JP7265161B2

JP7265161B2 - 高炉操業方法

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Publication number: JP7265161B2
Application number: JP2019135929A
Authority: JP
Inventors: 薫中野
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2019-07-24
Filing date: 2019-07-24
Publication date: 2023-04-26
Anticipated expiration: 2039-07-24
Also published as: JP2021017644A

Description

本発明は、高炉の操業方法に関し、詳しくは、微粉炭等の粉状炭材を羽口から吹き込む高炉操業において、粉状炭材の燃焼性を改善することができる高炉操業方法に関する。

高炉の機能は、酸化鉄を還元し、昇温して溶解した銑鉄を生産することにあり、その還元材としては、コークスのほか、微粉炭等が用いられる。近年、銑鉄生産コスト低減の観点から、例えば微粉炭の使用割合を高めた高微粉炭比、低コークス比操業が指向されている。加えて、将来的には、高炉から排出される炭酸ガスの削減のため、天然ガスやコークス炉ガスに代表される水素系還元ガスを微粉炭と共に羽口から吹き込む操業が増加するものと推測される。

このような高微粉炭比操業においては、羽口から送風される送風酸素量が単位微粉炭量に対して減少することになる。特に、微粉炭と共に水素系還元ガスを吹き込んだ場合には、更に単位微粉炭量に対する送風酸素量が減少することになる。

このように単位微粉炭量に対する送風酸素量が減少すると、高炉のレースウェイ内での微粉炭の燃焼性悪化が懸念される。微粉炭の燃焼性が低下すると、その一部は未燃のまま炉外へ排出されることになり、その分、コークスの使用量を増やして熱補償する必要が生じる。そのため、高微粉炭比での操業や、更に水素系還元ガスを羽口から吹き込む操業においては、微粉炭の燃焼性を低下させないことが重要になる。

微粉炭の燃焼を改善する技術として、例えば、特許文献１に示されるように、微粉炭の吹込みランスの構造を適正化して、微粉炭の燃焼率を向上させる方法がある。また、特許文献２で示されるように、二重管ランスを用いて、微粉炭と低温酸素とを高炉の羽口から吹き込むことで、微粉炭の燃焼率を向上させる方法が提案されている。これらは、微粉炭と共に羽口から吹き込まれる酸素や二酸化炭素、水蒸気等の支燃性ガスに対する微粉炭の分散性を向上させる方法である。

ここで、微粉炭の燃焼性を決定する因子は、直接的には、温度、支燃性ガス濃度、及び、微粉炭表面への支燃性ガスの供給速度であるところ、上記のような微粉炭の分散性を向上させる技術によれば、微粉炭の燃焼によって生成するガスによる、微粉炭周辺での支燃性ガス濃度の低下を抑制して、微粉炭表面への支燃性ガス供給速度を増加させることができる。

しかしながら、微粉炭が燃焼可能な空間領域は、温度条件と支燃性ガス濃度条件が満たされるレースウェイ内のみであり、微粉炭はランス先端から吹き込まれてから衝風によって一気に加速されるため、極めて短時間にレースウェイ奥の境界まで到達する。そのため、微粉炭の反応時間が十分にあるとは言えず、ましてや微粉炭の使用割合が高くなればなるほど、従来のような分散性を向上させる技術だけでは限界がある。

特許第６２４５１９２号特許第６０６１１０７号

そこで、本発明者は、羽口から吹き込む微粉炭等の粉状炭材の燃焼性を改善する方法について鋭意検討した結果、羽口風速が減速するように羽口径を拡大することで、高炉での銑鉄生産量を大きく低下させずに、レースウェイ内での粉状炭材の滞留時間をより確保することができ、粉状炭材の燃焼率を高めることができるようになることを見出し、本発明を完成させた。

