JP4933925B2 - 粉体複合吹き込み高炉操業方法 - Google Patents

Description

本発明は、粉体複合吹き込み高炉操業方法に関し、特に微粉炭と塩基性フラックスを同時に吹き込むことにより炉内通気性を改善する高炉操業方法に関する。

近年、微粉炭をコークスの一部代替燃料として高炉羽口から吹込む微粉炭吹込み高炉操業が一般的となり、最近では、微粉炭比１００ｋｇ／ｔ−ｐｉｇ以上、さらには１５０ｋｇ／ｔ−ｐｉｇ以上の高微粉炭吹込み高炉操業も安定して行なわれるようになってきた。

しかしながら、高炉に吹込まれる微粉炭には約１０質量％（以下、単に「％」と記す。）程度の灰分量が含まれ、この灰分はＳｉＯ₂：５０〜６０％、Ａｌ₂Ｏ₃：２０〜３０％、その他Ｆｅ₂Ｏ₃、ＣａＯなどからなり、主に酸性成分で構成されている。したがって、微粉炭の吹込み量が多くなると、微粉炭中の灰分の中のＳｉＯ₂を主成分とする酸性スラグが増加し、レースウェイ奥に生成するスラグ層（鳥の巣）の粘性や融点が上昇する。このため、スラグ層（鳥の巣）が成長して高炉下部でのガス流れを不良にする問題が生じやすくなる。

上記のような問題を解決すべく、従来から、微粉炭とともに、塩基性フラックスを羽口から吹き込み、上記レースウェイの奥に存在するスラグの塩基度を上げて粘性を下げ（流動性を上げ）、高炉の上部から降下する滴下スラグと同化させ、微粉炭中の灰分のレースウェイ内での適正な滓化を促進させることで、高炉下部での通気性を改善する技術が、種々提案されている。

例えば、特許文献１には、微粉ドロマイト、蛇紋岩、カンラン石、石灰石、転炉滓等の塩基性微粉媒溶剤を微粉炭と同時に吹き込み、塩基性微粉媒溶剤の吹き込み量を、媒溶剤と微粉炭中の灰分を混合した時の塩基度（塩基性成分量／酸性成分量）が０．５〜１．３となるように調整することが開示されている。

また、特許文献２には、レースウェイの温度以下の融点を有するプリメルトスラグであって、リンの含有量が１．０％以下のものを、微粉炭と同時に吹き込み、プリメルトスラグの吹き込み量を、プリメルトスラグと微粉炭中の灰分を混合したときの塩基度（塩基性成分量／酸性成分量）が０．５〜１．３となるように調整することが開示されている。

また、特許文献３には、１００ｋｇ／ｔ−ｐｉｇ以上の高微粉炭吹込み高炉操業下において、生石灰、石灰石、ドロマイトなどの塩基性フラックスを微粉炭とともに吹き込み、塩基性フラックスの吹き込み量を、その塩基性フラックス中のＣａＯ量と微粉炭中のＳｉＯ_２量との質量比（ＣａＯ／ＳｉＯ_２）が０．８〜３．５となる量に調整することが開示されている。

これらの技術によれば、塩基性フラックスを微粉炭と同時に羽口から吹き込むことで、微粉炭の灰分と塩基性フラックスとがレースウェイ内部で同化して、低い粘性のスラグが形成される結果、微粉炭単独の吹き込みの場合に比して、レースウェイ奥に形成される高融点のスラグ層の厚みが薄くなり、安定なレースウェイ形状を維持でき、通気性の改善を図ることができるとしている。

しかしながら、上記技術はいずれも、塩基性フラックスの吹込み量は、その塩基性フラックスと微粉炭灰分のみから決定される塩基度に基づいて調整するものであるため、以下に説明する問題点が存在する。

すなわち、レースウェイ内部では、微粉炭のみならずコークスも燃焼していることから、レースウェイ内部で生成するスラグは、塩基性フラックスと微粉炭の灰分から由来したものだけではなく、レースウェイ内部で燃焼したコークスの灰分由来のものも加わって形成される。このため、レースウェイ内部で生成したスラグの塩基度は、当然、コークス比と微粉炭比のバランス（すなわち、微粉炭比のレベル）によって変動する。

