JP2022150455A

JP2022150455A - 銑鉄製造方法

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Publication number: JP2022150455A
Application number: JP2021053067A
Authority: JP
Inventors: 一也宮川; Kazuya Miyagawa; 将大燒谷; Masahiro Yakitani
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2021-03-26
Filing date: 2021-03-26
Publication date: 2022-10-07
Also published as: WO2022201562A1; CN116829739A; US20240167109A1; EP4289977A4; KR20230136640A; EP4289977A1

Abstract

【課題】本発明は、高炉の安定操業を維持しつつコークスの使用量を低減できる銑鉄製造方法の提供を目的とする。【解決手段】本発明の一態様に係る銑鉄製造方法は、羽口を有する高炉を用いて銑鉄を製造する銑鉄製造方法であって、上記高炉内に鉱石原料を含む第１層とコークスを含む第２層とを交互に積層する工程と、上記羽口から送風する熱風により補助燃料を上記高炉内へ吹込みつつ、積層された上記第１層の上記鉱石原料を還元及び溶解する工程とを備え、還元鉄を圧縮成形した還元鉄成形体を含む骨材が上記第１層に混合されており、上記鉱石原料が鉄鉱石ペレットを主原料とし、上記還元鉄成形体の平均塩基度が０．５以下であり、上記鉱石原料の平均塩基度が０．９以上である。【選択図】図１

Description

本発明は、銑鉄製造方法に関する。

高炉内に鉱石原料を含む第１層とコークスを含む第２層とを交互に積層し、羽口から送風する熱風により補助燃料を高炉内へ吹込みつつ、上記鉱石原料を還元し、溶解することで銑鉄を製造する方法が公知である。このとき、上記コークスは、鉱石原料の溶解のための熱源、鉱石原料の還元材、溶鉄へ浸炭し融点を低下させるための加炭材、及び高炉内の通気性を確保するためのスペーサーの役割を果たしている。このコークスにより通気性を維持することで、装入物の荷下がりを安定させ、高炉の安定操業を図っている。

高炉操業においては、コスト削減の観点からはこのコークスの割合が低いことが望ましい。しかし、コークスの割合を低くすると、上述のコークスの果たす役割も低下する。例えばコークスの割合を低減、すなわち鉱石原料の割合を増加させる方法として、高炉周辺部に小粒径の還元鉄を限定装入する高炉操業方法が提案されている（特開平１１－３１５３０８号公報参照）。上記高炉操業方法では、還元の必要がない還元鉄を炉の周辺部にのみ装入することで、炉の中心部分でのコークスの熱源、還元材、加炭材及びスペーサーとしての役割を維持させつつ、原料の充填率を上げることができるとされている。

特開平１１－３１５３０８号公報

昨今のＣＯ_２排出量削減の要求から、高炉操業においてコークスの使用量のさらなる削減が求められている。上記従来の高炉操業方法において、コークスの有する役割のうち、熱源、還元材及び加炭材については羽口から吹き込む補助燃料により代替可能である。一方、スペーサーの役割はコークスによってのみ担われている。上記従来の高炉操業方法では、還元鉄の装入位置が炉の周辺部のみに限定されている。また、コークスの使用量は、還元鉄の装入により相対的に減少するに留まる。従って、上記従来の高炉操業方法では、コークスの使用量の削減には限界があり、昨今のＣＯ_２削減の要求に十分に応えられるものとは言えない。

本発明は、上述のような事情に基づいてなされたものであり、高炉の安定操業を維持しつつコークスの使用量を低減できる銑鉄製造方法の提供を目的とする。

本発明の一態様に係る銑鉄製造方法は、羽口を有する高炉を用いて銑鉄を製造する銑鉄製造方法であって、上記高炉内に鉱石原料を含む第１層とコークスを含む第２層とを交互に積層する工程と、上記羽口から送風する熱風により補助燃料を上記高炉内へ吹込みつつ、積層された上記第１層の上記鉱石原料を還元及び溶解する工程とを備え、還元鉄を圧縮成形した還元鉄成形体を含む骨材が上記第１層に混合されており、上記鉱石原料が鉄鉱石ペレットを主原料とし、上記還元鉄成形体の平均塩基度が０．５以下であり、上記鉄鉱石ペレットの平均塩基度が０．９以上である。

当該銑鉄製造方法では、鉱石原料を含む第１層が、骨材として還元鉄を圧縮成形した還元鉄成形体を含む。この還元鉄成形体により、溶解する工程で第１層の軟化融着時に熱風が通過し易くなるため、当該銑鉄製造方法では、通気性を確保するためのコークスの量が少なくて済む。また、当該銑鉄製造方法では、平均塩基度が０．５以下の還元鉄成形体を用いるので、比較的安価に還元鉄成形体を入手することができる。さらに、当該銑鉄製造方法では、平均塩基度が０．９以上の鉄鉱石ペレットを主原料として用いることで、塩基度が低い還元鉄成形体が溶解した際の粘性の増大を抑止し、溶け落ちを促進する。これにより主に融着帯の通気性が改善され、さらにコークスの使用量を低減することができる。従って、当該銑鉄製造方法を用いることで高炉の安定操業を維持しつつコークスの使用量を低減することができる。