したがって、本発明の目的は、粉状炭材の燃焼性を改善して、低コークス比での操業を実現可能にする高炉操業方法を提供することにある。

すなわち、本発明の要旨は次のとおりである。
（１）羽口から支燃性ガスと共に粉状炭材を吹き込んで銑鉄を得る高炉の操業方法において、粉状炭材の燃焼性低下に対応して、羽口風速が減速するように羽口径を拡大することを特徴とする高炉操業方法。
（２）羽口前理論燃焼温度が２０５０℃以下の送風条件で操業する場合に、高炉操業に際して粉状炭材の燃焼性が低下すると判断して、該粉状炭材の燃焼性低下に対応して、羽口風速が減速するように羽口径を拡大する、（１）に記載の高炉操業方法。
（３）炉頂から排出される炉頂排ガス中で粉状炭材由来のダストが増加した場合に、高炉操業中に粉状炭材の燃焼性が低下したと判断して、該粉状炭材の燃焼性低下に対応して、羽口風速が減速するように羽口径を拡大する、（１）に記載の高炉操業方法。
（４）羽口から吹き込む粉状炭材の５質量％以上に相当する粉状炭材由来のダストが炉頂排ガス中で確認されたときに、高炉操業中に粉状炭材の燃焼性が低下したと判断する、（３）に記載の高炉操業方法。
（５）高炉に設けられた全ての羽口の断面積を合計した全羽口単位面積当たりの熱風量が１９０Nm^３/m^２・s以上２５０Nm^３/m^２・s以下の範囲となるよう、羽口風速が減速するように羽口径を拡大する、（１）～（４）のいずれかに記載の高炉操業方法。
（６）高炉に設けられた一部の羽口の羽口径を拡大して、相対的に比較して羽口径の大きい大径羽口と羽口径の小さい小径羽口とが高炉円周方向に交互に配置されるようにする、（１）～（５）のいずれかに記載の高炉操業方法。
（７）前記大径羽口と前記小径羽口との口径比が１．０超１．４以下である、（６）に記載の高炉操業方法。
（８）前記粉状炭材が微粉炭であり、銑鉄１トンあたりの微粉炭吹込量が２００kg/t以上である、（１）～（７）のいずれかに記載の高炉操業方法。
（９）出銑比が２t/d/m^３以上で操業する、（１）～（８）のいずれかに記載の高炉操業方法。

本発明によれば、羽口から吹き込まれる粉状炭材のレースウェイ内での滞留時間が確保されて、粉状炭材の燃焼性を改善することができる。その際、高炉での銑鉄生産量を大きく低下させることがなく、例えば微粉炭の使用割合を高めた高微粉炭比での操業や、水素系還元ガスを微粉炭と共に羽口から吹き込む操業においても低コークス比での操業が実現可能になる。

図１は、羽口軸上での水平距離に対する微粉炭の燃焼反応速度分布（羽口１本あたり）を示すグラフである。図２は、羽口軸上での水平距離に対するガス温度とガス組成の分布を示すグラフである。図３は、羽口径とレースウェイ内での微粉炭滞留時間との関係、及び羽口径と微粉炭燃焼率との関係を示すグラフである。図４は、羽口軸上での微粉炭チャーの燃焼速度（反応速度）分布（羽口１本あたり）を示すグラフである。

以下、本発明について詳しく説明する。
本発明では、羽口から支燃性ガスと共に粉状炭材を吹き込んで銑鉄を得る高炉の操業方法において、粉状炭材の燃焼性低下に対応して、羽口風速が減速するように羽口径を拡大する。これは、微粉炭等の粉状炭材の燃焼性を改善するために、レースウェイ内での滞留時間の制御の視点に立ち、粉状炭材の燃焼性の更なる向上を図るものである。

ここで、粉状炭材については、カーボンを含む粉体であれば特に制限されず、水素や酸素等の揮発する成分を含んでいてもよい。好適には微粉炭であり、それ以外として、例えば廃プラスチック等を挙げることができるが、以下では、微粉炭を粉状炭材として説明する。微粉炭は、キャリアガス（搬送ガス）と呼ばれるガスによって搬送され、高炉に吹き込まれ、キャリアガスとしては、例えば窒素またはアルゴンを用いることができる。また、本明細書において支燃性ガスとは、微粉炭の燃焼を助けるガスをいい、例えば、酸素、二酸化炭素及び水蒸気である。

