KR102585689B1 - 고로 조업 방법 - Google Patents

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제이에프이 스틸 가부시키가이샤
가부시키가이샤 고베 세이코쇼
닛테츠 엔지니어링 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명의 어느 한 관점에 의한 고로 조업 방법은, 미리, 환원 가스 중의 탄소 원자와 수소 원자의 몰비 C/H마다, 환원 가스 중의 탄소 원단위와, 당해 환원 가스의 고로에의 불어 넣음에 의한 탄소 소비 원단위의 삭감량 Input△C의 상관 관계를 구하는 공정과, C/H마다 구한 상관 관계에 기초하여, 미리 정한 탄소 소비 원단위의 삭감량 Input△C의 목표값 이상이 되는 환원 가스 중의 탄소 원단위를 결정하는 공정과, 결정된 당해 환원 가스 중의 탄소 원단위와, 환원 가스 중의 탄소 비율에 기초하여, 고로 내에 불어 넣는 환원 가스의 불어 넣음량을 조정하는 공정을 갖는다.

Description

고로 조업 방법
본 발명은 고로 조업 방법에 관한 것이다.
본원은, 2019년 2월 18일에, 일본에 출원된 일본 특허 출원 제2019-26220호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 본 명세서에 원용한다.
철강업에 있어서는, 고로법이 선철 제조 공정의 주류를 담당하고 있다. 고로법에 있어서는, 고로의 로정으로부터 고로용 철계 원료(산화철을 포함하는 원료. 주로, 소결광. 이하, 간단히 「철계 원료」라고도 칭한다) 및 코크스를 고로 내에 교호 또한 층상으로 장입하는 한편, 고로 하부의 우구로부터 열풍을 고로 내에 불어 넣는다. 열풍은, 열풍과 함께 불어 넣어지는 미분탄, 및 고로 내의 코크스와 반응함으로써, 고로 내에서 고온의 환원 가스(여기에서는 주로 CO 가스)를 발생시킨다. 즉, 열풍은, 고로 내에서 코크스 및 미분탄을 가스화시킨다. 환원 가스는, 고로 내를 상승하고, 철계 원료를 가열하면서 환원한다. 철계 원료는, 고로 내를 강하하는 한편, 환원 가스에 의해 가열 및 환원된다. 그 후, 철계 원료는 용융되고, 코크스에 의해 추가로 환원되면서 고로 내에 적하한다. 철계 원료는, 최종적으로는 탄소를 5질량％약 포함하는 용선(선철)으로서 노상부에 저류된다. 노상부의 용선은, 출선구로부터 취출되어, 다음 제강 프로세스에 제공된다. 따라서, 고로법에서는, 코크스 및 미분탄 등의 탄재를 환원재로서 사용한다.
그런데, 근년, 지구 온난화가 사회 문제로 되어 있어, 그 대책으로서 온실 가스의 하나인 이산화탄소(CO2 가스)의 배출량 삭감이 주장되고 있다. 상술한 바와 같이, 고로법에서는, 환원재로서 탄재를 사용하여 대량의 선철을 제조하므로, 대량의 CO2를 발생한다. 따라서, 철강업은 CO2 가스 배출량에 있어서 주요한 산업의 하나로 되어 있어, 그 사회적 요청에 따르지 않으면 안된다. 구체적으로는, 고로 조업에서의 더욱 환원재비(용선 1톤당의 환원재 사용량)의 삭감이 급선무로 되어 있다. 또한, 환원재비란, 구체적으로는, 용선 1톤을 제조하는 데 요한 코크스 및 미분탄(그리고, 우구로부터 환원 가스를 불어 넣을 경우에는, 우구로부터 불어 넣는 환원 가스(후술))의 합계 질량을 말한다.
환원재는 로 내에서 열이 되어서 장입물을 승온시키는 역할과, 로 내의 철계 원료를 환원하는 역할이 있고, 환원재비를 저감시키기 위해서는 로 내의 환원 효율을 높일 필요가 있다. 로 내의 환원 반응은 여러가지 반응식으로 표기할 수 있다. 이들 환원 반응 중, 코크스에 의한 직접 환원 반응(반응식: FeO+C⇒Fe+CO)은 큰 흡열을 수반하는 흡열 반응이다. 따라서, 직접 환원 반응을 최대한 발생시키지 않는 것이 환원재비의 저감에 있어서 중요해진다. 직접 환원 반응을 발생시키지 않도록 하면, 직접 환원 반응에 요하는 코크스, 및 열원으로서 사용되는 환원재의 사용량을 저감할 수 있기 때문이다. 이 직접 환원 반응은 고로 로 하부에서 발생하는 반응이기 때문에, 철계 원료가 로 하부에 이르기까지 CO, H2 등의 환원 가스로 철계 원료를 충분히 환원할 수 있다면, 직접 환원 반응의 대상으로 되는 철계 원료를 저감시킬 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 종래 기술로서, 예를 들어 특허문헌 1 내지 3에 개시되는 바와 같이, 우구로부터 열풍과 함께 탄소를 포함하는 환원 가스(COG, LPG, 메탄 가스 등)를 불어 넣음으로써, 로 내의 환원 가스 포텐셜을 향상시키는 기술이 알려져 있다. 이 기술에서는, 우구로부터 불어 넣어지는 환원 가스 중의 탄소가 고로 내에서 CO 가스가 되어, 철계 원료를 환원한다. 이에 의해, 직접 환원 반응의 대상으로 되는 철계 원료를 저감시킬 수 있다. 또한, 이하의 설명에서는, 특별히 언급이 없는 한, 「탄소」, 「수소」는 각각, 탄소 원자, 수소 원자를 의미하는 것으로 한다.
일본 특허 제6019893호 일본 특허 제5070706호 일본 특허 공개 2007-169750호 공보
그러나, 탄소를 포함하는 환원 가스의 불어 넣음량(용선 1톤당의 불어 넣음량)을 증가시킨 경우, 불어 넣음량의 증가에 수반하여 고로에 투입되는 탄소량도 증가한다. 환원 가스의 불어 넣음량의 증가에 수반하여, 고로의 CO 가스 이용률은 변화하는데, 환원 가스의 불어 넣음량을 과잉으로 증가시킨 경우, 많은 환원 가스가 로 내에서 사용되지 않고 배출되어버린다. 따라서, 간단히 환원 가스의 불어 넣음량을 증가시킨 것만으로는, 환원 가스 중의 탄소가 환원에 사용되지 않고 배출됨으로써, 오히려 환원재비가 증가, 혹은 CO2 배출량이 증가할 가능성이 있다.
그래서, 본 발명은 상기 문제를 감안하여 이루어진 것이며, 본 발명의 목적으로 하는 점은, 원하는 환원재비 삭감 효과를 얻는 것이 가능한, 신규이면서도 개량된 고로 조업 방법을 제공하는 데 있다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명자는, 먼저, 환원 가스의 고로에의 불어 넣음에 의한 탄소 소비 원단위의 삭감량 Input△C라고 하는 파라미터를 규정하였다. 여기서, 탄소 소비 원단위 Input C(kg/t-pig)는 용선 1톤(t-pig)당의 탄소 소비량, 보다 구체적으로는, 용선 1톤을 제조하는 데 요한 코크스 및 미분탄, 그리고 우구로부터 불어 넣는 환원 가스 중에 포함되는 탄소의 합계 질량을 말한다. Input C는, 구체적으로는 이하의 수식 (1)로 산출된다.
Input C(kg/t-pig)=코크스비(kg/t-pig)×코크스 중의 탄소 비율(질량％)+미분탄비(kg/t-pig)×미분탄 중의 탄소 비율(질량％)+환원 가스 사용량 원단위(N㎥/t-pig)×환원 가스 중의 탄소 비율(kg/N㎥) (1)
여기서, 코크스비 및 미분탄비는, 각각 용선 1톤당의 코크스 및 미분탄의 사용량이다. 환원 가스 사용량 원단위는, 용선 1톤당의 환원 가스의 불어 넣음량이다. 코크스 중의 탄소 비율은 코크스의 총 질량에 대한 탄소의 질량％이며, 미분탄 중의 탄소 비율은 미분탄의 총 질량에 대한 탄소의 질량％이다. 환원 가스 중의 탄소 비율은 환원 가스의 단위 체적당의 탄소 함유량이다. 또한, 수식 (1)에서는, 환원 가스 사용량 원단위를, 용선 1톤을 제조하기 위하여 불어 넣는 환원 가스의 체적(N㎥/t-pig)으로서, 환원 가스 중의 탄소 비율을 환원 가스의 단위 체적당의 탄소 함유량(kg/N㎥)으로 했지만, 환원 가스 사용량 원단위를, 용선 1톤을 제조하기 위하여 불어 넣는 환원 가스의 질량(kg/t-pig)으로 하고, 환원 가스 중의 탄소 비율을 환원 가스의 총 질량에 대한 탄소의 질량％로 해도 된다.
