JP2014031568A - 高炉操業方法 - Google Patents

Abstract

【課題】羽口先温度の高炉周方向のばらつきを抑制することが可能な高炉操業方法を提供する。
【解決手段】各羽口３に送風される熱風中に微粉炭と酸素とを異なる吹込み経路から吹込むランス４を有し、当該ランス４から高炉１の羽口３に微粉炭と酸素とを同時に吹込む場合に、微粉炭の吹込み量を各羽口３毎に測定し、測定された微粉炭の吹込み量の測定値を用いてランス４から吹込む酸素の吹込み量を該当する各羽口３毎に設定する。そのため、羽口先温度の高炉周方向のばらつきを抑制することが可能となり、これにより微粉炭の燃焼が安定し、装入物の降下速度の周方向ばらつきがなくなり、炉内ガスの通気性が良好となるので、還元効率が上昇し、炉壁からの熱損失が低下するので、安定した低還元材比操業を実現することができ、出銑温度が安定するので、溶銑品質が安定する効果も得られる。この効果は、微粉炭比１５０ｋｇ／ｔ−溶銑以上で顕著である。
【選択図】図９

Description

本発明は、高炉羽口から微粉炭を吹込んで燃焼温度を上昇させることにより生産性の向上及び還元材原単位の低減を図る高炉の操業方法に関するものである。

近年、炭酸ガス排出量の増加による地球温暖化が問題となっており、製鉄業においても排出ＣＯ_２の抑制は重要な課題である。これを受け、最近の高炉操業では、低還元材比（低ＲＡＲ：Reduction Agent Ratioの略で、銑鉄１ｔ製造当たりの、羽口からの吹込み還元材と炉頂から装入されるコークスの合計量）操業が強力に推進されている。高炉の安定且つ効率的な操業にとって、羽口先温度の高炉周方向のばらつきを極小に抑制することが必要である。しかしながら、羽口毎の微粉炭吹込み量がばらつくため、羽口先の温度は周方向に大きなばらつきが生じるのが現状である。そこで、下記特許文献１では、炉内温度の周方向に関する偏差量に基づいて羽口からの微粉炭吹込み量を制御することが記載されている。また、下記特許文献２では、送風管（ブローパイプ）に設けた静電容量式の流量計で微粉炭吹込み量を測定し、微粉炭吹込み量が均一になるように微粉炭の搬送エアー流量を制御する方法が記載されている。

特開平１１−１２４６０９号公報 特開２００４−３００５０４号公報

しかしながら、微粉炭の流量を安定して制御すること自体が困難であるため、前記特許文献１や特許文献２に記載される方法で羽口先温度の高炉周方向のばらつきを十分に抑制することができない。高炉の羽口への送風は、必要に応じて酸素を富化した熱風が各羽口に均等に送風されるが、そうした場合に羽口毎の微粉炭吹込み量が高炉周方向でばらつくと、微粉炭／酸素比が変化するので高炉周方向に羽口先温度差が生じてしまう。微粉炭の流量が増加し、微粉炭／酸素比が上昇した羽口は、羽口先温度が低下すると共に、微粉炭の燃焼性が悪化して未燃チャーが発生し、炉内ガス通気性が悪化する。微粉炭の流量が低下し、微粉炭／酸素比が下降すると、羽口先でのコークスの燃焼が相対的に増加し、羽口先温度が上昇する。そして、羽口先温度偏りがあれば、炉内の還元反応に偏りが生じ、装入物の降下異常等の操業状態の悪化を誘発し、結果として、還元材比が増加する。また、羽口先温度差が生じると、溶銑温度の高炉周方向差が生じる。溶銑温度が１５３０℃よりも高温となった場合、周囲の耐火物の損耗を早める。また、溶銑温度が１５００℃を下回ると、溶銑、スラグの出銑、出滓がスムーズにできなくなり、炉況悪化の原因となる。
本発明は、上記のような問題点に着目してなされたものであり、羽口先温度の高炉周方向のばらつきを抑制することが可能な高炉操業方法を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために、本発明の高炉操業方法は、各羽口に送風される熱風中に微粉炭と酸素とを異なる吹込み経路から吹込むランスを有し、当該ランスから高炉の羽口に微粉炭と酸素とを同時に吹込む高炉操業方法であって、微粉炭の吹込み量を各羽口毎又は各羽口群毎に測定し、測定された微粉炭の吹込み量の測定値を用いて前記ランスから吹込む酸素の吹込み量を該当する各羽口毎又は各羽口群毎に設定することを特徴とするものである。

