(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
室炉コークスと低い温度で乾留した成型コークスとを併用して高炉を操業するに当たり、該成型コークスに含ませて高炉内に供給する水素量を２ｋｇ／ｔ−ｐｉｇ以上に調整することを特徴とする成型コークスを用いた高炉の操業方法。
【請求項２】
室炉コークスと低い温度で乾留した成型コークスとを併用して高炉を操業するに当たり、該成型コークスを高炉炉頂半径方向中間部から炉壁部の間に装入し、成型コークスに含ませて高炉内に供給する水素量を１ｋｇ／ｔ−ｐｉｇ以上に調整することを特徴とする成型コークスを用いた高炉の操業方法。
【請求項３】
成型コークスに、６８０  〜９００  ℃で乾留を終了して残留水素量を１．０  〜３．５  ％に調整したものを用いる請求項１または２に記載の高炉の操業方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
【産業上の利用分野】
この発明は、通常の室炉式コークス炉を用いて生産される室炉コークスの代替技術として注目されている、成型コークス法により生産される成型コークスを用いた高炉の操業方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
現在、高炉用コークスの大部分は室炉式コークス炉での乾留により生産されているが、使用原料炭の使用範囲の拡大、操業の連続化、生産条件の変更の容易さおよび設備費の低減、さらには生産工程の完全クローズド化によって環境汚染が少ない、などの特徴を有するところから、成型コークスの商用生産、そして高炉での使用が検討されている。
【０００３】
この成型コークスの製造法としては、例えば  Ｔｒａｎｓ  ＩＳＩＪ，  Ｖｏｌ  ２３（１９８３）  Ｐ．７００  〜Ｐ．７０９  に開示されているように、非粘結炭を主配合材とする原料炭とバインダーを混練して、次いでこの原料を加圧成型し、得られた成型炭を乾留する方法が公知である。その際、成型炭の最終乾留温度は、室炉コークスの最終乾留温度および製造されたコークスの強度を参考にして、９５０  〜１０００℃に設定されている。
【０００４】
しかし、この技術は、成型コークスの製造時の問題として、最終乾留温度が高いために、乾留用のガス加熱装置が高価なものとなること、そして発生したガス中のタール分およびメタンを主成分とする発生ガスの回収精製装置が大型化すること等、設備費が嵩む不利がある。
【０００５】
これに対して、特公昭６０−３３５９号および特開昭５４−１５３８０１号各公報には、成型コークスにおける粘結炭の配合率を増大させ、冷間での強度を確保しつつ、最終乾留温度を７００  〜８００  ℃に低下させる技術が提案されている。
【０００６】
これらの技術は、最終乾留温度の低下による、乾留用のガス加熱装置の簡略化およびガス精製装置のコンパクト化などの設備費の低減効果が期待できるものの、粘結炭の配合率が増大するため、非粘結炭の配合率を高めるところの成型コークスの長所を生かすことができずに、原料炭のコスト増を招いて、成型コークスの製造コストを上昇させるという問題点があって、積極的に成型コークスの製造設備を新設して、高炉で使用するメリットがなかった。
【０００７】
また、上記のように、成型コークスを低温で乾留する場合にとくに工夫を必要とするのは、成型コークスが非粘結炭を主とした配合炭に粘結剤を添加した加圧成型炭の乾留により製造されるため、その乾留温度が低いと、冷間強度の不足に起因する運搬中、高炉装入時の粉の発生による高炉の通気性の悪化、操業変動の増大および炉内での成型コークスの挙動が明らかになっていない事に起因する事前の送風量減少などの過剰アクションの実施などの不利を伴うためである。そこで、上記した技術を典型例とする、低温乾留による場合でも、通常の高温乾留による成型コークスの品質に近づける努力がなされているのである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
