(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉頂から鉱石および固体燃料を装入するとともに、羽口から送風調整して製銑を行う高炉の操業方法において、前記固体燃料として、高反応性コークスを使用し、低温の不活性ガスまたは低温の還元ガスをシャフト部下部から炉内へ吹き込んで、熱温存帯温度を７００℃〜９００℃の範囲に制御することを特徴とする高炉の操業方法。
【請求項２】
炉頂から鉱石および固体燃料を装入するとともに、羽口から送風調整して製銑を行う高炉の操業方法において、前記固体燃料として、高反応性コークスを使用し、炉頂中心部の還元ガスを吸引するとともに、吸引した還元ガスを熱交換器で冷却し、冷却還元ガスをシャフト部下部から炉内へ吹き込んで、熱温存帯温度を７００℃〜９００℃の範囲に制御することを特徴とする高炉の操業方法。
【請求項３】
熱温存帯から還元ガスを導入するとともに、導入した還元ガスを熱風炉で加熱し、加熱ガスを炉床部へ供給して、熱風置換を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の高炉の操業方法。
【請求項４】
原料として、ヘマタイト鉱石を予備還元してマグネタイト粉鉱石とし、該粉鉱石を塊成化した塊成鉱を装入することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の高炉の操業方法。
【請求項５】
前記ヘマタイト鉱石の予備還元温度が、７００℃未満であることを特徴とする請求項４に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、炉頂から鉱石およびコークス等の固体燃料を装入するとともに、羽口から送風調整して製銑を行う高炉、およびその操業方法に係り、特に熱温存帯温度を積極的に低下させて製銑を行う高炉、およびその操業方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
未還元鉱石から銑鉄を製造する方法としては、これまでに種々開発されてきたが、今日でも高炉法がその主流となっている。この高炉法では、炉頂から装入された原料が降下する間に炉内下部から上部へ向かって流れる高温ガスによって十分に予熱されるとともに、酸化鉄が一酸化炭素（ＣＯ）によって６０％以上の比率で間接還元される。高炉法では、このような間接還元率を確保するために、羽口前にレースウェイ空間を設け、ここで、ηＣＯ（＝ＣＯ2 ／（ＣＯ＋ＣＯ2 ））＝０の還元ガスを製造するようにしている。また、上記の高温ガスとなる燃焼ガスの温度を高めるために、送風温度は１０００℃以上としている。
【０００３】
このような高炉の操業方法においては、熱温存帯温度を低下させると、還元平衡点制御により燃焼比が低減され、還元反応効率が改善されるということが平衡論的に公知である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、高炉の操業方法において、熱温存帯温度を低下させることにより反応効率が改善されるということが平衡論的に公知であるにもかかわらず、熱温存帯温度を積極的に低下させる技術が開発されていなかった。
【０００５】
本発明の目的は、上記課題に鑑み、炉内の熱温存帯温度を低下させて還元反応効率を向上させ、良好な品質の溶銑を得ることができる高炉の操業方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成すべく、第一の発明に係る高炉の操業方法は、炉頂から鉱石および固体燃料を装入するとともに、羽口から送風調整して製銑を行う高炉の操業方法において、前記固体燃料として、高反応性コークスを使用し、低温の不活性ガスまたは低温の還元ガスをシャフト部下部から炉内へ吹き込んで、熱温存帯温度を７００℃〜９００℃の範囲に制御するものである。
【０００７】
また、第二の発明に係る高炉の操業方法は、炉頂から鉱石および固体燃料を装入するとともに、羽口から送風調整して製銑を行う高炉の操業方法において、前記固体燃料として、高反応性コークスを使用し、炉頂中心部の還元ガスを吸引するとともに、吸引した還元ガスを熱交換器で冷却し、冷却還元ガスをシャフト部下部から炉内へ吹き込んで、熱温存帯温度を７００℃〜９００℃の範囲に制御するものである。
