JP2005036305A - ベルレス高炉の鉱石装入方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高炉内のガス流れの安定化を図って良好な通気性を確保し、安定操業を維持できるベルレス高炉の鉱石装入方法を提供する。
【解決手段】鉱石を2分割以上で装入するに際して、コークス層斜面に向けて装入する鉱石第1バッチをO1（質量：W_O1）、コークステラス上に装入する鉱石第mバッチをOm（質量：W_Om）、鉱石最終第nバッチをOn（質量：W_On）としたとき、下記(1)式および(2)式を満たすベルレス高炉の鉱石装入方法。
W_O1/O1旋回数≧W_O110t/旋回・・(1)、W_Om/Om旋回数≦5t/旋回・・(2)、(2≦m≦n)
鉱石装入量が下記(3)式を満たすか、または、（コークステラス長さ／炉口半径）の値が0.15〜0.30の範囲を満たせば、より安定した中心ガス流を確保できる。
W_O1≧2.7×(W_O2＋・・・＋W_On)・・(3)
【選択図】 図１

Description

本発明は、高炉操業における鉱石の装入方法に関し、詳細には、高炉炉頂部に炉頂バンカーおよび分配シュートを有し、炉内に装入する装入物の装入速度が制御可能なベルレス高炉の鉱石装入方法に関する。

高炉操業においては、 一般に、炉上部から還元剤および燃料としてのコークス、および鉄源としての焼結鉱、 ペレット、塊鉱石など（以下、これら鉄源を総称して「鉱石」と記す）が交互に装入され、 炉下部においては羽口から熱風が送風されると同時に微粉炭やタールなどの補助燃料が吹き込まれる。

高炉の安定操業を維持するためには、 良好な通気性を確保し、炉内ガス流れの安定化（すなわち、安定した中心ガス流および炉壁ガス流の確保）が必要である。通気性は、主として前記装入物（コークスおよび鉱石）の性状、粒度および装入量により大きく影響をうけるが、それ以外に、炉頂からの装入物の装入方法、つまり、炉内に装入する装入物の分布状況（以下、「装入物分布」と記す） によっても大きく左右される。

この装入物分布の制御については、 従来から、高炉の半径方向におけるコークス層と鉱石層の質量比（以下、「（Ｏｒｅ／Ｃｏｋｅ）」と記す）の制御が最もよく用いられており、 特に安定したガス流れを得るためには、ベルレス高炉またはベル高炉のいずれの場合にも、炉中心部における（Ｏｒｅ／Ｃｏｋｅ）の値を小さくするのが有効であることが知られている。
炉中心部の（Ｏｒｅ／Ｃｏｋｅ）の値を低下させる方法として、例えば、特許文献１には、コークスの装入を経時的に少なくとも２系列に分け、初期の装入系列では総装入コークス量の９２〜９８.５重量％を前装入の鉱石層を全て覆うように装入し、最後の装入系列では残りの１．５〜８重量％のコークスを炉中心部へ装入して炉中心部の（Ｏｒｅ／Ｃｏｋｅ）の値を小さくする方法が開示されている。

また、非特許文献１には、「ベルレス高炉における装入物分布シミュレーションモデルの開発」と題する論文において、鉱石装入時のコークス層崩れによって炉中心部にコークスと鉱石の混合層が形成され、炉中心部において、（Ｏｒｅ／Ｃｏｋｅ）の値が顕著に低下することが記載されている。非特許文献２には、「ベルレス装入法における装入物分布推定モデルの開発」と題する論文において、鉱石の装入により炉壁部と中間部のコークス表層部が炉中心側に押し出されて崩れが生じ、崩れたコークスは炉中心部に多く堆積することが記載されている。

一方、前記の炉中心部における（Ｏｒｅ／Ｃｏｋｅ）の値を低下させて炉内の通気性を確保する方法とは別に、鉱石を粒度別に分割して高炉内に装入し、通気性の改善を図る方法も一般的に知られている。この鉱石分割装入法においては、分割したバッチごとに分配シュートの旋回数および傾動角を設定して装入量および装入位置を決め、装入物分布制御を行っている。これは、鉱石を粒度別に分割して装入することにより、さまざまな粒度の鉱石を混合した状態で装入するよりも通気性が改善される効果を狙ったもので、粒径の小さい鉱石や粉化が予想される劣質装入物を炉壁側に装入する場合が多い。

鉱石を粒度別に分割して高炉内に装入する代わりに、装入物装入速度を制御して炉内半径方向における粒径分布を制御する方法も公知である。ベルレス装入装置には、炉頂バンカーの排出口に開度制御装置（流量調整ゲート）が設けられており、この開度を調整することによって原料装入速度を変化させることができるが、特許文献２には、鉱石を２分割し、２回目の装入の開始時に流量調整ゲートの開度を１回目の装入時よりも絞り、装入速度を減少させる方法が提案されている。装入速度を減少させると炉内の堆積物斜面上での再分級が促進され、炉中心部に堆積する鉱石の粒度は大きくなる。

