JPH0136523B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、高炉の操業方法の改良に関するもの
である。

〔従来の技術〕

高炉の送風羽口前面に形成されるレースウエイ
内では、コークスが送風中の酸素により燃焼し最
終的には消滅するが、この燃焼過程において、衝
風によりコークスはレースウエイ内を旋回するた
め、コークスどうしの衝突や摩耗によつても、コ
ークスが破壊され、細粒化する。すなわち、燃焼
と摩耗によつてコークスは劣化ならびに細粒化
し、たとえば３mm以下の粒径の微粉コークス（以
下粉コークスという）が発生するため、レースウ
エイ近傍には、粉コークスが堆積し、該粉コーク
スの堆積量が大量に蓄積した場合には、高炉内の
通気性を阻害するため高炉操業を円滑に行うこと
が困難になることが経験的に確認されている。

ところで、このコークスの劣化をひき起す要因
としては、従来より、コークス強度の低下、たと
えば、冷間でのドラム回転強度DI¹⁵⁰ ₁₅指数あるい
は、熱間でのCO₂による反応後強度CSR指数の低
下、もしくは、レースウエイ内でのコークスの旋
回強度に影響を及ぼす羽口風速の過大のいずれか
が主たる原因と考えられてきた。

したがつて、従来の高炉操業における基本的な
考え方は、前記のコークス強度を極力高めること
であつた。そして実際に、高炉の大型化および高
羽口風速化に伴つて、高強度のコークスを使用す
るようになつてきた。

一方、高炉操業要因としての羽口風速について
は、羽口風速を過大にすると、レースウエイ内の
コークスの旋回速度が増大するため、コークスの
摩耗量が増加して、粉コークスの発生量も増加す
ることは、後述のように公知であつたが、高炉操
業における羽口風速の役割としては、レースウエ
イ内での粉コークスの発生の抑制よりは、レース
ウエイ深度の増大のための手段としての方がより
重要視されてきた。というのは、高炉操業では、
炉の中心部に降下速度のきわめて小さいコークス
停滞層、すなわち通常炉芯と称せられる不活性帯
が形成されるため、この炉芯をできるだけ小さく
し、高炉内の活性帯をできるだけ広げることが重
要と一般に信じられてきたからである。ここで、
炉芯が形成されるメカニズムは、送風羽口より吹
込まれた送風中の酸素によつて、コークスが燃焼
する際のコークスの燃焼速度がきわめて大きいた
め、炉内のレースウエイ先端近傍つまり、羽口先
端から１ｍないし高々２ｍの範囲で酸素が消費さ
れてしまい、それより炉の中心側ではコークスが
もはや燃焼しなくなりコークスが固体として安定
に存在するため、前記のような炉芯が形成される
のである。したがつて、炉芯を小さくするために
は、羽口風速を大きくし、その衝風エネルギーに
よつてレースウエイ深度を大きくすることが必要
との考え方がこれまでの通念であつて、羽口風速
の増大に伴う粉コークス発生量の増加に対して
は、前記のように、コークス強度の向上で対処し
てきたのが、高炉操業の従来の基本的な考え方で
あつた。ただし、羽口風速を増大するといつて
も、羽口風速の上限値は経験的に約320ｍ／ｓ程
度に押えて、高炉操業は行われてきた。

さて、レースウエイおよび炉芯の形成挙動とレ
ースウエイ近傍の粉コークスの発生と堆積の挙動
の重要性は、以上説明したように明白であるが、
以下、羽口風速の制御なかんずくレースウエイ近
傍の粉コークスの発生と堆積挙動の制御に関して
羽口風速もしくは送風量を制御する最新の従来技
術の概要を説明し、該従来技術の問題点を説明す
る。

まず、最初にレースウエイでの燃焼と摩耗によ
るコークスの劣化に伴うコークス粒子の細粒化現
象を予測し、送風量を制御する従来技術の例とし
てたとえば特開昭53−117623号公報がある。該公
報に記載の技術（以下甲技術という）の概要は、
サイクロンの原理を応用した旋回摩耗試験装置を
用いて、実高炉レースウエイ部にできるだけシミ
ユレートした条件下でコークスを一定時間旋回さ
せた後、粒度分布を測定し、送風量、コークスの
初期粒径等の要因を考慮した粒度分布の推定式を
導き、該推定式に基づいて実高炉のレースウエイ
部のコークスの平均粒径を算出して、炉内の通気
性を制御しようとするものである。

