JP4572734B2 - 高炉操業方法 - Google Patents

Description

本発明は、微粉炭吹込量が銑鉄１ｔ（トン）あたり１６０ｋｇ以上の高炉操業において、微粉炭の性状および装入原料の性状を適正化することにより、高炉内のコークスの劣化を抑制し、良好な炉内通気性および高い反応効率を確保できる高炉操業方法に関する。

高炉操業においては、 一般に、炉頂部から還元材としてのコークス、および鉄源としての焼結鉱、ペレット、塊鉱石など（以下、これらの鉄源を「鉱石」とも記す）が交互に炉内に装入され、炉下部の羽口からは、熱風が送風されると同時に補助還元材として微粉炭などが吹き込まれる。コークスおよび鉱石（以下、総称して「装入物」とも記す）は、層状を維持したまま昇温されながら高炉下部に降下する。鉱石は軟化溶融して粒子同士が融着し、鉱石融着層（以下、単に「融着層」とも記す）を形成し、コークス層とともに炉下部融着帯を形成する。焼結鉱は、通常、鉱石中の約７０質量％以上を占めるため、その性状が高炉操業に及ぼす影響は大きい。

吹き込まれた微粉炭は炉内で還元材として作用し、コークスの使用量を削減する効果を有する。その吹込量は、通常は銑鉄１ｔ（トン）あたりの使用量（ｋｇ）で示され、本発明では（ｋｇ／ｐｔ）と表示する。

高炉を安定に、しかも効率よく操業するには、炉内を上昇するガスと炉内を降下する装入物との熱交換および反応を効率よく進める必要があり、そのためには、炉内通気性および通液性を良好に保つことが重要である。特に、微粉炭を多量に吹込む場合には、装入物中の鉱石質量とコークス質量との比（以下、「Ｏ／Ｃ」とも記す）が上昇するため、炉上部の塊状帯領域および炉下部の鉱石融着帯領域における通気抵抗が増加する。また、炉下部においては、コークスの滞留時間が長くなることに起因して粉の発生量が増加し、発生粉が炉下部、特に炉芯部に蓄積して不活性領域を形成し、炉内通気性の悪化を助長する。

さらに、微粉炭吹込みにより炉内上昇ガス量に対して装入物の降下量が減少するので、熱交換効率ひいては反応効率が低下し、一般には、還元材のコークスを微粉炭により置換する際の置換率は１．０以下となり、還元材比が上昇する傾向がある。

上述した通気性の悪化および反応効率の悪化に対処するための方策のうち、通気性悪化に対しては、石炭配合の変更によりコークス強度を上昇させて、コークスからの粉の発生を抑制する方法がある。しかし、そのために必要な強粘結炭を確保するには、コスト上昇を伴うことから、この方法には自ずと限界がある。また、微粉炭の反応効率の悪化を改善するために、微粉炭の燃焼効率を上昇させるためのバーナーの開発などが行われてきた。しかしながら、微粉炭吹込量の増大が急務とされていること、さらには、使用される微粉炭に難燃焼性炭種が含まれる場合も多いことなどから、微粉炭燃焼率の向上にも限界がある。

上記のような課題に対して、以下に述べる技術が開示されている。微粉炭多量吹込み操業時に、装入する焼結鉱の性状を調整することにより、高炉通気抵抗を低減させる方法として、例えば特許文献１には、微粉炭吹込量１５０ｋｇ／ｐｔ以上の高炉操業において、焼結鉱中の成分であるＳｉＯ₂を３．９〜４．９ｍａｓｓ％、ＭｇＯを０．５〜１．２ｍａｓｓ％未満、Ａｌ₂Ｏ₃を１．８〜２．５ｍａｓｓ％含有し、ＣａＯ／ＳｉＯ₂を１．９〜２．５とした高Ａｌ₂Ｏ₃焼結鉱を５０〜８０ｍａｓｓ％含む原料を高炉炉頂部から装入する微粉炭多量吹き込み時の高炉操業方法が開示されている。

この方法は、焼結鉱に含有されるスラグ量を低下させることにより、高温荷重軟化時の通気抵抗を低下させ、微粉炭多量吹込み操業時に肥大する炉内融着帯における良好な通気性を維持できる焼結鉱性状の確保を狙ったものである。なお、焼結鉱のＡｌ₂Ｏ₃成分は低いことが好ましいが、原料事情の逼迫を考慮すれば、今後の高炉操業において、低Ａｌ₂Ｏ₃焼結鉱を継続使用することは困難であり、安価な高Ａｌ₂Ｏ₃焼結鉱の使用技術の確立が重要であるとの背景を踏まえたものである。

また、特許文献２には、不活性状態となった炉芯コークスの温度を高めるために、揮発分が１９％未満の微粉炭を使用し、高炉レースウェイ内における微粉炭の燃焼焦点位置を炉中心側へ移行させる高炉操業方法が開示されている。ここで開示された方法は、炉芯部に微粉などが蓄積し、ガス流の不足により炉芯部の温度が低下した場合に、レースウェイの燃焼焦点を炉内側、すなわち炉芯に近づけることによって炉芯を昇温し、通気性を改善するものである。