一般に、ランスから吹き込まれる微粉炭は、ブローパイプから送風されてきた酸素富化された高温空気（湿分調整のために湿分を添加されていてもよい）によって昇温される。また、水素系還元ガスが別途ランスから吹き込まれることがある。微粉炭は、昇温の際、揮発成分を放出（熱分解）した後、チャー化し、下記反応式に示したように、ｉ）先ずは、周辺にある酸素によりガス化反応を受けて、一酸化炭素を生成する。次いで、生成した一酸化炭素が周辺にある酸素を消費して、二酸化炭素を生成する。ii）、iii）生成した二酸化炭素と、高温空気中に含まれる水分や水素系還元ガスの燃焼によって生じた水分はチャーをガス化反応させ、一酸化炭素と水素を生成する。このように、微粉炭の燃焼とは、酸素、二酸化炭素、及び水蒸気によるガス化反応すべての反応による消滅を指すものとする。なお、微粉炭の分解後に生成したチャーのうち、支燃性ガスとの燃焼反応で消費されなかったものを未燃チャーとをいう。

本発明においては、支燃性ガスに対して微粉炭が十分に分散している高分散状態であると仮定して、高炉レースウェイ内の燃焼反応に関する数値解析モデルを用いて計算を行った。

使用した数値解析モデルは、参考文献１（Hiroshi Nogami, et al., ISIJ Int., 44(2004), p2150）に記載されたものである。この数値解析モデルは、レースウェイ内の物質がコークス、ガス、及び微粉炭であるとした、粒子（Distinct Element Method：DEM）と気流（Finite Difference Method：FDM）の結合モデルである。ここでは、軌道内の温度は高く、その領域は乾燥帯と見なすことができるため、液体の存在は無視される。そして、送風条件と設備条件をインプットとして、コークス、ガス（支燃性ガス）、及び微粉炭について、ＦＤＭとＤＥＭを用いて質量・運動量・エネルギーの保存式を解き、レースウェイの状態（レースウェイ深度、境界等）と、炉内のコークス及び微粉炭の燃焼を解析した。その際には、微粉炭とガスは微小区間毎に均一混合状態であると仮定した。

表１には、数値解析モデルによる評価での基本条件が示されている。これは、高炉の羽口１本あたりの基本諸元に該当する。このうちの微粉炭の吹込量は、銑鉄１トンあたりで２０３ｋｇ／ｔに相当する。表１において送風量とは、単位時間あたりに送風される乾燥空気の量（Nm³/h）であり、富化酸素量とは、乾燥空気に添加される単位時間あたりの酸素の量（Nm³/h）であり、キャリア量とは、微粉炭を搬送するキャリアガスの単位時間あたりの量（Nm³/h）である。本明細書において熱風量とは、送風量、富化酸素量及びキャリア量をすべて合わせたものである。なお、下表において、羽口径とは、羽口先端における羽口の直径をいう。
また、表２には、数値解析モデルの計算に用いた微粉炭の成分が示されている。

レースウェイでは、羽口先端付近に設置したランスから吹き込まれた微粉炭と、わずかに存在するコークスとが競争反応を起こし、ガス温度、ガス組成が大きく変化する。そこで、この数値解析モデルにより、初期状態（炉内全域ガス100%窒素、炉内全域温度1000℃、炉内全域固体・気体の運動の速度ゼロ）から定常状態になるまで、表１に記載された入力条件に基づき、炉内の固体、気体についての物質収支、熱収支、運動量収支を満足するように物質量（濃度）、温度、固体・気体の運動の速度と反応速度を計算した。

図１には、羽口軸上での水平距離に対する微粉炭の燃焼反応速度分布（羽口１本あたり）が示されている。また、図２には、同じく羽口軸上での水平距離に対するガス温度とガス組成の分布とが併せて示されている。図１及び図２において、横軸の水平距離が０の位置は、ランス先端を意味する。
このうち、図１については、羽口先端において微粉炭（図中ではPCとして略記）の分解と同時に先に示したｉ）の反応が生じ、引き続き、ii）及びiii）の反応が起こることが分かる。また、図２には、これらのｉ）～iii）の反応に伴うガス組成の変化が示されていると共に、ガス温度の変化が示されている。なお、ｉ）の反応は発熱反応であるが、ii）及びiii）の反応は吸熱反応であるため、ガス温度は一時的に上昇するものの、その後は下降する。

