(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
余剰炭材及びセメントを含む炭素高反応性装入物の高炉への装入量を決定する炭素高反応性装入物の装入量決定方法であって、
前記高炉内に存在する還元ガスの利用率が前記余剰炭材の原単位に依存して決まる最大値となる際の前記余剰炭材の原単位を前記余剰炭材の上限装入量として特定し、かつ、前記還元ガスの利用率が前記セメントの原単位に依存して決まる最大値となる際の前記セメントの原単位を前記セメントの上限装入量として特定する工程と、
前記余剰炭材の上限装入量を前記セメントの上限装入量で除算することで、前記余剰炭材の上限装入量と前記セメントの上限装入量との比である閾値を算出する工程と、
前記炭素高反応性装入物内の前記余剰炭材の含有率を前記セメントの含有率で除算した値が前記閾値以上となる場合には、前記余剰炭材の上限装入量を前記余剰炭材の含有率で除算した値を前記炭素高反応性装入物の装入量とし、前記炭素高反応性装入物内の前記余剰炭材の含有率を前記セメントの含有率で除算した値が前記閾値未満となる場合には、前記セメントの上限装入量を前記セメントの含有率で除算した値を前記炭素高反応性装入物の装入量とすることで、前記炭素高反応性装入物の装入量を決定する工程と、を含むことを特徴とする、炭素高反応性装入物の装入量決定方法。
【請求項２】
請求項１記載の炭素高反応性装入物の装入量決定方法により決定された装入量以下の炭素高反応性装入物を高炉に装入することを特徴とする、高炉操業方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素高反応性装入物の装入量決定方法および高炉操業方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高炉においては、炉頂から鉄系原料（酸化鉄を含む原料。主として、焼結鉱）及びコークスを層状に装入し、高炉下部の羽口から熱風を送風する。これにより、高炉内を降下する酸化鉄を加熱するともに、主としてＣＯからなる還元ガスにより還元する。すなわち、銑鉄を製造する。
【０００３】
このような高炉操業において、省エネルギーなどの観点から還元材比を低減する技術について検討が重ねられている。ここで、還元材比は、例えば高炉に導入される全ての還元材の原単位、すなわちコークスの原単位及び羽口から吹き込まれる微粉炭の原単位の総和として示される。特許文献１〜４には、このような技術の一例として、炭素高反応性装入物を使用する技術が開示されている。ここで、炭素高反応性装入物は、少なくとも、炭材と、セメントとを含む。炭素高反応性装入物は、さらに酸化鉄を含む場合が多い。酸化鉄を含むものは、通常、非焼成含炭塊成鉱と称され、特にペレタイザーを用いて球形のペレット状となされたものは非焼成含炭ペレットとも称される。
【０００４】
炭素高反応性装入物に含まれる炭材は、コークスよりも反応性が高い（すなわち、コークスよりも低温でガス化する）。したがって、炭素高反応性装入物に含まれる酸化鉄（以下、このような酸化鉄を「同胞酸化鉄」とも称する）は、炭素高反応性装入物に含まれる炭材によって急速に還元される。すなわち、炭素高反応性装入物に含まれる炭材は、コークスよりも低温でガス化する。そして、同胞酸化鉄は、炭材のガス化によって生成した還元ガスによって還元される。したがって、高炉内では、低温時から還元ガスによる同胞酸化鉄の還元が開始されるので、還元ガスの利用率が向上する。
【０００５】
さらに、炭素高反応性装入物は、同胞酸化鉄を金属鉄に還元するために必要な炭材量よりも余剰の炭材を含む。ここで、同胞酸化鉄を金属鉄に還元するために必要な炭材量は、量論計算によって決定される。余剰分の炭材、すなわち余剰炭材は、高炉内で炭素高反応性装入物の近くに存在する鉄系原料（以下、このような鉄系原料を「装入酸化鉄」とも称する）を還元させる。すなわち、余剰炭材もコークスよりも低温でガス化する。そして、装入酸化鉄は、余剰炭材のガス化によって生成した還元ガスによって還元される。したがって、高炉内では、低温時から還元ガスによる装入酸化鉄の還元が開始される。この点でも、還元ガスの利用率が向上する。
【０００６】
炭素高反応性装入物の例として含炭塊成鉱や高反応性コークスなどが挙げられる。特許文献１は、含炭塊成鉱の一例として、石炭の溶融性を結合に活用した鉄鉱石ブリケットを開示する。特許文献１では、粉鉱石と、揮発分が１６％以上、ギーセラー流動度が２０ＤＤＰＭ以上の粘結炭（炭材）とを混合する。そして、混合物を２６０〜５５０℃の温度域及び成形圧２０〜１５０ＭＰａで熱間成形した後、成形温度範囲で５分間以上の脱ガス処理を行う。これにより、見掛け密度が２．３ｇ／ｃｍ３以上である鉄鉱石ブリケットを作製する。
