CN102177256B - 采用含碳非烧成球团矿的高炉操作方法 - Google Patents

采用含碳非烧成球团矿的高炉操作方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种高炉操作方法，该方法在大量使用烧成球团矿作为含铁原料的高炉操作中，通过将含碳非烧成球团矿混合在烧成球团矿中，使其与还原性差的烧成球团矿靠近地装入，从而消除在炉内的熔合带附近的还原延迟部位，形成薄的熔合带结构，由此可大幅度发挥降低高炉操作时的燃料单位消耗量的效果，其中，在从高炉炉顶交替地以层状装入含铁原料和焦炭的高炉操作方法中，(i)预先将含碳非烧成球团矿和烧成球团矿混合，将该含碳非烧成球团矿和所述烧成球团矿的混合物装入以代替所述含铁原料层的一部分，而且，(ii)调整所述含碳非烧成球团矿和所述烧成球团矿的混合比例，使所述含碳非烧成球团矿的单位消耗量R(kg/tp)与烧成球团矿的单位消耗量P(kg/tp)的比R(kg/tp)/P(kg/tp)达到0.09～0.31。

Description

采用含碳非烧成球团矿的高炉操作方法
技术领域
本发明涉及高炉操作方法，其通过制造因含碳而提高了自还原性的含碳非烧成球团矿，并与其它主要原料一同从炉顶装入高炉，从而有选择性地改善炉内的低反应性部位，降低高炉的还原材比(也称为还原材料的比例)。
背景技术
在通常的高炉操作中，一直使用烧结矿、烧成球团矿、块矿石作为含铁原料。在日本国内烧结矿使用比率最高，其比例为70～90％。另一方面，也有5～20％使用烧成球团矿。这些含铁原料在从矿石槽截出、从高炉的炉顶点装入炉内的阶段，因粒度或表观比重、形状的差异而受到偏析作用。
这些含铁装入物以在高炉内与块焦炭形成层状的方式依次从炉顶部装入。此外，此时，为了促进炉内的含铁原料的还原，且为了降低高温熔合状态下的通气阻力，还通常将小粒或中粒的小块焦炭与含铁原料混合。
在含铁原料的高炉内的还原过程中，还原速度最慢的是从方铁矿(FeO)向铁(Fe)的还原阶段，该反应发生在高炉炉身部的800℃以上的温度区域。该反应受气体组成的影响大，由1000℃附近的温度下发生的焦炭的气化反应(溶损反应)的大小来决定反应速度。
已知对于微粒的碳原料和靠近氧化铁的含碳非烧成球团矿，不仅其含碳球团矿本身的还原性优异，而且含有一定量以上的碳含量，因此通过其高的焦炭反应性，可极大地提高含铁原料的还原性。
作为高炉用含铁原料，通过以平均粒度为约2～3mm的粉状铁矿石作为主要的含铁原料，在其中配合石灰石、硅石等副原料、焦炭粉、无烟碳等碳材料，进而添加水分，在混合、造粒后形成模拟粒子，然后用烧结机以原料中的碳材料作为热源进行加热、烧结而得到的烧结矿占主流。
该方法中的烧结原料的模拟粒子主要以粒径为约1mm以上的粗粒子为核，在其周围附着粒径为约大于等于0.5且低于1mm的微粉粒子而形成造粒物。对于该模拟粒子，为了维持烧结机内的烧结原料填充层的通气性，良好地进行烧结反应，要求在烧结原料的装入时、以及在直到被加热、干燥、烧结的期间不崩裂的程度的冷强度。
通常，为了将烧结原料造粒成模拟粒子，大多采用滚筒式搅拌机在混合烧结原料的同时进行造粒。
另一方面，还采用用集尘机等回收在炼铁工艺中大量产生的烧结粉尘、高炉粉尘等而得到的含铁粉尘、以及矿泥、氧化皮粉等微粉粉尘(这些通常称为炼铁粉尘)、或球团原料(球团矿用原料)等的微粉状原料作为含铁原料。
可是，在这些微粉原料中，粒径为0.25mm以下的微粉粒子占总体的80％以上，因此在采用这些微粉原料作为烧结原料的情况下，容易发生微粉粒子造成的原料填充层的通气性恶化、生产率降低等问题。
在将上述微粉状原料作为主要的含铁原料进行烧结的情况下，预先在采用混合机将水分添加到含铁原料和副原料中并混合后，进而，采用造粒强度比滚筒式搅拌机高的圆盘式造球机等造粒机，制造以粒径为0.25mm以下的微粉粒子为主体的球状的生球团矿，然后采用以燃烧气体等作为热源的外部加热型烧结机进行烧结，从而制造烧成球团矿。
