JP2011162845A

JP2011162845A - フェロコークスを用いた高炉操業方法

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Publication number: JP2011162845A
Application number: JP2010027212A
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: 2010-02-10
Filing date: 2010-02-10
Publication date: 2011-08-25

Abstract

【課題】フェロコークスを高炉で使用する際に、鉱石層へのフェロコークスの混合条件を検討して、従来以上に低還元材比で操業できるフェロコークスを用いた高炉の操業方法を提供すること。
【解決手段】フェロコークスを鉱石と混合して高炉内に装入して鉱石層を形成して操業を行なう際に、フェロコークスを前記鉱石層の無次元層高で、０．２以上、０．７以下から、１．０までの領域に混合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。高炉の無次元半径０．１５〜１．０の範囲において、フェロコークスを鉱石層の無次元層高で、０．２以上、０．７以下から、１．０までの領域に混合することが好ましい。
【選択図】図７

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、焼結鉱に代表される鉱石類（以下、「鉱石」と記載する。）のＣＯガス還元性を高めることが有効である。鉱石のＣＯガスによる還元率が増加すれば吸熱反応である直接還元量が減少するため、還元材比を低下することができるからである。

高炉内において鉱石層は下方から上昇するガスによって、下記式（ａ）に示す反応に従って還元される。
ＦｅＯ＋ｎＣＯ→Ｆｅ＋（ｎ−１）ＣＯ＋ＣＯ₂ ・・・（ａ）
従って、鉱石層下部から層内に流入したガスは、鉱石層上方へ行くに従ってＣＯ₂濃度が増加、すなわちガスの酸化度が増加し、還元能力が低下することが想定される。

上記現象に関連し、非特許文献１には、鉱石層上部ほど還元率が低下することが記載されている。

鉱石層の還元性を高めるためには、鉱石自体の被還元性を改善する手段も挙げられるが、特許文献１には、鉱石に反応性の高いフェロコークスを混合して高炉内に装入し、鉱石とフェロコークスとの混合層を形成して、鉱石の還元率を増加させる技術が記載されている。フェロコークスの存在により下記式（ｂ）に示す、
Ｃ＋ＣＯ₂＝２ＣＯ・・・（ｂ）
の反応が混合層内で生じるため、式（ａ）で生成したＣＯ₂がＣＯに変化し、ガスの酸化度が低い状態で維持されて、混合層の上部においても還元反応が停滞することがないとされている。

一方、鉱石層中においては上層ほど還元率が低くなることを勘案すると、フェロコークスの、鉱石層（混合層）中の層高方向の混合状態にも適した条件があると推察される。特許文献１においてはフェロコークスは鉱石と均一に混合されており、混合層の層高方向の混合率については記載されていない。

特開２００６−２８５９４号公報

日本鉄鋼協会「材料とプロセス」１３、２０００年、ｐ．８９４

上記のように、高炉操業において、フェロコークスを鉱石層へ混合して鉱石の還元率を増加させる際に、フェロコークスの高さ方向での混合率については特に考慮がなされていない。したがって本発明は、フェロコークスを高炉で使用する際に、鉱石層へのフェロコークスの混合条件を検討して、従来以上に低還元材比で操業できるフェロコークスを用いた高炉の操業方法を提供することを目的とする。

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。
（１）フェロコークスを鉱石と混合して高炉内に装入して鉱石層を形成して操業を行なう際に、フェロコークスを前記鉱石層の無次元層高で、０．２以上、０．７以下から、１．０までの領域に混合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。
（２）高炉の無次元半径０．１５〜１．０の範囲において、フェロコークスを鉱石層の無次元層高で、０．２以上、０．７以下から、１．０までの領域に混合することを特徴とする（１）に記載のフェロコークスを用いた高炉操業方法。
（３）パラレルバンカー型のベルレス装入装置を用い、鉱石層の装入を複数の装入バッチで行なう際に、前記各装入バッチにおいてフェロコークスを前記各装入バッチの無次元層高で、０．２以上、０．７以下から、１．０までの領域に混合するように装入し、前記鉱石層全体としてフェロコークスを前記鉱石層の無次元層高で、０．２以上、０．７以下から、１．０までの領域に混合することを特徴とする（１）または（２）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、フェロコークスを鉱石に混合して使用する際、層高方向の混合方法を変更することで、高炉の還元材比低減を図ることができる。

