JP5353118B2

JP5353118B2 - 高炉の操業方法

Info

Publication number: JP5353118B2
Application number: JP2008215607A
Authority: JP
Inventors: 康寛才木
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2008-08-25
Filing date: 2008-08-25
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2028-08-25
Also published as: JP2010048528A

Description

本発明は、高炉の炉体をステーブによって保護するに際して、ステーブに通水する冷却水温を管理して高炉を制御する方法に関する。

高炉などの溶解炉の内部炉壁構造として、鉄皮の内側に内部冷却機構を備えたステーブ（クーリングステーブ、ステーブクーラなどとも称される。）を設け、このステーブの内側（炉内側）に耐火物からなる炉体が保持される構造が採用されている。ステーブの本体（鉄皮）内部には冷却水を通水する管が設けられており、この冷却水によって炉体を冷却して炉内の熱負荷から保護している。また、ステーブは複数の鉄皮と冷却水配管とからなる部分構造体が段をなして連結されて炉体を覆うように構成されている。このため、ステーブの各部に配置される部分構造体を個別に示す場合には「最下部ステーブ」（最下部に配置される部分構造体）のように称する。

図７に一般的な高炉ステーブ冷却水配管の概要を示す。ステーブに通水する冷却水はポンプによりまず最下部ステーブの配管に給水され、この最下部ステーブを冷却する。続いて、最下部ステーブに連結される上段のステーブ、その後はさらに連結される上段のステーブを順次冷却した後に、炉上部に配置される最上部ステーブの配管より排水される。排水された水は、最上部ステーブの排水配管に連結される熱交換器によって冷却を施された後、一旦貯水タンクに戻る。そして、貯水タンクよりポンプを介して再び最下部ステーブに導入される。ポンプより最下部ステーブに導入される部位に給水温度計が、最上部ステーブより排水される部位に排水温度計が設置されている。また、図示していないが、各段のステーブにはステーブ温度を測定するために温度計が設置されている。

高炉操業において、ステーブは炉体を熱負荷から保護するという機能において重要である事は言うまでもないが、炉体を冷却することに由来して、炉内の内容物に大きな影響を与えるものである。そのために、ステーブによる冷却に関して適切な操業技術が要請されており、実際に高炉操業に対する影響やステーブに関連した操業方法に関しては多くの知見が開示されている。

まず、ステーブ冷却により高炉炉内からの抜熱量が多くなると、銑鉄生成に必要なエネルギーが増大して、還元材比（銑鉄生成に必要な還元材の原単位、通常は銑鉄１トンあたり使用する還元材量（ｋｇ）で表される。）が上昇するので、ステーブからの抜熱量は極力抑制することが望ましい事が、例えば特許文献１に述べられている。

ところで、高炉炉内からの抜熱量の大小は、ステーブ冷却の強弱とは必ずしも対応しない。ステーブ冷却が過剰だと、炉内炉壁部に付着物（炉内のガス流に含まれる微粉の鉄鉱石やコークスに含まれる金属成分などが炉壁で凝集・付着したものであり、その溶融温度は溶銑やスラグと同様に９００〜１２００℃である。）が生成し、この付着物は熱伝導度が小さいので、却って抜熱量は低減されることになる。しかしながら、このような操業により高炉操業が必ずしも良好となるものではなく、特許文献２には、炉内炉壁部に生成した付着物が大きくなると、装入物の円滑な降下およびガスの通気性を阻害して、高炉操業を不安定にする事が述べられており、その対策として、付着物を機械的に除去するための装置が開示されている。

また、特許文献３には、炉壁部を過剰に冷却すると鉄鉱原料の粉化現象が発生し、この現象がガスの通気性阻害要因となって高炉内ガス流れ変動となり炉況悪化に繋がることが述べられている。そこで、炉壁部の過剰冷却を防止する為、居包み煉瓦を用いた緩冷却タイプのステーブが提案されている。

