(57)【要約】【課題】大規模設備を要することなく、また、安定した通気性および荷下がりを維持しながら、速やかに増産操業に移行できる操業方法を提供する。【解決手段】増産への移行前の操業における炉内通気抵抗とボッシュガス量増加率の限界値との関係を求め、炉内通気抵抗値から求められるボッシュガス量増加率の限界値以下で操業する高炉の増産移行における操業方法。増産への移行時には、前記の操業方法を複数回に分けて行うことが好ましい。また、一回の操業諸元の変更が終了した後に、ボッシュガス量増加率の限界値以下で１５０時間以上操業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】
増産操業への移行前の操業における炉内通気抵抗とボッシュガス量増加率の限界値との関係を求め、前記炉内通気抵抗値から求められるボッシュガス量増加率の限界値以下で操業することを特徴とする高炉の増産移行における操業方法。
【請求項２】
請求項１に記載の操業方法を複数回行うことを特徴とする高炉の増産移行における操業方法。
【請求項３】
一回の操業諸元の変更が終了した後に、ボッシュガス量増加率の限界値以下で１５０時間以上操業することを特徴とする請求項２に記載の高炉の増産移行における操業方法。
【請求項４】
炉内通気抵抗として、増産操業への移行前の操業における１日間の炉内通気抵抗の平均値を用い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の増産移行における操業方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高炉の増産への移行時の操業方法に関し、さらに詳しくは、減産時における炉内の不活性な状態から増産への移行時に、過度に高炉炉内圧力損失が増加する現象を抑制し、短期間で増産に移行可能とする高炉の増産移行における操業方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高炉は、炉頂から炭材と鉄鉱石を原料として装入し、炉下部の羽口からは高温高圧の空気または酸素濃度を富化した空気を吹き込み、炭材を燃焼させて発生した高温の還元ガス（ＣＯガス）により鉄鉱石を還元、溶解して銑鉄を製造する向流移動層型反応装置である。羽口前方では吹き込まれた前記の空気による衝風によりコークスが旋回運動を行うレースウェイと称する領域が形成され、炉頂から装入され荷下がりにより降下してレースウェイに侵入したコークス、および羽口から吹き込まれた微粉炭は、送風により吹き込まれた空気により燃焼して還元ガス（ＣＯガス）を生成する。
【０００３】
高炉の減産状態では、炉内発生ガス量が少ないため、羽口風速または発生ガスの炉内流通速度が低下し、レースウェイ内においてコークスが旋回時に互いに衝突することにより発生するコークス粉、および未燃焼の微粉炭に由来する粉がレースウェイの奥に存在する炉芯と称する部位に蓄積されやすくなる。また、この炉芯に存在するコークスは、炉芯上方の融着帯から滴下する溶銑中への浸炭や溶滓中のＦｅＯとの反応により化学的に劣化していく。この炉芯の部位は、高炉の下部中央に存在するコークス主体の充填領域であり、この領域では、荷下がり速度は、周囲の荷下がり速度に比べて極度に遅く、炉芯の更新周期は５日〜２週間程度といわれている。
【０００４】
減産によって前記の炉芯更新の原動力である荷下がり速度が低下すると、炉芯の更新速度は遅くなる。このため、高炉において減産を実施した場合、この炉芯コークスの更新周期はさらに長くなり、コークスの劣化が進展する。さらに、炉内流通ガス量の低下により、炉下部の炉壁部の温度が低下し、ガス流速の低い領域において、付着物が生成しやすくなる。
【０００５】
