JP6344001B2 - 高炉操業方法 - Google Patents

Description

本発明は、高炉操業方法に関する。

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、細粒化したコークスが、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、注意深く管理されなければならない。

強度の管理指標としては、ドラム内で１５０回転後の１５ｍｍ以上の粉割合を表すコークスドラム強度が多く用いられ、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。この指数の高いコークスを使用すれば、高炉の操業が安定化することが分かっている。

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。この為、コークスの強度を上げることなく、銑鉄生産に要するコークス量（コークス比）を低減することが産業上重要な課題となっている。

このため、特許文献１に記載の発明では、レースウェイ内での粉発生を抑制するため、レースウェイ深度を一定値以下に制御するための羽口風速が開示されている。

また、特許文献２に記載の発明では、レースウェイにおけるコークス粉化量を一定に維持するための羽口風速、ドラム強度を規定している。

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）

特公平１−３６５２３号公報 特開平７−３０５１０４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、羽口風速を低減すれば、レースウェイ内のコークス粉化量が低減できるとするものであるが、高炉内で発生する粉特性と送風条件、および、装入コークス条件との関係からこれらを規定するものはない。

特許文献２に記載の発明は、羽口風速、コークス強度 、微粉炭比のそれぞれの操作幅に対して、レースウェイ粉率を一定に維持するような、羽口風速、コークス強度 の操作量を規定するものであるが、高炉内で発生する粉特性と送風条件、および、装入コークス条件との関係からこれらを規定するものはない。

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。羽口風速の増加に対応してコークスドラム強度を増加するものであり、高炉内で発生する粉特性と送風条件、および、装入コークス条件との関係からこれらを規定するものはない。

非特許文献１の記載によると、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、炉内でコークスが受け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。

高炉内でコークスが受ける力学的衝撃エネルギーの大きい箇所は、主に充填層内の炉芯表層付近の領域と羽口前のレースウェイの２カ所であり、従って、これらの領域でのコークス粉の発生量は大きい。

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。即ち、炉芯表層付近のコークス粉発生量を制御することは困難である。

他方、レースウェイ内での粉発生量は、送風側の条件、または、コークス粒子側の条件を変更することで制御可能である。

しかしながら、これまで、送風側の条件、コークス粒子側の条件とレースウェイ内の粉発生の関係については明らかにされておらず、コークス比を低減する中でこれらの条件をどのように組み合わせるかが課題であった。

本発明の目的は、コークス強度を上げることなく、送風条件、または、コークス粒度を変更することで、コークス比低減を安定的に達成することができる高炉操業方法を提供することである。

本発明者等は、羽口風速、コークス比、装入コークス粒径条件とレースウェイ粉率の関係を検討し、高炉の操業諸元に応じて、必要な送風条件と装入コークス条件の関係についての知見を得た。本発明は、かかる知見に基づくものである。
＜１＞高炉操業において、コークス比の変更によるレースウェイ内の粒径３ｍｍ以下の粉コークスの増減に対応し、装入する平均コークス粒径を変更すること、および送風羽口部の羽口風速を変更することの両方を実施し、
コークスの平均粒径の増加代△Ｄ _ＰＣ ［ｍｍ］、及び、送風羽口部の羽口風速の低下代△Ｔ _Ｖ ［ｍ／ｓ］がそれぞれレースウェイ内のコークス粉率に及ぼす影響は下記の式（５´）に従い、
０．１５△Ｔ _Ｖ ≦△Ｄ _ＰＣ ≦０．３△Ｔ _Ｖ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・（５´）
装入する平均コークス粒径を変更すること、及び、送風羽口部の羽口風速を変更することの両方によるコークス比の低下代△ＣＲ［ｋｇ／ｔ］が下記の式（１）（２）を満たすことを特徴とする高炉操業方法。
△Ｄ _ＰＣ ＞０．０５△ＣＲ（変更前ＣＲが３００ｋｇ/ｔを越えるとき）・・・（１）
△Ｄ _ＰＣ ＞０．２△ＣＲ（変更前ＣＲが３００ｋｇ/ｔ以下のとき）・・・（２）
＜２＞変更後の前記送風羽口部の羽口風速を２００ｍ／ｓ超とすることを特徴とする＜１＞に記載の高炉操業方法。

