JP2014224293A - ベルレス高炉の原料装入方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ベルレス高炉において、焼結鉱と小塊コークス等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偏りコントロールし、炉径方向の装入物分布を制御すること。
【解決手段】鉱石にコークスを混合した１バッチ目の混合物８を炉頂ホッパー３に搬送する工程と、前記炉頂ホッパー３内の前記混合物８の６０質量％以上８０質量％以下を前記炉頂ホッパー３から旋回シュートを用いて炉内に装入する工程と、前記炉頂ホッパー３内の前記混合物８の残存量が２０質量％以上４０質量％以下となった時点で炉頂ホッパー３の排出ゲート７を閉める工程と、前記炉頂ホッパー３内に前記残存する混合物８の上に、２バッチ目の焼結鉱９を投入する工程と、前記残存する混合物８と２バッチ目の焼結鉱の全てを旋回シュートを用いて炉内に装入する工程を実施することを特徴とするベルレス高炉の原料装入方法。
【選択図】図６

Description

本発明は、ベルレス高炉の原料装入方法に関する。特に、鉱石に小塊コークス等を混合する混合装入に関する。

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種類の異なる原料が十分混合せずに、炉頂固定ホッパーに装入される。

また、炉頂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が相違により、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１０ｍｍ〜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５ｍｍ〜４０ｍｍ）とコークス（略３０〜５０ｍｍ）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子径を、鉱石の粒子径の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１０vol％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 特開平２０１０―１３３００８号公報 特開平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し、高炉の生産性と燃料比の低減を図るベルレス高炉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、高炉装入物の装入方法により、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）鉱石とコークスを順番に装入するベルレス高炉の原料装入方法において、
鉱石を２バッチに分け、１バッチ目の鉱石に鉱石以外の装入物を混合する装入方法であって、
前記鉱石以外の装入物がコークスであり、
鉱石に前記コークスを混合した１バッチ目の混合物を炉頂ホッパーに搬送する工程と、
前記炉頂ホッパー内の前記混合物の６０質量％以上８０質量％以下を前記炉頂ホッパーから旋回シュートを用いて炉内に装入する工程と、
前記炉頂ホッパー内の前記混合物の残存量が２０質量％以上４０質量％以下となった時点で炉頂ホッパーの排出ゲートを閉める工程と、
前記炉頂ホッパー内に前記残存する混合物の上に、２バッチ目の鉱石を投入する工程と、
前記残存する混合物と２バッチ目の鉱石の全てを旋回シュートを用いて炉内に装入する工程を実施することを特徴とするベルレス高炉の原料装入方法。
（２）鉱石にコークスを混合した１バッチ目の混合物の中の鉱石量は、１バッチ目の混合物の中の鉱石量と前記２バッチ目の鉱石量の合計に対し、７０質量％以上９０質量％以下であることを特徴とする（１）に記載のベルレス高炉の原料装入方法。
（３）鉱石を２バッチに分け、１バッチ目の鉱石に鉱石以外の装入物を混合する装入方法であって、
前記鉱石以外の装入物が、コークス、小塊コークス、含炭塊成鉱、フェロコークス、ペレットおよび塊鉱石の群から選ばれた一種または二種以上の装入物であることを特徴とする（１）又は（２）に記載のベルレス高炉の原料装入方法。
（４）前記炉頂ホッパー内の前記混合物の６０質量％以上８０質量％以下を前記炉頂ホッパーから旋回シュートを用いて炉内に装入する工程及び前記残存する混合物と２バッチ目の鉱石の全てを旋回シュートを用いて炉内に装入する工程において、
旋回シュートを炉周部から炉中心部に傾動させながら、または炉中心部から炉周辺部に傾動させながら、旋回させて、装入物を炉内に装入することを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載のベルレス高炉の原料装入方法。

本発明は、ベルレス高炉の鉱石・小塊コークス混合装入法において、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し、高炉の生産性と燃料比の低減を図るベルレス高炉の原料装入方法を提供することができる。

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。 小塊コークスをサージホッパーへ投入するタイミングを示す図。 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。 本発明の装入物装入方法を説明する図。 本発明における炉頂ホッパーからの２バッチ目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。 本発明における小塊コークスの炉内分布（粒子径比１．５１の場合）を示す図。 本発明が有効となる密度と粒子径の関係を示す図。

