JP2014084471A

JP2014084471A - 高炉操業方法及びランス

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Publication number: JP2014084471A
Application number: JP2012231537A
Authority: JP
Inventors: Daiki Fujiwara; 大樹藤原; Akinori Murao; 明紀村尾; Sanshi Tokutome; 三士徳留
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2012-10-19
Filing date: 2012-10-19
Publication date: 2014-05-12
Anticipated expiration: 2032-10-19
Also published as: JP5983294B2

Abstract

【課題】羽口から吹き込まれる微粉炭の燃焼率の向上及び還元材原単位の低減を可能とする高炉操業方法を提供する。
【解決手段】微粉炭６、ＬＮＧ９、酸素をランス４から羽口３に同時に吹き込む場合に、夫々の吹き込み管が並列で且つ一体となった並列型ランスを使用することで、ランスの外径を極端に増加させることなく、吹き込み管の隙間を大きく保つことができ、よって冷却能の確保と微粉炭の燃焼性の向上を両立させることができ、その結果、還元材原単位を低減することができる。
【選択図】図９

Description

本発明は、高炉羽口から微粉炭などの固体還元材と、ＬＮＧ（Liquefied Natural Gas：液化天然ガス）などの気体還元材とを吹き込んで、燃焼温度を上昇させることにより生産性の向上及び還元材原単位の低減を図る高炉の操業方法及びそれに用いられるランスに関するものである。

近年、炭酸ガス排出量の増加による地球温暖化が問題となっており、製鉄業においても排出ＣＯ_２の抑制は重要な課題である。これを受け、最近の高炉操業では、低還元材比（低ＲＡＲ：Reduction Agent Ratioの略で、銑鉄１ｔ製造当たりの、羽口からの吹き込み還元材と炉頂から装入されるコークスの合計量）操業が強力に推進されている。高炉は、主にコークス及び微粉炭を還元材として使用しており、低還元材比、ひいては炭酸ガス排出抑制を達成するためにはコークスなどを廃プラ、ＬＮＧ、重油等の水素含有率の高い還元材で置換する方策が有効である。下記特許文献１では、複数のランスを用いて固体還元材、気体還元材、支燃性ガスを同時に吹き込むことで、気体還元材の燃焼場により固体還元材の昇温が促進されることで固体還元材の燃焼率が向上し、未燃粉やコークス粉の発生が抑制され、通気が改善することで還元材比が削減できるとされている。また、下記特許文献２では、ランスを二重管型とし、例えば内管から支燃性ガスを吹き込み、内管と外管との間から気体還元材と固体還元材とを吹き込むようにしている。また、下記特許文献３では、ランス内に複数の小径の吹き込み管を並列に配置するようにしている。また、下記特許文献４では、溶融還元炉に支燃性ガスと燃料を吹き込む場合に、吹き込み管を並列に配置し、各吹き込み管のノズルを円形とすることで、片側のノズルが損耗しても支燃性ガスと燃料の混合状態を維持できるとしている。

特開２００７−１６２０３８号公報特開２０１１−１７４１７１号公報特開平１１−１２６１３号公報実開平３−３８３４４号公報

前記特許文献１に記載される高炉操業方法は、従来の微粉炭だけを羽口から吹き込む方法に比べれば、燃焼温度の向上や還元材原単位の低減に効果があり、特に固体状の還元材を吹き込む場合に有効である。しかしながら、前記特許文献２に記載されるようにランスを重管型とする場合、ランスの冷却能確保のため、外側の吹き込み速度を高位に保つ必要があり、そのためには内側管との隙間を極端に狭くしなければならず、設備制約上、所定のガス量を流すことができず、燃焼性向上の効果を得られない恐れがある。また、ガス量と流速を両立させようとした場合、ランスの径が極端に増大し、送風管（ブローパイプ）の送風量が低下して出銑量が低下したり、ランス差し込み口の径拡大に伴う周辺耐火物の破損リスクが増大したりすることが懸念される。一方、前記特許文献３に記載されるようにランス中に小径の吹き込み管を複数配置した場合、冷却能低下による吹き込み管の閉塞のリスクが高まるだけでなく、ランスの加工コストの増加といった問題が生じる。また、重管を途中から並列管に変化させているため、圧力損失と径の増加の問題を解消できていない。また、前述のように、高炉では送風管と羽口を通して炉内に熱風を送り込んでおり、固体還元材と支燃性ガスはこの熱風によって炉内へと運ばれる。このとき、固体還元材と支燃性ガスを二重管ランスから吹き込み、この二重管ランスと気体還元材を吹き込む単管ランスを特許文献４に記載されるような並列型ランスに配置すると、送風管及び羽口の断面積に対する並列型ランスの専有面積が大きく、送風圧力の増加によるランニングコストの増加、及び羽口の背面に設置されている炉内観察窓の視野減少の元となる。また、送風管にランスを挿入する部分（ガイド管）の大径化によりガイド管部と送風管との接着面が減少し、ガイド管部の剥離が生じやすくなってしまう。

