CN102597275A

CN102597275A - 高炉操作方法

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Publication number: CN102597275A
Application number: CN2010800488405A
Authority: CN
Inventors: 佐藤健; 角广行; 藤本英和; 庵屋敷孝思; 佐藤秀明
Original assignee: NKK Corp
Current assignee: JFE Steel Corp; JFE Engineering Corp
Priority date: 2009-10-29
Filing date: 2010-10-28
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2030-10-28
Also published as: KR101337162B1; JP5707858B2; CN102597275B; KR20120056858A; EP2495339A4; BR112012010036B1; BR112012010036A2; EP2495339A1; JP2011149090A; EP2495339B1; WO2011052798A1

Abstract

在高炉中使用铁焦时，通过使铁焦的使用量适当化，而提供一种稳定的操作。将矿石及包含铁焦和焦炉焦炭在内的焦炭向高炉装入。所述铁焦的使用比率为所述焦炭的2质量％以上且50质量％以下。铁焦使用比率优选为25质量％以上。所述铁焦优选具有15mm以上且40mm以下的粒径。所述铁焦优选具有10质量％以上且40质量％以下的铁成分。

Description

高炉操作方法

技术领域

本发明涉及使用对煤与铁矿石的混合物进行成型、干馏而制造出的铁焦时的高炉操作方法。

背景技术

为了使高炉的还原材料比下降，使高炉内形成的热保存带温度下降的方法是有效的(例如，参照非专利文献1)。

作为使热保存带温度下降的方法，可列举有下述(1)式所示的焦炭的气化反应(吸热反应)的开始温度的低温化。

CO₂+C→2CO …(1)

若焦炭的气化反应开始温度下降，则该反应产生的温度区域扩大，由此气化反应量增加。对煤与铁矿石混合而成型的成型物进行干馏所制造的铁焦，由于还原的铁矿石的催化剂效果，而能够提高焦炭的反应性，通过热保存带温度的下降而能够使还原材料比下降(例如，参照专利文献1)。

铁焦的制造方法例如假定为具有如下工序的工艺：除了煤和铁矿石之外添加数质量％的粘合剂并进行均质化的工序；利用具有凹陷的双辊式的成型器进行加压成型并制造煤球的工序；及将上述煤球在竖炉中进行干馏的工序。这种情况下，铁焦的形状形成为适合于上述辊成型的具有图2所示外形的形状。

另外，也假定使用煤与矿石粉的混合原料，以与当前的焦炉焦炭同样的方法进行制造的方法，但通常的焦炉式焦炭炉由硅耐火砖构成，因此在装入铁矿石时，铁矿石与硅耐火砖的主成分即二氧化硅反应，生成低熔点的铁橄榄石而可能会导致硅耐火砖的损伤。这种情况下，铁焦的粒子形状为不定形，通过筛分而设定粒径的范围。

另一方面，高炉内的焦炭的气化反应除了上述(1)式之外，还有下述的(2)～(5)式的反应。

(2)式：在风口部与氧反应的反应，

(3)式：与FeO的反应，

(4)式：与炉身部的水蒸气的反应，

(5)式：与非铁氧化物的反应，(5)式中的M为Si、Mn、Ti、P等。

在高炉操作中，下述(2)式以外的气化反应的总计习惯性地称为溶解损失碳量(以下，称为溶损量)，通过下述(6)式来计算。在风口前端发生了气化的碳量根据送风中的氧量，通过下述(2)式算出，炉顶气体中的碳量根据炉顶气体量和炉顶气体中的CO及CO₂的浓度来算出。认为，在使用了铁焦时，虽然上述(1)式的反应增加，但氧化铁的气体还原即下述(7)式被促进，由此，下述(3)式的反应大幅减少，结果是溶损量减少。另外，在溶损量中，下述(4)式的贡献小，通常，溶损量被认为是炉顶～热粘结带附近的焦炭的气化量。

C+1/2O₂＝CO …(2)

FeO+C＝Fe+CO …(3)

H₂O+C＝H₂+CO …(4)

MO_n+C＝M+CO_n …(5)

