JPH10140220A - 高炉の操業方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】羽口から吹き込んだ粉状炭材を還元剤として有
効に作用させ、コークスの粉化と、それに起因する炉内
通気性の悪化を抑え、コークス品質に対する制約を緩和
することができる方法を提供する。 【解決手段】下記の〜の条件を満足するように羽口
１内に取り付けられた粉状炭材吹き込み用ランス２を用
いて、粉状炭材をＮ₂ （キャリアーガス）とともに炉内
に吹き込む高炉の操業方法。なお、図１の（ａ）は粉状
炭材吹き込み用ランス２の先端と羽口の中心軸３を含む
平面であり、（ｂ）は羽口１の先端部を含み、羽口の中
心軸に対して垂直な平面へこの平面に対して垂直にラン
スの先端を投影した図である。 ０．５×Ｒ_t ＜Ｒ_b ・・・ −４５゜≦θ≦＋４５゜ ・・・ ４５°≦φ ・・・

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、粉状炭材を使用す
る高炉の操業方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、高炉操業においては粉状炭材を多
量に吹き込む操業が指向されているが、その狙いは、炉
内におけるコークスの熱的および化学的役割を粉状炭材
に代替させ、所要コークスの一部を粉状炭材で置換する
ことによって、銑鉄コストの合理化を図るところにあ
る。すなわち、高炉操業において、コークスは、羽口か
らの熱風との燃焼反応によって熱を発生させる燃料とし
ての役割と、コークス自身の炭素（Ｃ）によって酸化鉄
を直接、あるいはコークスのガス化により生成したＣＯ
を介して間接的に還元する還元剤としての役割を担って
いる。

【０００３】従来、高炉への粉状炭材の吹き込みは、基
本的に燃料としての役割を担わせるものであり、この粉
状炭材の羽口前燃焼帯（以下、レースウェイと記す）で
の燃焼効率を高めるための種々の技術が開発されてき
た。

【０００４】例えば、特公昭６０−５３０８２号公報に
は、高炉羽口に連設された熱風吹込用ブローパイプの壁
を貫通して突入させたバーナから粉体燃料を吹き込む
際、この吹込用バーナの先端をブローパイプ出口端内周
面に対して所定の位置に設定して吹き込みを行う方法が
開示され、特公昭６１−４８８２号公報では、粉体燃料
吹込用バーナの最先端開口を長穴に形成し、［長軸長さ
／短軸長さ］比を１．３〜３．５範囲内に設定する等の
限定を加えた粉体燃料の高炉吹込装置が提案されてい
る。また、特開平６−３３０１１３号公報には、複数本
の固体燃料吹込み用ランスを、それらの先端部の中心軸
線がブローパイプの中心軸線と交差しない位置に配置し
て吹き込みを行う方法が示されている。

【０００５】しかし、高炉への粉状炭材の吹き込み操業
は、炉内状態、特に代替の対象となるコークスの炉内状
態に大きな影響を与える。すなわち、炉頂から装入され
たコークスは炉の中段付近まで降下したところで、鉱石
の還元により発生したＣＯ₂あるいはＨ₂ Ｏと反応（い
わゆる、直接還元反応）することによってコークス強度
（これにより粒子としての形態が保たれる）が低下す
る。その後、コークスは炉下部まで降下して、レースウ
ェイにおいて燃料として燃焼消失することになるが、そ
の際、羽口からの衝風によって旋回運動を行いながら反
応するために、上記の粒子強度の劣化とも相俟って、レ
ースウェイではコークスの粉化も同時に進行する。従っ
て、コークスの反応消滅速度に比較して粉化の度合いが
顕著になってくると、発生粉による炉内通気性の悪化が
表面化する。さらに、粉状炭材の吹き込みを行うと、こ
の粉状炭材が燃焼ガス化するため、レースウェイでのコ
ークスの反応消滅速度が低下し、レースウェイでのコー
クス粉の発生量が増加することになる。

【０００６】高炉への粉状炭材の吹き込み操業において
は、炉内通気性は、コークス比の低下に伴い不可避的に
低下するが、これに加え、上述した現象が顕著になる
と、操業の安定維持が困難となる。

【０００７】現在、微粉炭比を２００ｋｇ／ｔ（銑鉄）
レベルにまで増加させるに当たって、コークスの強度を
高める何らかの手段が講じられているのが多くの高炉で
の実態であるが、これによって、粉状炭材吹き込みのコ
スト・メリットが相殺されることになる。

