JP6376095B2 - 高炉操業方法 - Google Patents

Description

本発明は、高炉操業方法に関する。

高炉においては、通常、コークスと鉄源としての鉱石（鉄鉱石）とを炉頂から装入し、炉下部に設けられた羽口から、空気または空気に酸素を富化して加熱した熱風と、微粉炭、重油、燃料ガスなどを吹き込む。高炉内では、コークスや、微粉炭、重油、燃料ガス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する。

コークスや、微粉炭、重油、燃料ガスなどは還元材と呼ばれ、銑鉄１トン当りの還元材の使用量は還元材比として管理される。この還元材比を低減することは、コークスおよび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。還元材比を低減する技術としては、鉱石中の酸化鉄の還元反応の効率を向上させる技術が挙げられる。

次に、図４を参照して、高炉における酸化鉄の還元反応について説明する。図４は、高炉を示す概略図である。

高炉１では、通常、炉頂から鉱石２とコークス３とが交互に積層するように装入される。高炉１では、側面下部に設けられた羽口５から熱風６が吹き込まれ、この熱風６とともに吹き込まれた微粉炭などやコークス３中の炭素が、熱風６中の酸素と燃焼し、高温の一酸化炭素（ＣＯ）ガスを含むガスが発生する。このガスが高炉１内を上昇する過程で鉱石２とコークス３とに熱が与えられ、鉱石２が溶融するとともに、この鉱石２の酸化鉄が還元されて、銑鉄９および溶滓８が生成する。銑鉄９は、高炉１内底面に溜まり、溶滓８の一部とともに、高炉１の側面底部に設けられている出銑口７から高炉１外へ排出される。

高炉１では、鉱石２が軟化して相互に融着しあう部分となる融着帯４が形成される。この融着帯４を含む高炉１内下部となる炉下部２２では、羽口５から供給される熱風６中の酸素と炭素が燃焼し、燃焼熱によって炉下部２２は高温となり、鉱石２は溶融状態になるとともに、炉下部２２では下記反応式（１）に示す還元反応が生じる。
ＦｅＯ＋Ｃ→Ｆｅ＋ＣＯ （１）

式（１）に示す還元反応は、コークス３の固体の炭素Ｃによる酸化鉄の還元反応であり直接還元反応と呼ばれ、吸熱反応である。高炉１内では、上部から下部に向かって固体温度が上昇する。このため、鉱石２は、初めは固体の状態であり、高炉１の中部では、炉頂から装入された固体の鉱石２が軟化・溶融し始め、融着帯４が形成されることになる。

融着帯４より上側となる炉上部２１では、固体状態の鉱石２とコークス３とが存在し、炉下部２２で生じて上昇する一酸化炭素（ＣＯ）ガスによって鉱石２の酸化鉄が還元され、炉上部２１では、下記反応式（２）〜（４）に示す還元反応が生じる。
Ｆｅ_２Ｏ_３＋ＣＯ→２ＦｅＯ＋ＣＯ_２ （２）
Ｆｅ_３Ｏ_４＋ＣＯ→３ＦｅＯ＋ＣＯ_２ （３）
ＦｅＯ＋ＣＯ→Ｆｅ＋ＣＯ_２ （４）

式（２）〜（４）に示す還元反応は、一酸化炭素（ＣＯ）による酸化鉄の還元反応であり間接還元反応と呼ばれ、式（３）に示す還元反応を除き発熱反応であり、全体的に発熱反応である。炉上部２１における炉頂部分では、鉱石２の酸化鉄は主にはＦｅ_２Ｏ_３やＦｅ_３Ｏ_４であり、比較的温度が低い状態であっても、式（２）及び（３）に示す還元反応が生じやすく、鉱石２の酸化鉄はＦｅＯになる。次いで、鉱石２が下方に向かうにつれて、式（４）に示す還元反応が主に生じ、鉱石２の酸化鉄が還元される。なお、式（２）及び（３）に示す還元反応が主に生じる炉上部２１の部分を予熱帯と呼び、式（４）に示す還元反応が主に生じる炉上部２１の部分を熱保存帯と呼ぶ。

