(57)【要約】【課題】還元材を炉内へ吹き込む高炉操業において、吹き込まれた還元材の燃焼位置を的確に推定する。【解決手段】送風羽口本体と該送風羽口本体の上流側に連続するブローパイプ部とからなる送風羽口の送風流路に、吹込み管の先端部を挿入し、該先端部を通して還元材を高炉内へ吹込むに当たり、前記羽口本体と該ブローパイプ部のいずれかまたは両方に設けた観察孔を通じて、該還元材の燃焼場における発光強度を、送風流れ方向に少なくとも２カ所測定し、得られた該発光強度から輻射光強度を差し引いた発光強度を前記測定箇所間で比較することにより、該還元材の燃焼位置を推定する。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
送風羽口本体と該送風羽口本体の上流側に連続するブローパイプ部とからなる送風羽口の送風流路に、吹込み管の先端部を挿入し、該先端部を通して還元材を高炉内へ吹込むに当たり、
前記羽口本体と該ブローパイプ部のいずれかまたは両方に設けた観察孔を通じて、該還元材の燃焼場における発光強度を、送風流れ方向に少なくとも２箇所測定し、得られた該発光強度から輻射光強度を差し引いた発光強度を前記測定箇所間で比較することにより、該還元材の燃焼位置を推定することを特徴とする高炉吹込み還元材の燃焼位置推定方法。
【請求項２】
前記観察孔を通じて測定する対象が分光スペクトルであり、該分光スペクトルから差し引くのが輻射光スペクトルである、請求項１に記載の高炉吹込み還元材の燃焼位置推定方法。
【請求項３】
前記観察孔を通じて測定する対象がラジカル発光ピーク波長の総発光強度であり、該総発光強度から差し引くのが該波長の輻射光強度である請求項１または２に記載の高炉吹込み還元材の燃焼位置推定方法。
【請求項４】
前記還元材として、微粉炭、天然ガス、プロパンガス、重油、軽油、化石燃料、植物性油脂、コークス炉ガスおよび廃プラスチックのうちから選んだ少なくとも一種を用いることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の高炉吹込み還元材の燃焼位置推定方法。
【請求項５】
請求項１から４に記載の燃焼位置推定方法により、前記送風羽口内における前記還元剤の燃焼位置を推定し、該推定した燃焼位置が前記送風羽口の先端から前記ブローパイプ部側に０ｍｍ以上２００ｍｍ以下の範囲となる、前記吹込み管の先端位置の調整を行う高炉操業方法。
【請求項６】
送風羽口本体と該送風羽口本体の上流側に連続するブローパイプ部とからなる送風羽口であって、該送風羽口の送風流路に先端部が位置する還元材の吹込み管を有し、さらに前記送風羽口本体または前記ブローパイプ部のいずれかまたは両方に、前記送風流路を観察する観察孔を少なくとも２つ有し、該観察孔は、該送風羽口本体または該ブローパイプ部の外側に観察窓を備えると共に、該送風流路内に吹き込んだ還元材の燃焼場における発光強度または発光の分光スペクトルを測定するための測定装置を有する送風羽口。
【請求項７】
送風羽口本体と該送風羽口本体の上流側に連続するブローパイプ部からなる送風羽口であって、該送風羽口の送風流路に先端部が位置する、先端位置を送風流れ方向に移動可能な機構を備える還元材の吹込み管を有し、さらに前記送風羽口本体または前記ブローパイプ部のいずれかまたは両方に、前記送風流路を観察する観察孔を少なくとも１つ有し、該観察孔は、該送風羽口本体または該ブローパイプ部の外側に観察窓を備えると共に、該送風流路内に吹き込んだ還元材の燃焼場における発光強度または発光の分光スペクトルを測定するための測定装置を有する送風羽口。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、還元材を炉内へ吹き込む高炉操業において、吹き込まれた還元材の燃焼位置を的確に推定することができる高炉吹込み還元材の燃焼位置推定方法に関するものである。また、本発明は、上記した高炉吹込み還元材の燃焼位置推定方法を利用することによって高炉の安定操業を図る高炉操業方法に関するものである。さらに、本発明は、上記した高炉操業方法の実施に用いて好適な送風羽口に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、高炉操業においては、コークス使用量の削減を目的として、送風羽口から還元材を吹き込むことが実施されている。
かような高炉操業において、送風羽口から吹き込まれる還元材としては、微粉炭、天然ガス、プロパンガス、重油、軽油、タールなどの化石燃料、菜種油をはじめとする植物性油脂、コークス炉ガスおよび廃プラスチックなどが挙げられる。これらの還元材は、ブローパイプと送風羽口本体で構成される送風羽口の内部に挿入される、ランスと呼ばれる吹込み管を通じて該送風羽口の熱風流路内に吹き込まれ、熱風とともに高炉内に供給されている。
