JP4910640B2 - 高炉の操業方法 - Google Patents

Description

本発明は、石炭と鉄鉱石との混合物を成型して乾留して製造するフェロコークスを、高炉原料として使用する高炉の操業方法に関する。

高炉の還元材比低下のためには、フェロコークスを用いた、高炉の熱保存帯温度低下効果を利用する手法が有効である（例えば、特許文献１参照。）。石炭と鉄鉱石とを混合して成型した成型物を乾留して製造されるフェロコークスは、高反応性のため焼結鉱の還元を促進するとともに、一部還元された鉄鉱石が含まれているので高炉の熱保存帯温度を下げることができ、還元材比を低下させることができる。

しかし一方で、熱保存帯温度は、還元材比に影響を及ぼす他に、炉頂ガス温度にも影響を及ぼす。炉頂ガス温度が低下すると、炉頂での結露の発生や、ダスト付着によるダスト排出不良などの問題が発生する可能性がある。

図１〜図４を用いて、炉頂ガス温度が低下するメカニズムを説明する。

高炉上部の高さ方向の温度分布は、熱流比（装入物とガスの熱容量比）を用いて記述される（例えば、非特許文献１参照。）。高炉内の温度分布の代表例を図１に示す。図１は高炉１の縦断面の概略図とその断面における温度分布を示すグラフであり、炉上部では一般に熱流比は１未満であり、一方、炉下部では吸熱反応が進行するため装入物熱容量が見掛け上大きくなって、熱流比は１を超える。両者の中間に熱流比がほぼ１になる領域２ができ、これが熱保存帯に相当する。

炉上部装入物（固体)とガスの熱交換では、ガス側の入口温度は熱保存帯ガス温度、固体側の入口温度は装入時の装入物温度に相当し、熱流比が同一でも、両者の値によって高さ方向の温度分布、およびガス出口温度（炉頂ガス温度に相当）が変化する。熱保存帯温度と熱流比を変化させた場合の、固体温度とガス温度の計算例を図２に示す。縦軸の高さは、高炉における高さ位置を示し、炉頂部の高さを０ｍとして、炉頂部から下向きの長さで示している。図２（ａ）は熱保存帯温度９５０℃、熱流比０．８６４の場合であり、炉頂ガス温度は１５１℃である。図２（ｂ）は熱保存帯温度７５０℃、熱流比０．８６４の場合であり、炉頂ガス温度は１２４℃である。図２（ｃ）は熱保存帯温度７５０℃、熱流比０．９１５の場合であり、炉頂ガス温度は８８℃である。同一の熱流比であっても、熱保存帯温度（炉上部熱交換のガス入口温度に相当）が低下すれば、炉頂ガス温度が低下し、還元材比低減による熱流比上昇が加われば、炉頂温度はさらに低下することが分かる。

図３は、リスト線図に基づく熱・物質収支モデル（以下、「リストモデル」と記載する。）から導出された、シャフト効率一定で熱保存帯温度をベース条件から１００℃低下させた場合の炉頂ガス温度の変化の予測結果を示すグラフである。この計算では熱保存帯温度低下によりコークス比が２７ｋｇ／ｔ低下、熱流比が０．０１５上昇し、結果として炉頂ガス温度が５８℃低下した。炉頂ガス温度５８℃低下の内、２４℃の低下分は熱流比上昇による影響であり（熱保存帯温度一定で熱流比のみを０．０１５上昇させた計算による）、残りの３４℃が熱保存帯温度低下の影響である。

図４にリストモデルにより計算した熱保存帯温度低下、シャフト効率増加、送風温度上昇により還元材比低減を指向した際のベース条件からの炉頂ガス温度の変化を示す。熱保存帯温度低下による低還元材比操業を指向する場合、シャフト効率増加や送風温度上昇といった手段に比べ同一熱流比において炉頂温度の低下幅が大きい。これは、前述のように熱流比上昇に加えて炉上部のガス−固体の熱交換におけるガス側の入口温度が低下するためである。

一方、炉頂ガス温度が低下すると、排出ダスト量の減少を介して通気性の悪化等が発生することから、操業上炉頂ガス温度には下限値を設けている。特に炉頂ガス温度が１００℃を下回る状態が継続すると、ダスト排出量の減少に加え、炉口部が水分凝集雰囲気となることにより高炉排ガスの一次除塵器として用いられているダストキャッチャーでの灰出し作業が困難となる他、炉口耐火物の損傷が問題になる（例えば、非特許文献２参照。）。

