JP3835041B2 - 高炉原料装入方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高炉における原料の装入方法に関する。特にベルレス式装入装置における装入用の旋回シュートを、炉中心部から炉壁へ向けて傾動角を変更しながら原料を装入する際の高炉原料装入に適用する。
【０００２】
【従来の技術】
高炉では、炉の上方から原料である鉱石およびコークスが交互に装入されて炉内に層状に充填され、炉の下方から吹き込まれる熱風によってコークスが燃焼されて発生する高温還元性ガスが炉内に充填され、原料の間隙を上昇しながら原料の昇温と鉱石の還元をすることで銑鉄（溶銑）を製造している。
【０００３】
炉内に充填された原料は、コークスが燃焼され、鉱石が還元、溶融されて消費されるため、炉頂の装入物表面は下方へ降下し、その分炉頂から新たに鉱石とコークスを交互に装入して炉内の原料を常時ほぼ一定の高さに維持しながら、連続的に銑鉄を生産する。
この交互に炉頂へ装入し、鉱石あるいはコークスの層をなす一層分の装入をチャージと呼ぶ。各チャージで装入する鉱石とコークスの量はそれぞれ所定の量となるように制御するが、鉱石とコークスの量比を変更することで鉱石を還元溶融するために燃焼するコークスの量を変更することができ、銑鉄生産量あたりの消費熱量を制御することができる。
【０００４】
高炉の生産性を上げるためには、上記した炉内の上昇ガス流量を適切な状態に維持し、炉内の原料の消費を炉内の半径方向、円周方向で適切な状態に保って、原料の降下を連続的にすることが必要である。
高炉は軸対称形状であるので、一般的に炉内の上昇ガス流量分布も軸対称となり、半径方向では炉中心部で多く、炉壁側へ行くほどガス流が少なくなる炉内ガス流量分布を形成することで、安定な原料の降下がおこなわれる。ただし、この炉壁近傍でのガス流量が少なくなりすぎると、原料中の揮発成分などを主成分とする付着物が比較的低温である炉壁へ付着、成長し、これが炉内の原料の降下を妨げる現象が発生するため、上記した炉中心部で多く、炉壁側へ行くほどガス流量が少なくなる炉内ガス流分布に加えて、炉壁には付着物の成長を防止する程度のガス流量を維持することが重要とされている。
【０００５】
特開平9-53106 号公報では、炉壁近傍での熱収支から炉壁付着物厚みを推定して、炉壁近傍のガス流を算定すると共に、この算定したガス流が設定範囲となるように装入物分布を制御する方法が開示されている。これは炉壁近傍のガス流を炉内全体のガス流分布とは別個に制御しようとする技術である。
炉内のガス流量は、原料の通気抵抗に応じて分配されるので、原料粒径が小さく通気抵抗が大きい部分ではガス流量も少なく、原料粒径が大きく通気抵抗が小さい部分ではガス流量が多くなる。一般的に、高炉原料のなかで鉱石は粒径が小さく、コークスは粒径を大きくしているので、炉内で形成される鉱石とコークスの層の厚みをそれぞれＬ_O 、Ｌ_C とするとその層厚比Ｌ_O ／Ｌ_C が大きい場所では通気抵抗が大きく、小さい場所では通気抵抗が小さくなる。
【０００６】
従って、上記のような炉内ガス流量分布を得るためには、高炉の半径方向での鉱石とコークスの層厚比Ｌ_O ／Ｌ_C を適当に制御する必要がある。そこで、高炉の原料装入装置として、旋回シュートを介して原料を炉頂へ供給する設備が使用されている。
これは、１チャージの鉱石あるいはコークスを、旋回シュートを旋回させながら炉頂へ装入する設備であり、旋回シュートの高炉中心軸からの角度（傾動角）を変更することにより原料の炉半径方向での着地位置を変更することができる。
【０００７】
従って、鉱石とコークスの装入時における旋回シュートの傾動角を変更することで炉半径方向での鉱石とコークスの層厚を変更し、炉半径方向での層厚比Ｌ_O ／Ｌ_C の分布を変更することができる。
この旋回シュートを利用した高炉の原料装入方法において、従来、旋回シュートの傾動角を大きい角度から小さい角度へ変更する、つまり、炉壁側から炉中心側へと原料の装入を行っていくいわゆる順傾動装入が一般的であった。
【０００８】
しかし、最近、傾動角を小さい角度から大きい角度へ変更する、つまり炉中心側から炉壁側へ原料の装入を行う逆傾動装入が行われる様になってきている。
逆傾動装入は、原料装入中に旋回シュートの先端を持ち上げる方向へ動かす必要があることから、設備的により堅牢な構成を必要とするため、従来は使用されていなかった。
【０００９】