Input△C는, 예를 들어, 소정량의 환원 가스 불어 넣음을 행하는 조업의, 베이스 조업에 대한 탄소 소비 원단위(Input C)의 삭감 비율(백분율, ％)로서 규정할 수 있다. 베이스 조업으로서는, 예를 들어 환원 가스의 불어 넣음을 행하지 않는 조업 조건을 설정할 수 있다. 베이스 조업의 Input C를 A(kg/t-pig), 소정량의 환원 가스를 불어 넣는 조업에 있어서의 Input C를 B(kg/t-pig)라 하면, Input△C는, 이하의 수식 (2)로 나타내진다. 물론, 탄소 소비 원단위의 삭감량 Input△C는 이하의 수식 (2)에 나타내지는 것에 한정되지 않고, 베이스 조업에 대한 탄소 소비 원단위의 삭감의 정도를 나타내는 값이면 된다. 예를 들어, Input△C는 A, B의 차분(A-B) 등이어도 된다.
Input△C=(A-B)/A×100(％) (2)
Input△C는 환원재비에 대응하는 파라미터이며, Input△C가 클수록, 베이스 조업에 대한 환원재비의 저감량이 크게 된다. 그리고, 본 발명자는, 후술하는 실시예에서 상세하게 설명한 바와 같이, 환원 가스의 종류와 불어 넣음량(용선 1톤당의 불어 넣음량)을 변경하여 고로 조업 시뮬레이션을 행하고, 복수의 환원 가스의 불어 넣음량에 대한 Input△C를 산출하였다. 이 결과, 환원 가스의 불어 넣음량이 적은 안은 불어 넣음량의 증가에 수반하여 Input△C가 증가하지만, 환원 가스의 불어 넣음량을 더욱 증가시켜 가면 Input△C의 증가량은 줄어들어, 이윽고 감소로 돌아서는 것이 밝혀졌다.
그래서, 본 발명자는, Input△C 혹은 환원재비에 영향을 주는 파라미터에 대하여 검토하였다. 먼저, 본 발명자는, 용선 1톤당의 고로 내에의 수소 투입량(N㎥/t-pig)에 착안하였다. 여기에서의 수소는, 우구 전에 투입되는 수소를 말하며, 환원 가스에 포함되는 수소 외에, 송풍 습분 중의 수소 및 미분탄 중의 수소도 포함된다. 그리고, 본 발명자는, 환원 가스의 종류와 불어 넣음량을 변경함으로써 수소 투입량을 변경하고, 이때의 수소 투입량과 수소 환원율(％)의 상관 관계를 고로 조업 시뮬레이션에 의해 구하였다. 여기서, 고로 조업 시뮬레이션은 후술하는 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 행하였다. 수소 환원율은, 로 내에 투입한 철산화물 중 수소에 의해 환원된 비율로서 정의되고, CO 환원율(CO 가스에 의해 환원된 비율) 및 직접 환원율(C와의 직접 환원에 의해 환원된 비율)의 합계는 100％로 되는 것이다. 이 결과를 도 2에 도시하였다. 도 2에서는, 환원 가스로서 코크스로 가스(COG), 천연가스(NG), 및 코크스로 가스와 수소 가스의 혼합 가스를 사용하였다. 여기서, 혼합 가스에 있어서의 코크스로 가스와 수소 가스의 혼합은 로 내에의 전체 수소 투입량≒270N㎥/t-pig에서 COG:H2=1:1.43, 로 내에의 전체 수소 투입량≒340N㎥/t-pig에서 COG:H2=1:2.28로 하였다. 베이스 조업에서는 환원 가스의 불어 넣음을 행하지 않았다. 이 결과, 환원 가스의 종류에 관계 없이, 수소 투입량이 증가하면 수소 환원율(％)도 거의 단조 증가함을 알았다. 철계 원료가 완전히 환원되었을 때, 수소 환원율, CO 환원율 및 직접 환원율의 합계는 100％이며, 수소 환원율이 증가하면 직접 환원율(또는 CO 환원율)은 저하되는 관계에 있다. 도 3에 이때의 직접 환원율을 나타내는데, 본 검토에 있어서는, 수소 투입량을 증가시키면 수소 환원율이 단조 증가하여 직접 환원율이 단조 감소하고 있고, Input△C는 수소 투입량의 증가에 수반하여 단조 증가하기 때문에, 수소 투입량의 증가에 의해 Input△C의 증가량이 줄어들거나, 감소로 돌아선다고 하는 특이적인 거동이 발생하는 것은 생각하기 어렵다. 따라서, 수소 투입량은 Input△C 혹은 환원재비의 거동에 영향을 주는 파라미터가 아님을 알았다.
다음으로, 본 발명자는, 우구로부터 불어 넣는 환원 가스에 의해 고로에 가져오게 하는 탄소의 원단위에 착안하였다. 여기서, 환원 가스에 의해 고로에 가져오게 하는 탄소의 원단위는, 용선 1톤당의 환원 가스의 불어 넣음량(N㎥/t-pig)에 환원 가스 중의 탄소 비율(kg/N㎥)을 곱함으로써 얻어지는 값이다. 이하, 환원 가스에 의해 고로에 가져오게 하는 탄소의 원단위를 간단히 「환원 가스 중의 탄소 원단위」라고도 칭한다.
그리고, 본 발명자는, 후술하는 실시예에서 상세하게 설명한 바와 같이, 환원 가스 중의 탄소 원단위 및 환원 가스의 종류를 변경하여 고로 조업 시뮬레이션을 행하고, Input△C를 산출하였다. 이 결과, 본 발명자는, Input△C와 환원 가스 중의 탄소 원단위 사이에 상관 관계가 있음을 알아냈다.
본 발명자가 Input△C와 환원 가스 중의 탄소 원단위의 상관 관계에 대하여 더욱 검토한 바, Input△C와 환원 가스 중의 탄소 원단위의 상관 관계는, 환원 가스 중의 탄소 원자와 수소 원자의 몰비 C/H가 0.15 이상으로 되는 경우와, 0.15 미만이 되는 경우에 다른 경향을 나타내는 것이 밝혀졌다. 보다 구체적으로 설명하면 환원 가스의 C/H가 0.15 이상으로 되는 경우, Input△C와 환원 가스 중의 탄소 원단위의 상관 관계는, 환원 가스의 종류에 구애되지 않고(바꿔 말하면, 환원 가스의 C/H에 구애되지 않고) 일의적으로 정해진다. 한편, 환원 가스의 C/H가 0.15 미만이 되는 경우, Input△C와 환원 가스 중의 탄소 원단위의 상관 관계는, 환원 가스의 C/H마다 다르다. 단, 어느 경우이든, Input△C와 환원 가스 중의 탄소 원단위의 상관 관계는, 위로 볼록한 곡선을 이루는 그래프로 나타내진다(즉 환원 가스 중의 탄소 원단위가 어떤 값으로 되는 경우에 극댓값을 나타낸다).
따라서, 미리, 환원 가스 중의 C/H마다, Input△C와 환원 가스 중의 탄소 원단위의 상관 관계를 구해 두면, 당해 상관 관계에 기초하여, Input△C가 미리 정한 목표값 이상이 되도록 환원 가스 중의 탄소 원단위를 결정할 수 있다. 그리고, 결정된 당해 환원 가스 중의 탄소 원단위와, 환원 가스 중의 탄소 비율에 기초하여, 고로 내에 불어 넣는 환원 가스의 불어 넣음량을 조정할 수 있다. 이에 의해, 원하는 Input△C(즉, 목표값 이상의 Input△C)가 얻어지게 된다. 즉, 원하는 환원재비 삭감 효과를 얻을 수 있고, 나아가서는, 보다 확실하게 환원재비를 저감할 수 있다. 또한, 이 상관 관계에 의하면, Input△C는 환원 가스 중의 탄소 원단위가 어떤 값이 되는 경우에 극댓값을 나타낸다(상세한 그래프는 후술한다). 따라서, 이 극댓값의 부근에서 환원 가스 중의 탄소 원단위를 결정하면, 환원재비를 보다 효율적으로 저감할 수 있다. 또한, 환원 가스의 C/H마다 상기 상관 관계를 구해 두면, 그 후에는 환원 가스의 C/H에 따른 상기 상관 관계에 기초하여 환원 가스의 불어 넣음량을 결정할 수 있다. 본 발명자는, 이러한 지견에 기초하여, 본 발명을 완성시켰다.
본 발명의 요지는, 다음과 같다.
