CN117295827A - 氧气高炉及氧气高炉的操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明即使在炉下部的热流比高的情况下，也确保高的铁水温度。氧气高炉(1)具备：炉体(2)，用于装入原料；及风口(3)，向炉体(2)内吹入送风气体及还原材料。送风气体具有50体积％以上的氧浓度，由下述式(1)表示的炉下部的热流比β为0.8以上，从形成于风口的前方的风口回旋区的前端至炉壁的距离D(m)与风口高度处的炉体半径R(m)之比(D/R)满足下述式(2)。β＝(C_pig+C_slag+C_coke)/C_gas…(1)，D/R＞0.13β+0.07…(2)，其中，C_pig是炉下部的铁水的热容量(W/K)，C_slag是炉下部的炉渣的热容量(W/K)，C_coke是炉下部的焦炭的热容量(W/K)，C_gas是炉下部的还原气体的热容量(W/K)。

Description

氧气高炉及氧气高炉的操作方法

技术领域

本发明涉及从风口向高炉内吹入氧，从炉顶产生氮含量少的高炉气体的氧气高炉和氧气高炉的操作方法。

背景技术

近年来的高炉期望运转台数的集中、用于缓和原料制约的炉体的小型化等，要求更高的生产性。因此，需要实施高出铁比下的操作。所谓出铁比，是1台高炉每一天出铁的量除以高炉的内部容积(从高炉内的风口水平到储备线的水平的容积)而得到的值，作为表示高炉的效率的指标使用。另外，以地球环境问题为背景，在炼铁厂也强烈要求节能、节省资源、抑制二氧化碳(CO₂)产生，因此在最近的高炉操作中，低还原材料比(低RAR)操作被强力地推进。

一般的高炉进行将在热风炉中产生的高温的空气从风口吹入炉内的操作。将这样的一般的高炉称为热风高炉。在热风高炉中，为了提高生产性，有时进行几vol％左右的富氧化。但是，风口的前方的氮的浓度为50vol％左右，氮不直接有助于铁矿石的还原，因此热风高炉的出铁比至多为2.0～3.0t/天(day)·m³左右。

与此相对，已知有通过从风口向炉内吹入常温的纯氧而能够进行高的出铁比下的操作的氧气高炉(例如，参照专利文献1、专利文献3)。氧气高炉由于在送风气体中不含氮，因此还原气体浓度高。因此，制造1t铁水所需的还原气体量变少，能够提高装入物的热容量与炉内气体的热容量之比(以下，表述为热流比)。由此，能够实现比热风高炉高的出铁比(例如4.0～6.0t/天(day)·m³)。

在高热流比下的操作中，难以发生从送风气体向装入物的传热，炉内的温度降低。在氧气高炉中，在炉的整体热流比变高，但若炉下部的热流比高，则从送风气体向铁水的传热变得不充分，铁水温度降低。因此，如专利文献3那样，即使在炉下部的热流比高的氧气高炉中，也确保了高的铁水温度。另外，虽然不是氧气高炉，但如非专利文献1及专利文献2那样，还已知有在热风高炉中根据风口回旋区深度或风口突出距离来控制炉热的技术。

在非专利文献1中公开了如下技术：在热风高炉中，通过提高风口风速来增大风口回旋区深度，从而抑制炉芯内的温度降低。在专利文献2中公开了如下技术：在热风高炉中，通过延长风口突出距离，从而不增大风口回旋区深度而抑制炉芯内的温度降低。在专利文献3中公开了通过吹入来自氧气高炉的炉身部的预热后的气体来控制炉热的技术。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开昭60-159104号公报

专利文献2：日本特开2007-046145号公报

专利文献3：日本特开昭63-171809号公报

非专利文献

非专利文献1：Y.Matsui,M.Shimizu,K.Nozawa,K.Shibata and R.Ito:CAMP-ISIJ,12(1999),632.

