JP2012087337A

JP2012087337A - 高炉の火入れ操業方法

Info

Publication number: JP2012087337A
Application number: JP2010233367A
Authority: JP
Inventors: Michiro Urabe; 理郎浦辺; Takushi Kawamura; 拓史川村
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2010-10-18
Filing date: 2010-10-18
Publication date: 2012-05-10
Anticipated expiration: 2030-10-18
Also published as: JP5565260B2

Abstract

【課題】高炉火入れ操業において、高炉羽口前でのコークス灰分の堆積を防止し、火入れ初期の通気性を改善するとともに、高炉からのスラグ排出を促進することで、円滑な高炉の火入れ操業方法を提供する。
【解決手段】高炉炉内に枕木及びコークスを順次充填し、その上に鉄鉱石とコークスを交互に充壊した状態で火入れを行う高炉の火入れ操業方法において、前記枕木上のコークス層を上下で２層に区分し、その上部コークス層（炉口からストックラインまでの４０〜６５％の領域のコークス層）中に、融点が１２５０℃以上、滴下温度が１５００℃以下で、かつ、粒径が５ｍｍ以上、塩基度が１．０以上、１．３以下の高炉スラグを混合することを特徴とする高炉の火入れ操業方法。
【選択図】図３

Description

本発明は、高炉の火入れ時における操業方法に関する。

高炉の火入れ初期においては、高炉の昇温を目的に大量のコークスを高炉の下部に充填
する。この場合、コークスには、灰分としてＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３その他の成分が含まれているが、ＣａＯ含有量が少ないため、コークス燃焼後に生成されるスラグの塩基度(ＣａＯ／ＳｉＯ_２)が非常に低い。そのため、このスラグの融点が高く、コークスが燃焼する高炉羽口前に未溶融のスラグが堆積して火入れ初期の通気性を阻害するとともに、高炉からのスラグ排出が困難となる。

そこで、高炉の火入れ初期において、羽口前に生成するスラグの塩基度(ＣａＯ／ＳｉＯ_２)を上げ、融点を低下させる手段として、コークスに石灰石を混合して高炉に装入する方法が提案されている(特許文献１参照)。

特開２００６−２９１３０１号公報

しかしながら、前記特許文献１に記載のコークスに石灰石を混合して高炉に装入する方
法では、コークスの燃焼後に発生する灰分と石灰石の反応は、固体の石灰分(ＣａＯ)とコークス燃焼後の灰分との固体相互による反応であるため、融液状のＣａＯを含むスラグと比較してスラグ化は遅くなる。その結果、高炉羽口前に、依然として未溶融の石灰分とコークス灰分が堆積し、火入れ初期の通気性を阻害するとともに、高炉からのスラグ排出が困難である。

前記問題は、高炉火入れ操業という特殊な操業であるために起因する問題であって、通常操業とは異なるので、ここで、火入れ操業と通常操業の相違点を説明し、本発明の技術的意義を述べる。
高炉の通常操業においては、炉内シャフト下部の融着帯（高温部）で鉱石は軟化・溶融し、ＦｅＯ、ＳｉＯ_２、ＣａＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯを主成分とする初期スラグを生成する。この初期スラグは炉内を滴下し、羽口前に到達する。羽口前では、コークスの燃焼により生成した灰分が、炉内を滴下してきた融液状スラグにキャッチされ、融液状の最終スラグとなって、炉底に貯留される。
一方、高炉火入れ操業では、火入れ後の３〜４時間は、炉体レンガの昇温のため、コークスのみを燃焼する。このコークス燃焼により発生する灰分が問題となる。

