Tetsu-to-Hagane
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Evaluation of Sinter Reducibility and Coke Reactivity by Experimental Blast Furnace
Takuya NatsuiKaoru NakanoYoshinori MatsukuraKohei SunaharaYutaka UjisawaTakanobu Inada
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2013 Volume 99 Issue 4 Pages 267-274

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Synopsis:

The use of high reactivity coke is proposed to realize low reducing agent rate blast furnace operation. The reducing agent rate was reduced by use of high reactivity coke in an actual blast furnace. The reduction of reducing agent rate is caused by the improvement of the reaction efficiency due to the decrease of the thermal reserve zone temperature. On the other hand, it is suggested that sinter reducibility will affect on the effect of the high reactivity coke. Therefore, in this paper, the quality of high reducibility sinter and the effectiveness of high reactivity coke coexistence of high reducibility sinter were verified by the experimental blast furnace and following results were obtained.

1) The top gas utilization was improved and the reducing agent rate was reduced by use of high reducibility sinter.

2) The permeability was improved by use of high reducibility sinter. The improvement of permeability will be expected in actual blast furnaces.

3)The top gas utilization was improved by use of high reactivity coke. The improvement was caused by the improvement of reaction efficiency due to the decrease of the thermal reserve zone temperature.

4) The degradation of coke was decreased due to the decrease of the amount of reaction.

5) The high reactivity coke works effectively when high reducibility sinter co-exists.

1. 緒言

高炉の通気性改善と反応効率向上を両立して低還元材比操業を実現することは,高炉の安定操業やコスト合理化,さらには環境負荷低減の観点からも重要である。当社では,原材料性状の改善による高炉の通気性改善と銑鉄製造コスト低減を目指した低SiO2焼結鉱の開発を行い,試験高炉を用いた焼結鉱低SiO2化による高温性状改善効果の実炉有効性を実証1),さらに高炉低スラグ化時のスラグAl2O3上限対策としてのスラグ設計についての検討結果2)等を実操業に反映し,高微粉炭操業下における通気性確保と原料コストの合理化を果たしてきた。

一方,コークスについては,冷間強度(DI),および反応後強度(CSR)維持という従来の限界値管理が限界に達しつつあるなか,高炉の低還元材比操業を実現するための手段のひとつとして高反応性コークスの使用が提案3)されており,実炉試験においても還元材比の低下が確認3,4)されている。高反応性コークス使用による還元材比低減効果は,熱保存帯温度の低下を介した炉内反応効率向上によるものであるが,その効果発現には鉱石側の被還元性も影響すること5),高反応性コークス使用時にはコークス反応量の低下により炉内通気が維持される可能性があること5,6)が示唆されている。

そこで本研究では,実炉では困難な操業中の炉内容物サンプリング機能を有する試験高炉を用い,実炉と同等の銑鉄製造過程において炉内反応状態と通気性を把握することにより,高被還元性焼結鉱の品質評価,および高被還元性焼結鉱との共存下における高反応性コークスの有効性を検証した。

2. 試験条件

2・1 設備概要,および基本操業条件

試験高炉の模式図をFig.1に示す。円周方向120°間隔で3本の羽口と炉底最下部に1本の出銑口を有し,炉床径は0.9mである。炉頂部にはコークスと鉱石の各専用ホッパーを設け,交互に層状装入を行う。炉体には高さ方向に静圧計,および温度計が設置されており,操業中の炉内内容物採取用のサンプラーとストックレベル計を有する。また,炉内反応状態を把握するため,新規計測端として荷下がり追随型の垂直ゾンデ,および炉高方向の炉内ガスの同時採取を可能とする炉壁ガスサンプラーを設けた。

Fig. 1.

 Schematic diagram of the experimental blast furnace.

