JP6287916B2 - 高炉操業方法 - Google Patents

Description

本発明は、高炉に装入される焼結鉱の粒度分布を調整して、前記焼結鉱が還元粉化した後に生じる焼結鉱粉の量を抑える高炉操業方法に関する。

高炉では、炉頂部からコークスと鉱石とを装入し、炉下部に設けられた羽口から熱風熱風を、場合によっては更に微粉炭と共に、吹き込み、コークスや微粉炭が燃焼して発生した一酸化炭素ＣＯガスを含むガスが炉内を炉頂部へ上昇する間で鉱石を還元するとともに、燃焼熱により鉱石を溶融して銑鉄を生成している。コークスや微粉炭は還元材と呼ばれ、銑鉄１トンを生成するのに使用される還元材の使用量は還元材比として管理される。なお、銑鉄１トンを生成するのに使用されるコークスの使用量はコークス比、微粉炭の使用量は微粉炭比と呼ぶ。還元材比を低減することは、コークスや微粉炭の原料となる石炭の使用量を削減するという点で重要である。特に、コークスの原料炭は、粘結性が要求され、石炭資源全体の中では埋蔵量が少なく、価格が高い傾向があり、コークス比を低下させることは、経済性や資源動向を鑑みると特に重要である。

高炉操業では、高炉内での鉱石の還元を促進し、鉱石層、コークス層を安定的に降下させるためには、高炉内は通気性が高く、安定したガス流れを確保することが望ましい。鉱石は１２００〜１４００℃で軟化・融着して通気抵抗が非常に高い状態となるので、鉱石の装入量を増加させると、高炉内の通気性が低くなる傾向がある。一方で、コークスは、鉱石よりも粒径が大きく強度も高く、コークスによって高炉内をガスが通過する空間を有効に確保でき、高炉内の通気性を向上させる効果がある。

コークスの装入量を減少させると高炉内の通気性が低くなる傾向があるので、コークス比を低下させる際には、別の手段で高炉内の通気性を高める必要がある。その手段として、鉱石の高炉内での粉化を抑えることが有効である。鉱石として代表的に使用される焼結鉱は、高炉内において５００〜７００℃付近で還元して粉化することが知られており、還元粉化の程度を表す指標としては、ＪＩＳ Ｍ ８７２０の定温還元粉化試験方法で測定されるＲＤＩが用いられている。ＲＤＩは、粒径１５〜２０ｍｍの焼結鉱５００ｇをＣＯ３０体積％＋Ｎ_２７０体積％のガスで、５５０℃で３０分還元した後、直径が１３０ｍｍで高さが２００ｍｍの円筒に入れ、３０回／分で３０分回転させた後の粒径が３ｍｍ以下となる焼結鉱粉の質量比率で示される。

高炉内の通気性を高めるためには、ＲＤＩが低く還元粉化しにくい焼結鉱を高炉に装入することが望ましい。しかしながら、ＲＤＩは焼結鉱の製造における原料条件などの影響を受け、ＲＤＩが常に低位な一定値となる焼結鉱を製造することは、困難であり、ＲＤＩが上昇する場合がある。非特許文献１によれば、ＲＤＩの高い焼結鉱を高炉に装入する場合、高炉炉壁近傍の周辺部において、コークスの装入量を増加させ且つ焼結鉱の装入量を低減させ、周辺部での高炉原料の粒径低下を抑え、周辺部に流れるガス量を増加させることにより、高炉内の通気抵抗が減少し、高炉内の通気性が高くなるとされている。

佐藤健ら、鉄と鋼、Ｖｏｌ．９２（２００６）Ｎｏ．１２、第３１４〜３２２頁

非特許文献１の記載によれば、ＲＤＩが高い焼結鉱を装入する場合には、少なくとも周辺部では、焼結鉱の装入量を低下させ且つコークスの装入量を増加させてガス流を増加させる必要がある。しかしながら、周辺部でのガス流増加は、炉体抜熱の増加や還元効率の低下によるコークス比の増加を招くため、ＲＤＩが高い焼結鉱であっても、その焼結鉱の還元粉化を抑えて高炉内の通気抵抗を抑えつつ、コークス比を上昇させずにその焼結鉱をより多く使用可能とする更なる方法が要望されている。

