(57)【要約】【課題】羽口からの純酸素送風を行わない普通高炉の操業において、低ＲＡＲ操業時の炉況不調、特に炉上部での装入物の昇温不良を防止することができる、シャフト部からのガス吹き込みを行なう高炉の操業方法を提供すること。【解決手段】高炉のシャフト部から高炉内にシャフトガスを吹き込むにあたり、シャフトガスを吹き込むための吹き込み管の炉内側の先端部分でのシャフトガスの流速を１００ｍ／ｓ以下とすることを特徴とする高炉の操業方法を用いる。シャフトガスの流速を５２ｍ／ｓ以下とすることが好ましい。また、シャフトガスの全吹き込み量を１００Ｎｍ3／ｔ以上とし、吹き込み管の炉内側の先端の断面積を０．０１ｍ2以上にすることが好ましい。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高炉のシャフト部から高炉内にシャフトガスを吹き込むにあたり、前記シャフトガスを吹き込むための吹き込み管の炉内側の先端部分での前記シャフトガスの流速を１００ｍ／ｓ以下とすることを特徴とする高炉の操業方法。
【請求項２】
シャフトガスを吹き込むための吹き込み管の炉内側の先端部分での前記シャフトガスの流速を５２ｍ／ｓ以下とすることを特徴とする請求項１に記載の高炉の操業方法。
【請求項３】
シャフトガスの全吹き込み量を１００Ｎｍ3／ｔ以上とし、吹き込み管の炉内側の先端の断面積を０．０１ｍ2以上にすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の高炉の操業方法。
【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（低ＲＡＲ）操業を実施するための高炉の操業方法に関する。
【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ＣＯ2削減は重要な課題である。これを受け、最近の高炉操業では低還元材比（低ＲＡＲ）操業が強力に推進されている。尚、ＲＡＲはReduction Agent Ratioの略であり、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である。
【０００３】
しかしながら、ＲＡＲが低下すると原理的に送風量が低下し、この結果、高炉の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、亜鉛化合物などの炉壁への付着が助長され、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℃以下となるような場合には、排ガス中の水分が配管内に凝縮する問題が生じる。
【０００４】
通常の高炉操業において、上述したような各種炉況不調、特に炉上部での装入物の昇温不良を防止するには、下記（ａ）〜（ｃ）のような対策が実施される。
（ａ）羽口から吹き込む熱風の酸素富化率を下げ、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）羽口からの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、ＲＡＲ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あり、ＣＯ2削減に関する本来の目的に逆行する。
【０００６】
このように、普通高炉において低ＲＡＲ操業を行う場合、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】
特許文献１には、上述した課題、すなわち普通高炉（酸素富化率が１０体積％以下の羽口熱風吹込みを行う高炉）において低ＲＡＲ操業の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開示されている。特許文献１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開示されている。
【０００８】
また、特許文献１が対象とするような普通高炉プロセスではなく、純酸素送風を行う酸素高炉プロセスは、原理的に高炉内を通過するガス量が少ないため、本質的に炉上部の昇温が困難なプロセスであると言える。この炉上部温度を上昇させる方法として、炉頂ガスを一部循環させてシャフト上部へ吹き込む方法が知られている（例えば、特許文献２、非特許文献１参照。）。
