JP2015166490A

JP2015166490A - 高炉操業方法

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Publication number: JP2015166490A
Application number: JP2015021822A
Authority: JP
Inventors: 明紀村尾; Akinori Murao; 大樹藤原; Daiki Fujiwara
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2014-02-17
Filing date: 2015-02-06
Publication date: 2015-09-24
Anticipated expiration: 2035-02-06
Also published as: JP6061107B2

Abstract

【課題】羽口から吹き込まれる微粉炭の燃焼率の向上及び還元材原単位の低減を可能とする高炉操業方法を提案する。【解決手段】羽口からもランスを介して還元材分を吹き込む高炉の操業方法において、羽口から吹き込む前記還元材粉の吹き込み量が銑鉄１トン当たり１５０ｋｇ／ｔ以上の場合に、前記ランスとして二重管ランスを用い、その内管からは該還元材粉を吹き込むと共に、内管と外管との間からは１００℃以下の低温酸素を吹き込み、かつ送風温度を１０５０℃以上および／または還元材粉の粒子の大きさを７５μｍ以下の割合が５０ｍａｓｓ％以上とすることで、抜熱や圧力損失を増加させることなく、固体還元材の燃焼率を向上させる。【選択図】図７

Description

本発明は、高炉操業方法に関し、特に、微粉炭などの固体還元材を高炉の羽口から吹き込んで、生産性の向上と還元材原単位の低減を図る上で有効となる高炉の操業方法に関する。

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、このことは製鉄業においても重要な課題となっている。この課題に対し、最近の高炉では、低還元材比（低ＲＡＲ：Reduction Agent Ratioの略で、銑鉄１トン製造当たりの、羽口から吹き込まれる還元材と炉頂から装入されるコークスの合計量のこと）操業が推進されている。高炉は、還元材として主にコークス及び微粉炭を使用している。従って、前述した低還元材比と炭酸ガス排出量の抑制を達成するには、前記微粉炭の燃焼率を向上させると共に、炉内に発生する粉の量を低減して炉内の通気性を改善する方法が有効であると考えられる。

この点、特許文献１は、ＬＮＧ（Liquefied Natural Gas）と微粉炭との混焼によって微粉炭の燃焼率を向上させる方法を提案している。また、特許文献２は、揮発分の多い微粉炭を使用することで、その揮発分によって微粉炭の燃焼を促進させる方法を提案している。特許文献３では、羽口内に縮径部を設けて対処する方法を提案している。特許文献４では、羽口ランスから固体還元材（微粉炭）と酸素を同時に吹き込むことにより微粉炭の燃焼性を向上させる方法を提案している。また、特許文献５では、微粉炭の燃焼率の改善を目的として酸素を用いるときに、その酸素の温度を高くして微粉炭の燃焼効率を向上させる方法について提案している。

特開２００６−２３３３３２号公報特開２００２−２４１８１５号公報特許第３６４４８５６号公報特許第４０７４４６７号公報特開平８−２６００１０号公報

しかしながら、前記特許文献１に開示のＬＮＧを使用する方法は、ＬＮＧが高価であること、しかも、微粉炭の燃焼率を向上させるために多量のＬＮＧが必要になるという問題がある。また、前記特許文献３に開示の方法では、羽口の改造が必要となって設備コストの増大を招く。

前記特許文献２に開示の高炉操業方法は、揮発分の低い微粉炭を羽口から吹き込む方法に比べれば、微粉炭の燃焼率が向上して還元材原単位の低減に効果がある。しかしながら、このような方法では、燃焼率は向上するものの、燃焼速度の上昇により燃焼点が炉壁側へと移るため、炉壁からの抜熱が増加し、高炉の熱効率が低下する。また、この方法では、急激なガスの膨張による羽口先の圧力損失が上昇して送風圧力が増大し、ランニングコストが増加する。

本発明の目的は、抜熱や圧力損失を招くことなく、固体還元材の燃焼率を向上させることのできる高炉操業方法を提案することにある。

上述したように（特許文献４）、羽口から高炉内に固体還元材（還元材粉）と酸素を同時に吹き込み、その還元材粉（微粉炭）の燃焼性を向上させる方法が既知である。一般に、還元材中の炭素の燃焼反応（Ｃ＋Ｏ_２＝ＣＯ_２）は、温度が高くなるにつれ上昇するが、その温度がある温度以上になると、該還元材表面への酸素の供給が追いつかなくなる。この問題は、還元材粉と酸素とを同時に吹き込むことにより、該還元材粉周辺の酸素濃度を上昇させて、燃焼性を向上させることで一応、解消することができる。

