JP2008208463A - 高炉操業方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コークス比の低減を追求する上で、安定した高炉操業を可能とすることのできる装入物分布制御、特に、焼結鉱のような粒度変動の大きい原料を多量に使用するにあたってコークス比を低減していっても安定した高炉操業を可能とする装入物分布制御方法を提案する。
【解決手段】ベルレス装入装置を介して装入した高炉内コークスの堆積層の構造を制御して高炉の操業を行う方法において、前記コークス堆積層の堆積形状が、コークステラスの長さ／炉口半径の比を０．３以下、コークス傾斜角が１０〜２０°となるように操業する高炉操業方法。
【選択図】図２

Description

本発明は、高炉操業方法に関し、特に、低コークス比の下でも安定した操業を行うことができる高炉の操業方法について提案する。

高炉の操業は、鉄鉱石等の原料とコークスとを交互に炉内へ装入することにより、炉内に主として鉱石層およびコークス層からなる堆積層を形成すると共に、炉下部の送風羽口（以下、単に「羽口」という）からは高温空気を送風し、前記堆積層中のコークスおよび羽口から吹込む微粉炭等を燃焼させて、ＣＯガス等の還元性ガスを含む高温の炉内ガスを発生させ、このガスが炉内の堆積層（鉱石層、コークス層）内を通って炉頂から排出される間に鉱石を還元し溶融して溶銑・溶滓とし、これらを出銑口から排出する一連の作業である。

従来、こうした高炉の操業において、銑鉄の製造コストを下げるための努力がなされているが、なかでも溶銑１ｔ当たりに必要なコークスの使用量（ｋｇ／ｔ；以下「コークス比」という）を低下させることが有効であることがわかっている。もちろん、溶銑１ｔを製造するのに必要な原料（鉱石等）の量は決まっているから、前記コークス比を低下させるためには、高炉内に装入するコークスの量を装入鉱石量に対して相対的に少なくすることが必要になる。そして、このことは、装入物堆積層のうち、鉱石層厚とコークス層厚との比（以下、「Ｏ／Ｃ」と略記する）を大きくすることが必要になることを意味している。

通常、前記Ｏ／Ｃを変更する場合、コークス層厚を変えずに鉱石層厚を増加する（１チャージあたりの鉱石装入量を増加させる）という操作をすることが多い。それは、コークス層厚を一定に維持することで、鉱石が溶融を開始する領域での炉内ガスの流通経路を確保するためである。しかし、「材料とプロセス」（ｖｏｌ．９、ｐ．６２７−６３０）に報告されているように、高炉内鉱石層の厚みを増大させていくと、鉱石層上部に位置する鉱石の還元が遅れ、そのために、原料粒子の変形，融着に起因する圧力損失の上昇開始温度が低下するという問題が発生する。

上述したように、コークス比を低減させるため鉱石層厚を厚くしていくことは、かえって炉内圧損の上昇原因となり易く、好ましくないことがある。特に、炉頂装入コークスの代わりに、羽口から微粉炭等の燃料を吹き込む操業を行う場合、炉頂からのコークス装入量を低下させなければならないため、鉱石層の厚みが相対的に大きく（コークス比低下）なる。従って、このような操業を行う場合には、鉱石層での圧損上昇が不可避に起こり、大きな間題となっていた。

上記の問題を解決するには、鉱石層厚はそのまま変えず、またはむしろ低下させる一方で、コークス層厚を低下させることにより、炉内のＯ／Ｃの低下を実現して安定した高炉操業を行うことが必要になる。しかし、このような操業では、１チャージあたりのコークス装入量は少なくなるが、その少ない装入コークス量で適正なコークス層厚を維持することは、たとえベルレス装入装置のような装入物分布制御性の高い装入装置を使用したとしても、困難である。なお、ベルレス装入装置は、コークスや原料を旋回装入シュートを介して少量ずつ炉内に落とし込み、所定の位置に所定量のコークスや原料を比較的正確に装入堆積させることができるので、炉内に適正な装入分布を形成するのに好適に用いられるものである。

ベルレス装入装置により高炉装入物、とくに炉頂でのコークス堆積形状を制御する例としては、特開平２０００−２１２６１３号公報に開示されているような方法がある。この方法は、コークスを炉壁部から炉中心部へ向けて順次旋回装入していくにあたって、炉壁部近傍に堆積表面がほぼ平らなテラス部を設け、このテラス部より中心側にすり鉢状の傾斜部が生じるように装入する方法である。この際、その傾斜部の炉壁内側からの長さをｒ、炉口半径をｒｏとしたときに、ｒ／ｒoの比が０．２７以下となるようにして、炉口軸心部に粗粒コークスを主体とする混合層が形成されるように、コークスの堆積形状を制御することが肝要である。すなわち、このような方法によると、既に堆積しているコークス堆積層の一部が、その上に装入する鉱石によって炉中心部に向けて押し流され、炉軸心部に粗粒のコークスを集めた混合層を形成することができる。

