知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024085078
(43)【公開日】2024-06-26
(54)【発明の名称】高炉の操業方法
(51)【国際特許分類】
C21B 5/00 20060101AFI20240619BHJP
【ＦＩ】
C21B5/00 321
C21B5/00 319
C21B5/00 311
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022199415
(22)【出願日】2022-12-14
(71)【出願人】
【識別番号】000006655
【氏名又は名称】日本製鉄株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100087398
【弁理士】
【氏名又は名称】水野 勝文
(74)【代理人】
【識別番号】100128783
【弁理士】
【氏名又は名称】井出 真
(74)【代理人】
【識別番号】100128473
【弁理士】
【氏名又は名称】須澤 洋
(72)【発明者】
【氏名】中野 薫
【テーマコード（参考）】
4K012
【Ｆターム（参考）】
4K012BC03
4K012BE01
4K012BE06
4K012BF04
(57)【要約】
【課題】コークス比、微粉炭比及び水素系還元ガスの吹込量の配分を適切に調整することにより、プロセス全体の熱バランスを満たしながら、高い炭素消費削減効果を得る。
【解決手段】羽口から水素系還元ガスを吹き込む高炉の操業方法において、高炉内の炭素削減率の目標値である目標炭素削減率を達成するための還元材設定工程を有し、前記還元材設定工程において、水素系還元ガスの吹込量、コークス比及び微粉炭比を設定することを特徴とする、高炉の操業方法。
【選択図】図２
【解決手段】羽口から水素系還元ガスを吹き込む高炉の操業方法において、高炉内の炭素削減率の目標値である目標炭素削減率を達成するための還元材設定工程を有し、前記還元材設定工程において、水素系還元ガスの吹込量、コークス比及び微粉炭比を設定することを特徴とする、高炉の操業方法。
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
羽口から水素系還元ガスを吹き込む高炉の操業方法において、
高炉内の炭素削減率の目標値である目標炭素削減率を達成するための還元材設定工程を有し、
前記還元材設定工程において、水素系還元ガスの吹込量、コークス比及び微粉炭比を設定する
ことを特徴とする、高炉の操業方法。
高炉内の炭素削減率の目標値である目標炭素削減率を達成するための還元材設定工程を有し、
前記還元材設定工程において、水素系還元ガスの吹込量、コークス比及び微粉炭比を設定する
ことを特徴とする、高炉の操業方法。
【請求項2】
前記還元材設定工程は、
水素系還元ガスの吹込量を設定するガス吹込量設定工程と、
前記ガス吹込量設定工程で設定された吹込量に基づいて水素系還元ガスを吹き込む吹込条件において、前記目標炭素削減率を達成するためのコークス比及び微粉炭比を設定する、コークス比・微粉炭比設定工程と、
を有することを特徴とする、請求項１に記載の高炉の操業方法。
水素系還元ガスの吹込量を設定するガス吹込量設定工程と、
前記ガス吹込量設定工程で設定された吹込量に基づいて水素系還元ガスを吹き込む吹込条件において、前記目標炭素削減率を達成するためのコークス比及び微粉炭比を設定する、コークス比・微粉炭比設定工程と、
を有することを特徴とする、請求項１に記載の高炉の操業方法。
【請求項3】
前記還元材設定工程において、少なくとも出銑量、炉頂ガス温度及び溶銑温度が基準操業と同一となるように、水素系還元ガスの吹込量、コークス比及び微粉炭比を設定する
ことを特徴とする、請求項１または２に記載の高炉の操業方法。
ことを特徴とする、請求項１または２に記載の高炉の操業方法。
【請求項4】
前記還元材設定工程において、
少なくとも出銑量、炉頂ガス温度及び溶銑温度が基準操業と同一となるように求められた、所定のガス吹込量におけるコークス比と高炉内の炭素削減率との関係を、第１関係情報として準備するとともに、
少なくとも出銑量、炉頂ガス温度及び溶銑温度が基準操業と同一となるように求められた、所定のガス吹込量におけるコークス比と微粉炭比との関係を、第２関係情報として準備し、
前記ガス吹込量設定工程で設定された吹込量における前記第１関係情報が、コークス比が増加するにつれて高炉内の炭素削減率が増加する単調増加関数である場合、
前記コークス比・微粉炭比設定工程は、微粉炭比を０に設定するとともに、前記ガス吹込量設定工程で設定された吹込量に対応した前記第２関係情報における、微粉炭比が０であるときのコークス比を設定すべきコークス比として設定する
ことを特徴とする、請求項２に記載の高炉の操業方法。
少なくとも出銑量、炉頂ガス温度及び溶銑温度が基準操業と同一となるように求められた、所定のガス吹込量におけるコークス比と高炉内の炭素削減率との関係を、第１関係情報として準備するとともに、
少なくとも出銑量、炉頂ガス温度及び溶銑温度が基準操業と同一となるように求められた、所定のガス吹込量におけるコークス比と微粉炭比との関係を、第２関係情報として準備し、
前記ガス吹込量設定工程で設定された吹込量における前記第１関係情報が、コークス比が増加するにつれて高炉内の炭素削減率が増加する単調増加関数である場合、
前記コークス比・微粉炭比設定工程は、微粉炭比を０に設定するとともに、前記ガス吹込量設定工程で設定された吹込量に対応した前記第２関係情報における、微粉炭比が０であるときのコークス比を設定すべきコークス比として設定する
