(57)【要約】【課題】火入れ後の昇温時における炉体煉瓦の熱的損傷を抑制しつつ、早期立ち上げを可能とする火入れ操業方法を提供する。【解決手段】高炉の炉底から格子状に積み上げられた木材上に、コークスを装入し、コークスの上部に鉱石およびコークスを装入する高炉の火入れ操業方法において、羽口からボッシュ部に施工された炉壁煉瓦の炉内側に、下記式により表される関係を満足するように保護耐火物を設ける高炉の火入れ操業方法。３．６×１０３×（αｂ／ｄ）≦１．００ここで、αｂは保護耐火物の温度伝導率（ｍ２／ｓ）、ｄは保護耐火物の厚み（ｍ）を表す。【選択図】  図２
2004332060.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高炉の炉底から格子状に積み上げられた木材上にコークスを装入し、該コークスの上部に鉱石およびコークスを装入する高炉の火入れ操業方法において、羽口レベルからボッシュ部に施工された炉壁煉瓦の炉内側に、下記（１）式の関係を満足するように保護耐火物を設けることを特徴とする高炉の火入れ操業方法。
３．６×１０３×（αｂ／ｄ）≦１．００    ・・・・（１）
ここで、αｂは保護耐火物の温度伝導率［＝λｂ／（ＣＰｂ・ρｂ）］（ｍ２／ｓ）、λｂは保護耐火物の熱伝導率（Ｗ／（ｍ・Ｋ））、ＣＰｂは保護耐火物の比熱（Ｊ／（ｋｇ・Ｋ））、ρｂは保護耐火物の見かけ密度（ｋｇ／ｍ３）、ｄは保護耐火物の厚み（ｍ）を、それぞれ表す。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高炉の火入れ操業方法に関わり、詳しくは、高炉の火入れ操業を行う際の炉壁煉瓦のスポーリング割れ、すなわち熱的損傷を抑制する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高炉の火入れ操業では、最初に装入する鉱石類（焼結鉱、塊鉱石などの総称で、以下「鉱石」と記す）を溶解するのに充分な熱量を確保するために、一般に炉底から羽ロレベルまでは、木材（一般に枕木）を格子状に積み上げ、ボッシュ部からベリー部までは、火入れ後に鉱石が溶解して形成されるスラグの成分調整用としての石灰、珪石などを含むコークスが装入される（以下、「ベッドコークス」と記す）。
【０００３】
シャフト部では、鉱石およびコークスを交互に装入し、炉内に鉱石層とコークス層を交互に形成させる。この場合に、コークス装入質量に対する鉱石装入質量の比（以下、「Ｏ／Ｃ」とも記す）を、シャフト下部から上方に向けて段階的に増加させながら、炉頂部における装入原料の上面位置（以下、「ストックレベル」とも記す）まで鉱石層とコークス層を交互に填充する。
【０００４】
火入れ後は、送風により、填充したベッドコークスおよびその上部の鉱石とコークスを昇温しながら、鉱石を還元および溶解する。そして、炉底部には溶銑が段階的に蓄えられ、例えば火入れから２４時間後に、溶銑のレベルが出銑ロの高さレベルまで達し、初出銑が可能な状態となる。この高炉の火入れ時の立ち上げ操業においては、炉壁煉瓦などの炉体および填充した炉内装入物の温度を通常操業のレベルまで早期に昇温させて、定常状態における安定した炉況を確保することが重要である。
【０００５】
このため、例えば特許文献１に開示されるように、填充した炉内原料を早期に昇温させるために、火入れ後の立ち上げ操業過程において、炉内に最初に生じる融着帯が逆Ｖ型となるように、火入れ前に枕木、コークス、鉱石を炉内に填充して安定した炉況を維持しつつ高炉を立ち上げる方法がある。
また、特許文献２には、枕木の代わりに羽ロレベル以下にコークスを填充し、火入れ時のコークス昇温に必要な熱量を羽ロレベル以下に仮設したバーナーで調整供給し、炉内装入物のスリップ現象を防止して高炉を立ち上げる方法が開示されている。
【０００６】
