JP6350101B2 - 炭素高反応性装入物の装入量決定方法及びこれを用いた高炉操業方法 - Google Patents

Description

本発明は、炭素高反応性装入物の装入量決定方法及びこれを用いた高炉操業方法に関する。

高炉においては、炉頂から鉄系原料（酸化鉄を含む原料。主として、焼結鉱）及びコークスを層状に装入し、高炉下部の羽口から熱風を送風する。これにより、高炉内を降下する酸化鉄を加熱するともに、主としてＣＯからなる還元ガスにより還元する。すなわち、銑鉄を製造する。

このような高炉操業において、省エネルギーなどの観点から還元材比を低減する技術について検討が重ねられている。ここで、還元材比は、例えば高炉に導入される全ての還元材の原単位、すなわちコークスの原単位及び羽口から吹き込まれる微粉炭の原単位の総和として示される。特許文献１〜４には、このような技術の一例として、炭素高反応性装入物を使用する技術が開示されている。ここで、炭素高反応性装入物は、コークスよりも反応性が高い（すなわち、コークスよりも低温でガス化する）炭材を含む装入物を意味する。高炉に炭素高反応性装入物を装入することで、より低温から還元ガス（ＣＯガス）が発生するようになるので、高炉の還元平衡点温度が低下する。すなわち、鉄鉱石を還元する平衡反応が還元ガスの低濃度側にシフトする。これにより、還元ガスの有効利用率が向上するので、コークスの装入量を低減できることが期待される。

炭素高反応性装入物は、例として含炭塊成鉱や高反応性コークスなどが挙げられる。特許文献１は、含炭塊成鉱の一例として、石炭の溶融性を結合に活用した鉄鉱石ブリケットを開示する。特許文献１では、粉鉱石と、揮発分が１６％以上、ギーセラー流動度が２０ＤＤＰＭ以上の粘結炭（炭材）とを混合する。そして、混合物を２６０〜５５０℃の温度域及び成形圧２０〜１５０ＭＰａで熱間成形した後、成形温度範囲で５分間以上の脱ガス処理を行う。これにより、見掛け密度が２．３ｇ／ｃｍ^３以上である鉄鉱石ブリケットを作製する。

特許文献２は、含炭塊成鉱の一例として、セメントボンド含炭塊成鉱（含炭非焼成ペレット）を開示する。特許文献２では、鉄分を４０質量％以上含有する微粉状鉄含有原料と、炭素分を１０質量％以上含有する微粉状炭材とに水硬性バインダーを添加する。そして、水分を調整しつつこれらの原料を混合、造粒することにより、冷間圧潰強度５０ｋｇ／ｃｍ^２以上のセメントボンド含炭塊成鉱を作製する。また、特許文献２では、全原料の粒度を２ｍｍ以下とし、全原料中の炭素含有割合（Ｔ．Ｃ）が１５〜２５質量％となるように前記微粉状炭材の配合割合を調整し、かつ、該微粉状炭材のメジアン径を１００〜１５０μｍとする。

また、特許文献２では、含炭非焼成ペレットの高炉使用時の効果を評価するために、焼結鉱の一部（１０質量％分）を含炭非焼成ペレットに置き換えたオフライン試験を行っている。

特許文献３は、高反応性コークスの一例として、性状の異なる石炭を２種以上配合して製造した平均粒径が３８ｍｍ以下の高反応性小塊コークスを開示する。具体的に、特許文献３は、（ｘ）コークス内部に存在する気孔径：１〜１０μｍの気孔の総容量が２５ｍｍ^３／ｇ以上であり、（ｙ）ドラム強度指数（ＤＩ^１５０ _１５）が７０以上である高反応性小塊コークスを開示する。

特許文献４は、高反応性コークスの一例として、フェロコークスを開示する。フェロコークスは、金属鉄を触媒とすることでコークスの反応性を高めたものである。また、特許文献４は、フェロコークスの好適な装入量を決定する方法についても開示する。具体的には、特許文献４では、フェロコークスを高炉原料として使用する際に、フェロコークス中のカーボン量が、送風量および炉頂ガス分析結果から算出されるソルーションロスカーボン量の１．７倍以内になるようにフェロコークス使用量の上限を管理する。特許文献４には、フェロコークスの高炉使用量が約１６０ｋｇ／ｔｐ程度のときにフェロコークスによる還元材比低減効果がもっと効率よく得られることが示されている。

一方、コークスの装入量は、鉄系原料の還元特性（すなわち被還元性）にも影響される。このため、鉄系原料の還元特性値を測定する方法が提案されている。鉄系原料の還元特性値を測定する方法として、ＪＩＳ−ＲＩ（ＪＩＳ Ｍ８７１３）が知られている。この方法は、製鉄業界で広く知られた方法であり、鉄系原料を９００℃の温度下で一定時間（３時間）ＣＯ還元を行うことで鉄系原料の被還元性を測定する。

また、特許文献５、６、及び非特許文献１にも鉄系原料の還元特性値を測定する方法が開示されている。特許文献５に開示された測定方法は、いわゆるＲＡ法とも称される方法である。具体的に、特許文献５では、焼結鉱に還元ガスを接触させて、被還元性を測定する。すなわち、還元ガスのＣＯ_２含有割合及び温度を変数とするカルシウムフェライトの還元平衡線と酸化鉄の還元平衡線とで挟まれ、かつ８００℃以上間接還元温度以下の温度範囲で囲まれる領域内で、焼結鉱の被還元率を測定する。

特許文献６に開示された測定方法は、高温荷重軟化試験装置を用いた測定方法であり、大型滴下試験法とも称される。具体的に、特許文献６は、竪型炉で使用する塊状の鉄鉱石類をるつぼに装入し、該るつぼを電気炉内に配設し、電気炉の下方より還元ガスを導入して鉄鉱石類の加熱還元を行う。すなわち、特許文献６では、電気炉を上下２段に配設し、両電気炉間の継目をフランジで結合し、下段電気炉の下方より還元ガスを導入し、該下段電気炉を空塔のまま昇温するとともに、上段電気炉に鉄鉱石類を装入したるつぼを配設する。そして、上段電気炉の温度とるつぼ内鉄鉱石類の温度とを同時に測定し、該温度の差をあらかじめ設定した一定の値となるように上段電気炉の電力を調整する。

特許文献７に開示された技術では、高炉の炉頂から鉄含有原料とコークスを交互に層状に装入する高炉操業方法において、（１）予め含炭非焼成ペレットと焼成ペレットを混合し、該含炭非焼成ペレット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高炉に装入する。（２）前記焼成ペレットの使用原単位Ｐ（ｋｇ／ｔｐ）を１５０ｋｇ／ｔｐ以上、６５０ｋｇ／ｔｐ以下とする。（３）前記含炭非焼成ペレットの使用原単位Ｒ（ｋｇ／ｔｐ）と、前記焼成ペレットの使用原単位Ｐ（ｋｇ／ｔｐ）の比Ｒ（ｋｇ／ｔｐ）／（ｋｇ／ｔｐ）が０．０９〜０．３１となるように、前記含炭非焼成ペレットと前記焼成ペレットの混合割合を調整する。特許文献７に開示された技術によれば、焼成ペレットを１０〜４０％と多く配合した鉄含有原料を使用し、かつ、従来に比べて少量の含炭非焼成ペレットを使用した高炉操業であっても、大幅な還元材比の改善が期待できる。

さらに、特許文献８、９は、非焼成含炭塊成鉱を開示する。そして、特許文献８、９では、非焼成含炭塊成鉱の基礎性状や使用による還元効率の改善効果を評価するために、焼結鉱の一部を含炭非焼成ペレットに置き換えたオフライン試験を行っている。

非特許文献１に開示された方法は、ＢＯＲＩＳ炉法、またはＢＩＳ炉法とも称される。具体的に、非特許文献１では、試験装置内に鉄系原料と炭材との互層を形成することで高炉の塊状帯を再現する。そして、高炉炉頂ガスに相当する出口ガスのＣＯ利用率を計測することで鉄系原料の被還元性を測定する。また、その結果に基づく計算により還元材比を推定できる。

特開平１１−９２８３３号公報 特開２００８−９５１７７号公報 特開２０１０−９５７１１号公報 特開２０１１−９４１８２号公報 特開２００６−２４９５０７号公報 特開平７−２７６２３号公報 特許第４６０３６２８号 特許第４８０８８１９号 特開２０１３−８２９７１号公報

