JP6947345B1 - 高炉操業方法 - Google Patents

Abstract

休風時に炉内に残留し、凝固物の排出の障害となる残留コークスを極力除去し、それにより休風から高炉をスムーズに立ち上げ、操業をおこなうことができる高炉操業方法に関し、高炉羽口の直上の原料充填層表面の高さを高炉朝顔部上端の高さよりも減じて休風し、その後再度送風する高炉操業方法において、高炉休風後に出銑口に挿入したバーナより、酸素または、酸素および可燃ガスを吹き込み、炉内に残留したコークスを燃焼させ、炉内残留物の体積を低減させるとともに、当該体積減少領域に新たにコークスを装入した後に、羽口から送風を行うこと。

Description

本発明は、操業を停止して高炉を休風し、その後再度送風する高炉操業方法に関する。

高炉は、羽口と呼ばれる送風用の穴から吹き込んだ高温空気及び酸素とコークスおよび微粉炭の反応によって生成した高温還元ガスによって、鉄鉱石の昇温、還元、溶解を行い羽口下部に設置した出銑口から銑鉄とスラグを炉外に排出して生産する設備である。高炉の通常操業時においては、炉内の反応熱と羽口からの熱供給がバランスしているため、高炉の安定的な操業が可能である。

ここで、高炉の長時間の休風または休止を行う際には、高炉内への熱供給が停止する。一方で、高炉内部の温度と大気の温度差によって放熱が継続するため、炉内の冷却が進行し、一部の溶融物は凝固する。再送風時には、炉内の凝固層を溶解させるとともに、凝固物が通過するコークス充填層を溶融物が通過できるまで加熱する必要がある。そのため高炉の長期休風、または再稼働が見込まれる休止時には、炉内のコークス比を上げて休風に入り、送風後に微粉炭の吹込みが開始できるまでの熱補償を行うとともに、出銑口上の１−２本の羽口以外を耐火物等により閉塞させ、送風に伴って生成する溶銑滓の量を制限し、少量の溶融物の円滑な排出のサイクルを確立した後、隣接部の羽口を開口し、徐々に開口羽口本数を増やし通常の操業まで回復させる方法をとる。

他の方法としては、出銑口から酸素ガスを吹き込んで炉内の炭材や銑鉄を燃焼、発熱させて炉底部を昇温させる方法や、高炉の炉底に設けられた出銑口にバーナを設置して燃料を燃焼させ、炉底を効率よく昇温し、長時間休風から短時間のうちに立ち上げることができる高炉の送風開始方法として炉底昇温用バーナが提案されている(特許文献１、２)。

特開２０１６−３０８３３号公報 特開２０１３−２２１１８４号公報

前述のように、高炉の長期休止からの立ち上げには炉内に存在する溶融物を円滑に排出できるようになることが重要である。そのためには、長期休止に入る際に炉内に残存する溶融物の量の低減を図るとともに、立ち上げ直後に溶解する凝固物および送風により生成する溶融物などからなる融体の炉内移動を円滑にする必要がある。このためには、高炉休止時に炉内の溶融物を可能な限り排出させ凝固物量の低減を図るとともに、炉内に残留するコークス充填層の粒度と空隙率を大きく保ち融体の流路を保つ必要がある。

炉内に蓄積した凝固物を低減させる手段として、特許文献１、２に例示したような出銑口に設置するバーナが用いられてきた。出銑口にバーナを設置して炉内を加熱することによって、ある程度凝固物を低減させる効果はあるが、発明者らは、単に出銑口にバーナを設置して加熱するのみでは、凝固物が十分に排出できず、その結果、休風からの立ち上げがうまく行われない場合があることを見出した。さらに凝固物が十分に排出できない原因を詳細に検討したところ、出銑口に設置したバーナ（以下、出銑口バーナと呼ぶこともある）の加熱効果は出銑口近傍と出銑口と羽口の間の領域が特に大きく、それ以外の領域に存在する凝固物がうまく排出できない場合があることを知見した。

さらに、凝固物が排出しにくくなる原因を検討した結果、高炉休風時に炉内に残留しているコークスは炉内での反応を経て粒径が低下しているとともに、炉内移動に伴う摩耗等により発生するコークス粉の存在により、低粒径かつ低空隙率となっていることを知見した。また、炉内に残留しているコークスには銑鉄やスラグ等が付着していることが多く、炉内の温度が上がるにしたがい、それらが再溶解して凝固物の量を増大させる場合があることも知見した。従って、再送風時までこれらの残留コークス充填層を、付着物がなく、炉内での反応を受けていない未反応コークスで置換できると、炉内のコークス充填層の粒径と空隙率の上昇を図ることができ、円滑な液流れが期待できることを知見した。

