(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）熱流比が０．８０以下の高炉の操業方法であって、
（ｂ）粒度構成が５ｍｍ以上、３０ｍｍ以下が８５ｗｔ％以上であり、且
つ、結晶水含有量が３．５ｗｔ％以上の塊鉱石を主原料の一部として、高炉へ装入することにより、
炉頂ガスの平均温度を下げることを特徴とする、高炉の操業方法。
【請求項２】
前記塊鉱石を主原料の一部として５ｗｔ％以上、４０ｗｔ％以下配合して高炉へ装入することにより、炉頂ガスの平均温度を下げることを特徴とする請求項１記載の高炉の操業方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高炉の操業方法、特に微粉炭多量吹込み操業または高燃料比操業等における炉頂ガスの平均温度の上昇を低下させる高炉の操業方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、高炉操業において、炉頂ガスの平均温度は下限値が１００℃以上、上限値が２００℃以下、望ましくは１５０℃以下になるように維持されている。通常、炉頂ガス温度は、４本の上昇管の途中に各々設けられた熱伝対等の温度計によって測定される。操業管理上は各温度計のデータを平均処理して得られたものを平均温度として用いる。平均処理としては、例えば、４本の温度計のデータを平均するとともに、時間的にも３０分又は１時間の平均値とされる場合が多い。ここでいう炉頂ガス平均温度とはこのような平均温度である。
【０００３】
上記のように高炉操業において、炉頂ガスの平均温度を２００℃以下、望ましくは１５０℃以下とする理由は、一つには炉頂ガス顕熱として炉外に持ち出される排ガス熱量を抑制し、高炉の熱効率を上げるためであるが、他の理由としては、装入装置の保護がある。炉頂装入装置がベル式であれば大ベルと大ベルホッパー間のガスシールに使用されている耐圧シールゴムの、また、炉頂装入装置がベルレスシュート式であれば、シュートの回転機構の耐熱度がそれぞれ３００℃程度しかないためである。
【０００４】
また、下限値を１００℃以上とする理由の一つは、第一に高炉のシャフト部で行われる原料の予熱が不十分になるからである。また、除塵器（ダストキャッチャー）に結露が生じてダストの排出ができなくなるといった問題も生じるからである。
【０００５】
従来の高炉操業は低燃料比を目標としており、また、微粉炭吹込みを行っている場合でも微粉炭吹込み量はせいぜい１００ｋｇ／ｔ（溶銑量）以下であるため、炉頂ガス温度も２００℃以下となるのが通常であった。炉頂ガス温度が２００℃を超える場合としては、休風前後の高燃料比操業時の数時間または炉況不調時にスリップに伴い吹き抜けが発生する数秒から数分間といった比較的短期間に限られていた。
【０００６】
そのため、上昇した炉頂ガス温度を２００℃以下或いは１５０℃以下の適正な温度に下げる手段も、炉口部に設けた複数のノズルから炉内の装入原料表面へ向けて直接散水して一時的に炉頂ガス温度を下げる炉頂散水方法が一般的であった（例えば、ＣＡＭＰ・ＩＳＩＪＶｏｌ．７（１９９４）−１５２）。
【０００７】
他方、近年、国内のほとんどの高炉において微粉炭吹込み操業が採用されている。平成１０年４月末時点の国内全稼動高炉３０基の微粉炭吹込み量の平均は１２９．４ｋｇ／ｔであり、１００ｋｇ／ｔ以上の微粉炭多量吹込みを行っている高炉は２０基以上にも達しており、この微粉炭吹込み量は年々増加する傾向にある。
【０００８】
