JP5277738B2 - 高炉操業方法 - Google Patents

Description

本発明は、還元材比を増加させることなく高炉の通気性を改善し、安定した高炉操業を可能とする高炉操業方法に関する。

溶銑を製造する高炉には、原料として、炉頂から焼結鉱、塊鉱石等の鉄鉱石類である鉱石及び、熱源、還元材源となる塊状のコークスが交互に装入され、炉内の上部（シャフト部）に、これらの原料が互いに層状に堆積している。そして、炉下部の羽口から炉内へ吹込まれる高温の空気が炉内に堆積している前記コークスを燃焼させて高温ガスが発生し、該高温ガスが前記鉄鉱石類やコークス粒子間の隙間を炉頂へ向けて流れ、これら鉄鉱石類やコークスを昇温すると同時に、鉄鉱石類の還元及び溶融を行なう。したがって、前記粒子間の隙間が適正に確保されていないと、炉内のガス流れの分布が操業にとって不適正となって、炉内状況が悪くなり、安定、且つ円滑な操業が行なわれなくなるばかりか、高炉の生産性が低下する。すなわち、高炉操業には、原料層の通気性の確保が非常に重要である。炉頂から装入される原料に粉が混入すると通気性が阻害されるため、粉の混入は、できる限り防止する必要がある。

原料に混入して炉内に装入される粉以外に、炉内で発生する粉の問題もある。コークスは、炉頂から装入された後に炉下部で羽口から供給される酸素によって燃焼されるまでの間は塊状で存在するが、他の原料との物理的な接触により、脆弱部分が欠けることによりコークス粉が発生する。この粉は、原料粒子間に目詰まりし、炉内のガス流れの安定性、制御性を悪化させる原因となる。このため、炉内でコークスが降下する間の粉化を抑制することは重要である。

そこで高炉内における粉の発生量を低減し、通気性を確保する対策として、例えば、気孔形成材を核として、その周辺に補強剤を付着させるという多層造粒プロセスで製造されたコークスを使用することにより、高炉炉下部の通気性改善およびコークス比の低減を可能とする高炉操業方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００６−２０６９８２号公報

しかしながら、多層造粒プロセスで製造されたコークスは、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、乾留して得られるコークスであり、製造工程が複雑である。これらを製造するためには、コークス炉を含む大幅な設備改造も必要であるため、新たな設備投資が必要となり、コスト高となる欠点がある。

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、高炉内における粉の発生量を低減して、通気性を確保し、これにより安定、且つ円滑な操業ができるとともに、高炉の生産性が向上する高炉操業方法を提供することにある。

本発明では、上記課題を解決するために、コークスの形状に着目した。球形度が大きい（真球に近い）コークスを炉内に充填した場合には、充填構造が最密充填に近づいていくことから、充填層内の空隙率が低下する。しかしながら、予め脆弱部分を除去したコークス粒子は、球形度が大きくなり、かつコークス強度が高くなると考えられる。よって脆弱部分を除去して球形度を高めたコークス粒子を用いることで、高炉内での粉の発生量が少なく、通気性を確保して安定した操業を継続できるものと考えた。すなわち、球形度が大きいコークス粒子を炉内に充填した場合には、充填層内への粉の蓄積量が低下することから、充填層内の空隙が確保できるため、コークスの充填による幾何学的な空隙率は低下しても、高炉内の通気性を維持することが可能であると予想される。このような知見により得られた本発明の特徴は以下の通りである。
（ａ）高炉の炉頂部からコークスと鉱石とを交互に装入する高炉操業において、コークスの少なくとも一部の球形度を０．７６以上に高めて装入することを特徴とする高炉操業方法。
（ｂ）球形度が０．７５以下のコークスの脆弱部分を欠落させて、球形度を高めることを特徴とする（ａ）に記載の高炉操業方法。

本発明によれば、高炉内の通気性を確保し、安定、且つ円滑な高炉操業が可能となる。さらに高炉の通気性が改善されることで、通気のスペーサーとして装入されるコークス量を減らすことができ、これにより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。

球形度の大きいコークスが高炉操業に及ぼす影響を調査するため、図１に示す装置を用いて模型実験を行った。実験装置は、内径１００ｍｍのアクリル製円筒容器１を使用し、充填粒子には、球形度が異なるコークス粒子２を粒径４．８ｍｍ〜６．７ｍｍに整粒して使用した。ガス３には空気を、粉体４として粒径０．３ｍｍ〜０．５ｍｍの粉コークスを使用した。コークス粒子２は装置上部のホッパー６から円筒容器１内に装入し、ガス３と粉体４は装置下部の羽口５から円筒容器１内に供給した。

