JP2019007079A - 高炉の操業方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高炉でフェロコークスと炭材内装鉱とを高炉原料として併用する際に、それぞれを適正な炉内配置位置で使用することで、相互干渉を防ぎ、還元材比を低減する高炉の操業方法の提供。【解決手段】本発明の高炉の操業方法は、高炉内にコークス層３と鉱石層４，５とを交互に形成する高炉の操業方法であって、前記鉱石層の一部（鉱石層４）に炭材内装鉱６を混合して装入し、且つ、前記鉱石層の他の一部（鉱石層５）にフェロコークス７を混合して装入することとし、前記鉱石層を少なくとも２バッチに分けて装入し、少なくとも一つのバッチで炭材内装鉱を混合した鉱石原料を装入し、少なくとも他の一つのバッチでフェロコークスを混合した鉱石原料を装入する。【選択図】図１

Description

本発明は、フェロコークスと炭材内装鉱とを、高炉原料として併用する高炉の操業方法に関する。

高炉では、通常、鉱石原料である鉄鉱石（単に、「鉱石」とも記す）と、還元材であるコークスとを、それぞれが交互に層状となるように炉頂から装入し、高炉内に鉱石層とコークス層とを形成している。そして、炉内における鉱石層とコークス層との堆積後の分布を調整することにより、炉内でのガスの流れを制御している。

この高炉における還元材比を低下させるためには、コークスなどの炭材と鉄鉱石とを近接配置させ、高炉の熱保存帯の温度を低下させることが有効であり、古くは、コークスを鉱石層に混合して装入する混合装入技術に始まり、近年では、単一粒子内に炭材と鉄鉱石の両方を含む塊成化物を用いることで、更に、近接距離を短くしたコンポジット原料の開発が進んでいる。ここで、「還元材比」とは、還元材の種類にかかわらず、溶銑１トンを製造するのに必要な還元材（コークス、微粉炭など）の質量合計であり、「ｋｇ／溶銑−ｔ」で表示される。

このコンポジット原料のうち、炭材主体のものをフェロコークスといい、鉄鉱石主体のものを炭材内装鉱といい、それぞれ、製造方法は異なるが、発現する効果は類似している。即ち、フェロコークスは、下記の（１）式の反応によってＣＯガスを発生し、炭材内装鉱は、下記の（２）式の反応によってＣＯガスを発生し、発生するＣＯガスによる間接還元反応を促進させて還元材比を低下させている。ここで、フェロコークスとは、石炭と鉄鉱石との混合物を成型し乾留して製造された、コークス中に金属鉄が混在する塊成化物であり、炭材内装鉱とは、微粉状の炭材と鉄鉱石とを混合して熱間成形または冷間成型した塊成化物、或いは、炭材核の周囲に鉄鉱石粉を被覆させて造粒し、焼結機で焼成した塊成化物である。

Ｃ＋ＣＯ_２→２ＣＯ………（１）
ＦｅＯ_Ｘ＋ＸＣ→Ｆｅ＋ＸＣＯ………（２）
（１）式及び（２）式の反応は、ともに吸熱反応であり、高炉の熱保存帯の温度を下げるとともに、周囲の鉱石にＣＯガスを供給し、還元反応を促進させる。

フェロコークスを高炉原料として使用した高炉の操業方法として、特許文献１には、コークスは単独で装入してコークス層を形成させ、フェロコークスは鉄鉱石と混合し、鉱石層中にフェロコークスを混合する方法が提案されている。また、特許文献２には、フェロコークスを、軟化開始温度が焼結鉱よりも低い塊鉱石のような難被還元性の鉱石原料と混合して装入する方法が提案されている。

また、炭材内装鉱を用いた高炉操業方法として、特許文献３には、炭材内装鉱のみからなる炭素含有原料、または、炭材内装鉱と、小粒コークス、小粒高反応性コークス、フェロコークスからなる群の少なくとも１種とからなる炭素含有原料を鉄鉱石に混合して鉱石層を形成し、且つ、前記鉱石層中における前記鉄鉱石と前記炭素含有原料との個数比が５０以下となるように調整する方法が提案されている。