試験操業では火入れ後,諸元の安定を確認して試験ケースに移行する。所定送風条件での溶解操業を行い,銑鉄約800kgに相当する鉱石類を装入した時点で減風減圧下にて溶銑滓を全量排出し,出銑孔閉塞後に所定送風条件に復帰する。これらの一連の操作を1タップとして,繰り返す連続操業を行い,操業実績はタップ毎に集計する。

試験高炉は炉容積制限(溶銑1トンあたりの炉体熱放散が大きい),炉高制限(炉頂ガス温度が高い),送風温度制限のために実炉に比べて還元材比が高く,過去の試験操業1,2)では700~800kg/ptであったが,より実炉に近い炉内還元状態(還元材比)で操業を行うためにTable 1に示す基本条件とした。

Table 1.

 Basic conditions of the experimental blast furnace operation.

本試験操業では,熱損失低減を狙って炉高部を延長し,設定ストックレベルを従来1,2)の羽口上4.5mから6.0mに変更した。これにより炉容積は3m3から4m3に拡大した。同様に,増産による熱損失低減効果を見込み,ボッシュガス量を従来操業よりも増加させた。また,熱流比増加のため設定羽口前温度を2000°Cとし,従来よりも微粉炭吹込み量を低下させ,窒素吹き込みによる脱湿送風を行った。過去の操業においては,コークス比およびスラグ比低減のために全コークス装入量の50%を灰分の少ないオイルコークスに置換したが,今回は操業中に採取した炉内コークスの劣化評価を行うため,可能な限りオイルコークス比を低下させて20%とした。溶銑温度目標は1420°Cとした。焼結鉱比は80%であり,スラグ設計のための副原料として珪石,蛇紋岩,ドロマイトを用いた。

2・2 使用原材料

試験操業に使用した原材料性状をTable 2に示す。コークスはCRI差が10%以上となるように石炭配合を変更して実炉にて製造したものを15~20mmの粒径に調整した。焼結鉱はRIレベルが異なる2種類を製造した。焼結鉱粒径は10~25mmとしたが,高被還元性焼結鉱のSinter Bは細粒化による見掛けのRI向上を狙い,粒径10~15mmのものも用意した。ここで,焼結鉱の高温通気抵抗指数(KS)は次式で表され7),ΔPLは充填層の通気抵抗(Pa/m),ρgはガス密度(kg/m3),μgはガス粘度(Pa・s),ugはガス空塔流速(m/s),指数βはガス流れで定まる定数(≒0.3)である。   

  

Table 2.

 Coke and sinter properties for the experimental blast furnace.

2・3 試験ケース

コークス,焼結鉱の組み合わせを変更して実施した試験ケースをTable 3に示す。通常の反応レベルのCoke AとSinter Aの使用ケースをCase 1(ベース)として,Case 2では焼結鉱をSinter Bに変更して高被還元性焼結鉱の評価を行った。高反応性コークスの使用効果は高被還元性焼結鉱との組み合わせにおいて有効と予想される5)ため,Sinter BとCoke Bの使用ケースをCase 3としてCase 2と比較することにより,高反応性コークスの評価を行った。さらに,細粒化により見掛けのRIを向上させた高被還元性焼結鉱(Sinter B-fine)とCoke A,Coke Bとの組み合わせをそれぞれCase 4,Case 5とした。

Table 3.

 Test cases of the experimental blast furnace.

試験高炉操業条件は,過去の操業実績に基づいて熱損失を仮定した上で高炉総合モデル8)により予測した炉頂ガス温度と直接還元率を前提とした熱物質収支計算により決定した。各ケースの設定諸元をTable 4に示す。各ケースとも装入条件(装入コークス比)を一定とし,微粉炭吹き込み量によって還元材比を調整,ボッシュガス量,羽口前温度が一定となるよう送風量と酸素量を決定した。試験操業は各ケースともTable 4に示した一定の送風条件のもとで行い,炉内反応効率と炉内通気性を評価した。

Table 4.

 Calculated operational conditions of the experimental blast furnace.

3. 試験結果および考察

3・1 試験操業結果

試験操業は火入れ立上げ後,各ケースとも約半日から1日間の操業を行い,ほぼ計画通りに全ケースを終了した。各ケースにおける操業安定期間の連続する2または3タップの操業実績の平均値を代表諸元とした。試験操業は送風条件,装入条件一定で行っているため,炉頂ガス組成・温度,送風条件,原材料成分,および溶銑成分・温度の実績データをもとにした熱・物質収支計算により正味の還元材比を求めた。操業実績をTable 5に示す。今回実施した還元材比低減対策により,計画諸元を上回る低還元材比操業を実現でき,高反応性コークス,高被還元性焼結鉱の組み合わせを変更したCase 2から5では基準操業条件であるCase 1に対して,還元材比が低減することを確認した。

Table 5.

