JP5203789B2

JP5203789B2 - 高炉炉頂ガス温度の制御方法

Info

Publication number: JP5203789B2
Application number: JP2008108215A
Authority: JP
Inventors: 山口　　泰弘; 昭洋西口; 一也宮川
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2008-04-17
Filing date: 2008-04-17
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2028-04-17
Also published as: JP2009256737A

Description

この発明は、高炉の炉内に装入するペレット原料の水分量や配合率を調節することにより、炉頂ガス温度を低下させる高炉炉頂ガス温度の制御方法に関する。

近年、高炉操業においては、溶銑コスト低減のため、安価な補助燃料として微粉炭を使用する微粉炭吹き込み操業が行なわれている。微粉炭吹込み操業を行なう場合には、燃料比（＝コークス比＋微粉炭（補助燃料）比）を維持するために、炉頂から装入するコークス量を減少させる必要があり、それに伴って、炉頂からの固体の装入量が減少することから、熱流比［＝（固体の熱容量）／（気体の熱容量）］が低下し、炉頂ガス温度が上昇する。この炉頂ガス温度の上昇は、原料装入装置などの炉頂設備を損傷する原因の一つとなっている。通常、炉頂ガス温度を低下させるために、炉頂部に設置されたノズルから高炉内への散水が行なわれる。しかし、この散水により炉頂ガス温度を低下させる方法は、炉頂ガスの集塵装置として乾式集塵機を用いる場合には、集塵機内に結露等の弊害をもたらすため、好ましくない。

このような弊害を伴わずに、炉頂ガス温度を低下させるために、例えば、特許文献１では、乾式集塵装置を備えた高炉に乾コークスと湿コークスとを装入しつつ操業するに際して、湿コークスの炉半径方向の装入位置や装入割合を調整することにより、炉頂ガス温度が予め設定した温度範囲内になるようにする湿コークスの装入方法が開示されている。また、特許文献２では、熱流比が０．８０以下の高炉の操業方法において、結晶水含有量が３．５ｗｔ％以上の高結晶水の塊鉱石を、主原料の一部として、炉内で結晶水が分離されるときに鉱石が崩壊しても通気性を阻害しない粒径構成と配合割合を選定して、炉内へ直接装入することにより、炉頂ガスの平均温度を下げるようにした高炉の操業方法が開示されている。
特開２００１−１５８９０５号公報特開２０００−１４４２１９号公報

しかし、特許文献１に開示された湿コークスの装入方法では、湿コークスによる持ち込み粉が高炉内の通気性を悪化させる可能性があり、高炉を安定かつ経済的に操業できなくなる虞がある。また、特許文献２に開示された高炉の操業方法では、鉄鉱石原料の調達が制約されており、高結晶水塊鉱石の配合割合の自由度が小さいため、炉頂ガス温度の制御範囲が狭いという問題がある。

そこで、この発明の課題は、高炉の安定操業を阻害せず、炉頂ガス温度をより広い範囲で制御できる、簡便かつ経済的な高炉炉頂ガス温度の制御方法を提供することである。

前記の課題を解決するために、この発明では以下の構成を採用したのである。

請求項１に係る高炉炉頂ガス温度の制御方法は、高炉の炉頂から排出されるガスの温度を、装入鉄原料として水分を含有するペレットを配合することにより適正温度範囲に制御する高炉炉頂ガス温度の制御方法であって、前記ペレットが、造粒・焼成後に原料ヤードに貯蔵され、散水処理されたヤードペレットであり、その平均粒径が１０ｍｍ〜１５ｍｍの範囲にあり、かつその含水率が２％〜７％の範囲にあって、このヤードペレットを、装入鉄原料として少なくとも１０質量％以上配合することを特徴とする。

