JP7003725B2 - 高炉原料の装入方法 - Google Patents

Description

本発明は、鉱石原料の還元率の維持、向上を図るための高炉原料の装入方法に関するものである。

近年、ＣＯ_２排出量削減の観点から、高炉プロセスにおける還元材比低減の要請が強まっている。このため、焼結鉱やペレットの被還元性を向上するとともに、これらの鉱石原料とコークスの高炉内における分布（装入物分布）を制御することによって、還元効率を向上させ、還元材比を低減させる技術開発が進められてきた。

また、溶銑コスト低減の観点から、高炉プロセスの主要な還元材であるコークスの使用量はできるだけ削減することが望ましく、羽口からの微粉炭多量吹込み等によって、溶銑１（ｔｏｎ）製造あたりに必要なコークス量（コークス比）を低減させる技術開発が進められてきた。

高炉に装入された鉱石原料は炉内を降下するに従い、昇温・還元され、最終的には溶融して滴下する。この固体から液体へ変化する過程で、鉱石は軟化し鉱石粒子同士が融着して鉱石融着層を形成するため、通気性が著しく低下する。高炉内において、鉱石融着層が存在する領域を一般に融着帯と呼ぶ。

高炉融着帯では、ガスが鉱石融着層にはほとんど流れず、コークス層へ偏流する。鉱石原料とコークスとを高炉炉頂部から交互に装入する方法において、融着帯でのコークス層へのガス流通経路を確保するためには、装入１チャージあたりのコークス量を一定以上に設定する必要がある。一方、装入１チャージあたりのコークス量が一定の条件下では、コークス比の低減に伴い、装入１チャージ当たりの鉱石量が増加するため、鉱石層の厚みが増加する。

鉱石層に下部から還元ガスが吹き込まれると、鉱石層での還元反応の進行に伴いＣＯおよびＨ_２ガスが消費されるため、鉱石層の上部ほど還元力が低下する。その結果、鉱石層上部ほど、還元率は低下する。鉱石層の厚みが増加すると、この現象が助長されるため、鉱石層全体の還元率が減少する結果となる。

鉱石層の還元率向上対策のひとつとして、コークスを鉱石層中に混合する方法が知られている。この方法は、第１に鉱石原料とコークスとを近接させることによって、鉱石の還元によって生じたＣＯ_２やＨ_２Ｏガスを速やかにＣＯ、Ｈ_２ガスに回復させる効果（言い換えると、炭材の近接配置効果）があり、第２に高炉炉下部でも軟化収縮しないコークスを鉱石層に混合することで、軟化収縮を抑制する骨材効果があり、第３に鉱石層内に混合したコークスを優先的にガス化させることにより、コークス層中のコークスの劣化抑制効果がある。

混合コークスの使用方法については、特に偏析を抑制するための炉内装入方法に関して、従来から様々な提案がされている。半径方向の混合位置および量の適正化について、例えば特許文献１には、鉱石とコークスとの質量比であるＯ／Ｃの予測値が基準より上昇した位置に０．２～３．０％の割合でコークスを鉱石に混合して高炉に装入することを特徴とする高炉への原料装入方法が開示されている。

特許文献２には、細粒焼結鉱と粗粒コークスの一部が炉壁近傍において混合して存在するように装入し、粗粒焼結鉱と細粒コークスが中間部から中心コークス近傍の領域において混合して存在するように装入することを特徴とする高炉操業方法が開示されている。

特許文献３には、鉱石層の高さ方向に着目したコークス混合位置および量を適正化する技術として、コークス混合率が鉱石層中の下層部で高く、上層部で低くなるよう装入することを特徴とする原料装入方法が開示されている。

特開２００７－５１３０６号公報 特開２０１５－７４８０１号公報 特開２００３－１７１７０５号公報

鉄と鋼， Ｖｏｌ．８０（１９９４） 鉄と鋼， Ｖｏｌ．７５（１９８９）

現在主流のすり鉢状の堆積形状では、高炉内に装入された原料のうち、細粒はその場にとどまり、粗粒は炉中心側に転がる傾向があるため、炉半径方向に粒度偏析が生じる。炉下部から流通する還元ガスの流量は、通気抵抗の低い箇所ほど多くなる。このため、細粒が多い炉壁側よりも粗粒が多い炉中心側の還元ガスの流量が多くなる。これを考慮すると、鉱石層高さ方向のコークス混合位置に関する考え方は、高炉内の半径方向位置に応じて変化すると考えられる。