【０００８】以上述べたような粉状炭材の吹き込みによ
るコークス粉化挙動に起因する炉内通気性の悪化は、上
述したコークスのＣＯ₂ やＨ₂ Ｏとの反応による強度劣
化（反応劣化）を抑制し、レースウェイでのコークスの
反応消滅速度の低下を改善することによって、解消する
ことができる。

【０００９】そのためには、炉内に吹き込んだ粉状炭材
に、燃料としてではなく、還元剤としての役割を担わせ
ることが考えられる。すなわち、コークスの還元剤とし
ての役割を粉状炭材で代替するので、上記のコークスの
ＣＯ₂ やＨ₂ Ｏとの反応が抑制され、ひいてはコークス
強度の劣化が抑制される。

【００１０】このような考え方に基づいて、本発明者ら
は、粉状炭材を高炉内へ吹き込み、炉内で還元剤として
有効に使用する方法を提案した（特願平７−２１１８２
５号）。この方法によれば、コークスの強度低下が起こ
らず、従来よりも低品質のコークスの使用が可能とな
る。しかしながら、この方法を実施するに際しては、羽
口上方の炉壁外面から炉内に貫通するノズルを用いての
粉状炭材の炉内への吹き込みを具体的手段としており、
数十本の羽口を有する実高炉の各羽口にこのような設備
を設けることは、コスト面およびメンテナンスの面で必
ずしも得策ではない。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述の問題
を解決するためになされたもので、新規設備を必要とせ
ず、既存の羽口から粉状炭材を吹き込むことを前提に、
コークスの粉化と、それに起因する炉内通気性の悪化を
防止することができる高炉の操業方法を提供することを
目的としている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記の課
題を解決するために、前述した粉状炭材を燃料としてで
はなく還元剤として炉内で有効に利用する（消費させ
る）という考え方のもとに検討を重ねた。その結果、粉
状炭材吹き込み用ランスの先端を羽口先端部の所定の位
置に設定し、粉状炭材をキャリアーガスとともに吹き込
むことにより、粉状炭材を還元剤として有効に利用でき
ることを確認した。

【００１３】すなわち、羽口から吹き込まれた熱風は、
コークスに旋回運動を与えてレースウェイを形成した
後、上昇流に転ずるのであるが、粉状炭材を羽口を通過
するガス流に乗せる位置を適正に調整することにより、
粉状炭材のレースウェイでの滞留時間を最小にして、速
やかに上昇流に乗せることができる。

【００１４】本発明は、このような粉状炭材の吹き込み
を行うことを特徴とするもので、その要旨は、下記の高
炉の操業方法にある。

【００１５】下記の（１）〜（３）の条件を満足するよ
うに羽口内に取り付けられた粉状炭材吹き込み用ランス
を用いて、粉状炭材を窒素ガスとともに炉内に吹き込む
ことを特徴とする高炉の操業方法。

【００１６】（１）羽口の先端部を含み、羽口の中心軸
に対して垂直な平面への前記ランスの先端の前記平面へ
の垂直な投影点が下記式を満たす。

【００１７】０．５×Ｒ_t ＜Ｒ_b ・・・ ただし、Ｒ_t ：羽口内半径 Ｒ_b ：ランスの先端投影像の中心と羽口の中心軸との間
の距離 である。

【００１８】（２）前記（１）に記載の平面において、
ランスの先端の投影点と羽口の中心とを結ぶ直線の垂直
上向き方向（基準）に対してなす角度θが、下記式を
満たす。

【００１９】−４５゜≦θ≦＋４５゜ ・・・ ただし、角度は、基準に対して右回りを＋、左回りを−
とする。

【００２０】（３）ランスの先端と羽口の中心軸を含む
平面において、ランスの先端の中心と羽口の上側先端部
とを結ぶ直線が羽口の中心軸の羽口前方方向（基準）に
対してなす角度φが、下記式を満たす。

【００２１】４５°≦φ ・・・ ただし、角度は、前記平面において、羽口前方方向を左
向きにとった場合の基準に対する角度である。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の高炉の操業方法に
ついて詳細に説明する。

【００２３】高炉において、炭材（すなわち、コーク
ス、あるいは羽口から吹き込まれる粉状炭材）に含まれ
るＣが主として消費される領域は、羽口前レースウェイ
と、これより上方にある鉱石が軟化融着を起こす領域
（以下、融着帯という）である。

