらゆる分野で相当な速度で進歩し続けています。高炉は今日、常に改善される技術によって支えられる動的な科学であり続けています。

図2 典型的な中型高炉2基からの操業データ

高炉のレイアウト

高炉のレイアウトは、溶銑製造に必要なさまざまな材料と、それによる製品・副産物を扱う設備を統合する作業です。最も効率的な設計はプロセス全体を適切に収容し、その有効性は初期設備投資と継続的な運転コストの両面から判断されます。高炉プラントのレイアウトは、（1）敷地地形、（2）気候条件、（3）原料搬入方法、（4）構内原料加工システムと位置、（5）下流工程システムと位置、（6）溶銑の必要量/フロー要件、（7）溶銑輸送車両のタイプとサイズ、（8）その他など、複数の要因に依存します。図3は高炉プラントの簡略レイアウトを示します。

図3 高炉プラントの簡略レイアウト

高炉プラントは通常、以下のセクションで構成されます：（1）原料貯蔵・搬送・取出し、（2）ストックハウス、（3）装荷システム、（4）炉本体、（5）鋳造場、（6）スラグ処理・搬送、（7）溶銑搬送、（8）熱風炉と熱風システム、（9）ガス洗浄プラント、（10）ユーティリティ、（11）自動化・制御システム、（12）保守設備、（13）要員支援設備。

原料貯蔵と搬送

鉄鉱石、焼結鉱、ペレット、フラックス、石炭、コークスなどの原料は、外部から調達されるか、一体型製鉄所内で生産されます。これらの原料は高炉操業を支えるために十分な管理された貯蔵が必要です。予測可能な納入途絶や予期せぬ途絶に備えた貯蔵容量が必要です。特定原料の供給元変更の可能性に備えて追加容量が必要な場合もあります。類似材料でも物理的・化学的特性が異なるため、別々の貯蔵場所が必要です。類似材料の混合はプロセス制御・冶金上の問題を引き起こす可能性があります。貯蔵パイルは異種材料の混入を防ぐため分離して配置します。パイルは、取出し設備オペレーターが良質材と不純物を区別できるよう、整備されたベッド上に配置します。パイルは材料劣化を最小化し、風による微粉飛散を防ぐよう配置します。散水や被覆剤で風による粉塵飛散・流出を最小化できます。

原料の積み込みと取出しには複数の技術があります。積み込みにはワゴンティップラー、鉱石ブリッジ、スタッキングコンベヤ、スクラパーなど。取出しにはバケットホイールリクレーマー、ベンダーリクレーマー、フロントエンドローダー、スクラパー、ビンまたはパイル底部からの直接取出しなど。これらのシステムは高炉プラントに必要なスループットを確保するよう規模設定されることは明らかです。

ストックハウス

ストックハウスは高炉オペレーターが炉へ直接供給する原料の貯蔵ユニットです。高炉用原料それぞれに貯蔵ビンが設けられます。冶金特性が異なる類似材料（焼結鉱、ペレットなど）には個別のビンが設けられます。ストックハウスは原料貯蔵エリアからの短期供給途絶時にも各種原料に対応できる十分な容量を提供します。原料供給途絶時の典型的なストックハウスビンスループット容量は、（1）コークス：2〜8時間、（2）鉄分原料（鉱石、焼結鉱、ペレット）：4〜16時間、（3）フラックスおよびその他雑材：8〜24時間です。これらは定格炉生産量に基づき、在庫やサプライヤーからの補充の信頼性とアクセス時間によって変動します。

原料は気候条件と繰り返し搬送により劣化します。搬送回数が多いほど（ストックパイル、取出し、ダンピング、コンベヤシュート、鉱石ブリッジバケットなど）、原料中の微粉率が高まります。高炉プロセスは制御された透過性、すなわち制御された原料を必要とします。過剰な微粉の装荷は、通常装荷全体を通じて、または特定の短期間に集中して行われると、高炉プロセスを乱し、炉設備を損傷する可能性があります。ストックハウスは炉への装荷前の微粉除去の最後の合理的な機会を提供します。可能な限り、コークス、鉱石、焼結鉱、ペレット貯蔵ビンの後段に振動スクリーンを設置し、微粉の大部分を除去します。除去された微粉はリサイクルのために回収されます。一部の高炉オペレーターは、炉内局所透過性の調整と炉壁熱負荷制御のため、微粉を炉内特定エリアに装荷します。

水分計はストックハウスに頻繁に設置され、炉へ装荷される実際の水分量を監視します。この情報により、周囲条件の変動（雨期のコークス水分増加など）に対応して装荷量を調整できます。

高炉の連続操業を支えるために異なる種類と量の原料が特定の順序（炉操業パラメータの変動に対応して頻繁に変更可能）で必要とされるため、ストックハウスには特定のスケジュールを満たすために正確な量の特定原料を取出し・供給する信頼性の高い設備が必要です。図4はストックハウス内の簡略設備配置を示します。

図4 ストックハウス内の簡略設備配置

従来、最も一般的なストックハウスはハイライン型でした。このタイプは炉に直接隣接して配置されます。鉄道貨車やブリッジクレーンが貯蔵ビンに供給し、ビンからトラベリングスケールカーに直接供給されます。スケールカーのオペレーターがビン排出ゲートを手動で制御し、スケールカー内の秤付きホッパーに特定量の材料を供給します。適切な種類と量の材料を集めた後、オペレーターはスケールカーを「スキップピット」上方に移動し、シュートを通じて待機中のスキップカーに原料を投入します。スキップカーはその後、炉頂まで巻き上げられます。

スケールカーを伴うハイライン型ストックハウスは、鉄系装荷（鉱石、焼結鉱、ペレット）のスクリーニングにおいて選択肢が少なかったです。高炉プロセスの知識が深まるにつれ、原料により厳格な要件が生まれました。「エンジニアードバーデン（設計原料）」の概念は業界で広く認識されています。ハイラインストックハウスがこの要件をサポートする柔軟性と適応性に限界があることは一般的に受け入れられています。したがって、ハイライン型ストックヤードは、高炉へ装荷材料を供給する自動化コンベヤ式ストックハウスに置き換わってきました。

自動化ストックハウスは通常、2つの明確に異なるタイプがあります。第1タイプは、原料ビン下のスケールカーをフィーダーとコンベヤベルトシステムに置き換えたものです。各原料タイプ（コークス、鉄分原料、フラックス材・添加剤など）ごとに独立したコンベヤが、ビン列上に設置され、振動フィーダーでビンからコンベヤへ原料を排出します。コークスと鉄分原料については、各コンベヤ排出部に振動スクリーンを設置し、材料をスクリーニングして計量ホッパーに供給します。このタイプはスキップカー前の計量ホッパーへの供給を継続します。

第2タイプは、地上に完全に建設された大規模な貯蔵ビン構造で、高炉からかなり離れた場所にあります。これは通常、スキップカー 대신ベルトコンベヤで装荷材料を炉頂まで搬送する高炉で採用されます。貯蔵ビンへの充填は通常コンベヤベルトシステムで行います。原料は振動フィーダーとベルトコンベヤで貯蔵ビンから引き出され、計量ホッパーへ搬送されます。計量ホッパーは集荷コンベヤによりメインコンベヤへ材料を排出します。計量ホッパーは炉頂へのメインコンベヤベルト上に、正しい順序で原料を計量投入するようプログラムされています。

