JP6119416B2 - 高炉への装入物装入方法 - Google Patents

Description

本発明は、高炉への装入物装入方法に関する。特に、高炉操業の不安定化を未然に防止する高炉への装入物装入方法に関する。

高炉は、製鉄所の上工程にあり、安定して銑鉄を生産することが重要である。しかし、高炉は、いろいろな原因により、安定した操業の維持ができなくなることがある。高炉の安定操業が損なわれると、次工程以降への原料供給ができなくなり、製鉄所全体の生産に支障をきたす。

高炉操業が不調に陥る原因はいろいろある。例えば、入荷原料の性状が悪化し高炉装入原料の品質が悪化する場合、又は、高炉の炉壁が損傷し炉内ガスの流れに変調をきたす場合等がある。又、経済状態が良い場合は増産を、景気悪化で、需要が減退した場合は、減産をしなければならない。高炉の生産弾力性は、必ずしも良いとは言えず、特に、高炉の減産操業は困難を極める場合がある。

高炉は、設備保全のため一定期間、送風を停止する休風を余儀なくされることもある。長時間休風を行うと、休風中は、高炉内でのコークスの燃焼が停止するので、高炉内の装入物、半溶融物は、保有熱を失う。従って、長時間休風後の送風立ち上がりは、高炉に炉熱をつけ、早期に定常の高炉操業に戻ることが肝要である。
休風立ち上がりに限らず、定常操業時においても、前述のように、原料の品質悪化その他の原因で高炉の炉熱が低下することがあり、操業不安定状態からの早期に回復する高炉操業方法が望まれる。

高炉の炉内状況は、炉内における融着帯の形状で説明される。図１（Ａ）に高炉の安定操業時の融着帯１のプロフィルＡを示す。高炉装入物であるコークスと鉱石は、炉頂から炉内に層状に装入される。鉱石層は、羽口４の前でコークスの燃焼により発生し炉内を上昇する炉内ガスにより加熱され、１０００℃程度で、軟化を開始し、融着帯１を形成する。融着帯１は、融着層２とその間にあるコークススリット３から成る。融着層２の温度が上昇し、鉱石の還元が進行すると、融着層２の温度は１２００〜１３００℃に達し、鉱石は溶融し、融着層２の下面は溶け落ちる。融着層２の内部では、鉱石の軟化・溶融により鉱石間の空隙は減少し、炉内ガスは、通過が困難となる。その結果、炉内ガスは、融着層２と融着層２の間のコークススリット３に限られ、通気抵抗が急激に上昇する。このように、融着層２とコークススリット３から形成された融着帯１のプロフィルは、高炉内の通気抵抗に影響を与える。
安定操業時の融着帯１の形状は、炉内中心部にある融着層２の頂部の位置が、ある程度の高さの位置にあり、融着層２の頂部の幅は、炉周辺にある融着層２の幅より小さい。その結果、炉中心部の通気抵抗は、炉周辺部より小さく、炉中心部の炉内ガス流れが多くなる。そして、融着帯１の全体のプロフィルはスリムであり、個々の融着層２の幅が狭いので、全体としての通気抵抗は小さく、安定操業が可能となる。

図１（Ｃ）に操業不安定状態の融着帯１のプロフィルＣの一例を示す。前記の高炉不安定化要因があると、安定操業時の炉中心部の炉内ガス流れが抑制され、中心流が確保されなくなる。その結果、炉内ガスによる炉中心部の装入物の加熱が遅れ、炉内中心部にある融着層２の頂部の位置が低下する。炉中心部の炉内ガス流の抑制により、ガスは、通気抵抗が大きい炉中間部、炉周辺部に回り、炉内ガス流れは不安定となる。ガス流の不安定化により、中間部、炉周辺部の装入物の加熱が遅れ、炉中間部、炉周辺部の融着帯１の位置も低下する。一方、炉内中心部にある融着層２の頂部の位置の低下により、融着帯１の幅方向の長さが長くなる。その結果、融着層間のコークススリット３の通気抵抗も増大し、ガス流は不安定化する。コークススリット３を通過するガスによる融着層２の加熱も遅れ、鉱石の溶融滴下が遅れ、その結果、融着帯１の中間、周辺部の位置も低下する。
炉内中心部にある融着層２の頂部の位置は低く、融着層２の幅が長くなっている。融着帯１の全体のプロフィルは、ずんぐり型になり、最下部の融着帯１で炉壁に接する部分（以下、融着帯の根と記す。）は、分厚く幅が長い。高炉の炉熱低下時は、融着帯１の上面軟化速度に対し、融着帯１の下面の鉱石の溶け落ち速度が遅く、融着帯１が肥大化してしまい、炉中間部、炉周辺部の炉内ガスの通気抵抗は増大する。

