JP4792753B2

JP4792753B2 - 高炉操業方法

Info

Publication number: JP4792753B2
Application number: JP2005022388A
Authority: JP
Inventors: 道貴佐藤; 達郎有山; 喜代志深田; 英和藤本
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2005-01-31
Filing date: 2005-01-31
Publication date: 2011-10-12
Anticipated expiration: 2025-01-31
Also published as: JP2006206982A

Description

本発明は、高炉操業方法に関し、特に還元材比を低減することができる高炉操業方法に関する。

高炉の生産弾力性向上、コークス炉の老朽化対策として高炉の還元材比低減が重要な課題となっている。また、製銑工程からのＣＯ_２発生を抑制して地球環境保全に資する観点からも、高炉の還元材比低減は急務である。

高炉の還元材比を低減させるには、１）還元効率（シャフト効率）の向上、２）熱損失の低減の２つが最も基本的な操作因子となる。これらは、高炉の装入物分布制御を高精度に行うことにより、ある程度の制御が可能である。つまり、装入物分布制御により原料近傍の高炉内のガス流れを制御し、還元ガスの利用率（ガス利用率ηＣＯ＝ＣＯ_２／（ＣＯ＋ＣＯ_２））を向上させるとともに、炉壁近傍のガス流れを適正化することにより、炉壁からの熱損失を低減させる。ただし、シャフト効率や熱損失の制御が可能な範囲は、高炉で使用する装入物の性状（焼結鉱強度、還元性ＲＩ、還元粉化性ＲＤＩ、コークス強度、反応性等）に大きく依存する。すなわち、高強度原燃料の使用下では通気性の制約条件が緩和されるため、還元材比（コークス比）の低減を図りやすく、結果的にシャフト効率向上、熱損失低減に結びつきやすい。

また、還元材比を低下させる方策として、以上に加え、還元平衡を積極的に制御する方法が知られている。そのうちの一つは金属鉄を装入する方法である。この方法は還元負荷を低減することができるので、熱源としての還元材の比率（還元材比）を低下させることができる。金属鉄としては、スクラップや直接還元鉄（ＤＲＩ，ＨＢＩ等）等が使用される。二つ目は還元平衡温度を低温化させる方法である。還元温度の低下によって、ＦｅＯ−Ｆｅ平衡におけるガス組成を高ガス利用率側に移行させ、還元ガス（ＣＯガス）の利用効率（ηＣＯ）を上昇させることで、結果的に使用する還元材量を低下させるものである。

このような還元平衡温度を低下させる手段として、高反応性コークスを使用することが知られている（非特許文献１）。還元反応は、通常、以下の（ａ）式のように、ＦｅＯとＣＯとの反応で表現される。ただし、（ａ）式で発生したＣＯ_２を（ｂ）式のガス化反応によって再びＣＯに戻す機能がないと、還元が連続して進行しないため、通常は１０００℃程度の高温が必要とされる。これに対して、高反応性コークスは、より低温でもＣＯ_２と十分に反応することができ、ＣＯガスを連続的にＦｅＯに供給することができることとなり、還元平衡温度は１０００℃よりも低温側にシフトすることになる。
ＦｅＯ＋ＣＯ＝Ｆｅ＋ＣＯ_２（ａ）
Ｃ＋ＣＯ_２＝２ＣＯ（ｂ）

また、高反応性コークスの使用によって還元ガス利用効率ηＣＯの上昇および還元材比の低減を図る技術が、非特許文献２、３に開示されている。非特許文献２では、反応性を促進する触媒成分（Ｃａ）を含むコークスを配合すると、ベース条件に比較してドラム試験１５０回転指数ＤＩ（15,150）およびコークスの反応性を表すＪＩＳ反応性指数ＲＩとも高いコークスの製造が可能なことが開示されている。この結果、非特許文献２では、還元材比１５〜２０ｋｇ／ｔの低減が可能であったとしている。

しかし、これら文献の高反応性コークスは、触媒成分を含む炭種を予め選択するか、触媒成分を事前処理によって添加する必要があるため、資源制約やコストアップの問題がある。また、このような特殊な炭種や製造法によらないコークスは一般的に反応性を高めると強度は低下する傾向にあるため、還元平衡温度の低下は図れるものの、炉内を降下する過程で多量の粉を発生することとなり、高炉内通気性、特に炉下部（滴下帯〜レースウェイ部）での通気悪化が顕著となる。この結果、還元平衡温度の低下に見合う還元材比低減効果を得ることが困難である。
内藤ら、鉄と鋼 : 87(2001), 357 野村ら、CAMP-ISIJ : 16(2003), 1039 鮎川ら、CAMP-ISIJ : 16(2003), 1040

