JP2015190001A

JP2015190001A - 高炉の操業方法

Info

Publication number: JP2015190001A
Application number: JP2014067644A
Authority: JP
Inventors: 将達片桐; Nobutatsu Katagiri; 中野　薫; Kaoru Nakano; 薫中野
Original assignee: Nippon Steel and Sumitomo Metal Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2014-03-28
Filing date: 2014-03-28
Publication date: 2015-11-02
Anticipated expiration: 2034-03-28
Also published as: JP6299333B2

Abstract

【課題】高炉の銅ステーブの損耗を軽減させる高炉の操業方法を提供すること
【解決手段】弾塑性理論に基づいて炉内から壁面への垂直応力を求め、高炉内で前記垂直応力が最も大きい箇所を特定する工程と、高炉内の原料の物流、反応、伝熱を用いる数学的モデルと高炉の上部ゾンデで測定した炉頂ガス温度分布とガス組成から、高炉内の融着帯の形状を計算する工程と、前記融着帯の根下部の位置を、前記垂直応力が最も大きい箇所よりも上の位置にする工程を実施することを特徴とする高炉操業方法。
【選択図】図５

Description

本発明は、高炉の操業方法に関する。特に、高炉の鉄皮保護のために設置されている冷却設備の保護のために実施する高炉の操業方法に関する。

高炉においては、高温の炉内に対応し、内張り耐火物、並びに炉体を支持する鉄皮は、常時冷却する必要がある。この炉体冷却装置の一方式として、ステーブが利用されている。ステーブは金属母材中の冷却配管、もしくは切削加工された冷却経路を冷却水が循環することで耐火物や鉄皮を冷却する冷却金物である。

従来、母材に鋳鉄を用いた鋳鉄製ステーブが用いられていたが、鋳鉄は熱伝導率が低く、冷却能力に限界があった。そのため、炉体熱負荷が増大する際に、鋳鉄製ステーブでは炉内表層が高温となり、材質劣化や損耗が進行する。あるいは、熱応力が発生して破損することでステーブ本体の取替頻度の増加や、引いては高炉炉命の短縮化という問題があった。

これに対して、最近ではステーブ自身の冷却能を高めるために母材に銅、或いは銅合金を採用した銅製ステーブが採用されている。銅または銅合金製ステーブの場合、従来の鋳鉄ステーブよりも低温で均一な温度分布となり、発生する熱応力が抑制でき、変形量も減少するため、ステーブ本体の寿命が延長でき、さらには、高炉の炉命を延ばすことができる。尚、本発明においては、「銅ステーブ」とは、銅または銅合金を母材とする、いわゆる「銅または銅合金製ステーブ」を意味するものとする。

しかし、銅または銅合金は高熱伝導であるが、硬度が低いため、高炉炉内を下降する焼結鉱又はコークスにより、銅ステーブが摩耗により損耗することが懸念されてきた。

特許文献１に、銅または銅合金製ステーブ、高炉および高炉の運転の技術が開示されている。ステーブは突起部の間の付着物生成によってセルフライニングが行われ、物理的損傷は保護される。付着物の厚みはステーブ本体に設置された熱電対設置部位によって推定し、炉内の健全化を判断する。その判断結果によって、炉内の燃焼温度やステーブ本体の温度を変更する操業を行うことで、ステーブの付着物の制御が出来るとしている。

特許文献２に、銅製ステーブの炉内面にビッカース硬度が200以上で厚さが3mm以上のNi-CrやNb-Cからなる硬化肉盛層を形成させる発明が開示されている。

特許文献３では、ステーブの前面に耐熱、耐摩耗性に優れた高Cr（18〜20）系、高Ni（10〜13）系の金属ブロックを装着し、ステーブの耐摩耗性を改善する発明が開示されている。

特許文献４に、銅製ステーブの炉内面に煉瓦をはめ込み、さらに、ステーブ本体の基準面から炉内側に突出する突起物により炉内を降下する装入物が減速され、基準面に沿って停滞層が形成され、ステーブ母材である銅の摩耗を抑制する発明が開示されている。

