高炉鋳造場操業の効率化と信頼性向上

高炉（BF）鋳造場は、溶銑と溶融スラグが高炉からタッピングされ、レードル（魚雷車またはオープントップレードル）に注がれるか、固化（銑鉄鋳造とスラグ造粒）または処理（鋳造場脱硫）のために導かれる作業エリアです。

鋳造場設計と運転の重要ポイント

優れたトラブルフリーな鋳造場操業は、低コスト操業のための高生産性高炉における重要な要件です。鋳造場の機能設計、運転実践、耐火物技術、自動化、環境要求は、鋳造場により高い信頼性と出力を求める要求に応えるために検討すべき重要な課題です。あらゆる高炉において、鋳造場はBF操業全体で最も労働集約的なエリアです。その設計は、期待される溶銑生産量、ハース容積、タッピング実践と完全に統合され、労働力、保守、資材の使用を最小限に抑え、作業環境を改善しなければなりません。主目的は、鋳造場トラフ、ランナー、鋳造場設備の可用性ではなく、溶解速度、有効ハース容積、ハースを「ドライ」状態で維持したいという要求によって決定される鋳造レートと1日あたりの鋳造回数で、溶銑を高炉から取り出すことです。典型的なBF鋳造場レイアウトを図1に示します。

鋳造場の設計と運転は、以下のパラメータに関してBF操業の効率を改善しなければなりません。

• 溶銑と溶融スラグのタッピングに従事する作業員の作業条件改善
• 溶銑温度維持による熱損失低減
• 溶融スラグとともに失われる溶銑量の低減
• タッピング時の汚染物質発生量の大幅削減

鋳造場には、緊急時に作業員がエリアから避難できる一定数の入口、通路、出口がなければなりません。作業員がタップホール前を通過したり、ランナーを跨いだりすることなく、鋳造場のどのエリアからも避難できるように設計・配置しなければなりません。

鋳造場の規模は炉の生産能力に依存しますが、作業員と設備の両方を収容する十分なスペースがあることも重要です。特に、炉のすぐ隣とタップホールの両側には可能な限り多くのフリースペースが必要です。理想的にはランナーをできるだけ短くするようなレイアウトとすべきです。チルティングまたはスイングランナーと大容量溶銑レードルにより、鋳造場の作業条件を改善し、タッピングを容易にできます。さらに、慎重なタップホール開閉が高炉の重要な成功要因です。

鋳造場での効率的な粉塵・ヒューム除去のため、鉄ランナーを覆うべきです。しかし、タッピングプロセスとタップホールメンテナンスにはランナー前面への妨げのないアクセスが必要です。様々なトラフカバーマニピュレーター設計が鋳造場で柔軟な解決策を提供します。

鋳造場の金属側とスラグ側の床は滑らかな表面で、特定部分でわずかに傾斜している必要があります。傾斜角は単にスラグと溶銑の容易な除去のためだけに選択すべきではありません。傾斜が急すぎると、鋳造場での作業が不必要に疲労させ、転倒リスクが高まります。

ランナー深度は、耐火物ライニングの存在を考慮した後、溶銑の最大可能流量を収容できるだけの大きさでなければなりません。

タップホールをメインランナーに接続するシステム選定には特に注意が必要で、高炉とタッピングフロアの間に断絶がないようにしなければなりません。

タッピングフロアの開口部（タッピング液体とスラグの排出用）は、作業員が落ちないように保護しなければなりません。

スラグレードルの爆発は稀ですが不可能ではなく、各設置タイプで作業員をスラグ飛散から保護する最適な対策を講じるべきです。

もう一つの危険は、金属レードルからレールと周辺エリアへの溶銑こぼれや漏れです。地面が濡れていると爆発が起こる可能性があります。地下水、雨水、高炉からの水が浸透・排水されないよう適切な対策を講じなければなりません。レール間に溜まる可能性のある水を排水する設備が必要です。

鋳造場は、作業員が溶銑とスラグレードルの充填を危険なく監視できるように設計・装備されるべきです。

スラグ造粒プラントの選定と配置には注意を払い、冷却水からの蒸気が鋳造場に吹き込まれる可能性がないようにしなければなりません。溶銑が誤ってスラグとともにタッピングされた際に発生する爆発から作業員と設備を保護するシステムを設置しなければなりません。

鋳造場で使用される輸送・ハンドリング機械は慎重に選定すべきで、手作業は絶対的最小限に抑え、タッピングフロアのあらゆる部分にアクセス可能でなければなりません。機械には1台以上の天井クレーンまたはその他の揚重装置、フォークリフト、その他のハンドリングトラックが含まれます。タッピングフロアへのアクセスランプと操作スペースをハンドリングトラック用に提供しなければなりません。

