(57)【要約】【課題】通常の高炉操業（酸素富化率が１０体積％以下の羽口熱風吹込みを行なう高炉操業）において、長期的に安定した低還元材比操業（低ＲＡＲ操業）を実施することができる高炉操業方法を提供する。【解決手段】シャフトガスの吹き込み用に複数の異なる高さ位置に予め吹き込み管あるいは管座を設置しておき、操業に応じて最適な高さ位置の吹き込み管あるいは管座に吹き込み設備を接続して稼働することを特徴とする高炉操業方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素富化率が１０体積％以下の羽口熱風吹込みを行なっている高炉操業において、シャフトガスの吹き込み用に複数の異なる高さ位置に予め吹き込み管あるいは管座を設置しておき、操業に応じて最適な高さ位置の吹き込み管あるいは管座に吹き込み設備を接続して稼働することを特徴とする高炉操業方法。
【請求項２】
前記複数の異なる高さ位置の吹き込み管あるいは管座のそれぞれと前記吹き込み設備とを繋ぐ複数の配管を設けるとともに、それら複数の配管にそれぞれ開閉弁を設けておき、前記開閉弁の操作によって、吹き込み管あるいは管座に吹き込み設備を接続して稼働することを特徴とする請求項１に記載の高炉操業方法。
【請求項３】
シャフトガスの温度と同じ炉内温度である高さ位置の吹き込み管あるいは管座に吹き込み設備を接続して稼働することを特徴とする請求項１または２に記載の高炉操業方法。
【請求項４】
シャフトガスの吹き込みを行なう高さ部分のステーブ、またはそれ以上の高さ部分のステーブとして、少なくとも一部に銅製ステーブを採用することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の高炉操業方法。
【請求項５】
シャフトガスの流路とステーブの間に、断熱構造を設けることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の高炉操業方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、安定した低還元材比操業を実施するための高炉操業方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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ＣＯ２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還元材比（ＲＡＲ）を低くした低還元材比操業（低ＲＡＲ操業）が強力に推進されている。ちなみに、還元材比（ＲＡＲ：Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ  Ａｇｅｎｔ  Ｒａｔｉｏ）は、銑鉄１ｔ製造当たりの、吹き込み燃料と炉頂から装入されるコークスの合計量のことである。
【０００３】
しかしながら、高炉操業では、還元材比（ＲＡＲ）が低下すると原理的に送風量が低下し、この結果、シャフト上部においては装入物の昇温が遅れ、順調な還元が達成されなくなる。加えて、亜鉛化合物（例えば、酸化亜鉛ＺｎＯ）などの壁付きが助長され、風圧変動や荷下がり異常などの炉況不調を招くことが懸念される。また、炉頂温度が低下して１００℃を割り込むような場合には、排ガス中の水分が配管内に凝縮する問題が生じる。
【０００４】
通常の高炉操業（酸素富化率が１０体積％以下の羽口熱風吹込みを行なう高炉操業）において、上述したような各種炉況不調、特に炉上部（炉頂部）での装入物の昇温不良を防止するには、以下のような対策が採られるのが通例である。
（ａ）酸素富化率を下げ、ガス量を増加させる（熱流比を下げ、ガス温度を上昇させる）。
（ｂ）微粉炭などの燃料吹き込み量を増加させる（熱流比を下げ、ガス温度を上昇させる）。
（ｃ）還元効率（シャフト効率）を下げ、還元材比を高くする。
【０００５】
しかしながら、上記（ａ）の対策は生産量低下に繋がるため望ましくない。上記（ｂ）の対策は吹き込み能力の余裕代に依存するが、能力限界近くで操業している製鉄所では、その増加量に制約がある。また、燃料吹き込み量を増加させた場合には、ボッシュガス量が増えて生産量を低下させるため、酸素富化を同時に実施する必要がある。しかし、使用できる酸素量にも供給能力上の制限がある。上記（ｃ）の対策はわざわざ効率を下げた操業を指向することで、ＣＯ２削減に関する本来の目的に逆行する。
【０００６】
このように、普通高炉（酸素富化率が１０体積％以下の羽口熱風吹込みを行なう高炉）において低ＲＡＲ操業を行なう場合、通常の操業範囲内での操業条件の変更により各種炉況不調、特に炉上部の昇温不良を回避することは困難である。