また、溶銑１ｔ当たりの、全羽口からの吹込み微粉炭量の合計である、溶銑１ｔ当たりの微粉炭比が１５０ｋｇ／ｔ−溶銑以上であることを特徴とするものである。
また、羽口１本当たり、微粉炭と酸素とを異なる吹込み経路から吹込み可能な１本のランスで微粉炭及び酸素を同時に羽口に吹込むことを特徴とするものである。
また、羽口１本当たり、微粉炭を吹込むランスと酸素を吹込むランスの２本のランスで微粉炭及び酸素を同時に羽口に吹込むことを特徴とするものである。

また、羽口に気体還元材を同時に吹込む場合、下記１式で与えられる理論羽口先温度が予め設定した目標値となるように前記ランスから吹込む酸素の吹込み量を設定することを特徴とするものである。
理論羽口先温度（℃）＝定数項（℃）＋Ｂ×送風温度（℃）＋Ｃ×ランス酸素富化率（％）＋Ｄ×送風湿分（ｇ／Ｎｍ³）＋Ｅ×微粉炭比（ｇ／Ｎｍ³-Ｏ₂）＋Ｆ×気体還元材比（ｇ／Ｎｍ³-Ｏ₂） … (1)

但し、ランス酸素富化率（％）＝ランスからの酸素吹込み量（Ｎｍ³／単位時間）／送風流量（Ｎｍ³／単位時間）×１００、微粉炭比＝ランスからの微粉炭吹込み量（ｇ／単位時間）／（ランスからの酸素吹込み量（Ｎｍ³／単位時間）＋送風中酸素流量（Ｎｍ³／単位時間））、気体還元材比＝ランスからの気体還元材吹込み量（ｇ／単位時間）／（ランスからの酸素吹込み量（Ｎｍ³／単位時間）＋送風中酸素流量（Ｎｍ³／単位時間））、Ｂ〜Ｆは予め設定された係数

また、前記羽口群は隣り合う２本乃至５本の羽口を１群として、前記ランスから吹込む酸素の吹込み量を該当する各羽口群毎に設定することを特徴とするものである。
また、前記ランスからの微粉炭吹込みを羽口毎に停止する場合には、同一の羽口へのランスからの酸素吹込みを停止することを特徴とするものである。

而して、本発明の高炉操業方法によれば、各羽口に送風される熱風中に微粉炭と酸素とを異なる吹込み経路から吹込むランスを有し、当該ランスから高炉の羽口に微粉炭と酸素とを同時に吹込む場合に、微粉炭の吹込み量を各羽口毎又は各羽口群毎に測定し、測定された微粉炭の吹込み量の測定値を用いてランスから吹込む酸素の吹込み量を該当する各羽口毎又は各羽口群毎に設定する。そのため、羽口先温度の高炉周方向のばらつきを抑制することが可能となる。羽口先温度の高炉周方向のばらつきが抑制されると、微粉炭の燃焼が安定し、装入物の降下速度の周方向ばらつきがなくなり、炉内ガスの通気性が良好となるので、還元効率が上昇し、炉壁からの熱損失が低下するので、安定した低還元材比操業を実現することができる。更に、出銑温度が安定するので、溶銑品質が安定する効果、炉下部の耐火物寿命の延長効果も得られる。そして、これらの効果は、溶銑１ｔ当たりの、全羽口からの吹込み微粉炭量の合計、所謂溶銑１ｔ当たりの微粉炭比が１５０ｋｇ／ｔ−溶銑以上であるときに顕著である。

