JP6003535B2 - 高炉操業方法及び高炉羽口ランス - Google Patents

Description

本発明は、高炉操業方法及び高炉羽口ランスに関する。

高炉操業においては、高炉羽口ランスから、微粉炭（以下、ＰＣと略す）を還元材として吹き込んでいる。また、ＰＣの燃焼性を向上させるために、高炉羽口ランスから、ＰＣと共に、酸素と都市ガス（ＬＮＧ）を高炉内に吹き込んでいる。

特許文献１には、羽口から燃料を吹き込むためのランスを三重管とし、三重管ランスの最も内側を内管ランス、最も内側の管と内側から二番目の管の間を中管ランス、内側から二番目の管と最も外側の管の間を外管ランスとし、内管ランス、中間ランス、外管ランスの夫々から、固体燃料、易燃性燃料、支燃性ガスの一種類ずつを吹き込むことが開示されている。

特開２０１１−１７４１７１号公報

高炉羽口ランスは、ＰＣ、ＬＮＧ、酸素を輸送する流路に加え、高炉羽口ランスを冷却するための冷却水を循環させるための流路を設ける必要がある。ここで、高炉羽口ランスは、送風管のランス用ガイド管に挿入されるため、高炉羽口ランスの外径は、送風管のランス用ガイド管の内径以下にしなければならない。

ＰＣ、ＬＮＧ、酸素に加えて、冷却水を流す流路を高炉羽口ランスに設ければ、ランス外径（ランス断面積）が増加し、高炉羽口ランスを挿入する送風管を変更しなければならない。しかしながら、送風管の変更には多額の投資が必要となる。そのため、ランス外径（ランス断面積）を増加させずに、ＰＣ、ＬＮＧといった燃料や、酸素、冷却水の流路が設けられた高炉羽口ランスを用いて高炉操業を行うことが望まれる。

しかしながら、特許文献１の高炉操業方法では、羽口から燃料を吹き込むための高炉羽口ランスを多重管としているため、高炉羽口ランスの断面積が大きくなり、送風管を変更しなければならないという問題がある。

本発明は、このような問題点に対してなされたものであり、高炉羽口ランスの断面積を増加させずに、それぞれの流路から、燃料、酸素、冷却水を別々に高炉に吹き込むことができる羽口ランスを用いた高炉操業方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記のような目的を達成するためになされたものであり、以下のような特徴を有している。
［１］中実材内に、長手方向に延びる２以上の管状孔が形成された第１管を有する高炉羽口ランスを用いて、前記管状孔のそれぞれから異なる燃料を高炉の羽口に吹き込む高炉操業方法。
［２］前記高炉羽口ランスは、前記管状孔と平行に延び、炉内方向へ向かう冷却水の流路となる第１冷却水路と、
前記第１冷却水路と連結部において連結され、前記第１冷却水路によって前記炉内方向へ流れた冷却水を、前記連結部から流入させて前記炉内方向と逆方向に冷却水を戻す第２冷却水路を備え、
前記第１冷却水路及び前記第２冷却水路のうち少なくとも一方は、前記管状孔に平行に延びる冷却水用管状孔として前記第１管に形成されていることを特徴とする［１］に記載の高炉操業方法。
［３］前記高炉羽口ランスは、前記第１管の外周に第２管を備え、
前記第１冷却水路又は前記第２冷却水路は、前記第１管と前記第２管の間の空間によって構成されていることを特徴とする［２］に記載の高炉操業方法。
［４］前記高炉羽口ランスは、前記第２管の外周に第３管を備え、
前記第１冷却水路は、前記第１管と前記第２管の間の空間によって構成され、
前記第２冷却水路は、前記第２管と前記第３管の間の空間によって構成されることを特徴とする［１］に記載の高炉操業方法。
［５］前記管状孔は、固体燃料の流路となる第１管状孔と、気体燃料の流路となる第２管状孔を備え、
前記第１管状孔は、前記第２管状孔よりも上方に配置されていることを特徴とする［１］乃至［４］のうちいずれかに記載の高炉操業方法。
［６］中実材内に、長手方向に延びる２以上の管状孔が形成された第１管を有することを特徴とする高炉羽口ランス。
［７］前記高炉羽口ランスは、前記第１管の外周に第２管を備え、
前記第１管と前記第２管の間には、空間が形成されていることを特徴とする［６］に記載の高炉羽口ランス。
［８］前記高炉羽口ランスは、前記第２管の外周に第３管を備え、
前記第２管と前記第３管の間には、空間が形成されていることを特徴とする［７］に記載の高炉羽口ランス。

