1850 鉄 と 鋼 第 66 年 (1980) 第 13 号
論
文
UDC 669.162.283 : 669.162.263.24/.
25
高 炉 装 入 物 の 高 温 性 状 測 定 法*
山 岡 洋 次 郎**・
堀 田
裕 久**・ 梶 川
脩 二***
Testing
Method
of High
Temperature
Properties
of Blast
Furnace
Burdens
Yojiro YAMAOKA, Hirohisa HOTTA, and Shuji KAJIKAWA
Synopsis :
Regarding the reduction under load test for measuring high temperature properties of blast furnace bur-dens, the test conditions, i.e. the load, gas flow rate, particle size and bed height were examined through tests and calculations based on a reduction model for fixed bed. Examinations covered also evaluation criteria of test results for high temperature properties.
The results obtained are summarized as follows :
(1) Test results are influenced by each of the load, gas flow rate, particle size and bed height conditions. (2) It is desirable to minimize the longitudinal difference of degree of reduction and the dependence on load of test results. The optimal test conditions (Fig. 2) were decided from such a point of view.
(3) The following evaluation criteria of test results for high temperature properties were proposed : i) the temperatures at the beginning of softening and melt-down are high, with a small temperature dif-ference; ii) the integral and average values of index of permeability resistance between softening and melt-down are small; and iii) the degree of reduction achieved at 1 000 to 1 200•Ž is high.
1. 緒
言
日本 鉄鋼 各社 の 高炉 解体 調 査結 果 は,高 炉操 業 に お け る装 入 物 の 高 温 性 状(高 温 被 還 元 性,軟 化 ・溶 融 特 性 お よび これ に 伴 う通 気 性 の 変 化)の 重 要 性 を 如 実 に 示 して お り,こ れ を 契 機 と して,高 温 性 状 の よ り正 確 な 測 定 お よび 改 善 を 目的 と した 荷 重 還 元 試 験 が 各 方 面 で 行 わ れ る よ うに な つ て きた.し か しな が ら,そ の試 験 条 件 は 各 者 各 様 で あ り1)∼13),全く統 一 され て い な い のが 現 状 で あ る.ま た,試 験 結 果 か ら高 温 性 状 の良 否 を 評 価 す る基 準 に つ い て も,下 村 ら6)のS値 を 除 い て,明 確 に定 義 され た も のは 見 当 た らな い.従 つ て,試 験 条 件 あ るい は 試 験 結 果 の評 価 基 準 に よつ て は,同 一 試 料 につ いて 異 なつ た 評 価 が 与 え られ る可 能 性 が あ り,適 正 試 験 法 の確 立 が ぜ ひ とも必 要 となつ て き て い る. この よ うな理 由 か ら,最 近,試 験 条 件 の検 討 が行 わ れ 始 め,西 田 ら2)は,試 験 結 果 に及 ぼす 試 料粒 度,荷 重 お よび ガ ス組 成 の影 響 に つ い て,一 定 の ガ ス流 量 お よび温 度 条 件 下 で 調 査 を 行 つ て い る.下 村 ら3)も,昇 温 速 度 あ るい は 荷 重 に よ り,試 験 結 果 が 異 な る こ とを指 摘 して い る.ま た,吉 永 ら4)5)は,還 元 ガ ス流 量 の増 加 に よ り, 1200℃ 以 上 の 高 温域 で の収 縮 率 が 減 少 す る こ と,お よ び,層 高 方 向 の 平均 還 元率 の ガ ス流 量 依 存 性 を少 な くす るた め に は,0.13 ∼ 0.22m/s 以上 の空 塔 速 度 が 必要 な こ とを 報 告 して い る.し か しな が ら,こ れ らは い ずれ も特 定 条 件 単 独 の影 響 の 検 討 に と どまつ てお り,必 ず しも十 分 な も の で は ない. こ の よ うな点 を 考 慮 して,本 研 究 で は,高 炉 内 条件 近 似 を 基 本 とす る荷 重 還 元 試 験 法 に お い て,試 験 結 果 に及 ぼす 荷 重,ガ ス流 量,試 料 粒 度 お よび充 填 層 高 の影響 お よび そ れ らの 適正 組 み 合 わ せ に つ い て,実 測 お よび 数式 モ デ ル に よ り総 合 的 に検 討 し,ま た,試 験 結 果 の評価 基 準 に つ い て も検 討 した.以 下 に,そ の結 果 を報 告 す る. 2.試 験 装 置 Fig.1に 試 験 装 置 の概 略 を示 す.装 置 の 基 本原 理 は 次 の とお りで あ る.ま ず,ガ ス混 合 ・供 給 装 置 に よ り所 定 の 流 量(定 値 制御)お よび組 成(CO- CO2- N2 プ ログ * 昭 和 54 年 10 月 18 日 本 会 講 演 大 会 に て 発 表 昭 和 55 年 3 月 27 日 受 付(Received Mar. 27, 1980)** 日 本 鋼 管(株)技 術 研 究 所 福 山 研 究 所(Fukuyama Laboratories, Technical Research Center, Nippon
Kokan K. K., 1 Kokan-cho Fukuyama 721)
