JP2007051306A - 高炉への原料装入方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高炉において低コークス比操業を行なう際に、高いＯ／Ｃを維持しつつ、鉱石層全体の、特に融着帯の良好な被還元性を確保して、これにより安定した操業を継続することができる、高炉への原料装入方法を提供すること。
【解決手段】コークスと鉱石とを交互に層状に高炉内に装入する際にコークスの少なくとも一部を鉱石層に混合して装入する方法であって、高炉に装入される鉱石とコークスとの質量比であるＯ／Ｃの炉半径方向での分布を予測し、該予測されたＯ／Ｃに基づいて、各半径位置でのコークスの鉱石への混合率を決定することを特徴とする高炉への原料装入方法を用いる。予測されたＯ／Ｃを用いて下記（ａ）式により炉内各半径方向位置でのコークスの鉱石への混合率Ｍ（ｍａｓｓ％）を決定し、該混合率Ｍ（ｍａｓｓ％）を下限値としてコークスを鉱石に混合して高炉に装入することが好ましい。Ｍ＝Ｘ×（Ｏ／Ｃ−３．２）＋Ｍ₀・・・（ａ）
【選択図】図４

Description

本発明は、ベルレス式高炉において、鉱石とコークスとの少なくとも一部を混合して高炉炉頂部から装入する際の、高炉への原料装入方法に関する。

現在、地球環境問題や鉄鉱石、原料炭の需給問題を背景に、我が国の高炉操業は大きな変化が求められている。２００５年に発効する京都議定書などによるＣＯ₂削減の必要からの低還元材比操業や、また高生産量指向に伴う高出銑比操業が主流となっていくと考えられる。低還元材比操業においては、微粉炭吹き込みを維持しながらコークス比を可能な限り低減していく低コークス比操業が求められる。

しかしながら、低コークス比操業を行なう場合には、コークス単位質量当たりのカーボンソルーションロス反応量（ソルロス量）の増加、コークス滞留時間の増加によるコークスの劣化、融着帯低下による炉下部圧損の上昇などが引き起こされることが知られている。コークス粉の蓄積が増加すると、炉芯の粉率が増加して特に中間、中心付近の粉率増が顕著になり、ガス流の不安定化を招いて、風圧変動、荷下がり不調を引き起こす。また、ガス原単位減によってガス浸透力が減少するために周辺流傾向になってヒートロスが増加し、シャフト効率が悪化する傾向になりやすい。さらに、熱流比上昇によって炉上部では装入原料の昇温が遅れ、還元停滞、還元粉化を助長しやすい。

これらの現象に装入物性状の面から対処するためには、コークス強度や反応性の上昇によってコークスの劣化、粉化を抑制するとともに、還元性の優れた原料を使用することが有効である。焼結鉱、ペレツト、塊鉱石、通常冶金用コ−クス及びＪＩＳ反応性が３０％以上で平均粒径が２５ｍｍ以下の高反応性コ−クスを装入する高炉操業法において、焼結鉱の被還元性に応じて高反応性コ−クスの使用比率、粒径、ＪＩＳ反応性の１つ以上を調整することにより、熱保存帯温度を最適値に制御し、還元反応を促進させて、高い反応効率下、低還元材比で、安定操業できる技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

一方、低コークス比操業では鉱石とコークスとの質量比が大きくなり、高炉への１回当たりのコークス装入量（以下、「コークスベース」と記載する。）が相対的に減少してコークス層厚が減少する。また、高炉シャフト部は下に行くほど口径が大きくなっており、炉内を降下するに従ってさらにコークス層厚は減少する。下記に述べる融着帯と呼ばれる領域でコークス層厚が一定値を下回ると、ガス流れが阻害されて操業に悪影響を及ぼす。