 Results of the experimental blast furnace operation.

Table 5中の通気抵抗指数(KR)9)は,当社で高炉内通気性を表す指数として用いているものであり,(3)式により算出する。   

ここで,ΔPは圧力損失(Pa),ΔLは高さ(m),ugは平均ガス流速(m/s),ρgは平均ガス密度(kg/m3),μgは平均ガス粘性係数(Pa・s),εは炉内平均空隙率(-),φは粒子形状係数(-),dpは平均粒子径(m),gcは重力加速度(m/s2),βは定数(=0.6)である。KRは羽口と炉頂間の圧力損失から求められる全KRに加え,次節で述べる試験操業終了後の解体調査結果に基づいて定義した高さ方向の領域(上部,中部,下部)毎に求めた。

操業実績に基づいたRistの理想操業線図による操業解析結果をFig.2, 3に示す。コークス反応性一定下で焼結鉱被還元性を変更した試験ケースの比較(Case 1, 2)がFig.2,焼結鉱被還元性一定下でコークス反応性を変更した試験ケースの比較(Case 2, 3)がFig.3である。ここで,熱保存帯温度には垂直ゾンデによる炉内温度分布測定結果(Fig.10)を反映し,Case 1とCase 2では980°C,高反応性コークスを使用したCase 3では920°Cを与えた。図中のF点は溶銑成分([Si],[Mn],[P]等)で定まり,操業条件の影響を受けないためほとんど変化しない。P点のX座標は熱保存帯温度と送風温度,Y座標は操業条件によって決定され,また,G点は炉下部の熱的条件の制約を受けるため,各ケースとも異なる。

Fig. 2.

 Rist diagram in case of high reducibility sinter operation.

Fig. 3.

 Rist diagram in case of high reactivity coke operation.

Fig. 4.

 Result of dissected investigation.

Fig. 5.

 Effect of sinter reducibility on the operational results.

Fig. 6.

 Distribution of static pressure along with furnace wall.

Fig. 7.

 Effect of KS on KR in the experimental blast furnace.

Fig. 8.

 Effect of KS on KR in the actual blast furnace.

Fig. 9.

 Effect of coke reactivity on the operational results.

Fig. 10.

 Vertical distribution of temperature and gas composition.

Fig.2から焼結鉱被還元性を向上させる(Case 1→Case 2)ことによって,ガス利用率(線分HA),シャフト効率(線分HWに対する線分HRの比)が向上し,還元材比(直線AEの傾き)が低下することを確認した。Fig.3においては,コークス反応性を向上させて(Case 2→Case 3)熱保存帯温度が低下したことにより,W点が高X側へシフトし,ガス利用率とシャフト効率が向上,還元材比の低下,および直接還元量(直線AEとX=1との切片)の低下を確認した。

3・2 解体調査結果

最終試験ケース(Case 5)終了後に炉内を窒素ガスで冷却し,炉内内容物を炉頂から順に採取する解体調査を実施して炉内状態の把握を試みた。Fig.4に解体調査結果を示す。図は左から順に炉内層構造プロフィール,鉱石粒子の融着層重量,各層で採取した原料に占める溶融物(粒状メタル,スラグ)の重量比率,および稼働中の炉壁静圧分布(代表タップ平均値)である。出銑によるストックレベルの低下,冷却による収縮を考慮し,稼働中の最終ストックレベルに一致するように高さを補正してある。

炉内は半径方向にほぼ一様な層構造となっている。羽口上約3.0mより下部で鉱石の融着がみられ,羽口上1.0から2.0mではメタル,スラグを含む強固な融着層が存在した。また,羽口前にはレースウェイシェルが確認できた。溶融物は羽口上3.0mから現れ始め,炉下部ほど割合が増加する。羽口上0.9m以下の領域には鉱石類は存在せず,コークス層内にホールドアップスラグとメタルが存在することから滴下帯であると推定される。以上を勘案して,炉内を3つの領域に分け,上部(塊状帯:羽口上3.0m以上),中部(融着帯:羽口上0.9から3.0m),下部(滴下帯:羽口から羽口上0.9m)を定義した。

