(57)【要約】      （修正有）【課題】高炉シャフト部での装入原料の還元粉化を抑制して炉内通気性の改善を図ることによって、高炉の安定した操業を行なうための方法を確立する。【解決手段】シャフト部から高炉の炉内に予熱ガスを吹き込むことにより、装入原料が荷下がりする際の、８００〜１０００℃の温度域を通過する該装入原料の滞留時間を調整する高炉操業方法。８００〜１０００℃の温度域を通過する装入原料の前記滞留時間は、６０分以上とし、熱ガスは、温度が９５０℃以上の温度のものを１００Ｎｍ３／ｔ以上吹き込む。装入原料は、焼結鉱および／または鉄鉱石り、高炉の装入羽口からは、微粉炭および／または還元剤を吹き込む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シャフト部から高炉の炉内に予熱ガスを吹き込むことにより、装入原料が荷下がりする際の、８００〜１０００℃の温度域を通過する該装入原料の滞留時間を調整することを特徴とする高炉操業方法。
【請求項２】
８００〜１０００℃の温度域を通過する装入原料の前記滞留時間は、６０分以上とすることを特徴とする請求項１に記載の高炉操業方法。
【請求項３】
前記予熱ガスは、温度が９５０℃以上の温度のものを１００Ｎｍ３／ｔ以上吹き込むことを特徴とする請求項１または２に記載の高炉操業方法。
【請求項４】
前記装入原料は、焼結鉱および／または鉄鉱石であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１に記載の高炉操業方法。
【請求項５】
高炉の装入羽口からは、微粉炭および／または還元剤を吹き込むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１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、高炉操業方法、特に高炉内に装入された焼結鉱や鉄鉱石のような装入原料の昇温−還元時におけるこれらの崩壊、粉化による炉内通気性の悪化を抑制する方法として有効な高炉操業方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高炉は、炉内に装入した鉄鉱石や焼結鉱などの装入原料が、その炉内を降下する間に還元、溶融することによって溶鉄を製造する炉であるが、この高炉の操業において重要なことは、速やかで安定した上記の還元反応を維持することである。そのためには、一定の炉内温度の確保すなわち熱の供給やＣＯ、Ｈ２等の還元ガスの供給を適正にすることが必要である。
【０００３】
ところで、近年、炭酸ガス排出量の増加による地球温暖化が問題となっている。製鉄所においても、排出二酸化炭素の抑制は極めて重要な課題となっている。そこで、最近の高炉では、低還元材比（低ＲＡＲ）操業が脚光を浴びている。なお、ＲＡＲとは、銑鉄１トンを製造するときの、吹き込み燃料と炉頂から装入されるコークスの合計量との割合である。
【０００４】
高炉の操業においては、一般に、還元材比（ＲＡＲ）が低下すると送風量の低下を招き、その結果、シャフト上部において装入物（焼結鉱やコークス等）の昇温が遅れ、順調な還元が阻害されることが知られている。加えて、シャフト上部の低温域が拡大すると、亜鉛化合物などの壁付きが助長され、風圧変動や荷下がり異常などの炉況悪化を招く懸念がある。また、炉頂部の温度が低下し、１００℃を割り込むような場合には、排ガス中の水分が配管内に凝縮するという問題も生じる。
【０００５】
また、高炉の操業において、装入した焼結鉱等に含まれる酸化鉄の還元を促進するためには、炉内の通気性の向上を図ることが重要であり、高炉内での粉の発生をできる限り抑制することが有効である。そのためには、装入原料である焼結鉱自体の特性、例えば、還元粉化特性を示すＲＤＩ、あるいはコークスの粉化特性を示すＤＩなどの調整が重要な指標となる。
【０００６】
前述したように、近年の高炉操業では、低ＲＡＲを目標として操業する結果、シャフト上部が低温傾向になる。このことに対し、従来、その低温傾向になるという弊害を除去するために、特許文献１では、シャフト上部から炉内にＣＯ２を除去した燃焼ガスを利用する予熱ガスを吹き込むことにより、シャフト上部における低温領域の拡大や炉頂ガスの温度低下を防止する方法を提案している。
【０００７】
