JP2007262453A - 高炉のベルレス式炉頂装入装置用旋回シュート - Google Patents

Abstract

【課題】大幅な設備投資を必要とせずに、旋回シュートから装入される原料の落下幅を抑制する。
【解決手段】高炉６のベルレス式炉頂装入装置用旋回シュート５である。上部が開放された溝型断面を有し、該溝型断面を有する旋回シュート本体５ａの内面に、基端位置から先端に向かって側板１１を設置する。この側板１１は、旋回シュート本体５ａにおける横断面の幅方向中心線ＣＬを旋回シュート本体５ａの長手方向に延長した面に対して対称となるような２平面となるように設置する。
【効果】傾動角によらず旋回シュートから落下する原料粒子群の落下幅抑制の効果が得られる。
【選択図】図１

Description

本発明は、高炉のベルレス式炉頂装入装置用旋回シュートに関するものである。

高炉には、鉄源である鉱石と還元材であるコークス（以下、これらの鉱石とコークスを総称して原料と言う。）が、炉頂に設けられた装入装置によって交互に積み重ねた層状に装入される。そして、炉下部に存する羽口から送風される加熱空気によって羽口前のコークスを燃焼消費させることで、前記装入物が炉頂から徐々に炉内を降下しながら、上昇するガスにより加熱・還元反応して、鉱石は溶融して銑鉄となり、炉下部から排出される。実際の操業では、前記加熱空気とともに羽口から微粉炭を吹込むなど種々の操業形態があるが、炉頂からの原料装入と羽口からの送風により向流で連続的に操業を行うことが基本的な原理である。

高炉操業において、鉱石の還元反応を効率よく行い、かつ炉内を上昇するガスの通気抵抗を低位に抑制することは重要である。これら高炉内の反応効率や通気抵抗を制御するための操業操作の内で最も重要なものが、高炉炉頂部からの装入により、鉱石層厚、コークス層厚を制御すること、及び鉱石、コークスの粒径を半径方向に分布制御することなどである。これらを総称して装入物分布制御と言う。

ところで、近年の高炉では、炉頂部に設ける原料装入装置として、ベルに代わり装入物の分布制御の自由度がより大きな旋回シュートを備えたベルレス式装入装置が多く採用されている。

このベルレス式装入装置を備えた高炉では、図７に示すように炉内に装入される原料はベルトコンベア１により炉頂まで運ばれ、一旦炉頂ホッパー２に貯蔵される。炉頂ホッパー２に貯蔵された原料７は、高炉６への装入の際、炉頂ホッパー２の下部を通過し、集合ホッパー３に移動する。集合ホッパー３に移動した原料７は集合ホッパー３の下部中央に設けた垂直シュート４を落下し、出口に設けた旋回シュート５を通過して、高炉６内に装入される。

旋回シュート５は、回転速度ｖ（もしくは１回の装入当たりの回転数）および鉛直下方に対する傾斜角度（以下では、単に傾斜角度とも称する）θの変更によって多様な装入物分布制御が行われている。

また、旋回シュートの本体形状は、一部には円筒状や截頭円錐筒状（円錐筒体の一部で、長手方向の直径が異なる形状）の形状のものもあるが、通常は半円筒形に代表される上方を開放した形状である。なお、形状としては必ずしも横断面が半円の半円筒形には限定されないので、一般には、上方を開放した溝型断面などと称されている。

近年の高微粉炭比操業では、羽口から吹き込まれた微粉炭は還元材として作用して炉頂から装入されるコークスを代替する。従って、微粉炭量が増加するとともに、炉頂から装入される鉱石／コークスの比が大きくなる。さらには原料の劣質化により原料粒径の低下や粉の増加を招来しやすくなり、炉内通気抵抗は増加する傾向になるので、装入物分布制御の更なる適正化が重要になってくる。

前述したように高炉の安定操業においては装入原料の半径方向の分布を適正化することは重要であるが、分布制御を阻害する要因も存在する。すなわち、垂直シュートの出口より供給された原料は旋回シュートを移動するにしたがって、コリオリ力により振り上がる。

そして、旋回シュートの先端における振り上げ角には幅があり、通常の旋回シュートは上方を開放した溝型断面を有するので、旋回シュートから離脱した原料は、その落下軌跡に幅を生じ、装入物分布の制御性が悪くなるという問題があった。なお、旋回シュートから離脱する原料が幅を有することについてはさらに後述する。

そこで、このような問題点を改善する装入装置として、旋回シュートの先端部に反発板を設けることで原料の速度ベクトルの向きを変え、半径方向の落下幅を制御する方法が提案されている。

たとえば上部が開放された溝型断面を持つシュート本体の先端に、落下方向に対しシュート先端より下向きに溝幅より広幅で一定の角度の傾斜をもって固定された平面の反射板を有する旋回シュートが、特許文献１に開示されている。
実開平５−３７９４８号公報

