JP5299446B2

JP5299446B2 - フェロコークスを用いた高炉操業方法

Info

Publication number: JP5299446B2
Application number: JP2011033014A
Authority: JP
Inventors: 健佐藤; 広行角; 英和藤本; 孝思庵屋敷; 秀明佐藤
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2011-02-18
Filing date: 2011-02-18
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2031-02-18
Also published as: JP2012172167A

Description

本発明は、石炭と鉄鉱石との混合物を成型、乾留して製造されたフェロコークスを使用する際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、高炉原料としてフェロコークスを使用し、フェロコークスを用いることによる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。

フェロコークスを用いた高炉操業方法としては、特許文献１に開示されているように、鉱石とフェロコークスとを混合して高炉内に装入する方法が挙げられる。

フェロコークスは、従来の、コークス炉等で石炭を乾留して製造される冶金用コークス（以下、フェロコークスと区別するために「室炉コークス」と記載する。）に比べ、下記式（ａ）に示すＣＯ₂ガスとの反応性が高いことが特徴である。下記式（ａ）の反応は、下記式（ｂ）に示す鉱石の還元で生成したＣＯ₂を還元力を有するＣＯガスに再生する反応と言える。
ＣＯ₂＋Ｃ → ２ＣＯ・・・（ａ）
ＦｅＯ＋ＣＯ → Ｆｅ＋ＣＯ₂ ・・・（ｂ）
従って、上記式（ｂ）の反応によってＣＯ₂ガス濃度が高められた領域において上記式（ａ）の反応が速やかに起これば、ＣＯ₂ガスが還元力を有するＣＯガスに再生され、鉱石の還元が促進される。

高炉内でＣＯ₂ガス濃度が高い領域は、半径方向のガス分布と密接な関係がある。高炉の半径方向におけるガス流れの制御は、通気性、還元性、炉体熱負荷に影響を及ぼす重要な操作項目である。焼結鉱、塊鉱石、ペレット等の鉄原料（以下、「鉱石」と記載する。）は従来の室炉式で製造される室炉コークスに比べて粒径が小さく、また高温で融着するため、半径方向で室炉コークス量に対して鉱石量の多い、すなわち鉱石量／コークス量が大きい箇所は通気抵抗が高くなり、ガスが流れ難くなる。従って、半径方向のガス流れの制御は、半径方向で鉱石量／コークス量に偏差を付けることによって行われる。鉱石量／コークス量が大きい箇所では、鉱石量／還元ガス量が大きくなるため、上記式（ｂ）の反応により炉内ガス中のＣＯガスがＣＯ₂に変化する割合が増え、ＣＯ₂ガス濃度が高くなる。

また、原料の装入チャージ毎に形成される鉱石層内の層高方向では、下方から上昇する還元ガス中ＣＯの一部が鉱石の還元によってＣＯ₂に変化するため、同じ半径位置でも上層ほどＣＯ₂濃度が上昇する（例えば、非特許文献１参照。）。

これらのＣＯ₂濃度が高い領域にフェロコークスを選択的に配置すれば、フェロコークスのガス化反応がより促進され、結果的に還元率の向上、還元材比の低下が期待できる。

特開２００６−２８５９４号公報

「材料とプロセス」１３、２０００年、ｐ．８９３

フェロコークスを高炉操業で用いる際に、フェロコークスが持つ高反応性の特性、すなわちＣＯ₂ガスのＣＯガスへの速やかな変換を発現するためには、ＣＯ₂濃度の高い領域にフェロコークスを集中的に配置した方が良いと考えられる。

高炉の半径方向ガス分布は、一般には半径方向で鉱石量／コークス量を調整することによって制御される。ここで、鉱石量／コークス量が大きい箇所はＣＯ₂濃度が高い領域に相当する。鉱石層中にフェロコークスを混合して使用する際に、全ての鉱石層中に均一にフェロコークスが混合されていると、鉱石量／コークス量が大きい箇所のフェロコークス比率を高めることは困難である。

また、原料の装入チャージ毎に形成される鉱石層内の層高方向においては、下方から上昇する還元ガス中ＣＯの一部が鉱石の還元によってＣＯ₂に変化するため、上層ほどＣＯ₂濃度が上昇するが、鉱石層中に均一にフェロコークスを混合する場合は、ＣＯ₂濃度が高い箇所にフェロコークスが集中的に混合されない。