【０００８】
第一および第二の高炉の操業方法において、熱温存帯から還元ガスを導入するとともに、導入した還元ガスを熱風炉で加熱し、加熱ガスを炉床部へ供給して、熱風置換を行うことが好ましい。
【００１０】
さらに原料として、ヘマタイト鉱石を予備還元してマグネタイト粉鉱石とし、この粉鉱石を塊成化した塊成鉱を装入することが好ましい。このヘマタイト鉱石の予備還元温度は、７００℃未満であることが好ましい。
【００１４】
本発明は、熱温存帯温度を積極的に低下させる技術に関するものである。熱温存帯温度を積極的に低下させる方法としては、低温の不活性ガスまたは低温の還元ガスをシャフト部下部から炉内へ吹き込む方法、炉頂中心部の還元ガスを吸引して熱交換器により冷却し、冷却還元ガスをシャフト部下部から炉内へ吹き込む方法があり、熱温存帯温度を低温ガスにより強制的に低下させるものである。特に、炉頂中心部の還元ガスを吸引して冷却還元ガスとする方法は、炉内ガスの有効利用を図ることができる。熱温存帯温度を低下させると、還元平衡点制御により燃焼比が低減され、還元反応効率が改善される。
【００１５】
また、熱温存帯から還元ガスを導入して加熱手段により加熱し、加熱ガスを炉床部へ供給して、熱風置換を行うことにより、熱風炉での空気燃焼に要する燃料を軽減することが可能となる。また、熱保存帯下部の高温ガス量を減少させることで、その上部から吹き込むガスの温度や量の制御範囲を緩和でき、熱保存帯温度の制御を容易とすることができる。
【００１６】
さらに固体燃料として、高反応性コークスを使用し、熱温存帯温度を７００℃〜９００℃の範囲に制御することにより、低温部からのコークスガス化反応を促進させて、低温領域における鉱石の反応効率を高めることにより、高炉におけるコークス比を低減させることができる。
【００１７】
そして原料として、ヘマタイト鉱石を７００℃未満の温度で予備還元してマグネタイト粉鉱石とし、この粉鉱石を塊成化した塊成鉱を装入する。これは、製銑原料がマグネタイト鉱石の場合、還元粉化しないことを利用したものである。また、ヘマタイト鉱石を予備還元してマグネタイト粉鉱石を製造しているのは、天然的に存在するマグネタイト粉鉱石の場合、マグネタイト粒子中に気孔が殆ど存在していないため、塊成化しても被還元性の改善代が少ないからである。さらに、ヘマタイト鉱石の予備還元温度を７００℃未満としているのは、予備還元温度を７００℃以上とすると、気孔率が低下する傾向にあり、被還元性の高い塊成鉱を得ることができないからである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づき説明するが、本発明は本実施の形態に限るものではない。
【００１９】
まず、本発明の操業方法に用いる高炉について説明する。図１は、高炉内の状況を示す概略図である。図示するように、高炉１は上部へ向けて順次縮径された有底筒体状を呈しており、その炉頂からは鉱石等の原料２、およびコークスや石炭等の固体燃料３が装入され、側壁下部に設けられた羽口４からは熱風とともに酸素や微粉炭が吹き込まれて製銑を行っている。羽口４は、羽口径、炉内突出し長、および吹き込み圧力等が調整可能になっており、レースウェイ５の空間部が形成される。
【００２０】
炉内下部に位置する炉芯６は固体燃料３が詰まった層であり、溶銑７およびスラグ８から浮力を受けて浮力と荷重の大小によって下面は溶銑中に浮遊または炉底に沈下している。
【００２１】
シャフト部上方には、上昇ガスによる鉱石およびコークスの乾燥、予熱が生じる塊状帯９が形成され、鉱石の間接還元、コークスのソルーションロス等の反応が生じている。またシャフト部下部には、図２に示すように、吹き込み管１０が径方向４方に設置され、その吹き込み口を炉内へ臨ませている。なお、高炉１の上部には、鉱石２および固体燃料３を炉内へ装入する不図示の炉頂装入装置が設けられている。さらに、高炉１の上部には、炉上部から排出されるガスを導入するための不図示のダクトが接続されており、このダクトには揮発成分回収装置等が介設されている。
