(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
周方向に複数の羽口が設けられ、かつこの羽口の近傍にレースウェイが形成されている高炉の操業方法において、レースウェイの脈動周波数が０．００２Ｈｚ以下となるようにレースウェイ深度を制御する高炉操業方法であって、
前記レースウェイの脈動周波数として、レースウェイ水平断面を粉体としてのコークスの排出口とし、レースウェイより上方の高炉朝顔部と炉芯コークス斜面上に形成された擬停滞域との間のコークスの高速降下域をホッパ部とする逆円錐ホッパを想定し、下記式１にて算出した、当該逆円錐ホッパからのコークスの排出流量の脈動周波数fを用いることを特徴とする高炉操業方法。
式１  ｆ＝πＵγｄ［（Ｚ０−Ｚ４）ｔａｎθ］２／［Ｗ（γｓ−γｄ）］
ここに、Ｕ：粉体の平均質量速度、Ｚ０：ホッパ部高さ、Ｚ４：ホッパ部上端面からすべり線頂点までの距離、θ：ホッパ部の開き半角、Ｗ：粉体圧が極限圧力に等しくなったときの充填高さから決定される圧密粉体層の体積、γｓ：圧密粉体層の嵩密度、γｄ：流動状態になったときの粉体層の嵩密度である。
【請求項２】
レースウェイ深度を１．１５〜２．５ｍの範囲で制御する請求項１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、高炉操業においてレースウェイ深度を制御する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
高炉は、その上部から鉄鉱石および還元材であるコークス等を装入し、下部から熱風を吹き込んで、鉄鉱石の還元、溶解等の一連の反応を行わせ、銑鉄を製造するものである。高炉内で半径方向に適正なガス流速分布が得られるように炉内装入物の粒度を調整し、送風条件を適切に制御することで、鉄鉱石の還元、溶解等の一連の反応が効率よく進行し、低還元材比で効率よく操業可能となる。
高炉下部の側壁には、周方向に複数の羽口が形成されており、この羽口を介して、熱風炉、熱風管、熱風環状管、熱風支管を経由してきた熱風を送風するようになっている。さらに、この羽口からは微粉炭などの補助還元材を吹き込むようにしている。
【０００３】
高炉内で羽口前には、羽口からの送風によって、レースウェイと呼ばれるコークスが著しく疎な状態で存在する空洞部分が形成されている。この羽口近傍のレースウェイでは高炉に装入されたコークスの大部分と羽口から噴射された微粉炭などの補助還元材とが燃焼しており、炉内で必要な還元ガスと鉄鉱石等の溶解および反応に必要な熱の大部分がこの部分から供給されている。
【０００４】
ここで、レースウェイの大きさおよび形状を正確に把握することは困難であるため、従来より、高炉径方向でレースウェイ最深部と羽口との間の距離をレースウェイ深度とし、レースウェイの大きさや形状を代表する値として取り扱ってきている。
【０００５】
そして、レースウェイの大きさおよび形状（レースウェイ深度）は、高炉内における装入物の降下状況等に強く影響し、延いては高炉の安定性や生産性に対して極めて重大な影響を与えると考えられている。
【０００６】
そこで、発明者らは、マイクロ波を利用して操業中にオンラインにてレースウェイ深度を測定する装置（特許文献１参照）、および前記測定装置等により実測したレースウェイ深度をもとに、レースウェイの崩壊を防ぐべく羽口からの燃料吹込み量を調整する高炉操業方法（特許文献２参照）を提案した。
【０００７】
上記特許文献１に開示した測定装置により操業中にレースウェイ深度を精度良く測定できるようになり、上記特許文献２に開示した方法により、実測のレースウェイ深度に基づいて燃料吹込み量を調整することで、レースウェイの崩壊または縮小、延いては羽口破損をより確実に防止することができるようになった。
【０００８】