另一方面，作为微粉状原料，很早就已知有在通过造粒形成生球团矿后，通过养护(生石灰等的水合反应或碳酸盐化处理)提高造粒物的强度后，不进行烧结而直接作为高炉用铁原料使用的非烧成球团矿。
作为非烧成球团矿的制造方法，已知有在将高炉二次灰、转炉粉尘、烧结粉尘、矿浆等炼铁厂产生的炼铁粉尘造粒成生球团矿时，将粉尘的粒度分布调整到适当范围，添加水泥等结合材料(粘结剂)和5～15％的水分，利用圆盘式造球机等造粒，在制造出生球团矿后，通过制造场堆积等养护几天(促进CaO系粘结剂的水合反应、碳酸盐化反应)使其硬化的冷固结球团矿的制造方法(例如参照专利文献1)。
此外，近年来，以降低高炉操作中的还原材比为目的，还提出了利用上述非烧成球团矿工艺，制造碳含量高的非烧成球团矿的方法(例如参照专利文献2～5)。
例如，提出了高炉用的内装碳的非烧成球团矿及其制造方法，其是通过配合含氧化铁原料和碳系碳材料并添加粘结剂，进行混炼、成形、养护而成的内装碳的非烧成球团矿，其特征在于，含有还原铁矿石类的氧化铁而形成金属铁所需要的理论碳量的80～120％的碳，且以常温下的压碎强度达到7850kN/m2(80kg/cm2)以上的方式选择粘结剂，通过混合、成形、养护而形成(例如参照专利文献2)。
根据该方法，通常从还原气体的温度和气体组成(ηCo＝CO2/(CO+CO2))的关系出发，在制约氧化铁的还原反应的进行的高炉炉身部的热保存带和还原反应平衡带中，在900～1100℃的温度区域，非烧成球团矿中的氧化铁通过内装的碳发生还原反应，结果还原率提高，因此可期待高炉操作时的降低还原材比的效果。
但是，在这些方法中，内装在非烧成球团矿中的C含量按还原氧化矿而形成金属铁所需要的理论碳量(以下有时称为C当量)计被限制在120％以下(总碳含量(T.C)相当于约15质量％以下)，如果增加C含量到此值以上，则有非烧成球团矿的冷压碎强度及热强度受损的问题。
另外，在这些方法中，为了维持内装有碳材料的非烧成球团矿的冷压碎强度，取代生石灰而使用早强波特兰水泥等水泥系的粘结剂，因此如果增加粘结剂的添加量，则不仅因吸热反应即水泥的脱水反应而使高炉内的炉身部的升温速度降低，而且还有产生低温下的还原停滞区(低温热保存带)、助长作为高炉用铁原料而装入的烧结矿在高炉内的还原粉化的问题。
此外，还提出了内装碳材料的非烧成球团矿，其由碳材料和铁矿石构成，其中，规定了碳材料的软化熔化时的最高流动度和铁矿石的10μm以下的氧化铁粒子的比例的关系，其还原性和还原后的强度优良(例如参照专利文献3)。
根据该方法，利用内装碳材料的非烧成球团矿中的碳材料在260～550℃的温度区的软化熔化、固化，使熔化的碳材料侵入、固化在氧化铁粒子间的空隙，增大碳材料和氧化铁的接触面积，改善导热性，提高还原效率，同时加强氧化铁粒子相互间的结合，还能够提高还原后的强度(热强度)。
可是，根据该方法，为了提高内装碳材料的非烧成球团矿的被还原性和还原后的强度(热强度)，必须使用最高流动度高的煤炭类作为碳材料，因此从以节能、节省资源为前提的降低高炉操作时的还原材比的目的出发，难说是优选的方法。
此外，还提出了表观密度为2.3g/cm3以上的还原铁用成块物，其特征在于，在将粉矿石和挥发成分为16％以上、吉斯勒(Gieseler)流动度为20DDPM以上的粘结碳(碳材料)混合，在260～550℃的温度区，在20～150MPa的成形压下热成形后，在成形温度范围内进行5分钟以上的脱气处理(例如参照专利文献4)。
根据该方法，通过在碳材料软化熔化、固化的260～550℃的温度区进行热成形，用碳材料将氧化铁粒子相互间牢固地连结，在形成表观密度为2.3g/cm3以上的成块物后，通过利用脱气处理抽出来自碳材料的挥发成分，提高成块物的强度，防止还原中的成块物的膨胀造成的裂纹。
可是，该方法由于需要热团块成形及脱气处理，因此在制造时的能量消耗高、制造成本高方面，是经济上不利的方法，此外由于与造粒法相比成块物的密度高，因此容易发生成块物中的碳材料的气化或氧化铁的还原反应中产生的CO、CO2气体造成的爆裂(bursting)。