コークス強度を上げることなく、送風条件、または、コークス粒度を変更することで、コークス比低減を安定的に達成することができる高炉操業方法を提供することである。

平均装入コークス粒径とレースウェイ粉率の関係を示す図。 羽口風速とレースウェイ粉率の関係を示す図。 コークス比とレースウェイ流入コークス粒度、および、強度の関係を示す図。 コークス比とレースウェイ内粉率の関係を示す図。 種々の羽口風速におけるコークス比と装入コークス粒径に対するレースウェイ内粉率の関係を示す図。（Ａ）；羽口風速２００ｍ/ｓ、（Ｂ）；羽口風速２２０ｍ/ｓ、（Ｃ）；羽口風速２４０ｍ/ｓ、（Ｄ）；羽口風速２６０ｍ/ｓ。 種々のコークス比における羽口風速と装入コークス粒径に対するレースウェイ内粉率の関係を示す図。（Ａ）；コークス比４００ｋｇ/ｔ、（Ｂ）；コークス比３５０ｋｇ/ｔ、（Ｃ）；コークス比３００ｋｇ/ｔ、（Ｄ）；コークス比２５０ｋｇ/ｔ。 コークス比低減時の装入コークス粒径の増加操作を示す図。 コークス比低減時の装入コークス粒径増加による通気抵抗指数を示す図。 コークス比低減時の羽口風速低減操作を示す図。 コークス比低減時の羽口風速低減による通気抵抗指数を示す図。

炉内のコークス粉発生箇所は、大きく分けて炉芯表層とレースウェイ内である。前者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り、従って、炉芯表層での粉発生量を直接制御することは困難である。

一方、後者は、送風側の条件とコークス粒子側の条件に依存する。即ち、送風側の条件として、羽口径、ボッシュガス量（酸素富化率）、送風温度、送風圧力（炉頂圧）等を制御することにより、また、コークス粒子側の条件として、コークス粒径、コークス強度、コークスのレースウェイ内滞留時間（微粉炭比）を制御することにより、レースウェイ内でのコークス粉発生量を制御することが可能である（山岡秀行、中野 薫, 鉄と鋼, vol. 86(2000), No. 11,p 733-740）。

近年の石炭価格高騰の為、炉内粉発生量抑制の手段として、コークス強度増加、コークス比増加（微粉炭比減少）を図ることは、現実的でない。また、ボッシュガス量（酸素富化率）、送風圧力（炉頂圧）の抑制についても、生産量や設備能力の制約から現実的でない。送風温度についても、過度の低下は、微粉炭燃焼率の低下や炉熱の低下を招く為、現実的でない。

この為、衝風エネルギーを減少させるか、レースウェイへ流入するコークス粒径を増加させることが現実的な手段である。ここで、衝風エネルギーは羽口風速（羽口径）、レースウェイへ流入するコークス粒径は平均装入コークス粒径を変更する事により制御することができる。しかし、羽口径の過度の拡大は、炉芯不活性や炉内不安定現象を招くため、両者を組み合わせることが重要である。

本発明者等は、羽口風速、コークス比、装入コークス粒径条件とレースウェイ粉率の関係について、高炉の操業諸元に応じて、必要な送風条件と装入コークス条件の関係について検討した。

具体的には、「中野薫ら、材料とプロセス,1, p26 (2013)」に示す高炉の総合評価モデルを用いて、コークス比に応じて、コークス反応量とそれに伴う強度劣化、および、炉内のコークス粉発生量を計算することにより、レースウェイ粉率が一定になるように、羽口風速、装入コークス粒径の関係を導出した。
表１に高炉の総合評価モデルに用いた操業条件を示す。

図１に、平均装入コークス粒径とレースウェイ粉率の関係を示す。平均装入コークス粒径が大きいと、レースウェイ内のコークス粉率（−３ｍｍ％）は減少する。また、図２に羽口風速とレースウェイ粉率の関係を示す。羽口風速を小さくすると、レースウェイ内でコークスが受ける衝撃が小さくなり、レースウェイ内のコークス粉率（−３ｍｍ％）は減少する。これらの結果から、レースウェイ内発生粉を低減させるには、「羽口風速の低下」、または、「装入コークス粒径の拡大」が有効であることがわかった。