微粉炭多量吹込み操業においては羽口部で生成するガス量が増大し、必然的に炉頂ガス温度が上昇することが知られている。従って、従来のように微粉炭吹込み量が１００ｋｇ／ｔ以下の操業では炉項ガス温度の上昇は問題とならなかったが、微粉炭吹込み量が１２０ｋｇ／ｔを超えると炉頂ガス温度も恒常的に２００℃を超えるようになってきた。
【０００９】
また、微粉炭多量吹込み操業に限らず、高燃料比操業においてもガス発生量が増加するため、炉項ガス温度が恒常的に２００℃を超えるようになる。そこで、恒常的に炉頂ガス温度を低下させる必要が生じて釆た。
【００１０】
その方法として、例えば、ＣＡＭＰ・ＩＳＩＪＶｏｌ．７（１９９４）−１５２に報告されているように、改良された散水ノズルにより粒径４００μｍ以上の水滴を発生し、これを炉中心部と炉壁部に選択的に散水できるように設置して、例えば４５ｔ／ｈrの散水を行うことにより炉項ガス温度のピークを約２５℃低下させる方法が開示されている。
【００１１】
また、恒常的に炉頂ガス温度を低下させるには、炉内で生成されるガス量を抑制することも有効であり、一つに酸素富化の方法がある。これは、送風空気中に酸素を数％添加して送風中酸素濃度を上げることにより、必要酸素量を確保しつつトータルの送風量を減ずることによりガス発生量を減じ、炉頂ガス温度の上昇を抑制する方法である。
【００１２】
そのほか、ガス発生量を抑制するには、燃料比を低減しこれにより必要送風量を減じてガス発生量を抑制する方法も考えられる。燃料比を低減するための方法は幾つかあるが、その１に被還元性の高い原料を装入する方法がある。
【００１３】
例えば、特開平４−２６３００３号公報には、原料コスト及び燃料比の低減を図るため、多孔質で結晶水含有量が高く、しかも、脈石成分の多い鉱石を使用する方法が開示されている。更に、このような鉱石は安価であるばかりでなく比較的還元性が良い反面、付着粉が多く、また、結晶水が分解する過程で発生する粉により高炉シャフト部での通気不良が懸念されるため、粒径３ｍｍ以下の粉鉱石を１ｗｔ％以下にする必要があるとしている。
【００１４】
粒径３ｍｍ以下の粉鉱石を１ｗｔ％以下にする方法として、振動篩装置により篩い分けした後、該鉱石の上方から散水し、篩い分けする方法、水槽内に浸漬する方法、熱風炉又はコークス炉の排ガスにより予熱して振動を与えて篩い分けする方法が開示されている。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、炉頂散水方法はもともと休風の前後等の高燃料比操業時、または、高炉操業中の吹き抜け等の異常時に短期間のみ炉頂ガス温度を下げる手段として使われてきた方法である。そこで、炉頂散水を恒常的にしかも大量に行うと、排ガス処理設備、特に乾式除塵器内部での結露は免れず、その結果除塵器内部に貯まったダストを湿潤させ、乾式除塵器からのダスト排出が不能となるなどの問題を引き起こすといった問題がある。
【００１６】
また、微粉炭の多量吹込み操業では、通常、送風空気中に２〜５ｖｏｌ％程度の酸素富化を行って微粉炭の燃焼性を維持しているが、炉頂ガス温度を低減するためさらに酸素富化率を上げるには酸素発生装置の能力増強を必要とする場合が多い。
しかし、製鉄所における酸素発生プラントの能力は、酸素を大量に使用する転炉における製鋼工程の使用量を基準に設計される場合が多く、その場合、高炉には発生酸素の余剰分が吹込まれるのが通例である。
【００１７】
この様な場合、炉頂ガス温度の低減を目的に、設備増強なしに酸素富化率を上げることは難しい。また、設備的な余力がある場合でも、電力価格の高い我が国では酸素の製造コストも高いので、酸素富化率の上昇は必然的に銑鉄製造コストを押し上げるという問題がある。
【００１８】
特開平４−２６３００３号公報で開示された方法では、振動篩装置により篩い分けした後、該鉱石に散水又は浸漬するための水槽、或いは振動篩装置の前段に排ガスによる予熱装置といった余分な設備を必要とするという問題がある。