ところで、レースウェイの境界を推定する方法には、充填構造から推定する方法と、ガス温度及びガス組成から推定する方法とがある。前者の方法により推定されるレースウェイは物理的レースウェイと呼ばれ、熱風により羽口前のコークス粒子が押しのけられて旋回運動する、通常の充填層とは異なる空隙率の高い空間である。後者の方法により推定されるレースウェイは化学的レースウェイと呼ばれ、化学的レースウェイにおいては支燃性ガスが存在しなくなり、燃焼生成ガス（ＣＯ、Ｈ_２、Ｎ_２）のみが存在する。

参考文献２（重見彰利、製銑ハンドブック、p218-229）によれば、これまでの計測等の結果より、物理的レースウェイの大きさは羽口軸方向に０．８～１．５ｍ程度であることが分かっている（図１、２のグラフでは、物理的レースウェイに該当する位置が例示されている）。図２に示されるように、物理的レースウェイの外側の領域では、ガスはほぼＣＯ、Ｈ_２、Ｎ_２のボッシュガス組成になっており、微粉炭の燃焼が進まないことも知られている。後述するレースウェイ内での微粉炭（PC）の滞留時間と微粉炭の燃焼率の計算においては、図１、２のグラフに示す（ランス先端からの）水平距離１．２ｍの位置を化学的レースウェイの境界として計算を行った。本明細書において、物理的レースウェイ／化学的レースウェイを特に区別せず、レースウェイと表記することがある。

ここで、例えば、内径が１００～１５０ｍｍ程度の羽口から１２００℃程度の熱風を送り込む際には、その流速は２００ｍ／ｓ前後である。羽口から吹き込まれるガスの流速が速いため、ランスから排出された微粉炭は直ぐにガス流速と同程度まで加速され、レースウェイ内での微粉炭の滞留時間はせいぜい数ｍｓ程度であると推定される。そのため、微粉炭の燃焼性を向上させるには、この反応時間を確保するのが効果的であり、レースウェイ内での微粉炭速度を低下させるのがよいと考えた。

熱風の流速（Ｎｍ^３/ｍ^２・ｓ、簡易的にｍ/ｓとも表記する）は、羽口１本あたり一時間あたりの熱風量（Ｎｍ^３/ｈ）を羽口１本当たり一秒当たりの熱風量（Ｎｍ^３/ｓ）に変換し、当該羽口の断面積（ｍ^２）で割ることにより求められる。熱風の流速と同義に、羽口風速または線流速と表記することがある。

レースウェイ内での微粉炭速度の低下には、羽口風速を低下させればよく、それには熱風量を下げるか、或いは、羽口断面積を増加させればよい。ただし、羽口からの送風量を落とすと出銑量も減少してしまう。そこで、羽口断面積を増加する、すなわち羽口径の拡大について検討した。なお、羽口断面積とは、羽口先端における断面積（羽口先端の開口面積）をいう。

図３には、先の数値解析モデルによる評価をもとに、羽口径を１００ｍｍ、１２５ｍｍ、及び１５０ｍｍとしたときの化学的レースウェイ内での微粉炭（PC）の滞留時間と微粉炭の燃焼率について計算した結果が示されている。このうち、化学的レースウェイ内での微粉炭の滞留時間は、羽口からの送風量を一定としたときに、羽口径が拡大すると線流速が低下することから、図３の下段に示した結果となった。また、図３の上段に示した微粉炭の燃焼率に関しては、微粉炭中の灰分は燃焼前後で不変（保存される）と仮定し、初期の灰分以外の質量（初期質量）に対する燃焼後に残留する灰分以外の質量（残留質量）の割合から微粉炭の燃焼率を求めた。すなわち、初期質量から残留質量を減算することで焼失質量を求め、焼失質量を初期質量で除算することによって微粉炭の燃焼率を求めた。これらによれば、羽口径を拡大することで、化学的レースウェイ内での微粉炭の滞留時間を確保することができるようになり、微粉炭の燃焼率向上が可能になることが確認された。なお、化学的レースウェイ内での滞留時間とは、ランス先端から吹き込まれた微粉炭粒子が化学的レースウェイ奥の境界に達するまでの時間をいい、微小区間毎に化学的レースウェイ深度を微粉炭速度で除することで算出される。