【０００３】
高炉内に供給された還元材は、送風羽口内部および該送風羽口先端に形成されるレースウェイ部で燃焼し、高炉下部の熱の維持および酸化鉄の還元などの観点からコークスの代替となる。コークス使用量をより削減するためには、吹込む還元材の量を増加させる必要がある。
ここで、送風羽口内の送風流速は毎秒２００ｍと非常に速いため、還元材が送風羽口内に吹き込まれてからレースウェイを通り炉内の原料充填層に到達するまでの時間は数ミリ秒と非常に短い。そのため、吹込む還元材の量を増加させていくと、レースウェイ内で完全に燃焼できなかった還元材（以降、未燃チャーと呼ぶ）が炉内充填層に侵入し、炉内に残留することになる。
【０００４】
高炉内に残留した未燃チャーの一部は、ソリューションロス反応で消費されるが、その消費量には限界があるため、消費されない未燃チャーは、一部が炉頂から排出されコークス置換率の低下を招き、それに伴い還元材比の上昇につながる。また、消費されない未燃チャーの一部は、炉芯や滴下帯に蓄積して炉内通気・通液性の悪化の原因ともなる。
以上の理由から、健全な高炉操業を維持するためには還元材の燃焼挙動を把握することが重要である。
【０００５】
還元材の燃焼挙動を表す指標の１つに還元材の燃焼位置がある。健全な高炉操業のためには適切な還元材の燃焼位置が存在する。すなわち、還元材の燃焼位置が吹込み管側に接近すると、ブローパイプおよび羽口本体内部の雰囲気温度が上昇し、吹込み管や羽口の溶損リスクが高まる。一方、燃焼位置が炉内側に接近すると、還元材の燃焼遅滞により未燃チャーの増加を引き起こし、高炉操業に前述のような悪影響が現れる。
【０００６】
還元材の燃焼位置をはじめとする燃焼挙動を把握する方法として、これまで次のような方法が提案されてきた。
たとえば、特許文献１では、送風羽口覗き窓に設置した放射温度カメラで測定したレースウェイの輝度から温度を計算し、該温度の時系列データのスペクトル解析を行い、パワー密度スペクトルが最大となる周波数の逆数からレースウェイ崩壊周期を算出し、この崩壊周期から微粉炭燃焼率を評価する方法が提案されている。
【０００７】
また、特許文献２では、高炉の羽口部に設置したゾンデの先端から微粉炭燃焼炎の発光を検出し、該発光を分光分析して、特にアルカリ金属ピークの強度比から微粉炭の燃焼挙動を観測する方法が提案されている。
【０００８】
さらに、特許文献３では、高炉送風羽口背面の窓からレースウェイ内燃焼場の発光を異なる２波長で撮像し、かかるデータをデジタル化した画像の画素を２色輝度から温度を求めてヒストグラム化し、このヒストグラムの形状から炉況を検知する方法が提案されている。
【０００９】
加えて特許文献４では、圧力計、温度計、面積分布測定装置、画像測定装置といった燃焼状況測定装置をランス先端近傍に配置し、その測定結果から燃焼挙動を観測する方法が提案されている。
【００１０】
その他、高炉以外の分野では、燃料の燃焼挙動を計測する方法として、次のような方法が提案されている。
例えば、特許文献５では、ガスタービン中トランジションピース（ＴＰ）内において、ガス燃焼場を分割し、このガス燃焼場の発光をＴＰ内壁に複数設けられた受光部で検出し、分光分析することでバンドスペクトル強度を求め、かかるガスの燃焼属性に基づいてガス燃焼場各部位の平均ガス温度を計算し、各部位ごとに計算された平均ガス温度と前記バンドスペクトル強度から該ガス燃焼場のガス温度分布を算出する方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平７−３０５１０５号公報
【特許文献２】特開平１０−３０１０５号公報
【特許文献３】特許４８７３７８８号公報
【特許文献４】特開２０１７−１１０２５９号公報
【特許文献５】特開２０１２−１９３９７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、特許文献１および特許文献３に記載の方法は、送風羽口の背面覗き窓から輝度あるいは放射温度を測定し微粉炭の燃焼挙動を推定する方法であり、計測する方向とブローパイプ部・羽口内のガス流れが同方向であるため、測定対象である微粉炭の位置の特定が難しく、たとえ微粉炭の燃焼挙動を把握できたとしても、その現象が起こった位置を判別できないという問題点があった。
【００１３】