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、フェロコークスを鉱石と混合して高炉で使用する際に、フェロコークスが持つ、鉱石の還元で生成したＣＯ₂を還元力を有するＣＯガスに再生する機能を、より効果的に発現させることを可能とするフェロコークスを用いた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）高炉内にコークス層と鉱石層とを形成させて操業する高炉操業方法において、
前記鉱石層を２バッチ以上に分割した複数バッチの鉱石層として形成し、該複数バッチの鉱石層の内、少なくとも１バッチの鉱石層中にフェロコークスを混合し、かつ少なくとも別の１バッチの鉱石層中にフェロコークスを混合しないことを特徴とするフェロコークスを用いた高炉操業方法。
（２）前記鉱石層の厚さ／（前記鉱石層の厚さ＋前記コークス層の厚さ）である鉱石層厚比を炉半径方向で変更する操業を行う際に、
前記複数バッチの鉱石層の炉半径方向位置がそれぞれ異なり、
前記鉱石層厚比が相対的に大きい炉半径方向位置のバッチの鉱石層にフェロコークスを混合することを特徴とする（１）に記載のフェロコークスを用いた高炉操業方法。
（３）前記鉱石層を該鉱石層の高さ方向で２バッチ以上に分割する操業を行う際に、
少なくとも最下部に位置するバッチの鉱石層にフェロコークスを混合しないことを特徴とする（１）に記載のフェロコークスを用いた高炉操業方法。
（４）前記鉱石層中の前記フェロコークスが、前記鉱石に対して、１質量％以上の混合比率を有することを特徴とする（１）から（３）のいずれか１つに記載のフェロコークスを用いた高炉操業方法。
（５）前記フェロコークスの鉄分含有量が、１０〜４０質量％であることを特徴とする（１）から（４）のいずれか１つに記載のフェロコークスを用いた高炉操業方法。

本発明によれば、高炉内のＣＯ₂濃度の高い箇所にフェロコークスを集中させることができ、フェロコークスのガス化反応を介して鉱石の還元を促進し、これにより還元材比を低減することができる。

半径方向で鉱石バッチを２分割した際の半径方向の鉱石層厚比（上図）と高炉の縦断面概略図（下図）である（中間部分の鉱石層厚比が大の場合）。半径方向で鉱石バッチを２分割した際の半径方向の鉱石層厚比（上図）と高炉の縦断面概略図（下図）である（周辺部分の鉱石層厚比が大の場合）。層高方向で鉱石バッチを２分割した際の半径方向の鉱石層厚比（上図）と高炉の縦断面概略図（下図）である。フェロコークス使用比率と焼結鉱還元率の関係を示すグラフ。フェロコークス中の鉄分含有量と、反応開始温度との関係を示すグラフ。フェロコークスの形状を示す模式図。

通常の高炉操業においては、炉頂から室炉コークスと鉱石とを交互に装入して、炉内にコークス層と鉱石層とが交互に積層された状態を形成する。炉内に鉱石を装入して鉱石層を形成する際、数バッチに分割して装入する方法が知られている。これは、炉頂バンカーの容量の制約上、複数に分割せざるを得ないケースの他、バッチ間で粒径の偏差をつけることにより、半径方向の粒度分布を制御する手段として用いられているケース等である。本発明においては、鉱石層を形成する際に鉱石の装入を複数バッチに分割し、バッチ毎にフェロコークスの混合量に差を設けることにより、半径方向および層高方向でフェロコークス混合比率を制御し、所定の場所のフェロコークス比率を高めることで、ＣＯ₂濃度が高い領域のフェロコークス比率を高めることを可能とするものである。すなわち、高炉内にコークス層と鉱石層とを形成させる際に、鉱石層を２バッチ以上に分割した複数バッチの鉱石層として形成し、該複数バッチの鉱石層の内、少なくとも１バッチの鉱石層中にフェロコークスを混合し、かつ少なくとも別の１バッチの鉱石層中にフェロコークスを混合しないフェロコークスを用いた高炉操業方法である。

フェロコークス比率を高める場所は、鉱石層厚比（＝鉱石層厚/（鉱石層厚＋コークス層厚））の大きい場所とすることが好ましい。高炉の炉内半径方向で、鉱石層厚比の大きい場所のフェロコークス比率を高めることで、ＣＯ₂濃度が高い領域のフェロコークス比率を高めて、フェロコークスの混合効果をより高めることが可能となる。したがって、鉱石層厚比を炉半径方向で変更する操業を行う際に、複数バッチの鉱石層の炉半径方向位置がそれぞれ異なるように鉱石の装入を行い、鉱石層厚比が相対的に大きい炉半径方向位置のバッチの鉱石層にフェロコークスを混合する。複数バッチが２バッチの場合は、より鉱石層厚比が大きい方のバッチにフェロコークスを混合する。複数バッチが３バッチ以上の場合は、少なくとも最も鉱石層厚比が大きいバッチにフェロコークスを混合し、最も鉱石層厚比が小さいバッチにはフェロコークスを混合しない。