これに対して、低温乾留による成型コークスを用いた高炉の操業方法そのものについての提案はなく、低温乾留による成型コークスの弱点を高炉の操業条件で補う努力はなされていないのが現状である。
【０００９】
そこで、この発明は、通常の成型コークス法において単に乾留温度を低下して得た成型コークスを用いることのできる、新たな高炉の操業条件について提案することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明は、室炉コークスと低い温度で乾留した成型コークスとを併用して高炉を操業するに当たり、該成型コークスに含ませて高炉内に供給する水素量を２ｋｇ／ｔ−ｐｉｇ以上に調整することを特徴とする成型コークスを用いた高炉の操業方法である。
【００１１】
また、この発明は、室炉コークスと低い温度で乾留した成型コークスとを併用して高炉を操業するに当たり、該成型コークスを高炉炉頂半径方向中間部から炉壁部の間に装入し、成型コークスに含ませて高炉内に供給する水素量を１ｋｇ／ｔ−ｐｉｇ以上に調整することを特徴とする成型コークスを用いた高炉の操業方法である。
【００１２】
ここで、成型コークスには、６８０  〜９００  ℃で乾留を終了して残留水素量を１．０〜３．５  ％に調整したものを用いること、および成型コークスはＪＩＳ  Ｋ２１５１に規定された回転強度試験による回転強度ＤＩ１５３０が８５以上であることが、実施に当たり有利に適合する。
【００１３】
【作用】
発明者らは、従来の成型コークスに関する研究成果を参考にしつつ、種々の製造条件における成型コークスの挙動、或いは室炉コークスと成型コークスとを併用した高炉操業での成型コークスの炉内における性状変化について、広範に調査、そして検討した結果、以下の知見を得た。
【００１４】
〔成型コークスの乾留時の挙動〕
まず、成型コークスの乾留に要する熱量を詳細に調査するために、示差熱分析法にて乾留中の石炭の平均比熱の変化を測定した結果について、図１に示す。同図から、雰囲気温度を上昇していくにつれて、熱分解等の反応が起こらないと仮定した場合には、単調に平均比熱が上昇すると推定されるが、石炭の場合には複雑な熱分解反応を生じることから、直線から大きく偏倚することがわかる。
【００１５】
すなわち、乾留前半である低温域の２００  〜６８０  ℃の間では、脱水反応、脱アルキル反応、重合反応等の吸熱反応が起こるため、平均比熱は直線から正の方向にずれる。一方、高温域の６８０  〜１０００℃の間では、脱水素反応が主体となり、平均比熱が直線から負の方向にずれる。つまり、乾留後半部では乾留反応が発熱反応となるため、外部から熱を加えなくとも乾留が進行、昇温することになる。
【００１６】
次に、成型コークス製造時のコークス中に残留する水素と最終乾留温度との関係を、図２に示す。同図に示すように、４００  ℃近傍から乾留が開始し、残留水素量は減少し始める。乾留後半の高温域では、脱水素反応が盛んになり、水素濃度は急激に低下し、約１０００℃で残留水素濃度はほぼゼロになる。
【００１７】
ここで、乾留に必要な加熱熱量を計算すると、吸熱反応がおこる６８０  ℃までの加熱熱量が最大となり、高温乾留ではむしろ加熱熱量が減少することがわかる。従って、最終乾留温度の低下が必ずしも全乾留熱量の低下につながるものではなく、最終乾留温度の低下による乾留熱量の低減は５〜１０％と予想外に小さい。
それゆえ、低温乾留した成型コークスを高炉操業に用いた場合のメリットは、成型コークスの最終乾留温度が下がることによる乾留炉の操業費低減よりも、乾留炉の最終乾留温度の低減に伴う設備費の低減にある。
【００１８】
〔室炉コークスおよび成型コークスの高炉内での挙動〕
まず、高炉内の高さ方向の温度分布およびガス組成の分布を、図３に示す。
炉頂から装入された原料は炉頂部で急速に昇温されて８００  ℃に到達し、その後長時間かけて１２００℃まで徐々に加熱される。炉頂部では鉄鉱石の間接還元が起こり、ガス組成が変化する。
【００１９】
