JP4747662B2 - 気体還元材吹込み用のランス、高炉および高炉操業方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば天然ガス、メタンガス、コークス炉ガス、石炭ガス化ガス、水素ガス等の気体還元材を高炉に吹込み、高炉の生産性向上を可能にすることのできる高炉への気体還元材吹込み用のランス、該ランスを備えた高炉および高炉操業方法に関する。

銑鉄を製造する高炉は一般に大型設備であり、その建設には多額の資金を要する。その生産性を向上できれば、投資に伴うリスクが低減可能であることから、高炉における生産性向上が望まれてきた。

気体還元材を高炉羽口から吹込む方法は生産性向上に有効であることが知られている。この理由は次の２つによるところが大きい。１つは、気体還元材には灰分が含有されないことによる。コークスや、微粉炭など他の還元材は灰分を含有していることから、高炉下部の高温領域で液体状のスラグを生成する。スラグは充填層の空隙を埋めるため、通気性が悪化して、銑鉄の生産に必要な還元ガスを高炉内へ送り込むことを妨げることになり、生産性の上限を低下させる。

もう一つは、気体還元材は炭材由来の還元材に比べ、水素の含有量が多いことによる。酸化鉄の還元に有効なガスとしてはＨ_２あるいはＣＯがあるが、Ｈ_２の方がガスの粘性が低く同一の充填層を流通する際の圧力損失が小さくなる。このため、気体還元材使用時には高炉内への還元ガスの送り込みが容易になり、生産性を向上させることができるのである。

しかしながら、気体還元材は一般に燃焼速度が速く、ランスから噴出後速やかに燃焼を開始するため、ランスの溶損防止対策が必要となる。

溶損防止対策のため、ランスを水冷構造とすることは古くから実施されており、たとえば、特許文献１には、高炉羽口への粉体燃料の吹込みに用いる水冷３重管構造のランスが開示されている。
特公昭６０−４０２号公報

特許文献１は、粉体燃料を有効に吹込むための技術ではあるが、本発明者らは、気体還元材吹込みへの適用を試みた。実際に試験炉を用いて気体還元材の燃焼試験を実施したところ、たしかにランスの耐久性は充分であったが、送風管の溶損が生じることが明らかとなった。気体還元材は着火燃焼が速いため送風管の中で速やかに燃焼が進行して非常に高温となる。送風管を貫通してランスを設置すると気体還元材をランスと反対側の送風管側面に吹き付ける形となり、ランスの軸の延長上で送風管壁が溶損していた。粉体燃料の燃焼速度は気体還元材の燃焼速度に比較して一般に遅いため、特許文献１に記載の技術は粉体燃料には適用可能であるが、気体還元材には適用できないものと考えられる。

本発明は、このような従来技術の課題を解決することを目的とし、高炉への気体還元材吹込みにあたりランスおよび送風管の溶損を防止するためになされたものである。

上記課題を解決するため、本発明は、以下の（１）〜（５）を提供する。
（１）高炉の送風管内に管壁を貫通して挿入され、高炉羽口内に気体還元材を吹き込む気体還元材吹込み用のランスであって、
内管、中間管および外管を備えた３重管構造であり、前記内管から気体還元材を吹込み、前記内管と前記中間管および前記中間管と前記外管との間に冷却用の液体を流通させるように構成されており、
前記内管の先端部を前記中間管および前記外管に対して突出させるとともに、この突出部を湾曲させ、前記気体還元材の噴出方向と高炉送風の方向が一致するように配備されることを特徴とする、気体還元材吹込み用のランス。
（２）前記突出部の長さを、２×（ｄ１−ｄ２）以上１６０ｍｍ以下［ただし、ｄ１：外管の外径（ｍｍ）、ｄ２：内管の外径（ｍｍ）である］としたことを特徴とする、上記（１）の気体還元材吹込み用のランス。

