(57)【要約】【課題】焼結鉱を主要原料とする高炉操業において、熱間成形された炭材内装塊成化物を用いて、焼結鉱の還元粉化による操業トラブルを回避して安定操業を維持しつつ、より燃料比の低減効果が十分に発揮される高炉操業方法を提供する。【解決手段】焼結鉱を１０質量％以上含む高炉原料に、粉鉱石と石炭との混合物を３５０〜５５０℃で熱間成形した炭材内装塊成化物を添加したものを、高炉に装入して行う高炉操業方法であって、前記高炉原料と前記炭材内装塊成化物との合計質量に対する前記炭材内装塊成化物中の炭素質量の割合ＲCを０．７〜１３％、好ましくは０．７〜９％の範囲で調整することにより、熱保存帯温度ＴTRを７５０〜９００℃、好ましくは８００〜９００℃の範囲に制御する高炉操業方法。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
焼結鉱を１０質量％以上含む高炉原料に、熱間成形した炭材内装塊成化物を添加したものを、高炉に装入して行う高炉操業方法であって、
前記高炉原料と前記炭材内装塊成化物との合計質量に対する前記炭材内装塊成化物中の炭素質量の割合を調整することにより、熱保存帯温度を７５０〜９００℃の範囲に制御することを特徴とする高炉操業方法。
【請求項２】
前記高炉原料と前記炭材内装塊成化物との合計質量に対する前記炭材内装塊成化物中の炭素質量の割合を０．７〜１３％の範囲で調整する請求項１記載の高炉操業方法。
【請求項３】
前記熱間成形した炭材内装塊成化物が、粉鉱石とギーセラー最高流動度ＭＦがｌｏｇＭＦ＞０．５である石炭との混合物を、３５０〜５５０℃に加熱した状態で熱間成形したものである請求項１または２記載の高炉操業方法。
【請求項４】
前記熱間成形した炭材内装塊成化物が、粉鉱石とギーセラー最高流動度ＭＦがｌｏｇＭＦ＞０．５である石炭との混合物を、１℃／ｓ以上の加熱速度で昇温し３５０〜５５０℃に加熱した状態で熱間成形したものである請求項１または２記載の高炉操業方法。
【請求項５】
前記熱間成形した炭材内装塊成化物が、粉鉱石とギーセラー最高流動度ＭＦがｌｏｇＭＦ＞０．５である石炭との混合物を、１℃／ｓ以上の加熱速度で昇温し３５０〜５５０℃に加熱した状態で１４７００Ｎ／ｃｍ以上の成形圧で熱間成形したものである請求項１または２記載の高炉操業方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、焼結鉱を主要配合物とする高炉原料を使用した高炉操業方法に関し、特に燃料比を低減する上で好適な高炉操業方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の高炉操業では、焼結鉱を主体にペレット、塊鉱石等からなる高炉原料と、燃料（兼還元剤）としてのコークスとを交互に炉頂から層状に装入し、炉下部の羽口から熱風と補助燃料である微粉炭等を吹き込んで高炉原料を還元・溶融することにより溶銑を製造している。
【０００３】
ところで、従来の高炉内には、コークスのガス化開始温度に相当する１０００℃程度の高炉熱保存帯が存在する。そして、高炉原料の還元は熱保存帯より高温の領域で約７０％が生じること、温度が高くなるにしたがい還元平衡ガス組成が高ＣＯ側にシフトすること、約１１００℃以上で高炉原料から融液が生じ高炉原料内部への還元ガスの拡散が不十分となることが知られている。このため、熱保存帯温度が１０００℃程度と高い従来の高炉操業においては、高炉原料のガス還元による間接還元が有効に活用できず、高炉原料から生じた融液中の酸化鉄とコークスとが接触して反応する直接還元の割合が高く、燃料比が高い問題があった。
【０００４】