造粒・焼成後に原料ヤードに貯蔵されたペレット（ヤードペレット）は、煤塵防止の環境面から、例えば、２時間に１回程度の頻度で散水処理がなされる。高炉への装入鉄原料として、原料鉄鉱石を粉砕した微粉鉱石にバインダなどの副原料を加えて造粒・焼成されたペレットには、気孔率で２５％程度の気孔が存在しているため、前記散水処理により含水し、通常の原料ヤード貯蔵で、含水率は数％に達し、造粒・焼成後、原料ヤードに貯蔵されずに高炉へ装入される直送ペレットや焼結鉱などの、含水率が２％未満の他の装入鉄原料よりも多量の水分を含有している。また、ヤードペレットは、直送ペレットに比べて顕熱が少ない。さらに、ヤードペレットを一定の割合以上に配合した鉄原料の安息角は、後述するように、ペレットの含水率が高くなるにつれて大きくなる。したがって、水分を含むと、転がりやすいというペレット形状の弱点が緩和される。このため、高炉内に装入された、前記ヤードペレットを一定割合以上配合された前記鉄原料は、炉内の周辺部すなわち内壁側に堆積しやすく、それによって炉中心部の鉄原料の装入密度が低くなるため、炉中心部の通気性が阻害されず、高炉の安定かつ経済的な操業に寄与できる。これらのことから、ヤードペレットを一定の割合以上、すなわち少なくとも１０％以上配合した鉄原料を炉内に装入すると、ペレットの含有水分の気化熱が多く、ヤードペレット自体の顕熱は少なく、炉内の通気性が阻害されないため、炉頂ガスの温度を、操業上の弊害を伴わずに、簡便かつ効果的に低下させることができる。なお、炉頂ガス温度の適正温度範囲として、１２０℃〜２００℃の範囲を設定することができる。炉頂ガス温度が２００℃を超えると、前述のように、原料装入装置などの炉頂設備を損傷する原因の一つとなり、また、１２０℃未満では、乾式集塵機内の結露等の弊害を伴ない、いずれも好ましくないためである。また、前記ヤードペレットは、原料ヤードでの散水処理のほかに、高炉装入に備えての貯鉱槽への入槽前にも、ペレット外表面の粉成分を除去するために散水処理される。このため、ヤードペレットの含水率は、原料ヤードに貯蔵されていた間の天候の影響を受けず、主にペレットの気孔率および気孔径によって決まる。したがって、安定した工程能力で製造されたヤードペレットの含水率は、後述するように、例えば、５〜７％と狭い範囲に収まる。但し、この含水率の大きさそのものは、ペレットの製造工程によって異なる。

図１は、出銑比約2.2t/dayで操業中の実機高炉において測定した、装入鉄原料におけるヤードペレットの配合率Ｐｄと炉頂ガス温度との関係を示したものである。すなわち、平均粒径１０〜１３ｍｍに造粒・焼成後に原料ヤードに貯蔵され、２時間に１回程度の頻度で、流量密度が約０．０２ｍ^３／ｈ／ｍ^２で1回あたり約1分の散水処理を受けた含水率が５〜７％のヤードペレットを各一定割合配合した鉄原料、およびコークス、微粉炭等の所要の副原料を装入し、羽口から熱風を吹き込んで操業しているときに、炉頂に設置した温度計により、炉頂ガス温度Ｔｇを実測した結果を、ヤードペレットの配合率Ｐｄに対してプロットしたものである。炉頂ガス温度Ｔｇは、ヤードペレットの配合率Ｐｄの増加とともに低下する傾向が認められ、配合率が１０％以上になると、炉頂ガス温度が上限値２００℃以下に抑制できることがわかる。また、図中に示した回帰式を用いると、炉頂ガス温度を下限値１２０℃以上とするためのヤードペレット配合率の上限は約７０％と算出することができる。一方、図２は、装入鉄原料として、ヤ−ドペレットを３７mass％配合した場合において、ヤードペレットの水分すなわち含水率Ｐｗを変化させた場合の安息角θｒを測定した結果を示したものである。含水率Ｐｗが大きくなるほど、安息角θｒも大きくなることが明瞭に認められる。このことは、前述したように、ペレットは形状としては転がりやすい鉄原料であるが、含水率Ｐｗが高くなるにつれて、その弱点が緩和されることを示している。

本発明による高炉炉頂ガス温度の制御方法においては、前記ヤードペレットの平均粒径が１０ｍｍ〜１５ｍｍの範囲にあり、かつその含水率が２％〜７％の範囲にあることを特徴とする。

一般に、ペレット粒径は、１５ｍｍを超えると、比表面積（単位重量あたりの表面積）が小さくなってきて還元反応の効率が低下し、また、１０ｍｍ未満では、通気性が低下し、いずれも好ましくない。ヤードペレットは、ヤード焼結鉱に比べて、ハンドリングによる粒径低下を生じにくく、平均粒径を１０ｍｍ以上に形成（造粒・焼成）しておけば、炉内の通気性を阻害することはない。また、含水率が７％を超えて多くなると、ヤードペレットの配合率の変化によって炉頂ガス温度が変動しやすくなり、含水率が２％未満では炉頂ガス温度の低下に及ぼす影響が小さくなって、いずれも好ましくない。含水率の推奨範囲は５〜７％である。なお、含水率がこの推奨範囲よりも少ないヤードペレットを配合する場合には、炉頂ガス温度の実測値に基づいて、ヤードペレットの配合率を増加させることにより、炉頂ガス温度を適正範囲に制御することが可能である。

