JP2016079496A

JP2016079496A - ベルレス高炉の原料装入装置、ベルレス高炉の原料装入装置の設計方法、およびベルレス高炉の原料装入装置の製造方法

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Publication number: JP2016079496A
Application number: JP2014215452A
Authority: JP
Inventors: 洋一成田; Yoichi Narita; 浩三尾; Hiroshi Mio; 渉水越; Wataru Mizukoshi
Original assignee: Nippon Steel and Sumitomo Metal Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2014-10-22
Filing date: 2014-10-22
Publication date: 2016-05-16
Anticipated expiration: 2034-10-22
Also published as: JP6413619B2

Abstract

【課題】本発明は、集合シュート内の原料の蓄積量を増加させることなく、かつ垂直シュート上部に可動機器を設置することなく、垂直シュートの形状のみを工夫することによって、原料への流束が偏心することを抑制することを主目的とする。【解決手段】本発明は、炉頂ホッパー下に上から順に連設された集合シュート、垂直シュート、および旋回シュートを有するベルレス高炉の原料装入装置であって、上記集合シュートの原料落下面は、水平面に対して、安息角よりも小さい角度で、上記集合シュートの下端開口部に近づくにつれて下がるように傾斜し、上記集合シュートは、上記垂直シュートに固定され、上記垂直シュートの側面は、上記集合シュートの上記原料落下面に沿って落下してきた原料が上記側面に衝突した際に上記垂直シュートの下端面の内径の中心を通るような傾斜角度に形成されていることを特徴とするベルレス高炉の原料装入装置を提供する。【選択図】図２

Description

本発明は、ベルレス高炉の原料装入装置、ベルレス高炉の原料装入装置の設計方法、およびベルレス高炉の原料装入装置の製造方法に関し、より詳しくは、集合シュート内の原料の蓄積量を増加させることなく、かつ垂直シュート上部に可動機器を設置することなく、垂直シュートの形状を工夫することのみによって、原料の流束が偏心することを抑制することができるベルレス高炉の原料装入装置、ベルレス高炉の原料装入装置の設計方法、およびベルレス高炉の原料装入装置の製造方法に関する。

高炉の炉頂において原料を装入するベルレス高炉の原料装入装置は、炉頂ホッパー、集合シュート、垂直シュート、および旋回シュートを有する。このような原料装入装置として、炉頂ホッパーが並列に配置されている並列ホッパー方式の原料装入装置が知られている。並列ホッパー方式の原料装入装置では、ホッパーから切り出された原料の粒子は、集合シュートから垂直シュートに落下する時に、横向きの速度成分を持つ。これが、原料の流束を垂直シュート内で偏心させる。このことが、旋回シュートから排出される原料の排出量の円周方向偏差を生む原因となる。

原料の流束が垂直シュート内で偏心することを防止するためには、垂直シュートの内径を縮小することが有効であるが、垂直シュートの内径を縮小すると、原料によるシュート閉塞の原因となる。シュートが閉塞すると高炉が操業不能となるため、垂直シュートの内径は原料流量に対してある程度の余裕を持った設計がなされる。

また、垂直シュートの内径を縮小することなく、原料の流束が垂直シュート内で偏心することを抑制するために、いくつかの方法が提案されている（特許文献１、２、および３）。

例えば、特許文献１には、集合シュート内に分流突起を設けることで、原料の流束を分散させ、原料の流束が垂直シュート内で偏心することを防止する方法が提案されている。しかしながら、この方法では、集合シュート内に原料が大量に蓄積する。集合シュート内には、シール弁駆動装置や原料流れを検知する振動センサー等の付帯機器が設置されており、蓄積した原料はこれらの付帯機器の動作を妨げる。このため、集合シュート内の原料の蓄積量を増加させることは好ましくない。

また、特許文献２および特許文献３には、垂直シュート上部に可動機器を設置し、これを制御することによって、原料の流束が偏心することを抑制する方法が提案されている。しかしながら、これらの方法は、可動機器自体の費用が高額となるだけではなく、可動部を駆動する機器の設置のために垂直シュートの長さを余分に確保する必要があるため、原料装入装置自体を高い位置に設置する必要が生じ、高炉自体の設備費が高額となる。

特許第３７９９９８７号公報特許第２９２１７７７号公報特許第３７７７６５４号公報

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、集合シュート内の原料の蓄積量を増加させることなく、かつ垂直シュート上部に可動機器を設置することなく、垂直シュートの形状のみを工夫することによって、原料の流束が偏心することを抑制することを主目的とする。

本発明者らは、集合シュートからの原料の排出挙動をＤＥＭ（Discrete Element Method：離散要素法）を用いて計算した結果、集合シュートから排出された原料は、垂直シュートの上部の内壁面に衝突することで横方向の速度成分が消失し、ほぼ真下に落下すること、さらに、垂直シュートのごくわずかな傾斜が、集合シュートから排出された時の水平方向速度とは反対方向の水平方向速度を原料に与えて、原料を垂直シュート中心に押し戻すことを見出した。本発明は、かかる知見に基づいて成されたもので、その要旨は以下の通りである。

