JP6269549B2

JP6269549B2 - 高炉操業方法

Info

Publication number: JP6269549B2
Application number: JP2015063513A
Authority: JP
Inventors: 祐樹岩井; 佐藤　健; 健佐藤; 夏生石渡
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2015-03-26
Filing date: 2015-03-26
Publication date: 2018-01-31
Anticipated expiration: 2035-03-26
Also published as: JP2016183373A

Description

本発明は、被還元性が低い低被還元性原料を含む鉱石を高炉に装入する場合であっても、低被還元性原料の還元を促進して還元材比の低減を図る高炉操業方法に関する。

高炉では、炉頂部から、焼結鉱、塊鉱石、ペレットなどの鉱石とコークスとを交互に装入して、鉱石層とコークス層とを交互に炉内に形成している。そして、炉下部に設けられた羽口から熱風や酸素富化した熱風を、場合によっては更に微粉炭と共に、吹き込み、コークスや微粉炭が燃焼して発生した一酸化炭素ＣＯガスを含むガスが炉内を炉頂部へ上昇する間で鉱石を還元するとともに、燃焼熱により鉱石を溶融して銑鉄を生成している。コークスの燃焼による消失や鉱石の還元、溶融による滴下により炉内の鉱石層とコークス層とは降下していき、炉頂部から鉱石とコークスとが新たに逐次装入される。この鉱石層とコークス層とが安定的に降下することは高炉の安定操業に重要である。

高炉内での鉱石の還元を促進し、鉱石層とコークス層とを安定的に降下させるためには、高炉内は通気性が高く、安定したガス流れが確保されていることが望ましい。このため、高炉に装入されることになる鉱石及びコークスの粒径を管理し、高炉内で、ガスが通過する空間を確保している。通常、高炉へ装入される鉱石の平均粒径は１５〜２０ｍｍ程度、コークスの平均粒径は５０〜５５ｍｍ程度で管理されている。

コークスは、原料である石炭をコークス炉で乾留して製造される。石炭の銘柄を適宜選択することで、高炉で使用するために必要な強度を有するコークスを製造し、これを粉砕、篩分けして粒径を調整し、高炉で使用している。コークスや微粉炭は還元材と呼ばれ、銑鉄１トンを生成するのに使用される還元材の使用量は還元材比として管理される。なお、銑鉄１トンを生成するのに使用されるコークスの使用量はコークス比、微粉炭の使用量は微粉炭比と呼ぶ。還元材比を低減することは、コークスや微粉炭の原料となる石炭の使用量を削減するという点で重要である。

鉱石は被還元性が高いものであることが望ましい。銑鉄を生成するに際し、鉱石の還元反応が効率的に進むことにより、低還元材比で銑鉄を製造することができるからである。鉱石の被還元性を表す指標としては、被還元性指数ＲＩが一般的に用いられている。ＲＩとは、ＪＩＳＭ８７１３−１９９３の「鉄鉱石-還元試験方法」に規定される方法１（還元率法：ＩＳＯ７２１５による方法）に基づいて測定される指数であり、所定条件で酸化鉄原料を還元させたときの還元率［％］で表される。ＲＩが高いほど被還元性が高いことを意味する。鉱石のうち、焼結鉱及びペレットは、焼結原料となる原料の選択及びその配合率を変更することで、ＲＩを一定以上として被還元性を管理することができる。

塊鉱石は、銘柄によっては大きく異なり、ＲＩが例えば５０以下となる低被還元性塊鉱石（低被還元性原料）も存在し、最近の原料供給事情から、高炉に装入される鉱石として低被還元性塊鉱石を使用しなければならない場合もあり、その場合、低被還元性塊鉱石は高炉内で還元率が低いまま炉下部に到達し、炉下部で直接還元によって還元されることになる。直接還元は吸熱反応であるため、その分の熱量を補填する必要があり、還元材比が上昇する。近年では鉄鉱石資源の劣質化により、低被還元性原料の使用比率も高くなってきているため、その場合でも還元材比の上昇を抑える方法が求められてきている。

高炉内における鉱石の還元効率を改善する方法として、特許文献１には、塊鉱石の粒径を調整することで、その粒度と真密度比とを適切な範囲の値とし、還元ガス濃度の高い高炉中心部と炉壁部との間の中間部で且つ鉱石層の下部に塊鉱石を装入し、低被還元性塊鉱石を含む塊鉱石の還元性を高める方法が提案されており、これにより、還元材比を低減することができるものとされている。

