JP2015120965A - 高炉の操業方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】高炉に必要なコークス強度を決定する高炉の操業方法を提供すること。【解決手段】高炉内で充填層の荷下がりに伴いコークスが受ける力学的衝撃エネルギーを、下記の式（１）を用い算出し、高炉に必要なコークス強度を決定する高炉の操業方法。【数１】ここで、σｙ、ｅｙ、ｕ、ＦVC、および、Ｅcokeはそれぞれ、充填層応力、速度勾配、荷下がり速度、微小区間内でのコークス充填層の体積割合、および、累積の力学的衝撃エネルギーである。【選択図】図５
Description
本発明は、高炉の操業方法に関する。特に、コークスの強度設定についての高炉の操業方法に関する。
炉頂からコークスと鉄鉱石を交互にかつ層状に装入し、炉下部の羽口から熱風及び、微粉炭を吹き込み銑鉄を製造する高炉において、コークスは熱源、および、還元剤としての役割を果たすと同時に、スペーサー（ガスを通過させるための空隙を確保するもの）としての役割も果す。
この役割を果たすため、コークスには、強度が高く、容易に粉化せず、かつ粒度が適当な大きさ（２５〜７５ｍｍ程度）で揃っていること等が要求される。
強度が低いコークスを用いた場合、コークス粒子が炉上部から降下するに従い炉壁あるいはコークス粒子同士の摩擦により粉化、細粒化し、大きな粒子同士の空隙を埋めるため通気性が著しく阻害され、還元性のガスが炉下部から炉上部へ流れるのをさまたげ通気性が悪化する。このような場合、銑鉄の生産量が低下し、更にはいわゆる吹き抜けやスリップ現象を誘引し、操業の継続が困難になることがある。
強度が低いコークスを用いた場合、コークス粒子が炉上部から降下するに従い炉壁あるいはコークス粒子同士の摩擦により粉化、細粒化し、大きな粒子同士の空隙を埋めるため通気性が著しく阻害され、還元性のガスが炉下部から炉上部へ流れるのをさまたげ通気性が悪化する。このような場合、銑鉄の生産量が低下し、更にはいわゆる吹き抜けやスリップ現象を誘引し、操業の継続が困難になることがある。
ここで吹き抜けとは、通気抵抗が全体的に上昇した際に、炉下部で生成される還元性ガスが、通気抵抗が小さい局所に爆発的に上昇する現象を指している。このような場合、局部的に上昇するガス流れにより層状に堆積された装入物の分布が乱れることになる。
また、スリップ現象とは吹き抜け現象のやや軽いもので、多くはある円周方向の壁側付近の荷下がりの停滞箇所が生じ、その後一定の時間経過後に一方位の荷下がりが一気に生じる（すべり落ちる）ことにより、装入物分布が乱れる現象をいう。
吹き抜けあるいはスリップ現象のいずれかが生じて装入物の分布が乱れると、通気性がさらに悪化したり、酸化鉄の還元不良等を生じるため、高炉操業に極めて悪い影響を与えるのみならず、圧力の上昇により高炉炉体への機械的ダメージを与えたり、急激に高温ガスが噴出することによる諸設備への熱的悪影響を与えたりすることも懸念される。
このように吹き抜けあるいはスリップ現象が生ずるとその悪影響が大きいことから、これらの現象が生ずるのを回避するため、高炉で使用されるコークスの強度は、注意深く管理しなければならない。
吹き抜けあるいはスリップ現象のいずれかが生じて装入物の分布が乱れると、通気性がさらに悪化したり、酸化鉄の還元不良等を生じるため、高炉操業に極めて悪い影響を与えるのみならず、圧力の上昇により高炉炉体への機械的ダメージを与えたり、急激に高温ガスが噴出することによる諸設備への熱的悪影響を与えたりすることも懸念される。
このように吹き抜けあるいはスリップ現象が生ずるとその悪影響が大きいことから、これらの現象が生ずるのを回避するため、高炉で使用されるコークスの強度は、注意深く管理しなければならない。