高炉に装入されたコークスは、高炉内でソリューションロス反応を受け、粒径が小さくなり、コークス強度も低下する。その結果、コークス比が異なる操業では、レースウェイへ流入するコークスの粒径、および、強度が変化する。
図３に表１に記した条件に基づき、コークス比変更時のレースウェイに流入するコークス粒径、および、強度を示す。コークス比を低下させると、レースウェイに流入するコークス粒径は低下し、強度も低下することを示している。ここで、レースウェイ流入コークス強度は、ＤＩドラム１５０回転後の＋１５ｍｍの塊の存在率を示す。

また、図４にコークス比変更時のレースウェイに発生するコークス粉率（−３ｍｍ％）を示す。コークス比を低下させると、レースウェイに流入するコークス粒径は低下し、強度も低下することにより、レースウェイ内に発生するコークス粉率（−３ｍｍ％）が増加し、高炉操業の不安定化要因になる。即ち、レースウェイ内に発生する粉コークスが増加すると、衝風によりレースウェイ奥に吹き付けられた粉コークスが、レースウェイ奥のコークス間に堆積し、目詰りを起こすことで、炉内への通気阻害を引き起こす。

かかるコークス比を低下させた場合の障害を回避する手段として、図１、図２に述べた「羽口風速の低下」、または、「装入コークス粒径の拡大」を検討する。

図５に種々の羽口風速におけるコークス比と装入コークス粒径に対するレースウェイ内粉率の関係を示す。（Ａ）；羽口風速２００ｍ/ｓ、（Ｂ）；羽口風速２２０ｍ/ｓ、（Ｃ）；羽口風速２４０ｍ/ｓ、（Ｄ）；羽口風速２６０ｍ/ｓである。
羽口風速が一定の場合、コークス比を低下させても、装入コークスの粒径（ｍｍ）を増加すれば、レースウェイ内のコークス粉率を一定に維持することが分かった。
図５において、コークス比低下に対する装入コークスの粒径の増加の割合、即ち、（装入コークスの粒径）/（コークス比）の勾配は、コークス比のレベルにより異なる。コークス比が３００ｋｇ/ｔ以上では、該勾配は、概略０．２であり、コークス比が３００ｋｇ/ｔ以下では、該勾配は、概略０．０５である。

以上より、コークス比の低下代（△ＣＲ）に対し、装入コークスの平均粒径の増加代（△Ｄ_ＰＣ）を下記の式（１）（２）に従えば、レースウェイ内のコークス粉率を一定に維持することができる。
△Ｄ_ＰＣ＞０．０５△ＣＲ （変更前ＣＲが３００ｋｇ/ｔを越えるとき）・・・（１）
△Ｄ_ＰＣ＞０．２△ＣＲ （変更前ＣＲが３００ｋｇ/ｔ以下のとき）・・・・（２）
但し、△ＣＲ；コークス比の低下代、△Ｄ_ＰＣ；コークスの平均粒径の増加代である。

次に、図６に種々のコークス比における羽口風速と装入コークス粒径に対するレースウェイ内粉率の関係を示す。（Ａ）；コークス比４００ｋｇ/ｔ、（Ｂ）；コークス比３５０ｋｇ/ｔ、（Ｃ）；コークス比３００ｋｇである。

図６において、羽口風速に対する装入コークスの粒径の割合、即ち、（装入コークスの粒径）/（羽口風速）の比を一定に保てば、レースウェイ内のコークス粉率を一定に維持することができることがわかった。ここで、羽口風速に対する装入コークスの粒径の割合、即ち、（装入コークスの粒径）/（羽口風速）の勾配は、コークス比のレベルによらず、概略０．１５〜０．３である。即ち、コークスの平均粒径の増加代（△Ｄ_ＰＣ）と送風羽口部の羽口風速の低下代（△Ｔ_Ｖ）を下記の式（５）に従えば、レースウェイ内のコークス粉率を一定に維持することができる。
△Ｄ_ＰＣ＝（０．１５〜０．３）△Ｔ_Ｖ・・・・・・・・・・・・・・・・・・（５）

