JP2014031580A - 焼結機の酸素−気体燃料供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】気体燃料を供給すると同時に酸素を富化して焼結操業を行う焼結機に用いて好適な酸素−気体燃料供給装置を提供する。
【解決手段】点火炉の下流で燃焼下限濃度以下に希釈した気体燃料を供給し、かつ、酸素を富化して焼結鉱を製造する焼結機の酸素−気体燃料供給装置において、上記フード内には、フードの高さ方向中間部に、水平方向に間隙を有して複数列かつ垂直方向に上記間隙部が千鳥状なるよう複数段配列した邪魔板群が配設されてなるとともに、上記邪魔板群の下方には、気体燃料を空気中に供給する気体燃料供給配管が配設され、かつ、上記邪魔板群の上方には、酸素を空気中に噴出する噴出口を有する酸素供給配管が、酸素の噴出方向を鉛直下向きかつ、最上段の邪魔板と邪魔板の隙間に向けて、上記噴出口から見た最上段の邪魔板の間隙が２０°以上の視野角となる高さに配設されてなる焼結機の酸素−気体燃料供給装置。
【選択図】図１４

Description

本発明は、気体燃料を供給しかつ酸素を富化することで、高品質の高炉原料用焼結鉱を製造する下方吸引式のドワイトロイド焼結機における、酸素−気体燃料供給装置に関するものである。

高炉製銑法の主原料である焼結鉱は、一般に、図１に示すような工程を経て製造される。焼結鉱の原料は、鉄鉱石粉や焼結鉱篩下粉、製鉄所内で発生した回収粉、石灰石およびドロマイトなどの含ＣａＯ系副原料、生石灰等の造粒助剤、コークス粉や無煙炭などであり、これらの原料は、ホッパー１の各々から、コンベヤ上に所定の割合で切り出される。切り出された原料は、ドラムミキサー２および３等によって適量の水が加えられ、混合、造粒されて、平均径が３〜６ｍｍの擬似粒子である焼結原料とされる。この焼結原料は、その後、焼結機上に配設されているサージホッパー４、５からドラムフィーダー６と切り出しシュート７を介して、無端移動式の焼結機パレット８上に４００〜８００ｍｍの厚さで装入され、焼結ベッドともいわれる装入層９を形成する。その後、装入層９の上方に設置された点火炉１０で装入層表層の炭材に点火するとともに、パレット８の直下に配設されたウインドボックス１１を介して装入層上方の空気を下方に吸引することにより、装入層内の炭材を順次燃焼させ、このときに発生する燃焼熱で前記焼結原料を溶融して焼結ケーキを得る。このようにして得た焼結ケーキは、その後、破砕、整粒され、約５ｍｍ以上の塊成物が、成品焼結鉱として回収され、高炉に供給される。

上記製造プロセスにおいて、点火炉１０によって点火された装入層内の炭材は、その後、ウインドボックス１１により吸引され、装入層内を上層から下層に向かって流れる空気によって燃焼を続け、厚さ方向に幅をもった燃焼・溶融帯（以降、単に「燃焼帯」ともいう。）を形成する。この燃焼帯の溶融部分は、上記吸引される空気の流れを阻害するため、焼結時間が延長して生産性が低下する要因となる。また、この燃焼帯は、パレット８が下流側に移動するのに伴って次第に装入層の上層から下層に移行し、燃焼帯が通過した後には、焼結反応が完了した焼結ケーキ層（以降、単に「焼結層」ともいう。）が生成される。また、燃焼帯が上層から下層に移行するのにともない、焼結原料中に含まれる水分は、炭材の燃焼熱で気化して、まだ温度が上昇していない下層の焼結原料中に濃縮し、湿潤帯を形成する。この水分濃度がある程度以上になると、吸引ガスの流路となる焼結原料の粒子間の空隙が水分で埋まり、溶融帯と同様、通気抵抗を増大させる要因となる。

図２は、厚さが６００ｍｍの装入層中を移動する燃焼帯が、装入層内のパレット上約４００ｍｍの位置（装入層表面から２００ｍｍ下）にあるときの、装入層内の圧損と温度の分布を示したものであり、このときの圧損分布は、湿潤帯におけるものが約３０％、燃焼帯におけるものが約４０％であることを示している。