上記課題を解決するために、本発明においては、炉頂ホッパー下に上から順に連設された集合シュート、垂直シュート、および旋回シュートを有するベルレス高炉の原料装入装置であって、上記集合シュートの原料落下面は、水平面に対して、使用する原料の安息角よりも小さい角度で、上記集合シュートの下端開口部に近づくにつれて下がるように傾斜し、上記集合シュートは、上記垂直シュートに固定され、上記垂直シュートの側面は、上記集合シュートの上記原料落下面に沿って落下してきた原料が上記側面に衝突した際に上記垂直シュートの下端面の内径の中心を通るような傾斜角度に形成されていることを特徴とするベルレス高炉の原料装入装置を提供する。

本発明によれば、上記集合シュート内の原料の蓄積量を増加させることなく、かつ上記垂直シュート上部に可動機器を設置することなく、上記垂直シュートの形状を工夫することのみによって、原料の流束が偏心することを抑制することができる。

上記発明においては、上記集合シュートの原料落下面が、原料の流れを変えない程度の平滑性を有していることが好ましい。集合シュート内の原料の蓄積量を増加させることを好適に回避することができるからである。

また、上記発明においては、上記垂直シュートは、上部管および下部管を有し、上記集合シュートは、上記垂直シュートの上部管に固定され、上記垂直シュートの上記上部管の上端内径をＤａ［ｍ］、上記垂直シュートの上記上部管の下端内径をＤｂ［ｍ］、上記垂直シュートの上記上部管の長さをＬａ［ｍ］、上記垂直シュートの上記下部管の長さをＬｂ［ｍ］とするとき、下記式（１）〜（３）を満たすことが好ましい。

上記垂直シュートの通常の使用におけるいずれかの原料流量において、必ず、原料の流束への偏心抑制効果を最適にすることができるからである。

また、本発明においては、上記原料装入装置を設計するベルレス高炉の原料装入装置の設計方法であって、上記垂直シュートは、上部管および下部管を有し、上記集合シュートは、上記垂直シュートの上部管に固定され、上記垂直シュートは、上記垂直シュートの上記上部管の上端内径をＤａ［ｍ］、上記垂直シュートの上記上部管の下端内径をＤｂ［ｍ］、上記垂直シュートの上記上部管の長さをＬａ［ｍ］、上記垂直シュートの上記下部管の長さをＬｂ［ｍ］とするとき、上記式（１）〜（３）を満たすように設計されることを特徴とするベルレス高炉の原料装入装置の設計方法を提供する。

本発明によれば、上記垂直シュートの通常の使用におけるいずれかの原料流量において、必ず、原料の流束への偏心抑制効果を最適にすることができる。

また、本発明においては、上記設計方法を用いた設計工程を有することを特徴とするベルレス高炉の原料装入装置の製造方法を提供する。

本発明においては、集合シュート内の原料の蓄積量を増加させることなく、かつ垂直シュート上部に可動機器を設置することなく、垂直シュートの形状のみを工夫することによって、原料の流束が偏心することを抑制することができるという効果を奏する。

本発明のベルレス高炉の原料装入装置の一例の全体を示す概略断面図である。図１に示されるベルレス高炉の原料装入装置における集合シュートおよび垂直シュートを示す概略断面図である。図２に示される垂直シュートを拡大して示す概略断面図である。図３に示される垂直シュートの形状のθ_１／θ_２の変化に伴う変化を示す概略断面図である。垂直シュートの下部管の下端における原料の粒子の径方向の落下頻度分布およびその積算分布をθ_１／θ_２ごとにシミュレーションによって導出した一例である。 θ_１／θ_２による原料の主流位置の変化をＦ／Ｆ_ＭＡＸ（垂直シュートの原料の体積流量の設計体積流量に対する比）ごとに示す図である。Ｆ／Ｆ_ＭＡＸに対する（θ_１／θ_２）ｏｐｔを表すグラフを示す図である。実施例１、比較例１、および比較例２の原料装入装置について、ＤＥＭを用いたシミュレーションを行って、集合シュートの原料落下面に落下した原料の粒子が落下する時の挙動を記述した画像を示した図である。

以下、本発明のベルレス高炉の原料装入装置、ベルレス高炉の原料装入装置の設計方法、およびベルレス高炉の原料装入装置の製造方法について詳細に説明する。

Ａ．ベルレス高炉の原料装入装置
本発明のベルレス高炉の原料装入装置は、炉頂ホッパー下に上から順に連設された集合シュート、垂直シュート、および旋回シュートを有するベルレス高炉の原料装入装置であって、次の点を特徴とする。上記集合シュートの原料落下面は、水平面に対して、安息角よりも小さい角度で、上記集合シュートの下端開口部に近づくにつれて下がるように傾斜する。上記集合シュートは、上記垂直シュートに固定される。上記垂直シュートの側面は、上記集合シュートの上記原料落下面に沿って落下してきた原料が上記側面に衝突した際に上記垂直シュートの下端面の内径の中心を通るような傾斜角度に形成されている。

図１は、本発明のベルレス高炉の原料装入装置の一例の全体を示す概略断面図である。また、図２は、図１に示されるベルレス高炉の原料装入装置における集合シュートおよび垂直シュートを示す概略断面図である。図２には、集合シュートの内径の中心および垂直シュートの内径の中心を通る断面が示されている。