*** 日 本 鋼 管(株)福 山 製 鉄 所(Fukuyama Works , Nippon Kokan K. K.)
ラム制御)に 制 御 され た 入 ロガ ス は,赤 外 線 式 分 析 計 (CO,CO2)お よび ター ビ ソ式 流 量 計 に よ り,組 成 お よ び流量 を 再 度 測定 され,ガ ス 予 熱 炉(max. 600℃)を 経 て,タ ソマ ン炉(75kVA)内 に 導 入 され る.タ ンマ ン炉 内の黒 鉛 る つ ぼ(内 径120 mmφ)に 充 填 され た試 料 は, 所定 の荷重 お よび 温 度 条 件(い ず れ も プ ログ ラ ム制 御) 下 で,こ の ガ スに よ り還 元 され る.出 口 ガ スは,冷 却 器 に よ り常 温 まで冷 却 され た後,流 量 お よび 組 成 が 測 定 さ れ る.な お,入 口お よび 出 口 ガス の 組 成 (CO, CO2) は lmin間 隔 で そ れ ぞれ 交 互 に 測 定 され,溶 融 滴 下 試 料 は, 炉 下部 に 設 け た 回転 式 水 冷 盤 に よ り,時 系 列的 に採 取 で きる よ うに な つて い る. 3. 測 定 項 目 通 常 の測 定 項 目は, i)充 填 層 直 上 の ガ ス温 度, ii) 充墳 層 高 の変 化,iii)充 填 層 の圧 損,iv)入 ・出 ロ ガス の組 成(CO,CO2)お よび 流 量,v)試 料 の層 高 方 向 の 平均還 元 率,vi)試 料 層 の通 気 抵 抗 指 数 で あ り,必 要 に 応 じて,vii)滴 下物 の量 お よび 化 学 組 成 も 調 査 され る. 試料粒 子 の 温度 は,種 々 の ガス 流 量 条件 下 で,試 料粒 子 中に シ ース 熱電 対 を 埋 込 む 方 法,テ ン ピル ペ レ ッ ト装 入 に よる方 法(い ず れ も1200℃ 以下)お よび試 料 層 中 に 装 入 した コー クスの 格子 定 数(L,)変 化 を 測 定 す る方 法 (12000C以 上)に よ り推 定 した.(以 後,特 に こ とわ ら な い限 り,温 度 とは粒 子 温 度 を 指 す も の とす る.)層 高 方 向 の平 均 還 元 率 万 は,項 目(iv)と 試 料 の酸 素 バ ラ ンス か ら試 験 後 に計 算 され,通 気 抵 抗 指 数Kは,斧 ら1)に よ り 提 案 され た(1)式 を 用 い て,項 目(ii)∼(iv)か ら同 じ く 試 験 後 に 計 算 さ れ る.
( 1 )
こ こ で,G:ガ ス の 空 塔 質 量 速 度 (kg/ m2・s) L: 充 填 層 高 (m) ap: 圧 損 (kg /m2) ρ9: ガ ス の 密 度 (kg /m3) μ: ガ ス の 粘 度 (kg /m・s) K: 通 気 抵 抗 指 数(M. K. S 単 位) (1)式 の 計算 に あ た つ て は,後 述 す る 試 料 層 上 下 の 黒 鉛 粒子 層 の影 響 も考 慮 す る 必 要 が あ るが,黒 鉛 粒子 の み を充 填 した場 合,層 高 お よび圧 損 は ほ とん ど変化 しな い とい う事 実 か ら,黒 鉛 粒 子 層 につ いて は,こ の2因 子 は 全 温 度 域 を 通 じて 一 定 で あ る と して 計 算 した.な お, 混 合 ガス の粘 度 は, SuTHERLAND の式 14) か ら計 算 した 各 成 分 ガ ス の粘 度 を, WILKEの 式14)に 代 入 して 求 め た.4. 適 正 試験 条件 の 検 討
高 炉 内 条 件 近 似 を 基 本 とす る 荷重 還 元 試験 に つ い て, 予備 試験 に よる 実 測,お よび,固 定 層還 元 モ デ ル に よ る 実 測結 果 の解 析 を総 合 した結 果,一 応 適正 と考 え られ る 試 験 条件 と して,Fig. 2 に示 す 条 件 が 得 られ た. 以 下 に,こ れ らの検 討 内容 につ いて 説 明す る.1852 鉄 と 鋼 第 66 年 (1980) 第 13 号 4・1 予 備 試 験 条件 4・1・1 試 料 供 試 試 料 は,工 業 規 模 で 生 産 され て い る酸 性 ペ レッ ト 1銘 柄 お よ び 自溶 性 焼 結 鉱1銘 柄 の2種 で あ る.こ れ ら の化 学 組 成 お よび気 孔 率 を Table 1 に示 す. 4・1・2 予 備 試 験 条 件 試 験 結 果 に及 ぼす 荷 重,ガ ス流 量,試 料粒 度 お よび充 填 層 高 の影 響 に つ い て調 査 す るた め, Table 2 に示 す 条 件 で 予 備 荷重 還 元試 験 を行 つ た.