JP2014214331A - 高炉への原料装入方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ベルレス高炉において、原料の粒子径と密度が相違する高炉装入物を混合装入する際に、炉頂ホッパーからの装入物の排出のばらつきを減少し、炉径方向の装入物分布を制御すること。
【解決手段】ベルレス高炉において、焼結鉱と密度および粒子径の異なる一以上の種類の装入物とを混合して装入する際に、一の種類の装入物の焼結鉱に対する粒子径比（Ｄ）と密度比（Ｐ）が下記式（１）を満たすことを特徴とする高炉への原料装入方法。
０．６５ ≦Ｄ² / Ｐ^0.4≦１．３５・・・・・（１）
ここで、Ｄ＝（一の種類の装入物の粒子直径）／（焼結鉱の粒子直径）、Ｐ＝（一の種類の装入物の密度）／（焼結鉱の密度）である。
【選択図】図７

Description

本発明は、高炉への原料装入方法に関する。特に、高炉装入原料の粒子径、密度の制御に関する。

近年の資源劣質化により高炉で使用する装入物の多種多様化が求められている。そしてかかる環境下で、高出銑、低還元材比操業を達成するためには、従来以上に高精度な装入物分布制御技術の開発が期待されている。

大型高炉を安定して操業するには、高炉内での還元ガスの通気性の確保が重要である。
高炉の通気性は、（１）径方向での鉱石とコークスの層厚比（以下Ｏ/Ｃという。）の分布と（２）径方向粒度分布、により径方向通気抵抗分布が形成されるため、上記（１）と（２）のコントロールが重要である。

高炉においては、鉱石とコークスを順次に炉内に装入し、鉱石層とコークス層を形成する装入物装入方式が一般的である。ここで、鉱石層には、焼結鉱が主であるが、その他に、ペレット、塊鉱石及び副原料も含まれており、これらの種々の原料を均一に混合し、炉内に装入することが大切である。
装入物分布制御の方法として、最近の大型高炉においては、炉頂部に旋回機能を有し、且つ、その俯仰角度が変更できるシュートを設け、このシュートにより原料をリング状に炉内に装入する旋回シュート式原料装入装置が採用されている（以下、ベルレス高炉と記す。）。

高炉に装入する各種の原料は、それぞれの粒子径（以下、粒子の直径を意味する）と密度が相違する。粒子径と密度が相違することにより、高炉に装入されたときの挙動が相違する。例えば、粒子径が小さな原料は、装入物表面の落下位置にとどまり、粒子径が大きな原料は、装入物表面を転がり落ち、炉中心部及び炉壁近傍に堆積しやすい。また、鉱石に比べ、密度が小さなコークスは、その後に装入された鉱石により、はじき飛ばされ、転がって炉中心部に堆積しやすい。

ベルレス高炉においては、装入コンベアで輸送された高炉原料は、炉頂固定ホッパーに一時貯留した後、旋回シュートにより炉内に装入される。高炉原料は、それぞれの粒子径と密度の相違により炉頂固定ホッパーからの排出タイミングにより、種類の異なる原料が十分混合せずに、炉内に装入される。

また、炉頂固定ホッパーから排出され、旋回シュートにより炉内に装入されるときも、原料の粒子径と密度の相違により、炉半径方向に原料の偏析が起こるという問題がある。
したがって、高炉装入原料の種類に対応し、それぞれの粒子径と密度を考慮して、上記の（１）（２）即ち、径方向のＯ/Ｃ分布と粒度分布をコントロールすることが重要である。

高炉において、近年、鉱石に小塊コークス（略１０〜４０ｍｍ）を混合して装入する鉱石・小塊コークス混合装入法が採用されるようになってきた。従来、鉱石（粒子径略５〜４５ｍｍ）とコークス（略２０〜６０ｍｍ）を順次に炉内に装入し、鉱石層、コークス層を形成する操業方法が一般的であった。これに対し、鉱石・小塊コークス混合装入法は、鉱石に、小塊コークスを混合することにより、鉱石層の通気性を向上させ生産性を向上させると同時に、鉱石と小塊コークスの粒子を近接させることにより、鉱石の還元性を向上させ、高炉燃料比を低下させることを目的としている。