ことを特徴とする、請求項２に記載の高炉の操業方法。
【請求項5】
前記還元材設定工程において、
少なくとも出銑量、炉頂ガス温度及び溶銑温度が基準操業と同一となるように求められた、所定のガス吹込量におけるコークス比と高炉内の炭素削減率との関係を、第１関係情報として準備するとともに、
少なくとも出銑量、炉頂ガス温度及び溶銑温度が基準操業と同一となるように求められた、所定のガス吹込量におけるコークス比と微粉炭比との関係を、第２関係情報として準備し、
前記ガス吹込量設定工程で設定された吹込量における前記第１関係情報が、コークス比が増加するにつれて高炉内の炭素削減率が増加する単調増加部分と、コークス比が増加するにつれて高炉内の炭素削減率が減少する単調減少部分と、を有する関数である場合、
前記目標炭素削減率は、炭素削減率の最大値であり、
前記コークス比・微粉炭比設定工程におけるコークス比設定工程は、
それぞれの吹込量に対応する前記第１関係情報ごとに、高炉内の最大炭素削減率に対応するコークス比であるピークコークス比を求める、ピークコークス比設定工程と、
前記ピークコークス比設定工程において求めたピークコークス比に基づいて、前記目標炭素削減率を達成するためのコークス比を求める予測式を算出する予測式算出工程と、
前記予測式に基づき、前記ガス吹込量設定工程で設定された吹込量における前記目標炭素削減率を達成するためのコークス比を算出するコークス比算出工程と、
を備え、
前記コークス比・微粉炭比設定工程における微粉炭比設定工程は、前記ガス吹込量設定工程で設定された吹込量における前記第２関係情報から、前記コークス比算出工程で算出されたコークス比に対応する微粉炭比を求める
ことを特徴とする、請求項２に記載の高炉の操業方法。
少なくとも出銑量、炉頂ガス温度及び溶銑温度が基準操業と同一となるように求められた、所定のガス吹込量におけるコークス比と高炉内の炭素削減率との関係を、第１関係情報として準備するとともに、
少なくとも出銑量、炉頂ガス温度及び溶銑温度が基準操業と同一となるように求められた、所定のガス吹込量におけるコークス比と微粉炭比との関係を、第２関係情報として準備し、
前記ガス吹込量設定工程で設定された吹込量における前記第１関係情報が、コークス比が増加するにつれて高炉内の炭素削減率が増加する単調増加部分と、コークス比が増加するにつれて高炉内の炭素削減率が減少する単調減少部分と、を有する関数である場合、
前記目標炭素削減率は、炭素削減率の最大値であり、
前記コークス比・微粉炭比設定工程におけるコークス比設定工程は、
それぞれの吹込量に対応する前記第１関係情報ごとに、高炉内の最大炭素削減率に対応するコークス比であるピークコークス比を求める、ピークコークス比設定工程と、
前記ピークコークス比設定工程において求めたピークコークス比に基づいて、前記目標炭素削減率を達成するためのコークス比を求める予測式を算出する予測式算出工程と、
前記予測式に基づき、前記ガス吹込量設定工程で設定された吹込量における前記目標炭素削減率を達成するためのコークス比を算出するコークス比算出工程と、
を備え、
前記コークス比・微粉炭比設定工程における微粉炭比設定工程は、前記ガス吹込量設定工程で設定された吹込量における前記第２関係情報から、前記コークス比算出工程で算出されたコークス比に対応する微粉炭比を求める
ことを特徴とする、請求項２に記載の高炉の操業方法。
【請求項6】
前記予測式は、水素系還元ガスの吹込量とコークス比との関係式である
ことを特徴とする、請求項５に記載の高炉の操業方法。
ことを特徴とする、請求項５に記載の高炉の操業方法。
【請求項7】
前記予測式算出工程において、前記予測式は、前記ピークコークス比設定工程において前記第１関係情報ごとに設定されたピークコークス比と、高炉の実操業で想定される炭素削減率の予測変動幅と、に基づいて算出される
ことを特徴とする、請求項６に記載の高炉の操業方法。
ことを特徴とする、請求項６に記載の高炉の操業方法。
【請求項8】
前記第１及び第２関係情報を、高炉数学モデルにより求める
ことを特徴とする請求項４又は５に記載の高炉の操業方法。
ことを特徴とする請求項４又は５に記載の高炉の操業方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、羽口を有する高炉の操業方法に関する。
【背景技術】
【0002】
銑鉄を製造する製銑工程では、鉱石原料及びコークスを高炉内に交互に層状に装入し、羽口から微粉炭とともに熱風を吹き込むことによって、鉱石原料を還元する処理が行われる。
【0003】
ここで、微粉炭は、一般的に燃焼速度が遅いため、炉内に吹き込まれたときに未燃チャー等の未燃物が生成される場合がある。この未燃物が炉内に蓄積されると、高炉の安定操業が阻害される。そこで、着火が早く燃焼性に優れた気体状の還元材（気体還元材）を、微粉炭とともに高炉内に吹き込むことによって、微粉炭の燃焼を促進させる高炉の操業方法が種々提案されている。
【0004】
特許文献１には、１０～８０ｋｇ／ｔに調整された気体還元材と、５０～１５０ｋｇ／ｔに調整された微粉炭と、を羽口から吹き込む高炉の操業方法が開示されている。特許文献１によれば、気体還元材と微粉炭との混焼によって、炉内の燃焼性を改善することができる。
【0005】
近年、地球温暖化を抑制する観点から、高炉における炭素消費量を減らし、製鉄所内で発生するＣＯ２を削減することが求められている。
【0006】