また、「材料とプロセス」（ｖｏｌ．８、ｐ．１０６５）には、このようなコークス層の堆積形状において、テラス長さを小さくすると、コークスが鉱石に押し流される“コークス崩れ”という現象が増大するという報告がある。

また、特開平２０００−２１２６１３号公報では、炉内コークスの堆積形状を制御することにより、コークステラス長さを適当な範囲に制御して、コークス崩れによる流れ込みを適正なものにしようという試みについて提案している。この方法では、上述したように、低コークス比操業の下ではやはり、旋回シュートによって炉壁側から鉱石を装入するとき、下層のコークスを炉中心部に押し流す結果となり、場所によってはもともと薄いコークス層がすべて押し流され、結果的にコークス層がほとんどない箇所が発生する場合がある。このような箇所では、炉内ガスがほとんど流れず、鉱石の昇温、還元が阻害されることになる。

従って、コークス比が小さくＯ／Ｃの大きい高炉操業では、コークス層の前記テラスを相対的に長くすることが望ましいと考えられる。それは、このようなケースでは、テラス部に装入された鉱石が、炉中心部に向って流れ込むようなことがなくなり、コークス層の層厚が鉱石の装入により影響を受けることが少なくなるからである。

しかし、このような考えに基づいて高炉の装入物分布制御を行い、送風量や装入物分布を一定にして操業していたとしても、操業が時々不安定になるという問題があった。この間題は、発明者らの研究によると、原料粒度の変動にその一因があることがわかった。すなわち、原料の中で、たとえば塊鉱石は、山元から高炉で使用されるまでに、ハンドリングと整粒処理が施されてほぼ一定の粒径になっており、また、ペレットのような原料ではもともと粒径がほとんど揃ったものとなっているのに対し、焼結鉱のような原料では、焼結機の操業、破砕処理の仕方などによっては、粒径が大きく変動する。しかも、もともと焼結鉱は、高炉に隣接した焼結機で製造されて直ぐに使用されることが多いため、整粒や篩分けを行うものの、他の鉄原料に比べると粒径の変動が生じ易いという傾向がある。こうした装入原料の粒径による高炉操業への影響をなくすには、高炉装入前にその変動の状況を検知すること、たとえば焼結鉱の粒度分析を頻繁に実施する必要があるが、現実的ではない。したがって、従来は、原料中の粒度変動を予め検知して、装入物分布を事前に調整するようなことはほとんど行っていないのが実情である。

以上説明したように、従来の高炉操業においては、コークス比を低減するとコークス層厚が薄くなり、鉱石の装入によってコークス崩れが不可避に生じる一方、これを避けるために、コークス層の堆積形状におけるテラス長さを長くすると、原料粒度の変動に起因する炉内のガス流変動が顕著になるという現象が発生し、コークス比の低減を困難にしていた。こうした現象はコークス比３５０ｋｇ／ｔ程度以下の低コークス比操業を意図する時に顕著に表われ、低コークス比操業時の安定操業は困難であった。

本発明の目的は、このような低コークス比操業を実現してなお、安定した高炉の操業を確保することのできる高炉操業方法を提案することにある。特に、焼結鉱のような粒度変動の大きい原料を多量に使って、低コークス比操業を行うときに安定した高炉操業を可能とする装入物分布制御の方法を提案する。

上掲の目的を実現する上で有効な方法として、本発明は、ベルレス装入装置を用いて装入した高炉内コークス堆積層の構造を制御して高炉の操業を行う方法において、低コークス比操業時の前記コークス堆積層の堆積形状を、コークステラスの長さ／炉口半径の比が０．３以下、コークス傾斜角が１０〜２０°となるように堆積させることを特徴とする高炉操業方法を提案する。

以上説明したように本発明によれば、低コークス比操業時においても安定した高炉操業を行うことができる。とくに、粒径変動の大きい原料を多量に装入した場合であっても、安定して低コークス比の高炉操業を行うことができる。

発明者らは、実物大の模型（高炉炉頂部）を用い、種々の形状のコークス堆積層の上に鉱石を装入し、それぞれのケースでの堆積形状を調査した。図１は、この実験装置の概要を示す。この装置は、装入原料を原料槽１からサージホッパー1’を経由して炉頂バンカー2にベルトコンベア3によって搬送し、任意の角度で傾動し回転する旋回シュート4を介して炉内に装入するものである。