これらの火入れ安定立ち上げに関する方法に加えて、火入れ時の炉体煉瓦保護を目的とした、操業方法が開示されている。例えば特許文献３には、火入れ操業開始前における填充条件、ならびに火入れ操業開始後における送風条件および装入物条件に基づいて、火入れ操業開始後における煉瓦の炉内側面（以下、「煉瓦稼働面」と記す）の温度を経時的に予測計算し、その計算結果に基づいて煉瓦にスポーリング割れが発生するのを防止する高炉火入れ操業方法が記載されている。
【０００７】
前記の特許文献１および特許文献２に開示された方法は、高炉火入れ時の炉内を安定かつ早期に昇温することを目的としているが、火入れ時の昇温過程では、炉内装入物の昇温と同時に炉体、すなわち、炉壁煉瓦（以下、単に「煉瓦」とも記す）の稼働面も急激に昇温されるため、煉瓦のスポーリング割れが発生する可能性が高いという問題がある。
【０００８】
このスポーリング割れの発生は、煉瓦の昇温速度に大きく依存することが知られている。前記の特許文献３に開示された方法は、火入れ時の昇温過程において、経験に頼ることなく、高炉内状況の予測計算に基づいてスポーリング割れの発生を抑える方法であるが、煉瓦のスポーリング割れの発生をより確実に抑制するためには、下記の１）〜３）に示される課題を解決する必要がある。
【０００９】
１）填充時に予め設置された炉内温度計および煉瓦内に埋め込まれた熱電対の実測値によれば、火入れ後、炉内の昇温は、羽口直上の炉壁部から急激に進行する。したがって、羽口直上の側壁に位置するボッシュ部の煉瓦稼働面は、他の部位に比べてスポーリング割れの可能性が高く、これを回避する方法が必要である。しかしながら、前記の特許文献３に記載の方法では、炉半径方向の昇温過程は考慮されておらず、問題部位の昇温速度については予測できない。
【００１０】
２）炉内円周方向のある部位で炉壁流化が生じ、予想以上に煉瓦に熱負荷がかかるなどの不測の事態が発生した場合においても、より確実に煉瓦を保護できる方法が望ましい。
【００１１】
３）上記の問題を解決すると同時に、早期昇温により、火入れ後の立ち上げ期間を可能な限り短縮して通常操業に移行できることが経済性の面から望ましい。
【００１２】
上述の事情に鑑みて、本発明者らは、特許文献４に、高炉内の高さ方向および半径方向分布を考慮して昇温過程を予測計算し、それに基づいて、煉瓦のスポーリング割れの発生を回避できる火入れ操業方法を提案した。この方法は、優れた火入れ操業方法であるが、さらに、積極的に炉壁設備の面から煉瓦保護を図る操業改善が望まれる。
【特許文献１】
特開平７−２０７３０９号公報（特許請求の範囲）
【特許文献２】
特開昭５８−７７５０７号公報（特許請求の範囲）
【特許文献３】
特公昭６１−６１２２号公報（特許請求の範囲および第３欄３〜２２行）
【特許文献４】
特願２００２−１３４６３０号公報（特許請求の範囲および段落［０００９］〜［００１２］）
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、前記の高炉火入れ操業時の昇温過程における問題を解消し、炉体煉瓦の熱的損傷を抑制しつつ、火入れ後の立ち上げ操業の期間を可能な限り短縮して通常操業に移行できる火入れ操業方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上述の課題を解決するために、火入れ操業時の炉壁煉瓦の昇温速度および温度分布の解析、ならびに数学モデルによる解析を行い、下記の（ａ）〜（ｃ）の知見を得た。
【００１５】
（ａ）火入れ時の煉瓦稼働面の昇温速度を解析した結果、ボッシュ部は、火入れ直後から高温に曝されるため、増風速度により熱負荷の程度は異なるものの、稼働面から数十ミリメートルの範囲が、スポーリング割れの可能性が高い危険領域となる。
【００１６】