【０００７】
これに対して、特許文献１には、上述した課題、すなわち普通高炉において低ＲＡＲ操業を行った場合にシャフト上部での装入物の昇温が遅れるという課題を解決するために、炉頂温度が１１０℃以下となった場合に、炉頂ガス量の１０体積％以下の量の予熱ガスをシャフトガスとしてシャフト上部から炉内に吹き込む方法が示されている。また、同文献には、製鉄所でガスホルダーに貯蔵されている高炉発生ガス、または高炉発生ガスとコークス炉発生ガスとの混合ガスをシャフトガスとして吹き込むこと、或いは炉頂ガスの一部を循環させてシャフトガスとして吹き込むことなども示されている。
【０００８】
一方、高炉は昼夜連続操業を行っており、シャフト部に吹き込む予熱ガス（シャフトガス）の温度と量を安定させて吹き込む必要がある。
【０００９】
そこで、例えば、特許文献２では、シャフトガス吹込み部近傍の装入物の流動や混合を防止する吹き込み構造が提案されている。また、特許文献３では、装入物がシャフトガス吹き込み装置に詰ることのないようにシャフトガスの吹き込み角度を規定している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００８−２１４７３５号公報
【特許文献２】特開２００１−２００３０７号公報
【特許文献３】特開昭６３−１６６９１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ただし、上述したように予熱ガスをシャフトガスとしてシャフト上部から高炉炉内に吹き込む場合、長期的に安定した操業を行なうためには、高温反応圧力容器として最も重要な気密性と耐熱性への悪影響を防止する必要がある。
【００１２】
例えば、シャフトガス吹き込み設備がいかに厳密に設計・管理されていても、実際の運用では予期しない停止が、炉内の状況やシャフトガス吹き込み設備の稼動状況によって起こり得る。そのような場合、シャフトガスの量や温度は急激に変動する。それは連続操業を想定した高炉炉体への異常な熱応力の発生原因となり、炉体の寿命を短縮するだけでなく、最悪の場合、炉内への冷却水漏れや鉄皮の赤熱や亀裂といった重大な操業トラブルの原因となる可能性がある。
【００１３】
しかしながら、前記特許文献１〜３には、上記のようなシャフトガスの吹き込みに伴う高炉炉体への異常な熱応力の発生等を防止して、高温反応圧力容器として最も重要な気密性と耐熱性への悪影響を防止することに関する記述はない。
【００１４】
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、通常の高炉操業（酸素富化率が１０体積％以下の羽口熱風吹込みを行なう高炉操業）において、長期的に安定した低還元材比操業（低ＲＡＲ操業）を実施することができる高炉操業方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するために、本発明は以下の特徴を有している。
【００１６】
［１］酸素富化率が１０体積％以下の羽口熱風吹込みを行なっている高炉操業において、シャフトガスの吹き込み用に複数の異なる高さ位置に予め吹き込み管あるいは管座を設置しておき、操業に応じて最適な高さ位置の吹き込み管あるいは管座に吹き込み設備を接続して稼働することを特徴とする高炉操業方法。
【００１７】
［２］前記複数の異なる高さ位置の吹き込み管あるいは管座のそれぞれと前記吹き込み設備とを繋ぐ複数の配管を設けるとともに、それら複数の配管にそれぞれ開閉弁を設けておき、前記開閉弁の操作によって、吹き込み管あるいは管座に吹き込み設備を接続して稼働することを特徴とする前記［１］に記載の高炉操業方法。
【００１８】
［３］シャフトガスの温度と同じ炉内温度である高さ位置の吹き込み管あるいは管座に吹き込み設備を接続して稼働することを特徴とする前記［１］または［２］に記載の高炉操業方法。
【００１９】
［４］シャフトガスの吹き込みを行なう高さ部分のステーブ、またはそれ以上の高さ部分のステーブとして、少なくとも一部に銅製ステーブを採用することを特徴とする前記［１］〜［３］のいずれかに記載の高炉操業方法。
【００２０】
［５］シャフトガスの流路とステーブの間に、断熱構造を設けることを特徴とする前記［１］〜［４］のいずれかに記載の高炉操業方法。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、通常の高炉操業（酸素富化率が１０体積％以下の羽口熱風吹込みを行なう高炉操業）において、シャフトガスの吹き込みに伴う高炉炉体への異常な熱応力の発生等を防止しながら、長期的に安定した低還元材比操業（低ＲＡＲ操業）を実施することができる。