ところで、焼結機の生産量（ｔ／ｈｒ）は、一般に、生産率（ｔ／ｈｒ・ｍ^２）×焼結機面積（ｍ^２）により決定される。即ち、焼結機の生産量は、焼結機の機幅や機長、原料装入層の厚さ、焼結原料の嵩密度、焼結（燃焼）時間、歩留りなどにより変化する。したがって、焼結鉱の生産量を増加するには、装入層の通気性（圧損）を改善して焼結時間を短縮する、あるいは、破砕前の焼結ケーキの冷間強度を高めて歩留りを向上することなどが有効であると考えられている。

図３は、焼結鉱の生産性が高い時と低い時、即ち、焼結機のパレット移動速度が速い時と遅い時の装入層内のある点における温度と時間の推移を示したものである。焼結原料の粒子が溶融し始める１２００℃以上の温度に保持される時間は、生産性が低い場合はＴ_１、生産性が高い場合はＴ_２で表されている。生産性が高い時はパレットの移動速度が速いため、高温域保持時間Ｔ_２が、生産性が低い時のＴ_１と比べて短くなる。しかし、１２００℃以上の高温での保持時間が短くなると焼成不足となり、焼結鉱の冷間強度が低下し、歩留りが低下してしまう。したがって、高強度の焼結鉱を、短時間でかつ高歩留りで、生産性よく製造するためには、何らかの手段を講じて、１２００℃以上の高温で保持される時間を延長し、焼結鉱の冷間強度を高めてやる必要がある。

図４は、点火炉で点火された装入層表層の炭材が、吸引される空気によって燃焼を続けて燃焼帯を形成し、これが装入層の上層から下層に順次移動し、焼結ケーキが形成されていく過程を模式的に示した図である。また、図５（ａ）は、上記燃焼帯が、図４に示した太枠内に示した装入層の上層部、中層部および下層部の各層内に存在しているときの温度分布を模式的に示したものである。焼結鉱の強度は、１２００℃以上の温度に保持される温度と時間の積に影響され、その値が大きいほど焼結鉱の強度は高くなる。そのため、装入層内の中層部および下層部は、装入層上層部の炭材の燃焼熱が吸引される空気によって運ばれて予熱されるため、高温度に長時間にわたって保持されるのに対して、装入層上層部は、予熱されない分、燃焼熱が不足し、焼結に必要な燃焼溶融反応（焼結反応）が不十分となりやすい。その結果、装入層の幅方向断面内における焼結鉱の歩留り分布は、図５（ｂ）に示したように、装入層上層部ほど歩留りが低くなる。また、パレット両幅端部も、パレット側壁からの放熱や、通過する空気量が多いことによる過冷却によって、焼結に必要な高温域での保持時間が十分に確保できず、やはり歩留りが低くなる。

これらの問題に対して、従来は、焼結原料中に添加している炭材（粉コークス）量を増量することが行われてきた。しかし、コークスの添加量を増やすことによって、図６に示したように、焼結層内の温度を高め、１２００℃以上に保持される時間を延長することができるものの、それと同時に、焼結時の最高到達温度が１４００℃を超えるようになり、以下に説明する理由によって、焼結鉱の被還元性や冷間強度の低下を招くことになる。

非特許文献１には、焼結過程で焼結鉱中に生成する各種鉱物の引張強度（冷間強度）と被還元性について、表１のように示されている。そして、焼結過程では、図７に示したように、１２００℃で融液が生成し始め、焼結鉱の構成鉱物の中で最も高強度で、被還元性も比較的高いカルシウムフェライトが生成する。これが、焼結温度として１２００℃以上を必要とする理由である。しかし、さらに昇温が進んで１４００℃を超え、正確には１３８０℃を超えるようになると、カルシウムフェライトは、冷間強度と被還元性が最も低い非晶質珪酸塩（カルシウムシリケート）と、還元粉化しやすい骸晶状二次ヘマタイトとに分解し始める。また、焼結鉱の還元粉化の起点となる二次ヘマタイトは、鉱物合成試験の結果から、図８の状態図に示したように、Ｍａｇ．ｓｓ＋Ｌｉｑ．域まで昇温し、冷却したときに析出するので、状態図上に示した（１）の経路でなく、（２）の経路を介して焼結鉱を製造することが、還元粉化を抑制する上で重要であるとしている。

