JP2008045175A - 高炉操業方法 - Google Patents

Abstract

【課題】焼結鉱の使用量を低減させてカーボン使用量を低下させつつ、高炉の安定操業を維持可能な高炉操業方法を提供すること。
【解決手段】高炉原料として焼結鉱を用いる際に、焼結鉱の一部をメタリック原料と置換して操業を行なうことで、該置換を行なう前よりも還元材比を低下させることを特徴とする高炉操業方法を用いる。鉄源としての高炉原料全体に対する焼結鉱の質量比率である焼結鉱比が５０ｍａｓｓ％以上、７５ｍａｓｓ％未満の操業を行なっている高炉において、焼結鉱とメタリック原料の置換を行なうことが好ましい。
【選択図】図３

Description

本発明は、焼結鉱、ペレット、塊鉱石等及びメタリック原料を使用する高炉の操業方法に関する。

近年、炭酸ガス排出量の増加による地球温暖化が問題となっており、製鉄業においても排出ＣＯ₂の抑制は重要な課題である。製鉄所から排出されるＣＯ₂の大部分は、主に石炭として製銑工程にインプットされた炭材に由来している。炭材は、コークスおよび銑鉄製造過程で発生する副生ガス（コークス炉ガス、高炉ガスと呼ばれ、ＣＯやＨ₂等の可燃分を含む。）に変換され、それらはエネルギー源として使用するために、圧延工程等の製鉄所内の各種プラントへ供給される。従って、排出ＣＯ₂を抑制するために高炉還元材比低減は効果的ではあるが、一般的に還元材比低下は下工程に供給される副生ガス量の減少を招くため、新たなエネルギーの補填が必要となる場合がある。一方、焼結鉱製造時に添加される炭材（凝結材）のように製銑工程でＣＯ₂まで利用されるものは、可燃分を含む副生ガスを発生しないため、下工程へのエネルギー供給へは関与しないので、その削減はＣＯ₂削減に直結する。このように、還元材比低下のみならず、製鉄所のエネルギーバランス等の総合的な観点からＣＯ₂削減方策を吟味する必要がある。

還元材比を低下させる手段として、原料の被還元性を高める方策は総合的な観点からも有効な方法である。高炉に装入される原料としては一般に焼結鉱、塊鉱石、ペレットが用いられているが、焼結鉱は塊鉱石に対して被還元性で優位である（例えば、非特許文献１参照。）。従って、焼結鉱を塊鉱石と置換して、原料中の焼結鉱比を高めれば被還元性の向上による還元材比低減が期待される。代表的な効果として、塊鉱石１ｍａｓｓ％を焼結鉱１ｍａｓｓ％に代替した場合、還元材比が１ｋｇ／ｔ低下した例が知られている（例えば、非特許文献２参照。）。

一方、焼結鉱は、その製造過程で焼結原料の加熱、溶融に必要な燃焼材として焼結鉱１ｔ当り４０〜６０ｋｇ程度の凝結材（粉コークスや無煙炭等の炭材）を配合している。これらの凝結材は燃焼してＣＯ₂となるため、焼結鉱製造における凝結材の配合量低減は排出ＣＯ₂削減に直結する。しかし、凝結材の配合量低減化は焼結鉱の製品歩留まりや強度の低下を招くため、ＣＯ₂削減を目的としてその使用量削減を一方的に推進することは困難である。焼結鉱品質を維持しながら焼結製造における排出ＣＯ₂削減を図る手段として、焼結鉱製造における凝結材の配合量（凝結材原単位）を一定としながら、高炉原料に占める焼結鉱比を低減させ、代わりに塊鉱石比率を増加させる方策が考えられるが、上述のように被還元性は焼結鉱の方が塊鉱石より優れており、焼結鉱を塊鉱石に置換すると、高炉の還元材比上昇を招くという問題がある。

上記の事情を勘案し、高炉原料において焼結鉱比を変化させた場合の、高炉還元材比および焼結製造に用いる凝結材（炭材）の配合量双方の変化について、
（ａ）高炉の還元材として用いるカーボン
（ｂ）焼結の凝結材として用いるカーボン
（ｃ）高炉ガスのカロリー変化を補填する重油中のカーボン
の３項目に関してカーボン使用量を試算した。

