JP6219266B2 - 高炉のメタリック原料装入方法 - Google Patents
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Description
特許文献1は、ガス利用効率の悪化や炉頂ガス温度の過度の上昇を伴わずに確実に炉芯コークスの通気・通液性の確保と高温の維持することを目的としたものである。この特許文献1では、コークスの装入と鉄源原料の装入を繰り返して高炉を操業するに際し、各チャージの鉄源原料の一部を酸化鉄源から金属鉄源に代え、この金属鉄源を通常のコークスの装入もしくは鉄源原料の装入、またはその両者に先立って中心部に集中装入し、各チャージの装入コークスの一部を、通常のコークスの装入もしくは鉄源原料の装入、またはその両者に先立って、中心部に集中装入し、炉中心軸上における装入物最上層の表層レベルから垂直下方への距離が1mから5mまでの範囲の中心部のコークス層内に炭化水素系の気体もしくは液体、またはその両者を吹き込んでいる。
特許文献5は、本発明は、回転炉床式還元炉で酸化鉄を還元して、還元鉄ペレットを高炉またはキュポラ等の縦型炉に供給する際に、これらの炉での適正な操業を実施することを目的としている。特許文献5は、回転炉床式還元炉にて、酸化鉄と炭素を含む粉体の成形体を加熱処理して、鉄の金属化率50〜85%の還元鉄ペレットを製造する。この還元鉄ペレットの性状として、気孔率20〜50%のものを製造する。分級処理などをして、還元鉄ペレットの換算径が5〜20ミリメートルのものの比率が80%以上としたものを、製鉄高炉またはキュポラ等の縦型炉に装入する。炉下部の羽口から吹き込まれる空気とコークスや微粉炭との反応により発生する還元ガスにより、還元・溶解して、溶融鉄を製造している。
また、特許文献1〜3では、原料を中心に装入することが記載されているものの、原料の組成等については詳細に述べられていない。加えて、高炉に装入する中心装入コークスの強度について示されていない。それゆえ、安定的に操業を行いつつ、低コークス操業下で炉内の中心部における通気性を維持することが難しいのが実情である。
さて、近年、コークス(石炭)の品質が劣化すると共に、価格も高騰してきている。このようなことから、高品質なコークスの比率を下げ、一方で、微粉炭(PCという)等の補助燃料を多量に用いる操業(高PC比操業)の開発が進められている。また、CO2の削減の観点からも、高PC比操業の開発が進められている。
そこで、本発明は上記問題点を鑑み、高PC比操業(低コークス操業)下で、通気性を維持したまま高温ガス顕熱を回収し、低還元材比(低コークス比)で安定的な操業を行うことができる高炉のメタリック原料装入方法を提供することを目的とする。
本発明に係る高炉のメタリック原料装入方法は、炉体の中心部に中心装入コークス及びメタリック原料を装入し、羽口から150kg/tp以上の補助燃料を吹き込んで高炉の操業を行うに際し、前記メタリック原料の成分に関し、FeOは1.0質量%以下、M.Feは90.0質量%以上、Cは1.0質量%以上、M.Fe+Cは93.0質量%以上であり、前記中心装入コークスの粒径DCは、40mm以上100mm以下、前記メタリック原料の粒径DMは、5mm以上30mm以下であり、前記中心装入コークスのドラム強度指数DIC(-)と前記メタリック原料の粒径DM(mm)の最大値DMMAX (mm)との関係は、式(1)を満たし、前記中心装入コークスの粒径DC(mm)とメタリック原料の粒径DM(mm)とメタリック原料に含まれるFeOの質量比率(質量%)との関係は、すべての数値において式(2)を満たし、前記メタリック原料の質量M1と中心装入コークスの質量M2との比を示す質量比率は、式(3)を満たし、相対半径で0.20以下である前記中心部に、前記メタリック原料及び中心装入コークスを装入することを特徴としている。
DM/(DC/(1−FeO/100)=0.05〜0.75 ・・・(2)
M1/M2=1.0〜3.0 ・・・(3)