本発明によれば、高炉羽口ランスの断面積を増加させずに、異なる固体及び気体燃料をそれぞれ羽口に吹き込むことができる。

本発明に係る高炉操業方法で用いられる高炉羽口ランスが設置される高炉羽口付近を示す図である。 （ａ）は、本発明の実施の形態１に係る高炉操業方法で用いられる高炉羽口ランス３の長さ方向の断面を示す図であり、（ｂ）は、本発明の実施の形態１に係る高炉操業方法で用いられる高炉羽口ランス３の径方向の断面を示す図であり、（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 本発明の実施の形態２に係る高炉操業方法で用いられる高炉羽口ランスの径方向の断面を示す図である。 本発明の実施の形態３に係る高炉操業方法で用いられる高炉羽口ランスの径方向の断面を示す図である。 実施例１における評価実験の様子を示した模式図である。 実施例１における評価実験で用いたランスの構成を示す断面図である。 実施例１における評価実験において、ランス先端からの距離と温度の関係を示す図である。 燃焼温度の高かった比較例２、本発明例１乃至３に係るランスから吹き込まれる固体及び気体燃料の流れを模式的に示した図である。

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。

［実施の形態１］
図１は、本発明に係る高炉操業方法で用いられる高炉羽口ランスが設置される高炉の羽口付近を示す図である。高炉１の羽口２には、熱風を送るための送風管（ブローパイプ）５が接続されている。送風管５の先端の途中には、高炉羽口ランス３が挿入されている。

図２（ａ）は、本発明の実施の形態１に係る高炉操業方法で用いられる高炉羽口ランス３の長さ方向の断面図である。図２（ａ）では、紙面左側が炉芯方向である。また、図２（ｂ）は、本発明の実施の形態１に係る高炉操業方法で用いられる高炉羽口ランス３の径方向の断面図であり、図２（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、高炉羽口ランス３は、２重管により構成されている。２重管を構成する内側の管を第１管３１、外側の管を第２管３２とする。内側の第１管３１は、中実材に、長手方向に平行に伸びる４つの管状孔３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄが形成されている。管状孔３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄの断面は全て円である。それぞれの管状孔３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄの円の径は、管状孔３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄを流路とする流体に応じて異なる大きさに形成されている。

４つの管状孔のうち、管状孔３１ａ、３１ｂ、３１ｃは、長手方向の炉芯側の端部まで貫通している。管状孔３１ａ、３１ｂ、３１ｃには、異なる固体又は気体燃料が流れる。一方、管状孔３１ｄは、図２（ａ）に示すように、長手方向の羽口側端部まで貫通せず、先端が途中で塞がれている。管状孔３１ｄには、冷却水が流れる。第１管３１の管状孔３１ｄは、一部に第２管３２に開口した連結部が形成されている。この連結部から、管状孔３１ｄの冷却水が、矢印の方向に（第１管３１と第２管３２の間へ）流れる。第１管３１の外周には、所定の隙間を介して第２管３２が設けられている。第２管３２は、図２（ａ）に示すように、長手方向の途中まで形成されており、炉芯側の先端部が塞がれている。

図２（ｂ）では、４つの管状孔３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄは、第１管３１の円周方向に均等に配置されている。具体的には、管状孔３１ａは、第１管３１の紙面上方に形成され、管状孔３１ｂは、第１管３１の紙面右側に形成され、管状孔３１ｃは、第１管３１の紙面左側に形成され、管状孔３１ｄは、第１管３１の下方に形成されている。