な お,焼 結 鉱 と酸 性 ペ レッ トの層 高 の 差 は,試 料充 填 量 を 一 定(T. Fe 換 算 で 1kg)と した た め 生 じた もの で あ る.ま た,い ず れ の予 備 試 験 にお いて も,ガ ス ー粒 子 間 の熱 交 換,溶 融 物 の滴 下 しや す さ,層 高 方 向 の荷 重 分 布 な どを考 慮 して,試 料 層 の上 下 に は,そ れ ぞれ 層 高50mmお よび 100 mm の黒 鉛 粒 子 層(粒 子 径9.5 ∼ 12.7 mm)を 設 け た.層 内 ガ ス ・粒 子 温 度 一入 口ガ ス組 成 条 件 に つ い て は,当 社 高 炉 の 解 体 調 査結 果 お よび垂 直 ゾ ンデに よ る実 測結 果 に 基 づ い て,高 炉 内半 径 方 向 中 間部 で最 も一 般 的 と思 わ れ る条 件 (Fig。2)に 設 定 し,す べ て の予 備 試 験 で 一 定 と した.入 ロガ ス の 予 熱 に つ い て は,600℃ まで は この 層 内 ガス 温
Table 1. Chemical compositions of samples.
Table 2. List of preliminary test conditions.
度条 件 に 追随 させ,以 後 は600℃ 一 定 と した.な お, 予熱 に よ るガ ス組 成 の変 化 は,CO濃 度 でみ る と, 600 ℃(ガ ス温 度)で 約0.2% 程 度(予 熱 炉 入 口: 29.2, 出 口:29.0%CO)で あ り,試 料 下 部 の 黒 鉛 層 に よ る CO2濃 度 変 化 は,は,黒 鉛 のみ を 充 填 した 予 備 試 験 に よ る と,1000℃ (粒子 温 度)付 近 で 0.2% 以 下(タ ンマ ン炉 入 口:3.0,出 口: 2.8 ∼ 2.9% CO2) で あ り,い ず れ も極 め て 小 さい.た だ し,試 料 上 部 の 黒 鉛 層 に よ る ガス 組成 の変 化 に つ い て は,1000℃ 以 上 で 多 少 生 じて い る 可 能性 もあ るが,確 認 は して い な い.し か し,こ れ は 試 験結 果 お よび還 元率 の計 算 結 果 に なん ら影 響 を 与 え な い. 4・2 予 備 試 験 結 果 4・2・1 荷 重 の影 響 Fig. 3 に荷 重 条 件 のみ を 変 え て行 つ た予 備 試 験 (A-1 ∼A-4) の結 果 を示 す .た だ し,荷 重 負荷 の パ タ ー ン は, RANKINE, ZENKov ら 15) に よる 高炉 内圧 力 分 布 の 推 定 計 算結 果 を参 考 に して,い ず れ の試 験 に お い て も,層 内 ガ ス温 度 が200℃ か ら 900℃ に 上 昇 す る間 は 直 線 的 に増 加 させ,9000Cで 所 定 の荷 重(最 大 荷 重)に 達 した 以後 は,こ の値 で一 定 と した.(以 後,荷 重 とは この 最大 荷 重 を示 す もの とす る.) Fig. 3 か ら明 らか な よ うに,焼 結 鉱 と酸 性 ペ レ ッ トを 比 較 した場 合,収 縮 曲線 お よび通 気 抵 抗 曲線 の形 状 に は か な りの差 が 認 め られ るが,こ れ らの荷 重 依 存 性 は よ く 一 致 して い る.す なわ ち,荷 重 1 kg/cm2 以下 では,荷 重 が 小 さ くな る程,収 縮 率 お よ び通 気 抵 抗 指 数 の上 昇 開 始 温 度 が 高 くな る傾 向が あ るが,荷 重 が 1 kg/cm2 以 上 に な る と,こ れ らの荷 重 依 存 性 は極 め て小 さ くなつ て い る. 4・2・2 ガ ス流 量 の影 響 Fig. 4 に ガ ス流 量 の水 準 のみ を変 え て行 つ た予 備 試 験 (B-1 ∼ B4) の結 果 を示 す.図 か ら明 らか な よ うに,焼 結 鉱,酸 性 ペ レ ッ トいず れ に つ い て も, 50 Nl/min 以下 で は,ガ ス流 量 の減 少 に よ り層 平 均 還 元率 が大 き く低 下 して お り,そ の ガ ス流 量依 存 性 を少 な くす る た め に は, この 粒度 お よび 層 高 で は, 70∼90 Nl/min (標準 状態 空 塔 速 度 10∼13 cm/s) 以 上 必 要 で あ る こ とが わ か る. こ