また、図４には、羽口径が１００ｍｍの場合と１５０ｍｍの場合について、それぞれの羽口軸上での微粉炭チャーの燃焼速度（反応速度）分布が示されている。この分布は、先に示したｉ）～iii）の反応のうち微粉炭に関わる反応量を全て合計したものであり、微粉炭チャーと酸素、微粉炭チャーと二酸化炭素、微粉炭チャーと水蒸気の各反応での反応速度の総量である。羽口径を拡大することによって、レースウェイ深度は縮小するものの、この図４によれば、羽口先端付近の微粉炭チャーの燃焼速度増加が全体の燃焼率増加に寄与していることが分かる。

ここで、羽口径を拡大し過ぎると、ガス流速が過度に低下するため、高炉内での荷下がりが壁側に偏ることによって不安定化することが懸念されるほか、ガス流れが壁側に偏り、炉芯が不活性化するおそれがある。そのため、羽口径を拡大するにあたっては、高炉が備える複数の羽口のうち、一部の羽口の羽口径を拡大するのがよい。好ましくは、複数の羽口を相対的に比較して、羽口径の大きい大径羽口と羽口径の小さい小径羽口とが高炉円周方向に交互に配置されるようにするのがよい。大径羽口と小径羽口とを交互に配置することにより、荷下がりやガス流れの円周バランスを維持することができる。

この場合、大径羽口と小径羽口から送風されるガスの動圧がほぼ同じになることから、羽口を通過するガスの線流速はほぼ同じになる。つまり、高炉に設けられた羽口の全数を一律に拡大する場合に比べて、大径羽口と小径羽口とを交互に配した方が、全ての羽口の断面積を合計した羽口総断面積が小さくなる分だけ、羽口を通過するガスの線流速の低下を抑制することができる。一方で、大径羽口と小径羽口との口径差が大きくなりすぎると、高炉円周方向に送風量の偏差が過度に大きくなり、炉下部圧損が増加するおそれがある。そのため、好ましくは、大径羽口と小径羽口との口径比が１．０超１．４以下であるのがよい。なお、各羽口から吹き込まれるガスの量は羽口断面積に応じて決まるため、微粉炭吹込み量も同様に羽口断面積に応じて制御される。

本発明において、羽口径を拡大して羽口風速を減速する際には、高炉の生産性をできるだけ落とさずに、微粉炭の燃焼性向上との両立を図る観点から、好ましくは、高炉に設けられた全ての羽口の断面積を合計した全羽口単位面積当たりの熱風量が１９０Nm^３/m^２・s以上２５０Nm^３/m^２・s以下の範囲となるようにするのがよい。より好ましくは、２００Nm^３/m^２・s以上２３０Nm^３/m^２・s以下の範囲であるのがよい。ここで、高炉の生産性については、高炉のサイズ等によっても異なるため一概に特定するのは難しいが、高炉の生産性が維持される具体的な指標として、例えば、出銑比が２t/d/m^３以上となるような操業であるのが望ましい。更には、銑鉄１トンあたりの微粉炭吹込量が２００kg/t以上となる高微粉炭比操業においては、微粉炭の燃焼性が低下すると考えられることから、本発明が好適に適用されると言える。