特開２００６−２８５９４号公報 特開２０１４−２０５８９５号公報 特開２００８−１８９９５２号公報

しかしながら、上記従来技術には以下の問題がある。

即ち、特許文献１及び特許文献２に提案される方法では、フェロコークスを用いて通常の焼結鉱や難被還元性の塊鉱石を効率良く還元することはできるが、炭材内装鉱のような高被還元性原料との併用方法は提示されておらず、フェロコークス及び炭材内装鉱を併用して還元材比を更に下げていくような場合には、十分な効果は得られない。

特許文献３は、炭材内装鉱やフェロコークスのサイズを適正化して、これらの鉱石層内における分散性を高め、還元効率を改善する技術であるが、炭材内装鉱、小粒コークス、小粒高反応性コークス、フェロコークスのそれぞれの特性にかかわらず、これらを区別することなく扱っており、これらの適正な組合せや炉内配置については言及していない。特に、炭材内装鉱及びフェロコークスの使用量が増加した場合には、炭材内装鉱の反応及びフェロコークスの反応が相互に干渉し、効果が減少する可能性がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、高炉でフェロコークスと炭材内装鉱とを高炉原料として併用する際に、それぞれを適正な炉内配置位置で使用することで、相互干渉を防ぎ、還元材比を低減することのできる、高炉の操業方法を提供することである。

上記課題を解決するための本発明の要旨は以下のとおりである。
［１］高炉内にコークス層と鉱石層とを交互に形成する高炉の操業方法であって、前記鉱石層の一部に炭材内装鉱を混合して装入し、且つ、前記鉱石層の他の一部にフェロコークスを混合して装入することとし、前記鉱石層を少なくとも２バッチに分けて装入し、少なくとも一つのバッチで炭材内装鉱を混合した鉱石原料を装入し、少なくとも他の一つのバッチでフェロコークスを混合した鉱石原料を装入する、高炉の操業方法。
［２］鉱石層を少なくとも２バッチに分けて装入するにあたり、少なくとも一つのバッチで炭材内装鉱を混合した鉱石原料を装入し、その後のバッチでフェロコークスを混合した鉱石原料を装入する、上記［１］に記載の高炉の操業方法。
［３］鉱石層を少なくとも２バッチに分けて装入するにあたり、後のバッチで装入したフェロコークスを混合した鉱石原料の堆積層の頂点が、先のバッチで装入した炭材内装鉱を混合した鉱石原料の堆積層の頂点よりも高炉炉壁側に位置するように装入する、上記［２］に記載の高炉の操業方法。

本発明によれば、高炉においてフェロコークスと炭材内装鉱とを併用する際に、フェロコークスと炭材内装鉱とを分離して鉱石層に装入するので、双方の効果が干渉することを防止でき、従来よりも大幅に還元材比を低減することが可能になる。更に、炭材内装鉱を鉱石層の下層に配置し、フェロコークスを鉱石層の上層に配置することで、或いは、更にフェロコークスを高炉炉壁側に配置することで、フェロコークスが雰囲気中のＣＯ_２ガス濃度の高い場所に配置され、更なる還元効率の改善が可能となる。

本発明を適用した場合の高炉装入物分布の一例の概念図である。 本発明を適用した場合の高炉装入物分布の他の一例の概念図である。 本発明を適用した場合の高炉装入物分布の他の一例の概念図である。 混合充填層の還元試験で使用した竪型の反応炉の概略図である。 竪型反応炉での還元試験における高炉原料の充填方法を示す概略図である。 竪型反応炉での還元試験における昇温パターンを示す図である。 竪型反応炉での還元試験における雰囲気のガス組成の変化を示す図である。 竪型反応炉での還元試験における還元率を示す図である。 実施例の各試験における還元材比を比較して示す図である。

