JP2012007204A

JP2012007204A - 焼結鉱の還元粉化性状の評価方法

Info

Publication number: JP2012007204A
Application number: JP2010143429A
Authority: JP
Inventors: Keisuke Yoshida; 圭佑吉田; Koichi Nushishiro; 晃一主代
Original assignee: JFE Steel Corp; Kobe Steel Ltd; Nippon Steel Corp; Sumitomo Metal Industries Ltd; Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: JFE Steel Corp; Kobe Steel Ltd; Nippon Steel Corp; Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 2010-06-24
Filing date: 2010-06-24
Publication date: 2012-01-12
Anticipated expiration: 2030-06-24
Also published as: JP5455813B2

Abstract

【課題】焼結鉱が高炉内を降下する際の還元条件の経時変化による焼結鉱の還元粉化性状の変化や、高炉操業条件の変更による焼結鉱の還元粉化性状の変化を精度よく評価することができる焼結鉱の還元粉化性状の評価方法を提案する。
【解決手段】高炉操業に使用される焼結鉱の還元粉化性状を評価するにあたり、高炉に装入された焼結鉱が高炉内を降下していく際の還元条件の経時変化、すなわち、装入後経過時間ともに変化する還元ガス組成および還元温度を、総括熱物質収支モデルおよび部分収支モデル等を用いて正確に推定し、その還元条件の経時変化を模擬して焼結鉱の還元試験を行い、還元後の焼結鉱の還元粉化率を測定し、評価する焼結鉱の還元粉化性状の評価方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、焼結鉱の還元粉化性状の評価方法に関し、具体的には、高炉に装入した焼結鉱が高炉内を降下していく際の還元条件の変化による還元粉化性状の経時変化を精度良く評価する方法に関するものであり、特に、羽口から水素吹込みを行うなど、高炉操業条件を変更したときの焼結鉱の還元粉化性状の変化を精度よく評価することができる還元粉化性状の評価方法に関するものである。

高炉に装入された焼結鉱は、還元される初期の低温段階で、焼結鉱中のヘマタイトが還元されてマグネタイトが生成する際に生ずる体積膨張によって粉化を起こすことが知られている。この粉化現象は、高炉内の通風を著しく阻害し、荷下がりの不調や棚吊りを引き起こすため、高炉の操業を安定して行う上で、高炉に装入された焼結鉱の還元粉化性状、特に還元粉化率や還元率の経時変化を正確に把握しておくことは極めて重要である。

ところで、焼結鉱の還元粉化性状を評価する方法としては、ＪＩＳＭ８７２０に規定された「鉄鉱石−低温還元粉化試験方法」が知られている。この評価方法は、１０〜１５ｍｍの大きさに調整した鉄鉱石を５５０℃の温度に昇温し、ＣＯ：３０ｖｏｌ％、Ｎ_２：７０ｖｏｌ％の混合ガスで等温還元して冷却後、室温で回転ドラムを用いて転動させた後、篩い分けして３ｍｍ以下の割合（％）を求めることで、高炉の低温還元帯を模した条件での粉化の度合い（還元粉化率：ＲＤＩ）を評価するものである。

しかし、このＪＩＳＭ８７２０に規定された方法は、５５０℃の一定温度でかつ一定の成分組成の混合ガスを用いて還元試験を行っているため、実操業時の高炉内、特に５５０℃以上の高温における焼結鉱の還元粉化性状を正しく評価できていないという問題がある。

そこで、実操業時における高炉内の条件を考慮した焼結鉱の還元粉化性状の評価方法が幾つか提案されている。
たとえば、特許文献１には、高炉に供給される原料焼結鉱の還元粉化性の評価方法において、予め一定値に定められた焼結鉱の定還元時間および定還元ポテンシャルのそれぞれに対して、実操業条件に応じた補正を行い、具体的には、定還元時間については、高炉内装入物およびガスに関する気体・固体間の熱移動を評価する「熱移動モデル」を設定し、実操業条件を用いて高炉内温度分布を推定し、原料焼結鉱が炉内の５００〜６００℃の温度領域を通過するのに要する焼結鉱滞留時間を算出し、この結果に応じて上記定還元時間を補正して標準還元時間を算出し、また、定還元ポテンシャルについては、実操業時の高炉シャフト部における「総括物質収支モデル」を設定し、実操業条件を用いてシャフトガス組成およびシャフトガス流量を推定して、シャフト内還元ポテンシャルを算出し、この結果に応じて上記定還元ポテンシャルを補正して標準還元ポテンシャルを算出し、その後、上記適正に補正された標準還元時間および標準還元ポテンシャルの条件下で還元試験を行い、焼結鉱の還元粉化性状を評価する試験方法が開示されている。