また、特許文献２および４に記載の方法では、微粉炭の発光の測定や、還元材の燃焼状況の測定のためにブローパイプ〜羽口部へゾンデや測定装置を挿入、設置する必要があるが、ブローパイプ〜羽口内にゾンデや装置を挿入すると、羽口内のガス流れが乱れ微粉炭の燃焼挙動が通常の操業から変化してしまうという問題があった。また、羽口部からレースウェイにゾンデを挿入して発光を測定する場合では、溶銑滓やコークスの発光の影響を受け微粉炭の発光を正しく測定できないという問題があった。
【００１４】
さらに、特許文献５に記載の方法は、燃料の燃焼温度の制御性を高めるために、燃焼装置内壁に光ファイバーなどの受光部を設置し、検出した光を元に燃焼装置内の特定位置における燃焼ガスの温度分布を算出する方法である。しかし、高炉羽口部では液体や固体還元材の吹込みも実施されるため、その場合前記の方法を適用することは困難である。
【００１５】
また、ブローパイプ部〜羽口部においては一般的に、前記の通り固体還元材を吹込む場合があるほか、熱風炉から脱落したレンガの破片をはじめとする異物などが燃焼ガスとともに装置内を流れる。このような環境下において炉内壁に受光部を設置すると、飛来した固体の受光部への衝突、吹込み還元材から発生する溶融難燃物の付着により、受光部が破損し、炉内燃焼場の発光の検出が不可能になる場合があった。一旦発光の検出が不可能になると、ブローパイプあるいは羽口の交換作業が必要となるが、そのためには高炉の操業を中断する必要があり、溶銑の生産量が減少するという問題があった。
【００１６】
本発明は、上記の課題を有利に解決するものであり、還元材の吹込みを行う高炉操業において、吹込んだ還元材の燃焼位置を的確に推定することができる、高炉吹込み還元材の燃焼位置推定方法について提案することを目的とする。また、本発明は、上記した高炉吹込み還元材の燃焼位置推定方法を利用して高炉の安定操業を実現する高炉操業方法について提案することを目的とする。さらに、本発明は、上記した高炉操業方法の実施に用いる送風羽口を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．送風羽口本体と該送風羽口本体の上流側に連続するブローパイプ部とからなる送風羽口の送風流路に、吹込み管の先端部を挿入し、該先端部を通して還元材を高炉内へ吹込むに当たり、
前記羽口本体と該ブローパイプ部のいずれかまたは両方に設けた観察孔を通じて、該還元材の燃焼場における発光強度を、送風流れ方向に少なくとも２箇所測定し、得られた該発光強度から輻射光強度を差し引いた発光強度を前記測定箇所間で比較することにより、該還元材の燃焼位置を推定することを特徴とする高炉吹込み還元材の燃焼位置推定方法。
【００１８】
２．前記観察孔を通じて測定する対象が分光スペクトルであり、該分光スペクトルから差し引くのが輻射光スペクトルである、前記１に記載の高炉吹込み還元材の燃焼位置推定方法。
【００１９】
３．前記観察孔を通じて測定する対象がラジカル発光ピーク波長の総発光強度であり、該総発光強度から差し引くのが該波長の輻射光強度である前記１または２に記載の高炉吹込み還元材の燃焼位置推定方法。
【００２０】
４．前記還元材として、微粉炭、天然ガス、プロパンガス、重油、軽油、化石燃料、植物性油脂、コークス炉ガスおよび廃プラスチックのうちから選んだ少なくとも一種を用いることを特徴とする前記１から３のいずれかに記載の高炉吹込み還元材の燃焼位置推定方法。
【００２１】
５．前記１から４に記載の燃焼位置推定方法により、前記送風羽口内における前記還元剤の燃焼位置を推定し、該推定した燃焼位置が前記送風羽口の先端から前記ブローパイプ部側に０ｍｍ以上２００ｍｍ以下の範囲となる、前記吹込み管の先端位置の調整を行う高炉操業方法。
【００２２】
６．送風羽口本体と該送風羽口本体の上流側に連続するブローパイプ部とからなる送風羽口であって、該送風羽口の送風流路に先端部が位置する還元材の吹込み管を有し、さらに前記送風羽口本体または前記ブローパイプ部のいずれかまたは両方に、前記送風流路を観察する観察孔を少なくとも２つ有し、該観察孔は、該送風羽口本体または該ブローパイプ部の外側に観察窓を備えると共に、該送風流路内に吹き込んだ還元材の燃焼場における発光強度または発光の分光スペクトルを測定するための測定装置を有する送風羽口。
【００２３】
