JP4438646B2

JP4438646B2 - ガスサンプリング装置及び融着帯位置判定方法並びに高炉操業方法

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Publication number: JP4438646B2
Application number: JP2005067301A
Authority: JP
Inventors: 達男小林; 道彦山下; 比呂志山崎; 靖史加藤
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Priority date: 2005-03-10
Filing date: 2005-03-10
Publication date: 2010-03-24
Anticipated expiration: 2025-03-10
Also published as: JP2006249501A

Description

本発明は、高炉の炉熱安定化に関する技術であり、特に高炉炉壁近傍の融着帯の位置を連続的に検知することを可能とするガスサンプリング装置、及び、この装置により採取したガス中のＣＯ₂濃度により融着帯位置を判定する方法、並びに、この判定した融着帯位置に基づき操業条件を決定する高炉操業方法に関するものである。

高炉炉頂部から装入された鉄鉱石は、還元昇温され、高炉の下部に到達すると溶融軟化し、以降、完全に融け落ちて液体となる。この溶融軟化した鉄鉱石同士が融着する場所を融着帯と称しており、この融着帯は概ね高炉の原料装入レベルから１５〜２０ｍ程度下部に存在する、厚さ数十ｃｍの層である。

この融着帯の位置は、高炉の炉熱レベルによって変化している。高炉の炉熱レベルの代表的指標は溶銑温度であるが、溶銑温度が一定でも、高炉の操業条件の設定値である熱流比（高炉の上部から供給される装入物と下部から供給されるガスの熱容量流量比）によって融着帯の位置は変化している。

この融着帯では、鉄鉱石が融着しているので、通気抵抗が非常に高く、高炉全体の圧力損失に大きな影響を及ぼしている。また、融着帯では、半径方向のガス分配も行なわれるので、ガス流量の分配を介して高炉の還元効率にも大きな影響を及ぼしている。

特に高炉の炉壁近傍の融着帯は、高炉全体の通気性、還元効率に及ぼす影響が大きく、炉壁近傍のコークスと鉱石の存在比率の調整や原料粒径の調整を行なうことで高炉の生産量が大きく変化することが知られている。

このように融着帯の位置及び形状は、高炉の操業に大きな影響を及ぼしているので、様々な計測装置により融着帯の位置及び形状を監視して操業アクションを実施し、高炉の炉熱レベルや還元効率、通気性の調整を行なっている。

言うまでもなく高炉の炉熱レベルには最適な範囲が存在しており、高炉の操業条件（炉頂からの装入と羽口からの送風や微粉炭吹込等）と、高炉から排出される炉頂ガス成分温度から計算される断面平均の融着帯位置計算結果を監視することで、送風条件による炉熱アクション（調湿量、微粉炭量、送風量、酸素量等）や装入条件（コークス比等）による炉熱アクションを実施している。

従来、融着帯位置及び形状を計測する計測装置としては、炉頂ガス温度計及びガス分析計、各種ゾンデ、垂直ゾンデ、静圧計等があった。

また、特許文献１では、高炉炉頂部のガス温度と成分から融着帯位置を判定する方法が開示されている。
特開昭５６−５１５０７号公報

また、非特許文献１では、炉頂ゾンデにより半径方向のガス温度と成分から数学モデルを用いて融着帯の形状を推定する方法が開示されている。
重見彰利ほか３名、「炉頂ゾンデを用いた高炉内状況推定モデルの開発」、鉄と鋼、Vol.64（1978）S47

また、非特許文献２では、炉腹部よりゾンデを斜め向かいに挿入し、温度測定ガスサンプリングを行なう方法が開示されている。
和栗眞次郎ほか４名、「炉腹ゾンデによる炉内状況調査」、鉄と鋼、Vol.73（1987）S11

また、特許文献２、非特許文献３や非特許文献４では、高炉炉頂部から錘と共に温度計とガスサンプリングプローブを繰り出して高炉の高さ方向での温度とガス成分の分布を測定し、融着帯を測定する方法が開示されている。
特開昭５７−１５２４０５号公報梶川脩二ほか３名、「送り込み式垂直プローブによる高炉内状態の推定について」、鉄と鋼、Vol.66（1980）S38 片山英司ほか５名、「懸垂式多点式温度計による高炉内温度分布の測定方法」、鉄と鋼、Vol.66（1980）S682

また、特許文献３では、高炉内のシャフト部中間のケミカルリザーブゾーンにおいてＣＯ及びＣＯ2ガスの測定を行い、その測定値よりケミカルリザーブゾーンにおけるガス利用率を求め、これにより融着帯の位置及び形状を推定する方法が開示されている。
特開昭６１−１１７２０８号公報