（ｂ）上記（ａ）の状況に基づく煉瓦のスポーリング割れを回避するためには、煉瓦稼働面の炉内側前面に所定厚さの保護耐火物を施すことが有効である。
【００１７】
（ｃ）ボッシュ部煉瓦のスポーリング危険領域とボッシュ部煉瓦の昇温速度との関係を解析した結果、下記（１）式の関係を満足するように、煉瓦稼働面の炉内側前面に保護耐火物を施すことにより、ボッシュ部煉瓦のスポーリング割れを抑制することができる。
【００１８】
３．６×１０３×（αｂ／ｄ）≦１．００    ・・・・（１）
ここで、αｂは保護耐火物の温度伝導率（ｍ２／ｓ）、ｄは保護耐火物の厚み（ｍ）を、それぞれ表す。
【００１９】
本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、その要旨は、下記の高炉の火入れ操業方法にある。
【００２０】
「高炉の炉底から格子状に積み上げられた木材上に、コークスを装入し、該コークスの上部に鉱石およびコークスを装入する高炉の火入れ操業方法において、羽口レベルからボッシュ部に施工された炉壁煉瓦の炉内側に、下記（１）式の関係を満足するように保護耐火物を設ける高炉の火入れ操業方法。
【００２１】
３．６×１０３×（αｂ／ｄ）≦１．００    ・・・・（１）
ここで、αｂは保護耐火物の温度伝導率［＝λｂ／（ＣＰｂ・ρｂ）］（ｍ２／ｓ）、λｂは保護耐火物の熱伝導率（Ｗ／（ｍ・Ｋ））、ＣＰｂは保護耐火物の比熱（Ｊ／（ｋｇ・Ｋ））、ρｂは保護耐火物の見かけ密度（ｋｇ／ｍ３）、ｄは保護耐火物の厚み（ｍ）を、それぞれ表す。」
本発明において、「保護耐火物」とは、炉壁煉瓦を保護する耐火物を意味し、煉瓦のような定形耐火物、およびキャスタブル耐火物のような不定形耐火物のいずれであってもよい。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、火入れ操業の事例を参考にして、火入れ操業時の煉瓦稼働面の昇温速度を解析した。
解析は、高炉の火入れ操業の非定常過程をシミュレートできる三次元非定常数学モデルと炉壁部の非定常熱伝導モデルとを組み合わせて、煉瓦稼働面の温度推移ならびに煉瓦内および保護耐火物内の温度分布を計算することにより行った。
三次元非定常数学モデルは、高炉内の気相、固相および液相の三相を対象とし、高炉内反応を組み込んで、下記の（２）〜（８）式の基礎式に基づいて数値シミュレーションを行うものである。
（物質収支式）
【００２３】
【数１】
2004332060.tif 000003
（運動量収支式）
【００２４】
【数２】
2004332060.tif 000004
（熱収支式）
【００２５】
【数３】
2004332060.tif 000005
また、炉壁煉瓦内および保護耐火物内の熱収支の計算は、下記の（９）式により行った。
【００２６】
【数４】
2004332060.tif 000006
ここで、上式中の記号は、それぞれ以下の内容を表す。
【００２７】
ａｋｎＮ  ：反応Ｎにおけるｋ相ｎ成分の化学量論係数、
ａｍ−ｋ  ：ｍ相とｋ相間の有効接触面積、
Ｕｍ−ｋ  ：ｍ相とｋ相間の熱伝達係数、
ＣＰｋ  ：ｋ相の比熱、
ＣＰＸ  ：Ｘ相（保護耐火物または炉壁煉瓦）の比熱、
ｋｋ      ：ｋ相の熱伝導率、
Ｄｋ      ：ｋ相の拡散係数、
Ｍｎ      ：ｎ成分の分子量、
Ｘｋｎ    ：ｋ相ｎ成分の質量分率、
Ｂ    ：充填粒子の固体流れにおける粒子径に比例する係数、
Ｐ    ：気相の圧力、
Ｔｋ      ：ｋ相の温度、
ＴＸ      ：Ｘ相（保護耐火物または炉壁煉瓦）の温度、
△ＨＮ  ：反応Ｎの反応熱、
ＲａｔｅＮ  ：反応Ｎの反応速度、
εｋ      ：ｋ相の空間占有率、
ηｋＮ    ：反応Ｎの反応熱がｋ相に分配される比率、
μｋ      ：ｋ相の粘度、
ρｋ      ：ｋ相の密度、
ρＸ      ：Ｘ相（保護耐火物または炉壁煉瓦）の見かけ密度、
