(57)【要約】【課題】散水条件を調整することによって、従来の散水ノズルを有する設備を用いても、炉頂ガスを効果的に冷却する高炉炉頂散水方法を提供する。【解決手段】散水ノズル２から水が噴霧されて形成される水粒１１が、高炉１へ装入された高炉原料７に到達しないで消失することになる粒径のうちの最大粒径を、予め求めておく。最大粒径以下の粒径を有する水粒１１を形成し、かつ、水粒１１が炉壁より内側に入るように、前記散水ノズル２から水を噴霧する。ストックライン５における水平断面積のうち、高炉炉壁から炉内へ０．８ｍの位置で定まる円部分の６５％以上が散水ノズル２の各々から水が噴霧されて形成される散水範囲である。加えて、散水範囲のうち、１つの散水ノズル２から水が噴霧されて形成される単一の散水範囲が２つ以上重なって形成される散水干渉領域の断面積が、前記円部分の３０％以下である。【選択図】            図１
2016003350.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
散水ノズルから水を噴霧して形成される水粒が、高炉へ装入された高炉原料に到達しないで消失することとなる粒径のうちの最大粒径を、予め求めておき、
該最大粒径以下の粒径を有する水粒を形成し、かつ、該水粒が前記高炉の炉壁より内側に入るように、前記散水ノズルから水を噴霧する高炉炉頂散水方法であって、
前記高炉のストックラインでの水平断面積のうち、高炉炉壁から炉内へ０．８ｍの位置で定まる円部分の６５％以上の範囲が、前記散水ノズルの各々から水が噴霧されて形成される散水範囲となり、かつ、該散水範囲のうち、１つの散水ノズルから水が噴霧されて形成される単一の散水範囲が２つ以上重なって形成される散水干渉領域の水平断面積が、前記円部分の３０％以下であることを特徴とする高炉炉頂散水方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高炉の炉頂部を冷却するために水を噴霧する高炉炉頂散水方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高炉では、炉頂部から鉄鉱石やコークスなどの高炉原料を炉内に装入するとともに、炉下部の羽口から熱風を吹き込み、コークスを燃焼させて鉄鉱石を溶融・還元して銑鉄を炉内で生成している。コークスの燃焼で発生する高温のガスが炉頂部へ向かうことになるので、高炉原料の装入が、原料装入装置のトラブルなどで滞った場合には、炉頂部のガス温度が上昇してしまう。このとき、ガス温度の上昇によって、高炉ガス清浄設備などの、炉頂部に設けられている設備が破損する恐れがある。このような破損を避けるために、炉頂部に設けられた散水装置で炉内へ水を噴霧している。
【０００３】
この散水装置に求められる機能は、炉内に装入される高炉原料自体を冷却させずに炉頂部のガス温度を下げることである。なぜならば、高炉原料を冷却し過ぎると、炉下部で溶融した銑鉄及びスラグが凝固して、銑鉄及びスラグを出銑口から排出しにくくなってしまい、炉冷事故などの操業トラブルが生じる可能性があるからである。特許文献１には、炉頂部での散水される水粒への伝熱による蒸発量に基づき、高炉原料に到達しないで消失することになる粒径を水粒が有するように、散水を行なう方法が提案されており、これにより、高炉原料を濡らさずに散水している。また、特許文献２には、鉛直方向に昇降自在で、上向きのノズルを有する装置が提案されており、これにより、炉内上昇ガスを完全に覆って、炉頂部を効率的に冷却している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−０６４４０７号公報
【特許文献２】特開平４−３６２１０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の発明では、炉内へ噴霧された水粒の鉛直方向における運動は考慮されているものの、水平方向及び鉛直方向の２次元的な運動が考慮されておらず、水粒が炉内ガスにより蒸発するまでに、複数の水粒で形成される散水範囲を把握することができない。１つのノズルから噴霧されて形成される単一の散水範囲が２つ以上重なって形成される散水干渉領域が多くなると、高炉原料が水で濡れる可能性が高くなる。また、特許文献２の発明では、炉頂部の散水ノズル毎に散水配管を昇降する設備と空間が必要となり設備費が膨大になる上に、その設備を使用している間に、設備と炉壁との接続部分から炉内ガスが漏れてしまう恐れもある。
【０００６】