一方、ステーブは炉体を保護するだけでなく、ステーブ本体や冷却水配管に設置された温度計により測定されたステーブ温度や冷却水温度、給排水の冷却水温度から算出される抜熱量などの情報（以下、「温度計情報」と称する。）から高炉内状況を推定することができる。そこで、これらの温度計情報から操業方法の指針を得ることが行われている。

例えば、特許文献４には、炉壁部の付着物が厚くなるとステーブ給排水温度差が小さくなるので、ステーブ給排水温度差が管理値以下になった時に、装入方法を調整する高炉操業方法が開示されている。また、特許文献５には、高炉の融着帯形状を把握して管理するために、高炉炉壁の高さ方向のステーブ温度を使用する高炉の操業方法が開示されている。融着帯形状と関係の深い測定値情報として、高炉炉壁部の高さ方向の炉内圧力や半径方向のガス分析ゾンデ情報も併記されているが、高炉炉壁部の高さ方向のステーブ温度は、最も有用な情報として記載されている。

ところで、現在の高炉操業の課題として還元材比の低減が挙げられる。地球温暖化現象の要因となる二酸化炭素の排出量を削減するためには、銑鉄生成必要エネルギーである高炉還元材比を低下させることが有効である。そして、高炉還元材比を低下させるためには、高炉炉内からの抜熱量を低減し、高炉反応効率を高める装入方法調整を実施する必要がある。

しかしながら、特許文献４や５に開示されたような、温度計情報に基づいた装入方法の調整においては、装入物の分布制御を介して、炉壁側のガス流れを変更させる必要がある。ところが、そもそも装入方法は、低還元材比で操業すべく、高炉炉内反応効率が最適となるよう調整された装入物分布の制御方法が採用されている。したがって、上記のようなステーブの温度計情報に基づいた装入方法の調整を行うことは、その方法に基づき高炉炉内反応効率が最適となるよう調整された装入物分布を一旦崩す必要がある。また、ステーブの温度計情報では温度測定値により装入方法の調整量が異なるため、操作タイミングが難しい。さらに、装入方法の調整は炉上部からの操作であるので、ステーブ温度が垂直方向で不均一な場合には、不必要な部位に悪影響を及ぼす可能性がある。

よって、低還元材比操業を安定的に維持する為には、最適な反応効率を生み出す装入物分布をできる限り崩さない、すなわち装入方法調整をあまり必要としない方法が望ましい。

しかしながら、特許文献２に開示された方法は、炉壁部付着物が過剰に生成した時に機械的に除去する方法であるので、付着物を除去した際にガス流れが変化し、還元効率の低下、還元材比の上昇を招くおそれがある。

また、特許文献３に記載された緩冷却ステーブ採用は、居包み煉瓦を採用しており、耐火物である煉瓦を使用する以上、その損耗を完全に防止することはできない。近年の高炉寿命は延長する傾向にあるため、この耐火物である煉瓦の寿命が相対的に短くなり、耐火物の損耗影響なしに使用することは困難である。このため、居包み煉瓦を用いたステーブを操業途中で取り替える必要が生じる可能性がある。このような作業がコスト・生産量に大きく悪い方向に変動を与えることはいうまでもなく、このような背景から、居包み煉瓦を採用しないステーブが採用されてきている（例えば特許文献６参照。)。
特開平１１−２２９０１２号公報特開平５−１１７７２９号公報特開平８−６０２１３号公報特開平８−１５７９１２号公報特開平３−１７０６０７号公報特開２００２-１２９２１５号公報

そこで、本発明は、反応効率が最適となるように調整された装入方法を変更することなく、且つ、コスト・生産に大きく変動を与える設備変更なしに、低還元材比操業を達成する高炉の操業方法を提供することを目的とする。