自動化ストックハウスの導入により、原料のストックハウスへのより効率的な供給、原料の選別・スクリーニング・計量・炉への供給の効率化が可能になります。自動化ストックハウスは、スキップカーに供給するため炉に直接隣接させることも、ベルトコンベヤで装荷するため炉から離れた場所に配置することもできます。

ストックハウスの自動化は生産能力を大幅に向上させ、運転効率を改善し、オペレーターと設備による運転バラツキを排除しました。しかし実際には、最新の自動化ストックハウスはかなり複雑になることがあります。ストックハウス自体がコンベヤで供給され、それらがトリッピングコンベヤへ排出して各ビンへ材料を分配します。ストックハウス内のコンベヤと設備のレイアウトは多数の方法で配置できます。ストックハウスを炉に隣接配置すると、レイアウトの混雑と将来の改修への柔軟性制限が生じることが多いです。

巻き上げシステム

原料は通常、スキップカーまたはコンベヤベルトにより高炉頂まで巻き上げられます。

スキップカー巻き上げ

高炉用スキップカーの利用は鉱山業界から発展しました。高炉スキップカーは炉スループットに合わせてサイズ設定されます。当然ながら、巻き上げ能力、スキップブリッジ設計など、いくつかの要因がスキップサイズに独自の影響や制約を持ちます。

通常、2基のスキップが共通の巻き上げ機で対向運転され（必要巻き上げ動力を低減）、スキップブリッジ上のレールを走行します。ブリッジは水平から約60〜80度の傾斜に設置されます。満載スキップはスキップピットを離れるとゆっくり加速し、可能な限り速く加速して最大速度に達し、その速度で大部分を走行します。巻き上げ機はスキップブリッジ頂部に近づくとスキップを減速させます。スキップの車輪は、スキップが炉頂装荷設備へ倒れ込む際、ダンピングレールとホーンレールによってガイドされます。巻き上げスキップが最終ダンピング位置に到達して停止すると、空のスキップ（同じ速度で降下）がスキップピットの底に到達し、充填を待ちます。スキップ装荷システムは炉頂へ原料を供給する信頼性が高く効果的な手法ですが、スキップは特定量の材料しか保持できない（過積載は過充填や過剰巻き上げ荷重を招く）か、特定原料の少量が必要な場合に非効率になるという、オペレーターにとって柔軟性に欠ける欠点があります。図5はスキップカー巻き上げの概略を示します。

図5 スキップカー巻き上げの概略

炉装荷コンベヤ

ストックハウスのコンベヤ化に伴い、巻き上げシステムもコンベヤ化されました。現在ではストックハウスを炉から離れた場所に配置し、1本の大型コンベヤベルトで原料を炉頂まで搬送するのが一般的です。炉頂が約60メートルの高さで、コンベヤベルトが水平から8度の傾斜で設置される場合、ストックハウスは炉から少なくとも427メートル離す必要があります。材料の逆戻りを最小化するため、より急なベルト傾斜は通常避けられます。鉄系装荷の終端直後に雑材をコンベヤベルト上で直接装荷し、鉄系材料が炉頂まで位置を保持できるようにするのが一般的です。

炉頂装荷システム

炉本体は高い正の炉頂圧力で運転されます。高炉ガス（一酸化炭素、二酸化炭素、窒素で部分的に構成）は高炉プロセスによって大量の飛散ダストとともに生成されます。高炉オペレーターはプロセス上の利点と、ガスとダストの封じ込め（燃料価値と環境管理の両目的で）のために炉頂圧力を維持する必要があります。しかし、内部プロセスを補充するために定期的に原料を炉頂内部に投入しなければならず、その際に炉頂圧力を失わないようにしなければなりません。

ベル型炉頂

長年にわたり、最も一般的な炉頂タイプはツーベル型（図6）でした。原料が炉頂に到達（スキップまたはコンベヤにより）すると、受入ホッパーを経て小ベルホッパーへ落下します。小ベル（日産5,000トン高炉で直径約2.6メートル、高さ約1.4メートルの円錐形鋳鋼製）が降下し、原料を大ベルホッパーへ落下させます。小ベルは上昇し、小ベルホッパーの固定シートにシールします。大ベルホッパーの容量に応じて、小ベルにより追加の原料荷が順次大ベルホッパーへ投入されます。この過程全体で大ベルは閉じたまま炉をシールしています。正しい回数の原料荷が集まると、大ベル（日産5,000トン高炉で直径約5.5メートル、高さ約3.5メートルの円錐形鋳鋼製）が降下し、原料がベルを滑り降りて炉本体頂部へ入ります。原料排出後、大ベルは上昇し、大ベルホッパーの下面にシールします。図6はベル型高炉頂装荷システムを示します。

図6 ベル型高炉頂装荷システム

明らかに、このタイプの炉頂による炉内原料分布制御は、大ベル上に原料がどれだけ均等に配置されるか（スキップ投入はこのタイプの炉頂への不均等な原料配置をもたらす）と、大ベルから滑り落ちる際の各原料（コークスや鉄原料など）の落下曲線によって制限されます。さらに、ツーベル型は大ベル・小ベルのシール面と大ベルロッド・小ベルチューブ間のパッキンのシール劣化に弱いです。ベル漏れは原料がベルシール面を滑る摩耗によって生じます。ロッドパッキン漏れは、炉内からの微粉または受入ホッパーへの原料投入後に大ベルロッドに堆積した微粉の摩耗によるものです。

大ベルシール面の摩耗を最小化するため、炉内ガスを両ベル間に導入して空間を均圧化し（大ベルシール面の差圧を低減）、小ベルを開いて更なる原料投入を許可する前にこのガスを大気へ放出します。ツーベル型システムの制限を改善するための選択肢には以下があります。

マッキー分配装置

マッキー分配装置（図6）は長年、ツーベル型の主要な原料分布改善装置でした。しかし、他の技術に急速に置き換わっています。その設計は、スキップカー投入中に小ベルと小ベルホッパーを一体回転させる機能を備えています。原料が小ベルホッパー内に均等に分配されるため、大ベル上への原料配置の均一性が向上します。このタイプの炉頂は小ベル・大ベルの摩耗とそれによるシール効果喪失を起こしやすいです。

CRMユニバーサルロータリー分配炉頂

CRM（Centre Recherches Metallurgiques - ベルギー）ユニバーサルロータリー分配装置（図6）は、小ベルのシール効果喪失を排除するために開発されました。通常の小ベルの代わりに2つのベル（シールベルと材料ベル）が設置されます。回転原料ホッパーが材料ベルに取り付けられます。シールベルは材料ベルの下にあり、固定シートにシールします。スキップ投入中、原料ホッパーと閉じた材料ベルが回転してホッパーを均等に充填します。充填完了後、ホッパー回転が停止します。大ベルへ投入するタイミングで、回転ホッパー、材料ベル、シールベルが降下します。シールベルが固定シートより下まで降下します。降下過程の途中でホッパーの降下が停止し、材料ベルとシールベルが停止位置まで降下し続けます。材料ベルとホッパーの間に隙間が開くと、原料が均等に大ベルホッパーへ排出されます。原料が隙間を離れる際、シールバルブシート面に接触しないため、頂部シール能力が維持されます。このタイプの炉頂は0.2MPaの内圧を維持可能です。

CRM炉頂はツーベル型のシール能力と寿命を改善します。しかし、マッキー分配装置以上の劇的な炉内原料分布改善はなく、大ベルシール面の脆弱性も排除しません。

GHHロックホッパー炉頂

GHHロックホッパー炉頂（図6）はツーベル型の改良です。各スキップ投入位置に独立したシールバルブ付きロックホッパーを追加することで、大ベルへのガスシール依存度を低減します。大ベルはシール面の差圧ゼロ（炉頂圧力＝大ベルホッパー圧力）で運転可能です。運転手順は以下の通りです。