ところで、前記甲技術の第１の問題点は、旋回
摩耗試験装置を用いて実高炉のレースウエイ部を
シミユレートしているといつても、温度や羽口風
速の条件は試験装置と実高炉では大幅に異つてお
り、また、コークスの燃焼反応によるコークス粒
径の変化をも理論的に考慮しているが、あくまで
もレースウエイ部でのコークスの平均粒径を推定
したものであり、レースウエイ部のコークス粒径
の実測値に基づいて、炉内の通気性を判定し、送
風量を制御する方法ではないことである。何故な
らば、炉内現象は複雑であつて、レースウエイの
形成挙動一つをとつてみてもたとえば羽口一本あ
たりの送風量が同じであつても、羽口径が違え
ば、後述のようにレースウエイの大きさが異な
り、粉コークスの発生量も違つてくるからであ
る。したがつて、相似則や燃焼反応などの点で高
炉内状況を十分に再現したシミユレーシヨン実験
結果もしくは実測値によつて検証されていない推
定値のみで、適切な送風量制御ができるかどうか
は問題といわざるを得ない。つぎに、甲技術の第
２の問題点は、炉内のコークス粒径の変化を推定
できるとしているが、炉内のコークスの推積状態
を全く考慮していないことである。というのは、
粉コークスは炉内で完全に消滅するわけではな
く、必ず、炉芯や炉壁近傍などの充填層内に堆積
するものであり、むしろ、このような炉内の粉コ
ークスの堆積状況こそが、付着物の形成や、炉芯
の肥大化などに作用し、装入物の降下状態や通気
性を決定すると言つても過言ではないからであ
る。つまり、高炉内の通気性は、コークスの平均
粒径以上に、むしろ、レースウエイ近傍での粉コ
ークスの発生とその堆積挙動によつて大きく影響
されるからである。

そこで、本発明者らは、前記甲技術のかかる問
題点を解決するために羽口風速の制御に関する高
炉操業法を発明し特許出願済みである（特願昭58
−219791。以下、該特許出願の技術を乙技術とい
う）。以下、該乙技術の概要と問題点を説明する。
すなわち、乙技術の特徴とするところは、高炉送
風羽口よりレースウエイ先端部から炉芯表層部に
おけるコークスのサンプリングを行い、粒径３mm
未満の粉コークス量が、サンプリングコークス量
の５重量％以下になるように羽口風速を制御し、
もし、前記の粉コークス量が５重量％をこえた場
合には、羽口風速を200ｍ／秒以下にすることを
特徴とする高炉操業法である。ところで、乙技術
の問題点を列挙するとすれば、高炉の設備条件た
とえば、燃内容積や羽口数もしくは羽口径および
羽口風速以外の操業条件、たとえば出銑比や送風
温度あるいは使用するコークスの平均粒径の条件
が与えられた場合に、適切な羽口風速をある計算
式に基づいて定量的に推定できないことである。
すなわち、乙技術の方法では、前記のごとく炉芯
表層部のコークスサンプリングを行つて、粉コー
クス量が５重量％以下になるような適正な羽口風
速を試行錯誤で決定しなければならないという不
便さ、もしくは、無条件に羽口風速を200ｍ／秒
以下にすることによる操業上への予期できぬ悪影
響を蒙る可能性があつたことである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明の目的は、任意の設備条件、すなわち内
容積および羽口数を備える高炉において、出銑比
ならびに送風温度および装入コークスの平均粒径
などの操業条件が任意に設定された場合の適正な
羽口風速の条件を試行錯誤して決定することな
く、あるいは乙技術のように一律に200ｍ／秒以
下にするのではなく、前記の高炉操業条件に応じ
てもつとも適正な羽口風速を容易に策定する高炉
操業方法を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕 本発明は前述の問題点を解決するために、レー
スウエイ深度が設定値以下になるように特定の式
に基づいて羽口風速を制御することに特徴があ
り、その要旨は以下のとおりである。