1854 鉄 と 鋼 第 66 年 (1980) 第 13 号 れ は 吉 永 ら5>の 結 果 と よ く一 致 して い る.し か し,層 平 均 還 元 率 曲 線 の 形 状 お よび そ の 絶 対 値 に は,両 者 間 に か な りの差 が 認 め られ,酸 性 ペ レ ッ トの場 合, wustite か ら メ タル へ の還 元段 階 で,ペ レッ ト表 層 部 に緻 密 な me-tallic shell が形 成 さ れ る た め,焼 結 鉱 に比 べ て 高 温域 で の還 元 が著 し く停 滞 す る傾 向 が あ る.通 気 抵 抗 指数 の ガ ス流 量 依 存 性 も,層 平 均 還 元率 の そ れ とお お むね 対 応 して い るが,酸 性 ペ レ ッ トの場 合 特 に著 しい. 4・2・3 試 料 粒 度 の影 響 Fig. 5 試 料 粒 度 の水 準 だ け を 変 えて 行 つ た予 備 試 験 (C4∼C-4)の うち,酸 性 ペ レ ッ トに つ いて の結 果 を 示 す.い ず れ の試 料 に つ い て も,粒 度 が 小 さ くな るに つ れ て 層 平均 還 元 率 は 増 加 す るが,そ の依 存 性 は 焼 結 鉱 よ り 酸 性 ペ レ ッ トの方 が 大 き く,特 に1000℃ 以 上 で 顕 著 な 差 が 生 じて い る.通 気抵 抗 指数 に つ い て も同 様 で,い ず れ の試 料 に つ い て も,粒 度 の減 少 に よ り, 1200∼ 1300 0C以 上 で の値 が 低 くな る傾 向 が あ る が ,酸 性 ペ レ ッ ト の方 が よ り顕 著 で あ る.こ の原 因 は,通 気 抵 抗 指 数 の ガ ス流 量 依 存 性 の原 因 と同一 と思 わ れ,粒 度 の減 少 あ るい は ガ ス流 量 の増 加 に よ り,1000∼1200℃ で の到 達 層 平 均 還 元 率 が 高 くな る結 果,脈 石 と残 留 wustite の反 応 に よ る溶 融 ス ラ グ の生 成 が 抑 制 され る た め と推 定 され る. なお,軟 化 ・溶 融 過 程 に お け る試 料 の組 織 変 化 に つ い て は,別 報21)にて 報 告 す る. 4・2・4 充 填 層 高 の影 響 充 填 層 高 のみ を 変 え た 場 合,い ず れ の試 料 で も,層 高 の 増 加 と と もに 層 平均 還 元 率 は低 下 す るが,焼 結 鉱 の方 が そ の 依 存 性 が 大 きい.こ れ は,焼 結 鉱 の被 還 元性 (特 に1000℃ 以 上 で の 高温 被還 元 性)が 酸 性 ペ レッ トに比 べ て 高 い た め と考 え られ る .通 気 抵 抗 指 数 の 層 高依 存 性 に つ い て は,逆 に,酸 性 ペ レ ッ トの方 が 顕 著 で,焼 結 鉱 に つ い て は ほ とん ど認 め られ な い. 4・3 固 定 層 還 元 モデ ル に よ る ガ ス流 量,粒 度 お よび 層 高 条 件 の 検 討 本 荷 重 還 元 試 験 は,高 炉 内 で の移 動 層 還 元 過 程 を 固定 層 に よ りシ ミュ レー トす る微 分 層還 元 試 験 であ り,層 高
方 向 の還 元 率 の 幅 は で き るだ け小 さい こ とが 望 ま しい. また,層 高 方 向 の還 元 率 の 幅 お よび 平均 還 元 率 は,試 験 結 果 に 大 きな 影 響 を 及 ぼ し,特 に 酸 性 ペ レッ トの 場 合, そ の感 受 性 が 大 きい こ とが 予 備 試 験 か ら判 明 した.こ の よ うな 理 由か ら,多 界 面 未 反 応 核 モ デ ル16)18)に基 づ く固 定 層 還 元 モ デ ル(Appendix 参 照) を 用 い て,層 高 方 向 の還 元 率 分 布 お よび 平 均 還 元 率 に 及 ぼ す ガ ス流 量,粒 度 お よび 層 高 の影 響 に つ い て 更 に 検 討 した.計 算 は CO-CO2混 合 ガ スに よ る ヘ マ タ イ トペ レ ッ トの還 元 を 対 象 と した 、 ガ ス流 量 に よる層 平 均 還 元 率 の径 時 変 化 に つ い て, 実 測 値(予 備 試 験B-1∼B-4,試 料:酸 性 ペ レ ッ ト)と そ の 計算 値 をFig. 6 に示 す.ま た,そ の時 の還 元 率 分布 の計 算 値 をFig. 7 に 示 す.比 較 のた め,予 備 試 験 A - 4 を所 定 の温 度(1100, 1300, 1450℃) で 中 断 して実 測 した 還 元 率 分 布 をTable 3に 示 す.更 に,到 達 温 度 10000Cに お け る 層 高 方 向 の還 元率 の 幅 お よび平 均 還 元 率 の ガ ス流 量 依 存 性 の 計算 値 をFig.8に 示 す. これ らの 計 算 値 と実 測 値 を 比 較 す る と,計 算 の 前 提 条 件 が お お む ね満 足 さ れ る1000∼1100℃ 以 下 で は, 絶 対 値 の差 は あ つ て も,変 化 の傾 向は か な りよ く 一致 して い る.従 つ て,以 下 に 述 べ る計 算 結 果 の特 徴 は,こ れ 以 下 の温 度 領 域 に お いて は,お お む ね 実 際 の試 験(特 に酸 性 ペ レ ッ トの場 合)の それ に対 応 す る もの と 考 え ら れ る. 1) 層 高 お よび粒 度 が 一 定 の場 合, 1000℃ 付 近 に お
