高アルミナスラグによる高炉操業の最適化

高アルミナスラグと高炉操業

高炉（BF）による製鉄プロセスでは、鉄原料（シンター、ペレット、塊鉱）がコケによって還元され、原料のガング成分が溶融剤とともに溶融スラグとなり、溶銑（ホットメタル）と溶融スラグが生産されます。このプロセスは高炉内で起こる一連の化学反応の結果です。ガング成分とコケ灰が溶融剤とともに溶けてスラグを形成し、スラグと溶銑の分離は液相状態で行われます。スラグは溶銑より融点が低く、比重も軽く、高炉内では溶銑より高温にあります。良質なスラグは良質な溶銑を得るために不可欠です。

高炉スラグの組成と物理化学的特性

高炉スラグは主に二酸化ケイ素（SiO₂）、アルミナ（Al₂O₃）、石灰（CaO）、マグネシア（MgO）を含み、少量のFeO（酸化第一鉄）、MnO（酸化マンガン）、TiO₂（二酸化チタン）、Na₂O（酸化ナトリウム）、K₂O（酸化カリウム）、S（硫黄）などを含みます。スラグ組成はその物理化学的特性に大きく影響し、これが高炉性能を左右します。溶融スラグの物理化学的性質は、脱硫度、高炉の円滑な操業、スラグ処理、コケ消費量、高炉生産性、溶銑品質を大きく決定します。

高炉内で生成される4種類のスラグ

高炉内では一連の還元反応により、異なる領域でそれぞれ異なる組成を持つ4種類のスラグが生成されます。これらは一次スラグ、ボッシュスラグ、トュエールスラグ、最終スラグと呼ばれ、それぞれ凝集帯、滴下帯、燃焼帯、炉底で生成されます。良好な取出しは主に最終スラグに依存し、最終スラグには低い液相線温度と良好な流動性が要求されます。

スラグ流動性が高炉操業に与える影響

高炉内のスラグ流動性は、凝集帯での軟化溶融挙動、滴下帯での液体保持による下部透ガス性、炉底での液体流動、取出し口からのスラグ排出能力に影響します。スラグ流動性はスラグの温度と組成に影響され、後者は鉱石ガング鉱物とコケ・粉砕炭の灰分によって決まります。スラグ中のCaO/SiO₂比は通常、補助原料によって1.2〜1.3の範囲に調整され、流動性と脱硫能力の向上が図られます。スラグ中のAl₂O₃濃度は流動性を悪化させる要因とされ、鉄とスラグの蓄積や下部透ガス性の悪化を防ぐため、半経験的に18%程度（より低い方が良い）を上限としています。

高アルミナスラグ操業の課題と実験結果

高Al₂O₃鉱石を大量に使用すると、通常のスラグ系からAl₂O₃含有量が30%に達する新しいスラグ系へ移行します。また、近年の粉砕炭吹込み（PCI）増加もAl₂O₃濃度上昇を招き、ケイ酸塩系からアルミン酸塩系へのスラグ系移行を引き起こします。これまでの研究は主にAl₂O₃含有量20%未満の低アルミナスラグに焦点を当てていました。

スラグ粘度、硫化物容量、アルカリ容量、液相線温度が最も影響する特性です。低Al₂O₃スラグ（通常15%未満）は低粘度、高硫化物容量、低液相線温度、少ないスラグ量を示すのに対し、高Al₂O₃スラグ（15%以上）は高粘度となります。高Al₂O₃スラグは主に鉄鉱石のAl₂O₃/SiO₂比が高いことや、コケ灰分が多いことによって生じます。

実験高炉での高Al₂O₃スラグ（20%）操業実験

日本の実験高炉（図1）で、スラグAl₂O₃20%での操業実験が行われ、スラグ流動性の観点から各炉内領域でのスラグ排出性と下部透ガス性への影響を体系的に評価しました。主な結果は以下の通りです。

• 炉底スラグ排出：粘度支配の流動化現象であり、粘度上昇とともに排出速度が低下する。高Al₂O₃下での排出性維持にはスラグ中MgO濃度の上昇が有効。スラグ結晶化温度の影響は粘度に比べて小さい。
• 滴下帯圧力降下：Al₂O₃濃度上昇とともに増加し、CaO/SiO₂比を上げても増加する。主因はスラグ静的保持による濡れ性の影響で、滴下スラグ粘度と結晶化温度の影響は小さい。高Al₂O₃下での圧力降下抑制には、CaO/SiO₂比低下による保持量減少が有効。
• 凝集帯透ガス抵抗：焼結鉱の高温透ガス抵抗指数を通じてAl₂O₃濃度の影響を受ける。鉱石Al₂O₃上昇で透ガス抵抗増大。鉱石中MgO増加で抑制可能。

以上より、高Al₂O₃スラグ操業では、スラグ中MgOを増やし、CaO/SiO₂比を下げるスラグ設計が、スラグ排出性と透ガス性の適正維持に有効と結論付けられました。

高アルミナがスラグに及ぼす悪影響

• 一定塩基度（CaO/SiO₂）で高Al₂O₃スラグは高粘度。塩基性酸化物の増加と液相線温度以上の温度上昇で多少粘度低下。
• スラグ粘度は化学組成と温度に依存。低粘度はイオン輸送による反応速度制御、スラグ・金属分離効率、金属収率、不純物除去能力、円滑な炉況に寄与。
• 炉底スラグ排出は粘度支配の流動化現象。粘度上昇で排出速度低下。
• 高Al₂O₃スラグはSi還元傾向が強く、溶銑Si濃度上昇傾向。平衡濃度上昇または平衡未達成が原因。
• スラグAl₂O₃増加で溶銑S濃度上昇、脱硫効率低下。S分配平衡が不利になるだけでなく、平衡達成速度も著しく遅い。
• 滴下帯圧力降下と凝集帯透ガス抵抗がAl₂O₃濃度とともに増大。

高アルミナ影響の緩和対策

高Al₂O₃の悪影響はMgO含有量増加で相殺されます。多くの国でAl₂O₃上限を16%程度に設定し、鉄・スラグ蓄積と下部透ガス性悪化を防いでいます。

• 凝集帯透ガス抵抗増大は、原料中MgO増加で抑制可能。MgOの物理的効果はAl₂O₃と逆で、取出し時のスラグ排出性維持に寄与。高MgOスラグでは、一定Si範囲で溶銑S改善（高流動性のため）。高MgOスラグはSとSi制御に有利。
• 滴下帯圧力降下抑制には、CaO/SiO₂比低下によるスラグ保持量減少が重要。CaO/SiO₂比を1%程度まで下げると透ガス性改善。
• 余分な造滋材添加でスラグ中Al₂O₃を希釈する方法もあるが、スラグ量増大、溶融剤・コケ比上昇、生産性低下を招くため、一時的な対処に留めるべき。