本発明者は、上記問題点を踏まえ、種々の操業実績を解析した結果、炉壁からの抜熱量が変動する場合には、高炉最下部ステーブ部位の温度変動が起因となって起こることを見出した。そしてこの知見に基づいて完成された本発明は、ステーブに供給するステーブ冷却水の温度を上下限管理することにより付着物の厚さを調整することを要旨とする。すなわち、付着物を過剰に生成させないように冷却水温度を下限管理し、還元材比の上昇を招かない程度の適切な厚みの付着物を生成させるための冷却水温度の上限管理をするものである。

具体的には、本発明は次のとおりである。
（１）高炉の周縁部に配置される鉄皮およびその内側に配置される冷却機構からなるステーブと、当該ステーブに冷却水を供給するための冷却水供給系および当該ステーブの内部を通過した冷却水を排出するための冷却水排出系を有するステーブ冷却系とを用いる高炉の操業方法であって、前記冷却水供給系から前記ステーブに供給される冷却水の温度を所定の範囲に制御することにより前記高炉内の炉壁部に形成される付着物の厚みを調整することを特徴とする高炉の操業方法。

（２）前記冷却水供給系から前記ステーブに供給される冷却水が最下部ステーブに供給される上記（１）記載の高炉の操業方法。

（３）前記ステーブ冷却系は、前記冷却水排出系からの冷却水を熱交換器によって冷却して前記冷却水供給系の冷却水として使用する循環型の冷却系であって、前記冷却供給系から前記ステーブに供給される冷却水の温度の制御は、前記熱交換器の冷却媒体流量を制御する制御弁を用いて当該冷却媒体流量を調整することにより行われる上記（１）または（２）に記載の高炉の操業方法。

（４）前記冷却供給系から前記ステーブに供給される冷却水の温度の制御が、２６〜３１℃の範囲で行われる上記（１）から（３）のいずれかに記載の高炉の操業方法。

本発明によれば、最下部ステーブに供給する冷却水温の下限を管理することで付着物を過剰な生成を抑制し、同冷却水温の上限を管理することで還元材の上昇を招かない程度の適切な量の付着物を炉内壁に生成させることを実現している。このため、コスト・生産に大きく変動を与える設備変更なしに炉壁熱負荷を制御することが可能である。したがって、本発明に係る管理方法では、最適反応効率となるよう調整された装入方法を変更することなく、低還元材比操業の達成に大きく寄与することが実現される。

本発明において冷却水供給系からステーブに供給される冷却水の温度（以下、「ステーブ給水温度」ともいう。）を所定の範囲に制御する理由について、図面を参照しつつ、以下詳細に説明する。

図１に本発明に係る管理方法を実施する前の高炉ステーブ温度、冷却水の給水温度・炉壁抜熱量状況を示したグラフである。この実施前の状況では、最下部ステーブへの給水温度は管理されていなかったため、抜熱量変動により（ステーブ排出温度が変化したことに基づき）ステーブ給水温度が変化するとともに、冷却媒体である海水の温度変化によってもステーブ給水温度が変動していた。

この条件で行われた種々の操業実績を解析した結果、高炉最下部ステーブの温度が変動を開始すると、その後、その変動が上部側ステーブに伝播し、結果的に高炉ステーブによる炉壁抜熱量（ステーブ給排水温度差）が上昇する現象を見出した。

この現象に基づき、本発明者は、熱交換器の冷却媒体の流量を変化させて最下部ステーブへの給水温度を制御すれば、適切な厚さの付着物を炉内壁に形成することが可能であるとの着想を得た。そこで、ステーブ給水温度T3とステーブ表面温度T1・ステーブ表面付着物厚みLcの関係を求めるために、図３の概要図と下記（１）〜（３）式に示すような簡便な試算を行った。

ここで、Q：ステーブ抜熱量、λ：ステーブ熱伝導率、L：ステーブ厚み、α：冷却配管熱伝達率、S：冷却配管表面積、Cw：水の比熱、T1：ステーブ表面温度、T2：冷却配管表面温度、T3：ステーブ給水温度、T4：ステーブ排水温度、およびW：ステーブからの排水量である。