スキップが受入ホッパーと開いたシールバルブを通じてロックホッパーへ原料荷を投入します。原料は回転小ベル上に配置され、回転分配ホッパーを均等に充填します。ロックホッパーと回転小ベルホッパー間のシールは回転中開いたままです。スキップからの原料投入完了後、シールバルブとロックホッパー・小ベルホッパー間のシールが閉じられます。均圧ガスが導入され、ロックホッパーが炉頂圧力まで加圧されます。その後小ベルが降下し、原料を大ベルホッパーへ導入します。小ベルが閉じ、ロックホッパー内圧が大気へ放出されます。反対側（もう一方のスキップ投入位置）のシールバルブが開きます。ロックホッパーと小ベルホッパー間のシールが開きます。小ベルとホッパーの回転が開始されます。これでもう一方のスキップからの原料を受け入れ可能になります。

このタイプの炉頂はツーベル型のシール能力と寿命を改善します。しかし、ロックホッパー炉頂もマッキーやCRM炉頂以上の劇的な炉内原料分布改善はありません。大ベルがシール機能を果たす必要はなくなりましたが、小ベルのシール効果寿命は依然として重要です。

可動アーマー

ベル型炉頂の原料分布を改善するための大きな一歩は、可動アーマーの開発でした（図7）。炉喉部に調整可能なディフレクターを設置し、大ベルから滑り落ちた原料を偏向させます。可動アーマーは、排出される特定の原料とオペレーターが炉内のどこに原料を配置したいかに応じて調整されます。

複数のメーカーが異なるタイプの可動アーマーを提供しています。個々のアーマーセグメントを均一に（同時に等しく）炉内へ移動させて環状パターンで原料を配置するタイプ。個々のアーマープレートを独立制御して非円形分布パターンを実現するタイプもあります。

可動アーマーに関連するいくつかの欠点は、（1）機械・摩耗コンポーネントの大半が炉頂コーンの過酷な環境下にある、（2）設計ストックラインレベルと可動アーマー間のクリアランス確保のため内部作業容積の一部損失が必要（ただしこの領域は炉作業容積の観点からは粗生産性ゾーンとは分類されない）、（3）炉心部への原料偏向能力が限定的、特にストックラインレベルがすでに高い場合。ペレットの転動特性が可動アーマーの限定的な変位をしばしば無効化します。

図7 ストックラインアーマーとベルレスタイプ装荷設備

ベルレスタイプ装荷システム

1970年代初頭、ルクセンブルクのPaul Wurth S.A.がベルレスタイプ（BLT）装荷システムを開発しました（図7）。この炉頂タイプはベル型からの根本的な脱却です。原料を炉内の必要な任意のパターンで配置できます。環状リング、らせん、セグメント、ポイント配置などが、頂部コーン内の原料分配シュートの同期または独立したチルトと回転により実現可能な一般的パターンです。

炉頂シールは炉キャンペーン全体を通じて維持されます。保守作業は簡単で短時間です。通常、BLTは受入シュート/ホッパー（スキップまたはコンベヤベルトから原料を受入）、上下シールバルブ付きロックホッパー、材料流量制御ゲート、メインシュート駆動ギアボックス（シュート回転とチルト用の水冷またはガス冷却ユニット）、原料分配シュートで構成されます。主なBLTタイプは3つ：（1）パラレルホッパー型、（2）セントラルフィード型、（3）コンパクト型です。

通常、パラレル型は2基のロックホッパーを備えます（スループットとバックアップ目的で複数炉に設置実績あり；クリアランス制約のある用途向けに1基の「エキセントリック」ホッパー型も設置実績あり）。1980年代初頭以来、複数の高炉が「セントラルフィード」単一ロックホッパー型を選択しており、原料偏析と原料分布制御の改善による炉操業改善が理由です。

小型〜中型炉向けに「コンパクト」型BLT炉頂が開発され、コストや物理的制約で他の大型BLTが使用できない炉にもBLT（とその利点）を導入可能にしました。セントラルフィード型BLTの操作手順は：（1）スキップまたはコンベヤベルトから受入シュート/ホッパーを経て開いたシールバルブを通じてロックホッパーへ原料を投入、（2）ロックホッパーへ原料受入後、上部シールバルブを閉じ、均圧ガスを導入してロックホッパーを炉圧力まで加圧、（3）下部シールバルブを開く、（4）材料ゲートを特定原料に合わせて予め選択した開度に設定し、ロックホッパーから原料を排出、（5）原料がメイン伝達ギアボックス付きフィーダースポットを垂直に落下し、原料分配シュートへ落下、（6）原料分配シュートが炉内の必要な地点へ原料を導く、（7）ロックホッパーが完全に排出されたら（ロードセルおよび/または音響監視で検知）、下部シールバルブを閉じる、（8）リリーフバルブを開いてロックホッパーを大気へ放出（またはエネルギー回収ユニット経由）、（9）上部シールバルブを開き、シーケンスを繰り返す。

BLTの他の頂部装荷システムに対する利点には、より高い炉頂圧力能力（0.25MPa）、燃料節約、生産増加、より安定した操業、コストと時間の面での保守削減、炉キャンペーン寿命の延長、チュイエールでの高石炭吹込み率採用時の炉操業制御改善などがあります。

ジンバル装荷システム

ジンバル装荷システムの目的は、保持ホッパーと可変材料ゲート開度を通じてジンバル型振動シュートによる装荷材料の制御分配を容易にし、上部の加圧装荷システムが分配システムから独立して動作できるようにすることです。ジンバル配置でリングにより支持される円錐形分配シュートを使用し、シュート軸の独立および複合チルトを生成します。ジンバル分配装置は全体的な高炉頂装荷システムの一部として、完全に統合された装荷ソリューションを提供し、高炉操業と保守コストに大幅な改善をもたらします。ジンバルシステムは、ジンバル配置でリングにより支持される円錐形分配シュートを使用し、シュート軸の独立および複合チルトを生成します。

ジンバル炉頂は、分配ロッカー、上部シールバルブ、ホッパー、下部シールバルブ、材料流量ゲート、ゴーグルバルブアセンブリを含む炉頂分配設備の全範囲を備え、すべて油圧駆動分配シュートを通じて排出されます。チルトシュートは90度離して取り付けられた2本の油圧シリンダーで駆動されます。この懸架と駆動配置により、チルトシュートの回転ではなく、両チルト動作の重ね合わせによる円運動が生成されます。シリンダーの独立または複合動作により、シュート軸を任意の角度、さらには任意の経路に向けることができます。動力は2本の油圧シリンダーにより、シャフト、連結ロッド、ユニバーサルジョイントを通じてジンバルリングを駆動することで供給されます。油圧シリンダーの動きにより、分配シュートは変化する速度で無限の装荷パターンの可能性を備え、原料を炉内に精密に分配できます。これらにはリング、らせん、中心、スポット、セグメント、セクター装荷が含まれ、炉への材料装荷を完全に制御できます。

分配装置アセンブリ全体はガス密ハウジングに収められ、高炉頂コーンのトップフランジに直接取り付けられます。ハウジングには固定投入シュートと、ジンバル配置でリングにより支持され、独立および複合チルトを可能にするチルト分配シュートが含まれます。アセンブリはステンレス鋼と炭素鋼の組み合わせで作られ、固定投入シュートとチルトシュート本体は優れた耐摩耗保護のためセラミック材でライニングされています。閉回路水冷却システムがメインシャフト、ジンバルベアリング、ユニバーサルジョイントベアリングを通じて冷却水を供給し、ジンバル分配システムの可動要素を冷却します。

