JP3561982B2

JP3561982B2 - 高炉の操業方法

Info

Publication number: JP3561982B2
Application number: JP26383394A
Authority: JP
Inventors: 幹治武田; 宏板谷
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1994-10-27
Filing date: 1994-10-27
Publication date: 2004-09-08
Anticipated expiration: 2019-09-08
Also published as: JPH08127809A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、微粉炭や重油等の可燃性燃料の多量吹き込みを行う高炉の操業方法に関し、特に羽口先端風速の適正化を図ろうとするものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、高炉用コークスの大部分は室炉により生産されているが、老朽化した室炉コークス炉の代替技術として、高炉への微粉炭等の可燃性燃料を多量に吹き込む操業が注目されている。
【０００３】
ところが、この種の高炉操業においては、高炉に羽口を介して微粉炭の多量吹き込みを行うと、吹き込んだ微粉炭は、まず羽口前レ−スウエイ内でコークスより選択的に燃焼するため、炉内を降下してきたコークスは燃焼するまでにレースウエイ内でより長時間旋回運動を続けて粉化し、その結果、粒径が減少したり微粉が発生し、高炉の通気性を悪化させる。さらに、吹き込んだ微粉炭も完全燃焼するわけではなく、未燃焼チャ−が炉芯部に堆積し炉芯通気性を阻害する。
すなわち、微粉炭を高炉に多量吹き込みするには、高炉通気性の確保が重要となるのである。
【０００４】
そこで、炉内を降下してきたコークスのレ−スウエイ内での粉化防止に対しては、炉頂に装入するコークスの強度を上昇させる対策がとられている。しかし、高強度のコークスは、その製造コストが高いため、溶銑コストも大幅に高くなるという問題点があった。
従って、高強度のコ−クスを用いなくてもレースウエイ内でのコークスの粉化を抑える操業技術の開発が急務となっている。
【０００５】
このコークスの粉化抑制には、高炉から吹き込まれる送風のエネルギーを減少させること、すなわち羽口先端風速を低位の適正範囲に管理するのが有効であることが知られており、「鉄鋼便覧製銑、製鋼編」の第２８３頁右欄第３〜４行には、羽口先風速を２００〜２５０ｍ／ｓに管理することが開示されている。
なぜなら、羽口先端風速が過大になると、レースウエイ部でのコークスの粉化が顕著になり、一方過小になると高炉炉芯部へのガスの流通が妨げられるからである。
【０００６】
しかしながら、上記の従来知見を微粉炭の多量吹き込みに応用するのには、以下に示す問題点があった。
従来、羽口先端風速は、水平管部で測定される送風温度、圧力および羽口総断面積を用いて次式（１）で計算されるのが一般的である。
【数１】