このように、従来、装入物分布の制御においては、炉中心部の（Ｏｒｅ／Ｃｏｋｅ）の値を小さくする方法、鉱石の分割装入ないしは装入物の装入速度の制御により粒度別装入効果を利用する方法などにより通気性を改善し、操業の安定化を図ってきた。

しかしながら、炉中心部の（Ｏｒｅ／Ｃｏｋｅ）の値を小さくし、かつ鉱石を粒度別に分割装入しても、不測の外乱などにより炉内ガス流れや荷下り速度に円周方向偏差が発生すると、通気性の悪化を招く。

これは、炉頂部での装入物層は炉中心部を底部とする「すり鉢形状」を呈していることに起因する現象である。例えば、鉱石の装入速度を遅くした場合や、鉱石を「コークステラス」の肩部付近ではなく炉壁部近傍に集中して装入した場合には、コークス層上に装入した鉱石が十分に下層のコークス層を崩すことなく、炉中心部に流れ込んで炉中心部の（Ｏｒｅ／Ｃｏｋｅ）の値を増大させたり、鉱石が炉壁部近傍に止まったままとなり、炉中心部の（Ｏｒｅ／Ｃｏｋｅ）の改善に何ら寄与しない。ここで、「コークステラス」とは、炉壁部近傍に形成される堆積層の表面が水平なコークス層の部分をいう。また、鉱石の装入量が多い場合や、装入速度が速い場合には、鉱石を分割して炉壁側に装入した時に、コークステラス上にその全量が堆積せずに、一部が炉中心部に流れ込み、中心部の（Ｏｒｅ／Ｃｏｋｅ）の値を増大させる。

この現象は、常に起こるわけではなく、何らかの外乱により不連続的に発生し、その都度、通気性の大きな変動を招いて炉況の不安定を惹起し、安定操業を阻害しやすい。

この対策の一つとして考えられたのが、分配シュートの傾動角を小さい角度から大きい角度へ変更して、原料を炉中心側から炉壁側に装入する「逆傾動装入方式」の採用である。例えば、特許文献３には、１チャージ分の鉱石および／またはコークス装入量を２バッチ以上に分割し、分割したバッチのうち最少量のバッチの原料を最終バッチとして炉壁近傍に装入する原料装入方法が開示されている。この方法によれば、鉱石を炉中心側から炉壁側に積み上げることになるので、前述した鉱石の炉中心部への流れ込みを回避することが可能である。

しかし、この逆傾動装入方式では、分配シュートの傾動角を小さい角度から大きい角度へ、すなわち分配シュートを鉛直方向から上方に向かって重力に逆らって上昇させていくため、駆動装置に過度の負荷がかかる。また、稼動中の高炉において前記駆動装置の改造を行わずに実施するのは、トラブル発生の危険性が高い。さらに、前記特許文献３に記載の方法は、逆傾動装入方式において生じやすい炉壁近傍の（鉱石層厚／コークス層厚）の値の変動に起因する炉壁近傍のガス流れの変動を最小限に抑制することを目的とするものであり、後述するように、外乱の影響を最小限に抑えて良好な通気性を確保する本発明とは目的が相違する。

前記特許文献１に記載の方法において、炉中心部に装入するコークス量を外乱に耐え得るように増加させる方法も考えられるが、炉中心部だけに依存する装入物分布の制御方法であるため、中心部のガス流れ過多による炉全体としての反応効率の悪化、炉頂装入機器本体の温度上昇などの問題が発生する。

また、特許文献２に記載された、鉱石装入速度を低下させて堆積物斜面上での再分級を促進する方法によれば、炉中心部堆積物の粒子径増大による通気性改善は期待できるが、（Ｏｒｅ／Ｃｏｋｅ）の値の増加による通気性の悪化も免れず、問題の解決には至らない。

また、コークステラスの炉半径方向長さを調整することにより、通気性を改善する方法も提案されている。特許文献４には、コークス層の炉壁内側から肩部までの距離ｒにおいて堆積物表面が水平になったテラス部をもち、炉口半径ｒ₀に対する距離ｒの比率で表されるテラス長さ比ｒ／ｒ₀が０．２７以下となるようにコークス層の堆積形状を制御し、粗粒コークスを主体とする混合層を炉口軸心部に形成する装入物分布制御方法が開示されている。この方法は、コークス層崩れを大きくして、コークスの斜面分級効果により、炉口軸心部への粗粒コークスの供給量を増加し、炉芯部の通気および通液性を改善しようとするものである。

特許文献５には、上記ｒ／ｒ₀の値が０．３以下で、コークス層の傾斜角が１０〜２０度となるように堆積させる高炉操業方法が開示されている。ここで開示された方法は、コークス層崩れを防止することにより、コークス層崩れに起因するコークス層厚の低下による通気性の悪化を抑止しようとするものである。

上記の特許文献４および５に開示された方法は、いずれもコークステラス長さを所定長さ以下に調整することにより、高炉の通気性を改善しようとするものである。しかし、特許文献４に開示された方法では、コークステラスの崩れ防止の対策が考慮されておらず、安定なコークステラスを形成することは困難である。また、特許文献５に開示された方法では、コークス層崩れによる効果の有効活用が考慮されておらず、炉芯の通気および通液性の確保が困難である。