Fig. 5. Effect of particle diameter on degree of reduction and index of permeability resistance.
Fig. 6. Comparison of observed reduction curves
with calculated ones by three-interface model at various gas flow rate. (Bed height : 64 mm (calculation) , 65 + 5 mm (experiment) , Particle diameter : 12 mm (calculation) , 11.1•`12.7 mm (experi-ment) ) .
Fig. 7. Effect of gas flow rate on longitudinal
distribution
of calculated
degree of
1856 鉄 と 鋼 第 66 年 (1980) 第 13 号 け る層 平 均 還 元 率 の ガ ス流 量 依 存 性 は,あ る値 以上 に な る と急 激 に小 さ くな る.こ の時 の ガ ス流 量(以 後,臨 界 ガス 流 量 と称 す)は,層 高 60∼70 mm, 粒 度 8∼14 mm のヘ マ タイ トペ レ ッ トの場 合,80∼90Nl/min(空 塔 速 度12∼13 cm/s) で あ る.し か し,臨 界 ガ ス流 量 以 上 で も層 高 方 向 の還 元 率 の幅 は か な り大 き く,上 記 の試 料 条 件 下 で,1000QCに お け る こ の幅 を5%程 度 に お さえ る た め に は,200 N1/min (空塔 速 度 30 cm/s) 以 上 必 要 で あ る. 2) 層 高 一 定 で 粒 度 を小 さ く した場 合,臨 界 ガ ス流 量 は あ ま り変 化 しな い が,臨 界 ガ ス流 量 以 下 で の還 元 率 の 幅 の ガス 流 量 依 存 性 が 大 き くな る.こ れ は,粒 度 の減 少 に よ り,単 一 粒 子 の総 括還 元 速 度 が 大 き くな る結 果,低 流 量 側 で の 層 高 方 向 の ガ ス の還 元 ポ テ ンシ ャル の 幅が 大 き くな る た め と考 え られ る. 3) 臨 界 ガ ス 流量 を低 下 させ るた め に は,粒 度 を 大 き くす る よ り,層 高 を低 くす る方 が 効 果 的 で あ る. 4・4 適 正 試 験 条件 以 上 の結 果 に 基 づ い て,荷 重,ガ ス 流 量,粒 度 お よび 層 高 の 各 条 件 の 適 正化 に つ い て検 討 した.以 下 に,そ の 内 容 お よび結 果 を示 す. 荷 重 に つ いて は,高 炉 内に お け る荷 重 分布 の実 測 値 が ほ とん どな い た め,適 正 条 件 の判 断 基 準 が不 明確 で あ る が,筆 者 らは,荷 重 に よ る試 験 結 果 の 変化 お よび そ の ば らつ き を最 小 限 にす る こ とを 判 断 の 基準 と し,予 備 試験 結 果 に基 づ いて,荷 重 を 1 kg/cm2 に設 定 した. ガ ス流 量,粒 度 お よび 層 高 に つ い て は,試 験 結 果 に大 き な影 響 を 与 え る層 高 方 向 の還 元率 の幅 を で き るだ け小 さ くす る とい う観 点 か ら設 定 した.す な わ ち,層 高 は, 充 填 層 と して の 特 性 が 失 わ れず,試 験 結 果 の ば らつ きが 大 き くな らな い範 囲 で,で き るだ け 小 さ くす る こ とが 望 ま し く,充 填 粒子 層数 と して4∼6層 程 度 が 適 当 と考 え られ る 。 ガ ス流 量 は,そ の層 高 に 対 応 す る 臨界 ガ ス流 量 以 上 に す る こ とが 望 ま しい.粒 度 に つ い て は,i) 臨 界 ガ ス 流 量 お よび還 元 率 の幅 の粒 度 依 存 性 は それ 程 大 き く な い,ii) 粒 度 が るつ ぼ径 の1/10以 上 に な る と,る つ
Table 3. Longitudinal distribution of degree of reduction.
