JP2014142337A - 高炉融着帯を模擬した反応装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】融着帯近傍のガス流れを実機同様に再現することにより、高炉融着帯の鉱石溶融挙動およびガス流れを的確にシミュレートすることができる高炉融着帯を模擬した反応装置を提案する。
【解決手段】鉄鉱石および／または焼結鉱ならびにコークスおよび／または石炭を充填することができる試料充填容器を内部に有する試料加熱炉と気体加熱炉とを並列配置とし、該気体加熱炉において加熱された気体を該試料充填容器内の試料充填層に対し横方向から水平に流通する構造とする。
【選択図】図１
【解決手段】鉄鉱石および／または焼結鉱ならびにコークスおよび／または石炭を充填することができる試料充填容器を内部に有する試料加熱炉と気体加熱炉とを並列配置とし、該気体加熱炉において加熱された気体を該試料充填容器内の試料充填層に対し横方向から水平に流通する構造とする。
【選択図】図１
Description
本発明は、高炉融着帯を模擬した反応装置に関するものである。
近年、製鉄原料の価格高騰により、高炉に用いるコークスの原単位削減が求められている。
但し、コークスを削減した場合、炉内通気性を担保しているコークスが減少するため、高炉炉内において通気抵抗が増加する。
但し、コークスを削減した場合、炉内通気性を担保しているコークスが減少するため、高炉炉内において通気抵抗が増加する。
一般的な高炉では、炉頂から装入された鉱石が軟化を開始する温度に到達すると、上部に存在する原料の自重により空隙を埋めながら変形する。そのため、高炉下部では、鉱石層の通気抵抗が非常に大きくなり、ガスがほとんど流れない鉱石融着層が形成される。かような鉱石融着層を含む帯域である融着帯の通気性が高炉全体の通気性に大きく影響を及ぼし、高炉における生産性を律速している。
従って、融着帯におけるガス通気性の支配因子を明確にし、最適な層構造を設計する必要がある。
従って、融着帯におけるガス通気性の支配因子を明確にし、最適な層構造を設計する必要がある。
高炉融着帯におけるガス通気性を評価する装置として、例えば特許文献１に示す荷重軟化装置が知られている。この荷重軟化装置とは、ルツボに焼結鉱、鉱石あるいはコークスなどの高炉原料を充填し、ルツボ下部より高温のガスを流通する一方、試料層上部からは荷重を負荷し、高炉内の鉱石溶融挙動を模擬する装置である。本装置を用いることによって、軟化収縮した鉱石層のガス通気抵抗を測定することが可能である。
また、コークス層の存在を考慮し、鉱石層とコークス層へのガス分配を測定する装置として非特許文献１に示す装置が知られている。この装置は、コークスを充填する管と鉱石を充填する管の２つの管よりなる２重管構造をなしており、鉱石を充填する管内は、上述した荷重軟化装置と同様に、鉱石層の上部から荷重を付加して、鉱石の軟化収縮挙動を模している。また、この２重管の下部よりガスを流通させ、外管のコークス層と内管の鉱石層にそれぞれの層の通気抵抗に応じてガスの分配がなされる構造となっている。
鉄と鋼 79巻 8号 927-933頁
前述したとおり、高炉下部では、鉱石層の通気抵抗は非常に大きく、ガスがほとんど流れない鉱石融着層が形成され、かような鉱石融着層を含む融着帯の通気性が高炉全体の通気性に大きく影響を及ぼし、高炉における生産性を律速している。従って、融着帯におけるガス通気性支配因子を明確にして、最適な層構造を設計することは極めて重要である。
ここで、融着帯の通気抵抗を正確に評価するためには、高炉内のガス流れを再現する必要がある。一般的に、高炉融着帯は軟化収縮するため通気抵抗が非常に大きな鉱石融着層と、軟化収縮せず通気抵抗が小さいコークス層の２層で構成される。従って、融着帯を流れるガスはコークス層を横向きに流れる。それ故、高炉融着帯におけるガス流れを模擬するには横方向のガス流れを再現する必要がある。
