JP2014062290A - ブローパイプ構造 - Google Patents

Abstract

【課題】軟化点調整を行わない微粉炭を用いた場合でも、簡単な構造でスラグの付着を抑制できるようにした高炉設備のブローパイプ構造を提供する。
【解決手段】鉄鉱石から銑鉄を製造する高炉本体２０の羽口２２に取り付けられて熱風２とともに補助燃料の微粉炭３を吹き込み、微粉炭３のスラグに熱風２及び／または微粉炭３の燃焼熱によって溶融する成分を含んでいるブローパイプ構造であって、微粉炭３をブローパイプ３０内に投入するインジェクションランス３１の下流側に、パイプ内壁面側の流路抵抗を増して熱風２及び微粉炭３の流れを流路軸中心に集中させる抵抗体８０が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、高炉設備に適用されるブローパイプ構造に係り、特に、補助燃料として低品位炭を粉砕した微粉炭を熱風とともに炉内へ吹き込む場合に好適なブローパイプ構造に関する。

高炉設備は、高炉本体の内部に、頂部から鉄鉱石や石灰石や石炭等の原料を投入するとともに、側部の下方寄りの羽口から熱風及び補助燃料として微粉炭（ＰＣＩ炭）を吹き込むことにより、鉄鉱石から銑鉄を製造できるようになっている。
このような高炉設備において微粉炭の吹き込み運転をする際、微粉炭として亜瀝青炭や褐炭などの一般的に灰融点が１１００〜１３００℃程度と低い低品位炭を使用した場合には、微粉炭を炉内に吹き込むために使用する約１２００℃の熱風中に含まれる酸素と微粉炭の一部とが燃焼反応を示すことにより、この時に生じる燃焼熱で融点の低い灰（以下、「スラグ」と呼ぶ）がインジェクションランスや羽口内で溶解する。

こうして溶解したスラグは、高炉の温度から守るために常時冷却されている羽口と接触することで急激に冷却される。この結果、固体のスラグが羽口に付着することにより、ブローパイプの流路を詰まらせるという問題がある。
このような問題を解決するため、例えば下記の特許文献１に開示されている従来技術のように、微粉炭中のスラグ軟化点（温度）が低い場合には、高炉内の温度以上の融点となるように軟化点調整処理を行い、羽口へのスラグ付着を防止することが行われている。

特開平５−１５６３３０号公報

しかしながら、上述した従来技術の手法では、下記に示すような二つの問題が指摘されている。
第１の問題は、微粉炭と添加物とを完全に（均一に）混合させることが困難であり、この結果、添加物の混合割合が所定値より低い部分におけるスラグ形成を防止できないことである。
第２の問題は、新たに石灰石や蛇紋岩などの酸化カルシウム（ＣａＯ）源が必要となるため、余分なコストが発生することである。

このような背景から、高炉設備に適用されるブローパイプ構造においては、軟化点調整を行わなくても簡単な構造でスラグの付着を抑制することが望まれる。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、軟化点調整を行わない微粉炭を用いた場合でも、簡単な構造でスラグの付着を抑制できるようにした高炉設備のブローパイプ構造を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係るブローパイプ構造は、鉄鉱石から銑鉄を製造する高炉本体の羽口に取り付けられて熱風とともに補助燃料の微粉炭を吹き込み、前記微粉炭のスラグに前記熱風及び／または前記微粉炭の燃焼熱によって溶融する成分を含んでいるブローパイプ構造であって、前記微粉炭をブローパイプ内に投入するインジェクションランスの下流側に、パイプ内壁面側の流路抵抗を増して前記熱風及び前記微粉炭の流れを流路軸中心に集中させる抵抗体が設けられていることを特徴とするものである。

このようなブローパイプ構造によれば、微粉炭をブローパイプ内に投入するインジェクションランスの下流側に、パイプ内壁面側の流路抵抗を増して熱風及び微粉炭の流れを流路軸中心に集中させる抵抗体が設けられているので、高炉本体に吹き込む微粉炭の流れを流路中心に集中させることにより、羽口表面やブローパイプ内壁面にスラグが付着しにくくなる。すなわち、抵抗体の後流側では微粉炭濃度の分布が形成され、流路中心側を微粉炭濃度の高い熱風流れとし、羽口表面及びブローパイプ内壁面側における微粉炭濃度を低くすることで、スラグの付着を抑制する。