また、上記炉頂部に設けられている設備や高炉自体のメンテナンスのために、高炉に装入する高炉原料を少なくして高炉を操業する減尺操業を行なうことがあるが、該減尺操業では、通常の操業の場合よりも高温のガスが炉頂部へ向かう傾向にある。なぜならば、減尺操業の場合には、発生するガスと熱交換を行なう高炉原料が、通常の操業の場合よりも少ないので、そのガスが高炉原料とあまり熱交換されず、炉下部からのガスの温度が下がりにくいからである。この減尺操業の場合には、炉頂部のガス温度がより顕著に上昇し、炉頂部に設けられている設備が破損する可能性が高まる。
【０００７】
減尺操業の場合に炉頂部の温度が上がりやすいからといって、炉頂部のガス温度を下げるために炉頂部に冷却水を噴霧しすぎると、前述の通り、高炉原料が過冷却されるという虞がある。その場合には、減尺操業から通常操業に高炉を立ち上げようとする場合に、高炉原料が溶けて形成されたスラグが、過冷却に起因して温度が上昇しにくくなり、高炉から排出するための時間が多く掛かってしまう可能性がある。
【０００８】
本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、散水条件を調整することによって、従来の散水ノズルを有する設備を用いても、炉頂ガスを効果的に冷却する高炉炉頂散水方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者は、散水された水粒の落下挙動を計算する際に、水粒の速度を、鉛直方向及び水平方向の２つの成分に分解して、それぞれの方向において運動方程式を作成し、経過時間に対応した水粒の位置と該水粒の粒径とを解析し、解析結果に基づいて、特定の領域で水粒が形成されれば、効果的に炉頂ガスが冷却されると考え、本発明の完成に至った。
【００１０】
上記課題を解決するための本発明の要旨は以下の通りである。
散水ノズルから水を噴霧して形成される水粒が、高炉へ装入された高炉原料に到達しないで消失することとなる粒径のうちの最大粒径を、予め求めておき、該最大粒径以下の粒径を有する水粒を形成し、かつ、該水粒が前記高炉の炉壁より内側に入るように、前記散水ノズルから水を噴霧する高炉炉頂散水方法であって、前記高炉のストックラインでの水平断面積のうち、高炉炉壁から炉内へ０．８ｍの位置で定まる円部分の６５％以上の範囲が、前記散水ノズルの各々から水が噴霧されて形成される散水範囲となり、かつ、該散水範囲のうち、１つの散水ノズルから水が噴霧されて形成される単一の散水範囲が２つ以上重なって形成される散水干渉領域の水平断面積が、前記円部分の３０％以下であることを特徴とする高炉炉頂散水方法。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、炉壁への水の付着による羽口破損誘発などのトラブルを防止しつつ、散水量を抑えて炉頂部のガスを冷却することが可能となる。これにより、高炉内の原料への過度の散水を抑え、炉冷事故などの操業トラブルを防止することが可能となる。また、ひいては、減尺操業においても、高炉原料をあまり冷却させることなく、効果的に炉頂部を冷却することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】高炉の炉頂部を示す説明図である。
【図２】１つの水粒の落下運動を示す説明図である。
【図３】実施例の操業における、高炉操業に関わる指標の経時変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、添付図面を参照して本発明の高炉炉頂ガス冷却方法を具体的に説明する。図１は、高炉の炉頂部を示す説明図で、（ａ）は、炉頂部の鉛直断面を示し、ストックライン５まで高炉原料７が装入されている通常操業の状態を示し、（ｂ）は、上から視た、散水されている炉頂部の状態を示している。
【００１４】
図１（ａ）に示すように、高炉１の炉頂部中央には、原料装入シュート４が設けられており、該原料装入シュート４から高炉原料７が、高炉１に装入され炉内に積層する。高炉１の炉頂部とは、積層した高炉原料７の表面より上側部分をいう。
【００１５】
高炉１の下部に設けられた羽口から熱風が炉内へ吹き込まれ、その羽口前で高炉原料７（コークス）が燃焼して発生するガスが、積層している高炉原料７を通過して炉頂部へ向かう。炉頂部へ向かう間にガスは高炉原料と熱交換し、高炉１の炉頂部に設けられた上昇管３からガスを回収する。
【００１６】
回収されるガスの温度が高い場合、上昇管３や原料装入シュート４の近くに配置されている設備の破損を招く恐れがある。なぜならば、高温ガスが、高炉１の炉頂部の空間を通過するので、その空間の温度が上昇し、設備が、動作可能な温度以上に加熱されてしまう可能性があるからである。この可能性を抑えるために、図１（ａ）に示すように、炉頂部のストックライン５より高い位置に散水ノズル２が配置され、該散水ノズル２は、図１（ｂ）に示すように、高炉１の鉄皮６に沿ってリング状に複数設けられている。この散水ノズル２から水が噴霧されて、水粒１１が、炉頂部の空間に複数形成され、炉頂部の熱を奪って蒸発する際に、炉頂部の温度が下がる。
