JP4998692B2

JP4998692B2 - フェロコークス使用時の高炉操業方法

Info

Publication number: JP4998692B2
Application number: JP2006296061A
Authority: JP
Inventors: 健佐藤; 史朗渡壁; 純石井
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2006-10-31
Filing date: 2006-10-31
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2026-10-31
Also published as: JP2008111176A

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、フェロコークス使用時の高炉操業方法に関する。

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２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。熱流比を０．８７一定とし、熱保存帯温度を変化させた場合の、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。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、炉上部のガス温度が低下する。

一方、炉上部、特に炉周辺部の温度が低下すると、高炉の安定操業が阻害される場合がある。非特許文献２には炉上部周辺領域の温度低下に伴ってスリップが増加した事例が報告されており、この理由として温度低下に伴う炉壁近傍でのガス相からの亜鉛の析出を挙げている。この例のように、周辺部の温度低下は操業不調を招く場合があるが、前述のように、フェロコークス使用で炉上部の温度が低下した場合、この現象が顕著化し操業不調を招く可能性がある。
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「鉄と鋼」６８１９８２年、ｐ．２８２

通常の高炉操業では、炉壁部の温度低下により操業不調が認められた場合には、相対的に周辺部のガス流量を増加させ、周辺部の温度低下を防ぐ手段が採用される。これは、周辺部のみ選択的に熱流比を下げる操作である。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、炉上部の熱交換における入口ガス温度自体が低下するので、熱流比の調整では対応できない場合が生じる。図３は、熱保存帯温度及び熱流比が変化した際の炉内ガス温度分布である。熱保存帯温度９５０℃、熱流比０．８７の条件をフェロコークス未使用時のベース条件（図３において点線で示す。）とした場合、熱保存帯温度が７５０℃に低下した状態では、熱流比を低下させてもベース状態の炉上部ガス温度（例えば、炉頂部より５．５ｍ下付近の温度を８００℃に管理する等）を確保するのは不可能であることがわかる。

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、炉上部、及び炉周辺部温度の低下を抑制することのできるフェロコークス使用時の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）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の際に、炉壁に近い炉周辺部に鉄原料のみを装入し、他の領域には鉄原料とフェロコークスの混合物を装入することを特徴とするフェロコークス使用時の高炉操業方法。
（２）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の際に、装入原料全体でのフェロコークスの平均混合比（質量比）に対してフェロコークスの混合比（質量比）が前記平均混合比の５０％以下の原料を、炉壁に近い炉周辺部に装入し、他の領域にはフェロコークスの混合比（質量比）が前記平均混合比より多い鉄原料とフェロコークスの混合物を装入することを特徴とするフェロコークス使用時の高炉操業方法。
（３）炉周辺部として、炉軸芯からの無次元半径で０．９〜１．０の範囲に限定して装入することを特徴とする（１）または（２）に記載のフェロコークス使用時の高炉操業方法。

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に当たって、本発明に係わるフェロコークス使用時の高炉操業方法を採用すると、フェロコークス使用時の熱保存帯温度低下の影響が炉壁に近い炉周辺部に直に影響を及ぼすことを軽減でき、炉周辺部及び炉上部の温度低下を軽減することが可能となり、炉壁付着物生成等、高炉操業の不安定状況を炉況に影響されることなく、確実に減らすことができる。

従って、本発明によれば、フェロコークス使用であっても、高炉操業は安定化が図られ、熱保存帯温度低下に伴う、炉壁付着物生成阻止が実現できる為、炉壁への付着物除去のためのクリーニング操業などを減少できるので、高出銑比操業を長く継続することができる。また、本発明によれば、意図的な高炉の操業変更を伴うことなく付着物減少操業を行うことができるので、高炉の安定操業に資することができ、ＣＯ₂量の削減にも寄与できる。

上記のように、高炉の操業において、高炉装入原料の一部として高反応性コークスであるフェロコークスを使用すると、コークスガス化反応の高速化により熱保存帯温度が低下することで、炉頂温度が低下し、かつ炉壁温度も低下する。そして、特に炉壁温度の低下は、炉壁付着物生成等の高炉操業上のトラブルを引き起こしやすい問題が発生する。

