JP7552881B2 - 高炉の操業方法 - Google Patents

Description

本発明は、羽口前の高炉内で高濃度還元ガスを発生させる高炉の操業方法に関し、詳しくは、高炉内の融着帯及び滴下帯におけるスラグの性状を改善し、高炉内の通気性を向上させる高炉の操業方法に関する。

近年、温室効果ガスの一つであるＣＯ_２ガス（二酸化炭素ガス）の排出量削減の動きが高まっている。高炉による製鉄法では、還元材として炭材を使用するため、多量のＣＯ_２ガスが発生する。したがって、鉄鋼業はＣＯ_２ガスの排出量において主要な産業のひとつとなっており、ＣＯ_２ガスの排出量削減という社会的要請に応えねばならない。具体的には、高炉操業での更なる石炭由来の還元材比の削減が急務となっている。石炭由来の還元材比とは、溶銑１トンを製造するために要した石炭由来のコークス及び石炭由来の還元ガスの合計質量をいう。

還元材は、炉内で熱となって装入物を昇温させる役割と、炉内の鉄系原料である鉄鉱石、鉄鉱石の焼結鉱、鉄鉱石のペレットを還元する役割がある。還元材比を低減させてＣＯ_２ガスの排出量を削減するには、炉内の熱量を保ちながら、還元材の還元効率を高める必要がある。

ＣＯ_２ガスの排出量削減を目的とした還元材として、水素が注目されている。水素による鉄鉱石の還元は吸熱反応であるが、その吸熱量は直接還元反応（反応式：ＦｅＯ＋Ｃ→Ｆｅ＋ＣＯ）よりも小さく、水素による還元速度はＣＯガスによる還元速度よりも速い。このため、高炉への水素系ガスの吹き込みにより、ＣＯ_２ガスの排出量削減、及び、還元効率の向上を同時に図ることができる。

高炉の安定操業のためには、高炉内の鉄系原料が融着している融着帯の通気性を確保することが必要である。しかしながら、羽口前の炉内で高濃度還元ガスを発生させる高炉操業、及び、従来の操業よりも炉内還元ガス濃度が高くて還元反応速度が速い高炉操業においては、高炉内の通気性が明らかになっていない。

高炉は、銑鉄を生産すると同時に、副産物である高炉スラグ（ＦｅＯ、ＣａＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、及びＳｉＯ_２などで構成される酸化物）を多量に産出する。炉内の通気性を良好に保つには、産出される高炉スラグの粘度を低く抑え、通液性を確保できる原料設計をすることが必要である。

上記課題に類似した問題を解決するための従来技術として、特許文献１～３に開示される技術が提案されている。

特許文献１には、炉頂からコークスを装入し、羽口から補助燃料を吹き込む高炉操業が開示されている。特許文献１によると、コークス及び補助燃料のＡｌ_２Ｏ_３とＳｉＯ_２との比（Ａｌ_２Ｏ_３／ＳｉＯ_２）を０．６以上とし、高炉スラグの塩基度（（ＣａＯ＋Ａｌ_２Ｏ_３＋ＭｇＯ）／ＳｉＯ_２）を１．８以上とすることで、高炉スラグの性状が改善し、通気性及び通液性を向上できるとしている。

特許文献２には、出銑１トン当り１５０ｋｇ以上の微粉炭を羽口から熱風とともに高炉内に吹き込む高炉操業法が開示されている。特許文献２によると、炉頂から装入されるコークスを除く装入物の８０％以上に、ＳｉＯ_２成分が４．０～４．８質量％、ＭｇＯ成分が１．２～２．４質量％、ＣａＯ成分が６．０～９．０質量％、Ａｌ_２Ｏ_３成分が１．９～２．５質量％の焼結鉱を用いることで、スラグ組成のＦｅＯ成分が低下しても滴下スラグの粘度を低く抑えられるとしている。

特許文献３には、通常使用される焼結鉱中のＡｌ_２Ｏ_３量に応じて、副原料の配合比率を調整して高強度（ＳＩ＞９２％）且つ高被還元性（ＲＩ＞７０％）の焼結鉱を用いる高炉操業方法が開示されている。特許文献３によると、高強度且つ高被還元性の焼結鉱と、通常使用される焼結鉱との副原料の配合比率の差に相当する量の副原料を高炉羽口から吹き込むことで、長期的に安定して高鉱石／還元材比操業を行えるとしている。

