JP2006265669A

JP2006265669A - 高炉操業方法

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Publication number: JP2006265669A
Application number: JP2005087671A
Authority: JP
Inventors: Koujiyu Mori; 候寿森; Tsukuru Wakai; 造若井
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2005-03-25
Filing date: 2005-03-25
Publication date: 2006-10-05
Anticipated expiration: 2025-03-25
Also published as: JP4604788B2

Abstract

【課題】本発明は、所望の溶銑の生産性を確保できるばかりでなく、できるだけ少ないコークス比で安定操業が達成可能な高炉操業方法を提供することを目的としている。
【解決手段】予め、コークス強度をパラメータとして、高炉炉腹部での半径方向の平均コークス層厚と、炉内上部での半径方向の中間部及び周辺部のガス利用率差とで高炉の安定操業を達成する領域を求めておき、また一方で目標とする出銑比と、前記炉内上部での半径方向の中間部及び周辺部のガス利用率差との関係から得られる安定操業範囲を求めて、それら２つの領域が重なる領域の中で前記炉内上部での半径方向の中間部及び周辺部のガス利用率差が最大の領域内で最も高炉炉腹部での半径方向の平均コークス層厚の薄くなる値を定め、その定めた平均コークス層になるように、前記コークス及び鉄鉱石類を装入分布制御して操業する
【選択図】図１

Description

本発明は、高炉操業方法に係わり、特に、所望する溶銑の生産量をできるだけ低いコークス比で達成する技術に関する。

溶銑を溶製する高炉１は、図３に示すような炉体構造をしており、その操業は、該高炉１内へ炉頂装入装置２（ベル式装入装置又は旋回シュートを利用するベルレス式装入装置）を介して、通常は塊状の鉄鉱石類３（鉄鉱石及び／又は焼結鉱等）とコークス４とを交互に層状となるように装入し、炉下部に配置した羽口５より吹き込んだ熱風が前記コークス４を燃焼して発生する熱及びＣＯガスを利用して、鉄鉱石類３を還元、溶融して、溶銑と溶滓（スラグ）とに分離するように行われる。このような高炉操業は、原料の性状、炉内堆積状況等の変化により、炉内の通気性、通液性及び炉内を上昇するガス流の半径方向分布等に経時的な変動が生じ、安定した操業を長期間にわたって維持することが非常に難しいものである。

そのため、従来より、装入物分布制御と称し、前記鉄鉱石類及びコークスの炉半径方向での分布（層厚、重量の）を目標（又は基準）値に一致するように制御して、炉内のガス流分布を常時一定形状になるように調整している。例えば、炉内上方にガスの組成及び温度、装入物表面までの距離等を測定する装置（ゾンデという）を水平方向に移動自在に配設し、「測定時点における炉内充填装入物の半径方向での真の鉄鉱石類及びコークスの炉半径方向での層厚を求め、その層厚分布から炉内半径方向での鉱石／コークスの量比を計算し、同時に該計算値に対応する位置・時間におけるガス組成分布やガス温度分布を測定すると共に、その測定値を予め設定した基準値と比較し、その比較差を前記鉱石／コークスの比にフィードバックして炉内半径方向における層厚分布を調整する」技術が開発されている（特許文献１参照）。この場合の基準値としては、図４に示すように、「ガスの中心流を大にし、ある程度の炉壁流を確保した状態」より定められる。そして、このような装入物分布制御を利用することで、従来よりかなり操業の安定化を維持した状態で高生産性が達成できるようになっている。

ところが、最近、ガス排出規制等の社会環境問題の高まり、冶金コークス用の原料炭の枯渇等の観点より、コークスの使用量をできるだけ低減する操業が必要となっている。この要求に応えるには、一般的にはコークスの代わりとなる微粉炭の吹き込み量を増加させたり、又は送風条件（送風温度、送風湿分）や装入物分布等の変更を行い、高炉へ必要な投入熱量を低減することで、コークス使用量を削減する方法があるが、これらの手段によりコークス使用量の削減が可能となった場合には、１回に装入される鉱石量を一定にしてコークス量を低減する方法、あるいは１回に装入されるコークス量を一定にして鉱石量を増加させる方法のいずれかが採用される。

