JP2015074801A

JP2015074801A - 高炉操業方法

Info

Publication number: JP2015074801A
Application number: JP2013211337A
Authority: JP
Inventors: 酒井　博; Hiroshi Sakai; 博酒井; 公平砂原; Kohei Sunahara; 将達片桐; Nobutatsu Katagiri
Original assignee: Nippon Steel and Sumitomo Metal Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2013-10-08
Filing date: 2013-10-08
Publication date: 2015-04-20
Anticipated expiration: 2033-10-08
Also published as: JP6167829B2

Abstract

【課題】ベルレス高炉において、コークス及び燒結鉱の品質向上に頼ることなく、燒結鉱の粒径及びコークスの粒径を径方向で変更することにより、高出銑、低還元材比操業を可能とすること。
【解決手段】高炉への装入前に焼結鉱及びコークスを粗粒と細粒の粒径に篩分けし、細粒焼結鉱と粗粒コークスの一部が炉壁近傍において混合して存在するよう装入し、粗粒焼結鉱と細粒コークスが炉壁近傍から中心コークス近傍の領域において混合して存在するよう装入することを特徴とする高炉操業方法。
【選択図】図７

Description

本発明は、高炉操業方法に関する。特に、焼結鉱及びコークスを粗粒と細粒に篩分けし装入する高炉操業方法に関する。

近年、設備の集約化傾向にともない、高炉操業の分野においても生産性向上のニーズが高まっている。高炉における高生産性操業、すなわち高出銑比の高炉操業を行う上での課題としては、出銑滓および荷下がりの安定性、通気性の確保等がある。従来の高出銑比の高炉操業では、こうした考え方の下で、装入物強度の向上が研究されてきた。
また、地球温暖化対策として、ＣＯ_２の排出削減のため、高炉の還元材比の低減が要請され、焼結鉱の被還元性の向上も研究されてきた。

鉄鉱石原料中の７０質量％以上が見掛け密度４．２ｇ／ｃｍ^３以上の高見掛け密度鉄鉱石を配合原料として製造されたものであって、ＳｉＯ_２の質量比率が３．１質量％未満、ＣａＯ含有量が８．５質量％以上、ＭｇＯ含有量が０．８質量%以上、ＦｅＯ含有量が５質量％以上で、落下強度(ＳＩ)が９０以上である極低ＳｉＯ_２高強度焼結鉱を１０質量％〜６０質量％含む焼結鉱を、塊鉱石その他の原料ならびに炭材と共に装入し、炉内に生成する高炉スラグのＡｌ_２Ｏ_３を１６質量％以下に調整するとともに、出銑比が２．３５を超える操業を特徴とする高出銑比操業方法が開示されている（特許文献１）。
また、高炉羽口部から微粉炭を吹き込むとともに、焼結鉱を含む鉄源とコークスを交互に高炉頂部から装入し、炉内持ち込み水分を３０ｋｇ／ｔ−ｐｉｇ以上とし、出銑比を２．２以上２．５以下で操業を行う高炉操業方法において、前記焼結鉱の被還元速度を０．４３５〜０．５００（％／ｍｉｎ)としたことを特徴とする高炉操業方法を述べている（特許文献２）。

特許第４１９６６１３号公報特許第４５６４４６２号公報

特許文献1に記載の発明は、極低ＳｉＯ_２高強度焼結鉱を用い、高炉スラグのＡｌ_２Ｏ_３を１６質量％以下に調整して、高出銑比操業を達成する。また、特許文献２に記載の発明は、高出銑比、かつ、炉内に持ち込まれる水分量が多くなる操業において、炉内還元時間が短縮する状況下で、被還元性に優れた焼結鉱を使用することで、高出銑比操業を可能とするものである。
しかし、近年の資源劣質化により高炉で使用する装入物の多種多様化が求められている。上記の特許文献1又は特許文献２に記載の発明は、いずれも高出銑比操業の達成のために装入原料性状を向上させる必要があり、通常時の操業で使用されるコークス、焼結鉱をそのまま使用することはできない。
そこで、コークス及び焼結鉱の品質向上に頼ることなく、高出銑、低還元材比操業を可能とする高精度な装入物分布制御技術の開発が期待される。

