JP4752021B2 - 高炉の減尺休風操業方法 - Google Patents

Description

本発明は、減尺休風時における高炉操業方法に関する。

高炉内壁の耐火物を補修する場合やステーブを交換する場合等には、当該補修ないし交換箇所が露出するまで装入物レベルを低下させ、送風を一時的に停止する、いわゆる減尺休風操業が行われている。高炉下部のステーブを交換する場合には、羽口レベル近傍まで減尺することもある。

休風時間は、高炉上部の耐火物を補修する場合は、まる１日前後で十分であるが、ステーブ交換のような大規模な工事を伴う場合は、数日を要することもある。

このように休風が長時間に及ぶと、炉底部に残存する溶銑の温度が低下して炉床部の凝固層が成長し、休風後の立ち上げ時の出銑滓作業が円滑に行えなくなる。

そこで、この対策として、炉底耐火物中に配置された複数の炉底温度計により炉底の溶銑温度を推定し、この推定した溶銑温度に基づいて、休風中に溶銑温度が低下しても上記の問題が生じないように、休風前に装入物中のコークスの割合を増加して溶銑温度を高めておく方法がとられている。

また、休風前に炉底温度計による測温値に基づいて炉床部の凝固層の厚みと成長速度を推定し、これらの推定値から限界の休風時間を予測し、その限界休風時間内で出銑滓作業を行う方法が開示されている（特許文献１参照）。
特開平３−１０４８０８号公報（特許請求の範囲など）

しかしながら、上記炉底温度計を用いた炉底部の溶銑温度の推定や炉床部の凝固層の厚みおよび成長速度の推定は、炉底部における炉壁からの熱損失および／または炉底の冷却水による抜熱のみを考慮したものであり、減尺を行わない従来の休風時には適用し得るものであるが、減尺休風時には溶銑温度等の推定精度が悪化し、適用が困難になる問題があった。すなわち、高炉の休風は、吸引ファンを用いて炉頂より炉内ガスを吸引し炉内を負圧状態にして行われる。減尺を行わない通常の休風時においては、炉芯コークスは鉱石層で完全に覆われているが、減尺休風時においては、図１の模式図に示すように、炉芯コークスの頂部が露出し、特にステーブ交換の場合のように羽口レベル近傍まで減尺する場合はその露出の程度が大きくなる。このため、減尺休風時には、減尺を行わない通常の休風時に比べて、鉱石層より格段に高い通気性を有する炉芯コークスの露出部を介して炉底から炉頂へ吸引されるドラフト量が大幅に増加する。この結果、このドラフト量の大幅な増加による炉底の溶銑の冷却速度の増加が無視し得なくなり、ドラフトによる炉底部からの抜熱を全く考慮しない上記従来法では、溶銑温度等の推定精度が悪化し、減尺休風時には適用し得ないものとなっていた。

そこで本発明は、減尺休風中においても炉底の溶銑温度等の推定精度に優れ、休風後の円滑な立ち上げを確実に行える高炉の減尺休風操業方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、高炉の減尺休風を行うにあたり、過去の減尺休風時において、出銑口内に設置した温度計（以下、「出銑口温度計」という。）または炉底耐火物内に設置した温度計（以下、「炉底温度計」という。）を用いて推定した炉底部の溶銑温度の低下速度と、炉底の冷却水による抜熱速度とに基づいて、炉底部の熱収支計算により、炉頂へのドラフトによる抜熱速度を求めておき、今回の減尺操業時において、前記炉頂へのドラフトによる抜熱速度を考慮した熱収支計算により、あらかじめ設定した目標の溶銑温度低下速度が得られるような、炉底の冷却水による抜熱速度を求め、この炉底の冷却水による抜熱速度が得られるように炉底の冷却水供給速度を設定することを特徴とする高炉の減尺休風操業方法である。

請求項２に記載の発明は、高炉の減尺休風を行うにあたり、過去の減尺休風時において、出銑口温度計で測定した出銑口内温度分布または炉底温度計で測定した炉底耐火物内温度分布に基づいて炉底部の溶銑温度を推定し、この溶銑温度の低下速度から求めた溶銑顕熱の減少速度Ｑ_Ｐ１と、炉底の冷却水による抜熱速度Ｑ_Ｗ１とから、炉頂へのドラフトによる抜熱速度Ｑ_Ｄを、炉底部の熱収支に基づく下記式１により求めておき、今回の減尺操業時において、あらかじめ設定した目標の溶銑温度低下速度から求めた溶銑顕熱の減少速度Ｑ_Ｐ２と、前記炉頂へのドラフトによる抜熱速度Ｑ_Ｄとから、炉底の冷却水による抜熱速度Ｑ_Ｗ２を炉底部の熱収支に基づく下記式２により求め、この抜熱速度Ｑ_Ｗ２が得られるように炉底の冷却水供給速度を設定することを特徴とする高炉の減尺休風操業方法である。
式１ Ｑ_Ｄ＝Ｑ_Ｐ１−Ｑ_Ｗ１
式２ Ｑ_Ｗ２＝Ｑ_Ｐ２−Ｑ_Ｄ

