JP2014237877A - ベルレス高炉の原料装入方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高炉内にコークスと鉱石で構成される均一な混合層を形成させることができ、生産性が高く、高い反応効率と良好な通気性を維持できる高炉操業を可能とするベルレス高炉の原料装入方法を提供する。【解決手段】炉頂部に設けられた貯留ホッパーに鉱石およびコークスを装填するに際し、貯留ホッパー内に装填する全装入物の２０体積％以上３５体積％以下に相当する鉱石とコークスの混合物を装填した後、残りの鉱石とコークスをそれぞれ２層以上の交互単独層に分割して装填し、これら装填された原料を分配シュートにより高炉内に装入する。前記鉱石とコークスの混合物中のコークスの存在比が、５質量％以上でかつ９質量％以下であり、コークスの平均粒径が鉱石の平均粒径の２倍以上とすることが望ましい。【選択図】なし

Description

本発明は、ベルレス型炉頂装置を有する高炉（以下、「ベルレス高炉」と称する）の原料装入方法に関し、より詳細には、高炉内にコークスと鉱石で構成される均一な混合層を形成させることにより、高い反応効率と良好な通気性を維持した高炉操業を行うことができるベルレス高炉の原料装入方法に関する。

高炉操業においては、還元材としてのコークス、および鉄源としての焼結鉱、ペレット、塊鉱石など（以下、これらの鉄源を総称して「鉱石」と称する）を炉頂部から交互に装入し、炉下部の羽口からは熱風とともに、通常は微粉炭などの補助還元材を吹き込む。炉頂部から装入されたコークスおよび鉱石（以下、コークスと鉱石を総称して、単に「装入物」とも称する）は、交互に積層されたコークス層および鉱石層を形成し、高炉内の荷下がりにしたがって徐々に高炉内を炉下部に向かって降下しながら、炉下部から上昇するガスにより昇温される。

鉱石は昇温および還元により軟化収縮し、同心円状の融着帯と呼ばれる領域を経て溶解し、炉内を滴下して炉下部に至る。この領域（融着帯）は、鉱石粒子の変形と溶解により粒子間空隙率が低下し、空隙の一部は消滅するため、通気抵抗が高く、高炉全体の通気性を支配する領域である。

羽口から吹き込まれた熱風（空気または酸素富化された空気を加熱したもの）により羽口前ではコークスや微粉炭が燃焼し、この燃焼によってコークスが消失するため、高炉内の装入物は荷下がりする。また、燃焼後の上昇ガスのうちＣＯ₂はコークスのガス化反応に、ＣＯは鉱石の還元反応などに使用されながら、大量のガスが装入物の空隙を通過し、上昇している。そのガス量は、１トンの銑鉄を製造するのに約１トンにも達する。そのため、通気性が損なわれることがあると、その部位の圧力損失が増加して局所的なガスの吹き抜けや、装入物の荷下がり停滞が発生し、高炉の操業は不安定化する。

高炉を安定にしかも効率よく操業するには、炉内を上昇するガスと炉内を降下するコークスおよび鉱石との熱交換および反応を効率よく行い、通気性、通液性を良好に保つことが重要である。

特に、生産性を高めるために還元材比を低くすることを指向して、高価なコークスの装入量を低下させる操業を行った場合には、高炉内のコークス層厚に比較して鉱石層厚が増加するため、鉱石層内上部では還元ガス濃度が低下して炉内の反応効率が低下し、通気抵抗が増加する。なお、ここで、還元材比とは、銑鉄１ｔを生産するために必要な還元材量をｋｇで表したもので、単位はｋｇ／ｐｔである。通常は、還元材としてコークスおよび微粉炭が使用されており、同様に、コークス比（ｋｇ／ｐｔ）や微粉炭比（ｋｇ／ｐｔ）も用いられている。

近年、高生産性指向のみならず、ＣＯ₂排出抑制の観点から、還元材比の低減が強く要請されているが、これを実現するには、以下の課題がある。すなわち、装入物の粒径を比較するとコークスよりも鉱石の粒径が小さいので、還元材比を低下させるべくコークス比を低下させると、装入されるコークスに対する鉱石の比率が上昇し、高炉上部の通気抵抗が上昇する。また、装入コークスに対する鉱石の比率が上昇すると、融着帯領域が拡大する。このため、還元材比を低下させると、高炉全体について通気性が低下する傾向を示す。