ところが、逆傾動装入は、高炉炉頂へ装入される原料が炉中心から積み上げられることになるため、炉頂ですり鉢状に形成される装入物表面に対してすり鉢の底から順次原料を積み上げる方式となり、装入された原料が装入物表面のすり鉢の底へ流れ込む現象を回避する事が可能であり、前記のような装入物の炉半径方向における層厚比Ｌ_O ／Ｌ_C の制御をより精密に行うことができるという利点がある。
【００１０】
ただし、この逆傾動装入では、炉中心から炉中間部での装入物の堆積形状を安定して炉半径方向の層厚比Ｌ_O ／Ｌ_C を形成するには好適であるが、前記した炉壁近傍での原料の層厚を安定とするにはあまり効果的でない。
旋回シュートを使用した原料装入方法の場合、装入ホッパから原料を少しずつ排出して、それを旋回シュートの所定の傾動角で炉頂装入物表面上に堆積させるという操作を行う。
【００１１】
図２に示す旋回シュート２を用いるベルレス高炉において、鉱石層３とコークス層４の厚さの比である層厚比Ｌ_O ／Ｌ_C の分布は、装入中の旋回シュート２の傾動角θの変化パターン（傾動パターン）によって制御される。
通常は、表１に示すように、旋回シュートのそれぞれの傾動角θに順に番号を付けておき、その番号の傾動角θで何旋回して装入するかで、旋回シュートの傾動パターンを表現する。
【００１２】
【表１】

【００１３】
ここで、従来から行われている原料装入における旋回シュートの傾動パターンの一例を図３（ｂ）に示す。
ここでは、鉱石、コークス共にそれぞれ１チャージの装入が14旋回で完了する場合を例として示しており、旋回シュートの傾動方向は逆傾動で最後に炉壁近傍への装入が行われる。つまり、コークスの場合、傾動角No. の８番での１旋回を初めとして、続いて７番で１旋回され、次に、６番から１番まで順次２旋回づつして装入が完了する。
【００１４】
また、鉱石チャージでは、傾動角No. の７番での１旋回を初めとして、続いて６番で１旋回され、次に、５番で２旋回、４番から２番で３旋回、最後に１番で１旋回して装入を完了している。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、装入ホッパからの原料の排出速度は原料の水分、粒径などの変動によって大きく変動するものであり、例えば、14旋回で原料を装入するように装入ホッパの排出ゲートの開度を設定していても、13旋回で原料が排出完了してしまう場合（コークスの場合について、図３（ａ）参照）や、排出完了に15旋回までかかる場合（コークスの場合について、図３（ｃ）参照）など、旋回数がまちまちとなることがある。このように最後の旋回が１旋回増減するだけで、炉壁近傍の層厚比Ｌ_O ／Ｌ_C は大きく変動することになる。ここで、このように原料の排出が完了することを荷切れといい、上記のように原料の排出完了時点での旋回数が変動することを荷切れ精度が悪いという。
【００１６】
順傾動装入の場合は、初期に炉壁近傍へ原料を装入して原料装入完了時点では炉中心部への装入を行うことになるので、荷切れ精度が多少悪くても炉壁部分の原料の層厚は比較的一定に維持されるが、逆傾動装入の場合には原料装入末期に炉壁近傍への原料装入が行われるため、荷切れ精度が悪いと炉壁部に原料が充分に装入できない場合や炉壁部に原料を多く装入しすぎてしまう場合が生じて、炉壁部における層厚比Ｌ_O ／Ｌ_C を安定に保つことができないのである。
【００１７】
炉壁部での層厚比Ｌ_O ／Ｌ_C を制御することを目的とした高炉装入物分布制御技術としては、実開昭60-4453 号公報に、炉口部の原料装入面高さに上下方向に移動可能なリングを設置し、そのリングの高さによって炉壁部の層厚比Ｌ_O ／Ｌ_C を制御する装置が考案されている。
しかし、現実には数百度の炉内ガス温度に曝されながら、原料と常に接触する条件となり、摩耗に耐えることのできる適切な材料がなく、また、200kPa以上の炉頂圧力下で、ガスシールを完全にしてリングを上下させることが必要であり、そのような駆動装置の設置は非常に高価なものになってしまうという問題があった。
【００１８】
本発明は、上記のような逆傾動装入を行うにあたり問題となる炉壁近傍での層厚比Ｌ_O ／Ｌ_C の制御を容易にし、炉壁近傍でのガス流量を安定にすることで、安定した高炉操業を実現することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、逆傾動装入にあたって装入原料の排出速度が変動すること等によって炉壁近傍への原料の装入量が変動してしまうことから生じる炉壁近傍での層厚比Ｌ_O ／Ｌ_C の変動を解消する方法を鋭意追求し、初めて本発明を見出したのである。
【００２０】