特許文献５に、ステーブに超音波探触子を設置し、ステーブの残存厚を測定し、ステーブの損耗を管理する発明の記載がある。

特許第４８９７１１５号公報特開２００１−１９２７１５号公報特開２０１２−２２４９１４号公報国際特許第２０１１／１０５３４６号公報特開２０１２−２０７２７０号公報

特許文献１に記載の発明は、ステーブは突起部の間の付着物生成によりセルフライニングされ、ステーブの損傷を保護するが、付着物生成は安定的なものではない。また、付着物の厚みはステーブ本体に設置された熱電対設置部位の温度管理によるが、付着物の物性に大きく左右され、精度良く制御することはできないという問題がある。
特許文献２に記載の発明は、焼結鉱の室温ビッカース硬度の測定値は略ＨＶ７００、コークスは、ほぼＨＶ２５０であるため、ＮＩ−ＣｒやＮｂ−Ｃから成る硬化肉盛よりも高い。また、例えば９００℃でのビッカース硬度でさえも、焼結鉱はＨＶ２６４と高い値を維持する。従って、特許文献２に記載の肉盛層では焼結鉱による摩耗が進行する恐れがある。
特許文献３に記載の発明は、この材料の高温硬度を測定したところ、炉内充填物である焼結鉱よりも低下することを見出した。そのため、高温では炉内で摩耗してしまう恐れがある。
特許文献４に記載の発明は、炉内側に突出する突起物により基準面に沿って停滞層を形成させ、ステーブ母材である銅の摩耗を抑制する発明であるが、安定した停滞層の形成は困難であり、停滞層の形状が変動し、高炉操業に影響するという問題がある。
特許文献５に記載の発明は、超音波探触子により、ステーブの残存厚を測定することができる。しかし、多くのステーブに設置するには、設備費がかさむという問題がある。

高炉炉内は、高温と高圧の雰囲気下で、高炉装入物が銅ステーブに押し付けられながら炉内を降下することにより銅ステーブが損耗される。かかる過酷な条件下では、銅ステーブの構造、材質のみの対応策では、１キャンペーン（１５年以上）の長期の高炉操業に耐えることは困難である。

本発明者は、高炉操業方法による銅ステーブの保護法を鋭意検討した。
本発明の目的は、高炉の銅ステーブの損耗を軽減させる高炉の操業方法の提供である。

本発明者は、炉内圧力により銅ステーブに押し付けられながら炉内を降下する焼結鉱により銅ステーブの損耗が進行すること、および、高炉内の融着帯の位置を管理することにより、銅ステーブの損耗が軽減されるという知見を得た。本発明は、これらの知見に基づくものである。

本発明の要旨とするところは、以下のとおりである。
（１）弾塑性理論に基づいて炉内から壁面への垂直応力を求め、高炉内で前記垂直応力が最も大きい箇所を特定する工程と、
高炉内の原料の物流、反応、伝熱を用いる数学的モデルと高炉の上部ゾンデで測定した炉頂ガス温度分布とガス組成から、高炉内の融着帯の形状を計算する工程と、
前記融着帯の根下部の位置を、前記垂直応力が最も大きい箇所よりも上の位置にする工程を実施することを特徴とする高炉操業方法。
（２）（１）に記載の高炉操業方法において、炉壁近傍の位置に装入するＯ/Ｃを減少することにより、前記融着帯の根下部の位置を、前記垂直応力が最も大きい箇所よりも上の位置にする工程を実施することを特徴とする（１）に記載の高炉操業方法。
（３）（１）に記載の高炉操業方法において、還元材比を増加することにより、前記融着帯の根下部の位置を、前記垂直応力が最も大きい箇所よりも上の位置にする工程を実施することを特徴とする（１）に記載の高炉操業方法。

高炉の銅ステーブの損耗を軽減させる高炉の操業方法を提供することができる。

銅ステーブと炉内装入物を説明する図。銅ステーブの摩耗試験の概略図。銅ステーブにかかる壁面垂直応力と、銅ステーブの摩耗実績を示す図。焼結鉱とコークスによる銅ステーブの摩耗試験結果を示す図。銅ステーブの摩耗を軽減するための高炉内の融着帯の位置を管理するフロー図。内容積５０００ｍ^３高炉のステーブ破損実績と破損予想を示す図。

高炉において、冷却能力が優れた銅ステーブが設置されるのは、熱負荷が高い朝顔部、炉腹部及びシャフト部である。かかる部分は、炉内圧力が高く、銅ステーブにかかる壁面垂直応力も大きい。垂直応力により、焼結鉱、コークスは、銅ステーブに押し付けられる。ビッカース硬度は銅がＨＶ６５であるのに対し、焼結鉱は略ＨＶ７００、コークスは、略ＨＶ２５０である。その結果、銅ステーブは、硬度が高い焼結鉱により傷つけられ、損耗する。

（高炉に設置されている銅ステーブについて）
図１により、高炉の銅ステーブと炉内装入物を説明する。高炉には、鉱石とコークスが交互に層状に装入される。炉内では、鉱石層は、炉熱により軟化・融着し、融着帯を形成する。融着帯の下部では、鉱石層は消滅し、コークス層のみになる。これに対し、融着帯の上部では、鉱石とコークスが交互に層状に形成されているため、銅ステーブは、硬度が高い焼結鉱により損傷を受けると考えられる。