本発明は上記実情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ＲＤＩが高い焼結鉱であっても、その焼結鉱の還元粉化を抑えて、高炉内の通気抵抗を抑え、コークス比を上昇させずにその焼結鉱をより多く使用可能とする高炉操業方法を提供することである。

上記課題を解決するための本発明の要旨は以下の通りである。
（１）焼結鉱を高炉に装入する高炉操業方法であって、１０〜２０の範囲内のいずれかの値を基準と決定し、前記基準以上の粒径［ｍｍ］となる大焼結鉱の質量割合と前記基準未満の粒径となる小焼結鉱の質量割合との比を指標として、前記焼結鉱の粒径を調整することを特徴とする高炉操業方法。
（２）予め、焼結鉱の粒度分布を変更することで前記比を変更し、前記焼結鉱のうち、該焼結鉱を還元粉化した後での３ｍｍ未満の粒径となる焼結鉱粉の質量割合を複数測定し、前記焼結鉱粉の質量割合と前記比との関係を求めておき、前記焼結鉱粉の質量割合が目標値以下となる比を前記関係から特定し、特定した比以下となるように、高炉に装入される焼結鉱の粒径を調整することを特徴とする（１）に記載の高炉操業方法。

本発明によれば、高炉操業においてＲＤＩの高い焼結鉱を使用する場合にも高炉内の通気抵抗の上昇を抑制することができる。通気抵抗が抑えられるために高炉操業が安定し、ひいては、出銑量が安定した銑鉄の製造が可能となる。

高炉原料を高炉に装入する設備を示す図である。 還元前の焼結鉱の粒径［ｍｍ］と還元後の焼結鉱のうち粒径Ｘｍｍ未満の焼結鉱粉の割合［質量％］との関係を示すグラフである。 焼結鉱Ｎｏ．１〜７の粒度比率［質量％］を示すグラフである。 図３に示す粒度比率の焼結鉱について、粒径が１５ｍｍ未満となる小焼結鉱の質量割合に対する粒径が１５ｍｍ以上となる大焼結鉱の質量割合の比と、還元後、３ｍｍ未満の粒径となる焼結鉱粉の質量割合と、の関係を示すグラフである。 高炉操業で使用している焼結鉱のＲＤＩの日間変動の一例を示す。

高炉原料を高炉に装入する設備を図１に示す。高炉１００の近くには、その頂部に繋がるコンベア１３が配置されている。コンベア１３上の高炉原料が、高炉１００の頂部に搬送されて高炉１００に装入される。コンベア１３で搬送される高炉原料としては、コークス１０及び焼結鉱３（鉱石）があり、コークス１０や微粉炭などを燃焼して発生した一酸化炭素ＣＯガスを含むガスで鉱石を還元するとともに、燃焼熱により鉱石を溶融して銑鉄を生成している。図１では図示を省略してあるが、高炉１００の下部側壁には羽口及び出銑口が複数設けられている。羽口からは、熱風とともに微粉炭を吹き込んでおり、出銑口からは、生成された銑鉄を出銑している。

焼結鉱３は、焼結原料１を焼結機２で焼結して製造され、コンベア１３の上方に複数配置された鉱石槽７に収容されることになる。焼結原料１は、鉄鉱石の粉鉱石、石灰石系粉原料や他の副原料が配合されてなる粉状原料を造粒して製造され、焼結原料１を焼結機２で焼結して焼結鉱３を製造する。製造後、焼結鉱３は１次クラッシャー４で粉砕され、１次篩い５で分級され、更に、２次クラッシャー６で粉砕される。２次クラッシャー６で粉砕された焼結鉱は、コンベア１３の上方に複数配置された鉱石槽７に収容される。焼結鉱３は、適宜、鉱石槽７の直下の２次篩い８で分級されて、コンベア１３に落される（置かれる）。コンベア１３の上方で、鉱石槽７に並列して複数配置されたコークス槽１１にコークス１０は収容され、コークス１０もまた、コークス槽１１の直下の篩い１２で分級されて、コンベア１３に落される（置かれる）ことになる。

