JP5861392B2 - 高炉操業方法 - Google Patents
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Description
高炉操業では、通常、炉頂から鉱石とコークスとをそれぞれが交互に層状となるように装入して鉱石層とコークス層とを形成している。これに対して、鉱石層中にコークスをあらかじめ混合させて装入することで、鉱石層自体の還元性を向上させる方法が鉱石コークス混合装入法である(例えば、特許文献1,2参照。)。
特許文献1に記載の技術においては、ベルレス装入装置を用いて鉱石コークス混合装入を行うために、鉱石とコークスとをベルトコンベア上で積層させるように切り出して、炉頂バンカーから高炉内へ装入し、コークス混合鉱石層を形成する方法を採用している。
これらの技術は、コークスの単独装入と、鉱石コークス混合装入とを交互に行う方法である。コークスと鉱石とが混合されたコークス混合鉱石層では、鉱石とコークスとがほぼ均一に混合されている。
そこで、本発明は、鉱石コークス混合装入法を用いた高炉操業において、還元効率を高めてコークスの使用量を低減することができる高炉操業方法を提供することを課題としている。
これにより、炉内において、コークス混合鉱石層の下方ではコークス層からの還元ガスを、上方ではコークス混合鉱石層内に混合されたコークスから発生する還元ガスを、鉱石の還元に利用することができ、還元ガスを効率的に利用することができる。
これにより、炉頂バンカーから排出される混合原料のコークス混合率が排出末期で急増することを防止しつつ、当該コークス混合率を排出初期から排出後期にかけて確実に増加させることができる。
これにより、炉周辺部に形成されるコークス混合鉱石層内でコークスを上部偏析させることができ、炉周辺部における還元ガスを効率的に利用することが可能となる。このように、一般に比較的ガス利用率が低くなる傾向がある炉周辺部の還元効率を改善することで、高炉全体の還元効率を効果的に改善することができる。
このように、炉周辺部を0.7≦r/R≦1の領域内で設定することで、より効果的に高炉全体の還元効率の向上を図ることができる。
本発明者らは、鉱石層中にコークスが混合されたコークス混合鉱石層におけるコークスの上部偏析の効果を調査するために、荷重軟化試験装置を用いて試験を行った。
荷重軟化試験装置は、高炉内で原料が受ける温度、雰囲気、荷重を再現するものであり、直径100mmの黒鉛るつぼ内に装入した原料を還元ガス雰囲気で所定の温度に加熱して試験を行った。
ここで、試料としては、コークス層を形成する原料には、平均粒径15mm〜25mmの塊コークスを、コークス混合鉱石層を形成する原料には、平均粒径8mm〜10mmの鉱石と平均粒径8mm〜10mmのコークスとを用いた。
図2は、上部偏析のコークス混合鉱石層の模式図である。この上部偏析のコークス混合鉱石層の平均コークス混合率は、上記の均一混合のコークス混合鉱石層と同じ120kg/t−p相当とし、上部50体積%内の平均コークス混合率を170kg/t−p相当、下部50体積%内の平均コークス混合率を70kg/t−p相当とした。すなわち、この上部偏析の例では、コークス混合鉱石層の上半分(上部50体積%)内に、コークス混合鉱石層内に混合されるコークスの70mass%程度を混合した。
均一混合のコークス混合鉱石層を適用した場合、コークス層とコークス混合鉱石層とが層状に重なる炉内において、マクロ的にはコークス層とその上部に積層されたコークス混合鉱石層との境界では、コークス層近傍の鉱石量に対して還元ガスの量が余剰である。そのため、還元効率が低下してしまう。
そこで、本実施形態では、鉱石層を、コークスを上部偏析させたコークス混合鉱石層とし、コークス混合鉱石層の上方をコークスが密の状態に、下方をコークスが粗の状態とする。
この図4(a)において、r/Rは、高炉の半径をR、高炉の中心からの半径方向の位置をrとしたときの高炉の無次元半径であり、r/R=0は高炉の中心位置、r/R=1は炉壁位置を示している。
炉頂バンカーから排出される原料を、ベルレス装入装置の旋回シュートを用いて炉内に旋回装入した場合、例えば鉱石層4bの場合を図4(b)に示すように、装入初期の混合原料は下層部へ、装入後期の混合原料は上層部へと、下層から上層へ順次堆積する。