さらに、特許文献３には、高炉内における還元効率を向上させるため、焼結鉱の被還元性指数に応じて、高反応性コークスの使用量、ＪＩＳ反応性、粒径のうちの一つまたは二つ以上を調整するとともに、多孔質塊鉱石および非焼成塊成鉱のうちの１種または２種の使用量を調整することにより、所定の反応効率となるように熱保存帯を７５０〜１０００℃の範囲内で制御する方法が開示されている。この方法は、焼結鉱の被還元性とコークスの反応性を組み合わせて、高炉内での反応効率を高める効果を狙ったものである。

特開平１１−４３７１０号公報（特許請求の範囲、段落［００１０］および［００１１］） 特開２００１−１８１７１５号公報（特許請求の範囲、段落［００１０］〜［００１２］） 特開平６−１４５７２９号公報（特許第３０６８９６７号公報）（特許請求の範囲、段落［０００９］および［００１０］）

前記のとおり、従来技術には下記の問題が残されている。すなわち、特許文献１にされた方法では、焼結鉱中のＭｇＯ成分が１．２質量％未満であることから、焼結鉱の荷重軟化開始温度を低下させ、また軟化融着後の還元の進行を抑制する作用が働く。したがって、微粉炭多量吹込み操業における鉱石融着帯領域における通気性悪化防止対策としては、不充分と言わざるを得ない。

また、特許文献２に開示された炉芯コークスの温度上昇方法は、揮発分が１９質量％未満の低揮発分の微粉炭を用いることにより、その燃焼速度を低下させ、レースウェイの炉中心側を高温にする方法であるが、レースウェイで発生した未燃微粉炭（以下、「未燃チャー」とも記す）がレースウェイ外に放出されやすくなる。この未燃チャーが炉内で反応に有効に消費されずに炉上部より排出される場合には、還元材比の増加とともにダスト発生量も増加する。炉内に局所的な不活性領域が存在しガス流れに偏流がある場合には、そのダストが炉内に蓄積し、不活性状態を助長する恐れがある。したがって、発生した未燃チャーを炉内反応で有効に消費する方策を講ずることが必須となる。

一方、特許文献３に開示された方法では、反応効率を向上させるために、高反応性コークスを細粒化し、鉱石層中に混合することにより、コークスのガス化反応と同時に鉱石の還元反応の向上効果を狙っている。しかしながら、高反応性コークスは粒径が小さく、装入物原料の炉内降下にともなう反応に起因する劣化によりさらに細粒化し、充填層の目詰まりを生じやすい。さらに、上記の細粒化したコークスが鉱石の溶融領域までに反応により消滅せずに残留した場合には、炉下部充填層の通気および通液性に深刻な悪影響を与えることになる。

したがって、上記の方法は、いずれも、微粉炭多量吹込み操業時の通気性悪化防止対策および反応効率向上対策としては不充分である。

本発明は、上述した従来方法の問題点を解決すべくなされたものであって、その課題は、近年の微粉炭多量吹込み操業下において、高い生産性の要求および原料需給変動による高炉使用原材料の品質変動に柔軟に対応し、良好な炉内通気性および高い炉内反応効率を確保できる高炉操業方法を提供することにある。

本発明は、レースウェイ内で発生する未燃チャー量を維持した状態で焼結鉱のスラグ組成を適正化することにより、炉内融着帯の上端温度を上昇させて融着帯通気抵抗の低減を図るとともに、未燃チャーの炉内での反応を促進させ、炉内コークスの反応による劣化量を低下させて滴下帯における通気抵抗を低減させる高炉の操業方法である。さらに、焼結鉱およびコークスの反応性の向上により、上記の通気性向上効果と反応効率向上効果との両立を図ることを可能とし、かつコスト低減にも寄与できる高炉操業方法である。

本発明者らは、前記の課題を解決するために、後述する試験高炉による操業試験および昇温荷重還元軟化試験を行ってその結果を解析し、下記の（ａ）〜（ｆ）に示す知見を得て、本発明を完成させた。

（ａ）レースウェイで発生した未燃チャーが上昇ガス流とともに融着帯のコークススリットを通過する際に、融着帯下端部の未還元溶融ＦｅＯまたは炭素不飽和のメタルにトラップされると、隣接するコークスに代わって、これらが溶融還元または浸炭に寄与する。したがって、融着帯下端部付近におけるコークスの反応による劣化は抑制される（以下、「未燃チャーによるコークス劣化抑制効果１」とも記す）。

（ｂ）上記（ａ）において、未還元溶融ＦｅＯにトラップされた未燃チャーによりＦｅＯスラグの還元が促進されるので、スラグとメタルの分離も促進されること、および、コークスの反応劣化が抑制されるので、融着帯下面との境界付近の粒子の空隙率が増加することにより、通気および通液抵抗が著しく減少し、したがって高温通気抵抗が低下する（以下、「未燃チャーによる高温通気性改善効果」とも記す）。