管状孔３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄのそれぞれは、高炉に吹き込まれる気体又は固体燃料の流路となっている。管状孔３１ａは、ＰＣの流路となり、管状孔３１ｂは、酸素の流路となり、管状孔３１ｃは、ＬＮＧの流路となり、管状孔３１ｄは、冷却水の流路となっている。なお、ＰＣについては、圧縮空気等のキャリアガスによって、管状孔３１ａから羽口に送られる。

ここで、ＰＣの流路となる管状孔３１ａは、図２（ｂ）に示すように、気体燃料であるＬＮＧや酸素の流路となる管状孔３１ｂ、３１ｃよりも上方に配置することが好ましい。固体燃料であるＰＣは、羽口から噴き出されると、ＬＮＧや酸素よりも比重が重いため、慣性力によって下方に向かって流れる。そのため、ＰＣを、ＬＮＧや酸素の上方から噴射させることで、ＰＣとＬＮＧや酸素の接触面積を増やすことができる。

高炉羽口ランス３を冷却する冷却水は、図２（ａ）の管状孔３１ｄを通って炉内方向に流れ、前述した管状孔３１ｄと、第１管３１と第２管３２の間の連結部を通って、炉内方向とは逆方向に向かって第１管３１と第２管３２の間を流れる。そのため、図２（ａ）及び（ｂ）では、炉内方向に流れる冷却水を「冷却水（行）」として示し、炉内方向から逆方向へ戻る冷却水を「冷却水（戻）」として示している。

このように構成された第１管３１は、中実材（中実丸棒）に、長手方向に延びる孔をくりぬいて、４つの管状孔３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄを形成することで製造することができる。そして、第１管３１よりも内径が大きい第２管３２の内側に、第１管３１を挿入することで、図２（ａ）及び（ｂ）に示すような高炉羽口ランス３を製造することができる。なお、第１管３１の製造方法は、中実材に、長手方向に延びる孔をくりぬいて製造するという上記の方法に限られず、長手方向に延びる孔が形成された半円状の中実材を接合して、第１管を構成するようにしてもよい。

次に、このように構成された実施の形態１に係る高炉羽口ランスを用いた高炉操業方法の効果について説明する。図２（ｂ）に示すように、実施の形態１に係る高炉操業方法で使用される高炉羽口ランスは、中実材（丸棒）が長手方向にくりぬかれて管状孔が形成されている。

ここで、高炉羽口ランス３には、所望の燃焼性を確保するために、固体及び気体燃料を所定の圧力で吹き込む必要がある。従来の多重管では、多重管の中心を通るＰＣ以外の燃料が、内側の管と外側の管の間の空間に流れているため、内側及び外側の管との摩擦により圧力損失が高くなる。そのため、従来の多重管では、高い圧力損失に耐えうるよう流路の断面積を大きくする必要があった。

これに対し、本実施の形態１に係る高炉操業方法で用いられる高炉羽口ランス３では、それぞれの管状孔３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄの外周のみが流体に接するため、従来の多重管に対して圧力損失を下げることができ、管状孔３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄの断面積を、従来の多重管に比べて小さくすることができる。そのため、本実施の形態１に係る高炉操業方法では、送風管を変更することなく、管状孔３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄに燃料や冷却水を流すことができる。

本発明は、上記のように、中実材内に、長手方向に延びる２以上の管状孔が形成された第１管を有する高炉羽口ランスを用いることで、高炉羽口ランスの断面を、従来の多重管と比較して削減することができる。

これにより、送風管を変更することなく、ＰＣの吹き込みと同時に酸素とＬＮＧを同時に吹くことができる。この結果、ＰＣの燃焼性を向上させ、ＣＯ_２排出量の削減、コークスバランスの改善、及びコークス還元材費の削減を図ることができる。

また、本実施の形態１に係る高炉羽口ランスは、中実材に管状孔が形成されているため、固体及び気体燃料の流路となる複数の管を組み合わせる必要がなく、複数の管のクリアランスを考慮する必要がない。