前述のように熱保存帯温度低下による低還元材比操業を指向する場合、シャフト効率向上等の操作に比べ、同一の熱流比上昇に対する炉頂温度低下量が大きく、従来以上に炉頂温度管理に留意する必要がある。従来、熱流比は炉頂ガス温度とほぼ対応する指標と捉えられており、熱流比をパラメータとした操業設計が実施されてきた。しかし、熱保存帯温度操作を行う場合は図４に示したように両者の関係が通常の関係からシフトするため、従来の熱流比の考え方では不十分である。
特開２００６−２８５9４号公報 重見彰利著 「製銑ハンドブック」地人書館 １９７９年、ｐ．１９０ 「日本鋼管技報」９５ １９８２年、ｐ．４２５

通常の高炉操業では、炉頂温度の低下による問題の発生を防止するため、炉頂温度を１００℃以上、好ましくは１２０℃以上に保持した操業を行なっている。しかし上記のように、高炉原料としてフェロコークスを使用して熱保存帯温度低下による低還元材比操業を指向する場合炉頂ガス温度が大きく低下し、従来の操業条件の調整だけでは、炉頂温度を維持できない怖れがあり操業の制約となるため問題である。

したがって本発明の目的は、このような従来技術の課題を解決し、フェロコークスを原料として炉頂から装入する高炉操業を行なう際に、炉頂ガス温度の低下を抑制することのできる高炉操業方法を提供することにある。

このような課題を解決するための本発明の特徴は以下の通りである。
（１）装入原料の一部としてフェロコークスを使用する高炉操業の際に、羽口からの送風の酸素富化率、羽口からの還元材吹込み量、羽口からの送風の窒素富化量の中から選ばれる１種または２種以上を制御することで、炉頂ガス温度を制御することを特徴とする高炉操業方法。
（２）酸素富化率と炉頂ガス温度との関係を求め、該関係を用いて酸素富化率を低下させて炉頂ガス温度を上昇させることを特徴とする（１）に記載の高炉操業方法。
（３）還元材吹込み量と炉頂ガス温度との関係を求め、該関係を用いて還元材吹込み量を増加させることで炉頂ガス温度を上昇させることを特徴とする（１）または（２）に記載の高炉操業方法。
（４）窒素富化量と炉頂ガス温度との関係を求め、該関係を用いて窒素富化量を増加させることで炉頂ガス温度を上昇させることを特徴とする（１）ないし（３）のいずれかに記載の高炉操業方法。

本発明によれば、高炉原料としてフェロコークスを使用して熱保存帯温度を低下させても高炉の炉頂ガス温度の低下を防止することが可能であり、還元材比を低下させた操業を安定して行なうことができる。

本発明者は、リストモデルを用いた熱・物質バランス解析により熱保存帯温度と各種操業条件が炉頂ガス温度に及ぼす影響を明らかにし、これらを連動管理する手法を明らかにすることで本発明を完成した。

高炉操業のベース条件を還元材比４９０ｋｇ／ｔ（微粉炭比１００ｋｇ／ｔ）、炉頂ガス温度１４０℃とし、酸素富化率２．４体積％とした。検討例として、酸素富化率を±２．４％、微粉炭比を±５０ｋｇ／ｔ変更した条件、および熱保存帯温度を±５０℃、±１００℃変更した条件の際の熱流比と炉頂ガス温度の関係を計算した。結果を図５に示す。酸素富化率や微粉炭吹き込み量変化時と、熱保存帯温度変化時では、熱流比と炉頂温度の関係が大きく異なることが明らかになった。このように、熱流比に基づく考えでは、熱保存帯温度変化時の炉頂ガス温度予測は不十分であることがわかる。以上を踏まえ、各種操業因子が炉頂温度に及ぼす影響を整理して表１に示す。

熱流比ではなく、上記の酸素富化率、微粉炭吹き込み量、天然ガス吹き込み量、窒素富化量の影響を考慮した操業設計を行うことにより、フェロコークスを使用して熱保存帯温度が低下した場合に目標とする炉頂ガス温度を確保する操業条件を設定できる。なお、上記の係数は、吹き込み還元材に関してはその組成により、送風条件に関してはベースの状態により若干変化する。上記は一例であり、その都度、ベース条件に応じて影響を精査すれば良い。