（ｃ）融着帯下端部でトラップされずに、コークススリット内に進入した残りの未燃チャーは、融着帯上端まで通過する間にガス偏流領域での流速低下に起因して、その一部が鉱石融着部分に付着する。さらに、付着を逃れた残りの未燃チャーが融着帯上端を通過し、ＣＯ₂の存在によりコークスガス化反応が活発な領域に進入すると、未燃チャーは粒径の大きなコークスに比較してＣＯ₂との反応速度が速いことから、付近のコークスに代わってガス化反応を担う。したがって、ＣＯ₂ガスによるコークスの反応劣化が抑制される（以下、「未燃チャーによるコークス劣化抑制効果２」とも記す）。

（ｄ）炉下部の通気および通液性を維持するには、特に、コークス粒子内まで劣化を進行させるガス化反応によるコークス劣化を抑制する上記（ｃ）の「コークス劣化抑制効果２」を発揮させることが重要である。そのためには、融着帯のコークススリットを通過する未燃チャーが鉱石融着部にトラップされる量を減少させることが肝要である。

（ｅ）上記（ｄ）の効果を実現させるためには、揮発分含有率が２５質量％以下の微粉炭のみを吹き込むことにより未燃チャーの発生量を確保した上で、焼結鉱中のスラグ成分組成から求められる｛ＣａＯ（質量％）＋ＳｉＯ₂（質量％）−ＭｇＯ（質量％）｝の値（以下、単に「（ＣａＯ＋ＳｉＯ₂−ＭｇＯ）の値」とも記す）が１１質量％以下の焼結鉱を装入することにより融着帯上端温度を上昇させ、未燃チャーが融着帯を通過する際の鉱石融着部へのトラップ量を抑制して充分な量の未燃チャーをＣＯ₂濃度の高いコークスガス化領域に送り込むことが有効である。

（ｆ）炉下部通気性の向上と炉内反応効率の向上を両立させるためには、さらに、焼結鉱被還元性指数が７０％以上の焼結鉱を装入するか、またはコークス反応性指数が３５％以上かつ気孔率が４４％以下のコークスを装入することが好ましい。

本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、その要旨は、下記の（１）〜（３）に示す高炉操業方法にある。

（１）高炉羽口から１６０ｋｇ／ｐｔ以上の吹込量で微粉炭を吹き込む高炉操業方法において、配合されるいずれの炭種の揮発分含有率も２５質量％以下である微粉炭を吹き込むとともに、Ａｌ₂Ｏ₃含有率が１．７５質量％以上で、かつＣａＯ含有率とＳｉＯ₂含有率との和からＭｇＯ含有率を差し引いた値が１１質量％以下の焼結鉱を炉頂部から装入することを特徴とする高炉操業方法（以下、「第１発明」とも記す）。ここで、ｐｔは銑鉄１ｔ（トン）を意味する。

（２）焼結鉱被還元性指数が７０％以上の焼結鉱を装入することを特徴とする前記（１）に記載の高炉操業方法（以下、「第２発明」とも記す）。

（３）コークス反応性指数が３５％以上で、かつ気孔率が４４％以下のコークスを装入することを特徴とする前記（１）または（２）に記載の高炉操業方法（以下、「第３発明」とも記す）。

本発明において、「揮発分含有率が２５質量％以下の微粉炭を吹き込む」とは、配合されるいずれの炭種の揮発分含有率も２５質量％以下である微粉炭を吹き込むことを意味する。

「揮発分含有率」（以下、「ＶＭ」とも記す）とは、石炭類の工業分析（ＪＩＳ Ｍ ８８１２）により規定された方法で測定される揮発分を意味する。

また、「焼結鉱被還元性指数」（以下、「焼結鉱ＲＩ」とも記す）とは、鉄鉱石の還元試験方法（ＪＩＳ Ｍ ８７１３）により規定された方法により測定される焼結鉱の還元率を表す。

さらに、「コークス反応性指数」（以下、「ＣＲＩ」とも記す）とは、２０±１ｍｍに整粒されたコークス２００ｇを、１１００℃において毎分５リットルの流量で流す組成１００％のＣＯ₂ガスと２時間反応させたときの質量減少率（質量％）を示す。

そして、「気孔率」とは、コークス類の試験方法（ＪＩＳ Ｋ ２１５１）により規定された方法により測定される気孔率を意味する。

なお、以下の説明においては、「質量％」を単に「％」とも表記する。

本発明の方法によれば、揮発分含有率の低い微粉炭を吹込むことにより、レースウェイ内で発生する未燃チャー量を維持しながら、焼結鉱のスラグ組成を適正化することにより、高炉内融着帯の通気性を向上させるとともに、未燃チャーの炉内での反応を促進させ、炉内コークスの反応による劣化を抑制して炉内滴下帯での通気および通液性を改善することができる。さらに、被還元性の高い焼結鉱、または反応性が高く気孔率の低いコークスを使用することにより、上記の通気性向上効果と反応効率向上効果とを両立させ、かつコスト低減をも達成できる。