その解決策として、高炉の羽口から水素系還元ガスを吹き込む操業方法が検討されている。「水素系還元ガス」には、ＣＯＧ（コークス炉から排出されるコークス炉ガス）や都市ガス、天然ガス、ＬＰＧ、メタンガス、水素ガス等が含まれる。水素系還元ガスを羽口から吹き込むことで発生する水素ガスによって鉱石原料の還元が促進されるため、コークス比（溶銑１ｔを製造するのに必要なコークスの質量）及び微粉炭比（溶銑１ｔを製造するのに必要な微粉炭の質量）を低減することができ、高炉における炭素消費量を削減することができる。
【0007】
ここで、羽口から水素系還元ガスを吹き込む操業方法では、以下の（１）～（３）に示す理由により、羽口前温度が低下する。
（１）水素系還元ガスには、炭化水素（ＣＨ４、Ｃ２Ｈ４、Ｃ２Ｈ６等）が含まれており、炉内に水素系還元ガスが吹き込まれると、熱分解により水素及びＣＯが生成され、熱分解時に熱エネルギーが消費されるため、羽口前温度が低下する。
（２）通常の高炉操業では、常温の水素系還元ガスが吹き込まれるため、羽口前の熱エネルギーが水素系還元ガスの昇温に用いられ、羽口前温度が低下する。
（３）羽口から高炉に吹き込まれた微粉炭の熱分解に熱エネルギーが使われるため、羽口前温度が低下する。
羽口前温度が低下すると、微粉炭が燃焼不良となり、高炉の安定操業が阻害されるおそれがある。なお、羽口前温度とは、羽口の炉内側先端部における炉内温度のことであり、公知の計算法（例えばラムの計算式）に基づき理論燃焼温度として算出することができる。
（１）水素系還元ガスには、炭化水素（ＣＨ４、Ｃ２Ｈ４、Ｃ２Ｈ６等）が含まれており、炉内に水素系還元ガスが吹き込まれると、熱分解により水素及びＣＯが生成され、熱分解時に熱エネルギーが消費されるため、羽口前温度が低下する。
（２）通常の高炉操業では、常温の水素系還元ガスが吹き込まれるため、羽口前の熱エネルギーが水素系還元ガスの昇温に用いられ、羽口前温度が低下する。
（３）羽口から高炉に吹き込まれた微粉炭の熱分解に熱エネルギーが使われるため、羽口前温度が低下する。
羽口前温度が低下すると、微粉炭が燃焼不良となり、高炉の安定操業が阻害されるおそれがある。なお、羽口前温度とは、羽口の炉内側先端部における炉内温度のことであり、公知の計算法（例えばラムの計算式）に基づき理論燃焼温度として算出することができる。
【0008】
羽口前温度の低下を抑制するためには、羽口から熱風として吹き込まれる酸素富化空気の酸素富化率（酸素富化空気の酸素濃度から大気の酸素濃度（２１％）を引いた値）を上げ、炭化水素や微粉炭の分解に使用される分解熱や、水素系還元ガスの昇温に用いられる顕熱を補償する必要がある。一方、炭素原単位が同じであれば羽口から吹き込む酸素富化空気に含まれる酸素量は、基本的に一定としなければならない。酸素富化空気に含まれる酸素量を増加させると、銑鉄の過剰生産となるからである。
【0009】
出銑量を一定に保ちながら、羽口から吹き込む酸素富化空気の酸素富化率を上げるためには、炭素原単位に応じて、酸素富化空気に含まれる酸素量のバランスを取る必要があるが、このとき炉内に吹き込まれる酸素富化空気中の窒素量を減少させることで酸素富化空気量が減少するため、酸素富化空気量に対する燃焼熱の割合が増加し、羽口前温度を上昇させることができる。しかしながら、空気流量を下げることにより、炉内に吹き込まれる窒素量が少なくなり、酸素富化空気の流量が減少するため、高炉内を流通するガス量やガスの顕熱量が減少してしまう。
【0010】
高炉内を流通するガスは、羽口から上昇しながら、炉頂に装入された後に降下する装入物と接触して熱交換を行う。ここで、上記のように酸素富化率を増加させると、羽口前でのガスの燃焼温度が高くなる一方で、炉上部では高炉内を流通するガス量が減少するため、炉内装入物を所定の温度まで昇温するのに必要な熱交換距離が長くなる、すなわち、原料の昇温速度が低下してしまう。その結果、炉頂におけるガス温度（炉頂ガス温度）が相対的に低下する。
また、水素ガスによる間接還元は、吸熱反応であるため、更に炉内温度を低下させるとともに原料の昇温速度を低下させることになる。上述の通り高炉内に吹き込まれる窒素量が少なくなると、ボッシュガスの量が少なくなり熱容量が低下するとともに水素還元による吸熱作用のため、炉頂に到達するまでの炉内ガスの温度低下幅が相対的に大きくなる。
また、水素ガスによる間接還元は、吸熱反応であるため、更に炉内温度を低下させるとともに原料の昇温速度を低下させることになる。上述の通り高炉内に吹き込まれる窒素量が少なくなると、ボッシュガスの量が少なくなり熱容量が低下するとともに水素還元による吸熱作用のため、炉頂に到達するまでの炉内ガスの温度低下幅が相対的に大きくなる。
【0011】
このように、水素系還元ガス吹き込み操業において、羽口前温度の低下を抑制するために酸素富化空気の酸素富化率を上げると、炉内装入物の昇温遅れや炉頂ガス温度の低下を招く。炉内装入物の昇温遅れが生じると、所定の温度まで昇温された後に生起されるべき間接還元量が減少して直接還元量が増加してしまうおそれがある。直接還元は大きな吸熱反応であるため、高炉が熱不足となり、溶銑温度が低下する。溶銑温度が低下すると、溶銑の副産物であるスラグの粘性が増加するため、溶銑を炉外に排出することが困難となり、高炉の安定操業が阻害されるおそれがある。また、炉頂ガス温度が低下すると、高炉上部で亜鉛などの金属が析出し、高炉の安定操業が阻害されるおそれがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0012】