炉内に残留したコークスを排出するための手法として、まず高炉休止後、炉内に機材を搬入できる温度になるまで冷却するのを確認した後、炉内に残留したコークス充填層を機械的に掻き出す手法が考えられる。しかしながら本手法では炉内の冷却を待つため、溶融物が強固に凝固する可能性が高く、炉内残存物を円滑に掻き出すことは難しい。また、送風羽口からの高温空気により炉内に残存するコークスを燃焼消費する手法が考えられるが、この方法も羽口より下の部分すなわち、羽口から出銑口間に残存するコークスの消費はできない。一方、特許文献１、２に記載のバーナを利用して、休風を行う際の炉内温度が高い状態で極力内部のコークスを燃焼させ消費しておくことも考えられる。しかし、休風入り直後に本バーナを使用する場合、炉内残存溶融物が少ないことを確認できている場合は、バーナの損傷を招くことなく使用可能であるものの、その確認を行わなかった場合は、排出しきれず炉内に残存した溶融物等によりバーナが損傷し、バーナを用いた十分な燃焼が行えない場合があることも知見した。

本発明の目的は、休風時に炉内に残留し、凝固物の排出の障害となる残留コークスを極力除去し、それにより休風から高炉をスムーズに立ち上げ、操業をおこなうことができる高炉操業方法を提案することにある。

本発明は前述の課題を解決すべく開発されたものである。すなわち、下記の手法を用いることで、高炉羽口の直上の原料すなわち高炉の内容物の充填層表面を高炉朝顔部上端よりも減じて休風し、その後再度送風する高炉操業において、安定した立上げを行うことが可能となる。

本発明の高炉操業方法は、高炉羽口の直上の原料充填層表面の高さを高炉朝顔部上端の高さよりも減じて休風し、その後再度送風する高炉操業方法において、高炉休風後に出銑口に挿入したバーナより、酸素または、酸素および可燃ガスを吹き込み、炉内に残留したコークスを燃焼させ、炉内残留物の体積を低減させるとともに、当該体積減少領域に新たにコークスを装入した後に、羽口から送風を行うことを特徴とする。

なお、本発明の高炉操業方法においては、
（１）バーナ先端の設置位置を、高炉軸中心部を０とし高炉炉床壁面部を１とする無次元半径において、０．１〜０．８に挿入すること、
（２）バーナ先端の設置位置を、高炉軸中心部を０とし高炉炉床壁面部を１とする無次元半径において、０．１〜０．７に挿入すること、
（３）前記バーナとして、気体が流通する内管と外管を含む重管構造を有し、内管と外管との端部を覆うキャップであって、キャップが存在する場合は内管から吹き込んだ気体が外部に漏れずに外管から排出されるかまたは外管から吹き込んだ気体が外部に漏れずに内管から排出され、キャップが存在しない場合は内管または外管から吹き込んだ気体が内管または外管の端部からバーナの外部に排出される構造を有するキャップであって、かつ、高炉内において除去可能なキャップを有するバーナを用いること、
がそれぞれ好ましい態様となるものと考えられる。

本発明の高炉操業方法によれば、高炉羽口の直上の原料充填層表面を高炉朝顔部上端よりも減じて休風し、その後再度送風する高炉操業において、安定した立上げを行うことが可能となる。

出銑口バーナを用いる際の炉下部の模式図である。 （ａ）、（ｂ）は、それぞれ、本発明で使用するバーナの模式図である。 出銑口バーナを用いて残存コークスを燃焼したときの模式図である。 バーナ先端位置と燃焼可能体積の関係を示すグラフである。 バーナ先端位置と置換可能コークス比率の関係を示すグラフである。 置換可能コークス比率と圧力損失の関係を示すグラフである。

図１は、本発明において出銑口バーナを用いる際の炉下部の模式図を表す。本発明では、まず、通常出銑口はマッド材と呼ばれる材質で閉塞されているが、バーナを炉内に挿入するために出銑口を開口する。開口には、公知の出銑口開口機を用いることができる。バーナ挿入用の出銑口が開口後、バーナを挿入する。