【００２２】
すなわち、低還元材比（低ＲＡＲ）に対応したシャフト部への予熱ガス（シャフトガス）の吹き込み操業時において、炉体鉄皮の気密性やステーブの健全性を損なうことなく、長期間にわたって所定量・所定温度の予熱ガスを吹き込むことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】シャフトガスの吹き込み温度と吹き込み量が炉頂温度に及ぼす影響を示す図である。
【図２】シャフトガスの拡散挙動の計算例である。
【図３】高炉内の温度分布の一例（計算例）である。
【図４】銅製ステーブと鋳物ステーブの表面温度分布を比較した計算例である。
【図５】本発明の効果を確認するための試験設備の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明の実施形態を以下に述べる。
【００２５】
（実施形態１）
炉頂温度が８５℃の高炉のシャフト部に予熱ガス（シャフトガス）を吹き込んだときの炉頂温度の推定結果を図１に示す。炉頂温度を１１０℃に上昇させるには、予熱ガスの温度と量の組み合わせが複数存在することがわかる。装入物の流動化を回避するにはガス量は少ない方が望ましいが、その場合は予熱ガス温度をより高温にする必要がある。
【００２６】
ここで、炉内に吹き込まれた予熱ガス（シャフトガス）の拡散挙動を明らかにするために、模擬的な解析として、立設した３００ｍｍ内径の円筒に４ｍｍ球を充填し、円筒内に下方から上方に向かって内部ガスを流しながら、円筒の側面８箇所から内部ガスと温度の異なる吹き込みガスを吹き込んだ（図２中に矢印で示す）。なお、内部ガスは温度が７５℃、流量が７０ｍ３／ｈであり、吹き込みガスは温度が２５℃、総流量が７０ｍ３／ｈとした。この時の、定常状態における円筒内の温度分布（計算値）を図２に示す。図２において、円筒の左半分は水平方向（円周方向）の温度分布を示し、円筒の右半分は垂直方向（長手方向）の温度分布を示している。
【００２７】
その結果、図２に示すように、円筒の下方から上方に向かう各位置での円周方向の温度分布を見たときに、吹き込みガスの吹き込み位置の近傍は吹き込みガスの温度（２５℃）に近い温度であり、吹き込みガスの吹き込み位置より離れた個所は内部ガスの温度（８０℃）に近い温度であって、円周方向で大きな温度差が生じている。これは、円筒内に吹き込まれた吹き込みガスがあまり円周方向には拡散しないで上方に移動しており、吹き込みガスと内部ガスの温度差に基づく円周方向の温度差は容易に解消しないことを示している。
【００２８】
このことから、炉内ガス（炉内雰囲気）と大きな温度差のあるシャフトガスを炉内に吹き込んだ場合、その温度差に基づく炉体円周方向の温度差はシャフトガスが炉内上部から排出されるまで消滅しないことがわかる。この炉体円周方向の大きな温度差は、鉄皮やステーブ（冷却ステーブ）の熱応力割れの原因となるため、本来避けなければならない。
【００２９】
そこで、上記のような炉体円周方向の温度差の発生を防止するには、炉内雰囲気とシャフトガス（予熱ガス）の温度を同じにすればよい。すなわち、例えば図３に示す炉内温度分布計算結果に従い、予熱ガスの温度と同じ炉内温度の高さ位置から予熱ガスを吹き込めば、円周方向の温度差（温度偏差）は生じないはずである。具体的には、シャフトガス吹き込み用に複数の異なる高さ位置に予め吹き込み管あるいは管座を設置しておき、必要な吹き込み温度と同じ炉内温度の高さ位置を操業条件に応じて推定し、その高さ位置の吹き込み管あるいは管座に吹き込み設備（予熱ガスの生成源）を接続して稼働する方法が考えられる。
【００３０】
例えば、複数の異なる高さ位置の吹き込み管のあるいは管座と吹き込み設備とをそれぞれ繋ぐ配管を設け、それらの配管のそれぞれに設置した開閉弁を操作することで、予熱ガスの温度が炉内温度と同じ温度になる高さ位置の吹き込み管あるいは管座に吹き込み設備を接続して稼働するようにしても良い。ここで、同じ温度とは、温度差が０℃〜１００℃、好ましくは、温度差が０℃〜５０℃の温度である。
【００３１】
これによって、炉内ガス（炉内雰囲気）と温度差のあるシャフトガスを炉内に吹き込んだ場合のような、炉体円周方向の温度差の発生によって鉄皮やステーブの熱応力割れの原因となることが防止される。また、シャフトガス吹き込み設備の予期しない停止によってシャフトガスの量や温度が急激に変動した場合でも、それが炉内温度の急激な変動につながることはないので、炉体への異常な熱応力の発生原因にはならない。
【００３２】
（実施形態２）