また、高炉シャフト部を模擬した試験炉を用いて、高炉内における焼結鉱の高温性状や軟化溶融挙動を調べることが行われている。例えば、非特許文献１には、高炉内条件近似を基本とする荷重還元試験法において、試験結果に及ぼす荷重、ガス流量、試料粒度および充填層高の影響およびそれらの適正組み合わせについて、総合的に検討した結果が報告されている。具体的には、ガス混合・供給装置により所定の組成および流量に制御されたＮ_２−ＣＯ−ＣＯ_２の混合ガスを、ガス予熱炉を経てタンマン炉内に導入し、タンマン炉内の黒鉛ルツボに充填された試料を所定の荷重および温度条件（１１００℃、１３００℃、１４００℃）の下で還元することで、高炉装入物の高温性状を測定することが記載されている。

また、非特許文献２には、高炉近似条件下における焼結鉱の還元挙動を調べるために、高炉の炉高方向に沿って還元、軟化、溶融などの反応を総合的にシミュレートできる実験装置（高炉内反応シミュレーター（ＢＩＳ））を開発し、その実験装置を用いて高炉内条件を模擬した焼結鉱の還元挙動を調査した事例が報告されている。

上記ＢＩＳは、上部炉と下部炉より構成されており、上部炉は、高炉の塊状帯をシミュレートしており、ステンレス製の反応管とこれに沿って上下可動でかつ４ゾーンに分割され、ゾーン毎に独立に温度制御が可能な電気炉からなり、また、下部炉は、塊状帯下端から融着、滴下帯までの荷重軟化試験装置に相当する炉であり、黒鉛製試料るつぼと電気炉、荷重装置および滴下物探取装置からなる。
このＢＩＳでは、反応管内に試料として焼結鉱とコークスを充填した後、Ｎ_２ガスを流しながら電気炉に高炉の塊状帯に相当する温度分布を与え、その後、還元ガスに切り替えるとともに電気炉を一定速度で降下させることで、上記下部炉の試料に炉頂部からの塊状帯下端までの還元履歴を付与し、さらにその後、下部炉に設定した任意の昇温速度で軟化・溶融・滴下までの試験を進めることで、高炉の炉頂から溶融滴下までの炉内反応をシミュレートすることができるようになっている。

そして、非特許文献２には、上記ＢＩＳを用いて、Ｎ_２：５５ｖｏｌ％、ＣＯ：４１ｖｏｌ％、Ｈ_２：４ｖｏｌ％の混合ガスを装置内に導入して、炉頂から１０００℃まで急速に昇温し、１０００℃において比較的長い熱保存帯を有する分布と、６００℃の低温熱保存帯と、１０００℃の高温熱保存帯の２段の熱保存帯を有する分布の２種類の温度分布において、塊状帯の還元挙動、還元粉化挙動および気孔構造変化を調査したことが報告されている。

特開平１１−６１２８４号公報

山岡洋次郎・堀田裕久・梶川脩二，「高炉装入物の高温性状測定法」，鉄と鋼，日本鉄鋼協会，第６６年（１９８０），ｐ．１８５０−１８５９岡本晃・内藤誠章・斧勝也・林洋一・井上義弘，「高炉内近似条件下における焼結鉱の還元挙動」，鉄と鋼，日本鉄鋼協会，第７２年（１９８６），ｐ．１５２９−１５３６

上述した特許文献１の評価方法は、高炉内の条件を考慮して焼結鉱の還元粉化性状を評価してはいるものの、一定組成のＮ_２−ＣＯ−ＣＯ_２−Ｈ_２混合ガスを用いて５５０℃の温度でのみ還元試験を行っている。しかしながら、還元温度やガス組成を一定に固定すると、５５０℃以上の温度における還元粉化性状の変化やガス組成が変動した場合における還元粉化性状の変化、すなわち、高炉に装入された焼結鉱が高炉内を降下していく過程で、炉内の温度や炉内の還元雰囲気の変化によって還元率や還元粉化率がどのように変化していくかを十分に把握することができない。