しかしながら、図５に模式的に示す高炉操業中の炉内状況によれば、コークス比（銑鉄１トンを溶製するに必要なコークス量）が大きい場合を左側に、小さい場合を右側に示すが、コークス４の使用量が少ないと、塊状帯９を通過した炉下部の軟化融着帯６でのコークス・スリット７（軟化した鉄鉱石及びスラグ層の上下にあるコークス層間の隙間）が小さくなり、炉内通気抵抗が大きく、かつ炉内ガス流分布が不安定になることが明らかである。そのため、コークス４の使用量を減らすことについては、適切なコークス・スリット７を確保しなければならない観点から、下限があることが知られている。また、鉱石３の使用量は、炉の還元、溶融能の観点から上限がある。さらに、配置した炉頂装入装置２の大きさの制約により、１回当りの鉱石装入量を増加させる場合には限界がある。

そのため、現在は、特許文献１記載のような層厚制御技術に加え、１回当たりのコークスの装入量をできるだけ下限近くまで低下させることに重点をおいた操業を行っている。つまり、コークスの１回あたりの装入における下限値を技術者が過去の操業経験から判断し、高炉で最も内径が大きい炉腹部８での平均コークス層厚（この「平均」とは半径方向の数箇所での値の平均という意味である）で設定、管理している。

しかしながら、このような炉腹部８での平均コークス層厚で管理する操業を行って低コークス化を図ると、原燃料の性状変化の影響のためか、炉内通気抵抗の上昇やガス流分布の乱れが多発し、溶銑の所望の生産量を確保できないばかりか、満足できる安定操業が達成されないことが多い。
特公昭５７−２６３２４号公報

本発明は、かかる事情に鑑み、所望の溶銑の生産性を確保できるばかりでなく、できるだけ少ないコークス比で安定操業が達成可能な高炉操業方法を提供することを目的としている。

発明者は、上記目的を達成するため鋭意研究を重ね、その成果を本発明に具現化した。

すなわち、本発明は、ベルレス装入装置を用いて炉内へコークス及び鉄鉱石類を交互に層状として装入する高炉操業において、予め、コークス強度をパラメータとして、高炉炉腹部での半径方向の平均コークス層厚と、炉内上部での半径方向の中間部及び周辺部のガス利用率差とで高炉の安定操業を達成する領域を求めておき、また一方で目標とする出銑比と、前記炉内上部での半径方向の中間部及び周辺部のガス利用率差との関係から得られる安定操業範囲を求めて、それら２つの領域が重なる領域の中で前記炉内上部での半径方向の中間部及び周辺部のガス利用率差が最大の領域内で最も高炉炉腹部での半径方向の平均コークス層厚の薄くなる値を定め、その定めた平均コークス層になるように、前記コークス及び鉄鉱石類を装入分布制御して操業することを特徴とする高炉操業方法である。この場合、前記コークス及び鉄鉱石類を装入分布制御が、高炉上部の装入物表面の位置、炉内半径方向のガス組成及び温度を測定するゾンデを利用したものであるのが好ましい。

本発明によれば、使用するコークスの強度や炉内のガス流分布が変化しても、所望の溶銑の生産性を確保しつつ、できるだけ低いコークス比の下で安定した高炉操業を行うことが可能となる。

以下、発明をなすに至った経緯をまじえ、本発明の最良の実施形態を説明する。

通常は前記炉腹部での半径方向の平均コークス層厚（以下、単に平均コークス層厚という）が２６０ｍｍで、コークス比３８０ｋｇ／ｔ程度の操業を行っている高炉で、コークス比が３６０ｋｇ／ｔ以下になるように、平均コークス層厚の下限値を低下させて操業を行ったところ、炉内の通気性が低下したり、ガス流分布に変動が生じ、安定した操業を継続することができないばかりか、所望の溶銑量を得ることが困難になった。その原因を追究すると、使用したコークスの強度が低下した結果、炉内を降下する間に粉化し易くなり、炉下部のコークススリット部（図５参照）での充填構造が緻密になったため、従来より薄い平均コークス層厚では炉内通気抵抗の上昇が避けられないことが判明した。