高炉操業が不安定となり、融着帯１がプロフィルＣになった場合の高炉操業方法として、炉内中心に多量のコークスを装入する中心コークス装入法がある（特許文献１）。

高炉操業が不安定となり、融着帯１がプロフィルＣになった場合の高炉操業方法として、高炉操業が安定化するまで、コークス層と鉱石層の質量比（以下、Ｏ/Ｃと記す。）を連続して低下させる方法がある。この方法は、高炉操業が不安定化し、炉熱が低下した場合に、コークス装入量を増加することにより、炉熱を回復させ、融着帯１をプロフィルＣからプロフィルＡに戻す方法であり、従来から、一般的に用いられている方法である（以下、従来法と記す。）。

特開平７−２６８４１２号公報

特許文献１に記載の発明は、炉内ガスを中心流化し、高炉の通気性を確保し、炉中心部の炉熱を上げることによりプロフィルＣで押し潰された炉中心部の融着帯１の位置を高く持ち上げることができる。しかし、プロフィルＣで肥大化した融着帯１の根を改善するものではなく、高炉操業には、時間がかかるという問題がある。

前記の従来法によれば、高炉操業が不安定時に、Ｏ/Ｃを低下させることで、炉熱が回復し、融着帯プロフィルは改善されるが、低Ｏ/Ｃチャージが羽口に到るまで、低Ｏ/Ｃチャージを連続して装入するので、炉内の熱が過剰となり、熱バランスを崩してしまう。その結果、熱バランスの調整に時間がかかるという問題がある。

高炉操業が不安定化し融着帯１の形状が、プロフィルＣになると、その回復に大幅な燃料比の増加と、長い回復期間が必要であるが、高炉操業が不安定になる前に、不安定化の兆候をキャッチし、高炉の不安定化を未然に防止することができれば、高炉操業の安定化に大きく寄与できる。

本発明の課題は、高炉操業が不安定になる前に、不安定化の兆候をキャッチし、高炉の不安定化を未然に防止することを課題とする。
本発明の目的は、高炉操業の不安定化を未然に防止する高炉への装入物装入方法を提供することである。

本発明者は、高炉のシャフト中部と炉口部の炉内圧力の差により高炉の不安定化の兆候をキャッチし、差圧が所定値以上になった場合に、高炉中心部に所定のコークスを装入することで、高炉操業の不安定化を未然に防止することができるという知見を得た。本発明は、かかる知見に基づくものであり、その要旨は、以下のとおりである。

（１） 高炉中心部に装入するコークスバッチ（Ｃｃ）と中心部以外（炉中間部、炉周辺部）に装入するコークスバッチ（Ｃ）と、鉱石バッチ（Ｏ）を１チャージとして炉内に装入するベルレス高炉への装入物装入方法であって、
高炉のシャフト中部の炉内圧力と炉口部の炉内圧力の差が、定常時に対し、１．５倍以上になったときに、高炉に装入する総コークス量の鉱石量に対する比率を定常時よりも高くし、かつ１チャージの総コークス量（Ｃｃ＋Ｃ）に対し、前記コークス（Ｃｃ）の高炉中心部への装入比率を定常時よりも高くすることを特徴とする高炉への装入物装入方法。
ただし、高炉のシャフト中部の炉内圧力とは、羽口からストックラインまでの高さに対し羽口から４８〜５５％の部分の炉内圧力をいい、炉口部の炉内圧力とは、羽口からストックラインまでの高さに対し羽口から７０〜８０％の部分の炉内圧力をいう。
（２） 高炉のシャフト中部の炉内圧力と炉口部の炉内圧力の差が、定常時に対し、１．５倍以上になったときに、１チャージの総コークス量（Ｃｃ＋Ｃ）に対する前記コークス（Ｃｃ）の高炉中心部への装入比率を定常時よりも５．１質量％以上、９．６質量％以下、高くしたチャージを５〜１０チャージ行うことを特徴とする、（１）に記載の高炉への装入物装入方法。