此外，还提出了双重结构的内装碳材料的非烧成球团矿，其以粒径为3～25mm的碳材料为核，将内包核的外周层规定为粒径为1mm以下的铁原料和碳材料的混合物，作为核的碳材料的体积分数为球团矿整体的0.2～30vol％，外周层中的碳材料的含有率为5～25wt％，球团矿整体的总碳含量高达25～35质量％(例如参照专利文献5)。
根据该技术，在通过外周层中所含的粒径为1mm以下的碳材料还原氧化铁、将外周层熔液化的情况下，通过使作为核的碳材料发挥渗碳源的作用，除了改善高炉内的被还原性以外，还能够改善渗碳作用造成的铁水的滴下行为，降低高炉操作时的燃料比和熔合带部的通气阻力。
可是，该由粒径及碳材料和氧化物的组成不同的双重结构构成的、总碳含量高达25质量％以上的球团矿存在冷磨损强度降低的问题。此外，为了制造具有上述特殊的双重结构的球团矿，制造工序变得复杂，为了维持强度需要大量的粘结剂等，从制造时的生产率及成本的观点来看是不利的方法。
如上所述，以往的含碳非烧成球团矿为了维持作为高炉用原料所要求的50kg/cm2以上的冷压碎强度，不得不将碳含量限制在15质量％(按碳当量计相当于1.2)，因此即使能够充分促进上述含碳非烧成球团矿中的氧化铁的直接还原，也不能充分促进上述含碳非烧成球团矿以外的烧结矿等主要的高炉用含铁原料的还原。
此外，虽然利用以往方法通过大量添加波特兰水泥等水硬性粘结剂，能够将含碳非烧成球团矿的冷压碎强度提高到某种程度，但是由于在高炉内的还原温度区上述粘结剂发生脱水反应，因此不能维持充分的热强度。
所以，为了采用比较廉价且简单的制造方法，提高含碳非烧成球团矿和高炉用含铁原料的被还原率，且大幅度降低高炉操作时的还原材比，希望开发具有充分的碳含量、且冷强度和还原温度区的热强度(还原时的强度)都优良的内装碳材料的非烧成球团矿的制造方法。
另一方面，即使在高炉用含铁原料中，由于烧成球团矿在还原过程中，通过还原气体从球团矿表面进行还原较强的局部化学反应导致形成金属外壳(表面的还原铁烧结而成的致密的铁层)，因此与烧结矿相比较，在1000℃以上的高温区为难还原性，在熔合开始时排出大量的熔液。
另外，从其形状(球体)出发，与烧结矿或铁矿石相比，已知在装入炉内时容易偏析，特别是在向还原负荷高的周边部大量偏析时，发生部分的还原延迟，由烧结矿和烧成球团矿构成的高炉熔合带的厚度增加，炉内的通气性恶化，此外还产生未还原熔合物的滴下，因此还原材比上升。
在目前的通常的高炉操作中，烧结矿为主体，为70～90％的范围，烧成球团矿的配合比例为5～20％左右。可是，因矿床的枯竭在进行铁矿石的低品位化，进行伴随着选矿处理的铁矿石的微粉化，采用微粉铁矿石制造烧结矿时的起因于通气性降低的成品率及生产率的降低成为问题。
因而，与烧结矿相比，在不使成品率及生产率降低的情况下，用于将采用含有微粉矿石的含铁原料能制造的烧成球团矿在高炉中利用的技术的重要性提高。而且，还提出几种取代烧成球团矿的一部分而使用含碳非烧成球团矿的方法(例如参照专利文献6～7)。
在通过将含碳非烧成球团矿混合在大量含有烧成球团矿的含铁原料层中而在高炉中使用含碳非烧成球团矿的情况下，即使谋求促进含铁原料层的主要原料即烧结矿的还原，也不能在含铁原料层有选择性地促进因偏析而较多存在烧成球团矿的部位的还原反应，最终，发生该部位的还原延迟，不能享受充分的还原材比的降低效果。
要用上述的方法充分谋求促进含铁原料层中的烧成球团矿集中部位的还原，需要使用大量的含碳非烧成球团矿。在大量使用含碳非烧成球团矿的情况下，存在因含碳非烧成球团矿中含有的粘结剂的脱水反应，不仅高炉内的炉身部的升温速度降低，而且产生低温下的还原停滞区(低温热保存带)，助长高炉用含铁原料层内的烧结矿在高炉内的还原粉化的问题。
此外，由于含碳非烧成球团矿促进烧成球团矿的还原的效果低，含有非烧成球团矿的使用量在所需以上，因此有导致上述的烧结矿在高炉内还原粉化的可能性(例如参照专利文献7)。