そのため、コークスベースを大きくすればコークス層厚が一定値以下に減少することを回避可能であるが、その場合には高炉への１回当たりの鉱石装入量（以下、「オアベース」と記載する。）も大きくなるため、特に融着層での昇温、還元が遅れる懸念がある。これは、次のような理由による。すなわち、高炉に層状に装入された鉱石は、炉内を降下するに従って還元を受けながら温度が上昇する。また上方からの荷重も降下にともなって増大する。そのため、鉱石間の空隙を埋めながら徐々に変形していき、高炉のシャフト部の下方では非常に通気抵抗が大きい融着層となる。融着層内は通気抵抗が大きいためガスはほとんど流れず、この融着層を挟むコークス層を主にガスが流れるようになる。融着層への伝熱はこのコークス層を流れるガスからの伝導伝熱が支配的であると考えられ、鉱石層（融着層）の厚みが大きくなるほど鉱石層中心の伝熱、還元が阻害される。以上の理由によって、コークスベースの増大によるコークス層厚の維持は必ずしも解決策とならない場合も多い。

低コークス比操業における上記の課題を解決するため、鉱石とコークスとの質量比（以下、「Ｏ／Ｃ」と記載する。）が４．５以上の操業において、炉内無次元半径が０．５〜１.０の範囲の鉱石層に５〜４０ｍｍの小中塊コークスを混合し、かつその混合比率を１〜１０ｍａｓｓ％とする技術が知られている（例えば、特許文献２参照。）。これは高Ｏ／Ｃ操業において炉中心にシャープなガス流れを形成し、かつ中間から周辺にかけての局所的な融着帯の垂れ下がりを抑制することを狙った技術である。

また、先に装入されたコ−クス層の上へ塊鉄鉱石を混入した焼結鉱を下部層として装入し、その上部に焼結鉱のみを上部層として装入するか、先に装入されたコ−クス層の上へ焼結鉱のみを下部層として装入し、その上部に還元鉄を混入した焼結鉱を上部層として装入し、高炉内鉱石層において焼結鉱が２層の異なる層を形成するように堆積せしめる技術が知られている（例えば、特許文献３参照。）。これは、被還元性の劣る鉱石原料を下層に装入することにより、鉱石層全体の良好な被還元性を確保して高いＯ／Ｃを維持させ、還元材比の低減、生産性の向上を安定的に行おうとする技術である。
特開平６−１４５７３０号公報 特開２００２−００３９１０号公報 特開２００２−３２７２０５号公報

しかし、上記の特許文献２、特許文献３に記載の技術はいずれも低コークス比操業時の融着帯をマクロに制御するものである。しかし、実際の低コークス比操業においては、局所的にコークス層厚が薄くなることに起因して、融着帯でのガス流れを阻害し、通気抵抗の上昇や荷下がりの悪化を招いている場合がほとんどであり、従来技術だけでは融着帯でのガス流れが阻害される問題に対処し得るものではない。

したがって本発明の目的は、このような従来技術の課題を解決し、高炉において低コークス比操業を行なう際に、高いＯ／Ｃを維持しつつ、鉱石層全体の、特に融着帯の良好な被還元性を確保して、これにより安定した操業を継続することができる、高炉への原料装入方法を提供することにある。

このような課題を解決するための本発明の特徴は以下の通りである。
（１）コークスと鉱石とを交互に層状に高炉内に装入する際にコークスの少なくとも一部を鉱石層に混合して装入する方法であって、高炉に装入される鉱石とコークスとの質量比であるＯ／Ｃの炉半径方向での分布を予測し、該予測されたＯ／Ｃに基づいて、各半径位置でのコークスの鉱石への混合率を決定することを特徴とする高炉への原料装入方法。
（２）予測されたＯ／Ｃを用いて下記（ａ）式により炉内各半径方向位置でのコークスの鉱石への混合率Ｍ（ｍａｓｓ％）を決定し、該混合率Ｍ（ｍａｓｓ％）を下限値としてコークスを鉱石に混合して高炉に装入することを特徴とする（１）に記載の高炉への原料装入方法。
Ｍ＝Ｘ×（Ｏ／Ｃ−３．２）＋Ｍ₀・・・（ａ）
但し、Ｘ、Ｍ₀は操業条件で変動する定数であり、Ｘ＝０．２〜３．０である。
（３）複数の炉頂バンカーと回転シュートとを有する原料装入装置を備えたベルレス式高炉において、コークスと鉱石とを異なる炉頂バンカーに装入し、各炉頂バンカーの排出ゲートの開度を調整することで所定の混合率となるようにコークスを鉱石に混合して高炉に装入することを特徴とする（１）または（２）に記載の高炉への原料装入方法。