本発明の高炉操業方法が適用された高炉の一実施形態を示す縦断面図である。 図１のランスから微粉炭だけを吹込んだときの燃焼状態の説明図である。 図２の微粉炭の燃焼メカニズムの説明図である。 微粉炭と酸素を羽口から吹込むランスの一例を示す説明図である。 微粉炭と酸素を羽口から吹込むランスの他の例を示す説明図である。 酸素吹込み経路のシーケンス図である。 微粉炭比及び吹込み酸素量と羽口先温度の関係の説明図である。 ランス酸素吹込み量設定のためのブロック図である。 酸素吹込み量制御の作用の説明図である。

次に、本発明の高炉操業方法の一実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態の高炉操業方法が適用された高炉の全体図である。図に示すように、高炉１の羽口３には、熱風を送風するための送風管２が接続され、この送風管２を貫通してランス４が設置されている。羽口３の熱風送風方向先方のコークス堆積層には、レースウエイ５と呼ばれる燃焼空間が存在し、主として、この燃焼空間で鉄鉱石の還元、即ち造銑が行われる。本実施形態では、高炉１の周方向に４０本の羽口３を有する。

図２には、ランス４から微粉炭６だけを吹込んだときの燃焼状態を示す。ランス４から羽口３を通過し、レースウエイ５内に吹き込まれた微粉炭６は、コークス７と共に、その揮発分と固定炭素が燃焼し、燃焼しきれずに残った、一般にチャーと呼ばれる炭素と灰分の集合体は、レースウエイから未燃チャー８として排出される。未燃チャー８がレースウエイから装入物中に排出されると、炉内の通気性が悪化する。

図３は、ランス４から送風管２内に微粉炭（図ではＰＣ：Pulverized Coal）６のみを吹込んだ場合の燃焼メカニズムを示す。羽口３からレースウエイ５内に吹き込まれた微粉炭６は、レースウエイ５内の火炎からの輻射伝熱によって粒子が加熱し、更に輻射伝熱、伝導伝熱によって粒子が急激に温度上昇し、３００℃以上昇温した時点から熱分解が開始し、揮発分に着火して火炎が形成され、燃焼温度は１４００〜１７００℃に達する。揮発分が放出してしまうと、前述したチャー８となる。チャー８は、主に固定炭素であるので、燃焼反応と共に、炭素溶解反応と呼ばれる反応も生じる。

本実施形態では、微粉炭の燃焼性を向上するため、ランスを用いて羽口内に酸素を吹込む。また、必要に応じてランスからＬＮＧ（Liquefied Natural Gas：液化天然ガス）や都市ガスなどの気体還元材も羽口内に吹込む。例えば微粉炭とＬＮＧと酸素とを同時に吹込む場合、ガスの拡散に伴って微粉炭が分散し、ＬＮＧとＯ₂の接触によってＬＮＧが燃焼し、その燃焼熱によって微粉炭が急速に加熱、昇温すると考えられ、これにより微粉炭の燃焼性をより一層向上することができる。

図４には、微粉炭とランスを個別に吹込むランス４の一例を示す。このランス４は、所謂単管ランスであり、微粉炭を吹込むランス４と酸素を吹込むランス４を２本セットにして各羽口３内に吹込む。図５には、微粉炭とランスを個別に吹込むランス４の別の例を示す。このランス４は、小径の吹込み管の外側に大径の吹込み管を同心に重ねた所謂二重管ランスであり、例えば内側吹込み管から微粉炭を吹込み、内側吹込み管と外側吹込み管の隙間から酸素を吹込む。二重管ランスにおける微粉炭と酸素の吹込みは、この逆であってもよいが、酸素と微粉炭を接近させてより燃焼しやすい状態とするのが好ましい。なお、本実施形態では、微粉炭と酸素を接近させるためにランスからのみ酸素を吹込み、送風には酸素を富化しない。また、前述したＬＮＧや都市ガスも、図示しないランスを用いて羽口内に吹込む。