ジンバル設計の主要特徴は：（1）油圧シリンダーで駆動されるレバーを使用したシンプルで堅牢な設計、（2）駆動シリンダーが圧力エンベロープの外部に取り付けられ、高温多粉塵のサービス条件にさらされない、（3）ジンバルリング配置により2平面でのシンプルなチルト動作を実現し、重ね合わせで360度分配が可能、（4）チルトシュートの摩耗が円周全体で均等化され、長寿命運転が可能。

高炉ジンバル炉頂は、自動化されたコンピューター制御加圧装荷システムで、以下を設計目的としています：（1）分配システムとは独立に、保持ホッパーで鉱石、コークス、雑材の荷を受入れ、（2）必要に応じて保持ホッパー下部の動的分配シュートへそれらを排出、（3）所定の装荷マトリクスに従って炉ストックラインへ規定パターンで材料を分配。ジンバル分配シュートの制御は全体的な炉装荷ソフトウェアに完全統合されています。システムはジンバル動作、ひいては分配シュート位置決めの高精度・高制御を提供します。ジンバル材料分配装置は図8に示します。

図8 ジンバル材料分配装置と装荷システム

炉本体

炉本体は高炉製鉄プロセスのメイン反応器です。内部ラインは内部プロセスを支え、外部ラインは内部プロセスを封じ込め、維持、監視、支援、調整するために必要なシステムを提供するよう設計されています。

高炉プロセスは対向流プロセスです。プロセスは：（1）常温の原料が炉頂から炉内の原料柱上に投入される、（2）原料が原料柱とともに降下するにつれ、加熱、化学変質、最終的に溶解、（3）溶融物で更なる化学変質が発生、（4）溶融生成物が底部付近で取り出される、（5）原料の溶解と取り出しにより原料柱が降下し、炉頂での原料補充が必要になる、（6）熱風が底部付近のチュイエールから吹き込まれる、（7）チュイエール前で高炉ガスが生成され、降下する原料を通過して上昇しながら降下原料を化学変質させるとともに自らも化学変質・冷却される、（8）高炉ガス（とダスト）が炉頂付近で抽出される、（9）熱が炉壁全方向（主にライニング冷却システムを通じて）と高炉ガス、溶銑、溶融スラグとともに取り出される。図9は高炉の断面とタイプを示します。

図9 高炉の断面とタイプ

炉タイプ

炉はマンテル支持型と自立型で建設されます。マンテル支持型高炉の特徴は、炉下部スタック底部にリングガーダー（マンテル）が位置することです。マンテルはさらに、メイン炉基礎上の柱で支持されます。炉底、チュイエールブレスト、ボッシュも基礎で支持されます。マンテル支持柱を持つ炉は、マンテル、ボッシュ、チュイエールブレストエリアでの改良においてアクセス制限と柔軟性低下の傾向があります。

熱膨張が炉シェル設計の主要考慮事項であるため、マンテル型炉は興味深い設計考慮を提供します。マンテル支持柱は比較的低温です。マンテルは炉基礎に対してキャンペーン全体を通じて一定の高さを維持する傾向があります。プロセス熱によるスタックの熱膨張は「固定」マンテルを基準とみなされます（炉頂がマンテルに対して上昇）。プロセス熱によるシェル熱膨張により、炉基礎上に支持されるボッシュ、チュイエールブレスト、炉底壁シェルの実効高さが増加します。炉下部が固定マンテルに向かって上昇します。したがって、ボッシュ/マンテル接続部または炉下部の適切な位置に何らかのタイプの伸縮継手を設ける必要があります。

自立型炉は柱を排除し、主要設備と炉冷却改良の設置を可能にするために開発されました。この炉タイプは構造支持のためにより厚いシェルを持ちます。信頼性の高い冷却・ライニングシステムの設置と保守が、シェルの構造的寿命を維持するために必要です。

自立型炉には2つのバリエーションが使用されてきました。一種は独立した構造支持塔で炉排ガスシステムと装荷/巻き上げシステム荷重を支持します。もう一種（再耐火修理時のシェル交換のために独立支持塔を採用しつつ）は炉本体で排ガスシステムと装荷/巻き上げシステム荷重を支持します。炉タイプに関わらず、炉シェル設計には特別な考慮が必要です。炉容器はブラストとガス、原料、溶銑とスラグからの内圧を受けます。全操業、保守、再耐火修理段階でのデッドロードとライブロードを考慮する必要があります。

炉ゾーン

炉本体の主要ゾーンは：（1）トップコーン、（2）喉部、（3）スタック、（4）マンテル/ベリー、（5）ボッシュ、（6）チュイエールブレスト、（7）炉底壁、（8）炉底、（9）基礎です。

トップコーン

トップコーンまたはドームは炉本体の最上部です。炉頂装荷設備と高炉ガス回収システムを支持します。ストックロッド（ストックライン記録計/ゲージ）は通常ここに設置され、炉内原料の上部レベルを監視します。これらの装置は次の予定原料投入への許可または指示信号を提供します。通常、特殊ウィンチで降下させる重り、またはマイクロ波ユニットです。一部の炉では炉喉部に放射性同位体エミッターと検出器を設置して原料レベルを監視します。赤外線カメラをトップコーンに設置し、原料ストックラインから逃げる高炉ガス温度分布を監視できます。

トップコーンは炉本体で最も低温のゾーンですが、原料「スリップ」（異常な降下不足期間後の急速・無制御な原料降下）が発生すると極めて高温に曝される可能性があります。新しく装荷された原料はこのゾーンを通過し、高炉ガスはこのセクションから運び去られます。

喉部

このゾーンには鋼製耐摩耗プレートまたはアーマーが設置されます。ここでは装荷原料による炉ライニング摩耗が劣化の主原因です。炉オペレーターは原料の上部レベル（ストックライン）をこの領域に維持しようとします。大ベルから落下する原料を偏向させるため、可動アーマーをこのエリアに設置できます。BLT導入により、ストックラインエリアの摩耗を大幅に低減できます。一部の高炉ユーザーはアーマープレートを廃止し、耐摩耗耐火物ライニングを使用します。

スタック

スタック（シャフトまたは「インウォール」とも呼ばれる）は、自立型炉ではマンテル/ベリーとストックラインエリアの間のゾーンです。滑らかで均一なライン（プロセス「作業面」）は、炉キャンペーン全体を通じた均一で予測可能な原料降下、高炉ガス上昇、安定したプロセス制御に不可欠です。プロセス上の考慮から、スタックベースの直径がトップより大きくなるよう規定されます。典型的なスタック角度は水平から約85度の範囲です。

マンテル/ベリー

マンテルまたはベリーエリアは、拡張したスタックとボッシュセクション間の移行部を提供します。冷却/ライニングシステムの有効性維持は、マンテル型炉ではマンテル構造を保護するために特に重要です。熱保護は自立型炉でも重要ですが、自立型設計はこのエリアでよりシンプルでアクセスしやすいです。