図１に示されるベルレス高炉の原料装入装置１００は、炉頂ホッパー１１０下に上から順に連設された集合シュート１２０、垂直シュート１３０、および旋回シュート１４０を有する。垂直シュート１３０は、図２に示されるように、上部管１３０ａおよび下部管１３０ｂを有する。上部管１３０ａおよび下部管１３０ｂは連続し、固定されている。集合シュート１２０は、切頭円錐筒状である。集合シュート１２０の原料落下面１２０ａは、水平面に対して、使用する原料の安息角よりも小さい角度で、集合シュート１２０の下端開口部１２０ｂに近づくにつれて下がるように傾斜する。集合シュート１２０は、垂直シュート１３０の上部管１３０ａに固定される。垂直シュート１３０の上部管１３０ａは、切頭円錐筒状である。垂直シュート１３０の上部管１３０ａの内壁面（側面）１３０ａａは、集合シュート１２０の原料落下面１２０ａに沿って落下してきた原料が内壁面１３０ａａに衝突した際に垂直シュート１３０の下端面の内径の中心を通るような傾斜角度に形成されている。そして、図２に示される垂直シュート１３０において、垂直シュート１３０の上部管１３０ａの上端内径をＤａ［ｍ］、垂直シュート１３０の上部管１３０ａの下端内径および下部管１３０ｂの内径をＤｂ［ｍ］、垂直シュート１３０の上部管１３０ａの長さをＬａ［ｍ］、垂直シュート１３０の下部管１３０ｂの長さをＬｂ［ｍ］とする。

図１に示される原料装入装置１００においては、炉頂ホッパー１１０から集合シュート１２０の原料落下面１２０ａに矢印に示されるように落下した原料は、矢印に示されるように、集合シュート１２０から垂直シュート１３０の上部管１３０ａに排出されて、垂直シュート１３０の下部管１３０ｂの下端まで落下する。この時、原料の流束は垂直シュート１３０の下端面の内径の中心を通る。垂直シュート１３０の下部管１３０ｂの下端まで落下した原料の粒子は、旋回シュート１４０を伝って、高炉炉体１５０の内部に装入される。

本発明のベルレス高炉の原料装入装置において、上記垂直シュートの側面は、図２に示される垂直シュート１３０の内壁面（側面）１３０ａａのように、上記集合シュートの上記原料落下面に沿って落下してきた原料が上記側面に衝突した際に上記垂直シュートの下端面の内径の中心を通るような傾斜角度に形成されている。このため、上記集合シュート内の原料の蓄積量を増加させることなく、かつ上記垂直シュート上部に可動機器を設置することなく、上記垂直シュートの形状を工夫することのみによって、原料の流束が偏心することを抑制することができる。ここで、本明細書において、偏心の程度は、上記垂直シュートの上記下部管の下端でのそれをいう。

以下、本発明のベルレス高炉の原料装入装置について、説明する。本発明のベルレス高炉の原料装入装置は、炉頂ホッパー下に上から順に連設された集合シュート、垂直シュート、および旋回シュートを有する。

１．垂直シュート
本発明は、上記垂直シュートの側面が、上記集合シュートの上記原料落下面に沿って落下してきた原料が上記側面に衝突した際に上記垂直シュートの下端面の内径の中心を通るような傾斜角度に形成されていることを特徴とする。

（１）垂直シュートの内径
上記垂直シュートの形状は、上記傾斜角度に関する特徴を有するだけではなく、以下の垂直シュートの内径についての制約事項を満足するように決定する。

ａ．垂直シュートの上部管の上端内径
垂直シュート１３０の上部管１３０ａの上端内径（Ｄａ［ｍ］）は、当該高炉の設計能力に基づいて、原料の設計体積流量（Ｆ_ＭＡＸ［ｍ^３／ｓ］）が通過可能な最小径に、設計余裕（たとえば５０％）を見込んで決定する。

垂直シュート１３０の上部管１３０ａの上端内径（Ｄａ［ｍ］）および垂直シュート１３０の原料の体積流量（Ｆ［ｍ^３／ｓ］）の関係を表す実験式として、例えば、非特許文献１（The flow of granular solids through orifices, R. T. FOWLER and J. R. GLASTONRURY, Chemical Engineering Science, 1959, Vol. 10, PP. 150 to 156.）に記載の式を利用することができる。非特許文献１に記載の式は、平板に開いた孔（オリフィス）から原料の粒子が排出される時の原料排出速度式として知られるものである。下記式（４）は、非特許文献１に記載の式を集合シュート１２０から垂直シュート１３０の上部管１３０ａに排出される原料にあてはめたものである。下記式（４）は、非特許文献１に記載の式において、平板に開いた孔（オリフィス）を集合シュート１２０の下端開口（垂直シュート１３０の上部管１３０ａの上端開口）とし、平板に開いた孔（オリフィス）から排出される原料の流量を集合シュート１２０から垂直シュート１３０の上部管１３０ａに排出される原料の体積流量としたものである。

上記式（４）において、Ｆ［ｍ^３／ｓ］は、集合シュート１２０から垂直シュート１３０の上部管１３０ａに排出される原料の最大体積流量（垂直シュート１３０の上端を通過する原料の最大体積流量）である。また、αは、孔（オリフィス）の形状係数であり、孔の形状によって０．２２２〜０．２７０の範囲内の値になり得るが、集合シュート１２０の下端開口は円形の孔であるので、αは０．２２２となる。また、Ａ［ｍ^３］は集合シュート１２０の下端開口の流路断面積（πＤａ^２／４）、ｇ［ｍ／ｓ^２］は重力加速度、Ｄ_ｐ［ｍ］は粒子の直径、Ｄａ［ｍ］は垂直シュート１３０の上部管１３０ａの上端内径である。さらに、λは、原料の粒子の形状係数であり、粒子の形状によって１．００から１．５４の範囲内の値になり得るが、原料装入装置１００における原料の粒子で１．３３となる。