還元材比で安定的な操業を行うことができる。
高炉(竪型冶金炉)では、その上部からペレット、焼結鉱、塊鉱石、コークス、石灰石などの原料と還元材とを層状に装入し、下部から熱風を吹込んで、鉄鉱石の還元、溶解等の一連の反応を行わせ、銑鉄を製造している。
本発明では、微粉炭などの補助燃料を多量に用いる高PC比操業であっても、後述するように、通気性を維持したまま高温ガス顕熱を回収し、低還元材比で安定的な操業を行うことができる。
まず、本発明のPC比操業では、150kg/tp以上の補助燃料(微粉炭、PC)を羽口から吹き込むことを前提としている。微粉炭の吹き込み量の国内平均は、現在、120〜130kg/tpであり、この操業では、微粉炭の吹き込み量は国内平均以上である。なお、「kg/tp」とは、銑鉄1トン当たりの微粉炭の吹き込み質量のことである。
鉄鋼精錬、社団法人日本金属学会、(1979)、p120」に示されているように、ベルアーマー式と、ベルレス式(旋回シュート式)との2種類がある。本実施形態では、原料装入方式として、ベルアーマー式を採用している。
図1は、ベルアーマー式の原料装入装置の概略図である。
出してしまう。中心装入コークスは、装入後わずか1時間で約1200℃まで上昇し、炉内での熱交換が十分ではないため顕熱を無駄にしている。その結果、単に、コークス中心装入を行った場合には、還元材比を増加させる一方で、通気性を優先して安定操業を行っているのが実情である。
メタリック原料とは、金属鉄(M.Fe)を主成分とする還元鉄(DRI、HBI)、鋳物銑、スクラップ(くず鉄)等の総称である。
M.Feが90.0%以上である場合、炉中心の高ガス流速域においてフラッディングを抑制することができ、中心部における通気性や中心ガス流に影響を及ぼさない。
さて、炉中心に装入する中心装入コークスの粒径DCは、40mm以上100mm以下である。詳しくは、炉内に装入前のコークスを篩に掛けて、粒径DCが40〜100mmであるコークスを用意し、当該コークスを中心部に向けて装入するコークス(中心装入コークス)とする。中心装入コークスの粒径DCを、40〜100mmの範囲内にすることによって、中心コークス層の空隙率が向上し、中心流が強化する。その結果、逆V型の融着帯が形成でき、圧損を低下すると共に、熱損失も低下させることができる。特に、通気性の向上には、中心装入コークスの平均粒径の大きくするのではなく、粒径DCの小さいものを低減(粉低減、アンダーカット)する一方で、ある程度、粒径DCが大きな大塊を用い、さらに、粒度分布幅を狭くすることが効果的であり、上述したように、中心装入コークスの粒径DCを40〜100mmにすることによって、通気性等を向上させることができる。
また、室炉式コークス炉で乾留されたコークスは、大小の亀裂を多数有していて、不定形状を呈している。コークスはコークス炉から押し出された後に輸送工程を経ていく途中で落下衝撃等で破壊され、その結果として決まる粒度分布は概ね正規分布となることが知られている。本発明では、コークスを装入する直前、即ち、コークスの製造及び輸送後であって、供給装置に装入されたときの粒径について規定している。
前のメタリック原料を篩に掛けて、粒径が5〜30mmであるメタリック原料を用意し、当該メタリック原料を中心部に向けて装入している。
メタリック原料の粒径が5mm以上である場合、中心部における高流速域にメタリック原料を装入した場合であっても流動化せず、飛散することを抑制することができる。一方、メタリック原料の粒径が5mm未満である場合、流動化が発生してしまう。なお、メタリック原料は、浸炭しているため、装入直後に昇温されて溶け落ちる(低融点で溶ける)ため、粒径が下限値(5mm)であって小粒径であったとしても、通気性の低下が発生することがなかった。
第1に、メタリック原料の粒径が大きすぎる場合、メタリック原料がコークス充填層の間隙に入らない、即ち、間隙に堆積することができない。即ち、中心部における充填層の体積が大きくなり、中心ガス流領域が広くなり過ぎる。その結果、中心流が強くなりすぎて、COガス利用率が低下してしまう。ゆえに、メタリック原料を装入したとしても、還元材比を増加を抑制することができなくなる。