【０００７】
特許文献２は、含炭塊成鉱の一例として、セメントボンド含炭塊成鉱を開示する。特許文献２では、鉄分を４０質量％以上含有する微粉状鉄含有原料と、炭素分を１０質量％以上含有する微粉状炭材とに水硬性バインダを添加する。そして、水分を調整しつつこれらの原料を混合、造粒することにより、冷間圧潰強度５０ｋｇ／ｃｍ２以上のセメントボンド含炭塊成鉱を作製する。また、特許文献２では、全原料の粒度を２ｍｍ以下とし、全原料中の炭素含有割合（Ｔ．Ｃ）が１５〜２５質量％となるように前記微粉状炭材の配合割合を調整し、かつ、該微粉状炭材のメジアン径を１００〜１５０μｍとする。
【０００８】
特許文献３は、高反応性コークスの一例として、性状の異なる石炭を２種以上配合して製造した平均粒径が３８ｍｍ以下の高反応性小塊コークスを開示する。具体的に、特許文献３は、（ｘ）コークス内部に存在する気孔径：１〜１０μｍの気孔の総容量が２５ｍｍ３／ｇ以上であり、（ｙ）ドラム強度指数（ＤＩ１５０１５）が７０以上である高反応性小塊コークスを開示する。
【０００９】
特許文献４は、高反応性コークスの一例として、フェロコークスを開示する。フェロコークスは、金属鉄を触媒とすることでコークスの反応性を高めたものである。また、特許文献４は、フェロコークスの好適な装入量を決定する方法についても開示する。具体的には、特許文献４では、フェロコークスを高炉原料として使用する際に、フェロコークス中のカーボン量が、送風量および炉頂ガス分析結果から算出されるソルーションロスカーボン量の１．７倍以内になるようにフェロコークス使用量の上限を管理する。特許文献４には、フェロコークスの高炉使用量が約１６０ｋｇ／ｔｐ程度のときにフェロコークスによる還元材比低減効果がもっと効率よく得られることが示されている。
【００１０】
一方、コークスの装入量は、鉄系原料の還元特性（すなわち被還元性）にも影響される。このため、鉄系原料の還元特性値を測定する方法が提案されている。鉄系原料の還元特性値を測定する方法として、ＪＩＳ−ＲＩ（ＪＩＳ  Ｍ８７１３）が知られている。この方法は、製鉄業界で広く知られた方法であり、鉄系原料を９００℃の温度下で一定時間（３時間）ＣＯ還元を行うことで鉄系原料の被還元性を測定する。
【００１１】
また、特許文献５、６、及び非特許文献１にも鉄系原料の還元特性値を測定する方法が開示されている。特許文献５に開示された測定方法は、いわゆるＲＡ法とも称される方法である。具体的に、特許文献５では、焼結鉱に還元ガスを接触させて、被還元性を測定する。すなわち、還元ガスのＣＯ２含有割合及び温度を変数とするカルシウムフェライトの還元平衡線と酸化鉄の還元平衡線とで挟まれ、かつ８００℃以上間接還元温度以下の温度範囲で囲まれる領域内で、焼結鉱の被還元率を測定する。
【００１２】
特許文献６に開示された測定方法は、高温荷重軟化試験装置を用いた測定方法であり、大型滴下試験法とも称される。具体的に、特許文献６は、竪型炉で使用する塊状の鉄鉱石類をるつぼに装入し、該るつぼを電気炉内に配設し、電気炉の下方より還元ガスを導入して鉄鉱石類の加熱還元を行う。すなわち、特許文献６では、電気炉を上下２段に配設し、両電気炉間の継目をフランジで結合し、下段電気炉の下方より還元ガスを導入し、該下段電気炉を空塔のまま昇温するとともに、上段電気炉に鉄鉱石類を装入したるつぼを配設する。そして、上段電気炉の温度とるつぼ内鉄鉱石類の温度とを同時に測定し、該温度の差をあらかじめ設定した一定の値となるように上段電気炉の電力を調整する。
【００１３】
非特許文献１に開示された方法は、ＢＯＲＩＳ炉法、またはＢＩＳ炉法とも称される。具体的に、非特許文献１では、試験装置内に鉄系原料と炭材との互層を形成することで高炉の塊状帯を再現する。そして、高炉炉頂ガスに相当する出口ガスのＣＯ利用率を計測することで鉄系原料の被還元性を測定する。また、その結果に基づく計算により還元材比を推定できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開平１１−９２８３３号公報
【特許文献２】特開２００８−９５１７７号公報
【特許文献３】特開２０１０−９５７１１号公報
【特許文献４】特開２０１１−９４１８２号公報
【特許文献５】特開２００６−２４９５０７号公報