一般に、反応器内の熱交換および反応の効率を最大限に高めるためには、反応する各物質を互いによく接触させることが必要である。鉱石の還元反応とコークスのガス化反応を高炉内でより活発に進行させるためには、反応ガスと装入物とをよく接触させ、かつ鉱石とコークスの接触を近接化させること、すなわち高炉内で鉱石とコークスを完全に均一な混合状態で存在させることが最も有利であると想定される。しかし、この状態を達成することは現実には極めて困難である。大粒径で軽いコークスと小粒径で重い鉱石粒子は、たとえ均一に混合したとしても、原料の輸送や、高炉内への投入、堆積の過程において偏析分離を起こすので、均一な混合状態を維持することができないからである。

したがって現実的には、直径１０ｍ以上の高炉内に充填された２５〜１００ｍｍ程度の粒度範囲を持つコークスと、５〜５０ｍｍ程度の粒度範囲を持つ鉱石とで構成される充填層の空隙率分布と、鉱石とコークスの存在率分布を適切に制御し、安定したガス流れを確保すべく装入物の炉内での適正な分布状態を造り込む必要がある。

そのため、現状では、前述のような粒度範囲を持つ鉱石およびコークスは主に別々に炉頂から装入し、コークスの細粒部分を全コークス中の３０質量％程度まで鉱石に混合して装入するのが一般的である。

例えば、特許文献１では、鉱石とコークスを混合して近接配置することにより反応効率の向上効果を引き出すために、高反応性で粒径３５ｍｍ以下の小塊コークスを１２０ｋｇ／ｐｔ以上多量に混合する技術が開示されている。この技術によると、コークス比は３７０ｋｇ／ｐｔであり、鉱石に混合するコークスは、全コークスの３０％を超える多量混合であるが、比較的粒径が小さく高反応性であるため、反応効率の良好な高炉操業が実現できるとしている。

しかしながら、高反応性で粒径の小さいコークスが鉱石に多量に混合された場合は、次に記す特許文献２でも指摘されているように、鉱石内に反応劣化した混合コークスが残留し、荷重軟化収縮時に通気を阻害するという問題がある。

特許文献２では、鉱石よりも平均粒径が小さいコークスを鉱石と混合する場合は滴下温度が低下し、通気抵抗が上昇して高炉操業上での支障を招く恐れがあるため、鉱石より粒径の大きいコークスを所定範囲内で混合する技術が開示されている。この技術は、混合するコークスの粒径を鉱石より大きくすることにより、混合層が荷重軟化収縮する際に、滴下開始温度が上昇し、通気抵抗が低下する効果を活用したものである。

特許文献２で示されているように、混合層の高温通気抵抗は混合コークスの粒径が大きいほど低位であることは、充填層の通気抵抗の原理から明らかである。この技術のポイントは、炉頂バンカー（本発明でいう「貯留ホッパー」に該当する）から排出された粒径が大きく密度の小さいコークスと粒径が小さく密度が大きい鉱石の混合率を均一にすることにあり、炉内の半径方向の混合率制御を行うことが重要であるが、その方法は同特許文献には示されていない。

また、特許文献３には、ベルレス高炉における鉱石とコークスの混合装入の方法として、鉱石層内の混合コークスの適当な分散性を確保するため、炉頂バンカー（貯留ホッパー）内に鉱石とコークスを積層させてストックしておき、これら原料を分配シュートにより高炉内に同時装入する方法が開示されている。

特許文献３に記載される装入方法では、炉頂バンカー内の鉱石とコークスの完全な多層構造（すなわち、粒子数個分の層厚での層構造）を形成することができれば、原理的には、炉頂バンカー内は完全な混合状態になるため、炉頂バンカーからの排出時の混合率を均一に近づけられる可能性はある。しかしながら、原料排出時の炉頂バンカー内には、排出口に向かって形成された斜面に沿う原料の非定常な流れが形成され、原料が排出される間に鉱石とコークスが粒径差と密度差により偏析分離を起こし、密度が小さく粒径が大きいコークスの排出は遅れ、コークスの混合率は排出後期に上昇傾向となると考えられる。したがって、同特許文献で開示されている技術によっても炉内に均一な混合率で装入物を配置することができない。

特開２００７−２３１３２６号公報 特開平８−２６９５０６号公報 特開昭６２−１２７４１０号公報

前述のとおり、大塊コークスと鉱石のように、偏析分離しやすい２種類の原料を均一な混合率で排出し、炉内で堆積させる具体的な方法はこれまで示されていない。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、高炉内に大塊コークスと鉱石で構成される均一な混合層を形成させることにより、生産性が高く、還元材比（特に、コークス比）を低減することができ、劣質原料の多量使用下においても高い反応効率と良好な通気性を維持することができる高炉操業を可能とす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。