（３）上記（１）または（２）の気体還元材吹込み用のランスを設けた送風管を配備したことを特徴とする、高炉。

（４）内管、中間管および外管を備えた３重管構造であり、前記内管から気体還元材を吹込み、前記内管と前記中間管および前記中間管と前記外管との間に冷却用の液体を流通させるように構成されており、前記内管の先端部を前記中間管および前記外管に対して突出させるとともに、この突出部を湾曲させ、前記気体還元材の噴出方向と高炉送風の方向が一致するように配備した気体還元材吹込み用のランスを、高炉の送風管内に管壁を貫通して挿入し、高炉羽口内に気体還元材を吹き込むことを特徴とする、高炉操業方法。
（５）前記突出部の長さを、２×（ｄ１−ｄ２）以上１６０ｍｍ以下［ただし、ｄ１：外管の外径（ｍｍ）、ｄ２：内管の外径（ｍｍ）である］としたことを特徴とする、上記（４）の高炉操業方法。

本発明において、内管の先端を中間管および外管に対して突出させ、突出させた内管部分に湾曲を設け、好ましくは気体還元材の噴出方向と高炉送風の方向が一致するように調整する理由は次の通りである。特許文献１に記載のランスを用いた場合、気体還元材がランス先端から高炉の送風管に向かって噴出するため、ランス軸の延長上の送風管壁温度が上昇し、溶損が起こった。ランスを湾曲させて気体還元材の噴出方向を送風の方向に一致させると、送風管壁の溶損は緩和される。しかしながら湾曲した３重管構造のランスを製作することは機械加工上極めて困難であり、仮に製作できても均一な冷却水の流路幅の確保が困難である。部分的に冷却液流路が狭まっている部位があると、冷却不良によりランスのその部分から破損する可能性がある。したがって３重管構造のランス先端に突出させた内管部分のみに湾曲を設けることとした。

また、内管の突出長さについてはある適正範囲が存在する。突出部分は非水冷であるから気体還元材の燃焼にともなう輻射熱や、高炉送風（熱風）による対流伝熱を受けて過熱され、先端部にいくほど高温になる。長すぎる場合にはランス先端部が溶損する。一方、短すぎる場合、送風が外管と内管の段差部分で乱されて生じる渦により、気体還元材が強攪拌されてランス近傍で集中燃焼するためランス先端が溶損することが分かった。したがって、溶損防止のため内管の突出長さは、後に示すように適正範囲に調整することが好ましい。

内管、中間管および外管を備えた３重管構造の気体還元材吹込み用のランスにおいて、前記内管の先端部を前記中間管および前記外管に対して突出させるとともに、この突出部を湾曲させたので、噴出した気体還元材による送風管の溶損を防止することが可能となり、高炉の生産性を向上させることができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について説明する。
図１は本発明の気体還元材吹込みランスを配備した高炉１の概要を示す断面図である。高炉１は、上方から順に炉頂部２、シャフト部３、炉腹部４、炉底部５を有している、高炉１の炉頂部２には、装入装置６が設けられており、この装入装置６から高炉１内に主に鉄鉱石およびコークスからなる原料７が装入される。炉底部５には、炉内反応を生じさせるための熱風を吹き込む複数の羽口８が円周状に設けられており、この羽口８を介して送風管９から高炉１内に熱風を吹き込む。この送風管９には、気体還元材吹込み用のランス１０が管壁を貫通して挿入されている。

羽口８から送風される領域には、レースウェイ１１が形成される。レースウェイ１１は、羽口８から吹き込まれる衝風のエネルギーによって羽口前のコークスが押しのけられてできる空間である。炉底部５に存在する湯溜り部１２には炉内反応により生成された溶銑およびスラグが溶銑層およびスラグ層として存在し、溶銑およびスラグは複数の出銑口１３から周期的に出銑滓される。この場合に、複数の出銑口１３は、開口と閉塞とを交互に行なう。なお、符号１４は炉芯である。

図２は本発明の気体還元材吹込み用のランスを模式的に示す要部斜視図であり、図３は断面図である。ランス１０は、３重管構造を有しており、それぞれ内管２１、中間管２２および外管２３からなっている。内管２１は気体還元材の流路となっている。気体還元材としては、高炉１への吹き込み時にランス１０を通過する段階で気体の還元材であればよく、例えば天然ガス、メタンガス、コークス炉ガス、石炭ガス化ガス、水素ガス等を用いることができる。