高炉操業の不安定化を未然に防止する高炉への装入物装入方法を提供することができる。

融着帯プロフィルを示す。（Ａ）は、安定操業の融着帯プロフィルである。（Ｂ）は、融着層の頂部の位置が低下した融着帯プロフィルである。（Ｃ）は、不安定操業の融着帯プロフィルである。 実炉における炉内圧力の検出位置を示す図。 １/３縮尺模型実験装置を示す図。 １/３縮尺実験装置におけるコークス及び鉱石を投入する方法を示す図。 １/３縮尺模型実験により、中心ＬＣ装入時の装入物堆積状況を示す図。 １/３縮尺模型実験により、中心ＬＣ装入時の装入物の層厚比を示す図。 実炉における中心ＬＣ実施時の高炉操業を示す図。 実炉における中心ＬＣ実施時の炉内ガスフローの検出情報を示す図。 実炉における中心ＬＣ実施時の上部ゾンデη_ＣＯ（％）分布を示す図。

高炉が不安定化するのは、炉内の中心ガス量が抑制され、融着帯頂部が低下することに起因する。
本発明は、高炉のシャフト中部の炉内圧力と炉口部の炉内圧力の差により融着帯頂部の低下をキャッチし、差圧が所定値以上になったときに、高炉中心部に少量のコークス（ライトチャージ、以下、中心ＬＣと記す。）を装入することで、高炉操業の不安定化を未然に防止することを特徴とする。
以下、（１）融着帯頂部の低下による高炉の不安定化、（２）高炉のシャフト中部と炉口部の炉内圧力の差による融着帯頂部低下のキャッチ及び（３）中心ＬＣによる高炉操業の不安定化の未然防止について述べる。

（融着帯頂部の低下による高炉の不安定化）
前述のように、図１（Ａ）は、高炉の安定操業時の融着帯１のプロフィルＡであり、図１（Ｃ）は、高炉の不安定状態の融着帯１のプロフィルＣである。図１（Ｂ）は、高炉の安定操業時に対し、融着帯１の頂部の位置が低下した融着帯プロフィルである。図１（Ａ）から図１（Ｃ）に移行する際、まず、炉内中心ガスが抑制され、中心ガス量の減少により、中心部分の装入物の加熱が遅れ、融着帯頂部が低下する。融着帯１のプロフィルが図１（Ｂ）のようになっていることを早期にキャッチできれば、それに対応することにより、融着帯１がプロフィルＣに移行することなく、高炉の安定操業が維持できると考えられる。

（高炉のシャフト中部と炉口部の炉内圧力の差による融着帯頂部低下のキャッチ）
本発明者は、高炉の操業においての融着帯頂部の低下を早期にキャッチする方法を検討した。図２に炉内の圧力を測定する検出端位置を示す。羽口からストックライン（ＳＬ）の間隔に対する羽口からの割合で示している。その他の検出端としては、ステーブクーラのリブに埋め込まれたリブ温度計がある。また、スキンフロー温度は、炉口部のステーブクーラを貫通して設置してある温度計である。

本発明者は、高炉の操業において、融着帯頂部が低下する際に、上記の各種検出端のうちシャフト中部と炉口部に設置した炉内圧力計の圧力差により、最も早く融着帯頂部の低下の兆候をキャッチできることを見出した。融着帯頂部が低下しかかると、炉内ガス流が変化し、シャフト中部と炉口部間の炉内圧力が変動し、圧力差に変化をもたらすものと考えられる。
ここで、高炉のシャフト中部の炉内圧力とは、羽口からストックラインまでの高さに対し羽口から４８〜５５％の部分の炉内圧力をいう。シャフト中部の炉内圧力と炉口部の炉内圧力の差の変動を察知する。この範囲の炉内圧力が、図１に示す融着帯の頂部の低下に敏感に変動するからである。