また、フェロコークス比率を高める場所は、鉱石層の上部とすることが好ましい。鉱石層の上部のフェロコークス比率を高めることで、ＣＯ₂濃度が高い領域のフェロコークス比率を高めて、フェロコークスの混合効果をより高めることが可能となる。この場合は、鉱石層を該鉱石層の高さ方向で２バッチ以上に分割する操業を行い、少なくとも最下部に位置するバッチの鉱石層にフェロコークスを混合しない。また、少なくとも最上部に位置するバッチの鉱石層にフェロコークスを混合することが好ましい。

以下に、半径方向の鉱石層厚比（＝鉱石層厚/（鉱石層厚＋コークス層厚））と層構造を併記した図１〜３を用いて、本発明を具体例で説明する。

図１は、中間部の鉱石層厚比が大の事例である。１バッチとしてコークス層１を形成後に、２バッチに分割して鉱石層２、鉱石層３が装入されている。高層厚比部に相当する１バッチ目の鉱石層２のバッチにフェロコークスを混合することにより、半径方向で鉱石層厚の高い部位にフェロコークスを選択的に混合することができる。

図２は、周辺部の鉱石層厚比が大の事例であるが、高層厚比部に相当する２バッチ目の鉱石層５のバッチにフェロコークスを混合することにより、半径方向で鉱石層厚比が大の部位にフェロコークスを選択的に混合することができる。

図３においては、鉱石層全体の上部に相当する鉱石層７のバッチにフェロコークスを混合することにより、鉱石上層部に選択的にフェロコークスを混合することができる。

以上の事例は鉱石層を２バッチとして装入した場合であるが、鉱石層を３バッチ以上に分割し、所定の領域にフェロコークスを選択的に混合するために、所定のバッチのみ（１以上、全バッチ数より少なくとも１小さいバッチ数以下のバッチ）にフェロコークスを混合してもよい。

ここで、鉱石中に混合すべきフェロコークスの量に関して検討する。鉱石として焼結鉱５００ｇに、室炉コークスおよびフェロコークスを混合し、９００℃、ＣＯ：Ｎ₂＝０．３:０．７（質量比）の雰囲気で３時間反応させた結果を図４に示す。室炉コークスの混合量は６質量％とした。図４によれば、鉱石に混合するフェロコークス混合量は１．０質量％以上で焼結鉱の還元率上昇効果があり、９質量％程度で飽和することから、鉱石中に混合するフェロコークス混合量は１．０質量％以上が望ましいと言える。

また、フェロコークスの性状に関しては、フェロコークス中の鉄分が少なすぎるとＣＯ₂ガスとの反応性が高くならず、また、鉄分が多すぎるとフェロコークスの強度が低下するために高炉装入物として適さない。図５に、フェロコークスの鉄分含有量と、フェロコークスをＣＯ₂−ＣＯ混合ガスで反応させた際の反応開始温度との関係を示す。図５によれば、フェロコークス中の鉄分含有量が増えるに従い、反応性が向上し反応開始温度が低下する効果が発現するが、鉄分含有量５質量％から大きな効果が発現し、４０質量％以上では効果が飽和することから、５〜４０質量％が望ましい鉄分含有量であると言える。したがって、フェロコークス中の鉄分含有量は５〜４０質量％が好ましく、さらに好ましくは１０〜４０質量％である。

本発明方法を適用した高炉操業試験を行った。使用したフェロコークスは、石炭と鉄鉱石の混合物をブリケットマシンで成型後、竪型シャフト炉に装入し、乾留して製造したものである。前記フェロコークスの形状を図６に示す。図６の上図が平面図、下図が正面図である。図６に示す寸法は、Ａ＝３０ｍｍ、Ｂ＝２５ｍｍ、Ｃ＝１８ｍｍである。また、フェロコークス中の鉄分は３０質量％とした。鉱石としては、焼結鉱を用いた。

高炉への原料装入は、まず室炉コークスのみのコークス層を形成し、次いで鉱石を図１に示すように２バッチに分割して装入した。平均的なフェロコークス混合量は１００ｋｇ／tとし、２つの鉱石バッチ各々にフェロコークスを同じ率で混合したケース、一方の鉱石バッチ（鉱石層２）にのみフェロコークスを混合したケースの操業を実施した。比較のために、フェロコークスを混合しない操業も行った。

