JP6016549B2 - スラグ除去装置 - Google Patents

Description

本発明は、高炉設備に適用されるブローパイプ用のスラグ除去装置に係り、特に、補助燃料として低品位炭を粉砕した微粉炭を熱風とともに炉内へ吹き込むブローパイプに好適なスラグ除去装置に関する。

高炉設備は、高炉本体の内部に、頂部から鉄鉱石や石灰石や石炭等の原料を投入するとともに、側部の下方寄りの羽口から熱風及び補助燃料として微粉炭（ＰＣＩ炭）を吹き込むことにより、鉄鉱石から銑鉄を製造できるようになっている。
このような高炉設備において微粉炭の吹き込み運転をする際、微粉炭として亜瀝青炭や褐炭などの一般的に灰融点が１１００〜１３００℃程度と低い低品位炭を使用した場合には、微粉炭を炉内に吹き込むために使用する約１２００℃の熱風中に含まれる酸素と微粉炭の一部とが燃焼反応を示すことにより、この時に生じる燃焼熱で融点の低い灰（以下、「スラグ」と呼ぶ）がインジェクションランスや羽口内で溶解する。

こうして溶解したスラグは、高炉の温度から守るために常時冷却されている羽口と接触することで急激に冷却される。この結果、固体のスラグが羽口に付着することにより、ブローパイプの流路を詰まらせるという問題がある。

従来、送風羽口内周面あるいは断熱リング内周面に付着したスラグを除去する方法としては、下記の特許文献に記載されているような手法が知られている。
特許文献１に記載された手法は、羽口の炉外側端部から羽口内部に固球を打ち込むことでスラグを除去するものである。

また、特許文献２に開示された従来技術は、羽口の溶損防止策として用いた羽口閉塞材を除去するため、作業員が棒鋼等を開口窓から挿入して打ち抜くものである。
また、特許文献３に開示された従来技術は、羽口の溶損防止策として用いた羽口閉塞材を除去するため、削岩機を用いて閉塞材を貫通する先導孔を形成し、この後、先導孔に対してショットブラストにより研掃材を吹き付けることで残りを研掃するものである。

特開平６−１９２７１４号公報 特開平１１−５０１１５号公報 特開２００１−３４２５０８号公報

しかし、特許文献１に開示された手法は、必ずしも全ての固球がスラグに衝突するとは限らない。従って、スラグに衝突しない固球が存在すると、この固球がブローパイプ内面に直接衝突することもあるので、固球の衝突によりパイプ等を傷つけるという問題が懸念されている。なお、この特許文献１において、固球により破損するスラグの対象は、送風羽口及び断熱リングである。
また、特許文献２及び３に開示された手法は、人手による作業が欠かせないものであるから、作業性の面で問題がある。

このような背景から、高炉設備に適用されるブローパイプ用のスラグ除去装置は、パイプ破損等のリスクを低減し、できるだけ簡単な装置構成で容易かつ確実なスラグ除去を可能にすることが望まれる。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、パイプ破損等のリスクを低減し、簡単な装置構成で容易かつ確実にスラグ除去を達成できるブローパイプ用のスラグ除去装置を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係るスラグ除去装置は、鉄鉱石から銑鉄を製造する高炉本体の羽口から熱風とともに補助燃料の微粉炭を吹き込むブローパイプを備え、前記微粉炭のスラグに前記熱風及び／または前記微粉炭の燃焼熱により溶融する成分を含んでいるブローパイプ用のスラグ除去装置であって、前記ブローパイプ内のスラグ付着領域に向けて液体を噴射する液体噴射ノズルを設けたことを特徴とするものである。

このような本発明のブローパイプ用スラグ除去装置によれば、液体の蒸発潜熱を有効利用して付着したスラグを急冷し、固体のスラグを熱収縮により破壊して除去することができる。

上記の発明において、前記液体は可燃性液体である。これにより、スラグを急冷した可燃性液体が燃焼することにより、熱風を加熱することができる。

上記の発明において、前記液体噴射ノズルは、液体を供給するとともに開閉制御弁を備えた液体供給系と、前記スラグ付着領域のスラグ状況を検出するスラグ検出手段とを備え、前記スラグ検出手段で検出したスラグ付着量がスラグ除去閾値以上と判断した場合、前記開閉制御弁を開いて前記液体が噴射され、前記スラグ検出手段で検出したスラグ付着量がスラグ除去停止閾値より少ないと判断した場合、前記開閉制御弁を閉じて前記液体の噴射が停止されることが好ましく、これにより、スラグ付着量が多い必要時にのみ液体噴射ノズルから液体を噴射することができる。

