JP2017088950A - 高炉への原料装入方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コークス層厚が局所的に薄くなる箇所において、通気性を改善し、ガス利用率の向上を図るための原料装入方法を提供する。
【解決手段】スクラップ等の高炉への装入を、コークスの装入後であって、鉄鉱石原料を装入する前、または鉄鉱石原料と共に行い、スクラップ等を装入する位置を、コークス層厚：Ｌｃとコークスの平均粒径：Ｄｃとの比：Ｌｃ／Ｄｃが２以下となる位置とし、かつ、該位置に装入する上記スクラップおよび/または還元鉄の層厚：Ｌｓが、スクラップおよび/または還元鉄の平均粒径：Ｄｓとの関係で、Ｌｓ≧２Ｄｓを満足するようにする。
【選択図】図４

Description

本発明は、原料装入を旋回シュートで行う高炉への原料装入方法に関するものである。

近年、地球温暖化防止の観点からＣＯ₂削減が求められている。
ここに、鉄鋼業においては、ＣＯ₂排出量の約７０％が高炉によるものであるため、高炉におけるＣＯ₂排出量の削減が求められている。そして、高炉におけるＣＯ₂削減は、高炉で使用する還元材（コークス、微粉炭、天然ガスなど）の削減により可能である。

還元材を削減する場合、鉱石層の還元効率を向上することが必要である。非特許文献１によれば、鉱石層の還元効率向上には、鉱石層の層厚を低減し、未還元部分の層厚を低減することが有効であるとされている。

ただし、上記のように鉱石層の層厚の低減を図った場合、コークス層厚も同時に低下する。
そして、高炉においてコークス層厚が低下すると、鉱石が軟化溶融する融着帯における通気抵抗が上昇して安定な操業を阻害することが経験的に知られている。
例えば、非特許文献２には、コークス層厚が高炉の炉腹部における平均値で１８０ｍｍ以下となると、高炉の通気抵抗が上昇してしまうことが示されている。

そこで、このような通気抵抗の上昇による高炉操業の不安定化に対して、コークス層厚を規定値以上確保するような操業が種々提案されている。
例えば、特許文献１には、このような局所的なコークス層厚箇所が発生することを防止するために、確保するべきコークス層厚の下限を定めている。ここでは炉口平均６００ｍｍ以上を確保すれば、炉内でのコークス層厚が局所的にも下限に至らないとしている。

また、特許文献２では、融着帯における通気抵抗の上昇を防止するために、炉腹部のコークス層厚を平均で２５０ｍｍ以上確保することを提案している。

特開平７−１８３１０号公報 特開平６−１３６４１４号公報

材料とプロセス １３巻８９４頁（２０００） 鉄と鋼 ８７巻５号３４２頁（２００１）

しかしながら、前掲したいずれの特許文献においても、確保すべきコークス層の平均層厚を規定するのみであり、鉱石層側の軟化溶融挙動を考慮した通気性の改善には言及していない。
また、近年では、高炉内のガス利用率の向上も還元材比低減の点から望まれている。

本発明は、上記した課題を解決すべく開発されたもので、コークス層厚が局所的に薄くなる箇所において、通気性を改善し、ガス利用率の向上を図るための原料装入方法を提供することを目的としている。

すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．スクラップおよび/または還元鉄と、焼結鉱、ペレットおよび鉄鉱石のうちの少なくとも１種を含む鉄鉱石原料と、コークスとを、旋回シュートを用いて、高炉内へ装入する高炉操業において、
上記スクラップおよび/または還元鉄の高炉への装入を、上記コークスの装入後であって、上記鉄鉱石原料を装入する前、または上記鉄鉱石原料と共に行うこととし、
上記スクラップおよび/または還元鉄を装入する位置を、コークス層厚：Ｌｃとコークスの平均粒径：Ｄｃとの比：Ｌｃ／Ｄｃが２以下となる位置とし、
かつ、該位置に装入する上記スクラップおよび/または還元鉄の層厚：Ｌｓが、スクラップおよび/または還元鉄の平均粒径：Ｄｓとの関係で、Ｌｓ≧２Ｄｓを満足する
高炉への原料装入方法。

本発明によれば、例えば、局所的に薄い箇所においても、通気性悪化の要因となるスクラップや還元鉄を適切な位置に装入することで、高炉の通気性を改善することができる。そのため、コークス層を下限値近くに設定することで、鉱石層の薄層化が図れるので、鉱石の反応性が向上し、ガス利用率の向上が可能となる。