本発明は、前記のとおり、高炉羽口から１６０ｋｇ／ｐｔ以上の吹込量で微粉炭を吹き込む高炉操業方法において、配合されるいずれの炭種の揮発分含有率も２５質量％以下である微粉炭のみを吹き込むとともに、Ａｌ₂Ｏ₃含有率が１．７５質量％以上で、かつＣａＯ含有率とＳｉＯ₂含有率との和からＭｇＯ含有率を差し引いた値が１１質量％以下の焼結鉱を炉頂部から装入する高炉操業方法である。また、焼結鉱被還元性指数が７０％以上の焼結鉱を装入するか、または、コークス反応性指数が３５％以上で、かつ気孔率が４４％以下のコークスを装入することが好ましい。本発明の高炉操業方法について、以下にさらに詳細に説明する。

高炉炉頂部から装入された装入物は、炉内を徐々に降下しながら昇温され、熱保存帯および化学保存帯（１０００℃付近）において、コークスはガス化反応を開始する。この領域では炉内上昇ガスの組成がＦｅＯ−Ｆｅ共存相との平衡ガス組成に近づき、殆ど変化しないが、１１００℃付近から鉱石の軟化収縮が開始するとともに、コークスのガス化反応と鉱石のガス還元が急速に活発化する。

さらに、融着帯上面に相当する１２００℃付近に達して、鉱石粒子間の融着が開始すると、粒子間の空隙が減少し、鉱石粒子表面には還元反応が終了したメタリックシェルが生成するため、ガス還元およびコークスガス化反応は、停滞し始める。鉱石の軟化収縮がさらに進行し、融着帯の中間部（１３００℃付近）に達すると、鉱石粒子内から未還元のＦｅＯが浸み出し、溶融還元段階に移行すると考えられる。この段階では、鉱石のガス還元は終了し、ＣＯ₂ガス濃度は、ほぼ０％に近くなる。融着帯下端部（１４００℃付近）では、鉱石の還元は最終段階に入り、一部ではスラグとメタルの分離が開始するが、この段階の溶融スラグには、未還元の残留ＦｅＯが含まれている。

一方、レースウェイで発生した未燃チャーは、上昇ガスに随伴して滴下帯を通過後、融着帯に形成されているコークススリットを通過する際に、融着状態の鉱石層に一部がトラップされ、残りの未燃チャーは、融着帯上端から熱保存帯および化学保存帯下部にかけてのコークスガス化領域に進入する。以下に、本発明の作用および効果について説明する。

（１）装入物および微粉炭の炉内挙動に基づく作用および効果
装入物および微粉炭の炉内挙動に基づく主な作用および効果は、前記の（ａ）〜（ｃ）である。すなわち、
（ａ）未燃チャーによるコークス劣化抑制効果１： 未燃チャーが融着帯下端部の未還元溶融ＦｅＯまたは炭素不飽和のメタルにトラップされ、溶融還元または浸炭に寄与することにより、融着帯下端部付近のコークスの反応量を低減させるので、コークスの反応による劣化が抑制される。

（ｂ）未燃チャーによる高温通気性改善効果： トラップされた未燃チャーによるＦｅＯの還元促進に基づくスラグとメタルの分離促進、および、コークスの反応劣化抑制により、通気および通液抵抗が著しく減少し、炉内の高温通気性が改善される。

（ｃ）未燃チャーによるコークス劣化抑制効果２： 融着帯でのトラップを逃れた残りの未燃チャーは、その上部に存在するコークスガス化反応の活発な領域に進入し、コークスに代わってガス化反応を担うことから、ＣＯ₂ガスによるコークスの反応劣化が抑制される。

上記のとおり、未燃チャーによるコークスの反応劣化抑制効果は、（ａ）および（ｃ）の二つの機構に基づく効果が存在する。特に、炉下部の通気および通液性を維持するためには、コークス粒子内部まで劣化を進行させるガス化反応よる劣化を抑制する上述の（ｃ）の効果を発揮させることが重要であり、融着帯上部におけるコークスガス化反応を最大限抑制することが肝要である。

本発明者らは、（ｃ）の未燃チャーによるコークス劣化抑制効果２を最大限に発揮させるために最も重要なポイントは、融着帯のコークススリットを通過する未燃チャーの鉱石融着部へのトラップ量の低減にあることを見出した。鉱石融着部への未燃チャーのトラップ量を低減するためには、微粉炭の性状を調整することにより未燃チャーの発生量を確保した上で、焼結鉱性状を調整して融着帯上端温度を上昇させ、未燃チャーが融着帯を通過する際のトラップ量を抑制して充分な量の未燃チャーをＣＯ₂濃度の高いコークスガス化領域に送り込むことが有効である。この方法によれば、コークスの反応劣化量を抑制して高炉通気性を大幅に改善できる上、必ずしもレースウェイ内での微粉炭の燃焼率を向上させなくとも、高炉内全体での微粉炭の反応効率を高めることができる。