この発明では、高炉の炉頂から排出されるガスの温度を、装入鉄原料として含水率が高くかつ顕熱が少なく、安息角が大きいヤードペレットを一定の割合以上配合するようにしたので、炉内に装入されたときに、ヤードペレットの含有水分の気化熱が多く、また炉内の通気性が阻害されないため、炉頂ガスの温度を、製鉄のトータル消費エネルギの上昇を伴わずに簡便かつ効果的に低下させることができる。それによって、炉頂設備の損傷や乾式集塵機内の結露等の操業上の弊害を確実に防止することができる。

以下に、この発明の実施形態を、実施例を交えて説明する。

本発明で使用するヤードペレット、すなわち原料ヤードに一旦貯蔵され、散水処理された後、鉄原料として高炉に装入されるペレットは、一般的な製造工程である、生ペレットの造粒工程、乾燥・予熱工程、焼成工程および冷却工程により製造することができる。一例を挙げると、生ペレットの造粒工程では、原料鉄鉱石の選鉱および粉砕により、平均粒径が５０μｍ程度にした微粉鉄鉱石と、この微粉鉄鉱石と同等以下に微粉砕した石灰石やドロマイトなどの副原料、造粒効率を上げるためにベントナイトや消石灰などのバインダを添加して混合した後、必要に応じて造粒水を加えて、ディスク型ペレタイザなどの造粒機で、粒径が１０〜１５ｍｍ程度の球状の生ペレットを製造する。次に、この生ペレットを、エンドレスに移動するトラベリンググレート上に所要の厚さで層状に積載し、この移動するペレット層に、１８０〜２５０℃程度のガスを流通させて生ペレットから造粒水分を除去した後、２５０〜４００℃のガスを流通させて鉱石中の結晶水を離水させ、最後に予熱工程で１０００〜１１００℃程度の高温ガスを流通させて予熱して、ペレット強度を所定のレベルにまで高める。そして、焼成工程では、この予熱ペレットをロータリーキルンなどの焼成設備に装入し、１２５０〜１３５０℃の温度域に加熱して圧潰強度を高める。次いで、風冷などの冷却設備に装入して冷却し、高炉への装入鉄原料としての焼成ペレットが得られる。なお、本発明に使用するヤードペレットは、必ずしも上記の製造方法に限定されるものではない。

焼成後に高炉へ直接搬送される直送ペレットを除いて、前記焼成ペレットは、高炉への装入スケジュールに応じて、原料ヤードに、通常、錐体状に山積みして貯蔵される。この貯蔵期間中に、煤塵防止などの環境対策のために、通常、１回／２時間程度の頻度で、例えば、０．０２ｍ^３／ｈ／ｍ^２程度の流量密度の散水処理が、山積みされたペレットすなわちヤードペレットに施される。このヤードペレットには、一定割合（通常、気孔率２５％程度）の気孔が存在するため、前記散水処理により、ヤードペレット中の含水率は、直送ペレットに比べて増加する。例えば、気孔率が２５％程度の場合、含水率は２％以上、特にグレートキルン方式で製造されたペレットは表面が緻密なため保水性が高く、５〜７％程度にまで増加する。また、ヤードペレットは、前記散水処理により冷却されるため、直送ペレットに比べて、顕熱は少ない。さらに、図２に示したように、含水率Ｐｗの増加に伴い、安息角θｒは大きくなるため、ヤードペレットを一定割合以上配合した鉄原料を炉頂部から高炉内に装入すると、炉内の周辺部すなわち内壁側に堆積しやすく、炉中心部の鉄原料の装入密度が低くなるため、炉中心部の通気性が阻害されない。このような特性を有するヤードペレットを装入鉄原料として一定の割合以上に配合することにより、前述のように、炉頂ガスの温度を、製鉄のトータル消費エネルギの上昇を伴わずに、簡便かつ効果的に低下させることができる。