また、非特許文献１の評価方法は、５５０℃以外の温度で還元試験を行っているものの、１０００℃以上の高温であり、しかも、一定の温度、一定のガス組成でのみ還元試験を行っているため、やはり、高炉に装入された焼結鉱が高炉内を降下していく過程での還元条件の変化を反映した評価方法とはなっていない。

また、非特許文献２の評価方法は、高炉内の状況を模擬した条件で試験を行ってはいるものの、やはり還元ガスの組成が一定であるため、例えば、水素吹込みを行う等の高炉操業条件の変更時における焼結鉱の還元粉化性状の変化を十分に評価できるものにはなっていない。
したがって、従来の焼結鉱の還元粉化性状の評価方法では、高炉内で起こる還元粉化性状の変化を十分に把握できないため、還元粉化性状の変化に起因した高炉トラブルを未然に防止することは不可能である。

本発明は、従来の還元粉化性状の評価方法が抱える上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、焼結鉱が高炉内を降下する際の還元条件の経時変化による焼結鉱の還元粉化性状の変化や、高炉操業条件の変更による焼結鉱の還元粉化性状の変化を精度よく評価することができる焼結鉱の還元粉化性状の評価方法を提案することにある。

発明者らは、上記課題の解決に向けて鋭意研究を重ねた。その結果、高炉に装入された焼結鉱が高炉内を降下していく際の還元条件の経時変化、すなわち、装入後経過時間とともに変化する還元ガス組成および還元温度を、総括熱物質収支モデルおよび部分収支モデル等を用いて正確に推定し、その還元条件の経時変化を模擬した条件下で焼結鉱の還元試験を行えば、高炉内に装入した焼結鉱の還元粉化性状の経時変化のみならず、高炉操業条件の変更による焼結鉱の還元粉化性状の変化を正確に評価できることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、高炉操業に使用される焼結鉱の還元粉化性状を評価するに当たり、焼結鉱が高炉内を降下する際の還元条件の経時変化を推定し、その推定した還元条件の経時変化を模擬した焼結鉱の還元試験を行い、還元後の焼結鉱の還元粉化率を測定して評価することを特徴とする焼結鉱の還元粉化性状の評価方法である。

本発明の焼結鉱の還元粉化性状の評価方法は、下記（Ａ）〜（Ｃ）の処理によって、焼結鉱が高炉内を降下する際の還元条件の経時変化を模擬した焼結鉱の還元試験条件を設定し、下記（Ｄ）の焼結鉱の還元試験を行うことを特徴とする。
記
（Ａ）高炉操業を物質バランスと熱バランスの両面から解析する総括熱物質収支モデルを設定し、この総括熱物質収支モデルに高炉操業条件を入力して高炉操業諸元を算出する。
（Ｂ）高炉内部をメッシュに分割し、その各々のメッシュに物質収支と熱収支を計算する部分収支モデルを設定し、その部分収支モデルに上記（Ａ）で入力した高炉操業条件と算出した高炉操業諸元を入力して高炉内部の温度分布とガス組成分布および装入物炉内降下速度を算出する。
（Ｃ）上記（Ｂ）で算出した高炉内部の温度分布とガス組成分布および装入物炉内降下速度から、高炉内を降下する焼結鉱の還元条件の経時変化を推定し、推定した焼結鉱の還元条件の経時変化を模擬して、焼結鉱の還元試験における還元時間に対する還元ガス組成および還元温度を設定する。
（Ｄ）上記（Ｃ）で設定した条件下で、高炉炉頂温度から昇温しながら９００℃以下の温度まで焼結鉱の還元試験を行う。

また、本発明の評価方法は、上記焼結鉱の還元試験を、焼結鉱に荷重を負荷しつつ行うことを特徴とする。

本発明によれば、高炉に装入された焼結鉱が高炉内を降下していく際の還元条件の経時変化を精度良く把握し、その条件を模擬して焼結鉱の還元試験を行い、還元粉化率を測定することで、高炉に装入された還元粉化性状の経時変化を正確に評価・予測することができる。特に、本発明によれば、従来の高炉への一般的な還元材供給方法であった炉頂からのコークス装入、羽口からの微粉炭の吹き込みに加えて、羽口からの水素吹き込みを行うような高炉操業条件の変更がなされた場合でも、高炉内の還元条件の変化を精度よく予測することができるので、高炉操業条件の変更に伴う還元粉化性状の変化を正確に評価・予測することができる。
さらに、本発明の評価方法を高炉の実操業に適用することで、高炉に装入する焼結鉱の還元粉化性状に合わせて高炉操業条件を最適化したり、あるいは、高炉操業条件に合わせて最適な還元粉化性状の焼結鉱を用いたりすることが可能となるので、高炉の操業トラブルを事前に予測したり、防止することが可能となり、高炉操業の安定化に大きく寄与することができる。