この間題に対処するため、本発明者らは、炉内付着物が生成する領域である、炉壁に近い炉周辺温度に着目し、この炉周辺温度を維持して高炉操業を行なう操業方法について検討した。その結果、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の際に、フェロコークスを含む原料については、炉壁に近い炉周辺部に装入すべきではないとして、炉周辺部には、フェロコークスの装入量の少ない原料、または、フェロコークスを含まない原料が分布するように原料の装入を行いこれを解決するようにしたものである。

すなわち、本発明において、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の際に、前記炉壁に近い炉周辺部分は、フェロコークスを含まない原料が分布する堆積層を形成させ、前記炉壁に近い炉周辺部分において、コークスガス化反応の高速化に伴う弊害をなくすことを狙ったものである。フェロコークスを全く含まない原料を炉周辺部に堆積させることが困難な場合は、他の部分に比較してフェロコークスの混合量の少ない原料を炉周辺部に装入する。一方で、フェロコークスは、できうる限り炉周辺部を除く炉の中間部の領域に分布するように装入する。

また、前記炉壁に近い炉周辺部とは、炉軸芯からの無次元半径（炉の半径Ｒに対して半径ｒの位置の場合、ｒ／Ｒで定義する。）で０．９０〜１．０の範囲とすることが好ましい。高炉では横断面方向での圧力分布がほとんどないことから、炉半径方向でのガスの流れはなく、そのため各半径位置の熱保存帯を通過した炉内ガスは、同じ半径位置を維持したまま炉内を炉頂に向かって上昇することになる。従って、無次元半径（ｒ／Ｒ）で０．９０以上の炉周辺部にフェロコークスを含まない原料を装入した場合、その半径位置では熱保存帯温度が低下しないため、炉上部のガス−固体間の熱交換においてフェロコークス未使用時と同じ入り側のガス温度条件となる。すなわち、炉壁・炉壁に近い炉周辺部でフェロコークスの装入量の無い原料部位の熱保存帯を通過した炉内ガスは、炉周辺部を除く炉の中間部の領域におけるガスより高温となって、炉壁部分を温度低下から保護するように作用する。

そのために、本発明においては無次元半径（ｒ／Ｒ）で０．９０〜１．０の範囲を、当該領域に限定して装入したフェロコークスを含まない原料、または、フェロコークスの装入量の少ない原料で充填するのである。０．９未満〜１．０の範囲とすることもできるが、フェロコークスを装入しない炉周辺部の領域をあまりに広範囲とすると、フェロコークスが半径方向で限定された箇所に偏析した状態となり、焼結鉱の還元促進効果を享受できる領域が狭まり、還元材比が上昇するため好ましくない。これを勘案すると、無次元半径（ｒ／Ｒ）で０．９以上の領域に本発明を適用するのが望ましい。

また、無次元半径（ｒ／Ｒ）で０．９０以上の炉周辺部にフェロコークスの装入量の少ない原料を装入した場合、その半径位置では熱保存帯温度が低下するものの、温度低下が抑制される。この場合、同時に装入物分布制御による周辺部の熱流比低下を併用することにより、炉壁部分の温度状態をフェロコークス未使用時と同等に制御できる。炉周辺部において、その他の部分よりもフェロコークスの装入量を相対的に少なくするだけでも効果があるが、炉壁の温度低下を十分に防止するためには、炉壁部分のフェロコークス混合量は、炉全体でのフェロコークスの平均混合量の５０％以下とすることが好ましい。

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（Ｃａｓｅ１〜３）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。

図４に、各ケースにおける炉頂部の装入物堆積状況の模式図を示す。ベース条件は、図４（ａ）に示す通常の室炉コークス１０と焼結鉱、ペレット、塊鉱からなる鉄原料１１の交互装入である。Ｃａｓｅ１は、図４（ｂ）に示すように室炉コークス１０と鉄原料とフェロコークスの混合物１２の交互装入である。フェロコークスは鉄原料と均一に混合して使用した。Ｃａｓｅ２は、図４（ｃ）に示すように室炉コークス１０と鉄原料とフェロコークスの混合物１３の交互装入であるが、炉周辺部では鉄原料とフェロコークスの混合物の替わりに鉄原料１１を装入している。すなわち、Ｃａｓｅ１と全体としてのフェロコークスの装入量は同じであるが、炉周辺部にはフェロコークスを装入しない条件である。Ｃａｓｅ３は、図４（ｄ）に示すように室炉コークス１０と鉄原料とフェロコークスの混合物１４の交互装入であるが、Ｃａｓｅ１よりもフェロコークスの混合比を高めた鉄原料とフェロコークスの混合物１４を装入し、炉周辺部ではＣａｓｅ１よりもフェロコークスの混合比を低めた鉄原料とフェロコークスの混合物１５を装入している。すなわち、Ｃａｓｅ１とフェロコークスの装入量は同じであるが、炉周辺部のフェロコークスの装入量の少ない条件である。１６は炉壁である。