【００１７】
設備の破損を防ぐために、炉頂部の温度を下げるとしても、高炉原料７の温度低下を避ける必要がある。なぜならば、高炉原料７を水粒１１の蒸発によって冷却し過ぎると、炉下部で溶融した銑鉄・スラグが凝固して出銑口から排出されにくくなり炉冷事故などの操業トラブルが生じる恐れがあるからである。
【００１８】
そこで、本発明者らは鋭意検討して、高炉原料７の温度を低下させずに炉頂部を効率的に冷却するための次の散水条件を導いた。
散水条件［１］：予め、水粒１１の蒸発量を考慮した落下運動に基づき、高炉原料７に到達しないで、水粒１１が消失する粒径のうちの最大粒径（最大粒径ｄｍａｘ）を求めておく。高炉を操業する際には、求めた最大粒径ｄｍａｘ以下の粒径を有する水粒１１が形成されるように、散水ノズル２から水を噴霧する。これにより、水粒１１が高炉原料７に到達せず、高炉原料７が、水粒１１の蒸発によって冷却されにくくなる。
散水条件［２］：ストックラインでの水平断面において、該水平断面の炉壁から０．８ｍ内側の位置で定まる円の面積に対して、水粒１１により覆われる面積の比率が６５％以上で、同時に、各散水ノズルからの散水範囲が重なる面積の合計が３０％以下となるようにする。これにより、炉頂ガスを効率的に冷却することで、散水による高炉の炉況悪化を抑止しつつ、炉頂設備や更に下流側のガス清浄設備の破損を防止する。
以下、散水条件［１］及び［２］をこの順で説明する。
【００１９】
＜散水条件［１］＞
最大粒径ｄｍａｘを求める方法を説明する。この方法では、まず、水粒１１の速度を鉛直（深さ）方向と水平方向との２つの成分に分解し、それぞれの方向において運動方程式を作成する。次いで、散水ノズル２に関する様々な条件下での運動方程式に数値解析を適用して、水粒１１の形成時から任意の時間経過した時刻ｔでの各方向における速度と位置と粒径とを求める。求まる粒径ｄが０となる（深さ方向の速度Ｖｙ＝０）時刻ｔにおいて、水粒１１の位置が高炉原料７の面となる水粒１１の形成直後の粒径（初期の粒径ｄｉｎｉ）が最大粒径ｄｍａｘであり、更に、該最大粒径ｄｍａｘとなる条件がわかる。この条件に基づいて、散水ノズル２を作動させれば、最大粒径以下の粒径を有する水粒が形成されるように、水を噴霧することができる。なお、水粒１１が到達するか否かを判断する基準となる高炉原料７の位置は、高炉の通常操業における高炉原料７の高さ、あるいは、減尺操業時においては、経時的に変化する高炉原料７の高さとする。
【００２０】
時刻ｔでの水粒１１の速度と位置と粒径とを求める際には、水粒１１の温度上昇や蒸発現象を考慮する。水粒１１が散水ノズル２から形成された時から時間が経過するにつれて、水粒１１の温度は上昇して蒸発温度に達する。蒸発温度に達するまでは、粒径ｄの大きさは維持される。しかしながら、蒸発温度に達した後は、水粒１１は蒸発するので、その粒径は徐々に小さくなる。数値解析においては、経過した時間に応じて、水粒１１の温度Ｔｌや徐々に小さくなる粒径ｄを用いている。
【００２１】
深さ方向と水平方向とにおける水粒１１の運動方程式を説明する。図２は、複数の水粒１１のうちの１つである水粒の落下運動を模式的に示した説明図である。図２に示す記号の定義は次の通りである。
Ｖｌは、水平方向を横軸Ｘとし、深さ方向を縦軸Ｙとした２次元平面における水粒１１の速度［ｍ／秒］である。
θは、水粒１１の速度Ｖｌの、水平方向から深さ方向への傾斜角度である。傾斜角度θは、水粒１１の初期状態（ｔ＝０）における、水平方向から深さ方向への散水ノズル２の傾斜角で決まる。
Ｖｘは、速度Ｖｌの水平方向成分で、水粒１１の水平方向における速度［ｍ／秒］である。
Ｖｙは、速度Ｖｌの深さ方向成分で、水粒１１の深さ方向における速度［ｍ／秒］である。
Ｖｇは、雰囲気ガス（炉頂ガス）の鉛直方向における速度［ｍ／秒］である。Ｖｌ、Ｖｘ及びＶｙは、時刻ｔの関数であり、以降、適宜、それぞれを、Ｖｌ（ｔ）、Ｖｘ（ｔ）及びＶｙ（ｔ）とも表す。
【００２２】
Ｖｘ（ｔ）及びＶｙ（ｔ）は、Ｖｌ（ｔ）及びθを用いて、次の式で表すことができる。
Ｖｘ（ｔ）＝Ｖｌ（ｔ）・ｃｏｓθ                                ・・・（１）
Ｖｙ（ｔ）＝Ｖｌ（ｔ）・ｓｉｎθ                                ・・・（２）
【００２３】
また、水粒１１の位置ｘ（ｔ）及びｙ（ｔ）は、Ｖｘ（ｔ）とＶｙ（ｔ）及び時刻ｔを用いて、次の関係式で表すことができる。
ｘ（ｔ）＝Ｖｘ（ｔ）・ｔ                                        ・・・（３）
ｙ（ｔ）＝Ｖｙ（ｔ）・ｔ                                        ・・・（４）