以下、本発明を具体的に説明する。

図１に、本発明を適用した場合の高炉装入物分布の一例の概念図を示す。図１において、符号１は、高炉中心線、２は、高炉炉壁、３は、塊コークスで形成されるコークス層、４は、炭材内装鉱を混合する鉱石層、５は、フェロコークスを混合する鉱石層、６は、炭材内装鉱、７は、フェロコークス、８は、焼結鉱である。焼結鉱８は、炭材内装鉱６を混合する鉱石層４及びフェロコークス７を混合する鉱石層５の主成分である。尚、図１では、コークス層３、炭材内装鉱６を混合する鉱石層４及びフェロコークス７を混合する鉱石層５がそれぞれ１層だけ記載されているが、実際にはこれらが交互に層状に重なり合って高炉内の装入物分布が形成されている。また、図１は鉱石原料として鉄鉱石の焼結鉱８を使用した例を示している。

本発明に係る高炉の操業方法は、高炉内にコークス層と鉱石層とを交互に形成する高炉の操業方法であって、前記鉱石層の一部に炭材内装鉱を混合して装入し、且つ、前記鉱石層の他の一部にフェロコークスを混合して装入することとし、鉱石原料である焼結鉱８の装入を少なくとも２バッチに分け、一つのバッチで炭材内装鉱６を混合した焼結鉱８を装入し、少なくとも他の一つのバッチでフェロコークス７を混合した焼結鉱８を装入する。例えば、２バッチで装入する場合には、１バッチ目に、炭材内装鉱６を混合した焼結鉱８を装入して炭材内装鉱６を混合する鉱石層４を形成し、２バッチ目に、フェロコークス７を混合した焼結鉱８を装入してフェロコークス７を混合する鉱石層５を形成する。また、逆に、１バッチ目に、フェロコークス７を混合した焼結鉱８を装入してフェロコークス７を混合する鉱石層５を形成し、２バッチ目に、炭材内装鉱６を混合した焼結鉱８を装入して炭材内装鉱６を混合する鉱石層４を形成してもよい。

本発明では、上記のように、炭材内装鉱６とフェロコークス７とを、それぞれ鉱石層４及び鉱石層５に分離して装入する。つまり、鉱石層に炭材内装鉱６とフェロコークス７とが混在しないようにするべく、鉱石層４に炭材内装鉱６を混合して装入し、且つ、鉱石層５にフェロコークス７を混合して装入する。これによって、互いの効果の干渉を防ぎ、双方の還元促進効果を最大限発現させる。

更に、鉱石原料である焼結鉱８を少なくとも２バッチに分けて装入するにあたり、先に装入するバッチで炭材内装鉱６を混合した焼結鉱８を装入し、その後のバッチでフェロコークス７を混合した焼結鉱８を装入し、フェロコークス７を混合した鉱石層５の堆積層の頂点が炭材内装鉱６を混合した鉱石層４の堆積層の頂点よりも高炉炉壁２側に位置するような装入物分布となるように、高炉への鉱石原料装入方法を調整することが望ましい。

また、鉱石層を３バッチに分けて、焼結鉱８のみ、炭材内装鉱６を混合した焼結鉱８、フェロコークス７を混合した焼結鉱８をそれぞれ各１バッチずつ装入した場合や、或いは、３バッチの内で２バッチを炭材内装鉱６を混合した焼結鉱８とし、残りの１バッチをフェロコークス７を混合した焼結鉱８とした場合や、３バッチの内で２バッチをフェロコークス７を混合した焼結鉱８とし、残りの１バッチを炭材内装鉱６を混合した焼結鉱８とした場合でも、同様の効果が得られる。また、各バッチを高炉の径方向に振り分けて装入した場合や、上下方向に重ねて装入した場合でも、同様の効果が得られる。

鉱石層を３バッチに分ける場合でも、図２及び図３に示すように、一つのバッチで炭材内装鉱６を混合した焼結鉱８を装入した後のバッチで、フェロコークス７を混合した焼結鉱８を装入することで、効果が得られる。尚、図２及び図３は、本発明を適用した場合の高炉装入物分布の他の一例の概念図である。図２において、符号１２は、焼結鉱のみからなる鉱石層である。