ベルレス高炉では、貯留ホッパーに装填された装入物を炉内に装入する際に、通常５秒から８秒間で１周する分配シュートの傾動角を変更しながら５周から２０周回転させつつ炉内の任意の場所に落下させるため、装入物の炉内への装入に数十秒から数分かかり、炉頂に設置される貯留ホッパーからの装入物の排出中における粒径や鉱石とコークスの混合率の変化は、そのまま、炉内の半径方向堆積分布に反映される。一方、貯留ホッパーからの装入物の排出挙動は、装入物の貯留ホッパー内での配置により影響される。

本発明者らはこの点に着目した。すなわち、貯留ホッパー内への装入物の装填を高精度で制御し、貯留ホッパーからの装入物の排出時における鉱石とコークスの混合率の経時変化をなくす（混合率を均一化する）ことにより、それを高炉内の半径方向堆積分布に反映させて、炉内における大塊コークスと鉱石で構成される均一な混合層の形成が可能になると考えられる。

そこで、貯留ホッパーから分配シュートを介して炉頂部に落下するまでの状況を３７００ｍ³の実高炉の１／５スケールで再現できる縮尺装入実験装置を作製して、貯留ホッパー内への装入物の装填方法と貯留ホッパーからの装入物の排出挙動を調査した。

この縮尺装入実験装置ならびにこの装置を用いて行った実験結果については後に詳述するが、貯留ホッパー内に装填される各装入物の堆積プロフィールを計測するとともに、貯留ホッパー下部の排出ゲートから分配シュートを介して炉内に投入される装入物中の鉱石に対するコークスの質量存在率（以下、「鉱石に対するコークスの混合率」、または単に「コークス混合率」ともいう）を計測した。

その結果、貯留ホッパー下部には、所定量の鉱石とコークスを同時に装填（これを、「同時装入」という）して混合物とし、その上に、残りの鉱石とコークスを別々にかつ交互に装填（これを、「単独装入」という）して層構造とした場合、鉱石とコークスの混合率は、単独装入の層構造の順序（コークス層、鉱石層の順序）、層数（ただし、層構造は合計４層以上とする）には影響されず、同時装入量で決まることを知見した。

本発明は、上記の着想ならびに知見に基づきなされたもので、下記のベルレス高炉の原料装入方法を要旨とする。
すなわち、炉頂部に設けられた貯留ホッパーに鉱石およびコークスを装填するに際し、貯留ホッパー内に装填する全装入物の２０体積％以上３５体積％以下に相当する鉱石とコークスの混合物を装填した後、残りの鉱石とコークスをそれぞれ２層以上の交互単独層に分割して装填し、これら装填された原料を分配シュートにより高炉内に装入することを特徴とするベルレス高炉の原料装入方法である。

本発明において、前記鉱石とコークスの混合物中のコークスの存在比（つまり、鉱石に対するコークスの混合率）が、５質量％以上でかつ９質量％以下であり、コークスの平均粒径が鉱石の平均粒径の２倍以上であることとする実施の形態を採ることが望ましい。

ここで、「鉱石」とは、前記のように、焼結鉱、ペレット、塊鉱石など、高炉原料として用いる鉄源の総称である。
「平均粒径」とは、積算分布曲線の５０質量％に相当する粒径であり、メジアン径などと称されることが多い。

本発明のベルレス高炉の原料装入方法によれば、高炉内にコークスと鉱石で構成される均一な混合層を形成させることができる。その結果、還元材比（特に、コークス比）を低減することができ、劣質原料の多量使用下においても高い反応効率と良好な通気性を維持して、生産性ならびに経済性に優れる高炉操業を行うことができる。

縮尺装入実験装置の要部の概略構成を模式的に示す図である。 貯留ホッパー内の鉱石、コークスの積層構造と、ホッパーから排出される原料中のコークスの質量存在率の経時変化を例示する図である。

本発明は、貯留ホッパー内に装填する鉱石とコークスの混合層の配置を高精度に制御することにより、炉内における装入物の半径方向堆積分布、特に、鉱石とコークスの混合層の均一性を確保し、炉内における高い反応効率と良好な通気性を維持して、生産性ならびに経済性に優れる高炉操業を実現しようとするものである。

本発明者らは、貯留ホッパー内への装入物の装填方法と貯留ホッパーからの装入物の排出挙動を調査するために、分配シュートを介して炉内に落下するまでの状況を３７００ｍ³の実高炉の１／５スケールで再現できる縮尺装入実験装置を作製した。１／５スケールの縮尺模型としたのは、貯留ホッパー内における任意の装入物の配置について検討できるようにするためである。すなわち、貯留ホッパーからの排出挙動では粒子偏析現象が重要であり、それらは粒子径、粒子密度差によって引き起こされるため、粒子径が最低でも１ミリ以上で扱えるスケールとして実高炉の１／５サイズとした。実高炉内の装入物の最低粒子径は、細粒鉱石など５ｍｍ程度であり、作製した装入実験装置では１ｍｍとなる。粒子径が１ｍｍに満たない粒子は性状が異なり、粒子の堆積挙動が相似的に扱える限度を超えるためである。