3・3 高被還元性焼結鉱評価

コークス反応性一定条件下(Coke A)にて,焼結鉱被還元性を変更したCase 1とCase 2の主な操業結果をFig.5に示す。高被還元性焼結鉱(Sinter B)の使用による銑鉄生産速度の上昇とガス利用率の向上,および還元材比の低下を確認した。また,Fig.6の炉壁静圧分布にみられるように炉内圧力損失の低下と,Table 5に示したように全KRの低下も確認された。

焼結鉱の高温通気抵抗指数(KS)と試験高炉における炉中部KRとの関係をFig.7に示す。Case 2で使用した高被還元性焼結鉱(Sinter B)は,従来の化学性状変化である低SiO2化の手法に加えて物理性状変化による多孔質化を図ったものであり,Sinter Aに比べてKSが低い。今回の操業結果は過去の操業の相関上にあり,焼結鉱KSの低下が融着帯の通気抵抗の低減に寄与したことが確認できる。一方で,炉上部KRが増加,炉下部KRが低下しているのは,前者はSinter A(Case 1)よりもSinter B(Case 2)のRDIが高いこと,後者はCase 1に対してCase 2のスラグ比が低いことに加えてスラグ塩基度も低いため,滴下帯のホールドアップスラグ量の減少に起因するものと考えられる。実炉に比べて装入物荷重が大幅に小さい試験高炉においては,炉全体の通気性に対する融着帯の影響度が相対的に小さいが,実炉においては融着帯が支配的であるため,Fig.8に示した焼結鉱KSの影響評価を導入した高炉モデル8)による実高炉の通気性解析結果1)のように,焼結鉱KSの低下による通気性改善効果が期待できる。

3・4 高反応性コークス評価

次に,焼結鉱被還元性一定条件(Sinter B)にて,コークス反応性を変更したCase 2とCase 3の比較により,高反応性コークスの使用効果を検証した。主な操業結果をFig.9に示す。高反応性コークス(Coke B)の使用により,ガス利用率の向上と炉頂ガス温度の低下が認められ,コークス反応量(ソリューションロスカーボン量)が低下している。Case 3においては,操業中に銑鉄生成速度の低下や溶銑温度の上昇傾向が検知されたため,熱余剰であったと判断し,両ケースの炉熱が一定になるように補正して還元材比を算出した結果,高反応性コークス使用により還元材比9kg/ptの低下を確認した。試験高炉は諸元一定で操業しているため,ここで検知された現象は高反応性コークス使用効果の一端であると解釈することができ,実操業においては還元材比低下操作が必要であると考えられる。

Fig.10には垂直ゾンデ計測による炉高方向の炉内温度とガス組成分布を示す。高反応性コークス使用時(Case 3)には,ソルロス反応開始温度の低下に伴い,熱保存帯温度が低下していることが確認でき,炉上部ではCO2濃度が高くなり,反応効率が向上していることがわかる。また,垂直ゾンデと炉壁ガスサンプラーにより計測した炉内還元状態をFig.11に示す。高反応性コークス使用による熱保存帯温度の低下に応じて還元平衡点が低温側にシフトしており,このことが炉頂ガス利用率の向上に繋がったことが示されている。

Fig. 11.

 Reduction condition of the experimental blast furnace.

操業中に融着帯・滴下帯サンプラーで採取した炉内コークスは,I型ドラム試験による強度評価を実施した。コークス強度指標をI型ドラム600回転後の9.5mm以上の重量比率として,装入前コークスと炉内採取コークスの平均値と比較した。Table 6,およびFig.12に示す結果より,高反応性コークス使用時(Case 3)はCase 2に比べてソリューションロスカーボン量が低下していることから,コークス反応量が低下したことがわかる。また,高反応性コークスは一般的に表面反応化し易く粉化し難いことが知られており,これらの理由から高反応性コークスの劣化が抑制されたものと考えられる。したがって,Case 3では炉内通気性の改善が期待されたが,結果的にKRはCase 2と同等に維持されるに留まり,Fig.13に示す炉内静圧分布にも顕著な差はみられなかった。

Table 6.