鋳造場作業員がタッピング作業中に曝露される危険

• 溶銑と溶融スラグの高温と輻射熱
• 溶銑とスラグの爆発と飛散
• オーバーフローとこぼれ
• 炉ブレイクアウト
• ヒューム、粉塵、ガス、蒸気
• タップホールランス用酸素使用
• タップホールガンとドリル、空圧・油圧・電気機器などの機械使用
• 手工具使用
• 材料と廃棄物等の取り扱い
• ランナー乾燥用可燃ガス使用
• 保温用籾殻と砂の使用
• 騒音

現代高炉鋳造場の設備、工具、消耗品

• タップホールドリル
• ドリルロッドチェンジャー
• タップホールクレイガン
• タップホールクレイガンローダー
• トラフカバーとトラフカバーマニピュレーター
• 魚雷車用レベル測定システム
• チルティングランナー
• ジャックダムドリル
• 制御キャビン
• 温度測定とサンプリング
• 耐火物消耗品
• 砂、籾殻、ランス管、穿孔ロッドなどのその他消耗品
• ランス用酸素とランナー乾燥用燃料ガス

これらの一部を以下に詳細に説明します。

タップホールドリル

経済的なタッピングには高性能タップホールチャネルが必要です。適切なタップホールクレイ選択と最適な開放戦略に加え、タッピングパラメータの最適調整とその再現性が重要です。タップホールドリルは、実証済みの高能力ドリルハンマーと最大限の柔軟性を組み合わせ、効果的な穿孔を保証しなければなりません。タップホールドリルの基本設計と設置要件は以下の通りです。

• ドリルはタップホールの精密穿孔に十分なパワーと剛性を持つこと
• 特定位置でドリルをロック可能であること
• ドリルのすべての動作と操作がリモート制御可能であること
• いつでもこれらを停止可能であること
• 機械は、ドリルが動き出す前に自動的に作動する警告サイレンまたはブザーを装備すること
• 使用しないときに作業員が周囲を自由に移動でき、修理ができるように設置すること。機械と障害物の間に1人が通れる十分なスペースがあること
• 機械周辺で作業する要員への適切な保護手段を提供し、機械自体も保護されること
• 電力線は熱とブレイクアウトから保護され、優れた機械的強度を持つこと
• 電気を使用する場合、少なくとも2つの独立した回路（うち1つは安全回路）で供給することが望ましい
• 制御が油圧または空圧の場合、適切なサイズのアキュムレーターを設置すること

タップホールクレイガン

あらゆる条件下で炉を閉鎖することは重要な安全要件です。これにはタップホールクレイガンに極めて高い信頼性と堅牢性が要求されます。タップホールガンの基本設計と設置要件は以下の通りです。

• ガンは、高炉内部圧力が正常を超えて上昇しても、その全圧力に抗してタップホールクレイをタップホールに押し出せる十分なパワーを持つこと
• スラグやその他の材料による妨害があっても、ガン先端をタップホールに正しく位置決めできること
• プラグに必要なすべてのクレイを押し出せるよう設計されていること
• 様々な位置でガンをロック可能であること
• すべての動作と操作がリモート制御可能で、いつでも停止可能であること
• ガンが動き出す前に自動的に作動する警告サイレンまたはブザーを装備すること
• 使用しないときに作業員が周囲を自由に移動でき、修理ができるように設置すること。機械と障害物の間に1人が通れる十分なスペースがあること
• 機械周辺で作業する要員への適切な保護手段を提供し、機械自体も保護されること
• 電力線は熱とブレイクアウトから保護され、優れた機械的強度を持つこと
• 電気を使用する場合、少なくとも2つの独立した回路（うち1つは安全回路）で供給することが望ましい
• 制御が油圧の場合、適切なサイズのアキュムレーターを設置すること

制御キャビン

タップホールガンとドリルの制御キャビンは、緊急時でも操作できるよう配置、保護、装備されるべきです。したがって、以下の基本機能を備えるべきです。

• 制御キャビンの位置は、要員がブレイクアウトや爆発のリスクから完全に保護され、操作を完璧に観察できること
• 建設に可燃材料を使用しないこと
• 少なくとも2つの異なる独立した入口を設け、うち1つは外部の緊急避難プラットフォームへのアクセスを提供し、常にクリアに保つこと
• キャビンからランナーへの扉を設けないこと
• タッピングエリアを見下ろす観察窓は (i) できるだけ小さく、しかしオペレーターに操作エリアとガン/ドリル位置の完全な視界を与えること、(ii) グリルで保護された外開きフレームの「トリプレックス」ガラスパネルを装備すること、(iii) 操作盤を窓の隣に配置し、オペレーターが操作進捗を追いながら容易に操作できること。誤操作防止策を講じること、(iv) 高炉操業に関連する作業が行われる他の場所との通信を、少なくとも2つの独立した音声通信システム（内線電話、インターコム、無線電話など）で提供すること。
• キャビンには、煙やガスで汚染されていないエリアから空気を取り入れる換気システムを装備すること。
• キャビンを飛散や爆発から保護されたエリアに配置できない場合、安全対策を強化しなければならない。特に、扉は爆発で開くのではなく閉まる方向に働くように設定し、壁、扉、屋根を耐炎・耐熱材料で覆うこと。