内藤ら「高反応性コークス使用による高炉内反応効率向上技術」：鉄と鋼，８７（２００１），３５７

上述した通り、炭素高反応性装入物を高炉に装入することで、還元材比の低減が期待される。その一方で、例えば特許文献４に開示されている通り、炭素高反応性装入物を過剰に投入するとかえって高炉操業に悪影響をおよぼす可能性がある。

したがって、炭素高反応性装入物の装入量には好適値が存在することになる。炭素高反応性装入物の好適な装入量を事前に（高炉操業前に）予測する方法はこれまで全く提案されていなかった。なお、鉄系原料の還元特性値の測定方法は、あくまで鉄系原料の単独あるいは混合組みあわせの還元特性値を測定する方法であり、炭素高反応性装入物の好適な装入量を予測するものではない。

また、特許文献２では、含炭非焼成ペレットの高炉使用時の効果を評価するために、焼結鉱の一部（１０質量％分）を非焼成ペレットに置き換えたオフライン試験を行っている。一方、実際の高炉に装入される装入物は、一般的には焼結鉱、焼成ペレット、塊鉱石の混合物である。そして、これらの配合比率によって、装入物の平均的な反応挙動が異なる。したがって、特許文献２に記載された非焼成ペレットを実際に高炉に装入した場合、その装入量によって反応挙動が異なる（すなわち、好適な装入量が存在する）と予想される。しかし、特許文献２では、非焼成ペレットの装入量を限定し、かつ、高炉ではなくオフライン試験によってその反応挙動を評価している。したがって、特許文献２には、非焼成ペレットの効果を最大限に発揮する高炉装入物条件を何ら開示していない。

また、特許文献４は、フェロコークスの好適な装入量を決定する方法を開示する。特許文献４で開示されている方法は、高炉の操業データに基づいてフェロコークスの装入量を調整するものであり、高炉操業前にフェロコークスの好適な装入量を決定するものではない。

また、特許文献７は、焼成ペレットを多量に配合する高炉操業において、含炭非焼成ペレットを使用する技術を開示する。しかし、特許文献７は、含炭非焼成ペレットの好適な装入量を何ら開示していない。

また、特許文献８、９に開示されたオフライン試験では、非焼成含炭塊成鉱の還元や溶融に関する基礎的な反応挙動を把握することはできる。しかし、この試験方法で得られた反応挙動は、実施の高炉操業のような多種多様な装入物を混合使用する条件下での精緻な反応挙動とは一致しない。そして、高炉操業における非焼成含炭塊成鉱の反応挙動は、非焼成含炭塊成鉱の装入量に応じて変動すると予想される。したがって、特許文献８、９も、非焼成含炭塊成鉱の好適な装入量を開示しているとはいえない。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものである。本発明の目的とするところは、炭素高反応性装入物の好適な装入量を事前に決定することが可能な、新規かつ改良された炭素高反応性装入物の装入量決定方法及びこれを用いた高炉操業方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、コークスのガス化開始温度と、コークスよりも反応性の高い炭材を含む炭素高反応性装入物のガス化開始温度との差分△Ｔｃを測定するステップと、高炉に装入される鉄系原料の還元特性値Ｒｓを測定するステップと、差分△Ｔｃ、還元特性値Ｒｓ、及び炭素高反応性装入物の混合率Ｘｃと、高炉内の還元材比低減量△ＲＡＲとの関数Ｆを規定するステップと、還元材比低減量△ＲＡＲが最大となるように、混合率Ｘｃを決定するステップと、を含み、関数Ｆにおいて、還元材比低減量△ＲＡＲは、混合率Ｘｃのある値において最大値を取る、混合率Ｘｃの上に凸の２次関数で表現されることを特徴とする、炭素高反応性装入物の装入量決定方法が提供される。

ここで、ガス化開始温度は、昇温速度が５〜２０℃／ｍｉｎとなり、および／又はガス組成ＣＯ_２／（ＣＯ_２＋ＣＯ）が０．２〜０．３となる条件下で測定されてもよい。

また、還元特性値Ｒｓを、高温荷重軟化試験装置で測定した１１００〜１２００℃における昇温還元率としてもよい。

また、関数Ｆは、以下の式（１）で示されてもよい。

△ＲＡＲ（ｋｇ／ｔｐ）＝−ａ＊（Ｘｃ−ｂ）^２＋ａｂ^２・・・（１）

ここで、ａ、ｂは以下の式（２）、（３）で示される。

ａ＝０．０８２５＊ｅｘｐ（−０．０５５＊ｂ）＊（０．０３２２＊ｂ−０．５０８）／５＊（Ｒｓ−６０）＋１）・・・（２）

ｂ＝（−０．５＊△Ｔｃ＋１２０）＊（０．１＊（Ｒｓ−６０）＋１）・・・（３）

本発明の他の観点によれば、炭素高反応性装入物の混合率を上記の炭素高反応性装入物の装入量決定方法により決定された混合率Ｘｃ以下の混合率とすることを特徴とする、高炉操業方法が提供される。

ここで、高炉の焼結鉱比が７７％〜９５％、あるいは高炉のスラグ量が２９０ｋｇ／ｔｐ〜３２０ｋｇであってもよい。

以上説明したように本発明によれば、反応開始温度の差分△Ｔｃ、還元特性値Ｒｓ、及び炭素高反応性装入物の混合率Ｘｃと、高炉内の還元材比低減量△ＲＡＲとの関数Ｆを規定する。そして、還元材比低減量△ＲＡＲが最大となるように、混合率Ｘｃを決定する。これにより、炭素高反応性装入物の好適な装入量を事前に決定することができる。

本発明の実施形態に係る炭素高反応性装入物の装入量決定方法の手順を示すフローチャートである。 炭素高反応性装入物のガス化開始温度の測定に使用される熱天秤の概略構成を示す側断面図である。 試料の温度とカーボン消費速度との相関関係を試料の種類ごとに示すグラフである。 試料の温度と試料の重量変化量との相関関係を試料の種類ごとに示すグラフである。 鉄系原料の還元特性値の測定に使用される高温荷重軟化試験装置の概略構成を示す側断面図である。 鉄系原料の温度と還元率及び圧力損失との対応関係を示すグラフである。 還元特性値Ｒｓ＝６５％となる場合における混合率Ｘｃと還元材比低減量△ＲＡＲとの相関関係を反応開始温度の差分△Ｔｃ毎に示すグラフである。 還元特性値Ｒｓ＝６０％となる場合における混合率Ｘｃと還元材比低減量△ＲＡＲとの相関関係を反応開始温度の差分△Ｔｃ毎に示すグラフである。 焼結鉱比と装入物平均Ｒｓの関係を示すグラフである。 最適なＸｃにおける、焼結鉱比と還元材比ＲＡＲの関係を示すグラフである。 焼結鉱比とスラグ量（ＳＶ）の関係を示すグラフである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

＜１．本実施形態の基本的な考え方＞
高炉の還元材比（ＲＡＲ）は、原燃料因子と装入や送風などの操業因子とに左右される。原燃料因子としては、炭素高反応性装入物の反応性（すなわちガス化開始温度）、鉄系原料の還元特性（すなわち被還元性）、及び炭素高反応性装入物の混合率（すなわち炭素高反応性装入物と鉄系原料との使用比率）が挙げられる。すなわち、炭素高反応性装入物の反応性はその構成などに応じて様々に変化し、かつ、その反応性によって、還元材比も変化する。さらには、炭素高反応性装入物に組み合わせる鉄系原料の還元特性、及び炭素高反応性装入物の混合率によっても還元材比が変化する。しかし、高炉の還元材比（ＲＡＲ）とこれらの因子との相関関係を定量的に評価する方法については何ら知られていなかった。特に、炭素高反応性装入物の物性の評価方法について何ら知られていなかった。

そこで、本発明者は、還元材比に影響を与える因子が非常に多数存在する中で、特に炭素高反応性装入物の反応性、鉄系原料の還元特性、及び炭素高反応性装入物の混合率の３つのパラメータに着目し、これらのパラメータと還元材比との相関関係について鋭意検討した。その結果、還元材比の低減量がこれらのパラメータの関数で表されることを見出した。すなわち、本発明者は、炭素高反応性装入物の好適な装入量は、炭素高反応性装入物の反応性及び鉄系原料の還元特性のバランスによって決定され、このバランスが変動すると、それに応じて好適な装入量も変動することを見出した。そして、本発明者は、このような知見に基づき、本実施形態に係る装入量決定方法を完成させた。本実施形態に係る装入量決定方法は、後述する実施例で示されるように、１年間の高炉操業において効果が実証されているので、実用に耐える装入量決定方法である。