図１は、この縮尺装入実験装置の要部の概略構成を模式的に示す図である。図示するように、この実験装置は２個の貯留ホッパー１を備え、装入物２が排出ゲート３を経由して分配シュート４上に排出されるように構成されている。分配シュート４は、シュート支点５を中心に図中の破線矢印で示した方向に回転しつつ、シュート４上の装入物２を高炉６内に排出する。なお、要部の寸法は、図中に記したとおりである

この装置を用いて実験を行うに際しては、先ず、鉱石およびコークスの所定量を所定の順序で原料槽から装入ベルトコンベア上に払い出し、炉頂部に配置された貯留ホッパーの直上まで搬送する（原料槽、装入ベルトコンベアはいずれも図示せず）。続いて、ベルトコンベア上の装入物を貯留ホッパー１内に装填する。

貯留ホッパー１内に装填される各装入物２の堆積プロフィールをレーザー距離計により正確に計測する。その後、貯留ホッパー１下部の排出ゲート３を開き、分配シュート４を介して炉内に装入物２を投入する。そして、分配シュート半回転毎に、投入される装入物２を、装入物２が着地する前に採取し、各サンプルについて、コークスの質量存在率（コークス混合率）を計測する。

実験の基本条件として、鉱石は平均粒径４ｍｍ（粒径３〜５ｍｍに整粒）、コークスは平均粒径１０ｍｍ（粒径８〜１２ｍｍに整粒）とした。また、装入量は、鉱石を４８３ｋｇ、コークスを３０ｋｇ（コークス混合率：６．２１質量％）とした。実操業において、１回（１チャージ）あたり炉内に装入する鉱石質量を６０ｔ、同時に装入するコークスを銑鉄１ｔあたり１００ｋｇ（つまり、コークス比１００ｋｇ／ｐｔ）と想定して定めた装入量である。なお、前記の例えば「粒径３〜５ｍｍに整粒」とは、篩目の大きさが３ｍｍの篩で篩い分けたときの篩上に含まれ、かつ５ｍｍの篩で篩い分けたときの篩下に含まれるように粒径を整えることをいう。

図２は、貯留ホッパー内の鉱石、コークスの積層構造（上側図面）、ホッパーから排出される装入物中の鉱石とコークスの混合率の経時変化（下側図面）を例示する図である。ここでは、貯留ホッパー内のコークス混合率はいずれも６．２１質量％であり、コークスの平均粒径を鉱石の平均粒径の２．５倍とした。なお、同図下側のコークスの混合率の経時変化を示す図においては、経過時間を、貯留ホッパー内の鉱石、コークスの排出開始時点を０とし、排出終了時点を１とする無次元排出時間で表している。

図２において、（ａ）は、装入ベルトコンベアから鉱石とコークスを別々に装填した場合である。貯留ホッパーの下部に鉱石（同図中に「Ｏ」と表示）を、上部にコークス（同じく「Ｃ」と表示）を装填した。同図の上側に鉱石、コークスの積層構造を、下側にコークスの混合率の経時変化を示す。このような装填方法を採った場合は、無次元時間で０．３付近から混合されたコークスの排出が開始されることがわかる。

図２（ｂ）は、装入ベルトコンベア上にコークスと鉱石を重ねた状態で貯留ホッパーに装填した場合である。鉱石とコークスは同時に装填され、貯留ホッパー内で混合装入物（同図中に「Ｍ」と表示）となる。この場合は、鉱石に比べて、コークスの粒径が大きく、密度が小さいため、貯留ホッパー内での堆積中に粒度差と密度差による偏析分離を起こし、貯留ホッパーの内周辺部にコークスが偏在する。そのため、同図下側のコークスの混合率の経時変化に見られように、後半に集中してコークスが排出される。

図２（ｃ）は、貯留ホッパーに装填する全装入物のうち４０体積％に相当する鉱石とコークスを装入ベルトコンベア上に重ねて、鉱石とコークスを同時に装入して混合装入物とし（同図中に「Ｍ」と表示）、その後、残りのコークスを３分割し（同じく「Ｃ」と表示）、鉱石を２分割し（同じく「Ｏ」と表示）、それぞれ別々にかつ交互に装入（層の数は合計５層となる）した場合である。この場合の排出挙動は、前記図２（ｂ）と比較すると、排出中のコークス混合率は均等に近いが、特に無次元時間の０．３までは、コークス混合率が低位である。これは、（ｂ）と同様に、貯留ホッパー下部の同時装入部分の落下点付近に細粒の鉱石が偏析するためである。