(1) 高炉の送風羽口前面に形成されるレースウエ
イ深度が設定値D_R以下になるように、次式に
基づいて、羽口風速u_tを制御することを特徴と
する高炉の操業方法。

ここで、u_t：羽口風速（ｍ／ｓ）、D_R：レー
スウエイ深度の設定値（ｍ）、ρ_c：コークスの
みかけ密度（Kg／m³）、dp：装入コークスの平
均粒径（ｍ）、Tb：送風温度（℃）、Pb：送風
圧力（Kg／cm²、ゲージ）、γ：出銑比（ｔ・
d^-1・ｍ^-3）、Vi：内容積（m³）、Nt：羽口数
（−）、ｋ：高炉操業条件によつて定まる定数。

(2) 高炉の送風羽口前面に形成されるレースウエ
イ深度D_Rを測定し、もしくは次式に基づいて
算定し、該D_Rが、1.4ｍ以下になるように、羽
口風速を制御する前記(1)記載の高炉の操業方
法。

D_R＝5.00D_t ・u_t√（_b＋１）｛_c×・（_b＋273）｝ ここで、Dt：羽口径（ｍ）。

以下本発明について詳細に説明する。

本発明者等は、第２図に示す縮尺が約1/10の高
炉下部二次元模型を使用し、主に高炉下部におけ
る充填物の充填降下特性に及ぼす出銑比および羽
口風速の影響について実験解析し、出銑比ならび
に高炉の設備条件が与えられた場合の適正な羽口
風速の策定法に関して新しい知見を得て、それに
基づいて従来にはない新しい高炉操業方法を発明
するに至つた。

すなわち、本実験装置は、充填物の降下とガス
流れは勿論のこと、粉コークスの堆積挙動に関し
て、実際の高炉内現象とできる限り相似となるよ
うに相似則つまり、フルード数等の無次元数を検
討して、装置の製作と実験条件の設定を行つた。
すなわち、後述のフルード数を模型と実高炉とで
一致させた。つぎに実験方法を概説すると、装置
上部（装入部）１より平均粒径５mmのコークスと
擬似鉱石を交互に装入する。ここで、擬似鉱石は
融点が100〜123℃の低融点合金により製造したも
のである。一方、装置下部の両端に設置した２本
の羽口８より約180℃の熱風を吹きこみ、前記の
擬似鉱石を溶融滴下させる。そして、上部より装
入された前記のコークスと溶融滴下する擬似鉱石
は、羽口８の前方に形成されるレースウエイ９の
直下に設置したロータリーフイーダー７を介し
て、下部の密閉貯蔵庫１０へ排出させる。そし
て、本実験装置を用いて、出銑比のレベルを３水
準に変更し、羽口風速を後述のフルード数に基づ
く実炉の羽口風速への換算値（以下実炉換算羽口
風速という）で100〜330ｍ／秒の範囲で７水準に
変更して実験した。すなわち、送風量とそれに比
例したコークスの排出量を変更することにより、
炉内における充填物の降下速度を基準にした実炉
換算の出銑比を1.6、2.0、2.7t・d^-1・ｍ^-3と３水
準変更し、各出銑比のレベルで、羽口径を変更す
ることにより、同一の送風量でも羽口風速を変更
させることより、後述のように、出銑比と適正な
羽口風速の関係を解析した。

以下、主要な実験結果について説明する。第３
図は、レースウエイの無次元深度Ｙと前記のフル
ード数Ｘとの関係を示したもので、両者の間には
明確な直線関係があり、実験データの最小自乗法
近似により、直線回帰式として(1)式を得た。

Ｙ＝0.48X ……(1) ただし、 Ｙ＝D_R／Dt ……(2) Ｘ＝u_t√_g（・_c・・） ……(3) ここで、 D_R：レースウエイ深度（ｍ）、羽口軸上の羽口先
端とレースウエイ最深部間の水平距離、 Dt：羽口径（ｍ）、Ｘ：フルード数（−）、 u_t：羽口風速（ｍ／ｓ）、 ρ_g：空気密度（Kg／m³）、 φ：形状係数（＝0.33）、 ρ_c：コークスみかけ密度（Kg／m³）、 ｇ：重力加速度（＝9.8ｍ／s²）、 dp：装入コークス平均粒径（ｍ）。