本実施形態に係る装入量決定方法の概要は以下のとおりである。まず、炭素高反応性装入物のガス化開始温度Ｔｃ及びコークスのガス化開始温度Ｔｃを測定する。そして、これらの差分△Ｔｃを算出する。ついで、鉄系原料の還元特性値Ｒｓを測定する。ついで、還元材比の低減量△ＲＡＲとガス化開始温度の差分△Ｔｃ、鉄系原料の還元特性値Ｒｓ、及び炭素高反応性装入物の混合率Ｘｃとの関数Ｆ（△Ｔｃ、Ｒｓ、Ｘｃ）を規定する。具体的には、ガス化開始温度の差分△Ｔｃ、及び鉄系原料の還元特性値Ｒｓを指数化する。ついで、還元材比の低減量△ＲＡＲが最大となるように混合率Ｘｃを決定する。これにより、炭素高反応性装入物及び鉄系原料の特性に対して還元材比が最も低くなる混合率Ｘｃ、すなわち炭素高反応性装入物の好適な（最適な）装入量を高炉操業前に決定することができる。

また、本実施形態に係る高炉操業方法では、炭素高反応性装入物の混合率を上記の処理で決定された混合率Ｘｃ以下の混合率として高炉操業を行う。また、炭素高反応性装入物及び鉄系原料のうち少なくとも一方が変更された場合、上記の処理を再度行うことで混合率Ｘｃを再度決定し、炭素高反応性装入物の混合率を新たに決定された混合率Ｘｃ以下の混合率とする。これにより、炭素高反応性装入物及び鉄系原料のうち少なくとも一方が変更された場合でも、短時間で還元材比の低い操業に移行することができる。このように、本実施形態に係る高炉操業方法では、還元材比を低減することができ、かつ、そのために必要な炭素高反応性装入物の装入量も低減することができるので、高炉操業コストを低減することができる。

＜２．炭素高反応性装入物の装入量決定方法＞
つぎに、本実施形態に係る炭素高反応性装入物の装入量決定方法の手順を、図１に示すフローチャートに沿って説明する。なお、ステップＳ１０及びＳ２０の順番は問われない。

（ステップＳ１０：Ｔｃ及び△Ｔｃの測定）
ステップＳ１０において、炭素高反応性装入物及びコークスのガス化開始温度Ｔｃを測定し、さらに、これらの差分△Ｔｃを求める。

炭素高反応性装入物は、コークス（高炉に装入されるコークス）よりも反応性の高い（すなわち、コークスよりも低温でガス化する）炭材を含む。炭素高反応性装入物は、上記の特性を有するものであれば特に制限されない。炭素高反応性装入物としては、例えば、酸化鉄とカーボンのカップリング効果によって、カーボンの反応性をコークスよりも高めた塊成物（例えば含炭塊成鉱など）や、触媒をカーボンに担持させることでカーボンの反応性を通常のコークスよりも高めたコークス類（例えば、ＣａＯを添加した高反応性コークス、同様の作用を奏するフェロコークスなど）等が挙げられる。含炭塊成鉱は、例えば炭材を含炭塊成鉱の総質量に対して１５〜２５質量％含み、残部の主成分が酸化鉄となるものが挙げられる。したがって、本実施形態に係る炭素高反応性装入物は、特許文献１〜４に挙げられたものを当然に含む。なお、炭素高反応性装入物の製造方法も特に限定されない。

ガス化開始温度は、原料（炭素高反応性装入物及びコークス）に含まれる炭材がＣＯガス化を開始する温度を意味する。ガス化開始温度の測定方法は特に限定されない。測定方法によって各原料のガス化開始温度Ｔｃ及びこれらの差分△Ｔｃの測定値に多少のズレが生じる場合があるが、どのような測定値であっても、ある鉄系原料及び炭素高反応性装入物の組み合わせに対する好適な装入量は一意に決定される。ただし、関数Ｆの精度等の観点からは、測定試料及び反応ガスはなるべく操業時に近いものとすることが好ましい。具体的には、ガス化開始温度は、昇温速度が５〜２０℃／ｍｉｎとなり、および／又はガス組成ＣＯ_２／（ＣＯ_２＋ＣＯ）が０．２〜０．３となる条件下で測定されることが好ましい。

ガス化開始温度は、例えば熱天秤によって測定される。図２に熱天秤の一例である熱天秤１０の構成を示す。熱天秤１０は、筐体１１と、外側反応管１２と、内筒１３と、ガス入口１４と、発熱体１５と、ガス出口１６と、熱電対１７と、吊りワイヤ１８と、重量計１９とを備える。

筐体１１は、外側反応管１２、内筒１３、及び発熱体１５を収納する容器である。外側反応管１２は、内筒１３を収納する容器である。内筒１３は外側反応管１２の内部に収納される容器である。内筒１３には、アルミナボール２０及び測定試料３０（炭素高反応性装入物またはコークス）等が投入される。また、内筒１３と外側反応管１２との間には隙間が形成され、この隙間を反応ガスが流通する。また、内筒１３の底面は通気穴が多数形成されており、反応ガスは、これら通気穴を通って内筒１３の内部に導入される。ここで、反応ガスは、測定試料３０内の炭材をガス化させるためのガスであり、その組成は高炉内を流通する還元ガスになるべく近いことが好ましい。反応ガスの組成は炭素高反応性装入物のガス化開始温度に影響を与え、ひいては関数Ｆに影響を与えるからである。反応ガスは、例えばＣＯ、ＣＯ_２、及びＮ_２で構成され、ＣＯ及びＣＯ_２の総体積に対するＣＯの体積比率は０．２〜０．３であることが好ましい。Ｎ_２の反応ガス総体積に対する体積比率は例えば５５％とされる。

ガス入口１４は、外側反応管１２の側面の上端部に設けられ、外側反応管１２の内部に反応ガスを導入する。発熱体１５は、例えば発熱コイルであり、外側反応管１２の外側に巻きつけられる。発熱体１５は、アルミナボール２０、測定試料３０、及び反応ガスの加熱に使用される。ガス出口１６は内筒１３の上端部に設けられ、反応ガスを外部に排出する。外部に排出された反応ガスは分析計によって分析される。熱電対１７は内筒１３の内部に挿入され、測定試料３０の温度を測定する。吊りワイヤ１８は、内筒１３に連結され、内筒１３を外側反応管１２の内部に吊り下げる。重量計１９は吊りワイヤ１８に連結される。したがって、重量計１９は、内筒１３内部の重量変化、すなわち測定試料３０内の炭材が反応ガスによってガス化することによって生じた重量変化を検出することができる。

上記の熱天秤１０を用いたガス化開始温度Ｔｃの測定方法は以下のとおりである。まず、内筒１３にアルミナボール２０を敷き詰め、その上に所定の粒度範囲に整粒された測定試料３０を所定量だけ敷き詰める。ここで、測定試料３０の粒度範囲は操業時の粒度になるべく近いことが好ましく、具体的には１５ｍｍ超過２５ｍｍ以下、好ましくは１９ｍｍ超過２１ｍｍ以下が好ましい。測定試料３０の粒度はガス化開始温度に影響を与え、ひいては関数Ｆにも影響を与えるからである。また、本実施形態での粒度は、例えば目開きの大きさが異なる篩を用いて測定される。例えば、目開きが２５ｍｍの篩を用意し、測定試料３０をこの篩にかける。この篩に残留した測定試料は、粒度が２５ｍｍより大きく、篩から落ちた測定試料は粒度２５ｍｍ以下となる。また、アルミナボール２０及び測定試料３０の装入量は熱天秤１０のサイズにより適宜調整される。

