JP5862604B2

JP5862604B2 - 吹き込み用ランスの設計方法

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Publication number: JP5862604B2
Application number: JP2013098640A
Authority: JP
Inventors: 功一 ▲高▼橋; 明紀村尾; 大樹藤原
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2012-07-09
Filing date: 2013-05-08
Publication date: 2016-02-16
Anticipated expiration: 2033-05-08
Also published as: JP2014031571A

Description

本発明は、吹き込み用ランスの設計方法に関する。

近年、高炉におけるコークスの消費を抑えるために、微粉炭を用いた高炉の操業方法が実用化されている。微粉炭を用いた高炉の操業方法では、熱風を高炉内に供給するブローパイプを介して、微粉炭が熱風と共に高炉内へ供給される。このブローパイプには、ブローパイプ内に吹き込むための吹き込み用ランスが設けられ、微粉炭がブローパイプ内を流れる熱風に吹き込まれる構成である。

この微粉炭は、ブローパイプ内および高炉内のレースウェイと呼ばれる燃焼空間で燃焼されることにより、コークスの代替として機能する。しかしながら、高炉内のレースウェイには多量のコークスが存在するので、ブローパイプから吹き込まれた熱風中の酸素濃度は急激に減少する。しかも、ブローパイプ内のガス流速は一般に２００ｍ／秒という極めて高速なので、吹き込まれた微粉炭が熱風中の酸素と反応可能な時間（すなわち微粉炭の燃焼可能な時間）は極めて短く、２０マイクロ秒程度といわれている。よって、微粉炭をコークスの代替として有効活用するためには、この短時間で微粉炭が燃焼される必要がある。しかしながら、微粉炭の吹き込み量を増していくと、微粉炭の燃焼率が低下して、レースウェイに至るまでに微粉炭が燃焼しきれずに、未燃焼の未燃チャーとして高炉内に残留する。

この未燃チャーは、ソルーションロス反応により高炉内で消費される分もあるが、高炉内消費量には限界値が存在するので、消費限界値以上に未燃チャーが発生すると、炉況不安定や生産性低下の原因となる。具体的には、限界値以上の未燃チャーの発生は、未燃チャーがダストとして炉頂から排出されて燃料比の上昇を招き、更には、未燃チャーが炉芯や溶融帯に蓄積すると、炉芯または溶融帯の通気性および通液性を阻害することになる。

そこで、微粉炭の燃焼効率を向上させる方法が多数提案されている。例えば、特許文献１には、微粉炭と共に酸素または酸素富化空気を吹き込み、これらを効率よく接触させることで微粉炭の燃焼率を向上させる方法が記載されている。また、特許文献２には、微粉炭と共に燃焼用ガスを吹き込み、これらを効率よく接触させることで微粉炭の燃焼率を向上させる方法が記載されている。特許文献３には、微粉炭吹き込み用ランスを複数用意し、ブローパイプの上流側から粒子径の小さい微粉炭を吹き込むことで下流から吹き込んだ微粉炭を昇温して燃焼率を向上させる方法が記載されている。特許文献４には、微粉炭を大粒子径と小粒子径に分離し、二重管ランスの中心から大粒子径微粉炭を吹き込み、二重管ランスの周辺部から小粒子径微粉炭を吹き込むことで、小粒子径微粉炭の燃焼膨張を用いて微粉炭の分散を促進して燃焼率を向上させる方法が記載されている。

特開２００９−９７０５１号公報特開２００６−２４１５２６号公報特開平１０−２２６８０６号公報特開平８−３３３６０８号公報

ところで、微粉炭のような粉状物質の燃焼挙動は粒子径によって大きく異なる。つまり、粉状物質では、粒子径が小さいほど燃焼し易く、粒子径が大きいほど燃焼し難い。また、小粒子径の粉状物質の燃焼が大粒子径の粉状物質の燃焼よりも進んでしまうと、小粒子径の粉状物質の燃焼による酸素の消費が大粒子径の微粉炭の燃焼を阻害することから、ますます大粒子径の粉状物質が燃焼し難くなる。したがって、大粒子径の微粉炭ほど未燃チャーとして燃え残ってしまう傾向がある。そこで、未燃チャーの発生を抑制するためには、小粒子径の微粉炭よりも大粒子径の微粉炭の燃焼を強く促進させる必要がある。

