アルカリが高炉製鉄効率に与える影響と制御

高炉製鉄プロセスにおけるアルカリの影響

高炉（BF）操業主要目的は、所望化学組成銑鉄（HM）を最小コストで最大生産すること。これには高品質原料基盤と規則的スムーズBF運転必要。負荷材料品質はプロセス問題回避のため極重要。この領域では投入チャージ中不要元素含有量にも注意必要。これら不要元素はBFで多数技術的問題引き起こし、HM製造コストに重大影響。除去とBF性能観点で厄介なチャージ主不要元素は、カリウム（K）とナトリウム（Na）のアルカリ化合物。

BFプロセスでアルカリ存在はプロセス悪影響知られています。アルカリはコークス反応性上昇、鉱石チャージ早期軟化、シンター分解、ペレット膨張、BF耐火ライニング付着物形成（ライニング摩耗加速）引き起こす。アルカリ負影響はコークスガス化触媒効果、アルカリ挿入によるC構造破壊、スカフォールド形成、耐火物攻撃由来。アルカリは原料とともに導入され、アルカリ循環（図1）でBF高温帯へ向かう途中ピックアップされます。

アルカリ存在でBF生産低下とコークス消費増加、投入原料トップチャージとともにアルカリ1 kg/t-HM追加ごと約4.5%と2.3%それぞれ。アルカリはブードアール可逆反応閾値低下、コークスガス化増加、コークス強度低下で生産低下。コークス劣化と壁面スカフォールディングでガス透過性低下、BF有効容積減少。

BF内アルカリ反応

本記事全アルカリ反応でKをNa置換可能。アルカリケイ酸塩C還元は可逆反応K₂SiO₃（スラグ）+ C(s) = 2K(g) + SiO₂（スラグ）+ CO(g)、K₂SiO₃（スラグ）+ 3C(s) = 2K(g) + Si（HM）+ 3CO(g)で進行。反応程度は温度とCO分圧依存。アルカリ酸化物はコークスC或COで還元：K₂O + C(s) = 2K(g) + CO(g)、K₂O + CO(g) = 2K(g) + CO₂(g)。

アルカリは元素或ボッシュ領域でCとN₂（窒素）と反応し、シアン化カリウム（KCN）或シアン化ナトリウム（NaCN）蒸気形成：2K(g) + N₂(g) = 2KCN(g)。蒸気は炉ガスとともに上昇、HM或スラグ溶解せず。K融点63.4℃、沸点759℃、Na対応97.7℃、883℃。KCN融点622℃、沸点1,625℃、NaCN対応562℃、1,530℃。これら化合物状態：下部シャフト液相、レースウェイ・炉床領域気相（温度依存）。ガス高速ガス流で上昇運搬。

シャフト酸素（O₂）ポテンシャル上昇領域（約1,100℃）でKとKCN不安定化、CO₂酸化でアルカリ炭酸塩（K₂CO₃、Na₂CO₃）生成：2K(g) + 2CO₂(g) = K₂CO₃ + CO(g)、2KCN(g) + 4CO₂(g) = K₂CO₃(s) + N₂(g) + 5CO(g)。CO還元でアルカリ酸化物生成：2KCN(g) + CO(g) = K₂O + 3C + N₂(g)。生成アルカリ炭酸塩白色微粉形態で負荷材料表面分布或レンガライニング付着。

負荷材料とコークス吸着アルカリ成分、相対安定性で新化合物形成。炭酸カリウム（K₂CO₃）と炭酸ナトリウム（Na₂CO₃）各891℃、851℃以下固体。アルカリ担持化合物負荷材料とともに降下、高温帯到達で再還元・気化：K₂CO₃(l) + 2C = 2K(g) + 3CO(g)。

アルカリ大部分スラグとともにBF排出。しかしスラグ中アルカリ一部還元しアルカリ蒸気生成、周囲ガスとともに上昇。アルカリ蒸気BF上部凝縮、一部トップガス排出、残り内壁或投入材料凝縮。異なる熱帯アルカリ揮発・凝縮でBF内循環傾向、蓄積と他投入材料相互作用生成。一般5 kg/t-HM未満少量投入でもプロセス重大影響可能。簡略化アルカリ循環図2示す。発掘BF研究でアルカリレベル最高は温度1,000℃以上領域、BF下部アルカリ濃度増加意味。

BF内アルカリサイクル

アルカリ通常鉄系材料とコークスでケイ酸塩形態（K₂SiO₃）投入。スムーズ効率的BF運転のためアルカリ量1.5〜5 kg/t-HM制限望ましいが、通常プラントにより2.5〜7.5 kg/t-HM範囲。2アルカリ物質NaとKでK通常主化合物。大部分アルカリスラグ排出、一部トップガス成分排出。リサイクルアルカリはスラグ或ガスで除去可能。KはNaより揮発性高くトップガス排出度高い、Naはスラグ排出多い。