鉱石層中のフェロコークス混合状態と還元率の関係を示すグラフ。還元試験条件を示すグラフ。高炉の半径方向での装入原料分布を示す図（鉱石バッチ毎にフェロコークス混合比率を変更する事例）。高炉の半径方向での装入原料分布を示す図（１バッチ中に層高方向でフェロコークス混合比率を変更する事例）。高炉の半径方向での装入原料分布を示す図（実施例の装入物分布制御）。高炉の半径方向での装入原料分布を示す図（ケース２の鉱石層における旋回毎堆積形状とフェロコークス混合範囲）。高炉の半径方向での装入原料分布を示す図（ケース２の鉱石層中のフェロコークス混合範囲）。ケース２の鉱石層中のフェロコークス混合範囲を示す図。

本発明者らは、フェロコークスを鉱石に混合して使用する際、層高方向の望ましい混合方法を検討するために、焼結鉱とフェロコークスの混合層について、層高方向のフェロコークス比率を変更した条件で還元試験を行った。

焼結鉱を４１０ｇ、フェロコークスを２５ｇ用い、内径７６ｍｍの反応容器に試料を充填する際にフェロコークスの混合範囲を層高方向で変化させた。混合は、全層高で均一混合した場合の他に、上部ほど鉱石の還元率が低下することから上部にフェロコークスを集中して混合する場合を検討し、混合範囲を無次元層高で０．１〜１．０、０．２〜１．０、０．３〜１．０、０．４〜１．０、０．５〜１．０、０．６〜１．０、０．７〜１．０、０．８〜１．０、０．９〜１．０、とした場合について焼結鉱の還元率を測定した。還元は図２に示す条件で行なった。比較のために、焼結鉱のみでの還元試験も行った。結果を図１に示す。図１にはフェロコークスの混合範囲を併記してあり、２本ある棒グラフのうちの右側において、無次元層高に対して黒色で示す範囲がフェロコークスを混合した領域に相当する。また、還元ガスは無次元層高０の位置から充填層内に導入される。

フェロコークス混合範囲が無次元層高で０．１〜１．０の場合の還元率は、全層で均一混合とした場合（混合範囲０〜１．０に相当）とほぼ同じであった。これは、層高０．１以下の領域では焼結鉱のみの場合と同じ条件であるためにフェロコークスのガス化による還元促進効果を享受できないため、それ以上の領域では還元率は改善するものの、層全体としては、層高で均一混合の場合と還元率に差が現れなかったと推定される。また、フェロコークス混合範囲が無次元層高で０．８以上になると、全層高で均一混合した場合よりも還元率は低下した。これは、フェロコークスを混合していない領域、すなわちフェロコークスのガス化による還元促進効果を享受できない領域が大きいためであると推定される。混合範囲が無次元層高で０．２〜１．０から０．７〜１．０の間の条件では、全層で均一混合の場合よりも還元率が増加した。これは、フェロコークス混合領域における還元率改善効果が、フェロコークスを混合していない下層における還元率改善が発現しない効果を上回ったためである。したがって、フェロコークスを鉱石層の無次元層高で、０．２以上、０．７以下から、１．０までの領域に混合することで、均一混合の場合よりも還元率を高めることができることが分かる。

以上は実験において層高方向の混合率を操作した結果であるが、実際の高炉において層高方向でフェロコークスの混合率を制御する手段としては、例えば、図３に示すように、鉱石を数バッチに分割して装入し、各バッチでフェロコークスの混合率に差を設ける手法が挙げられる。この場合は、各バッチ内におけるフェロコークスの混合率は一定である。図３においては、まずコークス１を装入してコークス層を形成し、次にフェロコークスを混合しない鉱石２を１バッチ装入し、次いでフェロコークスを混合する鉱石３を１バッチ装入する。このような装入を、フェロコークスを混合しない鉱石２とフェロコークスを混合する鉱石３との層厚を調整して行なうことで、層高方向のフェロコークスの混合率を制御することができる。

また、複数の炉頂バンカーを有するベルレス式装入装置を用いて原料の装入を行なう場合には、フェロコークスと鉱石とを異なる炉頂バンカーに装入し、１バッチの装入時間の中でフェロコークスが鉱石とともに排出されるタイミングを制御することにより、混合率の経時変化を設定することができ、ベルレス装入装置の装入パターンと適宜組み合わせることにより層高方向の混合率制御が可能である。この場合は、１バッチ内におけるフェロコークスの混合率を変化させることができる。このような場合の一実施形態を、図４に示す。

図４は、鉱石を１２旋回で装入した際の旋回毎に形成される層構造を示しており、４が１旋回目による堆積、６が１２旋回目による堆積である。このような装入において、装入初期にはフェロコークスを混合せず、あるタイミングからフェロコークスが混合されるようにすれば、層高方向で混合率の差を設けることが可能である。例えば、７旋回目による堆積５からフェロコークスが混合されるようにすれば、図４中に斜線で示した領域が、フェロコークスが混合されている鉱石層となる。