【０００９】
特許文献２には、高炉ガス（高炉炉頂より排出されるガス）を燃料メタノール用原料ガスとして使用することを目的とし、高炉ガス中に窒素が実質的に含まれない状態（通常高炉では高炉ガス中の窒素が５０〜６０体積％であるのに対し、１０体積％以下の濃度を言う。）にするために、羽口から純酸素と、微粉炭と、羽口先温度調整ガスとして炉頂ガスとを吹き込むとともに、炉の中段から予熱ガス（シャフトガス）を吹き込んで、装入物を予熱し、窒素を実質的に含まない高炉ガスを発生させる方法が開示されている。
【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】特開昭６２−２７５０９号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】大野ら著  「鉄と鋼」日本鉄鋼協会  ７５、１９８９年、ｐ．１２７８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
特許文献１に記載の方法において、シャフトガスの吹き込みにより原料充填層が流動化したり、撹拌されたりすると、原料降下の安定性を保つことができず、炉況不調を招くおそれがある。したがって、シャフトガスの吹き込みに際しては、原料充填層の流動化や撹拌を生じさせないことが重要であると考えられる。しかし、特許文献１には、具体的なガス吹き込み条件、例えば、炉高方向でのガス吹き込み位置、ガス吹き込み手段の構成や炉周方向での本数などついては特に開示されていない。特許文献１の図１に示されるように、炉頂ガス量の１０体積％近い量を細い一本の管でシャフト部から吹き込んだ場合、吹き込み位置付近の原料が流動化し攪拌されてしまう恐れがある。
【００１３】
一方で、特許文献２等に記載の酸素高炉プロセスにおいてもシャフトガスの吹き込みが行われているが、酸素高炉プロセスでは、高炉内を通過するガス量は８００〜９００Ｎｍ3／ｔ（溶銑１ｔを製造するのに必要なガス量を標準状態に換算した量単位であり、「Ｎｍ3／ｔ」は以下同様の意味で用いる。）程度と極めて少ないため、炉上部を昇温させるためには、３００〜４００Ｎｍ3／ｔというような膨大な量のガスをシャフト上部に吹き込む必要があり、またシャフトガス温度も約１０００℃まで高める必要がある。このため大型の昇圧装置や昇温装置などの付帯設備を必要とする。したがって、酸素高炉プロセスにおけるシャフトガスの吹き込み技術は、そのまま低ＲＡＲ操業を行なう通常高炉に適用できるものではない。
【００１４】
したがって本発明の目的は、以上のような従来技術の課題を解決し、羽口からの純酸素送風を行わない普通高炉の操業において、低ＲＡＲ操業時の炉況不調、特に炉上部での装入物の昇温不良を防止することができ、安定操業が可能な、シャフト部からのガス吹き込みを行なう高炉の操業方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
このような課題を解決するための本発明の特徴は以下の通りである。
（１）高炉のシャフト部から高炉内にシャフトガスを吹き込むにあたり、前記シャフトガスを吹き込むための吹き込み管の炉内側の先端部分での前記シャフトガスの流速を１００ｍ／ｓ以下とすることを特徴とする高炉の操業方法。
（２）シャフトガスを吹き込むための吹き込み管の炉内側の先端部分での前記シャフトガスの流速を５２ｍ／ｓ以下とすることを特徴とする請求項１に記載の高炉の操業方法。
（３）シャフトガスの全吹き込み量を１００Ｎｍ3／ｔ以上とし、吹き込み管の炉内側の先端の断面積を０．０１ｍ2以上にすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の高炉の操業方法。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、普通高炉の操業において、低ＲＡＲ操業時の炉上部での装入物の昇温不良を防止できるとともに、炉頂温度低下による水分凝縮や亜鉛化合物の壁付き等も効果的に抑えることができ、しかも、シャフト部からのガス吹き込みによる原料充填層の流動化や撹拌を生じさせることなく、原料降下の安定性を保つことができ、これらにより、低ＲＡＲ操業を安定的に実施することができる。また、吹き込み管の径を小さくし、本数を少なくすることが可能となることから、炉頂温度を回復させるために必要なガス量を導入できるガス吹き込み設備の低廉化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明で使用した冷間模型装置の概略を示す図である。
