(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉頂からコークスを装入し、羽口から補助燃料を吹込む高炉操業において、前記コークスおよび前記補助燃料に含有されるＡｌ２Ｏ３とＳｉＯ２との比の総括値（Ａｌ２Ｏ３／ＳｉＯ２）Ｔ、および高炉スラグの塩基度（（ＣａＯ＋Ａｌ２Ｏ３＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ２）Ｓ  がそれぞれ、下記（１）式および（２）式を満足することを特徴とする高炉操業方法。
(Ａｌ２Ｏ３／ＳｉＯ２)Ｔ  ≧０．６  ・・・・・・・・・・・・（１）
((ＣａＯ＋Ａｌ２Ｏ３＋ＭｇＯ)／ＳｉＯ２)Ｓ  ≧１．８・・・・（２）
ここで、
(Ａｌ２Ｏ３／ＳｉＯ２)Ｔ＝((Ａｌ２Ｏ３／ＳｉＯ２)Ｃ×Ｃ＋(Ａｌ２Ｏ３／ＳｉＯ２)Ｆ×Ｆ)／(Ｃ＋Ｆ)  ・・・・・・・・・・・（３）
ただし、
Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＣａＯおよびＭｇＯは、それぞれコークス中、補助燃料中または高炉スラグ中のＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＣａＯおよびＭｇＯの含有率（質量％）を表し、ＣおよびＦは、それぞれコークス比（ｋｇ／銑鉄−トン）および補助燃料比（ｋｇ／銑鉄−トン）を表し、添字Ｔ、Ｓ、ＣおよびＦは、それぞれ総括値、高炉スラグ中の値、コークス中の値および補助燃料中の値を表す。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、羽口から補助燃料を吹込む高炉操業において、炉内で生成するスラグの適正な成分設計を行うことによって滴下帯におけるスラグの性状を改善し、炉内の通気および通液性を向上する高炉の安定操業方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高炉は銑鉄および高炉ガスを生産すると同時に多量の副産物である高炉スラグを産出する。高炉の副産物である高炉スラグは、かつては、埋め立て、道路の路盤材、セメント原料として利用されてきたが、埋め立て計画の大幅減少、セメント需要の縮小などによって価値が下落したため、産出すればするほど無駄な費用が発生しているのが現状である。
【０００３】
高炉スラグを有効に再資源化する方法の一つがセメント用原料として活用することであるが、スラグの品質低下に伴い、スラグをセメントに利用した際の強度確保が重要な問題となってきた。高炉水砕スラグは水と接触させても水硬性を殆ど示さないが、アルカリ刺激剤として少量の消石灰や硫酸塩などが存在すると、顕著な水硬性があるかのような挙動を示す。
【０００４】
このような性質を潜在水硬性といい、高炉セメントやポルトランドセメントへの利用は、この特性を利用したものである。水砕スラグの水和反応を判定する目安としてスラグ塩基度やガラス化率が一般に用いられている。高炉スラグ塩基度は下記（４）式により表される。
高炉スラグ塩基度＝(ＣａＯ＋Ａｌ２Ｏ３＋ＭｇＯ)／ＳｉＯ２  ・・・（４）
ここで、ＣａＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯおよびＳｉＯ２は、高炉スラグ中のそれぞれの各成分の含有率（質量％）を表す。
【０００５】
水砕スラグの反応性は、このスラグ塩基度が高いほど、また、ガラス化率が高いほど大きく、セメント用には、スラグ塩基度１．８以上、ガラス化率９８％以上のものが用いられている。
【０００６】
従来は、ＭｇＯ濃度が６％以上と高かったため、常時、スラグ塩基度１．８以上を確保できていたが、近年、前述のような無駄なスラグの絶対量の低減、および、高炉操業の高効率化を図るためにスラグ量を下げてきており、焼結鉱に由来するＣａＯ、ＳｉＯ２およびＭｇＯ、並びに副原料に由来するＳｉＯ２およびＭｇＯの量が顕著に低下してきている。したがって、前記のスラグ塩基度を表す（４）式中の右辺において、ＣａＯ／ＳｉＯ２の値は、高炉の安定操業を確保するためのスラグ性状の確保の面から殆ど変化していないので、ＭｇＯ濃度が大幅に下がった状況下でスラグ塩基度１．８以上を確保するためには、Ａｌ２Ｏ３濃度を増加させる必要がある。