本発明は、上記のような問題点に着目してなされたものであり、ランスの径を極端に増加させることなく、冷却能の確保と燃焼性の向上の両立、及び還元材原単位の低減を可能とする高炉操業方法及びランスを提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために、本発明の高炉操業方法は、羽口から還元材をランスで吹き込む高炉操業方法において、気体還元材及び支燃性ガスを固体還元材と同時に吹き込む場合、吹き込み経路が４つで且つ夫々の吹き込み管が並列で且つそれらの吹き込み管が一体となったランスを使用することを特徴とするものである。
また、前記ランスは、前記固体還元材を吹き込む吹き込み管が１つ、前記支燃性ガスを吹き込む吹き込み管が１つ、前記気体還元材を吹き込む吹き込み管が２つで、且つそれらの吹き込み管同士が最密構造であることを特徴とするものである。
なお、吹き込み管同士が最密構造である、とは、吹き込み管を最も密に配列できる空間構造を意味する。

また、前記固体還元材を吹き込む吹き込み管と前記支燃性ガスを吹き込む吹き込み管とを一列に配置し、その両側に気体還元材を吹き込む吹き込み管を配置することを特徴とするものである。
また、前記固体還元材を吹き込む吹き込み管に対し、前記支燃性ガス及び／又は前記気体還元材を吹き込む吹き込み管が送風管内で送風方向下側に位置するように前記ランスを配置することを特徴とするものである。
また、本発明のランスは、羽口から還元材を吹き込むためのランスにおいて、気体還元材及び支燃性ガスを固体還元材と同時に吹き込む場合、吹き込み経路が４つで且つ夫々の吹き込み管が並列で且つそれらの吹き込み管が一体となったことを特徴とするものである。

また、前記固体還元材を吹き込む吹き込み管が１つ、前記支燃性ガスを吹き込む吹き込み管が１つ、前記気体還元材を吹き込む吹き込み管が２つで、且つそれらの吹き込み管同士が最密構造であることを特徴とするものである。
また、前記固体還元材を吹き込む吹き込み管と前記支燃性ガスを吹き込む吹き込み管とを一列に配置し、その両側に気体還元材を吹き込む吹き込み管を配置することを特徴とするものである。
また、前記固体還元材を吹き込む吹き込み管に対し、前記支燃性ガスを吹き込む吹き込み管が送風管内で送風方向上流側に位置することを特徴とするものである。
また、夫々の吹き込み管の内径が少なくとも７ｍｍ以上、３０ｍｍ以下であることを特徴とするものである。

而して、本発明の高炉操業方法及びランスによれば、気体還元材及び支燃性ガスを固体還元材と同時に吹き込む場合、吹き込み経路が４つで且つ夫々の吹き込み管が並列で且つそれらの吹き込み管が一体となったランスを使用することで、ランスの外径を極端に増加させることなく、吹き込み管同士の隙間を大きく保つことができ、よって冷却能の確保と燃焼性の向上を両立することができ、その結果、還元材原単位を低減することができる。

また、固体還元材を吹き込む吹き込み管が１つ、支燃性ガスを吹き込む吹き込み管が１つ、気体還元材を吹き込む吹き込み管が２つで、且つそれらの吹き込み管同士を最密構造とすることで、ランスの外径をより一層小さくすることができる。
また、固体還元材を吹き込む吹き込み管と支燃性ガスを吹き込む吹き込み管とを一列に配置し、その両側に気体還元材を吹き込む吹き込み管を配置すると共に、固体還元材を吹き込む吹き込み管に対し、支燃性ガス及び／又は気体還元材を吹き込む吹き込み管が送風管内で送風方向下側に位置するようにすることで、固体還元材を、支燃性ガス及び／又は気体還元材流に随伴させて高炉炉内に送給することにより、支燃性ガス及び／又は気体還元材と固体還元材との混合が促進されると共に、支燃性ガスと気体還元材との燃焼場によって固体還元材が昇温され、燃焼性が向上する。

