(57)【要約】      （修正有）【課題】副原料として石灰石を炉頂から装入する高炉、特にペレットを多配合し微粉炭を多量に吹き込む高炉においても、炉下部における石灰石の未滓化を確実に防止して高炉操業を安定化し、さらなる銑鉄コストの低減化を実現しうる高炉操業方法を提供する。【解決手段】副原料として石灰石を炉頂から装入する高炉操業方法において、前記石灰石を鉱石層内に装入するとともに、前記石灰石の体積平均粒径ｄＬＳ（単位：ｍｍ）を下記式にて設定することを特徴とする高炉操業方法。式ｄＬＳ≦０．１０６７×ＴＦ−５．２６７ＷＬＳ／Ｔ−１３４．８ここに、ＷＬＳ／Ｔ：高炉の羽口１本当たりの石灰石装入速度（ｋｇ／ｍｉｎ／羽口本数）、ＴＦ：羽口前理論燃焼温度（℃）である。【選択図】図１
2010229511.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
副原料として石灰石を炉頂から装入する高炉操業方法において、前記石灰石を鉱石層内に装入するとともに、前記石灰石の体積平均粒径ｄＬＳ（単位：ｍｍ）を下記式にて設定することを特徴とする高炉操業方法。
式  ｄＬＳ≦０．１０６７×ＴＦ−５．２６７ＷＬＳ／Ｔ−１３４．８
ここに、ＷＬＳ／Ｔ：高炉の羽口１本当たりの石灰石装入速度（ｋｇ／ｍｉｎ／羽口本数）、ＴＦ：羽口前理論燃焼温度（℃）である。
【請求項２】
高炉半径方向における前記石灰石の装入位置を、炉壁から１ｍ以内とする請求項１に記載の高炉操業方法。
【請求項３】
鉱石層内高さ方向における前記石灰石の装入位置を、該鉱石層の上面側とする請求項１または２に記載の高炉操業方法。
【請求項４】
鉱石中のペレット配合率が３０質量％以上のペレット多配合条件下にて行う請求項１〜３のいずれか１項に記載の高炉操業方法。
【請求項５】
微粉炭比が１００ｋｇ／ｔ−溶銑以上の高微粉炭比条件下にて行う請求項１〜４のいずれか１項に記載の高炉操業方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、副原料として石灰石を炉頂から装入する高炉操業方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願人は、神戸製鉄所第３高炉において、焼結鉱を主要原料として使用する焼結操業から、焼結鉱を使用しないオールペレット操業に移行し、安定操業技術を確立した（非特許文献１、特許文献１参照）。
【０００３】
しかしながら、オールペレット操業を含むペレット多配合操業において、銑鉄コストのさらなる低減のために微粉炭比を上昇させてコークス比を低減させようとすると、高炉炉下部の通気抵抗が急上昇して高炉操業が不安定化し、さらなる低コスト化を実現できない問題が生じることがわかった。
【０００４】
本発明者らは、ペレット多配合操業において、微粉炭比を上昇させると高炉炉下部の通気抵抗が急上昇するのは、以下の理由によると想定した。
【０００５】
すなわち、焼結鉱は通常、塩基度１．７〜２．４程度の高塩基度のものが使用されるのに対し、ペレットは通常、塩基度０．８〜１．５程度の低塩基度のものが使用される。このため、焼結鉱に代えてペレットを多配合する場合には、高炉スラグの塩基度を維持するために、高炉にＣａＯ源として石灰石を追加装入する必要がある。この追加装入された石灰石（ＣａＣＯ３）は９００℃程度で熱分解してＣＯ２を放出して石灰（ＣａＯ）となり、これが羽口レベルまで降下して、レースウェイ近傍の高温場で鉱石中の脈石分やコークス中の灰分が溶融して生成した低塩基度スラグに溶け込んで高炉スラグを形成する。一方、微粉炭の吹き込み量を増加すると微粉炭が熱分解する際の吸熱反応により、羽口前理論燃焼温度が低下する。このため、ペレット多配合条件下において微粉炭比を上昇させると、レースウェイ近傍の高温場の温度が低下して石灰の滓化が遅れ、未滓の石灰が炉下部に残存し、通気性を急激に悪化させるものと考えられる（非特許文献２参照）。