しかしながら、この既知技術は、使用する揮発分が２５ｍａｓｓ％以下と低揮発分の微粉炭を対象とする方法である。それは、揮発分の低い微粉炭は総じて着火し難く、微粉炭の温度が上昇し難いからである。一方で、高揮発分の微粉炭についてまで、この技術は適用できず、燃焼性向上の効果を最大に享受することはできない。この点に関し、発明者らの知見では、送風温度を上昇させることによって微粉炭の昇温を図れば、ランスから吹き込んだ酸素を有効に利用することができるものと考えている。

さらに、微粉炭の燃焼は、羽口から吹き込む酸素の温度を高くすることでも改善できることは既知（特許文献５）である。しかし、ランスの耐久性を考えた場合、酸素の温度を高温にすると、後述するように、ランスの表面温度も高くなり、ランスの変形や溶損が生じ、微粉炭の吹き込み不良や羽口損耗といったトラブルの原因となる。そのため、ランスから吹き込む酸素の温度は、ランスの変形が生じる温度以下（ランス表面温度が８８０℃を上回るとクリープ変形発生）に調整することが望ましいことがわかる。なお、本発明では、ランスより吹き込む酸素は深冷分離により得られたものをそのまま使用することにより、ランスから１００℃以下の低温酸素を吹き込むことでランス冷却に有利に働く。しかし、このランスを高炉のブローパイプ内に侵入させている場合、熱風やブローパイプ壁面からの熱供給を受け酸素の温度が上がるため、このランスの送風管（ブローパイプ）内への挿入深さを測定して酸素の温度を調整することも有効である。図１６に酸素温度と水冷部を除くランス浸漬長さとの関係を示す。図１６からわかるように、この要求を満たすために、ランスの送風管（ブローパイプ）内への挿入深さは、５０ｍｍ〜２００ｍｍ程度とすることが好ましい。

以上の知見をもとに開発した本発明の第１の側面は、多量（１５０ｋｇ／ｔ−ｐ以上）の還元材粉を羽口を通じて高炉内に吹き込む場合、即ち、羽口に装着した送風管により熱風を送風すると共に、固体還元材を炉頂から装入する一方、前記送風管内にランスを介して還元材粉を吹き込む高炉操業方法において、羽口から吹き込む前記還元材粉の吹き込み量が銑鉄１トン当たり１５０ｋｇ／ｔ以上の場合に、前記ランスとして二重管ランスを用い、その内管からは該還元材粉を吹き込むと共に、内管と外管との間からは１００℃以下の低温酸素を吹き込み、かつ前記熱風の送風温度を１０５０℃以上とすることを特徴とする高炉操業方法である。

また、本発明の第２の側面は、羽口に装着した送風管により熱風を送風すると共に、固体還元材を炉頂から装入する一方、前記送風管内にランスを介して還元材粉を吹き込む高炉操業方法において、羽口から吹き込む前記還元材粉の吹き込み量が銑鉄１トン当たり１５０ｋｇ／ｔ以上の場合に、前記ランスとして二重管ランスを用い、その内管からは該還元材粉を吹き込むと共に、内管と外管との間からは１００℃以下の低温酸素を吹き込み、かつこの還元材粉の粒子の大きさは７５μｍ以下の割合が５０ｍａｓｓ％以上の微粉であることを特徴とする高炉操業方法である。

さらに、本発明の第３の側面は、羽口に装着した送風管により熱風を送風すると共に、固体還元材を炉頂から装入する一方、前記送風管内にランスを介して還元材粉を吹き込む高炉操業方法において、羽口から吹き込む前記還元材粉の吹き込み量が銑鉄１トン当たり１５０ｋｇ／ｔ以上の場合に、前記ランスとして二重管ランスを用い、その内管からは該還元材粉を吹き込むと共に、内管と外管との間からは１００℃以下の低温酸素を吹き込み、前記熱風の送風温度を１０５０℃以上とし、かつこの還元材粉の粒子の大きさは７５μｍ以下の割合が５０ｍａｓｓ％以上の微粉であることを特徴とする高炉操業方法である。