（ａ）を試算する際に、高炉の操業諸元に関しては、焼結鉱比の増減はシャフト効率の変化を介して高炉還元材比に影響を及ぼすとし、リスト操業線図（例えば、非特許文献３参照。）を用いて、非特許文献２に記載の焼結鉱１ｍａｓｓ％変化時に還元材比の変化が−１ｋｇ／ｔに相当するようにシャフト効率を変化させて評価した。

（ｂ）の焼結鉱の凝結材として用いられるカーボンについては、単位焼結鉱石あたりの凝結材原単位は一定とし、高炉の焼結鉱原単位に応じて総量が変化するとした。

（ｃ）の高炉ガスのカロリー変化を補填するカーボンに関しては以下の要領で試算した。還元材比低下時には一般に高炉炉頂ガス中のＣＯガスの濃度が低下、ＣＯ₂ガスの濃度が上昇し、結果として同ガスのカロリーが低下する。高炉ガスは製鉄所において圧延工程における加熱炉等、他のプラントの燃料として使用されており、このカロリーが低下するということは、製鉄所全体で見ると還元材比低下によってエネルギー不足が生じることになる。今回の試算では、ベース条件に対する高炉ガスカロリーの過不足分を等カロリーの重油で補うとし、その重油に含まれるカーボン分を別途カウントした。ここで、高炉ガスカロリーは、下記（ｄ）式で計算した。
高炉ガスカロリー（ｋｃａｌ／Ｎｍ³）＝３０．２×高炉ガス中ＣＯ濃度（％）＋２５．７×高炉ガス中Ｈ₂濃度（％）・・・（ｄ）
（ｄ）式において、重油のカーボン濃度は０．８８、発熱量は９８００ｋｃａｌ／ｋｇとした。

上記に基づき、高炉原料において焼結鉱の使用比率をベース条件から５ｍａｓｓ％増減させた場合のカーボン使用量の試算結果を表１、図１に示す。

表１、図１によれば、焼結鉱比を増加させると（焼結鉱比＋５％）、還元材は低下するものの、凝結材として使用されるカーボンの増加および高炉ガスのカロリー不足を補填するために重油が必要となり、重油中のカーボンの存在により、総合的なカーボン使用量（トータル）はむしろ増加する結果となった。このように、焼結鉱比アップは高炉還元材比低減には効果があるものの、カーボン使用量に関しては凝結材に使用される量が還元材比低下分をほぼ相殺しており、高炉ガスのエネルギー変化まで考慮すると、むしろ削減と逆行する要素を含む方策である。

反対に焼結鉱比を減じると（焼結鉱比−５％）、上記の計算では高炉還元材比の上昇を考慮しても総合的なカーボン使用量（トータル）が低減する結果となるが、一方で操業の安定性が損なわれるという問題が生じる。非特許文献１には、塊鉱石の充填層は焼結鉱の充填層に対し、低還元性に起因して高温領域でのガス圧損が大きいことが記載されている。これは、高炉内において通気抵抗の大きな領域である融着帯の通気性悪化と対応し、操業においては通気や装入物降下の不安定化が懸念される。操業事例として、焼結鉱比とスリップ発生回数の関係を調べた結果を図２に示すが、焼結鉱比７５ｍａｓｓ％を下回るとスリップの回数が増加しており、操業安定性維持の観点からも、焼結鉱比の削減を一方的に推進することは困難であることが分かる。

一方で、高炉原料として還元鉄（メタリック原料）を用いる操業方法が知られている。メタリック原料を装入することで、高炉の還元材比が低減し、通気性が改善する（例えば、非特許文献４参照。）。また、炉内通気性の改善を目的として金属鉄を含む鉄原料を炉頂から装入する技術も知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平１１−２８６７０５号公報 「鉄と鋼：高炉における塊鉱石使用方法（８２−Ｓ７０９）」（社）日本鉄鋼協会 １９８２年、ｐ．４５ 稲角忠弘 「焼結鉱」（社）日本鉄鋼協会 ２０００年、ｐ．１７１ 「鉄と鋼（Ｎ７１１）」（社）日本鉄鋼協会 ７９、１９９３年 「材料とプロセス」（社）日本鉄鋼協会 １４、２００１年、ｐ．２０７