（銅ステーブの摩耗試験について）
摩耗材による銅ステーブの摩耗試験を実施した。
図２に銅ステーブの摩耗試験の概略を示す。試験片（銅片）に摩耗材（焼結鉱等）を所定の荷重で押し付けコンベア上の試験片を往復することにより、鉱石等の炉内の降下を模擬し、試験片の摩耗を測定した。
１０５ｍｍΦの円筒容器に焼結鉱又はコークスを入れ荷重をかけ、片道１回毎に粒子を新しい物に入れ替えた。

次に、銅ステーブの摩耗試験に用いる荷重について説明する。高炉内充填層の応力場を連続体として、充填層を弾塑性体とみなして、解析をおこなった。応力計算は弾塑性理論に基づく、運動方程式、構成方程式、Drucker-Pragerの降伏条件を基に境界条件を代入して、有限要素法により計算を行った（鉄と鋼、vol.83(1997)No.2）。

図３に銅ステーブにかかる壁面垂直応力の計算値を示す。図３（Ａ）は、高炉の縦断面であり、図３（Ｂ）は、高炉縦断面に対応した壁面垂直応力を示す。炉下部の応力が大きく、２３０ｋＰａを超える。この結果より、荷重は、３００ｋＰａで、銅ステーブの摩耗試験を実施した。
ここで、図３（Ｂ）は、内容積５０００ｍ^３級高炉に置いて、表１に示す操業条件で計算したものである。また、計算の前提となる物性値は、コークス質量密度５００ｋｇ/ｍ^３、鉱石質量密度１７００ｋｇ/ｍ^３を用いて、前記（鉄と鋼、vol.83(1997)No.2）の図１２（質量分布）を計算し、ヤング率５．０、ポアソン比０．３、壁面との摩擦角２０度、内部摩擦角３２度で設定し、計算を行った。

図４に焼結鉱とコークスによる銅ステーブの摩耗試験結果を示す。１０ｍｍ〜１５ｍｍの焼結鉱及びコークスを用いた。荷重は、３００ｋＰａで、試験回数１００回の結果である。コークスよりビッカース硬度が高い焼結鉱による銅ステーブの摩耗が大きいことが分かった。

（銅ステーブの摩耗の実績について）
図３（Ｃ）に、内容積５０００ｍ^３高炉の火入れ５．７年目における銅ステーブの損耗を示す。図３（Ｂ）に示す銅ステーブにかかる壁面垂直応力に対応して、銅ステーブの損耗が進行したことを示している。ここで、図３（Ｃ）に示す銅ステーブの損耗量は、実際に休風時にステーブを取り外し、設置前の形状から実測したものである。

（高炉内の融着帯と銅ステーブの摩耗について）
高炉炉頂から交互に、層状に装入された鉱石層とコークス層は、高炉内で加熱・還元され、炉下部で、融着帯を形成する。融着帯の上面は、鉱石の軟化が開始する面であり、融着帯の下面は、融着帯の銑鉄とスラグが解け落ち完了した面である。従って、融着帯の上面より上部は、鉱石層が残っており、鉱石層中の焼結鉱が垂直応力により銅ステーブに押し付けられ銅ステーブを損耗する。これに対し、融着帯の下面より下部は、鉱石層は存在せず、コークス層のみであるので、銅ステーブの損耗は少ない。
炉壁に接する融着帯部及び炉壁近傍の融着帯部を融着帯根という。本発明者は、図３（Ｂ）に示す壁面垂直応力が最も大きな箇所の位置よりも融着帯根の下面の位置を高くすることができれば、壁面垂直応力が大きなステーブ前面はコークスのみであることから、銅ステーブの損耗は少ないと考えた。

図５に、本願発明において、銅ステーブの摩耗を軽減するための高炉内の融着帯の位置を管理するフローを示す。

（ステップ１；ステーブへの垂直応力の推定）
まず応力分布を計算する準備として、高炉の形状、操業諸元データを使用し、高炉内部の充填構成、炉内のガス圧力損失分布を炉頂の装入物分布を考慮した高炉３次元数学モデル（鉄と鋼、vol.81(1995) p.1031）で推測した。炉内の充填構成、ガス圧力損失分布を基に、高炉内充填層の応力場を連続体として、充填層を弾塑性体とみなして、応力分布の解析を行う。応力計算は弾塑性理論に基づく、運動方程式、構成方程式、Drucker-Pragerの降伏条件を基に境界条件を代入して、有限要素法により、炉内からの壁面への垂直応力推定を行う（非特許文献鉄と鋼、vol.83(1997)No.2参照）。これにより、炉内の応力の高い箇所を特定することが可能となる。