前記特許文献１で開示された方法は、連続測定は可能であるものの、満足できる数学モデルの精度が得られないという問題がある。また、断面平均での融着帯の位置しか分からないという問題もあった。

また、非特許文献１で開示された方法も、連続測定は可能であるものの、数学モデルを用いる間接的な測定であり、前記特許文献１で開示された方法と同様の問題がある。

一方、非特許文献２で開示された方法は、直接測定で精度は良いものの、連続測定が不可能であり、かつ、大規模な設備とコストを要するので、測定頻度が限られるという問題がある。

また、特許文献２、非特許文献３や非特許文献４で開示された方法も、直接、ガス成分や温度を測定するので、精度は良いものの、１回の測定に半日程度の時間を要するので、連続的な測定が行えない。しかも、プローブ等の設備コストが増大するので、現実的には毎日測定するのも不可能である。

また、特許文献３で開示された方法は、高炉の上部の反応状態からの推定に過ぎないので、傾向の判断は可能であるものの、絶対値としてその推定精度には問題がある。さらに、特許文献３で開示された方法は、ガス組成の変動があり、かつ、高温であるシャフト部下部での測定が、設備的に困難であることが指摘されている。

以上説明したように、従来の融着帯位置や融着帯形状を計測する装置や方法は、各々連続的な計測が行えなかったり、間接的な測定で精度的な問題があったりして、操業条件の設定が適正に行なえないという問題があった。また、大規模な設備を要する等の問題もあった。

本発明が解決しようとする問題点は、従来の融着帯位置や融着帯形状を計測する装置や方法は、各々連続的な計測が行えなかったり、間接的な測定で精度的な問題があったりして、操業条件の設定が適正に行なえないという点である。

本発明のガスサンプリング装置は、
直接的にかつ連続して融着帯位置の判定を可能とするために、
高炉炉壁に設置されて炉内ガスをサンプリングする装置であって、
前記炉壁への設置時、先端部が炉壁内面より炉外側に位置する水冷プローブと、
この水冷プローブの基端側に連結されて炉外に配置される冷却装置を備え、
前記冷却装置は、水冷プローブにより採取されたサンプリングガスを、内筒部の外周の水冷部内を通して冷却した後、この冷却したサンプリングガスを前記内筒部に導入して、流速の低下により粗粒ダストを取り除く一次除塵機能を有する構成としたことを最も主要な特徴としている。

また、本発明の融着帯位置判定方法は、
高炉内における融着帯より下方の領域では鉄鉱石が溶融還元しているためにＣＯ₂ガスがほとんど存在しないことを利用し、
融着帯の存在領域における炉壁部である、高炉ボッシュ部からシャフト下部の１箇所ないし数箇所に、前記本発明のガスサンプリング装置を設置して連続的にガスサンプリングを行い、
このサンプリングしたガス中のＣＯ₂濃度に基づき、ＣＯ ₂ 濃度が１％以上であれば、融着帯はそのサンプリング位置よりも下方に存在し、ＣＯ ₂ 濃度が１％未満であれば、融着帯はそのサンプリング位置よりも上方に存在していると、融着帯位置の判定を直接的に行なうことを最も主要な特徴としている。

また、本発明の高炉操業方法は、
前記本発明のガスサンプリング装置を用いて高炉下部の一定の高さ位置におけるＣＯ₂濃度を連続的に測定しつつ監視することにより、ある熱流比レベルにおける融着帯の位置を判定し、
この判定した融着帯位置と溶銑温度の関係に基づき、溶銑温度を所望の範囲に維持すべく操業条件を決定することを最も主要な特徴としている。

ここでいう所望の溶銑温度とは、１４８０〜１５４０℃程度である。出銑滓作業を円滑に行なうためには、溶銑温度は１４５０℃程度以上であることが必要であるが、操業上の様々な変動や突発的な高炉の休止等に伴う温度低下を考慮して、通常はこれ以上の目標溶銑温度で操業しているからである。溶銑温度が過剰に高い場合も、融着帯の過上昇により高炉炉内の荷下がり不順を引き起こしたり、出銑樋の耐火物への悪影響等の問題が発生するため、前記の範囲内の目標温度を設定して操業を行なっている。

この本発明の高炉操業方法では、炉内の変化に伴うガス組成の変動に対して、サンプリングを連続的に実施できるので、得られた結果を適宜データ処理することによって、短期から長期にいたる傾向を把握できるようになる。そして、その結果、把握された融着帯位置、より直接的には、あるレベルにおけるガス中のＣＯ₂濃度をある一定値にコントロールすることにより、高炉の炉熱制御をより高い精度で実施できるようになる。