高炉原料としてメタリック原料を用いることには上記のような効果があるが、製鉄所におけるカーボン使用量削減と、高炉の安定操業の観点からメタリック原料を使用することについての検討はなされていない。

一方で、上記に詳しく説明したように、カーボン使用量低減の観点からは焼焼結鉱使用量の削減が望ましいが、塊鉱と置換することで削減すると、還元材比上昇に加えて操業の不安定化を招く恐れがある。

したがって、本発明の目的は、焼結鉱の使用量を低減させてカーボン使用量を低下させつつ、高炉の安定操業を維持可能な高炉操業方法を提供することである。

本発明者らは、単に高炉原料としてメタリック原料を用いるだけでなく、焼結鉱とメタリック原料を置換して操業を行なうことで、還元材比低下ならびにカーボン使用量削減を図りながら高炉の安定操業を継続できることを見出し、上記の課題を解決した。尚、メタリック原料とは、スクラップや還元鉄等の、金属鉄を主として含有する原料であり、金属鉄の含有率が８０ｍａｓｓ％以上の原料を指すものとする。

本発明はこのような知見に基づきなされたもので、その特徴は以下の通りである。
（１）高炉原料として焼結鉱を用いる際に、焼結鉱の一部をメタリック原料と置換して操業を行なうことで、該置換を行なう前よりも還元材比を低下させることを特徴とする高炉操業方法。
（２）鉄源としての高炉原料全体に対する焼結鉱の質量比率である焼結鉱比が５０ｍａｓｓ％以上、７５ｍａｓｓ％未満の操業を行なっている高炉において、焼結鉱とメタリック原料の置換を行なうことを特徴とする、請求項１に記載の高炉操業方法。

本発明によれば、焼結鉱の使用量を低減させてカーボン使用量を低下させつつ、高炉の安定操業を維持することができる。これにより、製鉄所全体から排出されるＣＯ₂量を抑制することができる。

本発明では、高炉原料として焼結鉱を用いる際に、焼結鉱の一部をメタリック原料と置換して操業を行なうことで、安定操業を維持しながら、置換を行なう前よりも還元材比を低下させ、製鉄所全体から排出されるＣＯ₂量を抑制する。

まず、焼結鉱とメタリック原料を置換する高炉操業方法が、還元材比に及ぼす効果について説明する。リスト操業線図（例えば、非特許文献３参照。）を用いてシャフト効率一定条件で、ベースに対して表１に示した焼結鉱比低減のケース（焼結鉱比−５％）に相当する量の焼結鉱をメタリック原料と置換した場合の操業諸元を計算した。焼結鉱、塊鉱石およびメタリック原料の組成は表２に示した条件とした。

高炉還元材比の変化に加え、高炉ガスカロリーの過不足分を等カロリーの重油で補う場合のカーボン量、ならびに焼結鉱製造時の凝結材中カーボン量の変化を評価した。結果を表３に「焼結鉱→メタリック」として示す。表３には、焼結鉱を塊鉱石で置換した場合に相当する表１における焼結鉱比−５％の場合の結果を「焼結鉱→塊鉱」として併せて示す。

焼結鉱比を低下させることによる凝結材低減効果はメタリック原料の場合も塊鉱石の場合も同様であるが、メタリック原料使用による還元材比低減効果（この機構の詳細は例えば、非特許文献３の記載を参照。）が非常に大きいことがわかる。

次に、焼結鉱または塊鉱石をメタリック原料で置換した場合のカーボン使用量削減効果を図３に示す。図３によれば、塊鉱石をメタリック原料で置換した場合（「塊鉱石→メタリック原料」）は、凝結材中のカーボン使用量削減効果が無いことに起因して焼結鉱をメタリックに置換した場合（「焼結鉱→メタリック原料」）に比べて効果が低く、焼結鉱とメタリック原料の置換がより効果的であることが分かる。