次いで、発熱体１５を発熱させる一方で、ガス入口１４から反応ガスを外側反応管１２内に導入する。反応ガスは、発熱体１５により予熱された後に内筒１３内に導入される。

測定試料３０（及びアルミナボール２０）は発熱体１５によって１２００℃まで昇温される。昇温速度は５〜２０℃／ｍｉｎとなることが好ましい。したがって、反応ガスは、アルミナボール２０により更に予熱され、測定試料３０内に導入される。測定試料３０は、発熱体１５によって昇温される一方で、反応ガスに曝される。測定試料３０の温度がガス化開始温度に到達した際に、測定試料３０内の炭材が反応ガスと反応することでガス化する。測定試料３０を通過した反応ガスは、排ガスとしてガス出口１６から分析計に導入される。測定試料３０が１２００℃に到達するまで、測定試料３０の重量変化（質量変化）と排ガス成分とを同時に測定する。

そして、反応ガス成分の測定結果と、下記式（４）、（５）とに基づいて、カーボン消費速度（ｇＣ／ｍｉｎ）を算出する。

カーボン消費速度（ｇＣ／ｍｉｎ）＝（Ｋ_{（ＣＯ＋ＣＯ２）ｏｕｔ}＊Ｖ_ｏｕｔ−Ｋ_{（ＣＯ＋ＣＯ２）ｉｎ}＊Ｖ_ｉｎ）／２２．４＊１２・・・（式４）

Ｖ_ｏｕｔ（Ｎｌ／ｍｉｎ）＝Ｖ_ｉｎ（Ｎｌ／ｍｉｎ）＊Ｎ_２（ｉｎ）（体積％）／Ｎ_２（ｏｕｔ）（体積％）・・・（式５）

ここで、Ｋ_{（ＣＯ＋ＣＯ２）ｏｕｔ}は、排ガスの総体積に対するＣＯ及びＣＯ_２の総体積の割合（体積％）であり、Ｋ_{（ＣＯ＋ＣＯ２）ｉｎ}は、反応ガスの総体積に対するＣＯ及びＣＯ_２の総体積の割合（体積％）である。Ｎ_２（ｉｎ）（体積％）は、反応ガスの総体積に対するＮ_２の体積の割合（体積％）である。Ｎ_２（ｏｕｔ）（体積％）は、排ガスの総体積に対するＮ_２の体積の割合（体積％）である。

カーボン消費速度及び重量変化の測定結果の例を図３及び図４に示す。図３では、カーボン消費速度と測定試料３０の温度との相関関係を示すグラフを測定試料３０の種類（すなわち通常コークス及び含炭塊成鉱）毎に示す。図４では、重量減少率と測定試料３０の温度との相関関係を示すグラフを測定試料３０の種類（すなわち通常コークス及び含炭塊成鉱）毎に示す。ここで、通常コークスは、高炉に装入されるコークスを意味する。また、各温度に対する重量減少率は、各温度の測定試料３０の重量（質量）から測定開始時の測定試料３０の重量（質量）を減じた値を測定開始時の測定試料３０の重量（質量）で除算することで得られる。なお、図３及び図４の例では、ＣＯ及びＣＯ_２の総体積に対するＣＯ_２の体積の比率は０．３となる。

そして、カーボン消費速度が所定値（例えば０．０４ｇＣ／ｍｉｎ）を超えた時の温度を反応開始温度Ｔｃ（℃）と定義する。図３の例だと、通常コークスの反応開始温度は１００９（℃）、含炭塊成鉱の反応開始温度は７２３℃となる。なお、熱天秤１０のように、重量減少率を高精度で測定できる測定装置であれば、重量減少率を併用してガス化開始温度を測定することが好ましい。ガス化開始温度の測定精度が向上するからである。すなわち、カーボン消費速度が所定値を超え、かつ、単位時間当りの重量減少率が所定値（例えば０．００５％／ｍｉｎ）以上である温度を反応開始温度Ｔｃと定義しても良い。なお、単位時間当りの重量減少率は、上述した重量減少率の１分間の変動量として示される。

そして、コークスのガス化開始温度から炭素高反応性装入物のガス化開始温度を減算することで、両者の差分△Ｔｃ（℃）を算出する。ここで、高炉に複数種類の炭素高反応性装入物を装入する場合、これらのガス化開始温度のうち、最も温度が低いガス化開始温度を用いて△Ｔｃを算出する。これにより、炭素高反応性装入物の特性が変化した場合や、各成分の配合率が変化した場合にも、炭素高反応性装入物全体の特性を、一元的に管理することができる。

（ステップＳ２０：鉄系原料の還元特性値Ｒｓの測定）
次いで、ステップＳ２０において、鉄系原料の還元特性値Ｒｓを測定する。ここで、鉄系原料は、鉄分を鉄系原料の総質量に対して５０質量％以上含有する高炉用装入物である。鉄系原料としては、例えば焼結鉱、焼成ペレット、塊鉱石、及び非焼成塊成鉱（非焼成塊成鉱の総質量に対して炭素を１５質量％未満含むもの）が挙げられる。

鉄系原料の還元特性値Ｒｓは、鉄系原料の被還元性の指標となる値であり、例えば還元率として示される。還元特性値Ｒｓの測定方法は特に限定されない。例えばＪＩＳ−ＲＩ（ＪＩＳ Ｍ８７１３）に規定された測定方法、特許文献５、６、及び非特許文献１に開示された測定方法が適用可能である。特許文献５に開示されたＲＡ法は、樋口ら「大分製鐵所における新しい還元指標の開発と実機適用」：ＣＡＭＰ−ＩＳＩＪ，１９（２００６），１４４にも開示されている。また、特許文献６に開示された測定方法は、細谷ら「焼結鉱の軟化溶融性状評価法の開発」：鉄と鋼，８３（１９９７），９７にも開示されている。また、鉄系原料の還元特性値Ｒｓの測定方法として、上述したものの他に、１２５０℃、１．５時間反応後の還元率を測定する方法（土屋ら「自溶性ペレットの各種冶金性状におよぼすＭｇＯ添加の影響」：鉄と鋼，６６（１９８０），１８４０も知られている。本実施形態では、いずれの測定方法を採用してもよい。いずれの測定方法においても、還元率は下式（６）に従って計算される。

還元率（％）＝（除去された酸素（質量％））／（初期被還元酸素（質量％））＊１００・・・（６）

除去された酸素は、反応後の試料を回収して、化学分析によって得る場合と、反応過程の排ガス分析から得る場合、重量変化から得る場合があり、測定する方法に応じて、任意に算出方法を選択しても良い。除去された酸素の質量％は、試料の総質量に対する質量％として示される。一方、初期被還元酸素は、反応前の試料の化学分析から得られる。具体的には、以下の式（７）により得られる。

初期被還元酸素（質量％）＝（Ｔ．Ｆｅ−Ｍ．Ｆｅ−ＦｅＯ＊（５５．８５）／（５５．８５＋１６））＊１６＊１．５／５５．８５＋１６／（５５．８５＋１６）＊ＦｅＯ・・・（７）

ここで、Ｔ．Ｆｅは、試料に含まれる全鉄の質量であり、Ｍ．Ｆｅは試料に含まれる金属鉄の質量であり、ＦｅＯは、試料に含まれるＦｅＯの質量である。

上記の測定方法の内、ＪＩＳ−ＲＩでは、融液が生成しない比較的低温域９００℃、一定時間（３時間）でのＣＯ還元における還元率を測定する。ＪＩＳ−ＲＩは鉄系原料をＣＯで還元するため、鉄系原料（すなわち酸化鉄）は低温域でも急速に金属鉄まで還元されてしまい、鉄系原料表面にメタル層が多量に形成される。

一方、実際の高炉では、鉄系原料を５〜２０℃／ｍｉｎ程度で昇温しながら、ＣＯ−ＣＯ_２ガスで還元する。さらに、高炉では、高温域、すなわち１１００℃付近から局所的に鉄系原料の融液を発生させ、かつ、上方の装入物の荷重によって鉄系原料を収縮させながら還元する。このように、実際の高炉では鉄系原料をＣＯ−ＣＯ_２ガスにより還元するので、低温域では鉄系原料の還元はＦｅＯまでで一旦止まる。その後、鉄系原料は、鉄系原料内部と外周部の差異が比較的小さい状態で高温域へ移行し、その後メタルまで還元される。このことから、ＪＩＳ−ＲＩは高炉内部で起こる還元状態を模擬したものではない、簡易的な測定方法である。さらに、ＪＩＳ−ＲＩは９００℃という比較的低温域での還元指標であるため、通常コークスのカーボン反応開始温度が１００９℃であることを考慮すると、カーボン反応開始温度の変化に伴う、鉄系原料の性状変化を精緻に記述する指標ではない。