図２（ｄ）は、前記（ｃ）における細粒の鉱石の偏析を減少させるために、貯留ホッパー下部の同時装入部分を、貯留ホッパーに装填する全装入物のうち２７体積％とした場合である。すなわち、全装入物のうち２７体積％に相当する鉱石とコークスを装入ベルトコンベア上に重ねて、鉱石とコークスを同時に装入し（同図中に「Ｍ」と表示）、その後、残りのコークスと鉱石をそれぞれ２分割し、別々にかつ交互に装入した場合である。この場合のコークス混合率は、排出の開始から終了までほぼ均一になった。

ここで、貯留ホッパー下部の同時装入部分（同図中に「Ｍ」と表示した部分）の上部に別々に装入する残りの鉱石の単独装入を「Ｏ」と表し、残りのコークスの単独装入を「Ｃ」と表すと、図２（ｃ）のように、「Ｍ」の上部に「ＣＯＣＯＣ」の順で装填しても、図２（ｄ）のように「ＯＣＯＣ」の順で装填しても、堆積層の合計が４層以上なら排出経時変化に顕著な差は生じないことが判明した。

図２（ｅ）は、前記の（ｃ）のように、鉱石とコークスを装入ベルトコンベア上に重ねた鉱石とコークスの同時装入を行わず、装入ベルトコンベア上には鉱石、コークスをすべて別々に配置した場合である。そのために、原料槽から装入ベルトコンベア上への装入（切り出し）の回数を増加させ、貯留ホッパーへの装填回数を増加させた。この例では、貯留ホッパーに鉱石層（同図中に「Ｏ」と表示）とコークス層（同図中に「Ｃ」と表示）が合計８層形成されている。

この場合のコークス混合率は、排出の開始から終了までほぼ均一になった。しかしながら、原料槽から装入ベルトコンベア上への装入（切り出し）の回数が増えるとその分だけ炉内への装入に時間がかり、結果的に高炉の生産量に影響することになる。

図２に例示した実験結果から、以下のことが判明した。
（ａ）貯留ホッパー下部に、所定量の鉱石とコークスを同時装入して両者を混合物として装填し、その上に、残りの鉱石とコークスを別々にかつ交互に装填して層構造とした場合、貯留ホッパーからの装入物の排出時におけるコークス混合率の経時変化をなくして、混合率を均一化することができる。
（ｂ）その場合、鉱石とコークスの混合率は、単独装入の層構造の順序（コークス層、鉱石層の順序）、層数（層構造は合計４層以上とする）には影響されず、同時装入量で決まる。
（ｃ）同時装入量を例えば３０体積％から２０体積％に低下させると、単独層の層数が増え、結果的に生産量に影響が及ぶことになる。検討の結果、ホッパー下部の同時装入量は、２０体積％から３５体積％とすれば、装入余裕率を維持できることが判明した。
（ｄ）単独装入を多数回行うことによっても、貯留ホッパーからの装入物の排出時における鉱石とコークスの混合率の経時変化をなくすことはできるが、単独装入を行うためには原料槽から装入ベルトコンベア上への装入（切り出し）の回数を増加させなければならず、その分炉内への装入に時間がかかり、結果的に高炉での生産量に影響を及ぼすことになる。

本発明は、前記のとおり、炉頂部に設けられた貯留ホッパーに鉱石およびコークスを装填するに際し、貯留ホッパー内に装填する全装入物の２０体積％以上３５体積％以下に相当する鉱石とコークスの混合物を装填した後、残りの鉱石とコークスをそれぞれ２層以上の交互単独層に分割して装填し、これら装填された原料を分配シュートにより高炉内に装入するベルレス高炉の原料装入方法である。

本発明においては、炉頂部に設けられた貯留ホッパーに鉱石およびコークスを装填するに際し、貯留ホッパー内に装填する全装入物の２０体積％以上３５体積％以下に相当する鉱石とコークスの混合物を装填することとする。全装入物の２０体積％より少ない場合は、その上部に装填する単独層の装入回数を増加させる必要があり、装入余裕率Ｙを低下させる。また、３５体積％より大きい場合は、鉱石とコークスの混合物中のコークス偏析度合いが大きくなり、貯留ホッパーから炉内への排出時におけるコークスの排出経時変化（コークス混合率の経時変化）の均一性を低下させるからである。このことは、貯留ホッパーの形状にも多少は依存するものの、ほぼ一般的に成り立つ。

