JP6233003B2

JP6233003B2 - コークス強度の決定方法

Info

Publication number: JP6233003B2
Application number: JP2013265975A
Authority: JP
Inventors: 中野　薫; 薫中野; 優宇治澤
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2013-12-24
Filing date: 2013-12-24
Publication date: 2017-11-22
Anticipated expiration: 2033-12-24
Also published as: JP2015120965A

Description

本発明は、コークス強度の決定方法に関する。

炉頂からコークスと鉄鉱石を交互にかつ層状に装入し、炉下部の羽口から熱風及び、微粉炭を吹き込み銑鉄を製造する高炉において、コークスは熱源、および、還元剤としての役割を果たすと同時に、スペーサー（ガスを通過させるための空隙を確保するもの）としての役割も果す。

この役割を果たすため、コークスには、強度が高く、容易に粉化せず、かつ粒度が適当な大きさ（２５〜７５ｍｍ程度）で揃っていること等が要求される。
強度が低いコークスを用いた場合、コークス粒子が炉上部から降下するに従い炉壁あるいはコークス粒子同士の摩擦により粉化、細粒化し、大きな粒子同士の空隙を埋めるため通気性が著しく阻害され、還元性のガスが炉下部から炉上部へ流れるのをさまたげ通気性が悪化する。このような場合、銑鉄の生産量が低下し、更にはいわゆる吹き抜けやスリップ現象を誘引し、操業の継続が困難になることがある。

ここで吹き抜けとは、通気抵抗が全体的に上昇した際に、炉下部で生成される還元性ガスが、通気抵抗が小さい局所に爆発的に上昇する現象を指している。このような場合、局部的に上昇するガス流れにより層状に堆積された装入物の分布が乱れることになる。

また、スリップ現象とは吹き抜け現象のやや軽いもので、多くはある円周方向の壁側付近の荷下がりの停滞箇所が生じ、その後一定の時間経過後に一方位の荷下がりが一気に生じる（すべり落ちる）ことにより、装入物分布が乱れる現象をいう。
吹き抜けあるいはスリップ現象のいずれかが生じて装入物の分布が乱れると、通気性がさらに悪化したり、酸化鉄の還元不良等を生じるため、高炉操業に極めて悪い影響を与えるのみならず、圧力の上昇により高炉炉体への機械的ダメージを与えたり、急激に高温ガスが噴出することによる諸設備への熱的悪影響を与えたりすることも懸念される。
このように吹き抜けあるいはスリップ現象が生ずるとその悪影響が大きいことから、これらの現象が生ずるのを回避するため、高炉で使用されるコークスの強度は、注意深く管理しなければならない。

強度の管理指標としては、１５０回転後の１５ｍｍ以上の粉割合を表すコークスドラム強度ＤＩ^１５０ _１５が多く用いられ、これは値が大きいほど高強度であることを示す指数である。
焼結鉱の粉化性状と還元材比、コークス強度と還元材比との関係から、還元材比に対応して必要とされるコークス強度を規定する発明の記載がある（特許文献１）。
また、高炉へ吹き込む水素投入量との関係から、必要とされるコークスドラム強度を規定する発明の記載がある（特許文献２）。
また、高炉増産時の羽口風速の増加に対応したコークスドラム強度を規定する発明の記載がある（特許文献３）。
また、コークスの粉発生量は、コークスに与えられる力学的衝撃エネルギーに依存し、その力学的衝撃エネルギーが大きいほど増加する。高炉内において、コークスは充填層を形成しており、充填層内に形成される応力場において生起している荷下がり運動がコークスに対して、力学的衝撃エネルギーを加えるという記載がある（非特許文献１）

特許第４５８６４０７号公報特許第４８９４９８９号公報特許第４７１４５４５号公報

Hideyuki YAMAOKA, et al, ISIJ International, Vol. 43 (2003), No. 1, p 44-53

特許文献１に記載の発明は、燒結鉱粉化特性（ＲＤＩ）を良くすればコークス強度（ＤＩ）は緩和できるとするものであり、高炉内で発生する粉特性からコークス強度（ＤＩ）を規定するものはない。
特許文献２に記載の発明は、高炉への水素吹き込み量を増加し、Ｈ_２によるＦｅＯの還元を増やせば、コークスの劣化が減少し、コークス強度（ＤＩ）は緩和できるとするものであり、高炉内で発生する粉特性からコークス強度（ＤＩ）を規定するものではない。
特許文献３に記載の発明は、増産のために送風量を増加する際、羽口径を縮小し、羽口風速を増加し、レースウェイ深度を深くして、レースウェイへのコークス降下領域を拡大する。羽口風速の増加し対応してコークスドラム強度を増加するもので、高炉内で発生する粉特性からコークス強度（ＤＩ）を規定するものではない。
非特許文献１の記載では、コークス強度を変更せずに高炉内におけるコークスの粉発生量を低減する為には、荷下がり運動による力学的衝撃エネルギーを低減させることが必要である。