表１に、高炉操業（出銑比2.17t/day〜2.34t/day）における実施例（No.1,No.2,No.4.No.5,No.6）および比較例（No.3）の操業データ（諸元）を示す。実施例No.1,No.2および比較例No.3ともに、装入鉄原料中のペレット比率は約３０％であるが、ヤードペレット（平均粒径：１０〜１３ｍｍ、含水率：５〜７％）の配合率は、実施例No.1では２３．２％（直送ペレット６．８％）、実施例No.2では全部がヤードペレットの３０％（直送ペレット０％）であり、比較例No.3では、５％（直送ペレット２５％）である。まず、比較例No.3のヤードペレット配合率５％で操業データ（炉頂ガス温度および炉内圧力）を採取し、次いで、この比較例No.3の配合率２５％の直送ペレットを順次ヤードペレットに振り替えて、ヤードペレット配合率２３．２％で実施例No.1の操業データを採取し、さらにヤードペレットへの振り替え量を増加させて、配合率３０％（全量振り替え）で実施例No.2の操業データを採取した。この直送ペレットのヤードペレットへの振り替えの過程で、炉頂ガス温度が低下し始め、表１に示したように、炉頂ガス温度は、実施例No.1の配合率２３．２％まで振り替えた時点で、配合率５％の比較例No.3の２０１℃から、１９２℃まで低下し、さらに、実施例No.2の配合率３０％（全量）まで振り替えた時点で、１８１℃まで低下している。このように、ヤードペレットの配合率を高めることが、炉頂ガス温度の低下に有効であることを確認した。一方、炉内圧損についても、比較例No.3の２．００ｋｇ／ｃｍ^２から、実施例No.1では１．９９ｋｇ／ｃｍ^２、実施例No。2では１．９８ｋｇ／ｃｍ^２と改善される傾向が認められ、ヤードペレットの配合率を高めることは、炉内の通気性を阻害しないことを確認した。なお、１ｋｇ／ｃｍ^２（１ｋｇｆ／ｃｍ ^２）＝９８０６６．５Ｐａである。

また、実施例No.4、No.5およびNo.6では、装入鉄原料中のペレット配合率はいずれも３１％であるが、ヤードペレットの配合率は、実施例No.4では２４．０％（直送ペレット７％）、実施例5では全部がヤードペレットの３１％（直送ペレット０％）であり、実施例No.6では、１６．５％（直送ペレット１４．５％）である。操業データ（炉頂ガス温度および炉内圧力）は、まず、実施例No.6のヤードペレット配合率１４．５％で採取し、次いで、この実施例No.6の配合率１４．５％の直送ペレットを順次ヤードペレットに振り替えて、配合率２４．０％で実施例３の操業データを採取し、さらにヤードペレットへの振り替え量を増加させて、配合率３１％（全量振り替え）で実施例No.5の操業データを採取した。この直送ペレットのヤードペレットへの振り替えの過程で、炉頂ガス温度が低下し始め、表１に示したように、炉頂ガス温度は、実施例No.4の配合率２４．０％まで振り替えた時点で、配合率１６．５％の実施例No.6の２００℃から、１８０℃まで低下し、さらに、３１％（全量）まで振り替えた時点で、１６９℃まで低下し、出銑比の異なる操業においても、ヤードペレットの配合率を高めることが、炉頂ガス温度の低下に有効であることを確認した。一方、炉内圧損についても、比較例２の１．８８ｋｇ／ｃｍ^２から、実施例No.4では１．８３ｋｇ／ｃｍ^２、実施例No.5では１．７９ｋｇ／ｃｍ^２と改善される傾向が認められ、実施例No.4、No.5および実施例No.6の場合も、ヤードペレットの配合率を高めることは、炉内の通気性を阻害しないことを確認した。なお、炉内圧損は、送風圧力（高炉に入る前の圧力）−炉頂部のガス圧力で算出した値である。

実機高炉におけるヤードペレットの配合率Ｐｄと炉頂ガス温度Ｔｇとの関係を示す説明図である。ペレットの水分（含水率）Ｐｗと安息角θｒとの関係を示す説明図である。

Claims

高炉の炉頂から排出されるガスの温度を、装入鉄原料として水分を含有するペレットを配合することにより適正温度範囲に制御する高炉炉頂ガス温度の制御方法であって、前記ペレットが、造粒・焼成後に原料ヤードに貯蔵され、散水処理されたヤードペレットであり、その平均粒径が１０ｍｍ〜１５ｍｍの範囲にあり、かつその含水率が２％〜７％の範囲にあって、このヤードペレットを、装入鉄原料として少なくとも１０質量％以上配合することを特徴とする高炉炉頂ガス温度の制御方法。