【特許文献1】特許第５０７０７０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0013】
従来、プロセス全体の熱バランスを満たしつつ、高い炭素消費削減効果を得るために、還元材の構成をどのように選択すべきか（コークス比、微粉炭比及び水素系還元ガスの吹込量を設定する）、不明であった。
【課題を解決するための手段】
【0014】
上記課題を解決するために、本願発明に係る高炉の操業方法は、（１）羽口から水素系還元ガスを吹き込む高炉の操業方法において、高炉内の炭素削減率の目標値である目標炭素削減率を達成するための還元材設定工程を有し、前記還元材設定工程において、水素系還元ガスの吹込量、コークス比及び微粉炭比を設定することを特徴とする。
【0015】
（２）前記還元材設定工程は、水素系還元ガスの吹込量を設定するガス吹込量設定工程と、前記ガス吹込量設定工程で設定された吹込量に基づいて水素系還元ガスを吹き込む吹込条件において、前記目標炭素削減率を達成するためのコークス比及び微粉炭比を設定する、コークス比・微粉炭比設定工程と、を有することを特徴とする、上記（１）に記載の高炉の操業方法。
【0016】
（３）前記還元材設定工程において、少なくとも出銑量、炉頂ガス温度及び溶銑温度が基準操業と同一となるように、水素系還元ガスの吹込量、コークス比及び微粉炭比を設定することを特徴とする、上記（１）または（２）に記載の高炉の操業方法。
【0017】
（４）前記還元材設定工程において、少なくとも出銑量、炉頂ガス温度及び溶銑温度が基準操業と同一となるように求められた、所定のガス吹込量におけるコークス比と高炉内の炭素削減率との関係を、第１関係情報として準備するとともに、少なくとも出銑量、炉頂ガス温度及び溶銑温度が基準操業と同一となるように求められた、所定のガス吹込量におけるコークス比と微粉炭比との関係を、第２関係情報として準備し、前記ガス吹込量設定工程で設定された吹込量における前記第１関係情報が、コークス比が増加するにつれて高炉内の炭素削減率が増加する単調増加関数である場合、前記コークス比・微粉炭比設定工程は、微粉炭比を０に設定するとともに、前記ガス吹込量設定工程で設定された吹込量に対応した前記第２関係情報における、微粉炭比が０であるときのコークス比を設定すべきコークス比として設定することを特徴とする、上記（２）に記載の高炉の操業方法。
【0018】
（５）前記還元材設定工程において、少なくとも出銑量、炉頂ガス温度及び溶銑温度が基準操業と同一となるように求められた、所定のガス吹込量におけるコークス比と高炉内の炭素削減率との関係を、第１関係情報として準備するとともに、少なくとも出銑量、炉頂ガス温度及び溶銑温度が基準操業と同一となるように求められた、所定のガス吹込量におけるコークス比と微粉炭比との関係を、第２関係情報として準備し、前記ガス吹込量設定工程で設定された吹込量における前記第１関係情報が、コークス比が増加するにつれて高炉内の炭素削減率が増加する単調増加部分と、コークス比が増加するにつれて高炉内の炭素削減率が減少する単調減少部分と、を有する関数である場合、前記目標炭素削減率は、炭素削減率の最大値であり、前記コークス比・微粉炭比設定工程におけるコークス比設定工程は、それぞれの吹込量に対応する前記第１関係情報ごとに、高炉内の最大炭素削減率に対応するコークス比であるピークコークス比を求める、ピークコークス比設定工程と、前記ピークコークス比設定工程において求めたピークコークス比に基づいて、前記目標炭素削減率を達成するためのコークス比を求める予測式を算出する予測式算出工程と、前記予測式に基づき、前記ガス吹込量設定工程で設定された吹込量における前記目標炭素削減率を達成するためのコークス比を算出するコークス比算出工程と、を備え、前記コークス比・微粉炭比設定工程における微粉炭比設定工程は、前記ガス吹込量設定工程で設定された吹込量における前記第２関係情報から、前記コークス比算出工程で算出されたコークス比に対応する微粉炭比を求めることを特徴とする、上記（２）に記載の高炉の操業方法。
【0019】
（６）前記予測式は、水素系還元ガスの吹込量とコークス比との関係式であることを特徴とする、上記（５）に記載の高炉の操業方法。
【0020】
（７）前記予測式算出工程において、前記予測式は、前記ピークコークス比設定工程において前記第１関係情報ごとに設定されたピークコークス比と、高炉の実操業で想定される炭素削減率の予測変動幅と、に基づいて算出されることを特徴とする、上記（６）に記載の高炉の操業方法。
【0021】
（８）前記第１及び第２関係情報を、高炉数学モデルにより求めることを特徴とする上記（４）又は（５）に記載の高炉の操業方法。
【発明の効果】
【0022】
本発明によれば、コークス比、微粉炭比及び水素系還元ガスの吹込量の配分を適切に調整することにより、プロセス全体の熱バランスを満たしながら、高い炭素消費削減効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0023】
【図1】本実施形態における高炉の概略図である。
【図2】本発明に係る高炉の操業方法を示すフローチャートである。
【図3】ＣＯＧ吹込量を種々変更した場合における、高炉内の炭素削減率［％］とコークス比との関係情報（第１関係情報）である。
【図4】ＣＯＧ吹込量を種々変更した場合における、微粉炭比とコークス比との関係情報（第２関係情報）である。
【図5】第１関係情報及び第２関係情報に基づくコークス比及び微粉炭比の設定方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0024】