【０００７】
一般的に高炉スラグのＡｌ２Ｏ３濃度を調整する場合、焼結鉱のＡｌ２Ｏ３含有率により調整するが、 Ａｌ２Ｏ３含有率を増加させると焼結鉱の品質が悪化し、高炉操業を不安定にするおそれがある。Ａｌ２Ｏ３含有率を調整し、高炉安定操業を確保する技術としては、下記の技術がある。
【０００８】
特開平１０−０３０１０４号公報には、Ａｌ２Ｏ３含有率の高い鉱石の多量使用および焼結鉱のＡｌ２Ｏ３含有率が上昇した時の焼結鉱の強度、還元粉化性、および高温性状の悪化を抑制するために、Ａｌ２Ｏ３含有率が２．０〜３．０％と高い焼結鉱とＡｌ２Ｏ３含有率が１．０〜１．７％と低い焼結鉱とを混合して高炉に装入する方法が開示されている。
【０００９】
さらに、特開平１１−０４３７１０号公報には、Ａｌ２Ｏ３含有率が２．０〜３．０％と高く、塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ２）が１．９〜２．５の焼結鉱を５０〜８０％の配合割合で高炉に装入する方法が開示されており、また、特開２００１−１０７１１５号公報には、高炉内の鉱石層の上層、または下層にＡｌ２Ｏ３／ＳｉＯ２が０．３以下の焼結鉱とＡｌ２Ｏ３／ＳｉＯ２が２．５以上の焼結鉱をそれぞれ、炉周辺部と炉中心部に装入する方法が開示されている。
【００１０】
特開平７−２１６４１９号公報には、焼結鉱Ａｌ２Ｏ３含有率が上昇した場合に炉頂から炉周辺部にスクラップを装入する方法が開示されている。いずれも、焼結鉱中のＡｌ２Ｏ３含有率が高い場合に高炉操業への悪影響を最小限に止めようとするものである。
【００１１】
しかし、上記の方法は、何れも鉱石装入物の性状、特に焼結鉱の強度、還元粉化性、および高温性状の悪化時の対策を主眼としたものであり、高炉内、特に軟化融着帯および滴下帯以降における鉱石系装入物からのスラグの形成、および、スラグ形成に深く関与する炭材および補助燃料中の灰分に由来するスラグ成分の影響について配慮がなされておらず、これらの点で十分なものとはいえない。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、前記の問題点を解消し、羽口から補助燃料を吹込む高炉操業において、鉄鉱石装入物の脈石、コークスおよび補助燃料の灰分中の成分組成を適正化することにより、炉下部で生成するスラグ性状を改善し、滴下帯におけるスラグの通気および通液性を改善する高炉の操業方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上述の課題を達成するため、前記した従来技術の問題点について検討を加え、以下の知見を得た。
【００１４】
（ａ）炉内滴下帯におけるスラグは、鉄鉱石の脈石由来のスラグに、レースウェイから吹き上げられたコークスおよび補助燃料中の灰分由来のスラグが一部混合したものである。
【００１５】
（ｂ）滴下帯に滞留しにくく、炉下部の通気および通液性の良好なスラグを形成させるためには、滴下帯におけるスラグの粘度および結晶化温度を低下させる必要がある。
【００１６】
（ｃ）上記（ｂ）の事項を達成するためには、鉄鉱石由来のスラグ塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ２）およびＡｌ２Ｏ３含有率を低くし、コークスおよび補助燃料中の灰分由来のスラグのＣａＯ／ＳｉＯ２  およびＡｌ２Ｏ３含有率を高めに設計することにより、最終スラグのＣａＯ／ＳｉＯ２  を１．２〜１．３とし、Ａｌ２Ｏ３含有率を高目とする方法が適切である。
本発明は、上記の知見に基づき完成されたものであり、その要旨は、下記に示す高炉操業方法にある。
【００１７】
「炉頂からコークスを装入し、羽口から補助燃料を吹込む高炉操業において、前記コークスおよび前記補助燃料に含有されるＡｌ２Ｏ３とＳｉＯ２との比の総括値（Ａｌ２Ｏ３／ＳｉＯ２）Ｔ、および高炉スラグの塩基度（（ＣａＯ＋Ａｌ２Ｏ３＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ２）Ｓ  がそれぞれ、下記（１）式および（２）式を満足する高炉操業方法。