本発明の高炉操業方法が適用された高炉の一実施形態を示す縦断面図である。図１のランスから微粉炭だけを吹き込んだときの燃焼状態の説明図である。図２の微粉炭の燃焼メカニズムの説明図である。微粉炭とＬＮＧと酸素とを吹き込んだときの燃焼メカニズムの説明図である。燃焼実験装置の説明図である。ランス内の吹き込み管の説明図である。ランスの外観及び配置の説明図である。ランスの周方向の角度を種々に変更した説明図である。燃焼実験結果の燃焼率の説明図である。ランスからの吹き込み状態の説明図である。ランス先端部の説明図である。燃焼実験結果の圧力損失の説明図である。燃焼実験結果のランス表面温度の説明図である。ランスの外径の説明図である。ランスの出口流速とランス表面温度の関係を示す説明図である。

次に、本発明の高炉操業方法の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態の高炉操業方法が適用された高炉の全体図である。図に示すように、高炉１の羽口３には、熱風を送風するための送風管２が接続され、この送風管２を貫通してランス４が設置されている。羽口３の熱風送風方向先方のコークス堆積層には、レースウエイ５と呼ばれる燃焼空間が存在し、主として、この燃焼空間で鉄鉱石の還元、即ち造銑が行われる。

図２には、ランス４から微粉炭６だけを吹き込んだときの燃焼状態を示す。ランス４から羽口３を通過し、レースウエイ５内に吹き込まれた微粉炭６は、コークス７と共に、その揮発分と固定炭素が燃焼し、燃焼しきれずに残った、一般にチャーと呼ばれる炭素と灰分の集合体は、レースウエイから未燃チャー８として排出される。羽口３の熱風送風方向先方における熱風速度は約２００ｍ／ｓｅｃであり、ランス４の先端からレースウエイ５内における酸素の存在領域は約０．３〜０．５ｍとされているので、実質的に１／１０００秒のレベルで微粉炭粒子の昇温及び酸素との接触効率（分散性）の改善が必要となる。

図３は、ランス４から送風管２内に微粉炭（図ではＰＣ：Pulverized Coal）６のみを吹き込んだ場合の燃焼メカニズムを示す。羽口３からレースウエイ５内に吹き込まれた微粉炭６は、レースウエイ５内の火炎からの輻射伝熱によって粒子が加熱し、更に輻射伝熱、伝導伝熱によって粒子が急激に温度上昇し、３００℃以上昇温した時点から熱分解が開始し、揮発分に着火して火炎が形成され、燃焼温度は１４００〜１７００℃に達する。揮発分が放出してしまうと、前述したチャー８となる。チャー８は、主に固定炭素であるので、燃焼反応と共に、炭素溶解反応と呼ばれる反応も生じる。

図４は、ランス４から送風管２内に微粉炭６と共にＬＮＧ９と酸素（酸素は図示せず）とを吹き込んだ場合の燃焼メカニズムを示す。微粉炭６とＬＮＧ９と酸素との吹き込み方法は、単純に平行に吹き込んだ場合を示している。なお、図中の二点鎖線は、図３に示した微粉炭のみを吹き込んだ場合の燃焼温度を参考に示している。このように微粉炭とＬＮＧと酸素とを同時に吹き込む場合、ガスの拡散に伴って微粉炭が分散し、ＬＮＧとＯ₂の接触によってＬＮＧが燃焼し、その燃焼熱によって微粉炭が急速に加熱、昇温すると考えられ、これによりランスに近い位置で微粉炭が燃焼する。