ランス１０の基端側の中間管２２には、冷却用液体取り入れ口２５が設けられており、この冷却用液体取り入れ口２５から、冷却水などの冷却用液体を導入し、外管２３の基端側に設けられた排出口２６から排出することにより、内管２１の周囲に冷却用液体が流通する。冷却用の液体としては、例えば、水、各種水溶液および油などを使用可能であるが、取り扱いの簡便さから水または各種水溶液が一般的に用いられる。水溶液の例としては、冷却配管内の腐食や藻類の成長による配管の詰まりを防止するための薬剤を少量水に溶かしたものが使用される。水溶液にしても、油等にしても、腐食性の液体は避ける必要がある。また、液体が沸点に達すると急激に冷却能を失うために、排水温度は常に監視を行ない、水であれば最大でも７０℃以下で使用することが望ましい。他の液体であれば、排水温度を沸点の７０％程度（摂氏基準）以下で管理することが望ましい。

ランス１０の先端側は、内管のみを突出させた部位（以下、「先端チップ２４」と記す）を有している。この先端チップ２４は、所定の曲率で湾曲形成されている。この湾曲は先端チップ２４の全部（つまり、突出した部分の全体）にもたせてもよいし、先端チップ２４の一部にもたせてもよい。

このように曲成された先端チップ２４を備えたランス１０は、送風管９に配備した状態で、図４に示すように、気体還元材の噴出方向が高炉１の送風管９を流れる熱風の進行方向と同一になるような方向で装着される。つまり、気体還元材の噴出方向と高炉送風の方向が一致するように配備される。これにより噴出した気体還元材が送風管９の近傍で燃焼することが抑制されるため、ランス１０に対向する側の送風管９の壁９ａの溶損を防止することが可能となる。このような溶損防止効果により、ランス１０によって吹込む気体還元材の流量や流速を従来よりも大きくすることができるので、高炉の生産性を向上させることができる。ここで、「気体還元材の噴出方向と高炉送風の方向が一致する」とは、具体的には、図４に示すように、ランス１０の先端チップ２４から噴出された気体還元材の噴出方向の延長線が、高炉１の炉内に向けて縮径して設けられた羽口８の出口径の範囲内に入るようになっていればよい。このような方向であれば、ランス１０から噴出した気体還元材を羽口８を介してスムーズに高炉１内に導入できる。

先端チップ２４は、内管２１をそのまま延長しても良いし、３重管構造のランスを製作後、別途内管２１の内径と同一の径を持ち、曲率を設けた単管を用意して、内管２１の先端部分に溶接して取り付けても良い。この理由は、一般に溶接部分の高温耐久性は低下するが、ランス１０の場合、先端チップ２４と内管２１の溶接部分は水冷の効果が充分期待できる部分であるから、高温にさらされる心配が無いためである。

次に、図５から図７を参照しながら、先端チップ２４の長さ（つまり、内管２１の突出部の長さ）の範囲について説明を行なう。本発明者らは、ランス１０の先端チップ２４の長さＬを種々変更した試作品を製作し、実際に吹込み試験を実施してその耐久性を調査した。図５は先端チップ２４の長さＬが長い例であり、図６は短い例である。具体的には、ランス１０の外管２３の外径ｄ１と内管２１の外径ｄ２および先端チップ２４の長さＬとの関係を調べるため、長さＬを変えて溶損の有無について試験を行なった。

その結果、長さＬが１６０ｍｍを超えると先端部分の溶損が一部発生した。長さＬが短い間は水冷部との伝導伝熱により先端チップ２４も冷却されるが、長さＬが長くなるにしたがい、先端チップ２４の先端部分の温度は上昇していき、長さＬが１６０ｍｍで限界に達すると考えられる。この上限値１６０ｍｍは、気体還元材の種類や流量にはあまり依存しなかった。気体還元材の着火燃焼速度は還元材の種類によって異なるが、先端チップ２４の溶損へ影響を与える程の差は無いものと推定された。一方、気体還元材の流量については、気体還元材の流量を増すと気体還元材の燃焼により発生する熱量が増大するため、先端チップ２４への熱負荷は増大することになる。ただし、気体還元材は低温（常温）で吹込まれるため、先端チップの冷却材として働くことになり、流量が増大すると先端チップ２４の冷却能も上昇する。結果として気体還元材の流量は先端チップ２４の溶損に大きな影響を及ぼさないものと推定された。