アルカリBF投入形態ケイ酸塩（K₂SiO₃）。アルカリサイクル研究で、ケイ酸塩負荷とともに降下、溶融帯でコークスC還元でサイクル開始：K₂SiO₃ + C(s) = 2K(g) + SiO₂ + CO(g)。反応熱力学データで約1,550℃発生。BF投入或形成アルカリ酸化物更上部低温で更反応：K₂O + CO(g) = 2K(g) + CO₂(g)（不安定）。K₂O一次スラグ溶解も。

更BF炉床レベル生成K蒸気、注入微粉炭と熱風ブラストN₂反応：2K(g) + 2C(s) + N₂(g) = 2KCN(g, l)。KCN沸点1,625℃のためタイヤー熱風離れ温度低下で液相転移。タイヤー領域滞在時間高ガス流で極短、アルカリシアン化物液相転移前BF上昇移動時間確保。更上部BFでアルカリシアン化物CO₂反応、1,100℃以下で安定炭酸塩生成：2KCN(l) + 4CO₂(g) = K₂CO₃ + N₂(g) + 5CO(g)。炭酸塩トップガス排出ガス形態、或900℃以下凝縮開始で負荷堆積。

ケイ酸アルカリ比較でアルカリシアン化物不安定、BF炉床部SiO₂存在時アルカリシアン化物と反応し再ケイ酸アルカリ形成。アルカリケイ酸塩還元→アルカリ蒸気→BF上昇→トップガス排出或CO₂反応炭酸塩形成プロセスがアルカリサイクル。プロセス要約で若干異なる見解存在（どの反応発生か相違）。トップ炭酸塩形成自体疑問視見解も（BF発掘で炭酸塩未検出）。しかしアルカリシアン化物形成とBF内アルカリ循環主要プロセスは全見解合意。

図3にBF内アルカリ循環示す。投入材料高温帯降下前アルカリケイ酸塩分解しアルカリ蒸気或一次スラグ相K₂O/Na₂O吸収。サイクルアルカリ蒸気シリカ反応再ケイ酸塩形成時期概示。BF内アルカリ蒸気分布はガス流経路と中心ガス流程度依存。ガス流熱分布大き影響。中心流多い=中央更溶融、周辺少溶融。

BF内アンモニアとシアン化水素生成

アンモニア（NH₃）BF内生成想定。BF内NH₃とシアン化水素（HCN）生成基本反応：

2KCN + 3H₂O = K₂CO₃ + 2NH₃ + C

NH₃ + CO = HCN + H₂O

これら反応比率はパラメータ依存：（i）利用可能水分量、（ii）トップ利用可能KCN量、（iii）反応時温度。NH₃温度閾値約600℃、500℃まで指数関数的連続減少、以降検出されず。生成NH₃はFe₂O₃或CO₂酸化、量減少。Fe₂O₃或MnO₂酸化温度依存。低温でMnO₂強酸化剤、高温でFe₂O₃強酸化剤。

HCNとNH₃トップガス検出されるため、NH₃酸化速度論完全除去十分でない。トップガス高水分=上記反応NH₃生成多。BF内NH₃生成複雑、以下パラメータ影響：

トップガス温度

トップガス温度はBF内吸熱/発熱反応比依存。温度水分含有量影響。低温=水中NH₃溶解度増加、HCN水混和性あり、水存在でトップガス中存在減少可能。

炎温度

炎温度はアルカリ蒸気生成量と総アルカリ負荷に微小影響。アルカリケイ酸塩還元しアルカリガス生成（アルカリ循環開始）に高温必要。炎温度低下=アルカリスラグ排出増加。

塩基度

低塩基度=スラグアルカリ取込み増加、BF循環アルカリ低下、NH₃生成減少。

水分含有量

チャージ或他経路導入水分少=NH₃生成反応用水少。

アルカリ影響と除去

近年良質コークス炭入手困難で原料アルカリ濃度増加傾向。アルカリBF運転有害：コークス反応性増加（溶解損失反応/ブードアール反応触媒効果）。

アルカリ主要負影響：ブードアール可逆反応触媒、反応温度900〜950℃から750〜850℃へ低下、コークス反応性増加（コークス品質依存）。コークス構造悪影響。ブードアール反応閾値低下=BF内C強吸熱反応消費増加。安定操業維持にコークス追加必要：アルカリ1kgあたり2〜10kgコークス、或6〜11kgコークス（情報源依存）。