【特許文献６】特開平７−２７６２３号公報
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】内藤ら「高反応性コークス使用による高炉内反応効率向上技術」：鉄と鋼，８７（２００１），３５７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
上述した通り、炭素高反応性装入物を高炉に装入することで、還元材比の低減が期待される。その一方で、炭素高反応性装入物を高炉に過剰に装入すると、還元ガスの利用率がかえって低下することがわかっている。
【００１７】
したがって、炭素高反応性装入物の装入量には好適値が存在することになる。しかし、炭素高反応性装入物の好適な装入量を事前に（高炉操業前に）予測する方法はこれまで全く提案されていなかった。なお、鉄系原料の還元特性値の測定方法は、あくまで鉄系原料の単独あるいは混合組みあわせの還元特性値を測定する方法であり、炭素高反応性装入物の好適な装入量を予測するものではない。
【００１８】
また、特許文献４は、フェロコークスの好適な装入量を決定する方法を開示する。特許文献４で開示されている方法は、高炉の操業データに基づいてフェロコークスの装入量を調整するものであり、高炉操業前にフェロコークスの好適な装入量を決定するものではない。
【００１９】
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものである。本発明の目的とするところは、炭素高反応性装入物の好適な装入量を事前に決定することが可能な、新規かつ改良された炭素高反応性装入物の装入量決定方法及びこれを用いた高炉操業方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、余剰炭材及びセメントを含む炭素高反応性装入物の高炉への装入量を決定する炭素高反応性装入物の装入量決定方法であって、高炉内に存在する還元ガスの利用率が余剰炭材の原単位に依存して決まる最大値となる際の余剰炭材の原単位を余剰炭材の上限装入量として特定し、かつ、還元ガスの利用率がセメントの原単位に依存して決まる最大値となる際のセメントの原単位をセメントの上限装入量として特定する工程と、余剰炭材の上限装入量をセメントの上限装入量で除算することで、余剰炭材の上限装入量とセメントの上限装入量との比である閾値を算出する工程と、炭素高反応性装入物内の余剰炭材の含有率をセメントの含有率で除算した値が閾値以上となる場合には、余剰炭材の上限装入量を余剰炭材の含有率で除算した値を炭素高反応性装入物の装入量とし、炭素高反応性装入物内の余剰炭材の含有率をセメントの含有率で除算した値が閾値未満となる場合には、セメントの上限装入量をセメントの含有率で除算した値を炭素高反応性装入物の装入量とすることで、炭素高反応性装入物の装入量を決定する工程と、を含むことを特徴とする、炭素高反応性装入物の装入量決定方法が提供される。
【００２２】
本発明の他の観点によれば、上記の装入量決定方法により決定された装入量以下の炭素高反応性装入物を高炉に装入することを特徴とする、高炉操業方法が提供される。
【発明の効果】
【００２３】
以上説明したように本発明によれば、高炉内に存在する還元ガスの利用率の最大値のうち、余剰炭材の原単位に依存して決まる余剰炭材依存最大値と、セメントの原単位に依存して決まるセメント依存最大値とを特定することができる。そして、本発明では、これらの最大値に基づいて、炭素高反応性装入物の好適な装入量を決定する。したがって、炭素高反応性装入物の好適な装入量を事前に決定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】余剰炭材使用原単位と還元ガス利用率との相関を示すグラフである。
【図２】セメント使用原単位と還元ガス利用率との相関を示すグラフである。
【図３】セメント使用原単位、余剰炭材使用原単位、及びガス利用率の相関を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００２６】
＜１．本発明者による検討＞
（経緯）
本発明者は、炭素高反応性装入物の好適な装入量を決定するためのパラメータについて検討した。以下、本発明者が行った検討について説明する。上述したように、炭素高反応性装入物は、少なくとも、炭材及びセメントを含む。炭素高反応性装入物は、さらに酸化鉄を含む場合が多い。炭素高反応性装入物に含まれる炭材は、高炉に装入されるコークスよりも反応性が高い。炭素高反応性装入物は、同胞酸化鉄を金属鉄に還元するために必要な炭材量よりも余剰の炭材を含む。したがって、炭素高反応性装入物に含まれる炭材は、同胞酸化鉄のみならず、装入酸化鉄の還元を促進することができる。