なお、上記の説明では、管状孔からそれぞれの固体及び気体燃料を流すとして説明したが、燃焼効率の調整や燃料の価格等に応じて、ＰＣ、酸素、ＬＮＧの割合を変化させたり、酸素、ＬＮＧを間欠的に管状孔から供給するように操業してもよい。

また、管状孔３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄによって輸送する固体及び気体燃料の配置は、任意に設定することができる。具体的には、冷却水（行）の流路及び冷却水（戻）の流路の両方を第１管３１に配してもよく、また、冷却水（戻）の流路を第１管に配し、第１管と第２管の間に冷却水（行）の流路を配してもよい。

なお、上記では、管状孔３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄのそれぞれには、１種類の固体又は気体燃料が流されるとして説明したが、２種類以上の固体又は気体燃料を混合したものをそれぞれの管状孔３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄに流すよう構成してもよい。

また、第１管３１は、中実丸棒に管状孔が形成された構成として説明していたが、第１管は、中実材に管状孔が形成されていれば、丸棒に限らず、断面が四角や楕円などの形状であってもよい。

［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２に係る高炉操業方法について説明する。図３は、本発明の実施の形態２に係る高炉操業方法で用いられる高炉羽口ランスの径方向の断面を示す図である。発明の実施１に係る高炉操業方法で用いられる高炉羽口ランスでは、第１管３１と第２管３２により高炉羽口ランス３が構成されていたが、実施の形態２では、図３に示すように、第１管４１と第２管４２、及び第３管４３により高炉羽口ランス４が構成されている。

第１管４１は、最も内側の管であり、管状孔４１ａ、４１ｂ、４１ｃが形成されている。第２管４２は、第１管４１の外径よりも大きな内径を有しており、内部に隙間を介して第１管４１を収容している。第３管４３は、第２管４２の外径よりも大きな内径を有しており、内部に隙間を介して第２管４２を収容している。管状孔４１ａには、ＰＣが流れている。管状孔４１ｂには、酸素が流れている。管状孔４１ｃには、ＬＮＧが流れている。

第１管４１の外周と第２管４２の内周に囲まれた空間には、炉芯方向に搬送される冷却水（冷却水（行））が流れる。第２管４２の外周と第３管４３の内周に囲まれた空間には、炉芯方向から戻っていく冷却水（冷却水（戻））が流れる。

このように、第１管４１の外周に、第２管４２と第３管４３を二重に配置するよう構成してもよい。なお、ＬＮＧと酸素の配置は、逆であってもよい。

［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３に係る高炉操業方法について説明する。図４は、本発明の実施の形態３に係る高炉操業方法で用いられる高炉羽口ランスの径方向の断面を示す図である。実施の形態１及び２では、管状孔の断面がすべて円となっていたが、実施の形態３では、ＰＣを輸送する管状孔５１ａの断面が円形に形成され、酸素とＬＮＧを輸送する管状孔５１ｂ、５１ｃの断面が楕円形状に形成されている。

なお、他の構成については、実施の形態２と同様であり、第１管５１の外周に、隙間を介して第２管５２が配され、第２管５２の外周に隙間を介して第３管５３が配されている。第１管５１の外周と第２管５２の内周の間には、冷却水（行）が流れ、第２管５２の外周と第３管５３の内周の間には、冷却水（戻）が流れる。

このように、管状孔の断面の断面は、必ずしも円形である必要はなく、任意の断面形状とすることができる。また、実施の形態３に示すように、複数の断面形状の管状孔を組み合わせて配置してもよい。なお、ＬＮＧと酸素の配置は、逆であってもよい。

従来の多重管では、羽口からＰＣの外周全体にわたって酸素が吹き込まれるため燃焼効率が高いのに対し、本願発明では、ＰＣの一部において酸素と接触するため、従来の多重管と比較して、燃焼効率が低いおそれがある。そこで、本発明に係る高炉羽口ランスを用いた高炉操業方法に対して評価実験を行った。

