JP2011137217A

JP2011137217A - 高炉操業方法

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Publication number: JP2011137217A
Application number: JP2010190342A
Authority: JP
Inventors: Yusuke Kashiwabara; 佑介柏原; Nozomi Nishimura; 望西村; Shoichi Watanabe; 正一渡邉; Yasuyuki Morikawa; 泰之森川; Masaya Kurimoto; 将也栗本
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2009-12-02
Filing date: 2010-08-27
Publication date: 2011-07-14
Anticipated expiration: 2030-08-27
Also published as: JP5581897B2

Abstract

【課題】高炉操業において鉱石コークス混合装入法を用いる際に、羽口から吹き込む補助還元材として気体還元材を用いることで、還元効率を高めて、より効率的な高炉の操業を行い、コークスの使用量を低減できる、高炉操業方法を提供すること。
【解決手段】高炉の炉頂部から原料を装入して、炉内にコークス層と、コークスと鉱石とが混合されたコークス混合鉱石層とを交互に堆積させ、かつ、羽口から吹き込む補助還元材として気体還元材を用いる高炉操業方法であって、コークス混合鉱石層中に混合されるコークス量を、炉頂から装入する全コークス量に対して１０ｍａｓｓ％以上とすることを特徴とする高炉操業方法を用いる。
【選択図】図１

Description

本発明は、高炉の炉頂部から原料を装入してコークス層と鉱石層とを交互に堆積させる際に、鉱石層中にコークスをあらかじめ混合させて装入する、鉱石コークス混合装入法を用いる高炉操業方法に関する。

近年、環境問題の観点から、高炉でのコークスの使用量をできるだけ低減できる技術の開発が求められている。高炉操業では、通常、炉頂から鉱石とコークスとをそれぞれが交互に層状となるように装入して鉱石層とコークス層とを形成している。

高炉の炉頂からのコークス装入量を低減させるには、１チャージ当りの鉱石装入量を増加させる方法、または、１チャージ当りのコークス装入量を低下させる方法の２つが考えられる。この場合、前者を実施すると、鉱石層が厚くなるため、鉱石の還元性が悪化して炉下部における未還元鉱石の直接反応による炉熱低下を招いて炉況を悪化させる。一方、後者を実施すると、融着帯でコークススリットを形成するコークス層が薄くなるため、炉下部での通気性が悪化することになる。

そこで従来、これらの悪影響を緩和するために、前記鉱石層中にコークスをあらかじめ混合させて装入（以下、「鉱石コークス混合装入」と記載する。）することで、鉱石層自体の還元性を向上させる方法が開発されている（例えば、特許文献１、２参照。）。

特許文献１においては、ベルレス装入装置を用いて鉱石コークス混合装入を行なうために、鉱石とコークスをベルトコンベア上で積層させるように切り出して、炉頂バンカーから高炉内へ装入し、「コークス混合鉱石層」を形成する方法を採用している。

また、特許文献２においては、複数の炉頂バンカーを有するベルレス装入装置を用いて高炉に原料を装入する際に、鉱石とコークスとを別々の炉頂バンカーに装入し、炉頂バンカーからの排出時に鉱石とコークスの一部を同時に排出して高炉内へ装入し、コークス混合鉱石層を形成する方法を採用している。

これらの技術は、コークスの単独装入と、鉱石コークス混合装入を交互に行なう方法であり、鉱石コークス混合装入によりコークス混合鉱石層を形成させることで、炉内の通気性や通液性を改善することにより、炉頂からのコークス装入量を低減させる場合であっても、炉況を安定させることができる。

一方で、高炉のコークスの使用量を減らすために、コークスの一部に代替して羽口から補助還元材吹き込みが行われている。補助還元材としては、コークスに比較して安価な微粉炭が主に使用される他、廃棄物に含まれる合成樹脂等の固体還元材、そして天然ガス等の気体還元材も使用されている。特に、天然ガス等の気体還元材のように水素含有率の高い還元材でコークス等を置換する方策は、例えば、天然ガスのコークス置換率が微粉炭のコークス置換率に比較して高位であることから、非常に有効である。（例えば、非特許文献１参照。）

