現代大容量高炉：主要特長と利点

現代大容量高炉の主要特長

統合製鉄所の性能はその製鉄ユニットの性能に大きく依存します。統合製鉄所では、高炉（BF）での溶銑（HM）生産が世界的に好まれる製鉄ルートです。鋼生産単位コストは高炉での溶銑単位コストに大きく依存します。したがって高炉は製鉄所の非常に重要なユニットです。

現代高炉は大有効容積を持つ大容量高炉です。多くの先進技術的特長を持ちます。これら先進技術的特長により、より長いキャンペーン寿命とより良い生産指標を実現します。より大きな間接還元帯とより小さな比表面積を持ち、ガス利用効率改善、熱損失減少、燃料比低減に有益です。現代大容量高炉のコークス比、石炭比、燃料比は通常低く、低炭素操業のための統合技術を持つためです。

現代大容量高炉は、有効容積1立方メートルあたり1日当たりの溶銑生産トン数（tHM/m³/日）で測られる高生産性と、低比燃料消費を実現します。したがって溶銑生産単位コストが低く、溶銑能力トンあたり投資も低くなります。これは現代大容量高炉が複数の最新鋭技術を用い、高炉投入原料品質確保、高炉スムーズ運転、ガス熱的・化学的エネルギーのより良い利用による燃料比低減の特長を持つためです。

最新鋭技術の導入

現代大容量高炉は多くの最新鋭技術を取り入れています。これら技術には原料調製技術と高炉ガス利用効率改善関連技術が含まれます。さらに現代大容量高炉には多くの先進的特長があります。主要先進技術と現代大容量高炉の特長を図1に示し、その後説明します。

図1 現代大容量高炉の主要先進技術と特長

原料調製技術

主要原料調製技術には、(i) 低シリカ・高還元性シンター使用、(ii) コークス用石炭ブレンド最適化、(iii) 原料ブレンド技術、(iv) 有害元素負荷管理、(v) 原料篩分技術、(vi) 小粒シンター利用、(vii) ナットコーク利用、(viii) コークス乾式消火粉塵注入があります。

低シリカ・高還元性シンターの使用

低シリカシンターは高鉄（Fe）含有で、高炉内スラグ量を削減します。冶金的特性、特に軟化特性が改善され、高炉使用で凝集帯位置を下方シフトさせ、凝集帯厚を薄くし、間接還元を促進し、 burden柱透過性を改善します。統計的にシンターシリカ含有量は5〜5.5%程度が目標です。低シリカ・高還元性シンター製造の具体的技術には以下が含まれます。

シンター塩基度を所望レベルまで引き上げる必要があります。シリカ含有量減少により結合相量が減少するため、シンター二元塩基度を適切に引き上げCaO（酸化カルシウム）含有量を増やし、カルシウムフェライト含有量を増やすことで、必要量の結合相維持とシンター還元性改善に有益です。

シンターミックス中の微粉・極微粉比率改善は結合相に望ましい効果を持ちます。結合相は固相反応促進とシンター液相生成を促す微小粒径微粉に由来します。

鉄鉱石タイプと特性はカルシウムフェライト形成とシンターミックス緻密性に重要な影響を与えます。鉄鉱石シンター特性値に基づき、適切な鉄鉱石タイプ選択により、低シリカシンターの結合相量要求を満たしつつ、高還元性シンター要求も満たす適切なシンター相を形成できます。

シンター機シンター層高さ増大には多くの利点があります。シンター層の自己再生効果があり、固体燃料消費と全体熱消費を削減します。 thus、高温シンター化で酸化雰囲気強化、シンターFeO含有量減少、カルシウムフェライト含有量増加、シンター還元性改善。これは低シリカシンター粒度分布改善に有益です。

コークス用石炭ブレンド最適化

現代大容量高炉には高品質コークスが必要です。現代大容量高炉に必要なコークス品質にはいくつかの要求があります。塊状帯でのburden柱維持とハース領域での透過性維持要求は、高炉容積大により実質的に異なります。高炉容積増大に伴いハース直径拡大、鉱石バッチ増加、コークス荷重増大、より高い常温強度コークスが必要です。現代大容量高炉ハース活性は歩留まり、スムーズ操業、粉末石炭吹き込み、タッピングにより高い影響を持ち、高炉内コークス劣化改善とチュイエール前およびデッドマンエリアで必要なコークスサイズ確保への要求が高まります。