본 발명의 어느 한 관점에 의하면, 수소 원자 및 탄소 원자를 함유하는 환원 가스를 고로 내에 불어 넣는 고로 조업 방법이며, 미리, 환원 가스 중의 탄소 원자와 수소 원자의 몰비 C/H마다, 환원 가스 중의 탄소 원단위와, 당해 환원 가스의 고로에의 불어 넣음에 의한 탄소 소비 원단위의 삭감량 Input△C의 상관 관계를 구하는 공정과, C/H마다 구한 상관 관계에 기초하여, 미리 정한 탄소 소비 원단위의 삭감량 Input△C의 목표값 이상이 되는 환원 가스 중의 탄소 원단위를 결정하는 공정과, 결정된 당해 환원 가스 중의 탄소 원단위와, 환원 가스 중의 탄소 비율에 기초하여, 고로 내에 불어 넣는 환원 가스의 불어 넣음량을 조정하는 공정을 갖는 것을 특징으로 하는, 고로 조업 방법이 제공된다.
여기서, 환원 가스의 탄소 원자와 수소 원자의 몰비 C/H가 0.15 이상이어도 된다.
또한, 상관 관계는, 환원 가스 중의 탄소 원단위의 2차식으로 나타내져도 된다.
또한, 상관 관계는, Y=a1X2+b1X+c1(여기서, X는 환원 가스 중의 탄소 원단위이며, Y는 탄소 소비 원단위의 삭감량 Input△C이며, 계수 a1, b1, c1은 모두 몰비 C/H에 의존하지 않는 값)로 나타내져도 된다.
또한, 환원 가스 중의 탄소 원단위는, 21 내지 107kg/t-pig의 범위 내에서 결정되어도 된다.
또한, 환원 가스 중의 탄소 원단위는, 21 내지 65kg/t-pig의 범위 내에서 결정되어도 된다.
또한, 환원 가스의 탄소 원자와 수소 원자의 몰비 C/H가, 0 초과 0.15 미만이어도 된다.
또한, 환원 가스의 탄소 원자와 수소 원자의 몰비 C/H가, 0.13 이하여도 된다.
또한, 환원 가스의 탄소 원자와 수소 원자의 몰비 C/H가, 0.10 이하여도 된다.
또한, 상관 관계는, Y=a2X2+b2X+c2(여기서, X는 환원 가스 중의 탄소 원단위이며, Y는 탄소 소비 원단위의 삭감량 Input△C이며, 계수 a2, b2, c2의 적어도 하나 이상은 몰비 C/H를 변수로서 포함하는 함수)로 나타내져도 된다.
또한, 환원 가스를 고로 내에 불어 넣을 때에, 우구 전 온도를 2000℃ 이상으로 조정해도 된다.
또한, 우구 전 온도를 2000℃ 이상으로 조정하기 위해서, 열풍 중의 공기의 송풍량 및 산소 부화율 중 적어도 하나 이상을 조정해도 된다.
또한, 환원 가스는, 코크스로 가스, 천연가스, 로정 배가스(BFG)를 개질한 것, 도시가스, 및 이들의 혼합 가스, 그리고 그들에 수소 가스를 혼합한 수소 혼합 가스로 이루어지는 군에서 선택되어도 된다.
본 발명의 상기 관점에 의하면, 원하는 환원재비 삭감 효과를 얻는 것이 가능하게 된다.
도 1은 Input△C와 환원 가스 중의 탄소 원단위(kg/t-pig)의 상관 관계를 환원 가스의 C/H마다 나타내는 그래프이다.
도 2는 수소 환원율과 용선 1톤당의 고로 내에의 수소 투입량(N㎥/t-pig)의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 3은 직접 환원율과 용선 1톤당의 고로 내에의 수소 투입량(N㎥/t-pig)의 관계를 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명의 적합한 실시 형태에 대하여 상세하게 설명한다. 또한, 이하의 실시 형태에 있어서, 「내지」를 사용하여 표현되는 수치 한정 범위는, 「내지」의 전후에 기재되는 수치를 하한값 및 상한값으로서 포함하는 범위를 의미한다. 「초과」 또는 「미만」이라고 나타내는 수치는, 그 값이 수치 범위에 포함되지 않는다.
<1. Input△C와 환원 가스 중의 탄소 원단위의 상관 관계>
먼저, 도 1에 기초하여, Input△C와 우구에서 불어 넣는 환원 가스 중의 탄소 원단위의 상관 관계(이하, 당해 상관 관계를 「△C-환원 가스 상관 관계」라고도 칭한다)에 대하여 설명한다. 도 1의 종축(y축)은 Input△C(％)를 나타내고, 횡축(x축)은 환원 가스 중의 탄소 원단위(kg/t-pig)를 나타낸다.
여기서, Input△C는, 상술한 바와 같이, 환원 가스의 고로에의 불어 넣음에 의한 탄소 소비 원단위의 삭감 비율로서 규정할 수 있다. 베이스 조업의 Input C를 A(kg/t-pig), 소정량의 환원 가스를 불어 넣는 조업에 있어서의 Input C를 B(kg/t-pig)라 하면, Input△C는, 이하의 수식 (2)로 나타내진다. 또한, 도 1에 있어서, 베이스 조업에서는 Input△C=0.0으로 된다. 물론, Input△C는 이하의 수식 (2)에 나타내지는 것에 한정되지 않고, A, B의 차분(A-B) 등을 Input△C로 해도 된다.
Input△C=(A-B)/A×100(％) (2)
환원 가스 중의 탄소 원단위는, 상술한 바와 같이, 우구로부터 불어 넣는 환원 가스에 의해 고로에 가져오게 하는 탄소의 원단위이며, 용선 1톤당의 환원 가스의 불어 넣음량(N㎥/t-pig)에 환원 가스 중의 탄소 비율(kg/N㎥)을 곱함으로써 얻어진다.
환원 가스는, 고로에 마련되는 우구로부터 고로 내에 불어 넣어진다. 환원 가스는, 고로 내의 철계 원료를 환원하는 환원 성분을 포함한다. 여기서, 본 실시 형태의 환원 성분은, 그 자체가 철계 원료를 환원할 수 있는 성분(예를 들어, CO 가스, 수소 가스) 뿐만 아니라, 고로 내에서의 반응(예를 들어 코크스, 미분탄 등과의 반응 또는 분해 등)에 의해 환원 가스를 생성 가능한 성분(예를 들어, CO2 가스, 탄화수소 가스 등)도 포함한다.
도 1에 도시하는 △C-환원 가스 상관 관계는, 예를 들어 고로 조업 시뮬레이션을 행함으로써 제작된다. 고로 조업 시뮬레이션에는, 예를 들어 Kouji TAKATANI, Takanobu INADA, Yutaka UJISAWA, 「Three-dimensional Dynamic Simulator for Blast Furnace」, ISIJ International, Vol.39(1999), No.1, p.15-22 등에 나타내지는, 소위 「고로 수학 모델」을 사용할 수 있다. 이 고로 수학 모델은, 개략적으로는, 고로의 내부 영역을 높이 방향, 직경 방향, 둘레 방향으로 분할함으로써 복수의 메쉬(소 영역)를 규정하고, 각 메쉬의 거동을 시뮬레이션하는 것이다. 고로 조업 시뮬레이션의 개요는 이하와 같다. 즉, 환원 가스의 C/H 및 불어 넣음량(용선 1톤당의 불어 넣음량)이 다른 여러가지 케이스에서 고로 조업 시뮬레이션을 행한다. 이 케이스에는 베이스 조업(환원 가스의 불어 넣음량=0이 되는 케이스)도 포함된다. 여기서, 케이스 간에서 우구 전 온도 및 용선 온도가 최대한 일정해지도록 조업 조건을 조정한다. 예를 들어, 열풍 중의 공기의 송풍량 및 산소 부화율 중 적어도 하나 이상을 조정하면 된다. 여기서, 우구 전 온도는, 우구의 로 내측 선단부에 있어서의 로 내 온도이며, 우구 끝 온도라고도 칭해진다. 실제의 조업에서는, 우구 전 온도는, 시게미 아키토시 저 「제철 핸드북」(치진 쇼칸)에 기재된 램의 식에 따라서 우구 끝 이론 연소 온도로서 산출된다. 고로에 불어 넣어지는 열풍은 공기를 포함하는 가스이다. 열풍에는, 공기 이외에 습분 및 부화 산소를 더 포함하고 있어도 된다. 산소 부화율이란, 개략적으로는, 열풍의 총 체적에 대한 열풍 중의 산소의 체적 비율이며, 산소 부화율(％)={(공기의 송풍량[N㎥/min]×0.21+산소 부화량[N㎥/min])/(공기의 송풍량[N㎥/min]+산소 부화량[N㎥/min])}×100-21로 나타내진다. 이들 조정에 추가로, 혹은 이들 조정 대신에, 코크스비 및 미분탄비 중 적어도 하나 이상을 조정해도 된다. 이에 의해, 케이스마다 Input△C 및 환원 가스 중의 탄소 원단위를 구한다. 계속해서, 각 케이스의 Input△C 및 환원 가스 중의 탄소 원단위를 나타내는 점을 도 1에 도시하는 xy 평면으로 플롯한다. 점 P1 내지 P8은 플롯된 점의 일례이다. 그리고, 각 플롯의 근사 곡선을 최소 제곱법 등의 근사법에 의해 구한다. 이들 근사 곡선이 △C-환원 가스 상관 관계를 나타내는 그래프가 된다. 그래프 L1 내지 L5는 △C-환원 가스 상관 관계를 나타내는 그래프의 일례이다.