特開平０３−２１１２１０号公報特開２００４−１０７７９４号公報

日本鉄鋼協会「材料とプロセス１８」２００５年、ｐ．９８４

上記のように、高炉の羽口から吹き込む補助還元材として水素含有率の高い気体還元材を用いてコークス等を置換する方策は有効である。したがってこのような気体還元材吹き込みと、鉱石コークス混合装入法とを組み合わせることで、高炉におけるコークスの使用量の一層の低減が期待される。

そこで本発明の目的は、高炉操業において鉱石コークス混合装入法を用いる際に、羽口から吹き込む補助還元材として気体還元材を用いることで、還元効率を高めて、より効率的な高炉の操業を行い、コークスの使用量を低減できる、高炉操業方法を提供することとする。

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。
高炉の炉頂部から原料を装入して、炉内にコークス層と、コークスと鉱石とが混合されたコークス混合鉱石層とを交互に堆積させ、かつ、羽口から吹き込む補助還元材として気体還元材を用いる高炉操業方法であって、前記コークス混合鉱石層中に混合されるコークス量を、炉頂から装入する全コークス量に対して１０ｍａｓｓ％以上とすることを特徴とする高炉操業方法。

本発明によれば、コークス混合鉱石層に混合する混合コークスの混合量を制御することで、水素による還元効率を高めることができ、より効率的な高炉の操業が可能となる。

これによりコークスの使用量を低減することができるので、ＣＯ₂の発生を削減して、地球環境に貢献できる。

高炉内雰囲気を模擬した還元試験装置の概略図。

本発明者らの検討により、高炉の炉頂部から原料を装入してコークス層と鉱石層とを交互に堆積させる際に、鉱石層中にコークスをあらかじめ混合させて装入する、鉱石コークス混合装入法に、羽口からの水素含有率の高い気体還元材吹き込みを組み合わせると、単なる両者の組み合わせから予想される以上に還元効率が向上し、より一層コークスの使用量を低減できることが見出された。この原理を以下に説明する。

水素含有率の高い気体還元材を羽口から吹き込むことによる高炉操業へおよぼす影響として、主に水素還元における還元速度上昇による還元効率の改善（シャフト効率の改善）、還元性向上による融着帯での鉱石の溶け落ち性改善による炉内圧損の低減、等が挙げられる。これらの複合的な効果と、吹込み還元材の組成、発熱量の影響を受けてコークス置換率が決定する。そのため高炉操業として、還元効率を高めることによって、コークスとの置換率をさらに高めることができると考えられる。

水素含有率の高い気体還元材を吹き込む際の、水素による還元効率改善については、一般に水素による還元速度が速いこと、そして水素還元により生成した水蒸気とカーボンとのガス化反応により再生成した水素により再び水素還元が発生することによると考えられる。したがって水素による還元促進効果を最大限に発揮するためには、水素還元により生成した水蒸気がコークスと反応する頻度を高めることが不可欠である。

通常の高炉操業では、コークス層と鉱石層が交互に装入されているため、水素還元により発生した水蒸気がコークスと反応するためには、鉱石層を抜けて隣接するコークス層まで到達しなければならない。しかし、鉱石層をコークス混合鉱石層とすることで、水蒸気が生成した直後に鉱石層内に存在するコークスと反応して水素を再生成し、その水素が再度還元反応に寄与することができる。そこで水素含有率の高い気体還元材吹込み時に、炉内にコークス混合鉱石層を形成させることによって、還元効率が大幅に向上する。特にコークス混合鉱石層内へ混合するコークス量が多いほど、水素還元により発生した水蒸気とコークスとの接触頻度が高くなるため、還元効率の向上効果が高いと予測される。

そして、コークス混合鉱石層内に混合させるコークス量について、実高炉において鋭意検討を重ねた結果、水素還元により生成した水蒸気がコークス混合鉱石層内のコークスと反応する頻度が高められるのは、コークスを炉頂から装入する全コークス量に対して１０ｍａｓｓ％以上、コークス混合鉱石層内に混合した場合であることが見出された。またコークス混合鉱石層内にコークスを３０ｍａｓｓ％以上混合した場合にはさらに効果があることが分かった。一方で、コークスをコークス混合鉱石層内に混合する量が多すぎると、コークス層が薄くなり、融着帯でコークススリットが薄くなり炉下部での通気性が悪化することから、コークス混合鉱石層内に混合するコークスは、コークスを炉頂から装入する全コークス量に対して５０ｍａｓｓ％以下とすることが好ましいことが分かった。