強度の管理指標としては、１５０回転後の１５ ｍｍ以上の粉割合を表すコークスドラム強度ＤＩ１５０ １５が多く用いられ、これは値が大きいほど高強度であることを示す指数である。
焼結鉱の粉化性状と還元材比、コークス強度と還元材比との関係から、還元材比に対応して必要とされるコークス強度を規定する発明の記載がある（特許文献１）。
また、高炉へ吹き込む水素投入量との関係から、必要とされるコークスドラム強度を規定する発明の記載がある（特許文献２）。
また、高炉増産時の羽口風速の増加に対応したコークスドラム強度を規定する発明の記載がある（特許文献３）。
また、コークスの粉発生量は、コークスに与えられる力学的衝撃エネルギーに依存し、その力学的衝撃エネルギーが大きいほど増加する。高炉内において、コークスは充填層を形成しており、充填層内に形成される応力場において生起している荷下がり運動がコークスに対して、力学的衝撃エネルギーを加えるという記載がある（非特許文献１）
焼結鉱の粉化性状と還元材比、コークス強度と還元材比との関係から、還元材比に対応して必要とされるコークス強度を規定する発明の記載がある（特許文献１）。
また、高炉へ吹き込む水素投入量との関係から、必要とされるコークスドラム強度を規定する発明の記載がある（特許文献２）。
また、高炉増産時の羽口風速の増加に対応したコークスドラム強度を規定する発明の記載がある（特許文献３）。
また、コークスの粉発生量は、コークスに与えられる力学的衝撃エネルギーに依存し、その力学的衝撃エネルギーが大きいほど増加する。高炉内において、コークスは充填層を形成しており、充填層内に形成される応力場において生起している荷下がり運動がコークスに対して、力学的衝撃エネルギーを加えるという記載がある（非特許文献１）
Hideyuki YAMAOKA, et al, ISIJ International, Vol. 43 (2003), No. 1, p 44-53
特許文献１に記載の発明は、燒結鉱粉化特性（ＲＤＩ）を良くすればコークス強度（ＤＩ）は緩和できるとするものであり、高炉内で発生する粉特性からコークス強度（ＤＩ）を規定するものはない。
特許文献２に記載の発明は、高炉への水素吹き込み量を増加し、Ｈ２によるＦｅＯの還元を増やせば、コークスの劣化が減少し、コークス強度（ＤＩ）は緩和できるとするものであり、高炉内で発生する粉特性からコークス強度（ＤＩ）を規定するものではない。
特許文献３に記載の発明は、増産のために送風量を増加する際、羽口径を縮小し、羽口風速を増加し、レースウェイ深度を深くして、レースウェイへのコークス降下領域を拡大する。羽口風速の増加し対応してコークスドラム強度を増加するもので、高炉内で発生する粉特性からコークス強度（ＤＩ）を規定するものではない。
非特許文献１の記載では、コークス強度を変更せずに高炉内におけるコークスの粉発生量を低減する為には、荷下がり運動による力学的衝撃エネルギーを低減させることが必要である。
特許文献２に記載の発明は、高炉への水素吹き込み量を増加し、Ｈ２によるＦｅＯの還元を増やせば、コークスの劣化が減少し、コークス強度（ＤＩ）は緩和できるとするものであり、高炉内で発生する粉特性からコークス強度（ＤＩ）を規定するものではない。
特許文献３に記載の発明は、増産のために送風量を増加する際、羽口径を縮小し、羽口風速を増加し、レースウェイ深度を深くして、レースウェイへのコークス降下領域を拡大する。羽口風速の増加し対応してコークスドラム強度を増加するもので、高炉内で発生する粉特性からコークス強度（ＤＩ）を規定するものではない。
非特許文献１の記載では、コークス強度を変更せずに高炉内におけるコークスの粉発生量を低減する為には、荷下がり運動による力学的衝撃エネルギーを低減させることが必要である。