上述のように、予め複数の高さに予熱ガス吹き込み用（シャフトガス吹き込み用）の吹き込み管あるいは管座を設けておき、操業条件に応じて切り替えようにしたとしても、その切り替えには高炉を停止する必要がある。一方、予熱ガス（シャフトガス）の温度の変更はバーナーの燃焼状態をバルブ操作で変更できるため操業中でも可能である。
【００３３】
そこで、炉頂温度を適正に保つために、操業状態によっては一時的に炉内温度と異なる吹き込みガス温度にする必要が生じる。その際に、同じ炉内温度と冷却水温度でも、ステーブとして鋳鉄ステーブを用いた場合と銅ステーブを用いた場合を比較すると、図４に示すステーブ表面温度の計算結果（（ａ）は銅ステーブ、（ｂ）は鋳鉄テーブ）のように、鋳鉄ステーブの方が高温でかつ温度分布も大きくなる。
【００３４】
よって、一時的に炉内温度と異なる温度の予熱ガス（シャフトガス）を吹き込む場合、吹き込み位置とその上部に銅ステーブを採用することにより、ステーブその外側の鉄皮に生じる熱応力を抑制することが可能である。
【００３５】
したがって、シャフトガスの吹き込みを行なう高さ部分のステーブ、またはそれ以上の高さ部分のステーブとして、少なくとも一部に銅製ステーブを採用することが好ましい。
【００３６】
（実施形態３）
炉内温度と同じ温度の予熱ガス（シャフトガス）を吹き込むのであれば、ステーブがさらされる温度も同じであるため、ステーブでのヒートロスと熱応力への影響は軽微であると思われる。
【００３７】
しかし、本発明者らが、図５（ａ）に縦断面図、図５（ｂ）に横断面図を示すような、高炉を模擬した実験設備１０（図５中、１１は原料、１２はヒーター、１３はバーナー、１４はステーブ、１５はステーブ表面温度計、１６はステーブ内面温度計）にて、炉内温度と同じ温度の予熱ガスを吹き込む実験を行った結果、予熱ガスとステーブが直接接する面積は全体の５％に満たないのにヒートロスが２０％も上昇した。このことは、ステーブ内での温度差とそれに起因する熱応力も同程度上昇した事を示している。これは、予熱ガスがステーブの穴（流路）を通過する時のガス速度が炉内ガスの２０倍程度もあり、結果として予熱ガスとの伝熱が促進されたことに起因する。
【００３８】
よって、炉内温度と同程度の温度の予熱ガスであってもステーブと予熱ガス流路の間には何らかの断熱構造（例えば、モルタル層等の断熱層）を設けることが好ましい。
【実施例１】
【００３９】
本発明の効果を確認するために、前述の図５に示した実験設備１０を用いて、予熱ガス（シャフトガス）の吹き込みを行った。
【００４０】
下部からのガスと同じ温度（５００℃）の予熱ガスを吹き込んだ場合、ステーブ１４の材質（鋳物ステーブ、銅ステーブ）によらずステーブ表面温度計１５には変化が生じなかった。このことは、炉内ガスと吹き込みガスの温度を同じくすることで、ステーブに熱応力をあたえず長期間にわたって安定した吹き込みが可能であることを示している。
【００４１】
ただし、ステーブ１４に鋳物ステーブを用いると、予熱ガス吹き込み用の穴に設置されたステーブ内面温度計１６は約２０℃上昇した。さらに、下部からのガスより高い８００℃の予熱ガスを吹き込んだ場合、吹き込みの無い条件に較べてステーブ表面温度計１５は約１５０℃上昇し、予熱ガス吹き込み用の穴に設置されたステーブ内面温度計１６は２００℃近く上昇した。
【００４２】
これに対して、鋳物ステーブを銅ステーブに変更すると共に、予熱ガス吹き込み用の穴の内面にキャスタブル耐火物を施工した。その結果、下部からのガスと同じ温度（５００℃）の予熱ガスを吹き込んだ場合、予熱ガス吹き込み用の穴に設置されたステーブ内面温度計１６は２℃程度の温度上昇に抑制された。また、８００℃の予熱ガスを吹き込んだ場合でも、吹き込みの無い条件に較べてステーブ表面温度計１５とステーブ内面温度計１６共に温度上昇は１０℃以内に収まった。
【００４３】
以上のことから、本発明により、ステーブ内の熱応力割れを長期間に渡って回避することが可能であることが推定される。
【符号の説明】
【００４４】
１０  実験設備
１１  原料
１２  ヒーター
１３  バーナー
１４  ステーブ
１５  ステーブ表面温度計
１６  ステーブ内面温度計
【図１】
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【図３】
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【図５】
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【図２】
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【図４】
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