熱保存帯温度を従来より低下させることができれば、還元平衡ガス組成が低ＣＯ側にシフトするとともに、約１１００℃以上における高炉原料からの融液生成までに高炉原料が十分に間接還元されるため、直接還元の割合が低下し、燃料比が低減できる。
【０００５】
そこで、熱保存帯温度を従来より低下させる方法が種々提案されている。
例えば、１５ｍｍ以下の小粒径の高反応性コークスを普通コークスまたは鉱石（高炉原料）と混合して高炉に装入し、熱保存帯温度を９００〜９５０℃に調整する方法（特許文献１参照）、高反応性コークス使用に加え、高炉原料に結晶水３％以上を含有する塊鉱石および／または非焼成塊成鉱を混合使用することにより、熱保存帯温度を７５０〜１０００℃の範囲内で制御する方法（特許文献２参照）などが提案されている。
【０００６】
また、本発明者らは、粉鉱石と石炭粉の混合物を３５０〜５５０℃に加熱した状態で熱間成形した塊成化物を、焼結鉱、ペレット、塊成鉱等の高炉原料に混合して高炉へ装入することにより、Ｒｉｓｔ操業線図のＷ点を右側に移行させて（すなわち、熱保存帯温度を低下させて）ガス利用率を向上させ（すなわち、間接還元の割合を増加させ）、燃料比を低下させる方法（特許文献３）を提案した。
【０００７】
【特許文献１】
特公平７−７６３６６号公報
【特許文献２】
特許第３０６８９６７号公報
【特許文献３】
特開２０００−２９０７０９号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記特許文献１で提案された方法は、コークスの反応性や粒径のみによってガス化反応の開始温度を低下させるものであり、熱保存帯温度を低下させることができるものの、その下限レベルは約９００℃であり、燃料比の低減には限界があった。
【０００９】
また、上記特許文献２で提案された方法は、塊鉱石中ならびに非焼成塊成鉱中に含まれる結晶水の分解吸熱反応が７５０℃前後で生じること、非焼成塊成鉱に含まれるセメント中のＣａＣＯ3の分解吸熱反応が約８５０℃付近で生じること、非焼成塊成鉱中の内装炭素と鉱石との直接還元吸熱反応が約８００〜８５０℃付近で生じることを利用して、熱保存帯温度の下限レベルを７５０℃程度まで低下できるとするものである。しかし、結晶水を高濃度に含む塊鉱石を多量に使用することは、高炉内での熱割れによる粉生成量の増加により装入物の目詰まりが発生し、操業トラブルにつながるため、その使用量に限界がある。また、非焼成塊成鉱は、高炉内での強度を維持するために多量のセメント添加を必要とすることから、コストが高く、かつスラグ量を増加させるため、多量使用できない問題がある。さらに、非焼成鉱は冷間で成形されるため鉱石と内装炭素との接触は熱間成形されたものほど緊密とはいえず、内装炭素と鉱石との直接還元吸熱反応の開始温度も約８００℃に留まる。以上の理由により、この方法によっても熱保存帯温度を９００℃以下に低下させることは実際上困難である。
【００１０】
また、本発明者らが上記特許文献３で提案した方法は、加熱により内装炭材を流動化させた状態で加圧成形して得られた、内装炭材と鉱石との接触が緊密な塊成化物を用いるので、直接還元吸熱反応の開始温度を上記非焼成塊成鉱よりさらに低下させることができる。したがって、熱保存帯温度を上記特許文献１，２に記載された提案よりさらに低下させることが可能となるものである。
【００１１】
一方、熱保存帯温度を低下させすぎると焼結鉱の還元粉化が増大することが知られている（例えば、上記特許文献２の段落[００１２]参照）。したがって、焼結鉱を主要原料とする高炉操業においては、その安定操業が阻害されることから、熱保存帯温度の下限、ひいては炭材内装塊成化物の配合割合の限界を明らかにすることが重要である。しかしながら、熱間成形された炭材内装塊成化物をどの程度配合すれば熱保存帯温度がどの程度低下するかについては定量的な検討はなされておらず不明であった。