したがって、単に塩基性フラックスと微粉炭灰分のみから決定したスラグの塩基度に基づいて塩基性フラックスの吹き込み量を調整する上記従来技術の方法では、微粉炭比のレベルが種々異なる高炉操業に対して、塩基性フラックスの吹き込み量を常に最適な範囲に設定することはできないため、最良な炉内通気状態を確保することは困難であった。
特公平６−８９３８２号公報 特許第３５３３０６２号公報 特開２００２−６０８１４号公報

そこで本発明の目的は、高炉羽口から微粉炭とともに塩基性フラックスを吹き込むことにより炉内通気性を改善する粉体複合吹き込み高炉操業方法において、微粉炭比のレベルに関わらずに、塩基性フラックスの吹込み量を最適な範囲に設定することができ、最良な炉内通気状態を確保しうる粉体複合吹き込み高炉操業方法を提供することにある。

本発明者らは、上記レースウェイ内部で生成したスラグ（以下「羽口前スラグ」という。）の塩基度（以下「羽口前スラグ塩基度」という。）に及ぼすコークス灰分の寄与の程度を調査するため、以下の試検討を行った。

先ず、微粉炭灰分に塩基性フラックスをその添加量を種々変更して混合して、塩基度の異なる混合粉を作成し、それらの同化溶融温度を測定するラボ試験を行った。微粉炭灰分として下記表１に示す成分組成を有する微粉炭燃焼ボイラの飛灰を用い、塩基性フラックスとして消石灰（Ｃａ（ＯＨ）_２）を用い、これらの混合物に澱粉系の成型材を添加してゼーゲルコーン状の試料を成型した。この試料を、ＪＩＳ−Ｒ２２０４に規定する試験方法に準じて５℃／ｍｉｎで昇温し、試料の輪郭の角張った部分が消失し、滑らかになった時点の炉内雰囲気温度を同化溶融温度とした。

測定結果を、試料（混合粉）の塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ_２質量比）と溶融温度との関係で図１に示す。同図に示すように、塩基度が０に近い側から約０．６までは同化溶融温度が低下するが、それを超えると同化溶融温度がほぼ直線的に上昇することがわかった。

このように、上記ラボ試験の結果より、微粉炭灰分と塩基性フラックスからなるスラグの同化溶融温度は、塩基度（質量比）が約０．７のときに最も低くなることから、レースウェイ内部（すなわち、羽口前）で生成するスラグの塩基度（羽口前スラグ塩基度）が約０．７になるときに、レースウェイ奥に形成されるスラグ層（鳥の巣）は最も薄くなると想定される。これに伴って、レースウェイ奥のコークス壁の通気性も最も高くなり、その結果、レースウェイ深度も最大になると想定される。このように、羽口前スラグ塩基度が約０．６のときにレースウェイ深度が最大になると想定されることから、後記実施例で詳述する、塩基性フラックス吹込み時における実機高炉でのレースウェイ深度の測定結果を用いて、以下のようにして、高炉に装入された全コークス灰分のうち、どれだけの割合が羽口前スラグの形成に寄与するかを把握した。

すなわち、下記式（１）に示すように、上記コークス灰分の寄与割合を未知数として含む羽口前スラグ塩基度の計算式を用いる。ここに、下記式（１）中の寄与割合Ｚ（−）は、高炉に装入された全コークス灰分のうち、羽口前スラグの形成に寄与する割合である。