Fig. 8. Effect of gas flow rate, particle diameter
and bed height on mean calculated degree
of reduction rk)
and the difference
in
calculated
degree of reduction between
ぽ 内壁 近 傍 で の ガ ス の channeling の影 響 が大 き くな る 2),血)ペ レッ トの平 均 粒 度 は10∼15 mm程 度 で あ る; こ とな どを 考慮 す る と,筆 者 らの装 置 条 件 で は,お のず か ら12土1mm程 度 に 限定 され る.こ の よ うな理 由に よ り,内 径120mmの る つ ぼ に対 して,ガ ス流 量 90 Nl/ min(空 塔 速 度13.3cm/s),粒 度11.1∼12.7 mm, 層 高 65 ± 5 mm を 適 正 条 件 と して設 定 した. Fig. 2 に 示 した試験 条件 は こ の よ うに して設 定 され た も ので あ る. 5. 高 温 性 状 の 評 価 基 準 試 験 結 果 か ら高 温 性 状 の 良否 を評 価 す る ため の基 準 に つ いて は,高 温 性 状 と高炉 操 業 成 績 とを 結 びつ け る デ ー タが 十 分 で な いた め,必 ず し も明確 で は な いが,高 炉 解 体調 査 結 果か ら推 定 して,次 の よ うな評 価 基 準 が 一 例 と して 考 え られ る.す な わ ち,i)圧 損 が 100 mm H20 とな る温度(軟 化 開 始 温度 の近 似 値) T1お よび 滴 下 開 始温 度T2が 高 く,か つ,そ の差AT (=T2 - T1) が 小 さい こ と,ii) T1(ま た は1000℃)∼T2 間 の通 気 抵 抗 指数 の積 分値 ΣKお よび そ の 温度 平 均 値 玉「が 小 さい こ と,hi) 1000∼ 1200℃ で の到 達 層平 均 還 元 率7ご が 高 い こ と;で あ る. 適 正試 験 条件(Fig. 2) 下 で得 られ た焼 結 鉱 お よび酸 性 ペ レ ヅ トの これ らの特 性 値 を Table 4 に示 す.上 述 の 基 準 に 基 づ い て これ を評 価 す る と,焼 結 鉱 の 高温 性 状 は,酸 性 ペ レ ッ トに比 べ て,総 合 的 に優 れ て い る と考 え られ る.し か し,上 述 の評 価 基 準 の妥 当性 に つ い て は検 討 の 余地 が あ り,今 後 の課 題 と して 残 され る. こ こで 注 目す べ き こ とは,Fig.9に そ の一 部 を示 す よ うに,焼 結 鉱,酸 性 ペ レ ッ トいず れ に つ い て も,1000∼ 12000Cで の到 達 層平 均 還 元 率 万 が 高 くな る 程,軟 化 ・ 溶 融 特性 が よ くな つ て い る(T1, T2 が 高 く, ΔT, ΣK, π が小 さ くな つ て い る)こ とで あ る.こ れ らの結 果 は ガス 流 量 の 水 準 を 変 え た 予備 試験(B-1 ∼ B-4) か ら得 ら れ た もの で あ り,田 代 ら11)の結 果 と も一 致 す る.こ の こ とは,高 炉操 業 条 件 に よつ て この温 度 付近 の到 達 還 元率 を 高 くす る(操 作 特 有 の被 還 元性 の 改 善)か,あ る い は,試 料 固有 の被 還 元 性 を高 くす る こ とが で きれ ば, 高 炉 内 で の軟 化 ・溶 融 特 性 を 改 善 す る こ とが 可 能 な こ とを 示 唆 して い る. 逆 の見 方 を す れ ば,高 温 性 状 測 定 法 と して の荷 重 還 元 試 験 に お い て は,試 験 結 果 に 与 え る操 作 特 有 の被 還 元 性 の 影 響 を で き るだ け 少 な く し,試 料 固 有 の 被還 元 性 の影 響 を 最 大 限 に 検 出 で き る よ うな 試 験 条 件 が 望 ま し く, Fig.2に 示 した 適 正 試験 条 件 は,前 述 の 検 討 内 容 か ら明 らか な よ うに,こ の 要 求 を ほ ぼ満 た して い る と考 え られ る. 6. 結 言 高 炉 内 条 件 に 近 似 させ た 荷 重還 元試 験 に つ い て,実 測 お よび 固定 層還 元 モ デ ル に 基 づ く計算 に よ り,適 正試 験 条 件 の 検 討 を 行 つ た.ま た,試 験 結 果 か ら高温 性 状 の 良 否 を 評 価 す る 基 準 に つ い て も検 討 した. 得 られ た 結 果 を 次 に 要 約 す る. (1) 荷 重,ガ ス 流 量,粒 度 お よび 層 高 条 件 の い ず れ の変 更 に よつ て も,試 験 結 果 は 変 化 す る.そ の 変 化 幅 は 焼 結 鉱 よ り酸 性 ペ レ ッ トの方 が 大 きい.