溶损量＝炉顶气体中的碳量-在风口前端发生了气化的碳量 …(6)

FeO+CO＝Fe+CO₂ …(7)

在使铁焦使用量增加而实现热保存带温度下降时，溶损量即炉顶～热粘结带附近的焦炭的气化量减少，当成为某条件以上时，预想铁焦中碳量会高于溶损量。在热粘结带以下，所谓滴下带中，由未通过炉顶～热粘结带附近的溶解损失反应而气化消失的焦炭构成。铁焦比焦炉焦炭的反应性高，即使假定比焦炉焦炭优先气化，若装入的铁焦中碳量高于气化量，则气化未消失的铁焦会残留于滴下带。需要说明的是，焦炉焦炭是指通过焦炭炉等对煤进行干馏而制造的、通常装入高炉而作为焦炭原料使用的焦炭。在铁焦的粒径比焦炉焦炭小时、强度低时，若滴下带的铁焦的存在过多，则炉下部的通气/通液性可能会恶化，因此认为铁焦的使用量存在上限。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2006-28594号公报

非专利文献

非专利文献1：日本钢铁协会“铁和钢”87，2001年，p.357

非专利文献2：日本钢铁协会“铁和钢”79，1993年，N618

非专利文献3：川崎制铁技报，6(1974)，p.16

发明内容

如上述那样，认为铁焦的使用量存在上限。

因此，本发明的目的在于解决此种现有技术的课题，在高炉中使用铁焦时，通过使铁焦的使用量的适当化，而提供稳定的操作。

用于解决此种课题的本发明的特征如下所述。

(1)一种高炉操作方法，将矿石及包含铁焦和焦炉焦炭在内的焦炭向高炉装入，其中，所述铁焦的使用比率为所述焦炭的2质量％以上且50质量％以下。

(2)根据(1)所述的高炉操作方法，所述铁焦具有15mm以上且40mm以下的粒径。

(3)根据(2)所述的高炉操作方法，所述铁焦具有20mm以上且35mm以下的粒径。

(4)根据(1)所述的高炉操作方法，所述铁焦的使用比率为所述焦炭原料的25质量％以上且50质量％以下。

(5)根据(4)所述的高炉操作方法，所述铁焦的使用比率为所述焦炭原料的30质量％以上且50质量％以下。

(6)根据(1)所述的高炉操作方法，所述铁焦具有10质量％以上且40质量％以下的铁成分。

另外，上述课题也可以通过以下的发明来解决。

(7)一种使用了铁焦的高炉操作方法，其特征在于，进行将铁焦和焦炉焦炭作为焦炭原料从高炉的炉顶装入的操作时，使所述铁焦使用量为所述焦炭原料使用量的2质量％以上且50质量％以下。

(8)根据(7)所述的使用了铁焦的高炉操作方法，其特征在于，使铁焦使用量为焦炭原料使用量的35质量％以下。

(9)根据(7)或(8)所述的使用了铁焦的高炉操作方法，其特征在于，铁焦的粒径小于不与矿石混合而单独向高炉装入的焦炉焦炭的粒径。

需要说明的是，在本发明中，矿石是指从铁矿石制造的烧结矿、块状的铁矿石、球团矿等的向高炉装入的含铁原料的一种或二种以上的混合物的总称。作为向高炉内层叠的矿石层，除了矿石以外，还有包含用于矿渣成分调整的石灰石等副原料的情况。