７．送風羽口本体と該送風羽口本体の上流側に連続するブローパイプ部からなる送風羽口であって、該送風羽口の送風流路に先端部が位置する、先端位置を送風流れ方向に移動可能な機構を備える還元材の吹込み管を有し、さらに前記送風羽口本体または前記ブローパイプ部のいずれかまたは両方に、前記送風流路を観察する観察孔を少なくとも１つ有し、該観察孔は、該送風羽口本体または該ブローパイプ部の外側に観察窓を備えると共に、該送風流路内に吹き込んだ還元材の燃焼場における発光強度または発光の分光スペクトルを測定するための測定装置を有する送風羽口。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の燃焼位置推定方法によれば、送風羽口内の燃焼場の発光強度、特にラジカルの発光ピーク強度を測定して、還元材の燃焼位置を非接触で正確に推定することができる。従って、推定した還元材の燃焼位置に基いて高炉の操業を行うことによって、より安定した高炉操業を実現することができる。
また、本発明の送風羽口によれば、観察孔を通じて炉外から還元材燃焼場の発光強度を測定することが可能であり、測定機器の受光部の破損を防ぎ、かつ高炉操業に支障をきたすことなく還元材の燃焼位置を正確に把握するための測定に寄与する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施に用いて好適な送風羽口の模式図である。
【図２】本発明の実施に用いて好適な送風羽口の他の例の模式図である。
【図３】本発明の実施に用いて好適な送風羽口のさらに他の例の模式図である。
【図４】還元材燃焼場の発光スペクトルの一例，ならびにラジカルの発光ピーク強度の算出方法を示す図である。
【図５】ラジカル発光ピーク強度とランス先端からの距離の関係の測定例である。
【図６】小型燃焼炉の断面を示す模式図である。
【図７】小型燃焼炉において測定した、総発光強度とランス先端からの距離との関係を示す図である。
【図８】小型燃焼炉において測定した、ラジカル発光ピーク強度とランス先端からの距離との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
さて、送風羽口本体や送風羽口上流側のブローパイプ部の送風流路に吹き込まれた還元材の燃焼場は、２０００℃を超える高温雰囲気にあるため、大気中や常温では存在しないラジカルが生成する。
還元材燃焼場の例として微粉炭燃焼場について述べると、微粉炭中の炭化水素の燃焼に由来するＯＨ，ＣＨ，Ｃ2のラジカルや、微粉炭中の灰分に含まれるＮａ，Ｋに由来するＮａ，Ｋのラジカルが存在する。
【００２７】
このような燃焼場では、熱や燃焼反応によってラジカルが励起され、このラジカルが励起状態から基底状態に遷移する際にラジカルに固有な波長をもつ光を放出する現象が確認されている（ＯＨラジカル：３０９ｎｍ，ＣＨラジカル：４３１ｎｍ，Ｃ2ラジカル：５１７ｎｍ，Ｎａラジカル：５８９ｎｍ，Ｋラジカル：７６６，７７０ｎｍ）。
【００２８】
ここに、ラジカルの発光ピーク強度は、ラジカルが還元材の燃焼により生成するものであるから、還元材の燃焼位置との相関があると考えられる。すなわち、還元材の燃焼位置ではその前後に比較してラジカル生成量が多く、ラジカル発光ピーク強度が増大することが推定される。
本発明は、上記の相関を利用して、燃焼場に存在するラジカルの発光ピーク強度から還元材の燃焼位置を推定するものである。
以下、本発明を具体的に説明する。まず、燃焼場に存在するラジカルの発光ピーク強度から還元材の燃焼位置を推定するのに適した送風羽口について、図１〜３を参照して説明する。
【００２９】
本発明の実施に用いて好適な送風羽口の第１の形態を図１に示す。
図中、符号１は羽口本体、２は羽口本体に接続しているブローパイプ部、３は還元材ｒの吹込み管であり、図示例はこの吹込み管３の先端部は送風羽口の送風流路１０に挿入されている。また、符号４は高炉のレースウェイ、５−１および５−２はブローパイプ部２の内外に通じる観察孔であり、６−１および６−２は観察孔５−１および５−２の各パイプ部外側に設けた観察窓、７−１および７−２は観察窓６−１および６−２の外側から送風流路１０での発光強度を測定する発光強度測定装置である。
【００３０】
なお、吹込み管３の先端の位置や挿入角度は、図示例に限らず適宜に変更して吹込み管３を設置することができる。例えば、吹込み管３の先端が送風流路10の送風羽口本体１部分にある、位置および角度にて設置しても問題ない。
【００３１】
また、観察孔は、図示例の設置位置に限らず、熱風の吹込み方向（以下、送風流れ方向という）での位置を特定でき、かつ炉内の還元材燃焼場の発光を計測可能であれば、設置箇所は問わない。観察孔の数に関しても、２つに限らず３つ以上でもよい。但し、図１に示す吹込み管３の挿入位置が固定される場合、観察孔は少なくとも２つの設置が必要になる。このことは、観察孔に付随する、観察窓および発光強度測定装置においても同様であり、各々少なくとも２つが必要になる。
【００３２】