（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を含んでいる。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４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）。

（焼結鉱と小塊コークスの混合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焼結鉱と小塊コークスの混合原料は、炉頂ホッパーから旋回シュートに切り出される際に、粒子径と密度の違いが原因となり原料排出特性が異なる。
例えば図３に示すように、サージホッパーへの小塊コークス（焼結鉱に対する粒子径比１．５１、密度比０．３１の場合）の搬送タイミングを、先頭（図３Ａ）、中間（図３Ｂ）、後方（図３Ｃ）とした場合（全焼結鉱の搬送時間を１とした時の相対時間をしめす）において、炉頂ホッパーからの排出時における小塊コークスの排出量の時間比率を図４に示す。焼結鉱（粒子径；７．４ｍｍ、密度；３．３ｇ/ｃｍ^３）と小塊コークス（粒子径；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である。円グラフは全排出時間を１とし無次元化し、それぞれ０．２５排出時間毎に排出される小塊コークスの排出量を、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、サージホッパーへの搬送タイミングを変更したとしても、後半に偏ることを示している。尚、焼結鉱及び小塊コークスの粒子径は、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焼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焼結鉱は、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の中央部の焼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焼結鉱に遅れて排出されるからであると考えられる。

（焼結鉱と小塊コークスの混合原料の高炉の炉内分布特性）
焼結鉱と小塊コークスの混合原料を高炉に装入する際に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５に、図３Ａと同じ原料条件、搬送条件で、炉頂ホッパーからの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、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。

図５においては、炉頂ホッパーからの排出する原料を旋回シュートの原料落下位置を炉壁位置から炉中心位置に装入する順傾動を実施すれば、図４Ａで炉頂ホッパーから前半に優先的に排出された焼結鉱は、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。
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５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。

（本発明における焼結鉱と小塊コークスの混合原料の装入方法）
図４に示すように、焼結鉱と小塊コークスの混合原料は、それぞれの粒子径と密度の相違により、炉頂ホッパーからの小塊コークスの排出が、時間的に後半に偏る。そこで、本発明者は、当該偏りを是正すべく、新たに、混合原料の炉頂ホッパーへの装入と排出の方法を発明した。

図６は、本発明の装入物装入方法を説明する図である。
まず、焼結鉱に小塊コークスを混合した１バッチ目の混合物８を炉頂ホッパー３内に搬送する（第１バッチ）。焼結鉱と小塊コークスの混合方法は、焼結鉱槽と小塊コークス槽から焼結鉱と小塊コークスを同時に切り出す方法でもよい。１バッチ目の混合原料の中の焼結鉱の量は、１バッチ目と２バッチ目の焼結鉱の合計に対し、７０質量％〜９０質量％であることが好ましい。７０質量％未満では、焼結鉱と小塊コークスを混合装入する効果が小さくなるからである。また、９０質量％を超えると、２バッチ目の焼結鉱の量が少なく、小塊コークスの排出が後半に偏ることを是正する効果が小さくなるからである。

次に、前記炉頂ホッパー３内の前記１バッチ目の混合物８の６０質量％〜８０質量％を前記炉頂ホッパー３から排出し、旋回シュート４を用いて炉内に装入する（第１ダンプ：図６（Ａ））。
次に、前記炉頂ホッパー３内の前記混合物８の残存量が２０質量％〜４０質量％となった時点で炉頂ホッパー３の排出ゲート７を閉める（図６（Ｂ））。
次に、前記炉頂ホッパー内に前記残存する混合物８の上に、２バッチ目の焼結鉱９を投入する（第２バッチ：図６（Ｃ））。
次に、前記残存する１バッチ目の混合物８と２バッチ目の焼結鉱９の全てを旋回シュート４を用いて炉内に装入する（第２ダンプ：図６（Ｄ））。