図２に、本発明で使用するバーナの模式図を示す。図２（ａ）、（ｂ）に示すバーナは、気体が流通する内管と外管との２重管構造を有するとともに、内管と外管との端部を覆うキャップを、外管外部にバーナ温度測定する熱電対を有している。そして、図２（ａ）に示すようにキャップが存在する場合は、内管の気体導入口から吹き込んだ気体が外部に漏れずに外管の気体排出口から排出される。一方、図２（ｂ）に示すようにキャップが存在しない場合は、内管の気体導入口から吹き込んだ気体が炉内に供給される。そのため、バーナは、キャップを存在させた状態で内管から外管に気体を流してバーナを冷却する機能を有するため、安定して炉内に挿入することが可能となる。

また、燃焼開始は、内管から外管の気体の流通による冷却を止め、キャップを溶解させて除去し、例えばバーナの内管から炉内に燃焼用のガスを吹き込み、外管から支燃性ガスとして酸素含有ガスを吹き込むことで実施する。バーナ先端部の温度が、周囲に存在するコークスの燃焼開始温度（概ね８００℃）を超えたら、バーナから吹き込むガスを酸素含有ガスのみに切り替えてコークスを燃焼させる。酸素含有ガスとしては純酸素を吹き込むことが最も好ましいが、コークスの燃焼が持続できれば酸素濃度が１００％よりも低いガスでもよい。この時、若干の燃焼用ガスを吹き込み続けてもよいし、バーナを炉内温度から保護し冷却するために、不活性ガスあるいは、酸素濃度の低いガスを同時に吹き込んでもよい。なお、図２（ａ）では、内管から外管にガスが流通するする機構を例示したが、外管から内管にガスが流通する機構としてもよい。バーナ冷却のためにガスを吹き込む場合は、バーナの外管から吹き込むことが好ましい。

バーナにより高炉下部の残存コークスを燃焼し未使用の新規コークスに置換する効果について、高炉下部を模した試験装置により評価した。まず、バーナを装入すべき位置について検討を行った。図３に、本バーナを用いて残存コークスを燃焼したときの模式図を示す。本模式図で示す通り、燃焼によりコークスが焼失した場合はその先端にさらに安息角に応じてコークスが転がり込み、そのコークスが燃焼消失することを繰り返し体積が減じていく。図４に、上記メカニズムによるコークス燃焼可能体積を示す。ここで、バーナ先端位置とコークス燃焼可能体積の関係は、バーナの先端位置を高炉の中心位置が０とし高炉炉床壁面部（羽口部）が１．０とする無次元半径（中心からの無次元バーナ先端位置と、バーナの先端位置が１．０（羽口部）のときのコークス燃焼可能体積を１．００とした相対燃焼体積の関係で示す。この図から高炉軸中心部を０とし高炉炉床壁面部を１とする無次元半径が０．８の場合、コークス燃焼可能体積が高炉炉床壁面部の１．１倍以上となり、無次元半径０．４で燃焼領域を最大化できることがわかる。また燃焼領域を新規のコークスで置き換えた場合の置換率を図５に示す。図４と同様に０．４でピークとなる。ここで、置換率は、（燃焼領域を置き換えた新規のコークス充填層の体積）／（燃焼前のコークス充填層の体積）である。

この置換率を基に同様の装置を用いて、羽口から出銑口間のコークス置換の効果を確認した。この場合、コークスを置換した場合の圧力損失を測定することで、コークス充填層の通気・通液性の評価指数とした。図６に測定結果を示す。下部（羽口から出銑口間）コークス置換率（以下、コークス置換率と称す）を０．７以上とすると圧力損失が低減可能であることがわかる。ここで、図６の縦軸は無次元化された圧力損失の値であり、コークス置換率＝０のコークス充填層の圧力損失の値を１．０とした相対値を示した。すなわち、同じ条件で測定した種々の置換率の充填層の圧力損失の、コークス置換率＝０の場合の圧力損失に対する比を、無次元化された圧力損失（無次元圧損）の値とした。

これらの結果から、圧力損失を低減しコークス充填層の通気・通液性を確保するには、コークス置換率を０．６５以上とすることが望ましく、このコークス置換率が達成可能なバーナ装入位置は高炉軸中心部を０とし高炉炉床壁面部を１とする無次元半径において、０．１〜０．８の領域であることがわかる。コークス置換率を０．７０以上とすることがさらに望ましく、このコークス置換率が達成可能なバーナ装入位置は高炉軸中心部を０とし高炉炉床壁面部を１とする無次元半径において、０．１〜０．７０の領域である。