なお、ρ_gは、(4)式で表される。

ρ_g＝352（Pb＋１）／（Tb＋273） ……(4) ただし、Pb：送風圧力（Kg／cm²、ゲージ）、 Tb：送風温度（℃）。

ここで、(2)〜(4)式を(1)式に代入して整理する
と、レースウエイ深度D_Rの推定式として(5)式が
得られる。

D_R＝5.00D_t・u_t√（＋１）｛_c×_p・（_b＋
273）｝ ……(5) なお、第３図に、前述の実験データとともに実
炉データをプロツトしたが、実炉データも(1)式の
直線の近傍に散布しているため、(5)式により、実
高炉のレースウエイ深度を精度よく推定すること
ができることが確認された。

第４図は、レースウエイ深度D_Rと羽口水準の
炉芯表層部における１mm以下の微粉コークスの堆
積量との関係を示したものであるが、本発明を生
む重要なきつかけとなつた図である。

すなわち、第４図はレースウエイ深度の増大と
ともに、炉芯表層部、換言すればレースウエイ近
傍炉における微粉コークスの堆積量が指数関数的
に増加することを示している。ちなみに(5)式より
明らかなごとく、レースウエイ深度D_Rは羽口風
速u_tに正比例する。また、出銑比の増加は送風量
の増加を伴うため、羽口径Dtもしくは羽口風速u_t
のどちらかを増大しなければならないため、やは
りレースウエイ深度が増大する。すなわち、出銑
比や羽口風速の増加により、レースウエイ深度が
増大するが、炉芯表層部における粉コークスの堆
積量との関係については、レースウエイ深度D_R
で整理することができることが見出されたわけで
ある。そして通気性の観点から、微粉コークス堆
積量の許容最大値は約10wt％であることが判明
した。したがつて、第４図に示すように、炉芯表
層部の微粉コークスの許容堆積量を10wt％とお
くことにより、レースウエイ深度の許容最大値は
150mmないしは高々140mmであることが判明した。
この数値を実高炉のレースウエイ深度に換算する
と、本実験の縮尺比が1/10であるから、実験値を
10倍すれば良く、実高炉のレースウエイ深度の上
限値は約１ｍ〜1.4ｍと推定される。

第５図は、トラベリングタイムとレースウエイ
深度の関係を示したものである。ここで、トラベ
リングタイムとは、第２図において、装置の上部
１より装入したコークスがレースウエイ９に到達
するまでの滞留時間である。ここで、出銑比が増
加するほど、トラベリングタイムが短縮する理由
は、高出銑比ほど装置下部からのコークスの排出
量が大きいためであるが、重要なことは、出銑比
が同一の場合でも、レースウエイ深度がある一定
値、つまり100〜110mmを越えると、トラベリング
タイムが急激に短縮する現象である。このよう
に、レースウエイ深度が100〜110mm以上になると
充填物の滞留時間が短縮する理由は、炉芯が肥大
化し、充填物の降下領域が縮少するからである。
ここで、炉芯肥大化の理由を、さらに詳しく説明
すると、前記のように、レースウエイ深度が100
mmを越えると、炉芯表層部の微粉コークス堆積量
が増大し、炉芯内にガスを流通できなくなる。そ
の結果、ガスが炉芯表層部に沿つて上方へ流れる
ため、レースウエイ内で発生した粉コークスもそ
のガス流によつて上方へ搬送され、その過程で炉
芯上部の表層部に逐次粉コークスが堆積してゆく
ため、徐々に、炉芯肥大化現象が進行するのであ
る。ところで、実高炉内で、トラベリングタイム
が短縮すると、鉄鉱石の還元や昇温が十分に行わ
れなくなるため、高炉操業の効率が低下すること
は説明するまでもないことである。