実験は、コークス粒子２を円筒容器１内に填充した後、円筒容器１下部の粒子抜き出し装置７から粒子の抜き出し、および、粉体４の供給を開始した。実験開始後、円筒容器１上部の圧力検出孔８で圧力を測定し、圧力変化がほぼ０になった時点を定常状態と判断し、粒子の抜き出し、粉体４の供給、および、ガス３の送風を同時に停止した。送風停止後、装置を解体して、コークス粒子２の層内に粉体が占める比率を測定した。実験は、コークス粒子の球形度および送風ガスの流速（ｕ）を変更して行った。

なお用いたコークス粒子の球形度は、粒子の球形度をあらわす指標のひとつであるカルマンの形状係数を下記（１）式により求め、これを球形度として使用した。
φｃ＝｛π（ｄｖ）²｝／４Ａ・・・（１）
ただし、
φｃ：カルマンの形状係数（−）
ｄｖ：粒子の等体積球相当径（ｍ）
Ａ：粒子の平均投影面積（ｍ²）である。
なお、現在通常使用されているコークスの球形度は、１００個程度について粒子の等体積球相当径、粒子の平均投影面積を測定して求めた平均値から上記（１）式を用いて計算すると、０．７４７であった。

図２に測定結果を示す。ガス流速が大きい場合には、コークス粒子層内における粉体の容積比率が低下した。これはガス流速が大きい場合には、粉体はガス流れに同伴して層上部から排出されているためと考えられる。

また球形度が大きい場合にも、層内における粉体の容積比率が低下した。これは球形度が大きい場合には、粉体がコークス表面にトラップされにくくなり、層内を移動しやすくなるため、粉体が層内に滞留することなく、層上部から排出されやすくなったためと考えられる。

以上の結果より、球形度が大きなコークスを使用することにより、充填層内の粉体の容積比率が低下することから、層内の空隙が確保されることによって、通気性改善が予想される。

また球形度が大きいコークスは、コークス粒子の脆弱部が事前に欠けて形成されたと考えられるため、強度が高く、高炉内での粉の発生量が少なく、通気性改善が予想される。そこで球形度とコークスの冷間強度の関係を調査した。コークスの冷間強度改善は、高炉内における粉の発生量を低減し、通気性を改善することが知られている。ここでのコークスの冷間強度は、タンブラー試験４００回転指数（ＴＩ）とした。図３に球形度とＴＩとの関係を示す。球形度が大きくなるにつれてＴＩが上昇していることから、球形度が大きい、冷間強度の高いコークスを用いることで高炉内におけるコークスの粉化が抑制され、通気性改善が予想される。

しかしながら、図４に示すように、球形度が大きいコークスを充填した場合には、充填構造が最密充填に近づいていくことから、充填層内の空隙率εが低下する。

以上の結果から、球形度が大きいコークスを使用した場合における高炉内の通気性を、下記に示す方法によって評価した。

まず充填層内の空隙率を下記（２）式によって求めた。
ε＝１−ρｂ／ρｐ・・・（２）
ただし、
ε：充填層の空隙率（−）
ρｂ：装入物の嵩密度（ｋｇ／ｍ³）
ρｐ：装入物の見掛密度（ｋｇ／ｍ³）である。

次に高炉内における粉体が占める容積比率を推定した。球形度と高炉内における粉体が占める容積比率との関係は、上記の実験結果から推定した。また、ＴＩと高炉内における粉体が占める容積比率との関係に関しては、実炉の測定結果から得られた下記（３）式によって推定した。
Ｐｗ＝０．０９４４×ＴＩ・・・（３）
ただし、
Ｐｗ：高炉内における粉体が占める容積比率である。