上記の発明において、前記スラグ付着量の判断は、前記液体噴射ノズルより上流側の熱風圧力と、前記ブローパイプの出口近傍熱風圧力との差圧によりなされるので、スラグ付着量の増加により流路断面積が減少し、ブローパイプの圧力損失が増加していることを確実に検出できる。

上記の発明において、前記スラグ付着量が前記スラグ除去閾値より大きい値に設定されたアラーム出力閾値を備えていれば、液体噴射ノズルによるスラグ除去が予定通り行われていないことを検出できる。

上述した本発明のスラグ除去装置によれば、液体の蒸発潜熱を用いてスラグを急冷し、固体となって付着しているスラグを熱収縮により破壊して除去するので、固球等を用いてスラグ除去をする場合に懸念されていたパイプ破損等のリスクを低減し、ノズルから液体を噴射するという簡単な装置構成によって、容易かつ確実にスラグを除去することが可能になる。

この結果、亜瀝青炭や褐炭などのように灰融点が１１００〜１３００℃程度と低い低品位炭についても、これを原料炭とする改質などにより、補助燃料の微粉炭として使用可能となる。すなわち、補助燃料を吹き込む約１２００℃の熱風中に含まれる酸素が微粉炭と燃焼反応するので、この燃焼反応によって生じる燃焼熱で溶解した低融点のスラグが低温の羽口に接触して急冷されることで、固体のスラグとなって羽口に付着するような場合であっても、液体噴射により付着したスラグを容易に破壊・除去してブローパイプの流路が詰まることを防止できる。

本発明に係るスラグ除去装置の一実施形態を示す概略構成図である。 図１に示したスラグ除去装置の要部拡大図である。 図１に示したスラグ除去装置が適用される高炉設備の構成例を示す図である。

以下、本発明に係るスラグ除去装置の一実施形態を図面に基づいて説明する。
本実施形態のスラグ除去装置は、原料炭が低品位炭の微粉炭を羽口から高炉内に熱風とともに吹き込む高炉設備に用いられる。
例えば図３に示すような高炉設備において、鉄鉱石、石灰石及び石炭等の原料１は、原料定量供給装置１０から搬入コンベア１１を介して高炉本体２０の頂部に設けた炉頂ホッパ２１に供給される。高炉本体２０の下部側壁には、円周方向に略等ピッチで配設された複数の羽口２２を備えている。各羽口２２には、高炉本体２０の内部へ熱風２を供給するブローパイプ３０の下流側端部が連結されている。また、各ブローパイプ３０の上流側端部は、高炉本体２０の内部へ供給する熱風２の供給源である熱風送給装置４０と接続されている。

高炉本体２０の近傍には、原料炭（亜瀝青炭や褐炭等のような低品位炭）から石炭中の水分を蒸発させるなどの前処理（改質）を行い、この前処理後に低品位炭を粉砕して微粉炭とする微粉炭製造装置５０が設置されている。
微粉炭製造装置５０で製造された改質後の微粉炭（改質炭）３は、窒素ガス等の搬送ガス４によりサイクロンセパレータ６０へと気体搬送される。気体搬送された微粉炭３は、サイクロンセパレータ６０で搬送ガス４を分離した後、貯蔵タンク７０内に落下して貯蔵される。このような改質後の微粉炭３は、高炉本体２０の高炉吹込炭（ＰＣＩ炭）として使用される。

貯蔵タンク７０内の微粉炭３は、上述したブローパイプ３０のインジェクションランス（以下、「ランス」と呼ぶ）３１内へ供給される。この微粉炭３は、ブローパイプ３０を流れる熱風中に供給されることで燃焼し、ブローパイプ３０の先端で火炎となってレースウェイを形成する。これにより、高炉本体２０内に投入された原料１の中に含まれる石炭等を燃焼させる。この結果、原料１の中に含まれる鉄鉱石が還元され、銑鉄（溶銑）５となって出銑口２３から取り出される。