【００２２】
次に、このような高炉１を使用して実施される、第１の実施の形態における高炉の操業方法について説明する。図３は、高炉内の熱温存帯領域を示す概念図である。図示するように、熱温存帯領域１１は、高炉１内において、炉周辺部ではシャフト部下部の近傍に位置しており、炉中心部へ向かうにつれて次第に上方に位置している。したがって、シャフト部下部であれば、外部から熱温存帯温度を制御することは可能である。
【００２３】
図４は、第１の実施の形態における操業方法を示す概念図である。
第１の実施の形態における操業方法は、低温の不活性ガスまたは低温の還元ガスをシャフト部下部に設置した吹き込み管１０から炉内へ吹き込んで強制冷却し、熱温存帯温度を低下させるものである。
【００２４】
不活性ガスとしては、Ｎ2 、Ａｒ等を使用することができ、還元ガスとしては、ＯＣＧガスあるいは、炉頂ガス等を改質してＣＯ、Ｈ2 、Ｎ2を主体としたガスを使用できる。本実施の形態では一例として、図１に示すように圧力が３ｋｇ／ｃｍ2 で、温度が１４０℃の不活性ガスとしてＮ2 を使用した場合を示す。Ｎ2 の吹き込み量は高炉の内容積によっても異なるが、例えば、シャフト部下部１４１８Ｎｍ3 ／ｔｏｎに対して、１４８Ｎｍ3 ／ｔｏｎを使用する。これにより、シャフト部下部はそのガス量１５６６Ｎｍ3 ／ｔｏｎとなり、熱温存帯温度を９８０℃から９００℃に約８０℃低下させることができる。図１においてＡｒ等の他の不活性ガスの代わりにＣＯＧガスまたは炉頂ガスを改質して、ＣＯ、Ｈ2、Ｎ2を主体とするガスを使用しても良い。
【００２５】
また図５は、第２の実施の形態における操業方法に採用する高炉を示す概略図である。図示するように、第２の実施の形態では、炉頂部に炉頂中心部から還元ガスを吸引するための吸引管１２が設置されており、ポンプ等の不図示の吸引手段を介して、吸引管１２と上記吹き込み管１０とが連結管１３によって接続されている。この連結管１３には、還元ガスを冷却するための熱交換器１４が介設されている。
【００２６】
このように改良された高炉を使用して第２の実施の形態における操業方法は実施され、図６はその操業方法を示す概念図である。図示するように、第２の実施の形態における操業方法は、炉頂部に設置した吸引管１２によって炉頂中心部の還元ガスを吸引するとともに、吸引した還元ガスを連結管１３に介設した熱交換器１４で冷却し、冷却還元ガスをシャフト下部に設置した吹き込み管１０から炉内へ吹き込んで、熱温存帯温度を低下させるものである。
【００２７】
還元ガスを炉頂中心部から吸引するので、熱温存帯と同種のガスを吸引することができる。炉頂中心部の還元ガス（ＢＦＧ）は、低ηＣＯ（０％〜２０％）であり、温度が６００℃で、１００Ｎｍ3 ／ｔｏｎである。例えば、吸引した還元ガスを熱交換器１４に通過させると、１６Ｍｃａｌ／ｔｏｎの熱が回収され、温度が１００℃となる。そして、シャフト部下部１４０５Ｎｍ3 ／ｔｏｎに対して、１００℃に冷却した１００Ｎｍ3 ／ｔｏｎの還元ガスをシャフト下部に設置した吹き込み管１０から炉内へ吹き込むことにより、シャフト部下部のガス量は１５０５Ｎｍ3 ／ｔｏｎとなり、熱温存帯温度を９８０℃から９２０℃に低下させることができる。
【００２８】
このように第２の実施の形態では、炉頂中心部の還元ガス（ＢＦＧ）を冷却して使用するので、熱交換器により熱回収を行うことができ、還元ガスを有効利用することができる点で第１の実施の形態よりも実用的である。
【００２９】
さらに図７は、第３の実施の形態における操業方法に採用する高炉を示す概略図である。図示するように、第３の実施の形態では、第２の実施の形態と同様に、炉頂中心部から還元ガスを吸引するための吸引管１２と、吸引管１２と吹き込み管１０とを接続する連結管１３と、連結管１３に介設され、還元ガスを冷却するための熱交換器１４とが設けられている。さらに第３の実施の形態では、シャフト部下部に、熱温存帯からガスを吸引する導入管１５が設置されている。この導入管１５には、ポンプ等の不図示の導入手段、および導入ガスを加熱するための熱風炉１６を介して、炉床壁に設置された供給管１７が接続されており、この供給管１７によって加熱ガスを炉床部へ供給するようになっている。