ｔ＝０におけるＶｌ（０）は、１つの散水ノズル２に供給される散水流量［ｍ３／秒］と、散水ノズル２の面積［ｍ２］と、から求めることができる。式（４）で求まる水粒１１の位置ｙが、高炉原料７の面の高さとなる時刻ｔを求めるために、速度Ｖｙ（ｔ）を求める必要がある。この速度Ｖｙ（ｔ）を、深さ方向における水粒１１の運動方程式によって求める。なお、水粒１１の粒径ｄは、時間の経過とともに温度が上昇して水が蒸発し、それとともに小さくなるので、時刻ｔの関数であり、以降、適宜、ｄ（ｔ）とも表す。
【００２４】
水粒１１の質量をｍ［ｋｇ］とし、水粒１１に掛かる空気抵抗力に関する変数をｋとし、水粒１１の密度をρｌ［ｋｇ／ｍ３］とし、水粒１１の雰囲気ガスの密度をρｇ［ｋｇ／ｍ３］とすれば、以下の通りに、深さ方向における水粒１１の運動方程式を表すことができる。
【００２５】
【数１】
2016003350.tif 000003
式（５）の右辺において、第１項（ｍｇ）は、重力を表し、第２項（ｍ・ｇ・ρｇ／ρｌ）は、浮力を表し、第３項（−ｋ・（Ｖｙ＋Ｖｇ）２）は、水粒１１の落下に対する雰囲気ガスによる抵抗力を表している。
【００２６】
なお、式（３）で求まる位置ｘ（ｔ）によって、後述する散水範囲（図１（ｂ）参照）を求めることができ、Ｖｘ（ｔ）を求めるための、水平方向における運動方程式も以下に示す。
【００２７】
【数２】
2016003350.tif 000004
【００２８】
式（５）及び（６）の両辺を質量ｍで除算し、更に、変数ｋを質量ｍで除算した変数Ｋを用いて、式（５）及び（６）を、以下に示す微分方程式に変形することができる。
【００２９】
【数３】
2016003350.tif 000005
【００３０】
【数４】
2016003350.tif 000006
【００３１】
任意の時刻ｔから微小時間Δｔ経過した時刻を（ｔ＋Δｔ）と表し、また、それらの時時刻における物理量（例えば、速度Ｖｙなど）を、その物理量の右添え字にｔ及びｔ＋Δｔを付する。例えば、速度Ｖｙの場合、ＶｙｔやＶｙｔ＋Δｔと表すこととする。これらのｔ、ｔ＋Δｔ、ＶｙｔとＶｙｔ＋Δｔ、及び、ＶｘｔとＶｘｔ＋Δｔを用いて、式（７）及び（８）の左辺の微分式を次の差分式で近似することができる。
【００３２】
【数５】
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【００３３】
【数６】
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【００３４】
式（７）及び（８）の左辺に、上記式（９）及び（１０）を代入し、式（７）及び（８）の右辺のＶｙ及びＶｘに、時刻ｔにおけるＶｙｔ及びＶｘｔを代入すれば、次の差分方程式が導出される。
【００３５】
【数７】
2016003350.tif 000009
【００３６】
【数８】
2016003350.tif 000010
【００３７】
上記式（１１）を用いた次の手順［ｉ］〜［iv］の計算を行なえば、Ｖｙ（ｔ）を求めることができる。
手順［ｉ］：ｔ＝０におけるＶｙ０は、Ｖｌ（０）及びθから求まり既知である。式（１１）より、時刻ｔ＝０から、例えば、０．００１秒などの予め設定される微小時間Δｔ経過した時刻ｔ＝０＋ΔｔのときのＶｙ１（＝Ｖｙ０＋Δｔ）を求める。
手順［ii］：手順［ｉ］で求まったＶｙ１を式（１１）における右辺のＶｙｔに代入し、Ｖｙ２（＝Ｖｙ１＋Δｔ）を求める。
手順［iii］：手順［ii］で求まったＶｙ２を式（１１）における右辺のＶｙｔに代入し、Ｖｙ３（＝Ｖｙ２＋Δｔ）を求める。
手順［iv］：手順［iii］において、Ｖｙｔ＋１（＝Ｖｙｔ＋Δｔ）を式（１１）の右辺のＶｙｔに代入し、左辺のＶｙｔ＋１を得、Ｖｙｔ＋１を右辺のＶｙｔに再び代入する計算を、左辺のＶｙｔ＋Δｔが０になるまで繰り返すことにより、水粒１１が形成されてから消失する（Ｖｙ＝０）までの間のＶｙ（ｔ）がわかる。これにより、前述の式（４）における水粒１１の位置ｙ（ｔ）を求めることができる。
【００３８】
なお、上記の手順［ｉ］〜［iv］に類似する計算を式（１２）に適用すれば、水粒１１が形成されてから消失する（Ｖｘ＝０）までの間のＶｘ（ｔ）がわかり、位置ｙ（ｔ）と同様に、前述の式（３）における水粒１１の位置ｘ（ｔ）を求めることができる。但し、式（１１）及び（１２）で用いられている質量ｍ及び変数Ｋは、時刻ｔによって変わる粒径ｄ（ｔ）で決まるので、手順［iv］の繰り返し計算において、Ｖｙｔ＋Δｔを算出する際に、時刻ｔに応じた質量ｍ及び変数Ｋを求めておく必要がある。
【００３９】
次に、質量ｍ及び変数Ｋについて説明する。水粒１１が球形になると想定すると、水粒１１の質量ｍ［ｋｇ］及び表面積Ａ［ｍ２］は、水粒１１の粒径ｄ（ｔ）［ｍ］及び水の密度ρｌ［ｋｇ／ｍ３］で次の式で表される。