发明效果

根据本发明，在高炉操作中使用铁焦作为焦炭原料的一部分时，通过进行设定了铁焦使用量上限的操作而能够实现稳定操作。

附图说明

图1是表示铁焦使用比率与通气阻力(相对压力损失)的关系的图形。

图2是表示铁焦的形状的示意图。

图3是表示铁焦使用比率和还原材料比下降量的关系的图形。

图4是表示铁焦中碳量与溶损碳量之差和铁焦使用比率的关系的图形。

图5是表示铁焦使用比率和滴下带残留铁焦比率的关系的图形。

图6是通气阻力测定装置的简图。

图7是表示焦炉焦炭与铁焦的混合填充层的铁焦使用比率和通气阻力(相对压力损失)的关系的图形。

图8是表示矿石的粒度分布的图形。

图9是表示矿石+铁焦混合层的通气阻力和铁焦粒径之间的关系的图形。

图10是表示测定焦炭反应量时的反应试验条件的图形。

图11是表示铁焦使用比率和相对的碳反应量的关系的图形。

图12是表示铁焦使用时的高炉内的装入物分布的简图。

具体实施方式

铁焦是对以煤和铁矿石为主成分的原料进行成型并对制造出的成型物进行加热而对成型物中的煤进行干馏而制造出的物质。需要说明的是，以煤和铁矿石为主成分是指铁焦的原料主要为煤和铁矿石，使用含有70质量％以上的煤和铁矿石的原料来制造铁焦，但通常使用含有80质量％以上的煤和铁矿石的原料。

虽然发现了铁焦中的铁成分含有量越多而焦炭的反应性越高的效果，但由于发现了铁成分含有量从10质量％开始具有大的效果，在40质量％以上时效果饱和，因此优选10～40质量％的铁成分含有量。

本发明者们使用基于里斯特(Rist)操作线图(例如，参照非专利文献2)的热/物质平衡模型来预测铁焦使用时的高炉操作条件的变化，根据溶损量和装入到高炉内的铁焦使用量，来推定残留于滴下带的铁焦量。

若由于铁焦比焦炉焦炭的反应性高因而比焦炉焦炭优先气化，则残留于滴下带的铁焦量由下述(8)式表示。

残留于滴下带的铁焦量＝(装入到高炉内的铁焦中碳量-溶损碳量)

…(8)

在此，当装入到高炉内的铁焦中碳为溶损碳以下时，残留于滴下带的铁焦量作为0来处理。作为这些物质收支计算的前提条件，铁焦中的铁成分为10、30、40质量％(其余为焦炭成分)，焦炭中碳为87.5质量％。

另外，滴下带中的滴下带残留铁焦比率由下述(9)式表示。

残留于滴下带的铁焦量/(残留于滴下带的铁焦量+焦炉焦炭量)

…(9)

使用这些式子进行讨论的结果如表1～表3及图3～5所示。

表1是铁焦中的铁成分为10质量％的例子，表2是铁焦中的铁成分为30质量％的例子，表3是铁焦中的铁成分为40质量％的例子。

在表1中，基本情况为未使用铁焦时，情况1是使用铁焦但装入到高炉内的铁焦中的碳量比溶损碳量少的情况，情况2、3是装入到高炉内的铁焦中的碳量比溶损碳量多的情况。铁焦中的铁成分越高，铁焦的反应性越增加，热保存带温度降低效果也增大。因此，在相同的铁焦使用比率下，热保存带温度及来自铁焦的碳量也会根据含有铁成分而不同，这些不同会影响还原材料比、溶损碳。表1～3表明加入了这些现象的结果。

图3是表示铁焦使用比率与还原材料比下降量之间的关系的图形。从图3可知，铁焦中的铁成分比率越高，或越提高铁焦使用比率，还原材料比越下降。例如，使用25质量％的铁成分为30质量％的铁焦时，期待还原材料比减少30kg/t-p，另外，若使用30质量％铁焦，则在铁成分含有量为10质量％的铁焦中，也能预计得到20kg/t-p以上的还原材料比减少效果。需要说明的是，如下述(10)式所示，铁焦使用比率(装入铁焦比率)是装入到高炉内、铁焦相对于铁焦与焦炉焦炭的总量的质量比率，作为铁焦，使用包括铁成分的铁焦整体的质量。

铁焦(包括铁成分)/{铁焦(包括铁成分)+焦炉焦炭}

…(10)

[表1]

[表2]

[表3]

根据图4、图5可知，在装入铁焦使用比率为30质量％附近，铁焦中碳量与溶损量相等，装入到高炉内的铁焦使用比率进一步增加时，铁焦中碳高于溶损量，铁焦残留于滴下带。需要说明的是，在图5中，横轴与图形的线相交的位置的铁焦使用比率相当于图4中的纵轴成为0的铁焦使用比率。