ボッシュ

ボッシュエリアはチュイエールブレストと炉のマンテル/ベリーの間に位置します。ボッシュ直径は下から上へ向かって増加します。ボッシュの傾斜はプロセスガスの効率的な上昇を可能にし、必要なゾーン寿命を提供するために必要とされてきました（プロセスガスは極めて高温で、内部化学攻撃条件は厳しい）。典型的なボッシュ角度は水平から約80度の範囲です。ボッシュは基本的に2タイプ：（1）バンド型、（2）シール型です。異なる技術で冷却可能です。

バンド型ボッシュは古いマンテル支持型炉で見られます（自立型炉には適用不可）。複数の鋼バンドが段階的に増加する直径（ボッシュ底部で最小、頂部で最大）で配置され、連結ストリップで結合されます。バンド間の隙間から銅冷却プレートを導入できます。空気浸入により炭素系ライニングが酸化するため、セラミックレンガライニングを使用する必要があります。バンド型ボッシュでのガス漏洩は多くなります。このタイプは高ブラスト圧/高炉頂圧の高炉には不向きです。バンド型ボッシュは炉下部のシェル伸縮継手の必要性を排除する十分な柔軟性を提供します。

分離バンドの代わりに連続鋼シェルプレートを使用するシール型ボッシュは、改良された冷却/ライニングシステム、より高い炉操業圧力、自立型炉タイプの採用を可能にします。シール型ボッシュは貴重なガスを炉内に保持し、冶金プロセスを改善します。また、シールボッシュはライニングへの空気侵入を防ぐため、炭素系耐火物の使用をサポートします。

チュイエールブレスト

熱風はチュイエール（水冷銅製ユニット）を通じてチュイエールブレスト内に設置されたチュイエールから炉へ導入されます。必要チュイエール数は炉サイズ（生産能力）に依存します。チュイエールブレスト直径、チュイエール間隔、チュイエール数は、各チュイエール前の予想レースウェイゾーンサイズに影響されます。

チュイエールストック（図10）はバッスルパイプからチュイエールへ熱風を輸送します。チュイエールはチュイエールクーラー（水冷銅製ユニット）で支持され、それらは鋼製チュイエールクーラーホルダー（炉シェルに溶接またはボルト固定）で支持されます。炉ガスの漏洩・損失を防ぐため、チュイエールブレストのシェルとライニング設計において各コンポーネントの効果的なシール維持に特別な配慮が必要です。

図10 チュイエールストックアセンブリと高炉炉底

炉底

炉底（図10）は炉のるつぼです。ここで溶銑と溶融スラグが集められ、炉が出銑されるまで保持されます。炉底壁はタップホール（頻繁に「銑ノッチ」と呼ばれる）で貫通され、集められた溶銑と溶融スラグを取り出します。タップホール数は炉サイズ、溶銑・溶融スラグ搬送要件、物理的・資本的制約などに依存します。

複数の炉にスラグまたはシンダーノッチが装備されています（通常1炉あたり1基、一部は2基）。スラグノッチ開口高さは通常、銑ノッチ開口高さより十分高く設定されます。以前はスラグ量が多かったため、スラグノッチから定期的にスラグを流出させていました。これにより鋳造場での銑鉄/スラグ分離プロセスが簡素化されました。しかし現在ではより一般的に、スラグノッチは初期炉立ち上げ手順や、銑ノッチやその他の炉操業トラブル時の緊急用としてのみ保持されています。

炉底底部

炉底底部は炉底壁を支持し、炉内の銑鉄で満たされます。キャンペーン進行に伴い、炉底底部ライニングが一定の平衡点まで摩耗します。残存耐火物がプロセスを封じ込め、十分な冷却または固有の断熱価値により炉パッドと基礎を保護します。

冷却システム

個々の炉ゾーンへの特定冷却技術の適用は、キャンペーン寿命期待、炉操業方針、原料タイプ、耐火物、コスト制約、物理的制約、利用可能な冷却媒体、好みなど複数の要因に依存します。異なる冷却技術を各ゾーンに提供し、ライニングが各ゾーン固有の劣化要因に耐えられるよう支援できます。通常、ライニングシステムが生存するためには、該当する各炉ゾーンに適切な冷却能力を提供する必要があります。プロセスの熱的、化学的、ある程度研磨的条件が極限的な場合、炉の必要な均一な内部ラインを維持し、炉シェルを保護するために十分な冷却を提供する必要があります。

通常、炉のトップコーンと喉部エリアは冷却されません。炉底底部は「アクティブに」炉底下冷却（空気、水、オイル媒体）で冷却するか、「パッシブに」炉底底部ライニングを通じた熱伝導で炉底壁へ冷却できます。炉の残り部分の基本的な冷却オプションは：（1）無冷却（通常スタック上部は多くの炉で無冷却）、（2）シャワー/スプレー冷却、（3）ジャケット/チャネル冷却、（4）プレート冷却、（5）スターブ冷却です。

シャワー/スプレー冷却

水がスプレーまたはオーバーフロートラフにより導かれ、シェルプレート上をフィルム状に降下します。効果的なスプレーノズル設計、数、位置決めは適切なカバレッジとリバウンド最小化に重要です。適切なディフレクタープレート設計は効率的な冷却水分配と飛散最小化を確保するために必要です。シャワー冷却はボッシュと炉底壁エリアで頻繁に採用されます。スプレー冷却は主にスタックエリアで緊急またはバックアップ冷却として適用されます。外部シェルプレートの腐食と有機物汚着は水流を妨げたり、表面冷却効果からシェルを断熱したりする一般的な問題です。水処理は効果的な冷却を維持するための重要な考慮事項です。

ジャケット/チャネル冷却

製作冷却室、構造用鋼チャネル、アングルがシェルプレート外側に直接溶接されます。水が低速で冷却エレメント内を流れ、シェルとライニングを冷却します。ジャケット/チャネル冷却は炉底壁、チュイエールブレスト、ボッシュエリアで頻繁に適用されます。炉シェルへのスケール堆積と外部冷却エレメント底部へのデブリ堆積が冷却効果を損なう可能性があります。したがって冷却エレメントの定期的な清掃が必要です。

前述の冷却方式における重要な懸念領域は、シェルプレートが冷却エレメントとして機能する必要性です。極限的な熱負荷がシェル内面に作用する場合、シェルを横切る極めて高い熱勾配が存在します。この効果により高い熱応力がシェルに誘発され、最終的にクラックが発生します。クラックは炉内側から発生し、外側へ伝播します。クラックはシェルプレートを完全に貫通するまで（ホットスポット以外では）不可視です。シェルプレートの貫通クラックは高炉ガス漏洩、シェル表面浸炭、冷却効果の阻害（特にシャワー/スプレー冷却）をもたらします。シール冷却ジャケット/チャネルへのシェルクラックは特定が困難で、修理のための長期間炉休止を招く可能性があります。水が炉内へ侵入（頻繁に炉がオフラインで内部炉ガス圧が冷却水のシェルクラック通過侵入を防げないとき）すると、炉ライニングに悪影響を及ぼす可能性があります。炉内の水は爆発リスク（蒸気または水素）の面から潜在的に危険です。シャワー冷却とジャケット冷却がシェルプレートによるプロセス熱の冷却媒体への伝導に依存するため、プレート冷却とスターブ冷却はシェルをプロセスから隔離するよう構成されます。

プレート冷却とシガー冷却

炉シェルを貫通する冷却エレメントの設置（図11）は、炉ライニングの効果的な冷却とシェルプレート保護をもたらす主要な炉設計改良です。冷却は冷却エレメントのライニングへの貫通長に沿って提供されます。挿入エレメントは耐火物ライニングへの正の機械的支持を提供します。典型的な冷却プレート製造は鋳造高熱伝導銅です。冷却水のシングルまたはマルチパスを組み込めます。より大きな垂直断面を持つ冷却ボックスは鋳造鋼、鋳鉄、銅で製造されてきました。

