JP5292884B2 - 高炉操業方法 - Google Patents

Description

本発明は、安定した低還元材比（低ＲＡＲ）操業を実施するための高炉操業技術に関する。

近年、地球環境問題を背景として、製鉄所においても炭酸ガス（ＣＯ₂）発生抑制が強く要求されている。これを受け、最近の高炉操業では低還元材比（低ＲＡＲ）操業が強力に推進されている。ＲＡＲを低下させる手段として、通常コークスに替えて炭材を内装した鉱石の使用（例えば、非特許文献１参照。）や高反応性コークスの使用が挙げられる。高反応性コークスの一形態として、還元鉄を内装したフェロコークスは、還元鉄の触媒効果によってコークス基質の反応性を顕著に向上させ得る点で最近注目されている（例えば、非特許文献２参照。）。

一方で、低ＲＡＲ操業を目的とするものではないが、揮発分が５％以下のコークス化処理を受けない炭材を鉄鉱石に混合して使用する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この技術は高炉内の融着帯部（約１２００℃〜１４００℃領域）での通気性改善を主な目的とするものである。
笠井昭人、内藤誠章、松井良行、山形仁朗 「鉄と鋼」日本鉄鋼協会 ２００３年、８９、ｐ．３０ 深田喜代志、下山泉、浅沼稔、庵屋敷孝思、藤本英和、山本哲也、有山達郎、花岡浩二 「ＣＡＭＰ−ＩＳＩＪ」日本鉄鋼協会 ２００４年、１７、ｐ．８４２ 特公平３−６５４０２号公報

しかしながら、上記の炭材を内装した鉱石の製造のためには、熱間で成型し得る設備の使用が不可欠であること、また上記の高反応性コークスの製造には成型設備のほか、専用の乾留炉が必要となることなどから、いずれの技術においても設備投資額が莫大となるという問題がある。

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、高炉操業において、低コストで還元材比を低減できる、高炉操業方法を提供することにある。

上記の課題を解決し、安価に還元材比低減を図る技術に関し検討を重ねた結果、本発明者らは以下のような発明を完成させた。
（１）鉱石とコークスとを炉頂から交互に装入して鉱石層とコークス層とを形成する高炉操業において、５０〜１５０ｋｇ／ｔの木炭および／または無煙炭を前記鉱石層に混合して装入することを特徴とする高炉の操業方法。
（２）ベルレス高炉において、炉頂部に設けた木炭および／または無煙炭専用のバンカーと鉱石専用のバンカーとから、木炭および／または無煙炭と鉱石とを同時に切り出し、ベルレスシュートを介して炉内に装入することを特徴とする（１）に記載の高炉の操業方法。

本発明によれば、高炉においてコークス代替原料として、木炭および／または無煙炭を直接使用できるため、成型または乾留のためのエネルギーが不要であり、エネルギー原単位および製鉄所からのＣＯ₂発生量を低減できる。また、木炭および／または無煙炭由来の炭素はコークス中の炭素より反応性が高いので、鉱石層と混合して使用することにより、ガス化、還元がより低温から進行するようになるため、高炉の還元材比を低減できる。この結果、製鉄所からのＣＯ₂発生量削減に大きく寄与することができる。

本発明では、鉱石とコークスとを炉頂から交互に高炉内に装入して鉱石層とコークス層とを形成する高炉操業において、木炭および／または無煙炭を鉱石層に混合して使用することを前提としている。

木炭および／または無煙炭を鉱石層に混合して使用する第１の理由は、木炭と無煙炭は高反応性であるため、通常コークスのガス化（Ｃ＋ＣＯ₂＝２ＣＯ）開始温度（９５０℃〜１０００℃）に対して、より低温（概略７００℃〜８００℃）からガス化反応が開始し、さらに、鉱石と混合して使用すれば粒子同士が接近するので、ガス化によって発生したＣＯガスを速やかに近接した鉱石の還元に使用でき、混合せずに使用する場合に比べて、炭材のガス化・鉱石還元の一連のサイクルがより低温から進行することが期待されるためである。

第２の理由は木炭と無煙炭の強度がコークスに比べて低いことに起因する。すなわち、木炭と無煙炭は充填層内ではコークスに比べて体積破壊、表面摩耗に伴う粉を多く発生すると考えられるのでコークス層に混合すると炉の通気性を阻害する等の問題があるが、鉱石層に混合すると近隣の鉱石の還元性改善によって、発生した粉は速やかに消費されることが期待されることである。

なお特許文献１に示されるように、揮発分が５％以下のコークス化処理を受けない炭材として木炭や無煙炭を鉱石層に混合して使用する技術は公知であるが、上記の特許文献１は融着帯部（約１２００℃〜１４００℃領域）での通気性改善を主な目的とする高炉操業方法に関するものである。本発明においては、より低温部（概略７００℃〜８００℃）での炭材のガス化・鉱石還元特性を積極的に改善して低還元材比操業を実現しようとするものであり、このためには木炭および／または無煙炭の装入量を以下のように限定する必要がある。

