JP2013001934A - 高炉への還元材吹込み装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】炉への還元材吹込みを行うに際して、吹込みランスの閉塞等を的確に防止して、高炉に安定かつ確実に還元材を吹込むことができる還元材吹込み装置および方法を提供する。
【解決手段】吹込みランス１０Ａにおいては、ランス管１１の先端が広がり形状１１ａになっており、それによって、ランス管１１の閉塞が的確に防止されるようになっている。
【選択図】図２

Description

本発明は、高炉への還元材吹込み装置および方法に関し、特に吹込みランスへの閉塞等を防止して、高炉に安定かつ確実に還元材を吹込むための還元材吹込み装置および方法に関する。

一般に、最近の高炉においては、高出銑比、低コークス比操業を達成する手段として、都市ガス（ＬＮＧ）等の気体還元材の炉内への吹込みが行われていることが多く、また同時に微粉炭等の固体（粉粒）還元材の吹込みも行われていることも多い。これら還元材吹込みは上記のような操業上の利点のみならず、ＣＯ_２発生の抑制効果による地球環境への負荷低減の観点からも重要である。

一般に、高炉への還元材の吹込みは、図１（ａ）に高炉の全体図、図１（ｂ）に図１（ａ）の部分拡大図、図１（ｃ）に図１（ｂ）の部分拡大図を示すように、高炉１の炉壁２に取り付けられているブローパイプ４内へ吹込みランス（以下、単に「ランス」ともいう）１０から還元材を吹込むことによって達成される。ブローパイプ４は羽口５と直結しており、熱風炉（図示せず）から環状管３を経由して供給された高温高速空気が流れているパイプである。還元材の吹込みは炉内圧力との関係で達成されることになるため、吹込み圧力不足等による操業上の不具合発生、およびランス１０内への高温高速空気の逆流等による異常燃焼発生等の危険現象の回避については十分に考慮する必要がある。

そこで、高炉に安定かつ確実に還元材を吹込むために、これまで、特許文献１、２等に記載の技術が開示されている。

特開２００６−２４１５８５号公報 特開２００６−２７４３４１号公報

しかしながら、本発明者らが検討したところによれば、上記特許文献１、２に記載の技術には以下のような問題点があることが分かった。

特許文献１については、基本的にランスの配置について述べられているが、吹込むための前提となる還元材供給圧力、流量等についてはほとんど述べられておらず、また、通常操業の範囲において炉内圧力等の操業状況が変化した場合にも当該ランス配置が必ずしも最適であるとは言い切れない。

特許文献２については、炉内圧力に対して還元性ガスの所定吹込み圧力を維持すること、吹込み圧力が所定値を下回った場合の実施内容等について述べられているが、吹込み圧力が低下する状況に至る原因そのものの解消方法については述べられていないため、対処療法的である。また、仮にランスが何らかの原因により閉塞した場合、実際は吹込みが不可能な状況になっているにも関わらず、吹込み圧力が所定値を上回っているように検知される可能性もあり、その場合には何ら対応できない。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、高炉への還元材吹込みを行うに際して、吹込みランスの閉塞等を的確に防止して、高炉に安定かつ確実に還元材を吹込むことができる還元材吹込み装置および方法を提供することを目的とするものである。

本発明者らは、前記課題を解決するために様々な検討を行った結果、以下の知見を得た。

すなわち、まず、高温高速空気が逆流することなくランスから還元材が炉内に吹き込まれるための前提条件として、常に「ランス先端圧力＞炉内圧力」の関係を満たす必要がある。その上で、ランスの閉塞を的確に防止するためには、ランスの先端を広がり形状とすれば良い。さらに、還元材を断続的ではなく連続的に吹込めば良く、加えて、還元材の供給量に応じて還元材を吹込むランスの本数を増減させれば良い。

本発明は、上記の知見に基づいたものであり、以下のような特徴を有している。

［１］高炉ブローパイプ内に還元材を吹込む装置であって、吹込みランスの先端は広がり形状となっていることを特徴とする高炉への還元材吹込み装置。

［２］還元材を連続的に吹込むことを特徴とする前記［１］に記載の高炉への還元材吹込み装置。

［３］ランス先端圧力が炉内圧力より大きくなるように、還元材の供給量に応じて還元材を吹込むランスの本数を増減することを特徴とする前記［１］または［２］に記載の高炉への還元材吹込み装置。

［４］高炉ブローパイプ内に還元材を吹込む方法であって、吹込みランスの先端を広がり形状とすることを特徴とする高炉への還元材吹込み方法。

［５］還元材を連続的に吹込むことを特徴とする前記［４］に記載の高炉への還元材吹込み方法。

［６］ランス先端圧力が炉内圧力より大きくなるように、還元材の供給量に応じて還元材を吹込むランスの本数を増減することを特徴とする前記［４］または［５］に記載の高炉への還元材吹込み方法。