一方、高温荷重軟化試験装置を用いた測定方法（すなわち、１１００℃〜１２００℃の昇温還元率を測定する方法）は、実際の高炉を精緻に模擬した条件下で還元率を測定できる、カーボン反応開始温度の変化に伴う、鉄系原料の性状変化を包括的に記述できる、の２点で最も好ましい。ただし、推定精度は低下するものの、ＪＩＳ−ＲＩ、ＲＡなどの測定方法であっても本実施形態の還元特性値Ｒｓの測定方法として用いることが出来る。すなわち、測定方法によって還元特性値Ｒｓの測定値に多少のズレが生じる場合があるが、どのような測定値であっても、ある鉄系原料及び炭素高反応性装入物の組み合わせに対する好適な装入量は一意に決定される。

ここで、高温荷重軟化試験装置の一例を図５に示す。図５に示す高温荷重軟化試験装置４０は、下段電気炉４１と、上段電気炉４２と、温度計４４、４５、４６と、ガス入口４７と、るつぼ４８と、荷重装置４９と、ガス出口５０とを備える。るつぼ４８には鉄系原料４３が装入される。下段電気炉４１と上段電気炉４２とは、フランジにより接合されて、一体構造をなしている。下段電気炉４１は、還元ガスを予熱し、上段電気炉４２は、鉄系原料４３を加熱する。各構成要素の機能については特許文献６に開示されているので説明を省略する。

次に、高温荷重軟化試験装置４０を用いた還元特性値Ｒｓ、すなわち昇温還元率の測定方法について説明する。まず、鉄系原料４３を用意し、鉄系原料４３の上下をコークス層で挟んで、るつぼ４８に装填し、その後、反応管の内部に設置する。ついで、予め組成と流量を調整した還元ガスを、ガス入口４７から反応管内に導入する。一方、下段電気炉４１及び上段電気炉４２を駆動する。還元ガスは、下段電気炉４１で予熱された後、るつぼ４８内の鉄系原料４３へ導入されて、鉄系原料４３と反応する。鉄系原料４３は、上段電気炉４２によって昇温される。反応後の還元ガスは、ガス出口５０から排出される。排出ガスの一部を採取して、ガス分析計で成分組成を分析する。排ガスの成分組成から還元率を算出する。

同時に、温度計４６で、鉄系原料４３直上の温度を測定し、ガス入口４７とガス出口５０においてガス圧力を測定する。ガス圧力の差から、鉄系原料４３の通気抵抗を計測する。

また、鉄系原料４３を加熱、還元する過程で、鉄系原料４３に、荷重装置４９により荷重を負荷し、高炉内での荷重条件を再現する。この荷重条件の下で生じる鉄系原料４３の収縮挙動も測定する。

焼結機で製造した焼結鉱を１０ｍｍ超過１５ｍｍ以下の粒度範囲に整粒して作製した鉄系原料４３を用いて上述した試験を行った結果を図６に示す。具体的に、図６は、鉄系原料４３の温度変化に伴う還元率（％）の推移と圧力損失（ｍｍＡＱ）の変化とを対比して示す。図６に示すように、加熱温度の上昇に伴って、還元率は上昇する。一方、通気抵抗は、１２５０℃付近で急上昇して圧力損失が急増する。その直前の還元率は、融着挙動を大きく支配するため重要である。そこで、高温荷重軟化試験装置を用いて還元率を測定する場合、還元率は、１１００℃〜１２００℃の還元率をＲｓとして採用することが好ましい。

なお、実際の高炉操業では、鉄系原料は、複数銘柄を混合して使用することが一般的である。複数銘柄の混合試料の還元特性値Ｒｓは、鉄系原料単味の還元特性値Ｒｓを予め測定しておき、それぞれの使用比率に応じた加重平均値とする。これにより、焼結鉱の特性が変化した場合や、焼結鉱、塊鉱石、及び、ペレットの配合率が変化した場合にも、鉄含有装入物全体の特性を、一元的に管理することができる。なお、鉄系原料の混合試料を上述した高温荷重軟化試験装置に投入し、混合試料の還元特性値Ｒｓを測定してもよい。

なお、高温荷重軟化試験装置は、図５に示す装置に限定されるものではない。図５に示す装置と同様の機能を持つ試験装置であれば、図６に示す還元率（％）曲線、及び圧力損失曲線と同様の還元率（％）曲線、及び圧力損失曲線を得ることができ、さらに還元特性値Ｒｓを算出することができる。

（ステップＳ３０：関数Ｆを規定）
次いで、還元材比の低減量△ＲＡＲ（ｋｇ／ｔｐ）とガス化開始温度の差分△Ｔｃ、鉄系原料の還元特性値Ｒｓ、及び炭素高反応性装入物の混合率Ｘｃとの相関関係を示す関数Ｆ（ΔＴｃ，Ｒｓ，Ｘｃ）を規定する。具体的に、関数Ｆは、以下の式（１）で規定される。

△ＲＡＲ（ｋｇ／ｔｐ）＝−ａ＊（Ｘｃ−ｂ）^２＋ａｂ^２・・・（１）

ここで、ａ、ｂは以下の式（２）、（３）で示される。

ａ＝０．０８２５＊ｅｘｐ（−０．０５５＊ｂ）＊（０．０３２２＊ｂ−０．５０８）／５＊（Ｒｓ−６０）＋１）・・・（２）

ｂ＝（−０．５＊△Ｔｃ＋１２０）＊（０．１＊（Ｒｓ−６０）＋１）・・・（３）

ここに、混合率Ｘｃは、炭素高反応性装入物に含まれる炭材の原単位（ｋｇＣ／ｔｐ）として定義される。式（１）は、△ＲＡＲが、Ｘｃ＝０で０、Ｘｃ＝ｂで最大値ａｂ^２を取る上に凸のカーブとなることを想定して、それを２次式で表現したものである。ここは、２次式での表現が簡便である点で実用上好ましいが、前記特徴を表現できる形式であれば２次式以外の関数での表現も可能である。式（３）のｂの定義は、△ＲＡＲが最大となるＸｃの値をΔＴｃとＲｓ（基準値を６０とする）の積和として回帰して求めたものである。式（２）のａの定義は、最大値がａｂ^２となるように、ｂおよびＲｓで回帰して求めたものである。

すなわち、本発明者は、高炉の数学モデル（山本ら「フェロコークスの反応挙動と高炉内評価」：鉄と鋼，９７（２０１１），５０１）を用いて各パラメータ△Ｔｃ、Ｒｓ、Ｘｃと△ＲＡＲとの相関関係を算出したところ、当該相関関係が式（１）で規定されることを見出した。また、本発明者は、ＢＩＳ炉を用いて相関関係を推定したところ、当該相関関係が式（１）で規定されることを確認した。また、本発明者は、後述する実施例でも示されるとおり、実機のデータ解析によっても、当該相関関係が式（１）で規定されることを確認した。したがって、式（１）は、上記のいずれの方法によっても特定可能である。

関数Ｆの具体例を図７及び図８に示す。図７は、還元特性値Ｒｓ＝６５（％）かつガス化開始温度の差分△Ｔｃ＝６０、１２０、１８０（℃）となる場合の関数Ｆを示す。図８は、還元特性値Ｒｓ＝６０（％）かつガス化開始温度の差分△Ｔｃ＝６０、１２０、１８０（℃）となる場合の関数Ｆを示す。いずれの例においても、関数Ｆには△ＲＡＲが最大となる混合率Ｘｃが存在することがわかる。

（ステップＳ４０：△ＲＡＲが最大となるようにＸｃを決定する）
ステップＳ４０において、△ＲＡＲが最大となるように混合率Ｘｃを決定する。以上の処理により、△ＲＡＲが最大となる混合率Ｘｃを事前に（すなわち高炉操業前に）決定することができる。

本発明者は、各パラメータ△Ｔｃ、Ｒｓ、Ｘｃと△ＲＡＲとの相関関係が関数Ｆで示される理由を以下のように考えている。すなわち、根本的にカーボン反応開始温度が低くなると、高炉の還元平衡点温度が低下し、還元ガスの有効利用率が上昇する。その結果、炭素高反応性装入物の装入量の増加によって、還元材比が低下する。しかし、ある時点でその効果は上限を示し、それ以降は増使用に伴い、効果は減少する。これは極端なカーボン反応開始温度の低下によって、シャフト温度が低下し、焼結鉱や塊鉱石、ペレットなど鉄系原料の還元速度の低下が顕著となるためである。ここに、カーボン反応開始温度がそれほど低くない装入物は、使用量の上限値は少し緩和されるものの、到達する最大効果は相対的に小さくなる。本結果から発明者は、使用する炭素高反応性装入物の反応特性に応じて、炭素高反応性装入物の装入量を制御し、最大効果を常に享受する高炉操業方法を発想するに至った。

