日本低碳高炉目前的进展及未来研究动向

日本钢铁业为了减少炼铁工序CO2的排放量，采用全氢高炉、全氧高炉、铁焦和含碳块矿等各种各样的方法。其结果是降低碳系还原剂的高炉，即低碳高炉，出现了各种问题，最大的特征是不得不大幅度降低焦炭使用量。研究结果表明，焦比有可能降低到200kg/t以下，如果从高炉操作的观点、特别是从透气性的观点来看，这将是非常严格的操作。为了解决上述问题，“为实现低碳高炉的固气液三相移动现象最优化研究会”进行了炉身、软熔带、炉下部和各区域的研究。本文概要介绍研究会的高炉课题以及今后的课题。

1低碳高炉操作的理念

说高炉操作的好坏基本由透气性和透液性决定，一点也不为过。如果高炉内的透气性良好，则煤气和固体的热交换、煤气的还原效率良好。另一方面，高炉透气基本由高炉内的填充结构决定。高炉内的填充结构大部分是由炉顶的炉料分布控制决定，而炉内的原料粉化和软化熔融的影响也较大。炉顶的炉料分布由装入装置、装入方法、炉料的物理性状决定，粉化和软化熔融由炉料的强度、反应性和化学组成决定。结果是原燃料性状、炉料分布技术、固气液在炉内的行为等，所有涉及高炉操作的要素都与透气性有关。

整个钢铁业都认识到以上课题，自1977年以来，日本钢铁协会的高温工艺部会设置了八个主要研究会（图1）。最初是以石油危机为背景，对伴随能源转换的低还原剂比、全焦操作、高喷煤比操作的研究，设立了如下的研究会。1977~1981年的高炉内反应部会、1989~1992年的填充层中的气固液移动现象研究会。1993~1996年的四流体的移动现象研究会。此外，由于1997年生效的京都议定书，虽然同样是低还原剂比操作。但研究课题转向以减排CO2为目的的高炉操作的研究，设立了以下的研究会。1997~2000年的高炉炉下部功能强化研究会、1999~2004年的以能源减半、环境负荷最小化为目标的高炉革新性冶炼反应相关的研究、2002~2005年的以CO2发生量最小化为目标的高炉极限现象控制研究会、2007~2010年的基于分散现象的新一代高炉数学模型的开发。研究对象从高喷煤比的煤粉行为，向高矿焦比时的炉内控制转变。由于高炉操作和研究的进步，其极限现象也发生变化，进行了应对这些变化的研究。在过去的研究会中，弄清现象和原理或对原料设计的建议，而且模拟模型取得了从二维到三维、从稳态到非稳态、从连续到离散的发展。

2011年建立的以实现低碳高炉为目标的固气液三相移动现象最优化研究会，作为极限的低碳高炉，提出了设定还原剂比400kg/t、焦比200kg/t操作时的高炉炉内控制的要素技术的课题。图2是从上世纪60年代的还原剂比与焦比及矿焦比（O/C）的关系。从60年代喷吹重油开始，随着还原剂比的降低，焦比也降低，O/C上升了。由于70年代后半期的石油危机，重油喷吹量减少，O/C一度上升。但随着喷吹煤粉的开始，焦比大幅度降低，O/C达到超过4的水平。最近正在实施O/C超过5的操作。研究会设定的还原剂比、焦比水平，O/C要达到8，所以需要高炉彻底改善透气性。为此，致力于无焦炭窗操作、氧化物的熔融行为控制、铁水熔融速度的高速化、熔融铁水、渣凝集速度的高速化以及还原、气化反应的高速化等课题的研究。

2未来研究动向

今后炼铁主要在以下几个方向进行研究：减排CO2、减少使用能量、降低成本、改善生产弹性等。这些都与降低焦比和大量使用廉价原燃料有关。在这种状况下，温度和还原率急剧变化的软熔带附近的控制非常重要。在工业高炉，温度、煤气成分和煤气流时刻在变化，出现各种波动。图3是高炉炉内的模拟结果，在高温区域，即使同一温度也会由于场所不同，出现不同的还原状态。期待在任何状态下原料都发挥最佳的性能。为了应对这些问题，不仅需要原燃料高温行为的微观基础分析和基于此的原燃料设计，而且需要通过有机地将连续模型和离散模型结合的模型和高炉整体操作的数理性控制方法的研究，开发综合性分析、控制高炉整体行为的技术。

图3 煤气温度与还原率之间的关系