(57)【要約】【課題】高ＲＤＩ焼結鉱、および、低ＤＩコークスのような、低品位な原燃料を使用した高炉操業においても、還元材比を増加させずに、安定した操業を、低コストで継続することができる高炉操業方法を提供すること。【解決手段】炉頂から酸化鉄原料とコークスとを交互に装入する高炉操業であって、酸化鉄原料の少なくとも一部として焼結鉱を使用する際に、焼結鉱の還元粉化指数が基準値以上の場合には、還元材比を増加させることなく酸化鉄原料の一部をスクラップで代替することで、炉内の通気性を維持することを特徴とする高炉操業方法を用いる。または、コークスの強度指数が基準値以下の場合には、還元材比を増加させることなく酸化鉄原料の一部をスクラップで代替することで、炉内の通気性を維持することを特徴とする高炉操業方法を用いる。スクラップを炉中心部に装入することが好ましい。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉頂から酸化鉄原料とコークスとを交互に装入する高炉操業であって、前記酸化鉄原料の少なくとも一部として焼結鉱を使用する際に、前記焼結鉱の還元粉化指数が基準値以上の場合には、還元材比を増加させることなく前記酸化鉄原料の一部をスクラップで代替することで、炉内の通気性を維持することを特徴とする高炉操業方法。
【請求項２】
炉頂から酸化鉄原料とコークスとを交互に装入する高炉操業において、前記コークスの強度指数が基準値以下の場合には、還元材比を増加させることなく前記酸化鉄原料の一部をスクラップで代替することで、炉内の通気性を維持することを特徴とする高炉操業方法。
【請求項３】
スクラップを炉中心部に装入することを特徴とする請求項１または請求項２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、高炉の操業方法に関し、特に炉頂から装入される原燃料品質の変動に対応して、還元材比を維持しながら、安定した操業を可能にする、高炉操業方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高炉は巨大な向流移動層反応炉であり、炉頂部から酸化鉄を主体とする鉄原料である酸化鉄原料（焼結鉱や魂鉱石）とコークスとを装入し、炉下部の羽口から吹き込まれる熱風によりコークスを燃焼させ、生成したＣＯを含む還元性ガスで酸化鉄原料中の酸化鉄を還元し、銑鉄を製造する。近年では環境問題の観点から、高炉操業は低還元材比操業を指向しているが、この場合には、コークス比の低下により炉内の通気抵抗が増大する。そのため、粉発生量の少ない高炉装入物を使用することにより、通気改善を図る必要があり、一般的には、焼結鉱の還元粉化性改善による通気性改善、および、コークスの冷間強度上昇による通気性改善が実施されている。
【０００３】
焼結鉱の還元粉化性は還元粉化指数（ＲＤＩ）で、コークスの冷間強度はドラム試験１５０回転指数（ＤＩ）で、それぞれ数値化されている。焼結鉱の還元粉化性の改善（低ＲＤＩ化）、および、コークスの冷間強度改善（高ＤＩ化）は、炉内における粉の発生量を低減し、通気性を改善することによって、高炉操業の安定性に寄与することが知られている。しかし、焼結鉱の還元粉化の対策として行われる低ＲＤＩ化、および、コークス粉化の対策として行われる高ＤＩ化は、それぞれ高品位の鉄鉱石、および、石炭を原料として行なう必要があるため、製造コストを増大させる傾向にある。
【０００４】
高品位の鉄鉱石、石炭を用いないでも、炉内における粉の発生量を低減することのできる高炉操業方法として、特許文献１に原料の一部または全部が還元率１１〜３０％に還元されている原料を高炉に装入する方法が開示されている。
【特許文献１】特開２００２−２５６３１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１に記載の方法では、回転炉床炉などのクロスフロー型移動層や、シャフト型移動層を用いて鉄鉱石中のＦｅ2０3を全て還元してＦｅ3０4やＦｅＯの状態に変化させて還元率１１〜３０％に還元された鉄原料を製造する必要があるため、新たな設備投資が必要となり、やはりコスト高である。