上記式（４）において、Ｆを、当該高炉の設計能力に基づいて決定されるＦ_ＭＡＸ（原料の設計体積流量）に設定した時に求められるＤａの値が、Ｆ_ＭＡＸが通過可能なＤａの最小径となる。実際のＤａの値は、Ｆ_ＭＡＸが通過可能なＤａの最小径に設計余裕（たとえば５０％）を見込んで決定する。

具体的には、Ｄａは３００ｍｍ以上１２００ｍｍ以下であるものが好ましい。これは、３００ｍｍより小さいと原料の粒子（最大粒径８０ｍｍ程度）がアーチを形成して、シュートを閉塞する恐れがあるためである。また、１２００ｍｍより大きいと他の炉頂設備と干渉するためである。より好ましくは、適当な余裕率を考慮して４５０ｍｍ以上であることが望ましい。

ｂ．垂直シュートの上部管の下端内径
垂直シュート１３０の上部管１３０ａの下端内径（Ｄｂ［ｍ］）も、垂直シュート１３０の上部管１３０ａの上端内径（Ｄａ［ｍ］）と同様に、当該高炉の設計能力に基づいて、原料の設計体積流量（Ｆ_ＭＡＸ［ｍ^３／ｓ］）が通過可能な最小径に、設計余裕（たとえば５０％）を見込んで決定する。

原料の設計体積流量（Ｆ_ＭＡＸ［ｍ^３／ｓ］）が通過可能なＤｂの最小値を導出するためには、例えば、運動方程式を利用することができる。下記式（５）は、垂直シュート１３０の上部管１３０ａの上端における原料の粒子の速度が０であり、原料の粒子が垂直シュート１３０の上部管１３０ａの上端から下端まで自由落下すると仮定した場合において、運動方程式を利用して、原料の粒子が上部管１３０ａの下端を通過する時の通過速度を表したものである。下記式（６）は、下記式（５）に基づいて、垂直シュート１３０の上部管１３０ａの下端を通過する原料の最大体積流量を表したものである。

上記式（５）および（６）において、ｖ_１［ｍ／ｓ］は原料の粒子が上部管１３０ａの下端を通過する時の通過速度、ｇ［ｍ／ｓ^２］は重力加速度、Ｌａ［ｍ］は垂直シュート１３０の上部管１３０ａの長さ、Ｆ［ｍ^３／ｓ］は垂直シュート１３０の上部管１３０ａの下端を通過する原料の最大体積流量（垂直シュート１３０の中間部を通過する原料の最大体積流量）、Ｄｂ［ｍ］は垂直シュート１３０の上部管１３０ａの下端内径である。

上記式（６）において、Ｆを、当該高炉の設計能力に基づいて決定されるＦ_ＭＡＸ（原料の設計体積流量）に設定した時に求められるＤｂの値が、Ｆ_ＭＡＸが通過可能なＤｂの最小径となる。実際のＤｂの値は、Ｆ_ＭＡＸが通過可能なＤｂの最小径に設計余裕（たとえば５０％）を見込んで決定する。

具体的には、Ｄｂは３００ｍｍ以上１０００ｍｍ以下であることが好ましく、特に３００ｍｍ以上８００ｍｍ以下であることが好ましい。これは、３００ｍｍより小さいと原料の粒子（最大粒径８０ｍｍ程度）がアーチを形成して、シュートを閉塞する恐れがあるためである。また、炉内旋回シュートの内径がおおむね１０００ｍｍ以下であるため、Ｄｂが１０００ｍｍより大きいと、旋回シュートから原料があふれるおそれがあるためである。特に８００ｍｍより大きいと、旋回シュートから原料があふれるおそれがあるためである。

（２）垂直シュートの長さ
上記垂直シュートの形状は、上記傾斜角度に関する特徴を有するだけではなく、以下の垂直シュートの長さについての制約事項を満足すように決定する。

上記垂直シュートにおいて、ＬａおよびＬｂの合計は、炉頂ホッパー、旋回シュート設備などの炉頂設備の取り合いを考慮し、可能な範囲内で短くなるように設計される。不必要なＬａおよびＬｂの合計の増加は、高炉自体の建設費の増額を招くためである。これらのことを考慮すると、一般的には、ＬａおよびＬｂの合計は２５００ｍｍ以上５０００ｍｍ以下であることが好ましい。

また、Ｌａは、集合シュートから排出された原料が、全量垂直シュート上部の傾斜に衝突するに充分な長さとする必要がある。Ｄａに対してＬａが短いと、集合シュートから排出された原料は、垂直シュート上部の傾斜に衝突することなく落下してしまう。従って、Ｌａは、Ｄａと同等かそれ以上となる。これらのことを考慮すると、一般的には、Ｌａは３００ｍｍ以上２０００ｍｍ以下であることが好ましい。

