JP4714545B2

JP4714545B2 - 高炉操業方法

Info

Publication number: JP4714545B2
Application number: JP2005291154A
Authority: JP
Inventors: 和也国友; 恒久西村; 浩一横山
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2005-10-04
Filing date: 2005-10-04
Publication date: 2011-06-29
Anticipated expiration: 2025-10-04
Also published as: JP2007100161A

Description

本発明は高炉の操業方法に関し、特に、高炉での生産量を増加させる際の安定した操業方法に関する

高炉は、その上部から鉄鉱石や焼結鉱などの鉄源及び還元剤であるコークスなどを装入し、高炉の下部の羽口から熱風（蒸気などを含む高温の空気）を吹き込んで、生じた還元ガスにより鉄鉱石を還元し、溶解する一連の反応を行わせて銑鉄を製造するものである。高炉内で半径方向に適正なガス流速分布が得られるように、上述の炉内装入物の粒度や強度を調整し、送風条件を適切に制御することで鉄原料の還元、溶解などの一連の反応を効率よく進行させることができる。
高炉下部の側壁には、周方向に複数の開口、すなわち上記羽口が設けられており、この羽口から炉内に熱風（上記を含んだ高温の空気を）を吹き込むようになっている。

図４は、高炉の羽口近傍を示す断面模式図である。図４において、高炉１の炉壁２を形成している炉壁レンガ３に開口が形成され、これに羽口４がはめ込まれている。羽口４にはブローパイプ５が差し込まれており、このブローパイプの後端は熱風を供給する熱風支管（図示せず）に連結されている。熱風支管から供給された熱風は、ブローパイプを経由して羽口４から高炉内に吹き込まれる。高炉内の羽口前には、羽口からの吹き込まれた熱風によって、いわゆる「レースウエイ」と呼ばれるコークスが疎な状態で存在する最深部７である深度を有する空洞が形成されている。この羽口近傍のレースウエイでは装入されたコ-クスが燃焼し、鉄源の還元反応に必要な還元ガスとこの反応及び銑鉄の溶解に必要な熱の大部分がこの部分から供給されている。このレースウエイ６の周辺に、コークスや鉄原料などの装入物が還元、溶解反応の進展に伴って上部から降下する降下領域８が形成される。羽口４は、高炉１の周方向に複数設けられており、従って、高炉の内側に周方向にレースウエイ６、降下領域８が複数形成されている。
レースウエイの形状を正確に把握することは困難であるため、従来から、高炉径方向でレースウエイの最深部と羽口との距離をレースウエイ深度とし、レースウエイの大きさや形状を代表させるものとして扱っている。
レースウエイの深度や、降下領域は、羽口からの熱風の送風条件（送風量、羽口風速など）や、装入されたコークスの性状（コークス強度、粒度など）や、装入物の充填分布状況などにより変化するものである。

ところで、高炉の生産量は、概ね送風量に比例しており、高炉の生産量を調整する場合は、熱風の送風量を調整によって行われる。従って、需要の増大などにより高炉で銑鉄の生産量を増加させる必要が生じた場合は、送風量を増加させて対応することになるが、このような状態で安定操業を行うにはいくつかの問題がある。
すなわち、送風量を増やして生産量が増加するようにした場合、装入物の降下領域が増加、特に、羽口前のレースウエイへのコークスの供給が増加、しなければ、安定かつ継続してコークスが羽口前に供給されず、いわゆる荷下がり不良となって、炉熱変動が大きくなり、生産を増加させた際に安定した操業が不可能になる。
また、送風量のみを増大させた場合、通常、羽口径は一定であるので、羽口風速が増加することになるが、羽口風速が増加することは羽口前における熱風の運動エネルギーが増加することを意味し、コークスへの衝撃エネルギーが増えて、コークスの粉化が助長される。
このようにしてコークスの粉化が助長されると、炉下部、炉芯部に粉化したコークスが蓄積され、還元ガスの通気性や、溶融した銑鉄の流下、通液を阻害する。

特許文献１には、羽口から燃料吹込みを行う高炉操業方法において、レースウエイの不整形化や崩壊を防ぐために、実測したレースウエイの最深部までの距離をもとに、羽口からの燃料吹き込み量を調整することが開示されている。
また、特許文献２には、微粉炭を多量に吹き込む高炉操業において、炉内通気性が良好に保たれ、しかも銑鉄を安価に製造するために、炉頂から装入されるコークスの冷間強度及び平均粒径の値から、安定した操業を維持しつつ吹き込み可能な最大微粉炭吹き込み比ＰＣＲmaxを求め、この比を上限として微粉炭吹き込みを行う操業方法が開示されている。
また、特許文献３には、微粉炭を吹き込む高炉操業方法において、特定式を満足するように、コークスのドラム強度、送風空気量、送風空気中の酸素富化量の１種または２種以上を制御することが開示されている。