（Ｃ／Ｓ）_slag＝［ＰＣＲ×Ａ_ｐｃ×％（ＣａＯ）_{ｐｃ．ａｓｈ}＋ＣＲ×Ａ_ｃｏｋｅ×％（ＣａＯ）_{ｃｏｋｅ．ａｓｈ}×Ｚ＋ＦＬＲ×％（ＣａＯ）_ｆｌｕｘ］／［ＰＣＲ×Ａ_ｐｃ×％（ＳｉＯ_２）_{ｐｃ．ａｓｈ}＋ＣＲ×Ａ_ｃｏｋｅ×％（ＳｉＯ_２）_{ｃｏｋｅ．ａｓｈ}×Ｚ＋ＦＬＲ×％（ＳｉＯ_２）_ｆｌｕｘ］
ここに、ＰＣＲ：微粉炭比（ｋｇ／ｔ−ｐｉｇ）、ＣＲ：コークス比（ｋｇ／ｔ−ｐｉｇ）、ＦＬＲ：塩基性フラックス比（ｋｇ／ｔ−ｐｉｇ）、Ａ_ｐｃ：微粉炭中の灰分含有量（質量％）、Ａ_ｃｏｋｅ：コークス中の灰分含有量（質量％）、％（ＣａＯ）_{ｐｃ．ａｓｈ}：微粉炭灰分中のＣａＯ含有量（質量％）、％（ＣａＯ）_{ｃｏｋｅ．ａｓｈ}：コークス灰分中のＣａＯ含有量（質量％）、％（ＣａＯ）_ｆｌｕｘ：塩基性フラックス中のＣａＯ含有量（質量％）、％（ＳｉＯ_２）_{ｐｃ．ａｓｈ}：微粉炭灰分中のＳｉＯ_２含有量（質量％）、％（ＳｉＯ_２）_{ｃｏｋｅ．ａｓｈ}：コークス灰分中のＳｉＯ_２含有量（質量％）、％（ＳｉＯ_２）_ｆｌｕｘ：塩基性フラックス中のＳｉＯ_２含有量（質量％）である。

そして、上記式（１）中の寄与割合Ｚに０〜１の間の適当な値を代入し、後記実施例における微粉炭および塩基性フラックスの吹込み量の組み合わせごとに、羽口前スラグ塩基度（Ｃ／Ｓ）_ｓｌａｇを計算し、この計算された羽口前スラグ塩基度Ｃ／Ｓ）_ｓｌａｇと、実測されたレースウェイ深度との関係をグラフ化し、このグラフからレースウェイ深度が最大値を示すときの羽口前スラグ塩基度Ｃ／Ｓ）_ｓｌａｇの値を求める。そして、この羽口前スラグ塩基度Ｃ／Ｓ）_ｓｌａｇの値が、上記ラボ試験で求めた最低溶融温度を示すスラグ塩基度である約０．６に略一致するまで、寄与割合Ｚに代入する値を適宜変更して上記操作を繰り返す方法で、寄与割合Ｚの値を求めた。

その結果、上記方法により求めた寄与割合Ｚの値は０．５となった。この０．５の値は、高炉に装入された全コークスのうち、半分のコークスがレースウェイ内部で燃焼して、その灰分が羽口前スラグの形成に寄与する一方で、残りの半分のコークスは、レースウェイ外で、鉱石の直接還元反応、炉内ガス中のＣＯ_２ガス成分によるソリューションロス反応、溶鉄への浸炭反応などで消費され、その灰分は高炉スラグの形成に用いられることを意味し、高炉内におけるコークスの反応挙動を大略反映しているものといえ、妥当な値といえる。

上記の結果より、上記式（１）中の寄与割合Ｚに０．５を代入した下記式（２）を用いることで、高精度で羽口前スラグ塩基度Ｃ／Ｓ）_ｓｌａｇを推定することができることとなる。

（Ｃ／Ｓ）_ｓｌａｇ＝［ＰＣＲ×Ａ_ｐｃ×％（ＣａＯ）_{ｐｃ．ａｓｈ}＋ＣＲ×Ａ_ｃｏｋｅ×％（ＣａＯ）_{ｃｏｋｅ．ａｓｈ}×０．５＋ＦＬＲ×％（ＣａＯ）_ｆｌｕｘ］／［ＰＣＲ×Ａ_ｐｃ×％（ＳｉＯ_２）_{ｐｃ．ａｓｈ}＋ＣＲ×Ａ_ｃｏｋｅ×％（ＳｉＯ_２）_{ｃｏｋｅ．ａｓｈ}×０．５＋ＦＬＲ×％（ＳｉＯ_２）_ｆｌｕｘ］ … 式（２）