なお、前記のように構成される本発明の第１〜３の側面に係るコークス炉の操業方法においては、
（１）
吹き込み用の前記還元材粉は、平均揮発分が１０ｍａｓｓ％超２２ｍａｓｓ％以下であること、
（２）
吹き込み用の前記還元材粉は、平均揮発分が２５ｍａｓｓ％超５０ｍａｓｓ％以下であること、
（３）
吹き込み用の前記還元材は、微粉炭であること、
が、より好ましい解決手段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、二重管ランスの内管からは還元材粉を吹き込むと共に、内管と外管との間からは１００℃以下の低温酸素を吹き込み、かつ熱風の送風温度が１０５０℃以上とすること（第１の側面）で、または、この還元材粉の粒子の大きさは７５μｍ以下の割合が５０ｍａｓｓ％以上の微粉とすること（第２の側面）で、あるいは、熱風の送風温度を１０５０℃以上とし、かつこの還元材粉の粒子の大きさは７５μｍ以下の割合が５０ｍａｓｓ％以上の微粉とすること（第３の側面）で、炉壁からの抜熱や炉下部の圧力損失を招くことなく、固体還元材の燃焼率を向上させることができる。その結果、本発明方法を採用すれば、高炉の操業コストの低減、設備コストの低減などを図ることができる。

本発明の高炉操業方法が適用される高炉の一実施形態を示す縦断面図である。ランスから微粉炭だけを吹き込んだときのそれの燃焼状態の説明図である。微粉炭吹き込み時の燃焼メカニズムの説明図である。揮発分の高い微粉炭吹き込み時の燃焼メカニズムの説明図である。揮発分の高い微粉炭と冷酸素とを同時に吹き込んだときの燃焼メカニズムの説明図である。燃焼実験装置の説明図である。本発明の第１の側面に関して、燃焼実験結果における送風温度と微粉炭の燃焼率との関係を示すグラフである。（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、本発明の第２の側面に関して、二重管ランスを用いて微粉炭と酸素を同時に吹き込んだ場合の、微粉炭の粒子径に応じた微粉炭と酸素との混合状態を模式的に示す図である。本発明の第２の側面に関して、燃焼実験結果における７５μｍ以下の粒子の割合と微粉炭の燃焼率との関係を示すグラフである。本発明の第１〜３の側面に関して、燃焼実験結果における微粉炭比とコークス置換率との関係を示すグラフである。本発明の第１〜３の側面に関して、燃焼実験結果における微粉炭比とコークス置換率との関係を示すグラフである。本発明の第１〜３の側面に関して、燃焼実験結果における微粉炭の揮発分と燃焼率との関係を示すグラフである。第１〜３の側面に関して、燃焼実験結果における微粉炭の揮発分と炉壁からの抜熱量との関係を示すグラフである。第１〜３の側面に関して、燃焼実験結果における微粉炭の揮発分と炉下部の圧力損失との関係を示すグラフである。第１〜３の側面に関して、燃焼実験結果における酸素濃度とランス表面温度との関係を示すグラフである。酸素温度と水冷部を除くランス浸漬長さとの関係を示すグラフである。

以下、本発明に係る高炉操業方法の一実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態の高炉操業方法が適用される高炉１の全体図である。この高炉１はボッシュ部に羽口３が配置されており、その羽口３には、熱風を送風するための送風管２が接続されている。図２に示すように、この送風管２には固体燃料等を吹き込むための二重管構造のランス４が取付けてある。羽口３からの熱風吹き出し方向前方にある炉内のコークス堆積層部分には、レースウエイ５と呼ばれる燃焼空間が形成されている。溶銑は、主として、この燃焼空間において生成する。

図２は、前記ランス４から羽口３を通じて固体還元材である微粉炭６だけを炉内に吹き込んだときの燃焼状態を模式的に示した図である。この図に示すように、ランス４から羽口３を通過してレースウエイ５内に吹き込まれた微粉炭６の揮発分や固定炭素は、炉内堆積コークス７と共に燃焼し、燃焼しきれずに残る炭素と灰分の集合体、即ち、チャーが、レースウエイ５から未燃チャー８として排出される。なお、前記羽口３の熱風吹き出し方向の前方における該熱風の速度は約２００ｍ／ｓｅｃである。一方、ランス４の先端部からレースウエイ５内に到達するまでの距離、即ち、Ｏ_２が存在する領域は、約０．３〜０．５ｍである。従って、吹き込み微粉炭粒子の昇温や該微粉炭とＯ_２との接触（分散性）は、実質的に１／１０００秒という短時間で反応させることが必要となる。

図３は、ランス４を介して送風管２内に微粉炭（図中のＰＣ：Pulverized Coal）６のみを吹き込んだ場合の燃焼メカニズムを示すものである。前記羽口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され、さらに輻射伝熱、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を開始し、揮発分に着火して燃焼し（火炎が形成され）、１４００〜１７００℃の温度に達する。揮発分を放出した微粉炭は前記チャー８となる。このチャー８は、主に固定炭素で構成されているので、前記燃焼反応と共に炭素溶解反応も生じる。