図６は、酸素吹込み経路のシーケンス図である。酸素は、高圧の本管１１から遮断弁１２を介してヘッダー管１３に分岐し、そのヘッダー管１３に接続される各羽口への枝管１４に分配される。従って、枝管１４は計４０本ある。各枝管１４には、上流側から流量調整弁１５、遮断弁１６、逆止弁１７が介装され、各枝管１４からランス４に供給される酸素の吹込み量を細かく制御することができる。また、各枝管１４には、パージ用の窒素供給管も接続されている。なお、図中の符号ＰＴは圧力計、ＦＴは流量計、ＴＩは温度計を示す。

図７には、ランスから吹込まれる微粉炭の吹込み量や酸素の吹込み量と羽口先温度との関係を示す。図７ａは、ランスから吹込まれる酸素吹込み量を一定とし、微粉炭比、即ちランスから吹込まれる微粉炭量が変化したときの羽口先温度を示す。なお、図７ａの横軸の微粉炭比は、溶銑１ｔ当たりの、全羽口からの吹込み微粉炭量の合計で表した。また、図７ｂは、微粉炭の吹込み量を一定とし、酸素吹込み量が変化したときの羽口先温度を示す。これらの図によれば、酸素吹込み量に対する微粉炭吹込み量が大きいほど羽口先温度が低下し、微粉炭吹込み量に対する酸素吹込み量が大きいほど羽口先温度が上昇することが示されている。

図８には、各羽口毎にランスから吹込む酸素の吹込み量を設定する酸素吹込み量設定装置のブロック図を示す。本実施形態では、例えば送風温度センサ２１によって送風温度（℃）を検出し、送風湿分センサ２２によって送風湿分（ｇ／Ｎｍ³）を検出し、ＬＮＧ（又は都市ガス）比センサ２３によってＬＮＧ（又は都市ガス）比（ｇ／Ｎｍ³-Ｏ₂）を検出し、微粉炭比センサ２４によって微粉炭比（ｇ／Ｎｍ³-Ｏ₂）を検出し、送風流量センサ２５によって送風流量（Ｎｍ³／ｍｉｎ）を検出し、それらの検出結果を演算処理装置２６に入力する。演算処理装置２６では、これらの検出結果以外に、定数項（℃）及び目標羽口先温度（℃）が入力され、それらから下記１式に従って、ランスから吹込む酸素吹込み量（図ではランス酸素吹込み量、Ｎｍ³／ｍｉｎ）を設定する。このランス酸素吹込み量に応じて、前記酸素吹込み制御回路では、各羽口のランスから吹込まれる酸素の吹込み量を制御する。なお、ＬＮＧ（又は都市ガス）比は、単位酸素吹込み量当たりのＬＮＧ（又は都市ガス）の吹込み量である。また、微粉炭の吹込み量（流量）の検出には、静電容量式の他、差圧測定方式、超音波式などの流量計が使用できる。

理論羽口先温度（℃）＝定数項（℃）＋Ｂ×送風温度（℃）＋Ｃ×ランス酸素富化率（％）＋Ｄ×送風湿分（ｇ／Ｎｍ³）＋Ｅ×微粉炭比（ｇ／Ｎｍ³-Ｏ₂）＋Ｆ×ＬＮＧ（又は都市ガス）比（ｇ／Ｎｍ³-Ｏ₂） … (1)
但し、ランス酸素富化率（％）＝ランスからの酸素吹込み量（Ｎｍ³／ｍｉｎ）／送風流量（Ｎｍ³／ｍｉｎ）×１００とする。また、Ｂ〜Ｆは予め設定された係数である。