（中心ＬＣによる高炉操業の不安定化の未然防止について）
従来は、融着帯１がプロフィルＣになり、高炉が不安定状態になった際は、鉱石層とコークス層の比（以下Ｏ/Ｃと記す。）を、例えば、Ｏ/Ｃ=５．０から、Ｏ/Ｃ=３．０程度まで大幅に下げ、更に回復までの長時間にわたり低Ｏ/Ｃを継続してプロフィルＡへの回復を図ってきた。その結果、高炉熱バランスを失し、回復に長時間を要したことは、すでに述べたところである。これに対し、本発明は、融着帯頂部の低下の兆候が表れた際に対応するものであるから、Ｏ/Ｃの低下は小さくてもよい。
表１に５０００ｍ^３クラスの大型炉における中心ＬＣの一例を示す。表１において、中心Ｃ（以下Ｃｃと記す。）は、中心に装入するコークス質量を示し、ベース条件でＣｃ比率は、１チャージの総コークス量（Ｃｃ＋Ｃ）に対し、８．３質量％である。これに対し、中心ＬＣ操業では、１チャージの総コークス量（Ｃｃ＋Ｃ）に対し、１７．９質量％×５ｃｈ＋１３．４質量％×５ｃｈを装入するケースである。本発明に係る中心ＬＣは、１チャージのコークス量（Ｃｃ＋Ｃ）に対し、５質量％〜２０質量％の中心コークス比率（Ｃｃ比率）を１チャージ〜１０チャージ、高炉中心部に装入する。
尚、表１で、ベース３ダンプとは、１チャージをＣｃ、Ｃ、Ｏの３ダンプで装入する方式であり、Ｃｃ比率とはＣｃ／（Ｃｃ＋Ｃ）×１００で計算される、塊ＣＢ中のＣｃの比率を指す。

（中心ＬＣによる高炉装入時の装入物堆積状況について）
中心ＬＣによる高炉装入時の装入物堆積状況を１／３縮尺模型実験装置により調査した。
図３に５０００ｍ^３級高炉を対象とした１／３縮尺模型実験装置を示す。サージホッパー１１から装入コンベア１２、炉頂ホッパー１３、旋回シュート１４、炉体シャフト部１５までを対象としている。また、装置下部の切り出し装置１６により炉内荷下がりを考慮し、装置下部からの送風によりガス流分布を考慮している。

図４に１/３縮尺の実験装置における装入物の投入方法を示す。旋回シュート１４は、俯仰角度が変更でき、原料落下位置を炉壁位置から炉中心位置に変更させながら、かつ、炉軸を中心に旋回させながら、原料をリング状に炉壁位置から炉中心位置に装入する（順傾動）。

表１に示す装入物の装入条件で、１／３縮尺模型実験装置により測定した装入物の堆積状況を図５に示す。横軸は、炉中心を０とし、炉壁位置を１．０とした場合の相対位置であり、縦軸は、ストックライン（ＳＬ）の下１８００ｍｍの位置を１．０とした場合の相対位置を示している。ベース３ダンプにおいては、中心部に８．３質量％のＣ_Ｃが存在し、中心流の確保に貢献している。中心ＬＣ装入時は、Ｃｃが１７．９質量％の場合である。図１（Ｂ）のように融着帯頂部が低下した際に、中心部Ｃｃの堆積量が増加し、融着帯頂部が低下に対して、その上昇に寄与すると考えられる。
表１に示す装入物の装入条件で、１／３縮尺模型実験装置により測定した装入物の層厚比を図６に示す。Ｌｏは、鉱石層の厚み、Ｌｃは、コークス層の厚みを示す。中心ＬＣ装入時は、低層厚比の領域が中心から０．２２位置までの範囲に拡大し、コークス単独層の領域が広がっている。中心から０．２２〜０．５０の範囲は、ベースに対して層厚比が上昇しており、Ｃｃにより鉱石の流れ込みが堰止められた結果であると考えられる。０．５５から壁際にかけては、中心ＬＣが中心部へのコークス単独増加であるためベースと略同じ堆積形状、層厚比分布であった。

次に、本発明の実施例について説明するが、本発明は、これに限られるものではない。
内容積が５０００ｍ^３級の大型高炉において、本発明を実施した。図７及び図８に、中心ＬＣ装入時による高炉操業の不安定化を未然に防止する実施結果を示す。横軸は、時間の経過を示す。