特開２００５−０９７７３８号公報特開２００３−０９６５０９号公報特開２００３−０５５７２０号公報

しかしながら、特許文献１では、レースウエイの崩壊を燃料吹き込み量の調整により防ぐことは開示されているが、高生産量を志向する操業でのコークス強度の調整については開示ないし示唆されていない。また、特許文献２では、コークス強度と微粉炭吹き込み量との関係は開示されているが、高生産量とする操業での羽口風速の増加に伴う操業への影響については開示ないし示唆されていない。
また、特許文献３には、微粉炭吹き込み時のコークス強度、送風空気量の制御について開示されてはいるが、高生産量とする操業での羽口風速の増加に伴うコークス強度の調整については、開示ないし示唆されていない。
高生産量を確保するために送風量を増加させた場合、レースウエイの深度の確保、降下領域の増大が必要である。しかしながら、上述のように、これを実現し、安定した操業を可能にする方法は得られていない。
本発明は、上記の状況に鑑み、送風量を増加させることによって高炉の生産量を増加させる際に、安定した操業を確保するための操業方法を提供することを課題とする。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その要旨とするところは、以下のとおりである。
（１）高炉操業において生産量を増加させるに際し、この生産量の増加に対応して送風量を増加させると共に、羽口風速が増加するように羽口径を縮小することを特徴とする高炉操業方法。
（２）前記羽口風速に応じて、強度を増加させたコークスを装入することを特徴とする（１）に記載の高炉操業方法。
（３）高炉の生産量を１％増加させるに際し、前記送風量を１％増加させると共に、羽口風速が１．２〜２％増加するように羽口径を縮小することを特徴とする（１）または（２）に記載の高炉操業方法。
（４）前記羽口風速の増加１％あたり、コークス強度がＤＩで０．１〜０．２ポイント増加させたコークスを装入することを特徴とする（３）に記載の高炉操業方法。

本発明によれば、高炉の生産量を増加させるに際して、これに対応して送風量を増加させると共に、羽口風速が所定の範囲となるように羽口径を縮小するものであり、更に、好ましくは、羽口風速に応じて、所定の強度に調整されたコークスを装入するため、羽口径を一定のまま、送風量を増やして羽口流速を大きくする従来の場合に比べて、レースウェイ深度がより効果的に増加し、かつコークスの降下領域が拡大する。
また、好ましくは、装入されるコークスも、羽口風速の増大に見合って強度を増したものを用いるので、羽口流速の増大に伴う粉化が抑制され、通気性や通液が阻害されることがない。このように、本発明では、従来、限界のあった生産量を増加させる操業方法に比べて、効率的に生産量を増加させることが可能である。

本発明者らは、高炉の生産量を安定して増加させるための効率的な操業方法について検討した。
上述のように、羽口径一定のままで送風量を増加させる従来の操業方法でも、羽口風速は上昇し、レースウエイ深度は増加する。しかし、生産量に見合った降下領域の増大までには至らず、所定の生産量の増加を確保して安定した操業を行うことは困難であることが判った。
発明者らは、実験により、高炉の２０分の１の扇型断面模型（炉床半径６００ｍｍ、羽口数２本、羽口径２０ｍｍ）において、通常の羽口当たりの送風量を１００Ｎｍ^３／ｈｒとし、この送風量を変化させた場合の生産量(出銑量)および降下領域の変化を調査した。
なお、降下領域（ｍ^２）は、羽口レベルにおいて予め炉内に装入していたトレーサー着色粒子が、その後装入した粒子に入れ替っている領域と定義し、実験後に解体して直接観察・測定により求めた。

図１にその結果を示す。図１は、送風量の変化による生産速度および降下領域の変化を示す図である。
図１から、送風量の増加に比例して生産量も増加することが判り、羽口径が一定の場合、送風量を１０％増加させれば、生産量や羽口風速は１０％増加することが判る。しかしながら、降下領域は７％程度しか増加していない。
すなわち、生産量の増加割合に比して降下領域の増加割合の程度が小さく、生産量の増加割合に見合った降下領域の増加割合でないことが判る。これは、羽口前へのコークスの供給が不十分であることを意味し、安定操業の確保を継続することは困難である。

このことは、熱風中に酸素を富化することによって更に生産量を増加させようとする場合には、送風量の増加割合自体が小さくなり、生産量の増加割合に比して降下領域の増加割合は更に小さくなり、両者の差は更に広がり、安定した操業はさらに困難となる。
このように、羽口径が一定のままで送風量を増やして生産量を増加させる場合は、降下領域の増大が難しく安定操業の継続が困難であり、生産量の増大には限度があることから、発明者らは更に検討を加えた。