λＸ      ：Ｘ相（保護耐火物または炉壁煉瓦）の熱伝導率、
ｄｉｖ    ：ベクトルの発散を表す記号、
ｇｒａｄ    ：スカラー場の勾配を表すベクトル演算記号、
（添字）
ｇ：気相、ｓ：固相、ｌ：液相、
Ｘ：保護耐火物（＝ｂ）または炉壁煉瓦（＝ｂ１）。
【００２８】
上記の（２）〜（９）式の連立偏微分方程式を、操業条件から与えられる境界条件および初期条件の下に数値計算により解き、保護耐火物および炉壁煉瓦内の温度分布の経時変化を求めた。
【００２９】
図１は、ボッシュ部の煉瓦稼働面の温度と同稼働面の昇温速度との関係をスポーリング割れの危険領域と対比させて示した図である。
【００３０】
なお、本解析に当たっては、送風温度は、火入れ開始から２時間までは６００℃、それ以後１０時間までは４００℃とし、ベッドコークスの高さは７．０ｍ、Ｏ／Ｃの炉高方向分布は、ベッドコークス上では０とし、ストックレベルまでを段階的に増加させて、ストックレベルにおいて２．０（−）とした。
【００３１】
また、送風条件については、火入れ後１０時間で０．３〜２．２（Ｎｍ３／ｍｉｎ／ｍ３−炉容積）の範囲で段階的に増風する種々のパターンを採用した。
【００３２】
ボッシュ部は、火入れ直後から高温に曝されるため、火入れ後の立ち上げ操業における増風パターンによって熱負荷の度合いに差異は生じるものの、煉瓦稼働面から高炉の鉄皮側に向かって数十ミリ程度までの範囲内が、スポーリング割れの可能性の高い危険領域に入ることが判明した。
【００３３】
これを回避するためには、煉瓦稼働面の前面に、所定の厚さを有する保護耐火物を施すことにより、本来の炉壁煉瓦のスポーリング割れを防止できると期待される。
そこで、火入れ操業の事例に基づき、保護耐火物を施した場合の効果についてさらに解析を進めた結果、以下に示す知見を得た。
図２は、保護耐火物の温度伝導率およびその設置厚さと、炉壁煉瓦のスポーリング危険領域との関係を示す図である。同図において、横軸の値は、保護耐火物の温度伝導率αｂ［＝λｂ／（ＣＰｂ・ρｂ）］（ｍ２／ｓ）を保護耐火物の設置厚さｄ（ｍ）で除し、その次元を（ｍ／ｈ）に換算したものである。ここで、λｂは保護耐火物の熱伝導率（Ｗ／（ｍ・Ｋ））、ＣＰｂは保護耐火物の比熱（Ｊ／（ｋｇ・Ｋ））、ρｂは保護耐火物の見かけ密度（ｋｇ／ｍ３）である。
【００３４】
また、縦軸の値は、炉壁煉瓦の温度および昇温速度から判断して、前記の図１に示されるスポーリング領域に含まれる炉壁煉瓦の厚さ方向の範囲を示したものである。なお、スポーリング領域は、煉瓦稼働面を基準（０ｍｍ）として、高炉炉体の鉄皮側に向かう方向を正として表示した。
同図の結果から、ボッシュ部の煉瓦稼働面の炉内側に、保護耐火物の温度伝導率とその設置厚さとが、前記（１）式の関係を満足するように、保護耐火物を設置することにより、ボッシュ部煉瓦のスポーリング割れを抑制できることが判明した。
【００３５】
【実施例】
本発明の効果を確認するため、試験高炉の炉壁煉瓦の炉内側に保護耐火物を設置して試験操業を行った。
【００３６】
図３は、試験操業に使用した試験高炉の模式的縦断面図である。試験高炉は、炉床径ｂが０．９ｍ、羽口からストックレベルまでの高さａが４．５ｍ、炉内容積が３．０ｍ３である。炉底から０．８ｍの高さの位置の炉体側壁部には、３本の羽口１が円周方向に１２０度づつ方位を違えて設置されている。炉底側壁部には出銑滓口２が１個、炉上部にはコークス装入用ホッパー３および鉱石装入用ホッパー４ならびに炉内ガス排出口５が設置されている。また、炉体は外側から炉内側に向かって鉄皮、断熱材６、および炉壁煉瓦７で構成されており、前記煉瓦の稼働面には羽口から炉高方向に３００ｍｍの間隔で４２００ｍｍの高さまで熱電対が設置されている。
表１に、保護耐火物の設置条件、保護耐火物の種類、ならびに熱伝導率、比熱などの物性値を示した。
