高アルミナスラグと高炉の操業

高アルミナスラグおよび高炉操作

製鉄の高炉（BF）プロセスは、コークスによる鉄含有材料（焼結鉱および/またはペレットおよび塊鉱石）の還元および脈石材料のフラックスによって液体鉄（溶銑）および液体スラグが製造されるプロセスです。飼料材料。このプロセスは、BFで行われる一連の化学反応の結果です。脈石材料とコークス灰が溶けて、フラックス材料とスラグを形成します。溶銑からのスラグの分離は液体状態で行われます。スラグは融点が低く、HMよりも軽いです。 BFではHMよりも高温になっています。良質のHMには良質のスラグが必要です。

BFスラグには、主にシリカ（SiO2）、アルミナ（Al2O3）、石灰（CaO）、マグネシア（MgO）が含まれ、少量のFeO（酸化鉄）、MnO（酸化マンガン）、TiO2（二酸化チタン）、Na2O（酸化ナトリウム）が含まれています。 ）、K2O（酸化カリウム）、およびS（硫黄）。 BFスラグの組成は、BFの性能に影響を与えるその物理化学的特性に非常に重要な影響を及ぼします。液体スラグの物理化学的特性は、脱硫の程度、BFの円滑な操作、スラグの取り扱い、コークスの消費、BFの生産性、およびHMの品質を大幅に決定する上で重要な役割を果たします。

一連の還元反応によりBF内の異なる領域で生成される異なる組成の4種類のスラグがあります。これらの4種類のスラグ、すなわち一次スラグ、ボッシュスラグ、羽口スラグ、最終スラグは、それぞれ凝集ゾーン、滴下ゾーン、レースウェイ、炉床で生成されます。良好なタッピングは、主に液相線温度が低く流動性が良好であるために必要な最終スラグに依存します。

BFのスラグ流動性は、凝集ゾーンでの軟化-溶融挙動、滴下ゾーンでの液体の滞留による炉の下部の透過性、炉炉内での液体の流れ、および炉の排水能力に影響を与えます。タップホールによるスラグ。スラグの流動性はスラグの温度と組成に影響され、後者は鉱石脈石鉱物とコークスおよび微粉炭の灰分に影響されます。スラグ組成物中のCaO/SiO2比は、通常、スラグの流動性と脱硫能力を向上させるための補助材料によって1.2から1.3の範囲に調整されます。スラグ中のAl2O3濃度は、スラグの流動性を低下させる要因であると考えられており、鉄とスラグの蓄積を避けるために、半経験的に上限の約18％（低いほど良い）に設定されています。炉下部の透過性の低下。

高Al2O3鉱石がBFで広く使用されている場合、通常のスラグシステムからAl2O3含有量が30％に達する可能性のある新しいスラグへの偏差が発生します。さらに、微粉炭注入（PCI）の増加を含むBFの最近のプロセス変更も、Al2O3の濃度を増加させました。これらの結果、スラグシステムはケイ酸塩ベースからアルミン酸塩ベースに移行します。スラグは複合酸化物系であり、その特性は組成と大きな関係があります。 BFスラグの物理化学的特性を決定するためにいくつかの研究が行われてきました。ただし、これらの研究のほとんどは、Al2O3含有量が通常20％未満の低Al2O3BFスラグで実施されました。

最も影響を与えるスラグの特性は、粘度、硫化物容量、アルカリ容量、液相線温度です。これらの特性は、BFプロセス全体に大きな影響を及ぼします。低Al2O3BFスラグ（Al2O3は通常15％未満）は、通常、高Al2O3スラグと比較して、粘度が低く、硫化物容量が高く、液相線温度が低く、スラグの体積が少なくなります。高Al2O3スラグは通常15％以上のAl2O3含有量を持っています。高いAl2O3スラグは、主に鉄鉱石中の高いAl2O3 / SiO2比、およびコークス中の焼結物と高い灰分のために発生します。これらのスラグは非常に粘性があります。

BF製鉄の場合、スラグの粘度は炉の運転にさまざまな影響を与えるため、非常に重要な物理的特性です。スラグの粘度は、反応速度と最終スラグの還元度に関連する輸送特性です。スラグの粘度は、スラグと金属の分離効率を決定し、続いて金属の収率と不純物除去能力を決定します。運転中、スラグの粘度は、スラグを炉から取り出すのが容易であることを示しており、したがって、プロセスのエネルギー要件と収益性に関係しています。