すなわち、非特許文献１には、焼結鉱の品質を確保する上で、燃焼時の最高到達温度や高温域保持時間などの制御が非常に重要な管理項目であり、これらの制御如何によって焼結鉱の品質がほぼ決定されることが開示されている。したがって、還元粉化性（ＲＤＩ）に優れかつ高強度で被還元性に優れる焼結鉱を得るためには、１２００℃以上の温度で生成したカルシウムフェライトを、カルシウムシリケートと二次ヘマタイトとに分解させないことが重要であり、そのためには、焼結時における装入層内の最高到達温度を１４００℃超え、好ましくは１３８０℃超えとすることなく、装入層内の温度を１２００℃（カルシウムフェライトの固相線温度）以上に長時間保持することが必要となる。以降、本発明では、上記１２００℃以上１４００℃以下の温度域に保持される時間を、「高温域保持時間」と称することとする。

なお、前述した装入層上層部の歩留低下を改善し、生産性を向上しようとする技術については、従来から幾つか提案されている。例えば、特許文献１には、焼結鉱を製造するに際して、焼結原料中に添加したコークスに加えて、焼結原料に吸引される空気中に発熱性ガスを添加し、これを焼結帯で燃焼させることによって、焼結鉱の強度や生産率、成品歩留りの向上を図る技術が提案されている。しかし、この特許文献１の技術は、コークスと気体燃料を燃焼させることによって焼結時の最高到達温度を高め、焼結鉱の強度や生産率、歩留りの向上を図っているため、成品焼結鉱の被還元性（ＲＩ）の悪化をきたすという問題がある。

また、特許文献２には、装入層上層部を十分に焼成した時点で、装入層に供給する酸素含有ガスの質量流量を、装入層上層部を焼成する範囲において供給する酸素含有ガスの質量流量の１．０１〜２．６倍とし、装入層内の差圧を増加させて、燃焼溶融帯の移行速度を極端に加速し、生産率を増大するとともに製品歩留りおよび品質の優れた製品を得る方法が提案されている。しかし、この特許文献２の技術は、装入層の層厚の増加やパレット移動速度の増加が可能となり、焼結機の生産率を向上させることができるが、それは、燃焼溶融帯の移動速度と最高到達温度を高めることにもなるため、やはり、成品焼結鉱の被還元性の悪化を来たすという問題がある。

また、特許文献３には、パレット上の装入層の上層部が焼結する間に、装入層に吸引される燃焼用空気中の酸素濃度を３５％以上に富化して焼結することにより、生産性および成品歩留りを向上させる酸素富化操業方法が提案されている。しかしながら、この特許文献３の技術は、燃焼空気中の酸素濃度を３５％以上に富化することで、コークスの燃焼性を向上し、最高到達温度の上昇を図っているものの、燃焼性が向上する分、焼結に必要な１２００℃以上の高温域保持時間が不足するようになるという問題がある。

そこで、発明者らは、上記問題点を解決する技術として、焼結原料中への炭材添加量を削減した上で、焼結機の点火炉の下流において、燃焼下限濃度以下に希釈した各種気体燃料を、パレット上方から装入層内に導入し、その気体燃料を装入層内で燃焼させることによって、装入層内の最高到達温度および高温域保持時間の両方を適正範囲に制御する技術を特許文献４〜６等に提案している。

上記特許文献４〜６の技術を適用し、焼結原料中への炭材添加量を削減した上で、燃焼下限濃度以下に希釈した気体燃料を装入層内に導入し、気体燃料を装入層内で燃焼させた場合には、図９に示したように、上記気体燃料は、炭材が燃焼した後の装入層内（焼結層内）で燃焼するので、燃焼・溶融帯の最高到達温度を１４００℃超えとすることなく、燃焼・溶融帯の幅を厚さ方向に拡大させることができ、効果的に高温域保持時間の延長を図ることができる。

特公昭４６−０２７１２６号公報 ＷＯ９８／０７８９１号公報 特開平０２−０７３９２４号公報 特開２００８−０９５１７０号公報 特開２０１０−０４７８０１号公報 特開２００８−２９１３５４号公報

「鉱物工学」；今井秀喜、武内寿久禰，藤木良規編、（１９７６）、ｐ．１７５、朝倉書店

しかしながら、上記特許文献４〜６の従来技術では、高強度かつ被還元性に優れる、高品質の焼結鉱を得るためには、１２００℃以上１４００℃以下の高温域にどの程度の時間保持する必要があるのか、また、希釈した気体燃料をどの領域に供給すればよいのか、十分に明らかにされてはいなかった。