ｍ＝４π／（３・８）・ρｌ・（ｄ（ｔ））３                ・・・（１３）
Ａ＝π・（ｄ（ｔ））２                                    ・・・（１４）
【００４０】
変数Ｋは、質量ｍ［ｋｇ］及び表面積Ａ［ｍ２］を用いて、次の式で表される。
【００４１】
【数９】
2016003350.tif 000011
ＣＤは、空気抵抗係数といわれ、水粒１１の形状で決まる数である。
【００４２】
変数Ｋは、式（１５）からわかるように、時刻ｔで変化する粒径ｄ（ｔ）によって決まる。一方で、この変数Ｋが、式（１１）及び（１２）の右辺のＶｙｔ及びＶｘｔに乗算されているため、左辺のＶｙｔ＋ΔｔやＶｘｔ＋Δｔを算出するためには、時刻ｔに応じた粒径ｄ（ｔ）を求める必要がある。粒径ｄ（ｔ）は、水粒１１の蒸発現象を考慮すれば、水粒１１の温度が初期温度から蒸発温度（１００℃）までは、変化しない。なぜならば、水粒１１に伝導される熱は温度上昇に用いられるので、水粒１１の質量ｍは、蒸発によって小さくならないからである。一方で、水粒１１の温度が蒸発温度（１００℃）まで上昇すると、粒径ｄ（ｔ）は小さくなっていく。なぜならば、水粒１１の温度が蒸発温度に達した後は、水粒１１に伝導される熱量は、水粒１１の蒸発に用いられるからである。このことから、水粒１１の粒径ｄ（ｔ）の算出方法について、次の条件（ｉ）と（ii）で変わるので、これらの条件に分けて、水粒１１の粒径ｄ（ｔ）の算出方法を説明する。
条件（ｉ）：水粒１１の温度が初期温度から蒸発温度（１００℃）までの間
条件（ii）：蒸発温度（１００℃）に達した後
【００４３】
［条件（ｉ）：初期温度から蒸発温度（１００℃）までの間］
前述の通り、粒径ｄ（ｔ）は、水粒１１の温度が初期温度から蒸発温度（１００℃）までの間は一定であり、初期値ｄｉｎｉが維持されている。一方で、水粒１１には雰囲気からの熱量が伝わり、水粒１１の温度が上昇する。水粒１１に伝わる熱量ｑ（ｋｃａｌ／秒）は、時刻ｔにおける水粒１１の温度をＴｌｔ［℃］とし、雰囲気ガスの温度をＴｇ［℃］とし、水粒１１の熱伝導率をα［ｋｃａｌ／（ｍ２・℃・秒）］とすれば、次の式で表される。
ｑ＝Ａ・α・（Ｔｇ−Ｔｌｔ）                  ・・・（１６）
表面積Ａは式（１４）で算出されるが、時刻ｔの粒径ｄを求める際には、右辺のｄ（ｔ）として、時刻ｔより微小時間Δｔ前の粒径ｄ（ｔ−Δｔ）を用いる。この粒径ｄ（ｔ−Δｔ）は、時刻ｔの粒径ｄを求める際には既に求まっている。
また、式（１６）における、熱伝導率αは、次の式で表される。
α＝λ・（２＋０．６０・Ｐｒ１／３・Ｒｅ１／２）／ｄ（ｔ−Δｔ）
ここで、λは、ガス熱伝導率［ｋｃａｌ／（ｍ２・℃・秒）］であり、雰囲気ガスの温度Ｔｇで決まる定数である。
Ｐｒ［−］は、プラントル数であり、この場合には、Ｐｒは０．７５となる。
Ｒｅ［−］は、レイノルズ数である。Ｒｅは、（Ｖｌ（ｔ−Δｔ）・ｄ（ｔ−Δｔ））／νで求めることができる。νは、ガスの動粘度［ｍ２／秒］であり、定数である。一方、Ｖｌ（ｔ−Δｔ）は、時刻ｔより微小時間Δｔ前のＶｌ（ｔ）を表し、粒径ｄ（ｔ）を求める際には、既に求まっているＶｘ（ｔ−Δｔ）及びＶｙ（ｔ−Δｔ）から算出することができる。
【００４４】
水粒１１へ伝わる熱量ｑを用い、水粒１１の比熱［ｋｃａｌ／ｋｇ／℃］をＣｌとすると、時刻ｔから微小時間Δｔ経過した時刻（ｔ＋Δｔ）における水粒１１の温度上昇ΔＴｌは、次の式で求めることができる。
ΔＴｌ／Δｔ＝ｑ／（Ｃｌ・ρｌ・４／３・π・ｄ３／８）・・・（１７）
【００４５】
式（１７）によって、ある時刻ｔから微小時間Δｔ経過した時刻（ｔ＋Δｔ）における、水粒１１の温度をＴｌｔ＋Δｔとすると、Ｔｌｔ＋Δｔは、時刻ｔにおける水粒１１の温度Ｔｌｔを用いて、次の式で求めることができる。
Ｔｌｔ＋Δｔ＝Ｔｌｔ＋Δｔ・｛ｑ／（Ｃｌ・ρｌ・４／３・π・ｄ３／８）｝                                                                  ・・・（１８）
【００４６】
式（１８）を用いた次の手順［ｖ］〜［viii］の計算を行なえば、水粒１１の温度Ｔｌｔが１００（℃）になる時刻ｔ１００℃を求めることができる。
手順［ｖ］：時刻ｔ＝０におけるＴｌ０は、水粒１１の初期温度であり、既知である。式（１８）から、時刻ｔ＝０から微小時間Δｔ経過したとき（ｔ＋Δｔ）のＴｌ１（＝Ｔｌ０＋Δｔ）が求まる。
手順［vi］：手順［ｖ］で求まったＴｌ１を式（１８）における右辺のＴｌｔに代入し、Ｔｌ２（＝Ｔｌ１＋Δｔ）を求める。
手順［vii］：手順［vi］で求まったＴｌ２を式（１８）における右辺のＴｌｔに代入し、Ｔｌ３（＝Ｔｌ２＋Δｔ）を求める。