表１にベース条件およびＣａｓｅ１〜３の高炉操業結果を示す。周辺部の熱保存帯温度と、ダスト中の亜鉛濃度（ｍａｓｓ％）を測定した。熱保存帯温度は、無次元半径０．９５の位置に炉頂から装入した垂直ゾンデで測定した。尚、周辺フェロコークス比とは、炉の半径方向全体が、周辺部と同じ装入状態だった場合のフェロコークス比であり、炉周辺部に装入される鉄原料とフェロコークスの混合物におけるフェロコークスの混合量を示している。例えば、図４におけるＣａｓｅ２では、周辺部には鉄原料のみを、他の領域には鉄原料とフェロコークスの混合物をそれぞれ別バッチで装入する場合（炉周辺部フェロコークス比＝０）、Ｃａｓｅ３では、周辺部とその他の領域で鉄原料に対するフェロコークスの混合量に差をつけ、周辺部のフェロコークス比＜炉全体のフェロコークス比＜周辺部以外のフェロコークス比となる。

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、室炉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。周辺部の熱保存帯温度が８５０℃に低下し、ダストに含まれる亜鉛含有量が低下するとともに、スリップが多発したため、同条件での操業の継続が困難であった。

これに対し、フェロコークスを混合しない鉄原料を周辺部に装入し、他の領域には、フェロコークスと鉄原料とを均一混合した装入物を堆積させたＣａｓｅ２では、周辺部の熱保存帯温度がベースと同じになり、操業が安定し、室炉コークス比を低減した操業の継続が可能であった。この場合、フェロコークスを混合しない鉄原料の存在領域は無次元半径で０．８〜１．０であったが、フェロコークスを混合しない鉄原料のみが存在する領域は無次元半径で０．９〜１．０であった。

また、フェロコークスの混合比率を平均値より低下させた条件の鉄原料+フェロコークスを周辺部に装入し、他の領域には、フェロコークスの混合比を平均値より増加させた鉄原料+フェロコークスを堆積させたＣａｓｅ３では、周辺部の熱保存帯温度がベースより低下したものの、同時に周辺部に装入される室炉コークス量をベルレスパターンの変更で増加させ、周辺部熱流比の低下を図ったため、操業が安定し、室炉コークス比を低減した状態の継続が可能であった。この場合、鉄原料とフェロコークスの混合物１５の存在領域は無次元半径で０．８〜１．０であったが、鉄原料とフェロコークスの混合物１５のみが存在する領域は無次元半径で０．９〜１．０であった。

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。熱保存帯温度を変化させた場合の、ガス温度の炉内分布を示すグラフ。熱保存帯温度及び熱流比が変化した際の炉内ガス温度分布を示すグラフ。操業試験における炉頂部の装入物堆積状況の模式図。

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
１０室炉コークス
１１鉄原料
１２鉄原料とフェロコークスの混合物
１３鉄原料とフェロコークスの混合物
１４鉄原料とフェロコークスの混合物
１５鉄原料とフェロコークスの混合物
１６炉壁

Claims

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の際に、炉壁に近い炉周辺部に鉄原料のみを装入し、他の領域には鉄原料とフェロコークスの混合物を装入することを特徴とするフェロコークス使用時の高炉操業方法。
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の際に、装入原料全体でのフェロコークスの平均混合比（質量比）に対してフェロコークスの混合比（質量比）が前記平均混合比の５０％以下の原料を、炉壁に近い炉周辺部に装入し、他の領域にはフェロコークスの混合比（質量比）が前記平均混合比より多い鉄原料とフェロコークスの混合物を装入することを特徴とするフェロコークス使用時の高炉操業方法。
炉周辺部として、炉軸芯からの無次元半径で０．９〜１．０の範囲に限定して装入することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のフェロコークス使用時の高炉操業方法。