そこで、発明者は、低コークス比の操業で生じる問題点を徹底的に解明し、図６に示すような結論を得た。つまり、１回の装入当たりのコークス量を減らして低コークス比の操業を指向すると、鉄鉱石類／コークス（記号：Ｏ／Ｃ）の量比（オア・バイ・コークスと称する）が上昇し、コークス層厚に対して鉄鉱石類層厚が厚くなる。そのため、炉内上部では、空隙率が低下し、炉下部の前記軟化融着帯６では前記コークス・スリット７（図５参照）の減少や鉄鉱石層厚の増加でその還元が停滞し、その結果として炉内通気抵抗が上昇するばかりでなく、炉熱が低下する。また、コークス比が低いと、ガス利用率（ＣＯ₂／（ＣＯ₂＋ＣＯ）×１００％で定義され、数値が大きいほど炉内ガスが鉄鉱石類の還元反応に有効利用されたことを示す）の向上及び炉熱損失の低下を図るため、炉周辺（壁寄り）部のガス流を抑制するような装入物分布が採用され、炉内通気抵抗の上昇が起きる。このように、コークス量を減らすと、炉内が操業にとって好ましくない状態になり、安定操業を長期にわたって維持することが困難になり、その結果、溶製される溶銑量も減る。なお、この傾向は、使用するコークスの強度低下があると、一層促進される。

発明者は、このような知見に対して、低コークス比でも安定操業を長期にわたり維持可能な操業方法を模索するため、過去の操業データの解析を行った。そして、コークスの強度、高炉炉腹部での半径方向の平均コークス層厚、及び炉内上部での半径方向の中間部と周辺部とのガス利用率差という３つの要因を整理したところ、図１に示すように、高炉の安定操業を達成できる領域（コークス強度線の下側）を区別できる関係を見出した。この関係は、コークス強度が大きいほど、安定して操業可能な平均コークス層厚の下限と採用可能なガス分布パターンの範囲が広くなっており、妥当なものである。

ここで、コークスの強度は、使用するコークスについて日々測定しているドラム強度試験法による値（ドラム強度：ドラム・インデックスともいい記号ＤＩで表す）であり、高炉炉腹部での半径方向の平均コークス層厚及び炉内上部での半径方向の中間部と周辺部とのガス利用率差（以下、単にガス利用率差ともいう）は、炉内上部に設けた前記ゾンデを介してのマイクロ波プロフィール計及びガス分析計を用いての測定値である。

つまり、高炉炉腹部での半径方向の平均コークス層厚は、コークスを装入する毎にその表面形状をマイクロ波プロフィール計で測定し、炉半径方向にわたり鉄鉱石類表面との距離を層厚として求め、その値を炉腹部での値に補正した値である。炉内上部での半径方向の中間部と周辺部とのガス利用率差は、前記ゾンデを介して炉半径方向の中間部及び周辺部のガスを採取し、ガス分析した値よりガス利用率を計算し、それぞれの値の差を求めたものである。なお、このガス利用率差の値が大きいほど、周辺部のガス流れが大きく、且つ中間部でのガス流れが小さい分布となっており、言い換えれば中間部で局所的な高Ｏ／Ｃ部（コークス層厚が最小となる部分）を形成し易い分布となる。

発明者は、この新たに見出した前記関係を利用すれば、使用するコークス強度及び所望の出銑量を達成する送風条件を考慮して適用されるガス流分布に対応させて、炉腹部での平均コークス層厚の下限値を設定することで、所望の出銑量（出銑比）を確保できるばかりでなく、安定した低コークス比操業が達成できると考えた。つまり、所望の出銑比を指定すると、それに対応するガス流分布は過去の操業結果から自ずと定まるので、図１の安定操業を達成する領域内で、しかも平均コークス層厚をできるだけ小さくして操業すれば良いからである。ここで、所望の出銑量（この場合、高炉の単位容積当たり１日で出銑する溶銑重量：ｔ／ｄ／ｍ³を用いる）とガス流分布との関係には、例えば図７に示すものが利用でき、そこで出銑比を指定すると、炉内上部での半径方向の中間部と周辺部とのガス利用率差が容易に定められることが明らかである。一般的に、出銑比が大きくなるほど、高炉へ吹き込む送風量を増加させる。それに伴い炉内の圧力損失も増加していくが、その値がある一定値以上になると、炉下部で軟化・溶融した銑鉄が下からのガスの抗力により吹上げられて滴下しなくなる現象（フラッディング現象という）が発生するため、送風量を増加させるのにも限界がある。そのため、出銑量を増加させる際には、ガス利用率の向上や炉体熱損失の低減を行って、より少ない還元ガス量で銑鉄製造が可能となるように、周辺ガス流を抑制するガス流分布の調整を行う。その結果、図７に示すように、出銑比が増加するに伴い、前記炉内上部での半径方向の中間部及び周辺部のガス利用率差が小さくなる。すなわち、周辺ガス流を抑制したガス流分布を採用していることがわかる。なお、この関係は、原燃料性状や炉体設備等によって異なるが、本発明を採用する高炉に応じて過去の操業データを解析して求めておけば良い。