【００１２】
そこで、本発明は、焼結鉱を主要原料とする高炉操業において、熱間成形された炭材内装塊成化物を用いて、焼結鉱の還元粉化による操業トラブルを回避して安定操業を維持しつつ、より燃料比の低減効果が十分に発揮される高炉操業方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、焼結鉱を１０質量％以上含む高炉原料に、熱間成形した炭材内装塊成化物を添加したものを、高炉に装入して行う高炉操業方法であって、前記高炉原料と前記炭材内装塊成化物との合計質量に対する前記炭材内装塊成化物中の炭素質量の割合を調整することにより、熱保存帯温度を７５０〜９００℃の範囲に制御することを特徴とする高炉操業方法である。
【００１４】
請求項２記載の発明は、前記高炉原料と前記炭材内装塊成化物との合計質量に対する前記炭材内装塊成化物中の炭素質量の割合を０．７〜１３％の範囲で調整する請求項１記載の高炉操業方法である。
【００１５】
請求項３記載の発明は、前記熱間成形した炭材内装塊成化物が、粉鉱石とギーセラー最高流動度ＭＦがｌｏｇＭＦ＞０．５である石炭との混合物を、３５０〜５５０℃に加熱した状態で熱間成形したものである請求項１または２記載の高炉操業方法である。
【００１６】
請求項４記載の発明は、前記熱間成形した炭材内装塊成化物が、粉鉱石とギーセラー最高流動度ＭＦがｌｏｇＭＦ＞０．５である石炭との混合物を、１℃／ｓ以上の加熱速度で昇温し３５０〜５５０℃に加熱した状態で熱間成形したものである請求項１または２記載の高炉操業方法である。
【００１７】
請求項５記載の発明は、前記熱間成形した炭材内装塊成化物が、粉鉱石とギーセラー最高流動度ＭＦがｌｏｇＭＦ＞０．５である石炭との混合物を、１℃／ｓ以上の加熱速度で昇温し３５０〜５５０℃に加熱した状態で１４７００Ｎ／ｃｍ以上の成形圧で熱間成形したものである請求項１または２記載の高炉操業方法である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の高炉操業方法で使用する炭材内装塊成化物は粉鉱石と還元剤である石炭粉とを混合し、３５０〜５５０℃で熱間成形することによって、バインダーを添加することなく炭材内装塊成化物を成形することができる。このためには、還元剤である石炭には、ギーセラー最高流動度ＭＦがｌｏｇＭＦ＞０．５の石炭を用いることが好ましい。
【００１９】
以下に、本発明の高炉操業方法で使用する炭材内装塊成化物について説明する。還元剤である石炭は、２６０℃を超えると乾留反応が始まり軟化溶融し、５５０℃を超えると固化する。したがって、３５０〜５５０  ℃の温度域で粉鉱石と石炭を混合し加圧成形すると、粉鉱石粒子間の空隙に溶融した石炭が容易に浸入し、粉鉱石同士を強固に連結することができる。このため、セメント類などのバインダーが不要となりバインダー由来のスラグ発生がないため、竪型炉内でのスラグ比上昇による通液性の悪化が本発明法では問題とならない。また、スラグ量そのものを低減することができる。
【００２０】
また、最高流動度付近の温度で成形すると炭材内装塊成化物の密度が高くなり、圧潰強度も高くなるので、搬送時、溶解炉装入時および竪型炉内での割れや粉化を抑制することができる。その結果、炭材内装塊成化物の製品歩留りが向上し、還元、溶解時の竪型炉内の通気性も良好となる。また、炭材内装塊成化物の密度が高くなると、粉鉱石と炭材との接触が密になり、還元されやすくなり還元時間が短くなる。したがって、本発明で使用する炭材内装塊成化物には、ギーセラー最高流動度ＭＦがｌｏｇＭＦ＞０．５である石炭を使用し、３５０〜５５０℃で熱間成形した炭材内装塊成化物を用いることが好ましい。