一方、先端チップ２４の長さＬの値を小さくしていくとある長さＬで先端チップ２４が一部溶損することが分かった。この理由は図６に模式的に図示したように、ランス本体と先端チップ２４の段差部分で高炉へ送風される熱風が渦を生成し、先端チップ２４から噴出する気体還元材と熱風の混合が促進され、先端チップ２４の極近傍で着火燃焼を生じて、先端チップ２４への熱負荷が増大したものと考えられる。

耐久性試験結果を図７に示した。この試験では、外管２３の外径ｄ１は、６０．５ｍｍ、内管２１の外径ｄ２は４２．２ｍｍまたは３２．２ｍｍとした。本耐久性試験は、試験燃焼炉を用いて実施されたもので、本試験燃焼炉で２４時間以上の耐久性を持てば、実機で４ヶ月以上の耐久性を持つことが確認されているものである。実機では最低４ヶ月以上溶損せずに吹込み可能であれば良い。この理由は約４ヶ月周期で休風と呼ばれる大修理があり、たとえ溶損しても、この機会に交換することができるからである。このため図７では試作ランスを各１０本試験し、２４時間以内に溶損したものの割合を示した。

図７に示すように、長さＬが２×（ｄ１−ｄ２）より短くなると溶損が生じることが明らかとなった。また、長さＬが１６０ｍｍを超えると外径ｄ１および外径ｄ２の値にかかわらず溶損が生じた。

以上の試験結果から、先端チップ２４の長さＬの望ましい範囲をまとめると以下の通りである。
２×（ｄ１−ｄ２）≦Ｌ≦１６０ｍｍ
［ただし、ｄ１：外管の外径（ｍｍ）、ｄ２：内管の外径（ｍｍ）である］

以下、実施例および比較例を挙げ、本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれによって制約されるものではない。実施例、比較例では、実際の高炉において本発明のランス１０および比較用のランスを用いて気体還元材の吹込み操業を実施した。すなわち、図１と同様の構成を備え、内容積が３２２３ｍ^３である高炉１の送風管９の管壁を貫通して気体還元材吹込みランスを設置した。なお、実施例では、気体還元材の噴出方向と高炉送風の方向が一致するようにした。

実施例、比較例において、吹込み気体還元材はメタン（ＣＨ_４）ガスを用いた。メタンガスは天然ガスの主成分であり、高炉吹込み用の気体として入手が比較的容易であることから、実施例および比較例における吹込み気体として選択したが、他にたとえばコークス炉ガス、あるいは石炭ガスにより発生するガスあるいは都市ガスや水素ガスなど高炉内に入って還元材として働く気体であれば代替可能である。

表１は、送風圧力一定および羽口先温度一定の条件の下で、各実施例および比較例における高炉の各諸元の変化と生産量の変化を記載している。生産量を上げるためには送風量を上げる（送風圧力を増大する）か、酸素富化率を上げる（結果的に羽口先温度が上昇する）などの方法があるが、図１の高炉では送風圧力は０．３８ＭＰａが最大であり、酸素富化率もまた羽口先温度が上限に近い２３００℃程度になっていることから、各例で生産量は最大であったと考えることができる。

実施例１は、本発明の吹込みランス１０を用いて、気体還元材を２０ｋｇ/ｔ-ｐ（溶銑１トンあたり２０ｋｇの意味；以下同様である）で高炉に吹込んだ場合の結果を示している。生産量（出銑量）は７７３５ｔ/ｄであり、気体還元材の吹込みがない場合（比較例１）の生産量の約１．１５倍の銑鉄を生産することができた。

実施例２は、本発明の吹込みランス１０を用いて、気体還元材を６０ｋｇ/ｔ-ｐ高炉に吹込んだ場合の結果を示している。生産量（出銑量）は８０５８ｔ/ｄであり、気体還元材の吹込みがない場合（比較例１）の生産量の約１．１９倍の銑鉄を生産することができた。

