JP6111810B2

JP6111810B2 - 高炉操業方法

Info

Publication number: JP6111810B2
Application number: JP2013085092A
Authority: JP
Inventors: 浩一横山
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2013-04-15
Filing date: 2013-04-15
Publication date: 2017-04-12
Anticipated expiration: 2033-04-15
Also published as: JP2014205895A

Description

本発明は、高炉操業方法に関する。特に、フェロコークスを用いた高炉操業方法に関する。

フェロコークスは、原料炭に酸化鉄を混合した原料を乾留して製造される鉄分を含有するコークスである。コークス中に存在する鉄がコークスのガス化を促進する作用を活用して、種々のフェロコークス活用法が提案されている。

特許文献１には、中心コークス装入を行なう高炉操業において、フェロコークスの一部を無次元半径０．０〜０．１２の半径方向位置に装入し、その残部と鉄原料とを混合して装入することを特徴とする高炉操業方法が開示されている。特許文献２には、コークス層にフェロコークスを、コークス層全体の質量に対して５質量％以上混合することを特徴とする高炉操業方法が開示されている。

特許文献３には、フェロコークスを鉱石と混合して高炉内に装入して鉱石層を形成して操業を行なう際に、フェロコークスを前記鉱石層の上部に集中させることを特徴とする高炉操業方法が開示されている。
特許文献４には、コークス層を室炉コークスにより形成し、鉱石層をフェロコークスと室炉コークスと鉱石とにより形成することを特徴とする高炉操業方法が開示されている。

特許文献５には、（ｉ）予め含炭非焼成ペレットと焼成ペレットを混合し、フェロコークスと前記焼成ペレットの混合物を、前記鉄含有原料層の一部と代替するように装入し、かつ、（ii）前記フェロコークスの使用原単位Ｆ（ｋｇ/ｔｐ）と焼成ペレットの使用原単位Ｐ（ｋｇ/ｔｐ）の比Ｆ（ｋｇ／ｔｐ）／Ｐ（ｋｇ／ｔｐ）が０．１８〜０．２５となるように前記フェロコークスと前記焼成ペレットの混合割合を調整することを特徴とする高炉操業方法が開示されている。特許文献６には、室炉コークスと、焼結鉱等の鉄原料とフェロコークスとの混合物を交互装入し、さらに、フェロコークスを含まない鉄原料を炉壁に近い炉周辺部に限定して装入することを特徴とする高炉操業方法が開示されている。

特開２０１２−１４０６９１号公報特開２０１２−０１２６２０号公報特開２０１１−１６２８４５号公報特開２０１１−０５８０９１号公報特開２０１０−０９５７５９号公報特開２００８−１１１１７６号公報

上述のように、これまで、高炉に装入すべき位置やペレットとの近接配置を志向した提案はなされているが、還元特性や軟化溶融特性が焼結鉱と非常に異なる塊鉱石との関連性を検討した例はなかった。
本発明は、フェロコークスを用いた高炉の高効率操業技術の中で、特に塊鉱石を高炉に使用することによる悪影響を抑制するためのフェロコークスを用いた高炉操業方法について提案するものである。

種々の塊鉱石、ペレットに対して、これらの鉄原料とフェロコークスとの近接配置の効果を検討した結果、焼結鉱を基準として、焼結鉱よりも軟化開始温度が低い鉄原料とフェロコークスとを近接配置させることが最も好ましい効果が得られることが判明した。本願発明は、かかる知見に基づくもので、その要旨は、以下のとおりである。
（１）軟化開始温度が焼結鉱よりも低い塊鉱石とフェロコークスとの混合物と、焼結鉱またはペレットの少なくとも一方と、を高炉に装入する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）前記混合物の前記塊鉱石と前記フェロコークスとの混合比は、質量比で、９０：１０〜７０：３０の範囲であ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。
ここに、軟化開始温度は、昇温還元に伴う鉄原料の軟化収縮に対し、該鉄原料の層に所定の圧力損失が発生する時の温度として定義する。

