JP2011094182A

JP2011094182A - フェロコークスを用いた高炉操業方法

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Publication number: JP2011094182A
Application number: JP2009248476A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Sato; 健佐藤; Hiroyuki Sumi; 広行角; Hidekazu Fujimoto; 英和藤本; Takashi Anyashiki; 孝思庵屋敷; Hideaki Sato; 秀明佐藤
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2009-10-29
Filing date: 2009-10-29
Publication date: 2011-05-12

Abstract

【課題】フェロコークスを高炉で使用する際に、フェロコークスの使用量を適正化することにより、熱保存帯温度を低下させて、安定した操業を可能とする、フェロコークスを用いた高炉操業方法を提供すること。
【解決手段】フェロコークスを高炉原料として使用する際に、フェロコークス中のカーボン量が、送風量および炉頂ガス分析結果から算出されるソルーションロスカーボン量の１．７倍以内になるようにフェロコークス使用量の上限を管理することを特徴とするフェロコークスを用いた高炉操業方法を用いる。フェロコークスと室炉コークスとを高炉原料として併用して使用する際に、高炉に鉱石と混合されること無く単独で装入される室炉コークスの粒径よりも小さい粒径のフェロコークスを用いることが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、石炭と鉄鉱石との混合物を成型、乾留して製造されたフェロコークスを使用する際の高炉操業方法に関する。

高炉の還元材比低下のためには、高炉内に形成される熱保存帯温度を低下させる手法が有効である（例えば、非特許文献１参照。）。

熱保存帯温度を低下させる手段としては、下記（１）式に示すコークスのガス化反応（吸熱反応）の開始温度の低温化が挙げられる。
ＣＯ₂＋Ｃ → ２ＣＯ・・・（１）
石炭と鉄鉱石とを混合して成型した成型物を乾留して製造されるフェロコークスは、還元された鉄鉱石の触媒効果でコークスの反応性を高めることができ、熱保存帯温度の低下によって還元材比を低下させることができる（例えば、特許文献１参照。）。

コークスのガス化反応開始温度が低下すれば、この反応が生じる温度領域が拡大することにより、ガス化反応量が増加する。

一方、コークスのガス化反応開始温度は無制限に低下するわけでは無く、その温度には下限がある。図２に、（１）式の反応の平衡曲線を示す。これは、一般にブードアー（Boudouard）曲線と呼ばれ、（１）式の反応は図中に示された曲線より右の領域IIで進行する。一方、曲線の左の領域Ｉでは、（１）式の逆反応が生じる。領域ＩとIIの境界の条件はＣＯ／ＣＯ₂比や圧力で異なるが、高炉内の条件を勘案すると、（１）式が進行する下限温度は７００℃程度と考えられる。従って、フェロコークス使用量を増やしても、コークスのガス化開始温度は約７００℃以下にはならない。このことから、ガス化開始温度によって変化する熱保存帯温度も無制限に低下するわけでは無く、ある値以下にはならない。

上記の反応開始温度、それによって影響を受ける熱保存帯温度が下限値に達した場合、さらにフェロコークス使用量を増加させても、コークスのガス化開始温度は低下せず、還元材比の低減効果も頭打ちになる。また、ガス化量自体も頭打ちとなることから、ガス化しないフェロコークスが残留することになるが、フェロコークスの粒径が室炉コークスより小さい場合や強度が低い場合、フェロコークスの存在が過多になると、炉下部の通気・通液性が悪化する恐れがある。従って、フェロコークスの使用量には、その熱保存帯温度低下効果を発現するための使用量上限があると考えられる。なお、室炉コークスとはコークス炉等で石炭を乾留して製造される、通常高炉装入原料として用いられているコークスのことである。

一方、センサー類による高炉内の情報は限られ、操業中の炉内のコークス反応開始温度や熱保存帯温度を常に正確に把握しながら、フェロコークス使用量の適正具合を判断するのは困難である。例えば、装入物と一緒に炉内を降下させて炉内の状況を測定するセンサーでは、１回の測定に５〜６時間を要し、かつ、ある時間断面においては、高炉内のある高さの情報が検出されるだけであり、操業管理のセンサーとしては不十分である。