この間接還元反応の形態は、表１に示すように、水素によるものと一酸化炭素によるものとに区別される。さらに、高温部では炭素による直接還元反応およびコークスと二酸化炭素が反応するソリューション反応が起こる。また、間接還元反応熱の値を表１に併記するように、一酸化炭素による間接還元反応はやや発熱反応であるのに対して、水素による間接還元反応は大きな吸熱反応であることに特徴が有る。それゆえ、高炉操業に多用される、微粉炭多量吹込み時には、水素による吸熱反応に起因する高炉の中、上部での温度が低下し、そして温度低下により引き起こされる鉱石の低温還元粉化が問題となる。
【００２０】
【表１】
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【００２１】
次に、高炉内での一般的な室炉コークスの劣化挙動を、図４に示す。高炉炉頂部に装入されたコークスは、高炉シャフト部ではほとんどその粒径を変えずに炉内を降下し、その後、高炉下部に降下してソリューション反応を起こし、やや粒径が低下する。そして、最も大きく粒径が低下する位置は、燃焼帯であるレースウエイ近傍である。
【００２２】
また、高炉内の大部分の領域における、コークスの劣化挙動は、ＪＩＳ  Ｋ２１５１に規定された回転強度試験による回転ドラム指数で表される破壊挙動を示し、ここで規定された冷間強度で十分に管理することができる。従って、成型コークスの製造およびその後の高炉へのハンドリング過程で室炉コークスがもつ冷間強度と同程度の冷間強度を成型コークスで確保すれば、高炉内での粉化を防止できる。すなわち、低温乾留された成型コークスでも、室炉コークス並みの冷間強度を確保すれば、高炉内での粉化による通気性阻害の問題はない。
【００２３】
ここに、最終乾留温度を変更した際の成型コークスの製造条件と生産されたコークスの品質について、表２に示す。レースウエイなどの炉下部で重要となる強度（ＴＩ6400）は十分に確保されていない。しかしながら、種々の乾留温度で乾留したコークスを実際に高炉内に装入して炉内で採取し、その強度を調査した結果を表３に示すように、強度（ＤＩ1530）および強度（ＴＩ6400）が共に高炉内への装入前に比べて装入後（羽口上部）で向上し、特に低温乾留したコークスの強度（ＴＩ6400）の向上が著しいことがわかる。従って、高炉使用に際しては装入時の強度が十分に保たれれば良く、低温乾留コークスに強度上の問題が無いことが判明した。
【００２４】
【表２】
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【００２５】
【表３】
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【００２６】
上述したように、高炉内で鉱石を還元する場合、一酸化炭素による還元反応は発熱反応であるのに対して、水素による還元反応は吸熱反応である。さらに、国分らの、鉄と鋼、６６（１９８２）Ｐ．２３３８〜Ｐ．２３４５に記載の報告によると、水素による還元反応の速度は、一酸化炭素より著しく速く、鉱石の高温での性状を改善し、高炉の高成績につながることが知られている。
【００２７】
従って、高炉内での鉱石の還元は水素を利用することが有利であるが、単に水素源を高炉の羽口から水分として供給することは、上述のように、水素による鉄鉱石の還元が吸熱反応であることから、高炉の中、下部での熱不足を招来し、操業の不安定化につながる。
【００２８】
これに対して、成型コークスに水素を残留させて高炉に装入した場合には、図１に示したように、成型コークスの高温部での脱水素反応（乾留反応）は発熱反応であり、水素を放出しながら、同時に発熱反応の熱を放出するので、上記の高炉の中、下部での熱不足は発生しない。従って、同じレベルの水素原単位の操業を、通常の室炉コークスあるいは１０００℃以上の高温で乾留した成型コークスを用いた場合と比較すると、高炉の下部の間接還元に伴う温度の低下が無く、温度低下に伴う操業の不安定さを回避することができる。
【００２９】