【００１８】
(Ａｌ２Ｏ３／ＳｉＯ２)Ｔ  ≧０．６  ・・・・・・・・・・・・（１）
((ＣａＯ＋Ａｌ２Ｏ３＋ＭｇＯ)／ＳｉＯ２)Ｓ  ≧１．８・・・・（２）
ここで、
(Ａｌ２Ｏ３／ＳｉＯ２)Ｔ＝((Ａｌ２Ｏ３／ＳｉＯ２)Ｃ×Ｃ＋(Ａｌ２Ｏ３／ＳｉＯ２)Ｆ×Ｆ)／(Ｃ＋Ｆ)  ・・・・・・・・・・・（３）
ただし、
Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＣａＯおよびＭｇＯは、それぞれコークス中、補助燃料中または高炉スラグ中のＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＣａＯおよびＭｇＯの含有率（質量％）を表し、ＣおよびＦは、それぞれコークス比（ｋｇ／銑鉄−トン）および補助燃料比（ｋｇ／銑鉄−トン）を表し、添字Ｔ、Ｓ、ＣおよびＦは、それぞれ総括値、高炉スラグ中の値、コークス中の値および補助燃料中の値を表す。」
本発明において「補助燃料」とは、微粉炭、粉コークス、ならびに微粉炭または粉コークスと重油、タールまたは水などの混合物をいう。
【００１９】
【発明の実施の形態】
発明者は、高炉炉下部、特に滴下滞におけるスラグ（以下「滴下帯スラグ」ともいう）に要求される性状を考慮して、鉄鉱石の脈石に由来するスラグ（以下「鉱石由来スラグ」ともいう）と、コークスおよび補助燃料からなる燃料中の灰分に由来するスラグ（以下「燃料中灰分由来スラグ」ともいう）の最適設計を行うべきであると考え、以下の調査および検討を進めた。
【００２０】
滴下帯スラグの性状は、高炉の安定操業を左右する重要な要素であり、特に高炉の増産時において一段と重要度を増す因子である。すなわち、滴下帯スラグの粘度や結晶化温度が高くなると、本来、炉芯コークスなどのコークス充填層の空隙を通過して炉床部に滴下すべきスラグが、コークス層の空隙の中に滞留してしまうことがある。このように、スラグが装入物層の中に滞留すると、炉内の通気抵抗が増加して、装入物の荷下がり停滞、溶融物のフラッディング、あるいは吹き抜けを誘発することとなる。したがって、炉内、特に滴下帯を含む炉下部に滞留しにくいスラグ成分を設計し、これを造り込むことが必要である。
【００２１】
本発明者は、試験高炉を用いて操業を行い、炉内容物のサンプリングを実施して、炉内滴下帯スラグの成分調査を行った。その結果、滴下帯スラグは、鉱石由来スラグに、コークス中の灰分および羽口から吹き込まれた補助燃料中の灰分に由来し、羽口部レースウェイからの衝風により吹き上げられた、いわば燃料中灰分に由来するスラグ（前出の「燃料中灰分由来スラグ」）の一部が混合したものであることが判明した。さらに、調査を進めた結果、滴下帯スラグは、鉱石由来スラグに、燃料中灰分由来スラグの３０質量％程度が混合して生成されたものであることが判明した。
【００２２】
滴下帯スラグの性状は、最終スラグの性状と同様に、スラグ粘度および結晶化温度の低いものが望ましい。
【００２３】
星らの報告（CAMP−ISIJ,  Vol.12（1999）, p710）によれば、１５００℃におけるスラグ粘度（η1500）は、下記の（５）式により、また、スラグ結晶化温度（θ）は、下記の（６）式によりそれぞれ表される。
【００２４】
η1500＝｛１２．６(ＣａＯ／ＳｉＯ２)２−３３．１(ＣａＯ／ＳｉＯ２)−０．５２(ＭｇＯ)＋０．４２(Ａｌ２Ｏ３)−０．２９(ＴｉＯ２)＋２１．２７｝×０．１・・・・・・・・・・・・・・・（５）
θ＝１９５(ＣａＯ／ＳｉＯ２)＋７．１(ＭｇＯ)＋１１．５(Ａｌ２Ｏ３)＋０．９０(ＴｉＯ２)＋８７０．１・・・・・（６）
ここで、
η1500：１５００℃におけるスラグの粘度（Ｐａ・ｓ）、
θ：スラグの結晶化温度（℃）、
ＣａＯ、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２：スラグ中のＣａＯ、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３およびＴｉＯ２ のそれぞれの含有率（質量％）を表す。