前記の「装入余裕率Ｙ（％）」とは、下記（１）式で定義される。単に「余裕率」ともいう。
Ｙ＝｛（Ｎ−ｘ）×１００｝／Ｎ ・・・（１）
（１）式において、ｘは原料槽から装入ベルトコンベアへの排出（切り出し）の回数である。Ｎはその最大値を示し、装入系の実用シーケンス上最大の装入回数を示すもので高炉の設備条件などにより異なることもあるが、ここでは、平均的なＮ＝１０の場合を想定する。その場合、一般に余裕率Ｙが４０％以下になると通常の変動も踏まえて生産量の増加が不可能となるため、余裕率Ｙは５０％以上であることが、操業を維持できる条件となる。

鉱石とコークスの混合物を装填する方法については特に規定はしない。通常行われているように、装入ベルトコンベア上に原料槽から鉱石を切り出し、その上に所定量のコークスを切り出し、両者を重ねた状態で貯留ホッパーまで搬送し、装填すればよい。鉱石とコークスは同時に装填され、貯留ホッパー内で混合装入物となる。

なお、貯留ホッパーは、前記図１に示したように、並列に２個、あるいはそれ以上ある場合は多少有利であるものの、垂直に２個以上配置されている場合は装入時間がかかるので、望ましくない。

鉱石とコークスの混合物を装填した後、残りの鉱石とコークスをそれぞれ２層以上の交互単独層に分割して装填するのは、それぞれ２層に満たない場合（すなわち、鉱石層、コークス層のいずれかまたは両方が１層の場合）、各層とも厚くなり、貯留ホッパーからの排出時に十分混合されないからである。単独層の上限は特に定めないが、６層（鉱石層、コークス層それぞれ３層）よりも大きい場合は、装入余裕率が小さくなり操業の維持が困難になるので、鉱石層、コークス層合わせて５層までとするのが望ましい。

これら装填された原料を分配シュートにより高炉内に装入することにより、貯留ホッパーからの装入物の排出挙動を高炉内の半径方向堆積分布に反映させて、炉内における大塊コークスと鉱石で構成される均一な混合層の形成が可能になる。

本発明においては、前記鉱石とコークスの混合物中のコークスの存在比が、５質量％以上でかつ９質量％以下であり、コークスの平均粒径が鉱石の平均粒径の２倍以上であることとする実施の形態を採ることが望ましい。

貯留ホッパーに、最初に装填する鉱石とコークスの混合物中のコークスの存在比の望ましい範囲を、５質量％以上でかつ９質量％以下とするのは、５質量％より少ない場合は、周りの鉱石の存在によりコークスの存在率が変動を受けやすくなり、９質量％より多いと、コークスの偏析が大きくなる場合があって均一性が損なわれやすいからである。

また、コークスの平均粒径が望ましくは鉱石の平均粒径の２倍以上であることとするのは、２倍より小さい場合、炉内ではコークスガス化反応と浸炭が促進され、鉱石内に反応劣化した混合コークスが残留し、荷重軟化収縮時に通気を阻害する可能性があるからである。鉱石の平均粒径に対するコークスの平均粒径の比の上限は特に定めないが、一般的な高炉の装入物においては、最大で３倍程度である。

以上説明した本発明の原料装入方法においては、原料槽から装入ベルトコンベアへの装入（切り出し）回数はできるだけ少なくし、かつ貯留ホッパーからの装入物の排出時における鉱石とコークスの混合率の経時変化をなくして、均一にすることがポイントになる。これによって、高炉内に大塊コークスと鉱石の均一な混合層を形成することができ、高い反応効率と良好な通気性を維持して、生産性ならびに経済性に優れる高炉操業を行うことが可能となる。

本発明の効果を確認するため、縮尺１／５のベルレス装入装置による実験に基づいて構築した高炉操業反応シミュレーターにより、高炉の圧力損失とコークス比について検討した。

高炉操業反応シミュレーターによる計算手順は以下の通りである。
まず、最初のステップとして、高炉内への装入物の分布条件を算出する。装入物の炉頂への装入ベルトコンベア上での配置を与えると、貯留ホッパー内への装入物供給と、装填の際の貯留ホッパー内での堆積挙動を算出する。続いて、貯留ホッパーの排出弁を開くと、貯留ホッパーから分配シュートへの装入物排出挙動、装入物の分配シュートへの落下後、シュート上の遠心力とコリオリ力の慣性力を受けた装入物の運動、その後炉内に投入される落下軌跡と炉内着地後の堆積挙動を計算する。

ここで、鉱石とコークスを同時装入する場合の半径方向の装入位置については、貯留ホッパーから排出された装入物は、半径方向に均一な量がまんべんなく投入されるとし、さらに、炉内に落下した位置の近傍だけに順次堆積していき、斜面崩れや流れ込みを可能な限り排除した堆積角の小さい斜面が形成される装入物分布を前提とする。この計算結果を、次ステップの２次元高炉反応モデルの上部固体の境界条件とする。

