JP2019019347A - 高炉の操業方法 - Google Patents

Abstract

【課題】微粉炭及び気体還元材を吹き込む高炉の操業において、現在高炉で使用している羽口の大幅な変更を行わずに炉体の過度な温度上昇を抑制して、高炉を安定操業させる操業方法の提供。【解決手段】微粉炭、気体還元材及び粉状還元材を熱風と共に還元材として羽口から高炉内に吹き込む高炉の操業方法であって、空気中における燃焼開始温度が６００［℃］以上である粉状還元材を用いる、高炉操業方法。好ましくは粉状還元材がニードルコークスを含む高炉操業方法。【選択図】図１

Description

本発明は、還元材を熱風と共に羽口から高炉内に吹き込む高炉の操業方法に関する。

高炉操業では、鉄鉱石，焼結鉱，ペレット等からなる鉄源と、コークスと、を交互に高炉の炉内に向かって層状に装入している。高炉操業におけるコスト低減の方法として、コークスの装入量を減らすことが挙げられる。具体的には、石油コークスや微粉炭等の還元材を高炉の羽口から吹き込む方法が提案されている。

例えば、特許文献１には、石油コークスの粒度調整を行う工程を備えた高炉操業方法が開示されている。特許文献２には、羽口先温度を２３５０〜２４００［℃］に設定し、オイルコークスを微粉炭中に混合して酸素富化送風により炉内に吹き込む吹込方法が開示されている。特許文献３には、遅燃性粉体燃料と速燃性粉体燃料とを配合して炉内に吹き込む、粉体燃料の燃焼方法が開示されている。特許文献４には、揮発性成分含有量が多い炭材と少ない炭材とを配合した吹込燃料を使用する高炉操業方法が開示されている。特許文献５には、微粉炭吹込用ランスの種類、本数、及び先端位置を調整可能な微粉炭吹き込み方法が開示されている。

また、微粉炭及び気体還元材を熱風と共に羽口から高炉内に吹き込む高炉の操業方法が知られているが、炉体温度が過度に上昇する、ひいては炉体損耗の危険性が増すという課題がある。上記課題を解決するため、特許文献６には、羽口の炉内側先端部近傍に気体還元材吹込口が設けられた還元材吹込装置が提案されている。

特開２０１５−１６６４８５号公報 特開平０３−５１６０６号公報 特開昭５７−１２０９６号公報 特開２００１−６４７０７号公報 特開平１１−２９８０４号公報 特許第４９１５０７４号明細書

しかしながら、特許文献６の方法では、新しい型の羽口と気体吹き込み装置が必要となり設備コストが増大する。また、高炉操業を一時的に中断して設備変更する必要があるため、操業コストが増大する。

そこで、本発明は、微粉炭及び気体還元材を吹き込む高炉の操業において、現在高炉で使用している羽口の大幅な変更を行わずに炉体の過度な温度上昇を抑制して、高炉を安定操業させることを目的とする。

本発明者は上記課題を鋭意検討し、微粉炭及び気体還元材と共に、燃焼開始温度の高い粉状還元材を羽口から高炉内に吹き込むことで、炉体の過度な温度上昇を簡便に抑制できることを発見した。

具体的には、（１）微粉炭、気体還元材及び粉状還元材を熱風と共に還元材として羽口から高炉内に吹き込む高炉の操業方法であって、空気中における燃焼開始温度が６００［℃］以上である粉状還元材を用いることを特徴とする、高炉の操業方法。

（２）前記粉状還元材がニードルコークスを含むことを特徴とする、上記（１）に記載の高炉の操業方法。

本発明によれば、微粉炭及び気体還元材とともに燃焼開始温度の高い粉状還元材を吹き込むことで、炉体の過度な温度上昇を抑制することができる。これにより、既存の羽口の大幅な変更を行わずに、微粉炭及び気体還元材を吹き込む操業において炉体損耗の危険性を低減することができる。