本発明の効果を検証するにあたり、発明者らは、図４に示す竪型の反応炉を用いて、鉄鉱石の焼結鉱、フェロコークス、炭材内装鉱の混合充填層の還元試験を行った。各還元試験で用いた高炉原料は、粒径が１０〜１５ｍｍの５００ｇの焼結鉱、粒径が２０ｍｍの１６ｇのフェロコークス、粒径が１０ｍｍの２６ｇの炭材内装鉱であり、これらの高炉原料を反応炉中の反応管内の黒鉛製容器に堆積し、下方からＣＯ、ＣＯ_２、Ｎ_２混合ガス（Ｎ_２；５０体積％）を流しながら、適宜の温度に制御した。

これらの高炉原料の充填方法として、図５に示すように、ケース１；３種類の各原料を均一に混合した場合、ケース２；焼結鉱の半分（２５０ｇ）を１６ｇのフェロコークスと混合して下層に充填し、残り半分の２５０ｇの焼結鉱を２６ｇの炭材内装鉱と混合して上層に充填した場合、ケース３；ケース２の上下を逆にして充填した場合の３水準を採用した。尚、図５において、符号９は、焼結鉱とフェロコークスと炭材内装鉱との混合充填層、１０は、焼結鉱と炭材内装鉱との混合充填層、１１は、焼結鉱とフェロコークスとの混合充填層、１３は、黒鉛製容器である。

試験条件は、高炉内条件を模擬するために、図６に示すように、まず、５℃／ｍｉｎで９００℃まで昇温し、次いで、２℃／ｍｉｎで１１００℃まで昇温し、その後、５℃／ｍｉｎで１２００℃まで昇温した。温度は充填層の上下方向中間位置に熱電対を設置して測定した。その際に、図７に示すように、試験初期のガス組成をＣＯ／（ＣＯ＋ＣＯ_２）＝０．５から開始し、所定温度で所定のガス組成に切り替えて、１２００℃ではＣＯ／（ＣＯ＋ＣＯ_２）を０．９に調整した。

１２００℃まで昇温した後に冷却し、冷却後、焼結鉱の化学分析を行い、焼結鉱の還元率を求めた。得られた還元率を図８に示す。還元率は、ケース１では６８％、ケース２では７９％、ケース３では８３％であった。

即ち、焼結鉱中にフェロコークス及び炭材内装鉱を均一に混合したケース１と比べて、フェロコークス及び炭材内装鉱を分離して装入したケース２及びケース３の方が、還元率が高くなっており、特に、フェロコークスを上層に配置したケース３において高い還元率が得られた。

高炉における還元材比を低下させるためには、［背景技術］の欄で説明したように、フェロコークス７や炭材内装鉱６などを高炉に添加して、高炉の熱保存帯の温度を低下させることが有効であり、その場合に、フェロコークス７は、下記の（１）式の反応によってＣＯガスを発生し、炭材内装鉱６は、下記の（２）式の反応によってＣＯガスを発生し、還元材比の低下に寄与している。

Ｃ＋ＣＯ_２→２ＣＯ………（１）
ＦｅＯ_Ｘ＋ＸＣ→Ｆｅ＋ＸＣＯ………（２）
フェロコークス７と炭材内装鉱６とを分離した方が焼結鉱８の還元が促進された理由は、フェロコークス７及び炭材内装鉱６を混合した場合には、（１）式のフェロコークス７の反応によって発生したＣＯガスが、下記の（３）式の反応により、炭材内装鉱６の還元に使われてしまい、フェロコークス７による周囲の焼結鉱８の還元促進効果が減少すると考えられる。

ＦｅＯ_Ｘ＋ＸＣＯ→Ｆｅ＋ＸＣＯ_２………（３）
更に、（３）式の反応によって炭材内装鉱内の鉄分の酸化度が低下すると、（２）式の反応量も減少し、その結果、炭材内装鉱６による周囲の焼結鉱８の還元促進効果も減少すると考えられる。

このように、フェロコークス７及び炭材内装鉱６を混在させた場合には、フェロコークス７の反応及び炭材内装鉱６の反応が干渉して、周囲の焼結鉱８に対する還元促進効果が減少してしまう。したがって、本発明では、フェロコークス７と炭材内装鉱６とを分離して鉱石層に装入することとした。