この結果から、高炉羽口直上の原料充填層を高炉朝顔部上端より減じて休風に入る高炉操業において、高炉休風後に出銑口に挿入したバーナより、可燃ガスおよび／または酸素を吹き込み、炉内に残留したコークスを燃焼させてそこに未使用のコークスを装入してコークス充填層の通液性を向上させ、炉内残留物の量を低減させることで、安定した高炉長期休止からの立ち上げが可能であることがわかる。この時、コークス置換率を０．６５以上とすることが好ましく、０．７０以上とすることがさらに好ましい。さらにバーナ先端の設置位置を、高炉軸心部を０とし高炉炉床側壁部を１とする無次元半径において、０．１〜０．８に挿入するとより好適であり、０．１〜０．７０に挿入するとさらに好適である。なお、休風からバーナ燃焼までの間が長期間に及んだ場合などで、原料表層にダスト堆積が確認された場合、必要に応じて、ダスト除去後にバーナ燃焼を行ってもよい。

（実施例１）
内容積５０００ｍ^３の高炉において、羽口直上の炉内の原料充填層の上面高さを高炉朝顔部上端より１ｍ下まで減尺して休風を行った。休風から立ち上げを行う前に、出銑口に図２のバーナを、先端位置が炉内の無次元半径で０．４の位置にくるように設置し、最初はＬＮＧと酸素を吹き込んで燃焼させ、コークス温度が８００℃を超えた時点で全量酸素吹込みに切り替えてコークスを燃焼させた。吹き込んだ酸素は、バーナ先端にコークスが存在する場合には燃焼によりほぼ消費されるが、バーナ先端のコークスが消失して図３のコークス充填層のような状態になると、酸素の消費量が減少するため、炉内の酸素濃度を測定するとどの程度までコークスが消費されたかがわかる。炉内の酸素濃度が上昇してきたことを確認した後、出銑口バーナからの酸素吹込みを停止して高炉上部から未使用のコークスを充填した。出銑口バーナを再度燃焼させて新規に充填されたコークスを加熱し、羽口先端部のコークスの温度が２０００℃を超えた時点で、羽口から１１００℃の熱風を送風し、羽口からの加熱に切り替えて高炉を立ち上げたところ、炉内溶融物の排出がスムーズに行え、順調に定常操業に至ることができた。

（実施例２）
内容積５０００ｍ^３の高炉において、羽口直上の炉内の原料充填層の上面高さを高炉朝顔部上端より１ｍ下まで減尺して休風を行った。休風から立ち上げを行う前に、出銑口に図２のバーナを、先端位置が炉内の無次元半径で０．６の位置にくるように設置し、酸素を４８時間吹き込んで燃焼させてコークスを燃焼させた。４本の出銑口からそれぞれバーナを燃焼することで炉内コークスの６割程度置換でき、良好な立上げを達成できた。

（比較例）
実施例と同じ高炉において、出銑口バーナの設置位置を先端が無次元半径０．９５の位置にくるように設置し、出銑口バーナを燃焼させて出銑口と羽口の間を加熱した後、羽口からの熱風送風に切り替えて高炉の立ち上げを試みたところ、３０％の頻度で溶融物の排出がうまくいかないケースが発生した。

本発明の方法では、炉内溶融物の排出が順調に行える例がほとんどであったことを考慮すると、本発明の方法は、高炉の順調な立ち上げに寄与するものと判断される。

本発明に係る高炉操業方法によれば、高炉の再稼働だけでなく、高炉以外の様々の竪型溶解炉においても、安定した操業方法を提供できる。

Claims (4)

1. 高炉羽口の直上の原料充填層表面の高さを高炉朝顔部上端の高さよりも減じて休風し、その後再度送風する高炉操業方法において、高炉休風後に出銑口に挿入したバーナより、酸素または、酸素および可燃ガスを吹き込み、炉内に残留したコークスを燃焼させ、炉内残留物の体積を低減させるとともに、当該体積減少領域に新たにコークスを装入した後に、羽口から送風を行うことを特徴とする高炉操業方法。
2. バーナ先端の設置位置を、高炉軸中心部を０とし高炉炉床壁面部を１とする無次元半径において、０．１〜０．８に挿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。
3. バーナ先端の設置位置を、高炉軸中心部を０とし高炉炉床壁面部を１とする無次元半径において、０．１〜０．７に挿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。
4. 前記バーナとして、気体が流通する内管と外管を含む重管構造を有し、内管と外管との端部を覆うキャップであって、キャップが存在する場合は内管から吹き込んだ気体が外部に漏れずに外管から排出されるかまたは外管から吹き込んだ気体が外部に漏れずに内管から排出され、キャップが存在しない場合は内管または外管から吹き込んだ気体が内管または外管の端部からバーナの外部に排出される構造を有するキャップであって、かつ、高炉内において除去可能なキャップを有するバーナを用いることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の高炉操業方法。

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