具体的には、上記の変動を解消するために、１チャージで装入する原料を２バッチ以上に分けて装入するようにし、その最終バッチよりも前のバッチでは炉中心部から炉中間部での原料層厚が適正になるように装入し、最終バッチの量を、分割したバッチのうち最小量として炉壁近傍へ適当な旋回数で装入することで、炉壁近傍での鉱石またはコークスの層厚を所定の厚みとなるように確実に装入することを可能としたのである。
【００２１】
すなわち、本発明は、高炉内へ原料を装入する旋回シュートを旋回させつつ旋回シュートの傾動角を炉中心部から炉壁に向かい変更しながら原料を装入する高炉原料装入方法において、原料である鉱石および／またはコークスの装入における１チャージ分の装入量を２バッチ以上に分割し、分割したバッチのうち最小量のバッチの原料を最終バッチとして炉壁近傍に装入するようにしたことを特徴とする高炉原料装入方法によって上記課題を解決したのである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明の高炉原料装入方法の好適な実施の形態について、図１に基づき説明する。
図１では、装入するコークスの１チャージを10：４に分割し、それぞれＣ₁ 、Ｃ₂ として装入する場合について示している。ここでは、説明を簡単にするため、鉱石チャージは分割しないが、コークスチャージと同様にして分割装入するようにしてもよい。
【００２３】
ここでは、分割したコークスバッチにおいて、Ｃ₁ では10旋回、Ｃ₂ では８旋回で装入を行うことにする。各コークスバッチの装入を行う旋回数は任意であるが、最終バッチの１旋回で装入する量は他のバッチの１旋回で装入する量よりも少ない方がより好適である。
以上のようにしてコークスを装入した場合の旋回シュートの傾動パターンを図１（ｂ）に示す。
【００２４】
本発明の高炉原料装入方法の場合、図１の（ａ）と（ｃ）に示すように、Ｃ₂ の旋回数に誤差が発生し、最後の旋回が１旋回増減したとしても、その変動は従来に較べてはるかに小さくなっていることが分かる。
つまり、本発明によって、逆傾動装入における炉壁部の層厚比Ｌ_O ／Ｌ_C の変動を最小限に抑制することが可能となったのである。
【００２５】
ここで、炉壁付着物の制御を、他の領域への影響を最小限として行うためには、炉壁からの距離として炉口径の10〜20％の範囲で制御することが必要であり、これは断面積比にして19〜36％に相当し、Ｃ₂ の重量比もこの範囲とすることが好ましい。
特に、コークスのチャージを分割して最終バッチとしてコークスを炉壁近傍へ装入すると、炉壁近傍での通気性を安定させるのにより効果的である。また鉱石とコークスの両方を２バッチ以上に分割し、各チャージの最小量のバッチで炉壁近傍へ装入すると炉壁近傍での層厚比Ｌ_O ／Ｌ_C を一定に保つに極めて効果がある。
【００２６】
ここで、最終バッチを装入する炉壁近傍とは炉口部の原料の装入面において、炉中心から炉壁までの半径を１としたときに、炉中心から0.8 から１までの範囲を指すものとする。
この範囲の原料の層厚を所定の値に確保することで、炉壁部の炉内ガス流量を安定にすることができ、炉壁部での付着物の過度な成長、あるいは、炉壁の損傷を抑えることができるのである。
【００２７】
また、上記実施の形態ではコークスチャージに本発明を適用した例を説明したが、鉱石チャージを分割したバッチの内で最小量のバッチを最終バッチとして炉壁近傍へ装入することで炉壁近傍の鉱石層厚Ｌ_O の変動が小さくなり、炉壁部の層厚比Ｌ_O ／Ｌ_C の変動を小さくできることはいうまでもない。
本発明を用いることで、炉壁近傍での鉱石層厚Ｌ_O あるいはコークス層厚Ｌ_C を安定に制御することができるため、炉中心部から炉中間部の堆積形状を変化させることなく、炉壁近傍のＬ_O ／Ｌ_C を制御して炉壁近傍のガス流量を制御することができる。図４はコークスチャージをＣ₁ 、Ｃ₂ の２バッチに分割し、Ｃ₂ バッチを炉壁近傍へ装入した例である。ここでＣ₁ バッチは、炉直径断面で見てＭ字型の堆積形状を形成するように旋回シュートの傾動パターンを設定している。図４の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は同じ旋回シュートの傾動パターンを用いながら、Ｃ₂ バッチの量を（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の順に多くした様子を示している。このようにするとＣ₁ で形成する炉中心部、炉中間部の堆積形状は変わらないが、Ｃ₂ バッチで形成される炉壁近傍のコークスの堆積形状は大きく変化する。その結果旋回シュートの傾動パターンを変えずに炉壁近傍のＬ_O ／Ｌ_C を制御することができ、炉壁近傍のガス流量を炉中間部、炉中心部とは独立に制御することができる。