【０００７】
そして、微粉炭あるいは重油などの可燃性燃料を羽口前に吹き込んだ操業においても、同様に上記式（１）によって羽口先端風速を算出し、この算出値に基づいて羽口先端風速を制御していた。
【０００８】
しかし、このような方法で羽口先端風速を算出推定する場合、上記式（１）が微粉炭や重油等の可燃性燃料の羽口先での燃焼を考慮していないため、羽口前レ−スウエイ内に吹き込んだ大量の微粉炭の燃焼反応に伴う大きな体積増加が生じ、実際の羽口風速が上記式（１）で算出される羽口先端風速よりも大きくなることがあった。
【０００９】
すなわち、羽口先端風速を２００〜２５０ｍ／ｓに管理するに当たって上記した羽口先端風速の算出式（１）を用いて羽口先端風速を制御すると、算出値が適正範囲にあっても、実際の羽口先端風速が２５０ｍ／ｓ以上の過大な値になっていることがあり、コークス粉化の増大、あるいはそれを防ぐための過剰なコークス強度の増大を招き、結果として微粉炭吹き込み操業のコスト増につながった。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、微粉炭や重油等の可燃性燃料の多量吹き込みに伴う、羽口前レ−スウエイ内で生じる燃焼に伴う大きな体積増加に影響されずに、羽口先端風速を適正な範囲内に制御することによって、高強度のコ−クスを用いなくとも通気性を維持し、高炉の安定した操業を実現する、高炉の操業方法について提案することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明は、高炉内に、羽口を介して可燃性燃料の多量吹き込みを行う際に羽口先端風速を所定の管理範囲に納めるに当たり、各羽口への送風圧力と各羽口先端の圧力との差を測定し、該測定値が、高炉毎に決定される上記圧力差と羽口先端風速との関係に基いて求められる羽口先端風速の管理範囲と対応する圧力差範囲に納まる制御を行うことを特徴とする高炉の操業方法である。
ここで、圧力差の制御を羽口径の調整にて行うことおよび羽口先端部に圧力測定孔を設け、羽口と一体となった圧力測定管を用いて圧力を測定すること、が有利である。
【００１２】
さて、図１に高炉の羽口まわりの構造を示し、同図を参照して、この発明の操業方法について詳述する。
熱風炉で所定の温度に加熱された熱風は、水平管１を経由して高炉炉体外周部に設けられた環状管２に流入し、さらに環状管２から分岐する各送風支管３およびブローパイプ４を経由して、高炉の炉壁５に設けた各羽口６に供給される。そして、羽口６を介して炉内に吹き込まれた熱風は、羽口６前にレースウエイ７と呼ばれるコークスの燃焼および旋回領域を形成する。
【００１３】
このレースウエイ７では、激しい燃焼反応とコークスの旋回運動によりコークスの粉化が起こり、コークスの強度が不十分であったり、あるいは旋回運動を生じさせる羽口内でのガス流速、すなわち羽口先端風速が過大な場合には、コ−クスの粉化による粒径縮小や微粉の発生により、高炉の通気性が阻害され高炉の安定操業が損なわれることになる。
【００１４】
また、重油や微粉炭等の可燃性燃料は、ブローパイプ４の外側から羽口６内に挿入された吹き込みランス８から羽口６内に吹き込まれ、ここで着火、そして燃焼する。この可燃性燃料の燃焼に伴って大きな体積の増加が発生するため、羽口先端風速は当初の設定範囲をこえて加速され、コ−クスの粉化を誘発する程度まで羽口先端風速が上昇してしまうのである。
【００１５】
この発明では、可燃性燃料の吹き込みによって上昇傾向にある羽口先端風速を所定の範囲に収めるために、各羽口６への送風圧力および各羽口６先端の圧力の差（以下、圧力差という）と羽口先端風速との関係に着目し、この圧力差を羽口先端風速が所定範囲に収まるように制御することとした。具体的には、圧力差を測定し、この圧力差が所定の羽口先端風速の実現に適した範囲にあるように、適宜制御するのである。
【００１６】
すなわち、各羽口６への送風圧力Ｐ_１は、水平管１の管座にて測定し、一方各羽口６先端の圧力Ｐ_２は羽口６の先端の内壁部にて測定する。例えば、熱風の流通路の典型的な寸法は、水平管径：２．０ｍ，環状管径：３．０ｍ，送風支管径：０．３５ｍ，ブローパイプ径：０．１６ｍ、羽口径：０．１１ｍであり、長さ約０．５ｍの羽口部での流速が最も大きくなる。
【００１７】
そして、上記の測定によって得られた圧力差が、高炉毎に設定される、圧力差と羽口先端風速との関係に従って、羽口先端風速が所定範囲となる圧力差からずれているときは、例えば羽口径の調節によって圧力差を調整し、羽口先端風速を所定範囲に制御するのである。
【００１８】
【作用】
上記したように、この発明は、圧力差と羽口先端風速との関係に着目したところに特徴があり、次に両者の関係を知見するに到った実験結果について詳述する。
図１に示した羽口を用いて、熱風の送風圧力Ｐ_１および羽口先端の圧力Ｐ_２と羽口先端風速とに関して、可燃性燃料の吹き込みを行わずに、送風温度、羽口断面積および送風量を種々に変化させて、調査した。この調査結果を、羽口先端風速の二乗と圧力Ｐ_１および圧力Ｐ_２の差の二乗との関係として、図２に示した。
同図から、圧力差と羽口先端風速とは、操業条件が種々に変化しても良い相関を示すことがわかり、すなわち圧力差と羽口先端風速とは、同一の高炉であれば、比例関係にあることが明らかになった。
【００１９】
ここで、送風圧力Ｐ_１と羽口先端圧力Ｐ_２間の圧力損失は、熱風と管壁間の摩擦抵抗、通路の拡大、縮小および曲りによる圧力損失、そして管の断面積の変化による静圧の変化から構成される。羽口での断面積の変化は、静圧の変化のみを生じさせることになり、図２に示すように、圧力差が流速の２乗と比例することは、圧力損失の支配要因が静圧の変化であることを示している。