【００２４】羽口前レースウェイにおいては、炭材中の
Ｃは、送風ガス中のＯ₂ 、Ｈ₂ Ｏによって、次のような
反応により燃焼ガス化する。

【００２５】Ｃ＋Ｏ₂ →ＣＯ₂ ；ＣＯ₂ ＋Ｃ→２ＣＯ Ｃ＋Ｈ₂ Ｏ→ＣＯ＋Ｈ₂ Ｃ＋２Ｈ₂ Ｏ→ＣＯ₂ ＋２Ｈ₂ ；ＣＯ₂ ＋Ｃ→２ＣＯ 一方、融着帯では、炭材中のＣは、鉱石の還元反応に関
与してガス化する。いわゆる、直接還元によるガス化で
ある。ここでの反応は、下記のとおりで、鉱石のガス還
元によってＣＯ₂ 、Ｈ₂ Ｏが生成する過程と、炭材中の
Ｃがこれら生成したＣＯ₂ 、Ｈ₂ Ｏと反応し、ガス化す
る過程とが並行して進行する。

【００２６】 ＦｅＯ＋ＣＯ→Ｆｅ＋ＣＯ₂ ；ＣＯ₂ ＋Ｃ→２ＣＯ ＦｅＯ＋Ｈ₂ →Ｆｅ＋Ｈ₂ Ｏ ；Ｃ＋Ｈ₂ Ｏ→ＣＯ＋Ｈ
₂ また、上記のようにＣが消費される以外に、炭材中のＣ
が直接ＦｅＯ（鉱石）に作用してこれを還元する反応
や、浸炭によって消費される反応も生じている。なお、
このような融着帯での浸炭剤としてのＣの消費も、ここ
では還元剤としての炉内消費と見なす。

【００２７】一般に、高炉の操業においては、銑鉄１ｔ
ｏｎを製造するに際し、概ね１５０ｋｇ前後のＣが上述
の過程をとおして還元剤として消費されている（前記の
ように、浸炭剤としての消費を含む）。このとき、いわ
ゆるオールコークス操業においては、コークスがこの全
てを賄うこととなるが、粉状炭材を炉内に吹き込み、こ
れを燃料として利用する場合は、コークス比が低下した
分だけコークスの還元剤としての反応負荷が増大し（つ
まり、コークス単位量当たりの還元剤としての消費量が
増し）、前述したように、コークスの強度劣化が大きく
なる。

【００２８】一方、高炉内を上昇するガスの流速を考慮
すると、炭材の粒径が０．５ｍｍ以下の粉状の炭材であ
れば、炭材をこのガス流に随伴させることができる。そ
して、ガスが融着帯を通過する際、コークス層のつくる
いわばスリット状をなす部分を蛇行しながら通過するた
め、ガス流に随伴した粉状炭材が鉱石融着層に捕獲され
ると考えられる。

【００２９】粉状炭材はコークスに比べサイズが極めて
小さく、換言すれば、比表面積が大きく、反応性に富む
ことから、融着層に捕獲された粉状炭材は上述した炭材
が消費される反応に対して優先的に関与し、消費される
ことになる。従って、コークスの反応負荷は相対的に低
下し、前述した反応による強度の低下が抑制される。

【００３０】本発明の高炉の操業方法において、前記の
ように規定された粉状炭材吹き込み用ランスを用いるの
は、羽口から吹き込まれた粉状炭材を速やかに上昇気流
に乗せて、この粉状炭材を炉内の融着帯領域において還
元剤として有効に消費させるためである。

【００３１】粉状炭材の適正な吹き込み条件を求めるた
め、コークス充填層型の粉状炭材燃焼試験装置を用い、
粉状炭材吹き込み用ランスの先端の位置を変えて試験を
行った。この装置は、内容積３．５ｍ³ 、層高２．３
ｍ、奥行き１．５ｍで、底部から０．８ｍ上方の側壁部
分に１本の羽口（内径（２×Ｒ_t ）＝６５ｍｍ）を備え
ている。

【００３２】図１は、前記試験装置の粉状炭材吹き込み
部の概念図で、（ａ）は粉状炭材吹き込み用ランスの先
端と羽口の中心軸を含む平面であり、（ｂ）は羽口の先
端部を含み、羽口の中心軸に対して垂直な平面へランス
の先端をこの平面に対して垂直に投影した図である。