また、特許文献２では、低ＲＡＲ高炉操業を行なうことによる炉況不調や炉上部での装入物の昇温不足を防ぐために、前記予熱ガスの吹き込みに際し、その吹き込みの位置や吹き込み速度の調整、あるいは予熱ガス種の選択、調整を行なうことにより、安定した低ＲＡＲ操業の実現を目指す提案を行なっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００９−２２１５４７号公報
【特許文献２】特許第４７４３３３２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、高炉操業において、炉内のとくにシャフト部での鉄鉱石および焼結鉱に含まれる酸化鉄の還元反応を考えるとき、該シャフト部に供給する熱と還元ガスとをどのように利用するかが、高炉の安定操業を実現する上で重要となる。とりわけ、重要なのが炉内の通気性の確保である。
【００１０】
この点、近年、良質な原料資源の枯渇により、鉄鉱石については結晶水を多く含むピソライト鉱石、石炭については非微粘炭といった劣質な原料を使用せざるを得ないのが実情である。そのために、近年の高炉装入原料は、以前のものに比べると還元粉化性（ＲＤＩ）が低く、コークス粉化性（ＤＩ）も低下しており、高炉内での通気性の確保が増々困難となっている。
【００１１】
ところで、上掲の２つの従来技術（特許文献１、２）は、予熱ガスの吹き込み調整に主眼があり、近年の原料事情の悪化に応じて再検討が必要とされる炉内通気性の観点からその改善を図るための方法について言及したものではない。
【００１２】
しかし、高炉シャフト部での還元反応を考えるには、装入原料の還元粉化特性、とくにこの特性を考慮して装入原料の降下調整を行なうこと、とりわけ還元粉化を起こしにくく、通気性の悪化を招きにくい装入原料の降下制御を行なうことが必要であると考えられる。
【００１３】
そこで、本発明の目的は、高炉シャフト部での装入原料の還元粉化を抑制して炉内通気性の改善を図り、このことによって、高炉の安定した操業を果すための方法を確立することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
近年の原料事情に伴なう原料品位の低下時にあっても、高炉シャフト部で良好な還元反応を起させるようにするために、前述した従来技術が抱えている課題を克服する方法について鋭意研究を重ねた。その結果、発明者らは、以下の述べるような方法の採用が有効であるとの知見を得て本発明を開発するに到った。
【００１５】
即ち、本発明は、シャフト部から高炉の炉内に予熱ガスを吹き込むことにより、装入原料が荷下がりする際の、８００〜１０００℃の温度域を通過する該装入原料の滞留時間を調整することを特徴とする高炉操業方法を提案する。
【００１６】
本発明に係る前記高炉操業方法においては、
（１）８００〜１０００℃の温度域を通過する装入原料の前記滞留時間は、６０分以上とすること、
（２）前記予熱ガスは、温度が９５０℃以上の温度のものを１００Ｎｍ３／ｔ以上吹き込むこと、
（３）前記装入原料は、焼結鉱および／または鉄鉱石であること、
（４）高炉の装入羽口からは、微粉炭および／または還元剤を吹き込むこと、
がより好ましい課題を解決手段になり得るものと考えられる。
【発明の効果】
【００１７】
上記のように構成される本発明に係る高炉操業方法によれば、高炉シャフト上部での８００℃未満の滞留時間を短く、８００℃〜１０００℃の滞留時間を長くすることにより、焼結鉱や鉄鉱石などの装入原料の亀裂内に、主に金属鉄粒子による架橋組織を生成させることができ、ひいてはシャフト部での装入原料の還元粉化や崩壊を防止して安定した高炉の操業を行なうことができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】高炉内を模擬した昇温・還元実験における中断温度と焼結鉱の粉化率の関係を示すグラフである。
【図２】還元を１０００℃で中断したときの焼結鉱組織の断面写真である。
【図３】還元を９００℃で中断したときの焼結鉱組織の断面写真である。
【図４】還元を８００℃で中断したときの焼結鉱組織の断面写真である。
【図５】金属鉄等が焼結鉱の亀裂内に架橋形成する過程の推定メカニズムを示す概略図である。
【図６】架橋組織の金属結合過程を示す模式図である。