粉末石炭吹き込み（PCI）率増大によりコークス高炉内滞留時間が劇的に長くなりました。これによりコークスへの化学的・物理的ストレスも増大しました。PCI率200〜250 kg/tHMでは、粉末石炭吹き込みなしケース比でコークス滞留時間が2倍になります。PCI率増加に伴いコークス気孔率増加と下部強度低下が観察されています。したがって高PCI率現代大容量高炉ではコークス品質要求が著しく高くなります。

近年、冶金コークスコスト管理のため、異なる近接分析と異なるコークス特性を持つ複数種類石炭をブレンド形態で高炉コークス製造に使用します。一部プラントでは石炭ブレンドに少量非コークス炭を含むこともあります。現代大容量高炉に必要な強度と熱特性を持つ高炉コークス製造には、石炭ブレンド用石炭選定要件と、コークス化前石炭均一ブレンド必要性があります。

原料ブレンド技術

鉄分含有量変動とスラグ塩基度変動は高炉不安定操業を招き、コークス比増大と高炉産出量減少を引き起こします。現代大容量高炉では、鉱石、シンター、ペレット組成変動低減のため、貯蔵・ブレンド・一括ハンドリング機能を持つ原料ヤードを構築します。高炉投入原料の水分含有量と粒度分画も高炉要求満足のため管理されます。 また原料種類と比率は高炉生産要求に応じて調整されます。 原料調製プロセス全体が原料供給変化に適応する必要があります。 全プロセスは鉱石インテリジェントモデル活用により自動化されます。 このモデルは鉱石混合一般計画、原料動的配分、定量フィーダー切断速度インテリジェント制御をプログラムし、高炉投入鉱石burden均一組成を確保します。 標準偏差はシリカ%で±0.125%、全鉄%で±0.375%レベルで管理されます。

有害元素負荷管理

有害元素負荷管理は、有害元素高炉内蓄積が耐火ライニング劣化を招くため必要です。これが熱負荷頻繁変動を招き、不安定炉をもたらします。主に有害元素はコークス劣化を引き起こし、コークス負荷支持機能を破壊し、コークス比増大をもたらします。ある大容量高炉での調査では、アルカリ負荷約4 kg/tHM、亜鉛負荷約280 g/tHM条件下で、チュイエール上方0.5〜2.5m位置のコークスサイズ劣化率が約70%に達し、コークスが高度に劣化することが示されました。したがって大容量高炉ではアルカリ負荷を2 kg/tHM未満、亜鉛負荷を150 g/tHM未満に管理する特別な注意が必要です。

原料篩分技術

高炉は垂直移動原料柱を持ち、スムーズ操業には良好な透過性が必要です。したがって微粉投入はburden連続篩分により管理され、これは高炉burden材料篩分作業の厳密管理を意味します。高炉burden中5mm未満材料比率は5%超えてはなりません。5mm未満burden材料投入比率1%減少ごとにコークス比約0.5%減少します。

小粒シンター利用

小粒シンター利用はシンター収率向上とシンタープラント燃料比低減をもたらします。また小粒シンター利用はシンタープラント循環負荷も削減します。通常シンターは現代大容量高炉で2粒度範囲で投入されます。(i) 10mm超、(ii) 4〜10mm。4〜10mm画分は周辺部投入でシンター利用効率向上、ガス生成改善、燃料比低減を図ります。

ナットコーク利用

ナットコークサイズ範囲は一般に10〜25mmです。ナットコークは通常鉱石burdenとともに高炉投入されます。高炉ナットコーク投入は製鉄エネルギー利用改善に有益です。大容量高炉でのナットコーク投入実績は、高炉スムーズ操業に有益で、燃料比低減に明確な効果があることを示しています。

コークス乾式消火粉塵注入

コークス乾式消火時に相当量のコークス粉塵が発生します。このコークス粉塵はPCI用石炭より著しく高い発熱量（CV）を持ちます。コークス乾式消火粉塵約8%をPCI用原料炭に添加可能です。これにより注入用石炭固定炭素含有量改善、燃料比低減につながります。適切な粉砕・注入プロセス調整で約4〜5 kg/tHM消費が達成可能です。