したがって、レースウェイ内部で燃焼するコークス灰分の寄与を適正に考慮した上記式（２）で計算された羽口前スラグ塩基度（Ｃ／Ｓ）_ｓｌａｇに基づいて、塩基性フラックスの吹込み量を調整することで、上記従来法に比べて、より確実にレースウェイ深度を最大化でき、炉内通気性を最も高くすることができることとなる。

上記知見に基づいて完成した発明は、以下のとおりである。

請求項１に記載の発明は、高炉羽口から微粉炭とともに塩基性フラックスを吹き込み、微粉炭灰分によりレースウェイ奥に生成する高融点のスラグ層（通称鳥の巣）の成長を抑制し、微粉炭吹き込み時の炉内通気性を改善する高炉操業方法であって、下記式で定義される羽口前スラグ塩基度（Ｃ／Ｓ）_ｓｌａｇに基づいて前記塩基性フラックスの吹き込み量を調整することを特徴とする粉体複合吹き込み高炉操業方法である。
式 （Ｃ／Ｓ）_ｓｌａｇ＝［ＰＣＲ×Ａ_ｐｃ×％（ＣａＯ）_{ｐｃ．ａｓｈ}＋ＣＲ×Ａ_ｃｏｋｅ×％（ＣａＯ）_{ｃｏｋｅ．ａｓｈ}×０．５＋ＦＬＲ×％（ＣａＯ）_ｆｌｕｘ］／［ＰＣＲ×Ａ_ｐｃ×％（ＳｉＯ_２）_{ｐｃ．ａｓｈ}＋ＣＲ×Ａ_ｃｏｋｅ×％（ＳｉＯ_２）_{ｃｏｋｅ．ａｓｈ}×０．５＋ＦＬＲ×％（ＳｉＯ_２）_ｆｌｕｘ］
ここに、ＰＣＲ：微粉炭比（ｋｇ／ｔ−ｐｉｇ）、ＣＲ：コークス比（ｋｇ／ｔ−ｐｉｇ）、ＦＬＲ：塩基性フラックス比（ｋｇ／ｔ−ｐｉｇ）、Ａ_ｐｃ：微粉炭中の灰分含有量（質量％）、Ａ_ｃｏｋｅ：コークス中の灰分含有量（質量％）、％（ＣａＯ）_{ｐｃ．ａｓｈ}：微粉炭灰分中のＣａＯ含有量（質量％）、％（ＣａＯ）_{ｃｏｋｅ．ａｓｈ}：コークス灰分中のＣａＯ含有量（質量％）、％（ＣａＯ）_ｆｌｕｘ：塩基性フラックス中のＣａＯ含有量（質量％）、％（ＳｉＯ_２）_{ｐｃ．ａｓｈ}：微粉炭灰分中のＳｉＯ_２含有量（質量％）、％（ＳｉＯ_２）_{ｃｏｋｅ．ａｓｈ}：コークス灰分中のＳｉＯ_２含有量（質量％）、％（ＳｉＯ_２）_ｆｌｕｘ：塩基性フラックス中のＳｉＯ_２含有量（質量％）である。

請求項２に記載の発明は、前記羽口前スラグ塩基度（Ｃ／Ｓ）_ｓｌａｇが、０．３〜０．９の範囲内の値になるように、前記塩基性フラックスの吹き込み量を調整する請求項１に記載の粉体複合吹き込み高炉操業方法である。

本発明によれば、高炉羽口から微粉炭とともに塩基性フラックスを吹き込むことにより炉内通気性を改善する粉体複合吹き込み高炉操業方法において、レースウェイ内部で燃焼するコークス灰分の寄与を考慮した羽口前スラグ塩基度（Ｃ／Ｓ）_ｓｌａｇの推定式を用いることで、微粉炭比のレベルに関わらずに、塩基性フラックスの吹込み量を最適な範囲に設定することが可能となり、最良な炉内通気状態を確保できるようになった。