実験装置の模式図である。 実験結果を示す図である。 鉄鉱石原料が溶融した時の高炉内の模式図である。また、図３（ａ）はコークス層厚が厚い場合、図３（ｂ）はコークス層厚が薄い場合の様子を表している。 スクラップ等をコークス層厚：Ｌｃとコークスの平均粒径：Ｄｃとの比：Ｌｃ／Ｄｃが２以下となる位置に装入した場合を示す模式図である。

まず、本発明の条件のうち、スクラップおよび/または還元鉄（以下、特に断らない限りスクラップ等という）の装入位置等の装入条件の解明経緯について説明する。
発明者らは、各種スクラップ等が高炉内の融着帯の通気性に及ぼす影響を調査するため、高炉内条件を模擬した還元試験を行い、スクラップ等の挙動を確認した。

図１に、コークス層厚と融着帯の通気抵抗との関係を測定するために用いた装置の概略図を示す。図中、符号１は試料加熱炉である。この試料加熱炉１はその内部に試料充填容器２および加熱装置３を備えている。
また、試料充填容器２の内部には、コークス層４および試料層５（鉄鉱石原料層）を層状に充填した試料充填層６が形成されている。そして、試料充填層６は、加熱装置３によって温度がコントロールされる。

さらに、７は気体加熱炉であり、この気体加熱炉７もその内部に加熱装置８を備えている。なお、９はガス混合器、１０はガス流通用の配管、１１は圧力計、１２は熱電対、１３は押え板、１４は台座、１５は接続棒である。なお、この接続棒１５は黒鉛または金属製とすることが好ましい。

符号１６は負荷手段であり、図１では錘を用いている。そして、この錘１６により、高炉内を模擬した荷重を試料充填層６に付加する。
この測定装置は、試料加熱炉１と気体加熱炉７とを並列配置としている。このように、並列配置としているので、気体加熱炉７で加熱された気体は、試料加熱炉１内に横方向から侵入することになる。その結果、図１に示すように、侵入した加熱気体は試料充填容器１内の試料充填層６を水平に流れるので、高炉融着帯におけるガス流れを再現できるのである。

図２に、試料充填層６の温度が１４００℃の条件において、スクラップ等の混合方法が通気抵抗におよぼす影響について調べて結果について示す。なお、以下の説明で、Ｌｃはコークス層厚（ｍｍ）、Ｄｃはコークスの平均粒径（ｍｍ）、Ｌｓはスクラップ層厚およびＤｓはスクラップ平均粒径を表す。

スクラップ等を装入していない場合、Ｌｃ／Ｄｃが２以下の範囲で急激に通気抵抗が上昇していることが分かる。
また、スクラップ等を装入した場合には、Ｌｃ／Ｄｃの値に関わらず、ＬｓとＤｓとの関係で、Ｌｓ≧２Ｄｓとした場合に、試料充填層６の通気抵抗が大幅に改善していることが分かる。

図３に、鉄鉱石原料が溶融した時の高炉内の模式図を示す。図３（ａ）はコークス層厚が厚い場合、図３（ｂ）はコークス層厚が薄い場合の様子を表している。
コークス層厚が厚い場合は、図３（ａ）に示したように、溶融した鉄鉱石原料が降下して、コークス層へ浸入してもコークス層が閉塞することはない。

一方、コークス層厚が薄い場合は、図３（ｂ）に示したように、溶融鉄鉱石原料層とコークス層の接する界面数が増加する。そして、溶融物はそれぞれの界面からコークス層へ浸入していくため、コークス層は閉塞してしまう。その結果、高炉内の通気抵抗は上昇することになる。
特に、Ｌｃ／Ｄｃの値が２以下の場合を考えると、コークス層はコークス粒子２個分以下の箇所となっている。そして、このような箇所では、コークスが上下より溶融物に包み込まれるため、コークス層がより閉塞されやすくなる。ゆえに、上掲図２に示したように、Ｌｃ／Ｄｃが２以下の場合に、急激に通気抵抗が上昇したものと考えられる。