＜高炉の概略構成＞
図１は、本実施形態における高炉の概略図である。高炉１は、ベルレス式の高炉であり、羽口２と、環状管３と、ブローパイプ４と、補助還元材吹込みランス５と、微粉炭吹込みランス６と、旋回シュート７と、出銑口８と、を備える。なお、本発明は、旋回シュートを有しないベル式の高炉にも適用することができる。
図１は、本実施形態における高炉の概略図である。高炉１は、ベルレス式の高炉であり、羽口２と、環状管３と、ブローパイプ４と、補助還元材吹込みランス５と、微粉炭吹込みランス６と、旋回シュート７と、出銑口８と、を備える。なお、本発明は、旋回シュートを有しないベル式の高炉にも適用することができる。
【0025】
羽口２は、熱風炉（不図示）で生成された熱風を高炉１内に吹き込むための吹き込み口であり、高炉１の炉周方向に沿って複数設けられている。羽口２からは、熱風とともに、後述する微粉炭及び水素系還元ガスを炉内に吹き込むことができる。
【0026】
環状管３は高炉１の下部を包囲するように配設されている。環状管３には、複数のブローパイプ４が周方向に所定の間隔を隔てて設けられている。環状管３は、熱風炉から送られてきた熱風をブローパイプ４に供給する。
【0027】
各ブローパイプ４は、環状管３に接続されるとともに、それぞれが異なる羽口２に接続されている。ブローパイプ４は、環状管３から送られた熱風を、羽口２を介して高炉１内に吹き込む。
【0028】
補助還元材吹込みランス５は、水素系還元ガスを羽口２から炉内に吹き込むために設けられており、微粉炭吹込みランス６は、微粉炭を羽口２から炉内に吹き込むために設けられている。補助還元材吹込みランス５及び微粉炭吹込みランス６は、各ブローパイプ４の壁面を貫通して、各ブローパイプ４の内部に延出している。補助還元材吹込みランス５及び微粉炭吹き込みランス６からブローパイプ４に吹き込まれた水素系還元ガス及び微粉炭は、環状管３からブローパイプ４に流入した熱風と共に、羽口２を介して炉内に吹き込まれる。
【0029】
旋回シュート７は、上下方向に延びる軸周りに回転しながら、鉱石原料及びコークスを交互に層状に装入する。鉱石原料には、塊鉱石、焼結鉱、ペレット、非焼成含炭塊成鉱などを用いることができる。また、鉱石原料には、小塊コークス等の還元補助剤が含まれていてもよい。コークスには、フェローコークスが含まれていてもよい。旋回シュート７の駆動方式（順傾動／逆傾動）や傾動角、回転速度を制御することにより、高炉原料を所望の位置に装入することができる。なお、順傾動とは、旋回シュート７を炉壁側から炉中心側に向かって駆動する駆動方式のことであり、逆傾動とは、旋回シュート７を炉中心側から炉壁側に向かって駆動する駆動方式のことである。
【0030】
出銑口８は、高炉１の炉底部に設けられており、鉱石原料を還元することによって生成された溶銑を出銑する。出銑口８は炉周方向に沿って複数設けられており、溶銑を連続的または間欠的に出銑することができる。
【0031】
＜高炉の操業方法のフロー＞
本発明の高炉の操業方法の一実施形態について、図２を参照しながら説明する。図２は、コークス比及び微粉炭比の決定手順を示した、還元材設定工程のフローチャートである。なお、本実施形態では、羽口から吹き込む水素系還元ガスをＣＯＧとしているが、水素系還元ガスはこれに限るものではなく、例えば、都市ガス、天然ガス、ＬＰＧ、メタンガス、水素ガス等を用いることもできる。
本発明の高炉の操業方法の一実施形態について、図２を参照しながら説明する。図２は、コークス比及び微粉炭比の決定手順を示した、還元材設定工程のフローチャートである。なお、本実施形態では、羽口から吹き込む水素系還元ガスをＣＯＧとしているが、水素系還元ガスはこれに限るものではなく、例えば、都市ガス、天然ガス、ＬＰＧ、メタンガス、水素ガス等を用いることもできる。
【0032】
高炉数学モデルを用いて、高炉に吹き込まれる所定のＣＯＧ吹込量[Nm３／ｔ]ごとに、高炉内の炭素削減率［％］とコークス比［ｋｇ／ｔ］との関係情報（第１関係情報）を取得しておく（Ｓ１１０）。
【0033】
高炉数学モデルとは、高炉の内部領域を複数の小領域に分割し、各小領域において、予め設定した高炉操業条件や原料性状を、物質収支、運動量収支及びエネルギー収支の演算式に代入して演算処理を行うことにより、各小領域における固体（鉱石原料等）と炉内ガス（ＣＯガス、Ｈ２ガスなど）との還元反応速度、炉内ガスの流れ、炉内ガス温度、炉内ガス組成等の状態変数を算出し、炉内状態を総合的にシミュレーションする数学モデルのことである。
例えば三次元高炉数学モデルであれば、高炉の内部領域を、高炉の高さ方向、径方向、周方向に分割することで、複数のメッシュ（小領域）を規定し、炉内状態を総合的にシミュレーションすることができる。また、二次元高炉数学モデルであれば、高炉の内部領域を、高炉の高さ方向と径方向とに分割することで、複数のメッシュを規定し、炉内状態を総合的にシミュレーションすることができる。
好適には、Ｋｏｕｊｉ ＴＡＫＡＴＡＮＩらの「Ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ ｆｏｒ Ｂｌａｓｔ Ｆｕｒｎａｃｅ」，ＩＳＩＪ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，Ｖｏｌ．３９（１９９９），Ｎｏ．１，ｐ．１５－２２に記載の高炉数学モデルを用いることができる。