さらに、発光強度測定装置７は、ラジカルの発光ピーク強度が計算可能という条件を満たす分光装置であれば、その形式は問わない。ラジカルの発光ピーク強度の計算方法に関しては後述する。
【００３３】
次に、本発明の実施に用いて好適な送風羽口の第２の形態を図２に示す。この送風羽口は、上記した図１の送風羽口における吹込み管３を固定するのではなく移動可能とし、観察孔を１つにしたところ以外は、図１の送風羽口と同じ構成である。すなわち、吹込み管３は、その先端位置を移動させるための移動機構８を備え、先端位置を送風流れ方向に変化させることが可能である。この移動機構８は、吹込み管３の先端位置を送風流れ方向に変化させることが出来れば特にその形式は問わない。移動機構８としては、例えば、油圧シリンダーのロッドを吹込み管３に接続し、吹込み管３をその軸方向にスライドさせる機構を適用できる。
【００３４】
また、図３に示す送風羽口の第３の形態は、上記した図２の形態と同様に、送風羽口における吹込み管３を移動可能とし、観察孔を１つにしたものである。すなわち、吹込み管３は、その先端位置を移動させるための移動機構９を備え、先端位置を送風流れ方向に変化させることが可能である。この移動機構９は、吹込み管３を固定支持する台座90を、ブローパイプ部２に設けたスロット20にスライド可能に取り付けており、台座90の移動によって吹込み管３の先端位置を変更することができる。
【００３５】
次に、還元材の燃焼位置を推定する方法について詳しく説明する。
図４は、還元材燃焼場において測定される発光の分光スペクトルの一例を示している。
【００３６】
分光スペクトルでは、炉内耐火物や還元材などの輻射光と、ラジカルに起因する化学発光、すなわちラジカル発光と、の和として各波長における総発光強度が測定される。このうち、輻射光強度は主に輻射光を放出する物体の温度と放射率に依存し、放射率は物質によって異なるうえ、一般に未燃チャーの放射率は高いために燃焼の進行により輻射率が下がる場合があるほか、分光測定時に炉内耐火物等の還元材以外の輻射光が検出端に不可避的に入射するため、輻射光は燃焼位置の誤検出の要因となる。一方で、ラジカル発光強度は、一般的に燃焼に伴うラジカル生成量増加により高くなる。そのため、輻射光強度とラジカル発光強度との和である総発光強度では燃焼位置の推定精度が低下する虞れがある。したがって、ラジカル発光ピークの算出は、輻射光の影響を排除する必要がある。
【００３７】
ここで、輻射光の影響を排除するには、輻射光はラジカル発光に比べてスペクトルのピークがブロード（先鋭でない）である事に着目し、図４に示したように、分光スペクトルに現れたラジカル発光の波長以外の部分を直線（図４の点線）で結び、この直線で近似する輻射光領域を総発光強度から差し引くことによってラジカル発光ピーク強度を求める手法を用いることができる。この方法は、上記した還元材の燃焼場におけるいずれの物質のラジカル発光ピークでも適用できる。
【００３８】
なお、輻射光の影響を排除する方法としては上記の手法が簡便であるが、その他にも、適当な関数を用いて輻射光のスペクトルを推定する方法や、適当な関数を用いてピークフィッティングを行ってラジカル発光ピーク強度を推定する方法も適用できる。関数としては、例えば、ガウス関数やローレンツ関数、フォークト関数を用いることができる。
【００３９】
上記した図４に示した手法を用いて、燃焼場におけるラジカル発光ピーク強度を、吹込み管の先端からの距離を変えて測定、算出した結果について図５に示す。ここでは、図２に示した送風羽口を用いて、スライド機構によりランス先端位置を変化させることによって測定した分光スペクトルから、図４に示した要領に従ってラジカル発光ピーク強度を求めた。
【００４０】
すなわち、図５に、還元材の燃焼場におけるラジカル発光ピーク強度と、還元材吹込み管の先端からのラジカル発光ピーク測定位置との関係を示す通り、ラジカル発光ピーク強度が最大値を持つ位置が存在し、この位置が燃焼位置に最も近い位置であると推定される。
【００４１】
以上説明した通り、図１、２または３のいずれかに示した構成の送風羽口を用いて送風流路に還元材を吹き込む高炉操業を行う場合において、燃焼場における特定のラジカルの発光ピーク強度を求めて、得られた該ラジカル発光ピーク強度と吹込み管の先端からのラジカル発光ピーク強度測定位置との関係から、還元材の燃焼位置を推定することができる。
【００４２】
ここで、発光ピーク強度を測定するラジカル種については、還元材の燃焼場に生成するラジカルであれば何でもよい。本発明では、ＯＨ，ＣＨ，Ｃ2，Ｎａ，Ｋラジカルなどを用いることができるが、特にＯＨ，ＣＨ，Ｃ2ラジカルは、炭化水素系の還元材であれば必ず燃焼の際に生成するため、これらを用いることが有利である。
