JPWO2017073053A1

JPWO2017073053A1 - 高炉への原料装入方法

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Publication number: JPWO2017073053A1
Application number: JP2017541123A
Authority: JP
Inventors: 和平市川; 佑介柏原; 大山　伸幸; 伸幸大山; 石井　邦彦; 邦彦石井
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2015-10-28
Filing date: 2016-10-25
Publication date: 2017-11-02
Anticipated expiration: 2036-10-25
Also published as: BR112018008267B1; TR201805266T1; KR20180058813A; BR112018008267A2; CN108350513B; WO2017073053A1; KR102090886B1; CN108350513A; JP6260751B2

Abstract

高炉内反応性の改善を図り、より還元材比の低減が可能となる原料装入方法を提供する。１チャージ中の全コークス量のうち２５〜８０質量％のコークスを高炉内に装入してコークス層とし、次いで、前記１チャージ中の残りのコークスと前記１チャージ中の鉱石類原料の１０質量％以上で酸性ペレットを含む鉱石類原料とを混合した混合原料を２バッチに分けて前記コークス層上に装入するに際し、１バッチ目に混合するコークスは粒径：１５〜４０ｍｍの範囲とし、かつ該１バッチ目を炉口無次元半径０〜０．８の範囲に装入し、残りの混合原料を２バッチ目として炉口無次元半径０．６〜１．０の範囲に装入する。

Description

本発明は、原料の装入を旋回シュートで行う高炉への原料装入方法に関するものである。

近年、地球温暖化防止の観点からＣＯ₂排出量削減が求められている。鉄鋼業においては、ＣＯ₂排出量の約７０％が高炉によるものであり、高炉におけるＣＯ₂排出量の低減が求められている。

高炉では、一般的に焼結鉱、ペレット、塊状鉱石等の鉱石類原料とコークスとを炉頂から交互に層状に装入し、羽口より燃焼ガスを流して、銑鉄を得る。装入された高炉装入原料であるコークスと鉱石類原料は炉頂から高炉炉腹部へと降下し、鉱石の還元と原料の昇温が起こる。そして、鉱石類原料層（以下、単に鉱石層ともいう）は、昇温と上方からの荷重により鉱石類原料間の空隙を埋めながら徐々に変形し、高炉炉腹部においては、通気抵抗が非常に大きくガスが殆ど流れない、いわゆる融着層を形成する。

一般的に、高炉におけるＣＯ₂排出量の低減は、高炉で使用する還元材（コークス、微粉炭、天然ガスなど）の低減により実現できる。
しかし、還元材、特にコークスを低減する場合には、コークス層の層厚が減少して、鉱石が軟化溶融する融着帯において、通気抵抗が上昇する。融着帯の通気抵抗は、高炉全体の通気性に大きく影響しており、この融着帯の通気抵抗が上昇すると、高炉の安定操業を阻害することが、経験的に知られている。

そのため、融着帯の通気抵抗を改善する方策が種々検討されている。そして、融着帯の通気抵抗を改善するためには、鉱石層にコークスを混合することが有効であることが知られるようになり、鉱石層にコークスを混合するための多くの発明が報告されている。
例えば、特許文献１には、ベルレス式高炉において、鉱石ホッパーのうち下流側のホッパーにコークスを装入し、コンベア上で鉱石の上にコークスを堆積させた後、これらを炉頂バンカーに装入して、鉱石とコークスとを旋回シュートを介して高炉内に装入せしめる技術が開示されている。

また、特許文献２には、炉頂のバンカーに鉱石とコークスを別々に貯留しつつ、コークスと鉱石を同時に混合装入することで、コークス装入用バッチ、コークスの中心装入用バッチ及び混合装入用バッチの装入を３通り同時に行う技術が開示されている。

さらに、特許文献３には、高炉における原料装入方法として、高炉操業における融着帯形状の不安定化及び中心部付近におけるガス利用率の低下を防止し、安定操業と熱効率の向上を図るために、全鉱石と全コークスを完全混合した後、原料として高炉内に装入する技術が開示されている。

また、特許文献４には、混合コークスによる反応性向上効果を享受する手段として、高反応コークスとＪＩＳ還元性が低い鉱石を混合することで、低反応性鉱石を高効率に反応させて高炉の反応性を向上させる技術が開示されている。

特開平３−２１１２１０号公報特開２００４−１０７７９４号公報特開昭５３−１５２８００号公報特開平７−７６３６６号公報

ここで、一般的に高炉の内部は、炉口の、径方向中心部とその周辺部は共にガスが流れやすい一方で、炉壁側の中間部はガスが流れにくいことが多いため、高炉の半径方向でガス流分布が存在している。従って、そのガス流分布に応じて、コークス混合率や混合コークス性状の半径方向における配置を設計する必要がある。