高炉においては、鉱石とコークスを順次に炉内に装入し、鉱石層とコークス層を形成する装入方式が一般的である。
装入物分布制御の方法として、最近の大型高炉においては、炉頂部に旋回機能を有し、且つ、その俯仰角度が変更できるシュートを設け、このシュートにより原料をリング状に炉内に装入する旋回シュート式原料装入装置が採用されている（以下、ベルレス高炉と記す。）。

大型高炉を安定して操業するには、高炉内での還元ガスの通気性の確保が重要である。
高炉の全体の通気性は、（１）装入物の粒度分布に依存し、そして、径方向の通気抵抗分布は、（２）径方向での鉱石とコークスの層厚比（以下Ｏ/Ｃという。）の分布と、（３）径方向での鉱石とコークスの粒度分布、により形成される。そのため、上記（１）乃至（３）のコントロールにより、高炉内の通気性を改善することが重要である。

本発明者は、焼結鉱及びコークスを粗粒と細粒に篩分け、粗粒と細粒を径方向に偏析させ装入することにより、高炉全体の通気性及び還元性を改善する方策を研究した。
本発明の目的は、装入物分布制御により焼結鉱の粒径及びコークスの粒径を径方向に変更し、高出銑、低還元材比操業を可能とする高炉操業方法を提供することである。

本発明者等は、ベルレス高炉において、焼結鉱及びコークスの径方向の粒度分布を変更し、高炉トータルシミュレータを用いて計算した結果、高出銑、低還元材比操業が可能となる知見を得た。
本発明は、かかる知見に基づくものである。

本発明の要旨とするところは、以下のとおりである。
（１）高炉への装入前に焼結鉱及びコークスを粗粒と細粒の粒径に篩分けし、細粒焼結鉱と粗粒コークスの一部が炉壁近傍において混合して存在するよう装入し、粗粒焼結鉱と細粒コークスが炉壁近傍から中心コークス近傍の領域において混合して存在するよう装入することを特徴とする高炉操業方法。
（２）前記焼結鉱の粒径篩分けは、細粒焼結鉱が２０％〜４０％で、粗粒焼結鉱が８０％〜６０％であることを特徴とする請求項１に記載の高炉操業方法。
（３）前記細粒焼結鉱への前記粗粒コークスの混合量は、０ｋｇ／ｔ−ｐｉｇを超え、２０ｋｇ／ｔ−ｐｉｇ以下であることを特徴とする（１）又は（２）に記載の高炉操業方法。
（４）前記粗粒焼結鉱への前記細粒コークスの混合量が０ｋｇ／ｔ−ｐｉｇを超え、５０ｋｇ／ｔ−ｐｉｇ以下であることを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載の高炉操業方法。

本発明は、ベルレス高炉において、コークス及び焼結鉱の品質向上に頼ることなく、焼結鉱の粒径及びコークスの粒径を径方向で変更することにより、高出銑、低還元材比操業が可能となる高炉操業方法を提供することができる。

原料堆積層表面に落下した装入物の粒度偏析を示す図。原料堆積層におけるコークステラスの形成を示す図。粒度を分級することにより、空隙率が向上することを説明する模式図。燒結鉱の粒度分級の一例を示す図。粒度分級の割合に対応した空隙率を示す図。槽からの原料切り出しにより、輸送ベルト上での原料混合を説明する図。Ｃ_１、Ｃ_２、Ｏ_１、Ｏ_２の４バッチ装入の装入物堆積形状を示す図。装入物分布モデルの計算に用いた焼結鉱の粒度分布を示す図。装入物分布モデルの計算に用いたコークスの粒度分布を示す図。炉壁近傍（図７のＰ，Ｐ断面）における装入物の堆積状況を示す図。