焼結鉱３とコークス１０とが交互に積層されるように高炉１００に投入される。よって、焼結鉱３とコークス１０とが交互にコンベア１３に置かれることになる。高炉１００内で、強度が高いコークス１０を層状とすることによって、高炉１００内の通気性を高めることができる。焼結鉱３は、コークス１０や微粉炭によって還元されて銑鉄となるが、焼結鉱３は還元後に粉化しないことが望ましい。焼結鉱３の還元粉化を防ぐことによって、高炉１００内の通気性を高めることができる。また、１次クラッシャー４や２次クラッシャー６による粉砕及び１次篩い５や２次篩い８による分級によって、コンベア１３に落される焼結鉱３の粒径を調整することで、高炉の任意の位置で積層される焼結鉱３の粒径を調整できる。また、篩い１２による分級によって、コークス１０の粒径を調整できる。なお、コンベア１３への落下量を調整することで、焼結鉱３及びコークス１０の装入量も適宜調整できる。

鉱石として代表的に使用される焼結鉱は、高炉内において５００〜７００℃付近で還元して粉化することが知られており、還元粉化の程度を表す指標としては、ＪＩＳ Ｍ ８７２０の定温還元粉化試験方法で測定されるＲＤＩが用いられており、ＲＤＩが高い焼結鉱は、還元時に粉化する割合が多いことになる。本発明者は、高炉内の通気抵抗を抑えつつ、ＲＤＩが高い焼結鉱であっても、その焼結鉱をより多く使用可能とする条件を調査するべく、還元前の焼結鉱の粒径によって、還元粉化が生じた後の焼結鉱粉の粒度比率がどの程度変わるかを確認するべく実験を行った。

＜実験１＞
代表的に製造される焼結鉱はＲＤＩが２０〜４５であるが、実験１では、比較的に高いＲＤＩとなる焼結鉱として、ＲＤＩが３６である焼結鉱を採用し、該焼結鉱の還元粉化後の粒度比率を観察した。

還元前の焼結鉱を、粒径によって（Ｉ）５ｍｍ以上１０ｍｍ未満、（II）１０ｍｍ以上１５ｍｍ未満、（III）１５ｍｍ以上２０ｍｍ未満、（IV）２０ｍｍ以上２５ｍｍ未満、（Ｖ）２５ｍｍ以上３０ｍｍ未満、の５つのグループに篩い分けした。各グループの焼結鉱５００ｇを、直径が１３０ｍｍ、高さが２００ｍｍである円筒に充填し、高炉の環境を模擬した雰囲気において、常温の２５℃から７００℃まで電気炉で加熱し、焼結鉱を還元させた。還元後に、３０（回／分）で３０分回転させ、還元粉化後の焼結鉱粉の粒度比率を調査した。高炉の環境を模擬した加熱雰囲気の条件を表１に示す。

還元粉化後の焼結鉱粉全量のうち粒径Ｘｍｍ未満の焼結鉱粉の割合［質量％］と、還元前の焼結鉱の粒径［ｍｍ］と、の関係を図２に示す。図２のグラフから、還元前の焼結鉱の粒径が大きいほど、還元後の焼結鉱粉は、粒径３ｍｍ未満となる割合が増えていることがわかる。このことから、２次篩い８（図１参照）による分級で、粒度が粗い焼結鉱をコンベアに落下させて高炉に装入する方が、高炉内では、還元後に粒径３ｍｍ未満となる焼結鉱粉が増える可能性が高いと推察できる。

本発明者は、上記推察に基づき、焼結鉱のうち、粒径が大きな大焼結鉱の割合を少なくし、粒径が小さな小焼結鉱の割合を多くすることで、還元粉化後での３ｍｍ未満の粒径となる焼結鉱粉の質量割合を抑えることが可能ではないかと考え、更に実験を行った。