高炉ガス利用効率改善

高炉はburden材料を鉱石とコークス交互層で間欠投入する連続反応器です。この層構造はburden材料が炉内降下しても保持されます。burden分配とは、炉内異材料層の適切配列達成、主にラジアル分配（軸対称通常望まれる）を指します。炉投入各種burden材料は互いに大きく異なります。鉱石はコークス約4倍重く、粒子サイズは2〜4倍小さく、ガス透過性と投入層加熱に影響します。還元ガスが下から上昇すると、透過性レベルが大きく異なるburden層と遭遇します。したがって鉱石とコークスのラジアル分配は炉内ガス流れ分配を支配する重要因子です。

一般に全体積または全質量に占める鉱石分率で材料分配を定量化します。鉱石分率高い（ラジアル）領域ではガス流量低下します。一部操業実務では炉中心高ガス流量が好まれ、固体burden不連続運動減少に効果的で、スムーズ高炉操業につながります。したがって大粒コークス（「センターコークス」）、大粒シンター・塊鉱を炉中心付近に投入し、中心領域ガス透過性改善を図ります。ベルレスタイプ投入装置装備高炉では炉中心へ直接コークス投入可能です。しかし高ガス流量はガスが熱交換十分時間を持たないため高ガス温度となり、熱流比（burdenとガス熱容量比）が低くなります。

高ガス温度領域は通常高凝集帯レベルに対応します。したがってburden上部プローブ温度読み取り値は炉内burden分配の重要指標です。burdenが炉内降下すると鉱石還元され、約1200℃（鉱石品質依存）で軟化開始、約1350℃で溶融します。一方コークスはチュイエールレベルまで形状維持します（溶解損失反応消費分除く）。半溶融burden部分はガス流に極めて透過性低く、ガスはより透過性高い領域、凝集帯内コークス隙間を通って水平方向に流れを変え、塊状帯まで達します。コークス隙間が塞がれたり透過性不足なら、吊り下がりや不規則burden降下など炉不整が起こり得ます。burden分配は凝集帯コークス隙間サイズに主要役割を果たします。またデッドマンゾーン形成と炉内ガス流れ・熱損失制御によるライニング摩耗率にも影響します。大半の大容量高炉操業実務は、高品質burden材料不足増大と炉効率改善に焦点を当てます。これら新実務には、十分透過性確保と凝集帯コークス隙間適切配置のため、正確モデリングと高速計算によるburden分配極めて精密制御が必要です。したがってburden分配シミュレーションがスムーズ炉操業のためますます重要になっています。さらに高炉チュイエール高石炭吹き込み率により炉内コークス比低下、コークス層厚さら薄くなります。これすべてが炉十分透過性確保と凝集帯コークス隙間適切配置のため、burden材料分配精密制御を要求します。

高炉ではburden材料とガスの向流移動により複数反応が起こります。したがってburden材料スムーズ下降とガス流れバランス分配があるとき高炉は効率的に運転されます。これによりガス利用効率改善と燃料比低減がもたらされます。ガス利用効率改善はガス熱的・化学的エネルギー完全利用により達成可能です。現代大容量高炉ガス利用効率は一般に高く、多くの高炉で50%以上です。高炉でのガス利用効率改善と鉄分burden材料溶融の主要手段は、炉内burden適切分配によるガス流れ分配調整です。

高炉上部調整

burden材料投入制御により達成されます。burden材料投入は、(i) 中心投入、(ii) 周辺投入、または (iii) 制御ラジアル投入で、合理的ガス流れ分配達成のため実施可能です。burden材料投入制御は、(i) 投入モード、(ii) バッチ重量、および (iii) ストックラインレベル維持で構成されます。