【００１９】
本発明は上記のような問題を解決するためになされたもので、特別な設備を必要とせずに、乾式除塵器内部での結露等の問題もなしに、効果的に炉頂ガス温度を低減する方法を提供するものである。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、炉頂排ガス温度の効果的な低減方法を種々検討した。その結果、従来結晶水の分解に伴なう粉化のため通気性を阻害すると懸念され、使用されなかった高結晶水鉱石の直接装入により、炉頂散水と同様な冷却効果と、更に燃料比低減による発生ガス量の抑制効果とがあり、炉頂ガス温度が効果的に低減できるとの知見を得た。なお、高結晶水鉱石とは結晶水含有量が３．５ｗｔ％以上の鉱石をいう。
【００２１】
また、従来、結晶水が分解する過程で発生する粉により高炉シャフト部での通気不良が懸念されるので、鉱石が破砕しても通気抵抗を増加させないための鉱石粒度範囲を検討した。発明者らの検討結果によれば、結晶水が分解する際の割れの態様は粉化というより、高々４〜５個の破片に割れる程度であり、高炉へ装入する時点の粒度を大きめにしておけば、割れた後でも５ｍｍ以下、特に３ｍｍ以下となる割合は小さいとの知見を得た。上記検討及び知見に基づき、以下の発明をするに至った。
【００２２】
発明の第１の態様は、熱流比が０．８０以下の高炉の操業方法であって、粒度構成が５ｍｍ以上が８０ｗｔ％以上、結晶水含有量が３．５ｗｔ％以上の塊鉱石を主原料の一部として高炉へ装入することにより、炉頂ガスの平均温度を下げることを特徴とする高炉の操業方法である。
【００２３】
熱流比が０．８０以下で操業する高炉の操業方法においては、炉頂ガス温度が２００℃以上になる確率が高い。そこで、結晶水含有量が３．５ｗｔ％以上の塊鉱石を主原料の一部として配合すると、炉頂ガスの平均温度を低下させることができ、高炉操業を安定させることができる。
【００２４】
また、結晶水含有量が３．５ｗｔ％以上の塊鉱石は炉内で結晶水が分離されるとき鉱石を崩壊し、通気性を阻害すると想定されていたが、高々４〜５個の鉱片に割れる程度であり、粒度構成が５ｍｍ以上が８０ｗｔ％以上、即ち５ｍｍ未満が２０ｗｔ％未満である場合には鉱石が割れても通気性を阻害せず、炉頂ガス温度を低下させ、高炉操業を安定化させる効果がある。
【００２５】
発明の第２の態様は、高炉操業を熱流比が０．８０以下の高炉操業であって、粒度構成が５ｍｍ以上、３０ｍｍ以下が８５ｗｔ％以上であり、且つ、結晶水含有量が３．５ｗｔ％以上の塊鉱石を主原料の一部として高炉へ装入することにより、炉頂ガスの平均温度を下げることを特徴とする高炉の操業方法である。
【００２６】
また、結晶水含有量が３．５ｗｔ％以上の塊鉱石は炉内で結晶水が分離されるとき鉱石を崩壊し、通気性を阻害すると想定されていたが、高々４〜５個の鉱片に割れる程度であり、粒度構成が５ｍｍ以上、３０ｍｍ以下が８５ｗｔ％以上である場合には、炉頂ガス温度を低下させると共に塊鉱石の粒度範囲がより整粒強化されるため通気性はさらに好ましく、高炉操業を安定化させる効果がある。
【００２７】
発明の第３の態様は、前記塊鉱石を主原料の一部として５ｗｔ％以上、４０ｗｔ％以下配合して高炉へ装入することにより、炉頂ガスの平均温度を下げることを特徴とする高炉の操業方法である。
【００２８】
上記結晶水を含む塊鉱石を主原料に対して５ｗｔ％以上、４０ｗｔ％以下として高炉へ装入すると、適正な程度に炉頂ガスの平均温度を下げることができる。ここで主原料とは、塊鉱石、焼結鉱、ペレット及びミルスケール等の雑原料の合計をいう。なお、上記結晶水を含む塊鉱石を主原料に対して５ｗｔ％未満配合すると炉頂ガス温度低下の効果は不充分であり、４０ｗｔ％を超えると炉頂ガス温度の低下が著しく、高炉の安定操業が阻害される。