次のステップである２次元高炉反応モデルは、炉頂の装入物の粒径、空隙率、コークスと鉱石の存在量、ならびにすべての装入物の化学性状および温度を固体側の境界条件とし、羽口から吹き込まれるガスの組成、温度、ならびに微粉炭の吹き込み量と組成を気体側の境界条件とし、炉体、炉底に各部位に応じた冷却条件を設定し、炉内における気体、固体、液体の流動、伝熱、各種反応について計算し、炉内状態と、炉頂の排ガスおよび炉下部で生成される銑滓の状態、すなわち量、組成、温度を算出するものである。

以上により、炉内の圧力損失と、生成される銑鉄１ｔあたりのコークス装入量（コークス比）が算出される。銑鉄について所定の生産量と温度が前提で、コークス比が低いほど、また圧力損失が低いほど高炉の操業レベルは高く、生産性かつ経済性に優れる高炉操業であるといえる。装入物の種類と送風条件が一定の場合でも、炉頂の半径方向の装入物分布が不適正な場合は、ガス流れの偏流により、炉内には未反応領域が形成され、圧力損失の上昇や、反応効率低下によるコークス比の上昇などとして算出されることになる。このように、装入方法の良し悪しが、高炉操業反応シミュレーターによる計算結果である圧力損失とコークス比で判定できる。

高炉操業反応反応シミュレーターによる計算結果を表１に示す。同表には、装入余裕率Ｙおよび均一度σの評価結果も併せて示す。

表１において、「積層順」とは、高炉内における鉱石層（「Ｏ」で表示）、コークス層（「Ｃ」で表示）、または鉱石とコークスの混合層（「Ｍ」で表示）を堆積させる順を表す。

「余裕率Ｙ（％）」は、前述のとおり、炉内状態の変動や生産量の増加に対応しうる設備上の余裕度を表す。前記（１）式の定義によると、余裕率Ｙは、５０％以上であることが、操業を良好に維持できる条件となる。余裕率に関する評価（表１では、評価Ａと表示）の基準は、５０％以上を○印（良好）、４０％以上５０％未満を△印（やや不良）、４０％未満を×印（不良）として、表示した。

「コークス混合率（ｗｔ％）」とは、鉱石とコークスの混合物中のコークスの存在比（鉱石に対するコークスの混合率）である。また、「粒径比」とは、鉱石の平均粒径に対するコークスの平均粒径の比である。

「同時装入率（ｖｏｌ％）」とは、貯留ホッパーに装填する全装入物のうち鉱石とコークスを同時装入して、貯留ホッパー下部に鉱石とコークスの混合物として装填する装入物の体積百分率を示す。

また、「均一度σ」とは、貯留ホッパーからの装入物排出時のコークスの混合均一度合いを示す指標であり、下記(２)式で定義される。

ここで、
ｍ_i：各時刻（測定ポイントｉ）の平均混合率の全粒子の平均混合率に対する比
ｎ：排出中の測定ポイントの数
すなわち、貯留ホッパーからの排出装入物中のコークス混合率の経時変化の時間的な標準偏差を装入物排出時のコークスの混合均一度合いを示す指標として、各時刻の平均混合率と全測定点の平均混合率との比より定義される。

均一度σは、各時刻の相対算術平均混合率が完全に一致すれば零になり、各時刻間の相対算術平均混合率が変化すれば、数値は大きくなる。目安としてσが０．６を超えると各時刻の相対平均混合率の差が１．５倍を超えることになり、炉内におけるコークスと鉱石の偏在がガス流れや反応効率に影響を及ぼすようになるため、均一度に関する評価（表１では、評価Ｂと表示）の基準は、０．４５未満を○印（良好）、０．４５以上０．６未満を△印（やや不良）、０．６以上を×印（不良）として、表示した。

表１には、高炉操業反応シミュレータによる計算結果となるコークス比と圧力損失を示した。コークス比および圧力損失のいずれも低位であることが、高炉の極限的な操業、すなわち、高い反応効率と良好な通気性を維持できる生産性かつ経済性に優れる高炉操業には有効である。これらの評価（表１では、評価Ｃと表示）の基準としては、主に圧力損失値をガイドラインとし、１００ｋＰａ未満を○印（良好）、１００ｋＰａ以上１１０ｋＰａ未満を△印（やや不良）、１１０ｋＰａ以上を×印（不良）として表示した。

総合評価（ＡＢＣ）は、評価Ａ、評価Ｂおよび評価Ｃを勘案し、さらに個々の評価対象項目の数値も考慮して、◎印（極めて良好）、○印（良好）、△印（やや不良）、×印（不良）として、表示した。