接下来，使用图6所示的装置，测定焦炉焦炭与铁焦的混合填充层的通气阻力。通气阻力测定装置1为直径400mm，整体的高度为2000mm，以1000mm高度装入通气测定对象试验2而进行了测定。焦炉焦炭使用了粒径40～60mm的焦炉焦炭，铁焦使用了18×16×12mm(粒径15mm)及30×25×18mm(粒径24mm)的铁焦。在本发明中，铁焦的尺寸由图2中的A×B×C标记，铁焦的粒径使用以(A×B×C)^1/3计算的值。图7表示使铁焦的混合比率变化时的通气阻力测定结果。铁焦混合比率超过30质量％时，通气阻力显著上升，推定为这是因为铁焦的粒径比焦炉焦炭小，而且与焦炉焦炭相比，形状没有凹凸，具有降低填充层的空隙率的效果。

使用图7所示的结果作为模拟了滴下带的实验结果，表1～3所示的铁焦使用量与滴下带的残留铁焦比率的关系通过在图7中并记而能得到图1。

根据图1可知，通气阻力(相对压力损失)从滴下带残留铁焦比率为10质量％左右开始上升，与铁成分含有量为10质量％、粒径15mm的铁焦使用比率为50质量％相当的滴下带残留铁焦比率从30质量％开始，通气阻力急剧上升。因此，在与铁成分含有量为10质量％、粒径15mm的装入铁焦使用比率为50质量％的条件相比粒径大及/或铁焦中铁成分含有量大的条件下，即使铁焦使用比率为50质量％，通气阻力也不会上升。根据以上情况，在使用含铁量为10～40质量％、粒径15mm以上的铁焦时，估计到避免通气阻力的急剧上升的铁焦使用比率上限为50质量％的情况。

根据以上情况，能得到如下的结论：当铁焦使用比率相对于铁焦与焦炉焦炭的总量即焦炭使用量超过50质量％时，滴下带的通气阻力的恶化变得显著。因此，需要以铁焦使用比率成为装入到包含焦炉焦炭的高炉内的总焦炭量的50质量％以下的方式来调整装入量，进行高炉操作，另一方面，为了得到20kg/t以上的还原材料比减少效果，而使用比率为25质量％以上，优选为30质量％以上。

铁焦优选向矿石(由烧结矿、球团矿、块矿石等构成的含铁原料)混合而使用(例如，参照专利文献1)，此时，维持矿石与铁焦的混合层的通气性，但操作上变得重要，因此研究了铁焦尺寸对矿石与铁焦的混合层(以下记载为“矿石+铁焦混合层”)的通气阻力的影响。使用的矿石粒子的粒度分布如图8所示。矿石层中的铁焦比率为21体积％(相当于铁焦使用比率35质量％)，混合到矿石层中的铁焦粒径对通气阻力的影响使用下述(11)式进行了估算。

通气阻力指数＝(1/Φdp)^1.3·(1-ε)^1.3/ε³…(11)

在此，Φ为形状系数(为0.7)，d_p为矿石+铁焦混合层的平均粒径，ε为矿石+铁焦混合层的空隙率。矿石+铁焦混合层的平均粒径根据假定的铁焦尺寸对图8所示的粒度分布进行校正来算出，空隙率根据校正后的粒度分布来推定(参照非专利文献3)。结果如图9所示。可知铁焦的粒径在15～40mm之间，通气阻力的变化小。当铁焦的粒径低于15mm时，矿石+铁焦混合层的平均粒径下降，从而通气阻力上升。另一方面，即使在铁焦的尺寸大的条件下，通气阻力也上升，这是因为由于粒度分布扩大而空隙率下降。根据以上情况可知，用于避免通气阻力上升的铁焦粒径为15～40mm。若为使用成型机制造的图2所示的形状的铁焦，则前面定义的铁焦的粒径(＝(A×B×C)^1/3)优选为15～40mm。若是使用当前的焦炭炉制造的不定形的铁焦，则在装入到高炉内时，优选使用筛分成粒径15～40mm的范围的铁焦。