したがって、具体的な本発明としては、まず、ベルレス装入装置を用いて炉内へ該コークス及び該鉄鉱石類を交互に層状として装入する従来通りの高炉操業を行うに際して、予め、過去の操業データ及び試験操業の結果を利用し、図７に示した出銑比と前記ガス利用率差との関係を得ると共に、コークス強度をパラメータとして、高炉炉腹部での半径方向の平均コークス層厚と、炉内上部での半径方向の中間部及び周辺部のガス利用率差とで高炉の安定操業を達成する領域を求め、図１に示した関係に整理する。そして、図７より所望の出銑比（点Ａで示す）に対応する炉内上部での半径方向の中間部及び周辺部のガス利用率差（点Ｂ）を定める。引き続き、このガス利用率差を図１の点Ｂに対応させて（破線で示す）、安定操業を達成可能な領域内で１回当たりのコークス装入量から求まる前記高炉炉腹部での半径方向の平均コークス層厚（例えば、この場合は、コークス装入量を嵩密度で除して体積に換算し、それを炉腹部の断面積で除すことで求まる）を求める。この場合、安定操業を達成可能な該平均コークス層厚の値としては、例えばコークス強度が８２〜８３％の間であれば、図中の点Ｃより右側の範囲内で破線上に多数存在することになる。そこで、コークス比をできるだけ少ない状態で操業することを配慮すると、図１に点Ｃで示すように、前記高炉の安定操業を達成する領域（ハッチ部分）の最も左側になる平均コークス層厚の値で操業することになる。つまり、炉上部でゾンデを介して８時間毎に定期的に測定している表面形状から定まる平均コークス層厚が点Ｃの値になるように、前記コークス及び鉄鉱石類をベルレス装入装置を用いてコークス及び鉄鉱石類の装入物分布制御を行いながら装入する。

このように、予め指定された出銑比に対して図１の安定操業可能領域からその時の操業状況に合った平均コークス層厚を設定しておけば、操業途中でコークス強度の変化（大きい側、小さい側のいずれでも良い）が起きても、図１の関係を利用して、該コークス強度の変化に対応させて安定操業が達成される領域内に入るように平均コークス層厚を再度調整してやることで（例えば、点Ｄ，Ｅへ移動）、所望の出銑量を達成させつつ、低コークス比で且つ安定した操業の維持が長期間にわたり可能となる。

なお、本発明では、コークス及び鉄鉱石類の装入物分布制御については、特に限定しない。その装入物分布制御には従来より周知の方法が多々あるが、いずれの方法でも本発明が有効であることを確認しているからである。ただし、特許文献１に記載したように、ゾンデを利用する制御方法の採用が好ましい。過去の実績から信頼性が高いばかりでなく、実施の作業上もなれているからである。

従来通りの操業を行っていたベルレス方式の炉頂装入装置を備えた炉容４０００ｍ³級の高炉に、途中より前記の本発明に係る高炉操業方法を適用して溶銑を溶製した。従来通りの操業とは、出銑比：２．１５ｔ（トン）／Ｄ（日）／ｍ³を狙い、コークス及び鉄鉱石類の装入物分布制御を前記した特許文献１記載の方法で行ったものである。主な操業条件としては、１回当たりの鉱石（焼結鉱等）装入量：１２０ｔ、コークス装入量：２３ｔ、熱風の送風量：６５００ｍ³（標準状態）／ｍｉｎ、送風温度：１１５０℃、酸素富化率：２．３％である。また、コークスの粒径は、４５〜５０ｍｍで、その強度はドラム強度（ＤＩ）で：日間平均値が８１．０〜８３．５％と変化していた。