図７及び図８において、時刻Ｔまでは、図７における送風流量（Ｎｍ^３/ｍｉｎ），Ｋ値（−）、図８におけるリブ温度（℃）、スキンフロー温度（℃）、シャフト中部と炉口部の差圧（ｈＰａ）は、略安定していた。リブ温度は、羽口からストックラインまでの高さに対し
羽口から２５％と３５％の位置のステーブクーラのリブに埋め込まれた温度計の温度である。スキンフロー温度は、炉口部のステーブクーラを貫通して設置してある温度計である。
また、Ｋ値とは、通気性を評価するものであり、下記式で算出した。
羽口からストックラインまでの高さに対し
Ｋ＝（Ｐ１^２−Ｐ２^２）／Ｇ^１．７
ただし、Ｐ１：送風圧力（ＭＰａ）
Ｐ２：高炉炉頂部の圧力（ＭＰａ）
Ｇ：高炉のボッシュガス量（Ｎｍ³／ｍｉｎ）
時刻Ｔまでは、他の検出端情報は安定していたが、時刻Ｔにおいて、シャフト中部の圧力（Ｐ_２）と炉口部の圧力（Ｐ_３）の差が略１５０ｈＰａから、１．６倍の略２４０ｈＰａに振れた。この情報に基づき表１に示す中心ＬＣのステップ１を実施した。ステップ１は、１チャージのＣｃ比率８．３質量％でベース操業をしていたものから、Ｃｃ比率１７．９質量％に増量したものを、５ｃｈ装入するものである。尚、シャフト中部と炉口部の圧力計は、炉体の円周方向に４か所に設置しているが、その１箇所のシャフト中部と炉口部の差圧が振れた場合でも、融着帯頂部低下の兆候があると判断し、中心ＬＣを実施して、融着帯の低下の未然防止を行った。
その後、ステップ１の後にステップ２としてＣｃ比率１３．４質量％に増量したものを５ｃｈ装入し、段階的にベースレベルにもどした。
以上の中心ＬＣのステップ１及びステップ２を実施することにより、時刻Ｔ＋２４時間後には、高炉内のガス流れを示す上記の検出端情報が安定し、高炉操業の不安定化を未然に防止することができた。

図９にベース時、中心ＬＣ装入直前及び中心ＬＣ装入後の上部ゾンデη_ＣＯ（％）分布を示す。中心ＬＣ装入直前の上部ゾンデη_ＣＯ（％）分布は、ベース時に対し中心部η_ＣＯ（％）が高く、中心流が抑えられたガス流れ分布になっている。融着帯頂部が低下したことによると考えられる。中心ＬＣ装入後は、中心部η_ＣＯ（％）が低下し、高炉操業の不安定化を未然に防止することができた。
ここで、上部ゾンデη_ＣＯ（％）分布とは、装入物表面の直上に沿って炉内にゾンデを挿入し、炉半径方向のガス利用率を測定したものであり、炉半径方向のガス分布を評価したものである。

以上より、シャフト中部と炉口部の差圧（ｈＰａ）の情報をキャッチし、早期に融着帯頂部が低下を把握し、中心ＬＣ装入を実施することにより、高炉操業の不安定化を未然に防止することができることが分かった。

高炉操業が不安定になる前に、不安定化の兆候をキャッチし、高炉の不安定化を未然に防止することに利用することができる。

１…融着帯、２…融着層、３…コークススリット、４…羽口、５…ステーブクーラ、１１…サージホッパー、１２…装入コンベア、１３…炉頂ホッパー、１４…旋回シュート、１５…炉体シャフト部、１６…装置下部の切り出し装置。

Claims (2)

1. 高炉中心部に装入するコークスバッチ（Ｃｃ）と中心部以外（炉中間部、炉周辺部）に装入するコークスバッチ（Ｃ）と、鉱石バッチ（Ｏ）を１チャージとして炉内に装入するベルレス高炉への装入物装入方法であって、
   高炉のシャフト中部の炉内圧力と炉口部の炉内圧力の差が、定常時に対し、１．５倍以上になったときに、高炉に装入する総コークス量の鉱石量に対する比率を定常時よりも高くし、かつ１チャージの総コークス量（Ｃｃ＋Ｃ）に対し、前記コークス（Ｃｃ）の高炉中心部への装入比率を定常時よりも高くすることを特徴とする高炉への装入物装入方法。
   ただし、高炉のシャフト中部の炉内圧力とは、羽口からストックラインまでの高さに対し羽口から４８〜５５％の部分の炉内圧力をいい、炉口部の炉内圧力とは、羽口からストックラインまでの高さに対し羽口から７０〜８０％の部分の炉内圧力をいう。
2. 高炉のシャフト中部の炉内圧力と炉口部の炉内圧力の差が、定常時に対し、１．５倍以上になったときに、１チャージの総コークス量（Ｃｃ＋Ｃ）に対する前記コークス（Ｃｃ）の高炉中心部への装入比率を定常時よりも５．１質量％以上、９．６質量％以下、高くしたチャージを５〜１０チャージ行うことを特徴とする、請求項１に記載の高炉への装入物装入方法。