JPH0987710A

JPH0987710A - 低Ｓｉ高炉操業方法

Info

Publication number: JPH0987710A
Application number: JP25137595A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Sato; 健佐藤; Kanji Takeda; 幹治武田
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1995-09-28
Filing date: 1995-09-28
Publication date: 1997-03-31

Abstract

(57)【要約】【課題】高炉の燃料比や送風条件の変化を伴うことな
く、炉内に装入するコークスの装入位置を調整すること
により溶銑のSi低下を図る。【解決手段】通常コークスの装入により炉内に形成さ
れたコークス装入層10上に、選択的に炉頂中心部に通気
性の良い粒度の炉芯コークス11を装入し、次いで無次元
半径（ｒ／Ｒ）が 0.2から0.3 までの環状範囲内に粒径
20mm以下の細粒コークス12を装入し、引続きその周辺に
鉱石13を装入する。細粒コークス層により炉下部の液流
れ箇所を炉壁寄りに集中させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、コークスおよび鉱
石の装入形態により出銑Siを低減させ、溶銑成分を向上
させることができる低Si高炉操業方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】高炉内部には、羽口から吹き込まれる熱
風により形成されるレースウェイ先端にコークスの運動
の少ない山形状の領域、いわゆる炉芯が存在する。この
炉芯を構成するコークスの粒度が低下したり、炉芯の空
隙が低下したりすると、炉芯の通気・通液性が悪化し、
送風圧の上昇、スリップの多発、排滓性の悪化を引き起
こす。

【０００３】炉芯不活性とは炉芯のコークスの粒径低下
によるガス流れが低下した状態をいい、このような現象
は、（１）炉芯のコークスがレースウェイ内およびその
近傍で熱衝撃を受け、その強度を低下するとともにコー
クス間の摩擦によって粉化し、粉化コークスが滴下帯と
炉芯との境界に蓄積すること、（２）また、羽口から吹
き込んだ微粉炭のうち、羽口内で燃えきれなかった未燃
焼の微粉炭が同様に滴下帯と炉芯の境界（炉芯の表層
部）に堆積すること、に由来している。

【０００４】このような不活性状態に陥った炉芯を活性
化させる試みが従来より数多くなされてきた。例えば特
公昭64−9373号公報には、高炉炉頂部の炉中心部に選択
的に通気性の良いコークスを装入し、かつ炉中心部の鉱
石層厚分率をその他の部分のそれより低下させて炉芯を
活性化させる方法が提案されている。しかし上記の方法
では、炉中心部に通気性の良いコークスが選択的に充填
され、一時的に通気性は改善されるが、このように通気
性が良好な時には、逆にレースウェイ内およびその近傍
で発生した粉化コークスや羽口内で燃えきれなかった未
燃焼の微粉炭が、炉芯の表層部から炉芯にガス流れとと
もに移動し、次々に堆積し目詰まりを起こし、ガスの炉
中心部への流入の維持ができなくなる。すなわち長期に
わたって炉芯を活性化することが困難であった。そして
最悪の場合、炉芯への熱供給の低下、すなわち冷え込み
にまで至ることになった。

【０００５】ところで、高炉操業において、溶銑中のSi
含有量を低下させることは重要である。炉内におけるSi
の移行反応は、次のように考えられる。 SiO₂（slag and coke ash ）＋Ｃ(s) →SiO(g)＋CO(g) ………(1) SiO ＋Ｃ→Si＋CO(g) ………(2) (1) 式により、滴下スラグおよびレースウェイ近傍にお
いてコークス灰分からSiO ガスが発生し、(2) 式によっ
て溶融帯以下の領域でSiO ガスが溶銑中のＣによって還
元され、溶銑中に移行する。これらの反応経路を鑑み、・羽口先温度を低下させる（SiO ガス発生の抑制）。

【０００６】・溶融帯レベルを下げる（SiO のメタルへ
の吸収抑制）。といった〔Si〕低減法が検討されてきた。例えば、特開
昭55−107705号公報には溶融滴下距離をできるだけ小さ
くなるようにする高炉操業法が開示されている。しか
し、羽口先温度や溶融帯レベル（＝熱流比）は、製鉄所
全体が必要とする燃料比、出銑量といった操業条件によ
り定まるものであり、〔Si〕低下に対し常用できる操作
因子とは成り難い。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は前述の状況を
鑑み、燃料比や送風条件の変化を伴わずに溶銑中のSi低
下を図るための高炉操業方法を提供するものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、コークスと鉱
石とを交互に層状に装入する高炉の操業方法において、
通常コークスの装入により炉内に形成されたコークス装
入層上に、選択的に炉頂中心部に通気性の良い粒度のコ
ークスを装入して中心部コークス堆積層を形成し、次い
で前記コークス装入層の無次元半径（ｒ／Ｒ）が 0.2か
ら0.3 までの環状範囲内に細粒20mm以下の細粒のコーク
スを装入して細粒コークス層を形成し、引続き細粒コー
クス層の周辺に鉱石を装入して炉壁に至る鉱石堆積層を
形成することにより炉下部の液流れ箇所を炉壁寄りに集
中させ、出銑Siを低下させることを特徴とする低Si高炉
操業方法である。