发明内容

发明所要解决的课题

非专利文献1和专利文献2是用于热风高炉的技术，能够进行如热风高炉那样炉下部的热流比低的情况下的炉热控制。因此，认为能够在某种程度上改善对铁水的传热效率。但是，非专利文献1及专利文献2以炉芯温度等炉热控制为主要目的，看不到显著改善对铁水的传热效率的效果。而且，非专利文献1和专利文献2仅将炉下部的热流比低的高炉作为对象，因此在应用于如氧气高炉那样炉下部的热流比高的高炉的情况下，无法得到充分的传热效率改善效果。根据以上的理由，即使使用非专利文献1及专利文献2的技术，也无法在氧气高炉中得到与热风高炉相同程度的高的铁水温度。另外，专利文献3是用于氧气高炉的技术，能够使炉身部附近、即炉上部的热流比降低。然而，由于炉下部的热流比高，因此无法充分改善对铁水的传热效率，无法得到与热风高炉相同程度的高的铁水温度。

本发明是鉴于上述课题而完成的，其目的在于提供一种即使在炉下部的热流比高的情况下也能够确保高的铁水温度的氧气高炉及氧气高炉的操作方法。

用于解决课题的技术方案

[1]一种氧气高炉，具备：炉体，用于装入原料；及风口，向所述炉体内吹入送风气体及还原材料，其中，

所述送风气体具有50体积％以上的氧浓度，

由下述式(1)表示的炉下部的热流比β为0.8以上，

从形成于所述风口的前方的风口回旋区的前端至炉壁的距离D(m)与风口高度处的炉体半径R(m)之比(D/R)满足下述式(2)，

β＝(C_pig+C_slag+C_coke)/C_gas…(1)

D/R＞0.13β+0.07…(2)

其中，C_pig是炉下部的铁水的热容量(W/K)，C_slag是炉下部的炉渣的热容量(W/K)，C_coke是炉下部的焦炭的热容量(W/K)，C_gas是炉下部的还原气体的热容量(W/K)。

[2]在[1]所述的氧气高炉中，比D/R满足下述的式(3)，

D/R＞0.15β+0.07…(3)。

[3]在[1]或[2]所述的氧气高炉中，炉下部的热流比β为1.4以下。

[4]在[1]至[3]中任一项所述的氧气高炉中，比D/R为0.30以下。

[5]在[1]至[4]中任一项所述的氧气高炉中，从所述炉体放出的铁水的铁水温度大于1520℃。

[6]一种氧气高炉的操作方法，使用[1]至[5]中任一项所述的氧气高炉进行操作。

发明的效果

根据本发明的氧气高炉及氧气高炉的操作方法，即使在炉下部的热流β为0.8以上，通过使从形成于风口的前方的风口回旋区的前端至炉壁的距离D与风口高度处的炉体半径R的比D/R处于式(2)的范围内，也能够确保高的铁水温度。

附图说明

图1是表示本发明的氧气高炉的优选实施方式的立体图。

图2是表示进行图1的氧气高炉的模型实验的设备的一例的示意图。

图3是表示通过模型实验求出的传热效率η与比D/R之间的关系的曲线图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。图1是表示本发明的氧气高炉的优选实施方式的立体图。图1的氧气高炉1具备：炉体2，用于装入原料；及风口3，向炉体2内吹入送风气体及还原材料。在炉体2中，从炉顶部装入烧结矿、铁矿石、焦炭、石灰石、颗粒等原料。

风口3设置于作为炉下部的炉体2的炉腹部，将送风气体和还原材料吹入炉体2内。当从风口3吹入送风气体及还原材料时，在风口3的前方形成有风口回旋区RW。送风气体具有50体积％以上的氧浓度，优选氧浓度为100％。送风气体中的氧与炉内的焦炭或从风口3吹入的还原材料反应而成为CO气体，该CO气体将铁矿石还原。另外，为了使风口前端温度为适当温度，也可以与纯氧一起吹入天然气、丙烷气体、焦炉煤气(C气体)或生物气体等。

还原材料由固体还原材料或气体还原材料、或者固体还原材料与气体还原材料的混合材料构成。此外，还原材料只要是具有还原作用的物质就不限定于此，例如可以使用煤粉、废塑料等，也可以是粒状或粉状等中的任一种。在使用气体还原材料作为还原材料的情况下，只要是具有还原作用的物质就没有特别限定，例如优选使用一氧化碳、氢、甲烷等烃、甲醇等醇，其中优选使用甲烷等烃。这是因为，烃在与O₂反应而生成CO时发热，因此能够减少高炉的还原材料比(RAR)。