ここで、微粉炭性状の調整とは、揮発分含有率の高い微粉炭を排除することである。揮発分は、炭素分に比較して発熱量が低いため、微粉炭の揮発分含有率が高い場合は、未燃チャーの発生が抑制されるだけでなく、微粉炭単位吹込量あたりの発熱量は低下する。

また、焼結鉱性状の調整とは、焼結鉱中のスラグ成分組成から求められる（ＣａＯ＋ＳｉＯ₂−ＭｇＯ）の値を低下させることである。焼結鉱中のスラグ成分の主成分であるＣａＯとＳｉＯ₂は、スラグ融液量を低減させる観点から低くする必要がある。一方、焼結鉱中のＭｇＯは、溶融開始温度を上昇させる効果および融着後の高温において還元を促進させる効果を兼ね備えているため、焼結鉱製造時の強度維持が可能な限り、その含有率は高くするのがよい。

また、焼結鉱の被還元性を向上させることにより、ＣＯガスによるガス還元を促進させることができ、焼結鉱の融着時における高温通気抵抗をも低下させることができる。加えて、融着帯中間部における最終到達ガス還元率を向上させることができるので、未還元溶融ＦｅＯの生成を抑制することができる。

さらに、コークス反応性を上昇させると、コークスのガス化反応開始温度が低下して還元平衡点が低温側に移行する。ＣＯガスによる鉱石の還元反応における平衡ＣＯ濃度は、低温ほど低下することから、コークス反応性が高い場合には、コークス反応性が低い場合に比較して、コークスのガス化領域におけるＣＯ濃度と鉱石の還元平衡ＣＯ濃度との差、すなわち還元反応の駆動力が大きくなる効果を有する。したがって、上記の還元駆動力、つまり還元能力が増大することにより、ＣＯガスによる間接還元量が増加する結果、炉内での全コークス反応量が減少し、コークスの反応による劣化が抑制される。このように、コークス反応性を上昇させると、前記（ａ）および（ｃ）の効果が最大限に発揮されるので、好ましい。ただし、コークスの反応後強度を維持するため、装入時のコークスの気孔率は所定値以下であることが好ましい。

（２）作用および効果の定量的評価
（２）−１ 微粉炭吹込量、微粉炭性状および焼結鉱スラグ組成の効果に関する評価
本発明者らは、試験高炉による操業試験を行って、上述した効果を定量的に評価した。
操業試験に用いた試験高炉は、炉床径が０．９ｍ、装入物表面（ストックレベル）までの高さが羽口上６ｍであり、３本の羽口と１本の出銑孔を有する。炉高方向の１７箇所に設置された計測端において静圧計による圧力測定を行い、また、同計測端から分析用のガス採取を行うことができる。さらに、操業中に炉内容物を採取できるサンプラーを有している。

操業試験は、所定の性状に調整して製造された焼結鉱およびコークスを炉頂から装入し、所定の性状の微粉炭を羽口から炉内に吹き込むことにより実施した。

各計測端情報から、主に以下の２項目、すなわち、融着帯通気抵抗指数および炉内反応後のコークス強度指数を求めた。融着帯通気抵抗指数は、設置された静圧計により測定された炉高方向の圧力分布から、融着帯領域の通気抵抗を評価する指標として下記（１）式により求められる値であり、その値が小さいほど通気性は良好であることを示す。

ＫＲＣ＝（ΔＰ／ΔＬ）／（ｋμ^βρ^1-βｕ^2-β） ・・・・（１）
ここで、ＫＲＣは融着帯通気抵抗指数（１／ｍ）、ΔＰは圧力損失（Ｐａ）、ΔＬは炉高方向の距離（ｍ）、ｋおよびβは装入物の粒子径、ガス流れの形態などにより定まる定数、μはガスの粘度（Ｐａ・ｓ）、ρはガスの密度（ｋｇ／ｍ³）、そしてｕは炉内のガス空塔流速（ｍ／ｓ）をそれぞれ表す。

反応後コークス強度は、炉内から採取した炉内反応後のコークス強度を評価する指標である。前記のサンプラーによって炉下部（羽口上０．３ｍの位置）から採取したコークスをＩ型ドラムに装入し、Ｉ型ドラムの中心軸に垂直な軸の周りに１５０回転させた後の試料を篩い分け、粒径１５ｍｍ以上の部分の質量が全質量に占める比率（質量％）により表示した。

１）基礎試験１
基礎試験により、微粉炭吹込量が、融着帯通気抵抗指数と反応後コークス強度指数に及ぼす影響について調査した。図１は、試験高炉を用いて調査した融着帯通気抵抗指数および炉内反応後のコークス強度指数に及ぼす微粉炭吹込量の影響を示す図である。