コークス混合鉱石層内に混合させるコークス量について調査するために、図１に示す装置を用いて還元試験を行った。図１の還元試験装置は、内径１００ｍｍφの黒鉛るつぼ１を加熱炉（炉芯管）２内に設置し、黒鉛るつぼ１内の試料３をＮ₂／ＣＯ／ＣＯ_２／Ｈ₂混合ガス４雰囲気で、パンチ棒５を介して荷重６を負荷しながら、ヒーター７を用いて加熱するものであり、水素含有率が高い気体還元材吹き込み時の高炉内を模擬させた温度、ガス組成、荷重をプログラムで制御するものである。８は熱電対である。黒鉛るつぼ１内に、粒径１０ｍｍ〜１５ｍｍの焼結鉱とコークスの混合物を、混合コークス量を変えて充填した条件（試験Ｎｏ．２〜４）で実験を行なった。基準（ベース）として、焼結鉱のみを充填した場合についても試験Ｎｏ．１として実験を行なった。実験は、与えられた条件下で昇温還元を行ない、試料３が溶けて、黒鉛るつぼ１の底から滴下物サンプリング装置９に落下するまで継続した。実験中は排出される排ガス１０の組成分析を連続的に行ない、還元率を推定した。表１に混合コークス量と水蒸気によるコークス反応量、還元率との関係を示す。

表１によれば、コークス混合鉱石層内の混合コークス量が１０ｍａｓｓ％未満では水蒸気によるコークス反応量がほとんど変化しないが（試験Ｎｏ．２）、混合コークス量が１０ｍａｓｓ％以上では水蒸気によるコークス反応量が増加し、還元率も上昇した（試験Ｎｏ．３）。特に混合コークス量が３０ｍａｓｓ％以上では、さらにコークス反応量が大きくなり、還元率もさらに上昇した（試験Ｎｏ．４）。以上の結果より、コークスを１０ｍａｓｓ％以上混合した場合には、水素還元により生成した水蒸気がコークス混合鉱石層内のコークスと反応する頻度が高くなり、水素還元が促進されて還元性が向上することが見出された。またコークス混合鉱石層内にコークスを３０ｍａｓｓ％以上混合した場合にはさらに効果があることが分かった。

以上のことから本発明では、高炉の炉頂部から原料を装入してコークス層とコークス混合鉱石層とを交互に堆積させ、かつ、羽口から吹き込む補助還元材として気体還元材を用いる際に、コークス混合鉱石層内に混合させるコークス量を、炉頂から装入する全コークス量に対して１０ｍａｓｓ％以上となるように設定することとした。

羽口から吹き込む補助還元材としては、気体還元材だけでなく、固体還元材も用いることができる。固体還元材および気体還元材を羽口から吹き込む際には、それぞれを別の羽口から吹き込むこともできるが、例えば、固体還元材ホッパーから固体還元材を切り出して吹き込みランスから熱風と共に炉内に吹き込み、気体還元材吹き込み装置から別のランスを用いて気体還元材を熱風と共に炉内に吹き込むことで、同一羽口から固体還元材と気体還元材とを混合して炉内に吹き込むことができる。固体還元材としては微粉炭、合成樹脂材を、気体還元材としては、メタンガス、メタンガスを主成分とする天然ガス、プロパンを主成分とするＬＰＧ、都市ガス、コークス炉ガス、水素ガス、ジメチルエーテルなど、高炉内で還元材として働く、水素を含有する気体を使用することができる。

本発明においては、コークスを鉱石層内に混合させる方法については、特定の方法に限定しない。鉱石とコークスとが混合状態で高炉内に装入されてコークス混合鉱石層が形成されれば良く、鉱石とコークスをベルトコンベア上で積層させるように切り出して、炉頂バンカーから高炉内へ装入し、コークス混合鉱石層を形成する方法、炉頂バンカーからの排出時に鉱石とコークスの一部を同時に排出して高炉内へ装入し、コークス混合鉱石層を形成する方法等、いずれのような方法を採用しても問題ない。