上述したランス３１からブローパイプ３０の内部へ供給されて高炉吹込炭となる微粉炭３の好適な性状は、すなわち、低品位炭を改質して粉砕した改質微粉炭（補助燃料）の好適な性状は、酸素原子含有割合（ドライベース）が１０〜１８重量％であり、かつ、平均細孔径が１０〜５０ｎｍ（ナノメートル）である。なお、改質微粉炭のより好ましい平均細孔径は、２０〜５０ｎｍ（ナノメートル）である。
このような微粉炭３は、含酸素官能基（カルボキシル基、アルデヒド基、エステル基、水酸基等）のタール生成基が離脱して大きく減少しているものの、主骨格（Ｃ，Ｈ，Ｏを中心とする燃焼成分）の分解（減少）が大きく抑制されている。このため、高炉本体２０の内部に羽口２２から熱風２とともに吹き込むと、主骨格中に酸素原子を多く含むとともに、径の大きい細孔によって、熱風２の酸素が炭の内部にまで拡散しやすいだけでなく、タール分が非常に生じにくくなっているので、未燃炭素（煤）をほとんど生じることなく完全燃焼することができる。

このような微粉炭３を製造（改質）するには、上述した微粉炭製造装置５０において、原料炭である亜瀝青炭や褐炭等の低品位炭（ドライベースの酸素原子含有割合：１８重量％超、平均細孔径：３〜４ｎｍ）を酸素濃度が５体積％以下の低酸素雰囲気中で加熱（１１０〜２００℃×０．５〜１時間）して乾燥する乾燥工程が実施される。

上述した乾燥工程で水分を除去した後、原料炭を低酸素雰囲気中（酸素濃度：２体積％以下）で再度加熱（４６０〜５９０℃（好ましくは、５００〜５５０℃）×０．５〜１時間）する乾留工程が実施される。この乾留工程により原料炭が乾留されることにより、生成水、二酸化炭素及びタール分が乾留ガスや乾留油として除去される。
この後、冷却工程に進んだ原料炭は、酸素濃度が２体積％以下の低酸素雰囲気中で冷却（５０℃以下）された後、微粉砕工程で微粉砕（粒径：７７μｍ以下（８０％パス））されることによって容易に製造される。

本実施形態では、例えば図１及び２に示すように、スラグ付着領域であるブローパイプ３０の内壁面や羽口２２及びその近傍の内壁面に付着したスラグＳの除去を目的として、ブローパイプ３０の内部に対して液体６を吹き込むための液体噴射ノズル８０が設けられている。この液体噴射ノズル８０は、液体の蒸発潜熱を有効利用してブローパイプ３０や羽口２２の付近に付着したスラグを急冷するものであり、例えばブローパイプ３０の内周面に沿って、円周方向に１または複数個が適宜設けられている。
この場合、液体噴射ノズル８０から噴射する好適な液体６としては、水または重油等の可燃性液体を例示できる。

液体噴射ノズル８０は、液体を噴射するノズル先端８１の出口開口が微粉炭３やスラグＳ等によって塞がれないようにするため、ブローパイプ３０の軸方向において微粉炭３を供給するランス３１の先端部３１ａと略一致する位置に設置されることが望ましい。この場合、液体噴射ノズル８０のノズル先端８１は、羽口２２の方向へ棒状の液体を噴射するノズル形状が好ましく、必要に応じて噴射方向を可変としてもよい。なお、ノズル先端８１の噴射方向を可変とする場合には、例えば液体の供給圧力を利用して揺動や旋回をさせるものがある。
また、液体噴射ノズル８０を設置する半径方向の位置は、熱風２の流路抵抗とならないように、そして、ブローパイプ３０の壁面に付着したスラグＳに向けて直射できるようにするため、ブローパイプ３０の壁面から近い位置が望ましい。

液体噴射ノズル８０は、液体供給源９０と液体供給配管９１を介して接続されている。この液体供給配管９１には、主な構成要素として、液体供給源９０内の液体を液体噴射ノズル８０へ圧送するための送出ポンプ９２と、開閉状態の切替操作によって液体噴射ノズル８０への液体供給（オン・オフ）を制御する制御弁９３と、が設けられている。
制御弁９３の開閉制御は、差圧計９４で計測した差圧ΔＰの値により行われる。この差圧計９４には、例えば熱風母管１００とブローパイプ３０の羽口２２近傍であるブローパイプ下流位置との差圧ΔＰを測定するように、２本の圧力導入管９４ａ，９４ｂが接続されている。

このように、液体噴射ノズル８０は、噴射する液体を供給するとともに制御弁（開閉制御弁）９３を備えた液体供給系と、スラグ付着領域のスラグ状況を検出する差圧計（スラグ検出手段）９４とを備えている。
そして、スラグ付着量が判断は、液体噴射ノズル８０より上流側の熱風圧力と、ブローパイプ３０の出口近傍熱風圧力との差圧によりなされる。