これらの現象は、総称して炉下部不活性現象と称され、高炉内の通気および通液性の悪化や、炉内における原料の荷下がり不良などを惹起し、円滑な操業を阻害する要因となる。高炉の生産量を減少させ、低負荷操業を継続している場合には、必ずしも顕在化しない程度の炉下部不活性状態であっても、増産への移行過程において上記のような現象の影響が問題となり、増産への急激な移行を図る場合には、過度の炉内圧力損失の上昇がおこり、安定操業が継続できずに増産への移行が停滞することとなる。
【０００６】
このような、減産時の炉内不活性現象を解消する手段として、例えば、下記の方法が開示されている。
【０００７】
特許文献１には、高炉操業の休風時に長手方向に複数の穴の開いた金属管を羽口から炉内に挿入し、炉内に送風して燃焼加熱するか、またはプラズマトーチを挿入して直接加熱する操業方法が開示されている。
【０００８】
また、特許文献２には、不活性状態の高炉炉芯を活性化するに際して、送風休止の１０時間以上前から燃料比を６００（ｋｇ／ｔ−溶銑）に増加して操業するとともに、送風休止後に、羽口からコークス排出管を炉芯の中心部まで挿入し、不活性化した炉芯コークスを排出後、送風を再開する操業方法が開示されている。
【０００９】
しかし、前記の特許文献１に開示された方法では、炉芯に蓄積した粉の除去は可能であるものの、劣化したコークスは炉芯に残存する。また、特許文献２に開示された方法では、コークスの置換は可能であるとしても、炉下部炉壁部の付着物は除去できない。また、いずれの方法も大規模な設備を要し、しかも高温の炉内に気体吹き込み用プローブやコークス排出管などを挿入することから、炉前作業に危険と困難を伴う。
【特許文献１】
特開平５―６５５１７号公報（特許請求の範囲、段落［００１３］）
【特許文献２】
特開平５−９８３２３号公報（特許請求の範囲、段落［０００５］）
【非特許文献１】
山岡秀行：鉄と鋼，  Ｖｏｌ．７２（１９８６），ｐ２１９４〜２２０１
【非特許文献２】
Ｋｏｕｊｉ  ＴＡＫＡＴＡＮＩ，  Ｔａｋａｎｏｂｕ  ＩＮＡＤＡ  ａｎｄ  Ｙｕｔａｋａ  ＵＪＩＳＡＷＡ：ＩＳＩＪ  Ｉｎｔ．，  Ｖｏｌ．３９（１９９９），  ｐ１５〜２２
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、上述の問題に鑑み、高炉の増産への移行時において、大規模な設備を要することなく、また、過度の圧損上昇を招かずに安定操業を継続しながら速やかに高炉炉内の活性化を図り、増産への移行を可能とする操業方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上述の課題を達成するために、前記した従来の問題点について検討を加え、下記の（ａ）〜（ｄ）の知見を得た。
【００１２】
（ａ）高炉の炉内通気抵抗をパラメータとして炉内の圧損上昇率とボッシュガス量増加率との関係を高炉の数学モデルにより求め、前記の圧損上昇率がゼロ（０）であるボッシュガス量増加率と炉内通気抵抗との関係を求めることにより、ボッシュガス量増加率の限界値（以下「限界ボッシュガス量増加率」とも記す）と炉内通気抵抗との関係が得られる。
【００１３】
（ｂ）前記（ａ）で得られた限界ボッシュガス量増加率と炉内通気抵抗との関係に基き、増産への移行前の炉内通気抵抗に見合った限界ボッシュガス量増加率以下で操業を行うことにより、安定した高炉操業を維持できる。
（ｃ）前記（ｂ）の増産への移行操業を行う場合に、高炉内が定常状態に達するためには１５０時間以上が必要である。
（ｄ）前記（ｂ）および（ｃ）の増産への移行操業を複数回繰り返すことにより、所望の増産操業を達成できる。
【００１４】
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（１）〜（４）に示す高炉の操業方法にある。
【００１５】
（１）増産操業への移行前の操業における炉内通気抵抗とボッシュガス量増加率の限界値との関係を求め、前記炉内通気抵抗値から求められるボッシュガス量増加率の限界値以下で操業する高炉の増産移行における操業方法。
【００１６】
（２）前記（１）に記載の操業方法を複数回行う高炉の増産移行における操業方法。
【００１７】