請求項３に記載の発明は、今回の減尺操業時においても、出銑口温度計で測定した出銑口内温度分布または炉底温度計で測定した炉底耐火物内温度分布に基づいて炉底部の溶銑温度を推定し、この溶銑温度の低下速度と前記目標の溶銑温度低下速度とを比較しつつ、前記炉底の冷却水供給速度を修正するようにした、請求項２に記載の高炉の減尺休風操業方法である。

本発明によれば、炉頂へのドラフトによる炉底部からの抜熱速度を考慮したことにより、炉底部の溶銑温度の推定精度が向上し、炉底部の過度の冷却が防止され、休風後の円滑な立ち上げが確実に行えるようになった。

以下、本発明の実施形態を説明する。

［実施形態１］
まず、今回の減尺と同程度の減尺を行う過去の減尺休風時において、出銑口温度計を用いて炉底部の溶銑温度を推定する場合について説明する（図２参照）。出銑口温度計としては、出銑口の深さ方向に異なる２点の温度を測定できるように２対の熱電対素子を内蔵したシース熱電対を、金属棒の外表面に設けられた長手方向に沿う溝内にセットしたものを用いる。そして、休風直前の出銑の際において、出銑終了後に出銑口を閉塞するためにマッドガンにて出銑口内にマッドを充填した後、マッドが硬化する前にタッピングマシン等を用いて出銑口温度計を出銑口内に所定の深さまで押し込んで設置する。

そして、休風中に出銑口温度計にて出銑口内の温度分布（温度勾配）を連続的または一定時間ごとに間欠的に測定する。

図２において、２対の熱電対素子の測温点間の距離をＬ_１、炉内側の熱電対素子の測温点と金属棒の炉内側先端との距離をＬ_２、金属棒の炉内側先端とマッド先端との距離をＬ_３、高炉内溶銑温度をＴ_Ｐ、炉外側の熱電対素子で測定された温度をＴ_１、炉内側の熱電対素子で測定された温度をＴ_２、金属棒先端の温度をＴ_３、マッド先端の温度をＴ_４、マッドの熱伝導率をλ_Ｍ、金属棒の熱伝導率をλ_Ｓとする。

そして、出銑口の軸方向において擬似的に１次元定常伝熱状態が成立するので、炉底部の溶銑温度Ｔ_Ｐは位置によらず一定で、マッド先端の温度Ｔ_４に等しい（すなわち、Ｔ_Ｐ＝Ｔ_４）と仮定すると、下記式（１）の関係が成り立つ。

λ_Ｍ・（Ｔ_Ｐ−Ｔ_３）／Ｌ_３＝λ_Ｓ・（Ｔ_３−Ｔ_２）／Ｌ_２＝λ_Ｓ・（Ｔ_２−Ｔ_１）／Ｌ_１ …式（１）

したがって、上記式（１）より、マッドの熱伝導率λ_Ｍおよび金属棒の熱伝導率λ_Ｓは温度によらず一定としてＴ_３を消去すると、下記式（２）が得られ、炉内溶銑温度Ｔ_Ｐは同式で計算できることとなる。

Ｔ_Ｐ＝Ｔ_２＋［（λ_Ｍ・Ｌ_２＋λ_Ｓ・Ｌ_３）／（λ_Ｍ・Ｌ_１）］・（Ｔ_２−Ｔ_１） …式（２）

なお、上記例では、炉底部の溶銑温度の推定を、出銑口温度計の測温箇所は２点として、マッドの熱伝導率は温度によらず一定として推定する例を示したが、例えば、出銑口温度計の測温箇所を３点以上として、金属棒の熱伝導率λ_Ｓを考慮して推定するようにしてもよい。