しかしながら荷下がり運動による力学的衝撃エネルギーは高炉内充填層の応力場に支配され、高炉内充填層の応力は炉容積、炉体形状に支配されているため、通常の操業条件の範囲で荷下がり運動による力学的衝撃エネルギーを制御することは困難である。

安定した高炉操業には高強度のコークスを用いることが非常に重要である。
しかしながら、高強度コークスを製造するためには、その原料として粘結性を有する高価な原料炭を必要とし、そのために要するコストは莫大なものとなる。

高炉内で発生するコークスの粉は、炉内充填層応力場で形成される荷下がりによってコークスが受ける力学的衝撃エネルギーに依存する。高炉内でコークスが受ける力学的衝撃エネルギーは高炉の大きさによって異なるが、これまで高炉の大きさによってコークスが受ける力学的衝撃エネルギーがどの程度変化するのかわかっていなかった。
本発明の目的は、高炉に必要なコークス強度を決定するコークス強度の決定方法を提供することである。

本発明者等は、コークスが受ける力学的衝撃エネルギーを検討し、高炉に必要なコークス強度についての知見を得た。
本発明は、これらの知見に基づくものである。

本発明の要旨とするところは、以下のとおりである。
＜１＞高炉の炉容積に応じて、高炉の安定操業に必要なコークス強度を決定するコークス強度の決定方法であって、
基準となる炉容積の高炉において使用した際に安定操業が確認されているコークスのドラム強度を基準となるドラム強度として定め、
前記基準となる炉容積の高炉とは異なる炉容積であり、コークス強度を決定する対象の高炉において、
前記対象の高炉内で充填層の荷下がりに伴いコークスが受ける累積の力学的衝撃エネルギーを、下記の式（１）を用いて表わし、
式（１）右辺、粉発生速度及び粉発生エネルギーの関係式（５）、並びに粉発生エネルギーと圧縮強度との関係を用いて、前記基準となる炉容積の高炉において使用した際に安定操業が確認されているコークスの圧縮強度を１とした時に、前記基準となる炉容積の高炉と前記対象の高炉において炉内で発生するコークス粉量が等価となる相対圧縮強度を求め、圧縮強度とドラム強度との関係を用いて前記相対圧縮強度を相対ドラム強度に変換し、前記基準となるドラム強度を用いて前記相対ドラム強度を絶対値のドラム強度に換算し、前記対象の高炉の安定操業に必要なコークス強度を、前記により求められたドラム強度以上と決定することを特徴とするコークス強度の決定方法。

ここで、σ_ｉｊ、ｅ_ｉｊ、ｕ、Ｆ_VC、および、Ｅ_cokeはそれぞれ、充填層応力、速度勾配、荷下がり速度、微小区間内でのコークス充填層の体積割合、および、累積の力学的衝撃エネルギーであり、Ｗ、および、Ｅ/Ｍはそれぞれ、単位コークス充填層体積当たりの粉発生速度、および、粉発生エネルギーである。
＜２＞前記圧縮強度と粉発生エネルギーとの関係は下記の式（６）で表わされ、かつ、前記圧縮強度とドラム強度との関係は下記の式（１０）で表わされることを特徴とする、＜１＞に記載のコークス強度の決定方法。

ここで、Ｅ/Ｍ、Ｓ _ｃ（ＭＰａ）、および、ＤＩ ^１５０ _１５（％）はそれぞれ、粉発生エネルギー、圧縮強度、および１５０回転後の１５ｍｍ以上の粉割合を表すコークスドラム強度である。
＜３＞前記基準となる炉容積を5370（ｍ ^３）、前記基準となるドラム強度を84.5（％）として定め、下記の式（２）を満たすドラム強度を有するコークスを用いることを特徴とする＜２＞に記載のコークス強度の決定方法。

ここで、ＤＩ ^１５０ _１５（％）は１５０回転後の１５ｍｍ以上の粉割合を表すドラム強度であり、Ｖ_BF （ｍ ^３）は炉容積を表す。
＜４＞炉容積が１７００ｍ^３以下の高炉において、前記基準となる炉容積を5370（ｍ ^３）、前記基準となるドラム強度を84.5（％）として定め、下記の式（３）（４）を満たすドラム強度を有するコークスを用いることを特徴とする請求項２に記載のコークス強度の決定方法。