本発明に係る焼結鉱の還元粉化性状の評価方法を説明する図である。部分収支モデルの計算に用いたメッシュを説明する図である。還元試験に用いる高炉シャフト部模擬試験装置の模式図である。部分収支モデルを用いて得られた高炉内の温度分布を示す図である。実施例の還元試験に用いた昇温パターンを示すグラフである。実施例の還元試験において焼結鉱に負荷した荷重パターンを示すグラフである。ＣＯ還元とＣＯ＋Ｈ_２還元における還元上限温度と還元率との関係を示すグラフである。ＣＯ還元とＣＯ＋Ｈ_２還元における還元上限温度と還元粉化率との関係を示すグラフである。

本発明は、高炉実操業における高炉内の還元条件を模擬し、昇温しながら焼結鉱の還元試験を行うことにより、高炉内における焼結鉱の還元粉化性状の経時変化を正確に評価する技術であり、その評価した結果を実高炉操業に適用することで、高炉内の還元状況の変化を精度よく予測したり、高炉内で起こるトラブルを未然に防止したりすることを可能とする技術である。特に、本発明は、高炉への一般的な還元材供給方式であった従来の炉頂からのコークス装入、羽口からの微粉炭吹込みに加えて、羽口から水素吹込みを行うような高炉操業条件の変更がなされた場合における焼結鉱の還元粉化性状の変化を評価するのに極めて有効な技術である。

上記の特徴を有する本発明は、図１にその概要を示したように、まず、高炉操業を物質バランスと熱バランスの両面から解析する総括熱物質収支モデルを設定し、この総括熱物質収支モデルに高炉操業条件を入力して高炉操業諸元を算出し、次いで、高炉にメッシュを切って分割し、各々のメッシュの物質収支および熱収支を計算する部分収支モデルを設定し、この部分収支モデルに、上記総括熱物質収支モデルで入力した高炉操業条件と、算出した高炉操業諸元を入力して高炉内の各位置におけるガス組成分布と温度分布および装入物炉内降下速度を算出する。次いで、先に算出した高炉内の各位置の温度分布とガス組成分布および装入物炉内降下速度から、高炉内を降下する焼結鉱の還元条件の経時変化、すなわち、焼結鉱が高炉に装入された後の経過時間と還元ガス組成および還元温度との関係を推定し、この推定した還元条件の経時変化を模擬して焼結鉱の還元試験条件、すなわち、還元時間に対する還元ガス組成および反応温度を設定し、その設定した条件下で昇温しながら焼結鉱の還元試験を行い、還元後の焼結鉱の還元粉化率や還元率を測定し、評価することで、高炉内における焼結鉱の還元粉化性状を正確に評価しようとするものである。

以下、本発明を、図１に沿って具体的に説明する。
（Ａ）総括熱物質収支モデル解析
本発明は、まず、高炉操業を物質バランスと熱バランスの両面から解析する総括熱物質収支モデルを設定し、この総括熱物質収支モデルに、評価しようとしている高炉の操業条件を入力し、出力として、炉頂ガス成分や送風量、送風温度、送風湿分、酸素富化量、出滓量ならびに出滓成分、鉱石原単位、コークス比、還元材比、送風原単位、酸素原単位、スラグ比、ソルーションロス反応量、排出ガス量等の高炉操業諸元を算出する。上記計算に用いる総括熱物質収支モデルとしては、特に制限はないが、「リストモデル」と呼ばれるモデルが好ましく用いることができる。