図４は、ランス４を介して送風管２内に揮発分の高い微粉炭６を吹き込んだ場合の燃焼メカニズムを示したものである。このように揮発分の高い微粉炭６を吹き込んだ場合、揮発分の増加によって、微粉炭６の着火が促進されると共に、揮発分による燃焼量の増加が起こる。その結果、微粉炭の昇温速度と最高温度とが上昇して、該微粉炭の分散性が上がると共に、温度の上昇によってチャーの反応速度が向上する。このとき微粉炭６は揮発分の気化膨張によって分散すると共に揮発分の燃焼をもたらし、その燃焼熱によって該微粉炭自身は急速に加熱されて昇温する。また、この場合の微粉炭の燃焼は、炉壁に近い位置で起こるため、羽口３からの抜熱と炉内の圧力損失が増大する。

図５は、前記ランス４から送風管２内に揮発分の高い微粉炭６と１００℃以下、好ましくは０℃〜８０℃の低温酸素（以下、「冷酸素」という）とを同時に吹き込んだ場合の燃焼メカニズムを示したものである。このように揮発分の高い微粉炭６と冷酸素とを同時に吹き込むと、該冷酸素の影響により微粉炭の昇温速度が低下して着火が遅れる。しかし、その後は微粉炭近傍の高い酸素濃度により揮発分の燃焼速度が上がると同時に微粉炭の昇温も促されて該微粉炭の温度が上がり、それによってチャーの反応速度が上昇する。このように、冷酸素を吹き込んだ場合、当初は微粉炭の昇温速度が低下して燃焼が遅れるが、上述したように、微粉炭近傍の酸素濃度を高くすることによって、微粉炭の温度が一定以上になると、微粉炭はやがて急激に燃焼し、最終的には微粉炭の燃焼率は却って向上する。

本発明では、このようなメカニズムによって、燃焼率が向上すると共に燃焼が遅れることによって起こる炉壁からの抜熱及び炉内圧力損失の増大が防止される。即ち、ランス４から吹込む酸素の温度を１００℃以下とすることにより、高温の酸素を供給した場合のランスの変形や溶損、急激な燃焼による送風管２内の圧力損失の増大を防止するだけでなく、燃焼率の向上作用と炉壁からの抜熱防止作用を両立することができるようになる。

発明者らは、このような知見に基づき、図６に示す高炉を模した燃焼実験装置を用いてこのことを確認する燃焼実験を行った。この実験装置で使用した実験炉１１は、内部にコークスが充填され、覗き窓を設けてレースウエイ１５の内部を観察できるようにしたものである。そして、この実験炉１１にはまた、送風管１２が取付けられており、外部設置の燃焼バーナー１３で発生させる熱風をこの送風管１２を介して実験炉１１内に送風することができると共に、送風中への酸素富化量の調整をすることができる。なお、この送風管１２内にはランス１４が挿入される。そのランス１４は、微粉炭及び酸素の何れか一方又は双方を該送風管１２内に吹き込むために用いられる。実験炉１１内で発生する排ガスは、サイクロンと呼ばれる分離装置１６を介して排ガスとダストに分離され、その排ガスは助燃炉などの排ガス処理設備に送給し、ダストは捕集箱１７に捕集する。

前記装置を用いる燃焼実験に当たっては、前記ランス１４として、単管ランスと二重管ランスを用いた。この実験は、単管ランスを用いて微粉炭のみを吹き込んだ場合、二重管ランスを用いて微粉炭と酸素を同時に吹き込んだ場合のそれぞれについて、燃焼率、羽口抜熱、炉内圧力損失などを測定したものである。燃焼率は、レースウエイ１５の後方からプローブで未燃チャーを回収してその重量変化より求めた。

使用した微粉炭は、固定炭素（ＦＣ：Fixed Carbon）４０〜８０ｍａｓｓ％、揮発分（ＶＭ：Volatile Matter）１０〜５０ｖｏｌ．％、灰分（Ａｓｈ）７〜１２ｍａｓｓ％で、吹き込みの条件は、５０ｋｇ／ｈ（溶銑原単位で１５８ｋｇ／ｔに相当）とした。また、ランス１４からの酸素の吹き込みの条件は、１２Ｎｍ^３／ｈ（酸素富化３％に相当）とした。コークスは、ＪＩＳＫ２１５１に記載の試験方法で[ＤＩ¹⁵⁰ ₁₅[％]]８３のものを用いた。送風の条件は、送風温度：９５０〜１３００℃、流量：３５０Ｎｍ^３／ｈ、流速：１２０〜１５０ｍ／ｓ、Ｏ_２富化は＋３．７（酸素濃度２４．７％、空気中酸素濃度２１％に対し、３．７％の富化）とした。