しかしながら、特許文献１〜３には、鉱石層へコークスを混合する手段が記載されているのみで、高炉半径方向の好適なコークス混合率分布は明示されていない。

また、特許文献４には、コークスと鉱石の反応性ならびにその最大粒度が記載されているのみで、コークスと鉱石の、好適な配合比と炉口径方向の好適な分布はいずれも明示されていない。

さらに、最近では、原料需要の増大のために、酸性ペレットの利用が増えているが、酸性ペレットの利用は、還元剤比の増加とともに通気性の低下を伴う。
従って、酸性ペレットを使用した場合の融着帯の通気抵抗をさらに改善するためには、炉内の好適な混合コークス分布を新規に構築する必要がある。

本発明は、上記の課題を解決すべく開発されたもので、一般に炉口径方向の中心部並びに周辺部はガス流れが多く、同中間部は少ないため、これらのガス流れに着目し、ガス流れが少ない炉口径方向の中間部に、反応性が良くて比較的小粒径のコークスを多量に存在させることによって、炉内反応性の向上を図ると共に還元材比の更なる低減が可能となる、原料装入方法について提供することを目的としている。

すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．鉱石類原料およびコークスを、１チャージ毎に、旋回シュートを用いて高炉内へ装入する、高炉への原料装入方法であって、
前記１チャージ中の全コークス量のうち２５〜８０質量％のコークスを高炉内に装入してコークス層とし、次いで、前記１チャージ中の残りのコークスと前記１チャージ中の鉱石類原料の１０質量％以上で酸性ペレットを含む鉱石類原料とを混合した混合原料を２バッチに分けて前記コークス層上に装入するに際し、１バッチ目に混合するコークスは粒径：１５〜４０ｍｍの範囲とし、かつ該１バッチ目を炉口無次元半径０〜０．８の範囲に装入し、残りの混合原料を２バッチ目として炉口無次元半径０．６〜１．０の範囲に装入する高炉への原料装入方法。

２．前記１バッチ目に混合するコークスの反応性指数ＣＲＩを３５％以上とする、前記１に記載の高炉への原料装入方法。

３．前記１バッチ目に混合するコークスの量を、前記鉱石類原料と混合するコークス量のうちの７０質量％以上とする、前記１および２に記載の高炉への原料装入方法。

本発明によれば、ガス流れが少ない箇所に、反応性が良くて低粒径のコークスを多量に混合することになるため、炉内反応性の向上を図ると共に還元材比の更なる低減が実現する。

高炉内のガス流速分布を示す図である。高炉への原料堆積状況を示す図である。

以下、本発明を、具体的に説明する。
本発明では、高炉への装入原料として、鉱石類原料およびコークスを、旋回シュートを使って高炉内へ装入することを、１チャージ毎に行う。なお、鉱石類原料としては、焼結鉱および／または塊状鉱石に加えて酸性ペレットを用いる。
ここで、本発明における１チャージとは、コークスを装入してコークス層を形成したのち、鉱石類原料をコークスと混合した混合原料を装入して混合層を形成する一連の流れを１回行うことを意味する。

ここで、高炉への原料装入は、公知公用の旋回シュートを備えるベルレス式装入装置を用いることができる。

上記鉱石類原料およびコークスは、それぞれ炉頂バンカーに貯留されている。そして、これらの炉頂バンカーからの原料装入順序は、以下のとおりである。
まず、コークスを装入する。
すなわち、旋回シュートの原料装入先を、高炉の中心部から高炉の炉壁内周部に向かって動かす際に、コークスのみを貯留した炉頂バンカーからコークスのみを装入することによって、コークス層を形成する。
その際、高炉の中心部に、中心コークス層を形成したり、炉壁内周部に、炉壁部（炉口無次元半径：１．０）から中心軸部（炉口無次元半径：０）に向かって、周辺コークス層を、炉口無次元半径：０．６から１．０に形成したりしても良い。

ここでのコークス装入量は、上記１チャージ中の全コークス量の２５〜８０質量％とする。すなわち、コークス層の通気性を確保するには、１チャージ中の全コークス量の少なくとも２５質量％のコークスをコークス層とする必要がある。一方、鉱石類原料と混合して装入する１チャージ中のコークス量を２０質量％以上にすることによって、コークスの混合による通気性および還元性の向上効果を得るためには、コークス層を８０質量％以下とする必要がある。

ついで、炉頂バンカーから、コークスと鉱石類原料とを同時切り出し、旋回シュートを介してコークスおよび鉱石類原料の混合原料を高炉に装入する。その際、旋回シュートを、高炉の中心軸に近い、すなわち炉口無次元半径が０の位置から順次高炉の中心軸から外側に移動することによって、高炉の中心軸から炉壁内周部（炉口無次元半径：１．０）側に混合原料を装入する。