【００２１】
使用する石炭のギーセラー最高流動度ＭＦがｌｏｇＭＦ＞０．５である場合は、１℃／ｓ以上の加熱速度で成形温度まで加熱し、３５０〜５５０℃で熱間成形することが好ましい。熱間成形時、成形温度までの石炭の昇熱速度が大きくなると軟化溶融性が向上するため、加熱速度は１℃／ｓ以上の加熱速度で加熱する。特に、ギーセラー最高流動度ｌｏｇＭＦが１以下の場合は、加熱速度を規制することが、密度および圧潰強度の高い炭材内装塊成化物を得る上で重要なことである。したがって、本発明で使用する炭材内装塊成化物には、ギーセラー最高流動度ＭＦがｌｏｇＭＦ＞０．５である石炭を使用した場合は、１℃／ｓ以上の加熱速度で加熱し３５０〜５５０℃で熱間成形した炭材内装塊成化物を用いることが好ましい。
【００２２】
さらに、使用する石炭のギーセラー最高流動度ＭＦがｌｏｇＭＦ＞０．５である場合は、１℃／ｓ以上の加熱速度で成形温度まで加熱し、１４７００Ｎ／ｃｍ以上の成形圧で３５０〜５５０℃で熱間成形することが好ましい。炭材内装塊成化物は、熱間成形時に加圧成形することにより粉鉱石粒子間の空隙に溶融した石炭が十分に浸入し、粉鉱石同士が強固に連結したものとなる。成形圧が小さいと粉鉱石粒子間の空隙への溶融した石炭の浸入が不十分となり、密度および圧潰強度の高い炭材内装塊成化物を得ることができないので、熱間成形時の成形圧は１４７００Ｎ／ｃｍ以上とすることが好ましい。したがって、本発明で使用する炭材内装塊成化物には、ギーセラー最高流動度ＭＦがｌｏｇＭＦ＞０．５である石炭を使用し、１℃／ｓ以上の加熱速度で加熱し、１４７０Ｎ／ｃｍ以上の成形圧で３５０〜５５０℃で熱間成形した炭材内装塊成化物を用いることが好ましい。なお、炭材内装塊成化物の大きさは２０〜８０ｍｍ径のものが好ましい。また、ギーセラー最高流動度はＪＩＳ  Ｍ  ８８０１ギーセラー流動度試験法に基づいて測定する。
【００２３】
なお、上記炭材内装塊成化物は、特開平１１−９２８３３号公報に詳細に開示してある炭材内装塊成化物の製造方法に基づいて製造することができる。
【００２４】
本発明においては、上記炭材内装塊成化物を添加する高炉原料中の焼結鉱の配合率を１０質量％以上とする。焼結鉱の配合率を１０質量％以上としたのは、１０質量％未満の配合率においては、焼結鉱の還元粉化による高炉内における粉量増加の影響が実質的に問題とならないためである。なお、高炉原料中には、焼結鉱以外の配合物として、通常用いられるペレット、塊鉱石の他、非焼成塊成鉱、小粒コークス、還元鉄などを含んでもよい。
【００２５】
そして、高炉原料と炭材内装塊成化物との合計質量に対する炭材内装塊成化物中の炭素質量の割合を調整することにより、熱保存帯温度を７５０〜９００℃、好ましくは８００〜９００℃の範囲に制御する。
【００２６】
ここで、熱保存帯温度を７５０〜９００℃、好ましくは８００〜９００℃の範囲に制御する理由は以下のとおりである。
【００２７】
▲１▼  燃料比に及ぼす熱保存帯温度の影響
先ず、燃料比に及ぼす熱保存帯温度の影響について調査を行った。図２は、熱保存帯温度を変化させた場合における燃料比の変化をシミュレーション計算により求めた結果を示すものである。計算条件は、銑鉄生産量を１００００トン／日（一定）、微粉炭吹き込み量を２００ｋｇ／ｔｈｍ（一定）、シャフト効率を１．０（一定）とし、高炉原料としては、焼結鉱とペレットの配合率を質量％で５０：５０（一定）とし、炭材内装塊成化物は添加しない条件とした。図２に示すように、熱保存帯温度の低下とともにコークス比（ＣＲ）がほぼ直線的に低下し、微粉炭吹き込み量（微粉炭比ＰＣＲ）を一定としていることから燃料比（ＦＲ＝ＣＲ＋ＰＣＲ）もほぼ直線的に低下することがわかった。このように、燃料比の観点のみからは熱保存帯温度は低いほど好ましい。