以上のように、上記垂直シュートにおいて、Ｄａ、Ｄｂ、ＬａおよびＬｂの合計、ならびにＬａの範囲は、上記の本願発明の特徴とは異なる高炉本体の制約条件、または上記の本願発明の特徴に関連する制約条件によって、定められる。そして、Ｄａ、Ｄｂ、Ｌａ、およびＬｂは、後述の垂直シュートの内壁面の傾斜を比較的自由に決定するパラメータとなる。

（３）垂直シュートの内壁面の傾斜
本発明のベルレス高炉の原料装入装置は、上記垂直シュートの形状については、上記傾斜角度に関する特徴を有し、かつ上記制約事項を満足するものであれば、特に限定されるものではないが、以下の垂直シュートの内壁面の傾斜についての特徴を有するものが好ましい。

具体的には、本発明のベルレス高炉の原料装入装置としては、上記垂直シュートが、上部管および下部管を有し、上記集合シュートが、上記垂直シュートの上部管に固定され、上記垂直シュートの上記上部管の上端内径をＤａ［ｍ］、上記垂直シュートの上記上部管の下端内径をＤｂ［ｍ］、上記垂直シュートの上記上部管の長さをＬａ［ｍ］、上記垂直シュートの上記下部管の長さをＬｂ［ｍ］とするとき、下記式（１）〜（３）を満たすものが好ましい。下記式（１）〜（３）を満たすことによって、上記垂直シュートの側面の傾斜角度は、上記集合シュートの上記原料落下面に沿って落下してきた原料が上記側面に衝突した際に上記垂直シュートの下端面の内径の中心を通るような傾斜角度となる。

図３は、図２に示される垂直シュートを拡大して示す概略断面図である。図４は、図３に示される垂直シュートの形状のθ_１／θ_２の変化に伴う変化を示す概略断面図である。図３および図４に示される垂直シュートの拡大断面図を用いて、上記式（１）〜（３）の物理的意味を説明する。

まず、図３に示される垂直シュート１３０の形状と上記式（１）および（２）に示されるθ_１およびθ_２との関係を説明する。図３において、垂直シュート１３０の上部管１３０ａおよび下部管１３０ｂの内径の中心線をＬ１、垂直シュート１３０の上部管１３０ａの内壁面１３０ａａの上端から垂直シュート１３０の下部管１３０ｂの下端面の内径の中心１３０ｅを結ぶ直線をＬ２、垂直シュート１３０の上部管１３０ａの内壁面１３０ａａの延長線をＬ３で示す。図から判るように、上記式（１）で表されるθ_１は、Ｌ１に対するＬ３の勾配である。また、上記式（２）で表されるθ_２は、Ｌ１に対するＬ２の勾配である。さらに、上記式（３）で表されるθ_１／θ_２はθ_２に対するθ_１の比率を意味する。

図４に示すように、θ_１／θ_２＜１のとき、Ｌ１に対するＬ３の勾配（θ_１）がＬ１に対するＬ２の勾配（θ_２）よりも小さくなる。よって、Ｌ３は、垂直シュート１３０の下部管１３０ｂの下端面において、下端面の内径の中心１３０ｅよりもＬ３の始点に近い位置を通過する。θ_１／θ_２＝１のとき、Ｌ１に対するＬ３の勾配（θ_１）がＬ１に対するＬ２の勾配（θ_２）に一致する。よって、Ｌ３は、垂直シュート１３０の下部管１３０ｂの下端面において、下端面の内径の中心１３０ｅを通過する。θ_１／θ_２＞１のとき、Ｌ１に対するＬ３の勾配（θ_１）がＬ１に対するＬ２の勾配（θ_２）よりも大きくなる。よって、Ｌ３は、垂直シュート１３０の下部管１３０ｂの下端面において、下端面の内径の中心１３０ｅよりもＬ３の始点から離れた位置を通過する。

次に、集合シュート１２０から上部管１３０ａに排出された原料の粒子が、垂直シュート１３０の下部管１３０ｂの下端まで落下する時の挙動が、図４に示した垂直シュート１３０の形状変化よって、どのように変化するかを説明する。その上で、垂直シュート１３０の好ましい形状を説明する。以下の説明は、ＤＥＭ（Discrete Element Method：離散要素法）を用いて、集合シュート１２０の原料落下面に落下した原料の粒子が、集合シュート１２０から垂直シュート１３０の上部管１３０ａに排出されて、垂直シュート１３０の下部管１３０ｂの下端まで落下する時の挙動を記述するシミュレーションを行った結果に基づく。なお、ＤＥＭを用いたシミュレーションは、特許文献（特開２０１２−３７９３７号および特許第５４９１３８号）に依拠する。

図５は、垂直シュートの下部管の下端における原料の粒子の径方向の落下頻度分布およびその積算分布をθ_１／θ_２ごとに上記シミュレーションによって導出した一例である。図５において、Ｘ軸の無次元化位置の値は、下部管１３０ｂの内半径（Ｄｂ／２）に対する径方向の中心１３０ｅからの距離の比であって、中心１３０ｅで０、垂直シュート１３０における原料流入側の下部管１３０ｂの内壁面で−１、その対面の下部管１３０ｂの内壁面で＋１である。また、Ｙ軸の落下頻度分布は、垂直シュート１３０の下部管１３０ｂの下端面を原料の粒子が通過する頻度を表した頻度分布である。そして、Ｙ軸の落下頻度の積算分布は、無次元化位置の負側から落下頻度分布を積分したものである。さらに、図５において、原料の粒子の落下頻度が最も大きくなる垂直シュート１３０の下部管１３０ｂの下端の位置（以下、「原料の主流位置」と略す。）が、θ_１／θ_２ごとに点線で示されている。