＜３．高炉操業方法＞
つぎに、本実施形態に係る高炉操業方法について説明する。本実施形態に係る高炉操業方法では、高炉に投入する鉄系原料、コークス、及び炭素高反応性装入物に対して最適な混合率Ｘｃ（△ＲＡＲが最大となる混合率Ｘｃ）が上述した方法により事前に特定されている。

（３−１．現状の高炉操業における炭素高反応性装入物使用量の最適化）
したがって、炭素高反応性装入物の現状の混合率Ｘｃが最適な混合率Ｘｃからずれている場合には、炭素高反応性装入物の混合率Ｘｃを最適な値に調整する。これにより、ＲＡＲを低減できる。しかし、炭素高反応性装入物の供給量が原料バランス上混合率Ｘｃに達しない場合もある。この場合は、最適値以下であってもよく、供給可能な量の最大値で操業を行うのが最も好ましいことになる。

（３−２．炭素高反応性装入物の変更）
また、炭素高反応性装入物が変更された場合には、変動後の配合に基づいて最適な混合率Ｘｃを再度算出し、炭素高反応性装入物の混合率Ｘｃを新たに算出された混合率Ｘｃに調整する。炭素高反応性装入物の混合率Ｘｃは、最適値以下であってもよい。炭素高反応性装入物が変更される場合としては、例えば、炭素高反応性装入物を構成する各原料の配合が変更された場合、または炭素高反応性装入物を構成する各原料が変更された場合が考えられる。これにより、炭素高反応性装入物の配合が変動した場合であっても、短期間でＲＡＲが低い操業に移行できる。なお、鉄系原料が変更された場合にも同様の処理が可能である。

（３−３．鉄系原料の変更（最適化））
上記の３−１、３−２では、鉄系原料を固定した上で、炭素高反応性装入物の混合率Ｘｃを最適化する操業である。しかし、鉄系原料を変更しても良いことはもちろんである。ここでは、鉄系原料を変更する場合の好適な操業方法について説明する。この操業方法は、概略的には、鉄系原料の焼結鉱比（ＳＲ）あるいはスラグ量（ＳＶ）を所定の範囲に調整して操業することで、還元材比ＲＡＲを非常に小さくすることができる操業方法である。

鉄系原料の焼結鉱比は、鉄系原料の総質量に占める焼結鉱の質量比（質量％）である。図９は、鉄系原料の焼結鉱比と鉄系原料の還元特性値Ｒｓとの対応関係を示す。ここで、還元特性値Ｒｓは、鉄系原料を構成する各成分の還元特性値Ｒｓを加重平均することで算出したものである。各成分の還元特性値Ｒｓは、上述したステップＳ２０の処理により測定される。図９に示すように、鉄系原料の焼結鉱比と鉄系原料の還元特性値Ｒｓとはほぼ線形の関係にある。したがって、鉄系原料の焼結鉱比がわかれば、鉄系原料の還元特性値Ｒｓも一意に特定される。そして、上述したように、還元材比ＲＡＲと、△Ｔｃ、Ｒｓ、Ｘｃとの間には相関があるので、△Ｔｃ、Ｘｃが一定の下では、還元材比ＲＡＲと鉄系原料の焼結鉱比との間にも相関があると言える。

その一例を図１０に示す。図１０は、焼結鉱比と還元材比との対応関係を、炭素高反応性装入物のあり、なしの条件下で測定した結果を示す。図１０の対応関係を測定するにあたり、△Ｔｃは１２０℃とし、混合率Ｘｃは、△ＲＡＲが最大となる値とした。図１０に示すように、焼結鉱比が７７〜９５％となる範囲でＲＡＲが４６０ｋｇ／ｔｐ未満となる。また、△ＲＡＲ（グラフ間の距離）が最も大きくなる。したがって、焼結鉱比は７７〜９５％であることが好ましい。また、焼結鉱比は、８０〜９０％であることがより好ましい。

ここに、焼結鉱比が７７％未満の場合は、鉄系原料の還元特性値Ｒｓが低下するため、ＲＡＲは増加する。また、鉄系原料の焼結鉱比が９５％を超えると、鉄系原料の被還元性は良好となる一方で、スラグ量の増大の悪影響が顕著となり、多量の溶解熱が必要となる。このため、ＲＡＲが増加する。ここに、図１０の求め方は、実施例２で詳述する。

図１１は、鉄系原料の焼結鉱比と高炉のスラグ量（高炉から排出されるスラグ量、ＳＶ）との対応関係を示す。高炉のスラグ量は、スラグ量は、スラグそのものの測定は不正確であるので、一般的には炉頂からの装入物および羽口からの吹き込み固体燃料の使用量と灰分や脈石成分の測定値から算出可能である。図１１に示すように、実用上、焼結鉱比と高炉のスラグ量とはほぼ線形の関係にある。したがって、高炉のスラグ量がわかれば、鉄系原料の焼結鉱比が一意に特定される。そして、上述したように、鉄系原料の焼結鉱比と鉄系原料の還元特性値Ｒｓとの間にも対応関係がある。したがって、高炉のスラグ量がわかれば、鉄系原料の還元特性値Ｒｓが一意に特定される。そして、上述したように、還元材比ＲＡＲと、△Ｔｃ、Ｒｓ、Ｘｃとの間には相関があるので、△Ｔｃ、Ｘｃが一定の下では、還元材比ＲＡＲと高炉のスラグ量との間にも相関があると言える。

したがって、焼結鉱比に変えて、高炉のスラグ量でＲＡＲが４６０ｋｇ／ｔｐ未満となる範囲を規定することもできる。具体的には、図１０に示すように、焼結鉱比が７７〜９５％となる範囲でＲＡＲが４６０ｋｇ／ｔｐ未満となる。そして、図１１に示すように、焼結鉱比が７７〜９５％となる場合、高炉のスラグ量は２９０ｋｇ／ｔｐ〜３２０ｋｇ／ｔｐとなる。したがって、高炉スラグ量が２９０〜３２０ｋｇ／ｔｐとなる場合に、ＲＡＲが４６０ｋｇ／ｔｐ未満となる。したがって、図１０の結果を、最適混合率Ｘｃにおける高炉のスラグ量とＲＡＲの関係として読み直すことができる。

（実施例１）
次に、本実施形態の実施例１について説明する。本発明者らは、４８００ｍ^３の高炉を１年間操業させた。そして、定期補修前後、及び、天候影響などの非定常状態での操業を除き、出銑比１．９〜２．２（ｔ／ｍ^３・ｄ）の安定操業期間の操業データを解析した。そして、本実施形態に係る炭素高反応性装入物の装入量決定方法が有効に機能することを確認した。

（Ｔｃ及び△Ｔｃの測定）
まず、図２に示す熱天秤１０を用いて、操業評価期間中に用いられたコークス（通常コークス）の反応開始温度、炭素高反応性装入物の反応開始温度及びこれらの差分△Ｔｃを測定した。本実施例１では、炭素高反応性装入物として、表１に含炭塊成鉱Ａおよび高反応性コークスＡ、Ｂを使用した。

表１中、「炭材」は炭素高反応性装入物に含まれる炭材の質量％を意味する。「Ｍ．Ｆｅ」は炭素高反応性装入物に含まれる金属鉄の質量％を意味し、「Ｔ．Ｆｅ」は炭素高反応性装入物に含まれる全鉄の質量％を意味する。

実施例１では、各炭素高反応性装入物のＴｃ及び△Ｔｃを以下のように測定した。炭素高反応性装入物を１５ｍｍ超過２５ｍｍ以下の粒度に整粒し、炭素高反応性装入物２００ｇを試料として熱天秤１０の内筒１３内に設置した。ついで、Ａｌ_２Ｏ_３球で予熱された反応ガスを試料層に導入し、反応に伴う重量変化と排ガス成分を同時に測定した。