以上の通り、本実験の結果レースウエイ深度に
は上限値が存在し、その上限値は約105mm
（Max.140mm）であることが判明した。そこで、
第６図に示す、レースウエイ深度と実炉換算羽口
風速の関係図において、レースウエイ深度の上限
値を105mmと設定すると、各出銑比における実炉
換算羽口風速の上限値を推定できることを見出し
た。すなわち、出銑比が1.6t・d^-1・ｍ^-3の場合の
羽口風速の上限値は280ｍ／ｓであり、同様に、
2.0、2.7t・d^-1・ｍ^-3の出銑比に対する羽口風速
の上限値はそれぞれ230ｍ／ｓ、180m／ｓと推定
された。つまり、高出銑比ほと羽口風速を減少す
べきことが判明した。ところですでに述べたよう
に、羽口風速に関する通念はできるだけレースウ
エイ深度を大きくするため、羽口風速は大きくす
べきであるということであり、出銑比を増加する
場合には、羽口風速を減少すべきとの技術思想は
これまでまつたくなかつた。

そこで、以上の実験結果の知見をふまえて、実
際の高炉において、任意の設備条件、たとえば内
容積と羽口数の条件と、任意の操業条件たとえば
出銑比と送風温度の条件が与えられた場合に、適
正な羽口風速を定量的に策定する方法を見い出し
たので、その詳細を以下説明する。

まず、羽口数Nt（本）および羽口径Dt（ｍ）が
既知の場合、送風量Vb（Ｎm³／min）、送風温度
Tb（℃）、送風湿度Mb（ｇ／Ｎm³）、送風圧力Pb
（Kg／cm²、ゲージ）の送風条件が与えられると、
羽口風速u_t（ｍ／ｓ）は(6)式で表される。

u_t＝0.0625（T_b＋273）／（804−M_b）（P_b＋１）・V_b／
N_t・D²／_t……(6) ここで、送風量Vbを、出銑比γ（ｔ・d^-1・ｍ
^-3）および内容積Vi（m³）の関数として表示する
と(7)式が成り立つ。

Vb＝Fp・γ・Vi／1400 ……(7) ここで、Fp：銑鉄ｔあたりの所要送風量（Ｎ
m³／ｔ）。

つぎに、(6)式および(7)式を前記(5)式に代入し
て、羽口径Dtについて整理すると、(8)式が得ら
れる。

Dt＝ｋ・γ・Vi／（Nt・D_R） ……(8) ただし、 したがつて、レースウエイ深度の設定値、すな
わち目標値もしくは上限値D_Rが設定されると、
(8)式より、羽口径Dtを求めることができる。

そこで、(8)式を(5)式へ代入し、羽口風速u_tにつ
いて整理すると、(10)式が得られる。

ここで、不等号＜を付した理由は、レースウエ
イ深度D_Rが上限値であれば、(10)式で算定される
羽口風速も上限値であり、これ以下の羽口風速を
選定する必要があるからである。

〔発明の作用〕

先に提案した(10)式に基づいて羽口風速u_tを策定
することができるが、以下、実施例に基づいて、
本発明の作用を説明する。

第１図は、4000m³級の高炉を想定して(10)式に基
づいて作成した羽口風速u_tと出銑比γの関係を示
したものである。

ここで計算条件は、内容積Vi＝3890m³、羽口
数Nt＝34本、送風温度Tb＝1250℃、送風圧力Pb
＝4.1Kg／cm²、ゲージ、送風湿度Mb＝30ｇ／Ｎ
m³、コークスの平均粒径dp＝48×10^-3ｍ、ｋ＝８
×10^-4m²・ｄ・min／ｔである。第１図におい
て、パラメータとして、３種類のレースウエイ深
度D_R、すなわち1.2、1.3、1.4ｍを採用した理由
は、すでに述べたように、模型実験から、レース
ウエイ深度の適正な上限値が実炉換算で約１ｍ〜
1.4ｍであると判明したためである。

第７図は出銑比γと適正羽口径との関係を示す
グラフである。

このように高炉の内容積や羽口数などの設備条
件および出銑比や送風温度などの操作条件が任意
に設定された場合に、(10)式もしくは(10)式より得ら
れた第１図のような関係図によつて、適正な羽口
風速の条件を求めることができる。たとえば、レ
ースウエイ深度を1.4ｍに保持して、出銑比を2.0
から2.4t・d^-1・ｍ^-3へ増加するためには第１図に
よつて羽口風速を257ｍ／ｓから214ｍ／ｓへ減少
すべきことが定量的に算定できる。