また、上記特許文献４〜６の技術で注意しなければならないことは、焼結にとって好ましい最高到達温度や高温域保持時間の範囲を決定するに際して、炭材や気体燃料を燃焼させる支燃性ガスとして酸素を２１ｖｏｌ％含有する空気をそのまま用いていることである。というのは、実際の焼結中の装入層内の雰囲気は、炭材や気体燃料の燃焼反応によって、大気とは異なっているはずであり、また、支燃性ガスの成分や組成が変われば、装入層内の反応雰囲気も変化し、焼結時の最高到達温度や高温域保持時間も、当然、変化するはずである。したがって、支燃性ガスの特性に応じて、焼結機の操業条件を変えてやる必要がある。しかしながら、従来技術では、支燃性ガスの特性、特に空気中に含まれる酸素量が、焼結反応や焼結鉱の品質に及ぼす影響について、ほとんど検討がなされていない。

そこで、発明者らは、焼結に必要な高温域保持時間を明らかにし、気体燃料を供給すべき適正領域を決定するとともに、焼結時の最高到達温度や高温域保持時間に対する支燃性ガスの影響を調査し、炭材の燃焼熱で焼結するときの高温域保持時間が１５０秒未満となる領域に気体燃料を供給して高温域保持時間を延長すると同時に、上記気体燃料供給領域に供給される空気中の酸素濃度を２１ｖｏｌ％超３５ｖｏｌ％未満に富化することで、高強度で被還元性に優れる焼結鉱を製造する方法を開発し、その結果を特開２０１２−２０７２３６号公報として出願した。

上記特開２０１２−２０７２３６号公報に提案した技術では、気体燃料を供給する領域の装入層上方に設置したフード内に酸素供給配管を配設し、上記フード内の大気中に酸素を噴出することで酸素を富化している。しかしながら、上記フード内において、酸素をどのようにして供給すれば、外部への酸素の漏洩を防止しつつ、効果的に酸素を富化することができるかという点については、十分に明らかにされているとは言い難い。

そこで、本発明の目的は、気体燃料を供給すると同時に酸素を富化する焼結操業を行う焼結機に用いて好適な酸素−気体燃料供給装置を提供することにある。

発明者らは、上記課題の解決に向けて鋭意研究を重ねた。その結果、気体燃料供給装置のフードの高さ方向中段に、水平方向に間隙を有して複数列かつ垂直方向に間隙を有して複数段に邪魔板を配設した邪魔板群を設け、さらに、上記邪魔板群の下方に気体燃料供給配管を配設して気体燃料を供給するとともに、上記邪魔板群の上方に酸素供給配管を配設し、最上段の邪魔板と邪魔板の間隙に向けて適正な高さから酸素を噴出してやることが有効であることを見出し、本発明を完成させるに至った。

上記知見に基く本発明は、点火炉下流の原料装入層上方に設けたフード内に酸素を噴出して富化し、さらに、気体燃料を供給して燃焼下限濃度以下に希釈した空気を、パレット下方に配設したウインドボックスで吸引して装入層内に導入し、該装入層内において上記気体燃料と炭材を燃焼させて焼結鉱を製造する焼結機の酸素−気体燃料供給装置であって、上記フード内には、該フードの高さ方向中間部に、山型状の邪魔板を水平方向に間隙を有して複数列かつ垂直方向に上記間隙部が千鳥状になるよう間隔を有して複数段配列した邪魔板群が配設されてなるとともに、上記邪魔板群の下方には、気体燃料を供給する気体燃料供給配管が配設され、さらに、上記邪魔板群の上方には、酸素を鉛直下向きかつ最上段の邪魔板間の間隙に向けて噴出する噴出口を有する酸素供給配管が、上記噴出口から見た最上段の邪魔板間の間隙の視野角が２０°以上となる高さに配設されてなることを特徴とする焼結機の酸素−気体燃料供給装置である。

本発明の上記焼結機の酸素−気体燃料供給装置は、上記酸素供給配管の噴出口と最上段の邪魔板間の間隙との距離を２００ｍｍ以上としてなることを特徴とする。

本発明によれば、下方吸引式のドワイトロイド焼結機を用い、気体燃料を供給して焼結鉱を製造するに際して、酸素を外部に漏洩させることなく富化することができるので、高強度でかつ被還元性に優れる、高品質の高炉原料用焼結鉱を安全かつ安定して製造することが可能となる。