高炉に装入する鉱石類原料は、１チャージの鉱石類原料中、すなわちその１チャージ中の鉱石類原料の総重量（以下、全鉱石という）の１０質量％以上を酸性ペレットとする。
というのは、酸性ペレットの使用比率が全鉱石の１０質量％以上になると、還元材比の増加並びに通気性の悪化が顕著になってくるが、本発明の原料装入方法の適用によって還元材比の増加並びに通気性の悪化を抑制し、さらには改善をはかれるからである。なお、酸性ペレットの使用比率の上限は、高炉操業の大幅な悪化を防止する観点から全鉱石の５０質量％程度とするのが好ましい。また、本発明でいう酸性ペレットとは、ペレットに含まれるＣａＯとＳｉＯ₂との比で表される塩基度が０．５以下の酸化鉄のペレットのことである。

本発明で、鉱石類原料とは、上述したように所定量の酸性ペレットを含むとともに、焼結鉱および塊状鉱石のいずれか少なくとも一つを含んで入ればよい。

そして、上記したコークス単独で装入したコークスの残りのコークス、すなわち１チャージ中の全コークス量の２０〜７５質量％を、鉱石類原料と混合して装入することが、重要である。
なぜなら、鉱石類原料と混合して装入する１チャージ中のコークス量を、２０質量％以上にすることによって、コークスの混合による通気性および還元性の向上効果を得ることができるからである。一方、高炉の通気性を維持するためには、コークス（単独）層の形成も重要であり、混合コークスが７５質量％以上、すなわちコークス層が２５質量％未満となると、通気の維持が難しくなる。

ここで、図１に、一般的な高炉内のガス流分布を示す。同図に示したように、炉口無次元半径が０．４未満の領域、および０．８以上の領域はスペーサーとなるコークスが多く充填されているためガスが流れやすく、炉口無次元半径が０．４以上０．８未満の領域はコークスが少ない一方で鉱石層が多く装入されるためガスが流れにくいため、他の領域と比較して還元反応の遅れが懸念されることが分かる。

そこで、本発明では、上記した炉口無次元半径が０．４以上および０．８未満の領域における還元反応の遅れを解消するために、コークスと鉱石類原料とを混合した混合原料を、１チャージ当たり２バッチに分けて、高炉に装入する。以下に、混合原料の高炉への装入手順について詳しく説明する。

図２に、本発明における高炉への原料堆積状況を示す。
本発明では、鉱石類原料とコークスとの混合原料を１チャージ当たり２バッチで装入するに際し、１バッチ目を炉口無次元半径のうち０．０〜０．８の範囲に装入し、さらに２バッチ目を炉口無次元半径の０．６〜１．０の範囲に装入することとしている。
そして、１バッチ目に混合するコークスを、粒径：１５〜４０ｍｍの範囲とすることが本発明ではもっとも重要な制御因子である。というのは、１バッチ目に粒径：１５〜４０ｍｍの範囲のコークスを偏析させると、上記した反応遅れ領域の反応性を改善できるからである。すなわち、１バッチ目に混合するコークスの粒径が１５ｍｍ未満では、粒径が小さくなり過ぎて高炉の通気が悪化する。一方、同粒径が４０ｍｍを超えると、粒径が大きくなり過ぎて反応性が低下し、還元性の改善を享受することが難しくなる。

なお、１バッチ目のコークスは、全量が粒径：１５〜４０ｍｍの範囲にある必要はなく、粒径：１５〜４０ｍｍの範囲にないコークスが混入しても、その混入量が１バッチ目のコークス全量の５質量％以下程度であれば、本発明に影響はない。
一方、２バッチ目のコークスの粒径は特に限定する必要はないが、１バッチ目のコークスの粒径と同等程度、例えば１５〜５０ｍｍの範囲のものを用いることができる。

また、図２に示したように、本発明に従って混合原料の装入を行うことによって、コークス層の上に、混合原料により形成される混合層が２層存在する箇所が形成される。具体的には、１バッチ目を炉口無次元半径で０．０〜０．８の領域に装入して最初の混合層とし、２バッチ目を炉口無次元半径で０．６以上の領域に装入し２層目の混合層としている。かように、２バッチ目は、おおむねガスが流れやすい炉壁周辺部に装入されることが重要である。
図１に示したように、高炉の炉口無次元半径で０．４未満と０．８超の部分はコークスが多く通気性が良いため、ガス流が多くなっている。このガス流れにおいて、上記のように１バッチ目と２バッチ目との混合原料の装入位置を重複させているのは、２バッチ目の装入始端は、混合原料の堆積角に起因して層厚が薄くなり易いため、厚くなる部分を炉口無次元半径０．８付近の領域に形成するためには、０．６〜０．８の程度で混合原料の装入を重ねる必要があるからである。