本発明は、高炉羽口から微粉炭とともに塩基性フラックスを吹き込み、微粉炭灰分によりレースウェイ奥に生成する高融点のスラグ層（通称鳥の巣）の成長を抑制し、微粉炭吹き込み時の炉内通気性を改善しようとする高炉操業に適用され、下記に再掲する式（２）で定義される羽口前スラグ塩基度（Ｃ／Ｓ）_ｓｌａｇに基づいて前記塩基性フラックスの吹き込み量を調整することを特徴とする。

（Ｃ／Ｓ）_ｓｌａｇ＝［ＰＣＲ×Ａ_ｐｃ×％（ＣａＯ）_{ｐｃ．ａｓｈ}＋ＣＲ×Ａ_ｃｏｋｅ×％（ＣａＯ）_{ｃｏｋｅ．ａｓｈ}×０．５＋ＦＬＲ×％（ＣａＯ）_ｆｌｕｘ］／［ＰＣＲ×Ａ_ｐｃ×％（ＳｉＯ_２）_{ｐｃ．ａｓｈ}＋ＣＲ×Ａ_ｃｏｋｅ×％（ＳｉＯ_２）_{ｃｏｋｅ．ａｓｈ}×０．５＋ＦＬＲ×％（ＳｉＯ_２）_ｆｌｕｘ］ … 再掲式（２）

塩基性フラックスとしては、微粉炭灰分およびコークス灰分がＳｉＯ_２成分を高濃度に含有することから、羽口前スラグ塩基度（Ｃ／Ｓ）_ｓｌａｇを所定範囲に維持するため、ＣａＯ成分を高濃度に含有するものが好ましく、石灰石、生石灰、転炉スラグなどを用いることができるが、コスト面から、石灰石および転炉スラグが特に好適である。

また、塩基性フラックスは、レースウェイ内で極短時間に、微粉炭灰分およびコークス灰分と同化しスラグ化する必要があることから、微粉状であることが好ましく、例えば、微粉炭と混合してから一緒に粉砕して使用したり、微粉炭と別々に粉砕して別個の吹込みランスで同時に吹き込むこともできる。

羽口前スラグ塩基度（Ｃ／Ｓ）_ｓｌａｇは、０．３〜０．９の範囲内の値となるように、微粉炭比およびコークス比、ならびに、微粉炭およびコークスの成分組成に応じて、塩基性フラックスの吹き込み量を調整するのが望ましい。図１に示すように、羽口前スラグ塩基度（Ｃ／Ｓ）_ｓｌａｇをこの範囲内の値とすることで、同化溶融温度は約１２７０℃以下となるので、レースウェイ内部温度（約１７００℃）にて塩基性フラックスは微粉炭灰分およびコークス灰分と容易に同化して溶融し低融点の羽口前スラグが形成される。より望ましい羽口前スラグ塩基度（Ｃ／Ｓ）_slagの範囲は、０．５〜０．８である。

微粉炭吹き込み操業を行っている実機高炉（内容積１８４５ｍ^３）にて１本の羽口を用い、塩基性フラックスとして石灰石粉を吹き込む試験を行った。試験条件としては、微粉炭比が０ｋｇ／ｔ−ｐｉｇ（オールコークス操業に相当）および８５ｋｇ／ｔ−ｐｉｇ（微粉炭吹込み操業に相当）の各条件下で、石灰石粉の吹き込み量を０〜４５ｋｇ／ｔ−ｐｉｇの範囲で種々変化させた条件とした。なお、微粉炭比が０ｋｇ／ｔ−ｐｉｇの試験は、当該羽口への微粉炭の供給だけを停止して行ったものである。そして、各条件下にて、マイクロ波を用いた測定方法（特開２００５−９７７３８号公報参照）を用いてレースウェイ深度を測定した。