【００２９】
【発明の実施の形態】
高炉操業の熱流比が０．８０以下の場合においては、後述するように炉頂ガス温度が２００℃以上になる確率が高いので、結晶水含有量が３．５ｗｔ％以上の塊鉱石を主原料の一部として配合すると、結晶水の蒸発等により炉頂ガスの平均温度を低下させることができ、高炉操業を安定させることができる。
【００３０】
通常、粒度構成が５ｍｍ未満の細かい粉鉱石は通気性を阻害するので望ましくない。そこで、結晶水含有量が３．５ｗｔ％以上の高結晶水塊鉱石は、従来炉内で結晶水が分離されるとき鉱石は崩壊し、通気性を阻害すると想定されていた。しかし、粒度構成が５ｍｍ以上が８０ｗｔ％以上の場合、更には粒度構成が５ｍｍ以上、３０ｍｍ以下が８５ｗｔ％以上である場合にはいずれも炉内で崩壊はするが５ｍｍ未満に粉化せず、通気性を阻害しないことが新たに知見された。また、炉頂における過剰な散水をせずに炉頂ガス温度を低下させることができるので、除塵器における結露も防止できる。
【００３１】
上記態様において、上記結晶水含有量が３．５ｗｔ％以上の塊鉱石を他の主原料である焼結鉱、ペレット等の主原料に配合する比率が５ｗｔ％以上、４０ｗｔ％以下である場合には、２００℃以下の適正な程度に炉頂ガスの平均温度を下げることができる。全主原料に対して５ｗｔ％未満では温度低減の効果が少なく、４０ｗｔ％を超えると温度低下が著しく、安定な操業を阻害するためである。
【００３２】
以下において、上記発明の実施態様をシミュレーションモデルにより詳細に説明する。なお、このシミュレーションモデルは現実の高炉操業において通常用いられており、現実の操業を再現できるモデルである。そこで、発明者らは、炉頂ガス温度の効果的な低減方法を種々検討するにあたり、高炉の総括物質・熱収支モデルを用いて微粉炭比が増加した場合及び燃料比が増加した場合の発生ガス量、熱流比、炉頂ガス温度を種々シミュレーションした。
【００３３】
使用した高炉の総括物質・熱収支モデルは、例えば鉄と鋼、７８（１９９２）第１０２９頁に記載されている計算モデルである。しかし、この計算モデルに限定されない。高炉の実操業状態をシミュレーションできるものであれば、これに限るものではない。
【００３４】
以下の説明における熱流比とは高炉シャフト部におけるガス単位熱量に対するの固体単位熱量の比で、次のように定義されるものである。
Ｕ＝（Ｍ・Ｃｓ・ｔｓ）／（Ｖ・Ｃｇ・ｔｇ）
【００３５】
ここで、
Ｕ：熱流比（−）
Ｍ：溶銑１ｔｏｎ当たりの高炉シャフト部での固体（鉱石系原料＋コークス）
流量（ｋｇ／・ｔ（銑鉄））
Ｃｓ：固体の平均比熱（ｋＪ／ｋｇ・Ｋ）
Ｃｇ：ガスの平均比熱（ｋＪ／Ｎｍ３・Ｋ）
ｔｓ、ｔｇ：固体及び炉頂ガスの温度（Ｋ）
Ｖ：溶銑１ｔｏｎ当たりの高炉シャフト部ガス流量（Ｎｍ３／・ｔ（銑鉄））
【００３６】
発明者らのシミュレーション結果では、熱流比が０．８以上であれば通常操業において炉頂ガス温度が１５０℃を超えることはないが、微粉炭吹込み量が１２０ｋｇ／ｔを超える場合、または燃料比が５２０ｋｇ／ｔを超える場合には熱流比が０．８以下となり、炉頂ガス温度が１５０℃を超えるので、本発明を適用することが望ましい。
【００３７】
次に、発明者らが高炉の総括物質・熱収支モデルにより、高結晶水鉱石の配合割合を０ｗｔ％から漸次３０ｗｔ％迄変化させた場合の、炉頂ガス温度の変化をシミュレーションした。その結果、規準操業（高結晶水鉱石を配合しない）での微粉炭吹込み量、燃料比、炉頂ガス温度等の操業条件が異なっても、高結晶水鉱石の配合割合に伴う炉頂ガス温度の低下傾向は略一定であることが判った。