例えば三次元高炉数学モデルであれば、高炉の内部領域を、高炉の高さ方向、径方向、周方向に分割することで、複数のメッシュ（小領域）を規定し、炉内状態を総合的にシミュレーションすることができる。また、二次元高炉数学モデルであれば、高炉の内部領域を、高炉の高さ方向と径方向とに分割することで、複数のメッシュを規定し、炉内状態を総合的にシミュレーションすることができる。
好適には、Ｋｏｕｊｉ ＴＡＫＡＴＡＮＩらの「Ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ ｆｏｒ Ｂｌａｓｔ Ｆｕｒｎａｃｅ」，ＩＳＩＪ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，Ｖｏｌ．３９（１９９９），Ｎｏ．１，ｐ．１５－２２に記載の高炉数学モデルを用いることができる。
【0034】
羽口から吹き込む還元材を微粉炭のみとする基準操業に対して、少なくとも出銑量、炉頂ガス温度及び溶銑温度が同一となるように、羽口から常温のＣＯＧガスを吹き込んだときの炉内状態を総合的にシミュレーションすることにより、所定のＣＯＧ吹込量[Nm３／ｔ]ごとに、高炉内の炭素削減率［％］とコークス比［ｋｇ／ｔ］との関係情報（第１関係情報）を取得することができる。表１は、基準操業の操業条件であり、図３は、これに対応する第１関係情報である。なお、基準操業が安定操業の状態であることは言うまでもない。
本実施形態では、ＣＯＧの吹込量を５０[Nm３／ｔ]、６５[Nm３／ｔ]、８０[Nm３／ｔ]、１００[Nm３／ｔ]、１５０[Nm３／ｔ]、２００[Nm３／ｔ]に設定し、それぞれの設定条件について高炉数学モデルによりシミュレーションしたが、設定する吹込量の個数は適宜増減することができる。また、シミュレーションにより得られた第１関係情報に基づき、別の吹込量における第１関係情報を推定してもよい。
本実施形態では、ＣＯＧの吹込量を５０[Nm３／ｔ]、６５[Nm３／ｔ]、８０[Nm３／ｔ]、１００[Nm３／ｔ]、１５０[Nm３／ｔ]、２００[Nm３／ｔ]に設定し、それぞれの設定条件について高炉数学モデルによりシミュレーションしたが、設定する吹込量の個数は適宜増減することができる。また、シミュレーションにより得られた第１関係情報に基づき、別の吹込量における第１関係情報を推定してもよい。
【0035】
【表1】
【0036】
「炭素削減率」とは、基準操業の炭素消費原単位とＣＯＧガス吹込み操業の炭素消費原単位の差を、基準操業の炭素消費原単位で除し、百分率にした値である。炭素消費原単位とは、溶銑１トンあたりの炭素消費量であり、溶銑１トンを製造するのに要したコークス、微粉炭及び水素系還元ガス中に含まれる合計炭素量をいう。
【0037】
ＣＯＧ吹込量ごとに、微粉炭比とコークス比との関係情報（第２関係情報）を取得しておく（Ｓ１２０）。図４は、第２関係情報の一例であり、上述の高炉数学モデルを用いたシミュレーションにより得られたものである。すなわち、図４は、基準操業に対して、ＣＯＧ吹込量を種々変更したときの、微粉炭比とコークス比との関係を示しており、横軸（ＣＲ）がコークス比［ｋｇ／ｔ］、縦軸（ＰＣＲ）が微粉炭比［ｋｇ／ｔ］である。
【0038】
高炉に吹き込むＣＯＧの吹込量Ａを設定する（Ｓ１３０）。吹込量Ａの設定方法は、特に限定しない。図３から明らかなように、ＣＯＧの吹込量を増やすほど、炭素削減率が高くなるため、例えば、目標炭素削減率を高い値に設定した場合には、当該目標炭素削減率を達成し得る比較的高い吹込量を設定する必要がある。勿論、過去の操業実績等からＣＯＧの吹込量が予め決まっている場合には、これを吹込量Ａとしてもよい。Ｓ１３０は、請求項２における「ガス吹込量設定工程」に相当する。
【0039】
Ｓ１１０で取得された、所定のＣＯＧ吹込量ごとの、高炉内の炭素削減率［％］とコークス比との関係情報（第１関係情報）と、Ｓ１２０で取得された、所定のＣＯＧ吹込量ごとの、微粉炭比とコークス比との関係情報（第２関係情報）と、に基づいて、吹込量Ａにおいて目標炭素削減率を達成できるように、コークス比及び微粉炭比を設定する（Ｓ１４０）。Ｓ１４０は、請求項２における「コークス比・微粉炭比設定工程」に相当する。
【0040】
ＣＯＧの吹込量を吹込量Ａに設定するとともに、Ｓ１４０で設定したコークス比及び微粉炭比にて高炉を操業することにより、基準操業よりも炭素消費量が削減され、目標炭素削減率を達成することができる。また、出銑量、炉頂ガス温度及び溶銑温度を基準操業と同一に維持しながら高炉を操業するため、高炉全体の熱バランスの変動を抑制しながら、炭素消費量を削減することができる。
【0041】
＜コークス比及び微粉炭比の設定方法のフロー＞
上述したＳ１４０の処理について、図５を参照しながら詳細に説明する。図５は、第１関係情報及び第２関係情報に基づくコークス比及び微粉炭比の設定方法を示すフローチャートである。
上述したＳ１４０の処理について、図５を参照しながら詳細に説明する。図５は、第１関係情報及び第２関係情報に基づくコークス比及び微粉炭比の設定方法を示すフローチャートである。
【0042】
本発明者らは、ＣＯＧの吹込量を種々変更した、高炉内の炭素削減率［％］とコークス比との関係情報（第１関係情報）について検討を行った。その結果、ＣＯＧ吹込量に応じて、第１関係情報が単調増加となる場合と、第１関係情報が単調増加とならない場合と、があることを発見した。「第１関係情報が単調増加となる」とは、第１関係情報が、コークス比が増加するにつれて高炉内の炭素削減率も増加する関数であることを意味する。したがって、関数は必ずしも一次関数に限るものではなく、傾きが途中で変化する関数であってもよい。