【００３０】
このように改良された高炉を使用して第３の実施の形態における操業方法は実施され、図８はその操業方法を示す概念図である。図示するように、第３の実施の形態における操業方法は、第２の実施形態の操業方法に加えて、熱温存帯からガスを導入するとともに、導入した還元ガスを熱風炉で加熱し、加熱ガスを炉床部へ供給して、熱風置換を行うものである。
【００３１】
第３の実施の形態では、まず、還元ガスを炉頂中心部から吸引するので、熱温存帯と同種のガスを吸引することができる。炉頂中心部の還元ガス（ＢＦＧ）は、低ηＣＯ（０％〜２０％）であり、温度が６００℃で、１００Ｎｍ3 ／ｔｏｎである。例えば、吸引した還元ガスを熱交換器１４に通過させると、１６Ｍｃａｌ／ｔｏｎの熱が回収され、温度が５０℃となる。そして、シャフト部下部１３８９Ｎｍ3 ／ｔｏｎに対して、５０℃に冷却した１００Ｎｍ3 ／ｔｏｎの還元ガスをシャフト下部に設置した吹き込み管１０から炉内へ吹き込むことにより、熱温存帯温度を９８０℃から９００℃に低下させることができる。
【００３２】
次に例えば、シャフト部下部の熱温存帯の還元ガス（ＢＦＧ）４００Ｎｍ3 ／ｔｏｎを熱風炉１６に通過させるて、加熱ガスを炉床部へと供給して熱置換させる。したがって、９００℃に低下する熱温存帯部を流れるガス量は、１０８９Ｎｍ3 ／ｔｏｎとなる。
【００３３】
このように第３の実施の形態では、第２の実施の形態と同様に、炉頂中心部の還元ガス（ＢＦＧ）を冷却して使用するので、熱交換器により熱回収を行うことができ、還元ガスを有効利用することができる点で第１の実施の形態よりも実用的である。さらに、シャフト部下部の還元ガス（ＢＦＧ）を加熱して炉床部へ供給するので、熱置換を行うことができ、還元ガスをさらに有効利用することができる点で第２の実施の形態よりも実用的である。すなわち、熱温存帯から還元ガスを導入して加熱し、加熱ガスを炉床部へ供給して、熱風置換を行うことにより、熱風炉での空気燃焼に要する燃料を軽減することが可能となる。また、熱保存帯下部の高温ガス量を減少させることで、その上部から吹き込むガスの温度や量の制御範囲を緩和でき、熱保存帯温度の制御を容易とすることができるものである。
【００３４】
また、上記の実施形態における操業方法において、固体燃料として、小塊の高反応性コークスを使用し、熱温存帯温度を７００℃〜９００℃の範囲に制御することが好ましい。高反応性コークスとは、コークスの基質部分の反応性を高めたコークスで、通常コークスのＪＩＳ反応性指数が２０以下であるのに対し、高反応性コークスのＪＩＳ反応性指数は２０以上を目標とする。高反応性コークスは例えば、コークス中にアルカリ成分やＦｅ成分などの不純物が混入しているコークスあるいは一般炭を多量使用したコークスである。
【００３５】
また、熱温存帯温度を７００℃〜９００℃の範囲に制御することができるのは、高反応性小塊コークスの多量使用により、熱保存帯温度１００〜２００℃の低下が可能であり、また、シャフト下部冷却ガス吹き込みにより、さらに熱保存帯温度を約８０℃低下できるため、個別技術ならびに併用技術により、熱保存帯温度を現状９８０℃前後から８０〜２８０℃低下できるからである。
【００３６】
すなわち、上記の実施の形態に加えて、高反応性コークスを使用し、熱温存帯温度を７００℃〜９００℃の範囲に制御することにより、コークス比をさらに低減できるものである。
【００３７】
さらに、上記の実施形態における操業方法において、原料として、ヘマタイト鉱石を予備還元してマグネタイト粉鉱石とし、該粉鉱石を塊成化した塊成鉱を装入することが好ましい。すなわち、原料として装入する塊成鉱の製造において、ヘマタイト鉱石（Ｆｅ2 Ｏ3 ）を予備還元してマグネタイト粉鉱石（Ｆｅ3 Ｏ4）を製造し、この粉鉱石を塊成化することを指向した。これは、原料がマグネタイト鉱石の場合、５００℃〜８００℃の低温領域においても還元粉化しないことを利用している。