【００３８】
図１として示す表１に、基準操業の主要操業諸元と、本発明例として基準操業において主原料中の塊鉱石を５〜３０ｗｔ％（鉱石の全量）の範囲で高結晶水鉱石に置換した場合の主要操業諸元を示す。また、本発明で使用する高結晶水鉱石として、図２として示す表２に４種類の鉱石を示すが、いずれも結晶水含有量（表２中のＩｇ．ｌｏｓｓ）が３．５ｗｔ％以上の鉱石であり、通常操業で使用しているものである。なお、鉱石の結晶水含有量が３．５ｗｔ％以上の鉱石であればこれらに限定されるものではない。
【００３９】
図３は表１の主要操業諸元のうち、高結晶水鉱石割合と炉頂ガス温度の低下幅（△Ｔ）の関係を示したものである。図の直線（２）は結晶水の分解熱のみにより炉頂ガス温度が低下するとして計算した場合であり、一方、直線（１）は結晶水の分解熱と燃料比の低下に伴う炉頂ガス量の減少の両方を考慮して計算した場合である。
【００４０】
なお、図３には実際の高炉における炉頂ガス温度の低下実績（図中の四角印）も記載したが、実際に高結晶水鉱石による炉頂ガス温度の低減効果は直線（１）に近いことが判る。即ち、上記シミュレーションの結果、高結晶水鉱石は、結晶水の分解熱による効果に加えて、結晶水が分解されたあとの鉄鉱石組織が多孔質化して被還元性が向上する結果、高炉の燃料比を低下せしめ、炉内ガス発生量を抑制する効果の両方の効果があるため、炉頂ガス温度の低減に対しても効果的であることを示す。
【００４１】
上記の通り、シミュレーションにおいて高結晶水の高炉へ装入が炉頂温度の低減に効果があることを確認することができた。なお、本発明は炉頂ガス温度の低減において、高結晶水鉱石の使用に加え、送風の酸素富化または炉頂散水を併用することを制限するものではなく、また、これらの併用であっても何ら差し支えない。
【００４２】
【実施例】
以下、本願発明の実施例について説明する。
（発明例１）
本発明例１では、実操業中の高炉（内容積：４９００ｍ3）において塊鉱石の一部を高結晶水鉱石に置き換え、本願発明の効果である炉頂ガス温度および燃料比の低下を確認した。比較のための基準操業および本発明例の各操業条件を図４として示す表３に示す。
【００４３】
図４に示すように、基準操業と発明例における熱流比はともに０．７９で、同レベルであった。また、基準操業における主原料比は１６５３Ｋｇ／ｔであり、主原料中に占める塊鉱石比は２２ｗｔ％で、その中で高結晶水鉱石は使用されていない。
【００４４】
一方、本発明例では基準操業における塊鉱石の一部（Ｈ鉱石）を高結晶水鉱石（Ｒ鉱石）と置き換え、高結晶水鉱石（Ｒ鉱石）が主原料中の３ｗｔ％となるようにした。置き換えにあたり、装入Ｆｅを一定に維持したため、主原料比は若干増加したが、その他の操業条件は極力一定に維持した。なお、本発明例で使用した高結晶水鉱石（Ｒ鉱石）の化学成分も図５として示す表４に記載した。
【００４５】
また、Ｒ鉱石の粒度は５ｍｍ以上の割合が８０．２ｗｔ％のものであった。その結果、図４として示す表３から明らかなように、基準操業では炉頂ガス温度を２００℃以内に抑えるため４０ｔ／ｈｒの炉頂散水を断続的に実施していたが、本発明例では高結晶水鉱石（Ｒ鉱石）を主原料の３ｗｔ％使用することにより、炉頂散水を停止しても炉頂ガス温度を２００℃以内に抑えることができ、本発明の効果が確認された。一方、燃料比については明らかな違いは認められなかった。
【００４６】
なお、図３に示したシュミレーションによれば、本発明例の場合（高結晶水鉱石を主原料の３ｗｔ％使用した場合）の炉頂ガス温度の低下幅は約１０℃である。一方、本発明例の場合、見掛けの炉頂ガス温度の低下は９℃であるが、実際には炉頂散水を停止することができた点も考慮すれば、これ以上の炉頂ガス温度の低下が生じたものと推定される。