実験結果の評価は、微粉炭の揮発分を種々に変更して、一本の単管ランスから微粉炭のみ（媒体としてＮ_２を使用）を吹き込んだ場合の燃焼率、羽口からの抜熱および炉内圧力損失と、そして、二重管ランスを用いて微粉炭と酸素を同時に吹き込んだ場合の燃焼率、羽口から抜熱、炉内圧力損失とについてそれぞれ評価した。なお、ランスから酸素を吹く場合、富化酸素である３．７％分の酸素をランスから吹き込み、送風中の酸素濃度は２１％とし、微粉炭のみを吹き込んだ場合と吹き込み酸素の総量が変わらないようにした。

＜送風温度について：第１の側面＞
図７は、本発明の第１の側面に関して、送風温度と微粉炭の燃焼率との関係を示したものである。ここで、送風温度は、燃焼バーナー１３から送風管２に熱風を供給した直後の温度を示す。同図から明らかなように、送風温度が１０５０℃未満の場合は、微粉炭と酸素を同時に吹き込んでも燃焼率向上の効果がない。これは微粉炭の揮発分が低く、かつ送風温度も低いため微粉炭の昇温が十分ではなく、微粉炭と同時に吹き込んだ酸素が有効に利用されないからである。このことから、送風温度は１０５０℃以上、好ましくは１１００℃〜１２００℃程度とする必要があることがわかる。また、送風温度を１０５０℃以上とすることは、単管ランスから部粉体のみを吹き込む場合に比べて、二重管ランスを用いて微粉炭と酸素とを同時に吹き込んだ場合の方が、燃焼率が良好になることがわかる。

＜７５μｍ以下の粒子の割合について：第２の側面＞
図８（ａ）、（ｂ）は、本発明の第２の側面に関して、二重管ランスを用いて微粉炭と酸素を同時に吹き込んだ場合の、微粉炭の粒子径に応じた微粉炭と酸素との混合状態を模式的に示す図であり、図８（ａ）は微粉炭粒子径が７５μｍ超えの場合を示し、図８（ｂ）は微粉炭粒子径が７５μｍ以下の場合を示す。粒子径が７５μｍ超えの微粉炭粒子はキャリアガスによって炉内に吹き込まれる際の慣性力によって進行し、一方、酸素などのガススペースは周囲の送風の流れに即座に従うため、微粉炭と酸素との流れの乖離が生じてしまう。従ってこの場合、微粉炭と酸素の同時吹き込みによる燃焼性向上効果は減少すると考えられる。これに対し、粒子径が７５μｍ以下の微粉炭粒子は、酸素などのガスとともに周囲の送風の流れに従いやすく、両者間に乖離が生じにくく、同時吹き込みによる燃焼性向上効果が確保できると考えられる。

図９は、本発明の第２の側面に関して、７５μｍ以下の粒子の割合と微粉炭の燃焼率との関係を示したものである。同図から明らかなように、７５μｍ以下の粒子の割合が５０ｍａｓｓ％未満の場合は、微粉炭と酸素を同時に吹き込んでも燃焼率向上の効果がない。これは微粉炭の揮発分が低く、かつ微粉炭の粒度が粗いため微粉炭の昇温が十分ではなく、微粉炭と同時に吹き込んだ酸素が有効に利用されないからである。この結果から、７５μｍ以下の粒子の割合を５０ｍａｓｓ％以上とする必要があることがわかる。また、７５μｍ以下の粒子の割合を５０ｍａｓｓ％以上とすることは、単管ランスから部粉体のみを吹き込む場合に比べて、二重管ランスを用いて微粉炭と酸素とを同時に吹き込んだ場合の方が、燃焼率が良好になることがわかる。

＜送風温度および７５μｍ以下の粒子の割合について：第３の側面＞
本発明の第３の側面に関して、熱風の送風温度を１０５０℃以上とし（第１の側面）、かつこの還元材粉の粒子の大きさは７５μｍ以下の割合が５０ｍａｓｓ％以上の微粉とする（第２の側面）ことで、第１の側面あるいは第２の側面の単独の例と比較して、より良好に燃焼性向上効果を確保することができる。