本発明によれば、従来は不可能であった連続的な融着帯位置の把握が行えるので、炉熱安定化が可能となり、高炉操業の安定化を図ることができるようになる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を用いてさらに詳細に説明する。
本発明では、高炉の炉下部であるボッシュ（朝顔）部からシャフト（炉胸）下部の１箇所ないし数箇所において、高炉炉内からガスを採取する。このガスは、図３に示すように、高温（１０００℃〜１２００℃）で、かつ、高圧（１５０〜４００ｋＰａ）であり、連続的に採取するためには、冷却装置が必須である。

従って、本発明のガスサンプリング装置は、図１に示すような装置構成を採用している。
図１において、１はプローブであり、炉外側から炉壁に差込まれて固定配置される。そして、その先端は、炉内を降下する原料による摩耗を防ぐため、ステーブ２などの炉壁内面よりは炉外側に位置するような長さとなされている。

前記プローブ１は、中央部は空洞（以下、中央空洞部という。）で、外周部に通水して水冷する構造となっている。プローブ１の材質は特に限定するものではないが、冷却能を確保できる銅または銅合金製が望ましい。

前記プローブ１により採取された炉内のガスは、プローブ１の中央空洞部１ａを通過して冷却装置３に導入される。この冷却装置３は、例えば鋼製である内筒部３ａの外周を二重管として外周に冷却水を通すような構成となっている。そして、前記採取したサンプリングガスを通過させる銅製の配管３ｂを、前記二重管構成した外周部の水冷部内を螺旋状に通すことにより、効率良くサンプリングガスを冷却できるようにしている。

冷却されたサンプリングガスは、冷却装置３の前記内筒部３ａに導入され、流速の低下によりガス中に含まれる粗粒ダストを沈降させる。このように内筒部３ａで粗粒ダストが取り除かれたサンプリングガスは、冷却装置３を出た後、更にガス分析計装置保護のために、フィルターを通過して微細なダストが取り除かれた後（二次除塵）、ガス分析計に導入される。

このガス分析計として、赤外式の連続分析計を使用すれば、ガスを通過させながらの連続分析が可能になる。また、サンプリングガスの流量は、冷却装置３の冷却能に対応したものとなし、サンプリング経路における詰まり防止の為にパージ機能を備えさせておくことが望ましい。また、分析データはデータ処理を行い、経時的な変化を確認可能なものとしておく。

以上の構成からなる本発明のガスサンプリング装置を、高炉のボッシュ部〜シャフト下部の１箇所、望ましくは円周方向高さ方向の数箇所に設置し、連続的に炉内のガスをサンプリングし、このサンプリングしたガス中のＣＯ₂濃度の値に基づいて、融着帯の位置を以下の通り判定する。

たとえば図２に示した様に、高炉下部の高さ方向に例えば４点、本発明のガスサンプリング装置Ｓ３，Ｓ１，Ｂ３，Ｂ２を設置し、これらのガスサンプリング装置Ｓ３，Ｓ１，Ｂ３，Ｂ２によって採取したガス中のＣＯ₂濃度を測定する。

図２より明らかなように、高炉下部にいくほどＣＯ₂濃度は低下し、あるレベルにおいてＣＯ₂濃度がほぼ０に近くなる。融着帯においても完全にＣＯ₂濃度は０とならないことから、ＣＯ₂濃度が１％以上であれば、融着帯はそのサンプリング位置よりも下方に存在し、ＣＯ₂濃度が１％未満であれば、融着帯はそのサンプリング位置よりも上方に存在していると判定する。これが本発明の融着帯位置判定方法である。

この本発明の融着帯位置判定方法により、高さ方向で融着帯の位置を特定することが可能になる。高さ方向で数点の測定を実施していれば、より精度良く融着帯の位置の測定が可能であるが、１点のみの測定でも融着帯位置の判定は可能である。

図３に垂直ゾンデ１１を用いた高炉高さ方向でのＣＯ₂濃度分布を示す。この図３に示したように、高炉炉内ガスのＣＯ₂濃度は、炉上部原料表面では通常２０〜２５％程度であるが、原料表面から５〜１０ｍ下方では１０〜２０％まで低下し、これより下方では融着帯の上まではほぼ一定で、融着帯近傍で急激に低下し、ほぼ０％となる。

従って、予め垂直ゾンデ１１等により融着帯近傍でのＣＯ₂濃度の変化速度を把握しておけば、ある一点でのＣＯ₂濃度の測定により融着帯の位置を特定することが可能になる。

高炉の融着帯位置は、前述した高炉の装入条件と送風条件によって定まる熱流比によって変化しているが、熱流比が一定であれば高炉の炉熱レベル、つまりは溶銑温度のみに対応して変動することになる。