なお、上記の発熱反応を期待できる、成型コークス中の水素残留量は、１．０  〜３．５  ％程度であり、この水素残留量の指数としては最終乾留温度が有効であり、一般的な配合条件（揮発分２０〜３０％の配合）で、上記の発熱反応を期待できる水素残留量を達成するためには、最終乾留温度は６８０  ℃以上９００  ℃以下であることが望ましい（図２参照）。
【００３０】
例えば、７２０  ℃で乾留を中止した成型コークスを高炉に装入した場合、図２に示したところと表４に示す計算から明らかなように、通常高炉で要求される水素量１０  ｋｇ／ｔ  を十分に供給でき、同時に鉄鉱石の水素還元時の吸熱反応を補償するのに十分な熱量を、脱水素反応の発熱反応により供給できる。すなわち、図２に示したところから、最終乾留温度７２０  ℃の成型コークスは水素含有量が３％程度となることが分かる。そして、次の表４の（ａ  ）式：水素原単位に示すように、成型コークスを４５０ｋｇ  ・ｃｏｋｅ／ｔ  −Ｐｉｇ  使用すると、これに含まれる水素量は１３．５ｋｇ・Ｈ２／ｔ  −Ｐｉｇ  であるから、通常高炉で要求される水素量１０ｋｇ／ｔ  −Ｐｉｇ  を供給可能である。
【表４】
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【００３１】
以上の実験による各知見から、発明者らは、水素濃度を多量に残存させた、すなわち低温乾留した成型コークスを室炉コークスと併用して高炉に装入することにより、成型コークス中の水素を高炉内で放出させ、鉄鉱石の還元に利用するとともに、その際に同時におこる成型コークスの高温乾留による発熱量を利用して鉄鉱石還元時の吸熱反応を補うことを想到したのである。
【００３２】
さらに、低温乾留した成型コークスを室炉コークスと併用した高炉の操業について種々の検討を行ったところ、成型コークスを高炉内に供給するに当たり、該成型コークスから高炉内に放出される水素量を適正化することによって、初めて低温乾留した成型コークスを用いる高炉の安定操業が実現されることが判明した。以下に、この発明の基礎となった実験結果について詳述する。
【００３３】
すなわち、低温乾留した成型コークスを室炉コークスと併用した高炉の操業に関して、成型コークス比や成型コークスの残留水素量などの変更によって、成型コークスに含ませて高炉内に供給する水素量を種々に変化したときの、スリップ回数について、調査した結果を図５に示す。ここで、スリップ回数とは、高炉の挿入物面の高さを計測するサウンジング計の出力が１ｍ以上大きく変化した回数を表わす指数であり、高炉操業の安定度の指標となるものである。
同図から明らかなように、スリップ回数の低下で示される高炉操業の安定化というメリットを享受できるのは、成型コークスに由来する水素量が２ｋｇ／ｔ−ｐｉｇ以上の範囲である。
【００３４】
また、低温乾留した成型コークスを高炉に装入する場合、高炉炉頂半径方向の中間部から炉壁にかけては高炉の熱流比が高く温度の低下が大きいため、この部分に集中させることが、極めて有効である。
すなわち、温度低下が顕著である高炉の半径方向中間部から炉壁部にかけての領域にのみ装入物分布制御装置を用いて成型コークスを装入した場合の高炉操業結果を、成型コークスの装入位置と高炉の熱流比分布の関係として、図６に示す。低温乾留した成型コークスの効果が最も大きく現われるのは、高熱流比の領域、つまり同図にシャフトガスサンプラーの温度分布で示される低温領域（通常成型コークス装入時の半径方向温度分布で４００  ℃の破線よりも低温となる部分）である。この高熱流比領域に低温乾留コークスを装入した場合には、シャフトガスサンプラー領域の温度が上昇し、低温乾留コークスの効果が現われる。通常、こうような低温領域が生ずるのは高炉の熱流比が０．８５以上の領域、半径方向でいうと無次元半径０．２  〜０．４  以上の領域である。
【００３５】
さらに、上記の成型コークスを高炉炉頂半径方向中間部から炉壁部の領域に装入する操業に関して、成型コークス比や成型コークスの残留水素量などの変更によって、成型コークスに含ませて高炉内に供給する水素量を種々に変化したときの、スリップ回数について、調査した結果を図７に示す。