ここで、ガス流量は２０ＮＬ／ｍｉｎ（空塔速度８ｃｍ／ｓ）で一定とし、試料は単味で２００ｇ一定とした。さらに、ガス組成をＮ_２５５体積％−ＣＯ−ＣＯ_２、ＣＯ_２／（ＣＯ＋ＣＯ_２）＝０．３で一定とした。試料は１０℃／ｍｉｎで１２００℃まで昇温し、重量変化、排ガス分析によるカーボン反応性を評価した。

具体的には、排ガス分析結果からガス化速度を逐次計算で求め、０．０４ｇＣ／ｍｉｎを超える大きさとなった温度を「カーボン反応開始温度」と定義した。表１に測定結果を示す。

（Ｒｓの測定）
次に、図５に示す高温荷重軟化試験装置を用いて、操業評価期間中に用いられた鉄系原料の還元特性値（還元率）Ｒｓを測定した。

具体的には、１０ｍｍ超過１５ｍｍ以下の粒度範囲に整粒した鉄系原料４３の上下をコークス層で挟んで、内径８５ｍｍのるつぼ４８内に装入した。鉄系原料４３の層厚は７０ｍｍとした。下段電気炉４１は常温より１７００℃まで昇温速度１０℃／ｍｉｎで昇温し、１７００℃到達後その温度に保持した。上段電気炉４２は常温より１０００℃まで昇温速度１０℃／ｍｉｎで昇温し、１０００℃より１６００℃まで昇温速度５℃／ｍｉｎで昇温し、１６００℃到達後その温度に保持した。ただし、上段電気炉４２の温度と鉄系原料４３の温度との温度差をあらかじめ３０℃と設定し、この温度差が３０℃を越えたときは、上段電気炉４２の電力を減少させて３０℃になるように電力を調整した。還元ガスは、常温より８００℃まではＮ_２ガス、８００℃よりＮ_２５５体積％−ＣＯ−ＣＯ_２、ＣＯ_２／（ＣＯ＋ＣＯ_２）＝０．３の還元ガスとし、流量は２０ＮＬ／ｍｉｎとした。荷重は荷重装置４９により８００℃から１．０ｋｇ／ｃｍ^２かけた。

一方、排出ガスの一部を採取して、ガス分析計で成分組成を分析した。排ガスの成分組成から還元率を算出した。同時に、温度計４６で、鉄系原料４３直上の温度を測定し、ガス入口４７とガス出口５０においてガス圧力を測定した。ガス圧力の差から、鉄系原料４３の通気抵抗を計測した。

この結果、加熱温度の上昇に伴って、還元率は上昇するが、１２５０℃付近で、通気抵抗が急上昇し、圧力損失が急増することがわかった。その直前の還元率は、融着挙動を大きく支配するため重要である。そこで、本実施例１では、１２００℃の還元率をＲｓとして採用した。

（関数Ｆの決定）
これらの炭素高反応性装入物の使用比率を変化させて、実機での使用試験を実施した。１年間の操業につき、定期補修前後、及び、天候影響などの非定常状態での操業を除き、出銑比１．９〜２．２（ｔ／ｍ^３・ｄ）の安定操業期間の操業データを解析に供した。すなわち、Ｒｓ、△Ｔｃ及びＸｃを変動させ、各Ｒｓ、△Ｔｃ及びＸｃにおいて出銑比が１．９〜２．２（ｔ／ｍ^３・ｄ）となるようにＲＡＲを調整した。ここで、鉄系原料の還元特性値Ｒｓは、鉄系原料を構成する各成分の還元特性値（単味の還元特性値）を加重平均した値とした。また、ガス化開始温度の差分△Ｔｃは、炭素高反応性装入物を構成する各成分のガス化開始温度Ｔｃのうち、最も低い値を用いて算出した。

そして、鉄系原料の還元特性値（各成分の還元特性値を加重平均した値）Ｒｓが６４〜６６％（平均６５％）となる期間を還元特性値Ｒｓ＝６５（％）の期間として抽出し、還元特性値Ｒｓが５９〜６１％（平均６０％）となる期間を還元特性値Ｒｓ＝６０（％）の期間として抽出した。そして、各期間の△ＲＡＲ（ベースは炭素高反応性装入物の使用が０の期間のＲＡＲ）を△Ｔｃ及びＸｃで整理した。解析対象期間の鉄系原料の成分、単味Ｒｓ、使用比率および単味Ｒｓの加重平均値の一例を表２に示す。

表２に示すように、期間ａでは、還元特性値Ｒｓ（すなわち各成分の単味Ｒｓの加重平均値）が６５．０（％）の鉄系原料を使用し、期間ｂでは、還元特性値Ｒｓの加重平均値が６０．０（％）の鉄系原料を使用した。なお、表２の組成はあくまで一例であり、還元特性値Ｒｓが同じであれば、鉄系原料の組成が異なっていても同様の解析結果がえられる。

解析の結果を図７及び図８に示す。図７及び図８によれば、カーボン反応開始温度が低い装入物ほど、最適使用領域が低使用領域に存在し、かつその還元材比低減効果は大きい傾向を示した。また、図７及び図８の結果に基づいて関数Ｆを算出したところ、関数Ｆは上述した式（１）〜（３）で示されることがわかった。このように、本実施形態の関数Ｆは、実際の高炉操業において再現された関数なので、極めて再現性が高く、実用に耐えることができるといえる。したがって、高炉操業前に使用原料の△Ｔｃ、Ｒｓを測定し、これらの値に基づいて関数Ｆを規定することで、△ＲＡＲが最大となる混合率Ｘｃを把握することができる。

（実施例２）
次に、鉄系原料の焼結鉱比または高炉のスラグ量と還元材比ＲＡＲとの間に対応関係があることを確認するために、実施例２を行った。まず、鉄系原料の焼結鉱比と鉄系原料の還元特性値Ｒｓとの間に対応関係があることを確認した。具体的には、還元特性値Ｒｓが７０％の焼結鉱、還元特性値Ｒｓが５０％の焼成ペレット及び塊鉱石を用意した。そして、これらを混合することで鉄系原料を作成し、鉄系原料の還元特性値Ｒｓを測定した。鉄系原料の還元特性値Ｒｓは、焼結鉱、焼成ペレット、及び塊鉱石の還元特性値Ｒｓを加重平均することで求めた。なお、焼結鉱、焼成ペレット、及び塊鉱石の還元特性値Ｒｓは、上述した方法により測定した。そして、鉄系原料の焼結鉱比を変更して同様の処理を繰り返した。その結果を図９に示す。図９に示すように、鉄系原料の焼結鉱比と鉄系原料の還元特性値Ｒｓとがほぼ線形の関係にあることを確認した。

次に、本発明者らは、４８００ｍ^３の高炉を１年間操業させた。そして、定期補修前後、及び、天候影響などの非定常状態での操業を除き、出銑比１．９〜２．２（ｔ／ｍ^３・ｄ）の安定操業期間の操業データを解析した。

ここで、炭素高反応性装入物は、△Ｔｃ＝１２０℃となる炭素高反応性装入物、すなわち上述した高反応性コークスＢを使用した。また、操業期間中は、鉄系原料の焼結鉱比を変動させることで、鉄系原料の還元特性値Ｒｓを変動させた。また、炭素高反応性装入物の混合率Ｘｃは、上述した関数Ｆ（△Ｔｃ，Ｒｓ，Ｘｃ）で規定される△ＲＡＲが最大となる値とした。そして、各Ｒｓ、△Ｔｃ及びＸｃにおいて出銑比が１．９〜２．２（ｔ／ｍ^３・ｄ）となるように還元材比を調整した。また、炭素高反応性装入物を挿入せずに同様の操業を行った。

例えば、図９に示すように、焼結鉱比が７７％となる場合、還元特性値Ｒｓは６５．４となった。この場合、最も還元材比を低減しうる（すなわち、△ＲＡＲが最大となる）混合率Ｘｃは９２．４ｋｇ／ｔｐと予測された。そこで、９２ｋｇ／ｔｐで炭素高反応性装入物を使用した結果、ＲＡＲは４５５ｋｇ／ｔｐまで低減することができた。

同様に、焼結鉱比が９４％の場合、還元特性値Ｒｓは６８．８となった。この場合、最も還元材比を低減しうる混合率Ｘｃは１１２．８／ｔｐと予測された。そこで、１１２ｋｇ／ｔｐで炭素高反応性装入物を使用した結果、ＲＡＲは４５４ｋｇ／ｔｐまで低減することができた。