特開２０１３−２５６６９６号公報

高炉内でのコークス及び鉱石を安定的に降下させて鉱石の還元を進めることは高炉操業において重要であるが、コークス及び鉱石を安定的に降下させるために、中心部の通気性を確保することは非常に重要である。高炉操業では、通常、中心部には、強度が高く且つ粒径が大きなコークスを装入することで、中心部の通気性を確保している。特許文献１に記載の高炉操業方法によって、高炉の中心部と中間部との間に塊鉱石を集中的に装入すると、コークスと比べて粒径が小さい塊鉱石を高炉の中心部近傍に装入することになる。延いては、高炉の中心部の通気性を確保しにくくなり、炉況不安定化の原因になる。

本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、高炉に装入される鉱石に低被還元性原料を使用する場合であっても、高炉の中心部の通気性を悪化させることなく、低被還元性原料を効率良く還元して、還元材比を抑えた高炉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通りである。
鉱石とコークスとを高炉に装入する高炉操業方法であって、前記高炉の上部でガス成分を前記高炉の径方向に沿って測定し、ガス利用率の前記径方向における分布を求め、前記高炉の径方向において中心位置と炉壁位置との中間位置よりも炉壁側でガス利用率が低くなるように、且つ、前記分布から求まるガス利用率の最大値から前記高炉の炉壁近傍での値を減算して算出される差分Δηが０．２以上０．４以下となるように、前記鉱石と前記コークスとを前記高炉に装入することとし、前記鉱石のうち被還元性が相対的に低い低被還元性原料を前記高炉の炉壁周辺部に装入することを特徴とする高炉操業方法。

本発明によれば、高炉に装入される鉱石に低被還元性原料を使用する場合であっても、高炉の中心部の通気性を悪化させることなく、低被還元性原料を効率良く還元して、還元材比を抑えた高炉操業方法を提供することができる。

高炉の鉛直断面の半裁図である。高炉の径方向に沿った中心からの距離ｒ／高炉の半径Ｒ［−］とガス利用率［−］との関係を示すグラフである。高炉内でコークスと鉱石とが積層している状態を示す図である。

本発明者らは、高炉の中心部以外の部分に、一酸化炭素ＣＯなどの還元性ガスが豊富な領域を形成し、その領域に被還元性が低い低被還元性原料を集中的に装入すれば、高炉の中心部の通気性を良好なものとしつつも、低被還元性原料の還元を促進させることができると考え、本発明の完成に至った。本発明は、ガス利用率［−］の径方向における分布に基づき、高炉の径方向において高炉の中心位置と炉壁位置との中間位置よりも、炉壁側でガス利用率が低くなるようにし、炉壁近傍を一酸化炭素ＣＯなどの還元性ガスが豊富な領域として、炉壁近傍に低被還元性原料を集中的に装入するものである。

本発明の実施形態の一例を説明する。高炉の鉛直断面を図１に示す。高炉１００の炉頂部からコークスと鉱石とを交互に装入し、高炉１００内ではコークス層８と鉱石層９とを交互に形成し、高炉１００の下部に設けられた羽口２から熱風や酸素富化した熱風、あるいは更に微粉炭を吹き込む。コークス層８のコークスや微粉炭を燃焼して発生した一酸化炭素ＣＯガスを含むガスで鉱石層９の鉱石を還元するとともに、燃焼熱により鉱石を溶融して銑鉄を生成している。図１ではコークス層８と鉱石層９を１層のみ示してあるが、実際の高炉では複数交互に積層している。また、図１では図示を省略してあるが、高炉１００の下部には出銑口も複数設けられており、鉱石及びコークス高炉に装入しながら、生成する銑鉄を出銑口から出銑して高炉操業を行っている。

高炉操業中に、高炉１００の上部３においてガス成分を高炉１００の径方向に沿って測定する。図１では図示省略しているが、高炉１００の上部３の炉壁１に挿入可能なゾンデなどの器具を用いて、高炉１００内でその径方向に沿った複数の異なる位置で、炉内ガスをサンプリングし、該ガスの成分を分析することで、径方向に沿ったガス成分の分布を求めることができる。上部３とは、羽口２の高さ位置を０とし、通常の高炉操業で高炉内で積層された高炉原料の最上部のうち炉壁に接触する部分の高さを１とした無次元高さで０．７５以上となる高炉の部分のことである。上部３よりも下方では、炉内温度が高く、鉱石層９での還元反応やコークス層８でのソリューションロス反応が活発に生じているため、鉱石層９及びコークス層８のいずれかで、炉内ガスをサンプリングしたかによって、ガス成分が変わる傾向がある。一方、上部３では比較的温度が低下しているため、上記反応の反応速度が小さく、ガスをサンプリングした位置での還元反応の状態を把握しやすい。