手順［viii］：手順［vii］において、Ｔｌｔ＋１（＝Ｔｌｔ＋Δｔ）を、式（１８）の右辺のＴｌｔに代入して、左辺のＴｌｔ＋１を得、Ｔｌｔ＋１を右辺のＴｌｔに再び代入する計算を繰り返せば、時刻ｔ＝０から任意のΔｔ経過した時の水粒１１の温度Ｔｌｔ＋Δｔを求めることができる。これにより、Ｔｌｔ＋Δｔが１００（℃）になる時刻ｔ１００℃を求める。
【００４７】
［条件（ii）：蒸発温度（１００℃）に達した後］
水粒１１の温度Ｔｌが蒸発温度まで達した後は、水粒１１に伝導される熱量は、水粒１１の蒸発に用いられるので、粒径ｄ（ｔ）は小さくなっていく。そこで、水粒１１に伝導される熱量により、微小時間Δｔ時間当たりの水粒１１の減少量（蒸発量）ＥＶを把握する必要がある。
【００４８】
微小時間Δｔ時間当たりの水粒１１の蒸発量ＥＶは、上記式（１６）で求まる熱量ｑ及び液滴の気化熱γ［ｋｃａｌ／ｋｇ］で表される次の式で求まる。
ＥＶ／Δｔ＝ｑ／γ                                  ・・・（１９）
ここで、液滴の気化熱γは、１００℃における水の場合には５３９．８［ｋｃａｌ／ｋｇ］となる。
【００４９】
また、微小時間Δｔ時間当たりの水粒１１の蒸発量ＥＶは、時刻ｔにおける粒径ｄ（ｔ）、及び、その時刻ｔから微小時間Δｔ経過後の時刻ｔ＋Δｔにおける粒径ｄ（ｔ＋Δｔ）を用い、かつ、水粒１１が球形であると仮定すれば、次の式で求まる。
ＥＶ／Δｔ＝π・ρｌ／６・｛（（ｄ（ｔ））３−（ｄ（ｔ＋Δｔ））３｝                                                                ・・・（２０）
上記式（１９）及び（２０）から、ｄ（ｔ＋Δｔ）とｄ（ｔ）との間には次の関係式が導かれる。
【００５０】
【数１０】
2016003350.tif 000012
【００５１】
上記式（２１）を用いた次の手順［ix］〜［xii］の計算を行なえば、水粒１１の温度Ｔｌｔが１００（℃）になった以降（時刻ｔ１００℃以降）の粒径ｄ（ｔ）を求めることができる。
手順［ix］：時刻ｔ１００℃において、水粒１１の粒径ｄ（ｔ）は、ｄｉｎｉである。
手順［ｘ］：ｄｉｎｉを式（２１）における右辺のｄ（ｔ）に代入し、ｄ（ｔ＋Δｔ）を求める。
手順［xi］：手順［ｘ］で求まったｄ（ｔ＋Δｔ）をｄ（ｔ）とし、式（２１）の右辺のｄ（ｔ）に代入し、左辺のｄ（ｔ＋Δｔ）を得る。
手順［xii］：得られたｄ（ｔ＋Δｔ）を右辺のｄ（ｔ）に代入して、左辺のｄ（ｔ＋Δｔ）得るという手順［xi］を繰り返して、粒径ｄ（ｔ＋Δｔ）が０になる時刻ｔまでは、水粒１１が存在することになり、その時刻ｔまでの粒径ｄ（ｔ）が求まる。また、水粒１１が存在する限界の時刻ｔが、最大経過間ｔｍａｘとなる。
【００５２】
上記手順［viii］で求まる時刻ｔ１００℃までは、粒径ｄ（ｔ）はｄｉｎｉであり、上記手順［xii］によって、粒径ｄ（ｔ）及び最大経過時間ｔｍａｘが求まり、これら及び前述の式（１５）より、任意の時刻ｔにおける質量ｍ及び変数Ｋを求めることができる。時刻ｔでの質量ｍ及び変数Ｋが明確になった上記式（１１）を用いて、前述の手順［ｉ］〜［iv］の計算を行なえば、任意の時刻ｔにおける速度Ｖｙ及び位置ｙを求めることができる。更には、質量ｍ及び変数Ｋが明確になった上記式（１２）を用いて、手順［ｉ］〜［iv］に類似した計算を行なえば、任意の時刻ｔにおける速度Ｖｘ及び位置ｘを求めることができる。
【００５３】
水粒１１の速度Ｖｌ及び傾斜角度θを変更した様々な条件で、水粒１１の速度Ｖｙ及び位置ｙを求め、位置ｙが、積層している高炉原料７の高さとなるときに、速度Ｖｙ（粒径ｄ）が０となる粒径ｄの初期値ｄｉｎｉを、水粒１１が高炉原料７に到達しないで消失する粒径ｄのうちの最大粒径ｄｍａｘとする。高炉原料７の高さが経時的に変化する（下がる）場合には、その経時変化を考慮して、ある時刻ｔにおける高炉原料７の高さをある程度推定しておき、推定した高さを、粒径ｄの初期値ｄｉｎｉを求めるときの高炉原料７の高さとすればよい。すなわち、高炉原料７の高さが経時的に下がる場合には、最大粒径ｄｍａｘは、経時的に大きくなっていく。また、水粒１１が噴射される方向を変更した状態で、散水ノズル２から水が噴霧されて形成される複数の水粒１１について、上記手順［ｉ］〜［xii］で示した計算を行なうことで、図１（ａ）に示すような水粒１１の軌跡や、図１（ｂ）に示すような、散水ノズル２から噴霧される水粒１１の散水範囲を求めることもできる。
【００５４】
式（７）及び（８）は、オイラー法と呼ばれる数値解法を適用することで導出されている。しかしながら、この数値解法に限らず、例えば、ルンゲクッタ法を適用し、前述のように水粒１１の温度上昇及び蒸発現象を考慮した上で、概ね手順［ｉ］〜［xii］で示した計算を行い、最大粒径ｄｍａｘを求めてもよい。