特許文献１乃至３では、高炉内の半径方向位置と鉱石層高さ方向におけるコークス混合位置との関係性について、何ら考慮されていない。

本願発明は、高炉内の半径方向位置と鉱石層高さ方向におけるコークス混合位置との関係性を、鉱石原料の還元効率の維持、向上の観点から規定し、この関係性に基づく原料装入を行うことを目的とする。

上記課題を解決するために、本願発明に係る高炉原料の装入方法は、（１）コークスが一部に混合された鉱石原料と、コークスとを交互に層状に装入する高炉原料の装入方法であって、鉱石層を層厚方向に上層、中層及び下層に領域分けしたときに、炉内の炉半径方向における炉壁側領域に堆積される鉱石層については、上中層をコークスが分散して存在する混合層とし、残部の下層をコークスが存在しない鉱石原料のみからなる非混合層とする第１の層構造を指向した装入を行い、炉内の炉半径方向における炉中心側領域及び炉中間領域に堆積される鉱石層については、前記第１の層構造又は鉱石層の全体にコークスを分散させた第２の層構造を指向した装入を行うことを特徴とする。

（２）炉内の炉半径方向における各位置を、炉中心から各位置までの距離を炉半径で除した無次元半径で表したときに、前記炉壁側領域は無次元半径０．７～１．０の領域をいい、前記中心側領域は無次元半径０．０～０．４の領域をいい、かつ前記中間領域は無次元半径０．４～０．７の領域をいうことを特徴とする上記（１）に記載の高炉原料の装入方法。

本願発明によれば、鉱石原料の還元効率の維持、向上の観点から規定された高炉内の半径方向位置と鉱石層高さ方向におけるコークス混合位置との関係性に基づく層構造を指向した原料装入が行うことができる。これにより、コークス比及び還元材比を上げずに出銑量を増大させることができる。

混合コークスの配置が互いに異なる第１鉱石層Ａ、第２鉱石層Ｂ及び第３鉱石層Ｃの概略図である。 第１鉱石層Ａ，第２鉱石層Ｂ及び第３鉱石層Ｃ其々の１２００℃における平均還元率を、炉壁側領域，炉中間領域及び炉中心側領域の其々について調べた棒グラフである。 炉中心側領域～炉中間領域における鉱石層を全体混合とし、炉壁側領域における鉱石層を２／３上層混合とした層構造の模式図である。 炉半径方向の位置に依らず２／３上層混合とした層構造の模式図である。 炉頂装入装置の一部における概略図である。

鉱石層内の下部では還元ガス（ＣＯガス、Ｈ_２ガス）のガス濃度が高く還元反応は容易に進むが、還元反応の進行に伴い還元ガスのガス濃度が低下する一方で、ＣＯ_２ガスおよびＨ_２Ｏガスのガス濃度が上昇するため、還元反応速度は低下する。このとき、鉱石層内にコークス（以下、混合コークスと称する）が存在すると、混合コークスと、ＣＯ_２ガスおよびＨ_２Ｏガスとが反応して、ＣＯガスおよびＨ_２ガスが生成されるため、還元速度を回復させることが出来ると考えられる。

鉱石層の上部ほど、一般にＣＯ_２ガスおよびＨ_２Ｏガスのガス濃度が高くなるため、ガス化反応速度は高くなる一方、上部に混合コークスを偏在させると、ガス化反応で生成したＣＯガスやＨ_２ガスが還元反応に使われる前に鉱石層を通過してしまう。このため、還元効率を向上させるためには、鉱石層高さ方向の混合コークスの位置を、高炉内の半径方向位置に応じて異なる鉱石原料の粒径や流通するガス流速を考慮しながら、適正化する必要がある。