非特許文献１には、熱保存帯の温度を低下させ、還元反応の効率を向上させ得ることが記載されている。熱保存帯で主に生じる式（４）に示す還元反応は発熱反応であり、一酸化炭素（ＣＯ）ガスによる鉄酸化物の還元反応に係るウスタイト（酸化鉄）−鉄還元平衡点を二酸化炭素（ＣＯ_２）ガス濃度が高い方向へ移動させて平衡温度を下げることで、式（４）の還元反応を促進させることができる。

例えば、特許文献１には、熱保存帯の温度を低下させる手段として、高反応性コークスであるフェロコークスを用いることが記載されている。コークス３の一部として、フェロコークスを用いることで、下記式（５）に示すコークス３のガス化反応の開始温度を低下させて、熱保存帯の温度を低下させ得る。
Ｃ＋ＣＯ_２→２ＣＯ （５）

特許文献１には、更に、フェロコークスを高炉操業に用いれば、還元された鉄鉱石の触媒効果でコークスの反応性を高めることができるので、式（５）に示す反応を促進させて、還元材の使用量を抑えて、還元材比を低減できる旨が記載されている。

特開２００６−２８５９４号公報 特開２０１１−１４９０９０号公報

内藤誠章、外４名、「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、２００１年、第８７巻、第５号、ｐ．３５７−３６４ 原口博、外４名、「高炉内におけるコークスの劣化機構に関する２〜３の検討」、鉄と鋼、１９８４年、第７０巻、第１６号、ｐ．２２１６−２２２３

非特許文献１および特許文献１に記載の技術によって、確かに、高炉での還元反応の効率を向上させ、還元材比を低減させ得る。その一方で、フェロコークスに要求される強度に関しては言及されていない。

特許文献２には、ＪＩＳ Ｋ２１５１で規定されているドラム強度ＤＩ_{１５０／１５}が８２であることが記載されているが、この値が、高炉の安定操業を担保できる下限であるか否かという記述は無い。低強度のフェロコークス使用が可能であれば、使用石炭の安価化によりコストダウンが期待できる。

高炉で使用するコークスにある程度の強度が必要とされるのは、コークスに還元ガス発生・熱供給の機能だけでなく、炉下部で通気性確保のためのスペーサーとしての機能も要求されているからである。解体調査（例えば、非特許文献２を参照）によると、コークスの劣化はシャフト下段より下方で顕著である。シャフト下段から下方は、一般的には滴下帯であると考えられることから、フェロコークスが融着帯までにガス化消失する、すなわち滴下帯に存在しない条件であれば、従来のコークスと同等の強度は必要とされないと考えられる。

フェロコークスのガス化は、基本的に、式（５）の反応で進行するが、フェロコークス自体の反応性に加え、式（２）〜（４）で示される酸化鉄の還元で生成するＣＯ_２の量に影響を受けると考えられる。すなわち、フェロコークスの反応性が高いほど、また、使用する焼結鉱や塊鉱石、ペレットの被還元性が高いほど、フェロコークスのガス化は促進されると考えられる。したがって、フェロコークスの反応性と鉱石の被還元性との組み合わせで、フェロコークスのガス化が促進され、融着帯までにガス化消失する条件が存在すると考えられる。

本発明は、以上の点を鑑みてなされたものであって、低強度のフェロコークスを使用できる高炉操業方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討した結果、フェロコークスのコークス反応性指数（ＣＲＩ）と鉱石の還元率（ＲＩ）とが特定の条件を満たす場合、フェロコークスは融着帯までにガス化消失して滴下帯に存在しなくなり、フェロコークスには炉下部での通気性確保のためのスペーサーとしての機能は要求されなくなるので、低強度のフェロコークスを使用できるようになることを見出し、本発明を完成させた。