鉱石・小塊コークス混合装入法においては、鉱石と小塊コークスは、粒子径と密度が大きく相違するため、炉頂固定ホッパーからの排出タイミングにより、鉱石と小塊コークスが混合されずに、炉内に装入され、炉内においても、原料粒子の粒子径と密度の相違により、装入物表面への堆積に偏析を起こすという問題がある。

高炉内に供給する原料を、コークス層とコークス混合鉱石層とが交互に堆積するように装入する原料の装入方法において、前記コークス混合鉱石層中に混合されるコークスの粒径を、鉱石の粒径の１．１〜１．４倍未満の範囲内にして相対鉱石比率の値が炉内半径方向の全域において０．８〜１．２の領域に入るような大きさにすると共に、該コークス混合鉱石層中に占める該コークスの割合が体積比率で１０体積％以上の配合となるようにし、かつ該コークス混合鉱石層の炉腹部における平均層厚が４００ｍｍ以上となるように堆積させることを特徴とする高炉への原料の装入方法の記載がある（特許文献１）。

上部バンカーと下部バンカーとが上下２段に配置されたセンターフィード型ベルレス炉頂装入装置を有するベルレス高炉において、炉頂部から原料を装入してコークス層とコークス混合鉱石層とを交互に堆積させる原料装入を行なう際に、前記コークス混合鉱石層中に混合されるコークスの粒子径を、鉱石の粒子径に対して１．３倍以上とし、前記コークス混合鉱石層を形成するために、前記上部バンカーに鉱石を装入し、引き続いて鉱石とコークスとを装入した後、前記上部バンカー内の原料を前記下部バンカー内に装入し、該下部バンカーから排出した原料を旋回シュートを介して高炉内に装入することを特徴とする、ベルレス高炉への原料装入方法の記載がある（特許文献２）。

又、上部バンカーと下部バンカーとが上下２段に配置されたセンターフィード型ベルレス炉頂装入装置を有するベルレス高炉において、炉頂部から原料を装入してコークス層とコークス混合鉱石層とを交互に堆積させる原料装入を行なう際に、前記コークス混合鉱石層中に混合されるコークスの粒子径を、前記コークス層として装入される塊コークスの粒子径に対して０．２倍以上、かつ、鉱石の粒子径に対して１．３倍未満とし、前記コークス混合鉱石層を形成するために、前記上部バンカーに鉱石を装入し、引き続いて鉱石とコークスとを装入した後、前記上部バンカー内の原料を前記下部バンカー内に装入し、該下部バンカーから排出した原料を旋回シュートを介して高炉内に装入することを特徴とする、ベルレス高炉への原料装入方法の記載がある（特許文献３）。

特許第４７７０２２２号公報 特開２０１０―１３３００８号公報 特開２０１０―２１５９４９号公報

粒子径と密度が相違する鉱石・コークス混合装入に関する特許文献１乃至特許文献３に記載の発明は、下記の課題がある。即ち、
特許文献１は、コークス混合鉱石層は、コークスの粒子径を、鉱石の粒子径の１．１〜１．４倍未満の範囲内にすれば、炉径方向の相対鉱石比率を均一にすることができるとする。
しかし、高炉の装入物分布は、装入装置と装入方法により変化するものであり、装入装置と装入方法の記載がなく、当該文献の適用範囲が不明確であるという問題がある。

特許文献２の記載は、混合コークスの粒子径を、鉱石の粒子径に対して１．３倍以上とし、又、特許文献３の記載は、混合コークスの粒子径を、塊コークスの粒子径に対して０．２倍以上、かつ、鉱石の粒子径に対して１．３倍未満とし、炉頂バンカーに、先に鉱石を入れた後に混合コークスを入れることにより、炉頂バンカーから排出する混合コークスの比率の変動を減少させるものである。
しかし、炉頂バンカーから排出する混合コークスの比率は、装入装置と装入方法により変化するものであり、特許文献２及び文献３の記載は、いずれもセンターフィード型ベルレス炉頂装入装置に限定されるという問題がある。