＜実験２＞
３６、３１、２７とＲＤＩが相異なる３種類の焼結鉱を準備し、３種類の焼結鉱の各々を２次篩い８で分級し、各々の焼結鉱につき、粒度比率が相異なる焼結鉱Ｎｏ．１〜７を準備した。焼結鉱Ｎｏ．１〜７の粒度比率［質量％］を図３に示す。図３のグラフに示Ｎｏ．１〜７の焼結鉱を、実験１の場合と同様にして還元し、還元後に３０（回／分）で３０分回転させ、焼結鉱粉の粒度を調査した。還元前の焼結鉱を、大焼結鉱と小焼結鉱と区分するための粒径の基準に、焼結鉱の代表的な粒径である１５ｍｍを採用し、１５ｍｍの粒径未満の小焼結鉱の質量割合に対する１５ｍｍの粒径以上の大焼結鉱の質量割合の比（以下、適宜単に「質量割合比」とも称する）と、還元粉化後の粒径が３ｍｍ未満となる焼結鉱粉の質量割合と、の関係について調査した。その調査結果を図４に示す。

大焼結鉱の質量割合／小焼結鉱の質量割合（質量割合比）を横軸とし、還元粉化の３ｍｍ未満の粒径となる焼結鉱粉の質量割合を縦軸とした図４のグラフにおいて、全てのＲＤＩの焼結鉱について、下に凸となる関係が成立していることがわかる。本発明者は、質量割合比が小さくなるにつれて、還元後の焼結鉱のうち、３ｍｍ粒径となる焼結鉱粉の質量割合が小さくなる傾向があるものの、質量割合比が、ある値、すなわち、グラフに示す曲線における焼結鉱粉の質量割合の極小値に対応する値、よりも小さくなると、３ｍｍ粒径となる焼結鉱粉の質量割合が大きくなってしまうことを知見した。本発明は、この知見に基づくものであり、小焼結鉱の質量割合と大焼結鉱の質量割合との比を指標としている。本発明では、還元後の焼結鉱のうち、３ｍｍ粒径となる焼結鉱粉の質量割合が小さくなるように、質量割合比を特定し、小焼結鉱及び大焼結鉱の質量割合が特定した質量割合比を満たすように、高炉に装入される焼結鉱の粒径を調整する。

図４に示す例では基準を１５ｍｍとしてあるが、１０〜２０ｍｍの範囲内のいずれかの値を基準としてもよい。１０〜２０ｍｍの範囲の値を基準とすれば、質量割合比を横軸とし、還元粉化の３ｍｍ未満の粒径となる焼結鉱粉の質量割合を縦軸としたグラフにおいて、全てのＲＤＩの焼結鉱について下に凸となる関係が成立する。一方で、１０ｍｍ未満の粒径を基準とする場合や２０ｍｍを超えた粒径を基準とする場合には、前記グラフにおいて、下に凸となる関係が成立にくい。よって、これらを基準と定めて特定した小焼結鉱の質量割合に対する大焼結鉱の質量割合の比を指標としても、高炉に装入される焼結鉱の粒径を、粒径が３ｍｍ以下となる焼結鉱粉の質量割合を最小値とする粒径に調整しにくい。

予め、図３に示すように、特定のＲＤＩの焼結鉱であって、粒度分布（粒度比率）が相異なる焼結鉱を複数準備しておき、図４に示すようなグラフを予め作成しておくことで、焼結鉱粉の質量割合を目標値（符号４１で示す）以下とする小焼結鉱の質量割合に対する大焼結鉱の質量割合の比を、前記グラフから特定できる。グラフでは、焼結鉱粉の質量割合を目標値に対応する下限値（符号４２で示す）と上限値（符号４３で示す）とで定まる、質量割合比の範囲を特定できる。図４に示す例では、粒径が３ｍｍ未満となる焼結鉱粉の質量割合の目標値を２９．５［質量％］とすると、ＲＤＩが３６の焼結鉱の場合で、質量割合比の最適値は、０．２９から０．４３の範囲内の値と求まる。なお、焼結鉱の粒度分布は、篩いによる分級によって適宜変更することができる。