ここで、Lc：ステーブ表面付着物厚み、kc：付着物熱伝導率、Tg：炉内温度、Q1：単位表面積あたりのステーブ抜熱量、Dp：炉壁近傍粒子径、およびkew：炉壁近傍充填層熱伝導率である。

式（１）に示されるステーブ抜熱量の関係式を展開することにより、ステーブ給水温度T3とステーブ表面温度T1の関係を表す（２）式を求めることができる。また、炉内付着物厚みLcとステーブ表面温度T1の関係式（３）を用いることにより、（２）式で得られたステーブ表面温度T1から付着物厚みLcを求めることができる。

表１にステーブ抜熱の計算前提を示す。

図４に、ステーブ給水温度T3を変化させた場合の、ステーブ表面温度T1とステーブ表面付着物厚みLcの計算結果を示す。また、前述のように、炉内に存在する溶銑・スラグの溶融温度は９００〜１２００℃であるから、この温度域まで加熱されると、付着物も溶融し、炉壁部から脱落してしまう。本計算結果によれば、ステーブ給水温度が４７℃以上の場合には、ステーブ表面温度T1が上昇してこの温度領域となるため、炉内壁における付着物の形成が困難である。したがって、ステーブ給水温度を４７℃以下にすることによりステーブ表面付着物が生成する可能性があることを本計算結果は示唆している。一方、ステーブ給水温度を低下させて２５℃以下にすると、炉壁部の付着物厚みが急上昇する領域になるので、ステーブ給水温度による付着物厚み制御が困難であると推測された。

よって、冷却水供給系からステーブに供給される冷却水の温度を所定の範囲に制御して炉内壁の温度を所定の範囲に制御することによって、溶解炉内の炉壁部に形成される付着物の厚みを所定の範囲に調整可能であることが本計算結果に基づき理解される。このように付着物の厚みが所定の範囲に調整されることで炉からステーブへの抜熱量も所定の範囲に制御され、炉内の反応効率の変動を抑制することが実現される。また、付着物の厚みを調整するために炉内装入量を調整したり付着物を機械的に除去したりする必要もないため、生産性が低下しにくい。

なお、以上の説明では、冷却されて最下部ステーブに供給される冷却水の水量は一定にされている。また、最上部ステーブから排出された冷却水が熱交換器によって冷却されて最下部ステーブに供給される冷却水となる、循環型の冷却系によってステーブの冷却を行っているが、最下部ステーブに冷却水を供給する冷却水供給系とステーブ内部を通過した冷却水が排水される冷却水排水系とが閉じていない構成であってもよい。ただし、閉じている循環型であるほうが環境保護の観点から好ましい。さらに、冷却水供給系からの冷却水が供給されるステーブは最下部に位置するステーブでなくてもよいが、炉内では羽口に近い下部のほうが温度が高い場合が多いため、最下部から供給することが好ましい。

以下に、上記の計算結果を検証するために行った実験結果を示す。
図２に示される構成のステーブおよび冷却システムを有する炉容積５３７０m^３の高炉に、塊コークスおよび鉱石（塊鉱石および焼結鉱の混合体）が交互に積層されるように装入し、高炉下方の羽口から還元剤としての微粉炭を含有する酸素富化大気の熱風を供給して、上記の装入物を加熱した。ここで、図２に示される冷却システムが図７で示される一般的な冷却システムと異なる点は、ステーブ給水温度の制御が可能なように、冷却媒体制御弁が設けられていることである。この制御弁を制御することにより、冷却媒体流量を調整し、最下部ステーブに供給される給水温度は、冷却媒体温度以上の範囲で任意に制御することが可能とされている。

必要に応じて高炉の炉頂から塊コークスおよび鉱石を追加しつつ、操業開始初期はステーブ給水温度の管理を行わない状態で操業し、本実験期間中は、冷却媒体制御弁を調整して給水温度を管理しながら高炉を操業させた。そして、この操業期間を通じて、最下部ステーブから排出される冷却水の温度変化を測定して、最下部ステーブにおける単位面積当たりの抜熱量について１日の操業における平均値を毎日算出した。また、高炉の炉内壁を流動するガス流れを測定して、１日の操業における炉壁流の変動回数を毎日計測した。