従って、水平管から羽口先端までの圧力損失の大部分は、流速の上昇による動圧の上昇に起因しており、管壁との摩擦抵抗による圧力低下の影響は小さいことがわかる。動圧と静圧の変換は、送風支管３への入側の運動量と、羽口出側の運動量の保存則により導かれ、内部での反応による体積の変化、温度変化による体積の膨脹には影響されない。従って、流路内で可燃性燃料の燃焼があった場合でも、運動量の保存則が成立し、圧力損失の変化から流速の変化を算出することができる。
以上の理由により、羽口先端部の実流速と全体の圧力損失の関係を、図２に示したところに従って求めることができる。具体的には、流路内での静圧の変化である、圧力差（Ｐ_１−Ｐ_２）を測定すれば、動圧の変化、つまり流速の変化を算出でき、図２に示した結果を整理した図３を用いて、可燃性燃料の燃焼とそれに伴う温度の上昇とを考慮した、平均の羽口先端風速を求めることができる。ここで、Ｐ_１−Ｐ_２のかわりにＰ_１ ^２−Ｐ_２ ^２を用いるのは（Ｐ_１＋Ｐ_２）（Ｐ_１−Ｐ_２）と変形することで判るように、平均圧力１／２（Ｐ_１＋Ｐ_２）の効果を平均的に評価するためである。
【００２０】
ちなみに、可燃性燃料として微粉炭を用いて、上述した式（１）に従う、従来の算出方法によって羽口先端風速を求めると、微粉炭を１５０ｋｇ／ｔで吹き込んだ場合で、微粉炭の燃焼に伴う温度上昇による羽口速度の上昇は約４０ｍ／ｓに及ぶことがある。それゆえ、微粉炭の燃焼を考慮しない従来法による羽口先端風速が２２０ｍ／ｓの場合には実際の羽口先端風速は２６０ｍ／ｓにまで上昇し、この操業での管理上限値２５０ｍ／ｓをこえてしまい、コークス粉化防止のためにコークス強度を上昇することが不可欠となる。これに対して、図３に従って求めた羽口先端風速は、実際の羽口先端風速との誤差のない、あるいは極めて少ないものとなる。
【００２１】
なお、微粉炭の燃焼挙動は、微粉炭の吹き込み方法、炭種、送風条件などにより大きく変化し、事前に羽口前までの燃焼率を推定して背圧を推定しておくことは著しく困難であり、この発明に従う、実測の圧力測定に基づく方法に比較して信頼性に欠けるのは否めない。
【００２２】
ここで、この発明における羽口先端の圧力測定には、図４に示すように、羽口先端部に圧力測定装置を設けた高炉羽口を用いることが有利である。
すなわち、羽口先端圧力の測定は、羽口先端風速が２００ｍ／ｓ以上と著しく速いため、格別の注意を払うことが必要である。まず第一に、圧力測定用の開口部の向きを流れに対して垂直になるように設置し、動圧の影響を受けないようにする。次に第二には、高温の熱風およびレースウエイからの強い輻射熱に対する耐久性を確保することである。図４に示した圧力測定装置を用いることにより、このような苛酷な条件に耐え長期間の測定が可能になる。
【００２３】
さらに、図４に示した圧力測定装置について、詳しく説明する。
通常、羽口４は銅製鋳物で構成され、内部に複数本の管を通して冷却水の給、排水を行う。この圧力測定装置は、羽口内に通した複数本の管のうち、冷却水流路９内に圧力測定管１０を機械加工により挿入し、その先端の開口部１０ａは羽口先端内の流れに対して直角の向きに開口し、羽口先端での乱流による静圧の測定誤差を最小限に抑える。また、羽口内面には通常羽口径調整用のスリーブ１１あるいはキャスタブルが設けられているため、その先端部の押さえ金物１２から圧力測定管１０の開口部１０ａを臨ませることがより望ましい。
【００２４】
【実施例】
中型の高炉（内容積：３０００ｍ^３）を用いて、その羽口先端風速を２００〜２５０ｍ／ｓに管理する操業を、表１に示す種々の条件において行った。
すなわち、微粉炭の吹き込みを行わない基準期間は、羽口先端風速の推定を上述の式（１）にて精度良く行うことができ、羽口先端風速は２４０ｍ／ｓの管理範囲内に維持され、コークス強度を低位に保ち、かつ通気性および溶銑温度の変動は最小限に抑えられた。
【００２５】
次に、比較例として、上記基準期間から微粉炭の吹き込みを１８０ｋｇ／ｔで開始し、従来と同じ羽口先端風速の管理を行ったところ、微粉炭の吹き込みとともに送風圧力を上昇したが、従来の関係式（１）で求めた羽口先端風速は逆に２１８ｍ／ｓに低下した。しかしながら、操業が不安定となったため、コークス強度を８５．０％まで上昇するとともに、燃料比も約２０ｋｇ／ｔまでの上昇を余儀なくされた。
【００２６】
一方、実施例１として、上記基準期間から微粉炭の吹き込みを１８０ｋｇ／ｔで開始し、同時に熱風の送風圧力Ｐ_１および羽口先端の圧力Ｐ_２をそれぞれ測定し、両者の差を算出して図３に示した関係から羽口先端風速を求めたところ、２６５ｍ／ｓと管理範囲を外れていた。そこで、羽口先端風速の上昇を抑さえるため、羽口径を拡大して羽口総断面積を０．２８５ｍ^２から０．３４２ｍ^２に増加することによって、微粉炭の燃焼を考慮した羽口先端風速を基準期間とほぼ同一に管理することができた。また、炉内の通気抵抗は多少高いものの、コークス強度の上昇幅を約半分に抑制でき、また溶銑温度の変動も許容範囲内であった。
なお、羽口先端圧力Ｐ_２の測定は、図４に従う構造で表２に示す仕様の圧力測定装置にて行った。
【００２７】
さらに、実施例２として、微粉炭吹き込み量を１８０ｋｇ／ｔから２００ｋｇ／ｔに増加したところ、微粉炭の吹き込み量の増加および送風量の増加により送風圧力Ｐ_１はやや増加したものの、上記実施例１と同様の操作により、実際の羽口風速を２４４ｍ／ｓに管理できたため、コークス強度ＤＩ（１５０／１５）は、基準期間とほぼ同一の８４．１％に維持できた。また、溶銑温度の変動は１４．４℃と安定した操業を継続できた。
これらの操業結果について、表１にまとめて併記する。
【００２８】
【表１】