スラグの粘度は、ガス透過性、熱伝達、およびSiO2、FeOなどの還元に影響を与えます。低温でも良好な流動性を提供できるスラグシステムを探すことが望ましいです。 BFスラグの粘度について報告されているデータがいくつかあります。しかし、これらのデータのほとんどは、主に10％から15％の範囲のAl2O3を含む低Al2O3スラグに関するものです。さらに、これらの粘度データは、CaO / SiO2比が高いスラグ、最終的なBFスラグではあまり一般的ではないFeO、TiO2、Fe2O3などの非常に大量の添加剤を表しています。

BFスラグのAl2O3含有量は、主に鉄鉱石を中心とした投入材料のAl2O3含有量に依存します。鉄鉱石のAl2O3含有量が1％未満の場合、スラグ中のAl2O3含有量は10％を超えることはほとんどありません。ただし、Al2O3含有量が2％以上の鉄鉱石では、BFスラグ中のAl2O3レベルを20％以上に上げてください。このような高Al2O3スラグでBFを操作することは非常に困難であり、スラグのAl2O3含有量の増加に伴い、BF操作にはBFに液体スラグが過剰に蓄積するなどの問題があるため、BFオペレーターとは異なるタイプのスキルが必要です。炉床と炉の下部での圧力降下の増加。したがって、スラグのAl2O3含有量を制限して、BFの操作中にスラグの流動性を確保し、タッピング中のスラグの透過性と排水性を向上させることが重要です。

BFスラグの粘度は組成と温度に依存します。低粘度は、液体スラグ内のイオンのスラグ/金属反応界面への輸送およびスラグ/金属反応界面からのイオンの輸送への影響によって反応速度を制御するのに役立つだけでなく、炉の円滑な運転も保証します。塩基性酸化物の増加とスラグの液相線温度を超える温度の増加の両方が粘度を低下させます。 CaO-MgO-SiO2-Al2O3システムの場合、Al2O3とSiO2は、これらの溶融物の粘度を増加させますが、モルベースでは効果が同等ではありません。前者の粘度への影響は、スラグの石灰含有量に依存します。これは、電気的中性を維持するためにCa2 +イオンと結合した場合にのみ、Al3+イオンがケイ酸塩ネットワークのSi4+イオンを置き換えることができるためです。

BFは0.05％以下のS含有量のHMを生成すると予想されます。したがって、スラグの脱硫能力、言い換えれば、HMとスラグの間のS分配比を知ることは常に非常に興味深いことです。 HMとスラグの間のS分配は、15％以下に非常に近いAl2O3含有量のスラグのBFで平衡に達することが示されています。これらのスラグは、液相線温度が炉内温度よりも低く、粘度も低くなっています。これらの条件は、平衡を達成するのに適しています。

スラグの観点から、スラグ中のAl2O3濃度がBF運転に及ぼす影響を系統的に評価するために、各炉内領域のスラグ排水とBF下部の透過性に焦点を当てています。流動性、高Al2O3スラグ（スラグAl2O3 20％）運転実験は、日本の実験BF（図1）で実施されました。

図1実験用高炉の断面図

実験中の観察結果の一部を図2にグラフで示します。実験の結果を以下に要約します。

• BF炉床におけるスラグ排水の現象は、粘度によって支配される流動化現象です。スラグの粘度が高くなると、スラグの排水速度は低下します。したがって、例えば、スラグの高Ａｌ２Ｏ３含有量下でスラグ排水を維持するためには、スラグ中のＭｇＯ濃度の増加が効果的である。また、スラグの結晶化温度がスラグの排水速度に及ぼす影響は、スラグの粘度の影響に比べて比較的小さいです。
• スラグ中のAl2O3濃度が増加すると、滴下ゾーンの圧力損失が増加します。 CaO / SiO2比が増加しても、滴下ゾーンの圧力損失が増加します。圧力降下は、主にスラグの静的ホールドアップの結果としての湿潤性の影響によって引き起こされ、滴下スラグの粘度と結晶化温度の影響によるものはほとんどありません。高Al2O3濃度のスラグでは、滴下ゾーンでの圧力損失の増加を抑えるために、CaO/SiO2比の減少によるホールドアップの減少がある場合に効果的です。
• 凝集ゾーンの透過抵抗は、高温での焼結鉱の透過抵抗指数により、Al2O3濃度の影響を受けます。鉱石中のAl2O3濃度が増加すると、透過抵抗が増加します。例えば、鉱石中のMgOの増加により、透水性の増加を抑えることができます。上記の考察から、BFでの高Al2O3スラグ操作では、炉内の各領域に対するスラグ流動性の影響が体系的に調査および評価されました。その結果、スラグの排水性と透水性を適切に維持するために、スラグ中のMgOを増加させ、スラグ中のCaO/SiO2比を減少させるBFスラグ設計が有効であると判断されました。