図４に、スクラップ等をコークス層厚：Ｌｃとコークスの平均粒径：Ｄｃとの比：Ｌｃ／Ｄｃが２以下となる位置に装入した場合の模式図を示す。スクラップ等はスラグ成分をほぼ含まない。そのことから、スクラップ等をＬｃ／Ｄｃが２以下となる位置に装入した場合、上記鉄鉱石原料の溶融物の生成が抑制されて、コークス層への溶融物の浸入が生じない。それゆえ、スクラップ等をＬｃ／Ｄｃが２以下となる位置に装入した場合、コークス層の溶融物による閉塞が生じにくくなって、通気性が大幅に改善したものと考えられる。なお、Ｌｃ／Ｄｃの下限に特に限定はないが、通気性の保持の観点から、１程度とするのが好ましい。

また、本発明で、Ｌｃ／Ｄｃが２以下となる位置は、例えば高炉内に旋回シュートを用いて、炉中心側から装入する中心コークス層と炉壁側から装入する周辺コークス層とを形成する場合には、両層の境界を中心とする近傍領域になる場合が多い。かようなＬｃ／Ｄｃが２以下となる領域において、スクラップ等の層厚が以下の要件を満足していれば良い。

以上のことから、本発明では、融着帯における通気抵抗の上昇を避け安定した操業を行うには、少なくともＬｃ／Ｄｃが２以下の位置に、スクラップ等の層厚：Ｌｓを、スクラップ等の平均粒径Ｄｓに対して２Ｄｓ以上、すなわちＬｓ≧２Ｄｓを満足するように、スクラップ等を装入することが重要になる。また、Ｌｃ／Ｄｃが２以下となる位置に装入するスクラップ等の層厚：Ｌｓの上限に特に限定はないが、操業上の効率の観点から、４Ｄｓ程度とするのが好ましい。

次に、本発明に用いる原料および原料装入手順等について説明する。
本発明は、鉄鉱石原料や、コークス等の原料を、高炉に装入する方法であって、高炉への原料装入は、公知公用の旋回シュートを備えるベルレス式装入装置を用いる。そして、本発明で使用する鉄鉱石原料は、焼結鉱、ペレットおよび鉄鉱石のうちの少なくとも１種を含むものであって、通常の高炉操業に用いるものを使用する。また、コークスも、通常の高炉操業に用いるものを使用することができる。さらに、スクラップ等は、９０％以上に還元した予備還元鉄を用いることができる。
ここで、スクラップおよび還元鉄は鉄含有量が85％以上、かつ粒径が30mm以下であることが好ましい。

上記鉄鉱石原料およびコークス等は、それぞれ炉頂バンカーに貯留されている。そして、これらの炉頂バンカーからの原料装入順序は、以下のとおりである。
まず、コークスを高炉に装入しコークス層を形成する。具体的には、旋回シュートの原料装入先を、高炉の中心部から高炉の炉壁内周部に向かって動かす際に、コークスのみを貯留した炉頂バンカーからコークスのみを装入することによって、コークス層を形成する。
その際、高炉の中心部に、中心コークス層を形成したり、炉壁内周部に、炉壁部（炉口無次元半径：１．０）から中心軸部（炉口無次元半径：０）に向かって、周辺コークス層を、炉口無次元半径：０．６から１．０に形成したりしても良い。

また、旋回シュートの原料装入先が高炉の炉壁部を向いている状態では、鉄鉱石原料が貯留された炉頂バンカーの流量調整ゲートを閉じ、コークスのみを貯留した炉頂バンカーのみの流量調整ゲートを開き、この炉頂バンカーに貯留されているコークスのみを旋回シュートに供給することによって、コークス層を形成したり、高炉の中心部に、中心コークス層を形成したりすることもできる。

ついで、炉頂バンカーから、コークスと鉄鉱石原料とを切り出して高炉に装入するのであるが、その際は、高炉の中心軸に近い、すなわち、炉口無次元半径が０の位置から順次移動して高炉の中心軸から外側に離れ、最後に炉壁部（炉口無次元半径：１．０）側に装入されることが好ましい。
以上、本発明は、炉頂バンカーからの原料装入手順として、その常法を用いることができる。

そして、本発明では、スクラップ等を、前記したように、所定の量を所定の位置に、すなわち本発明に従うように装入する必要がある。そして、その具体的な原料装入手順は、スクラップ等を、コークスの装入後であって、鉄鉱石原料を装入する前、または鉄鉱石原料と共に装入することで実現することができる。