本発明によれば、低コークス比操業においても良好な高炉通気性を維持することが可能となり、操業も安定する。このためＣＯ₂の発生量を削減することが可能であり、地球環境に貢献できる。

高炉に装入する原料鉱石中にコークスを混合すること（以下、「コークス混合装入」と記載する。）によって、この混合したコークスがスペーサーの役割を担って鉱石層の軟化変形を抑制し、また空隙を確保して融着層の通気性を改善する効果があることが知られている。本発明者らは、このコークス混合装入を用いて低コークス比操業時のコークス層厚の低下による通気性悪化を補償可能であるかどうかを詳細に検討した。

図１に示す装置を用いて、高炉内での原料の還元、昇温過程を模擬してその通気抵抗の変化を調べた。図１において、黒鉛製るつぼ１に装入された原料２は、高炉下部の融着層と同程度の状態となるように荷重負荷装置３によりパンチ棒４を介して上部から荷重を負荷しながらヒーター５により加熱する。６は炉芯管、７は加熱温度制御用の熱電対である。るつぼ１の下部からはガス混合装置８により調整したガスを送り、るつぼ１内の原料２を通過したガスは分析装置９で分析する。るつぼ１の下部には滴下物サンプリング装置１０が設置されている。原料の鉱石として５０〜１００質量％の焼結鉱と０〜５０質量％の塊鉄鉱石を混合したものを用いた。図２は実験結果の１例であり、鉱石に対するコークスの混合量を変化させた場合の、通気抵抗と加熱温度との関係を示すグラフである。コークスを混合しない場合には１４５０℃以上の高温域で通気抵抗が急激に上昇するのに対し、コークスを混合した場合には通気抵抗が顕著に低下し、またその混合量を増やした場合にはその効果が大きくなることが分かる。これは、コークスを混合することによって鉱石の変形が抑制され、また混合コークス近傍の空隙が維持されるため、鉱石の変形によって粒子間の空隙が減少するために通気抵抗値が上昇する現象が防止されたためである。

この実験結果を用いて、鉱石とコークスとの比率を一定に維持した上で、コークスの一部を鉱石原料に混合させた場合の融着層の通気抵抗の変化を計算式によって推定した。コークス層の通気抵抗をエルガン（Ergun）の式で与え、また融着層の通気抵抗は杉山らの式を用いて、融着層でのガス流の分配による通気抵抗の変化を予測した。鉱石の収縮率として、上記の図１の装置を用いて測定した実験結果を用いた。

一般にコークスを混合せずにコークス比を低下させた場合、コークス層厚の低下によって通気抵抗が増大する。一方、コークス比を一定値として、そのうちの所定量を鉱石層に混合した場合の融着帯通気抵抗の計算結果を図３に示す。コークスの鉱石層への混合によりコークス比一定でコークス層厚を低下させた場合は、図３に示すように、コークスを混合することによって軟化層の通気抵抗が低下し、融着帯を通過するガスの一部が鉱石軟化層を通過するため、全体の通気抵抗が減少する。この融着帯全体の通気抵抗は混合量とともに低下する。

本発明者らは本検討をさらに進め、鉱石とコークスとの質量比率（Ｏ／Ｃ）が１上昇した場合、原料の質量に対して０．２〜３．０％のコークスを混合すれば融着帯の通気抵抗の上昇を防ぐことが可能であることを見出した。これは、Ｏ／Ｃの上昇にともなう圧力損失値を実験から求めた結果と、上述のコークスの鉱石への混合率を変化させたときの荷重軟化実験で得られた融着層の空隙率の変化に基づいて計算した、融着帯の圧力損失値との比較から得られたものである。このコークスの鉱石への混合率が範囲を有するのは、使用する原料やコークスの性状（強度、粒径など）、あるいは操業条件による変動によるものである。

したがって、高炉に装入された鉱石とコークスとの質量比率（Ｏ／Ｃ）の炉内での半径方向での分布を予測して、高炉内の各位置のＯ／Ｃに基づいて鉱石に対するコークスの混合量を制御した原料の装入を行なえば、融着帯の通気性を確保して、高炉内の局所的な範囲での通気抵抗の低下を防止して、低コークス比操業においても良好な高炉通気性を維持することが可能となる。