これらの操業で得た出銑比、コークス比等の日間変化を図２（ａ）〜（ｅ）に一括して示す。

従来操業では、コークス比を低下させる方法として１回当たりの鉱石装入量を一定にしてコークス装入量を低下させる方法を実施した。その間では、コークス比は３８０ｋｇ／ｔまでは安定操業が可能であったが、それ以上コークス比を低減すると安定操業が困難となり、目標出銑量の維持ができない状態であった。ここで、この時のガス利用率差は約３５〜４０％でガス流分布の調整を行っていた（図２（ａ）〜（ｅ）の従来操業期間を参照）。

この操業に対して本発明を適用し、まず最初に指定した出銑比２．１５ｔ／Ｄ／ｍ³に基づき、図７よりガス利用率差を定めた。そして、このガス利用率を基準にして図１より、安定して操業可能な１回当たりの炉腹部での平均コークス層厚を求め、その値を操業の目標値に設定した（この場合では、出銑比２．１５ｔ／Ｄ／ｍ³で，炉腹部での平均コークス層厚が３００ｍｍであった）。なお、その時のコークス強度は８２〜８３％であった。その後は、コークス強度の変化を監視し、その変化に対応して操業を行った。操業日数２０日の時点で出銑比の低下を生じ、２４日時点から出銑比の低下が避けられないことから平均コークス層厚の設定値を見直し、変更しながら操業を行ったところ、出銑比が指定した値に維持でき、且つコークス比も３６０ｋｇ／ｔと低い状態で安定操業が維持できた（図２（ａ）〜（ｅ）の本発明による操業期間を参照）。

本発明で利用したコークス強度、平均コークス層厚及びガス利用率差で定まる高炉の安定操業領域を示す図である。本発明に係る高炉操業方法を適用した場合の（ａ）コークス比、（ｂ）コークス強度、（ｃ）平均コークス層厚，（ｄ）ガス利用率差及び（ｅ）出銑比の日間変化を示す図である。炉体各部の名称を示す高炉の断面図である。標準的な炉内半径方向のガス流分布を示す図である。操業中の炉内状況を説明する高炉の断面図である。低コークス比を指向した場合に生じる高炉操業上の問題点を指摘した図である。出銑比と炉腹部での中央部及周辺部間のガス利用率差との関係を示す図である。

符号の説明

１高炉
２炉頂装入装置
３鉄鉱石類（層）
４コークス（層）
５羽口
６軟化融着帯
７コークス・スリット
８炉腹部
９塊状帯
１０滴下帯
１１レースウエイ
１２溶銑滓
１３原料バンカ
１４炉胸
１５朝顔
１６湯溜り
１７出銑口
１８炉底

Claims

ベルレス装入装置を用いて炉内へコークス及び鉄鉱石類を交互に層状として装入する高炉操業において、
予め、コークス強度をパラメータとして、高炉炉腹部での半径方向の平均コークス層厚と、炉内上部での半径方向の中間部及び周辺部のガス利用率差とで高炉の安定操業を達成する領域を求めておき、また一方で目標とする出銑比と、前記炉内上部での半径方向の中間部及び周辺部のガス利用率差との関係から得られる安定操業範囲を求めて、それら２つの領域が重なる領域の中で前記炉内上部での半径方向の中間部及び周辺部のガス利用率差が最大の領域内で最も高炉炉腹部での半径方向の平均コークス層厚の薄くなる値を定め、その定めた平均コークス層になるように、前記コークス及び鉄鉱石類を装入分布制御して操業することを特徴とする高炉操業方法。
前記コークス及び鉄鉱石類を装入分布制御が、高炉上部の装入物表面の位置、炉内半径方向のガス組成及び温度を測定するゾンデを利用したものであることを特徴とする請求項１記載の高炉操業方法。