しかしながら、従来の微粉炭の燃焼効率を向上させる方法では、小粒子径の微粉炭よりも大粒子径の微粉炭の燃焼を強く促進させる方法は存在していなかった。例えば、特許文献１および特許文献２に記載の方法は、微粉炭の粒子径による燃焼挙動の違いを考慮していないので、小粒子径の微粉炭よりも大粒子径の微粉炭の燃焼を強く促進させることができない。また、特許文献３および特許文献４に記載の方法は、むしろ小粒子径の微粉炭を大粒子径の微粉炭よりも早く燃焼させる方法である。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は、小粒子径の固体還元剤よりも大粒子径の固体還元剤の燃焼を強く促進させる吹き込み用ランスの配置を定める吹き込み用ランスの設計方法を提供することである。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、粉状の固体還元剤をブローパイプに吹き込む一次物質吹き込み用ランスと支燃性物質または易燃性物質を前記ブローパイプに吹き込む二次物質吹き込み用ランスとの前記ブローパイプ内における配置を定める吹き込み用ランスの設計方法であって、前記粉状の固体還元剤の粒子径分布のうち最大粒子径の粒子軌道を計算する一次物質軌道計算ステップと、前記支燃性物質または易燃性物質の供給領域を計算する二次物質領域計算ステップと、前記最大粒子径の粒子軌道と前記支燃性物質または易燃性物質の供給領域とが前記ブローパイプの羽口出口位置において重なるか否かを判定する判定ステップと、前記判定ステップの判定が否である場合に、前記二次物質吹き込み用ランスの位置を再設定する再設定ステップとを含むことを特徴とする。

本発明にかかる吹き込み用ランスの設計方法は、小粒子径の固体還元剤よりも大粒子径の固体還元剤の燃焼を強く促進させるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施形態にかかる吹き込み用ランスの設計方法を適用する高炉の例を示す概略構成図である。図２は、羽口の近傍のブローパイプの断面模式図である。図３は、一次物質吹き込み用ランスからブローパイプ内に吹き込まれた一次物質の粒子軌道を示した模式図である。図４は、小粒子径微粉炭と大粒子径微粉炭との分離幅と、ブローパイプ内の一次物質吹き込み用ランスの取り付け角度の関係を示したグラフである。図５は、本発明の実施形態にかかる吹き込み用ランスの設計方法により実現する一次物質吹き込み用ランスおよび二次物質吹き込み用ランスの配置を示す模式図である。図６は、本発明の実施形態にかかる吹き込み用ランスの設計方法の手順を示すフローチャートである。図７は、本実施例の吹き込み用ランスの設計方法における初期設定を示す模式図である。図８は、二次物質吹き込み用ランスの位置の再設定後の位置関係を示す模式図である。図９は、本実施例の吹き込み用ランスの設計方法の完了後における一次物質の最大粒子径および平均粒子径の粒子軌道を記載した模式図である。図１０は、本発明の効果を示す粒子径が１００μｍの微粉炭の燃焼量のグラフである。

以下に、本発明の実施形態にかかる吹き込み用ランスの設計方法を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態によりこの発明が限定されるものではない。以下に説明する実施形態では、粉状の固体還元剤の例として微粉炭の例を用い、支燃性物質の例として酸素富化空気の例を用いるが、本発明の実施はこれらの例に限られず、例えば、酸素富化空気の代わりに燃焼性ガスや揮発分を多く含む微粉炭などの易燃性物質を用いても、本発明は効果を発揮する。

図１は、本発明の実施形態にかかる吹き込み用ランスの設計方法を適用する高炉の例を示す概略構成図である。図１に示されるように、高炉１は、高炉１の最頂部（炉頂）から鉄鉱石２とコークス３とを交互に層を成すように装入し、高炉１の下部に設けられた羽口４から熱風を送入することにより、コークス３を燃焼させる構成の炉である。

高炉１の内部において、交互に層を成すように装入された鉄鉱石２およびコークス３は、ゆっくりと下降しながら反応し、高炉１の炉底部に銑鉄５とスラグ６とに分離される。この高炉１の内部において、特徴的な領域が溶融帯７および炉心８である。溶融帯７とは、鉄鉱石２が半分溶けた状態で互いに融着しあった状態となる領域であり、炉心８は、コークス３が長期間静止した状態となる領域である。これら溶融帯７および炉心８は、高炉１の反応において重要な役割を果たし、この溶融帯７および炉心８に先述の未燃チャーが蓄積してしまうと炉況不安定および生産性低下の原因となる。

羽口４は、ブローパイプ９から送入される熱風を高炉１の内部へ導く送入口である。ブローパイプ９の途中には、吹き込み用ランス１０が設けられ、吹き込み用ランス１０により、熱風中に微粉炭が投入される。また、高炉１の内部における羽口４の接続領域は、レースウェイ１１と呼ばれる燃焼空間である。