上記鉱石原料における上記鉄鉱石ペレットの含有量としては、５０質量％以上が好ましい。このように上記鉄鉱石ペレットの含有量を上記下限以上とすることで、さらに通気性を改善することができる。

上記鉄鉱石ペレットが自溶性であるとよい。このように上記鉄鉱石ペレットを自溶性とすることで、還元鉄成形体の溶け落ちが促進され、さらに通気性を改善することができる。

上記還元鉄成形体の原単位に対する上記鉄鉱石ペレットの原単位の比率Ｒが、下記式１を満たすとよい。このように上記還元鉄成形体の原単位に対する上記鉄鉱石ペレットの原単位の比率Ｒが下記式１を満たすことで、還元鉄成形体の溶け落ちによる通気性改善効果を、より確実に発現させることができる。

式１において、（Ｃ／Ｓ）は平均塩基度、（％ＳｉＯ_２）はＳｉＯ_２の含有量（質量％）を表す。また、添え字のＨＢＩは還元鉄成形体、Ｐは鉄鉱石ペレットを指す。なお、（Ｃ／Ｓ）_{ｃｒｉｔｉｃａｌ}は、ＨＢＩの臨界塩基度を表す。

ここで、「主原料」とは、質量換算で最も含有量の大きい原料をいう。「塩基度」とは、ＳｉＯ_２の質量に対するＣａＯの質量の割合を指す。なお、「平均塩基度」とは、対象とする物質が複数の粒状物で構成されている場合にあっては、その複数の粒状物のＳｉＯ_２の総質量に対するＣａＯの総質量の割合を意味する。

「臨界塩基度」とは、図３に示すように、ＨＢＩの平均塩基度をパラメータとして、試料充填層の圧損を連続測定し、その最大値（最大圧損）をプロットした際、最大圧損が低下し始める平均塩基度を指す。なお、上記試料充填層は、例えば図５に示すように、試料を充填する黒鉛坩堝７１の内径がφ７５ｍｍである大型荷重還元実験炉７を用いて、上から上部コークス層７２ａ（高さ２０ｍｍ）、鉱石層７２ｂ（高さ１１０ｍｍ）及び下部コークス層７２ｃ（高さ４０ｍｍ）により構成することができる。

以上説明したように、本発明の銑鉄製造方法を用いることで高炉の安定操業を維持しつつコークスの使用量を低減することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る銑鉄製造方法を示すフロー図である。図２は、図１の銑鉄製造方法で使用する高炉内部を示す模式図である。図３は、還元鉄成形体の平均塩基度と最大圧損との関係を示すグラフである。図４は、図２の融着帯から滴下帯付近の模式的部分拡大図である。図５は、実施例で用いた大型荷重還元実験炉の構成を示す模式的断面図である。図６は、実施例での試料充填層を加熱する温度プロファイルを示すグラフである。図７は、実施例での試料充填層の温度と供給するガス流量との関係を示すグラフである。図８は、実施例の結果を示すグラフである。

以下、本発明の各実施形態に係る銑鉄製造方法について説明する。

図１に示す銑鉄製造方法は、図２に示す高炉１を用いて銑鉄を製造する銑鉄製造方法であり、積層工程Ｓ１と、溶解工程Ｓ２とを備える。

＜高炉＞
高炉１は、図２に示すように、炉下部に設けられた羽口１ａと、出銑口１ｂとを有する。羽口１ａは通常複数設けられる。高炉１は、固気向流型のシャフト炉であり、高温の空気に、必要に応じて高温又は常温の酸素を加えた熱風を羽口１ａから炉内に吹き込んで、後述する鉱石原料１１の還元及び溶融等の一連の反応を行い、出銑口１ｂから銑鉄を取り出すことができる。また、高炉１には、ベル・アーマー方式の原料装入装置２が装備されている。この原料装入装置２については、後述する。

＜積層工程＞
積層工程Ｓ１では、図２に示すように、高炉１内に第１層１０と第２層２０とを交互に積層する。つまり、第１層１０及び第２層２０の層数は、それぞれ２以上である。

（第１層）
第１層１０は、鉱石原料１１を含む。また、第１層１０には、骨材１２が混合されている。第１層１０には、鉱石原料１１及び骨材１２に加えて、石灰石、ドロマイト、珪石等の副原料を一緒に装入してもよい。