【０００６】
したがって本発明の目的は、このような従来技術の課題を解決し、高ＲＤＩ焼結鉱、および、低ＤＩコークスのような、低品位な原燃料を使用した高炉操業においても、還元材比を増加させずに、安定した操業を、低コストで継続することができる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】
【０００７】
本発明では、上記課題を解決するために、高炉へスクラップを装入する方法に着目し、以下の本発明を完成した。
（１）炉頂から酸化鉄原料とコークスとを交互に装入する高炉操業であって、前記酸化鉄原料の少なくとも一部として焼結鉱を使用する際に、前記焼結鉱の還元粉化指数が基準値以上の場合には、還元材比を増加させることなく前記酸化鉄原料の一部をスクラップで代替することで、炉内の通気性を維持することを特徴とする高炉操業方法。
（２）炉頂から酸化鉄原料とコークスとを交互に装入する高炉操業において、前記コークスの強度指数が基準値以下の場合には、還元材比を増加させることなく前記酸化鉄原料の一部をスクラップで代替することで、炉内の通気性を維持することを特徴とする高炉操業方法。
（３）スクラップを炉中心部に装入することを特徴とする（１）または（２）に記載の高炉操業方法。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、還元材比を増加させることなく、高ＲＤＩ焼結鉱、および、低ＤＩコークスを使用しながら、炉内の通気性を良好に維持した、安定的な高炉操業が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明者らは、上記の課題を解決するために、高炉へスクラップを装入する方法に着目した。高炉の鉄原料としてスクラップを用いると、スクラップは、溶融するまでは、ほとんど収縮することなく形状を保ったまま炉内を降下していくと考えられるため、スクラップ装入によって、炉内の通気性を改善することができる、さらに、スクラップは金属鉄の状態であるために粉化の恐れはなく、炉内の通気性を確保して、高炉の安定した操業を継続することができると考えた。
【００１０】
以上のことから、従来よりもＲＤＩの高い焼結鉱、および、ＤＩの低いコークスを使用する操業を行なう際には炉内発生粉が増加するが、スクラップを装入することで、スクラップ装入前と同じ炉内粉率を維持できるため、炉内の通気性を維持することが可能であると予想される。そこで、還元粉化指数（ＲＤＩ）の高い焼結鉱、冷間強度（ＤＩ）の低いコークスを使用する場合は、炉内通気性が悪化する前に、炉頂から装入する酸化鉄原料の一部をスクラップと代替する。
【００１１】
高炉に装入する酸化鉄原料のうち、焼結鉱とスクラップとを置換して装入することが、焼結鉱に由来する炉内発生粉も低減させることができるため、通気性改善には特に効果的であると考えられる。
【００１２】
高炉内におけるスクラップの挙動を調査するため、図１に示す装置を用いて荷重軟化試験を行った（実験１）。図１の装置は、内径５０ｍｍφの黒鉛るつぼ１を加熱炉２内に設置し、黒鉛るつぼ１の下部からＣＯ、ＣＯ2、Ｎ2ガス３を流し、上部から排ガス４を排出させて、高炉内を模擬させた温度、ガス組成、荷重をプログラムで制御するものである。黒鉛るつぼ１内には、１辺が１０ｍｍのスクラップと、粒径が４．８ｍｍ〜６．７ｍｍの焼結鉱とについて、それぞれの比率を変えて填充した条件で実験を行った。比較のために、焼結鉱のみを填充した場合についても実験を行った。実験は、与えられた条件下で昇温還元を行い、黒鉛るつぼ１の底から試料が溶け落ちるまで続けた。実験中は、黒鉛るつぼ１内の上下の圧力差である炉差圧（ΔＰ）を連続的に測定した。図２にその測定された炉差圧の最大値と、黒鉛るつぼ１内のスクラップの質量割合であるスクラップ比率との関係を示す。スクラップの装入によりスクラップ比率が増加すると、炉差圧の最大値が低下した。これは、スクラップは焼結鉱と比較して収縮抵抗が大きいため、層内の空隙が確保されるためと考えられる。このことからスクラップの装入により通気性が改善されることが分かる。
【００１３】