特開２００６−２８５９４号公報

日本鉄鋼協会「鉄と鋼」８７、２００１年、ｐ．３５７

上記のように、センサー等を用いて炉内の状況を測定して、熱保存帯温度低下効果を発現するためのフェロコークスの使用量上限値を把握して操業を行うことは困難である。

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、フェロコークスを高炉で使用する際に、フェロコークスの使用量を適正化することにより、熱保存帯温度を低下させて、安定した操業を可能とする、フェロコークスを用いた高炉操業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。
（ａ）フェロコークスを高炉原料として使用する際に、フェロコークス中のカーボン量が、送風量および炉頂ガス分析結果から算出されるソルーションロスカーボン量の１．７倍以内になるようにフェロコークス使用量の上限を管理することを特徴とするフェロコークスを用いた高炉操業方法。
（ｂ）フェロコークスと室炉コークスとを高炉原料として併用して使用する際に、高炉に鉱石と混合されること無く単独で装入される室炉コークスの粒径よりも小さい粒径のフェロコークスを用いることを特徴とする、（ａ）に記載のフェロコークスを用いた高炉操業方法。

本発明によれば、高炉操業においてフェロコークスを使用する際、その使用量上限を簡便に把握し、還元材比低減、安定操業に寄与することができる。

フェロコークス使用時の通気抵抗指数の変化を示すグラフ。ブードアー曲線。フェロコークス使用時の装入物分布の概略図。フェロコークス使用時の高炉還元材比の変化を示すグラフ。フェロコークス使用時のフェロコークス中カーボン量とソルロス量の変化を示すグラフ。フェロコークス中カーボン量とソルロス量の比を示すグラフ。フェロコークス中カーボン量とソルロス量の比とソルロス量との関係を示すグラフ。

高炉操業においては送風量や高炉ガスの分析値から、羽口部以外においてガス化したカーボン量を算出し、高炉内の反応状況の把握に用いている。これは、慣習的にソルーションロスカーボン量と呼ばれているが、上記（１）式の反応と同一ではない。高炉内のカーボンのガス化反応としては、（１）式に加え、羽口部で酸素と反応する反応である下記（２）式、ＦｅＯとの反応である下記（３）式、水蒸気との反応である下記（４）式、非鉄酸化物との反応である下記（５）式（（５）式中ＭはＳｉ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｐ等）、が挙げられる。上記の、高炉ガスの分析値から計算するソルーションロスカーボン量（以下、ソルロス量と記載する。）は、下記（７）式で示され、高炉内でガス化したカーボンの内、下記（２）式を除いたもの全てが含まれる。ここで、羽口先でガス化したカーボン量は送風中の酸素量から下記（２）式により、炉頂ガス中のカーボン量は炉頂ガス量と、炉頂ガス中のＣＯおよびＣＯ₂の濃度から算出される。ともに、高炉に通常設置されている流量計や分析計を用いて、１〜２分といった短い周期で連続的に計測可能である。なお、フェロコークスを使用した場合、上記（１）式の反応は増えるが、酸化鉄のガス還元（下記（６）式）が促進されることにより下記（３）式の反応が大幅に減少し、ソルロス量は減少すると考えられる。
Ｃ＋１／２Ｏ₂＝ＣＯ・・・（２）
ＦｅＯ＋Ｃ＝Ｆｅ＋ＣＯ・・・（３）
Ｈ₂Ｏ＋Ｃ＝Ｈ₂＋ＣＯ・・・（４）
ＭＯ_n＋Ｃ＝Ｍ+ＣＯ_n ・・・（５）
ＦｅＯ＋ＣＯ＝Ｆｅ＋ＣＯ₂ ・・・（６）
ソルロス量＝炉頂ガス中のカーボン量−羽口先でガス化したカーボン量・・・（７）

本発明者らは、ソルロス量とフェロコークス使用量とを比較することにより、フェロコークスの使用量が、熱保存帯温度低下に対して適正であるか否かを判断する手法を開発した。