上記の発明において、前記抵抗体が前記内壁面に突設された複数のブロック体とされ、該ブロック体は、前記羽口の出口開口より流路軸中心方向に突出するとともに、複数が協働して前記出口開口からみて前記パイプ内壁面の全周をカバーするように配置されていることが好ましい。この場合、ブロック体の配置は、円周方向に間隔を設けて複数個配置したものを１ユニットとし、流路軸方向において全周をカバーするよう円周方向の位置をずらして（円周方向に回転させて）複数ユニットを設置してもよいし、あるいは、同一円周上において全周をカバーするように１または複数列を配置してもよい。

また、上記の発明において、前記抵抗体は、前記内壁面の全周にわたって突設された１または複数のリング状ブロック体とされ、該リング状ブロック体は、前記羽口の出口開口より流路軸中心方向に突出していることが好ましい。

上記の発明において、前記ブロック体及び前記リング状ブロック体は、流れ方向上流側に流路断面積を徐々に低減させる傾斜面を備えていることが好ましく、これにより、流路断面積の急激な減少を防止できる。なお、流れ方向上流側に流路断面積を徐々に低減させる傾斜面を形成できる断面形状としては、例えば三角形や楔形等がある。

上記の発明において、前記ブロック体及び前記リング状ブロック体は、流路軸中心方向の突出量可変機構を備えていることが好ましく、これにより、スラグの付着状況に応じて突出量を容易に調整して最適化することができる。

上述した本発明のブローパイプ構造によれば、高炉本体に吹き込む微粉炭の流れを流路中心に集中させることにより、羽口表面やブローパイプ内壁面にスラグが付着しにくくなるので、軟化点調整を行わなくてもブロック体またはリング状ブロック体のような抵抗体を設けるという簡単な構造でスラグの付着を抑制することが可能になる。
この結果、亜瀝青炭や褐炭などのように灰融点が１１００〜１３００℃程度と低い低品位炭についても、これを原料炭とする改質などにより、補助燃料の微粉炭として使用可能となる。

本発明に係るブローパイプ構造の一実施形態として概略構成図を示したものであり、（ａ）は軸方向断面を示す縦断面図、（ｂ）は高炉本体の内部から見た正面図である。 ブロック体の断面形状に係る第１変形例を示す断面図である。 ブロック体の断面形状に係る第２変形例を示す断面図である。 図１に示したブローパイプ構造が適用される高炉設備の構成例を示す図である。

以下、本発明に係るブローパイプ構造の一実施形態を図面に基づいて説明する。
本実施形態のブローパイプ構造は、原料炭が低品位炭の微粉炭を羽口から高炉内に熱風とともに吹き込む高炉設備に用いられる。
例えば図４に示すような高炉設備において、鉄鉱石、石灰石及び石炭等の原料１は、原料定量供給装置１０から搬入コンベア１１を介して高炉本体２０の頂部に設けた炉頂ホッパ２１に供給される。高炉本体２０の下部側壁には、円周方向に略等ピッチで配設された複数の羽口２２を備えている。各羽口２２には、高炉本体２０の内部へ熱風２を供給するブローパイプ３０の下流側端部が連結されている。また、各ブローパイプ３０の上流側端部は、高炉本体２０の内部へ供給する熱風２の供給源である熱風送給装置４０と接続されている。

高炉本体２０の近傍には、原料炭（亜瀝青炭や褐炭等のような低品位炭）から石炭中の水分を蒸発させるなどの前処理（改質）を行い、この前処理後に低品位炭を粉砕して微粉炭とする微粉炭製造装置５０が設置されている。
微粉炭製造装置５０で製造された改質後の微粉炭（改質炭）３は、窒素ガス等の搬送ガス４によりサイクロンセパレータ６０へと気体搬送される。気体搬送された微粉炭３は、サイクロンセパレータ６０で搬送ガス４を分離した後、貯蔵タンク７０内に落下して貯蔵される。このような改質後の微粉炭３は、高炉本体２０の高炉吹込炭（ＰＣＩ炭）として使用される。