高炉１００の径方向におけるガス利用率分布を把握するためには、中心４と炉壁１との間の少なくとも６つ以上の位置で、炉内ガスをサンプリングして、ガス成分を測定することが好ましく、炉壁１近傍のガス成分を測定する場合、高炉１００の半径Ｒに対する径方向に沿った中心からの距離ｒの値で表される無次元半径（ｒ／Ｒ）で０．９５〜１．０の間で、少なくとも１つの位置でガス成分を測定することが望ましい。

測定したガス成分から、ガス利用率［−］の径方向における分布を求める。高炉の径方向に沿った中心からの距離ｒ／高炉の半径Ｒ［−］とガス利用率との関係を図２に示す。ガス利用率は、ガスのうち、ＣＯ、ＣＯ_２、Ｈ_２、Ｈ_２Ｏの各ガス成分のモル分率を、Ｘ_ＣＯ、Ｘ_ＣＯ２、Ｘ_Ｈ２、Ｘ_Ｈ２Ｏとすると、次の（１）式で求まる。
ガス利用率＝（Ｘ_ＣＯ２＋Ｘ_Ｈ２Ｏ）／（Ｘ_ＣＯ＋Ｘ_ＣＯ２＋Ｘ_Ｈ２＋Ｘ_Ｈ２Ｏ）（１）
ガス利用率が大きいほど、ＣＯ、Ｈ_２の還元ガス成分が少なく、測定された位置よりも下方の層では、これらが鉱石の還元に利用されたことになる。

高炉１００の径方向において中心４の位置と炉壁１の位置との中間位置よりも炉壁１側でガス利用率が低くなるように、鉱石とコークスとを高炉１００に装入する。これにより、図２に示すように、炉壁（ｒ／Ｒ＝１）近傍では、中間位置（ｒ／Ｒ＝０．５）近傍よりも、ガス利用率が小さくなる。図２のガス利用率の分布が得られる、積層している１組のコークス層８及び鉱石層９を図３に示す。１組のコークス層８及び鉱石層９のうち、鉱石層９の厚みをＬＯ、コークス層８の厚みをＬＣとしたとき、層厚比ＬＯ／（ＬＯ＋ＬＣ）で求まる値の径方向に沿った分布と、ガス利用率の分布とが類似する傾向がある。図示を省略してあるが、高炉１００の炉頂部には傾動可能なシュートが設置されており、回転し且つ傾動しているシュートから鉱石またはコークスを落下させる。シュートの傾動パターンを調整することによって、径方向における任意の位置での鉱石とコークスとの装入量（落下量）を変更することができ、コークス層８及び鉱石層９の層厚比ＬＯ／（ＬＯ＋ＬＣ）の分布を変更できる。これにより、径方向におけるガス利用率を変更することが可能である。

ガス利用率の分布から求まるガス利用率の最大値から高炉１００の炉壁近傍でのガス利用率の値を減算して算出される差分Δηが０．２以上０．４以下となるように、鉱石とコークスとを装入する。前述の通り、径方向における任意の位置での鉱石とコークスとの装入量を変更することで、炉壁（ｒ／Ｒ＝１）近傍のガス利用率は、中間位置（ｒ／Ｒ＝０．５）近傍よりも小さくなっている。よって、差分Δηが０．２以上となると、炉壁近傍では、ＣＯ、Ｈ_２の還元ガス成分が豊富にあることになり、これらの成分のガスを鉱石の還元に使用可能となる。但し、高炉１００の炉壁側でガス利用率が小さ過ぎる場合は、炉壁側でガス流れが強いことを示しており、炉壁からの抜熱量が増加して還元材比が増加する傾向にある。よって、差分Δηを０．４以下とする。なお、無次元半径（ｒ／Ｒ）で０．９５〜１．０の炉壁近傍において、２点以上のガスサンプリングをした場合は、その内の最小値を炉壁近傍のガス利用率として上記差分を計算すればよい。