特開２００４－１０９４８号公報 特開平９－１３１０７号公報 特開２００５－２９８９２３号公報

しかしながら、これら従来技術は、何れも、羽口からＳｉＯ_２粉末などの副原料、ＣａＯやＳｉＯ_２などを含む補助燃料または微粉炭を吹き込む高炉操業を対象としており、羽口前の炉内で高濃度還元ガスを発生させる高炉操業における装入原料成分やスラグ成分については言及していない。

本発明における高炉操業では羽口前の炉内で生成される還元ガスの濃度が非常に高い。このため、炉内で鉄系原料の還元率の上昇及びスラグ中ＦｅＯ濃度の減少が起こり、スラグ中ＦｅＯ成分が上記の従来技術に記載される操業範囲よりも低い範囲まで低下する。上記の従来技術は、スラグ中ＦｅＯ成分が更に低下した場合について考慮していない。

つまり、羽口前の炉内で発生する高濃度還元ガスが、図１（図１の説明は後述する）の領域Ａの範囲内（Ｈ_２ガス＝０～１００体積％、Ｎ_２ガス＝０～７１体積％、ＣＯガス＝０～１００体積％を含む範囲内）となるように操業した場合、従来の操業以上に、鉄系原料の低温からの還元が促進され、炉下部における鉄系原料の到達還元率が上昇する。この場合、従来の操業方法のままでは、スラグ中ＦｅＯ成分の減少によりスラグ通液性が低下し、スラグがコークス層の空隙中に滞留し、炉内通気抵抗が増加して吹き抜けが誘発されることが懸念される。

本発明は上記事情を鑑みてなされたもので、その目的は、羽口前の炉内で高濃度還元ガスを発生させる高炉操業を実施するに際し、スラグ性状を改善してスラグ中のＦｅＯ成分が減少しても高炉内の融着帯及び滴下帯における通気性を確保できる、高炉の操業方法を提供することである。

上記課題を解決するための本発明の要旨は以下のとおりである。
［１］ 高炉の炉頂から鉄系原料、副原料及びコークスを装入し、高炉の羽口から羽口前の炉内で高濃度還元ガスを発生させるガスを吹き込む高炉の操業方法であって、前記鉄系原料と前記副原料との原料総成分の塩基度を所定範囲内にする、高炉の操業方法。
［２］ 前記原料総成分の塩基度を１．０以上１．７以下の範囲内にする、［１］に記載の高炉の操業方法。
［３］ 前記高濃度還元ガスは、ボッシュガス組成として表すと、Ｈ_２ガス、Ｎ_２ガス及びＣＯガスで構成され、Ｈ_２ガス、Ｎ_２ガス及びＣＯガスの割合が、Ｈ_２ガス－Ｎ_２ガス－ＣＯガスの３元系ダイアグラムにおけるＨ_２ガス；０体積％、Ｎ_２ガス；０体積％、ＣＯガス；１００体積％の点と、Ｈ_２ガス；１００体積％、Ｎ_２ガス；０体積％、ＣＯガス；０体積％の点と、Ｈ_２ガス；２９体積％、Ｎ_２ガス；７１体積％、ＣＯガス；０体積％の点と、Ｈ_２ガス；０体積％、Ｎ_２ガス；３７体積％、ＣＯガス；６３体積％の点との４点で囲まれる領域内の組成であり、０～１００体積％の範囲内のＨ_２ガスと、０～７１体積％の範囲内のＮ_２ガスと、０～１００体積％の範囲内のＣＯガスとを含む、［１］に記載の高炉の操業方法。
［４］ 前記高濃度還元ガスは、ボッシュガス組成として表すと、Ｈ_２ガス、Ｎ_２ガス及びＣＯガスで構成され、Ｈ_２ガス、Ｎ_２ガス及びＣＯガスの割合が、Ｈ_２ガス－Ｎ_２ガス－ＣＯガスの３元系ダイアグラムにおけるＨ_２ガス；０体積％、Ｎ_２ガス；０体積％、ＣＯガス；１００体積％の点と、Ｈ_２ガス；１００体積％、Ｎ_２ガス；０体積％、ＣＯガス；０体積％の点と、Ｈ_２ガス；２９体積％、Ｎ_２ガス；７１体積％、ＣＯガス；０体積％の点と、Ｈ_２ガス；０体積％、Ｎ_２ガス；３７体積％、ＣＯガス；６３体積％の点との４点で囲まれる領域内の組成であり、０～１００体積％の範囲内のＨ_２ガスと、０～７１体積％の範囲内のＮ_２ガスと、０～１００体積％の範囲内のＣＯガスとを含む、［２］に記載の高炉の操業方法。
［５］ 前記高濃度還元ガス中のＨ_２ガス量は０～５００Ｎｍ^３／溶銑－ｔｏｎの範囲内である、［１］から［４］のいずれかに記載の高炉の操業方法。