貯蔵タンク７０内の微粉炭３は、上述したブローパイプ３０のインジェクションランス（以下、「ランス」と呼ぶ）３１内へ供給される。この微粉炭３は、ブローパイプ３０を流れる熱風中に供給されることで燃焼し、ブローパイプ３０の先端で火炎となってレースウェイを形成する。これにより、高炉本体２０内に投入された原料１の中に含まれる石炭等を燃焼させる。この結果、原料１の中に含まれる鉄鉱石が還元され、銑鉄（溶銑）５となって出銑口２３から取り出される。

上述したランス３１からブローパイプ３０の内部へ供給されて高炉吹込炭となる微粉炭３の好適な性状は、すなわち、低品位炭を改質して粉砕した改質微粉炭（補助燃料）の好適な性状は、酸素原子含有割合（ドライベース）が１０〜１８重量％であり、かつ、平均細孔径が１０〜５０ｎｍ（ナノメートル）である。なお、改質微粉炭のより好ましい平均細孔径は、２０〜５０ｎｍ（ナノメートル）である。
このような微粉炭３は、含酸素官能基（カルボキシル基、アルデヒド基、エステル基、水酸基等）のタール生成基が離脱して大きく減少しているものの、主骨格（Ｃ，Ｈ，Ｏを中心とする燃焼成分）の分解（減少）が大きく抑制されている。このため、高炉本体２０の内部に羽口２２から熱風２とともに吹き込むと、主骨格中に酸素原子を多く含むとともに、径の大きい細孔によって、熱風２の酸素が炭の内部にまで拡散しやすいだけでなく、タール分が非常に生じにくくなっているので、未燃炭素（煤）をほとんど生じることなく完全燃焼することができる。

このような微粉炭３を製造（改質）するには、上述した微粉炭製造装置５０において、原料炭である亜瀝青炭や褐炭等の低品位炭（ドライベースの酸素原子含有割合：１８重量％超、平均細孔径：３〜４ｎｍ）を酸素濃度が５体積％以下の低酸素雰囲気中で加熱（１１０〜２００℃×０．５〜１時間）して乾燥する乾燥工程が実施される。

上述した乾燥工程で水分を除去した後、原料炭を低酸素雰囲気中（酸素濃度：２体積％以下）で再度加熱（４６０〜５９０℃（好ましくは、５００〜５５０℃）×０．５〜１時間）する乾留工程が実施される。この乾留工程により原料炭が乾留されることにより、生成水、二酸化炭素及びタール分が乾留ガスや乾留油として除去される。
この後、冷却工程に進んだ原料炭は、酸素濃度が２体積％以下の低酸素雰囲気中で冷却（５０℃以下）された後、微粉砕工程で微粉砕（粒径：７７μｍ以下（８０％パス））されることによって容易に製造される。

本実施形態では、例えば図１に示すように、鉄鉱石から銑鉄を製造する高炉本体２０の羽口２２に取り付けられて熱風２とともに補助燃料の微粉炭３を吹き込み、微粉炭３のスラグに熱風２及び／または微粉炭３の燃焼熱によって溶融する成分を含んでいるブローパイプ構造に対し、微粉炭３をブローパイプ３０内に投入するランス３１の下流側に、ブローパイプ３０の内壁面側の流路抵抗を増して熱風２及び微粉炭３の流れを流路軸中心に集中させる抵抗体８０が設けられている。すなわち、ブローパイプ３０の内壁面に抵抗体８０を設けることにより、ブローパイプ３０内を流れる熱風２及び微粉炭３の流れは、パイプ内壁面側と比較して流路抵抗の少ない流路軸中心に集中する。

図示の抵抗体８０は、ブローパイプ３０の内壁面に突設された複数のブロック体８１により構成されている。
各ブロック体８１は、羽口２２の出口開口より流路軸中心方向に突出して設けられている。また、各ブロック体８１は、複数が協働することにより、例えば図１（ｂ）に示すように、羽口２２の出口開口（高炉本体２０の内部）から見てパイプ内壁面の全周をカバーするように配置されている。

各ブロック体８１は、例えばブローパイプ３０の内周について、概ね１／４〜１／８程度を覆うような周方向幅を有するとともに、パイプ内壁面から流路軸方向への突出高さｈを有する略矩形断面の部材である。この場合の突出高さｈは、羽口２２の出口先端における絞り高さＨより流路軸中心方向に突出する値、すなわち、突出高さｈが絞り高さＨより大きな値（ｈ＞Ｈ）に設定されている。この結果、高炉本体２０の内部から見ると、図１（ｂ）に示すように、ブロック体８１の先端により形成される流路断面（図示の構成例では略八角形）が、羽口２２の出口開口を通して見えるようになっている。
このようなブロック体８１は、流路軸方向位置をずらして、周方向へ等ピッチに４〜１６個程度を設置することにより、流路外側（内壁面側）の流路抵抗となって流動を妨げる抵抗体８０として機能する。