前記（５）式および（６）式によれば、スラグ粘度および結晶化温度を低下させるためには、スラグ中の塩基度(ＣａＯ／ＳｉＯ２)およびＡｌ２Ｏ３  含有率を低下させることが望ましい。
【００２５】
滴下帯スラグに求められる性状を満足すると同時に、スラグ量を低下させ、またセメント用スラグとしての強度を満足させる高炉操業方法を検討し、以下の適正操業条件を把握した。
滴下帯スラグの粘度と結晶化温度を改善するために、鉄鉱石、焼結鉱、ペレットなどの鉱石由来スラグの塩基度およびＡｌ２Ｏ３  含有率を低く設計し、燃料中灰分由来スラグによって、最終スラグの塩基度(ＣａＯ／ＳｉＯ２)を１．２〜１．３程度、かつ、Ａｌ２Ｏ３  含有率を、例えば１６％程度に高く調整できるように、燃料中灰分由来スラグの塩基度およびＡｌ２Ｏ３  含有率を高く設計するのが適切である。
【００２６】
ただし、コークス、微粉炭などの主として石炭から構成される燃料中灰分においては、塩基度は０．１５程度と低いので、スラグの塩基度を調整する能力は小さい。したがって、最終スラグを高塩基度にするためには、燃料中灰分由来スラグ中のＳｉＯ２  含有率を低下させ、同時にＡｌ２Ｏ３  含有率を高くすることが重要である。
【００２７】
以下に本発明における限定理由を述べる。
燃料中灰分由来スラグの(Ａｌ２Ｏ３／ＳｉＯ２)Ｔ  ≧０．６：
上記の(Ａｌ２Ｏ３／ＳｉＯ２)Ｔ  の値は、滴下帯スラグの粘度および結晶化温度に影響を及ぼす重要な因子である。同値が低下すると、最終スラグの成分を一定にするためには、鉱石由来スラグの(Ａｌ２Ｏ３／ＳｉＯ２)の値を上昇させる必要が生じ、鉱石由来スラグおよび鉱石由来スラグを９０％以上含有する滴下帯スラグの塩基度(ＣａＯ／ＳｉＯ２)は上昇し、粘度および結晶化温度が上昇する。
滴下帯スラグの粘度を、安定操業に必要な０．１３Ｐａ・ｓ以下にするためには、同値を０．６以上にする必要がある。また、滴下帯スラグの粘度をさらに低下させ、スラグ性状を著しく改善するためには、同値を０．７以上とするのが好ましい。
高炉スラグの塩基度((ＣａＯ＋Ａｌ２Ｏ３＋ＭｇＯ)／ＳｉＯ２)Ｓ  ≧１．８：
上記の((ＣａＯ＋Ａｌ２Ｏ３＋ＭｇＯ)／ＳｉＯ２)Ｓ  の値は、水砕スラグのセメント原料への利用を左右する重要な因子である。同値が低下すると、水砕スラグの水和反応性が低下して、水砕スラグを含有するセメントの強度が低下する。したがって、スラグのセメント原料への利用を可能とするためには、同値を１．８以上とする必要がある。
【００２８】
【実施例】
高炉操業の基準条件を、コークス比が３５０ｋｇ／銑鉄−トンであり、補助燃料として微粉炭を吹き込む場合を例にとり、微粉炭比が１５０ｋｇ／銑鉄−トン、スラグ量が２８０ｋｇ／銑鉄−トン、スラグ中のＣａＯ／ＳｉＯ２  が１．２５、ＭｇＯが５％、およびＡｌ２Ｏ３  が１６％とした。スラグ塩基度（ＣａＯ＋Ａｌ２Ｏ３＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ２  は１．８７である。
【００２９】
高炉スラグの出滓時の最終成分の限界値はスラグの粘度および結晶化温度により決まり、経験的にＡｌ２Ｏ３  含有率の上限値は、１６％程度とされている。また、ＭｇＯ含有率はスラグ量削減の観点からできるだけ低減したほうがよいが、脱硫能の確保を考慮して、下限値は５％程度とされている。
【００３０】
燃料灰分由来のスラグ組成は、１２９銘柄の石炭の平均値を用い、Ａｌ２Ｏ３：２８％、ＳｉＯ２：５３％、ＣａＯ：３％、およびＭｇＯ：１％とし、他の成分のＦｅ２Ｏ３、ＴｉＯ２、およびアルカリ金属類は、計算からは省略した。また、石炭中灰分含有率は１１％とした。
【００３１】
これらの値に基づきスラグの収支を計算して成分調整を行い、さらにその場合のスラグの物性を推算した。ここで、計算は、Ａｌ２Ｏ３／ＳｉＯ２  が０．５５の場合をケース１（ベース）として、Ａｌ２Ｏ３／ＳｉＯ２  を０.０５ピッチで変化させ、実施した。最終スラグ量および最終スラグ組成を一定として、燃料中灰分由来スラグの組成を変化させ、（鉱石由来スラグ量＝最終スラグ量−燃料中灰分由来スラグ量）の関係を用いて各スラグ量およびスラグ組成を計算した。また、それらをもとに、滴下帯スラグ量およびスラグ組成を算出した。その結果を表１および表２に示す。