本実施形態の高炉の概略構成図である。 本実施形態の高炉の羽口付近を拡大した拡大図である。 本実施形態の高炉の操業方法における還元材の燃焼状態と炉体温度を確認するための実験装置の概略図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。図１は、本実施形態の高炉の概略構成図である。図２は高炉の羽口付近を拡大した拡大図である。高炉１では、主原料として焼結鉱やペレットや塊鉱石などの鉄鉱石が用いられ、還元材としてコークス、微粉炭、気体還元材及び粉状還元材が用いられる。鉄鉱石とコークスは高炉１の炉頂部から交互に層状に投入される。これにより、高炉１の炉内には、塊状帯、鉄鉱石が溶解して固体から液体に変わる融着帯、液体になった溶鉄や溶融スラグがコークス層を滴下する滴下帯などが形成される。なお、高炉は、ベル式高炉、或いはベルレス式高炉であってもよい。

本実施形態の操業方法が実施される高炉１は、羽口２と、環状管３と、送風管４と、ランス５と、出銑口６等を備える。

環状管３は高炉１の下部を包囲するように配設されており、送風管４は環状管３の周方向に間欠的に設けられるとともに、それぞれが異なる羽口２に接続されている。各送風管４の内部には、ランス５の先端部が延出している。出銑口６は、炉底にたまった溶銑を排出するために設けられている。上述の構成において、ランス５は、送風管４の内部に微粉炭、気体還元材及び粉状還元材を還元材として供給する。これらの還元材は、環状管３から送風管４に送風された熱風と共に羽口２に向かって進み、高炉１内に吹き込まれる構成となっている。

熱風は例えば、熱風炉で生成することができる。熱風炉には例えば、内部に珪石レンガを格子状に組んだ蓄熱室を含む円筒状の炉を用いることができる。熱風の温度を検出し、この検出結果に基づき、熱風炉における蓄熱量や空気の供給量を制御することにより、熱風の温度が調整される。以上の高炉１の設備の構成は一例であり、本発明は、これらの構成に限定されるものではない。

本発明者は、微粉炭及び気体還元材と共に、燃焼開始温度が高い粉状還元材を羽口から高炉内に吹き込む（以下、「本願操業」ともいう）ことで、炉体の過度な温度上昇を抑制できることを発見した。つまり、微粉炭，気体還元材及び粉状還元材の吹込割合を所望の値に設定することにより、還元材として微粉炭のみを吹き込む従来の操業方法（以下、「基準操業」ともいう）と同様の安定操業が実現されることを知見した。

ここで、ガス温度ピーク位置とは、羽口から炉内に向かって測定した雰囲気温度が極大値を示す位置を指す。炉内ガス温度は例えば、レースウェイに向かって延出する測温用ゾンデを用いて測定することができる。炉体温度は例えば、炉壁に設けられた温度センサを用いて測定することができる。

粉状還元材は、高炉における微粉炭吹き込み操業において一般的に用いる微粉炭と比較して燃焼開始温度が高いものを指し、具体的には、空気中における燃焼開始温度が６００［℃］以上の粉コークスやニードルコークスが含まれる。ニードルコークスは、コークスを製造する過程で発生するコールタール由来のニードルコークス（例えば、特許第１５５７８８９号参照）、或いは石油コークスから製造されるニードルコークスであってもよい。

粉状還元材の空気中における燃焼開始温度の上限値は特に限定しない。したがって、燃焼開始温度が８００［℃］を超える、グラファイトを粉状還元材として用いることもできる。

粉状還元材は、粉コークス、ニードルコークス及びグラファイトのうち、少なくとも二種を含む複合炭材であってよい。

ここで、粉状還元材の「燃焼開始温度」とは、粉状還元材を昇温させた際に、最も大きな連続した重量変化が開始する時の温度を指す。燃焼開始温度は熱分析装置を用いて測定することができる。熱分析装置として例えば、株式会社リガク製のThermo plus EVO2/TG-DTA8120を用いることができる。具体的には、試料の粉状還元材に対して流量２００［ｍｌ／ｍｉｎ］で空気を流通させながら、昇温速度９００［℃／ｍｉｎ］で１０００［℃］まで昇温する昇温試験を行い、この昇温試験において、最も大きな連続した重量変化が開始する時の温度を燃焼開始温度と定義することができる。