【００２７】
このように、炭素高反応性装入物を高炉に装入することで、還元材比の低減が期待される。その一方で、炭素高反応性装入物を過剰に高炉に装入すると、還元ガスの利用率がかえって低下することがわかっている。したがって、炭素高反応性装入物の装入量には上限値が存在することになる。しかし、炭素高反応性装入物の装入量の上限値を事前に（高炉操業前に）予測する方法はこれまで全く提案されていなかった。
【００２８】
（検討方法）
そこで、本発明者は、炭素高反応性装入物の構成要素である余剰炭材及びセメントに着目した。そして、本発明者は、これらの原単位（銑鉄１トンあたりの装入量）と還元ガスの利用率との間に相関があるか否かを確認するために、以下のＢＩＳ炉試験を行った。このＢＩＳ炉試験の試験条件として、炭素高反応性装入物の使用条件を表１に示す。
【００２９】
【表１】
0006458609.tif 000002
【００３０】
また、炭素高反応性装入物として、余剰炭材及びセメントの質量比が異なる複数種類の非焼成含炭塊成鉱を使用した。ここで、非焼成含炭塊成鉱に含まれる炭材は、粒度が１００μｍ以下のコークス系粉体を用い、セメントは、早強ポルトランドセメントを用いた。また、酸化鉄は、粒度が１００μｍ以下の焼結系、鉱石系の粉体を２０：８０（質量比）で混合したものを用いた。なお、炭材原料と酸化鉄原料の成分を予め測定し、目標とする含炭塊成鉱成分にするために、これらの原料の混合比率（質量比）を調整した。また、本実施形態での粒度は、例えば目開きの大きさが異なる篩を用いて測定される。例えば、目開きが１００μｍの篩を用意し、各原料をこの篩にかける。この篩に残留した原料は、粒度が１００μｍより大きく、篩から落ちた測定試料は粒度１００μｍ以下となる。
【００３１】
（結果）
その結果を図１及び図２に示す。まず、図１について説明する。図１の横軸は、余剰炭材使用原単位、すなわちＢＩＳ炉に投入された余剰炭材の原単位を示す。余剰炭材の原単位は、非焼成含炭塊成鉱の原単位に非焼成含炭塊成鉱中の余剰炭材の含有率を乗じることで算出される。縦軸は、還元ガスの利用率、即ちガス利用率を示す。ガス利用率は、ＢＩＳ炉から排出される排ガス中のＣＯ２ガス濃度を、排ガス中のＣＯ２ガス及びＣＯガス（還元ガス）濃度の総和で除算した値である。
【００３２】
グラフＬ１〜Ｌ５は、余剰炭材の原単位とガス利用率との相関を示す。グラフＬ１に対応する非焼成含炭塊成鉱は、余剰炭材とセメントとを１０：１５の質量比で含み、グラフＬ２に対応する非焼成含炭塊成鉱は、余剰炭材とセメントとを１０：１２の質量比で含む。グラフＬ３に対応する非焼成含炭塊成鉱は、余剰炭材とセメントとを１０：１０の質量比で含み、グラフＬ４に対応する非焼成含炭塊成鉱は、余剰炭材とセメントとを１０：７の質量比で含む。グラフＬ５に対応する非焼成含炭塊成鉱は、余剰炭材とセメントとを１０：５の質量比で含む。
【００３３】
グラフＬ１〜Ｌ３では、余剰炭材の原単位が２０ｋｇ／ｔとなる前に還元ガスの利用率が最大となった。また、還元ガスの利用率が最大となる時のセメントの原単位を算出したところ、いずれも１８ｋｇ／ｔであった。なお、セメントの原単位は、非焼成含炭塊成鉱の原単位に非焼成含炭塊成鉱中のセメントの含有率を乗じることで算出される。また、グラフＬ４、Ｌ５では、余剰炭材の原単位が２０ｋｇ／ｔとなった際に還元ガスの利用率が最大となった。また、セメントに対する余剰炭材の質量比が大きくなるほど、還元ガスの利用率の最大値が大きくなった。さらに、当該質量比が大きくなるほど、還元ガスの利用率が最大となる際の余剰炭材の原単位が大きくなった。ただし、当該質量比をいくら大きくしても、還元ガスの利用率が最大となる際の余剰炭材の原単位が２０ｋｇ／ｔを超えることはなかった。したがって、余剰炭材の原単位が２０ｋｇ／ｔ以下となる場合に、還元ガスの利用率が最大となった。
【００３４】
一方、図２の横軸は、セメント使用原単位、すなわちＢＩＳ炉に投入されたセメントの原単位を示す。縦軸は、還元ガスの利用率、すなわちガス利用率を示す。グラフＬ６〜Ｌ９は、セメントの原単位とガス利用率との相関を示す。グラフＬ６に対応する非焼成含炭塊成鉱は、余剰炭材とセメントとを１０：５の質量比で含み、グラフＬ７に対応する非焼成含炭塊成鉱は、余剰炭材とセメントとを１０：７の質量比で含む。グラフＬ８に対応する非焼成含炭塊成鉱は、余剰炭材とセメントとを１０：１０の質量比で含み、グラフＬ９に対応する非焼成含炭塊成鉱は、余剰炭材とセメントとを１０：１２の質量比で含む。