結果を表１に示す。

ケースａは比較例であり、図１に示した分布制御において鉱石層２、３のいずれにもフェロコークスを混合しない場合である。ケースｂも比較例であり、図１に示した分布制御において鉱石層２、３のいずれにもフェロコークスを混合した場合である。ケースｃは本発明例であり、図１に示した分布制御において鉱石層２のみにフェロコークスを混合した場合である。ケースaに対し、フェロコークスを使用したケースｂ、ケースｃは還元材比が低減しているが、鉱石層２のみにフェロコークスを混合したケースｃの方が、ケースｂよりガス利用率が高く、還元材比が低い。これは、鉱石層厚比の高い部位にフェロコークスを選択的に混合することにより、フェロコークスのガス化が促進され、鉱石の還元が進んだ結果と推定される。

次に、鉱石を図２に示すように２バッチに分割して装入した。上記の場合と同様に平均的なフェロコークス混合量は１００ｋｇ／tとし、２つの鉱石バッチ各々にフェロコークスを同じ率で混合したケース、どちらか一方の鉱石バッチにのみフェロコークスを混合したケースの操業を実施した。フェロコークスを混合しない操業も行った。

結果を表２に示す。

ケースｄは比較例であり、図２に示した分布制御において鉱石層４、５のいずれにもフェロコークスを混合しない場合、ケースeも比較例であり、図２に示した分布制御において鉱石層４、５のいずれにもフェロコークスを混合した場合、ケースｆは本発明例であり、図２に示した分布制御において鉱石層５のみにフェロコークスを混合した場合である。ケースｄに対し、フェロコークスを使用したケースｅ、ケースｆは還元材比が低減しているが、鉱石層５のみにフェロコークスを混合したケースfの方が、ケースｅよりガス利用率が高く、還元材比が低い。これは、鉱石層厚比の高い部位にフェロコークスを選択的に混合することにより、フェロコークスのガス化が促進され、鉱石の還元が進んだ結果と推定される。

次に、鉱石を図３に示すように２バッチに分割して装入した。上記の場合と同様に平均的なフェロコークス混合量は１００ｋｇ／tとし、２つの鉱石バッチ各々にフェロコークスを同じ率で混合したケース、どちらか一方の鉱石バッチにのみフェロコークスを混合したケースの操業を実施した。フェロコークスを混合しない操業も行った。

結果を表３に示す。

ケースｇは比較例であり、図３に示した分布制御において鉱石層６、７のいずれにもフェロコークスを混合しない場合、ケースｈも比較例であり、図３に示した分布制御において鉱石層６、７のいずれにもフェロコークスを混合した場合、ケースｉは本発明例であり、図３に示した分布制御において鉱石層７のみにフェロコークスを混合した場合である。ケースｇに対し、フェロコークスを使用したケースｈ、ケースｉは還元材比が低減しているが、鉱石層７のみにフェロコークスを混合したケースｉの方が、ケースｈよりガス利用率が高く、還元材比が低い。これは、鉱石層の上層にフェロコークスを選択的に混合することにより、フェロコークスのガス化が促進され、鉱石の還元が進んだ結果と推定される。

１室炉コークスで構成されるコークス層
２鉱石層（１バッチ目）
３鉱石層（２バッチ目）
４鉱石層（１バッチ目）
５鉱石層（２バッチ目）
６鉱石層（１バッチ目）
７鉱石層（２バッチ目）

Claims

高炉内にコークス層と鉱石層とを形成させて操業する高炉操業方法において、
前記鉱石層の厚さ／（前記鉱石層の厚さ＋前記コークス層の厚さ）である鉱石層厚比を炉半径方向で変更する操業を行う際に、前記鉱石層を２バッチ以上に分割した複数バッチの鉱石層として形成し、
前記複数バッチの鉱石層の炉半径方向位置がそれぞれ異なり、
前記複数バッチの鉱石層の内、少なくとも、前記鉱石層厚比が最も大きいバッチにフェロコークスを混合し、前記鉱石層厚比が最も小さいバッチにフェロコークスを混合しないことを特徴とするフェロコークスを用いた高炉操業方法。
前記鉱石層中の前記フェロコークスが、前記鉱石に対して、１質量％以上の混合比率を有することを特徴とする請求項１に記載のフェロコークスを用いた高炉操業方法。
前記フェロコークスの鉄分含有量が、１０〜４０質量％であ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を用いた高炉操業方法。