特開昭６０−５６００３号公報（特許請求の範囲など）

梶原義雅他４名：鉄と鋼、Ｖｏｌ．７１(1985)、Ｎｏ．２、１７５〜１８２頁 奥野嘉雄他４名：鉄と鋼、Ｖｏｌ．７３(1987)、Ｎｏ．１、９１〜９８頁 特開平５−２７９７１５号公報（特許請求の範囲および段落［００１４］〜［００１８］） 特開２０００−２３９７１４号公報（特許請求の範囲および段落［００２１］） 特開２０００−２１２６１３号公報（特許請求の範囲および段落［０００８］） 特開２００３−１３８３０４号公報（特許請求の範囲および段落［００１４］）

前述したとおり、高炉を安定させ、効率の高い操業を行うためには良好な通気性を維持することが重要であり、そのためには、炉中心部における（Ｏｒｅ／Ｃｏｋｅ）の値を小さくすること、鉱石粒度別分割装入などが有効とされている。しかしながら、このような方法を採用しても、何らかの外乱により炉内ガス流れや荷下り速度に円周方向偏差が発生すると、炉内の通気性悪化を招くことがある。

本発明は、このような外乱に起因する炉内ガス流れや荷下り速度の円周方向偏差の影響を最小限に抑えて、炉内ガス流れの安定化を図り、良好な通気性を確保して高炉の安定操業を維持できるベルレス高炉の鉱石装入方法を提供することを課題としている。

本発明者らは、前記の課題を解決するために冷間模型実験による検討を重ねた結果、炉中心部を底部とする「すり鉢形状」を呈し、炉壁近傍は「テラス形状」を形成しているコークス層上に鉱石を分割して装入する場合に、
(1)コークス層の斜面崩れおよびコークスの流れ込み量増加による中心ガス流の確保
(2)コークステラス上への鉱石の安定した堆積による中心ガス流の確保
の二つを同時に達成し、炉中心部の（Ｏｒｅ／Ｃｏｋｅ）の値をできる限り小さくするこ
とが重要であることを把握した。さらに、上記（１）および（２）を達成するために、コークステラス長さの調整を行うことが重要なことも明らかとなった。本発明は、上記の事項を踏まえて得られた下記の（ａ）〜（ｅ）に示す知見に基いて完成されたものである。

（ａ）鉱石を分割装入する際に、先ず、コークス層斜面（コークステラスの肩部を含む）に向けて装入することにより、コークス層斜面崩れを起こさせ、コークスの流れ込み量を増加させることが可能となり、安定した中心ガス流を確保できる。

（ｂ）次に、鉱石をコークステラス上へ安定して堆積するように装入し、炉中心部への鉱石の流れ込みを防止することにより、前記（ａ）と同様に安定した中心ガス流を確保できる。

（ｃ）前記（ａ）を実現するためには、コークス層斜面に向けて鉱石を装入する際に、鉱石装入速度（Ａ）を高める（装入エネルギーを大きくする）こと、および前記（ｂ）を実現するためには、コークステラス上に鉱石を装入する際に、鉱石装入速度（Ｂ）を低下させる（装入エネルギーを小さくする）ことが必要であり、（鉱石装入速度（Ｂ）／鉱石装入速度（Ａ））の比は１／２以下とするのがよい。このような鉱石装入方法を採用することにより、安定した中心ガス流を確保できる。

（ｄ）コークステラス長さは、相対的に−２０％程度〜＋２０％程度の範囲内で変動するので、その変動量を勘案して、鉱石を炉中心部への鉱石流れ込みが生じないように、コークステラス上に装入することが好ましい。

（ｅ）上記（ｄ）を実現するためには、コークステラス長さの調整が重要であり、その調整範囲は、（コークステラスの長さ／炉口半径）の値を０．１５〜０．３０の範囲とすることが好ましい。

本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、その要旨は、下記の（１）〜（３）に示すベルレス高炉の鉱石装入方法にある。

（１）鉱石を２分割以上で装入するベルレス高炉の鉱石装入方法であって、コークス層斜面に向けて装入する鉱石第１バッチをＯ１（装入質量：Ｗ_O1）、 コークステラス上に装入する鉱石第ｍバッチをＯｍ（装入質量：Ｗ_Om）、鉱石最終第ｎバッチをＯｎ（装入質量：Ｗ_On）としたとき、前記鉱石第１バッチが下記（１）式を満たし、かつ、前記鉱石第ｍバッチが下記（２）式を満たすベルレス高炉の鉱石装入方法。

Ｗ_O1／Ｏ１旋回数≧１０ｔ／旋回 ・・・（１）
Ｗ_Om／Ｏｍ旋回数≦ ５ｔ／旋回 ・・・（２）
但し、２≦ｍ≦ｎ
（２）鉱石第１バッチから鉱石最終第ｎバッチまでの鉱石装入量が下記（３）式を満たす前記（１）に記載のベルレス高炉の鉱石装入方法。