【０００６】
ここで、高炉の炉周辺部に石灰石を装入することにより、溶銑中Ｓｉ濃度を低減する技術が多数提案されている（例えば、特許文献２〜５参照）。しかしながら、これらのいずれの技術も、石灰石の粒度については言及がなく、また、上記石灰の未滓化による炉下部通気性悪化の課題についても何ら示唆がない。したがって、特許文献２〜５に記載の技術は、石灰石の粒度を羽口一本当たりの石灰石装入速度と羽口前理論燃焼温度に基づき設定することで、上記石灰の未滓化を確実に防止するという本願発明の技術的思想とは全く異なるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−１８４６２６号公報
【特許文献２】特開平３−１７７５０９号公報
【特許文献３】特開平３−２１５６１７号公報
【特許文献４】特開平７−１３８６２４号公報
【特許文献５】特開２０００−２８２１１１号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】大山隆史ら：材料とプロセス、ｖｏｌ．１５、Ｎｏ．１（２００２）ｐ．１２９、１３０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
そこで、本発明は、副原料として石灰石を炉頂から装入する高炉、特にペレットを多配合し微粉炭を多量に吹き込む高炉においても、炉下部における石灰石の未滓化を確実に防止して高炉操業を安定化し、さらなる銑鉄コストの低減化を実現しうる高炉操業方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明者らは、高炉内に装入された石灰石の滓化の過程について以下のような理論的考察に基づき、モデル化を行った。
【００１１】
すなわち、炉頂から装入され鉱石層中に存在する石灰石は、鉱石とともに炉内を降下していくが、先ず炉内約９００℃の領域においてＣＯ２を分解放出し石灰（ＣａＯ）となる。そして、さらに炉内を降下し、炉内約１１５０℃の領域において鉱石層中の鉱石が軟化溶融し始め、鉱石由来の低塩基度スラグが発生するものの、この温度領域では該鉱石由来のスラグのＣａＯ溶解度は低いため石灰はほとんど滓化しない。このため、石灰は固体のまま、溶融滴下帯をコークスとともに羽口前に降下する。羽口前は炉内で最も高温であること、また、コークスおよび微粉炭由来の灰分がスラグに加わるため、そのスラグの塩基度は低いうえ、高温領域でありＣａＯ溶解度も高いことから、石灰は滓化しやすい状況にあり、ここでほとんどの石灰が滓化すると考えられる。
【００１２】
そこで、レースウェイ近傍における石灰の滓化現象のみをモデル化したシミュレーション計算モデルを作成し、このシミュレーション計算モデルを用いて石灰の未滓化が発生しない石灰石粒度について検討を行った。
【００１３】
このシミュレーション計算モデルは、鉱石中の脈石やコークスおよび微粉炭中の灰分が溶融して生成した低塩基度スラグ中に、単一粒径を有する球状の石灰（ＣａＯ）粒子が溶解し、石灰粒子の粒径が減少していく過程を定式化することによりモデル化したものである。
【００１４】
以下に該シミュレーション計算モデルの詳細を説明する。
【００１５】
石灰粒子の粒径の変化速度を表す式として下記式（１）および（２）を用いた（松島雅章ら：鉄と鋼、ｖｏｌ．６２、Ｎｏ．２（１９７６）ｐ．１８２−１９０参照）。
【数１】
2010229511.tif 000003
【００１６】
ここに、ｒ：石灰粒子半径、ｔ：時間、ｋ：物質移動係数、ρｐ：石灰粒子密度、ρＳ：液相スラグ密度、（％ＣａＯ）：スラグ中ＣａＯ濃度、（％ＣａＯ）ｓａｔ：スラグＣａＯ飽和濃度、Ｄ：スラグ中ＣａＯの拡散係数、Ｕ：石灰粒子とスラグの相対速度、ｄ：石灰粒径、μ：スラグサスペンジョン粘度である。
【００１７】
ここで、スラグサスペンジョン粘度μとは、液体であるスラグ中に固体である石灰の微粒子が分散した分散系の粘度を意味し、下記式（３）に示すＥｉｎｓｔｅｉｎ−Ｒｏｓｃｏｗの理論式で推定できる。