【０００９】ただし、Ｒは炉頂部のコークス装入層の炉
半径、ｒは炉頂部の細粒コークス層の半径である。

【００１０】

【発明の実施の形態】高炉炉下部での粉体の挙動を明ら
かにするため、本発明者らは図６に示すような実炉（内
容積2584ｍ³）の炉下部の１／20の縮尺模型装置を用い
て、上部からは液体を滴下させ炉下部の羽口から粉体を
吹き込み、炉内に滞留する粉体の分布、炉外への飛び出
し挙動の測定をおこなった。なお、この模型装置の幅は
360mm、高さ 850mm、奥行きは40mmである。

【００１１】この模型装置は、つぎのように構成されて
いる。14はタンクであり、このタンク14からは毛細管15
を経由して水滴を、充填粒子（粗粒）17を配置した炉下
部相当部へ滴下できる。また羽口18からは空気27ととも
にテーブルフィーダ16より供給される粉体を吹き込む。
19は液収集箱であり、20はこの箱で収集した液量を計る
ロードセルである。また22は水槽であり、21は水槽22の
水をタンク14に送水するポンプである。23はバグフィル
タを示す。

【００１２】また上記の模型装置を用いて行った実験結
果をシミュレートできる数式モデルを開発し、その数式
モデルを用い炉下部の粒子充填構造が粉体の挙動に及ぼ
す影響を検討した。それらの計算結果の一例を図７、図
８、図９に示す。図７(a) 、(b) は高炉炉下部に充填粒
子17を均一に充填した場合、図８(a) 、(b) は高炉炉下
部の炉芯の表層部に細粒コークス（粒径２mm）を装入し
た場合をそれぞれ想定したときの、(a) ガス流線、(b)
羽口18から吹き込んだ粉体の移動軌跡および粉体と粒子
充填層との等衝突回数線を表したものである。すなわち
図７(a) 、図８(a) で太線は高炉炉下部のガス流線を示
し、図７(b) 、図８(b) で太線は高炉炉下部の、羽口吹
き込み粉体の移動軌跡を、細線は粉体と粒子充填層との
等衝突回数線を示す。この場合、等衝突回数線の数字
（回）は羽口から吹き込まれた粉体と充填粒子との衝突
回数を示している。

【００１３】図９(a) は、図７(b) と同じ特性図で、図
９(b) は羽口吹き込み粉体のホ−ルドアップ分布図であ
り、図９のモデル実験結果から粉体は等衝突回数が約80
回で炉内の液滴、あるいは充填粒子にトラップされるこ
とがわかった。均一充填に比べ、炉芯の表層部に細粒コ
ークスを装入した方が等衝突回数線の80回の位置が羽口
側に著しく移動している。また、ガス流れを表すガス流
線の変化は小さい。

【００１４】これは、炉芯の表層部に細粒コークスを充
填することにより、粉体の炉芯内部への移動、蓄積を防
止でき、かつ炉芯のガス流れを確保できることを示唆し
ている。通常のコークスの平均粒径に対して効果のある
細粒コークスの粒径は、この模型実験では通常のコーク
ス粒径の 0.5倍以下であった。実機では通常コークスの
平均粒径が50mm程度なので細粒コークスの粒径は20mm以
下が好ましい。また通常は高炉内のコークス充填層内を
落下移動するコークスの粒径は、５mm程度なので装入す
る細粒コークスの粒径は５mm以上、20mm以下とすること
が好ましい。

【００１５】図５に、炉芯の表層部を形成する固体流れ
の冷間模型実験結果を示した。このこの結果を参考に炉
芯の表層部に細粒コークスを供給するためには、高炉炉
頂のコークス装入層の無次元半径（ｒ／Ｒ）が 0.2から
0.3 までの環状範囲に細粒コークスを装入することを決
定した。ただし、Ｒはコークス装入層の炉頂部の炉半
径、ｒは炉頂部の細粒コークスの装入環状部の半径であ
る。