本発明では、羽口前の炉内で高濃度還元ガスを発生させる高炉操業を実施するに際し、鉄系原料と副原料との原料総成分の塩基度（質量％ＣａＯ／質量％ＳｉＯ_２）を所定範囲内にする。これにより、高炉内の融着帯及び滴下帯で生成するスラグの粘度が最適化され、高炉内でのスラグの通液性が操業可能範囲に制御され、その結果、高炉内のガス通気性を良好に保ち、高炉の安定操業を実現できる。

図１は、Ｈ_２ガス－Ｎ_２ガス－ＣＯガスの３元系ダイアグラムのガス成分組成において、本実施形態に係る高炉の操業方法で羽口前の炉内で生成させる高濃度還元ガスの成分範囲をボッシュガス組成として示す図である。 図２は、羽口前の炉内で高濃度還元ガスを生成させる試験において、溶融物滴下量に及ぼす原料総成分の塩基度の影響を示すグラフである。 図３は、羽口前の炉内で高濃度還元ガスを生成させる試験において、通気抵抗指数ＫＳに及ぼす原料総成分の塩基度の影響を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態を説明する。本実施形態に係る高炉の操業方法は、高炉の炉頂から鉄系原料、副原料及びコークスを高炉内に交互に且つ層状に装入するとともに、高炉の下部に設けられた羽口から高炉内にガスを吹き込み、羽口から吹き込んだガスにより、羽口前の高炉内で高濃度還元ガスを生成させる高炉操業方法である。鉄系原料には、例えば、鉄鉱石、鉄鉱石の焼結鉱、鉄鉱石のペレット、還元鉄及び鉄スクラップが含まれる。副原料には、ＳｉＯ_２、ＣａＯが単独または複合して含まれる。使用する鉄系原料、副原料及びコークスの種類は特に制限されず、従来の高炉操業に使用される鉄系原料、副原料及びコークスであれば本発明においても好適に使用できる。

高濃度還元ガスを生成させるためのガスは、高炉内の鉄系原料を還元する還元成分を含む。ここで、高炉内の鉄系原料を還元する還元成分には、鉄系原料を還元できる成分であるＣＯガス、Ｈ_２ガス、炭化水素ガスだけでなく、コークスとの反応または分解反応などによって還元ガスを生成する成分であるＣＯ_２ガス、Ｈ_２Ｏガスなども含まれる。

図１は、Ｈ_２ガス－Ｎ_２ガス－ＣＯガスの３元系ダイアグラムのガス成分組成において、本実施形態に係る高炉の操業方法で羽口前の炉内で生成させる高濃度還元ガスの成分範囲をボッシュガス組成として示す図である。本実施形態における高濃度還元ガスとは、当該高濃度還元ガスを用いて鉄系原料を９００℃で１８０分間還元した際の平均還元率が８０％以上になる還元ガスである。この還元ガスをボッシュガス組成で表すと、Ｈ_２ガス、Ｎ_２ガス及びＣＯガスで構成され、Ｈ_２ガス、Ｎ_２ガス及びＣＯガスの割合（但し、Ｈ_２ガス＋Ｎ_２ガス＋ＣＯガス＝１００体積％としたときの割合）が、図１に斜線部で示す領域Ａ（本発明の操業の範囲）の範囲内であり、０～１００体積％の範囲内のＨ_２ガス、０～７１体積％の範囲内のＮ_２ガス、０～１００体積％の範囲内のＣＯガスを含むガス組成である。