本願発明は、ベルレス高炉の鉱石・小塊コークス混合装入法に限らず、原料の粒子径と密度が相違する高炉装入物を混合装入する際に、炉頂ホッパーからの装入物の排出のばらつきを減少し、炉径方向の装入物分布を制御し、高炉の生産性と燃料比の低減を図る高炉への原料装入方法を提供することを目的とする。

本発明者等は、ベルレス高炉において、粒子径と密度が相違する高炉装入物を混合装入する際の、混合装入物の堆積の特性を、大型高炉の１／3スケールの高炉装入物分布試験装置を用いて調査した。その結果、高炉装入物の粒子径と密度を制御することにより、原料を均一に混合し、炉内に装入することができることを見出した。本発明は、これらの知見に基づくものである。

本発明の要旨とするところは、以下のとおりである。
＜１＞ ベルレス高炉において、
焼結鉱と密度および粒子径の異なる一以上の種類の装入物とを混合して装入する際に、
一の種類の装入物の焼結鉱に対する粒子径比（Ｄ）と密度比（Ｐ）が、それぞれ下記式（１）を満たすことを特徴とする高炉への原料装入方法。
０．６５ ≦ Ｄ² / Ｐ^0.4≦１．３５・・・・・（１）
ここで、Ｄ＝（一の種類の装入物の粒子直径）／（焼結鉱の粒子直径）、Ｐ＝（一の種類の装入物の密度）／（焼結鉱の密度）である。
＜２＞ ＜１＞に記載の高炉への原料装入方法において、
前記一以上の種類の装入物が、コークス、非焼成含炭塊成鉱、フェロコークス、ペレットおよび塊鉱石からなる群から選ばれた一種又は二種以上であることを特徴とする高炉への原料装入方法。

本発明は、ベルレス高炉において、粒子径と密度が相違する高炉装入物の混合装入を実施する際に、炉頂ホッパーからの装入物の排出のばらつきを減少し、炉径方向の装入物分布を制御し、高炉の生産性と燃料比の低減を図ることができる。

１/３縮尺模型実験装置を示す図。 １/３縮尺実験装置におけるコークス及び鉱石を投入する方法を示す図。 炉頂ホッパーからの小塊コークスの排出時間による変化（粒子径比１．５１の場合）を示す図。 小塊コークスの炉内分布（粒子径比１．５１の場合）を示す図。 装入物の混合のシミューレーション条件を示す図。 シミューレーションにおいて、混合の程度の評価方法を説明する図。 装入物の混合のシミューレーション結果を示す図。 炉頂ホッパーからの小塊コークスの排出時間による変化（粒子径比０．８１の場合）を示す図。 小塊コークスの炉内分布（粒子径比０．８１の場合）を示す図。

（１／３縮尺模型実験装置による高炉装入分布の把握について）
実際の高炉は、高圧の密閉容器であり、装入したコークスと鉱石の実際の半径方向の分布の把握が困難である。そこで、本発明者は、実炉を模した１／３模型実験により高炉装入物形成をオフラインで把握する実験を試みた。即ち、実高炉における装入Ｏ／Ｃ、旋回シュート角度、旋回数等の原料装入条件と同じ条件で１／３模型実験をおこない、実高炉においての炉頂における半径方法の装入物の分布を把握した。
図１に５０００Ｍ^３級高炉を対象とした１／３縮尺模型実験装置を示す。サージホッパー１から装入コンベア２、炉頂ホッパー３、旋回シュート４、炉体シャフト部５までを対象としている。また、装置下部の切り出し装置６により炉内荷下がりを考慮し、装置下部からの送風によりガス流分布を考慮している。

図２に１/３縮尺の実験装置における装入物の投入方法を示す。旋回シュートは、俯仰角度が変更でき、原料落下位置を炉壁位置から炉中心位置に変更させながら、かつ、炉軸を中心に旋回させながら、原料をリング状に炉壁位置から炉中心位置に装入する（順傾動）。原料落下位置を炉壁位置から炉中心位置に変更させながら装入する方法でもよい（逆傾動）。