そして、本発明においては、高炉操業での粉状炭材の燃焼性低下に対応して、羽口径を拡大して羽口風速を減速させる。ここで、羽口径の拡大は、高炉の休風時等に羽口径を調整することで行うことができる。その際、羽口径の調整は公知の方法を用いることができ、例えば、羽口そのものの径を変更することのほか、羽口内側に設置される耐火物製羽口スリーブを径の大きなものに交換したり、耐火物製羽口スリーブの一部を抜去したりするなどして羽口径を拡大する方法等が挙げられる。なお、送風圧を等しくすることにより羽口断面積に応じて送風量が分配されるので、本発明では、環状管ほか制御系の変更は特に必要とせずに、羽口径の調整のみで対応可能である。

高炉に設けられた羽口の全数を一律に拡大する場合、その羽口径は、例えば、１２５ｍｍ超１４５ｍｍ未満とすることができる。これにより、表１及び後述する表３に示す熱風量（１１２１１Nm³/h）において、羽口風速を好ましいレベル (１９０～２５０Nm³/m².s)にすることができる。
大径羽口と小径羽口とを交互に配する場合、大径羽口の羽口径は、例えば、１３０ｍｍ超１６５ｍｍ未満とすることができ、小径羽口の羽口径は、例えば１００ｍｍ超１４０ｍｍ未満とすることができる。このとき、口径比を１．０超１．４以下で適宜設定することにより、表１及び後述する表３に示す熱風量（１１２１１Nm³/h）において、羽口風速を好ましいレベル (１９０～２５０Nm³/m².s)にすることができる。

なお、本明細書において羽口は、特筆しない限り円形断面を有するものをいうが、羽口の形状は特に限定されず、羽口風速が減速するように羽口径を拡大すればよい。例えば、正多角形の断面を有する羽口においては、外接円の半径を拡大させることができる。
また例えば、楕円形断面を有する羽口においては、長径又は短径のいずれか一方または両方を拡大させることができる。楕円形断面を有する羽口を用いて大径羽口と小径羽口とを交互に配する場合、大径羽口と小径羽口とを相似形にするのがよく、すなわち、楕円率（短径と長径の比）を等しくするのがよい。大径羽口と小径羽口とを相似に維持したうえで、口径比（長径同士の比、かつ、短径同士の比）を１．０超１．４以下にするのがよい。

一方で、粉状炭材の燃焼性低下については、種々の事象によって確認することができる。そのため、粉状炭材の燃焼性低下を判断するにあたり、本発明では特に制限されないが、例えば、次のような状況を具体的に示すことができる。

そのひとつは、羽口前理論燃焼温度が２０５０℃以下の送風条件で操業する場合である。高炉の羽口先における燃料の燃焼温度は、送風温度や送風湿分のほか、酸素富化、燃料吹込み、微粉炭吹込み等の操業条件によって変化する。高炉操業を順調に行うには、この羽口先における燃料の燃焼温度の管理が重要であるが、羽口先の燃料の燃焼温度を直接測定するのは難しい。そのため、一般には、計算で求められる理論燃焼温度での管理が行われる。

この羽口先における理論燃焼温度（羽口前理論燃焼温度）の一例として、下記式（１）で表されるラムの理論燃焼温度（Ｔ℃）の計算式がある（重見彰利著、製銑ハンドブック、地人書館（1979）p.217）。
Ｔ＝(２４５０＋Ｑ_Ｆ＋Ｑ_Ｂ＋Ｑ_Ｃ)／(Ｃ_ｇ×Ｖ_Ｔ) ・・・（１）

ここで、式中の２４５０は、コークス中のＣがＣＯに燃焼するときの発熱量（kcal/kg C）である。また、Ｑ_Ｆ、Ｑ_Ｂ、Ｑ_Ｃ、Ｃ_ｇ、及びＶ_Ｔについては次のとおりである。
Ｑ_Ｆ：送風と共に炉内に吹き込まれた燃料及びＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ等の羽口先における反応熱（燃料中のCがCOにまで燃焼するときの発熱量から、H_２O、CO_２、CH_４等の分解熱を引いたもの）（kcal/kg Cc）。但し、Ｃｃは羽口先で燃焼するコークス中のＣを意味する（以下同様）。
Ｑ_Ｂ：羽口から吹き込まれる送風等の持ち込み顕熱（kcal/kg Cc）
Ｑ_Ｃ：燃焼帯へ入ってくるコークスの顕熱（燃焼帯へ入ってくるコークスの温度は1700～1800℃程度であるが普通は0.75Tを用いることが多い）（kcal/kg Cc）
Ｃ_ｇ：燃焼生成ガスの定圧比熱（kcal/Nm^３ ℃）
Ｖ_Ｔ：燃焼生成ガス量（Nm³/kg Cc）