ここで、（５）式を前記（１）式に代入し、△Ｄ_ＰＣを消去し、整理すると、△ＣＲと△Ｔ_Ｖの関係を示す下記の式（３）及び式（４）を得る。
△Ｔ_Ｖ＞（０．１７―０．３３）△ＣＲ
（変更前ＣＲが３００ｋｇ/ｔを越えるとき）・・・・・・・・・・・（３）
△Ｔ_Ｖ＞（０．６６―１．３３）△ＣＲ
（変更前ＣＲが３００ｋｇ/ｔ以下のとき）・・・・・・・・・・・・（４）
但し、△ＣＲ；コークス比の低下代、△Ｔ_Ｖ＞；送風羽口部の羽口風速の低下代である。

コークス比の低下によるレースウェイ内のコークス粉率の上昇に対し、前記式（１）、（２）に従い装入コークスの粒径を大きくすること、又は、前記式（３）、（４）に従い送風羽口の羽口風速を減少することにより、レースウェイ内のコークス粉率の上昇を回避し、高炉の安定操業を維持することができる。

上記知見の妥当性を検証すべく、実高炉で本発明を実施した。
（参考例１）
内容積２９０２m³の高炉において、コークス比が３００ｋｇ/ｔを超える領域で、コークス比の低減時に、前記式（１）に従い、装入コークス粒径の増加を実施した。図７に実施結果を示す。また、図８に、その時の通気抵抗指数を示す。図７に示すごとく、コークス比の１ｋｇ/ｔの低下に対し、装入コークス粒径を０．０８ｍｍ増加した結果、図８に
、示すごとく、コークス比の低下にも拘らず通気抵抗指数が概略一定に保つことができ、安定した高炉操業が可能であった。

（参考例２）
内容積５７７５m³の高炉において、コークス比が３００ｋｇ/ｔを超える領域で、コークス比の低減時に、前記式（３）に従い、羽口風速の低減を実施した。図９に実施結果を示す。また、図１０に、その時の通気抵抗指数を示す。図９に示すごとく、コークス比の１ｋｇ/ｔの低下に対し、羽口風速を０．３４ｍ/ｓ低減した結果、図１０に、示すごとく、コークス比の低下にも拘らず通気抵抗指数が概略一定に保つことができ、安定した高炉操業が可能であった。

コークス強度を上げることなく、送風条件、または、コークス粒度を変更することで、コークス比低減を安定的に達成することができる高炉操業方法に利用することができる。

Claims (2)

1. 高炉操業において、コークス比の変更によるレースウェイ内の粒径３ｍｍ以下の粉コークスの増減に対応し、装入する平均コークス粒径を変更すること、および送風羽口部の羽口風速を変更することの両方を実施し、
   コークスの平均粒径の増加代△Ｄ _ＰＣ ［ｍｍ］、及び、送風羽口部の羽口風速の低下代△Ｔ _Ｖ ［ｍ／ｓ］がそれぞれレースウェイ内のコークス粉率に及ぼす影響は下記の式（５´）に従い、
   ０．１５△Ｔ _Ｖ ≦△Ｄ _ＰＣ ≦０．３△Ｔ _Ｖ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・（５´）
   装入する平均コークス粒径を変更すること、及び、送風羽口部の羽口風速を変更することの両方によるコークス比の低下代△ＣＲ［ｋｇ／ｔ］が下記の式（１）（２）を満たすことを特徴とする高炉操業方法。
   △Ｄ _ＰＣ ＞０．０５△ＣＲ（変更前ＣＲが３００ｋｇ/ｔを越えるとき）・・・（１）
   △Ｄ _ＰＣ ＞０．２△ＣＲ（変更前ＣＲが３００ｋｇ/ｔ以下のとき）・・・（２）
2. 変更後の前記送風羽口部の羽口風速を２００ｍ／ｓ超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。

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