すなわち、高炉へ装入後のＯ／Ｃの半径方向分布を予測し、この結果に基づいて各半径位置でのコークスの鉱石への混合率を決定する。Ｏ／Ｃの大きい位置でのコークスの混合率を高めることで、通気抵抗の低下を防止する。コークスの鉱石への混合率をＭ（ｍａｓｓ％）として、下記（ａ）式で与えられるＭ（ｍａｓｓ％）以上のコークスを当該半径位置の鉱石に混合することにより、融着帯の通気性を確保することが好ましい。（ａ）式においてＸ、Ｍ₀は、操業条件で変動する定数である。Ｍ₀は通常０（ゼロ）に設定するが、ベースとなる高炉寸法や操業条件に依存して経験的に決定することも可能であり、その場合は３〜５ｍａｓｓ％程度迄の値を設定する。Ｘは上記のように０．２〜３．０ｍａｓｓ％とすることが適当である。なお、Ｍ（ｍａｓｓ％）以上のコークスを鉱石に混合すれば通気性確保の効果があるが、コークスの混合量が多いほど通気性は改善されるため、部分的にコークスの全量を鉱石へ混合することも可能である。
Ｍ＝Ｘ×（Ｏ／Ｃ−３．２）＋Ｍ₀・・・（ａ）
装入後のＯ／Ｃの半径方向分布を予測するためには、例えば文献（澤田ら、鉄と鋼、No.７８、１９９２年、１３３７ページ）に記載の数学モデルを用いて計算により求める方法や、冷間模型を用いた実験により求める方法などがある。

このようにして予め定めたある半径方向位置のコークス混合量を制御するためには、複数の炉頂バンカーを有するベルレス式の原料装入装置において、異なる炉頂バンカーに鉱石とコークスとを別々に貯留しておき、鉱石を高炉に装入する際に、適宜コークスを同時にバンカーから排出する方法などを用いることができる。複数の炉頂バンカーを有する原料装入装置を用いる際には、それぞれの炉頂バンカーの排出ゲートの開度を調節することにより、排出原料中のコークス混合率の経時変化を制御することが可能である。図４に複数の炉頂バンカーを有する原料装入装置を設置したベルレス高炉の炉頂部の断面概略図を示す。図４を用いて、半径方向位置のコークス混合量を制御する方法の一実施形態を説明する。図４は３つの炉頂バンカーを有する場合であり、バンカー１１に鉱石を、バンカー１２にコークスを貯留し、排出ゲート１３の開度を調整して鉱石とコークスとを混合し、回転シュート１４により高炉内に装入して、鉱石とコークスの混合層１５を高炉内に形成する。原料の装入位置に対応する回転シュートの傾動角度に応じて排出ゲート１３の開度を調整することで、半径方向位置のコークス混合量を制御する。図４は、バンカー１２から排出したコークスのみでコークス層１６を形成した上に、鉱石とコークスの混合層１５を２層形成した場合である。使用していないバンカーに、次の装入原料を準備することで、効率的に原料の装入を行なうことができる。

例えば、ベルレスシュートの傾動角度のパターンを、コークス層：54、54、53.5、53.5、53、53、52.5、52.5、52、52、51、51、50.5、50.5、50、49.5、49、48、45.5、42.5、38.5、26、15（°）、鉱石層（１）：50、49、48、48、46.5、46.5、45.5、44.5、43.5、42.5、41.5（°）、鉱石層（２）：51、50.5、50、50、49、49、48（°）として、図４に示すようにコークス層１６、鉱石層（１）１５ａ、鉱石層（２）１５ｂとして装入する場合について、上述したモデル計算を用いて炉内半径方向のＯ／Ｃ分布を予測した結果を図５に示す。図５に示す結果を基に、図６に示すように半径方向のコークスの混合率分布を設定して、炉頂バンカーの切り出し制御を行うことで、予測したＯ／Ｃ分布に基づいてコークスを混合した鉱石を高炉内に装入する本発明を実施することができる。

上記の例では、回転シュートの傾動方向を高炉炉壁側から中心方向へとしたが、中心から炉壁方向とすることによって、より原料の装入位置の制御性を高めることができるので、炉内のコークス混合率分布の制御性を向上させるために、回転シュートの傾動方向を中心から炉壁方向とすることも好ましい。