すなわち、本発明は、以下の［１］〜［３］を提供する。
［１］フェロコークスおよび鉱石を使用する高炉操業方法であって、上記フェロコークスのコークス反応性指数をＣＲＩとし、上記鉱石の還元率をＲＩとした場合に、下記式（Ｉ）を満たす、高炉操業方法。
０．０２８６×ＣＲＩ＋０．０２５４×ＲＩ−２．１４６５≧１．００ （Ｉ）
［２］上記フェロコークスのドラム強度ＤＩ_{１５０／１５}を、８０以下とする、上記［１］に記載の高炉操業方法。
［３］上記フェロコークスの使用量を、５０ｋｇ／ｔ−溶銑以下とする、上記［１］または［２］に記載の高炉操業方法。

本発明によれば、低強度のフェロコークスを使用できる高炉操業方法を提供できる。

反応試験に用いた荷重軟化試験装置を示す断面模式図である。 反応試験における温度−ガス組成条件を示すグラフである。 フェロコークスのＣＲＩと、焼結鉱のＲＩと、反応率との関係をプロットしたグラフである。 高炉を示す概略図である。

フェロコークスの反応性および鉱石（鉄鉱石）の被還元性に関して、融着帯までにガス化消失する条件を調査するために、図１に示す荷重軟化試験装置を用いて、高炉内を模擬した反応試験を実施した。フェロコークスは、例えば、石炭と鉄鉱石とを混合して成型した成型物を乾留して製造される。

なお、フェロコークスの反応性の指標としては、コークス反応性指数（以下、「ＣＲＩ」とも表記する）を採用した。コークス反応性指数（ＣＲＩ）とは、粒径２０±１ｍｍ内の試料２００ｇを１１００℃の温度で二酸化炭素ＣＯ_２ガス５Ｌ／分を流通させた雰囲気に、２時間保持した後の試料質量の減量分を、反応前の試料質量に対して百分率で示した指数である。ＣＲＩが高いほど、高反応性であると評価できる。

また、鉱石の被還元性の指標として、還元率（以下、「ＲＩ」とも表記する）を用いた。より詳細には、ＪＩＳ Ｍ８７１３：２００９に規定されている到達ＪＩＳ還元率を用いた。これは、粒径２０±１ｍｍ内の試料５００ｇを９００℃の温度でＣＯ３０％、Ｎ_２７０％のガスを１５Ｌ／分を流通させた雰囲気に、３時間（１８０分間）保持した後の試料質量の減量分を、反応前の鉱石中の酸素の質量に対して百分率で示した指数である。

図１は、反応試験に用いた荷重軟化試験装置を示す断面模式図である。
図１に示す荷重軟化試験装置１０１では、坩堝１０６を加熱炉１０４内に設置して、坩堝１０６内に充填された試料１０５を、ガスを流通させた雰囲気で、パンチ棒１０７を介して荷重を負荷しながら、ヒータ１０９を用いて加熱する。
加熱炉１０４は、円筒状の外形を有し、中心に設置される円筒状の坩堝１０６を収納する耐火物製の円筒状の炉心管１０８と、炉心管１０８の外周を覆うヒータ１０９と、坩堝１０６の底部１０６ａを支持し、底部１０６ａのガス流通口１０６ｂと連通する耐火物製の円筒状の反応管１１０とを有する電気炉である。坩堝１０６内の試料１０５には、荷重付加装置１３１によってパンチ棒１０７を介して荷重が負荷される。
加熱炉１０４には、加熱炉１０４の温度、すなわち、ヒータ１０９の温度をコントロールするための温度制御装置（図示せず）が設置されている。なお、加熱炉１０４には、熱電対１３３が取り付けられている。
加熱炉１０４の下部には、反応管１１０の下部に接続するガス入口１１５が設けられ、加熱炉１０４の上部には、炉心管１０８の上部に接続するガス出口１１７が設けられている。ガス供給装置１３２から供給されたガスは、ガス入口１１５を介して反応管１１０に入り、坩堝１０６の底部１０６ａのガス流通口１０６ｂから坩堝１０６内に入り、坩堝１０６の上部（例えば、パンチ棒１０７の先端の押当部１０７ａに設けられた貫通孔１０７ｂなど）から炉心管１０８内に出て、ガス出口１１７から排出される。
加熱炉１０４の下部には、坩堝１０６から溶け落ちた滴下物を回収する滴下物回収装置１２２が設置されている。滴下物は、反応管１１０内を落下してターンテーブル１２２ａ上に回収される。