ここで、上記「総括熱物質収支モデル」に入力する高炉操業条件は、出銑量、羽口吹込物質の種類、量、組成および焼結鉱とコークスの装入重量比（焼結鉱／コークス比）である。そして、上記「総括熱物質収支モデル」では、物質収支については、高炉内に装入される焼結鉱、コークス、羽口吹き込み物質などの全装入物質中に含まれるＦｅ，Ｃ，Ｈ，Ｏ，ＳおよびＡｓｈ成分と、高炉から排出される溶銑やスラグ、排出ガス中に含まれるＦｅ，Ｃ，Ｈ，Ｏ，ＳおよびＡｓｈ成分の収支を計算する。一方、熱収支については、供給熱量をコークスの燃焼熱、空気の顕熱、酸化鉄から鉄への還元熱等とし、所要熱量をソルーションロス反応熱、不純物として含まれる酸化物の還元熱、Ｃの鉄への溶解熱、溶銑の顕熱、スラグの顕熱、炉壁からの熱損失、送風湿分等が関与する反応における吸熱、羽口からの添加物が関与する反応における吸熱とし、それら供給熱量と所要熱量との収支を計算する。このようにして、高炉全体での物質収支と熱収支を計算し、すなわち、高炉装入物、送風量と、出銑滓量、排ガス量とに関する物質精算、さらにそれらの装入物質の入熱と排出物質の出熱との差をとる熱精算を用いて、炉頂ガス成分や送風量、送風温度、送風湿分、酸素富化量、出滓量ならびに出滓成分、鉱石原単位、コークス比、還元材比、送風原単位、酸素原単位、スラグ比、ソルーションロス反応量、排出ガス量等の高炉操業諸元を算出する。

（Ｂ）部分収支モデル解析
次いで、高炉の内部を、図２に示したように、一定の基準に従ってメッシュを切って分割し、各々のメッシュ部分における物質収支および熱収支を計算する部分収支モデルを設定し、その部分収支モデルに、前述した総括熱物質収支モデルに入力した高炉操業条件および算出した操業諸元を入力して、高炉内の温度分布とガス組成分布および装入物炉内降下速度を算出する。
この「部分収支モデル」では、総括熱物質収支モデルで算出した高炉操業諸元を高炉全体として満足し、かつ、高炉内部の各々のメッシュが連成して変化している状態を計算することにより、高炉内の温度分布やガス組成分布を算出する。具体的には、まず、高炉の軸方向（炉高方向）に、間隔が炉内の層状構造の層厚に近くなるように分割し、また、高炉の半径方向には、軸方向と同程度の大きさに分割してメッシュを切り、それらのまわりに境界用のメッシュを設ける。メッシュの最小単位である三角メッシュは、上記の方法で得られる四角メッシュを鈍角が出にくい方向に分割して得る。ガス流れや固体流れ、液体流れは三角メッシュで計算し、伝熱（温度）や反応（ガス組成）は四角メッシュで計算する。そして、各々のメッシュごとに、ガス、固体、液体の各相についての部分物質収支と部分熱収支を計算する。その他計算方法の詳細については、桑原らの技術文献（「高炉プロセスの数学的二次元モデル」，鉄と鋼，日本鉄鋼協会，Ｖｏｌ．７７（１９９１）Ｎｏ．１０，ｐ．１５９３〜１６００）が参考となる

（Ｃ）還元試験条件の設定
次いで、本発明では、先に算出した高炉内の温度分布とガス組成分布および装入物炉内降下速度から、焼結鉱が高炉内を降下していく際の還元条件の経時変化、すなわち、焼結鉱の装入後経過時間に対する還元ガス組成および還元温度の変化を推定し、その推定した還元条件を模擬して、焼結鉱の還元試験における還元条件、すなわち、還元時間とともに変化させる還元ガス組成および還元温度を設定する。

具体的には、還元試験における昇温速度は、先に算定した高炉内の温度分布を半径方向に平均化して高炉の炉高方向における平均温度分布を求め、この炉高方向の平均温度分布と、先に（Ｂ）の部分収支モデルで算定した装入物炉内降下速度とから、焼結鉱が炉内を降下していく際の装入後経過時間に対する平均温度の変化を求め、この平均温度の経時変化を、還元試験における温度条件として設定してやればよい。

また、還元試験におけるガス組成は、先に算定した高炉内のガス組成分布を半径方向に平均化して高炉の炉高方向における平均ガス組成分布を求め、この炉高方向の平均ガス組成分布と、先に（Ｂ）の部分収支モデルで算定した装入物炉内降下速度とから、焼結鉱が炉内を降下していく際の装入後経過時間に対する平均ガス組成の変化を求め、この平均ガス組成の経時変化を、還元試験における還元ガス組成条件として設定してやればよい。
なお、上記設定した還元時間とガス組成との関係は連続的であるが、還元試験を簡略化するために、還元温度を数段階に分けて、還元ガスの組成を変更するようにしてもよい。ただし、ガス組成を自動制御できる場合には、さらに細かく組成を変更し、あるいは、連続的に変化させる方がよいことは勿論である。