在此，为了减少制造1t铁水所需的送风气体量并得到高的出铁比，需要使炉下部的热流比β为0.8以上。炉下部的热流比β能够由下述式(1)表示。此外，热流比β优选为1.4以下。这是因为，在热流比β超过1.4的情况下，需要使后述的式(2)的比D/R超过0.25，在比D/R超过0.25时，在炉内上升的气体速度上升，随之通气性恶化。

β＝(C_pig+C_slag+C_coke)/C_gas…(1)

其中，

C_pig：炉下部的铁水的热容量(W/K)

C_slag：炉下部的炉渣的热容量(W/K)

C_coke：炉下部的焦炭的热容量(W/K)

C_gas：炉下部的还原气体的热容量(W/K)。

此外，为了得到高的出铁比，除了使热流比β为0.8以上之外，还需要使氧浓度为50体积％以上。即，一般而言，提高出铁比时，装入物滞留在炉内的时间变短，因此在炉内进行铁矿石的还原反应的时间也变短。因此，如果在氧浓度小于50体积％的状态下不提高还原速度而要提高出铁比，则铁矿石的还原变得不充分。另一方面，通过将氧浓度设为50体积％以上，铁矿石的还原速度提高，即使滞留在炉内的时间变短，也能够将铁矿石充分还原。因此，通过将氧浓度设为50体积％来提高还原速度，提高出铁比。

并且，将从风口回旋区RW的前端至炉壁的距离D(m)与风口3的高度位置处的炉体半径R(m)的比D/R设为下述式(2)的范围。通过使比(D/R)在下述的范围，即使炉下部的热流比β为0.8以上，也能够得到高的铁水温度。更优选比D/R在下述式(3)的范围内。此外，距离D是指风口回旋区RW的深度D_R(m)与从炉壁突出的风口3的长度D_L(m)的总计(D＝D_R+D_L)。

D/R＞0.13β+0.07…(2)

D/R＞0.15β+0.07…(3)

以下，对上述的式(2)、(3)的导出方法进行说明。首先，如下述式(4)～(6)那样定义无量纲铁水温度θ_pig、out、传热效率η以及气体带入热量H_gas。

θ_pig、out＝(T_pig、out－T_pig、in)/(T_gas、in－T_pig、in)…(4)

η＝H_{pig、slag、coke}/H_gas…(5)

H_gas＝C_gas×(T_gas、in－T_pig、in)…(6)

其中，

T_pig、out：放出的铁水温度(℃)

T_pig、in：铁水开始滴下时的铁水的温度(℃)

T_gas、in：通过从风口供给的送风气体与还原材料及焦炭的燃烧反应而在风口前端生成的气体的温度(℃)

H_{pig、slag、coke}：从送风气体向铁水、炉渣和焦炭的总计传热量(W)

H_gas：在风口处生成的气体的带入热量(W)。

若视为炉渣及焦炭的温度与铁水的温度大致相同，则总计传热量H_{pig、slag、coke}(W)可由下述式(7)表示。

H_{pig、slag、coke}＝(C_pig+C_slag+C_coke)×(T_pig、out－T_pig、in)…(7)

根据上述式(2)、(4)～(7)，无量纲铁水温度θ_pig、out、传热效率η和炉下部的热流比β之间的关系如下述式(8)所示。

θ_pig、out＝η/β…(8)

在此，高的铁水温度T_pig、out是指大于1520℃，进而更优选大于1540℃。如果铁水温度T_pig、out＞1520℃，则能够抑制由粘度的上升引起的出铁比的降低。作为氧气高炉1的一般的操作条件，在T_pig、in＝1400℃、T_gas、in＝2000℃的情况下，为了设为铁水温度T_pig、out＞1520℃，需要根据式(4)设为无量纲铁水温度θ_pig、out＞0.20。这意味着在式(8)中，只要以满足η/β＞0.20的方式提高传热效率η即可。此外，在铁水温度T_pig、out＞1540℃的情况下，相当于无量纲铁水温度θ_pig、out＞0.23，只要满足η/β＞0.23即可。