所以，在大量使用烧成球团矿作为含铁原料的高炉操作中，希望开发能够高效率地发挥含碳非烧成球团矿促进烧成球团矿还原的效果、能够期待大幅度削减还原材比的含碳非烧成球团矿的高炉使用方法。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开昭53-130202号公报
专利文献2：日本特开2003-342646号公报
专利文献3：日本特开2000-160219号公报
专利文献4：日本特开平11-92833号公报
专利文献5：日本特开平8-199249号公报
专利文献6：日本特开2003-301205号公报
专利文献7：日本特开平6-145729号公报
发明内容
发明所要解决的问题
本发明鉴于上述现有技术的现状，以提供高炉操作方法为课题，该方法在大量使用烧成球团矿作为含铁原料的高炉操作中，通过将含碳非烧成球团矿混合在烧成球团矿中，使其与还原性差的烧成球团矿靠近地装入，从而消除在炉内的熔合带附近的还原延迟部位，形成薄的熔合带结构，由此可大幅度发挥降低高炉操作时的燃料单位消耗量的效果。
用于解决问题的手段
本发明人等对构成高炉用含铁原料的烧结矿、烧成球团矿、块矿石的高温行为进行了测定，进一步对在它们中按规定量配合了含碳非烧成球团矿时的高温行为的变化通过实验等进行了锐意研究。
其结果是，发现在构成高炉用含铁原料的烧结矿、烧成球团矿、块矿石中，特别是在混合烧成球团矿和含碳非烧成球团矿时，提高高温被还原性的效果特别大。
而且，得知通过根据烧成球团矿和含碳非烧成球团矿的使用量的关系，谋求含碳非烧成球团矿使用量的最优化，能够最大限度地发挥由含碳非烧成球团矿带来的改善烧成球团矿的还原的效果。
本发明是基于该见解为解决上述课题而完成的，其要旨如下。
(1)一种采用含碳非烧成球团矿的高炉操作方法，其是从高炉炉顶交替地以层状装入含铁原料和焦炭的高炉操作方法，其特征在于，
(i)预先将含碳非烧成球团矿和烧成球团矿混合，将该含碳非烧成球团矿和所述烧成球团矿的混合物装入以代替所述含铁原料层的一部分，而且，
(ii)调整所述含碳非烧成球团矿和所述烧成球团矿的混合比例，使所述含碳非烧成球团矿的单位消耗量(也称为单位使用消耗量)R(kg/tp)与所述烧成球团矿的单位消耗量P(kg/tp)的比R(kg/tp)/P(kg/tp)达到0.09～0.31。
(2)根据上述(1)所述的采用含碳非烧成球团矿的高炉操作方法，其特征在于，所述烧成球团矿的单位消耗量P为150kg/tp～650kg/tp。
发明的效果
根据本发明，在使用较多地配合有烧成球团矿的含铁原料的高炉操作中，与以往相比能以小量的含碳非烧成球团矿使用量获得大幅度的还原材比的改善。
所以，通过应用本发明，能够以廉价且劣质的粉状铁矿石作为原料高效率地制造烧成球团矿，且能够大幅度降低使用烧成球团矿时的高炉操作时的还原材比(焦炭比)，可在有效利用资源的同时实现节能化、低CO2化。
附图说明
图1是示意性地表示用于测定各种高炉装入物的还原性状的负荷软化试验装置的图。
图2是表示烧结矿和烧成球团矿与含碳非烧成球团矿的均匀混合带来的1200℃时还原率的变化的图。
图3是表示在烧成球团矿的还原过程中用于算出靠近的含碳非烧成球团矿的所需量的消耗C/O的图。
图4是表示含碳非烧成球团矿单位消耗量R、含碳非烧成球团矿的C含量C、烧成球团矿单位消耗量P的关系的图。
图5是表示含碳非烧成球团矿的C含量和反应后强度的关系的图。
图6是表示含碳非烧成球团矿的单位消耗量R和烧成球团矿的单位消耗量P的比A(＝R/P)与高炉的还原材比的关系的图。
具体实施方式
对本发明的详细情况进行说明。
首先，采用能够模拟高炉内反应的负荷软化试验装置，研究了由配合含碳非烧成球团矿带来的各种含铁装入物的还原特性的变化。
以下对采用负荷软化试验装置的还原率的测定方法进行说明。图1是负荷软化试验装置的剖视图。下段电炉6和上段电炉5由凸缘连接，形成一体结构。
下段电炉6为进行还原气体的预热而设置，上段电炉5用于试样3的加热。铁矿石等试样3在装入坩埚后，被设置在反应管内。将试样3夹在上下的焦炭层中装入坩埚内。