反応試験では、１個のフェロコークス（図１中、符号１０５ａで示す）の周囲に、鉱石である焼結鉱（図１中、符号１０５ｂで示す）を配置した試料を、内径６０ｍｍの坩堝内に充填した。
このとき、ＣＲＩが「４８．７」、「５３．５」、「５７．０」または「５９．３」である４種類のフェロコークスと、ＲＩが「５４」、「６０」、「６２」または「６８」である４種類の焼結鉱とを用いた。フェロコークスと焼結鉱との質量比は、フェロコークス５０ｋｇ／ｔ−溶銑相当とした。

図２は、反応試験における温度−ガス組成条件を示すグラフである。反応試験では、一酸化炭素（ＣＯ）と二酸化炭素（ＣＯ_２）との混合ガスを３０ＮＬ／分の流量で流通させつつ、図２に示す条件で、加熱炉の温度に応じて混合ガスの組成を変化させた。
このとき、昇温速度は、図２に示すように、室温から９００℃は５℃／分、９００℃から１１００℃は１．５℃／分、１１００℃から１３００℃は５℃／分とした。

１４５０℃まで昇温させた後、Ｎ_２ガスで冷却を行ない、反応試験を終了させた。残存しているフェロコークスを取り出し、試験前後のフェロコークス質量および化学分析によるカーボン含有量から、反応前後のフェロコークス中のカーボン量を求め、下記式（６）によりフェロコークスの反応率を算出した。
反応率＝１−（反応後カーボン量／反応前カーボン量） （６）

なお、試験終了後において、焼結鉱は全て溶融、滴下し、スラグおよびメタルとして滴下物回収装置で回収された。したがって、この試験で回収されたフェロコークスは、高炉内で融着帯より下方、すなわち滴下帯で残存する状態に相当する。

反応試験の結果を下記表１および図３に示す。図３は、フェロコークスのＣＲＩと、焼結鉱のＲＩと、反応率との関係をプロットしたグラフであり、下記表１の内容をプロットしたものである。
なお、水準７，８，１１，１２，１４，１５および１６は、試験後にフェロコークスが存在せず、ガス化消失したものと判断した。この場合、下記表１には、反応率として「−」を記載した。図３のグラフには、水準７，８，１１，１２，１４，１５および１６については、プロットされていない。

表１および図３に示した、水準７，８，１１，１２，１４，１５および１６以外の結果を、重回帰分析により整理すると、焼結鉱が溶融した後の反応率は、下記式（７）で示される。
反応率＝０．０２８６×ＣＲＩ＋０．０２５４×ＲＩ−２．１４６５ （７）

したがって、式（７）で計算される値が１．００以上であれば、融着帯までにフェロコークスのガス化が完了しており、滴下帯には固体として存在しないと言える。
すなわち、フェロコークスおよび鉱石を使用する高炉操業方法において、フェロコークスのコークス反応性指数をＣＲＩとし、鉱石の還元率をＲＩとした場合に、下記式（Ｉ）を満たすようにする。
０．０２８６×ＣＲＩ＋０．０２５４×ＲＩ−２．１４６５≧１．００ （Ｉ）