(1-1. C/H가 0.15 이상으로 되는 경우)
상술한 바와 같이, Input△C와 환원 가스 중의 탄소 원단위의 상관 관계, 즉 △C-환원 가스 상관 관계는, 환원 가스 중의 탄소 원자와 수소 원자의 몰비 C/H가 0.15 이상으로 되는 경우와, 0.15 미만이 되는 경우에 다른 경향을 나타낸다. 그래서, 먼저, 점 P1 내지 P4 및 그래프 L1에 기초하여, C/H가 0.15 이상으로 되는 경우의 △C-환원 가스 상관 관계에 대하여 설명한다.
여기서, 점 P1은 베이스 조업(환원 가스를 불어 넣지 않는 조업)에 있어서의 Input△C 및 환원 가스 중의 탄소 원단위를 나타내고, 점 P2, P4는 환원 가스로서 코크스로 가스(COG, C/H=0.186)를 불어 넣은 조업에 있어서의 Input△C 및 환원 가스 중의 탄소 원단위를 나타내고, 점 P3은 환원 가스로서 천연가스(C/H=0.25)를 불어 넣은 조업에 있어서의 Input△C 및 환원 가스 중의 탄소 원단위를 나타낸다. 점 P1 내지 P3은 후술하는 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 구하였다. 점 P4는, 우구 전 온도를 2085℃ 또는 2315℃로 한 외에는 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 구하였다. 그래프 L1은 점 P1 내지 P4의 근사 곡선, 즉 △C-환원 가스 상관 관계를 나타내는 그래프이다.
C/H가 0.15 이상이 되는 환원 가스의 예로서, COG, 천연가스, 및 도시가스 등을 들 수 있다. 환원 가스는, 로정 배가스(BFG)를 개질한 것(로정 배가스로부터 수증기 및 CO2 가스를 제거한 것)이어도 된다. 이들 중, 탄화수소 가스를 포함하는 환원 가스, 즉 COG, 천연가스, 및 도시가스 등이 바람직하다. 이들 환원 가스를 사용한 경우, 탄화수소 가스가 로 내에서 연소하여 연소열을 발생시키므로, 더한층의 환원재비의 저감을 기대할 수 있다. 또한, 코크스로가 있는 제철소에서는, COG를 사용함으로써 자소(自所) 내에서 에너지를 조달할 수 있어, 다른 환원 가스에 비하여 비용면에서 우수하기 때문에, COG가 보다 바람직하다. C/H의 상한값은 특별히 제한되지 않지만, 예를 들어 0.3 이하여도 된다.
점 P2, P4의 데이터를 얻을 때에 사용한 COG의 조성을 표 1에 나타내고, 점 P3의 데이터를 얻을 때에 사용한 천연가스의 조성을 표 2에 나타내었다. 이들 조성은 가스 크로마토그래피나 질량 분석계 등에 의해 측정된 것이다. 표 1, 2에 있어서의 각 성분의 수치는 몰비(보다 상세하게는, 몰농도(mol/L)의 비)이다. 단, C는 환원 가스 중의 탄소 비율(kg/N㎥)을 나타낸다. 이하의 표 1에 나타내는 조성을 갖는 COG의 C/H는 0.185가 된다. 계산예는 이하와 같다.
(0.065+0.025+0.292+0.02×2+0.008×2)/(0.535×2+0.292×4+0.02×4+0.008×6)=0.185
또한, 이하의 표 2에 나타내는 조성을 갖는 천연가스의 C/H는 0.271이 된다. 계산예는 이하와 같다.
(0.85+0.03×2+0.12×2)/(0.85×4+0.03×4+0.12×6)=0.271
Figure 112021098526771-pct00001
Figure 112021098526771-pct00002
도 1로부터 명백해진 바와 같이 점 P1 내지 P4는 대략 동일한 그래프 L1 상에 있다. 따라서, 환원 가스의 종류에 구애되지 않고(바꿔 말하면, 환원 가스의 C/H에 구애되지 않고), 환원 가스 중의 탄소 원단위가 구해지면 Input△C가 일의적으로 특정된다. 즉, Input△C와 환원 가스 중의 탄소 원단위 사이에는 C/H에 의하지 않는 상관 관계가 있고, 그 상관 관계가 그래프 L1로 나타내지게 된다. 또한, 점 P4도 그래프 L1 상에 있는 것을 고려하면, 당해 상관 관계는 우구 전 온도에도 의존하지 않는다고도 할 수 있다.
그래프 L1은 위로 볼록한 그래프가 되어 있으므로, 환원 가스 중의 탄소 원단위의 2차식으로 나타내진다. 예를 들어, 그래프 L1은, Y=a1X2+b1X+c1이라고 하는 수식으로 나타내진다. X는 환원 가스 중의 탄소 원단위이며, Y는 Input△C이다. 계수 a1, b1, c1은 모두 상기 몰비 C/H에 의존하지 않는 값이다. 도 1의 예에서는, 그래프 L1은 Y=-0.0014X2+0.194X(즉 a1=-0.0014, b1=0.194, c1=0)와 같은 수식으로 나타내진다. 물론, 그래프 L1은 이 수식으로 나타내지는 것에 한정되지 않는다.
그래프 L1에 의하면, Input△C는, 환원 가스 중의 탄소 원단위가 65kg/t-pig 이하의 범위에서는 환원 가스 중의 탄소 원단위와 정의 상관 관계를 갖고, 환원 가스 중의 탄소 원단위가 65kg/t-pig 초과의 범위에서는 환원 가스 중의 탄소 원단위와 부의 상관 관계를 갖는다. 또한, Input△C는 환원 가스 중의 탄소 원단위가 65kg/t-pig 정도가 되는 경우에 극댓값을 나타낸다. 따라서, 이 극댓값의 부근에서 환원 가스 중의 탄소 원단위를 결정하면, 환원재비를 보다 저감할 수 있다.
보다 구체적으로는, 환원 가스 중의 탄소 원단위가 21 내지 107kg/t-pig가 되는 범위 내에서 Input△C가 대략 4.0％ 이상으로 된다. 이 경우, 예를 들어 베이스 조업의 환원재비를 375 내지 500kg/t-pig로 하면, 환원재비가 대략 15 내지 20kg/t-pig 이상 삭감된다. 이 삭감량은, 매일의 환원재비의 변동을 고려하더라도 유의한 값이며, 환원재비의 삭감의 실효성을 기대할 수 있다. 따라서, 환원 가스 중의 탄소 원단위는 21 내지 107kg/t-pig인 것이 바람직하다.
여기서, 환원 가스 중의 탄소 원단위가 65kg/t-pig 정도가 되는 경우에 극댓값을 나타내고, 65kg/t-pig을 초과하면 Input△C가 감소로 돌아선다. 즉, Input C의 삭감 효과가 줄어든다. 이 이유로서, 환원 가스 중의 탄소 원단위가 로 내 환원에 필요한 양과 비교하여 과잉 공급이 되어 있어, 가스 이용률이 저하되는 점, 환원 가스 중의 탄소 원단위의 증가에 수반하여 환원 가스 불어 넣음량도 증가하는데, 우구 전 온도 일정 조건임과 환원 가스 불어 넣음량의 증가에 수반하여 산소 부화율이 증가하고, 열풍로 경유로 고로에 불어 넣는 가스량이 저하되어서 송풍 현열이 저하되는 점, 등이 생각된다. 따라서, 환원 가스 중의 탄소 원단위는 65kg/t-pig 이하, 즉 21 내지 65kg/t-pig인 것이 보다 바람직하다. 이 경우, 더 적은 환원 가스의 불어 넣음량으로 Input△C를 크게(구체적으로는 4.0％ 이상으로) 할 수 있다.
또한, 환원 가스 중의 탄소 비율(kg/N㎥)이 적은 환원 가스(특히 탄소 비율이 0.6kg/N㎥ 미만이 되는 환원 가스)를 사용하는 경우, 조업상의 제약 등의 이유에 의해, 환원 가스 중의 탄소 원단위를 65kg/t-pig 이하로 하는 것이 바람직한 경우가 있다. 이하, 그 이유에 대하여 상세하게 설명한다.