前述のようにフェロコークスを使用すれば熱保存帯温度の低減が期待できるが、既に熱保存帯温度が下限近傍にあれば、さらにフェロコークス量の使用量を増加しても熱保存帯温度には殆ど影響を与えず、結果としてソルロス量は変化しないと考えられる。この場合、ガス化反応に関与しないフェロコークスが増加することになるが、フェロコークスの粒径や強度が、併用する室炉コークスより低い場合は、通気性の悪化が懸念される。この考えに基づき、熱保存帯温度の低減に寄与するフェロコークス使用量の上限値を、一般に測定されているソルロス量とフェロコークス量との比から判定する方法を見出したものであり、フェロコークス中のカーボン量と、送風量、炉頂ガス分析結果から算出されるソルロス量との比を算出し、その上限値を１．７とする高炉操業により、フェロコークスの使用量過多を回避することができる。すなわち、フェロコークス中のコークス量が、送風量および炉頂ガス分析結果から算出されるソルーションロスカーボン量の１．７倍以内になるようにフェロコークス使用量の上限を管理する高炉操業方法である。

なお、フェロコークスはブリケットマシン等の成型器を用いて製造されるため、その粒径には制約があり、大粒径の製品の製造は困難である。単独で装入される室炉コークスの粒径よりも小さい粒径のフェロコークスを用いる場合、炉下部にフェロコークスが多量に存在すると、同箇所の通気・通液性が悪化する恐れがある。なお、この場合の鉱石とは、塊鉄鉱石、焼結鉱等の高炉に装入する鉄源原料を指す。

フェロコークスの高炉使用試験を実施した。フェロコークスは、石炭と鉄鉱石の混合物をブリケットマシンで成型後、竪型シャフト炉に装入し、乾留して製造されたものを用い、その寸法は３０×２５×１８ｍｍの印籠型とした。ドラム強度ＤＩ_150/15は８２であった。また、フェロコークス中の鉄分は３０ｍａｓｓ％で、残り７０ｍａｓｓ％のコークス分におけるカーボン分は８８ｍａｓｓ％であった。高炉内への原料の装入は、図３に示すようにフェロコークス１と鉱石２との混合層と、室炉コークス３単独の層とを交互に積層する方法で行った。図３において左端が炉中心であり、４は炉壁である。室炉コークス３の平均径は４５ｍｍ、ドラム強度ＤＩ_150/15は８４．５であった。

上記のように原料を装入する際に、混合するフェロコークスの量を変化させて操業試験を行った。フェロコークスの混合量を変化させた場合の、高炉還元材比の変化を図４に示す。この際の、フェロコークス中カーボン量（フェロコークス中Ｃ）とソルロス量の変化を図５に、両者の比（フェロコークス中Ｃ／ソルロス量）を図６に示す。また、フェロコークス中カーボン量とソルロス量の比（フェロコークス中Ｃ／ソルロス量）とソルロス量との関係を図７に、通気抵抗指数との関係を図１に示す。

図７によれば、フェロコークス中カーボン量とソルロス量の比（フェロコークス中Ｃ／ソルロス量）が１．７を超えると、ソルロス量が低下しなくなり、熱保存帯温度低減効果が発現しないことが推定される。また、図１に示すようにフェロコークス中カーボン量とソルロス量の比（フェロコークス中Ｃ／ソルロス量）が１．７を超えると、通気抵抗が上昇しており、ガス化反応に寄与しないフェロコークスが過多となったことで、炉下部コークス充填層の粒径および空隙率が低下したことにより、炉下部の通気性が悪化したと推定される。

１フェロコークス
２鉱石
３室炉コークス
４炉壁

Claims

フェロコークスを高炉原料として使用する際に、フェロコークス中のカーボン量が、送風量および炉頂ガス分析結果から算出されるソルーションロスカーボン量の１．７倍以内になるようにフェロコークス使用量の上限を管理することを特徴とするフェロコークスを用いた高炉操業方法。
フェロコークスと室炉コークスとを高炉原料として併用して使用する際に、高炉に鉱石と混合されること無く単独で装入される室炉コークスの粒径よりも小さい粒径のフェロコークスを用いることを特徴とする、請求項１に記載のフェロコークスを用いた高炉操業方法。