以上のように推定された高炉内における粉体が占める容積比率を、充填層の空隙率から引くことにより補正された空隙率が高炉内の実質的な空隙率であると考え、この値を用いて高炉内の圧力損失をエルガン（Ｅｒｇｕｎ）によって提案されている下記（４）式を用いて推定した。
△Ｐ／△Ｌ＝１５０{（１−εｒ）²μｕ／εｒ³（φｄｐ）²}＋１．７５{（１−εｒ）ρｕ²／εｒ³（φｄｐ）}・・・（４）
ただし、
ΔＰ：高炉内の圧力損失（Ｐａ）、
ΔＬ：圧力測定の２点間の距離（ｍ）、
εｒ：炉内の実質的な空隙率（−）、
μ：流体の粘度（Ｐａ・ｓ）、
ｕ：流体の速度（ｍ／ｓ）、
ρ：流体の密度（ｋｇ／ｍ³）、
φ：粒子の形状係数（−）、
ｄｐ：粒子の平均粒径（ｍ）である。

ここで高炉の高さ方向については、羽口〜炉頂とした。ただし、炉下部は炉芯部と考え、ガス流速が小さく充填層内に粉体の占める容積比率が大きい実験結果を適用した。炉下部高さは炉床半径と同じとみなし、羽口高さ＋炉床半径を炉下部高さとした。炉下部高さ以上の炉頂以下の領域（炉上部）はシャフト部と考え、ガス流速が大きく充填層内に粉体の占める容積比率が小さい実験結果を適用して計算した。

この方法により推定された、コークスの球形度と高炉内の圧力損失（炉内圧損）を図５に示す。高炉に装入するコークスの全量についてコークスの球形度を変化させた場合（配合比率１００ｍａｓｓ％）以外に、球形度の異なるコークスのコークス全体に対する配合比率を２５、５０、７５ｍａｓｓ％に変化させた場合についても図５に併せて示す。

図５によれば、通常のコークス（球形度０．７５）に対して、球形度を大きくする（球形度を０．７６以上とする）と高炉内の圧力損失が低下するため、安定的な高炉操業が可能となると考えられる。球形度が０．８０以上のコークスを使用することで、高炉内の圧力損失が低下する効果が十分となる。しかしながらコークスの全量を球形度の大きいコークスとする場合、球形度が０．９０より大きくなると、逆に通常コークス使用の場合よりも高炉内の圧力損失が増加する。これは球形度が大きくなりすぎると、高炉内の粉体が占める容積比率の低減効果よりも、充填層内の空隙率が低下する効果が大きくなることに起因するためと考えられる。また、球形度に応じて、高炉内の圧力損失が低下する、最適な球形度の大きいコークスのコークス全体に対する配合比率は変化するが、球形度の大きいコークスの配合比率を変化させても、球形度０．８７程度までは圧力損失は順調に低下し、配合比率にかかわらず圧力損失が上昇することはない。さらに、球形度が０．９０程度までは、配合比率にかかわらず従来のコークスを用いた場合よりも炉内圧力が低下することが分かる。以上のことから、通常のコークスよりも球形度の大きい、球形度が０．７６以上のコークスを使用することで高炉内の圧力損失を低減させる効果があり、その中でも、特に炉内圧損の改善効果が大きい、球形度が０．８０以上、０．９０以下のコークスを使用することが望ましいと言える。

また、以上のことから、球形度を高めたコークスの球形度とその配合比率が、下記（５）式を満足する関係となるように使用することが望ましい。
０＜Ｘａ×（φｃａ−φｃｂ）＜１５・・・（５）
但し、Ｘａ：球形度を高めた後のコークスの、コークス全体に対する配合比率（ｍａｓｓ％）、（０以上１００以下）
φｃａ：球形度を高めた後のコークスの球形度（−）、（１．０以下）
φｃｂ：球形度を高める前のコークスの球形度（−）、（φｃｂ＜φｃａ）
高炉に装入する全てのコークスの球形度を０．７６以上とすることもできるが、コークス原料の一部として球形度の高いコークスを使用する場合には、球形度が０．７６以上のコークスがコークス層内に分散していることで上述したような効果が得られるため、コークス層内に均一に装入することが好ましい。よって高炉装入コークスの一部に球形度が０．７６以上のコークスを使用する場合には、一部の装入に集中して使用するよりも、コークスを装入する全ての装入時に分割して装入することが望ましい。例えば、高炉の炉頂部からコークスと鉱石を交互に装入する高炉操業において、コークスおよび鉱石を１サイクル装入する時に、コークスを２回以上に分割して高炉へ装入する際には、分割したコークスの全ての装入時にコークスの全量またはその一部が球形度０．７６以上のコークスを使用することが好ましい。また、球形度が０．７６以上のコークスは、鉱石と混合して使用する場合に用いても効果がある。

