(57)【要約】      （修正有）【課題】溶銑の品質を損なうことなく、低コストで、従来よりも確実に炉底煉瓦の損耗を防止できる高炉操業方法を提供する。【解決手段】炉頂から原料を装入して行なう高炉操業において、炉底部の煉瓦温度が所定の温度よりも上昇した際に、原料のCaO成分とSiO2成分との質量比であるCaO/SiO2を1.3超えとして装入して煉瓦温度を所定の温度以下とすることにより炉底煉瓦５の損耗を防止する。または、原料のCaO成分とSiO2成分との質量比であるCaO/SiO2を1.3超えとした原料を、炉軸心を含む炉口径比10％以内の領域に装入して煉瓦温度を所定の温度以下とすることにより炉底煉瓦の損耗を防止する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉頂から原料を装入して行なう高炉操業において、炉底部の煉瓦温度が所定の温度よりも上昇した際に、前記原料のCaO成分とSiO2成分との質量比であるCaO/SiO2を1.3超えとして装入して前記煉瓦温度を前記所定の温度以下とすることを特徴とする炉底煉瓦の損耗を防止する高炉操業方法。
【請求項２】
炉頂から原料を装入して行なう高炉操業において、炉底部の煉瓦温度が所定の温度よりも上昇した際に、前記原料のCaO成分とSiO2成分との質量比であるCaO/SiO2を1.3超えとした原料を、炉軸心を含む炉口径比10％以内の領域に装入して前記煉瓦温度を前記所定の温度以下とすることを特徴とする炉底煉瓦の損耗を防止する高炉操業方法。
【請求項３】
装入される原料である鉄原料とコークスとの比率を調節することで、炉軸心を含む炉口径比10％以内の領域にCaO/SiO2を1.3超えとした原料を装入することを特徴とする請求項２に記載の炉底煉瓦の損耗を防止する高炉操業方法。
【請求項４】
炉底部の煉瓦温度を監視しつつ、原料のCaO/SiO2を０.１ずつ増加させて、前記原料のCaO/SiO2を段階的に上昇させることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の炉底煉瓦の損耗を防止する高炉操業方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は高炉炉底部煉瓦（炉底煉瓦及び炉底側壁煉瓦）の損耗を防止可能な、高炉の操業方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高炉は銑鉄生産設備では最大のものであり、内容積が5000m3超える巨大なものもある。このような巨大な設備においては改修投資も巨額となるため、その炉寿命延長は投資回収にとって重要な課題である。近年の設備補修技術の向上に伴い、送風羽口より上部に関しては高炉の寿命に直接影響するものでは無くなりつつあり、補修の不可能な羽口より下の煉瓦寿命が重要となってきている。中でも炉床湯溜まり部の炉底煉瓦は溶銑による損耗が著しく、高緻密、高伝熱（高冷却能）の最高級煉瓦を用いていても炉寿命の制約となっている。万が一、損耗により炉底煉瓦に穴が開くと、溶銑が流出し周囲に火災、水蒸気爆発を起こして設備に甚大な被害が発生するだけでなく、人命にもかかわる災害となる可能性も高い。そのため老朽高炉の操業者は炉底煉瓦温度に気を配る必要があるとともに、経営者は高炉の停止と改修の時期の判断を注意深く行う必要がある。
【０００３】
炉床湯溜まり部（以下単に「炉床」と記載する。）については、操業停止後の高炉解体調査から図１に示される様にコークス充填層（スラグ＋コークス１、銑鉄＋コークス２）、コークスフリースペース（銑鉄）３、低透過層（銑鉄＋粉コークス）４の３つから形成されている事が知られている。図１において、左側が炉中心であり、５は炉底煉瓦、６は出銑口である。コークスフリースペース３は溶銑の浮力によりコークス充填層が浮上することにより形成されると考えられているが、低透過層４の形成機構については必ずしも明らかではない。コークスフリースペース３は炉床外周部に形成されることが多く、コークス充填層に比べて溶銑が流れやすいため選択的な溶銑流（環状流）が形成されて煉瓦の損耗を促進すると考えられている。一方、低透過層４はコークス粉の蓄積層であり通液性が悪いため、高炉の順調な出銑の妨げになると考えられており、様々な解消方法が提案されている（例えば、特許文献１〜４参照。）。
【０００４】
炉底損耗防止方法としては、TiO2などのチタン化合物を炉頂装入物として、あるいは羽口吹込みにより供給することにより、炉床湯溜まり内に低融点高粘度のチタンベアを形成して煉瓦を保護する方法が考案されている（例えば、特許文献５〜７参照。）。