前述したように、触媒成分を含む炭種を予め選択する、または触媒成分を事前処理によって添加するといった方法で得られた高反応性コークスは、資源制約やコストアップの問題があるため、このような特殊な炭種や製造法によらない高反応性コークスが必要とされるが、このような高反応性コークスは反応性と強度とを両立させることができず、反応性が高いコークスほど低強度であるため、高反応性コークスの高炉使用時には、炉内粉化が進行し、発生した粉が炉下部に蓄積することにより炉下部通気性が悪化し、これが制約条件となって還元材比（微粉炭等の吹き込み還元材比が同一ならばコークス比）を低減させることが困難となる。すなわち、従来の、特殊な炭種や製造法によらない高反応性コークスでは、反応性向上にともなうガス利用率向上に見合う還元材比低減効果を得ることが困難である。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、高反応性コークスを用いて高炉操業するにあたり、炉下部での粉化を抑制して通気性を確保し、反応性向上にともなうガス利用率向上に見合う還元材比低減効果を得ることができる高炉操業方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決すべく検討を重ねた結果、高反応性コークスとして、気孔形成材を核として、その周囲に補強剤を付着させる多層造粒プロセスで擬似粒子を製造し、その擬似粒子を石炭に添加した後、乾留して得られたコークス一定量以上用いることにより、コークスの反応性と強度とを両立させることができ、炉下部通気性が大幅に改善され、ガス利用率向上に見合う還元材比低減効果を得ることができることを見出した。また、多層造粒プロセスで得られたコークスを炉頂部から装入する際に、無次元半径で炉頂部の周縁から５０％の領域内に偏析させるようにすることにより、さらに通気性が改善されることを見出した。

本発明は、このような知見に基づいて完成されたものであり、炉頂部からコークスと鉱石を装入して高炉操業する高炉操業方法であって、気孔形成材を核として、その周囲に補強剤を付着させる多層造粒プロセスで擬似粒子を製造し、その擬似粒子を石炭に添加した後、乾留して得られたコークスを銑鉄１ｔ当たり５０ｋｇ以上使用して、当該コークスを無次元半径で炉頂部の周縁から５０％の領域内に偏析させるように、装入することを特徴とする高炉操業方法を提供する。

本発明において用いられる、気孔形成材を核として、その周囲に補強剤を付着させる多層造粒プロセスで擬似粒子を製造し、その擬似粒子を石炭に添加した後、乾留して得られたコークスは、１）非微粘炭を多く含むため反応性が高い、２）コークス塊内の気孔が小さく独立しているため強度が高いという特徴を有しており、上述したように反応性と強度とを両立させたコークスである。

本発明によれば、気孔形成材を核として、その周囲に補強剤を付着させる多層造粒プロセスで擬似粒子を製造し、その擬似粒子を石炭に添加した後、乾留して得られたコークスを銑鉄１ｔ当たり５０ｋｇ以上使用するので、反応性が向上してガス利用率向上を図ることができ、かつ炉下部での粉化を抑制して通気性を確保することができる。したがって、反応性向上にともなうガス利用率向上に見合う還元材比低減効果を得ることができる。特に、炉下部通気性の改善が図れるので、通気のスペーサーと考えられるコークス比を低減することができるのが大きな利点となる。還元材比の減少にともない、原理的に送風量が低下するので、炉内通過ガス量（ボッシュガス量）を低下することができ、出銑比の大幅な向上に結びつく。

以下、本発明について、より具体的に説明する。
本発明は、高炉の炉頂部からコークスと鉱石を装入して操業を行う一般的な高炉操業を対象とするものであり、コークスとして、気孔形成材を核として、その周囲に補強剤を付着させる多層造粒プロセスで擬似粒子を製造し、その擬似粒子を石炭に添加した後、乾留して得られたコークス（以下、多層造粒コークスと略記する）を銑鉄１ｔ当たり５０ｋｇ以上使用する。典型例としては高炉の炉頂部からコークスと鉱石を交互に装入してコークス層と鉱石層とを交互に積層させる原料装入を行う高炉操業を挙げることができる。