図２は、羽口４の近傍のブローパイプ９の断面模式図である。図２に示されるように、本発明の実施形態にかかる吹き込み用ランスは、一次物質吹き込み用ランス１０ａと二次物質吹き込み用ランス１０ｂとを有する。一次物質吹き込み用ランス１０ａおよび二次物質吹き込み用ランス１０ｂは、羽口４に連接されたブローパイプ９の周壁を斜めに貫通させて設けられている。

一次物質吹き込み用ランス１０ａは、粉状の固体還元剤として微粉炭を搬送気体に載せてブローパイプ９内に吹き込むためのランスである。一方、二次物質吹き込み用ランス１０ｂは、支燃性物質として酸素富化空気をブローパイプ９内に吹き込むためのランスである。以下、簡単のため、一次物質吹き込み用ランス１０ａから吹き込まれる粉状の固体還元剤を単に一次物質と記載し、二次物質吹き込み用ランス１０ｂから吹き込まれる支燃性物質または易燃性物質を単に二次物質と記載する。

〔ランスの配置〕
以下、一次物質吹き込み用ランス１０ａと二次物質吹き込み用ランス１０ｂとの最適な配置について説明する。

図３は、一次物質吹き込み用ランス１０ａからブローパイプ９内に吹き込まれた一次物質の粒子軌道を示した模式図である。図３に示されるように、一次物質吹き込み用ランス１０ａから吹き込まれた一次物質は、噴出された直後において、初速度ｖ_ｐ０が一次物質の搬送気体の噴出速度に一致し、時間の経過と共に、ブローパイプ９の内部を流れる主流ガス（熱風）の流速Ｖに近づく。

一次物質吹き込み用ランス１０ａから噴出された一次物質の粒子軌道の算出方法はさまざまな方法があり、どの方法を用いてもよい。簡便な方法としては、ブローパイプ内のガス流れを単純な一様流速であると仮定し、下記式（１）より時間ｔの関数として流体中の粒子軌道を求める方法がある。なお、図３に示された一次物質の粒子軌道は、下記式（１）により算出された粒子軌道を表している。

ここで、τは、緩和時間と呼ばれる定数であり、微粉炭粒子密度ρ_p、微粉炭粒子径d_p、および、ブローパイプ９内の気体の粘性係数μにより定まる。

なお、上記式（１）による計算以外にも、詳細な粒子軌道を計算する方法として、数値流体解析を用いて粒子軌道を計算する方法がある。数値流体解析には、例えばＡＮＳＹＳＦＬＵＥＮＴなどの汎用流体解析ソフトを用いることができる。

ところで、高炉１へ吹き込まれる一次物質である微粉炭は、一定の粒子径ではなく、粒子径分布を有する。したがって、微粉炭をブローパイプ９内へ吹き込むと、小粒子径微粉炭と大粒子径微粉炭とで異なった挙動を示す。このことは、上記式（１）からも読み取れる。

図４は、代表的な微粉炭の粒子径分布および代表的な高炉１のブローパイプ９における分離幅と、ブローパイプ９内の一次物質吹き込み用ランス１０ａの取り付け角度の関係を示したグラフである。ここでは、粒子径分布をもつ微粉炭に対して最大粒子径微粉炭の粒子軌道と平均粒子径微粉炭の粒子軌道との羽口位置に置ける距離を分離幅と定義する。

図４に示されたグラフでは、代表的な微粉炭の粒子径分布として、最大粒子径が１００μｍかつ平均粒子径が５０μｍである粒子径分布が用いられ、代表的な高炉１のブローパイプ９として、ブローパイプ９内の主流流速が２００ｍ／ｓであるものが用いられている。また、図４に示されたグラフでは、一次物質吹き込み用ランス１０ａから吹き込まれる微粉炭の初速度が５ｍ／ｓ、１０ｍ／ｓ、２０ｍ／ｓ、３０ｍ／ｓ、および４０ｍ／ｓの場合について、分離幅と一次物質吹き込み用ランス１０ａの取り付け角度の関係が記載されている。