さらに、パラレルバンカー型のベルレス装入装置を用いる場合には、鉱石層の装入を複数の装入バッチで行なう際に、各装入バッチにおいてフェロコークスを、各装入バッチの無次元層高で、０．２以上、０．７以下から、１．０までの領域に混合するように装入しながら、鉱石層全体としてフェロコークスを鉱石層の無次元層高で、０．２以上、０．７以下から、１．０までの領域に混合することができる。この実施形態については下記の実施例で詳しく説明する。

また、実際の高炉操業においては、中心部近傍の鉱石層厚を低位として中心流を確保する操業が指向されることが多い。従って、中心近傍の鉱石層厚が薄い領域において層高方向の混合率制御をすることは困難であり、中心近傍を除外した、無次元半径で０．１５〜１．０の範囲においてフェロコークスの高さ方向の混合率制御を実施するのが現実的である。中心近傍を除外してフェロコークスの高さ方向の混合率制御を実施しても、還元率向上効果を十分に得ることができる。

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であり、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％であり、残り７０ｍａｓｓ％のコークス分におけるカーボン分は８８ｍａｓｓ％である。

高炉の炉頂に設置されている装入装置は旋回シュートを有する３パラレルバンカー型のベルレス式であり、図５に示す４バッチの分布制御（コークス１、コークス２、鉱石１、鉱石２）で操業を行い、鉱石中にフェロコークスを５０ｋｇ／ｔ混合した。鉱石装入に際し、鉱石１は１２旋回、鉱石２は５旋回で装入を行った。フェロコークスを混合しない場合をベースの条件として、鉱石１、鉱石２中に均一にフェロコークスを混合した場合をケース１、鉱石１、鉱石２のそれぞれについて装入の初期にはフェロコークスを混合しない場合をケース２として操業を行った。ケース２においては、図６に示すように、鉱石１では最初の６旋回にはフェロコークスが混合されないようにし（図６の上図）、鉱石２では最初の１旋回目にはフェロコークスが混合されないようにした（図６の下図）。結果的にケース２においては、フェロコークスが混合された部分は図７に示すように形成される。

図７は、図６の上図と下図とを合わせて示したものであり、ケース２において、鉱石１および鉱石２にフェロコークスが混合されている領域を斜線で示したものである。図８に、図７の鉱石層中において、無次元高さで表した場合のフェロコークスが混合されている領域を示すが、高炉の無次元半径約０．１５〜１．０の範囲で、無次元層高約０．２〜１．０の範囲にフェロコークスが混合されていることが分かる。

ベース、ケース１、ケース２の、それぞれの操業について、還元材比とガス利用率とを測定した。結果を表１に示す。

表１によれば、先ず、鉱石１、鉱石２中に均一にフェロコークスを混合したケース１では、フェロコークスを混合しないベースの操業に比べ、ガス利用率が２．５％増加し、還元材比が１５ｋｇ／ｔ低下した。さらに、鉱石装入に際し、上部のみにフェロコークスを混合したケース２では、ケース１に対してガス利用率が０．７％増加し、還元材比が５ｋｇ／ｔ低下した。高炉の無次元半径約０．１５〜１．０の範囲で、無次元層高約０．２〜１．０の範囲にフェロコークスを混合することで、均一混合よりもガス利用率が増加して、還元材比が低下することが示された。

１コークス
２フェロコークスを混合しない鉱石バッチ
３フェロコークスを混合する鉱石バッチ
４１旋回目による堆積
５７旋回目による堆積
６１２旋回目による堆積
７コークス１
８コークス２
９鉱石１
１０鉱石２
１１フェロコークス混合あり
１２フェロコークス混合無し

Claims

フェロコークスを鉱石と混合して高炉内に装入して鉱石層を形成して操業を行なう際に、フェロコークスを前記鉱石層の無次元層高で、０．２以上、０．７以下から、１．０までの領域に混合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。
高炉の無次元半径０．１５〜１．０の範囲において、フェロコークスを鉱石層の無次元層高で、０．２以上、０．７以下から、１．０までの領域に混合す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。
パラレルバンカー型のベルレス装入装置を用い、鉱石層の装入を複数の装入バッチで行なう際に、前記各装入バッチにおいてフェロコークスを前記各装入バッチの無次元層高で、０．２以上、０．７以下から、１．０までの領域に混合するように装入し、前記鉱石層全体としてフェロコークスを前記鉱石層の無次元層高で、０．２以上、０．７以下から、１．０までの領域に混合することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のフェロコークスを用いた高炉操業方法。