発明者らは、この実験装置を用い、コークス堆積形状と鉱石等鉄系原料（以下、鉄系原料または原料という）の装入によるコークス層崩れの関係を調査した。すなわち、ベルレス装入パターンを調整することにより、コークス堆積層の傾斜角を種々に調整し、その後、コークス堆積層上に鉄系原料を装入した。その結果を図２（ａ），（ｂ）に示す。ここで、鉄系原料装入後のコークス堆積層と鉄系原料との境界は、表面から樹脂を高さ方向に注入して硬化させ、樹脂硬化後に取り出したサンプルの断面観察から決定した。図２（ｂ）に示すように、傾斜角が３０°では、鉄系原料装入前のコークス表面形状と該鉄系原料装入後の該鉄系原料−コークス層の境界形状が異なり、鉄系原料の装入によってコークス堆積層が崩されている様子がよくわかる。一方、図２（ａ）に例を示すように、傾斜角が２０°以下であれば、コークス堆積層の崩れは発生しないことが明らかになった。この意味で、コークス堆積層の崩れを防止するには、コークステラス以外のコークス堆積層の傾斜部分における角度（傾斜角）は２０°程度以下、好ましくは１０°〜２０°とすることがよいことがわかる。

なお、以下の説明において、コークステラスとは、図２のそれぞれのコークス堆積形状における、炉壁側に形成された平坦部分のことである。すなわち、コークス堆積後の表面形状において、炉半径方向の傾斜角が５°以下の平坦部分をコークステラスとし、このコークステラスの炉壁内面からの長さをコークステラス長さとした。なお、このコークステラス長さを炉口半径で除した数値を、無次元コークステラス長と定義し、コークステラスよりも炉中心側におけるコークス傾斜面での角度は、炉中心側から炉壁側を見たときの仰角で定義し、コークス傾斜角（コークス堆積傾斜角）と定義した。

次に、発明者らは、コークス堆積形状と原料粒径変化時のガス分布変化の関係を調査した。この調査では、旋回シュート4の旋回パターンを調整して種々のコークス堆積形状を形成し、その上に鉄鉱石等の原料を装入した。その原料の粒径は２水準とした。そして、炉半径方向の１１箇所で原料を採取し、表層からコークス層までの距離（層厚）を測定するとともに、採取した原料の粒度分析を行った。原料の層厚、粒度分布から、半径方向の各位置の通気抵抗指数φを算出し（川崎製鉄技報ｖｏｌ．６，Ｎｏ．１（１９７４），ｐ・１６参照）、その測定結果の一例を、図３と図４に示した。
なお、上記通気抵抗指数の算出にあたっては、上記調査で求めた鉱石層、コークス層の層厚および粒径に加えて、高炉での送風量等の送風条件を決定する必要があるため、内容積４５００ｍ^３級の高炉における操業条件を仮定して計算した。

図３は、上記調査結果を示すものであり、（ａ）はコークステラス長が０．１２と短くコークス傾斜角が２０°の場合であるが、原料の平均粒径を小さくしたときでも、炉壁部近傍における原料層通気抵抗指数はあまり変化していない。一方、図３（ｂ）は、コークステラス長を０．３８として大きくし、コークス傾斜角を２０°とした例であるが、原料の平均粒径を１８ｍｍの場合に対して１２ｍｍと小さくすると、原料層全体の通気抵抗が上昇している。

この結果についての発明者らの考察によると、無次元コークステラス長が大きい（≧０．３）図３（ｂ）の場合には、炉中心側のコークス傾斜角が２０°と緩傾斜であれば、ベルレス旋回シュート4から装入された原料は、装入された位置にほぼそのまま堆積し、炉中心側への流れ込みはなく、そのために、炉半径方向の各位置において、鉱石粒径の低下によって通気抵抗の上昇が見られたものと考えられる。

これに対し、コークステラス長が小さい（≦０．１２）図３（ａ）の場合、原料粒径の粗いときには、コークステラス長が大きい場合と同様に、原料が炉中心側へ流れ込むことはないが、原料粒径が細かくなった分、原料自体の粒径低下による原料の安息角低下のために、炉壁部のコークステラス領域に装入された原料の−部が炉中心部側へ流れ込んでしまい、そのために、炉壁部での鉱石層厚の低下が起こり、原料粒径の低下による通気抵抗の上昇と鉱石層厚の低下による通気抵抗の低下が相殺される結果となって、炉壁部での通気抵抗上昇が抑制されたものと考えられる。

これらの現象は、図３（ｃ）に示したコークステラスが短く、コークス傾斜角が１０°と小さい場合にもみられ、コークステラスが短く、コークス傾斜角が１０〜２０°の範囲では原料の平均粒径が小さくなると、原料自体の安息角の変化により炉壁側装入された鉱石が炉中心側へ流れ込むことによる炉壁部の鉱石層厚の減少が見られ、これにより炉壁部の通気抵抗の変化を抑制する方向に働くことがわかる。