すなわち、ブロック体８１は、例えば矩形断面としたリング状部材の円周方向を複数に分割（図示の構成例では８分割）した部材が用いられる。このブロック体８１は、同一の円周方向に間隔を設けて複数個（例えば９０度ピッチに４個）配置したものが１ユニットの抵抗要素となる。そして、ブローパイプ３０の内壁面全周をカバーするように、たとえば円周方向の位置を４５度ずらした抵抗要素が、流路軸方向に間隔をもって１または複数ユニット配置されている。
換言すれば、各抵抗要素のブロック体８１は、それぞれを円周方向に適宜回転させることにより、ユニット毎の位置が円周方向にずれた状態となるので、このような抵抗要素を流路軸方向に間隔を持って複数ユニット配置すれば、高炉本体２０の内部から見てパイプ内壁面の全周がカバーされた状態となる。

ところで、上述した抵抗体８０のブロック体８１は、円周方向に間隔を設けて複数個配置したものを１ユニットとし、流路軸方向において全周をカバーするよう円周方向の位置をずらして複数ユニットを設置した配置に限定されることはなく、例えば同一円周上において全周をカバーするように複数個のブロック体８１を配置し、これを１ユニットとして１または複数列を流路軸方向に配置してもよい。すなわち、同一円周上において隣接するブロック体８１を接触させ、隙間を設けることなく全周をカバーするように複数個のブロック体８１を配置したユニットとすることも可能である。

また、上述した抵抗体８０は、ブローパイプ３０の内壁面全周にわたって突設された１または複数のリング状ブロック体としてもよく、このようなリング状ブロック体の突出高さｈについても、上述したブロック体８１と同様に、羽口２２の出口開口より流路軸中心方向に突出するように設定されている。

このようなブローパイプ３０は、微粉炭３をブローパイプ３０の内部に投入するランス３１の下流側に、パイプ内壁面側の流路抵抗を増して熱風２及び微粉炭３の流れを流路軸中心に集中させる抵抗体が設けられているので、高炉本体２０に吹き込む微粉炭３の流れを流路抵抗の小さい流路中心に集中させることができる。この結果、微粉炭３の流れは羽口２２の表面やブローパイプ３０の内壁面から離れた位置を通ることになるので、羽口２２やブローパイプ３０にスラグが付着しにくくなる。すなわち、抵抗体８０の後流側では微粉炭濃度の分布が形成されるため、流路中心側を微粉炭濃度の高い熱風流れとし、羽口表面及びブローパイプ内壁面側の微粉炭濃度を低くすることにより、羽口２２やブローパイプ３０に対するスラグの付着を抑制できる。

また、上述した実施形態において、ブロック体８１及びリング状ブロック体の断面形状を矩形断面としたが、例えば図２及び図３に示すブロック体８１Ａ，８１Ｂのように、流れ方向上流側に流路断面積を徐々に低減させる傾斜面８２を備えたものとしてもよい。
図２に示す第１変形例のブロック体８１Ａは、二等辺三角形の断面形状を有するものであり、傾斜面８２においてブローパイプ３０の流路断面積が高炉本体２０へ向けて徐々に減少するようになっており、流路断面積の急激な減少を防止した断面形状となる。

同様に、図３に示す第２変形例のブロック体８１Ｂは、楔形の断面形状を有するものであり、上流側に傾斜面８３が形成された略直角三角形断面となっている。このような楔形断面のブロック体８１Ｂとしても、傾斜面８３においてブローパイプ３０の流路断面積が高炉本体２０へ向けて徐々に減少するので、流路断面積の急激な減少を防止できる。
なお、上述した傾斜面８２，８３は、直線的な傾斜に限定されることはなく、凹面や凸面のような曲面としてもよい。