焼結プロセスを説明する概要図である。 焼結層内における温度分布と圧損分布を説明するグラフである。 高生産時と低生産時における装入層内の温度分布を説明する図である。 焼結進行に伴う装入層内の変化を説明する模式図である。 燃焼帯が装入層の上層部、中層部および下層部の各位置に存在しているときの温度分布と、装入層の幅方向断面内における焼結鉱の歩留り分布を説明する図である。 炭材量の変化（増量）による装入層内の温度変化を説明する図である。 焼結反応を説明する図である。 骸晶状二次ヘマタイトが生成する過程を説明する図である。 気体燃料供給による焼結層内の温度分布の変化を説明する図である。 気体燃料と酸素を供給する酸素−気体燃料供給装置の一例を説明する図である。 酸素の噴出方向が、酸素の漏洩に及ぼす影響を解析した図である。 酸素を供給する配管の幅方向での位置の指定に関し、具体例を説明する図である。 酸素を供給する配管から噴出される酸素の拡散範囲を示す図である。 酸素を供給する配管と邪魔板との高さ方向の位置関係を説明する図である。 酸素供給配管の設置高さが低過ぎるときのリスクを説明する図である。 従来技術と本発明での酸素の流れの違いを説明する図である。

本発明を適用する焼結鉱の製造方法は、下方吸引式の焼結機を用いて、循環移動するパレット上に粉鉱石と炭材を含む焼結原料を装入して装入層を形成し、点火炉でその装入層表層の炭材に点火するとともに、点火炉下流の装入層上方に設けた気体燃料供給装置から供給した気体燃料を含む空気を、パレット下に配設されたウインドボックスで吸引して装入層内に導入し、該装入層内において上記気体燃料と炭材を燃焼させて焼結鉱を製造する点において、前述した特許文献４〜６に開示された技術と同じである。

したがって、気体燃料を供給する場合には、炭材の燃焼熱で焼結する際、焼結に必要な１２００℃以上の温度に保持される高温域保持時間が不足する領域に気体燃料を供給するとともに、その供給する気体燃料の量に応じて、燃焼帯における最高到達温度が１４００℃を超えないよう、焼結原料中に添加する炭材量を調整（削減）することが望ましい。

また、装入層内に供給する気体燃料は、その気体燃料の燃焼下限濃度以下に希釈することが好ましい。希釈した気体燃料の濃度が燃焼下限濃度より高いと、装入層の上方で燃焼してしまい、気体燃料を供給する効果が失われてしまったり、火災や爆発を起こしたりするおそれがある。また、希釈気体燃料が高濃度であると、焼結が既に完了し、温度が低下し領域で燃焼してしまうため、高温域保持時間の延長に有効に寄与し得ないおそれがあるからである。したがって、希釈した気体燃料の濃度は、大気中の常温における燃焼下限濃度の３／４以下が好ましい。より好ましくは燃焼下限濃度の１／５以下、さらに好ましくは燃焼下限濃度の１／１０以下である。しかし、希釈気体燃料の濃度が、燃焼下限濃度の１／１００未満では、燃焼による発熱量が不足し、焼結鉱の品質改善効果や生産性の向上効果が得られなくなるため、下限は燃焼下限濃度の１／１００とする。これを、天然ガス（ＬＮＧ）についてみると、ＬＮＧの室温における燃焼下限濃度は４．８ｖｏｌ％であるので、希釈気体燃料の濃度は０．０５〜３．６ｖｏｌ％の範囲が好ましく、０．０５〜１．０ｖｏｌ％の範囲がより好ましく、０．０５〜０．５ｖｏｌ％の範囲がさらに好ましいことになる。

また、本発明の技術を適用する焼結鉱の製造方法は、特開２０１２−２０７２３６号公報に開示の技術と同様、気体燃料を供給すると同時に、酸素を富化してやるところに特徴がある。その理由は、酸素を富化することで、焼結時のガス雰囲気が酸化方向に移行する結果、焼結反応によって焼結鉱中の生成するカルシウムフェライトの生成割合が増大し、逆に、カルシウムシリケートの生成割合が低減するので、高強度でかつ還元性に優れる焼結鉱を得ることができること、また、気体燃料の供給と酸素富化を同時に行うことで、焼結反応速度を高めて焼結時間を短縮できるとともに、気体燃料と焼結原料中の炭材の燃焼位置を低温度側に移行させ、装入層内の温度分布曲線の裾野を拡大し、高温域保持時間の延長を図ることができるので、生産率も高めるだけでなく、焼結鉱の品質をも向上することができるからである。

上記酸素富化の効果は、通常の操業時に装入層内に吸引される空気中に含まれる酸素濃度、すなわち、２１ｖｏｌ％超えであれば得られるが、明確な効果を得るためには２４．５ｖｏｌ％以上に富化することが好ましい。一方、酸素濃度が３５ｖｏｌ％以上となると、酸素富化に要するコストが、享受できる利益を上回るようになる。よって、富化する酸素量は、装入層内に吸引される空気中の酸素濃度が２１ｖｏｌ％超３５ｖｏｌ％未満の範囲となるよう添加するのが好ましい。より好ましくは２４．５〜３０ｖｏｌ％、さらに好ましくは２４．５〜２８ｖｏｌ％の範囲である。