【００２９】
【表２】

【００３０】
【発明の効果】
この発明によれば、微粉炭などの可燃性燃料の多量吹き込みを実施しても、微粉炭多量吹き込み時の炉頂装入コークス強度の上昇を最少限に抑えることができ、高炉操業の安定化を実現し得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】羽口部の構造を示す模式図である。
【図２】送風圧力および羽口先端圧力と羽口先端風速との関係を示す図である。
【図３】羽口先端圧力から羽口先端風速を求める方法を説明する図でしる。
【図４】羽口先端圧力の測定装置を示す模式図である。
【符号の説明】
１水平管
２環状管
３送風枝管
４ブローパイプ
５炉壁
６羽口
７レースウエイ
８吹き込みランス
９冷却配管
１０圧力測定配管
１１羽口スリーブ
１２押さえ金物

Claims

高炉内に、羽口を介して可燃性燃料の多量吹き込みを行う際に羽口先端風速を所定の管理範囲に納めるに当たり、各羽口への送風圧力と各羽口先端の圧力との差を測定し、該測定値が、高炉毎に決定される上記圧力差と羽口先端風速との関係に基いて求められる羽口先端風速の管理範囲と対応する圧力差範囲に納まる制御を行うことを特徴とする高炉の操業方法。
圧力差の制御を羽口径の調整にて行う、請求項１に記載の高炉の操業方法。
羽口先端部に圧力測定孔を設け、羽口と一体となった圧力測定管を用いて圧力を測定する請求項１に記載の高炉の操業方法。