【数２】
2010229511.tif 000004
【００１８】
ここに、μＬ：液相スラグ粘度、φ：固相率（石灰の体積と分散系の全体積との比、体積分率）である。
【００１９】
そして、液相スラグ粘度μＬは、下記式（４）および（５）の理論式で推定できる（飯田ら：溶融スラグ・ガラスの粘性、アグネ技術センター（２００３）参照）
【数３】
2010229511.tif 000005
【００２０】
ここに、μ０：仮想単分子液体粘度、Ｂｉ＊：修正塩基度指標、Ｗｉ：スラグｉ成分の質量％、αｉ：スラグｉ成分の固有係数、Ａ,Ｅ：係数であり、添え字のＡ：酸性酸化物（ＳｉＯ２、Ｐ２Ｏ５等）、同Ｂ：塩基性酸化物、同Ａｍ１：両性酸化物（Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２等）、同Ａｍ２：両性酸化物（Ｆｅ２Ｏ３、Ｃｒ２Ｏ３等）である。
【００２１】
そして、先ず、上記シミュレーション計算モデルを用いて、実高炉（内容積：２１１２ｍ３、羽口：２５本）の安定操業時における石灰の未滓化量（つまり、許容される石灰未滓化量）を以下のようにして求めておく。すなわち、羽口1本当たりの石灰石装入速度ＷＬＳ／Ｔ＝３．７５ｋｇ／ｍｉｎ／羽口本数、羽口前理論燃焼温度ＴＦ＝２２００℃、羽口前の高温場（２２００℃）における滞留時間ｔＲ＝１ｈ、初期石灰粒径ｄ０＝２０ｍｍ（すなわち、初期石灰粒子半径ｒ０＝１０ｍｍ）の条件で、上記式（１）〜（５）を用いて、最終の石灰粒子半径ｒ１を計算し、石灰未滓化量ＷＮＳ（ｋｇ／ｍｉｎ／羽口本数）＝ＷＬＳ／Ｔ×ｒ１３／ｒ０３の式で、安定操業時の石灰未滓化量ＷＮＳ・０を算出しておく。
【００２２】
次に、羽口１本当たりの石灰石装入速度ＷＬＳ／Ｔと羽口前理論燃焼温度ＴＦを設定したうえで、初期石灰粒子半径ｒ０を仮定し、上記式（１）〜（５）を用いて、羽口前の高温場における石灰の滞留時間ｔＲ＝１ｈの条件で、最終の石灰粒子半径ｒ１を計算し、石灰未滓化量ＷＮＳ（ｋｇ／ｍｉｎ／羽口本数）＝ＷＬＳ／Ｔ×ｒ１３／ｒ０３の式で、石灰未滓化量ＷＮＳを算出する。そして、ＷＮＳ≦ＷＮＳ・０であれば石灰の滓化は十分（滓化良好）であると判定し、一方ＷＮＳ＞ＷＮＳ・０であれば石灰の滓化は不十分（滓化不良）であると判定する。
【００２３】
このようにして、羽口１本当たりの石灰石装入速度ＷＬＳ／Ｔと羽口前理論燃焼温度ＴＦの種々の組み合わせにおいて、初期石灰粒径ｄ０（初期石灰粒子半径ｒ０＝ｄ０／２）を種々変更してシミュレーション計算を行い、ちょうどＷＮＳ＝ＷＮＳ・０となる初期石灰粒子径上限ｄ０・ｍａｘを求めた。この初期石灰粒子径上限ｄ０・ｍａｘ以下の粒径であれば、石灰の滓化は十分（滓化良好）であり、石灰の未滓化による問題は生じないといえる。
【００２４】
初期石灰粒子径上限ｄ０・ｍａｘに及ぼす、石灰石装入速度ＷＬＳ／Ｔおよび羽口前理論燃焼温度ＴＦの影響を図１に示す。同図に示すように、羽口１本当たりの石灰石装入速度ＷＬＳ／Ｔ一定の条件下では、羽口前理論燃焼温度ＴＦが低下するにしたがって、初期石灰粒子半径上限ｒ０・ｍａｘも低下することがわかる。このことは、羽口前理論燃焼温度ＴＦが低下するにしたがって、上記式（１）におけるスラグＣａＯ飽和濃度（％ＣａＯ）ｓａｔが低下するとともに、上記式（２）におけるスラグサスペンジョン粘度μの上昇およびスラグ中ＣａＯの拡散係数Ｄの低下を介して式（１）の物質移動係数ｋが低下することによると考えられる。
【００２５】
また、同図に示すように、羽口前理論燃焼温度ＴＦ一定の条件下では、羽口１本当たりの石灰石装入速度ＷＬＳ／Ｔが上昇するにしたがって、初期石灰粒子径上限ｄ０・ｍａｘは低下することがわかる。このことは、羽口１本当たりの石灰石装入速度ＷＬＳ／Ｔが上昇するにしたがって、上記式（１）におけるスラグ中ＣａＯ濃度（％ＣａＯ）がより早期にスラグＣａＯ飽和濃度（％ＣａＯ）ｓａｔに近づき、溶解のドライビング・フォースが低下することによると考えられる。