【００３３】試験は、Ｒ_b ／Ｒ_t 、角度θおよびφを変
えて、粉状炭材吹き込み用ランスの羽口内での取り付け
位置を変化させた７ケースについて行った。なお、Ｒ_t
は図１（ａ）に示した羽口１の内半径であり、Ｒ_b は図
１（ｂ）における粉状炭材吹き込み用ランス２の先端の
投影点２−1 の中心と羽口の中心４との間の距離であ
る。また、角度θとは、図１（ｂ）に示すように、ラン
ス２の先端の投影点２−1 の中心と羽口の中心４とを結
ぶ直線の垂直上向き方向（基準）に対してなす角度であ
り、この基準に対して右回り、すなわちランス２の先端
の投影点２−1 が右側に存在する場合（図示した状態に
ある場合）、＋で表し、基準に対して左回り、すなわち
ランス２の先端の投影点２−1 が左側に存在する場合−
記号を付すこととする。角度φとは、図１（ａ）に示し
たように、ランス２の先端と羽口の中心軸３を含む平面
において、ランス２の先端の中心と羽口１の上側先端部
とを結ぶ破線５が羽口の中心軸３の羽口前方方向（基
準）に対してなす角度で、前記平面において、羽口前方
方向を左向きにとった場合における羽口前方方向（基
準）に対する角度である。

【００３４】表１に試験条件を、表２にランスの羽口内
での取り付け位置を変化させるために調整したＲ_b ／Ｒ
_t 、角度θおよびφの値を示す（case１〜７）。

【００３５】

【表１】

【００３６】

【表２】

【００３７】粉状炭材の吹き込み条件の評価は、羽口の
上方７００ｍｍ、すなわちレースウェイの直上に相当す
る位置で吸引した炉内ガス中に含まれる未燃焼微粉炭の
燃焼率を求めることにより行った。なお、炉内ガスの採
取は、各ケースとも３回実施した。

【００３８】図２に試験結果を示す。図示した燃焼率
は、前記３回の測定結果の平均値である。なお、図中の
Ｎ₂ ／ＰＣとは、粉状炭材１ｋｇ当たりのＮ₂ の量（Ｎ
ｍ³ ）であって、それぞれのcaseにおける２本の棒グラ
フの左側がキャリアーガスとして用いるＮ₂ の量が０．
３Ｎｍ³ 、右側が０．７Ｎｍ³ であることを表す。

【００３９】粉状炭材吹き込み用ランスの先端の位置を
変えることによって、レースウェイの上方で採取された
微粉炭の燃焼率は変化しているが、Ｒ_b ／Ｒ_t が０．５
以上（前記の式）、角度θが＋４５゜（３０゜と６０
゜の中間値）以下で、かつ角度φが４５゜以上（前記の
式）のとき（case１、２、５および６）、燃焼率は８
５％以下で、この条件から外れるcase３、４および７と
比較して低かった。なお、角度θについては、−側も＋
側と同様に考え得るので、その適正条件は、−４５゜≦
θ≦＋４５゜（前記の式）となる。

【００４０】すなわち、本発明で規定する要件を満足す
るように粉状炭材吹き込み用ランスの先端の位置を調整
すれば、羽口前燃焼帯での滞留時間を短くでき、いち早
く上昇気流に乗せて還元剤として融着帯に供給し得るこ
とがわかる。

【００４１】さらに、粉状炭材を吹き込む際にキャリア
ーとして用いるＮ₂ 量を増すと、粉状炭材の周囲のＮ₂
濃度の増大（換言すれば、Ｏ₂ 、Ｈ₂ Ｏ等の酸化性ガス
の分圧の低下）と、粉状炭材の吹き込み時の速度が増加
して羽口風速に近づくこととが相俟って、レースウェイ
での燃焼ガス化が一層抑制される。この効果に関して
も、本発明で規定する要件を満たす条件下において、特
に明瞭に現れている。

【００４２】本発明において、粉状炭材吹き込み用キャ
リアーガスとしてＮ₂ を使用するのは、上述したよう
に、粉状炭材の送風ガス（特にＯ₂ 、Ｈ₂ Ｏ）との接触
を避けて、燃焼ガス化を抑制するためである。なお、キ
ャリアーガスとしては、Ｎ₂ の他にＡｒなどの不活性ガ
スも使用することができる。