同図の結果に示されるとおり、微粉炭吹込量を増加するほど、装入コークス量に対する装入鉱石量の比が増加することから融着帯通気抵抗指数は上昇するが、微粉炭吹込量が１６０ｋｇ／ｐｔ以上になると、その上昇勾配は低下した。また、微粉炭吹込量が１６０ｋｇ／ｐｔ以上の試験において融着帯下端部付近から採取した炉内サンプル中に未燃チャーの存在を確認した。上述の結果から、微粉炭多量吹き込み時における未燃チャーの融着帯下端部への付着による高温通気抵抗の低下効果を確認できた。

また、微粉炭吹込量を増加するにつれて反応後のコークス強度指数も上昇した。同図で示される微粉炭吹込量１６０ｋｇ／ｐｔ以上の範囲における反応後コークス強度指数の上昇勾配の増加も、この未燃チャーによるコークス劣化抑制効果によるものである。以上より、微粉炭比が１６０ｋｇ／ｐｔ以上において未燃チャーによる通気性改善効果が現れることが判明した。

２）基礎試験２
融着帯の通気性および反応後コークス強度に及ぼす微粉炭の揮発分含有率および焼結鉱のスラグ成分組成の影響を調査した。微粉吹込量を１６０ｋｇ／ｐｔで一定とし、羽口から吹き込む微粉炭の揮発分含有率を４水準に変更して試験を行った。表１に、配合使用した各炭種の揮発分含有率、および配合後の４種類の微粉炭の平均揮発分含有率を示した。

なお、各試験ではそれぞれ揮発分含有率（ＶＭ）の異なる２種類の炭種の微粉炭を同量ずつ配合し、その炭種の組み合わせを変更することにより、混合後の微粉炭の平均ＶＭを４水準に変更した。

また、使用焼結鉱は、表２に示すように、焼結鉱番号Ａ〜Ｅの５種類とした。

焼結鉱中のＡｌ₂Ｏ₃含有率は、今後の焼結鉱の高Ａｌ₂Ｏ₃化に対応できる技術である必要を勘案し、いずれの例も１．７５％以上とした。焼結鉱中の成分含有率から計算される（ＣａＯ＋ＳｉＯ₂−ＭｇＯ）の値および被還元性指数（ＲＩ）については、適正範囲または好ましい範囲を定量的に評価するために５水準に変更した。

図２は、試験高炉を用いて調査した融着帯通気抵抗指数および炉内反応後のコークス強度指数に及ぼす焼結性状の影響を示す図であり、同図（ａ）は融着帯通気抵抗指数に及ぼす焼結鉱中（ＣａＯ＋ＳｉＯ₂−ＭｇＯ）の値の影響を示し、同図（ｂ）は炉内反応後のコークス強度指数に及ぼす焼結鉱中（ＣａＯ＋ＳｉＯ₂−ＭｇＯ）の値の影響を示す。

同図の結果によれば、融着帯通気抵抗指数（ＫＲＣ）は、焼結鉱（ＣａＯ＋ＳｉＯ₂−ＭｇＯ）の値が低いほど低下し、特に、上記の値が１１％以下においてその低下が顕著である。これは、特に、（ＣａＯ＋ＳｉＯ₂−ＭｇＯ）の値が１１％以下の焼結鉱番号ＣおよびＤの場合には、焼結鉱中のＭｇＯ含有率が高いことにより、融着開始温度が上昇し、融着帯の幅が縮小したことによる。

また、融着帯通気抵抗指数は、微粉炭のＶＭが低いほどが低くなる。これは、焼結鉱性状が同じであっても、微粉炭の平均ＶＭが低いほど未燃チャーの発生量が増加し、融着帯下部への付着による高温通気抵抗の改善作用が著しくなるからである。特に、微粉炭番号３および４の微粉炭を使用した場合には、融着帯通気抵抗指数が大幅に低下した。

さらに、焼結鉱（ＣａＯ＋ＳｉＯ₂−ＭｇＯ）の値が低いほど、溶け落ちに至る寸前の高温還元率が上昇し、コークス反応量が低下するため、反応後コークス強度指数は上昇傾向となり、特に微粉炭番号３および４ではその上昇幅が大きい。

微粉炭番号２では、平均ＶＭが微粉炭３の場合と同程度の２０％であるにもかかわらず、上記の融着帯通気抵抗指数の低減効果および反応後コークス強度指数の上昇効果のいずれも小さいのは、微粉炭番号２はＶＭの高い炭種が配合されているため、レースウェイからの未燃チャーの発生量が充分に確保できないためである。

したがって、微粉炭のＶＭについては、使用する微粉炭のいずれの炭種についても２５％以下とする必要がある。図２の結果において特に注目すべき点は、いずれの炭種の微粉炭中ＶＭも２５％以下であって、かつ、焼結鉱（ＣａＯ＋ＳｉＯ₂−ＭｇＯ）の値が１１％以下の場合に、融着帯の通気性改善と同時に反応後コークス強度向上効果が顕著となることである。