この点について、本発明者等は１次元非定常の反応速度解析を用いて詳細に検討した。鉱石原料の還元反応速度は、３界面未反応核モデルに基づくものであり、本実施形態では非特許文献１の４３１～４３９頁に記載された解析方法を用いて解析した。鉱石原料として焼結鉱を仮定し、モデル計算に用いたのと同様の化学組成を有する焼結鉱について別途行った還元試験の結果を再現できるよう反応速度パラメータを調整した。混合コークスのガス化反応速度は、非特許文献２の５９４～６０１頁に記載された解析方法を用いて解析した。コークスのガス化反応についても同様に、モデル計算に用いたのと同様の化学組成を有するコークスについて別途行ったガス化反応試験の結果を再現できるよう反応速度パラメータを調整した。

昇温条件やＣＯ／（ＣＯ＋ＣＯ_２）、Ｈ_２／（Ｈ_２＋Ｈ_２Ｏ）の温度依存性については、表１に示す実際の高炉操業時の条件を適用した。

ボッシュガスに溶融還元由来のＣＯガスを加えた混合ガスを想定し、混合ガスのガス流量は、１０４６１Nm3/minとし、ガス組成は、体積比率で、Ｎ_２：４８（％）、ＣＯ＋ＣＯ_２：４４（％）、Ｈ_２＋Ｈ_２Ｏ：８（％）とした。平均ガス流速は、前記の混合ガスの流量を炉腹断面積で除した値とした。

図１に、今回比較した混合コークスの位置が互いに異なる鉱石層の層構造を模式的に示す。鉱石層を層厚方向に均等に三分割することにより、上層、中層及び下層に領域分けするとともに、上層内に混合コークスを分散させた第１鉱石層Ａ（言い換えると、１／３上層混合）、上層及び中層に混合コークスを分散させた第２鉱石層Ｂ（言い換えると、２／３上層混合）、鉱石層の全体に混合コークスを分散させた第３鉱石層Ｃ（言い換えると、全体混合）のそれぞれについて、平均還元率を解析し、互いに比較した。なお、第２鉱石層Ｂが特許請求の範囲に記載の「第１の層構造」に対応し、第３鉱石層Ｃが特許請求の範囲に記載の「第２の層構造」に対応する。

以下の説明において、鉱石層のうち混合コークスが配置される領域を混合層、混合コークスが存在しない領域を非混合層と称する場合がある。１／３上層混合では上層が混合層に相当し、中層及び下層が非混合層に相当する。２／３上層混合では上層及び中層が混合層に相当し、下層が非混合層に相当する。全体混合では上層、中層及び下層の全てが混合層に相当する。

鉱石層の厚みは３６０（ｍｍ）とし、コークスの粒径は２１（ｍｍ）とし、混合コークスの混合量は５０（ｋｇ／ｔｐ）とした。また、焼結鉱の粒径を、１０，１４，１８（ｍｍ）の順に変化させ、これに伴い相対ガス流速を０．８，１．０，１．２の順に変化させた。これは、高炉内の炉径方向位置に応じて異なる、焼結鉱の粒径及びガス流速に対応させたものである。

すなわち、焼結鉱粒径：１０（ｍｍ），相対ガス流速：０．８なる条件は、炉壁側領域における条件を模擬しており、無次元半径位置で表せば例えば０．７～１．０である。焼結鉱粒径：１４（ｍｍ），相対ガス流速：１．０なる条件は、炉中間領域における条件を模擬しており、無次元半径位置で表せば例えば０．４～０．７である。焼結鉱粒径：１８（ｍｍ），相対ガス流速：１．２なる条件は、炉中心側領域における条件を模擬しており、無次元半径位置で表せば例えば０．０～０．４である。なお、無次元半径位置とは、炉内の炉半径方向の各位置を、炉中心から各位置までの距離を炉半径で除することにより表したものである。

図２の棒グラフは、第１鉱石層Ａ（１／３上層混合），第２鉱石層Ｂ（２／３上層混合）及び第３鉱石層Ｃ（全体混合）其々の１２００（℃）における平均還元率を、炉壁側領域，炉中間領域及び炉中心側領域の其々について示したものである。ここで、平均還元率は、鉱石層全体の還元率の算術平均値である。半径方向位置に依らず、平均還元率は２／３上層混合が最も高位であった。２／３上層混合と全体混合の差に着目すると、炉中心側領域～炉中間領域ではほとんど差異はなかったが、炉壁側領域では２／３上層混合の効果が大きかった。