前記特許文献１に記載の発明は、火入れ初期のコークス燃焼により発生する灰分をスラグ化するため、コークスに石灰石を混合している。しかし、火入れ初期の段階では、炉内温度は低く、石灰石の石灰分(ＣａＯ)は溶融することができない。その結果、固体の石灰分(ＣａＯ)とコークス燃焼後の灰分との固体相互による反応であり遅く、融液状のスラグになる最終スラグ化は遅い。しかも、炉内シャフト下部には鉱石がなく鉱石に起因するスラグ生成がないことも合い間って、該炉内シャフト下部で鉱石に起因する初期スラグが生成されない。したがって、石灰石中の石灰分（ＣａＯ）は、融液状のスラグになることなく固体のまま羽口前に到達する。また、コークス燃焼により発生する灰分は、羽口前に融液状スラグがないため、融液状スラグにキャッチされることなく、前記固体の石灰分と共にコークスの間隙に蓄積し、通気阻害の原因となる。

本発明の目的は、高炉火入れ初期に、融液状のスラグを生成し、前記固体の石灰石、灰分を溶融状のスラグ化を図ることにより、高炉羽口前でのコークス灰分の堆積を防止し、火入れ初期の通気性を改善するとともに、高炉からのスラグ排出を促進することで、円滑な高炉の火入れ操業方法を提供することである。

本発明者等は、すでに熱履歴を受けスラグ化したＣａＯ源を含有した高炉スラグをコークスに混合しておけば、火入れ初期の炉内温度が１４００℃程度の低い段階でも、融液状の初期スラグを炉内シャフト下部で生成することができ、羽口前に滴下した前記初期スラグにより、コ- クス燃焼により発生する灰分をキャッチし、融液状の最終スラグとして炉底に貯留することができ、コークス灰分による羽口前コークスの間隙の目詰まりを防止できる、という知見に基づいて、本発明を完成させた。

具体的には、本発明は、以下の構成を要旨とするものである。
（１）高炉炉内に枕木及びコークスを順次充填し、その上に鉄鉱石とコークスを交互に充壊した状態で火入れを行う高炉の火入れ操業方法において、前記枕木上のコークス層を上下で２層に区分し、その上部コークス層中に、融点が１２５０℃以上、滴下温度が１５００℃以下で、かつ、粒径が５ｍｍ以上の高炉スラグを混合することを特徴とする高炉の火入れ操業方法。
（２）前記高炉スラグを混合した上部コークス層は、羽口からストックラインまでの領域の４０容積％以上、６５容積％以下であることを特徴とする前記（１）に記載の高炉の火入れ操業方法。
（３）前記高炉スラグの塩基度が１．０以上、１．３以下であることを特徴とする前記（１）に記載の高炉の火入れ操業方法。

高炉火入れ初期に、融点が低く、流動性の良いスラグを生成し、高炉羽口前でのコークス灰分の堆積を防止し、火入れ初期の通気性を改善するとともに、高炉からのスラグ排出を促進することが出来ることから、安定した高炉立ち上げ操業が可能となる。

高炉火入初期の原料の充填状況を示す図。高炉火入れから通常操業までの炉内状況を示す図。高炉の羽口前の状況を示す図。

高炉火入れ初期の原料の充填状況を図１に示す。炉の最下部に炉敷コークス１を充填する。炉に裝入される原料の落下による衝撃を緩和するためである。
炉敷コークス１の上に枕木を羽口７のレベルまで格子状に積上げて枕木層２を形成する。火入れ初期に発生する高熱ガスを格子の間から炉底にまわしガスの熱を炉底に伝えるためである。
次に、枕木層２の上にコークス層を形成するが、このコークス層は上部と下部に区分され、下部はコークスのみを充填してコークス単独層３を形成する。このコークス単独層３は、火入れ後に於ける高炉炉床部の炉芯コークスを形成する。

上部は、高炉スラグを混合した高炉スラグ混合コークス層４を形成する。そして、この高炉スラグ混合コークス層４の上にはストックライン１６まで、鉱石層５とＣａＯ源を混合したＣａＯ源混合コークス層６を交互に層状に形成する。
ＣａＯ源混合コークス層６のＣａＯ源としては、高炉スラグ、高炉スラグと石灰石を混合したもの又は石灰石でも良い。
高炉火入れの送風開始後は、送風によるコークスの燃焼により、装入物の降下が開始される。装入物の降下が開始した後は、その降下に従い、鉱石層とＣａＯ源混合コークス層を交互に装入する。