このような知見に基づき、図５に示す燃焼実験装置を用いて燃焼実験を行った。実験炉１１内にはコークスが充填されており、覗き窓からレースウエイ１５の内部を観察することができる。送風管１２にはランス４が差し込まれ、燃焼バーナ１３で生じた熱風を実験炉１１内に所定の送風量で送風することができる。また、この送風管１２では、送風の酸素富化量を調整することも可能である。ランス４は、微粉炭及びＬＮＧ及び酸素の何れか一つ又は二以上を送風管１２内に吹き込むことができる。実験炉１１内で生じた排ガスは、サイクロンと呼ばれる分離装置１６で排ガスとダストに分離され、排ガスは助燃炉などの排ガス処理設備に送給され、ダストは捕集箱１７に捕集される。

燃焼実験では、ランス４に単管ランス、三重管ランス（以下、重管型ランスとも記す）、４本の吹き込み管を並列に束ねて一体とした並列型ランスを用いた。そして、単管ランスから微粉炭のみを吹き込んだ場合をベースとして、重管型ランスの内管から微粉炭を吹き込み、内管と中管の隙間から酸素を吹き込み、中管と外管の隙間からＬＮＧを吹き込んだ場合、並列型ランスの１本の吹き込み管から微粉炭を吹き込み、１本の吹き込み管から酸素を吹き込み、２本の吹き込み管からＬＮＧを吹き込んだ場合の夫々について、燃焼率、ランス内圧力損失、ランス表面温度、並びにランスの外径を測定した。燃焼率については、酸素の吹き込み流速を変化させて測定した。燃焼率は、レースウエイの後方からプローブで未燃チャーを回収し、その未燃量から求めた。

図６ａには重管形ランスの諸元を、図６ｂには並列型ランスの諸元を示す。重管形ランスでは、内管Ｉに呼び径８Ａ、呼び厚さスケジュール１０Ｓのステンレス鋼管を、中管Ｍに呼び径１５Ａ、呼び厚さスケジュール４０のステンレス鋼管を、外管Ｏに呼び径２０Ａ、呼び厚さスケジュール１０Ｓのステンレス鋼管を用いた。各ステンレス鋼管の諸元は図に示す通りである。そして、その結果、内管Ｉと中管Ｍの隙間は１．１５ｍｍ、中管Ｍと外管Ｏの隙間は０．６５ｍｍとなった。また、並列型ランスでは、第１管２１に呼び径８Ａ、呼び厚さスケジュール１０Ｓのステンレス鋼管を、第２管２２に呼び径６Ａ、呼び厚さスケジュール１０Ｓのステンレス鋼管を、第３管２３及び第４管２４に外径８ｍｍ、内径７ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ（ＪＩＳ規格なし）のステンレス鋼管を用い、それらを最密構造に束ねた。ここにいう最密構造とは、吹き込み管を最も密に配列できる空間構造を意味する。また、第１管２１と第２管２２を１列に配置し、第３管２３及び第４管２４は、夫々、第１管２１と第２管２２の列の両側に配置した。各ステンレス鋼管の諸元は図に示す通りである。

実験では、図７ａに示すように、並列型ランスの第１管２１から微粉炭（ＰＣ）を吹き込み、第２管２２から酸素を吹き込み、第３管２３及び第４管２４からＬＮＧを吹き込んだ。なお、夫々のランスの送風管（ブローパイプ）への差し込み長さは、図７ｂに示すように、５０ｍｍとした。燃焼実験では、ランスの周方向の角度を種々に変更して、燃焼率を測定した。具体的には、例えば図８に示すように微粉炭を吹き込む第１管２１のランス外縁部を点Ａ、即ち最上部とし、その下部位置に第２管２２を配置して酸素を吹込み、その中間位置の第３管２３及び第４管２４からＬＮＧを吹き込むようにしたとき（図８ａ）、その点Ａとランスの中心を結ぶ線分（以下、単に微粉炭吹き込みランス外縁部とも記す）が鉛直線となす角度を０°（図８ｂのケース）、２０°（図８ｃのケース）、３０°（図８ｄのケース）、４５°（図８ｅのケース）、６０°（図８ｆのケース）、９０°（図８ｇのケース）と変化させ、夫々の燃焼率を測定した。