「第１関係情報が単調増加とならない」とは、第１関係情報が、コークス比が増加するにつれて高炉内の炭素削減率も増加する単調増加部分と、コークス比が増加するにつれて高炉内の炭素削減率が減少する単調減少部分と、を有する関数であることを意味する。
「第１関係情報が単調増加とならない」とは、第１関係情報が、コークス比が増加するにつれて高炉内の炭素削減率も増加する単調増加部分と、コークス比が増加するにつれて高炉内の炭素削減率が減少する単調減少部分と、を有する関数であることを意味する。
【0043】
例えば、第１関係情報が単調増加である場合、コークス比を上限値に設定する（言い換えると、微粉炭比を０に設定する）ことにより、高炉内の炭素削減率を最大とすることができる。また、第１関係情報が単調増加でない場合、第１関係情報から予測式を作成し、この予測式に基づき、高炉内の炭素削減率を最大とするためのコークス比を推定することができる。
【0044】
図５に示すフローチャートは、上記の知見に基づくものであり、第１関係情報が、単調増加である場合と単調増加でない場合のそれぞれについて、コークス比及び微粉炭比の設定方法を示している。
【0045】
Ｓ１３０で設定された吹込量Ａにおける第１関係情報が、単調増加であるかを判定する（Ｓ１４１）。所定の吹込量を閾値として、第１関係情報が単調増加であるかどうかが変化する場合には、この閾値と設定した吹込量Ａとの大小関係に基づき、Ｓ１４１における判定を行ってもよい。当該判定方法について、図３を参照しながら一例を説明すると、吹込量＝１００（Ｎｍ３／ｔ）を閾値として、吹込量が１００（Ｎｍ３／ｔ）超の場合には第１関係情報を単調増加と判定し、吹込量が１００（Ｎｍ３／ｔ）以下の場合には第１関係情報を非単調増加と判別することができる。ただし、閾値の値はこれに限られず、操業条件や炉内に吹き込まれる水素系還元ガスの種類に応じて適宜変更することができる。
【0046】
ここで、ＣＯＧの吹込量ごとの、コークス比と微粉炭比の関係情報（第２関係情報）を参照すると（図４）、コークス比及び微粉炭比には、負の相関関係（コークス比が増加すると微粉炭比が減少する関係）がある。微粉炭比を０未満に設定することはできないため、所定のＣＯＧ吹込量におけるコークス比には、上限が存する。上述の通り、設定した吹込量Ａにおける第１関係情報が単調増加となる場合、目標炭素削減率を最大にするためにはコークス比を上限値に設定することとなるが、これは、微粉炭比を０に設定することを意味する。
【0047】
したがって、吹込量Ａにおける第１関係情報が単調増加である場合（Ｓ１４１ Ｙｅｓ）、微粉炭比を０に設定した後（Ｓ１４２）、吹込量Ａにおける第２関係情報において微粉炭比が０であるときのコークス比を、設定すべきコークス比として設定する（Ｓ１４３）。
【0048】
例えば、本実施形態において、ＣＯＧの吹込量Ａを１５０（Ｎｍ３／ｔ）に設定するとともに、目標炭素削減率を最大とする場合、図３を参照して、ＣＯＧ吹込量＝１５０（Ｎｍ３／ｔ）における第１関係情報Ｘが単調増加であり、図３において炭素削減率が最大となる点Ｔは、コークス比が最大となる点であるから、微粉炭比を０（ｋｇ／ｔ）に設定する。この点Ｔは、図４におけるＣＯＧ設定吹込量Ａ＝１５０（Ｎｍ３／ｔ）の第２関係情報Ｘ´において微粉炭比が０（ｋｇ／ｔ）となる点Ｔ´に相当する。したがって、コークス比は、点Ｔ´におけるコークス比（約４４５（ｋｇ／ｔ））に設定される。
【0049】
一方、ＣＯＧの吹込量Ａにおける第１関係情報が、単調増加でない場合には（Ｓ１４１ Ｎｏ）、目標炭素削減率を炭素削減率の最大値に設定し、ＣＯＧの吹込量Ａとしたときに最大炭素削減率を達成するためのコークス比を算出する予測式を作成する必要がある。
【0050】
予測式の作成方法について、説明する。なお、以下のＳ１４４～１４６が、請求項５における「コークス比設定工程」に相当し、Ｓ１４７が、請求項５における「微粉炭比設定工程」に相当する。
まず、単調増加とならない第１関係情報ごとに、最大炭素削減率に対応するコークス比（以下、ピークコークス比ともいう）を設定する（Ｓ１４４）。なお、単調増加とならない第１関係情報の全てについて、必ずしもピークコークス比を求める必要はなく、一部（ただし、当該「一部」は複数とする）の第１関係情報についてだけ、ピークコークス比を求めてもよい。Ｓ１４４は、請求項５における「ピークコークス比設定工程」に相当する。
まず、単調増加とならない第１関係情報ごとに、最大炭素削減率に対応するコークス比（以下、ピークコークス比ともいう）を設定する（Ｓ１４４）。なお、単調増加とならない第１関係情報の全てについて、必ずしもピークコークス比を求める必要はなく、一部（ただし、当該「一部」は複数とする）の第１関係情報についてだけ、ピークコークス比を求めてもよい。Ｓ１４４は、請求項５における「ピークコークス比設定工程」に相当する。
【0051】
Ｓ１４４で求めたピークコークス比に基づいて、ＣＯＧ吹込量とコークス比との関係式を算出する（Ｓ１４５）。ここで、上述の通り、各ピークコークス比は、単調増加とならない第１関係情報ごとの、各第１関係情報における最大炭素削減率に対応するコークス比である。したがって、Ｓ１４５で算出される関係式は、「吹込量Ａにおける最大炭素削減率を達成するためのコークス比を算出する予測式」として活用することができる。Ｓ１４５は、請求項５における「予測式算出工程」に相当する。
【0052】