（ベルレス高炉の装入物装入方法の従来技術）
ベルレス高炉の装入物装入方法は、一般に、コークス（以下Ｃと記す。）は、Ｃ_１、Ｃ_２の２バッチに分けて装入され、又、鉱石（以下Ｏと記す。）は、Ｏ_１、Ｏ_２の２バッチに分けて装入される。Ｃ_１、Ｃ_２、Ｏ_１、Ｏ_２の装入を１チャージと称する。ここで、コークスと鉱石それぞれ１バッチで装入し、Ｃ_１、Ｏ_１の２バッチを１チャージとする装入や、Ｃ_１、Ｃ_２、Ｏ_１の３バッチを１チャージとする装入方法もある。
以下、本願明細書では、Ｃ_１、Ｃ_２、Ｏ_１、Ｏ_２の４バッチを１チャージとする装入方法について述べるが、Ｃ_１、Ｏ_１、Ｃ_２、Ｏ_２等のバッチの順を変えた装入、２バッチ、３バッチを１チャージとする装入方法においても同様である。
図１に傾動角度θの旋回シュート４から炉内に落下したＣ_１、の粒度偏析を示す。高炉炉内に落下したＣ_１は、高炉中心と壁側に向け転がり落ち、一般に、逆Ｗ型形状の装入物形状を形成する。この場合、Ｃ_１の中の粗粒コークス５は、高炉中心方向と壁側に向け転がり落ち、微粒コークス６は、落下地点にとどまりやすい。装入される鉱石も同様である。
炉壁の直前は、粗粒コークス５が堆積しやすいので、通気性が良く、炉内ガスが強く通り易い（いわゆるスキンフロー）。その結果、炉壁が損傷されやすいという問題がある。
これに対し、Ｃ_１の炉壁近傍に形成された壁際の「くぼみ」にＯ_１を装入し、壁際のＯ／Ｃを調整することにより、壁際のガス流をコントロールする技術がある。
一方、図２に示すいわゆるコークステラスの形成技術がある。コークステラスとは、ベルレス高炉において、装入物の落下点を炉壁から炉中心部側へ連続的に移動させ、炉壁近傍におけるコークス堆積形状（プロフィール）を平らなテラス状に形成することである。テラスでは、プロフィールが平らなため粒度偏析が抑制され、粗粒コークス５と微粒コークス６は、均一に堆積される。そのため、コークステラス上にＯ_１を乗せることにより炉壁近傍の鉱石とコークスの堆積比（Ｏ／Ｃ）を調整し、炉壁近傍の安定なガス流をコントロールすることができる。
Ｃ_２は、炉の中心流を確保するため、炉中心近傍に装入される。

（本発明の考え方）
本発明は、上記の従来の装入分布形成技術をベースとし、更なる通気性および還元性の向上を図るために以下の３ポイントを特徴とする。
（１）鉱石充填層の通気性を向上させるため、焼結鉱の粒度分布を細粒側と粗粒側に分級し、それぞれの充填層の空隙率を相対的に向上させる(図３、図４)。
（２）塊状帯における鉱石充填層の還元性を向上させるため、細粒コークスを鉱石層中に混合させる。
（３）炉壁近傍の軟化融着帯における鉱石充填層の通気性を向上させるため、大塊コークスを鉱石層中に混合させる。
上記3点を満たした装入物分布制御ができれば、十分な通気性改善効果、還元性改善効果が期待でき、装入原料性状を操作することなく、極めて出銑量を増加させた操業が可能となると期待される。
以下、コークステラス形成の装入分布形成をベースとして説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

（焼結鉱およびコークスの粗粒と細粒への篩分け）
本発明では、上記特徴ポイント（１）を目的に、焼結鉱およびコークスを粗粒と細粒に篩分け、高炉の通気性の向上を図る。一般に、充填物の粒度分布が狭いと、空隙率が向上する。
図３は、粗粒と細粒に分級することにより、空隙率が向上することを模式的に示す。
図４に焼結鉱の粒度分級の一例を示す。この例では、１８ｍｍを分級点とし、１８ｍｍ以下の細粒を約３０％、１８ｍｍ以上の粗粒を、約７０％得ることができる。
分級点としては、１５ｍｍ〜２５ｍｍとすることができる。