微粉炭の諸元は、固定炭素（ＦＣ：Fixed Carbon）７１．３％、揮発分（ＶＭ：Volatile Matter）１９．６％、灰分（Ａｓｈ）９．１％で、吹き込み条件は５０．０ｋｇ／ｈ（製銑原単位で１５８ｋｇ／ｔ相当）とした。また、ＬＮＧの吹き込み条件は、３．６ｋｇ／ｈ（５．０Ｎｍ^３／ｈ、製銑原単位で１１ｋｇ／ｔ相当）とした。送風条件は、送風温度１１００℃、流量３５０Ｎｍ^３／ｈ、流速８０ｍ／ｓ、Ｏ_２富化＋３．７（酸素濃度２４．７％、空気中酸素濃度２１％に対し、３．７％の富化）とした。

図９には、燃焼実験による燃焼率の結果を示す。同図から明らかなように、微粉炭吹き込み管ランス外縁部の鉛直線となす角度が４５°を超える範囲では燃焼率が低下し、微粉炭吹き込み管ランス外縁部の鉛直線となす角度が４５°以下の範囲では燃焼率が高く、微粉炭吹き込み管ランス外縁部の鉛直線となす角度が０°（ａ）のときに燃焼率が最も高い。例えば、微粉炭吹き込み管ランス外縁部の鉛直線となす角度が０°のときには、図８ａ、図８ｂ及び図１０ａに示すように、酸素の吹き込み管である第２管２２が微粉炭の吹き込み管である第１管２１よりも送風方向下側に位置する。

また、このケースでは、ＬＮＧを吹き込む吹き込み管、即ち第３管２３及び第４管２４も第１管２１よりも送風方向下側に位置することになり、第１管２１から吹込まれる微粉炭は、その下部を流れる第２管２２からの酸素及び／又はＬＮＧ流に随伴されて高炉炉内に送給されることになり、微粉炭と、酸素及び／又は第３管２３及び第４管２４からのＬＮＧとの混合が促進されると共に、酸素とＬＮＧとの燃焼場によって微粉炭が昇温され、燃焼性が向上する。

また、図８ｃのときは、酸素の吹き込み管である第２管２２が微粉炭の吹き込み管である第１管２１よりも送風方向下側に位置するとともに第３管２３も送風方向下側に位置することになり、第１管２１から吹込まれる微粉炭は、その下部を流れる第２管２２及び第３管２３からの酸素及びＬＮＧ流に随伴されて高炉炉内に送給されることになり、酸素及びＬＮＧとの混合が促進されると共に、酸素とＬＮＧとの燃焼場によって微粉炭が昇温され、燃焼性が向上する。図８ｄも同様である。

また、図８ｅでは、第１管２１から吹込まれる微粉炭は、その送風方向下側に位置する第３管２３からのＬＮＧ流のみに随伴されて高炉炉内に送給されることになり、随伴効果が図８ｂ、図８ｃ、図８ｄに比べて弱くなり、図８ｆでは、酸素及びＬＮＧとの混合が促進されると共に、第１管２１から吹込まれる微粉炭は、その送風方向下側に位置する第３管２３のＬＮＧ流との重なりが減少するため、随伴効果がさらに減少する。また、図８ｇでは、第１管２１から吹込まれる微粉炭は、その下側に随伴流がなくなるため、所謂重力沈降しつつ送風管内を流れて高炉内に吹込まれるため、酸素及び／又はＬＮＧとの混合が弱くなり、他のケースより燃焼性が悪化する。

前記したように、微粉炭吹き込み管ランス外縁部の鉛直線となす角度が４５°を超える範囲では燃焼率が低下し、微粉炭吹き込み管ランス外縁部の鉛直線となす角度が４５°以下の範囲では燃焼率が高く、微粉炭吹き込み管ランス外縁部の鉛直線となす角度が０°のときに燃焼率が最も高いものとなったと推察される。従って本発明では、微粉炭、即ち固体還元材を吹き込む吹き込み管に対し、酸素、即ち支燃性ガス及び／又はＬＮＧ、即ち気体還元材を吹き込む吹き込み管が送風管内で送風方向下側に位置するように配置することで燃焼性を向上させるのである。