【００４３】
上記のようにして正確に還元材の燃焼位置を推定することができれば、この推定値を高炉操業に活用することにより、高炉操業の一層の安定化を図ることができる。すなわち、推定した還元材の燃焼位置が、羽口からの吹込み還元材比の増減をはじめとした操業条件の変更により、操業条件変更前の安定操業期における燃焼位置から大きく外れた場合は、還元材燃焼の遅滞による未燃チャーの発生、あるいは羽口熱負荷の増大が懸念される。従って、かような場合には、炉内や羽口、ブローパイプ内における還元材燃焼位置を是正する必要がある。
【００４４】
そこで、本発明では、推定した還元材の燃焼位置が、前記送風羽口の先端から前記ブローパイプ部側に０ｍｍ以上２００ｍｍ以下の範囲となる、前記吹込み管の先端位置の調整を行うこととする。なぜなら、還元材の燃焼位置が送風羽口の先端より炉内側へ移動すると、未燃還元材の炉内への到達量が増加して炉内に未燃還元材が蓄積して通気性が悪化し、還元材比の増加等の操業への悪影響が顕著となる。同様に、還元材の燃焼位置が送風羽口の先端からブローパイプ部側へ２００ｍｍを超えて移動すると、ブローパイプあるいは送風羽口内で還元材が過度に燃焼して羽口での熱負荷が増大し、最悪の場合羽口の溶損につながることになる。従って、吹込み管の先端位置を調整し、その後に推定した還元材の燃焼位置を前記送風羽口の先端から前記ブローパイプ部側に０ｍｍ以上２００ｍｍ以下の範囲とすることが重要になる。
なお、吹込み管の先端位置を調整した後の還元材燃焼位置は、可能な限り送風羽口先端からブローパイプ部側へ１００ｍｍ以上２００ｍｍ以下の位置とすることが好ましい。なぜなら、羽口熱負荷に問題がなければ、可能な限り吹込み管をブローパイプ部側に引き寄せ、微粉炭の燃焼を進めることで還元材比を低減することが出来るためである。
【実施例１】
【００４５】
還元材の燃焼位置の推定方法について、図６に示す円筒形の小型燃焼炉１１を用いて検証を行った。この小型燃焼炉１１は、内径１００ｍｍの円柱状の流路を有し、その長手方向に沿って２００ｍｍずつ隔てて計３つの側面観察窓１１−１，１１−２，１１−３が設置されている。
図６に示した円筒形の小型燃焼炉を用い、その上流側から送風量毎時２７０Ｎｍ3，送風温度１２５０℃，酸素濃度２７vol％の条件で熱風を吹き込んだ。その熱風中に、側面・上流側から送風流れ方向に対して２０度の角度で挿入した、１本の吹込み管１２を通じて、還元材として微粉炭を毎時３５ｋｇ吹込み、この還元材の燃焼によって生成されたＯＨラジカルの発光ピーク強度（ＯＨラジカル：３０９ｎｍ）と、吹込み管先端から測定位置までの距離との関係について調査を行った。
【００４６】
なお、吹込み管先端から測定位置までの距離の変更は、吹込み管の挿入深さを変更することで行った。すなわち、側面観察窓１１−１の最上流端から吹込み管先端が見える位置を０ｍｍの位置とし、該位置から吹込み管先端が送風流れ方向に４０ｍｍ、８０ｍｍ、１２０ｍｍ後方になるように吹込み管挿入深さを浅くして測定を行った。該変更を行い、吹込み管先端から３０ｍｍ〜５５０ｍｍの計１２か所における還元材燃焼場の発光の分光スペクトルを測定した。
【００４７】
得られた分光スペクトルについて、総発光強度の測定結果を吹込み管先端から測定位置までの距離に対してプロットした散布図を図７に、また図４に示したところに従って総発光強度から輻射光強度を差し引いた、ＯＨラジカルの発光波長（３０９ｎｍ）におけるラジカル発光ピーク強度を吹込み管先端から測定位置までの距離に対してプロットした散布図を図８に、それぞれ示す。図８に示す通り、ラジカル発光ピーク強度に着目した場合、前記距離が２７０ｍｍの位置で最大値を持ち、燃焼位置が吹込み管先端から２７０ｍｍの位置であることが分かる。
【００４８】
一方、輻射光強度とラジカル発光強度との和である総発光強度に着目してしまうと、図７に示す通り、最大値は２７０ｍｍであるものの、５１０ｍｍの位置で強度の近い極大値を持つため、たとえば図６において吹込み管先端から２００〜６００ｍｍの領域で２か所の測定を実施した場合、測定位置によって推定される燃焼位置が異なる可能性が高い。ラジカル発光ピーク強度に着目した場合、５１０ｍｍの位置に極大値は持つものの、その強度は周囲の４７０ｍｍ、５５０ｍｍの位置と比較して大差なく、燃焼位置の推定精度に及ぼす影響ははるかに小さい。このようにして、ラジカル発光ピーク強度に基づくことによって、微粉炭の燃焼位置の推定を正確に行うことが出来た。
【実施例２】
【００４９】