次に、荷重軟化試験により、焼結鉱中にメタリック原料を混合した場合の通気抵抗の変化を調査した。焼結鉱１００ｍａｓｓ％の場合と、焼結鉱６０ｍａｓｓ％、メタリック原料４０ｍａｓｓ％の場合について、温度を上昇させた際の差圧の変化の測定結果を図４に示す。メタリック原料を混合することで、焼結鉱およびメタリック原料が軟化〜収縮に至る温度域での通気抵抗低減効果が著しく、実炉において焼結鉱比低下時の操業の安定化が期待される。

以上のように、焼結鉱とメタリック原料の置換は、カーボン使用量削減効果と高炉の通気安定性の双方を享受できる操業形態である。また、図２に示した関係から、スリップの発生が防止されて、焼結鉱比７５ｍａｓｓ％未満の領域において通気安定性の効果が顕著に現れることが期待される。

また、本発明は焼結鉱が原料中に占める比率が高い操業条件で行なうほど効果があり、高炉の鉄源原料中に占める割合で、焼結鉱比５０ｍａｓｓ％以上の場合に実施することが好適である。

したがって、鉄源としての高炉原料中に占める焼結鉱の質量比率である焼結鉱比が５０ｍａｓｓ％以上、７５ｍａｓｓ％未満の操業を行なっている際に、焼結鉱とメタリック原料の置換を行なうことが特に効果的である。鉄源としての高炉原料としては、焼結鉱の他に、ペレット、塊鉱石等があり、焼結鉱、ペレット、塊鉱石を鉄源として操業を行なっている場合には、焼結鉱比「（焼結鉱／（焼結鉱＋ペレット＋塊鉱））×１００」が５０ｍａｓｓ％以上、７５ｍａｓｓ％未満で通常の操業を行なっている高炉において、焼結鉱の少なくとも一部をメタリック原料に置換することで、高炉の安定操業を維持しながら、製鉄所全体から排出されるＣＯ₂量を十分に抑制することができる

内容積５０００ｍ³の高炉において、還元材比低減を指向する操業を行なう際に本発明を適用した操業実験を行なった。ベース操業は還元材比４９０ｋｇ／ｔ（コークス比３８０ｋｇ／ｔ、微粉炭比１１０ｋｇ／ｔ）、焼結鉱比７８ｍａｓｓ％、塊鉱比２２ｍａｓｓ％であった。本発明を適用し、焼結鉱の一部とスクラップまたは還元鉄とを置換した。表４にスクラップおよび還元鉄の組成を、焼結鉱、塊鉱石の組成と合わせて示す。

スクラップまたは還元鉄は、焼結鉱と塊鉱石との混合物に混合して使用した。結果を表５に示す。通気性は下記（ｅ）式に示す通気抵抗指数を用いて評価した。
通気抵抗指数＝（送風圧²−炉頂圧²）／ボッシュガス量^1.7・・・（ｅ）
（ｅ）式において送風圧、炉頂圧の単位は（ｇ／ｃｍ²）、ボッシュガス量の単位は（Ｎｍ³／ｍｉｎ）である。

表５によれば、スクラップまたは還元鉄との置換により、還元材比低減に加え、全体としてのカーボン使用量（トータル）の削減が図れた。また、通気抵抗指数が低下し、通気性が向上して、スリップ等の装入物降下不順は発生せず、安定な操業を継続した。

焼結鉱の使用比率を増減させた場合のカーボン使用量変化の試算結果を示すグラフ。 焼結鉱比とスリップ回数の関係を示すグラフ。 焼結鉱または塊鉱石をメタリック原料で置換した場合のカーボン使用量変化を示すグラフ。 温度を上昇させた際の差圧（圧力損失）の変化を示すグラフ。

Claims (2)

1. 高炉原料として焼結鉱を用いる際に、焼結鉱の一部をメタリック原料と置換して操業を行なうことで、該置換を行なう前よりも還元材比を低下させることを特徴とする高炉操業方法。
2. 鉄源としての高炉原料全体に対する焼結鉱の質量比率である焼結鉱比が５０ｍａｓｓ％以上、７５ｍａｓｓ％未満の操業を行なっている高炉において、焼結鉱とメタリック原料の置換を行なうことを特徴とする、請求項１に記載の高炉操業方法。

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