しかしながら、高炉操業条件を変更した場合などにおいては、装入物の降下状況等に悪影響を与えない適正なレースウェイ深度の範囲が変化すると考えられるが、上記測定装置および操業方法のみでは、高炉操業条件に対応した適正なレースウェイ深度の範囲を予め定量的に把握することができず、レースウェイ深度をより定量的に制御する方法が要請されていた。
【特許文献１】特開２００５−９９００６号公報
【特許文献２】特開２００５−９７７３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
そこで、本発明は、装入物の降下状況等に悪影響を与えることなく、高炉操業条件に対応した適正な範囲にレースウェイ深度を制御することにより安定した高炉操業方法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】
【００１１】
請求項１に記載の発明は、周方向に複数の羽口が設けられ、かつこの羽口の近傍にレースウェイが形成されている高炉の操業方法において、レースウェイの脈動周波数が０．００２Ｈｚ以下となるようにレースウェイ深度を制御する高炉操業方法であって、前記レースウェイの脈動周波数として、レースウェイ水平断面を粉体としてのコークスの排出口とし、レースウェイより上方の高炉朝顔部と炉芯コークス斜面上に形成された擬停滞域との間のコークスの高速降下域をホッパ部とする逆円錐ホッパを想定し、下記式１にて算出した、当該逆円錐ホッパからのコークスの排出流量の脈動周波数fを用いることを特徴とする高炉操業方法である。
式１  ｆ＝πＵγｄ［（Ｚ０−Ｚ４）ｔａｎθ］２／［Ｗ（γｓ−γｄ）］
ここに、Ｕ：粉体の平均質量速度、Ｚ０：ホッパ部高さ、Ｚ４：ホッパ部上端面からすべり線頂点までの距離、θ：ホッパ部の開き半角、Ｗ：粉体圧が極限圧力に等しくなったときの充填高さから決定される圧密粉体層の体積、γｓ：圧密粉体層の嵩密度、γｄ：流動状態になったときの粉体層の嵩密度である。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、レースウェイ深度を１．１５〜２．５ｍの範囲で制御する請求項１に記載の高炉操業方法である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、レースウェイの脈動周波数が所定の臨界値（０．００２Ｈｚ）以下となるようにレースウェイ深度を制御することで、装入物の降下状況が良好に維持されるため、長期安定操業を確保しつつ低還元材比、高生産性の高炉操業が実現できるとともに、コークスの降下速度の脈動による炉壁耐火物の磨耗も抑制されるため、高炉寿命の延長にもつながる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明をさらに詳細に説明する。
【００１６】
〔実施形態１〕
本発明は、周方向に複数の羽口が設けられ、かつこの羽口の近傍にレースウェイが形成されている高炉の操業方法において、レースウェイの脈動周波数が０．００２Ｈｚ以下となるようにレースウェイ深度を制御することを特徴とする。
【００１７】
ここで、レースウェイの脈動周波数を０．００２Ｈｚ以下としたのは以下の理由による。
【００１８】
すなわち、内容積４５５０ｍ３の高炉の一つの羽口において、羽口径を順次変更して羽口前ガス流速を変化させることによりレースウェイ深度を意図的に変化させ、各レースウェイ深度におけるレースウェイの脈動周波数を測定する実験を行った。なお、レースウェイ深度の測定は、上記特許文献１に開示したマイクロ波を利用したレースウェイ深度測定装置を上記羽口に設置して行った。また、レースウェイの脈動周波数は、レースウェイの崩壊周期の逆数で求められ、レースウェイの崩壊周期は、上記レースウェイ深度の経時変化から求めた。図１に、上記測定結果から得られた、レースウェイ深度とレースウェイの脈動周波数との関係を示す。同図から明らかなように、レースウェイ深度を深い側から浅くしていくと、所定の臨界値（１．１５ｍ）までは、レースウェイの脈動周波数はほぼ一定（０．００２Ｈｚ以下）の低い値に維持されているのに対し、その臨界値よりさらに浅くすると、レースウェイの脈動周波数は急激に上昇することがわかった。したがって、装入物の降下状況等を悪化させることなく、長期に安定した高炉操業が実施できる臨界値として、レースウェイの脈動周波数を０．００２Ｈｚ以下に規定した。