＜還元材粉の吹き込み量について：第１〜３の側面に共通＞
図１０および図１１は、それぞれ、還元材粉である微粉炭比とコークス置換率との関係を示したものである。ここで、コークス置換率とは、高炉操業において微粉炭比を１ｋｇ／ｔ増加させた場合に低減可能なコークス比（ｋｇ／ｔ）のことである。そのため、微粉炭比の増加によってコークス置換率が低下するが、これは、炉内における微粉炭の未燃粉が増加することにより、炉芯に堆積するコークス粉の量が増加し、炉内ガスが炉壁側に偏って流れるようになり、炉の反応及び熱交換効率が低下するためである。

図１０に示すように、高炉内に装入されるコークスの強度[ＤＩ¹⁵⁰ ₁₅[％]]が８５以下である場合、羽口から吹き込まれる微粉炭比が１５０ｋｇ／ｔ以下では、微粉炭によるコークス置換率は高く維持されるが、該微粉炭比が１５０ｋｇ／ｔ超になると、微粉炭によるコークスの置換率は低下する。また、微粉炭比が１５０ｋｇ／ｔ超では、平均揮発分が２５ｍａｓｓ％を超える微粉炭（固体還元材）を使用すると、コークス置換率は高めを維持できる。これは、微粉炭比が小さい、つまり炉内ガスが偏流しない条件では、炉壁側、つまり羽口近傍での微粉炭の燃焼が促進されないため、微粉炭の揮発分が大きくても羽口近傍での熱量が小さいためにコークス置換率が小さくなることを意味している。

これに対し、微粉炭比が大きい、即ち炉内ガスが偏流する条件では、炉壁側、つまり羽口近傍での微粉炭の燃焼が促進されるため、微粉炭の揮発分が大きいほど燃焼率が大きく、これにより未燃粉が低減して結果的に炉内ガスの偏流を抑制することになるため、コークス置換率の低下が高微粉炭比側に移行したためである。

一方、図１１に示すように、コークス強度[ＤＩ¹⁵⁰ ₁₅[％]]が８５以上では、常に微粉炭の平均揮発分が２５ｍａｓｓ％超の方が２５ｍａｓｓ％以下よりもコークス置換率が大きい。これは、コークス強度[ＤＩ¹⁵⁰ ₁₅[％]]が大きいほど、炉内のコークス粉の割合が少なく、炉内ガスの偏流が抑制されるために、燃焼率改善の効果が低下したためである。なお、図１０、図１１ともに本発明でいう冷酸素使用時の微粉炭比とコークス置換率の関係で示した。

本発明の第１〜３の側面においては、コークス置換率の低下を燃焼率向上で補うことができる。そのため、上記のように、コークス置換率が低下する微粉炭比が１５０ｋｇ／ｔ以上の場合に、上記送風温度を１０５０℃以上として（第１の側面）、あるいは、上記７５μｍ以下の粒子の割合を５０ｍａｓｓ％以上として（第２の側面）、あるいは、上記送風温度を１０５０℃以上とすると共に上記７５μｍ以下の粒子の割合を５０ｍａｓｓ％以上として（第３の側面）、燃焼率を向上させる効果をより発揮させることができることがわかる。

＜二重管ランスの使用および吹き込み酸素温度について：第１〜３の側面に共通＞
図１２は、吹き込み微粉炭の揮発分と燃焼率との関係を示したものである。この図に示すように、単管ランスから微粉炭のみ（高揮発分炭）を吹き込んだ場合、該微粉炭の揮発分が２５ｍａｓｓ％から燃焼率は大きく上昇し始め、４５ｍａｓｓ％で最大となり、４５ｍａｓｓ％以上では燃焼率向上の効果が飽和した。これは、揮発分４５ｍａｓｓ％以上では、揮発分の燃焼によって生じる熱が送風に逃げてしまうため、微粉炭の昇温に利用される熱が頭打ちとなり、それ以上、燃焼速度が上昇しないからであると考えられる。

これに対して、微粉炭と燃焼率の関係は二重管ランスを用いて微粉炭（高揮発分散）と冷酸素を同時に吹き込んだ場合には、単管ランスから微粉炭のみを吹き込んだ場合に比べ、全体的に燃焼率が向上している。これは、微粉炭近傍の酸素濃度が高まったことにより、微粉炭の燃焼速度が上昇したからである。温酸素の場合は冷酸素の場合より燃焼率が高いが、これは温酸素の方が微粉炭温度が上がり易いからである。