（３）前記（２）に記載の高炉の増産移行における操業方法において、一回の操業諸元の変更が終了後に、ボッシュガス量増加率の限界値以下で１５０時間以上操業することが好ましい。
【００１８】
（４）前記（１）〜（３）のいずれかに記載の高炉の増産移行における操業方法において、炉内通気抵抗として、増産操業への移行前１日間の炉内通気抵抗の平均値を用いることが好ましい。
【００１９】
本発明において、「炉内通気抵抗」とは、炉内通過ガス量の影響を除去し、装入物固有の特性に基くガスの流通抵抗を表す指標を意味する。種々の算出方法があるが、装入物固有の通気抵抗を表すかまたはそれを意図するものであれば、本発明に用いることができる。
「ボッシュガス量」とは、羽口から吹き込まれる空気、酸素富化用の酸素、送風湿分などの送風による羽口前コークスの燃焼、および、微粉炭、液体燃料などの補助燃料の燃焼により羽口前で生成する総ガス量をいう。
「増産操業」とは、出銑量を増加させる操業をいい、１０日平均の出銑量の増加率が５％以上となる操業をいう。
【００２０】
また、「限界ボッシュガス量増加率」とは、過度の炉内圧損の上昇を起こさないために許容されるボッシュガス量の増加率の上限値をいう。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明は、前記のとおり、増産への移行前における炉内通気抵抗とボッシュガス量増加率の限界値との関係を求め、炉内通気抵抗値から求められるボッシュガス量増加率の限界値以下で操業する高炉の操業方法である。高炉炉内の不活性状態を定量的に把握し、それに基いてボッシュガス量の限界値以下の範囲で増産操業行うためには、炉内通気抵抗の的確な把握が重要となる。そこで、まず、炉内通気抵抗の算出について述べる。
高炉内のガスの流通抵抗を、充填層内におけるガスの通気抵抗として評価する方法としては、例えば、Ｋｏｚｅｎｙ−Ｃａｒｍａｎの圧損式における摩擦係数に基く指数△Ｐ／ＶＢＯＳＨ  、および△Ｐ／ＶＢＯＳＨ２  、さらにこれらに温度補正を行った指数（ＰＢ２  −ＰＴ２）／ＶＢＯＳＨ１．７  、ならびに、Ｓ．Ｅｒｇｕｎの圧損式における摩擦係数などが用いられている。ここで、△Ｐは炉内の圧力損失、ＶＢＯＳＨはボッシュガス量、ＰＢ  は送風圧力、ＰＴ  は炉頂圧力である。
【００２２】
本発明者らは、層流域および乱流域のいずれのガス流れ領域においても圧損を精度良く表現できる  Ｓ．Ｅｒｇｕｎの圧損式の記述形式に基き、摩擦係数を高炉内のガス流れに関するレイノルズ数の関数として記述し、下記の（１）〜（１０）式により炉内通気抵抗指数（ＫＲ）を求めた。
【００２３】
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ただし、Ｌは羽口と層頂間の距離（ｍ）、ＶＢＯＳＨはボッシュガス量（Ｎｍ３／ｓ）、ＶＢは送風量（Ｎｍ３／ｓ）、ＶＯ２は酸素富化量（Ｎｍ３／ｓ）、Ｆｍは送風湿分（ｋｇ／Ｎｍ３）、ＷＰＣは微粉炭吹き込み量（ｋｇ／ｓ）、微粉炭中水素含有率（−）、ＶＮＣＡＲは微粉炭キャリアガス量（Ｎｍ３／ｓ）、ＰＢは送風圧力（Ｐａ）、ＰＴは炉頂圧力（Ｐａ）、そしてＡＳはシャフト部下端断面積（ｍ２）である。ここで、圧力は全てゲージ圧力を表す。
【００２４】
高炉内では、粒状体の存在に加えて、粉体、液体、さらには炉下部において鉱石類が軟化融着して形成される融着帯が存在するため、上記の炉内通気抵抗指数（ＫＲ）の値は、通常の固気充填層に比べて高く、４０００〜１３０００（１／ｍ）の範囲の値となる。さらに、上述のように高炉内で発生する粉の滞留量や付着物の生成量に応じて炉内通気抵抗指数は増加する。このため、炉内通気抵抗指数は、炉内が不活性状態の減産期には大きく、炉内が活性状態の増産期には小さい値となる。
【００２５】
したがって、送風諸元を増加させて炉内流通ガス量を増加させ、高炉が減産状態から増産状態へ移行する場合、すなわち、炉内が不活性な状態から活性な状態へ移行するときに、炉内において過度の圧損上昇を招くおそれがある。