なお、コークスの平均比熱を０．４kcal/℃・kg Ccとして、燃焼帯へ入ってくるコークスの温度を０．７５Ｔとすると、式（１）は次の式（２）のように簡略化することができる。
Ｑ_Ｃ＝０．４×０．７５Ｔ＝０．３Ｔ
Ｔ＝(２４５０＋Ｑ_Ｆ＋Ｑ_Ｂ)／(Ｃ_ｇ×Ｖ_Ｔ－０．３) ・・・（２）

このようなラムの理論燃焼温度（Ｔ）による羽口前理論燃焼温度は、一般に２０００～２５００℃の範囲内で管理されるところ、これが２０５０℃以下の送風条件で操業する場合には、微粉炭（粉状炭材）の燃焼性が低下するおそれがある。そのため、このような高炉操業を行う場合には、操業に際して、微粉炭（粉状炭材）の燃焼性が低下すると判断して、高炉の休風時等に羽口径を拡大すればよい。

また、高炉の炉頂から排出される炉頂排ガス中で、羽口から吹き込んだ粉状炭材由来のダストが増加した場合、高炉操業中に粉状炭材の燃焼性が低下したと判断することもできる。例えば、高炉の炉頂から排出される炉頂排ガスを一次除塵するダストキャッチャーや、ダストキャッチャーにより一次除塵した炉頂排ガスを二次除塵するベンチュリースクラバー等の集塵機において捕捉されるダストのうち、羽口から吹き込んだ粉状炭材由来のダスト（粉状炭材ダスト）が増加したときには、何らかの原因により粉状炭材の燃焼が悪化したと考えられる。その際、例えば、羽口から吹き込む粉状炭材の５質量％に相当する粉状炭材ダストが炉頂排ガス中で確認されたときに、高炉操業中に粉状炭材の燃焼性が低下したと判断してもよく、羽口から吹き込む粉状炭材の１０質量％に相当する粉状炭材ダストが炉頂排ガス中で確認されたときに、高炉操業中に粉状炭材の燃焼性が低下したと判断してもよい。また、例えば、粉状炭材の吹込み量を増加させたとき、その増加量の１０質量％に相当する粉状炭材ダストが炉頂排ガス中で確認されたときに、高炉操業中に粉状炭材の燃焼性が低下したと判断してもよい。このほか、過去の操業や実績等に応じて閾値を設定して、これに該当した場合（例えば、羽口から吹き込む粉状炭材の５質量％以上であったり、１０質量％以上に相当する粉状炭材ダストが確認されたときや、増加量の１０質量％以上に相当する粉状炭材ダストが確認されたときなど）には、上述したように羽口径を拡大して、以降の操業を行うようにすればよい。

以下、実施例に基づいて本発明を説明するが、本発明はこれらの内容に制限されるものではない。
上述した参考文献１に記載の数値解析モデルを用いて、羽口径を拡大した操業について、微粉炭の燃焼性を評価した。ここでは、内容積が４５００ｍ^３の高炉を計算の対象とし、送風条件（羽口１本あたり）は先の表１に示した通りである。また、使用する微粉炭は、表２に記載の成分を有するものとした。

表３には、<１>高炉に設けられた３８本の羽口の全てが羽口径１２５ｍｍである場合をベースの操業として、<２>これらを全て１４７ｍｍの羽口径に拡大して操業した場合、及び、<３>一部の羽口の羽口径を１５０ｍｍに拡大した大径羽口と羽口径が１２５ｍｍのままの小径羽口とが高炉円周方向に交互に配置されるようにして操業した場合について、それぞれ送風条件（羽口１本あたり）と微粉炭の燃焼率を計算した結果が示されている。