コークス構造侵入アルカリ、コークス反応性増加・劣化増でBF下部コークス強度低下。タイヤーレベルコークス見かけ反応速度、供給コークス反応速度10倍、総K存在量関連。KはコークスCO₂反応性増加、K挿入コークス粒子膨張でコークス破砕結果可能。反応性増加有利面も：BF操業温度低下、熱予備帯温度低下、鉄酸化物還元温度低下。しかしコークス目的負荷支持も、コークス破砕最小化必要。

K蒸気コークス浸透研究で、コークス鉱物構造がアルカリ化鉱物（特にカリサイト）体積膨張で破壊確認。鉱物とCマトリックス間表面積増加、鉱物質-C-BFガス相互作用促進、コークスガス化加速。アルカリ蒸気コークス結晶層浸透・層間化合物形成でコークス膨張も。コークス強度とBF操業負荷支持重要、負荷崩壊=ガス液透過性低下、HM生産効率低下・CO₂排出増加。

異なるサイズ微細コークス粒子、ウェットゾーンコークス層ボイド減少、コークス表面積増加。コークス破砕=フラッディング促進、ハースチョーキング、タイヤー・スラグノッチ燃焼増加、全て炉出力制限。

透過性低下で上昇ガス壁面輸送傾向増加、ガス利用度低下、コークス率上昇。

アルカリ他影響：シャフトスカフォールド形成機会増大（アルカリライニング凝縮微細材料接着）。スカフォールド=炉壁固体蓄積、炉心方向突出。中部〜上部シャフト発生可能。スカフォールド効果：負荷降下遅延・中断、極端ケースハンギング・スリッピング・不制御装荷。スカフォールドBF作業容積減少。ガス速度非影響部上昇、トップガス温度上昇、CO利用度低下。スカフォールド炉壁剥離時チルドハース結果多い。スカフォールド一時的炉温上昇或高温ガス流到達で除去可能。

負荷材料も凝縮液体シアン化物・炭酸塩接着で層透過性低下。アルカリ耐火物攻撃、特にBF下部使用C系耐火物。アルカリ化合物Cブロック浸透消費、アルカリ蒸気生成。耐火ライニング寿命短縮、更頻繁再ライニング必要。

アルカリ除去主スラグ、低塩基度値最適。除去アルカリ90%以上スラグ経由。塩基度=CaO/SiO₂。複数研究で低スラグ塩基度=スラグアルカリ量増加示す。しかし過度低塩基度問題：HM高硫黄（S）残留、SはBFスラグCaOで対抗可能だが低塩基度=CaO低下。HM品質管理下限塩基度プラント差異。BFパラメータと原料品質依存。アルカリ除去とHM品質維持両立で塩基度1前後或わずか上限界と見なせる。

アルカリケイ酸塩ガス化阻害にはCO分圧高維持必要。1,550℃高反応温度意味=低炎温度で還元・ガス化遅延、アルカリ循環低減可能。アルカリ含有材料BF再循環低減必要（アルカリ再導入防止）。

コークス灰添加で既存アルカリより安定形態固定、コークスガス化触媒効果低減可能。特定鉱物添加試み実績。アルカリコークス拡散時、鉱物添加コートでコークス表面アルカリ安定化、内部劣化阻止。

アルカリ負荷制御

BFアルカリ負荷制御には、アルカリ投入可能な限り低水準維持。投入材料変動時、鉱石ミックス良くブレンドしBF高アルカリセクションリスク最小化。高アルカリフルーダストリサイクル回避も予防策。負荷微細化防止で鉄系負荷とコークス強度向上、スカフォールド形成リスク最小化。

BF中心ガス流運転可能。中心ガス流でトップガス温度中心上昇、アルカリ一部蒸気形態トップガス排出。しかし高トップガス温度=熱損失増加。

リサイクルアルカリ低減、スラグ経由排出促進で酸性スラグ運転。低スラグ塩基度=塩基性K・Naシリカネットワーク同サイト占有CaO・MgO減で吸収容易。低塩基度達成：鉄系負荷とフラックス添加塩基度低下。しかし低塩基度=HM S含有量増加（SスラグCa結合）。

スラグ量増加でスラグ中アルカリ酸化物活量低下、アルカリ吸収・スラグ排出増加可能。しかしスラグ量増加=コークス率上昇。

BF低温運転=アルカリ還元・気化低下。低炎温度運転=アルカリ負荷低下但生産性低下・コークス率上昇。高CO分圧運転でアルカリ負荷低下可能（アルカリガス化反応対抗）。酸素濃厚ブラスト或高トップ圧力で達成可能。