【００２６】
そこで、表１に示される減産期の操業諸元から増産期の操業諸元に移行した場合の圧損上昇におよぼす影響につき検討を行った。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
図１は、減産状態から急激に増産状態に移行した時の炉内の圧力損失の時間的変化を数学モデルにより算出した結果を示す図である。
【００２９】
同図の結果は、レースウェイ内におけるコークス粒子同士の衝突による粉化および充填層の荷下がり応力場におけるコークスの粉化を力学的に評価し、非特許文献１に記載された「粉を含む固気二相流モデル」を用いて、減産状態から急激にボッシュガス量を増加させて増産状態に移行させた場合に生じる炉内の圧損変化を数値シミュレーションしたものである。
【００３０】
増産期においては減産期に比較して炉内での粉の発生速度は増加する。他方、炉内におけるガス流速は、増産期に比べて減産期の方が小さく、炉芯の更新速度も遅いため、炉内における粉のホールドアップ量が多くなり、したがって、増産操業への移行直後に過度の圧損上昇がみられ、安定操業の維持が困難になると考えられる。
【００３１】
上述の理由により、過度の炉内圧損の上昇を回避するためには、増産操業に移行する前の時点での炉内通気抵抗に応じた移行操業を行うことが必要である。また、１回の操業諸元の変更操作により目的とする増産操業への移行が達成できない場合には、この操業諸元の変更操作を複数回繰り返す必要がある。
【００３２】
以下に、増産操業への移行操作を行う前の時点における炉内通気抵抗に応じて操業諸元の変更操作を行う場合について、１回の操業諸元の変更操作で可能な送風諸元変更量、および、複数回これらの操作を繰り返す場合の操業操作の時間間隔について検討した。
【００３３】
まず、増産操業への移行操作を行う時点での炉内通気抵抗に応じて操業条件を変更する場合について、１回の操業条件の変更により許容されるボッシュガス量の増加量を検討した。
【００３４】
図２は、前記の「粉を含む固気二相流」数学モデルを用い、減産時における炉内通気抵抗指数をパラメターとして、ボッシュガス量増加率と過度の圧損上昇率との関係を算出し、示した図である。
【００３５】
同図の結果によれば、１回の操業諸元の変更操作によるボッシュガス量の増加率が大きいほど、過度の圧損上昇率は大きく、また、減産時、すなわち操業諸元変更前における炉内通気抵抗指数（ＫＲ）が小さいほど、過度の圧損上昇率は小さい。さらに、これらの曲線群は、横軸に切片を有することから、１回の操業諸元の変更操作によるボッシュガス量増加率を低く抑えることによって、過度の圧損上昇率を抑制できることがわかる。
【００３６】
図３は、減産時における炉内通気抵抗指数と限界ボッシュガス量増加率との関係を示す図である。すなわち、同図は、減産状態から１回の操業諸元の変更操作により、過度の圧損上昇率を抑制することが可能なボッシュガス量増加率を示したものである。
【００３７】
同図に示される関係に基いてボッシュガス量を増加させれば、過度の圧損上昇を招くことなく増産操業への移行を図ることが可能である。また、減産期の通気抵抗指数が高いほど、１回の操業諸元の変更操作で可能なボッシュガス量増加率は小さく抑えなければならないことが明らかである。
同図に示される関係から、１回の操業諸元の変更操作により変更可能なボッシュガス量の増加率の範囲は、近似的に下記の（１１）式により表される。
△ＶＢＯＳＨ／ＶＢＯＳＨ  ≦１．０５５×１０４×ＫＲ−１．４２        ・・・・・・・（１１）
ここで、△ＶＢＯＳＨ  は、１回の操業諸元の変更操作により変更可能なボッシュガス量増加量（Ｎｍ３／ｓ）である。
【００３８】
次いで、複数の操業諸元を変更操作することにより増産を図る場合について、各操業条件の変更時の炉内応答の時間的変化を検討した。本検討は、非特許文献２に開示された高炉の三次元非定常数学モデルに、高炉の操業諸元を変更したデータを入力し、前記数学モデルにより炉内の熱的状態および反応の応答の時間的変化を数値シミュレーションすることにより行った。