図６は、θ_１／θ_２による原料の主流位置の変化をＦ／Ｆ_ＭＡＸ（垂直シュートの原料の体積流量の設計体積流量に対する比）ごとに示す図である。図６より、同一流量ではθ_１／θ_２が増加するほど主流位置は垂直シュート１３０における原料流入側に移行する一方、同一のθ_１／θ_２では、流量が増加するほど主流位置は垂直シュート１３０における原料流入側に移行することが判る。

図６に基づいて、原料の主流位置を表す無次元化位置の値が０となるθ_１／θ_２（（θ_１／θ_２）ｏｐｔ）と、Ｆ_ＭＡＸ（垂直シュート１３０の原料の設計体積流量）に対するＦ（垂直シュート１３０の原料の体積流量）の比率（Ｆ／Ｆ_ＭＡＸ）との関係を求めた結果を図７に示す。図７は、Ｆ／Ｆ_ＭＡＸに対する（θ_１／θ_２）ｏｐｔを表すグラフを示す図である。

垂直シュート１３０の通常の使用におけるＦの範囲がＦ_ＭＡＸ以下となる場合には、Ｆ／Ｆ_ＭＡＸ≦１．０となる。このため、図７に示されるように、垂直シュート１３０の通常の使用におけるＦの範囲内において、（θ_１／θ_２）ｏｐｔが取り得る範囲は０．６以上となる。

また、θ_１／θ_２＝１．０である場合には、上述の通り、Ｌ３が垂直シュート１３０の下部管１３０ｂの下端面において下端面の内径の中心１３０ｅを通過するため、Ｆの値、すなわち、Ｆ／Ｆ_ＭＡＸの値にかかわらず、原料の偏心抑制効果は、過剰となる。よって、Ｆ／Ｆ_ＭＡＸの値にかかわらず、原則として、θ_１／θ_２はθ_１／θ_２≦１．０となる必要がある。そして、垂直シュート１３０の通常の使用におけるＦの下限での原料の偏心抑制効果を考慮すれば、θ_１／θ_２はθ_１／θ_２≦０．８５となる必要がある。このため、図７に示されるように、垂直シュート１３０の通常の使用におけるＦの範囲内において、（θ_１／θ_２）ｏｐｔが取り得る範囲は０．８５以下となる。

したがって、図３に示される垂直シュート１３０の通常の使用におけるＦの範囲内において、（θ_１／θ_２）ｏｐｔが取り得る範囲は０．６以上０．８５以下となる。このため、図３に示される垂直シュート１３０において、０．６≦θ_１／θ_２≦０．８５となる場合には、垂直シュート１３０の通常の使用におけるＦの範囲内のいずれかにおいて、必ず、原料の主流位置を表す値を０とすることができ、原料の主流位置を垂直シュート１３０の下部管１３０ｂの下端面の内径の中心１３０ｅにすることができる。つまり、原料の流束への偏心抑制効果を最適にすることができる。したがって、図３に示される垂直シュート１３０は上記式（１）〜（３）を満たすものが好ましい。

なお、図３に示される垂直シュート１３０を実際に設計する場合には、図７に示されるグラフにおいて、最も使用頻度の高いＦ（垂直シュート１３０の原料の体積流量）における（θ_１／θ_２）ｏｐｔの値を求めて、その値に基づいてＬ１に対するＬ３の勾配（θ_１）を設定すればよい。

以上のことから、上記垂直シュートは、図３に示される垂直シュート１３０のように、上記式（１）〜（３）を満たすものが好ましい。上記垂直シュートの通常の使用におけるいずれかの原料流量において、必ず、原料の流束への偏心抑制効果を最適にすることができるからである。

そして、上記垂直シュートにおいて、θ_１は、上記式（１）〜（３）を満たすものであれば、特に限定されるものではないが、０°≦θ_１≦４５°を満たすものが好ましく、特に、０°≦θ_１≦３０°を満たすものが好ましい。これは、垂直シュートの内壁面の傾斜が大きく、垂直シュートの内壁面が水平に近づくと、垂直シュート上に原料が堆積し、意図した効果が発揮できなくなるためである。

２．集合シュート
本発明における集合シュートは、上記集合シュートの原料落下面が、水平面に対して、安息角よりも小さい角度で、上記集合シュートの下端開口部に近づくにつれて下がるように傾斜し、上記垂直シュートの固定されているものである。ここで、「安息角」とは、原料の粒子を積み上げたときに自発的に崩れ始める斜面の角度のことを意味する。

上記集合シュートの原料落下面が、上述の通り、水平面に対して安息角よりも小さい角度で傾斜していることによって、上記集合シュートの原料落下面には、落下した原料の粒子を安息角が形成されるまで積み上げることができる。これにより、上記集合シュートの原料落下面に直接原料が落下することを少なくして、上記集合シュートの原料落下面が削られることを回避することができる。