多層造粒コークスは、上述したように、気孔形成材を核として、その周囲に補強剤を付着させるという多層造粒プロセスで擬似粒子を製造し、その擬似粒子を石炭に添加した後、乾留して得られたコークスであり、特開平１１−２４１０７２号公報、特開２００１−１１４７２号公報、特開２００３−１９４７０号公報に記載された方法を用いて製造することができる。

多層造粒コークスを用いることにより、高い反応性と高い強度とを両立させることができ、炉下部通気性を大幅に改善することができる。このことを実験結果に基づいて説明する。

まず、多層造粒コークスのＣＯ_２との反応時の粉の発生挙動を調査した（実験１）。試料としては、表１に示す、通常高炉で使用されているコークス（Ａ，Ｂ）と多層造粒コークスを用いた。コークスＡは多層造粒コークスより高強度（高ＤＩ）であるが反応性は低い（低ＣＲＩ）。コークスＢは多層造粒コークスより低強度（低ＤＩ）であるが反応性は高い（高ＣＲＩ）。実験は、各コークスを２５〜４０ｍｍに整粒した後、ガス化反応率が２０％になるように、ＣＯ_２雰囲気中、１０００℃で反応させ、その後冷却し、内径３０ｍｍのタンブラー試験機に投入し、２００回転後の−３ｍｍの粉比率を測定した。図１にその測定結果を示す。この図に示すように、明らかに多層造粒コークスでは通常高炉で使用されているコークスに比べて粉の発生量が低下している。これは、多層造粒コークスの反応性が高いため、塊の反応は表面反応的であり、塊内部まで劣化が進行し難かったこと、および基質強度が高いため破壊しにくいことの相乗効果によるものと考えられる。

次に、多層造粒コークスのレースウェイにおける発生挙動を調査するため、図２に示す装置を用いてホットモデルによる燃焼試験を行った（実験２）。図２の装置は、高炉の羽口からレースウェイを模擬したもので、内部空間が幅１０００ｍｍで高さ１４００ｍｍの容器１内にコークス充填層２を形成し、そこにブローパイプ３を１本挿入したものである。実験条件は送風量３５０Ｎｍ^３／ｈ、酸素富化率３％とし、微粉炭を１８０ｋｇ／ｔ相当で吹き込んだ。コークス供給量は、コークス充填層高さが一定となるように専用ホッパーからコークスを切り出すことで調整した。コークスとしては表１と同一のものを用いた。実験終了後に装置を解体してレースウェイ４直上部の図中破線で囲んだ領域からコークスを採取し、−３ｍｍの粉率を測定した。結果を図３に示す。この図に示すように、多層造粒コークスは、充填層内で粉化するダスト量が最も少ないことがわかった。

以上の実験１，２の結果より、多層造粒コークスは、強度が高くかつ反応性が高いため、レースウェイからの粉の発生を著しく抑制することができることが確認された。

次に、以上のような多層造粒コークスを用い、高炉における使用試験を行い、多層造粒コークスの適正な使用量について調査した。使用したコークスは、表１におけるコークスＡおよび多層造粒コークスである。高炉は内容積３２２４ｍ^３のベルレス式装入装置を有するものであり、標準的な操業条件は、微粉炭吹き込み比１７０ｋｇ／ｔ、塊コークス比２６０ｋｇ／ｔ、小中塊コークス（約２５〜４０ｍｍ）比７０ｋｇ／ｔである。

試験では微粉炭吹き込み比および小中塊コークス比は一定とし、多層造粒コークス（塊状）の使用量を、２５，５０，７５，１００，１２５ｋｇ／ｔ（銑鉄１ｔ当たりの値）と変化させ、通常の塊コークスを置き換えた。そして、多層造粒コークス装入量が高炉内通気性および還元材比に及ぼす影響を調査した。同時に各条件における高炉高さ方向の温度分布もＦＶＰ（送り込み式温度計）を用いて測定した（実験３）。