鉱石原料１１は、鉄原料となる鉱石類を指す。鉱石原料１１は、溶解工程Ｓ２で羽口１ａより吹き込まれる熱風により昇温還元されて溶銑となる。当該銑鉄製造方法では、鉄鉱石ペレットを主原料とする。「鉄鉱石ペレット」とは、数十μｍの鉄鉱石微粉を原料とし、高炉用に適した性状（例えばサイズ、強度、被還元性など）に、品質を向上させて作り込んだものである。なお、当該銑鉄製造方法において、鉄鉱石ペレットは焼結鉱の微粉を含まないことが好ましい。

上記鉄鉱石ペレットの平均塩基度の下限としては、０．９であり、塩基性である１．０がより好ましく、１．４がさらに好ましい。上記鉄鉱石ペレットの塩基度が上記下限未満であると、還元鉄成形体の溶け落ちを促進し難くなり、通気性が低下するおそれがある。上記鉄鉱石ペレットの平均塩基度の上限は特に限定されないが、上記鉄鉱石ペレットの平均塩基度は、通常２．０以下である。

鉱石原料１１における上記鉄鉱石ペレットの含有量の下限としては、５０質量％が好ましく、９０質量％がより好ましく、１００質量％、すなわち鉱石原料１１が全て鉄鉱石ペレットであることがさらに好ましい。このように上記鉄鉱石ペレットの含有量を上記下限以上とすることで、さらに通気性を改善することができる。

上記鉄鉱石ペレットが、気孔径が４μｍ以上の粗大開気孔の気孔率が２１％以上であるとよい。このように気孔径が４μｍ以上の粗大開気孔の気孔率が２１％以上である鉄鉱石ペレットを鉱石原料に含めることで、鉱石原料の還元率を高めることができるので、コークスの使用量をさらに低減することができる。ここで、「気孔径が４μｍ以上の粗大開気孔の気孔率」とは、気孔径が４μｍ以上の粗大開気孔が鉄鉱石ペレットの見かけの体積に対して占める体積の割合を言い、水銀圧入式ポロシメータ（例えば島津製作株式会社の「オートポアＩＩＩ９４００」）を用いて測定した鉄鉱石ペレットの開気孔率ε_０［％］、鉄鉱石ペレットの単位重量当たりの全細孔容積Ａ［ｃｍ^３／ｇ］、鉄鉱石ペレットの単位重量当たりの気孔径４μｍ以上の全細孔容積Ａ_＋４［ｃｍ^３／ｇ］とするとき、ε_０×Ａ_＋４／Ａ［％］で算出される量である。なお、開気孔とは、鉄鉱石ペレットの外部にまで通じている気孔を言い、閉気孔とは、鉄鉱石ペレットの内部で閉じている気孔を言う。

上記鉄鉱石ペレットがＭｇＯを含有することが好ましい。ＭｇＯは炉床レベルでのスラグの脱硫能を高めるとともに、高温での被還元性を高める作用を有している。このため、鉱石原料１１の溶け落ちの挙動を還元鉄成形体のそれに近づけることで、還元鉄成形体の溶け落ちを促進する作用があると考えられる。鉱石原料１１におけるＭｇＯの含有量の下限としては、１質量％が好ましく、１．５質量％がより好ましい。一方、上記ＭｇＯの含有量の上限としては、４質量％が好ましく、３質量％がより好ましい。上記ＭｇＯの含有量が上記下限未満であると、還元鉄成形体の溶け落ちを促進する作用が十分に得られないおそれがある。逆に、上記ＭｇＯの含有量が上記上限を超えると、上記鉄鉱石ペレットの強度が低下するおそれがある。

鉱石原料１１は、上記鉄鉱石ペレット以外に焼結鉱、塊鉱石、炭材内装塊成鉱、メタル等を含み得る。なお、通気性改善の観点から、鉱石原料１１における焼結鉱の含有量は１０質量％以下が好ましく、０質量％、すなわち鉱石原料１１が焼結鉱を含まないものとすることがより好ましい。

なお、後述する骨材１２に含まれる還元鉄成形体も鉄原料となり得るが、本明細書において還元鉄成形体は鉱石原料１１には含めない。

骨材１２は、後述する融着帯Ｄの通気性を改善し、上記熱風を高炉１の中心部まで通気させるためのものである。骨材１２は、還元鉄を圧縮成形した還元鉄成形体（ＨＢＩ、ＨｏｔＢｒｉｑｕｅｔｔｅＩｒｏｎ）を含む。

ＨＢＩは、還元鉄ＤＲＩ（ＤｉｒｅｃｔＲｅｄｕｃｅｄＩｒｏｎ）を熱間状態で成形したものである。ＤＲＩが、気孔率が高く、海上輸送や屋外保存時に酸化発熱する欠点を有するのに対し、ＨＢＩは気孔率が低く、再酸化し難い。骨材１２は、第１層１０の通気性の確保を果たした後は、メタルとして機能し、溶銑となる。骨材１２は金属化率が高く還元の必要がないので、この溶銑となる際に還元材をあまり必要としない。従って、ＣＯ_２排出量を削減できる。なお、「金属化率」とは、全鉄分に対する金属鉄の割合［質量％］をいう。