【００２６】
図１より、例えば、羽口１本当たりの石灰石装入速度が１０ｋｇ／ｍｉｎ／羽口本数の場合、通常操業レベルの理論燃焼温度ＴＦ≧２１００℃の条件下では石灰石の体積平均径ｄＬＳが２０ｍｍでも滓化が遅れないが、ＴＦが１８５０℃まで低下すると、石灰石の体積平均径ｄＬＳは１０ｍｍ以下としないと滓化が遅れることを意味する。
【００２７】
図１の結果を重回帰分析することにより、下記式（６）が得られた。
【００２８】
ｄ０・ｍａｘ（ｍｍ）＝０．１０６７×ＴＦ（℃）−５．２６７ＷＬＳ／Ｔ（ｋｇ／ｍｉｎ／羽口本数）−１３４．８  …式（６）
【００２９】
したがって、石灰石の体積平均径ｄＬＳ（ｍｍ）≧ｄ０・ｍａｘ（ｍｍ）＝０．１０６７×ＴＦ（℃）−５．２６７ＷＬＳ／Ｔ（ｋｇ／ｍｉｎ／羽口本数）−１３４．８とすることにより、石灰の滓化は十分に行われることになり、石灰の未滓化による問題は生じないといえる。
【００３０】
上記知見に基づき、さらに検討を行い以下の発明を完成するに至った。
【００３１】
請求項１に記載の発明は、副原料として石灰石を炉頂から装入する高炉操業方法において、前記石灰石を鉱石層内に装入するとともに、前記石灰石の体積平均粒径ｄＬＳ（単位：ｍｍ）を下記式にて設定することを特徴とする高炉操業方法である。
式  ｄＬＳ≦０．１０６７×ＴＦ−５．２６７ＷＬＳ／Ｔ−１３４．８
ここに、ＷＬＳ：高炉の羽口１本当たりの石灰石装入速度（ｋｇ／ｍｉｎ／羽口本数）、ＴＦ：羽口前理論燃焼温度（℃）である。
【００３２】
請求項２に記載の発明は、高炉半径方向における前記石灰石の装入位置を、炉壁から１ｍ以内とする請求項１に記載の高炉操業方法である。
【００３３】
請求項３に記載の発明は、鉱石層内高さ方向における前記石灰石の装入位置を、該鉱石層の上面側とする請求項１または２に記載の高炉操業方法である。
【００３４】
請求項４に記載の発明は、鉱石中のペレット配合率が３０質量％以上のペレット多配合条件下にて行う請求項１〜３のいずれか１項に記載の高炉操業方法である。
【００３５】
請求項５に記載の発明は、微粉炭比が１００ｋｇ／ｔ−溶銑以上の高微粉炭比条件下にて行う請求項１〜４のいずれか１項に記載の高炉操業方法である。
【発明の効果】
【００３６】
本発明によれば、高炉炉頂から装入する石灰石の粒度を、高炉の羽口１本当たりの石灰石装入速度と羽口前理論燃焼温度に基づいて設定することで、ペレットを多配合し微粉炭を多量に吹き込む高炉においても、炉下部における石灰石の未滓化を確実に防止して高炉操業を安定化し、さらなる銑鉄コストの低減化を実現できるようになった。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】石灰石の体積平均粒径上限に及ぼす、高炉の羽口１本当たりの石灰石装入速度および羽口前理論燃焼温度の影響を示すグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下、本発明の実施の形態について、さらに詳細に説明する。
【００３９】
〔実施形態〕
本発明は、副原料として石灰石を炉頂から装入する高炉操業方法において、前記石灰石を鉱石層内に装入するとともに、前記石灰石の体積平均粒径ｄＬＳ（単位：ｍｍ）を下記式にて設定することを特徴とする高炉操業方法である。
ｄＬＳ≦０．１０６７×ＴＦ−５．２６７ＷＬＳ／Ｔ−１３４．８  …再掲式（６）
ここに、ＷＬＳ／Ｔ：高炉の羽口１本当たりの石灰石装入速度（ｋｇ／ｍｉｎ／羽口本数）、ＴＦ：羽口前理論燃焼温度（℃）である。
【００４０】
本発明は、特にペレット多配合条件下にて行う高炉操業に適するが、鉱石層を形成する鉱石としては、ペレットの他、焼結鉱および／塊鉱石が配合される。副原料として装入する石灰石は、高炉スラグの塩基度調整の目的で配合されるものであり、鉱石の配合条件（ペレット、焼結鉱、塊鉱石の各配合率や各スラグ成分の組成および量等）やコークスと微粉炭の原単位やそれらの灰分の組成および量等に応じて石灰石の配合率が決定される。