【図７】本発明の一実施形態を示す、高炉および周辺設備の概略図である。
【図８】高炉内における装入原料の降下に伴う平均的な温度履歴を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
発明者らは、高炉内での鉄鉱石や焼結鉱などの装入原料の還元粉化を抑制するための方法について、まず、ラボ実験により検討した。その結果、高炉内に装入された装入原料の高炉シャフト上部における還元粉化特性に関して、次のような事実を知見した。
【００２０】
図１は、焼結鉱を反応器に装入して高炉内を模擬した昇温、還元実験を行った結果である。図１によると、還元粉化温度である５００℃〜６００℃をピークとして、これより高い温度になると焼結鉱の粉化率は４〜５％も低下することがわかった。なお、この図において、中断温度とは、炉の加熱を中止し、同時に反応器に供給するガスをＣＯやＨ２を含む還元ガスから不活性のＮ２ガスに切り替えた温度であり、条件Ａとは、一般的な高炉操業を想定した昇温およびガス条件であり、条件Ｂとは、高炉への微粉炭吹込み量増加により還元ガス中のＨ２ガスの割合が増加した状況を想定した昇温およびガス条件である。なお、還元実験後の焼結鉱を反応器から取り出すのは、試料温度が室温程度まで低下した時点であり、そのときの反応器内は、上述のとおりＮ２ガスに置換されている。
【００２１】
そして、高炉内を模擬した上記実験において、還元、冷却後に採取した焼結鉱の断面組織を金属顕微鏡により観察したところ、図２（１０００℃で中断）、図３（９００℃で中断）、図４（８００℃で中断）に示すように、それぞれの中断温度（還元粉化温度）で発生した亀裂は、それらの中断温度以上の温度でも残留するが、一部で金属鉄による架橋組織（○印部分）が形成されるため、破壊、即ち粉化が抑制されることがわかった。特に、中断温度を８００℃以上に維持すると、これらの抑制効果がより顕著になることが判明した。その推定メカニズムの概略を図５に示す。
【００２２】
図５は、焼結鉱に生じた亀裂内に、還元ガスを流入することによって、還元によって生成する浮遊金属鉄粒子が互いに付着し合って成長し、やがて亀裂内でこれら金属鉄が架橋を起こして粉化を抑制するメカニズムを模式的に示したものである。このように、一旦５００〜６００℃域で発生した亀裂は、８００℃以上の温度に保持されることにより、生成した金属鉄粒子などによる架橋結合を生じることがわかる。
【００２３】
また、図６は、架橋組織を作る金属結合過程を模式的に示した。この図に示すように、高炉内に装入された焼結鉱等の装入原料は、シャフト部において、５００〜６００℃に加熱されると分子間結合力が低下して酸化鉄粒子が離脱する。しかし、その離脱した酸化鉄粒子も８００℃以上の温度では、亀裂内に流入した還元ガスによって還元され、酸化鉄（マグネタイト、ウスタイト）粒子および金属鉄粒子を生成させると同時に、亀裂内においてその壁面に付着すると共に、次第に成長を遂げて架橋構造を導き、強固な金属結合の組織を形成するものと考えられる。このことから、装入原料は８００℃以上の温度域に長く保持した方が金属鉄粒子などを介した架橋結合によって、亀裂の修復が起りやすくなることがわかった。
【００２４】
本発明においては、前述したように、シャフト部の５００〜６００℃域で装入原料中に発生した前記亀裂を、シャフト部の８００〜１０００℃に長く保持することによって金属鉄粒子による架橋結合を導き、それによって該装入原料の崩壊、粉化を防ぎ、炉内通気性を向上させることが望ましい。そのためには、その８００〜１０００℃の温度域に滞留させる該装入原料の滞留時間を、少なくとも６０分、好ましくは６５分以上保持することが有効である。それは、この温度域の滞留時間が６０分未満では、上記の作用効果が十分に得られないからである。
【００２５】
そして、８００〜１０００℃の温度領域に６０分以上滞留させるために、本発明では、高炉シャフト部からの予熱ガスの吹き込みに当たっては、９５０℃以上のガスを用い、１００Ｎｍ３／ｔ以上の吹き込みを目標とする操業を行なう。その理由は、予熱ガスの温度が９５０℃未満では、吹込み量が１００Ｎｍ３／ｔでは高炉内焼結鉱等を加熱するのに必要とする熱量が不足し、８００℃に達しないためである。一方、その量が１００Ｎｍ３／ｔ未満では予熱ガス温度が９５０℃では高炉内焼結鉱等を加熱するのに要する熱量が不足し、８００℃に達しないためだからである。