図2BF操作に影響を与えるスラグプロパティ

スラグに対する高アルミナの影響

BFスラグ中のAl2O3含有量が高いと、多くの悪影響があります。鉄鉱石中のAl2O3の増加は、焼結鉱の強度だけでなく、凝集ゾーンの高温での特性にも影響を与えます。スラグ中のAl2O3濃度は、スラグの流動性を低下させ、液相線温度を上昇させる要因であると考えられています。スラグ中の高Al2O3の影響は次のとおりです。

• 高Al2O3スラグは、一定の塩基度（CaO / SiO2）のために高粘度になっています。ただし、塩基性酸化物の増加とスラグの液相線温度を超える温度の増加に伴い、高Al2O3スラグの粘度はある程度低下します。
• 液体スラグの粘度は、基本的にその化学組成と温度に依存します。スラグ粘度は、BFプロセスの重要なプロセス変数です。これは、反応速度論と最終スラグの還元度に関係するスラグの輸送特性です。低粘度は、液体スラグ内のイオンのスラグ/金属界面への輸送およびスラグ/金属界面からのイオンの輸送への影響により、反応速度を制御するのに役立ちます。また、スラグ金属の分離効率、金属の収率、および不純物除去能力も決定します。また、炉のスムーズな稼働を保証します。
• BF運転では、BF炉床のスラグ排水現象は粘度が支配的な流動化現象です。スラグの粘度が高くなると、スラグの排水速度は低下します。
• 高Al2O3スラグは、シリコン（Si）が還元される傾向が強く、HMSiレベルが上昇する傾向があります。これは、Siの平衡濃度が上昇したか、平衡レベルにまったく達していないことが原因である可能性があります。
• HMのS含有量は、スラグのAl2O3含有量の増加とともに増加する傾向があります。したがって、高Al2O3スラグは、脱硫の効率を低下させます。金属とスラグの間のSの平衡分布が悪影響を受けるだけでなく、そのような分布を達成する速度も著しく遅いことが観察されます。したがって、BF内でS平衡が達成されていないため、高Al2O3スラグによるSのピックアップが遅くなります。
• スラグ中のAl2O3濃度が増加すると、滴下ゾーンの圧力損失が増加します。 CaO / SiO2比が増加しても、滴下ゾーンの圧力損失は増加します。圧力降下は、主にスラグの静的ホールドアップの結果としての湿潤性の影響によって引き起こされますが、滴下するスラグの粘度と結晶温度の影響によるものはほとんどありません。スラグのAl2O3含有量が増加すると、凝集ゾーンの透過抵抗が増加します。

高アルミナの影響を希釈するための対策

スラグ中の高Al2O3の劣化効果は、MgO含有量を増やすことで相殺されます。スラグ中のAl2O3濃度は、鉄とスラグの蓄積とBF下部の透過性の低下を回避するために、多くの国で半経験的に約16％の上限に設定されています。

負荷時のMgOを増やすことで、凝集帯の透水抵抗の増加を抑えることができます。スラグ中のMgO含有量の増加による物理的影響は、Al2O3の影響とは正反対です。 MgOは、タッピング中の炉床からの良好なスラグ排水の維持に役立ちます。高Al2O3スラグでMgOのレベルが増加すると、HMのS含有量はSiの特定の範囲で向上します。これはおそらく、高MgOスラグの流動性が高いためです。高MgOスラグはSとSiの両方の制御に有利です。スラグの塩基度を下げることも役立ちます。 BFの高Al2O3スラグ操作の悪化効果を相殺するために、重要な対策を以下に説明します。

スラグMgOの増加は、高Al2O3スラグ運転での炉床排水速度を改善するため、スラグ中のMgOは最小レベルよりも高いレベルに維持されます。スラグ中のMgOレベルが高いと、BFの凝集ゾーンの浸透性も向上します。

滴下ゾーンでの圧力損失の増加を抑えるには、CaO2/SiO2比の減少によりスラグホールドアップを減少させることが重要です。スラグ中のスラグCaO/SiO2比を約1％に下げることにより、滴下ゾーンの透過性が向上します。

スラグ中の高Al2O3の影響を減らすためのもう1つの方法は、BF負荷に余分なスラグ形成材料を追加することにより、スラグ中のAl2O3のレベルを低濃度に希釈することです。ただし、これによりスラグの量が増え、フラックスとコークスの割合が高くなり、BFの生産性が低下します。この方法は、時折の救済策としてのみ制御に使用できます。