酸素によるタップホール穿孔

タップホール穿孔装置は、酸素供給用フレキシブル配管、ランスホルダー、酸素ランスで構成されます。酸素ランスは1本以上の鋼管で構成されます。オペレーターが常にタップホールから十分離れ、火花と飛散を避けられるよう確保することが重要です。したがって、ランスを長く燃やしすぎないよう、未燃焼部分を回収して元の長さのチューブを構成することが推奨されます。このようなチューブを接合する際は、溶接部からの酸素漏れを防ぐため細心の注意を払うべきです。状態の悪いチューブは廃棄します。チューブは鋳造場納入時にすでに脱脂済みであるべきです。グリース付きチューブは使用しないでください。チューブは油、グリース、粉塵、風雨から保護されたエリアに保管します。最低安全要件を満たすチューブ部分のみを再利用のために回収します。

鋳造場耐火物消耗品

鉄とスラグが定期的にタッピングされる高炉タップホールでは、使用可能なタップホール混合物（タップホールクレイとも呼ばれる）を使用して、鋳造終了時にホールを塞ぎます。これらの熱硬化性材料は次の鋳造のために穿孔されます。鉄とスラグが分離され、鉄がレードルに導かれるトラフとランナーでは、水硬性結合キャスタブルが基本ライニングと修理用ガンニング材として使用されます。

タップホールクレイ

タップホールクレイは、タッピング後にタップホールを塞ぎ、材料が漏れ出ないようにし、次回タップホールが開かれるまで塞ぎ続ける材料です。今日、タップホールクレイの選択と使用は以下の多くの要因と相関しています。

• 主にサイズと搾取に依存する高炉操業条件 - クレイはプロセスのキー要素として参加し、高炉生産性を乱さないよう信頼性と安全性を確保する
• タップホールエリアの特定配置とその管理 - クレイは溶融金属攻撃を駆動し抵抗するだけでなく、ホール長によるハース排出と周辺鉄流れに好影響を与えることが要求される
• 環境側面は、鋳造場レベルでの人間作業条件改善の政策として、また一般的な環境保護としての両面で想定される
• 溶銑1トンあたりの最適単位コストを提案する経済的側面 - タップホールクレイコストは鋳造場操業の実質的コストの一つであるため

タップホールクレイは、以下の機能を一貫して安全に実行する特性を持たなければなりません。

• クレイガンで押されたときに流れ、タップホールを塞ぐ。タップホールクレイは正しく注入できるほど可塑性があること。
• プラグ中のプラグ・トゥ・タップ時間中にタップホール内で硬化するが、収縮なしでタイトなシールを保証すること。
• 炉内部からの圧力に耐えられるよう十分速く硬化すること。
• 許容時間で穿孔可能であること。
• 飛散なしで安定した制御された溶融流をタッピング時に許容すること。
• タッピング中の溶銑とスラグによる浸食と化学的攻撃に耐えること。
• 次のプラグのための安定した基板を形成すること。
• 安定した制御可能なタップホール長を提供すること。
• 蒸留ガスを逃がせる十分な多孔性を持つこと。
• 特定の場合、劣化した場合にタップホールを維持し、正常状態に復元するのに適していること。

タップホールクレイの要件は以下の通りです。

• 改善された可塑性 - より良い作業性を提供
• 高耐食・耐摩耗性 - タップホール径と長さを一定に保つ
• 良好な焼結性 - 良好な強度を提供
• 接着強度 - 新しいタップホール混合物を古いものに適切に付着させるために必要
• 良好なガス放出能力 - 内部ガス圧形成を低減
• 容易なタッピングまたは穿孔

無水クレイは含水クレイより耐摩耗性が高い。後者は現代高炉では使用できず、使用する場合は特別な予防措置が必要です。タップホールクレイ用原料は、溶融アルミナ、焼成ボーキサイト、シャモット、耐火粘土、粘土鉱物、パイロフィライト、シリカ、微砂、カイヤナイト、微細焼成アルミナ、フュームドシリカ、ジルコニウム、クロマイト、炭化ケイ素、炭素、窒化ケイ素、金属粉末、コークス、超微細炭素、タール、樹脂、特殊オイルです。