前掲特許文献１に示す荷重軟化装置は、ルツボに焼結鉱、鉱石あるいはコークスなどの高炉原料を充填し、ルツボ下部より高温のガスを流通し、一方試料層上部からは荷重を付加し、高炉内の鉱石溶融挙動を模擬する装置である。
しかしながら、この装置を用いた場合、本来ガスが流れにくい鉱石融着層へ強制的にガスを流通させることになるため、コークスと鉱石が層状に充填された場合の層構造全体としての通気性評価は不可能である。
しかしながら、この装置を用いた場合、本来ガスが流れにくい鉱石融着層へ強制的にガスを流通させることになるため、コークスと鉱石が層状に充填された場合の層構造全体としての通気性評価は不可能である。
また、非特許文献１に示す装置は、コークスを充填する管と鉱石を充填する管の２つの管からなる２重管構造をなしており、鉱石を充填する管内は上述した荷重軟化装置と同様、鉱石層の上部から荷重を付加して鉱石の軟化収縮挙動を模している。そして、この２重管の下部よりガスを流通させ、外管のコークス層と内管の鉱石層それぞれに各層の通気抵抗に応じてガスの分配がなされる構造となっている。
しかしながら、この装置も、コークス充填層と鉱石充填層が独立して存在すること、および本来の融着帯ではガス流れに対し直交する方向に鉱石が変形するのに対し、ガス流れに対し水平に鉱石層が変形することから、コークスと鉱石の充填層全体の通気抵抗を精度よくシミュレートできるとは言えない。
しかしながら、この装置も、コークス充填層と鉱石充填層が独立して存在すること、および本来の融着帯ではガス流れに対し直交する方向に鉱石が変形するのに対し、ガス流れに対し水平に鉱石層が変形することから、コークスと鉱石の充填層全体の通気抵抗を精度よくシミュレートできるとは言えない。
本発明は、上記の課題を解決すべく開発されたもので、融着帯近傍のガス流れを精度良く再現することにより、高炉融着帯の鉱石溶融挙動およびガス流れを的確にシミュレートすることができる高炉融着帯を模擬した反応装置を提案することを目的とする。
すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．鉄鉱石および／または焼結鉱ならびにコークスおよび／または石炭を充填することができる試料充填容器を内部に有する試料加熱炉と気体加熱炉とを並列配置とし、該気体加熱炉において加熱された気体を該試料充填容器内の試料充填層に対し横方向から水平に流通する構造になる高炉融着帯を模擬した反応装置。
１．鉄鉱石および／または焼結鉱ならびにコークスおよび／または石炭を充填することができる試料充填容器を内部に有する試料加熱炉と気体加熱炉とを並列配置とし、該気体加熱炉において加熱された気体を該試料充填容器内の試料充填層に対し横方向から水平に流通する構造になる高炉融着帯を模擬した反応装置。
２．前記試料加熱炉の上部に鉛直方向に移動可能な台座を配置すると共に、該試料充填容器内の試料充填層の上部に押え板を設置し、該台座と該押え板を接続棒で接続し、該台座の上部に条件に応じた負荷をかけることにより該試料充填層に一定の荷重を付加することからなる前記１に記載の反応装置。
３．前記試料充填層の上部に設置した押え板に数点の孔を開け、該孔に熱電対および圧力計に接続した管を差し込むことにより、該試料充填層の温度および圧力を測定することからなる前記１または２に記載の反応装置。
４．前記試料充填容器において、前記試料充填層の下部に底板を介して空洞を設け、該試料充填層と該空洞を隔てる底板に、複数個の穴を設け、この穴から、試料反応中に生成した溶融物を空洞に滴下させることで、該試料充填層内のガス流れを該溶融物によって妨げないようにした前記１乃至３のいずれかに記載の反応装置。
本発明によれば、試料充填層に対し水平方向からガスを流通し、かつ試料充填層に対し鉛直方向に荷重を付加することにより、実機に則した高炉融着帯の通気抵抗の評価が可能となる。