【００５５】
実際の操業における、散水ノズル２からの水粒１１の粒径ｄの初期値ｄｉｎｉは、あらかじめ設置前に炉外にて散水テストを実施してその落下挙動を測定することで算出することができる。測定したｄｉｎｉを最大粒径ｄｍａｘ以下とするように、開口面積や水の供給圧力を変更して、散水ノズル２を作動させればよい。
【００５６】
＜散水条件［２］＞
図１（ｂ）に示すように、水粒１１により覆われる面積の比率の基準となる水平断面として、高炉のストックライン５における水平断面を採用する。ストックラインとは、高炉の設計段階で定められており、通常の操業中は不変である高さを示すラインのことであり、通常は原料装入シュートを炉内へ垂直に降ろしたときの当該シュート先端から１．０〜１．５ｍ下のレベルと決められる。このストックラインは、操業中は不変であり、いずれの高炉においても予め決められているので、高炉の炉頂部において、散水される領域を決めるための基準の高さとして適している。
【００５７】
水粒１１の噴霧目標となる散水設定領域は、ストックラインでの水平断面において、高炉の半径Ｒとし、高炉の中心からの半径方向の位置をｒとしたときの、高炉の無次元半径（ｒ／Ｒ）で０．８５（Ｒ＝５ｍ以上の高炉が主流のため）以下となる領域とすることが好ましい。無次元半径（ｒ／Ｒ）で０．８５の位置は、高炉炉壁から炉内へ概ね０．８ｍの位置であり、ストックラインでの水平断面積のうち、高炉炉壁から炉内へ０．８ｍの位置で定まる円部分の内側の領域が、実質的に、散水設定領域と重なる。ストックラインでの水平断面において、その位置より内側を目標として水粒１１を噴霧すれば、水粒１１や、散水ノズル２の先端からの水漏れなどに起因する水、が炉壁へ付着することを防ぐことができる。炉下部で溶融した銑鉄やスラグが凝固し、原料が安定して降下することや溶融物が炉底へ滴下することが阻害されて、羽口が破損することを防止される。なお、炉壁側の一定範囲に水粒１１が滴下しなくても、炉壁側のガスは散水ノズル２近傍の水粒１１で冷却される上に、炉壁側のガスは、炉中心部のガス温度より比較的低いので、高炉操業上特段の問題はない。
【００５８】
また、ストックラインでの水平断面の面積（水平断面積）に対して、水粒１１により実際に覆われる面積（散水範囲の面積）の比率を６５％以上とするとともに、１つの散水ノズル２から水が噴霧されて形成される単一の散水範囲が２つ以上重なって形成される散水干渉領域の水平断面積が、ストックラインでの水平断面積の３０％以下となるようにする。これにより、散水による高炉の炉況悪化を抑止しつつ、炉頂設備や更に下流側のガス清浄設備の破損を防止することができる。各散水ノズル２の散水干渉領域を制限することで、水粒１１同士が接触し融合して、粒径が大きくなって蒸発遅れが発生し炉内表面を濡らすような可能性を抑えることができる。
【００５９】
散水範囲の面積の比率や散水干渉領域の水平断面積の比率を設定する場合には、＜散水条件［１］＞で記載した数値解析で求めた水粒１１の軌跡や散水範囲に基づく散水範囲や散水干渉領域の面積が、前述の比率を満たしている条件で、水を散水ノズル２から噴霧すればよい。あらかじめ散水ノズル２の設置前に炉外にて、高炉のストックラインでの水平断面積のうち、高炉炉壁から炉内へ０．８ｍの位置で定まる円部分の領域を模擬して、散水テストを実施することで、水粒の到達位置から、実際の操業における散水範囲や散水干渉領域を推定し、推定した散水範囲や散水干渉領域の断面積が前述の比率を満たすように、散水ノズル２を作動させることができる。
【００６０】
以上の散水条件を満たすように各散水ノズル２の形状や設置数、水を噴霧する方向・範囲や、散水ノズル２に供給する水の流量を調整する。これにより、必要最小限の散水で効率的に炉内ガス温度を冷却することができる。
【実施例】
【００６１】
図１に示す高炉１を減尺操業した。減尺操業の場合には、通常操業の場合より、高炉１に装入される高炉原料が少ないので、そのガスが、高炉原料とあまり熱交換されず、炉下部からのガスの温度が下がりにくい。また、炉頂部の温度が上がりやすいからといって、炉頂部のガス温度を下げるために炉頂部に冷却水を噴霧しすぎると、高炉原料が過冷却されるという可能性も高くなり、高炉を通常操業に立ち上げた後に、溶融スラグを排出するまでの必要な時間が長くなってしまう。すなわち、減尺操業の場合には、高炉操業にとって特に、炉頂部の冷却方法が重要となる。
【００６２】
この減尺操業では、最大粒径以下の粒径で、散水ノズル２から水を噴霧した。また、散水設定領域を、ストックライン５での水平断面において、高炉の無次元半径（ｒ／Ｒ）で０．８５以下となる領域とした。ストックライン５での水平断面積のうち、高炉炉壁から炉内へ０．８ｍの位置で定まる円部分の面積比率が６５％以上で、同時に、各散水ノズル２から散水範囲が重なる散水干渉領域の断面積の合計が、前記円部分の３０％以下となるように、散水ノズル２から水を噴霧して、高炉１を操業した（本発明例）。