【００１６】炉頂部へのコークスの装入手順は、図１に
示すように、第１チャージ目の通常コークスの装入によ
り炉内に形成されたコークス装入層10上に、第２チャー
ジ目のコークスとして炉芯コークス11を無次元半径（ｒ
／Ｒ）で 0.2未満の炉中心部に、次いで第３チャージ目
のコークスとして細粒コークス12を無次元半径（ｒ／
Ｒ）で 0.2から0.3 の範囲に装入する。

【００１７】第４チャージ目の鉱石13については特に限
定しないが、通常の品質、粒径の焼結鉱などを使用でき
る。第４チャージ目の鉱石の装入方法は基本的には炉壁
側から装入し、第３チャージ目の細粒コークスとオーバ
ーラップしないことが望ましい。このようにして、本発
明では、炉芯と滴下帯との境界にある炉芯の表層部に蓄
積する粉体の炉芯内部への移動を妨げる層を設けること
により、炉芯が不活性化することを防止している。

【００１８】ところで、本発明が出銑〔Si〕低下に有効
である機構を説明する前に、メタルの高炉内の滴下過程
における反応および移動挙動を整理する。メタルの高炉
内の滴下過程におけるSiの吸収機構の概略を以下に示
す。前記した (2)式で示されるSiのメタルへの吸収反応
の速度Ｒは (3)式で示される。Ｒ＝ｋ・Ａ・ＰSiO₂ ………… (3) ｋは定数、Ａは滴下メタルとガス間の有効比表面積、Ｐ
SiO₂はSiO ガスの分圧である。

【００１９】ここで、滴下メタルとガス間の有効比表面
積Ａは次式で与えられる。Ａ＝（0.34/Dp)（Um²/g/Dp）^-1/2（Dp・ρm ・Um²/σm ）^2/3 …… (4) Dpは粒子径、Umはメタルの容積流量（m³/m²/s ）、ρm
はメタルの密度、σmはメタルの表面張力、g は重力加
速度である。(3)、(4) 式を整理すると、Siのメタルへ
の吸収反応の速度は、Ｒ∝Um^-2/3 ………… (5) と表せる。従って、メタルの容積流量が高くなるほど、
(2)式の反応は抑制されることになる。操業経験上、出
銑比が高くなると出銑〔Si〕が低下することが知られて
いるが、これはSi吸収反応速度に対するUm^-2/3の効果に
よるものである。しかし、出銑比は生産計画から定まる
もので、〔Si〕低下の手段としての操作因子とは成り難
い。

【００２０】次にメタルのコークス充填層内の滴下挙動
を整理する。高炉内に装入された鉱石は降下に従い還
元、昇温が進行し、溶融帯における粒子同士の融着状態
を経た後、炉床に向けてコークス充填層内を滴下する。
この滴下経路は炉芯コークスの粒子径に影響を受けるこ
とが知られている。「材料とプロセス」１（1988）、P.
86には、炉芯の粒子径が変化した場合のメタル滴下経路
の検討が記されており、炉芯の粒子径が30mm程度の場合
はメタルは滴下開始からほぼ鉛直に滴下するが、炉芯の
粒子径が20mmに低下した場合はメタルは炉芯を避けて炉
壁側に偏流した状態になる。

【００２１】このように炉芯コークスの粒径低下によっ
て液流れが炉芯を避けるようになった場合、炉断面積に
占める液が流れる領域が減少することになり、出銑量を
上昇させずにメタルの容積流量を上昇させることができ
る。前述のようにメタルの容積流量の上昇は〔Si〕低下
に寄与することから、炉芯コークスの粒径を低下させれ
ば、出銑量を上昇させなくても液の体積流速を上昇させ
ることができ、〔Si〕が低下すると考えられる。しか
し、炉芯コークスの粒径低下は液、ガスとも炉芯を流れ
にくくなることから温度が低下する炉芯不活性状態を招
き、炉壁側へのガスの集中による圧力損失増大、炉床に
おける液の環状流化による炉底レンガの損耗の促進とい
った弊害の恐れがあり、〔Si〕低下の手段としては好ま
しくない。