上記還元鉄成形体の平均塩基度の上限としては、０．５であり、０．４がより好ましい。還元鉄成形体には、鉄鉱石由来のスラグ成分として、ＳｉＯ_２やＡｌ_２Ｏ_３を含み一般に平均塩基度が低くなる傾向にある。当該銑鉄製造方法では、平均塩基度が上記上限以下の還元鉄成形体を使用するので、ＳｉＯ_２やＡｌ_２Ｏ_３を除去したり、ＣａＯを添加したりして塩基度を高めた高品位の還元鉄成形体を準備する必要がない。従って、低コストで銑鉄を製造することができる。一方、上記還元鉄成形体の平均塩基度の下限としては、特に限定されず、０であってもよい。

上述の式１について詳説する。図３は、ＨＢＩの平均塩基度と、第１層１０及び第２層２０とを交互に積層した充填層の最大圧損との関係を示すグラフである。この最大圧損が小さいほど通気性が高いと判断できる。図３から、ＨＢＩの平均塩基度が一定値を超えると通気性の改善が認められることが分かる。この一定値が臨界塩基度である。この臨界塩基度以上のＣａＯが存在する場合、ＨＢＩ中のＳｉＯ_２がカルシウムシリケート系融液に変化し、ＨＢＩから生成した溶鉄の粘性を低下させて溶け落ちを促進すると考えられる。言い換えると、ＨＢＩの溶け落ち促進効果を得るには、臨界塩基度以上のＣａＯが必要と言える。

図３では、ＣａＯはＨＢＩより供給されているが、ＣａＯは鉄鉱石ペレットから供給することも可能である。そうすると、ＨＢＩと鉄鉱石ペレットとを合わせたＳｉＯ_２量に対し、ＣａＯ量が臨界塩基度を超えていると、ＨＢＩの溶け落ちが促進され、上記充填層の通気性を高められると考えられる。

ＨＢＩと鉄鉱石ペレットとを合わせたＳｉＯ_２量及びＣａＯ量は、還元鉄成形体の原単位をＭ_ＨＢＩ（ｋｇ）、鉄鉱石ペレットの原単位をＭ_Ｐ（ｋｇ）として、下記式２で表される。

ここで、上述のようにＣａＯ量／ＳｉＯ_２量≧（Ｃ／Ｓ）_{ｃｒｉｔｉｃａｌ}が成立するとＨＢＩの溶け落ちが促進されると考えられるから、式２をこの不等式に代入して、Ｒ＝Ｍ_Ｐ／Ｍ_ＨＢＩについて解くと、上記式１が得られる。

上記還元鉄成形体の装入量の下限としては、銑鉄１トン当たり１００ｋｇが好ましく、１５０ｋｇがより好ましい。上記還元鉄成形体の装入量が上記下限未満であると、溶解工程Ｓ２で、融着帯Ｄでの骨材１２の通気性確保機能が十分に働かないおそれがある。一方、上記還元鉄成形体の装入量の上限は、骨材過多となり骨材効果が小さくならない範囲で適宜決定されるが、上記還元鉄成形体の装入量の上限は、例えば銑鉄１トン当たり７００ｋｇとされる。

鉱石原料１１の平均粒径に対する上記還元鉄成形体の平均粒径の比の下限としては、１．３が好ましく、１．４がより好ましい。図４に示すように、第１層１０の鉱石原料１１の一部が溶解して滴下スラグ１３として高炉１の下方へ移動し、鉱石原料１１が軟化収縮した際にも、高融点の上記還元鉄成形体は軟化しない。鉱石原料１１に対して一定以上大きい上記還元鉄成形体を骨材１２として混合させると、上記還元鉄成形体の骨材効果が発現し易く、第１層１０全体が層収縮することを抑止できる。従って、上記平均粒径の比を上記下限以上とすることで、図４の矢印で示すような熱風の流路を確保できるので、溶解工程Ｓ２での通気性を向上させることができる。一方、上記平均粒径の比の上限としては、１０が好ましく、５がより好ましい。上記平均粒径の比が上記上限を超えると、上記還元鉄成形体を第１層１０に均一に混合させ難くなり偏析が増大するおそれがある。なお、「平均粒径」とは、粒子径分布にて累積質量が５０％となる粒径をいう。

上記還元鉄成形体のタンブラー回転試験後の通気抵抗指数の上限としては、０．１が好ましく、０．０８がより好ましい。上記還元鉄成形体は、一般に製造される工場と使用される工場とが異なり輸送される。この間に体積破壊し粒度分布は変化し得るから、上記タンブラー回転試験後においても通気抵抗指数が一定値以下となることが担保される還元鉄成形体を用いることで、現実の高炉操業において後述する塊状帯Ｅでの通気性を向上させることができる。一方、上記通気性抵抗指数の下限は、特に限定されず、定義上の理論限界値である０に近い値であってもよいが、通常０．０３程度となる。なお、上記通気抵抗指数が所定値以下となる性状を有する還元鉄成形体が用いられていればよく、当該銑鉄製造方法においてタンブラー回転試験を要することを意味するものではない。