また、同様の方法を用いて、還元粉化指数（ＲＤＩ）の異なる焼結鉱を使用した場合について、焼結鉱のみを填充した場合の実験を行った。図３に測定された炉差圧の最大値と焼結鉱のＲＤＩとの関係を示す。還元粉化指数（ＲＤＩ）の増加により炉差圧の最大値が増加することは、通気性悪化を示している。しかしながら、還元粉化指数（ＲＤＩ）の高い焼結鉱を使用する場合でも、スクラップ装入の併用により炉内の通気性を改善することで、通気性を維持することができると考えられる。
【００１４】
次に冷間強度（ＤＩ）の低いコークスを使用する場合について検討する。コークスの炉内における粉発生挙動を調査するため、図４に示す装置を用いて燃焼試験を行った（実験２）。図４の装置は、高炉の羽口からレースウェイを模擬したもので、内部空間が幅１０００ｍｍで高さ１４００ｍｍの燃焼試験容器１０内にコークス充填層１１を形成し、そこにブローパイプ１２を１本挿入したものである。実験条件は熱風１３の吹込みを送風量３５０Ｎｍ3／ｈ、酸素富化率３体積％とし、微粉炭１４をブローパイプ１２内に１５０ｋｇ／ｔ相当で吹き込んだ。コークス供給量は、コークス充填層１１高さが一定となるように専用ホッパーからコークスを切り出すことで調整した。１５はコークス投入口、１６は排ガス排出口である。実験終了後に装置を解体してレースウェイ１７直上部の図中破線で囲んだサンプリング領域１８からコークスを採取し、粒径３ｍｍ以下（−３ｍｍ）の粉率を測定した。冷間強度（ＤＩ）の異なるコークスを用いて実験を行ない、コークスの粉率を測定した結果を図５に示す。図５に示すように、低ＤＩコークスを用いた場合は、充填層内における粉率が高いことが確認された。しかしながら、冷間強度（ＤＩ）の低いコークスを使用する場合でも、スクラップ装入の併用により炉内に空隙が確保されることによって通気性が改善されるため、低ＤＩコークスを使用して炉内粉率が増加した場合でも、通気性を維持することができると考えられる。
【００１５】
上記実験１の結果から、スクラップを装入した場合における炉内空隙率の変化について、エルガン（Ｅｒｇｕｎ）によって提案されている下記（１）式を用いて推定した。
△Ｐ／△Ｌ＝１５０{（１一ε）2μｕ／ε3（φｄｐ）2}＋１．７５{（１一ε）ρｕ2／ε3（φｄｐ）}・・・（１）
ただし、△Ｐ：炉内の差圧（Ｐａ）、
△Ｌ：層厚（ｍ）、
ε：炉内の空隙率（−）、
μ：流体の粘度（Ｐａ・ｓ）、
ｕ：流体の速度（ｍ／ｓ）、
ρ：流体の密度（ｋｇ／ｍ3）、
φ：粒子の形状係数（−）、
ｄｐ：粒子の平均粒径（ｍ）である。
【００１６】
（１）式により推算される差圧が、実験により測定された差圧と等しくなるように、炉内の空隙率を決定した。図６に結果を示す。図６に示すように、スクラップの装入によりスクラップ比率が増加すると、炉内の空隙率εが増加することから、低ＤＩコークスの使用により炉内粉率が増加した場合でも、炉内の空隙率を維持することができると考えられる。
【００１７】
上記の実験１、実験２の結果から、高ＲＤＩ焼結鉱、および、低ＤＩコークスを使用する際に、通気性を維持するのに必要な、装入鉄原料中へのスクラップの装入比率（スクラップ率）を計算すると、ＲＤＩの１％増加に対して、スクラップ装入比率を０．２２％増加させる（ＲＤＩ：＋１％→スクラップ装入比率：＋０．２２％）、またはＤＩの１％低下に対して、スクラップ装入比率を２．８４％増加させる（ＤＩ：−１％→スクラップ装入比率：＋２．８４％）必要があることになる。
【００１８】
つまり、高炉操業の基準となる焼結鉱のＲＤＩより高ＲＤＩ焼結鉱を使用した場合に増加した炉差圧よりも、スクラップの装入により低減した炉差圧が大きければ、または、基準となるコークスのＤＩより低ＤＩコークスを使用した場合に増加した炉内粉率よりも、スクラップの装入により増加した空隙率が大きければ、基準となる原燃料品質時の通気性を確保できる。そのため原燃料の品質を低下させて操業を行なう場合にも適切な量のスクラップの装入により、還元材比を増加させることなく安定操業が可能となる。
【００１９】