投入モードはガス利用効率改善のため規制必要です。材料バッチとそのサイズ・投入順序が炉内材料深さ決定します。一般にPCI率増加時、コークスバッチ重量減少により鉱石/コークス比増加し、炉内コークスウィンドウ狭まります。これにより塊状帯境界での鉱石/コークス比増加、ガス流れ分配影響、透過性悪化、圧力差増大招きます。したがって中心ガス流れ調整のため中心コークス投入増加とコークスウィンドウ深さ増加必要です。また周辺部ではコークス量増加または鉱石量減少で適切調整必要です。全体として炉中心作業改善と中心へ転がる鉱石量制限確保で、中心ガス流れ阻害、スムーズ操業悪化、燃料比増大回避必要です。中心コークス投入とコークスウィンドウ深さは高炉状態に応じて決定されます。

大容量高炉では溶融期間延長、コークス劣化深刻化によりガス流量増加します。断面積増大でデッドマンゾーン体積増大、ガス流れ分配均一性悪化。したがって中心ガス流れ強化と逆「V」字形凝集帯高さ増加で十分コークスウィンドウ面積とスムーズガス流れ確保必要です。中心コークス投入モードは中心ガス流れ強化・安定化、中心コークス溶解損失減少、コークス劣化防止、凝集帯高さ適度増加、合理的ガス流れ分配とスムーズ炉操業確保に有効です。したがって大容量高炉は必要時に中心コークス投入モード採用可能ですが、過度にならないよう注意必要です。

規制投入モード最大利点は高ガス利用効率と低燃料比ですが、高品質均一burden材料要求されます。一方中心コークス投入モード最大利点はburden材料品質変動適応可能ですが、ガス利用効率低下→燃料比増大という大きな欠点あります。

鉱石バッチ重量は炉喉部burden分配に大き影響、ガス流れ分配に多少影響与えます。バッチ重量制御範囲は高炉により異なります。高炉容積増大で喉部面積増大、鉱石バッチ重量もそれに応じ増大必要です。したがって高炉投入側全設備は高鉱石バッチ重量適合のため設計・サイズ設定必要です。大バッチは炉安定化有益、ガス利用効率改善、燃料比低減。したがって塊状帯コークス層安定化とガス流れ分配変化低減観点から、高炉上部調整は適切コークス深さためコークスバッチ重量安定化、それに応じ鉱石バッチ重量変更で行うべきです。

ストックラインレベル維持はburden落下高さ調整で堆積ピーク位置変更、シュート初期角度と組み合わせ実施されます。異なるストックラインレベルで表面burden分配異なり、ガス流れ分配に高影響与えます。ストックラインレベルは喉部プロファイル、上部シャフトプロファイル、burden材料特性と関係します。実務ではストックラインレベル制御をベルレスシュート投入角度と組み合わせ、初期落下点を壁から300mm以内に位置させます。

高炉下部調整

高炉下部調整はブラストパラメータ調整によりチュイエール燃焼帯制御、炉内ガス流れ初期分配影響により実施されます。スムーズ炉操業、合理的ガス流れ分配、ガス利用効率改善に不可欠です。合理的初期ガス流れ分配は高炉下部調整で達成可能です。ブラスト量制御と熱風ブラスト運動エネルギー制御により実施。

ブラスト量制御はボッシュガス量影響目的で実施。ボッシュガス量小さいとき、ブラスト量増加と高炉内運動改善で燃料比・コークス比減少。高炉内運動があるレベル達成後、ボッシュガス量制限必要。それ以上ブラスト量増加は燃料比・コークス比増大招きます。ガス流れはburden柱透過性影響受けるため。周辺ガス流れ発生または過剰中心ガス流れはガス利用効率低下、燃料比増大招きます。現代大容量高炉ではブラスト量を合理的レベルで制御し、合理的ガス分配、ガス利用効率改善、コークス・燃料比低減図ります。

熱風ブラスト運動エネルギー制御は最適・近似最適レースウェイ深度と合理的初期ガス流れ分配達成目的で実施。チュイエール燃焼帯適切調整で適切風速・ブラスト運動エネルギー維持、過剰風速・ブラスト運動エネルギーのレースウェイ内コークス影響回避。現代大容量高炉目標はブラスト運動エネルギー14,000〜15,000 kg·m/sレベル達成。この運動エネルギーレベル達成のため第一手段は合理的風速維持（通常250〜270 m/s範囲）。burdenコークス量多ければ風速高め可、逆も然り。しかし風速はブラスト量、チュイエール燃焼帯、熱風温度、トップ圧力を合理的限度内で適切マッチングし、良好生産指標達成のため上限制約受けます。