内容積５０００ｍ³の高炉において、コークス層と、コークスと鉱石とが混合されたコークス混合鉱石層とを交互に堆積させる操業を行った。羽口から吹き込む補助還元材としては、気体還元材および固体還元材を用いた。気体還元材として天然ガスを、固体還元材として微粉炭を使用した。出銑比がほぼ一定となるように、操業条件を一定にして、混合コークス量を変更して、操業Ｎｏ．２〜４の操業を行った。操業Ｎｏ．１は補助還元材として、気体還元材を用いずに、固体還元材のみを用いた場合である。操業条件及び結果を表２に示す。

表２において、「混合コークス量」は、炉頂から装入する全コークス量に対するコークス混合鉱石層中に混合されるコークス量の割合である。また、通気抵抗指数は、高炉シャフト部での通気抵抗を指数化した指標であり、下記（ａ）式より計算する。

通気抵抗指数＝（（Ａ²−Ｂ²）／Ｃ）×（１／Ｄ^1.7）×（２７３／Ｅ）・・・（ａ）
但し、Ａ＝（（ＢＰ／９８．０６６５）＋１．０３３）×１００００
Ｂ＝（（ＴＰ／９８．０６６５）＋１．０３３）×１００００
Ｃ＝１．０３３×１００００×ＬＳＴ
Ｄ＝ＢＧＶ／ＳＡＶＥ
Ｅ＝（（ＳＧＴ＋２７３）／２）＋２７３
であり、ＢＰは送風圧力（ｋＰａ）、ＴＰは炉頂圧力（ｋＰａ）、ＬＳＴはストックラインから羽口までの距離（ｍ）、ＢＧＶはボッシュガス流量（Ｎｍ³／ｍｉｎ）、ＳＡＶＥは高炉シャフト部の平均水平断面積（ｍ²）、ＳＧＴは高炉シャフト部の代表ガス温度（１０００℃に固定）、である。

また、ガス利用率は炉頂ガス中のＣＯとＣＯ₂の量に対するＣＯ₂の比率であり、シャフト効率はリスト線図で示される高炉の還元効率の度合いを表す指数である。

表２において操業Ｎｏ．１と操業Ｎｏ．２を比較すると、天然ガスを吹き込むことで通気抵抗指数が低下し、ガス利用率が増加し、シャフト効率が向上して、還元効率の改善がなされていることが分かる。天然ガスのコークス置換率は１．１５である。

一方、混合コークス量が９．５ｍａｓｓ％である操業Ｎｏ．２に対して、本発明例である混合コークス量が１０．５ｍａｓｓ％である操業Ｎｏ．３においては、通気抵抗指数がさらに低下しており、コークス混合鉱石層中に混合されるコークス量を、炉頂から装入する全コークス量に対して１０ｍａｓｓ％以上とすることで、通気抵抗指数が低下し、還元効率の改善（シャフト効率の改善）が顕著となった。

また、混合コークス量が３０．６ｍａｓｓ％である操業Ｎｏ．４においては、通気抵抗指数がより一層低下しており、コークス混合鉱石層中に混合されるコークス量を、炉頂から装入する全コークス量に対して３０ｍａｓｓ％以上とすることで、更なる通気抵抗指数の低下、および、還元効率の改善（シャフト効率の改善）がなされたことが分かる。

以上の結果より、本発明は、高炉の還元効率の改善（シャフト効率の改善）技術として有効であり、さらに、低還元材比（低コークス比）操業技術としても有効であることが確認された。

１黒鉛るつぼ
２加熱炉
３試料
４Ｎ₂、ＣＯ、ＣＯ₂、Ｈ₂混合ガス
５パンチ棒
６荷重
７ヒーター
８熱電対
９滴下物サンプリング装置
１０排ガス

Claims

高炉の炉頂部から原料を装入して、炉内にコークス層と、コークスと鉱石とが混合されたコークス混合鉱石層とを交互に堆積させ、かつ、羽口から吹き込む補助還元材として気体還元材を用いる高炉操業方法であって、前記コークス混合鉱石層中に混合されるコークス量を、炉頂から装入する全コークス量に対して１０ｍａｓｓ％以上とすることを特徴とする高炉操業方法。