図４に示されたグラフより読み取れるように、一次物質吹き込み用ランス１０ａの取り付け角度が３０°〜９０°かつ微粉炭の初速度が１０ｍ／ｓ以上の場合、微粉炭の分離幅が１０ｍｍ以上確保される。一般に高炉１に用いる吹き込み用ランスから吹き込まれる二次物質の供給領域は１０〜２０ｍｍ程度の幅となる。二次吹き込み物質を平均粒子径以下の小粒径微粉炭に消費されることなく最大粒子径の微粉炭に供給するためには、微粉炭の分離幅が二次吹き込み物質の供給領域の幅に対して１／２以上とすることが好ましい。したがって、一次物質吹き込み用ランス１０ａの取り付け角度が３０°〜９０°かつ微粉炭の初速度が１０ｍ／ｓ以上の場合、微粉炭の分離幅を１０ｍｍ以上確保できるので、十分に大粒子径微粉炭と小粒子径微粉炭とを分離することができることが解る。

ところで、小粒子径の微粉炭は体積に対する表面積が大きく昇温が早いため燃焼反応が早い。また小粒子径の微粉炭は乱流分散効果を受けやすいので、ブローパイプ９内で効率よく分散され、ブローパイプ９内の広範囲における酸素を効率よく使うことが出来る。

一方、大粒子径の微粉炭は、体積に対する表面積が小さく昇温も遅いので、燃焼が遅い。大粒子径の微粉炭が燃焼可能な温度まで昇温されたころには既に小粒子径微粉炭により酸素を消費されているため、酸素欠乏で燃焼効率が悪化する。さらに、大粒子径の微粉炭は乱流による分散効果をあまり受けないので、微粉炭の吹き込み初速度とブローパイプ９の主流ガスで決まる粒子軌道上に高密度で存在することになり、粒子軌道上はさらに厳しい酸素欠乏状態となる。

そこで、本発明の実施形態にかかる吹き込み用ランスの設計方法では、上述の大粒子径微粉炭と小粒子径微粉炭とがブローパイプ９内で分離する現象を用いて、酸素富化ガス、燃焼性ガス、または揮発分の多く含まれる二次微粉炭などの支燃性物質または易燃性物質である二次吹き込み物質を大粒子径微粉炭の粒子軌道に供給する吹き込み用ランスの配置を実現する。

図５は、本発明の実施形態にかかる吹き込み用ランスの設計方法により実現される一次物質吹き込み用ランス１０ａおよび二次物質吹き込み用ランス１０ｂの配置を示す模式図である。図５に示されるように、本発明の実施形態にかかる吹き込み用ランスの設計方法により実現する一次物質吹き込み用ランス１０ａおよび二次物質吹き込み用ランス１０ｂの配置では、一次物質吹き込み用ランス１０ａにより吹き込まれた一次物質は、粒子径分布にしたがってブローパイプ９内で分離され、二次物質吹き込み用ランス１０ｂにより支燃性物質または易燃性物質が大粒子径の粒子軌道に供給される。つまり、図５に示される一次物質吹き込み用ランス１０ａおよび二次物質吹き込み用ランス１０ｂの配置は、小粒子径よりも大粒子径の一次物質の燃焼が強く促進される配置である。

したがって、本発明の実施形態にかかる吹き込み用ランスの設計方法により実現される一次物質吹き込み用ランス１０ａおよび二次物質吹き込み用ランス１０ｂを用いれば、従来よりも粒子径の大きい微粉炭を多く利用することができる。そして、従来よりも粒子径の大きい微粉炭を多く利用することにより、微粉炭の粉砕コストを低減することができる。

微粉炭は、粉砕工程にて吹き込みに適した粒子径に粉砕される。一方、微粉炭は、炭種ごとに粉砕性が異なる。ハードグローブ指数（ＨＧＩ）の大きな炭種は粉砕が容易なので、粒子径の小さい微粉炭を容易に製造可能であるが、ハードグローブ指数（ＨＧＩ）の小さな炭種は、粒子径の小さい微粉炭を製造することが困難である。

そこで、本発明の実施形態にかかる吹き込み用ランスの設計方法により実現される一次物質吹き込み用ランス１０ａおよび二次物質吹き込み用ランス１０ｂによれば、小粒子径よりも大粒子径の微粉炭の燃焼が強く促進されるので、ハードグローブ指数（ＨＧＩ）の小さな炭種を小さく粉砕せずに利用可能である。

〔設計方法〕
以下、上記のように小粒子径よりも大粒子径の一次物質の燃焼が強く促進される配置を実現するための吹き込み用ランスの設計方法について、具体的に説明する。

図６は、本発明の実施形態にかかる吹き込み用ランスの設計方法の手順を示すフローチャートである。なお、以下に説明する本発明の実施形態にかかる吹き込み用ランスの設計方法の各ステップは、吹き込み用ランスの設計技術者によって実行されることも可能であり、また、汎用計算機上のプログラムによって実行されることも可能である。また、以下の説明では、図１および図２に示された高炉１およびブローパイプ９などの構成要素が参照されるが、本発明の実施形態にかかる吹き込み用ランスの設計方法は、これらの構成要素の形状等によって限定されるものではない。