領域Ａは、Ｈ_２ガス－Ｎ_２ガス－ＣＯガスの３元系ダイアグラムにおいて、点Ｏ（Ｈ_２ガス；０体積％、Ｎ_２ガス；０体積％、ＣＯガス；１００体積％）、点Ｐ（Ｈ_２ガス；１００体積％、Ｎ_２ガス；０体積％、ＣＯガス；０体積％）、点Ｑ（Ｈ_２ガス；２９体積％、Ｎ_２ガス；７１体積％、ＣＯガス；０体積％）及び点Ｒ（Ｈ_２ガス；０体積％、Ｎ_２ガス；３７体積％、ＣＯガス；６３体積％）の４点で囲まれる範囲内である。また、図１には、従来の一般的な高炉操業範囲のガス組成を比較して示す。この領域Ａのうち、点Ｏ（Ｈ_２ガス；０体積％、Ｎ_２ガス；０体積％、ＣＯガス；１００体積％）、点Ｐ（Ｈ_２ガス；１００体積％、Ｎ_２ガス；０体積％、ＣＯガス；０体積％）、点Ｑ’（Ｈ_２ガス；４３体積％、Ｎ_２ガス；５７体積％、ＣＯガス；０体積％）及び点Ｒ’（Ｈ_２ガス；０体積％、Ｎ_２ガス；１４体積％、ＣＯガス；８６体積％）の４点で囲まれる範囲内は、鉄系原料を９００℃で１８０分間還元した際の平均還元率が９０％以上になるので、炉内の融着帯におけるスラグ成分中のＦｅＯ含有量が著しく低下する。このため、この成分範囲の高濃度還元ガスを羽口の炉内で生成させる場合には、スラグを含む溶融物の滴下量回復に向けた原料総成分の塩基度（質量％ＣａＯ／質量％ＳｉＯ_２）の調整による効果がさらに高くなる。

本発明者らは、高炉を模擬した縮尺１／４の小型試験炉を用い、羽口前の炉内で高濃度還元ガスを生成させる試験を行い、炉内の融着帯及び滴下帯でのスラグ成分の調査を行った。表１に、小型試験炉で使用した鉄系原料の成分組成の一例を示す。

小型試験炉において、鉄系原料、副原料及びコークスの配合を特許文献２に記載された操業方法と同じく、鉄系原料と副原料との原料総成分の塩基度が２．０である配合にして、羽口前の炉内で高濃度還元ガスを生成させる試験を行った。この試験条件では、炉内の融着帯におけるスラグ成分は、ＦｅＯ成分が３．５質量％未満、ＳｉＯ_２成分が２５．４～２８．３質量％、Ａｌ_２Ｏ_３成分が８．６～９．２質量％、ＣａＯ成分が５２．５～５６．７質量％、ＭｇＯ成分が５．３～７．３質量％と算出された。スラグの塩基度が約２．０と高くなり、スラグの滴下量が従来の試験の１０分の１程度まで減少したことにより、ガス通気性が安定して試験が継続可能な範囲外まで悪化した。

スラグの滴下量を増加させるには、生成するスラグの塩基度を下げることが必要であると考えた。そこで、鉄系原料と副原料との原料総成分の塩基度を０．９５～２．２３の範囲内で変更させて、羽口前の炉内で高濃度還元ガスを生成させる試験を行い、溶融物滴下量及び通気抵抗指数ＫＳに及ぼす原料総成分の塩基度の影響を調査した。

溶融物滴下量は、試験中に滴下した溶融物を実験後に回収し、重量計でその総重量を測定した。通気抵抗指数ＫＳは、炉内の温度が１０００℃以上の領域において測定された圧力損失と、操業条件より推定される物性値とをもとに算出された通気抵抗Ｋ値（１/ｍ）の積分値として算出した。