（３）前記コークステラスの炉半径方向長さと炉口半径の比、（コークステラスの長さ／炉口半径）の値を０．１５〜０．３０の範囲に調整する前記（１）または（２）のいずれかに記載のベルレス高炉の鉱石装入方法。

本発明において、「コークステラス」とは、炉壁部近傍に形成される堆積層の表面が水平なコークス層の部分をいう。

「コークス層斜面に向けて装入」する場合の「コークス層斜面」とは、炉壁部近傍から炉中心部に向けてコークス層が形成する斜面を意味し、コークステラスの肩部も含まれる。

本発明のベルレス高炉の鉱石装入方法によれば、鉱石の分割装入とコークステラス長さの調整とを適切に組合わせることにより、コークス層崩れによる効果およびコークス層崩れ防止による効果のそれぞれの利点を生かしつつ、高炉内のガス流れを安定化して炉内の通気性を確保し、高炉の安定操業を図ることができる。

本発明のベルレス高炉の鉱石装入方法について詳細に説明する。本発明の鉱石装入方法は、前記のとおり、鉱石を２以上のバッチに分割し、コークス層斜面に向けて装入する鉱石第１バッチを下記（１）式を満足するように、そしてコークステラス上に装入する鉱石第ｍバッチを下記（２）式を満足するように装入する方法である。なお、下記（１）式および（２）式において、Ｗ_O1は第１バッチの鉱石の質量、Ｗ_Omは第ｍバッチの鉱石の質量である。また、第ｎバッチは最終バッチである。

Ｗ_O1／Ｏ１旋回数≧１０ｔ／旋回 ・・・（１）
Ｗ_Om／Ｏｍ旋回数≦ ５ｔ／旋回 ・・・（２）
但し、２≦ｍ≦ｎ
ここで、「Ｏ１」は鉱石（Ｏｒｅ）の第１バッチを表し、「Ｏ１旋回数」は、第１バッチの装入完了に要する分配シュートの旋回数を表す。「Ｗ_O1」はＯ１バッチの質量であるから、「Ｗ_O1／Ｏ１旋回数」は鉱石第１バッチの装入における１旋回当たりの装入質量を表す。

鉱石第１バッチ（つまり、Ｏ１バッチ）をコークス層斜面に向けて装入するのは、コークス層斜面崩れを起こさせ、コークスの流れ込み量を増加させて、炉中心部の（Ｏｒｅ／Ｃｏｋｅ）の値をできる限り小さくするためである。１バッチを装入するのに、通常は、分配シュートを複数回旋回させて炉壁側から炉中心側へ順に装入（順傾動装入）するが、ここでいう「コークス層斜面に向けて装入する」とは、その各旋回毎に全てコークス層斜面に向けて装入するのではなく、前記通常の順傾動装入を行うなかで、１バッチ全体としてコークス層斜面に向けて、すなわち前記コークス層斜面崩れを起こさせるように装入することを意味する。

鉱石第ｍバッチ（つまり、Ｏｍバッチ）をコークステラス上に装入するのは、コークステラス上へ安定して堆積するように装入し、炉中心部への鉱石の流れ込みを防止するためである。このＯｍバッチの装入も、通常は、分配シュートを複数回旋回させて行うが、コークステラス上から外れて装入された鉱石は、そのまま炉中心側へ流れ込み、（Ｏｒｅ／Ｃｏｋｅ）の値を上昇させるので、ここでいう「コークステラス上に装入する」とは、文字どおりコークステラス上に装入して、その位置に安定して堆積させることを意味する。なお、前記の２≦ｍ≦ｎの条件から、鉱石を２バッチに分割した場合は、第２バッチがＯｍバッチ（ｍ＝２）であり、かつ、最終第ｎバッチに相当するので、Ｏｎバッチ（ｎ＝２）でもある。

本発明の鉱石装入方法において、前記のように鉱石第１バッチおよび第ｍバッチの装入条件を前記（１）式および（２）式のように定めたのは、以下に述べる検討結果に基づくものである。

ベルレス高炉においては、コークスと鉱石を交互に炉内に装入して層状に堆積させる。
図１は、後に詳述するベルレス高炉の炉頂装入装置例の概略構成図であるが、炉内堆積物の表面形状は、同図に示されるとおり、炉中心部を底部とするすり鉢状で、炉壁１０から炉内側へ１〜２ｍの部分は、水平で平坦なテラス５となるように装入物分布制御を行っている。

安定した中心ガス流を確保するためには、前記の堆積形状を保ち、かつ炉中心部の（Ｏｒｅ／Ｃｏｋｅ）の値をできる限りだけ小さくする必要がある。炉内装入物の堆積形状をすり鉢状とすることにより、コークス装入時には、斜面を流れるコークス粒子が分級されるので、粒径の大きいコークスのみを炉中心部に堆積させることができ、また、鉱石装入時には、コークス層斜面崩れを起こさせ、コークスの流れ込み量を増加させることができるので、炉中心部の（Ｏｒｅ／Ｃｏｋｅ）の値を小さくすることが可能となる。

このような装入物堆積条件下で、鉱石を粒度および性状別に２以上に多分割して装入した場合に、中心ガス流の低下を生じさせない鉱石装入条件を見いだすべく、冷間模型実験を実施した。