【００１９】
本発明を実際の高炉操業に適用するには、複数の羽口のうちいずれか１つまたは複数の羽口に、例えば、上記実験で説明したように、上記特許文献１に開示したマイクロ波を利用したレースウェイ深度測定装置を設置し、この測定装置で測定されたレースウェイ深度の経時変化からレースウェイの脈動周波数を算出し、その脈動周波数が０．００２Ｈｚ以下となるように、羽口径、風温、羽口ガス圧力、燃料吹込み量等を適宜調整してレースウェイ深度を制御するようにすればよい。
【００２０】
〔実施形態２〕
上記実施形態１では、レースウェイの脈動周波数として、羽口に設置したレースウェイ深度測定装置を用いて実測する例を示したが、レースウェイおよびその上方の領域を粉体貯槽（ホッパ）とみなし、理論解析に基づく推定式にて算出した当該ホッパからの粉体排出流量の脈動周波数を用いてもよい。以下、この手段について詳細に説明する。
【００２１】
図２に示すように、レースウェイ２の水平断面を粉体としてのコークスの排出口とし、レースウェイ２より上方の朝顔部３と炉芯コークス４斜面上に形成された擬停滞域５との間のコークスの降下域をホッパ部６とする逆円錐ホッパ１を想定する。
【００２２】
そして、理論解析に基づく推定式である下記式１（日高ら：化学工学論文集、第２０巻、第３号（１９９４）、ｐ．３９７）により当該逆円錐ホッパ１からのコークスの排出流量の脈動周波数fを算出する。
式１  ｆ＝πＵγｄ［（Ｚ０−Ｚ４）ｔａｎθ］２／［Ｗ（γｓ−γｄ）］
ここに、Ｕ：粉体の平均質量速度、Ｚ０：ホッパ部高さ、Ｚ４：ホッパ部上端面からすべり線頂点までの距離、θ：ホッパ部の開き半角、Ｗ：粉体圧が極限圧力に等しくなったときの充填高さから決定される圧密粉体層の体積、γｓ：圧密粉体層の嵩密度、γｄ：流動状態になったときの粉体層の嵩密度である。
【００２３】
上記式１における各変数の値は以下のようにして求めることができる。
【００２４】
粉体の平均質量速度Ｕは、羽口から吹き込まれた熱風のうち吹込み燃料を燃焼する分を除いた熱風により燃焼されるコークスの質量より求めることができる。
【００２５】
ホッパ部高さＺ０は、レースウェイ２からホッパ部上端面６ａまでの高さと、レースウェイ深度ＤＲＷと、炉芯コークス４斜面上に形成される擬停滞域５の斜面角度φＶとから幾何学的に求めることができる。なお、擬停滞域５の斜面角度φＶは、擬停滞域５の斜面が塑性理論から導かれる速度特性線に対応する（高橋ら：化学工学、第３８号（１９７４）、ｐ．７４６）として推定することができ、本高炉ではφＶ＝８０．２°が得られた。
【００２６】
ホッパ部上端面６ａからすべり線７の頂点７ａまでの距離Ｚ４は以下のようにして求めることができる。すなわち、すべり線頂点７ａはホッパ部６高さ方向の粉体圧分布が極大値を示す点であるが、青木らの方法（青木ら：「粉粒体の貯槽と供給装置」（１９６３）、日刊工業新聞社）を用いてホッパ部６高さ方向の粉体圧分布を計算した結果、φＶ＝８０．２°のとき（Ｚ０−Ｚ４）／Ｚ０＝０．２において粉体圧は極大値を示すことがわかった。よって、本高炉ではＺ４＝０．８Ｚ０となる。
【００２７】
ホッパ部６の開き半角θは、擬停滞域５の斜面角度φＶよりθ＝９０°−φＶで求めることができ、本高炉ではθ＝９．８°となる。
【００２８】
粉体圧が極限圧力に等しくなったときの充填高さから決定される圧密粉体層の体積Ｗは、すべり線頂点７ａを含む水平面からレースウェイ２水平断面までの間の円錐台の体積として求めることができる。
【００２９】
圧密粉体層の嵩密度γｓは、別途、コークスを密充填した充填層の嵩密度を実測して求めることができる。
【００３０】