【００２８】
▲２▼  焼結鉱の還元粉化挙動に及ぼす熱保存帯温度の影響
次に、焼結鉱の還元粉化挙動に及ぼす熱保存帯温度の影響について調査した。高炉内に装入された焼結鉱が受ける温度変化・還元ガス組成変化をシミュレートした還元条件による還元実験を実施した。内径７５ｍｍのレトルト内に平均粒径約２０ｍｍの焼結鉱５００ｇを装入し、電気加熱炉でレトルトごと昇温加熱しながら還元ガスを流通させて還元を行った。昇温加熱は、室温から熱保存帯温度までを昇温速度７℃／ｍｉｎ（一定）で昇温し、熱保存帯温度で３０ｍｉｎ保持し、その後、熱保存帯温度から１０００℃までを昇温速度５℃／ｍｉｎ（一定）で昇温する条件とした。なお、熱保存帯温度は６００〜１０００℃の範囲で種々変化させた。また、還元ガスは、流量を１３Ｌ（標準状態）／ｍｉｎ（一定）とし、ガス組成（容積％）を室温から７００℃までをＮ2：ＣＯ：ＣＯ2＝５０：２５：２５、７００℃から熱保存帯温度までをＮ2：ＣＯ：ＣＯ2＝５０：３７．５：１２．５、熱保存帯温度から１０００℃までをＮ2：ＣＯ：ＣＯ2＝５０：５０：０とした。ただし、熱保存帯温度が７００℃未満の場合には、還元ガス組成は、室温から熱保存帯温度までをＮ2：ＣＯ：ＣＯ2＝５０：２５：２５、熱保存帯温度から１０００℃までをＮ2：ＣＯ：ＣＯ2＝５０：５０：０とした。そして、還元実験後の焼結鉱を回転強度試験機（バレル：φ１３０ｍｍ×２００ｍｍＬ）により３０ｒｐｍ×３０ｍｉｎの条件で回転強度試験を実施し、回転試験後の−２．８ｍｍ粉率（質量％）で還元粉化性を評価した。図３に、熱保存帯温度と回転試験後の−２．８ｍｍ粉率との関係を示す。図３に示すように、熱保存帯温度を１０００℃から低下させていくと、８００℃までは−２．８ｍｍ粉率は熱保存帯温度によらずほぼ一定であるが、熱保存帯温度が８００℃未満になると−２．８ｍｍ粉率が上昇し始め、その後、熱保存帯温度の低下とともに−２．８ｍｍ粉率が急激に上昇することがわかった。以上より、焼結鉱の還元粉化の観点のみからは、熱保存帯温度は８００℃以上とすることが好ましい。
【００２９】
上記▲１▼および▲２▼を総合的に判断することにより、熱保存帯温度の下限および上限を定めた。すなわち、熱保存帯温度の下限は、燃料比の観点からは熱保存帯温度は低いほど好ましいことから、焼結鉱の還元粉化がまだそれほど顕著でない７５０℃とし、焼結鉱の還元粉化が増加しない限界である８００℃を推奨値とした。一方、熱保存帯温度の上限は、従来の高炉操業（熱保存帯温度：１０００℃）に比較して燃料比の低減効果が約１５ｋｇ／ｔｈｍ以上得られる９００℃とした（図２参照）。
【００３０】
そして、熱保存帯温度を上記所定の範囲内に制御することは、高炉原料と炭材内装塊成化物との合計質量に対する炭材内装塊成化物中の炭素質量の割合を調整することにより容易に達成できる。
【００３１】
ここで、表１および図１に、高炉原料と炭材内装塊成化物との合計質量に対する炭材内装塊成化物中の炭素質量の割合（以下、ＲCという。）と熱保存帯温度（以下、ＴTRという。）との関係を示す。表１および図１に示すように、ＲCを増加させるとともにＴTRが減少しており、ＲCを調整することによりＴTRを所定温度に制御できることがわかる。
【００３２】
【表１】
2004204295.tif 000003
【００３３】
なお、表１および図１の関係は以下の示差熱実験により求めたものである。示差熱実験装置の概略を図４に示す。反応管内に、基準物質であるアルミナボールと、試料（高炉原料と炭材内装塊成化物との混合物）とを別個に充填した金属製のカゴを隣接してセットし、各充填層内には熱電対を挿入しておく。