【００３５】
グラフＬ６〜Ｌ７では、セメントの原単位が１８ｋｇ／ｔとなる前に還元ガスの利用率が最大となった。また、還元ガスの利用率が最大となる時の余剰炭材の原単位を測定したところ、いずれも２０ｋｇ／ｔであった。また、グラフＬ８〜Ｌ９では、セメントの原単位が１８ｋｇ／ｔとなった際に還元ガスの利用率が最大となった。また、余剰炭材に対するセメントの質量比が大きくなるほど、還元ガスの利用率の最大値が小さくなった。さらに、当該質量比が大きくなるほど、還元ガスの利用率が最大となる際のセメントの原単位が大きくなった。ただし、当該質量比をいくら大きくしても、還元ガスの利用率が最大となる際のセメントの原単位が１８ｋｇ／ｔを超えることはなかった。したがって、セメントの原単位が１８ｋｇ／ｔ以下となる場合に、還元ガスの利用率が最大となった。
【００３６】
（還元ガスのガス利用率の余剰炭材依存最大値とセメント依存最大値）
図１及び図２によれば、余剰炭材及びセメントの原単位と、還元ガスの利用率との間には相関があることがわかる。さらに、還元ガスの利用率の最大値には、余剰炭材の原単位に依存して（すなわち、余剰炭材の原単位がネックとなって）決まる最大値（以下、「余剰炭材依存最大値」とも称する）と、セメントの原単位に依存して決まる最大値（以下、「セメント依存最大値」とも称する）とに区分されることもわかる。
【００３７】
図３は、上記の知見を整理したものである。図３中の原点を通る４本のグラフＬ１０〜Ｌ１３は、セメント原単位、余剰炭材原単位、及び還元ガスの利用率の相関を上記水準毎に表す。具体的には、グラフＬ１０は、水準１（セメント含有率５質量％）のセメント原単位、余剰炭材原単位、及び還元ガスの利用率の相関を示し、グラフＬ１１は、水準２（同７質量％）のセメント原単位、余剰炭材原単位、及び還元ガスの利用率の相関を示す。グラフＬ１２は、水準３（同１０質量％）のセメント原単位、余剰炭材原単位、及び還元ガスの利用率の相関を示し、グラフＬ１３は、水準５（同１５質量％）のセメント原単位、余剰炭材原単位、及び還元ガスの利用率の相関を示す。
【００３８】
具体的には、グラフＬ１０〜Ｌ１３の傾斜は、非焼成含炭塊成鉱の余剰炭材含有率をセメント含有率で除した比（κ）を表し、κが大きいほどグラフＬ１０〜Ｌ１３の傾斜は大きくなる。すなわち、グラフＬ１０〜Ｌ１３の傾斜が大きいほど、セメントに対する余剰炭材の含有率が高くなる。グラフＬ１０〜Ｌ１３には、実線で描かれた部分と破線で描かれた部分とが存在する。実線で描かれた部分では、余剰炭材及びセメントの原単位の増加に応じて還元ガスの利用率が上昇する。破線で描かれた部分では、余剰炭材及びセメントの原単位の増加に応じて還元ガスの利用率が減少する。グラフＬ１０〜Ｌ１３によれば、図３の縦軸及び横軸で規定されるｘｙ平面は、余剰炭材及びセメントの原単位の増加に応じて還元ガスの利用率が上昇する領域（以下、「利用率上昇領域」とも称する）と、余剰炭材及びセメントの原単位の増加に応じて還元ガスの利用率が低下する領域（以下、「利用率低下領域」とも称する）とに区分されることがわかる。利用率上昇領域と利用率低下領域とは、２本のグラフ（稜線）Ｌ２０、Ｌ２１によって区分される。各グラフＬ２０、Ｌ２１は、それぞれ一定の余剰炭材原単位及びセメント原単位を示す。
【００３９】
また、κが１．１１（＝２０／１８）より大きいグラフＬ１０、Ｌ１１では、余剰炭材原単位が２０ｋｇ／ｔ（すなわち、グラフＬ２０が示す余剰炭材原単位）に達するまでは、セメント原単位及び余剰炭材原単位の増加に伴って還元ガスの利用率も増加する。そして、余剰炭材原単位が２０ｋｇ／ｔに一致した際に、還元ガスの利用率が最大となる。そして、余剰炭材原単位が２０ｋｇ／ｔを超えた後は、セメント原単位及び余剰炭材原単位の増加に伴って還元ガスの利用率が低下する。したがって、グラフＬ１０、Ｌ１１における還元ガスの利用率の最大値は、余剰炭材原単位がネックとなって定まる最大値、すなわち余剰炭材依存最大値となる。また、グラフＬ２０が示す余剰炭材原単位は、余剰炭材の上限装入量を示す。
【００４０】