冷間模型装置として、横が実高炉の炉口半径と同サイズの５．４ｍ、高さが５．１ｍ、奥行きが１ｍの平板型の模型装置を用い、事前に下打ち装入物により、テラス長さ１ｍのコークス堆積層を形成し、模型装置の上部から鉱石を分配シュートにより実高炉の場合と同じ傾動角で装入した後、炉中心部へのコークスおよび鉱石の流れ込み量の変化を測定した。なお、鉱石の装入は２分割装入とし、第１バッチ（Ｏ１バッチ）をコークステラスの肩部５１に向けて装入し、第２バッチ（Ｏｍバッチ、ｍ＝２）を炉壁側（コークステラス５上）に装入した。測定結果を、表１および表２に示す。

表１は、鉱石をコークステラスの肩部５１に向けて装入した場合の結果であり、表２は、炉壁側のコークステラス５上に装入した場合である。なお、表１および表２において、「中心部コークス増加量」または「中心部鉱石増加量」は、実験１−１または実験２−１をベース（それぞれ１．００）とし、それに対する相対値で表示した。「鉱石装入」の欄の例えば「０．２ｔ×３回」とは、１旋回当たりの装入量を０．２ｔ（トン）として、３旋回で装入を完了したことを表す。また、「評価」の欄において、◎印はその装入方法（条件）が優れていることを、○印は良好であることを、△印はやや良好であることを、そして×印は不適であることを意味し、◎印または○印の場合を「その装入方法（条件）は良好」と判断した。

表１に示すように、鉱石をコークステラスの肩部５１に装入した場合、１旋回当たりの装入量が増加するほど「中心部コークス増加量」が増大しており、中心部へのコークス流れ込み量が増加している。また、表２に示すように、鉱石を炉壁側（コークステラス５上）に装入した場合、１旋回当たりの装入量が増加するほど中心部への鉱石流れ込み量が増加する。
これらの実験結果から、炉内の通気性改善効果を最大限に引き出すためには、以下の方法の実施が必要であるという結論を得た。すなわち、鉱石をコークス層斜面に向けて装入する場合は、そのバッチの旋回数当たりの装入量を大きくして（すなわち、装入エネルギーを増大させて）、コークス層斜面への衝突時にコークス層崩れを起こさせ、コークス流れ込み量を増加させる必要がある。また、鉱石を炉壁側（コークステラス５上）に装入する場合は、下層のコークス層を崩さず、かつ装入中に鉱石が炉中心部に流れ込まないように、旋回数当たりの装入量を小さくして（すなわち、装入エネルギーを減少させて）、静かに堆積させる必要がある。その何れが満たされない場合であっても、中心ガス流は低下する可能性が高いため、上記の二つの装入方法は同時に実施する必要がある。

表１および表２示した実験結果において、「良好（◎印または○印）」と評価される実験１−３、実験２−１および実験２−２を比較すると、炉壁側に装入する１回（１旋回）当たりの装入量（実験２−１では０．２ｔ／回、実験２−２では０．３ｔ／回）は、コークス層斜面上に装入する１回（１旋回）当たりの装入量（実験１−３では０．６ｔ／回）の１／２以下であることがわかる。すなわち、炉壁側に装入する１旋回当たりの装入量をコークス層斜面上に装入する１旋回当たりの装入量の１／２以下とすれば、炉中心部における（Ｏｒｅ／Ｃｏｋｅ）の値を低下させ得ることが判明した。なお、１旋回に要する時間は一定であり、１旋回当たりの装入量から単位時間当たりの装入量、すなわち装入速度が求められるので、「炉壁側への装入速度をコークス斜面上への装入速度の１／２以下（コークス層斜面上への装入速度を炉壁側への装入速度の２倍以上）として装入すれば、前記（Ｏｒｅ／Ｃｏｋｅ）の値を低下させ得る」と言い換えてもよい。

前記の新たな知見を実炉における鉱石の装入に適用するためには、分配シュートについての設備仕様による制約を考慮する必要がある。例えば、炉内容積が４０００ｍ³以上の大型高炉では、分配シュートの標準的な設備能力は約１２．５ｔ／旋回であるから、この条件と、コークス層斜面上への鉱石装入速度を炉壁側への鉱石装入速度の２倍以上とする前記の条件とから、先に示した下記（１）式および（２）式の条件が得られる。

Ｗ_O1／Ｏ１旋回数≧１０ｔ／旋回 ・・・（１）
Ｗ_Om／Ｏｍ旋回数≦ ５ｔ／旋回 ・・・（２）
但し、２≦ｍ≦ｎ
１旋回に要する時間から、前記（１）式および（２）式を下記（１Ａ）式および（２Ａ）式に置き換えても、単位が異なるのみであり、得られる効果は同様である。