（Ｄ）焼結鉱の還元試験
次いで、上記の処理を経て設定された、焼結鉱が高炉内を降下していく際の還元条件の経時変化を模擬した条件下において、高炉炉頂温度から昇温しながら９００℃以下の任意の温度まで、焼結鉱の還元試験を行う。この還元試験に用いる装置としては、図３に示したような、昇温しながら還元試験が行える高炉シャフト部模擬試験装置を用いるのが好ましい。
なお、上記焼結鉱の還元試験は、高炉炉頂温度から昇温しながら９００℃以下の任意の温度までの範囲で実施するが、上記高炉炉頂温度は、一般に、２００〜２４０℃程度である。また、還元試験を行う温度の上限を９００℃とする理由は、還元温度が９００℃を超えると、焼結鉱の軟化が起こるようになるので、還元粉化性状を評価する意味が失われてしまうからである。したがって、還元試験は、高炉炉頂温度から９００℃以下の任意の温度範囲であれば、焼結鉱の還元粉化性状の評価には十分である。ただし、上限温度が低すぎても、還元粉化が起こらないため、還元試験は少なくとも５００℃以上まで実施するのが好ましい。

本発明では、還元試験を行う上限温度を９００℃以下の任意の温度とすることができるが、例えば、８００℃で還元試験を終了した場合には、高炉内で８００℃まで昇温、還元された焼結鉱の還元粉化性状が得られることになる。したがって、還元試験の上限温度を種々に変化させて還元粉化性状を測定・評価することで、高炉に装入された焼結鉱が高炉内を降下していく際の還元条件の経時変化による焼結鉱の還元粉化性状の変化を正確に把握することができる。このように、本発明においては、焼結鉱の還元粉化性状の評価を、還元試験温度を１つの特定の温度に固定して行うのではなく、幅広い温度領域において行うことにより、実際の高炉内における還元粉化性状の変化を正確に把握し、予測することが可能となる。

なお、上記焼結鉱の還元試験においては、高炉内の状況を正確に模擬する意味から、試料に荷重を負荷しながら行うことが好ましい。この点、図３に示した高炉シャフト部模擬試験装置は、荷重を負荷しつつ昇温しながら試験を行うことができるので、好ましく用いることができる。試料（焼結鉱）に負荷する荷重は、高炉の炉頂部側、即ち、装入後経過時間が短いときには低くし、時間の経過とともに、即ち、装入物が降下し、静圧が高まるのに合わせて、負荷荷重を高めていくことが好ましい。負荷する荷重は、例えば、非特許文献１に記載された実高炉内の荷重分布の推定値を用いることができる。

（Ｅ）還元粉化性状等の評価
上記のようにして還元試験に供した焼結鉱は、その後、ＪＩＳＭ８７１２「鉄鉱石−回転強度試験方法」に準拠してタンブラー試験を実施し、還元粉化率を測定し、還元粉化性状を評価する。あるいは、さらに、ＪＩＳＭ８７１３「鉄鉱石−被還元性試験方法」に準じて、還元率を測定してもよい。

本実施例では、コークスと羽口から吹込む還元材として、微粉炭の炭素系還元材のみを用いる「ＣＯ還元」と、コークスと微粉炭の炭素系還元材に加えて水素系還元材を用いる「ＣＯ＋Ｈ_２還元」（Ｈ_２濃度：６．１ｖｏｌ％）の２つのケースにおける高炉内の焼結鉱の還元粉化性状を評価し、比較した。
まず、炉内容積が５１５３ｍ^３で、出銑能力が１０５００ｔ／日の高炉に対して、高炉シャフト部における物質移動を評価する総括熱物質収支モデルとして「リストモデル」を設定し、このリストモデルに高炉操業条件として、表１に示した項目（出銑量、羽口吹込み物質の種類、量および元素組成、焼結鉱／コークス比）を入力し、出力として、高炉内に装入される物質量と排出される物質量が等しいという収支バランスの下に、表２に示した高炉操業諸元（炉頂ガス成分（Ｎ_２，ＣＯ，ＣＯ_２，Ｈ_２，Ｈ_２Ｏ）、送風量、送風温度、送風湿分、酸素富化量、出滓量および出滓成分、鉱石原単位、コークス比、還元材比、送風原単位、酸素原単位、スラグ比、ソルーションロス反応量、排出ガス量）を算出した。なお、表１に記載した吹き込み物質の元素組成とは、微粉炭とＣＯＧを改質処理してＨ_２濃度を高めたガス（改質ＣＯＧ）をあわせた平均組成のことである。