軟化開始温度が焼結鉱と比較して低い鉄原料とフェロコークスを近接配置することによって、前記鉄原料の還元性を改善する。このフェロコークスによる還元性改善効果は、前記鉄原料において最も大きくなる。これによって、フェロコークスを使用する際の高炉の還元材比（燃料比）が特段に改善する。

本発明の実施形態の一例を示す。実施例において用いた装入方法（ベルト上への切り出し方法）を示す。

（フェロコークス）
フェロコークスは、原料炭と鉄鉱石を混合し、ブリケットマシン等により成型したものを約１０００℃で乾留したものである。フェロコークス中の鉄鉱石は乾留の過程で近接する炭材と反応して金属鉄まで還元される。石炭と鉄鉱石の混合比率は任意であり、高炉が求めるパフォーマンスによってその比率を決めればよい。
フェロコークスは、前記内在する金属鉄が触媒となり、通常の湿炉コークスよりも高反応性となる。ここで高反応性とは、炭素のＣＯ_２によるガス化（Ｃ+ＣＯ_２＝２ＣＯ）をいう。

（軟化開始温度が焼結鉱と比較して低い鉄原料）
高炉に装入する鉄原料には、焼結鉱、ペレット、塊鉱石がある。軟化開始温度とは、炉内での昇温還元にともなう軟化収縮によって鉄原料充填層の圧力損失が生じ始める温度を言う。焼結鉱と比較して対象原料を規定した理由は、焼結鉱が鉄原料の大部分を占め、鉄原料の平均にあたるためである。焼結鉱に比較して軟化開始温度の低い鉄原料は、一般的に、塊鉱石が相当する。
軟化開始温度は、加重軟化試験装置を用いて実測できる。たとえば、鉄と鋼, Vol.68 (No.11), page.S811 に発表された装置を使用する。鉄原料の圧力損失は通常１２５０℃付近から上昇し始める。軟化開始温度は、たとえばこの圧力損失値が２００ｍｍＨ_２Ｏに達する温度、として確定できる。

（塊鉱石とフェロコークスとの混合方法）
軟化開始温度が焼結鉱と比較して低い鉄原料が塊鉱石である場合の、塊鉱石とフェロコークスとの混合方法の一例を図１で説明する。
高炉に原料を装入する際には、別々の貯鉱槽１２に貯留された燒結鉱１、ペレット２及び塊鉱石３の各銘柄の鉄原料をベルト１１上に切り出して、高炉の炉頂まで搬送する。各銘柄は切り出し制御しており、指定された装入量に調整することができる。また切り出しタイミングも制御できるため、ベルト１１上の各原料の配置は自由に変更することができる。図１では、塊鉱石３とフェロコークス４を優先的に混合するために、ベルト上で両者が同じ位置に配置されるように切り出したものである。また、ヤードで貯留する際に、同一のパイルに塊鉱石とフェロコークスを交互に積層し、払い出し時に混合する方法でもよい。

ここに、軟化開始温度が焼結鉱と比較して低い鉄原料とフェロコークスとの混合比は、質量比で、９５：５〜７０：３０の範囲であることが好ましい。その理由は、以下で述べるように、両者の混合による還元促進作用が、この範囲において最も効率的に発揮されるためである。

（作用効果）
以下、塊鉱石を軟化開始温度が焼結鉱と比較して低い鉄原料の代表として説明する。
塊鉱石は、鉄原料の大部分を占める焼結鉱に比較して、安価とされること、またスラグ量が少ない点から、高炉での積極的使用が望まれる。しかし、塊鉱石は緻密で還元性が悪い。このため、多量使用した場合、高炉に悪影響を及ぼす。すなわち、焼結鉱と比べ、低温で軟化開始した塊鉱石は、自身だけでなく、その周辺の空隙を閉塞して還元ガスの流れを阻害し、周辺の焼結鉱層の還元を阻害する。