【００３４】
ここに、高炉原料としては、質量割合で焼結鉱４６％＋ペレット５４％を混合したものを用いた。また、炭材内装塊成化物としては、表２および表３に示す粉鉱石および石炭を、質量割合でそれぞれ７８％および２２％で混合し、約２０℃／ｓの加熱速度で昇温し約４４０℃に加熱した状態で約２００００Ｎ／ｃｍの成形圧で熱間成形したものを用いた。
【００３５】
【表２】
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【００３６】
【表３】
2004204295.tif 000005
【００３７】
そして、反応管ごと電気加熱炉で室温から１２５０℃まで５℃／ｍｉｎ（一定）の昇温速度で昇温加熱しつつ反応管内に還元ガスを流通させる。還元ガス組成（容積％）は、室温から７５０℃までをＮ2：ＣＯ：ＣＯ2＝５０：２５：２５、７５０℃から１０００℃までをＮ2：ＣＯ：ＣＯ2＝５０：３７．５：１２．５、１０００℃から１２５０℃までをＮ2：ＣＯ：ＣＯ2＝５０：５０：０とした。
【００３８】
そして、昇温加熱中の各充填層内の温度を熱電対により測定し、図５に例示するように、両者の温度差（示差熱）ΔＴを基準物質であるアルミナボールの充填層の温度Ｔに対してプロットした。示差熱曲線の勾配が急激に低下し始める点Ｓの温度にて、炭材内装塊成化物内で直接還元吸熱反応が実質的に開始されたものと考え、この点Ｓの温度Ｔを熱保存帯温度とした。この示差熱実験を、試料中の高炉原料と炭材内装塊成化物との混合割合を種々変更して行い、各混合割合（すなわち各ＲC）における熱保存帯温度ＴTRを求め、表１および図１の関係を得た。
【００３９】
図１より、熱保存帯温度ＴTRを７５０〜９００℃の範囲に制御するためには、ＲCを０．７〜１３％の範囲で調整すればよく、好適な８００〜９００℃の範囲に制御するためには、ＲCを０．７〜９％の範囲で調整すればよいことがわかる。
なお、図１に比較例として、炭材内装塊成化物を用いない従来の高炉操業に相当する点を△印で、特許文献３の実施例（同文献の段落[００１７]〜[００１８]参照）に相当する点を□印でそれぞれ示した。△印および□印で示されるように、特許文献３の実施例では、従来の高炉操業に比べれば熱保存帯温度ＴTRが低下できたものの、炭材内装塊成化物の添加量が不十分であったため本発明の規定するＲCの下限値（０．７）を下回り、このため熱保存帯温度ＴTRが９５０℃程度までしか低下せず、燃料比の低減効果は４ｋｇ／ｔｈｍに留まっている。
【００４０】
【発明の効果】
以上述べたところから明らかなように、本発明によれば、焼結鉱を主要原料とする高炉原料を用いる高炉操業において、焼結鉱の還元粉化による操業トラブルを回避して安定操業を維持しつつ、より燃料比の低減効果が十分に発揮される高炉操業方法を提供することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】高炉原料と炭材内装塊成化物との合計質量に対する炭材内装塊成化物中の炭素質量の割合と熱保存帯温度との関係を示すグラフ図である。
【図２】熱保存帯温度と燃料比との関係を示すグラフ図である。
【図３】熱保存帯温度と焼結鉱の還元粉化性（回転試験後の−２．８ｍｍ粉率）との関係を示すグラフ図である。
【図４】示差熱実験装置の概略を示す縦断面図である。
【図５】示差熱曲線から熱保存帯温度を求める方法を説明するグラフ図である。
【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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