流動状態になったときの粉体層の嵩密度γｄは、レースウェイの形状を球体に近似し、レースウェイから放出される全ガス量とレースウェイの表面積から、レースウェイ表面から放出されるガスの空塔速度ＵＲＷを算出し、下式３によって求めることができる。
式３  γｄ＝γｓ[１−（ＵＲＷ／Ｕｕｍｆ）２]
ここに、Ｕｕｍｆ：コークスの流動化開始速度である。
【００３１】
ここで、レースウェイ深度ＤＲＷを順次変化させ、上記のようにして算出した脈動周波数fの逆数１／ｆであるレースウェイ崩壊周期と、上記実施形態１で説明したマイクロ波による実測に基づくレースウェイ崩壊周期との関係を図３に示す。同図から明らかなように、計算値と実測値はほぼ一致することが確認された。
【００３２】
したがって、本実施形態により、レースウェイ深度を実測することなく、計算によりレースウェイの脈動周波数を精度良く予測することが可能となり、高炉操業条件を変更した場合でも、適正なレースウェイ深度の範囲を事前に精度良く設定できる。
【００３３】
〔実施形態３〕
上記実施形態１では、羽口近傍にマイクロ波を利用したレースウェイ深度測定装置を用いてレースウェイの脈動周波数を実測し、この実測された脈動周波数に基づいてレースウェイ深度を制御する例を示したが、これに代えて、羽口に接続する熱風支管内における熱風の圧力変動に基づく風圧変動指数ＰＩを用いてレースウェイ深度を制御するようにしてもよい。なお、風圧変動指数ＰＩは下記式２にて定義される。
【００３４】
式２  ＰＩ＝（Σｉ＝１，ｎ｜ＰＢｉ−ＰＢｉ−１｜）／ｎ
ここに、ＰＢｉ：ｉ分における熱風圧力瞬時値（ｇｆ／ｃｍ２［ただし、１ｇｆ／ｃｍ２＝９８．０６６５Ｐａ］）である。
【００３５】
すなわち、図４に示すように、レースウェイ深度と風圧変動指数ＰＩとは強い相関関係を示すことがわかった。したがって、本発明を適用しようとする高炉に対して一定期間レースウェイ深度を実測し、風圧変動指数ＰＩとの関係式を求めておく。そして、以後はその関係式を用いて、レースウェイの脈動周波数が０．００２Ｈｚ以下となるレースウェイ深度（１．１５ｍ以上）に対応する風圧変動指数ＰＩ０（本高炉では１０ｇｆ／ｃｍ２以下）となるようにレースウェイ深度の制御を行えばよい。これにより、レースウェイ深度は、本発明適用に際して一定期間のみ実測すれば以後はレースウェイ深度を実測しなくても、風圧変動指数ＰＩを介して間接的にレースウェイ深度を制御することができる。
【００３６】
上記実施形態１〜３では、レースウェイ深度を制御する指標として、レースウェイの脈動周波数ｆまたは風圧変動指数ＰＩを用いる例を示したが、これらを指標として制御を行う際に、レースウェイ深度を１．１５〜２．５ｍの範囲で制御することが望ましい。すなわち、レースウェイ深度が１．１５ｍ未満に浅くなると、図１および図４に示すように、レースウェイの脈動および風圧変動が著しくなり、操業トラブルが発生しやすくなり、他方、レースウェイ深度が２．５ｍを超えて深くなると、レースウェイの脈動および風圧変動は十分に小さくなるものの、荷下がり（装入物の降下）が不良となる可能性が高まるためである。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】レースウェイ深度とレースウェイの脈動周波数との関係を示すグラフ図である。
【図２】レースウェイおよびその上方を逆円錐ホッパとみなした概念図である。
【図３】マイクロ波による実測に基づく脈動周波数と推定式で計算された脈動周波数の関係を示すグラフ図である。
【図４】レースウェイ深度と風圧変動指数ＰＩとの関係を示すグラフ図である。
【符号の説明】
【００３８】
１…逆円錐ホッパ
２…レースウェイ
３…朝顔部
４…炉芯コークス
５…擬停滞域
６…ホッパ部
６ａ…上端面
７…すべり線
７ａ…頂点
【図１】
0004778351.tif 000002
【図２】
0004778351.tif 000003
【図３】
0004778351.tif 000004
【図４】
0004778351.tif 000005