Ｗ_O1／Ｏ１旋回数≧１．３２ｔ／ｓ ・・・（１Ａ）
Ｗ_Om／Ｏｍ旋回数≦０．６７ｔ／ｓ ・・・（２Ａ）
但し、２≦ｍ≦ｎ
上述した本発明の鉱石装入方法によれば、前記の(1)コークス層の斜面崩れおよびコークスの流れ込み量増加による中心ガス流の確保、および、(2)コークステラス上への鉱石の安定堆積による中心ガス流の確保、の二つを同時に達成して、通気性改善効果を最大限に発揮させ、炉内の良好な通気性を確保して、高炉の安定操業を維持することができる。

しかし、一方では、前記（１）式および（２）式を満たす装入条件で鉱石を装入しても、コークステラス長さが円周方向偏差などにより短くなっている場合には、Ｏｍバッチの量が相対的に多くなり、炉壁側へ装入した鉱石が炉中心部に流れ込むことがある。例えば、前記表２に示した実験２−４は、１旋回につき０．３ｔの装入を３旋回実施した場合であるが、炉中心部への鉱石の流れ込みが生じている。また、実炉においては、例えば、増産時に、装入遅れを生じさせないために、前記（２）式の条件を満たした上で、旋回数を増加させて装入量を増加することが予想される。

そこで、前記の冷間模型装置（炉口半径５．４ｍ）により、表１に示した実験１−３と同じ条件で、コークステラスの肩部への鉱石の装入を繰り返し実施し、鉱石装入後のコークステラス長さを測定した。測定結果を表３に示す。

表３に示した結果から明らかなように、テラス長さは常に一定ではなく、鉱石装入前のコークステラスの長さ（１ｍ）に対し、−０．２ｍ程度から＋０．２ｍ程度の範囲で変動した。これを炉半径に対する割合に換算すると、鉱石装入前のコークステラスの長さが対炉口径比で１９％であるのに対して、対炉口径比で１５〜２２％の範囲を変動した。

このように、実験条件を極力同一としても、わずかな変動（例えば、コークス粒度、焼結鉱粒度、鉱石粒度、空隙率など）がテラス長さ（装入された鉱石のテラス長さ）に大きな影響を与えることが判明した。これを実操業に当てはめて考えると、前記鉱石テラス長さの変動により、炉内ガス流れなどにおける円周方向偏差が発生する可能性があり、このテラス長さの変動も、前述した実操業における外乱の一つと考えることができる。

したがって、コークステラス長さを炉口半径の１９％に制御する場合、外乱により炉口半径の１５％程度のコークステラス長さになる可能性があり、テラス長さの縮小に起因して、第２バッチ（Ｏ２バッチ）以降の炉壁側への装入鉱石の炉中心部への流れ込みに影響が生じる。よって、第２バッチ以降の装入鉱石の炉中心部への流れ込みを制御するには、前記炉壁側へ装入する鉱石（Ｗ_O2＋・・＋Ｗ_On）を、テラス長さが炉半径の１５％以上（（コークステラスの長さ／炉口半径）の値で０．１５以上）になったときのテラス断面（その断面積は、炉内全断面積の約２８％以上に相当する）内に装入するのが好ましい。層厚を一定として、前記装入の条件、すなわち、前記炉壁側へ装入する鉱石の炉中心部への流れ込みを抑制するための好ましい条件を式で表すと、下記（４）式のとおりである。なお、Ｗ_Oiは鉱石第ｉバッチ（Ｏｉ）の質量（ｉ≧２）である。

上記の（４）式から、先に示した下記の（３）式が得られる。

上記の（３）式は、炉口半径５．４ｍに対してテラス長さを１ｍ（炉口半径の１９％）として導出した条件であるが、通常の操業では、テラス長さは炉壁から炉内側へ１〜２ｍとするので、通常の鉱石装入時においては、（３）式を適用することができる。

鉱石装入量が、前述した（１）式および（２）式の条件に加えて、（３）式をも満たすものであれば、外乱に起因する炉内ガス流れや荷下り速度における円周方向偏差の影響を最小限に抑えて、より安定した炉内ガス流れを維持することができる。

上記本発明の鉱石装入方法を、図面を参照してさらに詳しく説明する。

図１は、本発明の鉱石装入方法を具体的に説明するための図であり、ベルレス高炉の炉頂装入装置例の概略構成図を表している。図示するように、２基の炉頂バンカー１の一方に鉱石（Ｏ１バッチ）６が収容され、流量調整ゲート２および下部シール弁３が閉じられた他方のバンカー１にはＯ１バッチの次に装入される鉱石（Ｏ２バッチ）８が収容されている。バンカー１から排出された鉱石（Ｏ１バッチ）６は、傾動および旋回可能に構成されている分配シュート４により炉内に装入される。

炉内の堆積物の表面（同図の場合は、コークス層７）の形状は、炉中心部を底部としたすり鉢状で、炉壁１０から炉内側へ１〜２ｍ（矢印で示した範囲）はコークステラス５を形成しており、鉱石（Ｏ１バッチ）６が分配シュート４を介してこのテラス５の肩口から傾動角を変化させて炉中心側の斜面に向けて装入される。図中の楕円９により囲んだ部分は、コークス層からなるコークステラス５上にＯ１バッチによる鉱石層６１が形成され、その後、Ｏ２バッチによる鉱石層８１が安定して形成された状態を示している。