【００４１】
このようにして決定された石灰石の配合率から、高炉への石灰石の全装入量（ｋｇ／ｍｉｎ）が決定され、これを高炉の羽口本数で割り算することにより羽口1本当たりの石灰石の装入速度ＷＬＳ／Ｔ（ｋｇ／ｍｉｎ／羽口本数）が求まる。
【００４２】
また、羽口送風温度、送風湿分、送風量、送風酸素濃度、微粉炭吹き込み量等より、羽口前理論燃焼温度ＴＦが計算される。
【００４３】
このようにして算出された、羽口1本当たりの石灰石の装入速度ＷＬＳ／Ｔと羽口前理論燃焼温度ＴＦを、上記式（６）の右辺に代入することにより、石灰の未滓化の問題が生じない、石灰石の体積平均粒径ｄＬＳの上限ｄＬＳ・ｍａｘが計算される。
【００４４】
したがって、体積平均粒径ｄＬＳが上記上限ｄＬＳ・ｍａｘ以下になるように粒度を調整した石灰石を用いることで、石灰の未滓化を確実に防止することが可能となり、ペレット多配合高炉において高微粉炭比操業条件下の操業であっても、安定操業が実現できることとなる。
【００４５】
ただし、石灰石の粒度を小さくしすぎると、ダストロスが増加して石灰石の歩留が低下したり、鉱石層の通気性が悪化したりするので、石灰石の体積平均粒径ｄＬＳは、５ｍｍ以上とするのが望ましい。
【００４６】
また、高炉半径方向における石灰石の装入位置は、炉壁から１ｍ以内とするのが好ましい。羽口前に形成されるレースウェイは、高炉の規模に拠らず、その適正な奥行き長さは約１ｍであるので、鉱石層中の石灰が羽口レベルまで降下してきたときに、高温場であるレースウェイ内に降下するようにすることで、石灰の滓化がより効果的に促進されるためである。
【００４７】
また、鉱石層内高さ方向における石灰石の装入位置は、該鉱石層の上面側とするのが好ましい。石灰石は鉱石層とともに高炉シャフト部を降下するに際し、鉱石層内で熱分解されＣＯ２を発生するが、このＣＯ２は鉱石のガス還元（間接還元）を抑制する。シャフト部における鉱石のガス還元（間接還元）が遅れると、炉下部の融着帯および溶融滴下帯においてスラグ中のＦｅＯ濃度が上昇し、溶融還元（直接還元）による吸熱反応量が増加する。これに伴い、羽口前の高温場においてスラグや石灰の温度が低下し、石灰の滓化が遅れることとなる。したがって、石灰石を鉱石層の上面側に装入することにより、該石灰石から発生したＣＯ２は当該鉱石層内の鉱石のガス還元に悪影響を及ぼさないだけでなく、当該鉱石層の直上のコークス層を通過する際にコークスと反応してＣＯに再生されるので、該コークス層の直上の鉱石層内に存在する鉱石のガス還元を促進する作用効果も得られる。その結果として石灰の滓化の遅れをより効果的に防止することができることとなる。
【００４８】
石灰石を鉱石層の上面側に装入する手段としては、例えば、鉱石の装入を複数バッチ（例えば、Ｏ１↓＋Ｏ２↓）に分け、その最終バッチ（Ｏ２↓）にだけ石灰石を混合して装入するようにすればよい。
【００４９】
また、本発明は、上述したように、ペレット多配合高炉の操業に適するが、特に、鉱石中のペレット配合率が３０質量％以上、さらには５０質量％以上、特に７０質量％以上のペレット多配合条件下にて行うのが推奨される。なお、鉱石中のペレット配合率は、石灰石を除いた鉱石種のみの合計質量を１００％として算出された値である。
【００５０】
また、本発明は、上述したように、高微粉炭比操業条件下での操業に適するが、微粉炭比１００ｋｇ／ｔ−溶銑以上、さらには１２５ｋｇ／ｔ−溶銑以上、特に１５０ｋｇ／ｔ−溶銑以上の高微粉炭比条件下で行うのが推奨される。
【００５１】
上記のようにして、本発明を、副原料として石灰石を炉頂から装入する高炉、特にペレット他配合高炉に適用することで、高微粉炭比操業条件下においても、炉下部における石灰の滓化遅れを確実に防止し、安定した高炉操業を実現できるようになった。
【図１】
2010229511.tif 000006