このため、本発明のガスサンプリング装置によって判定した、ある熱流比レベルにおける融着帯の位置と溶銑温度の関係を把握すれば、所望の溶銑温度にすべく融着帯の位置を調整するように、適正な操業条件、すなわち微粉炭吹込量、調湿量、送風量、酸素量、送風温度などの送風条件や、コークス比などの装入条件の変更を実施することが可能であり、炉熱の安定化が可能となる。これが本発明の高炉操業方法である。

以下、本発明の効果を確認するために行った実験結果について説明する。
実験は内容積が２７００ｍ³の高炉で実施した。

図４に従来の溶銑温度変動時の事例を示しているが、操業条件の変更が遅れているために溶銑温度の低下幅が大きく、送風量減による生産量の減少や大幅なコークス比アップによる生産コストの悪化が生じている。また、溶銑温度が上昇した後、過剰な炉熱上昇により炉況悪化を生じ、再び送風量を減少せざるを得ない状況となっていた。

これに対し、図５はシャフト下部に本発明のガスサンプリング装置を設置して炉内ガスを採取し、ガス中のＣＯ₂濃度を測定し、これを用いて炉熱調整を行なった例を示したものである。

図５より明らかなように、本発明のガスサンプリング装置を用いた本発明の高炉操業方法によれば、シャフト下部のＣＯ₂濃度の上昇、つまり融着帯の低下を早期に検知できるので、早期に操業条件の変更が行え、溶銑温度の低下、また復帰後の定常状態への移行が円滑に実施できた。

炉下部ガスサンプリングデータを使用せずに操業条件変更を実施していた従来のケース（比較例）と、炉下部ガスサンプリングデータを使用して炉熱調整を実施した本発明の場合（実施例）を比較して下記表１に示す。実施例、比較例とも、１０日間の操業データの結果を示したものである。なお、溶銑温度σは出銑毎のデータである。

図４より明らかなように、従来は溶銑温度の変動が大きく、高炉操業上問題のある１４５０℃以下まで温度が低下するケースが見られた。これに対し、本発明例では、図５より明らかなように、溶銑温度の変動が半分程度に抑制され、１４８０℃程度までの温度低下に抑制することが可能であった。また、変動を抑制できたことにより、過剰の溶銑温度上昇により引き起こされる炉況悪化が減少し、表１に示すように、平均温度を７℃上昇させることが可能となった。

本発明は上記の例に限らず、各請求項に記載された技術的思想の範囲内で、適宜実施の形態を変更しても良いことは言うまでもない。

本発明は、ボッシュ部からシャフト下部の範囲のみならず、他の部位に設置してガスを採取する場合にも適用できる。

炉下部ガスサンプリング装置図である。炉下部ガスサンプリング結果による融着帯位置判定概念図である。炉下部ガスサンプリング装置の設置概要図である。溶銑温度変動時の操業推移（比較例）図である。溶銑温度変動時の操業推移（実施例）図である。

符号の説明

Ｓ３，Ｓ１，Ｂ３，Ｂ２ガスサンプリング装置
１プローブ
２ステーブ
３冷却装置

Claims

高炉炉壁に設置されて炉内ガスをサンプリングする装置であって、
前記炉壁への設置時、先端部が炉壁内面より炉外側に位置する水冷プローブと、
この水冷プローブの基端側に連結されて炉外に配置される冷却装置を備え、
前記冷却装置は、水冷プローブにより採取されたサンプリングガスを、内筒部の外周の水冷部内を通して冷却した後、この冷却したサンプリングガスを前記内筒部に導入して、流速の低下により粗粒ダストを取り除く一次除塵機能を有する構成としたことを特徴とするガスサンプリング装置。
高炉ボッシュ部からシャフト下部の１箇所ないし数箇所に、請求項１に記載のガスサンプリング装置を設置して、連続的にガスサンプリングを行い、
このサンプリングしたガス中のＣＯ₂濃度に基づき、ＣＯ ₂ 濃度が１％以上であれば、融着帯はそのサンプリング位置よりも下方に存在し、ＣＯ ₂ 濃度が１％未満であれば、融着帯はそのサンプリング位置よりも上方に存在していると、融着帯位置の判定を行なうことを特徴とする融着帯位置判定方法。
請求項１に記載のガスサンプリング装置を用いて高炉下部の一定の高さ位置におけるＣＯ₂濃度を連続的に測定しつつ監視することにより、ある熱流比レベルにおける融着帯の位置を判定し、
この判定した融着帯位置と溶銑温度の関係に基づき、溶銑温度を所望の範囲に維持すべく操業条件を決定することを特徴とする高炉操業方法。