したがって、この鉱石層4b内でコークスを上部偏析させるためには、炉頂バンカーから排出する鉱石層4bを形成するための混合原料のコークス混合率(=コークス量/(鉱石量+コークス量))を、排出初期から排出後期にかけて増加させればよい。以下、コークスを鉱石層内で上部偏析させる方法について説明する。
すなわち、炉頂バンカー11への原料装入中に偏析制御板12の傾斜角を変更することで、混合原料の落下位置を装入初期と装入後期とで変更するようにする。このようにして、炉頂バンカー11から排出される混合原料のコークス混合率が排出初期から排出後期になるにつれて徐々に増加するような原料分布を形成しながら、炉頂バンカー11に混合原料を堆積させる。以下、この方法について具体的に説明する。
図5(a)は、炉頂バンカー11内の偏析制御板12の角度を、排出口13側(以下、バンカー中心寄りという)に傾斜するように設定した場合である。このとき、偏析制御板12の傾斜角を、炉頂バンカー11に装入される混合原料が矢印Aに示すように排出口13の直上位置に落下する角度(第1傾斜角)に設定すると、鉱石1はバンカー中心寄りに堆積するが、鉱石1より粒径が大であるコークス2はバンカー外周寄りに流れ込む。
これにより、図6に示すように、炉頂バンカー内でコークス2をバンカー外周寄りに堆積させつつ、その一部2aをバンカー中心寄りに堆積させる。すなわち、バンカー外周寄りのコークスの集中を抑制するようにする。その結果、炉頂バンカー11から排出される混合原料のコークス混合率を排出末期で急激に増加することなく、排出初期から排出後期にかけて徐々に増加するようにする。
比較例1として、偏析制御板12を、装入初期から装入後期までの全期間で図5(b)に示すように混合原料をバンカー外周寄りに落下させるようにして炉頂バンカー11内に混合原料を装入し、試験を行った。
実施例1としては、偏析制御板12を、装入初期は図5(a)に示す第1傾斜角、装入後期は図5(b)に示す第2傾斜角として炉頂バンカー11内に混合原料を装入し、試験を行った。この実施例1では、炉頂バンカー11内に装入する混合原料のうち、80mass%を第1傾斜角、残りの20mass%を第2傾斜角で装入した。
図7を参照すると、比較例1では、排出初期から排出後期にかけてコークス混合率に大きな変化はなく、このようにして炉頂バンカー11から排出された混合原料により形成されるコークス混合鉱石層は、均一混合となることがわかる。
ただし、バンカー中心寄りに落下させる混合原料の割合が多すぎると、混合原料の落下位置をバンカー外周寄りに変えても、炉頂バンカー11内でコークスがバンカー外周寄りからバンカー中心寄りに向けて流れ込む効果が得られないため、混合原料のコークス混合率が排出末期で急激に増加してしまい、好ましくない。
図9を参照すると、均一混合の比較例1では、コークス混合鉱石層の高さが高くなるほど(上層部ほど)還元率が低くなっていることがわかる。一方、排出末期で急激にコークス混合率が増加する上部偏析の比較例2では、コークス混合率が高い最上部の還元率が大きく改善されていることがわかる。これに対して、排出後期で全体的にコークス混合率が増加する上部偏析の実施例1及び実施例2では、上層部で全体的に還元率が改善されていることがわかる。
この図10を参照すると、上部偏析の比較例2では、均一混合の比較例1と比較して全体の平均還元率が向上していることがわかる。しかしながら、実施例1および実施例2では、比較例2に対して平均還元率がさらに向上している。
以下、実施例により本発明の効果を具体的に説明する。
ここでは、内容積5000m3を超える大型高炉において、比較的ガス利用率が低い傾向がある高炉の無次元半径r/Rで0.7以上1.0以下の範囲に、コークス層と、コークスと鉱石とが混合されたコークス混合鉱石層とを交互に堆積させる操業を行った。コークス層およびコークス混合鉱石層を形成する原料は、図11に示すベルレス装入装置10により高炉20へ装入するようにした。
混合原料を炉頂バンカー11に貯留する際には、鉱石とコークスをベルトコンベア上で積層させるように切り出して、サージホッパーを介して炉頂バンカー11に装入した。このとき、ゲート15は原料装入制御部30によって閉状態に制御した。