また球形度が０．７６以上のコークスの使用量が少量である場合には、上述したような効果が十分に得られない場合がある。図５によれば少なくともコークス全体の２５ｍａｓｓ％以上の配合比率であれば十分に効果があり、コークスの２５ｍａｓｓ％以上を球形度０．７６以上のコークスとして高炉に装入する操業を行なうことが好ましい。さらに、上記のように球形度が０．８０以上のコークスを使用することで、高炉内の圧力損失が低下する効果が十分となるため、球形度が０．８０以上のコークスをコークス全体の２５ｍａｓｓ％以上の配合比率で、高炉に装入する操業を行なうことがより好ましい。

上記のように、コークス炉等で製造したままのコークスの球形度は通常０．７５以下である。球形度が０．７６以上のコークスを高炉原料として多量に使用するためには、球形度が０．７５以下のコークスに摩擦力や衝撃力を加え、脆弱部分を欠落させて、球形度を高めて使用することが好ましい。コークス同士に十分な摩擦力や衝撃力を加えた後に篩い分けを行うことで、脆弱部分を除去することができる。コークスに摩擦力や衝撃力を加えるためには、例えば、回転ドラム内で回転処理する方法を用いることができる。回転ドラムは、ドラムの内部に、コークスを持ち上げ、落下させるための攪拌翼を有することが好ましい。回転ドラムで処理後のコークスに対して篩い分けを行い、粉状部を分離除去した残部を球形度の高いコークスとして使用することができる。

回転ドラム以外にも、コークスの搬送ラインに積極的に段差部を設け、段差部分をコークスが落下する際にコークスを塊状部と粉状部とに分離する方法や、コークスの搬送ラインの段差部に設置するシュートを階段状にしてコークスを塊状部と粉状部とに分離する方法、大型のホッパーを設置してホッパー内で従来以上の摩擦力や衝撃力を加える方法等を用いて、脆弱部分を除去することもできる。また、篩い分け装置を用いてコークスを篩い分けする際に強力な振動を与えることや、複数段の篩い分け装置を用いることでも、コークスに従来以上の摩擦力や衝撃力を加えて脆弱部分を除去することができる。

内容積５１５３ｍ³の高炉を用いて球形度が異なるコークスを装入して操業を行った。還元材比４９５ｋｇ／ｔ（コークス比３７５ｋｇ／ｔ、微粉炭比１２０ｋｇ／ｔ）で操業しており、球形度０．７５の通常のコークスを使用した場合を基準とした（比較例）。

これに対して、本発明例として、装入するコークスの全量を球形度０．８１のコークスとした操業を行なった。結果を表１に併せて示す。

本発明例では、還元材比は上記の比較例と同じ４９５ｋｇ／ｔであるが、高炉内の通気性改善に起因して、コークス比を３７０ｋｇ／ｔに低減することができた。また通気抵抗指数（Ｋ＝（Ｐ_{ｂｌａｓｔ} ²−Ｐ²）／Ｖ^1.7：ただし、Ｐ_{ｂｌａｓｔ}：送風圧（ｋｇ／ｃｍ²）、Ｐ：炉頂圧（ｋｇ／ｃｍ²）、Ｖ：ボッシュガス量（Ｎｍ³／ｔ））も低下している。

以上のことから、本発明例は比較例に対して、還元材比を増加させることなく、また、コークス比を低減させたにもかかわらず、通気性を改善できることを確認することができた。

本発明の効果を確認するために使用した実験装置の模式図。 球形度と粉体の容積比率との関係を示すグラフ。 球形度とＴＩとの関係を示すグラフ。 球形度と空隙率との関係を示すグラフ。 球形度と炉内圧損との関係を示すグラフ。

符号の説明

１ 円筒容器
２ コークス粒子
３ ガス（空気）
４ 粉体（粉コークス）
５ 羽口
６ ホッパー
７ 粒子抜き出し装置
８ 圧力検出孔
９ 空気と粉コークス

Claims (3)

1. 高炉の炉頂部からコークスと鉱石とを交互に装入しかつ前記高炉に微粉炭を吹き込む高炉操業において、
   コークスの少なくとも一部の球形度を０．８０以上に高めて装入することを特徴とする高炉操業方法。
2. コークスの少なくとも一部の球形度を０．８０以上に高めて、前記高炉に装入することで、高炉の羽口〜炉頂の圧力損失を低下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. 球形度が０．７５以下のコークスの脆弱部分を欠落させて、０．８０以上０．９０以下に球形度を高め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。

Images