ちなみに、前記１式中の微粉炭比は、微粉炭の性状により搬送ガスなどの条件を一定としても流量が変動してしまう。これに対し、前記１式中、送風温度や送風湿分、ＬＮＧ（又は都市ガス）比は、羽口毎の変動が小さいので、例えば微粉炭吹込み量と酸素吹込み量が羽口先温度に与える影響の関係、例えば図７のマップを用い、微粉炭吹込み量に応じて目標羽口先温度を達成する酸素吹込み量を求め、それをランス酸素吹込み量として設定してもよい。

次に、本実施形態の高炉操業方法の実施例として、体積約５０００ｍ³、羽口数４０本の大型高炉において、溶銑１ｔ当たりの微粉炭比を１４５ｋｇ／ｔ−溶銑で吹込む操業を実施した。微粉炭と酸素は、図４のように個別のランスから吹込んだ。操業条件は、送風量：７８００ｍ³／ｍｉｎ、送風温度：約１１００℃である。従来（制御前）は、各羽口に均等に酸素を吹込んだが、実施例（制御後）は、前記１式を用いた酸素吹込み量制御を適用した。両者の結果を図９ａに、酸素吹込み量制御による微粉炭吹込み量及び酸素吹込み量を図９ｂに示す。なお、羽口番号２５羽口は、微粉炭用の吹込みランスが詰まったため、微粉炭を吹込まないで操業を行った。例えば、この羽口番号２５羽口で、微粉炭の吹込みを停止した状態で、他の羽口と同等の酸素を吹込むと、羽口先温度が極端に上昇したが、羽口先温度が目標羽口先温度に一致するように酸素吹込み量制御を行うと、微粉炭が吹込まれていないので酸素の吹込みも停止する結果となる。それらの結果、酸素吹込み量制御を行うと羽口先温度のばらつきが抑制される。その結果、羽口先温度の高炉周方向のばらつき、出銑温度差が改善されると共に、コークス比の低減が達成された。

次に、微粉炭比を変更しながら、本実施形態の高炉操業方法を継続的に行う前（従来例）と、継続的に行ったとき（実施例）の高炉操業状態を下記表１に示す。表中の羽口先温度のばらつきは、４０本の羽口の前記１式で求められる理論羽口先温度の標準偏差を示す。また、出銑温度差は、２箇所の出銑口の出銑温度の平均値の差を示す。また、ＣＯガス利用率は、ＣＯ₂／（ＣＯ₂＋ＣＯ）で表される。前述から明らかなように、実施例では従来例に比して羽口先温度のばらつきが大幅に低下しており、その結果、２箇所の出銑口の出銑温度の平均値の差も小さくなっている。また、コークス比が低下するため、還元材比が低下しており、その結果、ＣＯガス利用率が向上し、結果的にＣＯ₂排出量が低下する。また、ＣＯガス利用率が向上したため、コークス比、還元材比が低下しており、その結果、結果的にＣＯ₂排出量が低下する。そして、この傾向は、微粉炭比が大きい場合に顕著であり、特に溶銑１ｔ当たりの微粉炭比が１５０ｋｇ／ｔ−溶銑以上で、出銑温度差、コークス比及び還元材比の低下が顕著である。

このように本実施形態の高炉操業方法では、各羽口３に送風される熱風中に微粉炭と酸素とを異なる吹込み経路から吹込むランス４を有し、当該ランス４から高炉１の羽口３に微粉炭と酸素とを同時に吹込む場合に、微粉炭の吹込み量を各羽口３毎に測定し、測定された微粉炭の吹込み量の測定値を用いてランス４から吹込む酸素の吹込み量を該当する各羽口３毎に設定する。そのため、羽口先温度の高炉周方向のばらつきを抑制することが可能となる。羽口先温度の高炉周方向のばらつきが抑制されると、微粉炭の燃焼が安定し、装入物の降下速度の周方向ばらつきがなくなり、炉内ガスの通気性が良好となるので、還元効率が上昇し、炉壁からの熱損失が低下するので、安定した低還元材比操業を実現することができる。更に、出銑温度が安定するので、溶銑品質が安定する効果、炉下部の耐火物寿命の延長効果も得られる。そして、これらの効果は、溶銑１ｔ当たりの、全羽口からの吹込み微粉炭量の合計、所謂溶銑１ｔ当たりの微粉炭比が１５０ｋｇ／ｔ−溶銑以上であるときに顕著である。