次に、炉内体積１２ｍ3の高炉を模擬した試験炉で、分光測定結果からＯＨラジカルの発光ピーク強度を算出し、その値から推定した燃焼位置と操業の安定性について検証を行った。高炉の出銑量は３０ｔ／日（下記表２中ではｔ／ｄと記載）で一定となるように送風量を決定し、操業の安定性の指標として通気抵抗指数を用いた。通気抵抗指数は、炉頂圧と送風圧との圧力差および送風量をパラメータとした炉内の通気性を示す指数であり、具体的には、下記の式に従って求めることができる。この数値が大きいほど炉内の通気性が悪いことを意味する。この検証を行った期間では、送風温度１０００℃、送風酸素富化６％、すなわち送風酸素濃度２７％の条件下で操業を行い、溶銑温度は１４７０℃±１０℃の範囲に収めた。
記
(通気抵抗指数)＝(PB2 − PT2)／VB1.7
ここで、PB：送風圧[g/cm2]
PT：炉頂圧[g/cm2]
VB：送風量[Nm3/min]
【００５０】
まず、ベース条件として、表１に示すケース１の条件、すなわちコークス比４０１ｋｇ／ｔおよび微粉炭比１３６ｋｇ／ｔ（還元材比として５３７ｋｇ／ｔ）で操業を行った。本条件下で、図２の送風羽口において、微粉炭燃焼場の発光を測定しＯＨラジカルの発光ピ−ク強度を求め、微粉炭吹込み管からの距離に対するＯＨラジカルピーク強度の推移から微粉炭燃焼位置を推定したところ、該微粉炭の燃焼位置は送風羽口の先端から−１００ｍｍ（ブローパイプ部側へ１００ｍｍ）であった。
【００５１】
ここで、ｋｇ／ｔという単位は、特記なき場合、溶銑１ｔを製造するために必要な微粉炭の重量を表す。また、送風羽口の先端からの位置は、該先端位置を０ｍｍとし、正を炉内側、負をブローパイプ部側として定義した。本条件では、トラブルなく安定した操業を行うことができた。なお、以降はこの条件における通気抵抗指数を１．００とし、相対通気抵抗指数を用いて通気性を記述する。
【００５２】
ついで、表１、２に示すように条件（微粉炭比）を種々に変更して操業を行い、送風羽口の先端からの燃焼位置を測定した。なお、燃焼位置は、図２の送風羽口において、微粉炭燃焼場の発光を測定しＯＨラジカルの発光ピ−ク強度を求め、吹込み管からの距離に対するＯＨラジカルピーク強度の推移から推定した。
【００５３】
そして、相対通気抵抗指数を用いて炉内通気性を、羽口温度を用いて羽口熱負荷を評価した。相対通気抵抗指数は、１．０５までは安定操業を行う上で問題ない値であった。また、羽口は耐熱温度を２００℃として管理した。ここで、微粉炭は全条件で同じ銘柄のものを使用し、微粉炭吹込みランスは全羽口において単管のものを１本ずつ使用した。
【００５４】
【表１】
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【００５５】
ケース２は、ケース１に対して微粉炭比を３ｋｇ／ｔ増加させた条件である。ケース２では、燃焼位置が−５０ｍｍの位置となった。燃焼位置が炉内側に接近したことに起因する微粉炭燃焼の遅れにより相対通気抵抗指数が１．０２まで増加したが、安定に操業できる範囲内であった。
【００５６】
ケース３は、ケース２からさらに微粉炭比を１ｋｇ／ｔ増加させた条件である。ケース３では燃焼位置が０ｍｍの位置となり、相対通気抵抗指数は１．０４まで増加した。燃焼位置がケース２よりさらに炉内側に接近したことに起因する、微粉炭燃焼の遅れにより通気抵抗指数が増加したが、安定に操業できる範囲内であった。
【００５７】
ケース４は、ケース３からさらに微粉炭比を１ｋｇ／ｔ増加させた条件である。ケース４では燃焼位置が５０ｍｍの位置となり、相対通気抵抗指数は１．０６まで増加した。この条件では、炉内の通気性が非常に悪く、コークス比を４１２ｋｇ／ｔ（還元材比として５５３ｋｇ／ｔ）まで増加させたものの、安定操業を行うことが非常に難しくなった。この原因としては、微粉炭比の増加により微粉炭の燃焼性が悪化して未燃チャーが増加し、増加した未燃チャーが滴下帯および炉芯に蓄積し、炉内の通気を阻害したことが考えられる。
【００５８】
ケース５は、ケース４の条件から還元材吹込み管先端位置を１５０ｍｍブローパイプ側へ移動することによって、燃焼位置をケース１と同じ−１００ｍｍにして、微粉炭燃焼性の担保を試みた条件である。ケース５では、相対通気抵抗指数が１．０１まで改善し、コークス比はケース１に比して５ｋｇ／ｔ低い３９６ｋｇ／ｔ（還元材比として５３７ｋｇ／ｔ）となった。この条件では、ケース４とは異なり、安定した操業を行うことができた。
【００５９】
ケース６は、ケース５の条件から還元材吹込み管先端位置を１００ｍｍブローパイプ側へ移動することによって、燃焼位置を−２００ｍｍにした条件である。ケース６では、相対通気抵抗指数が１．００、コークス比が３９４ｋｇ／ｔ（還元材比として５３５ｋｇ／ｔ）の条件で操業を維持できた。この条件では、羽口温度が上昇したものの、その温度は管理値以下であり、ケース５同様、安定した操業を行うことができた。