前記図４に示したように、図６（Ａ）で、排出される混合物８では、小塊コークスの排出が後半に偏る。そこで、炉頂ホッパー３内の前記混合物８の６０質量％〜８０質量％が排出し、残存量が２０質量％〜４０質量％になった時点で、炉頂ホッパー３の排出ゲート７を閉めることにより、後半に偏る小塊コークスの排出を第１ダンプでは抑制する（図６（Ｂ））。そして、残存量が２０質量％〜４０質量％になった混合物８に２バッチ目の焼結鉱９を投入することにより、第２ダンプでの小塊コークスの初期の排出を促進する（図６（Ｃ））。
ここに、前記残存量を２０質量％〜４０質量％とした理由は、２０質量％未満では小塊コークスの排出が第１ダンプ後半に始まってしまうために、また４０質量％を超えると第２ダンプ初期でもまだ小塊コークスの排出が起こらないために、本発明の効果が十分得られなくなることによる。

図７に炉頂ホッパーからの２バッチ目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。２バッチ目の初期に小塊コークスが排出される。
炉頂ホッパーからの排出する原料を旋回シュートの原料落下位置を炉壁位置から炉中心位置に装入する順傾動を実施すれば、２バッチ目の初期に排出する小塊コークスを炉周辺部から炉中間部に装入することができる。

図８に本発明における小塊コークスの炉内分布（粒子径比１．５１の場合）を示す。小塊コークスは、炉周辺部から炉中間部に装入されており、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、焼結鉱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ができる。

図９に本発明における装入方法が特に有効となる範囲を示す。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結果による。
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９に示す下記の式（１）を満たす範囲で、焼結鉱と小塊コークス等の混合物の分離が顕著となり、炉頂ホッパーからの混合物の排出が遅れ、その対策として、本発明に係る装入方法が有効となる。
Ｄ² / Ｐ^0.4 ＞１．３５・・・・・（１）
ここで、Ｄ＝（混合物の粒子直径）／（焼結鉱の粒子直径）、Ｐ＝（混合物の密度）／（焼結鉱の密度）で定義される。

以上、焼結鉱に混合する原料を小塊コークスとして説明した。本発明は、それに留まらず、小塊コークス、含炭塊成鉱、フェロコークス、ペレットおよび塊鉱石の群から選ばれた一種単味または二種以上の混合物に適用できる。本発明により、焼結鉱に混合されたこれら原料を炉半径方向に均一に配置できる。

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コントロールし、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ベルレス高炉の原料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、７…排出ゲート、８…混合物、９…焼結鉱。

Claims (4)

1. 鉱石とコークスを順番に装入するベルレス高炉の原料装入方法において、
   鉱石を２バッチに分け、１バッチ目の鉱石に鉱石以外の装入物を混合する装入方法であって、
   前記鉱石以外の装入物がコークスであり、
   鉱石に前記コークスを混合した１バッチ目の混合物を炉頂ホッパーに搬送する工程と、
   前記炉頂ホッパー内の前記混合物の６０質量％以上８０質量％以下を前記炉頂ホッパーから旋回シュートを用いて炉内に装入する工程と、
   前記炉頂ホッパー内の前記混合物の残存量が２０質量％以上４０質量％以下となった時点で炉頂ホッパーの排出ゲートを閉める工程と、
   前記炉頂ホッパー内に前記残存する混合物の上に、２バッチ目の鉱石を投入する工程と、
   前記残存する混合物と２バッチ目の鉱石の全てを旋回シュートを用いて炉内に装入する工程を実施することを特徴とするベルレス高炉の原料装入方法。
2. 鉱石にコークスを混合した１バッチ目の混合物の中の鉱石量は、１バッチ目の混合物の中の鉱石量と前記２バッチ目の鉱石量の合計に対し、７０質量％以上９０質量％以下であることを特徴とする請求項１に記載のベルレス高炉の原料装入方法。
3. 鉱石を２バッチに分け、１バッチ目の鉱石に鉱石以外の装入物を混合する装入方法であって、
   前記鉱石以外の装入物が、コークス、小塊コークス、含炭塊成鉱、フェロコークス、ペレットおよび塊鉱石の群から選ばれた一種または二種以上の装入物であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のベルレス高炉の原料装入方法。
4. 前記炉頂ホッパー内の前記混合物の６０質量％以上８０質量％以下を前記炉頂ホッパーから旋回シュートを用いて炉内に装入する工程及び前記残存する混合物と２バッチ目の鉱石の全てを旋回シュートを用いて炉内に装入する工程において、
   旋回シュートを炉周部から炉中心部に傾動させながら、または炉中心部から炉周辺部に傾動させながら、旋回させて、装入物を炉内に装入することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のベルレス高炉の原料装入方法。

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