一方、κが１．１１（＝２０／１８）より小さいグラフＬ１２、Ｌ１３では、セメント原単位が１８ｋｇ／ｔ（すなわち、グラフＬ２１が示すセメント原単位）に達するまでは、セメント原単位及び余剰炭材原単位の増加に伴って還元ガスの利用率も増加する。そして、セメント原単位が１８ｋｇ／ｔに一致した際に、還元ガスの利用率が最大となる。そして、セメント原単位が１８ｋｇ／ｔを超えた後は、セメント原単位及び余剰炭材原単位の増加に伴って還元ガスの利用率が低下する。したがって、グラフＬ１２、Ｌ１３における還元ガスの利用率の最大値は、セメント原単位がネックとなって定まる最大値、すなわちセメント依存最大値となる。また、グラフＬ２１が示すセメント原単位は、セメントの上限装入量を示す。
【００４１】
また、セメント依存最大値同士を比較すると、非焼成含炭塊成鉱中のセメントの含有率が低いほど、セメント依存最大値が大きくなる（図２のグラフＬ８、Ｌ９参照）。したがって、還元ガスの利用率向上の観点からは、非焼成含炭塊成鉱中のセメントの含有率はなるべく低いほうが好ましいことがわかる。
【００４２】
また、κが１．１１となる場合には、余剰炭材原単位が２０ｋｇ／ｔとなった際にセメント原単位も１８ｋｇ／ｔとなる。そして、この時に還元ガスの利用率が最大となる。
【００４３】
このように、非焼成含炭塊成鉱の余剰炭材含有率とセメント含有率との比κによって還元ガスの利用率のネックとなる要因が異なる。より具体的には、余剰炭材の上限装入量をセメントの上限装入量で除算した値がネック要因を決定するための閾値（上記の例では１．１１）となる。そして、比κが閾値以上となる場合には、還元ガスの利用率の最大値は、余剰炭材原単位がネックとなって定まる。すなわち、余剰炭材原単位が上限装入量（＝２０ｋｇ／ｔ）となる場合に、還元ガスの利用率は最大値となる。一方、比κが閾値未満となる場合には、還元ガスの利用率の最大値は、セメント原単位がネックとなって定まる。すなわち、セメント原単位が１８ｋｇ／ｔとなる場合に、還元ガスの利用率は最大値となる。また、余剰炭材及びセメントの原単位のうち、いずれか一方の原単位が上限装入量に達した場合、他方の原単位が上限装入量に達していなくても、還元ガスの利用率は最大となる。
【００４４】
そして、余剰炭材及びセメントの上限装入量は、非焼成含炭塊成鉱の組成（例えば、酸化鉄、炭材及びセメントの種類、粒度等）、及び高炉の操業条件等によって変動しうると想定される。
【００４５】
したがって、高炉への炭素高反応性装入物の装入量は、概略以下の工程によって決定することができる。まず、余剰炭材の上限装入量及びセメントの上限装入量を特定する。そして、余剰炭材の上限装入量をセメントの上限装入量で除算することで、閾値を算出する。そして、実際に高炉に装入する炭素高反応性装入物の余剰炭材含有率とセメント含有率との比κを算出する。そして、閾値と比κとに基づいて、炭素高反応性装入物の装入量を決定する。すなわち、比κが閾値以上となる場合には、炭素高反応性装入物の装入量は、余剰炭材の上限装入量を余剰炭材の含有率で除算した値となる。比κが閾値未満となる場合には、炭素高反応性装入物の装入量は、セメントの上限装入量をセメントの含有率で除算した値となる。
【００４６】
（作用）
なお、本発明者は、余剰炭材及びセメントの原単位に上限装入量が存在する理由を以下のように考えている。上述したように、余剰炭材は、装入酸化鉄の還元を促進することができる。ただし、高炉に装入される余剰炭材が多すぎる、すなわち余剰炭材の原単位が上限装入量を超えると、装入酸化鉄を還元するのに十分な量以上の還元ガスが余剰炭材から発生してしまう。すなわち、還元ガスの利用率が低下してしまう。
【００４７】
一方、セメントは、炭素高反応性装入物を構成する材料同士を結着させる機能を有する。セメントの含有率は、炭素高反応性装入物の強度を確保する観点から、５〜１５質量％（炭素高反応性装入物の総質量に対する質量％）とされることが多い。したがって、セメントは、炭素高反応性装入物の強度を確保するために必要な構成要素である。しかし、セメントの原単位が上限装入量を超えると、セメントが高炉内で脱水反応を起こす。脱水反応は吸熱反応なので、セメントが脱水反応を起こすと、高炉内の温度が低下する。高炉内の温度が低下すると、還元ガスの利用率が低下する。
【００４８】
本発明者は、上記の知見に基づいて、本実施形態に係る炭素高反応性装入物の装入量決定方法及び高炉操業方法に想到した。
【００４９】
＜２．本実施形態が適用可能な炭素高反応性装入物＞