Table 4. Softening and melting characteristics of samples.
Fig. 9. Relation between softening and melting characteristics and mean degree of reduc-tion achieved at 1 000 and 1 200•Ž for sinter and pellets.
1858 鉄 と 鋼 第 66 年 (1980) 第 13 号 (2)層 高 方 向 の還 元 率 の幅 は で き るだ け 小 さ くす る 必 要 が あ り,そ の た め に は,i)層 高 は,充 填 層 と して の特 性が 失 わ れ な い 範 囲 で,で き るだ け 小 さ くす る. ii) 粒 度 は, 10 mm ∼ る つ ぼ径 の 1/10 程 度 に す る. iii) ガ ス流 量 は,層 平 均 還 元 率 の ガ ス流 量 依 存 性 が 小 さ くな る ガ ス流 量 以 上 に す る;こ とが 望 ま しい 。 また, 荷 重 は,試 験 結 果 の荷 重 依 存 性 が 大 き くな らな い 範 囲 で 小 さ くす る こ とが 妥 当 と思 わ れ る。 こ の よ うな 観 点 か ら適 正 試 験 条 件 を 設 定 した. (3) 高 温 性 状 の評 価 基 準 と して, i)軟 化 開 始 お よ び 滴 下 開 始 温 度 が 高 く,そ の温 度 差 が 小 さい こ と, ii) 軟 化 ∼ 滴 下 問 の 通 気 抵 抗 が 低 い こ と,iii) 1000∼ 1200 ℃ で の到 達 還 元 率 が 高 い こ と;を 考 え た .こ の基準か らみ る と,焼 結 鉱 の 高 温 性 状 は 酸 性 ペ レッ トよ り優 れ て い る. (4) 1000∼ 1200℃ に お け る到 達 還 元 率 と軟 化 ・溶 融 特 性 の 間 に は 密 接 な 関 係 が あ り,操 作 固 有 あ るい は 試 料 固 有 の 被還 元 性 を 高 くす る こ とに よつ て,高 炉 内 で の 軟 化 ・溶 融 特 性 を 改 善 で き る こ とが 推 定 され た. 終 わ りに,本 研 究 を 進 め るに あ た り,貴 重 な 御 助 言 を 賜 つ た 東 北 大 学 選 鉱 製 錬 研 究所 教 授,大 森康 男 博士 に 深 甚 な る 謝 意 を表 します. Appendix 多 界 面 未 反 応 核 モ デ ル に 基 づ く固 定 層還 元 モ デ ル 基 礎 式 の誘 導 に あ た り,以 下 の 仮 定 を 設 け た. (i) 層 内 の 温 度 は均 一 で,粒 子 と ガス の 温 度 は 等 し い. (ii) 粒 子 径 お よび 空 隙 率 は 均 一 か つ 一 定 で あ る. (iii) ガス 流 れ は 押 し出 し流 れ で あ る. 以 上 の仮 定 の も とで,層 内微 少 体 積 に つ い て,ガ ス お よび 粒 子 側 の物 質 収 支 を と る と, (A-1), (A-2) 式 が 得 られ る.