 Coke strength and reaction ratio.

Fig. 12.

 Coke strength, coke reaction ratio, and KR.

Fig. 13.

 Distribution of static pressure along with furnace wall.

3・5 高被還元性焼結鉱共存下における高反応性コークス評価

焼結鉱被還元性とコークス反応性が炉頂ガス利用率,および還元材比に及ぼす影響をFig.14, 15にそれぞれ示す。コークス反応性一定では,RIの上昇とともに炉頂ガス利用率が上昇し,還元材比が低下することを確認した。さらに,RI一定では,高反応性コークス使用ケースにおいてその傾向が顕著になることから,高反応性コークスの操業改善効果は,高被還元性焼結鉱との共存化において有効に作用することがわかる。

Fig. 14.

 Effect of RI and CRI on top gas utilization.

Fig. 15.

 Effect of RI and CRI on reducing agent rate.

また,Case 4, 5は高被還元性焼結鉱の細粒化によってRIは86%に相当するが,ガス利用率,還元比への影響は大きくないことがわかった。これは,事前に予測したよりも熱交換効率が向上せずに炉頂ガス温度が上昇してしまい,焼結鉱の細粒化による被還元性向上効果を相殺したためと推定できる。

4. 結言

高被還元性焼結鉱,および高反応性コークスを対象とした高炉原材料品質評価のための試験高炉操業を実施し,以下の結果を得た。

(1)高被還元性焼結鉱の使用によるガス利用率向上と,還元材比の低下を確認した。

(2)高温通気抵抗指数(KS)の低い高被還元性焼結鉱の使用により炉内通気性は改善し,実炉でもその効果が期待できる。

(3)高反応性コークスの使用によるガス利用率の向上を確認し,熱保存帯温度低下による反応効率向上の影響であることを直接測定した。

(4)高反応性コークス使用時にはコークス反応量の低減によりコークス劣化が抑制された。

(5)高反応性コークスの操業改善効果は高被還元性焼結鉱との共存化において有効に作用することを確認した。

文献
  • 1)    Y.  Matsukura,  K.  Nakano,  K.  Sunahara,  Y.  Ujisawa and  T.  Yamamoto: Tetsu-to-Hagané, 87 (2001), 350.
  • 2)    K.  Sunahara,  K.  Nakano,  M.  Hoshi,  T.  Inada,  S.  Komatsu and  T.  Yamamoto: Tetsu-to-Hagané, 92 (2006), 875.
  • 3)    M.  Naito,  A.  Okamoto,  K.  Yamaguchi,  T.  Yamaguchi and  Y.  Inoue: Tetsu-to-Hagané, 87 (2001) 357.
  • 4)    S.  Nomura,  H.  Ayukawa,  H.  Kitaguchi,  T.  Tahara,  S.  Matsuzaki,  M.  Naito,  S.  Koizumi,  Y.  Ogata,  T.  Nakayama and  T.  Abe: Tetsu-to-Hagané, 92 (2006) 223.
  • 5)    Y.  Ujisawa,  K.  Nakano,  Y.  Matsukura,  K.  Sunahara,  S.  Komatsu and  T.  Yamamoto: Tetsu-to-Hagané, 92 (2006), 1015.
  • 6)    T.  Natsui,  K.  Sunahara and  Y.  Ujisawa: Tetsu-to-Hagané, 92 (2006), 841.
  • 7)    K.  Mochiduki,  T.  Murai,  Y.  Kawaguchi and  Y.  Iwanaga: Tetsu-to-Hagané, 72 (1986), 1855.
  • 8)    K.  Takatani,  T.  Inada and  Y.  Ujisawa: ISIJ Int.39 (1999), 15.
  • 9)    H.  Matoba and  T.  Shimoda: Tetsu-to-Hagané, 60 (1974), 354.
 
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