预先将调整到规定的组成及流量的还原气体从还原气体入口7导入反应管内，在被下段电炉6预热后，导入到坩埚内的试样3中。将反应后的气体从反应气体出口2排出，采集该排出气体的一部分，用气体分析计分析其成分。从该排气的分析值算出还原率。
同时，用电热偶4测定试样3的正上部的温度，测定还原气体入口7和反应气体出口2处的气体压力。从该压力的差计量试样3的通气阻力。此外，在试样3的升温及还原的过程中，通过负荷施加装置1对试样3施加任意的负荷，模拟实际炉的负荷条件。测定由其结果得到的试样3的收缩行为。再有，图中8是液滴收容部，9是液滴检测器。
图2中示出测定结果。将实际炉中所用的烧结矿及烧成球团矿整粒到平均粒径为10～15mm，采用在各自中均匀地混合了含碳非烧成球团矿而得到的材料作为试样。
作为含碳非烧成球团矿，在配合了规定量的含铁粉尘、含碳粉尘、早强波特兰水泥后，用盘式造粒机造粒，然后晾晒养护两周来制造。含碳非烧成球团矿的成分为碳：25％、T.Fe：45％，碳当量为2.0。
通过配合含碳非烧成球团矿，烧结矿及烧成球团矿到达1200℃时的还原率提高。如果将两者进行比较，首先，烧成球团矿的还原率低。
这是因为以下的理由。在烧成球团矿的情况下，由于气孔径分布均匀，因此还原通过局部化学反应来进行，在低温区形成牢固的金属外壳，抑制气体向内部的扩散。其结果是，在烧成球团矿内部大量内存含有较多未还原FeO的熔液，由于其在高温区一气地流失到外部，因而在高温区气孔闭塞造成的还原停滞显著。
另一方面，烧结矿具有不均匀的气孔结构，因而使还原迅速且均匀地进行到内部，从而金属化，所以较多含有未还原FeO的熔液量相对较少，即使在高温区也进行还原。
通过对含碳非烧成球团矿的效果进行比较，得知使含碳非烧成球团矿均匀地混合在烧成球团矿中的一方，其还原率的提高效果显著。这是因为，含碳非烧成球团矿自身的还原率非常高，而且直到形成上述金属外壳，含碳非烧成球团矿的利用气化形成的CO气体的还原被促进，因此滞留在内部的熔液量减少，在高温区的还原停滞减轻。
从以上的结果得到如下构思，即与使含碳非烧成球团矿存在于烧结矿附近相比，使含碳非烧成球团矿与烧成球团矿混合、使含碳非烧成球团矿存在于烧成球团矿附近的一方能够较大地发挥其效果。
另外，本发明人等对用于降低高炉操作时的燃料单位消耗量的含碳非烧成球团矿相对于烧成球团矿的混合比例进行了锐意研究。
在此之前，算出还原烧成球团矿所需的源自靠近的含碳非烧成球团矿的碳当量(mol)。作为含铁原料层的一部分而装入高炉内的烧成球团矿和含碳非烧成球团矿的还原阶段大致被分为以下的3个阶段((1)～(3))，算出各阶段的消耗C/O。
这里，O为烧成球团矿及含碳非烧成球团矿的被还原氧量的合计(mol)，C为源自含碳非烧成球团矿的C量(mol)，C/O表示相对于源自被还原的烧成球团矿的氧量的还原所需的源自含碳非烧成球团矿的碳量。
(1)烧成球团矿的还原率＜30％(低温区域)
烧成球团矿与含碳非烧成球团矿无关，被源自普通焦炭的还原气体还原。
(2)烧成球团矿的还原率：30～50％(间接还原区域)
烧成球团矿被源自含碳非烧成球团矿的还原气体还原。
C+CO2＝2CO    (1)(源自含碳非烧成球团矿的C开始气化)
2CO+2FeO＝2Fe+2CO2    (2)(烧成球团矿的间接还原)
由上述式(1)、式(2)得出：
C+2FeO＝2Fe+2CO2
摩尔比：C/O＝0.5
(3)烧成球团矿的还原率：50～100％(熔化(直接)还原区域)
烧成球团矿软化熔合开始，通过熔化(直接)还原被还原。
C+FeO＝Fe+CO    (3)
摩尔比：C/O＝1.0
以上的结果如图3所示。含碳非烧成球团矿带来的还原促进效果在(2)的区域被发挥，按单位烧成球团矿计，以摩尔比计C/O只要为0.2×0.5＝0.1就可以。
另一方面，含碳非烧成球团矿中的被还原氧通过含碳非烧成球团矿中的碳在(2)、(3)的区域被还原，因此按单位含碳非烧成球团矿计，以摩尔比计C/O需要为0.6。