ここで、還元鉄成形体の「タンブラー回転試験後の通気抵抗指数」は、以下のようにして算出される。まず、鉄鉱石類の回転強度測定法（ＪＩＳ－Ｍ８７１２：２０００）に準じてタンブラー回転試験を行い、還元鉄成形体の篩分けによる粒径分布を取得する。この粒度分布は、篩分けを行った篩目間の代表粒径（中央値）をｄ_ｉ［ｃｍ］、代表粒径ｄ_ｉに属する還元鉄成形体の重量分率をｗ_ｉとして表される。この粒度分布を用いて、調和平均径Ｄ_ｐ［ｃｍ］、粒度構成指数Ｉ_ｓｐを下記式３により算出する。さらに、重力換算係数ｇ_ｃ［９．８０７（ｇ・ｃｍ）／（Ｇ・ｓｅｃ^２）］を用いて、下記式３により通気抵抗指数Ｋを求める。なお、上記タンブラー回転試験でのタンブラーの回転条件は、２４±１ｒｐｍで、６００回転とされる。

また、上記還元鉄成形体が酸化アルミニウムを含む場合、上記還元鉄成形体中の上記酸化アルミニウムの含有量の上限としては、１．５質量％が好ましく、１．３質量％がより好ましい。上記酸化アルミニウムの含有量が上記上限を超えると、スラグ融点の高温化や粘度の増加により炉下部での通気性の確保が困難となるおそれがある。このため、還元鉄成形体中の酸化アルミニウムの含有量を上記上限以下とすることで、コークスの使用量が増大することを抑止できる。なお、上記酸化アルミニウムの含有量は０質量％、すなわち上記還元鉄成形体が酸化アルミニウムを含まないものであってもよいが、上記酸化アルミニウムの含有量の下限としては、０．５質量％が好ましい。上記酸化アルミニウムの含有量が上記下限未満であると、還元鉄成形体が高価なものとなり、銑鉄の製造コストが高くなるおそれがある。

（第２層）
第２層２０はコークス２１を含む。

コークス２１は、鉱石原料１１の溶解のための熱源、鉱石原料１１の還元に必要な還元材であるＣＯガスの生成、溶鉄へ浸炭し融点を低下させるための加炭材、及び高炉１内の通気性を確保するためのスペーサーの役割を果たす。

（積層方法）
第１層１０及び第２層２０を交互に積層する方法は、種々の方法を用いることができる。ここでは、図２に示すようなベル・アーマー方式の原料装入装置２（以下、単に「原料装入装置２」ともいう）を搭載した高炉１を例にとり、その方法について説明する。

原料装入装置２は、炉頂部に備えられている。つまり、第１層１０及び第２層２０は、炉頂より装入される。原料装入装置２は、図２に示すように、ベルカップ２ａと、下ベル２ｂと、アーマー２ｃとを有する。

ベルカップ２ａは、装入する原料を充填する。第１層１０を装入する際は、第１層１０を構成する原料をベルカップ２ａに充填し、第２層２０を装入する際は、第２層２０を構成する原料を充填する。

下ベル２ｂは下方に広がる円錐状であり、ベルカップ２ａ内に配設される。下ベル２ｂは上下に移動可能である（図２で、上方に移動した状態を実線、下方に移動した場合を破線で示している）。下ベル２ｂは、上方に移動した場合、ベルカップ２ａの下部を密閉し、下方に移動した場合ベルカップ２ａの側壁の延長上に隙間が構成されるようになっている。

アーマー２ｃは、下ベル２ｂより下方で、高炉１の炉壁部に設けられている。下ベル２ｂを下方に移動した際、上記隙間から原料が落下するが、アーマー２ｃは、この落下する原料を反発させるための反発板である。また、アーマー２ｃは、高炉１の内部（中心部）に向かって出退可能に構成されている。

この原料装入装置２を用いて、以下のようにして、第１層１０を積層することができる。なお、第２層２０についても同様である。また、第１層１０及び第２層２０の積層は、交互に行われる。

まず、下ベル２ｂを上方に位置させ、第１層１０の原料をベルカップ２ａに装入する。下ベル２ｂが上方に位置する場合、ベルカップ２ａの下部は密閉されるので、ベルカップ２ａ内に上記原料が充填される。なお、その充填量は、各層の積層量とする。