本発明は、高炉融着帯のガス通気性を評価するため、融着帯近傍のガス流れを実機に則して再現する装置である。一般的に、高炉融着帯は、溶融し通気抵抗が非常に大きな鉱石融着層と、溶融せず通気抵抗が小さいコークス層の２層で構成される。従って、この付近を流れるガスはコークス層を横向きに流れるため、高炉融着帯を模擬するには横方向のガス流れを再現する必要がある。
そのため、本装置は、試料充填層に対し水平方向からガスを流通すると共に、鉱石に対しては鉛直方向に荷重を付加する仕組みになっている。
そのため、本装置は、試料充填層に対し水平方向からガスを流通すると共に、鉱石に対しては鉛直方向に荷重を付加する仕組みになっている。
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に従う反応装置の好適例の模式図である。図中、符号１は試料加熱炉であり、この試料加熱炉１はその内部に試料充填容器２および加熱装置３をそなえている。また、試料充填容器２内には、コークス層４および鉱石層５を層状に充填した試料充填層６が形成されている。そして、試料充填層６は加熱装置３により温度をコントロールされる。
７は気体加熱炉であり、この気体加熱炉７もその内部に加熱装置８をそなえている。
なお、９はガス混合器、10はガス流通用の配管、11は圧力計、12は熱電対、13は押え板、14は台座、15は接続棒であり、この接続棒は黒鉛または金属製とすることが好ましい。そして16が負荷手段であり、この例では錘を用いている。そして、この錘16により、高炉内を模擬した荷重を試料充填層６に付加する。
図１は、本発明に従う反応装置の好適例の模式図である。図中、符号１は試料加熱炉であり、この試料加熱炉１はその内部に試料充填容器２および加熱装置３をそなえている。また、試料充填容器２内には、コークス層４および鉱石層５を層状に充填した試料充填層６が形成されている。そして、試料充填層６は加熱装置３により温度をコントロールされる。
７は気体加熱炉であり、この気体加熱炉７もその内部に加熱装置８をそなえている。
なお、９はガス混合器、10はガス流通用の配管、11は圧力計、12は熱電対、13は押え板、14は台座、15は接続棒であり、この接続棒は黒鉛または金属製とすることが好ましい。そして16が負荷手段であり、この例では錘を用いている。そして、この錘16により、高炉内を模擬した荷重を試料充填層６に付加する。
さて、本発明装置では、図示したように、試料加熱炉１と気体加熱炉７とを並列配置としたところに最大の特徴がある。このように、並列配置としたが故に、気体加熱炉７で加熱された気体は、試料加熱炉１内に横方向から侵入することになり、その結果、詳細を図２に示すように、侵入した加熱気体は試料充填容器１内の試料充填層６を水平に流れることから、高炉融着帯におけるガス流れを再現できるのである。
また、本発明装置では、台座14上に錘16を載せることにより、接続棒15および押え板13を介して、操業条件に応じた一定の荷重を試料充填層に付加することができ、このため、上記した水平方向のガス流れと相まって、高炉融着帯における層構造を反映した通気抵抗の評価が可能となるのである。なお、図２中、符号17は、鉱石層５中に混合したコークスを示す。
さらに、本発明装置では、押え板13に数点の孔（図示省略）を開け、この孔に熱電対および圧力計に接続した管を差し込むことにより、試料充填層６の温度および圧力を測定するができる。なお、押え板13に開口する孔の数は４〜８個程度とするのが好適である。
加えて、本発明装置では、試料充填層６の下部に空洞18を設け、この試料充填層６と空洞18を隔てる底板19に、複数個の穴20を設けて、この穴20から、試料反応中に生成した溶融物を空洞に滴下させることができ、これにより、試料充填層６内のガス流れが溶融物によって妨げられる弊害を解消することができる。なお、底板19に設ける穴20の大きさは、試料よりも小さな例えば３〜８mm程度とするのが好適である。また、空洞18に滴下した溶融物を、図２中に、符号21で示す。
上記の反応装置を用いて、高炉融着帯を模擬した実験を行った。