還元ガス成分が豊富にある炉壁１近傍を含む炉壁周辺部６に、鉱石のうち、被還元性が相対的に低い低被還元性原料１０を集中的に装入する。こうすることで低被還元性原料１０の還元をより促進することができる。炉壁周辺部６は、無次元半径（ｒ／Ｒ）で０．７以上の領域である。

無次元半径ｒ／Ｒが０．７以上の領域に、炉中間部よりもガス利用率が小さい領域を形成し、該領域に低被還元性原料１０を集中的に装入すれば、高炉の中心側への鉱石の装入量をより確実に抑え、高炉の中心部での安定的なガス流を確保しつつ炉壁近傍において還元ガス成分の濃度を高め、低被還元性原料１０の還元を促進することが可能となる。なお、無次元半径ｒ／Ｒが０．７未満の領域に低被還元性原料１０を装入してもよいが、炉壁周辺部６に装入する低被還元性原料１０を、無次元半径ｒ／Ｒが０．７未満の領域への低被還元性原料１０の装入量よりも多くすることが望ましい。

なお、高炉操業では、炉壁周辺部６に低被還元性原料１０を集中的に装入した後であっても、前記差分Δηが０．２以上０．４以下となるように鉱石とコークスとを装入することとする。これにより、炉壁周辺部６では、還元ガス成分が豊富にあることとなり、低被還元性原料１０の還元が安定的に促進される。

コークスは、原料となる石炭を乾留して製造されたものであれば、特に成型炭を乾留したものでも、粉炭を乾留して得られたものであってもよい。高炉内での鉱石の還元を促進させるべく、ガスは炉下部から炉上部に容易に向かうことが望ましく、高炉内では、ガスが通過する空間を確保するべく、コークス及び鉱石は大きい方が望ましい。コークス及び鉱石を粉砕・分級して、これらを、高炉に装入してもよい大きさとする。

鉱石には、焼結鉱、塊鉱石、ペレットなどの酸化鉄原料を用いることができる。最近の原料供給事情を鑑みて、ＲＩが５０以下となる塊鉱石を低被還元性原料（低被還元性塊鉱石）１０とみなしてもよいが、本発明の低被還元性原料は、この実施形態に限定されるものではない。焼結鉱やペレットは、製造する際にこれらの原料を変更することによって、ＲＩを高い値とすることができるものの、ＲＩが低い値となってしまった場合であっても、そのような焼結鉱やペレットを本発明の低被還元性原料として用いても良い。

以上のように、炉壁近傍の還元ガスの濃度を高め、鉱石のうち被還元性の低い低被還元性原料を炉壁近傍に集中的に装入することで、高炉に装入される鉱石に低被還元性原料を使用する場合であっても、高炉の中心部の通気性を悪化させることなく低被還元性原料を効率良く還元して、還元材比を抑えることができる。

高炉操業における還元材比及び還元効率への本発明の影響を調査するべく、鉱石とコークスとを交互に高炉１００に装入し、図１に示すように、高炉１００内で鉱石層９とコークス層８とを交互に形成し、羽口２から酸素富化した熱風とともに微粉炭を吹き込み、コークスや微粉炭を燃焼して発生した一酸化炭素ＣＯガスを含むガスで鉱石を還元するとともに、燃焼熱により鉱石を溶融して銑鉄を生成する高炉操業を行った（ベース、本発明例１〜３及び比較例１〜４）。

温度が１５００℃となる銑鉄を生成することとし、銑鉄の目標の生成量として、出銑比で２．３［トン−銑鉄／（日・ｍ^３−高炉容積）］となるように高炉を操業した、コークス比を３５０［ｋｇ／トン−銑鉄］、羽口２から供給する熱風の温度を１１５０℃とした。ベース、本発明例１〜３及び比較例１〜４の各操業では、出銑比が２．３となるように送風量を変更するとともに、鉱石層９及びコークス層８の層厚比分布ＬＯ／（ＬＯ＋ＬＣ）（図３参照）を変更することで、高炉の径方向におけるガス利用率の分布を変更した。