ここで、ＤＩ ^１５０ _１５（％）は１５０回転後の１５ｍｍ以上の粉割合を表すコークスドラム強度であり、Ｖ_BF （ｍ ^３）は炉容積を表す。

本発明によれば、高炉に必要なコークス強度を規定する高炉の操業方法を提供することができる。

炉容積と羽口レベルのコークスの力学的衝撃エネルギー累積値の関係を示す図。炉容積と相対圧縮強度の関係を示す図。コークスドラム強度と圧縮強度の関係を示す図。炉容積と相対コークスドラム強度の関係を示す図。炉容積とドラム強度の関係（実績値と等価ライン）を示す図。

（コークスの力学的衝撃エネルギーについて）
発明者らは、高炉の総合評価モデルを用いて、高炉内の力学的衝撃エネルギーを計算するとともに、炉容積に応じたコークスの必要強度を算出した。以下に高炉の総合評価モデルの構成と高炉内の力学的衝撃エネルギー計算方法を示す。
高炉の総合評価モデルの基本構成は、高炉内で生起する、固体、気体、液体の運動、伝熱、反応を連成して同時解析し、非定常的に炉内状態を予測するモデルである（非特許文献２、非特許文献３）。

（非特許文献２）Kouji TAKATANI, et al, ISIJ International, vol. 39(1999), No. 1,p 15-22
（非特許文献３）Kouji TAKATANI, CAMP-ISIJ, Vol.18(2005), p72

ここで、固体の運動（荷下がり）に関しては剛塑性体モデルを適用し、高炉の操業条件から応力場を推定し、力学的衝撃エネルギーを計算する機能を有する。ここで、力学的衝撃エネルギーは、以下の式（１）を求めることによって計算できる。

ここで、σ_ｉｊ、ｅ_ｉｊ、ｕ、Ｆ_VC、および、Ｅ_cokeはそれぞれ、充填層応力、速度勾配、荷下がり速度、微小区間内でのコークス充填層の体積割合、および、累積の力学的衝撃エネルギーである。

高炉内において、充填層の荷下がり運動の起点は羽口部で生じるコークスの燃焼消滅である。従って、上式で計算される羽口レベルでのコークスの力学的衝撃エネルギー累積値はコークスが炉頂に装入されてから、羽口レベルまでに達するまでに生成するコークスの粉発生量に対応する。

図１に炉容積と炉頂から羽口レベルまでにコークスが受ける力学的衝撃エネルギー累積値の関係を示す。
本結果は、高炉の炉容積が小さいほど、コークスの力学的衝撃エネルギー累積値が小さく、コークスが炉頂に装入されてから羽口レベルに達するまでに発生する粉量が低減することを示している。従って、高炉の炉容積を小さくすることによって、相対的にコークス強度に余裕が生じる為、コークス強度を緩和することが可能となる。この計算に使用した高炉の炉体形状のデータを表１に示す。

（炉内でコークスが必要とする圧縮強度について）
他方、高炉の各部位での粉発生速度は、（１）式右辺の力学的衝撃エネルギーを粉発生エネルギーで除することにより計算することができる。

ここで、Ｗ、Ｅ/Ｍは、それぞれ、単位コークス充填層体積当たりの粉発生速度、粉発生エネルギーである。

粉発生エネルギーは非特許文献１によれば、圧縮強度の1.4乗に比例することが実験的に導かれている。

上記結果を用いて、炉容積毎に相対的に同じ粉発生量となるコークスの圧縮強度を計算することができる。

図２に炉容積と必要相対圧縮強度の関係を示す。５３７０ｍ^３の高炉において使用するコークスの圧縮強度を１とした時に、炉内で発生するコークス粉量が等価となる相対的な圧縮強度である。本結果は、小型高炉ほど、コークスの強度を低減できることを示している。

（炉容積と等価コークスドラム強度の関係について）
他方、コークスの圧縮強度とドラム強度の関係は非特許文献１に示されている。
図３にコークスドラム強度と圧縮強度の関係を示す。
これらの関係を用いると、炉容積毎に相対的に同じ粉発生量となるコークスのドラム強度を計算することができる。
図４に炉容積と等価の相対コークスドラム強度の関係を示す。
等価の相対コークスドラム強度を炉容積の関数として、次式に示す。

ここで、ＤＩ、ＤＩ_０、は１５０回転後の１５ｍｍ以上の粉割合を表すコークスドラム強度ＤＩ^１５０ _１５であり、前者は制御するコークスドラム強度、後者は基準となるコークスドラム強度である。また、Ｖ_ＢＦは炉容積を表す。基準となる炉容積は５３７０ｍ^３とした。

