JP5277739B2 - 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。そして、球形度を高めたコークス粒子を炉頂部から装入する際に、半径（ｒ）を炉口径（Ｒ）で無次元化した無次元半径（ｒ／Ｒ）で０．５６以上の外周部、即ち無次元半径で０．５６〜１．０の領域内に偏析させるようにすることにより、さらに通気性が改善されることを見出した。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、前記コークスの一部として球形度を０．７６以上に高めたコークスを用い、該球形度が０．７６以上のコークスを無次元半径で０．５６以上の高炉の外周部に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。

次に、球形度の高いコークスのレースウェイにおける粉発生挙動を調査するため、図４に示す装置を用いてホットモデルによる燃焼試験を行った。図４の装置は、高炉の羽口からレースウェイを模擬したもので、内部空間が幅１０００ｍｍで高さ１４００ｍｍの容器１０内にコークス充填層１１を形成し、そこにブローパイプ１２を１本挿入したものである。実験条件は送風量３５０Ｎｍ³／ｈ、酸素富化率３ｖｏｌ％、送風温度１２００℃の熱風１３とし、微粉炭１４を１２０ｋｇ／ｔ相当で吹き込んだ。コークス１５供給量は、コークス充填層高さが一定となるように専用ホッパーからコークスを切り出すことで調整した。コークス１５としては球形度０．７５の通常のコークスと、球形度を０．８０に高めたコークスを使用した。１６は排ガスである。実験終了後に装置を解体してレースウェイ１７直上部の図中破線で囲んだ領域１８からコークスを採取し、粒径３ｍｍ以下（−３ｍｍ）の割合である粉率を測定した。結果を図５に示す。図５に示すように球形度を高めたコークスは、充填層内で粉化するコークス量が少なく、かつ、レースウェイからの粉の発生を著しく抑制することができることが確認された。

次に、球形度を高めたコークスの高炉での最適な使用方法について検討した。炉頂から装入されたコークスは炉内を降下するが、下記のように径方向の装入位置によって降下挙動が異なっている。

炉壁〜中間部に装入されたコークスは、基本的に高炉内を直接レースウェイに向かって降下し、最終的にはレースウェイ内で還元ガスに変化して消失する。この間、１０００℃以上の領域では、ソリューションロス反応等の様々な化学反応を受け、レースウェイでは２０００℃以上の高温場における熱衝撃に加え、酸化反応、ソリューションロス反応、水性ガス化反応を受けて劣化する。劣化したコークスの滴下帯およびレースウェイ上部の縮流部におけるせん断摩耗、レースウェイ内における旋回摩擦等がコークス粉の主要発生メカニズムと考えられている。発生した粉は、ガス流に同伴できるサイズのものは上方に吹き上げられるが、それより大きいサイズのものは炉芯の表層部への堆積、または炉芯内に供給、蓄積され、炉下部通気性悪化の要因となる。

一方、中心付近に装入されたコークスは、基本的に高炉内の中心付近を降下し、一部はそのまま炉芯内に取り込まれるが、ほとんどは炉芯の表層部に沿って、炉壁側に装入されたコークスと合流し、レースウェイに向かう。炉芯の頂上付近では移動速度が遅くなるため、滞留時間が長くなり、レースウェイ内における旋回摩擦等により粉を発生し易い状況となる。発生した粉は炉芯の表層部への堆積、または炉芯内に供給、蓄積され、炉下部通気性悪化の要因となる。

したがって高炉の中心付近に装入するよりも、無次元半径で、０．５６から１．０である炉壁〜中間部の領域内に球形度を高めたコークスを偏析させて装入した場合の方が、レースウェイ内でコークスの粉化が抑制される効果が最大限に得られることから、粉の発生量を低下させ、通気性改善につながるものと推測される。

コークスの球形度は０．７６以上とすれば効果があるが、球形度０．８０以上のコークスを用いることで通気性改善や、タンブラー強度（ＴＩ）の上昇が十分となり好ましい。

球形度の大きいコークスが十分な量あれば、高炉の無次元半径で０．５６以上の高炉の外周部に装入するコークスのほぼ全量を球形度の大きいコークスとすることができる。球形度の大きいコークスの使用量が少量である場合は、無次元半径で０．５６以上の高炉の外周部に満遍なく装入するよりも、高炉の炉壁部付近に集中して装入すること、例えば無次元半径で０．８以上の高炉の炉壁部付近に装入することが好ましい。

高炉の外周部に装入されるコークスのうち、球形度の大きいコークスの割合が高いほど効果があるが、１度の装入における球形度の大きいコークスの割合は、コークスベース（１チャージあたりのコークス装入量）の１０ｍａｓｓ％程度で充分効果がある。球形度の大きいコークスの一部が、炉内に装入された原料の崩れ等により高炉の無次元半径で０．５６未満の中心部に装入されてしまう場合もあるが、少量であれば本発明の効果が損なわれるものではなく、球形度の大きいコークスを高炉の外周部分に集中的に装入することで通気性を改善する効果を得ることができる。

球形度の大きいコークスの高炉の外周部分への装入は、炉頂部から装入する全てのコークス装入の際に行うことが好ましい。高炉の外周部分へ球形度の大きいコークスを装入するためには、球形度の大きいコークスが最初に装入されるように回転シュートにコークスを供給し、回転シュートを外側から中心に向けて傾動させながら装入する等の方法を用いることができる。

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、球形度を高めたものを製造し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大き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３０ｍａｓｓ％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。特に高炉下部における通気性を示す下部通気抵抗指数が低下していることから、球形度を高めたコークスを中間部〜炉壁部に装入することによって、レースウェイからの粉の発生が抑制され、充填層内の粉率が低下したためと考えられる。

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。 燃焼試験に使用した実験装置の模式図。 球形度と充填層内の粉率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
１０ 容器
１１ コークス充填層
１２ ブローパイプ
１３ 熱風
１４ 微粉炭
１５ コークス
１６ 排ガス
１７ レースウェイ
１８ サンプリング領域

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、
   前記コークスの一部として球形度を０．８０以上に高めたコークスを用い、該球形度が０．８０以上のコークスを無次元半径で０．５６以上の高炉の外周部に装入することを特徴とする高炉操業方法。
2. 球形度が０．８０以上のコークスを無次元半径で０．５６以上の高炉の外周部に装入することで、高炉下部通気抵抗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、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。

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