細粒及び粗粒の割合に対応した空隙率の変化について、一田らによる下記の式（１）の報告がある（鉄と鋼第77年(1991) 第10号 p1561-p1568)。

ここで、ε_jは多成分粒子充填層の粒子jに着目した場合の層空間率であり、βj は粒子jを単独で充填した場合の層空隙率より得られる比例定数であり、S_k は体積基準の混合分率を考慮した指数、ε(j, k) は多成分粒子充填層内の着目粒子周囲の部分的な層空間率である。

式（１）を用い粒度分級割合に応じた空隙率を計算した。図５に粒度分級割合に応じた空隙率を示す。細粒焼結鉱の割合が、２０質量％〜４０質量％の範囲（粗粒焼結鉱は、８０質量％〜６０質量％）で、細粒層と粗粒層の合計の空隙率が大きい。この結果より、焼結鉱の粒径篩分けは、細粒焼結鉱が２０％〜４０％、粗粒焼結鉱が８０％〜６０％で粒径篩分けして高炉に装入すると、焼結充填層の空隙率が向上し、高炉の通気性が向上することが分かった。

（粗粒焼結鉱の装入方法）
本発明では、篩分けによる細粒焼結鉱及び粗粒焼結鉱をその堆積特性に対応して炉径方向の装入位置を変える。
Ｃ_１、Ｃ_２、Ｏ_１、Ｏ_２の４バッチに対して、細粒焼結鉱をO₁に用い、粗粒焼結鉱をＯ_２に用いることで、上記の本願の特徴ポイント（１）を実現する。Ｏ_２は、焼結鉱の８０％〜６０％を占める粗粒焼結鉱とすることで、炉全体の空隙率を上げ、通気性の向上を図ることができる。
そして、粗粒焼結鉱に細粒コークス（略１０ｍｍ〜５０ｍｍ）を混合することで、更に、焼結層の通気性を良くし生産性を向上させると同時に、焼結鉱と細粒コークスの粒子を近接させることにより、焼結鉱の還元性を向上させ、還元材比を低下させ上記の本願の特徴ポイント（２）を実現することができる。

粗粒焼結鉱と細粒コークスの混合方法は、槽からの切り出しによって実施する。図６に槽からの原料切り出しによる輸送ベルト上の原料混合を示す。粗粒焼結鉱槽１から切り出された輸送ベルト３上の粗粒焼結鉱の上に細粒コークス槽２から切り出された細粒コークスを乗せ、ブレンドする。
細粒コークスの粗粒焼結鉱への混合量は、５０ｋｇ／ｔ−ｐｉｇ以下が好ましい。５０ｋｇ／ｔ−ｐｉｇを超えると細粒コークスは、炉内の直接還元により消費されずに残留し、下層であるＣ_１層に侵入し、Ｃ_１層のコークス空隙率を低下させ、通気阻害を起こすからである。

（細粒焼結鉱の装入方法）
細粒焼結鉱は、粗粒コークスを混合し、Ｃ_１、Ｃ_２、Ｏ_１、Ｏ_２の４バッチ装入のＯ_１として装入する。上記特徴ポイント（３）の炉壁近傍の鉱石充填層の通気性を向上させるため、粗粒コークスを焼結鉱層中に混合させる。テラス上の焼結鉱は、微粒の偏析がなく、燒結鉱に混合した粗粒コークスは、通気性の向上に貢献する。
細粒焼結鉱への粗粒コークスの混合量は、２０ｋｇ／ｔ−ｐｉｇ以下が好ましい。粗粒コークスの適正混合量は、テラス長さに応じて変化するが、通常操業のテラス長さが１．２〜１．５ｍであり、このテラス上のみに粗粒コークスを局所的に５０ｋｇ／ｔ−ｐｉｇ装入しようとすると、炉内平均としては２０ｋｇ／ｔ−ｐｉｇの混合量となる。即ち２０ｋｇ／ｔ−ｐｉｇは、テラス上の焼結鉱で見れば、５０ｋｇ／ｔ−ｐｉｇに相当する。

図７に本発明におけるＣ_１、Ｃ_２、Ｏ_１、Ｏ_２の４バッチ装入の装入物堆積形状の一例を示す。各バッチの装入量（ｔ）を表１に示す量とし、焼結鉱の粒度分布を図８、コークスの粒度分布を図９とし、装入物分布モデルにより計算したものである。
ここで、装入物分布モデルは、プロフィール計により求められた炉頂装入物の表面形状(計測値)に対して、斜面に堆積する際の粒度偏析を考慮して原料体積層の構造を決定するシミュレーションモデルで、本発明者等によるものである（特開２０００−８１０５号公報）。