図６に示されるように、本発明の実施形態にかかる吹き込み用ランスの設計方法では、初めに、一次物質吹き込み用ランス１０ａの位置および取り付け角度の取得が行われる（ステップＳ１）。さらに、一次物質吹き込み用ランス１０ａが取り付けられた高炉１の操業条件の取得が行われる（ステップＳ２）。具体的には、ブローパイプ９内の主流ガスの流速、一次物質吹き込み用ランス１０ａから吹き込まれる一次物質の初速度、一次物質吹き込み用ランス１０ａから吹き込まれる一次物質の最大粒子径、および、一次物質吹き込み用ランス１０ａから羽口４までの相対的位置を取得する。なお、一次物質吹き込み用ランス１０ａから吹き込まれる一次物質の初速度の代わりに、一次物質吹き込み用ランス１０ａの吹き出し口における搬送ガスの速度を用いることも可能である。

次に、本発明の実施形態にかかる吹き込み用ランスの設計方法では、一次物質吹き込み用ランス１０ａから吹き込まれる一次物質のなかで最大粒子径の粒子の軌道計算が行われる（ステップＳ３）。この軌道計算には、先述の式（１）を用いた計算方法、または例えばＡＮＳＹＳＦＬＵＥＮＴなどの汎用流体解析ソフトを用いた数値流体解析が利用される。

その後、本発明の実施形態にかかる吹き込み用ランスの設計方法では、二次物質吹き込み用ランス１０ｂの初期位置が決定される（ステップＳ４）。この初期位置とは、最適な二次物質吹き込み用ランス１０ｂの位置を探索するための初期位置であり、ブローパイプ９内の任意の位置を選択することができる。一方、最適な二次物質吹き込み用ランス１０ｂの位置の周辺を事前に絞り込むことができる場合、その事前に絞り込まれた位置を初期位置に設定すれば、最適な二次物質吹き込み用ランス１０ｂの位置の探索時間を短縮することができる。

次に、二次物質吹き込み用ランス１０ｂから吹き込まれる二次物質の供給領域が計算される（ステップＳ５）。ここで、二次物質は、二次物質吹き込み用ランス１０ｂの吹き出し口からおおよそブローパイプ９の主流ガスと同じ方向に流れていく。厳密には二次吹き込み物質の拡散効果や初速度の影響もあるが、簡易的には二次物質の供給領域は、おおよそ二次物質吹き込み用ランス１０ｂの噴出し口をブローパイプ９の主流ガスの流れる方向へ引き伸ばした領域と考えることができる。より詳細な二次物質供給領域を算出する場合、例えばＡＮＳＹＳＦＬＵＥＮＴなどの汎用流体解析ソフトを用いた数値流体解析が利用される。

その後、ステップＳ３の一次物質の最大粒子径の粒子の軌道計算とステップＳ５の二次物質の供給領域の計算とに基づき、一次物質の最大粒子径の粒子の軌道と二次物質の供給領域とが、ブローパイプ９の羽口位置で重なるか否かが判定される（ステップＳ６）。一次物質の最大粒子径の粒子の軌道と二次物質の供給領域とが重なる場合（ステップＳ６；Ｙｅｓ）、二次物質吹き込み用ランス１０ｂの配置が完了である。一方、一次物質の最大粒子径の粒子の軌道と二次物質の供給領域とが重ならない場合（ステップＳ６；Ｎｏ）、二次物質吹き込み用ランス１０ｂの位置を再設定して、ステップＳ５へ戻り、最適な二次物質吹き込み用ランス１０ｂの位置の探索を継続する（ステップＳ７）。

なお、一次物質吹き込み用ランス１０ａの吹き出し口と二次物質吹き込み用ランス１０ｂの吹き出し口との位置関係は、ブローパイプ９における主流ガスに関する上流-下流に対して同じ位置としてもよいし、一方を上流、他方を下流としても良い。また、一次物質吹き込み用ランス１０ａの吹き出し口が二次物質吹き込み用ランス１０ｂの吹き出し口よりも上流となる場合、一次物質吹き込み用ランス１０ａから吹き込まれた一次物質が二次物質吹き込み用ランス１０ｂに衝突して磨耗する懸念があるので、一次物質の粒子軌道が二次物質吹き込み用ランス１０ｂの位置と重ならないように配置することが好ましい。