接着，基于模型实验求出用于使热流比β≥0.8且设为满足η/β＞0.20的传热效率η的操作条件。模型实验的方法如下所述。制作模拟了氧气高炉1的炉下部的丙烯酸容器。丙烯酸容器的尺寸为宽度400mm或240mm、进深100mm、高度400mm。由于丙烯酸容器为长方体，因此风口高度处的炉体半径R＝240mm或400mm。在丙烯酸容器内，为了模拟堆积在炉内而不动的焦炭粒子，填充了直径4mm的聚乙烯粒子。在该丙烯酸容器的侧面安装风口而供给空气(T_gas、in＝50℃)。另外，作为模拟从炉上部供给的铁水、炉渣和焦炭的物质，供给硅油(T_pig、in＝20℃)。此外，在实际的氧气高炉1中，供给铁水、炉渣和焦炭这3种，但在本实验中，认为炉渣和焦炭与铁水的温度大致相同，全部用硅油模拟铁水、炉渣和焦炭这3种。

在模型实验中，通过在丙烯酸容器的下部的热流比β为0.6～1.4的范围内以气体和硅油的流量进行实验，能够再现实际的氧气高炉中的炉下部的热流比β为0.8以上的现象。距离D通过将实验中形成于风口的前方的风口回旋区RW的深度D_R与风口3的长度D_L相加而计算出。另外，为了使风口回旋区RW的深度D_R的值变化，以在风口的前方设置金属网而模拟地形成风口回旋区RW这样的条件也进行了实验。在下述表1中示出实验结果。

[表1]

实验结果	1	2	3	4	5	6
							热流比β	1.32	1.32	1.32	0.66	066	0.66
半径R(×103-m)	0.40	0.24	0.40	0.40	0.24	0.40
							距离D(×10-3m)	0.06	0.06	0.15	0.08	0.08	0.16
比D/R	0.15	0.25	0.38	0.20	0.33	0.40
							传热效率η	0.15	0.26	0.49	0.23	0.28	0.60

在表1中，通过模型实验，测定从下部流出的硅油的温度T_pig、out，使用上述式(5)和式(6)计算出传热效率η。图3是表示通过模型实验求出的η与比D/R之间的关系的曲线图。由该曲线图得到下述式(9)的关系。

η＝1.56×(D/R)-0.11…(9)

根据式(9)和η/β＞0.20这样的关系式，得到上述式(2)。另外，根据式(9)和η/β＞0.23这样的关系式，得到式(3)。

此外，比D/R优选为0.30以下，进一步更优选为0.25以下。这是因为，如果D/R过大，则在炉内上升的气体速度提高，随之通气性恶化。

通过以满足这样得到的式(2)或式(3)的方式设定氧气高炉1的操作时的比D/R，即使β为0.8以上，也能够确保高的铁水温度。比D/R通过调整炉体半径R、风口3的长度D_L、风口回旋区深度D_R中的任一个而变化。特别是在通过风口回旋区深度D_R控制比D/R的情况下，如下述那样通过控制从风口3向炉内吹入的送风气体以及还原材料的流量等来进行。

首先，在设风口直径为D_T(m)、弗劳德数为Fr时，通过下述式(10)计算出氧气高炉1中的风口回旋区深度D_R。

D_R/D_T＝0.521×(Fr)^0.8…(10)

弗劳德数Fr由下述式(11)表示。

Fr＝(ρf/ρP)^1/2×U/(g×d)^1/2…(11)

此外，在上述式(11)中，ρf为炉腹气体密度(kg/m³)且是高温气体中的气体密度、ρP为焦炭粒子的表观密度(kg/m³)，U为炉腹气体流速(m/sec)，d为焦炭粒子的调和平均粒径(m)，g为重力加速度(＝9.81m/sec²)。式(11)中的炉腹气体流速U(m/sec)通过下述(12)式算出。

U＝V/(π×D_T ²/4)…(12)