【００３２】
【表１】
0003705243.tif 000002
【００３３】
【表２】
0003705243.tif 000003
【００３４】
本発明の効果を確認するため、表１および表２に示されるスラグ条件を用いて、試験高炉にて試験操業を実施した。
【００３５】
試験高炉は、炉床径が０．９ｍ、羽口からストックレベルまでの高さが４．５ｍ、炉内容積が３．０ｍ３  であり、炉底から０．８ｍの高さの位置の炉壁部に、３本の羽口が円周方向に１２０度づつ方向を違えて設置されている。羽口には燃料吹き込みランスが設けられており、補助燃料供給装置から流送されてきた燃料を炉内に吹き込むことができる。なお、本試験操業においては、補助燃料供給装置として、微粉炭供給装置を使用し、微粉炭を燃料吹き込みランスから炉内に吹き込んだ。
【００３６】
また、炉の側壁部には炉高方向の複数箇所に静圧計が設置されており、炉内の圧力（静圧）分布を測定できる。
【００３７】
試験操業の結果を表３に示す。
【００３８】
【表３】
0003705243.tif 000004
【００３９】
ここで、表中の滴下帯の圧力損失は、試験高炉側壁に設置された静圧計による計測値に基づき、当該部位の圧力損失を求めたものである。
【００４０】
また、試験高炉の送風圧力変動とは、各ケースの操業条件における試験高炉の送風圧力の時間的変化の標準偏差を示す。当該数値が小さいほど、送風圧力変動が少ないことを示す値であり、試験高炉の安定操業のためには、０．２９ｋＰａ未満となることが必要である。
【００４１】
なお、操業結果の評価基準は、以下のとおりとした。
◎：滴下帯の圧力損失：3.5kPa未満、かつ送風圧力の変動：0.15kPa未満、
○：滴下帯の圧力損失：3.5kPa未満、かつ送風圧力の変動：0.15kPa以上0.29kPa未満、
×：滴下帯の圧力損失：3.5kPa以上、または送風圧力の変動：0.29kPa以上、
ケース１は、燃料中灰分由来スラグのＡｌ２Ｏ３／ＳｉＯ２の総括値が０．５５と低い比較例である。鉱石由来スラグのＣａＯ／ＳｉＯ２の値およびＡｌ２Ｏ３含有率が高いことから、滴下帯スラグの粘度および結晶化温度が高く、その結果、試験高炉の滴下帯における圧力損失が高くなっている。しかも、送風圧力の変動も大きく、操業は不安定であった。
【００４２】
ケース２〜４は本発明例であり、ケース２は、燃料中灰分由来スラグのＡｌ２Ｏ３／ＳｉＯ２の総括値を０．６に増加させた場合である。滴下帯スラグのＣａＯ／ＳｉＯ２の値およびＡｌ２Ｏ３含有率の低下により、滴下帯スラグの粘度が１２％低下し、結晶化温度も低下した。その結果、試験高炉の滴下帯での圧力損失は低下し、送風圧力の変動も大幅に低下し、操業は安定化した。
【００４３】
さらに、ケース３および４は、燃料中灰分由来スラグのＡｌ２Ｏ３／ＳｉＯ２の総括値をそれぞれ０．６５および０．７０に増加させた場合である。滴下帯スラグの粘度および結晶化温度はさらに低下し、その結果、滴下帯での圧力損失および送風圧力の変動はさらに低下して、操業は一段と改善された。
【００４４】
表３の結果より、燃料中灰分由来スラグのＡｌ２Ｏ３／ＳｉＯ２の総括値が０．６以上であれば、送風圧力の変動が０．２９ｋＰａ未満に低減し、高炉の安定操業を達成できることが判明した。
上述のとおり、燃料中灰分由来スラグのＡｌ２Ｏ３／ＳｉＯ２の総括値を高くすることによって、最終スラグの組成を維持しつつ、鉄鉱石由来スラグのＣａＯ／ＳｉＯ２  およびＡｌ２Ｏ３  含有率を低い値に設計し、滴下帯スラグの性状を改善し、高炉操業の安定化が達成できた。
【００４５】
【発明の効果】
本発明の方法によれば、羽口から補助燃料を吹込む高炉操業において、鉄鉱石装入物の脈石、コークスおよび補助燃料の灰分中の成分組成を適正化することにより、炉下部で生成するスラグの粘度および結晶化温度を低下させ、滴下帯におけるスラグの通気および通液性を改善して操業の安定化を実現できる。