【００３８】
ヘマタイト鉱石を予備還元してマグネタイト粉鉱石を製造することを前提にしているのは、天然的に存在するマグネタイト粉鉱石の場合には、マグネタイト粒子中に気孔が殆ど存在していないため、塊成化しても被還元性の改善代が少ないからである。本発明における予備還元法については、公知の予備還元技術を採用することが可能である。
【００３９】
ヘマタイト鉱石の予備還元温度については、予備還元温度によって微細気孔量が異なり、７００℃以上の予備還元温度では、気孔率が低下する傾向にある。したがって、被還元性の高い塊成鉱とするためには、予備還元温度が７００℃未満であることが好ましい。また、マグネタイト粉鉱石を塊成化する際に、炭素を含有させることが好ましい。炭素を含有させるのは、被還元性を高めるためである。具体的には、ヘマタイト鉱石中に炭素を含有させておき、マグネタイト粉鉱石を塊成化する際に炭素増量させることが考えられる。
【００４０】
このように、上記の実施の形態に加えて、還元粉化が殆どなく、被還元性の良好な塊成鉱を装入原料として採用することにより、熱温存帯温度を低下させて還元反応効率を向上させるだけでなく、低燃料比操業を安定して継続することができるものである。
【００４１】
かくして、これらの実施の形態によれば、熱温存帯温度を外部から積極的に低下させることができ、図９に示すように、還元平衡点制御により燃焼比が低減され、還元反応効率が改善されることになる。また図１０に示すように、炭酸ガスの発生が抑制され、所要風量の減少により生産性が向上し、生産量一定下ではエネルギーの減少および劣質資源の使用拡大を指向することができるものである。
【００４２】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明に係る高炉、およびその操業方法によれば、炉内の熱温存帯温度を低下させて還元反応効率を向上させ、良好な品質の溶銑を得ることができるという優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る高炉の操業方法の実施形態に使用する高炉を示す概略図である。
【図２】本実施形態に使用する高炉のシャフト部下部に設置された吹き込み管を示す概略図である。
【図３】高炉内の熱温存帯領域を示す概念図である。
【図４】第１の実施の形態における操業方法を示す概念図である。
【図５】第２の実施の形態における操業方法に採用する高炉を示す概略図である。
【図６】第２の実施の形態における操業方法を示す概念図である。
【図７】第３の実施の形態における操業方法に採用する高炉を示す概略図である。
【図８】第３の実施の形態における操業方法を示す概念図である。
【図９】燃料比が抑制される状況を示す説明図である。
【図１０】カーボン比が抑制される状況を示す説明図である。
【符号の説明】
１              高炉
２              鉱石
３              固体燃料
４              羽口
５              レースウェイ
６              炉芯
７              溶銑
８              スラグ
９              塊状帯
１０              吹き込み管
１１              熱温存帯領域
１２              吸引管
１３              連結管
１４              熱交換器
１５              導入管
１６              熱風炉
１７              供給管
【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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【図９】
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【図１０】
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