また、１バッチ目に混合するコークスの反応性指数ＣＲＩを３５％以上とすると、より炉内反応性の向上が図れ、一層安定した高炉操業を行うことができるため、好ましい。なお、反応性指数ＣＲＩの上限に特段の制限はないが、工業上４０％程度である。

さらに、１バッチ目に混合するコークスの量を、前記鉱石類原料と混合するコークス量の７０質量％以上とすることで、鉱石類原料が多い箇所に装入される１バッチ目の還元性を改善することができる。なお、鉱石類原料と混合するコークス量の全量を、１バッチ目に混合することもでき、その際には、２バッチ目は全量鉱石類原料となる。

実施例は、旋回シュートを用いて、原料の装入を１チャージ毎に行った。１チャージ中のコークスのうち鉱石類原料と混合したコークス量は、全コークス量の１０〜８０質量％であり、残りのコークスはコークス層に供した。また、混合原料を１チャージ当たり２バッチとし、１バッチ目と２バッチ目との混合原料の装入位置を種々に変更した。該１バッチ目に混合するコークスの粒径も種々に変更した。なお、コークスの反応性指数ＣＲＩを３０−３５％とした。具体的な試験条件は表１に示す。
ここで、実施例に用いた原料は、鉱石類原料として、鉄分が５８質量％含まれるもの（焼結鉱および／または塊状鉱石）と、酸性ペレットとして鉄分が６５質量％含まれ、かつＣａＯとＳｉＯ₂の比がＣａＯ／ＳｉＯ₂＝０．０５のものとを使用し、さらに、コークスはカーボンを８８質量％含むものを使用した。
出銑比は、高炉の一日当たりの出銑量（ｔ／ｄ）を炉内容積（ｍ³）で除した値である。また、還元材比、コークス比及び微粉炭比は、溶銑１ｔを製造する際に使用した還元材量、コークス量及び微粉炭量（ｋｇ／ｔ）である。
また、鉱石類原料と混合する混合コークスの平均粒径（ｍｍ）は、算術平均径であり、混合コークスのＣＲＩ（％）は、１１００℃、ＣＯ₂雰囲気で２時間コークスを反応させたときの重量減少率で、それぞれ求めた。

さらに、上記の高炉原料装入の条件におけるガス利用率と、充填層圧力損失を以下の手順で評価した。評価結果を表１に併記する。
［ガス利用率］
ＣＯ₂／（ＣＯ₂＋ＣＯ）×１００と定義される。かかる式に用いるＣＯ₂およびＣＯ濃度（体積％）は、水平ゾンデと呼ばれる、高炉内の中心部〜周辺部までの稼動式のガス分布を測定する機器を用いて測定した。
［充填層圧力損失］
高炉の全圧損を送風量で除したものであり、原料充填層の圧力損失（充填層圧力損失）は以下の式で求めることができる。よって、充填層圧力損失は、単位風量の風が流通するのに要する通気抵抗を表す指標と考えることができる。
充填層圧力損失（ΔＰ／Ｖ）＝全圧損（ｋＰａ）／送風量（Ｎｍ³／ｍｉｎ）

表１より、発明例と比較例を比べると、発明例はいずれも、充填層圧力損失に優れ、還元材比、通気抵抗指標（充填層圧力損失）およびガス利用率が向上していることがわかる。
以上より、高炉内のガス流れが少ない箇所に、反応性がよい適切な粒径のコークスを、適切な位置に多量混合することで、高炉内の反応性の向上を図ることが可能であることを確認した。

Claims

鉱石類原料およびコークスを、１チャージ毎に、旋回シュートを用いて高炉内へ装入する、高炉への原料装入方法であって、
前記１チャージ中の全コークス量のうち２５〜８０質量％のコークスを高炉内に装入してコークス層とし、次いで、前記１チャージ中の残りのコークスと前記１チャージ中の鉱石類原料の１０質量％以上で酸性ペレットを含む鉱石類原料とを混合した混合原料を２バッチに分けて前記コークス層上に装入するに際し、１バッチ目に混合するコークスは粒径：１５〜４０ｍｍの範囲とし、かつ該１バッチ目を炉口無次元半径０〜０．８の範囲に装入し、残りの混合原料を２バッチ目として炉口無次元半径０．６〜１．０の範囲に装入する高炉への原料装入方法。
前記１バッチ目に混合するコークスの反応性指数ＣＲＩを３５％以上とする、請求項１に記載の高炉への原料装入方法。
前記１バッチ目に混合するコークスの量を、前記鉱石類原料と混合するコークス量のうちの７０質量％以上とする、請求項１および２に記載の高炉への原料装入方法。