上記集合シュートは、特に限定されるものではないが、上記集合シュートの原料落下面が、原料の流れを変えない程度の平滑性を有しているものが好ましい。集合シュート内の原料の蓄積量を増加させることを好適に回避することができるからである。ここで、「原料の流れを変えない程度の平滑性」とは、上記集合シュートの原料落下面に落下した原料を分流させて流れを変える凸部または凹部が、上記集合シュートの原料落下面に形成されていないことを意味する。このため、上記集合シュートの原料落下面には、上記集合シュートの原料落下面に落下した原料を分流させて流れを変えることがない程度に小さい凸部または凹部が形成されていても構わない。上記集合シュートの原料落下面に形成される凸部または凹部としては、例えば、セルフライニング（self lining）のための凸部または凹部を挙げることができる。セルフライニング（self lining）のための凸部または凹部が上記集合シュートの原料落下面に形成される場合には、上記集合シュートの原料落下面に落下した原料の粒子が、その凸部または凹部によって、上記原料落下面に溜まり易くなる。これにより、上記集合シュートの原料落下面に直接原料が落下することを少なくして、上記集合シュートの原料落下面が削られることを回避することができる。

上記集合シュートの原料落下面が水平面に対して傾斜する角度は、原料の安息角よりも小さい角度であれば、特に限定されるものではないが、具体的には、０°以上３０°以下であればよく、特に、１５°以上２５°以下であることが好ましい。これは、原料の安息角以下の傾斜とすることでセルフライニングの効果を好適に発揮させるためである。

３．旋回シュートおよび炉頂ホッパー
本発明における旋回シュートおよび炉頂ホッパーは、通常用いられるものであれば、特に限定されるものではない。

Ｂ．ベルレス高炉の原料装入装置の設計方法
本発明のベルレス高炉の原料装入装置の設計方法は、上記原料装入装置を設計するベルレス高炉の原料装入装置の設計方法であって、上記垂直シュートは、上部管および下部管を有し、上記集合シュートは、上記垂直シュートの上部管に固定され、上記垂直シュートは、上記垂直シュートの上記上部管の上端内径をＤａ［ｍ］、上記垂直シュートの上記上部管の下端内径をＤｂ［ｍ］、上記垂直シュートの上記上部管の長さをＬａ［ｍ］、上記垂直シュートの上記下部管の長さをＬｂ［ｍ］とするとき、下記式（１）〜（３）を満たすように設計されることを特徴とするものである。

本発明によれば、最も使用頻度の高い上記垂直シュートの原料の体積流量における（θ_１／θ_２）ｏｐｔの値を求めて、その値に基づいて、上記垂直シュートの上記上部管の側面の勾配（θ_１）を設定することができる。これにより、最も使用頻度の高い上記垂直シュートの原料の体積流量において、上記垂直シュートの形状を工夫することのみによって、原料の流束が偏心することを抑制することができ、上述した原料の流束への偏心抑制効果を最適にすることができる。また、上記垂直シュートの通常の使用におけるいずれかの原料流量において、必ず、原料の流束への偏心抑制効果を最適にする上記原料装入装置を設計することができる。

Ｃ．ベルレス高炉の原料装入装置の製造方法
本発明のベルレス高炉の原料装入装置の製造方法は、上記設計方法を用いた設計工程を有することを特徴とするものである。

本発明によれば、上記垂直シュートの通常の使用におけるいずれかの原料流量において、必ず、原料の流束への偏心抑制効果を最適にする上記原料装入装置を製造することができる。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

以下、実施例および比較例を用いて、本発明をさらに具体的に説明する。

［実施例１］
実施例１のベルレス高炉の原料装入装置は、図２に示される原料装入装置において、集合シュート１２０および垂直シュート１３０の形状を以下のようにしたものである。
（集合シュートの形状）
集合シュートの原料落下面が水平面に対して傾斜する角度を安息角よりも小さい角度にした。
（垂直シュートの形状）
・ＤａおよびＤｂの値として、「Ａ．ベルレス高炉の原料装入装置１．垂直シュート（１）垂直シュートの内径」の項目に記載の制約事項を満たすような値を適宜選択した。
・ＬａおよびＬｂの値として、Ａ．ベルレス高炉の原料装入装置１．垂直シュート（２）垂直シュートの長さ」の項目に記載の制約事項を満たすような値を適宜選択した。
・このように適宜選択したＤａおよびＤｂの値ならびにＬａおよびＬｂの値から、θ_１／θ_２を計算したところ、θ_１／θ_２＝０．７２３（０．６≦θ_１／θ_２≦０．８５）となった。

［比較例１］
比較例１のベルレス高炉の原料装入装置は、図２に示される原料装入装置において、垂直シュート１３０の形状を以下のようにしたものである点を除いて、実施例１と同一のものである。
（垂直シュートの形状）
・ＤａおよびＤｂの値として、「Ａ．ベルレス高炉の原料装入装置１．垂直シュート（１）垂直シュートの内径」の項目に記載の制約事項を満たすような値を適宜選択した。
・ＬａおよびＬｂの値として、Ａ．ベルレス高炉の原料装入装置１．垂直シュート（２）垂直シュートの長さ」の項目に記載の制約事項を満たすような値を適宜選択した。
・このように適宜選択したＤａおよびＤｂの値ならびにＬａおよびＬｂの値から、θ_１／θ_２を計算したところ、θ_１／θ_２＝０．２９０（θ_１／θ_２＜０．６）となった。