図１０に炉壁近傍（図７のＰ，Ｐ断面）における装入物の堆積状況を示す。Ｃ_１は、コークス層で、融着帯におけるコークススリットとして、通気に貢献する。Ｏ_１は、細粒焼結鉱に粗粒コークスが混合した層であり、炉壁近傍の通気維持を図る。Ｏ_２は、粗粒焼結鉱に細粒コークスが混合した層であり、通気性の維持と焼結鉱の還元性の向上が図られる。
これより、本願発明の特徴ポイント(１)、（２）、（３）を満たした装入物分布制御が確保され、安定的に通気性ならびに還元性改善効果が期待できる。

本発明の効果を確認するため、高炉内の反応、流動、伝熱を考慮した高炉トータルシミュレータを用いて検証計算を行った。
高炉トータルシミュレータは、高炉を昇温帯、還元帯、ソリュ−ションロス帯、融着帯、滴下帯にそれぞれのゾーンに分割することで、実高炉における各領域の機能を模したものであり、各ゾーンにおける熱収支、物質収支、反応を考慮するものである。
計算条件として、内容積が４５００ｍ^３の高炉を想定し、出銑比３．０の高出銑比操業を仮定した。
従来操業に対して、酸素富化率を表２に示すように出銑比に対して増加させ、出銑比を３．０まで増加させた。
比較例１は、出銑比２．０程度の従来操業である。比較例２は、従来操業の装入物分布をそのまま適用した出銑比３．０の操業である。
本発明例は、装入物分布の条件は、図８及び図９を用い、粗粒焼結鉱分級割合８０％、粗粒焼結鉱への細粒コークス混合量５０ｋｇ／ｔ−ｐｉｇ、細粒焼結鉱へのコークス混合量２０ｋｇ／ｔ−ｐｉｇとして、出銑比３．０の操業を設定した。なお、送風温度、送風湿分、コークス比を共通の計算前提とし、溶銑温度が全ての計算結果で等しくなるように微粉炭比と送風量を操作した。
表２に計算結果を示す。比較例２では、比較例１と比べて大幅に圧力損失が増加する。これに対し、本発明例は、圧力損失の低下が見られた。また、本発明例では、圧力損失の低減だけでなく、ガス利用率の向上も増加した。
以上の高炉トータルシミュレータによる検証の結果、本発明の装入物分布制御は、出銑量の増加による通気性の上昇を抑制し、高炉内の通気性の向上に大きく寄与することがわかった。

ベルレス高炉において、コークス及び焼結鉱の品質向上に頼ることなく、焼結鉱の粒径及びコークスの粒径を径方向で変更することにより、高出銑、低還元材比操業の達成に利用することができる。

１…粗粒焼結鉱槽、２…細粒コークス槽、３…輸送ベルト、４…旋回シュート、５…粗粒コークス、６…微粉コークス。

Claims

高炉への装入前に焼結鉱及びコークスを粗粒と細粒の粒径に篩分けし、細粒焼結鉱と粗粒コークスの一部が炉壁近傍において混合して存在するよう装入し、粗粒焼結鉱と細粒コークスが炉壁近傍から中心コークス近傍の領域において混合して存在するよう装入することを特徴とする高炉操業方法。
前記焼結鉱の粒径篩分けは、細粒焼結鉱が２０％〜４０％で、粗粒焼結鉱が８０％〜６０％であることを特徴とする請求項１に記載の高炉操業方法。
前記細粒焼結鉱への前記粗粒コークスの混合量は、０ｋｇ／ｔ−ｐｉｇを超え、２０ｋｇ／ｔ−ｐｉｇ以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の高炉操業方法。
前記粗粒焼結鉱への前記細粒コークスの混合量が０ｋｇ／ｔ−ｐｉｇを超え、５０ｋｇ／ｔ−ｐｉｇ以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の高炉操業方法。