質量割合比が、特定した最適値となるように、高炉に装入される焼結鉱の粒径を調整する。これにより、高炉内での還元粉化後に生じる焼結鉱粉の量が目標値以下とすることが期待でき、高炉内の通気抵抗を抑えることが期待できる。ひいては、ＲＤＩが高い焼結鉱をより多く使用可能となる。

高炉で使用される焼結鉱のＲＤＩは、原料鉱石の銘柄、品位の変動や、焼結機の操業条件に応じて日々変動することを避けることができない場合がある。このため、高炉操業では、通常、鉱石槽７へ送られる焼結鉱の一部を採取して１日１回程度、ＲＤＩを測定し、変動状況を確認している。高炉操業で使用している焼結鉱のＲＤＩの日間変動の一例を図５に示す。

図５から、測定開始時からある日数が経過した日のＲＤＩの数値は、概ね、前日（１日前の日）の数値から±３程度の範囲となることがわかる。一方で、ある日数経過日のＲＤＩの数値が、２０日前の日の数値から±１０程度の範囲となる期間がある（例えば、１２０日経過時のＲＤＩと１４０日経過時のＲＤＩとの値、参照）。高炉操業において、このようなＲＤＩの変動が存在することを認識し、例えば３日など、数日連続でＲＤＩに上昇傾向が観察された場合、前記質量割合比を小さくすることで、還元粉化による３ｍｍ未満の焼結鉱粉の質量割合を低減することができる。

様々なＲＤＩの焼結鉱について、質量割合比と還元後の粒径が３ｍｍ未満となる焼結鉱粉の質量割合との関係を予め得ておけば（図４参照）、高炉操業でのＲＤＩの測定値に合せて、還元粉化による３ｍｍ未満の焼結鉱粉の質量割合を低減することが期待される質量割合比を求めることができる。例えば、図４で、ＲＤＩが３１、質量割合比が０．６のときに、還元粉化後の３ｍｍ未満の焼結鉱粉は２９．５質量％程度であるが、このときに、ＲＤＩが３６まで上昇してしまうと焼結鉱粉が３２．５質量％程度まで上昇してしまう。しかし、この際に２次クラッシャー６（図１参照）の間隙を調整して質量割合比を０．６から０．５まで低下させることにより、焼結鉱粉が３１質量％程度までの上昇に抑制することができる。

なお、２次クラッシャー６の調整により質量割合比を小さくすると、２次篩い８における篩下の量も上昇し、焼結機２で生産された焼結鉱の高炉へ装入される歩留り（焼結歩留り）が低下するので、ＲＤＩの日間変動でＲＤＩの低下が見られた際には、２次クラッシャー６の間隙を再度調整し、焼結歩留りを向上させることが望ましい。

１０〜２０ｍｍの範囲内のいずれかの値（粒径）を基準とし、焼結鉱のうち、基準以上の粒径［ｍｍ］となる大焼結鉱の質量割合と基準未満の粒径となる小焼結鉱と質量割合との比を変更したときの高炉操業への影響を調べるために、図１に示す設備で、内容積が５０００ｍ^３となる高炉１００にコークス１０及び焼結鉱３を装入する高炉操業を行った（ベース、比較例１、比較例２及び本発明例）。各高炉操業では、焼結鉱３について、基準となる粒径を１５ｍｍとし、粒径が１５ｍｍ未満となる小焼結鉱の質量割合に対する粒径が１５ｍｍ以上となる大焼結鉱の質量割合の比を求めておいた。ベース、比較例１、比較例２及び本発明例の各高炉操業における、コークス比［ｋｇ／トン−銑鉄］や出銑量［トン−銑鉄／日］などの条件及び結果を表２に示す。

表２中の通気抵抗指数Ｋは、次の式［１］で表される指数であり、数値が高いほど炉内の圧力損失が大きく、操業が不安定になりやすいことを示す。
Ｋ＝（Ｐ_Ｂ ^２−Ｐ_Ｔ ^２）／Ｖ^１．７×１００ ［１］
ここで、Ｐ_Ｂ：送風圧（ｋＰａ）、
Ｐ_Ｔ：炉頂圧（ｋＰａ）、
Ｖ：ボッシュガス量（Ｎｍ^３／分）である。