また、シュート本体の先端部に、コーン型の反発板を当該旋回シュートの上面から離間すると共に、下流側に末広がりに設けた旋回シュートが、特許文献２に開示されている。
特開平９−２４９９０７号公報

さらに、装入する粉粒体原料がシュート旋回時に受けるシュート旋回軌跡の接線方向の運動エネルギーを減少させ、シュート旋回軌跡に沿った均一な堆積形状となるような曲面、もしくは多角形の形状を有する反射板を設けた旋回シュートが、特許文献３に開示されている。
特開平１１−２９８０５号公報

またさらに、旋回シュートの先端部に、原料流を鉛直方向に変更する反発板と、原料流の横方向への広がりを阻止する側板とを備えた補助シュートを設け、側板の間隔を旋回シュート先端部の幅と同等又は先窄みに形成した旋回シュートが、特許文献４に開示されている。
特開平１１−１７０９号公報

前述の特許文献１〜４に開示された従来技術によれば、旋回シュートから落下する原料の炉内半径方向の落下幅をある程度までは制御することができる。しかしながら、このような旋回シュートは先端部に反発板等の重量物を設置するので、旋回駆動装置に対する機械的な負荷が大きくなる。また、旋回シュートの傾斜角度によっては、旋回シュート先端に設置した反発板に、旋回シュートから離脱して落下する原料が衝突せず、原料の落下幅が小さくなるように制御できない場合があるという問題があった。

本発明が解決しようとする問題点は、特許文献１〜４に開示された従来技術では、旋回駆動装置に対する機械的な負荷が大きくなり、また、旋回シュートの傾斜角度によっては、原料の落下幅が小さくなるように制御できない場合があるという点である。

本発明は、前述の問題点を解消すべく、上部が開放された溝型断面を有する旋回シュート本体の内面の基端位置から先端に向かって設ける側板の構造について種々検討を重ねた結果に基づいて成されたものであり、その要旨とするところは以下の通りである。

本発明の高炉のベルレス式炉頂装入装置用旋回シュートは、
大幅な設備投資を必要とすることなく、旋回シュートから装入される原料の落下幅を抑制するために、
上部が開放された溝型断面を有し、
該溝型断面を有する旋回シュート本体の内面に、基端位置から先端に向かって側板を設置したことを最も主要な特徴としている。

本発明の高炉のベルレス式炉頂装入装置用旋回シュートにおいて、前記側板を、旋回シュート本体における横断面の幅方向中心線を旋回シュート本体の長手方向に延長した面（以下、対称面と称する。）に対して対称となるような２平面となるように設置した場合には、垂直シュートから落下した原料粒子の旋回シュート内での配列が、旋回シュートの横断面幅方向に対称にな（って均一化す）る方向に作用する。

本発明によれば、先端部に反発板等の重量物を設けた従来の旋回シュートに比べ、旋回シュート本体の基端付近に側板を設けるため、旋回駆動装置に対するトルク負荷を軽減することができる。また、本発明によれば、旋回シュート本体の基端位置から先端に向かって減速作用を有するため、傾動角によらず旋回シュートから落下する原料粒子群の落下幅抑制の効果を得ることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図１〜図６を用いて詳細に説明する。
本発明は模型実験および離散要素法（Discrete Elementary Method）に基づく数値シミュレーションによって成されたものである。離散要素法に基づく数値シミュレーションは、粒子群の運動について実験結果との間に良好な対応が確認されている計算手法である。

図６は離散要素法に基づく数値シミュレーションによって、先端に反発板を設けていない従来型旋回シュートから装入される時の原料の運動状態を示したものである。
炉頂ホッパー２内の原料粒子７ａは、集合ホッパー３、垂直シュート４を経て旋回シュート５に供給されるが、原料粒子７ａは旋回シュート５の溝部分の中心軸に沿って落下するのではなく、コリオリ力により上方に振り上がるため、図６（ｂ）に示すように旋回シュート５から離脱した場合の粒子群の幅が大きくなっている。

先端に反発板を設けていない従来型旋回シュートを使用した際の原料の落下幅と該旋回シュートに供給される原料の質量速度は同じで、垂直シュート出口の原料の線流速のみを変化させた原料の落下幅の関係を図２に示す。この数値シミュレーションに使用した旋回シュートの大きさは下記表１に示す通りである。また、落下幅は下記数式１の定義に基づく。

図２に示されるように、旋回シュート上の原料の初速度（垂直シュート出口の下方に位置する、旋回シュートの基端位置における原料の線流速）を０．４倍に減速できれば、落下幅を抑制できることが分かる。発明者らは、この旋回シュート上の原料の初速度は、旋回シュートの基端位置から先端に向かって、該旋回シュートの溝型断面の内部に側板を備えさせることで減速させることが可能であることを想到した。