ここで、<３>の大・小径羽口交互配置条件においては、羽口断面積に応じて、送風量と酸素量とをそれぞれ分配し、<１>、<２>の他条件での操業の場合と、全送風量及び全酸素量が同じになるようにした。同様に<３>の大・小径羽口交互配置条件においては、羽口断面積に応じて微粉炭の吹込み量を分配し、全微粉炭吹込量が一定となるようにした。また、<１>～<３>の操業条件において、羽口風速は、全ての羽口の断面積を合計した全羽口単位面積当たりの熱風量を表すものである。更に、微粉炭（PC）燃焼率は、上述したように、微粉炭中の灰分は燃焼前後で不変（保存される）として、灰分以外の組成についての、初期質量に対する焼失質量の割合を示すものである。そして、微粉炭（PC）総燃焼率について、<３>の大・小径羽口交互配置条件の場合では、大径羽口での微粉炭（PC）燃焼率と小径羽口での微粉炭（PC）燃焼率とをＰＣ吹込量で加重平均した値である。

表３に示されるように、羽口径を<１>ベースの１２５ｍｍから<２>全数１４７ｍｍに変更すると、微粉炭の燃焼率は増加するものの、羽口風速が大きく低下してしまう。つまり、高炉内での荷下がり悪化やガスの炉壁流化、炉芯不活性化など、高炉の安定操業が妨げられるおそれがある。それに対して、<３>大小径の羽口を交互配置した場合は、羽口内ガス流速を大きく落とさずに、<１>の場合に比べて微粉炭の総燃焼率を改善できることが確認された。

以上のとおり、本発明によれば、高炉での銑鉄生産量を低下させずに、粉状炭材の燃焼率を高めることができるようになる。そのため、微粉炭の使用割合を高めたり、水素系還元ガスを羽口から吹き込んだりするなど、低コークス比での操業が実現可能になる。

Claims

羽口から支燃性ガスと共に粉状炭材を吹き込んで銑鉄を得る高炉の操業方法において、羽口前理論燃焼温度が２０５０℃以下の送風条件で操業する場合に、高炉操業に際して粉状炭材の燃焼性が低下すると判断し、該粉状炭材の燃焼性低下に対応して、羽口風速が減速するように羽口径を拡大することを特徴とする高炉操業方法。
羽口から支燃性ガスと共に粉状炭材を吹き込んで銑鉄を得る高炉の操業方法において、炉頂から排出される炉頂排ガス中で粉状炭材由来のダストが増加した場合に、高炉操業中に粉状炭材の燃焼性が低下したと判断し、該粉状炭材の燃焼性低下に対応して、羽口風速が減速するように羽口径を拡大することを特徴とする高炉操業方法。
羽口から吹き込む粉状炭材の５質量％以上に相当する粉状炭材由来のダストが炉頂排ガス中で確認されたときに、高炉操業中に粉状炭材の燃焼性が低下したと判断する、請求項２に記載の高炉操業方法。
高炉に設けられた全ての羽口の断面積を合計した全羽口単位面積当たりの熱風量が１９０Nm^３/m^２・s以上２５０Nm^３/m^２・s以下の範囲となるよう、羽口風速が減速するように羽口径を拡大する、請求項１～３のいずれかに記載の高炉操業方法。
高炉に設けられた一部の羽口の羽口径を拡大して、相対的に比較して羽口径の大きい大径羽口と羽口径の小さい小径羽口とが高炉円周方向に交互に配置されるようにする、請求項１～４のいずれかに記載の高炉操業方法。
前記大径羽口と前記小径羽口との口径比が１．０超１．４以下である、請求項５に記載の高炉操業方法。
前記粉状炭材が微粉炭であり、銑鉄１トンあたりの微粉炭吹込量が２００kg/t以上である、請求項１～６のいずれかに記載の高炉操業方法。
出銑比が２t/d/m^３以上で操業する、請求項１～７のいずれかに記載の高炉操業方法。