すなわち、ブローパイプ３０の内壁面や羽口２２の付近にスラグＳが付着していると、ブローパイプ３０の流路断面積低下により圧力損失が生じるので、熱風母管１００から供給されて高炉本体２０へ流出する熱風の流れには圧力低下が生じることとなる。従って、熱風母管１００に接続された圧力導入管９４ａと、ブローパイプ３０のブローパイプ下流位置に接続された圧力導入管９４ｂとにより、差圧計９４によりスラグ付着領域の前後に生じる熱風２の差圧ΔＰを計測し、差圧ΔＰの大小からスラグＳの付着状況を推測する。
こうして計測した差圧ΔＰは、予め定めた閾値との比較により、上述した制御弁９３の開閉操作に使用される。

以下では、差圧ΔＰの閾値と、差圧計９４で計測した差圧ΔＰに基づく制御弁９３の開閉制御について具体的に説明する。なお、制御弁９３が開となった状態では、液体噴射ノズル８０から液体を噴射するように、送出ポンプ９２の運転が起動される。
本実施形態では、二つの閾値、すなわち、閉状態の制御弁９３を開く第１の閾値（スラグ除去閾値）ＨＬと、開状態の制御弁９３を閉じる第２の閾値（スラグ除去停止閾値）ＬＬと、が設定されている。

換言すれば、第１の閾値（スラグ除去閾値）ＨＬは、スラグ検出手段の差圧計９４で検出したスラグ付着量がスラグ除去閾値以上と判断した場合、開閉制御弁として設けた制御弁９３を開いて液体を噴射するための閾値である。
また、第２の閾値（スラグ除去停止閾値）ＬＬは、スラグ検出手段の差圧計９４で検出したスラグ付着量がスラグ除去停止閾値より少ないと判断した場合、制御弁９３を閉じて液体の噴射を停止するための閾値である。
そして、スラグＳの付着がない運転開始時（初期設定時）には、制御弁９３が閉状態に設定されており、さらに、差圧計９４で検出した差圧ΔＰは第２の閾値ＬＬより低く、しかも、ほとんど差圧がない状態（ΔＰ≒０）となっている。

上述した初期設定時の状態から高炉設備の運転を継続すると、ブローパイプ３０や羽口２２において壁面にスラグＳが徐々に付着して堆積し、この結果、流路断面積の低下により流路抵抗も徐々に増加していく。従って、差圧計９４で検出した差圧ΔＰの値が増加して第１の閾値ＨＬに到達すると、これを検知した差圧計９４から制御弁９３の開信号が出力される。
この開信号により、制御弁９３が開とされ、同時に送出ポンプ９２も起動される。この結果、液体供給源９０内に貯蔵されている液体は、液体噴射ノズル８０よりブローパイプ３０の内部に向けて噴射されるので、噴射された液体が付着したスラグＳに当たると蒸発潜熱を奪って急冷する。この急冷により、ガラス状の固体で脆いスラグＳが急激に熱収縮するので、スラグＳは破損して壁面から除去される。すなわち、破損して比較的小さな塊となったスラグＳは、熱風２や液体の流れによって高炉本体２０の炉内へ除去される。

こうしてスラグＳが除去されると、流路断面積の増加に伴って流路抵抗が低下することになるので、差圧計９４で検出される差圧ΔＰも低下する。そして、差圧計９４で検出した差圧ΔＰが低下して第２の閾値ＬＬに到達すると、制御弁９３の閉信号が出力される。この閉信号により、制御弁９３が閉とされ、同時に送出ポンプ９２の運転も停止される。
なお、上述した第１の閾値ＨＬは、制御弁９３を開状態とする第２の閾値ＬＬとの間にヒステリシスを設けて制御弁９３の頻繁な開閉を防止するため、若干大きな値（ＨＬ＞ＬＬ）に設定されている。

このように、液体の蒸発潜熱を利用してスラグＳを急冷する液体噴射ノズル８０を設けたことにより、固球や研掃材を吹き込むブラスト等の供給設備が不要となる。また、水や可燃性液体等の液体は、噴射後に蒸気や燃焼ガスとなるので、スラグ除去後の後処理が極めて容易である。
特に、液体として重油等の可燃性液体を採用すれば、可燃性液体が燃焼することで熱風の温度をさらに上昇させることができる。