また、一次物質の最大粒子径の粒子軌道と二次物質の供給領域とが重なってさえいれば、本発明の実施形態にかかる吹き込み用ランスの設計方法の効果が発揮されるが、二次物質の濃度が最も高い位置と一次物質の最大粒子径の粒子軌道とが羽口位置において一致していることがさらに好ましい。簡易的には、二次物質の濃度が最も高い場所は、例えば二次物質吹き込み用ランス１０ｂの中心を通りブローパイプ９の主流方向に平行な直線が羽口の出口面と交差する位置として算出することができる。また、ＡＮＳＹＳＦＬＵＥＮＴなどの汎用流体解析ソフトを用いた数値流体解析を利用すれば、より正確に二次物質の濃度が最も高い場所を算出することができる。

また、大粒子径の微粉炭と小粒子径の微粉炭が同じ位置で燃焼してしまうと、燃焼の早い小粒子径の微粉炭が酸素を先に消費してしまうので、大粒子径の微粉炭の燃焼効率を阻害してしまう。一方、図４に示されたグラフにて検討したように、一次微粉炭の分離幅は一次物質吹き込み用ランス１０ａの角度および一次微粉炭の吹き込み初速度に大きく依存し、一次物質吹き込み用ランス１０ａの取り付け角度が３０°〜９０°かつ微粉炭の初速度が１０ｍ／ｓ以上の場合、十分に大粒子径微粉炭と小粒子径微粉炭とを分離することができることが示されている。そこで、上記本発明の実施形態にかかる吹き込み用ランスの設計方法のステップＳ１およびステップＳ２では、一次物質吹き込み用ランス１０ａの取り付け角度が３０°〜９０°かつ微粉炭の初速度が１０ｍ／ｓ以上となるように設定することが好ましい。

〔実施例〕
次に、上記説明した本発明の実施形態にかかる吹き込み用ランスの設計方法に従い、高炉１に微粉炭を吹き込むための吹き込み用ランスの設計方法の実施例を説明する。なお、以下の説明では、理解を容易にするために、図１および図２に示された高炉１およびブローパイプ９などの構成要素および図６に示された吹き込み用ランスの設計方法の手順を示すフローチャートを参照しながら実施例を説明する。

図７は、本実施例の吹き込み用ランスの設計方法における初期設定を示す模式図である。図７では、構成要素間の位置関係が容易に理解できるようにブローパイプ９内に座標平面を設定して一次物質吹き込み用ランス１０ａおよび二次物質吹き込み用ランス１０ｂの位置を記載している。なお、図７に示される座標平面は、ブローパイプ９の大きさを規定するものではなく、ブローパイプ９内の一部の領域を切り抜いて座標を設定したものである。

本発明の実施形態にかかる吹き込み用ランスの設計方法では、初めに、一次物質吹き込み用ランス１０ａの位置および取り付け角度の取得が行われる（ステップＳ１）。したがって、図７に示されるように、本実施例では、一次物質として微粉炭を吹き込む一次物質吹き込み用ランス１０ａがブローパイプ９の下側かつ羽口出口位置から１５０ｍｍ上流側の位置に配置されているので、この位置が取得される。また、一次物質吹き込み用ランス１０ａの取り付け角度は４５°である。

以降、説明を容易にするため、一次物質吹き込み用ランス１０ａの先端を座標平面の原点とし、ブローパイプ９における主流ガスの流れる方向をｘ軸の正方向とし、ブローパイプ９の断面において一次物質吹き込み用ランス１０ａから遠ざかる方向をｙ軸の正方向とする。

次に、本発明の実施形態にかかる吹き込み用ランスの設計方法では、高炉１の操業条件の取得が行われる（ステップＳ２）。本実施例における操業条件は、ブローパイプ９内を流れる主流ガスの流速が２００ｍ／ｓであり、主流ガスの密度が０．９４ｋｇ／ｍ^３であり、粘性係数が５．６×１０^−５Ｐａ・ｓである。一次物質としての微粉炭の粒子密度は、１５００ｋｇ／ｍ^３であり、最大粒子径は１００μｍである。また、微粉炭吹き込み初速度は、一次物質吹き込み用ランス１０ａの搬送ガスの流速と同じと仮定し、１０ｍ／ｓとする。