以上のことから検討すると、熱保存帯温度が低下した場合に、目標とする炉頂ガス温度を確保するための操業条件としては、イ）酸素富化率、ロ）微粉炭吹き込み量、天然ガス吹き込み量等の還元材吹込み量、ハ）窒素富化量の３つを考えることができる。以下、これらの条件について詳しく説明する。

イ）酸素富化率：高炉羽口からの送風の際に、送風空気に酸素を加えて富化し、送風の酸素量を一定とする操業を行なえば、生産量一定で炉内通過ガス量を減少させることができる。従って、酸素富化率を低減することで、生産量（固体降下速度）一定で炉内通過ガス量が増加することにより熱流比が低下し、炉頂ガス温度が上昇する。操業条件に応じた酸素富化率と炉頂ガス温度との関係を求め、該関係を用いて酸素富化率を低下させて炉頂ガス温度を上昇させることができる。なお、酸素富化率は、送風空気に混合した酸素量の体積％で表すものとする。

ロ）還元材吹込み量：羽口から熱風とともに微粉炭等の還元材を高炉内に吹き込むことによりコークス使用量を低減する操業が行なわれている。この還元材吹込み量を増やすことで、固体降下速度が減少することにより熱流比が低下し、炉頂ガス温度が上昇する。還元材としては、微粉炭の他に、天然ガス、廃プラスチック等を用いることができる。操業条件に応じた還元材吹込み量と炉頂ガス温度との関係を求め、該関係を用いて還元材吹込み量を増加させることで炉頂ガス温度を上昇させることができる。なお、還元材吹込み量は溶銑１ｔあたりの吹込み量（ｋｇ／ｔ）で表すものとする。

ハ）窒素富化量：高炉羽口からの送風に、窒素を富化する操業を行なうことができる。窒素の富化により送風酸素量が減少し、これにより生産量一定で炉内通過ガス量を増加させることができ、炉頂ガス温度が上昇する。操業条件に応じた窒素富化量と炉頂ガス温度との関係を求め、該関係を用いて窒素富化量を増加させることで炉頂ガス温度を上昇させることができる。なお、窒素富化量は溶銑１ｔあたりの標準状態における窒素ガス吹込み体積（Ｎｍ³／ｔ）で表すものとする。

上記イ）、ロ）、ハ）は、それぞれ単独に制御しても効果があるが、１種または２種以上を組み合わせて制御することで、より標準的な操業条件に近い条件で、安定した操業を行なうことが可能となるが、この際、微粉炭燃焼性や理論燃焼温度の変化には留意した操業設計が必要である。

本発明で用いるフェロコークスは、石炭と鉄鉱石とを主成分とする原料を成型して製造した成型物を加熱して、成型物中の石炭を乾留して製造されたものである。なお、石炭と鉄鉱石とを主成分とするとは、フェロコークスの原料が主として石炭と鉄鉱石であることを意味するものであり、石炭と鉄鉱石とを７０ｍａｓｓ％以上含有する原料を用いてフェロコークスを製造するものであるが、通常は石炭と鉄鉱石とを８０ｍａｓｓ％以上含有する原料を使用する。石炭と鉄鉱石の他に成型のためのバインダー等を使用することができる。成型は冷間または熱間で行い、冷間で成型を行なう場合は、原料にバインダーを添加することが好ましい。

高炉装入原料の一部としてフェロコークスを使用する高炉操業としては、従来の高炉装入原料に加えて、あるいは代替して、フェロコークスを使用するものであり、通常は鉄原料、コークス、フェロコークスを高炉装入原料とするものである。鉄原料は焼結鉱、塊鉱石、ペレット等から構成される。フェロコークスの装入方法としては、例えば、フェロコークスを鉄原料と混合した「鉄原料＋フェロコークス」層と、通常のコークス層とを高炉内に交互に装入することができる。高炉の炉頂部から、まずコークスを装入してコークス層を形成し、次に鉄鉱石とフェロコークスとの混合物を装入して、「鉄原料＋フェロコークス」層を形成し、以下、コークス層と「鉄原料＋フェロコークス」層とのサイクルを順次繰り返して高炉の原料装入を行うものである。

内容積５０００ｍ³の高炉において、フェロコークスを装入原料として用いない通常の操業である、コークス比３９０ｋｇ／ｔ、微粉炭比１００ｋｇ／ｔの操業条件をベースに、鉄：コークス＝０．４：０．６の質量比のフェロコークスを使用した操業試験（Ｃａｓｅ１〜５）を行なった。