【００２２】ところで、炉芯は、炉頂で炉中心部に装入
されたコークスによって構成されることが知られてい
る。「鉄と鋼」73（1987）S.754 には、炉頂で無次元半
径０〜0.12の範囲に装入されたコークスによって炉芯の
80〜100 ％が構成されると記してある。炉芯に取り込ま
れないコークスはレースウェイへ向かって降下し、レー
スウェイでガス化する。このコークスの炉内降下挙動を
図示したものが図５である。前述の知見によれば、高炉
１の炉頂半径をＲとし、コークス装入半径をｒとした場
合の炉頂でのコークス装入層の無次元半径（ｒ／Ｒ）が
0.2〜 0.3の位置範囲に装入されたコークスは炉芯４へ
入らず経路２を経て羽口９から吹き込まれた熱風によっ
て形成されるレースウェイ３へ流入する。

【００２３】以上述べたメタルの容積流量増大による
〔Si〕低下機構、炉芯コークスの粒径変化に伴う液流れ
状態の変化および炉内コークスの降下挙動により、本発
明の原理は導かれた。炉内のガス流れ、装入物の降下お
よび液の流れを表現した数学モデルによるシミュレーシ
ョン結果を用いて、以下にその機構を述べる。図２から
図４は数学モデルによるシミュレーション結果である。
各図（ａ）には融着帯５、メタル流線６、ガス流線７
を、（ｂ）には装入時の半径方向コークス粒径分布図を
示した。図４は通常の操業、図３は炉頂での無次元半径
（ｒ／Ｒ）を０から 0.2の位置に粒径20mmのコークスを
装入した場合、図２は炉中心部に通気性の良好な30mm以
上のコークスを装入し、無次元半径（ｒ／Ｒ）を 0.2か
ら0.3の位置に粒径20mmの細粒コークスを装入した場合
である。図３ではメタルの通過が困難となる粒径20mmの
細粒コークス層８が炉芯全域に存在するため、メタル流
線６は炉芯を避け、炉壁側に偏流している。従って液の
体積流量は図４に示したケースに対して上昇するが、ガ
ス流線７も炉芯を避けており炉芯不活性状態である。図
２では 0.2から 0.3の位置に存在する粒径20mmの細粒コ
ークス層８に添ってメタル流線６が湾曲し炉壁側に液流
れが集中するため、液の体積流量が増加する。また、炉
芯には通常コークスを装入してあるので粒径は低下して
いないことから、炉芯内へのガス流れも良好であり、炉
芯不活性状態とはならない。以上の炉内現象の整理およ
び検討から、高炉炉頂のコークス装入層の無次元半径
（ｒ／Ｒ）が 0.2から 0.3までの範囲の位置に粒径20mm
のコークスを装入した本発明の場合、炉芯のコークス粒
径の低下を伴わずに液流れを偏流化し、体積流量の増加
をでき、炉況に悪影響を与えることなく〔Si〕を低下さ
せることが可能であるとの結論に至った。

【００２４】

【実施例】本発明を出銑量7000Ｔ／日、羽口数36本、出
銑口４本の高炉で実施した。出銑比1.56Ｔ／dm³ 、羽口
から吹込む微粉炭比 120kg／T-P の条件でベルレスタイ
プの装入装置に配置した旋回シュートを用いて、以下の
要領でコークス３バッチ、鉱石１バッチのサイクルで装
入を行った。

【００２５】まず図１に示すように、高炉１への原料装
入に際し、１バッチ目として炉中心部から炉周辺部まで
粒径30mm以上の通常コークスの装入により炉内に形成さ
れたコークス装入層10の上に、２バッチ目として無次元
半径（ｒ／Ｒ）が０から 0.2未満の炉中心部に炉芯コー
クス11を３Ｔ／ch装入した。コークスの粒径はいずれも
通気性の良い30mm以上の通常使用しているコークスであ
る。３バッチ目に炉芯コークス11の外縁部に粒径20mm以
下の細粒コークス12を無次元半径（ｒ／Ｒ）で0.2から
0.3 までの環状範囲内に 500kg／chを装入した。引続き
４バッチ目に無次元半径（ｒ／Ｒ）で 0.3超から炉周辺
部までの環状範囲内に鉱石13を25.5Ｔ／ch装入した。

【００２６】各バッチ毎にプロフィルメータにより装入
物の堆積状態を測定したところ、細粒コークス12は無次
元半径（ｒ／Ｒ）で 0.2から0.3 の環状範囲に堆積して
いた。表１は、本発明を実施したCase１の本発明例（図
１、図２参照）に対し、無次元半径（ｒ／Ｒ）が０から
0.2 未満の炉中心部に粒径20mm以下の細粒コークスを装
入し、その外縁部に鉱石を装入するCase２の比較例（図
３参照）と、本発明適用前のコークスと鉱石とを交互に
装入するCase３の従来例（図４参照）とを比較して示し
ている。