また、図４は、種々のコークス堆積形状における上述した現象をまとめたものである。この図は、横軸にコークステラス長、縦軸に原料の平均粒径が６ｍｍ低下（１８ｍｍ→１２ｍｍ）したときの、炉壁部通気抵抗指数の増加量を図示したものである。コークスの堆積傾斜角が１０°〜２０°では、無次元コークステラス長が０．３以下では、原料の平均粒径が変化しても炉壁部での通気抵抗指数の増加量はそれほど大きいものではないが、堆積傾斜角を７°まで低下させておくと、ほとんど平坦なコークス表面形状へ鉱石を装入することになり、鉱石の平均粒径が低下しても炉芯部への流れ込みがほとんど発生せず、炉壁部の鉱石層厚の低下はない。その結果、無次元コークステラス長に係わりなく、炉壁部の通気抵抗指数が増加する傾向にあった。

結局、図３，図４からわかることは、無次元コークステラス長（炉壁内面からテラス肩部までのコークステラス長さｒを炉口半径Rで除した値）が０．３を超えると、原料粒径の低下時に炉壁部の通気抵抗が急激に増大する。この理由は、コークステラス長が小さい条件で原料粒径が小さくなった場合には、コークステラス上に堆積していた原料の一部が、この原料自体の粒径低下に伴う安息角の低下によって炉中心側に流れ込み、粒径低下と流れ込みによる層厚低下とが相殺して、炉壁部通気抵抗はほとんど変化しない結果となり、一方、コークステラス長が大きい場合には、原料粒径の大きさに関係なくコークステラス上に堆積した原料はほとんど中心部に流れこまず、層厚がそのまま維持された状態になるために粒径が低下すると通気抵抗が増大するためである。さらに、コークステラス長が小さい場合でも、炉中心部のコークス傾斜角が７°と小さい場合は、鉱石の流れ込みが抑制されるため、ロングテラスと同様に原料の粒径低下時に炉壁部の通気抵抗が増大することである。

以上の試験結果を整理すると、コークス堆積層の崩れと焼結鉱粒径低下時のガス分布の変動を抑制するには、コークス堆積形状は無次元コークステラス長が０．３以下で、コークス堆積層の傾斜角１０°〜２０°にすることが必要であることがわかった。

さらに、焼結鉱のような粒径変動のある原料の使用量に対する条件を求めるため、ほとんど粒径変動がない原料としてペレットを使用し、平均粒径を変えた焼結鉱と適宜配合割合を変えて調査をおこなった。その結果を図５に示した。原料中の焼結鉱比が６０％を超え、無次元コークステラス長が０．３を超えると、炉壁部の通気抵抗指数が焼結鉱粒径に応じて顕著に増加することがわかる。換言すれば、本発明方法は、粒径変動の大きい焼結鉱のような原料を多量に使用する場合に、効果的であることがわかる。

この実施例は、内容積４５００ｍ^３のベルレス装入装置を有する高炉において、焼結鉱比７８％の条件で低コークス比操業を実施した。コークス比低下に際し、１チャージあたりの原料の装入量は一定とし、コークス装入量を低下させた。装入シーケンスはコークス、原料の２バッチ装入である。この操業結果を図６に示す。無次元コークステラス長０．２５、コークス傾斜角３０°の条件では、コークス比低下に伴い主に炉下部の通気変動が大となり、コークス比が３５０ｋｇ／ｔ程度まで低下すると安定操業の継続が困難であった。次に、無次元テラス長を０．４０に調整したところ、炉壁部での吹き抜け現象が顕著化し、やはり、コークス比が３５０ｋｇ／ｔ程度まで低下すると安定操業の継続が困難であった。そこでさらに、本発明法に適合する条件、即ち、無次元テラス長０．３以下、コークス傾斜角２０°以下に調整したところ、コークス比を３５０ｋｇ／以下としても安定操業が可能となった。

実物大の模型の高炉装入装置の概略説明図である。 （ａ），（ｂ）はともに、模型実験による原料装入に伴なうコークス崩れの様子を示すグラフである。 模型実験によるコークステラス長と原料粒径変化時（１８ｍｍ→１２ｍｍに低下）の半径方向通気抵抗指数の変化の関係を示すグラフである。 模型実験によるコークステラス長と原料粒径変化時の炉壁部通気抵抗指数の変化の関係を示すグラフである。 模型実験によるぺレット比を変化させた場合のコークステラス長と炉壁部通気抵抗指数の関係を示すグラフである。 本発明の実施例を適用したコークス比低下の高炉操業グラフである。

Claims (1)

1. ベルレス装入装置を用いて装入した高炉内コークス堆積層の構造を制御して高炉の操業を行う方法において、低コークス比操業時の前記コークス堆積層の堆積形状を、コークステラスの長さ／炉口半径の比が０．３以下、コークス傾斜角が１０〜２０°となるよう堆積させることを特徴とする高炉操業方法。

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