表１に、実験を行った際の原料条件を示す。
表１に、実験を行った際の原料条件を示す。
条件１は、高炉におけるコークス比が320 kg/t相当のとき、条件２は高炉におけるコークス比が160 kg/t相当のときをそれぞれ模擬している。また、条件３は、高炉におけるコークス比が320 kg/t相当のうちコークス比160kg相当を鉱石層へ混合した場合である。
そして、条件１と条件２の比較により、コークス比低下時における融着帯圧力損失上昇について調査した。
また、条件１と条件３の比較により、鉱石層へコークスを混合したときの圧力損失低下効果を調査した。
そして、条件１と条件２の比較により、コークス比低下時における融着帯圧力損失上昇について調査した。
また、条件１と条件３の比較により、鉱石層へコークスを混合したときの圧力損失低下効果を調査した。
図３(a)，(b)に、本発明装置を用いて実験を行なった際の温度条件およびガス条件を示す。今回の実験は、いずれも同一水準で行った。
図４に、条件１および条件２で模擬実験を行った場合の圧力損失についての調査結果を比較して示す。
同図に示したとおり、コークス比160 kg/tのとき（条件２）はコークス比320 kg/tのとき（条件１）と比べて、圧力損失が大幅に増大していることが分かり、これによりコークス比低下時における融着帯圧力損失上昇を計測することが可能となる。
同図に示したとおり、コークス比160 kg/tのとき（条件２）はコークス比320 kg/tのとき（条件１）と比べて、圧力損失が大幅に増大していることが分かり、これによりコークス比低下時における融着帯圧力損失上昇を計測することが可能となる。
図５に、条件１および条件３で模擬実験を行った場合の圧力損失についての調査結果を比較して示す。
この場合、条件１と条件３を比較すると、条件３では、特に高温域で圧力損失が低下していることが分かり、これによりコークス混合時の融着帯圧力損失低下効果を計測することが可能となる。
この場合、条件１と条件３を比較すると、条件３では、特に高温域で圧力損失が低下していることが分かり、これによりコークス混合時の融着帯圧力損失低下効果を計測することが可能となる。
次に、表２に、上述の反応装置を用いて、融着帯通気抵抗を測定したときの実験条件を示す。
同表に示したように、コークス層や鉱石層の層厚を変えて実験を行った。また、層厚を変えた際は、初期充填層内の（コークス層／鉱石層）の層厚の合計値が一定となるように層数を変化させた。なお、Ｌｃはコークス層厚、Ｄｃはコークス粒径を表す。
図６に、1400℃における試料層の通気抵抗測定結果を、Ｌｃ／Ｄｃと通気抵抗との関係で示す。
同図によれば、Ｌｃ／Ｄｃが２以下になると通気抵抗が急激に上昇することがわかる。
同図によれば、Ｌｃ／Ｄｃが２以下になると通気抵抗が急激に上昇することがわかる。
さらに、図７に、溶融時の模式図を示す。図７(a)はコークス層厚が厚いとき、図７(b)はコークス層厚が薄いときの様子を表している。
同図から明らかなように、コークス層厚が厚いときと比べコークス層厚が薄いときは、溶融鉱石層とコークス層の接する界面数が増加する。溶融物はそれぞれの界面からコークス層へ浸入していくため、コークス層が薄いときは溶融鉱石の浸入層の厚さが増加する。したがってコークス層薄層化時にはガスが容易に流れ得るコークス層が減少し、通気抵抗が上昇する。
特にＬｃ／Ｄｃが２以下の場合、コークス層はコークス粒子２個分以下の層厚となり、コークスが１個しか存在しないような部分では、このコークスが上下より溶融物に包み込まれるため、この部分でガスが流れやすいコークス層を閉塞してしまう。ゆえに、Ｌｃ／Ｄｃが２以下で急激に通気抵抗が上昇したものと考えられる。
同図から明らかなように、コークス層厚が厚いときと比べコークス層厚が薄いときは、溶融鉱石層とコークス層の接する界面数が増加する。溶融物はそれぞれの界面からコークス層へ浸入していくため、コークス層が薄いときは溶融鉱石の浸入層の厚さが増加する。したがってコークス層薄層化時にはガスが容易に流れ得るコークス層が減少し、通気抵抗が上昇する。