【００２６】
次に、本発明に適合する高炉操業方法の一実施形態を図７を用いて説明する。この図７に示す実施形態は、高炉１の送風羽口２より熱風を吹き込むと共に、シャフト部にある予熱ガス吹き込み配管３から予熱ガス４を炉内に吹き込む例である。なお、前記送風羽口２からは、熱風５の他、燃料ガス６や微粉炭７の吹き込みを併せて行なう例を示している。
【００２７】
この実施形態において、前記予熱ガス４の吹き込み位置は、高炉シャフト部であればいずれの位置でもよい。使用する予熱ガス４としては、ＢＦＧ、ＣＯＧ、ＣＯＧ改質ガス、ＬＮＧ、Ｈ２ガス、ＬＤＧ等の燃料ガスを空気あるいは酸素富化空気（支燃性ガス９）により燃焼炉１０にて部分燃焼させた９５０℃以上の燃焼ガスを使用することができる。９５℃以上の予熱ガスとするために、部分燃焼させる際の空気比は、０．５〜０．８程度が好ましい。空気比が０．５以下では、着火性が悪く燃焼が安定しない。
【００２８】
予熱ガスの温度を９５０℃以上とするためには、支燃性ガスの酸素濃度を高めることは有効である。一方、空気比が０．８以上では燃焼ガスのＰＣＯ/（ＰＣＯ＋ＰＣＯ２））比が、高炉シャフト部のＰＣＯ/（ＰＣＯ＋ＰＣＯ２）比である０．３〜０．７よりも大幅に小さくなるので、鉄鉱石や焼結鉱が再酸化されて強固な金属結合の組織が得られなくなる。部分燃焼させる際の空気比は、高炉に吹き込まれる時点の予熱ガスの組成が得られる空気比のことであり、例えば、空気比１．２で燃焼した燃焼ガスに燃料ガスを混合して、空気比が０．５〜０．８相当のガス組成に調整してもよい。
【００２９】
なお、前記支燃性ガス９は、これを昇温させて燃焼炉１０に供給してもよく、ＣＯおよびＨ２を含有する還元性ガスを間接加熱し所定温度に昇温したガスを燃焼炉１０に供給することもできる。
【００３０】
前記予熱ガス４として、前記燃焼炉１０の代わりに、高炉のシャフト部側面に燃焼バーナーを直接設置して、その燃焼ガスを炉内に吹き込むようにしてもよい。
【００３１】
高炉１のシャフト部から予熱ガス４を炉内に吹き込むとき、予熱ガス４として高炉１から排出される炉頂ガスであるＢＦＧ８の一部を分岐させ、これを支燃性ガス９を使って燃焼炉１０にて部分燃焼させ、９５０℃以上の燃焼ガスとして高炉シャフト部に吹き込んでもよい。また、ＢＦＧ８を利用するとき、ＣＯ２を除去する脱ＣＯ２装置１１を用いて、ＣＯ２を除去したガスを燃焼炉１０で燃焼させて、燃焼ガスとして高炉シャフト部に吹き込むことがより好ましい。それは、ＣＯ２を除去することで、予熱ガスの燃焼に必要な酸素あるいは空気量を軽減できるからである。還元に寄与しないＣＯ２およびＮ２を除去すると更に好ましい。予熱ガスからＣＯ２を除去する方法としては、アルキルアミンによる化学吸収法などがよく、その他、物理吸着法、物理吸法、膜分離法であってもよい。Ｎ２の除去方法としては、物理吸着法、物理吸収法、膜分離法などによる方法が利用できる。
【００３２】
燃焼排ガスなどの予熱ガスを用いる場合、吹き込み位置は高炉シャフト部であればいずれの位置でもよい。これらの予熱ガスは、シャフト部から炉内に吹き込まれるため、予熱ガスの吹き込みは炉内の装入物降下を阻害しないように、鉄鉱石およびコークスの流動化条件以下のガス速度で吹き込むことが好ましい。該予熱ガスは、円周方向に均等に吹き込むようにすることが好ましく、予熱ガス吹き込み配管は、１段あるいは複数段に配置してもよい。
【００３３】
高炉における予熱ガス吹き込みの主な条件としては、例えば、特許文献１に開示されているような方法の適用が考えられる。即ち、高炉の炉口半径をＲ０
とし、ストックラインからの深さがＲ０の位置をｐ１、シャフト部下端からの高さがシャフト部全高の１／３である位置をｐ２としたとき、炉高方向において位置ｐ１と位置ｐ２との間に予熱ガス吹込部を設け、酸素富化率が２０ｖｏｌ．％以下の熱風を送風羽口から高炉内に吹き込むと同時に、前記予熱ガス吹込部からは予熱ガスを吹き込む。その予熱ガスの吹き込みに当たっては、炉周方向の４箇所以上１６箇所以下に等間隔に設けられていた予熱ガス吹込部から、１５〜７２ｍ／ｓの線速度となるようにすることが好ましい。
【００３４】
また、前記予熱ガス吹込部は、ストックラインからの深さが７ｍの位置と、シャフト部下端からの高さがシャフト部全高の１／３の位置との間に設けられていることが好ましい。