現代大容量高炉の重要特長

高熱風温度

高炉溶融プロセスに必要な熱は主に燃料（コークス+石炭）燃焼と熱風ブラスト顕熱から来ます。一般に熱風ブラスト顕熱が高炉総熱必要量約30%占めます。熱風ブラストがもたらす顕熱量多いほど、燃料燃焼から必要な熱量少なくなります。熱風温度改善は燃料比低減、溶銑生産コスト節約もたらします。これは熱風ブラスト顕熱が一部燃料置換するためです。また熱風温度上昇でPCI率改善可能。PCI率増加はコークス一部置換、コークス比低減。

近年熱風炉技術顕著発展。内燃式→外燃式→トップ燃焼式へ発展。燃料ガスは通常低発熱量（CV）混合ガス（高炉ガスに高CVガス（通常コークス炉ガス）一部濃縮）から、ガス・空気二重予熱技術による高炉ガスのみへ、年々増加する高熱風温度要求適合へ発展。一部大容量高炉熱風温度は1,250〜1,300℃範囲です。

除湿ブラスト

除湿ブラストは高炉内水分解熱に必要な熱損失排除。これにより炎温度上昇、PCI率促進、コークス比低減。通常熱風ブラスト水分1 g/N㎥除去ごとにコークス比0.8〜1.0 kg/tHM減少。ハース熱条件維持のため、水分1 g/N㎥除去ごとにPCI率1.5〜2.0 kg/tHM増加。

現代大容量高炉は高熱風温度・低熱風湿度で操業し、PCI量調整で炉温制御。多く炉で熱風温度1,230〜1,250℃安定、ブラスト水分10〜15 g/N㎥安定。

高トップ圧力

トップ圧力改善はガス流速低下、burden圧力損失低減、高炉スムーズ操業促進。さらにトップ圧力増加は粉塵量減少、コークス・石炭利用効率向上、コークス・燃料比低減。現在トップ圧力改善は高炉正常生産不可欠手段。現代大容量高炉トップ圧力通常2.75 kg/cm²以上。

経済的粉末石炭吹き込み

PCI目的はコークス節約、溶銑生産コスト削減。石炭・コークス価格差あっても、石炭/コークス置換比があるレベルまで低下すれば燃料比増大、PCI経済メリット相殺。したがって経済的PCIには高置換比維持しながらPCI量増大必要。PCI率増加で石炭燃焼率低下・置換比低下による燃料比増大なら経済的PCIではない。現代大容量高炉は経済的PCI目指す。前提条件：

• burden品質（コークス、シンター、ペレット、塊鉱）改善でスラグ量削減、高炉上部・下部透過性改善。
• 高レベル酸素濃縮、高熱風温度、熱風除湿実施必須。炎温度制御、ハース内未燃焼粉末石炭・コークス粉蓄積量制御、吹き込み粉末石炭燃焼率向上。熱風酸素濃縮はHMトンあたりガス量削減、炎温度上昇、高炉温度分布変化。酸素濃縮とPCI適切組合せで熱流比変化低減、炎温度合理的範囲維持、高炉操業安定化。酸素濃縮率1%増加で石炭燃焼率1.51%増加。高熱風酸素濃縮は現代大容量高炉特長。10%以上酸素濃縮操業大容量高炉あり。高熱風酸素濃縮は高炉コークス品質劣化補償も。
• 高炉下部適切中心ガス流れあるとき合理的ガス流れ分配・安定操業確保。ブラストパラメータ調整でハース流入未燃焼粉末石炭完全利用、石炭利用効率向上確保。
• 注入用石炭ブレンド最適化で混合石炭燃焼特性改善、PCI率向上、石炭タイプ選択肢拡大、ブレンド石炭コスト削減。一般に高固定C・高CV無煙炭と高揮発分（VM）・良燃焼特性瀝青炭ブレンド。ブレンド石炭VM含有量15〜25%範囲管理、灰分コークス未満（通常11%未満）。