＜通気抵抗指数ＫＳの算出方法＞
通気抵抗Ｋ値（１/ｍ）は、下記の（１）式で算出される。
Ｋ＝（ΔＰ/Ｈ）/（ρ_gas ^0.7×μ_gas ^0.3×ｖ_gas ^1.7）・・・（１）
ここで、ΔＰは圧力損失（Ｐａ）であり、Ｈは炉内充填層層厚（ｍ）であり、ρ_gasはガス密度（ｋｇ/ｍ^３）であり、μ_gasはガス粘度（Ｐａ・ｓ）であり、ｖ_gasはガス流速（ｍ/ｓ）である。ΔＰは、羽口と試験炉上部（充填層よりも上部空間）の炉壁に圧力計を設置して圧力の差分を計算することで求められる。Ｈは、充填層表面の位置を、例えば試験炉上部に穿孔した穴から測定用治具を差し込んで測定し、充填層表面位置と羽口が設置された位置との高さ方向の距離をＨとして用いる。充填層表面の位置は、レーザー距離計を用いて測定してもよい。ρ_ｇａｓは、羽口から導入したガス成分と、炉内の温度と、炉内の圧力とから算出できる。μ_ｇａｓは、羽口から導入したガス成分と、炉内の温度とから算出できる。ｖ_ｇａｓは、羽口から導入したガス流量と、炉内の温度と、炉内の圧力とから算出できる。ここで、炉内の温度は、充填層に対応した位置の炉壁に複数の温度計を設置し、当該温度計の測定値の平均値を用いる。同様に、炉内の圧力は、充填層に対応した位置の炉壁に複数の温度計を設置し、当該圧力計の測定値の平均値を用いる。ΔＰの算出に用いた羽口の圧力と、充填層上部の圧力との平均値を炉内の圧力として用いてもよい。

通気抵抗指数ＫＳは、下記の（２）式で算出される。

（２）式において、Ｔｍａｘは、炉内圧力損失を測定した最高温度であり、測定の都度異なるが１５００～１６５０℃程度である。

図２は、羽口前の炉内で高濃度還元ガスを生成させる試験において、溶融物滴下量に及ぼす原料総成分の塩基度の影響を示すグラフである。図２の横軸は原料総成分の塩基度（質量％ＣａＯ／質量％ＳｉＯ_２）であり、縦軸は溶融物滴下量（ｇ）である。

図３は、羽口前の炉内で高濃度還元ガスを生成させる試験において、通気抵抗指数ＫＳに及ぼす原料総成分の塩基度の影響を示すグラフである。図３の横軸は原料総成分の塩基度（質量％ＣａＯ／質量％ＳｉＯ_２）であり、縦軸は通気抵抗指数ＫＳ（１０^５℃／ｍ）である。

図２に示すように、鉄系原料と副原料との原料総成分の塩基度が１．０～１．７の範囲内で、溶融物滴下量は増加した。また、図３に示すように、鉄系原料と副原料との原料総成分の塩基度が１．０～１．７の範囲内で、通気抵抗指数ＫＳが目標値である２０００以下に低下することが確認された。通気抵抗指数ＫＳの目標値２０００は、安定した試験が継続可能となる閾値である。安定した試験とは、充填層表面高さが時間に対して均一に低下し、吹き抜け等のトラブルが生じない試験を意味する。

これらの結果から、鉄系原料と副原料との原料総成分の塩基度を１．０～１．７の範囲内にすることで、羽口前の炉内で高濃度還元ガスを生成させる試験を安定して行えることが確認された。

本実施形態に係る高炉の操業方法は、上記試験結果に基づきなされたものであり、高炉の炉頂から鉄系原料、副原料及びコークスを装入し、高炉の羽口から羽口前の炉内で高濃度還元ガスを発生させるガスを吹き込む高炉の操業方法であって、装入する鉄系原料と装入する副原料との原料総成分の塩基度を所定範囲内にする高炉操業方法である。

ここで、装入する鉄系原料と装入する副原料との原料総成分の塩基度は１．０以上１．７以下の範囲内であることが好ましい。これにより、高炉炉下部における溶融物の滴下性と通気性を向上できる。鉄系原料と副原料との原料総成分の塩基度が１．０未満の場合、及び、鉄系原料と副原料との原料総成分の塩基度が１．７超の場合は、ともに、スラグの粘度が上昇して安定操業範囲外となるので好ましくない。