本実施例は、内容積が５０００ｍ³である高炉を用い、旋回シュートを用いて、高炉内にコークスと鉄原料とを交互に装入した。
なお、本実施例に用いた鉄原料は、鉱石原料として鉄分が５９質量％含まれる焼結鉱、スクラップ等は金属鉄の含有量が85％以上のもの、コークスはカーボンを８５質量％含むものであった。
さらに、炉腹部平均コークス層厚やスクラップ等の装入方法を変更し、通気抵抗指数を評価した。
具体的には、比較例１，２は、スクラップ等を装入せずに、炉腹部平均コークス層厚を変更して評価した。
発明例１は、上記スクラップ等をＬｃ／Ｄｃ＝1.50の位置に装入した。
なお、その際のスクラップ等の量は、Ｌｓ／Ｄｓ＝２Ｄｓとした。
発明例２は、上記スクラップ等をＬｃ／Ｄｃ＝1.50の位置に装入した。
なお、その際のスクラップ等の量は、Ｌｓ／Ｄｓ＝３Ｄｓとした。
発明例３は、上記スクラップ等をＬｃ／Ｄｃ＝1.50の位置に装入した。
なお、その際のスクラップ等の量は、Ｌｓ／Ｄｓ＝４Ｄｓとした。
発明例４は、上記スクラップ等をＬｃ／Ｄｃ＝1.50の位置に装入した。
なお、その際のスクラップ等の量は、Ｌｓ／Ｄｓ＝５Ｄｓとした。
発明例５は、上記スクラップ等をＬｃ／Ｄｃ＝2.00の位置に装入した。
なお、その際のスクラップ等の量は、Ｌｓ／Ｄｓ＝２Ｄｓとした。

さらに、上記の高炉原料装入の条件におけるガス利用率と、充填層圧力損失を以下の手順で評価した。評価結果を表１に併記する。
［ガス利用率］
ＣＯ₂／（ＣＯ₂＋ＣＯ）×１００と定義される。かかる式に用いるＣＯ₂およびＣＯ濃度（体積％）は、水平ゾンデと呼ばれる、高炉内の中心部〜周辺部までの稼動式のガス分布を測定する機器を用いて測定した。
［充填層圧力損失］
高炉の全圧損を送風量で除したものであり、充填層圧力損失は以下の式で求めることができる。よって、充填層圧力損失は、単位風量の風が流通するのに要する通気抵抗を表す指標と考えることができる。
充填層圧力損失（ΔＰ／Ｖ）＝全圧損（ｋＰａ）／送風量（Ｎｍ³／ｍｉｎ）

表１より、発明例と比較例を比べると、発明例は通気抵抗の顕著な上昇は見られず、ガス利用率も高位であることがわかる。ゆえに、スクラップ等を、コークス層厚：Ｌｃとコークスの平均粒径：Ｄｃとの比Ｌｃ／Ｄｃが２以下となる位置に装入し、スクラップ等の層厚：Ｌｓを、スクラップ等の平均粒径：Ｄｓとの関係で、Ｌｓ≧２Ｄｓを満足するように装入することで安定した操業が可能となることを確認した。

１ 試料加熱炉
２ 試料充填容器
３ 加熱装置
４ コークス層
５ 試料層
６ 試料充填層
７ 気体加熱炉
８ 加熱装置
９ ガス混合器
１０ ガス流通用の配管
１１ 圧力計
１２ 熱電対
１３ 押え板
１４ 台座
１５ 接続棒
１６ 負荷手段（錘）

Claims (1)

1. スクラップおよび/または還元鉄と、焼結鉱、ペレットおよび鉄鉱石のうちの少なくとも１種を含む鉄鉱石原料と、コークスとを、旋回シュートを用いて、高炉内へ装入する高炉操業において、
   上記スクラップおよび/または還元鉄の高炉への装入を、上記コークスの装入後であって、上記鉄鉱石原料を装入する前、または上記鉄鉱石原料と共に行うこととし、
   上記スクラップおよび/または還元鉄を装入する位置を、コークス層厚：Ｌｃとコークスの平均粒径：Ｄｃとの比：Ｌｃ／Ｄｃが２以下となる位置とし、
   かつ、該位置に装入する上記スクラップおよび/または還元鉄の層厚：Ｌｓが、スクラップおよび/または還元鉄の平均粒径：Ｄｓとの関係で、Ｌｓ≧２Ｄｓを満足する
   高炉への原料装入方法。

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