本発明では、鉱石層に混合して使用する木炭および／または無煙炭の装入量は、溶銑１ｔ当たりの原料使用量（原単位）で、５０ｋｇ／ｔ以上、１５０ｋｇ／ｔ以下とする。５０ｋｇ／ｔ未満の場合は、鉱石との近接配置の効果が薄れるため、炭材のガス化と鉱石の還元温度の低温化が期待できない。１５０ｋｇ／ｔ超えの場合は、上述した発生粉が鉱石層内で消費し切れないため、炉内、特に炉下部に移動・蓄積し、通気性悪化の大きな要因となるため好ましくない。ここで、炉下部とは融着帯以下の領域（約１４００℃〜２０００℃の範囲）を指す。従って、木炭および／または無煙炭の装入量を１５０ｋｇ／ｔ以下とすることで、特許文献１が対象としている融着帯部とは異なる範囲の炉内の通気性悪化を防止することができる。

木炭および／または無煙炭の粒径は小中塊コークスと同等な、５〜２５ｍｍになるように調整することが好ましい。木炭および／または無煙炭と小中魂コークスとを混合して使用する操業を行なう場合があり、その場合には、粒径差が小さい方が偏析による混合不均一性を緩和できるためである。

本発明の一実施形態を図１を用いて説明する。ベルレス高炉１を用いた木炭および／または無煙炭の炉内装入は以下のような方法で行うことができる。

木炭および／または無煙炭２は炉頂部近傍に設けた専用のバンカー３に受入れる。一方、従来原料である焼結鉱、塊鉱石、ペレット等の鉱石原料４は通常使用されている炉頂バンカー５に受入れる。炉内装入時は、これらのバンカー３、５から木炭および／または無煙炭、並びに鉱石を同時に切り出し、ベルレスシュート（回転シュート）６を介して炉内に装入する。このような操作により、木炭および／または無煙炭と鉱石とは高度に均一混合された状態で炉内に装入されることが１／２０の模型実験により確認された。

なお、通常の高炉操業では、小中塊コークスが鉱石層に混合して使用される場合があるが、この場合は一般的に捲き下のベルトコンベアー上に鉱石、および小中魂コークスを切り出し、搬送後、炉頂ホッパー５に混合物として受入れ、その後ベルレスシュート６を介して炉内に装入される。

小中塊コークスを鉱石層に混合する上記操業の場合について、木炭および／または無煙炭で専用のバンカーを用いる場合と同様、１／２０の模型実験によって装入方法を再現し、炉内装入時の混合均一性を評価した結果、上述の木炭および／または無煙炭と鉱石との同時切り出しの場合に比べて、炉内中心部および周辺部への偏析が顕著であることが分かった。これはホッパーに受入れた段階で鉱石と小中塊コークスの粒径差に基づく著しい備析が生じているためと推察された。この小中塊コークスの実験と同様な装入方法を用いた実験を、小中塊コークスの替わりに木炭または無煙炭を使用して行ったところ、炉内の偏析状態は小中塊コークスと同程度であることが確認された。従って、木炭および／または無煙炭と鉱石とは、ベルトコンベアー上で混合するだけでは不十分であり、炉頂のバンカーを利用して同時に切り出して炉内に装入することが偏析防止のために効果的であることが分かる。

炉内容積５０００ｍ³のベルレス高炉において、微粉炭比１３０ｋｇ／ｔ、コークス比３６０ｋｇ／ｔの操業を行っている。コークス比のうち６０ｋｇ／ｔは粒径が８〜２５ｍｍ程度の小・中塊のコークスであり、残りの３００ｋｇ／ｔは２５ｍｍ以上（平均約４５ｍｍ）の塊コークスであった。小中塊コークスは捲き下のベルトコンベアー上で鉱石と同時に切り出し、鉱石と混合された状態でベルレスシュートを介して炉内に装入されている。

次いで、木炭および／または無煙炭装入の効果を確認するため、小中塊コークス６０ｋｇ／ｔを１０〜２５ｍｍに整粒した木炭３０ｋｇ／ｔおよび無煙炭３０ｋｇ／ｔの混合物に変更し、これを炉頂の専用ホッパーに受入れ、鉱石装入時に同時に切り出し、シュートを介して炉内に装入して操業を行なった。この結果、塊コークス比を２９０ｋｇ／ｔまで低下させることができた。これは、木炭と無煙炭のガス化開始温度の低温化に伴う高炉熱保存帯温度の低下によって、ガス利用率が上昇したためと考えられる。

本発明の一実施形態を示す、高炉およびその周辺設備の概略図。

符号の説明

１ ベルレス高炉
２ 木炭および／または無煙炭
３ 専用バンカー
４ 従来原料（焼結鉱、塊鉱石、ペレット）
５ 炉頂バンカー
６ ベルレスシュート
７ 熱風

Claims (1)

1. 鉱石とコークスとを炉頂から交互に装入して鉱石層とコークス層とを形成するベルレス高炉操業において、
   炉頂部に設けた木炭および／または無煙炭専用バンカーに、小中塊コークスと同等な５〜２５ｍｍに粒径が調整された木炭および／または無煙炭を受入させ、鉱石専用バンカーに、鉱石を受入させて、
   前記木炭および／または無煙炭専用のバンカーと前記鉱石専用のバンカーとから、前記木炭および／または無煙炭と鉱石とを同時に切り出し、小中塊コークスと前記木炭および／または無煙炭とが混合された鉱石層を形成するように、ベルレスシュートを介して炉内に装入することにより、５０〜１５０ｋｇ／ｔの木炭および／または無煙炭を前記鉱石層に混合することを特徴とする高炉の操業方法。

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