【００２７】

【表１】

【００２８】本発明を適用したCase１では、従来例のCa
se３に対して炉底中心温度、通気抵抗指数σΔＰ／Ｖ
（炉内圧力損失／送風量）を維持したまま溶銑〔Si〕が
低下している。比較例のCase２では、溶銑〔Si〕は従来
例のCase３に対して低下しているものの、炉底中心温度
の低下、σΔＰ／Ｖの変動の増加が発生し、炉況が不安
定となっている。これは、液流れのみならずガス流れも
炉壁側に集中したため、通気抵抗が増大し、風圧変動、
装入物降下不順を招いたものと考えられる。

【００２９】

【発明の効果】本発明によれば、炉中心部に通気性の良
い粒度のコークスを装入するとともに、無次元半径（ｒ
／Ｒ）で 0.2から 0.3の位置に粒径20mm以下の細粒コー
クスを装入することにより、炉況に悪影響を及ぼすこと
なく炉下部の液流れ箇所を炉壁寄りに集中させ、溶銑中
のSi低下を図ることができる。

【００３０】また、本発明の適用により通気抵抗指数σ
（ΔＰ／Ｖ）が低下し、さらに操業の不安定さを示すス
リップ回数が減少し、長期にわたる高炉操業の顕著な改
善が達成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の高炉炉頂部へのコークス装入時の堆積
状況を断面で示す説明図である。

【図２】(a) は本発明例の無次元半径（ｒ／Ｒ）を 0.2
から0.3 の環状範囲内に粒径20mm以下のコークスを装入
した操業のシュミレーション結果を断面で示す説明図で
あり、(b) は装入時の半径方向のコークス粒径分布図で
ある。

【図３】(a) は比較例の無次元半径（ｒ／Ｒ）を０から
0.2 未満の炉中心部に粒径20mm以下の細粒コークスを装
入した操業のシュミレーション結果を断面で示す説明図
であり、(b) は装入時の半径方向のコークス粒径分布図
である。

【図４】(a) は従来例のコークスと鉱石とを交互に装入
する操業のシュミレーション結果を断面で示す説明図で
あり、(b) は装入時の半径方向のコークス粒径分布図で
ある。

【図５】無次元半径（ｒ／Ｒ）を 0.2から0.3 の環状範
囲内に装入した細粒コークスの流れを断面で示す模式図
である。

【図６】高炉炉下部での粉体の挙動を実験するのに用い
た模型装置の概略説明図である。

【図７】数式モデル計算による高炉炉下部に粒子を均一
充填した場合の、(a) 充填層内のガス流線と(b) 粉体の
軌跡と等衝突回数線の計算結果を示す模式図である。

【図８】数式モデル計算による高炉炉下部の炉芯表層部
に細粒コークスを装入した場合の、(a) 充填層内のガス
流線と(b) 粉体の軌跡と等衝突回数線の計算結果を示す
模式図である。

【図９】(a) 等衝突回数線と(b) 粉体のホールドアップ
分布との関係を示す模式図である。

【符号の説明】

１高炉２経路３レースウェイ４炉芯５融着帯６メタル流線７ガス流線８細粒コークス層９羽口 10 コークス装入層 11 炉芯コークス 12 細粒コークス 13 鉱石 14 タンク 15 毛細管 16 テーブルフィーダ 17 充填粒子（粗粒） 18 羽口 19 液収集箱 20 ロードセル 21 ポンプ 22 水槽 23 バグフィルタ 24 炉芯 25 炉芯の表層部 26 高炉の鉄皮 27 空気

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】コークスと鉱石とを交互に層状に装入す
る高炉の操業方法において、通常コークスの装入により
炉内に形成されたコークス装入層上に、選択的に炉頂中
心部に通気性の良い粒度のコークスを装入して中心部コ
ークス堆積層を形成し、次いで前記コークス装入層の無
次元半径（ｒ／Ｒ）が 0.2から0.3 までの環状範囲内に
細粒20mm以下の細粒のコークスを装入して細粒コークス
層を形成し、引続き細粒コークス層の周辺に鉱石を装入
して炉壁に至る鉱石堆積層を形成することにより炉下部
の液流れ箇所を炉壁寄りに集中させ、出銑Siを低下させ
ることを特徴とする低Si高炉操業方法。ただし、Ｒは炉
頂部のコークス装入層の炉半径、ｒは炉頂部の細粒コー
クス層の半径である。