本発明においては、ランスの閉塞を的確に防止して、高炉に安定かつ確実に還元材を吹込むことができるようになる。その結果、炉況がより安定化する。また、ランス関係のトラブル頻度も大幅に低下するため、トラブル発生による高炉減風すなわち出銑量低下の回避、および破損箇所の補修費の削減というメリットもある。

高炉設備において本発明が関係する部分を説明する図である。 本発明の一実施形態で用いる吹込みランスと従来の吹込みランスの相違を説明する図である。 本発明の一実施形態において、還元材の流量調整弁の設置箇所を説明する図である。 本発明の実施例を説明する図である。

本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。

図１に示したように、一般に、高炉１においては、熱風炉から環状管３を経由して供給される高温空気を、ブローパイプ４を通じて炉体下部の円周上に均等配置された羽口５から炉内に吹き込んでいる。本発明においても、炉内への還元材供給はブローパイプ４内に差し込んだランス１０を通じて行うものとする。

高炉においては、基本的に炉頂より原料を投入、下部より高温空気および還元材を供給している。原料は最終的に炉床より溶銑として出銑され、高温空気および還元材は最終的に炉頂より高炉ガスとして排出される。炉内は大まかには鉱石とコークスが交互に積み重なった充填層となっており（ただし、炉内下部では各層の融着が進行しているため明確に層があるわけではない）、安定した炉内状態を維持するための操業パラメータの１つとして炉内圧力Ｐ_ＢＦがある。現実の操業においては、充填層の状態は時々刻々と変化するので、それに伴い充填層の通気抵抗も変化し、その結果として炉内圧力Ｐ_ＢＦは、
Ｐ_ａｖｅ−ΔＰ≦Ｐ_ＢＦ≦Ｐ_ａｖｅ＋ΔＰ
の範囲で変動する。ここで、Ｐ_ａｖｅ：炉内圧力平均値、ΔＰ：炉内圧力変動幅の１／２である。

そこで、まず、ランス先端圧力Ｐ_Ｌは常に、以下の関係を満たすようにする必要がある。
ランス先端圧力Ｐ_Ｌ＞炉内圧力Ｐ_ＢＦ

なぜなら、流体は圧力勾配に沿って流れるため、もし、
ランス先端圧力Ｐ_Ｌ＜炉内圧力Ｐ_ＢＦ
となった場合、高温高速空気がランス内に逆流、還元材供給配管系統で逆火する可能性があるからである。

その上で、本発明においては、ランス１０の先端形状を広がり形状にすることによって、ランス１０の閉塞等を的確に防止するようにしている。

図２に、本発明で用いる吹込みランス１０Ａと従来の吹込みランス１０Ｚとの比較を示す。図２（ａ）に示す従来の吹込みランス１０Ｚは、ランス管１１の内径が均一であるが、図２（ｂ）に示す本発明で用いる吹込みランス１０Ａは、ランス管１１の先端が広がり形状１１ａになっていて、先端に向かって内径が拡大している。

数値シミュレーションからランスの先端近傍には周囲の高温高速空気による回り込み流れが形成されており、ランス先端直近には回り込み流れの合流による周囲より圧力の高い領域が形成され、ランス出口流れの不安定要因となることが判明した。

したがって、図２（ｂ）に示すように、ランス管１１の先端形状を広がり形状１１ａにすることによって、回り込み流れの合流地点をより遠方（ランス前方距離Ｌ_１＜Ｌ_２）にすることができる。また、ランス管１１の先端からの還元材噴射形状も広がり形状１１ａに沿って滑らかに広がるので、高温高速空気とのより均一な混合、安定燃焼が期待できる。さらに、ランス管１１の内径が拡大することにより、もしランス管１１の内面に微粉炭等の融着が発生しても、閉塞の発生を回避することができる。

なお、本発明では、ランス管１１自体の先端形状を広がり形状１１ａにしているが、ランス管１１の先端に円錐型の鍔のようなものを取り付けて広がり形状としてもよい。

そして、本発明においては、還元材を断続的ではなく連続的に吹込むようにしている。還元材を断続的に吹込む場合、吹込みを停止した瞬間もしくは吹込み停止中に、ブローパイプ４内の圧力変動によりランス管１１内に微粉炭が逆流し、融着が発生する頻度が高くなる可能性がある。微粉炭以外の還元材の逆流による不具合発生の頻度が高まる可能性についても然りである。さらには、還元材は常温であることが多く、還元材吹込みそのものにランス冷却効果も期待していることが多いため、吹込み停止中はランス冷却ができず、ランス管１１の温度が送風温度の１１００℃程度まで上昇、材質劣化し溶損してしまう（なお、還元材吹込み停止中は、ランス冷却のために不活性ガスを替わりに吹込んでいることが多い）。この点からも還元材は連続吹込みが望ましい。