同図から明らかなように、スリップ回数の低下で示される高炉操業の安定化というメリットを享受できるのは、成型コークスに由来する水素量が１ｋｇ／ｔ−ｐｉｇ以上の範囲であり、炉頂全領域に成型コークスを装入した場合に比較して少ない水素量で同様な効果を得ることができた。
【００３６】
ここで、成型コークスに含ませた水素を高炉内に供給する効果の一例として、最終乾留温度を低下して残留水素量を  ２．５％に調整した成型コークスを室炉コークスと配合比５０％（成型コークスにて供給される水素量４．４  ｋｇ／ｔ−ｐｉｇ）で併用した操業における、典型的な高炉高さ方向の温度分布を、室炉コークスを１００  ％配合の操業と比較して、図８（ａ）  に示す。
【００３７】
同図に示すように、成型コークス併用時には、成型コークス中の残留水素が脱水素反応を起こす際の発熱反応により温度が上昇する。その結果、高炉の中、上部の温度が上昇している。一方、室炉コークス１００  ％配合の操業では、水素による間接還元反応の熱量により温度が低下し、シャフト上部の温度は５００  〜６００  ℃となっている。この温度域は還元粉化現象という鉱石の粉化現象が最も起こりやすい温度になっており、原料粒度の低下により操業の不安定化を引き起こした。これに対して、成型コークスを併用すると、高炉上部の温度を９００  〜１０００℃という粉化現象が問題にならない温度まで上昇させることが可能であった。なお、両者のスリップ指数は、それぞれ０．３  回／日（成型コークス５０％配合）、３．５  回／日（  室炉コークス１００  ％）  であり、成型コークスによる操業の安定化は顕著である。
【００３８】
同様に、成型コークスを高炉炉頂半径方向中間部から炉壁へ向けて装入する操業についても、最終乾留温度を低下して残留水素量を  ２．５％に調整した成型コークスを室炉コークスと配合比２５％（成型コークスにて供給される水素量２．２  ｋｇ／ｔ−ｐｉｇ）で併用した操業における、典型的な高炉高さ方向の温度分布を、室炉コークスを１００  ％配合の操業と比較して、図８（ａ）  に示す。なお、温度の測定位置は無次元半径で０．５  の高炉中間部である。
【００３９】
同図に示すように、成型コークス使用時には、成型コークス中の残留水素が脱水素反応を起こす際の発熱反応により温度が上昇する。その結果、高炉の中、上部の温度が上昇している。一方、室炉コークス１００  ％配合の操業では、間接還元反応の熱量により温度が低下し、シャフト上部の温度は２５０  ℃となっている。このような低温は、還元粉化現象という鉱石の粉化が最も起こりやすい温度であり、原料粒度の低下により操業の不安定化を引き起こした。これに対して、成型コークスを併用すると、高炉上部の温度は６００−８００  ℃という粉化現象が問題にならない温度まで上昇させることが可能であった。なお、両者のスリップ指数は、それぞれ０．５  回／日（成型コークス２５％配合）、５．４  回／日（室炉コークス１００  ％）であり、成型コークスによる操業の安定化は顕著である。
【００４０】
【実施例】
実施例１
表５に示す各条件に従う、種々の高炉操業を行った。各操業における、高炉のシャフト下部の炉壁温度、スリップ回数および溶銑温度の変動幅について測定した結果を、表５に併記する。
【００４１】
【表５】
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【００４２】
操業期間１は高燃料比の操業期間であり、高コークス比の結果として、全水素供給量が１．６ｋｇ／ｔ  −Ｐｉｇ  でもシャフト下部炉壁温度も高く、操業は安定している。
【００４３】
次に、操業期間２は、燃料比の低下により高炉全体の熱レベルが低下する。さらに、全コークス比の低減手段として微粉炭の吹き込みを実施しているため、水素の供給量が増大することと相まって、シャフト部の温度が低下し、操業の変動が大きくなった。例えば、スリップ回数は５回／日まで上昇しており、溶銑温度の変動も４８℃まで増大し、高炉操業は不安定化し、また溶銑温度に代表される溶銑品質の変動、ひいては悪化が顕著であった。