고로 조업에 있어서는, 우구 전 온도를 가능한 한 소정값 이상(여기서, 소정값은 여러가지 요인으로 변동할 수 있지만, 대략 2000℃ 전후의 값이 되는 경우가 많다)의 일정값으로 유지할 필요가 있다. 우구 전 온도가 소정값 미만이 되면, 미분탄의 연소성이 저하되어, 미연소 챠가 발생함으로써 로 내 통기를 저해하거나, 환원재로서 투입한 미분탄의 일부밖에 (로 내에서 발생하는) 환원 가스로서 이용할 수 없는, 등의 문제가 발생하기 때문이다. 우구로부터 불어 넣어지는 환원 가스 중의 탄소 비율(kg/N㎥)이 적은 경우, 환원 가스 중의 탄소 원단위를 65kg/t-pig보다 큰 값으로 하기 위해서는, 다량의 환원 가스를 불어 넣을 필요가 있다. 이 결과, 열풍의 산소 부화율을 높일 필요가 발생한다. 산소 부화율을 높이지 않으면, 우구 전 온도를 소정값 이상으로 유지할 수 없게 될 가능성이 있기 때문이다. 단, 산소 부화율을 높여 가면 열풍 중의 산소 비율이 상승하고, 이윽고 순산소 송풍을 행하게 된다. 이때의 산소 부화율이 상한이 되어, 산소 부화율을 이 이상 높일 수는 없다.
예를 들어, 표 1에 나타내는 조성의 COG를 사용하여 환원 가스 중의 탄소 원단위를 83kg/t-pig로 하는 경우, COG를 350N㎥/t-pig로 불어 넣을 필요가 있다. 이 경우, 산소 부화율을 상한에 가까운 값으로 높임으로써, 우구 전 온도를 소정값 이상으로 유지할 수 있다. 그러나, 우구 전 온도는 소정값에 매우 가까워, 조업 제원의 설계를 신중하게 행할 필요가 있고, 또한, 조업 중의 감시를 신중하게 행할 필요가 있다. 따라서, 조업으로서는 가능하지만, 조업에 수고를 요한다. 또한, 환원 가스 중의 탄소 원단위를 95kg/t-pig로 하는 경우, COG를 400N㎥/t-pig로 불어 넣을 필요가 있다. 이 경우, 순산소 송풍을 행하더라도 우구 전 온도를 소정값 이상으로 할 수 없을 가능성이 있다. 환원 가스 중의 탄소 원단위가 65kg/t-pig 이하이면 COG의 불어 넣음량을 350N㎥/t-pig보다도 더 낮게 할 수 있으므로, 산소 부화율 및 우구 전 온도에 여유를 갖게 할 수 있다. 따라서, 환원 가스 중의 탄소 비율(kg/N㎥)이 적은 환원 가스(특히 탄소 비율이 0.6kg/N㎥ 미만이 되는 환원 가스)를 사용하는 경우, 환원 가스 중의 탄소 원단위를 65kg/t-pig 이하로 하는 것이 바람직하다.
한편, 표 2에 나타내는 천연가스(탄소 비율이 0.6kg/N㎥ 이상)를 사용하는 경우, 상기와 같은 제한은 기본적으로 발생하지 않는다. 예를 들어, 환원 가스 중의 탄소 원단위를 65kg/t-pig보다도 훨씬 큰 100kg/t-pig로 하는 경우에도, 환원 가스의 불어 넣음량은 170N㎥/t-pig 정도로 끝난다. 이 경우, 우구 전 온도의 저하는 역시 염려되지만, 산소 부화율을 높임으로써 우구 전 온도를 소정값 이상으로 할 수 있다. 따라서, 환원 가스 중의 탄소 원단위를 65kg/t-pig보다도 크게 할 수 있다.
이상 설명한 이유에 의해, 점 P2는 65kg/t-pig 이하의 범위에서 플롯되어 있지만, 점 P3은 보다 넓은 범위에서 플롯되어 있다.
또한, 상기에서 설명한 이외의 조업 조건이 바뀌면 △C-환원 가스 상관 관계는 그래프 L1로부터 다소 변동하는 경우가 있을 수 있다. 단, 이러한 경우에도, 환원 가스 중의 탄소 원단위의 바람직한 범위에 유의한 변동은 거의 없을 것으로 생각된다.
(1-2. C/H가 0.15 미만이 되는 경우)
다음으로, 점 P1, P5 내지 P8 및 그래프 L2 내지 L5에 기초하여, C/H가 0.15 미만이 되는 경우의 △C-환원 가스 상관 관계에 대하여 설명한다. 여기서, 점 P5는 환원 가스의 C/H가 0.054가 되는 경우의 Input△C 및 환원 가스 중의 탄소 원단위를 나타내고, 점 P6은 환원 가스의 C/H가 0.097이 되는 경우의 Input△C 및 환원 가스 중의 탄소 원단위를 나타내고, 점 P7은 환원 가스의 C/H가 0.137이 되는 경우의 Input△C 및 환원 가스 중의 탄소 원단위를 나타내고, 점 P8은 환원 가스의 C/H가 0.02가 되는 경우의 Input△C 및 환원 가스 중의 탄소 원단위를 나타낸다. 점 P5 내지 P8은 후술하는 실시예 2와 마찬가지의 방법으로 구하였다. 그래프 L2 내지 L5는 각각 점 P5 내지 P8의 근사 곡선, 즉 △C-환원 가스 상관 관계를 나타내는 그래프이다.
또한, 본 발명자가 종래의 환원 가스(COG, 천연가스, 도시가스 등)를 검증한 바, 대부분의 환원 가스의 C/H가 0.15 이상이었다. 이 때문에, C/H가 0.15 미만이 되는 환원 가스는, 예를 들어 C/H가 0.15 이상인 환원 가스에 수소 가스를 혼합함으로써 제작되면 된다. 수소 가스와 혼합되는 환원 가스는, C/H가 0.15 이상이 되는 환원 가스이면 어떤 것이어도 되고, 예를 들어 상술한 COG, 천연가스, 로정 배가스, 및 도시가스 등을 들 수 있다. 또한, 환원 가스의 제조 방법은 반드시 이 방법에 한정되는 것은 아니고, 예를 들어 C/H가 다른 환원 가스(구체적으로는, C/H가 0.15 이상의 환원 가스와 C/H가 0.02보다도 작은 환원 가스)를 혼합함으로써 제작되어도 된다.
도 1로부터 명백해진 바와 같이 점 P5 내지 P8은, 각각 다른 그래프 L2 내지 L5 상에 있다. 따라서, 환원 가스의 C/H가 0.15 미만이 되는 경우, △C-환원 가스 상관 관계는, 환원 가스의 C/H마다 다르다. 즉, 환원 가스의 C/H 및 환원 가스 중의 탄소 원단위가 구해지면, Input△C가 일의적으로 특정된다. 이와 같이, Input△C와 환원 가스 중의 탄소 원단위 사이에는 C/H에 의존하는 상관 관계가 있고, C/H마다의 상관 관계가 예를 들어 그래프 L2 내지 L5로 나타내진다. 단, 어느 상관 관계든 위로 볼록한 그래프로 나타내진다(즉 환원 가스 중의 탄소 원단위가 어떤 값이 되는 경우에 극댓값을 나타낸다). 또한, 우구 전 온도가 변동하더라도, C/H가 0.15 이상인 경우와 마찬가지로, 상관 관계에 거의 영향은 없을 것으로 추정된다.
그래프 L2 내지 L5는 위로 볼록한 그래프가 되어 있으므로, 환원 가스 중의 탄소 원단위의 2차식으로 나타내진다. 예를 들어, 그래프 L2 내지 L5는, Y=a2X2+b2X+c2라고 하는 수식으로 나타내진다. 또한, 도 1에서는 도시의 간략화를 위해 Input△C가 감소로 돌아서는 부분의 곡선은 생략하였다. X는 환원 가스 중의 탄소 원단위이며, Y는 Input△C이다. 그래프 L2 내지 L5의 형상은 환원 가스의 C/H에 따라 상이하므로, 계수 a2, b2, c2의 적어도 하나 이상은 환원 가스의 C/H를 변수로서 포함하는 함수로 나타내진다. 따라서, Input△C가 극댓값이 되는 부근에서 환원 가스 중의 탄소 원단위를 결정하면, 환원재비를 보다 저감할 수 있다. 또한, 그래프 L2 내지 L5가 극댓값을 경계로 감소로 돌아서는 이유는, 상술한 바와 같이, 환원 가스 중의 탄소 원단위가 로 내 환원에 필요한 양과 비교하여 과잉 공급이 되어 있어, 가스 이용률이 저하되는 점, 환원 가스 중의 탄소 원단위의 증가에 수반하여 환원 가스 불어 넣음량도 증가하는데, 우구 전 온도 일정 조건이라면 환원 가스 불어 넣음량의 증가에 수반하여 산소 부화율이 증가하고, 열풍로 경유로 고로에 불어 넣는 가스량이 저하되어서 송풍 현열이 저하되는 점, 등이 생각된다.