（粒子径と密度が相違する装入原料の炉頂ホッパーからの排出特性）
炉頂ホッパーに一時貯留された粒子径と密度が相違する原料は、炉頂ホッパーから旋回シュートに切り出される際に、粒径と密度の違いが原因となり原料排出特性が異なる。
図３に、炉頂ホッパーからの排出時間による小塊コークスの排出量の変化（粒径比１．５１の場合）を示す。燒結鉱（粒径；７．４ｍｍ、密度；３．３ｇ/ｃｍ^３）と小塊コークス（粒径；１１．２ｍｍ、密度；１．０２ｇ/ｃｍ^３）を質量比９８：２に混合した原料を１／３縮尺模型実験装置の炉頂ホッパー３に一時貯留し、旋回シュート４により排出した場合のコークス排出の時系列特性を示す。横軸の排出時間は、全排出時間を１とし無次元化し、縦軸の小塊コークスの排出量は、全小塊コークス量を１とし無次元化したものである。小塊コークスの排出は、後半に偏ることを示している。尚、燒結鉱及び小塊コークスの粒径は、１/３縮尺模型に合わせ、実際の１/３としている。

小塊コークスの排出が後半に偏る原因は、以下にあると考えられる。即ち、粒子径と密度が相違する燒結鉱と小塊コークスをベルト２の上に混合した状態で、炉頂ホッパー３に一時貯留する際、小塊コークスより粒子径が小さい燒結鉱は、炉頂ホッパー３の中央部近傍に堆積し、粒子径が大きく密度が小さい小塊コークスは、周辺に転げ落ち、また、鉱石にはじき飛ばされて炉頂ホッパー３の周辺に堆積しやすい。炉頂ホッパー３から切り出す際は、ファンネルフローにより、排出口の直上の炉頂ホッパー３の中央部の燒結鉱から優先的に排出され、炉頂ホッパー３の周辺部の小塊コークスは燒結鉱に遅れて排出されるからであると考えられる。

図３は、燒結鉱と小塊コークスの場合の１／３縮尺模型実験装置による炉頂ホッパーからの排出特性の調査結果であるが、一般的に、粒子径と密度が相違する装入原料では、粒子径が大きく密度が小さい原料が遅れて排出されると考えられる。

（粒子径と密度が相違する装入原料の高炉の炉内分布特性）
粒子径と密度が相違する装入原料を高炉に装入する際に高炉炉頂ホッパーからの排出に偏りがあると、高炉装入物分布に影響を与える。
図４に、図３と同じ原料条件で、炉頂ホッパーから排出する原料について、旋回シュートからの原料落下位置を炉壁位置から炉中心位置に装入した際（順傾動）の、小塊コークスの炉内分布を示す。横軸は、炉半径を無次元化し、壁際を１、炉中心を０として示し、縦軸は、無次元化した場合の半径方向の各位置における小塊コークス堆積量の、全装入量における焼結鉱と小塊コークスの質量比との相違を表しており、９８：２の混合比を１とし、相対的に評価したものである。即ち、炉頂ホッパー内の装入物（燒結鉱９８：小塊コークス２）に占める小塊コークス量を１とした場合に、炉内に装入される装入物の、炉半径方向の各位置における装入物に占める小塊コークス堆積量の相対値を示す。図４において、炉中心部の相対値が略２．７であることは、装入物の平均に対し、小塊コークス堆積量が略２．７倍多いということである。

図４においては図３で、炉頂ホッパーから前半に優先的に排出された燒結鉱は、炉壁側に多く装入され、後半に排出された小塊コークスは、炉中心部に多く装入される。また、装入後に中心方向に流れる間にも偏析が生じ、粒度の大きく、密度の小さい小塊コークスは優先的に中心近傍に流れ込んでしまう。
前述したように、鉱石・小塊コークス混合装入法は、鉱石に、小塊コークスを混合することにより、鉱石層の通気性を向上させ生産性を向上させると同時に、鉱石と小塊コークスを近接させることにより、鉱石の還元性を向上させ、高炉燃料比を低下させることを目的としている。図４に示す小塊コークスの分布では、鉱石と小塊コークスを近接させることができず、鉱石の還元性を向上させ、高炉燃料比を低下させるという目的に沿わない。