図１３は、微粉炭の揮発分と羽口抜熱との関係を示したものである。この図に示すように、単管ランスから微粉炭のみを吹き込んだ場合、炉壁からの抜熱は揮発分の増加に伴って増加している。これは、揮発分の増加によって微粉炭の燃焼速度が上昇し、燃焼点が炉壁側へ移行したためと考えられる。また、微粉炭と温酸素を同時に吹き込む場合は微粉炭のみの場合に比べ抜熱が大きいが、これは温酸素により微粉炭の燃焼が促進され、燃焼焦点が炉壁側に移行したからである。

これに対して、前記の微粉炭の揮発分と羽口抜熱との関係は二重管ランスを用いて、高揮発分の微粉炭（高揮発分散）と冷酸素を同時に吹き込んだ場合には、単管ランスから微粉炭のみを吹き込んだ場合に比べ、炉壁からの抜熱が全体的に低下している。これは、冷酸素により微粉炭の昇温速度が低下し、燃焼点が炉内側へ移行したためである。

なお、上記実験に用いた冷酸素（ランスから吹込まれる１００℃以下の酸素）は以下のようにして準備した。即ち、ランスから吹込む該冷酸素は、深冷分離処理によって得られたものを２０℃以下（ランス内温度）となるようにして用いた。なお、ランスの先端部分は、高温のブローパイプ２内に挿入されているため、送風管２内の熱風や送風管２の壁面からの熱影響を受ける。従って、ランスから吹込まれる酸素の温度は不可避に上昇するものの、深冷分離によって得られた酸素を低温度のままでランスに供給するので、結局、送風管内での酸素の温度を１００℃以下とすることができる。

なお、ランスの送風管２内への挿入深さを調整することによっても、ランスから供給される酸素の温度を調整することができる。このランスの挿入深さの調整によって、ランスから吹込む酸素の温度を１００℃以下に調整することができる。この場合は、ランス内の供給酸素温度は２０℃以下でなくともよい。

図１４は、吹き込み微粉炭の揮発分と炉内圧力損失の関係を示したものである。この図に示すように、単管ランスから微粉炭のみを吹き込んだ場合、炉下部の圧力損失は、揮発分が２９ｍａｓｓ％までは揮発分の増加に伴って低下し、２９ｍａｓｓ％以上では揮発分の増加に伴って増加している。これは、揮発分が２９ｍａｓｓ％までは未燃粉の低下により炉内の通気性が向上するのに対し、揮発分２９ｍａｓｓ％以上では燃焼ガスが炉壁に偏って流れたためである。

また、微粉炭と温酸素とを同時に吹き込む場合は、微粉炭のみの場合に比べ圧力損失が大きいが、これは微粉炭の燃焼が促進され、燃焼焦点が炉壁側に移行し、燃焼ガスが壁側に偏って流れたためである。

これに対して、微粉炭の揮発分と炉内圧力との関係は二重管ランスを用いて高揮発分の微粉炭と冷酸素を同時に吹き込んだ場合には、単管ランスを用いて微粉炭のみを吹き込んだ場合に比べると、炉下部の圧力損失が全体的に低下しており、特に揮発分が３０ｍａｓｓ％以上である微粉炭を吹き込んだときに低い圧力損失を維持している。これは、冷酸素により微粉炭の昇温速度が低下し、燃焼点が炉内側へ移行したことによりガスの偏流が抑制されたためである。このことから、平均揮発分が２５〜５０ｍａｓｓの固体還元材（微粉炭）中には、揮発分が３０〜６０ｍａｓｓ％の固体還元材（微粉炭）を、重量割合で１０％以上混合することにより、圧力損失低減効果が確実に得られることがわかる。

以上の結果から、本発明では、二重管ランスを用いて微粉炭と冷酸素とを同時に吹き込むことの必要性、および、酸素の温度を１００℃以下にする必要性があることがわかる。

さらに、図１５は、ランスから吹込まれる酸素の温度とランス表面温度との関係を示したものである。この図から明らかなように、酸素の温度の上昇に伴ってランス表面温度も増加している。この場合において、二重管ランスを使用した場合、この二重管ランスの表面温度が８８０℃を超えるとクリープ変形が起こって曲がったり、ランスの溶損も生じる。なお、ランスから吹込まれる酸素の供給温度が１００℃を超えると、ランスの表面温度は８８０℃を超えることから、ランスの変形や溶損のおそれがある。このためにも、ランスから送風管内に吹込まれる酸素の温度は１００℃以下にする必要がある。