基于上述研究结果，本发明人等求出了根据烧成球团矿的单位消耗量：P(kg/tp)的含碳非烧成球团矿的单位消耗量：R(kg/tp)。
例如，在按烧成球团矿的单位消耗量：P(kg/tp)计，将O量为28.1％(T.Fe＝65.7％，FeO＝0.9)的烧成球团矿和具有被还原氧量O％的含碳非烧成球团矿混合装入高炉时，用于还原该烧成球团矿和含碳非烧成球团矿的含碳非烧成球团矿的单位消耗量：R(kg/tp)采用C：含碳非烧成球团矿中碳含量(％)、O：含碳非烧成球团矿中被还原氧量，下式(4)成立。
R(kg/tp)＝12×100/C×(0.1×28.1/100/16×P+O.6×O/100/16×R)(kg/tp)    (4)
这里，对含碳非烧成球团矿中的碳含量、被还原氧量的关系进行说明。含碳非烧成球团矿的主成分由碳C和氧化铁Fe2O3构成，源自含铁粉尘或含碳粉尘的灰分、源自水泥的脉石成分、水泥水合反应形成的结晶水合计含有20～30％左右。这里，用[C/O](摩尔比)表示含碳非烧成球团矿的成分。
现在，如果将含碳非烧成球团矿的含有脉石成分规定为25％，则为：
C+Fe2O3＝75(质量％)    (5)
因此，被还原氧：O(mol％)和碳含量：C(质量％)的关系为：
O(mol％)＝3×16/(2×55.85+3×16)×(75-C)/16
        ＝0.3×(75-C)/16    (6)
如果将该关系式代入式(4)，则为：
R(kg/tp)＝12/C×100×(0.1×28.1/100/16×P+0.6×0.3×(75-C)/16/100×R)
＝2.1075×P/(1.135×C-10.125)    (7)
所以，根据烧成球团矿的单位消耗量：P(kg/tp)及含碳非烧成球团矿的含C量，基于上述式(7)的关系，设定含碳非烧成球团矿的单位消耗量：R(kg/tp)，由此能够还原靠近的烧成球团矿。
图4中示出该含碳非烧成球团矿的单位消耗量R(kg/tp)和烧成球团矿的单位消耗量P(kg/tp)的关系。
此外，如果用C/O(摩尔比)表示含碳非烧成球团矿的成分，则由式(6)得出：
[C/O]＝C/12×16/0.3/(75-C)
     ＝4.44×C/(75-C)    (7)
从而得出：
C＝75×[C/O]/(4.44+[C/O])    (8)
从该关系式得出，例如，[C/O]＝1.0、2.0、3.0分别相当于C(质量％)＝14％、23％、30％。
如果C含量增多，则含碳非烧成球团矿的冷、热强度降低，因此C含量存在上限。因而，本发明人等调查了C含量对含碳非烧成球团矿的反应后强度的影响。
对将具有多种C含量的含碳非烧成球团矿在900℃、CO/CO2＝7/3的条件下加热1小时后的压碎强度进行了调查。如图5所示，因C含量C的上升反应后强度降低。从非专利文献“鉄よ鋼72(1986)，S98.”得知，在高炉内需要确保含碳球团矿为10kg/片以上，但如果C含量C大于30％，则不能确保10kg/片。因而，将本发明中的C含量C的上限规定为30％。
本发明人等接着对用于降低还原材比的含碳非烧成球团矿的单位消耗量R(kg/tp)的最佳范围进行了锐意研究。在含碳非烧成球团矿的含碳量Y低于15％(C/O相当于1.0)时，上述式(2)的间接还原及熔化(直接)还原的反应效率的提高效果降低，其结果是，与采用普通焦炭时相比，难以充分降低还原材比。
此外，在含碳非烧成球团矿的含碳量C超过30％(C/O相当于3.0)时，压碎强度降低，阻碍高炉内的通气性，因此妨碍上述式(1)～(2)的间接还原反应的进行，其结果是，与采用普通焦炭时相比，难以充分降低还原材比。
因此，优选将含碳非烧成球团矿的含碳量C规定为15～30％。根据该含碳非烧成球团矿的优选的C量C：15～30％，基于上述式(7)，用于降低还原材比的含碳非烧成球团矿的单位消耗量R(kg/tp)的上下限值如下：
R(kg/tp)＝(0.09～0.31)×P(kg/tp)    (9)