実施例３は、本発明の吹込みランス１０を用いて、気体還元材を１２ｋｇ/ｔ-ｐ高炉に吹込んだ場合の結果を示している。生産量（出銑量）は７５７４ｔ/ｄであり、気体還元材の吹込みがない場合（比較例１）の生産量の約１．１２倍の銑鉄を生産することができた。

実施例４は、本発明の吹込みランス１０を用いて、気体還元材を１１ｋｇ/ｔ-ｐ高炉に吹き込んだ場合の結果を示している。生産量（出銑量）は７３８１ｔ/ｄであり、気体還元材の吹込みがない場合（比較例1）の生産量の約１．０９倍の銑鉄を生産することができた。

比較例１は、気体還元材比の吹込みを実施しない場合の高炉操業の一例を示したもので、先に示したように、生産量の上限は気体還元材の吹込みを実施した場合に比較して低いものとなった。

比較例２は、図８（ａ）に示すような内管の突出部（先端チップ２４）を有しない従来型の水冷３重管構造のランス５０により気体還元材を吹込んだ場合を示している。この場合は、図８（ｂ）に示すように気体吹込みランス５０の延長線と送風管壁の交点近傍に温度センサー５１を取り付け、送風管壁の温度が上昇した場合、溶損防止のため、気体還元材の吹込みを停止することを実施した。その結果、気体還元材の停止時間が長く、一日平均値でわずか０．２ｋｇ/ｔ-ｐの気体還元材を吹込めたのみであった。このため、気体還元材吹込みによる生産量向上効果を得ることができなかった。

高炉の概略構成を模式的に示す断面図。 気体還元材吹込み用ランスの要部斜視図。 気体還元材吹込み用ランスの概略構成を模式的に示す断面図。 気体還元材吹込み用ランスを送風管に装着した状態を説明する図面。 気体還元材吹込み用ランスの要部断面図。 気体還元材吹込み用ランスの要部断面図。 先端チップの長さと溶損率との関係を説明する図面。 従来技術のランスの説明に供する図面。

符号の説明

１０ ランス
２１ 内管
２２ 中間管
２３ 外管
２４ 先端チップ
２５ 冷却用液体取り入れ口
２６ 排出口

Claims (5)

1. 高炉の送風管内に管壁を貫通して挿入され、高炉羽口内に気体還元材を吹き込む気体還元材吹込み用のランスであって、
   内管、中間管および外管を備えた３重管構造であり、前記内管から気体還元材を吹込み、前記内管と前記中間管および前記中間管と前記外管との間に冷却用の液体を流通させるように構成されており、
   前記内管の先端部を前記中間管および前記外管に対して突出させるとともに、この突出部を湾曲させ、前記気体還元材の噴出方向と高炉送風の方向が一致するように配備されることを特徴とする、気体還元材吹込み用のランス。
2. 前記突出部の長さを、２×（ｄ１−ｄ２）以上１６０ｍｍ以下［ただし、ｄ１：外管の外径（ｍｍ）、ｄ２：内管の外径（ｍｍ）である］としたことを特徴とする、請求項１に記載の気体還元材吹込み用のランス。
3. 請求項１または請求項２に記載の気体還元材吹込み用のランスを設けた送風管を配備したことを特徴とする、高炉。
4. 内管、中間管および外管を備えた３重管構造であり、前記内管から気体還元材を吹込み、前記内管と前記中間管および前記中間管と前記外管との間に冷却用の液体を流通させるように構成されており、前記内管の先端部を前記中間管および前記外管に対して突出させるとともに、この突出部を湾曲させ、前記気体還元材の噴出方向と高炉送風の方向が一致するように配備した気体還元材吹込み用のランスを、高炉の送風管内に管壁を貫通して挿入し、高炉羽口内に気体還元材を吹き込むことを特徴とする、高炉操業方法。
5. 前記突出部の長さを、２×（ｄ１−ｄ２）以上１６０ｍｍ以下［ただし、ｄ１：外管の外径（ｍｍ）、ｄ２：内管の外径（ｍｍ）である］としたことを特徴とする、請求項４に記載の高炉操業方法。

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