「最も大きな連続した重量変化」が観察される温度は、粉状還元材の種類によって異なる。例えば、メタン、エチレン、タール等の揮発成分（以下、「ＶＭ」ともいう）をリッチに含む粉状還元材の場合、１００［℃］付近での水分蒸発後、３５０［℃］付近での揮発成分の揮発の後に最も大きな連続した重量変化が観察される。一方、ＶＭが少ない粉状還元材の場合、２００［℃］以上の温度領域で最も大きな連続した重量変化が観察される。後述する表１の粉コークス、ニードルコークスは、ＶＭが１［％］（質量分率）未満であるため、上述のＶＭの少ない粉状還元材に分類される。なお、重量の検出周期は、好ましくは数［ｓ］であり、より好ましくは１［ｓ］である。また、昇温速度は、９００［℃／ｍｉｎ］に限るものではなく、実際の高炉の昇温速度から乖離が小さい適宜の値に設定することができる。

また、本実施形態の粉状還元材の粒径は、通常の微粉炭吹き込み操業で用いる微粉炭と同程度の粒径であればよく、例えば、75μm以下の粒子の重量が80%以上の粉状還元材を用いることができる。したがって、上述の粒度を満足するように、ニードルコークス等を粉砕しておくことが望ましい。

微粉炭、気体還元材及び粉状還元材を熱風と共に高炉内に吹き込むことによる効果について、高炉の羽口付近を模式的に示した図２を参照しながら詳細に説明する。基準操業の場合、ガス温度ピーク位置は例えば位置Ｂとなる。一方、微粉炭及び気体還元材を高炉内に熱風と共に吹き込む操業の場合、気体還元材は微粉炭に比して燃焼性が良好であるため微粉炭よりも先に、つまり羽口に近い側で燃焼を開始する。このため、雰囲気温度が上昇し微粉炭の燃焼も基準操業の場合よりも羽口に近い側に移動する。よって、ガス温度ピーク位置は位置Ｂよりも炉壁側の位置Ａとなる。その結果、位置Ａにおいてガスの体積膨張が生じるため、ガスは炉壁近傍を上昇する。これにより炉体温度が過度に上昇して、炉体にかかる熱負荷が増大する。

一方、本願操業の場合、燃焼開始温度が高いためより羽口から離れた部位で燃焼が始まっていた粉状還元材に対し、気体還元材の燃焼によって発生する熱量が粉状還元材の昇温に利用されて従来より羽口側で燃焼が開始するとともに、雰囲気温の上昇も抑制されるので、微粉炭の燃焼開始位置が基準操業のときと同様の位置に移動する。よってガス温度ピーク位置を炉径方向における炉内側に移動させることができる。したがって、本願操業において、炉体の過度な温度上昇を抑制し、炉体にかかる熱負荷が低減される。さらに、ガス温度ピーク位置が位置Ｂとなるように、微粉炭、気体還元材及び粉状還元材の吹込割合を適切に設定することで、基準操業時と同様の炉体温度とすることができ、高炉のより安定した操業が実現される。

以上説明したように、本実施形態によれば、微粉炭、気体還元材及び粉状還元材を高炉内に吹き込むことで、炉体の過度な上昇温度を抑制できる。これにより、炉体にかかる熱負荷を低減することができ、高炉を安定操業させることができる。また、新たな型の羽口等を設置する必要がないため、設備コスト・操業コストを抑えることが可能となる。