以上のことから、炉頂から酸化鉄原料とコークスとを交互に装入する通常の操業を行なう高炉において、酸化鉄原料の少なくとも一部として焼結鉱を使用する際に、焼結鉱の還元粉化指数が基準値以上の焼結鉱を使用する際には、還元材比を増加させることなく酸化鉄原料の一部をスクラップで代替した操業とすることで、炉内の通気性を維持することが可能であること、また、強度指数が基準値以下のコークスを使用する場合には、還元材比を増加させることなく酸化鉄原料の一部をスクラップで代替することで、炉内の通気性を維持することが可能であることが分かる。
【００２０】
本発明においては低還元材比操業を行なうことを目的としているため、還元材比を増加させることなく酸化鉄原料の一部をスクラップで代替する必要がある。尚、スクラップとは、金属製品の廃棄物や、金属製品の製造工程で生じる廃金属であり、金属鉄を主体とするものである。
【００２１】
また、酸化鉄原料の一部と代替したスクラップは、炉中心部に装入することが好ましい。スクラップは高炉内で降下しながらスクラップ外部からの伝熱により昇温され溶融に至ることから、高温領域に長時間滞留できる位置、つまり、高温領域が高さ方向で比較的長い炉中心部に装入することが望ましい。ここで炉中心部とは、炉口断面積を半径方向に３等分した場合の最も炉内側の領域（炉中心から炉口径の約５７％までの領域）と定義する。
【実施例１】
【００２２】
（比較例１）内容積５０００ｍ3の高炉を用いて焼結鉱のＲＤＩおよびコークスのＤＩを変化させて操業を行った。その結果を比較例１として表１に示す。還元材比は４９５ｋｇ／ｔで操業しており、ここでは、焼結鉱ＲＤＩ：３５％、コークスＤＩ：８４％を原燃料品質の基準値とした。
【００２３】
【表１】
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（比較例２）別の比較例として、比較例１の操業条件を基準とし、基準値よりも高ＲＤＩ焼結鉱、および、低ＤＩコークスを使用した事例を示す。結果を比較例２として表１に併せて示す。この場合には、操業が不安定となり、還元材比が増加し、通気抵抗指数のＫ値（Ｋ＝（Ｐblast2−Ｐ2）／Ｖ1.7：ただし、Ｐblast：送風圧（ｋｇ／ｃｍ2）、Ｐ：炉頂圧（ｋｇ／ｃｍ2）、Ｖ：ボッシュガス量（Ｎｍ3／ｍｉｎ））が上昇した。
【００２４】
（本発明例）次に本発明例として、基準値よりも高ＲＤＩ焼結鉱、低ＤＩコークスを使用する操業（比較例２）に対して本発明を適用してスクラップと焼結鉱を３．５ｍａｓｓ％置換して装入した。結果を本発明例として表１に併せて示す。この場合には、基準値と比較してＲＤＩが３％高い焼結鉱、および、ＤＩが１％低いコークスを使用し、還元材比は基準と同じ４９５ｋｇ／ｔであるにもかかわらず、Ｋ値は基準となる操業（比較例１）と同レベルにまで減少した。
【００２５】
これにより本発明を適用することで、還元材比を増加させることなく、原燃料品質を基準値より緩和可能であることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】実験１に用いる荷重軟化試験装置の概略図。
【図２】荷重軟化試験によるスクラップ装入比率と炉差圧（ΔＰ）の関係を示すグラフ。
【図３】荷重軟化試験による焼結鉱の還元粉化指数（ＲＤＩ）と炉差圧（ΔＰ）の関係を示すグラフ。
【図４】実験２に用いる高炉の羽口からレースウェイを模擬した燃焼試験装置の概略図。
【図５】燃焼試験によるコークスの冷間強度（ＤＩ）と炉内粉率の関係を示すグラフ。
【図６】荷重軟化試験によるスクラップ装入比率と空隙率（ε）の関係を示すグラフ。
【符号の説明】
【００２７】
１    黒鉛るつぼ
２    加熱炉
３    ＣＯ、ＣＯ2、Ｎ2ガス
４    排ガス
１０    燃焼試験容器
１１    コークス充填層
１２    ブローパイプ
１３    熱風
１４    微粉炭
１５    コークス投入口
１６    排ガス排出口
１７    レースウェイ
１８    サンプリング領域
【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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