次に、下ベル２ｂを下方へ移動させる。そうすると、ベルカップ２ａとの間に隙間が生じるので、この隙間から上記原料は炉壁方向へ落下し、アーマー２ｃに衝突する。アーマー２ｃに衝突し、反発した上記原料は、炉内に装入される。上記原料には、アーマー２ｃでの反発により炉内方向に移動しつつ落下するので、落下した位置から炉内の中心側に向かって流れ込みながら堆積する。アーマー２ｃは、中心部に向かって出退可能に構成されているから、上記原料の落下位置は、アーマー２ｃを出退させることで調整することができる。この調整により第１層１０を所望の形状に堆積させることができる。

＜溶解工程＞
溶解工程Ｓ２では、羽口１ａから送風する熱風により補助燃料を高炉内へ吹込みつつ、積層された第１層１０の鉱石原料１１を還元及び溶解する。なお、高炉操業は連続操業であり、溶解工程Ｓ２は連続して行われている。一方、積層工程Ｓ１は間欠的に行われており、溶解工程Ｓ２で第１層１０及び第２層２０の還元及び溶解処理の状況に応じて、新たに溶解工程Ｓ２で処理すべき第１層１０及び第２層２０が追加されていく。

図２は、溶解工程Ｓ２での状態を示している。図２に示すように、羽口１ａからの熱風により羽口１ａ付近には、コークス２１が旋回し著しく疎な状態で存在する空洞部分であるレースウェイＡが形成されている。高炉１内では、このレースウェイＡの温度が最も高く２０００℃程度である。レースウェイＡに隣接して、高炉１の内部においてコークスの擬停滞域である炉心Ｂが存在する。また、炉心Ｂから上方に滴下帯Ｃ、融着帯Ｄ及び塊状帯Ｅがこの順で存在する。

高炉１内の温度は頂部からレースウェイＡに向かって上昇する。つまり、塊状帯Ｅ、融着帯Ｄ、滴下帯Ｃの順に温度が高く、例えば塊状帯Ｅで２０℃以上１２００℃以下程度であるのに対し、炉心Ｂは１２００℃以上１６００℃以下程度となる。なお、炉芯Ｂの温度は径方向で異なり、炉芯Ｂの中心部では滴下帯Ｃより温度が低くなる場合もある。また、炉内の中心部に熱風を安定して流通させることで、断面が逆Ｖ字型の融着帯Ｄを形成させ、炉内の通気性と還元性を確保している。

高炉１内では、鉄鉱石原料１１は、まず塊状帯Ｅで昇温還元される。融着帯Ｄでは、塊状帯Ｅで還元された鉱石が軟化収縮する。軟化収縮した鉱石は降下して滴下スラグとなり、滴下帯Ｃへ移動する。溶解工程Ｓ２で、鉱石原料１１の還元は、主に塊状帯Ｅで進行し、鉱石原料１１の溶解は、主に滴下帯Ｃで生じる。なお、滴下帯Ｃや炉心Ｂでは、降下してきた液状の酸化鉄ＦｅＯとコークス２１の炭素とが直接反応する直接還元が進行する。

還元鉄成形体を含む骨材１２は、融着帯Ｄで骨材効果を発揮する。つまり、鉱石が軟化収縮した状態でも、高融点の上記還元鉄成形体は軟化せず、上記熱風を高炉１の中心部まで確実に通気させる通気路が確保される。

上記還元鉄成形体は、高融点であるが、還元ガス中の一酸化炭素ＣＯやコークス中の炭素からの浸炭反応によって、低融点化されて１５００℃程度の融着帯Ｄ下部の温度領域で
溶鉄となる。この時点でも還元鉄成型体に含まれるスラグ成分のＳｉＯ_２は固体状態で存在し、先に溶解した還元鉄成型体からの溶鉄と固液共存状態となり粘性が高い状態にあり、溶け落ちが停滞する。ここで、塩基度が高い還元鉄成型体の場合は、ＣａＯがＳｉＯ_２と反応してカルシウムシリケート融液となって固液共存を解消し、溶け落ちを促進する。塩基度が低い、すなわちＳｉＯ_２を多く含む還元鉄成形体の場合も還元鉄成形体から供給されるＳｉＯ_２と、塩基度が高い、すなわちＣａＯを多く含む鉄鉱石ペレットから供給されるＣａＯとが反応してカルシウムシリケート融液を生成すると、固液共存状態が解消され、上記還元鉄成形体の溶け落ちが促進される。

炉床部には、還元された鉄が溶融した溶銑Ｆが堆積しており、その溶銑Ｆの上部に溶融スラグＧが堆積している。この溶銑Ｆ及び溶融スラグＧは、出銑口１ｂから取り出すことができる。

羽口１ａから吹き込む補助燃料としては、石炭を粒径５０μｍ程度に微粉砕した微粉炭、重油や天然ガス等を挙げることができる。上記補助燃料は、熱源、還元材及び加炭材として機能する。つまり、コークス２１の果たす役割のうち、スペーサー以外の役割を代替する。