本発明の効果を明らかにするため、図４に示す原料装入装置を有するベルレス高炉においてＮｏ．１〜７の操業試験を実施した。高炉は内容積が５１５３ｍ³、炉口直径１１．４ｍ、炉床直径１５．０ｍで、４０本の羽口を備えている。ベースとなる操業条件は、コークス比４００ｋｇ／ｔ−ｐｉｇ、出銑量１１８５０〜１２３００ｔ／ｄである（Ｎｏ．１）。まず、ベース条件からコークス比を低減した。その際に、オアベースを一定とし、コークスベースを低下させた（Ｎｏ．２、Ｎｏ．３）。これに対して、オアベースを一定としてコークスベースを低下させたが、同時に装入するコークスの一部を鉱石の装入時に別個の炉頂バンカーから切出して混合した装入を行なった。この際にあらかじめ炉内に装入される原料のＯ／Ｃ分布を計算して予測し、予測したＯ／Ｃ分布に基づいて上記（ａ）式でコークスの混合量を計算し、計算された混合量となるように炉頂バンカーの切り出し制御を行って、コークスを混合した鉱石を高炉内に装入した（Ｎｏ．４〜Ｎｏ．７）。操業試験の結果を表１に示す。

比較例であるＮｏ．２、Ｎｏ．３ではコークス比の低下に従って通気抵抗が増大し、荷下がりが不安定になるなどの悪影響が出て、低コークス比操業を継続できなかったのに対し、本発明例であるＮｏ．４〜Ｎｏ．７の操業実験では安定な低コークス比操業が可能であり、コークス比を２４０ｋｇ／ｔまで低下させることができた。

鉱石の高温性状を測定する装置の構成を示す概略図である。 鉱石層、コークス混合層の高温での通気抵抗の変化を示すグラフである。 コークス混合による鉱石融着帯の通気性の変化を示すグラフである。 複数の炉頂バンカーを有する原料装入装置を設置したベルレス高炉の炉頂部の断面概略図。 高炉への装入物Ｏ／Ｃ半径方向分布を示すグラフである。 図５のＯ／Ｃ分布に対して目標とされるコークス混合率半径方向分布を示すグラフである。

符号の説明

１ るつぼ
２ 原料
３ 荷重負荷装置
４ パンチ棒
５ ヒーター
６ 炉芯管
７ 熱電対
８ ガス混合装置
９ 分析装置
１０ 滴下物サンプリング装置
１１ バンカー
１２ バンカー
１３ 排出ゲート
１４ 回転シュート
１５ 鉱石とコークスの混合層
１５ａ 鉱石層（１）
１５ｂ 鉱石層（２）
１６ コークス層

Claims (3)

1. コークスと鉱石とを交互に層状に高炉内に装入する際にコークスの少なくとも一部を鉱石層に混合して装入する方法であって、高炉に装入される鉱石とコークスとの質量比であるＯ／Ｃの炉半径方向での分布を予測し、該予測されたＯ／Ｃに基づいて、各半径位置でのコークスの鉱石への混合率を決定することを特徴とする高炉への原料装入方法。
2. 予測されたＯ／Ｃを用いて下記（ａ）式により炉内各半径方向位置でのコークスの鉱石への混合率Ｍ（ｍａｓｓ％）を決定し、該混合率Ｍ（ｍａｓｓ％）を下限値としてコークスを鉱石に混合して高炉に装入することを特徴とする請求項１に記載の高炉への原料装入方法。
   Ｍ＝Ｘ×（Ｏ／Ｃ−３．２）＋Ｍ₀・・・（ａ）
   但し、Ｘ、Ｍ₀は操業条件で変動する定数であり、Ｘ＝０．２〜３．０である。
3. 複数の炉頂バンカーと回転シュートとを有する原料装入装置を備えたベルレス式高炉において、コークスと鉱石とを異なる炉頂バンカーに装入し、各炉頂バンカーの排出ゲートの開度を調整することで所定の混合率となるようにコークスを鉱石に混合して高炉に装入することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の高炉への原料装入方法。

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