図11 プレートクーラーとシガークーラー

鋼および/または銅製のシガー型（円筒形）クーラー（図11）も成功裏に使用されてきました。密なプレート冷却の哲学（垂直ピッチ350〜400mmセンター間、水平ピッチ600mmセンター間）により冷却効果が改善され、ライニング寿命が延びました。

銅冷却プレートは伝統的にリテイナーバーやボルト接続でシェルプレートに固定され、プレート漏洩時の容易な交換を可能にしてきました。より最近では、プレート後部に鋼製セクションを設け、鋼シェルに直接溶接する設計がなされています。交換により時間がかかる場合もありますが、このタイプは高炉ガス漏洩に対する確実なシールを提供します。プレートクーラーは通常、炉内で溶銑が集まる領域以上のエリアに設置されます。したがって、チュイエールブレストの中間点から喉部アーマー直下までが適用範囲です。

スターブ冷却

鋳鉄冷却エレメント（シャノンプレートまたはスターブ）は長年、ボッシュと炉底壁エリアで使用されてきました。これらの鋳物は大断面のコア冷却通路を持ちます。ボッシュでの耐用年数は目立たないものの、炉底壁では複数キャンペーンが正常でした。これらのスターブは、限界的品質の冷却水の低流量（スケールとデブリ堆積/蓄積）や鋳造気孔に悩まされることが多かったです。炉底壁への水漏洩は深刻な問題となり得ます。

1950年代、当時のソ連が新型スターブクーラー（図12）と「自然蒸発スターブ冷却」を開発しました。この設計では、鋼管を水路として含むグレー鋳鉄鋳物でした。パイプは鋳造前にコーティングされ、冷却管の浸炭とスターブ本体材との冶金的接触を防止しました。スターブは炉内で水平列に設置され、冷却管がシェルを貫通して突出しました。スターブの垂直列は、あるスターブから突出するパイプを、次の列の対応するスターブのパイプと相互接続することで形成されました。スターブはアーマー下のすべての壁ゾーンに適用可能です。炉底壁とチュイエールブレストのスターブは平滑面で供給されます。ボッシュ、マンテル/ベリー、スタックのスターブは通常、耐火物設置用のリブ溝を持ちます。

スターブクーラー設計の進化は劇的でした。より高熱負荷エリアのスターブは、熱伝導性と耐クラック性向上のためダクタイル鋳鉄鋳造が典型的です。初期スターブ設計では鋳込み耐火物（スターブ設置後に炉内で施工）を使用していましたが、現在ではリブに耐火レンガを通常組み込み、スターブ本体と一体鋳造（鋳造所で）するか、炉設置前にスライド・モルタル施工します。図12はスターブクーラーとスターブ開発の世代を示します。

図12 スターブクーラーとスターブ開発の世代

通常、4世代のスターブ（図12）が業界で認識されています。

第1世代スターブはもはや通常使用されません。これらは4つの冷却ボディ回路を持ち（コーナーを効果的に冷却しない長半径曲げ）、グレー鉄鋳物で鋳込みリブ耐火物です。第2世代スターブはコーナー冷却改善のための短半径曲げを持つ4つの冷却ボディ回路を持ちます。ダクタイル鉄鋳物で鋳込みまたは接着式リブレンガです。第3世代スターブは2層ボディ冷却で4〜6の冷却ボディ回路（スターブホットフェイス）と1〜2のサーペンタイン冷却コールドフェイス回路（スターブコールドフェイス）を備え、ホットフェイス回路喪失時の追加/バックアップ冷却を提供します。これらのスターブはエッジ冷却（上下）を追加しています。これらのスターブのより頻繁な用途は、耐火物ライニングを支持する冷却レッジとしてです。鋳込みまたはモルタル施工式リブレンガを持ちます。第4世代スターブは2層冷却（第3世代と類似）を持ちます。これらのスターブは冷却レッジと鋳込み壁レンガライニングを備え、手動内部レンガライニングの必要性を排除します。

ホットフェイスレッジを組み込んだスターブは、滑らかなリブ面レンガよりレンガライニング保持に効果的です。しかし、レンガライニングが消失（予想される）すると、レッジは炉内で大きく露出します。レッジは原料降下とガス上昇を阻害します。露出したレッジは急速に故障しやすいです。これらは頻繁にメインスターブ冷却回路とは別の冷却水でサービスされます。このようにして漏洩レッジ回路をより容易に特定または分離できます。一部のスターブメーカーは現在、レッジ鋳物を別体で提供しており、レッジのクラックと損失が親スターブを損傷しないようにしています。また、レッジ適用を完全に放棄する方向への考え方の変化も現在あります。

基本スターブ世代タイプのバリエーションは一般的です。例えば、壁ライニングに耐火物キャスタブルを利用する第4世代タイプスターブが成功裏に採用されています。あるいは、レンガライニングをスターブ本体にアンカー固定することもあります。こうしたアプローチはレンガ支持レッジの代替として使用できます。

「第5」世代スターブ設計として銅スターブ（図13）が開発されました。銅スターブの開発は、ボッシュ、ベリー、下部スタック領域での高熱負荷と大きな温度変動に対応するため、日本とドイツで行われました。日本は鋳造銅スターブを採用した一方、ドイツの銅スターブはドリル加工された冷却通路を持つ圧延銅プレートで、外側公差が厳密です。ドリル・プラグ式銅スターブは通常、上部に直線上4本、下部に直線上4本の水路パイプで設計されます。内部パイプコイル材料にはモネル、銅、鋼が含まれます。鋳鉄スターブとは異なり、銅スターブは冷却管との接合を意図しています。

鋳込み銅スターブの開発では以下の側面が考慮されました。第1の側面として、変形防止のため、スターブ長とボルト拘束点の適切な設計が重要です。第1の側面は、独自設計の鋳込み鋼管銅スターブの使用が変形リスクを効果的に低減するのに有益であることです。図13は圧延銅スターブと鋳込み鋼管銅スターブの拘束点を示します。圧延銅スターブは取り付けボルトとピンでシェルに拘束されます。立ち上がりパイプ根元の溶接が応力で損傷しないよう、立ち上がり配管は伸縮継手でシェルに接続されます。この構造により、スターブの上下端が自由に変位し、スターブが容易に変形します。高炉操業変動などによる銅スターブへの繰り返し大熱負荷が、塑性歪みを徐々に蓄積させ、大きな変形をもたらします。過度に長いスターブ、不適切なボルト位置、設計条件を超える高熱負荷の条件下では、上端変形が50mm以上に達し、溶接が破断した事例があります。

図13 圧延銅スターブと鋳込み鋼管銅スターブの拘束点

現在、最も一般的な銅スターブタイプは圧延銅スターブで、銅プレートに穴を開ける製造プロセスです。これらのスターブの水路端部はプラグ溶接されます。開発された鋳込み鋼管銅スターブは、曲げた鋼管を銅に鋳込むもので、従来の圧延銅スターブとは完全に異なる製造プロセスです。このユニークな製造方法により、圧延銅スターブでは達成できない高エネルギー効率と長寿命高炉を実現できます。