接着，通过模拟了高炉内条件的气化反应试验，进行了关于对反应促进具有效果的铁焦使用量的研究。向内径76mm的坩埚以规定的比率填充铁焦及焦炉焦炭，在图10所示的气体-温度条件下进行试验，并测定了试验后的焦炭中碳的反应量。以焦炉焦炭100质量％(铁焦0质量％)的条件为基本情况，使铁焦使用比率变化时的相对的碳的反应量(相对C反应量)如图11所示。在此，相对C反应量是铁焦及焦炉焦炭的反应量的总值。在铁焦使用比率为1质量％程度下，与基本情况没有显现明显的差别，但在铁焦使用比率为2质量％时，相对于基本情况，反应量增加，此外，铁焦使用比率增加时，随着铁焦使用比率的增加而反应量也增加。若铁焦的混合量过少，则作为混合填充层的不均一性变得显著，因此推定为反应促进效果难以出现。

因此，需要使铁焦使用比率为包含焦炉焦炭的总焦炭量即焦炭使用量的2质量％以上。

另外，关于铁焦的粒径，在使用粒径小于不与矿石混合而单独装入到高炉内的焦炉焦炭的粒径的铁焦时，优选适用本发明。在使用粒径小于单独装入的焦炉焦炭的粒径的铁焦时，炉下部的通气/通液性可能恶化，本发明的效果变得显著。在铁焦的粒径比焦炉焦炭大时，即使铁焦的存在变得过多，炉下部的通气/通液性恶化的可能性小。需要说明的是，这种情况的矿石是指块铁矿石、烧结矿等装入到高炉中的铁源原料。

实施例1

实施了铁焦的高炉使用试验。铁焦是使用在利用成型机对煤和铁矿石的混合物进行成型后向竖型井式炉装入并进行干馏而制造出的铁焦，其尺寸为30×25×18mm(粒径24mm)。铁焦中铁矿石的还原率为80～85％，转鼓强度DI_150/15为82。另外，铁焦中的铁成分为30质量％，其余70质量％的焦炭成分中的碳成分为87.5质量％。如图12所示，原料向高炉内的装入按照将铁焦10与矿石20的混合层和焦炉焦炭30单独的层交替层叠的方法来进行。在图8中，左端为炉中心，40为炉壁。焦炉焦炭30的平均粒径为45mm。在图12中，左端为炉中心，40为炉壁。5质量％的焦炉焦炭作为粒径10～25mm的小块焦炭向矿石中混合而使用。仅由焦炉焦炭构成的层30的平均粒径为45mm。

如上述那样装入原料时，使混合的铁焦的比例变化而进行了操作试验。使铁焦使用比率变化时的高炉还原材料比及通气阻力指数(相对炉下部通气阻力指数)的变化如表4所示。在表4中，基本情况是未使用铁焦的情况，情况1～3是在铁焦使用比率为50质量％以下的范围内使铁焦使用比率依次增加的情况。

[表4]

伴随着铁焦使用比率的增加而通气阻力微增，但由于铁焦比率为50质量％以下，因此能够继续稳定操作。暂时使铁焦使用比率上升至55质量％时，由于炉下部通气阻力的上升，难以继续操作。

标号说明：

1 通气阻力测定装置

2 通气测定对象试料

10 铁焦

20 矿石

30 焦炉焦炭

40 炉壁

Claims

1.一种高炉操作方法，将矿石及包含铁焦和焦炉焦炭在内的焦炭向高炉装入，其中，

所述铁焦的使用比率为所述焦炭的2质量％以上且50质量％以下。

2.根据权利要求1所述的高炉操作方法，其中，

所述铁焦具有15mm以上且40mm以下的粒径。

3.根据权利要求2所述的高炉操作方法，其中，

所述铁焦具有20mm以上且35mm以下的粒径。

4.根据权利要求1所述的高炉操作方法，其中，

所述铁焦的使用比率为所述焦炭的25质量％以上且50质量％以下。

5.根据权利要求3所述的高炉操作方法，其中，

所述铁焦的使用比率为所述焦炭的30质量％以上且50质量％以下。

6.根据权利要求1所述的高炉操作方法，其中，

所述铁焦具有10质量％以上且40质量％以下的铁成分。