特にＬｃ／Ｄｃが２以下の場合、コークス層はコークス粒子２個分以下の層厚となり、コークスが１個しか存在しないような部分では、このコークスが上下より溶融物に包み込まれるため、この部分でガスが流れやすいコークス層を閉塞してしまう。ゆえに、Ｌｃ／Ｄｃが２以下で急激に通気抵抗が上昇したものと考えられる。
このような現象は、従来融着帯の通気抵抗を測るために用いられていた荷重軟化試験装置でも発生していたと考えられるが、荷重軟化試験装置は試料層の縦方向の通気抵抗を測定する装置であり、溶融鉱石層の層厚は溶融物侵入層厚と比較しても大きいことから、溶融物浸入層厚が通気抵抗へ与える影響の切り分けが困難であった。
これに対し、本発明による装置で測定する通気抵抗は、ガスが容易に流れ得るコークス層の層厚に依存することから、溶融物がコークス層へ浸透し通気抵抗が上昇する現象を容易に捉えることが可能となる。
これに対し、本発明による装置で測定する通気抵抗は、ガスが容易に流れ得るコークス層の層厚に依存することから、溶融物がコークス層へ浸透し通気抵抗が上昇する現象を容易に捉えることが可能となる。
以上の結果から、本発明装置を用いることで、層構造を反映した融着充填層の圧力損失を測定することが可能であり、本装置により従来直接評価が不可能であった層構造を反映した融着帯圧力損失を測定することが可能となった。
１ 試料加熱炉
２ 試料充填容器
３ 加熱装置
４ コークス層
５ 鉱石層
６ 試料充填層
７ 気体加熱炉
８ 加熱装置
９ ガス混合器
10 ガス流通用の配管
11 圧力計
12 熱電対
13 押え板
14 台座
15 接続棒
16 負荷手段（錘）
17 混合コークス
18 空洞
19 底板
20 穴
21 滴下した溶融物
２ 試料充填容器
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５ 鉱石層
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13 押え板
14 台座
15 接続棒
16 負荷手段（錘）
17 混合コークス
18 空洞
19 底板
20 穴
21 滴下した溶融物
Claims (4)
- 鉄鉱石および／または焼結鉱ならびにコークスおよび／または石炭を充填することができる試料充填容器を内部に有する試料加熱炉と気体加熱炉とを並列配置とし、該気体加熱炉において加熱された気体を該試料充填容器内の試料充填層に対し横方向から水平に流通する構造になる高炉融着帯を模擬した反応装置。
- 前記試料加熱炉の上部に鉛直方向に移動可能な台座を配置すると共に、該試料充填容器内の試料充填層の上部に押え板を設置し、該台座と該押え板を接続棒で接続し、該台座の上部に条件に応じた負荷をかけることにより該試料充填層に一定の荷重を付加することからなる請求項１に記載の反応装置。
- 前記試料充填層の上部に設置した押え板に数点の孔を開け、該孔に熱電対および圧力計に接続した管を差し込むことにより、該試料充填層の温度および圧力を測定することからなる請求項１または２に記載の反応装置。
- 前記試料充填容器において、前記試料充填層の下部に底板を介して空洞を設け、該試料充填層と該空洞を隔てる底板に、複数個の穴を設け、この穴から、試料反応中に生成した溶融物を空洞に滴下させることで、該試料充填層内のガス流れを該溶融物によって妨げないようにした請求項１乃至３のいずれかに記載の反応装置。
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2013
- 2013-12-20 JP JP2013264319A patent/JP5949746B2/ja active Active
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