（ステップ２；融着帯根部の位置の特定）
次に、高炉内部の１２００−１４００℃の領域である融着帯部の位置を特定する。高炉を１次元と考え、炉の半径方向を無視し、高さ方向のみを考慮し、高炉内の原料の物流、反応、伝熱を高炉１次元定常数学モデル（ISIJ p1601-1608 1991）で融着帯部の位置を推定した。この融着帯部の位置は炉の半径方向の考慮されていない平均位置であるため、高炉の上部ゾンデから検出可能な炉頂ガス温度分布と鉱石還元率分布（ガス成分）を用いた融着帯形状推定モデル（ISIJ S52 1979）で解析することで、半径方向の融着帯の位置を推定する。これにより、高炉内の融着帯根部の下部位置の特定が可能となる。

（ステップ３；ステーブへの垂直応力と融着帯根部位置の比較）
ステップ１から得られるステーブへの垂直応力分布によって、最も応力の高い位置が最も損傷しやすい位置であると特定する（以下、「特定位置」と記す。）。ステップ２の融着帯根部位置が、特定位置より上部にある場合はステーブ前面にはコークスのみが存在するため、ステーブの摩耗は少ないと推定できる。融着帯根部位置が、特定位置より下部にある場合はステーブ前面には鉱石層が存在するためステーブの摩耗は大きいと推定できる。

（ステップ４；融着帯根部位置が低い場合の対応策）
（１）融着帯根部の位置が低く、特定位置より下部にある場合は還元材比の上げる操業を実施する。これにより、高炉内部の熱量が増加し、高炉内の温度分布が全体的に上昇し、融着帯位置を平均的に上昇させる効果が得られ、融着帯根部の位置が上昇する。融着帯根部位置が、特定位置より上昇すれば、ステーブの摩耗を軽減することができる。
（２）融着帯根部の位置が低く、特定位置より下部にある場合は、炉壁の鉱石層とコークス層の比（以下、Ｏ／Ｃと記す。）を下げる操業を実施する。これにより、壁側のコークス割合が増加し、壁側の熱レベルをあげることにより、融着帯根部の位置を上昇させる効果が得られる。融着帯根部位置が、特定位置より上昇すれば、ステーブの摩耗を軽減することができる。

（１）ステーブの破損が見られた５０００ｍ^３級の高炉において、通常時の操業条件は還元剤比４９０ｋｇ／ｔｐで操業を行っていた。その時の融着帯根下部の位置は羽口中心からの平均距離は３．８ｍであった。最も応力がかかっている高さは羽口から４ｍであり、損耗が進行していた。
破損発覚より、この発明に基づく診断の基、還元材比を２０ｋｇ／ｔｐ上げ、融着帯を上げる操業を行った結果、壁側融着帯根下部は４．５ｍとなり、その結果、図３に示すように損耗量の大幅な減少となった。

（２）ステーブの破損が見られた５０００ｍ^３級の高炉において、通常時の操業条件は壁側のＯ／Ｃが４．２３で操業を行っていた。その時の融着帯根下部の位置は羽口中心からの平均距離は３．５ｍであった。最も応力がかかっている高さは羽口から４ｍであり、損耗が進行していた。
破損発覚より、この発明に基づく診断の基、壁側のＯ／Ｃを３．９２に下げ、融着帯を上げる操業を行った結果、壁側融着帯根下部は４．５ｍとなり、その結果、図３に示すように損耗量の大幅な減少となった。

（３）図６に内容積５０００ｍ^３級高炉のステーブ破損実績と破損予想を示す。最初に炉腹のＢ２ステーブが破損した日の８０日後に本発明のステーブの損耗を軽減させる高炉の操業を実施した結果、対策前破損予想曲線Ａから、対策後破損予想曲線Ｂに、破損が軽減されることが分かった。ここで、対策前後の破損予想曲線Ａ及びＢは、設備や物体の破損を統計的に評価するワイブル分布（入門信頼性工学、森北出版株式会社）を用い評価したものである。

高炉の銅ステーブの損耗を軽減させる高炉の操業に利用することができる。

Claims

弾塑性理論に基づいて炉内から壁面への垂直応力を求め、高炉内で前記垂直応力が最も大きい箇所を特定する工程と、
高炉内の原料の物流、反応、伝熱を用いる数学的モデルと高炉の上部ゾンデで測定した炉頂ガス温度分布とガス組成から、高炉内の融着帯の形状を計算する工程と、
前記融着帯の根下部の位置を、前記垂直応力が最も大きい箇所よりも上の位置にする工程を実施することを特徴とする高炉操業方法。
請求項１に記載の高炉操業方法において、炉壁近傍の位置に装入するＯ/Ｃを減少することにより、前記融着帯の根下部の位置を、前記垂直応力が最も大きい箇所よりも上の位置にする工程を実施することを特徴とする高炉操業方法。
請求項１に記載の高炉操業方法において、還元材比を増加することにより、前記融着帯の根下部の位置を、前記垂直応力が最も大きい箇所よりも上の位置にする工程を実施することを特徴とする高炉操業方法。