【特許文献１】特開平9−２２７９１号公報
【特許文献２】特開平８−１３４５１５号公報
【特許文献３】特開平５−７８７１７号公報
【特許文献４】特開平３−２７３０９６号公報
【特許文献５】特公平６−６０３３０号公報
【特許文献６】特公平６−４８８７号公報
【特許文献７】特公平７−７４３６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記の特許文献５〜７の方法では、投入したTiが必ずしも損耗の深刻な（煉瓦温度が高い）部位に歩留まる補償が無いため効果は不確実であった。また高濃度のTiは不純物として溶銑品質上問題であるとともに、高価なTiによる溶銑コスト上昇も深刻な問題であった。したがって、炉床湯溜まり内に低融点高粘度のチタンベアを形成して煉瓦を保護する方法では、炉底煉瓦の損耗を防止することは困難である。
【０００６】
一方で、上記のように解消させるべきとされている低透過層であるが、低透過層が溶銑流のフリースペースへの侵入を遮断し、炉底煉瓦を覆うような形状とすることができれば、コークスフリースペースへの溶銑の流入を防止して炉底煉瓦の損耗を防止できると考えられる。しかしながら、低透過層の形成機構と制御方法は未解明であり、時おり低透過層が大きくなると炉底温度が低下する一方で出銑滓が不調（例えば、スラグ比・出銑量の偏差）となる事が多く、出銑滓安定と炉底損耗抑制（炉底温度低下）の両立は困難であった。
【０００７】
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、溶銑の品質を損なうことなく、低コストで、従来よりも確実に炉底部煉瓦の損耗を防止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】
【０００８】
本発明者らは、炉床でのスラグ粘度を上昇させて低透過層を積極的に形成することで炉底煉瓦と炉底側壁煉瓦を強い溶銑流から保護できることを見出し、本発明を完成した。すなわち、本発明の特徴は以下の通りである。
（１）  炉頂から原料を装入して行なう高炉操業において、炉底部の煉瓦温度が所定の温度よりも上昇した際に、前記原料のCaO成分とSiO2成分との質量比であるCaO/SiO2を1.3超えとして装入して前記煉瓦温度を前記所定の温度以下とすることを特徴とする炉底煉瓦の損耗を防止する高炉操業方法。
（２）炉頂から原料を装入して行なう高炉操業において、炉底部の煉瓦温度が所定の温度よりも上昇した際に、前記原料のCaO成分とSiO2成分との質量比であるCaO/SiO2を1.3超えとした原料を、炉軸心を含む炉口径比10％以内の領域に装入して前記煉瓦温度を前記所定の温度以下とすることを特徴とする炉底煉瓦の損耗を防止する高炉操業方法。
（３）装入される原料である鉄原料とコークスとの比率を調節することで、炉軸心を含む炉口径比10％以内の領域にCaO/SiO2を1.3超えとした原料を装入することを特徴とする（２）に記載の炉底煉瓦の損耗を防止する高炉操業方法。
（４）炉底部の煉瓦温度を監視しつつ、原料のCaO/SiO2を０.１ずつ増加させて、前記原料のCaO/SiO2を段階的に上昇させることを特徴とする（１）ないし（３）のいずれかに記載の炉底煉瓦の損耗を防止する高炉操業方法。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、炉底部の煉瓦温度が上昇して炉底の侵食が懸念されるときに、高炉に投入される原料のCaO/SiO2を増加することにより炉床でのスラグ粘度を上昇させて低透過層を肥大化させることができ、低コストで炉底煉瓦保護が可能となる。また、CaO/SiO2を増加させる原料を炉軸心領域に供給することで、確実に炉床域に到達させることができるため、CaO/SiO2を増加させ炉床でのスラグ粘度を上昇させる操作が確実にでき、低透過層を肥大化させる効果が安定する。また、段階的にCaO/SiO2を増加させることにより、CaO/SiO2を増加させ炉床でのスラグ粘度上昇による炉底煉瓦あるいは炉底側壁温度変化を監視下において、スラグ粘度上昇による影響を検出することが容易となる。すなわち、本発明によれば、チタン化合物を利用した従来法に比べて、溶銑の品質を維持しながら、安価かつ確実に炉底温度抑制を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明では、炉頂から原料を装入して複数の出銑口の開口と閉塞を交互に行うことにより、炉下部のコークス充填層中のスラグや銑鉄などの溶融物を間欠的に出銑滓する高炉操業において、下記のような低透過層に関する研究と検討を重ねた結果、炉底煉瓦（炉底盤）温度あるいは炉底側壁温度が上昇した際に、原料のCaO成分とSiO2成分との質量比であるCaO/SiO2を大きくして低透過層を積極的に形成させることにより温度抑制を行ない、炉底煉瓦保護を行なうことが可能であることを見出し、本発明を完成した。