【００４３】上記本発明の高炉の操業方法によれば、羽
口から粉状炭材を吹き込むことによってこの炭材を還元
剤として有効に作用させることができ、コークスの反応
劣化による粉化を抑制して、それに起因する炉内通気性
の悪化を抑えることができる。従って、粉状炭材を吹き
込む際、従来採られていたコークス強度を高めるための
手段を講じる必要がなく、コークス品質に対する制約を
緩和することが可能となる。また、吹き込みに際して、
炉壁外面から炉内に貫通するノズルを設置する等の新規
な設備を必要とすることもない。

【００４４】

【実施例】炉内径が８００ｍｍ、炉高が５．５ｍで、１
２０度間隔で３本の羽口を有する試験高炉を対象とし
て、本発明を実施した。

【００４５】その際の操業条件を表３に示す。なお、こ
の試験では、鉄源原料として焼結鉱を使用し、粉状炭材
の吹き込み条件、すなわち、粉状炭材吹き込み用ランス
の羽口内での取り付け位置は、前記の粉状炭材燃焼試験
装置での試験の場合と同様、表２に示したcase１〜７と
した。

【００４６】

【表３】

【００４７】粉状炭材の吹き込み条件の評価は、内容物
サンプラーを用いて炉下部の滴下帯に相当する部位から
採取した炉内コークス中の５ｍｍ篩いを通過する細粒の
含有率（コークス粉率）を測定することにより行った。

【００４８】結果を図３に示す。この図から明らかなよ
うに、本発明で規定する要件を満たすように粉状炭材吹
き込み用ランスの先端の位置を調整して粉状炭材の吹き
込みを行った場合（case１、２、５および６）、炉下部
コークスの粉化を抑えることができた。これは、羽口か
ら吹き込んだ粉状炭材を還元剤として有効に作用させ、
コークスの反応劣化を抑制することができたことによる
ものである。

【００４９】

【発明の効果】上記本発明の高炉の操業方法によれば、
新規な設備を必要とせにず、羽口から吹き込んだ粉状炭
材を還元剤として有効に作用させ、コークスの反応劣化
による粉化と、それに起因する炉内通気性の悪化を抑え
ることができる。さらに、コークス強度の向上等、コー
クス品質に対する制約を緩和することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】粉状炭材燃焼試験装置における粉状炭材吹き込
み部の概念図で、（ａ）は粉状炭材吹き込み用ランスの
先端と羽口の中心軸を含む平面であり、（ｂ）は羽口の
先端部を含み、羽口の中心軸に対して垂直な平面へラン
スの先端をこの平面に対して垂直に投影した図である。

【図２】粉状炭材燃焼試験装置による試験結果で、粉状
炭材吹き込み用ランスの羽口内での取り付け位置を変え
た場合の粉状炭材の燃焼率を示す図である。

【図３】試験高炉による試験結果で、粉状炭材吹き込み
用ランスの羽口内での取り付け位置を変えた場合の粉状
炭材のコークス粉率を示す図である。

【符号の説明】

１：羽口 ２：粉状炭材吹き込み用ランス ２−１：ランスの先端の投影点 ３：羽口の中心軸 ４：羽口の中心

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】下記の（１）〜（３）の条件を満足するよ
   うに羽口内に取り付けられた粉状炭材吹き込み用ランス
   を用いて、粉状炭材をキャリアーガスとともに炉内に吹
   き込むことを特徴とする高炉の操業方法。 （１）羽口の先端部を含み、羽口の中心軸に対して垂直
   な平面への前記ランスの先端の前記平面への垂直な投影
   点が下記式を満たす。 ０．５×Ｒ_t ＜Ｒ_b ・・・ ただし、Ｒ_t ：羽口内半径 Ｒ_b ：ランスの先端投影像の中心と羽口の中心軸との間
   の距離 である。 （２）前記（１）に記載の平面において、ランスの先端
   の投影点と羽口の中心とを結ぶ直線の垂直上向き方向
   （基準）に対してなす角度θが、下記式を満たす。 −４５゜≦θ≦＋４５゜ ・・・ ただし、角度は、基準に対して右回りを＋、左回りを−
   とする。 （３）ランスの先端と羽口の中心軸を含む平面におい
   て、ランスの先端の中心と羽口の上側先端部とを結ぶ直
   線が羽口の中心軸の羽口前方方向（基準）に対してなす
   角度φが、下記式を満たす。 ４５°≦φ ・・・ ただし、角度は、前記平面において、羽口前方方向を左
   向きにとった場合の基準に対する角度である。