＜利点＞
当該銑鉄製造方法では、鉱石原料１１を含む第１層１０が、骨材１２として還元鉄を圧縮成形した還元鉄成形体を含む。この還元鉄成形体により、溶解工程Ｓ１で第１層１０の軟化融着時に熱風が通過し易くなるため、当該銑鉄製造方法では、通気性を確保するためのコークスの量が少なくて済む。また、当該銑鉄製造方法では、平均塩基度が０．５以下の還元鉄成形体を用いるので、比較的安価に還元鉄成形体を入手することができる。さらに、当該銑鉄製造方法では、平均塩基度が０．９以上の鉄鉱石ペレットを主原料として用いることで、平均塩基度が低い還元鉄成形体が溶解した際の粘性の増大を抑止し、溶け落ちを促進する。これにより主に融着帯Ｄの通気性が改善され、さらにコークスの使用量を低減することができる。従って、当該銑鉄製造方法を用いることで高炉１の安定操業を維持しつつコークスの使用量を低減することができる。

［その他の実施形態］
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。

上記実施形態では、積層される全ての第１層の鉱石原料が鉄鉱石ペレットを主原料とし、上記還元鉄成形体の平均塩基度が０．５以下であり、上記鉄鉱石ペレットの平均塩基度が０．９以上であることを前提に説明したが、本発明は、少なくとも１つの第１層の鉱石原料が鉄鉱石ペレットを主原料とし、上記還元鉄成形体の平均塩基度が０．５以下であり、上記鉄鉱石ペレットの平均塩基度が０．９以上である構成を含む。ただし、全第１層のうち、上記構成を有する第１層が９０％以上であることが好ましく、９５％以上であることがより好ましく、１００％、すなわち全層が上記構成を有する第１層であることがさらに好ましい。

上記実施形態では、本発明の銑鉄製造方法が、積層工程と溶解工程とのみを備える場合を説明したが、当該銑鉄製造方法は、他の工程を含んでもよい。

例えば当該銑鉄製造方法は、上記高炉の中心部にコークス及び還元鉄成形体の混合物を装入する工程を備えてもよい。この場合、上記混合物における上記還元鉄成形体のうち、粒径５ｍｍ以上の還元鉄成形体が占める割合が９０質量％以上であり、上記混合物における上記還元鉄成形体の含有量が７５質量％以下であることが好ましい。上記熱風は、高炉の中心部まで到達すると、この中心部を上昇する。このように中心部に粒径の大きい還元鉄成形体を上記上限以下の含有量で含めることで、上記熱風の流れを妨げることなく顕熱を効果的に利用できる。従って、コークスの使用量をさらに低減することができる。ここで、高炉の「中心部」とは、炉口部の半径をＺとするとき、中心からの距離が０．２Ｚ以下の領域を指す。

また、当該銑鉄製造方法は、還元鉄成形体に由来する粉体及び石炭を微粉砕する工程を備えてもよい。この場合、上記補助燃料として上記微粉砕工程で得られる微粉体を含めることが好ましい。還元鉄成形体は、搬送過程等により一部が破砕され粉体となる。このような粉体は高炉内の通気性を低下させるため、第１層として使用することは適当ではない。また、この粉体は比表面積が大きいため、酸化鉄へと再酸化する。この酸化鉄を含む補助燃料を羽口から吹き込むと通気性を改善することができる。従って、還元鉄成形体に由来する粉体を石炭とともに微粉砕し、微粉砕した上記粉体及び上記石炭を含む微粉体を羽口から吹き込む補助燃料として用いることで、還元鉄成形体の有効利用を図ることができるとともに、高炉内の通気性を改善することができる。

上記実施形態の積層工程として、ベル・アーマー方式を用いる場合を説明したが、他の方式を用いることもできる。このような他の方式としてはベルレス方式を挙げることができる。ベルレス方式では、旋回シュートを用いて、その角度を調整しながら積層を行うことができる。

以下、実施例によって本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

鉄鉱石ペレットの塩基度が通気性に与える影響について、高炉周辺部を模擬した大型荷重還元実験を行って、調査した。

図５に、この実験に用いた大型荷重還元実験炉７を示す。試料を充填する黒鉛坩堝７１の内径はφ７５ｍｍとした。試料充填層７２は、上から上部コークス層７２ａ（高さ２０ｍｍ）、鉱石層７２ｂ（高さ１１０ｍｍ）及び下部コークス層７２ｃ（高さ４０ｍｍ）により構成した。鉱石層７２ｂが本発明の第１層１０に相当し、上部コークス層７２ａ及び下部コークス層７２ｃが第２層２０に相当する。