【００４４】
一方、操業期間３〜６は、成型コークス中の水素量を２．５  ％に維持したまま、成型コークス配合量を増加させた操業であり、成型コークス配合量の増大、つまり成型コークスによる供給水素量の増大とともに、シャフト下部の温度が上昇し、操業は安定化した。
【００４５】
また、操業期間７は、最終乾留温度を上昇させて、残留水素量を１．３５％まで低下させて、高価な粘結炭の配合を低下した操業期間である。操業の変動はやや大きくなるものの管理範囲内で許容できる。
【００４６】
実施例２
表６に示す各条件に従って、成型コークスを高炉炉頂半径方向中間部から炉壁へ向けて装入する、種々の高炉操業を行った。各操業における、高炉のシャフト下部の炉壁温度、スリップ回数および溶銑温度の変動幅について測定した結果を、表６に併記する。
【００４７】
【表６】
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【００４８】
操業期間１は高燃料比の操業期間であり、高コークス比の結果として、全水素供給量が１．６ｋｇ／ｔ  −Ｐｉｇ  でもシャフト下部炉壁温度も高く、操業は安定している。
【００４９】
次に、操業期間２は、燃料比の低下により高炉全体の熱レベルが低下する。さらに、全コークス比の低減手段として微粉炭の吹き込みを実施しているため、水素の供給量が増大することと相まって、シャフト部の温度が低下し、操業の変動が大きくなった。例えば、スリップ回数は１３回／日まで上昇しており、溶銑温度の変動も４６℃まで増大し、高炉操業は不安定化し、また溶銑温度に代表される溶銑品質の変動、ひいては悪化が顕著であった。
【００５０】
一方、操業期間３〜６は、成型コークス中の水素量を２．５  ％に維持したまま、成型コークス配合量を増加させた操業であり、成型コークス配合量の増大、つまり成型コークスによる供給水素量の増大とともに、シャフト下部の温度が上昇し、操業は安定化した。また表５と比較して成型コークスに由来する水素量が少ない配合で同様な結果を得ており、炉中間部から炉頂壁部にかけて装入することの有意性が明らかである。
【００５１】
また、操業期間７は、最終乾留温度を上昇させて、残留水素量を１．３５％まで低下させて、高価な粘結炭の配合を低下した操業期間である。操業の変動はやや大きくなるものの管理範囲内で許容できる。
【００５２】
【発明の効果】
この発明によれば、成型コークスを高炉に装入する高炉操業に関して、低温乾留した成型コークスを使用し、コークス乾留時の熱量の低減、成型コークス設備費の低減は元より、高炉操業の安定化を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】乾留中の石炭の平均比熱の変化を測定した結果を示す図である。
【図２】成型コークス製造時のコークス中に残留する水素と最終乾留温度との関係を示す図である。
【図３】高炉内の高さ方向の温度分布およびガス組成の分布を示す図である。
【図４】高炉内での一般的なコークスの劣化挙動を示す図である。
【図５】成型コークスに含ませて高炉内に供給する水素量を種々に変化したときのスリップ回数について調査した結果を示す図である。
【図６】成型コークスの装入位置と高炉の熱流比分布の関係示す図である。
【図７】成型コークスに含ませて高炉内に供給する水素量を種々に変化したときのスリップ回数について調査した結果示す図である。
【図８】高炉高さ方向の温度分布を示す図である。
【図１】
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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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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