なお、本発明における気体燃料の供給方法および酸素を富化する方法は、図１０に示したように、点火炉下流の原料装入層上方に設置した気体燃料供給装置のフードの高さ方向中間部に、山型状（上面がヘの字状）の邪魔板を、水平方向に間隙を有して複数列かつ垂直方向に上記間隙部が千鳥状なるよう間隙を有して複数段配列した邪魔板群を配設し、かつ、上記邪魔板群の下方に気体燃料を供給する気体燃料供給配管を配設し、生の気体燃料を吹き消え現象が起こる高速で空気中に噴出して瞬時に燃焼下限濃度以下の希釈気体燃料とする、あるいは、予め燃焼下限濃度以下に希釈した気体燃料を噴出するとともに、上記邪魔板群の上方に酸素供給配管を配設し、酸素をフード内の空気中に噴出して富化するものであることが望ましい。

ここで、フード内に邪魔板群を設けて、その下方に気体燃料を供給する理由は、ＬＮＧ等の気体燃料は空気より軽いため、単にフード内に吹き込むだけでは、気体燃料は上方に移動し、フード外に漏洩してしまう。そこで、フード内に間隙を有して邪魔板群を配設し、上記邪魔板間の間隙を上方から下方に向かって流れる空気流の流速を高めることによって、気体燃料がフード上方へ漏洩するのを防止するためである。

なお、上記邪魔板群については、その下方において供給された気体燃料の上方への漏出を防止し、かつ、その上方において酸素を富化された空気を下方にスムーズに流すことができる構造であれば特に制限はないが、図１０に示したように、への字状（山型状）に加工した板材を、水平方向に間隙を開けて複数列配列するとともに、その間隙部が垂直方向に千鳥状（トーナメント状）あるいはラビリンス状になるように、間隙を開けて複数段配列したものであるのが望ましい。なお、上記邪魔板群の寸法は、特に規定しないが、例えば、機幅が６ｍの焼結機の場合、１枚の邪魔板の幅は２００〜５００ｍｍ程度、邪魔板同士の間隙は、水平方向に５０〜２００ｍｍ程度、垂直方向に５０〜２００ｍｍ程度とし、邪魔板の段数は２〜５段程度とするのが望ましい。また、上記邪魔板群は、気体燃料のフード上部への漏出を防止する観点から、開口部の圧損が１０ｍｍＡｑ以下となるよう配設するのが好ましい。

なお、図１０には、気体燃料配管から噴出する気体燃料の向きを水平方向とした例を示したが、気体燃料が装入層に導入されるまでの間に空気と均一に混合し、燃焼下限濃度以下に希釈される限り、水平方向でも下向きでもよく、特に制限はない。

一方、邪魔板の上方において酸素を空気中に噴出させる理由は、酸素は空気より比重が大きいため、フード外に漏洩する比率が低いこと、また、例え漏洩したとしても、高濃度でない限り、気体燃料のような危険性がないこと、および、邪魔板の上方で噴出させることによって、酸素供給配管から噴出した酸素は、邪魔板の間隙を通過する間に空気によって目標濃度まで均一に希釈された後、気体燃料と混合するため、高濃度の酸素と気体燃料とが直接接触するのを防止できるためである。なお、酸素供給配管から噴出する酸素は、純酸素でなくてもよいが、供給する酸素量は気体燃料と比較して桁違いに多いため、酸素濃度が低下すると配管からの噴出量が増大するので好ましくない。

また、酸素供給配管から噴出させる酸素の向きについては、邪魔板の間隙からフード外への酸素の漏洩を防止する観点からは、吸引方向（下方）に向けるのが好ましい。
図１１は、酸素供給配管から酸素を、邪魔板上方の空気中に噴出して酸素濃度を２１ｖｏｌ％から２７ｖｏｌ％まで富化させる場合において、風速１０ｍ／秒の横風を受けたときにフード外へ漏出する酸素量を、酸素を水平方向に噴出させたときと、下方に向けて噴出させたときとで比較したシミュレーション結果を示したものである。この図から、水平方向に酸素を噴出すると、酸素が漏洩し易くなることがわかる。