降下領域の拡大のためには、それまで以上に大きなレースウエイ深度を確保することが必要であり、そのためには羽口流速を大きくすることが必要である。このためには羽口径を縮小することが効果的であることを見出した。
すなわち、上記と同様の模型高炉での実験において、送風量を上記と同じ１００Ｎｍ^３／ｈｒと一定とし、羽口径を上記の径から５〜１０％の範囲に縮小して同一風量で元の羽口風速を増大させ、レースウエイ深度および降下領域の変化を調査した。
その結果を図２に示す。図２は、羽口径２０ｍｍの場合の羽口風速、レースウエイ深度および降下領域に対して、羽口径を縮小したときの羽口風速、レースウェイ深度および降下領域を、相対羽口風速、相対レースウエイ深度、相対降下領域とし、相対羽口風速と相対レースウエイ深度および相対降下領域との関係を示す図である。

図２から判るように、相対羽口風速が増加すればレースウエイ深度および降下領域とも増加しており、図１の場合において送風量を増やして羽口風速を増加させた場合と同様に、同一送風量において羽口径を絞り、羽口風速を増加させた場合にも降下領域を増加させることができる。
すなわち、上記の実験によると、羽口径を縮小し羽口風速を１０％増加させると降下領域を約7％増加させることができることが判る。従って、送風量を増やした上でさらに羽口径を縮小し羽口風速を増やしてやれば、生産量の増加に見合う降下領域とすることができる。
すなわち、上述のように、羽口径一定で送風量を１０%増加させれば、生産量や羽口風速は１０％増加するが、降下領域は７%程度しか増加しておらず、安定した操業を継続するには、送風量の増加に見合うものとして降下領域を１０％増加させる必要がある。
従って、降下領域を１．１０／１．０７＝１．０２８倍にするためには、羽口風速をさらに２．８／７×０．１＝０．０４、つまり、さらに４％増加させる必要があり、１４％増にする必要がある。このためには、羽口断面積を１／（１−０．０４）＝０．９６２、つまり約４％減少させればよいことになる。
すなわち、生産量１％増加あたり、羽口風速を１．４％増とする必要があるが、実験データのばらつきや誤差（５０%）を考慮すれば、生産量１％増加あたり羽口風速を１．２〜２％増加させればよい。

このように、高炉の生産量を増加させる場合に、増加させる生産量に見合って送風量を増やすことは言うまでもないが、この送風量の増加に伴う羽口風速の増加の程度では、生産量を増加させ且つ安定した操業を継続するに十分なレースウエイ深度、効果領域を確保することができない。このため、送風量は生産量の増加に見合う送風量とした上で、さらに羽口風速を増加させることを志向するものである。

すなわち、本発明においては、羽口径を絞り、所要の羽口風速が得られるように羽口の断面積を変化させるものである。羽口径を縮小変更するには、羽口に耐火性のリングを装着したり、或いは羽口自体を小口径のものに取り換えることによって可能である。
羽口風速を変更する場合、高炉下部の各羽口の口径が全て上記のように一律に縮小し、各羽口における羽口風速が所定の範囲となるように調整することが好ましいが、羽口径の縮小程度を羽口毎に換えても良く、或いは一部の羽口の羽口径のみが縮小されても良い。すなわち、羽口全体としてみた平均の羽口風速が所定の範囲となるように、全羽口の断面積の合計、すなわち、羽口の総断面積を調整することでも良い。この場合、高炉の径方向で荷下がりをできるだけ均一にする観点から、羽口径を縮小する羽口が、高炉の中心に対して対称となるように配置することが好ましい。

上述のように、生産量を増加させるに際し、羽口径を変化させて、羽口風速が所定の範囲となるように設定することにより、安定した操業を得ることができる。
しかしながら、上記のように、羽口風速を増加させることによってレースウエイ深度や降下領域を増加させることはできるが、コークスの粉化が問題となることが判った。

羽口風速を増加させることによって、一時的にレースウエイの深度や降下領域を大きく確保することはできるが、装入されたコークスに衝突する熱風のエネルギーも増加しており、コークスの粉化が助長されることになる。
上述のように、粉化が助長されると、炉下部、炉芯部に粉化したコークスが蓄積され、還元ガスの通気性や、溶融した銑鉄の流下、通液を阻害し、安定操業を損なう要因となる。

この問題を解決するために検討した結果、羽口風速の増加に応じて強度を増加させたコークスを使用することにより、送風エネルギーの増加に伴うコークスの粉の発生（粉化）を抑制することができると考えられた。