図５は、評価実験の様子を示した模式図である。紙面左側から紙面右側へ送風を行い、送風管の途中に実験用のランスを挿入した。

図６（ａ）〜（ｅ）は、評価実験で用いたランスの構成を示す断面図である。

図６（ａ）は、比較例１のランスの断面図である。比較例１では、ランスを単管により構成し、この単管からＰＣを吹き込んだ。

図６（ｂ）は、比較例２に係るランスの断面図である。比較例２では、同軸に配された内側の管、中間の管、外側の管からなる三重管によりランスが構成されている。比較例２では、内側の管からＰＣを吹き込み、内側の管と中間の管の間から酸素を吹き込み、中間の管と外側の管の間からＬＮＧを吹き込んだ。

図６（ｃ）は、本発明例１に係るランスの断面図である。本発明実施の形態１に係る高炉羽口ランスは、１つの管に複数の管状孔が形成されていたが、本発明例１では、同軸上にない３本の管を平行に並べて本実施の形態１のランスを模擬している。本発明例１は、酸素を吹き込む管と、ＬＮＧを吹き込む管を上方に並べて配置し、下方にＰＣを吹き込む管を配置している。

図６（ｄ）は、本発明例２に係るランスの断面図である。本発明例２及び３は、本発明例１を回転させたものであり、ＰＣ、ＬＮＧ、酸素の配置が異なっている。本発明例２では、ＬＮＧを吹き込む管と、ＰＣを吹き込む管を上方に配し、下方に酸素を吹き込む管を配した。

図６（ｅ）は、本発明例３に係るランスの断面図である。本発明例３では、上方にＰＣを吹き込む管を配置し、下方にＬＮＧを吹き込む管と酸素を吹き込む管を配置した。

図７は、比較例１及び２、本発明例１乃至３のランスを用いた際のランス先端からの距離と温度の関係を示す図である。実施例１では、図５に示すような３点（Ｘ、Ｙ、Ｚ）のそれぞれにおいて温度を計測した。その結果、本発明例１乃至３では、比較例１よりも温度が高くなっていることが分かった。また、本発明例１乃至３では、比較例２とほぼ同程度に燃焼温度を高められることが分かった。また、いずれの場所（Ｘ、Ｙ、Ｚ）においても、本発明例１より、羽口近傍（Ｘ、Ｙ）で本発明例２及び３の方が、燃焼温度が高いことが分かった。以上により、本発明例１乃至３では、従来の多重管と同程度の燃焼効率を得られることが分かった。

図８（ａ）〜（ｄ）は、燃焼温度の高かった比較例２、本発明例１乃至３に係るランスから吹き込まれる固体及び気体燃料の流れを模式的に示した図である。比較例２、本発明例２及び本発明例３では、固体燃料であるＰＣが、気体燃料であるＬＮＧや酸素の上方から噴出される。一方、本発明例１では、固体燃料であるＰＣが、気体燃料であるＬＮＧや酸素の下方から噴出される。

ここで、固体燃料であるＰＣは、慣性力の影響により、気体燃料であるＬＮＧや酸素に比べて、気体燃料よりも下方に向かって流れると考えられる。本発明例２及び３では、上方から噴射されるＰＣが、下方のＬＮＧや酸素に向かって流れるため、本発明例１に比べて、ＰＣと、気体燃料であるＬＮＧや酸素の接触する面積が多くなり、比較例１に比べ燃焼効率が高くなったと考えられる。

１ 高炉
２ 羽口
３、４ 高炉羽口ランス
５ 送風管
３１、４１、５１ 第１管
３１ａ〜３１ｄ、４１ａ〜４１ｃ、５１ａ〜５１ｃ 管状孔
３２、４２、５２ 第２管
４３、５３ 第３管

Claims (8)