그래프 L2 내지 L5를 더욱 상세하게 검토하면, Input△C가 극댓값을 나타내기 전의 환원 가스 중의 탄소 원단위의 범위 내에서는, C/H가 작을수록 그래프 L2 내지 L5의 기울기가 커진다. 즉, 환원 가스 중의 탄소 원단위의 단위 증가량에 대한 Input△C의 증가량이 커진다. 따라서, 환원 가스의 C/H가 작을수록 Input△C를 효율적으로 크게 할 수 있다. 보다 상세하게는, 환원 가스의 C/H는, 0.13 이하인 것이 바람직하고, 0.10 이하인 것이 보다 바람직하고, 0.05 이하인 것이 보다 바람직하다. C/H의 하한값은 특별히 제한되지 않고, 0 초과이면 된다.
이상 설명한 대로, Input△C와 환원 가스 중의 탄소 원단위 사이에는 상관 관계가 존재한다. 그리고, 이러한 상관 관계, 즉 △C-환원 가스 상관 관계는, 환원 가스 중의 탄소 원자와 수소 원자의 몰비 C/H가 0.15 이상으로 되는 경우와, 0.15 미만이 되는 경우에 다른 경향을 나타낸다. 즉, 환원 가스의 C/H가 0.15 이상으로 되는 경우, △C-환원 가스 상관 관계는, 환원 가스의 종류에 구애되지 않고(바꿔 말하면, 환원 가스의 C/H에 구애되지 않고) 일의적으로 정해진다. 한편, 환원 가스의 C/H가 0.15 미만이 되는 경우, △C-환원 가스 상관 관계는, 환원 가스의 C/H마다 다르다. 단, 어느 경우이든, Input△C와 환원 가스 중의 탄소 원단위의 상관 관계는, 위로 볼록한 그래프로 나타내진다(즉 환원 가스 중의 탄소 원단위가 어떤 값이 되는 경우에 극댓값을 나타낸다).
따라서, 미리, 환원 가스 중의 C/H마다, △C-환원 가스 상관 관계를 구해 두면, 당해 상관 관계에 기초하여, Input△C가 미리 정한 목표값 이상이 되도록 환원 가스 중의 탄소 원단위를 결정할 수 있다. 그리고, 결정된 당해 환원 가스 중의 탄소 원단위와, 환원 가스 중의 탄소 비율에 기초하여, 고로 내에 불어 넣는 환원 가스의 불어 넣음량을 조정할 수 있다. 이에 의해, 원하는 Input△C(즉, 목표값 이상의 Input△C)가 얻어지게 된다. 즉, 원하는 환원재비 삭감 효과를 얻을 수 있고, 나아가서는, 보다 확실하게 환원재비를 저감할 수 있다. 본 실시 형태에 관계되는 고로 조업 방법은, 이러한 지견을 이용한 것이다.
또한, 상술한 예에서는, 고로 조업 시뮬레이션을 행함으로써 △C-환원 가스 상관 관계를 제작했지만, △C-환원 가스 상관 관계를 제작하는 방법은 이것에 한정되지 않는다. 실제 로에 있어서의 조업(실제 조업·시험 조업을 포함한다)이나 시험 고로에 있어서의 시험 조업에 있어서도 마찬가지로, 환원 가스 중의 탄소 원단위를 변경하면서, Input△C를 산출함으로써, △C-환원 가스 상관 관계를 구할 수 있다.
<2. 고로 조업 방법>
다음으로, 본 실시 형태에 관계되는 고로 조업 방법에 대하여 설명한다. 본 실시 형태에 관계되는 고로 조업 방법은, 이하에 설명하는 제1 내지 제3 공정을 갖는다.
(2-1. 제1 공정)
제1 공정에서는, 환원 가스의 C/H마다, △C-환원 가스 상관 관계를 구한다. △C-환원 가스 상관 관계를 구하는 방법(제작 방법)은 특별히 제한되지 않지만, 예를 들어 고로 조업 시뮬레이션을 행함으로써 제작되어도 된다. 고로 조업 시뮬레이션에는, 예를 들어 Kouji TAKATANI, Takanobu INADA, Yutaka UJISAWA, 「Three-dimensional Dynamic Simulator for Blast Furnace」, ISIJ International, Vol.39(1999), No.1, p.15-22 등에 나타내지는, 소위 「고로 수학 모델」을 사용할 수 있다. 이 고로 수학 모델은, 개략적으로는, 고로의 내부 영역을 높이 방향, 직경 방향, 둘레 방향으로 분할함으로써 복수의 메쉬(소 영역)를 규정하고, 각 메쉬의 거동을 시뮬레이션하는 것이다. 고로 조업 시뮬레이션의 계산 조건은 특별히 제한되지 않지만, 실제로 행하는 조업 조건을 따른 것인 것이 바람직하다. 예를 들어, 우구 전 온도는 2000℃ 이상인 것이 바람직하다. 단, 상술한 바와 같이, 우구 전 온도가 바뀌더라도 △C-환원 가스 상관 관계는 거의 변동하지 않는다. 이러한 고로 조업 시뮬레이션을 행함으로써, C/H마다 △C-환원 가스 상관 관계를 구한다. 즉, △C-환원 가스 상관 관계를 나타내는 그래프를 제작한다. 여기서, 상술한 바와 같이, △C-환원 가스 상관 관계는, 환원 가스의 C/H가 0.15 이상인 경우와 0.15 미만인 경우에 다른 경향을 나타낸다. 이 때문에, 각각의 경우에 복수 종류의 △C-환원 가스 상관 관계를 구해 두는 것이 바람직하다.
△C-환원 가스 상관 관계를 구하는 방법에 대하여 보다 구체적으로 설명하면 환원 가스의 C/H 및 불어 넣음량(용선 1톤당의 불어 넣음량)이 다른 여러 케이스에서 고로 조업 시뮬레이션을 행한다. 이 케이스에는 베이스 조업(환원 가스의 불어 넣음량=0이 되는 조업)도 포함된다. 여기서, 케이스 간에서 우구 전 온도 및 용선 온도가 최대한 일정해지도록, 계산 조건(조업 조건)을 조정하는 것이 바람직하다. 우구 전 온도를 일정하게 하기 위해서는, 예를 들어, 열풍 중의 공기의 송풍량 및 산소 부화율 중 적어도 하나 이상을 조정하면 된다. 이들의 조정에 추가로, 혹은 이들의 조정 대신에, 코크스비 및 미분탄비 중 적어도 하나 이상을 조정해도 된다. 이에 의해, 케이스마다 Input△C 및 환원 가스 중의 탄소 원단위를 구한다. 계속해서, 각 케이스의 Input△C 및 환원 가스 중의 탄소 원단위를 나타내는 점을 예를 들어 도 1에 도시하는 xy 평면으로 플롯한다. 점 P1 내지 P8은 플롯된 점의 일례이다. 계속해서, 각 플롯의 근사 곡선을 최소 제곱법 등의 근사법에 의해 구한다. 이들 근사 곡선이 △C-환원 가스 상관 관계를 나타내는 그래프가 된다. 그래프 L1 내지 L5는 △C-환원 가스 상관 관계를 나타내는 그래프의 일례이다.
(2-2. 제2 공정)
제2 공정에서는, 제1 공정에서 구한 △C-환원 가스 상관 관계에 기초하여, 미리 정한 Input△C의 목표값 이상이 되는 환원 가스 중의 탄소 원단위를 결정한다. 즉, 실제로 사용하는 환원 가스의 C/H에 대응하는 △C-환원 가스 상관 관계를 선택하고, 선택된 △C-환원 가스 상관 관계에 기초하여, Input△C의 목표값 이상이 되는 환원 가스 중의 탄소 원단위를 결정한다. 환원 가스의 C/H는, 예를 들어 상술한 측정 방법으로 환원 가스의 조성을 특정하고, 특정된 환원 가스의 조성에 기초하여 구하면 된다.