（２）−２ 焼結鉱被還元性およびコークス性状の効果に関する評価
次に、焼結鉱の被還元性指数（ＲＩ）の効果について検討を行った。上記の条件すなわち、いずれの微粉炭のＶＭも２５％以下で、かつ、焼結鉱（ＣａＯ＋ＳｉＯ₂−ＭｇＯ）の値が１１％以下の場合には、炉内での反応効率が高く、焼結鉱ＲＩが高いほど還元ガスのガス利用率は上昇する。炉内ガス分析の結果から、熱保存帯および化学保存帯の温度がＦｅＯ−Ｆｅ還元平衡のおけるＣＯおよびＣＯ₂濃度と一致して平衡状態にあるのは、焼結鉱ＲＩが約７０％以上と高位の場合であることが明らかになった。

この状態でコークス反応性指数（ＣＲＩ）を上昇させると、コークスのガス化反応がより低温から生じ、還元ガスが生成されるため、還元平衡の状態が低温側に移行する。ＣＯガスによる鉱石の還元反応における平衡ＣＯ組成は、低温ほど低下することから、高反応性コークスを使用することにより低温領域からＣＯガスによる還元反応が活発化し、ガス還元効率は上昇する。つまり、焼結鉱ＲＩが７０％以上では、特にコークスのＣＲＩが高いほど炉内反応効率が上昇するので好ましいことがわかる。

そこで、昇温荷重還元軟化試験装置を用いて焼結鉱が溶融滴下するまでの試験を行い、コークス反応性が高温通気抵抗と反応後強度に及ぼす影響について調査した。試料としては、焼結鉱性状を一定とし、コークスの気孔率を４１〜４４％と４７〜５０％とに調整し、それぞれについてＣＲＩを２８〜４５％程度の範囲で変更したものを使用した。

底部にガスの流通および溶融物の滴下のための複数の孔を有する内径７０ｍｍの黒鉛坩堝内に、粒径１５〜２０ｍｍのコークスおよび鉱石を、コークスを下層として、３００ｍｍの層高となるように装入し、竪型電気炉内に配置する。これらの試料に、高炉内の条件にシミュレートさせて、時間とともに組成（ＣＯ、ＣＯ₂、Ｎ₂）が変化するガスを流しながら、荷重および温度条件を変化させて、１６５０℃まで昇温する昇温荷重還元試験を行い、その間の試料層における圧力損失およびその層厚の経時変化を測定した。上記の試験により得られた圧力損失および試料の層厚を用いて通気抵抗を求め、その通気抵抗を、１０００℃から試料の収縮が完了するまでの温度範囲にわたって積分し、高温通気抵抗指数を求めた。

図３は、昇温荷重還元軟化試験により高温通気抵抗指数および反応後コークス強度指数に及ぼすコークス反応性指数（ＣＲＩ）の影響を調査した結果を示す図であり、同図（ａ）は高温通気抵抗指数に及ぼすＣＲＩの影響を示し、同図（ｂ）は反応後コークス強度指数に及ぼすＣＲＩの影響を示す。

同図の結果によれば、ＣＲＩが上昇すると、鉱石の還元が促進されるため、ガス還元率が上昇し、高温通気抵抗指数は気孔率の大小に拘わらず低下する。

また、ＣＲＩが上昇すると、コークスのガス化反応開始温度が低下して還元平衡点が低温側に移行し、還元駆動力、つまり還元能力が増大することにより、ＣＯガスによる間接還元量が増加する結果、全コークス反応量が減少し、コークスの気孔率が４１〜４４％の場合には、反応後のコークス強度指数が上昇する。しかしながら、気孔率が４７〜５０％のコークスは、コークス反応量が低下するにも拘わらず、ＣＲＩが約３５％を超えると反応後強度が低下した。その理由を明らかにするため、気孔率が４７〜５０％のコークスの気孔径分布を水銀法により測定した結果、特に１００μｍ以上の粗大気孔が多く、反応後強度が低下しやすい構造であることに起因していることが判明した。

上述の結果から、炉下部通気性の向上と炉内反応効率向上との両立を図ることができる高反応性コークスは、ＣＲＩが３５以上でかつその気孔率が４４％以下であることが好ましく、本発明の効果を一層高めることができる。

本発明の高炉操業方法の効果を確認するため、前述した試験高炉を用いて総合的な試験操業を行い、その効果を評価した。

試験においては、前記の表１に示した微粉炭番号３の微粉炭を使用し、炉内への吹込量を１６０ｋｇ／ｐｔで一定とした。また、焼結鉱は、前記表２に示した性状のＡｌ₂Ｏ₃含有率が１．７５％以上の焼結鉱を使用し、コークスは、表３に示した性状を有するコークスを使用した。

表４に、前述した基礎試験１および２も含めて試験条件および試験結果をまとめて示した。

表４中に記載されたガス利用率は、同表の欄外に記載された算式により算出された値であり、また、総合評価欄の◎、○および×による区分は、同表の欄外に記載された評価基準に基づいた。