解析結果を図１０に示す。図１０に示すように、焼結鉱比が高いほど炭素高反応性装入物使用による還元材比ＲＡＲの低減効果が大きく、焼結鉱比が７７〜９５％の範囲で、ＲＡＲが４６０ｋｇ／ｔｐ未満となった。一方、焼結鉱比が７７％未満の場合は、鉄系原料の還元特性値Ｒｓが低下するため、ＲＡＲは増加した。また、焼結鉱比が９５％より大きい場合、スラグ量増大による所要溶解熱の増加と、炉下部通気悪化とが顕在化した。この結果、ベース（炭素高反応性装入物なし）の還元材比が大きく悪化し、炭素高反応性装入物を使用した場合であっても４６０ｋｇ／ｐ未満の低ＲＡＲ操業は困難であった。このため、鉄系原料を変更可能な場合、焼結鉱比は７７〜９５％にすることが好ましいことがわかった。また、焼結鉱比が８０〜９０％となる場合、還元材比は最小値（４５０ｋｇ／ｔｐ）となった。したがって、焼結鉱比の好ましい範囲は８０〜９０％であることがわかった。

また、本発明者は、鉄系原料の焼結鉱比と高炉のスラグ量（ＳＶ）との対応関係を測定した。高炉のスラグ量は、スラグ量は、スラグそのものの測定は不正確であるので、炉頂からの装入物および羽口からの吹き込み固体燃料の使用量と灰分および脈石成分の測定値から算出した。その結果を図１１に示す。図１１に示すように、実用上、焼結鉱比と高炉のスラグ量とはほぼ線形の関係にある。したがって、高炉のスラグ量がわかれば、鉄系原料の焼結鉱比が一意に特定される。そして、上述したように、鉄系原料の焼結鉱比と鉄系原料の還元特性値Ｒｓとの間にも対応関係がある。したがって、高炉のスラグ量がわかれば、鉄系原料の還元特性値Ｒｓが一意に特定される。すなわち、△Ｔｃ、Ｘｃが一定の下では、還元材比ＲＡＲと高炉のスラグ量との間にも相関があると言える。すなわち、図１０の結果を、最適混合率Ｘｃにおけるスラグ量とＲＡＲの関係として読み直すことができる。

例えば、図１１に示すように、スラグ量が２９０ｋｇ／ｔｐとなる場合、焼結鉱比は７７％となった。そして、図９に示すように、焼結鉱比が７７％となる場合、還元特性値Ｒｓは６５．４となった。この場合、最も還元材比を低減しうる混合率Ｘｃは９２．４ｋｇ／ｔｐと予測された。そこで、９２ｋｇ／ｔｐで炭素高反応性装入物を使用した結果、ＲＡＲは４５５ｋｇ／ｔｐまで低減することができた。同様に、図１１に示すように、スラグ量が３１８ｋｇ／ｔｐとなる場合、焼結鉱比は９４％となった。そして、図９に示すように、焼結鉱比が９４％となる場合、還元特性値Ｒｓは６８．８となった。この場合、最も還元材比を低減しうる混合率Ｘｃは１１２．８／ｔｐと予測されたので、１１２ｋｇ／ｔｐで炭素高反応性装入物を使用した結果、ＲＡＲは４５４ｋｇ／ｔｐまで低減することができた。このため、鉄系原料を変更可能な場合、高炉のスラグ量は焼結鉱比７７〜９５％に対応する２９０ｋｇ／ｔｐ〜３２０ｋｇ／ｔｐとすることが好ましいことがわかった。

以上により、本実施形態によれば、コークスのガス化開始温度と、コークスよりも反応性の高い炭材を含む炭素高反応性装入物のガス化開始温度との差分△Ｔｃを測定する。そして、鉄系原料の還元特性値Ｒｓを測定する。そして、差分△Ｔｃ、還元特性値Ｒｓ、及び炭素高反応性装入物の混合率Ｘｃと、高炉内の還元材比低減量△ＲＡＲとの関数Ｆを規定する。そして、還元材比低減量△ＲＡＲが最大となるように、混合率Ｘｃを決定する。これにより、炭素高反応性装入物の好適な装入量を事前に決定することができる。

ここで、ガス化開始温度は、昇温速度が５〜２０℃／ｍｉｎとなり、および／又はガス組成ＣＯ_２／（ＣＯ_２＋ＣＯ）が０．２〜０．３となる条件下で測定されるので、ガス化開始温度をより実機に近い条件で測定することができる。

さらに、還元特性値Ｒｓを、高温荷重軟化試験装置で測定した１１００〜１２００℃における昇温還元率とするので、より実機に近い条件で還元特性値Ｒｓを測定することができる。

さらに、関数Ｆは、上述した以下の式（１）で示されるので、炭素高反応性装入物の好適な装入量をより正確に決定することができる。

さらに、本実施形態によれば、炭素高反応性装入物の混合率を上述した炭素高反応性装入物の装入量決定方法により決定された混合率Ｘｃ以下の混合率とするので、還元材比を効率的に低減することができる。さらに、還元材比の低減に必要な炭素高反応性装入物の装入量も低減することができる、したがって、高炉操業コストを低減することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１０ 熱天秤
１１ 筐体
１２ 外側反応管
１３ 内筒
１４ ガス入口
１５ 発熱体
１６ ガス出口
１７ 熱電対
１８ 吊りワイヤ
１９ 重量計
４０ 高温荷重軟化試験装置
４１ 下段電気炉
４２ 上段電気炉
４３ 鉄系原料
４４、４５、４６ 温度計
４７ ガス入口
４８ るつぼ
４９ 荷重装置
５０ ガス出口

Claims (7)

1. コークスのガス化開始温度と、前記コークスよりも反応性の高い炭材を含む炭素高反応性装入物のガス化開始温度との差分△Ｔｃを測定するステップと、
   高炉に装入される鉄系原料の還元特性値Ｒｓを測定するステップと、
   前記差分△Ｔｃ、前記還元特性値Ｒｓ、及び前記炭素高反応性装入物の混合率Ｘｃと、
   高炉内の還元材比低減量△ＲＡＲとの関数Ｆを規定するステップと、
   前記還元材比低減量△ＲＡＲが最大となるように、前記混合率Ｘｃを決定するステップと、を含み、
   前記関数Ｆにおいて、前記還元材比低減量△ＲＡＲは、前記混合率Ｘｃのある値において最大値を取る、前記混合率Ｘｃの上に凸の２次関数で表現されることを特徴とする、炭素高反応性装入物の装入量決定方法。
2. 前記ガス化開始温度は、昇温速度が５〜２０℃／ｍｉｎとなり、および／又はガス組成ＣＯ_２／（ＣＯ_２＋ＣＯ）が０．２〜０．３となる条件下で測定されることを特徴とする、請求項１記載の炭素高反応性装入物の装入量決定方法。
3. 前記還元特性値Ｒｓを、高温荷重軟化試験装置で測定した１１００〜１２００℃における昇温還元率とする、請求項１または２記載の炭素高反応性装入物の装入量決定方法。
4. 前記関数Ｆは、以下の式（１）で示されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の炭素高反応性装入物の装入量決定方法。
   △ＲＡＲ（ｋｇ／ｔｐ）＝−ａ＊（Ｘｃ−ｂ）^２＋ａｂ^２・・・（１）
   ここで、ａ、ｂは以下の式（２）、（３）で示される。
   ａ＝０．０８２５＊ｅｘｐ（−０．０５５＊ｂ）＊（０．０３２２＊ｂ−０．５０８）／５＊（Ｒｓ−６０）＋１）・・・（２）
   ｂ＝（−０．５＊△Ｔｃ＋１２０）＊（０．１＊（Ｒｓ−６０）＋１）・・・（３）
5. 炭素高反応性装入物の混合率を請求項１〜４のいずれか１項に記載の炭素高反応性装入物の装入量決定方法により決定された混合率Ｘｃ以下の混合率とすることを特徴とする、高炉操業方法。
6. 前記鉄系原料中の焼結鉱比が７７％〜９５％であることを特徴とする請求項５に記載の高炉操業方法。
7. 高炉のスラグ量が２９０ｋｇ／ｔｐ〜３２０ｋｇ／ｔｐであることを特徴とする請求項５または６に記載の高炉操業方法。
   

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