フェロコークス７と炭材内装鉱６とを分離する際には、フェロコークス７及び炭材内装鉱６のそれぞれの高炉内における配置位置が重要となる。ここで、フェロコークス７を上層に配置することで、図８のケース３の還元率の結果に示すように、高い還元促進効果が得られる。これは、層上部に行くほど、焼結鉱８の還元反応によってＣＯ_２ガス濃度が増加し、そのために、フェロコークス７による（１）式の反応が加速される方向に向かうことによる。

したがって、本発明においては、この効果を生かすために、高炉内においてＣＯ_２ガス濃度の高い鉱石層上部且つ高炉炉壁近傍にフェロコークス７を配置することが好ましい。

使用する鉱石原料としては、図１に示す鉄鉱石の焼結鉱８に限らず、塊鉱石やペレットでも同様の効果が得られる。また、炭材内装鉱６を混合する鉱石層４及びフェロコークス７を混合する鉱石層５に、小塊コークスが混合されていても、同様の効果が得られる。

また、炭材内装鉱６としては、微粉状の炭材と鉄鉱石とを混合して熱間成形したものや、冷間成型したもの、或いは、炭材核の周囲に鉄鉱石粉を被覆させて造粒し、焼結機で焼成したものであっても同様の効果が得られる。

フェロコークス７及び炭材内装鉱６の使用量が少量のときには、双方の周囲に十分な鉄鉱石が存在するので、相互干渉が起こりにくく、本発明の効果は小さくなる。この観点から、フェロコークス７と炭材内装鉱６との合計使用量が、鉱石層全体に対して５体積％以上となる場合に、本発明を適用することが望ましい。

以上説明したように、本発明によれば、高炉において炭材内装鉱６とフェロコークス７とを併用する際に、炭材内装鉱６とフェロコークス７とを分離して鉱石層に装入するので、双方の効果が干渉することが防止され、従来よりも大幅に還元材比を低減することが可能になる。

本発明の効果を確認するために、炉容積５０００ｍ^３の高炉で操業試験を行った。使用したフェロコークスは、石炭と鉄鉱石とを、乾留後のフェロコークスにおけるコークス分が７０質量％、金属鉄分が約３０質量％となるように配合して成型し、その後、竪型の乾留炉で乾留して製造したものである。また、使用した炭材内装鉱は、粒径３〜５ｍｍの粉コークスを核として、その周囲に鉄鉱石粉を被覆して擬似粒子を造粒し、この擬似粒子を焼結機で焼成したものである。鉱石原料は、鉄鉱石の焼結鉱を使用した。

試験１では、フェロコークスの使用量を３０ｋｇ／溶銑−ｔ、炭材内装鉱の使用量を５５ｋｇ／溶銑−ｔとし、鉱石層を形成する鉱石原料の装入を２バッチとした。そして、フェロコークス及び炭材内装鉱の炉内配置場所及び２バッチの鉱石原料堆積層の頂点位置を変更し、そのときの還元材比を評価した。

いずれの試験も、出銑比を２．０溶銑−ｔ／ｍ^３／ｄの一定とし、溶銑温度が１５００℃の一定となるように還元材比を調整した。１バッチ目及び２バッチ目の鉱石量の分配比は、２：１で一定とした。

表１に、各試験における試験条件と還元材比の調査結果を示す。ここで、堆積層の頂点位置として、炉中心を０、高炉炉壁を１．０とした無次元半径を使用した。

比較例１は、フェロコークス及び炭材内装鉱を、それぞれ１バッチ目及び２バッチ目に、鉱石量の分配比なりに分配して操業した結果である。鉱石原料堆積層の頂点位置は、１バッチ目が０．７５の位置、２バッチ目が０．５５の位置となるように装入物分布を形成した。還元材比は５０９ｋｇ／溶銑−ｔであった。

比較例２は、比較例１と同等の原料条件で、堆積層頂点位置を１バッチ目が０．５５の位置、２バッチ目が０．７５の位置となるように変更した結果である。還元材比は、比較例１と同様に５０９ｋｇ／溶銑−ｔであった。

比較例１及び比較例２の結果から、フェロコークス及び炭材内装鉱の混合状態が同じであれば、堆積層の頂点位置は還元材比に影響しないことがわかった。

本発明例１は、堆積層の頂点位置を比較例１と同じ位置とし、１バッチ目にフェロコークス、２バッチ目に炭材内装鉱を装入して操業した結果である。フェロコークスと炭材内装鉱とを分離したことで、還元材比は５０２ｋｇ／溶銑−ｔまで低減した。