所以，在本发明中，为了降低高炉操作时的还原材比，对含碳非烧成球团矿和烧成球团矿的混合比例，以含碳非烧成球团矿的单位消耗量R(kg/tp)与烧成球团矿的单位消耗量P(kg/tp)的比即R(kg/tp)/×P(kg/tp)满足上述式(9)的方式进行调整。
接着，本发明人等对烧成球团矿的单位消耗量P的范围进行了锐意研究。如果烧成球团矿的单位消耗量P低于150kg/tp，则高炉装入物的主体为烧结矿和块矿石，它们的反应特性左右高炉操作业绩，即使装入的烧成球团矿的还原性通过靠近装入的含碳非烧成球团矿被改善，对整体的操作的贡献也相对减小。
此外，如果烧成球团矿的单位消耗量P超过650kg/tp，则装入时的烧成球团矿的偏析程度增大，即使是含碳非烧成球团矿也不能弥补不良影响。
根据以上情况，在本发明中，将烧成球团矿的单位消耗量P(kg/tp)规定为150～650kg/tp。这相当于烧成球团矿比为10～40％，含碳非烧成球团矿的单位消耗量R的范围相当于14～202kg/tp。
图6中示出含碳非烧成球团矿的单位消耗量R(kg/tp)和烧成球团矿的单位消耗量P(kg/tp)的比即A(＝R/P)与还原材比的关系。
在有效容积为5500m3的高炉中，调查了根据烧成球团矿和含碳非烧成球团矿的使用量带来的还原材比的变化。在调查期间中，烧结矿的品质大致稳定，以出铁比达到2.1～2.2(t/d/m3)的方式操作。在不配合含碳非烧成球团矿时，伴随着烧成球团矿的单位消耗量P的增加，还原材比上升。
另一方面，在以含碳非烧成球团矿的单位消耗量R(kg/tp)与烧成球团矿的单位消耗量P(kg/tp)的比A(＝R/P)达到0.09～0.31的方式混合含碳非烧成球团矿和烧成球团矿时，将还原材比抑制在485(kg/tp)以下。
可是，如果烧成球团矿的单位消耗量P超过650kg/tp，即使使用含碳非烧成球团矿，还原材比为485(kg/tp)以下的操作也困难。此外，在烧成球团矿的单位消耗量P低于150kg/tp的情况下，即使使用含碳非烧成球团矿，还原材比为485(kg/tp)以下的操作也困难。
在含碳非烧成球团矿的单位消耗量R和烧成球团矿的单位消耗量P的比即A(＝R/P)超过0.31时，伴随着烧成球团矿的单位消耗量P的上升，含碳非烧成球团矿使用量不足，还原材比上升。
另一方面，在含碳非烧成球团矿的单位消耗量R和烧成球团矿的单位消耗量P的比即A(＝R/P)低于0.09时，也伴随着烧成球团矿的单位消耗量P的上升，还原材比上升。
这是因为，如上所述，以烧成球团矿的还原所需的量以上来配合含碳非烧成球团矿的结果是，伴随着压碎强度比烧成球团矿低的含碳非烧成球团矿的增加，通气性的降低变得显著，此外含碳非烧成球团矿的快速气化产生的CO气未能被有效地利用，而从炉顶排出。
再有，即使将同样的情况应用于普通焦炭(小块焦炭)也不能成立。由于普通焦炭的气化反应(C+CO2＝2CO)的速度慢，因此需要更多的焦炭。
此外，使用的含碳非烧成球团矿的粒径在本发明中没有特别的限定，但为了谋求与烧成球团矿的均匀混合，对含碳非烧成球团矿的压碎造成的通气性的降低进行抑制，因而优选平均粒径为20mm以下。
此外，关于含碳非烧成球团矿向高炉的装入方法，优选在从高炉炉顶交替地以层状装入含铁原料和焦炭时，事先在装入前将烧成球团矿和含碳非烧成球团矿混合，装入上述含碳非烧成球团矿和上述烧成球团矿的混合物，以代替上述含铁原料层的一部分。
作为装入前将烧成球团矿和含碳非烧成球团矿混合的方法，使烧成球团矿槽、含碳非烧成球团矿槽靠近而截出，也能得到同样的效果。
另外，本发明的含碳非烧成球团矿对于形状及制造方法没有特别的限定。通常，采用利用盘式造粒机的生球团矿的造粒方法，但采用可进一步进行压紧成形的团块成形，也能得到同样的效果。
此外，本发明的含碳非烧成球团矿对原料的条件也没有特别的限定。通常，主要采用含铁粉尘或含焦炭粉尘等，但配合铁矿石或氧化皮类等，只要成分范围在本发明范围内，也能够得到大致相同的效果。
实施例
以下，对本发明的实施例进行说明，但实施例的条件是为确认本发明的可实施性及效果而采用的一个条件例，本发明并不限定于该一个条件例。本发明在不脱离本发明的要旨而实现本发明的目的的范围内，可采用各种条件。