次いで、図２に示したように高炉内部にメッシュを切って分割し、各々のメッシュごとに物質収支と熱収支を計算する部分収支モデルを設定し、このモデルに、上記表１に示した高炉操業条件と、上記表２に示した高炉操業諸元を入力し、出力として高炉内の温度分布とガス組成分布および装入物炉内降下速度を算出した。なお、参考例として、図４に、ＣＯ還元のケースと、ＣＯ＋Ｈ_２還元のケースにおける高炉内温度分布を比較して示した。この解析の結果では、いずれの場合も、高炉炉頂温度は２３７℃であった。

次いで、先述した（Ｃ）の手順で、先に算定した高炉内の温度分布とガス組成分布および装入物炉内降下速度から、焼結鉱が高炉内を降下していく際の還元条件の経時変化、すなわち、焼結鉱の装入後経過時間に対する還元ガス組成および還元温度の変化を推定し、その推定した還元条件の経時変化を模擬して、焼結鉱の還元試験における還元条件、すなわち、還元時間とともに変化させる還元ガス組成および還元温度を設定した。

図５は、上記のようにして設定した還元試験における還元時間と還元温度との関係を、ＣＯ還元の場合と、ＣＯ＋Ｈ_２還元の場合とを比較して示したものである。図５から、吹き込む還元材が変わることで、高炉に装入された焼結鉱の昇温速度が変化し、ＣＯ還元（５．０℃／ｍｉｎ）よりＣＯ＋Ｈ_２還元（３．６℃／ｍｉｎ）の方が低速昇温となることが分かる。この理由は、水素による焼結鉱の還元反応が吸熱反応であるためと考えられる。

また、表３は、上記のようにして設定した還元試験における還元ガス組成を、ＣＯ還元の場合とＣＯ＋Ｈ_２還元の場合とを比較して示したものである。ただし、上記計算により求まる還元時間とガス組成との関係は連続的に変化するが、表３では、還元試験を簡略化するため、還元温度を室温〜２３７℃、２３７〜６４９℃、６４９〜９５８℃の３段階に分けて還元ガスの組成を変更するようにした。ここで、表３中の２３７℃の温度は、本計算による得られた高炉炉頂温度であり、この温度以下は高炉装入前に相当するため、還元試験における供給ガスは窒素１００ｖｏｌ％とし、２３７℃以上で還元ガスを供給するようにした。

次いで、上記のようにして設定した、ＣＯ還元と、ＣＯ＋Ｈ_２還元の２ケースにおける還元試験条件に基づいて、ＪＩＳＭ８７２０に準じて調製した焼結鉱を試料とし、図３に示した高炉シャフト部模擬試験装置を用いて、還元試験を行った。この際、上記還元試験に用いた試料（焼結鉱）には、実操業時の炉内状況を模擬するため、図６に示した荷重負荷パターンのように、還元時間とともに負荷する荷重を増加させた。
そして、上記還元試験においては、還元温度による還元粉化性状の変化を調べるため、高炉炉頂温度から５００〜９００℃の温度範囲で１００℃ごとに設定した上限温度まで昇温、還元した後、冷却し、それぞれの上限温度における還元粉化率および還元率を測定した。なお、上記還元粉化率は、上記還元後の焼結鉱を、ＪＩＳＭ８７１２「鉄鉱石−回転強度試験方法」に規定された方法でタンブラー試験を行い、評価した。また、還元率は、上記還元後の焼結鉱について、ＪＩＳＭ８７１３「鉄鉱石−被還元性試験方法」に準じて測定を行った。

図７は、上記の試験結果について、還元温度と還元率との関係を、ＣＯ還元とＣＯ＋Ｈ_２還元とで比較して示したものである。この図から、還元材としてコークスと微粉炭の炭素系還元材のみを用いるＣＯ還元と比較して、コークスと微粉炭の炭素系還元材に加えて水素系還元材を用いるＣＯ＋Ｈ_２還元の方が、６００℃以上の温度領域において、還元率が上昇していることがわかる。このような還元材による差は、従来の５５０℃程度で行っていた試験では検出されていなかったものである。