【００１１】
高炉の解体調査で発見された低透過層は、主として粉コークスと銑鉄（メタル）が混在した部位であるが、コークスの粉化機構に関する詳細な検討は行なわれていない。一般的には、コークスの主成分が炭素であることから、下記（ａ）、（ｂ）式に示すように、スラグ中のFeOによる直接還元と浸炭によりコークスが小さくなり粉コークス化すると説明されている（たとえば、武田ら：CAMP-ISIJ、Vol.6(1993)、p868を参照。）。
FeO+C(s)→CO+Fe  ・・・（ａ）
C(s)→[C]          ・・・（ｂ）
よって、従来の解体調査では炉床コークス（残銑塊中のコークス）よりも、銑鉄中のTiなどの成分について詳しく調査されてきた。一方、本発明者らはコークス粉化機構を確認するため、低透過層を含む炉床コークスの分析を行った。工業分析結果を図２に、灰分の化学分析結果を図３に、通常のコークスと比較して示す。通常のコークスの灰分が10mass%前後であるのに対し、炉床コークスは約60mass%であった。従来考えられている浸炭や直接還元であれば、外周部から削るように反応するはずであり、コークス粒子内の炭素が灰分に置換されることは考えにくい。また、炉床コークスの灰分の約40mass%はCaOであり、この比率はコークスというよりむしろ出銑スラグに近い値である。すなわち、コークスにスラグが染み込んだ状態であると考えられる。
【００１２】
解体調査で採取された炉床コークスは溶銑とスラグの混合物で満たされており、このスラグ（炉床スラグ）のCaO、SiO2、Al2O3、MgO成分の比率を、通常コークス、炉床コークス、通常の出銑スラグ（通常スラグ）の分析結果と比較して図４に示す。図４によれば、CaOの割合は、ほぼ、通常コークス＜炉床コークス≦通常の出銑スラグ＜炉床スラグの順で増加し、SiO2は同じ順番で減少していることがわかる。
【００１３】
炉床コークスのCa源はスラグしかないため、CaOの増加はスラグ中のCaOに起因すると考えられるが、多くの量がコークス中に入り込むにはコークス中のカーボンをガス化して排出して置換する必要がある。本発明者らは、スラグ中のSiO2がコークスのCにより還元されてともに排出され、CaOが残されたと考えた。また、通常のスラグについても滞留時間が十分に長く、コークス充填層内であれば同様の反応が進行し、CaO濃度がさらに上昇すると考えることができる。炉床でのスラグ粘度はCaO/SiO2が1.2程度で最も低く、焼結鉱成分や副原料の投入量により1.2程度になるように調整されている。しかし、コークス充填層中のスラグが長期間高温状態におかれれば、CaO/SiO2がさらに上昇し、粘性が高く流動困難なスラグとなると思われる。
【００１４】
本発明者らは、炉床に存在するコークスが、
イ）、SiO2還元によるCの消費とCaO/SiO2の増加
ロ）、CaO/SiO2が1.2程度でのスラグ化
ハ）、スラグSiO2の還元によるCaO/SiO2のさらなる上昇と粘度増
ニ）、コークス粉層と高粘度スラグ層による低透過層形成
のイ）〜ニ）の機構で低透過層に変化すると考えた。このようにして低透過層が形成されれば、溶銑流を遮断し、炉底煉瓦の損耗を防止することができ、このような低透過層を積極的に形成させるにはCaO/SiO2の増加が有効である。そこで、炉底煉瓦あるいは炉底側壁温度が上昇した際に、炉内に投入される原料のCaO/SiO2を1.3超え以上で操業を行うことにより、低透過層を肥大させて、溶銑流を遮断し、炉底煉瓦あるいは炉底側壁温度を低下させることができることになる。
【００１５】
もっとも、炉外に排出されるスラグのCaO/SiO2が1.2程度に調整されていることを考慮すると、炉床へのコークスの供給源である、炉軸心部のCaO/SiO2のみを増加することが、操業の安定とコスト削減に有効であると考えられる。
【００１６】
そこで、炉内に投入される原料のCaO/SiO2を1.3超えとするに当たり、CaO/SiO2を1.3超えとした原料を、炉中心部（炉軸心を含む炉口径比10％以内の領域）に投入してCaO/SiO2を上昇させることが好ましい。この際には、炉中心部以外でのCaO/SiO2を低下させ、平均のCaO/SiO2を一定に保つことが好ましい。