Ｓ１４５で算出される関係式は、各ＣＯＧ吹込量と、各ＣＯＧ吹込量に対応するピークコークス比と、を用いて作成される線形近似式であってよい。例えば、図３において、ＣＯＧの吹込量が５０［Ｎｍ３／ｔ］、６５［Ｎｍ３／ｔ］、８０［Ｎｍ３／ｔ］であるときの、ピークコークス比は、それぞれ３３０［ｋｇ／ｔ］、３５０［ｋｇ／ｔ］、３７５［ｋｇ／ｔ］である。これらを最小二乗法によって線形近似することにより、以下の関係式を算出することができる。この関係式の相関係数は｜Ｒ｜≒０．９９８５であった。すなわち、この関係式に基づけば、吹込量Ａにおける最大炭素削減率を達成するためのコークス比を、良好な精度で予測し得る。
（コークス比） ＝ １．４２×（ＣＯＧ吹込量）＋２５９±２５ ・・・（Ｉ）
ただし、Ｓ１４５における関係式の算出方法は、上述の線形近似に限られず、最小二乗法により曲線（対数関数や指数関数）近似してもよい。また、Ｓ１４５における近似方法は、最小二乗法に限られず、既知の他の近似式により算出してもよい。
（コークス比） ＝ １．４２×（ＣＯＧ吹込量）＋２５９±２５ ・・・（Ｉ）
ただし、Ｓ１４５における関係式の算出方法は、上述の線形近似に限られず、最小二乗法により曲線（対数関数や指数関数）近似してもよい。また、Ｓ１４５における近似方法は、最小二乗法に限られず、既知の他の近似式により算出してもよい。
【0053】
ここで、実操業では、原料性状等に多少のばらつきがあることから、炭素削減率が０．５％程度変動する可能性がある。したがって、実際の高炉操業で想定される炭素削減率の予測変動幅に基づいて、有意な差となるように「＋α」または「－α」を考慮することによって、関係式を算出してもよい。これにより、実操業における炭素削減率の変動に追従し得るコークス比を算出することができる。例えば、上述の式（Ｉ）では、有意な差となる炭素削減率の予測変動幅を「±０．５％」に設定し、当該予測変動幅に基づいて、コークス比±２５［ｋｇ／ｔ］としている。
【0054】
Ｓ１４５で算出された関係式と、Ｓ１３０で予め設定されたＣＯＧの吹込量Ａと、に基づいて、ＣＯＧの吹込量Ａに対応するコークス比を算出し（Ｓ１４６）、該コークス比を、高炉操業において用いるコークス比として設定する。例えば、Ｓ１４５において、上述の式（Ｉ）が関係式として得られた場合には、Ｓ１４６において、吹込量Ａを式（Ｉ）に代入することにより、吹込量Ａに対応するコークス比を算出する。Ｓ１４６は、請求項５における「コークス比算出工程」に相当する。
【0055】
吹込量Ａにおける第２関係情報に基づいて、Ｓ１４６で算出されたコークス比に対応する微粉炭比を求め、該微粉炭比を、設定すべき微粉炭比として設定する（Ｓ１４７）。
【0056】
（変形例１）
上述の実施形態では、目標炭素削減率を最大値に設定したが、本発明はこれに限るものではなく、任意の炭素削減率（例えば、最大値の８０％）に設定することができる。この場合、図５のフローチャートのＳ１４２及びＳ１４３における処理（第１関係情報が単調増加であるときの処理）は、吹込量Ａに対応する第１関係情報（図３参照）から、目標炭素削減率（最大値の８０％）に対応するコークス比を決定し（以下、決定コークス比という）、吹込量Ａの第２関係情報（図４参照）から、決定コークス比に対応する微粉炭比を求める処理とすればよい。また、図５のフローチャートにおけるＳ１４４～Ｓ１４７（第１関係情報が単調増加でないときの処理）では、最大値の８０％に対応するコークス比をピークコークス比として、関係式を算出した後、Ｓ１４６及びＳ１４７に示す処理を行えばよい。
上述の実施形態では、目標炭素削減率を最大値に設定したが、本発明はこれに限るものではなく、任意の炭素削減率（例えば、最大値の８０％）に設定することができる。この場合、図５のフローチャートのＳ１４２及びＳ１４３における処理（第１関係情報が単調増加であるときの処理）は、吹込量Ａに対応する第１関係情報（図３参照）から、目標炭素削減率（最大値の８０％）に対応するコークス比を決定し（以下、決定コークス比という）、吹込量Ａの第２関係情報（図４参照）から、決定コークス比に対応する微粉炭比を求める処理とすればよい。また、図５のフローチャートにおけるＳ１４４～Ｓ１４７（第１関係情報が単調増加でないときの処理）では、最大値の８０％に対応するコークス比をピークコークス比として、関係式を算出した後、Ｓ１４６及びＳ１４７に示す処理を行えばよい。
【0057】
（変形例２）
上述の実施形態では、Ｓ１４４～Ｓ１４６（第１関係情報が単調増加でないときの処理）において、ピークコークス比から算出した関係式に基づき、コークス比を決定したが、本発明はこれに限るものではなく、関係式を作成することなく、吹込量Ａに対応する第１関係情報（図３参照）から目標炭素削減率に対応するコークス比を決定し（以下、決定コークス比という）、吹込量Ａの第２関係情報（図４参照）から、決定コークス比に対応する微粉炭比を求めてもよい。
上述の実施形態では、Ｓ１４４～Ｓ１４６（第１関係情報が単調増加でないときの処理）において、ピークコークス比から算出した関係式に基づき、コークス比を決定したが、本発明はこれに限るものではなく、関係式を作成することなく、吹込量Ａに対応する第１関係情報（図３参照）から目標炭素削減率に対応するコークス比を決定し（以下、決定コークス比という）、吹込量Ａの第２関係情報（図４参照）から、決定コークス比に対応する微粉炭比を求めてもよい。
【符号の説明】
【0058】
１ 高炉 ２ 羽口 ３ 環状管 ４ ブローパイプ ５ 補助還元材吹込みランス ６ 微粉炭吹込みランス ７ 旋回シュート ８ 出銑口
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