本発明例２は、堆積層の頂点位置を比較例１と同じ位置とし、１バッチ目に炭材内装鉱、２バッチ目にフェロコークスを装入して操業した結果である。本発明例１と比べて、フェロコークスがＣＯ_２ガス濃度の高い上層に配置されたことで、還元材比は４９９ｋｇ／溶銑−ｔまで低下した。

本発明例３は、堆積層の頂点位置を比較例２と同じ位置とし、１バッチ目に炭材内装鉱、２バッチ目にフェロコークスを装入して操業した結果である。本発明例２と比べて、２バッチ目の頂点位置を高炉炉壁側にずらしたことで、フェロコークスがよりＣＯ_２ガス濃度の高い場所へ配置され、還元材比は４９７ｋｇ／溶銑−ｔまで低下した。

図９に、各試験における還元材比を比較して示す。図９に示すように、本発明の有効性が確認できた。

試験２では、鉱石層を形成する鉱石原料の装入を３バッチとし、フェロコークスの使用量を３０ｋｇ／溶銑−ｔ、炭材内装鉱の使用量を５５ｋｇ／溶銑−ｔとした。全てのケースにおいて各バッチの鉱石量の分配比は、１：１：１とし、１、２、３バッチ目の堆積層の頂点位置は、無次元半径でそれぞれ０．４０、０．６０、０．７５となるように装入物分布を形成した。その他の条件は試験１と同様とした。

表２に、各試験における試験条件と還元材比の調査結果を示す。

比較例３は、フェロコークス及び炭材内装鉱を、各バッチに均等に分配して操業した結果である。還元材比は５１１ｋｇ／溶銑−ｔであった。

本発明例４は、１バッチ目に焼結鉱のみを装入し、２バッチ目に炭材内装鉱を装入し、３バッチ目にフェロコークスを装入して操業した結果である。フェロコークスと炭材内装鉱とを分離したことで、還元材比は５０３ｋｇ／溶銑−ｔまで低減した。

本発明例５は、１バッチ目及び３バッチ目に炭材内装鉱を装入し、２バッチ目にフェロコークスを装入して操業した結果である。還元材比は、５０２ｋｇ／溶銑−ｔまで低減した。

１ 高炉中心線
２ 高炉炉壁
３ コークス層
４ 炭材内装鉱を混合する鉱石層
５ フェロコークスを混合する鉱石層
６ 炭材内装鉱
７ フェロコークス
８ 焼結鉱
９ 焼結鉱とフェロコークスと炭材内装鉱との混合充填層
１０ 焼結鉱と炭材内装鉱との混合充填層
１１ 焼結鉱とフェロコークスとの混合充填層
１２ 焼結鉱のみからなる鉱石層
１３ 黒鉛製容器

Claims (3)

1. 高炉内にコークス層と鉱石層とを交互に形成する高炉の操業方法であって、
   前記鉱石層の一部に炭材内装鉱を混合して装入し、且つ、前記鉱石層の他の一部にフェロコークスを混合して装入することとし、
   前記鉱石層を少なくとも２バッチに分けて装入し、少なくとも一つのバッチで炭材内装鉱を混合した鉱石原料を装入し、少なくとも他の一つのバッチでフェロコークスを混合した鉱石原料を装入する、高炉の操業方法。
2. 鉱石層を少なくとも２バッチに分けて装入するにあたり、少なくとも一つのバッチで炭材内装鉱を混合した鉱石原料を装入し、その後のバッチでフェロコークスを混合した鉱石原料を装入する、請求項１に記載の高炉の操業方法。
3. 鉱石層を少なくとも２バッチに分けて装入するにあたり、後のバッチで装入したフェロコークスを混合した鉱石原料の堆積層の頂点が、先のバッチで装入した炭材内装鉱を混合した鉱石原料の堆積層の頂点よりも高炉炉壁側に位置するように装入する、請求項２に記載の高炉の操業方法。