【００６０】
ケース７は、ケース６の条件から還元材吹込み管先端位置を５０ｍｍブローパイプ側へ移動することによって、燃焼位置を−２５０ｍｍにした条件である。ケース７では、相対通気抵抗指数が０．９９、コークス比が３９３ｋｇ／ｔとなったものの、羽口温度が管理値の２００℃を超過し２０４℃となった。この条件では、羽口の熱負荷が大きく、羽口の長期的な耐久性を考慮すると安全性に欠ける状態であった。羽口熱負荷増大の原因としては、吹込み管がブローパイプ側に寄ることで微粉炭の燃焼位置が羽口の上流側に移動し、微粉炭がより高温の状態で羽口近傍に飛来したことが考えられる。そこで、吹込み管先端位置をケース５の条件に戻したところ、安定した操業を行うことができた。
【００６１】
【表２】
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【００６２】
ケース８は、ケース１の条件から微粉炭比を３ｋｇ／ｔ低下させた条件である。この条件では燃焼位置が−１５０ｍｍとなり、羽口温度が１７９℃まで上昇したが、上限の２００℃には達さず、安全に操業を行うことが出来た。
【００６３】
ケース９は、ケース８からさらに微粉炭比を２ｋｇ／ｔ低下させた条件である。この条件では燃焼位置が−２００ｍｍの位置となり、羽口温度が１９５℃まで上昇したが、上限の２００℃には達さず、安全に操業を行うことが出来た。
【００６４】
ケース１０は、ケース９からさらに微粉炭比を１ｋｇ／ｔ低下させた条件である。この条件では燃焼位置が−２５０ｍｍの位置となった。羽口温度は２０３℃まで上昇し、管理値である２００℃を超過した。この条件では、羽口の熱負荷が大きく、羽口の長期的な耐久性を考慮すると安全性に欠ける状態であった。羽口熱負荷増大の原因としては、微粉炭比の低下により微粉炭の燃焼性が向上して燃焼位置が炉内から遠ざかり、羽口近傍における微粉炭の粒子温度が上昇したことが考えられる。
【００６５】
ケース１１は、ケース１０の条件から還元材吹込み管先端位置を１５０ｍｍ炉内側へ移動することによって、燃焼位置をケース１と同じ−１００ｍｍにして、羽口熱負荷の低減を試みた条件である。この条件では、羽口温度が１７０℃まで低下し、ケース１０とは異なり、安全な羽口温度範囲で操業を行うことができた。
【００６６】
ケース１２は、ケース１１の条件から還元材吹込み管先端位置をさらに１００ｍｍ炉内側へ移動することによって、燃焼位置を０ｍｍにした条件である。この条件では、吹込み管の炉内側への移動に伴う微粉炭燃焼遅れから相対通気抵抗指数が増加したものの、羽口温度は１６５℃であり、安全な羽口温度範囲で操業を行うことができた。
【００６７】
ケース１３は、ケース１２の条件から還元材吹込み管先端位置をさらに５０ｍｍ炉内側へ移動することによって、燃焼位置を５０ｍｍにした条件である。この条件では、羽口温度は１６１℃まで低下したが、相対通気抵抗指数が１．０５を超過する１．０７になり、コークス比を４２２ｋｇ／ｔ（還元材比として５５２ｋｇ／ｔ）まで増加させたものの、安定操業を行うことが非常に難しくなった。この原因としては、燃焼位置の移動により微粉炭の燃焼が遅れて未燃チャーが増加し、増加した未燃チャーが滴下帯および炉芯に蓄積し、炉内の通気を阻害したことが考えられる。
【００６８】
以上の検証から、燃焼位置が、送風羽口の先端位置からブローパイプ部側に０ｍｍ以上２００ｍｍ以下となる、還元材吹込み管先端位置の調整を行うことにより、安定的かつ安全に高炉を操業し得ることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明によって、還元材の吹込みを行う高炉操業において、送風羽口内における還元材の燃焼位置を正確に推定し、その推定結果を用いて安定的かつ安全に高炉操業を実施することが可能となった。
【符号の説明】
【００７０】
１  送風羽口本体
２  ブローパイプ部
３  吹込み管
４  レースウェイ
５  観察孔
６  観察窓
７  発光強度測定装置
１０  送風流路
１１  小型燃焼炉
１１−１〜３  小型燃焼炉の観察窓
１２  小型燃焼炉の吹込み管
【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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【図８】
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