【図２】図１のシャフトガス吹き込み管部分の拡大図であり、混合層深度を示す図である。
【図３】本発明の冷間模型実験から得られた、シャフトガス吹き込み管先端のガス流速と平均混合層深度との関係を示すグラフである。
【図４】本発明の冷間模型実験から得られた、吹き込み管先端断面積とガス流速１００ｍ／ｓで吹き込み可能なガス流量の関係を示す図である。
【図５】２次元モデルによるシャフトガス吹き込みのシミュレーション結果を示す図である（ベース）。
【図６】２次元モデルによるシャフトガス吹き込みのシミュレーション結果を示す図である（ケース１）。
【図７】２次元モデルによるシャフトガス吹き込みのシミュレーション結果を示す図である（ケース２）。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
上記のように高炉における低ＲＡＲ操業を行う際に、炉内の還元効率向上や、炉上部の昇温不良を回避するためにシャフト部からのガス吹き込みを行う場合、吹き込みガス（シャフトガス）による原料充填層の流動化や撹拌を生じさせないことが重要である。原料充填層の流動化は、炉内原料の吹き込みガスから受ける抗力が、原料の降下（荷下がり）の慣性力を上回るため発生する。それゆえ原料充填層の流動化を防止するためには、シャフトガスから受ける抗力が降下の慣性力を下回るように、低ガス流速の吹き込み条件を実現しなければならない。炉頂温度を回復させるために必要なシャフトガス量を維持し、低ガス流速で吹き込むには、吹き込み管本数の増加が考えられるが、吹き込み配管の本数を増加するには、例えば羽口まわりの環状管のような大型設備を設置する必要がありコスト高である。そこで本発明者らは十分な量のシャフトガスを炉内の装入物分布を乱すことなく吹き込むためには、可能な限り少ない吹き込み管本数で、低流速のシャフトガスを吹き込む必要があると考え、１／２１の高炉冷間模型を製作し、シャフト部からのガス吹き込みにより、吹き込み管先端に原料の流動化や攪拌による混合層が形成されるガス流速の調査を行った。尚、本発明で言う低ＲＡＲ操業とは、ＲＡＲ４７０ｋｇ／ｔ以下の高炉操業を対象とするものとする。
【００１９】
図１に模型装置の概略を示す。模型装置１は炉体２、羽口３、シャフトガス吹き込み管４で形成される。炉体２は、内寸炉口半径２７１ｍｍ、炉高１４９３ｍｍであり、下部はＳＵＳ容器を、上部はアクリル容器を用いた。炉内に充填される原料は、実機で使用する原料の焼結鉱５とコークス６を用い、模型の縮尺比に従って粉砕、分級して使用した。また、実機の原料の荷下がりと羽口からの送風を再現するために、炉体下部に設置した振動フィーダー７から原料を切り出し、ボッシュ下端の羽口３からはエアー８を導入した。冷間模型実験で再現した高炉（実機）の操業諸元と模型実験条件を表１に示す。冷間模型１の原料切り出し速度と送風条件は、原料がガスから受ける抗力を考慮し、実機とＦｒ数（フルード数）一定の条件とした。
【００２０】
【表１】
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【００２１】
模型実験ではまず、吹き込み管先端断面積を一定（模型実験では内径１０ｍｍのパイプを使用。実機換算で０．０３５ｍ2相当。）とし、シャフトガス吹き込み量を変化させ、シャフトガス吹き込み管４先端のガス速度を制御した。シャフトガス吹き込み管４先端で、混合層の発生状況を観察した。図１中の四角で囲まれた範囲を拡大して図２に示す。図２において、１２はレースウェイに相当し、その下部に形成されるコークスと焼結鉱との混合層１３の混合層深度ａを測定した。
【００２２】
図３にシャフトガス吹き込み管４先端のガス流速と、シャフト部に形成された平均混合層深度（シャフトガス吹き込み管の下部に形成された混合層１３において、５チャージ（１チャージはコークス層と焼結鉱層が１層ずつ、計２層で構成される）の範囲で、炉径方向の混合層１３の深さの平均である。）の関係を示す。ガス流速と平均混合層深度は、実機炉内温度と圧力で補正し、縮尺に応じて実機相当の値に換算した。実験の結果、レースウェイ１２はシャフトガス吹き込み管先端ガス流速が１００ｍ／ｓ以下では発生せず、混合層が発生しない領域ｂでは混合層１３の形成は見られなかった。実機の操業変動を考慮すると、混合層が形成されないためには、吹き込み管先端ガス流速を５２ｍ／ｓ以下とすることが好ましい。