【００６３】
本発明例では、散水ノズル２には、最大流量２５ｔ／ｈ（圧力０．２５ＭＰａ）、予め求めた最大粒径ｄｍａｘは０．８ｍｍであったので、初期状態の粒径を０．８ｍｍとした。この最大粒径ｄｍａｘは、ストックライン５に、高炉原料７の面があると想定して求めた値である。初期状態の粒径が０．８ｍｍの水粒１１が形成されるように散水ノズル２の開口面積を調整した。また、ストックライン５での水平断面積のうち、高炉炉壁から炉内へ０．８ｍの位置で定まる円部分の面積に対して、散水範囲の面積を６７．３％以上とし、同時に、散水干渉領域の合計面積の比率を２５％以下となるように、複数の散水ノズル２から水を噴霧した。
【００６４】
一方で、従来の通り、散水ノズル２から水を噴霧するものの、噴霧する水の量は適量とし、かつ、ストックライン５での水平断面の面積に対する、水粒１１により覆われる面積も考慮せずに、ノズルから水を噴霧して、高炉１を操業した（比較例）。この比較例では、最大流量３０ｔ／ｈ（圧力０．２５ＭＰａ）とし、水粒１１の初期状態の粒径を０．８ｍｍとなるように、開口面積を設定した散水ノズル２から水を噴霧した。但し、ストックライン５での水平断面積に対して、散水範囲の断面積が８０％程度となり、散水干渉領域の合計面積の比率が４０％程度となった。
【００６５】
また、本発明例と比較例とでは共に、ストックラインが２５ｍとなる高炉１で、このストックラインまで積層していた高炉原料７の面の高さを、少なくとも６ｍ（シャフト下部のレベル）になるまで、２１時間かけて下げる操業を行った。本発明例の操業では、累積散水量［トン］は、１５７０トンと少なくしたが、比較例の操業では、２３５３トンとした。本発明例と比較例との操業において、上昇管３で測定された平均炉頂ガス温度［℃］、累積散水量［トン］、及び、立ち上げ後の溶融スラグ排出までの経過時間［時間］を表１に示す。
【００６６】
【表１】
2016003350.tif 000013
【００６７】
表１からわかるように、本発明例では、比較例よりも少ない累積散水量［トン］にも拘らず、炉頂ガス温度が抑えられている。本発明例での散水方法で炉頂ガスを冷却して高炉を操業すると、炉頂ガス温度が抑えられ、かつ、過剰な炉内散水による急激な炉熱低下、羽口破損などの高炉操業上のトラブルを回避しつつ、高炉の減尺操業を行なうことができていることがわかる。
【００６８】
また、本発明例及び比較例ともに減尺操業が行なわれており、本発明例では、減尺操業後に、高炉を通常操業に立ち上げた後に、溶融スラグを排出するまでの必要な時間（立ち上げ後の溶融スラグ排出までの経過時間）は、６時間であったが、比較例では、２１時間掛かった。このことは、本発明例では、減らされた高炉原料７が水であまり冷却されなかったが、一方で、比較例では、高炉原料７が水で冷却され過ぎてしまい、温度がなかなか上がらない部分があり、溶けたスラグが順調に出てくるまでに余分な時間がかかってしまったことを意味している。すなわち、比較例では、炉頂部を冷却することを可能としたものの、減尺操業における高炉原料７を冷却させすぎてしまっており、一方で、本発明例では、減尺操業であっても、高炉原料７をあまり冷却しないで、炉頂部を効果的に冷却できていたことがわかる。
【００６９】
図３に、本発明例及び比較例の操業における、高炉原料７の上面とストックラインとの差（距離）や、炉頂散水量［トン／時］、炉頂ガス温度［℃］、及び、円部分に対する散水範囲や散水干渉領域の面積比率の経時変化のグラフを示す。比較例では、散水範囲が６５％以上を満たす時間帯が多いのにも拘わらず散水干渉領域も多くなってしまい、冷却効率が悪かった結果、炉頂ガス温度も高く、高炉原料７をより多く濡らしてしまったことがわかる。
【００７０】
更には、本発明例と比較例とを比較するとわかるように、本発明による高炉炉頂散水方法によって、少ない散水量で効率的に高炉炉頂ガスを冷却可能であり、更には、減尺操業においても、高炉原料をあまり冷却させることなく、効果的に炉頂部を冷却することが可能となったことがわかる。
【符号の説明】
【００７１】
１    高炉
２    散水ノズル
３    上昇管
４    原料装入シュート
５    ストックライン
６    鉄皮
７    高炉原料
１１  水粒
【図１】
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【図２】
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【図３】
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