また、酸素供給配管から噴出させる酸素の向きを下向きとした場合でも、さらに、図１２に示したように、酸素供給配管を邪魔板と邪魔板の間隙の上方に配設し、酸素を邪魔板と邪魔板の間隙に向けて噴出するとともに、噴出した酸素が、幅方向に拡散しても両側の邪魔板と接触することがないようにする必要がある。すなわち、図１３に示したように、ノズルから噴出した酸素は次第に周辺方向に拡散するが、この際、図１４に示したように、拡散した酸素が邪魔板と接触しないように、つまり、酸素の拡散範囲が邪魔板の間隙内に収まるように噴出することが必要である。

というのは、高速で噴出した酸素が邪魔板と接触すると、酸素が邪魔板の上面に沿って上昇し、横風がある場合には、フード外に散逸する比率が高くなる。その結果、気体燃料供給領域における酸素濃度を目標値まで富化することが困難となり、焼結鉱の品質向上効果が十分に得られなくなるおそれがある。一方、上記のように邪魔板と接触しないように酸素を噴出した場合には、高濃度の酸素が最上段の邪魔板に接触せず、スムーズに吹き込まれるので、上方への酸素の拡散・漏洩を抑制することができるとともに、酸素を効率良く邪魔板群下方の気体燃料供給領域に供給することができるからである。

ここで、上記のように、酸素を邪魔板と邪魔板の間隙に向けて噴出する際、噴出した酸素が両側の邪魔板と接触することがないようにするためには、酸素噴出口から見た最上段の邪魔板間の間隙の視野角（図１４参照）が２０°以上となる高さに酸素供給配管を設置することが重要である。その理由は、図１３に示したように、酸素供給配管から噴出した酸素は、その後、周囲に拡散するが、その広がり角は、噴出速度に依らずほぼ一定であり、通常、１５°程度である。したがって、横風による変動を考慮しても、噴出した酸素の広がり角は２０°程度と考えることができるからである。

さらに、酸素供給配管を設置する高さは、上記のように酸素噴出口から見た最上段の邪魔板間の間隙の視野角を２０°以上とすることに加えて、高濃度の酸素が下段の邪魔板に対しても直接接触しないようにすること、ならびに、酸素供給配管が配設されていない邪魔板間の間隙からの酸素の漏洩を防止するため、下限を定めることが好ましい。

というのは、高速で噴出した酸素が高濃度のまま邪魔板に接触すると、何らかの火種が供給されることで、邪魔板が焼損してしまうおそれがある。また、例えば、図１２のように、フードの左右両端に酸素供給配管が設置されていない箇所がある場合には、図１５に示すように、酸素供給配管から噴出された酸素が高速であると、下段の邪魔板に当たった酸素が反射され、斜面に沿って上昇して、酸素供給配管が設置されていない箇所から漏洩を起こすおそれがある。特に、反射した高濃度の酸素が邪魔板の裏側に入り込むと、邪魔板の間隙を高速で流れる空気流によって、酸素の幅方向への拡散が阻害され、酸素濃度が高濃度のままとなるおそれがある。従って、酸素は、ある程度濃度が希釈した状態で、最上段の邪魔板間の間隙を通過するよう、供給することが好ましいからである。

図１３に示したシミュレーション結果によれば、酸素供給配管の噴出口からの距離が概ね２００ｍｍ以上であれば、酸素流の中心部の酸素濃度は５０ｖｏｌ％を下回っている。そこで、本発明においては、酸素供給配管の噴出口と最上段の邪魔板間の間隙との距離は、２００ｍｍ以上に設定するのが好ましい。

図１２と同様の構造の酸素−気体燃料供給装置を有する実機焼結機において、邪魔板群の上方に配設した金属パイプ製の酸素供給配管の下面に、酸素を噴出する噴出口として２ｍｍφの穴を一定間隔で開け、酸素を鉛直下向き噴出させるようにした。このとき、噴出する酸素ガスの広がり角は、横風の影響を考慮して２０°とした。

次いで、図１６に示したように、酸素供給配管の設置高さ（最上段の邪魔板からの距離）を、視野角を１８．９°とし、ノズルから噴出した酸素が最上段の邪魔板と接触するようにした場合（比較例）と、視野角を２２．６°とし、ノズルから噴出した酸素が最上段の邪魔板と接触しないようにした場合（発明例）の２条件に変えて設置して焼結実験を行い、得られた焼結鉱のシャッター強度をＪＩＳ Ｍ８７１１に準じて測定した。なお、上記酸素の噴出量は、装入層中に導入する空気中の酸素濃度が、吹き込む酸素の散逸が無いとした場合に２５ｖｏｌ％となるように設定した。その結果、邪魔板に接触しないように酸素を噴出させた本発明例における冷間強度は８２．５％であったが、邪魔板に接触するように酸素を噴出させた比較例における冷間強度は７９．２％であり、焼結鉱の強度に明確な違いが認められた。