多層造粒コークスの使用比と高炉炉下部通気抵抗指数（Ｋｌ値；Ｋｌ＝（Ｐ_blast ²−Ｐ^２）／Ｖ^1.7 ：ただし、Ｐ_blast：送風圧（ｋｇ／ｃｍ^２）、Ｐ：羽口軸上６．７ｍ位置における炉壁部静圧（ｋｇ／ｃｍ^２）、Ｖ：ボッシュガス量（Ｎｍ^３／ｔ））の関係を図４の（ａ）に示し、多層造粒コークスの使用比とコークス比の関係を図４の（ｂ）に示す。図４の（ａ），（ｂ）から、多層造粒コークスの装入量が５０ｋｇ／ｔ以上でＫｌ値の減少が認められ、同時にコークス比も減少することが確認された。図５は多層造粒コークスと通常コークスとで高炉周縁部（無次元半径で炉壁から約０．３）の温度分布を比較して示す図である。この図から多層造粒コークスを用いることにより熱保存帯温度が低下することが確認された。以上より、コークス比の低下は、多層造粒コークスを５０ｋｇ／ｔ以上装入することにより、上述したような熱保存帯温度の低下にともなうガス利用率の上昇と炉下部通気性の向上により、コークス比を低下させる制約条件が緩和されたことによるものであると考えられる。すなわち、多層造粒コークスの特徴である高反応性かつ高強度であるという効果は、多層造粒コークスを５０ｋｇ／ｔ以上装入した場合に生じるものであることが確認された。したがって、本発明では、多層造粒コークスの使用量を銑鉄１ｔ当たり５０ｋｇ以上としている。

次に、多層造粒コークスの高炉での最適な使用方法を把握するために、各種装入方法とコークス比の関係を調査した（実験４）。多層造粒コークスの使用量は７０ｋｇ／ｔで一定とした。また、実験３と同様、微粉炭吹き込み比、中小塊コークス比も一定とした。図６は、この実験に用いた装入方法を模式的に示す図である。図中、Ｃａｓｅ１は、多層造粒コークスを使用しないベース条件（比較例）である。Ｃａｓｅ２は、実験１と同様、多層造粒コークスを通常の塊コークスに均一に事前混合し、半径方向にほぼ均一に装入したものである。Ｃａｓｅ３は、装入モードを調整し、無次元半径で炉壁から５０％の範囲内に多層造粒コークスを偏析させて装入したものである。Ｃａｓｅ４は、挿入モードを調整し、無次元半径で中心から５０％の範囲内に多層造粒コークスを偏析させて装入したものである。Ｃａｓｅ５は、鉄鉱石と多層造粒コークスのベルトコンベア上での同時切り出しによって鉄鉱石と多層造粒コークスを事前混合し、半径方向にほぼ均一に装入したものである。Ｃａｓｅ６は、鉄鉱石と事前混合した多層造粒コークスを無次元半径で炉壁から５０％の範囲内に装入したものである。Ｃａｓｅ７は、同じく鉄鉱石と事前混合した多層造粒コークスを無次元半径で中心から５０％の範囲内に装入したものである。図７は、各装入方法実施後の還元材比の変化を示したものである。この図から、多層造粒コークスを用いたＣａｓｅ２〜７は、いずれもベース条件であるＣａｓｅ１よりも還元材比が低減しており、装入位置によらず多層造粒コークスの使用は還元材比低減に有効であることがわかる。また、Ｃａｓｅ２〜７の中では、Ｃａｓｅ３およびＣａｓｅ６において還元材比が著しく低下しており、多層造粒コークスは中心〜中間部に装入するよりも、炉壁〜中間部に装入するほうが好ましいことがわかる。この理由を以下に考察する。

炉頂から装入されたコークスは炉内を降下するが、径方向の位置によって降下挙動が異なる。このことを図８に示す。図８は、炉頂から装入されたコークスの高炉内での降下の状態を示す図である。この図に示すように、炉壁〜中間部に装入されたコークスＣは、基本的に高炉１１の炉内を直接レースウェイ１２に向かって降下し、最終的にはレースウェイ内で還元ガスに変化して消失する。この間、１０００℃以上の領域では、ソリューションロス反応やアルカリ金属のアタック等、様々な化学反応を受け、レースウェイでは２０００℃以上の高温場における熱衝撃に加え、酸化反応、ソリューションロス反応、水性ガス化反応を受けて劣化する。劣化したコークスの滴下帯およびレースウェイ上部の縮流部におけるせん断摩耗、レースウェイ内における旋回摩擦等がコークス粉の主要発生メカニズムと考えられている。発生した粉は、ガス流に同伴できるサイズのものは上方に吹き上げられるが、これより大きいサイズのものは炉芯１３の表層に堆積するか、炉芯１３内に直接供給され、炉下部通気性悪化の要因となる。

一方、中心付近に装入されたコークスＤの一部は炉芯１３内に取り込まれ、一部は炉芯１３の表層に沿って、より炉壁側に装入されたコークスと合流し、レースウェイ１２に向かう。炉芯１３の頂上付近では移動速度が遅くなるため、滞留時間が長くなり、摩擦等により粉を発生し易い状況となる。発生した粉は炉芯１３の表層への堆積、パーコレーション効果による炉芯１３の内部への移動によって、同様に炉下部通気性に影響を及ぼす。