上記知見の妥当性を過去の操業実績データを用いて評価する。炉容積とコークスドラム強度の過去の実績データの関係を調査した。
図５に炉容積とドラム強度の関係（実績値と等価ライン）を示す。ここで、図５中のラインは、基準となる操業実績値(図５中の●)に基づき、(５)式を用いて計算したものである。ここで、基準となる高炉の炉容積は、５３７０ m³とし、基準となるコークスドラム強度は、安定操業が確認されている84.5 とした。コークスドラム強度の操業実績値は本ラインよりも全て上側に位置しており、基準操業よりも少ない炉内粉発生状態で操業している。本操業実績値は、高炉が安定に操業された時のデータであり、本ラインは操業が不安定化する限界を表すものではないが、本発明を用いれば、既に安定操業が確認されているコークス強度データに基づき、異なる炉容積の高炉において、コークス粉発生量が等価となるコークス強度を計算することができる。上記ラインを式で表現すれば、以下のようになる。

ここで、Ｖ_ＢＦは炉容積を表す。
従って、実際の操業では、次式を満たすドラム強度のコークスを使用すればよい。

他方、１７００m³以下の小型高炉に関しては、これまでの操業実績からドラム強度下限値は炉容積に対して次式のような関係がある。

上記操業実績と本発明を勘案すれば、１７００ m³以下の小型高炉の操業においてコークス強度は、次式のように緩和することが可能である。

ここで、

である。

高炉に必要なコークス強度を決定する高炉の操業方法に利用することができる。

Claims

高炉の炉容積に応じて、高炉の安定操業に必要なコークス強度を決定するコークス強度の決定方法であって、
基準となる炉容積の高炉において使用した際に安定操業が確認されているコークスのドラム強度を基準となるドラム強度として定め、
前記基準となる炉容積の高炉とは異なる炉容積であり、コークス強度を決定する対象の高炉において、
前記対象の高炉内で充填層の荷下がりに伴いコークスが受ける累積の力学的衝撃エネルギーを、下記の式（１）を用いて表わし、
式（１）右辺、粉発生速度及び粉発生エネルギーの関係式（５）、並びに粉発生エネルギーと圧縮強度との関係を用いて、前記基準となる炉容積の高炉において使用した際に安定操業が確認されているコークスの圧縮強度を１とした時に、前記基準となる炉容積の高炉と前記対象の高炉において炉内で発生するコークス粉量が等価となる相対圧縮強度を求め、圧縮強度とドラム強度との関係を用いて前記相対圧縮強度を相対ドラム強度に変換し、前記基準となるドラム強度を用いて前記相対ドラム強度を絶対値のドラム強度に換算し、前記対象の高炉の安定操業に必要なコークス強度を、前記により求められたドラム強度以上と決定することを特徴とするコークス強度の決定方法。

ここで、σ_ｉｊ、ｅ_ｉｊ、ｕ、Ｆ_VC、および、Ｅ_cokeはそれぞれ、充填層応力、速度勾配、荷下がり速度、微小区間内でのコークス充填層の体積割合、および、累積の力学的衝撃エネルギーであり、Ｗ、および、Ｅ/Ｍはそれぞれ、単位コークス充填層体積当たりの粉発生速度、および、粉発生エネルギーである。
前記圧縮強度と粉発生エネルギーとの関係は下記の式（６）で表わされ、かつ、前記圧縮強度とドラム強度との関係は下記の式（１０）で表わされることを特徴とする、請求項１に記載のコークス強度の決定方法。

ここで、Ｅ/Ｍ、Ｓ _ｃ（ＭＰａ）、および、ＤＩ ^１５０ _１５（％）はそれぞれ、粉発生エネルギー、圧縮強度、および１５０回転後の１５ｍｍ以上の粉割合を表すコークスドラム強度である。
前記基準となる炉容積を5370（ｍ ^３）、前記基準となるドラム強度を84.5（％）として定め、下記の式（２）を満たすドラム強度を有するコークスを用いることを特徴とする請求項２に記載のコークス強度の決定方法。

ここで、ＤＩ ^１５０ _１５（％）は１５０回転後の１５ｍｍ以上の粉割合を表すドラム強度であり、Ｖ_BF （ｍ ^３）は炉容積を表す。
炉容積が１７００ｍ^３以下の高炉において、前記基準となる炉容積を5370（ｍ ^３）、前記基準となるドラム強度を84.5（％）として定め、下記の式（３）（４）を満たすドラム強度を有するコークスを用いることを特徴とする請求項２に記載のコークス強度の決定方法。

ここで、ＤＩ ^１５０ _１５（％）は１５０回転後の１５ｍｍ以上の粉割合を表すコークスドラム強度であり、Ｖ_BF （ｍ ^３）は炉容積を表す。