[实施例1]
以含铁粉尘、含碳粉尘、早强波特兰水泥作为原料，制造了两种含碳非烧成球团矿P1和P2。P1中，C含量为23％，C/O为2.0，脉石成分量为25％。P2中，C含量为28％，C/O为2.8，脉石成分量为25％。
将这些含碳非烧成球团矿与烧成球团矿一同从炉顶部装入有效容积为5500m3的高炉中而使用。在使用期间中，烧结矿的品质大致稳定，以出铁比达到2.1～2.2(t/d/m3)的方式操作。
表1中示出含碳非烧成球团矿、烧成球团矿的使用条件和高炉操作评价结果的一览。从表1得知，在使用含碳非烧成球团矿P1时，在含碳非烧成球团矿使用量相对于烧成球团矿使用量较小的比较例1中，不能进行还原材比为485(kg/tp)以下的操作。
在比较例2中，相反，含碳非烧成球团矿使用量相对于烧成球团矿使用量过多，还原材比上升，同样不能进行还原材比为485(kg/tp)以下的操作。
在使用含碳非烧成球团矿P2时，在烧成球团矿使用量大的条件下进行了研究。在比较例3中，含碳非烧成球团矿使用量为45(kg/tp)，尽管是与发明例1同等的使用量，但相对于烧成球团矿量为不足，不能使还原材比降低。在比较例4中，相反，因含碳非烧成球团矿的配合过多，同样还原材比向增高方向推移。
表1
  发明例1   发明例2   比较例1   比较例2   比较例3   比较例4
  使用含碳非烧成球团矿   P1   P2   P1   P1   P2   P2
  C含量                       质量％   23   28   23   23   28   28
  C/O                         -   2.0   2.8   2.0   2.0   2.8   2.8
  含碳非烧成球团矿单位消耗量R kg/tp   45   190   14   55   45   210
  烧成球团矿单位消耗量P       kg/tp   170   640   170   170   640   640
  系数A(R＝A×P)              -   0.26   0.30   0.08   0.32   0.07   0.33
  出铁比                      t/d/m3   2.19   2.12   2.19   2.19   2.12   2.12
  还原材比                    kg/tp   484   485   487   490   492   492
产业上的可利用性
如上所述，根据本发明，在使用较多地配合有烧成球团矿的含铁原料的高炉操作中，与以往相比能以小量的含碳非烧成球团矿使用量来大幅度改善还原材比。
所以，通过应用本发明，能够以廉价且劣质的粉状铁矿石作为原料高效率地制造烧成球团矿，且能够大幅度降低使用烧成球团矿时的高炉操作时的还原材比(焦炭比)，可在有效利用资源的同时实现节能化、低CO2化。因而，本发明对工业及社会的贡献是很大的。
符号的说明
1负荷施加装置
2反应气体出口
3试样
4热电偶
5上段电炉
6下段电炉
7还原气体入口
8液滴收容部
9液滴检测器

Claims (1)

1.一种采用含碳非烧成球团矿的高炉操作方法，其是从高炉炉顶交替地以层状装入较多地配合有烧成球团矿的含铁原料和焦炭的高炉操作方法，其特征在于，所述烧成球团矿的单位消耗量P为150kg/tp～650kg/tp，
（i）预先将含碳非烧成球团矿混合在烧成球团矿中，将该含碳非烧成球团矿和所述烧成球团矿的混合物装入，而且，
（ii）调整所述含碳非烧成球团矿和所述烧成球团矿的混合比例，使所述含碳非烧成球团矿的单位消耗量R与所述烧成球团矿的单位消耗量P的比R/P达到0.09～0.31，其中，所述含碳非烧成球团矿和所述烧成球团矿的单位消耗量的单位是kg/tp。
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