また、上述した実施形態では、閉状態の制御弁９３を開く第１の閾値ＨＬと、開状態の制御弁９３を閉じる第２の閾値ＬＬとの二つの閾値を設定しているが、さらに、第３の閾値ＨＨＬを設定してもよい。
第３の閾値ＨＨＬは、閉状態の制御弁９３を開く第１の閾値ＨＬより大きな設定値（ＨＨＬ＞ＨＬ）であり、この閾値ＨＨＬを超えた差圧ΔＰを検出した場合には、スラグＳの除去等に問題があると判断できる。従って、差圧ΔＰが第３の閾値ＨＨＬを超えた場合には、例えば高炉設備の制御室等にアラームを出力することで早急に必要な対応を実施できるようになるので、ブローパイプ３０の破損といった高炉設備の重大なトラブルを未然に防止することが可能になる。すなわち、第３の閾値ＨＨＬは、スラグ付着量が上述した第１の閾値（スラグ除去閾値）ＨＬより大きい値に設定されたアラーム出力閾値である。

このように、本実施形態のスラグ除去装置は、鉄鉱石から銑鉄を製造する高炉本体２０の羽口２２から熱風とともに補助燃料の微粉炭３を吹き込むブローパイプ３０を備え、微粉炭３のスラグに熱風及び／または微粉炭の燃焼熱により溶融する成分を含んでいるブローパイプ用であり、ブローパイプ３０内のスラグ付着領域に向けて液体を噴射する液体噴射ノズル８０が設けられている。

従って、液体噴射ノズル８０は、液体の蒸発潜熱を有効利用して付着したスラグを急冷し、固体のスラグを熱収縮により破壊して除去するスラグ除去装置となる。
この結果、微粉炭３の軟化点調整を行わなくても、付着したスラグＳを破壊して除去することができるので、ブローパイプ３０については、例えば羽口２２の摩耗寿命までメンテナンス期間の延長が可能となる。

ところで、上述した微粉炭３のスラグＳに含まれ、熱風２や微粉炭３の燃焼熱等によって溶融する成分、すなわち低融点のスラグ成分は、約１２００℃の熱風２を使用する場合の灰融点が概ね１１００〜１３００℃程度である。このような低融点のスラグ成分は、微粉炭３の原料炭として亜瀝青炭や褐炭などの低品位炭を用い、乾燥や乾留等の改質処理を施した改質炭にも含まれている。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

１ 原料
２ 熱風
３ 微粉炭（改質炭）
４ 搬送ガス
５ 銑鉄（溶銑）
６ 液体
１０ 原料定量供給装置
２０ 高炉本体
２１ 炉頂ホッパ
２２ 羽口
３０ ブローパイプ
３１ インジェクションランス（ランス）
４０ 熱風送給装置
５０ 微粉炭製造装置
６０ サイクロンセパレータ
７０ 貯蔵タンク
８０ 噴射ノズル
８１ ノズル先端
９０ 液体供給源
９２ 送出ポンプ
９３ 制御弁
９４ 差圧計
Ｓ スラグ（灰）

Claims (4)

1. 鉄鉱石から銑鉄を製造する高炉本体の羽口から熱風とともに補助燃料の微粉炭を吹き込むブローパイプを備え、前記微粉炭のスラグに前記熱風及び／または前記微粉炭の燃焼熱により溶融する成分を含んでいるブローパイプ用のスラグ除去装置であって、
   前記ブローパイプ内のスラグ付着領域に向けて可燃性液体を噴射する液体噴射ノズルを設けたことを特徴とするスラグ除去装置。
2. 前記液体噴射ノズルは、液体を供給するとともに開閉制御弁を備えた液体供給系と、前記スラグ付着領域のスラグ状況を検出するスラグ検出手段とを備え、
   前記スラグ検出手段で検出したスラグ付着量がスラグ除去閾値以上と判断した場合、前記開閉制御弁を開いて前記液体が噴射され、前記スラグ検出手段で検出したスラグ付着量がスラグ除去停止閾値より少ないと判断した場合、前記開閉制御弁を閉じて前記液体の噴射が停止されることを特徴とする請求項１に記載のスラグ除去装置。
3. 前記スラグ付着量の判断は、前記液体噴射ノズルより上流側の熱風圧力と、前記ブローパイプの出口近傍熱風圧力との差圧によりなされることを特徴とする請求項２に記載のスラグ除去装置。
4. 前記スラグ付着量が前記スラグ除去閾値より大きい値に設定されたアラーム出力閾値を備えていることを特徴とする請求項２または３に記載のスラグ除去装置。

Images