次に、本発明の実施形態にかかる吹き込み用ランスの設計方法では、一次物質吹き込み用ランス１０ａから吹き込まれる一次物質のなかで最大粒子径の粒子の軌道計算が行われる（ステップＳ３）。すなわち、本実施例では、一次物質吹き込み用ランス１０ａから吹き込まれる粒子径が１００μｍの微粉炭の軌道計算が行われる。この軌道計算には、先述の式（１）を用いた計算方法、または例えばＡＮＳＹＳＦＬＵＥＮＴなどの汎用流体解析ソフトを用いた数値流体解析が利用される。図７には、この軌道計算による粒子径１００μｍの微粉炭の軌道が実線により記されている。

そして、本発明の実施形態にかかる吹き込み用ランスの設計方法では、二次物質吹き込み用ランス１０ｂの初期位置が決定される（ステップＳ４）。本実施例では、二次物質吹き込み用ランス１０ｂがブローパイプ９の図中上側壁面からブローパイプ９の主流方向に対して４５°の角度で取り付け、二次物質吹き込み用ランス１０ｂの先端位置が、一次物質吹き込み用ランス１０ａの先端位置から１５ｍｍ上方の位置となるように初期位置を設定した。

以上のような条件の下で、二次物質吹き込み用ランス１０ｂから吹き込まれる二次物質の供給領域が計算される（ステップＳ５）。簡易的には二次物質の供給領域は、おおよそ二次物質吹き込み用ランス１０ｂの噴出し口をブローパイプ９の主流ガスの流れる方向へ引き伸ばした領域と考えることができる。図７において、本実施例における二次物質の供給領域は、斜線の領域によって記されている。

図７に示されるように、本実施例の吹き込み用ランスの設計方法における初期設定では、一次物質の最大粒子径の粒子の軌道と二次物質の供給領域とが重ならない（ステップＳ６；Ｎｏ）。したがって、二次物質吹き込み用ランス１０ｂの位置を再設定する必要がある（ステップＳ７）。

図８は、二次物質吹き込み用ランス１０ｂの位置の再設定後の位置関係を示す模式図である。本実施例の吹き込み用ランスの設計方法では、二次物質吹き込み用ランス１０ｂの位置の再設定は、二次物質吹き込み用ランス１０ｂの位置を上方に１０ｍｍ移動させることにより設定するものとした。

図８に示されるように、二次物質吹き込み用ランス１０ｂの位置の再設定後は、一次物質の最大粒子径の粒子の軌道と二次物質の供給領域とが重なっている（ステップＳ６；Ｙｅｓ）。つまり、本実施例の吹き込み用ランスの設計方法は完了したこととなる。したがって、図８には、本実施例の吹き込み用ランスの設計方法による一次物質吹き込み用ランス１０ａおよび二次物質吹き込み用ランス１０ｂの位置関係が示されている。

図９は、本実施例の吹き込み用ランスの設計方法の完了後における一次物質の最大粒子径および平均粒子径の粒子軌道を記載した模式図である。図９に示されるように、本実施例の吹き込み用ランスの設計方法では、最大粒子径（粒子径が１００μｍ）の微粉炭の粒子軌道と平均粒子径（粒子径が５０μｍ）の微粉炭の粒子軌道とは、ブローパイプ９の羽口出口位置において１０ｍｍ以上分離している。したがって、本実施例の吹き込み用ランスの設計方法によれば、最大粒子径（粒子径が１００μｍ）の微粉炭の粒子軌道は二次物質の供給領域に重なっているが、平均粒子径（粒子径が５０μｍ）の微粉炭の粒子軌道は二次物質の供給領域に重なっていない。すなわち、小粒子径の微粉炭よりも大粒子径の微粉炭の方がより多くの酸素が供給され、小粒子径の微粉炭よりも大粒子径の微粉炭の方がより強く燃焼が促進される。

図１０は、本発明の効果を示す粒子径が１００μｍの微粉炭の燃焼量のグラフである。図１０に示される燃焼量のグラフは、上記実施例おけるステップＳ４の初期設定配置を比較例として、上記実施例おけるステップＳ７の再設定後を実施例としたものである。すなわち、図１０に示される比較例は、一次物質吹き込み用ランス１０ａの先端位置から１５ｍｍ上方の位置に二次物質吹き込み用ランス１０ｂの先端位置を配置した場合の微粉炭の燃焼量を示している。また、図１０に示される実施例は、一次物質吹き込み用ランス１０ａの先端位置から２５ｍｍ上方の位置に二次物質吹き込み用ランス１０ｂの先端位置を配置した場合の微粉炭の燃焼量を示している。