発明者らは、上記と同じ高炉での実験において、炉頂から装入するコークスの強度（ＤＩ：ドラムインデックス）レベルを変え、それぞれの場合において、羽口風速を変化させた場合の炉芯粉率（％）を調査した。
なお、コークス強度ＤＩは、５０ｍｍ以上のコークス試料４０ｋｇを内径１．５ｍのドラム試験機に入れ、１５０回転後の１５ｍｍ以上のコークスの重量割合で評価した。また、炉芯粉率は、羽口レベルのレースウエイ奥の高炉炉芯部より採取されたコークス試料のうちの−３ｍｍ粉の重量割合で評価した。

その結果を図３に示す。図３は、相対羽口風速と炉芯粉率との関係を示す図である。図３から判るように、羽口風速の増加に伴って、炉芯粉率は増加している。
その増加割合は、コークス強度（ＤＩ）レベルにかかわらず、ほぼ同様である。
羽口風速が１０％増加した場合でも、コークス強度ＤＩを約１．５ポイント増加したものとすれば、炉芯部における粉の発生は、羽口風速を増加させなかった場合の粉率とほぼ同程度に維持することができることが判る。
実験データのばらつきや誤差（５０％）などを考慮すると、羽口風速１％増加当たり、コークスの強度ＤＩを０．１〜０．２ポイント増加させればよい。
コークス原料である石炭の炭種、およびそれらの配合などを調整することによってコークス強度（ＤＩ）レベルの異なるコークスを得ることができるので、必要により、所要の強度を有するコークスを入手し、使用することが可能である。
コークス強度ＤＩを上記以上に増加させてもよいが、高強度のコークスを製造するにはコストがかかり、銑鉄の製造コストを上昇させることになる。
なお、通常使用されているコークスの強度が、羽口風速が増加した場合でも低い粉率を維持できるに十分な強度を有する場合は、更に強度を増したコークスとする必要はない。

以下、本発明を実施例に基づいてさらに具体的に説明する。
内容積が３２７３ｍ^３の高炉に本発明の操業方法を適用して操業した。
操業条件として、送風量（Ｎｍ^３／分）、羽口風速（ｍ／ｓ）、生産量（トン／日）、羽口総断面積、コークスＤＩ、操業指標として、荷下がり指数（回／日）、送風圧力変動（ｇ／ｃｍ^２）、溶銑中Ｓｉ量(質量％)の変動を採用した。
その結果を表１に示す。

表１から判るように、本発明を適用した実施例１〜３の操業では、荷下がり指数や炉熱（溶銑中Ｓｉ量(質量％)の変動）は安定し、生産量の増加に対しても、円滑な操業が可能であった。
これに対し、比較例１のように、本発明を適用せず、羽口径、コークス強度ＤＩをベース条件とほぼ同じにして、送風量を増加させた場合は、操業指標が悪化した。
また、比較例２のように、羽口径を一定としてコークス強度のみを増加させた場合も降下領域が広がらず操業は安定しなかった。
また、比較例３のようにコークス強度一定で、羽口径を縮小した場合は、コークス粉化のために炉芯粉化率が増え、送風圧力変動が大きく、安定した操業とはならなかった。
また、比較例４のように、コークス強度を上昇させても、羽口径を過度に縮小して相対羽口風速を過度に大きくした場合は、コークス粉化のため通気性が阻害され、送風圧力の変動が大きく、安定した操業とはならなかった。

送風量の変化と生産速度および降下領域の変化との関係を示す図である。相対羽口風速と相対レースウエイ深度および相対降下領域との関係を示す図である。相対羽口風速と炉芯粉率との関係を示す図である。レースウエイ深度および降下領域を説明する模式図である。

符号の説明

１高炉
２炉壁
３炉壁レンガ
４羽口
５ブローパイプ
６レースウェイ
７最深部
８降下領域

Claims

高炉操業において生産量を増加させるに際し、この生産量の増加に対応して送風量を増加させると共に、羽口風速が増加するように羽口径を縮小することを特徴とする高炉操業方法。
前記羽口風速に応じて、強度を増加させたコークスを装入することを特徴とする請求項１に記載の高炉操業方法。
高炉の生産量を１％増加させるに際し、前記送風量を１％増加させると共に、羽口風速が１．２〜２％増加するように羽口径を縮小することを特徴とする請求項１または２に記載の高炉操業方法。
前記羽口風速の増加１％あたり、コークス強度がＤＩで０．１〜０．２ポイント増加させたコークスを装入することを特徴とする請求項３に記載の高炉操業方法。