試験番号１〜３は、本発明で規定する条件の少なくとも１つを満足しない比較例についての試験であり、試験番号４〜７は、いずれも第１発明で規定する条件を満足する本発明例についての試験である。

試験番号１〜３は、いずれも吹込まれた微粉炭に揮発分含有率（ＶＭ）が２５％を超える炭種が含まれているため、未燃チャーの発生が不充分となって、通融着帯通気抵抗指数が高く、またガス利用率も低下して、試験操業の総合評価は劣った結果となった。

これに対して、焼結鉱（ＣａＯ＋ＳｉＯ₂−ＭｇＯ）の値が１１％以下で、かつＶＭが２５％未満の炭種のみを配合した微粉炭を１６０ｋｇ／ｐｔの吹込量で吹き込んだ試験番号４では、融着帯通気抵抗が低下するとともに、炉下部コークス強度が高く維持されて、炉内通気性および反応効率がともに改善された。

さらに、試験番号４に比較して焼結鉱の被還元性指数（ＲＩ）を上昇させた試験番号５では、炉内のガス利用率が上昇し、融着帯通気抵抗指数が低下した。この場合、炉内コークス反応量が低下した結果、反応後コークス強度指数が上昇して操業の総合評価は一層良好となった。

また、コークスの反応性指数（ＣＲＩ）が４０％以上の高反応性コークスを用いた試験番号６および試験番号７では、ガス化反応開始温度の低下にともない、還元平衡点が低温側に移行してガス還元反応が起こりやすい状態となったことから、炉内コークス反応量が低下するとともに、ガス利用率が上昇したことが確認された。この際、試験番号６および試験番号７ともに、融着帯通気抵抗指数が低下した。しかしながら、コークスの気孔率が５１．３％と高いコークスｂを使用した試験番号６は、コークス反応量が低いにも拘わらず、試験番号７に比して反応後コークス強度指数が低下した。

試験番号７において使用したコークスｃは、気孔率が４３．１％であって、コークスaよりも気孔率がやや大きいにもかかわらず、反応後コークス強度指数は上昇し、操業の総合評価は最も良好な結果となった。

本発明の方法によれば、揮発分含有率の低い微粉炭を吹込むことにより、レースウェイ内で発生する未燃チャー量を維持しながら、焼結鉱のスラグ組成を適正化することにより、高炉内融着帯の通気性を向上させるとともに、未燃チャーの炉内での反応を促進させ、炉内コークスの反応による劣化を抑制して炉内滴下帯での通気および通液性を改善することができる。さらに、被還元性の高い焼結鉱および反応性の高いコークスを使用することにより、上記の通気性向上効果と反応効率向上効果とを両立させ、かつコスト低減をも達成できる。したがって、本発明の方法は、微粉炭多量吹込み操業下において、原料需給変動による高炉使用原料の品質変動に柔軟に対応し、良好な炉内通気性および生産性を確保できる高炉操業方法として広範に適用できる技術である。

試験高炉を用いて調査した融着帯通気抵抗指数および炉内反応後のコークス強度指数に及ぼす微粉炭吹込量の影響を示す図である。 試験高炉を用いて調査した融着帯通気抵抗指数および炉内反応後のコークス強度指数に及ぼす焼結性状の影響を示す図であり、同図（ａ）は融着帯通気抵抗指数に及ぼす焼結鉱中（ＣａＯ＋ＳｉＯ₂−ＭｇＯ）の値の影響を示し、同図（ｂ）は炉内反応後のコークス強度指数に及ぼす焼結鉱中（ＣａＯ＋ＳｉＯ₂−ＭｇＯ）の値の影響を示す。 昇温荷重還元軟化試験により高温通気抵抗指数および反応後コークス強度指数に及ぼすコークス反応性指数（ＣＲＩ）の影響を調査した結果を示す図であり、同図（ａ）は高温通気抵抗指数に及ぼすＣＲＩの影響を示し、同図（ｂ）は反応後コークス強度指数に及ぼすＣＲＩの影響を示す。

Claims (3)

1. 高炉羽口から１６０ｋｇ／ｐｔ以上の吹込量で微粉炭を吹き込む高炉操業方法において、配合されるいずれの炭種の揮発分含有率も２５質量％以下である微粉炭を吹き込むとともに、Ａｌ₂Ｏ₃含有率が１．７５質量％以上で、かつＣａＯ含有率とＳｉＯ₂含有率との和からＭｇＯ含有率を差し引いた値が１１質量％以下の焼結鉱を炉頂部から装入することを特徴とする高炉操業方法。ここで、ｐｔは銑鉄１ｔ（トン）を意味する。
2. 焼結鉱被還元性指数が７０％以上の焼結鉱を装入することを特徴とする請求項１に記載の高炉操業方法。
3. コークス反応性指数が３５％以上で、かつ気孔率が４４％以下のコークスを装入することを特徴とする請求項１または２に記載の高炉操業方法。

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