そして、上記各試験条件ごとに、上記式（２）にて羽口前スラグ塩基度（Ｃ／Ｓ）_ｓｌａｇを計算するとともに、レースウェイ深度の伸長度合いを計算し、これら羽口前塩基度（Ｃ／Ｓ）_ｓｌａｇとレースウェイ深度の伸長度合いとの関係を図２に示した。ここに、レースウェイ深度の伸長度合いとは、石灰石粉を吹き込んでいないときのレースウェイ深度を基準（＝０ｍ）として、石灰石吹込み時のレースウェイ深度が基準のレースウェイ深度からどれだけ深くなったかを示すものである。

同図に示すように、微粉炭比のレベルが大きく異なるにも関わらず、いずれの微粉炭比レベルの場合にも、羽口前スラグ塩基度（Ｃ／Ｓ）_ｓｌａｇが約０．６のときにレースウェイ深度の伸長度合いがほぼ最大となり、羽口前スラグ塩基度（Ｃ／Ｓ）_ｓｌａｇが０．３〜０．９、さらに０．５〜０．８の範囲内にあるときにレースウェイ深度が明確に伸長されることがわかる。

微粉炭灰分と塩基性フラックスの混合粉の塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ_２）と同化溶融温度との関係を示すグラフ図である。 羽口前スラグ塩基度（Ｃ／Ｓ）_ｓｌａｇとレースウェイ深度の伸長度合いとの関係を示すグラフ図である。

Claims (2)

1. 高炉羽口から微粉炭とともに塩基性フラックスを吹き込み、微粉炭灰分によりレースウェイ奥に生成する高融点のスラグ層（通称鳥の巣）の成長を抑制し、微粉炭吹き込み時の炉内通気性を改善する高炉操業方法であって、
   下記式で定義される羽口前スラグ塩基度（Ｃ／Ｓ）_ｓｌａｇに基づいて前記塩基性フラックスの吹き込み量を調整することを特徴とする粉体複合吹き込み高炉操業方法。
   式 （Ｃ／Ｓ）_ｓｌａｇ＝［ＰＣＲ×Ａ_ｐｃ×％（ＣａＯ）_{ｐｃ．ａｓｈ}＋ＣＲ×Ａ_ｃｏｋｅ×％（ＣａＯ）_{ｃｏｋｅ．ａｓｈ}×０．５＋ＦＬＲ×％（ＣａＯ）_ｆｌｕｘ］／［ＰＣＲ×Ａ_ｐｃ×％（ＳｉＯ_２）_{ｐｃ．ａｓｈ}＋ＣＲ×Ａ_ｃｏｋｅ×％（ＳｉＯ_２）_{ｃｏｋｅ．ａｓｈ}×０．５＋ＦＬＲ×％（ＳｉＯ_２）_ｆｌｕｘ］
   ここに、ＰＣＲ：微粉炭比（ｋｇ／ｔ−ｐｉｇ）、ＣＲ：コークス比（ｋｇ／ｔ−ｐｉｇ）、ＦＬＲ：塩基性フラックス比（ｋｇ／ｔ−ｐｉｇ）、Ａ_ｐｃ：微粉炭中の灰分含有量（質量％）、Ａ_ｃｏｋｅ：コークス中の灰分含有量（質量％）、％（ＣａＯ）_{ｐｃ．ａｓｈ}：微粉炭灰分中のＣａＯ含有量（質量％）、％（ＣａＯ）_{ｃｏｋｅ．ａｓｈ}：コークス灰分中のＣａＯ含有量（質量％）、％（ＣａＯ）_ｆｌｕｘ：塩基性フラックス中のＣａＯ含有量（質量％）、％（ＳｉＯ_２）_{ｐｃ．ａｓｈ}：微粉炭灰分中のＳｉＯ_２含有量（質量％）、％（ＳｉＯ_２）_{ｃｏｋｅ．ａｓｈ}：コークス灰分中のＳｉＯ_２含有量（質量％）、％（ＳｉＯ_２）_ｆｌｕｘ：塩基性フラックス中のＳｉＯ_２含有量（質量％）である。
2. 前記羽口前スラグ塩基度（Ｃ／Ｓ）_ｓｌａｇが、０．３〜０．９の範囲内の値になるように、前記塩基性フラックスの吹き込み量を調整する請求項１に記載の粉体複合吹き込み高炉操業方法。

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