発明者らはこの側板について、たとえば図１に示すように、半円筒の旋回シュート５の溝型断面を有する旋回シュート本体５ａの内面に、垂直シュートの下端部への取付け用ハンガー５ｂを設置した基端から先端に向かって２枚の側板１１を設置した。

そして、これらの側板１１は、旋回シュート本体５ａにおける横断面の幅方向中心線ＣＬを旋回シュート本体５ａの長手方向に延長した対称面に対して対称となるような２平面からなるように設置した（両側板１１のなす角度β）。ここで、側板１１の端点ａは旋回シュート４の半円筒部上端で固定するものとした。

このような旋回シュートを使用すれば、垂直シュートから供給される原料は、旋回シュートの溝型断面内部の基端付近での滞留量が増加し、摩擦により減速されることによって旋回シュートを落下する速度が低下し、該旋回シュートから装入される落下幅を抑制することができると考えられる。

発明者らはこのことを模型実験および離散要素法に基づく数値シミュレーションにより検証した。
下記表２に示すような大きさの旋回シュートについて模型実験および離散要素法に基づく数値シミュレーションを行った。

図３に本発明の旋回シュートと従来の側板の無い旋回シュートについての装入物落下幅の結果を示す。この図３より、本発明の旋回シュートによって有意に装入物落下幅を抑制できることが分かった。

次に、実機高炉における本発明の旋回シュートの最適化を図るべく、旋回シュートの溝型断面の内部基端付近に設置する側板の条件について離散要素法に基づく数値シミュレーションを行なった。ここで、計算した基本の旋回シュートの条件は前記表１と同じである。

溝型断面の内部基端付近に側板のない従来型の旋回シュートに対して、溝型断面の内部基端から先端に向かって２平面からなる側板を設けた本発明の旋回シュートの、前記両側板の成す角度βを変更した時の落下幅を図４に示す。

図４より、側板のない従来型旋回シュートに対して、本発明の旋回シュートから装入される原料の落下幅は抑制されていることが分かる。そして、本発明の旋回シュートにおいては、前記両側板の成す角度βが大きいほど、当該領域での原料流通断面積が減少して減速量が増加するため、落下幅の抑制効果は大きくなることも分かった。

また、図５に前記本発明の旋回シュートの側板の長さＬ３と旋回シュートから装入される原料の落下幅の関係を示す。
図５より、側板の長さＬ３が長いほど摩擦の効果が大きくなって原料をより減速でき、落下幅が抑制されることが分かる。

以上の結果、旋回シュートの溝型断面の内面に、基端位置から先端に向かって設ける両側板の成す角度βや側板の長さＬ３を変更することによって、２割以上の範囲で落下幅を制御できることが分かった。

従って、側板の成す角度βや側板の長さＬ３を最適に設計することで、所望の原料落下幅に装入することが可能になる。また、本発明の旋回シュートでは、その傾斜角θによらず原料は必ず側板の設置領域を通過するので、落下幅抑制の効果が得られる。

本発明は上記の例に限らず、各請求項に記載された技術的思想の範囲内で、適宜実施の形態を変更しても良いことは言うまでもない。たとえば、２枚の側板は、必ずしも旋回シュート本体における対称面に対して対称となるような２平面からなるように設置しなくても良い。

本発明の旋回シュートの構造を説明する図で、（ａ）は全体斜視図、（ｂ）は（ａ）図の矢視Ａ図である。 先端部に反発板を設けない従来の旋回シュートへの供給原料の減速効果を示した図である。 原料落下幅に関する本発明の旋回シュート側板の効果を示した図である。 本発明の旋回シュート側板の成す角度βと原料落下幅の関係を示した図である。 本発明の旋回シュート側板の長さＬ３と原料落下幅の関係を示した図である。 離散要素法に基づく数値シミュレーションによって、先端に反発板を設けていない旋回シュートから装入される時の原料の運動状態を示した図で、（ａ）は炉頂ホッパーから垂直シュートまでを示した図、（ｂ）は垂直シュートを経て旋回シュートから装入されるまでを示した図である。 ベルレス式高炉装入装置の概略説明図である。

符号の説明

５ 旋回シュート
５ａ 旋回シュート本体
６ 高炉
１１ 側板

Claims (2)

1. 高炉のベルレス式炉頂装入装置用旋回シュートであって、
   上部が開放された溝型断面を有し、
   該溝型断面を有する旋回シュート本体の内面に、基端位置から先端に向かって側板を設置したことを特徴とする高炉のベルレス式炉頂装入装置用旋回シュート。
2. 前記側板は、旋回シュート本体における横断面の幅方向中心線を旋回シュート本体の長手方向に延長した面に対して対称となるような２平面となるように設置したものであることを特徴とする請求項１に記載の高炉のベルレス式炉頂装入装置用旋回シュート。
   

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