(A-1 )
(A-2 )
こ こ に,添 字iは 多 段 反 応 に お け るi段 目 の 反 応 を 指 し,総 括 還 元 率Rは (A-3) 式 か ら 求 め ら れ る. R = 0.1111 RM + 0.1872 RW + 0.7017 RF… (A-3) 初 期 お よ び 境 界 条 件 は,そ れ ぞ れ (A-4), (A-5) 式 で 与 え ら れ る.(
θ = 0 で Ri = Ri°(A-4 )
Z = 0 で Y(θ)=Y°(θ)(A-5 )
(A-1)∼(A-3)式 を(A-4),(A-5)式 お よ び 所 定 の 温 度 条 件 下 で 計 算 す る と,任 意 の 時 間 θ に お け る ガ ス 組 成Y,各 段 階 の 還 元 率Riお よ び 総 括 還 元 率Rの 層 高 方 向 分 布 を 求 め る こ と が で き る.計 算 は 特 性 曲 線 法 に よ り 行 い,数 値 積 分 に は RUNGE - KUTTA - GILL 法 を 用 い た. な お,時 間 お よ び 距 離 の 差 分 は,そ れ ぞ れΔ θ = 120s, ΔZ=1/2DP と し た. 単 一 粒 子 の 総 括 還 元 反 応 速 度 Vi の 計 算 に は,最 初, SPITZERら18)が 提 案 し,原 ら16)が 改 良 し た 多 界 面 未 反 応 核 モ デ ル を 用 い た.ま た,こ れ に 必 要 な 化 学 反 応 速 度 定 数 お よ び 粒 子 内 有 効 拡 散 係 数 は,い ず れ も 村 山 ら17)が CO-CO2混 合 ガ ス に よ る ヘ マ タ イ トペ レ ッ トの 還 元 実 験 に よ り 求 め た 値 を 使 用 した.た だ し,Fe304→Feの 化 学 反 応 速 度 定 数 に つ い て は 文 献 値 が な い の で,便 宜 的 に Fe203→Fe304の そ れ を 使 用 した が,こ の 反 応 は 実 際 に は 生 じ て い な い た め,計 算 結 果 に は 影 響 が な い.ま た, ガ ス 境 膜 物 質 移 動 係 数 は 城 塚 ら の 式19),ガ ス 拡 散 定 数 は 藤 田 ら の 式20),各 成 分 ガ ス の 粘 度 は SUTHERLAND の 式 14),混 合 ガ ス の 粘 度 はWILKEの 式14)を 使 用 し て 求 め た 。 こ こ で, do・i : 粒 子 中 の 被 還 元 酸 素 濃 度(g-mol / g) Dp : 粒 子 径 (cm) G : ガ ス 流 量(g - mol / S) R: 総 括 還 元 率(一) Ri°, Ri : 初 期 還 元 率 お よ び 還 元 率 (一 ) s : 充 填 層 断 面 積(cm2) Uo : 標 準 状 態 ガ ス 空 塔 速 度 (cm / s) Vi : 単 一 粒 子 の 総 括 還 元 反 応 速 度(g- mol / s) Wp : 粒 子1個 の 重 量(g)Yo,Y : 入 口CO濃 度 お よ びCOガ ス 濃 度 (一 ) Z:層 底 か ら の 距 離 (cm ) εB : 充 填 層 空 隙 率 (一 ) θ : 時 間 (s )
添字
i : M (Fe2O3•¨Te3O4) , MF (Fe3O4•¨Fe) W (Fe3O4•¨FeO) , F (FeO•¨Fe)文
献
1 ) 斧 勝 也,肥 田 行 博,重 見 彰 利,児 玉 惟 孝;鉄 と 鋼, 61 (1975), p. 777 2 ) 西 田 信 直,重 見 彰 利,斧 勝 也,山 口 一 良:学 振 54 委,物 測 小 委- 5010 (1976) (昭 和 51 年 7 月) 3 ) 下 村 泰 人,有 野 俊 介:学 振 54 委,物 測 小 委-5205 (1977) (昭 和 52 年 7 月) 4 ) 吉 永 真 弓:学 振54委,物 測 小 委-5208 (1978) (昭 和 53 年 2 月) 785) 吉 永 真 弓,宮 崎 富 夫,下 田 輝 久:学 振 54 委, 物 測 小 委 -5304 (1978) (昭 和 53 年 11 月)
6) 下 村 泰 人,九 島行 正,沖 川 幸 生,有 野 俊 介:学 振
54 委, 物 測 小 委 -5306 (1978), (昭 和 53 年 11 月)
7 ) O. BURGHARDT
and K. GREBE: Stahl u. Eisen,
89 (1969), p. 561
8) P. BARNABA,
M. CECCARINI,
and R. FONTANA:
Boll. Tech. Finsider, Feb. (1976), p. 69
9) P. BARNABA
and M. PALCHETTI: Boll. Tech.
Finsider, Dec. (1976), p. 744
10) 福 安 憲 司,石 井 邦 宜, 近 藤 真 一,吉 井 周 雄:学 振 54 委,反 速 小 委 -87 (1978) (昭 和 53 年 11月) 11) 田 代 清,相 馬 英 明,高 田 司:「 還 元 研 究 会 」 資 料 (1979) (昭 和 54 年 3 月) 12) 土 屋 脩, 小 野 田 守,藤 田 勇 雄: 鉄 と 鋼, 65(1979) , p. 349
13) 成 田 貴 一,前 川 昌 大,北 村 雅 司,金 山 宏 志:鉄 と 鋼, 65 (1979), p. 368 14) 佐 藤 一 雄:物 性 定 数 推 算 法, (1972), p. 77 [丸 善]15) K. POLTHIER: Stahl u. Eisen, 87 (1967), p. 960
16) 原 行 明:鉄 と 鋼, 63 (1977), p. 1894 17) 村 山 武 昭, 小 野 陽 一,川 合 保 治: 鉄 と 鋼, 63
(1977), p. 1099
18) R. H. SPITZER, F. S. MANNING and
W. O.
PHILBROOK: Trans. Met. Soc. AIME, 242