第3に、メタリック原料の粒径が大きすぎる場合、昇温が遅くなる(粒子内の伝熱遅れ)。その結果、高温ガスの顕熱の回収効果が小さくなってしまう。このようなことを鑑み、様々な検証の結果、メタリック原料の粒径の上限値は、30mmとした。
そこで、本発明では、中心装入コークスのドラム強度指数DICと、メタリック原料の粒径DMの最大値DMMAXとの関係は、式(1)を満たすようにしている。
ここで、ドラム強度指数DICとは、JISK2151に準じて求められるもので、ドラム試験機を用いて150回転した後において、15mm以上の粒径を有するコークスの質量割合である。
図2は、実際の高炉(内容積=4500m3)において、メタリック原料を装入しない場合の炉内圧損(kPa)、即ち、中心部に中心装入コークスのみを装入した場合の炉内圧損と、ドラム強度指数DICを示した図である。図2に示すように、ドラム強度指数DICが84.0以上である場合、炉内圧損が180kPa以下であって、実操業において、通気や通液性が向上し、安定操業を行うことができる。一方、中心装入コークスのドラム強度指数DICが84.0より小さくなると炉内圧損が180kPaより大きくなり、スリップや吹き抜けが発生し、安定操業が継続できないことがある。したがって、メタリック原料を装入しない時に、安定操業のために必要なドラム強度指数DICの下限値は84.0である。
図3及び表1は、メタリック原料の粒径DMの最大値DMMAXと、中心装入コークスのドラム強度指数DICとの関係である。
ここで、メタリック原料装入時の落下衝撃によるコークスの破壊挙動を物理的に検討するため、この結果から中心装入コークスが割れる、割れないの境界線を求めた。
メタリック原料の落下衝撃力は以下の関係より求められる。
そこで、本発明では、中心装入コークスの粒径DC、メタリック原料の粒径DM及びメタリック原料に含まれるFeOの関係は、式(2)を満たすこととしている。
DM/(DC/(1−FeO/100)=0.05〜0.75 ・・・(2)
反応劣化度合いはFeO(%)に比例することから、FeOによる反応劣化による影響を考慮した中心装入コークスの粒径DC(反応劣化後粒径)は、DM/(DC/(1−FeO/100)で表現可能である。
図5に示すように、メタリック原料の溶融前の固体状態では通気性があり、中心ガス流領域が広く過ぎるが、中心部の高温度域に装入した場合は直に昇温・溶け落ちし、中心充填構造が変化してしまう。例えば、中心装入コークスと鉱石の混合層が形成され、通気が逆に悪化したり、ガス流れが変化してしまう。
M1/M2(質量比率)=1.0〜3.0 ・・・(3)
装入するメタリック原料の質量M1が少なく、式(3)の下限値(1.0)よりも小さい場合、還元材比、即ち、コークス比低減効果が小さい(中心高温ガス顕熱回収効果が小さい)。装入するメタリック原料の質量M1が多く、式(3)の上限値(3.0)よりも大きい場合、溶けたメタルのホールドアップで通気を阻害してしまう虞があり、中心ガス流が弱くなり、高炉操業が不安定化する可能性がある。この場合は、還元材比を上げないと安定した高炉操業が実施できないため、メタリック原料の装入による還元材の低減を行うことができない。
以上、本発明の高炉のメタリック原料装入方法によれば、中心部(相対半径で0.20以下となる部分)に、メタリック原料及び中心装入コークスを装入している。メタリック原料の成分に関し、FeOは1.0質量%以下、M.Feは90.0質量%以上、Cが1.0質量%以上、M.Fe+Cは93.0質量%以上としている。また、中心装入コークスの粒径DCは、40mm以上100mm以下、メタリック原料の粒径DMは、5mm以上30mm以下としている。中心装入コークスのドラム強度指数DIC、メタリック原料の粒径DMの最大値DMMAXとの関係は、式(1)を満たしている。中心装入コークスの粒径DCとメタリック原料の粒径DMとメタリック原料に含まれるFeOとの関係は、式(2)を満たしている。メタリック原料の質量M1と中心装入コークスの質量M2との比を示す質量比率は、式(3)を満たしている。