［比較例２］
比較例２のベルレス高炉の原料装入装置は、図２に示される原料装入装置において、垂直シュート１３０の形状を以下のようにしたものである点を除いて、実施例１と同一のものである。
（垂直シュートの形状）
・ＤａおよびＤｂの値として、「Ａ．ベルレス高炉の原料装入装置１．垂直シュート（１）垂直シュートの内径」の項目に記載の制約事項を満たすような値を適宜選択した。
・ＬａおよびＬｂの値として、Ａ．ベルレス高炉の原料装入装置１．垂直シュート（２）垂直シュートの長さ」の項目に記載の制約事項を満たすような値を適宜選択した。
・このように適宜選択したＤａおよびＤｂの値ならびにＬａおよびＬｂの値から、θ_１／θ_２を計算したところ、θ_１／θ_２＝０．００（θ_１／θ_２＜０．６）となった。

［評価］
実施例１、比較例１、および比較例２の原料装入装置について、ＤＥＭ（Discrete Element Method：離散要素法）を用いて、集合シュート１２０の原料落下面１２０ａに落下した原料の粒子が、図３に示される垂直シュート１３０の上部管１３０ａに排出され、垂直シュート１３０の下部管１３０ｂの下端まで落下する時の挙動を記述するシミュレーションを行った。具体的には、下記のシミュレーション評価条件によって、自製ＤＥＭを使用して、シミュレーションを行った。
＜シミュレーション評価条件＞
・原料の粒子の形状＝球形
・原料の粒子のサイズ＝平均粒径１０ｍｍ
・原料の粒子の見かけ密度＝３５００ｋｇ／ｍ^３
・ｇ（重力加速度）＝９．８ｍ／ｓ^２

図８は、実施例１、比較例１、および比較例２の原料装入装置について、ＤＥＭを用いたシミュレーションを行って、集合シュートの原料落下面に落下した原料の粒子が落下する時の挙動を記述した画像を示した図である。図８においては、左側から順に、比較例１、比較例２、および実施例１の画像が示されている。そして、実施例１、比較例１、および比較例２の画像のそれぞれにおいて、上側の画像が、集合シュート１２０および垂直シュート１３０の側面側から観察された挙動を示したものであり、下側の画像が、垂直シュート１３０の下部管１３０ｂの下端の各位置における原料の粒子の落下量を示したものである。下側の画像において、各位置は、原料の粒子の落下量が小さいほど黒に近く、大きいほど白に近い色で示されている。

図８に示した画像から、比較例１の原料装入装置においては、原料の主流位置が下端面の内径の中心１３０ｅよりも右側になり、原料の流束が偏心していることが分かる。これに対して単に径を縮小するだけでは、比較例２の画像に示すように、原料の主流位置が下端面の内径の中心１３０ｅよりもなお右側になり、原料の流束への偏心抑制効果が不足していることが分かる。さらに、比較例２の原料装入装置においては、原料の粒子が集合シュート１２０の下端開口（垂直シュート１３０の上部管１３０ａの上端開口）を閉塞する傾向も見られる。一方、実施例１の原料装入装置においては、原料の主流位置が垂直シュート１３０の下部管１３０ｂの下端面の内径の中心１３０ｅ付近になり、原料の流束への偏心抑制効果が最適となっていることが分かる。

１００・・・ベルレス高炉の原料装入装置、１１０・・・炉頂ホッパー、１２０・・・集合シュート、１３０・・・垂直シュート、１４０・・・旋回シュート

Claims

炉頂ホッパー下に上から順に連設された集合シュート、垂直シュート、および旋回シュートを有するベルレス高炉の原料装入装置であって、
前記集合シュートの原料落下面は、水平面に対して、安息角よりも小さい角度で、前記集合シュートの下端開口部に近づくにつれて下がるように傾斜し、
前記集合シュートは、前記垂直シュートに固定され、
前記垂直シュートの側面は、前記集合シュートの前記原料落下面に沿って落下してきた原料が前記側面に衝突した際に前記垂直シュートの下端面の内径の中心を通るような傾斜角度に形成されていることを特徴とするベルレス高炉の原料装入装置。
前記集合シュートの原料落下面は、原料の流れを変えない程度の平滑性を有してい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装置。
前記垂直シュートは、上部管および下部管を有し、
前記集合シュートは、前記垂直シュートの上部管に固定され、
前記垂直シュートの前記上部管の上端内径をＤａ［ｍ］、前記垂直シュートの前記上部管の下端内径をＤｂ［ｍ］、前記垂直シュートの前記上部管の長さをＬａ［ｍ］、前記垂直シュートの前記下部管の長さをＬｂ［ｍ］とするとき、下記式（１）〜（３）を満たすことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のベルレス高炉の原料装入装置。
請求項１に記載の原料装入装置を設計するベルレス高炉の原料装入装置の設計方法であって、
前記垂直シュートは、上部管および下部管を有し、
前記集合シュートは、前記垂直シュートの上部管に固定され、
前記垂直シュートは、前記垂直シュートの前記上部管の上端内径をＤａ［ｍ］、前記垂直シュートの前記上部管の下端内径をＤｂ［ｍ］、前記垂直シュートの前記上部管の長さをＬａ［ｍ］、前記垂直シュートの前記下部管の長さをＬｂ［ｍ］とするとき、下記式（１）〜（３）を満たすように設計されることを特徴とするベルレス高炉の原料装入装置の設計方法。
請求項４に記載の設計方法を用いた設計工程を有することを特徴とするベルレス高炉の原料装入装置の製造方法。