【００１７】
炉軸心に投入する原料のCaO/SiO2を変化させるには、例えば特公昭６４−９３７３号公報に記載されているように、他原料と別系統の装入を実施する手段も考えられるが、新規設備導入が必要でありコスト高であること、他原料のCaO/SiO2が一定では、平均のCaO/SiO2は上昇してしまうことなどの問題があり、好ましい方法ではない。
【００１８】
高炉ではコークスと焼結鉱等の鉄原料（鉱石）が層状に装入されるが、そのCaO/SiO2はコークスが0.1程度、焼結鉱が2.0程度であるため、炉軸心部に装入される鉄原料とコークスの比率を調節することで炉軸心部のCaO/SiO2を制御することができる。具体的には、炉底煉瓦温度が上昇して炉底の侵食が懸念されるときに、炉軸心部に装入されるコークスの比を減じることで、炉軸心部のCaO/SiO2を上昇させることが可能である。
【００１９】
さらに、装入する原料のCaO/SiO2を増加させる際には、段階的に増加させることが好ましい。具体的には、炉底煉瓦または炉底側壁温度を監視しつつCaO/SiO2を0.1ずつ増加していくことが好ましい。段階的にCaO/SiO2を増加させることにより、炉底煉瓦あるいは炉底側壁温度変化を監視下において、スラグ粘度上昇による影響を検出することが容易となる。炉底煉瓦または炉底側壁温度が所定の温度まで低下した際には、CaO/SiO2のそれ以上の増加は中止する。
【００２０】
炉底煉瓦または炉底側壁温度が所定の温度まで低下した際には、直ちにCaO/SiO2を増加させる操業を停止しないことが好ましい。増加させたCaO/SiO2は、しばらくそのままの値で維持するか、やや増加量を緩和した操業を行なうことが好ましい。一度形成された低透過層は熱で溶けることはなく、CaO/SiO2を増加させる操業をやめてもすぐに効果がなくなるものではない。CaO/SiO2を増加させる操業を停止した場合、炉床のコークス充填層自体が２週間程度で更新するので、炉内のコークスは２週間程度で元の状態となる。
【実施例１】
【００２１】
内容積5000m3級の高炉にて本発明方法の試験を行なった。当該高炉ではコークス比は40kg/t、微粉炭吹き込み量は150kg/t、原料のCaO/SiO2は1.25を標準として操業を行なっている。この高炉では炉底煉瓦（炉底盤）、側壁の温度がともに100℃前後で変動していることが観測されていた。そこで、炉底温度低下とその安定を目的として本発明を適用し、炉底温度が１００℃を超えた際に、炉軸心（炉軸心を含む炉口径比10％以内の領域）に装入するコークス量を5ｍａｓｓ％減少させ、焼結鉱量を5ｍａｓｓ％増加させ、炉軸心部分に装入される原料のCaO/SiO2を約0.1上昇させた。高炉内のコークスと焼結鉱の比率を直接測定することはできないが、酸化物である焼結鉱の投入量が多くなると、そこから排出されるガスの還元利用率(CO/(CO+CO2))が増加することから間接的に検知可能である。６０日間本発明を実施して、炉底煉瓦軸心部温度と炉頂軸心のガスの還元利用率を測定した結果を図５、図６に示す。炉軸心に装入するコークス量を減少させ、焼結鉱量を増加させ、CaO/SiO2を上昇させた結果、２週間程度で炉頂軸心部のガスの還元利用率は向上した。炉底煉瓦の軸心部温度は、ガスの還元利用率向上後も変動したが、ガスの還元利用率の向上した約２週間後に低下を開始し、80℃でほぼ安定した。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】高炉解体調査から得られた高炉内の炉床部の概略図。
【図２】通常コークスと炉床コークスの工業分析結果を示すグラフ。
【図３】通常コークスと炉床コークスの灰分の化学分析結果を示すグラフ。
【図４】通常コークス、炉床コークス、通常スラグ、炉床スラグの灰分の化学分析結果を示すグラフ。
【図５】炉底煉瓦軸心部温度の変化を示すグラフ（本発明の実施例）。
【図６】炉頂軸心のガスの還元利用率の変化を示すグラフ（本発明の実施例）。
【符号の説明】
【００２３】
１    スラグ＋コークス
２    銑鉄＋コークス
３    コークスフリースペース（銑鉄）
４    低透過層（銑鉄＋粉コークス）
５    炉底煉瓦
６    出銑口
【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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