1. 中実材内に、長手方向に延びる２以上の管状孔が形成された第１管を有する高炉羽口ランスを用い、
   前記高炉羽口ランスは、前記管状孔と平行に延び、炉内方向へ向かう冷却水の流路となる第１冷却水路と、
   前記第１冷却水路と連結部において連結され、前記第１冷却水路によって前記炉内方向へ流れた冷却水を、前記連結部から流入させて前記炉内方向と逆方向に冷却水を戻す第２冷却水路を備え、
   前記第１冷却水路及び前記第２冷却水路のうち少なくとも一方は、前記管状孔に平行に延びる冷却水用管状孔として前記第１管に形成されており、
   前記管状孔のそれぞれから異なる燃料を高炉の羽口に吹き込むことを特徴とする高炉操業方法。
2. 前記高炉羽口ランスは、前記第１管の外周に第２管を備え、
   前記第１冷却水路又は前記第２冷却水路は、前記第１管と前記第２管の間の空間によって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の高炉操業方法。
3. 中実材内に、長手方向に延びる２以上の管状孔が形成された第１管を有する高炉羽口ランスを用い、
   前記管状孔は、固体燃料の流路となる第１管状孔と、気体燃料の流路となる第２管状孔を備え、
   前記第１管状孔は、前記第２管状孔よりも上方に配置されており、
   前記管状孔のそれぞれから異なる燃料を高炉の羽口に吹き込むことを特徴とする高炉操業方法。
4. 前記高炉羽口ランスは、前記第１管の外周に第２管を備え、前記第２管の外周に第３管を備え、
   前記管状孔と平行に延び、炉内方向へ向かう冷却水の流路となる第１冷却水路と、
   前記第１冷却水路と連結部において連結され、前記第１冷却水路によって前記炉内方向へ流れた冷却水を、前記連結部から流入させて前記炉内方向と逆方向に冷却水を戻す第２冷却水路を備え、
   前記第１冷却水路は、前記第１管と前記第２管の間の空間によって構成され、
   前記第２冷却水路は、前記第２管と前記第３管の間の空間によって構成されることを特徴とする請求項３に記載の高炉操業方法。
5. 中実材内に、長手方向に延びる２以上のそれぞれから異なる燃料を高炉の羽口に吹き込む管状孔が形成された第１管を有する高炉羽口ランスであって、
   前記高炉羽口ランスは、前記管状孔と平行に延び、炉内方向へ向かう冷却水の流路となる第１冷却水路と、
   前記第１冷却水路と連結部において連結され、前記第１冷却水路によって前記炉内方向へ流れた冷却水を、前記連結部から流入させて前記炉内方向と逆方向に冷却水を戻す第２冷却水路を備え、
   前記第１冷却水路及び前記第２冷却水路のうち少なくとも一方は、前記管状孔に平行に延びる冷却水用管状孔として前記第１管に形成されていることを特徴とする高炉羽口ランス。
6. 前記高炉羽口ランスは、前記第１管の外周に第２管を備え、
   前記第１管と前記第２管の間には、空間が形成され、
   前記第１冷却水路又は前記第２冷却水路は、前記第１管と前記第２管の間の空間によって構成されていることを特徴とする請求項５に記載の高炉羽口ランス。
7. 中実材内に、長手方向に延びる２以上の管状孔が形成された第１管を有し、
   前記管状孔は、固体燃料の流路となる第１管状孔と、気体燃料の流路となる第２管状孔を備え、
   前記第１管状孔は、前記第２管状孔よりも上方に配置されていることを特徴とする高炉羽口ランス。
8. 前記高炉羽口ランスは、前記第１管の外周に第２管を備え、前記第２管の外周に第３管を備え、
   前記第１管と前記第２管の間、及び前記第２管と前記第３管の間には、空間が形成され、
   前記管状孔と平行に延び、炉内方向へ向かう冷却水の流路となる第１冷却水路と、
   前記第１冷却水路と連結部において連結され、前記第１冷却水路によって前記炉内方向へ流れた冷却水を、前記連結部から流入させて前記炉内方向と逆方向に冷却水を戻す第２冷却水路を備え、
   前記第１冷却水路は、前記第１管と前記第２管の間の空間によって構成され、
   前記第２冷却水路は、前記第２管と前記第３管の間の空間によって構成されることを特徴とする請求項７に記載の高炉羽口ランス。

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