これに対し、フェロコークスは高炉内では通常の室炉コークスよりも低温でガス化反応（Ｃ+ＣＯ_２＝２ＣＯ）が進行し、還元ガスであるＣＯガスを発生させることから、周囲の酸化鉄原料を早期に還元できる。このようなフェロコークスを低温で軟化溶融する塊鉱石と近接装入することにより、塊鉱石の還元を促進し、軟化溶融時のスラグ量を低減（ＦｅＯ量を低減）することで、塊鉱石自身、およびその周辺の焼結鉱層のＦｅＯによる気孔閉塞を低減できる。
上記作用によって塊鉱石周辺の充填層の緻密化が防止でき、その結果、原料層の通気性が確保されて、還元性が改善する。

フェロコークスのＣＯ_２からＣＯガスへの再生による還元性改善効果は、いずれの鉄原料にも発揮されるが、軟化開始温度が焼結鉱と比較して低い鉄原料との組み合わせにおいて、特に、その近傍の充填層の気孔閉塞抑制効果が加味される結果、特段の改善効果が発現する。この結果、一段の還元材比低減効果が得られる。

（実施例１）
種々の鉄原料に対して、単独の場合（比較例）とフェロコークス混合比率を１０質量％に混合した場合（発明例）との軟化開始温度、最大圧力損失値、１２００℃還元率を、溶融滴下試験で測定した。ここで、フェロコークス混合比率とは、鉄原料とフェロコークスの合計に対するフェロコークスの質量割合をいう。
溶融滴下試験では、内径８５ｍｍのカーボン坩堝内に装入された層厚７０ｍｍの鉄原料充填層を、常時１ｋｇｆ/ｃｍ^２（９８ｋＰａ）の荷重下で、５℃/分で昇温しつつ、一酸化炭素ガスを８Ｌ/分、水素ガスを１Ｌ/分、窒素ガスを２４．５Ｌ/分の流量で導入して、還元させた。

ここに、軟化開始温度は、鉄鉱石上面と下面の間の圧力損失が２００ｍｍＨ_２Ｏに達した際の温度と定義した。最大圧力損失値は、充填層の圧力損失のピーク値を言う。また、還元率を１２００℃時点でのそれで代表させ、ガス分析の結果からその還元率を求めた。
本試験で用いたフェロコークスは、鉄鉱石と石炭の比率を３．５：６．５の重量比率で混合し、軟ピッチをバインダーとして５％添加後、５分間混錬した後にブリケット成型機にて塊成化した後、乾留炉内に導入して製造した。なお、乾留は、乾留炉幅方向中央の成型炭内部温度が１０００℃に到達するまで乾留し、その後、窒素冷却した。製造したフェロコークスのトータル鉄は２７．５８％、金属鉄は２５．６２％、炭素は５８．０６％であり、十分に金属化していた。

試験結果を表１に示す。塊鉱石、焼結鉱のいずれの鉄原料に対しても、フェロコークスを混合することによって、軟化開始温度に大きな変化は認められなかったが、最大圧力損失は大幅に低下した。さらに、１２００℃における還元率も大きく改善していた。特に、塊鉱石の場合に、燒結鉱に比較して、改善効果が大きかった。
以上により、フェロコークスと塊鉱石との近接装入によって、最も大きな還元性改善効果が得られる事が期待された。

通常、軟化開始温度が低い塊鉱石の場合、低温で軟化溶融するので還元ガスの流路が阻害され、１２００℃に到達した際の還元率が低下する。しかし、このような原料にフェロコークスを混合した場合、フェロコークスによってガス流路が確保される効果と、フェロコークス自身のガス化により近接する塊鉱石やペレットの還元を促進する効果によって、ガス還元が進行し、１２００℃における還元率が大きく改善した。
以上の結果から、焼結鉱を主体として銑鉄を製造する高炉操業において、焼結鉱に対し、軟化開始温度（圧力損失発生温度）が低位の鉄鉱石を使用する場合には、その鉄鉱石とフェロコークスを優先的に混合して高炉に装入することで、高炉内のソリューションロスカーボンの増大を抑制でき、高炉内熱低下を回避でき、低還元材比操業が可能となるため、高炉から排出されるＣＯ_２が削減できる。