此外，在上述式(12)中，V是每1个风口的炉腹气体流量(m³/sec)，是从风口3吹入到风口回旋区RW内的送风气体及还原材料、和还原材料及风口3的前方的焦炭在风口回旋区RW中燃烧而引起气化反应，成为仅由CO、H₂、N₂构成的高温气体并进行了换算的情况下的体积流量。

在式(11)和式(12)中，只要知道从风口3吹入的送风气体和还原材料的温度、组成、流量和炉腹气体变化时的发热量、风口回旋区RW内的压力，就能够计算出炉腹气体流量V和炉腹气体密度ρf。能够利用在设置风口3的高度处设置炉内压力计而得到的测定值来代替风口回旋区RW内的压力。或者，也可以将向风口3吹入的送风气体的原始压力作为基准，将计算并减去向风口的流通路径的压力损失而得到的数值作为风口回旋区RW内的压力。焦炭粒子的表观密度ρP可以使用李氏比重瓶法、液体中称量法或简易阿基米德法来测定。

因此，在操作图1的氧气高炉时，基于式(10)～(12)算出风口回旋区深度D_R，使用算出的风口回旋区深度D_R和已知的炉体半径R及风口3的突出量D_L求出比D/R。然后，以所求出的比D/R满足式(2)或式(3)的方式调整从风口3吹入的送风气体及还原材料的流量等。通过这样的氧气高炉的操作方法，即使炉下部的热流比β为0.8以上，也能够确保高的铁水温度。

实施例1

在上述模型实验中，将使氧浓度、炉下部的热流比β、距离D、炉体半径R变化时的铁水温度T_pig、out示于下述表2。

[表2]

在表1中，实施例1～实施例4满足本发明的范围，热流比β为0.8以上，同时能够得到1520℃以上的铁水温度T_pig、out。另一方面，比较例1是热风高炉的规格，氧浓度小于50体积％，因此炉下部的热流比β小于0.8，无法得到高出铁比。而且，比较例5虽然也与热风高炉相比提高了氧浓度，但氧浓度小于50体积％，因此炉下部的热流比β小于0.8，无法得到高出铁比。比较例2～4为氧气高炉的规格，炉下部的热流比β为0.8以上。但是，比D/R不满足式(2)，铁水温度T_pig、out小于1520℃。比较例6的氧浓度为50体积％以上，铁水温度_pig、out也为1520℃以上，但炉下部的热流比β小于0.8，因此无法得到高的出铁比。比较例7的炉下部的热流比β为0.8以上，但氧浓度小于50体积％，因此无法得到高出铁比。另外，比较例7无法进一步提高出铁量，因此无法将炉体半径R缩小至满足式(2)的范围，也无法得到1520℃以上的铁水温度T_pig、out。

标号说明

1 氧气高炉

2 炉体

3 风口

D 距离

D/R 比

R 炉体半径

RW 风口回旋区

T_pig、out 铁水温度

β 炉下部的热流比

η 传热效率。

Claims (6)

1.一种氧气高炉，具备：炉体，用于装入原料；及风口，向所述炉体内吹入送风气体及还原材料，其中，

所述送风气体具有50体积％以上的氧浓度，

由下述式(1)表示的炉下部的热流比β为0.8以上，

从形成于所述风口的前方的风口回旋区的前端至炉壁的距离D(m)与风口高度处的炉体半径R(m)之比(D/R)满足下述式(2)，β＝(C _pig+C _slag+C _coke)/C _gas…(1)

D/R＞0.13β+0.07…(2)

其中，C _pig是炉下部的铁水的热容量(W/K)，C _slag是炉下部的炉渣的热容量(W/K)，C_coke是炉下部的焦炭的热容量(W/K)，C _gas是炉下部的还原气体的热容量(W/K)。

2.根据权利要求1所述的氧气高炉，其中，

比D/R满足下述的式(3)，

D/R＞0.15β+0.07…(3)。

3.根据权利要求1或2所述的氧气高炉，其中，

炉下部的热流比β为1.4以下。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的氧气高炉，其中，

比D/R为0.30以下。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的氧气高炉，其中，

从所述炉体放出的铁水的铁水温度大于1520℃。

6.一种氧气高炉的操作方法，使用权利要求1至5中任一项所述的氧气高炉进行操作。