式（Ｉ）を満たす場合には、フェロコークスは融着帯までにガス化消失して滴下帯に存在しなくなり、フェロコークスには炉下部での通気性確保のためのスペーサーとしての機能は要求されなくなり、これにより、低強度のフェロコークスを使用できるようになる。具体的には、低強度のフェロコークスを使用しても、滴下帯の通気性が確保されて、高炉の安定操業が可能となる。

より具体的には、例えば、使用するフェロコークスのドラム強度ＤＩ_{１５０／１５}を、８０以下とすることができる。なお、ドラム強度ＤＩ_{１５０／１５}は、ＪＩＳ Ｋ２１５１：２００４に規定されているドラム強度であって、コークスをドラム内で１５０回転した後における、全コークス量に対する篩上１５ｍｍ以上のコークスの割合の百分率を表す。

フェロコークスの使用量は、少ない方が融着帯までにガス化消失しやくなるため、好ましい。具体的には、フェロコークスの使用量は、７０ｋｇ／ｔ−溶銑以下が好ましく、６０ｋｇ／ｔ−溶銑以下がより好ましく、５０ｋｇ／ｔ−溶銑以下が更に好ましい。

なお、本発明においては、コークスとして、フェロコークスだけを使用するものではなく、例えば、室炉コークスと混合して、フェロコークスを使用する。なお、室炉コークスとはコークス炉等で石炭を乾留して製造される、通常、高炉に装入して用いられているコークスのことである。こうして、フェロコークスを使用することで、還元材比（コークス比）を低減できる。

以下に、実施例を挙げて本発明を具体的に説明する。ただし、本発明はこれらに限定されるものではない。

＜標準例１および実験例１〜７＞
図４に示す高炉１（内容積：５０００ｍ^３）を操業した。このとき、銑鉄９の温度が１５００℃、出銑比が２．２トン−銑鉄／（日・ｍ^３）となるように、高炉１に鉱石２（焼結鉱＋塊鉱石）およびコークス３を投入し、微粉炭を１５０ｋｇ／トン−銑鉄で羽口５に吹き込んだ。

実験例１〜７では、コークスとして、室炉コークスと共に、フェロコークスを使用した。フェロコークスは、実験例１〜５では、鉱石に、原単位５０ｋｇ／ｔ−溶銑の量を混合して使用し、実験例６〜７ではその使用量を下記表２に示すように増量した。
なお、使用したフェロコークスは、７０質量％がコークスであって、残りは鉄原料である。室炉コークス比＋フェロコークス比×０．７で、正味のコークス比を算出し、このコークス比の値を、下記表２に記載した。
そして、実験例１〜７では、フェロコークスのコークス反応性指数（ＣＲＩ）およびドラム強度（ＤＩ_{１５０／１５}）を、下記表２に示すように異ならせた。
また、焼結鉱と塊鉱石とを使用したことから、両者の還元率（ＲＩ）および混合比率から平均ＲＩを算出し、下記表２に記載した。これを鉱石のＲＩとした。

そして、実験例１〜８では、フェロコークスのＣＲＩと鉱石の平均ＲＩとから、上述した式（７）に基づいて反応率を求め、これを反応指標として下記表２に記載した。

また、下記表２には、下部通気抵抗指数を記載した。下部通気抵抗指数は、下記式（８）に基づいて算出した値であって、滴下帯の通気性を表している。この値が小さいほど通気性が良好であると評価できる。
下部通気抵抗指数＝（送風圧力^２−ボッシュ上部圧力^２）／ボッシュガス量^１．７ （８）
ここで、送風圧力は熱風炉出側で測定、ボッシュ上部圧力は高炉ボッシュ部上端位置から６００ｍｍ下方に設置した炉壁圧力計で測定したものである。ボッシュガス量は、送風中の酸素が炭素と反応して２倍の量のＣＯになったものを（Ｏ_２＋Ｃ→２ＣＯ）、送風中のＮ_２量および、送風中Ｈ_２Ｏと微粉炭由来の水素とを合わせて算出した。