ベースの操業は通常の高炉操業である。ベースの操業では、ＲＤＩが３６の焼結鉱を用いており、質量割合比は、０．６７である。出銑量は１２６７９［トン−銑鉄／日］となり、通気抵抗指数は１．８０となった。

比較例１の操業では、ＲＤＩが４０の焼結鉱を用いた以外はベースの操業と同様の条件で高炉操業を行った。但し、ベースの操業で用いたものよりもＲＤＩが高い焼結鉱を用いたので、還元粉化量が増えて通気抵抗指数が上昇した。よって、送風量を多くすると不安定となるので、ベースの操業の場合よりも少なくして高炉操業を行った。結果的に、比較例１の操業では、ベースの操業よりも出銑量が低下した。

比較例２の操業では、高炉炉壁近傍の周辺部において、コークスの装入量を増加させ且つ鉱石の装入量の比率を低減させた以外はベースの操業の場合と同様の条件で高炉操業を行った。比較例２では、周辺部での高炉原料の粒径低下を抑え、周辺部に流れるガス量を増加させることによって、高炉内の通気抵抗を抑えている。比較例２の操業では、ベースの操業よりも、コークス比が大きい。また、送風量を多くしてある。比較例２の操業では、ベースの操業と通気抵抗は同じであるが、ベースの操業よりも出銑量が若干低下した。

ＲＤＩが３６の焼結鉱について、図３からわかるように、還元後の３ｍｍ未満の焼結鉱粉の質量割合の目標値を２９．５［質量％］とした場合における、基準を１５ｍｍとした場合の質量割合比は、０．２９から０．４３の範囲内の値である。この値を考慮して、本発明例の高炉操業では、１次クラッシャー４及び２次クラッシャー６による粉砕力を調整し、焼結鉱３につき、質量割合比を０．４０とした以外はベースの操業と同様に高炉操業を行った。

本発明例では、ベースの操業よりも、通気抵抗指数を低下させることができている。また、本発明例では、比較例２の操業よりも、コークス比を上昇させることなく、通気抵抗指数を低く維持し、良好な出銑量が得られている。

本発明によって、高炉内の通気抵抗を抑えつつ、コークス比を上昇させずにＲＤＩが高い焼結鉱をより多く使用できたことがわかるし、出銑量が高い銑鉄の製造が可能となったこともわかる。また、通気抵抗が抑えられると高炉操業が安定し、ひいては、出銑量が安定した銑鉄の製造が可能となることも期待できる。

１ 焼結原料
２ 焼結機
３ 焼結鉱
４ １次クラッシャー
５ １次篩い
６ ２次クラッシャー
７ 鉱石槽
８ ２次篩い（鉱石槽下方）
１０ コークス
１１ コークス槽
１２ 篩い（コークス槽下方）
１３ コンベア
４１ 目標値
４２ 下限値
４３ 上限値
１００ 高炉

Claims (2)

1. 焼結鉱を高炉に装入する高炉操業方法であって、
   １０〜２０の範囲内のいずれかの値を基準と決定し、
   前記基準以上の粒径［ｍｍ］となる大焼結鉱の質量割合と前記基準未満の粒径となる小焼結鉱の質量割合との比を指標として、
   予め、焼結鉱の粒度分布を変更することで前記比を変更し、前記焼結鉱のうち、該焼結鉱を還元粉化した後でのＸｍｍ未満の粒径となる焼結鉱粉の質量割合を複数測定し、前記焼結鉱粉の質量割合と前記比との関係を求めておき、
   前記焼結鉱粉の質量割合が目標値以下となる比を前記関係から特定し、
   特定した比以下となるように、高炉に装入される焼結鉱の粒径を調整することを特徴とする高炉操業方法。
   ただし、Ｘは４．７５以下、かつ１．０以上である。
2. Ｘが３であることを特徴とする請求項１に記載の高炉操業方法。

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