なお、図１０で、並列型ランスの各管の先端は平坦状態で示しているが、図１１に示すように、酸素及び／又はＬＮＧを吹き込む吹き込み管の先端は微粉炭を吹込む吹き込み管に向けて斜めに切り欠いた形状として、酸素及び／又はＬＮＧの噴流の一部を微粉炭流に向け混合を促進するようにしてもよい。左図は並列型ランスの各管配列を示したものであるが、Ａ−Ａ断面は、微粉炭吹き込み管の第１管２１と酸素吹き込み管の第２管２２の先端面の説明図である。一点鎖線で示す第１管２１から吹込まれる噴流（微粉炭流）に対し、第２管２２の先端面が斜めに切り欠いた先端として、切り欠き面を第１管２１方向に向けることにより、第２管２２から吹込まれる噴流（酸素流）は、二点差線で示すように微粉炭流側に拡大することから噴出直後から一部が混合し始め、微粉炭燃焼性向上に効果を発揮する。また、Ｂ−Ｂ断面は、微粉炭吹き込み管の第１管２１とＬＮＧ吹き込み管の第４管２４の先端面の説明図である。一点鎖線で示す第１管２１から吹込まれる噴流（微粉炭流）に対し、第４管２４（第３管２３も同様）の先端面が斜めに切り欠いた先端として、切り欠き面を第１管２１方向に向けることにより、第４管２４から吹込まれる噴流（ＬＮＧ流）は、三点鎖線で示すように微粉炭流側に拡大することから、噴出直後から一部が混合し始め、ＬＮＧ合流により微粉炭燃焼性向上に効果を発揮する。また、第１管２１に対し、第２管２２のみ先端面が斜めに切り欠いた先端構造（Ａ−Ａ断面）とすること、或いは第１管２１に対し、第４管２４及び第３管２３のＬＮＧ吹き込み側の先端面のみ、斜めに切り欠いた先端構造（Ｂ−Ｂ断面）とすることの何れでもよいが、第２管２２、第３管２３及び第４管２４の先端面が斜めに切り欠いた先端構造を持つときが微粉炭燃焼性向上に最も効果を発揮する。なお、先端面が斜めに切り欠いた先端構造にかえ、第１管２１に向けて先端面を曲げても同じ効果が発揮できる。

図１２には、重管型ランスと並列型ランスの圧力損失の測定結果を示す。同図から明らかなように、並列型ランスは重管型ランスに比べ、同じ断面積における圧力損失が低下している。これは、隙間の間隔が大きくなることで通気抵抗が減少したものと考えられる。
図１３には、ランスの冷却能の実験結果を示す。同図から明らかなように、並列型ランスは重管型ランスに比べ、同じ圧力損失における冷却能が高くなっている。これは、通気抵抗が低いため、同じ圧力損失において流すことのできる流量が大きいためだと考えられる。
図１４には、ランスの外径を示す。図１４ａは非水冷型、図１４ｂは水冷型のランスの外径である。同図から明らかなように、並列型ランスは重管型ランスに比べ、ランスの外径が小さくなっている。これは、並列型ランスでは重管型ランスに比べ、流路、管の厚さ、及び水冷部の断面積を低減可能なためであると考えられる。

ところで、前述のような燃焼温度の上昇に伴って、ランスは高温に晒され易くなる。ランスは、例えばステンレス鋼鋼管で構成される。ランスの外側には所謂ウォータージャケットと呼ばれる水冷が施されている例もあるが、ランス先端までは覆うことができない。特に、この水冷の及ばないランスの先端部が熱で変形し易いことが分かった。ランスが変形する、つまり曲がると所望部位にガスや微粉炭を吹込むことができないし、消耗品であるランスの交換作業に支障がある。また、微粉炭の流れが変化して羽口に当たることも考えられ、そのような場合には羽口が損傷する恐れがある。また、例えば重管型ランスの外側管が曲がると、内側管との隙間が閉塞され、外側管からガスが流れなくなると、重管型ランスの外側管が溶損し、場合によっては送風管が破損する可能性もある。ランスが変形したり損耗したりすると、前述のような燃焼温度を確保することができなくなり、ひいては還元材原単位を低減することもできない。

水冷できないランスを冷却するためには、内部に流れるガスで冷却するしかない。内部に流れるガスに放熱して例えばランス自体を冷却する場合、ガスの流速がランス温度に影響を与えると考えられる。そこで、本発明者等は、ランスから吹込まれるガスの流速を種々に変更してランス表面の温度を測定した。実験は、二重管ランスの外側管から酸素を吹込み、内側管から微粉炭を吹込んで行い、ガスの流速調整は、外側管から吹込まれる酸素の供給量を加減した。なお、酸素は、酸素富化空気でもよく、２％以上、好ましくは１０％以上の酸素富化空気を使用する。酸素富化空気を使用することによって、冷却の他、微粉炭の燃焼性の向上を図る。測定結果を図１５に示す。