また、操業状況に応じて還元材の供給量も変更する必要があるが、本発明においては、供給量に応じて吹込むランスの本数を選択可能にしている。

一般に、高炉１にはその内容積に応じて数十本の羽口５が設置されており、ランス１０は基本的には羽口５すなわちブローパイプ４毎に設置される。還元材供給量が低下する際、数十本のランス１０の全てに還元材を均等に供給していたのでは、ランス１０毎の流量が少なくなりすぎて、炉内圧力Ｐ_ＢＦが変動した際にランス管１１内に逆流する可能性がある。

そこで、それを回避するためには、本発明においては、還元材供給量の低下に応じて、所定のランス１０Ａのみから還元材を供給することとし、ランス１０Ａの１本あたりの最低流量を下回らないにように、すなわち、ランス先端圧力Ｐ_Ｌが炉内圧力Ｐ_ＢＦより大きくなるようにしている。そのために、図３に示すように、数十本のランス１０Ａのそれぞれに流量調整弁２４を設けるか、もしくはランス１０Ａを何本かをまとめたグループ毎に流量調整弁２３を設けるようにしている。なお、図３において、２１は還元材供給配管であり、２２は何本かのランス１０Ａをまとめてヘッダとなるリング管である。

このようにして、本発明においては、ランス管１１の先端が広がり形状１１ａになったランス１０Ａを用いているので、ランス管１１の閉塞が防止されて、高炉に安定かつ確実に還元材を吹込むことができるようになる。

なお、本発明は、上記の実施形態に限定されるものでなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

本発明の実施例を以下に示す。

まず、従来例として、図２（ａ）に示したような従来のランス１０Ｚを用いて、還元材の吹込みを行った。その際に、ランス１０Ｚの上流には手動の流量調整弁を設置した。また、ランス先端圧力Ｐ_Ｌ＜炉内圧力Ｐ_ＢＦとなるタイミングがあり、還元材の吹込みは断続的であり（停止中は不活性ガスを吹込んでいた）、還元材供給量が変化しても全てのランス１０Ｚから還元材の吹込みを実施した。

これに対して、本発明例として、図２（ｂ）に示したようなランス１０Ａを用いて、還元材の吹込みを行った。その際に、図４（ａ）に全体図、図４（ｂ）に部分拡大図を示すように、ランス１０Ａ群について、リング管２２をヘッダとして５グループに分け、リング管２２上流の還元材供給配管２１に高炉運転室から操作も可能な自動の流量調整弁２３を設置した。さらに、ランス先端圧力Ｐ_Ｌ＞炉内圧力Ｐ_ＢＦの関係を常に保つものとし、還元材の吹込みは連続的とし、還元材供給量が所定値を下回る場合には、自動の流量調整弁２３により特定のランス１０Ａを自動で停止する条件とした。それ以外は従来例と同等の操業条件とした。

その結果、従来例では数ヶ月のスパンで全てのランス１０Ｚの数十％に発生していたランス管１１の閉塞が、本発明例ではゼロとすることができた。その結果、高炉の安定操業に大きく寄与することができた。

１ 高炉
２ 炉壁
３ 環状管
４ ブローパイプ
５ 羽口
１０ 吹込みランス
１０Ａ 吹込みランス（先端広がり形状）
１０Ｚ 吹込みランス（従来の内径均一形状）
１１ ランス管
１１ａ ランス管先端の広がり形状
２１ 還元材供給配管
２２ リング管
２３ 流量調整弁
２４ 流量調整弁

Claims (6)

1. 高炉ブローパイプ内に還元材を吹込む装置であって、吹込みランスの先端は広がり形状となっていることを特徴とする高炉への還元材吹込み装置。
2. 還元材を連続的に吹込むことを特徴とする請求項１に記載の高炉への還元材吹込み装置。
3. ランス先端圧力が炉内圧力より大きくなるように、還元材の供給量に応じて還元材を吹込むランスの本数を増減することを特徴とする請求項１または２に記載の高炉への還元材吹込み装置。
4. 高炉ブローパイプ内に還元材を吹込む方法であって、吹込みランスの先端を広がり形状とすることを特徴とする高炉への還元材吹込み方法。
5. 還元材を連続的に吹込むことを特徴とする請求項４に記載の高炉への還元材吹込み方法。
6. ランス先端圧力が炉内圧力より大きくなるように、還元材の供給量に応じて還元材を吹込むランスの本数を増減することを特徴とする請求項４または５に記載の高炉への還元材吹込み方法。

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