また、上述した実施形態及びその変形例において、各ブロック体８１及びリング状ブロック体は、流路軸中心方向の突出量可変機構９０を備えていることが望ましい。
突出量可変機構９０は、ブロック体８１の突出高さｈを可変とするもので、ブロック体８１を所望の突出高さｈとなるように上下動させる駆動機構であり、例えば油圧や空気圧を用いたシリンダや電動機に連結されたリンク機構等を例示でき、諸条件に応じて適宜選択すればよい。

このように、突出量可変機構９０により突出高さｈの調整が可能になると、スラグの付着状況に応じて突出量を容易に調整できる。すなわち、突出高さｈを初期設定の状態で運転した後、メンテナンス時等に実際のスラグ付着状況を確認できるので、スラグ付着量が予想以上に多い場合は、突出高さｈを増して微粉炭３の流れを流路中央に寄せるように調整し、反対に、スラグ付着量が少ない場合は、突出高さｈを低減することでブローパイプ３０内の流路抵抗を低減し、スラグ付着と流路抵抗とのバランスを最適化した運転が可能になる。

上述したように、本実施形態のブローパイプ構造を採用すれば、高炉本体２０に吹き込む微粉炭３の流れを流路中心に集中させることができ、この結果、羽口２２の表面やブローパイプ３０の内壁面に近い領域では、微粉炭濃度の低下によりスラグが付着しにくくなる。
従って、微粉炭３に含まれるスラグの軟化点調整を行わなくても、ブロック体８１またはリング状ブロック体のような抵抗体８０を設けるという簡単な構造により、しかも、特別な技術や技能がなくてもスラグの付着を抑制した操業が可能になる。このため、ブローパイプ３０については、例えば羽口２２の摩耗寿命までメンテナンス期間の延長が可能となる。

ところで、上述した微粉炭３のスラグに含まれ、熱風２や微粉炭３の燃焼熱等によって溶融する成分、すなわち低融点のスラグ成分は、約１２００℃の熱風２を使用する場合の灰融点が概ね１１００〜１３００℃程度である。このような低融点のスラグ成分は、微粉炭３の原料炭として亜瀝青炭や褐炭などの低品位炭を用い、乾燥や乾留等の改質処理を施した改質炭にも含まれているが、本実施形態のブローパイプ構造を採用すれば、原料炭として低品位炭を改質した微粉炭３を補助燃料として使用可能となる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

１ 原料
２ 熱風
３ 微粉炭（改質炭）
４ 搬送ガス
５ 銑鉄（溶銑）
１０ 原料定量供給装置
２０ 高炉本体
２１ 炉頂ホッパ
２２ 羽口
３０ ブローパイプ
３１ インジェクションランス（ランス）
４０ 熱風送給装置
５０ 微粉炭製造装置
６０ サイクロンセパレータ
７０ 貯蔵タンク
８０ 抵抗体
８１，８１Ａ，８１Ｂ ブロック体
８２，８３ 傾斜面
９０ 突出量可変機構

Claims (5)

1. 鉄鉱石から銑鉄を製造する高炉本体の羽口に取り付けられて熱風とともに補助燃料の微粉炭を吹き込み、前記微粉炭のスラグに前記熱風及び／または前記微粉炭の燃焼熱によって溶融する成分を含んでいるブローパイプ構造であって、
   前記微粉炭をブローパイプ内に投入するインジェクションランスの下流側に、パイプ内壁面側の流路抵抗を増して前記熱風及び前記微粉炭の流れを流路軸中心に集中させる抵抗体が設けられていることを特徴とするブローパイプ構造。
2. 前記抵抗体が前記内壁面に突設された複数のブロック体とされ、
   該ブロック体は、前記羽口の出口開口より流路軸中心方向に突出するとともに、複数が協働して前記出口開口からみて前記パイプ内壁面の全周をカバーするように配置されていることを特徴とする請求項１に記載のブローパイプ構造。
3. 前記抵抗体が前記内壁面の全周にわたって突設された１または複数のリング状ブロック体とされ、
   該リング状ブロック体は、前記羽口の出口開口より流路軸中心方向に突出していることを特徴とする請求項１に記載のブローパイプ構造。
4. 前記ブロック体及び前記リング状ブロック体は、流れ方向上流側に流路断面積を徐々に低減させる傾斜面を備えていることを特徴とする請求項２または３に記載のブローパイプ構造。
5. 前記ブロック体及び前記リング状ブロック体は、流路軸中心方向の突出量可変機構を備えていることを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載のブローパイプ構造。
   

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