【００３９】
表２に、（酸素富化量／送風量）の比、（微粉炭吹き込み量／送風量）の比、および羽口前理論燃焼温度を一定として、送風諸元を変更することによりボッシュガス量を増加させて、減産操業から増産操業へ移行する操業諸元の変更例を示す（以下「ケース１」と記す）。
【００４０】
【表２】
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【００４１】
図４は、上記のケース１に示す送風操作によりボッシュガス量を増加させた場合の高炉内状態の変化を示す図である。
同図の結果によれば、ケース１に示す送風諸元変更操作の場合には、操業諸元を変更後約５０時間で、炉内の反応および熱的状態は応答を完了し、増産操業における定常状態に達している。
図６は、装入物分布を、炉内の半径方向中間部の（鉱石質量／コークス質量）の比（以下「Ｏ／Ｃ」と記す）が大きい分布１から、炉内中心部のＯ／Ｃが小さく炉壁側のＯ／Ｃが大きい分布２に変更することにより、減産操業から増産操業へ移行する操業諸元の変更例を示す図である（以下「ケース２」と記す）。
【００４２】
図５は、送風条件を一定として上記のケース２に示す装入物分布変更操作を行った場合の高炉内状態の変化を示す図である。
同図の結果から、ケース２に示す装入物分布変更操作の場合には、炉内反応および熱的状態の変動が大きく、増産操業における定常状態に達するまでに約１５０時間（約６．３日）を要し、応答時間も長いことがわかる。
【００４３】
現実には、減産操業から増産操業への移行過程では、送風諸元とともに装入物諸元も変更操作することが多いことから、炉内の装入物の分布状態や炉芯の形状は変化する。したがって、減産操業から増産操業への移行時においては、このような炉内の変化を考慮して、１回の操業諸元の変更操作による操業を１５０時間以上継続することが好ましい。
【００４４】
【実施例】
本発明の効果を確認するため、炉内容積２７００ｍ３の高炉において下記の試験を実施した。なお、以下の記述においては、当技術分野において、慣習的に用いられている単位を尊重し、これにＳＩ単位を併記することとした。
【００４５】
（比較例）
日産出銑量の３ヶ月間の平均値が４８００（ｔ／ｄ）（５５．５６ｋｇ／ｓ）、すなわち、出銑比１．７８（ｔ／ｄ／ｍ３−炉内容積）（０．０２０６ｋｇ／ｓ／ｍ３−炉内容積）の減産操業状態から、出銑比を０．１１（ｔ／ｄ／ｍ３−炉内容積）（１．２７×１０−３ｋｇ／ｓ／ｍ３−炉内容積）だけ上昇させる増産操業を行うために、送風諸元の変更操作を行った。
【００４６】
表３に、減産操業期ならびに増産への移行操業期における炉内通気抵抗指数、送風諸元およびボッシュガス量増加率を示した。
【００４７】
【表３】
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【００４８】
なお、同表において、減産操業期の炉内通気抵抗指数は、増産操業に移行する１日前における炉内通気抵抗指数の平均値を、限界ボッシュガス量増加率は、前記の（１１）式による計算値を、そして、実績ボッシュガス量増加率は、増産操業期への移行期におけるボッシュガス量増加率の実績値を、それぞれ示す。
【００４９】
増産操業への操業諸元の変更を実施する１日前の減産操業期における炉内通気抵抗指数（ＫＲ）は７４１０（１／ｍ）であった。
【００５０】
そこで、ボッシュガス量増加率を、（１１）式により算出される本発明の限界ボッシュガス量増加率０．０３７（−）を超える０．０４０（−）に設定して、増産操業への変更操作を行い、増産操業への移行操業を実施した。
【００５１】
図７は、比較例の増産操業への移行操業推移を示す図である。
【００５２】
同図の結果に見られるとおり、送風諸元の変更操作を実施した第１０日に炉内装入物の荷下がり状況が不調となり、スリップの発生頻度が急増して１０（回／ｄ）を超えたため、増産への移行操業が維持できず、元の減産操業諸元に戻さざるを得なかった。