第１鉱石層Ａ（１／３上層混合）は、炉径方向の位置に依らず、平均還元率が最も低位であった。これは、第１鉱石層Ａに含まれる混合コークスがガス化して生成されたＣＯガスが、還元ガスとして十分に活用されずに、第１鉱石層Ａを通過したからだと考えられる。すなわち、混合コークスが鉱石層表層に偏析した状態は、還元率向上効果が低いため、好ましくないといえる。高炉炉内の半径方向に応じた鉱石層高さ方向の混合コークスの配置を適正化することによる平均還元率の上昇が確認され、その差は炉壁側における第１鉱石層Ａ（１／３上層混合）と第２鉱石層Ｂ（上層２／３上層混合）において最大で２．５（％）であった。

上述の解析結果から、以下の（１）～（３）の知見が得られる。
（１）高炉半径方向の位置に依らず、１／３上層混合を指向しない（つまり、表層への偏在を抑制する）ことによって、還元効率が向上する。
（２）相対的に鉱石原料の粒径が大きく、還元ガスの流速が速くなる炉中心側領域～炉中間領域（無次元半径：０．０～０．７）では、高炉装入物の分布制御として全体混合又は２／３上層混合を指向することにより、還元効率が向上する。
（３）相対的に鉱石原料の粒径が小さく、還元ガスの流速が遅くなる炉壁側領域（無次元半径：０．７～１．０）では、高炉装入物の分布制御として２／３上層混合を指向することにより、還元効率が向上する。
なお、鉱石原料には、焼結鉱、塊鉱石、ペレットのうち少なくとも１種を用いることができる。

上述の知見にしたがって堆積させた鉱石層の層構造を図３及び図４に模式的に示す。図３では、炉中心側領域～炉中間領域における鉱石層を全体混合とし、炉壁側領域における鉱石層を２／３上層混合としている。図４では、炉半径方向の位置に依らず２／３上層混合としている。これらの図において、ハッチングは混合層を示している。

ここで、層厚方向において混合層を三ブロックに均等に分割したときに、最も混合コークスが多いブロックにおける混合率（最大混合率）と、最も混合コークスが少ないブロックにおける混合率（最少混合率）との差が最大混合率の２０％以内であるか、又は、各ブロックの混合率を平均化した平均混合率に対して各ブロックの混合率が－２０％～＋２０％であることが望ましい。本明細書において層厚方向とは、鉱石層の傾斜角方向に対して直交する方向のことである。直交は、厳密の直交だけを意味するものではなく、混合率は質量分率であり、平均混合率は混合率の算術平均値である。

つまり、混合層の中に混合コークスが分散した状態とは、必ずしも混合層の全体に混合コークスが均一に分散している状態を一義的に指し示すものではなく、混合層の中で僅かに偏在している状態も含まれる。

上述の図３及び図４の層構造を指向した、高炉原料の装入方法について説明する。本実施形態では、コークスが一部に混合された鉱石原料と、コークスとを交互に層状に装入する際に、所定の高炉装入物の分布制御が行われる。図５は、高炉の炉頂部に設けられる炉頂装入装置の一部における概略図である。炉頂装入装置は、鉱石原料の搬送方向上流から下流に向かって、鉱石槽１１、鉱石ベルトコンベア１２、サージホッパー１３、装入ベルトコンベア１４、炉頂バンカー１５、旋回シュート１６を配置することにより構成されている。炉頂バンカー１５には、固定ホッパー１５ａ及び集合ホッパー１５ｂが含まれる。

高炉装入物の分布制御には、公知の方法を用いることができる。すなわち、高炉炉内半径方向の制御は、旋回シュート１６の傾動角、回転数を制御することにより調整することができる。鉱石層の厚み方向の制御は、炉頂バンカー１５から落下装入される原料中の混合コークスの割合を制御することにより調整することができる。