ベースの操業では、鉱石には、ＲＩが６５となる焼結鉱のみを用いることとした。本発明例１〜３の操業では、鉱石のうち２０質量％を、ＲＩが４５となる低被還元性の塊鉱石を用いることとした。また、本発明例１〜３の操業では、高炉の径方向におけるガス利用率の最大値から、炉壁近傍でのガス利用率の値を減算して算出される差分Δηが０．２〜０．４の範囲を満たすように、鉱石層９及びコークス層８の層厚比分布ＬＯ／（ＬＯ＋ＬＣ）を変更し、炉壁周辺部に低被還元性の塊鉱石を集中的に装入した以外は、ベースの操業と同様に高炉操業を行った。

比較例１及び２の操業では、ガス利用率の差分Δηを０．１及び０．５となるように、層厚比分布ＬＯ／（ＬＯ＋ＬＣ）を変更した以外は、本発明例１の操業と同様に高炉操業を行った。比較例３の操業では、特に、焼結鉱とともに低被還元性の塊鉱石を径方向に沿って全体的に装入した以外は、本発明例１の操業と同様に高炉操業を行い、比較例４の操業では、焼結鉱とともに低被還元性の塊鉱石を径方向に沿って全体的に装入した以外は、本発明例２の操業と同様に高炉操業を行った。

ベース、本発明例１〜３及び比較例１〜４の高炉操業の条件及び還元材比とシャフト効率を表１に示す。

シャフト効率とは、炉内の還元効率を表す指標であり、ベースの操業では、ＲＩが高い焼結鉱のみを用いており、シャフト効率は高い。比較例３及び４では、ＲＩが低い塊鉱石を使用しているので、ベースの操業よりも、シャフト効率は低く且つ還元材比も高くなっている。一方で、本発明例１〜３では、ＲＩが低い塊鉱石を使用しているものの、炉壁近傍のガス利用率を、半径方向の最大値からの差分Δηで、０．２〜０．４の範囲内の値とし且つＲＩが低い塊鉱石を炉壁周辺部に装入しているので、比較例３及び４に比べて、ベースの操業からのシャフト効率の低下量及び還元材比の上昇量は抑えられていることがわかる。比較例１ではガス利用率の差分Δηを０．１程度にしかできておらず、本発明例１〜３に比べて、炉壁周辺部での低被還元性の塊鉱石の還元を促進できず、比較例３及び４と同程度にシャフト効率は低く且つ還元材比も高くなっていることがわかる。また、比較例２では、比較例３及び４と同程度にシャフト効率は低く且つ還元材比も高くなっている。比較例２では、ガス利用率の差分Δηを０．５としており、炉壁側でのガス利用率の最小値を小さくし過ぎている。これにより、炉壁側でガス流れが強くなり、炉壁からの抜熱量が増加して還元材比が増加したものと推察される。

本発明によって、鉱石に低被還元性原料を使用したとしても、該低被還元性原料を効率良く還元して、還元材比を抑えた高炉操業方法を可能とできたことがわかる。また、高炉の中心部分に鉱石を装入する必要はないので、高炉の中心部の通気性を悪化させることがないことも期待できる。

１炉壁
２羽口
３高炉の上部
４高炉の中心
６炉壁周辺部
８コークス層
９鉱石層
１０低被還元性原料（低被還元性鉱石）
１００高炉

Claims

鉱石とコークスとを高炉に装入する高炉操業方法であって、
前記高炉の上部でガス成分を前記高炉の径方向に沿って測定し、下記（１）式で求められるガス利用率の前記径方向における分布を求め、
前記高炉の径方向において中心位置と炉壁位置との中間位置よりも炉壁側でガス利用率が低くなるように、且つ、前記分布から求まるガス利用率の最大値から前記高炉の炉壁近傍での値を減算して算出される差分Δηが０．２以上０．４以下となるように、前記鉱石と前記コークスとを前記高炉に装入することとし、
前記鉱石のうち被還元性が相対的に低い低被還元性原料を前記高炉の炉壁周辺部に装入することを特徴とする高炉操業方法。
ガス利用率＝（Ｘ _ＣＯ２＋Ｘ _Ｈ２Ｏ）／（Ｘ _ＣＯ＋Ｘ _ＣＯ２＋Ｘ _Ｈ２＋Ｘ _Ｈ２Ｏ）・・・（１）
ここで、Ｘ _ＣＯ、Ｘ _ＣＯ２、Ｘ _Ｈ２、Ｘ _Ｈ２Ｏは、ガスのうち、ＣＯ、ＣＯ _２、Ｈ _２、Ｈ _２Ｏの各ガス成分のモル分率である。