そこで、上記冷間強度に違いが生じた原因を調べるため、上記実機焼結機において、邪魔板に接触しないように酸素を噴出させた発明例と、邪魔板に接触するように酸素を噴出させた比較例における酸素の散逸率を測定した。具体的には、気体燃料を供給しない状態において、パレット下方に設置されたウインドボックスで空気を吸引しつつ、上記２条件で酸素を酸素供給配管から噴出し、フード内下部の気体燃料供給領域における酸素濃度を測定し、上記実測された空気中の酸素濃度をＣ、酸素噴出量から推定される散逸がないとしたときの空気中の酸素濃度（目標濃度）をＣ_０としたとき、下記（１）式で定義される散逸率を求めた。
酸素散逸率（％）＝［（Ｃ_０−Ｃ）／（Ｃ_０−２１）］×１００ ・・・（１）

その結果、邪魔板に接触しないように酸素を噴出させた発明例では、酸素の散逸率が０．２１％で、酸素の散逸はほぼ完全に防止できていたが、邪魔板に接触するように酸素を噴出させた比較例では、酸素の散逸率が２２．８％と、多量の酸素がフード外に漏洩していることがわかった。この結果から、比較例における冷間強度の低下は、酸素の漏洩により酸素富化の効果が十分に得られなかったためであると推定された。

なお、参考として、上記発明例と比較例の２条件における酸素のフード外への漏洩量をシミュレーションした結果を、図１６中に示したが、この結果からも、邪魔板に接触するように酸素を噴出させる比較例の条件では、酸素のフード外への漏洩が起こり易いことが確認された。

さらに、上記シミュレーションにおいて、酸素供給配管を邪魔板の間隙に対して１つおきに設置した条件で、酸素供給配管の設置高さ（酸素供給配管の噴出口と最上段の邪魔板間の間隙との間の距離）を２５０ｍｍから１５０ｍｍに変化させて酸素の散逸率を計算した。その結果、設置高さが１５０ｍｍでは、２５０ｍｍに対して酸素の散逸率が約６．３倍となる、つまり、酸素の散逸率は、設置高さ２５０ｍｍのときの０．２１％から１．３３％に増加する結果が得られた。この結果から、酸素供給配管の設置高さが２００ｍｍを下回ると、酸素の漏洩が増加してしまうことが確認された。

本発明の焼結技術は、製鉄用、特に高炉用原料として使用される焼結鉱の製造技術として有用であるばかりでなく、その他鉱石の塊成化技術としても利用することができる。

１：原料ホッパー
２：ドラムミキサー
３：ロータリーキルン
４、５：サージホッパー
６：ドラムフィーダー
７：切り出しシュート
８：パレット
９：装入層
１０：点火炉
１１：ウインドボックス
１２：カットオフプレート

Claims (2)

1. 点火炉下流の原料装入層上方に設けたフード内に酸素を噴出して富化し、さらに、気体燃料を供給して燃焼下限濃度以下に希釈した空気を、パレット下方に配設したウインドボックスで吸引して装入層内に導入し、該装入層内において上記気体燃料と炭材を燃焼させて焼結鉱を製造する焼結機の酸素−気体燃料供給装置であって、
   上記フード内には、該フードの高さ方向中間部に、山型状の邪魔板を水平方向に間隙を有して複数列かつ垂直方向に上記間隙部が千鳥状になるよう間隔を有して複数段配列した邪魔板群が配設されてなるとともに、
   上記邪魔板群の下方には、気体燃料を供給する気体燃料供給配管が配設され、さらに、
   上記邪魔板群の上方には、酸素を鉛直下向きかつ最上段の邪魔板間の間隙に向けて噴出する噴出口を有する酸素供給配管が、上記噴出口から見た最上段の邪魔板間の間隙の視野角が２０°以上となる高さに配設されてなることを特徴とする焼結機の酸素−気体燃料供給装置。
2. 上記酸素供給配管の噴出口と最上段の邪魔板間の間隙との距離を２００ｍｍ以上としてなることを特徴とする請求項１に記載の焼結機の酸素−気体燃料供給装置。

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