しかしながら荷下がり運動による力学的衝撃エネルギーは高炉内充填層の応力場に支配され、高炉内充填層の応力は炉容積、炉体形状に支配されているため、通常の操業条件の範囲で荷下がり運動による力学的衝撃エネルギーを制御することは困難である。
安定した高炉操業には高強度のコークスを用いることが非常に重要である。
しかしながら、高強度コークスを製造するためには、その原料として粘結性を有する高価な原料炭を必要とし、そのために要するコストは莫大なものとなる。
しかしながら、高強度コークスを製造するためには、その原料として粘結性を有する高価な原料炭を必要とし、そのために要するコストは莫大なものとなる。
高炉内で発生するコークスの粉は、炉内充填層応力場で形成される荷下がりによってコークスが受ける力学的衝撃エネルギーに依存する。高炉内でコークスが受ける力学的衝撃エネルギーは高炉の大きさによって異なるが、これまで高炉の大きさによってコークスが受ける力学的衝撃エネルギーがどの程度変化するのかわかっていなかった。
本発明の目的は、高炉に必要なコークス強度を決定する高炉の操業方法を提供することである。
本発明の目的は、高炉に必要なコークス強度を決定する高炉の操業方法を提供することである。
本発明者等は、コークスが受ける力学的衝撃エネルギーを検討し、高炉に必要なコークス強度についての知見を得た。
本発明は、これらの知見に基づくものである。
本発明は、これらの知見に基づくものである。
本発明の要旨とするところは、以下のとおりである。
＜１＞高炉内で充填層の荷下がりに伴いコークスが受ける力学的衝撃エネルギーを、下記の式（１）を用い算出し、高炉に必要なコークス強度を決定する高炉の操業方法。
ここで、σｙ、ｅｙ、ｕ、ＦVC、および、Ｅcokeはそれぞれ、充填層応力、速度勾配、荷下がり速度、微小区間内でのコークス充填層の体積割合、および、累積の力学的衝撃エネルギーである。
＜２＞下記の式（２）を用いてコークスのドラム強度を制御することを特徴とする［１］に記載の高炉の操業方法。
ここで、ＶBFは炉容積を表す。
＜３＞内容積が１７００ｍ３以下の高炉において、下記の式（３）（４）を用いてコークスのドラム強度を制御することを特徴とする［１］または［２］に記載の高炉の操業方法。
である。
＜１＞高炉内で充填層の荷下がりに伴いコークスが受ける力学的衝撃エネルギーを、下記の式（１）を用い算出し、高炉に必要なコークス強度を決定する高炉の操業方法。
ここで、σｙ、ｅｙ、ｕ、ＦVC、および、Ｅcokeはそれぞれ、充填層応力、速度勾配、荷下がり速度、微小区間内でのコークス充填層の体積割合、および、累積の力学的衝撃エネルギーである。
＜２＞下記の式（２）を用いてコークスのドラム強度を制御することを特徴とする［１］に記載の高炉の操業方法。
ここで、ＶBFは炉容積を表す。
＜３＞内容積が１７００ｍ３以下の高炉において、下記の式（３）（４）を用いてコークスのドラム強度を制御することを特徴とする［１］または［２］に記載の高炉の操業方法。
である。
本発明によれば、高炉に必要なコークス強度を規定する高炉の操業方法を提供することができる。
（コークスの力学的衝撃エネルギーについて）
発明者らは、高炉の総合評価モデルを用いて、高炉内の力学的衝撃エネルギーを計算するとともに、炉容積に応じたコークスの必要強度を算出した。以下に高炉の総合評価モデルの構成と高炉内の力学的衝撃エネルギー計算方法を示す。
高炉の総合評価モデルの基本構成は、高炉内で生起する、固体、気体、液体の運動、伝熱、反応を連成して同時解析し、非定常的に炉内状態を予測するモデルである（非特許文献２、非特許文献３）。
発明者らは、高炉の総合評価モデルを用いて、高炉内の力学的衝撃エネルギーを計算するとともに、炉容積に応じたコークスの必要強度を算出した。以下に高炉の総合評価モデルの構成と高炉内の力学的衝撃エネルギー計算方法を示す。