二重管ランスの外側管には、２０Ａスケジュール５Ｓと呼ばれる鋼管を用いた。また、二重管ランスの内側管には、１５Ａスケジュール９０と呼ばれる鋼管を用い、外側管から吹込まれる酸素と窒素の合計流速を種々に変更してランス表面の温度を測定した。ちなみに、「１５Ａ」、「２０Ａ」はＪＩＳＧ３４５９に規定する鋼管外径の称呼寸法であり、１５Ａは外径２１．７ｍｍ、２０Ａは外径２７．２ｍｍである。また、「スケジュール」はＪＩＳＧ３４５９に規定する鋼管の肉厚の称呼寸法であり、２０Ａスケジュール５Ｓは１．６５ｍｍ、１５Ａスケジュール９０は３．７０ｍｍである。なお、ステンレス鋼鋼管の他、普通鋼も利用できる。その場合の鋼管の外径はＪＩＳＧ３４５２に規定され、肉厚はＪＩＳＧ３４５４に規定される。

同図に二点鎖線で示すように、二重管ランスの外側管から吹込まれるガスの流速の増加に伴ってランス表面の温度が反比例的に低下している。鋼管を二重管ランスに使用する場合、二重管ランスの表面温度が８８０℃を上回るとクリープ変形が起こり、二重管ランスが曲がってしまう。従って、二重管ランスの外側管に２０Ａスケジュール５Ｓの鋼管を用い、二重管ランスの表面温度が８８０℃以下である場合の二重管ランスの外側管の出口流速は２０ｍ／ｓｅｃ以上となる。そして、二重管ランスの外側管の出口流速が２０ｍ／ｓｅｃ以上である場合には二重管ランスに変形や曲がりは生じない。一方、二重管ランスの外側管の出口流速が１２０ｍ／ｓｅｃを超えたりすると、設備の運用コストの点で実用的でないので、二重管ランスの外側管の出口流速の上限を１２０ｍ／ｓｅｃとした。この結果は、同じ水冷の及ばない単管ランスの先端部でも同様に作用するため、単管ランスの出口流速も同様に２０〜１２０ｍ／ｓｅｃとした。ちなみに、単管ランスは二重管ランスに比べて熱負荷が少ないため、必要に応じ、出口流速を２０ｍ／ｓｅｃ以上とすればよい。

また、本実施形態では、ランスを構成する吹き込み管の内径を７ｍｍ以上、３０ｍｍ以下と規定している。微粉炭の詰まりなどを考慮したとき、吹き込み管の内径が７ｍｍ未満では詰まりが発生しやすく、そのため微粉炭を吹き込む吹き込み管を含め、組み合わせる吹き込み管の内径を７ｍｍ以上とする。また、前述のように吹き込み管内を流れるガスで当該吹き込み管を冷却することを考慮したとき、吹き込み管の内径が３０ｍｍを超えるとガス流速の増加が困難となり、結果的に冷却不足となるため、吹き込み管の内径は３０ｍｍ以下とする。好ましくは、８ｍｍ以上、２５ｍｍ以下とする。

このように、本実施形態の高炉操業方法では、ＬＮＧ（気体還元材）及び酸素（支燃性ガス）を微粉炭（固体還元材）と同時に吹き込む場合、吹き込み経路が４つで且つ夫々の吹き込み管、つまり第１管２１〜第４管２４が並列で且つそれらの吹き込み管が一体となったランス４を使用することで、ランス４の外径を極端に増加させることなく、吹き込み管同士の隙間を大きく保つことができ、よって冷却能の確保と燃焼性の向上を両立することができ、その結果、還元材原単位を低減することができる。