図６に示す構成の燃焼実験装置を用いて、羽口から吹き込む還元材粉の微粉炭量：１５０ｋｇ／ｔ、吹き込み用還元材粉の揮発分：２５ｍａｓｓ％、二重管ランスの内管と外管との間から吹き込む酸素の温度：３０℃の条件は一定とし、熱風の送風温度と還元材粉の７５μｍ以下の粒子割合とを、本発明の第１の側面の例、第２の側面の例、第３の側面の例および比較例に従って変化させて、高炉操業をシミュレートした実験を行い、微粉炭の燃焼率を求めた。

表１の結果から、熱風の送風温度を１０５０℃以上とした第１の側面の例、還元材粉の粒子の大きさを７５μｍ以下の割合が５０ｍａｓｓ％以上の微粉とした第２の側面の例、および、熱風の送風温度を１０５０℃以上とすると共に還元材粉の粒子の大きさを７５μｍ以下の割合が５０ｍａｓｓ％以上の微粉とした第３の側面の例は、いずれも、比較例の燃焼率と比べて良好なことがわかる。また、本発明の第１〜３の側面の例を比較すると、第３の側面の例が第１の側面の例および第２の側面の例と比べてさらに良好な燃焼率が得られることがわかる。

以上説明した本発明に従う高炉操業方法は、ランス内管からは微粉炭を吹き込み、内管と外管との間からは１００℃以下の酸素を吹き込み、かつ送風温度を１０５０℃以上および／または還元材粉の粒子の大きさを７５μｍ以下の割合が５０ｍａｓｓ％以上の微粉とすることで、抜熱や圧力損失を増加させることなく、微粉炭の燃焼率を向上させ、ひいてはコークス置換率を向上させる方法であるが、この考え方は、例えば単管ランスを使って、冷酸素に近い温度の温酸素や１０５０℃以下のそれに近い送風温度や還元材粉の粒子の大きさを７５μｍ以下の割合が５０ｍａｓｓ％未満の微粉を使う高炉操業にも、効果に物足りない点はあるが、他の条件によっては応用可能な技術である。

１高炉
２送風管（ブローパイプ）
３羽口
４ランス
５レースウエイ
６微粉炭（固体還元材）
７コークス
８チャー

Claims

羽口に装着した送風管により熱風を送風すると共に、固体還元材を炉頂から装入する一方、前記送風管内にランスを介して還元材粉を吹き込む高炉操業方法において、羽口から吹き込む前記還元材粉の吹き込み量が銑鉄１トン当たり１５０ｋｇ／ｔ以上の場合に、前記ランスとして二重管ランスを用い、その内管からは該還元材粉を吹き込むと共に、内管と外管との間からは１００℃以下の低温酸素を吹き込み、かつ前記熱風の送風温度を１０５０℃以上とすることを特徴とする高炉操業方法。
羽口に装着した送風管により熱風を送風すると共に、固体還元材を炉頂から装入する一方、前記送風管内にランスを介して還元材粉を吹き込む高炉操業方法において、羽口から吹き込む前記還元材粉の吹き込み量が銑鉄１トン当たり１５０ｋｇ／ｔ以上の場合に、前記ランスとして二重管ランスを用い、その内管からは該還元材粉を吹き込むと共に、内管と外管との間からは１００℃以下の低温酸素を吹き込み、かつこの還元材粉の粒子の大きさは７５μｍ以下の割合が５０ｍａｓｓ％以上の微粉であることを特徴とする高炉操業方法。
羽口に装着した送風管により熱風を送風すると共に、固体還元材を炉頂から装入する一方、前記送風管内にランスを介して還元材粉を吹き込む高炉操業方法において、羽口から吹き込む前記還元材粉の吹き込み量が銑鉄１トン当たり１５０ｋｇ／ｔ以上の場合に、前記ランスとして二重管ランスを用い、その内管からは該還元材粉を吹き込むと共に、内管と外管との間からは１００℃以下の低温酸素を吹き込み、前記熱風の送風温度を１０５０℃以上とし、かつこの還元材粉の粒子の大きさは７５μｍ以下の割合が５０ｍａｓｓ％以上の微粉であることを特徴とする高炉操業方法。
吹き込み用の前記還元材粉は、平均揮発分が１０ｍａｓｓ％〜２２ｍａｓｓ％以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の高炉操業方法。
吹き込み用の前記還元材粉は、平均揮発分が２５ｍａｓｓ％超５０ｍａｓｓ％以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の高炉操業方法。
吹き込み用の前記還元材粉は、微粉炭であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の高炉操業方法。