【００５３】
（本発明例）
日産出銑量の３ヶ月間の平均値が４７００（ｔ／ｄ）（５４．４０ｋｇ／ｓ）、すなわち、出銑比１．７４（ｔ／ｄ／ｍ３−炉内容積）（０．０２０１ｋｇ／ｓ／ｍ３−炉内容積）の減産操業状態から、出銑比を０．１１（ｔ／ｄ／ｍ３−炉内容積）（１．２７×１０−３ｋｇ／ｓ／ｍ３−炉内容積）だけ上昇させる増産操業を行うために、送風諸元の変更操作を行った。
【００５４】
表４に、減産操業期ならびに増産への移行操業期における炉内通気抵抗指数、送風諸元およびボッシュガス量増加率を示した。
【００５５】
【表４】
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【００５６】
なお、前記の表３と同様に、表４において、炉内通気抵抗指数は、増産操業への諸元移行操作の１日前における炉内通気抵抗指数の平均値を、限界ボッシュガス量増加率は、前記の（１１）式による計算値を、そして、実績ボッシュガス量増加率は、増産操業期への移行期におけるボッシュガス量増加率の実績値を、それぞれ示す。
本発明例である当試験操業では、増産操業への操業諸元の変更を増産操業移行期１から増産操業移行期３までの３期に分けて実施し、１回の変更操作の後、１０日間は同一操業諸元の操業を維持しながら、段階的に増産操業に移行させた。
【００５７】
増産操業移行期１での移行に当たっては、移行操作を実施する１日前の減産操業期における炉内通気抵抗指数（ＫＲ）は７２３０（１／ｍ）であった。そこで、ボッシュガス量増加率を、（１１）式により算出される本発明の限界ボッシュガス量増加率０．０３５（−）以下の０．０１８（−）に設定して、増産操業移行期１への変更操作を行った。
【００５８】
以下、増産操業移行期２での変更操作および増産操業移行期３での変更操作についても、同様に限界ボッシュガス量増加率以下の範囲で変更操作を行い、それぞれ１０日間の同一操業諸元の操業期間を設けた。
【００５９】
図８は、本発明例の増産操業への移行操業推移を示す図である。
【００６０】
同図の結果に見られるとおり、増産操業移行期１から増産操業移行期３までの３回の操業諸元の変更により、炉内通気性および装入物の荷下がり状況を順調に維持しながら、３０日間で出銑比を０．１１（ｔ／ｄ／ｍ３−炉内容積）増加させる増産操業への移行を完了した。
【００６１】
【発明の効果】
本発明法の高炉の操業方法によれば、減産操業時における炉内の不活性状態を的確に把握し、炉内の通気性に応じてボッシュガス量を増加させ、増産操業への移行操業を行うことができる。これにより、従来、減産操業から増産操業への移行には数ケ月を要していたが、炉内における過度の圧損上昇や装入物の荷下がり異常を発生させることなく、短期間で増産操業に移行させることが可能となり、高炉操業に生産弾力性を付与できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】減産状態から急激に増産状態に移行した時の炉内の圧力損失の時間的変化を数学モデルにより算出した結果を示す図である。
【図２】減産時における炉内通気抵抗指数をパラメターとしてボッシュガス量増加率と過度の圧損上昇率との関係を示した図である。
【図３】減産時における炉内通気抵抗指数と限界ボッシュガス量増加率との関係を示す図である。
【図４】送風操作によりボッシュガス量を増加させた場合の高炉内状態の変化を示す図である。
【図５】装入物分布を変更した場合の高炉内状態の変化を示す図である。
【図６】装入物分布についての操業諸元の変更を示す図である。
【図７】比較例の増産操業への移行操業推移を示す図である。
【図８】本発明例の増産操業への移行操業推移を示す図である。
【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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