また、微粉炭（固体還元材）を吹き込む吹き込み管、つまり第１管２１が１つ、酸素（支燃性ガス）を吹き込む吹き込み管、つまり第２管２２が１つ、ＬＮＧ（気体還元材）を吹き込む吹き込み管、つまり第３管２３及び第４管２４が２つで、且つそれらの吹き込み管同士を最密構造とすることで、ランス４の外径をより一層小さくすることができる。
また、微粉炭（固体還元材）を吹き込む吹き込み管、つまり第１管２１と酸素（支燃性ガス）を吹き込む吹き込み管、つまり第２管２２とを一列に配置し、その両側にＬＮＧ（気体還元材）を吹き込む吹き込み管、つまり第３管２３及び第４管２４を配置すると共に、微粉炭（固体還元材）を吹き込む吹き込み管、つまり第１管２１に対し、酸素（支燃性ガス）を吹き込む吹き込み管、つまり第２管２２が送風管２内で送風方向下側に位置するようにすることで、第１管２１から吹き込まれる微粉炭は、その送風方向下側に位置する第２管２２及び／又は第３管２３及び第４管２４からの酸素、ＬＮＧに随伴されて高炉炉内に送給されることになり、酸素（支燃性ガス）と微粉炭（固体還元材）との混合を促進されると共に、酸素（支燃性ガス）とＬＮＧ（気体還元材）との燃焼場によって微粉炭（固体還元材）が昇温され、燃焼性が向上する。

前記実施形態では、気体還元材としてＬＮＧを用いて説明したが、都市ガスも使用可能であり、他の気体還元材としては、都市ガス、ＬＮＧ以外に、プロパンガス、水素の他、製鉄所で発生する転炉ガス、高炉ガス、コークス炉ガスを用いることもできる。なお、ＬＮＧと等価としてシェールガス（shale gas）も利用できる。シェールガスは、頁岩（シェール）層から採取される天然ガスであり、従来のガス田ではない場所から生産されることから、非在来型天然ガス資源と呼ばれているものである。

１は高炉、２は送風管、３は羽口、４はランス、５はレースウエイ、６は微粉炭（固体還元材）、７はコークス、８はチャー、９はＬＮＧ（気体還元材）、２１は第１管、２２は第２管、２３は第３管、２４は第４管

Claims

羽口から還元材をランスで吹き込む高炉操業方法において、気体還元材及び支燃性ガスを固体還元材と同時に吹き込む場合、吹き込み経路が４つで且つ夫々の吹き込み管が並列で且つそれらの吹き込み管が一体となったランスを使用することを特徴とする高炉操業方法。
前記ランスは、前記固体還元材を吹き込む吹き込み管が１つ、前記支燃性ガスを吹き込む吹き込み管が１つ、前記気体還元材を吹き込む吹き込み管が２つで、且つそれらの吹き込み管同士が最密構造であることを特徴とする請求項１に記載の高炉操業方法。
前記固体還元材を吹き込む吹き込み管と前記支燃性ガスを吹き込む吹き込み管とを一列に配置し、その両側に気体還元材を吹き込む吹き込み管を配置することを特徴とする請求項２に記載の高炉操業方法。
前記固体還元材を吹き込む吹き込み管に対し、前記支燃性ガス及び／又は前記気体還元材を吹き込む吹き込み管が送風管内で送風方向下側に位置するように前記ランスを配置することを特徴とする請求項３に記載の高炉操業方法。
羽口から還元材を吹き込むためのランスにおいて、気体還元材及び支燃性ガスを固体還元材と同時に吹き込む場合、吹き込み経路が４つで且つ夫々の吹き込み管が並列で且つそれらの吹き込み管が一体となったことを特徴とするランス。
前記固体還元材を吹き込む吹き込み管が１つ、前記支燃性ガスを吹き込む吹き込み管が１つ、前記気体還元材を吹き込む吹き込み管が２つで、且つそれらの吹き込み管同士が最密構造であることを特徴とする請求項５に記載のランス。
前記固体還元材を吹き込む吹き込み管と前記支燃性ガスを吹き込む吹き込み管とを一列に配置し、その両側に気体還元材を吹き込む吹き込み管を配置することを特徴とする請求項６に記載のランス。
前記固体還元材を吹き込む吹き込み管に対し、前記支燃性ガスを吹き込む吹き込み管が送風管内で送風方向上流側に位置することを特徴とする請求項７に記載のランス。
夫々の吹き込み管の内径が少なくとも７ｍｍ以上、３０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項８に記載のランス。