本発明の特徴は、コークス層３の上に高炉スラグを用いた高炉スラグ混合コークス層４を形成することである。その理由を以下に示す。

高炉火入れの送風開始から、送風開始後１２時間程度経過する間の炉内状況を図２に示す。図２（Ａ）は、高炉火入れ直後の炉内状況を示す。送風開始直後であり、高炉羽口７の前にあるコークス層３は燃焼を開始し、羽口前に５００℃乃至１０００℃程度の高温領域８Ａが形成される。羽口前の燃焼帯１５で燃焼により発生した高温ガスはガス流９として、炉内を上昇する。羽口７の前にあるコークスの燃焼により、炉内装入物は、順次、装入物降下１０を開始する。

図２（Ｂ）は送風開始後６時間程度経過した時点であり、この時点になると、高炉スラグ混合コークス層４が降下して羽口７の前に到達する。そして、炉内の温度も高温のガス流９に沿ってさらに上昇し、８００℃乃至１２００℃程度の高温領域８Ｂが羽口前を含めて炉内の広範囲に広がる。そして、鉱石層５は高温ガスにより加熱、還元されて鉱石層５の一部は溶融して融着帯１１を形成し始める。

図２（Ｃ）は送風開始後１２時間程度経過した時点であり、この時点になると、更に、炉内温度も上昇して、１４００℃乃至１５２０℃程度の高温領域８Ｃがシャフト部の中部から炉底の範囲に形成され、融着帯１１も炉内の円周方向に略形成され始め、炉芯コークス１７も形成される。生成された溶銑１３とスラグ１２は炉底に貯留され始める。この炉内の円周方向に融着帯が形成されるのに合わせて炉内の通気抵抗が急速に増大し始める。

この火入れ初期の段階で、前記特許文献１に記載のように、コークスに石灰石を混合して高炉に装入する従来法の場合の石灰石のＣａＯ、コークスの灰分の挙動を説明する。炉内温度は、石灰石のＣａＯ、コークスの灰分の融点には未到着であり、該ＣａＯ、灰分は何れをも溶融することは出来ず、固体のまま羽口前のコークスの間隙に羽口前堆積灰分１４として堆積する。この羽口前堆積灰分１４は、羽口前に供給されるコークスと比較して粒度が細かいことから、コークスの間隙を詰め、羽口周囲の空隙率を著しく低下させ、通気抵抗を上昇する原因となる(図３)。
さらに、コークス層３により形成される高炉炉床部のコークス層は、高炉操業において炉内ガスの整流機能を持つので、該高炉炉床部のコークス層に羽口前堆積灰分１４が混入すると、その後の操業にも悪影響を及ぼす原因ともなる。

これに対し、火入れ初期の段階で、コークスに高炉スラグを混合して高炉に装入する本発明の方法の場合について説明する。炉内通気抵抗が急速に増加する送風開始後１２時間程度経過した時点において、高炉スラグ混合コークス層４に混合した高炉スラグが溶融して、この溶融高炉スラグが、前記羽口前のコークスの間隙に流下して該間隙に存在する羽口前堆積灰分１４をキャッチして該灰分１４を溶融スラグ化する。そして、スラグ化した羽口前堆積灰分１４は溶融高炉スラグと共に更に流下して炉下部にスラグ１４として溜まる。これにより、前記羽口前のコークスの間隙に存在する羽口前堆積灰分１４の蓄積を抑制することが可能となり、羽口前における通気抵抗の上昇を抑制し、安定した立ち上げ操業を行うことが出来る。

本願発明の高炉スラグの溶融が、石灰石に比べ有利な理由は以下による。即ち、高炉火入れ初期の炉温が低い段階で高炉に石灰石を装入しても、前記した様に石灰分（ＣａＯ）のスラグ化（融液化）は困難であるが、既に、一度熱履歴を受け、溶融スラグ化した高炉スラグであれば、各成分が混合され、かつ、分子間ネットワークが形成された別の結晶構造になってことから、前記の石灰石のＣａＯとコークスの灰分よりも低温で融液状態のスラグを得ることが可能となるからである。