なお、微粉炭の燃焼量は、一次物質吹き込み用ランス１０ａの先端位置から高炉１内部方向へ１ｍの位置における燃焼量である。一次ランス１０ａの先端位置から１ｍの位置とは、高炉１内のレースウェイ１１の中心に相当する位置である。

図１０に示されるグラフから読み取れるように、本発明を適用した実施例は、比較例に対して１．６倍の燃焼量となった。つまり、本発明を適用して一次物質吹き込み用ランス１０ａと二次物質吹き込み用ランス１０ｂとの位置関係を設計した場合、顕著な燃焼促進効果があることが確認できた。

なお、本実施例では、二次物質として酸素富化空気を用いたが、酸素富化空気の代わりに燃焼性ガスや揮発分を多く含む微粉炭を用いた場合でも本実施例と同様の吹き込み用ランスの設計方法が実施可能である。

以上より、本発明の実施形態にかかる吹き込み用ランスの設計方法は、微粉炭をブローパイプ９に吹き込む一次物質吹き込み用ランス１０ａと酸素富化空気をブローパイプ９に吹き込む二次物質吹き込み用ランス１０ｂとのブローパイプ９内における配置を定める吹き込み用ランスの設計方法であって、微粉炭の粒子径分布のうち最大粒子径の粒子軌道を計算する一次物質軌道計算ステップと、酸素富化空気の供給領域を計算する二次物質領域計算ステップと、微粉炭の最大粒子径の粒子軌道と酸素富化空気の供給領域とが前記ブローパイプ９の羽口出口位置において重なるか否かを判定する判定ステップと、判定ステップの判定が否である場合に、二次物質吹き込み用ランス１０ｂの位置を再設定する再設定ステップとを含むので、小粒子径の微粉炭よりも大粒子径の微粉炭の燃焼を強く促進させる吹き込み用ランスの配置を定めることができる。

また、本発明の実施形態にかかる吹き込み用ランスの設計方法の判定ステップは、酸素富化空気の供給領域のうち、酸素富化空気の濃度が最も高い位置が、微粉炭の最大粒子径の粒子軌道と重なるか否かを判定するので、より強く大粒子径の微粉炭の燃焼を促進させることができる。

さらに、本発明の実施形態にかかる一次物質吹き込み用ランス１０ａの取り付け角度は、ブローパイプ９の主流ガスの流れる方向とのなす角が３０°〜９０°であり、かつ微粉炭が吹き込まれる際の初速度が１０ｍ／ｓ以上であるので、最大粒子径の微粉炭と平均粒子径の微粉炭の分離幅を１０ｍｍ以上確保でき、小粒子径の微粉炭の燃焼が促進されることなく、大粒子径の微粉炭の燃焼を促進させることができる。

１高炉
２鉄鉱石
３コークス
４羽口
５銑鉄
６スラグ
７溶融帯
８炉心
９ブローパイプ
１０吹き込み用ランス
１０ａ一次物質吹き込み用ランス
１０ｂ二次物質吹き込み用ランス

Claims

粉状の固体還元剤をブローパイプに吹き込む一次物質吹き込み用ランスと支燃性物質または易燃性物質を前記ブローパイプに吹き込む二次物質吹き込み用ランスとの前記ブローパイプ内における配置を定める吹き込み用ランスの設計方法であって、
前記粉状の固体還元剤の粒子径分布のうち最大粒子径の粒子軌道を計算する一次物質軌道計算ステップと、
前記支燃性物質または易燃性物質の供給領域を計算する二次物質領域計算ステップと、
前記最大粒子径の粒子軌道と前記支燃性物質または易燃性物質の供給領域とが前記ブローパイプの羽口出口位置において重なるか否かを判定する判定ステップと、
前記判定ステップの判定が否である場合に、前記二次物質吹き込み用ランスの位置を再設定する再設定ステップと、
を含むことを特徴とする吹き込み用ランスの設計方法。
前記判定ステップは、前記支燃性物質または易燃性物質の供給領域のうち、前記支燃性物質または易燃性物質の濃度が最も高い位置が、前記最大粒子径の粒子軌道と重なるか否かを判定することを特徴とする請求項１に記載の吹き込み用ランスの設計方法。
前記一次物質吹き込み用ランスの取り付け角度は、前記ブローパイプの主流ガスの流れる方向とのなす角が３０°〜９０°であり、かつ前記粉状の固体還元剤が吹き込まれる際の初速度が１０ｍ／ｓ以上であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の吹き込み用ランスの設計方法。