炉頂バンカー１５の構成は、特に限定しないが、流量調整ゲートを備え、複数の固定ホッパー１５ａから鉱石原料と混合コークスを同時に排出するもの、或いは固定ホッパー１５ａに搬送する前の鉱石ベルトコンベア１２又は装入ベルトコンベア１４で鉱石原料および混合コークスを積層させるなどして、固定ホッパー１５ａに混合原料を貯留するものであってもよい。より詳細には、例えば、鉱石ベルトコンベア１２上での混合コークスの切り出し位置を先頭寄りにするなどすればよい。さらに、鉱石原料の装入を２回以上に分け、かつ１回ごとの混合コークスの割合を調整することにより、より容易に制御性良く本発明の配置を実現することができる。

すなわち、炉中心側領域～炉中間領域では、上述の全体混合又は２／３上層混合を指向した高炉装入物の分布制御を行い、炉壁側領域では上述の２／３上層混合を指向した高炉装入物の分布制御を行うことにより、低コークス比（Ｏ／Ｃが高）、高出銑比操業下においても、鉱石原料の還元効率を維持・向上させることができる。

（実施例）
炉中心側領域～炉中間領域について全体混合を指向し、炉壁側領域について２／３上層混合を指向した場合（実施例１）と、炉径方向の位置に依らずに全体混合を指向した場合（比較例１）との出銑量及び還元効率を比較した。高炉には、内容積が４２５０（ｍ^３）のベルレス式高炉を用いた。

表２に示す通り、実施例１は、比較例１よりも出銑量が増加しているにもかかわらず、コークス比及び還元材比ともに殆ど変化がなく、還元効率（シャフト効率）が向上した。

１１ 鉱石槽
１２ 鉱石ベルトコンベア
１３ サージホッパー
１４ 装入ベルトコンベア
１５ 炉頂バンカー
１６ 旋回シュート

Claims (2)

1. コークスが一部に混合された鉱石原料と、コークスとを交互に層状に装入する高炉原料の装入方法であって、
   鉱石層を層厚方向に均等に三分割して上層、中層及び下層に領域分けしたときに、
   炉内の炉半径方向における無次元半径０．７～１．０の領域に堆積される鉱石層ついては、上層および中層をコークスが分散して存在する混合層とし、残部の下層をコークスが存在しない鉱石原料のみからなる非混合層とし、無次元半径０．０～０．７の領域に堆積される鉱石層については、上層、中層及び下層を全てコークスが分散して存在する混合層となるように鉱石原料を装入し、
   層厚方向において混合層を三つの小混合層に均等に領域分けするとともに、混合層におけるコークスの質量分率を混合率と定義し、これらの小混合層の中で最も混合率が高い小混合層における混合率を最大混合率、最も混合率が低い小混合層における混合率を最小混合率と定義したときに、
   最大混合率と最小混合率との差が最大混合率の２０％以内であるか、又は、各小混合層の混合率の算術平均値である平均混合率に対して各小混合層の混合率が－２０％～＋２０％の範囲に含まれるように鉱石原料を装入することを特徴とする高炉原料の装入方法。
2. コークスが一部に混合された鉱石原料と、コークスとを交互に層状に装入する高炉原料の装入方法であって、
   鉱石層を層厚方向に均等に三分割して上層、中層及び下層に領域分けしたときに、
   無次元半径０．０～１．０の全領域に亘って、上層および中層をコークスが分散して存在する混合層とし、残部の下層をコークスが存在しない鉱石原料のみからなる非混合層となるように鉱石原料を装入し、
   層厚方向において混合層を三つの小混合層に均等に領域分けするとともに、混合層におけるコークスの質量分率を混合率と定義し、これらの小混合層の中で最も混合率が高い小混合層における混合率を最大混合率、最も混合率が低い小混合層における混合率を最小混合率と定義したときに、
   最大混合率と最小混合率との差が最大混合率の２０％以内であるか、又は、各小混合層の混合率の算術平均値である平均混合率に対して各小混合層の混合率が－２０％～＋２０％の範囲に含まれるように鉱石原料を装入することを特徴とする高炉原料の装入方法。

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