テラス長さが過度に長くなると、斜面の長さが短くなることから、鉱石第１バッチ６の装入時に、コークス層崩れが起きた時の粗粒コークスの炉中心部への流れ込み量が減少し、また、斜面長さが減少することにより焼結鉱の斜面における再分級効果が低下して、炉中心部における粗粒焼結鉱の堆積量が低減する。

したがって、コークステラス５上に鉱石層６１および８１を安定して形成させ、かつ、炉中心部には粗粒焼結鉱を堆積させることにより、安定した中心ガス流を形成し、良好な通気性を確保するためには、（コークステラス長さ／炉口半径）の値を０．３０以下とすることが好ましい。

本発明の効果を実証するため、内容積が４８００ｍ³の高炉において本発明の鉱石装入方法についての試験操業を行い、操業成績の変化を調査した。

試験操業は同一条件で５日間継続して行い、その後、次の試験操業（５日間継続）に移行した。なお、試験期間中、装入物性状は概ね同一条件であり、試験結果に影響を与えるような変化はなかった。

装入物の装入は、分配シュート４の傾動を炉壁側から炉内側に移動させる順傾動装入方法により行い、鉱石の装入は、１チャージ分の鉱石を２分割し、Ｏ１バッチは、最初の装入鉱石がコークステラス５の肩部５１近傍に当たるように装入し、Ｏ２バッチ（Ｏｍバッチ、ｍ＝２）は、炉壁側に装入した。鉱石を２分割しているので、ｎ＝２であり、Ｗ_On＝Ｗ_O2となる。

〔試験１〕
鉱石装入に際し、Ｏ１バッチ６については、旋回数を変化させて鉱石装入速度を８．６〜１１．９ｔ（トン）／旋回の範囲で変更し、Ｏ２バッチ８については、鉱石装入速度が一定（７．６ｔ／旋回）となるように流量調整ゲート２の開度を調整した。なお、各試験において、Ｏ１バッチの質量（Ｗ_O1）は９５ｔ、Ｏ２バッチの質量（Ｗ_O2）は３８ｔで一定とした。（Ｗ_O1／Ｗ_O2）の値は２．５である。

５日間の試験期間中、ガスサンプラーにより１回／日の頻度で炉中心近傍のガスを採取して、そのガス分析値からガス利用率を求め、５日間の最大値と最小値との差を中心近傍ガス利用率の変化幅とした。また、同時に、炉中心近傍のガス温度（以下、「中心ガス温度」という）を測定した。ガス利用率とは、前記採取したガス中のＣＯ₂ガス濃度（体積％）とＣＯガス濃度（体積％）の測定値から、｛ＣＯ₂ガス濃度／（ＣＯガス濃度＋ＣＯ₂ガス濃度）｝×１００（％）の算式により求められる値（％）である。

試験結果を表４に示す。表４において、「中心ガス温度」は、試験１−１における測定値をベース（１．０）として、これに対する相対値で示した。「評価」の欄の×印および△印の意味は、前記表１および表２の場合と同じである。

表４に示した結果から、Ｏ１バッチ装入時の旋回数を減少（すなわち、１旋回当たりの鉱石装入量、つまり鉱石装入速度を増大）させるほど、中心ガス温度は上昇し、炉中心部ガス流れの改善効果が現れていることがわかる。また、中心近傍ガス利用率の変化幅も減少し、炉中心部ガス流れの安定性が向上した。しかし、比較的良好な結果が得られた試験１−３および１−４においても、本発明で規定する前記（２）式の条件が満たされておらず、評価は「良好」ではなかった。

〔試験２〕
Ｏ１バッチについては鉱石装入速度を１０．６ｔ／旋回で一定とし、Ｏ２バッチについては、旋回数を変化させ、それ以外は前記試験１の場合と同じ条件で試験を行い、中心近傍ガス利用率の変化幅と中心ガス温度を測定した。なお、各試験において、Ｏ１バッチの質量（Ｗ_O1）、Ｏ２バッチの質量（Ｗ_O2）も、試験１の場合と同じとした。

試験結果を表５に示す。同表において、試験２−１と前記表４示した試験１−３とは同一である。また、「中心ガス温度」は、表４の試験１−１における測定値をベース（１．０）として、これに対する相対値で示した。「評価」の欄の△印および○印の意味は、前記表１および表２の場合と同じである。

表５に示した結果から、Ｏ２バッチ装入時の旋回数を増加（すなわち、鉱石装入速度を減少）させ、（Ｗ_O2／Ｏ２旋回数）の値が４．７ｔ／回で、本発明で規定する前記（２）式の条件を満たした試験２−４では、中心近傍ガス利用率の変化幅が大きく減少し、試験期間中のガス流れの変動もなく、炉中心部ガス流れの安定性が改善された（評価は○印で、「良好」）。

〔試験３〕
Ｏ１バッチ、Ｏ２バッチの鉱石装入速度をそれぞれ、１０．６ｔ／旋回、４．７ｔ／旋回で一定とし、さらにＯ１バッチの質量（Ｗ_O1）も一定として、Ｏ２バッチの質量（Ｗ_O2）を変化させて（Ｗ_O1／Ｗ_O2）の値を２．５０から２．８８まで変化させた。それ以外は前記試験１の場合と同じ条件で試験を行い、中心近傍ガス利用率の変化幅と中心ガス温度を測定した。