【００３７】
【表１】
2004332060.tif 000007
【００３８】
炉内装入物の填充は、炉底から羽口レベルまでは木材と木炭の混合物を充填し、羽口レベルから上部については、コークスおよび鉱石を装入することにより行った。
【００３９】
図４に火入れ操業試験の開始前における羽口レベルから上部の炉内装入物の填充条件を示す。図の左側の縦軸は、試験高炉における羽口レベルからの高さを相対高さで表示し、右側の縦軸は、実高炉における相当高さ位置で表示している。羽口レベルから上部にベッドコークス層を形成した後、シャフト下部から鉱石とコークスを、Ｏ／Ｃの値を段階的に増加させながらストックレベルまで充填した。
【００４０】
火入れ操業試験は、火入れ開始から１時間は、コークスの着火を促進するために送風温度を９２３Ｋとして送風し、それ以降は送風温度を６７３Ｋに調整して送風を実施し、羽口上６００ｍｍに設置した熱電対により計測された昇温速度が８７３Ｋ／ｈとなるように送風量を制御した。送風開始後５時間で送風を停止し、自然放冷により炉体を冷却した後、炉内を解体して炉体煉瓦のスポーリング割れおよび保護耐火物の状況を調査した。
【００４１】
表１に、試験結果を併せて示した。なお、スポーリング割れ状況の調査は、実高炉におけるボッシュ部に相当する羽口上３００ｍｍおよび６００ｍｍ、ならびにベリー部またはそれよりも上部に相当する９００ｍｍ、１２００ｍｍおよび１５００ｍｍの計５レベルについて実施した。
【００４２】
試験番号１〜３は、本発明で規定する条件を満足する本発明例の試験であり、試験番号４は、保護耐火物を設置しなかった比較例の試験であり、そして試験番号５は、保護耐火物を設置したが、本発明で規定する（１）式の関係を満足しなかった比較例の試験である。
【００４３】
試験番号１では、保護耐火物の煉瓦にスポーリングによる損傷が見られたものの、本来の炉壁煉瓦にはスポーリング割れは全く観察されなかった。本発明で規定する前記（１）式の関係を満足する範囲内で保護耐火物の施工厚さを変更した試験番号２においても、炉壁煉瓦にはスポーリング割れは全く観察されなかった。また、保護耐火物として不定形耐火物であるキャスタブル耐火物を施工した試験番号３では、試験番号１の場合と同様に、キャスタブル耐火物には損傷が観察されたが、炉壁煉瓦にスポーリング割れは観察されなかった。
【００４４】
これに対して、比較例の試験番号４では、羽口上３００ｍｍおよび６００ｍｍのボッシュ部に相当する部位において、また、比較例の試験番号５では、羽口上３００ｍｍのボッシュ部相当部位において、それぞれ炉壁煉瓦にスポーリング割れが発生した。
【００４５】
【発明の効果】
本発明の高炉の火入れ操業方法によれば、火入れ時の初期昇温過程におけるボッシュ部のスポーリング割れの発生を確実に抑制して高炉の炉体煉瓦の寿命を延長でき、しかも、火入れ後の立ち上げ操業期間を短縮して早期に通常操業に移行できるので、高炉の経済的操業に多大な効果をもたらす。
【図面の簡単な説明】
【図１】ボッシュ部の煉瓦稼働面の温度と同稼働面の昇温速度との関係をスポーリング割れの危険領域と対比させて示した図である。
【図２】保護耐火物の温度伝導率および設置厚さと、炉壁煉瓦のスポーリング危険領域との関係を示す図である。
【図３】本発明法の実施に使用した試験高炉の模式的縦断面図である。
【図４】本発明法の実施に使用した火入れ操業試験の開始前における炉内装入物の填充条件を示す図である。
【符号の説明】
１：羽口、  ２：出銑滓口、  ３、４：コークスおよび鉱石装入用ホッパー、５：炉内ガス排出口、６：断熱材、７：炉壁煉瓦
【図１】
2004332060.tif 000008
【図２】
2004332060.tif 000009
【図３】
2004332060.tif 000010
【図４】
2004332060.tif 000011