여기서, 상술한 바와 같이, △C-환원 가스 상관 관계는 위로 볼록한 그래프로 나타내진다. 따라서, Input△C의 극댓값의 부근에서 환원 가스 중의 탄소 원단위를 결정하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 환원재비를 보다 저감할 수 있다. 예를 들어, 실제로 사용하는 환원 가스의 C/H가 0.15 이상으로 되는 경우, 21 내지 107kg/t-pig의 범위 내에서 환원 가스 중의 탄소 원단위를 결정하는 것이 바람직하고, 21 내지 65kg/t-pig의 범위 내에서 환원 가스 중의 탄소 원단위를 결정하는 것이 보다 바람직하다. 그 이유는 상술한 바와 같다. 즉, 21 내지 107kg/t-pig의 범위 내에서 환원 가스 중의 탄소 원단위를 결정함으로써, Input△C를 4.0％ 이상의 값으로 할 수 있다. 또한, 21 내지 65kg/t-pig의 범위 내에서 환원 가스 중의 탄소 원단위를 결정함으로써, 더 적은 환원 가스의 불어 넣음량으로 Input△C를 크게(구체적으로는 4.0％ 이상으로) 할 수 있다. 또한, 환원 가스 중의 탄소 비율이 적은(특히 탄소 비율이 0.6kg/N㎥ 미만으로 되는) 경우에도, Input△C를 크게 하면서, 우구 전 온도를 소정값 이상으로 안정적으로 유지할 수 있다.
또한, C/H가 0.15 이상으로 되는 환원 가스를 사용하고, 또한 환원 가스 중의 탄소 원단위를 65kg/t-pig보다 크게 하는 경우, 상술한 바와 같이, 우구 전 온도가 저하되는 경향이 있으므로, 우구 전 온도가 소정값(예를 들어 2000℃) 이상이 되도록 산소 부화율을 포함하는 조업 제원을 조정하는 것이 바람직하다. 또한, 이 설정값의 범위에서는 Input△C가 저하하기 때문에, 환원 가스 중의 탄소 원단위가 로 내 환원에 필요한 양과 비교하여 과잉 공급으로 되어 있어, 가스 이용률이 저하되어 있다. 이 때문에, 가스 이용률이 개선되는 방책, 예를 들어 철계 원료를 피환원성이 우수한 것으로 바꾸는 등을 행해도 된다.
(2-3. 제3 공정)
제3 공정에서는, 제2 공정에서 결정된 환원 가스 중의 탄소 원단위와, 환원 가스 중의 탄소 비율에 기초하여, 고로 내에 불어 넣는 환원 가스의 불어 넣음량(예를 들어 용선 1톤당의 불어 넣음량)을 조정한다. 예를 들어, 환원 가스의 불어 넣음량은, 환원 가스 중의 탄소 원단위를 환원 가스 중의 탄소 비율로 제산함으로써 얻어진다. 환원 가스를 당해 결정된 불어 넣음량으로 고로 내에 불어 넣음으로써, 원하는 환원재비 삭감 효과를 얻는 것이 가능하게 된다. 그 이외의 조업 조건은 종래의 조업 조건과 마찬가지여도 된다.
개략적으로는, 고로의 로정으로부터 철계 원료 및 코크스를 고로 내에 교호 또한 층상으로 장입하는 한편, 고로에 마련된 우구로부터 열풍과 함께 환원 가스를 고로 내에 불어 넣는다. 철계 원료 및 코크스의 종류는 특별히 제한되지 않고, 종래의 고로 조업에 사용되는 철계 원료 및 코크스이면 본 실시 형태에서도 적합하게 사용 가능하다. 환원 가스의 불어 넣음량은 제3 공정에서 결정된 값으로 한다. 환원 가스는, 예를 들어 COG, 천연가스, 로정 배가스(BFG)를 개질한 것, 및 도시가스로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 이상이어도 된다. 환원 가스는, 이들 가스의 혼합 가스여도 되고, 이들 가스(혼합 가스 포함한다)에 추가로 수소 가스를 혼합한 것이어도 된다. 특히, C/H가 0.15 미만이 되는 환원 가스는, COG 등에 수소 가스를 혼합함으로써 제작되어도 된다.
환원 가스는 비가열로 고로 내에 불어 넣어도 되지만, 가열하고 나서 고로 내에 불어 넣는 것이 바람직하다. 환원 가스를 가열하고 나서 고로 내에 불어 넣음으로써, 환원재비의 더욱 저하를 기대할 수 있다. 가열 온도는 바람직하게는 300 내지 350℃ 정도이다.
환원 가스를 고로 내에 불어 넣기 위한 우구(이하, 「환원 가스용 우구」라고도 칭한다)는 예를 들어 보쉬부에 마련된다. 환원 가스용 우구는 샤프트부에 마련되어도 된다. 샤프트부 및 보쉬부의 양쪽에 환원 가스용 우구를 마련해도 된다. 또한, 샤프트부에서 불어 넣어지는 환원 가스는, CO 및/또는 H2를 많이 포함하는 것이 바람직하고, C/H를 관리하면서 불어 넣어진다.
종래의 고로 조업과 마찬가지로, 고로 내에는 열풍이 불어 넣어진다. 열풍의 온도, 조성 및 불어 넣음량은 종래의 고로 조업과 마찬가지이면 된다. 예를 들어, 열풍은 공기를 포함하고, 습분 및 부화 산소를 더 포함하고 있어도 된다. 열풍은, 예를 들어 보쉬부에 마련된 우구로부터 고로 내에 불어 넣어진다. 열풍을 고로 내에 불어 넣기 위한 우구는 환원 가스용 우구와 공통이어도 되고, 달라도 된다.
이상에 의해, 본 실시 형태에 따르면, 미리 구한 △C-환원 가스 상관 관계에 기초하여 Input△C의 목표값 이상이 되는 환원 가스 중의 탄소 원단위를 결정하고, 결정된 환원 가스 중의 탄소 원단위와 환원 가스 중의 탄소 비율에 기초하여 환원 가스의 불어 넣음량을 결정한다. 따라서, 원하는 Input△C를 비교적 확실하게 실현할 수 있다. 즉, 원하는 환원재비 삭감 효과를 얻을 수 있고, 나아가서는, 보다 확실하게 환원재비를 저감할 수 있다. 이에 의해, CO2의 배출량을 저감할 수 있다. 또한, △C-환원 가스 상관 관계에 의하면, Input△C는 환원 가스 중의 탄소 원단위가 어떤 값(이 값은 C/H마다 다른)이 되는 경우에 극댓값을 나타낸다. 따라서, 이 극댓값의 부근에서 환원 가스 중의 탄소 원단위의 설정값을 설정하면, 환원재비를 보다 저감할 수 있다. 또한, C/H마다 상기 상관 관계를 구해 두면, 그 후에는 환원 가스의 C/H에 따른 상기 상관 관계에 기초하여 환원 가스의 불어 넣음량을 결정, 관리할 수 있다. 따라서, Input△C를 높이기 위하여 필요한 조업 제원을 적절하게 설계, 관리할 수 있다.
실시예
실시예에 의해 본 발명의 일 양태 효과를 더욱 구체적으로 설명하지만, 실시예에서의 조건은, 본 발명의 실시 가능성 및 효과를 확인하기 위하여 채용한 일 조건예이며, 본 발명은 이 일 조건예에 한정되지 않는다. 본 발명은 본 발명의 요지를 일탈하지 않고, 본 발명의 목적을 달성하는 한, 다양한 조건을 채용할 수 있다.
<1. 실시예 1>
실시예 1에서는, 고로 조업 시뮬레이션을 행함으로써, C/H가 0.15 이상으로 되는 경우에 상술한 △C-환원 가스 상관이 존재함을 확인하였다.
고로 조업 시뮬레이션에는, 상술한 「고로 수학 모델」을 사용하였다. 계산 조건을 표 3에 나타내었다. 철계 원료는 모두 소결광으로 하였다. 또한, 소결광의 조성은 T-Fe: 58.5％, FeO: 7.5％, C/S: 1.9, Al2O3: 1.7％로 하였다. 또한, 코크스에 대해서는, C: 87.2％, Ash: 12.6％를 사용하는 경우를 상정하였다(％는 모두 질량％를 나타낸다)
Figure 112021098526771-pct00003
실시예 1에서는, 환원 가스의 종류(즉, C/H의 값) 및 환원 가스의 불어 넣음량(용선 1톤당의 불어 넣음량)을 변경하여 고로 조업 시뮬레이션을 행하고, 상술한 △C-환원 가스 상관이 존재함을 확인하였다. 환원 가스는 표 1에 나타내는 조성의 COG 또는 표 2에 나타내는 조성의 천연가스를 사용하였다. 환원 가스는 보쉬부에 마련되는 우구로부터 고로 내에 불어 넣는 것으로 하였다. 환원 가스 불어 넣음 시에 있어서의 우구 전 온도가 최대한 일정해지도록(즉 표 3에 나타내는 범위 내의 값이 되도록), 열풍 중의 공기의 송풍량, 산소 부화율을 조정하였다. 단, Case8에 대해서는, 우구 전 온도가 2085℃로 되도록 산소 부화율을 조정하고, Case9에 대해서는, 우구 전 온도가 2315℃로 되도록 산소 부화율을 조정하였다. 또한, 용선 온도가 전체 Case에서 일정해지도록 코크스비를 조정하였다. 미분탄비는 115kg/t-pig로, 송풍 온도는 1000℃로 각각 고정 조건으로 하였다. 계산 결과를 표 4 및 도 1에 도시하였다.