このように、出銑後に出銑口に充填したマッド内に温度計を差し込み、炉内の溶銑に近いところで測温することで、後述の炉底耐火物に埋設した耐火物温度計を用いて測温する場合のように、耐火物表面に形成された凝固層厚みや耐火物残存厚みなど多くの仮定を含んだ推定に比べ、より高精度で溶銑温度を推定できる。

そして、上記溶銑温度の推定値Ｔ_Ｐを系時的に算出し、これより溶銑温度の低下速度ｄＴ_Ｐ／ｄｔ（ｔ：時間）が推定できる。

炉底部の溶銑量をＷ_Ｐ、溶銑の比熱をＣ_Ｐとすると、溶銑顕熱の減少速度Ｑ_Ｐ１は、下記式（３）で推定できる。

Ｑ_Ｐ１＝Ｃ_Ｐ・Ｗ_Ｐ・ｄＴ_Ｐ／ｄｔ …式（３）

一方、炉底の冷却水による抜熱速度Ｑ_Ｗ１は、冷却水の流量と入り出の温度差から求まる。

炉壁から大気への放散熱は、冷却水による抜熱速度に比べて十分小さいので無視し、炉頂へのドラフトによる抜熱速度をＱ_Ｄとすると、炉底の熱収支より下記式（４）の関係が成り立つ。

Ｑ_Ｐ１＝Ｑ_Ｗ１＋Ｑ_Ｄ …式（４）

上記式（４）より、炉頂へのドラフトによる抜熱速度Ｑ_Ｄは、下記式（５）にて求まる。

Ｑ_Ｄ＝Ｑ_Ｗ１−Ｑ_Ｐ１ …式（５）

このようにして求めたＱ_Ｄの値は、同程度に減尺する今回の減尺休風においても用いることができる。

次に、今回の減尺操業時において、予定の休風時間と、許容し得る溶銑温度の低下幅とから、目標の溶銑温度低下速度ｄＴ_Ｐ２／ｄｔを設定する。これより、目標の溶銑顕熱の減少速度Ｑ_Ｐ２は、下記式（６）で得られる。

Ｑ_Ｐ２＝Ｗ_Ｐ・Ｃ_Ｐ・ｄＴ_Ｐ２／ｄｔ …式（６）

したがって、炉底の冷却水による抜熱速度Ｑ_Ｗ２は、炉底部の熱収支に基づく下記式（７）により求まる。

Ｑ_Ｗ２＝Ｑ_Ｐ２−Ｑ_Ｄ …式（７）

そして、上記抜熱速度Ｑ_Ｗ２が得られるように、例えば、以下のようにして冷却水の供給速度を設定する。すなわち、冷却水の供給速度を低下させると、冷却配管内の流速も低下して冷却水〜炉底耐火物間の総括伝熱係数が低下し、結果として冷却水による抜熱速度Ｑ_Ｗ２が低下する。逆に、冷却水の供給速度を上昇させると、冷却配管内の流速も上昇して上記の総括伝熱係数が上昇し、結果として冷却水による抜熱速度Ｑ_Ｗ２が上昇する。したがって、過去の休風中（減尺休風に限らない）に冷却水供給速度を意図的に変化させて、冷却水供給速度と抜熱速度との関係を求めておく。そして、この関係を用いて冷却水供給速度を設定することができる。

このようにして設定した冷却水供給速度にて減尺休風を行うことにより、ほぼ目標の溶銑温度低下速度に沿って炉底部の溶銑が冷却されるので、目標の休風時間休風しても、溶銑温度が過度に低下するおそれがなく、休風終了後の円滑な立ち上げが確実に実現できる。

さらに、今回の減尺休風中においても、出銑口温度計により炉底部の溶銑温度を推定し、この推定値から得られる溶銑温度の低下速度と目標の溶銑温度低下速度とを比較し、両者のずれが大きい場合は、冷却水供給速度を修正するようにしてもよい。この方法により、実際の溶銑温度の低下速度をより精度良く目標の溶銑温度低下速度に一致させることができ、休風後の円滑な立ち上げをより一層確実なものとできる。

［実施形態２］
上記実施形態１では、過去および／または今回の減尺操業時における炉底部の溶銑温度の推定を、出銑口温度計を用いて行ったが、炉底温度計を用いて行ってもよい。上述したように、炉底温度計のみによる溶銑温度の推定は出銑口温度計を用いた推定に比べて精度に劣るものの、出銑口に温度計を設置する必要がなく、作業性、コスト面で有利である。炉底温度計を用いた溶銑温度Ｔ_Ｐの推定は、例えば以下のようにして行うことができる（図３参照）。