また、前記の模型実験結果から容易に類推でき
るように、同一出銑比の場合でもレースウエイ深
度を少さくした方が、レースウエイ近傍における
粉コークスの堆積量の減少およびトラベリングタ
イムの観点からは望ましいことがわかつているの
で、たとえば、出銑比が2t・d^-1・ｍ^-3の場合、
レースウエイ深度を1.4ｍから1.3ｍへ小さくする
ためには、羽口風速を257ｍ／ｓから221ｍ／ｓへ
減少すればよいこと、すなわち、羽口風速の減少
量をレースウエイ深度との関係で定量的に推定で
きる利点を有している。以上の説明はレースウエ
イ深度を確認することなしに予め設定してそれに
基づいて羽口風速を決定する例についてのべた
が、レースウエイ深度を実測するか、あるいは前
述の(5)式によつて算定して、レースウエイ深度を
確認しながらレースウエイ深度が1.4ｍ以下にな
るように(10)式に基づいて羽口風速を制御するのが
より望ましい。

〔発明の効果〕

以上の通り、本発明者らは模型実験により出銑
比の増加に伴い、羽口風速を低減すべきとの新事
実を見出し、さらにこれを定量化する目的で任意
の高炉の設備・操業条件のもとで、出銑比と適正
な羽口風速の定量的な関係式を導出し、該関係式
に基づいて羽口風速を制御する高炉操業方法を発
明した。そこで、実施例に基づいて、本発明の効
果を説明する。第８図は、最近２年間にわたつて
当社で稼動していた12基の高炉の主要な操業指標
の月平均値の推移図を示したものである。第８図
より明らかなように、出銑比を1.7t・d^-1・ｍ^-3よ
り2.1t・d^-1・ｍ^-3へ増加したにもかかわらず前記
(10)式に基づいて羽口風速を260ｍ／ｓより230ｍ／
ｓへと減少させた。その結果、炉内の通気抵抗を
表わす指標Ｋ値は着実に低下し、つまり通気性は
改善され、充填物の降下異常性を表わすスリツプ
回数が減少した結果、高炉操業の安定化および、
溶銑品質の安定化、とりわけ溶銑中のSi濃度を低
下させることができ、銑鉄製造コストの低減に大
きく貢献した。以上のように、本発明の効果は、
非常に大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は出銑比と適正な羽口風速の関係をレー
スウエイ深度をパラメータとして表わした図、第
２図は高炉下部二次元模型の装置構成図、第３図
は、実験によつて求められた、レースウエイの無
次元深度とフルード数の関係図、第４図は、炉芯
表層部の微粉コークスの堆積量とレースウエイ深
度の関係図、第５図は、トラベリングタイムとレ
ースウエイ深度の関係図、第６図はレースウエイ
深度と実炉換算羽口風速の関係図、第７図は出銑
比と適正な羽口径の関係図、第８図は、最近２年
間の高炉の主要操業指標の推移図である。 １：装置の装入部、２：熱電対、３：熱風炉、
４：流量調整器、５：送風機、６：熱風（最大
200℃、200Nm³／ｈ）、７：ロータリーフイーダ
ー、８：羽口、９：レースウエイ、１０：密閉貯
蔵庫。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 高炉の送風羽口前面に形成されるレースウエ
   イ深度が設定値D_R以下になるように、次式に基
   づいて、羽口風速u_tを制御することを特徴とする
   高炉の操業方法。 ここで、u_t：羽口風速（ｍ／ｓ）、D_R：レース
   ウエイ深度の設定値（ｍ）、ρ_c：コークスのみか
   け密度（Kg／m³）、dp：装入コークスの平均粒径
   （ｍ）、Tb：送風温度（℃）、Pb：送風圧力
   （Kg／cm²、ゲージ）、γ：出銑比（ｔ・d^-1・ｍ
   ^-3）、Vi：内容積（m³）、Nt：羽口数（−）、ｋ：
   高炉操業条件によつて定まる定数。 ２ 高炉の送風羽口前面に形成されるレースウエ
   イ深度D_Rを測定し、もしくは次式に基づいて算
   定し、該D_Rが、1.4ｍ以下になるように、羽口風
   速を制御する特許請求の範囲第１項記載の高炉の
   操業方法。 D_R＝5.00D_t・u_t√（_b＋１）｛_c×・（_b＋
   273）｝ ここで、Dt：羽口径（ｍ）。