なお、前記実施形態では、各羽口毎に微粉炭吹込み量に応じた酸素吹込み量制御を行ったが、例えば隣り合う２本乃至５本の羽口を１群として、前記ランスから吹込む酸素の吹込み量を該当する各羽口群毎に設定するようにしても、同様の効果が得られ、且つ例えば酸素吹込み経路の流量調整弁の数や制御系統を低減することができる。

１は高炉、２は送風管、３は羽口、４はランス、５はレースウエイ、６は微粉炭、７はコークス、８はチャー、１１は本管、１２は遮断弁、１３はヘッダー管、１４は枝管、１５は流量調整弁、１６は遮断弁、１７は逆止弁

Claims (7)

1. 各羽口に送風される熱風中に微粉炭と酸素とを異なる吹込み経路から吹込むランスを有し、当該ランスから高炉の羽口に微粉炭と酸素とを同時に吹込む高炉操業方法であって、微粉炭の吹込み量を各羽口毎又は各羽口群毎に測定し、測定された微粉炭の吹込み量の測定値を用いて前記ランスから吹込む酸素の吹込み量を該当する各羽口毎又は各羽口群毎に設定することを特徴とする高炉操業方法。
2. 溶銑１ｔ当たりの微粉炭比が１５０ｋｇ／ｔ−溶銑以上であることを特徴とする請求項１に記載の高炉操業方法。
3. 羽口１本当たり、微粉炭と酸素とを異なる吹込み経路から吹込み可能な１本のランスで微粉炭及び酸素を同時に羽口に吹込むことを特徴とする請求項１又は２に記載の高炉操業方法。
4. 羽口１本当たり、微粉炭を吹込むランスと酸素を吹込むランスの２本のランスで微粉炭及び酸素を同時に羽口に吹込むことを特徴とする請求項１又は２に記載の高炉操業方法。
5. 羽口に気体還元材を同時に吹込む場合、下記１式で与えられる理論羽口先温度が予め設定した目標値となるように前記ランスから吹込む酸素の吹込み量を設定することを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の高炉操業方法。
   理論羽口先温度（℃）＝定数項（℃）＋Ｂ×送風温度（℃）＋Ｃ×ランス酸素富化率（％）＋Ｄ×送風湿分（ｇ／Ｎｍ³）＋Ｅ×微粉炭比（ｇ／Ｎｍ³-Ｏ₂）＋Ｆ×気体還元材比（ｇ／Ｎｍ³-Ｏ₂） … (1)
   但し、ランス酸素富化率（％）＝ランスからの酸素吹込み量（Ｎｍ³／単位時間）／送風流量（Ｎｍ³／単位時間）×１００、微粉炭比＝ランスからの微粉炭吹込み量（ｇ／単位時間）／（ランスからの酸素吹込み量（Ｎｍ³／単位時間）＋送風中酸素流量（Ｎｍ³／単位時間））、気体還元材比＝ランスからの気体還元材吹込み量（ｇ／単位時間）／（ランスからの酸素吹込み量（Ｎｍ³／単位時間）＋送風中酸素流量（Ｎｍ³／単位時間））、Ｂ〜Ｆは予め設定された係数
6. 前記羽口群は隣り合う２本乃至５本の羽口を１群として、前記ランスから吹込む酸素の吹込み量を該当する各羽口群毎に設定することを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の高炉操業方法。
7. 前記ランスからの微粉炭吹込みを羽口毎に停止する場合には、同一の羽口へのランスからの酸素吹込みを停止することを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の高炉操業方法。

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