以下に表１に示した検討結果について述べる。
比較例１は、前記図２（ａ）に示した方法で装入物を貯留ホッパー内に装填した場合で、積層順が本発明の規定から外れる場合である。この場合は、前述したように、貯留ホッパーからの排出前半におけるコークス混合率が低いため、高炉内周辺部のガス流れが抑制され圧力損失が上昇する。コークス比も比較的高くなる。

比較例２は、図２の（ｂ）に相当し、比較例１と同じく、積層順が本発明の規定から外れる場合である。この場合は、排出の後期にコークスが集中するため、炉内では中心部近傍に混合コークスが偏在する。そのため、高炉中心ガス流が増大し、比較例１より圧力損失は低下するが、炉頂からのヒートロス（顕熱損失）が増加するため、コークス比が上昇する。

比較例３は、図２の（ｃ）に相当し、同時装入率が本発明の規定から外れる場合である。この場合は、比較例１、２に比べて均一度σが低下し、コークス混合率の経時変化はやや均一化するが、不十分であり、さらに装入余裕率Ｙがややタイトとなる。

実施例１は、第２図の（ｄ）に相当する。同時装入率を３０％とすると均一度は０．５を下回り、コークス混合率の経時変化は少なく、コークスはほぼ均一に排出される。さらに、コークス混合率および粒径比が本発明の望ましい実施形態の規定も満たしており、コークス比、圧力損失とも低位で、低還元材比で、かつ余裕率Ｙが５０％で、増産等への対応も十分可能な、理想的な操業状態を造り込むことができる。

実施例２は、コークスと鉱石の粒径比を実施例１の２．５倍から１．７倍に低下させた場合で、均一度σが低下し、貯留ホッパーから排出される装入物におけるコークス混合率の経時変化はさらに均一化される。粒径比が本発明の望ましい実施形態の規定を満たさず、融着帯内に骨材として存在する混合コークスの粒径がやや小さい分だけ、骨材としての機能が弱く、実施例１の場合よりもやや圧損が高い。しかし、逆に粒径が小さい分だけ比表面積が大きく、反応効率は良好で、実施例１とほぼ同等なコークス比が実現でき、十分に良好な操業ができる。

実施例３は、コークス混合率を実施例１の６．２１％（１００ｋｇ／ｐｔ相当）から３．７３％（６０ｋｇ／ｐｔ相当）に低下させた場合である。混合コークス（コークス混合率）が本発明の望ましい実施形態の規定より少量であるため、コークス混合率が周りの鉱石の存在により変動を受けやすく、均一度σがやや上昇し、均一度合いがやや低下（コークス混合率の経時変化がやや増大）するが、圧力損失とコークス比は低位を維持できる。

比較例４は、コークス混合率を９．３２％（１５０ｋｇ／ｐｔ相当）まで上昇させた場合である。比較例３と同じく、同時装入率が本発明の規定から外れる場合であり、貯留ホッパーからの排出時において、コークスの偏析が大きくなり、均一度σが悪化した結果、半径方向ガス流れが偏流し、圧力損失の上昇とコークス比の上昇を招く。

比較例５は、図２の（ｅ）に相当し、比較例１、２と同じく、積層順が本発明の規定から外れる場合である。同時装入率を０とし、貯留ホッパー内を多層構造とした結果、前掲の特許文献３に記載されているとおり、均一度σが低く、低コークス比、低圧損の操業を造り込むことができるが、装入余裕率がなく、現実的な操業であるとは言えない。

以上の検討結果から、本発明の効果（すなわち、高炉内にコークスと鉱石で構成される均一な混合層を形成させることができ、高い反応効率と良好な通気性を維持した高炉操業が可能であること）を確認できた。

本発明のベルレス高炉の原料装入方法によれば、高炉内にコークスと鉱石で構成される均一な混合層を形成させることができ、高い反応効率と良好な通気性を維持して、生産性ならびに経済性に優れる高炉操業を行うことができる。したがって、本発明は、高炉の操業に有効に利用することができる。

１：貯留ホッパー、 ２：装入物、 ３：排出ゲート、
４：分配シュート、 ５：シュート支点、 ６：高炉

Claims (2)

1. 炉頂部に設けられた貯留ホッパーに鉱石およびコークスを装填するに際し、
   貯留ホッパー内に装填する全装入物の２０体積％以上３５体積％以下に相当する鉱石とコークスの混合物を装填した後、
   残りの鉱石とコークスをそれぞれ２層以上の交互単独層に分割して装填し、
   これら装填された原料を分配シュートにより高炉内に装入することを特徴とするベルレス高炉の原料装入方法。
2. 前記鉱石とコークスの混合物中のコークスの存在比が、５質量％以上でかつ９質量％以下であり、
   コークスの平均粒径が鉱石の平均粒径の２倍以上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。

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