高炉は、内容積が4500m3のベルアーマー式の高炉を用いた。出銑比は、1.8t/m3/dayとした。出銑比とは、一日当たり(day)の出銑量(t)を高炉内容積(m3)で割り戻した値である。また、高炉の操業では、補助燃料の吹き込みを、150kg/tp以上とした。また、中心部に中心装入コークス及びメタリック原料を装入した。実施例及び比較例のテスト期間は1週間で、その間の累積出銑量は、56700トン(4500×1.8×7トン)とした。なお、還元材比(kg/tp)とは、銑鉄1トンを製造する時に必要な還元材(コークス、PC、重油、他)の質量(kg)である。コークス比(kg/tp)とは、銑鉄1トンを製造する時に必要なコークスの質量(kg)である。
実施例1〜30では、メタリック原料の成分に関し、FeOは1.0質量%以下、M.Feは90.0質量%以上、Cが1.0質量%以上、M.Fe+Cは93.0質量%以上としている(メタリック原料の欄)。また、中心装入コークスの粒径DCは、40mm以上100mm以下、メタリック原料の粒径DMは、5mm以上30mm以下としている(粒径の欄)。
ている。比較例9、10、13では、中心装入コークスの粒径DCは40mm未満、比較例11〜13では、中心装入コークスの粒径DCは100mmを超えている。比較例14、15では、メタリック原料の粒径DMは5mmを超え、比較例16〜19では、メタリック原料の粒径DMは30mmを超えている。比較例19、20では、中心装入コークスのドラム強度指数DICと、メタリック原料の粒径DMの最大値DMMAXとの関係は式(1)を満たしていない。比較例9、10、13〜19では、中心装入コークスの粒径DCとメタリック原料の粒径DMとメタリック原料に含まれるFeOとの関係は、式(2)を満たしていない。比較例21では、中心装入コークス及びメタリック原料の中心装入の範囲が相対半径で0.20を越えた位置で行っている。比較例22〜24では、メタリック原料の質量M1と中心装入コークスの質量M2との比を示す質量比率は、式(3)を満たしていない。
図7は、実施例及び比較例における還元材比と中心液指数との関係を示している。図7に示すように、比較例1を境界とした場合、実施例では、還元材比が低くても中心液指数は比較例に比べて上昇させることができた。
3 アーマー(反発板)
4 中心装入シュート
Claims (1)
- 炉体の中心部に中心装入コークス及びメタリック原料を装入し、羽口から150kg/tp以上の補助燃料を吹き込んで高炉の操業を行うに際し、
前記メタリック原料の成分に関し、FeOは1.0質量%以下、M.Feは90.0質量%以上、Cは1.0質量%以上、M.Fe+Cは93.0質量%以上であり、
前記中心装入コークスの粒径DCは、40mm以上100mm以下、前記メタリック原料の粒径DMは、5mm以上30mm以下であり、
前記中心装入コークスのドラム強度指数DIC(-)と前記メタリック原料の粒径DM(mm)の最大値DMMAX (mm)との関係は、式(1)を満たし、
前記中心装入コークスの粒径DC(mm)とメタリック原料の粒径DM(mm)とメタリック原料に含まれるFeOの質量比率(質量%)との関係は、すべての数値において式(2)を満たし、
前記メタリック原料の質量M1と中心装入コークスの質量M2との比を示す質量比率は、式(3)を満たし、
相対半径で0.20以下である前記中心部に、前記メタリック原料及び中心装入コークスを装入する
ことを特徴とする高炉のメタリック原料装入方法。
DIC≧84.0+DMMAX 3/100000 ・・・(1)
DM/(DC/(1−FeO/100)=0.05〜0.75 ・・・(2)
M1/M2=1.0〜3.0 ・・・(3)
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