高炉内では、鉄鉱石は、炉内温度の上昇とともに、溶融を開始し、更に高温になると滴下を開始する。ここで、溶融開始の温度と、滴下の温度の差が大きいと、炉内での溶融状態の鉄鉱石が多く滞留することになり、高炉ガスの通気を阻害する。高炉に装入されるスラグ成分も鉄鉱石と同様な挙動をし、溶融滴下し易いことが望ましい。
本発明では、既に、一度熱履歴を受け溶融スラグ化した高炉スラグが、溶融滴下し易いことに着目したものである。

鉄鉱石の溶融開始温度は、１２５０℃程度であり、溶融滴下の温度は、１４００乃至１５００℃である。高炉スラグの溶融開始温度と溶融滴下の温度は、高炉ガスの通気性を保持するためには、鉄鉱石の溶融開始温度及び溶融滴下温度と同程度であることが好ましいので、本発明に用いる高炉スラグは、溶融開始温度が１２５０℃以上で、溶融滴下温度は１５００℃以下であることが好ましい。

高炉スラグの溶融開始温度と溶融滴下温度は、塩基度により変動する。したがって、本発明に用いる高炉スラグの塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ_２）は、溶融開始温度を１２５０℃以上、溶融滴下温度を１５００℃以下とするために、１．０以上、１．３以下であることが好ましい。

前記高炉スラグ混合コークス層４に混合する高炉スラグとしては、徐冷スラグ（溶融スラグを冷却ピットで冷却したスラグ）を破砕整粒したものが好ましいが、水砕スラグ（溶融スラグを冷却水で破砕して冷却したスラグ）又は風砕スラグ（溶融スラグを圧空により破砕して冷却したスラグ）を固結させて破砕整粒したものでも良い。

高炉スラグの粒径は、５ｍｍ以上、５０ｍｍ以下が好ましい。高炉スラグの粒径が、５ｍｍ未満では、通気性の阻害となるからであり、５０ｍｍを超えると炉内へ運搬して装入するのに、支障をきたすからである。

図１に示す高炉火入初期の原料の充填においては、高炉スラグ混合コークス層４は、羽口７からストックライン１６までの領域の４０容積％以上、６５容積％以下が好ましく、４０容積％以上、６０容積％以下がより好ましい。４０容積％未満では、コークス単独層３が不十分となり、火入れ後に於ける高炉炉床部の炉芯コークス１７の形成に支障をきたすからである。６５容積％以上とすると、鉱石層５の降下が遅れ、炉熱が過熱し、高炉の火入れ操業に支障をきたすからである。

高炉スラグ混合コークス層４における高炉スラグの混合率は１０容積％以上、２０容積％以下がより好ましい。１０容積％未満では、羽口前のコークス燃焼で発生する灰分をスラグ化するに必要なＣａＯが不足し、２０容積％を超えるとスラグ量が過大となり、高炉の火入れ操業に支障をきたすからである。

尚、図２に示す炉内温度は、装入物を炉内に充填する際に、該炉内の複数位置に温度計（熱電対）をセットして、その測定値より推定したものである。

次に、本発明の実施例について説明するが、本発明は、これに限られるものではない。
この操業例は、５８００ｍ３級で、炉内底部からストックラインＳまでの高さが４０ｍの超大型ベル式高炉の火入れ操業に適用した場合のものである。