炉底耐火物の熱伝導率と耐火物上に形成された凝固層の熱伝導率をそれぞれλ_Ｒ，λ_Ｆとし、測温位置の耐火物内の深度をＬ_３，Ｌ_４（Ｌ_３＜Ｌ_４）、測温値をＴ_３，Ｔ_４とし、耐火物残存厚さＬ_Ｒ、耐火物稼動面温度Ｔ_Ｒ、凝固層厚みＬ_Ｆ、凝固層表面温度Ｔ_Ｆ（＝１１５０℃）、凝固層表面の境膜伝熱係数ｈ_Ｐとすると、下記式（８）の関係が成り立つ。

Ｑ＝ｈ_Ｐ（Ｔ_Ｐ−Ｔ_Ｆ）＝λ_Ｆ・（Ｔ_Ｆ−Ｔ_Ｒ）／Ｌ_Ｆ＝λ_Ｒ・（Ｔ_Ｒ−Ｔ_４）／（Ｌ_Ｒ−Ｌ_４）＝λ_Ｒ・（Ｔ_４−Ｔ_３）／（Ｌ_４−Ｌ_３） …式（８）

上記式（８）において、Ｔ_３やＴ_４が過去最高温度になったとき（休風時のみでなく通常操業時も含めて）、Ｔ_Ｒ＝Ｔ_Ｆ（＝１１５０℃［＝溶銑凝固温度］）、Ｌ_Ｆ＝０であるとして最も右側の等式を用いてＬ_Ｒを算出し、現在のＴ_３とＴ_４およびＬ_Ｒを用いてＴ_ＲとＬ_Ｆを計算する。

一方、今回の減尺と同程度の減尺を行う過去の別の減尺操業において出銑口温度計を用い、そのときのＴ_Ｐを求めるとともに、そのときのＴ_３，Ｔ_４を用い、上記式（８）の左から２番目の辺と最も右側の辺とからなる下記式（９）の等式によりｈ_Ｐを算出しておく。そして、このｈ_Ｐの値を用いることにより、溶銑温度計を用いることなく、下記式（９）により現在のＴ_Ｐを計算することができる。

ｈ_Ｐ（Ｔ_Ｐ−Ｔ_Ｆ）＝λ_Ｒ・（Ｔ_４−Ｔ_３）／（Ｌ_４−Ｌ_３） …式（９）

この方法により推定されたＴ_Ｐは、出銑口温度計により直接推定された値より精度に劣るものの、この方法によれば、Ｔ_Ｐの推定と同時に凝固層厚みＬ_Ｆも推定できる利点を有する。すなわち、凝固層は、成長しすぎると休風後の立ち上げに支障をきたす一方、減少しすぎると炉底耐火物表面を保護する効果がなくなるので、適度の範囲で厚みを制御する必要があり、炉底温度計を用いる方法は、このような凝固層厚みの制御に有用である。

したがって、出銑口温度計を用いて炉底部の溶銑温度を推定する場合でも、炉底温度計を用いて凝固層厚みを推定し制御するようにしてもよい。

本発明の効果を確認するため、内容積４５５０ｍ^３の高炉において、ステーブ交換のため同程度まで減尺を行う減尺休風操業に対し、本発明を適用する以前の操業結果（比較例）と本発明を適用した操業結果（発明例）との比較を行った。

（比較例）
炉頂へのドラフトによる抜熱を考慮せず、炉底の冷却水による抜熱のみにより炉底部の溶銑温度が低下するとして炉底の冷却水供給量を設定し、減尺休風を行った。なお、本減尺休風時において、出銑口に出銑口温度計（測温箇所：２点）を設置して炉底部の溶銑温度の推定を試みた。

（発明例）
上記比較例の減尺休風時における出銑口温度計による炉底部の溶銑温度Ｔ_Ｐの推定値を用い、その溶銑温度低下速度と炉底の冷却水による抜熱速度Ｑ_Ｗ１とから上記式（３）および式（５）を用いて炉頂へのドラフトによる抜熱速度Ｑ_Ｄを求めた。そして、このＱ_Ｄと目標の溶銑温度低下速度ｄＴ_Ｐ２／ｄｔとを用いて式（６）および式（７）により今回の炉底部の冷却水による抜熱速度Ｑ_Ｗ１を求め、この抜熱速度Ｑ_Ｗ１が得られるように冷却水の供給速度（計画値）を設定した。そして、この冷却水供給速度（計画値）にて減尺休風を実施した。ただし、本減尺休風中においても出銑口に出銑口温度計を設置して炉底部の溶銑温度の推定を行い、目標値と溶銑温度低下速度のずれが大きい場合は、冷却水供給速度を計画値から修正するようにした。