高炉の総合評価モデルの基本構成は、高炉内で生起する、固体、気体、液体の運動、伝熱、反応を連成して同時解析し、非定常的に炉内状態を予測するモデルである（非特許文献２、非特許文献３）。
（非特許文献２）Kouji TAKATANI, et al, ISIJ International, vol. 39(1999), No. 1,p 15-22
（非特許文献３）Kouji TAKATANI, CAMP-ISIJ, Vol.18(2005), p72
（非特許文献３）Kouji TAKATANI, CAMP-ISIJ, Vol.18(2005), p72
ここで、固体の運動（荷下がり）に関しては剛塑性体モデルを適用し、高炉の操業条件から応力場を推定し、力学的衝撃エネルギーを計算する機能を有する。ここで、力学的衝撃エネルギーは、以下の式（１）を求めることによって計算できる。
ここで、σｙ、ｅｙ、ｕ、ＦVC、および、Ｅcokeはそれぞれ、充填層応力、速度勾配、荷下がり速度、微小区間内でのコークス充填層の体積割合、および、累積の力学的衝撃エネルギーである。
高炉内において、充填層の荷下がり運動の起点は羽口部で生じるコークスの燃焼消滅である。従って、上式で計算される羽口レベルでのコークスの力学的衝撃エネルギー累積値はコークスが炉頂に装入されてから、羽口レベルまでに達するまでに生成するコークスの粉発生量に対応する。
図１に炉容積と炉頂から羽口レベルまでにコークスが受ける力学的衝撃エネルギー累積値の関係を示す。
本結果は、高炉の炉容積が小さいほど、コークスの力学的衝撃エネルギー累積値が小さく、コークスが炉頂に装入されてから羽口レベルに達するまでに発生する粉量が低減することを示している。従って、高炉の炉容積を小さくすることによって、相対的にコークス強度に余裕が生じる為、コークス強度を緩和することが可能となる。この計算に使用した高炉の炉体形状のデータを表１に示す。
本結果は、高炉の炉容積が小さいほど、コークスの力学的衝撃エネルギー累積値が小さく、コークスが炉頂に装入されてから羽口レベルに達するまでに発生する粉量が低減することを示している。従って、高炉の炉容積を小さくすることによって、相対的にコークス強度に余裕が生じる為、コークス強度を緩和することが可能となる。この計算に使用した高炉の炉体形状のデータを表１に示す。
（炉内でコークスが必要とする圧縮強度について）
他方、高炉の各部位での粉発生速度は、（１）式右辺の力学的衝撃エネルギーを粉発生エネルギーで除することにより計算することができる。
他方、高炉の各部位での粉発生速度は、（１）式右辺の力学的衝撃エネルギーを粉発生エネルギーで除することにより計算することができる。
ここで、Ｗ、Ｅ/Ｍは、それぞれ、単位コークス充填層体積当たりの粉発生速度、粉発生エネルギーである。
粉発生エネルギーは非特許文献１によれば、圧縮強度の1.4乗に比例することが実験的に導かれている。
上記結果を用いて、炉容積毎に相対的に同じ粉発生量となるコークスの圧縮強度を計算することができる。
図２に炉容積と必要相対圧縮強度の関係を示す。５３７０ ｍ３の高炉において使用するコークスの圧縮強度を１とした時に、炉内で発生するコークス粉量が等価となる相対的な圧縮強度である。本結果は、小型高炉ほど、コークスの強度を低減できることを示している。
（炉容積と等価コークスドラム強度の関係について）
他方、コークスの圧縮強度とドラム強度の関係は非特許文献１に示されている。
図３にコークスドラム強度と圧縮強度の関係を示す。
これらの関係を用いると、炉容積毎に相対的に同じ粉発生量となるコークスのドラム強度を計算することができる。
図４に炉容積と等価の相対コークスドラム強度の関係を示す。
等価の相対コークスドラム強度を炉容積の関数として、次式に示す。
他方、コークスの圧縮強度とドラム強度の関係は非特許文献１に示されている。
図３にコークスドラム強度と圧縮強度の関係を示す。