さらに、高炉内でコークス混合鉱石層を形成するための混合原料は2バッチに分割して高炉20へ装入した。このとき、1バッチ目は高炉20の中心〜中間部に装入し、2バッチ目を高炉20の周辺部(r/R=0.7)に装入した。
そして、その炉頂バンカー11から高炉20へ混合原料を装入するに際し、1バッチ目、2バッチ目ともに、旋回シュート18を逆傾動(炉中心から炉壁方向へと傾動)とした。このようにして、コークスがほぼ均一に分布したコークス混合鉱石層を形成し、操業を行った。
そして、2バッチ目では、混合原料が80mass%装入されるまでの間、偏析制御板12を原料装入制御部30によって図5(a)に示す第1傾斜角とし、質量計31によって混合原料が80mass%装入されたことを検出したとき、偏析制御板12を原料装入制御部30によって図5(b)に示す第2傾斜角に切り替えて、混合原料を装入した。これにより、2バッチ目の混合原料のコークス混合率は、図7の実施例1に示されるように、排出後期になるにつれて徐々に上昇するようにした。
ここで、鉱石の平均粒径、混合コークスの平均粒径は、比較例、実施例ともにそれぞれ15mm、25mmとした。操業条件及び操業結果を表1に示す。
通気抵抗指数=((A2−B2)/C)×(1/D1.7)×(273/E) ………(1)
但し、
A=((BP/98.0665)+1.033)×10000,
B=((TP/98.0665)+1.033)×10000,
C=1.033×10000×LST,
D=BGV/SAVE,
E=((SGT+273)/2)+273
であり、BPは送風圧力[kPa]、TPは炉頂圧力[kPa]、LSTはストックラインから羽口までの距離[m]、BGVはボッシュガス流量[Nm3/min]、SAVEは高炉シャフト部の平均水平断面積[m2]、SGTは高炉シャフト部の代表ガス温度(1000℃に固定)である。
この表1において比較例と実施例の操業を比較すると、上部偏析とすることで、通気抵抗指数は同等であるにもかかわらず、還元効率が改善した効果によりガス利用率が上昇して、還元材比(コークス比+微粉炭比)が低下することがわかる。また、コークス比も低下することがわかる。
以上の結果より、本発明は、高炉の還元効率の改善技術として有効であり、さらに、低コークス比操業技術としても有効であることが確認された。
Claims (4)
- 炉頂バンカーに貯留された原料を、該炉頂バンカーの下方に設置した旋回シュートを介して炉頂から装入し、鉱石層とコークス層とを交互に形成する高炉操業方法であって、
前記鉱石層は、前記炉頂バンカーに貯留された鉱石とコークスとの混合原料により形成されるコークス混合鉱石層であり、
前記炉頂バンカー内上部に、該炉頂バンカーへ装入される原料の落下方向を変更するための傾斜角を調整可能な偏析制御板を設け、前記炉頂バンカーへの前記混合原料の装入中に、前記偏析制御板の傾斜角を、前記混合原料の落下位置が前記炉頂バンカーの排出口の直上位置となる第1傾斜角から、前記混合原料の落下位置が前記排出口の直上位置から水平方向に離れた側壁位置となる第2傾斜角へ切り替えることを特徴とする高炉操業方法。 - 前記偏析制御板の傾斜角を前記第1傾斜角として前記炉頂バンカーに装入する混合原料の量を、当該混合原料の前記炉頂バンカーへの総装入量の60mass%以上95mass%以下とすることを特徴とする請求項1に記載の高炉操業方法。
- 前記コークス混合鉱石層を形成するための混合原料の高炉への装入の1チャージを、炉中心部への装入バッチと当該炉中心部より炉壁側の炉周辺部への装入バッチとの少なくとも2バッチに分割し、
前記炉周辺部への装入バッチで高炉へ装入する前記混合原料の前記炉頂バンカーへの装入中に、前記偏析制御板の傾斜角を前記第1傾斜角から前記第2傾斜角へ切り替える制御を行うことを特徴とする請求項1又は2に記載の高炉操業方法。 - 前記炉周辺部は、高炉の半径をR、高炉の中心からの半径方向の位置をrとしたときの高炉の無次元半径r/Rが0.7以上1以下の領域内で設定することを特徴とする請求項3に記載の高炉操業方法。
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