試験結果を表６に示す。表６において、試験３−１と前記表５に示した試験２−４とは同一である。また、「中心ガス温度」は、表４の試験１−１における測定値をベース（１．０）として、これに対する相対値で示した。「評価」の欄の○印および◎印の意味は、前記表１および表２の場合と同じである。

表６に示した試験では、いずれも本発明で規定する条件を満たしており、評価は「良好」で、特に試験３−２および３−３では、中心近傍ガス利用率の変化幅が更に減少し、炉内のガス流れが改善された。この試験３−２および３−３では、前記（３）式の条件が満たされており、これによって、炉中心部に流れ込む鉱石量を抑制し、ガス利用率の変化幅を一層減少させ得ることが確認できた。

〔試験４〕
前記の試験３−３の条件において、コークステラス長さを変化させることにより、（コークステラス長さ／炉口半径）の値を０〜０．４５まで変化させて試験操業を行い、この期間における高炉内通気性の変化を調査した。

図２は、高炉内の通気抵抗におよぼす（コークステラス長さ／炉口半径）の値の影響を示す図である。同図において、縦軸の高炉通気抵抗指数（ＫＲ）は、高炉内のガスの流通抵抗を、充填層内におけるガスの通気抵抗として下記（５）式により評価する指数であり、その値が小さいほど通気性が良好なことを示す。

ＫＲ＝（Ｐ_B−Ｐ_T）／Ｌ／（ｋμ^βρ^1-βｕ^2-β） ・・・（５）
ここで、ＫＲは高炉通気抵抗指数（１／ｍ）、Ｐ_BおよびＰ_Tはそれぞれ送風圧力および炉頂圧力（Ｐａ）、Ｌは羽口と炉頂間の距離（ｍ）、βおよびｋはガス流れの形態などにより定まる定数、μはガスの粘度（Ｐａ・ｓ）、ρはガスの密度（ｋｇ／ｍ³）、そしてｕは炉内のガス流速（ｍ／ｓ）をそれぞれ表す。

同図の結果から、（コークステラス長さ／炉口半径）の値が過度に小さくても、また大きくても、高炉通気抵抗指数は高く（すなわち、高炉内の通気性は悪く）なり、上記の値が０．１５〜０．３０（−）の範囲において高炉通気抵抗指数は低く（すなわち、高炉内の通気性は良好に）維持できることが判明した。

本発明の鉱石装入方法によれば、鉱石の分割装入とコークステラス長さの調整とを適切に組合わせることにより、コークス層崩れによる効果およびコークス層崩れ防止による効果のそれぞれの利点を生かしつつ、高炉内のガス流れを安定化して炉内の通気性を確保し、高炉の安定操業を図ることができる。したがって、本発明のベルレス高炉の鉱石装入方法は、装入物の装入速度の制御が可能なベルレス高炉の特性を生かした高炉操業分野において広く適用することができる。

本発明の鉱石装入方法を具体的に説明するための図であり、ベルレス高炉の炉頂装入装置例の概略構成を示す図である。 高炉内の通気抵抗におよぼす（コークステラス長さ／炉口半径）の値の影響を示す図である。

符号の説明

１：炉頂バンカー
２：流量調整ゲート
３：下部シール弁
４：分配シュート
５：コークステラス
５１：コークステラス肩部
６：鉱石（Ｏ１バッチ）
６１：鉱石層（Ｏ１バッチ）
７：コークス層
８：鉱石（Ｏ２バッチ）
８１：鉱石層（Ｏ２バッチ）
９：楕円
１０：炉壁

Claims (3)

1. 鉱石を２分割以上で装入するベルレス高炉の鉱石装入方法であって、コークス層斜面に向けて装入する鉱石第１バッチをＯ１（装入質量：Ｗ_O1）、 コークステラス上に装入する鉱石第ｍバッチをＯｍ（装入質量：Ｗ_Om）、鉱石最終第ｎバッチをＯｎ（装入質量：Ｗ_On）としたとき、前記鉱石第１バッチが下記（１）式を満たし、かつ、前記鉱石第ｍバッチが下記（２）式を満たすことを特徴とするベルレス高炉の鉱石装入方法。
   Ｗ_O1／Ｏ１旋回数≧１０ｔ／旋回 ・・・（１）
   Ｗ_Om／Ｏｍ旋回数≦ ５ｔ／旋回 ・・・（２）
   但し、２≦ｍ≦ｎ
2. 鉱石第１バッチから鉱石最終第ｎバッチまでの鉱石装入量が下記（３）式を満たすことを特徴とする請求項１に記載のベルレス高炉の鉱石装入方法。
   

   
3. コークステラスの炉半径方向長さと炉口半径の比、（コークステラスの長さ／炉口半径）の値を０．１５〜０．３０の範囲に調整することを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載のベルレス高炉の鉱石装入方法。
   

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