フェロコークスは、以下のようにして製造した。鉄鉱石と石炭との混合物（０．４：０．６の質量比率）にバインダーとしてアスファルトピッチと軟ピッチの混合物を５ｍａｓｓ％添加して、ミキサーで攪拌して混合後、線圧５ｔ/ｃｍ、成型温度２５℃で冷間成型して６ｃｃのブリケット成型物を製造した。鉄鉱石には粒径１００ミクロン以下（−１００ミクロン）のペレットフィードを用いた。石炭には最大平均反射率１．０％の石炭を用いた。石炭の粒度は、全量を粒径３ｍｍ以下（−３ｍｍ）に粉砕したものを用いた。このブリケットを専用の乾留炉であるシャフト炉で加熱して石炭を乾留し、フェロコークスを製造した。フェロコークスと鉄原料とを混合し、該混合物と塊コークスとを交互に炉内に装入して操業を行なった。

表２にベース条件およびＣａｓｅ１〜５の高炉操業結果を示す。熱保存帯温度は炉頂から装入した垂直ゾンデで測定した。

Ｃａｓｅ１は送風条件、微粉炭吹き込み量をベース条件と同じとして、コークスと置換してフェロコークスを使用した場合である。炉頂ガス温度が８２℃に低下し、ダスト排出量であるダスト原単位が低下し通気変動が生じるとともに、ダストキャッチャーからの灰出しの際に水分が多量に流れ出し、作業が困難になったため、同条件での操業の継続が困難であった。

これに対し、炉頂ガス温度を１１０℃に調整することを目的とし、フェロコークス使用と同時に酸素富化率を低減した操業（Ｃａｓｅ２）、フェロコークス使用と同時に微粉炭吹き込み量を増加した操業（Ｃａｓｅ３）、およびフェロコークス使用と同時に天然ガス（ＬＮＧ）吹き込み量を増加した操業（Ｃａｓｅ４）を行なった。Ｃａｓｅ２〜４では、ダスト原単位（ダスト比）はベースに対し若干低下したものの、操業が安定し、コークス比を低減した操業の継続が可能であった。

また、ベース条件よりもさらに炉頂ガス温度をあげるべく、酸素富化率低減と窒素富化を併用した操業（Ｃａｓｅ５）も行なった。Ｃａｓｅ５においてもコークス比を低減した操業の継続が可能であった。

酸素富化率、窒素富化量、微粉炭および天然ガス吹き込み量は、それらの単独操作量が炉頂ガス温度に及ぼす影響を事前に把握し、実際のフェロコークス使用操業時に条件を変更した。Ｃａｓｅ２〜５の本発明例の操業においては、炉頂ガス温度を１００℃以上に維持して、コークス比を低減した操業を安定して継続することが可能であることが分かった。

高炉の縦断面の概略図とその断面における温度分布を示すグラフ。 熱保存帯温度と熱流比を変化させた場合の、固体温度とガス温度の炉内分布を示すグラフ。（ａ）熱保存帯温度９５０℃、熱流比０．８６４、（ｂ）熱保存帯温度７５０℃、熱流比０．８６４、（ｃ）熱保存帯温度７５０℃、熱流比０．９１５ 炉頂ガス温度の変化の予測結果を示すグラフ。 熱流比変化量と炉頂ガス温度変化量の関係を示すグラフ。 酸素富化率、微粉炭比、熱保存帯温度を変更した際の熱流比と炉頂ガス温度の関係を示すグラフ。

符号の説明

１ 高炉
２ 熱保存帯
３ 塊状帯
４ 融着帯
５ 滴下帯
６ レースウェイ

Claims (4)

1. 装入原料の一部としてフェロコークスを使用する高炉操業の際に、羽口からの送風の酸素富化率、羽口からの還元材吹込み量、羽口からの送風の窒素富化量の中から選ばれる１種または２種以上を制御することで、炉頂ガス温度を制御することを特徴とする高炉操業方法。
2. 酸素富化率と炉頂ガス温度との関係を求め、該関係を用いて酸素富化率を低下させて炉頂ガス温度を上昇させることを特徴とする請求項１に記載の高炉操業方法。
3. 還元材吹込み量と炉頂ガス温度との関係を求め、該関係を用いて還元材吹込み量を増加させることで炉頂ガス温度を上昇させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の高炉操業方法。
4. 窒素富化量と炉頂ガス温度との関係を求め、該関係を用いて窒素富化量を増加させることで炉頂ガス温度を上昇させることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の高炉操業方法。

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