【００３５】
なお、高炉のシャフト部内に予熱ガス（シャフトガス）は、シャフトガス吹き込み管から、水平方向または下向きに吹き込むことが好ましい。例えば、０度以上、４５度以下の角度で吹き込むことができるようにする。この場合において、予熱ガスの吹き込みを、水平方向から１５度〜４５度の下向きとすることが、高炉の安定操業、すなわち配管の詰まり、予熱ガスの逆流防止の観点からより好ましい。
【実施例】
【００３６】
この実施例は、シミュレーション計算により、シャフト部に予熱ガスを吹き込む時の温度推移を模擬した還元実験を行って、本発明の効果を検証するものである。
この高炉シミュレーション計算では、内容積５０００ｍ３の高炉に、微粉炭を吹き込む操業において、出銑比：２．３ｔ／ｍ３／ｄ、羽口先温度：２２００℃、微粉炭吹き込み量：１６０ｋｇ／ｔとして、シャフト上部に吹き込む予熱ガスの温度を適宜に変更する実験を行なった。使用した予熱ガスとしては、ＢＦＧの部分燃焼ガスを用い、シャフトガス吹き込み管の管径は２０ｃｍとした。このときの高炉操業パターン１〜４を表１に示す。
【００３７】
【表１】
2014037601.tif 000003
【００３８】
操業パターン１は、従来の一般的な操業条件であって、予熱ガスの吹き込みがなく、パターン２は、予熱ガスをシャフト部から吹き込んだが、その温度を７００℃とした例、パターン３、パターン４は本発明の適合例に相当するものであって、シャフト部に、それぞれ９５０℃、１１００℃の予熱ガスを吹き込んだ例である。
【００３９】
その結果、高炉内における焼結鉱をはじめとした装入原料の降下に伴う平均的な温度履歴は、図８に示すようになった。この温度履歴は、高炉の中心と炉壁との中間位置のものであり、操業に伴う荷下がりを考慮したものである。各パターン１〜４における８００〜１０００℃の滞留時間は、表２に示すようになった。
【００４０】
【表２】
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【００４１】
そこで、表２に示す温度履歴のものについて、還元試験を実施して各パターンの予熱ガス吹き込みの効果を検証した。試験装置は、下方から還元ガスを流すことができる内径７５ｍｍφの反応容器を電気炉で加熱する形式とし、還元ガス組成は、高炉内還元を模擬するものとして、ＣＯ／ＣＯ２／Ｈ２／Ｎ２＝３０／３０／５／３５（ｖｏｌ．％）とした。還元ガスの流量は、１５（ｌｉｔ．／ｍｉｎ．）とした。試料は、１０〜１５ｍｍφの大きさの焼結鉱を用い上記反応容器に５００ｇ充填した。試験は、試料充填層の温度が１０００℃に達した時点で加熱を停止し、ガスをＮ２に切替えることにより中断した。試験後の焼結鉱はＪＩＳ  Ｍ８７２０に伴う回転ドラムによる強度評価を行い、２．８ｍｍφ以下の重量比（粉化率）を算出した。
【００４２】
各温度制御パターン１〜４についての粉化率を表３に示す。通常の高炉操業パターンを模擬した温度制御パターンである比較例１に対し、温度７００℃の比較例２（パターン２）では粉化率の改善が認められなかった。一方、本発明の適合例である発明例１（パターン３：９００℃）では、粉化率の低減が認められ、発明例２（パターン４：１６００℃）ではさらに大幅に改善することが確認できた。
【００４３】
【表３】
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【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明に係る高炉操業方法は、シャフト部に予熱ガスを吹き込んだときの装入原料の滞留時間制御だけに止まらず、予熱ガスを吹き込まない燃料等吹き込み操業などにも応用が可能である。
【符号の説明】
【００４５】
１    高炉
２    送風羽口
３    予熱ガス吹き込み配管
４    予熱ガス
５    送風
６    燃料ガス
７    微粉炭
８    ＢＦＧ
９    支燃性ガス
１０    燃焼炉
１１    脱ＣＯ２装置
【図１】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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