つぎに、本実施形態が適用可能な炭素高反応性装入物について説明する。本実施形態が適用可能な炭素高反応性装入物は特に制限されない。すなわち、炭素高反応性装入物として公知のものであれば、どのようなものであってもよい。例えば、炭素高反応性装入物は、含炭塊成鉱、フェロコークス等であってもよい。また、炭素高反応性装入物は、焼成されたものであっても、非焼成のものであってもよい。炭素高反応性装入物は、上述したように、少なくとも、炭材、及びセメントを含む。炭素高反応性装入物は、さらに酸化鉄を含んでいてもよい。炭材は、高炉に装入されるコークスよりも反応性が高いものであることが好ましい。炭材の例としては、例えば微粉炭等が挙げられる。セメントは、例えば早強ポルトランドセメントであってもよい。
【００５０】
＜３．炭素高反応性装入物の装入量決定方法＞
つぎに、本実施形態に係る炭素高反応性装入物の装入量決定方法について説明する。炭素高反応性装入物の装入量決定方法は、第１〜第２の工程を含む。以下、各工程を説明する。
【００５１】
（第１の工程）
第１の工程では、余剰炭材及びセメントの上限装入量を決定する。具体的には、炭素高反応性装入物を構成する酸化鉄、炭材、及びセメントを用意し、これらの材料を用いて、炭素高反応性装入物を作製する。さらに、高炉の操業条件を再現したＢＩＳ炉を用意する。そして、ＢＩＳ炉に装入する炭素高反応性装入物の原単位を変更しながら、還元ガスの利用率を測定する。そして、測定結果に基づいて、図３に示すグラフ、すなわちセメント原単位、余剰炭材原単位、及び還元ガスの利用率の相関を示すグラフを作製する。
【００５２】
そして、余剰炭材及びセメントの質量比が異なる複数種類の炭素高反応性装入物を作製する。例えば、余剰炭材の含有率を固定し、セメントの含有率（及び酸化鉄の含有率）を変更した複数種類の炭素高反応性装入物を作製すればよい。そして、これらの炭素高反応性装入物を用いて上記と同様の処理を行う。
【００５３】
そして、作製された複数のグラフに基づいて、利用率上昇領域と利用率減少領域とを区分する２本の稜線を特定する。そして、これらの稜線が示す余剰炭材原単位及びセメント原単位をそれぞれ余剰炭材の上限装入量及びセメントの上限装入量とする。
【００５４】
（第２の工程）
第２の工程では、高炉に装入される炭素高反応性装入物の装入量を決定する。具体的には、まず、高炉に装入される炭素高反応性装入物の組成を特定する。具体的には、炭素高反応性装入物中の余剰炭材の含有率及びセメントの含有率を特定する。
【００５５】
ついで、余剰炭材の上限装入量をセメントの上限装入量で除算することで、閾値を算出する。そして、炭素高反応性装入物内の余剰炭材の含有率及びセメントの含有率と、閾値とに基づいて、炭素高反応性装入物の装入量を決定する。
【００５６】
より詳細には、炭素高反応性装入物内の余剰炭材の含有率をセメントの含有率で除算した値が閾値以上となる場合には、余剰炭材の上限装入量を余剰炭材の含有率で除算した値を炭素高反応性装入物の装入量とする。一方、炭素高反応性装入物内の余剰炭材の含有率をセメントの含有率で除算した値が閾値未満となる場合には、セメントの上限装入量をセメントの含有率で除算した値を炭素高反応性装入物の装入量とする。
【００５７】
＜４．高炉操業方法＞
本実施形態における高炉操業方法では、上述した炭素高反応性装入物の装入量決定方法により決定された装入量以下の炭素高反応性装入物を高炉に装入する。このように、本実施形態では、炭素高反応性装入物の好適な装入量を事前に決定し、当該決定された装入量の炭素高反応性装入物を高炉に装入することができる。特に本実施形態では、炭素高反応性装入物の組成（例えば余剰炭材及びセメントの種類、質量比等）によらず、炭素高反応性装入物の好適な装入量を事前に決定することができる。したがって、炭素高反応性装入物の組成は、製鉄所内の原料バランス、原料性状、価格などの様々な背景によって決定されるが、このような組成に応じて炭素高反応性装入物の好適な装入量を決定することができる。
【実施例】
【００５８】
つぎに、還元ガスの利用率の最大値が余剰炭材及びセメントの原単位に依存して決まることを確認するために、以下の実施例を行った。この実施例では、セメントの含有率だけが異なる２種類の非焼成含炭塊成鉱Ａ、Ｂを用意した。
【００５９】
ここで、非焼成含炭塊成鉱Ａ、Ｂに含まれる炭材、および酸化鉄は、先に述べたものと同様のものとした。すなわち、炭材は、粒度が１００μｍ以下のコークス系粉体とした。酸化鉄は、粒度が１００μｍ以下の焼結系、鉱石系の粉体を２０：８０の質量比で混合したものとした。バインダは、早強ポルトランドセメントとした。そして、これらの原料の混合比率（質量比）を調整することで、非焼成含炭塊成鉱Ａ、Ｂを作製した。