【００４７】
（発明例２）
本発明例２では、実操業中の高炉（内容積：２４００ｍ3）において高結晶水鉱石の１種である高燐鉱石（Ｐ鉱石）を、主原料中の１４ｗｔ％まで使用して、本願発明の効果である炉頂ガス温度および燃料比の低減効果を確認した。比較のための基準操業および本発明例の各操業条件を図６に表５として示す。
【００４８】
本発明例２の場合も、基準操業と発明例における熱流比は０．７９であった。また、基準操業では主原料比は１６６７Ｋｇ／ｔであり、主原料中の塊鉱石比は１４ｗｔ％であったが、発明例１の場合と異なり、塊鉱石は複数銘柄の鉱石からなるベッディング塊（Ｂ塊）である。本発明例ではＢ塊の全量を高燐鉱石（Ｐ鉱石）と置きかえるにあたり、装入Ｆｅを一定に維持した結果、主原料比は増加したが，高燐鉱石（Ｐ鉱石）は主原料中の１４ｗｔ％となるように調整した。
【００４９】
また、その他の操業条件を極力一定に維持した点は発明例１の場合と同じである。本発明例２で使用した高燐鉱石（Ｐ鉱石）の化学成分も図５の表４に示す。使用した高燐鉱石（Ｐ鉱石）は、基準操業で使用したＢ塊に比べて燐含有量が０．１２４ｗｔ％と高いほか、結晶水含有量も４．７８ｗｔ％と高い。なお、使用した高燐鉱石（Ｐ鉱石）の粒度は５ｍｍ以上、３０ｍｍ以下の割合が９７．８ｗｔ％のものであった。
【００５０】
図６に示す表５から明らかなように、基準操業では４０ｔ／ｈｒの炉頂散水を継続して実施しても炉頂ガス温度は２１０℃と高いが，高燐鉱石を主原料の１４ｗｔ％使用した本発明例では、炉頂散水を停止しても炉頂ガス温度を２００℃以内に抑えることができた。また、結晶水の離脱による多孔質化により被還元性が向上した結果、燃料比についても若干の低下が認められた。なお、図３に示したシュミレーションによれば、高結晶水鉱石を主原料の１４ｗｔ％使用した場合の炉頂ガス温度の低下幅は約４０℃である。
【００５１】
一方、本発明例２の場合、見掛けの炉頂ガス温度の低下は約２５℃程度であるが、炉頂散水停止の効果を含めれば、実際の炉頂ガス温度の低下は４０℃以上であったものと推定できる。
【００５２】
【発明の効果】
本発明の方法によれば、微粉炭の大量使用、または高燃料比操業における炉頂温度の上昇を高結晶水鉱石の使用により低下させることができる。また、従来の炉頂散水で生じた除塵器のダスト排出の問題も生じない。また、酸素発生装置等の特別な設備を必要とせずに、炉頂ガス温度を低減できる。また、高結晶水鉱石の結晶水分解による鉱石の割れによる炉内通気抵抗の上昇もないので、比較的安価な高結晶水鉱石を直接高炉原料として使用でき、生産コストの低減に寄与できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明及び基準の高炉操業をシミュレーションした結果を表１として示す図である。
【図２】図１に示すシミュレーションにおいて使用した鉱石の銘柄の成分組成を表２として示す図である。
【図３】図１に示すシミュレーションの結果の内、高結晶水鉱石の配合量と炉頂温度低下との関係を示す図である。
【図４】本発明の実施例と基準操業との操業結果を対比して表３として示す図である。
【図５】本発明の実施例で使用した高結晶水鉱石の成分組成を表４として示す図である。
【図６】本発明の他の実施例と基準操業との操業結果を対比して表５として示す図である。
【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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