上記Ｃａｓｅ３およびＣａｓｅ６のように、炉壁〜中間部（周縁から５０％の領域）に多層造粒コークスを偏析させて装入したケースでは、ソルロス帯で劣化を受けたコークスが滴下帯およびレースウェイ内へと移行する過程で多層造粒コークスの粉化が大きく抑制される。これは、実験１で得られた知見から類推することができる。また、実験２の結果から、レースウェイ内へ侵入した多層造粒コークスの粉化も抑制されるので、結果として全体としての粉の発生量を低下せしめ、通気性改善につながったものと推測される。なお、Ｃａｓｅ５およびＣａｓｅ７は、Ｃａｓｅ６とは装入方法が異なっているが、Ｃａｓｅ６と同様に多層造粒コークスを鉄鉱石と事前混合して用いたものであり、還元材比はＣａｓｅ６よりは高いもののある程度の低下効果は得られており、同様に多層造粒コークス装入の効果により、炉芯上部での粉化と炉芯への粉の供給が抑えられたことが通気性改善に結びついていると推定される。

以上より、滴下帯およびレースウェイ部での粉化を抑制するためには、多層造粒コークスの装入量を５０ｋｇ／ｔ以上とする必要があるが、さらに、できるだけ無次元半径で周縁から５０％の領域内に装入することが望ましい。

なお、多層造粒コークスと通常のコークスおよび／または焼結鉱とを混合する方法としては、ベルトコンベア上で同時に切り出し、高炉炉頂部に設置されたバンカーに原料の混合物として装填する方法を挙げることができる。高炉炉頂部に複数個の原燃料切り出しバンカーを有するベルレス高炉の場合は、多層造粒コークスと通常コークスおよび／または焼結鉱とを別々のバンカーに投入しておき、これら２種類以上を同時に切り出すことによって行ってもよい。

炉頂部の周縁から無次元半径で５０％の領域内に多層造粒コークスを装入する方法としては特に限定されるものではなく、ベル高炉の場合はムーバブルアーマーの突出位置の制御によって容易に半径方向位置を制御することが可能である。ベルレス高炉の場合にはシュートの傾動角および旋回数を適正に操作することによって落下位置を制御することができる。これらは、装入モードが単バッチ、複数バッチに拘わらず操作は同様であるが、一つのバッチにおける装入量が多い場合には、原燃料の中心方向への流れ込みにより、周縁から無次元半径で５０％の領域内に歩留まらせることが困難になるおそれがあるため、１バッチ量を適正化するなどの対策を実施することが好ましい。

通常炉で使用されているコークスと多層造粒コークスとについて、ＣＯ_２雰囲気中１０００℃で反応させた後、タンブラー試験機により粉の発生比率を測定した結果を示す図。多層造粒コークスのレースウェイにおける発生挙動を調査するためのホットモデルによる燃焼試験を行う装置を示す概略図。通常炉で使用されているコークスと多層造粒コークスとについて、ホットモデルによる燃焼試験による粉の発生比率を測定した結果を示す図。（ａ）多層造粒コークスの使用比と高炉炉下部通気抵抗指数の関係、および（ｂ）多層造粒コークスの使用比とコークス比の関係を示す図。多層造粒コークスと通常コークスとで高炉周縁部（無次元半径で炉壁から約０．３）の温度分布を比較して示す図。多層造粒コークスがコークス比に及ぼす影響を把握するための実験に用いた多層造粒コークスの各種装入方法を模式的に示す図。図６に示す多層造粒コークスの各装入方法実施後の還元材比の変化を示した図。炉頂からコークスを装入する際の径方向の位置と降下挙動を示す図。

符号の説明

１；容器
２；充填層
３；ブローパイプ
４；レースウェイ
１１；高炉
１２；レースウェイ
１３；炉芯

Claims

炉頂部からコークスと鉱石を装入して高炉操業する高炉操業方法であって、気孔形成材を核として、その周囲に補強剤を付着させる多層造粒プロセスで擬似粒子を製造し、その擬似粒子を石炭に添加した後、乾留して得られたコークスを銑鉄１ｔ当たり５０ｋｇ以上使用して、当該コークスを無次元半径で炉頂部の周縁から５０％の領域内に偏析させるように、装入することを特徴とする高炉操業方法。