【００２８】
【実施例】
実施例として、内容積5153ｍ³ の高炉において本発明を適用した場合と、従来例とを示す。
図５は、高炉シャフト部ガスサンプラー測定結果から日毎の、炉壁、中心、中間、それぞれのガス流量比を推定し三角ダイヤグラム上にプロットした結果を示したものであり、●は本発明を適用した場合の結果であり、△は従来例の結果について示したものである。ここで、本発明例では、図１で説明したようにコークスチャージを２バッチに分割して装入している。従来例は、図３で説明したようにチャージを分割せずに挿入しており、いずれも逆傾動装入を行っている。
【００２９】
三角ダイヤグラムとは、高炉の炉断面を中心（center）と中間（middle）と炉壁部（wall）の３領域に面積が等しくなるように分割した時の、各分割部内のガス流バランスを指数化して表したものである。特に高炉横断面の中心部、中間部、炉壁部のガス流の割合を三角ダイヤグラム上にプロットし、このプロットの位置の変化によりガス流分布の変化を評価、制御する目的で用いられる。
【００３０】
このような三角ダイヤグラムにおいて、炉壁の付着物厚さを適切に制御する範囲の炉壁ガス流量は37％前後であることが知られており、その値の近傍の領域に対し、従来例（△）では荷切れ精度の問題から安定した炉壁流を得ることができていない。また、従来法では、炉頂トータルでのガス利用率や通気性などに応じて旋回シュートの傾動パターンを変更すると、炉壁近傍の層厚比Ｌ_O ／Ｌ_C も変化してしまっていた。
【００３１】
一方、本発明例（●）では、旋回シュートの傾動パターンとは独立に、炉壁近傍の層厚比Ｌ_O ／Ｌ_C を変更することが可能であるため、炉壁近傍のガス流量は、ほぼ一定に保たれており、37％前後の値となっている。
炉壁ガス利用率とは、炉壁近傍でサンプリングした炉内ガス中のＣＯガス濃度（体積％）とＣＯ₂ ガス濃度（体積％）を測定して、次式で求めた値である。
【００３２】
ＣＯ₂ ガス濃度／（ＣＯガス濃度＋ＣＯ₂ ガス濃度）
同様に炉頂ガスの組成から求めた数値を全体のガス利用率と呼ぶ。全体のガス利用率が大きいほど燃料が鉱石の還元に有効に利用されていることを示し、コークス比が低減できる。
次に、図６に炉壁ガス利用率とコークス比の関係を示す。
【００３３】
従来例（△）では、炉壁ガス利用率の変動が大きいうえに、旋回シュートの傾動パターンを変更して炉壁ガス利用率を低下させると、中間部のガス利用率も低下させてしまうため、コークス比が大きく上昇してしまう傾向が見られた。
一方、本発明例（●）では、炉壁ガス利用率の変動は小さくなり、さらに他の領域と独立に制御することが可能なため、他の領域ではガス利用率向上だけを目的に分布制御を行うことができ、その結果、全体のガス利用率は向上して燃料比を低減することができた。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、逆傾動装入時に問題となる、荷切れ精度に起因する炉壁近傍のガス流の変動を最小限に抑制でき、さらに炉壁近傍のガス流の強度を他領域とは独立に制御することができることから、炉壁への付着物の厚さを適正な厚さに維持したままガス利用率を向上させることが可能となり、燃料比を低減することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の高炉原料装入方法における旋回シュートの傾動パターンを説明する説明図である。
【図２】旋回シュートの傾動角θで原料を装入する様子を示す高炉の模式断面図である。
【図３】従来の高炉原料装入方法における旋回シュートの傾動パターンを説明する説明図である。
【図４】本発明の高炉原料装入方法によるコークス層と鉱石層の様子を説明する高炉の模式断面図である。
【図５】本発明例と従来例を対比した三角ダイアグラム法によるグラフである。
【図６】本発明例と従来例を対比して炉壁部ガス利用率とコークス比の関係を示したグラフである。
【符号の説明】
１ 炉壁
２ 旋回シュート
３ 鉱石（層）
４ コークス（層）

Claims (1)

1. 高炉内へ原料を装入する旋回シュートを旋回させ、かつ、旋回シュートの傾動角を炉中心部から炉壁に向かい変更しながら原料を高炉内へ装入する高炉原料装入方法において、原料である鉱石および／またはコークスの１チャージ分の装入量を２バッチ以上に分割し、分割したバッチのうち最小量のバッチの原料を最終バッチとして炉壁近傍に装入するようにしたことを特徴とする高炉原料装入方法。

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