Figure 112021098526771-pct00004
표 4 및 도 1로부터 명백해진 바와 같이 △C-환원 가스 상관 관계가 존재함을 확인할 수 있었다. 또한, C/H가 0.15 이상으로 되는 경우, △C-환원 가스 상관 관계는, 환원 가스의 종류에 구애되지 않고(바꿔 말하면, 환원 가스의 C/H에 구애되지 않고) 일의적으로 정해지는 것도 확인할 수 있었다. 이 상관 관계를 사용하여 Input△C가 목표값 이상이 되는 환원 가스 중의 탄소 원단위를 결정하고, 결정된 환원 가스중 탄소 원단위에 기초하여 환원 가스의 불어 넣음량을 결정하면, 보다 확실하게 환원재비를 저감할 수 있고, 나아가서는 CO2 배출량을 저감할 수 있다.
<2. 실시예 2>
실시예 2에서는, 고로 조업 시뮬레이션을 행함으로써, C/H가 0.15 미만이 되는 경우에 상술한 △C-환원 가스 상관이 존재함을 확인하였다.
고로 조업 시뮬레이션에는, 상술한 「고로 수학 모델」을 사용하였다. 계산 조건은 실시예 1과 마찬가지로 하였다. 또한, 철계 원료 및 코크스는 실시예 1과 마찬가지의 것을 사용하는 것을 상정하였다.
실시예 2에서는, 환원 가스의 C/H 및 환원 가스의 불어 넣음량(용선 1톤당의 불어 넣음량)을 변경하여 고로 조업 시뮬레이션을 행하고, 상술한 △C-환원 가스 상관이 존재함을 확인하였다. 또한, 실제의 조업에서는, 환원 가스의 C/H는, 예를 들어 표 1에 나타내는 조성의 COG와 수소 가스를 Case마다 다른 혼합비로 혼합함으로써 조정할 수 있다. 환원 가스는 보쉬부에 마련되는 우구로부터 고로 내에 불어 넣는 것으로 하였다. 환원 가스 불어 넣음 시에 있어서의 우구 전 온도가 최대한 일정해지도록(즉 표 3에 나타내는 범위 내의 값이 되도록), 열풍 중의 공기의 송풍량, 산소 부화율을 조정하였다. 또한, 용선 온도가 전체 Case에서 일정해지도록 코크스비를 조정하였다. 미분탄비는 115kg/t-pig로, 송풍 온도는 1000℃로 각각 고정 조건으로 하였다. 계산 결과를 표 5 및 도 1에 도시하였다.
Figure 112021098526771-pct00005
표 5 및 도 1로부터 명백해진 바와 같이 △C-환원 가스 상관 관계가 존재함을 확인할 수 있었다. 또한, C/H가 0.15 미만이 되는 경우, △C-환원 가스 상관 관계는, 환원 가스의 C/H마다 다른 것도 확인할 수 있었다. 따라서, 환원 가스의 C/H에 대응하는 상관 관계를 선택하고, 선택된 상관 관계를 사용하여 Input△C가 목표값 이상이 되는 환원 가스 중의 탄소 원단위를 결정한다. 그리고, 결정된 환원 가스중 탄소 원단위에 기초하여 환원 가스의 불어 넣음량을 결정하면, 보다 확실하게 환원재비를 저감할 수 있고, 나아가서는 CO2 배출량을 저감할 수 있다.

Claims (15)

  1. 수소 원자 및 탄소 원자를 함유하는 환원 가스를 고로 내에 불어 넣는 고로 조업 방법이며,
    우구 전 온도를 소정값 이상의 일정값으로 유지하고,
    우구 전 온도는, 우구의 로 내측 선단부에 있어서의 로 내 온도이고,
    미리, 상기 환원 가스 중의 탄소 원자와 수소 원자의 몰비 C/H 및 용선 1톤당의 상기 환원 가스의 불어 넣음량을 변경한 조건에서 환원 가스 중의 탄소 원단위 및 당해 환원 가스의 고로에의 불어 넣음 조업에 있어서 베이스 조업에 대한 탄소 소비 원단위의 삭감량 Input△C를 산출하고, 상기 환원 가스 중의 탄소 원단위와 상기 Input△C의 상관 관계를 구하는 공정과,
    상기 C/H마다 구한 상기 상관 관계에 기초하여, 미리 정한 상기 탄소 소비 원단위의 삭감량 Input△C의 목표값 이상이 되는 상기 환원 가스 중의 탄소 원단위를 결정하는 공정과,
    결정된 당해 환원 가스 중의 탄소 원단위와, 상기 환원 가스 중의 탄소 비율에 기초하여, 상기 고로 내에 불어 넣는 상기 환원 가스의 불어 넣음량을 조정하는 공정
    을 갖는 것을 특징으로 하는 고로 조업 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 환원 가스의 탄소 원자와 수소 원자의 몰비 C/H가 0.15 이상인 것을 특징으로 하는 고로 조업 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 상관 관계는, 상기 환원 가스 중의 탄소 원단위의 2차식으로 나타내지는 것을 특징으로 하는 고로 조업 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 상관 관계는, Y=a1X2+b1X+c1(여기서, X는 상기 환원 가스 중의 탄소 원단위이며, Y는 상기 탄소 소비 원단위의 삭감량 Input△C이며, 계수 a1, b1, c1은 모두 상기 몰비 C/H에 의존하지 않는 값)로 나타내지는 것을 특징으로 하는 고로 조업 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 환원 가스 중의 탄소 원단위는, 21 내지 107kg/t-pig의 범위 내에서 결정되는 것을 특징으로 하는 고로 조업 방법.
  6. 제4항에 있어서, 상기 환원 가스 중의 탄소 원단위는, 21 내지 65kg/t-pig의 범위 내에서 결정되는 것을 특징으로 하는 고로 조업 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 환원 가스의 탄소 원자와 수소 원자의 몰비 C/H가, 0 초과 0.15 미만인 것을 특징으로 하는 고로 조업 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 환원 가스의 탄소 원자와 수소 원자의 몰비 C/H가 0 초과 0.13 이하인 것을 특징으로 하는 고로 조업 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 환원 가스의 탄소 원자와 수소 원자의 몰비 C/H가 0초과 0.10 이하인 것을 특징으로 하는 고로 조업 방법.
  10. 제7항에 있어서, 상기 상관 관계는, Y=a2X2+b2X+c2(여기서, X는 상기 환원 가스 중의 탄소 원단위이며, Y는 상기 탄소 소비 원단위의 삭감량 Input△C이며, 계수 a2, b2, c2의 적어도 하나 이상은 상기 몰비 C/H를 변수로서 포함하는 함수)로 나타내지는 것을 특징으로 하는 고로 조업 방법.
  11. 제8항에 있어서, 상기 상관 관계는, Y=a2X2+b2X+c2(여기서, X는 상기 환원 가스 중의 탄소 원단위이며, Y는 상기 탄소 소비 원단위의 삭감량 Input△C이며, 계수 a2, b2, c2의 적어도 하나 이상은 상기 몰비 C/H를 변수로서 포함하는 함수)로 나타내지는 것을 특징으로 하는 고로 조업 방법.
  12. 제9항에 있어서, 상기 상관 관계는, Y=a2X2+b2X+c2(여기서, X는 상기 환원 가스 중의 탄소 원단위이며, Y는 상기 탄소 소비 원단위의 삭감량 Input△C이며, 계수 a2, b2, c2의 적어도 하나 이상은 상기 몰비 C/H를 변수로서 포함하는 함수)로 나타내지는 것을 특징으로 하는 고로 조업 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 환원 가스를 상기 고로 내에 불어 넣을 때에, 우구 전 온도를 2000℃ 이상으로 조정하는 것을 특징으로 하는 고로 조업 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 우구 전 온도를 2000℃ 이상으로 조정하기 위해서, 열풍 중의 공기의 송풍량 및 산소 부화율 중 적어도 하나 이상을 조정하는 것을 특징으로 하는 고로 조업 방법.
  15. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 환원 가스는, 코크스로 가스, 천연가스, 로정 배가스(BFG)를 개질한 것, 도시가스, 및 이들의 혼합 가스, 그리고 코크스로 가스, 천연가스, 로정 배가스(BFG)를 개질한 것, 도시가스, 및 이들의 혼합 가스에 수소 가스를 혼합한 수소 혼합 가스로 이루어지는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 고로 조업 방법.
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