自然蒸発スターブ冷却（NEVC）は、ボイラー品質水を最下段スターブ列に導入し、自然な手段で垂直冷却回路を上昇させる技術です。プロセス熱がスターブと冷却管を通じて水へ伝導すると、水は加温されます。水が温まると膨張します。より冷たい水が下部から導入されるため、温水は上昇傾向があります。垂直冷却回路のどこかで水が沸点に達します。水が相変化して蒸気になると、気化潜熱により追加の熱が吸収され（相変化を駆動）、沸騰開始後、二相流（水と蒸気の混合）が冷却パイプを上昇し炉頂へ達します。通常炉頂プラットフォームに蒸気分離ドラムが設置され、蒸気を抽出・大気放出します。補給水がドラムに導入され（排出蒸気を補充）、重力で炉底へ配管され、再びスターブへ供給されます。この冷却技術は非常に効率的で運転コストが低いです。ポンプ設備が不要です。このシステムの改良として、冷却水流量を循環ポンプで増強（強制蒸発冷却、FEVC）して均一な冷却水流を確保し、循環水を冷却（強制冷水冷却、FCWC）することが行われてきました。両アプローチともスターブとライニング寿命を改善しました。

スターブは、内部レンガライニングが残存している間はその耐用年命が延びながら、シェルプレートを耐用期間を通じて優れた保護を提供します。スターブ適用は、炉底壁から上部スタックを含む炉のすべてのエリアで実装されています。

既存プレート冷却炉をスターブ冷却へ転換する際の欠点の1つは、新規シェルのコストです。しかし、既存シェルがすでに苦境にあり、いずれにせよ交換が必要な場合、転換コストは主要因ではありません。

鋳造場

鋳造場（図14）は、高炉で溶銑と溶融スラグを安全に取り出し、分離し、適切な搬送設備や施設へ導くための設備が配置されるエリアです。溶銑と溶融スラグはタップホールから炉から取り出されます。現在ではスラグノッチからスラグを流出させることは稀です。タップホール設備は信頼性が高く、最小限の保守で済む必要があります。炉は通常、1日8〜11回出銑します。

図14 4タップホールと2タップホールの鋳造場

マッドガン

マッドガンは出銑完了後にタップホールを閉塞するために使用されます。タップホール材がマッドガンにより押し込まれ、摩耗した穴を充填し、炉底内にタップホール材（マッシュルーム）の量を維持します。タップホール材が硬化し、タップホールが確実に塞がれるまで、マッドガンはタップホール位置に保持されます。油圧マッドガンは油圧でスイング、保持、タップホール材押し込みを行います。典型的なタップホール材注入圧力は20〜25MPaで、高圧運転炉へ粘性材料を押し込み可能です。油圧ガンは15〜35トン相当の力で炉に保持されます。このタイプのマッドガンは1動作で位置へスイングできます。

電気機械式ガンは、ユニットスイング、バレル位置決め、ラミングの3つの独立した電気駆動を持ちます。したがって、タップホールへのマッドガン精密位置決めには複数の別個の動作が必要です。タップホール材注入圧力は5〜8MPaの範囲のみです。電気機械式マッドガンはラッチで炉に固定され、塞ぎ作業中に位置を保持します。

タップホールドリル

タップホールドリルはタップホールクレイを貫通し、炉底へ孔を穿つために使用されます。ドリルユニットが油圧でスイングインし、油圧で作業位置に保持されます。空気圧モーターがハンマードリルユニット（取り付けられたドリルロッドとビット）を孔へ送り込みます。圧縮空気がドリルロッド中心とドリルビットを通じて供給され、ビットを冷却し、除去されたタップホール材を吹き飛ばします。タップホールドリルロッドが炉底へ貫入すると、ドリルロッドが収納され、ドリルが溶銑流から離れます。

浸漬バー技法

浸漬バー慣行の適用により出銑プロセスが改善されました。タップホール材が塞ぎ後も可塑性を保っている間に、タップホールドリルで鋼棒をタップホールへ打ち込みます。バーが鋳型間の時間中その場に留まると、炉底溶銑からの伝導熱で加熱されます。これによりタップホール材が全長にわたって硬化します（炉冷却エレメント付近の外側で炉とともに硬化するのではなく）。硬化したタップホール材は出銑時の侵食に強く、出銑流量制御が改善されます。穴を再塞ぎするために必要なタップホール材が少なくなります。タップホールを開放する際、タップホールドリルのクランプ装置とバックハンマリング装置でロッドを抽出します。タップホール開放タイミングを従来の穿孔より容易に制御（予測）できます。この機能は円滑な炉操業と下流設備への溶銑納入スケジューリングに重要です。

同側タップホール設備

マッドガンとドリルは通常、タップホールの反対側に設置されてきました。設計開発により、これら設備をタップホールの片側に設置可能になりました。ドリルがマッドガンを跨ぐか、またはその逆です。このタイプの設置は、タップホールとトラフ保守へのアクセス改善と、トラフおよびタップホールエリアフルー回収の改善を促進します。

チュイエールアクセスプラットフォームの登場により、チュイエールとチュイエールストックの点検・交換が容易になりましたが、タップホール設備の利用可能ヘッドルームが減少しました。しかし、同側タップホール設備設置は低ヘッドルーム（例：2.2メートル）でも達成可能です。

トラフとランナーシステム

典型的な溶銑とスラグ出銑レートはそれぞれ分速4〜6トン、3〜5トンの範囲です。トラフとランナーシステムは、通常流量範囲と異常ピーク流量の両方で、銑鉄とスラグを適切に分離し、炉から離れた場所へ搬送するよう設計される必要があります。

溶銑トラフ（図15）は鋳造場床に設置された耐火物ライニングタンディッシュで、炉から排出後の銑鉄とスラグを回収するよう設計されています。溶銑はトラフを流下し、スキマー下を通過し、ダムを越えて溶銑ランナーシステムへ流入します。トラフ内溶銑レベルはダムによって決まります。適切なダム設計はスキマーの最下部を溶銑プールに浸漬させます。溶銑より軽いスラグは溶銑プールの上部でトラフを流下します。溶銑へ沈み込みスキマー開口を通過できないため、十分な量が集まるまで溶銑プール上部に滞留し、スラグダムを越えてスラグランナーへ流下します。出銑終了時にスラグランナーダム高さを下げ、大部分のスラグを排出します。残留溶銑はトラフに保持され、トラフ耐火物ライニングの酸化と熱衝撃を防止します。

図15 溶銑トラフとチルティングランナー

トラフライニング保守が必要な場合、溶銑プールを溶銑ダム除去、トラフドレンゲート開放、またはドレンドリルでトラフ側面（最下点）に穿孔することで排出できます。トラフ底部は通常、効果的な排水のため最小2%の勾配で設計されます。トラフ断面と長さ設計は、効果的な銑鉄・スラグ流動パターン、滞留、分離に重要です。優れたトラフ設計は溶銑歩留まり改善につながります。効果的なトラフライニングと冷却技術は、ライニング寿命、溶銑温度、鋳造場構造用鋼とコンクリートの耐熱考慮に重要です。トラフは伝統的に鋳造場床システムの「砂中埋設鋼箱」に収められていました。改良されたトラフ設計は強制または自然対流空気冷却、水冷却を組み込んでいます。

鋳造場慣行ではランナーを可能な限り短くする必要があります。これにより溶銑温度損失を最小化し、ランナー保守とフルー発生を低減します。短いランナーは鋳造場建屋設置または改修の資本支出削減にもつながります。ランナーは炉から離れる方向へ勾配を持つ必要があるため、鋳造場床は通常ランナーと同じ勾配に従います。