図４に、上記比較例と発明例の減尺休風中における、冷却水の供給速度、冷却水の入り出温度差、および溶銑温度の推定値の推移を対比して示す。なお、冷却水供給速度および炉底部の溶銑温度については、発明例における計画値も併せて示した。

同図において、発明例の冷却水供給速度が、実績値と計画値とで一部ずれているのは、炉底部の溶銑温度の推定値から得られた溶銑温度低下速度が計画値より高くなったため、冷却水供給速度を一時高めに修正し、溶銑温度低下速度が計画値とほぼ等しくなったときに冷却水供給速度を計画値に戻したことによるものである。

発明例は、比較例に比べ、冷却水供給速度を一定期間低下させたことにより、その期間の冷却水の入り出の温度差も低下し、両方の低下の効果により冷却水による抜熱速度が低下し、その結果、溶銑温度の低下速度が減少し、休風終了時における溶銑温度は３０℃程度高くなった。

この結果、本発明適用により休風後の立ち上げがより円滑に行えるようになり、休風後の送風再開から定常操業状態に戻るまでの時間が、発明例では、比較例の約６７％へと大幅に短縮された。さらに、休風後の立ち上げ時における低出銑比・高燃料比の期間が短縮されたことにより、通常操業に戻るまでの稼働日平均で、出銑比が約６％増加し、燃料比が約２０％減少するという効果も得られた。

減尺休風時における高炉内の様子を概念的に示す縦断面図である。 本発明の実施に係る出銑口温度計の設置状況を概念的に示す縦断面図である。 本発明の実施に係る炉底温度計の設置状況を概念的に示す縦断面図である。 減尺休風中における、冷却水供給速度、却水入り出温度差、および炉底部の溶銑温度の推移を示すグラフ図である。

Claims (3)

1. 高炉の減尺休風を行うにあたり、
   過去の減尺休風時において、出銑口内に設置した温度計（以下、「出銑口温度計」という。）または炉底耐火物内に設置した温度計（以下、「炉底温度計」という。）を用いて推定した炉底部の溶銑温度の低下速度と、炉底の冷却水による抜熱速度とに基づいて、炉底部の熱収支計算により、炉頂へのドラフトによる抜熱速度を求めておき、
   今回の減尺操業時において、前記炉頂へのドラフトによる抜熱速度を考慮した熱収支計算により、あらかじめ設定した目標の溶銑温度低下速度が得られるような、炉底の冷却水による抜熱速度を求め、この炉底の冷却水による抜熱速度が得られるように炉底の冷却水供給速度を設定することを特徴とする高炉の減尺休風操業方法。
2. 高炉の減尺休風を行うにあたり、
   過去の減尺休風時において、出銑口温度計で測定した出銑口内温度分布または炉底温度計で測定した炉底耐火物内温度分布に基づいて炉底部の溶銑温度を推定し、この溶銑温度の低下速度から求めた溶銑顕熱の減少速度Ｑ_Ｐ１と、炉底の冷却水による抜熱速度Ｑ_Ｗ１とから、炉頂へのドラフトによる抜熱速度Ｑ_Ｄを、炉底部の熱収支に基づく下記式１により求めておき、
   今回の減尺操業時において、あらかじめ設定した目標の溶銑温度低下速度から求めた溶銑顕熱の減少速度Ｑ_Ｐ２と、前記炉頂へのドラフトによる抜熱速度Ｑ_Ｄとから、炉底の冷却水による抜熱速度Ｑ_Ｗ２を炉底部の熱収支に基づく下記式２により求め、この抜熱速度Ｑ_Ｗ２が得られるように炉底の冷却水供給速度を設定することを特徴とする高炉の減尺休風操業方法。
   式１ Ｑ_Ｄ＝Ｑ_Ｐ１−Ｑ_Ｗ１
   式２ Ｑ_Ｗ２＝Ｑ_Ｐ２−Ｑ_Ｄ
3. 今回の減尺操業時においても、出銑口温度計で測定した出銑口内温度分布または炉底温度計で測定した炉底耐火物内温度分布に基づいて炉底部の溶銑温度を推定し、この溶銑温度の低下速度と前記目標の溶銑温度低下速度とを比較しつつ、前記炉底の冷却水供給速度を修正するようにした、請求項２に記載の高炉の減尺休風操業方法。

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