（実施例２）
続いて、ローブリバー鉱石に対して、フェロコークス混合比率を０〜４０質量％混合した場合の軟化開始温度を、溶融滴下試験で測定した。ここで、フェロコークス混合比率とは、ローブリバー鉱石とフェロコークスの合計に対して、フェロコークスの質量割合をいう。
表２に試験結果を示す。フェロコークス混合比率を１０％以上の範囲で増加させた場合、最大圧力損失は低下する傾向をしめしたが、５％の混合比率では最大圧力損失の低下効果は非常に小さかった。また、混合比率３０％までは１２００℃の還元率は上昇する傾向があるが、３０％を超えるとその効果は見られなかった。これは、フェロコークス混合比率を増加させてガス化によってＣＯガスを大量に発生させても、塊鉱石側の還元がそれ以上は追従できないことによるものであり、発生ＣＯガスが無駄に利用され、高炉の効率はかえって悪くなることを示している。このことから、最大圧力損失の観点から、フェロコークス混合比率は１０％以上が望ましく、還元率の観点からは３０％以下が望ましいことが判った。

（実施例３）
実施例１、２の結果を受けて、４０００ｍ^３級高炉で、フェロコークスと塊鉱石との近接装入による還元材比低減効果を検証した。

参考操業例（ベース操業）は、フェロコークスの使用はなく、鉄原料使用比率は、焼結鉱を８０％、ペレットを５％、塊鉱石を１５％であり、還元材比は４８６ｋｇ/ｔ、コークス比３６６ｋｇ/ｔ、微粉炭比１２０ｋｇ/ｔであった。ベルトコンベア上への各鉄原料の切り出しタイミングは、図２に示す（Ａ）である。

比較操業例は、フェロコークス１００ｋｇ/ｔを焼結鉱石に混合して装入した場合である。塊鉱石量は２５０ｋｇ/ｔである。この時、フェロコークスに由来するカーボンと鉄分に対し、焼結鉱とコークス装入量を減じることにより、高炉に装入するトータルの鉄量、炭素量が一定になるようにまずは調整し、フェロコークス使用による還元効率向上効果に起因した高炉熱の上昇に対し、微粉炭とコークスの使用量を減じることにより対応した。ベルトコンベア上への各鉄原料の切り出しタイミングは、図２に示す（Ｂ）である。

次に、発明操業例は、フェロコークスを塊鉱石と混合する操業を行った。塊鉱石２５０ｋｇ/ｔとフェロコークス１００ｋｇ/ｔを均一に混合して装入した場合である。フェロコークス混合比率は、２８．６質量％である。フェロコークスの混合方法は、図２に示す（Ｃ）で実施した。

表３に各試験操業の結果を示す。フェロコークスは焼結鉱に混合して装入するよりも、塊鉱石に混合したほうが、概ね溶銑温度一定のもとで、高炉のソリューションロス反応が低減でき、高炉の使用炭素量を４０９．０ｋｇ/ｔから４０７．５ｋｇ/ｔに低減できた。
また、フェロコークスを使用することにより、高炉の通気安定性は向上したが、フェロコークスと塊鉱石を優先的に混合することにより通気性は安定化した。

以上の結果から、焼結鉱を主体として銑鉄を製造する高炉操業において、焼結鉱に対し、軟化開始温度（圧力損失発生温度）が低位の鉄原料を使用する場合には、その鉄原料とフェロコークスを優先的に混合して高炉に装入することで、高炉内のソリューションロスカーボンの増大を抑制でき、高炉内の熱低下を回避しつつ、低還元材比操業が可能となることが検証された。

フェロコークスを用いた高炉の高効率操業技術の中で、特に塊鉱石を高炉に使用することによる悪影響を抑制する高炉操業に利用できる。

１：焼結鉱
２：ペレット
３：塊鉱石
４：フェロコークス
１１：ベルトコンベア
１２：貯鉱槽

Claims

軟化開始温度が焼結鉱よりも低い塊鉱石とフェロコークスとの混合物と、焼結鉱またはペレットの少なくとも一方と、を高炉に装入する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。
前記混合物の前記塊鉱石と前記フェロコークスとの混合比は、質量比で、９０：１０〜７０：３０の範囲であることを特徴とする請求項１記載のフェロコークスを用いた高炉操業方法。