これらの関係を用いると、炉容積毎に相対的に同じ粉発生量となるコークスのドラム強度を計算することができる。
図４に炉容積と等価の相対コークスドラム強度の関係を示す。
等価の相対コークスドラム強度を炉容積の関数として、次式に示す。
ここで、ＤＩ、ＤＩ０、は１５０回転後の１５ｍｍ以上の粉割合を表すコークスドラム強度ＤＩ１５０ １５であり、前者は制御するコークスドラム強度、後者は基準となるコークスドラム強度である。また、ＶＢＦは炉容積を表す。基準となる炉容積は５３７０ｍ３とした。
上記知見の妥当性を過去の操業実績データを用いて評価する。炉容積とコークスドラム強度の過去の実績データの関係を調査した。
図５に炉容積とドラム強度の関係（実績値と等価ライン）を示す。ここで、図５中のラインは、基準となる操業実績値(図５中の●)に基づき、(５)式を用いて計算したものである。ここで、基準となる高炉の炉容積は、５３７０ m3とし、基準となるコークスドラム強度は、安定操業が確認されている84.5 とした。コークスドラム強度の操業実績値は本ラインよりも全て上側に位置しており、基準操業よりも少ない炉内粉発生状態で操業している。本操業実績値は、高炉が安定に操業された時のデータであり、本ラインは操業が不安定化する限界を表すものではないが、本発明を用いれば、既に安定操業が確認されているコークス強度データに基づき、異なる炉容積の高炉において、コークス粉発生量が等価となるコークス強度を計算することができる。上記ラインを式で表現すれば、以下のようになる。
図５に炉容積とドラム強度の関係（実績値と等価ライン）を示す。ここで、図５中のラインは、基準となる操業実績値(図５中の●)に基づき、(５)式を用いて計算したものである。ここで、基準となる高炉の炉容積は、５３７０ m3とし、基準となるコークスドラム強度は、安定操業が確認されている84.5 とした。コークスドラム強度の操業実績値は本ラインよりも全て上側に位置しており、基準操業よりも少ない炉内粉発生状態で操業している。本操業実績値は、高炉が安定に操業された時のデータであり、本ラインは操業が不安定化する限界を表すものではないが、本発明を用いれば、既に安定操業が確認されているコークス強度データに基づき、異なる炉容積の高炉において、コークス粉発生量が等価となるコークス強度を計算することができる。上記ラインを式で表現すれば、以下のようになる。
ここで、ＶＢＦは炉容積を表す。
従って、実際の操業では、次式を満たすドラム強度のコークスを使用すればよい。
他方、１７００m3以下の小型高炉に関しては、これまでの操業実績からドラム強度下限値は炉容積に対して次式のような関係がある。
上記操業実績と本発明を勘案すれば、１７００ m3以下の小型高炉の操業においてコークス強度は、次式のように緩和することが可能である。
ここで、
高炉に必要なコークス強度を決定する高炉の操業方法に利用することができる。
Claims (3)
- 高炉内で充填層の荷下がりに伴いコークスが受ける力学的衝撃エネルギーを、下記の式（１）を用い算出し、高炉に必要なコークス強度を決定する高炉の操業方法。
ここで、σｙ、ｅｙ、ｕ、ＦVC、および、Ｅcokeはそれぞれ、充填層応力、速度勾配、荷下がり速度、微小区間内でのコークス充填層の体積割合、および、累積の力学的衝撃エネルギーである。 - 下記の式（２）を用いてコークスのドラム強度を制御することを特徴とする請求項１
に記載の高炉の操業方法。
- 内容積が１７００ｍ３以下の高炉において、下記の式（３）（４）を用いてコークスのドラム強度を制御することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の高炉の操業方法。
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