図３、４は、燒結鉱と小塊コークスの場合の排出特性を調査したが、一般的に、粒子径と密度が相違する装入原料では、粒子径が大きく密度が小さい原料が遅れて排出され、また、炉内装入物表面での挙動が異なるので、均一な装入分布の作りこみが困難であるという問題がある。

（装入物混合のシミューレーション）
本発明者は、粒子径と密度が相違する高炉装入物を炉頂ホッパー、又は、高炉炉内に装入する際の混合装入物の堆積特性をＤＥＭを用いてシミューレーションした。
ＤＥＭ（Discrete Element Method、離散要素法）は、粒子の形状を決定し、粒子同士が接触したときに当該粒子に生じる力を求め、その力に基づいて、解析時間における粒子の挙動を所定の時間隔毎に求めるものである。

図５に装入物堆積のシミューレーション条件を示す。装入物としては、燒結鉱Ａ（粒子径；１５ｍｍ、密度；３．３ｇ/ｃｍ^３）と混合物Ｂ（粒子径；１０〜１８ｍｍ、密度；１．１〜４．９５ｇ/ｃｍ^３）を用いた。焼結鉱Ａと混合物Ｂをホッパーに装入（体積比で、焼結鉱８０％）し、角度５０度の固定したシュート内を流れる間に、両者は粒子径と密度の相違により偏析を起こす。両者の偏析をＤＥＭにより検討した。

図６は、シミューレーションにおいて、原料の混合の程度を評価する方法を説明する図である。図６（ａ）において、シュート先端から１ｍ下の位置において水平方向の幅Ｌを領域１〜１５に分割し、それぞれの領域における焼結鉱Ａと混合物Ｂの体積を求め、下記式（２）により、偏析指数（Ｓｉ）を求めた。

ただし、Ｖ_B,iは、領域ｉにおける混合物Ｂの体積、Ｖ_A＋B,iは、領域ｉにおける燒結鉱Ａ＋混合物Ｂの体積、Ｖ_B,allは、混合物Ｂの全体体積、Ｖ_A＋B,allは、燒結鉱Ａ＋混合物Ｂの全体体積を示す。

図６（ｂ）に領域毎の評価の例を示す。
図６（ａ）の前記Ｌを１５等分した場合の各領域のＳｉを示した。Ｓｉ＝１．０は、投入量と同じ割合で混合していることを示す。領域１〜領域１５の全てにおいて、０．８＜Ｓｉ＜１．２を満たせば、良く混合していると評価した（●）。
図７に装入物の混合のシミューレーション結果を示す。▼は、燒結鉱Ａと混合物Ｂが、混合しないケースを示し、●は、燒結鉱Ａと混合物Ｂが、混合したケースを示す。図７のシミューレーションにおいて混合していないケース（▼）の８点と混合したケース（●）の８点の境界線として、Ｄ^２とＰ^０．４の比が導きだされた。ここで、Ｄ＝（混合物Ｂの粒子直径）／（焼結鉱Ａの粒子直径）、Ｐ＝（混合物Ｂの密度）／（焼結鉱Ａの密度）で定義される。
したがって、この２つの境界線に囲まれた下記式（１）に示す範囲が、燒結鉱Ａと混合物Ｂが混合できる粒子条件である。
０．６５ ≦Ｄ² / Ｐ^0.4≦１．３５・・・・・（１）

（装入物混合のシミューレーション結果の１／３縮尺模型実験装置による検証）
図７に示した装入物混合のシミューレーション結果を１／３縮尺模型実験装置により検証した。その結果の一例を図８に示す。図８に、炉頂ホッパーからの小塊コークスの排出時間による変化（粒子径比０．８１の場合）を示す。
燒結鉱（粒子径；７．０ｍｍ、密度；３．３ｇ/ｃｍ^３）と小塊コークス（粒子径；５．７ｍｍ、密度；１．０２ｇ/ｃｍ^３）を質量比９８：２に混合した原料を１／３縮尺模型実験装置の炉頂ホッパー３に一時貯留し、旋回シュート４に排出した。図８に、コークス排出の時系列特性を示す。横軸の排出時間は、全排出時間を１とし無次元化し、縦軸の小塊コークスの排出量は、全小塊コークス量を１とし無次元化したものである。小塊コークスの排出は、前半から後半まで、略均一に排出していることを示している。