なお、装入する鉄系原料と副原料との原料総成分の塩基度は１．１以上１．７以下であることがより好ましく、１．４以上１．５以下であることがさらに好ましい。これにより、スラグの粘度がさらに低下し、溶融物の滴下性と通気性がさらに向上できる。原料調整に当たっては、スラグ量を４００ｋｇ/溶銑－ｔｏｎ以下にすることが好ましい。スラグ量を４００ｋｇ/溶銑－ｔｏｎ以下にすることで、低温度域から溶け出す溶融物量の増加による通気性の低下を抑制できる。

また、高濃度還元ガスは、当該高濃度還元ガス中のＨ_２ガス量（炭化水素中の水素を含む）が０～５００Ｎｍ^３／溶銑－ｔｏｎの範囲内であることが好ましい。これにより、炉内温度の低下及び還元反応速度の低下を抑制できる。一方、高濃度還元ガス中のＨ_２ガス量が５００Ｎｍ^３／溶銑－ｔｏｎを超えると、炉内温度が低下し、還元反応速度が低下するため、好ましくない。また、Ｈ_２ガスを単体で吹込む場合、羽口前温度を操業範囲内に保つためにＨ_２ガスを加熱してから送風することが好ましい。

以上説明したように、本実施形態に係る高炉の操業方法では、羽口前の炉内で高濃度還元ガスを発生させる高炉操業を実施するに際し、装入する鉄系原料と装入する副原料との原料総成分の塩基度を所定範囲内に制御する。これにより、高炉内の融着帯及び滴下帯で生成するスラグの粘度が最適化され、高炉内でのスラグの通液性が操業可能範囲に制御されて、高炉内のガス通気性を良好に保ち、安定操業を実現できる。

大型高炉を用いて、炉頂から鉄系原料、副原料及びコークスを交互に装入し、炉頂から装入する鉄系原料と副原料との原料総成分の塩基度を変化させて、羽口前の炉内で高濃度還元ガスを生成させる高炉操業試験を実施した。表２に、試験結果の一例を示す。

表２に示すとおり、炉頂から装入する鉄系原料と副原料との原料総成分の塩基度を本発明の範囲とした発明例１～４では、滴下性及び通気性が良好で、安定操業が可能であることが確認された。一方、炉頂から装入する鉄系原料と副原料との原料総成分の塩基度が本発明の範囲外である比較例１～３では、十分な滴下量は得られず、通気性も不良であった。

Claims (2)

1. 高炉の炉頂から鉄系原料、副原料及びコークスを装入し、高炉の羽口から羽口前の炉内で高濃度還元ガスを発生させるガスを吹き込む高炉の操業方法であって、
   前記高濃度還元ガスは、ボッシュガス組成として表すと、Ｈ _２ ガス、Ｎ _２ ガス及びＣＯガスで構成され、Ｈ _２ ガス、Ｎ _２ ガス及びＣＯガスの割合が、Ｈ _２ ガス－Ｎ _２ ガス－ＣＯガスの３元系ダイアグラムにおけるＨ _２ ガス；０体積％、Ｎ _２ ガス；０体積％、ＣＯガス；１００体積％の点と、Ｈ _２ ガス；１００体積％、Ｎ _２ ガス；０体積％、ＣＯガス；０体積％の点と、Ｈ _２ ガス；２９体積％、Ｎ _２ ガス；７１体積％、ＣＯガス；０体積％の点と、Ｈ _２ ガス；０体積％、Ｎ _２ ガス；３７体積％、ＣＯガス；６３体積％の点との４点で囲まれる領域内の組成であり、０～１００体積％の範囲内のＨ _２ ガスと、０～７１体積％の範囲内のＮ _２ ガスと、０～１００体積％の範囲内のＣＯガスとを含み、
   前記鉄系原料と前記副原料との原料総成分の塩基度を１．０以上１．７以下の範囲内にする、高炉の操業方法。
2. 前記高濃度還元ガス中のＨ_２ガス量は０～５００Ｎｍ^３／溶銑－ｔｏｎの範囲内である、請求項１に記載の高炉の操業方法。

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