低シリコン溶銑生産

低シリコン溶銑生産は燃料比低減もたらす。溶銑Si含有量0.1%減少ごとに燃料比約4〜6 kg/tHM減少。現代大容量高炉ハース通常活性で熱豊富、低Si溶銑生産容易。技術要求：

• burden材料シリカ負荷削減：コークス灰分、PCI石炭灰分、シンターシリカ含有量減少で達成。
• ハース十分熱確保要件下で炎温度適度低減、SiOガス生成抑制。
• 凝集帯形状・位置合理的制御で滴下液体鉄とSiOガス接触減少、シリコン生成防止。
• スラグ品質最適化でスラグ中シリカ活性低減。
• 高トップ圧力操業でSiOガス生成抑制。

しかし低Si溶銑生産はハースライニング浸食悪影響によりキャンペーン寿命影響あり。したがって溶銑Si含有量通常極低レベルまで下げず、大容量高炉では通常0.4〜0.6%範囲維持。

高炉熱負荷制御

高炉熱損失削減は主にライニング熱負荷制御で達成。熱負荷はライニング冷却状態反映し、周辺ガス流れ増大・ライニング浸食有無判断に頻繁使用。熱負荷は一定範囲内制御、可能な限り熱損失減少、燃料比低減寄与。しかし熱負荷過低はライニングビルドアップ（足場）原因。これがガス流れ分配影響。ビルドアップ落下時炉操業影響、チュイエール損傷、ブラスト減少・高炉停止招く。したがって高炉バランス熱負荷制御必要、安定操業・燃料比制御に有益。

高炉操業中適切熱負荷確保対策として、(i) 投入規制調整による適切ガス流れ分配維持、(ii) ライニング浸食レベル・温度に応じた冷却水流量調整による安定操業プロファイル維持。したがってガス流れ分配調整が熱負荷制御最重要手段。

現代大容量高炉では熱負荷監視を鉛直・水平方向パーティション管理で実施。異なる高炉高さで管理基準異なり、水平方向熱負荷均一維持。高炉上部・下部調整で徐々に中間部（下部シャフト〜ボッシュ間）管理達成。

3次元可視熱負荷モデル（図2）は、高炉オペレーター向け3次元リアルタイム熱負荷表示、履歴トレンド、ビデオインタラクション、アラーム機能表示で、現代大容量高炉最新トレンド。プロファイル管理モデルと組合せで合理的熱負荷制御範囲決定、オペレーターへ良好ガイダンス提供。

図2 3次元可視熱負荷モデル

可視化による高炉操業

炉内ビジュアル観察による高炉操業技術が現代大容量高炉で実施されています。この可視化観察技術はburden分配監視に使用され、高炉オペレーターが炉内状況把握助けます。高炉内部ビジュアルはオペレーターが炉内起きていることより良く理解し、操業パラメータ適切調整でガス利用効率改善・燃料比低減、スムーズ高炉操業確保可能にします。主要実装要素：

サーモビジョンカメラと画像処理活用

高炉トップビデオカメラでシュート動き、ガス流れ分配、全burden表面落下ストリーム観察可能。チャネリングとスリップ傾向炉内監視助け。通常高炉トップ温度120℃未満のためサーモビジョンカメラ使用。

レーザー技術によるburden表面プロファイルオンライン測定

レーザー技術でburden表面プロファイルオンライン測定、burden表面レーザー検出器設置。検出器からオペレーターへビジュアルburden表面プロファイル画像提供、burden表面プロファイルより良い監視助け。

ビデオカメラと画像処理によるチュイエール監視

ビデオカメラで各チュイエール輝度、コークス動き、石炭ストリームサイズ同時観察、足場・スカル・チュイエール前冷burden落下適時検出。後続画像処理で各チュイエール熱状態・石炭ストリーム状態定量分析取得。チュイエール・PCIシステム働きより良い理解、異常時適時対応助け。分光器付きビデオカメラでチュイエール直接観察可能。

レーザー技術による高炉吹き込み時充填測定

高炉吹き込み時レーザー技術で炉内観察、充填測定、異なるシュート角度burden流れ軌道データ、投入後burden表面プロファイルデータ取得。オペレーターが投入設備burden分配方法把握助け、正常操業時高炉投入操業ガイド。