図９に、図８と同じ原料条件で、炉頂ホッパーから排出する原料を、旋回シュートからの原料落下位置を炉壁位置から炉中心位置に装入した際（順傾動）の、小塊コークスの炉内分布を示す。横軸は、壁際を１、炉中心を０として無次元化した位置を示し、縦軸は、無次元化した場合の半径方向の各位置における小塊コークス堆積量の、全装入量における焼結鉱と小塊コークスの質量比との相違を表しており、９８：２の混合比を１とし、相対的に評価したものであり、図４と同様である。

図９においては、図８で、炉頂ホッパーから均一に排出された小塊コークスは、炉壁位置（１）から、中心位置まで略均一に装入されている。
以上より、燒結鉱に混合する混合物の粒子径と密度を式（１）に示す範囲にコントロールすることにより、燒結鉱と混合原料の混合が適切に行われることを確認した。

以上、本発明で、主に、一の種類の装入物が小塊コークスである場合について説明した。一の種類の装入物がフェロコークスである場合も同様である。フェロコークスは、原料炭に酸化鉄を混合した原料を乾留して製造される鉄分を含有するコークスである。コークス中に存在する鉄がコークスのガス化を促進するため、燒結鉱にフェロコークスを均一に混合して装入することにより、燒結鉱の還元を促進することができる。

一の種類の装入物が非焼成含炭塊成鉱である場合も同様である。非焼成含炭塊成鉱は、鉄含有原料及び集塵装置等から回収される含鉄、含炭ダスト等を配合し、セメント系の時効性バインダーを添加して混錬、成型して、非焼成ペレット又は非焼成ブリケット等とした高炉用原料である。非焼成含炭塊成鉱に含まれる炭素により高炉内の還元反応を促進する。この場合も、燒結鉱に非焼成含炭塊成鉱を均一に混合して装入することにより、燒結鉱の還元を促進することができる。

焼結鉱と混合される装入物は、前記コークス、前記フェロコークス、前記非焼成含炭塊成鉱、ペレットおよび塊鉱からなる群から選ばれた１種または２種類以上であってもよい。複数を用いる場合の式（１）のＤおよびＰは、それぞれの構成要素において式（１）を満たす必要がある。
本発明は、焼結層への前記装入物の混合装入を想定したものである。従って、前記装入物の焼結鉱に対する質量比率は、通常の操業範囲であって、たとえば、それぞれ２割以下、総量としても５割未満である。

ベルレス高炉において、原料の粒子径と密度が相違する高炉装入物の混合装入において、炉頂ホッパーからの装入物の排出のばらつきを減少し、炉径方向の装入物分布を制御することにより、高炉の生産性と燃料比の低減を図る高炉装入原料の装入方法に利用することができる。

１…サージホッパー、２…装入コンベア、３…炉頂ホッパー、４…旋回シュート、５…炉体シャフト部、６…装置下部の切り出し装置。

Claims (2)

1. ベルレス高炉において、
   焼結鉱と密度および粒子径の異なる一以上の種類の装入物とを混合して装入する際に、一の種類の装入物の焼結鉱に対する粒子径比（Ｄ）と密度比（Ｐ）が下記式（１）を満たすことを特徴とする高炉への原料装入方法。
   ０．６５ ≦Ｄ² / Ｐ^0.4 ≦１．３５・・・・・（１）
   ここで、Ｄ＝（一の種類の装入物の粒子直径）／（焼結鉱の粒子直径）、Ｐ＝（一の種類の装入物の密度）／（焼結鉱の密度）である。
2. 前記一以上の種類の装入物が、コークス、非焼成含炭塊成鉱、フェロコークス、ペレットおよび塊鉱石からなる群から選ばれた一種又は二種以上であることを特徴とする請求項１に記載の高炉への原料装入方法。

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