以下、実施例を示して本発明について具体的に説明する。

（試験方法）
本願操業方法の効果を確認するため、図３に示す高炉炉下部を模擬した試験装置を用いて実験した。微粉炭、気体還元材及び粉状還元材の吹込割合を種々変化させながらガス温度ピーク位置［％］及び炉体温度［％］を評価した。吹込割合は、基準操業に対して出銑量及び溶銑温度を同一とした条件を模擬して設定した。図３の試験炉１０において、１２は羽口であり、１３は羽口１２に熱風を供給するブローパイプであり、１４は試験炉用ランスであり、１５は測温用ゾンデであり、１６は温度センサである。高炉の操業を模擬した条件を設定したので、実験炉の温度センサの挙動は高炉の炉体温度の挙動と相関関係に有る。

試験炉１０は長さ１．２［ｍ］、幅１．２［ｍ］、高さ２．４［ｍ］の竪型直方体とし、炉壁を鉄皮の内側に耐火レンガを張り付けた二層構造とした。温度センサ１６には、熱電対を使用し、この熱電対を羽口１２の中心軸から６００［ｍｍ］上方の炉体レンガと鉄皮との間に配置した。

試験炉１０には、粒径が９〜１３［ｍｍ］のコークスを充填した。粉状還元材の粒径は、基準操業に用いる微粉炭と同程度、すなわち75μm以下の粒子の重量が80%以上にした。微粉炭には、燃焼開始温度が３００［℃］、揮発成分が１８．６［％］のものを使用した。熱風の送風温度は１２００［℃］に設定した。

表１に、本実施例で使用した粉状還元材の種類及び性状を示した。なお、ニードルコークスＡ，Ｂは、石油コークス由来のニードルコークスとした。表２に、試験炉用ランス１４から吹き込まれる還元材の吹込割合を示した。なお、吹込割合は、各比較例及び実施例で吹き込まれる還元材の全量を１００質量％としたときの質量分率で示した。

（試験結果）
試験結果を表３に示した。各ガス温度ピーク位置は、試験炉１０の炉径方向における羽口位置を０［％］、基準操業に対応するガス温度ピーク位置を１００［％］として求めた。また、各炉体温度は、基準操業に対応する炉体温度を１００［％］として求めた。

比較例１及び２では、基準操業と比較して、ガス温度ピーク位置が羽口に近く、炉体温度が大きくなった。これは、気体還元材は微粉炭に比して燃焼開始温度が低いためだと考えられる。

実施例１乃至４より、微粉炭、気体還元材及び粉状還元材の吹込割合を適切に設定することで、基準操業時のガス温度ピーク位置及び炉体温度を達成できることがわかった。これは、粉状還元材を吹き込むことで、気体還元材の燃焼によって発生する熱量が粉状還元材の昇温に利用され、その結果、粉体還元材の燃焼開始位置が従来よりも羽口側に移動すると共に雰囲気温度が基準操業と同程度まで低下するので微粉炭の燃焼開始位置も基準操業の時と同様の位置になり、ガス温度ピーク位置が炉径方向における炉内側に移動したからだと考えられる。

実施例２乃至４より、気体還元材の吹込割合が一定である条件下においては、燃焼開始温度が高い粉状還元材ほど、吹込量の割合が少ないことがわかった。これは、燃焼開始温度が高い粉状還元材ほど、燃焼開始までに必要とする熱量が多いので雰囲気温度を低下させる効果が高いためだと考えられる。以上の結果より、微粉炭、気体還元材及び粉状還元材の吹込割合を適切に設定することで、実験炉において基準操業時の炉体温度を達成できることが証明されたが、実験炉と高炉の炉体温度には相関関係が見られるので、本発明は高炉においても有効であると判断される。

１ 高炉
２ 羽口
３ 環状管
４ 送風管
５ ランス
６ 出銑口
１０ 試験炉
１３ ブローパイプ
１４ 試験炉用ランス
１５ 測温用ゾンデ
１６ 温度センサ

Claims (2)

1. 微粉炭、気体還元材及び粉状還元材を熱風と共に還元材として羽口から高炉内に吹き込む高炉の操業方法であって、
   空気中における燃焼開始温度が６００［℃］以上である粉状還元材を用いることを特徴とする、高炉の操業方法。
2. 前記粉状還元材がニードルコークスを含むことを特徴とする、請求項１に記載の高炉の操業方法。