上記の計測の結果が図５および図６であり、図５上は最下部ステーブ抜熱量のステーブ給水温度依存性を、図５下はガス流れ変動回数のステーブ給水温度依存性を示すグラフである。また、図６上は、追加で装入した塊コークスおよび鉱石のそれぞれの１日あたりの装入量に基づき算出した還元材比の操業期間における推移を示すグラフであり、図６下は、ステーブ給水温度の１日の操業における平均値の操業期間における推移を示すプロットである。

図５に示されるように、ステーブ給水温度が２６〜３１℃の範囲に管理されている場合には、ステーブ抜熱量は３０ｋｃａｌ／Ｈ以下に抑制されることが確認された。また、この場合には、炉壁流動回数は６回／日以下となり、特に２７〜３０℃の範囲で管理されている場合には炉へ着流動回数をおおむね２回／日以下となった。さらに、ステーブ給水温度が２６〜３１℃の範囲に管理されている場合には、還元材比も、ばらつきはあるもののおおむね４８０ｋｇ／ｐｔ以下に抑制することができた。

これに対し、ステーブ給水温度が３１℃以上の場合には、ステーブ抜熱量が上昇して３０ｋｃａｌ／Ｈを越えるときが多くなり、その結果、還元材比がその平均値として４９０ｋｇ／ｐｔ程度となったり、炉壁流動回数が３回／日以上となる日が多くなったりするなど、高炉操業の効率や安定性が低下することが確認された。

また、ステーブ給水温度が２６℃以下の場合には、抜熱量が低下する傾向が確認され、このため形成された過剰な付着物に起因すると思われるガス流れ変動が増大し、安定な生産の維持が困難になる結果が得られた。

本発明における炉壁熱負荷（ステーブ給排水温度差）上昇時に最下部ステーブ温度より変動開始する状態を示す図である。本発明におけるステーブ冷却水配管系統（ステーブ冷却系）の構成を概念的に示すブロック図である。ステーブ給水温度とステーブ表面温度との関係を求めるためのモデルを示す概要図である。ステーブ給水温度とステーブ表面温度・炉内付着物厚みとの関係を表すグラフである。ステーブ給水温度と下部ステーブ抜熱量（上グラフ）・炉壁ガス流れ変動（下グラフ）との関係を表すグラフである。ステーブ給水温度（上グラフ）および還元材比（下グラフ）の操業期間中の推移を示すグラフである。従来技術に係るステーブ冷却水配管系統（ステーブ冷却系）の構成を概念的に示すブロック図である。

Claims

高炉の周縁部に配置される鉄皮およびその内側に配置される冷却機構からなるステーブと、当該ステーブに冷却水を供給するための冷却水供給系および当該ステーブの内部を通過した冷却水を排出するための冷却水排出系を有するステーブ冷却系とを用いる高炉の操業方法であって、
前記冷却水供給系から前記ステーブに供給される冷却水の温度を所定の範囲に制御することにより前記高炉内の炉壁部に形成される付着物の厚みを調整することを特徴とする高炉の操業方法。
前記冷却水供給系から前記ステーブに供給される冷却水が最下部ステーブに供給される請求項１記載の高炉の操業方法。
前記ステーブ冷却系は、前記冷却水排出系からの冷却水を熱交換器によって冷却して前記冷却水供給系の冷却水として使用する循環型の冷却系であって、
前記冷却供給系から前記ステーブに供給される冷却水の温度の制御は、前記熱交換器の冷却媒体流量を制御する制御弁を用いて当該冷却媒体流量を調整することにより行われる請求項１または２に記載の高炉の操業方法。
前記冷却供給系から前記ステーブに供給される冷却水の温度の制御が、２６〜３１℃の範囲で行われる請求項１から３のいずれかに記載の高炉の操業方法。