スラグランナーは通常、最小7%の勾配で設計されます。スラグは：（1）スラグポットへ導き、鉄道または移動設備で遠隔地へ搬送・投棄、（2）炉隣接のスラグピットへ導き、自然冷却と水冷却後に移動設備で掘削、（3）炉隣接のグラニュレーション設備へ導き、溶融スラグを粒状スラグへ変換、のいずれかに導かれます。グラニュレーションユニットは環境問題に関連するフルー排出を排除するシステムを備えています。

溶銑ランナーは通常、最小3%の勾配で設計されます。溶銑は通常、溶銑移動レードル（魚雷車/オープントップレードル）へ導かれ、製鋼工場または銑鉄鋳造機へ移動します。通常の慣行は1系統の溶銑ランナーシステムにダイバーターゲートを設け、溶銑を各注湯位置（各々にレードルあり）へ導くものです。チルティングランナー慣行の適用が有益です。チルティングランナーは通常、電気モーター駆動アクチュエーター（手動ハンドホイールバックアップ付き）を備え、約5度チルトして溶銑を偏向させます。チルティングランナー内に溶銑プールを保持し、飛散と耐火物摩耗を最小化します。1つの溶銑レードルが充填されると、ランナーを反対側へチルトしてもう一方のレードルを充填します。必要に応じて、機関車が充填済みレードルを除去し、空レードルをその位置に配置します。この操作は炉を塞ぐことなく実行可能です。出銑完了時、チルティングランナーをさらに5度チルトして溶銑プールをレードルへ排出します。

現代的な鋳造場設計にはフラットフロアが含まれ、ランナーが完全に覆われ、床とフラッシュに取り付けられます。これにより鋳造場エリアでの移動車両のより安全で容易な使用が可能になります。無線制御設備とその他デバイスの使用が鋳造場作業を改革し、これらと効果的な排出制御システムにより作業環境が改善されました。高炉炉底直径が拡大すると、鋳造場サイズ拡大の必要性が生じます。大型高炉は通常4タップホールで設計されます（図14）。4タップホール構成では、鋳造場配置が床自体の移動に十分なスペースを提供する必要があります。サイトプランに必要なスペースが提供されている限り、この要件に関連する設計上の問題はありません。床面積の面から鋳造場サイズを拡大しても、炉設計者に挑戦を突きつけるような設計思想の根本的変化ではありません。効率的で厳格に制御された出銑は、高炉の安定操業と高生産性を確保するために必要です。

排出制御

フルー回収要件と適用は世界的に大きく異なるようです。現在、高炉には完全、部分、または全く鋳造場フルー回収システムがない場合があります。排気ファンとバグハウス能力は、2タップホール鋳造場設置（トラフランナーとチルティングランナー）の完全フルー捕集で、操業と設計慣行に依存して毎分9,000〜11,500立方メートル（cum/min）のオーダーが典型的です。

適切なフルー回収ランナーカバーの設計と適用は、鋳造場アクセス（人員と移動設備のクロスオーバー用のフラットフロア構成、鋼スラブまたはプレート使用）を促進できます。ランナーカバーは溶銑温度損失を低減し、ランナー耐火物寿命を改善することもできます。

一部の炉ではトラフと溶銑ランナー直上の空気中酸素を除去する火炎抑制を使用します。燃焼生成物が溶銑表面酸化を防ぎ、可視粒子とフルーを低減します。

高炉設計のその他の側面

原料納入から溶銑消費まで、プロセスチェーンのあらゆる要素について完全な研究を行い、炉が設置目標を達成するのを妨げる「ボトルネック」がシステムに存在しないことを確認する必要があります。高炉設計時には、炉設計を開発するための思考プロセスを用い、設計確定前にいくつかの代替案を検討する必要があります。炉設計時には、炉操業のニーズを最もよく満たす炉設備を選定する必要があります。

炉設計は以下を保証する必要があります：（1）炉が生産量、生産性（作業容積1立方メートルあたり日産トン数）、単位消費量（溶銑1トンあたりキログラム）、製品品質の操業目標をコスト効率よく達成できること、（2）炉が原料品質の変化を受け入れ吸収する柔軟性を持つこと、（3）炉が時間と総生産量の両面で望ましいキャンペーン寿命を達成できること。

財務的正当性が設計の最優先考慮事項です。このため経済性評価は非常に広範囲にわたる必要があります。さらに、炉設計には最新の技術開発を含め、炉がキャンペーン全体を通じて技術的に陳腐化しないようにする必要があります。

炉作業容積は、チュイエールとストックライン間で計算される炉内部容積です。炉底生産性は、活性炉底容積1立方メートルあたり日産トン数で評価されます。活性炉底容積は、チュイエールとタップホール間で計算される炉内部容積です。活性炉底容積は、作業容積（チュイエール以上）で生成される液体の保持能力の尺度です。したがって、活性炉底容積1立方メートルあたり日産トン数は、高炉炉底の単位容量（単位容積あたりスループット）の尺度です。

炉底設計は炉操業に強い影響を与えるため非常に重要です。炉底液面レベルが急速に変化するため、ガス流動パターン、ガス利用率、ブラスト圧力に変動が生じ、炉操業が影響を受けます。また、これらの液面レベル急変により、チュイエールの詰まり/焼損が生じ、炉吹き込みに影響を与える可能性があります。

炉底容積は、オペレーターが炉操業中に行使すべき制御も決定します。非常に良好な炉底液面制御には、高スループット炉で約90%の時間を出銑に費やす必要があります。この出銑時間を可能にするため、鋳造場床を適切に設計する必要があります。

炉ライニングと冷却システムには特別な注意が必要で、高炉キャンペーン全体を通じて問題を生じさせないようにする必要があります。耐火物、冷却エレメント、内部炉形状の選定はこの点で非常に重要です。この点で銅スターブは高価ですが、代替案と比較すると非常に経済的です。炉底の炭素ライニングは炉底長寿命のために非常に重要です。スタックの耐火物ライニング厚さは炉作業容積に影響します。

必要生産量が通常炉サイズを決定します。しかし、炉サイズ決定には原料、製品化学組成、さらには操業方針も重要です。炉サイズは資本コストに影響しますが、生産性改善は運転コストに影響します。炉の単位生産性を決定し、必要溶銑量を生産するために必要な炉サイズを決定する必要があります。幅広い可能な操業レートから、炉作業容積を計算します。生産性、ひいては炉サイズは燃料比に基づいても決定する必要があります。燃料比は原料品質、熱風パラメータ、溶銑品質、操業方針に依存します。

サイズは高炉生産性決定の最重要因子です。しかし、他の因子も高炉生産性に影響します。最も重要なこれらの因子には：（1）熱風温度と圧力、（2）高炉頂圧力、（3）送風空気の酸素濃縮、（4）チュイエールでの補助燃料吹込み、（5）調製原料（焼結鉱、ペレットなど）、（6）鉄系原料のFe含有量、（7）コークス中の灰分、（8）コークス品質、（9）原料水分含有量、（10）フラックス（石灰石、ドロマイトなど）の高炉直接装荷、（11）原料中の微粉含有量、（12）生産する溶銑品質、（13）炉内原料分布制御、（14）炉内の自動化と制御レベルが含まれます。

炉設備の可用性、スタンバイ設備の備え、保守方針は高炉からの年間生産に高い影響を与える重要因子です。さらに、高炉操業時の安全で健康的な作業慣行を高炉設計に組み込むことは、炉生産に高い影響を与える重要事項です。この点では、不安全な操業慣行が生じる可能性のあるすべての場所に安全インターロックを提供する必要があります。