高炉操業におけるコークス消費量に影響する主要因子

高炉（BF）は、熱風が下部のタービアから吹き込まれる酸素と高炉コークスの炭素ガス化によって還元ガスが生成される対流反応炉です。還元ガスは上昇し、炉頂から投入される鉄分担持原料を還元します。

コークスレートは、生産された溶銑1トンあたりの高炉コークス消費キログラムで測定される、BFコークス消費のパラメータです。

高炉コークスの役割と品質要求

高炉コークスはBF製鉄のキー材料であり、主要エネルギー源（燃料）、還元剤、浸炭剤、透過性構造支持材として機能します。高炉原料の透過性支持材として、BFコークスを完全または部分的に置き換えられる他の満足できる材料はありません。

BFコークスは、高炉操業と溶銑品質への影響において、高炉に投入される最も重要な原材料です。高品質BFコークスは、高炉原料の円滑な下降を可能な限り少ない劣化で支持し、最小限の不純物、最高の熱エネルギー、最高の金属還元、気体および溶融生成物の流れのための最適な透過性を提供します。高品質BFコークスの高炉導入は、コークスレート低減、生産性向上、溶銑コスト低減につながります。コークスのBF性能改善における役割を図1に示します。

吹き込み技術の有無にかかわらず高炉で操業するコークスの予想性能を現実的に評価するには、高炉の化学的・熱的環境下での劣化抵抗性を反映するコークス特性が含まれます。コークス使用の指針となるこのような特性は、塊度、形状と粒度均一性、化学組成、機械的強度、熱的および化学的安定性に関連します。したがって、高炉用コークスは構造と特性の間で成功した妥協点である必要があります。良好な高炉性能を確保するには、コークスは適度に大きく、狭い粒度範囲を持ち、高炉内での二酸化炭素とアルカリとの弱化反応、摩耗、熱衝撃に耐える高い機械的強度を持つ必要があります。多くの未知因子があるため、すべての高炉に共通の普遍的品質指標を確立することは達成できませんが、BFコークス品質の典型的な仕様は利用可能です。

BFコークスに含まれる不純物は、直接・間接還元役割での利用可能な炭素量の観点から燃料としての役割を低下させ、また透過性支持材としての役割も低下させることで、高炉での性能に影響を与えます。このような不純物は水分、揮発分、灰分、硫黄、リン、アルカリ含有量です。これらのレベルは可能な限り低く保たれるべきです。

水分含有量は、コークス消火プロセスの直接的な結果であり、粒度に多少依存します。高く変動する水分含有量はコークスレートと高炉内の収支の両方に影響し、高揮発分含有量は高炉ガス精製での操業問題を引き起こします。

他の化学的特性については、硫黄と灰分（含有量と化学組成）が特に重要です。これらが増加すると、高炉でのコークス生産性が低下するためです。コークス灰分はBFコークスの非生産的部分であり、スラグ量と組成に影響します。

BFコークスの物理的特性の重要性は、鉄原料を支持し、還元ガスが流れ、溶融物が下部高炉領域で浸透できる透過性マトリックスを与える必要性に関連しています。これらの物理的特性は、そのサイズ（平均と分布）と破壊・摩耗への抵抗性に関連します。BFコークスサイズは主に篩分けで制御されます。大きな平均サイズと狭い粒度分布が適切な透過性を維持します。

BFコークスの機械的強度指標はBFオペレーターにBFコークス性能の有用な評価を提供しますが、これらは全体像の一部のみを形成します。BFコークス機械的強度を評価するために使用される試験は常温で行われるため、高炉内でのコークスのプロセス条件を考慮に入れていません。したがって、BFコークスのCSR（反応後コークス強度）とCRI（コークス反応性指数）はより良い強度指標を提供します。

BFコークスはBF降下中に劣化します。劣化は機械的負荷、摩耗、熱応力、ガス化反応、BFガス中に存在する無機化合物、グラファイト化によって引き起こされます。BFコークス中の鉱物質は、これらの劣化経路の性質と程度において、直接的にも間接的にも主要な役割を果たします。

高炉での製鉄プロセスは、BFコークス消費に影響を与える多数の相互影響変数にさらされる多変量システムで構成されます。製鉄中のコークスレートに各変数が果たす役割を理解するためには、変数の相互影響を分離する必要があります。

効率的な高炉は低コークスレートで運転されます。効率的な高炉操業にはガス通過量の増加が必要で、これは炉透過性の改善を意味し、一方で比ガス必要量の削減、すなわちBFコークスの比消費量削減を意味します。高炉でのBFコークスレートに影響を与える要因は多数あります。主要なものを以下に説明します。

燃料/還元剤

高炉では2種類の燃料/還元剤が使用されます。これらは炉頂から投入されるBFコークスと、タービアレベルで吹き込まれる微粉炭/天然ガス/コークス炉ガス/オイル/コールタールです。