この火入れを行うに際し、コークス灰分含有量が１０〜１２質量％で、Ａｌ_２Ｏ_３含有量が２〜４質量％のコークスをコークス炉で製造してストックした。
該高炉の火入れ前の充填は以下のようにした。
（１）炉床上にコークスを１１０ｔ充填して床敷コークス層１を形成した。なお、この床敷コークス層１は炉床と羽口７間の１５〜２０％に相当する。
（２）更に、この床敷コークス層１の上に枕木を７２０ｍ^３使用して羽口７のレベルまで積み上げて枕木層２を形成した。
（３）この枕木層２上にコークスを７２０t充填してコークス層３を形成した。
（４）更に、その上に塩基度１．２の高炉徐冷スラグを混合したコークスを８００ｔ使用して高炉スラグ混合コークス層４を形成した。この高炉スラグ混合コークス層４を羽口からストックライン１６までの高さの１／２レベルまで積み上げた。尚、コークスに対する高炉スラグの混合割合は１５質量％であった。

（５）高炉スラグ混合コークス層４の上に、鉱石層５とＣａＯ源混合コークス層６（高炉徐冷スラグに石灰石を配合）を交互に積層した。最下部位置のＯ／Ｃは０．２で（Ｏは鉱石、Ｃはコークスを示す。）、上層部になる程、鉱石の量を増加させて、最上層のＯ／Ｃを２．２とした。
また、高炉徐冷スラグに石灰石を配合したＣａＯ源混合コークス層６において、該コークス中に混合する高炉徐冷スラグの割合を上層になる程、順次低減した（最下層を１５質量％、最上層を０質量％とした。）。上層になるほど昇温時間が長いために、鉱石および焼結鉱の溶融が進行して融液状ＣａＯが供給されるようになるからである。よって、上層ほど高炉徐冷スラグを添加する必要性が低下することから、本実施例では前記のように添加量を低減させた。
尚、高炉徐冷スラグに対する石灰石の配合量は、上下の鉱石層とＣａＯ源混合コークス層６の塩基度が０．９〜１．０になるように調整した。また、高炉徐冷スラグは、５ｍｍ乃至２５ｍｍに整粒したものを使用した。

（６）この状態で火入れを行った。そして、火入れ後における初出銑(火入れして最初に出銑口から炉下部に溜まった溶融物を排出)を行った。この際の出銑量は、２８９ｔ、溶銑温度は１５０５℃であった。そして、スラグは、抽出量１１２ｔ、塩基度１．１３、アルミナ１６．２２質量％で、融点１３００℃で良好な抽出性を維持できた。
また、火入れから初出銑までにおける炉内の通気性を示す圧損抵抗は１００ＫＰａ以下であり、従来法(鉱石に石灰石を混合した場合)と比較して３７％程度低減した。
火入れ後６８時間で、微粉炭吹き込み操業に移行した。従来、火入れ後１００〜１２０時間で、炉内の通気が安定した時点で微粉炭吹き込み操業に移行するが、本発明の実施に
おいては、火入れ後６８時間で、炉内の通気が安定し、微粉炭吹き込み操業に移行し高
速度の立ち上げが可能であった。

火入れ初期の通気性を改善するとともに、高炉からのスラグ排出を促進する高炉の火入れ操業ができる。

１：炉敷コークス層、２：枕木層、３：コークス単独層、４：高炉スラグ混合コークス層、５：鉱石層、６：ＣａＯ源混合コークス層、７：羽口、８：高温領域、９：ガス流、
１０：装入物降下、１１：融着帯、１２：スラグ、１３：溶銑、１４：羽口前堆積灰分、１５：羽口前燃焼帯、１６：ストックライン、１７：炉芯コークス

Claims

高炉炉内に枕木及びコークスを順次充填し、その上に鉄鉱石とコークスを交互に充壊した状態で火入れを行う高炉の火入れ操業方法において、前記枕木上のコークス層を上下で２層に区分し、その上部コークス層中に、融点が１２５０℃以上、滴下温度が１５００℃以下で、かつ、粒径が５ｍｍ以上の高炉スラグを混合することを特徴とする高炉の火入れ操業方法。
前記高炉スラグを混合した上部コークス層は、羽口からストックラインまでの領域の４０容積％以上、６５容積％以下であることを特徴とする請求項１に記載の高炉の火入れ操業方法。
前記高炉スラグの塩基度が１．０以上、１．３以下であることを特徴とする請求項１に記載の高炉の火入れ操業方法。