【００６０】
また、非焼成含炭塊成鉱Ａ、Ｂ中の余剰炭材の含有率は１０質量％とした。また、非焼成含炭塊成鉱Ａ中のセメントの含有率は５質量％とした。また、非焼成含炭塊成鉱Ｂ中のセメントの含有率は１２質量％とした。
【００６１】
そして、非焼成含炭塊成鉱Ａ、Ｂを以下の表２に示す投入条件１〜６で高炉に投入した。なお、ベース操業として、非焼成含炭塊成鉱Ａ、Ｂを投入しない操業も行った。また、高炉のベースの操業条件は以下の表３に示すものとした。また、投入条件１〜６にて非焼成含炭塊成鉱Ａ、Ｂを使用する場合、高炉の効率が変化する。この結果、溶銑温度が変化しうる。そこで、投入条件１〜６にて非焼成含炭塊成鉱Ａ、Ｂを使用する場合、溶銑温度がベース条件と一致するように微粉炭比、或いはコークス比を調整した。そして高炉の排ガス中のＣＯ２ガス濃度、ＣＯガス濃度を測定し、これらの測定値に基づいて還元ガスの利用率を算出した。測定結果を表４に示す。
【００６２】
なお、本実施例では、非焼成含炭塊成鉱Ａ、Ｂの原単位を増加させるに伴い、非焼成含炭塊成鉱Ａ、Ｂ由来の鉄、炭材装入量が増加する。そこで、非焼成含炭塊成鉱Ａ、Ｂを増使用する際には、塊鉱石及びペレットの使用量を減じ、コークス及び微粉炭（ここでの微粉炭は、高炉羽口から熱風とともに高炉内に導入されるものである）の使用量を減じることとした。ただし、非焼成含炭塊成鉱Ａ、Ｂ中の炭材の反応性は、コークス及び微粉炭の反応性よりも高く、先に述べたように非焼成含炭塊成鉱Ａ、Ｂの使用量が増加するに伴い、高炉の効率、即ち還元材比が変化する。したがって、非焼成含炭塊成鉱Ａ、Ｂの使用量の増加に伴って、還元材比、つまり高炉内の全炭材（コークス、微粉炭含む）の使用量を高炉の溶銑温度の変化に応じて変化させた。つまり、非焼成含炭塊成鉱Ａ、Ｂの使用開始時や使用量を変化させる際には、高炉内の全ての鉄、炭材装入量はベースの操業条件で規定される装入量とした。そして、非焼成含炭塊成鉱Ａ、Ｂの効果で高炉の効率が徐々に変化するので、このような変化に応じて高炉内の全炭材使用量（具体的には、コークス及び微粉炭の使用量）を増減させた。これにより、溶銑温度を一定とした。すなわち、高炉内のトータルの投入鉄量、実質的な炭材量、及び出銑量を各投入条件で一定とした。
【００６３】
【表２】
0006458609.tif 000003
【００６４】
【表３】
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【００６５】
【表４】
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【００６６】
セメントの含有率が低い非焼成含炭塊成鉱Ａを使用した操業では、還元ガスの利用率の最大値は余剰炭材の原単位によって決まった。具体的には、余剰炭材の原単位が２０ｋｇ／ｔとなった場合に、還元ガスの利用率が最大値となった。したがって、余剰炭材の上限装入量は２０ｋｇ／ｔとなり、余剰炭材依存最大値は５１．４％となる。
【００６７】
一方、セメントの含有率が高い非焼成含炭塊成鉱Ｂを使用した操業では、還元ガスの利用率の最大値はセメントの原単位によって決まった。具体的には、セメントの原単位が１８ｋｇ／ｔとなった場合に、還元ガスの利用率が最大値となった。したがって、セメントの上限装入量は１８ｋｇ／ｔとなり、セメント依存最大値は５０．６％となる。なお、余剰炭材依存最大値とセメント依存最大値とが異なるのは、これらの最大値に対応する余剰炭材の原単位が異なるからである。
【００６８】
このように、本実施例によれば、還元ガスの利用率の最大値が余剰炭材及びセメントの原単位に依存して決まることが確認できた。なお、非焼成含炭塊成鉱Ａを用いた操業では、非焼成含炭塊成鉱Ａの装入量を、２００ｋｇ／ｔ以下とすればよい。ここで、２００ｋｇ／ｔは、余剰炭材の上限装入量（２０ｋｇ／ｔ）を非焼成含炭塊成鉱Ａ内の余剰炭材の含有率（０．１）で除算した値である。また、非焼成含炭塊成鉱Ｂを用いた操業では、非焼成含炭塊成鉱Ｂの装入量を、１５０ｋｇ／ｔ以下とすればよい。ここで、１５０ｋｇ／ｔは、セメントの上限装入量（１８ｋｇ／ｔ）を非焼成含炭塊成鉱Ｂ内のセメントの含有率（０．１２）で除算した値である。
【００６９】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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