1. 高炉での溶銑生産中、BFコークスレートは多くの面で影響を受けます。BFコークスの高灰分は、より多くのスラグ形成材料を高炉に投入することを意味し、これはスラグ形成のために溶剤されなければなりません。これによりスラグ量が増加します。経験則として、BFコークス灰分を1%低減するとコークスレートが1〜1.5%低減します。コークスレートに影響を与えるBFコークスの他の特性は、CSR、CRI、ミクム指数（M40またはI40、M10またはI10）です。これらのパラメータはスタック内の透過性とタービアレベルでのコークス機械的強度に影響します。M40はコークスの破砕性を、M10は摩耗性を表します。CSRとM40の値が高く、CRIとM10の値が低いほど、コークスレートの低減に改善効果があります。BFコークスの硫黄含有量もBFコークスレートに影響します。BFコークス硫黄含有量を0.1%低減すると、BF生産性が約1.0%向上します。
2. タービアレベルで吹き込まれる燃料（微粉炭/天然ガス/コークス炉ガス/オイル/コールタール）は、通常熱風の酸素濃厚を伴います。熱風への酸素吹き込みはガスの比流量を減らし、トップ温度の低下とタービアでの断熱火炎温度（RAFT）の上昇を引き起こします。これらの効果は代替燃料の吹き込みによって補償されます。したがって、タービアレベルでの酸素と燃料の組み合わせ吹き込みは、高炉のコークスレートを低減させます。微粉炭1トンの吹き込みは、約0.9〜1.0トンのBFコークスを置き換えます。他の燃料吹き込みでも同様のBFコークスレート低減が起こります。酸素吹き込み単独ではBFコークスレートは低減しませんが、BF生産性を向上させます。

原材料

高炉に投入される主要原材料は基本的に2種類あります。

1. 第1は鉄分担持材料で、シンター、ペレット、選別鉄鉱石（CLO）です。これらの材料の鉄（Fe）含有量が高いとは、炉内に入るガング材料が少なく、スラグ形成のために溶剤される必要が少ないことを意味します。したがってFe含有量が高いことはスラグ量とコークスレートの低減に役立ちます。経験則として、Fe含有量が1%増加するとコークスレートが0.8〜1.2%低減します。
2. 第2の原材料は、様々なタイプの溶剤（石灰石、ドロマイト、石英石など）です。石灰石とドロマイトを高炉に投入すると、高炉内で焼成されます。この焼成反応には熱が必要で、コークス消費量が増加します。これらの溶剤をシンターやペレットを通じて投入すると、焼成反応が高炉外部で起こり、高炉作業容積が鉄分担持材料により効果的に使用されます。これは結果として高炉コークスレートを低減させます。一般的に、負担中の溶剤100kg減少でコークスレートが20〜35kg/tHM改善されます。
3. 高炉でより低いコークスレートを達成するには、負担材料がすべての炉温度帯と反応帯で高い透過性と均質性を提供することが不可欠です。さらに負担材料は、短い滞留時間を促進するために高い還元性を持つ必要があります。負担材料はまた、亜鉛、鉛、アルカリなどの有害元素を低含有とし、プロセス擾乱を避ける必要があります。
4. コークスレートはシンター品質にも依存します。シンターは最適な粒度分布、高強度、高還元性、高多孔性、軟化温度1250℃以上、一定のFeO含有量（7〜8%範囲）、一定の塩基度を持つ必要があります。

その他の影響因子

• 負担分配制御は、高炉でのコークスレート低減に重要な役割を果たします。負担分配制御は、安定した負担下降を確保し、ガス流れを壁側で調整（不活性ゾーンを生成せずに高熱負荷を回避）し、良好な固体-ガス接触を達成するのに役立ちます。
• 溶銑中のケイ素含有量を低減すると、コークスレートに好影響を与えます。ケイ素含有量低減は、より良い鉱石-コークス関係と凝集帯の下方移動によって達成されます。これにより、溶銑へのケイ素移行体積が低減します。溶銑中ケイ素含有量を1%低減すると、コークスレートが5〜15%改善されます。
• スラグ特性はコークスレートに相当な影響を与えます。低粘度の低比容スラグは、高炉のコークスレートを改善します。
• タッピング実践も高炉でのコークスレート低減に重要な役割を果たします。良好なタッピング実践には、良好なタップホール長、適時のタッピング開始、タッピング速度制御、適切なハース排出、炉がドライ状態になった後のタッピング終了が含まれます。タップホール材料の品質は良好なタッピング実践にとって非常に重要です。
• 自動プロセス制御は、還元剤消費を最小化し、ハンギング、スリッピング、スカッフォルディング、ガスチャネリングなどの炉プロセス擾乱をシステムによる即時対抗措置で回避し、溶銑とスラグパラメータを安定化させることで炉生産性を向上させます。自動プロセス制御の高炉コークスレートへの効果は3〜5%の範囲です。
• 熱風温度は高炉でのコークスレートに影響する他のパラメータです。高炉コークスレートは、熱風温度が100℃上昇するごとに約2%低減します。
• 高トップ圧力も高炉でのコークスレートを低減させます。高炉トップ圧力が0.1kg/cm²増加するごとに、コークスレートが約0.1%低減します。
• 投入原料の微粉含有量を低減すると、高炉のコークスレートが0.4〜0.7%の範囲で改善されます。