鉱石層７２ｂは、還元鉄成形体（ＨＢＩ）と、鉱石原料との混合物とした。なお、鉱石層７２ｂは全鉄分（Ｔ．Ｆｅ）を一定とした。

用いたＨＢＩの化学性状を表１に示す。ＨＢＩの平均塩基度は０．４６である。また、ＨＢＩの装入量は、銑鉄１トン当たり２５０ｋｇとした。

鉱石原料として、（１）平均塩基度０．０４の鉄鉱石ペレット（ＳｉＯ_２含有量＝５．４４質量％、ＭｇＯ含有量＝０．５４質量％）、（２）平均塩基度１．２０の鉄鉱石ペレット（ＳｉＯ_２含有量＝４．２３質量％、ＭｇＯ含有量＝２．１１質量％）、（３）平均塩基度２．１０の自溶性焼結鉱（ＳｉＯ_２含有量＝５．４０質量％、ＭｇＯ含有量＝１．００質量％の３種類を用意した。

上述の（１）～（３）の鉱石原料を用いた試料充填層７２それぞれに対して、電気炉７３を用いて図６に示す温度プロファイルで加熱しつつ、図７に示す組成のガス（還元ガス）を供給した。上記ガスは、大型荷重還元実験炉７の下部に設けられているガス供給管７４から供給し、上部に設けられているガス排出管７５から排出した。上記ガスの総供給量は４０ＮＬ／ｍｉｎであり、温度管理は２つの熱電対７６により行った。また、試料充填層７２に加える荷重は１ｋｇｆ／ｃｍ^２とした。この荷重は、荷重棒７７を介して錘７８の重さを加えることで付加した。

上述の条件で試料充填層７２の圧損を連続測定し、圧損の時間積分値（Ｓ値）を算出した。Ｓ値は、鉱石層７２ｂの軟化溶融挙動の評価指標として用いることができ、小さいほど通気性が高いと考えられる。結果を図８に示す。

図８の結果から、Ｓ値は、平均塩基度１．２０の鉄鉱石ペレット＜平均塩基度０．０４の鉄鉱石ペレット＜平均塩基度２．１０の自溶性焼結鉱の順であり、平均塩基度が０．９以上の鉄鉱石ペレットを鉱石原料として用いることで、通気性が改善することが分かる。

上述した式２に基づいて計算されるＣａＯ量、ＳｉＯ_２量から決まる平均塩基度（＝ＣａＯ量／ＳｉＯ_２量）は、（１）平均塩基度０．０４の鉄鉱石ペレットを用いた場合で０．１０、（２）平均塩基度１．２０の鉄鉱石ペレットを用いた場合で１．１３であった。用いたＨＢＩの臨界塩基度は、０．８８であり、上記式２に基づいて計算されるＣａＯ量、ＳｉＯ_２量から決まる塩基度をＨＢＩの臨界塩基度とすること、すなわち上述の式１を満たすことで、通気性が改善すると言える。

本発明の銑鉄製造方法を用いることで高炉の安定操業を維持しつつコークスの使用量を低減することができる。

１高炉
１ａ羽口
１ｂ出銑口
２原料装入装置
２ａベルカップ
２ｂ下ベル
２ｃアーマー
１０第１層
１１鉱石原料
１２骨材
１３滴下スラグ
２０第２層
２１コークス
７大型荷重還元実験炉
７１黒鉛坩堝
７２試料充填層
７２ａ上部コークス層
７２ｂ鉱石層
７２ｃ下部コークス層
７３電気炉
７４ガス供給管
７５ガス排出管
７６熱電対
７７荷重棒
７８錘
Ａレースウェイ
Ｂ炉心
Ｃ滴下帯
Ｄ融着帯
Ｅ塊状帯
Ｆ溶銑
Ｇ溶融スラグ

Claims

羽口を有する高炉を用いて銑鉄を製造する銑鉄製造方法であって、
上記高炉内に鉱石原料を含む第１層とコークスを含む第２層とを交互に積層する工程と、
上記羽口から送風する熱風により補助燃料を上記高炉内へ吹込みつつ、積層された上記第１層の上記鉱石原料を還元及び溶解する工程と
を備え、
還元鉄を圧縮成形した還元鉄成形体を含む骨材が上記第１層に混合されており、
上記鉱石原料が鉄鉱石ペレットを主原料とし、
上記還元鉄成形体の平均塩基度が０．５以下であり、
上記鉄鉱石ペレットの平均塩基度が０．９以上である銑鉄製造方法。
上記鉱石原料における上記鉄鉱石ペレットの含有量が５０質量％以上である請求項１に記載の銑鉄製造方法。
上記鉄鉱石ペレットが自溶性である請求項１又は請求項２に記載の銑鉄製造方法。
上記還元鉄成形体の原単位に対する上記鉄鉱石ペレットの原単位の比率Ｒが、下記式１を満たす請求項１、請求項２又は請求項３に記載の銑鉄製造方法。

式１において、（Ｃ／Ｓ）は平均塩基度、（％ＳｉＯ_２）はＳｉＯ_２の含有量（質量％）を表す。また、添え字のＨＢＩは還元鉄成形体、Ｐは鉄鉱石ペレットを指す。なお、（Ｃ／Ｓ）_{ｃｒｉｔｉｃａｌ}は、ＨＢＩの臨界塩基度を表す。