上記表２に示すように、実験例１は、室炉コークスのドラム強度と等しい値のドラム強度を有するフェロコークスを使用した例である。下部通気抵抗は上昇せず、コークス比を下げながらも安定した操業を継続できた。反応指標は０．６９であり、滴下帯にフェロコークスが残存していると推定されるが、室炉コークスと同じドラム強度を有しているために通気性に影響が現れなかったと推定される。

実験例２は、実験例１に対してフェロコークスのＣＲＩを上げて、フェロコークスのドラム強度を７９.３に低下させた例である。反応指標は０．８７であった。下部通気抵抗が上昇したため、安定操業の継続が困難であった。これは、室炉コークスより低強度のフェロコークスが滴下帯に存在したことにより、通気性が悪化したためと推定される。

実験例３は、実験例２に対して焼結鉱のＲＩを上昇させた例である。これにより、反応指標は１．０６となった。実験例３では、実験例２と同じドラム強度のフェロコークスを使用したにもかかわらず、下部通気抵抗は上昇せず、安定操業が可能であった。フェロコークスは融着帯までにガス化消失し、滴下帯に存在しなかったため、低強度のフェロコークスが使用できたと推定される。

実験例４は、実験例３よりも更にフェロコークスのＣＲＩを上げ、ドラム強度は７７．０へ低下させるとともに、鉱石の平均ＲＩは低下させた例である。反応指標は０．９４であった。下部通気抵抗が上昇したため、安定操業の継続が困難であった。これは、室炉コークスより低強度のフェロコークスが滴下帯に存在したことにより、通気性が悪化したためと推定される。

実験例５は、実験例４に対して焼結鉱のＲＩを上昇させた例である。これにより、反応指標は１．０２となった。実験例５では、実験例４と同じドラム強度のフェロコークスを使用したにもかかわらず、下部通気抵抗は上昇せず、コークス比を下げながら安定操業が可能であった。フェロコークスは融着帯までにガス化消失し、滴下帯に存在しなかったため、低強度のフェロコークスが使用できたと推定される。

実験例６および実験例７は、実験例５に対してフェロコークス使用量（フェロコークス比）を増加させた例である。実験例６および実験例７は、反応指標が１．００以上であるにもかかわらず、実験例５に比べると、下部通気抵抗指数がやや上昇していた。

１：高炉
２：鉱石
３：コークス
４：融着帯
５：羽口
６：熱風
７：出銑口
８：溶滓
９：銑鉄
２１：炉上部
２２：炉下部
１０１：荷重軟化試験装置
１０４：加熱炉
１０５：試料
１０５ａ：フェロコークス
１０５ｂ：焼結鉱
１０６：坩堝
１０６ａ：底部
１０６ｂ：ガス流通口
１０７：パンチ棒
１０７ａ：押当部
１０７ｂ：貫通孔
１０８：炉心管
１０９：ヒータ
１１０：反応管
１１５：ガス入口
１１７：ガス出口
１２２：滴下物回収装置
１２２ａ：ターンテーブル
１３１：荷重付加装置
１３２：ガス供給装置
１３３：熱電対

Claims (2)

1. フェロコークスおよび鉱石を使用する高炉操業方法であって、前記フェロコークスのコークス反応性指数をＣＲＩとし、前記鉱石の還元率をＲＩとした場合に、下記式（Ｉ）を満たし、
   前記フェロコークスのドラム強度ＤＩ _{１５０／１５} を、８０以下とする、高炉操業方法。
   ０．０２８６×ＣＲＩ＋０．０２５４×ＲＩ−２．１４６５≧１．００ （Ｉ）
2. 前記フェロコークスの使用量を、５０ｋｇ／ｔ−溶銑以下とする、請求項１に記載の高炉操業方法。