また、図８は、上記の試験結果について、還元温度と還元粉化率との関係をＣＯ還元とＣＯ＋Ｈ_２還元とで比較して示したものである。この図から、還元材としてコークスと微粉炭の炭素系還元材のみを用いるＣＯ還元と比較して、コークスと微粉炭の炭素系還元材に加えて水素系還元材を用いるＣＯ＋Ｈ_２還元の方が、５００℃以上の還元温度での還元粉化率が高くなっており、図７と同様、還元材による差が明確に表れている。
なお、図８中には、参考として特許文献１に記載された、Ｈ_２ガスを６．２ｖｏｌ％含有する還元ガスを用いて５５０℃の温度で還元試験したときの還元粉化率を併記したが、本発明の評価方法では、特許文献１の評価方法では把握できなかった焼結鉱の還元粉化性状が得られている。

上記のように、本発明の還元粉化性状の評価方法を用いることにより、高炉に装入した焼結鉱の幅広い温度領域における還元粉化性状を正確に評価・把握できるだけでなく、還元材として炭素系還元材に水素系還元材を加える等の高炉操業条件を変更する場合における焼結鉱の還元粉化性状の変化も正確に評価・把握することができる。

さらに、本発明の還元粉化性状の評価方法を高炉の実操業に適用することによって、例えば、焼結鉱の還元粉化率が高くなるような条件で高炉操業を行う場合には、通常よりも強度の高い焼結鉱を使用したり、あるいは、還元粉化性の高い焼結鉱を用いる場合には、それに合わせて焼結鉱の還元粉化率を低下させるような高炉操業条件に変更したりすることが可能となるので、高炉の操業トラブルを事前に予知したり、防止したりすることが可能となる。
上記本発明特有の効果は、高炉操業シミュレーションを活用して求めた高炉内の還元条件の経時的な変化を模擬して還元試験を行うことによって、初めて得られるものである。

１：荷重
２：炉心管
３：ヒーター
４：焼結鉱（試料）
５：黒鉛るつぼ
６：還元ガス
７：還元処理後排出ガス
８：ガス分析装置
９：還元後の焼結鉱
１０：タンブラー試験機

Claims

高炉操業に使用される焼結鉱の還元粉化性状を評価するに当たり、焼結鉱が高炉内を降下する際の還元条件の経時変化を推定し、その推定した還元条件の経時変化を模擬した焼結鉱の還元試験を行い、還元後の焼結鉱の還元粉化率を測定して評価することを特徴とする焼結鉱の還元粉化性状の評価方法。
下記（Ａ）〜（Ｃ）の処理によって、焼結鉱が高炉内を降下する際の還元条件の経時変化を模擬した焼結鉱の還元試験条件を設定し、下記（Ｄ）の焼結鉱の還元試験を行うことを特徴とする請求項１に記載の焼結鉱の還元粉化性状の評価方法。
記
（Ａ）高炉操業を物質バランスと熱バランスの両面から解析する総括熱物質収支モデルを設定し、この総括熱物質収支モデルに高炉操業条件を入力して高炉操業諸元を算出する。
（Ｂ）高炉内部をメッシュに分割し、その各々のメッシュに物質収支と熱収支を計算する部分収支モデルを設定し、その部分収支モデルに上記（Ａ）で入力した高炉操業条件と算出した高炉操業諸元を入力して高炉内部の温度分布とガス組成分布および装入物炉内降下速度を算出する。
（Ｃ）上記（Ｂ）で算出した高炉内部の温度分布とガス組成分布および装入物炉内降下速度から、高炉内を降下する焼結鉱の還元条件の経時変化を推定し、推定した焼結鉱の還元条件の経時変化を模擬して、焼結鉱の還元試験における還元時間に対する還元ガス組成および還元温度を設定する。
（Ｄ）上記（Ｃ）で設定した条件下で、高炉炉頂温度から昇温しながら９００℃以下の温度まで焼結鉱の還元試験を行う。
上記焼結鉱の還元試験を、焼結鉱に荷重を負荷しつつ行うことを特徴とする請求項１または２に記載の焼結鉱の還元粉化性状の評価方法。