【００２３】
次に、シャフトガス吹き込み管４先端ガス流速を１００ｍ／ｓに保持しながら、吹き込み管先端の断面積と吹き込み可能なガス流量の関係を調査した結果を図４に示す。図４においても、ガス量は実機炉内温度と圧力で換算した値である。図４に示すように、吹き込み管の先端の断面積（内径）を増加させるほど、１００ｍ／ｓのガス流速で吹き込むことのできるガス流量は増加した。
【００２４】
次に本発明者らは、シャフトガス吹き込みの効果を見積もるため、炉容積５０００ｍ3の高炉を想定し、２次元モデルによるシミュレーションを行った。シミュレーションの結果を図５〜７に示す。図５に示すベース条件（ＲＡＲ４９７ｋｇ／ｔ、炉頂温度１３７℃）に対し、還元剤比を低減させたケース１（ＲＡＲ４２２ｋｇ／ｔ、炉頂温度８２℃）の条件では、図６に示すように融着帯（高炉内の還元された鉄、または還元途中の酸化鉄が、１２００〜１４００℃で半溶融した領域）１４の垂れ込み１６が観測され、実機高炉では操業不可能な状態が観測された。次に、ケース１に対して、シャフトガス吹き込み１７を行った場合をケース２として図７に示す。炉頂堆積面からの距離ｃが８ｍの下方位置で、８００℃のシャフトガス１７を予熱ガスとして１００Ｎｍ3／ｔ吹き込んだケース２（ＲＡＲ４１９ｋｇ／ｔ、炉頂温度１１２℃）では、炉頂温度が約３０℃上昇して、融着帯の垂れ込みも発生しなかった。以上のことから、還元材比を仮に４２０ｋｇ／ｔまで低下させた場合、炉頂温度を１１０℃以上まで回復させるためには、シャフトガスとして８００℃の予熱ガスを１００Ｎｍ3／ｔを吹き込めばよいことが分かる。
【００２５】
したがって、シャフトガス吹き込み管先端ガス流速を１００ｍ／ｓ以下、好ましくは５２ｍ／ｓ以下として、シャフトガスの温度に応じて、各シャフトガス吹き込み管からの高炉への吹き込み量の合計が所定のシャフトガス量となるような太さにシャフトガス吹き込み管の先端断面積を設定すればよいことになる。シャフトガス吹き込み管先端ガス流速が１００ｍ／ｓの場合のシャフトガス吹き込み管の内径は、下記の実施例で示すようにシャフトガス温度８００℃で、１６本の吹き込み管を用いて１００Ｎｍ3／ｔ以上を吹き込む場合、吹き込み管先端断面積０．０１ｍ2以上とすることが好ましい。
【実施例１】
【００２６】
炉内容積５０００ｍ3の高炉において、ＲＡＲ４２０ｋｇ／ｔ、炉頂温度８５℃の低ＲＡＲ操業条件を選択し、Ｃガス（コークス炉ガス）を８００℃に予熱して、炉頂堆積面から８ｍ下の位置で１６本の吹き込み管から円周方向で等間隔にシャフトガス吹込みを実施した。この実機試験では、シャフトガス吹き込み量１００Ｎｍ3／ｔを目標に、吹き込み管先端断面積０．００５、０．０１、０．０１５ｍ2の３水準の条件で実施した。実機試験の結果、断面積０．００５ｍ2では、シャフトガス吹き込み量が６０Ｎｍ3／ｔに達した時点でシャフト圧力の変動が見られ、目標の１００Ｎｍ3／ｔを吹き込むことができなかった。一方、断面積０．０１、０．０１５ｍ2では１００Ｎｍ3／ｔ吹き込んだ時点で、シャフト圧力の変動は観測されず、炉頂温度も１１４℃まで上昇し、安定してシャフトガス吹き込みを実施することができた。
【符号の説明】
【００２７】
１    模型装置
２    炉体
３    羽口
４    シャフトガス吹き込み管
５    焼結鉱
６    コークス
７    振動フィーダー
８    送風（エアー）
９    送風（エアー）
１０    鉄板
１１    炉芯
１２    レースウェイ
１３    混合層
１４    融着帯
１５    羽口レベル
１６    融着帯垂れ込み
１７    シャフトガス吹き込み
ａ    混合層深度
ｂ    混合層が発生しない領域
ｃ    炉頂堆積面からの距離
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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